JP2008288087A - Beam measuring device, beam measuring method, and pump/probe measuring method using the device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a beam measurement device, a beam measurement method, and a pump/probe measurement method that use them, wherein three-dimensional measurement of quantum beams can be carried out simply and easily. <P>SOLUTION: This beam measurement device 100 is equipped with a light source part 10 for shaping the pulse wave form of the pulse laser beam oscillated by a laser oscillator 11 so that the wavelength of the pulse laser beam is changed, according to time; an incident optical system 20 having a delay element 23 which gives time delay according to the incident position with respect to the pulse laser beam emitted from the light source part 10 and a polarized light conversion element 24, which converts a pulse laser beam into a different polarization state according to the incident position; an electro-optical element 30 having a different crystalline axis according to the incident position; a polarizer 46 to take out prescribed components from the pulse laser beam; and an optical spectrometer 50 to measure spectrum of the taken out spectrum of a pulse laser beam extracted from the polarizer 46. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、ビーム測定装置、ビーム測定方法、及びそれを用いたポンプ・プローブ測定方法に関し、特に詳しくは、量子ビームを測定するビーム測定装置、ビーム測定方法、及びそれを用いたポンプ・プローブ測定方法に関する。   The present invention relates to a beam measuring apparatus, a beam measuring method, and a pump / probe measuring method using the same, and more particularly, a beam measuring apparatus, a beam measuring method, and a pump / probe measurement using the same. Regarding the method.

近年、電子ビームなどの荷電粒子を加速する加速器が広く利用されている。例えば、X−FEL(X−ray Free Electron Laser)やERL(Energy−Recovery Linac)などでは、短バンチ電子ビームを光速近くまで加速している。そして、アンジュレータなどの挿入光源から放射されるコヒーレントシンクロトロン放射光が利用される。このような加速器では、高品質な電子ビームを得るため、短バンチビームモニターを設置する必要がある。このようなビームモニターで測定されるビームの特性としては、荷電粒子ビームの横方向プロファイル、ビームのポジション、エネルギー、及びバンチ長等がある。また、荷電粒子ビームを非破壊で測定することが望まれる。さらに、フェムト秒バンチとするために、ジッタフリーでこれらのバンチ情報を1ショットで計測することが望まれる。   In recent years, accelerators that accelerate charged particles such as electron beams have been widely used. For example, in X-FEL (X-ray Free Electron Laser) and ERL (Energy-Recovery Linac), a short bunch electron beam is accelerated to near the speed of light. Then, coherent synchrotron radiation emitted from an insertion light source such as an undulator is used. In such an accelerator, it is necessary to install a short bunch beam monitor in order to obtain a high-quality electron beam. The characteristics of the beam measured by such a beam monitor include the lateral profile of the charged particle beam, the beam position, energy, and bunch length. It is also desirable to measure a charged particle beam nondestructively. Further, in order to obtain a femtosecond bunch, it is desired to measure these bunch information in one shot without jitter.

例えば、電気光学結晶を用いて電子ビームのバンチ長を計測する方法が開示されている(非特許文献1)。この計測方法では、電気光学結晶にパルスレーザ光を入射させている。また、電子ビームが電気光学結晶を通過するときに、電子ビームによって電場が発生する。この電場によって、電気光学結晶を通過するパルスレーザ光の偏光状態が変化する。例えば、電気光学結晶を通過すると、直線偏光が楕円偏光に変化する。電気光学結晶を通過したパルスレーザ光を測定することによって、バンチ長に関する情報を取得することができる。   For example, a method for measuring the bunch length of an electron beam using an electro-optic crystal is disclosed (Non-Patent Document 1). In this measurement method, pulsed laser light is incident on the electro-optic crystal. Further, when the electron beam passes through the electro-optic crystal, an electric field is generated by the electron beam. This electric field changes the polarization state of the pulsed laser light passing through the electro-optic crystal. For example, when passing through an electro-optic crystal, linearly polarized light changes to elliptically polarized light. Information on the bunch length can be acquired by measuring the pulse laser beam that has passed through the electro-optic crystal.

また、真空チャンバー内に電極を配置して、横方向のビームポジションをモニターする方法が提案されている(特許文献2)。この方法では、ビーム径路に4つの電極が配置される。この4つの電極は、ビーム方向と垂直な面において、点対称に配置されている。これにより、ビーム方向と垂直な面におけるバンチの空間分布を測定することができる。   Further, a method has been proposed in which electrodes are arranged in a vacuum chamber and the beam position in the lateral direction is monitored (Patent Document 2). In this method, four electrodes are arranged in the beam path. These four electrodes are arranged point-symmetrically in a plane perpendicular to the beam direction. Thereby, the spatial distribution of the bunches in the plane perpendicular to the beam direction can be measured.

I. Wilke et.al. "Single−Shot Electron−Beam Bunch Length Measurements" Physical Review Letters Volume 88 124801 Number 12I. Wilke et. al. "Single-Shot Electron-Beam Bunch Length Measurements" Physical Review Letters Volume 88 124801 Number 12 T. Suwada "Multipole Analysis of Electromagnetic Field Generated by Single−Bunch Electron Beams" Jpn.J.Appl.Phys.Vol.40(2001)pp890−897T.A. Suwada "Multipole Analysis of Electromagnetic Field Generated by Single-Bunch Electron Beams" Jpn. J. et al. Appl. Phys. Vol. 40 (2001) pp 890-897

しかしながら、従来の測定方法では、量子ビームを3次元的に測定することが困難であるという問題点がある。   However, the conventional measurement method has a problem that it is difficult to measure the quantum beam three-dimensionally.

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、量子ビームの3次元的な測定を簡便に行うことができるビーム測定装置、ビーム測定方法、及びそれを用いたポンプ・プローブ測定方法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 a beam measuring apparatus, a beam measuring method, and a beam measuring apparatus capable of easily performing three-dimensional measurement of a quantum beam. It is to provide a method for measuring the pump probe used.

本発明の第1の態様にかかるビーム測定装置は、パルスレーザ光を用いて量子ビームを3次元的に測定するビーム測定装置であって、レーザ発振器によって発振したパルスレーザ光の波長が時間に応じて変化するよう、前記パルスレーザ光のパルス波形を整形して出射する光源部と、前記光源部から出射したパルスレーザ光に対して入射位置に応じた時間遅延を与える第1の遅延素子と、前記パルスレーザ光を入射位置に応じて異なる偏光状態に変換する第1の偏光変換素子と、を有する入射光学系と、前記量子ビームのビーム径路に配置され、入射位置に応じて異なる結晶軸を有する電気光学素子と、前記入射光学系から前記電気光学素子を介して入射したパルスレーザ光から、所定の偏光成分を取り出す偏光子と、前記偏光子で取り出されたパルスレーザ光のスペクトルを測定する測定器と、を備えるものである。これにより、量子ビームの3次元的な情報がスペクトルに展開されるため、量子ビームの3次元的な測定を簡便に行うことができる。   A beam measuring apparatus according to a first aspect of the present invention is a beam measuring apparatus that three-dimensionally measures a quantum beam using a pulsed laser beam, and the wavelength of the pulsed laser beam oscillated by a laser oscillator depends on time. A light source unit that shapes and emits a pulse waveform of the pulsed laser light, and a first delay element that gives a time delay corresponding to an incident position with respect to the pulsed laser light emitted from the light source unit, An incident optical system having a first polarization conversion element that converts the pulsed laser light into a different polarization state according to an incident position; and a crystal axis that is different depending on the incident position. An electro-optic element, a polarizer that extracts a predetermined polarization component from pulsed laser light incident from the incident optical system via the electro-optic element, and a polarizer that is extracted by the polarizer. A measuring device for measuring the spectrum of the pulsed laser light, but with a. Thereby, since the three-dimensional information of the quantum beam is developed in the spectrum, the three-dimensional measurement of the quantum beam can be easily performed.

本発明の第2の態様にかかるビーム測定装置は、上記のビーム測定装置であって、前記電気光学素子の結晶軸が放射状になるよう、前記電気光学素子には放射状に配置された複数の電気光学結晶が設けられているものである。これにより、電気光学素子における屈折率の変化を大きくすることができるため、正確に測定することができる。   A beam measuring apparatus according to a second aspect of the present invention is the above-described beam measuring apparatus, wherein the electro-optic element has a plurality of electric elements arranged radially so that the crystal axes of the electro-optic element are radial. An optical crystal is provided. Thereby, since the change of the refractive index in an electro-optic element can be enlarged, it can measure correctly.

本発明の第3の態様にかかるビーム測定装置は、上記のビーム測定装置であって、前記第1の偏光変換素子が、放射状に分割された分割領域を複数有し、前記パルスレーザ光の光軸と垂直な平面において、前記電気光学素子に設けられた複数の電気光学結晶が、前記第1の偏光変換素子に設けられた分割領域に対応する位置に配置され、前記電気光学素子に入射するパルスレーザ光の電気ベクトルの振動面が、前記放射状の結晶軸と同じ方向になるよう、前記第1の偏光変換素子が偏光状態を変換しているものである。これにより、電気光学素子による偏光状態の変化を大きくすることができるため、正確に測定することができる。   The beam measurement apparatus according to a third aspect of the present invention is the beam measurement apparatus described above, wherein the first polarization conversion element has a plurality of radially divided areas, and the light of the pulse laser beam. In a plane perpendicular to the axis, a plurality of electro-optic crystals provided in the electro-optic element are arranged at positions corresponding to the divided regions provided in the first polarization conversion element, and enter the electro-optic element. The first polarization conversion element converts the polarization state so that the vibration plane of the electric vector of the pulse laser beam is in the same direction as the radial crystal axis. Thereby, since the change of the polarization state by the electro-optic element can be increased, the measurement can be performed accurately.

本発明の第4の態様にかかるビーム測定装置は、上記のビーム測定装置であって、前記第1の遅延素子が、前記第1の偏光変換素子に設けられた複数の分割領域に対応するよう、前記パルスレーザ光を入射位置に応じて段階的に遅延させることを特徴とするものである。これにより、横方向の空間分布を簡便に測定することができる。   A beam measuring apparatus according to a fourth aspect of the present invention is the above-described beam measuring apparatus, wherein the first delay element corresponds to a plurality of divided regions provided in the first polarization conversion element. The pulsed laser light is delayed stepwise according to the incident position. Thereby, the spatial distribution in the horizontal direction can be easily measured.

本発明の第5の態様にかかるビーム測定装置は、上記のビーム測定装置であって、前記第1の遅延素子によって与えられる段階的な遅延時間が、前記量子ビームのパルスよりも長くなっているものである。これにより、横方向の空間分布をより簡便に測定することができる。   A beam measuring apparatus according to a fifth aspect of the present invention is the above-described beam measuring apparatus, wherein the stepwise delay time provided by the first delay element is longer than the pulse of the quantum beam. Is. Thereby, the spatial distribution in the horizontal direction can be measured more easily.

本発明の第6の態様にかかるビーム測定装置は、上記のビーム測定装置であって、前記第1の偏光変換素子に設けられた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略直交しているものである。これにより、所望の偏光状態に変換することができるため、簡便に測定することができる。   A beam measuring apparatus according to a sixth aspect of the present invention is the above-described beam measuring apparatus, wherein the plurality of divided regions provided in the first polarization conversion element are emitted while shifting the phase of incident light. Each of the wave plates is provided, and the optical axes of the wave plates are substantially orthogonal in the opposed divided regions. Thereby, since it can convert into a desired polarization state, it can measure simply.

本発明の第7の態様にかかるビーム測定装置は、上記のビーム測定装置であって、前記第1の遅延素子によって与えられる最大の遅延時間が、前記光源部から出射するパルスレーザ光のパルス幅よりも短くなっており、前記第1の遅延素子によって時間遅延が与えられた前記パルスレーザ光が、前記パルスレーザ光の光軸の外周全体で時間的に重複している重複期間を有しているものである。これにより、電気光学素子の全方位において偏光状態が変化するため、横方向の空間分布をより簡便に測定することができる。   A beam measuring apparatus according to a seventh aspect of the present invention is the above-described beam measuring apparatus, wherein the maximum delay time given by the first delay element is a pulse width of the pulse laser beam emitted from the light source unit. The pulse laser beam that has been given a time delay by the first delay element has an overlap period in which the pulse laser beam overlaps the entire outer circumference of the optical axis of the pulse laser beam. It is what. Thereby, since the polarization state changes in all directions of the electro-optic element, the spatial distribution in the lateral direction can be measured more easily.

本発明の第8の態様にかかるビーム測定装置は、上記のビーム測定装置であって、前記重複期間のパルスレーザ光が前記電気光学素子を通過するタイミングと同期して、前記量子ビームのパルスが、前記電気光学素子を通過するものである。これにより、電気光学素子の全方位において偏光状態が変化するため、バンチの横方向の空間分布をより簡便に測定することができる。   A beam measuring apparatus according to an eighth aspect of the present invention is the above-described beam measuring apparatus, wherein the pulse of the quantum beam is synchronized with a timing at which the pulse laser beam in the overlapping period passes through the electro-optic element. , Passing through the electro-optic element. Accordingly, since the polarization state changes in all directions of the electro-optic element, the spatial distribution in the lateral direction of the bunch can be measured more easily.

本発明の第9の態様にかかるビーム測定装置は、上記のビーム測定装置であって、前記電気光学素子から出射したパルスレーザ光に対して入射位置に応じた時間遅延を与えて、前記偏光子に入射する光のパルス幅を短くする第2の遅延素子と、前記レーザ発振器によって発振したパルスレーザ光の一部が参照光として入射する非線形光学素子とをさらに備え、前記偏光子が偏光方向に応じてパルスレーザ光を分岐し、前記偏光子で分岐された一方の分岐光を前記測定器で測定し、前記偏光子で分岐された他方の分岐光を前記非線形光学素子に入射させ、前記非線形光学素子内で前記参照光と交差させ、前記非線形光学素子での非線形光学効果によって発生した光をアレイ光検出器によって測定するものである。これにより、時間分布を簡便かつ正確に測定することができる。   A beam measuring apparatus according to a ninth aspect of the present invention is the beam measuring apparatus described above, wherein a time delay corresponding to an incident position is given to the pulse laser beam emitted from the electro-optic element, and the polarizer A second delay element that shortens a pulse width of the light incident on the laser beam, and a nonlinear optical element in which a part of the pulsed laser light oscillated by the laser oscillator is incident as reference light, and the polarizer is in the polarization direction. In response, the pulsed laser beam is branched, one branched light branched by the polarizer is measured by the measuring device, the other branched light branched by the polarizer is incident on the nonlinear optical element, and the nonlinear The light generated by the non-linear optical effect in the non-linear optical element is measured by an array photodetector by intersecting with the reference light in the optical element. Thereby, a time distribution can be measured simply and accurately.

本発明の第10の態様にかかるビーム測定装置は、上記のビーム測定装置であって、前記第1の遅延素子に入射する前と、前記第2の遅延素子を出射した後とで、前記パルスレーザ光のパルス幅が略等しくなっているものである。ビームの時間分布をより簡便かつ正確に測定することができる。   A beam measuring apparatus according to a tenth aspect of the present invention is the beam measuring apparatus described above, wherein the pulse is emitted before entering the first delay element and after exiting the second delay element. The pulse widths of the laser beams are substantially equal. The time distribution of the beam can be measured more easily and accurately.

本発明の第11の態様にかかるビーム測定装置は、上記のビーム測定装置であって、前記電気光学素子には、前記量子ビームが通過する中空部が設けられているものである。これにより、非破壊の測定が可能になる。   A beam measuring apparatus according to an eleventh aspect of the present invention is the beam measuring apparatus described above, wherein the electro-optic element is provided with a hollow portion through which the quantum beam passes. This allows non-destructive measurement.

本発明の第12の態様にかかるビーム測定装置は、上記のビーム測定装置であって、前記電気光学素子に入射するパルスレーザ光を円環状にする1対のアキシコンレンズをさらに備え、前記円環状のパルスレーザ光が前記中空部の外側を通過するものである。これにより、光の利用効率を向上することができ、より正確に測定することができる。   A beam measuring apparatus according to a twelfth aspect of the present invention is the above-described beam measuring apparatus, further comprising a pair of axicon lenses that make the pulsed laser light incident on the electro-optic element into an annular shape, An annular pulse laser beam passes outside the hollow portion. Thereby, the utilization efficiency of light can be improved and it can measure more correctly.

本発明の第13の態様にかかるビーム測定装置は、上記のビーム測定装置であって、前記電気光学素子から出射したパルスレーザ光が入射する第2の偏光変換素子を備え、前記第2の偏光変換素子が、入射位置に応じて異なる偏光状態に変換するものである。これにより、装置構成を簡素化することができる。   A beam measuring apparatus according to a thirteenth aspect of the present invention is the beam measuring apparatus described above, comprising a second polarization conversion element on which the pulse laser beam emitted from the electro-optic element is incident, and the second polarized light The conversion element converts to a different polarization state depending on the incident position. Thereby, the apparatus configuration can be simplified.

本発明の第14の態様にかかるビーム測定装置は、上記のビーム測定装置であって、前記第1の偏光変換素子と前記第2の偏光変換素子とが、同じ方向の光学軸を有しているものである。これにより、装置構成を簡素化することができる。   A beam measuring apparatus according to a fourteenth aspect of the present invention is the beam measuring apparatus described above, wherein the first polarization conversion element and the second polarization conversion element have optical axes in the same direction. It is what. Thereby, the apparatus configuration can be simplified.

本発明の第15の態様にかかるビーム測定装置は、上記のビーム測定装置であって、前記測定器が、前記パルスレーザ光を分光して、スペクトル測定を行う分光測定器であるものである。これにより、装置構成を簡素化にすることができる。   A beam measuring apparatus according to a fifteenth aspect of the present invention is the beam measuring apparatus described above, wherein the measuring instrument is a spectroscopic measuring instrument that performs spectrum measurement by splitting the pulse laser beam. Thereby, the apparatus configuration can be simplified.

本発明の第16の態様にかかるビーム測定装置は、上記のビーム測定装置であって、前記分光測定器に設けられたアレイ検出器の1フレームで、前記パルスレーザ光の1パルスのスペクトルが取得されるものである。これにより、簡便に測定することができる。   A beam measuring apparatus according to a sixteenth aspect of the present invention is the above-described beam measuring apparatus, wherein the spectrum of one pulse of the pulsed laser beam is obtained in one frame of the array detector provided in the spectrometer. It is what is done. Thereby, it can measure simply.

本発明の第17の態様にかかるビーム測定方法は、パルスレーザ光を用いて量子ビームを3次元的に測定するビーム測定方法であって、レーザ発振器によって発振したパルスレーザ光の波長が時間に応じて変化するよう、前記パルスレーザ光のパルス波形を整形して出射するステップと、前記整形されたパルスレーザ光に対して入射位置に応じた時間遅延を与えるとともに、前記パルスレーザ光を入射位置に応じて異なる偏光状態に変換するステップと、前記時間遅延が与えられたパルスレーザ光を、前記量子ビームのビーム径路に配置され、入射位置に応じて異なる結晶軸を有する電気光学素子に入射させるステップと、前記電気光学素子から出射したパルスレーザ光から、所定の偏光成分を取り出すステップと、前記パルスレーザ光から取り出された所定の偏光成分のスペクトルを測定するステップと、を備えるものである。これにより、量子ビームの3次元的な情報がスペクトルに展開されるため、量子ビームの3次元的な測定を簡便に行うことができる。   A beam measuring method according to a seventeenth aspect of the present invention is a beam measuring method for three-dimensionally measuring a quantum beam using a pulsed laser beam, wherein the wavelength of the pulsed laser beam oscillated by a laser oscillator depends on time. Step of shaping and emitting the pulse waveform of the pulsed laser beam so as to change, and providing a time delay corresponding to the incident position with respect to the shaped pulsed laser beam, and bringing the pulsed laser beam to the incident position A step of converting to a different polarization state according to the step, and a step of causing the pulsed laser light provided with the time delay to be incident on an electro-optical element that is disposed in a beam path of the quantum beam and has a different crystal axis depending on an incident position. Extracting a predetermined polarization component from the pulsed laser light emitted from the electro-optic element; and from the pulsed laser light. Measuring the spectrum of the predetermined polarization component issued Ri are those comprising a. Thereby, since the three-dimensional information of the quantum beam is developed in the spectrum, the three-dimensional measurement of the quantum beam can be easily performed.

本発明の第18の態様にかかるビーム測定方法は、上記のビーム測定方法であって、前記電気光学素子の結晶軸が放射状になるよう、前記電気光学素子には放射状に配置された複数の電気光学結晶が設けられているものである。   A beam measuring method according to an eighteenth aspect of the present invention is the beam measuring method described above, wherein a plurality of electric electrodes arranged radially on the electro-optic element are arranged so that the crystal axes of the electro-optic element are radial. An optical crystal is provided.

本発明の第19の態様にかかるビーム測定方法は、上記のビーム測定方法であって、パルスレーザ光を入射位置に応じて異なる偏光状態に変換するステップでは、前記パルスレーザ光を、放射状に分割された分割領域を複数有する第1の偏光変換素子に入射させ、前記パルスレーザ光の光軸と垂直な平面において、前記電気光学素子に設けられた複数の電気光学結晶が、前記第1の偏光変換素子に設けられた分割領域に対応する位置に配置され、前記電気光学素子に入射するパルスレーザ光の電気ベクトルの振動面が、前記放射状の結晶軸と同じ方向になるよう、前記第1の偏光変換素子が偏光状態を変換しているものである。これにより、電気光学素子による偏光状態の変化を大きくすることができるため、正確に測定することができる。   A beam measurement method according to a nineteenth aspect of the present invention is the beam measurement method described above, wherein in the step of converting the pulse laser beam to a different polarization state according to the incident position, the pulse laser beam is radially divided. A plurality of electro-optic crystals provided on the electro-optic element in a plane perpendicular to the optical axis of the pulsed laser light are incident on a first polarization conversion element having a plurality of divided regions. It is arranged at a position corresponding to the divided region provided in the conversion element, and the vibration plane of the electric vector of the pulsed laser light incident on the electro-optic element is in the same direction as the radial crystal axis. The polarization conversion element converts the polarization state. Thereby, since the change of the polarization state by the electro-optic element can be increased, the measurement can be performed accurately.

本発明の第20の態様にかかるビーム測定方法は、上記のビーム測定方法であって、前記パルスレーザ光の光路中に設けられた第1の遅延素子によって、前記入射位置に応じた時間遅延が与えられ、前記第1の偏光変換素子に設けられた複数の分割領域に対応するよう、第1の遅延素子が前記パルスレーザ光を入射位置に応じて段階的に遅延させるものである。これにより、横方向の空間分布を簡便に測定することができる。   A beam measurement method according to a twentieth aspect of the present invention is the beam measurement method described above, wherein a time delay corresponding to the incident position is caused by the first delay element provided in the optical path of the pulse laser beam. The first delay element delays the pulsed laser beam stepwise according to the incident position so as to correspond to a plurality of divided regions provided in the first polarization conversion element. Thereby, the spatial distribution in the horizontal direction can be easily measured.

本発明の第21の態様にかかるビーム測定方法は、上記のビーム測定方法であって、前記第1の遅延素子によって与えられる段階的な遅延時間が、前記量子ビームのパルスよりも長くなっているものである。これにより、横方向の空間分布をより簡便に測定することができる。   The beam measurement method according to a twenty-first aspect of the present invention is the beam measurement method described above, wherein the stepwise delay time provided by the first delay element is longer than the pulse of the quantum beam. Is. Thereby, the spatial distribution in the horizontal direction can be measured more easily.

本発明の第22の態様にかかるビーム測定方法は、上記のビーム測定方法であって前記第1の偏光変換素子に設けられた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略直交しているものである。これにより、所望の偏光状態に変換することができるため、簡便に測定することができる。   A beam measurement method according to a twenty-second aspect of the present invention is the beam measurement method described above, wherein the incident light is emitted with a phase shifted to a plurality of divided regions provided in the first polarization conversion element. Each of the wave plates is provided, and the optical axes of the wave plates are substantially orthogonal in the opposed divided regions. Thereby, since it can convert into a desired polarization state, it can measure simply.

本発明の第23の態様にかかるビーム測定方法は、上記のビーム測定方法であって、前記パルスレーザ光に与えられる最大の遅延時間が、前記光源部から出射するパルスレーザ光のパルス幅よりも短くなっており、前記時間遅延が与えられた前記パルスレーザ光が、前記パルスレーザ光の光軸の外周全体で時間的に重複している重複期間を有しているものである。これにより、電気光学素子の全方位において偏光状態が変化するため、横方向の空間分布をより簡便に測定することができる。   A beam measurement method according to a twenty-third aspect of the present invention is the beam measurement method described above, wherein a maximum delay time given to the pulse laser beam is greater than a pulse width of the pulse laser beam emitted from the light source unit. The pulse laser beam which is shortened and given the time delay has an overlapping period in which the pulse laser beam overlaps in time over the entire optical axis of the pulse laser beam. Thereby, since the polarization state changes in all directions of the electro-optic element, the spatial distribution in the lateral direction can be measured more easily.

本発明の第24の態様にかかるビーム測定方法は、上記のビーム測定方法であって、前記重複時間のパルスレーザ光が前記電気光学素子を通過するタイミングと同期して、記量子ビームのパルスが、前記電気光学素子を通過するものである。これにより、電気光学素子の全方位において偏光状態が変化するため、横方向の空間分布をより簡便に測定することができる。   A beam measurement method according to a twenty-fourth aspect of the present invention is the beam measurement method described above, wherein the pulse of the quantum beam is synchronized with a timing at which the pulse laser beam of the overlapping time passes through the electro-optic element. , Passing through the electro-optic element. Thereby, since the polarization state changes in all directions of the electro-optic element, the spatial distribution in the lateral direction can be measured more easily.

本発明の第25の態様にかかるビーム測定方法は、上記のビーム測定方法であって、前記電気光学素子から出射したパルスレーザ光に対して入射位置に応じた時間遅延を与えて、パルス幅を短くするステップと、前記レーザ発振器によって発振したパルスレーザ光の一部を参照光として非線形光学素子に入射させるステップと、をさらに有し、前記パルスレーザ光から、所定の偏光成分を取り出すステップでは、偏光子を用いて偏光方向に応じてパルスレーザ光を分岐し、前記スペクトルを測定するステップでは、前記偏光子で分岐された一方の分岐光のスペクトルを測定し、前記偏光子で分岐された他方の分岐光を前記非線形光学素子に入射させ、前記非線形光学素子内で、前記参照光と交差させ、前記非線形光学素子での非線形光学効果によって発生した光をアレイ検出器によって測定するものである。これにより、縦方向分布(時間分布)を簡便かつ正確に測定することができる。   A beam measurement method according to a twenty-fifth aspect of the present invention is the beam measurement method described above, wherein the pulse laser beam emitted from the electro-optic element is given a time delay according to the incident position, and the pulse width is increased. A step of shortening, and a step of causing a part of the pulsed laser light oscillated by the laser oscillator to enter the nonlinear optical element as a reference light, and the step of extracting a predetermined polarization component from the pulsed laser light, In the step of branching pulsed laser light according to the polarization direction using a polarizer and measuring the spectrum, the spectrum of one branched light branched by the polarizer is measured, and the other branched by the polarizer The branched light is incident on the nonlinear optical element, crossed with the reference light in the nonlinear optical element, and nonlinear optical effect in the nonlinear optical element Thus the generated light is to measure the array detector. Thereby, the vertical direction distribution (time distribution) can be measured easily and accurately.

本発明の第26の態様にかかるビーム測定方法は、上記のビーム測定方法であって、前記電気光学素子に入射する前と、前記パルス幅が短くされた後とで、前記パルスレーザ光のパルス幅が略等しくなっているものである。これにより、縦方向分布(時間分布)をより簡便かつ正確に測定することができる。   A beam measurement method according to a twenty-sixth aspect of the present invention is the beam measurement method described above, wherein the pulse of the pulse laser beam is emitted before entering the electro-optic element and after the pulse width is shortened. The widths are substantially equal. Thereby, the vertical direction distribution (time distribution) can be measured more easily and accurately.

本発明の第27の態様にかかるビーム測定方法は、上記のビーム測定方法であって、前記電気光学素子には、前記量子ビームが通過する中空部が設けられ、前記量子ビームが前記電気光学素子の前記中空部を通過するものである。これにより、非破壊の測定が可能になる。   A beam measurement method according to a twenty-seventh aspect of the present invention is the beam measurement method described above, wherein the electro-optical element is provided with a hollow portion through which the quantum beam passes, and the quantum beam is provided in the electro-optical element. It passes through the hollow part. This allows non-destructive measurement.

本発明の第28の態様にかかるビーム測定方法は、上記のビーム測定方法であって、前記電気光学素子に入射するパルスレーザ光を円環状にする1対のアキシコンレンズをさらに備え、前記円環状のパルスレーザ光が前記中空部の外側を通過するものである。これにより、光の利用効率を向上することができ、より正確に測定することができる。   A beam measurement method according to a twenty-eighth aspect of the present invention is the beam measurement method described above, further comprising a pair of axicon lenses that make the pulsed laser light incident on the electro-optic element into an annular shape, An annular pulse laser beam passes outside the hollow portion. Thereby, the utilization efficiency of light can be improved and it can measure more correctly.

本発明の第29の態様にかかるビーム測定方法は、上記のビーム測定方法であって、前記電気光学素子から出射したパルスレーザ光を入射位置に応じて異なる偏光状態に変換するステップをさらに有するものである。これにより、簡便に測定することができる。   A beam measurement method according to a twenty-ninth aspect of the present invention is the beam measurement method described above, further comprising a step of converting the pulse laser beam emitted from the electro-optic element into a different polarization state depending on an incident position. It is. Thereby, it can measure simply.

本発明の第30の態様にかかるビーム測定方法は、上記のビーム測定方法であって前記整形されたパルスレーザ光を入射位置に応じて異なる偏光状態に変換する第1の偏光変換素子と、前記電気光学素子から出射したパルスレーザ光を入射位置に応じて異なる偏光状態に変換する第2の電気光学素子とが、同じ方向の光学軸を有する波長板を有しているものである。これにより、簡便な構成で測定することができる。   A beam measurement method according to a thirtieth aspect of the present invention is the beam measurement method described above, wherein the first polarization conversion element that converts the shaped pulsed laser light into a different polarization state according to an incident position; The second electro-optical element that converts the pulsed laser light emitted from the electro-optical element into a different polarization state according to the incident position has a wave plate having optical axes in the same direction. Thereby, it can measure with a simple structure.

本発明の第31の態様にかかるビーム測定方法は、上記のビーム測定方法であって、前記スペクトルを測定するステップでは、前記パルスレーザ光を分光して、スペクトル測定を行う分光測定器を用いて測定するものである。これにより、簡便に測定することができる。   A beam measurement method according to a thirty-first aspect of the present invention is the beam measurement method described above, wherein, in the step of measuring the spectrum, a spectrophotometer that performs spectrum measurement is performed using the pulsed laser beam. Measure. Thereby, it can measure simply.

本発明の第32の態様にかかるビーム測定方法は、上記のビーム測定方法であって、前記分光測定器に設けられたアレイ検出器の1フレームで、前記パルスレーザ光の1パルスのスペクトルが取得されるものである。これにより、簡便に測定することができる。   A beam measurement method according to a thirty-second aspect of the present invention is the beam measurement method described above, wherein a spectrum of one pulse of the pulsed laser beam is obtained in one frame of an array detector provided in the spectrometer. It is what is done. Thereby, it can measure simply.

本発明の第33の態様にかかるポンプ・プローブ測定方法は、上記のビーム測定方法で測定されたビームを用いるポンプ・プローブ測定方法であって、前記パルスレーザ光から、所定の偏光成分を取り出すステップでは、偏光子を用いて偏光方向に応じてパルスレーザ光を分岐し、前記スペクトルを測定するステップでは、前記偏光子で分岐された一方の分岐光のスペクトルを測定し、前記偏光子で分岐された他方の分岐光をNOPA増幅し、ポンプ光、及びプローブ光の一方として試料に照射し、前記量子ビーム、又は前記量子ビームからの放射光をポンプ光、及びプローブ光の他方として、試料に照射するものである。これにより、タイミングジッタの問題を改善することができる。   A pump / probe measurement method according to a thirty-third aspect of the present invention is a pump / probe measurement method using the beam measured by the beam measurement method, wherein a predetermined polarization component is extracted from the pulse laser beam. Then, in the step of branching the pulsed laser light according to the polarization direction using a polarizer and measuring the spectrum, the spectrum of one branched light branched by the polarizer is measured and branched by the polarizer. The other branched light is amplified by NOPA, irradiated to the sample as one of pump light and probe light, and irradiated to the sample as the other of pump light and probe light with the quantum beam or the emitted light from the quantum beam. To do. Thereby, the problem of timing jitter can be improved.

本発明によれば、量子ビームの3次元的な測定を簡便に行うことができるビーム測定装置、ビーム測定方法、及びそれを用いたポンプ・プローブ測定方法を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a beam measuring apparatus, a beam measuring method, and a pump / probe measuring method using the beam measuring apparatus, which can easily perform three-dimensional measurement of a quantum beam.

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.

まず、本実施の形態にかかるビーム測定方法の原理について簡単に説明する。本実施の形態では、電気光学素子を電子ビームの経路中に配置している。すなわち、電気光学素子が、電子ビームの経路である真空チャンバー内に配置されている。さらに、電子ビームとと同期して、電気光学素子にパルスレーザ光を入射させる。このとき、電子ビームによって生じる電場で電気光学素子の屈折率が変化する。このため、パルスレーザ光の偏光状態は、電子ビームの形状に応じて変化する。また、電子ビームのバンチ(パルス)形状(バンチ長、横方向分布等)によって、電気光学素子に印加される電場が変化する。電気光学素子を通過したパルスレーザ光を測定することで、電子ビームのバンチ形状を測定することができる。すなわち、パルスレーザ光の偏光状態は、電子ビームのバンチ形状に応じて変化する。電気光学素子におけるパルスレーザ光の位相変化を測定することで、バンチによって発生する電場を知ることができる。さらに、ここでは、電気光学素子を通過したパルスレーザ光を分光して、測定している。   First, the principle of the beam measurement method according to this embodiment will be briefly described. In the present embodiment, the electro-optic element is disposed in the electron beam path. That is, the electro-optic element is disposed in a vacuum chamber that is a path of an electron beam. Further, in synchronization with the electron beam, pulsed laser light is incident on the electro-optic element. At this time, the refractive index of the electro-optic element changes due to the electric field generated by the electron beam. For this reason, the polarization state of the pulsed laser light changes according to the shape of the electron beam. Further, the electric field applied to the electro-optic element changes depending on the bunch (pulse) shape (bunch length, lateral distribution, etc.) of the electron beam. By measuring the pulse laser beam that has passed through the electro-optic element, the bunch shape of the electron beam can be measured. That is, the polarization state of the pulsed laser light changes according to the bunch shape of the electron beam. By measuring the phase change of the pulse laser beam in the electro-optic element, the electric field generated by the bunch can be known. Further, here, the pulsed laser beam that has passed through the electro-optic element is measured by spectroscopy.

本発明の実施の形態にかかる測定装置について図1を用いて説明する。図1は、実施の形態1にかかるビーム測定装置100の構成を模式的に示す図である。また、図1の説明の途中で、適宜図2乃至図9を参照して説明を行う。   A measuring apparatus 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 a beam measuring apparatus 100 according to the first embodiment. In the middle of the description of FIG. 1, the description will be made with reference to FIGS.

本実施の形態にかかるビーム測定装置は、光源部10、入射光学系20、電気光学素子30、出射光学系40、分光測定器50、及び処理装置55を有している。そして、ビーム測定装置100は、加速器で加速された電子ビーム31の3次元バンチ形状をモニタする。より具体的には、ビーム測定装置100は、電子ビーム31の空間分布、及び時間分布に関する情報を取得する。電子ビーム31の電子は、十分に高いエネルギーが与えられており、真空中の光速近くまで加速されている。すなわち、電子は、相対論的な領域まで加速されている。電子ビーム31は、高周波(RF)を用いて加速されている。このため、所定のバンチ長を有するバンチが繰り返している。ビーム測定装置100は、バンチ長を測定する。さらに、ビーム測定装置100を用いることによって、1つのバンチをスライスした時の空間分布を測定することができる。   The beam measuring apparatus according to the present embodiment includes a light source unit 10, an incident optical system 20, an electro-optical element 30, an output optical system 40, a spectrometer 50, and a processing device 55. The beam measuring apparatus 100 monitors the three-dimensional bunch shape of the electron beam 31 accelerated by the accelerator. More specifically, the beam measuring apparatus 100 acquires information regarding the spatial distribution and time distribution of the electron beam 31. The electrons of the electron beam 31 are given sufficiently high energy and are accelerated to near the speed of light in vacuum. That is, the electrons are accelerated to a relativistic region. The electron beam 31 is accelerated using radio frequency (RF). For this reason, bunches having a predetermined bunch length are repeated. The beam measuring apparatus 100 measures the bunch length. Furthermore, by using the beam measuring apparatus 100, the spatial distribution when one bunch is sliced can be measured.

まず、光源部10について説明する。光源部10は、レーザ発振器11、広帯域化部材12、チャーピングパルス波形整形器13、及び波長板14、グランレーザ・カールサイト偏光子15を有している。レーザ発振器11は、所定のパルス幅を有するパルスレーザ光を発振する。レーザ発振器11としては、例えば、チタンサファイアレーザを用いることができる。レーザ発振器11からのパルスレーザ光は、平行な光束になっている。なお、以下の説明では、レーザ光の光軸方向をZ方向とし、Z方向に垂直な平面をXY面とする。Z方向がLongitudinal方向(縦方向)となり、X方向、及びY方向がTransverse方向(横方向)となる。レーザ光は、Z軸に沿って伝播する。従って、Z軸は時間軸に対応する。また、XY面内のX方向、及びY方向は、互いに直交する。レーザ発振器11として、例えば、フェムトレーザーズ(FEMTOLASERS)社製 FEMTOSOURCE SYNERGY Pro、又はSYNERGY 20を用いる。これにより、10〜20fsec程度のパルス幅のパルスレーザ光が発振する。   First, the light source unit 10 will be described. The light source unit 10 includes a laser oscillator 11, a broadening member 12, a chirping pulse waveform shaper 13, a wave plate 14, and a Glan laser / Karlsite polarizer 15. The laser oscillator 11 oscillates pulsed laser light having a predetermined pulse width. As the laser oscillator 11, for example, a titanium sapphire laser can be used. The pulsed laser light from the laser oscillator 11 is a parallel light beam. In the following description, the optical axis direction of the laser light is defined as the Z direction, and a plane perpendicular to the Z direction is defined as the XY plane. The Z direction is a Longitudinal direction (vertical direction), and the X direction and the Y direction are Transverse directions (lateral direction). The laser light propagates along the Z axis. Therefore, the Z axis corresponds to the time axis. Further, the X direction and the Y direction in the XY plane are orthogonal to each other. As the laser oscillator 11, for example, FEMTOSOURCE SYNERGY Pro or SYNERGY 20 manufactured by Femto Lasers is used. As a result, a pulse laser beam having a pulse width of about 10 to 20 fsec oscillates.

広帯域化部材12は、レーザ発振器11から入射したパルスレーザ光を広帯域化する。。広帯域化部材12としては、例えば、光通信分野で広く利用されているフォトニック結晶(クリスタル)ファイバを用いることができる。フォトニック結晶ファイバは、フォトニック結晶中の線状欠陥をコアとし、その周囲のフォトニック結晶をクラッドとする光ファイバである。従って、入射光は、コアに閉じ込められながら伝播する。フォトニック結晶ファイバとしては、例えば、Newport社製SCG−800を用いることができる。   The broadening member 12 broadens the pulse laser beam incident from the laser oscillator 11. . For example, a photonic crystal fiber that is widely used in the field of optical communication can be used as the broadband member 12. A photonic crystal fiber is an optical fiber having a linear defect in a photonic crystal as a core and a surrounding photonic crystal as a cladding. Accordingly, the incident light propagates while being confined in the core. As the photonic crystal fiber, for example, SCG-800 manufactured by Newport can be used.

広帯域化部材12は、パルスレーザ光の波長幅を広くする。すなわち、フォトニック結晶ファイバ内での非線形光学効果によって、パルスレーザ光が広帯域になる。広帯域化部材12から出射される光の最長波長をλとし、最短波長をλとする。具体的な一例としては、パルスレーザ光の波長域が、650nm〜1100nmに広げられる。広帯域化部材12からSC(スーパーコンティニウム)光が出射する。広帯域化部材12からの光は、白色レーザ光となっている。このように、広帯域化部材12はスペクトル幅を延ばす。従って、広帯域化部材12から出射したパルスレーザ光は、フーリエパルス限界が2〜4fsecのパルスレーザ光に対応する。 The broadband member 12 widens the wavelength width of the pulse laser beam. That is, the pulsed laser beam has a wide band due to the nonlinear optical effect in the photonic crystal fiber. The longest wavelength of the light emitted from the broadbanding member 12 is λ L and the shortest wavelength is λ S. As a specific example, the wavelength range of pulsed laser light is expanded to 650 nm to 1100 nm. SC (super continuum) light is emitted from the broadband member 12. The light from the broadband member 12 is white laser light. In this way, the broadband member 12 extends the spectral width. Therefore, the pulsed laser beam emitted from the broadband member 12 corresponds to a pulsed laser beam having a Fourier pulse limit of 2 to 4 fsec.

広帯域化部材12から出射されたレーザ光は図2に示すような時間プロファイルを有している。図2は、広帯域化部材12から出射したパルスレーザ光のパルス波形を示す図である。従って、図2は、パルスレーザ光の時間に対する強度分布を示すグラフである。図2において、横軸は時間を示し、縦軸はパルスレーザ光の強度を示している。図2に示すように、パルスレーザ光の強度は、パルスの中央近傍で最大になっている。そして、パルスの端に向かうに連れて強度が低くなっていく。さらに、広帯域化部材12は、パルスレーザ光の波長幅を広げる。   The laser beam emitted from the broadband member 12 has a time profile as shown in FIG. FIG. 2 is a diagram showing a pulse waveform of the pulse laser beam emitted from the broadband member 12. Therefore, FIG. 2 is a graph showing the intensity distribution with respect to time of the pulse laser beam. In FIG. 2, the horizontal axis indicates time, and the vertical axis indicates the intensity of pulsed laser light. As shown in FIG. 2, the intensity of the pulse laser beam is maximized near the center of the pulse. Then, the intensity decreases toward the end of the pulse. Furthermore, the broadening member 12 widens the wavelength width of the pulse laser beam.

広帯域化部材12で広帯域化されたパルスレーザ光は、チャーピングパルス波形整形器13に入射する。チャーピングパルス波形整形器13は、光変調器13aと、パルスストレッチャー13bと、光増幅器13cとを有している。チャーピングパルス波形整形器13は、パルスレーザ光の時間波形を整形する。具体的には、チャーピングパルス波形整形器13は、パルスレーザ光の波形を矩形状に整形する。光変調器13aとしては、例えば、音響光学(AO:Acousto−Optics)素子や液晶素子を用いることができる。より具体的には、光変調器13aとして、音響光学空間位相制御フィルター(AOPDF:Acoutsto−Optics Programmable Dispersive Filter)や液晶空間光変調器(SLM:Spatial Light Modulator)を用いることができる。光変調器13aは、スペクトル位相を変調する。具体的には、時間に応じて波長が変化するように、パルスレーザ光の位相を変調する。これにより、パルスの先頭から後方側に向かうにつれて、波長が徐々に短くなる。例えば、パルス先端の波長が最長波長λとなり、パルス後端の波長が最短波長λとなる。レーザパルス内の波長は、後方側に向かうにつれて、λからλに単調減少していく。さらに、波長と時間の関係がリニアになっている。よって、時間とともに波長がリニアに減少する。 The pulsed laser light whose bandwidth has been widened by the broadening member 12 is incident on the chirping pulse waveform shaper 13. The chirping pulse waveform shaper 13 includes an optical modulator 13a, a pulse stretcher 13b, and an optical amplifier 13c. The chirping pulse waveform shaper 13 shapes the time waveform of the pulse laser beam. Specifically, the chirping pulse waveform shaper 13 shapes the waveform of the pulse laser beam into a rectangular shape. As the optical modulator 13a, for example, an acousto-optic (AO: Acoustic-Optics) element or a liquid crystal element can be used. More specifically, an acousto-optic spatial phase control filter (AOPDF) and a liquid crystal spatial light modulator (SLM: Spatial Light Modulator) can be used as the light modulator 13a. The optical modulator 13a modulates the spectral phase. Specifically, the phase of the pulsed laser beam is modulated so that the wavelength changes with time. Thereby, the wavelength is gradually shortened from the beginning of the pulse toward the rear side. For example, the wavelength at the front end of the pulse is the longest wavelength λ L and the wavelength at the rear end of the pulse is the shortest wavelength λ S. The wavelength in the laser pulse monotonously decreases from λ L to λ S as it goes backward. Furthermore, the relationship between wavelength and time is linear. Therefore, the wavelength decreases linearly with time.

このように、光変調器13aから出射したレーザパルス光では、時間とともに波長が線形(リニア)に変化している。すなわち、パルスレーザ光の波長は時間に応じて、波長が線形(リニア)に変化する。パルスレーザ光は、最長波長λ〜最短波長λの間のスペクトルを有する。チャーピングパルス波形整形器13の光変調器13aとしては、例えば、ファーストライト(FASTLITE)社製DAZZLER(登録商標)UWB−650−1100を用いることができる。これにより、650〜1100nmの広帯域スペクトルを有するパルスレーザ光を変調することができる。光変調器13aに入力する変調信号(Acoustic Wave)に応じて、パルスレーザ光のスペクトルが変調される。そして、チャープした音波によって、結晶を通過する白色パルスレーザ光に、波長に応じた光路差を自由に与えることができる。音波のスペクトルと同じ形状にパルスレーザ光のスペクトルが整形される。あるいは、音波のパルス形状と同じ形状にパルスレーザ光のスペクトルを整形してもよい。パルスストレッチャー13bは、時間的なパルス幅を広げる。これにより、レーザ光のパルス幅が、モニタする電子ビーム31のバンチ長よりも十分に長くなる。 Thus, in the laser pulse light emitted from the optical modulator 13a, the wavelength changes linearly with time. That is, the wavelength of the pulsed laser light changes linearly with time. The pulsed laser light has a spectrum between the longest wavelength λ L and the shortest wavelength λ S. As the optical modulator 13a of the chirping pulse waveform shaper 13, for example, DAZZLER (registered trademark) UWB-650-1100 manufactured by FASTLITE can be used. Thereby, the pulsed laser beam having a broadband spectrum of 650 to 1100 nm can be modulated. The spectrum of the pulse laser beam is modulated in accordance with a modulation signal (Acoustic Wave) input to the optical modulator 13a. Then, the chirped sound wave can freely give an optical path difference corresponding to the wavelength to the white pulse laser light passing through the crystal. The spectrum of the pulse laser beam is shaped into the same shape as the spectrum of the sound wave. Alternatively, the spectrum of the pulse laser beam may be shaped into the same shape as the pulse shape of the sound wave. The pulse stretcher 13b widens the temporal pulse width. As a result, the pulse width of the laser light becomes sufficiently longer than the bunch length of the electron beam 31 to be monitored.

光増幅器13cは、入射した光を増幅する。光増幅器13cは、例えば、光の波長を変化させずにパルスレーザ光を増幅する。そして、スペクトル波形(スペクトル分布)を矩形状にする。このとき、時間的なパルス波形も矩形状になる。チャーピングパルス波形整形器13から出射されたレーザ光は図3に示すような時間プロファイルを有している。図3は、チャーピングパルス波形整形器13から出射したパルスレーザ光のパルス波形を示す図である。図3において、横軸は時間を示し、縦軸はパルスレーザ光の強度を示している。図3に示すように、パルスレーザ光はフラットトップなパルス波形に変換されている。すなわち、パルスレーザ光の強度が時間に対して略一定となる。例えば、波長に応じてゲインを調整することによって、図3に示すような波形を得ることができる。図3では、左側がパルスの先頭側であり、右側がパルスの後端側である。このように、パルスレーザ光の時間プロファイルが一定になるように波形整形される。なお、光増幅器13cによって増幅されるパルス波形は、完全な矩形にならなくてもよい。例えば、後述する電気光学素子30に入射する段階でのパルス波形を考慮して、波形整形することができる。   The optical amplifier 13c amplifies the incident light. For example, the optical amplifier 13c amplifies the pulse laser beam without changing the wavelength of the light. The spectrum waveform (spectrum distribution) is made rectangular. At this time, the temporal pulse waveform is also rectangular. The laser beam emitted from the chirping pulse waveform shaper 13 has a time profile as shown in FIG. FIG. 3 is a diagram showing a pulse waveform of the pulse laser beam emitted from the chirping pulse waveform shaper 13. In FIG. 3, the horizontal axis indicates time, and the vertical axis indicates the intensity of the pulsed laser beam. As shown in FIG. 3, the pulse laser beam is converted into a flat-top pulse waveform. That is, the intensity of the pulse laser beam becomes substantially constant with respect to time. For example, a waveform as shown in FIG. 3 can be obtained by adjusting the gain in accordance with the wavelength. In FIG. 3, the left side is the leading side of the pulse, and the right side is the trailing end side of the pulse. In this way, the waveform is shaped so that the time profile of the pulsed laser light is constant. The pulse waveform amplified by the optical amplifier 13c does not have to be a complete rectangle. For example, the waveform can be shaped in consideration of the pulse waveform at the stage of incidence on the electro-optic element 30 described later.

なお。光変調器13aによって、パルスレーザ光の波長は、時間に応じて変化している。従って、図3の横軸を波長として捉えることができる。この場合、図3はスペクトルを示すことになる。光増幅器13cは、それぞれの波長での強度が等しくする。すなわち、最長波長λから最短波長λまでの間で一定の強度になっている。波長が変化しても、パルスレーザ光の強度は変化しない。このように、線形にチャーピングされたパルスレーザ光がチャーピングパルス波形整形器13から出射される。波長、及び時間によらず、パルスレーザ光の強度が一定になる。すなわち、時間分布、及びスペクトル分布が均一になる。また、スペクトル分布、及び時間分布は一致している。なお、上記の例では、パルス先端の波長を最長波長λとし、パルス後端の波長を最短波長λとしたが、反対にしてもよい。すなわち、パルス後端の波長を最長波長λとし、パルス先端の波長を最短波長λとしもよい。線形チャープ矩形スペクトル白色レーザが出射される。なお、チャープパルス増幅(CPA:Chirped Pulse Amplify)を用いて、チャーピングすることも可能である。この場合、パルスストレッチャーで波長毎に光路長差をつける。これにより、時間とともに波長が変化するようになる。 Note that. The wavelength of the pulse laser beam is changed according to time by the optical modulator 13a. Therefore, the horizontal axis in FIG. 3 can be regarded as the wavelength. In this case, FIG. 3 shows the spectrum. The optical amplifier 13c has the same intensity at each wavelength. That, is constant in intensity between the maximum wavelength lambda L to the shortest wavelength lambda S. Even if the wavelength changes, the intensity of the pulse laser beam does not change. Thus, the linearly chirped pulsed laser light is emitted from the chirping pulse waveform shaper 13. Regardless of the wavelength and time, the intensity of the pulsed laser light is constant. That is, the time distribution and the spectral distribution are uniform. In addition, the spectral distribution and the time distribution coincide. In the above example, the wavelength at the front end of the pulse is set to the longest wavelength λ L and the wavelength at the rear end of the pulse is set to the shortest wavelength λ S. That is, the wavelength at the rear end of the pulse may be the longest wavelength λ L and the wavelength at the front end of the pulse may be the shortest wavelength λ S. A linear chirped rectangular spectrum white laser is emitted. Note that it is also possible to perform chirping using chirped pulse amplification (CPA: Chirped Pulse Amplify). In this case, an optical path length difference is given for each wavelength by a pulse stretcher. As a result, the wavelength changes with time.

チャーピングされたパルスレーザ光は、波長板14、及びグランレーザ・カールサイト偏光子15に入射する。に入射する。波長板14、及びグランレーザ・カールサイト偏光子15は、波長域650−1100nmの広帯域白色レーザ光をP偏光にする。波長板14は、1/2波長板である。波長板14としては、例えば、アクロマティック0次水晶MgF波長板を用いることができる。具体的には、波長板14として、Newport社製10RP52−2を用いることができる。波長板14は、互いに直交する方向に振動する成分に対して位相差を与える。ここでは、1/2波長の位相差が与えられる。 The chirped pulsed laser light is incident on the wave plate 14 and the Glan laser / Karlsite polarizer 15. Is incident on. The wave plate 14 and the Glan-laser-Karlsite polarizer 15 convert broadband white laser light having a wavelength region of 650 to 1100 nm into P-polarized light. The wave plate 14 is a half-wave plate. As the wave plate 14, for example, an achromatic 0th order crystal MgF 2 wave plate can be used. Specifically, 10RP52-2 manufactured by Newport can be used as the wave plate 14. The wave plate 14 gives a phase difference to components that vibrate in directions orthogonal to each other. Here, a phase difference of ½ wavelength is given.

光源部10からのパルスレーザ光は、波長板14を介して、グランレーザ・カールサイト偏光子15に入射する。グランレーザ・カールサイト偏光子15は、所定の振動方向の成分のみを取り出す。グランレーザ・カールサイト偏光子15としては、例えば、Newport社製10Gl08Ar.16を用いることができる。なお、これらの光学系については、Newport社 Application Note26"Variable Attenuator for Lasers"、及びNewport社 Application Note28"Supercontinuum Generetion SCG−800 Photonic Crystal Fiber"に詳細に記載されている。   The pulsed laser light from the light source unit 10 is incident on the Glan laser / Karlsite polarizer 15 via the wave plate 14. The Glan laser / Karlsite polarizer 15 extracts only a component in a predetermined vibration direction. Examples of the Grandlaser / Carlsite polarizer 15 include 10Gl08Ar. 16 can be used. These optical systems are described in Newport Application Note 26 “Variable Attenuator for Lasers” and Newport Application Note 28 “Supercontinuum Generation SCG-800 Photon”.

このように、アクロマティックな波長板14、及びグランレーザ・カールサイト偏光子15を用いることで、広帯域の白色パルスレーザ光を完全なP偏光にすることができる。なお、波長板14は、アクロマティック波長板に限られものではない。例えば、アクロマティック波長板と同じ透過光学系であるアポクロマート波長板を波長板14として用いることができる。さらに、反射光学系である金属ミラー等でペリスコープを構成したものを用いてもよい。また、波長板14を回転させることで光量を調整することができる。すなわち、入射するパルスレーザ光の偏光方向に対する光学軸の角度を変えることで、P偏光成分とS偏光成分の割合が変化する。よって、グランレーザ・カールサイト偏光子15を通過するパルスレーザ光の光量を調整することができる。もちろん、波長板14、及びグランレーザ・カールサイト偏光子15以外の光学素子を用いて、直線偏光を取り出してもよい。   As described above, by using the achromatic wave plate 14 and the Glan-laser-Karlsite polarizer 15, it is possible to make the white pulse laser beam in a wide band into a completely P-polarized light. The wave plate 14 is not limited to an achromatic wave plate. For example, an apochromatic wave plate that is the same transmission optical system as the achromatic wave plate can be used as the wave plate 14. Further, a periscope composed of a metal mirror or the like which is a reflection optical system may be used. Further, the amount of light can be adjusted by rotating the wave plate 14. That is, by changing the angle of the optical axis with respect to the polarization direction of the incident pulse laser beam, the ratio of the P-polarized component and the S-polarized component changes. Therefore, it is possible to adjust the light amount of the pulsed laser light that passes through the Glan-laser / carlucite polarizer 15. Of course, linearly polarized light may be extracted by using an optical element other than the wave plate 14 and the Glan-laser / Karlsite polarizer 15.

光源部10からは、チャーピングされたP偏光のパルスレーザ光が出射する。すなわち、時間とともに波長が変化するパルスレーザ光が生成される。ここでは、リニアにチャーピングしているため、時間に応じて波長がリニアに変化する。例えば、パルスレーザ光の先頭(パルス先端)が最長波長λになり、後方側(パルス後端)が最短波長λになる。あるいは、パルスレーザ光の先頭側が最短波長λになり、後方側が最長波長λになってもよい。すなわち、パルスレーザ光を、ポジティブにチャープしてもよく、ネガティブにチャープしてもよい。このように光源部10からは、パルス幅、及び波長幅が広げられたパルスレーザ光が出射する。 A chirped P-polarized pulse laser beam is emitted from the light source unit 10. That is, pulsed laser light whose wavelength changes with time is generated. Here, since the chirping is linear, the wavelength changes linearly with time. For example, the head of the pulsed laser beam (pulse tip) becomes the longest wavelength lambda L, the rear side (pulse trailing edge) is the shortest wavelength lambda S. Alternatively, the top side of the pulsed laser light is the shortest wavelength lambda S, may become the rear side to the longest wavelength lambda L. That is, the pulse laser beam may be chirped positively or negatively. In this manner, the light source unit 10 emits a pulse laser beam having a wide pulse width and wavelength width.

光源部10によってチャーピングされたパルスレーザ光は、入射光学系20に入射する。入射光学系20は、光源部10からのパルスレーザ光を電気光学素子30に入射させるための光学系である。入射光学系20は、アキシコンレンズ21、アキシコンレンズ22、遅延素子23、偏光変換素子24、及びミラー25を有している。なお、図1において、偏光変換素子24は、アキシコンレンズ21の前に配置されていてもよい。   The pulsed laser light chirped by the light source unit 10 enters the incident optical system 20. The incident optical system 20 is an optical system for causing the pulsed laser light from the light source unit 10 to enter the electro-optical element 30. The incident optical system 20 includes an axicon lens 21, an axicon lens 22, a delay element 23, a polarization conversion element 24, and a mirror 25. In FIG. 1, the polarization conversion element 24 may be disposed in front of the axicon lens 21.

光源部10からは、チャーピングされたP偏光のパルスレーザ光が出射する。すなわち、時間とともに波長が変化するパルスレーザ光が生成される。ここでは、リニアにチャーピングしているため、時間に応じて波長がリニアに変化する。例えば、パルスレーザ光の先頭(パルス先端)が最長波長λになり、後方側(パルス後端)が最短波長λになる。あるいは、パルスレーザ光の先頭側が最短波長λになり、後方側が最長波長λになってもよい。すなわち、パルスレーザ光を、ポジティブにチャープしてもよく、ネガティブにチャープしてもよい。このように光源部10からは、パルス幅、及び波長幅が広げられたパルスレーザ光が出射する。 A chirped P-polarized pulse laser beam is emitted from the light source unit 10. That is, pulsed laser light whose wavelength changes with time is generated. Here, since the chirping is linear, the wavelength changes linearly with time. For example, the head of the pulsed laser beam (pulse tip) becomes the longest wavelength lambda L, the rear side (pulse trailing edge) is the shortest wavelength lambda S. Alternatively, the top side of the pulsed laser light is the shortest wavelength lambda S, may become the rear side to the longest wavelength lambda L. That is, the pulse laser beam may be chirped positively or negatively. In this manner, the light source unit 10 emits a pulse laser beam having a wide pulse width and wavelength width.

光源部10によってチャーピングされたパルスレーザ光は、入射光学系20に入射する。入射光学系20は、光源部10からのパルスレーザ光を電気光学素子30に入射させるための光学系である。入射光学系20は、アキシコンレンズ21、アキシコンレンズ22、遅延素子23、偏光変換素子24、及びミラー25を有している。なお、図1において、偏光変換素子24は、アキシコンレンズ21の前に配置されていてもよい。   The pulsed laser light chirped by the light source unit 10 enters the incident optical system 20. The incident optical system 20 is an optical system for causing the pulsed laser light from the light source unit 10 to enter the electro-optical element 30. The incident optical system 20 includes an axicon lens 21, an axicon lens 22, a delay element 23, a polarization conversion element 24, and a mirror 25. In FIG. 1, the polarization conversion element 24 may be disposed in front of the axicon lens 21.

光源部10からのパルスレーザ光は、1対のアキシコンレンズ21、22に入射する。アキシコンレンズ21、22は、円錐形状になっている。アキシコンレンズ21、22は、略同じ形状になっている。パルスレーザ光は、1対のアキシコンレンズ21、22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22から出射したパルスレーザ光の断面は、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21、22は、パルスレーザ光から円環ビームを生成する。アキシコンレンズ22からは、平行な光束が出射する。   The pulsed laser light from the light source unit 10 is incident on a pair of axicon lenses 21 and 22. The axicon lenses 21 and 22 have a conical shape. The axicon lenses 21 and 22 have substantially the same shape. The pulsed laser light is refracted by the pair of axicon lenses 21 and 22 and converted into a ring-shaped beam. That is, the cross section of the pulse laser beam emitted from the axicon lens 22 is a hollow ring shape. As described above, the pair of axicon lenses 21 and 22 generate an annular beam from the pulsed laser light. A parallel light beam is emitted from the axicon lens 22.

なお、1対のアキシコンレンズ21、22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。レーザ発振器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、レーザ光を効率よく利用することができる。また、1対のアキシコンレンズを対称的に配置することによって、色収差を低減することができる。これにより、広帯域のスペクトルに対して、色収差を低減することができる。アキシコンレンズ22からは断面が円環状の平行光束が出射する。また、レンズを用いてスポット形状を円形状から円環状に変換することで、光の利用効率を高くすることができる。   An annular beam may be generated with a configuration other than the pair of axicon lenses 21 and 22. For example, an annular beam can be generated by one axicon lens and one spherical lens. In this way, by using one or more axicon lenses, it is possible to prevent the laser light intensity from being lowered. Alternatively, a ring-shaped slit (ring zone) may be used. By providing an annular beam converting means for converting the laser beam from the laser oscillator 11 into an annular light beam, the laser beam can be used efficiently. Further, chromatic aberration can be reduced by arranging a pair of axicon lenses symmetrically. Thereby, chromatic aberration can be reduced with respect to a broad spectrum. The axicon lens 22 emits a parallel light beam having an annular cross section. In addition, the use efficiency of light can be increased by converting the spot shape from a circular shape to an annular shape using a lens.

アキシコンレンズ22から出射したパルスレーザ光は、遅延素子23に入射する。遅延素子23は、入射したパルスレーザ光に時間遅延を与える。具体的には、入射位置に応じた時間遅延がパルスレーザ光に与えられる。異なる位置に入射した光には時間的なずれが与えれる。これにより、パルスレーザ光のパルス幅が広くなる。この遅延素子23の構成例について図4を用いて説明する。図4(a)は、遅延素子23の構成を示す平面図であり、図4(b)は、遅延素子23によって遅延されたパルスレーザ光のパルス波形を模式的に示す図である。   The pulse laser beam emitted from the axicon lens 22 enters the delay element 23. The delay element 23 gives a time delay to the incident pulse laser beam. Specifically, a time delay corresponding to the incident position is given to the pulse laser beam. A time shift is given to light incident on different positions. As a result, the pulse width of the pulse laser beam is widened. A configuration example of the delay element 23 will be described with reference to FIG. FIG. 4A is a plan view showing the configuration of the delay element 23, and FIG. 4B is a diagram schematically showing the pulse waveform of the pulse laser beam delayed by the delay element 23.

遅延素子23は、円板状の透明板によって形成されている。図4(a)に示すように、遅延素子23は、放射状に8分割された分割領域を有している。ここで、8個の分割領域を分割領域23a〜23hとする。すなわち、図4(a)では、分割領域23a〜分割領域23hが周方向に沿って配列されている。それぞれの分割領域23a〜23hの大きさは等しくなっている。分割領域23a〜23h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23a〜23hのそれぞれは、中心点に対応する内角が45°の扇形となる。遅延素子23の中心点が、光軸上に配置される。また、遅延素子23の透明板は、光軸と直交して配置される。   The delay element 23 is formed of a disk-shaped transparent plate. As shown in FIG. 4A, the delay element 23 has a divided area radially divided into eight. Here, the eight divided areas are defined as divided areas 23a to 23h. That is, in FIG. 4A, the divided regions 23a to 23h are arranged along the circumferential direction. The sizes of the divided areas 23a to 23h are equal. The divided regions 23a to 23h are provided over the entire circumferential direction. Accordingly, each of the divided regions 23a to 23h has a sector shape with an inner angle corresponding to the center point of 45 °. The center point of the delay element 23 is disposed on the optical axis. Further, the transparent plate of the delay element 23 is arranged orthogonal to the optical axis.

それぞれの分割領域23a〜23hは、入射したパルスレーザ光を遅延させる。そのため、透明板の厚みが、それぞれの分割領域23a〜23hで異なっている。例えば、分割領域23aが最も薄くなっており、分割領域23hが最も厚くなっている。そして、分割領域23a、分割領域23b、分割領域23c、分割領域23d、分割領域23e、分割領域23f、分割領域23g、分割領域23hの順番で、板厚が厚くなっていく。従って、遅延素子23の透明板が螺旋階段状になるように、透明板の板厚が変化している。さらに、それぞれの分割領域では、隣の分割領域間の板厚差が一定になっている。ここで、透明板が屈折率1.5の結晶で形成されているとする。異なる領域間では、透明板と媒質(空気)の屈折率差に板厚差を乗じた分だけ、パルスレーザ光が遅延される。このように、遅延素子23の板厚は位置に応じて異なっている。よって、パルスレーザ光には入射位置に応じた時間遅延が与えられる。分割領域23b〜23hからのパルス光は、分割領域23aからのパルス光を基準とする時間遅延が、板厚差に応じて与えられる。すなわち、分割領域23b〜23は、分割領域23aよりも遅れる。   Each of the divided regions 23a to 23h delays the incident pulse laser beam. Therefore, the thickness of the transparent plate is different in each of the divided regions 23a to 23h. For example, the divided area 23a is the thinnest and the divided area 23h is the thickest. Then, the thickness increases in the order of the divided area 23a, the divided area 23b, the divided area 23c, the divided area 23d, the divided area 23e, the divided area 23f, the divided area 23g, and the divided area 23h. Therefore, the plate thickness of the transparent plate changes so that the transparent plate of the delay element 23 has a spiral staircase shape. Furthermore, in each divided area, the plate thickness difference between adjacent divided areas is constant. Here, it is assumed that the transparent plate is formed of a crystal having a refractive index of 1.5. Between different regions, the pulse laser beam is delayed by an amount obtained by multiplying the difference in refractive index between the transparent plate and the medium (air) by the plate thickness difference. Thus, the plate thickness of the delay element 23 differs depending on the position. Therefore, the pulse laser beam is given a time delay according to the incident position. The pulsed light from the divided regions 23b to 23h is given a time delay based on the plate thickness difference based on the pulsed light from the divided region 23a. That is, the divided areas 23b to 23 are delayed from the divided area 23a.

パルスレーザ光に与えられる遅延は、図4(b)に示すようになる。図4は、分割領域を通過した後の、パルス光の波形を示している。図4(b)では、上から順に、遅延時間が0のパルス光(分割領域24aを通過したパルス光)、その次に遅延時間が少ないパルス光(分割領域24bを通過したパルス光)、及び最も遅延時間が多いパルス光(分割領域24hを通過したパルス光)が示されている。図4(b)の横軸は時間を示し、縦軸はパルス光強度を示している。なお、図4(b)では、右側がパルスの先頭側になり、左側がパルスの後方側になる。   The delay given to the pulse laser beam is as shown in FIG. FIG. 4 shows the waveform of the pulsed light after passing through the divided area. In FIG. 4B, in order from the top, pulse light having a delay time of 0 (pulse light having passed through the divided region 24a), pulse light having the next smallest delay time (pulse light having passed through the divided region 24b), and The pulse light with the longest delay time (pulse light that has passed through the divided region 24h) is shown. In FIG. 4B, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents pulsed light intensity. In FIG. 4B, the right side is the leading side of the pulse and the left side is the rear side of the pulse.

隣の分割領域を通過したパルス光間の遅延時間を基準遅延時間Δtとする。例えば、分割領域23bを通過したパルス光は、分割領域23aを通過したパルス光よりも基準遅延時間Δtだけ遅延する。基準遅延時間Δtは、上記のように、屈折率差に、隣の分割領域間の板厚差を乗じた値に対応する。また、8つの分割領域が設けられているため、分割領域24hを通過したパルス光は、分割領域23aを通過したパルス光よりも基準遅延時間Δtの7倍だけ遅延する。分割領域23aからのパルス光を基準とすると、分割領域23cを通過したパルス光の遅延時間は2×Δtとなり、分割領域23dを通過したパルス光の遅延時間は3×Δtとなり、分割領域23eを通過したパルス光の遅延時間は4×Δtとなり、分割領域23fを通過したパルス光の遅延時間は5×Δtとなり、分割領域23gを通過したパルス光の遅延時間は6×Δtとなる。よって、分割領域23aからのパルス光が最も先頭側になり、分割領域23hからのパルス光が最も後方側になる。   The delay time between the pulsed lights that have passed through the adjacent divided areas is defined as a reference delay time Δt. For example, the pulsed light that has passed through the divided region 23b is delayed by the reference delay time Δt than the pulsed light that has passed through the divided region 23a. As described above, the reference delay time Δt corresponds to a value obtained by multiplying the difference in refractive index by the difference in plate thickness between adjacent divided regions. Further, since eight divided regions are provided, the pulsed light that has passed through the divided region 24h is delayed by seven times the reference delay time Δt than the pulsed light that has passed through the divided region 23a. When the pulsed light from the divided region 23a is used as a reference, the delay time of the pulsed light that has passed through the divided region 23c is 2 × Δt, the delay time of the pulsed light that has passed through the divided region 23d is 3 × Δt, and the divided region 23e is The delay time of the pulsed light that has passed is 4 × Δt, the delay time of the pulsed light that has passed through the divided region 23f is 5 × Δt, and the delay time of the pulsed light that has passed through the divided region 23g is 6 × Δt. Therefore, the pulsed light from the divided area 23a is on the most front side, and the pulsed light from the divided area 23h is on the most rear side.

それぞれの分割領域からのパルス光は、入射した分割領域の板厚に応じて順番に遅れていく。隣の分割領域からのパルス光には、基準遅延時間Δtだけ、時間的なずれが生じている。この基準遅延時間Δtは、パルスレーザ光のパルス幅よりも短くなっている。さらに、基準遅延時間Δtは、モニターする電子ビーム31のバンチ長と同程度になっている。より正確には、基準遅延時間Δtは、バンチ長よりも長くなっている。基準遅延時間Δtは、例えば、バンチ長に、パルスレーザ光と電子ビームのジッターを考慮して設定される。従って、基準遅延時間Δtが、パルスレーザ光と電子ビームのジッター分以上、バンチ長よりも長くなっている。従って、それぞれの分割領域からのパルス光は、バンチ長以上ずれて、伝播していく。XY平面における位置に応じて、各パルス光の先端と後端のタイミングがずれる。   The pulsed light from each divided region is sequentially delayed in accordance with the thickness of the incident divided region. There is a time lag in the pulsed light from the adjacent divided region by the reference delay time Δt. This reference delay time Δt is shorter than the pulse width of the pulse laser beam. Further, the reference delay time Δt is about the same as the bunch length of the electron beam 31 to be monitored. More precisely, the reference delay time Δt is longer than the bunch length. For example, the reference delay time Δt is set to the bunch length in consideration of the jitter of the pulse laser beam and the electron beam. Therefore, the reference delay time Δt is longer than the bunch length by at least the jitter of the pulse laser beam and the electron beam. Accordingly, the pulsed light from each divided region propagates with a deviation of the bunch length or more. Depending on the position on the XY plane, the timing of the leading and trailing ends of each pulsed light is shifted.

ここで、最も遅延時間が多い分割領域23hを通過したパルス光と、遅延時間が0の分割領域23aを通過したパルス光とは、一部が時間的に重複している。分割領域23hを通過したパルス光と、分割領域23aを通過したパルス光とが重複する期間を重複期間Tとする。ここで、重複期間Tの幅は、電子ビームのバンチ長よりも長くする。重複期間Tは、例えば、バンチ長に、パルスレーザ光と電子ビームのジッターを考慮して設定される。従って、重複期間Tが、パルスレーザ光と電子ビームのジッター分だけ、バンチ長よりも長くなっている。重複期間Tでは、パルスレーザ光が、時間的に前記パルスレーザ光の光軸の外周全体で重複している。このため、遅延素子23による最大の遅延時間をパルスレーザ光のパルス幅よりも短くする。従って、7×Δtはパルス幅よりも短くなっている。   Here, the pulsed light that has passed through the divided region 23h with the longest delay time and the pulsed light that has passed through the divided region 23a with the zero delay time partially overlap in time. A period in which the pulsed light that has passed through the divided area 23h and the pulsed light that has passed through the divided area 23a overlap is defined as an overlapping period T. Here, the width of the overlap period T is longer than the bunch length of the electron beam. The overlap period T is set, for example, in consideration of jitter between the pulse laser beam and the electron beam in the bunch length. Therefore, the overlap period T is longer than the bunch length by the amount of jitter between the pulse laser beam and the electron beam. In the overlapping period T, the pulsed laser light overlaps over the entire outer periphery of the optical axis of the pulsed laser light in terms of time. For this reason, the maximum delay time by the delay element 23 is made shorter than the pulse width of the pulse laser beam. Therefore, 7 × Δt is shorter than the pulse width.

従って、重複期間Tにおけるパルスレーザ光のスライスでは、光軸を中心とする全方位にパルスレーザ光が存在している。すなわち、重複期間T内における任意のタイミングでは、全ての分割領域からパルス光が出射している。換言すると、重複期間Tの外側のタイミングでは、1つ以上の分割領域からパルス光が出射しておらず、パルス光が出射していない分割領域が存在する。この重複期間Tの一部が電子ビームの測定に用いられる。具体的には、重複期間Tに含まれる光が電気光学素子30を通過するタイミングと、バンチが電気光学素子30を通過するタイミングを一致させる。バンチが電気光学素子30を通過するタイミングでは、重複期間T内の光が電気光学素子30を通過している。バンチが電気光学素子30を通過するときには、必ず、重複期間Tに含まれる光を電気光学素子30を通過させることが好ましい。この場合、バンチが電気光学素子30を通過する間は、全分割領域23a〜23hにパルス光が入射している。   Therefore, in the slice of the pulse laser beam in the overlap period T, the pulse laser beam exists in all directions centered on the optical axis. That is, at an arbitrary timing within the overlap period T, pulsed light is emitted from all the divided regions. In other words, at a timing outside the overlap period T, there is a divided region where pulse light is not emitted from one or more divided regions and pulse light is not emitted. A part of this overlap period T is used for measuring the electron beam. Specifically, the timing at which the light included in the overlapping period T passes through the electro-optical element 30 is matched with the timing at which the bunch passes through the electro-optical element 30. At the timing when the bunch passes through the electro-optical element 30, the light within the overlapping period T passes through the electro-optical element 30. When the bunch passes through the electro-optical element 30, it is preferable that light included in the overlapping period T is always passed through the electro-optical element 30. In this case, while the bunch passes through the electro-optic element 30, the pulsed light is incident on all the divided regions 23a to 23h.

さらに、重複期間Tにおけるパルスレーザ光のスライスでは、それぞれの分割領域で波長がずれている。上記のように、光源部10からのパルスレーザ光は、時間に対して波長がリニアに変化する。このため、パルスレーザ光が入射位置に応じて遅延時間を与える遅延素子23を通過すると、同じタイミングでの波長が異なっている。例えば、分割領域23aからのパルスレーザ光と、分割領域23bからのパルスレーザ光では、同じタイミングでの波長が基準遅延時間Δtに応じて異なっている。さらに、重複期間Tにおけるパルスレーザ光のスライスでは、分割領域23a〜23hから出射したパルス光の波長が順番にずれている。同じタイミングにおいて、分割領域23a〜23hから出射したパルス光が異なる波長になっている。重複期間Tにおけるパルスレーザ光のスライスでは、分割領域23a〜23hから異なる波長の光が出射する。そして、その波長は時間に応じて徐々にずれていく。同じタイミングではXY平面において波長の分布が存在する。同じタイミングでは、分割領域毎に波長が変化している。   Further, in the slice of the pulse laser beam in the overlap period T, the wavelength is shifted in each divided region. As described above, the wavelength of the pulse laser beam from the light source unit 10 changes linearly with respect to time. For this reason, when the pulse laser beam passes through the delay element 23 that gives a delay time according to the incident position, the wavelengths at the same timing are different. For example, the pulse laser light from the divided region 23a and the pulse laser light from the divided region 23b have different wavelengths at the same timing according to the reference delay time Δt. Furthermore, in the slice of the pulsed laser light in the overlapping period T, the wavelengths of the pulsed light emitted from the divided regions 23a to 23h are sequentially shifted. At the same timing, the pulsed light emitted from the divided regions 23a to 23h has different wavelengths. In the slice of the pulse laser beam in the overlapping period T, light having different wavelengths is emitted from the divided regions 23a to 23h. The wavelength gradually shifts with time. At the same timing, there is a wavelength distribution in the XY plane. At the same timing, the wavelength changes for each divided region.

重複期間T内では、各分割領域23a〜23hから出射する光の波長が時間に応じて変化する。例えば、重複期間T内に各分割領域23a〜23hを通過する光の波長は、時間が経過するにつれて短波長になる。ここで重複期間Tの両端における波長について考える。まず、図4(b)に示すように、重複期間Tの先頭側の端における分割領域23aからの光の波長をλaLとする。同様に、重複期間Tの後方側の端における分割領域23aからの光の波長をλaSとする。従って、重複期間T内では、分割領域23aから通過する光は、時間が経過するにつれて、波長がλaLからλaSにリニアに増加していく。なお、λaSはパルスレーザ光全体の最短波長λと等しい。同様に、重複期間Tの先頭側の端における分割領域23bからの光の波長をλbLとし、重複期間Tの後方側の端における分割領域23bからの光の波長をλbSとする。さらに、重複期間Tの先頭側の端における分割領域23hからの光の波長をλhLとする。同様に、重複期間Tの後方側の端における分割領域23hからの光の波長をλhSとする。なお、λhLはパルスレーザ光全体の最長波長λと等しい。また、λaSとλbSとは、基準遅延時間Δtに対応する波長だけずれている。同様に、λaLとλbLとは、基準遅延時間Δtに対応する波長だけずれている。 Within the overlap period T, the wavelength of the light emitted from each of the divided regions 23a to 23h varies with time. For example, the wavelength of light that passes through each of the divided regions 23a to 23h within the overlapping period T becomes shorter as time passes. Here, the wavelengths at both ends of the overlap period T are considered. First, as shown in FIG. 4B, the wavelength of light from the divided region 23a at the leading end of the overlapping period T is λaL . Similarly, the wavelength of light from the divided region 23a at the end on the rear side of the overlap period T is λ aS . Therefore, within the overlapping period T, the wavelength of light passing through the divided region 23a increases linearly from λ aL to λ aS as time elapses. Note that λ aS is equal to the shortest wavelength λ S of the entire pulsed laser beam. Similarly, the wavelength of light from divided regions 23b at the edge of the top side of the overlap period T and lambda bL, the wavelength of light from divided regions 23b at the rear end of the overlap period T and lambda bS. Further, the wavelength of the light from the divided region 23h at the leading end of the overlap period T is λ hL . Similarly, the wavelength of light from the divided region 23h at the rear end of the overlap period T is λhS . Note that λ hL is equal to the longest wavelength λ L of the entire pulsed laser beam. Further, λ aS and λ bS are shifted by a wavelength corresponding to the reference delay time Δt. Similarly, λ aL and λ bL are shifted by a wavelength corresponding to the reference delay time Δt.

また、図4(b)には図示していないが、分割領域23c〜23gについても、重複期間Tにおける先頭側の端の波長をそれぞれλcL、λdL、λeL、λfL、λgLとし、後方側の端の波長をそれぞれλcS、λdS、λeS、λfS、λgSとする。ここで、パルスレーザ光全体では、パルス先端が最長波長λになっており、パルス後端が最短波長λになっている。そして、時間に対してパルスレーザ光の波長がリニアに変化する。従って、λaL<λbL<λcL<λdL<λeL<λfL<λgL<λhLとなる。また、λaS<λbS<λcS<λdS<λeS<λfS<λgS<λhSとなる。このように、遅延時間が多い分割領域ほど、重複期間T内に出射する光の波長が長波長側になる。すなわち、遅延時間が多い分割領域ほど、重複期間Tに含まれるパルス光はパルスレーザ光の先頭側の波長(長波長)になる。 Although not shown in FIG. 4B, for the divided regions 23c to 23g, the wavelengths at the leading end in the overlap period T are λ cL , λ dL , λ eL , λ fL , and λ gL , respectively. And λ cS , λ dS , λ eS , λ fS , and λ gS respectively. Here, in the whole pulse laser beam, the pulse front end has the longest wavelength λ L and the pulse rear end has the shortest wavelength λ S. Then, the wavelength of the pulse laser beam changes linearly with respect to time. Therefore, λ aLbLcLdLeLfLgLhL . In addition, the λ aS <λ bS <λ cS <λ dS <λ eS <λ fS <λ gS <λ hS. Thus, the wavelength of the light emitted in the overlap period T is longer in the divided region with a longer delay time. That is, as the divided region has a longer delay time, the pulsed light included in the overlapping period T has a wavelength (long wavelength) on the head side of the pulsed laser light.

ここで、例えば、基準遅延時間Δtを重複期間Tよりも長く設定する。すると、λaLがλbsよりも、短くなる。従って、分割領域23aから出射する光の波長範囲λaL〜λaSは分割領域23bから出射する光の波長範囲λbL〜λbSと重複しなくなる。すなわち、波長範囲λaL〜λaSと波長範囲λbL〜λbSとが完全にずれる。このように、重複期間Tにおいて、任意の一つの分割領域から出射する光の波長範囲は、他の7つの分割領域から出射する光の波長範囲と重複しない。重複期間Tにおいて、一つの分割領域から出射する光の波長範囲は、他の7つの分割領域から出射する光の波長範囲から完全にずれる。重複期間T内では、任意の一つの分割領域から出射される光の波長が、他の7つの分割領域からは出射しなくなる。 Here, for example, the reference delay time Δt is set longer than the overlap period T. Then, λ aL than λ bs, becomes shorter. Therefore, the wavelength range λ aL to λ aS of the light emitted from the divided region 23a does not overlap with the wavelength range λ bL to λ bS of the light emitted from the divided region 23b. That is, the wavelength ranges λ aL to λ aS and the wavelength ranges λ bL to λ bS are completely deviated. Thus, in the overlap period T, the wavelength range of light emitted from any one divided region does not overlap with the wavelength range of light emitted from the other seven divided regions. In the overlap period T, the wavelength range of light emitted from one divided region is completely deviated from the wavelength range of light emitted from the other seven divided regions. Within the overlapping period T, the wavelength of the light emitted from any one divided region is not emitted from the other seven divided regions.

なお、上記の説明では、重複期間T全体で、波長範囲が重複しないようとして説明したが、これに限られるものではない。すなわち、バンチが電気光学素子30を通過している間において、各分割領域から出射する波長範囲が重複しないようにすればよい。従って、バンチが電気光学素子30を通過している間では、任意の一つの分割領域から出射される光の波長が、他の7つの分割領域からは出射しなくなる。すなわち、バンチが電気光学素子30を通過していない間に、その波長の光が他の7つの分割領域から出射する。このように、バンチが電気光学素子30を通過している間では、各分割領域から出射される光の波長が完全にずれている。なお、光源部10から出射されるパルスレーザ光全体のパルス幅は、分割数、パルス重複期間T、及び基準遅延時間Δtを考慮される。例えば、8分割の分割領域23a〜23hが設けられている場合、パルス幅をバンチ長の10倍以上にしておくことが好ましい。   In the above description, the wavelength range is not overlapped in the entire overlap period T. However, the present invention is not limited to this. That is, it is only necessary that the wavelength ranges emitted from the divided regions do not overlap while the bunch passes through the electro-optic element 30. Therefore, while the bunch passes through the electro-optical element 30, the wavelength of light emitted from any one divided region is not emitted from the other seven divided regions. That is, while the bunch does not pass through the electro-optic element 30, light of that wavelength is emitted from the other seven divided regions. Thus, while the bunch passes through the electro-optic element 30, the wavelength of the light emitted from each divided region is completely shifted. Note that the pulse width of the entire pulse laser beam emitted from the light source unit 10 takes into account the number of divisions, the pulse overlap period T, and the reference delay time Δt. For example, when eight divided regions 23a to 23h are provided, it is preferable to set the pulse width to 10 times or more the bunch length.

このように、遅延素子23の板厚は、XY平面における位置に応じて、変化している。すなわち、XY平面における位置に応じて、光路長が変化する。これにより、パルスレーザ光は、XY平面における位置に応じて遅延される。すなわち、各分割領域からのパルス光は、Z方向における位置がずれる。このため、パルスレーザ光のパルス幅が伸長する。ここでは、パルスレーザ光の先端面が螺旋階段状になる。なお、遅延素子23としては、1対の透明基板に液晶が挟持された液晶素子を用いることができる。そして、液晶に印加する電圧を位置に応じて変化させてもよい。また、位相シフトマスクのように、透明基板上に透明な位相シフト膜を形成したものを遅延素子23として用いることができる。さらには、反射型の遅延素子を用いてもよい。この場合、螺旋階段状のミラーを遅延素子23として用いることができる。   Thus, the plate thickness of the delay element 23 changes according to the position in the XY plane. That is, the optical path length changes according to the position on the XY plane. Thereby, the pulse laser beam is delayed according to the position in the XY plane. That is, the position of the pulsed light from each divided region is shifted in the Z direction. For this reason, the pulse width of the pulse laser beam is extended. Here, the front end surface of the pulse laser beam has a spiral staircase shape. As the delay element 23, a liquid crystal element in which liquid crystal is sandwiched between a pair of transparent substrates can be used. And you may change the voltage applied to a liquid crystal according to a position. In addition, a material in which a transparent phase shift film is formed on a transparent substrate, such as a phase shift mask, can be used as the delay element 23. Further, a reflective delay element may be used. In this case, a spiral step-like mirror can be used as the delay element 23.

遅延素子23からのパルスレーザ光は、偏光変換素子24に入射する。偏光変換素子24は、入射位置に応じて、偏光状態を変換する。偏光変換素子24は、例えば、直線偏光を放射状のラディアル偏光に変換する。偏光変換素子24としては、例えば、ナノフォトン社製Zpolを用いることができる。ここでは、偏光変換素子24として、広帯域のZpolを用いている。偏光変換素子24の構成について、図5を用いて説明する。図5(a)は、偏光変換素子24を通過する前後の偏光状態を説明するための図である。図5(b)は、偏光変換素子24の構成を模式的に示す平面図である。図5(c)は、偏光変換素子24を通過したパルスレーザ光の偏光状態を説明するための平面図である。なお、図5(a)では、+Z方向にパルスレーザ光が伝播している。このため、パルスレーザ光は、偏光変換素子24を右側から左側へ通過する。   The pulsed laser light from the delay element 23 enters the polarization conversion element 24. The polarization conversion element 24 converts the polarization state according to the incident position. For example, the polarization conversion element 24 converts linearly polarized light into radial radial polarized light. As the polarization conversion element 24, for example, Zpol manufactured by Nanophoton Corporation can be used. Here, a broadband Zpol is used as the polarization conversion element 24. The configuration of the polarization conversion element 24 will be described with reference to FIG. FIG. 5A is a diagram for explaining the polarization state before and after passing through the polarization conversion element 24. FIG. 5B is a plan view schematically showing the configuration of the polarization conversion element 24. FIG. 5C is a plan view for explaining the polarization state of the pulsed laser light that has passed through the polarization conversion element 24. In FIG. 5A, the pulse laser beam propagates in the + Z direction. For this reason, the pulse laser beam passes through the polarization conversion element 24 from the right side to the left side.

まず、図5(b)を用いて偏光変換素子24の構成について説明する。偏光変換素子24は、正八角形状の薄板から形成されている。偏光変換素子24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。あるいは、波長板をホルダで保持することで、偏光変換素子24が形成される。偏光変換素子24は、放射状に分割された8つの領域を有している。図5(b)に示すように、この8つの領域を分割領域24a〜分割領域24hとする。すなわち、偏光変換素子24は、8つの分割領域24a〜24hを備えている。ここでは、上側に分割領域24aが配置され、分割領域24b、分割領域24c、分割領域24d、分割領域24e、分割領域24f、分割領域24g、及び分割領域24hが時計回りの順番で配置されている。分割領域24a〜24fは、中心点に対して対称に配置されている。従って、8つの分割領域24a〜24h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8つの領域が分割領域24a〜24h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24a〜24h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24a〜24hのそれぞれは、中心点に対応する内角が45°の二等辺三角形となる。   First, the configuration of the polarization conversion element 24 will be described with reference to FIG. The polarization conversion element 24 is formed from a regular octagonal thin plate. The polarization conversion element 24 is formed, for example, by providing a wave plate on a transparent substrate made of glass or the like. Alternatively, the polarization conversion element 24 is formed by holding the wavelength plate with a holder. The polarization conversion element 24 has eight regions divided radially. As shown in FIG. 5B, these eight areas are defined as a divided area 24a to a divided area 24h. That is, the polarization conversion element 24 includes eight divided regions 24a to 24h. Here, the divided area 24a is arranged on the upper side, and the divided area 24b, the divided area 24c, the divided area 24d, the divided area 24e, the divided area 24f, the divided area 24g, and the divided area 24h are arranged in the clockwise order. . The divided areas 24a to 24f are arranged symmetrically with respect to the center point. Therefore, the eight divided regions 24a to 24h are arranged radially. In this way, the eight regions divided radially are divided regions 24a to 24h. The size of each divided area is equal. The divided regions 24a to 24h are provided over the entire circumferential direction. Accordingly, each of the divided regions 24a to 24h is an isosceles triangle having an inner angle of 45 ° corresponding to the center point.

ここで、偏光変換素子24に設けられている分割領域24a〜24hは、遅延素子23に設けられている分割領域23a〜23hに対応している。すなわち、XY平面において、遅延素子23の分割領域23aと、偏光変換素子24の分割領域24aとが略一致している。すなわち、符号の後に付したa〜hのアルファベットが同じ場合、分割領域23a〜23hと分割領域24a〜24hとでは、XY平面上の位置が一致している。パルスレーザ光は平行な光速であるため、分割領域23aから出射したパルス光は、分割領域24aに入射する。同様に分割領域23bからのパルス光は、分割領域24bに入射する。もちろん、分割領域23c〜分割領域23hからのパルス光についても、対応する分割領域24c〜分割領域24hにそれぞれ入射する。従って、遅延素子23は、偏光変換素子24に設けられた複数の分割領域24a〜24hに対応するよう、入射位置に応じてパルスレーザ光が段階的に遅延する。そして、遅延素子23によって段階的に与えられる遅延時間をバンチ長よりも長くすることが好ましい。   Here, the divided regions 24 a to 24 h provided in the polarization conversion element 24 correspond to the divided regions 23 a to 23 h provided in the delay element 23. That is, in the XY plane, the divided area 23a of the delay element 23 and the divided area 24a of the polarization conversion element 24 substantially coincide with each other. That is, when the alphabets a to h attached after the reference numerals are the same, the positions on the XY plane of the divided areas 23a to 23h and the divided areas 24a to 24h are the same. Since the pulsed laser light has a parallel light speed, the pulsed light emitted from the divided region 23a is incident on the divided region 24a. Similarly, the pulsed light from the divided area 23b is incident on the divided area 24b. Of course, the pulsed light from the divided regions 23c to 23h is also incident on the corresponding divided regions 24c to 24h, respectively. Therefore, the delay element 23 delays the pulsed laser light in a stepwise manner according to the incident position so as to correspond to the plurality of divided regions 24 a to 24 h provided in the polarization conversion element 24. Then, it is preferable that the delay time given stepwise by the delay element 23 is longer than the bunch length.

分割領域24a〜24h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24a〜24h毎に、光の振動方向が異なっている。図5(b)には、分割領域24a〜24h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22.5°ずれている。すなわち、Y軸の方向を基準とすると、図5(b)に示すように、分割領域24aにおける波長板の光学軸の角度は0°となり、分割領域23bの光学軸は22.5°になり、分割領域24cの光学軸は45°となり、分割領域23dの光学軸は67.5°になり、分割領域24eの光学軸は90°となり、分割領域23fの光学軸は−67.5°になり、分割領域24gの光学軸は−45°となり、分割領域23hの光学軸は−22.5°になっている。分割領域24a、分割領域24b、分割領域24c、分割領域24d、分割領域24e、分割領域24f、分割領域24g、分割領域24hの順番で光学軸が22.5°づつ傾いていく。   In the divided regions 24a to 24h, half-wave plates having optical axes in different directions are provided. That is, the vibration direction of light is different for each of the divided regions 24a to 24h. In FIG. 5B, the optical axes in the divided regions 24a to 24h are indicated by arrows. Here, the optical axis of each divided region is shifted by 22.5 ° from the optical axis of the adjacent divided region. That is, with reference to the direction of the Y axis, as shown in FIG. 5B, the angle of the optical axis of the wave plate in the divided region 24a is 0 °, and the optical axis of the divided region 23b is 22.5 °. The optical axis of the divided region 24c is 45 °, the optical axis of the divided region 23d is 67.5 °, the optical axis of the divided region 24e is 90 °, and the optical axis of the divided region 23f is −67.5 °. Thus, the optical axis of the divided region 24g is −45 °, and the optical axis of the divided region 23h is −22.5 °. The optical axis is inclined by 22.5 ° in the order of the divided area 24a, the divided area 24b, the divided area 24c, the divided area 24d, the divided area 24e, the divided area 24f, the divided area 24g, and the divided area 24h.

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24aの光学軸は0°であり、分割領域24aに対向する分割領域24eの光学軸は90°となっている。同様に、分割領域24cの光学軸と、分割領域24g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24a〜24h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 area 24a is 0 °, and the optical axis of the divided area 24e facing the divided area 24a is 90 °. Similarly, the optical axis of the divided region 24c and the optical axis of the divided region 24g are orthogonal to each other. In other words, in the pair of wave plates provided in the divided regions facing each other, the difference in the angle of the optical axis is 90 °. As described above, the pair of divided regions arranged diagonally across the center points of the divided regions 24a to 24h are provided with wave plates having different optical axes by 90 °.

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(偏光軸)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。なお、直線偏光の偏光軸とは、XY面における電気ベクトルの振動面の方向である。   The half-wave plate emits incident light with a half-wave phase difference. Therefore, if the angle formed by the azimuth (polarization axis) 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 a straight line rotated by 2θ from the original linearly polarized light. It becomes polarized light. 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 °. The polarization axis of linearly polarized light is the direction of the vibration plane of the electric vector in the XY plane.

ここで、光源部10から偏光軸がY方向に沿った直線偏光が入射している。すなわち、分割領域24aの光学軸と、P偏光の入射光の偏光軸が一致している。図5(a)に示すように、偏光変換素子24を光路上に配置する。すると、上側の分割領域24aを透過した光と下側の分割領域24e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24aと分割領域24eとで光の位相が180°ずれる。光源部10から直線偏光が出力されているとすると、偏光変換素子24を通過する前では、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24を通過した場合、分割領域24aと分割領域24e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24aと下の分割領域24e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24aと下の分割領域24eとでは、偏光方向が反対方向となる。上の分割領域24aを透過した光と下の分割領域24eを透過した光とは同じ直線(Y軸と平行な直線)上の直線偏光であるが、その振動の向きが反対となる。   Here, linearly polarized light having a polarization axis along the Y direction is incident from the light source unit 10. In other words, the optical axis of the divided region 24a coincides with the polarization axis of the P-polarized incident light. As shown in FIG. 5A, the polarization conversion element 24 is arranged on the optical path. Then, a phase shift occurs between the light transmitted through the upper divided region 24a and the light transmitted through the lower divided region 24e. That is, the phase of light is shifted by 180 ° between the divided region 24a and the divided region 24e that are arranged facing each other vertically. Assuming that linearly polarized light is output from the light source unit 10, the phases of the orthogonal components of the electric vectors match before passing through the polarization conversion element 24. When linearly polarized light passes through the polarization conversion element 24, the phase of the electric vector is shifted by 180 ° between the divided region 24a and the divided region 24e. That is, the vibration direction of the electric vector is opposite between the upper divided region 24a and the lower divided region 24e. In the upper divided region 24a and the lower divided region 24e, the polarization directions are opposite to each other. The light transmitted through the upper divided region 24a and the light transmitted through the lower divided region 24e are linearly polarized light on the same straight line (straight line parallel to the Y axis), but their vibration directions are opposite.

ここで、偏光軸がY方向に沿った直線偏光が偏光変換素子24に入射している。すなわち、分割領域24aの光学軸と、入射光の偏光軸が一致している。分割領域24a通過したパルス光は、図5(a)に示すように、偏光面(電気ベクトルの振動面)が光学軸と一致しているため、偏光状態が変化しない。すなわち、Y方向の直線偏光のままとなる。一方、分割領域24eを通過したパルス光は、偏光面が光学軸と直交しているため、偏光状態が変化する。すなわち、分割領域24eからのパルス光は、分割領域24aからのパルス光と振動の向きが反対となる。ここでは、光学軸と偏光軸とが90°ずれているため、偏光軸が180°回転する。一方、直線偏光のパルス光が分割領域24cを通過すると、直線偏光の偏光面が90°変化する。すなわち、45°傾いた光学軸を有する分割領域24cは、偏光軸を90°回転させる。また、直線偏光のパルス光が分割領域24gを通過すると、直線偏光の偏光面が−90°変化して、出射される。すなわち、−45°傾いた光学軸を有する分割領域24cは、偏光軸を−90°回転させる。このように、偏光変換素子24は、入射位置に応じて異なる位相だけ光を遅延する。これにより、XY平面において、偏光面が回転する。   Here, linearly polarized light whose polarization axis is in the Y direction is incident on the polarization conversion element 24. That is, the optical axis of the divided region 24a and the polarization axis of the incident light coincide. As shown in FIG. 5A, the polarization state of the pulsed light that has passed through the divided region 24a does not change because the plane of polarization (the vibration plane of the electric vector) coincides with the optical axis. That is, the linearly polarized light in the Y direction remains. On the other hand, the polarization state of the pulsed light that has passed through the divided region 24e changes because the plane of polarization is orthogonal to the optical axis. That is, the direction of vibration of the pulsed light from the divided region 24e is opposite to that of the pulsed light from the divided region 24a. Here, since the optical axis and the polarization axis are shifted by 90 °, the polarization axis rotates 180 °. On the other hand, when the linearly polarized pulsed light passes through the divided region 24c, the polarization plane of the linearly polarized light changes by 90 °. That is, the divided region 24c having the optical axis inclined by 45 ° rotates the polarization axis by 90 °. Further, when the linearly polarized pulsed light passes through the divided region 24g, the plane of polarization of the linearly polarized light changes by −90 ° and is emitted. That is, the divided region 24c having the optical axis inclined by −45 ° rotates the polarization axis by −90 °. In this way, the polarization conversion element 24 delays light by a different phase depending on the incident position. Thereby, the polarization plane rotates in the XY plane.

直線偏光のパルスレーザ光が偏光変換素子24を通過すると、偏光状態が図5(c)に示すようになる。すなわち、偏光変換素子24は、直線偏光を偏光軸が放射状になるラディアル偏光に変換する。正確には、偏光変換素子24に直線偏光のレーザ光を入射させることで、ラディアル偏光に近い偏光状態となる。ここで、図5(c)に示すように、パルスレーザ光をXY方向にスライスした断面において、分割領域24aに対応する領域を領域Aとする。また、分割領域24bに対応する領域を領域Bとする。同様に、分割領域24c〜分割領域24hに対応する領域をそれぞれ領域C〜領域Hとする。このように、扇状に8分割された領域A〜Hにおいて、電気ベクトルの振動方向が異なっている。領域A〜Hに8分割された擬似ラディアル偏光になる。   When linearly polarized pulsed laser light passes through the polarization conversion element 24, the polarization state is as shown in FIG. That is, the polarization conversion element 24 converts linearly polarized light into radial polarized light whose polarization axis is radial. Precisely, when a linearly polarized laser beam is incident on the polarization conversion element 24, a polarization state close to radial polarization is obtained. Here, as shown in FIG. 5C, a region corresponding to the divided region 24a is defined as a region A in the cross section obtained by slicing the pulsed laser light in the XY direction. An area corresponding to the divided area 24b is referred to as an area B. Similarly, the areas corresponding to the divided areas 24c to 24h are referred to as areas C to H, respectively. Thus, the vibration directions of the electric vectors are different in the regions A to H divided into eight fan shapes. The pseudo-radial polarized light is divided into 8 regions A to H.

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45°ずれている。例えば、分割領域24a及び分割領域24eから出射する光の偏光面は、0°である。よって、領域A、及び領域Eの光の偏光軸はY方向に平行である。また、分割領域24b及び分割領域24fから出射される光の偏光軸は、45°である。分割領域24c及び分割領域24gから出射される光の偏光軸は、90°である。よって、領域C、及び領域Gの光の偏光面はX方向に平行である。また、分割領域24d及び分割領域24hから出射される光の偏光軸は、−45°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24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。   The polarization axes of linearly polarized light emitted from a pair of divided regions facing the center point are parallel to each other. 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 45 °. For example, the polarization plane of the light emitted from the divided region 24a and the divided region 24e is 0 °. Therefore, the polarization axes of the light in the regions A and E are parallel to the Y direction. The polarization axis of the light emitted from the divided region 24b and the divided region 24f is 45 °. The polarization axis of the light emitted from the divided region 24c and the divided region 24g is 90 °. Therefore, the polarization planes of the light in the regions C and G are parallel to the X direction. Further, the polarization axis of the light emitted from the divided regions 24d and 24h is −45 °. Therefore, the angle of the polarization axis changes according to the incident position, and the outgoing polarization displacement becomes radial. In this way, the polarization conversion element 24 changes the polarization state of the incident light in accordance with the incident position, and performs control so that the desired polarization state is obtained.

上記の偏光変換素子24に直線偏光を入射させることで、ラディ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、レーザ光の光軸と、偏光変換素子24の中心点を一致させる。また、偏光変換素子24は、光軸と直交して配置される。そして、分割領域24a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、直線偏光をラディアル偏光に近似する擬似ラディアル偏光にすることができる。また、上記の偏光変換素子24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。すなわち、直線偏光がアジマス偏光に近い擬似アジマス偏光に変化する。なお、上記の説明では、8分割の偏光変換素子24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、16分割や4分割の偏光変換素子24を用いることもできる。分割数を多くことによって、より詳細な測定を行うことができる。偏光変換素子24からは、XY平面における偏光面の方向が放射状のラディアル偏光状態を生成する。   By making linearly polarized light incident on the polarization conversion element 24, it is possible to control the polarization state to be close to radial polarization. Specifically, the optical axis of the laser beam and the center point of the polarization conversion element 24 are matched. Further, the polarization conversion element 24 is disposed orthogonal to the optical axis. Then, the optical axis of the divided region 24a is matched with the polarization axis of the linearly polarized light. In this way, linearly polarized light can be changed to pseudo radial polarized light that approximates radial polarized light. In addition, when the linearly polarized light whose polarization axis is in the X direction is incident on the polarization conversion element 24, the polarization axis has a shape close to a circle. That is, the linearly polarized light changes to pseudo azimuth polarized light that is close to azimuth polarized light. In the above description, the eight-divided polarization conversion element 24 has been described, but the number of divisions is not limited thereto. For example, a 16-part or 4-part polarization conversion element 24 may be used. More detailed measurement can be performed by increasing the number of divisions. From the polarization conversion element 24, a radial polarization state in which the direction of the polarization plane in the XY plane is radial is generated.

なお、偏光変換素子24には、遅延素子23によって遅延されたパルスレーザ光が入射している。このため、偏光変換素子24の分割領域24a〜24hに入射するパルス光は、図4(b)に示すように、時間的にずれている。従って、最初のタイミングでは、分割領域24aのみにパルス光が入射する。次のタイミングでは、分割領域24a、24bのみにパルス光が入射する。このように、順番にパルス光が入射する分割領域が増えていく。そして、重複期間Tになると、全ての分割領域24a〜24hにパルス光が入射する。重複期間を過ぎると、分割領域24aにパルス光が入射しなくなる。次のタイミングでは、分割領域24a、24bにパルス光が入射しなくなる。そして、パルス光が入射しなくなる分割領域が徐々に増えていく。換言すると、パルス光が入射する分割領域が時間の経過によって変化する。従って、時間に応じてパルス光が入射する分割領域が変わっていく。   Note that pulsed laser light delayed by the delay element 23 is incident on the polarization conversion element 24. For this reason, the pulsed light incident on the divided regions 24 a to 24 h of the polarization conversion element 24 is shifted in time as shown in FIG. Therefore, at the first timing, the pulsed light is incident only on the divided region 24a. At the next timing, the pulsed light is incident only on the divided regions 24a and 24b. In this way, the number of divided areas in which pulsed light is incident in order increases. In the overlap period T, pulsed light enters all the divided regions 24a to 24h. After the overlapping period, the pulsed light does not enter the divided region 24a. At the next timing, the pulsed light does not enter the divided regions 24a and 24b. Then, the divided areas where the pulsed light does not enter gradually increase. In other words, the divided area into which the pulsed light changes changes with time. Accordingly, the divided area where the pulsed light is incident changes with time.

偏光変換素子24から出射したパルスレーザ光は、ミラー25に入射する。ミラー25は、電子ビーム31のビーム経路中に配置されている。ミラー25は、レーザ光の光軸に対して45°傾斜している。従って、ミラー25は、レーザ光を、電気光学素子30の方向に反射する。ミラー25からのレーザ光は、電気光学素子30に入射する。さらに、ミラー25で反射されたパルスレーザ光は、電子ビーム31の進行方向と反対方向に伝播する。すなわち、パルスレーザ光は、電子ビーム31の上流側に向かって進むように、ミラー25で反射される。   The pulse laser beam emitted from the polarization conversion element 24 enters the mirror 25. The mirror 25 is disposed in the beam path of the electron beam 31. The mirror 25 is inclined 45 ° with respect to the optical axis of the laser beam. Accordingly, the mirror 25 reflects the laser light in the direction of the electro-optical element 30. Laser light from the mirror 25 enters the electro-optic element 30. Further, the pulse laser beam reflected by the mirror 25 propagates in the direction opposite to the traveling direction of the electron beam 31. That is, the pulse laser beam is reflected by the mirror 25 so as to travel toward the upstream side of the electron beam 31.

ミラー25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21、22によって、レーザ光が輪状になっている。このため、中空のミラー25を用いた場合でも、レーザ光のほとんどが電気光学素子30に入射する。換言すると、ミラー25は、輪状のレーザ光に対応する中空部分を有している。よって、輪状のレーザ光は、ミラー25の中空部分には、入射しない。これにより、レーザ光のほとんどが電気光学素子30に入射する。従って、レーザ光の利用効率の低下を防ぐことができ、正確な測定が可能になる。また、電子ビーム31は、ミラー25の中空部分を通過する。これにより、非破壊で電子ビームを測定することができる。   The mirror 25 has a hollow shape with a central portion cut out. Further, the laser light is formed in a ring shape by the axicon lenses 21 and 22. For this reason, even when the hollow mirror 25 is used, most of the laser light is incident on the electro-optic element 30. In other words, the mirror 25 has a hollow portion corresponding to the ring-shaped laser beam. Therefore, the annular laser beam does not enter the hollow portion of the mirror 25. Thereby, most of the laser light is incident on the electro-optical element 30. Accordingly, it is possible to prevent a decrease in the utilization efficiency of the laser beam and to perform accurate measurement. Further, the electron beam 31 passes through the hollow portion of the mirror 25. Thereby, an electron beam can be measured nondestructively.

なお、ミラー25は、電子ビーム31の経路中に配置される。したがって、電子ビーム31の経路中に存在するミラー25は、真空中に配置される。すなわち、ミラー25は真空チャンバー内に配設される。従って、偏光変換素子24からのパルスレーザ光は、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25に入射する。このように、遅延素子23、及び偏光変換素子24を大気中に配設している。これにより、入射光学系20の大部分を大気中に設置することができ、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 mirror 25 is arranged in the path of the electron beam 31. Therefore, the mirror 25 existing in the path of the electron beam 31 is arranged in a vacuum. That is, the mirror 25 is disposed in the vacuum chamber. Accordingly, the pulsed laser light from the polarization conversion element 24 is incident on the mirror 25 through the window provided in the vacuum chamber. Thus, the delay element 23 and the polarization conversion element 24 are disposed in the atmosphere. Thereby, most of the incident optical system 20 can be installed in the atmosphere, and the optical system can be easily adjusted. Therefore, convenience can be improved.

ミラー25で反射されたパルスレーザ光は、電気光学素子30に入射する。すなわち、入射光学系20から出射したパルスレーザ光が電子ビーム31のパス中に配置された電気光学素子30を通過する。このとき、パルスレーザ光が、電気光学素子30を通過するタイミングと、電子ビーム31が電気光学素子30を通過するタイミングを同期させる。すなわち、パルスレーザ光と電子ビーム31のバンチとが、同じタイミングで電気光学素子30を通過する。さらに、パルスレーザ光と電子ビーム31とは、反対方向から電気光学素子30を通過する。すなわち、パルスレーザ光の伝播方向と、電子ビーム31の進行方向は、平行で反対方向になっている。例えば、パルスレーザ光が+Z方向に伝播するとすると、電子ビーム31は−Z方向に進行する。さらに、パルスレーザ光の光軸と、XY平面における電子ビーム31の中心位置は略一致している。   The pulsed laser light reflected by the mirror 25 enters the electro-optic element 30. That is, the pulse laser beam emitted from the incident optical system 20 passes through the electro-optic element 30 disposed in the path of the electron beam 31. At this time, the timing at which the pulse laser beam passes through the electro-optic element 30 and the timing at which the electron beam 31 passes through the electro-optic element 30 are synchronized. That is, the pulse laser beam and the bunch of the electron beam 31 pass through the electro-optic element 30 at the same timing. Further, the pulse laser beam and the electron beam 31 pass through the electro-optic element 30 from opposite directions. That is, the propagation direction of the pulse laser beam and the traveling direction of the electron beam 31 are parallel and opposite to each other. For example, when the pulse laser beam propagates in the + Z direction, the electron beam 31 travels in the −Z direction. Further, the optical axis of the pulse laser beam and the center position of the electron beam 31 on the XY plane are substantially coincident.

ここで電気光学素子30について図6、及び図7を用いて説明する。図6(a)は、電子ビーム31、及びパルスレーザ光が電気光学素子30を通過する様子を示す斜視図である。図6(b)は、電気光学素子30の構成を示す平面図である。図7は、電子ビーム31のバンチ37、及びパルスレーザ光が電気光学素子30を通過している様子を概念的に示す側面図である。また、電気光学素子30は所定の厚さを有する電気光学結晶によって構成されている。電気光学素子30の厚さは、空間的なバンチ長よりも短くすることが好ましい。ここでは、電気光学素子30の厚さを、例えば、0.01mm〜0.1mmとすることができる。   Here, the electro-optical element 30 will be described with reference to FIGS. 6 and 7. FIG. 6A is a perspective view showing a state in which the electron beam 31 and the pulse laser beam pass through the electro-optic element 30. FIG. 6B is a plan view showing the configuration of the electro-optic element 30. FIG. 7 is a side view conceptually showing a state in which the bunch 37 of the electron beam 31 and the pulse laser beam pass through the electro-optic element 30. The electro-optic element 30 is composed of an electro-optic crystal having a predetermined thickness. The thickness of the electro-optic element 30 is preferably shorter than the spatial bunch length. Here, the thickness of the electro-optical element 30 can be set to 0.01 mm to 0.1 mm, for example.

図6(b)に示すように、電気光学素子30は、リング状に形成されている。すなわち、電気光学素子30の外形が円形となっている。電気光学素子30の中心には円形の中空部33が設けられている。中空部33は、何もない空間になっている。この中空部33を電子ビーム31が通過する。すなわち、中空部33は、電子ビーム31の横方向の形状よりも大きくなっている。従って、想定されるバンチの横方向の形状に応じて、中空部33の大きさを決定する。これにより、電子ビーム31が電気光学素子30の結晶部分に入射しなくなる。よって、電子ビームを破壊せずに、測定することができる。   As shown in FIG. 6B, the electro-optical element 30 is formed in a ring shape. That is, the outer shape of the electro-optic element 30 is circular. A circular hollow portion 33 is provided at the center of the electro-optic element 30. The hollow portion 33 is an empty space. The electron beam 31 passes through the hollow portion 33. That is, the hollow portion 33 is larger than the lateral shape of the electron beam 31. Therefore, the size of the hollow portion 33 is determined according to the assumed shape of the bunch in the lateral direction. As a result, the electron beam 31 does not enter the crystal portion of the electro-optic element 30. Therefore, measurement can be performed without destroying the electron beam.

また、パルスレーザ光は、アキシコンレンズによって円環状になっている。すなわち、XY平面におけるパルスレーザ光の形状がドーナツ状になっている。そして、円環状のパルスレーザ光は、電気光学素子30に入射する。従って、円環状のパルスレーザ光は、中空部33の外側部分であって、電気光学素子30の外形の内側に入射する。すなわち、円環状のパルスレーザ光は、中空部33を通らずに、電気光学素子30の電気光学結晶を通過する。リング状のパルスレーザ光は、電子ビーム31の外周を囲むように、電気光学素子30を通過する。   Further, the pulse laser beam is formed into an annular shape by an axicon lens. That is, the shape of the pulse laser beam on the XY plane is a donut shape. The annular pulse laser beam is incident on the electro-optic element 30. Accordingly, the annular pulse laser beam is incident on the outer portion of the hollow portion 33 and inside the outer shape of the electro-optic element 30. That is, the annular pulse laser beam passes through the electro-optic crystal of the electro-optic element 30 without passing through the hollow portion 33. The ring-shaped pulse laser beam passes through the electro-optical element 30 so as to surround the outer periphery of the electron beam 31.

ここで、電気光学素子30は、図6(b)に示すように、放射状に8分割された分割領域を有している。電気光学素子30に設けられた8個の分割領域を分割領域30a〜30hとする。電気光学素子30は、図6(b)に示すように、8つの分割領域30a〜30hを有している。図6(b)では、分割領域30a〜分割領域30hが周方向に沿って配列されている。分割領域30a〜分割領域30hは放射状に配置されている。それぞれの分割領域30a〜30hの大きさは等しくなっている。分割領域30a〜30hは周方向の全体にわたって設けられている。分割領域30a〜30hは、周方向に一定の間隔で配置される。従って、分割領域30a〜30hのそれぞれは、中心点に対応する内角が45°の扇形となる。なお、扇形の中心側が中空になっている。電気光学素子30の中空部33の中心が、光軸上に配置される。また、電気光学素子30は、光軸と直交して配置される。分割領域30a〜30hには、それぞれ、例えば、ZnTe(テルル化亜鉛)、LiNbO3(ニオブ酸リチウム)、BBOなどの透明な電気光学結晶が設けられる。また、これらの無機結晶だけでなく、応答性の速い有機ポリマーフィルムを用いてもよい。ここでは、分割領域30a〜30hに用いられる電気光学結晶は、結晶軸以外の方向は同じ構成を有している。   Here, as shown in FIG. 6B, the electro-optic element 30 has a divided region radially divided into eight. Eight divided regions provided in the electro-optic element 30 are defined as divided regions 30a to 30h. As shown in FIG. 6B, the electro-optic element 30 has eight divided regions 30a to 30h. In FIG. 6B, the divided areas 30a to 30h are arranged along the circumferential direction. The divided areas 30a to 30h are arranged radially. The sizes of the divided areas 30a to 30h are equal. The divided areas 30a to 30h are provided over the entire circumferential direction. The divided areas 30a to 30h are arranged at regular intervals in the circumferential direction. Accordingly, each of the divided regions 30a to 30h has a sector shape with an inner angle corresponding to the center point of 45 °. In addition, the fan-shaped center side is hollow. The center of the hollow portion 33 of the electro-optic element 30 is disposed on the optical axis. Further, the electro-optical element 30 is disposed orthogonal to the optical axis. Each of the divided regions 30a to 30h is provided with a transparent electro-optic crystal such as ZnTe (zinc telluride), LiNbO3 (lithium niobate), or BBO. In addition to these inorganic crystals, an organic polymer film having a quick response may be used. Here, the electro-optic crystals used in the divided regions 30a to 30h have the same configuration in directions other than the crystal axis.

それぞれの分割領域30a〜30hの結晶軸方位は、図6(b)の点線の矢印で示されている。なお、図6(b)では(001)結晶軸方向が点線矢印で示されている。それぞれの分割領域30a〜30hでは、結晶軸の方向が異なっている。具体的には、電気光学素子30の結晶軸は、放射状に配置されている。8つの結晶軸を延長すると、光軸上の一点で交わる。このように、分割領域30a〜30hには、それぞれ電気光学結晶が設けられている。そして、それぞれの分割領域30a〜30hに設けられた電気光学結晶は、異なる方向の結晶軸を有している。   The crystal axis orientations of the respective divided regions 30a to 30h are indicated by dotted arrows in FIG. In FIG. 6B, the (001) crystal axis direction is indicated by a dotted arrow. In each divided region 30a to 30h, the direction of the crystal axis is different. Specifically, the crystal axes of the electro-optic element 30 are arranged radially. When the eight crystal axes are extended, they intersect at one point on the optical axis. Thus, the divided regions 30a to 30h are each provided with an electro-optic crystal. The electro-optic crystals provided in the respective divided regions 30a to 30h have crystal axes in different directions.

このように、電気光学素子30には、8等分された分割領域30a〜30hが設けられている。このため、それぞれの分割領域30a〜30hは、45°の扇形状になっている。隣り合う分割領域では、電気光学結晶の光学軸が異なる方向になっている。ここでは、8つの電気光学結晶が設けられているため、隣り合う分割領域の結晶軸がなす角度は45°になる。隣の分割領域の結晶軸から45°ずれるように、複数の電気光学結晶を円周方向に沿って配列する。従って、分割領域30aの結晶軸を0°とすると、分割領域30cの結晶軸が90°になる。   As described above, the electro-optic element 30 is provided with the divided regions 30a to 30h divided into eight equal parts. For this reason, each divided region 30a-30h has a 45 ° fan shape. In adjacent divided regions, the optical axes of the electro-optic crystals are in different directions. Here, since eight electro-optic crystals are provided, the angle formed by the crystal axes of adjacent divided regions is 45 °. A plurality of electro-optic crystals are arranged along the circumferential direction so as to be shifted by 45 ° from the crystal axis of the adjacent divided region. Therefore, if the crystal axis of the divided region 30a is 0 °, the crystal axis of the divided region 30c is 90 °.

電気光学素子30に設けられている分割領域30a〜30hは、領域A〜Hにそれぞれ対応している。従って、XY平面において、分割領域23aと、分割領域24aと、分割領域30aとの位置が略一致する。分割領域24aから出射したパルス光は、ミラー25で反射されて分割領域30aに入射する。さらには、分割領域23aから出射したパルス光は、分割領域24aを介して、分割領域30aに入射する。分割領域30b〜30hについても、同様に、分割領域24b〜24hに対応している。すなわち、分割領域30a〜30hには、同じアルファベットが付された分割領域24a〜24hからのパルス光が入射する。例えば、分割領域30bには、分割領域24bからのパルス光が入射する。   The divided areas 30a to 30h provided in the electro-optic element 30 correspond to the areas A to H, respectively. Therefore, in the XY plane, the positions of the divided area 23a, the divided area 24a, and the divided area 30a substantially coincide. The pulsed light emitted from the divided area 24a is reflected by the mirror 25 and enters the divided area 30a. Furthermore, the pulsed light emitted from the divided area 23a enters the divided area 30a via the divided area 24a. Similarly, the divided areas 30b to 30h correspond to the divided areas 24b to 24h. That is, pulsed light from the divided areas 24a to 24h with the same alphabet is incident on the divided areas 30a to 30h. For example, the pulsed light from the divided region 24b is incident on the divided region 30b.

このように、それぞれの領域A〜Hの光は、対応する分割領域30a〜30hに入射する。ここで偏光変換素子24は、直線偏光を放射状のラディアル偏光に変換している。すなわち、偏光変換素子24からは、ラディアル偏光状態のパルスレーザ光が出射している。さらに、電気光学素子30の結晶軸は、放射状に配置されている。従って、電気光学素子30の結晶軸とパルスレーザ光の偏光面が同じ方向になっている。電気光学素子30の全分割領域30a〜30hにおいて、入射するパルス光の電気ベクトルの振動面は、結晶軸方向と一致する。例えば、電気光学素子30の分割領域30aにおける結晶軸は、Y方向になっており、偏光変換素子24の分割領域24aから出射したパルス光の偏光軸は、Y方向になっている。もちろん、その他の分割領域30b〜30hでも、偏光軸が結晶軸と平行になっている。このように、全体としてはラディアル偏光であるが、個々の分割領域30a〜30hでは、結晶軸と平行な直線偏光が入射する。   Thus, the light of each area | region AH enters into corresponding division area 30a-30h. Here, the polarization conversion element 24 converts linearly polarized light into radial radial polarized light. That is, the polarization conversion element 24 emits a pulse laser beam in a radial polarization state. Furthermore, the crystal axes of the electro-optic element 30 are arranged radially. Therefore, the crystal axis of the electro-optic element 30 and the polarization plane of the pulse laser beam are in the same direction. In all the divided regions 30a to 30h of the electro-optic element 30, the vibration plane of the electric vector of the incident pulse light coincides with the crystal axis direction. For example, the crystal axis in the divided region 30a of the electro-optic element 30 is in the Y direction, and the polarization axis of the pulsed light emitted from the divided region 24a in the polarization conversion element 24 is in the Y direction. Of course, in the other divided regions 30b to 30h, the polarization axis is parallel to the crystal axis. Thus, although it is radial polarization as a whole, linearly polarized light parallel to the crystal axis is incident on each of the divided regions 30a to 30h.

電気光学結晶は、電場によって屈折率が変化する。例えば、結晶軸に平行な電場が印加されると結晶軸方向の屈折率が変化する。ポッケルス素子では、電場強度に比例して、屈折率が変化する。このとき、XY平面において、結晶軸と垂直な方向では、屈折率が略変化しない。従って、電気光学結晶では、電場強度に比例して屈折率の変化が起こり、複屈折が誘起される。   The refractive index of the electro-optic crystal changes depending on the electric field. For example, when an electric field parallel to the crystal axis is applied, the refractive index in the crystal axis direction changes. In the Pockels element, the refractive index changes in proportion to the electric field strength. At this time, in the XY plane, the refractive index does not substantially change in the direction perpendicular to the crystal axis. Therefore, in the electro-optic crystal, the refractive index changes in proportion to the electric field strength, and birefringence is induced.

ラディアル偏光状態のパルスレーザ光は、図6(a)に示すように、このような電気光学素子30に入射する。ここで、例えば、電気光学素子30に放射状の電場が印加されたとする。この場合、等電位線は同心円状になる。なお、放射状の電場の中心は、中空部33の中心と一致している。電気光学素子30には、各結晶軸に平行な電場が印加される。電場によって誘起された複屈折のために位相変化が生じる。複屈折が生じると、偏光状態が変化して楕円偏光となる。すなわち、直線偏光が回転して楕円偏光に変換される。放射状の電場が印加されると、各分割領域30a〜30hから出射されるパルス光は、楕円偏光となる。なお、楕円偏光の傾きは、電場強度に応じて変化する。すなわち、電場強度によって、XY平面における楕円偏光の傾きが変わる。このように、各分割領域30a〜30hからは、電場強度に応じた楕円偏光が出射する。従って、電場が印加されている電気光学素子30を通過したパルスレーザ光は、全体としてラディアル偏光ではなくなる。一方、電場が全く印加されていないときは、複屈折が生じない。このため、パルスレーザ光は、ラディアル偏光状態のままとなる。すなわち、電場が発生していないと、電気光学素子30を通過する前後で、偏光状態が変化しない。   The pulse laser beam in the radial polarization state is incident on such an electro-optical element 30 as shown in FIG. Here, for example, it is assumed that a radial electric field is applied to the electro-optic element 30. In this case, the equipotential lines are concentric. Note that the center of the radial electric field coincides with the center of the hollow portion 33. An electric field parallel to each crystal axis is applied to the electro-optic element 30. A phase change occurs due to the birefringence induced by the electric field. When birefringence occurs, the polarization state changes to become elliptically polarized light. That is, the linearly polarized light is rotated and converted into elliptically polarized light. When a radial electric field is applied, the pulsed light emitted from each divided region 30a-30h becomes elliptically polarized light. In addition, the inclination of elliptically polarized light changes according to the electric field strength. That is, the inclination of elliptically polarized light in the XY plane changes depending on the electric field strength. Thus, elliptically polarized light corresponding to the electric field intensity is emitted from each of the divided regions 30a to 30h. Accordingly, the pulse laser beam that has passed through the electro-optic element 30 to which an electric field is applied is not a radial polarization as a whole. On the other hand, birefringence does not occur when no electric field is applied. For this reason, the pulse laser beam remains in the radial polarization state. That is, if no electric field is generated, the polarization state does not change before and after passing through the electro-optic element 30.

図7に示すように、バンチ37とパルスレーザ光とは、同じタイミングで、電気光学素子30を通過する。なお、図7は、電気光学素子30のYZ面における断面図であり、電気光学素子30を通過するバンチ37とパルス光を模式的に示している。さらに、図7では、分割領域30aを通過するパルス光をパルス光35aとし、分割領域30hを通過するパルス光をパルス光35hとしている。従って、領域Aの光がパルス光35aであり、領域Hの光がパルス光35hである。   As shown in FIG. 7, the bunch 37 and the pulse laser beam pass through the electro-optic element 30 at the same timing. FIG. 7 is a cross-sectional view of the electro-optical element 30 on the YZ plane, and schematically shows the bunch 37 and the pulsed light that pass through the electro-optical element 30. Further, in FIG. 7, the pulsed light that passes through the divided region 30a is referred to as pulsed light 35a, and the pulsed light that passes through the divided region 30h is referred to as pulsed light 35h. Therefore, the light in region A is pulsed light 35a, and the light in region H is pulsed light 35h.

図7に示すように、パルスレーザ光は、バンチ37と同期して、電気光学素子30を通過する。具体的には、パルスレーザ光が電気光学素子30の電気光学結晶に入射し、バンチ37が電気光学素子30の中空部33に入射する。パルスレーザ光は、バンチ長よりも十分に長くなっている。さらには、重複期間Tは、バンチ長よりも長くなっている。従って、パルスレーザ光が電気光学素子30を通過する期間には、必ず、バンチ37が電気光学素子30を通過する。ここで、バンチ37が通過する期間を、バンチ通過期間とする。バンチが通過していない期間をバンチ非通過期間とする。バンチ非通過期間は、バンチ通過期間の両側に配置される。なお、図7において、バンチ非通過期間、及びバンチ通過期間は、時間とともに左側に移動し、重複期間Tは、時間とともに右側に移動する。バンチ通過期間と電気光学素子30が重複している間では、電気光学素子30が重複期間Tに含まれることになる。さらに、バンチ非通過期間と電気光学素子30とが重複している間の一部でも、パルスレーザ光が電気光学素子30を通過している。   As shown in FIG. 7, the pulsed laser light passes through the electro-optical element 30 in synchronization with the bunch 37. Specifically, pulsed laser light enters the electro-optic crystal of the electro-optic element 30, and the bunch 37 enters the hollow portion 33 of the electro-optic element 30. The pulse laser beam is sufficiently longer than the bunch length. Furthermore, the overlap period T is longer than the bunch length. Accordingly, the bunch 37 always passes through the electro-optic element 30 during the period in which the pulse laser beam passes through the electro-optic element 30. Here, a period during which the bunch 37 passes is defined as a bunch passing period. The period when the bunch is not passing is defined as the bunch non-passing period. The bunch non-passing period is arranged on both sides of the bunch passing period. In FIG. 7, the bunch non-passing period and the bunch passing period move to the left side with time, and the overlapping period T moves to the right side with time. While the bunch passage period and the electro-optic element 30 overlap, the electro-optic element 30 is included in the overlap period T. Further, the pulse laser beam passes through the electro-optical element 30 even during a part of the overlap between the bunch non-passing period and the electro-optical element 30.

従って、パルスレーザ光が電気光学素子30を通過する期間では、電子ビーム31のバンチに含まれる電荷(電子)によって、電場が発生している。バンチ内の電荷によって発生する電場が電気光学素子30に印加される。すると、電気光学素子30は、複屈折によって、パルスレーザ光の偏光状態を変化させる。具体的には、電気光学素子30の通過前では、領域A〜領域Hのそれぞれで直線偏光であったが、通過後には、楕円偏光になる。さらに、偏光状態の変化は、電場強度によって変化する。よって、電場強度が強い領域では、直線偏光から偏光状態がより変化する。すなわち、複屈折効果は電場強度に比例して大きくなるので、電場強度が高い領域では、偏光状態の変化が大きくなる。このように、バンチが電気光学素子30を通過するタイミングとパルスレーザ光が電気光学素子30を通過するタイミングとを同期させると、偏光状態がラディアル偏光から変化する。   Accordingly, an electric field is generated by charges (electrons) contained in the bunch of the electron beam 31 during the period in which the pulse laser beam passes through the electro-optic element 30. An electric field generated by the electric charge in the bunch is applied to the electro-optic element 30. Then, the electro-optic element 30 changes the polarization state of the pulsed laser light by birefringence. Specifically, each of the regions A to H is linearly polarized before passing through the electro-optic element 30, but becomes elliptically polarized after passing. Furthermore, the change in the polarization state changes depending on the electric field strength. Therefore, in the region where the electric field strength is strong, the polarization state changes from linearly polarized light. That is, since the birefringence effect increases in proportion to the electric field strength, the change in the polarization state increases in a region where the electric field strength is high. As described above, when the timing when the bunch passes through the electro-optic element 30 and the timing when the pulse laser beam passes through the electro-optic element 30 are synchronized, the polarization state changes from the radial polarization.

なお、電気光学素子30には、遅延素子23によって遅延されたパルスレーザ光が入射している。このため、電気光学素子30の分割領域30a〜30hに入射するパルス光では、図4(b)に示すように、時間的にずれている。ここでは、図7に示すように、分割領域30aを通過するパルス光35aが、分割領域30hを通過するパルス光35hよりも先に進んでいる。   Note that pulsed laser light delayed by the delay element 23 is incident on the electro-optic element 30. For this reason, the pulsed light incident on the divided regions 30a to 30h of the electro-optical element 30 is shifted in time as shown in FIG. Here, as shown in FIG. 7, the pulsed light 35a passing through the divided region 30a is advanced ahead of the pulsed light 35h passing through the divided region 30h.

さらに、パルスレーザ光が電気光学素子30を通過する最初のタイミングでは、分割領域30aのみに領域Aのパルス光35aが入射する。Δtだけ時間が経過すると、分割領域30a、30bの2つに、領域A、Bのパルス光がそれぞれ入射する。このように、順番にパルス光が入射する分割領域が増えていく。そして、重複期間Tになると、全ての分割領域30a〜30hにパルス光が入射する。すなわち、重複期間Tでは、XY平面においてパルスレーザ光の光軸を中心とする全方位でパルスレーザ光が電気光学素子30に入射する。換言すると、XY平面において、パルスレーザ光は、周方向全体で電気光学素子30に入射している。これにより、XY平面でのスライスにおけるバンチ37の外周全体がパルスレーザ光に囲まれる。ここでは、光軸と垂直なスライス断面で、前記パルスレーザ光の外形が円周状になっている。このようにするためには、遅延素子23による最大の遅延時間をパルスレーザ光のパルス幅よりも短くする。   Further, at the first timing when the pulse laser beam passes through the electro-optic element 30, the pulse light 35a of the region A is incident only on the divided region 30a. When the time has elapsed by Δt, the pulsed light of the regions A and B is incident on the two divided regions 30a and 30b, respectively. In this way, the number of divided areas in which pulsed light is incident in order increases. In the overlap period T, the pulsed light enters all the divided regions 30a to 30h. In other words, in the overlap period T, the pulse laser beam is incident on the electro-optic element 30 in all directions around the optical axis of the pulse laser beam on the XY plane. In other words, in the XY plane, the pulsed laser light is incident on the electro-optical element 30 in the entire circumferential direction. Thereby, the entire outer periphery of the bunch 37 in the slice on the XY plane is surrounded by the pulse laser beam. Here, the outer shape of the pulse laser beam is a circle in a slice cross section perpendicular to the optical axis. In order to do this, the maximum delay time by the delay element 23 is made shorter than the pulse width of the pulse laser beam.

重複期間Tを過ぎると、分割領域30aにパルス光が入射しなくなる。次のタイミングでは、分割領域30a、30bにパルス光が入射しなくなる。そして、パルス光が入射しなくなる分割領域が徐々に増えていく。換言すると、パルス光が入射する分割領域が時間の経過によって変化する。従って、時間に応じてパルス光が入射する分割領域が順番に変わっていく。また、同じタイミングにおける波長は、領域毎にずれている。よって、バンチ通過期間と電気光学素子30と重複している間において、パルス光は領域A〜H毎に異なる波長を有している。例えば、図7に示す状態において、電気光学素子30の分割領域30aを通過している光の波長をλとし、電気光学素子30の分割領域30hを通過している光の波長をλとする。この場合、λは、λよりも短くなる。もちろん、その他の分割領域30b〜30gについても、同じタイミングでは、異なる波長の光が通過している。なお、実際には、電気光学素子30は有限の厚さを有しているため、あるタイミングで電気光学素子30に入射しているパルス光は、所定の波長幅を有している。そして、このタイミングでは、電気光学素子30の厚さに対応する波長幅の光の偏光状態が変化する。 After the overlap period T, the pulsed light does not enter the divided region 30a. At the next timing, the pulsed light does not enter the divided regions 30a and 30b. Then, the divided areas where the pulsed light does not enter gradually increase. In other words, the divided area into which the pulsed light changes changes with time. Therefore, the divided areas where the pulsed light is incident are changed in order according to time. Further, the wavelength at the same timing is shifted for each region. Therefore, the pulsed light has a different wavelength for each of the regions A to H while the bunch passage period and the electro-optic element 30 overlap. For example, in the state shown in FIG. 7, the wavelength of the light passing through the divided region 30a of the electro-optic element 30 is λ 1, and the wavelength of the light passing through the divided region 30h of the electro-optic element 30 is λ 8 . To do. In this case, λ 1 is shorter than λ 8 . Of course, in the other divided regions 30b to 30g, light of different wavelengths passes at the same timing. Actually, since the electro-optical element 30 has a finite thickness, the pulsed light incident on the electro-optical element 30 at a certain timing has a predetermined wavelength width. At this timing, the polarization state of light having a wavelength width corresponding to the thickness of the electro-optical element 30 changes.

バンチ37内の電子は、相対論的な領域まで加速されている。従って、バンチ内の電子によって発生する電場は、横方向になる。すなわち、電子ビームの進行方向(Z方向)には、電場が発生しない。バンチ内の電子による電場の電気力線は、XY平面に平行になる。隣接するスライス間で電場がカップリングしない。より、正確には、1/γのコーンの中で、電場が生成される。なお、γは、電子のローレンツ因子である。そのため、十分に高エネルギーを電子に与えると、γが大きくなり、Z方向の電場強度は無視できる。例えば、バンチに3.4nCの電荷が含まれ、バンチ幅(FWHM)が80fsec、バンチ長σzが約12μm(RMS)である場合、XY平面における中心からの距離が5mmの位置で、横方向に、最大400MV/mの電場が発生する。   The electrons in the bunch 37 are accelerated to a relativistic region. Therefore, the electric field generated by the electrons in the bunch is in the horizontal direction. That is, an electric field is not generated in the traveling direction (Z direction) of the electron beam. The electric field lines of the electric field due to the electrons in the bunch are parallel to the XY plane. The electric field does not couple between adjacent slices. More precisely, an electric field is generated in a 1 / γ cone. Note that γ is an electron Lorentz factor. Therefore, when sufficiently high energy is applied to electrons, γ increases and the electric field strength in the Z direction can be ignored. For example, if the bunch contains a charge of 3.4 nC, the bunch width (FWHM) is 80 fsec, and the bunch length σz is about 12 μm (RMS), the distance from the center in the XY plane is 5 mm, and the horizontal direction An electric field of up to 400 MV / m is generated.

電子が高エネルギーの場合、バンチ通過期間のみ、電気光学素子30に電場が印加される。従って、バンチ通過期間が電気光学素子30と重複している間のみ、パルスレーザ光の偏光状態が変化する。すなわち、バンチ非通過期間が電気光学素子30と重複している間では、パルスレーザ光の偏光状態は略変化しない。バンチ非通過期間では、領域A〜Hの光はそれぞれ直線偏光のまま変化せず、ラディアル偏光状態が保たれる。なお、バンチ非通過期間が電気光学素子30と重複している間では、重複期間Tの外側になることがある。重複期間Tの外側では、分割領域30a〜30hの一部からはパルス光が出射しない。すなわち、領域A〜Hの一部が欠損したラディアル偏光になる。なお、重複期間Tのうち、バンチ非通過期間では、ラディアル偏光のままパルスレーザ光が電気光学素子30を通過する。   When electrons have high energy, an electric field is applied to the electro-optic element 30 only during the bunch passage period. Accordingly, the polarization state of the pulse laser beam changes only while the bunch passage period overlaps with the electro-optic element 30. That is, while the bunch non-passing period overlaps with the electro-optic element 30, the polarization state of the pulse laser beam does not change substantially. In the bunch non-passing period, the light in the regions A to H remains linearly polarized and remains in the radial polarization state. In addition, while the bunch non-passing period overlaps with the electro-optic element 30, it may be outside the overlapping period T. Outside the overlap period T, no pulsed light is emitted from a part of the divided regions 30a to 30h. That is, it becomes radial polarized light in which a part of the regions A to H is lost. Note that in the overlap period T, in the bunch non-passing period, the pulsed laser light passes through the electro-optic element 30 with the radial polarization.

そして、電気光学素子30を通過したパルスレーザ光は、出射光学系40に入射する。出射光学系40は、電気光学素子30から出射したパルスレーザ光を分光測定器50まで伝播するための光学系である。出射光学系40は、ミラー41、偏光変換素子42、遅延素子43、アキシコンレンズ44、アキシコンレンズ45、及び偏光子46を有している。   Then, the pulse laser beam that has passed through the electro-optical element 30 enters the emission optical system 40. The emission optical system 40 is an optical system for propagating the pulsed laser light emitted from the electro-optic element 30 to the spectrometer 50. The exit optical system 40 includes a mirror 41, a polarization conversion element 42, a delay element 43, an axicon lens 44, an axicon lens 45, and a polarizer 46.

電気光学素子30を通過したパルスレーザ光は、ミラー41に入射する。ミラー41は、ミラー25と同様に、中心部分がくり抜かれた中空形状になっている。これにより、ミラー25と同様に、非破壊での測定が可能になる、さらに、パルスレーザ光を電子ビーム31の経路から効率よく取り出すことができる。ミラー41は、電子ビーム31のビーム経路中に配置されている。ミラー41は、レーザ光の光軸に対して45°傾斜している。従って、ミラー41は、レーザ光を、偏光変換素子42の方向に反射する。ミラー41からのレーザ光は、偏光変換素子42に入射する。   The pulsed laser light that has passed through the electro-optic element 30 enters the mirror 41. Similar to the mirror 25, the mirror 41 has a hollow shape with a central portion cut out. Thereby, similarly to the mirror 25, non-destructive measurement is possible. Furthermore, pulsed laser light can be efficiently extracted from the path of the electron beam 31. The mirror 41 is disposed in the beam path of the electron beam 31. The mirror 41 is inclined 45 ° with respect to the optical axis of the laser beam. Therefore, the mirror 41 reflects the laser light in the direction of the polarization conversion element 42. Laser light from the mirror 41 enters the polarization conversion element 42.

なお、ミラー25は、電子ビーム31の経路中に配置される。したがって、電子ビーム31の経路中に存在するミラー25は、真空中に配置される。ミラー25は真空チャンバー内に配設される。従って、ミラー41で反射したパルスレーザ光は、真空チャンバーに設けられたウィンドウを介して、偏光変換素子42に入射する。これにより、偏光変換素子42、及び遅延素子43等を大気中に配設することができる。出射光学系40の大部分を大気中に設置することができ、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 mirror 25 is arranged in the path of the electron beam 31. Therefore, the mirror 25 existing in the path of the electron beam 31 is arranged in a vacuum. The mirror 25 is disposed in the vacuum chamber. Accordingly, the pulsed laser light reflected by the mirror 41 enters the polarization conversion element 42 through the window provided in the vacuum chamber. Thereby, the polarization conversion element 42, the delay element 43, etc. can be arrange | positioned in air | atmosphere. Most of the emission optical system 40 can be installed in the atmosphere, and the optical system can be easily adjusted. Therefore, convenience can be improved.

ミラー41で反射したパルスレーザ光は、偏光変換素子42に入射する。偏光変換素子42は、偏光変換素子24と同じ構成を有している。すなわち、図5(b)の構成と同じ構成の偏光変換素子24が用いられる。従って、偏光変換素子42には、ナノフォトン社製Zpolを用いることができる。なお、偏光変換素子24の構成は偏光変換素子24と同様であるため説明を詳細な省略する。また、偏光変換素子42は、偏光変換素子24と同様に配置される。すなわち、偏光変換素子42と偏光変換素子24とは、領域Aに対応する分割領域が同じ方向の光学軸になっている。   The pulsed laser light reflected by the mirror 41 enters the polarization conversion element 42. The polarization conversion element 42 has the same configuration as the polarization conversion element 24. That is, the polarization conversion element 24 having the same configuration as that of FIG. Accordingly, Zpol manufactured by Nanophoton Co. can be used for the polarization conversion element 42. Note that the configuration of the polarization conversion element 24 is the same as that of the polarization conversion element 24, and therefore the description thereof is omitted in detail. The polarization conversion element 42 is arranged in the same manner as the polarization conversion element 24. That is, in the polarization conversion element 42 and the polarization conversion element 24, the divided areas corresponding to the area A are optical axes in the same direction.

偏光変換素子42は、入射位置に応じて偏光状態を変換する。ラディアル偏光状態の光が偏光変換素子42に入射すると、偏光状態が直線偏光に変換される。例えば、図5(a)において、−Z方向にパルスレーザ光が伝播することになる。すなわち、図5(a)の右側から左側にパルスレーザ光が伝播している。ラディアル偏光が偏光変換素子42を通過することで、パルスレーザ光が直線偏光になる。すなわち、偏光変換素子42は、偏光変換素子24で変換した偏光状態を元の偏光状態に戻す。従って、偏光変換素子42は、偏光変換素子24で変換されたラディアル偏光状態を解消する偏光状態解消素子となる。   The polarization conversion element 42 converts the polarization state according to the incident position. When light in a radial polarization state enters the polarization conversion element 42, the polarization state is converted into linearly polarized light. For example, in FIG. 5A, pulsed laser light propagates in the −Z direction. That is, the pulse laser beam propagates from the right side to the left side in FIG. By passing the radially polarized light through the polarization conversion element 42, the pulsed laser light becomes linearly polarized light. That is, the polarization conversion element 42 returns the polarization state converted by the polarization conversion element 24 to the original polarization state. Therefore, the polarization conversion element 42 becomes a polarization state cancellation element that cancels the radial polarization state converted by the polarization conversion element 24.

但し、偏光変換素子42に入射するパルスレーザ光は、上記の通り、偏光状態がラディアル偏光から変化している。すなわち、電気光学結晶の影響によって、偏光状態が変化している。従って、偏光変換素子42を通過しても、パルスレーザ光は、元のラディアル偏光状態には完全に戻らない。すなわち、偏光変換素子42を通過したパルスレーザ光は、偏光状態が電気光学素子30で変化した分だけ、ラディアル偏光状態から変化している。よって、各領域A〜Hからは、バンチ37で発生する電場に応じた楕円偏光のパルス光が出射する。バンチによる電場が発生していない場合、すなわち、バンチとパルスレーザ光が電気光学素子30に入射するタイミングがずれている場合には、偏光変換素子42を通過するパルスレーザ光は、元の直線偏光に戻る。   However, as described above, the polarization state of the pulse laser beam incident on the polarization conversion element 42 is changed from the radial polarization. That is, the polarization state changes due to the influence of the electro-optic crystal. Therefore, even if it passes through the polarization conversion element 42, the pulse laser beam does not return completely to the original radial polarization state. In other words, the pulsed laser light that has passed through the polarization conversion element 42 is changed from the radial polarization state by the amount that the polarization state is changed by the electro-optic element 30. Therefore, elliptically polarized pulsed light corresponding to the electric field generated by the bunch 37 is emitted from each of the regions A to H. When the electric field due to the bunch is not generated, that is, when the timing at which the bunch and the pulse laser beam are incident on the electro-optical element 30 is shifted, the pulse laser beam that passes through the polarization conversion element 42 is the original linearly polarized light. Return to.

偏光変換素子42から出射したパルスレーザ光は、遅延素子43に入射する。遅延素子43は、図4(a)に示した遅延素子23と同様の構成を有している。すなわち、遅延素子43は、パルスレーザ光に入射位置に応じた遅延を与える。但し、遅延素子43の配置は、遅延素子23と異なっている。具体的には、遅延素子43で与えられる遅延時間と、遅延素子23で与えられる遅延時間の和が全領域A〜Hで等しくなるように、遅延素子43が配置される。従って、分割領域23hに対応する領域Hの光では、遅延素子23により最も大きい遅延時間(7×Δt)が与えられるが、遅延素子43では遅延時間が0となる。分割領域23aに対応する領域Aの光では、遅延素子23では遅延時間が0であったが、遅延素子43では最も大きい遅延時間(7×Δt)が与えられる。分割領域23bに対応する領域Bの光では、遅延素子23では遅延時間Δtが与えられ、遅延素子43では遅延時間(6×Δt)が与えられる。   The pulsed laser light emitted from the polarization conversion element 42 enters the delay element 43. The delay element 43 has the same configuration as that of the delay element 23 shown in FIG. That is, the delay element 43 gives the pulse laser beam a delay according to the incident position. However, the arrangement of the delay element 43 is different from that of the delay element 23. Specifically, the delay element 43 is arranged so that the sum of the delay time given by the delay element 43 and the delay time given by the delay element 23 is equal in all areas A to H. Therefore, in the light of the region H corresponding to the divided region 23 h, the delay element 23 gives the longest delay time (7 × Δt), but the delay element 43 has a delay time of zero. In the light of the region A corresponding to the divided region 23a, the delay time is 0 in the delay element 23, but the longest delay time (7 × Δt) is given in the delay element 43. In the light of the region B corresponding to the divided region 23b, the delay element 23 is given a delay time Δt, and the delay element 43 is given a delay time (6 × Δt).

このように、全ての領域A〜Hには、遅延素子23、及び遅延素子43によって、等しい遅延時間(7×Δt)が与えられる。従って、遅延素子43を通過すると、パルス幅が短くなり、略元のパルス幅に戻る。すなわち、遅延素子43を通過した後のパルスレーザ光と、遅延素子23を通過する前のパルスレーザ光とでは、パルス幅が略等しくなる。これにより、全領域A〜Hでは、パルス光のタイミングが一致する。このように、遅延素子43は、遅延素子23によって生じた時間遅延を解消する。すなわち、遅延素子23によって与えられた入射位置に応じた時間遅延が解消される。遅延素子43は、遅延素子23によって生じた時間遅延を解消する遅延解消素子となる。このため、Z方向において、全領域A〜Hのパルス光が同じ位置になる。例えば、領域Aのパルス光の先端と、領域Hのパルス光の先端が同じ位置になる。   Thus, the equal delay time (7 × Δt) is given to all the regions A to H by the delay element 23 and the delay element 43. Therefore, when passing through the delay element 43, the pulse width is shortened and returns to the original pulse width. That is, the pulse widths of the pulse laser light after passing through the delay element 43 and the pulse laser light before passing through the delay element 23 are substantially equal. As a result, the timing of the pulsed light is the same in all areas A to H. Thus, the delay element 43 eliminates the time delay caused by the delay element 23. That is, the time delay corresponding to the incident position given by the delay element 23 is eliminated. The delay element 43 is a delay canceling element that cancels the time delay caused by the delay element 23. For this reason, in the Z direction, the pulse lights of all the regions A to H are at the same position. For example, the tip of the pulsed light in region A and the tip of the pulsed light in region H are at the same position.

遅延素子43を通過したパルスレーザ光は、1対のアキシコンレンズ44、45に入射する。アキシコンレンズ44、45は、アキシコンレンズ21、22と同様に、円錐形状になっている。パルスレーザ光は、1対のアキシコンレンズ21、22によって屈折される。これにより、パルスレーザ光の断面が輪状から円形になる。   The pulsed laser light that has passed through the delay element 43 is incident on a pair of axicon lenses 44 and 45. Similar to the axicon lenses 21 and 22, the axicon lenses 44 and 45 have a conical shape. The pulsed laser light is refracted by a pair of axicon lenses 21 and 22. Thereby, the cross section of the pulse laser beam is changed from a ring shape to a circle.

アキシコンレンズ45で屈折されたパルスレーザ光は、偏光子46に入射する。なお、パルスレーザ光は、アキシコンレンズ45によって、偏光子46に集光している。偏光子46は所定の偏光面の直線偏光を取り出す。例えば、偏光子46は、P偏光を透過して、S偏光を透過しない。すなわち、偏光子46はパルスレーザ光からP偏光のみを取り出す。偏光子46としては、偏光板や偏光プリズムなどを用いることができる。例えば、グラントムソンプリズムやウォラストンプリズムを用いることができる。例えば、光学技研社製のDUVグラントムソンプリズムを用いることができる。DUVグラントムソンプリズムは、5:1000000の高い消光比を有し、180〜2200nmの広帯域に対応している。
なお、グラントムソンプリズムには、S偏光成分を意図的にカットするように作られているものもある。このようなグラントムソンプリズムを偏光子46として用いると、P偏光が通過して、S偏光は通過しなくなる。すなわち、パルスレーザ光からP偏光成分が取り出される。なお、偏光子46の消光比を、100000:1以上とすることが好ましく、1000000:1程度とすることがさらに好ましい。偏光子46は、所定の偏光面の光を取り出す。すなわち、パルスレーザ光のうちの所定の偏光成分が取り出される。ここでは、Y方向の直線偏光成分を取り出す。すなわち、Y方向に振動している偏光成分が偏光子46を通過し、X方向に振動している偏光成分は、偏光子46を通過しない。
The pulsed laser light refracted by the axicon lens 45 enters the polarizer 46. The pulsed laser light is focused on the polarizer 46 by the axicon lens 45. The polarizer 46 extracts linearly polarized light having a predetermined polarization plane. For example, the polarizer 46 transmits P-polarized light and does not transmit S-polarized light. That is, the polarizer 46 extracts only the P-polarized light from the pulse laser beam. As the polarizer 46, a polarizing plate, a polarizing prism, or the like can be used. For example, a Glan-Thompson prism or a Wollaston prism can be used. For example, a DUV Glan-Thompson prism manufactured by Kogyo Giken can be used. The DUV Glan-Thompson prism has a high extinction ratio of 5: 1000000 and corresponds to a wide band of 180 to 2200 nm.
Some Glan-Thompson prisms are designed to intentionally cut the S-polarized light component. When such a Glan-Thompson prism is used as the polarizer 46, P-polarized light passes and S-polarized light does not pass. That is, the P-polarized component is extracted from the pulse laser beam. The extinction ratio of the polarizer 46 is preferably 100000: 1 or more, and more preferably about 1000000: 1. The polarizer 46 extracts light having a predetermined polarization plane. That is, a predetermined polarization component of the pulse laser beam is extracted. Here, a linearly polarized light component in the Y direction is extracted. That is, the polarization component oscillating in the Y direction passes through the polarizer 46, and the polarization component oscillating in the X direction does not pass through the polarizer 46.

偏光子46によって取り出される光について図8を用いて説明する。図8は、偏光子46で取り出される光を説明するための図である。図8(a)は、領域Aにおけるパルス光35aのうちのP偏光成分を示す概念図であり、図8(b)は、領域Aにおけるパルス光35aのうちのS偏光成分を示す概念図である。図8(c)は、領域Hにおけるパルス光35hのうちのP偏光成分を示す概念図であり、図8(d)は、領域Hにおけるパルス光35hのうちのS偏光成分を示す概念図である。なお、図8において、横軸は波長、縦軸はそれぞれの偏光成分の強度を示している。従って、図8は、P偏光成分、及びS偏光成分のスペクトルを示している。また、遅延素子43によって領域間の時間遅延が解消されているため、横軸を時間として捉えることもできる。   The light extracted by the polarizer 46 will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a diagram for explaining the light extracted by the polarizer 46. FIG. 8A is a conceptual diagram showing the P-polarized component of the pulsed light 35a in the region A, and FIG. 8B is a conceptual diagram showing the S-polarized component of the pulsed light 35a in the region A. is there. FIG. 8C is a conceptual diagram showing the P-polarized component of the pulsed light 35h in the region H, and FIG. 8D is a conceptual diagram showing the S-polarized component of the pulsed light 35h in the region H. is there. In FIG. 8, the horizontal axis indicates the wavelength, and the vertical axis indicates the intensity of each polarization component. Therefore, FIG. 8 shows the spectra of the P-polarized component and the S-polarized component. Further, since the time delay between the regions is eliminated by the delay element 43, the horizontal axis can be regarded as time.

上記のように、バンチ通過期間のみ、偏光状態が変化する。また、バンチ通過期間内では、領域A〜Hに応じて光の波長がずれている。従って、電気光学素子30によって偏光状態が変化した光の波長が領域毎に異なっている。例えば、重複期間Tにおける領域Aのパルス光35aの波長範囲は、λaL〜λaSである。電気光学素子30を通過後、波長範囲λaL〜λaSの一部で、偏光状態が変化する。換言すると、パルス光35aでは、波長範囲λaL〜λaSの外側で偏光状態が変化しない。このため、偏光変換素子42を通過後、波長範囲λaL〜λaSの外側では、P偏光成分のみになる。電気光学素子30を通過後、波長範囲λaL〜λaS内では楕円偏光に変化している。このため、偏光変換素子42を通過後、波長範囲λaL〜λaSの外側では、P偏光成分、及びS偏光成分が存在する。 As described above, the polarization state changes only during the bunch passage period. Further, within the bunch passage period, the wavelength of light is shifted according to the regions A to H. Therefore, the wavelength of the light whose polarization state has been changed by the electro-optic element 30 differs from region to region. For example, the wavelength range of the pulsed light 35a in the region A in the overlap period T is λ aL to λ aS . After passing through the electro-optic element 30, the polarization state changes in a part of the wavelength range λ aL to λ aS . In other words, in the pulsed light 35a, the polarization state does not change outside the wavelength range λ aL to λ aS . Therefore, after passing through the polarization conversion element 42, only the P-polarized light component is present outside the wavelength range λ aL to λ aS . After passing through the electro-optic element 30, it changes to elliptically polarized light within the wavelength range λ aL to λ aS . For this reason, after passing through the polarization conversion element 42, the P-polarized light component and the S-polarized light component exist outside the wavelength range λ aL to λ aS .

よって、偏光子46に入射する領域Aのパルス光35aでは、P偏光成分が図8(a)に示すようになり、S偏光成分が図8(b)に示すようになる。ここで、S偏光成分が出現する波長は波長範囲λaL〜λaSの中に含まれる。このように、パルス光35aには、一部の波長のみで、S偏光成分が存在する。また、P偏光成分は、波長範囲λaL〜λaSの外側で一定になる。理想的には、P偏光成分とS偏光成分の和は波長によらず一定になる。 Therefore, in the pulsed light 35a in the region A incident on the polarizer 46, the P-polarized component is as shown in FIG. 8A, and the S-polarized component is as shown in FIG. 8B. Here, the wavelength at which the S polarization component appears is included in the wavelength range λ aL to λ aS . As described above, the pulsed light 35a has an S-polarized component only in a part of wavelengths. The P-polarized component is constant outside the wavelength range λ aL to λ aS . Ideally, the sum of the P-polarized component and the S-polarized component is constant regardless of the wavelength.

同様に、領域Hのパルス光35hについても、一部の波長のみで、S偏光成分が存在する。そして、S偏光成分が存在する波長が、領域Aと異なっている。例えば、重複期間Tにおける領域Hのパルス光35hの波長範囲は、λhL〜λhSである。従って、波長範囲λhL〜λhSの中のみ、S偏光成分が存在する。なお、領域B〜Gについては、図示していないが、領域B〜Gでも、一部の波長にのみ、S偏光成分が存在する。そして、それぞれの領域A〜Hにおいて、S偏光成分が存在する波長が重複していない。すなわち、S偏光成分が存在する波長は、領域A〜H毎に完全に異なっている。 Similarly, with respect to the pulsed light 35h in the region H, an S-polarized component exists only at a part of the wavelengths. The wavelength at which the S-polarized component exists is different from the region A. For example, the wavelength range of the pulsed light 35h regions H in the overlap period T is a lambda hL to [lambda] hS. Therefore, only in the wavelength range lambda hL to [lambda] hS, there are S-polarized light component. Although the regions B to G are not illustrated, the S polarization component exists only in some wavelengths in the regions B to G. And in each area | region AH, the wavelength in which an S polarization component exists does not overlap. That is, the wavelength at which the S-polarized component exists is completely different for each of the regions A to H.

ここで、偏光子46は、P偏光成分のみを通過させる。このため、図8(b)、及び図8(d)に示すS偏光成分が削られる。すなわち、図8(a)、及び図8(c)に示すP偏光成分のみを偏光子46によって取り出す。各領域A〜HのP偏光成分のグラフでは、領域毎に異なる波長で凹みが生じている。この凹みは、S偏光成分に対応している。よって、凹みの大きさは、バンチ37内の電子群によって発生する電場に応じて、変化する。換言すると、XY平面における電子の横方向スライスの空間分布に応じて、P偏光成分の強度が変化する。   Here, the polarizer 46 passes only the P-polarized light component. For this reason, the S polarization component shown in FIGS. 8B and 8D is cut. That is, only the P-polarized component shown in FIGS. 8A and 8C is extracted by the polarizer 46. In the graph of the P polarization component in each of the regions A to H, a dent is generated at a different wavelength for each region. This dent corresponds to the S-polarized component. Therefore, the size of the recess changes according to the electric field generated by the electron group in the bunch 37. In other words, the intensity of the P-polarized component changes according to the spatial distribution of the lateral slice of electrons in the XY plane.

偏光子46を通過したパルスレーザ光は、図1に示すように、分光測定器50に入射する。なお、遅延素子43によって時間遅延が解消されているため、全領域のP偏光成分が同じタイミングで分光測定器50に入射する。すなわち、各領域のパルス光に時間的なずれが存在していないので、同時に全領域A〜Hのパルス光が入射する。分光測定器50は、分光部51と検出部52とを有している。   The pulsed laser light that has passed through the polarizer 46 enters the spectrometer 50 as shown in FIG. In addition, since the time delay is eliminated by the delay element 43, the P-polarized light components in the entire region enter the spectroscopic instrument 50 at the same timing. That is, since there is no temporal shift in the pulsed light in each region, the pulsed light in all regions A to H is incident at the same time. The spectrometer 50 has a spectroscopic unit 51 and a detection unit 52.

分光部51は、回折格子(グレーティング)やプリズムなどの分光素子を備えた分光器(スペクトロスコープ)である。分光部51は、入射側に設けられているスリット等を介して入射したパルスレーザ光をその波長に応じて空間的に分散させる。反射型回折格子を用いた分光部51の場合、さらに入射スリットからの光を分光素子までに導く凹面ミラーと分光素子によって分光された光を検出部52まで導く凹面ミラーなどの光学系が設けられている。もちろん、上記以外の構成を有する分光部51を用いてもよい。パルスレーザ光は分光部51によって入射スリットの方向と垂直な方向に分散される。すなわち、分光部51は、入射スリットのライン状の開口部と垂直な方向に出射光を波長分散する。分光部51により分光された出射光は検出部52に入射する。   The spectroscopic unit 51 is a spectroscope (spectroscope) including spectroscopic elements such as a diffraction grating (grating) and a prism. The spectroscopic unit 51 spatially disperses the pulsed laser light incident through a slit or the like provided on the incident side according to the wavelength. In the case of the spectroscopic unit 51 using a reflective diffraction grating, an optical system such as a concave mirror that guides light from the incident slit to the spectroscopic element and a concave mirror that guides light dispersed by the spectroscopic element to the detection unit 52 is provided. ing. Of course, you may use the spectroscopy part 51 which has a structure other than the above. The pulsed laser light is dispersed by the spectroscopic unit 51 in a direction perpendicular to the direction of the entrance slit. That is, the spectroscopic unit 51 wavelength-disperses the emitted light in a direction perpendicular to the line-shaped opening of the entrance slit. The outgoing light split by the spectroscopic unit 51 enters the detection unit 52.

検出部52は受光素子がマトリクス状に配列されたエリアセンサ(カメラ)である。具体的には、検出部52は受光画素がアレイ状に配置された2次元CCDカメラ、CMOSカメラなどの2次元アレイ光検出器である。例えば、検出部52には、ビジョンリサーチ社(Vision Resarch社)製のPhantom V10.0等の超高解像高感度カメラを用いることができる。Phantom V10.0は例えば、4.3Mピクセル有している。さらに、受光量が低い場合は、カメラにイメージインテンシファイアに取り付けることも可能である。尚、イメージインテンシファイアには、残光時間の短いものを用いることが好ましい。これにより、繰り返し測定の制限が緩和され、測定の繰り返し周波数を高くすることができる。例えば、DHT(デルフトハイテック)社のイメージインテンシファイアを用い、蛍光面材料をP46とすることが好ましい。また、例えば、SPECTRAL IMAGING社製 ImSpectorなどを用いて、スペクトルグラフィー(スペクトル撮像)でスペクトルイメージを測定してもよい(H. Tomisawa et.al. "Spectrographic approch for the diagnosis of rf breakdown in accelerating rf structure" Applied Surface Science 235(2004)214−220)。この分光測定器50は、例えば、PGP構造(Prism−Grating−Prisim)を取っている。   The detection unit 52 is an area sensor (camera) in which light receiving elements are arranged in a matrix. Specifically, the detection unit 52 is a two-dimensional array photodetector such as a two-dimensional CCD camera or a CMOS camera in which light receiving pixels are arranged in an array. For example, the detection unit 52 may be an ultra-high resolution high-sensitivity camera such as Phantom V10.0 manufactured by Vision Research. Phantom V10.0 has, for example, 4.3M pixels. Further, when the amount of received light is low, it can be attached to the image intensifier on the camera. It is preferable to use an image intensifier with a short afterglow time. Thereby, the restriction | limiting of a repetition measurement is eased and the repetition frequency of a measurement can be made high. For example, it is preferable to use an image intensifier of DHT (Delft High-Tech) Co., and the phosphor screen material is P46. In addition, for example, spectral images (spectral imaging) may be measured using ImSpector manufactured by SPECTRAL IMAGEING, etc. (H. Tomisawa et. Al. “Spectographic aprot for the breast frequre br ir f br ed br ech ri fre c) "Applied Surface Science 235 (2004) 214-220). The spectrometer 50 has, for example, a PGP structure (Prism-Grating-Prism).

分光部51で分光されることによって、異なる波長の光が、異なる受光画素に入射する。すなわち、波長に応じて入射する受光画素がずれる。これにより、パルスレーザ光のスペクトル測定が可能になる。例えば、最長波長λの光は受光画素列の一端側の受光画素に入射し、最短波長λの光は他端側の受光画素に入射する。そして、波長に応じて入射する受光画素が異なる。さらに、チャーピングされたパルスレーザ光を用いているため、受光画素列がパルスレーザ光内の時間に対応する。従って、パルス内において異なるタイミングの光は、異なる受光画素に入射する。例えば、パルス先端の光は、受光画素列の一端側の受光画素に入射し、パルス後端の光は、受光画素列の他端の受光画素に入射する。そして、1パルスのスペクトルを検出部52のカメラの1フレームで検出する。すなわち、分光測定器50のカメラの1フレームで、パルスレーザ光の1パルスのスペクトルが取得される。これにより、パルスレーザ光のスペクトル分布を高速に測定することができる。 As a result of being split by the spectroscopic unit 51, light of different wavelengths enters different light receiving pixels. That is, the incident light receiving pixel is shifted according to the wavelength. Thereby, it is possible to measure the spectrum of the pulse laser beam. For example, the light with the longest wavelength λ 1 is incident on the light receiving pixel on one end side of the light receiving pixel row, and the light with the shortest wavelength λ s is incident on the light receiving pixel on the other end side. The incident light receiving pixels are different depending on the wavelength. Further, since the chirped pulse laser beam is used, the light receiving pixel array corresponds to the time in the pulse laser beam. Therefore, light at different timings in the pulse enters different light receiving pixels. For example, the light at the front end of the pulse is incident on a light receiving pixel on one end side of the light receiving pixel row, and the light at the rear end of the pulse is incident on a light receiving pixel on the other end of the light receiving pixel row. Then, the spectrum of one pulse is detected by one frame of the camera of the detection unit 52. That is, the spectrum of one pulse of the pulsed laser beam is acquired by one frame of the camera of the spectroscopic measuring instrument 50. Thereby, the spectral distribution of the pulse laser beam can be measured at high speed.

ここで、分光測定器50に入射したパルスレーザ光について、図9を用いて説明する。図9は、パルスレーザ光のスペクトルを模式的に示すグラフである。なお、図9のグラフでは、横方向が波長を示しており、縦方向がパルスレーザ光の強度を示している。図9でのパルスレーザ光の強度は、P偏光成分の強度である。また、分光部51で分光された後では、横方向を検出部52のカメラ受光面における空間的な位置として捉えることも可能である。さらに、遅延素子43によって領域間の時間遅延が解消されているため、横方向を時間軸として捉えることもできる。図9のスペクトルは、カメラの1フレームで測定される。   Here, the pulse laser beam incident on the spectrometer 50 will be described with reference to FIG. FIG. 9 is a graph schematically showing the spectrum of the pulse laser beam. In the graph of FIG. 9, the horizontal direction indicates the wavelength, and the vertical direction indicates the intensity of the pulsed laser beam. The intensity of the pulse laser beam in FIG. 9 is the intensity of the P-polarized component. In addition, after the light is split by the spectroscopic unit 51, the horizontal direction can be regarded as a spatial position on the camera light receiving surface of the detection unit 52. Furthermore, since the time delay between the regions is eliminated by the delay element 43, the horizontal direction can be taken as the time axis. The spectrum of FIG. 9 is measured in one frame of the camera.

それぞれの領域A〜HのP偏光成分が足し合わされて、分光測定器50に入射している。バンチ37と同期して電気光学素子30を通過する光は、領域に応じて、異なる波長範囲に展開されている。電子からの電場が印加されている状態の電気光学素子30を通過するパルス光は、領域毎に異なる波長になっている。このため、S偏光成分に対応する凹みが存在する波長範囲が領域A〜H毎にずれている。従って、分光測定器50に入射するパルスレーザ光のスペクトルは、8つの凹みが生じている。それぞれの凹みは、各領域A〜Hのスペクトルの凹みに対応する。この凹みは、偏光子46で削られたS偏光成分に対応する。例えば、図9に示されているスペクトルの一番右の凹みは、領域Aのパルス光のS偏光成分に対応する。   The P-polarized components in the respective regions A to H are added and are incident on the spectrometer 50. The light passing through the electro-optic element 30 in synchronization with the bunch 37 is developed in different wavelength ranges depending on the region. The pulsed light passing through the electro-optical element 30 in a state where an electric field from electrons is applied has a different wavelength for each region. For this reason, the wavelength range in which the dent corresponding to the S-polarized component exists is shifted for each of the regions A to H. Accordingly, the spectrum of the pulsed laser light incident on the spectrophotometer 50 has eight dents. Each dent corresponds to a dent in the spectrum of each region AH. This dent corresponds to the S-polarized component shaved by the polarizer 46. For example, the rightmost dent of the spectrum shown in FIG. 9 corresponds to the S-polarized component of the pulsed light in region A.

一番右の凹みは、波長範囲λaL〜λaSの中に含まれる。また、一番左の凹みは、領域Hのパルス光のS偏光成分に対応する。このため、一番左の凹みは、波長範囲λhL〜λhSの中に含まれる。同様に、スペクトルには、領域B〜GのS偏光成分に対応する凹みが生じている。それぞれの凹みは、異なる波長に表れる。そして、全ての凹みが他の凹みと重なっていない。異なる領域の凹みは、基準遅延時間Δtに対応する波長だけずれている。すなわち、それぞれの凹みが時間的に離間する。分光部51で分光すると、それぞれの凹みは、異なる波長に展開されている。8つの凹みに対応する波長の光は、カメラ受光面の異なる位置に入射する。よって、8つの凹みに対応する波長のP偏光成分は、異なる受光画素で検出される。 The rightmost recess is included in the wavelength range λ aL to λ aS . The leftmost dent corresponds to the S-polarized component of the pulsed light in region H. Thus, the leftmost indentations are included in the wavelength range λ hLhS. Similarly, the spectrum has dents corresponding to the S-polarized components in the regions B to G. Each dent appears at a different wavelength. And all the dents do not overlap with other dents. The dents in the different areas are shifted by a wavelength corresponding to the reference delay time Δt. That is, the respective recesses are separated in time. When the light is split by the spectroscopic unit 51, the respective recesses are developed at different wavelengths. The light of the wavelength corresponding to eight dents injects into the different position of a camera light-receiving surface. Therefore, P-polarized light components having wavelengths corresponding to the eight depressions are detected by different light receiving pixels.

一つの凹みは一つの分割領域の電場に対応している。すなわち、各分割領域30a〜30hの電場に応じて、凹みの形状が変化する。この凹みの形状は、電気光学素子の時間応答に対応した時間分解能での、各スライスの電場の変化に対応する。例えば、領域Aの電場に応じて、一番右の凹みが変化する。電子数の多い領域ほど、電場強度が高くなる。また、バンチの横方向スライスの空間分布が偏ると、電荷と電気光学素子30が近い領域では、電場強度が高くなる。これにより、電気光学素子30における複屈折効果が大きくなり、偏光状態の変化が大きくなる。偏光状態の変化が大きいと、パルス光のP偏光成分がより減少し、S偏光成分がより増加する。従って、それぞれの凹みの形状は、XY平面における電荷分布に反映される。すなわち、XY平面における電荷分布が非対称になると、8つの凹みの形状に違いが生じる。XY平面におけるバンチ形状に応じて、各波長範囲のスペクトル分布が変化する。各領域のP偏光成分を比較することで、XY平面における電子の分布を測定することが可能になる。これにより、XY平面におけるバンチ形状、及びバンチの位置を測定することができる。   One recess corresponds to the electric field of one divided region. That is, the shape of the dent changes according to the electric field of each of the divided regions 30a to 30h. The shape of the dent corresponds to the change in the electric field of each slice with a time resolution corresponding to the time response of the electro-optic element. For example, the rightmost dent changes according to the electric field in region A. As the number of electrons increases, the electric field strength increases. Also, if the spatial distribution of the lateral slices of the bunch is biased, the electric field strength increases in the region where the charge and the electro-optic element 30 are close. Thereby, the birefringence effect in the electro-optic element 30 is increased, and the change in the polarization state is increased. When the change in the polarization state is large, the P-polarized component of the pulsed light is further reduced and the S-polarized component is further increased. Therefore, the shape of each recess is reflected in the charge distribution in the XY plane. That is, when the charge distribution in the XY plane becomes asymmetric, there is a difference in the shape of the eight recesses. The spectral distribution in each wavelength range changes according to the bunch shape on the XY plane. By comparing the P-polarized light components in the respective regions, it is possible to measure the electron distribution in the XY plane. Thereby, the bunch shape in the XY plane and the position of the bunch can be measured.

さらに、電気光学素子30に電場が印加されている時間が長くなると、凹みの幅が広くなる。従って、凹みの波長幅がその領域のバンチ長に対応する。さらに、各凹みの形状は、Z方向におけるバンチ形状に対応する。すなわち、Z方向のバンチ形状に応じて、凹みの形状が変化する。具体的には、バンチ内に含まれる電子数が増加すると、凹みが大きくなる。各波長範囲のP偏光成分を切り出して、足し合わせる。こうすることによって、Z方向におけるバンチ形状を計測することができる。すなたち、電子ビーム31の3次元空間分布を簡便に測定することができる。   Furthermore, when the time during which the electric field is applied to the electro-optic element 30 is increased, the width of the recess is increased. Therefore, the wavelength width of the dent corresponds to the bunch length of that region. Furthermore, the shape of each recess corresponds to a bunch shape in the Z direction. That is, the shape of the dent changes according to the bunch shape in the Z direction. Specifically, when the number of electrons contained in the bunch increases, the dent increases. Cut out and add the P-polarized light components in each wavelength range. By doing so, the bunch shape in the Z direction can be measured. Therefore, the three-dimensional spatial distribution of the electron beam 31 can be easily measured.

このように、偏光子46を通過したパルスレーザ光のスペクトルを測定することによって、電気光学素子30の印加されている電場が測定される。すなわち、バンチ37内の電子によって発生している電場の分布が、測定される。これにより、バンチ37の3次元電荷分布を推測することができる。すなわち、バンチ37内の電子の空間分布に応じて、各領域のP偏光成分の強度が変化する。さらに、Z方向のプロファイル、を測定することが可能になる。よって、バンチ長やバンチ幅を求めることができる。バンチの3次元形状をシングルショットで計測することができる。   Thus, by measuring the spectrum of the pulsed laser light that has passed through the polarizer 46, the electric field applied to the electro-optic element 30 is measured. That is, the distribution of the electric field generated by the electrons in the bunch 37 is measured. Thereby, the three-dimensional charge distribution of the bunch 37 can be estimated. That is, the intensity of the P-polarized light component in each region changes according to the spatial distribution of electrons in the bunch 37. Furthermore, it becomes possible to measure the profile in the Z direction. Therefore, the bunch length and the bunch width can be obtained. The three-dimensional shape of the bunch can be measured with a single shot.

それぞれの領域のP偏光成分に生じる凹みは、異なる波長範囲に展開されている。すなわち、全領域のP偏光成分の凹みが異なる波長になっている。従って、分光測定器50を用いてスペクトルを測定することによって、領域A〜HのP偏光成分の凹みを別々に測定することができる。これにより、XY平面における空間分布を測定することができる。例えば、電子の数が多い領域や少ない領域が判別される。このため、XY平面におけるバンチ内の電荷分布の偏りが測定される。さらには、XY平面におけるバンチの拡がりが測定される。また、チャーピングされたパルスレーザ光を用いているため、波長が時間に対応している。従って、パルスレーザ光の時間分布を測定することができる。すなわち、スペクトル分布が時間分布に対応する。これにより、バンチ37のZ方向の空間分布、すなわち、バンチ長を計測することができる。具体的には、8つの凹みを足し合わせることで、バンチ形状を計測することができる。   The dent generated in the P-polarized component in each region is developed in different wavelength ranges. In other words, the P-polarized component dents in the entire region have different wavelengths. Therefore, by measuring the spectrum using the spectrometer 50, the depressions of the P-polarized components in the regions A to H can be measured separately. Thereby, the spatial distribution in the XY plane can be measured. For example, a region where the number of electrons is large or a region where the number of electrons is small is determined. For this reason, the bias of the charge distribution in the bunch on the XY plane is measured. Furthermore, the spread of the bunch in the XY plane is measured. Further, since the chirped pulse laser beam is used, the wavelength corresponds to time. Therefore, the time distribution of the pulse laser beam can be measured. That is, the spectrum distribution corresponds to the time distribution. Thereby, the spatial distribution of the bunch 37 in the Z direction, that is, the bunch length can be measured. Specifically, the bunch shape can be measured by adding eight dents.

なお、高速の分光測定器50を用いることによって、MHzまでの高繰り返し計測に対応することができる。従って、バンチ形状の経時的な変化を測定することが可能になる。なお、上記の説明では、P偏光成分を検出したが、S偏光成分を検出してもよい。すなわち、偏光子46によって、S偏光成分を取り出して、スペクトル測定してもよい。さらに、P偏光成分、及びS偏光成分の両方を測定してもよい。この場合、偏光ビームスプリッタなどで、パルスレーザ光のS偏光成分、及びP偏光成分を分岐する。そして、それぞれの偏光成分に対してスペクトル測定を行う。この場合、2つの分光測定器で測定を行う。   In addition, by using the high-speed spectrometer 50, it is possible to cope with high repetition measurement up to MHz. Therefore, it is possible to measure the change of the bunch shape over time. In the above description, the P-polarized component is detected, but the S-polarized component may be detected. In other words, the S-polarized component may be taken out by the polarizer 46 and the spectrum may be measured. Further, both the P-polarized component and the S-polarized component may be measured. In this case, the S-polarized component and the P-polarized component of the pulse laser beam are branched by a polarizing beam splitter or the like. Then, spectrum measurement is performed for each polarization component. In this case, measurement is performed with two spectrometers.

なお、分光測定器50で測定されたスペクトルデータは、処理装置55に入力される。すなわち、処理装置55には、CPUやメモリ等の記憶領域を備えるコンピュータである。例えば、処理装置55には、演算処理部であるCPU(Central Processing Unit)、記憶領域であるROM(Read Only Memory)やRAM(Random Access Memory)、通信用のインターフェースなどを有し、焦点合わせを行うために必要な処理を実行する。例えば、ROMには、演算処理するための演算処理プログラムや、各種の設定データ等が記憶されている。そして、CPUは、このROMに記憶されている演算処理プログラムを読み出し、RAMに展開する。そして、設定データや、各センサ等からの出力に応じてプログラムを実行する。処理装置55は、メモリや外部ストレージなどの記憶装置に、データを記憶する。さらに、処理装置55は、検出結果を表示させるためのモニター等を有している。パルスレーザ光のスペクトルが表示画面に表示される。さらに、スペクトルに基づいて算出されたバンチ形状が表示される。バンチの電荷分布に応じて、スペクトル分布が変化する。よって、分光測定器50でスペクトルを測定することによって、電荷分布をモニタすることができる。   Note that the spectrum data measured by the spectrometer 50 is input to the processing device 55. That is, the processing device 55 is a computer having a storage area such as a CPU and a memory. For example, the processing device 55 includes a CPU (Central Processing Unit) that is an arithmetic processing unit, a ROM (Read Only Memory) and a RAM (Random Access Memory) that are storage areas, a communication interface, and the like. Perform the processing necessary to do it. For example, the ROM stores an arithmetic processing program for performing arithmetic processing, various setting data, and the like. Then, the CPU reads out the arithmetic processing program stored in the ROM and develops it in the RAM. Then, the program is executed in accordance with the setting data and the output from each sensor. The processing device 55 stores data in a storage device such as a memory or an external storage. Further, the processing device 55 has a monitor or the like for displaying the detection result. The spectrum of the pulse laser beam is displayed on the display screen. Further, the bunch shape calculated based on the spectrum is displayed. The spectral distribution changes according to the charge distribution of the bunch. Therefore, the charge distribution can be monitored by measuring the spectrum with the spectrometer 50.

なお、電気光学素子30には、高速非線形応答の有機ポリマーを採用することが好ましい。これにより、時間分解能を例えば、30fsecにすることができる。有機ポリマーとしては、例えば、ポリジアセチレン誘導体を用いることができる。このように、応答速度の高い電気光学素子30を用いることによって、時間分解能を向上することができる。時間分解能がバンチ長よりも十分に短いと、バンチをスライスして測定することができる。すなわち、バンチをXY平面と平行にスライスしたときの電荷分布を測定することができる。具体的には、各凹みの形状の変化が、電場の時間的な変化に対応する。従って、電場の時間的な変化から、電荷分布の時間的な変化を解析することができる。すなわち、バンチをXY断面でスライスしたときの形状を測定することが可能になる。この電荷分布測定の処理例について、図10〜図13を用いて説明する。   The electro-optic element 30 is preferably an organic polymer having a high-speed nonlinear response. Thereby, the time resolution can be set to 30 fsec, for example. As the organic polymer, for example, a polydiacetylene derivative can be used. Thus, the time resolution can be improved by using the electro-optic element 30 having a high response speed. If the time resolution is sufficiently shorter than the bunch length, the bunch can be sliced and measured. That is, the charge distribution when the bunch is sliced parallel to the XY plane can be measured. Specifically, a change in the shape of each recess corresponds to a temporal change in the electric field. Therefore, the temporal change of the charge distribution can be analyzed from the temporal change of the electric field. That is, it becomes possible to measure the shape when the bunch is sliced along the XY cross section. A processing example of the charge distribution measurement will be described with reference to FIGS.

まず、あるスライスに、単極子(モノポール)モーメント成分しかない場合について、図10を用いて説明する。この場合、点電荷が電気光学素子30の中心を通過しているとして捉えることができる。なお、図10は、単極子モーメント成分しかない場合について説明するための図である。図10の左側には、電気光学素子30に発生する電場を斜視図が模式的に示され、右側にはその時に測定されるスペクトルが示されている。なお、電荷は、点線矢印の方向に進んでいる。   First, a case where a certain slice has only a monopole (monopole) moment component will be described with reference to FIG. In this case, the point charge can be regarded as passing through the center of the electro-optic element 30. In addition, FIG. 10 is a figure for demonstrating the case where there is only a monopole moment component. The left side of FIG. 10 schematically shows a perspective view of the electric field generated in the electro-optic element 30, and the right side shows a spectrum measured at that time. In addition, the electric charge has advanced in the direction of the dotted arrow.

単極子モーメントでは、電場が点対称になる。なお、電子は、相対論的な領域まで加速されている。この場合、隣接するスライス間で電場がカップリングしない。XY平面における電場の電気力線は太実線矢印に示されるように、放射状になる。従って、電気光学素子30の全分割領域30a〜30hに対して、それぞれの結晶軸と平行に電場が印加される。そして、それぞれの分割領域30a〜30hの電場強度は等しくなる。この場合、全領域A〜Hで偏光状態の変化量が等しくなる。すなわち、分光測定器50に入射するパルスレーザ光のP偏光成分はそれぞれの領域で等しくなる。よって、図10に示すようなスペクトルが測定される。すなわち、8つの凹み(S偏光成分)の形状が等しくなっている。なお、単極子の静電ポテンシャルは、距離に反比例する。   At the monopole moment, the electric field is point-symmetric. Electrons are accelerated to a relativistic region. In this case, the electric field is not coupled between adjacent slices. The electric field lines of the electric field in the XY plane are radial as indicated by the thick solid arrows. Accordingly, an electric field is applied to all the divided regions 30 a to 30 h of the electro-optic element 30 in parallel with the respective crystal axes. And the electric field strength of each division area 30a-30h becomes equal. In this case, the amount of change in the polarization state is equal in all regions A to H. That is, the P-polarized component of the pulsed laser light incident on the spectrometer 50 is equal in each region. Therefore, a spectrum as shown in FIG. 10 is measured. That is, the shapes of the eight dents (S polarization component) are equal. Note that the electrostatic potential of the monopole is inversely proportional to the distance.

次に、あるスライスに、双極子(ダイポール)モーメント成分しかない場合について、図11を用いて説明する。すなわち、電気双極子が電気光学素子30の中心を通過しているとして捉えることができる。なお、図11は、双極子モーメント成分しかない場合について説明するための図である。図11の左側には、電気光学素子30に発生する電場を斜視図が模式的に示され、右側にはその時に測定されるスペクトルが示されている。なお、電気双極子は、点線矢印の方向に進んでいる。   Next, a case where a slice has only a dipole moment component will be described with reference to FIG. That is, it can be understood that the electric dipole passes through the center of the electro-optic element 30. In addition, FIG. 11 is a figure for demonstrating the case where there is only a dipole moment component. The left side of FIG. 11 schematically shows a perspective view of the electric field generated in the electro-optic element 30, and the right side shows a spectrum measured at that time. The electric dipole advances in the direction of the dotted arrow.

双極子では、正負の電荷が微小距離だけ離れている。図11の点線に示す等電位線は双極子の各電荷を囲む。また、電気力線は、双極子の2つの電荷を結ぶ。しかしながら、電気力線は上下2方向(双極子方向)に発散する。この2方向に対応する分割領域では、電場強度が高くなる。すなわち、図11の太実線矢印が横切る分割領域では、電場強度が他の分割領域に比べて高くなる。互いに対向する2つの分割領域では、偏光状態が大きく変化して、P偏光成分が小さくなる。この場合、8つの分割領域の2つで凹み(S偏光成分)が大きくなる。ここでは、領域C、Gに対応する凹みが大きくなっている。このように、領域A、B、D、E、F、Hに対応する6つの凹み(S偏光成分)よりも、領域C、Gに対応する2つの凹み(S偏光成分)が深くなる。なお、双極子の静電ポテンシャルは、距離の二乗に反比例する。   In a dipole, the positive and negative charges are separated by a small distance. The equipotential lines shown by dotted lines in FIG. 11 surround each charge of the dipole. The electric field lines connect two charges of the dipole. However, the electric field lines diverge in two directions (dipole direction). In the divided areas corresponding to these two directions, the electric field strength is high. In other words, the electric field strength is higher in the divided area crossed by the thick solid line arrow in FIG. 11 than in the other divided areas. In two divided regions facing each other, the polarization state changes greatly, and the P-polarized component becomes small. In this case, the recess (S-polarized component) becomes large in two of the eight divided regions. Here, the dent corresponding to the regions C and G is large. As described above, the two recesses (S-polarized components) corresponding to the regions C and G are deeper than the six recesses (S-polarized components) corresponding to the regions A, B, D, E, F, and H. Note that the electrostatic potential of the dipole is inversely proportional to the square of the distance.

さらに、あるスライスに、四重極子(クアドラポール)モーメント成分しかない場合について、図12を用いて説明する。すなわち、電気四重極子が電気光学素子30の中心を通過しているとして捉えることができる。なお、図12は、四重極子モーメント成分しかない場合について説明するための図である。図12の左側には、電気光学素子30に発生する電場の斜視図が模式的に示され、右側にはその時に測定されるスペクトルが示されている。なお、電気四重極子は、点線矢印の方向に進んでいる。   Further, a case where a certain slice has only a quadrupole moment component will be described with reference to FIG. That is, it can be understood that the electric quadrupole passes through the center of the electro-optic element 30. In addition, FIG. 12 is a figure for demonstrating the case where there is only a quadrupole moment component. The perspective view of the electric field generated in the electro-optic element 30 is schematically shown on the left side of FIG. 12, and the spectrum measured at that time is shown on the right side. The electric quadrupole advances in the direction of the dotted arrow.

四重極子では、モーメントが等しい双極子が逆向きに並んでいる。図12の点線に示す等電位線は、四重極子の各電荷を囲む。また、電気力線は、四重極子の正負の電荷を結ぶ。従って、四重極子モーメントの電場は上下左右4方向に発散する。この4方向に対応する分割領域では、電場強度が高くなる。すなわち、図12の太実線矢印が横切る分割領域では、電場強度が他の分割領域に比べて高くなる。電場強度が大きくなる4つの分割領域は1つおきに配置される。4つの電場強度では、偏光状態が大きく変化して、P偏光成分が小さくなる。この場合、8つの分割領域の4つで凹み(S偏光成分)が大きくなる。ここでは、領域B,D,F,Hに対応する凹み(S偏光成分)が大きくなっている。このように、領域A、C、E、Gに対応する4つの凹み(S偏光成分)よりも、領域B,D,F,Hに対応する4つの凹み(S偏光成分)が深くなる。   In a quadrupole, dipoles with the same moment are arranged in the opposite direction. The equipotential lines shown by dotted lines in FIG. 12 surround each charge of the quadrupole. In addition, the electric lines of force connect the positive and negative charges of the quadrupole. Therefore, the electric field of the quadrupole moment diverges in four directions, up, down, left, and right. In the divided areas corresponding to these four directions, the electric field strength is high. In other words, the electric field strength is higher in the divided area crossed by the thick solid line arrow in FIG. 12 than in the other divided areas. Every other four divided regions where the electric field strength is increased are arranged. At four electric field strengths, the polarization state changes greatly, and the P-polarized component becomes smaller. In this case, the dent (S polarization component) becomes large in four of the eight divided regions. Here, the depressions (S-polarized components) corresponding to the regions B, D, F, and H are large. As described above, the four recesses (S polarization component) corresponding to the regions B, D, F, and H are deeper than the four recesses (S polarization component) corresponding to the regions A, C, E, and G.

ここで、バンチ内の電荷による静電ポテンシャルを各モーメントの電場で近似する。そして、各モーメントの電場から、単極子、双極子、四重極子の空間分布を求める。これにより、電荷分布が求められる。すなわち、スペクトルデコーディングを行うことで、バンチ形状が計測される。ここで、単極子の静電ポテンシャルは、距離に反比例し、双極子の静電ポテンシャルは距離の二乗に反比例し、四重極子の静電ポテンシャルは距離の三乗に反比例する。従って、バンチ電荷の重心から遠いところの電場は、単極子で近似することができる。すなわち、距離が離れている場合、双極子、及び四重極子の静電ポテンシャルは見えてこない。しかしながら、近づくと双極子の静電ポテンシャルが見え、さらに近づくと四重極子の静電ポテンシャルが見えてくる。従って、バンチ内の電子によって電気光学素子30に印加される電場から、スライス毎の電荷分布を解析することができる。スライス断面における電荷分布に応じて、スペクトル分布が変化する。従って、スペクトル分布を解析することで、スライス毎の電荷分布を解析することができる。   Here, the electrostatic potential due to the charge in the bunch is approximated by the electric field of each moment. Then, the spatial distribution of monopoles, dipoles and quadrupoles is obtained from the electric field of each moment. Thereby, the charge distribution is obtained. That is, the bunch shape is measured by performing spectral decoding. Here, the electrostatic potential of the monopole is inversely proportional to the distance, the electrostatic potential of the dipole is inversely proportional to the square of the distance, and the electrostatic potential of the quadrupole is inversely proportional to the cube of the distance. Therefore, the electric field far from the center of gravity of the bunch charge can be approximated by a monopole. That is, when the distance is long, the electrostatic potential of the dipole and the quadrupole cannot be seen. However, when approaching, the electrostatic potential of a dipole can be seen, and when approaching further, the electrostatic potential of a quadrupole can be seen. Therefore, the charge distribution for each slice can be analyzed from the electric field applied to the electro-optic element 30 by the electrons in the bunch. The spectral distribution changes according to the charge distribution in the slice cross section. Therefore, the charge distribution for each slice can be analyzed by analyzing the spectral distribution.

もちろん、四重極子モーメントまでではなく、六重極子モーメントや、八重極子モーメント、あるいはそれ以上のモーメントを用いて近似してもよい。但し、六重極子では距離の4乗、八重極子では距離の5乗に反比例するため、距離が十分遠い場合は、四重極子までのモーメントに比べて、無視することができる。従って、四重極子までで近似させることで、XY平面における静電ポテンシャルを簡便かつ正確に近似することができる。よって、正確な空間分布を簡便に求めることができる。このような近似方法については、例えば、SUWADA "Multiple Analysis of Electromagnetic Field Genarated By Single−Bunch Electron Beams"を参考とすることができる。   Of course, the approximation may be performed using not a quadrupole moment but a hexapole moment, an octupole moment, or a moment greater than that. However, since the hexapole is inversely proportional to the fourth power of the distance and the octupole is fifth to the fifth power of the distance, if the distance is sufficiently long, it can be ignored compared to the moment up to the quadrupole. Therefore, by approximating up to the quadrupole, the electrostatic potential in the XY plane can be approximated easily and accurately. Therefore, an accurate spatial distribution can be easily obtained. For such an approximation method, for example, SUWADA “Multiple Analysis of Electromagnetic Field Generated By Single-Bunch Electron Beams” can be referred to.

例えば、図13に示すようなスペクトルが測定されたとする。図13は、バンチ37をスライスして測定するときの様子を説明するための図である。図13では、領域Fに対応するスペクトルを全体のスペクトルの上に拡大して示している。領域Fに対応するスペクトルは、分割領域30fに印加された電場を示している。さらに、波長範囲λfL〜λfSにおけるP偏光成分の変化が、領域FでのZ方向のバンチ形状を示している。分割領域30fに印加される電場の時間変化は、領域Fに対応する凹みの形状に対応する。すなわち、波長範囲λfL〜λfsの中で、異なる波長は、異なる時間における分割領域30fにかかる電場を示している。 For example, assume that a spectrum as shown in FIG. 13 is measured. FIG. 13 is a diagram for explaining a state in which the bunch 37 is sliced and measured. In FIG. 13, the spectrum corresponding to the region F is shown enlarged on the entire spectrum. The spectrum corresponding to the region F indicates the electric field applied to the divided region 30f. Further, the change in the P-polarized light component in the wavelength range λ fL to λ fS indicates the bunch shape in the Z direction in the region F. The time change of the electric field applied to the divided region 30f corresponds to the shape of the dent corresponding to the region F. That is, different wavelengths in the wavelength range λ fL to λ fs indicate electric fields applied to the divided regions 30f at different times.

従って、それぞれの凹みの中で任意の波長におけるP偏光成分強度が、バンチ内のあるタイミングでの電場を示している。よって、各スライスでの電荷分布は、凹み中の特定の波長におけるP偏光成分強度から算出される。すなわち、8つの凹み中のP偏光成分強度を波長毎に解析することで、スライス断面における電荷分布を求めることができる。例えば、図13のスライス断面Wにおける領域Aの波長をλa1とする。同様に、スライス断面Wにおける領域B〜Hの波長をそれぞれ、λa1、λb1、λc1、λd1、λe1、λf1、λg1、及びλh1(以下、λb1〜λh1とする)とする。λa1、λb1、λc1、λd1、λe1、λf1、λg1、及びλh1は、それぞれΔtに対応する波長だけずれている。λa1〜λh1でのP偏光成分を組み合わせて解析することで、スライス断面Wでの電場が求められる。すなわち、λb1〜λh1のP偏光成分を領域の位置に応じて組み合わせる。これにより、電場強度の空間分布が推測される。そして、この電場強度の空間分布を各モーメントの静電ポテンシャルによって近似する。そして、静電ポテンシャルから、電荷分布を求める。これにより、バンチ形状を求めることができる。 Therefore, the P-polarized component intensity at an arbitrary wavelength in each recess indicates an electric field at a certain timing in the bunch. Therefore, the charge distribution in each slice is calculated from the P-polarized component intensity at a specific wavelength in the recess. That is, by analyzing the P-polarized component intensity in the eight depressions for each wavelength, the charge distribution in the slice cross section can be obtained. For example, the wavelength of the region A in the slice sections W 1 in FIG. 13, lambda a1. Similarly, the wavelengths of the regions B to H in the slice cross section W 1 are respectively λ a1 , λ b1 , λ c1, λ d1, λ e1, λ f1 , λ g1 , and λ h1 (hereinafter referred to as λ b1 to λ h1 ). ). λ a1 , λ b1 , λ c1, λ d1, λ e1, λ f1 , λ g1 , and λ h1 are each shifted by a wavelength corresponding to Δt. By combining and analyzing the P-polarized light components in λ a1 to λ h1 , the electric field in the slice cross section W 1 is obtained. That is, the P-polarized components of λ b1 to λ h1 are combined according to the position of the region. Thereby, the spatial distribution of the electric field strength is estimated. Then, the spatial distribution of the electric field strength is approximated by the electrostatic potential of each moment. Then, a charge distribution is obtained from the electrostatic potential. Thereby, a bunch shape can be calculated | required.

スライス断面Wにおいて、各分割領域30a〜30hに印加されている電場の電場強度が求められる。その電場強度に基づいて、電荷分布を求めることができる。すなわち、この8つの波長におけるP偏光成分を用いて、各モーメント成分で電荷分布を近似する。そして、λa1、λb1、λc1、λd1、λe1、λf1、λg1、及びλh1をそれぞれ短波長側にずらすと、次のスライス断面Wでの電荷分布を求めることができる。このように、8つの領域A〜Fに対応する波長範囲の中から対応する8波長を抽出する。そして、抽出された8波長でのP偏光成分に基づいて、XY平面における電荷分布を測定することができる。また、電子は相対論的な領域まで加速されているため、隣接するスライス間で電場がカップリングしない。よって、スライス毎に電荷分布を簡便に計測することができる。このように、スペクトルデコーディングを行うことで、スライス毎の電荷分布に関する情報を簡便に取得することができる。 In slice sections W 1, the electric field intensity of the electric field is applied to the divided areas 30a~30h is obtained. Based on the electric field strength, the charge distribution can be obtained. That is, the charge distribution is approximated by each moment component using the P-polarized components at these eight wavelengths. Then, when λ a1 , λ b1 , λ c1, λ d1, λ e1, λ f1 , λ g1 , and λ h1 are shifted to the short wavelength side, the charge distribution in the next slice section W 2 can be obtained. . In this manner, eight wavelengths corresponding to the eight wavelength ranges corresponding to the regions A to F are extracted. Based on the extracted P-polarized light components at 8 wavelengths, the charge distribution in the XY plane can be measured. In addition, since the electrons are accelerated to the relativistic region, the electric field is not coupled between adjacent slices. Therefore, the charge distribution can be easily measured for each slice. Thus, by performing spectrum decoding, information regarding the charge distribution for each slice can be easily obtained.

上記の測定方法による時間分解能は、フーリエパルス限界とチャーピングされたパルスレーザ光のパルス幅に応じて制限されてしまう。具体的には、フーリエパルス限界のパルス幅と、チャーピングされたパルスレーザ光のパルス幅の積の平方根に比例する。従って、電気光学素子30に入射するパルスレーザ光のパルス幅をより狭くすることが好ましい。この場合、パルスレーザ光とバンチのジッターを考慮して、パルス幅をバンチ長の10倍程度にしておくことが好ましい。   The time resolution by the above measuring method is limited according to the Fourier pulse limit and the pulse width of the chirped pulse laser beam. Specifically, it is proportional to the square root of the product of the pulse width of the Fourier pulse limit and the pulse width of the chirped pulse laser beam. Therefore, it is preferable to narrow the pulse width of the pulsed laser light incident on the electro-optic element 30. In this case, it is preferable to set the pulse width to about 10 times the bunch length in consideration of the jitter of the pulse laser beam and the bunch.

上記のように、時間分解能は、フーリエパルス限界によって制限される。ここで、測定された電場から、実際の電場を算出することで、より時間分解能を向上することができる。このキャリブレーション処理について、以下に説明する。ここで、電気光学素子30に印加されている実際の実電場をEcoul(τ)とすると、電気光学素子30を通過した光に基づいて測定される測定電場は、Ecoul(τ+t)×cos(τ/α−π/4)となる。これについては、例えば、Jamison et al.Opt.Lett.18 1710(2003)に記載されている。ここで、τは時間、tはフーリエパルス限界、αは電気光学素子30の分散である。従って、測定電場から実電場を逆算することができる。これにより、時間分解能を向上することができる。なお、上記の逆算を電気光学素子30に入射するパルスレーザ光のパルス波形によって補償してもよい。すなわち、パルス波形を矩形から変形させることで、スペクトル分布から直接実電場を求めることができる。具体的には、光変調器13aの変調信号を制御して、電気光学結晶の分散に基づいて波長毎の強度を変化させる。これにより、スペクトル測定から直接換算された電場が実電場となる。よって、電子ビームの空間分布を簡便に測定することができる。 As mentioned above, the time resolution is limited by the Fourier pulse limit. Here, the time resolution can be further improved by calculating the actual electric field from the measured electric field. This calibration process will be described below. Here, if the actual actual electric field applied to the electro-optical element 30 is E coul (τ), the measurement electric field measured based on the light that has passed through the electro-optical element 30 is E coul (τ + t 0 ) × cos (τ 2 / α−π / 4). For this, see, for example, Jamison et al. Opt. Lett. 18 1710 (2003). Here, τ is time, t 0 is the Fourier pulse limit, and α is the dispersion of the electro-optic element 30. Therefore, the actual electric field can be calculated backward from the measurement electric field. Thereby, time resolution can be improved. Note that the above reverse calculation may be compensated by the pulse waveform of the pulse laser beam incident on the electro-optic element 30. That is, by changing the pulse waveform from a rectangle, the actual electric field can be obtained directly from the spectrum distribution. Specifically, the intensity of each wavelength is changed based on the dispersion of the electro-optic crystal by controlling the modulation signal of the optical modulator 13a. Thereby, the electric field directly converted from the spectrum measurement becomes the actual electric field. Therefore, the spatial distribution of the electron beam can be easily measured.

なお、図1では、出射光学系40に偏光変換素子42を設けたが、この構成に限られるものではない。例えば、偏光子46として、吸収軸の傾きが位置に応じて変化する偏光板を用いることで、偏光変換素子42を省略することができる。例えば、吸収軸が放射状に配置された偏光板を用いる。具体的には、8つの分割領域に対応して、扇形状の偏光板を8つ用意する。そして、吸収軸が放射状になるよう8つの偏光板を配置する。すなわち、それぞれの分割領域での吸収軸が、図6の電気光学素子30の結晶軸と平行になるように配置する。この場合、偏光子46でアジマス偏光成分が取り出され、ラディアル偏光成分が吸収される。換言すると、図8のS偏光成分に対応するスペクトルを測定することができる。これにより、偏光変換素子42を用いなくても、それぞれの領域から所定の偏光成分を取り出すことができる。すなわち、バンチ内の電子によって発生する電場強度が強くなると、吸収軸に垂直な成分が増加する。これにより、バンチ内の電子によって発生する電場強度に応じて、分光測定器50で測定されるスペクトル分布が変化する。例えば、図8に示したS偏光成分に対応するスペクトルを測定することができる。   In FIG. 1, the polarization conversion element 42 is provided in the emission optical system 40, but the configuration is not limited thereto. For example, the polarization conversion element 42 can be omitted by using, as the polarizer 46, a polarizing plate in which the inclination of the absorption axis changes according to the position. For example, a polarizing plate having absorption axes arranged radially is used. Specifically, eight fan-shaped polarizing plates are prepared corresponding to the eight divided regions. And eight polarizing plates are arrange | positioned so that an absorption axis may become radial. That is, the absorption axis in each divided region is arranged so as to be parallel to the crystal axis of the electro-optic element 30 in FIG. In this case, the polarizer 46 takes out the azimuth polarization component and absorbs the radial polarization component. In other words, the spectrum corresponding to the S polarization component in FIG. 8 can be measured. Thereby, it is possible to extract a predetermined polarization component from each region without using the polarization conversion element 42. That is, as the electric field intensity generated by the electrons in the bunch increases, the component perpendicular to the absorption axis increases. Thereby, the spectral distribution measured by the spectrometer 50 changes according to the electric field intensity generated by the electrons in the bunch. For example, the spectrum corresponding to the S polarization component shown in FIG. 8 can be measured.

例えば、異なる8枚の偏光板を組み合わせることで、入射位置に応じて異なる吸収軸を有する偏光子46を作成することができる。放射状に8等分された分割領域毎に、吸収軸の方向が異なる偏光板を配置する。これにより、偏光変換素子42を用いなくても、所定の偏光成分を取り出すことができる。よって、部品点数を削減することができ、装置構成を簡素化することができる。もちろん、吸収軸が放射状に配置されたものではなく、8個の偏光板の吸収軸が円周状に配置された偏光子を用いることも可能である。この場合、各分割領域において、図6に示す電気光学素子30の結晶軸と垂直な方向に吸収軸を配置する。これにより、図8に示したP偏光成分に対応するスペクトルを測定することができる。   For example, by combining eight different polarizing plates, a polarizer 46 having different absorption axes according to the incident position can be created. A polarizing plate having a different absorption axis direction is arranged for each of the radially divided divided regions. Thereby, it is possible to extract a predetermined polarization component without using the polarization conversion element 42. Therefore, the number of parts can be reduced, and the apparatus configuration can be simplified. Of course, it is possible to use a polarizer in which the absorption axes of the eight polarizing plates are not arranged radially, but the absorption axes of the eight polarizing plates are arranged circumferentially. In this case, an absorption axis is arranged in a direction perpendicular to the crystal axis of the electro-optic element 30 shown in FIG. Thereby, the spectrum corresponding to the P-polarized component shown in FIG. 8 can be measured.

また、偏光子46を偏光ビームスプリッタとすることで、S偏光成分とP偏光成分の両方を取り出すことができる。この場合、一方を上記のスペクトル測定に用い、他方を他の用途に用いることができる。偏光子46で分岐された一方の分岐光を分光測定器50で測定し、他方の分岐光を後述するテンポラルデコーディングに用いる。P偏光成分を上記のスペクトルデコーディングに用いて、S偏光成分をテンポラルデコーディングに用いることができる。テンポラルデコーティングを行うことによって、バンチの時間分布(縦方向の空間分布)を測定することができる。以下に、図14を用いて、テンポラルデコーティングについて説明する。図14は、バンチの時間分布を行うための構成を示す図である。なお、図14では、図1で示した光学系を適宜省略している。   Further, by using the polarizer 46 as a polarization beam splitter, both the S-polarized component and the P-polarized component can be extracted. In this case, one can be used for the spectrum measurement and the other can be used for other applications. One branched light branched by the polarizer 46 is measured by the spectrometer 50, and the other branched light is used for temporal decoding described later. The P-polarized component can be used for the spectral decoding and the S-polarized component can be used for the temporal decoding. The temporal distribution (vertical spatial distribution) of the bunch can be measured by performing temporal decoding. Hereinafter, temporal decoding will be described with reference to FIG. FIG. 14 is a diagram illustrating a configuration for performing a bunch time distribution. In FIG. 14, the optical system shown in FIG. 1 is omitted as appropriate.

偏光子46で取り出されたS偏光成分を非線形光学素子62に入射させる。非線形光学素子62は、例えば、BBO結晶であり、和周波を発生する。ここで、偏光子46で取り出されたS偏光成分のパルスレーザ光を測定光68とする。   The S-polarized component extracted by the polarizer 46 is incident on the nonlinear optical element 62. The nonlinear optical element 62 is, for example, a BBO crystal and generates a sum frequency. Here, the pulsed laser light of the S-polarized component extracted by the polarizer 46 is defined as measurement light 68.

また、レーザ発振器11からのパルスレーザ光の少なくとも一部を取り出す。すなわち、レーザ発振器11からのパルスレーザ光の一部を、スペクトルデコーディングに使用して、残りをテンポラルデコーディングに使用する。レーザ発振器11からのパルスレーザ光は、可変ディレイ61に入射する。レーザ発振器11からのパルスレーザ光は、上記の広帯域化部材12に入射せずに、可変ディレイ61に入射する。可変ディレイ61は、入射したパルスレーザ光を遅延させる。そして、遅延されたパルスレーザ光は、非線形光学素子63に入射する。ここで、可変ディレイ61から出射されたパルスレーザ光を参照光67とする。   Further, at least a part of the pulsed laser light from the laser oscillator 11 is taken out. That is, a part of the pulsed laser light from the laser oscillator 11 is used for spectral decoding, and the rest is used for temporal decoding. The pulse laser beam from the laser oscillator 11 enters the variable delay 61. The pulse laser beam from the laser oscillator 11 enters the variable delay 61 without entering the broadband member 12. The variable delay 61 delays the incident pulse laser beam. The delayed pulsed laser light is incident on the nonlinear optical element 63. Here, the pulsed laser light emitted from the variable delay 61 is referred to as reference light 67.

参照光67は、測定光68と同期して、非線形光学素子62に入射する。すなわち、可変ディレイ61のディレイ時間を調整して、測定光68と参照光67を同期させる。これにより、同じタイミングで、測定光68と参照光67が非線形光学素子62に入射している。なお、測定光68と参照光67は斜めに、非線形光学素子62の同じ面(入射面)に入射している。すなわち、測定光68の入射角と、参照光67の入射角が異なっている。そして、非線形光学素子62内で、測定光68と参照光67が交差する。そして、非線形光学素子62内では、非線形光学効果によって、和周波が発生する。すなわち、交差位置で和周波が発生する。なお、参照光67のパルス幅は、測定光68のパルス幅よりも短くなっている。   The reference light 67 enters the nonlinear optical element 62 in synchronization with the measurement light 68. That is, the delay time of the variable delay 61 is adjusted to synchronize the measurement light 68 and the reference light 67. Thereby, the measurement light 68 and the reference light 67 are incident on the nonlinear optical element 62 at the same timing. Note that the measurement light 68 and the reference light 67 are obliquely incident on the same surface (incident surface) of the nonlinear optical element 62. That is, the incident angle of the measurement light 68 and the incident angle of the reference light 67 are different. Then, the measurement light 68 and the reference light 67 intersect within the nonlinear optical element 62. In the nonlinear optical element 62, a sum frequency is generated due to the nonlinear optical effect. That is, a sum frequency is generated at the intersection position. Note that the pulse width of the reference light 67 is shorter than the pulse width of the measurement light 68.

ここで、非線形光学素子62内で、測定光68と参照光67とが伝播する様子について図15を用いて説明する。図15は、非線形光学素子62を伝播する測定光68と参照光67を模式的に示す上面図である。図15では、上から順に、非線形光学素子62を通過する測定光68と参照光67が示されている。ここでは、4つのタイミングにおける様子が上から順に示されている。図15において、最も早いタイミング(例えば、非線形光学素子62に入射した直後のタイミング)が上から1段目に示され、最も遅いタイミング(例えば、非線形光学素子62から出射する直前のタイミング)が上から4段目に示されている。測定光68は、それぞれのタイミングにおいて、左斜め上の方向に伝播している。参照光67は、それぞれのタイミングにおいて、左斜め上の方向に伝播している。   Here, how the measurement light 68 and the reference light 67 propagate in the nonlinear optical element 62 will be described with reference to FIG. FIG. 15 is a top view schematically showing the measurement light 68 and the reference light 67 propagating through the nonlinear optical element 62. In FIG. 15, measurement light 68 and reference light 67 passing through the nonlinear optical element 62 are shown in order from the top. Here, the states at the four timings are shown in order from the top. In FIG. 15, the earliest timing (for example, timing immediately after entering the nonlinear optical element 62) is shown in the first stage from the top, and the latest timing (for example, timing immediately before exiting from the nonlinear optical element 62) is upper. It is shown in the 4th row from. The measurement light 68 propagates in the upper left direction at each timing. The reference light 67 propagates in the upper left direction at each timing.

測定光68と参照光67とが交差すると、非線形光学効果によって和周波が発生する。測定光68と参照光67とは斜めに交差している。和周波光の強度は、測定光68の強度と参照光67の強度によって変化する。従って、和周波が発生する位置が、徐々に変化していく。図15では、時間が経過するにつれて、和周波が発生する位置が右側から左側にずれていく。和周波発生による光をアレイ光検出器63で検出する。アレイ光検出器63には、受光画素がアレイ状に配列されている。非線形光学素子62を通過した和周波光をアレイ光検出器63で検出する。これにより、測定光68のパルスの時間分布を測定することができる。すなわち、アレイ光検出器63の受光面上での位置が、パルスの時間方向の位置に対応する。従って、パルスの時間方向の情報が、アレイ光検出器63の受光面上の位置に展開される。アレイ光検出器63で測定結果には、測定光68の時間分布が反映されている。S偏光成分は、上記のように、バンチ形状を反映している。アレイ光検出器63で和周波を検出することによって、バンチの時間分布を測定することができる。   When the measurement light 68 and the reference light 67 intersect, a sum frequency is generated by the nonlinear optical effect. The measurement light 68 and the reference light 67 cross each other at an angle. The intensity of the sum frequency light varies depending on the intensity of the measurement light 68 and the intensity of the reference light 67. Therefore, the position where the sum frequency is generated gradually changes. In FIG. 15, the position where the sum frequency is generated shifts from the right side to the left side as time elapses. The light generated by the sum frequency is detected by the array photodetector 63. In the array photodetector 63, light receiving pixels are arranged in an array. The sum frequency light that has passed through the nonlinear optical element 62 is detected by the array photodetector 63. Thereby, the time distribution of the pulse of the measurement light 68 can be measured. That is, the position on the light receiving surface of the array photodetector 63 corresponds to the position of the pulse in the time direction. Therefore, information in the time direction of the pulse is developed at a position on the light receiving surface of the array photodetector 63. The time distribution of the measurement light 68 is reflected in the measurement result of the array photodetector 63. As described above, the S-polarized light component reflects the bunch shape. By detecting the sum frequency by the array photodetector 63, the time distribution of the bunch can be measured.

このように、電気光学素子30を通過したパルスレーザ光のパルス幅を遅延素子43で短くする。そして、非線形光学素子62内において、レーザ発振器11からの参照光67と交差させる。これにより、バンチの時間分布を測定することができる。さらに、テンポラルデコーディングによって測定されたバンチの時間分布を上記のキャリブレーションに用いることができる。すなわち、スペクトルデコーディングによって測定された時間分布をテンポラルデコーディングによって測定された時間分布によって、キャリブレーションする。なお、非線形光学素子62内において、非線形光学効果によって発生した光は、参照光67、及び測定光68から分離して、アレイ光検出器63で測定される。なお、非線形光学素子62における非線形光学効果は、和周波発生に限られるものではない。例えば、差周波発生であってもよい。   As described above, the delay element 43 shortens the pulse width of the pulse laser beam that has passed through the electro-optic element 30. Then, in the non-linear optical element 62, it intersects with the reference light 67 from the laser oscillator 11. Thereby, the time distribution of the bunch can be measured. Further, the bunch time distribution measured by temporal decoding can be used for the calibration. That is, the time distribution measured by the spectral decoding is calibrated by the time distribution measured by the temporal decoding. In the nonlinear optical element 62, the light generated by the nonlinear optical effect is separated from the reference light 67 and the measurement light 68 and measured by the array photodetector 63. The nonlinear optical effect in the nonlinear optical element 62 is not limited to the sum frequency generation. For example, difference frequency generation may be used.

さらに、偏光子46で取り出されたS偏光成分を他の用途に用いてもよい。例えば、加速器ベースの光源(放射光源)とレーザとのポンプ・プローブにおいて、パルス光を同期させるためのシグナル光として利用することもできる。ポンプ・プローブでは、例えば、レーザ光をポンプ光とし、パルス放射光をプローブ光とする。このような、ポンプ・プローブでは、エレクトロニクスの問題によって、通常、ピコ秒程度のタイミングジッターが存在する。従って、フェムト秒やアト秒の短パルスレーザをパルス放射光と、同期させることが困難である。従って、S偏光成分を同期させるためのシグナル光として用いる。これにより、正確にパルス光を同期できるため、タイミングジッタの問題を改善することができる。   Further, the S-polarized component extracted by the polarizer 46 may be used for other purposes. For example, it can be used as a signal light for synchronizing pulsed light in an accelerator-based light source (radiation light source) and a laser pump probe. In the pump probe, for example, laser light is used as pump light, and pulsed radiation light is used as probe light. In such a pump probe, timing jitter of about picosecond is usually present due to electronics problems. Therefore, it is difficult to synchronize femtosecond or attosecond short pulse lasers with pulsed radiation. Therefore, it is used as signal light for synchronizing the S polarization component. Thereby, since the pulse light can be accurately synchronized, the problem of timing jitter can be improved.

例えば、S偏光成分をシグナル光とし、Ybファイバーレーザの2倍波等をポンプ光(励起光)として、NOPA(非平行光パラメトリック増幅器、又は非同軸光パラメトリック増幅器:Noncollinear Optical Parametrix Amplifier)増幅を行う。ポンプ・プローブ測光方法において、NOPA増幅されたパルス光をポンプ光として用いる。また、電子ビームから発生したFELなどの放射光をプローブ光として用いる。もちろん、NOPA増幅されたパルス光をプローブ光として用い、量子ビームから放射した光(シンクロトロン放射光、FEL等)をポンプ光として用いてもよい。そして、プローブ光と、ポンプ光を試料に同期して入射させる。このとき、ポンプ光とプローブ光とは数度の角度をなして、BBO結晶に入射させる。光学的にディレイすることができるため、オールオプティクスで構成することができる。このため、ポンプ光と、プローブ光の間にジッターがほとんどない。ポンプ光と、プローブ光とを正確に同期して、試料に照射することができる。このように、フェムト秒電子バンチとフェムト秒で同期した、高強度のフェムト秒レーザ光を利用することができる。超短パルスを用いたポンプ・プローブ測定方法が可能になる。   For example, NOPA (non-parallel optical parametric amplifier or non-coaxial optical parametric amplifier) amplification is performed using the S-polarized component as signal light and the second harmonic wave of Yb fiber laser as pump light (excitation light). . In the pump-probe photometry method, pulse light amplified by NOPA is used as pump light. Further, radiation light such as FEL generated from an electron beam is used as probe light. Of course, NOPA-amplified pulse light may be used as probe light, and light emitted from a quantum beam (such as synchrotron radiation light or FEL) may be used as pump light. Then, the probe light and the pump light are incident on the sample in synchronization. At this time, the pump light and the probe light are incident on the BBO crystal at an angle of several degrees. Since it can be optically delayed, it can be configured with all optics. For this reason, there is almost no jitter between the pump light and the probe light. The sample can be irradiated with the pump light and the probe light in precise synchronization. In this way, high-intensity femtosecond laser light synchronized with femtosecond electron bunches and femtoseconds can be used. A pump-probe measurement method using an ultrashort pulse becomes possible.

また、上記の測定装置において、S偏光成分のレーザパルスを、そのまま光ファイバー等で実験ユーザーに光トリガー信号として配布することもできる。これにより、光トリガー信号で動く測定器(光スイッチなど)による計測実験が、可能になる。すなわち、フェムト秒タイミングジッターでの計測実験が可能になる。もちろん、S偏光成分の強度や波長が光トリガー信号として不適切であれば、その機器に合うように、NOPAにより増強、波長変換、あるいは波長選択することもできる。このように、S偏光成分を測定器の光トリガー信号として利用することができる。   In the above measurement apparatus, the laser pulse of the S-polarized component can be distributed as an optical trigger signal to the experimental user as it is using an optical fiber or the like. As a result, a measurement experiment using a measuring instrument (such as an optical switch) that moves with an optical trigger signal becomes possible. That is, a measurement experiment with femtosecond timing jitter becomes possible. Of course, if the intensity or wavelength of the S-polarized component is inappropriate as an optical trigger signal, enhancement, wavelength conversion, or wavelength selection can be performed by NOPA so as to suit the device. Thus, the S-polarized component can be used as an optical trigger signal for the measuring instrument.

さらに、上記の説明では、出射光学系40に遅延素子43を設けたが、遅延素子43を設けなくてもよい。すなわち、分光測定器50の検出部52の1フレームが十分に長い場合は、遅延素子43を用いて、パルス幅を圧縮しなくてもよい。なお、遅延素子43を用いることによって、パルス幅を縮めることができる。この場合、検出部52の撮影速度を高くする必要がある。例えば、上記のPhantom V10.0を用いることによって、153800フレーム/sec(0.15MHz相当)の繰り返し周波数でも、毎バンチの測定が可能になる。この場合、外部ストレージに画像データを直接保存することで、数十分間の測定を行うことができる。遅延素子43と遅延素子23による遅延時間の合計を、領域毎に完全に一致させなくてもよい。すなわち、一部の領域で遅延時間の合計が異なっていてもよい。   Furthermore, in the above description, the delay element 43 is provided in the emission optical system 40, but the delay element 43 may not be provided. That is, when one frame of the detection unit 52 of the spectrometer 50 is sufficiently long, it is not necessary to compress the pulse width using the delay element 43. Note that the pulse width can be reduced by using the delay element 43. In this case, it is necessary to increase the shooting speed of the detection unit 52. For example, by using the above-mentioned Phantom V10.0, it is possible to measure every bunch even with a repetition frequency of 153800 frames / sec (equivalent to 0.15 MHz). In this case, it is possible to perform measurement for several tens of minutes by directly storing the image data in the external storage. The total delay time of the delay element 43 and the delay element 23 may not be completely matched for each region. That is, the total delay time may be different in some areas.

電気光学素子30の結晶軸の方向は放射状に限られるものでない。なお、電気光学素子の結晶軸を放射状にすることによって、電子による電場の影響を受けやすくなる。すなわち、複屈折による位相変化が大きくなるため、電気光学素子30による偏光状態の変化が大きくなる。従って、より精度の高い測定を行うことができる。この場合、直線偏光をラディアル偏光に変換する偏光変換素子24を用いることが好ましい。すなわち、偏光変換素子24による電気ベクトルの振動方向と結晶軸の方向を平行にすることが好ましい。これにより、分光測定器50での受光量を高くすることができる。よって、正確に測定することができる。もちろん、電気ベクトルの振動方向と結晶軸の方向とは、完全に平行になっていなくてもよい。   The direction of the crystal axis of the electro-optic element 30 is not limited to the radial direction. In addition, it becomes easy to receive the influence of the electric field by an electron by making the crystal axis of an electro-optical element radial. That is, since the phase change due to birefringence increases, the change in the polarization state by the electro-optic element 30 increases. Therefore, more accurate measurement can be performed. In this case, it is preferable to use a polarization conversion element 24 that converts linearly polarized light into radial polarized light. That is, it is preferable to make the vibration direction of the electric vector by the polarization conversion element 24 and the direction of the crystal axis parallel. Thereby, the amount of light received by the spectrometer 50 can be increased. Therefore, it can measure correctly. Of course, the vibration direction of the electric vector and the direction of the crystal axis need not be completely parallel.

なお、偏光変換素子24と遅延素子23の配置は逆でもよい。この場合、偏光変換素子24から出射したパルスレーザ光が遅延素子23に入射する。従って、ラディアル偏光状態のパルスレーザ光が、段階的に遅延される。よって、領域A〜H毎に段階的に時間遅延が与えられる。また、偏光変換素子42と遅延素子43の配置は逆でもよい。この場合、遅延素子43から出射したパルスレーザ光が偏光変換素子42に入射する。   The arrangement of the polarization conversion element 24 and the delay element 23 may be reversed. In this case, the pulse laser beam emitted from the polarization conversion element 24 enters the delay element 23. Therefore, the pulsed laser beam in the radial polarization state is delayed in steps. Therefore, a time delay is given stepwise for each of the regions A to H. The arrangement of the polarization conversion element 42 and the delay element 43 may be reversed. In this case, the pulse laser beam emitted from the delay element 43 enters the polarization conversion element 42.

なお、上記の説明では、電子ビームの測定について説明したが、測定対象が電子に限られるものではない。例えば、陽子やイオンなどの荷電粒子ビームであれば測定することができる。すなわち、荷電粒子加速器等の荷電粒子ビームを測定することができる。なお、相対論的な領域まで加速することで、電場が縦方向にカップリングしなくなる。よって、相対論的な領域まで加速した荷電粒子の測定に好適である。よって、加速器のビーム診断に好適である。また、RF電場で加速された荷電粒子に限らず、DC電場で加速された荷電粒子であってもよい。すなわち、RF加速器だけでなく、静電加速器のビームの3次元分布を測定することができる。この場合、荷電粒子ビームの形状の経時的な変化を測定することができる。時空間上でのビームの分布を測定することができる。   In the above description, the measurement of the electron beam has been described. However, the measurement target is not limited to electrons. For example, a charged particle beam such as protons or ions can be measured. That is, a charged particle beam such as a charged particle accelerator can be measured. In addition, by accelerating to the relativistic region, the electric field is not coupled in the vertical direction. Therefore, it is suitable for measurement of charged particles accelerated to a relativistic region. Therefore, it is suitable for beam diagnosis of an accelerator. The charged particles are not limited to charged particles accelerated by an RF electric field, but may be charged particles accelerated by a DC electric field. That is, not only the RF accelerator but also the three-dimensional distribution of the electrostatic accelerator beam can be measured. In this case, the change with time of the shape of the charged particle beam can be measured. It is possible to measure the distribution of the beam in time and space.

さらに、電子のエネルギー分布を測定することも可能である。例えば、ベンディングマグネットなどで、電子ビームを曲げた後、電気光学素子30を通過させる。ベンディングマグネットで曲げられると、電子のエネルギーに応じて、電子が空間的に分散する。すなわち、電子のエネルギーによって、ベンディングマグネットでの曲率半径が異なる。例えば、ベンディングマグネットによってY方向の磁場を発生させると、電子ビームはX方向に曲げられる。このとき、X方向における位置が、電子のエネルギーに対応する。このように、エネルギーに応じて電子を空間的に分散させる。そして、ベンディングマグネットで曲げられた電子ビームに対して、測定を行う。電子ビームの3次元形状を測定することで、バンチ内の各スライスにおけるエネルギー分布を測定することが可能になる。   It is also possible to measure the energy distribution of electrons. For example, after bending the electron beam with a bending magnet or the like, the electro-optic element 30 is passed. When bent by a bending magnet, electrons are spatially dispersed according to the energy of the electrons. That is, the radius of curvature at the bending magnet varies depending on the energy of the electrons. For example, when a magnetic field in the Y direction is generated by a bending magnet, the electron beam is bent in the X direction. At this time, the position in the X direction corresponds to the energy of electrons. In this way, electrons are spatially dispersed according to energy. And it measures with respect to the electron beam bent by the bending magnet. By measuring the three-dimensional shape of the electron beam, the energy distribution in each slice in the bunch can be measured.

さらに、荷電粒子ビームに限らず、レーザビームやFELなどの光ビームの3次元的な空間分布を測定することもできる。光ビームの場合は、光ビームによって発生する電場を測定する。これにより、光ビームの偏光状態などを測定することができる。すなわち、量子ビームの3次元的な測定を行うことができる。ここで、量子ビームには、荷電粒子ビームに限らず、レーザビーム等の光ビームが含まれる。すなわち、電場を生じさせる量子ビームであれば測定することができる。レーザビームを測定する場合、例えば、測定するパルスレーザ光を電気光学素子30に入射させる。なお、この場合、図6に示すような中空形状の電気光学素子30ではなく、中心にも電気光学結晶が配置された電気光学素子30が用いされる。従って、光軸近傍において、レーザビームが電気光学結晶に入射する。そのパルスレーザ光によって発生する電場によって、電気光学結晶に複屈折が生じる。よって、荷電粒子ビームと同様に、レーザビームを測定することができる。このように、量子ビームのパルス(バンチ)形状を3次元的に測定することができる。すなわち、時間分布、及び横方向空間分布の測定を簡便な構成で行うことができる。   Furthermore, not only a charged particle beam but also a three-dimensional spatial distribution of a light beam such as a laser beam or FEL can be measured. In the case of a light beam, the electric field generated by the light beam is measured. As a result, the polarization state of the light beam can be measured. That is, a three-dimensional measurement of the quantum beam can be performed. Here, the quantum beam includes not only a charged particle beam but also a light beam such as a laser beam. That is, any quantum beam that generates an electric field can be measured. When measuring a laser beam, for example, a pulsed laser beam to be measured is made incident on the electro-optic element 30. In this case, not the hollow electro-optic element 30 as shown in FIG. 6, but the electro-optic element 30 in which the electro-optic crystal is arranged at the center is used. Accordingly, the laser beam is incident on the electro-optic crystal in the vicinity of the optical axis. Birefringence occurs in the electro-optic crystal due to the electric field generated by the pulsed laser light. Therefore, the laser beam can be measured in the same manner as the charged particle beam. Thus, the pulse (bunch) shape of the quantum beam can be measured three-dimensionally. That is, the time distribution and the lateral space distribution can be measured with a simple configuration.

例えば、S偏光成分をシグナル光とし、Ybファイバーレーザの2倍波等をポンプ光(励起光)として、NOPA増幅する。NOPA増幅したパルス光を、ポンプ・プローブ測光方法のポンプ光(又はプローブ光)とする。また、レーザビームである量子ビームをポンプ・プローブ測光方法のプローブ光(又はポンプ光)とする。そして、プローブ光と、ポンプ光を試料に同期して入射させる。ポンプ光と、プローブ光の間にジッターがほとんどない。正確に同期した状態のポンプ光と、プローブ光とを試料に照射することができる。このように、偏光子46で分岐した分岐光の一方を、ポンプ・プローブ方法に利用することが好適である。偏光子46で分岐された他方の分岐光をNOPA増幅する。NOPA増幅されたパルス光を、ポンプ・プローブ方法のポンプ光(又はプローブ光)として試料に照射する。さらに、量子ビーム、又は前記量子ビームから放射した光をプローブ光(又はポンプ光)として、試料に照射する。これにより、タイミングジッタの問題を改善することができる。また、3次元的な測定が行われた量子ビームを用いることができるため、効果的にポンプ・プローブ測定方法を行うことができる。   For example, NOPA amplification is performed using the S-polarized component as signal light and the second harmonic wave of the Yb fiber laser as pump light (excitation light). The NOPA-amplified pulse light is used as pump light (or probe light) in the pump / probe photometry method. Further, a quantum beam which is a laser beam is used as probe light (or pump light) of the pump / probe photometry method. Then, the probe light and the pump light are incident on the sample in synchronization. There is almost no jitter between the pump light and the probe light. The sample can be irradiated with pump light and probe light in a state of being accurately synchronized. Thus, it is preferable to use one of the branched lights branched by the polarizer 46 in the pump / probe method. The other branched light branched by the polarizer 46 is amplified by NOPA. The sample is irradiated with the pulsed light amplified by NOPA as pump light (or probe light) in the pump / probe method. Further, the sample is irradiated with a quantum beam or light emitted from the quantum beam as probe light (or pump light). Thereby, the problem of timing jitter can be improved. Further, since a quantum beam subjected to three-dimensional measurement can be used, a pump / probe measurement method can be effectively performed.

なお、偏光変換素子24をアキシコンレンズ21の光源部10と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。また、偏光変換素子42をアキシコンレンズ45と偏光子46との間に配置しても、同様の効果を得ることができる。   The polarization conversion element 24 may be disposed between the light source unit 10 of the axicon lens 21. In this case, since the polarization conversion element 24 can be made small, the component cost of the polarization conversion element 24 can be reduced. Further, even if the polarization conversion element 42 is disposed between the axicon lens 45 and the polarizer 46, the same effect can be obtained.

また、偏光変換素子24と電気光学素子30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。従って、リレーレンズを設けて、偏光変換素子24を通過した直後の偏光状態と、電気光学素子30に入射する直前の偏光状態をほぼ同じにする。これにより、回折による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。   Further, a relay optical system may be disposed between the polarization conversion element 24 and the electro-optical element 30. Thereby, the influence by the change of distribution of a polarization state can be reduced. That is, when the pulse laser beam propagates, the distribution of the polarization state in the beam cross section changes due to the diffraction effect. In this case, a change in the distribution due to diffraction may affect the electric field distribution at the focal plane. Therefore, by providing a relay lens, the polarization state immediately after passing through the polarization conversion element 24 and the polarization state immediately before entering the electro-optic element 30 are made substantially the same. Thereby, the influence by the change of the polarization state distribution by diffraction can be reduced.

本発明の実施の形態1にかかるビーム測定装置の構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of the beam measuring apparatus concerning Embodiment 1 of this invention. ビーム測定装置の光源部におけるパルスレーザ光を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the pulse laser beam in the light source part of a beam measuring device. ビーム測定装置の光源部におけるパルスレーザ光を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the pulse laser beam in the light source part of a beam measuring device. ビーム測定装置に用いられる遅延素子を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the delay element used for a beam measuring apparatus. ビーム測定装置に用いられる偏光変換素子を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the polarization conversion element used for a beam measuring apparatus. ビーム測定装置に用いられる電気光学素子を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the electro-optical element used for a beam measuring apparatus. ビーム測定装置において、電気光学素子を通過するパルスレーザ光とバンチを模式的に示す断面図である。In a beam measuring device, it is a sectional view showing typically a pulse laser beam and a bunch which pass an electro-optic element. ビーム測定装置において、電気光学素子を通過したパルスレーザ光の偏光状態を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the polarization state of the pulsed laser beam which passed the electro-optic element in the beam measuring device. ビーム測定装置において測定されたパルスレーザ光のスペクトルを示す図である。It is a figure which shows the spectrum of the pulsed laser beam measured in the beam measuring apparatus. 単極子とみなされるバンチが電気光学素子を通過したときの電場を説明するための図である。It is a figure for demonstrating an electric field when the bunch considered as a monopole passes the electro-optic element. 双極子とみなされるバンチが電気光学素子を通過したときの電場を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the electric field when the bunch considered as a dipole passes the electro-optic element. 四重極子とみなされるバンチが電気光学素子を通過したときの電場を説明するための図である。It is a figure for demonstrating an electric field when the bunch considered as a quadrupole passes the electro-optic element. 現実のバンチをスライスして測定するときの様子を説明するための図である。It is a figure for demonstrating a mode when slicing and measuring an actual bunch. テンポラルデコーディングで時間分布を測定するための構成を示す図である。It is a figure which shows the structure for measuring a time distribution by temporal decoding. テンポラルデコーディングで時間分布を測定するための構成において、非線形光学結晶を通過する光を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the light which passes a nonlinear optical crystal in the structure for measuring a time distribution by temporal decoding.

符号の説明Explanation of symbols

10 光源部、11 レーザ発振器、12 広帯域化部材、
13 チャーピングパルス波形整形器、13a 光変調器、
13b パルスストレッチャー、13c 光増幅器、
14 波長板、15 グランレーザ・カールサイト偏光子、
20 入射光学系、21 アキシコンレンズ、22 アキシコンレンズ、
23 遅延素子、24 偏光変換素子、25 ミラー、
23a〜23h 分割領域、24a〜24h 分割領域、
30 電気光学素子、30a〜30h 分割領域、33 中空部
35a パルス光、35h パルス光、37 バンチ、
40 出射光学系、41 ミラー、42 偏光変換素子、43 遅延素子、
44 アキシコンレンズ、45 アキシコンレンズ、
50 分光測定器、51 分光部、52 検出部、55 処理装置
61 可変ディレイ、62 非線形光学素子、63 アレイ光検出器、
67 参照光、68 測定光
10 light source unit, 11 laser oscillator, 12 broadband component,
13 chirping pulse waveform shaper, 13a optical modulator,
13b pulse stretcher, 13c optical amplifier,
14 wavelength plate, 15 Glan-laser and Karlsite polarizer,
20 incident optical system, 21 axicon lens, 22 axicon lens,
23 delay element, 24 polarization conversion element, 25 mirror,
23a-23h divided areas, 24a-24h divided areas,
30 Electro-optic element, 30a-30h Division area, 33 Hollow part 35a Pulse light, 35h Pulse light, 37 Bunch,
40 exit optical system, 41 mirror, 42 polarization conversion element, 43 delay element,
44 axicon lenses, 45 axicon lenses,
50 Spectrometer, 51 Spectrometer, 52 Detector, 55 Processing Device 61 Variable Delay, 62 Nonlinear Optical Element, 63 Array Photodetector,
67 Reference light, 68 Measurement light

Claims (33)

パルスレーザ光を用いて量子ビームを3次元的に測定するビーム測定装置であって、
レーザ発振器によって発振したパルスレーザ光の波長が時間に応じて変化するよう、前記パルスレーザ光のパルス波形を整形して出射する光源部と、
前記光源部から出射したパルスレーザ光に対して入射位置に応じた時間遅延を与える第1の遅延素子と、前記パルスレーザ光を入射位置に応じて異なる偏光状態に変換する第1の偏光変換素子と、を有する入射光学系と、
前記量子ビームのビーム径路に配置され、入射位置に応じて異なる結晶軸を有する電気光学素子と、
前記入射光学系から前記電気光学素子を介して入射したパルスレーザ光から、所定の偏光成分を取り出す偏光子と、
前記偏光子で取り出されたパルスレーザ光のスペクトルを測定する測定器と、を備えるビーム測定装置。
A beam measuring device that three-dimensionally measures a quantum beam using a pulsed laser beam,
A light source unit that shapes and emits a pulse waveform of the pulsed laser light so that the wavelength of the pulsed laser light oscillated by the laser oscillator changes according to time;
A first delay element that gives a time delay corresponding to an incident position to the pulsed laser light emitted from the light source unit, and a first polarization conversion element that converts the pulsed laser light into different polarization states according to the incident position An incident optical system comprising:
An electro-optic element disposed in the beam path of the quantum beam and having a different crystal axis depending on the incident position;
A polarizer for extracting a predetermined polarization component from pulsed laser light incident from the incident optical system via the electro-optic element;
And a measuring instrument for measuring a spectrum of the pulsed laser light extracted by the polarizer.
前記電気光学素子の結晶軸が放射状になるよう、前記電気光学素子には放射状に配置された複数の電気光学結晶が設けられている請求項1に記載のビーム測定装置。   The beam measuring apparatus according to claim 1, wherein the electro-optic element is provided with a plurality of radially arranged electro-optic crystals so that the crystal axes of the electro-optic element are radial. 前記第1の偏光変換素子が、放射状に分割された分割領域を複数有し、
前記パルスレーザ光の光軸と垂直な平面において、前記電気光学素子に設けられた複数の電気光学結晶が、前記第1の偏光変換素子に設けられた分割領域に対応する位置に配置され、
前記電気光学素子に入射するパルスレーザ光の電気ベクトルの振動面が、前記放射状の結晶軸と同じ方向になるよう、前記第1の偏光変換素子が偏光状態を変換している請求項2に記載のビーム測定装置。
The first polarization conversion element has a plurality of radially divided regions;
In a plane perpendicular to the optical axis of the pulsed laser light, a plurality of electro-optic crystals provided in the electro-optic element are arranged at positions corresponding to divided regions provided in the first polarization conversion element,
The first polarization conversion element converts the polarization state so that an oscillation plane of an electric vector of pulsed laser light incident on the electro-optic element is in the same direction as the radial crystal axis. Beam measuring device.
前記第1の遅延素子が、前記第1の偏光変換素子に設けられた複数の分割領域に対応するよう、前記パルスレーザ光を入射位置に応じて段階的に遅延させることを特徴とする請求項3に記載のビーム測定装置。   The first delay element delays the pulsed laser light in a stepwise manner in accordance with an incident position so as to correspond to a plurality of divided regions provided in the first polarization conversion element. 4. The beam measuring apparatus according to 3. 前記第1の遅延素子によって与えられる段階的な遅延時間が、前記量子ビームのパルスよりも長くなっている請求項4に記載のビーム測定装置。   The beam measuring apparatus according to claim 4, wherein a stepwise delay time given by the first delay element is longer than a pulse of the quantum beam. 前記第1の偏光変換素子に設けられた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略直交している請求項3、4、又は5に記載のビーム測定装置。
The plurality of divided regions provided in the first polarization conversion element are each provided with a wave plate that emits light with the phase of incident light shifted,
6. The beam measuring apparatus according to claim 3, 4, or 5, wherein the optical axes of the wave plates are substantially orthogonal in the opposed divided regions.
前記第1の遅延素子によって与えられる最大の遅延時間が、前記光源部から出射するパルスレーザ光のパルス幅よりも短くなっており、
前記第1の遅延素子によって時間遅延が与えられた前記パルスレーザ光が、前記パルスレーザ光の光軸の外周全体で時間的に重複している重複期間を有している請求項1乃至6のいずれかに記載のビーム測定装置。
The maximum delay time given by the first delay element is shorter than the pulse width of the pulse laser beam emitted from the light source unit;
7. The pulse laser beam that has been given a time delay by the first delay element has an overlap period in which the pulse laser beam overlaps in time over the entire optical axis of the pulse laser beam. Any one of the beam measuring devices.
前記重複期間のパルスレーザ光が前記電気光学素子を通過するタイミングと同期して、
前記量子ビームのパルスが前記電気光学素子を通過する請求項7に記載のビーム測定装置。
In synchronization with the timing when the pulse laser beam of the overlapping period passes through the electro-optic element,
The beam measuring apparatus according to claim 7, wherein the pulse of the quantum beam passes through the electro-optic element.
前記電気光学素子から出射したパルスレーザ光に対して入射位置に応じた時間遅延を与えて、前記偏光子に入射する光のパルス幅を短くする第2の遅延素子と、
前記レーザ発振器によって発振したパルスレーザ光の一部が参照光として入射する非線形光学素子とをさらに備え、
前記偏光子が偏光方向に応じてパルスレーザ光を分岐し、
前記偏光子で分岐された一方の分岐光を前記測定器で測定し、
前記偏光子で分岐された他方の分岐光を前記非線形光学素子に入射させ、前記非線形光学素子内で前記参照光と交差させ、
前記非線形光学素子での非線形光学効果によって発生した光をアレイ検出器によって測定する請求項1乃至8のいずれかに記載のビーム測定装置。
A second delay element that gives a time delay according to an incident position to the pulsed laser light emitted from the electro-optic element, and shortens a pulse width of the light incident on the polarizer;
A non-linear optical element on which a part of the pulsed laser light oscillated by the laser oscillator is incident as reference light,
The polarizer branches the pulse laser beam according to the polarization direction,
Measure one branched light branched by the polarizer with the measuring device,
Making the other branched light branched by the polarizer incident on the nonlinear optical element, crossing the reference light in the nonlinear optical element,
9. The beam measuring apparatus according to claim 1, wherein light generated by a nonlinear optical effect in the nonlinear optical element is measured by an array detector.
前記第1の遅延素子に入射する前と、前記第2の遅延素子を出射した後とで、前記パルスレーザ光のパルス幅が略等しくなっている請求項9に記載のビーム測定装置。   The beam measuring apparatus according to claim 9, wherein the pulse widths of the pulse laser beams are substantially equal before entering the first delay element and after emitting the second delay element. 前記電気光学素子には、前記量子ビームが通過する中空部が設けられている請求項1乃至10のいずれかに記載のビーム測定装置。   The beam measuring apparatus according to claim 1, wherein the electro-optic element is provided with a hollow portion through which the quantum beam passes. 前記電気光学素子に入射するパルスレーザ光を円環状にする1対のアキシコンレンズをさらに備え、
前記円環状のパルスレーザ光が前記中空部の外側を通過する請求項11に記載のビーム測定装置。
A pair of axicon lenses that make the pulsed laser light incident on the electro-optic element annulus;
The beam measuring apparatus according to claim 11, wherein the annular pulse laser beam passes outside the hollow portion.
前記電気光学素子から出射したパルスレーザ光が入射する第2の偏光変換素子を備え、
前記第2の偏光変換素子が、入射位置に応じて異なる偏光状態に変換する請求項1乃至12のいずれかに記載のビーム測定装置。
A second polarization conversion element on which the pulse laser beam emitted from the electro-optic element is incident;
The beam measuring apparatus according to claim 1, wherein the second polarization conversion element converts the polarization state to a different polarization state according to an incident position.
前記第1の偏光変換素子と前記第2の偏光変換素子とが、同じ方向の光学軸を有している請求項13に記載のビーム測定装置。   The beam measuring apparatus according to claim 13, wherein the first polarization conversion element and the second polarization conversion element have optical axes in the same direction. 前記測定器が、前記パルスレーザ光を分光して、スペクトル測定を行う分光測定器である請求項1乃至14のいずれかに記載のビーム測定装置。   The beam measuring apparatus according to claim 1, wherein the measuring device is a spectroscopic measuring device that performs spectrum measurement by splitting the pulsed laser light. 前記分光測定器に設けられた分光測定器用アレイ検出器の1フレームで、前記パルスレーザ光の1パルスのスペクトルが取得される請求項15に記載のビーム測定装置。   The beam measuring apparatus according to claim 15, wherein the spectrum of one pulse of the pulsed laser light is obtained in one frame of the array detector for a spectrometer that is provided in the spectrometer. パルスレーザ光を用いて量子ビームを3次元的に測定するビーム測定方法であって、
レーザ発振器によって発振したパルスレーザ光の波長が時間に応じて変化するよう、前記パルスレーザ光のパルス波形を整形して出射するステップと、
前記整形されたパルスレーザ光に対して入射位置に応じた時間遅延を与えるとともに、前記パルスレーザ光を入射位置に応じて異なる偏光状態に変換するステップと、
前記時間遅延が与えられたパルスレーザ光を、前記量子ビームのビーム径路に配置され、入射位置に応じて異なる結晶軸を有する電気光学素子に入射させるステップと、
前記電気光学素子から出射したパルスレーザ光から、所定の偏光成分を取り出すステップと、
前記パルスレーザ光から取り出された所定の偏光成分のスペクトルを測定するステップと、を備えるビーム測定方法。
A beam measurement method for three-dimensionally measuring a quantum beam using a pulsed laser beam,
Shaping and emitting the pulse waveform of the pulsed laser light so that the wavelength of the pulsed laser light oscillated by the laser oscillator changes with time; and
Providing the shaped pulsed laser light with a time delay according to an incident position, and converting the pulsed laser light into a different polarization state according to the incident position;
Making the pulse laser beam given the time delay incident on an electro-optic element arranged in the beam path of the quantum beam and having a different crystal axis depending on the incident position;
Extracting a predetermined polarization component from the pulse laser beam emitted from the electro-optic element;
Measuring a spectrum of a predetermined polarization component extracted from the pulsed laser beam.
前記電気光学素子の結晶軸が放射状になるよう、前記電気光学素子には放射状に配置された複数の電気光学結晶が設けられている請求項17に記載のビーム測定方法。   The beam measuring method according to claim 17, wherein the electro-optic element is provided with a plurality of radially arranged electro-optic crystals so that the crystal axes of the electro-optic element are radial. パルスレーザ光を入射位置に応じて異なる偏光状態に変換するステップでは、
前記パルスレーザ光を、放射状に分割された分割領域を複数有する第1の偏光変換素子に入射させ、
前記パルスレーザ光の光軸と垂直な平面において、前記電気光学素子に設けられた複数の電気光学結晶が、前記第1の偏光変換素子に設けられた分割領域に対応する位置に配置され、
前記電気光学素子に入射するパルスレーザ光の電気ベクトルの振動面が、前記放射状の結晶軸と同じ方向になるよう、前記第1の偏光変換素子が偏光状態を変換している請求項18に記載のビーム測定方法。
In the step of converting the pulsed laser light into different polarization states depending on the incident position,
The pulsed laser light is incident on a first polarization conversion element having a plurality of radially divided regions,
In a plane perpendicular to the optical axis of the pulsed laser light, a plurality of electro-optic crystals provided in the electro-optic element are arranged at positions corresponding to divided regions provided in the first polarization conversion element,
19. The first polarization conversion element converts a polarization state so that a vibration plane of an electric vector of pulsed laser light incident on the electro-optic element is in the same direction as the radial crystal axis. Beam measurement method.
前記パルスレーザ光の光路中に設けられた第1の遅延素子によって、前記入射位置に応じた時間遅延が与えられ、
前記第1の偏光変換素子に設けられた複数の分割領域に対応するよう、第1の遅延素子が前記パルスレーザ光を入射位置に応じて段階的に遅延させる請求項19に記載のビーム測定方法。
A time delay corresponding to the incident position is given by the first delay element provided in the optical path of the pulse laser beam,
The beam measuring method according to claim 19, wherein the first delay element delays the pulsed laser light in a stepwise manner according to an incident position so as to correspond to a plurality of divided regions provided in the first polarization conversion element. .
前記第1の遅延素子によって与えられる段階的な遅延時間が、前記量子ビームのパルスよりも長くなっている請求項20に記載のビーム測定方法。   21. The beam measuring method according to claim 20, wherein a stepwise delay time provided by the first delay element is longer than a pulse of the quantum beam. 前記第1の偏光変換素子に設けられた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略直交している請求項19、20又は21に記載のビーム測定方法。
The plurality of divided regions provided in the first polarization conversion element are each provided with a wave plate that emits light with the phase of incident light shifted,
The beam measurement method according to claim 19, 20, or 21, wherein the optical axes of the wave plates are substantially orthogonal in the opposed divided regions.
前記パルスレーザ光に与えられる最大の遅延時間が、前記光源部から出射するパルスレーザ光のパルス幅よりも短くなっており、
前記時間遅延が与えられた前記パルスレーザ光が、前記パルスレーザ光の光軸の外周全体で時間的に重複している重複期間を有している請求項17乃至22のいずれかに記載のビーム測定方法。
The maximum delay time given to the pulse laser beam is shorter than the pulse width of the pulse laser beam emitted from the light source unit,
The beam according to any one of claims 17 to 22, wherein the pulse laser beam to which the time delay is given has an overlapping period in which the pulse laser beam overlaps in time over the entire outer periphery of the optical axis of the pulse laser beam. Measuring method.
前記重複時間のパルスレーザ光が前記電気光学素子を通過するタイミングと同期して、
前記量子ビームのパルスが、前記電気光学素子を通過する請求項23に記載のビーム測定方法。
In synchronization with the timing when the pulse laser light of the overlapping time passes through the electro-optic element,
The beam measurement method according to claim 23, wherein the pulse of the quantum beam passes through the electro-optic element.
前記電気光学素子から出射したパルスレーザ光に対して入射位置に応じた時間遅延を与えて、パルス幅を短くするステップと、
前記レーザ発振器によって発振したパルスレーザ光の一部を参照光として非線形光学素子に入射させるステップと、をさらに有し、
前記パルスレーザ光から、所定の偏光成分を取り出すステップでは、偏光子を用いて偏光方向に応じてパルスレーザ光を分岐し、
前記スペクトルを測定するステップでは、前記偏光子で分岐された一方の分岐光のスペクトルを測定し、
前記偏光子で分岐された他方の分岐光を前記非線形光学素子に入射させ、前記非線形光学素子内で、前記参照光と交差させ、
前記非線形光学素子での非線形光学効果によって発生した光をアレイ光検出器によって測定する
請求項17乃至24のいずれかに記載のビーム測定方法。
Providing a time delay according to the incident position for the pulsed laser light emitted from the electro-optic element, and shortening the pulse width;
A step of causing a part of the pulsed laser light oscillated by the laser oscillator to enter the nonlinear optical element as reference light, and
In the step of extracting a predetermined polarization component from the pulse laser beam, the pulse laser beam is branched according to the polarization direction using a polarizer,
In the step of measuring the spectrum, a spectrum of one branched light branched by the polarizer is measured,
The other branched light branched by the polarizer is incident on the nonlinear optical element, and the reference light is crossed in the nonlinear optical element,
The beam measurement method according to claim 17, wherein light generated by a nonlinear optical effect in the nonlinear optical element is measured by an array photodetector.
前記電気光学素子に入射する前と、前記パルス幅が短くされた後とで、前記パルスレーザ光のパルス幅が略等しくなっている請求項25に記載のビーム測定方法。   26. The beam measuring method according to claim 25, wherein the pulse width of the pulse laser beam is substantially equal before entering the electro-optic element and after the pulse width is shortened. 前記電気光学素子には、前記量子ビームが通過する中空部が設けられている請求項16乃至26のいずれかに記載のビーム測定方法。   27. The beam measurement method according to claim 16, wherein the electro-optic element is provided with a hollow portion through which the quantum beam passes. 前記電気光学素子に入射するパルスレーザ光を円環状にする1対のアキシコンレンズをさらに備え、
前記円環状のパルスレーザ光が前記中空部の外側を通過する請求項27に記載のビーム測定方法。
A pair of axicon lenses that make the pulsed laser light incident on the electro-optic element annulus;
28. The beam measuring method according to claim 27, wherein the annular pulse laser beam passes outside the hollow portion.
前記電気光学素子から出射したパルスレーザ光を入射位置に応じて異なる偏光状態に変換するステップをさらに有する請求項17乃至28のいずれかに記載のビーム測定方法。   29. The beam measurement method according to claim 17, further comprising a step of converting the pulse laser beam emitted from the electro-optic element into a different polarization state depending on an incident position. 前記整形されたパルスレーザ光を入射位置に応じて異なる偏光状態に変換する第1の偏光変換素子と、前記電気光学素子から出射したパルスレーザ光を入射位置に応じて異なる偏光状態に変換する第2の電気光学素子とが、同じ方向の光学軸を有する波長板を有している請求項29に記載のビーム測定方法。   A first polarization conversion element that converts the shaped pulsed laser light into a different polarization state according to an incident position, and a first polarization conversion element that converts the pulsed laser light emitted from the electro-optic element into a different polarization state according to the incident position. 30. The beam measuring method according to claim 29, wherein the two electro-optic elements have wave plates having optical axes in the same direction. 前記スペクトルを測定するステップでは、前記パルスレーザ光を分光して、スペクトル測定を行う分光測定器を用いて測定する請求項17乃至30のいずれかに記載のビーム測定方法。   The beam measuring method according to any one of claims 17 to 30, wherein in the step of measuring the spectrum, the pulsed laser beam is spectrally measured using a spectrometer that performs spectrum measurement. 前記分光測定器に設けられた分光測定器用アレイ検出器の1フレームで、前記パルスレーザ光の1パルスのスペクトルが取得される請求項31に記載のビーム測定方法。   32. The beam measurement method according to claim 31, wherein the spectrum of one pulse of the pulsed laser light is acquired in one frame of the array detector for a spectrometer provided in the spectrometer. 請求項17乃至32のいずれかに記載されたビーム測定方法で測定されたビームを用いるポンプ・プローブ測定方法であって、
前記パルスレーザ光から、所定の偏光成分を取り出すステップでは、偏光子を用いて偏光方向に応じてパルスレーザ光を分岐し、
前記スペクトルを測定するステップでは、前記偏光子で分岐された一方の分岐光のスペクトルを測定し、
前記偏光子で分岐された他方の分岐光をNOPA増幅し、ポンプ光、及びプローブ光の一方として試料に照射し、
前記量子ビーム、又は前記量子ビームから放射した光をポンプ光、及びプローブ光の他方として、試料に照射するポンプ・プローブ測定方法。
A pump / probe measurement method using a beam measured by the beam measurement method according to claim 17,
In the step of extracting a predetermined polarization component from the pulse laser beam, the pulse laser beam is branched according to the polarization direction using a polarizer,
In the step of measuring the spectrum, a spectrum of one branched light branched by the polarizer is measured,
The other branched light branched by the polarizer is subjected to NOPA amplification, and the sample is irradiated as one of pump light and probe light,
A pump / probe measurement method in which a sample is irradiated with the quantum beam or light emitted from the quantum beam as the other of pump light and probe light.
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