JP2010015877A - Electron gun, electron microscope, and electron generation method - Google Patents

Electron gun, electron microscope, and electron generation method Download PDF

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Hiromitsu Tomizawa
宏光 冨澤
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electron gun capable of aiming at higher quality of electron beams in a simple way and provide an electron microscope and an electron generation method. <P>SOLUTION: The electron gun 100 in this application is an electron gun discharging electrons in a direction of incident laser beams, and is provided with a laser beam source, a hollow light guide member where the laser beam from the laser beam source enters and the incident light propagates repeating total reflections inside, a hollow lens refracting light emitted from the light guide member, and a photo-cathode where the laser beam refracted by the lens enters. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、電子銃、電子顕微鏡、及び電子発生方法に関し、特に詳しくはフォトカソードを用いた電子銃、電子顕微鏡、及び電子発生方法に関する。   The present invention relates to an electron gun, an electron microscope, and an electron generation method, and more particularly to an electron gun using a photocathode, an electron microscope, and an electron generation method.

電子顕微鏡、X線自由電子レーザ(XFEL)、逆コンプトン散乱によるフェムト秒X線パルス光源、高繰り返しフェムト秒時間分解電子顕微鏡、超短パルス電子線描画装置、エネルギー回収型ライナック(ERL)などの電子源として、電子銃が用いられている。例えば、電子顕微鏡の性能は、電子銃に応じて変化する。例えば、電子顕微鏡の空間分解能は、電子銃で発生する電子ビームのエミッタンス等によって変化する。また、電子顕微鏡の繰り返し周波数は、電子ビームの繰り返し周波数に応じて変化する。従って、電子顕微鏡の性能を向上するためには、電子銃から放出される電子ビームを高品質化することが必要となる。   Electrons such as electron microscope, X-ray free electron laser (XFEL), femtosecond X-ray pulsed light source by inverse Compton scattering, high repetition femtosecond time-resolved electron microscope, ultrashort pulse electron beam lithography system, energy recovery linac (ERL) An electron gun is used as a source. For example, the performance of an electron microscope varies depending on the electron gun. For example, the spatial resolution of an electron microscope varies depending on the emittance of an electron beam generated by an electron gun. In addition, the repetition frequency of the electron microscope changes according to the repetition frequency of the electron beam. Therefore, in order to improve the performance of the electron microscope, it is necessary to improve the quality of the electron beam emitted from the electron gun.

電子銃を電子放出の観点から分類すると、熱カソード電子銃、フォトカソード電子銃、及び電界放出型電子銃の3種類に分かれる。熱カソード電子銃は熱エネルギーにより電子放出を行う。フォトカソード電子銃は光電効果によって電子放出を行う。電界放出型電子銃は、高電界(1GV/m以上)をカソードに印加することで電子を放出する。また、電子銃を電子加速方式から分類すると、RF電子銃と、DC電子銃の2つに分かれる。RF電子銃は、共振器空胴の助けを借りてマイクロ波(RF)により電子を加速する。DC電子銃は、対向する電極間に電圧を印加してDC的(場合によりインパルス的)に電子を加速する。ビーム電流が大きい場合、フォトカソードとRF加速方式の組み合わせ、並びに、熱カソードとDC加速方式の組み合わせが一般的である。これは、両者の性質を合わせられるので相性がよいためである。また、電子ビームの重要な特性として、エミッタンスや輝度等が挙げられる。従って、低エミッタンスで高輝度な高品質電子ビームを安定して発生させることができる電子銃の開発が望まれている。   The electron guns are classified into three types: a hot cathode electron gun, a photocathode electron gun, and a field emission electron gun. The hot cathode electron gun emits electrons by thermal energy. The photocathode electron gun emits electrons by the photoelectric effect. The field emission electron gun emits electrons by applying a high electric field (1 GV / m or more) to the cathode. Further, when the electron gun is classified from the electron acceleration method, it is divided into an RF electron gun and a DC electron gun. An RF electron gun accelerates electrons by microwaves (RF) with the help of a resonator cavity. A DC electron gun accelerates electrons in a DC manner (in some cases, in an impulse manner) by applying a voltage between opposing electrodes. When the beam current is large, a combination of a photocathode and an RF acceleration method and a combination of a thermal cathode and a DC acceleration method are common. This is because the properties of both can be matched and the compatibility is good. Moreover, emittance, luminance, etc. are mentioned as important characteristics of an electron beam. Therefore, development of an electron gun that can stably generate a high-quality electron beam with low emittance and high brightness is desired.

フォトカソードRF電子銃は、熱カソードDC電子銃、及び電界放出型電子銃に比べて、(1)低エミッタンス化が可能であること、(2)光源の強度を制御することで容易に電子ビームの輝度を調整することができるため、制御性に優れていること、などの利点を有している。現在、世界最高輝度のパルス電子ビームは、フォトカソード電子銃により得られている。フォトカソード電子銃では、フォトカソードにレーザ光を照射して、電子を発生させている。   The photocathode RF electron gun has (1) low emittance compared to the hot cathode DC electron gun and field emission electron gun, and (2) an electron beam easily by controlling the intensity of the light source. Therefore, it has advantages such as excellent controllability. Currently, the world's brightest pulsed electron beam is obtained by a photocathode electron gun. In the photocathode electron gun, the photocathode is irradiated with laser light to generate electrons.

フォトカソード電子銃を用いる場合、レーザ光のパルスを整形することによって、電子バンチを所望の形状にすることができる。すなわち、パルス形状を整形することで、電子ビームの高品質化を図ることができる。このため、レーザ光のパルスを所望の形状に整形することが望まれている。例えば、パルススタッカーを用いてレーザ光を円筒形状に整形する技術が開示されている(非特許文献1)。ここで、パルススタッカーは、波長板と偏光ビームスプリッタで構成されている(非特許文献2)。そして、偏光ビームスプリッタキューブにより、各偏光成分(S偏光とP偏光)に分岐する。そして、分岐されたパルス光に光路長差を与えて、合成用の偏光ビームスプリッタで合成する。上記の文献では、3段分のスタックを用いているため、8つの分岐パルス光が重ね合わされている。このようなパルススタッカーでは、例えば、縦方向(光軸と平行方向)に関するパルス整形が可能になる。すなわち、分岐されたパルスレーザ光に与える光路長を調整することによって、縦方向に関してパルスを整形することができる。さらに、特許文献1に示すようなパルスレーザ光を用いた加工方法において、加工形状を制御するため、パルス光を所望の形状に整形することが望まれている。   In the case of using a photocathode electron gun, the electron bunch can be formed into a desired shape by shaping the pulse of the laser beam. In other words, the quality of the electron beam can be improved by shaping the pulse shape. For this reason, it is desired to shape the laser light pulse into a desired shape. For example, a technique for shaping laser light into a cylindrical shape using a pulse stacker is disclosed (Non-Patent Document 1). Here, the pulse stacker is composed of a wave plate and a polarizing beam splitter (Non-Patent Document 2). And it is branched into each polarization component (S polarization and P polarization) by the polarization beam splitter cube. Then, an optical path length difference is given to the branched pulse light, and it is combined by the combining polarization beam splitter. In the above document, since a stack of three stages is used, eight branched pulse lights are superimposed. In such a pulse stacker, for example, pulse shaping in the vertical direction (direction parallel to the optical axis) can be performed. That is, the pulse can be shaped in the vertical direction by adjusting the optical path length given to the branched pulse laser beam. Furthermore, in the processing method using pulsed laser light as shown in Patent Document 1, it is desired to shape the pulsed light into a desired shape in order to control the processing shape.

パルスを整形する場合、実際に測定されたパルス形状に基づいて調整が行われる。レーザ光のパルス形状を測定する場合には、横方向(光軸と垂直な方向)のパルス形状は、例えば、ビームプロファイラーやCCDカメラなどで測定することができる。また、縦方向のパルス形状は、例えば、ストリークカメラなどで測定することができる。   When shaping the pulse, adjustments are made based on the actually measured pulse shape. When measuring the pulse shape of the laser light, the pulse shape in the horizontal direction (direction perpendicular to the optical axis) can be measured by, for example, a beam profiler or a CCD camera. Further, the pulse shape in the vertical direction can be measured by, for example, a streak camera.

高調波で作る短パルス紫外レーザ光は、一般的に空間的に不均一である。すなわち、光の進行方向と垂直な面における分布が不均一になっている。また、レーザ光には、干渉性があるため、細かいノイズが電子ビームのプロファイルに表れてしまう。非特許文献1では、空間分布を均一にするため、補償ミラーが利用されている。   Short pulse ultraviolet laser light produced by harmonics is generally spatially nonuniform. That is, the distribution in the plane perpendicular to the traveling direction of light is not uniform. Further, since the laser light has coherence, fine noise appears in the electron beam profile. In Non-Patent Document 1, a compensation mirror is used to make the spatial distribution uniform.

補償ミラーは、可変形ミラー(DM:Deformable Mirror)であり、例えば、ミラーの表面(反射面)形状を変更するために複数の電極(チャンネル)を有している。そして、それぞれの電極に印加する電圧を調整することにより、波面の形状が変化する。ミラーの表面形状を遺伝的アルゴリズム等の援用により最適化制御することにより、光学系の波面の補正や、反射ビームの方向、形状を制御できる。   The compensation mirror is a deformable mirror (DM: Deformable Mirror), and has, for example, a plurality of electrodes (channels) for changing the surface (reflection surface) shape of the mirror. And the shape of a wave front changes by adjusting the voltage applied to each electrode. By optimizing the surface shape of the mirror with the aid of a genetic algorithm or the like, it is possible to correct the wavefront of the optical system and to control the direction and shape of the reflected beam.

冨澤宏光「加速器の要求に堪えるレーザ光源を目指して〜フォトカソードRF電子銃用レーザ光源開発〜」加速器Vol3,No3,2006(251−262)Hiromitsu Serizawa “Aiming for a Laser Light Source That Can Meet Accelerator Requirements—Development of a Laser Light Source for Photocathode RF Electron Guns” Accelerators Vol3, No3, 2006 (251-262) 株式会社ルミネックスホームページ[平成20年6月16日検索]、インターネット〈http://www.luminex.co.jp/〉パルススタッカーキットLuminex Corporation [Search June 16, 2008], Internet <http://www.luminex.co.jp/> Pulse Stacker Kit 特開2002−205179号公報JP 2002-205179 A

非特許文献1の方法では、制御が煩雑になってしまうおそれがある。例えば、最適化アルゴリズムなどを用いて、補償ミラーの各電極に印加する電圧を求めている。すなわち、補償ミラーを制御するために、自動最適化プログラムを作成する。さらに、自動最適化プログラムで最適化した電圧を、例えば、遺伝的アルゴリズムなどの最適化アルゴリズムに基づいて、各電極に供給するための構成が必要になってしまう。また、厳密な意味での再現性が難しい。よって、電子ビームを高品質化するための制御が煩雑になってしまうおそれがある。   In the method of Non-Patent Document 1, there is a possibility that the control becomes complicated. For example, the voltage applied to each electrode of the compensation mirror is obtained using an optimization algorithm or the like. That is, an automatic optimization program is created to control the compensation mirror. Furthermore, a configuration for supplying the voltage optimized by the automatic optimization program to each electrode based on an optimization algorithm such as a genetic algorithm becomes necessary. In addition, reproducibility in a strict sense is difficult. Therefore, the control for improving the quality of the electron beam may be complicated.

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、簡便に電子ビームの高品質化を図ることができる電子銃、電子顕微鏡、及び電子発生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 an electron gun, an electron microscope, and an electron generation method capable of easily improving the quality of an electron beam. That is.

本発明の第1の態様にかかる電子銃は、レーザ光が入射してきた方向に向けて電子を放出する電子銃であって、レーザ光源と、前記レーザ光源からのレーザ光が入射し、入射光が全反射を繰り返しながら内部を伝播する中空の導光部材と、前記導光部材から出射した光を屈折する中空のレンズと、前記レンズによって屈折されたレーザ光が入射するフォトカソードと、を備えるものである。これにより、フォトカソード上での光の空間分布を均一化することができる。よって、低エミッタンスの電子ビームを得ることができる。   An electron gun according to a first aspect of the present invention is an electron gun that emits electrons in a direction in which laser light is incident. The electron gun emits a laser light source and laser light from the laser light source. Includes a hollow light guide member that propagates inside while repeating total reflection, a hollow lens that refracts light emitted from the light guide member, and a photocathode on which the laser light refracted by the lens enters. Is. Thereby, the spatial distribution of light on the photocathode can be made uniform. Therefore, an electron beam with low emittance can be obtained.

本発明の第2の態様にかかる電子銃は、上記の電子銃であって、前記導光部材が、光の偏波面を保ちながら伝播する偏波面保存ファイバが束ねられた偏波面保存ファイバーバンドルを有し、前記導光部材の出射端面における前記偏光保存軸の方向が、出射位置に応じて異なっていることを特徴とするものである。これにより、フォトカソードに入射するレーザ光を所望の偏光状態とすることができる。よって、量子効率を向上することができ、電子ビームの輝度を向上することができる。   An electron gun according to a second aspect of the present invention is the above-described electron gun, wherein the light guide member includes a polarization-maintaining fiber bundle in which polarization-maintaining fibers that propagate while maintaining a polarization plane of light are bundled. And the direction of the polarization preserving axis on the exit end face of the light guide member is different depending on the exit position. Thereby, the laser beam incident on the photocathode can be in a desired polarization state. Therefore, quantum efficiency can be improved and the brightness of the electron beam can be improved.

本発明の第3の態様にかかる電子銃は、上記の電子銃であって、前記偏光保存軸の方向が、出射端面の中心に対して対称になっていることを特徴とするものである。これにより、フォトカソードに入射するレーザ光を所望の偏光状態とすることができる。よって、量子効率を向上することができ、電子ビームの輝度を向上することができる。   An electron gun according to a third aspect of the present invention is the electron gun described above, wherein the direction of the polarization preserving axis is symmetric with respect to the center of the emission end face. Thereby, the laser beam incident on the photocathode can be in a desired polarization state. Therefore, quantum efficiency can be improved and the brightness of the electron beam can be improved.

本発明の第4の態様にかかる電子銃は、上記の電子銃であって、前記偏光保存軸の方向が、放射状になっていることを特徴とするものである。これにより、カソード表面において、Z方向の電場が与えられる。このため、仕事関数が低下して、電子ビームの輝度を向上することができる。   An electron gun according to a fourth aspect of the present invention is the electron gun described above, wherein the polarization preserving axis direction is radial. This gives an electric field in the Z direction on the cathode surface. For this reason, a work function falls and the brightness | luminance of an electron beam can be improved.

本発明の第5の態様にかかる電子銃は、上記の電子銃であって、前記導光部材を出射するレーザ光が全体としてラジアル方向に偏光するように、前記偏波面保存軸が配置されていることを特徴とするものである。これにより、カソード表面において、Z方向の電場が与えられる。このため、仕事関数が低下して、電子ビームの輝度を向上することができる。   An electron gun according to a fifth aspect of the present invention is the electron gun described above, wherein the polarization plane preserving axis is arranged so that the laser light emitted from the light guide member is polarized in the radial direction as a whole. It is characterized by being. This gives an electric field in the Z direction on the cathode surface. For this reason, a work function falls and the brightness | luminance of an electron beam can be improved.

本発明の第6の態様にかかる電子銃は、上記の電子銃であって、前記導光部材の内側に金属パイプが設けられていることを特徴とするものである。これにより、電子ビームなどの放射線によって、導光部材が着色するのを防ぐことができる。よって、効率よくレーザ光を伝播させることができる。   An electron gun according to a sixth aspect of the present invention is the electron gun described above, wherein a metal pipe is provided inside the light guide member. Thereby, it is possible to prevent the light guide member from being colored by radiation such as an electron beam. Therefore, the laser beam can be propagated efficiently.

本発明の第7の態様にかかる電子銃は、上記の電子銃であって、前記金属パイプが電子をその阻止能で止められる厚さになっていることを特徴とするものである。これにより、電子ビームなどの放射線によって、導光部材が着色するのを防ぐことができる。よって、効率よくレーザ光を伝播させることができる。   An electron gun according to a seventh aspect of the present invention is the electron gun described above, wherein the metal pipe has a thickness capable of stopping electrons by its blocking ability. Thereby, it is possible to prevent the light guide member from being colored by radiation such as an electron beam. Therefore, the laser beam can be propagated efficiently.

本発明の第8の態様にかかる電子銃は、上記の電子銃であって、前記金属パイプが厚さ5mm以上の銅によって形成されることを特徴とするものである。これにより、電子ビームなどの放射線によって、導光部材が着色するのを防ぐことができる。よって、効率よくレーザ光を伝播させることができる。   An electron gun according to an eighth aspect of the present invention is the electron gun described above, wherein the metal pipe is formed of copper having a thickness of 5 mm or more. Thereby, it is possible to prevent the light guide member from being colored by radiation such as an electron beam. Therefore, the laser beam can be propagated efficiently.

本発明の第9の態様にかかる電子銃は、上記の電子銃であって、前記レンズが、中空のアキシコンレンズであることを特徴とするものである。これにより、焦点深度を深くすることができ、空間分布をより均一にすることができる。   An electron gun according to a ninth aspect of the present invention is the electron gun described above, wherein the lens is a hollow axicon lens. As a result, the depth of focus can be increased and the spatial distribution can be made more uniform.

本発明の第10の態様にかかる電子銃は、上記の電子銃であって、前記レーザ光源と前記導光部材との間に、前記レーザ光源からのレーザ光を円環ビームにする円環ビーム生成手段が設けられていることを特徴とするものである。これにより、効率よくレーザ光を伝播させることができる。   An electron gun according to a tenth aspect of the present invention is the above-described electron gun, wherein an annular beam that converts laser light from the laser light source into an annular beam between the laser light source and the light guide member. A generation means is provided. Thereby, a laser beam can be propagated efficiently.

本発明の第11の態様にかかる電子銃は、上記の電子銃であって、前記レンズの中空部分に、金属パイプが設けられているものである。これにより、レンズが着色するのを防ぐことができる。よって、効率よくレーザ光を伝播させることができる。   An electron gun according to an eleventh aspect of the present invention is the electron gun described above, wherein a metal pipe is provided in a hollow portion of the lens. Thereby, it can prevent that a lens colors. Therefore, the laser beam can be propagated efficiently.

本発明の第12の態様にかかる電子銃は、上記の電子銃であって、前記レーザ光を前記導光部材の方向に反射する中空ミラーを備え、前記中空ミラーが、金属で全面が覆われたガラス基板によって構成されているものである。これにより、安定して電子ビームを輸送することができる。   An electron gun according to a twelfth aspect of the present invention is the above-described electron gun, comprising a hollow mirror that reflects the laser light in the direction of the light guide member, and the hollow mirror is entirely covered with metal. It is constituted by a glass substrate. Thereby, an electron beam can be transported stably.

本発明の第13の態様にかかる電子顕微鏡は、上記の電子銃を備え、前記電子銃で発生した電子ビームが前記レンズ、及び導光部材の中空部分を通過して、試料に入射するものである。これにより、電子ビームを効率よく搬送することができ、空間分解能を向上することができる。   An electron microscope according to a thirteenth aspect of the present invention includes the above-described electron gun, and an electron beam generated by the electron gun passes through the hollow portion of the lens and the light guide member and enters the sample. is there. Thereby, an electron beam can be conveyed efficiently and spatial resolution can be improved.

本発明の第14の態様にかかる電子銃は、フォトカソードから放出された電子ビームを試料に入射する電子顕微鏡であって、レーザ光源と、前記レーザ光源からのレーザ光に入射位置に応じた位相差を与える偏光変換素子と、前記レーザ光源から前記偏光変換素子を介して入射したレーザ光を屈折するレンズと、前記レンズによって屈折されたレーザ光が入射するフォトカソードと、を備えるものである。これにより、フォトカソードに入射するレーザ光を所望の偏光状態とすることができる。よって、量子効率を向上することができ、電子ビームの輝度を向上することができる。   An electron gun according to a fourteenth aspect of the present invention is an electron microscope in which an electron beam emitted from a photocathode is incident on a sample, and includes a laser light source and a position corresponding to the incident position of the laser light from the laser light source. A polarization conversion element that gives a phase difference, a lens that refracts laser light incident from the laser light source via the polarization conversion element, and a photocathode on which the laser light refracted by the lens enters. Thereby, the laser beam incident on the photocathode can be in a desired polarization state. Therefore, quantum efficiency can be improved and the brightness of the electron beam can be improved.

本発明の第15の態様にかかる電子顕微鏡は、上記の電子顕微鏡であって、前記偏光変換素子が、レーザ光を断面全体でほぼ半径方向に直線偏光し、光軸に対して対向する領域において、電気ベクトルの振動方向が反対方向となるように変換するものである。これにより、カソード表面において、Z方向の電場が与えられる。このため、仕事関数が低下して、電子ビームの輝度を向上することができる。   An electron microscope according to a fifteenth aspect of the present invention is the above-described electron microscope, wherein the polarization conversion element linearly polarizes the laser light substantially in the radial direction over the entire cross section, and in a region facing the optical axis. The electric vector is converted so that the vibration direction is opposite. This gives an electric field in the Z direction on the cathode surface. For this reason, a work function falls and the brightness | luminance of an electron beam can be improved.

本発明の第16の態様にかかる電子発生方法は、フォトカソードに光を照射して、電子を発生させる電子発生方法であって、入射光が全反射を繰り返しながら内部を伝播する中空の導光部材に光を入射させるステップと、前記導光部材から出射した光を中空のレンズによって屈折させるステップと、前記レンズで屈折した光を、フォトカソードに入射させるステップと、を備えるものである。これにより、フォトカソード上での光の空間分布を均一化することができる。よって、低エミッタンスの電子ビームを得ることができる。   An electron generation method according to a sixteenth aspect of the present invention is an electron generation method for generating electrons by irradiating light to a photocathode, and a hollow light guide in which incident light propagates through the inside while repeating total reflection. A step of causing light to enter the member; a step of refracting light emitted from the light guide member by a hollow lens; and a step of causing light refracted by the lens to enter the photocathode. Thereby, the spatial distribution of light on the photocathode can be made uniform. Therefore, an electron beam with low emittance can be obtained.

本発明の第17の態様にかかる電子発生方法は、上述の電子発生方法であって、前記導光部材が、光の偏波面を保ちながら伝播する偏波面保存ファイバが束ねられた偏波面保存ファイバーバンドルを有し、前記導光部材の出射端面における前記偏光保存軸の方向が、出射位置に応じて異なっていることを特徴とするものである。これにより、フォトカソードに入射するレーザ光を所望の偏光状態とすることができる。よって、量子効率を向上することができ、電子ビームの輝度を向上することができる。   An electron generation method according to a seventeenth aspect of the present invention is the above-described electron generation method, wherein the polarization-preserving fiber in which the light-guiding member is bundled with polarization-maintaining fibers that propagate while maintaining the polarization plane of light. It has a bundle, and the direction of the polarization preserving axis on the exit end face of the light guide member is different depending on the exit position. Thereby, the laser beam incident on the photocathode can be in a desired polarization state. Therefore, quantum efficiency can be improved and the brightness of the electron beam can be improved.

本発明の第18の態様にかかる電子発生方法は、上述の電子発生方法であって、前記偏光保存軸の方向が、出射端面の中心に対して対称になっていることを特徴とするものである。これにより、フォトカソードに入射するレーザ光を所望の偏光状態とすることができる。よって、量子効率を向上することができ、電子ビームの輝度を向上することができる。   An electron generation method according to an eighteenth aspect of the present invention is the above-described electron generation method, characterized in that the direction of the polarization preserving axis is symmetric with respect to the center of the emission end face. is there. Thereby, the laser beam incident on the photocathode can be in a desired polarization state. Therefore, quantum efficiency can be improved and the brightness of the electron beam can be improved.

本発明の第19の態様にかかる電子発生方法は、上述の電子発生方法であって、前記偏光保存軸の方向が、放射状になっていることを特徴とするものである。これにより、カソード表面において、Z方向の電場が与えられる。このため、仕事関数が低下して、電子ビームの輝度を向上することができる。   An electron generation method according to a nineteenth aspect of the present invention is the electron generation method described above, wherein the polarization preserving axis direction is radial. This gives an electric field in the Z direction on the cathode surface. For this reason, a work function falls and the brightness | luminance of an electron beam can be improved.

本発明の第20の態様にかかる電子発生方法は、上述の電子発生方法であって、前記導光部材を出射するレーザ光が全体としてラジアル方向に偏光するように、前記偏波面保存軸が配置されていることを特徴とするものである。これにより、カソード表面において、Z方向の電場が与えられる。このため、仕事関数が低下して、電子ビームの輝度を向上することができる。   An electron generation method according to a twentieth aspect of the present invention is the above-described electron generation method, wherein the polarization plane preserving axis is arranged so that the laser beam emitted from the light guide member is polarized in the radial direction as a whole. It is characterized by being. This gives an electric field in the Z direction on the cathode surface. For this reason, a work function falls and the brightness | luminance of an electron beam can be improved.

本発明の第21の態様にかかる電子発生方法は、上述の電子発生方法であって、前記導光部材の内側に金属パイプが設けられていることを特徴とするものである。これにより、導光部材が着色するのを防ぐことができる。よって、効率よくレーザ光を伝播させることができる。   An electron generation method according to a twenty-first aspect of the present invention is the above-described electron generation method, characterized in that a metal pipe is provided inside the light guide member. Thereby, it can prevent that a light guide member colors. Therefore, the laser beam can be propagated efficiently.

本発明の第22の態様にかかる電子発生方法は、上述の電子発生方法であって、前記金属パイプが電子をその阻止能で止められる厚さになっていることを特徴とするものである。これにより、導光部材が着色するのを防ぐことができる。よって、効率よくレーザ光を伝播させることができる。   An electron generation method according to a twenty-second aspect of the present invention is the above-described electron generation method, characterized in that the metal pipe has a thickness capable of stopping electrons by its blocking ability. Thereby, it can prevent that a light guide member colors. Therefore, the laser beam can be propagated efficiently.

本発明の第23の態様にかかる電子発生方法は、上述の電子発生方法であって、前記金属パイプが厚さ5mm以上の銅によって形成されることを特徴とするものである。これにより、導光部材が着色するのを防ぐことができる。よって、効率よくレーザ光を伝播させることができる。   An electron generation method according to a twenty-third aspect of the present invention is the electron generation method described above, wherein the metal pipe is formed of copper having a thickness of 5 mm or more. Thereby, it can prevent that a light guide member colors. Therefore, the laser beam can be propagated efficiently.

本発明の第24の態様にかかる電子発生方法は、上述の電子発生方法であって、前記レンズが、中空のアキシコンレンズであることを特徴とするものである。これにより、焦点深度を深くすることができ、空間分布をより均一にすることができる。   An electron generation method according to a twenty-fourth aspect of the present invention is the electron generation method described above, wherein the lens is a hollow axicon lens. As a result, the depth of focus can be increased and the spatial distribution can be made more uniform.

本発明の第25の態様にかかる電子発生方法は、上述の電子発生方法であって、前記導光部材に入射する光が、円環状の光ビームになっていることを特徴とするものである。これにより、電子ビームを効率よく搬送することができる。   An electron generation method according to a twenty-fifth aspect of the present invention is the electron generation method described above, wherein the light incident on the light guide member is an annular light beam. . Thereby, an electron beam can be conveyed efficiently.

本発明の第26の態様にかかる電子発生方法は、上述の電子発生方法であって、前記レンズの中空部分に、金属パイプが設けられているものである。これにより、レンズが着色するのを防ぐことができる。よって、効率よくレーザ光を伝播させることができる。
前記レーザ光を中空ミラーによって、前記導光部材の方向に反射し、
An electron generating method according to a twenty-sixth aspect of the present invention is the above-described electron generating method, wherein a metal pipe is provided in a hollow portion of the lens. Thereby, it can prevent that a lens colors. Therefore, the laser beam can be propagated efficiently.
The laser beam is reflected by a hollow mirror in the direction of the light guide member,

本発明の第27の態様にかかる電子発生方法は、上述の電子発生方法であって、前記中空ミラーが、金属で全面が覆われたガラス基板によって構成されているものである。これにより、安定して電子ビームを輸送することができる。   An electron generating method according to a twenty-seventh aspect of the present invention is the above-described electron generating method, wherein the hollow mirror is constituted by a glass substrate whose entire surface is covered with metal. Thereby, an electron beam can be transported stably.

本発明の第28の態様にかかる中空ミラーの製造方法は、ガラス基板の一面を除いた全面を金属粘土で覆うステップと、前記金属粘土中のつなぎ材を取り除くステップと、を備えるものである。これにより、電子ビームの経路中に配置することができる中空ミラーを簡便に製造することができる。
本発明の第29の態様にかかる中空ミラーの製造方法は、ガラス基板に貫通穴を設けるステップと、前記貫通穴が設けられたガラス基板の全面に金属薄膜を形成するステップと、を備えるものである。これにより、電子ビームの経路中に配置することができる中空ミラーを簡便に製造することができる。
A hollow mirror manufacturing method according to a twenty-eighth aspect of the present invention comprises a step of covering the entire surface except one surface of a glass substrate with a metal clay, and a step of removing a binder in the metal clay. Thereby, the hollow mirror which can be arrange | positioned in the path | route of an electron beam can be manufactured simply.
A hollow mirror manufacturing method according to a twenty-ninth aspect of the present invention comprises a step of providing a through hole in a glass substrate and a step of forming a metal thin film on the entire surface of the glass substrate provided with the through hole. is there. Thereby, the hollow mirror which can be arrange | positioned in the path | route of an electron beam can be manufactured simply.

本発明によれば、簡便に電子ビームの高品質化を図ることができる電子銃、電子顕微鏡、及び電子発生方法を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide an electron gun, an electron microscope, and an electron generation method capable of easily improving the quality of an electron 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.

発明の実施の形態1.
本発明の実施の形態にかかる電子銃について図1を用いて説明する。図1は、実施の形態1にかかる電子銃100の構成を模式的に示す図である。本実施の形態にかかる電子銃100は、レーザ光50がカソードに入射することによって、電子を発生するフォトカソード電子銃である。そして、電子銃100で発生した電子ビーム60は、マイクロ波源31からのマイクロ波によって加速される。なお、本実施の形態にかかる電子銃100は、反射型のフォトカソードを有している。すなわち、電子ビーム出射側からレーザ光を照射している。従って、フォトカソード25からは、レーザ光50が入射してきた方向に向けて電子が放出する。
Embodiment 1 of the Invention
An electron gun according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a configuration of an electron gun 100 according to the first embodiment. The electron gun 100 according to the present embodiment is a photocathode electron gun that generates electrons when a laser beam 50 is incident on the cathode. The electron beam 60 generated by the electron gun 100 is accelerated by the microwave from the microwave source 31. The electron gun 100 according to the present embodiment has a reflective photocathode. That is, the laser beam is irradiated from the electron beam emission side. Accordingly, electrons are emitted from the photocathode 25 in the direction in which the laser beam 50 is incident.

電子銃100は、レーザ光源11、アキシコンレンズ13、アキシコンレンズ14、ミラー21、導光部材22、レンズ23、共振器24、フォトカソード25、マイクロ波源31を有している。なお、ミラー21、導光部材22、レンズ23、共振器24、フォトカソード25が真空チャンバー20内に配設されている。従って、ミラー21、導光部材22、レンズ23、共振器24、フォトカソード25は超高真空中に配置されている。   The electron gun 100 includes a laser light source 11, an axicon lens 13, an axicon lens 14, a mirror 21, a light guide member 22, a lens 23, a resonator 24, a photocathode 25, and a microwave source 31. A mirror 21, a light guide member 22, a lens 23, a resonator 24, and a photocathode 25 are disposed in the vacuum chamber 20. Therefore, the mirror 21, the light guide member 22, the lens 23, the resonator 24, and the photocathode 25 are disposed in an ultrahigh vacuum.

レーザ光源11は、直線偏光のレーザ光50を出射する。レーザ光源11としては、例えば、再生増幅器付きのTi:SapphireレーザやYAGレーザを用いることができる。たとえば、YAGレーザの第4高調波やチタンサファイアレーザの第3高調波を用いることができる。もちろん、使用するレーザ光源11、及びレーザ波長は特に限定されるものではなく、フォトカソード25の仕事関数等に応じて選択することができる。レーザ光源11からはパルス光が出射する。なお、パルススタッカーを用いて、レーザ光源11からのパルス光のパルス幅を伸長してもよい。   The laser light source 11 emits linearly polarized laser light 50. As the laser light source 11, for example, a Ti: Sapphire laser or a YAG laser with a regenerative amplifier can be used. For example, the fourth harmonic of a YAG laser or the third harmonic of a titanium sapphire laser can be used. Of course, the laser light source 11 and the laser wavelength to be used are not particularly limited, and can be selected according to the work function of the photocathode 25 and the like. Pulse light is emitted from the laser light source 11. Note that the pulse width of the pulsed light from the laser light source 11 may be extended using a pulse stacker.

レーザ光源11からの光ビームは、平行光束となって、1対のアキシコンレンズ13、14に入射する。アキシコンレンズ13、14は、円錐形状になっている。レーザ光50は、1対のアキシコンレンズ13、14によって屈折され、輪状のビームに変換される。すなわち、アキシコンレンズ14から出射したレーザ光50の断面は、中空のリング状になっている。このように、1対のアキシコンレンズ13、14は、レーザ光50から円環ビームを生成する。アキシコンレンズ14からは、平行な光束が出射する。なお、1対のアキシコンレンズ13、14以外の構成で円環ビームを生成してもよい。例えば、1つのアキシコンレンズと1つの球面レンズとによって、円環ビームを生成することができる。このように、1枚以上のアキシコンレンズを用いることで、レーザ光強度の低下を防ぐことができる。あるいは、リング状のスリット(輪帯)を用いてもよい。このように、レーザ光源11からのレーザ光を円環状の光ビームに変換する円環ビーム変換手段を設けることによって、レーザ光50を効率よく利用することができる。また、円環ビーム変換手段は、大気中に設けることが好ましい。   The light beam from the laser light source 11 becomes a parallel light flux and enters the pair of axicon lenses 13 and 14. The axicon lenses 13 and 14 have a conical shape. The laser beam 50 is refracted by the pair of axicon lenses 13 and 14 and converted into a ring-shaped beam. That is, the cross section of the laser beam 50 emitted from the axicon lens 14 is a hollow ring shape. Thus, the pair of axicon lenses 13 and 14 generate an annular beam from the laser light 50. A parallel light beam is emitted from the axicon lens 14. An annular beam may be generated with a configuration other than the pair of axicon lenses 13 and 14. 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. As described above, by providing the annular beam converting means for converting the laser light from the laser light source 11 into an annular light beam, the laser light 50 can be used efficiently. The annular beam converting means is preferably provided in the atmosphere.

アキシコンレンズ14からのレーザ光50は、ミラー21に入射する。ミラー21は、レーザ光50の光軸に対して45°傾斜している。従って、ミラー21は、レーザ光50を、フォトカソード25の方向に反射する。ミラー21からのレーザ光50は、導光部材22に入射する。ミラー21は、電子ビーム60を通過するため、中空になっている。   Laser light 50 from the axicon lens 14 enters the mirror 21. The mirror 21 is inclined 45 ° with respect to the optical axis of the laser beam 50. Therefore, the mirror 21 reflects the laser beam 50 in the direction of the photocathode 25. Laser light 50 from the mirror 21 enters the light guide member 22. The mirror 21 is hollow in order to pass the electron beam 60.

導光部材22は、屈折率の高い透明部材である。従って、導光部材22に入射したレーザ光は、導光部材22の内部で全反射を繰り返して伝播していく。これにより、光の空間分布を均一化することができ、例えば、電子ビームをフラットトップ形状にすることができる。また、導光部材22は、電子ビーム60を通過するため、中空になっている。すなわち、導光部材22の断面は、リング状になっている。導光部材22としては、円環カレイドスコープや、複数のファイバを束ねたファイバーバンドルを用いることができる。導光部材22をビームホモジナイザーとして用いることで、プロファイルを均一化することができる。なお、導光部材22の構成については、後述する。   The light guide member 22 is a transparent member having a high refractive index. Accordingly, the laser light incident on the light guide member 22 is propagated by repeating total reflection inside the light guide member 22. Thereby, the spatial distribution of light can be made uniform, for example, an electron beam can be made into a flat top shape. The light guide member 22 is hollow in order to pass the electron beam 60. That is, the cross section of the light guide member 22 has a ring shape. As the light guide member 22, an annular kaleidoscope or a fiber bundle in which a plurality of fibers are bundled can be used. By using the light guide member 22 as a beam homogenizer, the profile can be made uniform. The configuration of the light guide member 22 will be described later.

導光部材22から出射したレーザ光50は、レンズ23に入射する。レンズ23は、中空のアキシコンレンズである。アキシコンレンズを用いることで、ベッセルビーム整形することができる。よって、焦点深度が深くなり、フォトカソード25上での空間プロファイルを均一化することができる。レーザ光50は、レンズ23によって屈折され、フォトカソード25に入射する。すなわち、レンズ23は、レーザ光50を集光して、フォトカソード25に照射する。レンズ23は、光軸上にレーザ光50を集光する。フォトカソード25は、レンズ23によるレーザ光のクロッシングポイントに配置されている。すなわち、円環状の光ビームが光ビームの光軸上に集束する。この集束位置で、光ビームのスポットが最小となる。そして、この集束位置に、フォトカソード25が配置されている。   Laser light 50 emitted from the light guide member 22 enters the lens 23. The lens 23 is a hollow axicon lens. Bessel beam shaping can be performed by using an axicon lens. Therefore, the depth of focus becomes deep and the spatial profile on the photocathode 25 can be made uniform. The laser beam 50 is refracted by the lens 23 and enters the photocathode 25. That is, the lens 23 collects the laser beam 50 and irradiates the photocathode 25 with it. The lens 23 condenses the laser light 50 on the optical axis. The photocathode 25 is disposed at a crossing point of the laser beam by the lens 23. That is, the annular light beam is focused on the optical axis of the light beam. At this focusing position, the spot of the light beam is minimized. And the photocathode 25 is arrange | positioned in this focusing position.

ミラー21、導光部材22、及びレンズ23は、中心部分がくり抜かれた中空形状になっている。すなわち、電子ビームの経路に沿った貫通穴が開けられることで、ミラー21、導光部材22、及びレンズ23が中空になっている。そして、ミラー21、導光部材22、及びレンズ23の中空部分となる貫通穴を電子ビームが通過する。ここでは、中空部分の断面が円形になっている。そして、中空部分の中心が、レーザ光50の光軸、及び電子ビーム60の光軸と一致している。また、アキシコンレンズ13、14によって、レーザ光50が輪状になっている。このため、中空のミラー21、導光部材22、及びレンズ23を用いた場合でも、レーザ光のほとんどがフォトカソード25に入射する。換言すると、ミラー21、及びレンズ23は、輪状のレーザ光50に対応する中空部分を有している。よって、輪状のレーザ光50は、ミラー21、及びレンズ23の中空部分には、入射しない。これにより、レーザ光50のほとんどがフォトカソード25に入射する。従って、レーザ光50の利用効率の低下を防ぐことができる。なお、中空部分の断面形状は、円形に限られるものではなく。すなわち、電子ビーム60を通過できるものであればよい。例えば、中空部分の断面形状を矩形状にしてもよい。   The mirror 21, the light guide member 22, and the lens 23 have a hollow shape with a central portion cut out. In other words, the mirror 21, the light guide member 22, and the lens 23 are hollow by making a through hole along the electron beam path. Then, the electron beam passes through the through holes that are hollow portions of the mirror 21, the light guide member 22, and the lens 23. Here, the cross section of the hollow part is circular. The center of the hollow portion coincides with the optical axis of the laser beam 50 and the optical axis of the electron beam 60. Further, the laser light 50 is formed in a ring shape by the axicon lenses 13 and 14. For this reason, even when the hollow mirror 21, the light guide member 22, and the lens 23 are used, most of the laser light is incident on the photocathode 25. In other words, the mirror 21 and the lens 23 have a hollow portion corresponding to the annular laser beam 50. Therefore, the annular laser beam 50 does not enter the mirror 21 and the hollow portion of the lens 23. Thereby, most of the laser light 50 is incident on the photocathode 25. Accordingly, it is possible to prevent a decrease in utilization efficiency of the laser beam 50. The cross-sectional shape of the hollow portion is not limited to a circle. That is, any material that can pass through the electron beam 60 may be used. For example, the hollow portion may have a rectangular cross-sectional shape.

レンズ23を通過したレーザ光50は、共振器24の開口部に入射する。レーザ光50を共振器24の空胴部分を通過して、フォトカソード25に入射する。レーザ光50は、レンズ23によって、フォトカソード25の表面に集光されている。すなわち、レンズ23の焦点位置にフォトカソード25の表面が配置されている。従って、レーザ光50の集光点は、フォトカソード25の表面となる。フォトカソード25にレーザ光50が入射すると、光電効果によって、電子が発生する。なお、レーザ光50の光軸は、フォトカソード25の表面と垂直になっている。すなわち、ミラー21はフォトカソード25に対して45°傾斜している。   The laser beam 50 that has passed through the lens 23 enters the opening of the resonator 24. The laser beam 50 passes through the cavity portion of the resonator 24 and enters the photocathode 25. The laser beam 50 is condensed on the surface of the photocathode 25 by the lens 23. That is, the surface of the photocathode 25 is disposed at the focal position of the lens 23. Therefore, the condensing point of the laser beam 50 is the surface of the photocathode 25. When the laser beam 50 is incident on the photocathode 25, electrons are generated by the photoelectric effect. Note that the optical axis of the laser beam 50 is perpendicular to the surface of the photocathode 25. That is, the mirror 21 is inclined 45 ° with respect to the photocathode 25.

フォトカソード25としては、金や銅やマグネシウムなどの金属カソードを用いることができる。また、フォトカソード25の材料として、ダイアモンドなどを用いてもよい。さらには、CSTeやNaKSb等をフォトカソード25として用いてもよい。もちろん、フォトカソード25の材料は特に限定されるものではない。 As the photocathode 25, a metal cathode such as gold, copper or magnesium can be used. Further, as the material of the photocathode 25, diamond or the like may be used. Furthermore, CS 2 Te, Na 2 KSb or the like may be used as the photocathode 25. Of course, the material of the photocathode 25 is not particularly limited.

共振器24には、マイクロ波源31で発生したマイクロ波が入射されている。共振器24は、空胴共振器であり、入力されたマイクロ波に応じた定在波を発生する。すなわち、RF共振器である共振器24には、フォトカソード25で発生した電子を加速するための電場が発生している。フォトカソード25で発生した電子は、共振器24内の電場で加速される。すなわち、所定の速度の電子ビーム60となって共振器24から出射する。ここでは、共振器24で発生する定在波に応じて、レーザ光パルスのタイミングを調整する。すなわち、マイクロ波源31からのマイクロ波とレーザ光のパルスを同期させる。これにより、共振器24内に加速電場が生じているタイミングで、フォトカソード25から電子が発生する。従って、電子ビーム60が効率よく加速される。そして、加速された電子ビーム60は、ミラー21、導光部材22、及びレンズ23の中空部分を通過する。これにより、電子ビーム60に対して外乱が生じるのを防ぐことができる。すなわち、電子ビーム60がミラー21や導光部材22やレンズ23などの構造物を通過しなくなる。ミラー21、導光部材22、及びレンズ23が電子ビーム60と干渉しない。このため、電子ビーム60の品質の劣化を防ぐことができる。   Microwaves generated by the microwave source 31 are incident on the resonator 24. The resonator 24 is a cavity resonator, and generates a standing wave corresponding to the input microwave. That is, an electric field for accelerating electrons generated at the photocathode 25 is generated in the resonator 24 that is an RF resonator. Electrons generated at the photocathode 25 are accelerated by an electric field in the resonator 24. That is, the electron beam 60 having a predetermined velocity is emitted from the resonator 24. Here, the timing of the laser light pulse is adjusted in accordance with the standing wave generated in the resonator 24. That is, the microwave from the microwave source 31 and the pulse of the laser beam are synchronized. Thereby, electrons are generated from the photocathode 25 at the timing when the accelerating electric field is generated in the resonator 24. Therefore, the electron beam 60 is efficiently accelerated. The accelerated electron beam 60 passes through the mirror 21, the light guide member 22, and the hollow portions of the lens 23. Thereby, it is possible to prevent a disturbance from occurring in the electron beam 60. That is, the electron beam 60 does not pass through structures such as the mirror 21, the light guide member 22, and the lens 23. The mirror 21, the light guide member 22, and the lens 23 do not interfere with the electron beam 60. For this reason, deterioration of the quality of the electron beam 60 can be prevented.

次に、導光部材22の構成について、図2を用いて説明する。図2は、導光部材22の構成を示す図であり、図2(a)が導光部材22の正面図を示し、図2(b)が導光部材22の側面断面図を示している。なお、図2において、Z方向がレーザ光50の伝播方向を示し、X方向及びY方向がZ方向と垂直な方向になっている。すなわち、Z方向がレーザ光50の光軸と平行になっており、XY平面が光軸と垂直な平面になっている。X方向、及びY方向は互いに直交する方向である。   Next, the configuration of the light guide member 22 will be described with reference to FIG. 2A and 2B are diagrams showing the configuration of the light guide member 22, FIG. 2A shows a front view of the light guide member 22, and FIG. 2B shows a side sectional view of the light guide member 22. . In FIG. 2, the Z direction indicates the propagation direction of the laser light 50, and the X direction and the Y direction are perpendicular to the Z direction. That is, the Z direction is parallel to the optical axis of the laser beam 50, and the XY plane is a plane perpendicular to the optical axis. The X direction and the Y direction are directions orthogonal to each other.

図2(a)に示すように、導光部材22は中空のロッド形状になっており、その中空部分を電子ビーム60が通過する。導光部材22は、円筒形状をしているため、導光部材22のXY断面はリング状になっている。XY平面における導光部材22の外周面、及び内周面は、円形になっている。そして、円形の外周面、及び内周面の中心が、レーザ光50、及び電子ビーム60の光軸と一致している。すなわち、円筒状の導光部材22がレーザ光50の光軸に沿って配置されている。導光部材22は、真空よりも屈折率の高い透明部材である。例えば、導光部材22の材料としては、石英、ガラス、樹脂などを用いることができる。真空中での取り扱いを考慮して、石英の円管パイプを用いることが好ましい。例えば、合成石英パイプを用いることで、波長190nm〜1100nmまで使用範囲を広くすることができ、将来的には、150nm以上での応用が可能となる。   As shown in FIG. 2A, the light guide member 22 has a hollow rod shape, and the electron beam 60 passes through the hollow portion. Since the light guide member 22 has a cylindrical shape, the XY section of the light guide member 22 has a ring shape. The outer peripheral surface and inner peripheral surface of the light guide member 22 in the XY plane are circular. The centers of the circular outer peripheral surface and inner peripheral surface coincide with the optical axes of the laser beam 50 and the electron beam 60. That is, the cylindrical light guide member 22 is disposed along the optical axis of the laser beam 50. The light guide member 22 is a transparent member having a higher refractive index than vacuum. For example, as the material of the light guide member 22, quartz, glass, resin, or the like can be used. In consideration of handling in a vacuum, it is preferable to use a quartz circular pipe. For example, by using a synthetic quartz pipe, the use range can be widened from a wavelength of 190 nm to 1100 nm, and in the future, application at 150 nm or more will be possible.

導光部材22は、入射端面22aが斜めになっている。すなわち、入射端面22aがXY面から傾斜するように、導光部材22の一端がカットされている。これにより、Z方向と平行に伝播する光が、入射端面22aにおいて屈折される。導光部材22内で伝播方向が変わり、導光部材22の外周面、又は内周面に入射する。そして、導光部材22の側面(外周面及び内周面)において全反射される。入射光は導光部材22の内部で全反射を繰り返して、伝播する。そして、導光部材22の出射端面22bから出射する。従って、導光部材22の出射端面22bでは光の空間強度分布が均一されている。導光部材22が光の空間分布を均一化する均一化部になっている。すなわち、導光部材22の出射端面22bにおける光強度の空間分布は均一になっている。出射端面22bから光は広がって出射される。出射端面22bの形状を屈曲させて、レンズとして機能させてもよい。これにより、導光部材22の出射端面22bから出射される光の拡がりを低減することができる。入射端面22aの傾斜角度は、側面への入射角などに基づいて設定すればよい。これにより、効率よく伝播させることができる。なお、レーザ光が広がって、入射端面22aに入射する場合は、入射端面22aを傾斜させなくてもよい。   The light guide member 22 has an incident end face 22a inclined. That is, one end of the light guide member 22 is cut so that the incident end face 22a is inclined from the XY plane. Thereby, the light propagating parallel to the Z direction is refracted at the incident end face 22a. The propagation direction changes within the light guide member 22 and enters the outer peripheral surface or inner peripheral surface of the light guide member 22. And it is totally reflected in the side surface (an outer peripheral surface and an inner peripheral surface) of the light guide member 22. Incident light propagates by repeating total reflection inside the light guide member 22. Then, the light is emitted from the emission end face 22 b of the light guide member 22. Therefore, the spatial intensity distribution of the light is uniform on the emission end face 22b of the light guide member 22. The light guide member 22 is a uniformizing unit that uniformizes the spatial distribution of light. That is, the spatial distribution of the light intensity on the exit end face 22b of the light guide member 22 is uniform. Light spreads and exits from the exit end face 22b. The shape of the emission end face 22b may be bent to function as a lens. Thereby, the spread of the light emitted from the emission end face 22b of the light guide member 22 can be reduced. The inclination angle of the incident end face 22a may be set based on the incident angle to the side face. Thereby, it can be made to propagate efficiently. When the laser beam spreads and enters the incident end face 22a, the incident end face 22a does not have to be inclined.

さらに、導光部材22には、中空の金属パイプ27が設けられている。金属パイプ27は、円筒状であり、その外径が導光部材22の内径と略等しくなっている。そして、金属パイプ27は、導光部材22の中空部分に配設される。すなわち、金属パイプ27と導光部材22とが同軸上に配置される。金属パイプ27は、例えば、銅等の金属によって形成されている。そして、金属パイプ27の内側を通過している電子が導光部材22に入射しないように、金属パイプ27の厚さを厚くする。例えば、6MeVの電子の場合、金属パイプ27となる銅の厚さは5mm以上とすることが好ましい。これにより、金属の阻止能で、電子を止めることができる。すなわち、金属パイプはその阻止能で電子を止められる厚さにする。従って、金属パイプ27の肉厚は、電子の阻止能に応じて選択すればよい。   Further, the light guide member 22 is provided with a hollow metal pipe 27. The metal pipe 27 has a cylindrical shape, and its outer diameter is substantially equal to the inner diameter of the light guide member 22. The metal pipe 27 is disposed in the hollow portion of the light guide member 22. That is, the metal pipe 27 and the light guide member 22 are arranged coaxially. The metal pipe 27 is made of metal such as copper, for example. Then, the thickness of the metal pipe 27 is increased so that electrons passing through the inside of the metal pipe 27 do not enter the light guide member 22. For example, in the case of 6 MeV electrons, the thickness of the copper serving as the metal pipe 27 is preferably 5 mm or more. Thereby, an electron can be stopped by the stopping power of a metal. That is, the metal pipe has a thickness capable of stopping electrons by its stopping power. Therefore, the thickness of the metal pipe 27 may be selected according to the electron stopping power.

導光部材22の内周面が金属パイプ27によって保護されるため、散乱した電子が導光部材22に入射するのを防ぐことができる。これにより、石英にカラーセンターができるのを防ぐことができる。すなわち、導光部材22が着色することによって光が吸収されるのを防ぐことができる。よって、効率よく、フォトカソード25に光を入射させることができる。また、通常の高周波電子銃では、電子のエネルギーが最大6MeV程度なので、厚さ5mm以上の銅を用いれば、電子の入射による導光部材22の着色を確実に防ぐことができる。よって、レーザ光を効率よく伝播させることができる。これにより、電子ビームの輝度を向上することができる。   Since the inner peripheral surface of the light guide member 22 is protected by the metal pipe 27, it is possible to prevent scattered electrons from entering the light guide member 22. Thereby, it can prevent that a color center is made in quartz. That is, the light can be prevented from being absorbed by the light guide member 22 being colored. Therefore, light can be efficiently incident on the photocathode 25. In addition, in a normal high-frequency electron gun, the energy of electrons is about 6 MeV at the maximum, so if copper having a thickness of 5 mm or more is used, the light guide member 22 can be reliably prevented from being colored due to the incidence of electrons. Therefore, the laser beam can be propagated efficiently. Thereby, the brightness | luminance of an electron beam can be improved.

また、レンズ23やミラー21についても、電子ビームから保護することが好ましい。さらには、暗電流(ダークカレント)がレンズ23、ミラー21、導光部材22に入射するのを防ぐ必要がある。従って、電子ビームの軌道、暗電流の軌道が当たらない領域に透明な光学部材が来るように中空部分を大きくする。特にレンズ23は、カソード25に最も近い。このため、電子ビームや暗電流がレンズ23に当たらないようにすることが重要になる。例えば、レンズ23についても中空部分に金属パイプを設けることで、保護することができる。すなわち、保護パイプを用いることで、電子ビームや暗電流の電子がレンズ23に入射するのを防ぐことができる。レンズ23の保護パイプについても厚さ5mm以上の銅で形成することが好ましい。このように、金属パイプを設けて、電子を金属パイプの中空部分を通過させる。こうすることで、透明材質からなる透過型光学系を用いた場合でも、カラーセンターの発生を低減することができる。   The lens 23 and the mirror 21 are also preferably protected from the electron beam. Furthermore, it is necessary to prevent dark current from entering the lens 23, the mirror 21, and the light guide member 22. Therefore, the hollow portion is enlarged so that the transparent optical member comes to an area where the electron beam trajectory and the dark current trajectory do not hit. In particular, the lens 23 is closest to the cathode 25. For this reason, it is important to prevent the electron beam or dark current from hitting the lens 23. For example, the lens 23 can also be protected by providing a metal pipe in the hollow portion. That is, by using the protection pipe, it is possible to prevent an electron beam or dark current electrons from entering the lens 23. The protective pipe of the lens 23 is also preferably formed of copper having a thickness of 5 mm or more. In this way, a metal pipe is provided to allow electrons to pass through the hollow portion of the metal pipe. By doing so, even when a transmission optical system made of a transparent material is used, the occurrence of color centers can be reduced.

また、ミラー21の表面全体を金属で形成するとともに、ミラー21の中空部分を電子ビームの光軸から9mm以上離すことが好ましい。これにより、ウェークフィールドの影響を低減することができる。電子ビームが力を受けて品質が悪化するのを防ぐことができる。例えば、金属壁があるところを電子ビームが通過すると、電子と反対向きに鏡像電荷が金属壁を走る。このために、それらから電子ビームが影響を受けてしまう。電子ビーム進行方向に完全に軸対象の金属パイプで途中に全く段差のない境界条件にすることで、この影響を低減することができるが、こうすることは困難である。従って、本実施の形態では、この影響を避けるためには金属壁を十分に離すようにする。すなわち、金属で覆われたミラー21を、電子ビームの光軸から離すように配置している。電子ビームバンチの電荷密度やβ関数にもよるが、ここでは、電子ビームから見込んだ中空部分の直径を20mmとしてる。これにより、安定して電子ビームを輸送することができる。   Further, it is preferable that the entire surface of the mirror 21 is made of metal, and the hollow portion of the mirror 21 is separated from the optical axis of the electron beam by 9 mm or more. Thereby, the influence of a wake field can be reduced. It is possible to prevent the quality from deteriorating due to the force of the electron beam. For example, when an electron beam passes through a place where there is a metal wall, a mirror image charge runs through the metal wall in the opposite direction to the electrons. For this reason, the electron beam is affected by them. Although this influence can be reduced by setting the boundary condition such that there is no level difference in the middle of the metal pipe that is the target of the axis in the electron beam traveling direction, this is difficult. Therefore, in this embodiment, the metal walls are sufficiently separated to avoid this influence. That is, the mirror 21 covered with metal is disposed so as to be separated from the optical axis of the electron beam. Although depending on the charge density and β function of the electron beam bunches, the diameter of the hollow portion viewed from the electron beam is 20 mm here. Thereby, an electron beam can be transported stably.

なお、ミラー21として、金属ミラーでなく誘電多層膜ミラーを用いることによって、ウェークフィールドの影響を低減することができる。しかしながら、カラーセンターが発生してしまうため、誘電多層膜ミラーを用いることが困難である。すなわち、電子ビームの指向性が高い場合でも、暗電流が誘電多層膜ミラーに入射するとチャージアップしてしまう。それにより電子ビームがクーロン力を受けて曲げられてしまうおそれもある。さらに、ミラー23上にチャージアップした電荷によって放電が起きてしまうおそれがある。放電が起きることで電子ビームの軌道が撥ねるように変わってしまう。電子ビームの位置が飛び跳ねるように変化してしまうため、高分解能を要求される電子顕微鏡などへの応用へは適していない。   Note that the influence of the wake field can be reduced by using a dielectric multilayer mirror instead of a metal mirror as the mirror 21. However, since a color center is generated, it is difficult to use a dielectric multilayer mirror. That is, even when the directivity of the electron beam is high, the charge-up occurs when the dark current is incident on the dielectric multilayer mirror. As a result, the electron beam may be bent due to the Coulomb force. Furthermore, there is a possibility that the electric discharge charged on the mirror 23 causes discharge. When the discharge occurs, the trajectory of the electron beam changes so that it rebounds. Since the position of the electron beam changes so as to jump, it is not suitable for application to an electron microscope or the like that requires high resolution.

これらを防ぐためには、ミラー23を構成するガラス基板を金属ですべて覆うか、全て金属で基板を作る必要がある。研磨精度を上げた全金属性のミラーが本来は理想的である。しかし、金属を研磨してミラーを作った場合には面精度が良いものを得る事が困難である。そこで、本実施の形態では、ガラス基板を金属ですべて覆う方法を採用している。これは金箔などを接着剤を用いて貼るとその有機溶剤が真空中で脱ガスしてしまい、さらには空気だまりができた状態で真空中に入れると空気だまりが破裂して脱ガスの原因になってしまい、真空悪化を引き起こしてしまうおそれがるためである。   In order to prevent these, it is necessary to cover all the glass substrate constituting the mirror 23 with metal or to make the substrate with all metal. An all-metal mirror with improved polishing accuracy is ideal in nature. However, when a mirror is made by polishing metal, it is difficult to obtain a mirror with good surface accuracy. Therefore, in this embodiment, a method of covering all the glass substrates with metal is adopted. This is because the organic solvent is degassed in a vacuum when a gold foil or the like is pasted using an adhesive. This is because there is a possibility that the vacuum worsens.

全面を金属で覆う中空ミラーの作り方について説明する。例えば、金属粘土(http://www.silver-clay.com/)を用いることができる。そして、金属粘土のつなぎ材(バインダー)を飛ばすことで、99.9%の純度の銀や金を作る事ができる。具体的な工程は、中空の透明なガラス基板に金属を蒸着などして、光学金属ミラー面を形成する。金属粘土で光学金属ミラー面以外全ての面を粘土でカバーする。ここでは、ガラス基板の内側と外側の側面を粘土で覆う。すなわち、中空部分の内周面まで金属粘土を塗布する。これにより、銀や金などの金属でガラス基板全面が覆われる。そして、オーブンを用いて、例えば、銀の場合、600℃で焼いて、金属粘土中のつなぎ材を取り除く。その後に紫外レーザ用ミラーにはアルミミラーの光学コーティングを、可視〜赤外用ミラーには金コートを施す。これにより、全面オールメタルの中空ミラーを作成することができる。この中空ミラーをミラー21として用いる。このように、中空ミラーは、金属で全面が覆われたガラス基板によって構成する。なお、保護コートなしのアルミ蒸着したミラーを先に作り、金箔をミラー基板のミラー出ない部分に貼り付けて、金属カバーするようにしてもよい。これにより、ミラー21のチャージアップを防ぐことができ、安定したビーム輸送が可能となる。   How to make a hollow mirror that covers the entire surface with metal will be explained. For example, metal clay (http://www.silver-clay.com/) can be used. Then, silver and gold with a purity of 99.9% can be made by flying a metal clay binder (binder). In a specific process, an optical metal mirror surface is formed by evaporating metal on a hollow transparent glass substrate. Cover all surfaces with metal clay except the optical metal mirror surface. Here, the inner and outer side surfaces of the glass substrate are covered with clay. That is, metal clay is applied to the inner peripheral surface of the hollow portion. As a result, the entire surface of the glass substrate is covered with a metal such as silver or gold. Then, using an oven, for example, in the case of silver, baking is performed at 600 ° C., and the binder in the metal clay is removed. Thereafter, an optical coating of an aluminum mirror is applied to the mirror for the ultraviolet laser, and a gold coat is applied to the mirror for visible to infrared. As a result, an all-metal hollow mirror can be created. This hollow mirror is used as the mirror 21. Thus, the hollow mirror is constituted by a glass substrate whose entire surface is covered with metal. Alternatively, an aluminum-deposited mirror without a protective coating may be made first, and a gold foil may be attached to a portion of the mirror substrate where the mirror does not come out to cover the metal. As a result, the mirror 21 can be prevented from being charged up, and stable beam transportation is possible.

このように、中空のミラー23を作成する場合、中空状のガラス基板を用意する。すなわち、円形にくり抜かれたガラス基板を用意する。そして、ガラス基板の反射面となる一面を除いた全面を金属粘土で覆う。金属粘土中のつなぎ材を取り除く。そして、反射面となる面に金属膜を蒸着する。こうすることで、簡便に中空ミラーを作成することができる。
なお、ガラス基板の全面を金属薄膜で覆うようにしてもよい。この場合、ガラス基板に貫通穴を設ける。そして、貫通穴を有するガラス基板の全面に金属薄膜を蒸着などによって形成する。これにより、電子ビームの経路中に配置することができる中空ミラーを簡便に製造することができる。
Thus, when creating the hollow mirror 23, a hollow glass substrate is prepared. That is, a glass substrate hollowed out in a circle is prepared. And the whole surface except one surface used as the reflective surface of a glass substrate is covered with a metal clay. Remove the binder in the metal clay. And a metal film is vapor-deposited on the surface used as a reflective surface. By doing so, a hollow mirror can be easily created.
Note that the entire surface of the glass substrate may be covered with a metal thin film. In this case, a through hole is provided in the glass substrate. Then, a metal thin film is formed on the entire surface of the glass substrate having the through holes by vapor deposition or the like. Thereby, the hollow mirror which can be arrange | positioned in the path | route of an electron beam can be manufactured simply.

なお、導光部材22は、空間分布を均一化できる長さとする。また、導光部材22の外径、及び内径は、レーザ光50のスポット径に応じて設定する。すなわち、リング状のレーザ光が導光部材22からはみ出さないようにする。導光部材22、及び金属パイプ27の内径は、電子ビーム60が通過できる大きさとする。すなわち、金属パイプ27の内径を、電子ビーム60のスポット径よりも十分大きくする。   The light guide member 22 has a length that can make the spatial distribution uniform. Further, the outer diameter and inner diameter of the light guide member 22 are set according to the spot diameter of the laser light 50. That is, the ring-shaped laser light is prevented from protruding from the light guide member 22. The inner diameters of the light guide member 22 and the metal pipe 27 are set such that the electron beam 60 can pass through. That is, the inner diameter of the metal pipe 27 is made sufficiently larger than the spot diameter of the electron beam 60.

導光部材22を光路中に設けることで、レーザ光の空間分布を均一化することができる。スペックルなどの影響を低減することができ、XY平面におけるレーザ光の強度分布が均一になる。そして、均一化された光を集光して、フォトカソードに入射させる。これにより、電子ビームのエミッタンスを小さくすることができる。すなわち、フォトカソード25に均一な光が入射するため、フォトカソード25から放出される電子の空間分布を均一化することができる。これにより、空間電荷効果を抑制することができ、エミッタンスを低減することができる。   By providing the light guide member 22 in the optical path, the spatial distribution of the laser light can be made uniform. The influence of speckle or the like can be reduced, and the intensity distribution of the laser beam on the XY plane becomes uniform. Then, the uniformed light is collected and incident on the photocathode. Thereby, the emittance of the electron beam can be reduced. That is, since uniform light is incident on the photocathode 25, the spatial distribution of electrons emitted from the photocathode 25 can be made uniform. Thereby, the space charge effect can be suppressed and emittance can be reduced.

さらに、導光部材22の波長分散によって、パルス幅を伸長することができる。例えば、導光部材22が非線形分散効果を有する石英ロッドの場合、石英の非線形分散効果により広帯域化し、ロッドの長さに比例してパルス幅が長くする。導光部材22の分散と光路差を利用して、パルス光を必要なパルス幅に伸長することができる。最適なパルス幅になるように、導光部材22の長さを選択する。   Furthermore, the pulse width can be extended by the wavelength dispersion of the light guide member 22. For example, in the case where the light guide member 22 is a quartz rod having a nonlinear dispersion effect, the band is broadened by the nonlinear dispersion effect of quartz, and the pulse width is increased in proportion to the length of the rod. By utilizing the dispersion of the light guide member 22 and the optical path difference, the pulsed light can be extended to a required pulse width. The length of the light guide member 22 is selected so that the optimum pulse width is obtained.

導光部材22を中空にすることで、電子ビーム60の径路中に、導光部材22を配置することができる。すなわち、真空チャンバー20内に導光部材22を配置することができる。これにより、真空中に、導光部材22を配置することができるため、導光部材22をフォトカソード25の近くに配置することができる。導光部材22からフォトカソード25までの距離を短くすることができ、装置構成を簡素化することができる。導光部材22から広がって出射する光を、フォトカソード25上に効率よく集光することができる。すなわち、導光部材22を真空中に配置することで、導光部材22から光が広がって出射する場合でも、導光部材22からレンズ23までの距離を短くすることができる。還元すると、レンズ23からフォトカソード25までの距離を長くすることができる。これにより、作動距離の長いレンズ23を用いることができる。よって、簡便に高品質の電子ビーム60を得ることができる。   By making the light guide member 22 hollow, the light guide member 22 can be disposed in the path of the electron beam 60. That is, the light guide member 22 can be disposed in the vacuum chamber 20. Thereby, since the light guide member 22 can be arrange | positioned in a vacuum, the light guide member 22 can be arrange | positioned near the photocathode 25. FIG. The distance from the light guide member 22 to the photocathode 25 can be shortened, and the apparatus configuration can be simplified. Light that spreads and exits from the light guide member 22 can be efficiently collected on the photocathode 25. That is, by disposing the light guide member 22 in a vacuum, the distance from the light guide member 22 to the lens 23 can be shortened even when light spreads from the light guide member 22 and is emitted. In other words, the distance from the lens 23 to the photocathode 25 can be increased. Thereby, the lens 23 with a long working distance can be used. Therefore, the high-quality electron beam 60 can be easily obtained.

なお、電子ビーム60の経路中に存在するミラー21、導光部材22、及びレンズ23は、真空中に配置される。すなわち、ミラー21、導光部材22、及びレンズ23は真空チャンバー20内に配設される。従って、アキシコンレンズ14からのレーザ光50は、真空チャンバー20の側壁に設けられたウィンドウ(図示せず)を介して、ミラー21に入射する。   The mirror 21, the light guide member 22, and the lens 23 existing in the path of the electron beam 60 are disposed in a vacuum. That is, the mirror 21, the light guide member 22, and the lens 23 are disposed in the vacuum chamber 20. Accordingly, the laser beam 50 from the axicon lens 14 is incident on the mirror 21 through a window (not shown) provided on the side wall of the vacuum chamber 20.

このようにして得られた電子ビーム60は、所定の経路を通過して、X線自由電子レーザ(XFEL)、逆コンプトン散乱によるフェムト秒X線パルス光源、フェムト秒時間分解電子顕微鏡、超短パルス電子線描画装置、エネルギー回収型ライナック(ERL)などに利用される。さらに、上記の電子銃100を、レーザ加工装置やレーザエッチング装置に用いてもよい。例えば、電子銃100を電子顕微鏡に用いることで、空間分解能を向上することができる。この場合、電子ビーム60をプローブビームとして、試料に照射する。電子ビーム60のエミッタンスが小さければ、スポットサイズを小さくすることができる。従って、試料上における電子ビーム60のスポットサイズを小さくできるため、より空間分解能を向上することができる。   The electron beam 60 thus obtained passes through a predetermined path, and is an X-ray free electron laser (XFEL), a femtosecond X-ray pulse light source by inverse Compton scattering, a femtosecond time-resolved electron microscope, an ultrashort pulse. It is used for electron beam drawing devices, energy recovery type linacs (ERL), and the like. Further, the electron gun 100 may be used in a laser processing apparatus or a laser etching apparatus. For example, the spatial resolution can be improved by using the electron gun 100 for an electron microscope. In this case, the sample is irradiated with the electron beam 60 as a probe beam. If the emittance of the electron beam 60 is small, the spot size can be reduced. Therefore, since the spot size of the electron beam 60 on the sample can be reduced, the spatial resolution can be further improved.

また、本実施の形態にかかる電子銃は、特に、シングルショットの時間分解電子顕微鏡に好適である。シングルショットの時間分解電子顕微鏡では、空間電荷効果の影響が大きい。そのため、空間的に均一な光を照射することで、空間電荷効果を低減することができる。よって、プロファイルがフラットトップの電子ビームを発生させることができる。   The electron gun according to the present embodiment is particularly suitable for a single shot time-resolved electron microscope. In the single-shot time-resolved electron microscope, the effect of the space charge effect is large. Therefore, the space charge effect can be reduced by irradiating spatially uniform light. Therefore, an electron beam having a flat top profile can be generated.

円環状のアキシコンレンズを用いて、導光部材22からのレーザ光をベッセルビーム整形している。このため、空間的に均一なフラットトップ化を図ることができる。よって、空間プロファイルの均一化のための最適化アルゴリズムが不要となる。可変形ミラー及びその最適化アルゴリズムが不要となるため、装置構成を簡素化することができる。すなわち、複雑な制御なしで、空間分布を均一化することができる。このように、上記の電子発生方法により、高品質の電子ビームを得ることができる。   A laser beam from the light guide member 22 is shaped into a Bessel beam using an annular axicon lens. For this reason, a spatially uniform flat top can be achieved. Therefore, an optimization algorithm for making the spatial profile uniform is unnecessary. Since the deformable mirror and its optimization algorithm are not necessary, the apparatus configuration can be simplified. That is, the spatial distribution can be made uniform without complicated control. Thus, a high-quality electron beam can be obtained by the above-described electron generation method.

発明の実施形態2.
本実施の形態にかかる電子銃100について、図3を用いて説明する。図3は、本実施形態にかかる電子銃100の構成を示す図である。本実施の形態では、アキシコンレンズ14とミラー21の間に、偏光変換素子15、及び偏光調整素子16が設けられている。偏光変換素子15、及び偏光調整素子16は大気中に設けられている。また、本実施の形態では、導光部材22が設けられていない。なお、これら以外の基本的構成は、実施の形態1と同様であるため、重複する部分については説明を省略する。
Embodiment 2 of the Invention
An electron gun 100 according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a diagram showing a configuration of the electron gun 100 according to the present embodiment. In the present embodiment, a polarization conversion element 15 and a polarization adjustment element 16 are provided between the axicon lens 14 and the mirror 21. The polarization conversion element 15 and the polarization adjustment element 16 are provided in the atmosphere. In the present embodiment, the light guide member 22 is not provided. Since the basic configuration other than these is the same as that of the first embodiment, the description of the overlapping parts is omitted.

レーザ光源11からは直線偏光のレーザ光50が出射する。レーザ光源11を出射したレーザ光50は、実施の形態1と同様にアキシコンレンズ13、14で屈折して、円環ビームとなる。アキシコンレンズ14から出射したレーザ光50は、偏光変換素子15に入射する。偏光変換素子15は、レーザ光50に入射位置に応じた位相差を与える。すなわち、偏光変換素子15は、入射位置に応じて異なる位相だけ光を遅延する。偏光変換素子15から出射したレーザ光50は、偏光変換素子15における入射位置に応じて、異なる偏光方向になっている。偏光変換素子15としては、例えば、ナノフォトン社製のZpolを用いることができる。この偏光変換素子15は、直線偏光を偏光軸が放射状になるラジアル偏光に変換する。正確には、偏光変換素子15に直線偏光のレーザ光50を入射させることで、ラジアル偏光に近い偏光状態となる。すなわち、直線偏光をラジアル偏光に近似する擬似ラジアル偏光にすることができる。この偏光変換素子15を、レンズ23と組み合わせることで、Z方向(光軸方向)に大きな電場成分を持つZ偏光を生成することができる。Z偏光に変換されたレーザ光50は、光の進行方向に振動する。この偏光変換素子15、及びZ偏光については、後述する。   From the laser light source 11, linearly polarized laser light 50 is emitted. The laser light 50 emitted from the laser light source 11 is refracted by the axicon lenses 13 and 14 as in the first embodiment, and becomes an annular beam. Laser light 50 emitted from the axicon lens 14 enters the polarization conversion element 15. The polarization conversion element 15 gives the laser light 50 a phase difference corresponding to the incident position. In other words, the polarization conversion element 15 delays light by a different phase depending on the incident position. The laser light 50 emitted from the polarization conversion element 15 has different polarization directions depending on the incident position on the polarization conversion element 15. As the polarization conversion element 15, for example, Zpol manufactured by Nanophoton can be used. The polarization conversion element 15 converts linearly polarized light into radial polarized light whose polarization axis is radial. Precisely, when the linearly polarized laser beam 50 is incident on the polarization conversion element 15, a polarization state close to radial polarization is obtained. That is, the linearly polarized light can be changed to pseudo radial polarized light that approximates the radial polarized light. By combining this polarization conversion element 15 with the lens 23, it is possible to generate Z-polarized light having a large electric field component in the Z direction (optical axis direction). The laser beam 50 converted into Z-polarized light oscillates in the traveling direction of the light. The polarization conversion element 15 and Z polarization will be described later.

偏光変換素子15からのレーザ光50は、偏光調整素子16に入射する。偏光調整素子16は、偏光変換素子15によって変換されたレーザ光の偏光状態を調整する。偏光調整素子16は、上記のZ方向に大きな電場を持つZ偏光が生成される位置を調整する。これにより、例えば、フォトカソード表面においてZ偏光が生成されるように調整することができる。偏光調整素子16は、偏光調整用電源19に接続されている。そして、偏光調整用電源19の電圧を制御することによって、偏光を電気的に調整することができる。なお、偏光調整素子16については、後述する。   The laser beam 50 from the polarization conversion element 15 enters the polarization adjustment element 16. The polarization adjustment element 16 adjusts the polarization state of the laser light converted by the polarization conversion element 15. The polarization adjusting element 16 adjusts the position where Z polarized light having a large electric field in the Z direction is generated. Thereby, it can adjust so that Z polarization | polarized-light may be produced | generated in the photocathode surface, for example. The polarization adjusting element 16 is connected to a polarization adjusting power source 19. Then, the polarization can be electrically adjusted by controlling the voltage of the polarization adjusting power source 19. The polarization adjusting element 16 will be described later.

偏光調整素子16を通過したレーザ光50は、ミラー21に入射する。そして、ミラー21で反射されたレーザ光は、実施の形態1と同様に、レンズ23に入射する。なお、本実施の形態では、レンズ23として、アキシコンレンズではなく、中空の球面レンズ、又は非球面レンズを用いている。レンズ23で集光されたレーザ光は、フォトカソード25に入射する。   The laser beam 50 that has passed through the polarization adjusting element 16 enters the mirror 21. Then, the laser beam reflected by the mirror 21 enters the lens 23 as in the first embodiment. In the present embodiment, a hollow spherical lens or aspherical lens is used as the lens 23 instead of an axicon lens. The laser light collected by the lens 23 enters the photocathode 25.

本実施の形態では、偏光変換素子15を用いてZ偏光を発生させている。レーザ光50によるZ方向の電場を利用して、電子を発生させている。すなわち、Z偏光をフォトカソード25の表面に入射している。これにより、ニードル化したフォトカソードに比べて、エミッタンスを向上することができる。さらに、量子効率を向上することができるため、高輝度の電子ビーム60を得ることができる。よって、簡便な構成で、高品質の電子ビーム60を発生させることができる。また、実効的な仕事関数を低くすることができる。このため、金属やダイアモンドなどの大気中で安定なフォトカソード材料を用いることができる。これにより、低ランニングコストでメンテナンス性の高い電子銃100を実現することができる。   In the present embodiment, the Z-polarized light is generated using the polarization conversion element 15. Electrons are generated using an electric field in the Z direction generated by the laser beam 50. That is, Z-polarized light is incident on the surface of the photocathode 25. Thereby, emittance can be improved as compared with a needled photocathode. Furthermore, since the quantum efficiency can be improved, a high-intensity electron beam 60 can be obtained. Therefore, a high-quality electron beam 60 can be generated with a simple configuration. In addition, the effective work function can be lowered. Therefore, a photocathode material that is stable in the atmosphere, such as metal or diamond, can be used. As a result, it is possible to realize the electron gun 100 with low running cost and high maintainability.

次に、直線偏光をZ偏光に変換するための偏光変換素子15について、図4〜図6を用いて説明する。図4(a)は、偏光変換素子15の構成を模式的に示す平面図である。図4(b)は、偏光変換素子15を通過したレーザ光50の偏光状態を説明するための図である。図4(c)は、偏光変換素子15を通過したレーザ光50の別の偏光状態を説明するための図である。図5は、偏光変換素子15、及びレンズ23によって変化する偏光状態を説明するための斜視図である。図6は、偏光変換素子15、及びレンズ23によって変化する偏光状態を説明するための側面図である。なお、図5、及び図6では、説明の簡略化のため、偏光変換素子15、及びレンズ23のみを示し、その他の構成部品(例えば、ミラー21、偏光調整素子16等)については省略している。また、図4〜図6では、レーザ光50の進行方向をZ方向とし、Z方向に垂直な平面をXY平面としている。X方向、及びY方向は互いに直交する方向である。   Next, the polarization conversion element 15 for converting linearly polarized light into Z polarized light will be described with reference to FIGS. FIG. 4A is a plan view schematically showing the configuration of the polarization conversion element 15. FIG. 4B is a diagram for explaining the polarization state of the laser light 50 that has passed through the polarization conversion element 15. FIG. 4C is a diagram for explaining another polarization state of the laser light 50 that has passed through the polarization conversion element 15. FIG. 5 is a perspective view for explaining the polarization state changed by the polarization conversion element 15 and the lens 23. FIG. 6 is a side view for explaining the polarization state changed by the polarization conversion element 15 and the lens 23. In FIGS. 5 and 6, only the polarization conversion element 15 and the lens 23 are shown for simplification of explanation, and other components (for example, the mirror 21 and the polarization adjustment element 16) are omitted. Yes. 4 to 6, the traveling direction of the laser beam 50 is the Z direction, and the plane perpendicular to the Z direction is the XY plane. The X direction and the Y direction are directions orthogonal to each other.

まず、図4を用いて偏光変換素子15の構成について説明する。偏光変換素子15は、例えば、ガラス等からなる透明基板の上に波長板を設けることによって形成される。偏光変換素子15は、放射状に分割された4つの領域を有している。図4(a)に示すように、この4つの領域を分割領域15a〜分割領域15dとする。すなわち、偏光変換素子15は、4つの分割領域15a〜15dを備えている。ここでは、上側に分割領域15aが配置され、下側に分割領域15bが配置され、左側に分割領域15cが配置され、右側に分割領域15dが配置されている。分割領域15a〜15dは、中心点に対して対称に分割されている。従って、4つの分割領域15a〜15dは、放射状に配置されている。このように、放射状に分割された4つの領域が分割領域15a〜15dとなる。それぞれの分割領域の大きさは等しくなっている。分割領域15a〜15dは周方向の全体にわたって設けられている。従って、分割領域15a〜15dのそれぞれは、中心点に対応する内角が90°の扇形となる。   First, the configuration of the polarization conversion element 15 will be described with reference to FIG. The polarization conversion element 15 is formed, for example, by providing a wave plate on a transparent substrate made of glass or the like. The polarization conversion element 15 has four regions divided radially. As shown in FIG. 4A, these four areas are defined as a divided area 15a to a divided area 15d. That is, the polarization conversion element 15 includes four divided regions 15a to 15d. Here, the divided area 15a is arranged on the upper side, the divided area 15b is arranged on the lower side, the divided area 15c is arranged on the left side, and the divided area 15d is arranged on the right side. The divided areas 15a to 15d are divided symmetrically with respect to the center point. Accordingly, the four divided regions 15a to 15d are arranged radially. As described above, the four regions divided radially are divided regions 15a to 15d. The size of each divided area is equal. The divided areas 15a to 15d are provided over the entire circumferential direction. Accordingly, each of the divided regions 15a to 15d has a sector shape with an inner angle corresponding to the center point of 90 °.

分割領域15a〜15dにはそれぞれ異なる方向の光学軸を有する1/2波長板が設けられている。すなわち、分割領域15a〜15d毎に、光の振動方向が異なっている。図4(a)には、分割領域15a〜15dにおける光学軸が矢印で示されている。ここで、それぞれの分割領域の光学軸は、隣の分割領域の光学軸から45°ずれている。すなわち、Y軸の方向を基準とすると、図4に示すように、分割領域15aにおける波長板の光学軸の角度は0°となり、分割領域15bの光学軸は90°となり、分割領域15cの光学軸は−45°となり、分割領域15dの光学軸は45°となっている。   The divided regions 15a to 15d are provided with half-wave plates having optical axes in different directions. That is, the vibration direction of light is different for each of the divided regions 15a to 15d. In FIG. 4A, the optical axes in the divided regions 15a to 15d are indicated by arrows. Here, the optical axis of each divided region is shifted by 45 ° from the optical axis of the adjacent divided region. That is, with reference to the direction of the Y axis, as shown in FIG. 4, the angle of the optical axis of the wave plate in the divided region 15a is 0 °, the optical axis of the divided region 15b is 90 °, and the optical of the divided region 15c. The axis is −45 °, and the optical axis of the divided region 15d is 45 °.

従って、中心点に対して互いに対向する分割領域に設けられている1対の波長板は、光学軸が直交する。例えば、分割領域15aの光学軸は0°であり、分割領域15aに対向する分割領域15bの光学軸は90°となっている。また、分割領域15cの光学軸と、分割領域15dの光学軸は、互いに直交している。換言すると、互いに対向する分割領域に設けられている一対の波長板において、光学軸の角度の差が90°となっている。このように、分割領域15a〜15dの中心点を挟んで対角に配置された一対の分割領域には、光学軸が90°異なる波長板が設けられる。   Accordingly, the optical axes of the pair of wave plates provided in the divided regions facing each other with respect to the center point are orthogonal to each other. For example, the optical axis of the divided area 15a is 0 °, and the optical axis of the divided area 15b facing the divided area 15a is 90 °. The optical axis of the divided region 15c and the optical axis of the divided region 15d 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 15a to 15d are provided with the wave plates whose optical axes are different 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、直線偏光の方位が1/2波長板における光学軸に対して成す角度をθとすると、1/2波長板を通過した光は、元の直線偏光から2θだけ回転した直線偏光の光となる。例えば、1/2波長板の光学軸と、直線偏光の偏光軸とが45°ずれている場合、1/2波長板は、偏光軸が90°ずれた直線偏光を出射する。   The half-wave plate emits incident light with a half-wave phase difference. Therefore, if the angle formed by the direction of the linearly polarized light with respect to the optical axis of the half-wave plate is θ, the light passing through the half-wave plate is the linearly polarized light rotated by 2θ from the original linearly polarized light. Become. For example, when the optical axis of the half-wave plate and the polarization axis of linearly polarized light are shifted by 45 °, the half-wave plate emits linearly polarized light whose polarization axis is shifted by 90 °.

図4(b)では、偏光軸がY方向に沿った方向である直線偏光が入射した場合を示している。すなわち、Y方向と平行な方向の偏光面を有するレーザ光50が入射すると、図4(b)に示す偏光状態となる。従って、入射偏光方位が0°の直線偏光が入射した時に出射される出射光の偏光方位について説明する。すなわち、分割領域15aの光学軸と、入射光の偏光軸が一致している場合について説明する。図4(b)には、各分割領域から出射される出射光の偏光軸が矢印でそれぞれ示されている。分割領域15a〜分割領域15dから出射される直線偏光の偏光軸は放射状になっている。   FIG. 4B shows a case where linearly polarized light having a polarization axis along the Y direction is incident. That is, when a laser beam 50 having a polarization plane parallel to the Y direction is incident, the polarization state shown in FIG. Therefore, the polarization azimuth of the outgoing light that is emitted when linearly polarized light having an incident polarization azimuth of 0 ° is described. That is, the case where the optical axis of the divided region 15a and the polarization axis of the incident light coincide with each other will be described. In FIG. 4B, the polarization axes of the emitted light emitted from each divided region are indicated by arrows. The polarization axes of the linearly polarized light emitted from the divided regions 15a to 15d are radial.

具体的には、中心点に対して対向する一対の分割領域から出射される直線偏光の偏光軸が平行になっている。そして、対向する一対の分割領域では振動方向が反対になっている。また、隣接する分割領域から出射される光の偏光軸は90°ずれている。例えば、分割領域15a及び分割領域15bから出射する光の偏光軸は、0°である。また、分割領域15c及び分割領域15dから出射される光の偏光軸は、90°である。従って、入射位置に応じて偏光軸の角度が変化して、出射偏光変位が放射状となる。このように、偏光変換素子15は、入射位置に応じて入射光の偏光状態を変化させ、所望の偏光状態になるよう制御する。   Specifically, the polarization axes of linearly polarized light emitted from a pair of divided regions facing the center point are parallel. And a vibration direction is opposite in a pair of division area which opposes. Further, the polarization axis of the light emitted from the adjacent divided regions is shifted by 90 °. For example, the polarization axis of the light emitted from the divided region 15a and the divided region 15b is 0 °. Further, the polarization axis of the light emitted from the divided regions 15c and 15d is 90 °. Therefore, the angle of the polarization axis changes according to the incident position, and the outgoing polarization displacement becomes radial. Thus, the polarization conversion element 15 changes the polarization state of the incident light in accordance with the incident position, and controls to obtain a desired polarization state.

上記の偏光変換素子15に直線偏光を入射させることで、ラジアル偏光に近い偏光状態となるよう制御することができる。具体的には、レーザ光50の光軸と、偏光変換素子15の中心点を一致させる。そして、分割領域15aの光学軸と直線偏光の偏光軸を一致させる。このようにすることで、直線偏光をラジアル偏光に近似する擬似ラジアル偏光にすることができる。また、上記の偏光変換素子15に対して偏光軸がX方向の直線偏光を入射することによって、偏光軸が円形に近い形状となる。従って、アジマス偏光に近い偏光状態とすることができる。すなわち、アジマス偏光に近似する擬似アジマス偏光にすることができる。このときのXY平面における偏光軸の分布は図4(c)に示すようになる。なお、上記の説明では、4分割の偏光変換素子15について説明したが、分割数はこれに限られるものではない。例えば、2分割や8分割の偏光変換素子15を用いることもできる。   By making linearly polarized light incident on the polarization conversion element 15, it is possible to control the polarization state to be close to radial polarization. Specifically, the optical axis of the laser beam 50 and the center point of the polarization conversion element 15 are matched. Then, the optical axis of the divided region 15a is matched with the polarization axis of linearly polarized light. By doing 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 15, the polarization axis has a shape close to a circle. Therefore, a polarization state close to azimuth polarization can be obtained. That is, pseudo azimuth polarized light approximate to azimuth polarized light can be obtained. The distribution of the polarization axes on the XY plane at this time is as shown in FIG. In the above description, the 4-division polarization conversion element 15 has been described, but the number of divisions is not limited to this. For example, a two-divided or eight-divided polarization conversion element 15 can be used.

偏光変換素子15の分割数を増加させることによって、よりラジアル偏光又はアジマス偏光に近い偏光状態とすることができる。すなわち、分割領域の数を増やすこと偏光軸がよりなめらかに変化する。換言すると、分割数を無限大にすると、理想的なラジアル偏光状態又は理想的なアジマス偏光状態を生成することができる。さらに、電場ベクトルのZ成分を高くするためには、分割数を8以上とすることが好ましく、16以上とすることがより好ましい。   By increasing the number of divisions of the polarization conversion element 15, the polarization state can be made closer to radial polarization or azimuth polarization. In other words, increasing the number of divided regions changes the polarization axis more smoothly. In other words, when the number of divisions is infinite, an ideal radial polarization state or an ideal azimuth polarization state can be generated. Furthermore, in order to increase the Z component of the electric field vector, the number of divisions is preferably 8 or more, and more preferably 16 or more.

具体的には、例えば、分割数が16の場合、波長板の光学軸を隣の分割領域から11.25°ずらす。これにより、対向する分割領域で、光学軸が直交する。そして、この偏光変換素子15に一定角度の偏光軸を入射させると、直線偏光が擬似ラジアル偏光又は擬似アジマス偏光となって出射される。   Specifically, for example, when the number of divisions is 16, the optical axis of the wave plate is shifted by 11.25 ° from the adjacent division region. As a result, the optical axes are orthogonal to each other in the divided areas facing each other. When a polarization axis having a certain angle is incident on the polarization conversion element 15, the linearly polarized light is emitted as pseudo radial polarized light or pseudo azimuth polarized light.

次に、偏光変換素子15とレンズ23とを組み合わせてZ偏光を生成する点について、説明する。図5、及び図6に示すように、偏光変換素子15によって擬似ラジアル偏光を生成する。すなわち、図4(b)に示したように、対向する分割領域では、振動方向が180°反対向きになっている。すなわち、偏光変換素子15を通過することによって、偏光軸が放射状になっている。このような偏光状態のレーザ光50をレンズ23で集光する。   Next, the point that Z polarization is generated by combining the polarization conversion element 15 and the lens 23 will be described. As shown in FIGS. 5 and 6, the pseudo-radial polarization is generated by the polarization conversion element 15. That is, as shown in FIG. 4B, the vibration direction is opposite by 180 ° in the opposed divided regions. That is, the polarization axis is radial by passing through the polarization conversion element 15. The laser beam 50 in such a polarization state is collected by the lens 23.

偏光変換素子15を光路上に配置すると、上側の分割領域15aを透過した光と下側の分割領域15bを透過した光とで位相にずれが生じる。すなわち、上下に対向した配置された分割領域15aと分割領域15bとで光の位相が180°ずれる。レーザ光50から直線偏光が出力されているとすると、電気ベクトルの直交する成分の位相は一致している。直線偏光が偏光変換素子15を通過した場合、分割領域15aと分割領域15bとでは、電気ベクトルの位相が180°ずれることになる。すなわち上の分割領域15aと下の分割領域15bとで電気ベクトルの振動方向が反対方向になる。上の分割領域15aと下の分割領域15bとでは、偏光方向が反対方向となる。すなわち、上の分割領域15aを透過した光と下の分割領域15bを透過した光とは同じ直線上の直線偏光であるが、その振動の向きが反対となる。偏光方向が、出射端面の中心に対して対称になっている。   When the polarization conversion element 15 is disposed on the optical path, a phase shift occurs between the light transmitted through the upper divided region 15a and the light transmitted through the lower divided region 15b. That is, the phase of light is shifted by 180 ° between the divided region 15a and the divided region 15b that are arranged to face each other vertically. Assuming that linearly polarized light is output from the laser beam 50, the phases of the orthogonal components of the electric vectors are in agreement. When linearly polarized light passes through the polarization conversion element 15, the phase of the electric vector is shifted by 180 ° between the divided region 15a and the divided region 15b. That is, the vibration direction of the electric vector is opposite between the upper divided area 15a and the lower divided area 15b. In the upper divided region 15a and the lower divided region 15b, the polarization directions are opposite to each other. That is, the light transmitted through the upper divided region 15a and the light transmitted through the lower divided region 15b are linearly polarized light on the same straight line, but their vibration directions are opposite. The polarization direction is symmetric with respect to the center of the exit end face.

次に、図5、及び図6を用いて、Z偏光を生成する方法について説明する。図5、及び図6の矢印はその位置における電気ベクトルの振動方向を模式的に示したものである。上述のように偏光変換素子15を透過する前のレーザ光は直線偏光であるので全て同じ方向(Y方向)に電気ベクトルが振動している。そして、偏光変換素子15を通過することによって、その位置に応じて電気ベクトルの振動方向が変化する。図6に示すように、上の分割領域15aを透過した光の電気ベクトルは上方向に振動している。一方、下の分割領域15bを透過した光の電気ベクトルは下方向に振動している。なお、図6において、レンズ23が中空となっていないが、実際には中空となっている。   Next, a method for generating Z-polarized light will be described with reference to FIGS. 5 and 6. The arrows in FIG. 5 and FIG. 6 schematically show the vibration direction of the electric vector at that position. As described above, since the laser light before passing through the polarization conversion element 15 is linearly polarized light, the electric vectors all vibrate in the same direction (Y direction). Then, by passing through the polarization conversion element 15, the vibration direction of the electric vector changes according to the position. As shown in FIG. 6, the electric vector of the light transmitted through the upper divided region 15a oscillates upward. On the other hand, the electric vector of the light transmitted through the lower divided region 15b oscillates downward. In FIG. 6, the lens 23 is not hollow, but is actually hollow.

次に偏光変換素子15を透過した光がレンズ23によりフォトカソード上に集光された状態について、図6を用いて詳細に説明する。ここでは光の電気ベクトルの振動方向を光の進行方向に対して垂直な方向の成分(Y方向)と平行な方向の成分(Z成分)に分けて考える。なお、図6において、光の進行方向に対して垂直な方向(Y方向)を上下方向とし、光の進行方向に対して平行な方向(Z方向)を左右方向として説明する。   Next, the state in which the light transmitted through the polarization conversion element 15 is condensed on the photocathode by the lens 23 will be described in detail with reference to FIG. Here, the vibration direction of the electric vector of light is considered by dividing it into a component in the direction perpendicular to the traveling direction of the light (Y direction) and a component in the direction parallel to the direction (Z component). In FIG. 6, a direction perpendicular to the light traveling direction (Y direction) is defined as an up-down direction, and a direction parallel to the light traveling direction (Z direction) is defined as a left-right direction.

上の分割領域15aを透過した光はレンズ23により下方向に傾くよう屈折される。従って、光の電気ベクトルの振動方向は図6に示すように右斜め上となる。中心を透過した光はレンズ23により屈折されないので、振動方向はそのまま上方向のままである。下の分割領域15bを透過した光はレンズ23により上方向に傾くよう屈折される。従って、光の電気ベクトルの振動方向は右斜め下となる。このように位置に応じて異なる振動方向を持つ光がフォトカソード上に集光される。   The light transmitted through the upper divided region 15a is refracted by the lens 23 so as to be inclined downward. Therefore, the vibration direction of the electric vector of light is diagonally upward to the right as shown in FIG. Since the light transmitted through the center is not refracted by the lens 23, the vibration direction remains as it is upward. The light transmitted through the lower divided region 15b is refracted by the lens 23 so as to be inclined upward. Therefore, the vibration direction of the electric vector of light is diagonally downward to the right. In this way, light having different vibration directions depending on the position is collected on the photocathode.

レンズ23を透過した後において、電気ベクトルの振動方向は上の分割領域15aでは右斜め上で、下の分割領域15bでは右斜め下であるため、上下方向の成分がそれぞれ反対である。これにより、フォトカソード25上に集光された状態において、電気ベクトルの振動方向における上下方向の成分は、打ち消し合う。従って、光の進行方向と垂直方向の電気ベクトルの成分はほぼ0となる。すなわち、フォトカソード上において、光の電気ベクトルは進行方向と垂直な方向に振動しなくなる。   After passing through the lens 23, the vibration direction of the electric vector is diagonally right upward in the upper divided area 15a and diagonally lower right in the lower divided area 15b, so the components in the vertical direction are opposite to each other. Thereby, in the state condensed on the photocathode 25, the vertical components in the vibration direction of the electric vector cancel each other. Therefore, the electric vector component in the direction perpendicular to the light traveling direction is almost zero. That is, on the photocathode, the electric vector of light does not vibrate in the direction perpendicular to the traveling direction.

一方、電気ベクトルの振動方向は上の分割領域15aでは右斜め上で、下の分割領域15bでは右斜め下であるため、左右方向の成分が同じ右方向である。これにより、電気ベクトルの左右方向の成分については、上の分割領域15aと下の分割領域15bとで強め合う。従って、光の進行方向と平行方向の電気ベクトルの成分は右方向に強調される。すなわち、光の電気ベクトルは進行方向と平行な方向に振動していることになる。このように偏光変換素子15によって位相がずれたレーザ光をレンズ23で集光することによって、電気ベクトルが進行方向と平行な方向に振動した状態で、レーザ光50をフォトカソード25に照射することができる。なお、Z方向の電場強度成分は、レンズ23の焦点距離やNA(開口数)によって変化する。例えば、Z方向の電場強度成分は開口数のほぼ4乗に比例する。すなわち、焦点距離が短く、NAが大きいレンズ23を用いることによって、Z方向の電場強度成分を増加させることができる。従って、アキシコンレンズよりも球面レンズや非球面レンズを用いることが好ましい。   On the other hand, the vibration direction of the electric vector is diagonally right upward in the upper divided area 15a and diagonally lower right in the lower divided area 15b, so that the left and right components are the same right direction. As a result, the horizontal component of the electric vector is strengthened by the upper divided region 15a and the lower divided region 15b. Accordingly, the electric vector component parallel to the light traveling direction is emphasized in the right direction. That is, the electric vector of light is oscillating in a direction parallel to the traveling direction. By condensing the laser beam whose phase is shifted by the polarization conversion element 15 with the lens 23 in this manner, the laser beam 50 is irradiated on the photocathode 25 in a state where the electric vector vibrates in a direction parallel to the traveling direction. Can do. Note that the electric field strength component in the Z direction varies depending on the focal length and NA (numerical aperture) of the lens 23. For example, the electric field strength component in the Z direction is proportional to the fourth power of the numerical aperture. That is, the electric field strength component in the Z direction can be increased by using the lens 23 having a short focal length and a large NA. Therefore, it is preferable to use a spherical lens or an aspheric lens rather than an axicon lens.

本実施の形態では、偏光変換素子15を用いてZ偏光を発生させている。レーザ光50によるZ方向の電場を利用して、電子を発生させている。すなわち、Z偏光をフォトカソード25の表面に入射している。これにより、ニードル化したフォトカソードに比べて、エミッタンスを向上することができる。さらに、量子効率を向上することができるため、高輝度の電子ビーム60を得ることができる。よって、簡便な構成で、高品質の電子ビーム60を発生させることができる。また、実効的な仕事関数を低くすることができる。このため、金属やダイアモンドなどの大気中で安定なフォトカソード材料を用いることができる。これにより、低ランニングコストでメンテナンス性の高い電子銃100を実現することができる。   In the present embodiment, the Z-polarized light is generated using the polarization conversion element 15. Electrons are generated using an electric field in the Z direction generated by the laser beam 50. That is, Z-polarized light is incident on the surface of the photocathode 25. Thereby, emittance can be improved as compared with a needled photocathode. Furthermore, since the quantum efficiency can be improved, a high-intensity electron beam 60 can be obtained. Therefore, a high-quality electron beam 60 can be generated with a simple configuration. In addition, the effective work function can be lowered. Therefore, a photocathode material that is stable in the atmosphere, such as metal or diamond, can be used. As a result, it is possible to realize the electron gun 100 with low running cost and high maintainability.

このように、Z偏光のレーザ光50がフォトカソード25に入射する。よって、フォトカソード表面には、Z方向に強い電場が発生する。これにより、フォトカソード25の実効的な仕事関数を低下させることができる。例えば、フォトカソード表面において1GV/m程度の電場を発生させると、実効的な仕事関数をeV単位で下げることができる。よって、銅等の安定な金属材料をカソード材料に用いた場合でも、長波長のレーザ光で電子が発生する。量子効率を向上することができる。   In this way, the Z-polarized laser beam 50 is incident on the photocathode 25. Therefore, a strong electric field is generated in the Z direction on the photocathode surface. Thereby, the effective work function of the photocathode 25 can be reduced. For example, when an electric field of about 1 GV / m is generated on the photocathode surface, the effective work function can be lowered in units of eV. Therefore, even when a stable metal material such as copper is used for the cathode material, electrons are generated by the laser light having a long wavelength. The quantum efficiency can be improved.

次に、偏光調整素子16について説明する。偏光調整素子16は、電気光学素子であり、偏光調整用電源19から印加された電圧に基づいて、偏光変換素子15で生成された偏光状態を調整する。偏光調整素子16は、例えば、BBOなどの透明な電気光学結晶を有している。そして、電気光学結晶を図4(a)で示した分割領域毎に配置して、領域毎に独立して電圧を印加する。具体的には、電場の強さに比例して屈折率が変化するポッケルスセルが設けられている。あるいは、偏光調整素子16として、液晶光学素子などを用いてもよい。そして、偏光調整用電源19によって印加する電圧を制御することで、偏光状態を調整することができる。これにより、偏光方向のずれを低減し、よりラジアル偏光に近づけることができる。すなわち、各分割領域における偏光方向を、図4(b)に示す偏光方向に近づけることができる。なお、偏光変換素子15のみで、フォトカソード25上におけるZ方向の電場を大きくすることができる場合、偏光調整素子16を用いなくてもよい。   Next, the polarization adjusting element 16 will be described. The polarization adjustment element 16 is an electro-optic element, and adjusts the polarization state generated by the polarization conversion element 15 based on the voltage applied from the polarization adjustment power source 19. The polarization adjusting element 16 has a transparent electro-optic crystal such as BBO, for example. Then, the electro-optic crystal is arranged for each divided region shown in FIG. 4A, and a voltage is applied independently for each region. Specifically, a Pockels cell whose refractive index changes in proportion to the strength of the electric field is provided. Alternatively, a liquid crystal optical element or the like may be used as the polarization adjusting element 16. The polarization state can be adjusted by controlling the voltage applied by the polarization adjusting power source 19. Thereby, the shift | offset | difference of a polarization direction can be reduced and it can approximate more to radial polarization. That is, the polarization direction in each divided region can be brought close to the polarization direction shown in FIG. In addition, when only the polarization conversion element 15 can increase the electric field in the Z direction on the photocathode 25, the polarization adjustment element 16 may not be used.

本実施の形態にかかる電子銃100では、実効的な仕事関数を低下させることができる。これにより、低パワーのレーザ光を用いることができ、フォトカソード25に与えるダメージを低減することができる。すなわち、1バンチに含まれる電子数が高い場合でも、高パワーのレーザ光を用いる必要がなくなる。フォトカソード25に与えられるダメージを低減することができる。これにより、繰り返し周波数を高くすることができる。フォトカソード25に損傷が生じるのを防ぐことができる。よって、フォトカソード25の寿命を長くすることができる。本実施の形態では、反射型フォトカソードでなく、透過型フォトカソードを用いてもよい。なお、レンズ23に入射する光はラジアル偏光になっていなくてもよい。すなわち、偏光変換素子15によって、ラジアル偏光に近づいていればよい。   In the electron gun 100 according to the present embodiment, the effective work function can be reduced. Thereby, low-power laser light can be used, and damage to the photocathode 25 can be reduced. That is, even when the number of electrons contained in one bunch is high, it is not necessary to use high-power laser light. Damage to the photocathode 25 can be reduced. Thereby, a repetition frequency can be made high. It is possible to prevent the photocathode 25 from being damaged. Therefore, the life of the photocathode 25 can be extended. In this embodiment mode, a transmissive photocathode may be used instead of the reflective photocathode. The light incident on the lens 23 does not have to be radial polarized light. That is, it is only necessary that the polarization conversion element 15 approaches the radially polarized light.

発明の実施の形態3.
本実施の形態に係る電子銃について、図7を用いて説明する。図7は、電子銃100の全体構成を示す図である。本実施の形態にかかる電子銃100は、導光部材22として、偏波面保存ファイバが束ねられた偏波面保存ファイバーバンドルが用いられている。そして、偏光変換素子15ではなく、偏波面保存ファイバーバンドルを用いてZ偏光を生成している。すなわち、導光部材22が偏光変換素子15の機能を果たしている。なお、導光部材22以外の構成は、実施の形態1で示した電子銃100と同じである。従って、実施の形態1、2で説明した内容と重複する部分については、説明を省略する。
Embodiment 3 of the Invention
An electron gun according to this embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a diagram showing the overall configuration of the electron gun 100. In the electron gun 100 according to the present embodiment, a polarization-maintaining fiber bundle in which polarization-maintaining fibers are bundled is used as the light guide member 22. The Z-polarized light is generated using not the polarization conversion element 15 but the polarization plane preserving fiber bundle. That is, the light guide member 22 functions as the polarization conversion element 15. The configuration other than the light guide member 22 is the same as that of the electron gun 100 shown in the first embodiment. Therefore, description of the same parts as those described in the first and second embodiments is omitted.

実施の形態1と同様に、直線偏光のレーザ光50がミラー21で反射されて、導光部材22に入射する。そして、導光部材22によって、直線偏光を、ラジアル偏光に変換している。そして、導光部材22によってラジアル偏光になったレーザ光が、レンズ23に入射する。そして、レンズ23で集光されて、フォトカソード25に入射する。フォトカソード25上では、レーザ光50が、Z偏光になっている。なお、レンズ23は、Z方向の電場を強くするため、アキシコンレンズではなく、球面レンズ、GRADIUM(登録商標)等の屈折率分布型レンズ、または非球面レンズ等になっている、   As in the first embodiment, the linearly polarized laser beam 50 is reflected by the mirror 21 and enters the light guide member 22. The light guide member 22 converts linearly polarized light into radial polarized light. Then, the laser light that has been radially polarized by the light guide member 22 enters the lens 23. Then, the light is condensed by the lens 23 and enters the photocathode 25. On the photocathode 25, the laser beam 50 is Z-polarized light. The lens 23 is not an axicon lens but a refractive index distribution type lens such as GRADIUM (registered trademark), an aspherical lens, or the like in order to increase the electric field in the Z direction.

次に、導光部材22である偏波面保存ファイバーバンドルについて、図8、及び図9を用いて説明する。図8は、導光部材22を示す斜視図であり、通過するレーザ光50の偏光状態を模式的に示している。図9は、導光部材22の入射端面22a、及び出射端面22bを示す平面図であり、導光部材22の各端面での偏波面の方向を模式的に示している。すなわち、入射端面22a、及び出射端面22bにおける偏光保存軸の方向が矢印で示されている。この偏光軸の方向の直線偏光が偏波面保存ファイバーの内部を伝搬していく。   Next, the polarization plane preserving fiber bundle that is the light guide member 22 will be described with reference to FIGS. 8 and 9. FIG. 8 is a perspective view showing the light guide member 22 and schematically showing the polarization state of the laser beam 50 passing therethrough. FIG. 9 is a plan view showing the incident end face 22 a and the outgoing end face 22 b of the light guide member 22, and schematically shows the direction of the polarization plane at each end face of the light guide member 22. That is, the directions of the polarization preserving axes at the incident end face 22a and the outgoing end face 22b are indicated by arrows. The linearly polarized light in the direction of the polarization axis propagates through the polarization plane preserving fiber.

図8に示すように、円筒状の偏波面保存ファイバーバンドルが導光部材22となっている。すなわち、複数の偏波面保存ファイバーが束ねられることによって、偏波面保存ファイバーバンドルが構成される。そして、導光部材22は、実施の形態1と同様に中空になっている。従って、レーザ光50の光軸51上には、偏波面保存ファイバーが設けられていない。偏波面保存ファイバーに入射した光は、偏波面が保存された状態で伝搬していく。すなわち、偏波面保存ファイバーの偏光保存軸と平行な偏波面のレーザ光が伝搬していく。   As shown in FIG. 8, a cylindrical polarization plane preserving fiber bundle is the light guide member 22. That is, a polarization plane preserving fiber bundle is configured by bundling a plurality of polarization plane preserving fibers. The light guide member 22 is hollow as in the first embodiment. Therefore, no polarization plane preserving fiber is provided on the optical axis 51 of the laser beam 50. Light incident on the polarization preserving fiber propagates with the polarization plane preserved. That is, the laser beam having a polarization plane parallel to the polarization preserving axis of the polarization preserving fiber propagates.

そして、偏波面保存ファイバーの偏光保存軸を徐々に変化させていくことによって、ラジアル偏光になる。すなわち、偏波面保存ファイバーをねじることで、偏光保存軸の方向を変えることができる。入射端面22aから出射端面22bに向かうにつれて偏波面保存ファイバーをよじっていくと、偏光保存軸の方向が回転する。従って、入射端面22aと出射端面22bとの間で、偏光保存軸の方向を変えることができる。ここでは、XY平面における位置に応じて、偏光保存軸の方向を調整している。すなわち、偏波面保存ファイバをねじる角度を、XY面における位置に応じて変えている。導光部材22の出射端面22bにおける偏波面の方向が、出射位置に応じて異なっている。これにより、ラジアル偏光となるように、光の偏光状態を制御することができる。   Then, by gradually changing the polarization preserving axis of the polarization plane preserving fiber, it becomes radial polarization. That is, the direction of the polarization preserving axis can be changed by twisting the polarization preserving fiber. When the polarization plane preserving fiber is twisted from the incident end face 22a toward the outgoing end face 22b, the direction of the polarization preserving axis rotates. Therefore, the direction of the polarization preserving axis can be changed between the incident end face 22a and the outgoing end face 22b. Here, the direction of the polarization preserving axis is adjusted according to the position on the XY plane. That is, the angle at which the polarization-preserving fiber is twisted is changed according to the position in the XY plane. The direction of the polarization plane at the exit end face 22b of the light guide member 22 differs depending on the exit position. Thereby, the polarization state of light can be controlled so as to be radial polarization.

ここで、偏波面保存ファイバーによって保存される偏波面の方向について、図9を用いて説明する。図9(a)に示すように、入射端面22aを4つの分割領域28a〜28dに分割して説明する。上側に分割領域28aが配置され、下側に分割領域28bが配置され、左側に分割領域28cが配置され、右側に分割領域28dが配置されている。分割領域28a〜28dは、中心点に対して対称に分割されている。従って、4つの分割領域28a〜28dは、放射状に配置されている。このように、放射状に分割された4つの領域が分割領域28a〜28d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28a〜28d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28a〜28dのそれぞれは、中心点に対応する内角が90°の扇形となる。   Here, the direction of the polarization plane stored by the polarization plane maintaining fiber will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 9A, the incident end face 22a is described by being divided into four divided regions 28a to 28d. The divided area 28a is arranged on the upper side, the divided area 28b is arranged on the lower side, the divided area 28c is arranged on the left side, and the divided area 28d is arranged on the right side. The divided areas 28a to 28d are divided symmetrically with respect to the center point. Accordingly, the four divided regions 28a to 28d are arranged radially. In this way, the four regions divided radially are divided regions 28a to 28d. The size of each divided area is equal. The divided regions 28a to 28d are provided over the entire circumferential direction. Accordingly, each of the divided regions 28a to 28d has a sector shape with an inner angle corresponding to the center point of 90 °.

同様に、出射端面22bを分割領域29a〜29dに分割して、説明する。すなわち、図9(b)に示すように、出射端面22bを4つに分割する。上側に分割領域29aが配置され、下側に分割領域29bが配置され、左側に分割領域28cが配置され、右側に分割領域28dが配置されている。従って、入射端面22aの分割領域28aが出射端面22bの分割領域29aに対応する。すなわち、分割領域28aに入射した光は、分割領域29aから出射する。同様に、入射端面22aの分割領域28bが出射端面22bの分割領域29bに対応し、入射端面22aの分割領域28cが出射端面22bの分割領域29cに対応し、入射端面22aの分割領域28dが出射端面22bの分割領域29dに対応する。分割領域28bに入射した光は分割領域29bから出射し、分割領域28cに入射した光は分割領域29cから出射し、分割領域28dに入射した光は、分割領域29dから出射する。   Similarly, the emission end face 22b is divided into divided areas 29a to 29d and will be described. That is, as shown in FIG. 9B, the emission end face 22b is divided into four. The divided area 29a is arranged on the upper side, the divided area 29b is arranged on the lower side, the divided area 28c is arranged on the left side, and the divided area 28d is arranged on the right side. Therefore, the divided area 28a of the incident end face 22a corresponds to the divided area 29a of the outgoing end face 22b. That is, the light incident on the divided area 28a is emitted from the divided area 29a. Similarly, the divided area 28b of the incident end face 22a corresponds to the divided area 29b of the outgoing end face 22b, the divided area 28c of the incident end face 22a corresponds to the divided area 29c of the outgoing end face 22b, and the divided area 28d of the incident end face 22a is emitted. This corresponds to the divided region 29d of the end face 22b. The light incident on the divided area 28b is emitted from the divided area 29b, the light incident on the divided area 28c is emitted from the divided area 29c, and the light incident on the divided area 28d is emitted from the divided area 29d.

入射端面22aでは、全ての分割領域28a〜28dで、偏光保存軸の方向が一致している。すなわち、入射端面22aでは、全ての偏波面保存ファイバーの偏光保存軸が同じ方向になっている。ここでは、偏光保存軸が上方向(+Y方向)になっている。この方向は、レーザ光50の偏光方向と一致している。すなわち、レーザ光50の偏波面と分割領域28a〜分割領域28dの偏光保存軸の方向が平行になっている。これにより、効率よく、光が伝搬していく。   In the incident end face 22a, the directions of the polarization preserving axes are the same in all the divided regions 28a to 28d. That is, on the incident end face 22a, the polarization preserving axes of all the polarization preserving fibers are in the same direction. Here, the polarization preserving axis is in the upward direction (+ Y direction). This direction coincides with the polarization direction of the laser beam 50. That is, the polarization plane of the laser beam 50 and the polarization preserving axis directions of the divided regions 28a to 28d are parallel to each other. Thereby, light propagates efficiently.

出射端面22bでは、各分割領域29a〜29dの偏光保存軸が異なっている。分割領域29aでは、偏光保存軸が上方向(+Y方向)になり、分割領域29bでは、偏光保存軸が下方向(−Y方向)になっている。また、分割領域29cでは、偏光保存軸が左方向(−X方向)になり、分割領域29dでは、偏光保存軸が右方向(+X方向)になっている。従って、偏光変換素子15と同様に、ラジアル偏光にすることができる。すなわち、光軸を挟んで対向する位置では、偏光方向が反対になる。偏光保存軸の方向が、出射端面の中心に対して対称になっている。   In the output end face 22b, the polarization preserving axes of the divided regions 29a to 29d are different. In the divided area 29a, the polarization preserving axis is in the upward direction (+ Y direction), and in the divided area 29b, the polarization preserving axis is in the downward direction (−Y direction). In the divided region 29c, the polarization preserving axis is in the left direction (−X direction), and in the divided region 29d, the polarization preserving axis is in the right direction (+ X direction). Therefore, similarly to the polarization conversion element 15, radial polarization can be obtained. That is, at the positions facing each other across the optical axis, the polarization direction is opposite. The direction of the polarization preserving axis is symmetric with respect to the center of the exit end face.

たとえば、入射端面22aと出射端面22bとの間で、分割領域28b、29bに含まれる偏波面保存ファイバーを180°ねじり、分割領域28c、29cに含まれる偏波面保存ファイバーを−90°ねじり、分割領域28d、29dに含まれる偏波面保存ファイバーを+90°ねじることで、図9に示すような偏光保存軸を得ることができる。よって、容易にラジアル偏光を得ることができる。   For example, between the incident end face 22a and the outgoing end face 22b, the polarization plane preserving fiber included in the divided regions 28b and 29b is twisted by 180 °, and the polarization preserving fiber included in the divided regions 28c and 29c is twisted by −90 ° and divided. A polarization preserving axis as shown in FIG. 9 can be obtained by twisting the polarization preserving fiber included in the regions 28d and 29d by + 90 °. Therefore, radial polarization can be easily obtained.

そして、ラジアル偏光のレーザ光がレンズ23で集光されると、実施の形態2で説明したように、フォトカソード25上でZ偏光となる。レーザ光50によるZ方向の電場を利用して、電子を発生させている。すなわち、Z偏光をフォトカソード25の表面に入射している。これにより、ニードル化したフォトカソードに比べて、エミッタンスを向上することができる。さらに、量子効率を向上することができるため、高輝度の電子ビーム60を得ることができる。よって、簡便な構成で、高品質の電子ビーム60を発生させることができる。また、実効的な仕事関数を低くすることができる。このため、金属やダイアモンドなどの大気中に開放しても安定なフォトカソード材料を用いることができる。これにより、低ランニングコストでメンテナンス性の高い電子銃100を実現することができる。また、繰り返し周波数を高くすることができる。このように、偏波面保存ファイバーバンドルを用いることで、実施の形態2と同様の効果を得ることができる。   Then, when the radially polarized laser light is condensed by the lens 23, as described in the second embodiment, it becomes Z-polarized light on the photocathode 25. Electrons are generated using an electric field in the Z direction generated by the laser beam 50. That is, Z-polarized light is incident on the surface of the photocathode 25. Thereby, emittance can be improved as compared with a needled photocathode. Furthermore, since the quantum efficiency can be improved, a high-intensity electron beam 60 can be obtained. Therefore, a high-quality electron beam 60 can be generated with a simple configuration. In addition, the effective work function can be lowered. For this reason, a stable photocathode material can be used even if it is opened to the atmosphere, such as metal or diamond. As a result, it is possible to realize the electron gun 100 with low running cost and high maintainability. In addition, the repetition frequency can be increased. Thus, by using the polarization plane preserving fiber bundle, the same effect as that of the second embodiment can be obtained.

また、導光部材22に含まれる偏波面保存ファイバー内で、レーザ光が全反射を繰り返して伝搬する。これにより、出射端面22bにおける光の空間分布を均一化することができる。偏波面保存ファイバーバンドルを用いることで、実施の形態1と同様に、低エミッタンスの電子ビーム60を生成することができる。なお、レンズ23に入射する光はラジアル偏光になっていなくてもよい。すなわち、偏光変換素子15によって、ラジアル偏光に近づいていればよい。なお、本実施の形態では、入射端面22aが傾斜していなくてもよい。   Further, in the polarization plane preserving fiber included in the light guide member 22, the laser light propagates by repeating total reflection. Thereby, the spatial distribution of light on the emission end face 22b can be made uniform. By using the polarization plane preserving fiber bundle, the low emittance electron beam 60 can be generated as in the first embodiment. The light incident on the lens 23 does not have to be radial polarized light. That is, it is only necessary that the polarization conversion element 15 approaches the radially polarized light. In the present embodiment, the incident end face 22a may not be inclined.

発明の実施の形態4.
本実施の形態にかかる電子顕微鏡について図10を用いて説明する。図10は、電子顕微鏡200の全体構成を示す図である。本実施の形態では、実施の形態1で示した電子銃100を用いている。すなわち、電子顕微鏡200は、実施の形態1に係る電子銃100を有している。ここでは、電子顕微鏡200が透過電子顕微鏡(Transmission Electron Microscope:TEM)であるとして説明する。電子顕微鏡200は、試料43を観察するため、電子銃100に加えて、電子レンズ41、偏向器42、及び検出器44を有している。
Embodiment 4 of the Invention
An electron microscope according to this embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 10 is a diagram illustrating an overall configuration of the electron microscope 200. In the present embodiment, the electron gun 100 shown in the first embodiment is used. That is, the electron microscope 200 includes the electron gun 100 according to the first embodiment. Here, description will be made assuming that the electron microscope 200 is a transmission electron microscope (TEM). The electron microscope 200 includes an electron lens 41, a deflector 42, and a detector 44 in addition to the electron gun 100 in order to observe the sample 43.

電子銃100のフォトカソード25で発生した電子は、共振器24で加速される。加速された電子ビーム60は、レンズ23、導光部材22、及びミラー21の中空部分を通過する。そして、この電子ビーム60は、電子顕微鏡200に設けられている電子レンズ41で集束される。電子レンズ41は、電子ビーム60の経路中に電場、又は磁場を発生させて、電子ビーム60を集束する。   Electrons generated at the photocathode 25 of the electron gun 100 are accelerated by the resonator 24. The accelerated electron beam 60 passes through the lens 23, the light guide member 22, and the hollow portion of the mirror 21. The electron beam 60 is focused by an electron lens 41 provided in the electron microscope 200. The electron lens 41 converges the electron beam 60 by generating an electric field or a magnetic field in the path of the electron beam 60.

偏向器42は、電子ビーム60の経路中に電場、又は磁場を発生させて、電子ビーム60を偏向する。電子ビーム60は、偏向器42で偏向されて、観察対象となる試料43に入射する。すなわち、偏向器42は、X方向、及びY方向に電子ビーム60を偏向する。これにより、試料43の所望の位置に電子ビーム60を入射させることができる。すなわち、試料43の任意の箇所における観察が可能となる。   The deflector 42 deflects the electron beam 60 by generating an electric field or a magnetic field in the path of the electron beam 60. The electron beam 60 is deflected by the deflector 42 and enters the sample 43 to be observed. That is, the deflector 42 deflects the electron beam 60 in the X direction and the Y direction. As a result, the electron beam 60 can be incident on a desired position of the sample 43. That is, observation at an arbitrary position of the sample 43 becomes possible.

試料43の構成成分や構造に応じて、電子の透過量が異なる。従って、電子ビーム60の透過像によって、試料43を観察することができる。試料43を通過した電子ビーム60が2つの電子レンズ41によって集束される。偏向器42は電子ビーム60を偏向する。そして、偏向器42で偏向された電子ビーム60は、電子レンズ41で集束される。試料43を透過した電子ビーム60は、3つの電子レンズ41によって拡大して投影される。電子レンズ41で集束された電子ビーム60が検出器44に入射する。検出器44は、発光体、及びカメラなどを有している。たとえば、電子ビーム60が蛍光板に入射すると、蛍光が発生する。その蛍光をCCDカメラなどで検出する。CCDアレイに、偏向器42で振り分けて、後にデータを再構成することで、時分割データを取得する。CCDカメラには、ゲート付きCCDを用いることが好ましい。これにより、試料43を拡大して観察することができる。なお、検出器44として裏面入射CCD、HPD(Hybrid Photon Detector)、MAPs(Monolithic Active Pixel sensor)等を用いてもよい。   Depending on the component and structure of the sample 43, the amount of electron transmission differs. Therefore, the sample 43 can be observed by the transmission image of the electron beam 60. The electron beam 60 that has passed through the sample 43 is focused by the two electron lenses 41. The deflector 42 deflects the electron beam 60. Then, the electron beam 60 deflected by the deflector 42 is focused by the electron lens 41. The electron beam 60 transmitted through the sample 43 is enlarged and projected by the three electron lenses 41. An electron beam 60 focused by the electron lens 41 enters the detector 44. The detector 44 includes a light emitter and a camera. For example, when the electron beam 60 enters the fluorescent plate, fluorescence is generated. The fluorescence is detected by a CCD camera or the like. Time-sharing data is acquired by sorting the data into the CCD array by the deflector 42 and reconstructing the data later. A CCD with a gate is preferably used for the CCD camera. Thereby, the sample 43 can be enlarged and observed. As the detector 44, a back-illuminated CCD, an HPD (Hybrid Photo Detector), a MAPs (Monolithic Active Pixel sensor), or the like may be used.

上記の電子顕微鏡200では、電子銃が低エミッタンスの電子ビーム60を放出する。よって、試料43上において、電子ビーム60のビームスポットを小さくすることができる。例えば、電子ビームのスポット直径を約10μm程度にすることができる。これにより、電子顕微鏡200の分解能を向上することができる。   In the electron microscope 200 described above, the electron gun emits a low emittance electron beam 60. Therefore, the beam spot of the electron beam 60 can be reduced on the sample 43. For example, the spot diameter of the electron beam can be about 10 μm. Thereby, the resolution of the electron microscope 200 can be improved.

なお、電子顕微鏡200の構成は、上記のものに限られるものではない。例えば、図10では、4つの電子レンズ41が設けられているが、電子レンズ41の数は特に限定されるものではない。すなわち、1又は複数の電子レンズ41が、真空チャンバー20内に配置されていればよい。   The configuration of the electron microscope 200 is not limited to the above. For example, in FIG. 10, four electron lenses 41 are provided, but the number of electron lenses 41 is not particularly limited. That is, it is sufficient that one or a plurality of electron lenses 41 are disposed in the vacuum chamber 20.

また、電子顕微鏡200を、シングルショットの時間分解TEMとしてもよい。すなわち、1パルスのレーザ光が入射したときに発生する電子を用いて観察を行う。シングルショットで時間分解能を向上するためには、1バンチ内の電子数を増加させる必要がある。このため空間電荷効果が問題となるが、本実施の形態にかかる電子顕微鏡200では均一な空間分布の光がフォトカソード25に入射しているため、空間電荷効果を低減することができる。たとえば、試料43表面において、10個/1μm角程度の電子密度を実現することができる。また、時間分解TEMとする場合、フォトカソード25として、高量子効率(QE)で波長300〜400nm動作のものを用いることが好ましい。また、空間電荷効果を抑制するために、導光部材22でパルス幅を伸長するようにしてもよい。シングルショットとして場合、例えば、msec〜μsec領域の時間分解能で観察することが可能になる。 The electron microscope 200 may be a single shot time-resolved TEM. That is, observation is performed using electrons generated when one pulse of laser light is incident. In order to improve the time resolution with a single shot, it is necessary to increase the number of electrons in one bunch. For this reason, the space charge effect becomes a problem, but in the electron microscope 200 according to the present embodiment, light having a uniform spatial distribution is incident on the photocathode 25, and therefore the space charge effect can be reduced. For example, in Sample 43 surface, it is possible to realize the electron density of approximately 10 7 cells / 1 [mu] m square. In the case of time-resolved TEM, it is preferable to use a photocathode 25 having a high quantum efficiency (QE) and a wavelength of 300 to 400 nm. In order to suppress the space charge effect, the light guide member 22 may extend the pulse width. In the case of a single shot, for example, it becomes possible to observe with a time resolution in the range of msec to μsec.

発明の実施の形態5.
本実施の形態にかかる電子顕微鏡200について、図11を用いて説明する。図11は、電子顕微鏡200の全体構成を示す図である。本実施の形態では、実施の形態2にかかる電子銃を用いている。すなわち、電子顕微鏡200は、実施の形態2に係る電子銃100を有している。ここでは、電子顕微鏡200が透過電子顕微鏡(Transmission Electron Microscope:TEM)であるとして説明する。電子ビーム60の経路は、実施の形態4にかかる電子顕微鏡200と同様であるため、重複する部分の説明を省略する。
Embodiment 5 of the Invention
An electron microscope 200 according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 11 is a diagram illustrating an overall configuration of the electron microscope 200. In this embodiment, the electron gun according to the second embodiment is used. That is, the electron microscope 200 includes the electron gun 100 according to the second embodiment. Here, description will be made assuming that the electron microscope 200 is a transmission electron microscope (TEM). Since the path of the electron beam 60 is the same as that of the electron microscope 200 according to the fourth embodiment, the description of overlapping parts is omitted.

本実施の形態にかかる電子顕微鏡200において、高繰り返しを実現するための構成について説明する。ここでは、実施の形態2で説明したように、Z偏向を用いているため、レーザ光の繰り返し周波数を高くすることができる。従って、フォトカソード25から放出される電子の繰り返し周波数を高くすることができる。   In the electron microscope 200 according to the present embodiment, a configuration for realizing high repetition will be described. Here, as described in Embodiment 2, since the Z deflection is used, the repetition frequency of the laser light can be increased. Therefore, the repetition frequency of electrons emitted from the photocathode 25 can be increased.

本実施の形態では、試料43を透過した電子ビーム60を偏向器42によって偏向している。これにより、検出器44における電子ビーム60の入射位置が変わる。偏向器42は、コントローラ45によって制御されている。コントローラ45は、レーザ光源11から出射するパルス光と同期するように、偏向器42を制御している。これにより、異なるバンチが、検出器44のCCDカメラ上で、異なる位置に入射する。試料43上の異なる箇所の拡大画像をカメラの1フレームで取得することができる。よって、時分割で観察することができ、繰り返し周波数を高くすることができる。このように、時分割の場合、最後段の偏向器42で検出器44の受光素子アレイの各部分に振り分けて撮像する。すなわち、各アドレスに時系列の番号が与え、後でデータを並べ替える。これにより、高繰り返しで撮像することができる。   In the present embodiment, the electron beam 60 transmitted through the sample 43 is deflected by the deflector 42. Thereby, the incident position of the electron beam 60 in the detector 44 changes. The deflector 42 is controlled by a controller 45. The controller 45 controls the deflector 42 so as to synchronize with the pulsed light emitted from the laser light source 11. Thereby, different bunches are incident on different positions on the CCD camera of the detector 44. Enlarged images of different locations on the sample 43 can be acquired with one frame of the camera. Therefore, observation can be performed in a time division manner, and the repetition frequency can be increased. As described above, in the case of time division, the final stage deflector 42 assigns images to each part of the light receiving element array of the detector 44 and images. That is, a time series number is given to each address, and the data is rearranged later. Thereby, it is possible to capture images with high repetition.

繰り返し周波数を高くするため、電子顕微鏡200を超電導電子顕微鏡としている。すなわち、共振器24を超伝導のRF空洞としている。超伝導のRF空胴では、これまでに技術が蓄積されているLバンド(1.3GHz)を選択する。この場合、最大1.3GHzの連続繰り返し運転が可能となる。そして、連続運転用空洞として、30〜40MV/mの加速性能がある単空胴か、20MV/mの多連空胴を用いる。高繰返し・大電流・高品質電子源を実現するため、Z偏光を用いる。電子をフォトカソード25から加速する電子銃の形式として、超伝導高周波(RF)フォトカソード電子源とフォトカソード直流(DC)電子源の2つが選択肢としてある。この電子源を実現するためには高効率かつ長寿命のフォトカソード25はこの両者に共通の技術開発課題であるが、高効率(高量子効率)はレーザZ偏光で誘導されるショットキー効果で実現し、長寿命は金属カソードを用いることで実現する。   In order to increase the repetition frequency, the electron microscope 200 is a superconducting electron microscope. That is, the resonator 24 is a superconductive RF cavity. For superconducting RF cavities, the L band (1.3 GHz) where technology has been accumulated is selected. In this case, continuous repeated operation at a maximum of 1.3 GHz is possible. As the continuous operation cavity, a single cavity having an acceleration performance of 30 to 40 MV / m or a multiple cavity of 20 MV / m is used. Z-polarized light is used to realize a high repetition rate, large current, and high-quality electron source. Two types of electron guns for accelerating electrons from the photocathode 25 are a superconducting radio frequency (RF) photocathode electron source and a photocathode direct current (DC) electron source. In order to realize this electron source, the high-efficiency and long-life photocathode 25 is a common technical development issue for both, but the high efficiency (high quantum efficiency) is due to the Schottky effect induced by laser Z polarization. Realized and long life is achieved by using metal cathode.

ここで注意することは、もし、レーザZ偏光で誘導されるショットキー効果を有効利用するには、照射するレーザは100フェムト秒以下のパルスとしなければならないことである。Z偏光を用いないで、3次元理想形状の10〜40ps(理想的なパルス幅は高周波フォトカソード電子源の場合、使用する周波数(SバンドやLバンド)などによる)のレーザパルスをカソードに照射しても良いが、現状では1.3GHzの高繰り返しレーザの個々のパルスエネルギーの強度が足りなくなる。この場合はショットキー効果も期待出来ないこともあり、1〜10%程度の量子効率の高量子効率(高QE)カソードが必要になる。   It should be noted that if the Schottky effect induced by the laser Z polarization is used effectively, the laser to be irradiated must have a pulse of 100 femtoseconds or less. Without using Z-polarized light, irradiate the cathode with a laser pulse with a three-dimensional ideal shape of 10 to 40 ps (the ideal pulse width depends on the frequency used (S band, L band, etc. in the case of a high-frequency photocathode electron source)) However, at present, the intensity of the individual pulse energy of the 1.3 GHz high repetition laser becomes insufficient. In this case, the Schottky effect may not be expected, and a high quantum efficiency (high QE) cathode having a quantum efficiency of about 1 to 10% is required.

1.3GHzの高繰り返しレーザ光源11は、ファイバーレーザベースになるが、CWのYb:ファイバーレーザの2倍高調波(SHG)をポンプ光として、フォトニッククリスタル結晶によるスーパーコンティニュウムまたはフェムト秒チタンサファイヤをシード光とするNOPAにより、広帯域増幅し圧縮してフェムト秒の1.3GHzの高繰返しレーザを生成する。このレーザについては、以下の文献に記載されている。(H. Tomizawa and Virtual laboratory LAAA (Laser−aided Accelerator Association),<Proposal of Fiber−laser−based photocathode light source for both ERL & ILC projectsc,Internal Report 2006−003, SPring8 Report Series, August 2006 (in Japanese)。   The 1.3 GHz high repetition rate laser light source 11 is based on a fiber laser, but supercontinuum or femtosecond titanium using a photonic crystal crystal with pump harmonics of the second harmonic (SHG) of a CW Yb: fiber laser. Using NOPA with sapphire as seed light, wideband amplification and compression generate a femtosecond 1.3 GHz high repetition rate laser. This laser is described in the following document. (H. Tomizawa and Virtual laboratory LAAA (Laser-aided Accelerator Association), <Proposal of Fiber-laser-based photocathode light source for both ERL & ILC projectsc, Internal Report 2006-003, SPring8 Report Series, August 2006 (in Japanese) .

エネルギー効率と波長が長いという点で、Yb:ファイバーレーザに劣るがEr:ファイバーレーザであれば、そのままフェムト秒で発振できる。なお、これらの対比は以下の文献にまとめられている。H. Tomizawa, S.Kawato, S. Matsubara, <Proposal of laser light source for Energy Recovery Linac (ERL)c, Internal Report 2006−002, SPring8 Report Series, May 2006 (in Japanese)。   Although it is inferior to Yb: fiber laser in terms of energy efficiency and long wavelength, an Er: fiber laser can oscillate in femtoseconds as it is. These contrasts are summarized in the following documents. H. Tomizawa, S. Kawato, S. Matsubara, <Proposal of laser light source for energy recovery linac (ERL) e, 2006, Sr.

電子ビームパルス幅10〜40psec、電荷量200pC以下のパルスからなる大電流マイクロ電子バンチビーム列を、高品質(規格化エミッタンス〜0.2mm・mrad)に維持し、1.3GHzの整数分の一の高繰り返しで生成できる。そのような高繰返し・大電流・高品質電子源を用いたレーザ駆動・時分割電子顕微鏡を実現する。超伝導の高効率であるという特性を活かした連続運転は、高繰り返しで高品質ビームを得る上で本質的に重要である。超伝導高周波空胴の連続運転によって初めて実現される繰り返しの高い高輝度の光パルスを用いることで、極めて微細なものが非常に速く変化する様子をコマ送りのように詳しく連続的に観察することができる。」   A high-current micro-electron bunch beam array composed of pulses with an electron beam pulse width of 10 to 40 psec and a charge amount of 200 pC or less is maintained at high quality (standardized emittance to 0.2 mm · mrad), and is an integral fraction of 1.3 GHz. Can be generated with high repetition. A laser-driven time-division electron microscope using such a high repetition rate, large current, high quality electron source will be realized. Continuous operation that takes advantage of the high efficiency of superconductivity is essential for obtaining high-quality beams with high repetition. By using high-repetition high-intensity light pulses that can be realized for the first time by continuous operation of a superconducting high-frequency cavity, it is possible to continuously observe in detail, like frame-by-frame, how extremely fine objects change very quickly. Can do. "

なお、電子顕微鏡200の構成は、実施の形態4、5で示したものに限られるものではない。すなわち、実施の形態1〜3で示した電子顕微鏡100を様々な種類の電子顕微鏡に適用することができる。さらに、各実施の形態を適宜、組み合わせてもよい。   The configuration of the electron microscope 200 is not limited to that shown in the fourth and fifth embodiments. That is, the electron microscope 100 shown in Embodiments 1 to 3 can be applied to various types of electron microscopes. Furthermore, you may combine each embodiment suitably.

本発明の実施形態1にかかる電子銃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 electron gun concerning Embodiment 1 of this invention. 実施形態1にかかる電子銃に用いられる導光部材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 light guide member used for the electron gun concerning Embodiment 1. FIG. 本発明の実施形態1にかかる電子銃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 electron gun concerning Embodiment 1 of this invention. 実施の形態2にかかる電子銃に用いられる偏光変換素子の構成を示す図である。FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration of a polarization conversion element used in an electron gun according to a second embodiment. 偏光変換素子を通過したレーザ光の偏光状態を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the polarization state of the laser beam which passed the polarization conversion element. 偏光変換素子を通過したレーザ光の偏光状態を示す側面図である。It is a side view which shows the polarization state of the laser beam which passed the polarization conversion element. 本発明の実施形態3にかかる電子銃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 electron gun concerning Embodiment 3 of this invention. 実施形態3にかかる電子銃に用いられる導光部材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 light guide member used for the electron gun concerning Embodiment 3. 実施形態3にかかる電子銃に用いられる導光部材の偏波方向を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the polarization direction of the light guide member used for the electron gun concerning Embodiment 3. FIG. 本発明の実施形態4にかかる電子顕微鏡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 electron microscope concerning Embodiment 4 of this invention. 本発明の実施形態5にかかる電子顕微鏡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 electron microscope concerning Embodiment 5 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

11 レーザ光源
13 アキシコンレンズ
14 アキシコンレンズ
15 偏光変換素子
15a〜15h 分割領域
16 偏光調整素子
19 偏光調整用電源
20 真空チャンバー
21 ミラー
22 導光部材
22a 入射端面
22b 出射端面
23 レンズ
24 共振器
25 フォトカソード
27 金属パイプ
28a〜28h 分割領域
31 マイクロ波源
41 電子レンズ
42 偏向器
43 試料
44 検出部
45 コントローラ
50 レーザ光
60 電子ビーム
100 電子銃
200 電子顕微鏡
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Laser light source 13 Axicon lens 14 Axicon lens 15 Polarization conversion element 15a-15h Division | segmentation area | region 16 Polarization adjustment element 19 Power supply for polarization adjustment 20 Vacuum chamber 21 Mirror 22 Light guide member 22a Incidence end surface 22b Output end surface 23 Lens 24 Resonator 25 Photocathode 27 Metal pipe 28a to 28h Divided region 31 Microwave source 41 Electron lens 42 Deflector 43 Sample 44 Detector 45 Controller 50 Laser beam 60 Electron beam 100 Electron gun 200 Electron microscope

Claims (29)

レーザ光が入射してきた方向に向けて電子を放出する電子銃であって、
レーザ光源と、
前記レーザ光源からのレーザ光が入射し、入射光が全反射を繰り返しながら内部を伝播する中空の導光部材と、
前記導光部材から出射した光を屈折する中空のレンズと、
前記レンズによって屈折されたレーザ光が入射するフォトカソードと、を備える電子銃。
An electron gun that emits electrons in the direction in which the laser beam has entered,
A laser light source;
A hollow light guide member in which laser light from the laser light source enters, and the incident light propagates inside while repeating total reflection;
A hollow lens that refracts light emitted from the light guide member;
An electron gun comprising: a photocathode on which the laser light refracted by the lens is incident.
前記導光部材が、光の偏波面を保ちながら伝播する偏波面保存ファイバが束ねられた偏波面保存ファイバーバンドルを有し、
前記導光部材の出射端面における前記偏光保存軸の方向が、出射位置に応じて異なっていることを特徴とする請求項1に記載の電子銃。
The light guide member has a polarization plane preserving fiber bundle in which polarization plane preserving fibers that propagate while maintaining the polarization plane of light are bundled,
The electron gun according to claim 1, wherein a direction of the polarization preserving axis on an emission end face of the light guide member is different depending on an emission position.
前記偏光保存軸の方向が、出射端面の中心に対して対称になっていることを特徴とする請求項2に記載の電子銃。   3. The electron gun according to claim 2, wherein the direction of the polarization preserving axis is symmetric with respect to the center of the emission end face. 前記偏光保存軸の方向が、放射状になっていることを特徴とする請求項2、又は3に記載の電子銃。   4. The electron gun according to claim 2, wherein the direction of the polarization preserving axis is radial. 前記導光部材を出射するレーザ光が全体としてラジアル方向に偏光するように、前記偏波面保存軸が配置されていることを特徴とする請求項2乃至4のいずれか1項に記載の電子銃。   5. The electron gun according to claim 2, wherein the polarization plane preserving axis is arranged so that the laser light emitted from the light guide member is polarized in a radial direction as a whole. . 前記導光部材の内側に金属パイプが設けられていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の電子銃。   6. The electron gun according to claim 1, wherein a metal pipe is provided inside the light guide member. 前記金属パイプが電子をその阻止能で止められる厚さになっていることを特徴とする請求項6に記載の電子銃。   The electron gun according to claim 6, wherein the metal pipe has a thickness capable of stopping electrons by its stopping power. 前記金属パイプが厚さ5mm以上の銅によって形成されることを特徴とする請求項6、又は7に記載の電子銃。   The electron gun according to claim 6 or 7, wherein the metal pipe is made of copper having a thickness of 5 mm or more. 前記レンズが、中空のアキシコンレンズであることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の電子銃。   9. The electron gun according to claim 1, wherein the lens is a hollow axicon lens. 前記レーザ光源と前記導光部材との間に、前記レーザ光源からのレーザ光を円環ビームにする円環ビーム生成手段が設けられていることを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載の電子銃。   10. An annular beam generating means for converting the laser light from the laser light source into an annular beam is provided between the laser light source and the light guide member. The electron gun according to the item. 前記レンズの中空部分に、金属パイプが設けられている請求項1乃至10のいずれか1項に記載の電子銃。   The electron gun according to any one of claims 1 to 10, wherein a metal pipe is provided in a hollow portion of the lens. 前記レーザ光を前記導光部材の方向に反射する中空ミラーを備え、
前記中空ミラーが、金属で全面が覆われたガラス基板によって構成されている請求項1乃至11のいずれか1項に記載の電子銃。
A hollow mirror that reflects the laser light in the direction of the light guide member;
The electron gun according to claim 1, wherein the hollow mirror is formed of a glass substrate whose entire surface is covered with metal.
請求項1乃至12のいずれか1項に記載の電子銃を備え、
前記電子銃で発生した電子ビームが前記レンズ、及び導光部材の中空部分を通過して、試料に入射する電子顕微鏡。
The electron gun according to any one of claims 1 to 12, comprising:
An electron microscope in which an electron beam generated by the electron gun passes through the lens and a hollow portion of a light guide member and is incident on a sample.
フォトカソードから放出された電子ビームを試料に入射する電子顕微鏡であって、
レーザ光源と、
前記レーザ光源からのレーザ光に入射位置に応じた位相差を与える偏光変換素子と、
前記レーザ光源から前記偏光変換素子を介して入射したレーザ光を屈折する中空のレンズと、
前記レンズによって屈折されたレーザ光が入射するフォトカソードと、を備える電子顕微鏡。
An electron microscope that injects an electron beam emitted from a photocathode into a sample,
A laser light source;
A polarization conversion element that gives a phase difference corresponding to an incident position to the laser light from the laser light source;
A hollow lens that refracts laser light incident from the laser light source via the polarization conversion element;
An electron microscope comprising: a photocathode on which the laser light refracted by the lens is incident.
前記偏光変換素子が、レーザ光を断面全体でほぼ半径方向に直線偏光し、光軸に対して対向する領域において、電気ベクトルの振動方向が反対方向となるように変換する請求項14に記載の電子顕微鏡。   15. The polarization conversion element linearly polarizes laser light substantially in the radial direction over the entire cross section, and converts the vibration direction of the electric vector to be opposite in a region facing the optical axis. electronic microscope. フォトカソードに光を照射して、電子を発生させる電子発生方法であって、
入射光が全反射を繰り返しながら内部を伝播する中空の導光部材に光を入射させるステップと、
前記導光部材から出射した光を中空のレンズによって屈折させるステップと、
前記レンズで屈折した光を、フォトカソードに入射させるステップと、を備える電子発生方法。
An electron generation method for generating electrons by irradiating light to a photocathode,
Incident light is incident on a hollow light guide member that propagates inside while repeating total reflection;
Refracting light emitted from the light guide member by a hollow lens;
Allowing the light refracted by the lens to enter a photocathode.
前記導光部材が、光の偏波面を保ちながら伝播する偏波面保存ファイバが束ねられた偏波面保存ファイバーバンドルを有し、
前記導光部材の出射端面における前記偏光保存軸の方向が、出射位置に応じて異なっていることを特徴とする請求項16に記載の電子発生方法。
The light guide member has a polarization plane preserving fiber bundle in which polarization plane preserving fibers that propagate while maintaining the polarization plane of light are bundled,
The electron generation method according to claim 16, wherein a direction of the polarization preserving axis on an emission end face of the light guide member is different depending on an emission position.
前記偏光保存軸の方向が、出射端面の中心に対して対称になっていることを特徴とする請求項17に記載の電子発生方法。   18. The electron generating method according to claim 17, wherein the direction of the polarization preserving axis is symmetric with respect to the center of the emission end face. 前記偏光保存軸の方向が、放射状になっていることを特徴とする請求項16、又は17に記載の電子発生方法。   18. The electron generation method according to claim 16, wherein the direction of the polarization preserving axis is radial. 前記導光部材を出射するレーザ光が全体としてラジアル方向に偏光するように、前記偏波面保存軸が配置されていることを特徴とする請求項17乃至19のいずれか1項に記載の電子発生方法。   The electron generation according to any one of claims 17 to 19, wherein the polarization plane preserving axis is arranged so that the laser light emitted from the light guide member is polarized in a radial direction as a whole. Method. 前記導光部材の内側に金属パイプが設けられていることを特徴とする請求項16乃至20のいずれか1項に記載の電子発生方法。   The method for generating electrons according to any one of claims 16 to 20, wherein a metal pipe is provided inside the light guide member. 前記金属パイプが電子をその阻止能で止められる厚さになっていることを特徴とする請求項21に記載の電子発生方法。   The electron generating method according to claim 21, wherein the metal pipe has a thickness capable of stopping electrons by its stopping power. 前記金属パイプが厚さ5mm以上の銅によって形成されることを特徴とする請求項21、又は22に記載の電子発生方法。   23. The electron generating method according to claim 21, wherein the metal pipe is formed of copper having a thickness of 5 mm or more. 前記レンズが、中空のアキシコンレンズであることを特徴とする請求項16乃至23のいずれか1項に記載の電子発生方法。   24. The electron generating method according to any one of claims 16 to 23, wherein the lens is a hollow axicon lens. 前記導光部材に入射する光が、円環状の光ビームになっていることを特徴とする請求項16乃至24のいずれか1項に記載の電子発生方法。   The electron generation method according to any one of claims 16 to 24, wherein the light incident on the light guide member is an annular light beam. 前記レンズの中空部分に、金属パイプが設けられている請求項16乃至25のいずれか1項に記載の電子発生方法。   The electron generation method according to any one of claims 16 to 25, wherein a metal pipe is provided in a hollow portion of the lens. 前記レーザ光を中空ミラーによって、前記導光部材の方向に反射し、
前記中空ミラーが、金属で全面が覆われたガラス基板によって構成されている請求項16乃至26のいずれか1項に記載の電子発生方法。
The laser beam is reflected by a hollow mirror in the direction of the light guide member,
27. The electron generating method according to any one of claims 16 to 26, wherein the hollow mirror is constituted by a glass substrate whose entire surface is covered with metal.
ガラス基板の一面を除いた全面を金属粘土で覆うステップと、
前記金属粘土中のつなぎ材を取り除くステップと、を備える中空ミラーの製造方法。
Covering the entire surface except one surface of the glass substrate with metal clay,
Removing the binder in the metal clay, and a method of manufacturing a hollow mirror.
ガラス基板に貫通穴を設けるステップと、
前記貫通穴を有するガラス基板の全面に金属薄膜を形成するステップと、を備える中空ミラーの製造方法。
Providing a through hole in the glass substrate;
Forming a metal thin film on the entire surface of the glass substrate having the through hole.
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