JP2702541B2 - 自由電子レーザ装置 - Google Patents
自由電子レーザ装置Info
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- JP2702541B2 JP2702541B2 JP1033368A JP3336889A JP2702541B2 JP 2702541 B2 JP2702541 B2 JP 2702541B2 JP 1033368 A JP1033368 A JP 1033368A JP 3336889 A JP3336889 A JP 3336889A JP 2702541 B2 JP2702541 B2 JP 2702541B2
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES 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
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
- H01S3/0903—Free-electron laser
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は電子ビームをレーザ媒質とする自由電子レー
ザ（FEL:Free Electron Laser）に関するものであり、
とくに光電陰極等の光電子放出物質を電子ビーム源とす
るものに使用する。
ザ（FEL:Free Electron Laser）に関するものであり、
とくに光電陰極等の光電子放出物質を電子ビーム源とす
るものに使用する。
一般に自由端子レーザ装置では電子ビームをレーザ媒
質として用い、この電子ビームと外部から印加された電
場、磁場、レーザ光等との相互作用により、所望のレー
ザ発振を実現している。そして、電子ビームの発生源
（電子ビーム源）としては、大電流、高輝度および長寿
命のものが望まれている。また、電子ビームの加速用と
して線型加速器を使用したものでは、加速器のマイクロ
波周波数（Ｓバンドで2860MHz、Ｌバンドで1300MHz程
度）にあわせてバンチング（bunching）したビーム（密
度変調の時間幅はそれぞれ350psec、770psec）を得るた
めに、電子ビーム源に光電子放出物質を用いる検討がな
されている。
質として用い、この電子ビームと外部から印加された電
場、磁場、レーザ光等との相互作用により、所望のレー
ザ発振を実現している。そして、電子ビームの発生源
（電子ビーム源）としては、大電流、高輝度および長寿
命のものが望まれている。また、電子ビームの加速用と
して線型加速器を使用したものでは、加速器のマイクロ
波周波数（Ｓバンドで2860MHz、Ｌバンドで1300MHz程
度）にあわせてバンチング（bunching）したビーム（密
度変調の時間幅はそれぞれ350psec、770psec）を得るた
めに、電子ビーム源に光電子放出物質を用いる検討がな
されている。
第３図に従来装置の一例を示す。図示の通り、モード
ロックYAGレーザなどのレーザ光源１からのレーザ光LB
は、ミラーM1，M2で反射され、受光窓２を介して光電陰
極３に入射される。ここで、光電陰極３の光電面は光電
子放出物質で形成されているので、レーザ光LBの入射に
よって光電子が放出され、これが光電陰極３と加速電極
４の間に印加された電圧Ｅにより加速される。そして、
偏向コイル５による磁場で軌道が変えられた電子ビーム
EBは、レーザ発振用磁石６により周期磁場に導かれる。
ロックYAGレーザなどのレーザ光源１からのレーザ光LB
は、ミラーM1，M2で反射され、受光窓２を介して光電陰
極３に入射される。ここで、光電陰極３の光電面は光電
子放出物質で形成されているので、レーザ光LBの入射に
よって光電子が放出され、これが光電陰極３と加速電極
４の間に印加された電圧Ｅにより加速される。そして、
偏向コイル５による磁場で軌道が変えられた電子ビーム
EBは、レーザ発振用磁石６により周期磁場に導かれる。
この装置で用いられるレーザ光LBは、第３図中に示す
ような時間幅Ｔ′のパルス列である。すなわち、加速用
のマイクロ波周期に対応してモードロックされた時間幅
Ｔ′（350psecまたは770psec）のパルスレーザ光であ
る。このため、光電陰極３からはレーザ光LBのパルス列
に対応して電子ビームEBのパルス列が得られるので、マ
イクロ波加速によって光速に近い相対的電子ビームを得
ることができる。
ような時間幅Ｔ′のパルス列である。すなわち、加速用
のマイクロ波周期に対応してモードロックされた時間幅
Ｔ′（350psecまたは770psec）のパルスレーザ光であ
る。このため、光電陰極３からはレーザ光LBのパルス列
に対応して電子ビームEBのパルス列が得られるので、マ
イクロ波加速によって光速に近い相対的電子ビームを得
ることができる。
第４図を参照して、自由電子レーザ装置の発振原理を
説明する。
説明する。
第４図（ａ）はレーザ発振用磁石６による周期磁場で
軌道が曲げられて、らせん状に進行する電子ビームEBを
示し、同図（ｂ）は相対論的電子ビームEBから生成され
たシンクロトロン放射光の電磁場を示す。同図（ａ）の
電子ビームEBは、下記の共鳴条件を満足するときに周期
磁場およびシンクロトロン放射光と相互作用し、電場に
よる力FEと磁場による力FLを受ける。ここで、図中の点
A,Bでは、電子ビームEBの各電子が受ける力FE，FLの合
成方向が、光速に近い相対論的電子ビームEBの進行方向
に沿って互いに逆向きにとなっており、従って点Ａでは
電子は加速され続けて光を吸収し、点Ｂでは電子は減速
され続けて光を放出する。
軌道が曲げられて、らせん状に進行する電子ビームEBを
示し、同図（ｂ）は相対論的電子ビームEBから生成され
たシンクロトロン放射光の電磁場を示す。同図（ａ）の
電子ビームEBは、下記の共鳴条件を満足するときに周期
磁場およびシンクロトロン放射光と相互作用し、電場に
よる力FEと磁場による力FLを受ける。ここで、図中の点
A,Bでは、電子ビームEBの各電子が受ける力FE，FLの合
成方向が、光速に近い相対論的電子ビームEBの進行方向
に沿って互いに逆向きにとなっており、従って点Ａでは
電子は加速され続けて光を吸収し、点Ｂでは電子は減速
され続けて光を放出する。
共鳴条件；λ0＝ａ・（１＋k2）／（２γ2） …（１） 但し、λ0；レーザ発振波長であって、ｃを光速とする
ときに、λ0ω0＝２πｃ a;周期磁場を発生させるアンジュレータの磁石間の距離 K;定数であってｋ≒１ γ；電子のローレンツファクター である。
ときに、λ0ω0＝２πｃ a;周期磁場を発生させるアンジュレータの磁石間の距離 K;定数であってｋ≒１ γ；電子のローレンツファクター である。
電子ビームEBの密度分布が発振レーザ光の波長オーダ
ーで均一であるときには、電子ビームEBが周期磁場に入
射した時点では光の吸収と放出が略同一となり、レーザ
発振は得られない。ところが、電子ビームEBが周期磁場
と相互作用すると、しだいに電子ビームEBに密度変調が
生じ、電子ビームEBのエネルギーが前述の共鳴条件より
わずかに大きいと、減速位相にある電子の数が加速位相
にある電子の数よりも多くなり、レーザ発振が得られる
ことになる。
ーで均一であるときには、電子ビームEBが周期磁場に入
射した時点では光の吸収と放出が略同一となり、レーザ
発振は得られない。ところが、電子ビームEBが周期磁場
と相互作用すると、しだいに電子ビームEBに密度変調が
生じ、電子ビームEBのエネルギーが前述の共鳴条件より
わずかに大きいと、減速位相にある電子の数が加速位相
にある電子の数よりも多くなり、レーザ発振が得られる
ことになる。
しかしながら、上記のレーザ発振効果は相対論的電子
ビームEBと、周期磁場およびシンクロトロン放射光との
相互作用の二次効果であるため、利得を大きくすること
ができない。そこで、大きなレーザ光出力を得るため
に、電子ビーム源を大電流（例えば50〜100A/cm2）およ
び高輝度なものとすることが考えられるが、光電子放出
物質を用いた電子ビーム源では照射レーザ光LBによる損
傷が大きくなる。このため、光電子放出物質の寿命が短
くなる（１〜数日）という欠点があった。
ビームEBと、周期磁場およびシンクロトロン放射光との
相互作用の二次効果であるため、利得を大きくすること
ができない。そこで、大きなレーザ光出力を得るため
に、電子ビーム源を大電流（例えば50〜100A/cm2）およ
び高輝度なものとすることが考えられるが、光電子放出
物質を用いた電子ビーム源では照射レーザ光LBによる損
傷が大きくなる。このため、光電子放出物質の寿命が短
くなる（１〜数日）という欠点があった。
また、従来の自由電子レーザ装置では、前述のように
光の放出の光の吸収をわずかに越えるという条件（いわ
ゆる二次効果）を利用しているため、発振レーザ光を短
波長にして高エネルギーにしようとすると、発振利得な
増々低くなっていた。このため、短波長出力用の自由電
子レーザ装置は、装置の規模が大型化していた。
光の放出の光の吸収をわずかに越えるという条件（いわ
ゆる二次効果）を利用しているため、発振レーザ光を短
波長にして高エネルギーにしようとすると、発振利得な
増々低くなっていた。このため、短波長出力用の自由電
子レーザ装置は、装置の規模が大型化していた。
そこで本発明は、電子ビーム源を構成する光電子放出
物質の寿命が長く、発振利得を高くすることができ、し
かも装置を小型化することが可能な自由電子レーザ装置
を提供することを目的とする。
物質の寿命が長く、発振利得を高くすることができ、し
かも装置を小型化することが可能な自由電子レーザ装置
を提供することを目的とする。
本発明に係る自由電子レーザ装置は、レーザ光源と、
このレーザ光源からのレーザ光の照射により光電子を放
出する光電子放出物質を有する電子ビーム源と、この電
子ビーム源からの電子ビームを加速する加速手段とを備
え、加速された電子ビームを媒質としてレーザ発振を行
なう自由電子レーザ装置において、レーザ光源は互いに
波長に異なる２種のレーザ光を出射するよう構成され、
電子ビーム源は２種のレーザ光の周波数差に対応して密
度変調された電子ビームを出力するよう構成され、電子
ビームをレーザ媒質として当該電子ビームの密度変調波
長と同一波長でレーザ発振を行なうようにしたことを特
徴とする。
このレーザ光源からのレーザ光の照射により光電子を放
出する光電子放出物質を有する電子ビーム源と、この電
子ビーム源からの電子ビームを加速する加速手段とを備
え、加速された電子ビームを媒質としてレーザ発振を行
なう自由電子レーザ装置において、レーザ光源は互いに
波長に異なる２種のレーザ光を出射するよう構成され、
電子ビーム源は２種のレーザ光の周波数差に対応して密
度変調された電子ビームを出力するよう構成され、電子
ビームをレーザ媒質として当該電子ビームの密度変調波
長と同一波長でレーザ発振を行なうようにしたことを特
徴とする。
本発明よれば、電子ビーム源を構成する光電子放出物
質に波長の異なる２種のレーザ光を照射することによ
り、光電子放出物質に大きな損傷を与えることなく、そ
の周波数差に応じた密度変調を有する電子ビームを得る
ことができる。そして、この電子ビームをレーザ媒質と
して相互作用の一次効果による発振をさせることによ
り、電子ビームの密度変調波長と同一波長のレーザ発振
を高い利得で実現できる。
質に波長の異なる２種のレーザ光を照射することによ
り、光電子放出物質に大きな損傷を与えることなく、そ
の周波数差に応じた密度変調を有する電子ビームを得る
ことができる。そして、この電子ビームをレーザ媒質と
して相互作用の一次効果による発振をさせることによ
り、電子ビームの密度変調波長と同一波長のレーザ発振
を高い利得で実現できる。
以下、添付図面を参照して本発明の実施例を説明す
る。
る。
第１図は本発明の実施例に係る自由電子レーザ装置の
構成図である。そして、これが第３図の従来装置と比べ
て特徴的に異なることは、互いに発振波長の異なる２個
のレーザ光源が設けられていることである。すなわち、
角周波数ω1の第１レーザ光LB1を出力する第１レーザ光
源11と、角周波数ω2＝ω1＋Δωの第２レーザ光LB2を
出力する第２レーザ光光源12が組み合されて、レーザ光
源が構成されている。そして、ミラーM1およびハーフミ
ラーHMの作用で第１レーザ光LB1と第２レーザ光LB2は単
一光束のレーザ光LBとされ、ミラーM2で反射されて受光
窓２を介して光電子放出物質を有する光電陰極３の光電
面に入射される。
構成図である。そして、これが第３図の従来装置と比べ
て特徴的に異なることは、互いに発振波長の異なる２個
のレーザ光源が設けられていることである。すなわち、
角周波数ω1の第１レーザ光LB1を出力する第１レーザ光
源11と、角周波数ω2＝ω1＋Δωの第２レーザ光LB2を
出力する第２レーザ光光源12が組み合されて、レーザ光
源が構成されている。そして、ミラーM1およびハーフミ
ラーHMの作用で第１レーザ光LB1と第２レーザ光LB2は単
一光束のレーザ光LBとされ、ミラーM2で反射されて受光
窓２を介して光電子放出物質を有する光電陰極３の光電
面に入射される。
このような波長の異なる第１レーザ光LB1と第２レー
ザ光LB2からなるレーザ光LBが光電陰極３に入射される
と、２つのレーザ光の周波数差に応じた密度変調をもっ
た電子ビームEBが出力され、マイクロ波加速器７によっ
て光速近くまで加速される。この相対論的電子ビームEB
は偏向コイル５により軌道を変えられ、アンジュレータ
やヘリカルウェグラーなどからなるレーザ発振用磁石６
による周期磁場に導入される。
ザ光LB2からなるレーザ光LBが光電陰極３に入射される
と、２つのレーザ光の周波数差に応じた密度変調をもっ
た電子ビームEBが出力され、マイクロ波加速器７によっ
て光速近くまで加速される。この相対論的電子ビームEB
は偏向コイル５により軌道を変えられ、アンジュレータ
やヘリカルウェグラーなどからなるレーザ発振用磁石６
による周期磁場に導入される。
そこで、相対論的電子ビームEBの密度変調波長とレー
ザ発振波長とが等しくなるように、レーザ発振用磁石６
による磁場の周期を設定しておく。すると、電子ビーム
EBとレーザ発振用磁石６による磁場とシンクロトロン放
射光との相互作用が極めて大きくなり、その一次効果に
よって高利得のレーザ発振が実現される。この場合、電
子ビーム源は密度変調された電子ビームEBを生成すれば
十分なものであるから、小電流の光電子放出源を用いれ
ばよい。また、２種のレーザ光を光電子放出物質に照射
するに際して、そのパワーは大きくする必要がなく、従
って損傷を与えたりすることもない。
ザ発振波長とが等しくなるように、レーザ発振用磁石６
による磁場の周期を設定しておく。すると、電子ビーム
EBとレーザ発振用磁石６による磁場とシンクロトロン放
射光との相互作用が極めて大きくなり、その一次効果に
よって高利得のレーザ発振が実現される。この場合、電
子ビーム源は密度変調された電子ビームEBを生成すれば
十分なものであるから、小電流の光電子放出源を用いれ
ばよい。また、２種のレーザ光を光電子放出物質に照射
するに際して、そのパワーは大きくする必要がなく、従
って損傷を与えたりすることもない。
上記の概略説明を参考にして、本発明を更に詳細に説
明する。
明する。
第１図において、第１レーザ光LB1および第２レーザ
光LB2を E1＝E10・cos（ω1・ｔ＋φ1） E2＝E20・cos（ω2・ｔ＋φ1） …（２） とすると、レーザ光LBの入射によって光電陰極３から生
じる光電子流Ｉは Ｉ∝E1 2＋E2 2＋2E1E2 cos｛（ω1−ω2）ｔ＋φ1＋φ2｝ …（３） となる。このため、第１レーザ光LB1の波長をω1＝400
〜600nmとし、第２レーザ光LB2の波長をω2＝ω1＋Δω
とすると、光電子流ＩはΔωの密度変調を受けることに
なる。例えば、ω1／Δω＝２〜200にすると、この電子
密度変調の振動数は１〜100μｍの光の波長に対応す
る。
光LB2を E1＝E10・cos（ω1・ｔ＋φ1） E2＝E20・cos（ω2・ｔ＋φ1） …（２） とすると、レーザ光LBの入射によって光電陰極３から生
じる光電子流Ｉは Ｉ∝E1 2＋E2 2＋2E1E2 cos｛（ω1−ω2）ｔ＋φ1＋φ2｝ …（３） となる。このため、第１レーザ光LB1の波長をω1＝400
〜600nmとし、第２レーザ光LB2の波長をω2＝ω1＋Δω
とすると、光電子流ＩはΔωの密度変調を受けることに
なる。例えば、ω1／Δω＝２〜200にすると、この電子
密度変調の振動数は１〜100μｍの光の波長に対応す
る。
光電陰極３からの電子ビームEBはマイクロ波加速器７
によって加速される。ここで、電子ビームEBがマイクロ
波加速器７の加速マイクロ波と同期し、かつ波長が等し
いバンチング電子ビームとなるために、第１レーザ光LB
1および第２レーザ光LB2がモードロックされているとす
ると、光電陰極３の光電放出面上でのレーザ強度および
放出電子の密度は、第２図（ａ）に示すようになる。同
図（ａ）において、Ｔは加速マイクロ波の周期に対応し
（ＳバンドでＴ＝350psec、ＬバンドでＴ＝770psec）、
Δｔは前述のΔω＝ω2−ω1に対応している（Δｔ＝２
π／Δω）。
によって加速される。ここで、電子ビームEBがマイクロ
波加速器７の加速マイクロ波と同期し、かつ波長が等し
いバンチング電子ビームとなるために、第１レーザ光LB
1および第２レーザ光LB2がモードロックされているとす
ると、光電陰極３の光電放出面上でのレーザ強度および
放出電子の密度は、第２図（ａ）に示すようになる。同
図（ａ）において、Ｔは加速マイクロ波の周期に対応し
（ＳバンドでＴ＝350psec、ＬバンドでＴ＝770psec）、
Δｔは前述のΔω＝ω2−ω1に対応している（Δｔ＝２
π／Δω）。
上記のような相対論的電子ビームEBが周期λ0の周期
磁場に導入されると、第４図に示すようにしてレーザ発
振が得られる。すなわち、先に示した（１）式の共鳴条
件が満されると、図中のＡ点に存在する電子は加速され
続けて光を吸収し、Ｂ点に存在する電子は減速され続け
て光を生成する。そして、レーザ発振利得Ｇは、発振位
相（Ｂ点）にある電子数に対する光吸収位相（Ａ点）に
ある電子数の比をα、発振および光吸収の項をそれぞれ
Gos′Gabとすると、 Ｇ＝Gos−α・Gab …（４） となる。そして、利得Ｇをより具体的に表わすと、 ＧＡ・Ｉ［ｇ（ω0／ωω−−１）−α・ｇ（ω0／ω
ω＋−１）］ …（５） ここで、Ａは定数、Ｉは光電子密度、関数ｇはｇ
（Ｘ）＝（Ｎπ2）1｛sin2Ｎπx/x2｝ω±は、 である。従って、ω±は（５）式の第１項と第２項に別
かれ、 第２項 であるので、上記関数ｇを展開すれば、Ｂを定数とした
ときにレーザ発振利得Ｇは となる。
磁場に導入されると、第４図に示すようにしてレーザ発
振が得られる。すなわち、先に示した（１）式の共鳴条
件が満されると、図中のＡ点に存在する電子は加速され
続けて光を吸収し、Ｂ点に存在する電子は減速され続け
て光を生成する。そして、レーザ発振利得Ｇは、発振位
相（Ｂ点）にある電子数に対する光吸収位相（Ａ点）に
ある電子数の比をα、発振および光吸収の項をそれぞれ
Gos′Gabとすると、 Ｇ＝Gos−α・Gab …（４） となる。そして、利得Ｇをより具体的に表わすと、 ＧＡ・Ｉ［ｇ（ω0／ωω−−１）−α・ｇ（ω0／ω
ω＋−１）］ …（５） ここで、Ａは定数、Ｉは光電子密度、関数ｇはｇ
（Ｘ）＝（Ｎπ2）1｛sin2Ｎπx/x2｝ω±は、 である。従って、ω±は（５）式の第１項と第２項に別
かれ、 第２項 であるので、上記関数ｇを展開すれば、Ｂを定数とした
ときにレーザ発振利得Ｇは となる。
電子ビームEBが密度変調されていないときは、（６）
式においてα＝１であり、従って利得Ｇは（６）式の第
２項のみとなる。ここで、（６）式の第２項は（レーザ
発振光のエネルギ）／（電子ビームEBのエネルギ）であ
り、具体的にはγmc2→10〜100MeV、 とすると、利得Ｇは10-9〜10-7のオーダーにしかならな
い。ところが、本発明のように電子ビームEBが密度変調
されていると、α≠１となるので（６）式の第１項が残
り、相互作用の一次効果によって電流密度Ｉが小さくて
も高利得のレーザ発振が得られることになる。
式においてα＝１であり、従って利得Ｇは（６）式の第
２項のみとなる。ここで、（６）式の第２項は（レーザ
発振光のエネルギ）／（電子ビームEBのエネルギ）であ
り、具体的にはγmc2→10〜100MeV、 とすると、利得Ｇは10-9〜10-7のオーダーにしかならな
い。ところが、本発明のように電子ビームEBが密度変調
されていると、α≠１となるので（６）式の第１項が残
り、相互作用の一次効果によって電流密度Ｉが小さくて
も高利得のレーザ発振が得られることになる。
本発明の自由電子レーザ装置において、レーザ発振の
波長限界は短波長側（可視領域側）に現れる。すなわ
ち、長波長側（赤外領域側）では第１レーザ光LB1およ
び第２レーザ光LB2の周波数差Δω＝ω2−ω1と、電子
ビームEBのエネルギーを設定することで可変にできる。
これに対し、短波長側での限界をもたらす要因について
は、次の２つが考えられる。第１は光電陰極３の光電子
放出面における時間拡がりであり、第２は放出された電
子相互間のクーロン力による電子ビームEBのゆがみであ
る。
波長限界は短波長側（可視領域側）に現れる。すなわ
ち、長波長側（赤外領域側）では第１レーザ光LB1およ
び第２レーザ光LB2の周波数差Δω＝ω2−ω1と、電子
ビームEBのエネルギーを設定することで可変にできる。
これに対し、短波長側での限界をもたらす要因について
は、次の２つが考えられる。第１は光電陰極３の光電子
放出面における時間拡がりであり、第２は放出された電
子相互間のクーロン力による電子ビームEBのゆがみであ
る。
上記と同様な例として、公知の超高速光側定用ストリ
ークカメラでは、400fsecの時間分解能が得られてい
る。この場合の限界値として問題になっているのは、上
記第２の要因における電子間クーロン力であり、上記第
１の要因における光電子放出面での時間拡がりは100fse
c以下と考えられている（現在、この限界は必ずしも明
確でない）。また、ストリークカメラ装置では電子ビー
ムを0.1〜1A/cm2、400fsecの数パルスとして取り出し、
光電面上での加速電場を10kV/mm程度とし、加速された
電子を数cmのオーダーで等速度で走らせている。本発明
の自由電子レーザ装置では、加速電場だけでは電子の速
度が不十分であるため、ストリークカメラでは等速度で
走っている区域でも電子は加速される。このため電子ビ
ームの密度変調度は公知のストリークカメラより更に改
良される。そして、本発明においては、（６）式におい
て の条件が満たされれば一次効果によるレーザ発振が実現
できるので、かなりの短波長の発振が可能になる。具体
的には、100fsecに対応する波長30μｍ程度までの発振
が実現できる。
ークカメラでは、400fsecの時間分解能が得られてい
る。この場合の限界値として問題になっているのは、上
記第２の要因における電子間クーロン力であり、上記第
１の要因における光電子放出面での時間拡がりは100fse
c以下と考えられている（現在、この限界は必ずしも明
確でない）。また、ストリークカメラ装置では電子ビー
ムを0.1〜1A/cm2、400fsecの数パルスとして取り出し、
光電面上での加速電場を10kV/mm程度とし、加速された
電子を数cmのオーダーで等速度で走らせている。本発明
の自由電子レーザ装置では、加速電場だけでは電子の速
度が不十分であるため、ストリークカメラでは等速度で
走っている区域でも電子は加速される。このため電子ビ
ームの密度変調度は公知のストリークカメラより更に改
良される。そして、本発明においては、（６）式におい
て の条件が満たされれば一次効果によるレーザ発振が実現
できるので、かなりの短波長の発振が可能になる。具体
的には、100fsecに対応する波長30μｍ程度までの発振
が実現できる。
実施例に係る自由電子レーザ装置において、電子密度
が光電子放出面から加速空間方向ｘに向って、どのよう
に変化していくのかを第２図（ｂ），（ｃ）に示す。同
図（ｂ）は電子相互間のクーロン力があまり作用しない
とき（小電流のとき）を示している。放出された直後の
電子の密度波E11は、加速されるにつれて密度波E12のよ
うになる。ここで、電子の速度をｖとすると、電子ビー
ムEBの密度変調波長Δｘは Δｘ（２πｖ）／Δω となり、ｖ≒ｃ（光速度）とすると、 Δｘ（２πｃ）／Δω …（７） となる。このΔｘの値が発振レーザ光の波長と等しくな
る。第２図（ｃ）は電子相互間のクーロン力が作用し、
電子ビームEBの密度波が変形する場合を示している。す
なわち、放出直後の密度波E21は、加速につれてクーロ
ン力により電子密度が均一化され、密度波E22となって
いく。従って、本発明に係る自由電子レーザ装置のレー
ザ発振波長の短波長側限界は、光電放出面のレーザ光応
答特性により定まり、この応答特性が100fsecであると
きは、波長限界は100fsec×（光側:c）＝30μｍとな
る。
が光電子放出面から加速空間方向ｘに向って、どのよう
に変化していくのかを第２図（ｂ），（ｃ）に示す。同
図（ｂ）は電子相互間のクーロン力があまり作用しない
とき（小電流のとき）を示している。放出された直後の
電子の密度波E11は、加速されるにつれて密度波E12のよ
うになる。ここで、電子の速度をｖとすると、電子ビー
ムEBの密度変調波長Δｘは Δｘ（２πｖ）／Δω となり、ｖ≒ｃ（光速度）とすると、 Δｘ（２πｃ）／Δω …（７） となる。このΔｘの値が発振レーザ光の波長と等しくな
る。第２図（ｃ）は電子相互間のクーロン力が作用し、
電子ビームEBの密度波が変形する場合を示している。す
なわち、放出直後の密度波E21は、加速につれてクーロ
ン力により電子密度が均一化され、密度波E22となって
いく。従って、本発明に係る自由電子レーザ装置のレー
ザ発振波長の短波長側限界は、光電放出面のレーザ光応
答特性により定まり、この応答特性が100fsecであると
きは、波長限界は100fsec×（光側:c）＝30μｍとな
る。
本発明の自由電子レーザ装置において、電子ビーム源
を構成する光電子放出物質としては、レーザ光照射に対
して十分な光量子効率（0.1〜10％）が得られれば、各
種のものを用いることができる。例えば、従来から広く
用いられている。セシウム−アンチモンやガリウムヒ素
等の他、超伝導体も利用できる。また、熱陰極や電界放
射型カソード等であっても、レーザ光に対して感度があ
れば利用できる。例えば、熱陰極に用いられているディ
スペンサーカソードは、波長300〜200nmの紫外線に対し
て0.1〜１％の量子効率を有しているので、電流密度が
0.1〜1A/cm2オーダーであれば良い本発明には、十分に
適用することができる。
を構成する光電子放出物質としては、レーザ光照射に対
して十分な光量子効率（0.1〜10％）が得られれば、各
種のものを用いることができる。例えば、従来から広く
用いられている。セシウム−アンチモンやガリウムヒ素
等の他、超伝導体も利用できる。また、熱陰極や電界放
射型カソード等であっても、レーザ光に対して感度があ
れば利用できる。例えば、熱陰極に用いられているディ
スペンサーカソードは、波長300〜200nmの紫外線に対し
て0.1〜１％の量子効率を有しているので、電流密度が
0.1〜1A/cm2オーダーであれば良い本発明には、十分に
適用することができる。
以上、詳細に説明した通り本発明によれば、電子ビー
ム源を構成する光電子放出物質に波長の異なる２種のレ
ーザ光を照射することにより、光電子放出物質に大きな
損傷を与えることなく、その周波数差に応じた密度変調
を有する電子ビームを得ることができる。そして、この
電子ビームをレーザ媒質として相互作用の一次効果によ
る発振をさせることにより、電子ビームの密度変調波長
と同一波長のレーザ発振を高い利得で実現できる。
ム源を構成する光電子放出物質に波長の異なる２種のレ
ーザ光を照射することにより、光電子放出物質に大きな
損傷を与えることなく、その周波数差に応じた密度変調
を有する電子ビームを得ることができる。そして、この
電子ビームをレーザ媒質として相互作用の一次効果によ
る発振をさせることにより、電子ビームの密度変調波長
と同一波長のレーザ発振を高い利得で実現できる。
このため、電子ビーム源を構成する光電子放出物質の
寿命が長く、発振利得を高くすることができ、しかも装
置を小型化することが可能な自由電子レーザ装置が実現
できる。
寿命が長く、発振利得を高くすることができ、しかも装
置を小型化することが可能な自由電子レーザ装置が実現
できる。
第１図は本発明の実施例に係る自由電子レーザ装置の構
成図、第２図は光電子密度の分布を説明する図、第３図
は従来の自由電子レーザ装置の構成図、第４図は自由電
子レーザ装置の発振原理を示す図である。 １…レーザ光源、11…第１レーザ光源、12…第２レーザ
光光源、２…受光窓、３…光電陰極、４…加速電極、５
…偏向コイル、６…レーザ発振用磁石、７…マイクロ波
加速器、LB…レーザ光、LB1…第１レーザ光、LB2…第２
レーザ光、EB…電子ビーム。
成図、第２図は光電子密度の分布を説明する図、第３図
は従来の自由電子レーザ装置の構成図、第４図は自由電
子レーザ装置の発振原理を示す図である。 １…レーザ光源、11…第１レーザ光源、12…第２レーザ
光光源、２…受光窓、３…光電陰極、４…加速電極、５
…偏向コイル、６…レーザ発振用磁石、７…マイクロ波
加速器、LB…レーザ光、LB1…第１レーザ光、LB2…第２
レーザ光、EB…電子ビーム。
Claims (1)
- 【請求項１】レーザ光源と、このレーザ光源からのレー
ザ光の照射により光電子を放出する光電子放出物質を有
する電子ビーム源と、この電子ビーム源からの電子ビー
ムを加速する加速手段をを備え、加速された前記電子ビ
ームを媒質としてレーザ発振を行なう自由電子レーザ装
置において、 前記レーザ光源は互いに波長に異なる２種のレーザ光を
出射するよう構成され、前記電子ビーム源は前記２種の
レーザ光の周波数差に対応して密度変調された電子ビー
ムを出力するよう構成され、前記電子ビームをレーザ媒
質として当該電子ビームの密度変調波長と同一波長でレ
ーザ発振を行なうことを特徴とする自由電子レーザ装
置。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1033368A JP2702541B2 (ja) | 1989-02-13 | 1989-02-13 | 自由電子レーザ装置 |
| AT90102797T ATE110892T1 (de) | 1989-02-13 | 1990-02-13 | Oszillator für freie-elektronen-laser. |
| DE69011889T DE69011889T2 (de) | 1989-02-13 | 1990-02-13 | Oszillator für Freie-Elektronen-Laser. |
| US07/479,243 US5018149A (en) | 1989-02-13 | 1990-02-13 | Free electron laser oscillator |
| EP90102797A EP0383259B1 (en) | 1989-02-13 | 1990-02-13 | Free-electron laser oscillator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1033368A JP2702541B2 (ja) | 1989-02-13 | 1989-02-13 | 自由電子レーザ装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02211687A JPH02211687A (ja) | 1990-08-22 |
| JP2702541B2 true JP2702541B2 (ja) | 1998-01-21 |
Family
ID=12384642
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1033368A Expired - Fee Related JP2702541B2 (ja) | 1989-02-13 | 1989-02-13 | 自由電子レーザ装置 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5018149A (ja) |
| EP (1) | EP0383259B1 (ja) |
| JP (1) | JP2702541B2 (ja) |
| AT (1) | ATE110892T1 (ja) |
| DE (1) | DE69011889T2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6847164B2 (en) | 2002-12-10 | 2005-01-25 | Applied Matrials, Inc. | Current-stabilizing illumination of photocathode electron beam source |
| US7446296B2 (en) * | 2004-01-30 | 2008-11-04 | Hamamatsu Photonics K.K. | Streak device |
| JP6041648B2 (ja) * | 2012-12-03 | 2016-12-14 | 三菱重工業株式会社 | 指向性エネルギー照射装置 |
| WO2015082295A1 (en) * | 2013-12-05 | 2015-06-11 | Asml Netherlands B.V. | Electron injector and free electron laser |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4323857A (en) * | 1979-12-12 | 1982-04-06 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Catalac free electron laser |
| FR2617364A1 (fr) * | 1987-06-25 | 1988-12-30 | Commissariat Energie Atomique | Procede et dispositif de production d'electrons utilisant un couplage de champ et l'effet photoelectrique |
-
1989
- 1989-02-13 JP JP1033368A patent/JP2702541B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
1990
- 1990-02-13 EP EP90102797A patent/EP0383259B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1990-02-13 DE DE69011889T patent/DE69011889T2/de not_active Expired - Fee Related
- 1990-02-13 AT AT90102797T patent/ATE110892T1/de active
- 1990-02-13 US US07/479,243 patent/US5018149A/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP0383259B1 (en) | 1994-08-31 |
| DE69011889D1 (de) | 1994-10-06 |
| ATE110892T1 (de) | 1994-09-15 |
| EP0383259A2 (en) | 1990-08-22 |
| DE69011889T2 (de) | 1995-02-16 |
| JPH02211687A (ja) | 1990-08-22 |
| EP0383259A3 (en) | 1991-03-20 |
| US5018149A (en) | 1991-05-21 |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |