(57)【要約】【課題】  電子ビームを広周波数帯域に変調することができ、変換効率が高く、小型化、低コスト化ができる電子ビームの変調方法及び装置を提供する。【解決手段】  真空中において、電子源より発生した直線状の電子ビーム１を、波長程度の大きさに収束した、電磁波ビーム４を横切るように通し、電磁波ビームの電界または磁界によって、電子ビームの速度を電磁波の周波数にて変調する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空中において、電子源より発生した直線状の電子ビームを、電磁波ビームを横切るように通過させ、電磁波ビームの電界によって、電子ビームの速度を変調する、ことを特徴とする電子ビームの変調方法。
【請求項２】
前記電磁波ビームに定在波の電磁波ビームを用い、これにより速度変調の効率を高める、ことを特徴とする請求項１に記載の電子ビームの変調方法。
【請求項３】
前記電磁波ビームを収束して、電磁波ビームの直径を電磁波の波長以下とし、これにより速度変調の効率を高める、ことを特徴とする請求項１に記載の電子ビームの変調方法。
【請求項４】
前記電磁波ビームの収束に円筒レンズを用い、その焦点に平板状の電磁波ビームを発生させ、これにより速度変調の効率を高める、ことを特徴とする請求項３に記載の電子ビームの変調方法。
【請求項５】
前記電磁波ビームとして短パルスレーザーを用い、これにより電子ビームに短パルス変調を行う、ことを特徴とする請求項１に記載の電子ビームの変調方法。
【請求項６】
電磁波ビームを発生する電磁波ビーム発生装置と、
真空中において電磁波ビームを横切って直線状の電子ビームが通過するように電磁波ビームを所定の交叉位置に位置決めする位置決め装置と、を備え、
電磁波ビームの電界によって電子ビームの速度を変調する、ことを特徴とする電子ビームの変調装置。
【請求項７】
前記電磁波ビームは、レーザー光、マイクロ波、ミリ波、テラヘルツ光、赤外線、または紫外線レーザーである、ことを特徴とする請求項６に記載の電子ビームの変調装置。
【請求項８】
電子顕微鏡または自由電子レーザーに組み込まれる、ことを特徴とする請求項６に記載の電子ビームの変調装置。
【請求項９】
前記電磁波ビーム発生装置は、レーザー光を発生するレーザー装置であり、
前記位置決め装置は、前記レーザー光を強度の等しい２つのレーザー光に分け、それぞれを所定の交叉位置に対向して集光させる光学系である、ことを特徴とする請求項６に記載の電子ビームの変調装置。
【請求項１０】
前記電磁波ビーム発生装置は、レーザー光を発生するレーザー装置であり、
前記位置決め装置は、所定の交叉位置を焦点位置とする１対のシリンドリカルレンズと、平面反射鏡とを有し、
レーザー光を第１のシリンドリカルレンズを通して焦点を結び、第２のシリンドリカルレンズによって平行光線とし、これを反射鏡によって１８０度反射し、ふたたび焦点に戻すことで定在波を発生する、ことを特徴とする請求項６に記載の電子ビームの変調装置。
【請求項１１】
前記電磁波ビーム発生装置は、レーザー光を発生するレーザー装置であり、
前記位置決め装置は、所定の交叉位置を焦点位置とする１対のシリンドリカルレンズと、ファブリペロー共振器を形成する１対の凹面鏡とを有し、
第１の凹面鏡を通ったレーザー光を第１のシリンドリカルレンズを通して焦点を結び、第２のシリンドリカルレンズによって平行光線とし、これを第２の凹面鏡によって１８０度反射し、ふたたび焦点に戻すことで定在波を発生させ、
かつ共振現象を利用して、レーザー装置から得られるレーザー光の電力を共振器に蓄積する、ことを特徴とする請求項６に記載の電子ビームの変調装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子ビームを広周波数帯域に変調する電子ビームの変調方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子ビームに速度変調を行い、これを利用する従来技術として、電子管が知られている。たとえば電子管の一例としてクライストロンでは、電気の良導体である金属等を用いて、空胴共振器を形成し、これに外部の信号源から高周波電力を導入し、電子の進行方向に高周波の電界を発生させ、電子が空胴共振器を通過するときに、電子を周期的に加速または減速させることで速度変調を行っている。
【０００３】
また、電子管の一種である進行波管では、らせん状の電極に高周波電力を供給し、電子の進行方向に電界を発生させることで、電子に速度変調を行っている。
【０００４】
また、周期磁場を用いるアンジュレータ装置の中で、軸方向に導入した電磁波ビームによって速度変調を行う方法が、赤外線から可視光の領域で実用化され、しばしば自由電子レーザーの種光（Ｓｅｅｄｉｎｇ  Ｌａｓｅｒ）として用いられてきた。
【０００５】
さらに、ミリ波またはマイクロ波帯域内の任意の周波数で変調された電子ビームを発生する装置として、特許文献１の電磁波発生装置が開示されている。
【０００６】
この電磁波発生装置は、図８に示すように、Ｎ型半導体材料より成るコレクタ５１の表面に針状の陰極チップ５１ａを形成し、これを囲むように開口５３ａが形成されたゲート電極５３を設け、コレクタの他方の表面にはＰ型半導体材料より成るベース５４を形成し、このベースの表面にＮ＋型半導体材料より成るエミッタ５５を形成する。ベース電極５６とエミッタ電極５７との間に高周波電源５８を接続すると共にコレクタ５１とゲート電極５３との間に直流電源５９を接続することにより高周波で変調された電子ビームが高出力かつ高効率で陰極チップ５１ａから放射される。この電子ビームを高周波回路と相互作用させることによりミリ波またはマイクロ波帯域の電磁波を発生させるものである。
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−０３５３５３号公報、「電界放射陰極およびそれを用いる電磁波発生装置」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述したクライストロンや進行波管では、１ＴＨｚ以上の高い周波数になると、空胴共振器やらせん電極の断面寸法が極端に小さくなり、実用的な強度の電子ビームを通過させることができない問題がある。
【０００９】
また、アンジュレータ装置の中で、軸方向に導入した電磁波ビームによって速度変調を行う手段では、アンジュレータ装置の中で電子と電磁波ビームの相互作用が、電子の横方向の振動速度と電磁波の横電界のエネルギー交換で行われるために変換効率が低いという問題があること、また電磁波の周波数と電子のエネルギーの共鳴関係を満足させる必要があり、電子のエネルギーを精度良く制御する必要があった。
【００１０】
また、特許文献１の方法では、半導体の動作速度に制限があるため、１ＴＨｚ以上の高い周波数の変調を行うことはできない問題がある。
【００１１】
本発明は上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、電子ビームを広周波数帯域に変調することができ、変換効率が高く、小型化、低コスト化ができる電子ビームの変調方法及び装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明によれば、真空中において、電子源より発生した直線状の電子ビームを、電磁波ビームを横切るように通過させ、電磁波ビームの電界によって、電子ビームの速度を変調する、ことを特徴とする電子ビームの変調方法が提供される。
【００１３】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記電磁波ビームに定在波の電磁波ビームを用い、これにより速度変調の効率を高める。
【００１４】
また前記電磁波ビームを収束して、電磁波ビームの直径を電磁波の波長以下とし、これにより速度変調の効率を高める。
【００１５】
また前記電磁波ビームの収束に円筒レンズを用い、その焦点に平板状の電磁波ビームを発生させ、これにより速度変調の効率を高める。
【００１６】
また前記電磁波ビームとして短パルスレーザーを用い、これにより電子ビームに短パルス変調を行う、ことが好ましい。
【００１７】
また本発明によれば、電磁波ビームを発生する電磁波ビーム発生装置と、
真空中において電磁波ビームを横切って直線状の電子ビームが通過するように電磁波ビームを所定の交叉位置に位置決めする位置決め装置と、を備え、
電磁波ビームの電界によって電子ビームの速度を変調する、ことを特徴とする電子ビームの変調装置が提供される。
【００１８】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記電磁波ビームは、レーザー光、マイクロ波、ミリ波、テラヘルツ光、赤外線、または紫外線レーザーである。
【００１９】
この電子ビームの変調装置は、電子顕微鏡または自由電子レーザーに組み込まれる、ことが好ましい。
【００２０】
また前記電磁波ビーム発生装置は、レーザー光を発生するレーザー装置であり、
前記位置決め装置は、前記レーザー光を強度の等しい２つのレーザー光に分け、それぞれを所定の交叉位置に対向して集光させる光学系である。
【００２１】
また前記電磁波ビーム発生装置は、レーザー光を発生するレーザー装置であり、
前記位置決め装置は、所定の交叉位置を焦点位置とする１対のシリンドリカルレンズと、平面反射鏡とを有し、
レーザー光を第１のシリンドリカルレンズを通して焦点を結び、第２のシリンドリカルレンズによって平行光線とし、これを反射鏡によって１８０度反射し、ふたたび焦点に戻すことで定在波を発生する。
【００２２】
また前記電磁波ビーム発生装置は、レーザー光を発生するレーザー装置であり、
前記位置決め装置は、所定の交叉位置を焦点位置とする１対のシリンドリカルレンズと、ファブリペロー共振器を形成する１対の凹面鏡とを有し、
第１の凹面鏡を通ったレーザー光を第１のシリンドリカルレンズを通して焦点を結び、第２のシリンドリカルレンズによって平行光線とし、これを第２の凹面鏡によって１８０度反射し、ふたたび焦点に戻すことで定在波を発生させ、
かつ共振現象を利用して、レーザー装置から得られるレーザー光の電力を共振器に蓄積する。
【発明の効果】
【００２３】
上記本発明の方法及び装置によれば、真空中において、電子源より発生した直線状の電子ビームを、電磁波ビームを横切るように通過させることで、電磁波ビームの電界によって電子ビームの速度を変調するので、簡便な装置によって、広い周波数帯域に渡って、電子ビームに速度変調を効率よく付与することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。
【００２５】
図１は本発明の第１実施形態の構成図である。この例では、電磁波ビームとしてレーザービームすなわちレーザー光を想定しているが、これをマイクロ波、ミリ波、テラヘルツ光、さらに赤外線や紫外線レーザーに置き換えても同じ原理で動作する。
【００２６】
レーザー装置３から発生したレーザー光４を半透過鏡５を用いて強度の等しい２つのレーザー光に分け、それぞれを反射鏡６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅを用いて図１のようにシリンドリカルレンズ  ７ａ，７ｂへ誘導する。それぞれのシリンドリカルレンズ７ａ，７ｂの焦点距離は等しく、かつ両者の焦点を焦点位置８に一致させるように配置する。ここへ電子ビーム１を通過させる。なお便宜的に座標軸を図１に示すように定義する。すなわち電子ビームの進行方向にＺ軸、レーザー光の焦点での進行方向にＹ軸、両者に直角な方向にＸ軸をとる。
【００２７】
図２は、図１のＺＹ断面図であり、レーザー光が焦点に作る定在波を示す図である。この図において、（Ａ）は電界が最大となる位相での定在波、（Ｂ）は磁界が最大となる位相での定在波を示している。
図１のレーザー光４の偏光を、電界の向きがＺ軸方向となる向きにとると、レーザー光の焦点８において、電界はＺ軸方向、磁界はＸ軸方向となる。レーザー光の焦点８では、Ｙ軸の正方向とその逆方向に進む２つの進行波が重なりあって、図２（Ａ）（Ｂ）に示すような定在波を作る。
【００２８】
電界が最大となる時刻（ｔ＝０，±Ｔ／２，±３Ｔ／２，，，）では、図２（Ａ）に示すように、電界強度が半波長の周期をもつ定在波が形成される。電界が最大となる電界位置（定在波の腹）は  Ｙ＝０，±λ／２，±３ λ／２，，，である。
一方、電界最大の時刻から位相が９０度ずれた時刻（ｔ＝±Ｔ／４，±３Ｔ／４，，，）には、磁界が最大となり、図２（Ｂ）に示すように、磁界強度が半波長の周期をもつ定在波が形成される。磁界が最大となる磁界位置（定在波の腹）はＹ＝±λ／４，±３λ／４，，，であり、電界最大の位置とλ／４だけずれている。
【００２９】
ここにＺ軸方向に走行する電子ビームを通過させる。電界最大の位置付近を通過する電子は、電界によって周期的に加速または減速されて、電子の運動エネルギーが周期的に変調される。
【００３０】
一方、磁界最大の位置付近を通過する電子は、磁界によるローレンツ力を受けて、軌道がＹ方向に曲げられるが、この角度は非常に小さく、変調特性に影響しないため、無視できる。
【００３１】
図３に、電界によって速度変調を受けた電子ビームが、自由空間を走行したのち、速度変調による速度のずれによって、電子密度の変調を生じる様子を示す。
ところで、定在波の腹ごとに電界の向きが逆符号となっていたので、図３に示すように、電子は交互のちどり位置に集群する。集群した電子群を電子管理論にならって、電子バンチと呼ぶ。ビームに垂直な面を単位時間当たりに通過する電荷量、すなわち電流値は、電子バンチが通過するごとに高い値をとる。この電流波形は、変調前の電子ビームの直流成分に交流成分を重ね合わせたものになる。その周波数は、変調に用いたレーザーの周波数のちょうど２倍となる。すなわち、式（１）が成り立つ。またこれに相当する真空中での波長は、式（２）で与えられる。
【００３２】
【数１】
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【００３３】
【数２】
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【００３４】
つぎに、電子が受ける変調量を具体的に算出する。シリンドリカルレンズによって焦点に形成される電場分布を、ガウシアンビームを仮定すると、式（３）のように与えられる。
【００３５】
【数３】
2007053036.tif 000005
【００３６】
Ｚ軸に沿って速度ｖ＝ｃβ・・・（３ａ）にて走る電子がレーザー光の定在波から受けるエネルギー変調量は式（４）にて与えられる。
【００３７】
【数４】
2007053036.tif 000006
【００３８】
ここで、焦点付近での電子のエネルギー変調に興味があるため、波面の曲率に起因する位相項は小さいので無視した。
式（４）の中にある項Ｃが、変調度を支配的に決定しており、電子管の理論におけるＴｒａｎｓｉｔ  Ｔｉｍｅ  Ｆａｃｔｏｒまたは結合係数に相当する。ここでは、結合係数：Ｃｃｏｕｐｌｅと呼ぶ。すなわち、式（５）を定義する。ここで、電子の速度は光速に近いとものと仮定した。
【００３９】
【数５】
2007053036.tif 000007
【００４０】
図４は、結合係数のレーザー光のビームサイズに対する変化を示す式（５）の図である。レーザー光のＺ方向の広がりσＺが大きくなると、レーザー電界の変調効果が小さくなり、見えなくなることがわかる。有意な変調を得るには、次の条件式（６）が必要となる。すなわち、レーザー光を極めて小さく収束する必要がある。
【００４１】
【数６】
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【００４２】
図５は、収束レンズ系とビームサイズの関係を示す図である。この図において、Ｄはレンズ開口、ｆは焦点距離、２θは開口角、２σＺはビームサイズである。
レーザー光をその波長程度の断面寸法に収束することは、工業的にしばしば使用され、実用化されている。例えば、ＣＤ読み取り器のピックアップ部には、半導体レーザーの光を、近接した短焦点のレンズによって、１μｍ程度に収束する光学系が使用されている。
【００４３】
短焦点レンズによって、平行なレーザー光を収束する場合の、回折限界によるビームサイズと、レンズのＮＡナンバーとの関係は、回折理論によって、式（７ａ）〜（７ｃ）のように与えられる。
【００４４】
【数７】
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【００４５】
前述したように、有意な結合係数０．１以上を得るには、レーザー光のサイズを数式６のように、レーザーの半波長以下に収束しなくてはならない。式（７ａ）〜（７ｃ）により、これを得るには、収束レンズにＮＡ＞０．６が要求される。ＮＡ＞０．６のシリンドリカルレンズは実用化されている。
【００４６】
焦点距離は任意に選択可能であるが、入射すべきレーザー光のサイズは、式（８）にしたがわなくてはならない。
【００４７】
【数８】
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【００４８】
レーザー光の出力エネルギーと焦点での電界強度の関係は式（９）にて与えられる。
【００４９】
【数９】
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【００５０】
具体的な数値例として、ＹＡＧレーザーの第２高調波を用いた例を表１に示す。この例に示した、レーザー装置の性能は一般的なものであり、購入可能な装置である。
【００５１】
【表１】
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【００５２】
詳しい理論解析によって、得られた変調が電子ビームの熱運動や、空間電荷効果によって緩和され消失しない条件として、電子ビームのエネルギーが相対論的な領域となっている必要があることがわかっている。具体的には、ビーム電流が１Ａのビームに対して、ビームエネルギーが１０ＭｅＶ以上あれば、与えられた変調が消失することなく、長距離を輸送可能なことがわかっている。
【００５３】
ビームエネルギー１０ＭｅＶに対して、変調エネルギー１６ｅＶは相対的に極めて小さいが、シュケイン磁場を通すことで、有意な密度変調に変換される。実現可能なシュケイン磁場のパラメータとして、Ｒ５６マトリック値をＲ５６＝５０ｍｍとすると、レーザー変調に伴うＺ方向の電子のずれは、式（１０）にて与えられる。
【００５４】
【数１０】
2007053036.tif 000013
【００５５】
式１０より具体的に、ΔＺ＝８０ｎｍとなる。これはレーザー波長の半波長程度であり、速度と位置の位相空間にて９０度以上の回転を意味し、速度変調がシュケイン磁場によって十分に高い密度変調に変換されることを意味する。これを、後段の自由電子レーザーに入射することで、シーディングを行うことができる。
【００５６】
（第２実施形態）
図６は第２実施形態の構成図である。図１と異なり、レーザー光を２本に分割する代わりに、この形態では、レーザー光をシリンドリカルレンズ７ａを通して焦点８を結び、もうひとつのシリンドリカルレンズ７ｂによって平行光線とし、これを反射鏡１５によって１８０度反射し、ふたたび焦点に戻すことで定在波を発生する。ここに電子ビーム１を通過させることで、実施の形態１と同じように電子ビームに変調を与えることができる。この方式は、光学素子の数が少なく、アライメントも容易であるというメリットがあるが、レーザー光４のコヒーレント長が、光学系を通る光路長よりも十分長い必要がある。
【００５７】
（第３実施形態）
図７は第３実施形態の構成図である。２つの凹面鏡１６，１７によってファブリペロー共振器１８を形成し、共振現象を利用して、レーザー装置３から得られるレーザー光４の電力を共振器に蓄積し、共振器内部を往復するレーザー光の電力を大きくすることができ、最終的に、焦点により大きな電界を発生し、効率よく電子ビームに変調を与えることができる。内部に蓄えられるレーザー光の電力は、入力カプラー１６の反射率によって制御可能であり、反射率を大きくしてゆくと、内部の電力は高くなるが、その上限は光学素子のロスによって制限される。一般に、１００倍程度の増倍率（入力レーザー光電力に対する内部電力の比）は容易に得られる。この方法は、低電力の連続動作のレーザー装置を使用することが可能であり、パルスレーザーを用いる場合に比べて安定な動作が可能である。
【００５８】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の第１実施形態の構成図である。
【図２】図１のレーザー光が焦点に作る定在波を示す図である。
【図３】本発明の定在波電界によって変調を受けた電子ビームを示す図である。
【図４】結合係数のレーザー光のビームサイズに対する変化を示す図である。
【図５】収束レンズ系とビームサイズの関係を示す図である。
【図６】本発明の第２実施形態の構成図である。
【図７】本発明の第３実施形態の構成図である。
【図８】特許文献１の電磁波発生装置の構成図である。
【符号の説明】
【００６０】
１  電子ビーム
２  変調を受けた電子ビーム
３  レーザー装置
４  レーザー光
５  半透過鏡
６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅ  ４５度反射鏡
７ａ，７ｂ  シリンドリカルレンズ
８  レーザー光の焦点
９ａ，９ｂ  レーザー進行波
１０  レーザー光定在波の電界
１１  レーザー光定在波の磁界
１２  電子軌道
１３  磁界で曲げられた電子軌道
１４  集群した電子バンチ
１５  反射鏡
１６  入力カプラー
１７  凹面鏡
１８  ファブリペロー共振器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2007053036.tif 000019
【図７】
2007053036.tif 000020
【図８】
2007053036.tif 000021