JP5588106B2 - 光アンジュレータを使用する高効率単色x線源 - Google Patents
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Description
本出願は、2005年6月2日に出願の米国特許出願第60/687,014号の米国特許法119条(e)の利益を主張し、その全体の開示が参照によって組み込まれる。
手短に言って、本発明の実施形態は、x線やその他のエネルギー性の電磁放射(紫外線及びガンマ線を含む短波長)の生成を可能にする。これらの実施形態は、x線結晶構造解析、医学x線撮影法、x線治療、その他のx線やガンマ線撮像システム、さらに原子及び高エネルギー物理学の調査に必要な、高輝度の、準単色の、高平均出力、高ピーク出力のx線ビームを提供する。
(a)入射する光学的なマイクロパルスの部分が共振器の鏡を通って共振器内に伝達され、循環する光学的なマイクロパルスの部分が共振器の鏡によって(反転して)反射される
(b)入射する光学的なマイクロパルスの部分が共振器の鏡によって(反転して)反射され、循環する光学的なマイクロパルスの部分が共振器の鏡を通って伝達される一般的な場合を示す。
(a)共振器の鏡によって伝達された入射する光学的なマイクロパルスの一部分の振幅が、共振器の鏡によって反射された循環する光学的なマイクロパルスの一部分にコヒーレントに加わる
(b)共振器の鏡によって反射された入射する光学的なマイクロパルスの部分、共振器の鏡を通って伝達された循環する光学的なマイクロパルスの部分の振幅が、共振器の外側で打ち消しあうよう(すなわち破壊的)に加わることになる。
空間的に周期的な横断方向の磁界又は電磁界によって偏向された相対論的電子線は、γ2k2A2の積に比例した比率で電磁エネルギーを放射する。ただし、
γはローレンツ因子E/mc2で、
kは、界の空間的な振動の周期λを特定する波数2π/λで、
Aは、rmsベクトル・ポテンシャルである。
正規化ベクトル・ポテンシャルanを定義することも有用である。ただし、cgs単位でan=eA/mc2
まさにこれらの要求する制約を満たすために、本明細書に記載された本発明は、鏡にcm尺度の点の寸法を維持しながら、循環する光学的なマイクロパルスを光学的な波長の程度の焦点に持っていくそのような共振器の能力を活用するために、高い技巧の、球面に近い光共振器の整合モードで1つ又は複数の低い平均出力のパルスレーザから、ピコ秒の、同期された、位相コヒーレントな光パルスを集積することによって形成された、光アンジュレータを利用する。この様式で、共振器の構成要素の表面でのピーク・パワー密度とフルエンスが安定かつ信頼できる運転と調和するように維持しながら、焦点のベクトル・ポテンシャルが均一に近づき、光共振器が構築できる。
本発明の稼動に必要な光学的な放射は、その光学的なマイクロパルスが、共振器内で循環する光パルスのラウンドトリップ・トランジットタイムの整数倍に等しい期間を有する位相と振幅において変化する、1つ又は複数のそれぞれがパルスの、位相コヒーレントなレーザ供給源によって生成される。そのようなレーザは、一般的に光アンジュレータとして使用するのに必要なピーク出力を直接的に得ることが不可能であるが、低い出力の位相コヒーレントなレーザ源から得られる代表的なパルスは、共振器内で少なくとも3桁、レーザ出力パワーを超えるピーク出力を達成するために、適切に設計された低損失の光蓄積共振器内で統合できる。
図4は、2つの個別のレーザ25a、25bからの光学的なマイクロパルスがそれぞれの単一の循環する光学的なマイクロパルス60a、60bを確立するのに使用される実施形態を示す概略図である。図示されるように、レーザは、(インターリーブされるマクロパルスを提供するのではなく)単一の光学的なマクロパルスを生成するそれぞれのレーザと調和する、共振器のラウンドトリップ・トランジットタイムによって分離され、入射する光学的なマイクロパルス50a、50bのそれぞれの列をもたらす。これらのビームは、原則的には2つのレーザビームは、共振器の両側に導入できるが、共振器に導入される前にビーム結合器122で結合される。
本発明で使用される電子ビームは、1つ又は複数のRF又はマイクロ波加速器によって提供され、そのそれぞれは、拡張された一連の電子バンチを生成する(それぞれがRF位相で角度を10°以上の範囲を定めず、加速器の稼動周波数又はその整数倍の周期で間隔を空けることが好ましい)。そのようなビームの実現可能な供給源には、RF若しくはマイクロ波線形加速器、マイクロトロン、又は蓄積リングが含まれる。代表的な実施形態は、1つ又は複数の10〜30MeV電子線形加速器を使用し、それぞれが高い平均電流のバンチ電子ビームを生成するために3GHzで稼動する熱イオンマイクロ波ガンを利用する。
単純な2つの鏡の光蓄積共振器の設計及び稼動が、科学文献(Siegman 1996a)に広範に論評され、このタイプの共振器は、高エネルギー物理での調査用のシングルパスの線形衝突型加速器で使用される高エネルギー低放射率電子ビームの断面を測定するための非常に優れた「optical wires」(Sakai 2001)を提供するためにCWレーザ供給源と共に既に使用されている。従来技術は、パルスの積み重ねのためのモードロック・ポンプを使用する場合に蓄積されたパルスの注入の効率と振幅を最適化する固有モードの間隔に整合させるために、モードロック周波数を調整する必要にも対処している(Jones 2001)。
2つの鏡の共振器では、最小の焦点スポット寸法と特定のラウンドトリップ・トランジットタイムの達成は、鏡の製造での実際に達成可能であるより大きな正確さ、又は許容できないレベルの内部応力を招く可能性もある手順である、その表面を必要な形状に合致させるために鏡を変形させる機構を必要とする。したがって、共振器の2つの主要な鏡の製造で不可避の誤差を補償するために製造し配置できる第3の要素を共振器に加えることが一般に好ましい。したがって、本発明に使用される光蓄積共振器に関する実行可能な設計は、必要な正確さを対応する正確さが製造において達成できる別の光学素子に伝え、動作の際に共振器パラメータを適切に調整する技術を提供することによって、鏡の製造の上記の制限を回避する。少なくとも2つのそのような一般的な3要素の共振器構成が実現できる。
図5は、本発明の実施形態を実施するのに適した光共振器30の第1の構成の概略図である。この構成は、ポンプ・レーザからのp偏光された光に対してブルースター角で、又はほぼブルースター角で向けられた有限の厚さの誘電性のブルースター・プレートとして球形度補償器110を実装する。共振器内のプレートの存在は2つの効果がある。
(i)共振器内のパルスのラウンドトリップ・トランジットタイムをプレートの厚さに正比例する時間の遅れによって増加させる。
(ii)最接近した鏡の湾曲の中心をプレートの厚さに正比例する空間での変位によって光学的に移動させる。(i)及び(ii)での時間的かつ空間的な変位は、プレートの独立の物理的な特性によって決定され、したがってそれらは蓄積共振器の設計で独立に規定することができる。共振器による循環する光学的なマイクロパルスの最適な合焦は、2つの鏡32、35の湾曲の中心が、ビームのウエストに対応する125で示された点と実質的に一致するとき生じる。
1)誘電プレートに対するノミナル厚さ、入射角、及び共振器内の位置を選択する。プレートのノミナル厚さに関する最適な選択は、下記の段落[0096](翻訳文では0085)に説明される。
2)プレートによって導かれた時間の遅れを含む効率的なパルスの積み重ねに必要な物理的な鏡の離隔距離を計算する。この計算は、プレートの厚さを伴う第1の式を生み出す。
3)プレートによって光学的に導かれた空間的な変位を含むウエストで焦点スポットの所望の半径を得るために必要な2)で決定された間隔を使用して鏡の曲率半径を計算する。この計算は、プレートの厚さを伴う第2の式を生み出す。
4)共振器の鏡を3)で決定された半径に可能な限り近く整合する曲率半径を使用して共振器の鏡を製造する。
5)干渉計又はその他の光学的な技術によって、4)で製造された鏡の実際の曲率半径を測定する。数マイクロメートルの誤差内でこの測定を行うのに必要な方法が従来技術に見ることができる。
6)ステップ2)と3)からのプレートの厚さを伴う2つの独立した式を使用し、ステップ5)からの測定された曲率半径をこれらの式での固定されたパラメータとして使用し2つの新しい未知数に関するこれらの2つの式を解く。i)プレートの新しい厚さ、及びii)新しい物理的な鏡の離隔距離
図6は、本発明の実施形態を実施するのに適した光共振器30の30'で示される第2の構成の概略図である。この構成は、(共振器の球形度を介して)焦点スポットとパルスの積み重ねを独立に最適化することが可能である。この設計は、図示される様式で折り曲げられる線形の共振器軸を生成するために、3つの鏡(2つの湾曲した共振器の鏡140、145と、実質的に平坦な鏡150)を使用する。緊密に合焦するウエストを囲む共振器の領域が湾曲した鏡140、145によって境界を定められる。
電子ビームと蓄積された光パルスとの焦点が一致するようにそのような光蓄積共振器を電子ビームの焦点の付近に配置し、注入される光パルス及び/又は加速された電子ビームのタイミングが2つのビームをそれらの共通の焦点で交差させるように制御することによって、加速されたビームのそれぞれのバンチの電子が、強力な、蓄積された光パルスによって生成された強力なアンジュレータの界に光パルスのピーク強度で、又はその付近で曝され、それによって、高い強度の光パルスが光蓄積共振器内で循環して、これらのより小さい電子のバンチの複数の連続的な衝突によって、それぞれの衝突の際にアンジュレータの放射の効率的な生成に必要な条件や、高い平均X線フルエンスと輝度を達成する。
w(z)=w0[1+(z/zR)2]1/2
ただし、w0は焦点スポットでの点の半径であり、zRは焦点スポットの「界の深度」を特定するレイリー・パラメータである。
7)焦点スポット領域の光パルスの断面が電子ビームの断面と整合したままになる。
8)電子が、光パルスの質量中心が焦点スポットの前の1つのレイリー・パラメータの点に到達する時間と、パルスの質量中心が焦点スポットに到達する時間との間の間隔中のある時点で対抗して伝播する光パルスに当たる。
9)光パルスが光の速度で割ったレイリー・パラメータの2倍以下にほぼ等しい継続時間を有する。
10)光蓄積共振器に関するレイリー・パラメータが、およそ加速器の駆動装置によってもたらされる電子バンチの長さ以上に設定される。
鏡での光強度又は熱出力負荷を適用可能な損傷しきい値の下に制限しながら相互作用領域で所望のベクトル・ポテンシャルを生み出す、レーザ駆動蓄積共振器に関する代表的な設計階層構造が以下に説明される。この設計手順は、例として意図するものであり、排他的又は限定的であることを意図しない。
それに対して
λ=1μm
ω0=10μm(それに関してzR=0.31mm=c(1ps))
τp=1ps
vp=2.86GHz
Pcirc=43GW(an=0.1に対応する)
Pinc=50MW(逆テーパを付けられたFELに対応する)
FΩ=60J/cm2(TΩ=1μsに関する保守的なフルエンスの損傷しきい値)
上記のパラメータに関しては、式2がδc=0.285%のランドトリップの共振器損失を特定し、次いで式1が共振器内の全体でN=1073ラウンドトリップを特定し、次いで式3及び後続するものが共に放射間隔に関してTΩ=5.4μsの継続期間を特定する。
上述したように、蓄積共振器内の電子マイクロパルス、ポンプ・レーザからの光学的なマイクロパルスと、循環する光学的なマイクロパルスが同期されることが重要である。これを達成するためのいくつかの実行可能な手法がある。概略的には、本発明の実施形態は、以下のもののうちの1つ又は複数を設定及び安定化するためのセンサ及び制御部を設けることができる。
・ 光共振器の焦点スポットパラメータとラウンドトリップ・トランジットタイム
・ ポンプ・レーザのレーザ及び光学的なマイクロパルスの周期性
・ 電子ビーム加速器の周波数
・ 加速器の位相及び電子ビーム・ステアリング
好ましい実施形態は、上記の少なくともいくつか、及び好ましくはすべてのものを安定化させることを目的とする。
・ 光蓄積共振器の鏡の同心度。代表的な制御が光蓄積共振器の鏡の平行移動及び/又はレーザのバックヒーティングを備えることができる。
・ 循環する光パルスのラウンドトリップ・トランジットタイム。代表的な制御が、光パルスのエンベロープの尺度及び感度による鏡の平行移動からなることができる。
・ 光蓄積共振器への駆動レーザの周波数整合。代表的な制御が、光波長の部分の尺度及び空間的な解像度によるレーザ共振器の鏡の平行移動を行うことができる。
・ 駆動レーザシステムのマイクロパルスの繰り返し周波数。
・ RF電子加速器のマイクロバンチの繰り返し周波数。
・ 光蓄積共振器の鏡の横断方向の位置合わせ。
・ 駆動レーザビームの横断方向の位置合わせとタイミング。
・ 駆動レーザビームの長手方向の位置合わせとモード整合。
・ 入射する電子バンチの横断方向の位置合わせとタイミング。
・ 駆動レーザからの光パルスの入射する電子バンチとの同期。
駆動レーザ及び蓄積共振器の最適な位置合わせを維持する制御に要求される感度は、駆動レーザの空間モードと蓄積共振器のTEM00モードの重複を決定するシステム・パラメータに依存する。駆動レーザモードそれ自体がTEM00モードの場合、その共振器モードへの連結は、ガウスモード理論から計算される以下の出力連結係数ηによって分析的に決定される(ここでは、駆動レーザ及び共振器モードの完全な空間的な位置合わせが均一の出力連結係数に対応することを想定する)。
1)入射する駆動レーザビームが、共振器軸からの一様な横断方向変位Sを除いて、共振器モードに完全に位置合わせし、モード整合する場合、
ただし、ω0は、ウエストでのTEM00モードの1/e2強度ビーム半径である。
2)入射する駆動レーザビームが、ウエストでの共振器軸からの角度変位θを除いて、共振器モードに完全に位置合わせし、モード整合する場合、
ただし、θ0が遠くの界でのTEM00モードの1/e2強度の半発散角である。
3)入射する駆動レーザビームが、共振器軸に沿った長手方向の変位Δzを除いて、共振器モードに完全に位置合わせし、モード整合する場合、
ただし、ζ≡Δz/zR、zRは、共振器モードのレイリー範囲である。
4)入射する駆動レーザビームが、ウエストでのビーム半径の不整合を除いて、共振器モードに完全に位置合わせし、モード整合する場合、
光共振器の位置合わせと合焦は、以下の1つ又は複数のものによって達成できる。
・ 光蓄積共振器の鏡の同心度は、伝達されたTEM00モード・プロファイルの横方向の形状と幅を監視するフォトダイオード・アレイからのフィードバックによって独立に制御される。
・ 光蓄積共振器の鏡の横方向の位置合わせは、伝達されるTEM00モードの横方向の位置を監視するフォトダイオード・アレイからのフィードバックによって独立に制御される。
・ 蓄積共振器内の循環する光パルスのタイミング及び/又は位相は、共振器内のTEM00モードの循環する出力を監視するフォトダイオード・アレイから得られる位相信号によって独立に監視され、共振器内のTEM00モードの循環する出力を最大にするために、入射する駆動レーザパルスに対する調整可能な位相を提供する。
入射する駆動レーザの位置合わせと合焦は、以下の1つ又は複数のものによって達成できる。
・ 入射する駆動レーザビームの横断方向の位置合わせは、伝達されるTEM00モードの出力を監視するフォトダイオード・アレイからのフィードバックによって独立に制御される。
・ 入射する駆動レーザビームの長手方向の位置合わせと空間のモード整合(Siegman 1986b)が、共振器内のTEM00モードに最適に連結するために独立に調整され、蓄積共振器のポートのうちの2つ以上で記録されるモード・プロファイル情報を使用するフォトダイオード・アレイからのフィードバックによって独立に制御できる。
・ 光蓄積共振器内の循環するパルスへの入射する駆動レーザパルスの周波数整合(又は波頂対波頂の波面整合)がポンド−ドレバー−ホール(PDH)レーザ安定化技術(Drever 1983)によって独立に制御され、その場合PDH誤差信号が光蓄積共振器又は駆動レーザシステムの周波数を(鏡の平行移動を介して)調整するのに使用される。
・ 入射する駆動レーザビームのタイミング及び/又は位相が入射する駆動レーザビームから得られるピックオフ信号によって独立に監視され、独立のフォトダイオード検出器内に送られる。
・ これらの制御は、駆動レーザシステムを形成する駆動レーザの任意の多重度に関して必要に応じて重複できる。
入射する電子ビームの位置合わせとタイミングは、以下の1つ又は複数のものによって達成できる。
・ 入射する電子バンチの横断方向の位置合わせは、相互作用領域の付近の近接ビーム位置監視装置からのフィードバックによって独立に制御され、生成されたx線の強度を最大にするように最適化される。
・ 入射する電子バンチのタイミング及び/又は位相は、駆動レーザからの光パルスを有する入射する電子バンチの同期を最適化し、生成された高エネルギー光子パワー及び/又はフラックスを最大化するための調整可能な位相オフセットを含む、相互作用領域付近のRFピックオフ検出装置から得られる位相信号によって連結され制御される。
・ これらの制御は、電子バンチの供給源を形成する電子加速器の任意の多重度に関して必要に応じて重複できる。
駆動レーザシステムと電子ビーム加速器のマイクロパルスの繰り返し周波数は以下の1つ又は複数のものによって制御できる。
・ 蓄積共振器内の循環する光パルスのラウンドトリップ周波数、及び駆動レーザシステムとRF電子加速器のマイクロパルスの繰り返し周波数は、2つのスレーブを有する単一のマスタとして相互に連結される。
・ 代表的な実施形態では、駆動レーザシステムとRF電子加速器のマイクロパルスの繰り返し周波数は、フォトダイオード・アレイから得られる、蓄積共振器内の循環する光パルスのラウンドトリップ周波数、及び/又はTEM00モードの循環する出力を監視する高速フォトダイオードによって連結及び制御される。
・ 別の実施形態では、蓄積共振器の鏡の平行移動によって制御される、駆動レーザシステムのマイクロパルスの繰り返し周波数、及び循環する光パルスのラウンドトリップ周波数は、RF電子加速器のマイクロバンチ繰り返し周波数によって連結され制御される。
・ これらの制御は、駆動レーザと電子加速器の任意の多重度に関して必要に応じて重複できる。
図8は、駆動レーザと蓄積共振器の周波数を整合する別の制御システムの概略図である。図8と図7A、7Bに示される制御システムとの間の第1の違いは、それぞれの高出力駆動レーザ及び(ブルースター連結され、又は折り曲げられた設計の)光アンジュレータの蓄積共振器に関する機械的に連結された、低出力補助共振器の導入である。これらの補助共振器の主な特徴は、それぞれの対の連結された鏡が互いに同調して平行移動できるように、それらの鏡が高出力の共振器の鏡に対して共通の基部に機械的に、又はその他の方式で堅固に装着されることであり、これらの対の連結された鏡は、図で「連結された鏡アセンブリ」と名称を付けられている。折り曲げられた蓄積共振器に関する補助共振器の鏡は、側方に変位されるものとして概略的に示されるが、折り曲げられた共振器を使用する好ましい実施形態では、補助鏡は、それらのそれぞれの鏡の「上」、すなわち折り曲げられた共振器の平面の外側に配置されることに留意されたい。
1)マスタ・クロックは、駆動レーザモード・ロッカーと電子ビームにタイミング信号を供給する。
2)補助共振器が個別のポンド−ドレバー−ホール(「PDH」)システムを使用して安定化された単一モードのレーザに周波数ロックされ、誤差信号が図示されるようにそれぞれの連結された鏡アセンブリにフィードバックされる。
3)高出力駆動レーザの稼動がより低出力補助共振器とは独立に駆動レーザ・チューニング・アクチュエータを調整することによって最適化される。
4)光アンジュレータの蓄積共振器の稼動が、駆動レーザビームを蓄積共振器内へ整合し、低出力補助共振器とは独立に蓄積共振器パルス積み重ねアクチュエータを調整することによってTEM00での稼動に関して最適化される。
5)適切に設計されたシステムで球形の鏡が光軸に位置合わせされたままになるように、2Dフォトダイオード・アレイが蓄積共振器の鏡のステアリングに対する誤差信号を得るために使用され、球形の鏡のステアリングは、周波数の整合及びパルスの積み重ねとは独立に調整できる。
6)2Dフォトダイオード・アレイは、一般にTEM00モード寸法が安定したままになるように蓄積共振器の同心度に関する誤差信号を得るのにも使用され、この補償は、周波数整合に影響を与える全体の共振器長さの変化を導く。しかし、光アンジュレータの蓄積共振器は、低出力補助共振器に機械的に連結されているので、PDHフィードバックシステムは、(計画的に又はその他の方式で)直ちに連続的に共振器長さのいかなる変化も補償し、全体の共振器長さが安定したままになり、駆動レーザへの蓄積共振器の周波数ロックが保たれる。
7)TEM00モードでの蓄積共振器の安定した稼動の下で、蓄積共振器のパルス積み重ねアクチュエータは、それを最大のTEM00モードの出力に対して調整された状態に保つのに使用できる誤差信号を生成するためにわずかに振動できる。
8)TEM00モードの安定した動作が達成されるとき、蓄積された光パルスの電子バンチとの重複を最適にし、それによってx線生成を最大にするために、駆動レーザ/電子ビーム同期ステージをゆっくりと走査できる。
以下の手順は、高出力稼動とx線の生成のためにシステムを最初にターンオンするための代表的な手順である。排他的であることを意図しない。
共振器の最初の位置合わせは、制御を作動不能にして「手動」で遂行される。稼動中に駆動レーザと電子加速器のマイクロパルス繰り返し周波数を整合させる必要のある共振器ランドトリップ・タイムは、関連する物理的距離の注意深い測定、又は共振器内の乱されていない循環がフォトダイオード診断を使用して測定できる単一のシード・マイクロパルスの注入によって定めることができる。入力レーザの位置合わせと整合を含む共振器の最初の横断方向の位置合わせは、変形された、注入されるビームのウエストが共振器のウエストと空間的に位置合わせされるように低出力の駆動レーザビームを注入することによって遂行でき、次いで鏡の横断方向の位置合わせが、フォトダイオード・アレイの低出力かつ非コヒーレントの共振器内のビームの対称性と位置を観測することによって調整できる。駆動レーザと共振器の鏡のこの位置合わせは、必要に応じて反復できる。これらの及び同様の手順によって、共振器は動作中の残りの鏡の調整を除いて、注入されるレーザのある程度の最初のコヒーレントな増大を可能にするために実質的に位置合わせされた状態に準備できる。
コヒーレントな循環する光ビームの最初の確立は、共振器の調整がコヒーレントなパルスの積み重なりの突然の始まり、及びそれに対応する共振器内の出力の増加を生じる場合に、熱変形が共振器の光学部品に加わらないように、十分に低い駆動レーザ出力で、制御を作動不能にして最もよく遂行される。これらの低いビーム出力では、駆動レーザが共振器に注入され、駆動レーザシステムのマイクロパルス繰り返し周波数が蓄積共振器のラウンドトリップ周波数に整合するように調整される(ラウンドトリップ周波数が同心度とは独立に調整できる共振器構成に関しては、蓄積共振器のラウンドトリップ周波数は、駆動レーザシステムのマイクロパルス繰り返し周波数に整合するように調整できる)。調整が十分に低速な場合、注入される駆動レーザは、共振器内のレゾナンスを励起することが観測され、おそらく最初は散発的に過ぎず、変動の程度は、駆動レーザの共振器内のビームへの連結(すなわちモードロック)の度合いを示す。
ステップ2の低い駆動レーザ出力で、次いで共振器に関する制御を一度につき1つずつ作動する必要がある。作動のための代表的な順は、以下のものである。(a)フォトダイオード・アレイに蓄積されたビームの中心を合わせるための共振器の鏡の横断方向の位置合わせ。(b)蓄積されたTEM00モードへの連結を最大にするための駆動レーザビームの横断方向と長手方向の位置合わせ。(c)駆動レーザ光周波数をレゾナントTEM00モードの軸方向モードにロックするためのポンド−ドレバー−ホール(PDH)レーザ安定化システムの作動。(d)相互作用領域で所望の焦点スポットパラメータとビーム寸法を得るための蓄積共振器の同心度(共振器長さでの対応する変化がPDH安定化システムによってこの点で補償及び追跡される)。(e)蓄積共振器のラウンドトリップ周波数へのマイクロパルス応答周波数のロック。
ステップ3の制御をターンオンした後に、共振器の相互作用領域で所望の正規化ベクトル・ポテンシャルを得るために、駆動レーザ出力はゆっくりと増加する。理想的には、これは共振器内のビーム又は光学部品の動揺なしに進行する。しかし、鏡又は光学部品の歪みがより高い出力で誘発される場合、共振器への第1の影響として共振器の同心度の歪みとTEM00モードの寸法の変化が生じる。制御システムが完全に作動することで、これらの変化は高出力でも補償される。しかし、補償が最終のシステム構成にならない(例えば、制御パラメータのうちの1つが最後にその最適な範囲外になるなどの)場合、位置合わせとターンオン手順は、開始構成を再び初期化するために低い出力で繰り返し、そのようして最適化された高出力の構成が生成される。
ステップ1から4で光アンジュレータを確立した後に、次いで電子ビームは、相互作用領域内に合焦し、加速器マイクロパルスの繰り返し周波数が駆動レーザと蓄積共振器周波数にロックされ、次いで相互作用領域で電子バンチを蓄積された光パルスと衝突させるように相対的な位相が調整される。この手順に関する第1の診断は、x線検出器に高エネルギー光子を生成することである。次いで、電子ビームの横断方向と長手方向の位置合わせとタイミングは、生成されるx線出力を最適化するように調整できる。
上述の議論は単一の共振器で強力なアンジュレータの界に曝される電子ビームを考察したが、電子ビームを複数の光共振器の間で共有し、したがって複数のx線源をもたらすことが可能である。均一に近づく正規化ベクトル・ポテンシャルでもx線放出に関する確率は小さいままになるので、これが可能であり、それによって、5、6回そのような相互作用領域を通過した後でも、ビーム内の電子のほとんどは、その完全に非振動の動き量とエネルギーを有する。複数のx線源の間で電子ビームを共有する能力は、少なくとも電子ビーム設備が高価である理由により重要である。これは、そのようなx線をたんぱく質x線結晶構造解析と複数のx線源から利点を得ることができるその他の用途に使用する研究所にとって価値のある特徴である。
本発明を組み込むシステムでは、共振器の光学的表面に入射するピークパワー密度と平均パワー密度の両方は、共振器の長さ、共振器の鏡の横断方向の半径、鏡の光学的な点寸法を増加させることによって低減でき、そのような長く大きな共振器は、蓄積リング又は超伝導線形加速器のような連続的又はほぼ連続的な電子ビーム源を使用するシステムの動作に有用である。
以下の参考文献が参照によって本明細書に組み込まれる。
結論として、本発明の実施形態が準単色のエネルギー性の電磁放射の効率的で調整可能な供給源を紫外、x線、ガンマ線の波長で提供できることが理解できるであろう。そのような供給源は、整合されたほぼ球形の低損失の光共振器内の1つ又は複数のパルスレーザから位相コヒーレントなパルス放射を蓄積することによって形成される光アンジュレータ、及び電子バンチが光学的なマイクロパルスのピーク強度で循環する光学的なマイクロパルスと相互作用するように、上述の光学的なマイクロパルスの周期でバンチされ、上述の光共振器の相互作用(焦点スポット)領域で蓄積される(循環する)光学的なマイクロパルスと合焦及び同期された相対論的電子ビームを使用して構築できる。
Claims (23)
- エネルギー性の電磁放射を生成する方法であって、前記方法が複数の分離されたそれぞれのエネルギー性の電磁放射間隔中に、
所与の波長の放射に関するラウンドトリップ・トランジットタイム(RTTT)によって特徴付けられる前記所与の波長の光学的なマイクロパルスのレーザ放射を光共振器に注入するステップと、
循環する光学的なマイクロパルスの電界の振幅がその最大値又はその付近であるとき、前記循環する光学的なマイクロパルスが、0.1以上の程度の正規化されたベクトル・ポテンシャルによって特徴付けられる相互作用の領域に光アンジュレータの界を形成するように、前記循環する光学的なマイクロパルスを前記共振器内の相互作用領域に合焦させるステップと、
一連の電子マイクロパルスを含む電子ビームを前記共振器の前記相互作用領域に向けて送るステップと、
前記電子マイクロパルスのうちの少なくともいくつかが、前記共振器内で前記循環する光学的なマイクロパルスと同期するステップと、
前記電子ビームを前記共振器内の前記相互作用領域に合焦し、それによって少なくとも1つの電子マイクロパルスが相互作用領域の前記光アンジュレータの界と相互作用し、前記レーザ放射の光周波数よりも高い光周波数で電磁放射を生成するステップとを有し、
前記注入するステップにおいて、
少なくともいくつかのエネルギー性の電磁放射間隔は1つまたは複数の光学的なマクロパルスからなる注入されたレーザ放射によって定義され、それぞれの光学的なマクロパルスは間隔を置いた一連の光学的なマイクロパルスを含み、
少なくとも1つの光学的なマクロパルスは、前記光学的なマクロパルス内で続いて起こる注入された光学的なマイクロパルスによってコヒーレントに強化される、関連した循環する光学的なマイクロパルスを誘発し、前記共振器内の任意の所与の位置での前記循環する光学的なマイクロパルスの電界の振幅は前記エネルギー性の電磁放射間隔中に最大値に到達し、
前記循環する光学的なマイクロパルスを誘発する少なくとも1つの注入された光学的なマクロパルスは一連の注入された光学的なマイクロパルスからなり、
注入される光学的なマイクロパルスと前記光学的なマクロパルスによって誘発された前記循環する光学的なマイクロパルスとの間に少なくとも50%の間隔的な重複をもたらすように、1つの注入された光学的なマイクロパルスの開始と次のマイクロパルスの開始の間の間隔が所与の波長の放射に関するRTTTのちょうど(1×を含む)整数倍に十分に近く、
前記光学的なマクロパルスの前記注入される光学的なマイクロパルスは前記光学的なマクロパルスによって誘発された前記循環する光学的なマイクロパルスと光位相の±45°以内にあることを特徴とする方法。 - 前記光学的なマクロパルスの前記注入される光学的なマイクロパルスは、前記光学的なマクロパルスによって誘発された前記循環する光学的なマイクロパルスに対して光学的な位相で±20°以内にあることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 注入される光学的なマイクロパルスと、前記光学的なマクロパルスによって誘発された前記循環する光学的なマイクロパルスとの間に少なくとも90%の間隔的な重複をもたらすように、1つの光学的なマイクロパルスの開始と次のマイクロパルスの開始の間の間隔は、所与の波長の放射に関する前記RTTTのちょうど(1×を含む)整数倍に十分に近くなっていることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 生成される前記電磁放射が単色性であるように、前記正規化ベクトル・ポテンシャルでの前記光アンジュレータの界が0.1〜0.5の範囲にあることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 生成される前記電磁放射が広帯域であるように、前記相互作用領域での前記光アンジュレータの界は1.0〜2.5の範囲の正規化ベクトル・ポテンシャルによって特徴付けられることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記エネルギー性の電磁放射間隔の大部分に関して、前記放射は等しい間隔の光学的なマイクロパルスを有する単一の光学的なマクロパルスからなることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記光学的なマクロパルス内の前記光学的なマイクロパルスのすべては、前記RTTTの同じ整数倍で間隔を置いていることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記光学的なマクロパルス内の前記光学的なマイクロパルスのうちの少なくともいくつかは、前記RTTTの異なる整数倍で間隔を置いていることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記レーザ放射は追加の一連の光学的なマクロパルスを含み、
それぞれの追加のマクロパルスは、追加の循環する光学的なマイクロパルスを誘発し、
前記追加の一連の中のそれぞれの光学的なマクロパルスは、注入される光学的なマイクロパルスと前記光学的なマクロパルスによって誘発された前記循環する光学的なマイクロパルスとの間に少なくとも50%の間隔的な重複をもたらすように、1つの光学的なマイクロパルスの開始と次のマイクロパルスの開始の間の間隔が所与の波長の放射に関するRTTTのちょうど(1×を含む)整数倍に十分に近いことによって特徴付けられる一連の光学的なマイクロパルスを含み、
前記追加の光学的なマクロパルスは、先行する一連の光学的なマクロパルスにインターリーブされることを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 前記先行する一連の光学的なマクロパルス内の前記光学的なマイクロパルスは等しい間隔であり、
前記追加の光学的なマクロパルス内の前記光学的なマイクロパルスは、前記先行する一連の光学的なマクロパルス内の前記光学的なマイクロパルスと同じく等しい間隔を有し、
前記光学的なマクロパルスのうちの一方の中の2つの連続する光学的なマイクロパルスの間にある前記光学的なマクロパルスのうちの他方の中のそれぞれの光学的なマイクロパルスが、前記2つの連続する光学的なマイクロパルスの間に等しく間隔を置くように、前記マクロパルスはインターリーブされることを特徴とする請求項9に記載の方法。 - 前記先行する一連の光学的なマクロパルス内の前記光学的なマイクロパルスは等しい間隔であり、
前記追加の光学的なマクロパルス内の前記光学的なマイクロパルスは、前記先行する一連の光学的なマクロパルス内の前記光学的なマイクロパルスと同じく等しい間隔を有し、
前記光学的なマクロパルスのうちの一方の中の2つの連続する光学的なマイクロパルスの間にある前記光学的なマクロパルスのうちの他方の中のそれぞれの光学的なマイクロパルスが、前記2つの連続する光学的なマイクロパルスの間で不均等になるように、前記マクロパルスはインターリーブされることを特徴とする請求項9に記載の方法。 - 前記先行する一連の光学的なマクロパルス及び前記追加の光学的なマクロパルスが異なる波長によって特徴付けられることを特徴とする請求項9に記載の方法。
- 前記レーザ放射が第1と第2の個別のレーザによって生成され、
前記先行する一連の光学的なマクロパルス、及び前記追加の光学的なマクロパルスは前記第1と第2のレーザによってそれぞれ生成されることを特徴とする請求項9に記載の方法。 - 前記電子ビームはマイクロ波加速器によってもたらされるバンチビームであり、
前記電子ビームはさらに、電子マクロパルスの継続時間と、電子マクロパルスの繰り返し周波数とによって特徴付けられる間隔を置いた電子マクロパルスによって特徴付けられる時間依存を有し、
それぞれの電子マクロパルスは、一連の間隔を置いた電子マイクロパルスによって特徴付けられる時間依存を有することを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 前記共振器が1つ又は複数の鏡を備え、
前記共振器の平行移動及び/又はレーザ・バックヒーティングによる少なくとも1つの共振器の鏡の同心度、及び/又は、
少なくとも1つの共振器の鏡の横断方向の位置合わせ、及び/又は、
前記光学的なマイクロパルスの前記尺度及び感度による鏡の平行移動による前記循環する光学的なマイクロパルスの前記ラウンドトリップ・トランジットタイム、及び/又は、
前記光波長の部分の前記尺度及び感度による鏡の平行移動による前記レーザ放射の前記光共振器に対する周波数整合、のうちの少なくとも1つを制御する1つ又は複数の要素をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 前記レーザの変調周波数、及び/又は 前記電子ビーム生成装置の前記レーザの変調周波数、及び/又は 前記レーザ放射の位置合わせとタイミング、及び/又は 前記レーザ放射の長手方向の位置合わせとモード整合、及び/又は
前記入射する電子マイクロパルスの横断方向の位置合わせとタイミング、及び/又は 前記電子ビーム生成装置からの前記入射する電子マイクロパルスによる前記レーザからの前記光学的なマイクロパルスの同期、のうち、少なくとも1つを制御するステップをさらに有することを特徴とする請求項1に記載の方法。 - エネルギー性の電磁放射を生成する装置であって、
共振器に注入された放射がその中で循環し、相互作用領域で合焦されるように間隔を置いた少なくとも2つの凹形の反射器を有する光共振器であって、所与の波長の放射に関するラウンドトリップ・トランジットタイム(RTTT)によって特徴付けられる前記光共振器と、
複数の個別のエネルギー性の電磁放射間隔のそれぞれの間に所与の波長の光学的マイクロパルスのレーザ放射を前記共振器内に送るレーザシステムと、
前記共振器の前記相互作用領域に向けられた電子ビームを提供する電子ビーム生成装置と、を備え、
前記レーザシステムは、少なくとも1つのエネルギー性の電磁放射間隔に関して、
前記レーザ放射が1つ又は複数の光学的なマクロパルスを含み、
少なくとも1つの光学的なマクロパルスが、1つの光学的なマイクロパルスの開始と次のマイクロパルスの開始の間の間隔が所与の波長の放射に関するRTTTのちょうど(1×を含む)整数倍に十分に近いことを特徴とする一連の注入された光学的なマイクロパルスを含み、それによって前記共振器の任意の所与の位置での前記循環する光学的なマイクロパルスの振幅が前記エネルギー性の電磁放射間隔中に最大値に達するように、少なくとも1つの光学的なマクロパルスが前記光学的なマクロパルスのそれに続く注入された光学的なマイクロパルスによってコヒーレントに強化された循環する光学的なマイクロパルスを誘発し、
前記循環する光学的なマイクロパルスの電界の振幅がその最大値又はその付近であるとき、前記循環する光学的なマイクロパルスが、0.1以上の程度の正規化されたベクトル・ポテンシャルを特徴とする前記相互作用の領域に光アンジュレータの界を形成するように、それぞれの循環するマイクロパルスが前記共振器内の前記相互作用領域に合焦され、
前記電子ビーム生成装置は、
前記電子ビームが、間隔を置いた電子マクロパルスによって特徴付けられる時間依存を有し、
前記電子マイクロパルスに含まれる電子マイクロパルスが、少なくとも1つの循環する光学的なマイクロパルスと同期され、
前記電子ビーム生成装置が、前記電子ビームを前記共振器の前記相互作用領域に合焦し、それによって前記相互作用領域の前記光アンジュレータの界と相互作用し、前記レーザ放射の光周波数よりも高い光周波数で電磁放射を生成する電子ビームとを備えることを特徴とする装置。 - 前記レーザ放射は追加の一連の光学的なマクロパルスを有し、
それぞれの追加の光学的なマクロパルスは、追加の循環する光学的なマイクロパルスを誘発し、
前記追加の一連の光学的なマクロパルスのそれぞれは、少なくとも50%の空間的な重複をもたらすために、1つの追加の光学的なマイクロパルス周期の開始と次の光学的なマイクロパルスの周期の開始の間の間隔が所与の波長の放射に関するRTTTのちょうど(1×を含む)整数倍に十分に近く、循環する光学的なマイクロパルスが前記光学的なマクロパルスによって誘発されることを特徴とする一連の間隔を置いた光学的なマイクロパルスを含み、
前記追加の光学的なマクロパルスの光学的なマイクロパルスは、前記先行する一連の光学的なマクロパルスの前記光学的なマイクロパルスにインターリーブされることを特徴とする請求項17に記載の装置。 - 前記先行する一連の光学的なマクロパルス内の前記光学的なマイクロパルスは等しい間隔であり、
前記追加の光学的なマイクロパルスは等しい間隔であり、
前記光学的なマクロパルスのうちの一方の中の2つの連続する光学的なマイクロパルスの間にある前記光学的なマクロパルスのうちの他方の中のそれぞれの光学的なマイクロパルスが、前記2つの連続する光学的なマイクロパルスの間に等しく間隔を置くように、前記マクロパルスはインターリーブされることを特徴とする請求項18に記載の装置。 - 前記先行する一連の光学的なマクロパルス内の前記光学的なマイクロパルスは等しい間隔であり、
前記追加の光学的なマイクロパルスは等しい間隔であり、
前記光学的なマクロパルスのうちの一方の中の2つの連続する光学的なマイクロパルスの間にある前記光学的なマクロパルスのうちの他方の中のそれぞれの光学的なマイクロパルスが、前記2つの連続する光学的なマイクロパルスの間に等しく間隔を置くように、前記マクロパルスはインターリーブされることを特徴とする請求項18に記載の装置。 - 前記先行する一連の光学的なマクロパルス及び前記追加の光学的なマクロパルスは異なる波長によって特徴付けられることを特報とする請求項18に記載の装置。
- 前記正規化されたベクトル・ポテンシャルが0.1より大きいことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記正規化されたベクトル・ポテンシャルが0.1より大きいことを特徴とする請求項17に記載の装置。
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