JP6233857B2 - Two-dimensional four-mirror resonator - Google Patents

Two-dimensional four-mirror resonator Download PDF

Info

Publication number
JP6233857B2
JP6233857B2 JP2015537066A JP2015537066A JP6233857B2 JP 6233857 B2 JP6233857 B2 JP 6233857B2 JP 2015537066 A JP2015537066 A JP 2015537066A JP 2015537066 A JP2015537066 A JP 2015537066A JP 6233857 B2 JP6233857 B2 JP 6233857B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
laser
mirror
dimensional
resonator
resonance
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2015537066A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2016507156A (en
Inventor
順治 浦川
順治 浦川
清水 洋孝
洋孝 清水
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Inter University Research Institute Corp High Energy Accelerator Research Organization
Original Assignee
Inter University Research Institute Corp High Energy Accelerator Research Organization
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Inter University Research Institute Corp High Energy Accelerator Research Organization filed Critical Inter University Research Institute Corp High Energy Accelerator Research Organization
Publication of JP2016507156A publication Critical patent/JP2016507156A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6233857B2 publication Critical patent/JP6233857B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05GX-RAY TECHNIQUE
    • H05G2/00Apparatus or processes specially adapted for producing X-rays, not involving X-ray tubes, e.g. involving generation of a plasma

Description

本発明は、レーザーコンプトン散乱を行うための光共振器に関する。   The present invention relates to an optical resonator for performing laser Compton scattering.

近年、レーザーコンプトン散乱を利用した小型X線発生装置の研究開発が注目されている。レーザーコンプトン散乱とは、パルスレーザー光と電子ビームの衝突によってX線等の放射線が発生することである。レーザーコンプトン散乱を行うためには1パルス当たりのレーザー強度(パルス強度)が非常に高いレーザービームと高輝度電子ビームが必要である。しかしながら、パルス強度の高いレーザービームの製造は、下記に述べるように非常に困難であった。一方、高輝度電子ビームは、シンクロトロンやサイクロトロン等の円形加速器によって製造することが可能であった。そのため、従来は、円形加速器の電子ビーム周回路の中にレーザー発振器を置き、レーザーコンプトントン散乱を行わせることが提案されていた。しかしながら、円形加速器は、周長が数キロメートルもある巨大な装置であるので、上記方法は産業利用には向かなかった。   In recent years, research and development of small X-ray generators using laser Compton scattering have attracted attention. Laser Compton scattering is the generation of radiation such as X-rays by the collision of pulsed laser light and an electron beam. In order to perform laser Compton scattering, a laser beam having a very high laser intensity (pulse intensity) per pulse and a high-intensity electron beam are required. However, the production of a laser beam having a high pulse intensity has been very difficult as described below. On the other hand, a high-intensity electron beam could be produced by a circular accelerator such as a synchrotron or a cyclotron. Therefore, conventionally, it has been proposed that a laser oscillator be placed in the electron beam circuit of the circular accelerator to perform laser Comptonton scattering. However, since the circular accelerator is a huge device having a circumference of several kilometers, the above method is not suitable for industrial use.

円形加速器は、数keV〜100keVの範囲に在る高輝度のコヒーレントなX線を発生することができる。しかし、このようなサイクロトロンは、その巨大な大きさのために産業利用には決して利用されないであろう。しかし、これまで、シンクロトロンX線と同じように強いX線を発生するような小型の装置は、殆ど知られていない。   The circular accelerator can generate high-intensity coherent X-rays in the range of several keV to 100 keV. However, such a cyclotron will never be used for industrial use because of its enormous size. However, until now, there have been few known small devices that generate strong X-rays as well as synchrotron X-rays.

従来、レーザー光を発生させるための手段として光共振器が知られている。光共振器は、誘導放出物質からの誘導放出によって発生するレーザー光を向かい合う共振鏡によって反射させながら共振鏡面上のレーザー干渉によって増幅するレーザー増幅手段であり、共振鏡の反射率に依存してレーザーの蓄積を調整できる。光共振器を用いる方法は、原理的にはコンパクトな光共振器によってレーザー光の増幅と蓄積が可能である。光共振器には、リング形状のファブリぺロ型共振器や反射鏡を持つマイケルソン干渉計型共振器やフォックス・スミス干渉計型共振器等が知られている。   Conventionally, an optical resonator is known as a means for generating laser light. The optical resonator is a laser amplifying means that amplifies the laser light generated by stimulated emission from the stimulated emission material by laser interference on the surface of the resonant mirror while reflecting it by the opposing mirror, and the laser depends on the reflectivity of the resonant mirror. Can be adjusted. In principle, a method using an optical resonator can amplify and store laser light with a compact optical resonator. As the optical resonator, a ring-shaped Fabry-Perot resonator, a Michelson interferometer resonator having a reflecting mirror, a Fox Smith interferometer resonator, and the like are known.

光共振器によるレーザー増幅の原理は、共振器長がレーザー光の半波長の整数倍に合致する条件が満足されることによって行われることである。これを定在波が立つという。定在波の共鳴幅は、共振鏡の反射率で決まるので、高増幅率を得ようとして高反射率の鏡を使用する程、狭くなっていく。例えば、仮に、反射率99.9%の反射鏡を用いて増幅率1000倍の光共振器を想定した場合、共鳴幅は、24kHz、共鳴位置にして約1Å(10−10m)であるので、振動等の環境の擾乱で簡単に共鳴状態が失われる。レーザー共鳴状態を維持させるためには、共振鏡をピエゾ駆動にし、高度なフィードバック制御を行うことが必要であるが、従来の光共振器は、機械的な制御の限界上、安定に共鳴を維持できる技術的限界は、増幅率1000倍程度であるとされている。 The principle of laser amplification by an optical resonator is that it is performed by satisfying a condition that the resonator length matches an integral multiple of a half wavelength of laser light. This is called standing waves. Since the resonance width of the standing wave is determined by the reflectivity of the resonant mirror, it becomes narrower as a higher reflectivity mirror is used to obtain a higher amplification factor. For example, assuming an optical resonator with a gain of 1000 times using a reflector having a reflectivity of 99.9%, the resonance width is 24 kHz and the resonance position is about 1 mm (10 −10 m). The resonance state is easily lost due to environmental disturbances such as vibration. In order to maintain the laser resonance state, it is necessary to drive the resonance mirror with piezo drive and perform advanced feedback control, but conventional optical resonators maintain resonance stably due to the limitations of mechanical control. It is said that the technical limit that can be achieved is about 1000 times the amplification factor.

これまで、光共振器を用いる多くのレーザー増幅器が提案されている(特許文献1〜5、非特許文献1)。特許文献1は、光通信用の希土類をドープした光ファイバを充填するレーザー空洞を持つファブリペロ型共振器や反射鏡を持つフォックス・スミス干渉計型共振器等を用いた単純な構造の光伝送用レーザー発振器を開示している。これらのレーザー発振器の目的は、縦モード選択のきれいな光搬送波を供給するためのレーザー発振器であり、高いパルス強度を持つレーザーを生成するためのレーザー生成装置ではない。この種のレーザー発振器は、熱振動による共振幅のずれのために、発振出力を高くしたとしてもパルス強度は、高々マイクロジュールレベルが限界であった。   Until now, many laser amplifiers using an optical resonator have been proposed (Patent Documents 1 to 5, Non-Patent Document 1). Patent Document 1 discloses a simple structure for optical transmission using a Fabry-Perot type resonator having a laser cavity filled with a rare earth-doped optical fiber for optical communication, a Fox Smith interferometer type resonator having a reflecting mirror, or the like. A laser oscillator is disclosed. The purpose of these laser oscillators is a laser oscillator for supplying a clean optical carrier of longitudinal mode selection, not a laser generator for generating a laser with high pulse intensity. In this type of laser oscillator, even if the oscillation output is increased due to a shift in the resonance width due to thermal vibration, the pulse intensity is limited to a microjoule level at most.

非特許文献1は、共振鏡としての凹面鏡と共振鏡を機械的に制御するためのピエゾ調整器とを有するフォックス・スミス干渉計型の共振器を用いたSingle-Frequencyのレーザーパルスの生成を開示している。この方法で生成されるレーザー光の出力は、前記説明のように低い増幅倍率のために、精々15mWであることが報告されている。   Non-Patent Document 1 discloses generation of a single-frequency laser pulse using a Fox Smith interferometer type resonator having a concave mirror as a resonant mirror and a piezo adjuster for mechanically controlling the resonant mirror. doing. It has been reported that the output of the laser beam generated by this method is at most 15 mW due to the low amplification factor as described above.

特許文献2は、光共振器内に個体レーザー(誘導放出媒体)を設け、レーザーダイオードに電流注入を行うことにより発生させたポンピング光(励起レーザー)を前記個体レーザーに入射してレーザー光を発生させることを開示している。この方法は、レーザーダイオードが安価で小型であるので、利便性の高いレーザー光の発生方法ではあるが、レーザーコンプトン散乱を生起させるに足るような高強度のレーザー光の生成と蓄積は、前記説明のように低い増幅倍率のために、困難である。   In Patent Document 2, an individual laser (stimulated emission medium) is provided in an optical resonator, and pumping light (excitation laser) generated by injecting a current into a laser diode is incident on the individual laser to generate laser light. Disclosed. This method is a convenient method of generating laser light because the laser diode is inexpensive and small, but the generation and accumulation of high-intensity laser light sufficient to cause laser Compton scattering is described above. This is difficult because of the low amplification factor.

特許文献3は、ダイオードでポンピングされるレーザー増幅器を開示している。この増幅器は、レーザー活性個体媒体を内部に有する共振器内にサーマルレンズを設けることによって、レーザービームを該媒体に合焦させる装置である。しかし、この手段を用いてもレーザーコンプトン散乱を生起させるに足るような高強度のレーザー光の生成と蓄積は、前記説明のように低い増幅倍率のために、困難である。   Patent Document 3 discloses a laser amplifier pumped by a diode. This amplifier is a device for focusing a laser beam on a medium by providing a thermal lens in a resonator having a laser active solid medium therein. However, even if this means is used, it is difficult to generate and accumulate high-intensity laser light sufficient to cause laser Compton scattering because of the low amplification factor as described above.

特許文献4は、レーザーコンプトン散乱によるX線を発生させるために、大強度モードロックレーザー発振器と光共振器を用いてレーザー光を生成する装置を開示している。しかし、大強度モードロックレーザー発振器は、非常に高額な大型の装置であり、発振器からのレーザーを光共振器に導き、安定に増幅するには、非常に高度なフィードバック制御技術が必要であるので、精々1000倍程度の増幅が限界であることから、この方法で生成可能なレーザー光のパルス強度は、精々100μJ程度である。   Patent Document 4 discloses an apparatus that generates laser light using a high-intensity mode-locked laser oscillator and an optical resonator in order to generate X-rays by laser Compton scattering. However, the high-intensity mode-locked laser oscillator is a very expensive large-sized device, and very advanced feedback control technology is required to guide the laser from the oscillator to the optical resonator and amplify it stably. Since the amplification of about 1000 times is the limit, the pulse intensity of the laser beam that can be generated by this method is about 100 μJ.

特許文献5は、複数の光共振器を直列に配置した多段増幅型レーザーシステムを半導体露光に用いることを開示している。この光共振器には、反射鏡が使用されているものの、レーザー蓄積が困難な光共振器であるので、後段の光共振器に伝送することで徐々にレーザー光の増幅を高めていく装置である。レーザー光の増幅倍率は、機械的な共鳴幅の制御精度によって制限されるので、この種の光共振器を用いてレーザーコンプトン散乱に足るレーザー増幅倍率を上げようとすれば、多くの光共振器の直列配列が必要であり、それぞれの光共振器について共鳴幅の高度な制御システムが必要であるので、実際上、このような複数の光共振器を配置した多段増幅型レーザーシステムをレーザーコンプトン散乱用のレーザー光源として用いることは、ほとんど困難である。   Patent Document 5 discloses that a multistage amplification laser system in which a plurality of optical resonators are arranged in series is used for semiconductor exposure. Although this optical resonator uses a reflecting mirror, it is an optical resonator that is difficult to accumulate in the laser, so it is a device that gradually increases the amplification of laser light by transmitting it to the optical resonator in the subsequent stage. is there. Since the amplification factor of laser light is limited by the control accuracy of the mechanical resonance width, if an attempt is made to increase the laser amplification factor sufficient for laser Compton scattering using this type of optical resonator, many optical resonators will be used. Therefore, a multistage amplification laser system in which a plurality of such optical resonators are arranged is actually laser Compton scattered. It is almost difficult to use as a laser light source.

大強度のレーザー光を生成させるためには、大出力の励起レーザー光源と大型の光共振器と大出力の高周波発振器を組み合わせることによって原理的には可能であるが、装置全体が超大型になることから、産業利用には適さない。   In principle, it is possible to generate high-intensity laser light by combining a high-power pump laser light source, a large optical resonator, and a high-power high-frequency oscillator, but the entire device becomes very large. Therefore, it is not suitable for industrial use.

また、前記に挙げたような光共振器では、増幅倍率は小さいもののレーザー光の増幅は可能ではあるが、偏光レーザーを生成することはできない。   Further, in the optical resonator as described above, although the amplification factor is small, the laser beam can be amplified, but a polarized laser cannot be generated.

従来、光共振器を用いた逆コンプトン散乱によるX線の発生装置は、幾つか提案されている(特許文献6−8)。   Conventionally, several apparatuses for generating X-rays by inverse Compton scattering using an optical resonator have been proposed (Patent Documents 6-8).

特許文献6は、円形加速器の電子ビーム周回路の中に1対のミラーを持つフォックス・スミス干渉計型共振器を設け、該共振器内でレーザー光と電子ビームとを衝突させてX線を発生させる装置を開示している。該光共振器に導入されるレーザー光は、レーザー発振器のみからのレーザー光であるので、反射ミラーの反射率をいくら高くしたとしても、前記の説明のようにレーザー光の増幅倍率は精々1000倍程度が限界であるので、該装置により強いレーザーコンプトン散乱X線を発生することは、困難である。   In Patent Document 6, a Fox Smith interferometer type resonator having a pair of mirrors is provided in an electron beam peripheral circuit of a circular accelerator, and an X-ray is generated by colliding a laser beam and an electron beam in the resonator. An apparatus for generating is disclosed. Since the laser light introduced into the optical resonator is laser light only from the laser oscillator, the amplification factor of the laser light is at most 1000 times as described above, no matter how high the reflectivity of the reflecting mirror is. Due to the limit, it is difficult to generate intense laser Compton scattered X-rays with the device.

特許文献7は、一つの光共振器構造体の中に同列状に複数の凹面鏡が並ぶ凹面鏡群を対向配置した光共振器に電子ビームを導入し、光共振器内の反復反射レーザー光と衝突させることにより短波長光を発生する装置を開示している。該装置は、個々の対向した凹面鏡間で反復反射されたレーザー光の収束領域でレーザー光と電子ビームとを衝突させることにより衝突頻度を向上させ、その衝突が、複数の各凹面鏡間で行われる、とする装置である。しかし、該光共振器に蓄積されるレーザー光は、レーザー光源からのモード―ロックレーザーを一対の対向する凹面鏡間で反復反射するだけのことであるから(一対の対向する凹面鏡を配した共振器は、構造的に、フォックス・スミス干渉計型共振器と同じであるので)、前記の説明のようにレーザー光の増幅倍率は精々1000倍程度に過ぎない。したがって、該発明にも述べられているように、該装置は、フォトリソグラフィー用の短波長光を発生させるための装置であり、該装置により強いレーザーコンプトン散乱X線を発生することは、困難である。   In Patent Document 7, an electron beam is introduced into an optical resonator in which concave mirror groups in which a plurality of concave mirrors are arranged in the same row in a single optical resonator structure, and collides with repetitively reflected laser light in the optical resonator. An apparatus for generating short-wavelength light is disclosed. The apparatus improves the collision frequency by colliding the laser beam and the electron beam in the convergence region of the laser beam repeatedly reflected between the individual concave mirrors, and the collision is performed between the plurality of concave mirrors. This is a device. However, since the laser light accumulated in the optical resonator is simply a mode-lock laser from the laser light source and is repeatedly reflected between a pair of opposing concave mirrors (resonator provided with a pair of opposing concave mirrors). Is structurally the same as the Fox Smith interferometer type resonator), and the amplification factor of the laser light is only about 1000 times as described above. Therefore, as described in the invention, the apparatus is an apparatus for generating short-wavelength light for photolithography, and it is difficult to generate intense laser Compton scattered X-rays by the apparatus. is there.

特許文献8は、円形加速器の電子ビーム周回路の中に2枚の超高反射ミラーを持つフォックス・スミス干渉計型共振器を置き、該共振器内に蓄積されたレーザービームと、上記加速器発生電子ビームを共振器内で衝突させ、X線又はγ線を発生させる装置を開示している。また、該共振器を円形加速器の電子ビームの周回路に同列状に配置し、X線又はγ線を発生させる装置も開示されている。しかし、この装置に用いられる該共振器は、2枚の凹面鏡が対向配置されている通常の光共振器であるので、凹面鏡として例え反射率が99.99984%という超高反射率の反射鏡を用いたとしても、前記説明のようにレーザー光の増幅倍率は精々1000倍程度が限界であるので、該装置により強いレーザーコンプトン散乱X線を発生することは、困難である。   In Patent Document 8, a Fox Smith interferometer type resonator having two ultrahigh reflection mirrors is placed in an electron beam circuit of a circular accelerator, the laser beam accumulated in the resonator, and the generation of the accelerator. An apparatus for generating an X-ray or γ-ray by colliding an electron beam in a resonator is disclosed. Also disclosed is an apparatus for generating X-rays or γ-rays by arranging the resonators in the same row in a circular circuit of an electron beam of a circular accelerator. However, since the resonator used in this apparatus is a normal optical resonator in which two concave mirrors are opposed to each other, an extremely high reflective mirror having a reflectivity of 99.99984% is used as a concave mirror. Even if it is used, the amplification factor of the laser beam is limited to about 1000 times as described above, so that it is difficult to generate strong laser Compton scattered X-rays with this apparatus.

1mJ程度又はそれ以上のパルス強度を有するレーザー光を生成できる光共振器の開発には、レーザー耐久性の共振鏡の課題もある。従来、耐レーザー性の共振鏡の材料には、半導体露光装置用の耐レーザー性の高い光学用合成石英ガラス(特許文献9)、耐レーザー損傷特性を有する屈折率の低い高純度シリカガラス材料(特許文献10)、耐レーザー性の高い合成石英ガラス(特許文献11)、耐レーザー性に優れたエキシマレーザー用光学石英ガラス(特許文献12)、耐レーザー性の良好なエキシマレーザー用積層金属膜(特許文献13)、高屈折率の酸化タンタル薄膜と低屈折率のシリカ薄膜から成る誘電体多層膜(特許文献14)、サファイア等のセラミック材料(特許文献15)、等、が知られている。また、面発光型半導体レーザーなどの光デバイス中に熱伝導性の高いダイヤモンド層を含む多層膜構造を多層膜反射ミラーとして形成させることが提案されている(特許文献16)。   The development of an optical resonator capable of generating a laser beam having a pulse intensity of about 1 mJ or more has a problem of a laser durable resonator mirror. Conventionally, laser-resistant resonator mirror materials include optically synthesized quartz glass with high laser resistance for semiconductor exposure apparatuses (Patent Document 9), high-purity silica glass material with low refractive index having laser damage resistance ( Patent Document 10), synthetic quartz glass with high laser resistance (Patent Document 11), optical quartz glass for excimer laser with excellent laser resistance (Patent Document 12), laminated metal film for excimer laser with excellent laser resistance ( Patent Document 13), a dielectric multilayer film composed of a high refractive index tantalum oxide thin film and a low refractive index silica thin film (Patent Document 14), a ceramic material such as sapphire (Patent Document 15), and the like are known. In addition, it has been proposed to form a multilayer film structure including a diamond layer having high thermal conductivity as a multilayer film reflecting mirror in an optical device such as a surface emitting semiconductor laser (Patent Document 16).

しかし、本発明者らの実験によって、前記に挙げた材料を用いた共振鏡や反射鏡の多くが、300μJ程度のパルス強度を有するレーザー光の繰り返し共振によって破壊されることがわかった。   However, it has been found through experiments by the present inventors that many of the resonant mirrors and reflecting mirrors using the materials listed above are destroyed by repeated resonance of laser light having a pulse intensity of about 300 μJ.

以上のような状況の中で、本発明者らは、レーザーコンプトン散乱を可能にするための高強度の偏光レーザーを発生させるために、1対の平面鏡と1対の凹面鏡とを3次元に配置させた画期的な3次元4鏡光共振器を提案した(特許文献17)。しかし、上記3次元光共振器は、ミラーの3次元配置のために、レーザー光のビームサイズを絞るのに非常に高度な共振器内の共振レーザー光と入射レーザー光との共振マッチング技術を必要とした。   Under the circumstances as described above, the present inventors arranged a pair of plane mirrors and a pair of concave mirrors in a three-dimensional manner in order to generate a high-intensity polarized laser for enabling laser Compton scattering. A revolutionary three-dimensional four-mirror resonator was proposed (Patent Document 17). However, the above three-dimensional optical resonator requires a very advanced resonance matching technique between the resonant laser beam in the resonator and the incident laser beam to reduce the beam size of the laser beam due to the three-dimensional arrangement of the mirrors. It was.

以上の説明のように、従来の光共振器を用いた種々のレーザー生成装置は、材料加工用のレーザー生成装置や光通信用のレーザー発振器として知られているが、レーザーコンプトン散乱X線を発生するための大強度の偏光レーザーを生成する小型の光共振器は、殆ど知られていなかった。   As described above, various laser generators using conventional optical resonators are known as laser generators for material processing and laser oscillators for optical communication, but generate laser Compton scattered X-rays. A small-sized optical resonator that generates a high-intensity polarized laser for the purpose has been hardly known.

P. W. Smith, Stabilized single-frequency output from a long laser cavity, IEEE Journal of Quantum Electronics, 1965, 11, Vol. QE-1, No. 8, pp. 343-348.P. W. Smith, Stabilized single-frequency output from a long laser cavity, IEEE Journal of Quantum Electronics, 1965, 11, Vol.QE-1, No. 8, pp. 343-348.

特開平6−318751号公報JP-A-6-318751 特開2002−141589号公報JP 2002-141589 A 特開平5−75189号公報JP-A-5-75189 特開2009−16488号公報JP 2009-16488 A 特開2011−166169号公報JP 2011-166169 A 米国特許4598415号U.S. Pat. No. 4,598,415 特開平7−110400号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 7-110400 特開平11−211899号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-211899 特開2010−150097号公報JP 2010-150097 A 特開2010−155778号公報JP 2010-155778 A 特開2009−190958号公報JP 2009-190958 A 特開2000−191329号公報JP 2000-191329 A 特開平10−160915号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-160915 特開2006−30288号公報JP 2006-30288 A 特開2004−356479号公報JP 2004-356479 A 特開平10−233558号公報JP-A-10-233558 特開2011−34006号公報JP 2011-34006 A

前記に述べたように、従来のレーザーコンプトン散乱装置は、電子ビーム源として、巨大な円形加速器を用いるという発想に基づいていたので、産業利用には利用されなかった。本発明者らは、超小型の直線加速器発生の電子ビームを用いて光共振器の中でレーザーコンプトン散乱を行わせるという発想の転換を行った。直線加速器が発生する電子ビームは、周回する電子ビームではないので、光共振器は、レーザーコンプトン散乱を行うための容器を兼ね備えていなければならない。本発明は、光共振器の中でレーザーコンプトン散乱を行わせるための高強度のレーザーを生成しようとする考えに基づいている。   As described above, the conventional laser Compton scattering device was based on the idea of using a huge circular accelerator as an electron beam source, and was not used for industrial use. The present inventors changed the idea of performing laser Compton scattering in an optical resonator using an electron beam generated by a micro linear accelerator. Since the electron beam generated by the linear accelerator is not an orbiting electron beam, the optical resonator must also have a container for performing laser Compton scattering. The present invention is based on the idea of generating a high intensity laser for laser Compton scattering in an optical resonator.

本発明の目的は、以上の考えに基づき、共振器に供給された電子ビームとレーザーコンプトン散乱を行うために、高輝度偏光レーザービームを生成することができる光共振器を提供することである。   An object of the present invention is to provide an optical resonator capable of generating a high-intensity polarized laser beam in order to perform laser Compton scattering with an electron beam supplied to the resonator based on the above idea.

本発明者らは、レーザーコンプトン散乱によって数keV程度の準単色X線を発生させるに必要なレーザー光のパルス強度は100μJ程度あればよいが、医療診断、治療、物質構造解析、材料分析、等の産業利用性が高い高輝度準単色X線を発生させるのに必要なレーザー光のパルス強度は、1ミリジュール程度は必要であることを見積もっている。また、診断・治療用の高輝度準単色X線を発生させるためには、レーザーコンプトン散乱によって高輝度の準単色X線を発生させるためには、規格化エミッタンスが10μm−rad以下である高輝度の電子ビームが必要であることを見積もっている。   The inventors of the present invention need only have a pulse intensity of about 100 μJ for generating a quasi-monochromatic X-ray of about several keV by laser Compton scattering, but medical diagnosis, treatment, material structure analysis, material analysis, etc. It is estimated that the pulse intensity of the laser beam necessary for generating a high-luminance quasi-monochromatic X-ray having high industrial applicability is about 1 millijoule. Further, in order to generate high-intensity quasi-monochromatic X-rays for diagnosis and treatment, in order to generate high-intensity quasi-monochromatic X-rays by laser Compton scattering, a high-intensity whose normalized emittance is 10 μm-rad or less. It is estimated that the electron beam is necessary.

本発明者らは、上記の目的を達成するために鋭意研究を重ねた結果、1対の円筒凹面鏡と1対の凹面鏡を同一平面上に配置する2次元4鏡光学系によって、非常に強いレーザー光の生成が可能であることを見いだし、この知見に基づいて本発明を完成するに至った。   As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have achieved a very strong laser by using a two-dimensional four-mirror optical system in which a pair of cylindrical concave mirrors and a pair of concave mirrors are arranged on the same plane. It was found that light can be generated, and the present invention has been completed based on this finding.

本発明者らは、2次元平面に配置された1対の円筒凹面鏡と1対の凹面鏡を設ける2次元4鏡光学系が、パル強度1mJ以上、ビームサイズ5μmの非常に強い偏光レーザーを生成することができることを見いだした。このパルス強度及びビームサイズは、従来のレーザービームのパルス強度及びビームサイズに比べて、それぞれ、10倍高く、100倍小さい。この発見に基づいて、本発明者らは、従来のシンクロトロン放射X線と同じくらい強い高強度の準単色偏光X線を生成できる新しい小型光共振器を提供する。 The present inventors generate a very strong polarized laser having a pal intensity of 1 mJ or more and a beam size of 5 μm by a two-dimensional four-mirror optical system provided with a pair of cylindrical concave mirrors and a pair of concave mirrors arranged in a two-dimensional plane. I found that I could do it. The pulse intensity and beam size, as compared with the pulse intensity and beam size of a conventional laser beam, respectively, 109 times higher, 100 times smaller. Based on this discovery, the present inventors provide a new compact optical resonator that can generate high-intensity quasi-monochromatic polarized X-rays that are as strong as conventional synchrotron radiation X-rays.

すなわち、本発明は、
1.
2次元平面上に配置された1対の円筒凹面鏡と1対の凹面鏡と、光路の長さを調整する共振長調整手段と、レーザー光と電子ビームとの衝突を行うレーザーコンプトン散乱部とを備える2次元4鏡光学系と、レーザー光を該2次元4鏡光学系に導入するレーザー導入口と、電子ビームを該レーザーコンプトン散乱部に導入する電子ビーム導入口と、及びレーザーコンプトン散乱X線を取り出す放射線取出口が設けられている2次元4鏡光共振器をであって、前記レーザー導入口から2次元4鏡光学系に導入されたレーザー光が、前記電子ビーム導入口から導入された電子ビームと前記レーザーコンプトン散乱部の中で衝突が行われレーザーコンプトン散乱X線を放射線取出口から取り出せるように、前記レーザーコンプトン散乱部の中で最も強められることを特徴とする2次元4鏡光共振器の構成とした。
2.
前記2次元4鏡光学系の偏光を制御する偏光制御ユニット、及び前記2次元4鏡光学系の共振を制御する共振制御ユニットをさらに設け、該偏光制御ユニット及び該共振制御ユニットを介して、レーザービームを前記光路の長さに応じて右円偏光レーザー光及び又は左円偏光レーザー光に分離し、増幅するようにしたことを特徴とする前記1に記載の2次元4鏡光共振器の構成とした。
3.
モードロックレーザーを供給するモードロックレーザー発振器及び2次元4鏡光共振器の共振状態とモードロックレーザー発振器の共振状態をマッチングさせる共振マッチングユニットを設けるレーザー光源ユニットをさらに有し、モードロックレーザー発振器から供給されたレーザービームが安定的に増幅されるようにしたことを特徴とする前記2に記載の2次元4鏡光共振器の構成とした。
That is, the present invention
1.
A pair of cylindrical concave mirrors and a pair of concave mirrors arranged on a two-dimensional plane, a resonance length adjusting means for adjusting the length of the optical path, and a laser Compton scattering unit for colliding the laser beam with the electron beam are provided. A two-dimensional four-mirror optical system, a laser inlet for introducing laser light into the two-dimensional four-mirror optical system, an electron beam inlet for introducing an electron beam into the laser Compton scattering unit, and laser Compton scattered X-rays A two-dimensional four-mirror resonator provided with a radiation outlet to be extracted, wherein the laser beam introduced from the laser introduction port into the two-dimensional four-mirror optical system is introduced from the electron beam introduction port. Most of the laser Compton scatter part is collided in the beam and the laser Compton scatter part so that the laser Compton scattered X-ray can be taken out from the radiation outlet. It has a structure of the two-dimensional 4 KagamiHikari resonator, wherein is fit.
2.
A polarization control unit for controlling the polarization of the two-dimensional four-mirror optical system and a resonance control unit for controlling the resonance of the two-dimensional four-mirror optical system are further provided, and the laser is passed through the polarization control unit and the resonance control unit. 2. The configuration of the two-dimensional four-mirror resonator according to 1 above, wherein the beam is separated into a right circularly polarized laser beam and / or a left circularly polarized laser beam according to the length of the optical path and amplified. It was.
3.
A mode-locked laser oscillator that supplies a mode-locked laser, and a laser light source unit that includes a resonance matching unit that matches the resonance state of the two-dimensional four-mirror resonator and the resonance state of the mode-locked laser oscillator. The configuration of the two-dimensional four-mirror resonator according to the above item 2, wherein the supplied laser beam is stably amplified.

前記1に記載の本発明は、パルス強度が1mJ以上、ビームサイズが30μm以下のレーザービームを生成できる。   The present invention described in 1 above can generate a laser beam having a pulse intensity of 1 mJ or more and a beam size of 30 μm or less.

前記2に記載の本発明は、パルス強度が1mJ以上、ビームサイズが30μm以下の右円偏光及び/又は左円偏光レーザービームを選択的に生成できる。   The present invention described in 2 above can selectively generate a right circularly polarized light and / or a left circularly polarized laser beam having a pulse intensity of 1 mJ or more and a beam size of 30 μm or less.

前記3に記載の本発明は、2次元4鏡光共振器の共振状態とモードロックレーザーの共振状態を自動的にマッチングすることができるので、これによって10万倍を超えるような驚くほどの大増幅を安定的に行うことができ、このことにより、驚くほど高強度のレーザービームを生成することができる。   In the third aspect of the present invention, the resonance state of the two-dimensional four-mirror resonator and the resonance state of the mode-locked laser can be automatically matched. Amplification can be performed stably, which can produce a surprisingly high intensity laser beam.

また、本発明は、パルス強度が1mJ以上でありビームサイズが30μm以下の偏光レーザービームと規格化エミッタンスが10μm-rad以下の品質特性を有する電子ビームを衝突角度が0−20度の範囲で衝突させることによってシンクロトロン放射X線と同じくらい強い高輝度準単色X線を生成できる。   Further, the present invention collides a polarized laser beam having a pulse intensity of 1 mJ or more and a beam size of 30 μm or less with an electron beam having a quality characteristic of a normalized emittance of 10 μm-rad or less in a collision angle range of 0 to 20 degrees. By doing so, high-intensity quasi-monochromatic X-rays that are as strong as synchrotron radiation X-rays can be generated.

本発明は、高輝度レーザービーム及び高輝度X線を生成できる2次元4鏡光学系を搭載した新しい小型の光共振器、2次元4鏡光共振器、である。該2次元4鏡光学系は、理想的な円形のビームプロファイルを有する高輝度レーザービーム生成することができ、選択的に右円偏光及び又は左円偏光レーザービームを生成することができ、容易に入出レーザービームの共振マッチングを可能にし、該光学系の中でレーザービームと電子ビームとの衝突(レーザーコンプトン散乱)を可能とする光学系である。これにより、本発明は、シンクロトロン放射X線と同じくらい強い高輝度偏光X線を選択的に生成できる。   The present invention is a new compact optical resonator and a two-dimensional four-mirror optical resonator equipped with a two-dimensional four-mirror optical system capable of generating a high-intensity laser beam and high-intensity X-rays. The two-dimensional four-mirror optical system can generate a high-intensity laser beam having an ideal circular beam profile, and can selectively generate right and left circularly polarized laser beams. It is an optical system that enables resonance matching of incoming and outgoing laser beams and enables collision (laser Compton scattering) between the laser beam and the electron beam in the optical system. Thus, the present invention can selectively generate high-intensity polarized X-rays that are as strong as synchrotron radiation X-rays.

本発明に用いる2次元4鏡光共振器の光学パラメーターを説明する図である。It is a figure explaining the optical parameter of the two-dimensional four mirror optical resonator used for this invention. 本発明光共振器の一つを説明する概略図である。It is the schematic explaining one of the optical resonators of this invention. 共振マッチングユニットを備えるレーザー光源ユニット、偏光制御ユニット、及び、共鳴制御ユニットが付帯されている2次元4鏡光共振器のブロックダイアグラムを説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining the block diagram of the two-dimensional four mirror optical resonator to which the laser light source unit provided with the resonance matching unit, the polarization control unit, and the resonance control unit are attached. 図3の光共振器に電子ビーム発生ユニットEが付帯されている2次元4鏡光共振器のブロックダイアグラムを説明する概念図である。FIG. 4 is a conceptual diagram illustrating a block diagram of a two-dimensional four mirror optical resonator in which an electron beam generating unit E is attached to the optical resonator of FIG. 3. 本発明に用いる2次元4鏡光共振器のレーザーサイズとS-パラメーターの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the laser size and S-parameter of the two-dimensional four-mirror resonator used for this invention. 本発明により生成させるレーザー光のパルス強度と励起レーザー光源の電流値の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the pulse intensity of the laser beam produced | generated by this invention, and the electric current value of an excitation laser light source. 本発明により生成されるレーザー光の共振状態を示す図である。It is a figure which shows the resonance state of the laser beam produced | generated by this invention.

本発明は、電子ビームと衝突を行うための高強度のレーザービームを生成することができる2次元4鏡光学系を搭載した光共振器である。   The present invention is an optical resonator equipped with a two-dimensional four-mirror optical system capable of generating a high-intensity laser beam for colliding with an electron beam.

前記2次元4鏡光共振器は、基本的に、1対の円筒凹面鏡と1対の凹面鏡を2次元に配置した2次元4鏡光学系と、上記光学系に形成される光路の長さを調整する共振器長調整手段と、レーザー光を導入するレーザー導入口と、電子ビームを導入する電子ビーム導入口と、レーザー光と電子ビームの衝突を行うレーザーコンプトン散乱部と、及び該レーザーコンプトン散乱部で発生する放射線を外部に取り出す放射線取出口と、から構成される。   The two-dimensional four-mirror resonator basically has a two-dimensional four-mirror optical system in which a pair of cylindrical concave mirrors and a pair of concave mirrors are two-dimensionally arranged, and the length of an optical path formed in the optical system. Resonator length adjusting means for adjusting, laser introducing port for introducing a laser beam, electron beam introducing port for introducing an electron beam, a laser Compton scattering unit for colliding a laser beam and an electron beam, and the laser Compton scattering And a radiation outlet for taking out the radiation generated in the section to the outside.

前記円筒凹面鏡とは、湾曲した内側の形状が半円筒形の曲面であり、この曲面を鏡面とする鏡のことである。また、前記凹面鏡とは、湾曲した内側の曲面を鏡面とする鏡のことである。   The cylindrical concave mirror is a mirror whose inner curved surface is a semi-cylindrical curved surface, and the curved surface is a mirror surface. The concave mirror is a mirror having a curved inner curved surface as a mirror surface.

一般に、1対の平面鏡と1対の凹面鏡が同一平面上に配置されている2次元4鏡光学系では、レーザービームの入射方向と反射方向が各鏡に対して垂直にならない。この傾きのために、凹面鏡の垂直及び水平方向の焦点距離が一致しなくなり、凹面鏡間の中点に在るレーザー収束点でのビームプロファイルが楕円形状になる。楕円形状のレーザービームは、真円形のレーザービームに比べて、ビーム断面積が大きいので、輝度が低い。   In general, in a two-dimensional four-mirror optical system in which a pair of plane mirrors and a pair of concave mirrors are arranged on the same plane, the incident direction and the reflection direction of a laser beam are not perpendicular to each mirror. Due to this tilt, the vertical and horizontal focal lengths of the concave mirrors do not match, and the beam profile at the laser convergence point at the midpoint between the concave mirrors becomes elliptical. Since the elliptical laser beam has a larger beam cross-sectional area than the true circular laser beam, the luminance is low.

本発明は、前記平面鏡の代わりに円筒凹面鏡を用いることによって、ビームプロファイルを真円形状に小さく絞ることができることを初めて見いだした。これにより、本発明で用いられる2次元4鏡光共振器に生成されるレーザー光は、従来の光共振器によるレーザー光よりも桁違いに輝度を向上させることができる。   The present invention has found for the first time that the beam profile can be narrowed down to a perfect circle by using a cylindrical concave mirror instead of the plane mirror. Thereby, the brightness | luminance of the laser beam produced | generated by the two-dimensional four mirror optical resonator used by this invention can improve a brightness by orders of magnitude rather than the laser beam by the conventional optical resonator.

また、円筒凹面鏡を用いることによって、真円形状のビームプロファイルを有する平行ビームにすることができるので、レーザー入射マッチングが非常に容易になり、レーザー透過マッチングも同様であるので、本発明の2次元4鏡光共振器は、レーザービームオプティクスの調整を簡便に行うことができる。本発明で用いられる2次元4鏡光学系は、従来、殆ど知られていない。   In addition, by using a cylindrical concave mirror, a parallel beam having a perfect circular beam profile can be obtained, so that laser incident matching becomes very easy and laser transmission matching is the same. The 4-mirror resonator can easily adjust the laser beam optics. Conventionally, the two-dimensional four-mirror optical system used in the present invention is hardly known.

前記円筒凹面鏡及び前記凹面鏡の反射率は、光共振器の共鳴の鋭さ(Finesse)を大きくするように最適化される。Finesse(F)は、反射率(R)と式1の関係がある。   The reflectivity of the cylindrical concave mirror and the concave mirror is optimized so as to increase the resonance sharpness of the optical resonator. Finesse (F) has a relationship of the reflectance (R) and Formula 1.

Rが大きいほどFを大きくすることができる。反射率を大きくするもう一つの理由は、高輝度のレーザー衝突によって凹面鏡の表面が損傷を受けるのを抑制する(レーザー耐久性を上げる)ためである。   As R increases, F can be increased. Another reason for increasing the reflectivity is to prevent the surface of the concave mirror from being damaged by a high-intensity laser collision (increasing laser durability).

前記光学系の中に設けられる1対の円筒凹面鏡のうちの一つ及び1対の凹面鏡のうちの一つは、それぞれ反射率が99.9%以上であるのが好ましく、反射率が99.99%以上100%未満であるのがさらに好ましい。反射率が99.9%以下であると凹面鏡のFinesseの低下が大きくなり凹面鏡表面でのレーザー光の衝突による悪影響が生じやすくなるので、99.9%以上であるのが好ましく、反射率が99.99%以上であれば光共振器のFinesseを非常に大きくできるだけでなくレーザー光の衝突による悪影響を小さくできるので好ましい。また、反射率を100%未満とするのは、反射率を100%未満とするのは、レーザー光の入出を行うためである。通常は、反射率が99.999%程度乃至それ以上の反射率の凹面鏡を用いる。   One of the pair of cylindrical concave mirrors provided in the optical system and one of the pair of concave mirrors preferably have a reflectance of 99.9% or more, respectively, and the reflectance is 99. More preferably, it is 99% or more and less than 100%. When the reflectivity is 99.9% or less, the decrease in the fineness of the concave mirror is increased, and an adverse effect due to the collision of the laser beam on the concave mirror surface is liable to occur. If it is .99% or more, it is preferable not only because the fineness of the optical resonator can be made very large but also the adverse effect caused by the collision of laser light can be reduced. The reason why the reflectance is less than 100% is that the reflectance is less than 100% because laser light enters and exits. Usually, a concave mirror having a reflectivity of about 99.999% or more is used.

前記円筒凹面鏡及び前記凹面鏡は、通常、鏡の表面が誘電体多層膜でコートされた鏡を用いる。誘電体多層膜をコートした鏡は、従来の光共振器に用いられている鏡よりもレーザー耐久性が比較的に高い。好ましい鏡としては、例えば、フッ素含有誘電体多層膜がコートされた鏡、単結晶ダイヤモンド薄膜がコートされた鏡などを挙げることができるが、これらに限定するものではない。   As the cylindrical concave mirror and the concave mirror, a mirror whose surface is coated with a dielectric multilayer film is usually used. A mirror coated with a dielectric multilayer film has a relatively higher laser durability than a mirror used in a conventional optical resonator. Preferred examples of the mirror include, but are not limited to, a mirror coated with a fluorine-containing dielectric multilayer film and a mirror coated with a single crystal diamond thin film.

前記光共振器内に形成される光路の長さを調整する共振器長調整手段は、前記凹面鏡間の光路長を制御する手段である。該手段は、凹面鏡を支持する各ホルダーに設けられ、共振状態に依存した印加電圧に応じて該ホルダーと共に高精度で可動できる機構になっている。上記共振器長調整手段としては、ピエゾ素子を持つ圧電制御手段が好ましい。   The resonator length adjusting means for adjusting the length of the optical path formed in the optical resonator is means for controlling the optical path length between the concave mirrors. The means is provided in each holder that supports the concave mirror, and is a mechanism that can move with the holder with high accuracy in accordance with the applied voltage depending on the resonance state. As the resonator length adjusting means, piezoelectric control means having a piezoelectric element is preferable.

前記レーザーコンプトン散乱部は、2次元4鏡光共振器の中でレーザー光と電子ビームを衝突させてレーザーコンプトン散乱を行う所である。電子ビームとの衝突は、レーザーコンプトン散乱部の手前に設けた電磁石によって、レーザービームに向かってくる電子ビームと正面衝突に近い入射角を精密に制御することにより、達成できる。該レーザーコンプトン散乱部は、通常、2次元4鏡光学系の光路上に設けられ、共鳴レーザー光のビームサイズ(ビームウエストともいう)が最小になる共振長の中央の位置に設けられるのが最も好ましい。そうすることによって、後述のように、レーザーコンプトン散乱を行う上で、該光学系のレーザービームが、レーザーコンプトン散乱部の中で最も強められるのである。   The laser Compton scattering unit is a place where laser Compton scattering is performed by colliding a laser beam and an electron beam in a two-dimensional four-mirror resonator. The collision with the electron beam can be achieved by precisely controlling the incident angle close to the frontal collision with the electron beam traveling toward the laser beam by an electromagnet provided in front of the laser Compton scattering unit. The laser Compton scattering part is usually provided on the optical path of the two-dimensional four-mirror optical system, and is most preferably provided at the center of the resonance length where the beam size (also referred to as the beam waist) of the resonance laser light is minimized. preferable. By doing so, as will be described later, in performing laser Compton scattering, the laser beam of the optical system is strengthened most in the laser Compton scattering portion.

前記レーザー光を導入するためのレーザー導入口は、通常、前記光学系の中に設けられる円筒凹面鏡に適切な入射角度でレーザー光を入射できるように、前記光学系を収納する光共振器構造体の側部に設けられる。   The laser introduction port for introducing the laser beam is usually an optical resonator structure that houses the optical system so that the laser beam can be incident on a cylindrical concave mirror provided in the optical system at an appropriate incident angle. Is provided on the side.

前記電子ビームを導入するための電子ビーム導入口は、通常、前記コンプトン散乱部に適切な入射角度で電子ビームを入射できるように前記光学系を収納する光共振器構造体の側部に設けられる。   An electron beam introduction port for introducing the electron beam is usually provided on a side portion of the optical resonator structure housing the optical system so that the electron beam can be incident on the Compton scattering unit at an appropriate incident angle. .

前記レーザーコンプトン散乱部で発生する放射線を取り出す放射線取出口は、通常、前記コンプトン散乱部からの放射線が適切な取り出し角度で取り出せるように、前記光学系を収納する光共振器構造体の側部に設けられる。   The radiation extraction port for extracting the radiation generated in the laser Compton scattering unit is usually located on the side of the optical resonator structure housing the optical system so that the radiation from the Compton scattering unit can be extracted at an appropriate extraction angle. Provided.

前記レーザーコンプトン散乱部で高輝度X線を発生させるには、ビームサイズが小さいほど、またパルス強度が高いほど好ましい。レーザーコンプトン散乱部において衝突させるレーザー光は、パルス強度が1mJ以上でありビームサイズが30μm以下の偏光レーザーであるのが好ましい。また、パルス強度が1mJ以上でありビームサイズが20μm以下の偏光レーザーであるのが更に好ましい。ビームサイズが30μm以下でありパルス強度が1mJ以上であれば、高輝度放射線のマイクロビームを発生することが可能であるからである。また、本発明で用いる2次元4鏡光共振器によるビームサイズの理論的下限は、約5μmであることから、前記レーザーコンプトン散乱部において衝突させるレーザー光のビームサイズの下限は、5μmである。   In order to generate high-intensity X-rays at the laser Compton scattering part, the smaller the beam size and the higher the pulse intensity, the better. The laser beam collided in the laser Compton scattering part is preferably a polarized laser having a pulse intensity of 1 mJ or more and a beam size of 30 μm or less. Further, a polarized laser having a pulse intensity of 1 mJ or more and a beam size of 20 μm or less is more preferable. This is because if the beam size is 30 μm or less and the pulse intensity is 1 mJ or more, a microbeam of high-intensity radiation can be generated. Further, since the theoretical lower limit of the beam size by the two-dimensional four-mirror resonator used in the present invention is about 5 μm, the lower limit of the beam size of the laser light collided in the laser Compton scattering part is 5 μm.

前記レーザーコンプトン散乱部において衝突させる電子ビームは、規格化エミッタンスが10μm−rad以下の品質を有する電子ビームであるのが好ましい。規格化エミッタンスが小さい電子ビームを用いることで高輝度の放射線を発生させることができるからである。   The electron beam collided in the laser Compton scattering part is preferably an electron beam having a normalized emittance of 10 μm-rad or less. This is because high-intensity radiation can be generated by using an electron beam having a small normalized emittance.

前記レーザーコンプトン散乱部におけるレーザーコンプトン散乱は、前記偏光レーザーと前記電子ビームとの衝突角度が0−20度の範囲で行われるのが好ましい。この範囲は、レーザーコンプトン散乱の衝突確率を大きくし、準単色放射線を発生するために好ましいからである。本発明では、衝突角度が0−20度の範囲で行われるのが好ましい。衝突角度調整は、レーザーコンプトン散乱部の手前に設ける電磁石により行うことができる。   The laser Compton scattering in the laser Compton scattering part is preferably performed in a range of 0 to 20 degrees in the collision angle between the polarized laser and the electron beam. This is because this range is preferable for increasing the collision probability of laser Compton scattering and generating quasi-monochromatic radiation. In the present invention, the collision angle is preferably in the range of 0 to 20 degrees. The collision angle can be adjusted by an electromagnet provided in front of the laser Compton scattering part.

前記2次元4鏡光共振器は、周回光路中の微粒子によるレーザー散乱を防止するために真空下に置くのが好ましい。この真空度は、10−6Pa以下であるのが好ましい。 The two-dimensional four-mirror resonator is preferably placed under vacuum in order to prevent laser scattering due to fine particles in the circulating optical path. The degree of vacuum is preferably 10 −6 Pa or less.

更に、本発明は、2次元4鏡光学系のレーザー光の選択的な右円偏光又は左円偏光の制御を行う偏光制御ユニットと、各偏光レーザーの共振を行わせる共振制御ユニットDを付帯することができる。   Furthermore, the present invention is accompanied by a polarization control unit that selectively controls right circular polarization or left circular polarization of laser light of a two-dimensional four-mirror optical system, and a resonance control unit D that causes resonance of each polarized laser. be able to.

前記偏光制御ユニットは、共鳴レーザーの偏光状態を検出するシステムである。該システムは、光共振器からのレーザー光を所定距離離れた場所に導く複数の平面鏡、最終段の平面鏡で反射されたレーザー光の偏光面を調整するλ/2波長板、偏光面が調整されたレーザー光をP偏光とS偏光に分離する偏光ビームスプリッタ―、分離されたそれぞれの偏光ビームのレーザー強度を示す偏光強度信号を生成するそれぞれのピンフォトダイオード、それぞれのピンフォトダイオードから出力されるそれぞれの偏光強度信号の差分を演算し差分信号を生成する差動増幅器、差動増幅器から出力される差分信号を判定するゼロクロス判定器、ゼロクロス判定器の判定結果からゼロクロスフィードバック信号を生成するゼロクロスフィードバック信号生成器、等を備える。そして、これを実施する各種の演算を行うマイクロプロセッサ、又は演算機能が組み込まれたLSIなどが搭載された演算基板を備える。   The polarization control unit is a system that detects the polarization state of the resonant laser. The system includes a plurality of plane mirrors for guiding laser light from an optical resonator to a predetermined distance away, a λ / 2 wavelength plate for adjusting the polarization plane of the laser light reflected by the last plane mirror, and the polarization plane is adjusted. Polarized beam splitter that separates the laser light into P-polarized light and S-polarized light, each pin photodiode that generates a polarization intensity signal indicating the laser intensity of each separated polarized beam, and each pin photodiode that is output A differential amplifier that calculates a difference between each polarization intensity signal and generates a differential signal, a zero-cross determiner that determines a difference signal output from the differential amplifier, and a zero-cross feedback that generates a zero-cross feedback signal from the determination result of the zero-cross determiner A signal generator, etc. Then, a processing board is provided that includes a microprocessor that performs various operations for performing this operation, or an LSI incorporating a calculation function.

前記共振制御ユニットは、前記偏光制御ユニットからの信号を用いて2次元4鏡光学系の位置調整手段(ピエゾ素子)を制御するシステムである。該システムは、前記ゼロクロスフィードバック信号生成器からのゼロクロスフィードバック信号を受けて、選択される右偏光又は左偏光を指定する指示信号を出力する偏光切替えスイッチと、光共振器の内部で共振しているレーザー光の強度とレーザー光源部からのレーザー光の強度を測定する共振モニターと、前記偏光切替えスイッチの出力、前記共振モニターの出力、及び、前記ゼロクロスフィードバック信号生成器の出力に基づき、前記光共振器内に設けられた圧電素子の駆動電圧を制御する共振制御器、等を備える。そして、これを実施する各種の演算を行うマイクロプロセッサ、又は演算機能が組み込まれたLSIなどが搭載された演算基板を備える。該偏光制御部は右偏光と左偏光の光路長の僅かな違いを利用するものである。   The resonance control unit is a system that controls a position adjusting means (piezo element) of a two-dimensional four-mirror optical system using a signal from the polarization control unit. The system resonates inside an optical resonator with a polarization changeover switch that receives a zero-cross feedback signal from the zero-cross feedback signal generator and outputs an instruction signal that specifies a right polarization or a left polarization to be selected. Based on the resonance monitor for measuring the intensity of the laser beam and the intensity of the laser beam from the laser light source unit, the output of the polarization changeover switch, the output of the resonance monitor, and the output of the zero cross feedback signal generator, the optical resonance A resonance controller for controlling the driving voltage of the piezoelectric element provided in the chamber. Then, a processing board is provided that includes a microprocessor that performs various operations for performing this operation, or an LSI incorporating a calculation function. The polarization controller uses a slight difference in optical path length between right polarized light and left polarized light.

更に、本発明は、レーザー光を供給するレーザー光源ユニットを付帯することができる。該レーザー光源ユニットは、レーザー光源と、共振マッチングユニットと、レーザー光源からのレーザー光を導く複数の平面鏡と、レーザーのビーム径を整える複数のコリメートレンズと、及びレーザーを直線偏光にする偏光ビームスプリッタ―、等を備える。該レーザー光源としては、モードロックレーザー発振器、パルスレーザー発振器、CWレーザー発振器、等を用いることができる。例えば、光共振器とファイバレーザー増幅器とで作られるループ状の光周回路で協調的な自己発振による増幅を可能とするモードロックレーザー発振器は、高強度のレーザー光を供給できるので、最も好ましい。   Furthermore, the present invention can be accompanied by a laser light source unit that supplies laser light. The laser light source unit includes a laser light source, a resonance matching unit, a plurality of plane mirrors for guiding laser light from the laser light source, a plurality of collimating lenses for adjusting the laser beam diameter, and a polarization beam splitter for making the laser linearly polarized light. ―, Etc. As the laser light source, a mode-locked laser oscillator, a pulse laser oscillator, a CW laser oscillator, or the like can be used. For example, a mode-locked laser oscillator that enables amplification by cooperative self-oscillation with a loop-shaped optical circuit formed of an optical resonator and a fiber laser amplifier is most preferable because it can supply high-intensity laser light.

前記共振マッチングユニットFは、2次元4鏡光共振器内のレーザー光の増幅を前記レーザー光源ユニットのレーザー光の増幅と同調させるための手段のことである。該共振マッチング手段は、レーザー光源として光共振器とファイバレーザー増幅器とで作られるループ状の光周回路で協調的な自己発振による増幅を可能とするモードロックレーザー発振器を用いる場合に有効である。前記共振マッチングユニットを搭載した本発明は、モードロックレーザー発振器の光周回路に在る光共振器のモードロックレーザー光を2次元4鏡光共振器によって容易に増幅することを可能にする。なぜなら、この増幅レーザー光は、前記共振マッチング手段によって、モードロックレーザー発振器の光周回路に在る光共振器の共鳴条件を自然に満足しているからである。該共振マッチング手段によって0.1Åの共鳴幅の制御を難なく行うことができることが確認されている。   The resonance matching unit F is means for synchronizing the amplification of the laser beam in the two-dimensional four-mirror resonator with the amplification of the laser beam of the laser light source unit. The resonance matching means is effective when a mode-locked laser oscillator that enables amplification by cooperative self-oscillation is used as a laser light source in a loop-shaped optical circuit made up of an optical resonator and a fiber laser amplifier. The present invention equipped with the resonance matching unit makes it possible to easily amplify the mode-locked laser light of the optical resonator in the optical circuit of the mode-locked laser oscillator by the two-dimensional four-mirror resonator. This is because the amplified laser light naturally satisfies the resonance condition of the optical resonator in the optical circuit of the mode-locked laser oscillator by the resonance matching means. It has been confirmed that the resonance matching means can control the resonance width of 0.10 without difficulty.

前記共振マッチングユニットは、前記レーザー光源ユニットのパルス信号を検出し2次元4鏡光共振器にフィードバックするフィードバック検出系、及び該フィードバック検出系からの信号を読み取り2次元4鏡光共振器の光学系の位置制御手段を駆動させる駆動制御信号を生成する補正ボードを備える。そして、これを実施する各種の演算を行うマイクロプロセッサ、又は演算機能が組み込まれたFPGAやASIC等のLSIなどが搭載された演算基板を備える。   The resonance matching unit detects a pulse signal of the laser light source unit and feeds it back to a two-dimensional four-mirror resonator, and reads a signal from the feedback detection system and an optical system of the two-dimensional four-mirror resonator A correction board for generating a drive control signal for driving the position control means. Then, it includes a processing board on which a microprocessor for performing various operations for implementing this, or an LSI such as an FPGA or an ASIC incorporating a calculation function is mounted.

前記フィードバック検出系としては、図3に示すような偏光制御ユニットC[λ/2ミラー17―ポラライズビームスプリッタ(PBS)14―S波検出ピンフォトダイオード18―P波検出ピンフォトダイオード―差動増幅器20―ゼロクロス判定器21―ゼロクロスフィードバックシグナル生成器22]に類似のシステムを用いることができる As the feedback detection system, a polarization control unit C [λ / 2 mirror 17-polarized beam splitter (PBS) 14-S wave detection pin photodiode 18-P wave detection pin photodiode-differential as shown in FIG. A similar system can be used for amplifier 20—zero cross determiner 21—zero cross feedback signal generator 22] .

前記補正ボードとしては、図3に示すような共振制御ユニットD[偏光切替えスイッチ―23―共振モニタ25―共振制御器24]に類似のシステムを用いることができる The correction as the board, can be used similar system in such resonant control unit D [polarization changeover switch 23-resonance monitoring 25-resonant controller 24 'as shown in FIG.

更に、本発明は、高エネルギー電子ビームを2次元4鏡光共振器に供給する電子ビーム生成ユニットを付帯することができる。   Furthermore, the present invention can be accompanied by an electron beam generating unit that supplies a high-energy electron beam to a two-dimensional four-mirror resonator.

前記電子ビーム生成ユニットとしては、高周波信号発生装置と、高周波信号発生装置から出力される高周波信号と同期した高周波電圧を使用して、電子を加速させて高エネルギー電子ビームを出射する高エネルギー電子ビーム発生装置、とを備えている。該高エネルギー電子ビーム発生装置としては、高周波(RF)直線加速器が好ましい。   The electron beam generating unit includes a high frequency signal generator and a high energy electron beam that emits a high energy electron beam by accelerating electrons using a high frequency voltage synchronized with a high frequency signal output from the high frequency signal generator. A generator. The high energy electron beam generator is preferably a radio frequency (RF) linear accelerator.

以下に図面を参照しつつ本発明の一側面を実施形態(以下、「本実施形態」とも表記する)として詳細に説明する。   Hereinafter, an aspect of the present invention will be described in detail as an embodiment (hereinafter also referred to as “the present embodiment”) with reference to the drawings.

図1に示す本発明に用いる2次元4鏡光学系の光学パラメーターは、円筒凹面鏡間の距離L、凹面鏡間の距離(共振器長)L、光共振器の幅d、及び入射角αである。そして、これらのパラメーターは、凹面鏡間のレーザービームのビームサイズ(ビームウエストともいう)ωをできるだけ小さくするように最適化される。それは、ビームサイズが小さいほどレーザーコンプトン散乱X線のフラックスは大きいので、ωをできるだけ小さくすることで、フラックスを大きくするためである。本発明では、λ=1064nmのレーザービームを用いている。Lは、モードロックレーザーの共鳴条件から、1075mm程度とするのがよい。ωの値は、ガウシアンビーム光学におけるビームエキスパンダーを使ったエンベロープ計算を行って、凹面鏡の垂直方向及び水平方向のレーザーサイズωとS−パラメーターとの関係から求めた。ここで、S−パラメーターとは、対向する1対の凹面鏡において、片方の凹面鏡からもう片方の凹面鏡に沿うレーザー方向に在るレーザーパルスの位置のことである。その結果、図5に示すように、S-パラメーターが537.6mmの所でレーザーサイズωは、5μmの極小値に収束することがわかった。また、凹面鏡の垂直方向及び水平方向のそれぞれのレーザーサイズとS−パラメーターの関係の重なりである共鳴安定領域が、オプティクスとして拡大されることがわかった。このレーザー光のビームサイズの極小値は、従来の大強度モードロック発振器(出力50W,発振器内のパルスの時間幅10ps/pulse,波長1064nm,150MHz繰り返し)のレーザー光のビームサイズの極小値が50μmであることに比べて、10分の1であるので、本発明光共振器で生成するレーザービームの輝度は、従来の大強度モード発振器で生成するレーザービームの輝度よりも100倍も高くすることが可能である。それゆえに、前記レーザーコンプトン散乱部は、共鳴レーザーのビームサイズが極小になるような共振長の2分の1の位置に設けられるのが最も好ましい。こうすることによって、光学系のレーザー光がレーザーコンプトン散乱部において最も強められる。 The optical parameters of the two-dimensional four-mirror optical system used in the present invention shown in FIG. 1 are the distance L 1 between the cylindrical concave mirrors, the distance (resonator length) L 2 between the concave mirrors, the width d of the optical resonator, and the incident angle α. It is. These parameters are optimized so as to make the beam size (also referred to as beam waist) ω 0 of the laser beam between the concave mirrors as small as possible. This is because the smaller the beam size, the larger the flux of laser Compton scattered X-rays, so that the flux can be increased by making ω 0 as small as possible. In the present invention, a laser beam with λ = 1064 nm is used. L 2 is preferably about 1075 mm from the resonance condition of the mode-locked laser. The value of ω 0 was obtained from the relationship between the S-parameter and the laser size ω 0 in the vertical and horizontal directions of the concave mirror by performing envelope calculation using a beam expander in Gaussian beam optics. Here, the S-parameter is the position of the laser pulse in the laser direction along the other concave mirror from the one concave mirror in a pair of opposing concave mirrors. As a result, as shown in FIG. 5, it was found that the laser size ω 0 converged to a minimum value of 5 μm when the S-parameter was 537.6 mm. It was also found that the resonance stable region, which is the overlapping of the relationship between the laser size and S-parameter in the vertical and horizontal directions of the concave mirror, is expanded as optics. The minimum value of the laser beam size is 50 μm, which is the minimum value of the laser beam size of a conventional high-intensity mode-locked oscillator (output 50 W, pulse duration 10 ps / pulse, wavelength 1064 nm, 150 MHz repetition). Therefore, the brightness of the laser beam generated by the optical resonator of the present invention should be 100 times higher than the brightness of the laser beam generated by the conventional high intensity mode oscillator. Is possible. Therefore, it is most preferable that the laser Compton scattering part is provided at a position of a half of the resonance length so that the beam size of the resonance laser is minimized. By doing so, the laser beam of the optical system is strengthened most in the laser Compton scattering part.

図1に示すように、光共振器の幅dと凹面鏡に入射されるレーザー光の入射角αは、凹面鏡による水平方向及び垂直方向の収束力が最大になるように最適化される。本発明では、光共振器の幅dは240mm程度、入射角αは0.20radian(11.4°)程度とするのが好ましい。   As shown in FIG. 1, the width d of the optical resonator and the incident angle α of the laser light incident on the concave mirror are optimized so that the horizontal and vertical convergence forces of the concave mirror are maximized. In the present invention, the width d of the optical resonator is preferably about 240 mm, and the incident angle α is preferably about 0.20 radian (11.4 °).

図2に示す本発明は、2次元に配置された1対の円筒凹面鏡1, 2と1対の凹面鏡3, 4と、光路の長さを調整する共振器長調整手段10と、レーザー光と電子ビームとの衝突を行うレーザーコンプトン散乱部7と、レーザー光源11から出射されるレーザー光を導入するレーザー導入口5と、電子ビームを導入する電子ビーム導入口6と、放射線を取り出す放射線取出口8が、設けられている2次元4鏡光共振器Aから構成されるレーザーコンプトン散乱光共振器である。そして、該光共振器内の蓄積レーザー光の一部を、凹面鏡3を透過してレーザー出射口9から後述の偏光制御ユニットCに出射することができる。   The present invention shown in FIG. 2 includes a pair of cylindrical concave mirrors 1 and 2 and a pair of concave mirrors 3 and 4 arranged in a two-dimensional manner, resonator length adjusting means 10 for adjusting the length of the optical path, laser light, A laser Compton scattering unit 7 that collides with an electron beam, a laser inlet 5 that introduces a laser beam emitted from a laser light source 11, an electron beam inlet 6 that introduces an electron beam, and a radiation outlet that extracts radiation Reference numeral 8 denotes a laser Compton scattered light resonator composed of the provided two-dimensional four-mirror resonator A. A part of the accumulated laser light in the optical resonator can be transmitted through the concave mirror 3 and emitted from the laser emission port 9 to the polarization control unit C described later.

図3に示す本発明は、2次元4鏡光共振器A、レーザー光源ユニットB、偏光制御ユニットC、及び共振制御ユニットDを備える光共振器である。   The present invention shown in FIG. 3 is an optical resonator including a two-dimensional four-mirror resonator A, a laser light source unit B, a polarization control unit C, and a resonance control unit D.

図4に示す本発明は、2次元4鏡光共振器A、レーザー光源ユニットB、偏光制御ユニットC、共振制御ユニットD、及び電子ビーム生成ユニットEを備える光共振器である。   The present invention shown in FIG. 4 is an optical resonator including a two-dimensional four-mirror resonator A, a laser light source unit B, a polarization control unit C, a resonance control unit D, and an electron beam generation unit E.

次に、図2〜4を参照しながら、本発明の動作を説明する。   Next, the operation of the present invention will be described with reference to FIGS.

本発明2次元4鏡光共振器は、10−6Pa以下の真空下に置かれている。起動スイッチがオンされて、レーザー光源11からレーザー光の出射が開始されると、偏光ビームスプリッタ―14、コリメートレンズ15、を通過する過程で、レーザー光の偏光面とビーム径が整えられて、反射鏡16を経て、2次元4枚鏡光共振器の円筒凹面鏡1の裏側に入り、円筒凹面鏡1を透過したレーザーが、円筒凹面鏡2→凹面鏡3→凹面鏡4→円筒凹面鏡1→円筒凹面鏡2なる経路で閉じ込められる。 The two-dimensional four-mirror resonator according to the present invention is placed under a vacuum of 10 −6 Pa or less. When the start switch is turned on and the emission of laser light from the laser light source 11 is started, the polarization plane and beam diameter of the laser light are adjusted in the process of passing through the polarizing beam splitter 14 and the collimating lens 15, A laser that passes through the reflecting mirror 16 and enters the back side of the cylindrical concave mirror 1 of the two-dimensional four-mirror optical resonator and passes through the cylindrical concave mirror 1 becomes the cylindrical concave mirror 2 → the concave mirror 3 → the concave mirror 4 → the cylindrical concave mirror 1 → the cylindrical concave mirror 2. It is confined by the route.

また、この動作と並行し、2次元4鏡光共振器の円筒凹面鏡2を透過したレーザー光の強度が共振モニター24によって測定されてモニター信号が生成され、共振制御器25に供給される。上記共振モニター24は、ピンフォトダイオードを備えており、レーザー光の強度を測定してモニター信号(2次元光共振器内のレーザー光が共振しているとき、大きな値となる信号)を生成するものである。   In parallel with this operation, the intensity of the laser beam transmitted through the cylindrical concave mirror 2 of the two-dimensional four-mirror resonator is measured by the resonance monitor 24 to generate a monitor signal and supplied to the resonance controller 25. The resonance monitor 24 includes a pin photodiode, and measures the intensity of the laser beam to generate a monitor signal (a signal having a large value when the laser beam in the two-dimensional optical resonator is resonating). Is.

また、これらの動作と並行し、偏光制御ユニットCによって、2次元4鏡光共振器内で共振しているレーザー光のうち、凹面鏡3を透過したレーザー光を反射させ、2次元4枚鏡光共振器から所定距離離れた場所に導く複数の平面鏡16と2次元4枚鏡光共振器から距離に応じた取り付け角度に調整され、最終段の平面鏡で反射されたレーザー光の偏光面を調整するλ/2波長板17と、λ/2波長板17で偏光面が調整されたレーザー光をP偏光とS偏光に分離する偏光ビームスプリッタ―14と、偏光ビームスプリッタ―14で分離されたS偏光側のレーザー光を反射する平面鏡16と平面鏡16で反射されたS偏光側のレーザーを受光し、S偏光側のレーザー強度を示すS偏光強度信号を生成するピンフォトダイオード18と、偏光ビームスプリッタ―14で分離されたP偏光側のレーザー光を反射する平面鏡16と、平面鏡で反射されたP偏光側のレーザー光を受光し、P偏光側のレーザー強度を示すP偏光強度の信号を生成するピンフォトダイオード19と、ピンフォトダイオード18から出力されるS偏光強度信号とピンフォトダイオード19から出力されるP偏光強度信号との差分を演算し、差分信号を生成する差動増幅器20と、差動増幅器20から出力される差分信号がゼロクロスしているかどうか、ゼロクロスしたとき、プラス側からマイナス側にゼロクロスしたか、マイナス側からプラス側にゼロクロスしたかどうかなどを判定し、これらの判定結果を示すゼロクロスフィードバック信号を生成するゼロクロス判定器21とを備えており、2次元4鏡光共振器内で共振しているレーザー光のうち、平面鏡を透過したレーザー光を取り込んで、P偏光とS偏光に分離し、その強度を測定すると共に、その差分値を求めて、差分信号がゼロクロスしているかどうか、ゼロクロスしたとき、プラス側からマイナス側にゼロクロスしたか、マイナス側からプラス側にゼロクロスしたかどうかなどを示すゼロクロスフィードバック信号をゼロクロス信号生成器22で生成し、偏光切替えスイッチ23に送り、共振制御器25に送る。   In parallel with these operations, the polarization control unit C reflects the laser light that has passed through the concave mirror 3 out of the laser light resonating in the two-dimensional four-mirror resonator, thereby two-dimensional four-mirror light. The plane of polarization of the laser light reflected by the plane mirror at the final stage is adjusted by adjusting the mounting angle according to the distance from the plurality of plane mirrors 16 and the two-dimensional four mirror optical resonators guided to a place away from the resonator by a predetermined distance. A λ / 2 wavelength plate 17, a polarization beam splitter 14 that separates laser light whose polarization plane is adjusted by the λ / 2 wavelength plate 17 into P-polarized light and S-polarized light, and S-polarized light separated by the polarizing beam splitter 14. A plane mirror 16 that reflects the laser beam on the side, a pin photodiode 18 that receives the S-polarized laser reflected by the plane mirror 16 and generates an S-polarized intensity signal indicating the laser intensity on the S-polarized side; A plane mirror 16 that reflects the P-polarized laser beam separated by the M-splitter 14 and a P-polarized laser beam reflected by the plane mirror are received, and a P-polarized intensity signal indicating the P-polarized laser intensity is received. A pin photodiode 19 to be generated; and a differential amplifier 20 that calculates a difference between an S-polarized light intensity signal output from the pin photodiode 18 and a P-polarized light intensity signal output from the pin photodiode 19 and generates a difference signal; It is determined whether the differential signal output from the differential amplifier 20 is zero-crossed, whether it is zero-crossed, whether it is zero-crossed from the plus side to the minus side, or zero-crossed from the minus side to the plus side, etc. And a zero-cross discriminator 21 for generating a zero-cross feedback signal indicating the result, and a two-dimensional four-mirror resonator The laser beam that has passed through the plane mirror among the laser beams that are resonating in is taken and separated into P-polarized light and S-polarized light, the intensity is measured, and the difference value is obtained, and the difference signal is zero-crossed. When a zero cross occurs, a zero cross feedback signal is generated by the zero cross signal generator 22 indicating whether the zero cross from the plus side to the minus side or the zero cross from the minus side to the plus side is generated, and sent to the polarization changeover switch 23 to resonate. Send to controller 25.

また、この動作と並行し、共振制御器25によって、ランプ状に電圧値が高くなる駆動電圧が生成されて、2次元4枚鏡光共振器内のピエゾ素子10に供給され、該光共振器の光路長が調整される。   In parallel with this operation, the resonance controller 25 generates a driving voltage having a ramp-like voltage value and supplies the driving voltage to the piezo element 10 in the two-dimensional four-mirror optical resonator. Is adjusted.

そして、偏光切替えスイッチ23から出力されている指示信号で、右偏光、又は左偏光の何れか、例えば、右偏光が指定され、この状況で、偏光制御ユニットCによって右偏光が検出されたことを示すゼロクロスフィードバック信号がゼロクロスフィードバック信号生成器22により生成され、共振モニター24から2次元4枚鏡光共振器内でレーザー光が共振していることを示すモニター信号が出力されたとき、共振制御器25によって、これが検知されて、駆動電圧の電圧値が固定される。   In the instruction signal output from the polarization changeover switch 23, either right polarization or left polarization, for example, right polarization is designated, and in this situation, the right polarization is detected by the polarization control unit C. When a zero cross feedback signal is generated by the zero cross feedback signal generator 22 and a monitor signal indicating that the laser beam is resonating in the two-dimensional four-mirror optical resonator is output from the resonance monitor 24, the resonance controller This is detected by 25 and the voltage value of the drive voltage is fixed.

これにより、2次元4鏡光共振器内の光路長がその時点で固定され、該光共振器内で右偏光のレーザーに対する共振が、指定された時間、維持される。   As a result, the optical path length in the two-dimensional four-mirror resonator is fixed at that time, and the resonance for the right-polarized laser is maintained in the optical resonator for a specified time.

前記共振制御器25は、各種の演算を行うマイクロプロセッサ、又は演算機能が組み込まれたFPGAやASIC等のLSIなどが搭載された演算基板を備えており、偏光切替えスイッチ23から出力される指示信号、共振モニター25から出力されるモニター信号、ゼロクロス判定手段Cから出力されるゼロクロスフィードバック信号に基づき、ランプ状の電圧値、又は2次元光共振器内に右偏光、又は左偏光のレーザー光を選択させるのに必要な電圧値の駆動電圧を生成して2次元光共振器内のピエゾ素子10に供給することにより、2次元4鏡光共振器の光路長を制御し、2次元光共振器内に右偏光、又は左偏光のレーザー光を選択的に蓄積させる。   The resonance controller 25 includes a microprocessor for performing various calculations, or a calculation board on which an LSI such as an FPGA or ASIC incorporating a calculation function is mounted, and an instruction signal output from the polarization changeover switch 23 Based on the monitor signal output from the resonance monitor 25 and the zero-cross feedback signal output from the zero-cross determination means C, a lamp-like voltage value or right-polarized or left-polarized laser light is selected in the two-dimensional optical resonator. By generating a drive voltage having a voltage value necessary for the generation and supplying it to the piezo element 10 in the two-dimensional optical resonator, the optical path length of the two-dimensional four-mirror optical resonator is controlled, and the two-dimensional optical resonator Are selectively accumulated with right-polarized light or left-polarized laser light.

この時、モードロック発振周波数とパルスレーザー光の時間幅とによって、パルスレーザー光の線幅が決まり、また2次元4鏡光共振器のレーザーコンプトン散乱部では、衝突点におけるパルスレーザー光のビームサイズが30μm以下であることから、パルスレーザー光の時間幅が30psec以内であれば、2次元4鏡光共振器のレーザーコンプトン散乱部でのパルス強度を1mJ以上にすることができる。この時、2次元4鏡光共振器の1対の円筒凹面鏡及び1対の凹面鏡としてレーザー耐久性の誘電体多層膜でコートされた鏡を用いると、2次元4鏡光共振器のレーザーコンプトン散乱部でのパルス強度を10mJ以上にすることができる。   At this time, the line width of the pulse laser beam is determined by the mode-lock oscillation frequency and the time width of the pulse laser beam, and the beam size of the pulse laser beam at the collision point in the laser Compton scattering part of the two-dimensional four-mirror resonator. Therefore, if the time width of the pulse laser beam is within 30 psec, the pulse intensity at the laser Compton scattering part of the two-dimensional four-mirror resonator can be 1 mJ or more. At this time, if a pair of cylindrical concave mirrors of a two-dimensional four-mirror resonator and a mirror coated with a laser durable dielectric multilayer film are used as a pair of concave mirrors, laser Compton scattering of the two-dimensional four-mirror resonator is used. The pulse intensity at the part can be 10 mJ or more.

また、偏光切替えスイッチ23から右偏光、左偏光を交互に指定する指示信号が出力されている場合でも、同様な制御が行われて、2次元4鏡光共振器内に大強度の右偏光と左偏光が交互に、共振により増幅され、該光共振器内に蓄積される。   Even when an instruction signal for alternately specifying right polarized light and left polarized light is output from the polarization changeover switch 23, the same control is performed, and the high intensity right polarized light is generated in the two-dimensional four-mirror resonator. The left polarized light is alternately amplified by resonance and accumulated in the optical resonator.

また、図4を用いて本発明の操作を説明する。   The operation of the present invention will be described with reference to FIG.

高周波信号発生装置26から出力される高周波信号と同期した高周波電圧を使用して、高エネルギー電子ビーム発生装置27により電子ビームが加速され、2次元4鏡光共振器Aに供給される。高周波信号発生装置26と高エネルギー電子ビーム発生装置27は、電子ビーム生成ユニットにある。更にこれと並行して、レーザー光源ユニットBにより生成されたモードロックレーザーが、2次元4鏡光共振器Aに供給される。一方、偏光性は、偏光制御ユニットCによって調整され、共振状態は、共振制御ユニットDによって調整される。   The high-energy electron beam generator 27 accelerates the electron beam using a high-frequency voltage synchronized with the high-frequency signal output from the high-frequency signal generator 26 and supplies the electron beam to the two-dimensional four-mirror resonator A. The high frequency signal generator 26 and the high energy electron beam generator 27 are in the electron beam generation unit. In parallel with this, the mode-locked laser generated by the laser light source unit B is supplied to the two-dimensional four-mirror resonator A. On the other hand, the polarization property is adjusted by the polarization control unit C, and the resonance state is adjusted by the resonance control unit D.

本発明によって得られる代表的な結果を、図5を用いて説明する。   A typical result obtained by the present invention will be described with reference to FIG.

本発明者等らは、図3に示すような光共振器に用いて、2次元4鏡光共振器内のレーザービームの一部を取り出し、パルス強度、及び共振状態を観測した。レーザー光源としては、光共振器とファイバレーザー増幅器を連結したループ状の光周回路を持つモードロック発振器を用いた。該2次元4鏡光共振器の共振鏡として反射率が99.99%の凹面鏡を用いた。該モードロック発振器に入れた種レーザーのパルス強度は、0.1μJ(=10−7J)であった。実験結果を図5及び図6に示す。図5は、光周回路に供給した励起レーザー光源の電流と該2次元4鏡光共振器内のレーザービームのパルス強度の関係をフォトダイオードで測定した結果である。この結果から、パルス強度が約1ミリジュールに達していることがわかる。すなわち、増幅倍率は、約1万倍であった。このことは、0.1Åの共鳴幅の制御が達成されていることを示す。図6は、該2次元4鏡光共振器内のレーザービームの共振状態をオシロスコープで観察した結果である。この結果から明らかなように右偏光レーザーと左偏光レーザーの分離ができていることがわかる。 The inventors of the present invention used an optical resonator as shown in FIG. 3 to extract a part of the laser beam in the two-dimensional four-mirror resonator, and observed the pulse intensity and the resonance state. As the laser light source, a mode-locked oscillator having a loop-shaped optical circuit connecting an optical resonator and a fiber laser amplifier was used. A concave mirror having a reflectivity of 99.99% was used as the resonant mirror of the two-dimensional four-mirror optical resonator. The pulse intensity of the seed laser put in the mode-locked oscillator was 0.1 μJ (= 10 −7 J). The experimental results are shown in FIGS. FIG. 5 shows the result of measuring the relationship between the current of the excitation laser light source supplied to the optical circuit and the pulse intensity of the laser beam in the two-dimensional four-mirror resonator using a photodiode. From this result, it can be seen that the pulse intensity has reached about 1 millijoule. That is, the amplification factor was about 10,000 times. This indicates that a resonance width control of 0.10 is achieved. FIG. 6 shows the result of observation of the resonance state of the laser beam in the two-dimensional four-mirror resonator with an oscilloscope. As can be seen from this result, the right polarized laser and the left polarized laser can be separated.

以上をまとめると、前記1〜4の本発明は、真円形状のビームプロファイルを有する平行ビームを得ることができ、レーザー入射マッチングが非常に容易であり、レーザー透過マッチングも同様であるので、レーザービームオプティクスの調整を簡便に行うことができる。その結果、レーザービームサイズを30μm以下にし、産業利用性が高いパルス強度が1ミリジュール以上の偏光レーザーの生成が可能である。   In summary, the present inventions 1 to 4 can obtain a parallel beam having a perfect circular beam profile, and laser incident matching is very easy, and laser transmission matching is the same. Beam optics can be adjusted easily. As a result, it is possible to generate a polarized laser having a laser beam size of 30 μm or less and a pulse intensity of 1 millijoule or more with high industrial applicability.

本発明は、偏光レーザー共振方法、偏光放射線発生方法、レーザーコンプトン散乱によるX線マイクロビームを発生させるX線源システムやデバイス等に関する産業応用が可能であり、特に、医療用機器、診断機器、材料分析装置、構造解析装置、材料加工、等の多くの産業に幅広く利用できる。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is applicable to industrial applications related to polarized laser resonance methods, polarized radiation generation methods, X-ray source systems and devices that generate X-ray microbeams by laser Compton scattering, and in particular, medical equipment, diagnostic equipment, and materials. It can be widely used in many industries such as analyzers, structural analyzers, and material processing.

A 2次元4鏡光共振器
B レーザー光源ユニット
C 偏光制御ユニット
D 共振制御ユニット
E 電子ビーム発生ユニット
F 共振マッチングユニット
1 円筒凹面鏡
2 円筒凹面鏡
3 凹面鏡
4 凹面鏡
5 レーザー導入口
6 電子ビーム導入口
7 レーザーコンプトン散乱部
8 放射線取出口
9 レーザー光取出口
10 共振長調整手段
11 レーザー光源
12 フィードバック制御系
13 補正ボード
14 偏光ビームスプリッタ
15 コリメートレンズ
16 反射鏡
17 λ/2波長板
18 ピンフォトダイオード
19 ピンフォトダイオード
20 差動増幅器
21 ゼロクロス判定器
22 ゼロクロスフィードバック信号生成器
23 偏光切替えスイッチ
24 共振制御器
25 共振モニター
26 高周波信号発生装置
27 高エネルギー電子ビーム発生装置
A two-dimensional four-mirror resonator B laser light source unit C polarization control unit D resonance control unit E electron beam generation unit F resonance matching unit 1 cylindrical concave mirror 2 cylindrical concave mirror 3 concave mirror 4 concave mirror 5 laser inlet 6 electron beam inlet 7 laser Compton scattering part 8 Radiation outlet 9 Laser light outlet 10 Resonance length adjusting means 11 Laser light source 12 Feedback control system 13 Correction board 14 Polarizing beam splitter 15 Collimating lens 16 Reflecting mirror 17 λ / 2 wavelength plate 18 Pin photodiode 19 Pin photo Diode 20 Differential amplifier 21 Zero cross determination device 22 Zero cross feedback signal generator 23 Polarization changeover switch 24 Resonance controller 25 Resonance monitor 26 High frequency signal generator 27 High energy electron beam generator

Claims (3)

2次元平面上に配置された1対の円筒凹面鏡と1対の凹面鏡と、光路の長さを調整する共振長調整手段と、レーザー光と電子ビームとの衝突を行うレーザーコンプトン散乱部とを備える2次元4鏡光学系と、レーザー光を導入するレーザー導入口と、電子ビームを導入する電子ビーム導入口と、及びレーザーコンプトン散乱放射線を取り出す放射線取出口が設けられている2次元4鏡光共振器であって、前記レーザー導入口から2次元4鏡光共振器に導入されたレーザー光が、前記電子ビーム導入口から導入された電子ビームと前記レーザーコンプトン散乱部の中で衝突が行われレーザーコンプトン散乱X線を放射線取出口から取り出せるように、前記レーザーコンプトン散乱部の中で最も強められることを特徴とする2次元4鏡光共振器。 A pair of cylindrical concave mirrors and a pair of concave mirrors arranged on a two-dimensional plane, a resonance length adjusting means for adjusting the length of the optical path, and a laser Compton scattering unit for colliding the laser beam with the electron beam are provided. Two-dimensional four-mirror optical system, a laser inlet for introducing laser light, an electron beam inlet for introducing an electron beam, and a radiation extraction port for extracting laser Compton scattered radiation are provided. a vessel, the two-dimensional 4 mirror light laser light introduced to the resonator from the laser introduction port, collisions among the electron beam introduced electron beam from the inlet port and the laser Compton scattering portion is performed laser A two-dimensional four-mirror resonator characterized by being strengthened most in the laser Compton scattering section so that Compton scattered X-rays can be extracted from a radiation extraction port. 前記2次元4鏡光共振器の偏光を制御する偏光制御ユニット、及び前記2次元4鏡光共振器の共振器長調整手段を制御する共振制御ユニットをさらに設け、該偏光制御ユニット及び該共振制御ユニットを介して、レーザービームを前記光路の長さに応じて右円偏光レーザー光及び/又は左円偏光レーザー光に分離し、増幅するようにしたことを特徴とする請求項1に記載の2次元4鏡光共振器。 The polarization control unit for controlling the polarization of the two-dimensional 4 mirror optical resonator, and the two-dimensional 4 controls the cavity length adjusting means of the lens optical resonator resonating control unit further is provided, the polarization control unit and the resonance control 2. The laser beam according to claim 1, wherein the laser beam is separated into a right circularly polarized laser beam and / or a left circularly polarized laser beam in accordance with the length of the optical path and amplified through a unit. Dimensional four mirror optical resonator. モードロックレーザーを供給するモードロックレーザー発振器及び2次元4鏡光共振器の共振状態とモードロックレーザー発振器の共振状態をマッチングさせる共振マッチングユニットを設けるレーザー光源ユニットをさらに有し、モードロックレーザー発振器から供給されたレーザービームが安定的に増幅されるようにしたことを特徴とする請求項2に記載の2次元4鏡光共振器。   A mode-locked laser oscillator that supplies a mode-locked laser, and a laser light source unit that includes a resonance matching unit that matches the resonance state of the two-dimensional four-mirror resonator and the resonance state of the mode-locked laser oscillator. 3. The two-dimensional four-mirror resonator according to claim 2, wherein the supplied laser beam is stably amplified.
JP2015537066A 2013-02-01 2013-02-01 Two-dimensional four-mirror resonator Expired - Fee Related JP6233857B2 (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2013/052958 WO2014118998A1 (en) 2013-02-01 2013-02-01 Two dimensional (2-d)-4-mirror optical resonator

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2016507156A JP2016507156A (en) 2016-03-07
JP6233857B2 true JP6233857B2 (en) 2017-11-22

Family

ID=51261739

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2015537066A Expired - Fee Related JP6233857B2 (en) 2013-02-01 2013-02-01 Two-dimensional four-mirror resonator

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP6233857B2 (en)
WO (1) WO2014118998A1 (en)

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003151800A (en) * 2001-11-12 2003-05-23 Laser Gijutsu Sogo Kenkyusho Ultra-high luminance radiation light generation method and device
US7016470B2 (en) * 2004-03-29 2006-03-21 General Electric Company System and method for X-ray generation
US7277526B2 (en) * 2004-04-09 2007-10-02 Lyncean Technologies, Inc. Apparatus, system, and method for high flux, compact compton x-ray source
WO2006104956A2 (en) * 2005-03-25 2006-10-05 Massachusetts Institute Of Technology Compact, high-flux, short-pulse x-ray source
US7310408B2 (en) * 2005-03-31 2007-12-18 General Electric Company System and method for X-ray generation by inverse compton scattering
JP5556031B2 (en) * 2009-03-13 2014-07-23 株式会社Ihi X-ray injection equipment
JP2011035331A (en) * 2009-08-05 2011-02-17 High Energy Accelerator Research Organization Laser for light source using laser compton scattering
WO2011016378A1 (en) * 2009-08-05 2011-02-10 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構 Three-dimensional optical resonance device, polarized laser oscillation method, and polarized laser oscillation system
WO2011041493A2 (en) * 2009-09-30 2011-04-07 Massachusetts Institute Of Technology Apparatus and method for generating high-intensity optical pulses with an enhancement cavity
WO2011060805A1 (en) * 2009-11-20 2011-05-26 Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e. V. Method and laser device for generating pulsed high power laser light
JP2012038866A (en) * 2010-08-05 2012-02-23 High Energy Accelerator Research Organization Laser oscillation device
WO2012031607A1 (en) * 2010-09-06 2012-03-15 Max-Planck-Gesellschaft Zur Förderung Der... Method of generating enhanced intra-resonator laser light, enhancement resonator and laser device

Also Published As

Publication number Publication date
WO2014118998A1 (en) 2014-08-07
JP2016507156A (en) 2016-03-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5394411A (en) Method for producing high intensity optical through x-ray waveguide and applications
US20060268949A1 (en) Method and radiation source for generating pulsed coherent radiation
KR100195769B1 (en) Solid laser device
Basu et al. Amplification in Ni-like Nb at 204.2 Å pumped by a table-top laser
JP5975461B2 (en) Laser Compton scattering device
CN106549298B (en) A kind of mixed alkali metal gaseous medium laser
TWI499147B (en) Co2 laser apparatus and co2 laser processing apparatus
CN216648854U (en) Orthogonal polarization dual-wavelength laser with adjustable proportion
US9769913B2 (en) Burst-laser generator using an optical resonator
JP2008034459A (en) Solid laser oscillator
JP6233857B2 (en) Two-dimensional four-mirror resonator
TW201301693A (en) Gas laser amplifying device
JP4800099B2 (en) Light source device
Hosaka et al. Mode-locked pulse oscillation of a self-resonating enhancement optical cavity
JP5001598B2 (en) Solid-state laser oscillation device and solid-state laser amplification device
JP2016514900A (en) Optical resonator system
US10582603B2 (en) Optical resonators that utilize plasma confinement of a laser gain media
JP2014187281A (en) Large intensity laser storage system
WO2011016378A1 (en) Three-dimensional optical resonance device, polarized laser oscillation method, and polarized laser oscillation system
CN114204394A (en) Orthogonal polarization dual-wavelength laser with adjustable proportion
JP4541272B2 (en) Laser oscillation method and solid-state laser device
US20220255283A1 (en) Q switch resonator, and pulse generator
JP5831896B2 (en) Optical vortex laser beam oscillation device and oscillation method
US9647414B2 (en) Optically pumped micro-plasma
JP3197007U (en) Laser oscillator

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20160129

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20160908

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20161102

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20170106

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20170224

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20170406

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20170706

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20170706

A911 Transfer of reconsideration by examiner before appeal (zenchi)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911

Effective date: 20170804

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20171006

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20171018

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6233857

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees