(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光蓄積リング型高輝度光発生装置の環状光共振器ミラーにおいて、電子ビームを外から打ち込むために電子軌道面にスリットを設けるとともに、円筒座標（ｒ，ｚ）で記述し、ρは電子軌道半径、ｚ軸は環状ミラーの軸方向の高さ、ｒはｚに於けるミラー半径を与え、Ｒは電子軌道面（ｚ＝０）におけるミラー半径、Ｒ0 は、
Ｒ0 ＝Ｒｓｉｎ2θ、 ｃｏｓθ＝ρ／Ｒ
で与えられる焦点距離であるとした時、前記環状共振器ミラーの断面形状は
ｒ＝ρ2 ／Ｒ＋√（Ｒ02 −ｚ2 ）
であるような円弧状、もしくは
ｒ＝Ｒ−ｚ2 ／( ４Ｒ0 ）
であるような放物線状であることを特徴とする光蓄積リング用環状光共振器ミラー。
【請求項２】
光蓄積リング型高輝度光発生装置の環状光共振器ミラーにおいて、電子ビームを外から打ち込むために電子軌道面にスリットを設けるとともに、前記環状光共振器ミラーが、その光軸を電子の軌道面からはずしたものであることを特徴とする光蓄積リング用環状光共振器ミラー。
【請求項３】
請求項２に記載の環状光共振器ミラーにおいて、その断面形状を円筒座標（ｒ，ｚ）で記述した時、
ｒ＝Ｒ−ｚ2 ／４Ｒ0 −｜ｚ｜ｔａｎ（α）
で与えたことを特徴とする環状光共振器ミラー。ここにαはミラー面の傾き、ｚ軸は環状ミラーの軸方向の高さ、ｒはｚに於けるミラー半径を与え、Ｒは電子軌道面に於けるミラーの半径、Ｒ0 はＲ0 ＝Ｒｓｉｎ2 θ、ｃｏｓθ＝ρ／Ｒであたえられる焦点距離である。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の環状光共振器ミラーにおいて、光を光共振器ミラーから取り出し、かつその光量を調整する機構を有することを特徴とする環状光共振器ミラー。
【請求項５】
請求項４に記載の環状光共振器ミラーにおいて、光量を調整して取り出す前記機構が、ミラーをスリットから挿入してその位置を調整する機構であることを特徴とする環状光共振器ミラー。
【請求項６】
請求項４の環状光共振器ミラーにおいて、光量を調整して取り出す前記機構が、導波管をスリットから挿入してその位置を調整する機構を有することを特徴とする環状光共振器ミラー。
【請求項７】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の環状光共振器ミラーにおいて、前記スリットから放射する光を、光共振器から出た後で集光して取り出す機構を有することを特徴とする環状光共振器ミラー。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高輝度光発生装置あるいはレーザー発振装置に関するものであり、特に、超高輝度光源として開発が進められている光蓄積リング用の環状光共振器ミラーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超高輝度遠赤外線光源用の光蓄積リングはすでに本発明者等により出願され公知となっている（特公平７−７７１５９号公報参照）。
また、上記光蓄積リングを使用した高輝度光発生装置の構成についても、本発明者等が学会等において多数発表している（参考文献：1.H.Yamada.Japanese J.Appl.Phys,28(9)(1989)L1665:2.H.Yamada,Nucl.Instrum.Methods in Phys.Res,A304(1991)700-702:3.K.Mima,K.Shimoda,and H.Yamada,IEEE Journal of Quantum Electrnics,QE-27(12)(1991)2572-2579:4.H.Tsutsui,H.Yamada,K.Mima,and K.Shimoda,Nucl.Instrum.Methods.Phys.Res,A331(1993)395-400:5.H.Yamada,Nucl.Instrum.Methods in Phys.Res,B79(1993)762-766:6.H.Yamada,H.Tsutsui,K.Shimoda and K.Mima,Nucl.Instrum.Methods in Phys.Res,A331(1993)566-571:7. 山田廣成、霜田光一, 応用物理，65(1) (1996)41-4）。
上記従来の光蓄積リングでは、環状電子軌道を取り囲んで発生する放射光を蓄積するとともに電子と放射光を相互作用させるための環状光共振器ミラーに、円筒型のものを使用している。また環状光共振器ミラーには、電子ビームを外から打ち込んだり、あるいは光ビームを取り出すためにミラーの中央部、即ち電子軌道面と交わる部分にスリットを設けている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしこのような円筒型環状ミラーの場合、その中央部で電磁場のエネルギーが最大になるとともに、スリットを開けることにより、電磁場のモードがくずれ、電子と放射光の相互作用に不具合が生じるため、スリットを余り大きくすることはできない。
【０００４】
そこで、本発明は前述の不都合を避けるために、環状光共振器ミラーの断面形状を特別な形状にするとともに、環状光共振器ミラーの周囲に外から容易に電子ビームを打ち込むことができる所定長さ、所定幅からなるスリットを設け、これにより電磁場のモードを崩さないようにしながら、電子の入射効率を大きくできる環状共振器ミラーを提供し、上記問題点を解決することを目的とする。
さらに、前記環状光共振器ミラー内で発生した高輝度光を前記環状光共振器ミラー外に取り出すための光取り出し手段を設けることにより、レーザー光を容易にミラー外に取り出すことができるようにせんとするものである。
【０００５】
前記環状光共振器ミラーの特別な断面形状とは、ミラー面上で内部電磁場強度が最大になる位置が電子軌道面と一致しないようにするミラー形状であり、電子軌道上では内部電磁場強度が最大になるようなミラー形状である。従って、電子と光の相互作用は最大になるが、スリットを開けても電磁場のモードに影響をもたらさないミラー形状である。
また光を光共振器ミラーから取り出し、かつその光量を調整する光取り出し手段は、環状光共振器ミラーに形成したスリットから挿入しその位置を調整することができる光取り出しミラーであり、あるいは導波管をスリットから挿入してその位置を調整することができるものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明が採用した技術解決手段は、光蓄積リング型高輝度光発生装置の環状光共振器ミラーにおいて、電子ビームを外から打ち込むために電子軌道面にスリットを設けるとともに、円筒座標（ｒ，ｚ）で記述し、ρは電子軌道半径、ｚ軸は環状ミラーの軸方向の高さ、ｒはｚに於けるミラー半径を与え、Ｒは電子軌道面（ｚ＝０）におけるミラー半径、Ｒ0 は、
Ｒ0 ＝Ｒｓｉｎ2θ、 ｃｏｓθ＝ρ／Ｒ
で与えられる焦点距離であるとした時、前記環状共振器ミラーの断面形状は
ｒ＝ρ2 ／Ｒ＋√（Ｒ02 −ｚ2 ）
であるような円弧状、もしくは
ｒ＝Ｒ−ｚ2 ／( ４Ｒ0 ）
であるような放物線状であることを特徴とする光蓄積リング用環状光共振器ミラーである。
【０００８】
光蓄積リング型高輝度光発生装置の環状光共振器ミラーにおいて、電子ビームを外から打ち込むために電子軌道面にスリットを設けるとともに、前記環状光共振器ミラーが、その光軸を電子の軌道面からはずしたものである光蓄積リング用環状光共振器ミラーである。
【０００９】
前記環状光共振器ミラーにおいて、その断面形状を
ｒ＝Ｒ−ｚ2 ／４Ｒ0 −｜ｚ｜ｔａｎ（α）
で与えた環状光共振器ミラーである。
【００１０】
前記環状光共振器ミラーにおいて、光を光共振器ミラーから取り出し、かつその光量を調整する機構を有する環状光共振器ミラーである。
【００１１】
前記環状光共振器ミラーにおいて、光量を調整して取り出す機構が、ミラーをスリットから挿入してその位置を調整する機構である環状光共振器ミラーである。
【００１２】
前記環状光共振器ミラーにおいて、光量を調整して取り出す機構が、導波管をスリットから挿入してその位置を調整する機構を有する環状光共振器ミラーである。
【００１３】
前記環状光共振器ミラーにおいて、幅の広いスリットから放射する光を、光共振器から出た後で集光して取り出す機構を有する環状光共振器ミラーである。
【００１４】
【実施の形態】
以下、図面を参照して本発明に係わる実施形態を説明すると、図１は第１実施形態としての光蓄積リング用環状光共振器ミラーの斜視図あり、図２はミラーの軸方向に曲率を設けて光ビームを収束した図である。
図において、この第１実施形態は、円弧状の環状光共振ミラー１にスリット２をひとつ設てある。この環状光共振ミラー１の断面形状を円筒座標（ｒ，ｚ）で記述して、
ｒ＝ρ2 ／Ｒ＋√（Ｒ02−ｚ2 ）
であるような円弧状、もしくは
ｒ＝Ｒ−ｚ2 ／( ４Ｒ0 ）
であるような放物線状として構成してある。
ここにρは電子軌道半径、Ｒは電子軌道面におけるミラー半径、Ｒ0 は、
Ｒ0 ＝Ｒｓｉｎ2 θ、  ｃｏｓθ＝ρ／Ｒ
で与えられる焦点距離である。
断面形状ｒが円弧状の場合も、放物線状の場合も、その焦点距離を図２のように
Ｒ0 ＝Ｒｓｉｎ2 θ、  ｃｏｓθ＝ρ／Ｒ
で与えた場合、電磁場の強度は電子軌道上で最大になる。また電磁場のエネルギーはミラー面上に分散する。したがって図１に示すようにミラーの中央部にスリットを開けても、その影響は僅かである。また、中心角３６０度に渡ってスリットを開けた場合、電磁場の強度は電子軌道上で減衰するが、モードが崩れることはない。
この実施形態では、ミラーの半径Ｒ＝２１６ｍｍ、電子軌道半径ρ＝１５６ｍｍに対してＲ0 ＝１０４ｍｍが最適である。
図３に、第１実施形態としての環状光共振器ミラーの電子軌道上での電磁場の軸方向の強度分布を示す。
【００１５】
つぎに本発明に係わる第２実施形態を説明する。図４は第２実施形態としての光蓄積リング用環状光共振器ミラーの断面図であり、電子軌道面に対して光軸面が上下に分かれている状態を示しており、図５は光蓄積リング用環状光共振器ミラーの平面図と断面図である。
この第２実施形態は、軸方向に幅の広いスリットを開けることを可能にした環状光共振器ミラーであり、この環状光共振器ミラーは二つの焦点を有している。
図４において、７は光共振器ミラー本体であり、このミラーの円周上にはスリット８が形成されている。
このスリット８は、図５に示すように、電子ビーム入射のために高さが少なくとも３ｍｍ程度であり、かつ、スリット中心角が６０°として形成されている。中心角は広いほうがよいが、製作上の問題から６０°程度が望ましい。また、リングの厚さ方向の中心部には図５に示すような高さ３ｍｍ、深さ１０ｍｍ程度の溝１０が全周にわたって形成されている。
なお、図４中、５は電子軌道であり、４は二つの光軸面であり、この二つの光軸面は図示のように電子軌道面６とは一致しないが、ともに電子軌道上５で交わる構成となっている。
【００１６】
上記環状光共振器ミラーの断面形状についてさらに説明すると、図６は本発明の光共振器ミラーの形状を与える式を説明する図であり、図から環状光共振器ミラーの断面形状は円筒座標を用いて表すと次の式
ｒ＝Ｒ−ｚ2 ／４Ｒ0 −｜ｚ｜ｔａｎ（α）
で与えられる。ここにαは、ミラー面の傾き、ｚ軸は環状ミラーの軸方向、ｒはｚに於けるミラー半径を与え、Ｒは電子軌道面に於けるミラーの半径、Ｒ0 は断面形状の曲率、ｚ軸は環状ミラーの軸方向の高さである。
具体例としては、電子軌道半径が１５３ｍｍの電子蓄積リングを用いて、波長３０μｍで発振させる場合に、Ｒ＝２１６ｍｍ、Ｒ0 ＝１０４ｍｍ、α＝０．００１９２を採用している。スリットは幅３ｍｍで６０度にわたって開けている。ミラーの厚さは、材料の機械的な強度から決めており、実施例では、３０ｍｍとした。ミラーの材料にＳi Ｃを使用している。
【００１７】
図７に上記環状光共振ミラーに発生する電磁場の強度分布を示す。
共振器面上での強度分布（ａ）と電子軌道上での強度分布（ｂ）を示している。ミラー面上で最大電磁場の発生する位置は二つに分かれ、電子軌道面から離れている。
本発明の環状光共振ミラーに設けるスリットは、幅３ｍｍ程度のものを全周に設けても、電磁場の固有モードは影響を受けることがない。電子軌道近傍ではいくつも電磁場強度の極大値を発生するが、電子軌道上で最大値が発生するため、光と電子の相互作用は最も効率良く行われる。
【００１８】
ところで、上述の実施形態に示した環状光共振器ミラーでは干渉光の取り出し方法に工夫が必要である。
即ち、上記第１実施形態の環状共振器ミラーの場合、干渉光はスリットより自然に放出されるが、第２実施形態の光共振器ミラーでは干渉光は自然には放出されない。このため、干渉光を取り出すには、光取り出しミラーを設ける必要がある。このミラーはスリットから挿入する方法があるが、その他環状光共振器ミラーの上、下部から挿入することも可能であるし、中心部から挿入することも可能である。
【００１９】
図８を参照してスリットから光取り出しミラーを挿入する方法の一例を説明すると、この例は、スリットから高さ３ｍｍ弱で長さ１０ｍｍの光取り出しミラー９を挿入する方法である。光共振器ミラー内部は、電子ビームに近づくほど光子密度が高くなるため、光取り出しミラー９を深く挿入すれば、大パワーを取り出すことができる。しかし取り出し過ぎる場合レーザー発振が止まる。このため、スリットから挿入した光取り出しミラー９を使うならば、ミラーの調整が可能であり、この結果取り出しパワーの調整が可能となるという利点がある。光取り出しミラー９は、平面ミラーでもよいが、収束力を持たせるためにトロイダルミラーにしても良い。ミラーの材質は、研磨したアルミに金コートをしたものである。また取り出す光の波長が長い場合には、ミラーの代わりに導波管を挿入するのが一つの方法である。ミラー９によって取り出した光は放物面鏡１１によって平行光として取り出す。
なお第２実施形態のものではスリットが大きいため上述のような光取り出し調整を簡単に行うことができる。また、上記光取り出しミラーの調整は、手動あるいは機械的に行うことができる。
【００２０】
なお、本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施できる。そのため前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。
【００２１】
【発明の効果】
以上詳細に述べた如く本発明の光共振器ミラーでは、ミラーの中央部に所定幅の長いスリットを空けることが可能となり、結果として、電子ビームの入射が容易になり、かつ内部電磁場のモードを攪乱することが無くなったために、レーザー発振が容易になった。さらには、スリットから干渉光取り出し用のミラーの挿入が可能となり、取り出しパワーの調整が可能となった等の優れた効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態のバレル型光共振器ミラーの斜視図である。
【図２】図１の断面図を示す。一点鎖線が電子軌道面、矢印が光軸面を示す。斜線部は、光ビームの分布範囲を示し、縦線の部分が電子ビームである。
【図３】図２に示す環状光共振器ミラーに発生する電磁場の強度分布である。
【図４】本発明の第２実施形態に係わる光共振器ミラーの断面図を示す。電子軌道面に対して光軸面が上下に分かれている。
【図５】図４の光共振器ミラーの平面図と断面図である。
【図６】光共振器ミラーの形状を与える式を説明するための図である。
【図７】図４に示す環状光共振器ミラーに発生する電磁場の強度分布である。
【図８】本発明の光共振器ミラーにコヒーレント光取り出しのための矩形ミラーを取り付けたときの平面図である。
【符号の説明】
１            バレル型光共振器
２            スリット
４            光軸面
５            電子軌道
６            電子軌道面
７            光共振器ミラー本体
８            スリット
９            光取り出しミラー
１０            溝
１１            放物面鏡
【図１】
0003962884.tif 000002
【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】
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【図７】
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【図８】
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