JP2008288099A - Electron gun, electron generating method, and element whose polarization state can be controlled - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電子銃、電子発生方法、及び偏光制御素子に関し、特に詳しくはフォトカソードを用いた電子銃、電子発生方法、並びにそれに好適な偏光制御素子に関する。 The present invention relates to an electron gun, an electron generation method, and a polarization control element, and more particularly to an electron gun using a photocathode, an electron generation method, and a polarization control element suitable for the electron gun.
X線自由電子レーザ(XFEL)、逆コンプトン散乱によるフェムト秒X線パルス光源、フェムト秒時間分解電子顕微鏡、超短パルス電子線描画装置、エネルギー回収型ライナック(ERL)などの電子源として、電子銃が用いられている。通常、高輝度電子銃、又は超短パルス電子銃がこれらの用途に用いられる。 An electron gun as an electron source such as an X-ray free electron laser (XFEL), a femtosecond X-ray pulsed light source by inverse Compton scattering, a femtosecond time-resolved electron microscope, an ultrashort pulse electron beam drawing apparatus, an energy recovery linac (ERL) Is used. Usually, a high-intensity electron gun or an ultrashort pulse electron gun is used for these applications.
電子銃を電子放出の観点から分類すると、熱カソード電子銃、フォトカソード電子銃、及び電界放出型電子銃の3種類に分かれる。熱カソード電子銃は熱エネルギーにより電子放出を行う。フォトカソード電子銃は光電効果によって電子放出を行う。電界放出型電子銃は、高電界(1GV/m以上)をカソードに印加することで電子を放出する。また、電子銃を電子加速方式から分類すると、RF電子銃と、DC電子銃の2つに分かれる。RF電子銃は、共振器空胴の助けを借りてマイクロ波(RF)により電子を加速する。DC電子銃は、対向する電極間に電圧を印加してDC的(インパルス的)に電子を加速する。ビーム電流が大きい場合、フォトカソードとRF加速方式の組み合わせ、並びに、熱カソードとDC加速方式の組み合わせが一般的である。これは、両者の性質を合わせられるので相性がよいためである。また、電子ビームの重要な特性として、エミッタンスや輝度等が挙げられる。従って、低エミッタンスで高輝度な電子ビームを安定して発生させることができる電子銃の開発が望まれている。 The electron guns are classified into three types: a hot cathode electron gun, a photocathode electron gun, and a field emission electron gun. The hot cathode electron gun emits electrons by thermal energy. The photocathode electron gun emits electrons by the photoelectric effect. The field emission electron gun emits electrons by applying a high electric field (1 GV / m or more) to the cathode. Further, when the electron gun is classified from the electron acceleration method, it is divided into an RF electron gun and a DC electron gun. An RF electron gun accelerates electrons by microwaves (RF) with the help of a resonator cavity. A DC electron gun accelerates electrons in a DC manner (impulse manner) by applying a voltage between opposing electrodes. When the beam current is large, a combination of a photocathode and an RF acceleration method and a combination of a thermal cathode and a DC acceleration method are common. This is because the properties of both can be matched and the compatibility is good. Moreover, emittance, luminance, etc. are mentioned as important characteristics of an electron beam. Therefore, it is desired to develop an electron gun that can stably generate an electron beam with low emittance and high brightness.
フォトカソードRF電子銃は、熱カソードDC電子銃、及び電界放出型電子銃に比べて、(1)低エミッタンス化が可能であること、(2)光源の強度を制御することで容易に電子ビームの輝度を調整することができるため、制御性に優れていること、などの利点を有している。現在、世界最高輝度のパルス電子ビームは、フォトカソード電子銃により得られている。フォトカソード電子銃では、フォトカソードにレーザ光を照射して、電子を発生させている。 The photocathode RF electron gun has (1) low emittance compared to the hot cathode DC electron gun and field emission electron gun, and (2) an electron beam easily by controlling the intensity of the light source. Therefore, it has advantages such as excellent controllability. Currently, the world's brightest pulsed electron beam is obtained by a photocathode electron gun. In the photocathode electron gun, the photocathode is irradiated with laser light to generate electrons.
このような、フォトカソードでは、仕事関数が小さい材料を用いることが好ましい。すなわち、仕事関数を小さくすることによって、波長の長いレーザ光を用いることが可能になる。例えば、アルカリ金属では、仕事関数が、例えば、2〜3eV程度となる。しかしながら、アルカリ金属が大気中に暴露されると、その表面が劣化してしまう。従って、大気中でのメンテナンスができなくなってしまう。 In such a photocathode, it is preferable to use a material having a small work function. That is, it is possible to use laser light having a long wavelength by reducing the work function. For example, with an alkali metal, the work function is, for example, about 2 to 3 eV. However, when the alkali metal is exposed to the atmosphere, its surface deteriorates. Therefore, maintenance in the atmosphere cannot be performed.
また、安定して長時間使用することが可能な、銅やダイアモンドなどのカソード材料は仕事関数が大きい。従って、大気中で安定な金属材料等をフォトカソード材料として用いる場合、レーザを短波長化する必要がある。電子を放出させるために、深紫外の光源が必要である。そのため、必然的にレーザ光源が大型化、複雑化するという問題点がある。例えば、大気中に暴露しても安定な材料の場合、仕事関数が4eV以上になってしまう。仕事関数が4eV以上である場合、必要なレーザ波長は紫外領域となる。さらに、従来のフォトカソード電子銃では、暗電流が大きく、電子ビームのコントラストが低いという問題点がある。 In addition, cathode materials such as copper and diamond that can be used stably for a long time have a high work function. Therefore, when a metal material or the like that is stable in the atmosphere is used as the photocathode material, it is necessary to shorten the wavelength of the laser. In order to emit electrons, a deep ultraviolet light source is required. Therefore, there is a problem that the laser light source is necessarily increased in size and complexity. For example, in the case of a material that is stable even when exposed to the air, the work function becomes 4 eV or more. When the work function is 4 eV or more, the necessary laser wavelength is in the ultraviolet region. Furthermore, the conventional photocathode electron gun has a problem that the dark current is large and the contrast of the electron beam is low.
レーザ光源装置の大型化という問題点に対して、フォトカソード電子銃と、電界放出型電子銃とを折衷させた電子銃が開示されている(非特許文献1)。この電子銃では、フォトカソードの仕事関数を小さくするため、フォトカソードの表面に垂直な高電場を印加している。具体的には、フォトカソードをニードル化して、先端の電界を高くしている。このようにすることで、先端部金属の仕事関数を小さくして、フォトカソードの量子効率を高くしている。 In response to the problem of increasing the size of the laser light source device, an electron gun is disclosed in which a photocathode electron gun and a field emission electron gun are compromised (Non-Patent Document 1). In this electron gun, a high electric field perpendicular to the surface of the photocathode is applied in order to reduce the work function of the photocathode. Specifically, the photocathode is needled to increase the electric field at the tip. By doing so, the work function of the tip metal is reduced and the quantum efficiency of the photocathode is increased.
しかしながら、ニードル化したフォトカソードでは、レーザが入射されていない時にも、電子が放出されてしまう。従って、暗電流が大きくなってしまうという問題が発生してしまう。さらに、加速電場がニードル先端から大きく拡がっているために、電子ビームが加速とともに拡がってしまう。エミッタンスが劣化して、輝度が下がってしまうという問題点がある。このように上記の電子銃では、原理的に、暗電流の問題、及び加速電場形状の問題が発生してしまう。従って、実用化するのが非常に困難である。 However, with a needle photocathode, electrons are emitted even when no laser is incident. Therefore, there arises a problem that the dark current becomes large. Furthermore, since the acceleration electric field is greatly expanded from the tip of the needle, the electron beam is expanded with acceleration. There is a problem that emittance deteriorates and luminance decreases. As described above, in principle, the above-described electron gun causes the problem of dark current and the problem of the shape of the accelerating electric field. Therefore, it is very difficult to put into practical use.
また、カソードをニードル化しないで、高電場を得るためには、スパークチャンバーなどの非常に大型の高電圧発生装置が必要となってしまう。このため、コンパクトなRF電子銃を得ることは、困難である。また、このような、高電圧発生装置では、インパルス的に運転することになるため、繰り返し運転が不安定になってしまう。 Moreover, in order to obtain a high electric field without making the cathode into a needle, a very large high voltage generator such as a spark chamber is required. For this reason, it is difficult to obtain a compact RF electron gun. Moreover, in such a high voltage generator, since the operation is performed in an impulse manner, the repeated operation becomes unstable.
また、金属フォトカソードの量子効率を高めるために必要な電場は、約1GV/m以上であることが知られている(非特許文献2)。上記のスパークチャンバーでは、1MV(1nsec)程度の電圧が最大である。必要な電場(1GV/m)を達成するためには、1mmの電極間にインパルス高電圧を印加しなければならない。従って、最大でも、電子は1MeVまでしか加速されない。このため、電子が光速程度に加速されず、自分自身の空間電荷で拡がってしまう。従って、上記の加速システムでは、エミッタンスが劣化してしまう。さらに、連続して何段もの加速システムが必要となり、装置構成が非常に大型化、複雑化してしまうという問題点がある。 In addition, it is known that the electric field necessary to increase the quantum efficiency of the metal photocathode is about 1 GV / m or more (Non-Patent Document 2). In the spark chamber, a voltage of about 1 MV (1 nsec) is the maximum. In order to achieve the required electric field (1 GV / m), an impulse high voltage must be applied between the 1 mm electrodes. Therefore, at most, electrons are accelerated only to 1 MeV. For this reason, electrons are not accelerated to the speed of light and spread by their own space charge. Therefore, in the above acceleration system, emittance is deteriorated. Furthermore, there are problems that an acceleration system of several stages is required continuously, and the apparatus configuration becomes very large and complicated.
このように、従来の電子銃では、高品質の電子ビームを安定して発生させることが困難であるという問題点がある。 As described above, the conventional electron gun has a problem that it is difficult to stably generate a high-quality electron beam.
本発明は、このような事情を背景としてなされたものであって、本発明の目的は、高品質の電子ビームを安定して発生させることができる電子銃、及び電子発生方法、並びに所望の偏光状態に制御することができる偏光制御素子を提供することである。 The present invention has been made against the background of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide an electron gun capable of stably generating a high-quality electron beam, an electron generation method, and a desired polarization. It is to provide a polarization control element that can be controlled to a state.
本発明の第1の態様にかかる電子銃は、レーザ光源と、前記レーザ光源からのレーザ光に入射位置に応じた位相差を与える偏光変換素子と、前記レーザ光源から前記偏光変換素子を介して入射したレーザ光を集光するレンズと、前記レンズによって集光されたレーザ光が入射するフォトカソードと、を備えるものである。これにより、フォトカソードに入射するレーザ光を所望の偏光状態とすることができる。よって、量子効率を向上することができ、電子ビームの輝度を向上することができる。
本発明の第2の態様にかかる電子銃は、上述の電子銃であって、前記偏光変換素子が、レーザ光を断面全体でほぼ半径方向に直線偏光し、光軸に対して対向する領域において、電気ベクトルの振動方向が反対方向となるように変換するものである。
An electron gun according to a first aspect of the present invention includes a laser light source, a polarization conversion element that gives a phase difference corresponding to an incident position to the laser light from the laser light source, and the laser light source through the polarization conversion element. A lens for condensing incident laser light, and a photocathode for receiving the laser light condensed by the lens are provided. Thereby, the laser beam incident on the photocathode can be in a desired polarization state. Therefore, quantum efficiency can be improved and the brightness of the electron beam can be improved.
An electron gun according to a second aspect of the present invention is the above-described electron gun, wherein the polarization conversion element linearly polarizes laser light in a substantially radial direction across the entire cross section, and in a region facing the optical axis. The electric vector is converted so that the vibration direction is opposite.
本発明の第3の態様にかかる電子銃は、上述の電子銃であって、前記偏光変換素子が、放射状に分割された分割領域を複数有し、前記複数の分割領域には、入射した光の位相をずらして出射する波長板がそれぞれ設けられ、前記対向する分割領域において、前記波長板の光学軸がほぼ直交しているものである。これにより、カソード表面において、Z方向の電場が与えられる。このため、仕事関数が低下して、電子ビームの輝度を向上することができる。 An electron gun according to a third aspect of the present invention is the above-described electron gun, wherein the polarization conversion element has a plurality of radially divided regions, and incident light is incident on the plurality of divided regions. The wave plates are arranged so as to emit light with their phases shifted from each other, and the optical axes of the wave plates are substantially orthogonal in the opposed divided regions. This gives an electric field in the Z direction on the cathode surface. For this reason, a work function falls and the brightness | luminance of an electron beam can be improved.
本発明の第4の態様にかかる電子銃は、上述の電子銃であって、前記フォトカソード表面における前記レーザ光の偏光状態を電気的に調整する偏光調整素子が前記レーザ光の光路に設けられているものである。これにより、電子ビームの輝度の調整を容易に行うことができる。 An electron gun according to a fourth aspect of the present invention is the above-described electron gun, wherein a polarization adjusting element for electrically adjusting a polarization state of the laser light on the surface of the photocathode is provided in an optical path of the laser light. It is what. Thereby, the brightness | luminance of an electron beam can be adjusted easily.
本発明の第5の態様にかかる電子銃は、上述の電子銃であって、前記偏光調整素子が、周方向に沿って配列された複数の電気光学素子と、前記周方向に沿って配列された複数の電気光学素子の内側に設けられた第1電極と、前記放射状に分割された複数の電気光学素子の外側に設けられた第2電極とを、備え、前記複数の電気光学素子の光学軸が隣の電気光学素子の光学軸と異なる方向になっているものである。これにより、偏光状態の調整を精密に行うことができる。
本発明の第6の態様にかかる電子銃は、上述の電子銃であって、前記偏光調整素子が、周方向に沿って配列された複数の磁気光学素子と、前記周方向に沿って配列された複数の磁気光学素子の内側にそれぞれ設けられた第1のコイルと、前記周方向に沿って配列された複数の磁気光学素子の外側にそれぞれ設けられた第2のコイルとを、備え、前記複数の磁気光学素子の光学軸が隣の磁気光学素子の光学軸と異なる方向になっているものである。
本発明の第7の態様にかかる電子銃は、上述の電子銃であって、前記偏光調整素子が、周方向に沿って配列された複数の磁気光学素子と、前記周方向に沿って配列された複数の磁気光学素子の外周にそれぞれ設けられたコイルを備え、前記複数の磁気光学素子の光学軸が隣の磁気光学素子の光学軸と異なる方向になっているものである。
本発明の第8の態様にかかる電子銃は、上述の電子銃であって、前記偏光変換素子からのレーザ光とは別に前記フォトカソードにレーザ光が入射するものである。これにより、電子ビームの輝度を向上することができる。
An electron gun according to a fifth aspect of the present invention is the above-described electron gun, wherein the polarization adjusting elements are arranged along the circumferential direction and a plurality of electro-optic elements arranged along the circumferential direction. A first electrode provided on the inside of the plurality of electro-optical elements, and a second electrode provided on the outside of the plurality of electro-optical elements divided radially. The axis is different from the optical axis of the adjacent electro-optic element. Thereby, the polarization state can be adjusted precisely.
An electron gun according to a sixth aspect of the present invention is the above-described electron gun, wherein the polarization adjusting element is arranged along the circumferential direction with a plurality of magneto-optical elements arranged along the circumferential direction. A first coil provided inside each of the plurality of magneto-optical elements, and a second coil provided respectively outside the plurality of magneto-optical elements arranged along the circumferential direction, The optical axes of the plurality of magneto-optical elements are different from the optical axis of the adjacent magneto-optical element.
An electron gun according to a seventh aspect of the present invention is the above-described electron gun, wherein the polarization adjusting element is arranged along the circumferential direction and a plurality of magneto-optical elements arranged along the circumferential direction. In addition, coils provided respectively on the outer circumferences of the plurality of magneto-optical elements are provided, and the optical axes of the plurality of magneto-optical elements are different from the optical axes of the adjacent magneto-optical elements.
An electron gun according to an eighth aspect of the present invention is the above-described electron gun, in which laser light is incident on the photocathode separately from the laser light from the polarization conversion element. Thereby, the brightness | luminance of an electron beam can be improved.
本発明の第9の態様にかかる電子銃は、上述の電子銃であって、前記フォトカソードにおいて、2本のレーザ光のプロファイルのピーク位置がずれているものである。これにより、電子ビームのエミッタンス特性を向上することができる。 An electron gun according to a ninth aspect of the present invention is the above-described electron gun, wherein the peak positions of the profiles of the two laser beams are shifted in the photocathode. Thereby, the emittance characteristics of the electron beam can be improved.
本発明の第10の態様にかかる電子銃は、上述の電子銃であって、前記レーザ光源からのレーザ光を円環状の光ビームに変換する円環ビーム変換手段が設けられているものである。これにより、レーザ光の利用効率を高くすることができ、電子ビームの輝度を向上することができる。 An electron gun according to a tenth aspect of the present invention is the above-described electron gun, wherein an annular beam converting means for converting the laser light from the laser light source into an annular light beam is provided. . Thereby, the utilization efficiency of a laser beam can be made high and the brightness | luminance of an electron beam can be improved.
本発明の第11の態様にかかる電子銃は、上述の電子銃であって、前記レンズが中空形状になっており、前記フォトカソードからの電子ビームが前記レンズの中空部分を通過するものである。これにより、電子ビームに対する外乱を少なくすることができる。従って、電子ビーム特性を向上することができる。また、レンズをフォトカソードに近づけて設置することが可能となる。これにより、より大きな開口数を有するレンズを使用することが可能になり、電子ビームの輝度を高くすることができる。 An electron gun according to an eleventh aspect of the present invention is the above-described electron gun, wherein the lens has a hollow shape, and an electron beam from the photocathode passes through a hollow portion of the lens. . Thereby, disturbance to the electron beam can be reduced. Therefore, the electron beam characteristics can be improved. In addition, the lens can be installed close to the photocathode. As a result, a lens having a larger numerical aperture can be used, and the luminance of the electron beam can be increased.
本発明の第12の態様にかかる電子銃は、上述の電子銃であって、前記レーザ光源からのレーザ光が前記フォトカソードの電子ビームの出射側と反対側から前記フォトカソードに入射すものである。これにより、簡便な構成で、電子ビームの輝度を高くすることができる。
本発明の第13の態様にかかる電子銃は、上述の電子銃であって、前記レーザ光源から、1psecよりも短いパルス幅を持つパルスレーザ光が出射される
An electron gun according to a twelfth aspect of the present invention is the above-described electron gun, wherein laser light from the laser light source is incident on the photocathode from the side opposite to the electron beam emission side of the photocathode. is there. Thereby, the brightness | luminance of an electron beam can be made high with a simple structure.
An electron gun according to a thirteenth aspect of the present invention is the above-described electron gun, wherein a pulsed laser beam having a pulse width shorter than 1 psec is emitted from the laser light source.
本発明の第14の態様にかかる電子発生方法は、フォトカソードにレーザ光を照射して、電子ビームを発生させる電子発生方法であって、直線偏光のレーザ光を偏光変換素子に入射させるステップと、前記偏光変換素子によって、前記レーザ光の光軸に対して対向する領域において、電気ベクトルの振動方向が反対方向となるように、前記レーザ光の偏光状態を変換するステップと、前記偏光変換素子から出射したレーザ光を集光して、フォトカソードに入射させるステップと、前記レーザ光によって前記フォトカソードから出射した電子を加速するステップと、を備えるものである。これにより、量子効率を向上することができ、電子ビームの輝度を高くすることができる。 An electron generation method according to a fourteenth aspect of the present invention is an electron generation method for generating an electron beam by irradiating a photocathode with laser light, the step of causing linearly polarized laser light to enter a polarization conversion element, and Converting the polarization state of the laser light by the polarization conversion element so that the vibration direction of the electric vector is opposite in a region facing the optical axis of the laser light; and the polarization conversion element The method includes the steps of condensing the laser beam emitted from the laser beam and causing the laser beam to enter the photocathode, and accelerating electrons emitted from the photocathode by the laser beam. Thereby, quantum efficiency can be improved and the brightness | luminance of an electron beam can be made high.
本発明の第15の態様にかかる偏光制御素子は、電極間に配置された電気光学素子を有する偏光制御素子であって、周方向に沿って配列された複数の電気光学素子と、前記周方向に沿って配列された複数の電気光学素子の内側に設けられた第1電極と、前記放射状に分割された複数の電気光学素子の外側に設けられた第2電極とを、備え、前記複数の電気光学素子の光学軸が隣り合う光学軸と異なる方向になっているものである。これにより、所望の偏光状態にすることができる。 A polarization control element according to a fifteenth aspect of the present invention is a polarization control element having an electro-optic element disposed between electrodes, the plurality of electro-optic elements arranged along a circumferential direction, and the circumferential direction A first electrode provided inside the plurality of electro-optic elements arranged along the plurality of electro-optic elements, and a second electrode provided outside the plurality of electro-optic elements divided radially. The optical axis of the electro-optical element is different from the adjacent optical axis. Thereby, it can be set as a desired polarization state.
本発明の第16の態様にかかる偏光制御素子は、上記の偏光制御素子であって、前記複数の電気光学素子の光学軸が放射状になっているものである。これにより、直線偏光をラジアル偏光に近い偏光状態にすることができる。 A polarization control element according to a sixteenth aspect of the present invention is the polarization control element described above, wherein the optical axes of the plurality of electro-optical elements are radial. Thereby, linearly polarized light can be brought into a polarization state close to radial polarized light.
本発明の第17の態様にかかる偏光制御素子は、上記の偏光制御素子であって、前記複数の電気光学素子に対して独立して電場が与えられるよう、前記第1電極、及び第2電極の少なくとも一方が、前記複数の電気光学素子に対してそれぞれ設けられているものである。これにより、より精密な調整が可能になる。 A polarization control element according to a seventeenth aspect of the present invention is the polarization control element described above, wherein the first electrode and the second electrode are provided so that an electric field is independently applied to the plurality of electro-optical elements. Is provided for each of the plurality of electro-optic elements. Thereby, a more precise adjustment becomes possible.
本発明によれば、高品質の電子ビームを安定して発生させることができる電子銃、及び電子発生方法、並びに所望の偏光状態に制御することができる偏光制御素子を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an electron gun that can stably generate a high-quality electron beam, an electron generation method, and a polarization control element that can be controlled to a desired polarization state.
以下に、本発明を適用可能な実施の形態が説明される。以下の説明は、本発明の実施形態を説明するものであり、本発明が以下の実施形態に限定されるものではない。説明の明確化のため、以下の記載は、適宜、省略及び簡略化がなされている。又、当業者であれば、以下の実施形態の各要素を、本発明の範囲において容易に変更、追加、変換することが可能であろう。尚、各図において同一の符号を付されたものは同様の要素を示しており、適宜、説明が省略される。 Hereinafter, embodiments to which the present invention can be applied will be described. The following description is to describe the embodiment of the present invention, and the present invention is not limited to the following embodiment. For clarity of explanation, the following description is omitted and simplified as appropriate. Further, those skilled in the art will be able to easily change, add, and convert each element of the following embodiments within the scope of the present invention. In addition, what attached | subjected the same code | symbol in each figure has shown the same element, and abbreviate | omits description suitably.
発明の実施の形態1.
本発明の実施の形態にかかる電子銃について図1を用いて説明する。図1は、実施の形態1にかかる電子銃100の構成を模式的に示す図である。本実施の形態にかかる電子銃100は、レーザ光50がカソードに入射することによって、電子を発生するフォトカソード電子銃である。そして、電子銃100で発生した電子は、マイクロ波源24からのマイクロ波によって加速される。なお、本実施の形態にかかる電子銃100は、反射型のフォトカソードを有している。すなわち、電子ビーム出射側からレーザ光を照射している。
An electron gun according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a configuration of an
電子銃100は、レーザ光源11、波長変換素子12、アキシコンレンズ13、アキシコンレンズ14、偏光変換素子15、偏光調整素子16、ミラー17、レンズ18、偏光調整用電源19、フォトカソード21、共振器22、及びマイクロ波源24を有している。
The
レーザ光源11は、直線偏光のレーザ光50を出射する。レーザ光源11としては、例えば、再生増幅器付きのTi:Sapphireレーザを用いることができる。従って、レーザ光源11は、波長790mmのパルスレーザ光を出射する。レーザ光源11からの光ビームは、平行光束となって、波長変換素子12に入射する。波長変換素子12は、例えば、非線形光学結晶であり、レーザ光50の波長を変換する。これにより、レーザ光50の波長が短くなる。波長変換素子12としては、例えば、BBO結晶を用いることができる。すなわち、波長変換素子12は、波長790nmの基本波から、波長395nmの2倍波を生成する。もちろん、2倍波に限らず、波長263nmの3倍波を用いてもよい。このように、波長変換素子12は、レーザ光50の波長を変換する。
The
波長変換されたレーザ光50は、1対のアキシコンレンズ13、14に入射する。アキシコンレンズ13、14は、円錐形状になっている。レーザ光50は、1対のアキシコンレンズ13、14によって屈折され、輪状のビームに変換される。すなわち、アキシコンレンズ14から出射したレーザ光50の断面は、中空のリング状になっている。このように、1対のアキシコンレンズ13、14は、レーザ光50から円環ビームを生成する。アキシコンレンズ14からは、平行な光束が出射する。なお、1対のアキシコンレンズ13、14以外の構成で円環ビームを生成してもよい。例えば、1つのアキシコンレンズと1つの球面レンズとによって、円環ビームを生成することができる。このように、1枚以上のアキシコンレンズを用いることで、レーザ光強度の低下を防ぐことができる。あるいは、リング状のスリット(輪帯)を用いてもよい。このように、レーザ光源11からのレーザ光を円環状の光ビームに変換する円環ビーム変換手段を設けることによって、レーザ光50を効率よく利用することができる。
The wavelength-converted
アキシコンレンズ14から出射したレーザ光50は、偏光変換素子15に入射する。偏光変換素子15は、レーザ光50に入射位置に応じた位相差を与える。すなわち、偏光変換素子15は、入射位置に応じて異なる位相だけ光を遅延する。偏光変換素子15から出射したレーザ光50は、偏光変換素子15における入射位置に応じて、異なる偏光方向になっている。偏光変換素子15としては、例えば、ナノフォトン社製のZpolを用いることができる。この偏光変換素子15は、直線偏光を偏光軸が放射状になるラジアル偏光に変換する。正確には、偏光変換素子15に直線偏光のレーザ光50を入射させることで、ラジアル偏光に近い偏光状態となる。すなわち、直線偏光をラジアル偏光に近似する擬似ラジアル偏光にすることができる。この偏光変換素子15を、レンズ18と組み合わせることで、Z方向(光軸方向)に大きな電場成分を持つZ偏光を生成することができる。Z偏光に変換されたレーザ光50は、光の進行方向に振動する。この偏光変換素子15、及びZ偏光については、後述する。
偏光変換素子15からのレーザ光50は、偏光調整素子16に入射する。偏光調整素子16は、偏光変換素子15によって変換されたレーザ光の偏光状態を調整する。偏光調整素子16は、上記のZ方向に大きな電場を持つZ偏光が生成される位置を調整する。これにより、例えば、フォトカソード表面においてZ偏光が生成されるように調整することができる。偏光調整素子16は、偏光調整用電源19に接続されている。そして、偏光調整用電源19の電圧を制御することによって、偏光を電気的に調整することができる。なお、偏光調整素子16については、後述する。
The
偏光調整素子16を通過したレーザ光50は、ミラー17に入射する。ミラー17は、レーザ光50の光軸に対して45°傾斜している。従って、ミラー17は、レーザ光50を、フォトカソード21の方向に反射する。ミラー17からのレーザ光50は、レンズ18に入射する。レンズ18は、レーザ光50は、レンズ18によって屈折され、フォトカソード21に入射する。すなわち、レンズ18は、レーザ光50を集光して、フォトカソード21に照射する。
The
ミラー17、及びレンズ18は、中心部分がくり抜かれた中空形状になっている。また、アキシコンレンズ13、14によって、レーザ光50が輪状になっている。このため、中空のミラー17、及びレンズ18を用いた場合でも、レーザ光のほとんどがフォトカソード21に入射する。換言すると、ミラー17、及びレンズ18は、輪状のレーザ光50に対応する中空部分を有している。よって、輪状のレーザ光50は、ミラー17、及びレンズ18の中空部分には、入射しない。これにより、レーザ光50のほとんどがフォトカソード21に入射する。従って、レーザ光50の利用効率の低下を防ぐことができる。
The
レンズ18を通過したレーザ光50は、共振器23の開口部に入射する。レーザ光50を共振器23の空胴部分を通過して、フォトカソード21に入射する。レーザ光50は、レンズ18によって、フォトカソード21の表面に集光されている。すなわち、レンズ18の焦点位置にフォトカソード21の表面が配置されている。従って、レーザ光50の集光点は、フォトカソード21の表面となる。フォトカソード21にレーザ光50が入射すると、光電効果によって、電子が発生する。なお、レーザ光50の光軸は、フォトカソード21の表面と垂直になっている。すなわち、ミラー17はフォトカソード21に対して45°傾斜している。よって、レーザ光50は、フォトカソード21に直入射する。
The
共振器23には、マイクロ波源24で発生したマイクロ波が入射されている。共振器23は、空胴共振器であり、入力されたマイクロ波に応じた定在波を発生する。すなわち、RF共振器である共振器23には、フォトカソード21で発生した電子を加速するための電場が発生している。フォトカソード21で発生した電子は、共振器23内の電場で加速される。すなわち、所定の速度の電子ビーム60となって共振器23から出射する。ここでは、共振器23で発生する定在波に応じて、レーザ光パルスのタイミングを調整する。すなわち、マイクロ波源24からのマイクロ波とレーザ光のパルスを同期させる。これにより、共振器23内に加速電場が生じているタイミングで、フォトカソード21から電子が発生する。従って、電子ビーム60が効率よく加速される。そして、加速された電子ビーム60は、ミラー17、及びレンズ18の中空部分を通過する。これにより、電子ビーム60に対して外乱が生じるのを防ぐことができる。すなわち、電子ビーム60がミラー17やレンズ18などの構造物を通過しなくなる。ミラー17、及びレンズ18が電子ビーム60と干渉しない。このため、電子ビーム60の品質の劣化を防ぐことができる。
The microwave generated by the
このようにして得られた電子ビーム60は、所定の経路を通過して、X線自由電子レーザ(XFEL)、逆コンプトン散乱によるフェムト秒X線パルス光源、フェムト秒時間分解電子顕微鏡、超短パルス電子線描画装置、エネルギー回収型ライナック(ERL)などに利用される。なお、電子ビーム60の経路中に存在するミラ−17、及びレンズ18は、真空中に配置される。すなわち、ミラー17、及びレンズ18は真空チャンバー内に配設される。従って、偏光調整素子16からのレーザ光50は、真空チャンバーに設けられたウィンドウを介して、ミラー17に入射する。このように、偏光調整素子16、及び偏光変換素子15を大気中に配設している。これにより、光学系の調整等を容易に行うことができる。よって、利便性を向上することができる。
The
ここで、偏光変換素子15、及びレンズ18を用いることによって、レーザ光50の焦点位置では、Z方向の電場が発生している。フォトカソード21の表面にZ方向の電場をかけることで、ショットキー効果が発生する。ショットキー効果によって、フォトカソード21の実効的な仕事関数が小さくなるため、量子効率が高くなる。波長の長いレーザ光を用いた場合でも、大気中で安定な材料をフォトカソード21として用いることができる。例えば、仕事関数が4eV程度の銅や仕事関数が5.5eV程度の銅ダイアモンドなどをフォトカソード材料として用いることができる。換言すると、大気中で、フォトカソード21をメンテナンスすることが可能になる。よって、メンテナンス性を向上することができ、電子銃の長寿命化を図ることができる。さらに、フォトカソード材料の選択幅を広くすることができる。また、波長の長いレーザ光を用いることができるので、レーザ光源11の大型化、複雑化を防ぐことができる。すなわち、簡素な構成で小型のレーザ光源11を用いることが可能になる。
Here, by using the
フォトカソード21に金属材料を用いる場合、光電効果のレスポンスは、10fsec程度である。従って、マイクロ波源24のマイクロ波と同期して、レーザ光50を照射することで、安定して電子を加速することができる。
When a metal material is used for the
本実施の形態では、偏光変換素子15を用いてZ偏光を発生させている。レーザ光50によるZ方向の電場を利用して、電子を発生させている。すなわち、Z偏光をフォトカソード21の表面に入射している。これにより、ニードル化したフォトカソードに比べて、エミッタンスを向上することができる。さらに、量子効率を向上することができるため、高輝度の電子ビーム60を得ることができる。よって、簡便な構成で、高品質の電子ビーム60を発生させることができる。また、実効的な仕事関数を低くすることができる。このため、金属やダイアモンドなどの大気中で安定なフォトカソード材料を用いることができる。これにより、低ランニングコストでメンテナンス性の高い電子銃100を実現することができる。
In the present embodiment, the Z-polarized light is generated using the
次に、直線偏光をZ偏光に変換するための偏光変換素子15について、図2〜図4を用いて説明する。図2(a)は、偏光変換素子15の構成を模式的に示す平面図である。図2(b)は、偏光変換素子15を通過したレーザ光50の偏光状態を説明するための図である。図2(c)は、偏光変換素子15を通過したレーザ光50の別の偏光状態を説明するための図である。図3は、偏光変換素子15、及びレンズ18によって変化する偏光状態を説明するための斜視図である。図4は、偏光変換素子15、及びレンズ18によって変化する偏光状態を説明するための側面図である。なお、図3、及び図4では、説明の簡略化のため、偏光変換素子15、及びレンズ18のみを示し、その他の構成部品(例えば、ミラー17、偏光調整素子16等)については省略している。また、図2〜図4では、レーザ光50の進行方向をZ方向とし、Z方向に垂直な平面をXY平面としている。X方向、及びY方向は互いに直交する方向である。
Next, the
まず、図2を用いて偏光変換素子15の構成について説明する。偏光変換素子15は、例えば、ガラス等からなる透明基板の上に波長板を設けることによって形成される。偏光変換素子15は、放射状に分割された4つの領域を有している。図2(a)に示すように、この4つの領域を分割領域15a〜分割領域15dとする。すなわち、偏光変換素子15は、4つの分割領域15a〜15dを備えている。ここでは、上側に分割領域15aが配置され、下側に分割領域15bが配置され、左側に分割領域15cが配置され、右側に分割領域15dが配置されている。分割領域15a〜15dは、中心点に対して対称に分割されている。従って、4つの分割領域15a〜15dは、放射状に配置されている。このように、放射状に分割された4つの領域が分割領域15a〜15dとなる。それぞれの分割領域の大きさは等しくなっている。分割領域15a〜15dは周方向の全体にわたって設けられている。従って、分割領域15a〜15dのそれぞれは、中心点に対応する内角が90°の扇形となる。
First, the configuration of the
分割領域15a〜15dにはそれぞれ異なる方向の光学軸を有する1/2波長板が設けられている。すなわち、分割領域15a〜15d毎に、光の振動方向が異なっている。図2(a)には、分割領域15a〜15dにおける光学軸が矢印で示されている。ここで、それぞれの分割領域の光学軸は、隣の分割領域の光学軸から45°ずれている。すなわち、Y軸の方向を基準とすると、図2に示すように、分割領域15aにおける波長板の光学軸の角度は0°となり、分割領域15bの光学軸は90°となり、分割領域15cの光学軸は−45°となり、分割領域15dの光学軸は45°となっている。
The divided
従って、中心点に対して互いに対向する分割領域に設けられている1対の波長板は、光学軸が直交する。例えば、分割領域15aの光学軸は0°であり、分割領域15aに対向する分割領域15bの光学軸は90°となっている。また、分割領域15cの光学軸と、分割領域15dの光学軸は、互いに直交している。換言すると、互いに対向する分割領域に設けられている一対の波長板において、光学軸の角度の差が90°となっている。このように、分割領域15a〜15dの中心点を挟んで対角に配置された一対の分割領域には、光学軸が90°異なる波長板が設けられる。
Accordingly, the optical axes of the pair of wave plates provided in the divided regions facing each other with respect to the center point are orthogonal to each other. For example, the optical axis of the divided
1/2波長板は、入射光に1/2波長の位相差を与えて出射する。従って、直線偏光の方位が1/2波長板における光学軸に対して成す角度をθとすると、1/2波長板を通過した光は、元の直線偏光から2θだけ回転した直線偏光の光となる。例えば、1/2波長板の光学軸と、直線偏光の偏光軸とが45°ずれている場合、1/2波長板は、偏光軸が90°ずれた直線偏光を出射する。 The half-wave plate emits incident light with a half-wave phase difference. Therefore, if the angle formed by the direction of the linearly polarized light with respect to the optical axis of the half-wave plate is θ, the light passing through the half-wave plate is the linearly polarized light rotated by 2θ from the original linearly polarized light. Become. For example, when the optical axis of the half-wave plate and the polarization axis of linearly polarized light are shifted by 45 °, the half-wave plate emits linearly polarized light whose polarization axis is shifted by 90 °.
図2(b)では、偏光軸がY方向に沿った方向である直線偏光が入射した場合を示している。すなわち、Y方向と平行な方向の偏光面を有するレーザ光50が入射すると、図2(b)に示す偏光状態となる。従って、入射偏光方位が0°の直線偏光が入射した時に出射される出射光の偏光方位について説明する。すなわち、分割領域15aの光学軸と、入射光の偏光軸が一致している場合について説明する。図2(b)には、各分割領域から出射される出射光の偏光軸が矢印でそれぞれ示されている。分割領域15a〜分割領域15dから出射される直線偏光の偏光軸は放射状になっている。
FIG. 2B shows a case where linearly polarized light having a polarization axis along the Y direction is incident. That is, when a
具体的には、中心点に対して対向する一対の分割領域から出射される直線偏光の偏光軸が平行になっている。そして、対向する一対の分割領域では振動方向が反対になっている。また、隣接する分割領域から出射される光の偏光軸は90°ずれている。例えば、分割領域15a及び分割領域15bから出射する光の偏光軸は、0°である。また、分割領域15c及び分割領域15dから出射される光の偏光軸は、90°である。従って、入射位置に応じて偏光軸の角度が変化して、出射偏光変位が放射状となる。このように、偏光変換素子15は、入射位置に応じて入射光の偏光状態を変化させ、所望の偏光状態になるよう制御する。
Specifically, the polarization axes of linearly polarized light emitted from a pair of divided regions facing the center point are parallel. And a vibration direction is opposite in a pair of division area which opposes. Further, the polarization axis of the light emitted from the adjacent divided regions is shifted by 90 °. For example, the polarization axis of the light emitted from the divided
上記の偏光変換素子15に直線偏光を入射させることで、ラジアル偏光に近い偏光状態となるよう制御することができる。具体的には、レーザ光50の光軸と、偏光変換素子15の中心点を一致させる。そして、分割領域15aの光学軸と直線偏光の偏光軸を一致させる。このようにすることで、直線偏光をラジアル偏光に近似する擬似ラジアル偏光にすることができる。また、上記の偏光変換素子15に対して偏光軸がX方向の直線偏光を入射することによって、偏光軸が円形に近い形状となる。従って、アジマス偏光に近い偏光状態とすることができる。すなわち、アジマス偏光に近似する擬似アジマス偏光にすることができる。このときのXY平面における偏光軸の分布は図2(c)に示すようになる。なお、上記の説明では、4分割の偏光変換素子15について説明したが、分割数はこれに限られるものではない。例えば、2分割や8分割の偏光変換素子15を用いることもできる。
By making linearly polarized light incident on the
偏光変換素子15の分割数を増加させることによって、よりラジアル偏光又はアジマス偏光に近い偏光状態とすることができる。すなわち、分割領域の数を増やすこと偏光軸がよりなめらかに変化する。換言すると、分割数を無限大にすると、理想的なラジアル偏光状態又は理想的なアジマス偏光状態を生成することができる。さらに、電場ベクトルのZ成分を高くするためには、分割数を8以上とすることが好ましく、16以上とすることがより好ましい。
By increasing the number of divisions of the
具体的には、例えば、分割数が16の場合、波長板の光学軸を隣の分割領域から11.25°ずらす。これにより、対向する分割領域で、光学軸が直交する。そして、この偏光変換素子15に一定角度の偏光軸を入射させると、直線偏光が擬似ラジアル偏光又は擬似アジマス偏光となって出射される。
Specifically, for example, when the number of divisions is 16, the optical axis of the wave plate is shifted by 11.25 ° from the adjacent division region. As a result, the optical axes are orthogonal to each other in the divided areas facing each other. When a polarization axis having a certain angle is incident on the
次に、偏光変換素子15とレンズ18とを組み合わせてZ偏光を生成する点について、説明する。図3、及び図4に示すように、偏光変換素子15によって擬似ラジアル偏光を生成する。すなわち、図2(b)に示したように、対向する分割領域では、振動方向が180°反対向きになっている。すなわち、偏光変換素子15を通過することによって、偏光軸が放射状になっている。このような偏光状態のレーザ光50をレンズ18で集光する。
Next, the point that Z polarization is generated by combining the
偏光変換素子15を光路上に配置すると、上側の分割領域15aを透過した光と下側の分割領域15bを透過した光とで位相にずれが生じる。すなわち、上下に対向した配置された分割領域15aと分割領域15bとで光の位相が180°ずれる。レーザ光50から直線偏光が出力されているとすると、電気ベクトルの直交する成分の位相は一致している。直線偏光が偏光変換素子15を通過した場合、分割領域15aと分割領域15bとでは、電気ベクトルの位相が180°ずれることになる。すなわち上の分割領域15aと下の分割領域15bとで電気ベクトルの振動方向が反対方向になる。上の分割領域15aと下の分割領域15bとでは、偏光方向が反対方向となる。すなわち、上の分割領域15aを透過した光と下の分割領域15bを透過した光とは同じ直線上の直線偏光であるが、その振動の向きが反対となる。
When the
次に、図3、及び図4を用いて、Z偏光を生成する方法について説明する。図3、及び図4の矢印はその位置における電気ベクトルの振動方向を模式的に示したものである。上述のように偏光変換素子15を透過する前のレーザ光は直線偏光であるので全て同じ方向(Y方向)に電気ベクトルが振動している。そして、偏光変換素子15を通過することによって、その位置に応じて電気ベクトルの振動方向が変化する。図4に示すように、上の分割領域15aを透過した光の電気ベクトルは上方向に振動している。一方、下の分割領域15bを透過した光の電気ベクトルは下方向に振動している。なお、図4において、中心を透過する光の振動方向は説明のため上方向として図示している。
Next, a method for generating Z-polarized light will be described with reference to FIGS. 3 and 4. The arrows in FIGS. 3 and 4 schematically show the vibration direction of the electric vector at that position. As described above, since the laser light before passing through the
次に偏光変換素子15を透過した光がレンズ18により試料上に集光された状態について、図4を用いて詳細に説明する。ここでは光の電気ベクトルの振動方向を光の進行方向に対して垂直な方向の成分(Y方向)と平行な方向の成分(Z成分)に分けて考える。なお、図3において、光の進行方向に対して垂直な方向(Y方向)を上下方向とし、光の進行方向に対して平行な方向(Z方向)を左右方向として説明する。
Next, the state where the light transmitted through the
上の分割領域15aを透過した光はレンズ18により下方向に傾くよう屈折される。従って、光の電気ベクトルの振動方向は図4に示すように右斜め上となる。中心を透過した光はレンズ18により屈折されないので、振動方向はそのまま上方向のままである。下の分割領域15bを透過した光はレンズ18により上方向に傾くよう屈折される。従って、光の電気ベクトルの振動方向は右斜め下となる。このように位置に応じて異なる振動方向を持つ光が試料上に集光される。
The light transmitted through the upper divided
レンズ18を透過した後において、電気ベクトルの振動方向は上の分割領域15aでは右斜め上で、下の分割領域15bでは右斜め下であるため、上下方向の成分がそれぞれ反対である。これにより、フォトカソード21上に集光された状態において、電気ベクトルの振動方向における上下方向の成分は、打ち消し合う。従って、光の進行方向と垂直方向の電気ベクトルの成分はほぼ0となる。すなわち、試料上において、光の電気ベクトルは進行方向と垂直な方向に振動しなくなる。
After passing through the
一方、電気ベクトルの振動方向は上の分割領域15aでは右斜め上で、下の分割領域15bでは右斜め下であるため、左右方向の成分が同じ右方向である。これにより、電気ベクトルの左右方向の成分については、上の分割領域15aと下の分割領域15bとで強め合う。従って、光の進行方向と平行方向の電気ベクトルの成分は右方向に強調される。すなわち、光の電気ベクトルは進行方向と平行な方向に振動していることになる。このように偏光変換素子15によって位相がずれたレーザ光をレンズ18で集光することによって、電気ベクトルが進行方向と平行な方向に振動した状態で、レーザ光50をフォトカソード21に照射することができる。なお、Z方向の成分は、レンズ18の焦点距離やNA(開口数)に変化する。すなわち、焦点距離が短く、NAが大きいレンズ18を用いることによって、Z方向の成分を増加させることができる。
On the other hand, the vibration direction of the electric vector is diagonally right upward in the upper divided
このように、Z偏光のレーザ光50がフォトカソード21に入射する。よって、フォトカソード表面には、Z方向に強い電場が発生する。これにより、フォトカソード21の実効的な仕事関数を低下させることができる。例えば、フォトカソード表面において1GV/m程度の電場を発生させると、実効的な仕事関数をeV単位で下げることができる。よって、銅等の安定な金属材料をカソード材料に用いた場合でも、長波長のレーザ光で電子が発生する。量子効率を向上することができる。例えば、ビームの直径を30mm、レンズ18の焦点距離を300mm、レーザ波長を263nmとする。この場合、レーザ光が11MWのピーク強度であれば、1GV/mの電場が発生する。すなわち、11MWのピーク強度を有するレーザ光を、放射状の偏光に変換すると、焦点で1GV/mの電場が発生する。なお、上記の値は計算結果である。
In this way, the Z-polarized
以下に、上記の計算について説明する。まず、光の強度Iと電場Eの関係は、(1)式で与えられる。 The above calculation will be described below. First, the relationship between the light intensity I and the electric field E is given by equation (1).
また、X偏光したレーザビームをレンズによって集光する場合、焦点位置におけるX偏光の強度Ixはレンズに入射する光のパワーPによって、(2)式で与えられる。 When the X-polarized laser beam is collected by the lens, the X-polarized light intensity Ix at the focal position is given by the equation (2) by the power P of the light incident on the lens.
ここで、aはレンズの直径、fはレンズの焦点距離、λは光の波長である。また、(2)式は、M.Born AND E.WOLF,"Principles of optics," 7Th ed.,Cambrige University Pressの"8.8 The three−dimensional light distribution near focus"に記載の式22と式33により導出することができる。 Here, a is the diameter of the lens, f is the focal length of the lens, and λ is the wavelength of light. In addition, the equation (2) Born AND E.E. WOLF, “Principles of optics,” 7Th ed. , Cambridge University Press "8.8 The three-dimensional light distribution near focus" can be derived from Equation 22 and Equation 33.
ここで、8分割の偏光変換素子15を用いた時の焦点におけるZ偏光成分の強度をIzとする。また、8分割の偏光変換素子15を用いない時のX偏光成分の強度をIxとする。なお、Iz、Ixはそれぞれ、直径30mm、焦点距離300mmのレンズの焦点における強度である。Z偏光成分の強度Izと、X偏光成分の強度Ixとの比は(3)式に示すようになる。
Here, the intensity of the Z-polarized light component at the focal point when the eight-divided
(1)式〜(3)式より、(4)式が得られる。 Equation (4) is obtained from Equations (1) to (3).
ここで、Ez=1×109、ε=8.85×10−12、c=3.00×108、λ=2.63×10−7、f=0.300、a=1.5×10−2を数式4に代入する。すると、1GV/mの電場を得るために必要なパワーはP=1.1×107(W)となる。11MWのレーザ光を用いることによって、仕事関数を下げることができる。また、焦点におけるZ偏光成分の強度はレーザの波長の2乗に反比例する。そのため、波長を395nmとした場合には、25MWのレーザ光、波長を790nmとした場合には100MWのレーザ光を用いることによって1GV/mの電場が得られ、仕事関数を下げることができる。 Here, Ez = 1 × 10 9 , ε = 8.85 × 10 −12 , c = 3.00 × 10 8 , λ = 2.63 × 10 −7 , f = 0.300, a = 1.5 Substituting × 10 −2 into Equation 4. Then, the power required to obtain an electric field of 1 GV / m is P = 1.1 × 10 7 (W). By using 11 MW laser light, the work function can be lowered. The intensity of the Z-polarized component at the focal point is inversely proportional to the square of the laser wavelength. Therefore, an electric field of 1 GV / m can be obtained by using a 25 MW laser beam when the wavelength is 395 nm, and a 100 MW laser beam when the wavelength is 790 nm, and the work function can be lowered.
次に、偏光変換素子15の具体的構成の一例について、図5を用いて説明する。図5(a)は、偏光変換素子15の構成を示す平面図であり、図5(b)は側面断面図である。また、図5(c)は、偏光変換素子15に用いられる波長板を模式的に示す図である。なお、図5では、図2〜図4と異なり、8分割の偏光変換素子15を示している。したがって、図5(c)に示すように、8分割の分割領域に対応して、8枚の波長板を用意している。なお、図5(a)は、波長板が配置される前の状態を示している。図5(b)は、一部に波長板が配置された状態を示している。
Next, an example of a specific configuration of the
偏光変換素子15は、図5に示すように、ホルダ51、及び波長板52を有している。ホルダ51は8枚の波長板52を保持する。すなわち、図(a)に示すホルダ51に図5(c)に示す波長板52を配設することによって、偏光変換素子15が完成する。ホルダ51には、図5(b)の左側に示すように、波長板52を収納するための収納部53が設けられている。さらに、収納部53の下側には、貫通孔54が形成されている。すなわち、貫通孔54の上側が、波長板52を収納するための収納部53となる。ここでは、8分割の偏光変換素子15を用いているため、8つの貫通孔54が形成されている。8つの貫通孔54は周方向に沿って配列されている。そして、それぞれの貫通孔54の上部に、収納部53が設けられる。収納部53は輪状に形成される。収納部53の外側にはホルダ51の側壁が配置される。ここでは、ホルダ51の厚さ方向(Z方向)の途中で、貫通孔54の大きさが変わることによって収納部53が形成される。
As shown in FIG. 5, the
収納部53には、異なる光学軸を有する波長板52が配置される。すなわち、貫通孔54の大きさが変化している位置に、波長板52が載置される。例えば、貫通孔54はほぼ台形状に形成されている。そして、波長板52は、貫通孔54よりも一回り大きい台形状に形成されている。なお、波長板52の光学軸は、図5(c)の矢印に示すようになっている。8つの波長板52は同じ台形状になっている。それぞれの波長板52の光学軸が一定角度づつ変化している。8枚の波長板52は周方向に沿って配置されている。8枚の波長板52を配置すると、レーザ光の断面形状に応じた輪状になる。より具体的には、8枚の波長板52を周方向に連接配置すると、中空の正八角形が形成される。
A
さらに、それぞれの収納部53の外側には、ネジ穴58が設けられている。図5(b)の右側に示すように、ネジ穴58にネジ55を挿入する。すなわち、ネジ穴58にネジ55を羅合させていく。すると、ネジ55の先端がスペーサ57と当接する。スペーサ57は、波長板52の外側側面と当接している。従って、ネジ55をネジ穴58に螺入すると、波長板52がホルダ51に対して固定される。すなわち、ネジ55は、スペーサ57を介して、波長板52をホルダ51に押し付ける。このように、ネジ55は、スペーサ57を介して、波長板52の側面を外側から押し付ける。これにより、波長板52の内側側面がホルダ51の収納部53の側面と当接する。従って、波長板52は、ホルダ51とスペーサ57とによって挟持される。このようにして、それぞれの波長板52がホルダ51内に保持される。このように、側面から波長板52を固定することによって、光路上に構造物が配置されるのを防ぐことができる。
Furthermore, screw holes 58 are provided on the outer sides of the
スペーサ57としては、例えば、ゴムや樹脂などの弾性体を用いることができる。これにより、波長板52が損傷するのを防ぐことができる。本実施の形態では、図1に示したように、レーザ光の断面が輪状になっている。このため、中央部分にはホルダ51が配置されている。すなわち、偏光変換素子15の中央には、レーザ光が入射しないため、波長板52を光軸上に配置する必要がない。また、それぞれの波長板52の大きさは、レーザ光の断面形状に応じたものとすることができる。また、貫通孔54を設けることによって、レーザ光の利用効率を向上することができる。もちろん、ホルダ51を透明な材質で形成する場合は、貫通孔54を設けなくてもよい。
As the
なお、上記の説明では、偏光変換素子15が分割された複数の波長板を有していたが、偏光変換素子15の構成はこれに限られるものではない。例えば、偏光変換素子15として、透明基板上にフォトニック結晶を成長させたものを用いることができる。具体的には、ガラス基板上において溝パターンを形成する。溝パターンは、放射状に2以上分割された分割領域毎に異なる方向に形成されている。この溝パターンが設けられた基板上に、複数の誘電膜の周期構造からなるフォトニック結晶を形成する。これにより、対向する分割領域に光学軸がほぼ直交する波長板を形成することができる。簡便な方法で、擬似ラジアル偏光、又は擬似アジマス偏光を実現できる偏光制御素子を製造することができる。あるいは、偏光変換素子15として螺旋位相遅延素子および波長板を用いたマッハツェンダー干渉計を用いることができる。この場合には、擬似ではなくほぼ理想に近いラジアル又はアジマス偏光を生成させることができる。[Steve C. et al. "Generating radially polarized beams interferometrically," Applied Optics Vol. 29, p.2234]
In the above description, the
次に、図6を用いて偏光調整素子16の構成について説明する。図6は、偏光調整素子16の構成を示す平面図である。偏光調整素子16は、電極間に配置された電気光学素子を有する偏光制御素子である。そして、電極間に印加する電圧を変更することによって、偏光状態を制御する。
Next, the configuration of the
偏光調整素子16は、周方向に沿って配列された複数の電気光学素子81を有している。電気光学素子81は、例えば、BBOなどの透明な電気光学結晶である。電気光学素子81は、電場の大きさに応じて屈折率が変化する。従って、偏光調整素子16には、電場の強さに比例して屈折率が変化するポッケルスセルが設けられている。ここでは、8つの電気光学素子81は、周方向に沿って配列されている。それぞれの電気光学素子81は、ほぼ同じ大きさになっている。従って、8つの電気光学素子81は、周方向に一定の間隔で配置される。
The
それぞれの電気光学素子81は、中空の扇形になっている。ここでは、8つの電気光学素子81が設けられている。このため、それぞれの電気光学素子81は、45°の扇形状になっている。それぞれの電気光学素子81の光学軸(c軸)が図6の矢印で示されている。複数の電気光学素子81の光学軸は、放射状になっている。すなわち、隣り合う電気光学素子81の光学軸が異なる方向になっている。ここでは、8つの電気光学素子81が設けられているため、隣り合う電気光学素子81の光学軸がなす角度は45°になる。隣の電気光学素子81の光学軸から45°ずれるように、複数の電気光学素子81を円周方向に配置する。この電気光学素子81は、例えば、図5で示したホルダ51と同様の構成を有するホルダによって保持される。この電気光学素子81にレーザ光50が入射する。
Each electro-
8つの電気光学素子81の内側には、第1電極82が設けられている。第1電極82は、中空の輪状に設けられている。そして、それぞれの電気光学素子81の内側面と接触する。従って、第1電極82の内側は中空になっている。さらに、8つの電気光学素子81の外側には、第2電極83が設けられている。第2電極83は、中空の輪状に設けられている。そして、それぞれの電気光学素子81の外側面と接触する。第2電極83の内側に複数の電気光学素子81が配置される。従って、第1電極82は、8つの電気光学素子81の内径に対応する大きさになっており、第2の電極83は、8つの電気光学素子81の外形に対応する大きさとなっている。
A
リンク状の第1電極82、及び第2電極83は、図1で示した偏光調整用電源19と接続されている。偏光調整用電源19は電極間に電圧を印加する。例えば、第1電極82には、グランド(接地電位)が供給され、第2電極83には所定の電位が供給される。そして、偏光調整用電源19は、偏光を調整するため、印加電圧を変化させる。印加電圧が変化すると、電気光学素子81にかかる電場が変わる。よって、複数の電気光学素子81の屈折率が変化する。偏光調整用電源19は、電気光学素子81に、数kV/mの電場がかかるように、印加電圧を出力する
The link-like
ここでは、8つの電気光学素子81について、第1電極82、及び第2電極83が共通化されている。すなわち、それぞれの電気光学素子81に印加される印加電圧は同じとなる。それぞれの電気光学素子81にかかる電場の大きさは等しくなる。また、放射状の電場が発生する。ここでは、レーザ光50の進行方向と垂直な方向に電場がかけられる。偏光調整素子16は、放射状の光学軸を有している。すなわち、レーザ光50の入射位置に応じて、光学軸が変化している。そして、電気光学素子81の両側に配置された電極間に電圧が印加される。従って、光学軸の方向に沿った電場がかけられる。電気光学素子81には、印加電圧に応じた複屈折が生じる
Here, the
そして、印加電圧を変化することによって、レーザ光50の偏光状態を調整することができる。これにより、フォトカソード21の表面において、レーザ光50のZ方向の電場を最大にすることができる。例えば、製造上の誤差により、偏光変換素子15の光学軸がずれていることがある。このような場合、対向する分割領域を通過した光の位相差が180°からずれてしまう。しかしながら、印加電圧を調整することによって、対向する電気光学素子81を通過した光の位相差を180°に近づけることが可能になる。
The polarization state of the
偏光変換素子15を通過したレーザ光50の振動方向と偏光調整素子16の光学軸が一致するように配置する。すなわち、偏光調整素子16と偏光変換素子15との角度を調整して、偏光変換素子15の分割領域と、偏光調整素子16の電気光学素子81とを同じ配置にする。XY平面において、分割領域の境界線と、電気光学素子81の境界線を一致させる。これにより、XY平面において、波長板52aに対応する位置に、電気光学素子81aが配置される。
Arrangement is made so that the vibration direction of the
レーザ光50の偏光面と偏光調整素子16の光学軸が一致している場合、上記のように、光の位相のみが変わる。従って、レーザ光50が偏光面に平行な光学軸の電気光学素子81を通過しても、偏光面は変化しない。すなわち、全ての電気光学素子81の光学軸と平行な偏光面を有するレーザ光50が入射すると、偏光状態は変化しない。しかし、偏光面に平行でない光学軸の電気光学素子81をレーザ光50が通過すると、偏光面が変化する。従って、XY平面において、レーザ光50の偏光軸が回転する。電気光学素子81の光学軸から偏光軸がずれていると、レーザ光50の偏光面が変化する。換言すると、偏光面から傾いている光学軸を有する電気光学素子81のみ、レーザ光50の偏光面を変化させる。従って、光学軸と偏光面がずれている場合のみ、印加電圧によって、偏光面が変化する。印加電圧を調整することで、XY平面における偏光面の角度を変化させることができる。
When the plane of polarization of the
そして、電子ビーム60の電流をファラデーカップなどでモニタしながら、印加電圧を変化させる。すなわち、電子ビーム60の電流が最大となるように、印加電圧を調整する。印加電圧に応じてレーザ光の偏光状態が変化する。このため、最適な電圧を偏光調整素子16に印加することで、電子ビーム60の輝度を高くすることができる。これにより、高品質の電子ビーム60を得ることができる。すなわち、1バンチに含まれる電子数を多くすることができる。さらに、電気的に偏光状態を調整することで、簡便に電子ビーム60の輝度を高くすることができる。
Then, the applied voltage is changed while monitoring the current of the
さらに、図7に示すように、第2電極83を分割してもよい。なお、図7は、図6と異なる態様の偏光調整素子16の構成を示す平面図である。図7の偏光調整素子16には、8枚の電気光学素子81に対して、異なる第2電極83が設けられている。従って、8つの第2電極83が離間して設けられている。8つの第2電極83は、周方向に等間隔で配置されている。そして、偏光調整用電源19は、それぞれの第2電極83に別々の電位を供給する。対向して配置された1対の電気光学素子81に対して、異なる強度の電場をかけることができる。これにより、それぞれの電気光学素子81に独立して電場を与えることができ、より細かな調整を行うことができる。
Furthermore, as shown in FIG. 7, the
具体的には、図7に示すように第1電極82と第2電極83aとの間に電気光学素子81aが配置され、第1電極82と第2電極83bとの間に電気光学素子81bが配置されているとする。ここで、第1電極82を同じグランドとし、第2電極83aと第2電極83bとを違う電位とする。これにより、電気光学素子81aと電気光学素子81bに異なる強度の電場が与えられる。それぞれの電気光学素子81からのレーザ光の偏光面を独立して調整することができる。すなわち、精密な偏光状態の調整が可能になる。このように、複数の電気光学素子81にかける電場を独立して制御することによって、細かな調整が可能になる。対向する電気光学素子81から出射されるレーザ光の位相を確実に180°ずらすことができる。すなわち、対向する電気光学素子81からのレーザ光の電気ベクトルは、180°反対方向に振動する。もちろん、第2電極83ではなく、第1電極82を分割してもよい。このように、第1電極82、及び第2電極83の少なくとも一方を分割することで、より精密な調整が可能になる。
Specifically, as shown in FIG. 7, an electro-
発明の実施の形態2.
本実施の形態にかかる電子銃について、図8を用いて説明する。図8は、本実施の形態にかかる電子銃200の構成を示す図である。なお、電子銃200の基本的な構成は、図1で示した電子銃100と同様であるため、説明を省略する。本実施の形態にかかる電子銃200は、反射型のフォトカソードを有する電子銃である。すなわち、電子ビーム出射側からレーザ光を照射している。
Embodiment 2 of the Invention
The electron gun according to this embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a diagram showing a configuration of the
本実施の形態では、Z方向電場を発生するためのレーザ光源11に加えて、光電効果を発生させるためのレーザ光源31が設けられている。すなわち、2本のレーザ光をフォトカソードに照射している。レーザ光源11によって、フォトカソード21の表面にZ方向の電場をかける。これにより、フォトカソード21の仕事関数を低減することができる。そして、この状態でレーザ光源31からのレーザ光を照射する。よって、量子効率を向上することができ、電子ビーム60の輝度を向上することができる。異なるレーザ光源31のレーザ光によって光電効果を発生させているため、エミッタンスを改善することができる。
In the present embodiment, in addition to the
図8に示すように、レーザ光源31からはレーザ光70が出射される。レーザ光源31は、レーザ光源11と同様の光源である。レーザ光70の光路には、1対のアキシコンレンズ33、34、偏光変換素子35、偏光調整素子36、ミラー37、ビームスプリッタ38、及びプロファイル調整機構40が設けられている。1対のアキシコンレンズ33、34、偏光変換素子35、及び偏光調整素子36は、実施の形態1で示した1対のアキシコンレンズ13、14、偏光変換素子15、及び偏光調整素子16と同様の構成である。このため、これらに対する詳細な説明を省略する。すなわち、レーザ光70は、1対のアキシコンレンズ33、34によって、輪状の光ビームとなる。輪状のレーザ光70は、偏光変換素子15、及び偏光調整素子16によって、所望の偏光状態になる。なお、偏光調整素子36は、偏光調整素子16と同様に偏光調整用電源39に接続されている。レーザ光70の偏光状態は、レーザ光50と異なる偏光状態であってもよい。また、レーザ光70を通常の直線偏光として、フォトカソード21に入射させる場合は、偏光変換素子35、及び偏光調整素子36を設けなくてもよい。
As shown in FIG. 8, a
偏光調整素子36からのレーザ光70は、ミラー37に入射する。ミラー37で反射したレーザ光70は、プロファイル調整機構40を介してビームスプリッタ38に入射する。プロファイル調整機構40はフォトカソード表面におけるレーザ光のプロファイルを調整している。なお、プロファイル調整機構40については後述する。ビームスプリッタ38は、ハーフミラーなどであり、レーザ光70の一部を反射する。さらに、ビームスプリッタ38は、レーザ光50の光路中に配置されている。すなわち、ビームスプリッタ38は、レーザ光50の光路と、レーザ光70の光路とが合流する箇所に配置されている。そして、ビームスプリッタ38に入射したレーザ光50の一部は、ビームスプリッタ38を透過する。これにより、レーザ光50とレーザ光70とが合成される。ここで、レーザ光50とレーザ光70の光軸は、一致している。
Laser light 70 from the
合成されたレーザ光50、及びレーザ光70は、実施の形態1と同様に、ミラー17で反射されて、レンズ18に入射する。そして、レンズ18は、レーザ光50、及びレーザ光70をフォトカソード21の表面に集光する。これにより、フォトカソード21から電子が発生する。すなわち、レーザ光50は、ラジアル偏光になっているため、フォトカソード21の表面にZ方向の電場がかけられる。そして、Z方向の電場がかけられている状態で、レーザ光70がフォトカソード表面に入射する。レーザ光70の光電効果によって、電子が発生する。そして、この電子は、共振器23で加速され、電子ビーム60となる。
The synthesized
レーザ光50によって、Z方向の電場が生成されているため、実効的な仕事関数を下げることができる。これにより、長波長のレーザ光70を用いることができる。すなわち、Z方向の電場によって下げられた仕事関数に応じて、レーザ光源31を選択することができる。レーザ光源31は、下げられた仕事関数に対応するエネルギーよりも高いレーザ光を出射する機能を有していればよい。これにより、レーザ光源31の選択幅が広くなる。また、レーザ光源11は、Z方向の電場を生成する機能を有していればよい。このため、波長選択の幅が広くなる。例えば、レーザ光源11とレーザ光源31とを異なる波長の光源にすることができる。このように、Z方向の電場を生成するレーザ光50と、光電効果によって電子を発生させるレーザ光70を異なるレーザ光としている。これにより、それぞれの機能に好適なレーザ光源を用いることができ、利便性を向上することができ
Since an electric field in the Z direction is generated by the
さらに、レーザ光70の光路中には、プロファイル調整機構40が設けられている。これにより、電子ビーム60のエミッタンスを向上することができる。以下のエミッタンスを改善することができる理由について図9を用いて説明する。図9(a)は、Z方向の電場強度Ezのプロファイルを示す図である。図9(b)は、レーザ光強度Iのプロファイルを示す図である。図9(c)は、電子ビーム強度Ieのプロファイルを示す図である。なお、図9(a)〜図9(c)において、横軸はX方向の位置を示している。
Further, a
ラジアル偏光を集光した場合、Z方向の電場強度Ezは、光ビームスポットの中心で最大となる。ここで、光電効果による電子発生の量子効率QEは、電場強度Ezのルートに比例している。すなわち、光ビームスポットの中心では、ショットキー効果が起こりやすくなり、量子効率QEが最も高くなる。 When radially polarized light is collected, the electric field intensity Ez in the Z direction is maximized at the center of the light beam spot. Here, the quantum efficiency QE of electron generation by the photoelectric effect is proportional to the route of the electric field strength Ez. That is, the Schottky effect is likely to occur at the center of the light beam spot, and the quantum efficiency QE is the highest.
さらに、量子効率QEは、レーザ光70の強度に比例する。ここで、プロファイル調整機構40によって、レーザ光70のプロファイルを図9(b)に示す形状に調整する。すなわち、光ビームスポットの中心で窪みが存在し、その両側でピークが存在するように、調整する。例えば、プロファイル調整機構40によって、レーザ光の焦点位置をZ方向に微小にずらす。レーザ光70は、円環ビームであるため、焦点位置をずらすことで、図9(b)に示すプロファイルを得られる。具体的には、プロファイル調整機構40は、レンズなどを有している。このレンズのZ方向の位置を調整することによって、焦点位置が変換する。あるいは、絞りを用いて、光ビームのビーム径を調整することによって、プロファイルを調整してもよい。さらには、2次元空間位相変調素子、可変形状ミラーなどを用いてプロファイルを調整してもよい。
Further, the quantum efficiency QE is proportional to the intensity of the
電子ビーム60の強度Ieは、Z方向の電場強度Ez、及びレーザ光70の強度Iに応じて変化する。すなわち、電子ビーム60のプロファイルは、Z方向の電場強度Ez、及びレーザ光70の強度Iに依存する。単純には、電子ビームの強度Ieは、Z方向の電場強度Ezのルートと、レーザ光70の強度Iとの積に比例する。図9(a)に示すZ方向の電場強度Ezが存在する状態で、図9(b)に示すプロファイルのレーザ光70を照射する。すると、図9(c)に示すように、電子ビーム60のプロファイルがフラットトップになる。このように、レーザ光70のプロファイルを調整することによって、電子ビーム60の拡がりを低減することができる。よって、電子ビーム60のプロファイルを改善することができ、エミッタンスを改善することができる。また、実施の形態1にかかる構成であっても、エミッタンスを改善することができる。すなわち、例えば、焦点位置をフォトカソード表面からずらす。これにより、電子ビーム60のプロファイルを改善することができ、エミッタンスを改善することができる。
The intensity I e of the
このように、レーザ光70の強度Iのプロファイルのピーク位置をレーザ光50の強度のプロファイルのピーク位置からずらす。これにより、電子ビーム60の強度Ieのプロファイルを最適化することができる。従って、高品質の電子ビームを得ることができる。
Thus, the peak position of the intensity I profile of the
上記のように2本のレーザ光50、70を同期させてフォトカソード21に入射させる。なお、同じレーザ光源11からのレーザ光を2本に分割して、フォトカソード21に入射させてもよい。例えば、パルス幅がサブピコ秒の場合、同じレーザ光源からのレーザ光を2つに分割する。そして、分割されたレーザ光の一方を偏光変換素子15に入射させて、Z方向の電場を生成する。他方のレーザ光は、偏光変換素子35に入射させても、入射させなくてもよい。すなわち、少なくとも一方のレーザ光を偏光変換素子15に入射させればよい。これにより、簡便な構成で、2本のレーザ光を同時に入射させることができる。これにより、発生する電子数を増加させることができる。2本のレーザ光を入射させる場合、焦点位置をずらすことによって、電子ビームのプロファイルを改善することができる。
As described above, the two
さらに、レーザ光70をフォトカソード21に対して斜入射させることができる。すなわち、フォトカソード21表面に対してレーザ光70を傾けて入射させる。このとき、フォトカソード21表面の垂線から、レーザ光70の光軸が傾斜している。ここで、フォトカソード21の材料によっては、電子発生の量子効率がS偏光とP偏光とで異なることがある。例えば、P偏光の方がS偏光よりも量子効率が高くなることがある。このような場合、レーザ光70の偏光状態を制御することによって、電子ビームの輝度を高くすることができる。偏光変換素子15、又は偏光調整素子16のいずれか一方だけでも、偏光状態を制御することができる。あるいは、偏光変換素子15、又は偏光調整素子16以外の素子を用いて偏光状態を制御してもよい。すなわち、偏光変換素子15、及び偏光調整素子16の代わりの光学素子を用いて偏光状態を制御してもよい。
Further, the
発明の実施の形態3.
本実施の形態にかかる電子銃について図10を用いて説明する。図10は、本実施の形態にかかる電子銃300の主要な構成を示す図である。なお、本実施の形態にかかる電子銃300は、透過型のフォトカソードを有する電子銃である。すなわち、電子ビーム出射側と反対側からレーザ光を照射している。また、レーザ光源11、偏光変換素子15、フォトカソード21、共振器23、マイクロ波源24の構成については、実施の形態1と同様であるため、図示を省略している。
Embodiment 3 of the Invention
An electron gun according to this embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 10 is a diagram showing a main configuration of the
図10に示すように、レーザ光50は、共振器23と反対側からフォトカソード21に入射する。すなわち、レーザ光50は、共振器23を介さず、フォトカソード21に入射する。透過型のフォトカソード21の場合、レーザ光50の光路と、電子ビーム60の経路が重ならない。従って、実施の形態1のように、1対のアキシコンレンズ13、14を用いて、レーザ光50リング状にする必要はない。また、ミラー17、及びレンズ18を中空形状にする必要もない。すなわち、ミラー17、及びレンズ18を電子ビーム60の経路である真空中に配置する必要がない。従って、ミラー17、及びレンズ18を大気中に配置することができる。
As shown in FIG. 10, the
本実施の形態では、レンズ18が共振器23と反対側に配置されている。このため、レンズ18が共振器23内の構造物と干渉することがなくなる。従って、レンズ18をフォトカソード21に対して近づけることができる。反射型のフォトカソード21を用いた場合、レンズ18を大気中に配置することができる。従って、レンズ18をフォトカソード21に対して近接配置することができる。これにより、レンズ18を高NAにすることが可能になる。Z方向の電場強度を高くすることができる。この場合、レーザ光50のビーム径をビームエキスパンダーなどで拡げてもよい。
In the present embodiment, the
図11にレンズ18のNA(開口数)と、Z方向の電場の振幅との関係を示す。図11は、レンズ18の開口数を変えて、Z方向の電場の振幅を計算した計算結果を示すグラフである。図11に示すように、レンズ18のNAを上げていくことによって、Z方向の電場の振幅が飛躍的に高くなる。よって、透過型のフォトカソードを有する電子銃300は、反射型のフォトカソードを有する電子銃100、200に比べて、電子ビームの輝度を向上することができるという利点を有する。
FIG. 11 shows the relationship between the NA (numerical aperture) of the
さらに、レンズ18を大気中に配置することによって、レンズ18の位置を簡便に調整することができる。レンズ18をZ方向に沿って移動させると、Z方向に焦点位置が変わる。レーザ光の焦点位置がフォトカソード21表面になるように調整することができる。、反射型のフォトカソードを用いる場合でも、フォトカソードに対するレーザ光の入射角度をわずかに傾けることで、通常のレンズとミラーを用いることができる。この場合も、円環ビームを生成しなくてもよい。
Furthermore, the position of the
なお、実施の形態1、2では、アキシコンレンズによってレーザ光を円環状にしている。すなわち、1対のアキシコンレンズ13、14によって、レーザ光の断面形状が円環状になっている。これにより、Z方向の電場強度をより高くすることができる。従って、実施の形態1、2に限らず、実施の形態3についても、円環状のレーザ光を用いることが好ましい。すなわち、図10で示した透過型フォトカソードの光学系に、1対のアキシコンレンズ13、14を用いてもよい。1対のアキシコンレンズによって、対物レンズに入射するレーザ光を円環状に変換する。これにより、Z方向の電場強度を高くすることができる。
In the first and second embodiments, the laser light is formed into an annular shape by the axicon lens. That is, the cross-sectional shape of the laser beam is annular due to the pair of
Z方向の電場強度を高くすることができる理由について、図12を用いて説明する。図12は、円環状のレーザ光がレンズ18によって集光される様子を模式的に示す側面図である。
The reason why the electric field strength in the Z direction can be increased will be described with reference to FIG. FIG. 12 is a side view schematically showing how the annular laser beam is collected by the
図12に示すようにラジアル偏光のレーザ光がレンズ18によって集光されている。レンズ18は、レーザ光を焦点に集光する。従って、レンズ18の外形端側になるほど、光が大きく屈折される。すなわち、Y方向における光軸からの距離によって、レンズ18によって屈折される角度が変わる。例えば、光軸上では光がレンズ18によって全く屈折されない。従って、レンズ18の中心に入射した光は、光軸と平行に伝播する。一方、レンズ18の外形端の近傍では、光がレンズによって大きく屈折される。従って、レンズ18の外形端側に入射すると、大きな角度で屈折される。レンズ18の外形端の近傍で屈折された光は、光軸から大きく傾く。屈折される角度が大きくなると、速度のZ成分が小さくなり、Y成分が大きくなる。なお、フォトカソードの表面がレンズ18の焦点位置になっている。
As shown in FIG. 12, the radially polarized laser beam is collected by the
ここで、レンズ18によって屈折される角度が大きくなるほど、Z方向の電場が高くなる。すなわち、光がZ方向に進む場合、電場のZ成分が0になる。光がY方向に進む場合、電場のZ成分が最大になる。よって、レンズ18で大きく屈折された光ほど、電場のZ成分が大きくなる。ここで、ラジアル偏光のレーザ光が焦点に集光されている。よって、焦点位置では、電場のZ成分が打ち消されない。そして、レンズ18の外側部分ほど、電場のZ成分が大きくなる。
Here, the greater the angle refracted by the
円環状のレーザ光では、光軸から離れた位置をレーザ光が伝播する。換言すると、1対のアキシコンレンズ13、14によって円環状にすると、光軸近傍を通過しなくなる。従って、レンズによって屈折される角度が大きくなる。これにより、電場のZ成分が大きくなる。焦点位置において、Z方向の電場強度を高くすることができる。すなわち、円環状にすると、レーザ光が光軸上を通過しなくなり、レンズ18の外形端側を通過する。よって、レーザ光の速度のZ成分が小さくなり、Y成分が大きくなる。レンズ18の外径端に近い部分を通過した光線の方が、光軸付近を通過した光線に比べて、焦点において発生するZ偏光への寄与が大きい。円環ビームに変換することで、光が、レンズ18の外径短に近い部分のみを透過する。よって、焦点位置におけるZ方向の電場強度を高くすることができる。
In an annular laser beam, the laser beam propagates at a position away from the optical axis. In other words, when the ring shape is formed by the pair of
このように、レンズ18における光の入射位置によって、Z偏光成分を大きくすることができる。円環状のレーザ光の内径と外径の比を変えることで、Z偏光成分を大きくすることができる。ここで、図13に示すように、内径をr1、外径をr0とする。そして、内径(r1)/外径(r0)を円環の比率とする。図14に、円環の比率を変えたときのZ偏光の強度を示すグラフが示されている。すなわち、図14は、円環の比率と、計算によって求められた焦点位置でのZ偏光の強度との関係を示すグラフである。また、図14には、アキシコンレンズと、マスクによって、円環状にした場合のグラフが示されている。図13では、横軸が円環の比率となり、縦軸がZ偏光の強度となっている。例えば、アキシコンレンズを用いた場合、円環の比率を変えることで、Z偏光の強度を高くすることができる。さらに、円環の比率を30〜50%程度にすることが好ましく、さらに40%とすることがより好ましい。例えば、1対のアキシコンレンズ13、14の距離等を変えることで、円環の比率を調整することができる。Z偏光の強度を大きくすることで、Z方向電場によるショットキー効果が生じる。このため、仕事関数を低下させることができる。さらに、1バンチ内の電子数を増やすことができる。また、1対のアキシコンレンズを用いることで、レーザ光の利用効率を高くすることができる。この効果は円環の比率r1/r0が大きい場合に特に有効である。
Thus, the Z-polarized component can be increased depending on the incident position of the light in the
また、ラジアル偏光のレーザ光をレンズ18によって集光する場合、焦点位置では、Z偏光成分のみ存在する。すなわち、焦点位置では、Y偏光成分が打ち消され、X偏光成分が打ち消される。しかしながら、焦点位置からずれると、Y偏光成分、及びX偏光成分も存在する。ここで、円環状のレーザ光を用いることで、X偏光成分、及びY偏光成分に比べて、Z偏光成分の強度を相対的に大きくすることとができる。
Further, when the radially polarized laser beam is condensed by the
図15を用いて、円形状のレーザ光を用いたとき電場強度と、円環状のレーザ光を用いたときの光強度について比較する。図15(a)は、円環状ではないレーザ光、すなわち、円形状のレーザ光によって発生する焦点近傍での光強度を示している。図15(b)は、円環状のレーザ光によって発生する焦点近傍での光強度を示している。図15において、横軸はXY平面における位置を示している。ここで、XY平面における光軸の位置を0としている。縦軸が計算によって求められたZ偏光成分の強度、及びY偏光成分の強度を示している。Y偏光とは電気ベクトルの振動面がZ方向に平行になっている直線偏光を示している。従って、Z偏光の光強度が電場のZ成分に対応し、Y偏光の光強度が電場のY成分に対応する。 FIG. 15 is used to compare the electric field intensity when a circular laser beam is used and the light intensity when an annular laser beam is used. FIG. 15A shows the light intensity in the vicinity of the focal point generated by a laser beam that is not in an annular shape, that is, a circular laser beam. FIG. 15B shows the light intensity near the focal point generated by the annular laser beam. In FIG. 15, the horizontal axis indicates the position on the XY plane. Here, the position of the optical axis in the XY plane is set to zero. The vertical axis represents the intensity of the Z-polarized component and the intensity of the Y-polarized component obtained by calculation. Y-polarized light indicates linearly polarized light in which the vibration plane of the electric vector is parallel to the Z direction. Therefore, the light intensity of Z-polarized light corresponds to the Z component of the electric field, and the light intensity of Y-polarized light corresponds to the Y component of the electric field.
なお、ここでの計算では、波長を790nm、レンズのNAを0.8としている。また、図15(a)と図15(b)とで同じ光強度のレーザ光を用いている。円環ビームによる光強度は、円環の比率を0.8として算出されている。Z偏光成分の強度は、0の位置、すなわち光軸上でピークとなっている。また、Y偏光成分の強度は、光軸から離れた位置でピークとなっている。さらに、Y偏光成分の強度は、光軸上で極小値となっている。円環状のビームを用いることによって、Y偏光よりも十分大きくすることができる。よって、円形状のレーザ光よりも、Y偏光成分に対するZ偏光成分の割合を大きくすることができる。もちろん、Y偏光成分に対するZ偏光成分の割合だけでなく、X偏光成分に対するZ偏光成分についても、同様に大きくなる。すなわち、X偏光成分、及びY偏光成分に比べて、Z偏光成分の強度を相対的に大きくすることができる。Z偏光の強度を大きくすることで、Z方向電場によるショットキー効果が生じる。このため、仕事関数を低下させることができる。さらに、1バンチ内の電子数を増やすことができる。 In this calculation, the wavelength is 790 nm and the lens NA is 0.8. Further, the laser light having the same light intensity is used in FIGS. 15A and 15B. The light intensity by the annular beam is calculated with the ratio of the annular ring being 0.8. The intensity of the Z-polarized component has a peak at the 0 position, that is, on the optical axis. The intensity of the Y-polarized component has a peak at a position away from the optical axis. Further, the intensity of the Y-polarized component has a minimum value on the optical axis. By using an annular beam, it can be made sufficiently larger than Y-polarized light. Therefore, the ratio of the Z polarization component to the Y polarization component can be made larger than that of the circular laser beam. Of course, not only the ratio of the Z-polarized light component to the Y-polarized light component but also the Z-polarized light component to the X-polarized light component are similarly increased. That is, the intensity of the Z-polarized component can be relatively increased compared to the X-polarized component and the Y-polarized component. Increasing the intensity of Z-polarized light causes a Schottky effect due to the Z-direction electric field. For this reason, a work function can be reduced. Furthermore, the number of electrons in one bunch can be increased.
上述のように、本実施の形態1〜3では、偏光変換素子15によって、ラジアル偏光を生成している。そして、ラジアル偏光をレンズ18で集光している。従って、フォトカソード表面では、Z方向の電場が形成される。Z方向電場によるショットキー効果が生じるため、仕事関数を低下させることができる。よって、長い波長のレーザ光を用いることができる。そのため、構成を簡素化することができる。さらに、ショットキー効果によって、量子効率を向上することができる。これにより、電子ビームの輝度を向上することができる。よって、高品質の電子ビームを簡便な構成で発生させることができる。従って、上記の電子銃は、電子線加速器、電子線描画装置などの電子ビーム応用装置に好適である。
As described above, in the first to third embodiments, radial polarized light is generated by the
このように、直線偏光のレーザ光50を偏光変換素子15に入射させている。そして、偏光変換素子15によって、レーザ光の光軸に対して対向する領域において、電気ベクトルの振動方向が反対方向となるように、レーザ光50の偏光状態を変換している。偏光変換素子15からのレーザ光50を集光して、フォトカソード21に入射させる。レーザ光50によってフォトカソード21から出射した電子を共振器23の電場によって加速する。このような方法で電子を発生させることによって、低エミッタンスで、高輝度の電子ビームを得ることができる。また、電子ビームのバンチ長は、20psec程度とすることができる。
In this way, the linearly
レーザ光を照射して、フォトカソード21表面に高電場をインパルス的に発生させる。このとき、レーザ光50はZ偏光であるため、フォトカソード表面に垂直な方向の電場が発生する。これにより、仕事関数が小さくなり、電子が放出されやすくなる。電子ビームの高輝度化を図ることができる。また、放電や暗電流の増加を防ぐことができる。このため、フォトカソード21の量子効率を実効的に高くすることができる。
Irradiation with a laser beam generates a high electric field on the surface of the
また、仕事関数をeV単位で下げることができる。例えば、通常、仕事関数が4eV程度であったとして、レーザ照射によって、仕事関数が2〜3eVに低下する。このため、従来の紫外波長よりも長い近赤外波長域のレーザを直接光源として利用することができる。レーザ光源11の構成を簡素化できるとともに、信頼性を向上することができる。例えば、銅を材料とするフォトカソード21においては、従来、270〜288nmよりも短い波長のレーザ光源が必要である。これに対して、上記の構成の電子銃では、チタンサファイアレーザの2倍波(395nm)や基本波(790nm)を用いることができる。また、ダイアモンドを材料とするフォトカソード21においては、従来、226nmよりも短い波長が必要である。これに対して、上記の構成の電子銃では、チタンサファイアレーザの3倍波(263nm)や2倍波(395nm)を用いることができる。
In addition, the work function can be lowered in units of eV. For example, assuming that the work function is usually about 4 eV, the work function is lowered to 2 to 3 eV by laser irradiation. For this reason, a laser having a near infrared wavelength range longer than the conventional ultraviolet wavelength can be directly used as a light source. The configuration of the
実施の形態1〜3では、電気光学素子を有する偏光調整素子16によって、偏光状態を調整したが、磁気光学素子を有する偏光調整素子16によって、偏光状態を調整することもできる。磁気光学素子を有する偏光調整素子16の構成について、図16を用いて説明する。図16(a)は、磁気光学素子を用いた偏光調整素子16の構成を示す平面図である。図16(b)は、偏光調整素子16に用いられている磁気光学素子の構成を示す斜視図である。図16では、光の進行方向と、磁場とが同一直線状となるファラデー配置としている。従って、図16(a)において、磁場の向きは紙面と直交する方向になっている。また、図16(b)では、磁場の向きを白抜き矢印で示し、レーザ光の進行方向を矢印で示している。
In the first to third embodiments, the polarization state is adjusted by the
図16(a)に示すように、偏光調整素子16は、複数の磁気光学素子85を有している。ここでは、8個の磁気光学素子85が設けられている。複数の磁気光学素子85は、周方向に沿って配列されている。より具体的には、正八角形の各辺の外側に1つの磁気光学素子85が配設されている。8つの磁気光学素子85の中心が光軸と一致する。すなわち、対角に配置された2つの磁気光学素子の中間に、光軸が配置される。従って、偏光調整素子16に設けられた8つの磁気光学素子85は、図5で示した偏光変換素子15の8つの波長板52に対応している。従って、lつの波長板52を通過したパルスレーザ光は、1つの磁気光学素子85に入射する。隣の磁気光学素子85の光学軸(結晶軸)は異なる方向になっている。ここでは、8つの磁気光学素子85の光学軸が図6と同様に放射状になっている。各磁気光学素子85において、光学軸と磁場の向きが一致する。1つの波長板52を通過したパルスレーザ光は、1つの磁気光学素子85によって偏光状態が調整される。磁気光学素子85としては、例えば、非磁性のガラス棒を用いることができる。例えば、直方体状のガラス棒によって、磁気光学素子85が形成される。そして、ガラス棒の長手方向がZ方向に平行になっている。
As shown in FIG. 16A, the
それぞれの磁気光学素子85には、コイル86が巻かれている。すなわち、磁気光学素子85を囲むように、導線を複数回巻くことによって、コイル86が形成される。コイル86はソレノイドコイルである。図16(b)に示すように、コイル86は、磁気光学素子85の外周を囲むように設けられている。従って、コイル86は、Z方向の磁場を発生させる。コイル86に電流が流れると、ビオ・サバールの法則により磁場が生じる。磁場は、ガラス棒の長手方向に生じる。従って、電流を流した状態でガラス棒に直線偏光を通すと、レーザ光の偏光面(電気ベクトルの振動方向)が回転する。すなわち、ファラデー効果によって、光の偏光面が回転する。光の偏光面は、磁場の強さに応じて変化する。すなわち、磁気光学素子85を通過する偏光状態の変化が、磁場の強さに応じたものとなる。コイル86の巻き数、及び電流に応じて、磁場の強さが変わる。従って、電流に応じて、偏光状態が変化する。換言すると、偏光調整用電源39で電流を調整することによって、偏光状態を調整することができる。これにより、それぞれの波長板52を通過したレーザ光の偏光状態を調整することができる。
A
さらに、磁気光学素子85の配置は、ファラデー配置に限られるものではない。図17に示すように、フォークト配置にすることも可能である。図17(a)は、フォークト配置の磁気光学素子を用いた偏光調整素子16の構成を示す平面図である。図17(b)は、偏光調整素子16に用いられているフォークト配置の磁気光学素子の構成を示す斜視図である。なお、図17で示した偏光調整素子16の構成と同様の構成については、説明を省略する。従って、図17(a)において、磁場の向きは紙面と直交する方向になっている。また、図17(b)では、磁場の向きを白抜き矢印で示し、レーザ光の進行方向を矢印で示している。
Furthermore, the arrangement of the magneto-
フォークト配置を用いる場合、磁場の向きと光の進行方向を直交させる。すなわち、コイルを磁気光学素子85の両側に配置する。例えば、図17(a)に示すように、磁気光学素子85よりも光軸側(内側)に配置されたコイル86と、光軸と反対側(外側)に配置されたコイル86とが、設けられている。具体的には、図17(b)に示すように、磁気光学素子85がコイル86aとコイル86bとの間に挟まれている。磁気光学素子85の光軸側のコイル86と磁気光学素子85の外側のコイル86は接続されており、同じ電流が流れる。図17(a)において、磁場の向きは放射状になっている。隣の磁気光学素子85の光学軸(結晶軸)は異なる方向になっている。ここでは、8つの磁気光学素子85の光学軸が図6と同様に放射状になっている。従って、各磁気光学素子85において、光学軸と磁場の向きが一致する。そして、各コイル86に流れる電流を調整することによって、偏光状態を調整することができる。このように、フォークト配置、及びファラデー配置のいずれであってもよい。
When using a Forked arrangement, the direction of the magnetic field and the traveling direction of the light are orthogonal. That is, the coils are arranged on both sides of the magneto-
さらに、実施の形態1〜3では、フェムト秒パルスレーザ光に利用することが好ましい。すなわち、レーザ光源11から出射するパルスレーザ光のパルス幅を1psecよりも短くする。これにより、低エミッタンスの電子ビームを生成することができる。すなわいち、電子ビームのバンチの3次元形状を工夫することで、空間電荷効果を抑制することができる。以下に、フェムト秒パルスレーザ光を用いることの効果について説明する。
Furthermore, in
まず、バンチ長が無限に長い場合について考える。この場合、無限に長い円筒状のビームにすることで、ラジアル方向(半径方向)に線形な空間電荷効果のみ存在しない状態にすることができる。すなわち、ラジアル方向に非線形な空間電荷効果を無くすことが可能になる。もし、ラジアル方向に線形な空間電荷効果しか存在しないならば、ソレノイド電磁石によって、エミッタンスの増大を低減することができる。例えば、電子銃に設けられているソレノイド電磁石で電子ビームをフォーカスする。これによって、ラジアル方向の空間電荷効果を補償することができる。すなわち、よって、フォトカソード全体として、ラジアル方向の空間電荷効果による電子ビームのエミッタンスの増大を抑制することができる。 First, consider the case where the bunch length is infinitely long. In this case, by using an infinitely long cylindrical beam, only a space charge effect linear in the radial direction (radial direction) can be eliminated. That is, it becomes possible to eliminate the non-linear space charge effect in the radial direction. If there is only a linear space charge effect in the radial direction, the increase in emittance can be reduced by a solenoid electromagnet. For example, the electron beam is focused by a solenoid electromagnet provided in the electron gun. Thereby, the space charge effect in the radial direction can be compensated. That is, as a whole, the photocathode as a whole can suppress an increase in the emittance of the electron beam due to the space charge effect in the radial direction.
なお、実施の形態1〜3の電子銃はRF電子銃である。このため、バンチは、有限の長さを有するパルス状になっている。単バンチを特徴とする場合、例えば、電子ビームのパルス幅(バンチ幅)を10psec程度にする。また、カソード面におけるパルスレーザ光のスポットサイズが1〜2mm程度である。従って、バンチのアスペクト比は、1〜2倍程度である。ここで、アスペクト比とは、バンチの(縦方向の長さ)/(横方向の長さ)である。 The electron guns of the first to third embodiments are RF electron guns. For this reason, the bunch has a pulse shape with a finite length. When a single bunch is characterized, for example, the pulse width (bunch width) of the electron beam is set to about 10 psec. Further, the spot size of the pulse laser beam on the cathode surface is about 1 to 2 mm. Therefore, the aspect ratio of the bunch is about 1 to 2 times. Here, the aspect ratio is (length in the vertical direction) / (length in the horizontal direction) of the bunch.
実際のバンチの3次元形状が円筒状である場合、その両端エッジのところで、エミッタンスが増大する。そのため、様々なエッジ形状にすることが検討されている。例えば、バンチ形状をエリプソイド(回転楕円体であるラグビーボール形状)にすることで、エミッタンスを低減することが分かっている。エリプソイド形状にする方法としては、ファイバーバンドル整形による提案と、回折光学素子による提案が知られている。そのうち、ファイバーバンドル整形による提案のみで、エリプソイド整形が実証されている。これらでは、入射するパルスレーザ光を整形することによって、バンチがエリプソイド形状になるように補償している(Tomizawa et al.,"Adaptive shaping system for both spatial and temporal profiles of a highly stabilized UV laser light source for A photocathode RF gun" Nuclear Instruments AND Methods In Phisycs Research A 557(2006)117−123参照)。 When the actual three-dimensional shape of the bunch is cylindrical, emittance increases at both end edges. Therefore, various edge shapes have been studied. For example, it has been found that the emittance is reduced by making the bunch shape into an ellipsoid (a rugby ball shape which is a spheroid). As a method for forming an ellipsoid shape, a proposal by shaping a fiber bundle and a proposal by a diffractive optical element are known. Among them, the ellipsoid shaping has been demonstrated only by the proposal by the fiber bundle shaping. In these methods, the bunch is compensated to have an ellipsoidal shape by shaping the incident pulsed laser light (Tomizawa et al., “Adaptive shaping system for both spacial and temporal profiles of af- for A photocathode RF gun "Nuclear Instruments AND Methods In Physics Research A 557 (2006) 117-123).
このようなエリプソイド整形は、補償光学素子による整形が困難であり、空間プロファイル整形方法の時間応答性が遅くなる。このため、完全なエリプソイド形状にすることが難しい。上記の2つの提案は、いずれも固定光学素子による擬似的な整形である。しかしん、実際に整形したい対象がパルスレーザ光ではなく、電子ビームバンチである。このため、10fsecの超短パルスレーザ光をフォトカソードに集光し、空間電荷効果によって拡がる電子ビームの性質を逆利用してエリプソイド形状のバンチを形成することができるというシミュレーション結果が発表されている(例えば、J.B. Rosenzweig et al.,"Emittance compensation with dynamically optimized photoelectron beam profiles" Nuclear Instruments AND Methods In Phisycs Research A 557(2006)87−93参照)。 Such ellipsoid shaping is difficult to shape with an adaptive optical element, and the time response of the spatial profile shaping method is slow. For this reason, it is difficult to make a complete ellipsoid shape. Both of the above two proposals are pseudo shaping by a fixed optical element. However, the object to be actually shaped is not a pulse laser beam but an electron beam bunch. For this reason, a simulation result has been announced that an ellipsoidal bunch can be formed by condensing an ultrashort pulse laser beam of 10 fsec on a photocathode and utilizing the property of an electron beam that is expanded by the space charge effect. (See, eg, J. B. Rosenzweig et al., “Emittance compensation with dynamically optimized photoelectron beam profiles 87” Nuclear Instruments AND Meth 7).
この文献に記載された方法を用いると、超低エミッタンスを得ることが可能になるが、実証例はない。上記の電子銃では、直線偏光をラジアル偏光に変換する偏光変換素子15を用いる場合、Z方向電場を高強度化するためには、フェムト秒超短パルスレーザを利用することが理想的である。従って、フェムト秒レーザパルスをフォトカソードに照射することによって、エリプソイド形状を容易に得ることができる。すなわち、偏光変換素子15とフェムト秒パルスレーザ光との組み合わせは、相性がよい。フェムト秒レーザオシレータのみで、フェムト秒パルスレーザ光を照射することができる。従って、コンパクトなレーザ光源で、エミッタンスを低減することができる。このように、パルス幅が0〜1psecのフェムト秒レーザパルスを用いることが好適である。
Although the ultra low emittance can be obtained by using the method described in this document, there is no demonstration example. In the electron gun described above, when the
なお、偏光変換素子15をアキシコンレンズ13と波長変換素子12の間に配置してもよい。この場合、偏光変換素子24を小さくすることができるため、偏光変換素子24の部品コストを低減することができる。
The
また、偏光変換素子15とフォトカソード21との間に、リレー光学系を配置してもよい。これにより、偏光状態の分布の変化による影響を低減することができる。すなわち、パルスレーザ光が伝播する際に、回折の効果によって、ビーム断面における偏光状態の分布は変化する。この場合、回折による分布の変化が焦点面での電場分布に影響する可能性がある。このような、影響を低減するために、例えば、2枚のリレーレンズを配置する。
A relay optical system may be disposed between the
例えば、実施の形態1の構成において、図18に示すように、焦点距離がf1のリレーレンズ91、焦点距離がf1のリレーレンズ92を配置する。また、レンズ18の焦点距離をf2とする。偏光変換素子15とリレーレンズ91をf1だけ離間して配置する。リレーレンズ91とリレーレンズ92を2×f1だけ離間して、配置する。リレーレンズ92とレンズ18をf1だけ離間して配置する。レンズ18とフォトカソード21をf2だけ離間して配置する。このように結像することによって、偏光変換素子15を透過直後の偏光状態と、レンズ18の瞳の位置での偏光状態をほぼ同じにすることができる。よって、回折の効果による偏光状態の分布の変化を低減することができる。
For example, in the configuration of the first embodiment, as shown in FIG. 18, the focal
なお、上記の説明では、2倍波を用いたが、これに限るものではない。すなわち、フォトカソード材料や、レーザ光源11の波長によって、基本波を用いることも可能になる。これにより、これにより、2倍波や3倍波を生成する波長変換素子を用いなくてもよくなる。波長変換素子12が不要となり、より小規模なレーザ装置を用いることができる。さらに、レーザ光50の光路を短くすることができるため、安定性を向上することができる。また、実施の形態1〜3の構成を適宜部分的に組み合わせることが可能である。
In the above description, the second harmonic is used, but the present invention is not limited to this. That is, the fundamental wave can be used depending on the photocathode material and the wavelength of the
11 レーザ光源、12 波長変換素子、13 アキシコンレンズ、
14 アキシコンレンズ、15 偏光変換素子、16 偏光調整素子、17 ミラー、
18 レンズ、19 偏光調整用電源、
21 フォトカソード、22 共振器、24 マイクロ波源
31 レーザ光源、33 アキシコンレンズ、34 アキシコンレンズ、
35 偏光変換素子、36 偏光調整素子、37 ミラー、38 レンズ、
39 偏光調整用電源、40 プロファイル調整機構、
50 レーザ光、51 ホルダ、52 波長板、53 収納部、54 貫通孔、
55 ネジ、57 スペーサ、58 ネジ穴、
60 電子ビーム、70 レーザ光、71 磁気光学素子、72 コイル
81 電気光学素子、82 第1電極、82 第2電極、
85 磁気光学素子、86 コイル、
91 リレーレンズ、91 リレーレンズ、
100 電子銃、200 電子銃、300 電子銃、
11 laser light source, 12 wavelength conversion element, 13 axicon lens,
14 Axicon lens, 15 Polarization conversion element, 16 Polarization adjustment element, 17 Mirror,
18 lens, 19 power supply for polarization adjustment,
21 Photocathode, 22 Resonator, 24
35 polarization conversion element, 36 polarization adjustment element, 37 mirror, 38 lens,
39 power supply for polarization adjustment, 40 profile adjustment mechanism,
50 laser beam, 51 holder, 52 wavelength plate, 53 storage section, 54 through hole,
55 screws, 57 spacers, 58 screw holes,
60 Electron beam, 70 Laser light, 71 Magneto-optic element, 72
85 magneto-optic elements, 86 coils,
91 relay lens, 91 relay lens,
100 electron gun, 200 electron gun, 300 electron gun,
Claims (17)
前記レーザ光源からのレーザ光に入射位置に応じた位相差を与える偏光変換素子と、
前記レーザ光源から前記偏光変換素子を介して入射したレーザ光を集光するレンズと、
前記レンズによって集光されたレーザ光が入射するフォトカソードと、を備える電子銃。 A laser light source;
A polarization conversion element that gives a phase difference corresponding to an incident position to the laser light from the laser light source;
A lens that condenses laser light incident from the laser light source via the polarization conversion element;
An electron gun comprising: a photocathode on which a laser beam condensed by the lens is incident.
前記複数の分割領域には、入射した光の位相をずらして出射する波長板がそれぞれ設けられ
前記対向する分割領域において、前記波長板の光学軸がほぼ直交している請求項1、又は2に記載の電子銃。 The polarization conversion element has a plurality of radially divided regions,
The plurality of divided regions are each provided with a wave plate that emits light with a phase shifted, and the optical axes of the wave plates are substantially orthogonal to each other in the opposed divided regions. The electron gun described.
前記周方向に沿って配列された複数の電気光学素子の内側に設けられた第1電極と、
前記放射状に分割された複数の電気光学素子の外側に設けられた第2電極とを、備え、
前記複数の電気光学素子の光学軸が隣の電気光学素子の光学軸と異なる方向になっている請求項4に記載の電子銃。 A plurality of electro-optic elements in which the polarization adjusting element is arranged along a circumferential direction;
A first electrode provided inside a plurality of electro-optic elements arranged along the circumferential direction;
A second electrode provided on the outside of the plurality of electro-optical elements divided radially,
The electron gun according to claim 4, wherein the optical axes of the plurality of electro-optical elements are different from the optical axis of an adjacent electro-optical element.
周方向に沿って配列された複数の磁気光学素子と、
前記周方向に沿って配列された複数の磁気光学素子の内側に設けられた第1のコイルと、
前記周方向に沿って配列された複数の磁気光学素子の外側にそれぞれ設けられた第2のコイルとを、備え、
前記複数の磁気光学素子の光学軸が隣の磁気光学素子の光学軸と異なる方向になっている請求項4に記載の電子銃。 The polarization adjusting element is
A plurality of magneto-optical elements arranged along the circumferential direction;
A first coil provided inside a plurality of magneto-optical elements arranged along the circumferential direction;
A second coil provided outside each of the plurality of magneto-optical elements arranged along the circumferential direction,
The electron gun according to claim 4, wherein an optical axis of the plurality of magneto-optical elements is different from an optical axis of an adjacent magneto-optical element.
周方向に沿って配列された複数の磁気光学素子と、
前記周方向に沿って配列された複数の磁気光学素子のそれぞれの外周に設けられたコイルを備え、
前記複数の磁気光学素子の光学軸が隣の磁気光学素子の光学軸と異なる方向になっている請求項4に記載の電子銃。 The polarization adjusting element is
A plurality of magneto-optical elements arranged along the circumferential direction;
A coil provided on the outer periphery of each of the plurality of magneto-optical elements arranged along the circumferential direction;
The electron gun according to claim 4, wherein an optical axis of the plurality of magneto-optical elements is different from an optical axis of an adjacent magneto-optical element.
前記フォトカソードからの電子ビームが前記レンズの中空部分を通過する請求項10に記載の電子銃。 The lens has a hollow shape,
The electron gun according to claim 10, wherein an electron beam from the photocathode passes through a hollow portion of the lens.
直線偏光のレーザ光を偏光変換素子に入射させるステップと、
前記偏光変換素子によって、前記レーザ光を断面全体でほぼ半径方向に直線偏光された光に変換し、光軸に対して対向する領域において、電気ベクトルの振動方向が反対方向となるように、前記レーザ光の偏光状態を変換するステップと、
前記偏光変換素子から出射したレーザ光を集光して、フォトカソードに入射させるステップと、を備える電子発生方法。 An electron generation method for generating electrons by irradiating a photocathode with laser light,
Entering linearly polarized laser light into the polarization conversion element;
The polarization conversion element converts the laser light into light that is linearly polarized in a substantially radial direction across the entire cross section, and in the region facing the optical axis, the vibration direction of the electric vector is in the opposite direction. Converting the polarization state of the laser light;
Collecting the laser light emitted from the polarization conversion element and causing the laser light to enter the photocathode.
周方向に沿って配列された複数の電気光学素子と、
前記周方向に沿って配列された複数の電気光学素子の内側に設けられた第1電極と、
前記放射状に分割された複数の電気光学素子の外側に設けられた第2電極とを、備え、
隣り合う前記電気光学素子において、光学軸が異なる方向になっている偏光制御素子。 A polarization control element having an electro-optic element disposed between electrodes,
A plurality of electro-optic elements arranged along the circumferential direction;
A first electrode provided inside a plurality of electro-optic elements arranged along the circumferential direction;
A second electrode provided on the outside of the plurality of electro-optical elements divided radially,
In the adjacent electro-optical elements, the polarization control elements are different in optical axis direction.
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