偏極電子銃、偏極電子線の発生方法、電子銃の評価方法、及び逆光電子分光方法
【課題】偏極電子ビームを簡便に発生させることができる偏極電子銃、偏極電子線の発生方法、電子銃の評価方法、及び逆光電子分光方法を提供する。
【解決手段】本発明の一態様にかかる偏極電子銃は、レーザ光源１１と、レーザ光源からの光を分岐する光分岐手段１２と、光分岐手段１２で分岐された一方のレーザ光に入射位置に応じた位相差を与える偏光変換素子３６と、偏光変換素子３６を介して入射した一方のレーザ光を集光するレンズ１８と、レンズ１８によって集光された一方のレーザ光が他方のレーザ光と同期して入射する半導体のフォトカソード２１と、を備えるものである。
【解決手段】本発明の一態様にかかる偏極電子銃は、レーザ光源１１と、レーザ光源からの光を分岐する光分岐手段１２と、光分岐手段１２で分岐された一方のレーザ光に入射位置に応じた位相差を与える偏光変換素子３６と、偏光変換素子３６を介して入射した一方のレーザ光を集光するレンズ１８と、レンズ１８によって集光された一方のレーザ光が他方のレーザ光と同期して入射する半導体のフォトカソード２１と、を備えるものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、偏極電子銃、偏極電子線の発生方法、電子銃の評価方法、及び逆光電子分光方法に関し、特に詳しくはフォトカソードを用いた偏極電子銃、偏極電子線の方法、電子銃の評価方法、及び逆光電子分光方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
フォトカソード電子銃は、レーザ光をフォトカソードに照射した時に発生する電子を加速するものである（特許文献１）。この文献では、２本のレーザ光をフォトカソードに入射している。さらに、一方のレーザ光をラジアル偏光にしてレンズで集光することで、金属フォトカソードの仕事関数を実効的に下げている。
【０００３】
また、近年、偏極電子銃が注目されている。偏極電子銃では、ＧａＡｓ半導体がフォトカソードとして利用されている。半導体結晶内部の価電子帯において、バンドギャップに相当するエネルギーの円偏光による電子励起により、二つの電子スピン状態のうち、一方が優位に伝導帯に励起される。ＧａＡｓ半導体では、バンドギャップに相当するエネルギーの円偏光により、価電子帯から伝導帯へ偏極度５０％のスピン偏極電子が励起される。
【０００４】
５０％を越える偏極度を得るためには、半導体内の価電子帯における２つのスピン状態（重い正孔準位と軽い正孔準位）にある電子をエネルギー的に分離し、一方のスピン状態にある電子を伝導帯へ円偏光により選択的に励起する。
【０００５】
スピン偏極電子を取り出す半導体の伝導帯と真空準位の間には、電子親和力のポテンシャル差がある。伝導帯内にあるスピン偏極電子を真空中へ取り出すには、このポテンシャルを乗り越えるか、伝導帯付近まで真空準位を押下る必要がある。
【０００６】
上述のポテンシャルを乗り越えることができる伝導帯電子を得るためには、価電子帯からの電子励起の際に、仕事関数（電子親和力と半導体バンドギャップとの和）を越える励起エネルギーを必要とする。仕事関数を越えるエネルギーを電子励起に用いたとき、価電子帯内部の二つのスピン状態の電子を共に励起してしまいスピン偏極度が損なわれる。
【０００７】
従来、真空準位を半導体の伝導帯まで押下るためには、半導体表面にセシウムを蒸着している。そして、半導体表面原子とセシウム原子から形成される電気双極子状態を利用して、電子親和力を負の状態（負の電子親和力表面：ＮＥＡ面）にする手法が用いられている（非特許文献１、特許文献２）
【０００８】
ＮＥＡ面を形成するためには、半導体結晶表面に酸化物、炭化物などの不純物のない、清浄表面が要求される。また、形成したＮＥＡ表面も非常に脆く、ＮＥＡ状態を形成、維持するには、残留ガスを抑制した環境の超高真空が不可欠となっている。従って、ＮＥＡ面を用いる手法では、実用性が低下してしまうという問題点がある。
【０００９】
【特許文献１】特開２００８−２８８０９９号公報
【特許文献２】特開２００７−２５８１１９号公報
【非特許文献１】Ｔ．Ｎｉｓｈｉｔａｎｉ ｅｔ ａｌ． "Ｈｉｇｈｌｙ ｐｏｌａｒｉｚｅｄ ｅｌｅｃｔｒｏｎｓ ｆｒｏｍ ＧａＡｓ−ＧａＡｓＰ ａｎｄ ＩｎＧａＡｓ−ＡｌＧａＡｓ ｓｔｒａｉｎｅｄ Ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ Ｐｈｏｔｏｃａｔｈｏｄｅｓ "ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ ９７，０９４９０７−１（２００５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
スピン偏極電子ビームは、ＧａＡｓ型半導体のバンドギャップエネルギーに相当する円偏光照射による選択励起で得られたスピンの偏った伝導帯電子が、真空準位が伝導帯準位より低い「負の電子親和性(ＮＥＡ)表面」を介して真空中に引出されることで生成される。しかし、この重要な役割を果たすＮＥＡ表面は、真空環境に非常に影響を受け易く、また高電界環境下において電極間で発生する電界放出暗電流によっても容易に劣化し失われる問題がある。
このように、従来の電子銃では、偏極電子ビームを発生させることが困難であるという問題点がある。
【００１１】
本発明は、このような事情を背景としてなされたものであって、本発明の目的は、偏極電子ビームを容易に発生させることができる偏極電子銃及び偏極電子線の発生方法、並びに適切に評価することができる電子銃の評価方法及び逆光電子分光方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の第１の態様にかかる偏極電子銃は、レーザ光源と、前記レーザ光源からのレーザ光を分岐する光分岐手段と、前記光分岐手段で分岐された一方のレーザ光に入射位置に応じた位相差を与える偏光変換素子と、前記偏光変換素子を介して入射した前記一方のレーザ光と、円偏光となった他方のレーザ光とを集光するレンズと、前記レンズによって集光された前記一方のレーザ光と円偏光となった前記他方のレーザ光とが同期して入射する半導体フォトカソードと、を備えるものである。これにより、ＮＥＡ面が不要となるため、偏極電子ビームを容易に発生させることができる
【００１３】
本発明の第２の態様にかかる偏極電子銃は、上記の偏極電子銃であって、前記偏光変換素子、又はレンズに入射するレーザ光の少なくとも一方のスポットを円環状にする円環ビーム生成部をさらに備え、前記円環ビーム生成部が、反射面の形状が円錐面となっており、円錐の頂点が光軸上に配置された第１の円錐ミラーと、前記第１の円錐ミラーの反射面に対して対向配置され、前記円錐面の外周を囲むように設けられた反射面を有する第１の対向ミラーと、前記第１の対向ミラーで反射した光を円錐面状の反射面で反射する第２の対向ミラーと、前記第２の対向ミラーで反射した光を円錐面で反射する第２の円錐ミラーであって、円錐の頂点が光軸上に配置され、円錐の底面が前記第１の円錐ミラーの底面と対向配置された第２の円錐ミラーと、を備えたものである。これにより、レーザ光を集光させることなく、円環ビームを生成することができる。よって、レーザ光を効率よく利用することができる。
【００１４】
本発明の第３の態様にかかる偏極電子銃は、上記の偏極電子銃であって、前記第１の円錐ミラーと前記第２の円錐ミラーの間隔、又は前記第１の対向ミラーと前記第２の対向ミラーとの間隔が可変であることを特徴とするものである。これにより、円環ビームの径を容易に変えることができる。
【００１５】
本発明の第４の態様にかかる偏極電子銃は、上記の偏極電子銃であって、前記偏光変換素子によって偏光状態がラジアル偏光に変換されたレーザ光が前記円環ビーム生成部に入射することを特徴とするものである。
【００１６】
本発明の第５の態様にかかる偏極電子銃は、上記の偏極電子銃であって、前記円環ビーム生成部と、前記偏光変換素子との間に、前記レーザ光を空間的にフィルタリングする空間フィルタ部が設けられていることを特徴とするものである。
【００１７】
本発明の第６の態様にかかる偏極電子銃は、上記の偏極電子銃であって、前記半導体フォトカソードにＩＩＩ−Ｖ族半導体が用いられていることを特徴とするものである。
【００１８】
本発明の第７の態様にかかる偏極電子銃は、上記の偏極電子銃であって、前記半導体フォトカソードがＧａＡｓを含んでいることを特徴とするものである。これにより、効率よく偏極電子線を発生させることができる。
【００１９】
本発明の第８の態様にかかる偏極電子銃は、上記の偏極電子銃であって、前記半導体フォトカソードが、歪み構造、超格子構造、量子細線構造、又は量子ドット構造を持つことを特徴とするものである。
【００２０】
本発明の第９の態様にかかる偏極電子銃は、上記の偏極電子銃であって、前記一方のレーザ光、及び前記他方のレーザ光の少なくとも一方が、前記フォトカソードの背面から入射することを特徴とするものである。
【００２１】
本発明の第１０の態様にかかる偏極電子銃は、上記の偏極電子銃であって、前記偏光変換素子に、ＴＮ液晶が用いられていることを特徴とするとするものである。
【００２２】
本発明の第１１の態様にかかる偏極電子線の発生方法は、レーザ光源からの光を分岐するステップと、分岐された一方のレーザ光に入射位置に応じた位相差を与えるステップと、前記位相差が与えられた前記一方のレーザ光と、円偏光となっている他方のレーザ光とを集光するステップと、集光された前記一方のレーザ光と前記他方のレーザ光とが同期させて半導体フォトカソードに入射させるステップと、を備えるものである。これにより、ＮＥＡ面が不要となるため、偏極電子ビームを容易に発生させることができる。
【００２３】
本発明の第１２の態様にかかる偏極電子線の発生方法は、上記の偏極電子線の発生方法であって、前記レーザ光のスポットを、第１の円錐ミラー、第２の円錐ミラー、第１の対向ミラー、第２の対向ミラーを用いて、円環状にするステップをさらに備え、前記第１の円錐ミラーでは、反射面の形状が円錐面となっており、円錐の頂点が光軸上に配置され、前記第１の対向ミラーは、前記第１の円錐ミラーの反射面に対して対向配置され、前記円錐面の外周を囲むように設けられた反射面を有しており、前記第２の対向ミラーは、前記第１の対向ミラーで反射した光を円錐面状の反射面で反射し、第２の円錐ミラーでは、前記第２の対向ミラーで反射した光を円錐面で反射し、円錐の頂点が光軸上に配置され、円錐の底面が前記第１の円錐ミラーの底面と対向配置されていることを特徴とするものである。これにより、レーザ光を集光させることなく、円環ビームを生成することができる。よって、レーザ光を効率よく利用することができる。
【００２４】
本発明の第１３の態様にかかる偏極電子線の発生方法は、上記の偏極電子線の発生方法であって、前記第１の円錐ミラーと前記第２の円錐ミラーの間隔、又は前記第１の対向ミラーと前記第２の対向ミラーとの間隔を変えることで、円環の径を調整することを特徴とするものである。これにより、円環ビームの径を容易に変えることができる。
【００２５】
本発明の第１４の態様にかかる偏極電子線の発生方法は、上記の偏極電子線の発生方法であって、前記入射位置に応じた位相差が与えられることで、レーザ光がラジアル偏光に変換され、前記ラジアル偏光に変換されたレーザ光が前記円環ビームに変換されることを特徴とするものである。
【００２６】
本発明の第１５の態様にかかる偏極電子線の発生方法は、上記の偏極電子線の発生方法であって、前記ラジアル偏光となった前記レーザ光が、前記円環ビームになる前に、空間的にフィルタリングされていることを特徴とするものである。
【００２７】
本発明の第１６の態様にかかる偏極電子線の発生方法は、上記の偏極電子線の発生方法であって、前記半導体フォトカソードにＩＩＩ−Ｖ族半導体が用いられていることを特徴とするものである。
【００２８】
本発明の第１７の態様にかかる偏極電子線の発生方法は、上記の偏極電子線の発生方法であって、前記半導体フォトカソードがＧａＡｓを含んでいることを特徴とするものである。
【００２９】
本発明の第１８の態様にかかる偏極電子線の発生方法は、上記の偏極電子線の発生方法であって、前記半導体フォトカソードが、歪み構造、超格子構造、量子細線構造、又は量子ドット構造を持つことを特徴とするものである。
【００３０】
本発明の第１９の態様にかかる偏極電子線の発生方法は、上記の偏極電子線の発生方法であって、前記一方のレーザ光、及び前記他方のレーザ光の少なくとも一方が、前記フォトカソードの背面から入射することを特徴とするものである。
【００３１】
本発明の第１９の態様にかかる偏極電子線の発生方法は、前記一方のレーザ光、及び前記他方のレーザ光の少なくとも一方が、前記フォトカソードの電子ビーム出射面から入射することを特徴とするものである。
【００３２】
本発明の第２１の態様にかかる偏極電子線の発生方法は、上記の偏極電子線の発生方法であって、前記位相差が与えられるステップでは、ＴＮ液晶を用いた偏光変換素子が利用されていることを特徴とするものである。
【００３３】
本発明の第２２の態様にかかる電子銃の評価方法は、（Ａ）レーザ光源からのレーザ光を、入射位置に応じた位相差を与える偏光変換素子に入射させるステップと、（Ｂ）前記位相差が与えられたレーザ光を集光して、フォトカソードに入射するステップと、（Ｃ）前記フォトカソードからの電子ビームを測定するステップと、（Ｄ）前記偏光変換素子に入射するレーザ光の偏光軸を変えて、（Ａ）、（Ｂ）、及び（Ｃ）のステップを行って、電子ビームを測定するステップとを備えるものである。これにより、電子銃を適切に評価することができる。
【００３４】
本発明の第２３の態様にかかる電子銃の評価方法は、上記の電子銃の評価方法であって、前記偏光変換素子が直線偏光をラジアル偏光、又はアジマス偏光にする素子であり、前記直線偏光の偏光軸の向きを変えることで、前記ラジアル偏光と前記アジマス偏光とを切換えることを特徴とするものである。これにより、電子ビーム電流を比較することで、簡便に評価することができる。
【００３５】
本発明の第２４の態様にかかる電子銃の評価方法は、上記の電子銃の評価方法であって、前記位相差が与えられたレーザ光に、円偏光のレーザ光を同期させて照射していることを特徴とするものである。これにより、偏極電子線を適切に評価することができる。
【００３６】
本発明の第２５の態様にかかる電子銃の評価方法は、上記の電子銃の評価方法であって、前記一方のレーザ光、及び前記他方のレーザ光の少なくとも一方が、前記フォトカソードの背面から入射することを特徴とするものである。
【００３７】
本発明の第２５の態様にかかる電子銃の評価方法は、前記一方のレーザ光、及び前記他方のレーザ光の少なくとも一方が、前記フォトカソードの背面から入射することを特徴とするものである。
【００３８】
本発明の第２７の態様にかかる電子銃の評価方法は、上記の電子銃の評価方法であって、前記（Ｃ）のステップでは、前記電子ビームの偏極度を測定していることを特徴とするものである。
【００３９】
本発明の第２８の態様にかかる電子銃の評価方法は、上記の電子銃の評価方法であって、前記電子ビームの偏極度の測定にメラー散乱が利用されていることを特徴とするもである。
【００４０】
本発明の第２９の態様にかかる電子銃の評価方法は、上記の電子銃の評価方法であって、前記（Ｂ）のステップの前に、第１の円錐ミラー、第２の円錐ミラー、第１の対向ミラー、第２の対向ミラーを用いて、前記レーザ光のスポットを円環状にするステップをさらに備え、前記第１の円錐ミラーでは、反射面の形状が円錐面となっており、円錐の頂点が光軸上に配置され、前記第１の対向ミラーは、前記第１の円錐ミラーの反射面に対して対向配置され、前記円錐面の外周を囲むように設けられた反射面を有しており、前記第２の対向ミラーは、前記第１の対向ミラーで反射した光を円錐面状の反射面で反射し、第２の円錐ミラーでは、前記第２の対向ミラーで反射した光を円錐面で反射し、円錐の頂点が光軸上に配置され、円錐の底面が前記第１の円錐ミラーの底面と対向配置されていることを特徴とするものである。これにより、レーザ光を集光させることなく、円環ビームを生成することができる。よって、レーザ光を効率よく利用することができる。
【００４１】
本発明の第３０の態様にかかる電子銃の評価方法は、上記の電子銃の評価方法であって、前記第１の円錐ミラーと前記第２の円錐ミラーの間隔、又は前記第１の対向ミラーと前記第２の対向ミラーとの間隔を変えることで、円環の径を調整することを特徴とするものである。これにより、円環ビームの径を容易に変えることができる。
【００４２】
本発明の第３１の態様にかかる電子銃の評価方法は、上記の電子銃の評価方法であって、前記偏光変換素子によって、前記レーザ光がラジアル偏光に変換され、前記ラジアル偏光に変換されたレーザ光が円環状に変換されることを特徴とするものである。
【００４３】
本発明の第３２の態様にかかる電子銃の評価方法は、上記の電子銃の評価方法であって、前記ラジアル偏光となった前記レーザ光が、前記円環状のビームになる前に、空間的にフィルタリングされていることを特徴とするものである。
【００４４】
本発明の第３３の態様にかかる電子銃の評価方法は、上記の電子銃の評価方法であって、前記偏光変換素子に、ＴＮ液晶が用いられていることを特徴とするものである。これにより、様々な波長に対応することができる。
【００４５】
本発明の第３４の態様にかかる逆光電子分光方法は、上記の偏極電子銃で発生した偏極電子ビームを、試料に照射し、試料から放出される光の分布を入射電子のエネルギー、運動量の関数として測定するものである。これにより、試料の非占有電子状態の情報を得ることができる。
【発明の効果】
【００４６】
本発明によれば、偏極電子ビームを容易に発生させることができる偏極電子銃、及び偏極電子線の発生方法、並びに、適切に評価することができる電子銃の評価方法、及び逆光電子分光方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４７】
以下に、本発明を適用可能な実施の形態が説明される。以下の説明は、本発明の実施形態を説明するものであり、本発明が以下の実施形態に限定されるものではない。説明の明確化のため、以下の記載は、適宜、省略及び簡略化がなされている。又、当業者であれば、以下の実施形態の各要素を、本発明の範囲において容易に変更、追加、変換することが可能であろう。尚、各図において同一の符号を付されたものは同様の要素を示しており、適宜、説明が省略される。
【００４８】
発明の実施の形態１．
本発明の実施の形態にかかる電子銃について図１を用いて説明する。図１は、実施の形態１にかかる電子銃１００の構成を模式的に示す図である。本実施の形態にかかる電子銃１００は、レーザ光８４がカソードに入射することによって、電子を発生するフォトカソード電子銃である。そして、電子銃１００で発生した電子は、マイクロ波源２４からのマイクロ波によって加速される。なお、本実施の形態にかかる電子銃１００は、反射型のフォトカソード２１を有している。すなわち、電子ビーム出射側からレーザ光を照射している。さらに、フォトカソード２１には、半導体材料が用いられている。電子銃１００は、偏極した電子を出射する偏極電子銃である。すなわち、電子銃１００からは、スピンの向きが揃った電子線が発生する。
【００４９】
電子銃１００は、レーザ光源１１、光分岐手段１２、空間フィルタ部１３、円環ビーム生成部１４、λ／４板１５、ミラー１７、レンズ１８、ミラー３７、ビーム合成手段３８、偏光制御用電源３９、ミラー４１、波長変換素子４２、空間フィルタ部４３、λ／２板４４、円環ビーム生成部４５、偏光変換素子３６、ミラー３７、ビーム合成手段３８、フォトカソード２１、共振器２３、及びマイクロ波源２４等を有している。
【００５０】
レーザ光源１１は、直線偏光のレーザ光８１を出射する。レーザ光源１１としては、例えば、再生増幅器付きのＴｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザを用いることができる。従って、レーザ光源１１は、波長７９０ｎｍのパルスレーザ光を出射する。レーザ光源１１は、フェムト秒のパルスレーザ光を出射する。レーザ光源１１からの光ビームは、平行光束となって、光分岐手段１２に入射する。光分岐手段１２は、例えば、ハーフミラーなどのビームスプリッタであり、レーザ光を２つに分岐する。ここでは、説明のため、光分岐手段１２で分けられた一方の光ビームをレーザ光８２とし、他方の光ビームをレーザ光８３とする。レーザ光８２は、後述するように、偏光変換素子３６によってラジアル偏光になる。
【００５１】
レーザ光８２は、波長変換素子４２に入射する。波長変換素子４２は、例えば、非線形光学結晶であり、レーザ光８２の波長を変換する。これにより、レーザ光８２の波長が長くなる。波長変換素子として、差周波発生（ＤＦＧ）などの非線形光学素子を用いることが好ましい。差周波発生を用いることで、長波長のレーザ光８２を照射することができる。差周波発生によって、例えば、波長３μｍ〜３０μｍのレーザ光を発生させる。このように長波長のレーザ光を用いることで、偏極度が損なわれるのを防ぐことができる。
【００５２】
例えば、Ｚ偏光を作るレーザ光源がＳＨＧ（第二高調波発生）の場合、基本波よりも光子エネルギーが大きいので価電子帯に深く入り込み伝導帯に励起される電子ビームの偏極度が悪化する可能性がある。したがって、例え多光子吸収が起こっても問題ないように長波長側にＤＦＧ（差周波発生）を用いて中赤外（波長３〜３０μｍ）を発生させてＺ偏光をカソード表面で生成する方が、２つのレーザ光源の機能を分離できる。チタンサファイヤレーザの基本波の７９０ｎｍは偏極電子の選択的な伝導帯への励起に用いる。中赤外フェムト秒レーザはラジアル偏光化してカソードに集光することで伝導帯の電子を取り出すために実効的な仕事関数を押し下げることのみに用いる。仕事関数は物質の表面を含めた固有の値なので、変化することはない。だが、レーザ誘導電場などの外場によって、実効的に仕事関数を下げることができる。
【００５３】
なお、差周波発生（ＤＦＧ）とは、ω１-ω２＝ω３（または１／λ１−１／λ２＝/λ３：波長）のように、２つの高エネルギー（高周波数）フォトンが低エネルギーフォトン１つに結合するものである。例えば、λ１＝５３２ｎｍ、λ２＝８１０ｎｍとすると、λ３＝１５５０ｎｍとなるため、長波長側の発生に用いられる。非線形結晶は例えば、ＫＴＰ結晶などは代表的非線形光学結晶の一つでよく使用されており、０．５μｍ〜４．５μｍの可視域から赤外域までの波長変換が可能である（なお、ＰＰＫＴＰは０．４μｍ〜４．５μｍ）。しかしながら、上記の非線形光学結晶では、中赤外に届かないため、中赤外用・非線形光学結晶として、ＡｇＧａＳ２結晶などを用いることが好ましい。あるいは、コヒレント社製の非線形光学結晶を用いてもよい。
【００５４】
波長変換されたレーザ光８２は、空間フィルタ部４３に入射する。空間フィルタ部４３は、フィルタ等を有しており、レーザ光８２のスポット形状を整形する。ここでは、空間フィルタ部４３が、レーザ光８２のスポット形状が円形になるように、整形する。空間フィルタ部４３の構成については、後述する。空間フィルタ部４３で整形されたレーザ光８２はλ／２板４４に入射する。λ／２板４４は、後述するように、直線偏光のレーザ光の偏光方向を回転させる。すなわち、偏光軸の向きを変えることができる。
【００５５】
λ／２板４４を通過したレーザ光８２は、円環ビーム生成部４５に入射する。円環ビーム生成部４５は、円形のスポットを有するレーザ光８２から円環ビームを生成する。すなわち、レーザ光８３は、円環ビーム生成部４５によって、輪状のビームに変換される。円環ビーム生成部４５から出射したレーザ光８２の断面は、中空のリング状になっている。なお、円環ビーム生成部４５の構成に付いては、後述する。
【００５６】
円環ビーム生成部４５から出射したレーザ光８２は、偏光変換素子３６に入射する。偏光変換素子３６は、レーザ光８２に入射位置に応じた位相差を与える。すなわち、偏光変換素子３６は、入射位置に応じて異なる位相だけ光を遅延する。偏光変換素子３６から出射したレーザ光８２は、偏光変換素子３６における入射位置に応じて、異なる偏光方向になっている。例えば、液晶を利用して、偏光変換素子３６を形成することも可能である。
例えば、ＡＲＣｏｐｔｉｘ社製シータセルを用いることができる。これにより、波長３５０〜１７００ｎｍのレーザ光に対応することができる。
【００５７】
このシータセルでは、ＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）液晶が用いられている。このシータセルを用いた偏光変換素子３６の構成については後述する。また、偏光変換素子３６として、ナノフォトン社製のＺｐｏｌを用いることも可能である。
【００５８】
この偏光変換素子３６は、直線偏光を偏光軸が放射状になるラジアル偏光に変換する。正確には、偏光変換素子３６に直線偏光のレーザ光８２を入射させることで、ラジアル偏光に近い偏光状態となる。すなわち、直線偏光をラジアル偏光に近似する擬似ラジアル偏光にすることができる。この偏光変換素子３６を、レンズ１８と組み合わせることで、Ｚ方向（光軸方向）に大きな電場成分を持つＺ偏光を生成することができる。Ｚ偏光に変換されたレーザ光８２は、光の進行方向に振動する。この偏光変換素子３６、及びＺ偏光については、後述する。
【００５９】
偏光変換素子３６を通過したレーザ光８２は、ミラー３７に入射する。ミラー３７は、レーザ光８２の光軸に対して４５°傾斜している。従って、ミラー３７は、レーザ光８２を、ビーム合成手段３８の方向に反射する。ミラー３７からのレーザ光８２は、ビーム合成手段３８に入射する。ビーム合成手段３８は、例えば、ハーフミラーやダイクロイックミラーであり、レーザ光８２を後述するレーザ光８３と合成する。そして、レーザ光８２は、レーザ光８３と重ね合わさった状態で伝播していく。
【００６０】
次に、光分岐手段１２で分岐されたレーザ光８３について説明する。光分岐手段１２を透過したレーザ光８３は、空間フィルタ部１３に入射する。空間フィルタ部１３は、空間フィルタ部４３と同様の構成を有しており、レーザ光８３を最低次モードのガウシアンにする。
【００６１】
空間フィルタ部１３からレーザ光８３は、円環ビーム生成部１４に入射する。円環ビーム生成部１４は、円環ビーム生成部４５と同様の構成を有しており、レーザ光８３のスポットを円環状にする。すなわち、レーザ光８３は、円環ビーム生成部４５によって、輪状のビームに変換される。円環ビーム生成部４５から出射したレーザ光８２の断面は、中空のリング状になっている。さらに、円環ビーム生成部４５からの円環ビームと円環ビーム生成部１４からの円環ビームは、同じ径となっている。すなわち、円環ビーム生成部４５からの円環ビームの外径は、円環ビーム生成部１４からの円環ビームの外径と一致しており、円環ビーム生成部４５からの円環ビームの内径は、円環ビーム生成部１４からの円環ビームの内径と一致している。
【００６２】
円環ビーム生成部１４からのレーザ光８３は、λ／４板１５に入射する。λ／４板１５は、直線偏光のレーザ光８３を、円偏光に変換する。λ／４板１５を通過したレーザ光８３は、ビーム合成手段３８に入射する。そして、レーザ光８３は、ビーム合成手段３８を通過して、レーザ光８２と合成される。このとき、レーザ光８３は、同径のレーザ光８２と同軸上で合成される。また、レーザ光８３は、レーザ光８２と同期している。従って、レーザ光８３は、レーザ光８２が空間的に重ね合わされる。以下、ビーム合成手段３８で重ね合ったレーザ光をレーザ光８４とする。
【００６３】
ビーム合成手段３８で合成されたレーザ光８４は、ミラー１７に入射する。ミラー１７で反射された円環状のレーザ光８４は、レンズ１８に入射する。レンズ１８は、レーザ光８４は、レンズ１８によって屈折され、フォトカソード２１に入射する。すなわち、レンズ１８は、レーザ光８４を集光して、フォトカソード２１に照射する。
【００６４】
ミラー１７、及びレンズ１８は、中心部分がくり抜かれた中空形状になっている。また、円環ビーム生成部４５及び円環ビーム生成部１４によって、レーザ光８４が輪状になっている。このため、中空のミラー１７、及びレンズ１８を用いた場合でも、レーザ光のほとんどがフォトカソード２１に入射する。換言すると、ミラー１７、及びレンズ１８は、輪状のレーザ光８４に対応する中空部分を有している。よって、輪状のレーザ光８４は、ミラー１７、及びレンズ１８の中空部分には、入射しない。これにより、レーザ光８４のほとんどがフォトカソード２１に入射する。従って、レーザ光８４の利用効率の低下を防ぐことができる。
【００６５】
レンズ１８を通過したレーザ光８４は、共振器２３の開口部に入射する。レーザ光８４を共振器２３の空胴部分を通過して、フォトカソード２１に入射する。レーザ光８４は、レンズ１８によって、フォトカソード２１の表面に集光されている。すなわち、レンズ１８の焦点位置にフォトカソード２１の表面が配置されている。従って、レーザ光８４の集光点は、フォトカソード２１の表面となる。フォトカソード２１にレーザ光８４が入射すると、光電効果によって、電子が発生する。なお、レーザ光８４の光軸は、フォトカソード２１の表面と垂直になっている。すなわち、ミラー１７はフォトカソード２１に対して４５°傾斜している。よって、レーザ光８４は、フォトカソード２１に直入射する。フォトカソード２１は、例えばＧａＡｓなどの半導体材料によって形成されている。すなわち、フォトカソード２１は、半導体フォトカソードである。
【００６６】
共振器２３には、マイクロ波源２４で発生したマイクロ波が入射されている。共振器２３は、空胴共振器であり、入力されたマイクロ波に応じた定在波を発生する。すなわち、ＲＦ共振器である共振器２３には、フォトカソード２１で発生した電子を加速するための電場が発生している。フォトカソード２１で発生した電子は、共振器２３内の電場で加速される。すなわち、所定の速度の電子ビーム６０となって共振器２３から出射する。ここでは、共振器２３で発生する定在波に応じて、レーザ光パルスのタイミングを調整する。すなわち、マイクロ波源２４からのマイクロ波とレーザ光のパルスを同期させる。これにより、共振器２３内に加速電場が生じているタイミングで、フォトカソード２１から電子が発生する。従って、電子ビーム６０が効率よく加速される。そして、加速された電子ビーム６０は、ミラー１７、及びレンズ１８の中空部分を通過する。これにより、電子ビーム６０に対して外乱が生じるのを防ぐことができる。すなわち、電子ビーム６０がミラー１７やレンズ１８などの構造物を通過しなくなる。ミラー１７、及びレンズ１８が電子ビーム６０と干渉しない。このため、電子ビーム６０の品質の劣化を防ぐことができる。
【００６７】
このようにして得られた電子ビーム６０は、所定の経路を通過して、Ｘ線自由電子レーザ（ＸＦＥＬ）、逆コンプトン散乱によるフェムト秒Ｘ線パルス光源、エネルギー回収型ライナック（ＥＲＬ）、リニアコライダー、フェムト秒時間分解電子線回折、逆光電子分光法などに利用される。また、ナノ秒以下の高速時間分解の電子顕微鏡、電子線回折、パルス電子描画装置などに利用される。なお、電子ビーム６０の経路中に存在するミラ−１７、及びレンズ１８は、真空中に配置される。すなわち、ミラー１７、及びレンズ１８は真空チャンバー内に配設される。従って、ビーム合成手段３８からのレーザ光８４は、真空チャンバーに設けられたウィンドウを介して、ミラー１７に入射する。このように、ビーム合成手段３８までの光学系を大気中に配設している。これにより、光学系の調整等を容易に行うことができる。よって、利便性を向上することができる。
【００６８】
ここで、偏光変換素子３６、及びレンズ１８を用いることによって、レーザ光８４の焦点位置では、Ｚ方向の電場が発生している。フォトカソード２１の表面にＺ方向の電場をかけることで、ショットキー効果又はトンネル効果が発生する。ショットキー効果又はトンネル効果で仕事関数を押し下げることができる。すなわち、真空準位を押下ることができ、ＮＥＡ面が不要となる。よって、実用性を向上することができる。
【００６９】
また、フォトカソード材料として半導体材料は、金属材料に比べて量子効率が高いため、大きな電流の電子ビーム６０を生成することができる。さらに、半導体のバンドギャップに応じた波長のレーザ光を用いれば、エミッタンスを低減することができる。すなわち、フォトカソード２１の表面から放出される電子のエネルギーを低くすることができる。これにより、熱エミッタンスを低減することができる。よって、高品質の電子ビーム６０を発生させることができる。
【００７０】
５０％を越える高いスピン偏極度を得るため、価電子帯で二つの電子スピン状態が分離した超格子構造、歪み構造、歪み超格子構造を持った半導体をフォトカソード材料に用いる。例えば、歪みＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ−ＧａＡｓ超格子半導体、ＩｎＧａＡｓ−ＡｌＧａＡｓ歪み超格子構造半導体、ＧａＡｓ−ＧａＡｓＰ歪み超格子構造半導体、ＧａＡｓ−ＩｎＡｌＧａＡｓ歪み超格子構造半導体を用いることができる。このように、ＧａＡｓを含む半導体材料を用いることで、効率よく偏極電子線を発生させることができる。もちろん、ＧａＡｓを含む材料以外の半導体材料を用いてもよい。例えば、ＩＩＩ−Ｖ族の半導体を用いることができる。もちろん、フォトカソード２１には、ＮＥＡ面が形成されていない。
【００７１】
本実施の形態では、偏光変換素子３６を用いてＺ偏光を発生させている。レーザ光８２によるＺ方向の電場を利用して、仕事関数によるポテンシャル障壁を薄くすることで、トンネル効果により電子を発生させている。すなわち、Ｚ偏光をフォトカソード２１の表面に入射している。よって、簡便な構成で、高品質の電子ビーム６０を発生させることができる。また、レーザー光８２によるＺ方向の電場を利用することで、従来のセシウム原子から構成されるＮＥＡ表面が不要になる。従来のＮＥＡ表面が不要となることで、利便性を向上させることができ、実用的な偏極電子銃を作成することができる。
【００７２】
図２乃至図４を用いて、フォトカソード２１の表面近傍でのポテンシャル構造について説明する。図２乃至図４は、フォトカソード半導体材料の表面付近でのポテンシャル構造を示す図である。図２は、真性半導体のポテンシャル構造を示し、図３は、ｐ型半導体のポテンシャル構造を示し、図４は、ｎ型半導体のポテンシャル構造を示している。図２乃至図４において、Ａは伝導帯、Ｂは価電子帯、Ｃはフェルミ準位、Ｄはバンドギャップ、Ｅは仕事関数、Ｆは電子親和力、Ｇは表面バンドベンディングである。
【００７３】
ｐ型又はｎ型にドーピングしたとき、余剰キャリアによって、表面にバンドベンディングＧが生じる。このバンドベンディングＧは、フェルミ準位ＣがバンドギャップＤ内に価電子帯上端（ｐ型）、又は伝導帯下端（ｎ型）から数十ｍｅＶ付近に形成する。このため、バンドベンディング量は、バンドギャップＤのおおよそ半分程度となる。すなわち、ドーピングを施した半導体では、真性半導体に比べて、仕事関数と電子親和力がバンドベンディング量相当、ｐ型では小さく、ｎ型では大きくなる。例えば、ＧａＡｓ半導体の場合、バンドギャップ１．４３ｅＶ、電子親和力が４．０７ｅＶであり、ｐ型にドーピングすると、電子親和力は３．４ｅＶ程度になる。
【００７４】
このように、フォトカソード材料に用いる半導体表面のポテンシャル構造は、真性、ｐ型、ｎ型半導体で異なる。さらにフォトカソード２１に用いる半導体材料と構造でも、表面ポテンシャル構造に関わる電子親和力とバンドギャップも異なる。例えば、ＧａＡｓを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体の場合、（ＩＩＩ族元素がＡｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｖ族元素がＮ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂの組み合わせからなる半導体）、電子親和力が３〜４ｅＶ、バンドギャップは１〜３ｅＶの範囲を持つ。ｐ型、ｎ型のドーピングと半導体種の選択で、実効的な電子親和力２．５〜４．８ｅＶを持つＩＩＩ−Ｖ族半導体が可能となる。ＧａＡｓ系半導体材料の選択により、２．５ｅＶ程度まで、電子親和力を下げることができる。
【００７５】
次に、図５を用いて、ＧａＡｓ半導体によるスピン偏極電子の伝導帯への励起について説明する。図５は、偏光を用いたｐ型半導体フォトカソードからの電子生成の概念図である。図５において、Ａは伝導帯、Ｂは価電子帯、Ｄはバンドギャップ、Ｈは縮退、Ｉは縮退分離を示している。
【００７６】
ＧａＡｓ半導体は、価電子帯Ｂで異なる電子スピン状態が縮退している。ＧａＡｓ半導体へ、バンドギャップＤのエネルギーを持つ円偏光のレーザ光８３を照射すると、３：１の割合（（３−１）／（３＋１）＝偏極度５０％）でスピン状態の違う電子が伝導帯Ａに励起される（図５中の左側参照）。５０％以上の高いスピン偏極度を持つ伝導帯電子を得るためには、価電子帯内の電子スピン状態の縮退分離Ｉが必要になる。この縮退は、超格子構造（量子細線や量子ドットなども含む）による量子閉じ込め効果や歪み効果による摂動効果で分離させることができる。
【００７７】
このように、高スピン偏極度のためには、半導体の価電子帯の異なるスピンの縮退状態を分離する必要がある。このため、量子閉じ込め効果や摂動効果を利用した超格子（他、量子細線、量子ドット等）、歪み構造を持つ半導体を用いる。すなわち、フォトカソード２１の半導体材料を超格子構造、歪み構造、量子ドット構造、又は量子細線構造にする。従来技術では、超格子や歪み構造を持つ半導体フォトカソードは、原子層厚レベルのセシウム原子とガリウム原子から形成されるＮＥＡ表面を要する。このため、装置内を超高真空にするだけでなく、半導体表面がＮＥＡ表面を形成する前に、加熱や水素洗浄などの化学的表面洗浄化により、半導体そのものに与えるダメージが実用上の問題となっている。
【００７８】
この半導体に、円偏光のレーザ光を照射し、価電子帯から一方のスピン電子を伝導帯に励起した状態を作る。この半導体へＺ偏光を照射することで生じる強電界により、伝導帯内のスピン電子が表面をトンネルし、真空中に取り出される。
【００７９】
Ｚ偏光を用いて、フォトカソード半導体内からスピン電子を取り出す方法について図６を用いて、詳細に説明する。図６は、Ｚ偏光を用いたｐ型半導体フォトカソードからの電子生成の概念図である。図６において、Ｊは電場のないとき、ＫはＺ偏光レーザによる電場、ＬはＺ偏光照射のときの真空準位を示している。Ｍは電子励起用レーザ光（円偏光レーザ光）、ＮはＺ偏光レーザによる強電場領域、Ｏは励起、Ｐは伝導帯電子、Ｑはトンネル効果、Ｒは表面バンドベンディング、Ｓはイメージポテンシャルを示している。
今の場合、ｐ型に高ドープした表面をもつ半導体カソード、または価電子帯から伝導帯へ電子がハードポンプされた状態の半導体カソードを想定しているために、余剰キャリア
の存在によって、金属的に振るまうイメージポテンシャルＳが半導体カソードであっても存在する。
【００８０】
Ｚ偏光により、半導体表面から真空方向に強い電場がかかり、真空準位が押し下げられる（Ｌ参照）。このとき、電子励起用レーザ光Ｍで価電子帯から励起された伝導帯電子Ｐが、表面のポテンシャルの壁をトンネルし（Ｑ参照）、真空中で脱出できるようになる。また、ｐ型半導体では、表面のバンドベンディングＲにより、電子親和力が真性半導体に比べて小さくなっているため、Ｚ偏光照射のとき、より効率的なトンネル効果Ｑが得られる。
【００８１】
このように、Ｚ偏光を用いた強電界によるフォトカソード半導体内のスピン偏極した伝導帯電子取り出し方法により、実用的なスピン偏極電子源を実現することができる。
【００８２】
また、Ｅｒドープ・フェムト秒ファイバーレーザの２倍波をレーザ光源１１としても用いてもよい。これにより、フェムト秒のパルスレーザ光を発生させることができる。この場合、一歩のレーザ光８３は、そのままの波長でピコ秒にストレッチして偏極電子源フォトカソードの価電子帯から伝導帯への偏極スピン電子の選択的な励起に用いる。もう一方のレーザ光８２は、中赤外のレーザを作る為に、まず光学パラメトリック増幅器（ＯＰＡ）で近赤外域のシグナル光（１．２〜１．５μｍ）とアイドラー光（１．６〜２．１μｍ）発振させる、それらを同軸でＡｇＧａＳ２結晶に集光して、差周波で８μｍの波長のレーザ光８２を得る。また、このシグナル光とＮｄ：ＹＡＧレーザを同軸でＡｇＧａＳ２結晶に集光すれば１０μｍの波長域も出すことができる。
【００８３】
ここで、重要なのは３０μｍではモノサイクルが１００ｆｓとなるため、フーリエ限界パルスが１００ｆｓになるようにＡｇＧａＳ２結晶に入れるシグナル光をファーストライト（ＦＡＳＴＬＩＴＥ）社製ＤＡＺＺＬＥＲ（登録商標）などの位相制御フィルタで、分散制御することである。このとき、フォトカソード２１までの光学系の分散も補償するように、分散制御する。さらに、ハーフサイクルになるようにして、中赤外レーザを発生させることで、このハーフサイクルのレーザ誘起Ｚ偏極電界（Ｚ偏光）をカソード上で発生させることができる。よって、レーザ誘起Ｚ偏極電界の向きが時間により完全に反転しないようにできる。このため、レーザ誘起Ｚ偏極電界（Ｚ偏光）放出型の電子銃には理想的な状態がカソード表面近傍で実現できる。
【００８４】
また、波長を１０μｍ帯に選ぶと、グレーティングチューナブルＣＯ２の光学系を用いることができる。グレーティングチューナブルＣＯ２レーザーの帯域は、９．２ｕｍ〜１０．８ｕｍにある。この帯域では、レンズ等の光学部品が豊富にラインナップされており、開発コストを抑えることができる。
【００８５】
次に、直線偏光をＺ偏光に変換するための偏光変換素子３６について、図７〜図９を用いて説明する。図７（ａ）は、偏光変換素子３６の構成を模式的に示す平面図である。図７（ｂ）は、偏光変換素子３６を通過したレーザ光８２の偏光状態を説明するための図である。図７（ｃ）は、偏光変換素子３６を通過したレーザ光８２の別の偏光状態を説明するための図である。図８は、偏光変換素子３６、及びレンズ１８によって変化する偏光状態を説明するための斜視図である。図９は、偏光変換素子３６、及びレンズ１８によって変化する偏光状態を説明するための側面図である。なお、図８、及び図９では、説明の簡略化のため、偏光変換素子３６、及びレンズ１８のみを示し、その他の構成部品（例えば、ミラー１７、ビーム合成手段３８等）については省略している。また、図７〜図９では、レーザ光８２の進行方向をＺ方向とし、Ｚ方向に垂直な平面をＸＹ平面としている。Ｘ方向、及びＹ方向は互いに直交する方向である。
【００８６】
まず、図７を用いて偏光変換素子３６の構成について説明する。ここでは、説明の簡略化のため、偏光変換素子３６がナノフォトン社製Ｚｐｏｌであるとして説明する。偏光変換素子３６は、例えば、ガラス等からなる透明基板の上に波長板を設けることによって形成される。偏光変換素子３６は、放射状に分割された４つの領域を有している。図７（ａ）に示すように、この４つの領域を分割領域３６ａ〜分割領域３６ｄとする。すなわち、偏光変換素子３６は、４つの分割領域３６ａ〜３６ｄを備えている。ここでは、上側に分割領域３６ａが配置され、下側に分割領域３６ｂが配置され、左側に分割領域３６ｃが配置され、右側に分割領域３６ｄが配置されている。分割領域３６ａ〜３６ｄは、中心点に対して対称に分割されている。従って、４つの分割領域３６ａ〜３６ｄは、放射状に配置されている。このように、放射状に分割された４つの領域が分割領域３６ａ〜３６ｄとなる。それぞれの分割領域の大きさは等しくなっている。分割領域３６ａ〜３６ｄは周方向の全体にわたって設けられている。従って、分割領域３６ａ〜３６ｄのそれぞれは、中心点に対応する内角が９０°の扇形となる。
【００８７】
分割領域３６ａ〜３６ｄにはそれぞれ異なる方向の光学軸を有する１／２波長板が設けられている。すなわち、分割領域３６ａ〜３６ｄ毎に、光の振動方向が異なっている。図７（ａ）には、分割領域３６ａ〜３６ｄにおける光学軸が矢印で示されている。ここで、それぞれの分割領域の光学軸は、隣の分割領域の光学軸から４５°ずれている。すなわち、Ｙ軸の方向を基準とすると、図７に示すように、分割領域３６ａにおける波長板の光学軸の角度は０°となり、分割領域３６ｂの光学軸は９０°となり、分割領域３６ｃの光学軸は−４５°となり、分割領域３６ｄの光学軸は４５°となっている。
【００８８】
従って、中心点に対して互いに対向する分割領域に設けられている１対の波長板は、光学軸が直交する。例えば、分割領域３６ａの光学軸は０°であり、分割領域３６ａに対向する分割領域３６ｂの光学軸は９０°となっている。また、分割領域３６ｃの光学軸と、分割領域３６ｄの光学軸は、互いに直交している。換言すると、互いに対向する分割領域に設けられている一対の波長板において、光学軸の角度の差が９０°となっている。このように、分割領域３６ａ〜３６ｄの中心点を挟んで対角に配置された一対の分割領域には、光学軸が９０°異なる波長板が設けられる。
【００８９】
１／２波長板は、入射光に１／２波長の位相差を与えて出射する。従って、直線偏光の方位が１／２波長板における光学軸に対して成す角度をθとすると、１／２波長板を通過した光は、元の直線偏光から２θだけ回転した直線偏光の光となる。例えば、１／２波長板の光学軸と、直線偏光の偏光軸とが４５°ずれている場合、１／２波長板は、偏光軸が９０°ずれた直線偏光を出射する。
【００９０】
図７（ｂ）では、偏光軸がＹ方向に沿った方向である直線偏光が入射した場合を示している。すなわち、Ｙ方向と平行な方向の偏光面を有するレーザ光８２が入射すると、図７（ｂ）に示す偏光状態となる。従って、入射偏光方位が０°の直線偏光が入射した時に出射される出射光の偏光方位について説明する。すなわち、分割領域３６ａの光学軸と、入射光の偏光軸が一致している場合について説明する。図７（ｂ）には、各分割領域から出射される出射光の偏光軸が矢印でそれぞれ示されている。分割領域３６ａ〜分割領域３６ｄから出射される直線偏光の偏光軸は放射状になっている。
【００９１】
具体的には、中心点に対して対向する一対の分割領域から出射される直線偏光の偏光軸が平行になっている。そして、対向する一対の分割領域では振動方向が反対になっている。また、隣接する分割領域から出射される光の偏光軸は９０°ずれている。例えば、分割領域３６ａ及び分割領域３６ｂから出射する光の偏光軸は、０°である。また、分割領域３６ｃ及び分割領域３６ｄから出射される光の偏光軸は、９０°である。従って、入射位置に応じて偏光軸の角度が変化して、出射偏光変位が放射状となる。このように、偏光変換素子３６は、入射位置に応じて入射光の偏光状態を変化させ、所望の偏光状態になるよう制御する。
【００９２】
上記の偏光変換素子３６に直線偏光を入射させることで、ラジアル偏光に近い偏光状態となるよう制御することができる。具体的には、レーザ光８２の光軸と、偏光変換素子３６の中心点を一致させる。そして、分割領域３６ａの光学軸と直線偏光の偏光軸を一致させる。このようにすることで、直線偏光をラジアル偏光に近似する擬似ラジアル偏光にすることができる。また、上記の偏光変換素子３６に対して偏光軸がＸ方向の直線偏光を入射することによって、偏光軸が円形に近い形状となる。従って、アジマス偏光に近い偏光状態とすることができる。すなわち、アジマス偏光に近似する擬似アジマス偏光にすることができる。このときのＸＹ平面における偏光軸の分布は図７（ｃ）に示すようになる。なお、上記の説明では、４分割の偏光変換素子３６について説明したが、分割数はこれに限られるものではない。例えば、２分割や８分割の偏光変換素子３６を用いることもできる。
【００９３】
偏光変換素子３６の分割数を増加させることによって、よりラジアル偏光又はアジマス偏光に近い偏光状態とすることができる。すなわち、分割領域の数を増やすこと偏光軸がよりなめらかに変化する。換言すると、分割数を無限大にすると、理想的なラジアル偏光状態又は理想的なアジマス偏光状態を生成することができる。さらに、電場ベクトルのＺ成分を高くするためには、分割数を８以上とすることが好ましく、１６以上とすることがより好ましい。
【００９４】
具体的には、例えば、分割数が１６の場合、波長板の光学軸を隣の分割領域から１１．２５°ずらす。これにより、対向する分割領域で、光学軸が直交する。そして、この偏光変換素子３６に一定角度の偏光軸を入射させると、直線偏光が擬似ラジアル偏光又は擬似アジマス偏光となって出射される。
【００９５】
また、図１で示したλ／２板４４を回転することで、偏光変換素子３６に入射する直線偏光の偏光軸が変化する。すなわち、光軸を回転中心としてλ／２板４４を回転することで、λ／２板４４の遅相軸の向きが変わる。λ／２板４４を回転することで、直線偏光の偏光軸を調整することができる。これにより、ラジアル偏光とアジマス偏光の割合を調整することができる。すなわち、偏光軸の向きをＹ方向に近づけるほど、ラジアル偏光の割合が高くなり、偏光軸の向きをＸ方向に近づけるほどアジマス偏光の割合が高くなる。
【００９６】
また、上記の説明では、偏光変換素子３６がＺｐｏｌであるとして、説明したが、上述の通り偏光変換素子３６を液晶素子によって形成することも可能である。この場合、２枚の透明板に所定の液晶を挟持する。そして、透明板に透明電極を形成する。例えば、４等分や８等分の扇形の透明電極を放射状に配置する。各透明電極に電圧を印加することで、液晶が駆動する。ここで、電極毎に異なる電圧を供給することで、遅らせる位相を異ならせることができる。すなわち、入射した電極に応じて、レーザ光８２が異なる位相だけ遅延する。印加する電圧を調整することで、Ｚｐｏｌを用いた場合と同様の効果を得ることができる。さらに、広い波長範囲に対して利用可能となる。なお、液晶素子を用いた場合、位相を調整する補償板をさらに設けてもよい。もちろん、２以上の素子を用いて、直線偏光をラジアル偏光に変換してもよい。
【００９７】
次に、図８、及び図９を用いて、Ｚ偏光を生成する方法について説明する。図８、及び図９の矢印はその位置における電気ベクトルの振動方向を模式的に示したものである。上述のように偏光変換素子３６を透過する前のレーザ光は直線偏光であるので全て同じ方向（Ｙ方向）に電気ベクトルが振動している。そして、偏光変換素子３６を通過することによって、その位置に応じて電気ベクトルの振動方向が変化する。図９に示すように、上の分割領域３６ａを透過した光の電気ベクトルは上方向に振動している。一方、下の分割領域３６ｂを透過した光の電気ベクトルは下方向に振動している。なお、図９において、中心を透過する光の振動方向は説明のため上方向として図示している。
【００９８】
図８、及び図９に示すように、偏光変換素子３６によって擬似ラジアル偏光を生成する。すなわち、図７（ｂ）に示したように、対向する分割領域では、振動方向が１８０°反対向きになっている。すなわち、偏光変換素子３６を通過することによって、偏光軸が放射状になっている。このような偏光状態のレーザ光８２をレンズ１８で集光する。
【００９９】
偏光変換素子３６を光路上に配置すると、上側の分割領域３６ａを透過した光と下側の分割領域３６ｂを透過した光とで位相にずれが生じる。すなわち、上下に対向した配置された分割領域３６ａと分割領域３６ｂとで光の位相が１８０°ずれる。レーザ光８２から直線偏光が出力されているとすると、電気ベクトルの直交する成分の位相は一致している。直線偏光が偏光変換素子３６を通過した場合、分割領域３６ａと分割領域３６ｂとでは、電気ベクトルの位相が１８０°ずれることになる。すなわち上の分割領域３６ａと下の分割領域３６ｂとで電気ベクトルの振動方向が反対方向になる。上の分割領域３６ａと下の分割領域３６ｂとでは、偏光方向が反対方向となる。すなわち、上の分割領域３６ａを透過した光と下の分割領域３６ｂを透過した光とは同じ直線上の直線偏光であるが、その振動の向きが反対となる。
【０１００】
次に偏光変換素子３６を透過した光がレンズ１８により試料上に集光された状態について、図９を用いて詳細に説明する。ここでは光の電気ベクトルの振動方向を光の進行方向に対して垂直な方向の成分（Ｙ方向）と平行な方向の成分（Ｚ成分）に分けて考える。なお、図８において、光の進行方向に対して垂直な方向（Ｙ方向）を上下方向とし、光の進行方向に対して平行な方向（Ｚ方向）を左右方向として説明する。
【０１０１】
上の分割領域３６ａを透過した光はレンズ１８により下方向に傾くよう屈折される。従って、光の電気ベクトルの振動方向は図９に示すように右斜め上となる。中心を透過した光はレンズ１８により屈折されないので、振動方向はそのまま上方向のままである。下の分割領域３６ｂを透過した光はレンズ１８により上方向に傾くよう屈折される。従って、光の電気ベクトルの振動方向は右斜め下となる。このように位置に応じて異なる振動方向を持つ光が試料上に集光される。
【０１０２】
レンズ１８を透過した後において、電気ベクトルの振動方向は上の分割領域３６ａでは右斜め上で、下の分割領域３６ｂでは右斜め下であるため、上下方向の成分がそれぞれ反対である。これにより、フォトカソード２１上に集光された状態において、電気ベクトルの振動方向における上下方向の成分は、打ち消し合う。従って、光の進行方向と垂直方向の電気ベクトルの成分はほぼ０となる。すなわち、試料上において、光の電気ベクトルは進行方向と垂直な方向に振動しなくなる。
【０１０３】
一方、電気ベクトルの振動方向は上の分割領域３６ａでは右斜め上で、下の分割領域３６ｂでは右斜め下であるため、左右方向の成分が同じ右方向である。これにより、電気ベクトルの左右方向の成分については、上の分割領域３６ａと下の分割領域３６ｂとで強め合う。従って、光の進行方向と平行方向の電気ベクトルの成分は右方向に強調される。すなわち、光の電気ベクトルは進行方向と平行な方向に振動していることになる。このように偏光変換素子３６によって位相がずれたレーザ光をレンズ１８で集光することによって、電気ベクトルが進行方向と平行な方向に振動した状態で、レーザ光８２をフォトカソード２１に照射することができる。なお、Ｚ方向の電場の成分は、レンズ１８の焦点距離やＮＡ（開口数）の２乗に応じて増大する。すなわち、焦点距離が短く、ＮＡが大きいレンズ１８を用いることによって、Ｚ方向の成分を増加させることができる。
【０１０４】
このように、Ｚ偏光のレーザ光８２がフォトカソード２１に入射する。よって、フォトカソード表面には、Ｚ方向に強い電場が発生する。これにより、フォトカソード２１の実効的な仕事関数を低下させることができる。すなわち、真空準位を強い電場で押下げることで、仕事関数によるポテンシャル障壁を薄くし、トンネル効果により電子を真空中に引出すことができる。よって、ＮＥＡ面を形成しなくても、偏極度の高い偏極電子ビームを発生させることが可能になる。
【０１０５】
次に、空間フィルタ部４３の構成について、図１０を用いて説明する。図１０は、空間フィルタ部４３の構成を示す図である。なお、空間フィルタ部１３は、空間フィルタ部４３と同じ構成を有しているため、空間フィルタ部１３については、説明を省略する。すなわち、以下に示す説明は、空間フィルタ部１３についても共通である。
【０１０６】
空間フィルタ部４３は、均一でないスポットを有する光ビームＬ１を整形する。そして、理想的な円形スポットの光ビームＬ２とする。そのため、空間フィルタ部４３は、放物面鏡６１とピンホール６２と放物面鏡６３とを有している。放物面鏡６１、及び放物面鏡６３は、反射面が放物面となっている凹面鏡である。そして、放物面鏡６１、６３はレーザ光８２の光軸に対して傾いて配置されている。
【０１０７】
光ビームＬ１は、放物面鏡６１に入射する。光ビームＬ１は、放物面鏡６１によって、ピンホール６２の方向に反射される。さらに、放物面鏡６１は、光ビームＬ１を集光する。そして、放物面鏡６１の集光点に、ピンホール６２が配置されている。もちろん、ピンホール６２の開口部は、光軸上に配置されている。ピンホール６２の開口部に入射した光ビームＬ１のみ、ピンホール６２を通過して、放物面鏡６３に入射する。すなわち、ピンホール６２の開口部の外側に入射した光は、遮光される。
【０１０８】
ピンホール６２を通過した光は、放物面鏡６３によって、λ／２板４４（図１参照）の方向に反射される。さらに、放物面鏡６３は、光ビームＬ２を平行光束にする。ピンホール６２の開口部は、例えば、直径が５０〜１００μｍ程度の円形になっている。そして、光ビームＬ１のスポットよりもピンホールの径が小さくなっている。従って、レーザ光８２を整形することができる。すなわち、光ビームＬ２のスポット形状は，理想的な円形になっている。このように、フィルタを用いることで、Ｚ偏光の生成に不要な成分などを除去することができる。ラジアル偏光の最低次のモードの比率を上げることができる。
【０１０９】
次に、円環ビーム生成部４５について、図１１（ａ）を用いて説明する。図１１（ａ）は、円環ビーム生成部４５の構成を示す図である。なお、円環ビーム生成部１４は、円環ビーム生成部４５と同じ構成を有しているため、円環ビーム生成部１４については、説明を省略する。なお、図１１（ａ）では、左右方向が、光軸方向（Ｚ方向）になっている。
【０１１０】
図１１（ａ）に示すように、円環ビーム生成部４５は、円形の光ビームＬ２を円環ビームＬ３にする。そのため、円環ビーム生成部４５は、第１の円錐ミラー５１、第１の対向ミラー５２、第２の対向ミラー５３、第２の円錐ミラー５４を有している。第１の円錐ミラー５１及び第２の円錐ミラー５４は、直円錐形状を有している。さらに、第１の円錐ミラー５１には、第１の透明板５５に支持されている。また、第２の円錐ミラー５４は第２の透明板５６に支持されている。すなわち、第１の円錐ミラー５１には、第１の透明板５５が取り付けられ、第２の円錐ミラー５４には、第２の透明板５６が取り付けられている。第１の対向ミラー５２と第２の対向ミラー５３の間の光路中に、第１の透明板５５、及び第２の透明板５６が配置されている。第１の対向ミラー５２と第２の対向ミラー５３の間に挟まれるように、第１の円錐ミラー５１と第２の円錐ミラー５４が配置されている。
【０１１１】
λ／２板４４からの光ビームＬ２は、第１の対向ミラー５２の開口部を通って、第１の円錐ミラー５１に入射する。なお、光ビームＬ２のスポットは、空間フィルタ部４３によって円形になっている。第１の円錐ミラー５１は、反射面が円錐面になっているアキシコンミラーである。第１の円錐ミラー５１は、直円錐形状を有している。そして、円錐の頂点が光軸上に配置されている。すなわち、円錐面がＬ２の方向を向いて配置されている。また、第１の円錐ミラー５１に入射する前の光ビームＬ１と円錐の軸は平行になっている。従って、第１の円錐ミラー５１に入射した光ビームＬ２は、３６０°方向に反射される。すなわち、円錐面全周で反射された光ビームＬ２は、円錐の軸から離れていく方向に進んでいく。さらに、光ビームＬ２は平行光束であるため、円錐の軸と垂直な全方向に光が反射される。従って、第１の円錐ミラー５１で反射された光ビームＬ２は光軸から遠ざかっていく
【０１１２】
そして、第１の円錐ミラー５１で反射された光ビームＬ２は、第１の対向ミラー５２に入射する。第１の対向ミラー５２の反射面は、第１の円錐ミラー５１の反射面と対向配置されている。第１の対向ミラー５２の反射面は、第１の円錐ミラー５１の反射面の全周に対向している。また、第１の対向ミラー５２の反射面は、第１の円錐ミラー５１の反射面と平行になっている。すなわち、第１の対向ミラー５２の反射面は、円錐面となっている。このように、第１の対向ミラー５２は、円錐面を反射面とする回転体であり、第１の円錐ミラー５１を内包するような形状になっている。
【０１１３】
円錐面の仮想的な頂点は、光軸上に配置されている。従って、円形の光ビームＬ２のスポット中心が、円錐面の頂点と一致する。第１の円錐ミラー５１は第１の対向ミラー５２の方向に光ビームＬ２を反射する。第１の対向ミラー５２には、第１の円錐ミラー５１に入射する前の光ビームＬ２が通過する開口部（貫通穴）が設けられている。すなわち、円錐面の頂点近傍には、反射面が設けられておらず、円錐面の円錐軸に沿った貫通穴が設けられている。開口部は、光ビームＬ２が第１の円錐ミラー５１に入射できるよう、第１の円錐ミラー５１に入射する前の光ビームＬ２の径よりも大きくなっている。そして、第１の対向ミラー５２の反射面が第１の円錐ミラー５１の反射面の全周を覆うように、向かい合って配置されている。また、第１の円錐ミラー５１に入射する前の光ビームＬ１と、第1の対向ミラー５２の円錐軸は平行になっている。
【０１１４】
そして、第１の対向ミラー５２において、円錐面の頂点と底面の間で光ビームが反射される。第１の対向ミラー５２が光ビームを反射することで円環状の光ビームが形成される。また、第１の対向ミラー５２によって反射された円環ビームは、第１の円錐ミラー５１に入射する前の光ビームＬ１と同じ方向に伝播する。すなわち、第１の円錐ミラー５１と第１の対向ミラー５２の２つの反射鏡で、光ビームの進行方向を変えずに、円形のスポットを円環状にすることができる。ここで、円環ビームの内径は、第１の円錐ミラー５１の外径よりも大きくなっている。従って、円環ビームは、第１の円錐ミラー５１の外側を通過する。
【０１１５】
なお、第１の円錐ミラー５１は、第１の透明板５５によって支持されている。第１の透明板５５は、透明で平らな薄板である。例えば、石英やガラスによって、第１の透明板５５を形成することができる。第１の透明板５５は、第１の円錐ミラー５１の底面に取り付けられている。第１の透明板５５は、第１の円錐ミラー５１の底面よりも大きくなっている。すなわち、第１の透明板５５は、第１の円錐ミラー５１からはみ出している。また、第１の透明板５５は、円環ビームよりも大きくなっている。従って、円環ビームは第１の透明板５５を通過して、第２の対向ミラー５３に入射する。
【０１１６】
また、第１の透明板５５を通過した円環ビームは、第２の透明板５６を介して、第２の対向ミラー５３に入射する。第２の対向ミラー５３の基本的な形状は、第１の対向ミラー５２と同じになっている。すなわち、第２の対向ミラー５３は、その反射面が円錐面となっている回転体である。そして、第２の対向ミラー５３の反射面は、第１の対向ミラー５２の反射面を向いている。従って、第１の対向ミラー５２で反射された光ビームは、第１の透明板５５、及び第２の透明板５６を通過した後、第２の対向ミラー５３で反射される。
【０１１７】
そして、第２の対向ミラー５３において、円錐面の頂点と底面の間で光ビームが反射される。第２の対向ミラー５３は、光軸の方向に向けて光を反射する。すなわち、第２の対向ミラー５３で反射された光ビームは、光軸と垂直な角度で伝播して、光軸に近づいていく。さらに、第２の対向ミラー５３は３６０°の回転体であるため、光ビームは反射された光は、全方位から光軸に向かって進行していく。そして、第２の対向ミラー５３で反射された光ビームは、第２の円錐ミラー５４に入射する。
【０１１８】
第２の円錐ミラー５４の基本的構成は、第１の円錐ミラー５１と同じである。すなわち、第２の円錐ミラー５４の反射面は、円錐面となっている。なお、第２の円錐ミラー５４の底面は、第１の円錐ミラー５１の底面と対向配置されている。すなわち、第２の円錐ミラー５４の反射面と、第１の円錐ミラー５１の反射面とは、反対方向を向いて配置されている。第２の円錐ミラー５４の反射面は、第２の対向ミラー５３の反射面と平行になっている。第２の円錐ミラー５４の反射面は、第２の対向ミラー５３の反射面と対向配置されている。
【０１１９】
従って、第２の対向ミラー５３で反射された光ビームは、第２の円錐ミラー５４で反射されて、偏光変換素子３６の方向に向かって進む。このとき、３６０°の全方位から光ビームが、第２の円錐ミラー５４の反射面に近づいていく。そして、第２の円錐ミラー５４において、円錐面の頂点と底面の間で光ビームが反射される。これにより、第２の円錐ミラー５４で反射された光ビームは円環ビームになる。
【０１２０】
このように、反射面が円錐面となっている４つのアキシコンミラーを用いることで、円形ビームを円環ビームに変換することができる。また、レーザ光を集光させることなく、円環ビームを得ることができる。例えば、フェムト秒パルスレーザの場合、レーザ光の集光点では、空気がプラズマ化してしまうおそれがある。このように、４つのアキシコンミラーを用いることで、集光することなく、円環ビームを得ることができる。よって、空気のプラズマ化を防ぐことができ、レーザ光を効率よく利用することができる。また、４つのミラーを用いることで、第１の円錐ミラー５１よりも小さい径の円環ビームを生成することができる。もちろん、レーザ光の強度が低い場合は、アキシコンレンズやリングスリット（輪帯）を用いて円環ビームを生成してもよい。また、円環ビーム生成部１４、及び円環ビーム生成部４５の一方に対してのみ、アキシコンミラーを用いてもよい。
また、レンズ等の透過方式の光学系を用いると分散によりパルス幅が伸びてしまうため、４つのアキシコンミラーを用いることが好ましい。石英で２次分散は４０ｆｓ２／ｍｍ程度（波長８００ｎｍ付近）である。したがって、アキシコンレンズを用いた場合、ＤＡＺＺＬＥＲなどのＡＯ変調器で予めネガティブ・チャープをかけておき、石英を透過してついた分散を補償して、光学系を通ったあとでフーリエ限界パルスを作るということをしなければならなくなる。しかし、そのようなことは面倒であるために、アキシコンミラーを用いた反射型で作ることで容易に円環ビームを生成することができる。今回のアキシコンミラーペアは厚さ数ｍｍの窓を透るのでAO変調器やコンプレッサーのグレーティング間隔を変えるなどで若干の負分散にしておくための分散補償が必要であるが、大した量ではないので今の場合は問題にならない。
【０１２１】
さらに、第２の円錐ミラー５４と第１の円錐ミラー５１との距離が可変になっている。例えば、第１の円錐ミラー５１に対して、第２の円錐ミラー５４を遠ざけたり、近づけたりできるようになっている。これにより、円環の径を変化することができる。すなわち、第２の円錐ミラー５４を第１の円錐ミラー５１に近づけると、第２の対向ミラー５３と第２の円錐ミラー５４の間の光路長が長くなる。これにより、光ビームが第２の円錐ミラー５４の円錐面の頂点近傍に入射する。よって、円環ビームの径を小さくすることができる。反対に、第２の円錐ミラー５４を第１の円錐ミラー５１に遠ざけると、第２の対向ミラー５３と第２の円錐ミラー５４の間の光路長が短くなる。これにより、光ビームが第２の円錐ミラー５４の円錐面の底面近傍に入射する。よって、円環ビームの径を大きくすることができる。第２の円錐ミラー５４を支持する第２の透明板５６を光軸に沿ってスライド移動させることで、円環ビームの径を調整することができる。もちろん、第１の円錐ミラー５１をスライド移動させてもよい。これにより、所望の径の円環ビームを容易に得ることができる。また、第１の対向ミラー５２と第２の対向ミラー５３との間隔を変えることで、円環ビームの径を調整してもよい。すなわち、第１の円錐ミラー５１、第１の対向ミラー５２、第２の対向ミラー５３、第２の円錐ミラー５４のうちの１つを光軸方向に沿って変位させれば、ビーム径を調整することができる。
【０１２２】
また、第１の円錐ミラー５１、第２の円錐ミラー５４を支持する第１の透明板５５、第２の透明板５６を、第１の対向ミラー５２と、第２の対向ミラー５３の間に配置している。これにより、簡便な構成で、円環ビームを得ることができる。第１の透明板５５、５６
を薄い透明板で構成することで、波長分散によるパルス光への影響を低減することができる。例えば、アキシコンレンズを用いる場合に比べて、波長分散によるパルス幅の変化を低減することができる。なお、上記の説明では、４枚のミラーを用いたが、これ以外の数のミラーを用いてもよい。すなわち、金属反射面での反射を偶数回にするよう、ミラーの数を偶数個にする。これにより、レーザ光のモードが変化するのを防ぐことができる。
【０１２３】
図１１（ｂ）に示すような構成で円環ビームを生成してもよい。図１１（ｂ）に示す構成では、図１１（ａ）に比べて、第２の透明板５６、第２の対向ミラー５３、第２の円錐ミラー５４が無い構成となっている。すなわち、図１１（ｂ）に示す円環ビーム生成部４５は、図１１（ａ）に示す構成から、第２の透明板５６、第２の対向ミラー５３と第２の円錐ミラー５４とを取り除いた構成になっている。第１の対向ミラー５２と、第１の透明板５５の距離を変えることで、円環の径が変化する。図１１（ｂ）の場合、内径が第１の円錐ミラー５１よりも大きい円環ビームを生成する。リング幅の細いビームを生成することができ、ＮＡを実質的に大きくすることができる。また、図１１（ａ）に比べて部品点数が少なくなる。
【０１２４】
なお、上記の説明では、ラジアル偏光にした後、円環ビームに変換したが、円環ビームにした後、ラジアル偏光にしてもよい。なお、ラジアル偏光にした後、フォトカソード２１に到達するまでの間、同じ金属ミラーでペリスコープを組むようにする。この場合、Ｓ偏光とＰ偏光を入れ替えて反射するので、ラジアル偏光状態を保持することができる。
実際の金属ミラーの反射ではＳ偏光とＰ偏光の位相差が１８０度ではない。このため、ラジアル偏光はエルミートガウシアンモードのＴＥＭ０１とＴＥＭ１０を偏光方向を電場の振動面を水平と垂直、すなわち反射面を決めた時は、Ｓ偏光とP偏光にそれぞれしたあとに重ねたものである。金属ミラーの反射でＳ偏光とＰ偏光の位相シフトの差が１８０度になっていない場合、重ね合わせがラジアル偏光にならなくなる。ＴＥＭ０１とＴＥＭ１０はそれぞれ伝搬モードなのでそれぞれ伝搬するので、Ｓ偏光とＰ偏光の位相のずれをもう一度同じ金属ミラーで反射する。こうすることで、Ｓ偏光とＰ偏光を入れ替わり、位相差の関係が元に戻る。よって、重ね合わせがラジアル偏光となる。ペリスコープは潜望鏡と同じで、光軸の高さを変えるのにも使われるのでエレベータとしても用いられる。４５度傾いたミラーが上下一対になったものである。これをＳとＰ偏光を入れ替える光学系として使う場合は、上から見た時に入射方向と出射方向が９０度異なっていることが必要となる。同じ金属のミラー対になっていることも位相シフト量を戻すことからも明らかである。
【０１２５】
さらに、上記の電子銃１００を用いることで、電子銃の評価を行うことができる。以下に、電子銃の評価装置、及び評価方法について図１２を用いて説明する。図１２では、図1に示した電子銃１００に対して、電子ビームの測定を行う測定器６５が取り付けられている。なお、電子銃の基本的構成に付いては、図１で示したものと共通であるため、重複部分は、説明を省略する。下記に示すように、電子銃から発生する電子ビームを評価することで、高輝度と高スピン偏極度に適したフォトカソード材料を発見することができる。さらに、そのフォトカソード２１に対して、レーザ光の波長等を最適化することができる。
【０１２６】
測定器６５は、入射した電子ビーム６０を計測する。例えば、測定器６５は、ファラデーカップを有しており、電子ビーム６０の電流を測定する。まず、評価したいフォトカソード材料を共振器２３内にセットする。そして、レーザ光を照射して、電子を発生させる。発生した電流を測定器６５で測定する。
【０１２７】
そして、波長変換素子４２でレーザ光の波長を変えていき、電子ビームのレスポンスを調べていく。例えば、レーザ光の波長を変えることで、ラジアル偏光において、電気ベクトルの振動方向が反転する周期が変化する。例えば、例えば、ＮＯＰＡ（非平行光パラメトリック増幅器、又は非同軸光パラメトリック増幅器：Ｎｏｎｃｏｌｌｉｎｅａｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐａｒａｍｅｔｒｉｘ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）やＯＰＡ（パラメトリック増幅器：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐａｒａｍｅｔｒｉｘ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）を用いて、波長を走査していく。
【０１２８】
また、液晶素子によってラジアル偏光に変換している。液晶素子を用いた偏光変換素子３６では、広い周波数帯での使用が可能である。すなわち、ＮＯＰＡによって波長を変化させた場合でも、波長に応じて偏光変換素子３６を変える必要がなくなる。よって、簡便に測定することができる。
【０１２９】
フォトニッククリスタル結晶等でスーパーコンティニュウム（超ブロードバンドの白色レーザ光）を作る。それをシード光としてＢＢＯ等の非線形結晶を用いてのＮＯＰＡ方式でブロードな波長帯域を増幅してあげることができる。それから、シード光とポンプ光の角度調整で中心波長範囲の選択やスペクトル幅の選択等もできるシステムとすることで、カソード近傍に与えるレーザ誘起電場の振動速度を可変にすることができる。
【０１３０】
もし、レーザの振動に対して電子の応答速度が十分遅い場合は平均化されるので、カソードに対するレーザ誘起電場の効果はなく実効的な仕事関数の差がないことになる。この原理によりレーザ波長をスキャンすることで、アジマス偏光とラジアル偏光を集光した時の電子ビーム電流量の有意な差の有無を計測することで、電子の応答速度を計測することができる。このように、電子がレーザ電場（Ｚ方向に偏極した電界）の振動に対する応答を知らべるのが目的でレーザ波長をスキャンする。
【０１３１】
各波長において、ラジアル偏光とアジマス偏光とで、それぞれ電流測定を行う。例えば、λ／２板４４によって、直線偏光の偏光軸をＹ方向にする。これにより、偏光変換素子３６でレーザ光がラジアル偏光になる。そして、ラジアル偏光状態のレーザ光を集光してフォトカソード表面にＺ方向の電場を発生させる。レーザ光がフォトカソード２１に照射された際に発生する電子ビームの電流を測定する。次に、λ／２板４４を回転させて、直線偏光の偏光軸をＸ方向にする。これにより、偏光変換素子３６でレーザ光がアジマス偏光になる。そして、アジマス偏光状態のレーザ光を集光してフォトカソード表面に照射する。レーザ光がフォトカソード２１に照射された際に発生する電子ビームの電流を測定する。
【０１３２】
フォトカソード２１表面にＺ方向の電場を与えた場合と、そうでない場合とで、それぞれ電流を測定する。そして、ラジアル偏光の電流値がアジマス偏光での電流値に比べて十分大きくなっている場合、その波長でのレスポンスがあると判定する。すなわち、ラジアル偏光の電流値とアジマス偏光の電流値との差が、閾値よりも大きくなっている場合、Ｚ偏光によって、真空準位を押し下げることができ、実効的な仕事関数が低くなっている。よって、その波長で電子を効率よく発生させることができる。
【０１３３】
電子がレーザ電場（Ｚ方向に偏極した電界）の振動に対する応答を知らべるのが目的でレーザ波長をスキャンする。Ｚ方向の電場によって、電流が発生するカットオフ周波数を調べる。すなわち、ラジアル偏光とアジマス偏光で電流値に差がある波長と、差がない波長との境界を調べる。このようにすることで、電子ビームの発生に適したレーザ波長を選択することができる。そして、使用するフォトカソード材料に対するカットオフ波長を調べていく。このようにすることで、仕事関数を押下ることができるレーザ波長を確認することができる。さらに、測定器６５によって、電子ビームのスピン偏極度を測定することで、所望の偏極度を有するのに適したレーザ波長を発見することができる。よって、所望の偏極度を有する電子ビームを容易に得ることができる。偏極度を測定する場合、円偏光とともに、アジマス偏光、又はラジアル偏光を照射する。
【０１３４】
また、液晶素子を用いたラジアル偏光の生成について、図１３を用いて説明する。図１３は、液晶素子を用いた偏光変換素子３６の構成を模式的に示す斜視図である。図１３に示すように偏光変換素子３６は、液晶素子７１と、位相補償板７２を有している。位相補償板７２は、液晶素子７１の前段に配置される。従って、位相補償板７２を通過したレーザ光が、液晶素子７１に入射する。そして、直線偏光のレーザ光が位相補償板７２、及び液晶素子７１を通過することで、ラジアル偏光に変換される。
【０１３５】
なお、液晶素子７１を用いて、ラジアル偏光を生成する場合、例えば、ＡＲＣｏｐｔｉｘ社製シータセルを液晶素子７１として用いることができる。これにより、波長３５０〜１７００ｎｍのレーザ光に対応することができる。よって、様々な波長に対応することができる。このシータセルでは、ＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）液晶が用いられている。さらに、シータセルに加えて位相補償板７２を用いる。例えば、λ／２板４４の後に、同じＴＮ液晶で出来た広帯域の位相補償板７２を配置する。位相補償板７２の後にシータセル等の液晶素子７１を配置する。
【０１３６】
次に位相補償板７２の構成について、図１４、及び図１５を用いて説明する。図１４は、位相補償板７２の構成を示す正面図であり、図１５は断面図である。位相補償板７２は、正面視において、矩形状になっており、上半分の領域（上領域）と、下半分の領域（下半分）とから構成される。すなわち、位相補償板７２は、上領域とした領域に分割される。
【０１３７】
図１５に示すように、位相補償板７２は、第１基板７３と第２基板７４とを有している。第１基板７３と第２基板７４は例えば、透明なガラス板である。さらに、第１基板７３と第２基板７４との間には、液晶層７５が配設されている。すなわち、第１基板７３と第２基板７４との間に、液晶層７５が挟持されている。
【０１３８】
下領域において、第１基板７３の液晶層７５側には、第１電極７６が形成され、第２基板７４の液晶層７５側には第２電極７７が形成されている。さらに、第１電極７６には、外部から電圧を供給するための端子配線７８が接続され、第２電極７７には、外部から電圧を供給するための端子配線７９が接続されている。従って、第１電極７６と第２電極７７との間に電圧を印加すると、電極間の液晶層７５が配向する。液晶層７５に印加する電圧は、液晶層のチャージアップを避けるため極性を反転させることが好ましい。例えば、約１ｋＨｚのサイン波や、５０Ｈｚ程度の矩形波を用いることができる。なお、最大電圧は８．８Ｖ程度にすることができる。一方、上領域には、電極が形成されていない。
【０１３９】
液晶層７５には、シータセルと同様に、ＴＮ液晶を用いることができる。そして、上領域では、液晶の配向が１８０°ねじれている。従って、上領域では、液晶層７５を通過することで、レーザ光の偏光方向が１８０°回転する。一方、電極間に電圧を印加すると、下領域では、液晶の配向がねじれなくなる。よって、下領域では、液晶層７５を通過してもレーザ光の偏光方向がそのままとなっている。従って、図１４の右側に示すように、下領域と上領域の間で、偏光方向が反転する。ここでは、上領域を通過したレーザ光の振動方向が上向きから下向きになる。もちろん、上領域と下領域の境界上にレーザ光の光軸を配置する。
【０１４０】
このように、広帯域の位相補償板７２は、上半分の位相をπずらして、下半分をそのまま通過させる。すなわち、位相補償板７２を通過したレーザ光８２のうち、上半分と下半分とで位相がπずれている。このように、液晶素子７１に入射するレーザ光の位相を上下で反転させておく。液晶素子７１と位相補償板７２の向きをレーザ光の偏光方向に対して、調整する。この位相補償板７２を通過したレーザ光８２が液晶素子７１に入射する。液晶素子７１はレーザ光をラジアル偏光に変換する。なお、λ／２板４４を回転することで、偏光軸の向きを調整することができる。従って、レーザ光の偏光軸を９０°回転させると、ラジアル偏光からアジマス偏光に切り換わる。あるいは、ラジアル偏光を得るために、位相補償板７２と液晶素子７１との間に、さらにＴＮ液晶セルを配置してもよい。このようにすることで、広い波長帯のレーザ光をラジアル偏光にすることができる。また、λ／２板４４を回転させることで、ラジアル偏光とアジマス偏光を切替えることができる。位相補償板７２は、ＡＲＣｏｐｔｉｘ社製のＢｒｏａｄｂａｎｄ Ｐｉ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒを用いることができる。
【０１４１】
次に、偏極度を測定するための測定器について、図１６を用いて説明する。図１６（ｂ）は、メラー散乱（電子−電子散乱）、図１６（ｂ）は、モット散乱（電子−原子核散乱）を用いた測定器６５の構成を示す図である。
【０１４２】
メラー散乱を用いた測定器６５では、電子ビーム６０がターゲット６５ａに入射する。ターゲット６５ａはヘルムホルツコイル６５ｂの間に配置されている。ヘルムホルツコイル６５ｂは、磁性体（パーマロイなど）のターゲット６５ａに対して外部磁場をかける。外部磁場をかけた磁性体ターゲットにスピン偏極電子が入射した際の磁性体の磁化率測定によりスピン偏極度が得られる。
【０１４３】
モット散乱を用いた測定器６５では、ターゲット６５ｃに金などを用いる。電子ビーム６０はスピンに依存した散乱角を持っている。よって、それぞれに散乱された電子数の測定によりスピン偏極度が得られる。すなわち、電子検出器６５ｄを所定の散乱方向において、散乱された電子数を測定する。これにより、スピン偏極度を測定することができる。
【０１４４】
上記の２種類の測定器６５は、検出する電子のエネルギーによって使い分けられる。すなわち、入射ビームエネルギーに応じて、使用する測定器６５を選択する。例えば、入射ビームエネルギーが３０〜６００ｋｅＶの場合、モット散乱が用いられ、３００ｋｅＶ以上の場合、メラー散乱が用いられる。電子銃、特にＲＦ電子銃を使った実験の場合は、エネルギーが数ＭｅＶになるのでメラー散乱により電子の偏極度を計測する。このように、磁性体のターゲット６５ａを用いたメラー散乱を利用してスピン偏極度の測定を行う。
【０１４５】
カソード材料のバンド構造が偏極に適しているという条件を満たしていれば、波長を可変で価電子帯から伝導帯に電子を励起して、電子をとり出す伝導帯のエネルギー深さをＺ偏極したレーザ光源の波長や強度を変えながら、メラー散乱で電子の偏極度の高いところを探せば、電子銃に最適なカソード材料と励起用およびＺ偏光用のレーザの条件が決定できる。例えば、ＧａＡｓ以外の最適なフォトカソード材料を発見することができる。
【０１４６】
なお、上記の評価方法では、半導体材料以外のフォトカソード２１に対して、最適なレーザ波長を調べることができる。この場合、円偏光のレーザ光８３を用いずに、電子ビーム６０を発生させてもよい。すなわち、偏光変換素子３６を介して入射したレーザ光８２のみを用いて電子を発生させる。偏極電子ビーム用の電子銃ではない場合、レーザ光８３を円偏光にしなくてもよい。
【０１４７】
さらに、半導体材料の分析、評価を行うことができる。この場合、例えば、図１７に示すように、評価する半導体材料の試料６６に電子ビーム６０を照射する。ここで、試料６６は、フォトカソード２１と同じ半導体材料になっているとする。そして、試料６６で発生した光を測定器６５で測定する。測定器６５は、分光器を有しており、試料６６で発生した光を分光測定する。ここでは、逆光電子分光法を用いて、分析、評価を行う。すなわち、電子ビーム６０を試料６６に照射して、試料６６で発生する光を分光測定する。試料６６で発生する光には、試料６６に関する情報が含まれる。このように、逆光電子分光法における電子源として、電子銃１００を用いる。これにより、偏極電子ビームを測定対象となる試料６６に照射することができる。
【０１４８】
逆光電子分光法では、単色化された電子の物質への入射の際、放出される光の分布を入射電子のエネルギー、スピン偏極度の関数として測定する。逆光電子分光法では、入射電子の単色性のほか、光の放出断面積が小さいため、高い電流値が電子源に要求される。
【０１４９】
Ｚ偏光を用いることで、高い電流値の単色化されたスピン偏極電子ビームを得ることができる。これにより、逆光電子分光法による半導体材料中における電子スピンの情報を含む非占有電子状態を観測することができる。伝導帯に電子が励起された状態に対して、Ｚ偏光による可変光電場に応じた電界強度と物質の仕事関数を関数とした放出電子の電流値、スピンを測定できる。このように、電子銃１００を逆光電子分光方法に利用することで、非占有状態の測定を行うことができる。但し、電子の励起状態にある非占有電子状態を見るには、電子励起と同時に生成される正孔によるクーロン相互作用の効果の情報が含まれることが必要となる。
【０１５０】
なお、Ｚ偏光のレーザ光８２と、円偏光のレーザ光８３の照射には、表面（前面）からの照射方法と背面から照射方法の２通りがある（図１８参照）。図１８（ａ）〜図１８（ｄ）に示すように、フォトカソード２１は、半導体基板２１ａと電子生成層２１ｂから構成されており、電子生成層２１ｂ側が表面（前面）側となっている。
【０１５１】
図１８（ａ）、及び図１８（ｃ）に示すように、表面からの入射方法では、フォトカソード２１の電子生成層２１ｂ側からレーザ光８２、８３を入射させる。一方、図１８（ｂ）、及び図１８（ｄ）に示すように、背面（裏面）からの入射方法では、フォトカソード２１の半導体基板２１ａ側からレーザ光８２、８３を入射させる。これらのいずれの入射方法を採用してもよい。例えば、図１８（ａ）に示すように、Ｚ偏光のレーザ光８２を表面から入射させた場合、図１８（ｃ）に示すように、円偏光のレーザ光８３を表面から入射させてもよく、図１８（ｄ）に示すように、レーザ光８３を背面から入射させてもよい。あるいは、図１８（ｂ）に示すように、Ｚ偏光のレーザ光８２を背面から入射させた場合でも、図１８（ｃ）に示すように、円偏光のレーザ光８３を表面から入射させてもよく、図１８（ｄ）に示すように、レーザ光８３を背面から入射させてもよい。
【０１５２】
このように、Ｚ偏光のレーザ光８２及び円偏光のレーザ光８３の少なくとも一方をフォトカソード２１の背面から入射させてもよい。中赤外のＺ偏光を、ＩＩＩ−Ｖ族半導体に照射する場合、半導体内でのＺ偏光の光吸収はほとんどない。すなわち、半導体基板２１ａ内で光がほとんど吸収されないため、表面、背面のいずれからでも照射することができる。また、円偏光のレーザ光８３は、電子を取り出す電子生成層２１ｂで吸収されるが、半導体基板２１ａに電子生成層２１ｂとは異なるバンドギャップの半導体を用いることで、背面照射が可能となる。例えば、レーザ光８２、８３の両方を背面から入射させる構成は、観測試料を電子銃付近に設置する電子線回折装置に好適である。
【０１５３】
レーザ光８２、及びレーザ光８３の一方を表面、他方を背面から入射させる場合でも、レーザ光８２とレーザ光８３を同期して入射させる。すなわち、反対方向から伝搬するレーザ光８２のパルスとレーザ光８３のパルスを同時にフォトカソードに入射させる。換言すると、フォトカソード２１において、レーザ光８２のパルスとレーザ光のパルス８３が重なり合うことになる。これにより、スピン偏極した電子を発生させることができる。
【０１５４】
図１、７、８では、フォトカソード２１に対して垂直にレーザ光８３を入射させたが、レーザ光を傾けて入射させてもよい。すなわち、円偏光となったレーザ光８３の光軸をフォトカソード２１の表面に対する垂直方向から傾けてもよい。例えば、数度の入射角度でレーザ光８３をフォトカソード２１に入射させてもよい。この場合、真空外に配置されたミラーを用いて、レーザ光８３をフォトカソード２１に入射させることができる。よって、レーザ光８３を円環ビームとしなくてもよい。さらに、斜めに入射させる場合は、ビーム合成手段３８をダイクロイックミラーとしなくてもよい。
【０１５５】
このように、偏極電子を選択的に価電子帯から伝導帯へ励起する円偏光のレーザ光は、必ずしも円環ビーム入射方式でカソードに照射する必要はない。例えば、世の中で主流の単純な垂直入射（真空中にミラーを置くことで反射して入射）としてもよい。また、数度の入斜角で真空外のミラーからレーザを打ち込むことも可能である。円環ビーム入射用の穴あき金属製ミラー二種類を波長により切り替えられるように３段階に位置をズラして固定できるにして、入斜角が数度の斜め入射をすることで穴あきのミラー１７と穴あきのレンズ１８の穴をすり抜けてカソード面に照射することができる。
【０１５６】
また、偏極電子源用のＧａＡｓのフォトカソード２１に関しては透過型カソードとしての動作の確認がされているので、カソード背面からの入射することも可能である。円環ビーム入射をしないのであれば、ビーム合成手段３８としてダイクロイックミラーを用いなくてもよい。
【０１５７】
なお、図１、７、８に示した偏光変換素子３６を空間フィルタ部４３の前段に配置していてもよい。こうすることで、偏光変換素子３６直後の空間フィルタ部４３で高次モードを取り除くことができる。例えば、ラジアル偏光の変換素子ではどうしても素子のつなぎ合わせ部分があるので、完全な最低次モードにならない。そのため、ラジアル偏光素子で変換されたレーザ光は高次のモードをどうしても含んでしまう。よって、直後の空間フィルター部４３で高次モードを取り除く作業をする。もちろん、λ／２板４４は、偏光変換素子３６の前段に配置する。
【０１５８】
この場合、レーザ光を空間的にフィルタリングする空間フィルタ部４３の後に円環ビーム生成部４５を配置する。すなわち、波長変換素子４２とミラー３７の間において、空間フィルタ部４３、偏光変換素子３６、空間フィルタ部４３、円環ビーム生成部４５の順番で配置する。円環ビームの外周縁は綺麗なナイフエッジの円環になるが、内周縁側には高次のモードが伝搬と共に内側に出てくる。これを十分な遠方で穴あきのミラー１７で反射して高次モードを落とすことで綺麗な円環ラジアル偏光をカソード面に照射して、Ｚ偏極した電界をカソード面に立てることができる。すなわち、空間フィルタ部４３を通過したレーザ光８２を、円環ビーム生成部４５によって円環ビームにする。このときに円環のリング内側に出てくる高次モードは、ミラー１７で十分にコリメート（平行化）してから反射することで、取り除かれる。すなわち、不要なモードを落として入射することができる。
【０１５９】
なお、上記の電子銃は、ＲＦを必要とするＲＦ電子銃だけに適用できるものではない。例えば、上記の構成をＤＣ電子銃に適用することも可能である。この場合、マイクロ波源２４が不要となる。Ｚ偏極したレーザ甲８２の電界はレーザの振動数で振動しているので大体、１０１４Ｈｚで振動している。それに対してマイクロ波（ＲＦ）はギガヘルツのオーダーなので、今着目しているレーザ光が誘起するカソード表面に対する電界放出の効果を議論するときには、ＲＦによる電界は十分にＤＣ的であると考えて良い筈である。したがって、電子銃の外場による電界の分だけ本来の真空ポテンシャルに比べて低いエネルギーのところに位置している筈である。
【０１６０】
ＩＩＩ−Ｖ族半導体の場合、バンドギャップが１ｅＶ以上あるため、電子の偏極度を損なわないよう、Ｚ偏光の波長を１０〜３０μｍとし、誘起Ｚ偏極電界の向きがカソード表面から真空側に正であるときに、１ＧＶ／ｍ程度の電界がかかるため、ケルディッシュパラメータは、トンネル効果が優位になる１より十分小さくなり、伝導帯電子は、真空準位のポテンシャルの壁をトンネルし真空中へ取り出すことができる。また、伝導帯の底へ励起されたスピン偏極電子が表面の真空準位のポテンシャルの壁をトンネルする際のトンネル確率をより高くし、スピン偏極度の減少をより抑えるには、電子親和力のより小さい半導体材料が望ましい。
ただし、ケルディッシュパラメータは波長の２乗に比例するので、もし、波長が可視域だと１００倍以上大きくなる。そのときは、ショットキー効果の議論が必要になる。価電子帯からの偏極電子の選択励起を壊さないようにZ偏極電界生成用のレーザ波長を選択すると中赤外領域の波長にすることが好ましい。よって、トンネル効果が支配的な領域で偏極電子源はいかなる半導体材料でも動作させられる。
【０１６１】
電子銃による電界は電界放出に寄与するというよりかは、電子がカソードから出てきた後でＺ方向に振動するレーザ誘起電界により引き戻されない領域にきた電子を真空中に引き出す役割をしている。したがって、今回の偏極電子源の方式はＲＦ電子銃に限定されるものではなく、基本的にＤＣ電子銃にも使えるものである。レーザによる真空のポテンシャルの曲がりは電子銃の印加電圧による加速電場で斜めに真空側に下がっていく線に漸近するように接続されるはずである。そうでないと電子は電子銃による電場で加速されて引き出されないからである。
【０１６２】
また、上記の電子銃では、大電流の電子ビームを発生させることができる。従って、本実施形態にかかる電子銃は、低エネルギー顕微鏡（ＬＥＥＭ）：Ｌｏｗ Ｅｎｅｒｇｙ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）、及びスピン偏極電子ビームを用いたＬＥＥＭ（ＳＰＬＥＥＭ：Ｓｐｉｎ−Ｐｏｌａｒｉｚｅｄ ＬＥＥＭ）に好適である。
【０１６３】
ＬＥＥＭでは、電子回折による明暗像コントラストを稼ぐため電流値を要し、低エネルギーのビームを利用するため電子ビームが大電流と小さいエネルギー広がりの性能が不可欠になる。さらに、実観測を行うために、時分解性能も問われている。すなわち、高繰返し高密度のパルス性能が同時に必要となるため、上記の電子銃は、ＬＥＥＭ用の電子ビーム源に好適である。更に、高スピン偏極の電子ビームを発生させることができる。スピン偏極性能化により、鉄、コバルトなどの磁性体のみならず、それらにまつわるナノ構造物質の詳細な表面磁区構造観測が可能になる。
【０１６４】
もちろん、ＬＥＥＭに限らず、電子顕微鏡への実用上、その電子源の電流、放出電子のエネルギー幅とビームのパルス性能は、基本性能である。その上で必要条件を満たす候補が、フォトカソード電子源である。銃器の電子銃は、フォトカソード（特にＮＥＡ表面を用いる）が実用上隘路となっている本質的問題を解決する。
カソード材料、特に偏極電子銃のカソードの価電子帯構造のエネルギー的に敏感な範囲を１００ｍｅＶ以下のオーダで知り得る方法を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【０１６５】
【図１】本発明の実施の形態にかかる電子銃の構成を模式的に示す図である。
【図２】フォトカソード半導体材料の表面付近でのポテンシャル構造を示す図である。
【図３】フォトカソード半導体材料の表面付近でのポテンシャル構造を示す図である。
【図４】フォトカソード半導体材料の表面付近でのポテンシャル構造を示す図である。
【図５】ＧａＡｓ半導体によるスピン偏極電子の伝導帯への励起を説明するための図である。
【図６】Ｚ偏光を用いたｐ型半導体フォトカソードからの電子生成の概念図である。
【図７】電子銃に用いられる偏光変換素子の構成を示す図である。
【図８】偏光変換素子を通過したレーザ光の偏光状態を示す斜視図である。
【図９】偏光変換素子を通過したレーザ光の偏光状態を示す側面図である。
【図１０】電子銃に用いられる空間フィルタ部の構成を示す図である。
【図１１】電子銃に用いられる円環ビーム生成部の構成を示す図である。
【図１２】本発明の実施の形態にかかる電子銃を利用した評価装置の構成を模式的に示す図である。
【図１３】偏光変換素子の全体構成を模式的に示す斜視図である。
【図１４】偏光変換素子に設けられた位相補償板の構成を示す正面図である。
【図１５】偏光変換素子に設けられた位相補償板の構成を示す断面図である
【図１６】電子スピン偏極度を測定するための測定器を示す図である。
【図１７】本発明の実施の形態にかかる電子銃を利用した評価装置の構成を模式的に示す図である。
【図１８】フォトカソードへのレーザ光の照射方法を説明するための図である。
【符号の説明】
【０１６６】
１１ レーザ光源
１２ 光分岐手段
１３ 空間フィルタ部
１４ 円環ビーム生成部
１５ λ／４板
１７ ミラー
１８ レンズ
２１ フォトカソード
２１ａ 半導体基板
２１ｂ 電子生成層
２３ 共振器
２４ マイクロ波源
３５ λ／２板
３６ 偏光変換素子
３７ ミラー
３８ ビーム合成手段
３９ 偏光制御用電源
４１ ミラー
４２ 波長変換素子
４３ 空間フィルタ部
４４ λ／２板
４５ 円環ビーム生成部
５１ 第１の円錐ミラー
５２ 第１の対向ミラー
５３ 第２の対向ミラー
５４ 第２の円錐ミラー
５５ 第１の透明板
５６ 第２の透明板
６０ 電子ビーム
６１ 放物面鏡
６２ ピンホール
６３ 放物面鏡
６５ 測定器
６６ 試料
６５ａ ターゲット
６５ｂ ヘルムホルツコイル
６５ｃ ターゲット
６５ｄ 電子検出器
７１ 液晶素子
７２ 位相補償板
７３ 第１基板
７４ 第２基板
７５ 液晶層
７６ 第１電極
７７ 第２電極
７８ 端子配線
７９ 端子配線
８１ レーザ光
８２ レーザ光
８３ レーザ光
８４ レーザ光
１００ 電子銃
Ａ 伝導帯
Ｂ 価電子帯
Ｃ フェルミ準位
Ｄ バンドギャップ
Ｅ 仕事関数
Ｆ 電子親和力
Ｇ 表面バンドベンディング
Ｈ 縮退
Ｉ 縮退分離
Ｊ 電場の無い時の真空準位
Ｋ Ｚ偏光レーザによる電場
Ｌ Ｚ偏光照射の時の真空準位
Ｍ 電子励起用レーザ
Ｎ Ｚ偏光による強電場領域
Ｏ 励起
Ｐ 伝導帯電子
Ｑ トンネル効果
Ｒ 表面バンドベンディング
Ｓ イメージポテンシャル
Ｌ１ 光ビーム
Ｌ２ 光ビーム
Ｌ３ 光ビーム
【技術分野】
【０００１】
本発明は、偏極電子銃、偏極電子線の発生方法、電子銃の評価方法、及び逆光電子分光方法に関し、特に詳しくはフォトカソードを用いた偏極電子銃、偏極電子線の方法、電子銃の評価方法、及び逆光電子分光方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
フォトカソード電子銃は、レーザ光をフォトカソードに照射した時に発生する電子を加速するものである（特許文献１）。この文献では、２本のレーザ光をフォトカソードに入射している。さらに、一方のレーザ光をラジアル偏光にしてレンズで集光することで、金属フォトカソードの仕事関数を実効的に下げている。
【０００３】
また、近年、偏極電子銃が注目されている。偏極電子銃では、ＧａＡｓ半導体がフォトカソードとして利用されている。半導体結晶内部の価電子帯において、バンドギャップに相当するエネルギーの円偏光による電子励起により、二つの電子スピン状態のうち、一方が優位に伝導帯に励起される。ＧａＡｓ半導体では、バンドギャップに相当するエネルギーの円偏光により、価電子帯から伝導帯へ偏極度５０％のスピン偏極電子が励起される。
【０００４】
５０％を越える偏極度を得るためには、半導体内の価電子帯における２つのスピン状態（重い正孔準位と軽い正孔準位）にある電子をエネルギー的に分離し、一方のスピン状態にある電子を伝導帯へ円偏光により選択的に励起する。
【０００５】
スピン偏極電子を取り出す半導体の伝導帯と真空準位の間には、電子親和力のポテンシャル差がある。伝導帯内にあるスピン偏極電子を真空中へ取り出すには、このポテンシャルを乗り越えるか、伝導帯付近まで真空準位を押下る必要がある。
【０００６】
上述のポテンシャルを乗り越えることができる伝導帯電子を得るためには、価電子帯からの電子励起の際に、仕事関数（電子親和力と半導体バンドギャップとの和）を越える励起エネルギーを必要とする。仕事関数を越えるエネルギーを電子励起に用いたとき、価電子帯内部の二つのスピン状態の電子を共に励起してしまいスピン偏極度が損なわれる。
【０００７】
従来、真空準位を半導体の伝導帯まで押下るためには、半導体表面にセシウムを蒸着している。そして、半導体表面原子とセシウム原子から形成される電気双極子状態を利用して、電子親和力を負の状態（負の電子親和力表面：ＮＥＡ面）にする手法が用いられている（非特許文献１、特許文献２）
【０００８】
ＮＥＡ面を形成するためには、半導体結晶表面に酸化物、炭化物などの不純物のない、清浄表面が要求される。また、形成したＮＥＡ表面も非常に脆く、ＮＥＡ状態を形成、維持するには、残留ガスを抑制した環境の超高真空が不可欠となっている。従って、ＮＥＡ面を用いる手法では、実用性が低下してしまうという問題点がある。
【０００９】
【特許文献１】特開２００８−２８８０９９号公報
【特許文献２】特開２００７−２５８１１９号公報
【非特許文献１】Ｔ．Ｎｉｓｈｉｔａｎｉ ｅｔ ａｌ． "Ｈｉｇｈｌｙ ｐｏｌａｒｉｚｅｄ ｅｌｅｃｔｒｏｎｓ ｆｒｏｍ ＧａＡｓ−ＧａＡｓＰ ａｎｄ ＩｎＧａＡｓ−ＡｌＧａＡｓ ｓｔｒａｉｎｅｄ Ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ Ｐｈｏｔｏｃａｔｈｏｄｅｓ "ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ ９７，０９４９０７−１（２００５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
スピン偏極電子ビームは、ＧａＡｓ型半導体のバンドギャップエネルギーに相当する円偏光照射による選択励起で得られたスピンの偏った伝導帯電子が、真空準位が伝導帯準位より低い「負の電子親和性(ＮＥＡ)表面」を介して真空中に引出されることで生成される。しかし、この重要な役割を果たすＮＥＡ表面は、真空環境に非常に影響を受け易く、また高電界環境下において電極間で発生する電界放出暗電流によっても容易に劣化し失われる問題がある。
このように、従来の電子銃では、偏極電子ビームを発生させることが困難であるという問題点がある。
【００１１】
本発明は、このような事情を背景としてなされたものであって、本発明の目的は、偏極電子ビームを容易に発生させることができる偏極電子銃及び偏極電子線の発生方法、並びに適切に評価することができる電子銃の評価方法及び逆光電子分光方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の第１の態様にかかる偏極電子銃は、レーザ光源と、前記レーザ光源からのレーザ光を分岐する光分岐手段と、前記光分岐手段で分岐された一方のレーザ光に入射位置に応じた位相差を与える偏光変換素子と、前記偏光変換素子を介して入射した前記一方のレーザ光と、円偏光となった他方のレーザ光とを集光するレンズと、前記レンズによって集光された前記一方のレーザ光と円偏光となった前記他方のレーザ光とが同期して入射する半導体フォトカソードと、を備えるものである。これにより、ＮＥＡ面が不要となるため、偏極電子ビームを容易に発生させることができる
【００１３】
本発明の第２の態様にかかる偏極電子銃は、上記の偏極電子銃であって、前記偏光変換素子、又はレンズに入射するレーザ光の少なくとも一方のスポットを円環状にする円環ビーム生成部をさらに備え、前記円環ビーム生成部が、反射面の形状が円錐面となっており、円錐の頂点が光軸上に配置された第１の円錐ミラーと、前記第１の円錐ミラーの反射面に対して対向配置され、前記円錐面の外周を囲むように設けられた反射面を有する第１の対向ミラーと、前記第１の対向ミラーで反射した光を円錐面状の反射面で反射する第２の対向ミラーと、前記第２の対向ミラーで反射した光を円錐面で反射する第２の円錐ミラーであって、円錐の頂点が光軸上に配置され、円錐の底面が前記第１の円錐ミラーの底面と対向配置された第２の円錐ミラーと、を備えたものである。これにより、レーザ光を集光させることなく、円環ビームを生成することができる。よって、レーザ光を効率よく利用することができる。
【００１４】
本発明の第３の態様にかかる偏極電子銃は、上記の偏極電子銃であって、前記第１の円錐ミラーと前記第２の円錐ミラーの間隔、又は前記第１の対向ミラーと前記第２の対向ミラーとの間隔が可変であることを特徴とするものである。これにより、円環ビームの径を容易に変えることができる。
【００１５】
本発明の第４の態様にかかる偏極電子銃は、上記の偏極電子銃であって、前記偏光変換素子によって偏光状態がラジアル偏光に変換されたレーザ光が前記円環ビーム生成部に入射することを特徴とするものである。
【００１６】
本発明の第５の態様にかかる偏極電子銃は、上記の偏極電子銃であって、前記円環ビーム生成部と、前記偏光変換素子との間に、前記レーザ光を空間的にフィルタリングする空間フィルタ部が設けられていることを特徴とするものである。
【００１７】
本発明の第６の態様にかかる偏極電子銃は、上記の偏極電子銃であって、前記半導体フォトカソードにＩＩＩ−Ｖ族半導体が用いられていることを特徴とするものである。
【００１８】
本発明の第７の態様にかかる偏極電子銃は、上記の偏極電子銃であって、前記半導体フォトカソードがＧａＡｓを含んでいることを特徴とするものである。これにより、効率よく偏極電子線を発生させることができる。
【００１９】
本発明の第８の態様にかかる偏極電子銃は、上記の偏極電子銃であって、前記半導体フォトカソードが、歪み構造、超格子構造、量子細線構造、又は量子ドット構造を持つことを特徴とするものである。
【００２０】
本発明の第９の態様にかかる偏極電子銃は、上記の偏極電子銃であって、前記一方のレーザ光、及び前記他方のレーザ光の少なくとも一方が、前記フォトカソードの背面から入射することを特徴とするものである。
【００２１】
本発明の第１０の態様にかかる偏極電子銃は、上記の偏極電子銃であって、前記偏光変換素子に、ＴＮ液晶が用いられていることを特徴とするとするものである。
【００２２】
本発明の第１１の態様にかかる偏極電子線の発生方法は、レーザ光源からの光を分岐するステップと、分岐された一方のレーザ光に入射位置に応じた位相差を与えるステップと、前記位相差が与えられた前記一方のレーザ光と、円偏光となっている他方のレーザ光とを集光するステップと、集光された前記一方のレーザ光と前記他方のレーザ光とが同期させて半導体フォトカソードに入射させるステップと、を備えるものである。これにより、ＮＥＡ面が不要となるため、偏極電子ビームを容易に発生させることができる。
【００２３】
本発明の第１２の態様にかかる偏極電子線の発生方法は、上記の偏極電子線の発生方法であって、前記レーザ光のスポットを、第１の円錐ミラー、第２の円錐ミラー、第１の対向ミラー、第２の対向ミラーを用いて、円環状にするステップをさらに備え、前記第１の円錐ミラーでは、反射面の形状が円錐面となっており、円錐の頂点が光軸上に配置され、前記第１の対向ミラーは、前記第１の円錐ミラーの反射面に対して対向配置され、前記円錐面の外周を囲むように設けられた反射面を有しており、前記第２の対向ミラーは、前記第１の対向ミラーで反射した光を円錐面状の反射面で反射し、第２の円錐ミラーでは、前記第２の対向ミラーで反射した光を円錐面で反射し、円錐の頂点が光軸上に配置され、円錐の底面が前記第１の円錐ミラーの底面と対向配置されていることを特徴とするものである。これにより、レーザ光を集光させることなく、円環ビームを生成することができる。よって、レーザ光を効率よく利用することができる。
【００２４】
本発明の第１３の態様にかかる偏極電子線の発生方法は、上記の偏極電子線の発生方法であって、前記第１の円錐ミラーと前記第２の円錐ミラーの間隔、又は前記第１の対向ミラーと前記第２の対向ミラーとの間隔を変えることで、円環の径を調整することを特徴とするものである。これにより、円環ビームの径を容易に変えることができる。
【００２５】
本発明の第１４の態様にかかる偏極電子線の発生方法は、上記の偏極電子線の発生方法であって、前記入射位置に応じた位相差が与えられることで、レーザ光がラジアル偏光に変換され、前記ラジアル偏光に変換されたレーザ光が前記円環ビームに変換されることを特徴とするものである。
【００２６】
本発明の第１５の態様にかかる偏極電子線の発生方法は、上記の偏極電子線の発生方法であって、前記ラジアル偏光となった前記レーザ光が、前記円環ビームになる前に、空間的にフィルタリングされていることを特徴とするものである。
【００２７】
本発明の第１６の態様にかかる偏極電子線の発生方法は、上記の偏極電子線の発生方法であって、前記半導体フォトカソードにＩＩＩ−Ｖ族半導体が用いられていることを特徴とするものである。
【００２８】
本発明の第１７の態様にかかる偏極電子線の発生方法は、上記の偏極電子線の発生方法であって、前記半導体フォトカソードがＧａＡｓを含んでいることを特徴とするものである。
【００２９】
本発明の第１８の態様にかかる偏極電子線の発生方法は、上記の偏極電子線の発生方法であって、前記半導体フォトカソードが、歪み構造、超格子構造、量子細線構造、又は量子ドット構造を持つことを特徴とするものである。
【００３０】
本発明の第１９の態様にかかる偏極電子線の発生方法は、上記の偏極電子線の発生方法であって、前記一方のレーザ光、及び前記他方のレーザ光の少なくとも一方が、前記フォトカソードの背面から入射することを特徴とするものである。
【００３１】
本発明の第１９の態様にかかる偏極電子線の発生方法は、前記一方のレーザ光、及び前記他方のレーザ光の少なくとも一方が、前記フォトカソードの電子ビーム出射面から入射することを特徴とするものである。
【００３２】
本発明の第２１の態様にかかる偏極電子線の発生方法は、上記の偏極電子線の発生方法であって、前記位相差が与えられるステップでは、ＴＮ液晶を用いた偏光変換素子が利用されていることを特徴とするものである。
【００３３】
本発明の第２２の態様にかかる電子銃の評価方法は、（Ａ）レーザ光源からのレーザ光を、入射位置に応じた位相差を与える偏光変換素子に入射させるステップと、（Ｂ）前記位相差が与えられたレーザ光を集光して、フォトカソードに入射するステップと、（Ｃ）前記フォトカソードからの電子ビームを測定するステップと、（Ｄ）前記偏光変換素子に入射するレーザ光の偏光軸を変えて、（Ａ）、（Ｂ）、及び（Ｃ）のステップを行って、電子ビームを測定するステップとを備えるものである。これにより、電子銃を適切に評価することができる。
【００３４】
本発明の第２３の態様にかかる電子銃の評価方法は、上記の電子銃の評価方法であって、前記偏光変換素子が直線偏光をラジアル偏光、又はアジマス偏光にする素子であり、前記直線偏光の偏光軸の向きを変えることで、前記ラジアル偏光と前記アジマス偏光とを切換えることを特徴とするものである。これにより、電子ビーム電流を比較することで、簡便に評価することができる。
【００３５】
本発明の第２４の態様にかかる電子銃の評価方法は、上記の電子銃の評価方法であって、前記位相差が与えられたレーザ光に、円偏光のレーザ光を同期させて照射していることを特徴とするものである。これにより、偏極電子線を適切に評価することができる。
【００３６】
本発明の第２５の態様にかかる電子銃の評価方法は、上記の電子銃の評価方法であって、前記一方のレーザ光、及び前記他方のレーザ光の少なくとも一方が、前記フォトカソードの背面から入射することを特徴とするものである。
【００３７】
本発明の第２５の態様にかかる電子銃の評価方法は、前記一方のレーザ光、及び前記他方のレーザ光の少なくとも一方が、前記フォトカソードの背面から入射することを特徴とするものである。
【００３８】
本発明の第２７の態様にかかる電子銃の評価方法は、上記の電子銃の評価方法であって、前記（Ｃ）のステップでは、前記電子ビームの偏極度を測定していることを特徴とするものである。
【００３９】
本発明の第２８の態様にかかる電子銃の評価方法は、上記の電子銃の評価方法であって、前記電子ビームの偏極度の測定にメラー散乱が利用されていることを特徴とするもである。
【００４０】
本発明の第２９の態様にかかる電子銃の評価方法は、上記の電子銃の評価方法であって、前記（Ｂ）のステップの前に、第１の円錐ミラー、第２の円錐ミラー、第１の対向ミラー、第２の対向ミラーを用いて、前記レーザ光のスポットを円環状にするステップをさらに備え、前記第１の円錐ミラーでは、反射面の形状が円錐面となっており、円錐の頂点が光軸上に配置され、前記第１の対向ミラーは、前記第１の円錐ミラーの反射面に対して対向配置され、前記円錐面の外周を囲むように設けられた反射面を有しており、前記第２の対向ミラーは、前記第１の対向ミラーで反射した光を円錐面状の反射面で反射し、第２の円錐ミラーでは、前記第２の対向ミラーで反射した光を円錐面で反射し、円錐の頂点が光軸上に配置され、円錐の底面が前記第１の円錐ミラーの底面と対向配置されていることを特徴とするものである。これにより、レーザ光を集光させることなく、円環ビームを生成することができる。よって、レーザ光を効率よく利用することができる。
【００４１】
本発明の第３０の態様にかかる電子銃の評価方法は、上記の電子銃の評価方法であって、前記第１の円錐ミラーと前記第２の円錐ミラーの間隔、又は前記第１の対向ミラーと前記第２の対向ミラーとの間隔を変えることで、円環の径を調整することを特徴とするものである。これにより、円環ビームの径を容易に変えることができる。
【００４２】
本発明の第３１の態様にかかる電子銃の評価方法は、上記の電子銃の評価方法であって、前記偏光変換素子によって、前記レーザ光がラジアル偏光に変換され、前記ラジアル偏光に変換されたレーザ光が円環状に変換されることを特徴とするものである。
【００４３】
本発明の第３２の態様にかかる電子銃の評価方法は、上記の電子銃の評価方法であって、前記ラジアル偏光となった前記レーザ光が、前記円環状のビームになる前に、空間的にフィルタリングされていることを特徴とするものである。
【００４４】
本発明の第３３の態様にかかる電子銃の評価方法は、上記の電子銃の評価方法であって、前記偏光変換素子に、ＴＮ液晶が用いられていることを特徴とするものである。これにより、様々な波長に対応することができる。
【００４５】
本発明の第３４の態様にかかる逆光電子分光方法は、上記の偏極電子銃で発生した偏極電子ビームを、試料に照射し、試料から放出される光の分布を入射電子のエネルギー、運動量の関数として測定するものである。これにより、試料の非占有電子状態の情報を得ることができる。
【発明の効果】
【００４６】
本発明によれば、偏極電子ビームを容易に発生させることができる偏極電子銃、及び偏極電子線の発生方法、並びに、適切に評価することができる電子銃の評価方法、及び逆光電子分光方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４７】
以下に、本発明を適用可能な実施の形態が説明される。以下の説明は、本発明の実施形態を説明するものであり、本発明が以下の実施形態に限定されるものではない。説明の明確化のため、以下の記載は、適宜、省略及び簡略化がなされている。又、当業者であれば、以下の実施形態の各要素を、本発明の範囲において容易に変更、追加、変換することが可能であろう。尚、各図において同一の符号を付されたものは同様の要素を示しており、適宜、説明が省略される。
【００４８】
発明の実施の形態１．
本発明の実施の形態にかかる電子銃について図１を用いて説明する。図１は、実施の形態１にかかる電子銃１００の構成を模式的に示す図である。本実施の形態にかかる電子銃１００は、レーザ光８４がカソードに入射することによって、電子を発生するフォトカソード電子銃である。そして、電子銃１００で発生した電子は、マイクロ波源２４からのマイクロ波によって加速される。なお、本実施の形態にかかる電子銃１００は、反射型のフォトカソード２１を有している。すなわち、電子ビーム出射側からレーザ光を照射している。さらに、フォトカソード２１には、半導体材料が用いられている。電子銃１００は、偏極した電子を出射する偏極電子銃である。すなわち、電子銃１００からは、スピンの向きが揃った電子線が発生する。
【００４９】
電子銃１００は、レーザ光源１１、光分岐手段１２、空間フィルタ部１３、円環ビーム生成部１４、λ／４板１５、ミラー１７、レンズ１８、ミラー３７、ビーム合成手段３８、偏光制御用電源３９、ミラー４１、波長変換素子４２、空間フィルタ部４３、λ／２板４４、円環ビーム生成部４５、偏光変換素子３６、ミラー３７、ビーム合成手段３８、フォトカソード２１、共振器２３、及びマイクロ波源２４等を有している。
【００５０】
レーザ光源１１は、直線偏光のレーザ光８１を出射する。レーザ光源１１としては、例えば、再生増幅器付きのＴｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザを用いることができる。従って、レーザ光源１１は、波長７９０ｎｍのパルスレーザ光を出射する。レーザ光源１１は、フェムト秒のパルスレーザ光を出射する。レーザ光源１１からの光ビームは、平行光束となって、光分岐手段１２に入射する。光分岐手段１２は、例えば、ハーフミラーなどのビームスプリッタであり、レーザ光を２つに分岐する。ここでは、説明のため、光分岐手段１２で分けられた一方の光ビームをレーザ光８２とし、他方の光ビームをレーザ光８３とする。レーザ光８２は、後述するように、偏光変換素子３６によってラジアル偏光になる。
【００５１】
レーザ光８２は、波長変換素子４２に入射する。波長変換素子４２は、例えば、非線形光学結晶であり、レーザ光８２の波長を変換する。これにより、レーザ光８２の波長が長くなる。波長変換素子として、差周波発生（ＤＦＧ）などの非線形光学素子を用いることが好ましい。差周波発生を用いることで、長波長のレーザ光８２を照射することができる。差周波発生によって、例えば、波長３μｍ〜３０μｍのレーザ光を発生させる。このように長波長のレーザ光を用いることで、偏極度が損なわれるのを防ぐことができる。
【００５２】
例えば、Ｚ偏光を作るレーザ光源がＳＨＧ（第二高調波発生）の場合、基本波よりも光子エネルギーが大きいので価電子帯に深く入り込み伝導帯に励起される電子ビームの偏極度が悪化する可能性がある。したがって、例え多光子吸収が起こっても問題ないように長波長側にＤＦＧ（差周波発生）を用いて中赤外（波長３〜３０μｍ）を発生させてＺ偏光をカソード表面で生成する方が、２つのレーザ光源の機能を分離できる。チタンサファイヤレーザの基本波の７９０ｎｍは偏極電子の選択的な伝導帯への励起に用いる。中赤外フェムト秒レーザはラジアル偏光化してカソードに集光することで伝導帯の電子を取り出すために実効的な仕事関数を押し下げることのみに用いる。仕事関数は物質の表面を含めた固有の値なので、変化することはない。だが、レーザ誘導電場などの外場によって、実効的に仕事関数を下げることができる。
【００５３】
なお、差周波発生（ＤＦＧ）とは、ω１-ω２＝ω３（または１／λ１−１／λ２＝/λ３：波長）のように、２つの高エネルギー（高周波数）フォトンが低エネルギーフォトン１つに結合するものである。例えば、λ１＝５３２ｎｍ、λ２＝８１０ｎｍとすると、λ３＝１５５０ｎｍとなるため、長波長側の発生に用いられる。非線形結晶は例えば、ＫＴＰ結晶などは代表的非線形光学結晶の一つでよく使用されており、０．５μｍ〜４．５μｍの可視域から赤外域までの波長変換が可能である（なお、ＰＰＫＴＰは０．４μｍ〜４．５μｍ）。しかしながら、上記の非線形光学結晶では、中赤外に届かないため、中赤外用・非線形光学結晶として、ＡｇＧａＳ２結晶などを用いることが好ましい。あるいは、コヒレント社製の非線形光学結晶を用いてもよい。
【００５４】
波長変換されたレーザ光８２は、空間フィルタ部４３に入射する。空間フィルタ部４３は、フィルタ等を有しており、レーザ光８２のスポット形状を整形する。ここでは、空間フィルタ部４３が、レーザ光８２のスポット形状が円形になるように、整形する。空間フィルタ部４３の構成については、後述する。空間フィルタ部４３で整形されたレーザ光８２はλ／２板４４に入射する。λ／２板４４は、後述するように、直線偏光のレーザ光の偏光方向を回転させる。すなわち、偏光軸の向きを変えることができる。
【００５５】
λ／２板４４を通過したレーザ光８２は、円環ビーム生成部４５に入射する。円環ビーム生成部４５は、円形のスポットを有するレーザ光８２から円環ビームを生成する。すなわち、レーザ光８３は、円環ビーム生成部４５によって、輪状のビームに変換される。円環ビーム生成部４５から出射したレーザ光８２の断面は、中空のリング状になっている。なお、円環ビーム生成部４５の構成に付いては、後述する。
【００５６】
円環ビーム生成部４５から出射したレーザ光８２は、偏光変換素子３６に入射する。偏光変換素子３６は、レーザ光８２に入射位置に応じた位相差を与える。すなわち、偏光変換素子３６は、入射位置に応じて異なる位相だけ光を遅延する。偏光変換素子３６から出射したレーザ光８２は、偏光変換素子３６における入射位置に応じて、異なる偏光方向になっている。例えば、液晶を利用して、偏光変換素子３６を形成することも可能である。
例えば、ＡＲＣｏｐｔｉｘ社製シータセルを用いることができる。これにより、波長３５０〜１７００ｎｍのレーザ光に対応することができる。
【００５７】
このシータセルでは、ＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）液晶が用いられている。このシータセルを用いた偏光変換素子３６の構成については後述する。また、偏光変換素子３６として、ナノフォトン社製のＺｐｏｌを用いることも可能である。
【００５８】
この偏光変換素子３６は、直線偏光を偏光軸が放射状になるラジアル偏光に変換する。正確には、偏光変換素子３６に直線偏光のレーザ光８２を入射させることで、ラジアル偏光に近い偏光状態となる。すなわち、直線偏光をラジアル偏光に近似する擬似ラジアル偏光にすることができる。この偏光変換素子３６を、レンズ１８と組み合わせることで、Ｚ方向（光軸方向）に大きな電場成分を持つＺ偏光を生成することができる。Ｚ偏光に変換されたレーザ光８２は、光の進行方向に振動する。この偏光変換素子３６、及びＺ偏光については、後述する。
【００５９】
偏光変換素子３６を通過したレーザ光８２は、ミラー３７に入射する。ミラー３７は、レーザ光８２の光軸に対して４５°傾斜している。従って、ミラー３７は、レーザ光８２を、ビーム合成手段３８の方向に反射する。ミラー３７からのレーザ光８２は、ビーム合成手段３８に入射する。ビーム合成手段３８は、例えば、ハーフミラーやダイクロイックミラーであり、レーザ光８２を後述するレーザ光８３と合成する。そして、レーザ光８２は、レーザ光８３と重ね合わさった状態で伝播していく。
【００６０】
次に、光分岐手段１２で分岐されたレーザ光８３について説明する。光分岐手段１２を透過したレーザ光８３は、空間フィルタ部１３に入射する。空間フィルタ部１３は、空間フィルタ部４３と同様の構成を有しており、レーザ光８３を最低次モードのガウシアンにする。
【００６１】
空間フィルタ部１３からレーザ光８３は、円環ビーム生成部１４に入射する。円環ビーム生成部１４は、円環ビーム生成部４５と同様の構成を有しており、レーザ光８３のスポットを円環状にする。すなわち、レーザ光８３は、円環ビーム生成部４５によって、輪状のビームに変換される。円環ビーム生成部４５から出射したレーザ光８２の断面は、中空のリング状になっている。さらに、円環ビーム生成部４５からの円環ビームと円環ビーム生成部１４からの円環ビームは、同じ径となっている。すなわち、円環ビーム生成部４５からの円環ビームの外径は、円環ビーム生成部１４からの円環ビームの外径と一致しており、円環ビーム生成部４５からの円環ビームの内径は、円環ビーム生成部１４からの円環ビームの内径と一致している。
【００６２】
円環ビーム生成部１４からのレーザ光８３は、λ／４板１５に入射する。λ／４板１５は、直線偏光のレーザ光８３を、円偏光に変換する。λ／４板１５を通過したレーザ光８３は、ビーム合成手段３８に入射する。そして、レーザ光８３は、ビーム合成手段３８を通過して、レーザ光８２と合成される。このとき、レーザ光８３は、同径のレーザ光８２と同軸上で合成される。また、レーザ光８３は、レーザ光８２と同期している。従って、レーザ光８３は、レーザ光８２が空間的に重ね合わされる。以下、ビーム合成手段３８で重ね合ったレーザ光をレーザ光８４とする。
【００６３】
ビーム合成手段３８で合成されたレーザ光８４は、ミラー１７に入射する。ミラー１７で反射された円環状のレーザ光８４は、レンズ１８に入射する。レンズ１８は、レーザ光８４は、レンズ１８によって屈折され、フォトカソード２１に入射する。すなわち、レンズ１８は、レーザ光８４を集光して、フォトカソード２１に照射する。
【００６４】
ミラー１７、及びレンズ１８は、中心部分がくり抜かれた中空形状になっている。また、円環ビーム生成部４５及び円環ビーム生成部１４によって、レーザ光８４が輪状になっている。このため、中空のミラー１７、及びレンズ１８を用いた場合でも、レーザ光のほとんどがフォトカソード２１に入射する。換言すると、ミラー１７、及びレンズ１８は、輪状のレーザ光８４に対応する中空部分を有している。よって、輪状のレーザ光８４は、ミラー１７、及びレンズ１８の中空部分には、入射しない。これにより、レーザ光８４のほとんどがフォトカソード２１に入射する。従って、レーザ光８４の利用効率の低下を防ぐことができる。
【００６５】
レンズ１８を通過したレーザ光８４は、共振器２３の開口部に入射する。レーザ光８４を共振器２３の空胴部分を通過して、フォトカソード２１に入射する。レーザ光８４は、レンズ１８によって、フォトカソード２１の表面に集光されている。すなわち、レンズ１８の焦点位置にフォトカソード２１の表面が配置されている。従って、レーザ光８４の集光点は、フォトカソード２１の表面となる。フォトカソード２１にレーザ光８４が入射すると、光電効果によって、電子が発生する。なお、レーザ光８４の光軸は、フォトカソード２１の表面と垂直になっている。すなわち、ミラー１７はフォトカソード２１に対して４５°傾斜している。よって、レーザ光８４は、フォトカソード２１に直入射する。フォトカソード２１は、例えばＧａＡｓなどの半導体材料によって形成されている。すなわち、フォトカソード２１は、半導体フォトカソードである。
【００６６】
共振器２３には、マイクロ波源２４で発生したマイクロ波が入射されている。共振器２３は、空胴共振器であり、入力されたマイクロ波に応じた定在波を発生する。すなわち、ＲＦ共振器である共振器２３には、フォトカソード２１で発生した電子を加速するための電場が発生している。フォトカソード２１で発生した電子は、共振器２３内の電場で加速される。すなわち、所定の速度の電子ビーム６０となって共振器２３から出射する。ここでは、共振器２３で発生する定在波に応じて、レーザ光パルスのタイミングを調整する。すなわち、マイクロ波源２４からのマイクロ波とレーザ光のパルスを同期させる。これにより、共振器２３内に加速電場が生じているタイミングで、フォトカソード２１から電子が発生する。従って、電子ビーム６０が効率よく加速される。そして、加速された電子ビーム６０は、ミラー１７、及びレンズ１８の中空部分を通過する。これにより、電子ビーム６０に対して外乱が生じるのを防ぐことができる。すなわち、電子ビーム６０がミラー１７やレンズ１８などの構造物を通過しなくなる。ミラー１７、及びレンズ１８が電子ビーム６０と干渉しない。このため、電子ビーム６０の品質の劣化を防ぐことができる。
【００６７】
このようにして得られた電子ビーム６０は、所定の経路を通過して、Ｘ線自由電子レーザ（ＸＦＥＬ）、逆コンプトン散乱によるフェムト秒Ｘ線パルス光源、エネルギー回収型ライナック（ＥＲＬ）、リニアコライダー、フェムト秒時間分解電子線回折、逆光電子分光法などに利用される。また、ナノ秒以下の高速時間分解の電子顕微鏡、電子線回折、パルス電子描画装置などに利用される。なお、電子ビーム６０の経路中に存在するミラ−１７、及びレンズ１８は、真空中に配置される。すなわち、ミラー１７、及びレンズ１８は真空チャンバー内に配設される。従って、ビーム合成手段３８からのレーザ光８４は、真空チャンバーに設けられたウィンドウを介して、ミラー１７に入射する。このように、ビーム合成手段３８までの光学系を大気中に配設している。これにより、光学系の調整等を容易に行うことができる。よって、利便性を向上することができる。
【００６８】
ここで、偏光変換素子３６、及びレンズ１８を用いることによって、レーザ光８４の焦点位置では、Ｚ方向の電場が発生している。フォトカソード２１の表面にＺ方向の電場をかけることで、ショットキー効果又はトンネル効果が発生する。ショットキー効果又はトンネル効果で仕事関数を押し下げることができる。すなわち、真空準位を押下ることができ、ＮＥＡ面が不要となる。よって、実用性を向上することができる。
【００６９】
また、フォトカソード材料として半導体材料は、金属材料に比べて量子効率が高いため、大きな電流の電子ビーム６０を生成することができる。さらに、半導体のバンドギャップに応じた波長のレーザ光を用いれば、エミッタンスを低減することができる。すなわち、フォトカソード２１の表面から放出される電子のエネルギーを低くすることができる。これにより、熱エミッタンスを低減することができる。よって、高品質の電子ビーム６０を発生させることができる。
【００７０】
５０％を越える高いスピン偏極度を得るため、価電子帯で二つの電子スピン状態が分離した超格子構造、歪み構造、歪み超格子構造を持った半導体をフォトカソード材料に用いる。例えば、歪みＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ−ＧａＡｓ超格子半導体、ＩｎＧａＡｓ−ＡｌＧａＡｓ歪み超格子構造半導体、ＧａＡｓ−ＧａＡｓＰ歪み超格子構造半導体、ＧａＡｓ−ＩｎＡｌＧａＡｓ歪み超格子構造半導体を用いることができる。このように、ＧａＡｓを含む半導体材料を用いることで、効率よく偏極電子線を発生させることができる。もちろん、ＧａＡｓを含む材料以外の半導体材料を用いてもよい。例えば、ＩＩＩ−Ｖ族の半導体を用いることができる。もちろん、フォトカソード２１には、ＮＥＡ面が形成されていない。
【００７１】
本実施の形態では、偏光変換素子３６を用いてＺ偏光を発生させている。レーザ光８２によるＺ方向の電場を利用して、仕事関数によるポテンシャル障壁を薄くすることで、トンネル効果により電子を発生させている。すなわち、Ｚ偏光をフォトカソード２１の表面に入射している。よって、簡便な構成で、高品質の電子ビーム６０を発生させることができる。また、レーザー光８２によるＺ方向の電場を利用することで、従来のセシウム原子から構成されるＮＥＡ表面が不要になる。従来のＮＥＡ表面が不要となることで、利便性を向上させることができ、実用的な偏極電子銃を作成することができる。
【００７２】
図２乃至図４を用いて、フォトカソード２１の表面近傍でのポテンシャル構造について説明する。図２乃至図４は、フォトカソード半導体材料の表面付近でのポテンシャル構造を示す図である。図２は、真性半導体のポテンシャル構造を示し、図３は、ｐ型半導体のポテンシャル構造を示し、図４は、ｎ型半導体のポテンシャル構造を示している。図２乃至図４において、Ａは伝導帯、Ｂは価電子帯、Ｃはフェルミ準位、Ｄはバンドギャップ、Ｅは仕事関数、Ｆは電子親和力、Ｇは表面バンドベンディングである。
【００７３】
ｐ型又はｎ型にドーピングしたとき、余剰キャリアによって、表面にバンドベンディングＧが生じる。このバンドベンディングＧは、フェルミ準位ＣがバンドギャップＤ内に価電子帯上端（ｐ型）、又は伝導帯下端（ｎ型）から数十ｍｅＶ付近に形成する。このため、バンドベンディング量は、バンドギャップＤのおおよそ半分程度となる。すなわち、ドーピングを施した半導体では、真性半導体に比べて、仕事関数と電子親和力がバンドベンディング量相当、ｐ型では小さく、ｎ型では大きくなる。例えば、ＧａＡｓ半導体の場合、バンドギャップ１．４３ｅＶ、電子親和力が４．０７ｅＶであり、ｐ型にドーピングすると、電子親和力は３．４ｅＶ程度になる。
【００７４】
このように、フォトカソード材料に用いる半導体表面のポテンシャル構造は、真性、ｐ型、ｎ型半導体で異なる。さらにフォトカソード２１に用いる半導体材料と構造でも、表面ポテンシャル構造に関わる電子親和力とバンドギャップも異なる。例えば、ＧａＡｓを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体の場合、（ＩＩＩ族元素がＡｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｖ族元素がＮ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂの組み合わせからなる半導体）、電子親和力が３〜４ｅＶ、バンドギャップは１〜３ｅＶの範囲を持つ。ｐ型、ｎ型のドーピングと半導体種の選択で、実効的な電子親和力２．５〜４．８ｅＶを持つＩＩＩ−Ｖ族半導体が可能となる。ＧａＡｓ系半導体材料の選択により、２．５ｅＶ程度まで、電子親和力を下げることができる。
【００７５】
次に、図５を用いて、ＧａＡｓ半導体によるスピン偏極電子の伝導帯への励起について説明する。図５は、偏光を用いたｐ型半導体フォトカソードからの電子生成の概念図である。図５において、Ａは伝導帯、Ｂは価電子帯、Ｄはバンドギャップ、Ｈは縮退、Ｉは縮退分離を示している。
【００７６】
ＧａＡｓ半導体は、価電子帯Ｂで異なる電子スピン状態が縮退している。ＧａＡｓ半導体へ、バンドギャップＤのエネルギーを持つ円偏光のレーザ光８３を照射すると、３：１の割合（（３−１）／（３＋１）＝偏極度５０％）でスピン状態の違う電子が伝導帯Ａに励起される（図５中の左側参照）。５０％以上の高いスピン偏極度を持つ伝導帯電子を得るためには、価電子帯内の電子スピン状態の縮退分離Ｉが必要になる。この縮退は、超格子構造（量子細線や量子ドットなども含む）による量子閉じ込め効果や歪み効果による摂動効果で分離させることができる。
【００７７】
このように、高スピン偏極度のためには、半導体の価電子帯の異なるスピンの縮退状態を分離する必要がある。このため、量子閉じ込め効果や摂動効果を利用した超格子（他、量子細線、量子ドット等）、歪み構造を持つ半導体を用いる。すなわち、フォトカソード２１の半導体材料を超格子構造、歪み構造、量子ドット構造、又は量子細線構造にする。従来技術では、超格子や歪み構造を持つ半導体フォトカソードは、原子層厚レベルのセシウム原子とガリウム原子から形成されるＮＥＡ表面を要する。このため、装置内を超高真空にするだけでなく、半導体表面がＮＥＡ表面を形成する前に、加熱や水素洗浄などの化学的表面洗浄化により、半導体そのものに与えるダメージが実用上の問題となっている。
【００７８】
この半導体に、円偏光のレーザ光を照射し、価電子帯から一方のスピン電子を伝導帯に励起した状態を作る。この半導体へＺ偏光を照射することで生じる強電界により、伝導帯内のスピン電子が表面をトンネルし、真空中に取り出される。
【００７９】
Ｚ偏光を用いて、フォトカソード半導体内からスピン電子を取り出す方法について図６を用いて、詳細に説明する。図６は、Ｚ偏光を用いたｐ型半導体フォトカソードからの電子生成の概念図である。図６において、Ｊは電場のないとき、ＫはＺ偏光レーザによる電場、ＬはＺ偏光照射のときの真空準位を示している。Ｍは電子励起用レーザ光（円偏光レーザ光）、ＮはＺ偏光レーザによる強電場領域、Ｏは励起、Ｐは伝導帯電子、Ｑはトンネル効果、Ｒは表面バンドベンディング、Ｓはイメージポテンシャルを示している。
今の場合、ｐ型に高ドープした表面をもつ半導体カソード、または価電子帯から伝導帯へ電子がハードポンプされた状態の半導体カソードを想定しているために、余剰キャリア
の存在によって、金属的に振るまうイメージポテンシャルＳが半導体カソードであっても存在する。
【００８０】
Ｚ偏光により、半導体表面から真空方向に強い電場がかかり、真空準位が押し下げられる（Ｌ参照）。このとき、電子励起用レーザ光Ｍで価電子帯から励起された伝導帯電子Ｐが、表面のポテンシャルの壁をトンネルし（Ｑ参照）、真空中で脱出できるようになる。また、ｐ型半導体では、表面のバンドベンディングＲにより、電子親和力が真性半導体に比べて小さくなっているため、Ｚ偏光照射のとき、より効率的なトンネル効果Ｑが得られる。
【００８１】
このように、Ｚ偏光を用いた強電界によるフォトカソード半導体内のスピン偏極した伝導帯電子取り出し方法により、実用的なスピン偏極電子源を実現することができる。
【００８２】
また、Ｅｒドープ・フェムト秒ファイバーレーザの２倍波をレーザ光源１１としても用いてもよい。これにより、フェムト秒のパルスレーザ光を発生させることができる。この場合、一歩のレーザ光８３は、そのままの波長でピコ秒にストレッチして偏極電子源フォトカソードの価電子帯から伝導帯への偏極スピン電子の選択的な励起に用いる。もう一方のレーザ光８２は、中赤外のレーザを作る為に、まず光学パラメトリック増幅器（ＯＰＡ）で近赤外域のシグナル光（１．２〜１．５μｍ）とアイドラー光（１．６〜２．１μｍ）発振させる、それらを同軸でＡｇＧａＳ２結晶に集光して、差周波で８μｍの波長のレーザ光８２を得る。また、このシグナル光とＮｄ：ＹＡＧレーザを同軸でＡｇＧａＳ２結晶に集光すれば１０μｍの波長域も出すことができる。
【００８３】
ここで、重要なのは３０μｍではモノサイクルが１００ｆｓとなるため、フーリエ限界パルスが１００ｆｓになるようにＡｇＧａＳ２結晶に入れるシグナル光をファーストライト（ＦＡＳＴＬＩＴＥ）社製ＤＡＺＺＬＥＲ（登録商標）などの位相制御フィルタで、分散制御することである。このとき、フォトカソード２１までの光学系の分散も補償するように、分散制御する。さらに、ハーフサイクルになるようにして、中赤外レーザを発生させることで、このハーフサイクルのレーザ誘起Ｚ偏極電界（Ｚ偏光）をカソード上で発生させることができる。よって、レーザ誘起Ｚ偏極電界の向きが時間により完全に反転しないようにできる。このため、レーザ誘起Ｚ偏極電界（Ｚ偏光）放出型の電子銃には理想的な状態がカソード表面近傍で実現できる。
【００８４】
また、波長を１０μｍ帯に選ぶと、グレーティングチューナブルＣＯ２の光学系を用いることができる。グレーティングチューナブルＣＯ２レーザーの帯域は、９．２ｕｍ〜１０．８ｕｍにある。この帯域では、レンズ等の光学部品が豊富にラインナップされており、開発コストを抑えることができる。
【００８５】
次に、直線偏光をＺ偏光に変換するための偏光変換素子３６について、図７〜図９を用いて説明する。図７（ａ）は、偏光変換素子３６の構成を模式的に示す平面図である。図７（ｂ）は、偏光変換素子３６を通過したレーザ光８２の偏光状態を説明するための図である。図７（ｃ）は、偏光変換素子３６を通過したレーザ光８２の別の偏光状態を説明するための図である。図８は、偏光変換素子３６、及びレンズ１８によって変化する偏光状態を説明するための斜視図である。図９は、偏光変換素子３６、及びレンズ１８によって変化する偏光状態を説明するための側面図である。なお、図８、及び図９では、説明の簡略化のため、偏光変換素子３６、及びレンズ１８のみを示し、その他の構成部品（例えば、ミラー１７、ビーム合成手段３８等）については省略している。また、図７〜図９では、レーザ光８２の進行方向をＺ方向とし、Ｚ方向に垂直な平面をＸＹ平面としている。Ｘ方向、及びＹ方向は互いに直交する方向である。
【００８６】
まず、図７を用いて偏光変換素子３６の構成について説明する。ここでは、説明の簡略化のため、偏光変換素子３６がナノフォトン社製Ｚｐｏｌであるとして説明する。偏光変換素子３６は、例えば、ガラス等からなる透明基板の上に波長板を設けることによって形成される。偏光変換素子３６は、放射状に分割された４つの領域を有している。図７（ａ）に示すように、この４つの領域を分割領域３６ａ〜分割領域３６ｄとする。すなわち、偏光変換素子３６は、４つの分割領域３６ａ〜３６ｄを備えている。ここでは、上側に分割領域３６ａが配置され、下側に分割領域３６ｂが配置され、左側に分割領域３６ｃが配置され、右側に分割領域３６ｄが配置されている。分割領域３６ａ〜３６ｄは、中心点に対して対称に分割されている。従って、４つの分割領域３６ａ〜３６ｄは、放射状に配置されている。このように、放射状に分割された４つの領域が分割領域３６ａ〜３６ｄとなる。それぞれの分割領域の大きさは等しくなっている。分割領域３６ａ〜３６ｄは周方向の全体にわたって設けられている。従って、分割領域３６ａ〜３６ｄのそれぞれは、中心点に対応する内角が９０°の扇形となる。
【００８７】
分割領域３６ａ〜３６ｄにはそれぞれ異なる方向の光学軸を有する１／２波長板が設けられている。すなわち、分割領域３６ａ〜３６ｄ毎に、光の振動方向が異なっている。図７（ａ）には、分割領域３６ａ〜３６ｄにおける光学軸が矢印で示されている。ここで、それぞれの分割領域の光学軸は、隣の分割領域の光学軸から４５°ずれている。すなわち、Ｙ軸の方向を基準とすると、図７に示すように、分割領域３６ａにおける波長板の光学軸の角度は０°となり、分割領域３６ｂの光学軸は９０°となり、分割領域３６ｃの光学軸は−４５°となり、分割領域３６ｄの光学軸は４５°となっている。
【００８８】
従って、中心点に対して互いに対向する分割領域に設けられている１対の波長板は、光学軸が直交する。例えば、分割領域３６ａの光学軸は０°であり、分割領域３６ａに対向する分割領域３６ｂの光学軸は９０°となっている。また、分割領域３６ｃの光学軸と、分割領域３６ｄの光学軸は、互いに直交している。換言すると、互いに対向する分割領域に設けられている一対の波長板において、光学軸の角度の差が９０°となっている。このように、分割領域３６ａ〜３６ｄの中心点を挟んで対角に配置された一対の分割領域には、光学軸が９０°異なる波長板が設けられる。
【００８９】
１／２波長板は、入射光に１／２波長の位相差を与えて出射する。従って、直線偏光の方位が１／２波長板における光学軸に対して成す角度をθとすると、１／２波長板を通過した光は、元の直線偏光から２θだけ回転した直線偏光の光となる。例えば、１／２波長板の光学軸と、直線偏光の偏光軸とが４５°ずれている場合、１／２波長板は、偏光軸が９０°ずれた直線偏光を出射する。
【００９０】
図７（ｂ）では、偏光軸がＹ方向に沿った方向である直線偏光が入射した場合を示している。すなわち、Ｙ方向と平行な方向の偏光面を有するレーザ光８２が入射すると、図７（ｂ）に示す偏光状態となる。従って、入射偏光方位が０°の直線偏光が入射した時に出射される出射光の偏光方位について説明する。すなわち、分割領域３６ａの光学軸と、入射光の偏光軸が一致している場合について説明する。図７（ｂ）には、各分割領域から出射される出射光の偏光軸が矢印でそれぞれ示されている。分割領域３６ａ〜分割領域３６ｄから出射される直線偏光の偏光軸は放射状になっている。
【００９１】
具体的には、中心点に対して対向する一対の分割領域から出射される直線偏光の偏光軸が平行になっている。そして、対向する一対の分割領域では振動方向が反対になっている。また、隣接する分割領域から出射される光の偏光軸は９０°ずれている。例えば、分割領域３６ａ及び分割領域３６ｂから出射する光の偏光軸は、０°である。また、分割領域３６ｃ及び分割領域３６ｄから出射される光の偏光軸は、９０°である。従って、入射位置に応じて偏光軸の角度が変化して、出射偏光変位が放射状となる。このように、偏光変換素子３６は、入射位置に応じて入射光の偏光状態を変化させ、所望の偏光状態になるよう制御する。
【００９２】
上記の偏光変換素子３６に直線偏光を入射させることで、ラジアル偏光に近い偏光状態となるよう制御することができる。具体的には、レーザ光８２の光軸と、偏光変換素子３６の中心点を一致させる。そして、分割領域３６ａの光学軸と直線偏光の偏光軸を一致させる。このようにすることで、直線偏光をラジアル偏光に近似する擬似ラジアル偏光にすることができる。また、上記の偏光変換素子３６に対して偏光軸がＸ方向の直線偏光を入射することによって、偏光軸が円形に近い形状となる。従って、アジマス偏光に近い偏光状態とすることができる。すなわち、アジマス偏光に近似する擬似アジマス偏光にすることができる。このときのＸＹ平面における偏光軸の分布は図７（ｃ）に示すようになる。なお、上記の説明では、４分割の偏光変換素子３６について説明したが、分割数はこれに限られるものではない。例えば、２分割や８分割の偏光変換素子３６を用いることもできる。
【００９３】
偏光変換素子３６の分割数を増加させることによって、よりラジアル偏光又はアジマス偏光に近い偏光状態とすることができる。すなわち、分割領域の数を増やすこと偏光軸がよりなめらかに変化する。換言すると、分割数を無限大にすると、理想的なラジアル偏光状態又は理想的なアジマス偏光状態を生成することができる。さらに、電場ベクトルのＺ成分を高くするためには、分割数を８以上とすることが好ましく、１６以上とすることがより好ましい。
【００９４】
具体的には、例えば、分割数が１６の場合、波長板の光学軸を隣の分割領域から１１．２５°ずらす。これにより、対向する分割領域で、光学軸が直交する。そして、この偏光変換素子３６に一定角度の偏光軸を入射させると、直線偏光が擬似ラジアル偏光又は擬似アジマス偏光となって出射される。
【００９５】
また、図１で示したλ／２板４４を回転することで、偏光変換素子３６に入射する直線偏光の偏光軸が変化する。すなわち、光軸を回転中心としてλ／２板４４を回転することで、λ／２板４４の遅相軸の向きが変わる。λ／２板４４を回転することで、直線偏光の偏光軸を調整することができる。これにより、ラジアル偏光とアジマス偏光の割合を調整することができる。すなわち、偏光軸の向きをＹ方向に近づけるほど、ラジアル偏光の割合が高くなり、偏光軸の向きをＸ方向に近づけるほどアジマス偏光の割合が高くなる。
【００９６】
また、上記の説明では、偏光変換素子３６がＺｐｏｌであるとして、説明したが、上述の通り偏光変換素子３６を液晶素子によって形成することも可能である。この場合、２枚の透明板に所定の液晶を挟持する。そして、透明板に透明電極を形成する。例えば、４等分や８等分の扇形の透明電極を放射状に配置する。各透明電極に電圧を印加することで、液晶が駆動する。ここで、電極毎に異なる電圧を供給することで、遅らせる位相を異ならせることができる。すなわち、入射した電極に応じて、レーザ光８２が異なる位相だけ遅延する。印加する電圧を調整することで、Ｚｐｏｌを用いた場合と同様の効果を得ることができる。さらに、広い波長範囲に対して利用可能となる。なお、液晶素子を用いた場合、位相を調整する補償板をさらに設けてもよい。もちろん、２以上の素子を用いて、直線偏光をラジアル偏光に変換してもよい。
【００９７】
次に、図８、及び図９を用いて、Ｚ偏光を生成する方法について説明する。図８、及び図９の矢印はその位置における電気ベクトルの振動方向を模式的に示したものである。上述のように偏光変換素子３６を透過する前のレーザ光は直線偏光であるので全て同じ方向（Ｙ方向）に電気ベクトルが振動している。そして、偏光変換素子３６を通過することによって、その位置に応じて電気ベクトルの振動方向が変化する。図９に示すように、上の分割領域３６ａを透過した光の電気ベクトルは上方向に振動している。一方、下の分割領域３６ｂを透過した光の電気ベクトルは下方向に振動している。なお、図９において、中心を透過する光の振動方向は説明のため上方向として図示している。
【００９８】
図８、及び図９に示すように、偏光変換素子３６によって擬似ラジアル偏光を生成する。すなわち、図７（ｂ）に示したように、対向する分割領域では、振動方向が１８０°反対向きになっている。すなわち、偏光変換素子３６を通過することによって、偏光軸が放射状になっている。このような偏光状態のレーザ光８２をレンズ１８で集光する。
【００９９】
偏光変換素子３６を光路上に配置すると、上側の分割領域３６ａを透過した光と下側の分割領域３６ｂを透過した光とで位相にずれが生じる。すなわち、上下に対向した配置された分割領域３６ａと分割領域３６ｂとで光の位相が１８０°ずれる。レーザ光８２から直線偏光が出力されているとすると、電気ベクトルの直交する成分の位相は一致している。直線偏光が偏光変換素子３６を通過した場合、分割領域３６ａと分割領域３６ｂとでは、電気ベクトルの位相が１８０°ずれることになる。すなわち上の分割領域３６ａと下の分割領域３６ｂとで電気ベクトルの振動方向が反対方向になる。上の分割領域３６ａと下の分割領域３６ｂとでは、偏光方向が反対方向となる。すなわち、上の分割領域３６ａを透過した光と下の分割領域３６ｂを透過した光とは同じ直線上の直線偏光であるが、その振動の向きが反対となる。
【０１００】
次に偏光変換素子３６を透過した光がレンズ１８により試料上に集光された状態について、図９を用いて詳細に説明する。ここでは光の電気ベクトルの振動方向を光の進行方向に対して垂直な方向の成分（Ｙ方向）と平行な方向の成分（Ｚ成分）に分けて考える。なお、図８において、光の進行方向に対して垂直な方向（Ｙ方向）を上下方向とし、光の進行方向に対して平行な方向（Ｚ方向）を左右方向として説明する。
【０１０１】
上の分割領域３６ａを透過した光はレンズ１８により下方向に傾くよう屈折される。従って、光の電気ベクトルの振動方向は図９に示すように右斜め上となる。中心を透過した光はレンズ１８により屈折されないので、振動方向はそのまま上方向のままである。下の分割領域３６ｂを透過した光はレンズ１８により上方向に傾くよう屈折される。従って、光の電気ベクトルの振動方向は右斜め下となる。このように位置に応じて異なる振動方向を持つ光が試料上に集光される。
【０１０２】
レンズ１８を透過した後において、電気ベクトルの振動方向は上の分割領域３６ａでは右斜め上で、下の分割領域３６ｂでは右斜め下であるため、上下方向の成分がそれぞれ反対である。これにより、フォトカソード２１上に集光された状態において、電気ベクトルの振動方向における上下方向の成分は、打ち消し合う。従って、光の進行方向と垂直方向の電気ベクトルの成分はほぼ０となる。すなわち、試料上において、光の電気ベクトルは進行方向と垂直な方向に振動しなくなる。
【０１０３】
一方、電気ベクトルの振動方向は上の分割領域３６ａでは右斜め上で、下の分割領域３６ｂでは右斜め下であるため、左右方向の成分が同じ右方向である。これにより、電気ベクトルの左右方向の成分については、上の分割領域３６ａと下の分割領域３６ｂとで強め合う。従って、光の進行方向と平行方向の電気ベクトルの成分は右方向に強調される。すなわち、光の電気ベクトルは進行方向と平行な方向に振動していることになる。このように偏光変換素子３６によって位相がずれたレーザ光をレンズ１８で集光することによって、電気ベクトルが進行方向と平行な方向に振動した状態で、レーザ光８２をフォトカソード２１に照射することができる。なお、Ｚ方向の電場の成分は、レンズ１８の焦点距離やＮＡ（開口数）の２乗に応じて増大する。すなわち、焦点距離が短く、ＮＡが大きいレンズ１８を用いることによって、Ｚ方向の成分を増加させることができる。
【０１０４】
このように、Ｚ偏光のレーザ光８２がフォトカソード２１に入射する。よって、フォトカソード表面には、Ｚ方向に強い電場が発生する。これにより、フォトカソード２１の実効的な仕事関数を低下させることができる。すなわち、真空準位を強い電場で押下げることで、仕事関数によるポテンシャル障壁を薄くし、トンネル効果により電子を真空中に引出すことができる。よって、ＮＥＡ面を形成しなくても、偏極度の高い偏極電子ビームを発生させることが可能になる。
【０１０５】
次に、空間フィルタ部４３の構成について、図１０を用いて説明する。図１０は、空間フィルタ部４３の構成を示す図である。なお、空間フィルタ部１３は、空間フィルタ部４３と同じ構成を有しているため、空間フィルタ部１３については、説明を省略する。すなわち、以下に示す説明は、空間フィルタ部１３についても共通である。
【０１０６】
空間フィルタ部４３は、均一でないスポットを有する光ビームＬ１を整形する。そして、理想的な円形スポットの光ビームＬ２とする。そのため、空間フィルタ部４３は、放物面鏡６１とピンホール６２と放物面鏡６３とを有している。放物面鏡６１、及び放物面鏡６３は、反射面が放物面となっている凹面鏡である。そして、放物面鏡６１、６３はレーザ光８２の光軸に対して傾いて配置されている。
【０１０７】
光ビームＬ１は、放物面鏡６１に入射する。光ビームＬ１は、放物面鏡６１によって、ピンホール６２の方向に反射される。さらに、放物面鏡６１は、光ビームＬ１を集光する。そして、放物面鏡６１の集光点に、ピンホール６２が配置されている。もちろん、ピンホール６２の開口部は、光軸上に配置されている。ピンホール６２の開口部に入射した光ビームＬ１のみ、ピンホール６２を通過して、放物面鏡６３に入射する。すなわち、ピンホール６２の開口部の外側に入射した光は、遮光される。
【０１０８】
ピンホール６２を通過した光は、放物面鏡６３によって、λ／２板４４（図１参照）の方向に反射される。さらに、放物面鏡６３は、光ビームＬ２を平行光束にする。ピンホール６２の開口部は、例えば、直径が５０〜１００μｍ程度の円形になっている。そして、光ビームＬ１のスポットよりもピンホールの径が小さくなっている。従って、レーザ光８２を整形することができる。すなわち、光ビームＬ２のスポット形状は，理想的な円形になっている。このように、フィルタを用いることで、Ｚ偏光の生成に不要な成分などを除去することができる。ラジアル偏光の最低次のモードの比率を上げることができる。
【０１０９】
次に、円環ビーム生成部４５について、図１１（ａ）を用いて説明する。図１１（ａ）は、円環ビーム生成部４５の構成を示す図である。なお、円環ビーム生成部１４は、円環ビーム生成部４５と同じ構成を有しているため、円環ビーム生成部１４については、説明を省略する。なお、図１１（ａ）では、左右方向が、光軸方向（Ｚ方向）になっている。
【０１１０】
図１１（ａ）に示すように、円環ビーム生成部４５は、円形の光ビームＬ２を円環ビームＬ３にする。そのため、円環ビーム生成部４５は、第１の円錐ミラー５１、第１の対向ミラー５２、第２の対向ミラー５３、第２の円錐ミラー５４を有している。第１の円錐ミラー５１及び第２の円錐ミラー５４は、直円錐形状を有している。さらに、第１の円錐ミラー５１には、第１の透明板５５に支持されている。また、第２の円錐ミラー５４は第２の透明板５６に支持されている。すなわち、第１の円錐ミラー５１には、第１の透明板５５が取り付けられ、第２の円錐ミラー５４には、第２の透明板５６が取り付けられている。第１の対向ミラー５２と第２の対向ミラー５３の間の光路中に、第１の透明板５５、及び第２の透明板５６が配置されている。第１の対向ミラー５２と第２の対向ミラー５３の間に挟まれるように、第１の円錐ミラー５１と第２の円錐ミラー５４が配置されている。
【０１１１】
λ／２板４４からの光ビームＬ２は、第１の対向ミラー５２の開口部を通って、第１の円錐ミラー５１に入射する。なお、光ビームＬ２のスポットは、空間フィルタ部４３によって円形になっている。第１の円錐ミラー５１は、反射面が円錐面になっているアキシコンミラーである。第１の円錐ミラー５１は、直円錐形状を有している。そして、円錐の頂点が光軸上に配置されている。すなわち、円錐面がＬ２の方向を向いて配置されている。また、第１の円錐ミラー５１に入射する前の光ビームＬ１と円錐の軸は平行になっている。従って、第１の円錐ミラー５１に入射した光ビームＬ２は、３６０°方向に反射される。すなわち、円錐面全周で反射された光ビームＬ２は、円錐の軸から離れていく方向に進んでいく。さらに、光ビームＬ２は平行光束であるため、円錐の軸と垂直な全方向に光が反射される。従って、第１の円錐ミラー５１で反射された光ビームＬ２は光軸から遠ざかっていく
【０１１２】
そして、第１の円錐ミラー５１で反射された光ビームＬ２は、第１の対向ミラー５２に入射する。第１の対向ミラー５２の反射面は、第１の円錐ミラー５１の反射面と対向配置されている。第１の対向ミラー５２の反射面は、第１の円錐ミラー５１の反射面の全周に対向している。また、第１の対向ミラー５２の反射面は、第１の円錐ミラー５１の反射面と平行になっている。すなわち、第１の対向ミラー５２の反射面は、円錐面となっている。このように、第１の対向ミラー５２は、円錐面を反射面とする回転体であり、第１の円錐ミラー５１を内包するような形状になっている。
【０１１３】
円錐面の仮想的な頂点は、光軸上に配置されている。従って、円形の光ビームＬ２のスポット中心が、円錐面の頂点と一致する。第１の円錐ミラー５１は第１の対向ミラー５２の方向に光ビームＬ２を反射する。第１の対向ミラー５２には、第１の円錐ミラー５１に入射する前の光ビームＬ２が通過する開口部（貫通穴）が設けられている。すなわち、円錐面の頂点近傍には、反射面が設けられておらず、円錐面の円錐軸に沿った貫通穴が設けられている。開口部は、光ビームＬ２が第１の円錐ミラー５１に入射できるよう、第１の円錐ミラー５１に入射する前の光ビームＬ２の径よりも大きくなっている。そして、第１の対向ミラー５２の反射面が第１の円錐ミラー５１の反射面の全周を覆うように、向かい合って配置されている。また、第１の円錐ミラー５１に入射する前の光ビームＬ１と、第1の対向ミラー５２の円錐軸は平行になっている。
【０１１４】
そして、第１の対向ミラー５２において、円錐面の頂点と底面の間で光ビームが反射される。第１の対向ミラー５２が光ビームを反射することで円環状の光ビームが形成される。また、第１の対向ミラー５２によって反射された円環ビームは、第１の円錐ミラー５１に入射する前の光ビームＬ１と同じ方向に伝播する。すなわち、第１の円錐ミラー５１と第１の対向ミラー５２の２つの反射鏡で、光ビームの進行方向を変えずに、円形のスポットを円環状にすることができる。ここで、円環ビームの内径は、第１の円錐ミラー５１の外径よりも大きくなっている。従って、円環ビームは、第１の円錐ミラー５１の外側を通過する。
【０１１５】
なお、第１の円錐ミラー５１は、第１の透明板５５によって支持されている。第１の透明板５５は、透明で平らな薄板である。例えば、石英やガラスによって、第１の透明板５５を形成することができる。第１の透明板５５は、第１の円錐ミラー５１の底面に取り付けられている。第１の透明板５５は、第１の円錐ミラー５１の底面よりも大きくなっている。すなわち、第１の透明板５５は、第１の円錐ミラー５１からはみ出している。また、第１の透明板５５は、円環ビームよりも大きくなっている。従って、円環ビームは第１の透明板５５を通過して、第２の対向ミラー５３に入射する。
【０１１６】
また、第１の透明板５５を通過した円環ビームは、第２の透明板５６を介して、第２の対向ミラー５３に入射する。第２の対向ミラー５３の基本的な形状は、第１の対向ミラー５２と同じになっている。すなわち、第２の対向ミラー５３は、その反射面が円錐面となっている回転体である。そして、第２の対向ミラー５３の反射面は、第１の対向ミラー５２の反射面を向いている。従って、第１の対向ミラー５２で反射された光ビームは、第１の透明板５５、及び第２の透明板５６を通過した後、第２の対向ミラー５３で反射される。
【０１１７】
そして、第２の対向ミラー５３において、円錐面の頂点と底面の間で光ビームが反射される。第２の対向ミラー５３は、光軸の方向に向けて光を反射する。すなわち、第２の対向ミラー５３で反射された光ビームは、光軸と垂直な角度で伝播して、光軸に近づいていく。さらに、第２の対向ミラー５３は３６０°の回転体であるため、光ビームは反射された光は、全方位から光軸に向かって進行していく。そして、第２の対向ミラー５３で反射された光ビームは、第２の円錐ミラー５４に入射する。
【０１１８】
第２の円錐ミラー５４の基本的構成は、第１の円錐ミラー５１と同じである。すなわち、第２の円錐ミラー５４の反射面は、円錐面となっている。なお、第２の円錐ミラー５４の底面は、第１の円錐ミラー５１の底面と対向配置されている。すなわち、第２の円錐ミラー５４の反射面と、第１の円錐ミラー５１の反射面とは、反対方向を向いて配置されている。第２の円錐ミラー５４の反射面は、第２の対向ミラー５３の反射面と平行になっている。第２の円錐ミラー５４の反射面は、第２の対向ミラー５３の反射面と対向配置されている。
【０１１９】
従って、第２の対向ミラー５３で反射された光ビームは、第２の円錐ミラー５４で反射されて、偏光変換素子３６の方向に向かって進む。このとき、３６０°の全方位から光ビームが、第２の円錐ミラー５４の反射面に近づいていく。そして、第２の円錐ミラー５４において、円錐面の頂点と底面の間で光ビームが反射される。これにより、第２の円錐ミラー５４で反射された光ビームは円環ビームになる。
【０１２０】
このように、反射面が円錐面となっている４つのアキシコンミラーを用いることで、円形ビームを円環ビームに変換することができる。また、レーザ光を集光させることなく、円環ビームを得ることができる。例えば、フェムト秒パルスレーザの場合、レーザ光の集光点では、空気がプラズマ化してしまうおそれがある。このように、４つのアキシコンミラーを用いることで、集光することなく、円環ビームを得ることができる。よって、空気のプラズマ化を防ぐことができ、レーザ光を効率よく利用することができる。また、４つのミラーを用いることで、第１の円錐ミラー５１よりも小さい径の円環ビームを生成することができる。もちろん、レーザ光の強度が低い場合は、アキシコンレンズやリングスリット（輪帯）を用いて円環ビームを生成してもよい。また、円環ビーム生成部１４、及び円環ビーム生成部４５の一方に対してのみ、アキシコンミラーを用いてもよい。
また、レンズ等の透過方式の光学系を用いると分散によりパルス幅が伸びてしまうため、４つのアキシコンミラーを用いることが好ましい。石英で２次分散は４０ｆｓ２／ｍｍ程度（波長８００ｎｍ付近）である。したがって、アキシコンレンズを用いた場合、ＤＡＺＺＬＥＲなどのＡＯ変調器で予めネガティブ・チャープをかけておき、石英を透過してついた分散を補償して、光学系を通ったあとでフーリエ限界パルスを作るということをしなければならなくなる。しかし、そのようなことは面倒であるために、アキシコンミラーを用いた反射型で作ることで容易に円環ビームを生成することができる。今回のアキシコンミラーペアは厚さ数ｍｍの窓を透るのでAO変調器やコンプレッサーのグレーティング間隔を変えるなどで若干の負分散にしておくための分散補償が必要であるが、大した量ではないので今の場合は問題にならない。
【０１２１】
さらに、第２の円錐ミラー５４と第１の円錐ミラー５１との距離が可変になっている。例えば、第１の円錐ミラー５１に対して、第２の円錐ミラー５４を遠ざけたり、近づけたりできるようになっている。これにより、円環の径を変化することができる。すなわち、第２の円錐ミラー５４を第１の円錐ミラー５１に近づけると、第２の対向ミラー５３と第２の円錐ミラー５４の間の光路長が長くなる。これにより、光ビームが第２の円錐ミラー５４の円錐面の頂点近傍に入射する。よって、円環ビームの径を小さくすることができる。反対に、第２の円錐ミラー５４を第１の円錐ミラー５１に遠ざけると、第２の対向ミラー５３と第２の円錐ミラー５４の間の光路長が短くなる。これにより、光ビームが第２の円錐ミラー５４の円錐面の底面近傍に入射する。よって、円環ビームの径を大きくすることができる。第２の円錐ミラー５４を支持する第２の透明板５６を光軸に沿ってスライド移動させることで、円環ビームの径を調整することができる。もちろん、第１の円錐ミラー５１をスライド移動させてもよい。これにより、所望の径の円環ビームを容易に得ることができる。また、第１の対向ミラー５２と第２の対向ミラー５３との間隔を変えることで、円環ビームの径を調整してもよい。すなわち、第１の円錐ミラー５１、第１の対向ミラー５２、第２の対向ミラー５３、第２の円錐ミラー５４のうちの１つを光軸方向に沿って変位させれば、ビーム径を調整することができる。
【０１２２】
また、第１の円錐ミラー５１、第２の円錐ミラー５４を支持する第１の透明板５５、第２の透明板５６を、第１の対向ミラー５２と、第２の対向ミラー５３の間に配置している。これにより、簡便な構成で、円環ビームを得ることができる。第１の透明板５５、５６
を薄い透明板で構成することで、波長分散によるパルス光への影響を低減することができる。例えば、アキシコンレンズを用いる場合に比べて、波長分散によるパルス幅の変化を低減することができる。なお、上記の説明では、４枚のミラーを用いたが、これ以外の数のミラーを用いてもよい。すなわち、金属反射面での反射を偶数回にするよう、ミラーの数を偶数個にする。これにより、レーザ光のモードが変化するのを防ぐことができる。
【０１２３】
図１１（ｂ）に示すような構成で円環ビームを生成してもよい。図１１（ｂ）に示す構成では、図１１（ａ）に比べて、第２の透明板５６、第２の対向ミラー５３、第２の円錐ミラー５４が無い構成となっている。すなわち、図１１（ｂ）に示す円環ビーム生成部４５は、図１１（ａ）に示す構成から、第２の透明板５６、第２の対向ミラー５３と第２の円錐ミラー５４とを取り除いた構成になっている。第１の対向ミラー５２と、第１の透明板５５の距離を変えることで、円環の径が変化する。図１１（ｂ）の場合、内径が第１の円錐ミラー５１よりも大きい円環ビームを生成する。リング幅の細いビームを生成することができ、ＮＡを実質的に大きくすることができる。また、図１１（ａ）に比べて部品点数が少なくなる。
【０１２４】
なお、上記の説明では、ラジアル偏光にした後、円環ビームに変換したが、円環ビームにした後、ラジアル偏光にしてもよい。なお、ラジアル偏光にした後、フォトカソード２１に到達するまでの間、同じ金属ミラーでペリスコープを組むようにする。この場合、Ｓ偏光とＰ偏光を入れ替えて反射するので、ラジアル偏光状態を保持することができる。
実際の金属ミラーの反射ではＳ偏光とＰ偏光の位相差が１８０度ではない。このため、ラジアル偏光はエルミートガウシアンモードのＴＥＭ０１とＴＥＭ１０を偏光方向を電場の振動面を水平と垂直、すなわち反射面を決めた時は、Ｓ偏光とP偏光にそれぞれしたあとに重ねたものである。金属ミラーの反射でＳ偏光とＰ偏光の位相シフトの差が１８０度になっていない場合、重ね合わせがラジアル偏光にならなくなる。ＴＥＭ０１とＴＥＭ１０はそれぞれ伝搬モードなのでそれぞれ伝搬するので、Ｓ偏光とＰ偏光の位相のずれをもう一度同じ金属ミラーで反射する。こうすることで、Ｓ偏光とＰ偏光を入れ替わり、位相差の関係が元に戻る。よって、重ね合わせがラジアル偏光となる。ペリスコープは潜望鏡と同じで、光軸の高さを変えるのにも使われるのでエレベータとしても用いられる。４５度傾いたミラーが上下一対になったものである。これをＳとＰ偏光を入れ替える光学系として使う場合は、上から見た時に入射方向と出射方向が９０度異なっていることが必要となる。同じ金属のミラー対になっていることも位相シフト量を戻すことからも明らかである。
【０１２５】
さらに、上記の電子銃１００を用いることで、電子銃の評価を行うことができる。以下に、電子銃の評価装置、及び評価方法について図１２を用いて説明する。図１２では、図1に示した電子銃１００に対して、電子ビームの測定を行う測定器６５が取り付けられている。なお、電子銃の基本的構成に付いては、図１で示したものと共通であるため、重複部分は、説明を省略する。下記に示すように、電子銃から発生する電子ビームを評価することで、高輝度と高スピン偏極度に適したフォトカソード材料を発見することができる。さらに、そのフォトカソード２１に対して、レーザ光の波長等を最適化することができる。
【０１２６】
測定器６５は、入射した電子ビーム６０を計測する。例えば、測定器６５は、ファラデーカップを有しており、電子ビーム６０の電流を測定する。まず、評価したいフォトカソード材料を共振器２３内にセットする。そして、レーザ光を照射して、電子を発生させる。発生した電流を測定器６５で測定する。
【０１２７】
そして、波長変換素子４２でレーザ光の波長を変えていき、電子ビームのレスポンスを調べていく。例えば、レーザ光の波長を変えることで、ラジアル偏光において、電気ベクトルの振動方向が反転する周期が変化する。例えば、例えば、ＮＯＰＡ（非平行光パラメトリック増幅器、又は非同軸光パラメトリック増幅器：Ｎｏｎｃｏｌｌｉｎｅａｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐａｒａｍｅｔｒｉｘ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）やＯＰＡ（パラメトリック増幅器：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐａｒａｍｅｔｒｉｘ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）を用いて、波長を走査していく。
【０１２８】
また、液晶素子によってラジアル偏光に変換している。液晶素子を用いた偏光変換素子３６では、広い周波数帯での使用が可能である。すなわち、ＮＯＰＡによって波長を変化させた場合でも、波長に応じて偏光変換素子３６を変える必要がなくなる。よって、簡便に測定することができる。
【０１２９】
フォトニッククリスタル結晶等でスーパーコンティニュウム（超ブロードバンドの白色レーザ光）を作る。それをシード光としてＢＢＯ等の非線形結晶を用いてのＮＯＰＡ方式でブロードな波長帯域を増幅してあげることができる。それから、シード光とポンプ光の角度調整で中心波長範囲の選択やスペクトル幅の選択等もできるシステムとすることで、カソード近傍に与えるレーザ誘起電場の振動速度を可変にすることができる。
【０１３０】
もし、レーザの振動に対して電子の応答速度が十分遅い場合は平均化されるので、カソードに対するレーザ誘起電場の効果はなく実効的な仕事関数の差がないことになる。この原理によりレーザ波長をスキャンすることで、アジマス偏光とラジアル偏光を集光した時の電子ビーム電流量の有意な差の有無を計測することで、電子の応答速度を計測することができる。このように、電子がレーザ電場（Ｚ方向に偏極した電界）の振動に対する応答を知らべるのが目的でレーザ波長をスキャンする。
【０１３１】
各波長において、ラジアル偏光とアジマス偏光とで、それぞれ電流測定を行う。例えば、λ／２板４４によって、直線偏光の偏光軸をＹ方向にする。これにより、偏光変換素子３６でレーザ光がラジアル偏光になる。そして、ラジアル偏光状態のレーザ光を集光してフォトカソード表面にＺ方向の電場を発生させる。レーザ光がフォトカソード２１に照射された際に発生する電子ビームの電流を測定する。次に、λ／２板４４を回転させて、直線偏光の偏光軸をＸ方向にする。これにより、偏光変換素子３６でレーザ光がアジマス偏光になる。そして、アジマス偏光状態のレーザ光を集光してフォトカソード表面に照射する。レーザ光がフォトカソード２１に照射された際に発生する電子ビームの電流を測定する。
【０１３２】
フォトカソード２１表面にＺ方向の電場を与えた場合と、そうでない場合とで、それぞれ電流を測定する。そして、ラジアル偏光の電流値がアジマス偏光での電流値に比べて十分大きくなっている場合、その波長でのレスポンスがあると判定する。すなわち、ラジアル偏光の電流値とアジマス偏光の電流値との差が、閾値よりも大きくなっている場合、Ｚ偏光によって、真空準位を押し下げることができ、実効的な仕事関数が低くなっている。よって、その波長で電子を効率よく発生させることができる。
【０１３３】
電子がレーザ電場（Ｚ方向に偏極した電界）の振動に対する応答を知らべるのが目的でレーザ波長をスキャンする。Ｚ方向の電場によって、電流が発生するカットオフ周波数を調べる。すなわち、ラジアル偏光とアジマス偏光で電流値に差がある波長と、差がない波長との境界を調べる。このようにすることで、電子ビームの発生に適したレーザ波長を選択することができる。そして、使用するフォトカソード材料に対するカットオフ波長を調べていく。このようにすることで、仕事関数を押下ることができるレーザ波長を確認することができる。さらに、測定器６５によって、電子ビームのスピン偏極度を測定することで、所望の偏極度を有するのに適したレーザ波長を発見することができる。よって、所望の偏極度を有する電子ビームを容易に得ることができる。偏極度を測定する場合、円偏光とともに、アジマス偏光、又はラジアル偏光を照射する。
【０１３４】
また、液晶素子を用いたラジアル偏光の生成について、図１３を用いて説明する。図１３は、液晶素子を用いた偏光変換素子３６の構成を模式的に示す斜視図である。図１３に示すように偏光変換素子３６は、液晶素子７１と、位相補償板７２を有している。位相補償板７２は、液晶素子７１の前段に配置される。従って、位相補償板７２を通過したレーザ光が、液晶素子７１に入射する。そして、直線偏光のレーザ光が位相補償板７２、及び液晶素子７１を通過することで、ラジアル偏光に変換される。
【０１３５】
なお、液晶素子７１を用いて、ラジアル偏光を生成する場合、例えば、ＡＲＣｏｐｔｉｘ社製シータセルを液晶素子７１として用いることができる。これにより、波長３５０〜１７００ｎｍのレーザ光に対応することができる。よって、様々な波長に対応することができる。このシータセルでは、ＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）液晶が用いられている。さらに、シータセルに加えて位相補償板７２を用いる。例えば、λ／２板４４の後に、同じＴＮ液晶で出来た広帯域の位相補償板７２を配置する。位相補償板７２の後にシータセル等の液晶素子７１を配置する。
【０１３６】
次に位相補償板７２の構成について、図１４、及び図１５を用いて説明する。図１４は、位相補償板７２の構成を示す正面図であり、図１５は断面図である。位相補償板７２は、正面視において、矩形状になっており、上半分の領域（上領域）と、下半分の領域（下半分）とから構成される。すなわち、位相補償板７２は、上領域とした領域に分割される。
【０１３７】
図１５に示すように、位相補償板７２は、第１基板７３と第２基板７４とを有している。第１基板７３と第２基板７４は例えば、透明なガラス板である。さらに、第１基板７３と第２基板７４との間には、液晶層７５が配設されている。すなわち、第１基板７３と第２基板７４との間に、液晶層７５が挟持されている。
【０１３８】
下領域において、第１基板７３の液晶層７５側には、第１電極７６が形成され、第２基板７４の液晶層７５側には第２電極７７が形成されている。さらに、第１電極７６には、外部から電圧を供給するための端子配線７８が接続され、第２電極７７には、外部から電圧を供給するための端子配線７９が接続されている。従って、第１電極７６と第２電極７７との間に電圧を印加すると、電極間の液晶層７５が配向する。液晶層７５に印加する電圧は、液晶層のチャージアップを避けるため極性を反転させることが好ましい。例えば、約１ｋＨｚのサイン波や、５０Ｈｚ程度の矩形波を用いることができる。なお、最大電圧は８．８Ｖ程度にすることができる。一方、上領域には、電極が形成されていない。
【０１３９】
液晶層７５には、シータセルと同様に、ＴＮ液晶を用いることができる。そして、上領域では、液晶の配向が１８０°ねじれている。従って、上領域では、液晶層７５を通過することで、レーザ光の偏光方向が１８０°回転する。一方、電極間に電圧を印加すると、下領域では、液晶の配向がねじれなくなる。よって、下領域では、液晶層７５を通過してもレーザ光の偏光方向がそのままとなっている。従って、図１４の右側に示すように、下領域と上領域の間で、偏光方向が反転する。ここでは、上領域を通過したレーザ光の振動方向が上向きから下向きになる。もちろん、上領域と下領域の境界上にレーザ光の光軸を配置する。
【０１４０】
このように、広帯域の位相補償板７２は、上半分の位相をπずらして、下半分をそのまま通過させる。すなわち、位相補償板７２を通過したレーザ光８２のうち、上半分と下半分とで位相がπずれている。このように、液晶素子７１に入射するレーザ光の位相を上下で反転させておく。液晶素子７１と位相補償板７２の向きをレーザ光の偏光方向に対して、調整する。この位相補償板７２を通過したレーザ光８２が液晶素子７１に入射する。液晶素子７１はレーザ光をラジアル偏光に変換する。なお、λ／２板４４を回転することで、偏光軸の向きを調整することができる。従って、レーザ光の偏光軸を９０°回転させると、ラジアル偏光からアジマス偏光に切り換わる。あるいは、ラジアル偏光を得るために、位相補償板７２と液晶素子７１との間に、さらにＴＮ液晶セルを配置してもよい。このようにすることで、広い波長帯のレーザ光をラジアル偏光にすることができる。また、λ／２板４４を回転させることで、ラジアル偏光とアジマス偏光を切替えることができる。位相補償板７２は、ＡＲＣｏｐｔｉｘ社製のＢｒｏａｄｂａｎｄ Ｐｉ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒを用いることができる。
【０１４１】
次に、偏極度を測定するための測定器について、図１６を用いて説明する。図１６（ｂ）は、メラー散乱（電子−電子散乱）、図１６（ｂ）は、モット散乱（電子−原子核散乱）を用いた測定器６５の構成を示す図である。
【０１４２】
メラー散乱を用いた測定器６５では、電子ビーム６０がターゲット６５ａに入射する。ターゲット６５ａはヘルムホルツコイル６５ｂの間に配置されている。ヘルムホルツコイル６５ｂは、磁性体（パーマロイなど）のターゲット６５ａに対して外部磁場をかける。外部磁場をかけた磁性体ターゲットにスピン偏極電子が入射した際の磁性体の磁化率測定によりスピン偏極度が得られる。
【０１４３】
モット散乱を用いた測定器６５では、ターゲット６５ｃに金などを用いる。電子ビーム６０はスピンに依存した散乱角を持っている。よって、それぞれに散乱された電子数の測定によりスピン偏極度が得られる。すなわち、電子検出器６５ｄを所定の散乱方向において、散乱された電子数を測定する。これにより、スピン偏極度を測定することができる。
【０１４４】
上記の２種類の測定器６５は、検出する電子のエネルギーによって使い分けられる。すなわち、入射ビームエネルギーに応じて、使用する測定器６５を選択する。例えば、入射ビームエネルギーが３０〜６００ｋｅＶの場合、モット散乱が用いられ、３００ｋｅＶ以上の場合、メラー散乱が用いられる。電子銃、特にＲＦ電子銃を使った実験の場合は、エネルギーが数ＭｅＶになるのでメラー散乱により電子の偏極度を計測する。このように、磁性体のターゲット６５ａを用いたメラー散乱を利用してスピン偏極度の測定を行う。
【０１４５】
カソード材料のバンド構造が偏極に適しているという条件を満たしていれば、波長を可変で価電子帯から伝導帯に電子を励起して、電子をとり出す伝導帯のエネルギー深さをＺ偏極したレーザ光源の波長や強度を変えながら、メラー散乱で電子の偏極度の高いところを探せば、電子銃に最適なカソード材料と励起用およびＺ偏光用のレーザの条件が決定できる。例えば、ＧａＡｓ以外の最適なフォトカソード材料を発見することができる。
【０１４６】
なお、上記の評価方法では、半導体材料以外のフォトカソード２１に対して、最適なレーザ波長を調べることができる。この場合、円偏光のレーザ光８３を用いずに、電子ビーム６０を発生させてもよい。すなわち、偏光変換素子３６を介して入射したレーザ光８２のみを用いて電子を発生させる。偏極電子ビーム用の電子銃ではない場合、レーザ光８３を円偏光にしなくてもよい。
【０１４７】
さらに、半導体材料の分析、評価を行うことができる。この場合、例えば、図１７に示すように、評価する半導体材料の試料６６に電子ビーム６０を照射する。ここで、試料６６は、フォトカソード２１と同じ半導体材料になっているとする。そして、試料６６で発生した光を測定器６５で測定する。測定器６５は、分光器を有しており、試料６６で発生した光を分光測定する。ここでは、逆光電子分光法を用いて、分析、評価を行う。すなわち、電子ビーム６０を試料６６に照射して、試料６６で発生する光を分光測定する。試料６６で発生する光には、試料６６に関する情報が含まれる。このように、逆光電子分光法における電子源として、電子銃１００を用いる。これにより、偏極電子ビームを測定対象となる試料６６に照射することができる。
【０１４８】
逆光電子分光法では、単色化された電子の物質への入射の際、放出される光の分布を入射電子のエネルギー、スピン偏極度の関数として測定する。逆光電子分光法では、入射電子の単色性のほか、光の放出断面積が小さいため、高い電流値が電子源に要求される。
【０１４９】
Ｚ偏光を用いることで、高い電流値の単色化されたスピン偏極電子ビームを得ることができる。これにより、逆光電子分光法による半導体材料中における電子スピンの情報を含む非占有電子状態を観測することができる。伝導帯に電子が励起された状態に対して、Ｚ偏光による可変光電場に応じた電界強度と物質の仕事関数を関数とした放出電子の電流値、スピンを測定できる。このように、電子銃１００を逆光電子分光方法に利用することで、非占有状態の測定を行うことができる。但し、電子の励起状態にある非占有電子状態を見るには、電子励起と同時に生成される正孔によるクーロン相互作用の効果の情報が含まれることが必要となる。
【０１５０】
なお、Ｚ偏光のレーザ光８２と、円偏光のレーザ光８３の照射には、表面（前面）からの照射方法と背面から照射方法の２通りがある（図１８参照）。図１８（ａ）〜図１８（ｄ）に示すように、フォトカソード２１は、半導体基板２１ａと電子生成層２１ｂから構成されており、電子生成層２１ｂ側が表面（前面）側となっている。
【０１５１】
図１８（ａ）、及び図１８（ｃ）に示すように、表面からの入射方法では、フォトカソード２１の電子生成層２１ｂ側からレーザ光８２、８３を入射させる。一方、図１８（ｂ）、及び図１８（ｄ）に示すように、背面（裏面）からの入射方法では、フォトカソード２１の半導体基板２１ａ側からレーザ光８２、８３を入射させる。これらのいずれの入射方法を採用してもよい。例えば、図１８（ａ）に示すように、Ｚ偏光のレーザ光８２を表面から入射させた場合、図１８（ｃ）に示すように、円偏光のレーザ光８３を表面から入射させてもよく、図１８（ｄ）に示すように、レーザ光８３を背面から入射させてもよい。あるいは、図１８（ｂ）に示すように、Ｚ偏光のレーザ光８２を背面から入射させた場合でも、図１８（ｃ）に示すように、円偏光のレーザ光８３を表面から入射させてもよく、図１８（ｄ）に示すように、レーザ光８３を背面から入射させてもよい。
【０１５２】
このように、Ｚ偏光のレーザ光８２及び円偏光のレーザ光８３の少なくとも一方をフォトカソード２１の背面から入射させてもよい。中赤外のＺ偏光を、ＩＩＩ−Ｖ族半導体に照射する場合、半導体内でのＺ偏光の光吸収はほとんどない。すなわち、半導体基板２１ａ内で光がほとんど吸収されないため、表面、背面のいずれからでも照射することができる。また、円偏光のレーザ光８３は、電子を取り出す電子生成層２１ｂで吸収されるが、半導体基板２１ａに電子生成層２１ｂとは異なるバンドギャップの半導体を用いることで、背面照射が可能となる。例えば、レーザ光８２、８３の両方を背面から入射させる構成は、観測試料を電子銃付近に設置する電子線回折装置に好適である。
【０１５３】
レーザ光８２、及びレーザ光８３の一方を表面、他方を背面から入射させる場合でも、レーザ光８２とレーザ光８３を同期して入射させる。すなわち、反対方向から伝搬するレーザ光８２のパルスとレーザ光８３のパルスを同時にフォトカソードに入射させる。換言すると、フォトカソード２１において、レーザ光８２のパルスとレーザ光のパルス８３が重なり合うことになる。これにより、スピン偏極した電子を発生させることができる。
【０１５４】
図１、７、８では、フォトカソード２１に対して垂直にレーザ光８３を入射させたが、レーザ光を傾けて入射させてもよい。すなわち、円偏光となったレーザ光８３の光軸をフォトカソード２１の表面に対する垂直方向から傾けてもよい。例えば、数度の入射角度でレーザ光８３をフォトカソード２１に入射させてもよい。この場合、真空外に配置されたミラーを用いて、レーザ光８３をフォトカソード２１に入射させることができる。よって、レーザ光８３を円環ビームとしなくてもよい。さらに、斜めに入射させる場合は、ビーム合成手段３８をダイクロイックミラーとしなくてもよい。
【０１５５】
このように、偏極電子を選択的に価電子帯から伝導帯へ励起する円偏光のレーザ光は、必ずしも円環ビーム入射方式でカソードに照射する必要はない。例えば、世の中で主流の単純な垂直入射（真空中にミラーを置くことで反射して入射）としてもよい。また、数度の入斜角で真空外のミラーからレーザを打ち込むことも可能である。円環ビーム入射用の穴あき金属製ミラー二種類を波長により切り替えられるように３段階に位置をズラして固定できるにして、入斜角が数度の斜め入射をすることで穴あきのミラー１７と穴あきのレンズ１８の穴をすり抜けてカソード面に照射することができる。
【０１５６】
また、偏極電子源用のＧａＡｓのフォトカソード２１に関しては透過型カソードとしての動作の確認がされているので、カソード背面からの入射することも可能である。円環ビーム入射をしないのであれば、ビーム合成手段３８としてダイクロイックミラーを用いなくてもよい。
【０１５７】
なお、図１、７、８に示した偏光変換素子３６を空間フィルタ部４３の前段に配置していてもよい。こうすることで、偏光変換素子３６直後の空間フィルタ部４３で高次モードを取り除くことができる。例えば、ラジアル偏光の変換素子ではどうしても素子のつなぎ合わせ部分があるので、完全な最低次モードにならない。そのため、ラジアル偏光素子で変換されたレーザ光は高次のモードをどうしても含んでしまう。よって、直後の空間フィルター部４３で高次モードを取り除く作業をする。もちろん、λ／２板４４は、偏光変換素子３６の前段に配置する。
【０１５８】
この場合、レーザ光を空間的にフィルタリングする空間フィルタ部４３の後に円環ビーム生成部４５を配置する。すなわち、波長変換素子４２とミラー３７の間において、空間フィルタ部４３、偏光変換素子３６、空間フィルタ部４３、円環ビーム生成部４５の順番で配置する。円環ビームの外周縁は綺麗なナイフエッジの円環になるが、内周縁側には高次のモードが伝搬と共に内側に出てくる。これを十分な遠方で穴あきのミラー１７で反射して高次モードを落とすことで綺麗な円環ラジアル偏光をカソード面に照射して、Ｚ偏極した電界をカソード面に立てることができる。すなわち、空間フィルタ部４３を通過したレーザ光８２を、円環ビーム生成部４５によって円環ビームにする。このときに円環のリング内側に出てくる高次モードは、ミラー１７で十分にコリメート（平行化）してから反射することで、取り除かれる。すなわち、不要なモードを落として入射することができる。
【０１５９】
なお、上記の電子銃は、ＲＦを必要とするＲＦ電子銃だけに適用できるものではない。例えば、上記の構成をＤＣ電子銃に適用することも可能である。この場合、マイクロ波源２４が不要となる。Ｚ偏極したレーザ甲８２の電界はレーザの振動数で振動しているので大体、１０１４Ｈｚで振動している。それに対してマイクロ波（ＲＦ）はギガヘルツのオーダーなので、今着目しているレーザ光が誘起するカソード表面に対する電界放出の効果を議論するときには、ＲＦによる電界は十分にＤＣ的であると考えて良い筈である。したがって、電子銃の外場による電界の分だけ本来の真空ポテンシャルに比べて低いエネルギーのところに位置している筈である。
【０１６０】
ＩＩＩ−Ｖ族半導体の場合、バンドギャップが１ｅＶ以上あるため、電子の偏極度を損なわないよう、Ｚ偏光の波長を１０〜３０μｍとし、誘起Ｚ偏極電界の向きがカソード表面から真空側に正であるときに、１ＧＶ／ｍ程度の電界がかかるため、ケルディッシュパラメータは、トンネル効果が優位になる１より十分小さくなり、伝導帯電子は、真空準位のポテンシャルの壁をトンネルし真空中へ取り出すことができる。また、伝導帯の底へ励起されたスピン偏極電子が表面の真空準位のポテンシャルの壁をトンネルする際のトンネル確率をより高くし、スピン偏極度の減少をより抑えるには、電子親和力のより小さい半導体材料が望ましい。
ただし、ケルディッシュパラメータは波長の２乗に比例するので、もし、波長が可視域だと１００倍以上大きくなる。そのときは、ショットキー効果の議論が必要になる。価電子帯からの偏極電子の選択励起を壊さないようにZ偏極電界生成用のレーザ波長を選択すると中赤外領域の波長にすることが好ましい。よって、トンネル効果が支配的な領域で偏極電子源はいかなる半導体材料でも動作させられる。
【０１６１】
電子銃による電界は電界放出に寄与するというよりかは、電子がカソードから出てきた後でＺ方向に振動するレーザ誘起電界により引き戻されない領域にきた電子を真空中に引き出す役割をしている。したがって、今回の偏極電子源の方式はＲＦ電子銃に限定されるものではなく、基本的にＤＣ電子銃にも使えるものである。レーザによる真空のポテンシャルの曲がりは電子銃の印加電圧による加速電場で斜めに真空側に下がっていく線に漸近するように接続されるはずである。そうでないと電子は電子銃による電場で加速されて引き出されないからである。
【０１６２】
また、上記の電子銃では、大電流の電子ビームを発生させることができる。従って、本実施形態にかかる電子銃は、低エネルギー顕微鏡（ＬＥＥＭ）：Ｌｏｗ Ｅｎｅｒｇｙ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）、及びスピン偏極電子ビームを用いたＬＥＥＭ（ＳＰＬＥＥＭ：Ｓｐｉｎ−Ｐｏｌａｒｉｚｅｄ ＬＥＥＭ）に好適である。
【０１６３】
ＬＥＥＭでは、電子回折による明暗像コントラストを稼ぐため電流値を要し、低エネルギーのビームを利用するため電子ビームが大電流と小さいエネルギー広がりの性能が不可欠になる。さらに、実観測を行うために、時分解性能も問われている。すなわち、高繰返し高密度のパルス性能が同時に必要となるため、上記の電子銃は、ＬＥＥＭ用の電子ビーム源に好適である。更に、高スピン偏極の電子ビームを発生させることができる。スピン偏極性能化により、鉄、コバルトなどの磁性体のみならず、それらにまつわるナノ構造物質の詳細な表面磁区構造観測が可能になる。
【０１６４】
もちろん、ＬＥＥＭに限らず、電子顕微鏡への実用上、その電子源の電流、放出電子のエネルギー幅とビームのパルス性能は、基本性能である。その上で必要条件を満たす候補が、フォトカソード電子源である。銃器の電子銃は、フォトカソード（特にＮＥＡ表面を用いる）が実用上隘路となっている本質的問題を解決する。
カソード材料、特に偏極電子銃のカソードの価電子帯構造のエネルギー的に敏感な範囲を１００ｍｅＶ以下のオーダで知り得る方法を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【０１６５】
【図１】本発明の実施の形態にかかる電子銃の構成を模式的に示す図である。
【図２】フォトカソード半導体材料の表面付近でのポテンシャル構造を示す図である。
【図３】フォトカソード半導体材料の表面付近でのポテンシャル構造を示す図である。
【図４】フォトカソード半導体材料の表面付近でのポテンシャル構造を示す図である。
【図５】ＧａＡｓ半導体によるスピン偏極電子の伝導帯への励起を説明するための図である。
【図６】Ｚ偏光を用いたｐ型半導体フォトカソードからの電子生成の概念図である。
【図７】電子銃に用いられる偏光変換素子の構成を示す図である。
【図８】偏光変換素子を通過したレーザ光の偏光状態を示す斜視図である。
【図９】偏光変換素子を通過したレーザ光の偏光状態を示す側面図である。
【図１０】電子銃に用いられる空間フィルタ部の構成を示す図である。
【図１１】電子銃に用いられる円環ビーム生成部の構成を示す図である。
【図１２】本発明の実施の形態にかかる電子銃を利用した評価装置の構成を模式的に示す図である。
【図１３】偏光変換素子の全体構成を模式的に示す斜視図である。
【図１４】偏光変換素子に設けられた位相補償板の構成を示す正面図である。
【図１５】偏光変換素子に設けられた位相補償板の構成を示す断面図である
【図１６】電子スピン偏極度を測定するための測定器を示す図である。
【図１７】本発明の実施の形態にかかる電子銃を利用した評価装置の構成を模式的に示す図である。
【図１８】フォトカソードへのレーザ光の照射方法を説明するための図である。
【符号の説明】
【０１６６】
１１ レーザ光源
１２ 光分岐手段
１３ 空間フィルタ部
１４ 円環ビーム生成部
１５ λ／４板
１７ ミラー
１８ レンズ
２１ フォトカソード
２１ａ 半導体基板
２１ｂ 電子生成層
２３ 共振器
２４ マイクロ波源
３５ λ／２板
３６ 偏光変換素子
３７ ミラー
３８ ビーム合成手段
３９ 偏光制御用電源
４１ ミラー
４２ 波長変換素子
４３ 空間フィルタ部
４４ λ／２板
４５ 円環ビーム生成部
５１ 第１の円錐ミラー
５２ 第１の対向ミラー
５３ 第２の対向ミラー
５４ 第２の円錐ミラー
５５ 第１の透明板
５６ 第２の透明板
６０ 電子ビーム
６１ 放物面鏡
６２ ピンホール
６３ 放物面鏡
６５ 測定器
６６ 試料
６５ａ ターゲット
６５ｂ ヘルムホルツコイル
６５ｃ ターゲット
６５ｄ 電子検出器
７１ 液晶素子
７２ 位相補償板
７３ 第１基板
７４ 第２基板
７５ 液晶層
７６ 第１電極
７７ 第２電極
７８ 端子配線
７９ 端子配線
８１ レーザ光
８２ レーザ光
８３ レーザ光
８４ レーザ光
１００ 電子銃
Ａ 伝導帯
Ｂ 価電子帯
Ｃ フェルミ準位
Ｄ バンドギャップ
Ｅ 仕事関数
Ｆ 電子親和力
Ｇ 表面バンドベンディング
Ｈ 縮退
Ｉ 縮退分離
Ｊ 電場の無い時の真空準位
Ｋ Ｚ偏光レーザによる電場
Ｌ Ｚ偏光照射の時の真空準位
Ｍ 電子励起用レーザ
Ｎ Ｚ偏光による強電場領域
Ｏ 励起
Ｐ 伝導帯電子
Ｑ トンネル効果
Ｒ 表面バンドベンディング
Ｓ イメージポテンシャル
Ｌ１ 光ビーム
Ｌ２ 光ビーム
Ｌ３ 光ビーム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光源と、
前記レーザ光源からのレーザ光を分岐する光分岐手段と、
前記光分岐手段で分岐された一方のレーザ光に入射位置に応じた位相差を与える偏光変換素子と、
前記偏光変換素子を介して入射した前記一方のレーザ光とを集光するレンズと、
前記レンズによって集光された前記一方のレーザ光を、円偏光となった前記他方のレーザ光と同期して入射する半導体フォトカソードと、を備える偏極電子銃。
【請求項２】
前記偏光変換素子、又はレンズに入射するレーザ光の少なくとも一方のスポットを円環状にする円環ビーム生成部をさらに備え、
前記円環ビーム生成部が、
反射面の形状が円錐面となっており、円錐の頂点が光軸上に配置された第１の円錐ミラーと、
前記第１の円錐ミラーの反射面に対して対向配置され、前記第１の円錐ミラーの反射面の外周を囲むように設けられた反射面を有する第１の対向ミラーと、
前記第１の対向ミラーで反射した光を円錐面状の反射面で反射する第２の対向ミラーと、
前記第２の対向ミラーで反射した光を円錐面で反射する第２の円錐ミラーであって、円錐の頂点が光軸上に配置され、円錐の底面が前記第１の円錐ミラーの底面と対向配置された第２の円錐ミラーと、を備えた請求項１に記載の偏極電子銃。
【請求項３】
前記第１の円錐ミラーと前記第２の円錐ミラーの間隔、又は前記第１の対向ミラーと前記第２の対向ミラーとの間隔が可変であることを特徴とする請求項２に記載の偏極電子銃。
【請求項４】
前記偏光変換素子によって偏光状態がラジアル偏光に変換されたレーザ光が前記円環ビーム生成部に入射することを特徴とする請求項２、又は３に記載の偏極電子銃。
【請求項５】
前記円環ビーム生成部と、前記偏光変換素子との間に、前記レーザ光を空間的にフィルタリングする空間フィルタ部が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の偏極電子銃。
【請求項６】
前記半導体フォトカソードにＩＩＩ−Ｖ族半導体が用いられていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の偏極電子銃。
【請求項７】
前記半導体フォトカソードがＧａＡｓを含んでいることを特徴とする請求項６に記載の偏極電子銃。
【請求項８】
前記半導体フォトカソードが、歪み構造、超格子構造、量子細線構造、又は量子ドット構造を持つことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の偏極電子銃。
【請求項９】
前記一方のレーザ光、及び前記他方のレーザ光の少なくとも一方が、前記フォトカソードの背面から入射することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の偏極電子銃。
【請求項１０】
前記偏光変換素子に、ＴＮ液晶が用いられていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の偏極電子銃。
【請求項１１】
レーザ光源からの光を分岐するステップと、
分岐された一方のレーザ光に入射位置に応じた位相差を与えるステップと、
前記位相差が与えられた前記一方のレーザ光と、円偏光となっている他方のレーザ光とを集光するステップと、
集光された前記一方のレーザ光を、前記他方のレーザ光と同期させて、半導体フォトカソードに入射させるステップと、を備える偏極電子線の発生方法。
【請求項１２】
前記レーザ光のスポットを、第１の円錐ミラー、第２の円錐ミラー、第１の対向ミラー、第２の対向ミラーを用いて、円環状にするステップをさらに備え、
前記第１の円錐ミラーでは、反射面の形状が円錐面となっており、円錐の頂点が光軸上に配置され、
前記第１の対向ミラーは、前記第１の円錐ミラーの反射面に対して対向配置され、前記円錐面の外周を囲むように設けられた反射面を有しており、
前記第２の対向ミラーは、前記第１の対向ミラーで反射した光を円錐面状の反射面で反射し、
第２の円錐ミラーでは、前記第２の対向ミラーで反射した光を円錐面で反射し、円錐の頂点が光軸上に配置され、円錐の底面が前記第１の円錐ミラーの底面と対向配置されていることを特徴とする請求項１１に記載の偏極電子線の発生方法。
【請求項１３】
前記第１の円錐ミラーと前記第２の円錐ミラーの間隔、又は前記第１の対向ミラーと前記第２の対向ミラーとの間隔を変えることで、円環の径を調整することを特徴とする請求項１２に記載の偏極電子線の発生方法。
【請求項１４】
前記入射位置に応じた位相差が与えられることで、レーザ光がラジアル偏光に変換され、
前記ラジアル偏光に変換されたレーザ光が前記円環ビームに変換されることを特徴とする請求項１２、又は１３に記載の偏極電子線の発生方法。
【請求項１５】
前記ラジアル偏光となった前記レーザ光が、前記円環ビームになる前に、空間的にフィルタリングされていることを特徴とする請求項１４に記載の偏極電子線の発生方法。
【請求項１６】
前記半導体フォトカソードにＩＩＩ−Ｖ族半導体が用いられていることを特徴とする請求項１１乃至１５のいずれか１項に記載の偏極電子線の発生方法。
【請求項１７】
前記半導体フォトカソードがＧａＡｓを含んでいることを特徴とする請求項１６に記載の偏極電子線の発生方法。
【請求項１８】
前記半導体フォトカソードが、歪み構造、超格子構造、量子細線構造、又は量子ドット構造を持つことを特徴とする請求項１１乃至１７のいずれか１項に記載の偏極電子線の発生方法。
【請求項１９】
前記一方のレーザ光、及び前記他方のレーザ光の少なくとも一方が、前記フォトカソードの背面から入射することを特徴とする請求項１１乃至１８のいずれか１項に記載の偏極電子線の発生方法。
【請求項２０】
前記一方のレーザ光、及び前記他方のレーザ光の少なくとも一方が、前記フォトカソードの電子ビーム出射面から入射することを特徴とする請求項１１乃至１９のいずれか１項に記載の偏極電子線の発生方法。
【請求項２１】
前記位相差が与えられるステップでは、ＴＮ液晶を用いた偏光変換素子が利用されていることを特徴とする請求項１１乃至２０のいずれか１項に記載の偏極電子線の発生方法。
【請求項２２】
（Ａ）レーザ光源からのレーザ光を、入射位置に応じた位相差を与える偏光変換素子に入射させるステップと、
（Ｂ）前記位相差が与えられたレーザ光を集光して、フォトカソードに入射するステップと、
（Ｃ）前記フォトカソードからの電子ビームを測定するステップと、
（Ｄ）前記偏光変換素子に入射するレーザ光の偏光軸を変えて、（Ａ）、（Ｂ）、及び（Ｃ）のステップを行って、電子ビームを測定するステップとを備える電子銃の評価方法。
【請求項２３】
前記偏光変換素子が直線偏光をラジアル偏光、又はアジマス偏光にする素子であり、
前記直線偏光の偏光軸の向きを変えることで、前記ラジアル偏光と前記アジマス偏光とを切換えることを特徴とする請求項２２に記載の電子銃の評価方法。
【請求項２４】
前記位相差が与えられたレーザ光に、円偏光のレーザ光を同期させて照射していることを特徴とする請求項２２、又は２３に記載の電子銃の評価方法。
【請求項２５】
前記一方のレーザ光、及び前記他方のレーザ光の少なくとも一方が、前記フォトカソードの背面から入射することを特徴とする請求項２２乃至２４のいずれか１項に記載の電子銃の評価方法。
【請求項２６】
前記一方のレーザ光、及び前記他方のレーザ光の少なくとも一方が、前記フォトカソードの背面から入射することを特徴とする請求項２２乃至２５のいずれか１項に記載の電子銃の評価方法。
【請求項２７】
前記（Ｃ）のステップでは、前記電子ビームの偏極度を測定していることを特徴とする請求項２２乃至２６のいずれか１項に記載の電子銃の評価方法。
【請求項２８】
前記電子ビームの偏極度の測定にメラー散乱が利用されていることを特徴とする請求項２７に記載の電子銃の評価方法。
【請求項２９】
前記（Ｂ）のステップの前に、第１の円錐ミラー、第２の円錐ミラー、第１の対向ミラー、第２の対向ミラーを用いて、前記レーザ光のスポットを円環状にするステップをさらに備え、
前記第１の円錐ミラーでは、反射面の形状が円錐面となっており、円錐の頂点が光軸上に配置され、
前記第１の対向ミラーは、前記第１の円錐ミラーの反射面に対して対向配置され、前記円錐面の外周を囲むように設けられた反射面を有しており、
前記第２の対向ミラーは、前記第１の対向ミラーで反射した光を円錐面状の反射面で反射し、
第２の円錐ミラーでは、前記第２の対向ミラーで反射した光を円錐面で反射し、円錐の頂点が光軸上に配置され、円錐の底面が前記第１の円錐ミラーの底面と対向配置されていることを特徴とする請求項２２乃至２８のいずれか１項に記載の電子銃の評価方法。
【請求項３０】
前記第１の円錐ミラーと前記第２の円錐ミラーの間隔、又は前記第１の対向ミラーと前記第２の対向ミラーとの間隔を変えることで、円環の径を調整することを特徴とする請求項２９に記載の電子銃の評価方法。
【請求項３１】
前記偏光変換素子によって、前記レーザ光がラジアル偏光に変換され、
前記ラジアル偏光に変換されたレーザ光が円環状に変換されることを特徴とする請求項２９、又は３０に記載の電子銃の評価方法。
【請求項３２】
前記ラジアル偏光となった前記レーザ光が、前記円環状のビームになる前に、空間的にフィルタリングされていることを特徴とする請求項３２に記載の電子銃の評価方法。
【請求項３３】
前記偏光変換素子に、ＴＮ液晶が用いられていることを特徴とする請求項２２乃至３２のいずれか１項に記載の電子銃の評価方法
【請求項３４】
請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の偏極電子銃で発生した偏極電子ビームを、電子ビーム源とした逆光電子分光方法。
【請求項１】
レーザ光源と、
前記レーザ光源からのレーザ光を分岐する光分岐手段と、
前記光分岐手段で分岐された一方のレーザ光に入射位置に応じた位相差を与える偏光変換素子と、
前記偏光変換素子を介して入射した前記一方のレーザ光とを集光するレンズと、
前記レンズによって集光された前記一方のレーザ光を、円偏光となった前記他方のレーザ光と同期して入射する半導体フォトカソードと、を備える偏極電子銃。
【請求項２】
前記偏光変換素子、又はレンズに入射するレーザ光の少なくとも一方のスポットを円環状にする円環ビーム生成部をさらに備え、
前記円環ビーム生成部が、
反射面の形状が円錐面となっており、円錐の頂点が光軸上に配置された第１の円錐ミラーと、
前記第１の円錐ミラーの反射面に対して対向配置され、前記第１の円錐ミラーの反射面の外周を囲むように設けられた反射面を有する第１の対向ミラーと、
前記第１の対向ミラーで反射した光を円錐面状の反射面で反射する第２の対向ミラーと、
前記第２の対向ミラーで反射した光を円錐面で反射する第２の円錐ミラーであって、円錐の頂点が光軸上に配置され、円錐の底面が前記第１の円錐ミラーの底面と対向配置された第２の円錐ミラーと、を備えた請求項１に記載の偏極電子銃。
【請求項３】
前記第１の円錐ミラーと前記第２の円錐ミラーの間隔、又は前記第１の対向ミラーと前記第２の対向ミラーとの間隔が可変であることを特徴とする請求項２に記載の偏極電子銃。
【請求項４】
前記偏光変換素子によって偏光状態がラジアル偏光に変換されたレーザ光が前記円環ビーム生成部に入射することを特徴とする請求項２、又は３に記載の偏極電子銃。
【請求項５】
前記円環ビーム生成部と、前記偏光変換素子との間に、前記レーザ光を空間的にフィルタリングする空間フィルタ部が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の偏極電子銃。
【請求項６】
前記半導体フォトカソードにＩＩＩ−Ｖ族半導体が用いられていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の偏極電子銃。
【請求項７】
前記半導体フォトカソードがＧａＡｓを含んでいることを特徴とする請求項６に記載の偏極電子銃。
【請求項８】
前記半導体フォトカソードが、歪み構造、超格子構造、量子細線構造、又は量子ドット構造を持つことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の偏極電子銃。
【請求項９】
前記一方のレーザ光、及び前記他方のレーザ光の少なくとも一方が、前記フォトカソードの背面から入射することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の偏極電子銃。
【請求項１０】
前記偏光変換素子に、ＴＮ液晶が用いられていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の偏極電子銃。
【請求項１１】
レーザ光源からの光を分岐するステップと、
分岐された一方のレーザ光に入射位置に応じた位相差を与えるステップと、
前記位相差が与えられた前記一方のレーザ光と、円偏光となっている他方のレーザ光とを集光するステップと、
集光された前記一方のレーザ光を、前記他方のレーザ光と同期させて、半導体フォトカソードに入射させるステップと、を備える偏極電子線の発生方法。
【請求項１２】
前記レーザ光のスポットを、第１の円錐ミラー、第２の円錐ミラー、第１の対向ミラー、第２の対向ミラーを用いて、円環状にするステップをさらに備え、
前記第１の円錐ミラーでは、反射面の形状が円錐面となっており、円錐の頂点が光軸上に配置され、
前記第１の対向ミラーは、前記第１の円錐ミラーの反射面に対して対向配置され、前記円錐面の外周を囲むように設けられた反射面を有しており、
前記第２の対向ミラーは、前記第１の対向ミラーで反射した光を円錐面状の反射面で反射し、
第２の円錐ミラーでは、前記第２の対向ミラーで反射した光を円錐面で反射し、円錐の頂点が光軸上に配置され、円錐の底面が前記第１の円錐ミラーの底面と対向配置されていることを特徴とする請求項１１に記載の偏極電子線の発生方法。
【請求項１３】
前記第１の円錐ミラーと前記第２の円錐ミラーの間隔、又は前記第１の対向ミラーと前記第２の対向ミラーとの間隔を変えることで、円環の径を調整することを特徴とする請求項１２に記載の偏極電子線の発生方法。
【請求項１４】
前記入射位置に応じた位相差が与えられることで、レーザ光がラジアル偏光に変換され、
前記ラジアル偏光に変換されたレーザ光が前記円環ビームに変換されることを特徴とする請求項１２、又は１３に記載の偏極電子線の発生方法。
【請求項１５】
前記ラジアル偏光となった前記レーザ光が、前記円環ビームになる前に、空間的にフィルタリングされていることを特徴とする請求項１４に記載の偏極電子線の発生方法。
【請求項１６】
前記半導体フォトカソードにＩＩＩ−Ｖ族半導体が用いられていることを特徴とする請求項１１乃至１５のいずれか１項に記載の偏極電子線の発生方法。
【請求項１７】
前記半導体フォトカソードがＧａＡｓを含んでいることを特徴とする請求項１６に記載の偏極電子線の発生方法。
【請求項１８】
前記半導体フォトカソードが、歪み構造、超格子構造、量子細線構造、又は量子ドット構造を持つことを特徴とする請求項１１乃至１７のいずれか１項に記載の偏極電子線の発生方法。
【請求項１９】
前記一方のレーザ光、及び前記他方のレーザ光の少なくとも一方が、前記フォトカソードの背面から入射することを特徴とする請求項１１乃至１８のいずれか１項に記載の偏極電子線の発生方法。
【請求項２０】
前記一方のレーザ光、及び前記他方のレーザ光の少なくとも一方が、前記フォトカソードの電子ビーム出射面から入射することを特徴とする請求項１１乃至１９のいずれか１項に記載の偏極電子線の発生方法。
【請求項２１】
前記位相差が与えられるステップでは、ＴＮ液晶を用いた偏光変換素子が利用されていることを特徴とする請求項１１乃至２０のいずれか１項に記載の偏極電子線の発生方法。
【請求項２２】
（Ａ）レーザ光源からのレーザ光を、入射位置に応じた位相差を与える偏光変換素子に入射させるステップと、
（Ｂ）前記位相差が与えられたレーザ光を集光して、フォトカソードに入射するステップと、
（Ｃ）前記フォトカソードからの電子ビームを測定するステップと、
（Ｄ）前記偏光変換素子に入射するレーザ光の偏光軸を変えて、（Ａ）、（Ｂ）、及び（Ｃ）のステップを行って、電子ビームを測定するステップとを備える電子銃の評価方法。
【請求項２３】
前記偏光変換素子が直線偏光をラジアル偏光、又はアジマス偏光にする素子であり、
前記直線偏光の偏光軸の向きを変えることで、前記ラジアル偏光と前記アジマス偏光とを切換えることを特徴とする請求項２２に記載の電子銃の評価方法。
【請求項２４】
前記位相差が与えられたレーザ光に、円偏光のレーザ光を同期させて照射していることを特徴とする請求項２２、又は２３に記載の電子銃の評価方法。
【請求項２５】
前記一方のレーザ光、及び前記他方のレーザ光の少なくとも一方が、前記フォトカソードの背面から入射することを特徴とする請求項２２乃至２４のいずれか１項に記載の電子銃の評価方法。
【請求項２６】
前記一方のレーザ光、及び前記他方のレーザ光の少なくとも一方が、前記フォトカソードの背面から入射することを特徴とする請求項２２乃至２５のいずれか１項に記載の電子銃の評価方法。
【請求項２７】
前記（Ｃ）のステップでは、前記電子ビームの偏極度を測定していることを特徴とする請求項２２乃至２６のいずれか１項に記載の電子銃の評価方法。
【請求項２８】
前記電子ビームの偏極度の測定にメラー散乱が利用されていることを特徴とする請求項２７に記載の電子銃の評価方法。
【請求項２９】
前記（Ｂ）のステップの前に、第１の円錐ミラー、第２の円錐ミラー、第１の対向ミラー、第２の対向ミラーを用いて、前記レーザ光のスポットを円環状にするステップをさらに備え、
前記第１の円錐ミラーでは、反射面の形状が円錐面となっており、円錐の頂点が光軸上に配置され、
前記第１の対向ミラーは、前記第１の円錐ミラーの反射面に対して対向配置され、前記円錐面の外周を囲むように設けられた反射面を有しており、
前記第２の対向ミラーは、前記第１の対向ミラーで反射した光を円錐面状の反射面で反射し、
第２の円錐ミラーでは、前記第２の対向ミラーで反射した光を円錐面で反射し、円錐の頂点が光軸上に配置され、円錐の底面が前記第１の円錐ミラーの底面と対向配置されていることを特徴とする請求項２２乃至２８のいずれか１項に記載の電子銃の評価方法。
【請求項３０】
前記第１の円錐ミラーと前記第２の円錐ミラーの間隔、又は前記第１の対向ミラーと前記第２の対向ミラーとの間隔を変えることで、円環の径を調整することを特徴とする請求項２９に記載の電子銃の評価方法。
【請求項３１】
前記偏光変換素子によって、前記レーザ光がラジアル偏光に変換され、
前記ラジアル偏光に変換されたレーザ光が円環状に変換されることを特徴とする請求項２９、又は３０に記載の電子銃の評価方法。
【請求項３２】
前記ラジアル偏光となった前記レーザ光が、前記円環状のビームになる前に、空間的にフィルタリングされていることを特徴とする請求項３２に記載の電子銃の評価方法。
【請求項３３】
前記偏光変換素子に、ＴＮ液晶が用いられていることを特徴とする請求項２２乃至３２のいずれか１項に記載の電子銃の評価方法
【請求項３４】
請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の偏極電子銃で発生した偏極電子ビームを、電子ビーム源とした逆光電子分光方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２０１０−２１８８６８（Ｐ２０１０−２１８８６８Ａ）
【公開日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−６３９９２（Ｐ２００９−６３９９２）
【出願日】平成２１年３月１７日（２００９．３．１７）
【出願人】（５９９１１２５８２）財団法人高輝度光科学研究センター (35)
【出願人】（５０３３５９８２１）独立行政法人理化学研究所 (1,056)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月１７日（２００９．３．１７）
【出願人】（５９９１１２５８２）財団法人高輝度光科学研究センター (35)
【出願人】（５０３３５９８２１）独立行政法人理化学研究所 (1,056)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]