JP2662780B2 - Free electron laser device - Google Patents

Free electron laser device

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JP2662780B2
JP2662780B2 JP62075231A JP7523187A JP2662780B2 JP 2662780 B2 JP2662780 B2 JP 2662780B2 JP 62075231 A JP62075231 A JP 62075231A JP 7523187 A JP7523187 A JP 7523187A JP 2662780 B2 JP2662780 B2 JP 2662780B2
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憲一 植田
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/0903Free-electron laser

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  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Optics & Photonics (AREA)
  • Lasers (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は自由電子レーザ装置に関するものである。 〔従来の技術〕 新しいレーザとして自由電子レーザが知られている。
自由電子レーザは発光媒体に自由電子を照射してその励
起を行うものであり、レーザ発振は電子ビームの進行方
向と同一方向に行われる。これはチェレンコフ効果を利
用して発光させるものにおいても例外ではない。即ち、
このチェレンコフ自由電子レーザは真空中に自由電子を
照射し、真空中の遅波構造によって光の位相速度を遅く
して電子の方向と同一方向にレーザ発振を行わせんとす
るものである。 〔発明が解決しようとする問題点〕 このようなレーザ発振を可能とするには発光媒体中で
の光の速度に等しい速度の電子を必要とするので自由電
子のエネルギー純度の条件は極めて厳しく実用化が阻ま
れている。 本発明は斯かる問題点を解決するためになされたもの
であっつて、光ファイバが光を閉じこめて伝播させる性
質を利用して、エネルギー純度の制約を解いた自由電子
レーザ装置を提供することを目的とする。 〔問題点を解決するための手段〕 本発明に係る自由電子レーザ装置は、両端末に共振用
ミラーを配してある光ファイバと、該光ファイバに相対
論的電子ビームを照射する電子ビーム源とを具備し、前
記光ファイバにその長手方向と交叉する向きに所定エネ
ルギレベルの相対論的電子ビームを照射して内部にチェ
レンコフ光を発せしめ、光ファイバ端末からレーザ出力
を得べくなしてあることを特徴とする。 また、前記光ファイバは電子ビーム照射域中に螺旋状
に配置することを特徴とする。 〔作用〕 自由電子照射により光ファイバ中にチェレンコフ光が
発生する。この光の発光方向は電子ビームの照射方向に
対してある角度を有するが、この方向は光ファイバの全
反射角よりも大きいので外部へ漏光することなく光ファ
イバ内を伝播されて、誘導放射を誘起する。従ってその
端末からレーザ光を取出せることになる。 〔発明の原理〕 以下まず発明の原理について説明する。 いま第1図に示すように光ファイバ1に対して自由電
子2を光ファイバ1の長手方向に直角に照射する。自由
電子のエネルギーが所定値より高い場合には光ファイバ
1中にチェレンコフ光が発生する。チェレンコフ光の発
光方向と自由電子照射方向とのなす角度θは θ=cos-1c/v・ε 但し、c:真空中での光速度 v:自由電子の速度 ε:光ファイバの屈折率 で表される。いまv→cとすると石英光ファイバ1のコ
ア1aではε=1.45であるので、θ≒46.4゜となる。この
角度の光は同角度θでコア1aとクラッド1bとの界面に入
射するが、この界面での全反射角は46゜であるのでチェ
レンコフ光は外へ出ることなくコア内を伝播されること
になる。従って適当な長さに亘って同方向に電子ビーム
を照射すれば光ファイバ内に同一角度成分を有する光が
発生されることになり、これによってコア1a内に誘導放
出が発生する。誘導放出を高くする上では石英系光ファ
イバ等、結晶構造を有するものであるのが望ましい。ま
た光ファイバはクラッドを有しないコアのみのものでも
よい。これはコア表面で全反射が起こりさえすればよい
からである。 なお電子ビームの照射角度は光ファイバに対して直角
でなく傾いていてもよく、傾いた場合は、θはより大き
くなるので何らの支障もない。 〔実施例〕 第2図は本発明に係る自由電子レーザ装置の実施例を
示す模式図である。本発明のレーザ装置は高エネルギー
の電子ビームを出力する大口径の電子加速器2と、これ
から発せられる相対論的電子ビーム20が照射されるよう
に配した光ファイバ1とからなり、この実施例では電子
ビーム20の方向と光ファイバ1の長手方向との角度が直
角としている。光ファイバ1の両端には共振用ミラー4
a,4bが蒸着されており、一方の共振用ミラー4bの反射率
を100%、他方の共振用ミラー4aの反射率をそれより少
し低くして該ミラー4a側からレーザ光出力を得るように
している。 光ファイバ1は電子ビーム20の投射域以外では自由に
曲げてもレーザ発生に何ら支障もないから出力端側を任
意位置に配することとしてよい。 なお共振用ミラーは光ファイバ外に設けてもよい。即
ち光ファイバの端面から外部へ放出された光を凹面鏡か
らなる共振用ミラーによって受光し、再度光ファイバ端
面へ入射する構成としてもよい。この場合も出力側のミ
ラーの反射率を100%未満とすることは言うまでもな
い。 第3図は本発明のレーザ装置の他の実施例を示す模式
図である。 光ファイバ10は螺旋状に平面配置されており、この平
面と直交する方向(図面の表,裏方向)から相対論的電
子ビームが照射される電子ビーム源は第2図に示したも
のと同様である。 このような実施例では電子ビーム源から発せられた電
子ビームが無駄なく光ファイバ20に照射され、また放出
される光はその積分となるのでエネルギー利用効率が高
い。なおこの実施例では光ファイバ20の螺旋円周方向各
部での発光角度が少しずつ異なるので誘導放出つまり、
レーザ発振までに時間を要する。 但し、それまでにもインコヒーレント光を出力する
が、このインコヒーレント光は高輝度の白色光であり、
高輝度点光源として有用である。 〔効果〕 以上のように本発明による場合は電子ビームの方向に
関係なくレーザを発生させることができるので利用上の
制約が少ない。 また自由電子の速度が小さい場合にチェレンコフ光の
発光方向と自由電子の照射方向とのなす角度が光ファイ
バの全反射角以上の範囲にある場合はチェレンコフ光が
光ファイバから出ずレーザ発振が可能であり、エネルギ
純度に対する要求が緩和される。また光ファイバのモー
ド選択効果によって出力光を選択できる等、本発明は優
れた効果を奏するものである。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a free electron laser device. [Prior Art] A free electron laser is known as a new laser.
A free electron laser irradiates a light emitting medium with free electrons to excite the free electrons, and laser oscillation is performed in the same direction as the traveling direction of the electron beam. This is not an exception in the case of emitting light using the Cherenkov effect. That is,
The Cherenkov free electron laser irradiates free electrons in a vacuum, slows the phase velocity of light by a slow-wave structure in the vacuum, and does not perform laser oscillation in the same direction as the direction of the electrons. [Problems to be Solved by the Invention] In order to enable such laser oscillation, electrons having a speed equal to the speed of light in the luminous medium are required. Has been hindered. The present invention has been made in order to solve such a problem, and it is an object of the present invention to provide a free electron laser device in which the restriction of energy purity is solved by utilizing the property that an optical fiber confines and propagates light. Aim. [Means for Solving the Problems] A free electron laser device according to the present invention comprises an optical fiber having resonance mirrors disposed at both ends, and an electron beam source for irradiating the optical fiber with a relativistic electron beam. And irradiates the optical fiber with a relativistic electron beam having a predetermined energy level in a direction crossing the longitudinal direction of the optical fiber to emit Cherenkov light therein, thereby obtaining a laser output from an optical fiber terminal. It is characterized by the following. Further, the optical fiber is spirally arranged in an electron beam irradiation area. [Action] Cerenkov light is generated in the optical fiber by free electron irradiation. This light emission direction has a certain angle with respect to the electron beam irradiation direction, but since this direction is larger than the total reflection angle of the optical fiber, the light is propagated in the optical fiber without leaking to the outside, and stimulated radiation is generated. Induce. Therefore, laser light can be extracted from the terminal. [Principle of the Invention] First, the principle of the invention will be described. Now, as shown in FIG. 1, free electrons 2 are irradiated on the optical fiber 1 at right angles to the longitudinal direction of the optical fiber 1. When the energy of the free electrons is higher than a predetermined value, Cerenkov light is generated in the optical fiber 1. The angle θ between the emission direction of the Cherenkov light and the irradiation direction of the free electrons is θ = cos -1 c / v · ε where c: light velocity in vacuum v: velocity of free electrons ε: refractive index of optical fiber expressed. If v → c now, ε = 1.45 in the core 1a of the quartz optical fiber 1, so that θ ≒ 46.4 ゜. Light at this angle enters the interface between the core 1a and the clad 1b at the same angle θ, but the total reflection angle at this interface is 46 °, so that Cherenkov light propagates through the core without going out. become. Therefore, when the electron beam is irradiated in the same direction over an appropriate length, light having the same angle component is generated in the optical fiber, and as a result, stimulated emission occurs in the core 1a. In order to increase the stimulated emission, it is desirable that the optical fiber has a crystal structure such as a quartz optical fiber. Further, the optical fiber may be composed of only a core having no cladding. This is because it is sufficient that total reflection occurs on the core surface. Note that the irradiation angle of the electron beam may not be a right angle to the optical fiber but may be inclined. If the angle is inclined, θ becomes larger, so that there is no problem. Embodiment FIG. 2 is a schematic view showing an embodiment of a free electron laser device according to the present invention. The laser device according to the present invention comprises a large-diameter electron accelerator 2 for outputting a high-energy electron beam, and an optical fiber 1 arranged so as to be irradiated with a relativistic electron beam 20 emitted therefrom. The angle between the direction of the electron beam 20 and the longitudinal direction of the optical fiber 1 is a right angle. Mirrors 4 for resonance at both ends of optical fiber 1
a and 4b are deposited, so that the reflectance of one of the resonance mirrors 4b is 100% and the reflectance of the other resonance mirror 4a is slightly lower than that of the other, so that a laser beam output is obtained from the mirror 4a side. ing. The optical fiber 1 may be freely bent outside the projection area of the electron beam 20 and does not interfere with laser generation at all. Therefore, the output end may be arranged at an arbitrary position. The resonance mirror may be provided outside the optical fiber. That is, a configuration may be adopted in which light emitted from the end face of the optical fiber to the outside is received by the resonance mirror formed of a concave mirror, and then is incident again on the end face of the optical fiber. Also in this case, needless to say, the reflectance of the output side mirror is set to less than 100%. FIG. 3 is a schematic view showing another embodiment of the laser device of the present invention. The optical fiber 10 is helically arranged in a plane, and an electron beam source irradiated with a relativistic electron beam from a direction perpendicular to this plane (front and back of the drawing) is the same as that shown in FIG. It is. In such an embodiment, the electron beam emitted from the electron beam source irradiates the optical fiber 20 without waste, and the emitted light is the integral thereof, so that the energy use efficiency is high. In this embodiment, since the light emission angle at each part in the spiral circumferential direction of the optical fiber 20 is slightly different, stimulated emission, that is,
It takes time until laser oscillation. However, incoherent light is output before that, but this incoherent light is white light with high brightness,
It is useful as a high brightness point light source. [Effects] As described above, in the case of the present invention, a laser can be generated regardless of the direction of the electron beam, so that there are few restrictions on the use. When the speed of free electrons is low and the angle between the emission direction of the Cherenkov light and the irradiation direction of the free electrons is within the range of the total reflection angle of the optical fiber, the laser can be emitted without the Cherenkov light exiting the optical fiber. And the requirement for energy purity is relaxed. Further, the present invention has excellent effects such that the output light can be selected by the mode selection effect of the optical fiber.

【図面の簡単な説明】 第1図は本発明の原理説明図、第2図,第3図は本発明
のレーザ装置の模式図である。 1……光ファイバ、3……電子加速器 4a,4b……共振ミラー
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is an explanatory view of the principle of the present invention, and FIGS. 2 and 3 are schematic views of a laser device of the present invention. 1 ... optical fiber, 3 ... electron accelerators 4a, 4b ... resonant mirror

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】 1.両端末に共振用ミラーを配してある光ファイバと、
該光ファイバに相対論的電子ビームを照射する電子ビー
ム源とを具備し、前記光ファイバにその長手方向と交叉
する向きに所定エネルギレベルの相対論的電子ビームを
照射して内部にチェレンコフ光を発せしめ、光ファイバ
端末からレーザ出力を得べくなしてあることを特徴とす
る自由電子レーザ装置。 2.前記光ファイバは電子ビーム照射域中に螺旋状に配
置してある特許請求の範囲第1項記載の自由電子レーザ
装置。
(57) [Claims] An optical fiber having a mirror for resonance on both terminals,
An electron beam source for irradiating the optical fiber with a relativistic electron beam, and irradiating the optical fiber with a relativistic electron beam having a predetermined energy level in a direction crossing the longitudinal direction thereof, thereby generating Cherenkov light therein. A free electron laser device which emits and obtains a laser output from an optical fiber terminal. 2. 2. The free electron laser device according to claim 1, wherein said optical fiber is spirally arranged in an electron beam irradiation area.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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IL72845A0 (en) * 1983-09-30 1984-12-31 Univ Leland Stanford Junior Fiber optic amplifier
US4680767A (en) * 1985-07-01 1987-07-14 Polaroid Corporation Optical fiber laser

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