(57)【要約】  本発明は、単色Ｘ線を生成するための高速ピコ秒パルス化レーザと共に使用し得る、ファブリーペロ型の増幅光共振器に関する。本発明は、平均出力ＰＭＯＹで高い安定性を有する強力集束されるポンプ化レーザビームを得るために使用し得るファブリーペロ型の増幅光共振器に関する。本発明は、より具体的には、高速ピコ秒ポンプ化レーザビーム（１２）と同期電子ビームとの間のＣＯＭＰＴＯＮ反応によって単色Ｘ線を生成するためのファブリーペロ型の増幅光共振器（４０）に関し、共振器は真空下に配置し得る閉塞囲壁（４２）を含み、閉塞囲壁を通じて電子ビーム管（４６）が延び、囲壁（４２）は、レーザビーム入力手段と、２つの平面光反射器（Ｍ１，Ｍ２）を維持し且つ位置決めするための手段と、相互作用地点で電子ビームと集束し得る２つの球面光反射器（Ｍ３，Ｍ４）を維持し且つ位置決めするための手段とを含む。光反射器（Ｍ１乃至Ｍ４）を維持し且つ位置決めするための手段は、光反射器（Ｍ１乃至Ｍ４）が四面体の頂点を実質的に定めるよう配置される。
2012502417.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同期された電子ビームを用いて高速ピコ秒パルス化レーザビームのＣＯＭＰＴＯＮ反応を通じて単色Ｘ線を生成するためのファブリーペロ型の増幅光共振器であって、
電子ビーム管が横断する、真空化し得る閉塞的な囲壁を有し、該囲壁は、レーザビーム入力手段と、２つの平面光反射器を維持し且つ位置決めするための維持及び位置決め手段と、電子ビームとの相互作用地点で前記レーザビームと集束し得る２つの球面光反射器を維持し且つ位置決めするための維持及び位置決め手段とを含み、前記光反射器の維持及び位置決め手段は、前記光反射器が四面体の頂点を実質的に定めるよう配置されることを特徴とする、
増幅光共振器。
【請求項２】
前記球面光反射器の維持及び位置決め手段は、前記電子ビーム管の通過のための入江部を定めるように配置される２つの相補的な隙間を有する、請求項１に記載の増幅光共振器。
【請求項３】
前記少なくとも１つの光反射器を維持し且つ位置決めするための手段は、可撓ヒンジを用いて互いに対して移動可能な、少なくとも３つの別個の部分で構成される、単一の機械片から成る前記反射器を方向付けるための方向付け部材を含む、請求項１又は２に記載の増幅光共振器。
【請求項４】
前記方向付け部材の前記３つの別個の部分は、１つの地点で集束し且つ前記反射器の光学的中心と実質的に交わる２つの回転軸の周りで移動可能である、請求項３に記載の増幅光共振器。
【請求項５】
前記光反射器の維持及び位置決め手段は、ステンレス鋼から成り且つベローズによって拡張される封止囲壁内に封入される線形モータによって作動される、請求項１乃至４のうちのいずれか１項に記載の増幅光共振器。
【請求項６】
前記線形モータは、戻り力を生成するバネ素子を用いて前記光反射器の維持及び位置決め手段に対する恒久的な接触が維持される、請求項５に記載の増幅光共振器。
【請求項７】
前記少なくとも１つの光反射器を維持し且つ位置決めするための手段は、Ｚ軸並進テーブルを有し、該並進テーブルは、前記反射器の方向付け部材を作動し得る２つの線形電気モータを支持する、請求項１乃至６のうちのいずれか１項に記載の増幅光共振器。
【請求項８】
前記少なくとも１つの光反射器を維持し且つ位置決めするための手段は、前記反射器の光軸の方向に沿って方向付けられ且つバネリングを用いて所定位置に維持されるピエゾ電気アクチュエータを有する、請求項１乃至７のうちのいずれか１項に記載の増幅光共振器。
【請求項９】
前記光反射器の維持及び位置決め手段の全ては、主支持体の上に位置付けられ、該主支持体は、前記閉塞囲壁と接触する唯一の片である、請求項１乃至６のうちのいずれか１項に記載の増幅光共振器。
【請求項１０】
請求項１乃至９のうちのいずれか１項に記載の増幅光共振器を含む、ＣＯＭＰＴＯＮ反応を通じて単色Ｘ線を生成するためのシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単色Ｘ線を生成するために高速ピコ秒パルス化レーザとの組み合わせで使用し得るファブリーペロ型の増幅光共振器(amplifying optical cavity)に関する。
【０００２】
本発明は、ＣＯＭＰＴＯＮ反応を通じて、即ち、加速器の真空管内で伝搬される電子パケットと超微細光共振器上でフィードバック制御されるパルス化レーザとの相互作用を通じて単色Ｘ線を生成するための増幅光共振器の技術分野に関する。
【０００３】
目標とされる用途は数多くある。何故ならば、それらは、粗大な設備を有する専門試験センタにおける使用よりも、むしろ地方研究センタにおける使用のための、十分にコンパクトな高束単色Ｘ線の源を必要とするからである。例えば、医療分野、より具体的には、共振放射線治療、ハイコントラスト放射線治療又は血管造影において、そのような装置を利用し得る。タンパク質構造及び分子構造の分析の枠組における薬理学、非破壊的容器分析を通じた汚染物処理の枠組における核産業、偏光ポジトロンビーム源の実施の枠組における素粒子物理学等においても、他の適用分野が存在する。
【背景技術】
【０００４】
レーザ源の出力を増大するための様々な方法が従来技術から既知である。これらの中で最も従来的な方法は、ドープ繊維増幅カスケードを使用すること存し、レーザ信号のピーク出力Ｐｐｅａｋを高度に増大することを可能にする。
【０００５】
それにも拘わらず、そのような方法を用いても、目標とする用途のための十分な平均出力Ｐｍｅａｎを得ることは可能でない。何故ならば、それは一般的に百ワットを超えないからである。
【０００６】
他の方法はファブリーペロ(FABRY-PEROT)型の光共振器(optical  resonator)又は増幅共振器(amplifying  cavity)内のレーザ信号を増幅することに存する。実際には、電子ビーム及びレーザビームが互いに交差するときにＣＯＭＰＴＯＮ効果を通じて生成される光子の数を増大するために、両方のビームの横断方向及び長手方向寸法を最大まで減少することが必要である。それにも拘わらず、球面ミラーから成るファブリーペロ共振器内のレーザビームの最小横断方向寸法を減少するために、これらの２つのミラーの間の距離がミラーの曲率半径の二倍に可能な限り近いことが必要である。
【０００７】
それにも拘わらず、そのような共振器は不安定であり、現実的な適用の枠組においては使用し得ない。この理由のために、ＯＰＴＩＣＳ  ＬＥＴＴＥＲ  ｒｅｖｉｅｗ，ｖｏｌ．３２，Ｎｏ．１９，Ｏｃｔｏｂｅｒ  １ｓｔ，２００７、並びに、特許文献ＵＳ２００８／００２８１３に例証される装置のような、ＣＯＭＰＴＯＮ効果を通じて生成される単色Ｘ線を生成するための多くの装置は、４つの共平面ミラーを有するファブリーペロ型の増幅共振器を使用し、４つの共平面ミラーのうち、２つは球面である。その場合には、十分な機械的安定性を示しながら、最小横断方向寸法を約数十ミクロンに減少し得る。
【０００８】
ところで、４つの共平面ミラーを備える共振器の偏光の固有状態が計算され、共振器の精細度が高いとき、即ち、共振器利得が約１０００よりも高いとき、これらの固有状態は不可避的なミラー不整列及び振動に強く依存して異なる。共振器内に噴射されるレーザビームの偏光が固定されるならば、そのような変動は、共振器内偏光の変動のみならず、共振器内出力変動さえも招く。これらの出力変動は、平均共振器内出力Ｐｍｅａｎが減少される点で有害である。
【０００９】
更に、既存の装置は、レーザビームの横断方向寸法を部分的に決定するレーザ向き精度に関係する欠点も示す。より具体的には、真空実験状態において共振器内で光反射器を方向付けるために使用される機械的部分の組み合わせは、共振器の精細度を変更する隙間をもたらす。
【００１０】
これらのシステムによって提起される他の問題は、真空媒体内のモータの使用に関する。実際には、特に、加速器上の統合に関連付けられる高い非汚染制約の故に、ＵＨＶ互換として商業的に入手可能な標準モータは、光共振器を使用するときに求められるような超高真空の要求を全く満足しない。商業的に入手可能な製品において、光マウントのヒンジは、極めて弱い或いはプレストレスが付与された隙間を伴って作製され、よって、焼付きの危険性を伴わない精密な位置決めを保証するよう、グリースが与えられる。２つの理由が真空状態におけるこの種類のヒンジ付けを排除する。一方では、グリースの使用は禁止され、他方では、同じ性質の接触表面の間に、マイクロ接着現象が作り出され、特にＵＨＶ条件を満足するように部分が極めて清浄である真空状態の下で、それらの現象はそれらの接触表面の相互の滑りを不可能にする。
【００１１】
共振器の設定のために必要とされる多数のモータが汚染レベルを相当増大するので、これらの問題はより一層本質的になる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的は、高度に集束されたパルス化レーザ光線を得ることを可能にすると共に強力な平均出力Ｐｍｅａｎ安定性を示す、ファブリーペロ型の増幅共振器の故に、従来技術の欠点を克服することである。
【００１３】
また、本発明の目的は、強い設定感度、即ち、減少された横断寸法を有し、真空囲壁内で騒音を生み出さない増幅光共振器を提供することである。
【００１４】
その上、本発明の目的は、コンパクト且つ強力なＣＯＭＰＴＯＮ効果を通じて高束単色Ｘ線を生成するシステムを実施することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
増幅共振器の固有モードの偏光、よって、共振器内出力を安定化するために、本発明は、非平面的ミラー、より具体的には、実質的に四面体形状の構造の実施を提案する。
【００１６】
より具体的には、本発明の目的は、同期された電子ビームを用いて高速ピコ秒パルス化レーザビームのＣＯＭＰＴＯＮ反応を通じて単色Ｘ線を生成するためのファブリーペロ型の増幅光共振器であって、電子ビーム管が横断する、真空化し得る閉塞囲壁を有し、囲壁は、レーザビーム入力手段と、２つの平面光反射器を維持し且つ位置決めするための維持及び位置決め手段と、電子ビームとの相互作用地点でレーザビームと集束し得る２つの球面光反射器を維持し且つ位置決めするための維持及び位置決め手段とを含み、光反射器の維持及び位置決め手段は、光反射器が四面体の頂点を実質的に定めるよう配置される。
【００１７】
そのような四面体構造は、高精細ビームを得ながら、興味深い安定性機能を得ることを可能にする。そのような共振器の固有モードは「汎用収差」モードと呼ばれ、即ち、強度プロファイルは楕円形であり、その自然な軸は伝搬中に回転し、それは４ミラー平面共振器の「標準収差」モードに比べて電子−レーザ相互作用の光度幾何学的要因に僅かに影響を与える。均等な平面的構造に比べて、収差、即ち、楕円形の長軸及び短軸に沿うビームサイズの比率も減少する。
【００１８】
ある実施態様によれば、球面光反射器の維持及び位置決め手段は、電子ビーム管の通過のための入江部（ベイ）を定めるように配置される２つの相補的な隙間を有する。
【００１９】
球面光反射器の維持及び位置決め手段における２つの追加的な相補的な隙間の実施は、球面ミラーを電子ビームに可能な限り近接して配置すること、よって、レーザと電子ビームとの間の衝突地点で最狭角度を得ることを可能にする。
【００２０】
有利には、少なくとも１つの光反射器を維持し且つ位置決めするための手段は、可撓ヒンジを用いて互いに対して移動可能な、少なくとも３つの別個の部分で構成される、単一の機械片から成る反射器を方向付けるための部材を含む。
【００２１】
可撓ヒンジを有する単一片から成るミラー方向付け部材の使用は、無摩擦且つ無隙間の相対動作を可能にする。そのような構造は超高真空における精密位置決めを保証するよう特に構成される。
【００２２】
好ましくは、方向付け部材の３つの別個の部分は、１つの地点で集束し且つ反射器の光学的中心と実質的に交わる２つの回転軸の周りで移動可能である。
【００２３】
方向付け部材の３つの別個の部分が２つの集束し且つ反射器の光学的中心と実質的に交わる回転軸の周りで移動可能であるという事実は、反射器の向きの調節を容易化し、精密な向きを得ることを可能にする。
【００２４】
有利には、光反射器の維持及び位置決め手段は、ステンレス鋼から成り且つベローズによって拡張される封止囲壁内に封入される線形モータによって作動される。
【００２５】
ベローズによって拡張される封止囲壁内への線形モータの封入は、加速器統合に関する非汚染制約を解決することを可能にする。他方、移動部分の間のグリースの使用は再び可能になり、モータの選択はもはや真空下で動作する能力によって決定されず、機械的特性及び位置決め精度特性に本質的に依存する。これはミラーの向き及び位置をＺ軸に沿って調節することも可能にする。
【００２６】
好ましくは、線形モータは、戻り力を生成するバネ素子を用いて光反射器の維持及び位置決め手段に対する恒久的な接触が維持される。
【００２７】
バネ素子の使用は、真空力に反作用すること、及び、モータシャフトと並進されるべき部分との間の恒久的な接触地点を保持することを可能にする。
【００２８】
有利には、少なくとも１つの光反射器を維持し且つ位置決めするための手段は、Ｚ軸並進テーブルを有し、並進テーブルは、反射器の方向付け部材を作動し得る２つの線形モータを支持する。
【００２９】
方句付け部材を移動するために使用される線形モータを支持する並進テーブルの使用は、装置の精度を向上することを可能にする。
【００３０】
好ましくは、少なくとも１つの光反射器を維持し且つ位置決めするための手段は、反射器の光軸の方向に沿って方向付けられ且つバネリングを介して所定位置に維持されるピエゾ電気アクチュエータを含む。
【００３１】
ミラー支持素子上に取り付けられるピエゾ電気アクチュエータを用いるならば、レーザビームの光路の長さを数百ヘルツの周波数で数ナノメートルに適合することが可能である。それは共振器の周りの周回の長さと２つの連続的な電子パケットの間の距離との間のフィードバック制御を実施することを可能にする。その上、このピエゾ電気アクチュエータを維持するバネリングの使用は、締付けがその最大にあるとき、弾性部分の幾何及びミラーの厚さに関して、所与の保持応力をミラーに対して加えることを可能にする。
【００３２】
有利には、光反射器の維持及び位置決め手段の全ては、主支持体の上に位置付けられ、主支持体は、閉塞囲壁と接触する唯一の片である。
【００３３】
また、この構造を用いるならば、囲壁との接触地点を制限することによって、共振器を外部振動から隔離することが可能である。
【００３４】
他の側面によれば、本発明は、上述されたような光共振器を含む、ＣＯＭＰＴＯＮ反応を通じて単色Ｘ線を生成するシステムにも関する。
【００３５】
本発明の他の特徴及び利点は、付属の図面を参照して詳細な例示的な実施態様を判読することを通じて、より明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に従ったＣＯＭＰＴＯＮ反応を通じて単色Ｘ線を生成するシステムを機能的に示すフロー図である。
【図２】本発明に従ったシステムの光学部分を一般的に示すフロー図である。
【図３】本発明に従ったファブリーペロ型の増幅光共振器を示す斜視図であり、その封止された囲壁が部分的に例証されている。
【図４ａ】本発明に従った光共振器内で伝搬するレーザビーム及び電子ビーム管の平面及び球面ミラーの２つを示す斜視図である。
【図４ｂ】本発明に従った光共振器内で伝搬するレーザビーム及び電子ビーム管の平面及び球面ミラーの２つを示す正面図である。
【図５ａ】本発明の光共振器のミラーＭ１乃至Ｍ４を維持し且つ位置決めする手段を移動するためのアクチュエータを示す断面図である。
【図５ｂ】本発明の光共振器のミラーＭ１乃至Ｍ４を維持し且つ位置決めする手段を移動するためのアクチュエータを示す斜視図である。
【図６ａ】本発明に従った光共振器維持及び位置決め手段に属するミラー方向付け部材を示す斜視図である。
【図６ｂ】本発明に従った光共振器維持及び位置決め手段に属するミラー方向付け部材を示す左側面図である。
【図６ｃ】本発明に従った光共振器維持及び位置決め手段に属するミラー方向付け部材を示す右側面図である。
【図７ａ】ミラー方向付け部材を支持するキャリッジを示す斜視図である。
【図７ｂ】本発明に従った光共振器に属する球面ミラーＭ３及びＭ４を方向付けるための２つの部材を示す正面図である。
【図８ａ】本発明に従った光共振器に属する並進テーブルを示す斜視図である。
【図８ｂ】本発明に従った光共振器に属する並進テーブルを示す正面図である。
【図９】本発明に従った光共振器に属する主支持体８０上に取り付けられる並進テーブル７０を示す斜視図である。
【図１０】本発明に従った光共振器に属する平面ミラーＭ１；Ｍ２を支持するための支持素子を示す斜視図であり、その一方は分解図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
［一般的な既述］
【００３８】
図１は、本発明に従ったＣＯＭＰＴＯＮ反応を通じて単色Ｘ線を生成するためのシステムの機能的なフロー図を示している。
【００３９】
パルス化レーザ共振器１０は、パルス化されたレーザビーム１２を生成する。このレーザビーム１２は、アクチュエータ内に集められる２つの種類のアクチュエータ及び関連する駆動モジュール１４によって有利に制御される。パルス化レーザ共振器１０は、８００ｎｍの波長、即ち、赤外領域において、１０ｎＪのパルスエネルギ及び１Ｗの平均出力を有する。それは光共振器内に配置されるチタン：サファイア結晶をポンピングするために使用される６Ｗの連続的なビームを生成するレーザを含み、そのミラーの間のその２ｍ長さは、７６ＭＨｚの放出パルスの反復周波数を決定する。
【００４０】
第一の種類のアクチュエータが、（後述される）ファブリーペロ型の増幅光共振器４０の長さに対するパルス化レーザ共振器１０の長さをフィードバック制御することを可能にする。この第一の種類のアクチュエータは、線形平行移動モータ１４ｂと共にピエゾ電気アクチュエータ１４ａから成り、両者はパルス化共振器１０の内側に統合される。関連する電子機器によって駆動されるピエゾアクチュエータ１４ａは、約１００ピコメートル〜１マイクロメートルの変動を伴う０〜４０ＫＨｚの周波数帯域内で、共振器キャビティ(resonator cavity)の長さとファブリーペロ共振器４０の長さとの間の相対偏差ΔＬを変更するのを可能にする。線形平行移動モータ１４ｂは、約１００ナノメートル〜数ミリメートルの変動を伴う０〜１０ＫＨｚ帯域内で、共振器キャビティの長さとファブリーペロ共振器４０の長さとの間の相対偏差ΔＬを変更するのを可能にする。この線形平行移動モータ１４ｂの駆動電子機器は、モータを備える。
【００４１】
第二の種類のアクチュエータは、電磁場とファブリーペロ共振器４０内のその囲壁との間の位相Δφを強制するのを可能にする。それらは光学ポンピング変調器１４ｃと、周波数変調器１４ｄとを含み、それらの両方は、パルス化レーザ共振器１０の外側に配置される。光学ポンピング変調器１４ｃ及び周波数変調器１４ｄの両方は、電磁場とファブリーペロ共振器内のその囲壁との間の相対位相Δφを変更するために、有利に音響−光学変調器であり、光学ポンピング力及びレーザ光学スペクトルの変調をそれぞれ可能にする。
【００４２】
フィードバック制御が行われるや否や、ファブリーペロ共振器４０の内側の出力は、その中に収容されるミラーの精細度に依存する係数によって増幅される。フィードバック制御は、以下の素子で構成される測定及び関連インターフェース電子モジュール２０内で集められる複数の特別な測定値を必要とする。
−  フロントエンドトランスミッションと呼ばれる独立した送信測定のための１つの素子２０ａであり、ファブリーペロ共振器４０の出力部で送信される光信号を処理する。
−  フロントエンドリフレクションと呼ばれるより複雑な反射測定のための１つの素子２０ｂであり、特に所謂パウンド・ドレバー・ホール(Pound-Drever-Hall)技術の使用を通じてファブリーペロ共振器４０の入力部で反射される光信号を処理する。
【００４３】
この技法は、文献、ＲＷ．Ｄｒｅｖｅｒ  ａｔ  ａｌ．，ｌａｓｅｒ  ｐｈａｓｅ  ａｎｄ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ  ｕｓｉｎｇ  ａｎ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｒｅｓｏｎａｔｏｒ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｂ３１，９７−１０５（１９８３）中に特に連続的に記載され、且つ、文献、Ｒ．Ｊ．Ｊｏｎｅｓ  ａｎｄ  ＪＣ．Ｄｉｅｌｓ，Ｓｔａｂｉｌｉｓａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ  ｌａｓｅｒｓ  ｆｏｒ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ  ａｎｄ  ｄｉｒｅｃｔ  ｏｐｔｉｃａｌ  Ｒａｄｉｏ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ．，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．８６，３２８８−３２９１（２００１）中にパルス状に記載されている。
【００４４】
フィードバック制御電子システム２２は、送信及び受信においてフロントエンドからの数値的にアナログな信号を獲得し且つ転換し、実時間フィードバック制御計算を行い、共振しているファブリーペロ共振器４０を維持するようアクチュエータ１４ａ及び１４ｄに送信される駆動命令を出力する。
【００４５】
［光学部分の既述］
【００４６】
図２は、短いレーザパルスの光エネルギが約１００ＭＨｚの反復周波数で１パルス当たり数マイクロ−ジュールのレベルに達するまで、ファブリーペロ共振器４０の内側に短いレーザパルスの光エネルギが蓄積するよう使用されるシステムの光学部分の一般的なフロー図を示している。
【００４７】
この目的のために、パルス化レーザ共振器１０からのレーザパルストレイン（パルス列）は、制御されたビームの光学的特徴の影像電気量を有するよう、所謂パウンド・ドレバー・ホール技法によってファブリーペロ光共振器上でフィードバック制御される。
【００４８】
有利には、システムの光学部分は、以下から構成される。
−  アクチュエータを含む、７６ＭＨｚの反復速度を備えるピコ秒パルス幅レーザ。数ＭＨｚ〜数ＧＨｚの間隔内の反復周波数に関して限定はない。同様に、数フェムト秒〜数十ピコ秒の時間間隔内で時間周期を選択し得る。
−  後により詳細に記載されるファブリーペロ型の増幅光共振器４０。
−  パルス化レーザ共振器１０からファブリーペロ共振器４０へのレーザビームの輸送を可能にする光学素子２４。
−  フィードバック制御されるべきパラメータを分離することを可能にする回折アレイ２６。
【００４９】
ピコ秒パルストレインは、モードロック動作条件において動作するチタン：サファイアレーザ（Ｔｉ：Ｓａ）によって放射される。パルスのエネルギは、約１０ｎＪであり、パルス反復周波数は、７６ＭＨｚである。パルストレインは、電気光学変調器２４ａに送られ、電気光学変調器２４ａは、エラー信号を得るために所謂パウンド・ドレバー・ホール技法によって利用されるレーザの各光周波数コムラインの周りの２つの横方向帯域を作り出す。発振器(oscillator)が受動モードロック型であるならば、波長の選択に関する制約はない。
【００５０】
ファラデー絶縁体２４ｂが、ファブリーペロ共振器４０によって反射される光線のパルス化レーザを遮断し、ビーム分離器２４ｃは、ビームをアレイ２６に送る。ビーム分離器２４ｃは、４分の１波長プレート２４ｄと共に、ファブリーペロ共振器４０によって反射される光線を分離する組立体を形成する。共振器のモードパラメータでレーザビームパラメータの位置的及び対角的な同調を行うために、ガリレオ望遠鏡２４ｅが使用される。その上、２つの外部ミラー２４ｆが、共振器モード及びレーザビーム軸方向を整列する。
【００５１】
共振器によって反射されるレーザビーム１２は、ビーム分離器２４ｃによって回折アレイ２６上に方向変更され、よって、別個の空間方向における異なる分光成分の散乱を可能にする。複数の光ダイオード２８の信号は、スペクトルの異なる部分を獲得し、電子フィードバック制御システム２２に送信されるエラー信号を生成するために使用される。
【００５２】
［ファブリーペロ型光共振器の既述］
【００５３】
図３は、本発明に従ったファブリーペロ型の増幅光共振器４０を示している。
【００５４】
この共振器は、部分的にのみ示される閉塞された囲壁４２と、超高真空イオンポンプ４４とを備える。ファブリーペロ共振器４０は、４つの独立したミラーを含み、それらのうちの２つは平面ミラーＭ１及びＭ２であり、２つは球面ミラーＭ３及びＭ４である。それは両側でファブリーペロ共振器を横断する電子ビーム真空管４６も含む。パルス化レーザビーム１２は、第一平面ミラーＭ１を通じて共振器４０内に噴射され、次に、平面ミラーＭ２に向かって方向変更され、次に、球面ミラーＭ３及びＭ４に向かって方向変更され、平面ミラーＭ１に戻り、同じ範囲を反復する。総走行長をＬＣＡＶと呼ぶ。
【００５５】
ファブリーペロ共振器４０の目的は、レーザビーム１２を、電子ビーム管４６内を伝搬する電子ビームと相互作用させることである。この目的を達成するために、電子ビーム管４６に対するミラーＭ１乃至Ｍ４の配置及び向きは、図４ａ及び４ｂに示される通りである。
【００５６】
両方の平面ミラーＭ１及びＭ２並びに両方の球面ミラーＭ３及びＭ４の中心は、四面体として成形される三次元の幾何学的形状の頂点を定める。この構成を用いるならば、ファブリーペロ共振器４０の自然モードの偏光、よって、共振器内出力を安定化することが可能である。
【００５７】
２つの球面ミラーと２つの平面ミラーとの間で異なる距離を得る可能性を保護するために、四面体形状は必ずしも滑らかである必要はない。
【００５８】
ミラーの位置付け及び向きの正確性はパルス化レーザビーム１２を電子パケットと相互作用させるのに本質的であることが留意されるべきである。よって、各ミラーＭ１乃至Ｍ４は、維持及び位置決め手段ＳＭ１乃至ＳＭ４によって互いに独立して支持され、様々な設定を有する。よって、各ミラーＭ１乃至Ｍ４は、軸Ｘの周りの回転に関するある程度の自由度、及び、実質的に垂直な軸Ｙの周りの回転に関するある程度の自由度を示す。角度設定Θｘ及びΘｙは、レーザビーム１２を共振器４０内に整列するのを可能にする。
【００５９】
各ミラーＭ１乃至Ｍ４は、更に、軸Ｘ及びＹに対して垂直な軸Ｚと交路する並進方向に沿って並進設定を示す。２つの球面ミラーＭ３及びＭ４の間の並進設定ΔＺは、電子ビームとの交差点で、ビームのサイズ又はウエストを調節しながら、両方の平面ミラーＭ１及びＭ２の間の長さＬＣＡＶを一定に維持することを可能にする。光共振器４０の長さを電子ビームの２つのパケットの間の間隔と同調するために、（後述される）ピエゾ電気アクチュエータを用いて、平面ミラーＭ２を、数百ヘルツの周波数で、その光軸に沿って、数百ナノメートルだけ移動し得る。
【００６０】
ある実施態様によれば、２つの平面ミラーの一方及び２つの球面ミラーの一方に対する軸Ｚに沿う２つの並進設定を排除することが可能である。特に有利な解決策は、機械的共振を避けるために、ピエゾ電気アクチュエータを平面ミラーの一方の上に取り付け、Ｚ軸並進手段を他方の平面ミラーの上に取り付けることである。
【００６１】
［アクチュエータの既述］
【００６２】
図５ａ及び５ｂは、ミラーＭ１乃至Ｍ４を移動するためのアクチュエータの断面図及び斜視図を示している。
【００６３】
ミラーＭ１乃至Ｍ４を維持し且つ位置決めするための維持及び位置決め手段は、封止された囲壁５２内に封入された、好ましくは、同一の１２個の線形モータ５０を用いて作動され、囲壁内で、それらは周囲圧力で動作する。有利には、この封止囲壁５２はステンレス鋼で作製される。よって、モータの選択は、それが真空下で動作する能力によってもはや決定されず、その機械的特性及びその位置決め精度に本質的に依存する。その上、この囲壁５２の内側では、移動部分間のグリースの使用が再び可能になる。このシステムは約±２ｍｍのストロークに亘る正確な位置決めを得るために開発される。
【００６４】
ある好適実施態様によれば、モータは周囲圧力で動作し、封止囲壁５２の外部のみが超高真空と接触する。移動の伝達内に含まれる機械片は、ベローズ５４を用いて超高真空から隔離される。よって、モータ５０は支持体の上に固定され、並進されるべき部分はベローズ５４の端部に接続される。
【００６５】
並進されるべき部分はベローズ５４によって支持されないが、それにも拘わらず、モータシャフトの端部に配置されるボールの故に、それは接触地点を介して押されるだけである。その上、戻りバネ５６が真空に起因する力に反作用し、モータシャフトと並進されるべき部分との間の恒久的な接触地点を維持することを可能にする。接触品質を保証するために、ボールは硬質な鋼パッドを圧迫する。この接触をグリース付けにし得る。何故ならば、それは封止囲壁５２の内側に位置付けられるからである。
【００６６】
モータの電気接続は、囲壁５２の後部に配置される封止ブッシュを通じて行われ、そこから、超高真空カプトンシースによって隔離され、クリンプされたコネクタを備え、他の類似の封止ブッシュを用いて共振器の汎用囲壁４４に最終的に接続される個別ワイヤの束５８が発する。
【００６７】
［ミラー方向付け部材の既述］
【００６８】
図６ａ、６ｂ、及び、６ｃは、本発明に従った光共振器を作製するために使用し得るミラーＭ１；Ｍ２；Ｍ３；Ｍ４を方向付けるための方向付け部材６０の斜視図及び左右の側面図を示している。
【００６９】
例えば、本発明のある側面によれば、ミラーＭ１乃至Ｍ４を維持し且つ位置決めするための維持及び位置決め手段は、集束軸及び中心旋回ダイアルの原理を採用するミラーＭ１；Ｍ２；Ｍ３；Ｍ４を方向付けるための方向付け部材６０を含む。これに関して、ミラーＭ１；Ｍ２；Ｍ３；Ｍ４方向付け部材６０は、３つの別個の部分、即ち、頂部６０ａと、中間部６０ｂと、単一且つ同一の機械片内に作製される可撓ヒンジ６４を通じて互いに対して移動可能な固定部６０ｃとを含む。可撓ヒンジ６４は金属の天然の可撓性を使用し、変形可能でありながら弾性領域内に留まる弱い地点を作り出すことによって得られる。前述のように、方向付け部材の回転軸は、ミラーＭ１；Ｍ２；Ｍ３；Ｍ４を、ミラーＭ１；Ｍ４の中心と交路する交点６２で直交し且つ集束する２つの方向Ｘ及びＹの周りで方向付けることを可能にする。
【００７０】
この原理を用いるならば、２つの部分の間の無摩擦で無隙間の相対動作を行うことが可能である。結果的に、それは超高真空の下で精密な位置決めを保証するよう特に構成される。
【００７１】
レーザビーム１２及びミラーＭ１乃至Ｍ４の入射角は比較的高い。何故ならば、それらは６〜８°の間にあるからである。ミラーＭ１；Ｍ２；Ｍ３；Ｍ４を方向付けるための方向付け部材６０の設定振幅は低く（±２０ｍｒａｄ）、好ましくは、この６〜８°の偏差をミラー方向付け部材６０に亘って提供するのが便宜である。よって、偏心（オフセット）はミラーＭ１乃至Ｍ４を維持し且つ位置決めする手段ＳＭ１乃至ＳＭ４上にもはやなく、方向付け部材６０上にある。
【００７２】
図７ａは、ミラーＭ１乃至Ｍ４方向付け部材６０を支持するキャリッジ６６を例証している。
【００７３】
軸Ｘ及びＹの周りのミラーＭ１乃至Ｍ４設定は、方向付け部材６０の上方部分に接続される２つの接続アーム６８を通じて行われる。これらのミラーＭ１乃至Ｍ４は、それらのそれぞれの封止囲壁５２内に位置付けられ且つキャリッジ６６によって支持される２つの線形モータ５０によって作動される。接続アーム６８の長さは、より大きな精度を可能にする。
【００７４】
図７ｂは、端面図において見られる加速管４６、２つのキャリッジ６６によって所定位置に維持される２つのミラーＭ３，Ｍ４、並びに、２つの接続アーム６８及び方向付け部材６０を示している。
【００７５】
見られるように、レーザ１２と電子ビームとの間の衝突点で最狭の角度を得るために、球面ミラーＭ３，Ｍ４が電子ビーム管４６に可能な限り近接して位置付けられることが有利である。この目的を達成するために、両方の球面光反射器Ｍ３，Ｍ４を維持し且つ位置付けるための維持及び位置付け手段は、電子ビーム管４６の通過のための入江部（ベイ）を定めるよう配置される２つの相補的な隙間６９を有する。よって、両方の球面光反射器は、電子ビーム管の両側で電子ビーム管の近傍に位置付けられる。
【００７６】
［並進テーブルの既述］
【００７７】
ミラーＭ１乃至Ｍ４方向付け部材６０と、両方の接続アーム６８と、接続アーム６８を作動する両方の線形モータ５０ａ、５０ｂとから成る組立体は、更に、軸Ｘ及びＹに対して垂直なＺ軸に沿って並進テーブル７０に亘って有利に位置付けられる。
【００７８】
そのような並進テーブル７０は、図８ａ及び８ｂの斜視図及び正面図によって示されている。
【００７９】
並進テーブル７０は、３つのボール７２と、金属シート７４と、２つのレール７６と、２つの支持素子７８とを含む。３つのボール７２は平面を定め、プリストレスのない良好な安定性をもたらす。レール７４の間の３つのロールからの２つのボール７２は並進（平行移動）方向を提供するのに対し、第三のボール７２は並進平面を定める。支持素子７８の移動は、無摩擦転動によって一体的に行われる。３つのボール７２は同じ速度で移動し、純金属シート７４がそれらの間の間隔を決定し且つ維持することを可能にする。
【００８０】
レール７６はステンレス鋼から作製され、ボール７２を有利に以下の金属、即ち、セラミクス、ルビー、又は、ステンレス鋼から作製し得る。もしレール７６がステンレス鋼から作製されるならば、マイクロ結合現象を避けるために、これらのボールはモリブデンジスルフィドスケーリングを通じて処理されなければならない。２つの部分を共に保持すること及び案内効率は、移動されるべき素子の重量の故に可能とされる。移動されるべき素子の重心は可能な限り低く位置付けられ、且つ、３つのボールによって形成される三角形の重心に可能な限り近接して配置される。
【００８１】
図９は、主支持体８０上に取り付けられた並進テーブル７０の斜視図を示しており、軸Ｚに沿うキャリッジ６６の並進移動を可能にするために、主支持体８０上には、上方キャリッジ６０、ミラー方向付け部材６０、軸Ｘ及びＹの周りの位置付けのために封止囲壁５２内に封入される両方のモータ５０、並びに、同様に囲壁５２内に封入される線形モータ５０が配置される。
【００８２】
構造の組立て及び封入モータ５０の使用は、それらの独立した設定を用いて主支持体８０の上に４つのミラーを取り付けることを可能にし、主支持体８０は囲壁４２と接触する唯一の部分となる。３つの極めて剛的な地点によって囲壁４２に接続されるこの主支持体８０は、共振器の４つのミラーＭ１乃至Ｍ４の間の幾何学的安定性を保証するのを可能にする。この構造を用いるならば、囲壁との接触地点を最大限に制約することによって共振器を外部振動から隔離することも可能である。モータ５０の故に、加速器の機能中に共振器からの距離を調節することも可能である。
【００８３】
Ｚ軸位置決めモータは、その熱膨張係数が極めて低い（２．６９μｍ／℃）インバー支持体（鉄６４％及びニッケル合金３６％）上に取り付けられ、この長さを一定に維持するために必要とされるフィードバック制御を最小限化することを可能にする。有利には、組立体の数を最小限化するために、これらの部分は単一の機械片内に作製される。更に、それらの慣性を増大し且つ振動伝搬を制限するために、これらの部分は随意的に嵩張る。
【００８４】
ＬＣＡＶと呼ぶ共振器の長さは、レーザが進行する４つのミラーの間の距離と等しく、それは１６７９．５ｍｍであることが付記されなければならない。
【００８５】
［ＰＺＴを備えるミラー支持素子の既述］
【００８６】
共振器長と２つの電子パケット間の距離との間のフィードバック制御を得るために、平面ミラーＭ１又はＭ２の少なくとも一方のレンズをその光軸上で移動することが必要とされる。２５．４ｍｍの直径及び６ｍｍの厚さを有するミラーＭ１又はＭ２に関して、行うべき変位は、数百ヘルツの周波数で数百ナノメートルである。
【００８７】
図１０は、ピエゾ電気アクチュエータ８４を含む平面ミラーＭ１；Ｍ２支持素子８２の例示的な実施態様の２つの斜視図を例証しており、その一方は分解図である。
【００８８】
有利には、この支持素子８２は、連続的に、後部支持素子８６と、ピエゾ電気アクチュエータ８４と、ピエゾ電気アクチュエータ８４をプリストレスするリング８８と、平面ミラーＭ１；Ｍ２と、バネリング９０とを含む。
【００８９】
レンズ光軸に沿って平面ミラーＭ１；Ｍ２の移動を所要の精度で管理するために、この平面ミラーＭ１；Ｍ２を維持し且つ位置付けるための手段ＳＭ１；ＳＭ２上にピエゾ電気アクチュエータを組み込むのが有利である。
【００９０】
その上、バネリング９０は、３つの固定ネジが締め付けられるときに変形し得る機械的特性を有する。締付けがその最大にあるとき（それは弛みを更に回避する）、精密な機械的計算は、可撓部分の幾何及びミラー厚さに関する所与の保持応力をミラー上に適用することを可能にする。
【００９１】
ピエゾ電気アクチュエータに亘るプレストレスを得るために、同じ原理が使用され、この場合には、プリストレスリング８８と、後部支持体８６とを含む。平面ミラーＭ１；Ｍ２は、プリストレスリング８８の正面に固定され、後部支持体８６は、ミラーＭ１；Ｍ２方向付け部材上で支持素子８２を固定することも可能にする。
【００９２】
ミラーＭ１；Ｍ２が好ましくは移動に従いながらも、複屈折光学現象を避けるには大き過ぎる応力を伴わないように、ミラーＭ１；Ｍ２の固定が剛的である点で、そのような構造は有利である。それはミラー方向付け部材４８上での支持素子８２の一体化を可能にしながら、所望の周波数及び振幅を達成するために移動部分の重量を最小限化することも可能にする。
【００９３】
本発明は記載され且つ提示された例示的な実施態様に限定されない。例えば、共振器を最大でフェムト秒まで他の時間周期で使用し得る。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５ａ−５ｂ】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図６ｃ】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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