JP3629538B2 - 蓄積リング型自由電子レーザー用の光共振器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、波長が遠赤外からＸ線領域までを発光し得る蓄積リング型自由電子レーザー装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
自由電子レーザー装置は、真空中をほぼ光速度で周期的に蛇行する電子または陽電子が電磁場と相互作用し、吸収を上回る誘導放出を起こす現象を利用して、電磁波の増幅・発振を行う装置をいう。
【０００３】
通常のレーザーが、原子等にトラップされた電子によるエネルギー準位間の吸収・誘導放出を利用するのと異なり、自由電子レーザー装置は、束縛のない自由な電子を使用するため、ミリ波から真空紫外領域に及ぶ波長域で発振が実現されている。このうち、蓄積リング型自由電子レーザー装置とは、電子ビームの加速に蓄積リングを使用する自由電子レーザー装置をいう。蓄積リング型自由電子レーザーは波長分解能もよく、既存の高輝度光源のない真空紫外域や赤外域での高輝度光源として期待されている。
【０００４】
図８は，蓄積リング型自由電子レーザーの構成図である。
図８に示すように、蓄積リング型自由電子レーザーは、基本的に、入射用電磁石（Ｓｅｐｔｕｍ Ｍａｇｎｅｔ）、偏向電磁石（ＢＭ１、ＢＭ２、ＢＭ３、ＢＭ４、ＢＭ５、ＢＭ６）、４極電磁石（ＱＤ、ＱＦ１）、光クライストロン（３．６ｍ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｋｌｙｓｔｒｏｎ ＥＴＬＯＫ―ＩＩＩ：Ｌｏｎｇ―ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ＦＥＬ ｓｅｃｔｉｏｎ（１−１０ｍｉｃｒｏｎ）：アンジュレータ）、光クライストロン（６．３ｍ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｋｌｙｓｔｒｏｎ ＥＴＬＯＫ―ＩＩ：Ｓｈｏｒｔ―ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ＦＥＬ ｓｅｃｔｉｏｎ（２１１−５９５ｎｍ（ナノメータ））：アンジュレータ）、パルス偏向電磁石（Ｋｉｃｋｅｒ Ｍａｇｎｅｔ）、高周波加速空洞（ＲＦ Ｃａｖｉｔｙ）、真空ミラーマニピュレータ（Ｖａｃｕｕｍ Ｍｉｒｒｏｒ Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ）とから構成される。
【０００５】
この蓄積リング型自由電子レーザーにおける真空ミラーマニピュレータ（Ｖａｃｕｕｍ Ｍｉｒｒｏｒ Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ）に光共振器が用いられている。
蓄積リング型自由電子レーザー装置は、電子ビームを維持する蓄積リング、光の発生・増幅を行うアンジュレータ、アンジュレータからの自発放出光を蓄えて増幅に寄与する光共振器で構成される。電子ビームがアンジュレータの周期的電磁場を通過すると、シンクロトロン光のある波長で可干渉的になり、強い発光をする。この光パルスをミラーで構成される光共振器によって閉じこめて、周回する電子ビームと同期をとる。電子ビームがアンジュレータの周期電磁場を通過するときにこの光パルスと重畳すると、アンジュレータ電磁場によって誘導放出を起こし、特定の波長を増幅する。これが蓄積リング型自由電子レーザーの増幅過程である。
【０００６】
すなわち、この増幅時には、電子ビームが光パルスにエネルギーを与えることになるので、電子ビームのエネルギー拡がりは拡大して利得が下がりだし、それが共振器損失を上回ると、増幅から減衰へと転じる。エネルギー拡がりは、この増幅過程よりも長い時間スケールである放射減衰によって回復する。このため、発振に至る過程が緩やかであれば持続型の発振になるが、急激な発振を起こした場合は、電子ビームの劣化に修復が間に合わなくなり、発振は間欠的になる。その代わり急激な発振なのでピーク出力は大きいという利点もある。
図６は、蓄積リング型自由電子レーザー装置に使用されている従来型の光共振器の概略図である。
【０００７】
蓄積リング型自由電子レーザーに用いられてきた光共振器は、２枚のミラー６１、６２で構成されたファブリペロー共振器しかない。これはＦＥＬ（自由電子レーザー）利得が小さいので、共振器損失を小さく抑えることを優先していたためである（利得−共振器損失のことを有効利得と呼ぶが、これが大きい方が出力も大きくなる。）。
光共振器に対する改良としては、エタロンを挿入して線幅を狭めることが実験で行われている。ただしこの改良は出力の改善を期待するものではない。
共振器内エネルギーを効率よく取り出す工夫としては、誘電体多層膜ミラーの多層膜数を調整して透過率を高めたり、一方のミラーに穴を開けて透過率を上げたりすることが行われているが、光共振器の構成を変えるものではない。
【０００８】
蓄積リング型自由電子レーザー装置の光共振器内のエネルギーを取り出す提案は、本発明者によって１９９７年に初めて行われた［ Ｓｅｉ ｅｔ ａｌ．，Ｎｕｃｌ． Ｉｎｓｔｒ． ａｎｄ Ｍｅｔｈ． Ａ３９３ （１９９７） ５９．］。この論文では、ミラーの一方にピエゾ素子（ＰＺＴ）を使用して回転させ、もう一方のミラーに設けたホールを通じて共振器内エネルギーを取り出すことを提案している。
【０００９】
図７は、積層ピエゾアクチュエータ（ＰＺＴ）６４を備えたミラー６２と窓付きミラー６３を用いた従来型の光共振器の概略図である。
光共振器内にはミラー６２、６３以外の構成要素がないので、共振器損失が劣化しないことが利点である。しかし、ピエゾ素子６４によるキャビティダンプは、全てのパルスを取り出すのに数回に分けて取り出すことになるので、ピークエネルギーとしては少し効率が下がる（数％程度）欠点があった。特に高反射率のミラーを入手しにくい紫外域では不利である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
蓄積リング型自由電子レーザーでは、その利得が小さいために、光共振器に低損失のミラーを使用する。そのため、ミラーの透過率も小さく、光共振器から取り出せるピークエネルギーが比較的小さいという欠点があった。大型の装置でも、取り出せるエネルギーは１ｍＪにも及ばない。だが光共振器内では、光パルスのピークエネルギーはその１００〜１００００倍も強く、この光共振器内エネルギーを効率よく取り出すことができれば、強力なピークエネルギーの光パルスを利用できる。
【００１１】
本発明の目的は、上記問題点に鑑み、光共振器から取り出せるピークエネルギーを各段に大きくする蓄積リング型自由電子レーザー用の光共振器を提供することにある。
本発明の他の目的は、平均出力を最適化する蓄積リング型自由電子レーザー用の光共振器を提供することにある。
【００１２】
【問題を解決するための手段】
本発明は前記目的を達成するために下記の解決手段を採用する。
（１） 蓄積リング型自由電子レーザー用の光共振器は、蓄積リング型自由電子レーザーの光共振器において、ミラー間の光路に介挿し光を偏向させる偏向素子と、前記ミラー間で増幅した光パルスを検出し、その検出した光パルスの検出値が最大値になったとき、前記光パルスを回折させて共振器外へ取り出すように前記偏向素子の偏向角を制御する制御装置を設けたことを特徴とする。
（２） 上記（１）記載の蓄積リング型自由電子レーザー用の光共振器は、前記偏向素子を溶融石英としたことを特徴とする。
【００１３】
（３） 上記（１）又は（２）記載の蓄積リング型自由電子レーザー用の光共振器は、前記偏向素子の位置で光ビームが絞られるように前記ミラーを組み合わせて配置したことを特徴とする。
（４） 上記（１）記載の蓄積リング型自由電子レーザー用の光共振器は、前記偏向素子を蓄積リングに挿入されているアンジュレータ内部に設置し、電子ビーム損失を避けるように前記偏向素子の前後に電子ビームの軌道を形成したことを特徴とする。
（５） 上記（１）乃至（４）のいずれか１項記載の蓄積リング型自由電子レーザー用の光共振器は、前記制御装置で、光共振器内から自由電子レーザーを取り出した後、所定時間内、前記偏向素子をアンジュレータ光を取り出す方向に制御することを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
光共振器内で光パルスが電子ビーム軌道と離れている部分に、高速で駆動できる偏向素子を挿入し、そこに光パルスが透過或いは反射するように配置する。蓄積リング型自由電子レーザー装置の光共振器は通常１０ｍ以上の長さを有しているので、１００ｎｓ程度の立ち上がり時間と数ｍｒａｄの偏向角を持った偏向素子が必要になる。これに適したものには、強誘電体に高電界を印加した電気光学素子と、光学媒体中に圧電素子の振動で生じた超音波を伝播させることで屈折率勾配を形成し回折効果を生じる偏向素子（例えば、音響光学素子）がある。透過型の場合には、素子の光学媒体には自由電子レーザーの発振波長域で透過率の高い素材を使用し、表面に反射防止膜を施すかブリュースター角で使用することで極力透過率を高める。
【００１５】
図２は、本発明の高速偏向素子を用いた光共振器のもっとも単純な一例を示す図である。
光学系のもっとも単純な配置は、図２に示すように、２枚のミラー６１、６４およびレンズ６２、６３からなる光共振器が形成するビームウエストに偏向素子２１を置くものである。該ビームウエストにおいて光ビームが絞られるように構成されている。このように、絞られたビームウエストに偏向素子２１を配置するので、偏向素子の偏向作用が全ビームに対して有効に作用するようになる。
この場合は、偏向素子２１の場所で電子ビームが迂回する必要があるので、アンジュレータには充分な磁場と長さを持った分散部を擁する光クライストロンを使用する等の迂回措置をとる。この偏向素子２１は、溶融石英から構成することが好ましい。
【００１６】
図１は、本発明の高い射出効率を可能にする、高速偏向素子を用いた光共振器と駆動システムの一例を示す図である。
ただし、上記の方法では偏向素子２１に対する条件が厳しくなるので、一般的にはミラーを１枚増やして３枚のミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３で光共振器１０を組み、光ビームを強く絞った位置に偏向素子２１を配置する。
光学系は、ミラーＭ１（１１）、Ｍ２（１２）、Ｍ３（１３）および偏向素子２１からなる。ミラーＭ２とＭ１でビームウエストを形成する反射系を構成する。ミラーＭ２とＭ３はもう１つの反射系を構成すると共にＦＥＬ取りだし用の偏向素子２１を介在する。
光共振器１０は、ミラーＭ１（１１）とＭ２（１２）の間に設けられる。
駆動システムは、偏向素子２１に制御信号を印加する制御装置を構成し、ミラー１５、１６および１７と、ＰＩＮフォトダイオード２５と、波高弁別器２４と、パルス発生器２３と、ＲＦ電源２２とからなる。
【００１７】
該駆動システムは、前記光共振器１０内で発生しているレーザー光を、前記ミラー１４、１５、１６および１７を介してＰＩＮフォトダイオード２５でモニターし、そのモニター出力信号の波高値を波高弁別器２４によって弁別する。レーザー出力の取り出しが可能となると前記モニター出力信号が該波高弁別器２４の閾値を超えるので、そのとき、パルス発生器２３でトリガーパルスを発生する。ＲＦ電源２２は、前記トリガーパルスに応じて所定（例えば、１０ｍｓ）幅の駆動パルスを偏向素子２１に供給して該素子２１の偏向角を最大にする。
すなわち、偏向素子２１がＯＦＦの状態では、光パルスはその素子２１を透過或いは反射して光共振器１０を往復し、蓄積リングの電子ビームと相互作用することで自由電子レーザーを増幅する。増幅が飽和に達すると、素子２１はＯＮの状態にされる。
【００１８】
また、素子２１がＯＮの状態になると、ここを透過或いは反射するときに回折が生じ、回折の１次光または高次光はミラーを飛び越えて光共振器１０の外へと自由電子レーザー光になったものを射出される。蓄積リング電子ビームの放射減衰によって決められる時間（エネルギー拡がりが回復する時間）だけＯＮの状態を持続しておき、アンジュレータ光を光共振器内に蓄積しないようにする。所定時間の後、再び素子の状態をＯＦＦにする。
これにより、電子ビームの冷却を早めることができ、また、ミラーの劣化を防止することができるようになる。
上記のサイクルを繰り返すことで、高いピークエネルギーの蓄積リング型自由電子レーザーを生成できる。また、放射減衰程度の短い繰り返し周期で平均出力は最大になる。あらかじめ自由電子レーザー利得と共振器損失を求めておいて自由電子レーザーパルスの時間発展を数値計算することで、平均出力を最適化できる。
【００１９】
蓄積リング型自由電子レーザーが研究され始めた頃では、高い利得を実現することが難しく、低損失な光学系を広範囲な波長域で入手することが困難であったが、現在では高い有効利得を実現できるようなってきた。そのため、多少共振器損失が増加しても、光共振器の改良によって強いピークエネルギーを取り出すことが可能となっている。
さらに、本発明は、蓄積リング型自由電子レーザーと、電子ビームの時間発展の性質を利用して、効率よく光エネルギーを取り出し、従って繰り返し周期を短くし、平均出力を最適化する方法も提供する。
次に本発明の具体的実施例を述べ、本発明の効果をさらに詳細に説明する。
【００２０】
（実施例）
蓄積リングとして産業技術総合研究所のＮＩＪＩ−ＩＶを使用し、自由電子レーザーの発振波長を３５０ｎｍとする。蓄積リングＮＩＪＩ−ＩＶ電子ビームの電流値３０ｍＡにおける特性を表１に示す。
【表１】

自由電子レーザーの最大利得は約５％である。
さらに、光学系を構成するミラーについて説明する。
図１のようにミラーは３枚使用し、これらのミラーをＭ１、Ｍ２、Ｍ３とし、光パルスはＭ１→Ｍ２→Ｍ３→Ｍ２→Ｍ１と伝播するように配置する。Ｍ１は長焦点ミラーでＭ１−Ｍ２間にはアンジュレータ（光共振器）があり、Ｍ２とＭ３は短焦点ミラーでＭ２−Ｍ３間には偏向素子を挿入しておく。ミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３の曲率半径をそれぞれ１１ｍ、１．４ｍ、１．０４ｍとすれば、Ｍ１−Ｍ２間が１３ｍ、Ｍ２−Ｍ３間が１．８ｍになる。偏向素子はＭ３から１．０４ｍの位置に置かれ、そこでのビームサイズは波長３５０ｎｍの時に０．０７５ｍｍとなる。
【００２１】
偏向素子及び高周波ドライバーは市販の製品を真空仕様にして使用することが可能である。上記波長では溶融石英が優れた透過特性を持つので適している。溶融石英の音響光学特性を表２に示す。
【表２】

ここで性能指数とは回折角を決める因子である。溶融石英は性能指数が比較的小さいが、１０Ｗの高周波電力で波長３５０ｎｍにおいて偏向角約４ｍｒａｄを実現できる。可視〜紫外域では、溶融石英の表面に反射防止膜を施したり、ブリュースター角で使用することで、表面反射を著しく押さえることが可能である。その結果、最大透過率は９９．８％を実現できる。
【００２２】
偏向素子は電気光学素子ほどではないが反応速度が大きい。偏向素子の立ち上がり時間τは、レーザーのビーム径φを用いて次式のように与えられる。
τ＝ φ／（１．５Ｖａ）
ここでＶａは音響速度である。従って、ＮＩＪＩ−ＩＶの光共振器１０ように光パルスの１往復が９９ｎｓの場合には、φを０．６ｍｍ程度にしておけばよい。このような素子は波長３５０ｎｍでは最大回折効率が５０％にもなる。
偏向素子２１がＯＮの状態では光パルスは回折効率分（〜５０％）だけ回折される。ＯＦＦの状態では、全光パルスは光共振器１０内の往復運動を繰り返す。光パルスがＭ３から偏向素子を通過後、偏向素子２１をＯＮにすると、次に偏向素子２１に戻ってきた光パルスはほぼ半分ずつに０次光と１次光に分割される。そしておのおのＭ３で反射されて、再び偏向素子２１を通り、０次光の位置に２５％、１次光の位置に５０％、２次光の位置（０次光と１次光がなす角の２倍だけ０次光と分かれている）に２５％分割される。回折角は素子に供給する高周波電源のパワーで決まるが、１０Ｗ入力で約４ｍｒａｄほどになる。そのため、Ｍ２で再び反射された光パルスはＭ１の位置では、１次光でミラー中心から２７ｍｍ、２次光で５４ｍｍの位置だけずれることになる。共振器ミラーは半径１５ｍｍもあれば充分なので１、２次光合わせて７５％の光パルスを一度に取り出すことができる。
【００２３】
偏向素子２１による共振器１０の損失は溶融石英を使用した場合は１往復あたり０．４〜１％である。ミラーを１枚増やしたことでミラーによる共振器損失も増加するが、波長３５０ｎｍ付近ではミラー１枚あたりの損失が０．１（照射前）〜０．４％（照射後）であるので、ＦＥＬ照射中の平均的な共振器損失はおおよそ１％程度である。従って、光共振器１０における１往復あたりの共振器損失は約２％である。ＮＩＪＩ−ＩＶのＦＥＬ利得は波長３５０ｎｍでは最大５％であるから、発振には問題ない。
【００２４】
さて、時間を追ってＦＥＬパルスの発展と電子ビームのエネルギー拡がりの発展を説明する。偏向素子がＯＮの状態では光パルスは有効効率分だけ回折されて、ＦＥＬの発振は止まる。しばらくこの状態で光共振器内に光パルスを蓄積しないようにしておくと、放射減衰のためにエネルギー拡がりが回復してくる。
図３は、本発明のキャビティダンプ中におけるエネルギー拡がりの時間発展図である。
【００２５】
後述するが、ＮＩＪＩ−ＩＶの場合ではこの時間はおよそ４０ｍｓである。そこで４０ｍｓ後に偏向素子をＯＦＦにして、光共振器内に光パルスの蓄積を開始する。
すぐにＦＥＬの発振が始まり、ＮＩＪＩ−ＩＶの場合では０．１ｍｓ程度で飽和に達する。飽和までの時間は、電子ビームの電流量や、有効利得、共振器損失等に依存している。そこで誘電体多層膜ミラーＭ１かＭ２から漏れ出てくる光パルスをＰＩＮフォトダイオードで観測し電圧信号に変え、波高弁別器を通してある電圧以上に達したら、パルス波高を記憶する。そして最高値から数％下がったら偏向素子の高周波電源をＯＦＦにする。これらの操作は１０ＭＨｚ以上で駆動するロジック回路を組むことで解決できる。或いは、飽和時間は計算によりおおよそ予測できるので、遅延時間をあらかじめ設定しておいて、偏向素子の高周波電源をＯＦＦにしてもよい。キャビティダンプを行った場合、ＦＥＬの光パルスは半値幅０．０１ｍｓぐらいの強度分布（マクロパルスと呼ぶ）を示すので、ピークに達したら遅滞なく偏向素子の高周波電源をＯＦＦにしなければならない。平均出力を重視する場合は、ピークに達する直前にＯＦＦにするとこの繰り返し間隔を短くできるので、平均出力を上げることができる。上記した１周期におけるエネルギー拡がりの時間発展を図３に、光共振器内エネルギーの時間発展を図４に示す。
【００２６】
図４は、本発明のキャビティダンプ中における光共振器内エネルギーの時間発展図である。
共振器内エネルギーの飽和強度は最大約０．２５ｍＪである。これは、キャビティダンプを用いない通常の光共振器のそれよりも２〜３倍程度低い値になる。しかし通常の光共振器の取り出し効率は多くても０．００５程度なので数μＪ程度であるが、取り出し効率０．７５の本方法は、取り出した光パルスが約０．２ｍＪと百倍程度強くなる。
【００２７】
通常のＱスイッチではマクロパルスの後半も充分に強度が大きいので、その間も電子ビームは加熱状態にあり、エネルギー拡がりが増大し続ける。その結果、高いピークエネルギー（最大値の８０％）を維持しようとすると、Ｑスイッチの繰り返し間隔は６０ｍｓほど必要になる。しかしキャビティダンプを行うことで、ＦＥＬマクロパルスの後半は現れないことになる。このために冷却に必要な時間は４０ｍｓほどで済む。繰り返しキャビティダンプを行った場合の、ピークエネルギー及び平均出力と繰り返し周波数との関係を図５に示す。
図５は、蓄積リング型自由電子レーザー装置に使用されている従来型の光共振器の概略図である。
【００２８】
この図が示すように、平均出力が最大になる繰り返しは、ダンピング時間３７ｍｓよりも短い３０ｍｓ程度で最大になる。こうして数値計算によって平均出力を最大にする周波数を求めることができ、高いピークエネルギーかつ比較的高い平均出力が要求される状況にも対応可能である。
【００２９】
【発明の効果】
本発明を使用することにより、蓄積リング型自由電子レーザー装置の光共振器内に蓄えられた強力なピークエネルギーを持つ光パルスを効率よく光共振器外へ取り出すことが可能になる。共振器外へ取り出した光パルスは、従来よりも１００倍程度の強度を実現することができる。
【００３０】
また、蓄積リングの電子ビーム及び自由電子レーザーの時間発展特性を利用することによって、効率の良いキャビティダンプを行い、高いピークエネルギーを保ちつつ平均出力を最適化できる。
さらに、共振器ミラーが強力な光パルスを蓄えている時間が短いために、ミラーの劣化速度が小さくなることも期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の高い射出効率を可能にする、高速偏向素子を用いた光共振器と駆動システムの一例を示す図である。
【図２】本発明の高速偏向素子を用いた光共振器のもっとも単純な一例を示す図である。
【図３】本発明のキャビティダンプ中におけるエネルギー拡がりの時間発展図である。
【図４】本発明のキャビティダンプ中における光共振器内エネルギーの時間発展図である。
【図５】本発明の計算による、ピークエネルギー及び平均出力とキャビティダンプの繰り返し周波数との関係を示す図である。
【図６】蓄積リング型自由電子レーザー装置に使用されている従来型の光共振器の概略図である。
【図７】積層ピエゾアクチュエータ（ＰＺＴ）を備えたミラーと窓付きミラーを用いた従来型の光共振器の概略図である。
【図８】従来の蓄積リング型自由電子レーザーの構成図である。
【符号の説明】
１０ 光共振器
１１、１２、１３、１５、１６、１７、 ミラー
２１ 偏向素子
２２ ＲＦ電源
２３ パルス発生器
２４ 波高弁別器
２５ ＰＩＮフォトダイオード

Claims (5)

1. 蓄積リング型自由電子レーザーの光共振器において、ミラー間の光路に介挿し光を偏向させる偏向素子と、前記ミラー間で増幅した光パルスを検出し、その検出した光パルスの検出値が最大値になったとき、前記光パルスを回折させて共振器外へ取り出すように前記偏向素子の偏向角を制御する制御装置を設けたことを特徴とする蓄積リング型自由電子レーザー用の光共振器。
2. 前記偏向素子を溶融石英としたことを特徴とする請求項１記載の蓄積リング型自由電子レーザー用の光共振器。
3. 前記偏向素子の位置で光ビームが絞られるように前記ミラーを組み合わせて配置したことを特徴とする請求項１又は２記載の蓄積リング型自由電子レーザー用の光共振器。
4. 前記偏向素子を蓄積リングに挿入されているアンジュレータ内部に設置し、電子ビーム損失を避けるように前記偏向素子の前後に電子ビームの軌道を形成したことを特徴とする請求項１記載の蓄積リング型自由電子レーザー用の光共振器。
5. 前記制御装置で、光共振器内から自由電子レーザーを取り出した後、所定時間内、前記偏向素子をアンジュレータ光を取り出す方向に制御することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の蓄積リング型自由電子レーザー用の光共振器。

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