JP3633904B2 - X-ray generation method and X-ray generation apparatus - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光をターゲットに照射してX線を発生させるX線発生方法および装置に関し、特に高出力超短光パルスレーザを使用して特定波長のX線を発生させるX線発生方法および装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
高強度レーザ光を金属表面に照射すると金属表面に形成されるプラズマから高輝度のX線が発生する。特に超短光パルスレーザ光を用いることにより比較的低いエネルギーで極めて高輝度のX線が得られる。
超短光パルスレーザをターゲットに照射してX線を得るようにしたX線発生装置では、X線出力は、ターゲットの材質や形状、レーザビームの波長、空間強度分布や時間波形など、非常に多くのパラメータに左右される。
【0003】
しかし、従来のX線出力制御は、レーザビームの総合的強度すなわち波長全体にわたる積分値としてのエネルギ強度、あるいはパルスレーザを用いるときはパルス間隔の調整などによる方法が用いられているため、X線出力を精密に制御することは難しかった。
また、従来は、レーザビームの集光系の焦点をずらすなどしてレーザパルスX線のエネルギ強度を調整するようにしているが、レーザ自体の空間強度分布を変化させることができないため、最適な調整をすることができなかった。
【0004】
たとえば、特開平9−184900には、発生したX線の強度を測定してX線露光量が設定値と一致するように最後のパルスレーザショットの強度を調整するようにしたパルスX線照射装置が開示されている。ビーム強度調整は、光路中に設けた透過率可変フィルターや、Qスイッチレーザ装置におけるQスイッチの作動開始信号とレーザ媒質の励起開始信号の時間差を用いるなどの方法によって行っている。この装置によれば、パルスX線源の出力がショット毎に揺らいでも設定X線照射量と積算X線照射量を一致させることができる。
【0005】
また、初めに予備的なレーザパルスをターゲットに照射してプラズマを発生させ、その後に主パルスを照射してプラズマから所定のX線を放出させることにより、効率よくパルスレーザX線を発生させることができることが知られている。
従来、このような目的で使用されるレーザビームの時間波形を得る方法として、パルスモジュレーションなどの励起用フラッシュランプの光量を電気的に制御する方法があった。しかしこの方法では、ms水準のパルス間隔を形成するのが限界で、特にpsからfs水準の超短光パルスレーザの時間波形を制御することはできなかった。
【0006】
超短光レーザパルスを対象とするものとして、特開平8−213192に、レーザビームをビームスプリッタで主パルスと副パルスに2分し、主パルスを遅延回路に通して遅延させ、副パルスを先進パルスとして主パルス(遅延パルス)の前に金属ターゲットに照射して予備プラズマを発生させるようにして、遅延時間制御によりX線量を変調させるようにしたレーザプラズマX線発生装置が開示されている。この開示装置では、入力レーザビームの全体をビームスプリッタで2分し、光路長が異なる別々のレーザビーム伝送路を走行させて一方を他方に対して遅延させることにより2個のピークを持った時間波形を有するレーザビームを形成して、X線の発生量を制御している。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、X線の作用を利用するときには、単にその総体的なエネルギを問題にするのではなく、化学物質や生体物質の吸収反応、単波長X線を使用した集積回路の製造など、特定波長におけるX線作用が重大な関心となる場合も多い。
ところが、特定のスペクトル線の強度を制御する簡単な方法はまだ開発されていない。
そこで、本発明が解決しようとする課題は、超短光パルスレーザなど高強度のレーザビームをターゲットに照射してX線を発生させる装置であって、X線の強度、特に必要とする特定波長のX線強度を選択的に制御するようにパルスレーザを調整する機構を備えたX線発生装置を提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、レーザ光をターゲットに照射してX線を発生させるX線発生装置に適用する本発明のX線発生方法は、伝送路中でレーザ光のスペクトルが光軸に垂直な方向に広がりフーリエ面を形成する光束の部分毎に実効的な光路長を変化させて空間位相分布を調整し、その後に再び収束してターゲットに集光させるもので、レーザビームの空間位相分布を調整して集光位置におけるレーザビームのパルス時間波形を所定のパターンにすると共に、発生するX線の強度特性を測定し、X線強度特性の測定結果に基づいてX線強度が適正なものとなるようにレーザビームのパルス時間波形を調整することを特徴とする。
【0009】
本発明のX線発生方法によれば、1個のパルスレーザ中で回折格子やプリズムなどのスペクトル分解光学素子を用いるなどしてスペクトルが光軸に垂直な方向に広がった光束(フーリエ面)を部分毎に光路長が異なるように調整することによりレーザビームの空間位相分布を調整するので、再び収束してターゲット面に照射されるレーザビームは適当な位置にピークを持った時間波形を有するようにすることができる。そこで、発生したX線の特性を測定して、その測定結果をレーザビームの空間強度分布パターンにフィードバックすることにより、X線の発生を制御するので、目的の特性が最適の値を取るようなX線を効率よく発生させることができる。
【0010】
なお、伝送光学系中のレーザビームの波面状態をモニタしてレーザビームの空間強度分布調整状況を確認すると共に、空間強度分布に関係するパラメータを適当に調整してX線を適正化するようにすることが好ましい。ターゲット位置におけるレーザビームの空間強度分布を直接知る方法はないが、伝送ビームの一部をビームスプリッタで分岐してその集光パターン(ファーフィールドパターン)からターゲット位置における空間強度分布を推定したり、調整結果をレーザビームの波面状態から推定することができるからであり、またレーザビームの波面状態を直接的に知ることにより空間強度分布パターンを左右するパラメータを調整したときなどに結果を的確に把握することができるからである。
【0011】
X線の強度特性として波長特性を測定し、目的とする特定波長におけるX線強度の計測値に基づいて、レーザビームの波面状態の調整を行うことができるようにしてもよい。発生させるX線は目的によって決まる所定の波長成分の強度が強くなるようにすることが好ましい。X線の波長特性が測定できれば、目的波長のX線強度を測定して、この強度が大きくなるように空間強度分布を調整するようにすることができる。
【0012】
なお、本発明の方法は、パルス幅がピコ秒からフェムト秒しかない超短光パルスレーザを用いてX線を発生させる場合にも適用することができる。超短光パルスレーザを用いると、短時間ではあるが極めて高い強度のエネルギを与えることができるので、ターゲット物質を効率よくプラズマ化し効率的なX線発生が可能である。また、超短光パルスレーザは幅の広いスペクトル特性を有するので、空間位相分布変化機構は効果的に作用する。
【0013】
ここで、ターゲットに集光した位置におけるレーザビームの時間波形は、いくつかのピークを有するものが好ましく、特に2個のピークがあって、時間的に先行するピークがターゲットを予熱してプラズマを放出させ後続のピークでプラズマを加熱してX線を放出させるようにすると、先行パルスが予めターゲット表面にプラズマを生成することによって、後続の主パルスの吸収率を高め、また所定のX線を発生させる温度状態を維持する時間を長くするので、プラズマエネルギに対応する特性を持ったX線を効率的に発生させることができる。
【0014】
なお、2個のピークの強度比と時間間隔がX線の発生量と大きな相関を有するので、これらをパラメータとしてレーザビームの空間位相分布状態を調整してX線発生量を制御することができる。
このように、発生するX線とレーザビーム特性との相関関係にしたがって、ターゲットから発生するX線の波長特性を測定して空間位相分布変化機構にフィードバックすることにより、所定の波長におけるX線強度を自動的に制御することができる。
【0015】
また、上記課題を解決するため、本発明のX線発生装置は、レーザビーム伝送光学系中にレーザビームのスペクトルを光軸に垂直な方向に展開する機構とレーザビームの空間位相分布調整機構とレーザビームの収束機構を備え、ターゲット部に発生X線の強度を測定するX線測定装置を配設し、このX線測定装置によりX線の強度を測定し、その測定結果に基づいて空間位相分布調整機構によりレーザビームのスペクトル毎の実効的な光路長を調整することにより、ターゲットに集光した位置におけるレーザビームのパルス時間波形が複数のピークを持つ所定のパターンになり、かつX線強度が適正なものとなるように調整することを特徴とする。
【0016】
本発明のX線発生装置は、X線の特性を測定した結果に基づき、推定して求めるターゲット位置における時間波形になるようにレーザビームの波面状態を調整するので、発生するX線の性状を望まれる最適な状態に制御することができる。
さらに、本発明のX線発生装置において、レーザビーム伝送光学系中にレーザビームの時間波形を測定する測定装置を配設し、レーザビームの波面状態をモニタして空間位相分布調整機構のレーザビーム調整方法を適正化することが好ましい。
【0017】
なお、使用するレーザ光は超短光パルスレーザであってもよい。
レーザビームのスペクトルを展開する機構は、超短光パルスレーザのチャープ増幅機構に用いるパルスストレッチャーまたはパルスコンプレッサで構成することができる。
さらに、X線測定装置は、波長特性を測定するもので、測定結果から抽出した特定の波長におけるレーザ強度に基づいて空間位相分布調整機構を調整するように構成することが好ましい。X線の波長特性を測定することにより、X線発生装置に要求される特定波長のX線を選択的に制御することができる。
【0018】
なお、ターゲット位置におけるレーザの時間波形は、たとえば可変形鏡を用いた空間位相分布変化機構で、反射位置の表面に局所的に凹凸を形成して反射するレーザビームの光路長を変化させることにより調整することができる。可変形鏡表面の1mmの凹凸は約3psの時間変化を作り出す光路長変化に対応する。X線強度に対する影響は数fsの時間間隔から観察されているので、可変形鏡を用いることにより十分な作用効果がある。
【0019】
また、液晶や音響光学素子など局所的に屈折率を変化させることができる光透過物質を用いて空間位相変化機構を構成することもできる。
なお、ターゲットに集光した位置におけるレーザビームの時間波形は、特に2個のピークをもつもので、ピーク強度比あるいはピーク間隔を調整することにより、特定波長のX線発生量を制御することができる。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下実施例を用いて本発明を詳細に説明する。
図1は本実施例のX線発生装置の構成を示すブロック図、図2は本実施例に用いる空間位相分布調整機構の例を示す概念図、図5は集光位置におけるレーザビームの時間波形例を示す図面、図4は本実施例の装置における制御の流れを示したフロー図、図5は本実施例に用いる空間位相分布調整機構の別の例を示す概念図である。
【0021】
本実施例のX線発生装置は、図1に示すように、超短光パルスレーザ発生装置1、空間位相分布調整機構3、反射鏡4、レンズ6、真空容器9内にセットされたターゲット7、X線分光器10、波形計測器12、データ処理装置13、制御装置14を備える。
超短光パルスレーザ発生装置1で発生するレーザビーム2を空間位相分布調整機構3で波面位相分布調整した後に、反射鏡4でレンズ6に投入して真空容器9内にセットされたターゲット7に集光させ、発生したプラズマからX線8を発生させる。
【0022】
真空容器9にはX線分光器10がX線利用に障碍にならないように設けられていて、発生したX線8のX線強度波長分布を測定する。
また、反射鏡4は、レーザビームの一部を透過する性質を有し、透過したレーザ11はレーザビームの時間的な光強度変化を計測する波形計測器12に入射する。
【0023】
空間位相分布調整機構3は、レーザビームを空間に展開して部分的に実効的光路長を変化させ、時間波形を所定のパターンに調整するものである。
図2に示す空間位相分布調整機構3は、1対の回折格子31,32の間に2枚の凸レンズ(コリメーションレンズ)または凹面鏡33,34を配置し、その凸レンズまたは凹面鏡の中間に空間周波数フィルターとなる液晶などの透過型光学素子35を挿入したものである。
入射する超短光パルスレーザを反射鏡36により回折格子31に案内し、回折格子31で変成されたビームを凸レンズ33で平行光束にすると、光軸に垂直な方向に波長にしたがって展開され波長成分が空間的に分布するいわゆるフーリエ面が形成される。
【0024】
このフーリエ面に挿入された透過型光学素子35は、フーリエ面の部分毎に屈折率を変化させて実効的な光路長を変化させることにより、空間位相分布を調整する。たとえば液晶は、印加する電界により結晶状態が連続的に変化するので、区分毎の印加電圧を調整することにより光透過面の部分毎に光屈折率を調整することができる。
空間位相分布調整機構3は、制御装置14から与えられる制御信号に従って、たとえば、長波長側の屈折率を小さく短波長側の屈折率を大きくして、部分毎の通過時間に差を与えると、レーザビームが時間的に2分され、一部のエネルギが先行し一部のエネルギが遅延するようになる。
【0025】
この光束は凸レンズで回折格子面に収束させ、再び細いレーザビームに合成されて反射鏡で入射ビームと同じ光軸上に射出され、収束レンズ6によりターゲット7に集光させる。
集光位置におけるレーザビームの時間波形は、図3に示すように、光強度値Psの先行パルスと先行パルスに対して時間bだけ遅延した光強度値Pmの主パルスとからなる。
【0026】
先行パルスはターゲット7の表面にプラズマを発生させ、主パルスのエネルギの吸収効率を向上させる。また、1ショット分の超短光パルスレーザのエネルギが変わらないときに、先行パルスと主パルスに配分するエネルギを調整することにより、適正なプラズマ温度を保持する時間をより長くすることができる。また、両パルスの時間間隔bはX線の発生量に影響を与える。
したがって、X線分光器10により発生したX線の波長特性を計測し、データ処理装置13で必要とする波長のX線の強度を算定した結果に基づいて、制御装置14で先行パルスの光強度値Psと主パルスの光強度値Pmの比率やパルスの時間間隔bを調整することにより、X線の波長成分や強度を自動的に制御することができる。
【0027】
本実施例のX線発生装置における制御手順を図4に概略的に示す。
X線分光器10が、発生したX線8のX線強度波長分布を測定し、測定結果はデータ処理装置13に送信される(S1)。データ処理装置13は、X線強度分布の測定結果に基づいて所定の波長における強度など目的に対応したX線スペクトルの評価をする(S2)。さらに、評価結果に基づいて制御パラメータの変動させるべき量を算定して、制御装置14に指示信号を供給し(S3)、制御装置14が空間位相分布調整機構3における液晶などの透過型光学素子35を作動させてフーリエ面の部分毎に光路長を変化させレーザビーム波の位相を調整することにより(S4)、レーザビームが集光するターゲット7表面における時間波形を調整し、ターゲット7の表面に発生するプラズマから放出されるX線の波長分布が望ましいパターンになるようにする。
【0028】
また、波形計測器12は、光学素子35でレーザビームの時間波形を調整した結果を測定し、計測結果をデータ処理装置13に与える(S5)。
データ処理装置13は、X線スペクトルの測定結果とレーザビームの時間波形計測結果を突き合わせることにより、必要なX線特性を得るために適当なレーザビームの時間波形を判定し、上記手順S3における制御装置14に対する指示信号を生成する(S6)。
【0029】
本実施例のレーザプラズマX線発生装置は、フーリエ面に周波数展開したレーザビームの部分毎に実効的な光路長を変化させて、再収束したときにレーザビームの時間波形が先行パルスと主パルスを有するように調整して、ターゲットに予めプラズマを発生させて効率よくX線を発生させることができる。しかも、X線特性と発生量を支配する先行パルスと主パルスの光強度比と時間間隔を容易に調整することができるので、X線分光器による測定結果をフィードバックして自動的にX線出力制御を行うことができる。
【0030】
したがって、たとえばX線を利用するために必要なある特定の波長におけるX線強度を検出して、これが最大になるように調整することができる。
なお、空間位相分布調整機構3で調整した状態は波形計測器12により確認することができる。レーザビームの時間波形の測定結果はX線強度との関連性を解析して、パルス時間間隔やパルス強度比を最適にするために利用する。
さらに、たとえばパルス時間間隔をパラメータとして順次走査する制御系を用いて、最適なパルス強度比を自動的に探索することも可能である。
【0031】
なお、本実施例のX線発生装置は、ターゲットの材質や形状あるいは表面加工状態が異なっても、同様の手順でレーザ集光ビームの空間強度分布を最適化して目的のX線の強度調整を行うことができる。
また、本実施例では超短光パルスレーザを使用したが、他のレーザ光を利用する場合においても全く同じ機構を適用することができることはいうまでもない。
さらに、本実施例の説明では、レーザビームを回折格子でフーリエ面に拡げて空間位相分布の調整を行ったが、単に光束を拡幅したものに対して空間位相分布調整を行ってもよい。
【0032】
図5は、本実施例において、透過型光学素子に代えて可変形鏡からなる反射光学系を利用した空間位相分布調整機構3の例を説明するブロック図である。
可変形鏡は、たとえば薄い石英板の表面に反射コーティングを施した反射鏡板の裏に積層ピエゾ素子をアレイ状にならべて、各ピエゾ素子に加える電圧を調整し電歪効果を用いて鏡面を任意に変形させるようにしたものである。なお、これ以外にもバイモルフ型やメンブレン型などの可変形鏡がある。
反射面の凹凸を調整することにより実効的な光路長を変化させてターゲットに到達する時間を調整することができる。
反射光学系を使用すると、よりエネルギの強いレーザ光を扱うことができる。
【0033】
可変形鏡を用いた空間位相分布調整機構3は、図に示すように、超短光パルスレーザは反射鏡46により回折格子41に導入され凸レンズ43で光軸に垂直な方向に周波数分解された平行光束となって可変形鏡45に入射する。
可変形鏡45の表面形状は制御装置14により部分毎に任意に調整をして、たとえば図中の左側部分を突出させ右側部分を後退させた段付き形状などに形成される。可変形鏡表面の1mmの凹凸は約6psの時間変化を作り出す光路長変化に相当する。
可変形鏡45で反射した平行光束は、凸レンズ44で回折格子面42に収束され、反射鏡47により元の光軸を持ったレーザビームとしてターゲット表面にレーザを集光する収束レンズの方向に放出される。
【0034】
突出させた表面で反射する光線と後退した表面で反射する光線とでは光路長が異なるので、反射鏡47から放出されターゲットに照射されるレーザビームは2個のピークを持った時間波形を有することになる。
X線強度に対する影響は数fsの時間間隔から観察されているので、可変形鏡を用いることにより十分な作用効果がある。
なお、可変形鏡の表面形状は任意に選択できるので、レーザビームの時間波形にピーク毎の強度やピーク間の時間間隔を調整したり、複数のピークを持たせたりすることができる。
【0035】
【発明の効果】
本発明のX線発生装置またはX線発生方法を用いれば、レーザによりプラズマを発生してX線を放出させる場合に、X線の強度調整をすることができ、特に特定波長のX線の強度を選択的に調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例におけるX線発生装置の構成を示すブロック図である。
【図2】本実施例に用いる空間位相分布調整機構の例を示す概念図である。
【図3】本実施例の装置における集光位置におけるレーザビームの時間波形例を示す図面である。
【図4】本実施例の装置における制御の流れを示したフロー図である。
【図5】本実施例に用いる空間位相分布調整機構の別の例を示す概念図である。
【符号の説明】
1 超短光パルスレーザ発生装置
2,5,11 レーザビーム
3 空間位相分布調整機構
4 反射鏡
6 凸レンズまたは凹面鏡
7 ターゲット
8 X線
9 真空容器
10 X線分光器
12 波形計測器
13 データ処理装置
14 制御装置
31,32 回折格子
33,34 凸レンズまたは凹面鏡
35 空間周波数フィルターである透過型光学素子
36,37 反射鏡
41,42 回折格子
43,44 凸レンズまたは凹面鏡
45 可変形鏡
46,47 反射鏡
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an X-ray generation method and apparatus for generating X-rays by irradiating a laser beam onto a target, and in particular, an X-ray generation method for generating X-rays having a specific wavelength using a high-power ultrashort optical pulse laser and Relates to the device.
[0002]
[Prior art]
When high intensity laser light is irradiated onto the metal surface, X-rays with high luminance are generated from the plasma formed on the metal surface. In particular, by using an ultrashort pulse laser beam, X-rays with extremely high luminance can be obtained with relatively low energy.
In an X-ray generator that emits X-rays by irradiating a target with an ultrashort optical pulse laser, the X-ray output is very different from the material and shape of the target, the wavelength of the laser beam, the spatial intensity distribution, and the time waveform. It depends on many parameters.
[0003]
However, the conventional X-ray output control uses a method by adjusting the total intensity of the laser beam, that is, the energy intensity as an integral value over the entire wavelength, or adjusting the pulse interval when using a pulse laser. It was difficult to precisely control the output.
Conventionally, the energy intensity of the laser pulse X-ray is adjusted by shifting the focal point of the laser beam condensing system. However, the spatial intensity distribution of the laser itself cannot be changed. I couldn't make adjustments.
[0004]
For example, Japanese Patent Laid-Open No. 9-184900 discloses a pulse X-ray irradiation apparatus that measures the intensity of generated X-rays and adjusts the intensity of the last pulse laser shot so that the X-ray exposure amount matches a set value. Is disclosed. The beam intensity is adjusted by a method such as using a transmittance variable filter provided in the optical path or a time difference between the Q switch operation start signal and the laser medium excitation start signal in the Q switch laser device. According to this apparatus, even if the output of the pulse X-ray source fluctuates for each shot, the set X-ray dose and the integrated X-ray dose can be matched.
[0005]
In addition, it is possible to efficiently generate pulsed laser X-rays by first irradiating a target with a preliminary laser pulse to generate plasma, and then irradiating a main pulse to emit predetermined X-rays from the plasma. It is known that
Conventionally, as a method of obtaining a time waveform of a laser beam used for such a purpose, there has been a method of electrically controlling the amount of light of an excitation flash lamp such as pulse modulation. However, this method is limited in forming an ms level pulse interval, and in particular, the time waveform of an ultrashort optical pulse laser from ps to fs level cannot be controlled.
[0006]
As an object for ultrashort laser pulses, Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-213192 divides a laser beam into a main pulse and a subpulse by a beam splitter, delays the main pulse through a delay circuit, and advances the subpulse. There has been disclosed a laser plasma X-ray generator that modulates an X-ray dose by delay time control by irradiating a metal target before a main pulse (delay pulse) to generate a preliminary plasma. In this disclosed apparatus, the entire input laser beam is divided into two by a beam splitter, and the two laser beams are transmitted through different laser path lengths so that one is delayed with respect to the other. A laser beam having a waveform is formed to control the amount of X-ray generation.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, when using the action of X-rays, it is not just a matter of the overall energy, but at a specific wavelength such as absorption reaction of chemical substances and biological substances, production of integrated circuits using single-wavelength X-rays, etc. X-ray effects are often of significant interest.
However, a simple method for controlling the intensity of a specific spectral line has not yet been developed.
Accordingly, the problem to be solved by the present invention is an apparatus for generating X-rays by irradiating a target with a high-intensity laser beam such as an ultrashort optical pulse laser, and the X-ray intensity, particularly a specific wavelength required. It is to provide an X-ray generation apparatus having a mechanism for adjusting a pulse laser so as to selectively control the X-ray intensity.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, the X-ray generation method of the present invention applied to an X-ray generation apparatus that generates X-rays by irradiating a target with laser light has a laser beam spectrum perpendicular to the optical axis in a transmission path. The spatial phase distribution is adjusted by changing the effective optical path length for each part of the light beam that spreads in the direction and forms the Fourier plane, and then converges again to be focused on the target. The pulse time waveform of the laser beam at the focusing position is adjusted to a predetermined pattern, the intensity characteristics of the generated X-rays are measured, and the X-ray intensity is appropriate based on the measurement result of the X-ray intensity characteristics The pulse time waveform of the laser beam is adjusted so as to be.
[0009]
According to the X-ray generation method of the present invention, a light beam (Fourier plane) whose spectrum spreads in a direction perpendicular to the optical axis by using a spectrum resolving optical element such as a diffraction grating or a prism in one pulse laser is used. Since the spatial phase distribution of the laser beam is adjusted by adjusting the optical path length to be different for each part, the laser beam that converges again and irradiates the target surface has a time waveform having a peak at an appropriate position. Can be. Therefore, the X-ray generation is controlled by measuring the characteristics of the generated X-rays and feeding back the measurement results to the spatial intensity distribution pattern of the laser beam, so that the target characteristics take an optimum value. X-rays can be generated efficiently.
[0010]
The state of adjustment of the spatial intensity distribution of the laser beam is confirmed by monitoring the wavefront state of the laser beam in the transmission optical system, and parameters related to the spatial intensity distribution are appropriately adjusted to optimize the X-ray. It is preferable to do. There is no way to directly know the spatial intensity distribution of the laser beam at the target position, but a part of the transmission beam is split by a beam splitter, and the spatial intensity distribution at the target position is estimated from the focused pattern (far field pattern) This is because the adjustment result can be estimated from the wavefront state of the laser beam, and when the parameters that affect the spatial intensity distribution pattern are adjusted by directly knowing the wavefront state of the laser beam, the result can be accurately grasped. Because it can be done.
[0011]
The wavelength characteristic may be measured as the X-ray intensity characteristic, and the wavefront state of the laser beam may be adjusted based on the measured value of the X-ray intensity at the target specific wavelength. It is preferable that the X-rays to be generated have an intensity of a predetermined wavelength component determined depending on the purpose. If the wavelength characteristic of X-rays can be measured, the X-ray intensity at the target wavelength can be measured, and the spatial intensity distribution can be adjusted so that the intensity increases.
[0012]
The method of the present invention can also be applied when X-rays are generated using an ultrashort optical pulse laser having a pulse width of only picoseconds to femtoseconds. When an ultrashort light pulse laser is used, energy of extremely high intensity can be applied for a short time, and thus the target material can be efficiently converted into plasma and efficient X-ray generation can be achieved. In addition, since the ultrashort optical pulse laser has a wide spectral characteristic, the spatial phase distribution change mechanism works effectively.
[0013]
Here, it is preferable that the time waveform of the laser beam at the position focused on the target has several peaks, and in particular, there are two peaks, and the peak preceding in time preheats the target to generate plasma. When the X-ray is emitted by heating the plasma at the subsequent peak and the X-ray is emitted, the preceding pulse generates plasma on the target surface in advance, thereby increasing the absorption rate of the subsequent main pulse, and generating a predetermined X-ray. Since the time for maintaining the temperature state to be generated is lengthened, X-rays having characteristics corresponding to the plasma energy can be generated efficiently.
[0014]
Since the intensity ratio of two peaks and the time interval have a large correlation with the amount of X-ray generation, the amount of X-ray generation can be controlled by adjusting the spatial phase distribution state of the laser beam using these as parameters. .
In this way, the X-ray intensity at a predetermined wavelength is measured by measuring the wavelength characteristic of the X-ray generated from the target in accordance with the correlation between the generated X-ray and the laser beam characteristic and feeding it back to the spatial phase distribution change mechanism. Can be controlled automatically.
[0015]
In order to solve the above problems, an X-ray generator of the present invention includes a mechanism for expanding a laser beam spectrum in a direction perpendicular to the optical axis in a laser beam transmission optical system, and a spatial phase distribution adjusting mechanism for the laser beam. A laser beam converging mechanism is provided, and an X-ray measuring device for measuring the intensity of generated X-rays is arranged at the target portion. The X-ray measuring device measures the X-ray intensity, and the spatial phase is determined based on the measurement result. By adjusting the effective optical path length for each spectrum of the laser beam by the distribution adjustment mechanism, the pulse time waveform of the laser beam at the position focused on the target becomes a predetermined pattern having a plurality of peaks, and the X-ray intensity It adjusts so that may become appropriate.
[0016]
The X-ray generator of the present invention adjusts the wavefront state of the laser beam so as to obtain a time waveform at the target position that is estimated and obtained based on the result of measuring the X-ray characteristics. The optimum state can be controlled as desired.
Furthermore, in the X-ray generator of the present invention, a measuring device for measuring the time waveform of the laser beam is provided in the laser beam transmission optical system, and the laser beam wavefront state is monitored to measure the laser beam of the spatial phase distribution adjusting mechanism. It is preferable to optimize the adjustment method.
[0017]
Note that the laser beam used may be an ultrashort optical pulse laser.
The mechanism for expanding the spectrum of the laser beam can be constituted by a pulse stretcher or a pulse compressor used for the chirp amplification mechanism of the ultrashort optical pulse laser.
Furthermore, the X-ray measurement apparatus measures wavelength characteristics, and is preferably configured to adjust the spatial phase distribution adjustment mechanism based on the laser intensity at a specific wavelength extracted from the measurement result. By measuring the wavelength characteristics of X-rays, X-rays having a specific wavelength required for the X-ray generator can be selectively controlled.
[0018]
Note that the time waveform of the laser at the target position can be obtained by changing the optical path length of the reflected laser beam by locally forming irregularities on the surface of the reflection position using a spatial phase distribution change mechanism using a deformable mirror, for example. Can be adjusted. The 1 mm irregularity on the deformable mirror surface corresponds to a change in optical path length that produces a time change of about 3 ps. Since the influence on the X-ray intensity is observed from a time interval of several fs, the use of a deformable mirror provides a sufficient effect.
[0019]
In addition, the spatial phase change mechanism can be configured using a light transmitting material that can locally change the refractive index, such as a liquid crystal or an acoustooptic device.
The time waveform of the laser beam at the position focused on the target has two peaks in particular, and the amount of X-rays generated at a specific wavelength can be controlled by adjusting the peak intensity ratio or peak interval. it can.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples.
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the X-ray generator of this embodiment, FIG. 2 is a conceptual diagram showing an example of a spatial phase distribution adjusting mechanism used in this embodiment, and FIG. 5 is a time waveform of a laser beam at a focusing position. Drawing which shows an example, FIG. 4 is the flowchart which showed the flow of control in the apparatus of a present Example, FIG. 5 is the conceptual diagram which shows another example of the spatial phase distribution adjustment mechanism used for a present Example.
[0021]
As shown in FIG. 1, the X-ray generator of this embodiment includes an ultrashort optical pulse laser generator 1, a spatial phase distribution adjusting mechanism 3, a reflecting mirror 4, a lens 6, and a target 7 set in a vacuum container 9. , An X-ray spectrometer 10, a waveform measuring instrument 12, a data processing device 13, and a control device 14.
After adjusting the wavefront phase distribution of the laser beam 2 generated by the ultrashort optical pulse laser generator 1 by the spatial phase distribution adjusting mechanism 3, the laser beam 2 is introduced into the lens 6 by the reflecting mirror 4 and applied to the target 7 set in the vacuum container 9. The X-ray 8 is generated from the generated plasma by condensing.
[0022]
The vacuum vessel 9 is provided with an X-ray spectrometer 10 so as not to obstruct the use of X-rays, and the X-ray intensity wavelength distribution of the generated X-rays 8 is measured.
The reflecting mirror 4 has a property of transmitting a part of the laser beam, and the transmitted laser 11 is incident on a waveform measuring instrument 12 that measures a temporal change in light intensity of the laser beam.
[0023]
The spatial phase distribution adjustment mechanism 3 expands the laser beam in space to partially change the effective optical path length and adjusts the time waveform to a predetermined pattern.
The spatial phase distribution adjusting mechanism 3 shown in FIG. 2 has two convex lenses (collimation lenses) or concave mirrors 33 and 34 arranged between a pair of diffraction gratings 31 and 32, and a spatial frequency filter in the middle of the convex lens or concave mirror. A transmissive optical element 35 such as a liquid crystal is inserted.
When the incident ultrashort optical pulse laser is guided to the diffraction grating 31 by the reflecting mirror 36 and the beam transformed by the diffraction grating 31 is converted into a parallel light flux by the convex lens 33, the wavelength component is developed according to the wavelength in the direction perpendicular to the optical axis. A so-called Fourier plane is formed in which are spatially distributed.
[0024]
The transmissive optical element 35 inserted in the Fourier plane adjusts the spatial phase distribution by changing the refractive index and changing the effective optical path length for each portion of the Fourier plane. For example, since the crystal state of the liquid crystal changes continuously by the applied electric field, the light refractive index can be adjusted for each portion of the light transmission surface by adjusting the applied voltage for each section.
When the spatial phase distribution adjusting mechanism 3 gives a difference in the passing time for each part by, for example, reducing the refractive index on the long wavelength side and increasing the refractive index on the short wavelength side according to the control signal given from the control device 14, The laser beam is split in time, with some energy leading and some energy delayed.
[0025]
This light beam is converged on the diffraction grating surface by a convex lens, synthesized again into a thin laser beam, emitted by the reflecting mirror on the same optical axis as the incident beam, and condensed on the target 7 by the converging lens 6.
As shown in FIG. 3, the time waveform of the laser beam at the condensing position is composed of a preceding pulse having a light intensity value Ps and a main pulse having a light intensity value Pm delayed by time b with respect to the preceding pulse.
[0026]
The preceding pulse generates plasma on the surface of the target 7 and improves the energy absorption efficiency of the main pulse. Further, when the energy of the ultrashort optical pulse laser for one shot does not change, the time for maintaining an appropriate plasma temperature can be made longer by adjusting the energy distributed to the preceding pulse and the main pulse. Also, the time interval b between both pulses affects the amount of X-ray generation.
Therefore, based on the result of measuring the wavelength characteristic of the X-ray generated by the X-ray spectrometer 10 and calculating the intensity of the X-ray having the wavelength required by the data processing device 13, the control device 14 uses the light intensity of the preceding pulse. By adjusting the ratio between the value Ps and the light intensity value Pm of the main pulse and the pulse time interval b, the wavelength component and intensity of the X-ray can be automatically controlled.
[0027]
A control procedure in the X-ray generator of the present embodiment is schematically shown in FIG.
The X-ray spectrometer 10 measures the X-ray intensity wavelength distribution of the generated X-ray 8, and the measurement result is transmitted to the data processing device 13 (S1). The data processing device 13 evaluates the X-ray spectrum corresponding to the purpose such as the intensity at a predetermined wavelength based on the measurement result of the X-ray intensity distribution (S2). Further, the amount of control parameter to be changed is calculated based on the evaluation result, and an instruction signal is supplied to the control device 14 (S3), and the control device 14 transmits a transmissive optical element such as liquid crystal in the spatial phase distribution adjusting mechanism 3. 35 is operated to change the optical path length for each portion of the Fourier plane and adjust the phase of the laser beam wave (S4), thereby adjusting the time waveform on the surface of the target 7 where the laser beam is focused, The wavelength distribution of X-rays emitted from the plasma generated in the above is made to have a desirable pattern.
[0028]
Further, the waveform measuring instrument 12 measures the result of adjusting the time waveform of the laser beam with the optical element 35, and gives the measurement result to the data processing device 13 (S5).
The data processing device 13 determines an appropriate time waveform of the laser beam in order to obtain a necessary X-ray characteristic by comparing the measurement result of the X-ray spectrum and the time waveform measurement result of the laser beam. An instruction signal for the control device 14 is generated (S6).
[0029]
In the laser plasma X-ray generator of this embodiment, the effective optical path length is changed for each portion of the laser beam whose frequency is expanded in the Fourier plane, and when the laser beam is refocused, the time waveform of the laser beam becomes the preceding pulse and the main pulse. In order to generate X-rays efficiently by generating plasma in advance on the target. In addition, the light intensity ratio and time interval between the leading pulse and main pulse that govern the X-ray characteristics and generation amount can be easily adjusted, so that the X-ray spectrometer automatically feeds back the measurement results and outputs X-rays automatically. Control can be performed.
[0030]
Therefore, for example, the X-ray intensity at a specific wavelength required for using X-rays can be detected and adjusted so as to maximize it.
The state adjusted by the spatial phase distribution adjusting mechanism 3 can be confirmed by the waveform measuring instrument 12. The measurement result of the time waveform of the laser beam is used for analyzing the relationship with the X-ray intensity and optimizing the pulse time interval and the pulse intensity ratio.
Furthermore, it is possible to automatically search for an optimum pulse intensity ratio by using, for example, a control system that sequentially scans using the pulse time interval as a parameter.
[0031]
It should be noted that the X-ray generator of this embodiment adjusts the target X-ray intensity by optimizing the spatial intensity distribution of the laser focused beam in the same procedure even if the target material, shape, or surface processing state is different. It can be carried out.
In this embodiment, the ultrashort optical pulse laser is used, but it goes without saying that the same mechanism can be applied even when other laser light is used.
Furthermore, in the description of the present embodiment, the spatial phase distribution is adjusted by expanding the laser beam on the Fourier plane using a diffraction grating. However, the spatial phase distribution may be adjusted simply for a widened beam.
[0032]
FIG. 5 is a block diagram illustrating an example of the spatial phase distribution adjusting mechanism 3 using a reflective optical system including a deformable mirror instead of the transmissive optical element in the present embodiment.
For example, the deformable mirror has an array of stacked piezo elements arranged on the back of a thin quartz plate with a reflective coating and adjusts the voltage applied to each piezo element to make the mirror surface optional using the electrostrictive effect. It is made to deform | transform into. There are other deformable mirrors such as bimorph type and membrane type.
The time for reaching the target can be adjusted by changing the effective optical path length by adjusting the unevenness of the reflecting surface.
When the reflection optical system is used, a laser beam with higher energy can be handled.
[0033]
In the spatial phase distribution adjusting mechanism 3 using a deformable mirror, as shown in the figure, the ultrashort optical pulse laser is introduced into the diffraction grating 41 by the reflecting mirror 46 and frequency-resolved by the convex lens 43 in the direction perpendicular to the optical axis. A parallel light beam is incident on the deformable mirror 45.
The surface shape of the deformable mirror 45 is arbitrarily adjusted for each part by the control device 14, and is formed into, for example, a stepped shape in which the left part in the figure protrudes and the right part retreats. The unevenness of 1 mm on the surface of the deformable mirror corresponds to an optical path length change that creates a time change of about 6 ps.
The parallel light beam reflected by the deformable mirror 45 is converged on the diffraction grating surface 42 by the convex lens 44 and is emitted by the reflecting mirror 47 in the direction of the converging lens that focuses the laser on the target surface as a laser beam having the original optical axis. Is done.
[0034]
Since the light path length is different between the light beam reflected by the projected surface and the light beam reflected by the receded surface, the laser beam emitted from the reflecting mirror 47 and applied to the target has a time waveform having two peaks. become.
Since the influence on the X-ray intensity is observed from a time interval of several fs, the use of a deformable mirror provides a sufficient effect.
Since the surface shape of the deformable mirror can be arbitrarily selected, the intensity of each peak and the time interval between peaks can be adjusted or a plurality of peaks can be provided in the time waveform of the laser beam.
[0035]
【The invention's effect】
If the X-ray generator or X-ray generation method of the present invention is used, the intensity of X-rays can be adjusted when plasma is emitted by a laser to emit X-rays. Can be selectively adjusted.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an X-ray generator in an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a conceptual diagram showing an example of a spatial phase distribution adjusting mechanism used in the present embodiment.
FIG. 3 is a diagram showing an example of a time waveform of a laser beam at a condensing position in the apparatus of the present embodiment.
FIG. 4 is a flowchart showing a control flow in the apparatus of the present embodiment.
FIG. 5 is a conceptual diagram showing another example of a spatial phase distribution adjusting mechanism used in the present embodiment.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ultrashort light pulse laser generator 2, 5, 11 Laser beam 3 Spatial phase distribution adjustment mechanism 4 Reflective mirror 6 Convex lens or concave mirror 7 Target 8 X-ray 9 Vacuum container 10 X-ray spectrometer 12 Waveform measuring instrument 13 Data processing apparatus 14 Control devices 31, 32 Diffraction gratings 33, 34 Convex lenses or concave mirrors 35 Transmission optical elements 36, 37 which are spatial frequency filters Reflective mirrors 41, 42 Diffraction gratings 43, 44 Convex lenses or concave mirrors 45 Deformable mirrors 46, 47 Reflection mirrors

Claims (17)

レーザビームをターゲットに集光照射してX線を発生させるX線発生装置において、スペクトルがレーザビームの伝送路中で光軸に垂直な方向に広がりフーリエ面を形成する光束の部分毎に実効的な光路長を変化させて空間位相分布を調整して前記ターゲットに集光した位置における該レーザビームのパルス時間波形を所定のパターンに整形し、前記調整後のレーザビームを収束してターゲットに集光する方法であって、発生するX線の強度特性を測定し、該測定結果に基づいてX線強度が適正なものとなるように該レーザビームのパルス時間波形を調整することを特徴とするX線発生方法。In an X-ray generator that generates X-rays by condensing and irradiating a laser beam on a target, the spectrum spreads in a direction perpendicular to the optical axis in the laser beam transmission path and is effective for each portion of the light beam forming a Fourier plane. The spatial phase distribution is adjusted by changing the appropriate optical path length, the pulse time waveform of the laser beam at the position focused on the target is shaped into a predetermined pattern, and the adjusted laser beam is converged and collected on the target. A method of illuminating, characterized by measuring the intensity characteristics of the generated X-ray and adjusting the pulse time waveform of the laser beam so that the X-ray intensity is appropriate based on the measurement result X-ray generation method. さらに前記空間位相調整後のレーザビームの波面状態をモニタして前記レーザビームの時間波形調整状況を確認できるようにすることを特徴とする請求項1記載のX線発生方法。2. The X-ray generation method according to claim 1, further comprising: monitoring a wavefront state of the laser beam after the spatial phase adjustment to confirm a time waveform adjustment state of the laser beam. 前記フーリエ面を形成する光束は、スペクトル分解光学素子により形成されることを特徴とする請求項1または2記載のX線発生方法。The X-ray generation method according to claim 1, wherein the light beam forming the Fourier plane is formed by a spectrum resolving optical element. 前記測定するX線の強度特性は波長特性を含み、特定の波長におけるX線強度の計測値に基づいて、前記パルス時間波形の調整を行うことを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載のX線発生方法。4. The intensity characteristic of the X-ray to be measured includes a wavelength characteristic, and the pulse time waveform is adjusted based on a measured value of the X-ray intensity at a specific wavelength. The X-ray generation method as described. 前記レーザ光に超短光パルスレーザを使用することを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載のX線発生方法。5. The X-ray generation method according to claim 1, wherein an ultrashort optical pulse laser is used for the laser light. 前記ターゲットに集光した位置におけるレーザビームのパルス時間波形パターンが複数のピークを持つものであることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載のX線発生方法。6. The X-ray generation method according to claim 1, wherein a pulse time waveform pattern of a laser beam at a position focused on the target has a plurality of peaks. 前記パルス時間波形が2個のピークを持ち、先行するパルスと後続のパルスの強度比と時間間隔をパラメータとしてレーザビームの空間位相分布を調整することを特徴とする請求項6記載のX線発生方法。7. The X-ray generation according to claim 6, wherein the pulse time waveform has two peaks, and the spatial phase distribution of the laser beam is adjusted using the intensity ratio and time interval of the preceding pulse and the subsequent pulse as parameters. Method. レーザビームをターゲットに照射してX線を発生させるX線発生装置において、レーザビーム伝送光学系中でレーザビームのスペクトルを光軸に垂直な方向に分解する機構とレーザビームの空間位相分布調整機構とレーザビームの収束機構を備え、ターゲット部に発生X線の強度を測定するX線測定装置を配設し、該X線測定装置によりX線の強度を測定し、該測定結果に基づいて前記空間位相分布調整機構により前記光束の部分毎に実効的な光路長を調整して、前記ターゲットに集光した位置におけるレーザビームのパルス時間波形が複数のピークを持つ所定のパターンになり、かつX線強度が適正なものとなるように調整することを特徴とするX線発生装置。In an X-ray generator for irradiating a target with a laser beam to generate X-rays, a mechanism for decomposing the spectrum of the laser beam in a direction perpendicular to the optical axis in the laser beam transmission optical system and a mechanism for adjusting the spatial phase distribution of the laser beam And a laser beam converging mechanism, and an X-ray measuring device for measuring the intensity of generated X-rays is disposed on the target unit, the X-ray intensity is measured by the X-ray measuring device, and the X-ray intensity is measured based on the measurement result. The effective optical path length is adjusted for each portion of the light flux by the spatial phase distribution adjusting mechanism, and the pulse time waveform of the laser beam at the position focused on the target becomes a predetermined pattern having a plurality of peaks, and X An X-ray generator characterized by adjusting the line intensity to be appropriate. さらに、前記空間位相分布調整機構を通過した位置にレーザビームのパルス波形を測定する測定装置を配設し、該レーザビームのパルス時間波形をモニタして前記空間位相分布調整機構の調整状態を適正化することを特徴とする請求項8記載のX線発生装置。Furthermore, a measuring device for measuring the pulse waveform of the laser beam is disposed at a position that has passed through the spatial phase distribution adjustment mechanism, and the adjustment state of the spatial phase distribution adjustment mechanism is appropriately monitored by monitoring the pulse time waveform of the laser beam. The X-ray generator according to claim 8, characterized in that: 前記レーザビームのスペクトルを分解する機構は、スペクトル分解光学素子によりレーザビーム伝送光学系中にレーザビームのスペクトルを分解して空間に展開することを特徴とする請求項8または9記載のX線発生装置。Mechanism decompose the spectrum of the laser beam, X-rays according to claim 8, wherein deploying the spectral separation optical element in the laser beam delivery optics to space by decomposing the spectrum of the laser beam Generator. 前記スペクトル分解光学素子は、回折格子またはプリズムであることを特徴とする請求項10記載のX線発生装置。The X-ray generation apparatus according to claim 10, wherein the spectral resolution optical element is a diffraction grating or a prism. 前記レーザビームのスペクトルを展開する機構が、超短光パルスレーザのチャープ増幅機構に用いるパルスストレッチャーまたはパルスコンプレッサで構成されることを特徴とする請求項10または11記載のX線発生装置。The X-ray generator according to claim 10 or 11, wherein the mechanism for expanding the spectrum of the laser beam comprises a pulse stretcher or a pulse compressor used for a chirp amplification mechanism of an ultrashort optical pulse laser. 前記レーザ光が超短光パルスレーザであることを特徴とする請求項8から12のいずれかに記載のX線発生装置。X-ray generator according to any one of 12 claims 8, wherein the laser light is ultrashort pulsed laser. 前記X線測定装置は、波長特性を測定することができるもので、特定の波長におけるレーザ強度に基づいて前記空間位相分布調整機構を調整することを特徴とする請求項8から13のいずれかに記載のX線発生装置。The X-ray measuring apparatus, as it can measure the wavelength characteristics to claim 8 13, characterized by adjusting the spatial phase distribution adjustment mechanism based on the laser intensity at a particular wavelength The X-ray generator described. 前記空間位相分布調整機構は、可変形鏡を備えてレーザビーム入射位置毎に反射面の凹凸を局所的に調整してレーザビームの実効的な光路長を制御することを特徴とする請求項8から14のいずれかに記載のX線発生装置。9. The spatial phase distribution adjusting mechanism includes a deformable mirror, and locally adjusts unevenness of a reflecting surface for each laser beam incident position to control an effective optical path length of the laser beam. The X-ray generator in any one of 14 thru | or 14 . 前記空間位相分布調整機構は、局所的に屈折率を調整することができる透過型光学素子を用いてレーザビームの実効的な光路長を制御することを特徴とする請求項8から14のいずれかに記載のX線発生装置。The spatial phase distribution adjustment mechanism, either one of claims 8, characterized in that controlling the effective optical path length of the laser beam by using a transmission type optical element which can be adjusted locally the refractive index 14 of the X-ray generator described in 1. 前記パルス時間波形が2個のピークを持ち、先行するパルスと後続のパルスの強度比と時間間隔をパラメータとしてレーザビームの空間位相分布を調整することを特徴とする請求項8から16のいずれかに記載のX線発生装置。Having the pulse time waveform of two peaks, one adjusting the spatial phase distribution of the laser beam preceding pulse and the intensity ratio and time interval of the subsequent pulse as a parameter from claim 8, wherein the 16 X-ray generator described in 1.
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