JP2003031883A - 共振器系アライメント装置および共振器チャンバー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 自由電子レーザ発生装置共振器系のアライメ
ントを能率良い、また可視領域外の自由電子レーザに対
してレーザ光軸と良く一致したガイド用プローブレーザ
を供給できるアライメント装置を提供する。 【解決手段】 挿入光源１を挟んで共振器チャンバー
２，３に収納された１対の共振器ミラー４，６を備えた
共振器系を対象として、共振系の外部にトランシット１
０を備え、トランシットから共振器ミラー４，６とプロ
ーブレーザ用反射鏡５を見通せるビューポート２１，２
２、３１を共振器チャンバー２，３に備えて、共振器チ
ャンバー２，３の表面に付けた印に頼ることなく共振器
ミラー等を直接観測して位置姿勢の調整を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自由電子レーザ装
置の挿入光源において共振器系のアライメントを行う装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】自由電子レーザ装置は、波長可変、高ピ
ーク出力、高波長選択性などの特徴を持つことから、物
理、化学、バイオ、医療など、広範囲の分野において広
く利用されることが期待されている。良質な自由電子レ
ーザを効率よく発生させるためには、共振器ミラーの軸
を１００μｍ以内の精度でアライメントする必要があ
る。自由電子レーザの共振は真空ダクト内で行われるの
で共振器ミラーは真空チャンバーに格納されている。

【０００３】従来のアライメント方法では、チャンバー
自体の位置姿勢を調整することにより共振器ミラーの軸
アライメントを行う。ミラーホールダーを共振器チャン
バーの決められた設計位置に組み込み、図５の側面図と
図６の平面図に示すように、平たい円筒形をした共振器
チャンバの外側表面に共振器ミラー軸の垂直位置と水平
位置を罫書き線で印しておき、この罫書き線に基づいて
トランシットあるいはレベラで共振器ミラーの軸アライ
メントを行っていた。

【０００４】しかし、この方法では、加工精度と組み立
て精度の問題で、内部の共振器ミラーと外部の罫書き線
の間にずれが生じるので、数１００μｍ以上の誤差が生
じることは避けられなかった。さらに、共振器チャンバ
ーを真空引きしたときに大気圧差が掛かるため１ｍｍ程
度のずれが生じる。こうした誤差のため、組み立て後に
自由電子レーザの発振条件を探索しながらミラーホルダ
ーの位置姿勢を調整しなければならず、発振調整に多大
な手間と時間を必要としていた。

【０００５】また、可視領域外の自由電子レーザについ
て実験系の設定を行うときは、可視領域のガイド用プロ
ーブレーザを用いて光軸調整を行うが、プローブレーザ
の光軸と自由電子レーザの光軸を数１００μｍ以内の精
度で一致させることは難しく、最終的には出力を観察し
ながら実験系の位置調整を行うことになる。このよう
に、可視領域外の自由電子レーザの実験設定は極めて困
難であった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明が解決
しようとする課題は、自由電子レーザ発生装置の共振器
系におけるアライメントを能率良く行う装置を提供する
ことである。また、可視領域外の自由電子レーザを利用
する場合に、実際のレーザ光軸と良く一致したガイド用
プローブレーザを供給できるアライメント装置を提供す
ることである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、挿入光源を挟んで共振器チャンバーに収納された１
対の共振器ミラーを備えた共振器系に用いる本発明の共
振器系アライメント装置は、共振系の外部に第１のトラ
ンシットを配設する位置が決められていて、配設位置に
設置された第１のトランシットから共振器ミラーの光線
反射位置を見通せるビューポートを共振器チャンバーに
備えることを特徴とする。

【０００８】本発明の共振器系アライメント装置では、
共振器チャンバーにビューポートを設けてトランシット
から直接に共振器ミラーの光線反射位置が見通せるよう
になっている。したがって、共振器チャンバーの外側に
印した罫書き線に頼らず直接に共振器ミラーの位置が確
認できるので、共振器チャンバーなどの製作誤差やミラ
ーホールダなどの組み込み誤差にかかわらず、正確なミ
ラー軸調整ができる。また、ミラー軸調整後に真空引き
してもミラー自体の位置に基づいて調整するので大気圧
分の差圧がかかることによる誤差が生じない。さらに、
耐真空のビューポートを介して共振器チャンバー内のミ
ラーを見通すことができるので、チャンバーやダクトを
真空引きした後でミラー軸の調整を行うことができる。

【０００９】また、本発明の共振器系アライメント装置
は、第１のトランシットから１対の共振器ミラーのいず
れについても光線反射位置が見通せるようにトランシッ
トを配置することが好ましい。共振器ミラーの光軸はア
ンジュレータなど挿入光源に対して位置決めすることも
できるが、両方の共振器ミラーを見通して両者の位置関
係を直接的に精密に調整することにより、光線が共振す
る軌道を正確に規定することができる。

【００１０】さらに、共振器チャンバーの少なくとも一
方に出し入れ可能なプローブレーザ用反射鏡を備え、こ
のプローブレーザ用反射鏡の光線反射位置を第１のトラ
ンシットから見通せるようなビューポートを共振器チャ
ンバーに備えるようにしてもよい。特に赤外線や紫外線
など可視領域外の自由電子レーザを使用するときには、
共振器ミラーの調整ばかりでなく、発振後のレーザ軌跡
を実験装置に導くための光学系を調整するためにも自由
電子レーザと同じ光軸を持つ可視光レーザが必要にな
る。可視光レーザを自由電子レーザの光軸に正確に一致
させるためには、反射鏡のレーザ反射位置を自由電子レ
ーザの光軸に正確に一致させる必要がある。共振器チャ
ンバーにプローブレーザ用反射鏡を見通せるビューポー
トを備えた本発明の共振系アライメント装置であれば、
プローブレーザ用反射鏡を光軸中に挿入したときにトラ
ンシットを利用して直接的に反射鏡の位置調整をするこ
とができる。

【００１１】本発明の共振系アライメント装置は、さら
に、第２のトランシットもしくはレベラー（以下、トラ
ンシットで代表する）を共振系の外部において第１のト
ランシットと異なる方向から共振器系を観測する位置に
配置して、第２のトランシットから共振器ミラーの光線
反射位置を見通せるビューポートを共振器チャンバーに
備えるようにしてもよい。さらに共振器チャンバーに第
２トランシットからプローブレーザ用反射鏡の光線反射
位置を見通せるビューポートを備えるようにしてもよ
い。また、第１のトランシットは挿入光源の鉛直上方に
配置され、第２トランシットが挿入光源の水平側方に配
置されることが好ましい。異なる２方向からトランシッ
トで観測することにより、光軸を立体的に確定すること
ができる。

【００１２】また、挿入光源を挟んで配置される共振器
ミラーを格納する本発明の共振器チャンバーは、挿入光
源の外部に設けたトランシットから共振器ミラーの光線
反射位置を見通せるようなビューポートを備えることを
特徴とする。従来の共振器チャンバーは外部から共振器
ミラーの状態を目視で観察することができなかったが、
共振器ミラーが見える位置にビューポートを備えること
により、トランシットで直接に共振器ミラーのレーザ反
射位置を観測して位置調整することができるようにな
る。なお、ビューポートは、２基のトランシットからそ
れぞれ観察できるように２個備えても良い。また、本発
明の共振器チャンバーは、さらにプローブレーザ用反射
鏡の位置が見えるようなビューポートを備えても良い。
なお、両者が一緒に見えるような大きなビューポートを
備えることもできる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下実施例を用いて本発明を詳細
に説明する。本実施例の共振器系アライメント装置は、
鉛直方向と水平方向の２基のトランシットを備えて、２
個の共振器ミラーの反射位置がアンジュレータに設定さ
れた光軸の延長上に来るように立体的に調整するもので
ある。なお、一方の共振器チャンバーにはプローブレー
ザ用反射鏡が挿入されるようになっており、このレーザ
反射位置が上の光軸上に来るように調整することもでき
る。

【００１４】図１は本実施例の共振器系アライメント装
置の鉛直側トランシットを説明する側面図、図２は本実
施例の水平側トランシットを説明する平面図、図３は共
振器チャンバーの外形を表す斜視図、図４はプローブレ
ーザ光と共振器ミラー軸のと軸調整機構を説明する平面
図である。

【００１５】本実施例の共振器系アライメント装置は、
アンジュレータ１の光軸の延長上両側に備えられた１対
の共振器チャンバー２，３を対象にするものである。第
１の共振器チャンバー２には第１の共振器ミラー４とプ
ローブレーザ用反射鏡５、第２の共振器チャンバー３に
は第２の共振器ミラー６が装着されている。第１の共振
器ミラーは全反射型であるが、第２の共振器ミラー６は
自由電子レーザを取り出す窓、カップリングホールが設
けられている。図には省略してあるが、第１共振器チャ
ンバー２にはプローブレーザ用反射鏡５を必要に応じて
光軸中に挿入したり待避したりする駆動装置が設けられ
ている。また、共振器チャンバー２，３の外側から共振
器ミラー４，６およびプローブレーザ用反射鏡５の位置
と姿勢を調整するためのアクチュエータがそれぞれ設け
られている。第１共振器チャンバー２と第２共振器チャ
ンバー３の間は真空ダクト７で繋がっていて高真空の保
持ができるようになっている。

【００１６】アライメントを行うために、アンジュレー
タ１内を走る光軸の鉛直上方に設けられた第１のトラン
シット１０とアンジュレータ１内の光軸の水平側方に設
けられた第２のトランシット１２を使用する。トランシ
ットによる位置計測は比較的容易であるので、必要に応
じてトランシットを設置して測定してもよく、また１基
のトランシットを垂直位置と水平位置に据え直して利用
することもできる。これらのトランシットは、自由電子
レーザ試験条件を変更するたびに使用することになるの
で、常設しておいてもよいことはいうまでもない。

【００１７】第１共振器チャンバー２の上面には、第１
トランシット１０から第１共振器ミラー４の光反射位置
が見通せるように設置されたビューポート２１と、プロ
ーブレーザ用反射鏡５が共振器軸位置に挿入されたとき
にレーザ光を反射する位置が見通せるように設置された
ビューポート２２が設けられている。また、第１共振器
チャンバー２の側面には、第２トランシット１２から第
１共振器ミラー４の光反射位置が見通せるビューポート
２３と、プローブレーザ用反射鏡５が共振器軸位置に挿
入されたときのレーザ光反射位置が見通せるビューポー
ト２４が設けられている。

【００１８】なお、第１共振器チャンバー２は、図３に
示すように、チャンバー上面と側面にそれぞれ大きな透
明窓２５，２６を設けて、第１共振器４とプローブレー
ザ用反射鏡５の両方が１つのビューポートから見通せる
ようにしても良い。ビューポートにはガラスを密着する
ように嵌めて真空が漏れないようにしてある。なお、共
振器チャンバー２の表面には共振器軸の設計位置を示す
罫書き線が印されたプレート２７，２８が付けられてい
る。

【００１９】第２共振器チャンバー３の上面には、上方
に設けられた第１トランシット１０から第２共振器ミラ
ー６の光反射位置が見通せるビューポート３１、側面に
は側方に設けられた第２トランシット１２から第２共振
器ミラー６の光反射位置が見通せるビューポート３２が
設けられている。

【００２０】共振器系のアライメントを取るときには、
アンジュレーター１に対して共振器チャンバー２，３を
据えた後で、アンジュレータやチャンバーに付された罫
書き線に基づいて各装置の位置を大まかに調整して固定
する。次に、第１トランシット１０の望遠鏡１１の光軸
をアンジュレータ１自由電子レーザの光軸を含む面内で
動くように調整した後、鏡身を第１共振器ミラー４に向
けて観測し、自由電子レーザ光の反射位置が望遠鏡１１
の光軸に来るように第１共振器ミラー４の位置を微調整
する。

【００２１】なお、自由電子レーザの光軸は、アンジュ
レーター１の両端に付けられた罫書き線に基づいて決め
ることができる。また、共振器チャンバーに付けられた
罫書き線を基準としても良い。装置の位置調整が精密で
あれば、これらの罫書き線は全て一直線上に並び、自由
電子レーザの光軸は一意に決定される。次に、望遠鏡１
１を反転して、今度は第２共振器ミラー６に向け、自由
電子レーザの取り出し窓の位置が望遠鏡１１の光軸に来
るように第２共振器ミラー６の位置調整をする。

【００２２】この結果、第１トランシット１０を用いて
第１共振器ミラー４と第２共振器ミラー６のレーザ反射
位置があるべき鉛直面内に納められる。さらに、同様の
手順で、第２トランシット１２の望遠鏡１３を用いて２
つの共振器ミラーの反射位置があるべき水平面内に納め
られる。こうして、２つの共振器ミラーの水平位置と垂
直位置が決定される。

【００２３】この後、自由電子レーザの発振調整を行
い、第１共振器ミラー４と第２共振器ミラー６の向きを
調整して、最も大きな出力が得られるようにする。既に
共振器ミラーの位置調整は済んでいるので、発振調整で
は共振器ミラーのレーザ反射位置を中心とした回転によ
る向きの調整を主に行えばよい。本実施例のアライメン
ト装置の調整作業は、位置の調整と姿勢の調整を段階を
追って行うため、短い時間で正確に行うことができる。

【００２４】このようにして位置調整した共振器ミラー
の位置は、共振器チャンバーの外側に付けた罫書き線に
基づくものではなく、共振器ミラー自体の測定に基づい
て決定されるので、位置誤差がなくまたチャンバーを真
空引きしても変動しない。なお、本実施例の装置では共
振器チャンバーが真空状態であっても位置調整すること
ができるので、経時による寸法変化や発振条件の変更が
あったときにも、そのまま直ちに位置調整を行うことが
できる。

【００２５】自由電子レーザ装置の利用施設において、
特に可視光線領域外の自由電子レーザを使用するとき
は、自由電子レーザ発生装置からレーザ利用装置まで光
線を導くような光学系を正確に構成することが極めて困
難であった。このため、可視光のプローブレーザを導入
し自由電子レーザの光軸上を走行するようにして、レー
ザ利用装置のアライメントに使用する。しかし、従来の
プローブレーザはその光軸を自由電子レーザの光軸と一
致させることが困難でかつどの程度乖離しているかを知
ることが困難であった。このため、最終的な調整は、調
整する光学系の近辺における自由電子レーザのエネルギ
ー分布を測定してターゲット位置を決定する必要があっ
た。

【００２６】本実施例の共振系アライメント装置を用い
てプローブレーザ用反射鏡５の位置を調整する場合は、
上と同様にしてレーザ光軸に合わせた望遠鏡１１，１３
の鏡身をビューポート２２，２４，２５，２６を通して
反射鏡５に向け、プローブレーザの入射位置が自由電子
レーザの光軸上に来るように調整する。そして、図４に
示すように、レーザ導入ノズル２６から可視領域のプロ
ーブレーザ光を導入し、反射鏡５で反射させて第２共振
器ミラー６のカップリングホールに当てるようにする。
プローブレーザ用反射鏡５の向きは図外の姿勢調整装置
により調整することができる。自由電子レーザの光軸上
の点で反射するプローブレーザが第２共振器ミラーの出
力窓を通過するようにすれば、プローブレーザの光軸５
１は自由電子レーザの光軸４１と一致することになるの
で、従来は困難であった両レーザの光軸を合致させるこ
とが可能となり、プローブレーザの光点がそのまま自由
電子レーザの照射位置を示すので、光学系の調整が極め
て容易になる。

【００２７】以上説明したとおり、本実施例の共振器系
アライメントは、共振器チャンバーに頼らず共振器ミラ
ーの反射位置に基づいて位置を調整するため、製作精度
や組み立て精度に影響を受けず、また真空状態による変
形の影響も受けず、精度の高い共振器ミラーの位置調整
ができる。したがって、自由電子レーザの光軸調整が極
めて容易になる。さらに、プローブレーザを自由電子レ
ーザの光軸に正確に合わせることができるので、レーザ
利用装置の光学調整も簡単に行うことができる。

【００２８】なお、上記実施例においては、鉛直方向と
水平方向にトランシットを設置してほぼ垂直な２方向か
らの測量により自由電子レーザの光軸を調整したが、鉛
直や水平に限らず、トランシットの観測面が光軸を含み
互いに交差した平面であればよい。また、トランシット
を２方面から使用して測定しているが、１方向しかトラ
ンシットで観測しない場合でも、発明の効果の一部を具
現するものであることはいうまでもない。

【００２９】

【発明の効果】本発明の共振器系アライメントは、自由
電子レーザ発生装置における共振器系のアライメントを
従来と比較して各段に容易にかつ正確に行うことを可能
にし、自由電子レーザの学術的あるいは工業的利用を容
易にするために効果がある。また、プローブレーザのア
ライメントに使用すれば、特に可視領域外のレーザを利
用する装置を正確にかつ容易に構成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例の共振器系アライメント装置
の鉛直側トランシットを説明する側面図である。

【図２】本実施例の水平側トランシットを説明する平面
図である。

【図３】本実施例の共振器チャンバーの外形を表す斜視
図である。

【図４】本実施例のプローブレーザ光と共振器ミラー軸
のと軸調整機構を説明する平面図である。

【図５】従来の共振器系アライメントにおける誤差を説
明する側面図である。

【図６】従来の共振器系アライメントにおける誤差を説
明する平面図である。

【符号の説明】

１ アンジュレータ ２，３ 共振器チャンバー ４，６ 共振器ミラー ５ プローブレーザ用反射鏡 ７ 真空ダクト １０ 第１トランシット １１，１３ 望遠鏡 １２ 第２トランシット ２１，２２，２３，２４，３１，３２ ビューポート ２６ プローブレーザ導入ノズル ２７，２８ 罫書き線プレート ４１ 自由電子レーザ光軸 ５１ プローブレーザ光軸

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5F072 AC10 JJ02 KK05 KK06 KK30 MM11 MM16

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 挿入光源を挟んで共振器チャンバーに収
   納された１対の共振器ミラーを備えた共振器系のアライ
   メント装置であって、前記共振器チャンバーにビューポ
   ートを備え、前記共振系の外部に第１のトランシットの
   配設位置を定め、該配設位置に第１のトランシットを配
   置したとき該第１のトランシットから前記ビューポート
   を介して前記共振器ミラーの光線反射位置を見通せるよ
   うにしたことを特徴とする共振器系アライメント装置。
2. 【請求項２】 前記第１のトランシットの配設位置から
   前記１対の共振器ミラーのいずれも光線反射位置が見通
   せることを特徴とする請求項１記載の共振器系アライメ
   ント装置。
3. 【請求項３】 前記共振器チャンバーの一方に出し入れ
   可能なプローブレーザ用反射鏡を備え、該プローブレー
   ザ用反射鏡の光線反射位置を前記第１のトランシットか
   ら見通せるビューポートを備えることを特徴とする請求
   項１又は２記載の共振器系アライメント装置。
4. 【請求項４】 さらに、前記共振系の外部であって前記
   第１のトランシットと異なる方向から該共振器系を観測
   する第２のトランシットの配設位置を定めて、該第２の
   トランシットを配置したときに前記共振器チャンバーに
   該第２のトランシットから前記共振器ミラーの光線反射
   位置を見通せるビューポートを備えることを特徴とする
   請求項１から３のいずれかに記載の共振系アライメント
   装置。
5. 【請求項５】 さらに第２のトランシットを前記共振系
   の外部において前記第１のトランシットと異なる方向か
   ら該共振器系を観測する位置に配置して、前記共振器チ
   ャンバーに前記第２のトランシットから前記プローブレ
   ーザ用反射鏡の光線反射位置を見通せるビューポートを
   備えることを特徴とする請求項３記載の共振系アライメ
   ント装置。
6. 【請求項６】 前記第１のトランシットの配設位置が前
   記挿入光源の鉛直上方に定められることを特徴とする請
   求項１から５のいずれかに記載の共振器系アライメント
   装置。
7. 【請求項７】 前記第２のトランシットの配設位置が前
   記挿入光源の水平側方に定められることを特徴とする請
   求項１から６のいずれかに記載の共振器系アライメント
   装置。
8. 【請求項８】 挿入光源を挟んで配置される共振器ミラ
   ーを格納する共振器チャンバーであって、挿入光源の外
   部に設けたトランシットから前記共振器ミラーの光線反
   射位置を見通せるビューポートを備えることを特徴とす
   る共振器チャンバー。