３次元光共振器
【課題】レーザー光源で得られたレーザーを導いて、右偏光又は左偏光のどちらか一方に共振させると共に左右どちらにも切り替え可能な光発振器を提供する。
【解決手段】立体的に配置された１対の平面鏡と１対の凹面鏡とを備え、入射光学系から出射されるレーザーを取り込み、当該レーザーを圧電素子によって長さが調整された光路上を周回させながら前記光路の光路長に応じて右円偏光又は左円偏光を選択することによってレーザーを共振させる。
【解決手段】立体的に配置された１対の平面鏡と１対の凹面鏡とを備え、入射光学系から出射されるレーザーを取り込み、当該レーザーを圧電素子によって長さが調整された光路上を周回させながら前記光路の光路長に応じて右円偏光又は左円偏光を選択することによってレーザーを共振させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、左右円偏光性を自由に選択し得る偏光レーザー又は偏光放射線を発振させる光共振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、偏光レーザーを発振させる光発振器として、レーザー発生器で得られたレーザーを光共振器に導いて共振させることにより偏光レーザーを発生させる光発振器が知られている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、このような従来の光発振器においては、レーザーの円偏光性を分離することができないことから、偏光子、ファラデー回転子、λ／４波長板などを使用して、円偏光を切り替えなければならず、調整作業が煩雑であるという問題があった。
【０００４】
また、従来の光発振器では、偏光子、ファラデー回転子、λ／４波長板などを各々、調整して右円偏光、左円偏光を切り替えなければならないことから、切り替え速度を速くすることが難しいのみならず、純粋な円偏光レーザーを保証することが困難であるという課題があった。
【０００５】
本発明は、上記した従来の光発振器の課題に鑑みて、レーザー光源で得られたレーザーを、右偏光又は左偏光のどちらか一方に共振させると共に、左右どちらにも容易に切り替え可能な３次元光共振器を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このため、本発明は、立体的に配置された１対の平面鏡と１対の凹面鏡とを備え、入射光学系から出射されるレーザーを取り込み、当該レーザーを圧電素子によって長さが調整された光路上を周回させながら前記光路の光路長に応じて右円偏光又は左円偏光を選択することによってレーザーを共振させるように形成された３次元光共振器を提供するものである。
【０００７】
ここで、前記レーザーは、ＣＷレーザー発振器、モードロックレーザーパルス発振器の少なくとも何れかを持ち、ＣＷレーザー形式又はパルスレーザー形式のレーザーを生成するレーザー光源から出射されるレーザーの偏光面とビーム径を整える前記入射光学系に入射される。
【０００８】
そして、本発明の３次元共振器内部で共振しているレーザーの強度をモニタする共振モニタ器を備える。また、内部で共振しているレーザーのうち、前記平面鏡および前記凹面鏡の何れかを透過したレーザーをＰ偏光成分とＳ偏光成分とに分離し、その強度を測定すると共に、その差分値を求めて、ゼロクロスフィードバック信号を生成するゼロクロスフィードバック信号生成器を備える。
【０００９】
さらに、前記選択される右円偏光又は左円偏光を指定する指示信号を出力する偏光切替スイッチと、前記偏光切替スイッチの出力、前記共振モニタ器の出力、前記ゼロクロスフィードバック信号生成器の出力に基づき、前記３次元光共振器に設けられた前記圧電素子の駆動電圧を制御して、前記光路長を調整させ、前記３次元光共振器内に右円偏光、又は左円偏光のレーザーを選択的に蓄積させる共振制御器と、を備えるのである。
【００１０】
本発明は、さらに、前記３次元光共振器内に設定された衝突点において、ビームサイズが“１０μｍ”以下にされ、エネルギー強度が“１ｍＪ／パルス”以上になる右偏光のパルスレーザー又は左偏光のパルスレーザーと前記高エネルギー電子ビーム発生装置から出射される高エネルギー電子ビームとを衝突させ、極短パルス偏光放射線を生成させることを特徴とする３次元光共振器を提供するものである。
【００１１】
ここで、前記極短パルス偏光放射線は、その放射線量が測定される。また、前記衝突点において、前記高エネルギー電子ビーム発生装置から出射される規格化エミッタンス“１０ｍｍｍｒａｄ”以下の高品質特性を有する高エネルギー電子ビームと、前記３次元光共振器内のパルスレーザーとを衝突角度“８−２０度”の範囲で、かつ“１μｍ”以内の衝突精度で衝突させ、エネルギーが“０．２５ｋｅＶ”以上の特性を有する極短パルス偏光放射線を発生させ、外部に取り出すようにしている。そして、前記極短パルス偏光放射線は、Ｘ線又はγ線である、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る３次元光共振器においては、レーザー光源で得られたレーザー又は放射線を右偏光又は左偏光のどちらか一方に共振させると共に、左右どちらにも容易に切り替え可能にしたことにより、従来の光発振器が有していた課題であるレーザーの円偏光性を分離できないことによる偏光子、ファラデー回転子、λ／４波長板などを使用して円偏光を切り替える必要性をなくすると共に、純粋な円偏光レーザーを得ることを実現したのである。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の３次元光共振器を利用した偏光レーザー発振システムの例を示す概略構成図である。
【図２】本発明に係る３次元光共振器の詳細な構成例を示す。
【図３】本発明の３次元光共振器を利用した偏光放射線発生システムの例を示す概略構成図である。
【図４】本願発明において提案する非平面４枚ミラーリング光共振器の構成図である。
【図５】予備実験テストで使用したシステムのレイアウトを示す概略構成図である。
【図６】入射したレーザーが線形偏光を有する場合に観察できる典型的な信号の一例を示すグラフである。
【図７】Ｒ1＝０．９９、Ｔ1＝０．０１、Ｒ＝０．９８であるときにおける、関数“Ｆ（δ）＝Ｅr／Ｅi”をプロットしたものである。
【図８】Ｒ1＝０．９９、Ｔ1＝０．０１、Ｒ＝０．９８、φgeo＝−０．０５７５ｒａｄにし、数式１１の列ベクトルで示される反射波“Ｅr”の成分“Ｅsr”、“Ｅpr”の差分信号“Ｅsr−Ｅpr”と、加算信号“Ｅsr＋Ｅpr”とを計算して、プロットしたものである。
【図９】Ｒ1＝０．９９９、Ｔ1＝０．００１、Ｒ＝０．９９８、“φgeo＝−０．０５７５ｒａｄ”にし、数式１１の列ベクトルで示される反射波“Ｅr”の成分“Ｅsr”、“Ｅpr”の差分信号“Ｅsr−Ｅpr”と、加算信号“Ｅsr＋Ｅpr”とを計算して、プロットしたものである。
【図１０】本願発明者が作成した実験装置の概要を示す構成図である。
【図１１】本発明の３次元光共振器を利用した実験装置の共鳴点近傍で観測された信号を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
１．発明の背景
高精度な光共振器は、さまざまな科学分野で使用されている。レーザー発振器からのレーザービームを光共振器に入射させることによって、ビームの強度を数段階上げることができる。加速器物理学の分野では、この技術は、レーザーコンプトン散乱方式に基づく小型のＸ線光源を開発するために必要とされる。
【００１５】
光共振器の共鳴は、鋭いピークに維持する必要があることから、サーボシステムの移動方向を制御するために使用可能な共鳴曲線から差分信号を得るためのさまざまな方式が開発されている。
【００１６】
広く利用されている方式の一つに、共鳴のピークの外側の周波数側波帯を導入し、反射波の位相シフトを測定するPound-Drever-Hall法がある。別の方式としてのTilt-locking methodでは、基本的なモードと、より高い横モードとの間の干渉を利用して、反射波の位相シフトを検出する。また、Hansch-Couillaud（ＨＣ）法は、光共振器の内部に、複屈折材を載置させて、光共振器を共鳴偏光依存構造にし、共鳴で起きた位相シフトに起因する反射波の偏光変化を測定する。角度をつけて設置したミラーを使用するマルチミラー光共振器システムにおいては、たとえ２枚ミラーシステムであっても、ミラーの応力によって、線形偏光依存構造の特性が起こり得るため、ＨＣ法の変形は、付加的材料なくして、実現することができる。
【００１７】
３次元（非平面）構成の４枚ミラーリング光共振器は、光共振器の内部の１点に微小スポットを生成することができる。レーザーコンプトンＸ線源を使用すれば、４枚ミラーリング光共振器で、有効なレーザーエレクトロン交差を提供可能であり、生成Ｘ線性能（または収束性能）を改善することが可能となる。
【００１８】
非平面光共振器は、通常、３次元光路における画像の回転により、円偏光依存特性を有する。本願発明者は、この円偏光依存特性を利用して、非平面光共振器の共鳴から差分信号を得るための新しい方法を提案する。この方法は、円偏光依存を有するＨＣ法の変形である。
【００１９】
２．実験の装置
２．１．非平面光共振器の概略
図４は、本願発明に係る非平面４枚ミラーリング光共振器の構成を示す。光路は、表面が辺“ａ”、“ａ”、“ｂ”を有する二等辺三角形である左右対称四面体の辺に沿っている。辺“ａ”は４２０ｍｍ、辺“ｂ”は１００ｍｍである。各頂点“Ｐ1”、“Ｐ2”、“Ｐ3”、“Ｐ4”にある各ミラーは、この順に閉光共振器を形成する。頂点“Ｐ1”と頂点“Ｐ2”のミラーは平面鏡であり、頂点“Ｐ3”と頂点“Ｐ4”のミラーは凹形鏡である。この実験で使用した各ミラー（平面鏡、凹形鏡）は全て、反射率“９９％”、透過率“１％”である。点“Ｑ1”は頂点“Ｐ1”と頂点“Ｐ3”の中点である。点“Ｑ2”は、頂点“Ｐ2”と頂点“Ｐ4”の中点である。
【００２０】
２．２．幾何学的位相の影響
非平面光共振器の独自性は、円偏光の共鳴の縮退、分離にあることから、次に述べ手順で、幾何学的位相の影響を調べた。
【００２１】
頂点“Ｐ2”での影響について、単位のベクトル“ｋ1”およびベクトル“ｋ2”は各々、頂点“Ｐ1”から頂点“Ｐ2”への光線および頂点“Ｐ2”から頂点“Ｐ3”の光線（入射光）である。
【数１】
【００２２】
ここで、頂点“Ｐ2”および頂点“Ｐ3”における反射光の通常のベクトル“ｎ1”およびベクトル“ｎ2”は、次式で表すことができる。
【数２】
【００２３】
そして、入射光および反射光を含む面は、単位の各ベクトル“ｋ1”、“ｋ2”と、通常のベクトル“ｎ1”、“ｎ2”との定義を使用し、次式に示すベクトル“ａ1”、“ａ2”で表すことができる。
【数３】
【００２４】
ここで、ベクトル“ａ1”と、ベクトル“ａ2”との間の角度“α12”は、４枚ミラー光共振器の一辺で起きたイメージの回転であり、角度“α12”は次の式で算出することができる。
【数４】
【００２５】
そして、このような非平面光共振器では、各反射点におけるイメージの回転が累積されることから、非平面光共振器内の光路を１周するとき、全体的な効果は角度“４α12”（以後、適時、これを幾何学的位相“φgeo”と呼ぶ）となる。また、イメージの回転は、回転偏光波の場合における位相シフトに相当する。また、右偏光および左偏光の位相シフトの符号は逆であるため、二つの円偏光の間の共鳴の減退を分割する。
【００２６】
例えば、角度“４α12”は、本願発明において提案する３次元共振器においては、“−０．０５７５ｒａｄ（２πの整数は無視する）”である。
【００２７】
２．３．光共振器の共鳴の測定
本願発明者は、予備実験テストを行って、本願発明において提案する光共振器の偏光特性を調べた。この際、作成したシステムのレイアウトを図５に示す。
【００２８】
この際、シングルモードＣＷレーザー（イノライト製、プロメーテウス・モデル）を光源として使用した。偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）で、入射するレーザー光の偏光を弁別した。入射レーザーが、光共振器、固有のモードに適合するようにレンズ（matching）対を配置した。光共振器（3D-4mirror cavity）に対する入射レーザーの入射位置と角度は、一対の平面鏡で調整した。光共振器鏡の一方（concave）は、ピエゾ素子（piezo）を持つ圧電制御ステージ上に装着して、光共振器の長さ（光路長）を変更できるようにした。光共振器の共鳴は、ピエゾ素子にランプ電圧（スロープ状に順次、高くなる電圧）を印加しつつ、ピンフォトダイオード（ＰＤ）で光共振器の透過レーザーを測定することによって判定した。
【００２９】
図６は、入射したレーザーが線形偏光を有する場合に観察できる典型的な信号を示す。ピエゾ素子を使って光共振器の光路長を走査させながら、光共振器の透過レーザーをフォトダイオードで測定したときのグラフである。上の図は、自由スペクトル範囲の全期間を示す。最も高いピークは、基本的な横モードに相当する。下の図は、基本的なモードのピークのうちの一つを拡大したものである。
【００３０】
この図６では、２つある共鳴ピークは、一方が右偏光に相当し、他方が左偏光に相当するダブルピーク構造になっている。入射したレーザーの線形偏光が２つの円偏光を同じ量だけ含んであるので、光共振器は、両共鳴条件に基づいて、わずかに異なる位相で共鳴する。
【００３１】
３．ロックする技術の方式
３．１．計算
３．１．１．反射波の説明
光共振器では、各共鳴鏡における反射波の複素共振“Ｅr”は、次のように記述できる。
【数５】
ここで、“Ｅi”は、入射波の複素共振、“Ｒ1”および“Ｔ1”は光共振器の入出射口に配置された共鳴鏡の反射率および透過率である。“Ｒ”は、“Ｆ＝π／（１−Ｒ）”で定義された光共振器のフィネス“（Ｆ）”との関連する値です。ここで、“Ｒ”は、４枚ミラー光共振器の場合と同じ精度を有する２枚ミラー光共振器で使用される共振鏡の反射率として考えることができる。また“δ”は、共鳴条件から導かれる位相差である。
【００３２】
図７は、Ｒ1＝０．９９、Ｔ1＝０．０１、Ｒ＝０．９８であるときにおける、関数“Ｆ（δ）＝Ｅr／Ｅi”をプロットしたものである。上の線は、位相差“δ”の実数部分を示し、下の線は位相差“δ”の虚数部分を示す。
【００３３】
３．１．２．偏光の説明
また、このような光共振器に対し、ジョーンズマトリックスを使用すると、波の偏光は次式を使用して、説明できる。
【数６】
ここで、列ベクトル“Ｅ”のそれぞれの要素“Ｅp”、“Ｅs”は各々、Ｐ偏光、Ｓ偏光を表す。電界は、テーブルに対して平行、且つ垂直である。波がテーブル上に水平に載置した偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）で分波されれば、二つの要素は別々に測定することができる。
【００３４】
円偏光波は次のように記述できる。
【数７】
【００３５】
ここで、列ベクトル“ＥR”、“ＥL”は、それぞれ単位共振の右偏光、左偏光である。非平面光共振器の固有状態は円偏光に対応するので、入射波は、右偏光の単位共振“ＥR”と、左偏光の単位共振“ＥL”との重ね合わせとして好都合に記述できる。また、テーブル面に対して４５度回転させた直線偏光の単位共振である列ベクトル“Ｅ45”は、次のように記述できる。
【数８】
【００３６】
３．２．提案するシステムの方式
上述した２．２の章で説明したように、付加的幾何学的位相により、右偏光および左偏光の共鳴条件は、反対の符号にシフトする。反射波の右偏光成分“ＥrR”、左偏光成分“ＥrL”は、付加的幾何学位相“φgeo”を用いて、次のように表わすことができる。
【数９】
【数１０】
【００３７】
ここで、数式８が入射波の場合、反射波の右偏光成分“ＥrR”、左偏光成分“ＥrL”は、光共振器内で、相互に作用し合う。結果生成される重ね合わせの反射波“Ｅr”は次式で表わされる。
【数１１】
【００３８】
図８は、“Ｒ1＝０．９９”、“Ｔ1＝０．０１”、“Ｒ＝０．９８”、“φgeo＝−０．０５７５ｒａｄ”にし、この数式１１の列ベクトルで示される反射波“Ｅr”の成分“Ｅsr”、“Ｅpr”の差分信号“Ｅsr−Ｅpr”と、加算信号“Ｅsr＋Ｅpr”とを計算して、プロットしたものである。但し、図８では、図９との関係を分かり易くするため、差分信号“Ｅsr−Ｅpr”として、“ＰＤ１−ＰＤ２”を表示し、加算信号“Ｅsr＋Ｅpr”として、“ＰＤ１＋ＰＤ２”を表示してある。
【００３９】
これは、本願発明のテスト対象となる光共振器の構成に相当するものであり、“Ｅsr−Ｅpr”は本願発明において提案している光共振器をロックするための差分信号である。
【００４０】
さらに、より精度を上げた場合の計算を図９に示す。これは、Ｒ1＝０．９９９、Ｔ1＝０．００１、Ｒ＝０．９９８、“φgeo＝−０．０５７５ｒａｄにしたときの計算例である。
【００４１】
図８及び図９の記載から明らかなように、“ＰＤ１−ＰＤ２”で表示されている差分信号“Ｅsr−Ｅpr”は、共鳴のピークでゼロと交差する。さらに、ゼロと交差する差分信号“Ｅsr−Ｅpr”の符号（マイナスからプラスか、プラスからマイナスか）を選択することによって、右円偏光および左円偏光のどちらについても、円偏光共鳴の一つでシステムをロックすることが可能になる。
【００４２】
３．３．実験
計算を確認するため、本願発明者は、図１０に示す装置を使って実験を行った。直線偏光波を３次元光共振器“3D-cavity”に入射させた。入射出口に配置された平面鏡“reflection”からの反射光（３次元光共振器“3D-cavity”内のレーザービーム）を偏光ビームスプリッタ“ＰＢＳ”および２つのピンフォトダイオード“ＰＤ１”、“ＰＤ２”から成る検知システム“detection system”に導いた。
【００４３】
ピンフォトダイオード“ＰＤ１”は、偏光ビームスプリッタ“ＰＢＳ”の基準として、Ｐ偏光の強度“Ｅp”をモニタし、ピンフォトダイオード“ＰＤ２”はＳ偏光“Ｅs”の強度をモニタした。各ピンフォトダイオード“ＰＤ１”、“ＰＤ２”からの信号は差分増幅器“differential amplifier”に供給し、差動電圧“Ｅs−Ｅp”を出力信号“output”として出力した。
【００４４】
検出システム“detection system”の入力側にあるλ／２波長板“λ/2”の角度を調整して、入射するレーザービームの偏光面と、検出システム“detection system”の偏光面とを整合させ、λ／２波長板“λ/2”と、３次元光共振器“3D-cavity”との距離が離れていても、２つのピンフォトダイオード“ＰＤ１”、“ＰＤ２”の出力がバランスするようにした。
【００４５】
この状況は、偏光ビームスプリッタ“ＰＢＳ”の入力側に入射するレーザービームが、数式８として表わされることに相当する。また、ピンフォトダイオード“ＰＤ０”を使って、３次元光共振器“3D-cavity”からの透過光（３次元光共振器“3D-cavity”内のレーザービーム）の強度を測定し、３次元光共振器“3D-cavity”の共鳴状態をモニタした。
【００４６】
本願発明者は、ピエゾ素子“piezo”で位置が調整される圧電制御ミラーを使って３次元光共振器“3D-cavity”の光路長をスキャンさせながら、差分増幅器“differential amplifier”の出力信号“output”を測定した。３次元光共振器“3D-cavity”の共鳴点近傍で観測された信号を図１１に示す。一番下の線は、透過光を測定したピンフォトダイオード“ＰＤ０”の信号である。これは、３次元光共振器“3D-cavity”の共鳴点を示す。中央の線は、差分増幅器“differential amplifier”の出力信号“output”であり、この出力信号の形状は図８で計算した結果と一致する。差分増幅器“differential amplifier”の出力信号“output”は、２つの共鳴点で各々、ゼロと交差し、それぞれの円偏光ピークの近傍で異なる符号となった。これにより、差分増幅器“differential amplifier”の出力信号“output”が各ゼロ交差点の何れか一方と一致するように、３次元光共振器“3D-cavity”の光路長を調整すれば、３次元光共振器“3D-cavity”が持つ２つの共鳴ピークのどちらか１つにロックさせることができる。
【００４７】
本発明では、このようなロック法を使用して、３次元光共振器“3D-cavity”が持つ２つの共鳴ピークのうちの１つにロックさせることにより、３次元光共振器“3D-cavity”を右偏光、左偏光のどちらでも、共鳴させ得るようにしている。
【００４８】
《本発明の実施の形態》
図１は、上述した原理を用いる本発明による光共振器を利用した偏光レーザー発振システムの例を示す概略構成図である。
【００４９】
また、図３は、本発明の３次元光共振器を利用した偏光放射線発生システムの例を示す概略構成図である。
【００５０】
図１に示す偏光レーザー発振システムは、ＣＷレーザー発振器、モードロックレーザーパルス発振器を持ち、ＣＷレーザー、又はパルスレーザーなどのレーザーを生成するレーザー光源２と、レーザー光源２から出射されるレーザーの偏光面、ビーム径を整える入射光学系３と、入射光学系３から出射されるレーザーを受光し、調整された光路長に応じて、右円偏光、又は左円偏光を選択して、蓄積する３次元光共振器４と３次元光共振器４内で共振しているレーザーの強度をモニタする共振モニタ器５と、３次元光共振器４内で共振しているレーザーのうち、平面鏡２１を透過したレーザーをＰ偏光、Ｓ偏光に分離し、その強度を測定すると共に、その差分値を求めて、ゼロクロスフィードバック信号を生成するゼロクロスフィードバック信号生成器６と３次元光共振器４で選択される右円偏光、又は左円偏光を指定する指示信号を出力する偏光切替スイッチ７と、偏光切替スイッチ７の出力、共振モニタ器５の出力、ゼロクロスフィードバック信号生成器６の出力に基づき、３次元光共振器４の光路長を制御し３次元光共振器４内に右円偏光、又は左円偏光のレーザーを選択的に、蓄積させる共振制御器８とを備えており、偏光切替スイッチ７から出力される指示信号、共振モニタ器５のモニタ結果、ゼロクロスフィードバック信号生成器６から出力されるゼロクロス検出信号などに基づき、共振制御器８によって、レーザー光源２、３次元光共振器４を制御して、３次元光共振器４内に時間幅が３０ｐｓｅｃ以内、ビームサイズが１０μｍ以下、エネルギー強度が１ｍＪ／パルス以上になる、左右どちらかの円偏光大強度パルスレーザーを発生させる。
【００５１】
レーザー光源２は、ＣＷレーザーを生成するＣＷレーザー発振器、パルスレーザーを生成するモードロックレーザーパルス発振器などを備えており、共振制御器８からの指示に基づき、ＣＷレーザー発振器、モードロックレーザーパルス発振器の何れかを起動させて、ＣＷレーザー、又はパルスレーザーなどのレーザーを生成し、入射光学系３に入射させる。
【００５２】
入射光学系３は、レーザー光源２から出射されるレーザーを３次元光共振器４に導く複数の平面鏡９と、これら各平面鏡９で規定された光路上に配置され、レーザー光源２から出射されるレーザーのビーム径を整える複数のコリメートレンズ１０と、各平面鏡９によって規定された光路上に設置され、レーザーを直線偏光にする偏光ビームスプリッタ１１とを備えており、レーザー光源２から出射されるレーザーの偏光面、ビーム径を整えて、３次元光共振器４に入射させる。
【００５３】
図２に示す３次元光共振器４は、熱膨張率が小さく、電子ビーム、放射線による損傷を受けにくい材料によって構成され、高エネルギー電子ビーム発生装置の出射路に設けられた衝突チャンバ内に収納可能な大きさに形成される２つのリング部材１２、１３と、熱膨張率が小さく、電子ビーム、放射線による損傷を受けにくい材料によって構成され、各リング部材１２を所定距離だけ並行に離間させる４本の棒部材１４と、熱膨張率が小さく、電子ビーム、放射線による損傷を受けにくい材料によって構成され、水平方向に対し、時計方向に４５度傾くように、一方のリング部材１２に取り付けられる平板１５と、熱膨張率が小さく、電子ビーム、放射線による損傷を受けにくい材料によって構成され、平板１５に形成された各丸穴に取り付けられる２つの反射鏡保持枠（ステージ）１６、１７と、熱膨張率が小さく、電子ビーム、放射線による損傷を受けにくい材料によって構成され、水平方向に対し、反時計方向に４５度傾くように、他方のリング部材１３に取り付けられる平板１８と、熱膨張率が小さく、電子ビーム、放射線による損傷を受けにくい材料によって構成され、平板１８に形成された各丸穴に取り付けられる２つの反射鏡保持枠（ステージ）１９、２０とを備えている。
【００５４】
さらに３次元光共振器４は、反射率が“０．９９９”、透過率が“０．００１”に設定され、各反射鏡保持枠１６、１７、１９、２０のうち、入射光学系３から出射されるレーザーの入射口に配置された反射鏡保持枠１６に取り付けられ、入射光学系３から出射されるレーザーを透過させると共に、他方のリング部材１３側からのレーザーを反射する平面鏡２１と、反射率が“０．９９９”、透過率が“０．００１”に設定され、各反射鏡保持枠１６、１７、１９、２０のうち、平面鏡２１が設けられたリング部材１２と対向するリング部材１３の反射鏡保持枠１９に設置され、平面鏡２１を透過したレーザー、および平面鏡２１で反射されたレーザーを反射する平面鏡２２と、反射率が“０．９９９”、透過率が“０．００１”に設定され、各反射鏡保持枠１６、１７、１９、２０のうち、平面鏡２１が設けられたリング部材１２の反射鏡保持枠１７に設置され、平面鏡２２で反射されたレーザーを反射し、電子ビーム通路３７上に設定された衝突点で、ビームサイズが１０μｍ以下になるように集光させる凹面鏡２３と、反射率が“０．９９９”、透過率が“０．００１”に設定され、各反射鏡保持枠１６、１７、１９、２０のうち、凹面鏡２３が設けられたリング部材１２と対向するリング部材１３の反射鏡保持枠２０に設置され、凹面鏡２３でコリメートされたレーザーを並行なレーザーに戻し、平面鏡２１に戻す凹面鏡２４と、凹面鏡２４と反射鏡保持枠２０との間に配置され、共振制御器８から供給される駆動電圧に応じて、変形し、凹面鏡２４の位置を調整するピエゾ素子２５とを備えている。
【００５５】
そして、入射光学系３から出射されるレーザーを取り込み、平面鏡２１→平面鏡２２→凹面鏡２３→凹面鏡２４→平面鏡２１なる経路で、閉じ込めると共に、ピエゾ素子２５によって調整された光路長に応じ、右円偏光、又は左円偏光を選択して、蓄積する。
【００５６】
また、共振モニタ器５は３次元光共振器４の平面鏡２２を透過したレーザーを反射する平面鏡２６と、平面鏡２６で反射されたレーザーを受光し、レーザー強度に応じた電圧値を持つモニタ信号（３次元光共振器４内で共振しているレーザーの強度を示す信号）を生成するピンフォトダイオード２７とを備えており、３次元光共振器４の平面鏡２２を透過したレーザーの強度を測定してモニタ信号（３次元光共振器４内のレーザーが共振しているとき、大きな値となる信号）を生成し、共振制御器８に供給する。
【００５７】
また、ゼロクロスフィードバック信号生成器６は３次元光共振器４内で共振しているレーザーのうち、平面鏡２１を透過したレーザーを反射させ３次元光共振器４から所定距離、離れた場所に導く複数の平面鏡２８と３次元光共振器４から距離に応じた取り付け角度に調整され、最終段の平面鏡２８で反射されたレーザーの偏光面を調整するλ／２波長板２９と、λ／２波長板２９で偏光面が調整されたレーザーをＰ偏光、Ｓ偏光に分離する偏光ビームスプリッタ３０と、偏光ビームスプリッタ３０で分離されたＳ偏光側のレーザーを反射する平面鏡３１と、平面鏡３１で反射されたＳ偏光側のレーザーを受光し、Ｓ偏光側のレーザー強度を示すＳ偏光強度信号を生成するピンフォトダイオード３２と、偏光ビームスプリッタ３０で分離されたＰ偏光側のレーザーを反射する平面鏡３３と、平面鏡３３で反射されたＰ偏光側のレーザーを受光し、Ｐ偏光側のレーザー強度を示すＰ偏光強度信号を生成するピンフォトダイオード３４と、ピンフォトダイオード３２から出力されるＳ偏光強度信号とピンフォトダイオード３４から出力されるＰ偏光強度信号との差分を演算し、差分信号を生成する差動増幅器３５と、差動増幅器３５から出力される差分信号がゼロクロスしているかどうか、ゼロクロスしたとき、プラス側からマイナス側にゼロクロスしたか、マイナス側からプラス側にゼロクロスしたかどうかなどを判定し、これらの判定結果を示すゼロクロスフィードバック信号を生成するゼロクロス判定回路３６とを備えており３次元光共振器４内で共振しているレーザーのうち、平面鏡２１を透過したレーザーを取り込んで、Ｐ偏光、Ｓ偏光に分離し、その強度を測定すると共に、その差分値を求めて、差分信号がゼロクロスしているかどうか、ゼロクロスしたとき、プラス側からマイナス側にゼロクロスしたか、マイナス側からプラス側にゼロクロスしたかどうかなどを示すゼロクロスフィードバック信号を生成し、共振制御器８に供給する。
【００５８】
また、偏光切替スイッチ７は、設定内容に応じて、右円偏光（又は、左円偏光）を指定する指示信号、又は高周波信号発生装置から出力される高周波信号に対応して、右円偏光、左円偏光を交互に指定する指示信号などを生成し、共振制御器８に供給する。
【００５９】
共振制御器８は、各種の演算を行うマイクロプロセッサ、又は演算機能が組み込まれたＬＳＩなどが搭載された演算基板を備えており、偏光切替スイッチ７から出力される指示信号、共振モニタ器５から出力されるモニタ信号、ゼロクロスフィードバック信号生成器６から出力されるゼロクロスフィードバック信号に基づき、ランプ状の電圧値、又は３次元光共振器４内に右円偏光、又は左円偏光のレーザーを選択させるのに必要な電圧値の駆動電圧を生成して３次元光共振器４のピエゾ素子２５に供給することにより３次元光共振器４の光路長を制御し３次元光共振器４内に右円偏光、又は左円偏光のレーザーを選択的に、蓄積させる。
【００６０】
次に、図１に示す概略構成図、図２に示す斜視図を参照しながら、偏光レーザー発振システム１の動作を説明する。
【００６１】
偏光レーザー発振システム１の起動スイッチがオンされて、レーザー光源２からＣＷレーザーなどのレーザーの出射が開始されると、入射光学系３によって、レーザーの偏光面、ビーム径が整えられて、３次元光共振器４の平面鏡２１に入射されると共に、平面鏡２１を透過したレーザーが平面鏡２１→平面鏡２２→凹面鏡２３→凹面鏡２４→平面鏡２１なる経路で、閉じ込められる。
【００６２】
また、この動作と並行し、共振モニタ器５によって３次元光共振器４の平面鏡２２を透過したレーザーの強度が測定されてモニタ信号が生成され、共振制御器８に供給される。
【００６３】
また、これらの動作と並行し、ゼロクロスフィードバック信号生成器６によって、３次元光共振器４内で共振しているレーザーのうち、平面鏡２１を透過したレーザーが取り込まれて、Ｐ偏光、Ｓ偏光に分離され、その強度が測定され、その差分値が求められると共に、ゼロクロスしているかどうかが判定されて、ゼロクロスフィードバック信号が生成され、共振制御器８に供給される。
【００６４】
また、この動作と並行し、共振制御器８によって、ランプ状に電圧値が高くなる駆動電圧が生成されて、３次元光共振器４内のピエゾ素子２５に供給され、３次元光共振器４の光路長が調整される。
【００６５】
そして、偏光切替スイッチ７から出力されている指示信号で、右円偏光、又は左円偏光の何れか、例えば右円偏光が指定され、この状況で、ゼロクロスフィードバック信号生成器６によって、右円偏光が検出されたことを示すゼロクロスフィードバック信号が生成され、共振モニタ器５から３次元光共振器４内でレーザーが共振していることを示すモニタ信号が出力されたとき、共振制御器８によって、これが検知されて、駆動電圧の電圧値が固定される。
【００６６】
これにより、３次元光共振器４内の光路長がその時点で固定され、３次元光共振器４内で右円偏光のレーザーに対する共振が指定された時間、維持される。
【００６７】
また、レーザー光源２からモードロック発振で生成された大強度のパルスレーザーが出射されている場合も、同様な制御が行われて３次元光共振器４内に右円偏光のパルスレーザー（大強度のパルスレーザー）、又は左円偏光のパルスレーザー（大強度のパルスレーザー）が共振、蓄積されると共に、少なくとも０．００１秒間、安定的に維持される。
【００６８】
このとき、モードロック発振周波数とパルスレーザーの時間輻とによって、パルスレーザーの線幅が決まり、また３次元光共振器４内では、衝突点におけるパルスレーザーのビームサイズが１０μｍ以下であることから、パルスレーザーの時間幅が３０ｐｓｅｃ以内であれば、３次元光共振器４内における衝突点での、エネルギー強度を１ｍＪ／パルス以上にすることができる。
【００６９】
また、偏光切替スイッチ７から右円偏光、左円偏光を交互に指定する指示信号が出力されている場合にも、同様な制御が行われて、３次元光共振器４内に右円偏光のパルスレーザー（大強度のパルスレーザー）と、左円偏光のパルスレーザー（大強度のパルスレーザー）とが交互に、共振、蓄積される。
【００７０】
このときにも、モードロック発振周波数とパルスレーザーの時間輻とによって、パルスレーザーの線幅が決まり、また３次元光共振器４内では、衝突点におけるパルスレーザーのビームサイズが１０μｍ以下であることから、パルスレーザーの時間幅が３０ｐｓｅｃ以内であれば、３次元光共振器４内における衝突点での、エネルギー強度を１ｍＪ／パルス以上にすることができる。
【００７１】
このように、この形態では、レーザー光源２で得られたレーザーを３次元光共振器４に導いて、右偏光、又は左偏光のどちらか一方に共振させることができると共に、偏光切替スイッチ７を操作するだけで、容易に切り替えさせることができる。
【００７２】
また、本発明の実施の形態では、レーザー光源２で得られた大強度パルスレーザーを３次元光共振器４に導いて、右偏光、又は左偏光のどちらか一方に共振させることができると共に３次元光共振器４内に設けられた衝突点に、ビームサイズが１０μｍ以下で、エネルギー強度が１ｍＪ／パルス以上になるパルスレーザーを生成させることができる。
【００７３】
また、この形態では、レーザー光源２で得られた、時間幅が３０ｐｓｅｃ以内の大強度パルスレーザーを３次元光共振器４に導いて、右偏光、又は左偏光のどちらか一方に共振させることができると共に３次元光共振器４内に設けられた衝突点に、ビームサイズが１０μｍ以下で、エネルギー強度が１ｍＪ／パルス以上になるパルスレーザーを生成させることができる。
【００７４】
また、この形態では、レーザー光源２で得られた大強度パルスレーザーを３次元光共振器４に導いて、３次元光共振器４内に設けられた衝突点に、ビームサイズが１０μｍ以下で、エネルギー強度が１ｍＪ／パルス以上になる右偏光パルスレーザー、左偏光パルスレーザーを交互に生成させることができる。
【００７５】
図３は、本発明の３次元光共振器を利用した偏光放射線発生システムの例を示す概略構成図である。なお、この図において、図１、図２と対応する部分には、同じ符号が付してある。
【００７６】
この図に示す偏光放射線発生システム５１は、システムを同期させるのに必要な高周波信号を発生する高周波信号発生装置５２と、加速器を持ち、高周波信号発生装置５２から出力される高周波信号と同期した高周波電圧を使用して、電子を加速させて、電子ビームを出射する高エネルギー電子ビーム発生装置５３と、レーザー光源、モードロックレーザー発振器などを持ち、ＣＷ発振で得られたレーザー又は高周波信号発生装置５２から出力される高周波信号と同期したパルスレーザーを生成する偏光レーザー発振システム１と、高エネルギー電子ビーム発生装置５３から出射される電子ビームと３次元光共振器４内のレーザーとの衝突角が８−２０度の範囲になり、“１μｍ”以内の衝突精度で衝突するように、偏光レーザー発振システム１を構成する３次元光共振器４が収納され、３次元光共振器４内のレーザーと衝突させたとき生じる逆コンプトン散乱によって放射線を生成させる衝突チャンバ５４と、衝突チャンバ５４で生成された放射線を取り出すとともに、放射線量を測定する放射線検出装置５５とを備えている。
【００７７】
そして、高周波信号発生装置５２から出力される高周波信号によって、高エネルギー電子ビーム発生装置５３と、偏光レーザー発振システム１とを完全に同期させながら、偏光レーザー発振システム１の３次元光共振器４内に“１００ＭＨｚ”以上の超高繰り返しの特性を有する左円偏光特性（または、左円偏光特性）を持ち、パルスの時間幅が“３０ｐｓｅｃ”以内であり、ビームサイズが“１０μｍ”以下の大強度偏光パルスレーザーを発生させるとともに、高エネルギー電子ビーム発生装置５３から規格化エミッタンス“１０ｍｍｍｒａｄ”以下の高品質特性を有する高エネルギーの電子ビームを出射させ、衝突チャンバ５４内でこれら高エネルギーの電子ビームと、大強度偏光パルスレーザーとを衝突させる。
【００７８】
これにより、逆コンプトン散乱によって、エネルギーが“０．２５ｋｅＶ”以上になる極短パルス偏光放射線を発生させ、放射線検出装置５５によって、これを取り出させ、外部に導かせるとともに、外部に導かれた放射線の放射線量を測定させ、表示器（図示は省略する）などに表示させることができる。
【００７９】
このように、この形態では、３次元光共振器４内に設定された衝突点で、高エネルギー電子ビーム発生装置５３から出射される高エネルギー電子ビームと、３次元光共振器４内の衝突点に生成された、ビームサイズが“１０μｍ”以下で、エネルギー強度が“１ｍＪ／パルス”以上である右偏光のパルスレーザー又は左偏光のパルスレーザーとを衝突させて、極短パルス偏光放射線を発生させることができる。
【００８０】
また、この形態では、３次元光共振器４内に設定された衝突点で、高エネルギー電子ビーム発生装置５３から出射される規格化エミッタンス“１０ｍｍｍｒａｄ”以下の高品質特性を有する高エネルギー電子ビームと、３次元光共振器４内の衝突点に生成された、ビームサイズが“１０μｍ”以下で、エネルギー強度が“１ｍＪ／パルス”以上である右偏光のパルスレーザー又は左偏光のパルスレーザーとを、ほぼ正面衝突に近い衝突角度“８−２０度”の範囲で、かつ“１μｍ”以内の衝突精度で衝突させて、エネルギーが“０．２５ｋｅＶ”以上の特性を有する極短パルス偏光放射線を発生させることができる。
【００８１】
また、この形態では、３次元光共振器４内に設定された衝突点で、高エネルギー電子ビーム発生装置５３から出射される規格化エミッタンス“１０ｍｍｍｒａｄ”以下の高品質特性を有する高エネルギー電子ビームと、３次元光共振器４内の衝突点に生成された、ビームサイズが“１０μｍ”以下で、エネルギー強度が“１ｍＪ／パルス”以上であり、“１００ＭＨｚ”以上の超高繰り返しの特性を有する左右どちらかの円偏光を有する大強度偏光のパルスレーザーとを、ほぼ正面衝突に近い衝突角度“８−２０度”の範囲で、かつ“１μｍ”以内の衝突精度で衝突させて、エネルギーが“０．２５ｋｅＶ”以上の特性を有する極短パルス偏光放射線を発生させることができる。
【００８２】
また、この形態では、３次元光共振器４内に設定された衝突点で、高エネルギー電子ビーム発生装置５３から出射される規格化エミッタンス“１０ｍｍｍｒａｄ”以下の高品質特性を有する高エネルギー電子ビームと、３次元光共振器４内の衝突点に生成された、ビームサイズが“１０μｍ”以下で、エネルギー強度が“１ｍＪ／パルス”以上である右偏光のパルスレーザー又は左偏光のパルスレーザーとを、ほぼ正面衝突に近い衝突角度“８−２０度”の範囲で、かつ“１μｍ”以内の衝突精度で衝突させて、エネルギーが“０．２５ｋｅＶ”以上の特性を有する極短パルス偏光状のＸ線又はγ線を発生させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
本発明は、左右円偏光性を自由に、選択し得る偏光レーザー又は偏光放射線の光共振器に関するものであり、産業上の利用可能性を有する。
【符号の説明】
【００８４】
１：偏光レーザー発振システム
２：レーザー光源
３：入射光学系
４：３次元光共振器
５：共振モニタ器
６：ゼロクロスフィードバック信号生成器
７：偏光切替スイッチ
８：共振制御器
９：平面鏡
１０：コリメートレンズ
１１：偏光ビームスプリッタ
１２：リング部材
１３：リング部材
１４：棒部材
１５：平板
１６：反射鏡保持枠
１７：反射鏡保持枠
１８：平板
１９：反射鏡保持枠
２０：反射鏡保持枠
２１：平面鏡
２２：平面鏡
２３：凹面鏡
２４：凹面鏡
２５：ピエゾ素子（圧電素子）
２６：平面鏡
２７：ピンフォトダイオード
２８：平面鏡
２９：λ／２波長板
３０：偏光ビームスプリッタ
３１：平面鏡
３２：ピンフォトダイオード
３３：平面鏡
３４：ピンフォトダイオード
３５：差動増幅器
３６：ゼロクロス判定回路
３７：電子ビーム通路
５１：偏光放射線発生システム
５２：高周波信号発生装置
５３：高エネルギー電子ビーム発生装置
５４：衝突チャンバ
５５：放射線検出装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、左右円偏光性を自由に選択し得る偏光レーザー又は偏光放射線を発振させる光共振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、偏光レーザーを発振させる光発振器として、レーザー発生器で得られたレーザーを光共振器に導いて共振させることにより偏光レーザーを発生させる光発振器が知られている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、このような従来の光発振器においては、レーザーの円偏光性を分離することができないことから、偏光子、ファラデー回転子、λ／４波長板などを使用して、円偏光を切り替えなければならず、調整作業が煩雑であるという問題があった。
【０００４】
また、従来の光発振器では、偏光子、ファラデー回転子、λ／４波長板などを各々、調整して右円偏光、左円偏光を切り替えなければならないことから、切り替え速度を速くすることが難しいのみならず、純粋な円偏光レーザーを保証することが困難であるという課題があった。
【０００５】
本発明は、上記した従来の光発振器の課題に鑑みて、レーザー光源で得られたレーザーを、右偏光又は左偏光のどちらか一方に共振させると共に、左右どちらにも容易に切り替え可能な３次元光共振器を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このため、本発明は、立体的に配置された１対の平面鏡と１対の凹面鏡とを備え、入射光学系から出射されるレーザーを取り込み、当該レーザーを圧電素子によって長さが調整された光路上を周回させながら前記光路の光路長に応じて右円偏光又は左円偏光を選択することによってレーザーを共振させるように形成された３次元光共振器を提供するものである。
【０００７】
ここで、前記レーザーは、ＣＷレーザー発振器、モードロックレーザーパルス発振器の少なくとも何れかを持ち、ＣＷレーザー形式又はパルスレーザー形式のレーザーを生成するレーザー光源から出射されるレーザーの偏光面とビーム径を整える前記入射光学系に入射される。
【０００８】
そして、本発明の３次元共振器内部で共振しているレーザーの強度をモニタする共振モニタ器を備える。また、内部で共振しているレーザーのうち、前記平面鏡および前記凹面鏡の何れかを透過したレーザーをＰ偏光成分とＳ偏光成分とに分離し、その強度を測定すると共に、その差分値を求めて、ゼロクロスフィードバック信号を生成するゼロクロスフィードバック信号生成器を備える。
【０００９】
さらに、前記選択される右円偏光又は左円偏光を指定する指示信号を出力する偏光切替スイッチと、前記偏光切替スイッチの出力、前記共振モニタ器の出力、前記ゼロクロスフィードバック信号生成器の出力に基づき、前記３次元光共振器に設けられた前記圧電素子の駆動電圧を制御して、前記光路長を調整させ、前記３次元光共振器内に右円偏光、又は左円偏光のレーザーを選択的に蓄積させる共振制御器と、を備えるのである。
【００１０】
本発明は、さらに、前記３次元光共振器内に設定された衝突点において、ビームサイズが“１０μｍ”以下にされ、エネルギー強度が“１ｍＪ／パルス”以上になる右偏光のパルスレーザー又は左偏光のパルスレーザーと前記高エネルギー電子ビーム発生装置から出射される高エネルギー電子ビームとを衝突させ、極短パルス偏光放射線を生成させることを特徴とする３次元光共振器を提供するものである。
【００１１】
ここで、前記極短パルス偏光放射線は、その放射線量が測定される。また、前記衝突点において、前記高エネルギー電子ビーム発生装置から出射される規格化エミッタンス“１０ｍｍｍｒａｄ”以下の高品質特性を有する高エネルギー電子ビームと、前記３次元光共振器内のパルスレーザーとを衝突角度“８−２０度”の範囲で、かつ“１μｍ”以内の衝突精度で衝突させ、エネルギーが“０．２５ｋｅＶ”以上の特性を有する極短パルス偏光放射線を発生させ、外部に取り出すようにしている。そして、前記極短パルス偏光放射線は、Ｘ線又はγ線である、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る３次元光共振器においては、レーザー光源で得られたレーザー又は放射線を右偏光又は左偏光のどちらか一方に共振させると共に、左右どちらにも容易に切り替え可能にしたことにより、従来の光発振器が有していた課題であるレーザーの円偏光性を分離できないことによる偏光子、ファラデー回転子、λ／４波長板などを使用して円偏光を切り替える必要性をなくすると共に、純粋な円偏光レーザーを得ることを実現したのである。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の３次元光共振器を利用した偏光レーザー発振システムの例を示す概略構成図である。
【図２】本発明に係る３次元光共振器の詳細な構成例を示す。
【図３】本発明の３次元光共振器を利用した偏光放射線発生システムの例を示す概略構成図である。
【図４】本願発明において提案する非平面４枚ミラーリング光共振器の構成図である。
【図５】予備実験テストで使用したシステムのレイアウトを示す概略構成図である。
【図６】入射したレーザーが線形偏光を有する場合に観察できる典型的な信号の一例を示すグラフである。
【図７】Ｒ1＝０．９９、Ｔ1＝０．０１、Ｒ＝０．９８であるときにおける、関数“Ｆ（δ）＝Ｅr／Ｅi”をプロットしたものである。
【図８】Ｒ1＝０．９９、Ｔ1＝０．０１、Ｒ＝０．９８、φgeo＝−０．０５７５ｒａｄにし、数式１１の列ベクトルで示される反射波“Ｅr”の成分“Ｅsr”、“Ｅpr”の差分信号“Ｅsr−Ｅpr”と、加算信号“Ｅsr＋Ｅpr”とを計算して、プロットしたものである。
【図９】Ｒ1＝０．９９９、Ｔ1＝０．００１、Ｒ＝０．９９８、“φgeo＝−０．０５７５ｒａｄ”にし、数式１１の列ベクトルで示される反射波“Ｅr”の成分“Ｅsr”、“Ｅpr”の差分信号“Ｅsr−Ｅpr”と、加算信号“Ｅsr＋Ｅpr”とを計算して、プロットしたものである。
【図１０】本願発明者が作成した実験装置の概要を示す構成図である。
【図１１】本発明の３次元光共振器を利用した実験装置の共鳴点近傍で観測された信号を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
１．発明の背景
高精度な光共振器は、さまざまな科学分野で使用されている。レーザー発振器からのレーザービームを光共振器に入射させることによって、ビームの強度を数段階上げることができる。加速器物理学の分野では、この技術は、レーザーコンプトン散乱方式に基づく小型のＸ線光源を開発するために必要とされる。
【００１５】
光共振器の共鳴は、鋭いピークに維持する必要があることから、サーボシステムの移動方向を制御するために使用可能な共鳴曲線から差分信号を得るためのさまざまな方式が開発されている。
【００１６】
広く利用されている方式の一つに、共鳴のピークの外側の周波数側波帯を導入し、反射波の位相シフトを測定するPound-Drever-Hall法がある。別の方式としてのTilt-locking methodでは、基本的なモードと、より高い横モードとの間の干渉を利用して、反射波の位相シフトを検出する。また、Hansch-Couillaud（ＨＣ）法は、光共振器の内部に、複屈折材を載置させて、光共振器を共鳴偏光依存構造にし、共鳴で起きた位相シフトに起因する反射波の偏光変化を測定する。角度をつけて設置したミラーを使用するマルチミラー光共振器システムにおいては、たとえ２枚ミラーシステムであっても、ミラーの応力によって、線形偏光依存構造の特性が起こり得るため、ＨＣ法の変形は、付加的材料なくして、実現することができる。
【００１７】
３次元（非平面）構成の４枚ミラーリング光共振器は、光共振器の内部の１点に微小スポットを生成することができる。レーザーコンプトンＸ線源を使用すれば、４枚ミラーリング光共振器で、有効なレーザーエレクトロン交差を提供可能であり、生成Ｘ線性能（または収束性能）を改善することが可能となる。
【００１８】
非平面光共振器は、通常、３次元光路における画像の回転により、円偏光依存特性を有する。本願発明者は、この円偏光依存特性を利用して、非平面光共振器の共鳴から差分信号を得るための新しい方法を提案する。この方法は、円偏光依存を有するＨＣ法の変形である。
【００１９】
２．実験の装置
２．１．非平面光共振器の概略
図４は、本願発明に係る非平面４枚ミラーリング光共振器の構成を示す。光路は、表面が辺“ａ”、“ａ”、“ｂ”を有する二等辺三角形である左右対称四面体の辺に沿っている。辺“ａ”は４２０ｍｍ、辺“ｂ”は１００ｍｍである。各頂点“Ｐ1”、“Ｐ2”、“Ｐ3”、“Ｐ4”にある各ミラーは、この順に閉光共振器を形成する。頂点“Ｐ1”と頂点“Ｐ2”のミラーは平面鏡であり、頂点“Ｐ3”と頂点“Ｐ4”のミラーは凹形鏡である。この実験で使用した各ミラー（平面鏡、凹形鏡）は全て、反射率“９９％”、透過率“１％”である。点“Ｑ1”は頂点“Ｐ1”と頂点“Ｐ3”の中点である。点“Ｑ2”は、頂点“Ｐ2”と頂点“Ｐ4”の中点である。
【００２０】
２．２．幾何学的位相の影響
非平面光共振器の独自性は、円偏光の共鳴の縮退、分離にあることから、次に述べ手順で、幾何学的位相の影響を調べた。
【００２１】
頂点“Ｐ2”での影響について、単位のベクトル“ｋ1”およびベクトル“ｋ2”は各々、頂点“Ｐ1”から頂点“Ｐ2”への光線および頂点“Ｐ2”から頂点“Ｐ3”の光線（入射光）である。
【数１】
【００２２】
ここで、頂点“Ｐ2”および頂点“Ｐ3”における反射光の通常のベクトル“ｎ1”およびベクトル“ｎ2”は、次式で表すことができる。
【数２】
【００２３】
そして、入射光および反射光を含む面は、単位の各ベクトル“ｋ1”、“ｋ2”と、通常のベクトル“ｎ1”、“ｎ2”との定義を使用し、次式に示すベクトル“ａ1”、“ａ2”で表すことができる。
【数３】
【００２４】
ここで、ベクトル“ａ1”と、ベクトル“ａ2”との間の角度“α12”は、４枚ミラー光共振器の一辺で起きたイメージの回転であり、角度“α12”は次の式で算出することができる。
【数４】
【００２５】
そして、このような非平面光共振器では、各反射点におけるイメージの回転が累積されることから、非平面光共振器内の光路を１周するとき、全体的な効果は角度“４α12”（以後、適時、これを幾何学的位相“φgeo”と呼ぶ）となる。また、イメージの回転は、回転偏光波の場合における位相シフトに相当する。また、右偏光および左偏光の位相シフトの符号は逆であるため、二つの円偏光の間の共鳴の減退を分割する。
【００２６】
例えば、角度“４α12”は、本願発明において提案する３次元共振器においては、“−０．０５７５ｒａｄ（２πの整数は無視する）”である。
【００２７】
２．３．光共振器の共鳴の測定
本願発明者は、予備実験テストを行って、本願発明において提案する光共振器の偏光特性を調べた。この際、作成したシステムのレイアウトを図５に示す。
【００２８】
この際、シングルモードＣＷレーザー（イノライト製、プロメーテウス・モデル）を光源として使用した。偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）で、入射するレーザー光の偏光を弁別した。入射レーザーが、光共振器、固有のモードに適合するようにレンズ（matching）対を配置した。光共振器（3D-4mirror cavity）に対する入射レーザーの入射位置と角度は、一対の平面鏡で調整した。光共振器鏡の一方（concave）は、ピエゾ素子（piezo）を持つ圧電制御ステージ上に装着して、光共振器の長さ（光路長）を変更できるようにした。光共振器の共鳴は、ピエゾ素子にランプ電圧（スロープ状に順次、高くなる電圧）を印加しつつ、ピンフォトダイオード（ＰＤ）で光共振器の透過レーザーを測定することによって判定した。
【００２９】
図６は、入射したレーザーが線形偏光を有する場合に観察できる典型的な信号を示す。ピエゾ素子を使って光共振器の光路長を走査させながら、光共振器の透過レーザーをフォトダイオードで測定したときのグラフである。上の図は、自由スペクトル範囲の全期間を示す。最も高いピークは、基本的な横モードに相当する。下の図は、基本的なモードのピークのうちの一つを拡大したものである。
【００３０】
この図６では、２つある共鳴ピークは、一方が右偏光に相当し、他方が左偏光に相当するダブルピーク構造になっている。入射したレーザーの線形偏光が２つの円偏光を同じ量だけ含んであるので、光共振器は、両共鳴条件に基づいて、わずかに異なる位相で共鳴する。
【００３１】
３．ロックする技術の方式
３．１．計算
３．１．１．反射波の説明
光共振器では、各共鳴鏡における反射波の複素共振“Ｅr”は、次のように記述できる。
【数５】
ここで、“Ｅi”は、入射波の複素共振、“Ｒ1”および“Ｔ1”は光共振器の入出射口に配置された共鳴鏡の反射率および透過率である。“Ｒ”は、“Ｆ＝π／（１−Ｒ）”で定義された光共振器のフィネス“（Ｆ）”との関連する値です。ここで、“Ｒ”は、４枚ミラー光共振器の場合と同じ精度を有する２枚ミラー光共振器で使用される共振鏡の反射率として考えることができる。また“δ”は、共鳴条件から導かれる位相差である。
【００３２】
図７は、Ｒ1＝０．９９、Ｔ1＝０．０１、Ｒ＝０．９８であるときにおける、関数“Ｆ（δ）＝Ｅr／Ｅi”をプロットしたものである。上の線は、位相差“δ”の実数部分を示し、下の線は位相差“δ”の虚数部分を示す。
【００３３】
３．１．２．偏光の説明
また、このような光共振器に対し、ジョーンズマトリックスを使用すると、波の偏光は次式を使用して、説明できる。
【数６】
ここで、列ベクトル“Ｅ”のそれぞれの要素“Ｅp”、“Ｅs”は各々、Ｐ偏光、Ｓ偏光を表す。電界は、テーブルに対して平行、且つ垂直である。波がテーブル上に水平に載置した偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）で分波されれば、二つの要素は別々に測定することができる。
【００３４】
円偏光波は次のように記述できる。
【数７】
【００３５】
ここで、列ベクトル“ＥR”、“ＥL”は、それぞれ単位共振の右偏光、左偏光である。非平面光共振器の固有状態は円偏光に対応するので、入射波は、右偏光の単位共振“ＥR”と、左偏光の単位共振“ＥL”との重ね合わせとして好都合に記述できる。また、テーブル面に対して４５度回転させた直線偏光の単位共振である列ベクトル“Ｅ45”は、次のように記述できる。
【数８】
【００３６】
３．２．提案するシステムの方式
上述した２．２の章で説明したように、付加的幾何学的位相により、右偏光および左偏光の共鳴条件は、反対の符号にシフトする。反射波の右偏光成分“ＥrR”、左偏光成分“ＥrL”は、付加的幾何学位相“φgeo”を用いて、次のように表わすことができる。
【数９】
【数１０】
【００３７】
ここで、数式８が入射波の場合、反射波の右偏光成分“ＥrR”、左偏光成分“ＥrL”は、光共振器内で、相互に作用し合う。結果生成される重ね合わせの反射波“Ｅr”は次式で表わされる。
【数１１】
【００３８】
図８は、“Ｒ1＝０．９９”、“Ｔ1＝０．０１”、“Ｒ＝０．９８”、“φgeo＝−０．０５７５ｒａｄ”にし、この数式１１の列ベクトルで示される反射波“Ｅr”の成分“Ｅsr”、“Ｅpr”の差分信号“Ｅsr−Ｅpr”と、加算信号“Ｅsr＋Ｅpr”とを計算して、プロットしたものである。但し、図８では、図９との関係を分かり易くするため、差分信号“Ｅsr−Ｅpr”として、“ＰＤ１−ＰＤ２”を表示し、加算信号“Ｅsr＋Ｅpr”として、“ＰＤ１＋ＰＤ２”を表示してある。
【００３９】
これは、本願発明のテスト対象となる光共振器の構成に相当するものであり、“Ｅsr−Ｅpr”は本願発明において提案している光共振器をロックするための差分信号である。
【００４０】
さらに、より精度を上げた場合の計算を図９に示す。これは、Ｒ1＝０．９９９、Ｔ1＝０．００１、Ｒ＝０．９９８、“φgeo＝−０．０５７５ｒａｄにしたときの計算例である。
【００４１】
図８及び図９の記載から明らかなように、“ＰＤ１−ＰＤ２”で表示されている差分信号“Ｅsr−Ｅpr”は、共鳴のピークでゼロと交差する。さらに、ゼロと交差する差分信号“Ｅsr−Ｅpr”の符号（マイナスからプラスか、プラスからマイナスか）を選択することによって、右円偏光および左円偏光のどちらについても、円偏光共鳴の一つでシステムをロックすることが可能になる。
【００４２】
３．３．実験
計算を確認するため、本願発明者は、図１０に示す装置を使って実験を行った。直線偏光波を３次元光共振器“3D-cavity”に入射させた。入射出口に配置された平面鏡“reflection”からの反射光（３次元光共振器“3D-cavity”内のレーザービーム）を偏光ビームスプリッタ“ＰＢＳ”および２つのピンフォトダイオード“ＰＤ１”、“ＰＤ２”から成る検知システム“detection system”に導いた。
【００４３】
ピンフォトダイオード“ＰＤ１”は、偏光ビームスプリッタ“ＰＢＳ”の基準として、Ｐ偏光の強度“Ｅp”をモニタし、ピンフォトダイオード“ＰＤ２”はＳ偏光“Ｅs”の強度をモニタした。各ピンフォトダイオード“ＰＤ１”、“ＰＤ２”からの信号は差分増幅器“differential amplifier”に供給し、差動電圧“Ｅs−Ｅp”を出力信号“output”として出力した。
【００４４】
検出システム“detection system”の入力側にあるλ／２波長板“λ/2”の角度を調整して、入射するレーザービームの偏光面と、検出システム“detection system”の偏光面とを整合させ、λ／２波長板“λ/2”と、３次元光共振器“3D-cavity”との距離が離れていても、２つのピンフォトダイオード“ＰＤ１”、“ＰＤ２”の出力がバランスするようにした。
【００４５】
この状況は、偏光ビームスプリッタ“ＰＢＳ”の入力側に入射するレーザービームが、数式８として表わされることに相当する。また、ピンフォトダイオード“ＰＤ０”を使って、３次元光共振器“3D-cavity”からの透過光（３次元光共振器“3D-cavity”内のレーザービーム）の強度を測定し、３次元光共振器“3D-cavity”の共鳴状態をモニタした。
【００４６】
本願発明者は、ピエゾ素子“piezo”で位置が調整される圧電制御ミラーを使って３次元光共振器“3D-cavity”の光路長をスキャンさせながら、差分増幅器“differential amplifier”の出力信号“output”を測定した。３次元光共振器“3D-cavity”の共鳴点近傍で観測された信号を図１１に示す。一番下の線は、透過光を測定したピンフォトダイオード“ＰＤ０”の信号である。これは、３次元光共振器“3D-cavity”の共鳴点を示す。中央の線は、差分増幅器“differential amplifier”の出力信号“output”であり、この出力信号の形状は図８で計算した結果と一致する。差分増幅器“differential amplifier”の出力信号“output”は、２つの共鳴点で各々、ゼロと交差し、それぞれの円偏光ピークの近傍で異なる符号となった。これにより、差分増幅器“differential amplifier”の出力信号“output”が各ゼロ交差点の何れか一方と一致するように、３次元光共振器“3D-cavity”の光路長を調整すれば、３次元光共振器“3D-cavity”が持つ２つの共鳴ピークのどちらか１つにロックさせることができる。
【００４７】
本発明では、このようなロック法を使用して、３次元光共振器“3D-cavity”が持つ２つの共鳴ピークのうちの１つにロックさせることにより、３次元光共振器“3D-cavity”を右偏光、左偏光のどちらでも、共鳴させ得るようにしている。
【００４８】
《本発明の実施の形態》
図１は、上述した原理を用いる本発明による光共振器を利用した偏光レーザー発振システムの例を示す概略構成図である。
【００４９】
また、図３は、本発明の３次元光共振器を利用した偏光放射線発生システムの例を示す概略構成図である。
【００５０】
図１に示す偏光レーザー発振システムは、ＣＷレーザー発振器、モードロックレーザーパルス発振器を持ち、ＣＷレーザー、又はパルスレーザーなどのレーザーを生成するレーザー光源２と、レーザー光源２から出射されるレーザーの偏光面、ビーム径を整える入射光学系３と、入射光学系３から出射されるレーザーを受光し、調整された光路長に応じて、右円偏光、又は左円偏光を選択して、蓄積する３次元光共振器４と３次元光共振器４内で共振しているレーザーの強度をモニタする共振モニタ器５と、３次元光共振器４内で共振しているレーザーのうち、平面鏡２１を透過したレーザーをＰ偏光、Ｓ偏光に分離し、その強度を測定すると共に、その差分値を求めて、ゼロクロスフィードバック信号を生成するゼロクロスフィードバック信号生成器６と３次元光共振器４で選択される右円偏光、又は左円偏光を指定する指示信号を出力する偏光切替スイッチ７と、偏光切替スイッチ７の出力、共振モニタ器５の出力、ゼロクロスフィードバック信号生成器６の出力に基づき、３次元光共振器４の光路長を制御し３次元光共振器４内に右円偏光、又は左円偏光のレーザーを選択的に、蓄積させる共振制御器８とを備えており、偏光切替スイッチ７から出力される指示信号、共振モニタ器５のモニタ結果、ゼロクロスフィードバック信号生成器６から出力されるゼロクロス検出信号などに基づき、共振制御器８によって、レーザー光源２、３次元光共振器４を制御して、３次元光共振器４内に時間幅が３０ｐｓｅｃ以内、ビームサイズが１０μｍ以下、エネルギー強度が１ｍＪ／パルス以上になる、左右どちらかの円偏光大強度パルスレーザーを発生させる。
【００５１】
レーザー光源２は、ＣＷレーザーを生成するＣＷレーザー発振器、パルスレーザーを生成するモードロックレーザーパルス発振器などを備えており、共振制御器８からの指示に基づき、ＣＷレーザー発振器、モードロックレーザーパルス発振器の何れかを起動させて、ＣＷレーザー、又はパルスレーザーなどのレーザーを生成し、入射光学系３に入射させる。
【００５２】
入射光学系３は、レーザー光源２から出射されるレーザーを３次元光共振器４に導く複数の平面鏡９と、これら各平面鏡９で規定された光路上に配置され、レーザー光源２から出射されるレーザーのビーム径を整える複数のコリメートレンズ１０と、各平面鏡９によって規定された光路上に設置され、レーザーを直線偏光にする偏光ビームスプリッタ１１とを備えており、レーザー光源２から出射されるレーザーの偏光面、ビーム径を整えて、３次元光共振器４に入射させる。
【００５３】
図２に示す３次元光共振器４は、熱膨張率が小さく、電子ビーム、放射線による損傷を受けにくい材料によって構成され、高エネルギー電子ビーム発生装置の出射路に設けられた衝突チャンバ内に収納可能な大きさに形成される２つのリング部材１２、１３と、熱膨張率が小さく、電子ビーム、放射線による損傷を受けにくい材料によって構成され、各リング部材１２を所定距離だけ並行に離間させる４本の棒部材１４と、熱膨張率が小さく、電子ビーム、放射線による損傷を受けにくい材料によって構成され、水平方向に対し、時計方向に４５度傾くように、一方のリング部材１２に取り付けられる平板１５と、熱膨張率が小さく、電子ビーム、放射線による損傷を受けにくい材料によって構成され、平板１５に形成された各丸穴に取り付けられる２つの反射鏡保持枠（ステージ）１６、１７と、熱膨張率が小さく、電子ビーム、放射線による損傷を受けにくい材料によって構成され、水平方向に対し、反時計方向に４５度傾くように、他方のリング部材１３に取り付けられる平板１８と、熱膨張率が小さく、電子ビーム、放射線による損傷を受けにくい材料によって構成され、平板１８に形成された各丸穴に取り付けられる２つの反射鏡保持枠（ステージ）１９、２０とを備えている。
【００５４】
さらに３次元光共振器４は、反射率が“０．９９９”、透過率が“０．００１”に設定され、各反射鏡保持枠１６、１７、１９、２０のうち、入射光学系３から出射されるレーザーの入射口に配置された反射鏡保持枠１６に取り付けられ、入射光学系３から出射されるレーザーを透過させると共に、他方のリング部材１３側からのレーザーを反射する平面鏡２１と、反射率が“０．９９９”、透過率が“０．００１”に設定され、各反射鏡保持枠１６、１７、１９、２０のうち、平面鏡２１が設けられたリング部材１２と対向するリング部材１３の反射鏡保持枠１９に設置され、平面鏡２１を透過したレーザー、および平面鏡２１で反射されたレーザーを反射する平面鏡２２と、反射率が“０．９９９”、透過率が“０．００１”に設定され、各反射鏡保持枠１６、１７、１９、２０のうち、平面鏡２１が設けられたリング部材１２の反射鏡保持枠１７に設置され、平面鏡２２で反射されたレーザーを反射し、電子ビーム通路３７上に設定された衝突点で、ビームサイズが１０μｍ以下になるように集光させる凹面鏡２３と、反射率が“０．９９９”、透過率が“０．００１”に設定され、各反射鏡保持枠１６、１７、１９、２０のうち、凹面鏡２３が設けられたリング部材１２と対向するリング部材１３の反射鏡保持枠２０に設置され、凹面鏡２３でコリメートされたレーザーを並行なレーザーに戻し、平面鏡２１に戻す凹面鏡２４と、凹面鏡２４と反射鏡保持枠２０との間に配置され、共振制御器８から供給される駆動電圧に応じて、変形し、凹面鏡２４の位置を調整するピエゾ素子２５とを備えている。
【００５５】
そして、入射光学系３から出射されるレーザーを取り込み、平面鏡２１→平面鏡２２→凹面鏡２３→凹面鏡２４→平面鏡２１なる経路で、閉じ込めると共に、ピエゾ素子２５によって調整された光路長に応じ、右円偏光、又は左円偏光を選択して、蓄積する。
【００５６】
また、共振モニタ器５は３次元光共振器４の平面鏡２２を透過したレーザーを反射する平面鏡２６と、平面鏡２６で反射されたレーザーを受光し、レーザー強度に応じた電圧値を持つモニタ信号（３次元光共振器４内で共振しているレーザーの強度を示す信号）を生成するピンフォトダイオード２７とを備えており、３次元光共振器４の平面鏡２２を透過したレーザーの強度を測定してモニタ信号（３次元光共振器４内のレーザーが共振しているとき、大きな値となる信号）を生成し、共振制御器８に供給する。
【００５７】
また、ゼロクロスフィードバック信号生成器６は３次元光共振器４内で共振しているレーザーのうち、平面鏡２１を透過したレーザーを反射させ３次元光共振器４から所定距離、離れた場所に導く複数の平面鏡２８と３次元光共振器４から距離に応じた取り付け角度に調整され、最終段の平面鏡２８で反射されたレーザーの偏光面を調整するλ／２波長板２９と、λ／２波長板２９で偏光面が調整されたレーザーをＰ偏光、Ｓ偏光に分離する偏光ビームスプリッタ３０と、偏光ビームスプリッタ３０で分離されたＳ偏光側のレーザーを反射する平面鏡３１と、平面鏡３１で反射されたＳ偏光側のレーザーを受光し、Ｓ偏光側のレーザー強度を示すＳ偏光強度信号を生成するピンフォトダイオード３２と、偏光ビームスプリッタ３０で分離されたＰ偏光側のレーザーを反射する平面鏡３３と、平面鏡３３で反射されたＰ偏光側のレーザーを受光し、Ｐ偏光側のレーザー強度を示すＰ偏光強度信号を生成するピンフォトダイオード３４と、ピンフォトダイオード３２から出力されるＳ偏光強度信号とピンフォトダイオード３４から出力されるＰ偏光強度信号との差分を演算し、差分信号を生成する差動増幅器３５と、差動増幅器３５から出力される差分信号がゼロクロスしているかどうか、ゼロクロスしたとき、プラス側からマイナス側にゼロクロスしたか、マイナス側からプラス側にゼロクロスしたかどうかなどを判定し、これらの判定結果を示すゼロクロスフィードバック信号を生成するゼロクロス判定回路３６とを備えており３次元光共振器４内で共振しているレーザーのうち、平面鏡２１を透過したレーザーを取り込んで、Ｐ偏光、Ｓ偏光に分離し、その強度を測定すると共に、その差分値を求めて、差分信号がゼロクロスしているかどうか、ゼロクロスしたとき、プラス側からマイナス側にゼロクロスしたか、マイナス側からプラス側にゼロクロスしたかどうかなどを示すゼロクロスフィードバック信号を生成し、共振制御器８に供給する。
【００５８】
また、偏光切替スイッチ７は、設定内容に応じて、右円偏光（又は、左円偏光）を指定する指示信号、又は高周波信号発生装置から出力される高周波信号に対応して、右円偏光、左円偏光を交互に指定する指示信号などを生成し、共振制御器８に供給する。
【００５９】
共振制御器８は、各種の演算を行うマイクロプロセッサ、又は演算機能が組み込まれたＬＳＩなどが搭載された演算基板を備えており、偏光切替スイッチ７から出力される指示信号、共振モニタ器５から出力されるモニタ信号、ゼロクロスフィードバック信号生成器６から出力されるゼロクロスフィードバック信号に基づき、ランプ状の電圧値、又は３次元光共振器４内に右円偏光、又は左円偏光のレーザーを選択させるのに必要な電圧値の駆動電圧を生成して３次元光共振器４のピエゾ素子２５に供給することにより３次元光共振器４の光路長を制御し３次元光共振器４内に右円偏光、又は左円偏光のレーザーを選択的に、蓄積させる。
【００６０】
次に、図１に示す概略構成図、図２に示す斜視図を参照しながら、偏光レーザー発振システム１の動作を説明する。
【００６１】
偏光レーザー発振システム１の起動スイッチがオンされて、レーザー光源２からＣＷレーザーなどのレーザーの出射が開始されると、入射光学系３によって、レーザーの偏光面、ビーム径が整えられて、３次元光共振器４の平面鏡２１に入射されると共に、平面鏡２１を透過したレーザーが平面鏡２１→平面鏡２２→凹面鏡２３→凹面鏡２４→平面鏡２１なる経路で、閉じ込められる。
【００６２】
また、この動作と並行し、共振モニタ器５によって３次元光共振器４の平面鏡２２を透過したレーザーの強度が測定されてモニタ信号が生成され、共振制御器８に供給される。
【００６３】
また、これらの動作と並行し、ゼロクロスフィードバック信号生成器６によって、３次元光共振器４内で共振しているレーザーのうち、平面鏡２１を透過したレーザーが取り込まれて、Ｐ偏光、Ｓ偏光に分離され、その強度が測定され、その差分値が求められると共に、ゼロクロスしているかどうかが判定されて、ゼロクロスフィードバック信号が生成され、共振制御器８に供給される。
【００６４】
また、この動作と並行し、共振制御器８によって、ランプ状に電圧値が高くなる駆動電圧が生成されて、３次元光共振器４内のピエゾ素子２５に供給され、３次元光共振器４の光路長が調整される。
【００６５】
そして、偏光切替スイッチ７から出力されている指示信号で、右円偏光、又は左円偏光の何れか、例えば右円偏光が指定され、この状況で、ゼロクロスフィードバック信号生成器６によって、右円偏光が検出されたことを示すゼロクロスフィードバック信号が生成され、共振モニタ器５から３次元光共振器４内でレーザーが共振していることを示すモニタ信号が出力されたとき、共振制御器８によって、これが検知されて、駆動電圧の電圧値が固定される。
【００６６】
これにより、３次元光共振器４内の光路長がその時点で固定され、３次元光共振器４内で右円偏光のレーザーに対する共振が指定された時間、維持される。
【００６７】
また、レーザー光源２からモードロック発振で生成された大強度のパルスレーザーが出射されている場合も、同様な制御が行われて３次元光共振器４内に右円偏光のパルスレーザー（大強度のパルスレーザー）、又は左円偏光のパルスレーザー（大強度のパルスレーザー）が共振、蓄積されると共に、少なくとも０．００１秒間、安定的に維持される。
【００６８】
このとき、モードロック発振周波数とパルスレーザーの時間輻とによって、パルスレーザーの線幅が決まり、また３次元光共振器４内では、衝突点におけるパルスレーザーのビームサイズが１０μｍ以下であることから、パルスレーザーの時間幅が３０ｐｓｅｃ以内であれば、３次元光共振器４内における衝突点での、エネルギー強度を１ｍＪ／パルス以上にすることができる。
【００６９】
また、偏光切替スイッチ７から右円偏光、左円偏光を交互に指定する指示信号が出力されている場合にも、同様な制御が行われて、３次元光共振器４内に右円偏光のパルスレーザー（大強度のパルスレーザー）と、左円偏光のパルスレーザー（大強度のパルスレーザー）とが交互に、共振、蓄積される。
【００７０】
このときにも、モードロック発振周波数とパルスレーザーの時間輻とによって、パルスレーザーの線幅が決まり、また３次元光共振器４内では、衝突点におけるパルスレーザーのビームサイズが１０μｍ以下であることから、パルスレーザーの時間幅が３０ｐｓｅｃ以内であれば、３次元光共振器４内における衝突点での、エネルギー強度を１ｍＪ／パルス以上にすることができる。
【００７１】
このように、この形態では、レーザー光源２で得られたレーザーを３次元光共振器４に導いて、右偏光、又は左偏光のどちらか一方に共振させることができると共に、偏光切替スイッチ７を操作するだけで、容易に切り替えさせることができる。
【００７２】
また、本発明の実施の形態では、レーザー光源２で得られた大強度パルスレーザーを３次元光共振器４に導いて、右偏光、又は左偏光のどちらか一方に共振させることができると共に３次元光共振器４内に設けられた衝突点に、ビームサイズが１０μｍ以下で、エネルギー強度が１ｍＪ／パルス以上になるパルスレーザーを生成させることができる。
【００７３】
また、この形態では、レーザー光源２で得られた、時間幅が３０ｐｓｅｃ以内の大強度パルスレーザーを３次元光共振器４に導いて、右偏光、又は左偏光のどちらか一方に共振させることができると共に３次元光共振器４内に設けられた衝突点に、ビームサイズが１０μｍ以下で、エネルギー強度が１ｍＪ／パルス以上になるパルスレーザーを生成させることができる。
【００７４】
また、この形態では、レーザー光源２で得られた大強度パルスレーザーを３次元光共振器４に導いて、３次元光共振器４内に設けられた衝突点に、ビームサイズが１０μｍ以下で、エネルギー強度が１ｍＪ／パルス以上になる右偏光パルスレーザー、左偏光パルスレーザーを交互に生成させることができる。
【００７５】
図３は、本発明の３次元光共振器を利用した偏光放射線発生システムの例を示す概略構成図である。なお、この図において、図１、図２と対応する部分には、同じ符号が付してある。
【００７６】
この図に示す偏光放射線発生システム５１は、システムを同期させるのに必要な高周波信号を発生する高周波信号発生装置５２と、加速器を持ち、高周波信号発生装置５２から出力される高周波信号と同期した高周波電圧を使用して、電子を加速させて、電子ビームを出射する高エネルギー電子ビーム発生装置５３と、レーザー光源、モードロックレーザー発振器などを持ち、ＣＷ発振で得られたレーザー又は高周波信号発生装置５２から出力される高周波信号と同期したパルスレーザーを生成する偏光レーザー発振システム１と、高エネルギー電子ビーム発生装置５３から出射される電子ビームと３次元光共振器４内のレーザーとの衝突角が８−２０度の範囲になり、“１μｍ”以内の衝突精度で衝突するように、偏光レーザー発振システム１を構成する３次元光共振器４が収納され、３次元光共振器４内のレーザーと衝突させたとき生じる逆コンプトン散乱によって放射線を生成させる衝突チャンバ５４と、衝突チャンバ５４で生成された放射線を取り出すとともに、放射線量を測定する放射線検出装置５５とを備えている。
【００７７】
そして、高周波信号発生装置５２から出力される高周波信号によって、高エネルギー電子ビーム発生装置５３と、偏光レーザー発振システム１とを完全に同期させながら、偏光レーザー発振システム１の３次元光共振器４内に“１００ＭＨｚ”以上の超高繰り返しの特性を有する左円偏光特性（または、左円偏光特性）を持ち、パルスの時間幅が“３０ｐｓｅｃ”以内であり、ビームサイズが“１０μｍ”以下の大強度偏光パルスレーザーを発生させるとともに、高エネルギー電子ビーム発生装置５３から規格化エミッタンス“１０ｍｍｍｒａｄ”以下の高品質特性を有する高エネルギーの電子ビームを出射させ、衝突チャンバ５４内でこれら高エネルギーの電子ビームと、大強度偏光パルスレーザーとを衝突させる。
【００７８】
これにより、逆コンプトン散乱によって、エネルギーが“０．２５ｋｅＶ”以上になる極短パルス偏光放射線を発生させ、放射線検出装置５５によって、これを取り出させ、外部に導かせるとともに、外部に導かれた放射線の放射線量を測定させ、表示器（図示は省略する）などに表示させることができる。
【００７９】
このように、この形態では、３次元光共振器４内に設定された衝突点で、高エネルギー電子ビーム発生装置５３から出射される高エネルギー電子ビームと、３次元光共振器４内の衝突点に生成された、ビームサイズが“１０μｍ”以下で、エネルギー強度が“１ｍＪ／パルス”以上である右偏光のパルスレーザー又は左偏光のパルスレーザーとを衝突させて、極短パルス偏光放射線を発生させることができる。
【００８０】
また、この形態では、３次元光共振器４内に設定された衝突点で、高エネルギー電子ビーム発生装置５３から出射される規格化エミッタンス“１０ｍｍｍｒａｄ”以下の高品質特性を有する高エネルギー電子ビームと、３次元光共振器４内の衝突点に生成された、ビームサイズが“１０μｍ”以下で、エネルギー強度が“１ｍＪ／パルス”以上である右偏光のパルスレーザー又は左偏光のパルスレーザーとを、ほぼ正面衝突に近い衝突角度“８−２０度”の範囲で、かつ“１μｍ”以内の衝突精度で衝突させて、エネルギーが“０．２５ｋｅＶ”以上の特性を有する極短パルス偏光放射線を発生させることができる。
【００８１】
また、この形態では、３次元光共振器４内に設定された衝突点で、高エネルギー電子ビーム発生装置５３から出射される規格化エミッタンス“１０ｍｍｍｒａｄ”以下の高品質特性を有する高エネルギー電子ビームと、３次元光共振器４内の衝突点に生成された、ビームサイズが“１０μｍ”以下で、エネルギー強度が“１ｍＪ／パルス”以上であり、“１００ＭＨｚ”以上の超高繰り返しの特性を有する左右どちらかの円偏光を有する大強度偏光のパルスレーザーとを、ほぼ正面衝突に近い衝突角度“８−２０度”の範囲で、かつ“１μｍ”以内の衝突精度で衝突させて、エネルギーが“０．２５ｋｅＶ”以上の特性を有する極短パルス偏光放射線を発生させることができる。
【００８２】
また、この形態では、３次元光共振器４内に設定された衝突点で、高エネルギー電子ビーム発生装置５３から出射される規格化エミッタンス“１０ｍｍｍｒａｄ”以下の高品質特性を有する高エネルギー電子ビームと、３次元光共振器４内の衝突点に生成された、ビームサイズが“１０μｍ”以下で、エネルギー強度が“１ｍＪ／パルス”以上である右偏光のパルスレーザー又は左偏光のパルスレーザーとを、ほぼ正面衝突に近い衝突角度“８−２０度”の範囲で、かつ“１μｍ”以内の衝突精度で衝突させて、エネルギーが“０．２５ｋｅＶ”以上の特性を有する極短パルス偏光状のＸ線又はγ線を発生させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
本発明は、左右円偏光性を自由に、選択し得る偏光レーザー又は偏光放射線の光共振器に関するものであり、産業上の利用可能性を有する。
【符号の説明】
【００８４】
１：偏光レーザー発振システム
２：レーザー光源
３：入射光学系
４：３次元光共振器
５：共振モニタ器
６：ゼロクロスフィードバック信号生成器
７：偏光切替スイッチ
８：共振制御器
９：平面鏡
１０：コリメートレンズ
１１：偏光ビームスプリッタ
１２：リング部材
１３：リング部材
１４：棒部材
１５：平板
１６：反射鏡保持枠
１７：反射鏡保持枠
１８：平板
１９：反射鏡保持枠
２０：反射鏡保持枠
２１：平面鏡
２２：平面鏡
２３：凹面鏡
２４：凹面鏡
２５：ピエゾ素子（圧電素子）
２６：平面鏡
２７：ピンフォトダイオード
２８：平面鏡
２９：λ／２波長板
３０：偏光ビームスプリッタ
３１：平面鏡
３２：ピンフォトダイオード
３３：平面鏡
３４：ピンフォトダイオード
３５：差動増幅器
３６：ゼロクロス判定回路
３７：電子ビーム通路
５１：偏光放射線発生システム
５２：高周波信号発生装置
５３：高エネルギー電子ビーム発生装置
５４：衝突チャンバ
５５：放射線検出装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
立体的に配置された１対の平面鏡と１対の凹面鏡とを備え、入射光学系から出射されるレーザーを取り込み、当該レーザーを圧電素子によって長さが調整された光路上を周回させながら前記光路の光路長に応じて右円偏光又は左円偏光を選択することによってレーザーを共振させるように形成された３次元光共振器。
【請求項２】
前記レーザーは、ＣＷレーザー発振器、モードロックレーザーパルス発振器の少なくとも何れかを持ち、ＣＷレーザー形式又はパルスレーザー形式のレーザーを生成するレーザー光源から出射されるレーザーの偏光面とビーム径を整える前記入射光学系に入射される請求項１に記載の３次元光共振器。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の３次元共振器であって、内部で共振しているレーザーの強度をモニタする共振モニタ器を備えた３次元光共振器。
【請求項４】
請求項３に記載の３次元光共振器であって、内部で共振しているレーザーのうち、前記平面鏡および前記凹面鏡の何れかを透過したレーザーをＰ偏光成分とＳ偏光成分とに分離し、その強度を測定すると共に、その差分値を求めて、ゼロクロスフィードバック信号を生成するゼロクロスフィードバック信号生成器を備えた３次元光共振器。
【請求項５】
請求項４に記載の３次元光共振器であって、前記選択される右円偏光又は左円偏光を指定する指示信号を出力する偏光切替スイッチと、
前記偏光切替スイッチの出力、前記共振モニタ器の出力、前記ゼロクロスフィードバック信号生成器の出力に基づき、前記３次元光共振器に設けられた前記圧電素子の駆動電圧を制御して、前記光路長を調整させ、前記３次元光共振器内に右円偏光、又は左円偏光のレーザーを選択的に蓄積させる共振制御器と、
を備えたことを特徴とする３次元光共振器。
【請求項６】
請求項１に記載の３次元光共振器内に設定された衝突点において、ビームサイズが“１０μｍ”以下にされ、エネルギー強度が“１ｍＪ／パルス”以上になる右偏光のパルスレーザー又は左偏光のパルスレーザーと前記高エネルギー電子ビーム発生装置から出射される高エネルギー電子ビームとを衝突させ、極短パルス偏光放射線を生成させることを特徴とする３次元光共振器。
【請求項７】
前記極短パルス偏光放射線は、その放射線量が測定されることを特徴とする請求項６に記載の３次元光共振器。
【請求項８】
前記衝突点において、前記高エネルギー電子ビーム発生装置から出射される規格化エミッタンス“１０ｍｍｍｒａｄ”以下の高品質特性を有する高エネルギー電子ビームと、前記３次元光共振器内のパルスレーザーとを衝突角度“８−２０度”の範囲で、かつ“１μｍ”以内の衝突精度で衝突させ、エネルギーが“０．２５ｋｅＶ”以上の特性を有する極短パルス偏光放射線を発生させ、外部に取り出す、ことを特徴とする請求項６又は７に記載の３次元光共振器。
【請求項９】
前記極短パルス偏光放射線は、Ｘ線又はγ線である、ことを特徴とする請求項８に記載の３次元光共振器。
【請求項１】
立体的に配置された１対の平面鏡と１対の凹面鏡とを備え、入射光学系から出射されるレーザーを取り込み、当該レーザーを圧電素子によって長さが調整された光路上を周回させながら前記光路の光路長に応じて右円偏光又は左円偏光を選択することによってレーザーを共振させるように形成された３次元光共振器。
【請求項２】
前記レーザーは、ＣＷレーザー発振器、モードロックレーザーパルス発振器の少なくとも何れかを持ち、ＣＷレーザー形式又はパルスレーザー形式のレーザーを生成するレーザー光源から出射されるレーザーの偏光面とビーム径を整える前記入射光学系に入射される請求項１に記載の３次元光共振器。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の３次元共振器であって、内部で共振しているレーザーの強度をモニタする共振モニタ器を備えた３次元光共振器。
【請求項４】
請求項３に記載の３次元光共振器であって、内部で共振しているレーザーのうち、前記平面鏡および前記凹面鏡の何れかを透過したレーザーをＰ偏光成分とＳ偏光成分とに分離し、その強度を測定すると共に、その差分値を求めて、ゼロクロスフィードバック信号を生成するゼロクロスフィードバック信号生成器を備えた３次元光共振器。
【請求項５】
請求項４に記載の３次元光共振器であって、前記選択される右円偏光又は左円偏光を指定する指示信号を出力する偏光切替スイッチと、
前記偏光切替スイッチの出力、前記共振モニタ器の出力、前記ゼロクロスフィードバック信号生成器の出力に基づき、前記３次元光共振器に設けられた前記圧電素子の駆動電圧を制御して、前記光路長を調整させ、前記３次元光共振器内に右円偏光、又は左円偏光のレーザーを選択的に蓄積させる共振制御器と、
を備えたことを特徴とする３次元光共振器。
【請求項６】
請求項１に記載の３次元光共振器内に設定された衝突点において、ビームサイズが“１０μｍ”以下にされ、エネルギー強度が“１ｍＪ／パルス”以上になる右偏光のパルスレーザー又は左偏光のパルスレーザーと前記高エネルギー電子ビーム発生装置から出射される高エネルギー電子ビームとを衝突させ、極短パルス偏光放射線を生成させることを特徴とする３次元光共振器。
【請求項７】
前記極短パルス偏光放射線は、その放射線量が測定されることを特徴とする請求項６に記載の３次元光共振器。
【請求項８】
前記衝突点において、前記高エネルギー電子ビーム発生装置から出射される規格化エミッタンス“１０ｍｍｍｒａｄ”以下の高品質特性を有する高エネルギー電子ビームと、前記３次元光共振器内のパルスレーザーとを衝突角度“８−２０度”の範囲で、かつ“１μｍ”以内の衝突精度で衝突させ、エネルギーが“０．２５ｋｅＶ”以上の特性を有する極短パルス偏光放射線を発生させ、外部に取り出す、ことを特徴とする請求項６又は７に記載の３次元光共振器。
【請求項９】
前記極短パルス偏光放射線は、Ｘ線又はγ線である、ことを特徴とする請求項８に記載の３次元光共振器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−３４００６（Ｐ２０１１−３４００６Ａ）
【公開日】平成２３年２月１７日（２０１１．２．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１８２８６９（Ｐ２００９−１８２８６９）
【出願日】平成２１年８月５日（２００９．８．５）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２０年度、文部科学省、科学技術試験研究委託事業「超伝導加速による次世代小型高輝度光子ビーム源の開発」、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（５０４１５１３６５）大学共同利用機関法人 高エネルギー加速器研究機構 (125)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年２月１７日（２０１１．２．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月５日（２００９．８．５）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２０年度、文部科学省、科学技術試験研究委託事業「超伝導加速による次世代小型高輝度光子ビーム源の開発」、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（５０４１５１３６５）大学共同利用機関法人 高エネルギー加速器研究機構 (125)
【Ｆターム（参考）】
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