JP5165278B2 - ビーム測定装置、ビーム測定方法、及びそれを用いたポンプ・プローブ測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、ビーム測定装置、ビーム測定方法、及びそれを用いたポンプ・プローブ測定方法に関し、特に詳しくは、量子ビームを測定するビーム測定装置、ビーム測定方法、及びそれを用いたポンプ・プローブ測定方法に関する。

近年、電子ビームなどの荷電粒子を加速する加速器が広く利用されている。例えば、Ｘ−ＦＥＬ（Ｘ−ｒａｙ Ｆｒｅｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｌａｓｅｒ）やＥＲＬ（Ｅｎｅｒｇｙ−Ｒｅｃｏｖｅｒｙ Ｌｉｎａｃ）などでは、短バンチ電子ビームを光速近くまで加速している。そして、アンジュレータなどの挿入光源から放射されるコヒーレントシンクロトロン放射光が利用される。このような加速器では、高品質な電子ビームを得るため、短バンチビームモニターを設置する必要がある。このようなビームモニターで測定されるビームの特性としては、荷電粒子ビームの横方向プロファイル、ビームのポジション、エネルギー、及びバンチ長等がある。また、荷電粒子ビームを非破壊で測定することが望まれる。さらに、フェムト秒バンチとするために、ジッタフリーでこれらのバンチ情報を１ショットで計測することが望まれる。

例えば、電気光学結晶を用いて電子ビームのバンチ長を計測する方法が開示されている（非特許文献１）。この計測方法では、電気光学結晶にパルスレーザ光を入射させている。また、電子ビームが電気光学結晶を通過するときに、電子ビームによって電場が発生する。この電場によって、電気光学結晶を通過するパルスレーザ光の偏光状態が変化する。例えば、電気光学結晶を通過すると、直線偏光が楕円偏光に変化する。電気光学結晶を通過したパルスレーザ光を測定することによって、バンチ長に関する情報を取得することができる。

また、真空チャンバー内に電極を配置して、横方向のビームポジションをモニターする方法が提案されている（特許文献２）。この方法では、ビーム径路に４つの電極が配置される。この４つの電極は、ビーム方向と垂直な面において、点対称に配置されている。これにより、ビーム方向と垂直な面におけるバンチの空間分布を測定することができる。

Ｉ． Ｗｉｌｋｅ ｅｔ．ａｌ． "Ｓｉｎｇｌｅ−Ｓｈｏｔ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ−Ｂｅａｍ Ｂｕｎｃｈ Ｌｅｎｇｔｈ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ" Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ Ｖｏｌｕｍｅ ８８ １２４８０１ Ｎｕｍｂｅｒ １２ Ｔ． Ｓｕｗａｄａ "Ｍｕｌｔｉｐｏｌｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｆｉｅｌｄ Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｂｙ Ｓｉｎｇｌｅ−Ｂｕｎｃｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍｓ" Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．４０（２００１）ｐｐ８９０−８９７

しかしながら、従来の測定方法では、量子ビームを３次元的に測定することが困難であるという問題点がある。

本発明は、このような事情を背景としてなされたものであって、本発明の目的は、量子ビームの３次元的な測定を簡便に行うことができるビーム測定装置、ビーム測定方法、及びそれを用いたポンプ・プローブ測定方法を提供することである。

本発明の第１の態様にかかるビーム測定装置は、パルスレーザ光を用いて量子ビームを３次元的に測定するビーム測定装置であって、レーザ発振器によって発振したパルスレーザ光の波長が時間に応じて変化するよう、前記パルスレーザ光のパルス波形を整形して出射する光源部と、前記光源部から出射したパルスレーザ光に対して入射位置に応じた時間遅延を与える第１の遅延素子と、前記パルスレーザ光を入射位置に応じて異なる偏光状態に変換する第１の偏光変換素子と、を有する入射光学系と、前記量子ビームのビーム径路に配置され、入射位置に応じて異なる結晶軸を有する電気光学素子と、前記入射光学系から前記電気光学素子を介して入射したパルスレーザ光から、所定の偏光成分を取り出す偏光子と、前記偏光子で取り出されたパルスレーザ光のスペクトルを測定する測定器と、を備えるものである。これにより、量子ビームの３次元的な情報がスペクトルに展開されるため、量子ビームの３次元的な測定を簡便に行うことができる。

本発明の第２の態様にかかるビーム測定装置は、上記のビーム測定装置であって、前記電気光学素子の結晶軸が放射状になるよう、前記電気光学素子には放射状に配置された複数の電気光学結晶が設けられているものである。これにより、電気光学素子における屈折率の変化を大きくすることができるため、正確に測定することができる。

本発明の第３の態様にかかるビーム測定装置は、上記のビーム測定装置であって、前記第１の偏光変換素子が、放射状に分割された分割領域を複数有し、前記パルスレーザ光の光軸と垂直な平面において、前記電気光学素子に設けられた複数の電気光学結晶が、前記第１の偏光変換素子に設けられた分割領域に対応する位置に配置され、前記電気光学素子に入射するパルスレーザ光の電気ベクトルの振動面が、前記放射状の結晶軸と同じ方向になるよう、前記第１の偏光変換素子が偏光状態を変換しているものである。これにより、電気光学素子による偏光状態の変化を大きくすることができるため、正確に測定することができる。

本発明の第４の態様にかかるビーム測定装置は、上記のビーム測定装置であって、前記第１の遅延素子が、前記第１の偏光変換素子に設けられた複数の分割領域に対応するよう、前記パルスレーザ光を入射位置に応じて段階的に遅延させることを特徴とするものである。これにより、横方向の空間分布を簡便に測定することができる。

本発明の第５の態様にかかるビーム測定装置は、上記のビーム測定装置であって、前記第１の遅延素子によって与えられる段階的な遅延時間が、前記量子ビームのパルスよりも長くなっているものである。これにより、横方向の空間分布をより簡便に測定することができる。

本発明の第６の態様にかかるビーム測定装置は、上記のビーム測定装置であって、前記第１の偏光変換素子に設けられた複数の分割領域には、入射した光の位相をずらして出射する波長板がそれぞれ設けられ、前記対向する分割領域において、前記波長板の光学軸が略直交しているものである。これにより、所望の偏光状態に変換することができるため、簡便に測定することができる。

本発明の第７の態様にかかるビーム測定装置は、上記のビーム測定装置であって、前記第１の遅延素子によって与えられる最大の遅延時間が、前記光源部から出射するパルスレーザ光のパルス幅よりも短くなっており、前記第１の遅延素子によって時間遅延が与えられた前記パルスレーザ光が、前記パルスレーザ光の光軸の外周全体で時間的に重複している重複期間を有しているものである。これにより、電気光学素子の全方位において偏光状態が変化するため、横方向の空間分布をより簡便に測定することができる。

本発明の第８の態様にかかるビーム測定装置は、上記のビーム測定装置であって、前記重複期間のパルスレーザ光が前記電気光学素子を通過するタイミングと同期して、前記量子ビームのパルスが、前記電気光学素子を通過するものである。これにより、電気光学素子の全方位において偏光状態が変化するため、バンチの横方向の空間分布をより簡便に測定することができる。

本発明の第９の態様にかかるビーム測定装置は、上記のビーム測定装置であって、前記電気光学素子から出射したパルスレーザ光に対して入射位置に応じた時間遅延を与えて、前記偏光子に入射する光のパルス幅を短くする第２の遅延素子と、前記レーザ発振器によって発振したパルスレーザ光の一部が参照光として入射する非線形光学素子とをさらに備え、前記偏光子が偏光方向に応じてパルスレーザ光を分岐し、前記偏光子で分岐された一方の分岐光を前記測定器で測定し、前記偏光子で分岐された他方の分岐光を前記非線形光学素子に入射させ、前記非線形光学素子内で前記参照光と交差させ、前記非線形光学素子での非線形光学効果によって発生した光をアレイ光検出器によって測定するものである。これにより、時間分布を簡便かつ正確に測定することができる。

本発明の第１０の態様にかかるビーム測定装置は、上記のビーム測定装置であって、前記第１の遅延素子に入射する前と、前記第２の遅延素子を出射した後とで、前記パルスレーザ光のパルス幅が略等しくなっているものである。ビームの時間分布をより簡便かつ正確に測定することができる。

本発明の第１１の態様にかかるビーム測定装置は、上記のビーム測定装置であって、前記電気光学素子には、前記量子ビームが通過する中空部が設けられているものである。これにより、非破壊の測定が可能になる。

本発明の第１２の態様にかかるビーム測定装置は、上記のビーム測定装置であって、前記電気光学素子に入射するパルスレーザ光を円環状にする１対のアキシコンレンズをさらに備え、前記円環状のパルスレーザ光が前記中空部の外側を通過するものである。これにより、光の利用効率を向上することができ、より正確に測定することができる。

本発明の第１３の態様にかかるビーム測定装置は、上記のビーム測定装置であって、前記電気光学素子から出射したパルスレーザ光が入射する第２の偏光変換素子を備え、前記第２の偏光変換素子が、入射位置に応じて異なる偏光状態に変換するものである。これにより、装置構成を簡素化することができる。

本発明の第１４の態様にかかるビーム測定装置は、上記のビーム測定装置であって、前記第１の偏光変換素子と前記第２の偏光変換素子とが、同じ方向の光学軸を有しているものである。これにより、装置構成を簡素化することができる。

本発明の第１５の態様にかかるビーム測定装置は、上記のビーム測定装置であって、前記測定器が、前記パルスレーザ光を分光して、スペクトル測定を行う分光測定器であるものである。これにより、装置構成を簡素化にすることができる。

本発明の第１６の態様にかかるビーム測定装置は、上記のビーム測定装置であって、前記分光測定器に設けられたアレイ検出器の１フレームで、前記パルスレーザ光の１パルスのスペクトルが取得されるものである。これにより、簡便に測定することができる。

本発明の第１７の態様にかかるビーム測定方法は、パルスレーザ光を用いて量子ビームを３次元的に測定するビーム測定方法であって、レーザ発振器によって発振したパルスレーザ光の波長が時間に応じて変化するよう、前記パルスレーザ光のパルス波形を整形して出射するステップと、前記整形されたパルスレーザ光に対して入射位置に応じた時間遅延を与えるとともに、前記パルスレーザ光を入射位置に応じて異なる偏光状態に変換するステップと、前記時間遅延が与えられたパルスレーザ光を、前記量子ビームのビーム径路に配置され、入射位置に応じて異なる結晶軸を有する電気光学素子に入射させるステップと、前記電気光学素子から出射したパルスレーザ光から、所定の偏光成分を取り出すステップと、前記パルスレーザ光から取り出された所定の偏光成分のスペクトルを測定するステップと、を備えるものである。これにより、量子ビームの３次元的な情報がスペクトルに展開されるため、量子ビームの３次元的な測定を簡便に行うことができる。

本発明の第１８の態様にかかるビーム測定方法は、上記のビーム測定方法であって、前記電気光学素子の結晶軸が放射状になるよう、前記電気光学素子には放射状に配置された複数の電気光学結晶が設けられているものである。

本発明の第１９の態様にかかるビーム測定方法は、上記のビーム測定方法であって、パルスレーザ光を入射位置に応じて異なる偏光状態に変換するステップでは、前記パルスレーザ光を、放射状に分割された分割領域を複数有する第１の偏光変換素子に入射させ、前記パルスレーザ光の光軸と垂直な平面において、前記電気光学素子に設けられた複数の電気光学結晶が、前記第１の偏光変換素子に設けられた分割領域に対応する位置に配置され、前記電気光学素子に入射するパルスレーザ光の電気ベクトルの振動面が、前記放射状の結晶軸と同じ方向になるよう、前記第１の偏光変換素子が偏光状態を変換しているものである。これにより、電気光学素子による偏光状態の変化を大きくすることができるため、正確に測定することができる。

本発明の第２０の態様にかかるビーム測定方法は、上記のビーム測定方法であって、前記パルスレーザ光の光路中に設けられた第１の遅延素子によって、前記入射位置に応じた時間遅延が与えられ、前記第１の偏光変換素子に設けられた複数の分割領域に対応するよう、第１の遅延素子が前記パルスレーザ光を入射位置に応じて段階的に遅延させるものである。これにより、横方向の空間分布を簡便に測定することができる。

本発明の第２１の態様にかかるビーム測定方法は、上記のビーム測定方法であって、前記第１の遅延素子によって与えられる段階的な遅延時間が、前記量子ビームのパルスよりも長くなっているものである。これにより、横方向の空間分布をより簡便に測定することができる。

本発明の第２２の態様にかかるビーム測定方法は、上記のビーム測定方法であって前記第１の偏光変換素子に設けられた複数の分割領域には、入射した光の位相をずらして出射する波長板がそれぞれ設けられ、前記対向する分割領域において、前記波長板の光学軸が略直交しているものである。これにより、所望の偏光状態に変換することができるため、簡便に測定することができる。

本発明の第２３の態様にかかるビーム測定方法は、上記のビーム測定方法であって、前記パルスレーザ光に与えられる最大の遅延時間が、前記光源部から出射するパルスレーザ光のパルス幅よりも短くなっており、前記時間遅延が与えられた前記パルスレーザ光が、前記パルスレーザ光の光軸の外周全体で時間的に重複している重複期間を有しているものである。これにより、電気光学素子の全方位において偏光状態が変化するため、横方向の空間分布をより簡便に測定することができる。

本発明の第２４の態様にかかるビーム測定方法は、上記のビーム測定方法であって、前記重複時間のパルスレーザ光が前記電気光学素子を通過するタイミングと同期して、記量子ビームのパルスが、前記電気光学素子を通過するものである。これにより、電気光学素子の全方位において偏光状態が変化するため、横方向の空間分布をより簡便に測定することができる。

本発明の第２５の態様にかかるビーム測定方法は、上記のビーム測定方法であって、前記電気光学素子から出射したパルスレーザ光に対して入射位置に応じた時間遅延を与えて、パルス幅を短くするステップと、前記レーザ発振器によって発振したパルスレーザ光の一部を参照光として非線形光学素子に入射させるステップと、をさらに有し、前記パルスレーザ光から、所定の偏光成分を取り出すステップでは、偏光子を用いて偏光方向に応じてパルスレーザ光を分岐し、前記スペクトルを測定するステップでは、前記偏光子で分岐された一方の分岐光のスペクトルを測定し、前記偏光子で分岐された他方の分岐光を前記非線形光学素子に入射させ、前記非線形光学素子内で、前記参照光と交差させ、前記非線形光学素子での非線形光学効果によって発生した光をアレイ検出器によって測定するものである。これにより、縦方向分布（時間分布）を簡便かつ正確に測定することができる。

本発明の第２６の態様にかかるビーム測定方法は、上記のビーム測定方法であって、前記電気光学素子に入射する前と、前記パルス幅が短くされた後とで、前記パルスレーザ光のパルス幅が略等しくなっているものである。これにより、縦方向分布（時間分布）をより簡便かつ正確に測定することができる。

本発明の第２７の態様にかかるビーム測定方法は、上記のビーム測定方法であって、前記電気光学素子には、前記量子ビームが通過する中空部が設けられ、前記量子ビームが前記電気光学素子の前記中空部を通過するものである。これにより、非破壊の測定が可能になる。

本発明の第２８の態様にかかるビーム測定方法は、上記のビーム測定方法であって、前記電気光学素子に入射するパルスレーザ光を円環状にする１対のアキシコンレンズをさらに備え、前記円環状のパルスレーザ光が前記中空部の外側を通過するものである。これにより、光の利用効率を向上することができ、より正確に測定することができる。

本発明の第２９の態様にかかるビーム測定方法は、上記のビーム測定方法であって、前記電気光学素子から出射したパルスレーザ光を入射位置に応じて異なる偏光状態に変換するステップをさらに有するものである。これにより、簡便に測定することができる。

本発明の第３０の態様にかかるビーム測定方法は、上記のビーム測定方法であって前記整形されたパルスレーザ光を入射位置に応じて異なる偏光状態に変換する第１の偏光変換素子と、前記電気光学素子から出射したパルスレーザ光を入射位置に応じて異なる偏光状態に変換する第２の電気光学素子とが、同じ方向の光学軸を有する波長板を有しているものである。これにより、簡便な構成で測定することができる。

本発明の第３１の態様にかかるビーム測定方法は、上記のビーム測定方法であって、前記スペクトルを測定するステップでは、前記パルスレーザ光を分光して、スペクトル測定を行う分光測定器を用いて測定するものである。これにより、簡便に測定することができる。

本発明の第３２の態様にかかるビーム測定方法は、上記のビーム測定方法であって、前記分光測定器に設けられたアレイ検出器の１フレームで、前記パルスレーザ光の１パルスのスペクトルが取得されるものである。これにより、簡便に測定することができる。

本発明の第３３の態様にかかるポンプ・プローブ測定方法は、上記のビーム測定方法で測定されたビームを用いるポンプ・プローブ測定方法であって、前記パルスレーザ光から、所定の偏光成分を取り出すステップでは、偏光子を用いて偏光方向に応じてパルスレーザ光を分岐し、前記スペクトルを測定するステップでは、前記偏光子で分岐された一方の分岐光のスペクトルを測定し、前記偏光子で分岐された他方の分岐光をＮＯＰＡ増幅し、ポンプ光、及びプローブ光の一方として試料に照射し、前記量子ビーム、又は前記量子ビームからの放射光をポンプ光、及びプローブ光の他方として、試料に照射するものである。これにより、タイミングジッタの問題を改善することができる。

本発明によれば、量子ビームの３次元的な測定を簡便に行うことができるビーム測定装置、ビーム測定方法、及びそれを用いたポンプ・プローブ測定方法を提供することができる。

以下に、本発明を適用可能な実施の形態が説明される。以下の説明は、本発明の実施形態を説明するものであり、本発明が以下の実施形態に限定されるものではない。説明の明確化のため、以下の記載は、適宜、省略及び簡略化がなされている。又、当業者であれば、以下の実施形態の各要素を、本発明の範囲において容易に変更、追加、変換することが可能であろう。尚、各図において同一の符号を付されたものは同様の要素を示しており、適宜、説明が省略される。

まず、本実施の形態にかかるビーム測定方法の原理について簡単に説明する。本実施の形態では、電気光学素子を電子ビームの経路中に配置している。すなわち、電気光学素子が、電子ビームの経路である真空チャンバー内に配置されている。さらに、電子ビームとと同期して、電気光学素子にパルスレーザ光を入射させる。このとき、電子ビームによって生じる電場で電気光学素子の屈折率が変化する。このため、パルスレーザ光の偏光状態は、電子ビームの形状に応じて変化する。また、電子ビームのバンチ（パルス）形状（バンチ長、横方向分布等）によって、電気光学素子に印加される電場が変化する。電気光学素子を通過したパルスレーザ光を測定することで、電子ビームのバンチ形状を測定することができる。すなわち、パルスレーザ光の偏光状態は、電子ビームのバンチ形状に応じて変化する。電気光学素子におけるパルスレーザ光の位相変化を測定することで、バンチによって発生する電場を知ることができる。さらに、ここでは、電気光学素子を通過したパルスレーザ光を分光して、測定している。

本発明の実施の形態にかかる測定装置について図１を用いて説明する。図１は、実施の形態１にかかるビーム測定装置１００の構成を模式的に示す図である。また、図１の説明の途中で、適宜図２乃至図９を参照して説明を行う。

本実施の形態にかかるビーム測定装置は、光源部１０、入射光学系２０、電気光学素子３０、出射光学系４０、分光測定器５０、及び処理装置５５を有している。そして、ビーム測定装置１００は、加速器で加速された電子ビーム３１の３次元バンチ形状をモニタする。より具体的には、ビーム測定装置１００は、電子ビーム３１の空間分布、及び時間分布に関する情報を取得する。電子ビーム３１の電子は、十分に高いエネルギーが与えられており、真空中の光速近くまで加速されている。すなわち、電子は、相対論的な領域まで加速されている。電子ビーム３１は、高周波（ＲＦ）を用いて加速されている。このため、所定のバンチ長を有するバンチが繰り返している。ビーム測定装置１００は、バンチ長を測定する。さらに、ビーム測定装置１００を用いることによって、１つのバンチをスライスした時の空間分布を測定することができる。

まず、光源部１０について説明する。光源部１０は、レーザ発振器１１、広帯域化部材１２、チャーピングパルス波形整形器１３、及び波長板１４、グランレーザ・カールサイト偏光子１５を有している。レーザ発振器１１は、所定のパルス幅を有するパルスレーザ光を発振する。レーザ発振器１１としては、例えば、チタンサファイアレーザを用いることができる。レーザ発振器１１からのパルスレーザ光は、平行な光束になっている。なお、以下の説明では、レーザ光の光軸方向をＺ方向とし、Ｚ方向に垂直な平面をＸＹ面とする。Ｚ方向がＬｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ方向（縦方向）となり、Ｘ方向、及びＹ方向がＴｒａｎｓｖｅｒｓｅ方向（横方向）となる。レーザ光は、Ｚ軸に沿って伝播する。従って、Ｚ軸は時間軸に対応する。また、ＸＹ面内のＸ方向、及びＹ方向は、互いに直交する。レーザ発振器１１として、例えば、フェムトレーザーズ（ＦＥＭＴＯＬＡＳＥＲＳ）社製 ＦＥＭＴＯＳＯＵＲＣＥ ＳＹＮＥＲＧＹ Ｐｒｏ、又はＳＹＮＥＲＧＹ ２０を用いる。これにより、１０〜２０ｆｓｅｃ程度のパルス幅のパルスレーザ光が発振する。

広帯域化部材１２は、レーザ発振器１１から入射したパルスレーザ光を広帯域化する。。広帯域化部材１２としては、例えば、光通信分野で広く利用されているフォトニック結晶（クリスタル）ファイバを用いることができる。フォトニック結晶ファイバは、フォトニック結晶中の線状欠陥をコアとし、その周囲のフォトニック結晶をクラッドとする光ファイバである。従って、入射光は、コアに閉じ込められながら伝播する。フォトニック結晶ファイバとしては、例えば、Ｎｅｗｐｏｒｔ社製ＳＣＧ−８００を用いることができる。

広帯域化部材１２は、パルスレーザ光の波長幅を広くする。すなわち、フォトニック結晶ファイバ内での非線形光学効果によって、パルスレーザ光が広帯域になる。広帯域化部材１２から出射される光の最長波長をλ_Ｌとし、最短波長をλ_Ｓとする。具体的な一例としては、パルスレーザ光の波長域が、６５０ｎｍ〜１１００ｎｍに広げられる。広帯域化部材１２からＳＣ（スーパーコンティニウム）光が出射する。広帯域化部材１２からの光は、白色レーザ光となっている。このように、広帯域化部材１２はスペクトル幅を延ばす。従って、広帯域化部材１２から出射したパルスレーザ光は、フーリエパルス限界が２〜４ｆｓｅｃのパルスレーザ光に対応する。

広帯域化部材１２から出射されたレーザ光は図２に示すような時間プロファイルを有している。図２は、広帯域化部材１２から出射したパルスレーザ光のパルス波形を示す図である。従って、図２は、パルスレーザ光の時間に対する強度分布を示すグラフである。図２において、横軸は時間を示し、縦軸はパルスレーザ光の強度を示している。図２に示すように、パルスレーザ光の強度は、パルスの中央近傍で最大になっている。そして、パルスの端に向かうに連れて強度が低くなっていく。さらに、広帯域化部材１２は、パルスレーザ光の波長幅を広げる。

広帯域化部材１２で広帯域化されたパルスレーザ光は、チャーピングパルス波形整形器１３に入射する。チャーピングパルス波形整形器１３は、光変調器１３ａと、パルスストレッチャー１３ｂと、光増幅器１３ｃとを有している。チャーピングパルス波形整形器１３は、パルスレーザ光の時間波形を整形する。具体的には、チャーピングパルス波形整形器１３は、パルスレーザ光の波形を矩形状に整形する。光変調器１３ａとしては、例えば、音響光学（ＡＯ：Ａｃｏｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃｓ）素子や液晶素子を用いることができる。より具体的には、光変調器１３ａとして、音響光学空間位相制御フィルター（ＡＯＰＤＦ：Ａｃｏｕｔｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃｓ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｆｉｌｔｅｒ）や液晶空間光変調器（ＳＬＭ：Ｓｐａｔｉａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）を用いることができる。光変調器１３ａは、スペクトル位相を変調する。具体的には、時間に応じて波長が変化するように、パルスレーザ光の位相を変調する。これにより、パルスの先頭から後方側に向かうにつれて、波長が徐々に短くなる。例えば、パルス先端の波長が最長波長λ_Ｌとなり、パルス後端の波長が最短波長λ_Ｓとなる。レーザパルス内の波長は、後方側に向かうにつれて、λ_Ｌからλ_Ｓに単調減少していく。さらに、波長と時間の関係がリニアになっている。よって、時間とともに波長がリニアに減少する。

このように、光変調器１３ａから出射したレーザパルス光では、時間とともに波長が線形（リニア）に変化している。すなわち、パルスレーザ光の波長は時間に応じて、波長が線形（リニア）に変化する。パルスレーザ光は、最長波長λ_Ｌ〜最短波長λ_Ｓの間のスペクトルを有する。チャーピングパルス波形整形器１３の光変調器１３ａとしては、例えば、ファーストライト（ＦＡＳＴＬＩＴＥ）社製ＤＡＺＺＬＥＲ（登録商標）ＵＷＢ−６５０−１１００を用いることができる。これにより、６５０〜１１００ｎｍの広帯域スペクトルを有するパルスレーザ光を変調することができる。光変調器１３ａに入力する変調信号（Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ）に応じて、パルスレーザ光のスペクトルが変調される。そして、チャープした音波によって、結晶を通過する白色パルスレーザ光に、波長に応じた光路差を自由に与えることができる。音波のスペクトルと同じ形状にパルスレーザ光のスペクトルが整形される。あるいは、音波のパルス形状と同じ形状にパルスレーザ光のスペクトルを整形してもよい。パルスストレッチャー１３ｂは、時間的なパルス幅を広げる。これにより、レーザ光のパルス幅が、モニタする電子ビーム３１のバンチ長よりも十分に長くなる。

光増幅器１３ｃは、入射した光を増幅する。光増幅器１３ｃは、例えば、光の波長を変化させずにパルスレーザ光を増幅する。そして、スペクトル波形（スペクトル分布）を矩形状にする。このとき、時間的なパルス波形も矩形状になる。チャーピングパルス波形整形器１３から出射されたレーザ光は図３に示すような時間プロファイルを有している。図３は、チャーピングパルス波形整形器１３から出射したパルスレーザ光のパルス波形を示す図である。図３において、横軸は時間を示し、縦軸はパルスレーザ光の強度を示している。図３に示すように、パルスレーザ光はフラットトップなパルス波形に変換されている。すなわち、パルスレーザ光の強度が時間に対して略一定となる。例えば、波長に応じてゲインを調整することによって、図３に示すような波形を得ることができる。図３では、左側がパルスの先頭側であり、右側がパルスの後端側である。このように、パルスレーザ光の時間プロファイルが一定になるように波形整形される。なお、光増幅器１３ｃによって増幅されるパルス波形は、完全な矩形にならなくてもよい。例えば、後述する電気光学素子３０に入射する段階でのパルス波形を考慮して、波形整形することができる。

なお。光変調器１３ａによって、パルスレーザ光の波長は、時間に応じて変化している。従って、図３の横軸を波長として捉えることができる。この場合、図３はスペクトルを示すことになる。光増幅器１３ｃは、それぞれの波長での強度が等しくする。すなわち、最長波長λ_Ｌから最短波長λ_Ｓまでの間で一定の強度になっている。波長が変化しても、パルスレーザ光の強度は変化しない。このように、線形にチャーピングされたパルスレーザ光がチャーピングパルス波形整形器１３から出射される。波長、及び時間によらず、パルスレーザ光の強度が一定になる。すなわち、時間分布、及びスペクトル分布が均一になる。また、スペクトル分布、及び時間分布は一致している。なお、上記の例では、パルス先端の波長を最長波長λ_Ｌとし、パルス後端の波長を最短波長λ_Ｓとしたが、反対にしてもよい。すなわち、パルス後端の波長を最長波長λ_Ｌとし、パルス先端の波長を最短波長λ_Ｓとしもよい。線形チャープ矩形スペクトル白色レーザが出射される。なお、チャープパルス増幅（ＣＰＡ：Ｃｈｉｒｐｅｄ Ｐｕｌｓｅ Ａｍｐｌｉｆｙ）を用いて、チャーピングすることも可能である。この場合、パルスストレッチャーで波長毎に光路長差をつける。これにより、時間とともに波長が変化するようになる。

チャーピングされたパルスレーザ光は、波長板１４、及びグランレーザ・カールサイト偏光子１５に入射する。に入射する。波長板１４、及びグランレーザ・カールサイト偏光子１５は、波長域６５０−１１００ｎｍの広帯域白色レーザ光をＰ偏光にする。波長板１４は、１／２波長板である。波長板１４としては、例えば、アクロマティック０次水晶ＭｇＦ_２波長板を用いることができる。具体的には、波長板１４として、Ｎｅｗｐｏｒｔ社製１０ＲＰ５２−２を用いることができる。波長板１４は、互いに直交する方向に振動する成分に対して位相差を与える。ここでは、１／２波長の位相差が与えられる。

光源部１０からのパルスレーザ光は、波長板１４を介して、グランレーザ・カールサイト偏光子１５に入射する。グランレーザ・カールサイト偏光子１５は、所定の振動方向の成分のみを取り出す。グランレーザ・カールサイト偏光子１５としては、例えば、Ｎｅｗｐｏｒｔ社製１０Ｇｌ０８Ａｒ．１６を用いることができる。なお、これらの光学系については、Ｎｅｗｐｏｒｔ社 Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｎｏｔｅ２６"Ｖａｒｉａｂｌｅ Ａｔｔｅｎｕａｔｏｒ ｆｏｒ Ｌａｓｅｒｓ"、及びＮｅｗｐｏｒｔ社 Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｎｏｔｅ２８"Ｓｕｐｅｒｃｏｎｔｉｎｕｕｍ Ｇｅｎｅｒｅｔｉｏｎ ＳＣＧ−８００ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｆｉｂｅｒ"に詳細に記載されている。

このように、アクロマティックな波長板１４、及びグランレーザ・カールサイト偏光子１５を用いることで、広帯域の白色パルスレーザ光を完全なＰ偏光にすることができる。なお、波長板１４は、アクロマティック波長板に限られものではない。例えば、アクロマティック波長板と同じ透過光学系であるアポクロマート波長板を波長板１４として用いることができる。さらに、反射光学系である金属ミラー等でペリスコープを構成したものを用いてもよい。また、波長板１４を回転させることで光量を調整することができる。すなわち、入射するパルスレーザ光の偏光方向に対する光学軸の角度を変えることで、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分の割合が変化する。よって、グランレーザ・カールサイト偏光子１５を通過するパルスレーザ光の光量を調整することができる。もちろん、波長板１４、及びグランレーザ・カールサイト偏光子１５以外の光学素子を用いて、直線偏光を取り出してもよい。

光源部１０からは、チャーピングされたＰ偏光のパルスレーザ光が出射する。すなわち、時間とともに波長が変化するパルスレーザ光が生成される。ここでは、リニアにチャーピングしているため、時間に応じて波長がリニアに変化する。例えば、パルスレーザ光の先頭（パルス先端）が最長波長λ_Ｌになり、後方側（パルス後端）が最短波長λ_Ｓになる。あるいは、パルスレーザ光の先頭側が最短波長λ_Ｓになり、後方側が最長波長λ_Ｌになってもよい。すなわち、パルスレーザ光を、ポジティブにチャープしてもよく、ネガティブにチャープしてもよい。このように光源部１０からは、パルス幅、及び波長幅が広げられたパルスレーザ光が出射する。

光源部１０によってチャーピングされたパルスレーザ光は、入射光学系２０に入射する。入射光学系２０は、光源部１０からのパルスレーザ光を電気光学素子３０に入射させるための光学系である。入射光学系２０は、アキシコンレンズ２１、アキシコンレンズ２２、遅延素子２３、偏光変換素子２４、及びミラー２５を有している。なお、図１において、偏光変換素子２４は、アキシコンレンズ２１の前に配置されていてもよい。

光源部１０からは、チャーピングされたＰ偏光のパルスレーザ光が出射する。すなわち、時間とともに波長が変化するパルスレーザ光が生成される。ここでは、リニアにチャーピングしているため、時間に応じて波長がリニアに変化する。例えば、パルスレーザ光の先頭（パルス先端）が最長波長λ_Ｌになり、後方側（パルス後端）が最短波長λ_Ｓになる。あるいは、パルスレーザ光の先頭側が最短波長λ_Ｓになり、後方側が最長波長λ_Ｌになってもよい。すなわち、パルスレーザ光を、ポジティブにチャープしてもよく、ネガティブにチャープしてもよい。このように光源部１０からは、パルス幅、及び波長幅が広げられたパルスレーザ光が出射する。

光源部１０によってチャーピングされたパルスレーザ光は、入射光学系２０に入射する。入射光学系２０は、光源部１０からのパルスレーザ光を電気光学素子３０に入射させるための光学系である。入射光学系２０は、アキシコンレンズ２１、アキシコンレンズ２２、遅延素子２３、偏光変換素子２４、及びミラー２５を有している。なお、図１において、偏光変換素子２４は、アキシコンレンズ２１の前に配置されていてもよい。

光源部１０からのパルスレーザ光は、１対のアキシコンレンズ２１、２２に入射する。アキシコンレンズ２１、２２は、円錐形状になっている。アキシコンレンズ２１、２２は、略同じ形状になっている。パルスレーザ光は、１対のアキシコンレンズ２１、２２によって屈折され、輪状のビームに変換される。すなわち、アキシコンレンズ２２から出射したパルスレーザ光の断面は、中空のリング状になっている。このように、１対のアキシコンレンズ２１、２２は、パルスレーザ光から円環ビームを生成する。アキシコンレンズ２２からは、平行な光束が出射する。

なお、１対のアキシコンレンズ２１、２２以外の構成で円環ビームを生成してもよい。例えば、１つのアキシコンレンズと１つの球面レンズとによって、円環ビームを生成することができる。このように、１枚以上のアキシコンレンズを用いることで、レーザ光強度の低下を防ぐことができる。あるいは、リング状のスリット（輪帯）を用いてもよい。レーザ発振器１１からのレーザ光を円環状の光ビームに変換する円環ビーム変換手段を設けることによって、レーザ光を効率よく利用することができる。また、１対のアキシコンレンズを対称的に配置することによって、色収差を低減することができる。これにより、広帯域のスペクトルに対して、色収差を低減することができる。アキシコンレンズ２２からは断面が円環状の平行光束が出射する。また、レンズを用いてスポット形状を円形状から円環状に変換することで、光の利用効率を高くすることができる。

アキシコンレンズ２２から出射したパルスレーザ光は、遅延素子２３に入射する。遅延素子２３は、入射したパルスレーザ光に時間遅延を与える。具体的には、入射位置に応じた時間遅延がパルスレーザ光に与えられる。異なる位置に入射した光には時間的なずれが与えれる。これにより、パルスレーザ光のパルス幅が広くなる。この遅延素子２３の構成例について図４を用いて説明する。図４（ａ）は、遅延素子２３の構成を示す平面図であり、図４（ｂ）は、遅延素子２３によって遅延されたパルスレーザ光のパルス波形を模式的に示す図である。

遅延素子２３は、円板状の透明板によって形成されている。図４（ａ）に示すように、遅延素子２３は、放射状に８分割された分割領域を有している。ここで、８個の分割領域を分割領域２３ａ〜２３ｈとする。すなわち、図４（ａ）では、分割領域２３ａ〜分割領域２３ｈが周方向に沿って配列されている。それぞれの分割領域２３ａ〜２３ｈの大きさは等しくなっている。分割領域２３ａ〜２３ｈは周方向の全体にわたって設けられている。従って、分割領域２３ａ〜２３ｈのそれぞれは、中心点に対応する内角が４５°の扇形となる。遅延素子２３の中心点が、光軸上に配置される。また、遅延素子２３の透明板は、光軸と直交して配置される。

それぞれの分割領域２３ａ〜２３ｈは、入射したパルスレーザ光を遅延させる。そのため、透明板の厚みが、それぞれの分割領域２３ａ〜２３ｈで異なっている。例えば、分割領域２３ａが最も薄くなっており、分割領域２３ｈが最も厚くなっている。そして、分割領域２３ａ、分割領域２３ｂ、分割領域２３ｃ、分割領域２３ｄ、分割領域２３ｅ、分割領域２３ｆ、分割領域２３ｇ、分割領域２３ｈの順番で、板厚が厚くなっていく。従って、遅延素子２３の透明板が螺旋階段状になるように、透明板の板厚が変化している。さらに、それぞれの分割領域では、隣の分割領域間の板厚差が一定になっている。ここで、透明板が屈折率１．５の結晶で形成されているとする。異なる領域間では、透明板と媒質（空気）の屈折率差に板厚差を乗じた分だけ、パルスレーザ光が遅延される。このように、遅延素子２３の板厚は位置に応じて異なっている。よって、パルスレーザ光には入射位置に応じた時間遅延が与えられる。分割領域２３ｂ〜２３ｈからのパルス光は、分割領域２３ａからのパルス光を基準とする時間遅延が、板厚差に応じて与えられる。すなわち、分割領域２３ｂ〜２３は、分割領域２３ａよりも遅れる。

パルスレーザ光に与えられる遅延は、図４（ｂ）に示すようになる。図４は、分割領域を通過した後の、パルス光の波形を示している。図４（ｂ）では、上から順に、遅延時間が０のパルス光（分割領域２４ａを通過したパルス光）、その次に遅延時間が少ないパルス光（分割領域２４ｂを通過したパルス光）、及び最も遅延時間が多いパルス光（分割領域２４ｈを通過したパルス光）が示されている。図４（ｂ）の横軸は時間を示し、縦軸はパルス光強度を示している。なお、図４（ｂ）では、右側がパルスの先頭側になり、左側がパルスの後方側になる。

隣の分割領域を通過したパルス光間の遅延時間を基準遅延時間Δｔとする。例えば、分割領域２３ｂを通過したパルス光は、分割領域２３ａを通過したパルス光よりも基準遅延時間Δｔだけ遅延する。基準遅延時間Δｔは、上記のように、屈折率差に、隣の分割領域間の板厚差を乗じた値に対応する。また、８つの分割領域が設けられているため、分割領域２４ｈを通過したパルス光は、分割領域２３ａを通過したパルス光よりも基準遅延時間Δｔの７倍だけ遅延する。分割領域２３ａからのパルス光を基準とすると、分割領域２３ｃを通過したパルス光の遅延時間は２×Δｔとなり、分割領域２３ｄを通過したパルス光の遅延時間は３×Δｔとなり、分割領域２３ｅを通過したパルス光の遅延時間は４×Δｔとなり、分割領域２３ｆを通過したパルス光の遅延時間は５×Δｔとなり、分割領域２３ｇを通過したパルス光の遅延時間は６×Δｔとなる。よって、分割領域２３ａからのパルス光が最も先頭側になり、分割領域２３ｈからのパルス光が最も後方側になる。

それぞれの分割領域からのパルス光は、入射した分割領域の板厚に応じて順番に遅れていく。隣の分割領域からのパルス光には、基準遅延時間Δｔだけ、時間的なずれが生じている。この基準遅延時間Δｔは、パルスレーザ光のパルス幅よりも短くなっている。さらに、基準遅延時間Δｔは、モニターする電子ビーム３１のバンチ長と同程度になっている。より正確には、基準遅延時間Δｔは、バンチ長よりも長くなっている。基準遅延時間Δｔは、例えば、バンチ長に、パルスレーザ光と電子ビームのジッターを考慮して設定される。従って、基準遅延時間Δｔが、パルスレーザ光と電子ビームのジッター分以上、バンチ長よりも長くなっている。従って、それぞれの分割領域からのパルス光は、バンチ長以上ずれて、伝播していく。ＸＹ平面における位置に応じて、各パルス光の先端と後端のタイミングがずれる。

ここで、最も遅延時間が多い分割領域２３ｈを通過したパルス光と、遅延時間が０の分割領域２３ａを通過したパルス光とは、一部が時間的に重複している。分割領域２３ｈを通過したパルス光と、分割領域２３ａを通過したパルス光とが重複する期間を重複期間Ｔとする。ここで、重複期間Ｔの幅は、電子ビームのバンチ長よりも長くする。重複期間Ｔは、例えば、バンチ長に、パルスレーザ光と電子ビームのジッターを考慮して設定される。従って、重複期間Ｔが、パルスレーザ光と電子ビームのジッター分だけ、バンチ長よりも長くなっている。重複期間Ｔでは、パルスレーザ光が、時間的に前記パルスレーザ光の光軸の外周全体で重複している。このため、遅延素子２３による最大の遅延時間をパルスレーザ光のパルス幅よりも短くする。従って、７×Δｔはパルス幅よりも短くなっている。

従って、重複期間Ｔにおけるパルスレーザ光のスライスでは、光軸を中心とする全方位にパルスレーザ光が存在している。すなわち、重複期間Ｔ内における任意のタイミングでは、全ての分割領域からパルス光が出射している。換言すると、重複期間Ｔの外側のタイミングでは、１つ以上の分割領域からパルス光が出射しておらず、パルス光が出射していない分割領域が存在する。この重複期間Ｔの一部が電子ビームの測定に用いられる。具体的には、重複期間Ｔに含まれる光が電気光学素子３０を通過するタイミングと、バンチが電気光学素子３０を通過するタイミングを一致させる。バンチが電気光学素子３０を通過するタイミングでは、重複期間Ｔ内の光が電気光学素子３０を通過している。バンチが電気光学素子３０を通過するときには、必ず、重複期間Ｔに含まれる光を電気光学素子３０を通過させることが好ましい。この場合、バンチが電気光学素子３０を通過する間は、全分割領域２３ａ〜２３ｈにパルス光が入射している。

さらに、重複期間Ｔにおけるパルスレーザ光のスライスでは、それぞれの分割領域で波長がずれている。上記のように、光源部１０からのパルスレーザ光は、時間に対して波長がリニアに変化する。このため、パルスレーザ光が入射位置に応じて遅延時間を与える遅延素子２３を通過すると、同じタイミングでの波長が異なっている。例えば、分割領域２３ａからのパルスレーザ光と、分割領域２３ｂからのパルスレーザ光では、同じタイミングでの波長が基準遅延時間Δｔに応じて異なっている。さらに、重複期間Ｔにおけるパルスレーザ光のスライスでは、分割領域２３ａ〜２３ｈから出射したパルス光の波長が順番にずれている。同じタイミングにおいて、分割領域２３ａ〜２３ｈから出射したパルス光が異なる波長になっている。重複期間Ｔにおけるパルスレーザ光のスライスでは、分割領域２３ａ〜２３ｈから異なる波長の光が出射する。そして、その波長は時間に応じて徐々にずれていく。同じタイミングではＸＹ平面において波長の分布が存在する。同じタイミングでは、分割領域毎に波長が変化している。

重複期間Ｔ内では、各分割領域２３ａ〜２３ｈから出射する光の波長が時間に応じて変化する。例えば、重複期間Ｔ内に各分割領域２３ａ〜２３ｈを通過する光の波長は、時間が経過するにつれて短波長になる。ここで重複期間Ｔの両端における波長について考える。まず、図４（ｂ）に示すように、重複期間Ｔの先頭側の端における分割領域２３ａからの光の波長をλ_ａＬとする。同様に、重複期間Ｔの後方側の端における分割領域２３ａからの光の波長をλ_ａＳとする。従って、重複期間Ｔ内では、分割領域２３ａから通過する光は、時間が経過するにつれて、波長がλ_ａＬからλ_ａＳにリニアに増加していく。なお、λ_ａＳはパルスレーザ光全体の最短波長λ_Ｓと等しい。同様に、重複期間Ｔの先頭側の端における分割領域２３ｂからの光の波長をλ_ｂＬとし、重複期間Ｔの後方側の端における分割領域２３ｂからの光の波長をλ_ｂＳとする。さらに、重複期間Ｔの先頭側の端における分割領域２３ｈからの光の波長をλ_ｈＬとする。同様に、重複期間Ｔの後方側の端における分割領域２３ｈからの光の波長をλ_ｈＳとする。なお、λ_ｈＬはパルスレーザ光全体の最長波長λ_Ｌと等しい。また、λ_ａＳとλ_ｂＳとは、基準遅延時間Δｔに対応する波長だけずれている。同様に、λ_ａＬとλ_ｂＬとは、基準遅延時間Δｔに対応する波長だけずれている。

また、図４（ｂ）には図示していないが、分割領域２３ｃ〜２３ｇについても、重複期間Ｔにおける先頭側の端の波長をそれぞれλ_ｃＬ、λ_ｄＬ、λ_ｅＬ、λ_ｆＬ、λ_ｇＬとし、後方側の端の波長をそれぞれλ_ｃＳ、λ_ｄＳ、λ_ｅＳ、λ_ｆＳ、λ_ｇＳとする。ここで、パルスレーザ光全体では、パルス先端が最長波長λ_Ｌになっており、パルス後端が最短波長λ_Ｓになっている。そして、時間に対してパルスレーザ光の波長がリニアに変化する。従って、λ_ａＬ＜λ_ｂＬ＜λ_ｃＬ＜λ_ｄＬ＜λ_ｅＬ＜λ_ｆＬ＜λ_ｇＬ＜λ_ｈＬとなる。また、λ_ａＳ＜λ_ｂＳ＜λ_ｃＳ＜λ_ｄＳ＜λ_ｅＳ＜λ_ｆＳ＜λ_ｇＳ＜λ_ｈＳとなる。このように、遅延時間が多い分割領域ほど、重複期間Ｔ内に出射する光の波長が長波長側になる。すなわち、遅延時間が多い分割領域ほど、重複期間Ｔに含まれるパルス光はパルスレーザ光の先頭側の波長（長波長）になる。

ここで、例えば、基準遅延時間Δｔを重複期間Ｔよりも長く設定する。すると、λ_ａＬがλ_ｂｓよりも、短くなる。従って、分割領域２３ａから出射する光の波長範囲λ_ａＬ〜λ_ａＳは分割領域２３ｂから出射する光の波長範囲λ_ｂＬ〜λ_ｂＳと重複しなくなる。すなわち、波長範囲λ_ａＬ〜λ_ａＳと波長範囲λ_ｂＬ〜λ_ｂＳとが完全にずれる。このように、重複期間Ｔにおいて、任意の一つの分割領域から出射する光の波長範囲は、他の７つの分割領域から出射する光の波長範囲と重複しない。重複期間Ｔにおいて、一つの分割領域から出射する光の波長範囲は、他の７つの分割領域から出射する光の波長範囲から完全にずれる。重複期間Ｔ内では、任意の一つの分割領域から出射される光の波長が、他の７つの分割領域からは出射しなくなる。

なお、上記の説明では、重複期間Ｔ全体で、波長範囲が重複しないようとして説明したが、これに限られるものではない。すなわち、バンチが電気光学素子３０を通過している間において、各分割領域から出射する波長範囲が重複しないようにすればよい。従って、バンチが電気光学素子３０を通過している間では、任意の一つの分割領域から出射される光の波長が、他の７つの分割領域からは出射しなくなる。すなわち、バンチが電気光学素子３０を通過していない間に、その波長の光が他の７つの分割領域から出射する。このように、バンチが電気光学素子３０を通過している間では、各分割領域から出射される光の波長が完全にずれている。なお、光源部１０から出射されるパルスレーザ光全体のパルス幅は、分割数、パルス重複期間Ｔ、及び基準遅延時間Δｔを考慮される。例えば、８分割の分割領域２３ａ〜２３ｈが設けられている場合、パルス幅をバンチ長の１０倍以上にしておくことが好ましい。

このように、遅延素子２３の板厚は、ＸＹ平面における位置に応じて、変化している。すなわち、ＸＹ平面における位置に応じて、光路長が変化する。これにより、パルスレーザ光は、ＸＹ平面における位置に応じて遅延される。すなわち、各分割領域からのパルス光は、Ｚ方向における位置がずれる。このため、パルスレーザ光のパルス幅が伸長する。ここでは、パルスレーザ光の先端面が螺旋階段状になる。なお、遅延素子２３としては、１対の透明基板に液晶が挟持された液晶素子を用いることができる。そして、液晶に印加する電圧を位置に応じて変化させてもよい。また、位相シフトマスクのように、透明基板上に透明な位相シフト膜を形成したものを遅延素子２３として用いることができる。さらには、反射型の遅延素子を用いてもよい。この場合、螺旋階段状のミラーを遅延素子２３として用いることができる。

遅延素子２３からのパルスレーザ光は、偏光変換素子２４に入射する。偏光変換素子２４は、入射位置に応じて、偏光状態を変換する。偏光変換素子２４は、例えば、直線偏光を放射状のラディアル偏光に変換する。偏光変換素子２４としては、例えば、ナノフォトン社製Ｚｐｏｌを用いることができる。ここでは、偏光変換素子２４として、広帯域のＺｐｏｌを用いている。偏光変換素子２４の構成について、図５を用いて説明する。図５（ａ）は、偏光変換素子２４を通過する前後の偏光状態を説明するための図である。図５（ｂ）は、偏光変換素子２４の構成を模式的に示す平面図である。図５（ｃ）は、偏光変換素子２４を通過したパルスレーザ光の偏光状態を説明するための平面図である。なお、図５（ａ）では、＋Ｚ方向にパルスレーザ光が伝播している。このため、パルスレーザ光は、偏光変換素子２４を右側から左側へ通過する。

まず、図５（ｂ）を用いて偏光変換素子２４の構成について説明する。偏光変換素子２４は、正八角形状の薄板から形成されている。偏光変換素子２４は、例えば、ガラス等からなる透明基板の上に波長板を設けることによって形成される。あるいは、波長板をホルダで保持することで、偏光変換素子２４が形成される。偏光変換素子２４は、放射状に分割された８つの領域を有している。図５（ｂ）に示すように、この８つの領域を分割領域２４ａ〜分割領域２４ｈとする。すなわち、偏光変換素子２４は、８つの分割領域２４ａ〜２４ｈを備えている。ここでは、上側に分割領域２４ａが配置され、分割領域２４ｂ、分割領域２４ｃ、分割領域２４ｄ、分割領域２４ｅ、分割領域２４ｆ、分割領域２４ｇ、及び分割領域２４ｈが時計回りの順番で配置されている。分割領域２４ａ〜２４ｆは、中心点に対して対称に配置されている。従って、８つの分割領域２４ａ〜２４ｈは、放射状に配置されている。このように、放射状に分割された８つの領域が分割領域２４ａ〜２４ｈとなる。それぞれの分割領域の大きさは等しくなっている。分割領域２４ａ〜２４ｈは周方向の全体にわたって設けられている。従って、分割領域２４ａ〜２４ｈのそれぞれは、中心点に対応する内角が４５°の二等辺三角形となる。

ここで、偏光変換素子２４に設けられている分割領域２４ａ〜２４ｈは、遅延素子２３に設けられている分割領域２３ａ〜２３ｈに対応している。すなわち、ＸＹ平面において、遅延素子２３の分割領域２３ａと、偏光変換素子２４の分割領域２４ａとが略一致している。すなわち、符号の後に付したａ〜ｈのアルファベットが同じ場合、分割領域２３ａ〜２３ｈと分割領域２４ａ〜２４ｈとでは、ＸＹ平面上の位置が一致している。パルスレーザ光は平行な光速であるため、分割領域２３ａから出射したパルス光は、分割領域２４ａに入射する。同様に分割領域２３ｂからのパルス光は、分割領域２４ｂに入射する。もちろん、分割領域２３ｃ〜分割領域２３ｈからのパルス光についても、対応する分割領域２４ｃ〜分割領域２４ｈにそれぞれ入射する。従って、遅延素子２３は、偏光変換素子２４に設けられた複数の分割領域２４ａ〜２４ｈに対応するよう、入射位置に応じてパルスレーザ光が段階的に遅延する。そして、遅延素子２３によって段階的に与えられる遅延時間をバンチ長よりも長くすることが好ましい。

分割領域２４ａ〜２４ｈには、それぞれ異なる方向の光学軸を有する１／２波長板が設けられている。すなわち、分割領域２４ａ〜２４ｈ毎に、光の振動方向が異なっている。図５（ｂ）には、分割領域２４ａ〜２４ｈにおける光学軸が矢印で示されている。ここで、それぞれの分割領域の光学軸は、隣の分割領域の光学軸から２２．５°ずれている。すなわち、Ｙ軸の方向を基準とすると、図５（ｂ）に示すように、分割領域２４ａにおける波長板の光学軸の角度は０°となり、分割領域２３ｂの光学軸は２２．５°になり、分割領域２４ｃの光学軸は４５°となり、分割領域２３ｄの光学軸は６７．５°になり、分割領域２４ｅの光学軸は９０°となり、分割領域２３ｆの光学軸は−６７．５°になり、分割領域２４ｇの光学軸は−４５°となり、分割領域２３ｈの光学軸は−２２．５°になっている。分割領域２４ａ、分割領域２４ｂ、分割領域２４ｃ、分割領域２４ｄ、分割領域２４ｅ、分割領域２４ｆ、分割領域２４ｇ、分割領域２４ｈの順番で光学軸が２２．５°づつ傾いていく。

従って、中心点に対して互いに対向する分割領域に設けられている１対の波長板は、光学軸が直交する。例えば、分割領域２４ａの光学軸は０°であり、分割領域２４ａに対向する分割領域２４ｅの光学軸は９０°となっている。同様に、分割領域２４ｃの光学軸と、分割領域２４ｇの光学軸は、互いに直交している。換言すると、互いに対向する分割領域に設けられている一対の波長板において、光学軸の角度の差が９０°となっている。このように、分割領域２４ａ〜２４ｈの中心点を挟んで対角に配置された一対の分割領域には、光学軸が９０°異なる波長板が設けられる。

１／２波長板は、入射光に１／２波長の位相差を与えて出射する。従って、直線偏光の方位（偏光軸）が１／２波長板における光学軸に対して成す角度をθとすると、１／２波長板を通過した光は、元の直線偏光から２θだけ回転した直線偏光の光となる。例えば、１／２波長板の光学軸と、直線偏光の偏光軸とが４５°ずれている場合、１／２波長板は、偏光軸が９０°ずれた直線偏光を出射する。なお、直線偏光の偏光軸とは、ＸＹ面における電気ベクトルの振動面の方向である。

ここで、光源部１０から偏光軸がＹ方向に沿った直線偏光が入射している。すなわち、分割領域２４ａの光学軸と、Ｐ偏光の入射光の偏光軸が一致している。図５（ａ）に示すように、偏光変換素子２４を光路上に配置する。すると、上側の分割領域２４ａを透過した光と下側の分割領域２４ｅを透過した光とで位相にずれが生じる。すなわち、上下に対向した配置された分割領域２４ａと分割領域２４ｅとで光の位相が１８０°ずれる。光源部１０から直線偏光が出力されているとすると、偏光変換素子２４を通過する前では、電気ベクトルの直交する成分の位相は一致している。直線偏光が偏光変換素子２４を通過した場合、分割領域２４ａと分割領域２４ｅとでは、電気ベクトルの位相が１８０°ずれることになる。すなわち、上の分割領域２４ａと下の分割領域２４ｅとで電気ベクトルの振動方向が反対方向になる。上の分割領域２４ａと下の分割領域２４ｅとでは、偏光方向が反対方向となる。上の分割領域２４ａを透過した光と下の分割領域２４ｅを透過した光とは同じ直線（Ｙ軸と平行な直線）上の直線偏光であるが、その振動の向きが反対となる。

ここで、偏光軸がＹ方向に沿った直線偏光が偏光変換素子２４に入射している。すなわち、分割領域２４ａの光学軸と、入射光の偏光軸が一致している。分割領域２４ａ通過したパルス光は、図５（ａ）に示すように、偏光面（電気ベクトルの振動面）が光学軸と一致しているため、偏光状態が変化しない。すなわち、Ｙ方向の直線偏光のままとなる。一方、分割領域２４ｅを通過したパルス光は、偏光面が光学軸と直交しているため、偏光状態が変化する。すなわち、分割領域２４ｅからのパルス光は、分割領域２４ａからのパルス光と振動の向きが反対となる。ここでは、光学軸と偏光軸とが９０°ずれているため、偏光軸が１８０°回転する。一方、直線偏光のパルス光が分割領域２４ｃを通過すると、直線偏光の偏光面が９０°変化する。すなわち、４５°傾いた光学軸を有する分割領域２４ｃは、偏光軸を９０°回転させる。また、直線偏光のパルス光が分割領域２４ｇを通過すると、直線偏光の偏光面が−９０°変化して、出射される。すなわち、−４５°傾いた光学軸を有する分割領域２４ｃは、偏光軸を−９０°回転させる。このように、偏光変換素子２４は、入射位置に応じて異なる位相だけ光を遅延する。これにより、ＸＹ平面において、偏光面が回転する。

直線偏光のパルスレーザ光が偏光変換素子２４を通過すると、偏光状態が図５（ｃ）に示すようになる。すなわち、偏光変換素子２４は、直線偏光を偏光軸が放射状になるラディアル偏光に変換する。正確には、偏光変換素子２４に直線偏光のレーザ光を入射させることで、ラディアル偏光に近い偏光状態となる。ここで、図５（ｃ）に示すように、パルスレーザ光をＸＹ方向にスライスした断面において、分割領域２４ａに対応する領域を領域Ａとする。また、分割領域２４ｂに対応する領域を領域Ｂとする。同様に、分割領域２４ｃ〜分割領域２４ｈに対応する領域をそれぞれ領域Ｃ〜領域Ｈとする。このように、扇状に８分割された領域Ａ〜Ｈにおいて、電気ベクトルの振動方向が異なっている。領域Ａ〜Ｈに８分割された擬似ラディアル偏光になる。

中心点に対して対向する一対の分割領域から出射される直線偏光の偏光軸が平行になっている。そして、対向する一対の分割領域では振動方向が反対になっている。また、隣接する分割領域から出射される光の偏光軸は４５°ずれている。例えば、分割領域２４ａ及び分割領域２４ｅから出射する光の偏光面は、０°である。よって、領域Ａ、及び領域Ｅの光の偏光軸はＹ方向に平行である。また、分割領域２４ｂ及び分割領域２４ｆから出射される光の偏光軸は、４５°である。分割領域２４ｃ及び分割領域２４ｇから出射される光の偏光軸は、９０°である。よって、領域Ｃ、及び領域Ｇの光の偏光面はＸ方向に平行である。また、分割領域２４ｄ及び分割領域２４ｈから出射される光の偏光軸は、−４５°である。従って、入射位置に応じて偏光軸の角度が変化して、出射偏光変位が放射状となる。このように、偏光変換素子２４は、入射位置に応じて入射光の偏光状態を変化させ、所望の偏光状態になるよう制御する。

上記の偏光変換素子２４に直線偏光を入射させることで、ラディアル偏光に近い偏光状態となるよう制御することができる。具体的には、レーザ光の光軸と、偏光変換素子２４の中心点を一致させる。また、偏光変換素子２４は、光軸と直交して配置される。そして、分割領域２４ａの光学軸と直線偏光の偏光軸を一致させる。このようにすることで、直線偏光をラディアル偏光に近似する擬似ラディアル偏光にすることができる。また、上記の偏光変換素子２４に対して偏光軸がＸ方向の直線偏光を入射することによって、偏光軸が円形に近い形状となる。すなわち、直線偏光がアジマス偏光に近い擬似アジマス偏光に変化する。なお、上記の説明では、８分割の偏光変換素子２４について説明したが、分割数はこれに限られるものではない。例えば、１６分割や４分割の偏光変換素子２４を用いることもできる。分割数を多くことによって、より詳細な測定を行うことができる。偏光変換素子２４からは、ＸＹ平面における偏光面の方向が放射状のラディアル偏光状態を生成する。

なお、偏光変換素子２４には、遅延素子２３によって遅延されたパルスレーザ光が入射している。このため、偏光変換素子２４の分割領域２４ａ〜２４ｈに入射するパルス光は、図４（ｂ）に示すように、時間的にずれている。従って、最初のタイミングでは、分割領域２４ａのみにパルス光が入射する。次のタイミングでは、分割領域２４ａ、２４ｂのみにパルス光が入射する。このように、順番にパルス光が入射する分割領域が増えていく。そして、重複期間Ｔになると、全ての分割領域２４ａ〜２４ｈにパルス光が入射する。重複期間を過ぎると、分割領域２４ａにパルス光が入射しなくなる。次のタイミングでは、分割領域２４ａ、２４ｂにパルス光が入射しなくなる。そして、パルス光が入射しなくなる分割領域が徐々に増えていく。換言すると、パルス光が入射する分割領域が時間の経過によって変化する。従って、時間に応じてパルス光が入射する分割領域が変わっていく。

偏光変換素子２４から出射したパルスレーザ光は、ミラー２５に入射する。ミラー２５は、電子ビーム３１のビーム経路中に配置されている。ミラー２５は、レーザ光の光軸に対して４５°傾斜している。従って、ミラー２５は、レーザ光を、電気光学素子３０の方向に反射する。ミラー２５からのレーザ光は、電気光学素子３０に入射する。さらに、ミラー２５で反射されたパルスレーザ光は、電子ビーム３１の進行方向と反対方向に伝播する。すなわち、パルスレーザ光は、電子ビーム３１の上流側に向かって進むように、ミラー２５で反射される。

ミラー２５は、中心部分がくり抜かれた中空形状になっている。また、アキシコンレンズ２１、２２によって、レーザ光が輪状になっている。このため、中空のミラー２５を用いた場合でも、レーザ光のほとんどが電気光学素子３０に入射する。換言すると、ミラー２５は、輪状のレーザ光に対応する中空部分を有している。よって、輪状のレーザ光は、ミラー２５の中空部分には、入射しない。これにより、レーザ光のほとんどが電気光学素子３０に入射する。従って、レーザ光の利用効率の低下を防ぐことができ、正確な測定が可能になる。また、電子ビーム３１は、ミラー２５の中空部分を通過する。これにより、非破壊で電子ビームを測定することができる。

なお、ミラー２５は、電子ビーム３１の経路中に配置される。したがって、電子ビーム３１の経路中に存在するミラー２５は、真空中に配置される。すなわち、ミラー２５は真空チャンバー内に配設される。従って、偏光変換素子２４からのパルスレーザ光は、真空チャンバーに設けられたウィンドウを介して、ミラー２５に入射する。このように、遅延素子２３、及び偏光変換素子２４を大気中に配設している。これにより、入射光学系２０の大部分を大気中に設置することができ、光学系の調整等を容易に行うことができる。よって、利便性を向上することができる。

ミラー２５で反射されたパルスレーザ光は、電気光学素子３０に入射する。すなわち、入射光学系２０から出射したパルスレーザ光が電子ビーム３１のパス中に配置された電気光学素子３０を通過する。このとき、パルスレーザ光が、電気光学素子３０を通過するタイミングと、電子ビーム３１が電気光学素子３０を通過するタイミングを同期させる。すなわち、パルスレーザ光と電子ビーム３１のバンチとが、同じタイミングで電気光学素子３０を通過する。さらに、パルスレーザ光と電子ビーム３１とは、反対方向から電気光学素子３０を通過する。すなわち、パルスレーザ光の伝播方向と、電子ビーム３１の進行方向は、平行で反対方向になっている。例えば、パルスレーザ光が＋Ｚ方向に伝播するとすると、電子ビーム３１は−Ｚ方向に進行する。さらに、パルスレーザ光の光軸と、ＸＹ平面における電子ビーム３１の中心位置は略一致している。

ここで電気光学素子３０について図６、及び図７を用いて説明する。図６（ａ）は、電子ビーム３１、及びパルスレーザ光が電気光学素子３０を通過する様子を示す斜視図である。図６（ｂ）は、電気光学素子３０の構成を示す平面図である。図７は、電子ビーム３１のバンチ３７、及びパルスレーザ光が電気光学素子３０を通過している様子を概念的に示す側面図である。また、電気光学素子３０は所定の厚さを有する電気光学結晶によって構成されている。電気光学素子３０の厚さは、空間的なバンチ長よりも短くすることが好ましい。ここでは、電気光学素子３０の厚さを、例えば、０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍとすることができる。

図６（ｂ）に示すように、電気光学素子３０は、リング状に形成されている。すなわち、電気光学素子３０の外形が円形となっている。電気光学素子３０の中心には円形の中空部３３が設けられている。中空部３３は、何もない空間になっている。この中空部３３を電子ビーム３１が通過する。すなわち、中空部３３は、電子ビーム３１の横方向の形状よりも大きくなっている。従って、想定されるバンチの横方向の形状に応じて、中空部３３の大きさを決定する。これにより、電子ビーム３１が電気光学素子３０の結晶部分に入射しなくなる。よって、電子ビームを破壊せずに、測定することができる。

また、パルスレーザ光は、アキシコンレンズによって円環状になっている。すなわち、ＸＹ平面におけるパルスレーザ光の形状がドーナツ状になっている。そして、円環状のパルスレーザ光は、電気光学素子３０に入射する。従って、円環状のパルスレーザ光は、中空部３３の外側部分であって、電気光学素子３０の外形の内側に入射する。すなわち、円環状のパルスレーザ光は、中空部３３を通らずに、電気光学素子３０の電気光学結晶を通過する。リング状のパルスレーザ光は、電子ビーム３１の外周を囲むように、電気光学素子３０を通過する。

ここで、電気光学素子３０は、図６（ｂ）に示すように、放射状に８分割された分割領域を有している。電気光学素子３０に設けられた８個の分割領域を分割領域３０ａ〜３０ｈとする。電気光学素子３０は、図６（ｂ）に示すように、８つの分割領域３０ａ〜３０ｈを有している。図６（ｂ）では、分割領域３０ａ〜分割領域３０ｈが周方向に沿って配列されている。分割領域３０ａ〜分割領域３０ｈは放射状に配置されている。それぞれの分割領域３０ａ〜３０ｈの大きさは等しくなっている。分割領域３０ａ〜３０ｈは周方向の全体にわたって設けられている。分割領域３０ａ〜３０ｈは、周方向に一定の間隔で配置される。従って、分割領域３０ａ〜３０ｈのそれぞれは、中心点に対応する内角が４５°の扇形となる。なお、扇形の中心側が中空になっている。電気光学素子３０の中空部３３の中心が、光軸上に配置される。また、電気光学素子３０は、光軸と直交して配置される。分割領域３０ａ〜３０ｈには、それぞれ、例えば、ＺｎＴｅ（テルル化亜鉛）、ＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム）、ＢＢＯなどの透明な電気光学結晶が設けられる。また、これらの無機結晶だけでなく、応答性の速い有機ポリマーフィルムを用いてもよい。ここでは、分割領域３０ａ〜３０ｈに用いられる電気光学結晶は、結晶軸以外の方向は同じ構成を有している。

それぞれの分割領域３０ａ〜３０ｈの結晶軸方位は、図６（ｂ）の点線の矢印で示されている。なお、図６（ｂ）では（００１）結晶軸方向が点線矢印で示されている。それぞれの分割領域３０ａ〜３０ｈでは、結晶軸の方向が異なっている。具体的には、電気光学素子３０の結晶軸は、放射状に配置されている。８つの結晶軸を延長すると、光軸上の一点で交わる。このように、分割領域３０ａ〜３０ｈには、それぞれ電気光学結晶が設けられている。そして、それぞれの分割領域３０ａ〜３０ｈに設けられた電気光学結晶は、異なる方向の結晶軸を有している。

このように、電気光学素子３０には、８等分された分割領域３０ａ〜３０ｈが設けられている。このため、それぞれの分割領域３０ａ〜３０ｈは、４５°の扇形状になっている。隣り合う分割領域では、電気光学結晶の光学軸が異なる方向になっている。ここでは、８つの電気光学結晶が設けられているため、隣り合う分割領域の結晶軸がなす角度は４５°になる。隣の分割領域の結晶軸から４５°ずれるように、複数の電気光学結晶を円周方向に沿って配列する。従って、分割領域３０ａの結晶軸を０°とすると、分割領域３０ｃの結晶軸が９０°になる。

電気光学素子３０に設けられている分割領域３０ａ〜３０ｈは、領域Ａ〜Ｈにそれぞれ対応している。従って、ＸＹ平面において、分割領域２３ａと、分割領域２４ａと、分割領域３０ａとの位置が略一致する。分割領域２４ａから出射したパルス光は、ミラー２５で反射されて分割領域３０ａに入射する。さらには、分割領域２３ａから出射したパルス光は、分割領域２４ａを介して、分割領域３０ａに入射する。分割領域３０ｂ〜３０ｈについても、同様に、分割領域２４ｂ〜２４ｈに対応している。すなわち、分割領域３０ａ〜３０ｈには、同じアルファベットが付された分割領域２４ａ〜２４ｈからのパルス光が入射する。例えば、分割領域３０ｂには、分割領域２４ｂからのパルス光が入射する。

このように、それぞれの領域Ａ〜Ｈの光は、対応する分割領域３０ａ〜３０ｈに入射する。ここで偏光変換素子２４は、直線偏光を放射状のラディアル偏光に変換している。すなわち、偏光変換素子２４からは、ラディアル偏光状態のパルスレーザ光が出射している。さらに、電気光学素子３０の結晶軸は、放射状に配置されている。従って、電気光学素子３０の結晶軸とパルスレーザ光の偏光面が同じ方向になっている。電気光学素子３０の全分割領域３０ａ〜３０ｈにおいて、入射するパルス光の電気ベクトルの振動面は、結晶軸方向と一致する。例えば、電気光学素子３０の分割領域３０ａにおける結晶軸は、Ｙ方向になっており、偏光変換素子２４の分割領域２４ａから出射したパルス光の偏光軸は、Ｙ方向になっている。もちろん、その他の分割領域３０ｂ〜３０ｈでも、偏光軸が結晶軸と平行になっている。このように、全体としてはラディアル偏光であるが、個々の分割領域３０ａ〜３０ｈでは、結晶軸と平行な直線偏光が入射する。

電気光学結晶は、電場によって屈折率が変化する。例えば、結晶軸に平行な電場が印加されると結晶軸方向の屈折率が変化する。ポッケルス素子では、電場強度に比例して、屈折率が変化する。このとき、ＸＹ平面において、結晶軸と垂直な方向では、屈折率が略変化しない。従って、電気光学結晶では、電場強度に比例して屈折率の変化が起こり、複屈折が誘起される。

ラディアル偏光状態のパルスレーザ光は、図６（ａ）に示すように、このような電気光学素子３０に入射する。ここで、例えば、電気光学素子３０に放射状の電場が印加されたとする。この場合、等電位線は同心円状になる。なお、放射状の電場の中心は、中空部３３の中心と一致している。電気光学素子３０には、各結晶軸に平行な電場が印加される。電場によって誘起された複屈折のために位相変化が生じる。複屈折が生じると、偏光状態が変化して楕円偏光となる。すなわち、直線偏光が回転して楕円偏光に変換される。放射状の電場が印加されると、各分割領域３０ａ〜３０ｈから出射されるパルス光は、楕円偏光となる。なお、楕円偏光の傾きは、電場強度に応じて変化する。すなわち、電場強度によって、ＸＹ平面における楕円偏光の傾きが変わる。このように、各分割領域３０ａ〜３０ｈからは、電場強度に応じた楕円偏光が出射する。従って、電場が印加されている電気光学素子３０を通過したパルスレーザ光は、全体としてラディアル偏光ではなくなる。一方、電場が全く印加されていないときは、複屈折が生じない。このため、パルスレーザ光は、ラディアル偏光状態のままとなる。すなわち、電場が発生していないと、電気光学素子３０を通過する前後で、偏光状態が変化しない。

図７に示すように、バンチ３７とパルスレーザ光とは、同じタイミングで、電気光学素子３０を通過する。なお、図７は、電気光学素子３０のＹＺ面における断面図であり、電気光学素子３０を通過するバンチ３７とパルス光を模式的に示している。さらに、図７では、分割領域３０ａを通過するパルス光をパルス光３５ａとし、分割領域３０ｈを通過するパルス光をパルス光３５ｈとしている。従って、領域Ａの光がパルス光３５ａであり、領域Ｈの光がパルス光３５ｈである。

図７に示すように、パルスレーザ光は、バンチ３７と同期して、電気光学素子３０を通過する。具体的には、パルスレーザ光が電気光学素子３０の電気光学結晶に入射し、バンチ３７が電気光学素子３０の中空部３３に入射する。パルスレーザ光は、バンチ長よりも十分に長くなっている。さらには、重複期間Ｔは、バンチ長よりも長くなっている。従って、パルスレーザ光が電気光学素子３０を通過する期間には、必ず、バンチ３７が電気光学素子３０を通過する。ここで、バンチ３７が通過する期間を、バンチ通過期間とする。バンチが通過していない期間をバンチ非通過期間とする。バンチ非通過期間は、バンチ通過期間の両側に配置される。なお、図７において、バンチ非通過期間、及びバンチ通過期間は、時間とともに左側に移動し、重複期間Ｔは、時間とともに右側に移動する。バンチ通過期間と電気光学素子３０が重複している間では、電気光学素子３０が重複期間Ｔに含まれることになる。さらに、バンチ非通過期間と電気光学素子３０とが重複している間の一部でも、パルスレーザ光が電気光学素子３０を通過している。

従って、パルスレーザ光が電気光学素子３０を通過する期間では、電子ビーム３１のバンチに含まれる電荷（電子）によって、電場が発生している。バンチ内の電荷によって発生する電場が電気光学素子３０に印加される。すると、電気光学素子３０は、複屈折によって、パルスレーザ光の偏光状態を変化させる。具体的には、電気光学素子３０の通過前では、領域Ａ〜領域Ｈのそれぞれで直線偏光であったが、通過後には、楕円偏光になる。さらに、偏光状態の変化は、電場強度によって変化する。よって、電場強度が強い領域では、直線偏光から偏光状態がより変化する。すなわち、複屈折効果は電場強度に比例して大きくなるので、電場強度が高い領域では、偏光状態の変化が大きくなる。このように、バンチが電気光学素子３０を通過するタイミングとパルスレーザ光が電気光学素子３０を通過するタイミングとを同期させると、偏光状態がラディアル偏光から変化する。

なお、電気光学素子３０には、遅延素子２３によって遅延されたパルスレーザ光が入射している。このため、電気光学素子３０の分割領域３０ａ〜３０ｈに入射するパルス光では、図４（ｂ）に示すように、時間的にずれている。ここでは、図７に示すように、分割領域３０ａを通過するパルス光３５ａが、分割領域３０ｈを通過するパルス光３５ｈよりも先に進んでいる。

さらに、パルスレーザ光が電気光学素子３０を通過する最初のタイミングでは、分割領域３０ａのみに領域Ａのパルス光３５ａが入射する。Δｔだけ時間が経過すると、分割領域３０ａ、３０ｂの２つに、領域Ａ、Ｂのパルス光がそれぞれ入射する。このように、順番にパルス光が入射する分割領域が増えていく。そして、重複期間Ｔになると、全ての分割領域３０ａ〜３０ｈにパルス光が入射する。すなわち、重複期間Ｔでは、ＸＹ平面においてパルスレーザ光の光軸を中心とする全方位でパルスレーザ光が電気光学素子３０に入射する。換言すると、ＸＹ平面において、パルスレーザ光は、周方向全体で電気光学素子３０に入射している。これにより、ＸＹ平面でのスライスにおけるバンチ３７の外周全体がパルスレーザ光に囲まれる。ここでは、光軸と垂直なスライス断面で、前記パルスレーザ光の外形が円周状になっている。このようにするためには、遅延素子２３による最大の遅延時間をパルスレーザ光のパルス幅よりも短くする。

重複期間Ｔを過ぎると、分割領域３０ａにパルス光が入射しなくなる。次のタイミングでは、分割領域３０ａ、３０ｂにパルス光が入射しなくなる。そして、パルス光が入射しなくなる分割領域が徐々に増えていく。換言すると、パルス光が入射する分割領域が時間の経過によって変化する。従って、時間に応じてパルス光が入射する分割領域が順番に変わっていく。また、同じタイミングにおける波長は、領域毎にずれている。よって、バンチ通過期間と電気光学素子３０と重複している間において、パルス光は領域Ａ〜Ｈ毎に異なる波長を有している。例えば、図７に示す状態において、電気光学素子３０の分割領域３０ａを通過している光の波長をλ_１とし、電気光学素子３０の分割領域３０ｈを通過している光の波長をλ_８とする。この場合、λ_１は、λ_８よりも短くなる。もちろん、その他の分割領域３０ｂ〜３０ｇについても、同じタイミングでは、異なる波長の光が通過している。なお、実際には、電気光学素子３０は有限の厚さを有しているため、あるタイミングで電気光学素子３０に入射しているパルス光は、所定の波長幅を有している。そして、このタイミングでは、電気光学素子３０の厚さに対応する波長幅の光の偏光状態が変化する。

バンチ３７内の電子は、相対論的な領域まで加速されている。従って、バンチ内の電子によって発生する電場は、横方向になる。すなわち、電子ビームの進行方向（Ｚ方向）には、電場が発生しない。バンチ内の電子による電場の電気力線は、ＸＹ平面に平行になる。隣接するスライス間で電場がカップリングしない。より、正確には、１／γのコーンの中で、電場が生成される。なお、γは、電子のローレンツ因子である。そのため、十分に高エネルギーを電子に与えると、γが大きくなり、Ｚ方向の電場強度は無視できる。例えば、バンチに３．４ｎＣの電荷が含まれ、バンチ幅（ＦＷＨＭ）が８０ｆｓｅｃ、バンチ長σｚが約１２μｍ（ＲＭＳ）である場合、ＸＹ平面における中心からの距離が５ｍｍの位置で、横方向に、最大４００ＭＶ／ｍの電場が発生する。

電子が高エネルギーの場合、バンチ通過期間のみ、電気光学素子３０に電場が印加される。従って、バンチ通過期間が電気光学素子３０と重複している間のみ、パルスレーザ光の偏光状態が変化する。すなわち、バンチ非通過期間が電気光学素子３０と重複している間では、パルスレーザ光の偏光状態は略変化しない。バンチ非通過期間では、領域Ａ〜Ｈの光はそれぞれ直線偏光のまま変化せず、ラディアル偏光状態が保たれる。なお、バンチ非通過期間が電気光学素子３０と重複している間では、重複期間Ｔの外側になることがある。重複期間Ｔの外側では、分割領域３０ａ〜３０ｈの一部からはパルス光が出射しない。すなわち、領域Ａ〜Ｈの一部が欠損したラディアル偏光になる。なお、重複期間Ｔのうち、バンチ非通過期間では、ラディアル偏光のままパルスレーザ光が電気光学素子３０を通過する。

そして、電気光学素子３０を通過したパルスレーザ光は、出射光学系４０に入射する。出射光学系４０は、電気光学素子３０から出射したパルスレーザ光を分光測定器５０まで伝播するための光学系である。出射光学系４０は、ミラー４１、偏光変換素子４２、遅延素子４３、アキシコンレンズ４４、アキシコンレンズ４５、及び偏光子４６を有している。

電気光学素子３０を通過したパルスレーザ光は、ミラー４１に入射する。ミラー４１は、ミラー２５と同様に、中心部分がくり抜かれた中空形状になっている。これにより、ミラー２５と同様に、非破壊での測定が可能になる、さらに、パルスレーザ光を電子ビーム３１の経路から効率よく取り出すことができる。ミラー４１は、電子ビーム３１のビーム経路中に配置されている。ミラー４１は、レーザ光の光軸に対して４５°傾斜している。従って、ミラー４１は、レーザ光を、偏光変換素子４２の方向に反射する。ミラー４１からのレーザ光は、偏光変換素子４２に入射する。

なお、ミラー２５は、電子ビーム３１の経路中に配置される。したがって、電子ビーム３１の経路中に存在するミラー２５は、真空中に配置される。ミラー２５は真空チャンバー内に配設される。従って、ミラー４１で反射したパルスレーザ光は、真空チャンバーに設けられたウィンドウを介して、偏光変換素子４２に入射する。これにより、偏光変換素子４２、及び遅延素子４３等を大気中に配設することができる。出射光学系４０の大部分を大気中に設置することができ、光学系の調整等を容易に行うことができる。よって、利便性を向上することができる。

ミラー４１で反射したパルスレーザ光は、偏光変換素子４２に入射する。偏光変換素子４２は、偏光変換素子２４と同じ構成を有している。すなわち、図５（ｂ）の構成と同じ構成の偏光変換素子２４が用いられる。従って、偏光変換素子４２には、ナノフォトン社製Ｚｐｏｌを用いることができる。なお、偏光変換素子２４の構成は偏光変換素子２４と同様であるため説明を詳細な省略する。また、偏光変換素子４２は、偏光変換素子２４と同様に配置される。すなわち、偏光変換素子４２と偏光変換素子２４とは、領域Ａに対応する分割領域が同じ方向の光学軸になっている。

偏光変換素子４２は、入射位置に応じて偏光状態を変換する。ラディアル偏光状態の光が偏光変換素子４２に入射すると、偏光状態が直線偏光に変換される。例えば、図５（ａ）において、−Ｚ方向にパルスレーザ光が伝播することになる。すなわち、図５（ａ）の右側から左側にパルスレーザ光が伝播している。ラディアル偏光が偏光変換素子４２を通過することで、パルスレーザ光が直線偏光になる。すなわち、偏光変換素子４２は、偏光変換素子２４で変換した偏光状態を元の偏光状態に戻す。従って、偏光変換素子４２は、偏光変換素子２４で変換されたラディアル偏光状態を解消する偏光状態解消素子となる。

但し、偏光変換素子４２に入射するパルスレーザ光は、上記の通り、偏光状態がラディアル偏光から変化している。すなわち、電気光学結晶の影響によって、偏光状態が変化している。従って、偏光変換素子４２を通過しても、パルスレーザ光は、元のラディアル偏光状態には完全に戻らない。すなわち、偏光変換素子４２を通過したパルスレーザ光は、偏光状態が電気光学素子３０で変化した分だけ、ラディアル偏光状態から変化している。よって、各領域Ａ〜Ｈからは、バンチ３７で発生する電場に応じた楕円偏光のパルス光が出射する。バンチによる電場が発生していない場合、すなわち、バンチとパルスレーザ光が電気光学素子３０に入射するタイミングがずれている場合には、偏光変換素子４２を通過するパルスレーザ光は、元の直線偏光に戻る。

偏光変換素子４２から出射したパルスレーザ光は、遅延素子４３に入射する。遅延素子４３は、図４（ａ）に示した遅延素子２３と同様の構成を有している。すなわち、遅延素子４３は、パルスレーザ光に入射位置に応じた遅延を与える。但し、遅延素子４３の配置は、遅延素子２３と異なっている。具体的には、遅延素子４３で与えられる遅延時間と、遅延素子２３で与えられる遅延時間の和が全領域Ａ〜Ｈで等しくなるように、遅延素子４３が配置される。従って、分割領域２３ｈに対応する領域Ｈの光では、遅延素子２３により最も大きい遅延時間（７×Δｔ）が与えられるが、遅延素子４３では遅延時間が０となる。分割領域２３ａに対応する領域Ａの光では、遅延素子２３では遅延時間が０であったが、遅延素子４３では最も大きい遅延時間（７×Δｔ）が与えられる。分割領域２３ｂに対応する領域Ｂの光では、遅延素子２３では遅延時間Δｔが与えられ、遅延素子４３では遅延時間（６×Δｔ）が与えられる。

このように、全ての領域Ａ〜Ｈには、遅延素子２３、及び遅延素子４３によって、等しい遅延時間（７×Δｔ）が与えられる。従って、遅延素子４３を通過すると、パルス幅が短くなり、略元のパルス幅に戻る。すなわち、遅延素子４３を通過した後のパルスレーザ光と、遅延素子２３を通過する前のパルスレーザ光とでは、パルス幅が略等しくなる。これにより、全領域Ａ〜Ｈでは、パルス光のタイミングが一致する。このように、遅延素子４３は、遅延素子２３によって生じた時間遅延を解消する。すなわち、遅延素子２３によって与えられた入射位置に応じた時間遅延が解消される。遅延素子４３は、遅延素子２３によって生じた時間遅延を解消する遅延解消素子となる。このため、Ｚ方向において、全領域Ａ〜Ｈのパルス光が同じ位置になる。例えば、領域Ａのパルス光の先端と、領域Ｈのパルス光の先端が同じ位置になる。

遅延素子４３を通過したパルスレーザ光は、１対のアキシコンレンズ４４、４５に入射する。アキシコンレンズ４４、４５は、アキシコンレンズ２１、２２と同様に、円錐形状になっている。パルスレーザ光は、１対のアキシコンレンズ２１、２２によって屈折される。これにより、パルスレーザ光の断面が輪状から円形になる。

アキシコンレンズ４５で屈折されたパルスレーザ光は、偏光子４６に入射する。なお、パルスレーザ光は、アキシコンレンズ４５によって、偏光子４６に集光している。偏光子４６は所定の偏光面の直線偏光を取り出す。例えば、偏光子４６は、Ｐ偏光を透過して、Ｓ偏光を透過しない。すなわち、偏光子４６はパルスレーザ光からＰ偏光のみを取り出す。偏光子４６としては、偏光板や偏光プリズムなどを用いることができる。例えば、グラントムソンプリズムやウォラストンプリズムを用いることができる。例えば、光学技研社製のＤＵＶグラントムソンプリズムを用いることができる。ＤＵＶグラントムソンプリズムは、５：１００００００の高い消光比を有し、１８０〜２２００ｎｍの広帯域に対応している。
なお、グラントムソンプリズムには、Ｓ偏光成分を意図的にカットするように作られているものもある。このようなグラントムソンプリズムを偏光子４６として用いると、Ｐ偏光が通過して、Ｓ偏光は通過しなくなる。すなわち、パルスレーザ光からＰ偏光成分が取り出される。なお、偏光子４６の消光比を、１０００００：１以上とすることが好ましく、１００００００：１程度とすることがさらに好ましい。偏光子４６は、所定の偏光面の光を取り出す。すなわち、パルスレーザ光のうちの所定の偏光成分が取り出される。ここでは、Ｙ方向の直線偏光成分を取り出す。すなわち、Ｙ方向に振動している偏光成分が偏光子４６を通過し、Ｘ方向に振動している偏光成分は、偏光子４６を通過しない。

偏光子４６によって取り出される光について図８を用いて説明する。図８は、偏光子４６で取り出される光を説明するための図である。図８（ａ）は、領域Ａにおけるパルス光３５ａのうちのＰ偏光成分を示す概念図であり、図８（ｂ）は、領域Ａにおけるパルス光３５ａのうちのＳ偏光成分を示す概念図である。図８（ｃ）は、領域Ｈにおけるパルス光３５ｈのうちのＰ偏光成分を示す概念図であり、図８（ｄ）は、領域Ｈにおけるパルス光３５ｈのうちのＳ偏光成分を示す概念図である。なお、図８において、横軸は波長、縦軸はそれぞれの偏光成分の強度を示している。従って、図８は、Ｐ偏光成分、及びＳ偏光成分のスペクトルを示している。また、遅延素子４３によって領域間の時間遅延が解消されているため、横軸を時間として捉えることもできる。

上記のように、バンチ通過期間のみ、偏光状態が変化する。また、バンチ通過期間内では、領域Ａ〜Ｈに応じて光の波長がずれている。従って、電気光学素子３０によって偏光状態が変化した光の波長が領域毎に異なっている。例えば、重複期間Ｔにおける領域Ａのパルス光３５ａの波長範囲は、λ_ａＬ〜λ_ａＳである。電気光学素子３０を通過後、波長範囲λ_ａＬ〜λ_ａＳの一部で、偏光状態が変化する。換言すると、パルス光３５ａでは、波長範囲λ_ａＬ〜λ_ａＳの外側で偏光状態が変化しない。このため、偏光変換素子４２を通過後、波長範囲λ_ａＬ〜λ_ａＳの外側では、Ｐ偏光成分のみになる。電気光学素子３０を通過後、波長範囲λ_ａＬ〜λ_ａＳ内では楕円偏光に変化している。このため、偏光変換素子４２を通過後、波長範囲λ_ａＬ〜λ_ａＳの外側では、Ｐ偏光成分、及びＳ偏光成分が存在する。

よって、偏光子４６に入射する領域Ａのパルス光３５ａでは、Ｐ偏光成分が図８（ａ）に示すようになり、Ｓ偏光成分が図８（ｂ）に示すようになる。ここで、Ｓ偏光成分が出現する波長は波長範囲λ_ａＬ〜λ_ａＳの中に含まれる。このように、パルス光３５ａには、一部の波長のみで、Ｓ偏光成分が存在する。また、Ｐ偏光成分は、波長範囲λ_ａＬ〜λ_ａＳの外側で一定になる。理想的には、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分の和は波長によらず一定になる。

同様に、領域Ｈのパルス光３５ｈについても、一部の波長のみで、Ｓ偏光成分が存在する。そして、Ｓ偏光成分が存在する波長が、領域Ａと異なっている。例えば、重複期間Ｔにおける領域Ｈのパルス光３５ｈの波長範囲は、λ_ｈＬ〜λ_ｈＳである。従って、波長範囲λ_ｈＬ〜λ_ｈＳの中のみ、Ｓ偏光成分が存在する。なお、領域Ｂ〜Ｇについては、図示していないが、領域Ｂ〜Ｇでも、一部の波長にのみ、Ｓ偏光成分が存在する。そして、それぞれの領域Ａ〜Ｈにおいて、Ｓ偏光成分が存在する波長が重複していない。すなわち、Ｓ偏光成分が存在する波長は、領域Ａ〜Ｈ毎に完全に異なっている。

ここで、偏光子４６は、Ｐ偏光成分のみを通過させる。このため、図８（ｂ）、及び図８（ｄ）に示すＳ偏光成分が削られる。すなわち、図８（ａ）、及び図８（ｃ）に示すＰ偏光成分のみを偏光子４６によって取り出す。各領域Ａ〜ＨのＰ偏光成分のグラフでは、領域毎に異なる波長で凹みが生じている。この凹みは、Ｓ偏光成分に対応している。よって、凹みの大きさは、バンチ３７内の電子群によって発生する電場に応じて、変化する。換言すると、ＸＹ平面における電子の横方向スライスの空間分布に応じて、Ｐ偏光成分の強度が変化する。

偏光子４６を通過したパルスレーザ光は、図１に示すように、分光測定器５０に入射する。なお、遅延素子４３によって時間遅延が解消されているため、全領域のＰ偏光成分が同じタイミングで分光測定器５０に入射する。すなわち、各領域のパルス光に時間的なずれが存在していないので、同時に全領域Ａ〜Ｈのパルス光が入射する。分光測定器５０は、分光部５１と検出部５２とを有している。

分光部５１は、回折格子（グレーティング）やプリズムなどの分光素子を備えた分光器（スペクトロスコープ）である。分光部５１は、入射側に設けられているスリット等を介して入射したパルスレーザ光をその波長に応じて空間的に分散させる。反射型回折格子を用いた分光部５１の場合、さらに入射スリットからの光を分光素子までに導く凹面ミラーと分光素子によって分光された光を検出部５２まで導く凹面ミラーなどの光学系が設けられている。もちろん、上記以外の構成を有する分光部５１を用いてもよい。パルスレーザ光は分光部５１によって入射スリットの方向と垂直な方向に分散される。すなわち、分光部５１は、入射スリットのライン状の開口部と垂直な方向に出射光を波長分散する。分光部５１により分光された出射光は検出部５２に入射する。

検出部５２は受光素子がマトリクス状に配列されたエリアセンサ（カメラ）である。具体的には、検出部５２は受光画素がアレイ状に配置された２次元ＣＣＤカメラ、ＣＭＯＳカメラなどの２次元アレイ光検出器である。例えば、検出部５２には、ビジョンリサーチ社（Ｖｉｓｉｏｎ Ｒｅｓａｒｃｈ社）製のＰｈａｎｔｏｍ Ｖ１０．０等の超高解像高感度カメラを用いることができる。Ｐｈａｎｔｏｍ Ｖ１０．０は例えば、４．３Ｍピクセル有している。さらに、受光量が低い場合は、カメラにイメージインテンシファイアに取り付けることも可能である。尚、イメージインテンシファイアには、残光時間の短いものを用いることが好ましい。これにより、繰り返し測定の制限が緩和され、測定の繰り返し周波数を高くすることができる。例えば、ＤＨＴ（デルフトハイテック）社のイメージインテンシファイアを用い、蛍光面材料をＰ４６とすることが好ましい。また、例えば、ＳＰＥＣＴＲＡＬ ＩＭＡＧＩＮＧ社製 ＩｍＳｐｅｃｔｏｒなどを用いて、スペクトルグラフィー（スペクトル撮像）でスペクトルイメージを測定してもよい（Ｈ． Ｔｏｍｉｓａｗａ ｅｔ．ａｌ． "Ｓｐｅｃｔｒｏｇｒａｐｈｉｃ ａｐｐｒｏｃｈ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｏｆ ｒｆ ｂｒｅａｋｄｏｗｎ ｉｎ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｎｇ ｒｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ" Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ ２３５（２００４）２１４−２２０）。この分光測定器５０は、例えば、ＰＧＰ構造（Ｐｒｉｓｍ−Ｇｒａｔｉｎｇ−Ｐｒｉｓｉｍ）を取っている。

分光部５１で分光されることによって、異なる波長の光が、異なる受光画素に入射する。すなわち、波長に応じて入射する受光画素がずれる。これにより、パルスレーザ光のスペクトル測定が可能になる。例えば、最長波長λ_ｌの光は受光画素列の一端側の受光画素に入射し、最短波長λ_ｓの光は他端側の受光画素に入射する。そして、波長に応じて入射する受光画素が異なる。さらに、チャーピングされたパルスレーザ光を用いているため、受光画素列がパルスレーザ光内の時間に対応する。従って、パルス内において異なるタイミングの光は、異なる受光画素に入射する。例えば、パルス先端の光は、受光画素列の一端側の受光画素に入射し、パルス後端の光は、受光画素列の他端の受光画素に入射する。そして、１パルスのスペクトルを検出部５２のカメラの１フレームで検出する。すなわち、分光測定器５０のカメラの１フレームで、パルスレーザ光の１パルスのスペクトルが取得される。これにより、パルスレーザ光のスペクトル分布を高速に測定することができる。

ここで、分光測定器５０に入射したパルスレーザ光について、図９を用いて説明する。図９は、パルスレーザ光のスペクトルを模式的に示すグラフである。なお、図９のグラフでは、横方向が波長を示しており、縦方向がパルスレーザ光の強度を示している。図９でのパルスレーザ光の強度は、Ｐ偏光成分の強度である。また、分光部５１で分光された後では、横方向を検出部５２のカメラ受光面における空間的な位置として捉えることも可能である。さらに、遅延素子４３によって領域間の時間遅延が解消されているため、横方向を時間軸として捉えることもできる。図９のスペクトルは、カメラの１フレームで測定される。

それぞれの領域Ａ〜ＨのＰ偏光成分が足し合わされて、分光測定器５０に入射している。バンチ３７と同期して電気光学素子３０を通過する光は、領域に応じて、異なる波長範囲に展開されている。電子からの電場が印加されている状態の電気光学素子３０を通過するパルス光は、領域毎に異なる波長になっている。このため、Ｓ偏光成分に対応する凹みが存在する波長範囲が領域Ａ〜Ｈ毎にずれている。従って、分光測定器５０に入射するパルスレーザ光のスペクトルは、８つの凹みが生じている。それぞれの凹みは、各領域Ａ〜Ｈのスペクトルの凹みに対応する。この凹みは、偏光子４６で削られたＳ偏光成分に対応する。例えば、図９に示されているスペクトルの一番右の凹みは、領域Ａのパルス光のＳ偏光成分に対応する。

一番右の凹みは、波長範囲λ_ａＬ〜λ_ａＳの中に含まれる。また、一番左の凹みは、領域Ｈのパルス光のＳ偏光成分に対応する。このため、一番左の凹みは、波長範囲λ_ｈＬ〜λ_ｈＳの中に含まれる。同様に、スペクトルには、領域Ｂ〜ＧのＳ偏光成分に対応する凹みが生じている。それぞれの凹みは、異なる波長に表れる。そして、全ての凹みが他の凹みと重なっていない。異なる領域の凹みは、基準遅延時間Δｔに対応する波長だけずれている。すなわち、それぞれの凹みが時間的に離間する。分光部５１で分光すると、それぞれの凹みは、異なる波長に展開されている。８つの凹みに対応する波長の光は、カメラ受光面の異なる位置に入射する。よって、８つの凹みに対応する波長のＰ偏光成分は、異なる受光画素で検出される。

一つの凹みは一つの分割領域の電場に対応している。すなわち、各分割領域３０ａ〜３０ｈの電場に応じて、凹みの形状が変化する。この凹みの形状は、電気光学素子の時間応答に対応した時間分解能での、各スライスの電場の変化に対応する。例えば、領域Ａの電場に応じて、一番右の凹みが変化する。電子数の多い領域ほど、電場強度が高くなる。また、バンチの横方向スライスの空間分布が偏ると、電荷と電気光学素子３０が近い領域では、電場強度が高くなる。これにより、電気光学素子３０における複屈折効果が大きくなり、偏光状態の変化が大きくなる。偏光状態の変化が大きいと、パルス光のＰ偏光成分がより減少し、Ｓ偏光成分がより増加する。従って、それぞれの凹みの形状は、ＸＹ平面における電荷分布に反映される。すなわち、ＸＹ平面における電荷分布が非対称になると、８つの凹みの形状に違いが生じる。ＸＹ平面におけるバンチ形状に応じて、各波長範囲のスペクトル分布が変化する。各領域のＰ偏光成分を比較することで、ＸＹ平面における電子の分布を測定することが可能になる。これにより、ＸＹ平面におけるバンチ形状、及びバンチの位置を測定することができる。

さらに、電気光学素子３０に電場が印加されている時間が長くなると、凹みの幅が広くなる。従って、凹みの波長幅がその領域のバンチ長に対応する。さらに、各凹みの形状は、Ｚ方向におけるバンチ形状に対応する。すなわち、Ｚ方向のバンチ形状に応じて、凹みの形状が変化する。具体的には、バンチ内に含まれる電子数が増加すると、凹みが大きくなる。各波長範囲のＰ偏光成分を切り出して、足し合わせる。こうすることによって、Ｚ方向におけるバンチ形状を計測することができる。すなたち、電子ビーム３１の３次元空間分布を簡便に測定することができる。

このように、偏光子４６を通過したパルスレーザ光のスペクトルを測定することによって、電気光学素子３０の印加されている電場が測定される。すなわち、バンチ３７内の電子によって発生している電場の分布が、測定される。これにより、バンチ３７の３次元電荷分布を推測することができる。すなわち、バンチ３７内の電子の空間分布に応じて、各領域のＰ偏光成分の強度が変化する。さらに、Ｚ方向のプロファイル、を測定することが可能になる。よって、バンチ長やバンチ幅を求めることができる。バンチの３次元形状をシングルショットで計測することができる。

それぞれの領域のＰ偏光成分に生じる凹みは、異なる波長範囲に展開されている。すなわち、全領域のＰ偏光成分の凹みが異なる波長になっている。従って、分光測定器５０を用いてスペクトルを測定することによって、領域Ａ〜ＨのＰ偏光成分の凹みを別々に測定することができる。これにより、ＸＹ平面における空間分布を測定することができる。例えば、電子の数が多い領域や少ない領域が判別される。このため、ＸＹ平面におけるバンチ内の電荷分布の偏りが測定される。さらには、ＸＹ平面におけるバンチの拡がりが測定される。また、チャーピングされたパルスレーザ光を用いているため、波長が時間に対応している。従って、パルスレーザ光の時間分布を測定することができる。すなわち、スペクトル分布が時間分布に対応する。これにより、バンチ３７のＺ方向の空間分布、すなわち、バンチ長を計測することができる。具体的には、８つの凹みを足し合わせることで、バンチ形状を計測することができる。

なお、高速の分光測定器５０を用いることによって、ＭＨｚまでの高繰り返し計測に対応することができる。従って、バンチ形状の経時的な変化を測定することが可能になる。なお、上記の説明では、Ｐ偏光成分を検出したが、Ｓ偏光成分を検出してもよい。すなわち、偏光子４６によって、Ｓ偏光成分を取り出して、スペクトル測定してもよい。さらに、Ｐ偏光成分、及びＳ偏光成分の両方を測定してもよい。この場合、偏光ビームスプリッタなどで、パルスレーザ光のＳ偏光成分、及びＰ偏光成分を分岐する。そして、それぞれの偏光成分に対してスペクトル測定を行う。この場合、２つの分光測定器で測定を行う。

なお、分光測定器５０で測定されたスペクトルデータは、処理装置５５に入力される。すなわち、処理装置５５には、ＣＰＵやメモリ等の記憶領域を備えるコンピュータである。例えば、処理装置５５には、演算処理部であるＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶領域であるＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）、通信用のインターフェースなどを有し、焦点合わせを行うために必要な処理を実行する。例えば、ＲＯＭには、演算処理するための演算処理プログラムや、各種の設定データ等が記憶されている。そして、ＣＰＵは、このＲＯＭに記憶されている演算処理プログラムを読み出し、ＲＡＭに展開する。そして、設定データや、各センサ等からの出力に応じてプログラムを実行する。処理装置５５は、メモリや外部ストレージなどの記憶装置に、データを記憶する。さらに、処理装置５５は、検出結果を表示させるためのモニター等を有している。パルスレーザ光のスペクトルが表示画面に表示される。さらに、スペクトルに基づいて算出されたバンチ形状が表示される。バンチの電荷分布に応じて、スペクトル分布が変化する。よって、分光測定器５０でスペクトルを測定することによって、電荷分布をモニタすることができる。

なお、電気光学素子３０には、高速非線形応答の有機ポリマーを採用することが好ましい。これにより、時間分解能を例えば、３０ｆｓｅｃにすることができる。有機ポリマーとしては、例えば、ポリジアセチレン誘導体を用いることができる。このように、応答速度の高い電気光学素子３０を用いることによって、時間分解能を向上することができる。時間分解能がバンチ長よりも十分に短いと、バンチをスライスして測定することができる。すなわち、バンチをＸＹ平面と平行にスライスしたときの電荷分布を測定することができる。具体的には、各凹みの形状の変化が、電場の時間的な変化に対応する。従って、電場の時間的な変化から、電荷分布の時間的な変化を解析することができる。すなわち、バンチをＸＹ断面でスライスしたときの形状を測定することが可能になる。この電荷分布測定の処理例について、図１０〜図１３を用いて説明する。

まず、あるスライスに、単極子（モノポール）モーメント成分しかない場合について、図１０を用いて説明する。この場合、点電荷が電気光学素子３０の中心を通過しているとして捉えることができる。なお、図１０は、単極子モーメント成分しかない場合について説明するための図である。図１０の左側には、電気光学素子３０に発生する電場を斜視図が模式的に示され、右側にはその時に測定されるスペクトルが示されている。なお、電荷は、点線矢印の方向に進んでいる。

単極子モーメントでは、電場が点対称になる。なお、電子は、相対論的な領域まで加速されている。この場合、隣接するスライス間で電場がカップリングしない。ＸＹ平面における電場の電気力線は太実線矢印に示されるように、放射状になる。従って、電気光学素子３０の全分割領域３０ａ〜３０ｈに対して、それぞれの結晶軸と平行に電場が印加される。そして、それぞれの分割領域３０ａ〜３０ｈの電場強度は等しくなる。この場合、全領域Ａ〜Ｈで偏光状態の変化量が等しくなる。すなわち、分光測定器５０に入射するパルスレーザ光のＰ偏光成分はそれぞれの領域で等しくなる。よって、図１０に示すようなスペクトルが測定される。すなわち、８つの凹み（Ｓ偏光成分）の形状が等しくなっている。なお、単極子の静電ポテンシャルは、距離に反比例する。

次に、あるスライスに、双極子（ダイポール）モーメント成分しかない場合について、図１１を用いて説明する。すなわち、電気双極子が電気光学素子３０の中心を通過しているとして捉えることができる。なお、図１１は、双極子モーメント成分しかない場合について説明するための図である。図１１の左側には、電気光学素子３０に発生する電場を斜視図が模式的に示され、右側にはその時に測定されるスペクトルが示されている。なお、電気双極子は、点線矢印の方向に進んでいる。

双極子では、正負の電荷が微小距離だけ離れている。図１１の点線に示す等電位線は双極子の各電荷を囲む。また、電気力線は、双極子の２つの電荷を結ぶ。しかしながら、電気力線は上下２方向（双極子方向）に発散する。この２方向に対応する分割領域では、電場強度が高くなる。すなわち、図１１の太実線矢印が横切る分割領域では、電場強度が他の分割領域に比べて高くなる。互いに対向する２つの分割領域では、偏光状態が大きく変化して、Ｐ偏光成分が小さくなる。この場合、８つの分割領域の２つで凹み（Ｓ偏光成分）が大きくなる。ここでは、領域Ｃ、Ｇに対応する凹みが大きくなっている。このように、領域Ａ、Ｂ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｈに対応する６つの凹み（Ｓ偏光成分）よりも、領域Ｃ、Ｇに対応する２つの凹み（Ｓ偏光成分）が深くなる。なお、双極子の静電ポテンシャルは、距離の二乗に反比例する。

さらに、あるスライスに、四重極子（クアドラポール）モーメント成分しかない場合について、図１２を用いて説明する。すなわち、電気四重極子が電気光学素子３０の中心を通過しているとして捉えることができる。なお、図１２は、四重極子モーメント成分しかない場合について説明するための図である。図１２の左側には、電気光学素子３０に発生する電場の斜視図が模式的に示され、右側にはその時に測定されるスペクトルが示されている。なお、電気四重極子は、点線矢印の方向に進んでいる。

四重極子では、モーメントが等しい双極子が逆向きに並んでいる。図１２の点線に示す等電位線は、四重極子の各電荷を囲む。また、電気力線は、四重極子の正負の電荷を結ぶ。従って、四重極子モーメントの電場は上下左右４方向に発散する。この４方向に対応する分割領域では、電場強度が高くなる。すなわち、図１２の太実線矢印が横切る分割領域では、電場強度が他の分割領域に比べて高くなる。電場強度が大きくなる４つの分割領域は１つおきに配置される。４つの電場強度では、偏光状態が大きく変化して、Ｐ偏光成分が小さくなる。この場合、８つの分割領域の４つで凹み（Ｓ偏光成分）が大きくなる。ここでは、領域Ｂ，Ｄ，Ｆ，Ｈに対応する凹み（Ｓ偏光成分）が大きくなっている。このように、領域Ａ、Ｃ、Ｅ、Ｇに対応する４つの凹み（Ｓ偏光成分）よりも、領域Ｂ，Ｄ，Ｆ，Ｈに対応する４つの凹み（Ｓ偏光成分）が深くなる。

ここで、バンチ内の電荷による静電ポテンシャルを各モーメントの電場で近似する。そして、各モーメントの電場から、単極子、双極子、四重極子の空間分布を求める。これにより、電荷分布が求められる。すなわち、スペクトルデコーディングを行うことで、バンチ形状が計測される。ここで、単極子の静電ポテンシャルは、距離に反比例し、双極子の静電ポテンシャルは距離の二乗に反比例し、四重極子の静電ポテンシャルは距離の三乗に反比例する。従って、バンチ電荷の重心から遠いところの電場は、単極子で近似することができる。すなわち、距離が離れている場合、双極子、及び四重極子の静電ポテンシャルは見えてこない。しかしながら、近づくと双極子の静電ポテンシャルが見え、さらに近づくと四重極子の静電ポテンシャルが見えてくる。従って、バンチ内の電子によって電気光学素子３０に印加される電場から、スライス毎の電荷分布を解析することができる。スライス断面における電荷分布に応じて、スペクトル分布が変化する。従って、スペクトル分布を解析することで、スライス毎の電荷分布を解析することができる。

もちろん、四重極子モーメントまでではなく、六重極子モーメントや、八重極子モーメント、あるいはそれ以上のモーメントを用いて近似してもよい。但し、六重極子では距離の４乗、八重極子では距離の５乗に反比例するため、距離が十分遠い場合は、四重極子までのモーメントに比べて、無視することができる。従って、四重極子までで近似させることで、ＸＹ平面における静電ポテンシャルを簡便かつ正確に近似することができる。よって、正確な空間分布を簡便に求めることができる。このような近似方法については、例えば、ＳＵＷＡＤＡ "Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｆｉｅｌｄ Ｇｅｎａｒａｔｅｄ Ｂｙ Ｓｉｎｇｌｅ−Ｂｕｎｃｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍｓ"を参考とすることができる。

例えば、図１３に示すようなスペクトルが測定されたとする。図１３は、バンチ３７をスライスして測定するときの様子を説明するための図である。図１３では、領域Ｆに対応するスペクトルを全体のスペクトルの上に拡大して示している。領域Ｆに対応するスペクトルは、分割領域３０ｆに印加された電場を示している。さらに、波長範囲λ_ｆＬ〜λ_ｆＳにおけるＰ偏光成分の変化が、領域ＦでのＺ方向のバンチ形状を示している。分割領域３０ｆに印加される電場の時間変化は、領域Ｆに対応する凹みの形状に対応する。すなわち、波長範囲λ_ｆＬ〜λ_ｆｓの中で、異なる波長は、異なる時間における分割領域３０ｆにかかる電場を示している。

従って、それぞれの凹みの中で任意の波長におけるＰ偏光成分強度が、バンチ内のあるタイミングでの電場を示している。よって、各スライスでの電荷分布は、凹み中の特定の波長におけるＰ偏光成分強度から算出される。すなわち、８つの凹み中のＰ偏光成分強度を波長毎に解析することで、スライス断面における電荷分布を求めることができる。例えば、図１３のスライス断面Ｗ_１における領域Ａの波長をλ_ａ１とする。同様に、スライス断面Ｗ_１における領域Ｂ〜Ｈの波長をそれぞれ、λ_ａ１、λ_ｂ１、λ_ｃ１、λ_ｄ１、λ_ｅ１、λ_ｆ１、λ_ｇ１、及びλ_ｈ１（以下、λ_ｂ１〜λ_ｈ１とする）とする。λ_ａ１、λ_ｂ１、λ_ｃ１、λ_ｄ１、λ_ｅ１、λ_ｆ１、λ_ｇ１、及びλ_ｈ１は、それぞれΔｔに対応する波長だけずれている。λ_ａ１〜λ_ｈ１でのＰ偏光成分を組み合わせて解析することで、スライス断面Ｗ_１での電場が求められる。すなわち、λ_ｂ１〜λ_ｈ１のＰ偏光成分を領域の位置に応じて組み合わせる。これにより、電場強度の空間分布が推測される。そして、この電場強度の空間分布を各モーメントの静電ポテンシャルによって近似する。そして、静電ポテンシャルから、電荷分布を求める。これにより、バンチ形状を求めることができる。

スライス断面Ｗ_１において、各分割領域３０ａ〜３０ｈに印加されている電場の電場強度が求められる。その電場強度に基づいて、電荷分布を求めることができる。すなわち、この８つの波長におけるＰ偏光成分を用いて、各モーメント成分で電荷分布を近似する。そして、λ_ａ１、λ_ｂ１、λ_ｃ１、λ_ｄ１、λ_ｅ１、λ_ｆ１、λ_ｇ１、及びλ_ｈ１をそれぞれ短波長側にずらすと、次のスライス断面Ｗ_２での電荷分布を求めることができる。このように、８つの領域Ａ〜Ｆに対応する波長範囲の中から対応する８波長を抽出する。そして、抽出された８波長でのＰ偏光成分に基づいて、ＸＹ平面における電荷分布を測定することができる。また、電子は相対論的な領域まで加速されているため、隣接するスライス間で電場がカップリングしない。よって、スライス毎に電荷分布を簡便に計測することができる。このように、スペクトルデコーディングを行うことで、スライス毎の電荷分布に関する情報を簡便に取得することができる。

上記の測定方法による時間分解能は、フーリエパルス限界とチャーピングされたパルスレーザ光のパルス幅に応じて制限されてしまう。具体的には、フーリエパルス限界のパルス幅と、チャーピングされたパルスレーザ光のパルス幅の積の平方根に比例する。従って、電気光学素子３０に入射するパルスレーザ光のパルス幅をより狭くすることが好ましい。この場合、パルスレーザ光とバンチのジッターを考慮して、パルス幅をバンチ長の１０倍程度にしておくことが好ましい。

上記のように、時間分解能は、フーリエパルス限界によって制限される。ここで、測定された電場から、実際の電場を算出することで、より時間分解能を向上することができる。このキャリブレーション処理について、以下に説明する。ここで、電気光学素子３０に印加されている実際の実電場をＥ_ｃｏｕｌ（τ）とすると、電気光学素子３０を通過した光に基づいて測定される測定電場は、Ｅ_ｃｏｕｌ（τ＋ｔ_０）×ｃｏｓ（τ^２／α−π／４）となる。これについては、例えば、Ｊａｍｉｓｏｎ ｅｔ ａｌ．Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．１８ １７１０（２００３）に記載されている。ここで、τは時間、ｔ_０はフーリエパルス限界、αは電気光学素子３０の分散である。従って、測定電場から実電場を逆算することができる。これにより、時間分解能を向上することができる。なお、上記の逆算を電気光学素子３０に入射するパルスレーザ光のパルス波形によって補償してもよい。すなわち、パルス波形を矩形から変形させることで、スペクトル分布から直接実電場を求めることができる。具体的には、光変調器１３ａの変調信号を制御して、電気光学結晶の分散に基づいて波長毎の強度を変化させる。これにより、スペクトル測定から直接換算された電場が実電場となる。よって、電子ビームの空間分布を簡便に測定することができる。

なお、図１では、出射光学系４０に偏光変換素子４２を設けたが、この構成に限られるものではない。例えば、偏光子４６として、吸収軸の傾きが位置に応じて変化する偏光板を用いることで、偏光変換素子４２を省略することができる。例えば、吸収軸が放射状に配置された偏光板を用いる。具体的には、８つの分割領域に対応して、扇形状の偏光板を８つ用意する。そして、吸収軸が放射状になるよう８つの偏光板を配置する。すなわち、それぞれの分割領域での吸収軸が、図６の電気光学素子３０の結晶軸と平行になるように配置する。この場合、偏光子４６でアジマス偏光成分が取り出され、ラディアル偏光成分が吸収される。換言すると、図８のＳ偏光成分に対応するスペクトルを測定することができる。これにより、偏光変換素子４２を用いなくても、それぞれの領域から所定の偏光成分を取り出すことができる。すなわち、バンチ内の電子によって発生する電場強度が強くなると、吸収軸に垂直な成分が増加する。これにより、バンチ内の電子によって発生する電場強度に応じて、分光測定器５０で測定されるスペクトル分布が変化する。例えば、図８に示したＳ偏光成分に対応するスペクトルを測定することができる。

例えば、異なる８枚の偏光板を組み合わせることで、入射位置に応じて異なる吸収軸を有する偏光子４６を作成することができる。放射状に８等分された分割領域毎に、吸収軸の方向が異なる偏光板を配置する。これにより、偏光変換素子４２を用いなくても、所定の偏光成分を取り出すことができる。よって、部品点数を削減することができ、装置構成を簡素化することができる。もちろん、吸収軸が放射状に配置されたものではなく、８個の偏光板の吸収軸が円周状に配置された偏光子を用いることも可能である。この場合、各分割領域において、図６に示す電気光学素子３０の結晶軸と垂直な方向に吸収軸を配置する。これにより、図８に示したＰ偏光成分に対応するスペクトルを測定することができる。

また、偏光子４６を偏光ビームスプリッタとすることで、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分の両方を取り出すことができる。この場合、一方を上記のスペクトル測定に用い、他方を他の用途に用いることができる。偏光子４６で分岐された一方の分岐光を分光測定器５０で測定し、他方の分岐光を後述するテンポラルデコーディングに用いる。Ｐ偏光成分を上記のスペクトルデコーディングに用いて、Ｓ偏光成分をテンポラルデコーディングに用いることができる。テンポラルデコーティングを行うことによって、バンチの時間分布（縦方向の空間分布）を測定することができる。以下に、図１４を用いて、テンポラルデコーティングについて説明する。図１４は、バンチの時間分布を行うための構成を示す図である。なお、図１４では、図１で示した光学系を適宜省略している。

偏光子４６で取り出されたＳ偏光成分を非線形光学素子６２に入射させる。非線形光学素子６２は、例えば、ＢＢＯ結晶であり、和周波を発生する。ここで、偏光子４６で取り出されたＳ偏光成分のパルスレーザ光を測定光６８とする。

また、レーザ発振器１１からのパルスレーザ光の少なくとも一部を取り出す。すなわち、レーザ発振器１１からのパルスレーザ光の一部を、スペクトルデコーディングに使用して、残りをテンポラルデコーディングに使用する。レーザ発振器１１からのパルスレーザ光は、可変ディレイ６１に入射する。レーザ発振器１１からのパルスレーザ光は、上記の広帯域化部材１２に入射せずに、可変ディレイ６１に入射する。可変ディレイ６１は、入射したパルスレーザ光を遅延させる。そして、遅延されたパルスレーザ光は、非線形光学素子６３に入射する。ここで、可変ディレイ６１から出射されたパルスレーザ光を参照光６７とする。

参照光６７は、測定光６８と同期して、非線形光学素子６２に入射する。すなわち、可変ディレイ６１のディレイ時間を調整して、測定光６８と参照光６７を同期させる。これにより、同じタイミングで、測定光６８と参照光６７が非線形光学素子６２に入射している。なお、測定光６８と参照光６７は斜めに、非線形光学素子６２の同じ面（入射面）に入射している。すなわち、測定光６８の入射角と、参照光６７の入射角が異なっている。そして、非線形光学素子６２内で、測定光６８と参照光６７が交差する。そして、非線形光学素子６２内では、非線形光学効果によって、和周波が発生する。すなわち、交差位置で和周波が発生する。なお、参照光６７のパルス幅は、測定光６８のパルス幅よりも短くなっている。

ここで、非線形光学素子６２内で、測定光６８と参照光６７とが伝播する様子について図１５を用いて説明する。図１５は、非線形光学素子６２を伝播する測定光６８と参照光６７を模式的に示す上面図である。図１５では、上から順に、非線形光学素子６２を通過する測定光６８と参照光６７が示されている。ここでは、４つのタイミングにおける様子が上から順に示されている。図１５において、最も早いタイミング（例えば、非線形光学素子６２に入射した直後のタイミング）が上から１段目に示され、最も遅いタイミング（例えば、非線形光学素子６２から出射する直前のタイミング）が上から４段目に示されている。測定光６８は、それぞれのタイミングにおいて、左斜め上の方向に伝播している。参照光６７は、それぞれのタイミングにおいて、左斜め上の方向に伝播している。

測定光６８と参照光６７とが交差すると、非線形光学効果によって和周波が発生する。測定光６８と参照光６７とは斜めに交差している。和周波光の強度は、測定光６８の強度と参照光６７の強度によって変化する。従って、和周波が発生する位置が、徐々に変化していく。図１５では、時間が経過するにつれて、和周波が発生する位置が右側から左側にずれていく。和周波発生による光をアレイ光検出器６３で検出する。アレイ光検出器６３には、受光画素がアレイ状に配列されている。非線形光学素子６２を通過した和周波光をアレイ光検出器６３で検出する。これにより、測定光６８のパルスの時間分布を測定することができる。すなわち、アレイ光検出器６３の受光面上での位置が、パルスの時間方向の位置に対応する。従って、パルスの時間方向の情報が、アレイ光検出器６３の受光面上の位置に展開される。アレイ光検出器６３で測定結果には、測定光６８の時間分布が反映されている。Ｓ偏光成分は、上記のように、バンチ形状を反映している。アレイ光検出器６３で和周波を検出することによって、バンチの時間分布を測定することができる。

このように、電気光学素子３０を通過したパルスレーザ光のパルス幅を遅延素子４３で短くする。そして、非線形光学素子６２内において、レーザ発振器１１からの参照光６７と交差させる。これにより、バンチの時間分布を測定することができる。さらに、テンポラルデコーディングによって測定されたバンチの時間分布を上記のキャリブレーションに用いることができる。すなわち、スペクトルデコーディングによって測定された時間分布をテンポラルデコーディングによって測定された時間分布によって、キャリブレーションする。なお、非線形光学素子６２内において、非線形光学効果によって発生した光は、参照光６７、及び測定光６８から分離して、アレイ光検出器６３で測定される。なお、非線形光学素子６２における非線形光学効果は、和周波発生に限られるものではない。例えば、差周波発生であってもよい。

さらに、偏光子４６で取り出されたＳ偏光成分を他の用途に用いてもよい。例えば、加速器ベースの光源（放射光源）とレーザとのポンプ・プローブにおいて、パルス光を同期させるためのシグナル光として利用することもできる。ポンプ・プローブでは、例えば、レーザ光をポンプ光とし、パルス放射光をプローブ光とする。このような、ポンプ・プローブでは、エレクトロニクスの問題によって、通常、ピコ秒程度のタイミングジッターが存在する。従って、フェムト秒やアト秒の短パルスレーザをパルス放射光と、同期させることが困難である。従って、Ｓ偏光成分を同期させるためのシグナル光として用いる。これにより、正確にパルス光を同期できるため、タイミングジッタの問題を改善することができる。

例えば、Ｓ偏光成分をシグナル光とし、Ｙｂファイバーレーザの２倍波等をポンプ光（励起光）として、ＮＯＰＡ（非平行光パラメトリック増幅器、又は非同軸光パラメトリック増幅器：Ｎｏｎｃｏｌｌｉｎｅａｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐａｒａｍｅｔｒｉｘ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）増幅を行う。ポンプ・プローブ測光方法において、ＮＯＰＡ増幅されたパルス光をポンプ光として用いる。また、電子ビームから発生したＦＥＬなどの放射光をプローブ光として用いる。もちろん、ＮＯＰＡ増幅されたパルス光をプローブ光として用い、量子ビームから放射した光（シンクロトロン放射光、ＦＥＬ等）をポンプ光として用いてもよい。そして、プローブ光と、ポンプ光を試料に同期して入射させる。このとき、ポンプ光とプローブ光とは数度の角度をなして、ＢＢＯ結晶に入射させる。光学的にディレイすることができるため、オールオプティクスで構成することができる。このため、ポンプ光と、プローブ光の間にジッターがほとんどない。ポンプ光と、プローブ光とを正確に同期して、試料に照射することができる。このように、フェムト秒電子バンチとフェムト秒で同期した、高強度のフェムト秒レーザ光を利用することができる。超短パルスを用いたポンプ・プローブ測定方法が可能になる。

また、上記の測定装置において、Ｓ偏光成分のレーザパルスを、そのまま光ファイバー等で実験ユーザーに光トリガー信号として配布することもできる。これにより、光トリガー信号で動く測定器（光スイッチなど）による計測実験が、可能になる。すなわち、フェムト秒タイミングジッターでの計測実験が可能になる。もちろん、Ｓ偏光成分の強度や波長が光トリガー信号として不適切であれば、その機器に合うように、ＮＯＰＡにより増強、波長変換、あるいは波長選択することもできる。このように、Ｓ偏光成分を測定器の光トリガー信号として利用することができる。

さらに、上記の説明では、出射光学系４０に遅延素子４３を設けたが、遅延素子４３を設けなくてもよい。すなわち、分光測定器５０の検出部５２の１フレームが十分に長い場合は、遅延素子４３を用いて、パルス幅を圧縮しなくてもよい。なお、遅延素子４３を用いることによって、パルス幅を縮めることができる。この場合、検出部５２の撮影速度を高くする必要がある。例えば、上記のＰｈａｎｔｏｍ Ｖ１０．０を用いることによって、１５３８００フレーム／ｓｅｃ（０．１５ＭＨｚ相当）の繰り返し周波数でも、毎バンチの測定が可能になる。この場合、外部ストレージに画像データを直接保存することで、数十分間の測定を行うことができる。遅延素子４３と遅延素子２３による遅延時間の合計を、領域毎に完全に一致させなくてもよい。すなわち、一部の領域で遅延時間の合計が異なっていてもよい。

電気光学素子３０の結晶軸の方向は放射状に限られるものでない。なお、電気光学素子の結晶軸を放射状にすることによって、電子による電場の影響を受けやすくなる。すなわち、複屈折による位相変化が大きくなるため、電気光学素子３０による偏光状態の変化が大きくなる。従って、より精度の高い測定を行うことができる。この場合、直線偏光をラディアル偏光に変換する偏光変換素子２４を用いることが好ましい。すなわち、偏光変換素子２４による電気ベクトルの振動方向と結晶軸の方向を平行にすることが好ましい。これにより、分光測定器５０での受光量を高くすることができる。よって、正確に測定することができる。もちろん、電気ベクトルの振動方向と結晶軸の方向とは、完全に平行になっていなくてもよい。

なお、偏光変換素子２４と遅延素子２３の配置は逆でもよい。この場合、偏光変換素子２４から出射したパルスレーザ光が遅延素子２３に入射する。従って、ラディアル偏光状態のパルスレーザ光が、段階的に遅延される。よって、領域Ａ〜Ｈ毎に段階的に時間遅延が与えられる。また、偏光変換素子４２と遅延素子４３の配置は逆でもよい。この場合、遅延素子４３から出射したパルスレーザ光が偏光変換素子４２に入射する。

なお、上記の説明では、電子ビームの測定について説明したが、測定対象が電子に限られるものではない。例えば、陽子やイオンなどの荷電粒子ビームであれば測定することができる。すなわち、荷電粒子加速器等の荷電粒子ビームを測定することができる。なお、相対論的な領域まで加速することで、電場が縦方向にカップリングしなくなる。よって、相対論的な領域まで加速した荷電粒子の測定に好適である。よって、加速器のビーム診断に好適である。また、ＲＦ電場で加速された荷電粒子に限らず、ＤＣ電場で加速された荷電粒子であってもよい。すなわち、ＲＦ加速器だけでなく、静電加速器のビームの３次元分布を測定することができる。この場合、荷電粒子ビームの形状の経時的な変化を測定することができる。時空間上でのビームの分布を測定することができる。

さらに、電子のエネルギー分布を測定することも可能である。例えば、ベンディングマグネットなどで、電子ビームを曲げた後、電気光学素子３０を通過させる。ベンディングマグネットで曲げられると、電子のエネルギーに応じて、電子が空間的に分散する。すなわち、電子のエネルギーによって、ベンディングマグネットでの曲率半径が異なる。例えば、ベンディングマグネットによってＹ方向の磁場を発生させると、電子ビームはＸ方向に曲げられる。このとき、Ｘ方向における位置が、電子のエネルギーに対応する。このように、エネルギーに応じて電子を空間的に分散させる。そして、ベンディングマグネットで曲げられた電子ビームに対して、測定を行う。電子ビームの３次元形状を測定することで、バンチ内の各スライスにおけるエネルギー分布を測定することが可能になる。

さらに、荷電粒子ビームに限らず、レーザビームやＦＥＬなどの光ビームの３次元的な空間分布を測定することもできる。光ビームの場合は、光ビームによって発生する電場を測定する。これにより、光ビームの偏光状態などを測定することができる。すなわち、量子ビームの３次元的な測定を行うことができる。ここで、量子ビームには、荷電粒子ビームに限らず、レーザビーム等の光ビームが含まれる。すなわち、電場を生じさせる量子ビームであれば測定することができる。レーザビームを測定する場合、例えば、測定するパルスレーザ光を電気光学素子３０に入射させる。なお、この場合、図６に示すような中空形状の電気光学素子３０ではなく、中心にも電気光学結晶が配置された電気光学素子３０が用いされる。従って、光軸近傍において、レーザビームが電気光学結晶に入射する。そのパルスレーザ光によって発生する電場によって、電気光学結晶に複屈折が生じる。よって、荷電粒子ビームと同様に、レーザビームを測定することができる。このように、量子ビームのパルス（バンチ）形状を３次元的に測定することができる。すなわち、時間分布、及び横方向空間分布の測定を簡便な構成で行うことができる。

例えば、Ｓ偏光成分をシグナル光とし、Ｙｂファイバーレーザの２倍波等をポンプ光（励起光）として、ＮＯＰＡ増幅する。ＮＯＰＡ増幅したパルス光を、ポンプ・プローブ測光方法のポンプ光（又はプローブ光）とする。また、レーザビームである量子ビームをポンプ・プローブ測光方法のプローブ光（又はポンプ光）とする。そして、プローブ光と、ポンプ光を試料に同期して入射させる。ポンプ光と、プローブ光の間にジッターがほとんどない。正確に同期した状態のポンプ光と、プローブ光とを試料に照射することができる。このように、偏光子４６で分岐した分岐光の一方を、ポンプ・プローブ方法に利用することが好適である。偏光子４６で分岐された他方の分岐光をＮＯＰＡ増幅する。ＮＯＰＡ増幅されたパルス光を、ポンプ・プローブ方法のポンプ光（又はプローブ光）として試料に照射する。さらに、量子ビーム、又は前記量子ビームから放射した光をプローブ光（又はポンプ光）として、試料に照射する。これにより、タイミングジッタの問題を改善することができる。また、３次元的な測定が行われた量子ビームを用いることができるため、効果的にポンプ・プローブ測定方法を行うことができる。

なお、偏光変換素子２４をアキシコンレンズ２１の光源部１０との間に配置してもよい。この場合、偏光変換素子２４を小さくすることができるため、偏光変換素子２４の部品コストを低減することができる。また、偏光変換素子４２をアキシコンレンズ４５と偏光子４６との間に配置しても、同様の効果を得ることができる。

また、偏光変換素子２４と電気光学素子３０との間に、リレー光学系を配置してもよい。これにより、偏光状態の分布の変化による影響を低減することができる。すなわち、パルスレーザ光が伝播する際に、回折の効果によって、ビーム断面における偏光状態の分布は変化する。この場合、回折による分布の変化が焦点面での電場分布に影響する可能性がある。従って、リレーレンズを設けて、偏光変換素子２４を通過した直後の偏光状態と、電気光学素子３０に入射する直前の偏光状態をほぼ同じにする。これにより、回折による偏光状態の分布の変化による影響を低減することができる。

本発明の実施の形態１にかかるビーム測定装置の構成を模式的に示す図である。 ビーム測定装置の光源部におけるパルスレーザ光を説明するための図である。 ビーム測定装置の光源部におけるパルスレーザ光を説明するための図である。 ビーム測定装置に用いられる遅延素子を説明するための図である。 ビーム測定装置に用いられる偏光変換素子を説明するための図である。 ビーム測定装置に用いられる電気光学素子を説明するための図である。 ビーム測定装置において、電気光学素子を通過するパルスレーザ光とバンチを模式的に示す断面図である。 ビーム測定装置において、電気光学素子を通過したパルスレーザ光の偏光状態を説明するための図である。 ビーム測定装置において測定されたパルスレーザ光のスペクトルを示す図である。 単極子とみなされるバンチが電気光学素子を通過したときの電場を説明するための図である。 双極子とみなされるバンチが電気光学素子を通過したときの電場を説明するための図である。 四重極子とみなされるバンチが電気光学素子を通過したときの電場を説明するための図である。 現実のバンチをスライスして測定するときの様子を説明するための図である。 テンポラルデコーディングで時間分布を測定するための構成を示す図である。 テンポラルデコーディングで時間分布を測定するための構成において、非線形光学結晶を通過する光を模式的に示す図である。

符号の説明

１０ 光源部、１１ レーザ発振器、１２ 広帯域化部材、
１３ チャーピングパルス波形整形器、１３ａ 光変調器、
１３ｂ パルスストレッチャー、１３ｃ 光増幅器、
１４ 波長板、１５ グランレーザ・カールサイト偏光子、
２０ 入射光学系、２１ アキシコンレンズ、２２ アキシコンレンズ、
２３ 遅延素子、２４ 偏光変換素子、２５ ミラー、
２３ａ〜２３ｈ 分割領域、２４ａ〜２４ｈ 分割領域、
３０ 電気光学素子、３０ａ〜３０ｈ 分割領域、３３ 中空部
３５ａ パルス光、３５ｈ パルス光、３７ バンチ、
４０ 出射光学系、４１ ミラー、４２ 偏光変換素子、４３ 遅延素子、
４４ アキシコンレンズ、４５ アキシコンレンズ、
５０ 分光測定器、５１ 分光部、５２ 検出部、５５ 処理装置
６１ 可変ディレイ、６２ 非線形光学素子、６３ アレイ光検出器、
６７ 参照光、６８ 測定光

Claims (34)

1. パルスレーザ光を用いて量子ビームを３次元的に測定するビーム測定装置であって、
   レーザ発振器によって発振したパルスレーザ光の波長が時間に応じて変化するよう、前記パルスレーザ光のパルス波形を整形して出射する光源部と、
   前記光源部から出射したパルスレーザ光に対して入射位置に応じた時間遅延を与える第１の遅延素子と、前記パルスレーザ光を入射位置に応じて異なる偏光状態に変換する第１の偏光変換素子と、を有する入射光学系と、
   前記量子ビームのビーム径路に配置され、入射位置に応じて異なる結晶軸を有する電気光学素子と、
   前記入射光学系から前記電気光学素子を介して入射したパルスレーザ光から、所定の偏光成分を取り出す偏光子と、
   前記偏光子で取り出されたパルスレーザ光のスペクトルを測定する測定器と、を備えるビーム測定装置。
2. 前記電気光学素子の結晶軸が放射状になるよう、前記電気光学素子には放射状に配置された複数の電気光学結晶が設けられている請求項１に記載のビーム測定装置。
3. 前記第１の偏光変換素子が、放射状に分割された分割領域を複数有し、
   前記パルスレーザ光の光軸と垂直な平面において、前記電気光学素子に設けられた複数の電気光学結晶が、前記第１の偏光変換素子に設けられた分割領域に対応する位置に配置され、
   前記電気光学素子に入射するパルスレーザ光の電気ベクトルの振動面が、前記放射状の結晶軸と同じ方向になるよう、前記第１の偏光変換素子が偏光状態を変換している請求項２に記載のビーム測定装置。
4. 前記第１の遅延素子が、前記第１の偏光変換素子に設けられた複数の分割領域に対応するよう、前記パルスレーザ光を入射位置に応じて段階的に遅延させることを特徴とする請求項３に記載のビーム測定装置。
5. 前記第１の遅延素子によって与えられる段階的な遅延時間が、前記量子ビームのパルスよりも長くなっている請求項４に記載のビーム測定装置。
6. 前記第１の偏光変換素子に設けられた複数の分割領域には、入射した光の位相をずらして出射する波長板がそれぞれ設けられ、
   前記対向する分割領域において、前記波長板の光学軸が略直交している請求項３、４、又は５に記載のビーム測定装置。
7. 前記第１の遅延素子によって与えられる最大の遅延時間が、前記光源部から出射するパルスレーザ光のパルス幅よりも短くなっており、
   前記第１の遅延素子によって時間遅延が与えられた前記パルスレーザ光が、前記パルスレーザ光の光軸の外周全体で時間的に重複している重複期間を有している請求項１乃至６のいずれかに記載のビーム測定装置。
8. 前記レーザ発振器は、前記重複期間のパルスレーザ光が前記電気光学素子を通過するタイミングと、
   前記量子ビームのパルスが前記電気光学素子を通過するタイミングと、が同期するように前記パルスレーザ光を発振する請求項７に記載のビーム測定装置。
9. 前記電気光学素子から出射したパルスレーザ光に対して入射位置に応じた時間遅延を与えて、前記偏光子に入射する光のパルス幅を短くする第２の遅延素子と、
   前記レーザ発振器によって発振したパルスレーザ光の一部が参照光として入射する非線形光学素子とをさらに備え、
   前記偏光子が偏光方向に応じてパルスレーザ光を分岐し、
   前記偏光子で分岐された一方の分岐光を前記測定器で測定し、
   前記偏光子で分岐された他方の分岐光を前記非線形光学素子に入射させ、前記非線形光学素子内で前記参照光と交差させ、
   前記非線形光学素子での非線形光学効果によって発生した光をアレイ検出器によって測定する請求項１乃至８のいずれかに記載のビーム測定装置。
10. 前記第２の遅延素子は、前記第１の遅延素子に入射する前の前記パルスレーザ光のパルス幅と、前記第２の遅延素子を出射した後の前記パルスレーザ光のパルス幅を略等しくする請求項９に記載のビーム測定装置。
11. 前記電気光学素子には、前記量子ビームが通過する中空部が設けられている請求項１乃至１０のいずれかに記載のビーム測定装置。
12. 前記電気光学素子に入射するパルスレーザ光を円環状にする１対のアキシコンレンズをさらに備え、
    前記円環状のパルスレーザ光が前記中空部の外側を通過する請求項１１に記載のビーム測定装置。
13. 前記電気光学素子から出射したパルスレーザ光が入射する第２の偏光変換素子を備え、
    前記第２の偏光変換素子が、入射位置に応じて異なる偏光状態に変換する請求項１乃至１２のいずれかに記載のビーム測定装置。
14. 前記第１の偏光変換素子と前記第２の偏光変換素子とが、同じ方向の光学軸を有している請求項１３に記載のビーム測定装置。
15. 前記測定器が、前記パルスレーザ光を分光して、スペクトル測定を行う分光測定器である請求項１乃至１４のいずれかに記載のビーム測定装置。
16. 前記分光測定器は、１フレームで、前記パルスレーザ光の１パルスのスペクトルが取得可能な分光測定器用アレイ検出器を有する請求項１５に記載のビーム測定装置。
17. パルスレーザ光を用いて量子ビームを３次元的に測定するビーム測定方法であって、
    レーザ発振器によって発振したパルスレーザ光の波長が時間に応じて変化するよう、前記パルスレーザ光のパルス波形を整形して出射するステップと、
    前記整形されたパルスレーザ光に対して入射位置に応じた時間遅延を与えるとともに、前記パルスレーザ光を入射位置に応じて異なる偏光状態に変換するステップと、
    前記時間遅延が与えられたパルスレーザ光を、前記量子ビームのビーム径路に配置され、入射位置に応じて異なる結晶軸を有する電気光学素子に入射させるステップと、
    前記電気光学素子から出射したパルスレーザ光から、所定の偏光成分を取り出すステップと、
    前記パルスレーザ光から取り出された所定の偏光成分のスペクトルを測定するステップと、を備えるビーム測定方法。
18. 前記電気光学素子の結晶軸が放射状になるよう、前記電気光学素子には放射状に配置された複数の電気光学結晶が設けられている請求項１７に記載のビーム測定方法。
19. パルスレーザ光を入射位置に応じて異なる偏光状態に変換するステップでは、
    前記パルスレーザ光を、放射状に分割された分割領域を複数有する第１の偏光変換素子に入射させ、
    前記パルスレーザ光の光軸と垂直な平面において、前記電気光学素子に設けられた複数の電気光学結晶が、前記第１の偏光変換素子に設けられた分割領域に対応する位置に配置され、
    前記電気光学素子に入射するパルスレーザ光の電気ベクトルの振動面が、前記放射状の結晶軸と同じ方向になるよう、前記第１の偏光変換素子が偏光状態を変換している請求項１８に記載のビーム測定方法。
20. 前記パルスレーザ光の光路中に設けられた第１の遅延素子によって、前記入射位置に応じた時間遅延が与えられ、
    前記第１の偏光変換素子に設けられた複数の分割領域に対応するよう、第１の遅延素子が前記パルスレーザ光を入射位置に応じて段階的に遅延させる請求項１９に記載のビーム測定方法。
21. 前記第１の遅延素子によって与えられる段階的な遅延時間が、前記量子ビームのパルスよりも長くなっている請求項２０に記載のビーム測定方法。
22. 前記第１の偏光変換素子に設けられた複数の分割領域には、入射した光の位相をずらして出射する波長板がそれぞれ設けられ、
    前記対向する分割領域において、前記波長板の光学軸が略直交している請求項１９、２０又は２１に記載のビーム測定方法。
23. 前記パルスレーザ光に与えられる最大の遅延時間が、前記光源部から出射するパルスレーザ光のパルス幅よりも短くなっており、
    前記時間遅延が与えられた前記パルスレーザ光が、前記パルスレーザ光の光軸の外周全体で時間的に重複している重複期間を有している請求項１７乃至２２のいずれかに記載のビーム測定方法。
24. 前記重複時間のパルスレーザ光が前記電気光学素子を通過するタイミングと同期して、
    前記量子ビームのパルスが、前記電気光学素子を通過する請求項２３に記載のビーム測定方法。
25. 前記電気光学素子から出射したパルスレーザ光に対して入射位置に応じた時間遅延を与えて、パルス幅を短くするステップと、
    前記レーザ発振器によって発振したパルスレーザ光の一部を参照光として非線形光学素子に入射させるステップと、をさらに有し、
    前記パルスレーザ光から、所定の偏光成分を取り出すステップでは、偏光子を用いて偏光方向に応じてパルスレーザ光を分岐し、
    前記スペクトルを測定するステップでは、前記偏光子で分岐された一方の分岐光のスペクトルを測定し、
    前記偏光子で分岐された他方の分岐光を前記非線形光学素子に入射させ、前記非線形光学素子内で、前記参照光と交差させ、
    前記非線形光学素子での非線形光学効果によって発生した光をアレイ光検出器によって測定する
    請求項１７乃至２４のいずれかに記載のビーム測定方法。
26. 前記電気光学素子に入射する前と、前記パルス幅が短くされた後とで、前記パルスレーザ光のパルス幅が略等しくなっている請求項２５に記載のビーム測定方法。
27. 前記電気光学素子には、前記量子ビームが通過する中空部が設けられている請求項１６乃至２６のいずれかに記載のビーム測定方法。
28. 前記電気光学素子に入射するパルスレーザ光を円環状にする１対のアキシコンレンズをさらに備え、
    前記円環状のパルスレーザ光が前記中空部の外側を通過する請求項２７に記載のビーム測定方法。
29. 前記電気光学素子から出射したパルスレーザ光を入射位置に応じて異なる偏光状態に変換するステップをさらに有する請求項１７乃至２８のいずれかに記載のビーム測定方法。
30. 前記整形されたパルスレーザ光を入射位置に応じて異なる偏光状態に変換する第１の偏光変換素子と、前記電気光学素子から出射したパルスレーザ光を入射位 置に応じて異なる偏光状態に変換する第２の電気光学素子とが、同じ方向の光学軸を有する波長板を有している請求項２９に記載のビーム測定方法。
31. 前記スペクトルを測定するステップでは、前記パルスレーザ光を分光して、スペクトル測定を行う分光測定器を用いて測定する請求項１７乃至３０のいずれかに記載のビーム測定方法。
32. 前記分光測定器に設けられた分光測定器用アレイ検出器の１フレームで、前記パルスレーザ光の１パルスのスペクトルが取得される請求項３１に記載のビーム測定方法。
33. 請求項１７乃至３２のいずれかに記載されたビーム測定方法で測定されたビームを用いるポンプ・プローブ測定方法であって、
    前記パルスレーザ光から、所定の偏光成分を取り出すステップでは、偏光子を用いて偏光方向に応じてパルスレーザ光を分岐し、
    前記スペクトルを測定するステップでは、前記偏光子で分岐された一方の分岐光のスペクトルを測定し、
    前記偏光子で分岐された他方の分岐光をＮＯＰＡ増幅し、ポンプ光、及びプローブ光の一方として試料に照射し、
    前記量子ビーム、又は前記量子ビームから放射した光をポンプ光、及びプローブ光の他方として、試料に照射するポンプ・プローブ測定方法。
34. パルスレーザ光を用いて量子ビームを３次元的に測定するビーム測定装置であって、
    レーザ発振器によって発振したパルスレーザ光の波長が時間に応じて変化するよう、前記パルスレーザ光のパルス波形を整形して出射する光源部と、
    前記パルスレーザ光を入射位置に応じて異なる偏光状態に変換する第１の偏光変換素子と、を有する入射光学系と、
    前記量子ビームのビーム径路に配置され、入射位置に応じて異なる結晶軸を有する電気光学素子と、
    前記入射光学系から前記電気光学素子を介して入射したパルスレーザ光から、所定の偏光成分を取り出す偏光子と、
    前記偏光子で取り出されたパルスレーザ光のスペクトルを測定する測定器と、を備えるビーム測定装置。

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