JPH11224631A - 光電子発生方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 レーザ自身のもつ位置の揺らぎ（ポインティ
ングスタビリティ）の影響によるＲＦガンのレーザ照射
位置の変動を最小限に抑える。 【解決手段】 イメージリレー光学系を用いて、レーザ
ビーム８をフォトカソード１２の表面に集束させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ発振器から
出射されるレーザビームをフォトカソード表面に照射し
て、光電子を発生させる光電子発生方法及び装置に係
り、特に、発生した電子を高周波（ＲＦ）加速したと
き、短パルス、低エミッタンスの電子パルスビームを発
生することが可能な、光電子発生方法及び装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】ライナック等の直線加速器やサイクロト
ロン等の回転加速器を含む電子加速器における電子源に
は、従来、一般的にサーマルカソードから発生する熱電
子が利用されてきたため、発生する電子束を、時間的に
短い短パルスで、且つ、空間的な拡がり角度の小さい低
エミッタンスにすることが困難であった。

【０００３】従って、近年、フォトカソードから発生す
る光電子を利用する方法が、発生する電子束を短パルス
化することが可能であるため、用いられるようになって
いる。このような光電子発生装置の一つに、図７に示す
如く、レーザ照射により発生する光電子をマイクロ波で
加速する高周波（ＲＦ）ガン１０がある。

【０００４】このＲＦガン１０では、レーザ光源から出
射される短いパルスのレーザビーム８を、伝送光学系を
介して、ターゲットであるフォトカソード１２の表面上
に照射することによって、フォトカソード１２の表面か
ら光電子を飛び出させている。

【０００５】しかしながら、フォトカソード１２上のレ
ーザビーム８の当る位置は、レーザ光源から出射するビ
ームの方向（ポインティング）ベクトルのショット毎の
揺らぎ、及び、経時的な揺らぎにより変化し、その変化
量は、ＲＦガン１０とレーザ光源の距離に比例して大き
くなる。通常、電子加速器は装置が大型であるため、レ
ーザ光源とＲＦガン１０を遠くの位置に配置せざるを得
ないことが多く、又、近年、短パルス、低エミッタンス
の電子ビームの需要が急速に高まってきており、光電子
発生用のレーザ及び伝送光学系にも、位置揺らぎの小さ
い安定したビーム供給が求められている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】電子ビームの特性は、
レーザの性能に大きく依存するが、従来は、照射するレ
ーザビームの制御、特に照射位置の揺らぎや空間的なビ
ーム断面形状の制御が困難であるという問題点を有して
いた。

【０００７】本発明は、前記従来の問題点を解消するべ
くなされたもので、レーザ自身のもつ位置の揺らぎ（ポ
インティングスタビリティ）の影響によるＲＦガンのレ
ーザ照射位置の変動を最小限に抑えることを課題とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、レーザ発振器
から出射されるレーザビームをフォトカソード表面に照
射して、光電子を発生させる際に、イメージリレー光学
系を用いて、前記レーザビームをフォトカソード表面に
集束させるようにして、前記課題を解決したものであ
る。

【０００９】本発明は又、同様の光電子発生装置におい
て、前記レーザビームをフォトカソード表面に集束させ
るイメージリレー光学系を備えることにより、同じく前
記課題を解決したものである。

【００１０】又、前記イメージリレー光学系が、光路中
に設けられたアイリスの像をフォトカソード表面上に形
成するための集光手段（例えば凸レンズ、凹面鏡等）を
含むようにしたものである。

【００１１】又、前記レーザ発振器中又は発振器出射後
の光路中にＰＺＴ駆動の結晶を挿入し、レーザのポイン
ティングベクトルを調整可能としたものである。

【００１２】又、前記レーザビームの光路中に、ビーム
の進行と垂直な方向の位置によって透過率の異なる、例
えばガウシアンフィルタ等の空間フィルタを挿入したも
のである。

【００１３】本発明においては、フォトカソード照射用
レーザ光学系に、イメージリレー光学系を用いて、レー
ザビームをフォトカソード表面に集束させるようにした
ので、レーザ光源におけるビーム揺らぎを抑え、フォト
カソード表面での照射位置の変動を小さくすることがで
きるだけでなく、イメージリレー用マスクにおけるレー
ザビーム断面形状をフォトカソード表面上に縮小投影す
ることができるため、ＲＦガンにおけるエミッタンスを
制御することが可能となる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下図面を参照して、本発明の実
施形態を詳細に説明する。

【００１５】本実施形態に係るフォトカソード照射用レ
ーザ光学系は、図１に示す如く、断面形状が円形のレー
ザパルスビーム４２を発生するレーザ発振器２０（図３
参照）を含むレーザ光源４０と、例えば反射ミラー４４
によって方向変換されたレーザパルスビーム４２を集束
して、ＲＦガン１０のフォトカソード１２に斜めの方向
から入射するための伝送光学系５０とを、主に備えてい
る。

【００１６】前記伝送光学系５０は、例えば、反射ミラ
ー４４で方向変換された、図２（ａ）に示すような、ビ
ームの進行と垂直な方向の位置ｒに関する断面強度分布
を有するレーザパルスビーム４２を、図２（ｂ）に示す
ような分布とするための空間フィルタ（例えばピンホー
ルアパーチャ）５２と、該空間フィルタ５２を通過した
レーザパルスのビーム径を広げるためのビームエクスパ
ンダ５４と、該ビームエクスパンダ５４によって広げら
れた、図２（ｃ）に示すような強度分布形状のうち、両
端部分を遮蔽するためのマスク５６と、該マスク５６の
開口部を通過した略矩形状のレーザパルスビームを集束
し、図２（ｄ）に示すような幅の狭い断面強度分布とし
て、前記フォトカソード１２に照射するための凸レンズ
５８と、該凸レンズ５８によって集束されたレーザビー
ム４２の方向を変換して、前記ＲＦガン１０のフォトカ
ソード１２に照射するための反射ミラー６０とを備えて
いる。

【００１７】ここで、通常は、凸レンズ５８の焦点位置
にフォトカソード１２の表面が来るように配置するが、
本発明では、イメージリレー光学系とするべく、マスク
５６と凸レンズ５８間の距離Ｘと、凸レンズ５８からフ
ォトカソード１２の表面までの距離Ｙと、凸レンズ５８
の焦点距離ｆの間に、次式の関係が成立するように配置
する。

【００１８】 （１／Ｙ）＝（１／Ｘ）−（１／ｆ）…（１）

【００１９】このような位置関係を採用することによ
り、マスク５６の像がフォトカソード１２の表面に、例
えば１／１００の大きさで縮小投影されるため、レーザ
光源４０におけるビーム揺らぎの影響を抑えて、フォト
カソード表面での照射位置の変動を小さくすることがで
きるだけでなく、ＲＦガン１０におけるエミッタンスも
制御することが可能となる。

【００２０】本実施形態においては、更に、図３に示す
如く、前記レーザ光源４０を構成するレーザ発振器２０
又は該レーザ発振器出射後の光路中に、例えばピエゾ圧
電素子（ＰＺＴ）７０によって駆動される、例えばプリ
ズム状の結晶７２を挿入することによって、レーザのポ
インティングベクトルを調整可能として、ポインティン
グスタビリティを向上するようにしている。

【００２１】具体的には、例えば図４に示す如く、フォ
トカソード１２の直前にハーフミラー９２を有するビー
ム位置モニタ装置９０を設け、該ハーフミラー９２によ
って取り出した光ビームをスクリーン９４上に写し出す
ことにより、フォトカソード１２に照射される光ビーム
の位置をモニタし、一定となるようにＰＺＴ７０をフィ
ードバック制御することができる。

【００２２】図３において、２２はレーザ媒質、２４
は、共振器を構成する全反射鏡、２６は、同じく共振器
を構成するハーフミラーである。

【００２３】なお、前記空間フィルタ５２を、例えば図
５に示す如く、ビームの進行と垂直な方向の位置ｒによ
って透過率Ｔの異なるガウシアンフィルタとして、該空
間フィルタ５２を通過するレーザビームの断面形状を、
きれいなガウス分布に整形することもできる。光路中に
挿入する空間フィルタの種類は、ピンホールアパーチャ
やガウシアンフィルタに限定されず、例えば図６に示す
ような特性の空間フィルタ５３を挿入して、レーザビー
ムの断面形状をトップフラットな形状や、他の自由な形
に整形することもできる。

【００２４】前記実施形態においては、本発明が、ライ
ナック等の電子加速器に光電子を入射するためのＲＦガ
ンに適用されていたが、本発明の適用対象はこれに限定
されない。

【００２５】

【発明の効果】本発明によれば、イメージリレー光学系
を用いているので、レーザビームをフォトカソード表面
に集束させることができ、レーザ光源におけるビーム揺
らぎを抑えて、フォトカソード表面で小さくすることが
できる。特に、光路中に設けられたマスクの像をフォト
カソード表面上に形成するようにした場合には、ＲＦガ
ン等におけるエミッタンスを制御することが可能とな
る。

【００２６】従って、レーザ自身のもつ位置の揺らぎ
（ポインティングスタビリティ）の影響によるＲＦガン
等のレーザ照射位置の変動を最小限に抑えて、短パル
ス、低エミッタンスの電子パルスビームを発生すること
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態における、フォトカソード照
射用レーザ光学系の全体構成を示す光路図

【図２】前記フォトカソード照射用レーザ光学系の各所
におけるビーム強度分布の変化を示す線図

【図３】前記実施形態で用いられているレーザ光源を構
成するレーザ発振器の構成例を示す断面図

【図４】同じく、ビーム位置モニタ装置の構成例を示す
光路図

【図５】空間フィルタの変形例の透過特性を示す線図

【図６】図５とは異なる透過特性を有する空間フィルタ
の変形例の入射前と出射後におけるビーム強度分布の変
化の例を示す線図

【図７】従来のＲＦガンへのレーザ光の入射状態を示す
断面図

【符号の説明】

８…レーザビーム １０…高周波（ＲＦ）ガン １２…フォトカソード ２０…レーザ発振器 ２６、９２…ハーフミラー ４０…レーザ光源 ４２…レーザパルスビーム ４４、６０…反射ミラー ５０…伝送光学系 ５２、５３…空間フィルタ ５４…ビームエクスパンダ ５６…マスク ５８…凸レンズ ７０…ピエゾ圧電素子（ＰＺＴ） ７２…結晶 ９０…ビーム位置モニタ装置 ９４…スクリーン

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レーザ発振器から出射されるレーザビーム
   をフォトカソード表面に照射して、光電子を発生させる
   際に、 イメージリレー光学系を用いて、前記レーザビームをフ
   ォトカソード表面に集束させることを特徴とする光電子
   発生方法。
2. 【請求項２】レーザ発振器から出射されるレーザビーム
   をフォトカソード表面に照射して、光電子を発生させる
   光電子発生装置において、 前記レーザビームをフォトカソード表面に集束させるイ
   メージリレー光学系を備えたことを特徴とする光電子発
   生装置。
3. 【請求項３】請求項２において、前記イメージリレー光
   学系が、光路中に設けられたマスクの像をフォトカソー
   ド表面上に形成するための集光手段を含むことを特徴と
   する光電子発生装置。
4. 【請求項４】請求項２又は３において、前記レーザ発振
   器中又は発振器出射後の光路中にピエゾ圧電素子（ＰＺ
   Ｔ）駆動の結晶が挿入され、レーザのポインティングベ
   クトルが調整可能とされていることを特徴とする光電子
   発生装置。
5. 【請求項５】請求項２乃至４のいずれか一項において、
   前記レーザビームの光路中に、ビームの進行と垂直な方
   向の位置によって透過率の異なる空間フィルタが挿入さ
   れていることを特徴とする光電子発生装置。
6. 【請求項６】請求項５において、前記空間フィルタが、
   ガウシアンフィルタであることを特徴とする光電子発生
   装置。