JP3764590B2

JP3764590B2 - 光共振器

Info

Publication number: JP3764590B2
Application number: JP21105998A
Authority: JP
Inventors: 直昭池田; 典亮井上
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1998-07-27
Filing date: 1998-07-27
Publication date: 2006-04-12
Anticipated expiration: 2018-07-27
Also published as: JP2000049408A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、線形加速器やシンクロトロン放射光（ＳＲ）発生装置を用いて自由電子レーザー（ＦＥＬ）等のレーザーを発振させるために用いられる光共振器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
線形加速器やシンクロトロン放射光（ＳＲ）発生装置を用いて自由電子レーザー（ＦＥＬ）等のレーザーを発振させるために用いられる光共振器（以下、ＦＥＬ用光共振器と呼ぶ）においては、加速器から出射される高エネルギー電子ビームがレーザー媒質として機能するため、光共振器を構成する共振ミラーは、電子ビーム通路と同様の高真空中に配置させる必要がある。このため、ＦＥＬ用光共振器では、互いに対向する共振ミラーの各軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ，θ，φ軸）を真空中で駆動させて最適レーザー発振状態に調整することが求められる。
【０００３】
図５には光共振器が組み込まれたシンクロトロン放射光発生装置の例を示してある。図に示す３０はシンクロトロン放射光発生装置の真空ダクトであり、この内部を高エネルギーの電子ビームが周回している。
【０００４】
シンクロトロン放射光発生装置の一部には、自由電子レーザーのための放射光を発生させるアンジュレータ３１が設置されている。また、アンジュレータ３１をはさんで上流共振ミラ−３３と下流共振ミラ一３５とが互いに対向して共振器ユニット３２，３４内に設置されている。
【０００５】
共振器ユニット３２，３４はシンクロトロン放射光発生装置の真空ダクト３０と同様に真空バウンダリを形成している。アンジュレータ３１で発生した放射光３６はこの共振ミラー３３，３５間を往復する間にさらに周回する電子ビームと相互に作用して成長し、最終的にはレーザー作用を起こして自由電子レーザーとなる。
【０００６】
ここで、真空中の共振ミラー３３，３５の複数軸を駆動する方法としては、（ａ）真空中に駆動機構を設置する、（ｂ）大気中に駆動機構を設置して真空バウンダリを介して駆動力を真空中へ伝達する、の２種類の方法がある。
【０００７】
前者の（ａ）の方法では、真空中に設置した駆動機構からのアウトガスが問題となるほか、駆動機構の摺動部に潤滑材が使用できないため駆動中の焼き付きが懸念される上、真空中で使用可能な精密駆動機構がほとんど無く、一部入手できたとしてもきわめて高価かつ耐用時間が短いといった問題がある。
【０００８】
また、駆動機構が真空中に設置されるため、真空容器が大型化し、これに伴って排気装置も大型化するという問題、さらには駆動機構の給電・制御用ケーブル類を真空中から大気へ取り出すための気密構造の貫通端子が多数必要となるという問題がある。
【０００９】
これに対して後者の（ｂ）の方法では、真空中に設置したミラーをべローズ等のフレキシブルな構造体で保持し、駆動機構は全て大気中に設置される。この方法では、真空中に設置される機器はミラーのみとなるため、真空容器を小さくでき、真空中でのアウトガスの問題、給電・制御用ケーブルの真空中から大気中への貫通等、前者の（ａ）の方法において問題となった点を排除することができる。
【００１０】
一方、この（ｂ）の方法では、ベローズ等のフレキシブルな構造体を介して力を伝達させるため、駆動時に発生するベローズ等からの反作用の力を最小に抑え、かつ大気圧によりミラー保持部が変位しないように、ベローズを二重構造にする等の配慮が必要であるが、これは前者の（ａ）の方法に比べれば比較的容易に実現できる。
【００１１】
以上のような理由から、ＦＥＬ用光共振器としては後者の（ｂ）の方法が用いられることが多い。従来、後者の（ｂ）の方法では、ミラーを保持した構造物の前後にべローズを設置して大気圧がミラー保持部にかからないように配慮し、ミラー保持部をＸ，Ｙ，Ｚ，θ，φの５軸で駆動している。
【００１２】
ここで、アオリ軸（θ，φ軸）駆動に関しては、一般の光学ミラーにおいて標準構造となっているギンバル構造ステージ（支点の１８０゜対向側を変位させ、中間点でアオリを与える方法）を採用している。
【００１３】
この構造による光共振器の構成例を図６に示してある。共振ミラ−３３は、ギンバル方式のθ，φ軸アオリステージ３７，３８にマウン卜されている。真空ボンプ４３で真空排気された真空ダクト４４は図５に示すシンクロトロン放射光発生装置の真空ダクト３０に接続されており、ギンバルマウント３７，３８に対してはベローズ４５を介して接続されている。
【００１４】
ギンバルマウント３７，３８の背面はウィンドウ３９とベローズ４６を介して接続されている。ギンバルマウント３７，３８はＹ軸ステージ４０に取付けられ、Ｙ軸ステージ４０は、Ｘ軸ステージ４１、Ｚ軸ステージ４２の上に乗っている。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような従来の構成においては、Ｘ，Ｙ，Ｚ，θ，φ軸のどの軸の駆動に対してもべローズ４５，４６が変位を吸収する必要があり、同時にＸ，Ｙ，Ｚ軸の２軸以上を駆動させた場合、ベローズ４５，４６にねじれ方向の力が加わるため、θ，φ軸にベローズ４５，３６の反作用の力が作用して変位が連成するという問題がある。
【００１６】
この発明はこのような点に着目してなされたもので、その目的とするところは、共振ミラーをＸ，Ｙ，Ｚ軸の２軸以上を駆動させた場合であっても、θ，φ軸にベローズの反作用の力が作用して変位が連成するというようなことがない光共振器を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
この発明はこのような目的を達成するために、θ軸、φ軸方向に回転駆動される共振ミラーを備えたミラーマウントを有し、このミラーマウントは、リニアガイドの駆動軸によりθ軸、φ軸方向に回転駆動されるミラー駆動板に取付けられ、前記ミラーマウントの両面側にはθ軸、φ軸変位吸収用のベローズが接続され、これらベローズは片側が、ステッピングモータでＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に駆動されるフレームでサポートされ、前記フレームの両側に、ステッピングモータにより該フレームがＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に駆動された際にそのＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の変位を吸収するＸ，Ｙ，Ｚ軸変位吸収用のベローズを前記θ軸、φ軸変位吸収用のベローズとは独立して有することを特徴としている。
【００１８】
特に、請求項２に記載の発明においては、共振ミラーをθ軸、φ軸方向に回転駆動させる手段として、前記ミラー駆動板に１２０度ずつ振分けた均等的な３箇所にリニアガイドの駆動軸を取付けてなる振分け独立並進３軸駆動方式を用いていることを特徴としている
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の一実施形態について図１ないし図４を参照して説明する。
【００２０】
図１には光共振器における一方の共振器ユニットの平面図を、図２には図１中のＡ―Ａ線に沿う断面図を、図３には図１中のＢ―Ｂ線に沿う断面図をそれぞれ示してある。
【００２１】
図２に示すように共振器ミラー１５は、ミラーマウント６にマウントされている。このミラーマウント６の両面には真空フランジ用ガスケット溝が加工されており、このガスケット溝を介して真空フランジ付の溶接べローズ３，４がミラーマウント６に接続されている。これらべローズ３，４の反対側の真空フランジはフレーム５によりサポートされている。したがってミラーマウント６は大気圧の影響を受けることなく、大気中から自由にその位置を動かすことができるようになっている。
【００２２】
ミラーマウント６は、図３に示すように逆三角形のミラー駆動板７に取付けられている。ミラー駆動板７には１２０度ずつ振分けた均等的な３箇所にマイクロメータヘッド９が設置されている。それぞれのマイクロメータヘッド９の軸は図１および図２に示すように各マイクロメータヘッド９に対応して設けられたリニアガイド８の駆動軸で押される構造となっている。
【００２３】
各リニアガイド８はフレーム５に取付けられている。そしてこれらリニアガイド８の駆動軸には、原点位置出し用ドグ１０が取付けられており、精密リミットスイッチ１１に接触した時点で駆動軸の原点リセットを行うことができるようになっている。また、リニアガイド８の駆動軸のオーバーランを防止するためのメカリミット１２が駆動軸近傍に設置されている。さらに、各駆動軸の移動量をモニタするための位置検出器１３がミラー駆動板７とフレーム５との間に設置されている。
【００２４】
一方、各駆動軸の両側には板ばね１４がミラー駆動板７とフレーム５との間に設置されている。この板ばね１４として適当な弾性をもつものを選定することにより、ミラー駆動板７の全体が自重でＸ軸、Ｙ軸方向に変位する現象を防止するとともに、ミラー駆動板７がθ軸、φ軸方向へ回転駆動させる際の回転中心を偏心させないようにすることができる。
【００２５】
図１および図２に示すように、フレーム５でサポートされたべローズ３，４のフランジ部の外側にはさらに真空フランジ付のべローズ１，２が接続され、フレーム５でサポートされている。べローズ１，２の反対側の真空フランジは、フレーム５とは縁切りされた独立サポー卜により保持されている。
【００２６】
図１および図３に示すように、フレーム５はリニアスライダ１７を介してフレーム１９によりサポートされており、ステッピングモータ１６とボールねじ１８によりＹ軸方向に全体が移動する。さらに、フレーム１９は中間ベース２５からリニアスライダ２１を介してサポートされ、ステッピングモータ２０とボールねじ２２によりＸ軸方向に移動する。
【００２７】
同じく、Ｚ軸方向に対しては、ベース２６からリニアスライダ２４を介してサポートされ、ステッピングモータ２３とボールねじ２７で駆動される。
【００２８】
このような構成の光共振器の駆動機構においては、ベローズ３，４が共振ミラー１５のθ，φ軸駆動時における変位吸収用と、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸駆動時における変位吸収用とに完全に分離してその機能を別々に分担し、したがってＸ，Ｙ，Ｚ軸を駆動させたときでもベローズ３，４に生ずる反作用の力が伝達してθ，φ軸が変位するような連成運動が発生しない。
【００２９】
また、θ，φ軸用の駆動軸３軸の両側には板ばね１４がミラー駆動板７とフレーム５の間に設置されている。この板ばね１４として適当な弾性をもつものを選定することにより、ミラー駆動板７の全体が自重でＸ軸、Ｙ軸方向に変位する現象を防止するとともに、ミラー駆動板７をθ軸、φ軸方向へ回転駆動させる際の回転中心を偏心させないようにすることができる。
【００３０】
以上の構造により、べローズ３，４はθ軸、φ軸の変位分のみを吸収するように機能することになる。
【００３１】
次に、上述した１２０度振分けの独立並進３軸駆動機構により、共振ミラー１５のθ，φ軸を駆動する原理を図４に従い説明する。
【００３２】
駆動軸のＰ．Ｃ．ＤをＤ、図４に示す各軸間の距離をａ，ｂとすると、次の式１が成り立つ。
【００３３】
【数１】

ここで、Ａ，Ｂ，Ｃ軸の変位量をｄＡ，ｄＢ，ｄＣとし、θ軸駆動時に、φ，ｚ軸を動かさないようにするためには、
【数２】

とする必要がある。この時、θ軸での回転角度は、
【数３】

となる。次にφ軸の駆動時に、θ，ｚ軸を動かさないためには、
【数４】

とする必要があり、この時、φ軸での回転角度は、
【数５】

となる。
【００３４】
さらに、この駆動方式では、Ａ，Ｂ，Ｃ各軸に等しい変位量を与えればＺ軸方向へ駆動できることは自明である。
【００３５】
ここでθ，φ，Ｚ軸を独立に駆動することを考え、θ軸駆動時のＡ，Ｂ，Ｃ各軸の変位量をｄＡ，ｄＢ，ｄＣ、φ軸駆動、Ｚ軸駆動の変位量をそれぞれ、ｄＡ′，ｄＢ′，ｄＣ′、およびｄＡ″，ｄＢ″，ｄＣ″とすると、（式１）〜（式５）より、
【数６】

となる。したがって、（式６）の条件を満たすように、１２０度振分けの３軸各軸を独立に駆動させることで、θ，φ，Ｚ軸を所定の角度、量だけ駆動することができる。さらにＡ，Ｂ，Ｃ各軸は変位量をモニタして常時フィードバックをかけるクローズドループ制御を行うことにより、従来のギンバル構造では回避不可能であった軸回転中心の偏心を原理的にはなくすことができる。また、軸回転中心の偏心が生じた場合でも、各軸の駆動量を可変することによってアクティブ制御を行うことが可能となる。
【００３６】
また、本発明のミラー取付け構造では、ミラーの交換を行う際に、共振器ユニット内部の真空をパージした後、べローズ３とミラーマウント６を分離し、ミラーマウント６をミラー駆動板７から取り外し、交換すべきミラーを取付けた別のミラーマウント６を取付けることで作業が完了するため、交換に要する作業時間を大幅に短縮することができる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したようにこの発明によれば、ベローズが共振ミラーのθ，φ軸駆動時における変位吸収用と、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸駆動時における変位吸収用とに完全に分離してその機能を別々に分担し、したがってＸ，Ｙ，Ｚ軸の２軸以上を駆動させたときでもベローズに生ずる反作用の力が伝達してθ，φ軸が変位するような連成運動が発生しない。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態に係る光共振器の要部を示す平面図。
【図２】図１中のＡ―Ａ線に沿う断面図。
【図３】図１中のＢ―Ｂ線に沿う断面図。
【図４】光共振器の共振ミラーをθ軸、φ軸方向に駆動する原理を説明する説明図。
【図５】光共振器が組み込まれたシンクロトロン放射光発生装置の一般的な構成例を示す説明図。
【図６】従来の光共振器の構成を示す説明図。
【符号の説明】
３…ベローズ
４…ベローズ
５…フレーム
７…ミラー駆動板
９…マイクロメターヘッド
６…ミラーマウント
１５…共振ミラー
１７…リニアスライダー
２１…リニアスライダー
２４…リニアスライダー

Claims

θ軸、φ軸方向に回転駆動される共振ミラーを備えたミラーマウントを有し、このミラーマウントは、リニアガイドの駆動軸によりθ軸、φ軸方向に回転駆動されるミラー駆動板に取付けられ、前記ミラーマウントの両面側にはθ軸、φ軸変位吸収用のベローズが接続され、これらベローズは片側が、ステッピングモータでＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に駆動されるフレームでサポートされ、前記フレームの両側に、ステッピングモータにより該フレームがＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に駆動された際にそのＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の変位を吸収するＸ，Ｙ，Ｚ軸変位吸収用のベローズを前記θ軸、φ軸変位吸収用のベローズとは独立して有することを特徴とする光共振器。
共振ミラーをθ軸、φ軸方向に回転駆動させる手段として、前記ミラー駆動板に１２０度ずつ振分けた均等的な３箇所にリニアガイドの駆動軸を取付けてなる振分け独立並進３軸駆動方式を用いていることを特徴とする請求項１に記載の光共振器。