(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンジュレータを挟んで共振するレーザ光の光軸に対して平行に供給される電子ビームをレーザ光と同軸に重ねて作用させる自由電子レーザ共振器において、アンジュレータを挟んで対向する共振器ミラーを格納するミラーチャンバーの一方に電子ビームを導入する真空ダクトを接続し電子ビームがミラーチャンバー内を通過して供給されるようにし、前記電子ビームが供給されるミラーチャンバーを挟んで極性の異なる１対の偏向磁石を備え、電子ビームの軌跡を平行移動して光軸に合わせることを特徴とする自由電子レーザ共振器。
【請求項２】
アンジュレータを挟んで共振するレーザ光の光軸に対して平行に供給される電子ビームをレーザ光と同軸に重ねて作用させる自由電子レーザ共振器において、アンジュレータを挟んで対向する共振器ミラーを格納するミラーチャンバーの一方に電子ビームを導入する真空ダクトを接続し電子ビームがミラーチャンバー内を通過して供給されるようにし、前記電子ビームが供給されるミラーチャンバーとアンジュレータの間に極性の異なる１対の偏向磁石を備え、電子ビームの軌跡を平行移動して光軸に合わせることを特徴とする自由電子レーザ共振器。
【請求項３】
前記ミラーチャンバーのもう一方にビームダンパと繋ぐ真空ダクトを接続し電子ビームが該ミラーチャンバー内を通過して排出されることを特徴とする請求項１または２記載の自由電子レーザ共振器。
【請求項４】
前記共振器ミラーの一部に電子ビームを通す空間を有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の自由電子レーザ共振器。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の自由電子レーザ共振器を備えた自由電子レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自由電子レーザ装置に用いられるレーザ共振器に関し、特に線形加速器を用いた自由電子レーザ共振器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自由電子レーザ装置、特に線形加速器を用いたレーザ装置は、紫外域から遠赤外域までのレーザを発生することができ、多くの施設において物理、化学、医学等様々な分野について利用研究が行われてきている。自由電子レーザ装置のレーザの立ち上がりは、ビームの質で左右される利得と共振ミラー間距離すなわち共振器長によって決定され、利得が大きく共振器長が短いほど早く立ち上がり、長いレーザ発振時間が得られるので、利用可能な時間が増加する。したがって、共振器長はできるだけ短くすることが好ましい。
【０００３】
ところで、図７に概略配置図で示す従来の自由電子レーザ装置は、電子銃から発射される電子を主加速器で相対論的に加速して偏向電磁石によりアンジュレータに導き、ここで周期的な磁場により蛇行させて横方向の速度成分を与え、共振ミラーの間で往復する光のビームと重畳させて相互作用を誘起しコヒーレントな自由電子レーザを発生する。
【０００４】
図示した従来装置では、共振ミラーを格納するチャンバーとアンジュレータの間に偏向電磁石を設けて、電子ビームを偏向させてレーザビーム軸に重ね、またビームダンパーに排出していた。
このため、偏向電磁石をミラー間に挿入しなければならない上、偏向電磁石に繋がる電子ビーム用真空ダクトと共振ミラー用チャンバーがぶつからないように配置しなければならず、共振ミラー間距離には制約があった。
【０００５】
また、電子ビーム用チャンバーとミラーチャンバーが衝突しないようにするため電子ビームの入射軸をレーザ光軸と十分離さなければならない。従来両軸間の距離を２０ｃｍ以下にすることは極めて困難であった。
さらに、偏向電磁石位置における電子ビーム軌跡の曲率が大きく、特にビームエネルギー調整時などには電子ビームがチャンバー壁に衝突して放射線が発生するので、厚い遮蔽壁を準備しなければならない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、自由電子レーザ装置の共振ミラー間距離をより短くしてレーザの立ち上がりを速くし、また放射線の発生を少なくして放射線遮蔽の負担をより小さくした自由電子レーザ共振器を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明のアンジュレータを挟んで共振するレーザ光の光軸に対して平行に供給される電子ビームをレーザ光と同軸に重ねて作用させる自由電子レーザ共振器は、アンジュレータを挟んで対向する共振器ミラーを格納するミラーチャンバーの一方に電子ビームを導入する真空ダクトを接続し電子ビームがミラーチャンバー内を通過して供給されるようにしたことを特徴とする。
【０００８】
本発明の自由電子レーザ共振器は、アンジュレータに供給する電子ビームの軌道が共振ミーラ間を共振するレーザのための真空ダクト中を通り電子ビーム用の真空ダクトと共用するため、２本の真空ダクトの衝突を考慮する必要がなく、レーザ光軸と電子ビーム軸を極めて近くすることができ、たとえば１０ｃｍ以下に近付けることも容易である。また両方の軸が近いため、大きな偏向磁石をミラーの間に挟む必要がない。したがって、共振ミラー用チャンバー間の距離は従来より大幅に短くすることができる。
また、電子ビーム軌道の曲率が小さいため、ビームエネルギーを調整する場合にも電子がチャンバーに衝突して発生する放射線は減少するので、より簡易な装置で放射線遮蔽ができる。
【０００９】
また、本発明の自由電子レーザ共振器は、アンジュレータの下流側にあるミラーチャンバーにビームダンパと繋ぐ真空ダクトを接続し、電子ビームがそのミラーチャンバー内を通過して排出されるようにしてもよい。
アンジュレータを通過した後の電子ビームはビームダンパ中に廃棄されるが、ここでも電子ビーム軌道が大きく偏向しないようにすることにより、ミラーチャンバーをよりアンジュレータに近付けることが可能となり、共振器長がより短くなる。
【００１０】
なお、電子を供給する電子ビーム軸と光ビームの軸がずれている場合に、これを一致させるため極性の異なる１対の偏向磁石を設ける必要があるが、一方の磁石をミラーチャンバーの上流に他方の磁石を下流に配設しても良く、またミラーチャンバーとアンジュレータの間に１対の偏向磁石を共に配設しても良い。
本発明の自由電子レーザ共振器に用いる偏向磁石は、電子ビームの偏向量が小さいので、従来と比較すると弱い磁場を発生する小型のもので十分であるから、僅かな空間があれば設置が可能で、偏向磁石を介在させても共振器長は十分短くすることができる。
【００１１】
また、共振器ミラーの一部に電子ビームを通す空間を設けても良い。
この空間は切り欠きでも孔でも良く、この空間に電子ビームを通すことにより電子ビーム軌道を光軸により近付けるため、共振器ミラー間距離をさらに短くすることができる。
【００１２】
なお、共振器ミラーの中心に電子ビームを通す空間を有し、この空間を通して電子ビームをレーザ光と同軸に共振器に導入するようにしてもよい。
このように電子ビームと光軸が一致するように構成すれば、電子ビームを偏向する必要が無く、電子ビーム軌道は偏向磁石を使わず電子銃から共振器まで一直線に配置することができる。したがって共振器長が短くなる。さらに、電子ビームの偏向位置における放射線の発生が無く、ビームダンパー周辺における放射線のみを考慮した簡単な放射線遮蔽機構で十分になる利点がある。
【００１３】
また、自由電子レーザを取り出すための反射ミラーを備え、この反射ミラーの中心に電子ビームを通す空間を有するようにすると、ビームダンパーも直線上に配置することができるため、自由電子レーザ装置の構造が極めて単純になり、製作および設置におけるコストを低減することができる。
【００１４】
なお、本発明の自由電子レーザ装置は、上記のいずれかの自由電子レーザ共振器を備えることを特徴とする。
上記のような共振器ミラーの間隔が短く電子ビームの偏向が小さい共振器を用いて構成した自由電子レーザ装置は、レーザの立ち上がりが速く直ちに目的のレーザを発生させることができレーザ光利用可能時間が長くなるため使用効率がよい。また、装置全体の長さが短くなり装置の小型化ができる上、放射線遮蔽機構が簡易になるので装置コストが低下する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の詳細を実施例に基づいて説明する。
図１は本発明の自由電子レーザ共振器の第１の実施例を用いた自由電子レーザ発生装置を示す構成図、図２は第１実施例の別の態様を示す自由電子レーザ発生装置の構成図、図３は本実施例に用いる共振器ミラーの１例を示す正面図、図４はその別の例を示す正面図、図５はその使用状態の断面図である。図６は本発明の自由電子レーザ共振器の第２の実施例を用いた自由電子レーザ発生装置を示す構成図である。
【００１６】
【実施例１】
本実施例の自由電子レーザ共振器は、図１に見られるように、電子銃１、主加速器２、第１の偏向磁石３、第１の共振器ミラー４を収納した第１のミラーチャンバー５、第２の偏向磁石６、アンジュレータ７、第３の偏向磁石８、第２の共振器ミラー９を収納した第２のミラーチャンバー１０、およびビームダンパー１１から構成され、これらは真空ダクトで連結されている。
【００１７】
第１共振器ミラー４と第２共振器ミラーはアンジュレータ７を挟んで対向し、アンジュレータ中で発生したシンクロトロン光を反射して共振させる。なお、レーザ光の取り出しは、ブリュスタープレートを用いたブリュスターカップリングによっても、第２共振器ミラー９の中心部に設けた小さな孔から取り出すホールカップリングによっても良い。
【００１８】
第１偏向磁石３と第２偏向磁石６は互いに反対方向の同じ強さの磁場を発生するように調整され、電子銃１から放射され主加速器２で相対論的速度まで加速された電子ビームを偏向させて第１ミラーチャンバー５を通過させた後、共振器内の共振光と同軸にして、アンジュレータ７内で光ビームと電子ビーム間の相互作用を誘起してレーザ光の増幅を行わせる。
アンジュレータ７を通過した電子ビームは第３偏向磁石８で偏向されてビームダンパー１１に廃棄される。
【００１９】
本実施例の自由電子レーザ共振器は、電子ビームがミラーチャンバー４の中を通るため、主加速器２における電子ビームの軸とアンジュレータ７における光軸の間の距離が極めて近く、電子ビームを共振光の光軸に一致させるために偏向させる角度を極く小さくすることができる。
したがって第１ミラーチャンバー４とアンジュレータ７との間に従来と比較すると十分小型化された第２偏向磁石６を挿入すればよく、また電子ビームを偏向磁石まで搬送する真空ダクトは第１ミラーチャンバー４とアンジュレータ７を連結する光用真空ダクトと共用するので別の電子用真空ダクトがいらない。
【００２０】
このため、第１ミラーチャンバー４とアンジュレータ７の間の距離が短くなり、共振器長が大幅に短縮できる。レーザの立ち上がりが速くなりレーザ発振時間が長くなるので、レーザ利用時間が増加する。
また、第１偏向磁石３と第２偏向磁石６の位置における電子ビームの偏向量が小さいため、装置を立ち上げる時やビームエネルギーを変更する時などにも電子ビームが真空ダクトの壁に当たって発生する放射線の量が少ない。したがって、この周辺における放射線遮蔽装置がより簡易になり経済的である。
【００２１】
図２に示した自由電子レーザ共振器は、図１のものと異なる位置に偏向磁石を配置したことが主な相違点であるので、同じ機能を有する要素に同じ参照番号を付して説明を簡単にする。
本態様の自由電子レーザ共振器は、電子銃１、主加速器２、第１共振器ミラー４を収納した第１ミラーチャンバー５、第１偏向磁石１２、第２偏向磁石１３、アンジュレータ７、第３偏向磁石１４、第４偏向磁石１５、第２共振器ミラー９を収納した第２ミラーチャンバー１０、およびビームダンパー１１から構成され、これらは真空ダクトで連結されている。
【００２２】
主加速器２から供給される電子ビームは、第１ミラーチャンバー５に直接導入され第１共振器ミラー４の脇を通過した後、第１偏向磁石１２と第２偏向磁石１３によって軌道を平行移動してアンジュレータ７内を共振する光の軸と合致して、光ビームとの相互作用を誘起してレーザ光の増幅を行わせる。  アンジュレータ７を通過した電子ビームは第３偏向磁石１４と第４偏向磁石１５で偏向されてビームダンパー１１に廃棄される。
第１偏向磁石１２と第２偏向磁石１３、および第３偏向磁石１４と第４偏向磁石１５はそれぞれ対になっていて、互いに磁極の向きが反対で磁束密度が等しくなるように調整されている。
【００２３】
電子ビーム軸と光軸の距離が小さければ、対にした偏向磁石は小型で十分なのでアンジュレータ７の前後に密接して設置することができる。対の磁石を密接して設置したときは両者の間の調整が容易になり、また装置全体の構成が簡易になる利点がある。
【００２４】
なお、電子ビームが通過するミラーチャンバー５、１０に収納した共振器ミラーの一部に電子ビームを通す空間を設けることにより、アンジュレータ７中の光軸と主加速器２から注入する電子ビームの軸をもっと近付けることができる。
図３は共振器ミラー１６の周辺部を一部切り欠き部１７を形成して電子ビーム１８を通すようにしたものを示すものである。
【００２５】
また、図４は共振器ミラー１９の内部にビーム通過用の穴２０を開けて電子ビームを通すようにしたものを示した正面図であり、図５はこの共振器ミラー１９で反射する光ビーム２１とビーム通過用穴２０から注入される電子ビーム２２との関係を示す断面図である。光ビームは共振器ミラーの広い範囲を用いて反射するため、共振器ミラーの一部に小さな穴が存在しても共振を維持することが可能である。
光ビーム２１の軸と電子ビーム２２の軸はミラー中心とビーム通過用穴の中心との距離に等しく、十分に近い。
【００２６】
このような共振器ミラーを用いることにより、電子ビームの軌道を変更するための磁場はさらに弱くて良くなり、偏向磁石はさらに小型化し、調整時などにおける放射線発生もさらに抑制できる。
なお、特に切り欠き部を有する共振器ミラーは、ビームエネルギーを変化させてレーザの帯域を広くする場合に有用である。例えば電子ビームのエネルギーを高くしていくと偏向角が小さくなるので、電子ビーム軸を光軸に近付けていく必要があるが、対向する共振器ミラーを平行移動させて光軸を電子ビーム入射軸に近付けることができる。
【００２７】
【実施例２】
本発明第２実施例の自由電子レーザ共振器は、ミラーチャンバー内に設置される共振器ミラーの中心に電子ビームを通す孔を設け、この孔を通して電子ビームをレーザ光と同軸に共振器に導入するようにしたものである。
図６は、本実施例の自由電子レーザ共振器の構成を示す図面である。図中、図１と同じ機能を有する要素には同じ参照番号を付して説明を簡単にする。
【００２８】
本実施例の自由電子レーザ共振器は、電子銃１、主加速器２、第１共振器ミラー４を収納した第１ミラーチャンバー５、アンジュレータ７、第２共振器ミラー９とレーザ取り出しミラー２３を収納した第２ミラーチャンバー１０、およびビームダンパー１１から構成され、これらは真空ダクトで連結されている。
主加速器２から供給される電子ビームの軸はアンジュレータ７内で共振している光の軸と同軸になるように配置されている。第１共振器ミラー４の中心に直径１．５ｍｍ程度の電子ビーム通過用穴が開けられていて、電子ビームはその穴から直接に共振器に注入されて共振光と作用しレーザ光を増幅する。
【００２９】
また、第２共振器ミラーの中心にも電子ビーム通過用穴が開けられていて、アンジュレータ７を通過した電子ビームがそのままビームダンパー１１に廃棄される。
アンジュレータ７の部分で生成された自由電子レーザは例えばブリュースタープレートなど反射鏡２３により系外に取り出して利用する。なお、反射鏡２３にも電子ビームを通過させる穴を設けて反射鏡２３が電子ビームにより破損しないようになっている。
【００３０】
このように電子ビームと光軸が一致するように構成すれば、電子ビームを偏向する必要が無く、電子ビーム軌道は偏向磁石を使わず電子銃から共振器まで一直線に配置することができ、部品点数が減少し共振器長が短くなる。さらに、自由電子レーザ装置の中間における放射線の発生が無いため、ビームダンパー周辺における放射線のみを考慮した簡単な放射線遮蔽機構で十分になる利点がある。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明の自由電子レーザ共振器を用いれば、共振ミラー間距離がより短くなるので、レーザの立ち上がりが速い自由電子レーザ装置を得ることができ、しかも放射線の発生が少なく放射線遮蔽の負担が軽くより安全で経済的な自由電子レーザ装置を得ることができるので、より広い分野に自由電子レーザを応用することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の自由電子レーザ共振器の第１の実施例を用いた自由電子レーザ発生装置を示す構成図である。
【図２】第１実施例の別の態様を示す自由電子レーザ発生装置の構成図である。
【図３】本実施例に用いる共振器ミラーの１例を示す正面図である。
【図４】本実施例に用いる共振器ミラーの別の例を示す正面図である。
【図５】図４の共振器ミラーを用いる状態を示す断面図である。
【図６】本発明の自由電子レーザ共振器の第２の実施例を用いた自由電子レーザ発生装置を示す構成図である。
【図７】従来の自由電子レーザ発生装置を示す概略配置図である。
【符号の説明】
１  電子銃
２  主加速器
３、６、８  偏向磁石
４、９  共振器ミラー
５、１０  ミラーチャンバー
７  アンジュレータ
１１  ビームダンパー
１２、１３、１４，１５  偏向磁石
１６、１９  共振器ミラー
１７  切り欠き部
１８  電子ビーム
２０  ビーム通過用穴
２１  光ビーム
２２  電子ビーム
２３  レーザ取り出しミラー
【図１】
0004017235.tif 000002
【図２】
0004017235.tif 000003
【図３】
0004017235.tif 000004
【図４】
0004017235.tif 000005
【図５】
0004017235.tif 000006
【図６】
0004017235.tif 000007
【図７】
0004017235.tif 000008