JP2006344731A - レーザー光周回装置及びレーザー光周回方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 レーザー光を所定の光路内に閉じ込めて周回させ同一のレーザー光を同一のレーザー光集光点に複数回集光させることができ、かつレーザー光集光点の位置を容易かつ正確に微調整することができ、これによりレーザー光の利用効率を大幅に高めることができるレーザー光周回装置及びレーザー光周回方法を提供する。
【解決手段】 レーザー光３を外部から導入し、レーザー光を周回する周回路５内に閉じ込めて、周回路内のレーザー光集光点９を繰り返し通過させ、かつレーザー光集光点の位置を調整し、同一のレーザー光を同一のレーザー光集光点に複数回集光させる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、同一のレーザー光を同一のレーザー光集光点に複数回集光させ、レーザー光の利用効率を高めるためのレーザー光周回装置及びレーザー光周回方法に関する。

Ｘ線は波長が約０．１〜１００Å（１０-^１１〜１０-^８ｍ）程度の電磁波であり、このうち波長の短いＸ線（１０〜１００ｋｅＶ，λ＝１〜０．１Å）を硬Ｘ線、波長の長いＸ線（０．１〜１０ｋｅＶ，λ＝１００〜１Å）を軟Ｘ線という。また、物質に電子線などを当てた時に、物質の構成元素固有の波長をもつＸ線を特性Ｘ線という。

Ｘ線を用いた装置としてＸ線透過装置、Ｘ線ＣＴ装置、Ｘ線回折装置、Ｘ線分光装置等が、医療、生命科学、材料科学など広い分野で利用されている。例えば、心筋梗塞の治療には、５０ｋｅＶ程度のＸ線を用いた冠状動脈血管造影（ＩＶＣＡＧ）が一般に行なわれている。また、Ｘ線ＣＴ装置は、測定する物体に異なる方向からＸ線を照射してその吸収を測定し、コンピュータによって画像を再構築して物体の二次元断面画像を得る装置である。

Ｘ線の発生源としては、Ｘ線管とシンクロトロン放射光が広く知られている。
Ｘ線管は、真空中でフィラメントを加熱して得られる熱電子を高電圧で加速して金属陽極（ターゲット）に衝突させて、Ｘ線を発生させる装置である。Ｘ線管から発生するＸ線は、電子の制動放射による連続Ｘ線と、輝線スペクトルである特性Ｘ線とからなる。連続Ｘ線は特定の波長のＸ線を必要としない用途、例えば医療用や工業用の透過法の光源として用いられる。また特性Ｘ線は、特定の波長のＸ線を必要とする用途、例えばＸ線回折や蛍光Ｘ線分光等に用いられる。

一方、シンクロトロン放射光（ＳＲ光）は、環状加速器（シンクロトロン）において、光速に近い速度まで加速した電子ビームの軌道を強力な磁石で変化させ、その軌道変化の際に発生するＸ線である。ＳＲ光は、Ｘ線管に比べて桁違い（１０^３倍以上）に強力なＸ線源であり（例えばＸ線強度（光子数）：約１０^１４ｐｈｏｔｏｎｓ／ｓ、パルス幅：約１００ｐｓ）、高いＸ線強度を必要とする分野で用いられる。

しかし、シンクロトロンを用いた放射光施設は、シンクロトロンの長径が例えば５０ｍ以上、軌道長が１００ｍ以上に達する大型設備であるため、研究や医療用であっても容易には導入できない問題がある。

そこで、小型の装置でＸ線を発生させる手段として、特許文献１、２が提案されている。
また、本発明と関連する先行技術として、非特許文献１、２が開示されている。

特許文献１の「Ｘ線発生装置」は、図１５に示すように、一部が相互に共有された複数の周回電子軌道を画定し、該軌道の共有部分に、電子ビーム７１のエネルギーを増減させる加速器７２が配置されたマイクロトロン７３と、前記マイクロトロンの周回電子軌道に電子ビーム７１を入射させる電子ビーム源７４と、前記マイクロトロンの軌道の共有部分を飛翔する電子に衝突するようにレーザービーム７５を出射するレーザー光源７６とを有するものである。

特許文献２の「短パルス電子ビームの加速及び圧縮の方法とその装置」は、パルス状電子ビームのパルス幅を圧縮する手段に係わり、入射した電子ビームを電子軌道に沿って周回させながら加速管で加速しつつ、電子ビームのパルス幅を圧縮するものである。

非特許文献１の「小型Ｘ線発生装置」は、図１６に示すように、小型の加速器８１（Ｘバンド加速管）で加速された電子ビーム８２をレーザー８３と衝突させてＸ線８４を発生させるものである。ＲＦ電子銃８５（熱ＲＦガン）で生成されたマルチバンチ電子ビーム８２はＸバンド加速管８１で加速され、パルスレーザー光８３と衝突する。コンプトン散乱により、時間幅１０ｎｓの硬Ｘ線８４が生成される。
この装置は、一般に線形加速器で用いられるＳバンド（２．８５６ＧＨｚ）の４倍の周波数にあたるＸバンド（１１．４２４ＧＨｚ）をＲＦとして用いて小型化を図っており、例えばＸ線強度（光子数）：約１×１０^９ｐｈｏｔｏｎｓ／ｓ、パルス幅：約１０ｐｓの強力な硬Ｘ線の発生が予測されている。

非特許文献２は、図１７に示すように、多数の反射鏡を用いてレーザー光を閉じ込めて周回させ、反応領域における衝突率を高めるものである。

特開２００２−２８０２００号公報、「Ｘ線発生装置及び発生方法」 特許第３２０１５８５号公報、「短パルス電子ビームの加速及び圧縮の方法とその装置」

土橋克広、他、「Ｘバンドリニアックを用いた小型硬Ｘ線源の開発」、２００２ Ｙａｓｕｏ ＳＵＺＵＫＩ，ｅｔ ａｌ．"Ａ ＮＥＷ ＬＡＳＥＲ ＭＡＳＳ ＳＰＥＣＴＲＯＭＥＴＲＹ ＦＯＲ ＣＨＥＭＩＣＡＬ ＵＬＴＲＡＴＲＡＣＥ ＡＮＡＬＹＳＩＳ ＥＮＨＡＮＣＥＤ ＷＩＴＨ ＭＵＬＴＩ-ＭＩＲＲＯＲ ＳＹＳＴＥＭ （ＲＩＭＭＰＡ）"， ＡＮＡＬＩＴＩＣＡＬ ＳＣＩＥＮＣＥ ２００１ Ｖｏｌ．１７ Ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔ

特許文献１、２の装置では、マイクロトロンで電子ビームを周回させているが、電子ビームを周回させる方法では、電子ビームとレーザー光が正面衝突できないため、Ｘ線の発生効率（すなわちレーザー光の利用効率）が低い。また、電子ビームを周回させるために大型の磁石を多数使用するため、Ｘ線発生部が大型になる。

これに対し、非特許文献１の装置では、マルチバンチ電子ビームとパルスレーザー光が正面衝突するため、レーザー光の利用効率を高めることができる。この場合、Ｘ線の発生量は、電子ビームの電流とレーザー光の光子数に比例する。
しかし、電子ビームのパルス幅（例えば数１００ｎｓ〜数１０００ｎｓ）に対し、パルスレーザー光のパルス幅は非常に短い（例えばＮｄ：ＹＡＧレーザーの場合１０ｎｓ）ため、Ｘ線の発生に寄与するのは全体のごく一部にすぎずレーザー光の利用効率が低い問題点があった。
また、例えばレーザー光を希薄なガスの分子とレーザー光の相互作用に利用するような場合、レーザー光の利用効率が低い問題点があった。

さらに、仮に、非特許文献２のように、多数（例えば３２枚）の反射鏡を用いてレーザー光を閉じ込めても、電子ビームとレーザー光が正面衝突できないためレーザー光の利用効率が低い。
また、この場合、多数の反射鏡を微調整して光の軌道を調整するため、調整が非常に困難であり、電子ビームとレーザー光の位置ずれが起こりやすく、非常に細い電子ビーム（例えば直径１００μｍ程度）を同様に非常に細いレーザー光（例えば直径１００μｍ程度）に正確に衝突させることがほとんど不可能に近い問題点があった。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、レーザー光を所定の光路内に閉じ込めて周回させ同一のレーザー光を同一のレーザー光集光点に複数回集光させることができ、かつレーザー光集光点の位置を容易かつ正確に微調整することができ、これによりレーザー光の利用効率を大幅に高めることができるレーザー光周回装置及びレーザー光周回方法を提供することにある。

本発明によれば、レーザー光を外部から導入し、該レーザー光を周回する周回路内に閉じ込めて、該周回路内のレーザー光集光点を繰り返し通過させるレーザー光周回光学系と、
前記レーザー光集光点の位置を調整するレーザー光集光点調整装置とを備え、これにより同一のレーザー光を同一のレーザー光集光点に複数回集光させる、ことを特徴とするレーザー光周回装置が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記レーザー光集光点調整装置は、レーザー光集光点の上流側に位置する第１凸レンズと、レーザー光集光点の下流側に位置する第２凸レンズと、前記第１凸レンズと第２凸レンズを光軸に直交する方向に移動可能な第１レンズ位置調整装置とを備える。

前記レーザー光集光点調整装置は、更に、前記第１凸レンズと第２凸レンズとで２つの区画に分割される半周回路の内、レーザー光集光点を含まない側の半周回路において上流側に位置する第４凸レンズと下流側に位置する第３凸レンズを、第２凸レンズと第３凸レンズの間の周回路長ｄ_２３と、第４凸レンズと第１凸レンズの間の周回路長ｄ_４１とを等しく設け、さらに前記第３凸レンズと第４凸レンズを光軸に直交する方向に移動可能な第２レンズ位置調整装置を備える。

第４凸レンズの焦点距離ｆ_４と第１凸レンズの焦点距離ｆ_１の和は、第４凸レンズと第１凸レンズの間の周回路長ｄ_４１に等しく、かつ
第２凸レンズの焦点距離ｆ_２と第３凸レンズの焦点距離ｆ_３の和は、第２凸レンズと第３凸レンズの間の周回路長ｄ_２３に等しく設定されている。

また、 前記レーザー光集光点調整装置は、更に、２つの同焦点距離の第３凸レンズと第４凸レンズを互いに焦点距離だけ離して設け、その中央に凹レンズを設け、
該凹レンズの焦点距離ｆ_５は、焦点距離ｆ_３の１／４と焦点距離ｆ_４の１／４に等しく、かつ
第３凸レンズと凹レンズの間の周回路長ｄ_３５と、凹レンズと第４凸レンズとの間の周回路長ｄ_５４は、焦点距離ｆ_３の１／２に等しく設定されている。

前記レーザー光周回光学系は、第１直線偏光をそのまま通し、これに直交する第２直線偏光を直角に反射する偏光ビームスプリッターと、
該偏光ビームスプリッターを出たレーザー光を複数回反射して前記偏光ビームスプリッターに周回させる複数の反射ミラーと、
前記周回路内に位置し電圧の印加時に通過するレーザー光の偏光方向を９０度回転するポッケルスセルと、
偏光ビームスプリッターに周回するレーザー光が常に第２直線偏光となるようにポッケルスセルを制御する制御装置とを備え、
前記偏光ビームスプリッターによりレーザー光を直角に反射して、レーザー光を周回する周回路内に閉じ込める。

本発明の好ましい一実施形態によれば、前記レーザー光は、パルスレーザー光であり、
更に、前記ポッケルスセルの上流側に位置し通過するパルスレーザー光の偏光面を９０度回転させる２分の１波長板を備え、
前記制御装置により、パルスレーザー光の最初の周回時には、ポッケルスセルに電圧を印加せずに第２直線偏光をそのまま通し、２周目以降はポッケルスセルに電圧を印加し第１直線偏光を第２直線偏光にして通す。

また本発明の好ましい別の実施形態によれば、前記レーザー光は、パルスレーザー光であり、
前記制御装置により、パルスレーザー光の最初の周回時に、ポッケルスセルに電圧を印加し第１直線偏光を第２直線偏光にして通し、２周目以降はポッケルスセルに電圧を印加せずに第２直線偏光をそのまま通す。

また、本発明によれば、レーザー光を外部から導入し、該レーザー光を周回する周回路内に閉じ込めて、該周回路内のレーザー光集光点を繰り返し通過させ、
かつレーザー光集光点の位置を調整し、同一のレーザー光を同一のレーザー光集光点に複数回集光させる、ことを特徴とするレーザー光周回方法が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、レーザー光集光点の上流側に第１凸レンズを位置決めし、レーザー光集光点の下流側に第２凸レンズを位置決めし、第１凸レンズと第２凸レンズを光軸に直交する方向に移動してレーザー光集光点の位置を調整する。

更に、第１凸レンズの上流側に第３凸レンズを位置決めし、第２凸レンズの下流側に第４凸レンズを位置決めし、前記第１乃至第４の凸レンズを光軸に直交する方向に移動してレーザー光集光点の位置と入射角度を調整する。

また、前記第３凸レンズと第４凸レンズの間に凹レンズを設け、これにより周回路を小型化し、かつ第３凸レンズと第４凸レンズの間のレーザー光の集光強度を低減する。

また、第１直線偏光のレーザー光を偏光ビームスプリッターを通して外部から導入し、
該偏光ビームスプリッターを出たレーザー光を同一平面内で複数回反射して前記偏光ビームスプリッターに周回させる周回路を形成し、
前記周回路内に位置するポッケルスセルを用いて、偏光ビームスプリッターに周回するレーザー光が常に第１直線偏光と直交する第２直線偏光となるようにポッケルスセルを制御し、
偏光ビームスプリッターによりレーザー光を直角に反射して、レーザー光を周回する周回路内に閉じ込める。

上記本発明の装置及び方法によれば、レーザー光周回光学系によりレーザー光を外部から導入し、該レーザー光を周回する周回路内に閉じ込めて、該周回路内のレーザー光集光点を繰り返し通過させるので、レーザー光を所定の光路内に閉じ込めて周回させ同一のレーザー光を同一のレーザー光集光点に複数回集光させることができる。

また、レーザー光集光点の位置を調整するレーザー光集光点調整装置を有するので、レーザー光集光点の位置を容易かつ正確に微調整することができ、これによりレーザー光の利用効率を大幅に高めることができる。

以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。

図１は、本発明によるレーザー光周回装置を備えたＸ線発生装置の全体構成図である。このＸ線発生装置は、電子ビーム発生装置１０、レーザー発生装置２０およびレーザー光周回装置３０を備える。

電子ビーム発生装置１０は、電子ビームを加速してパルス電子ビーム１を発生し所定の直線軌道２を通過させる機能を有する。
この例において、電子ビーム発生装置１０は、ＲＦ電子銃１１、α‐磁石１２、加速管１３、ベンディング磁石１４、Ｑ−磁石１５、減速管１６、およびビームダンプ１７を備える。

ＲＦ電子銃１１と加速管１３は、Ｘバンド（１１．４２４ＧＨｚ）の高周波電源１８により駆動される。ＲＦ電子銃１１から引き出された電子ビームは、α‐磁石１２により軌道を変えて加速管１３に入射する。加速管１３は、小型のＸバンド加速管であり、電子ビームを加速し、好ましくは約５０ＭｅＶ前後の高エネルギーの電子ビームを形成する。この電子ビームは、例えば約１μｓ前後のパルス電子ビーム１である。
特にパルス電子ビーム１は、１つの電子の塊に、周回するレーザー光を何度も衝突させるため、レーザー光の周回時間（約１０ｎｓ）よりも、大きな電子ビームを発生する必要があるため、マルチバンチパルス電子ビームであるのが良い。

ベンディング磁石１４は、パルス電子ビーム１の軌道を磁場で曲げて所定の直線軌道２を通過させ、通過後のパルス電子ビーム１をビームダンプ１７まで導く。Ｑ−磁石１５はパルス電子ビーム１の収束具合を調整する。減速管１６は、パルス電子ビーム１を減速する。ビームダンプ１７は、直線軌道２を通過した後のパルス電子ビーム１を捕捉して、放射線の漏洩を防止する。

同期装置１９は、電子ビーム発生装置１０とレーザー発生装置２０の同期をとり、パルス電子ビーム１のタイミングと後述するパルスレーザー光３とのタイミングを合わせ、パルス電子ビーム１とパルスレーザー光３が所定の直線軌道２上の衝突点２ａで衝突するように制御する。

上述した電子ビーム発生装置１０により、例えば、約５０ＭｅＶ前後、約１μｓ前後のパルス電子ビーム１を発生し、これを所定の直線軌道２を通過させることができる。

レーザー発生装置２０は、レーザー装置２１と可変ビームエキスパンダ２２を有し、レーザー光を発生し、これを所定のビーム径に拡大して照射する機能を有する。
レーザー装置２１は、例えば波長１０６４ｎｍのＮｄ−ＹＡＧレーザーである。またパルスレーザー光３は、この例に限定されず、エキシマレーザーのＡｒＦ（波長１９３ｎｍ），ＫｒＦ（波長２４８ｎｍ），ＸｅＣｌ（波長３０８ｎｍ），ＸｅＦ（波長３５１ｎｍ），Ｆ２（波長１５７ｎｍ）やＹＡＧレーザーの第３高調波（波長３５５ｎｍ）、第４高調波（波長２６６ｎｍ）、第５高調波（波長２１３ｎｍ）、その他を用いてもよい。

なお、本発明において、レーザー光が連続レーザー光であり、レーザー装置２１が連続レーザー装置であってもよいが、レーザー光がパルスレーザー光３であり、レーザー装置２１がパルスレーザー装置であるのが好ましい。
以下、レーザー光がパルスレーザー光３であり、レーザー装置２１がパルスレーザー装置である場合について説明する。

図２は、本発明によるレーザー光周回光学系の第１実施形態図である。
レーザー光周回装置３０は、レーザー光周回光学系３２を有し、パルスレーザー光３（ｐ偏光３ａ）を外部のレーザー発生装置２０から反射ミラー３１を介して周回路５内に導入し、このパルスレーザー光３を周回する周回路５内に閉じ込めて、周回路内のレーザー光集光点９を繰り返し通過させるようになっている。周回路５は、この例では同一平面上の位置ａ，ｂ，ｃ，ｄを通る矩形光路である。
レーザー光集光点９は、図１の例における電子ビームとの衝突位置（直線軌道２上の衝突点２ａ）に相当する。しかし、本発明は、電子ビームとの衝突に限定されず、ガス等にも適用できる。

この図において、レーザー光周回光学系３２は、偏光ビームスプリッター３４、３枚の反射ミラー３６ａ，３６ｂ，３６ｃ、ポッケルスセル３８、および制御装置４０を備える。

偏光ビームスプリッター３４は、第１直線偏光３ａ（ｐ偏光）をそのまま通し、これに直交する第２直線偏光３ｂ（Ｓ偏光）を直角に反射する。
３枚の反射ミラー３６ａ，３６ｂ，３６ｃは、偏光ビームスプリッター３４を出たパルスレーザー光３を複数回（この例では３回）反射して、偏光ビームスプリッター３４に周回させ、同一平面上の矩形光路である周回路５を構成する。
なお、本発明において、周回路５は同一平面上の矩形光路に限定されず、３次元光路でも、３角形又は５角以上の多角形でもよい。

反射ミラー３６ａ，３６ｂ，３６ｃは、全反射ミラーである。単色硬Ｘ線４の放射方向がパルス電子ビーム１と同一方向である場合、単色硬Ｘ線４の放射方向に位置する反射ミラー３６ａは、好ましくＸ線透過率の高い材料（例えば石英ガラス）の表面に反射膜をコーティングしたものであり、単色硬Ｘ線４が通過できかつその損失が十分小さいように薄く作られているのがよい。
なお、この構成は必須ではなく、単色硬Ｘ線４の放射方向がパルス電子ビーム１と異なる場合には、反射ミラー３６ａ，３６ｂ，３６ｃをＸ線透過率の低い材料（例えば金属）で構成してもよい。

ポッケルスセル３８は、周回路５内の位置ｄ，ａの間に位置し、電圧の印加時に通過する偏光の偏光方向を９０度回転する。ポッケルスセルは、光ビームの偏光方向を素早くスイッチングできる非線形光学結晶である。
制御装置４０は、偏光ビームスプリッター３４に周回して入るパルスレーザー光３が常に第２直線偏光３ｂ（Ｓ偏光）となるようにポッケルスセル３８を制御する。

図２の例において、レーザー光周回光学系３２は、２分の１波長板４１（λ／２波長板）を有する。このλ／２波長板４１は、この例では、ポッケルスセル３８の上流側の位置ｃ，ｄの間に位置し、通過するパルスレーザー光３（３ａ又は３ｂ）の偏光面を常に９０度回転させる。

また、制御装置４０は、パルスレーザー光３の最初の周回時には、ポッケルスセル３８に電圧を印加せずに第２直線偏光３ｂをそのまま通し、２周目以降はポッケルスセル３８に電圧を印加し第１直線偏光３ａを第２直線偏光３ｂにして通すように制御する。

上述した装置を用い、本発明の方法では、第１直線偏光３ａのパルスレーザー光３を偏光ビームスプリッター３４を通して外部から導入し、偏光ビームスプリッター３４を出たパルスレーザー光３を同一平面内で複数回反射して偏光ビームスプリッター３４に周回させる周回路５を形成し、周回路５内に位置する２分の１波長板５８及びポッケルスセル３８を用いて、偏光ビームスプリッター３４に周回するパルスレーザー光３が常に第１直線偏光３ａと直交する第２直線偏光３ｂとなるように制御し、偏光ビームスプリッター３４によりパルスレーザー光３を直角に反射して、パルスレーザー光３を周回する周回路５内に閉じ込める。

上述した装置及び方法により、パルスレーザー光３の最初の周回時には、２分の１波長板５８を通過して偏向面が９０度回転した第２直線偏光３ｂをポッケルスセル３８に電圧を印加せずにそのまま通し、２周目以降は２分の１波長板５８を通過して偏向面が９０度回転した第１直線偏光３ａをポッケルスセル３８に電圧を印加し第２直線偏光３ｂにして通すことで、偏光ビームスプリッター３４に入るパルスレーザー光３が常に第２直線偏光３ｂ（Ｓ偏光）となり、パルスレーザー光３を周回する周回路５内に閉じ込めることができる。

図２において、レーザー光周回装置３０は、さらに、周回路５内のレーザー光集光点９におけるパルスレーザー光３の位置及び角度を調整するレーザー光集光点調整装置５０を有する。

レーザー光集光点調整装置５０は、この例では、第１〜第４の凸レンズ５１，５２，５３，５４と第１、第２のレンズ位置調整装置５８、５９とからなる。第１〜第４凸レンズ５１，５２，５３，５４は、それぞれ焦点距離ｆ_１，ｆ_２，ｆ_３，ｆ_４を有する。これらの凸レンズは単レンズでも複合レンズでもよい。

第１凸レンズ５１及び第２凸レンズ５２は、レーザー光集光点９を挟んでその上流側と下流側に位置する。
第３凸レンズ５３及び第４凸レンズ５４は、ポッケルスセル３８を挟んでその上流側と下流側に位置する。

第１レンズ位置調整装置５８は、第１凸レンズ５１と第２凸レンズ５２を光軸に直交する方向に移動可能な調整移動機構である。また、第２レンズ位置調整装置５９は、第３凸レンズ５３と第４凸レンズ５４を光軸に直交する方向に移動可能な調整移動機構である。これらの機構は、トラバース装置であり、手動又は電動機等のアクチュエータで各レンズの位置を微調整するようになっている。

第１レンズ位置調整装置５８により、第１凸レンズ５１と第２凸レンズ５２を周回路５に直交する方向に微調整することにより、レーザー光集光点９を通過するパルスレーザー光３の位置を容易かつ正確に微調整することができる。
また、第１〜第４凸レンズ５１，５２，５３，５４を第１レンズ位置調整装置５８と第２レンズ位置調整装置５９で周回路５に直交する方向に微調整することにより、入射角度と位置の両方を容易かつ正確に微調整することができ、これによりＸ線の発生効率（すなわちレーザー光の利用効率）を大幅に高めることができる。

この例において、第１凸レンズ５１と第２凸レンズ５２とで２つの区画に分割される半周回路の内、レーザー光集光点９を含まない側の半周回路において上流側に位置する第４凸レンズ５４と下流側に位置する第３凸レンズ５３を、第２凸レンズ５２と第３凸レンズ５３の間の周回路長ｄ_２３と、第４凸レンズ５４と第１凸レンズ５１の間の周回路長ｄ_４１とを等しく設けている。
また、この例において、第４凸レンズの焦点距離ｆ_４と第１凸レンズの焦点距離ｆ_１の和（ｆ_４＋ｆ_１）は、第４凸レンズと第１凸レンズの間の周回路長ｄ_４１に等しく設定されている。
また、同様に、第２凸レンズの焦点距離ｆ_２と第３凸レンズの焦点距離ｆ_３の和（ｆ_２＋ｆ_３）は、第２凸レンズと第３凸レンズの間の周回路長ｄ_２３に等しく設定されている。
この２つの関係は、レーザー光の周回条件である。

例えば、後述する例のように、焦点距離ｆ_１，ｆ_２を１０００ｍｍ，焦点距離ｆ_３，ｆ_４を５００ｍｍとし、第１凸レンズ５１と第２凸レンズ５２から１０００ｍｍの位置にレーザー光集光点９を設定した場合、レーザー光集光点９と第３凸レンズ５３と第４凸レンズ５４の間の２箇所でレーザー光を集光させることができる。
レーザー光集光点９でレーザー光を集光させることにより、パルス電子ビーム１との衝突により発生するＸ線の強度（すなわちレーザー光の利用効率）を高めることができる。
また、第３凸レンズ５３と第４凸レンズ５４の間でレーザー光を集光させることにより、ポッケルスセル３８の応答性を高めることができる。なおポッケルスセル３８に位置は、その保護のため、焦点位置から任意にずらすこともできる。

図３は、本発明によるレーザー光周回光学系の第２実施形態図である。
この例においてλ／２波長板４１は、ポッケルスセル３８とその上流側の位置ｄとの間に位置し、通過するパルスレーザー光３（３ａ又は３ｂ）の偏光面を常に９０度回転させるようになっている。その他の構成は、第１実施形態図と同様である。
この構成によっても、パルスレーザー光３の最初の周回時には、２分の１波長板５８を通過して偏向面が９０度回転した第２直線偏光３ｂをポッケルスセル３８に電圧を印加せずにそのまま通し、２周目以降は２分の１波長板５８を通過して偏向面が９０度回転した第１直線偏光３ａをポッケルスセル３８に電圧を印加し第２直線偏光３ｂにして通すことで、偏光ビームスプリッター３４に入るパルスレーザー光３が常に第２直線偏光３ｂ（Ｓ偏光）となり、パルスレーザー光３を周回する周回路５内に閉じ込めることができる。

また、λ／２波長板４１がポッケルスセル３８とその上流側の位置ｄとの間に位置するので、２周目以降は、常に第２直線偏光３ｂ（Ｓ偏光）を各ミラー３６ａ，３６ｂ，３６ｃで反射させることが可能となる。これにより、Ｓ偏光はＰ偏光に比べて反射率が大きいので、周回時のエネルギー効率を上げることができる。

図４は、本発明によるレーザー光周回光学系の第３実施形態図である。
この例において、本発明のレーザー光集光点調整装置５０は、さらに２つの同焦点距離の第３凸レンズ５３と第４凸レンズ５４を互いに焦点距離だけ離して設け、その中央に凹レンズ５５を備える。この凹レンズ５５は単レンズでも複合レンズでもよい。
またこの例において、凹レンズ５５の焦点距離ｆ_５は、焦点距離ｆ_３の１／４と焦点距離ｆ_４の１／４に等しい。また、第３凸レンズ５３と凹レンズ５５の間の周回路長ｄ_３５と、凹レンズ５５と第４凸レンズ５４との間の周回路長ｄ_５４は、焦点距離ｆ_３の１／２に等しく設定されている。この２つの関係は、この構成におけるレーザー光の周回条件である。
その他の構成は、一部を省略して示しているが第１実施形態図と同様である。

この構成により、第３凸レンズ５３と第４凸レンズ５４の間でレーザー光が焦点を結ぶのを凹レンズ５５によって防ぐことができ、特にレーザー光が高出力な場合に発生する可能性がある空気のプラズマ化を防止することができる。

図５は、本発明によるレーザー光周回光学系の第４実施形態図である。
この例では、図４の第４実施形態図における偏光ビームスプリッター３４と反射ミラー３６ｃの位置を逆にしたものである。

偏光ビームスプリッター３４は、第１直線偏光３ａ（ｐ偏光）をそのまま通し、これに直交する第２直線偏光３ｂ（Ｓ偏光）を直角に反射する。
また、３枚の反射ミラー３６ａ，３６ｂ，３６ｃは、偏光ビームスプリッター３４を出たパルスレーザー光３を複数回（この例では３回）反射して、偏光ビームスプリッター３４に周回させ、同一平面上の矩形光路である周回路５を構成する。

また、この例では、制御装置４０により、パルスレーザー光の最初の周回時に、ポッケルスセルに電圧を印加し第１直線偏光３ａ（ｐ偏光）を第２直線偏光３ｂ（Ｓ偏光）にして通し、２周目以降はポッケルスセルに電圧を印加せずに第２直線偏光をそのまま通すようになっている。
その他の構成は、一部を省略して示しているが第３実施形態図と同様である。

この構成によってもパルスレーザー光の最初の周回時に、ポッケルスセルに電圧を印加し第１直線偏光３ａ（ｐ偏光）を第２直線偏光３ｂ（Ｓ偏光）にして通し、２周目以降はポッケルスセルに電圧を印加せずに第２直線偏光をそのまま通すことで、偏光ビームスプリッター３４に入るパルスレーザー光３が常に第２直線偏光３ｂ（Ｓ偏光）となり、パルスレーザー光３を周回する周回路５内に閉じ込めることができる。

以下、本発明の実施例を説明する。
従来使用されて来たＳ-ｂａｎｄ（２８５６ＭＨｚ、波長１０．５ｃｍ）の１／４の波長であるＸ-ｂａｎｄ（１１．４２４ＧＨｚ、波長２．６ｃｍ）ライナックからの電子ビームと高強度パルスレーザー光との衝突（逆Ｃｏｍｐｔｏｎ散乱）により単色硬Ｘ線を発生させる場合、上述したように、レーザー光のパルス幅（１０ｎｓ，ＦＷＨＭ）が電子ビームのパルス幅（１μｓ）に比べ短いため、Ｘ線発生に寄与するのは電子ビームのごく一部である問題点があった。
そこで、レーザーパルスをある周回路中に閉じ込め、繰り返し利用することでＸ線強度を増強する方法として本発明のレーザー光周回装置及び方法を創案した。

図６は、本発明による複数回衝突のイメージ図である。レーザー光周回装置の周回距離（光路長さ）が例えば後述する例のように６ｍである場合、レーザー光の周期は約２０ｎｓとなる。従ってこの図に示すように、同一のパルスレーザー光３に同一のパルス電子ビーム２に複数回（例えば５０回）衝突させることができる。

（原理実証実験）
原理実証実験の構成図を図７に示す。この図において、各符号は、図１と共通であり、６はＣＣＤ、７はバイプラナー光電管である。
実験に使用したパルスレーザー光３はＱ-ｓｗｉｔｃｈ Ｎｄ：ＹＡＧの２倍波（λ＝５３２ｎｍ）でエネルギーは２５ｍＪ／ｐｕｌｓｅ、パルス幅は８ｎｓ（ＦＷＨＭ）である。原理実証実験では、１周が６ｍである。よって、レーザーパルスが１周する時間は２０ｎｓである。

この実験において確認することは、（１）レーザー光周回によるエネルギー増幅と、（２）光学系によるレーザー光の位置調整である。
周回の原理について述べる。レーザー装置２１から出たレーザー光３はビームステアラーと入射レンズ群によってサイズ傾きなどが調整される。拡大されたレーザー光は偏光ビームスプリッター３４を通して周回路５中に入射される。レーザー光３はλ／２波長板４１により、Ｓ偏光３ｂとなって衝突点２ａに導かれ再度偏光ビームスプリッター３４に向かう。Ｓ偏光３ｂは偏光ビームスプリッター３４により反射されるから、レーザー光３は周回路５に戻る。再び、λ／２波長板４１を通過しｐ偏光３ａとなってしまうため、偏光ビームスプリッターを透過し周回しない。そこで、２周目以降はポッケルスセル３８に電圧を印加し、ｐ偏光をＳ偏光として偏光ビームスプリッターで反射させ、レーザー光を周回させる。

（レーザー光周回によるエネルギー増幅）
本発明のレーザー光周回装置及び方法では、図６に示したように同一のパルスレーザー光３を同一のパルス電子ビーム２に複数回衝突させる。これによるＸ線強度の増幅を見積もった。

図８は図７における第３ミラー３６ｂの透過光をバイプラナー光電管７によってレーザー光強度を測定した結果である。
レーザーパルスのエネルギーは周回によって等比数列的に減衰していくため、Ｎ 周目のエネルギーＩ_Ｎは１周目のエネルギーをＩ_０とすれば、Ｉ_Ｎ＝Ａ^Ｎ-１Ｉ_０となる。そこで、図８から透過率Ａを求めるとＡ＝０：９１となり、見かけ上の総エネルギー増幅は等比数列の和の公式（１）（数１に示す）より、電子ビームのパルス幅１μｓであるのでＮ＝５０として計算すると約１０倍になると見積もられた。なお、レーザーパルス単発と電子ビームの衝突では１０^８ｐｈｏｔｏｎｓ／ｓｅｃであると算出されるので、レーザー光周回システムの導入によりＸ線発生量は１０^９ｐｈｏｔｏｎｓ／ｓｅｃに達すると見込まれる。

（光学系によるレーザー光の位置調整）
効率の良いＸ線発生のためには衝突点におけるレーザー光の位置、光軸の傾き、スポットサイズ、広がり（ダイバージェンス）を電子ビームにあわせて調整しなくてはならない。さらに、周回するレーザー光が繰り返し同じ条件で衝突点に導かれる必要がある。以下、これを「周回の条件」と呼ぶことにする。

周回の条件を満たすためには、周回路１周のトランスファーマトリックス（ｔｒａｓｆｅｒｍａｔｒｉｘ）が単位行列になればよい。図７のトランスファーマトリックスは第１凸レンズ５１を起点として数２の式（２）で表せるからレンズ間隔ｄ（第２凸レンズ５２と第３凸レンズ５３、あるいは第４凸レンズ５４と第１凸レンズ５１の光路長）は周回の条件を満たすために２種類の凸レンズの焦点距離ｆ_ＣＰ、ｆ_ＰＣの和になっていれば良い。

つまり、数２の式（３）となればよく、実験体系はこの条件を満たすべくｆ_ＣＰ＝１０００ｍｍ，ｆ_ＰＣ＝５００ｍｍ，ｄ＝１５００ｍｍ，とした。

図９、図１０は周回の条件を崩すことのない調整法である。図９は本発明による光軸の傾きの調整手段の説明図である。第１凸レンズ５１への入射位置で調整をするが、ビームサイズなどは周回路外で行われるため、周回の条件を崩すことはない。
図１０は本発明による衝突点の位置調整手段の説明図である。調整は周回路中のレンズの位置で行う。

第１凸レンズ５１の調整で生じた光軸の傾きの変化は第２凸レンズ５２を同量移動させて補正する。さらに、第３凸レンズ５３と第４凸レンズ５４を同量移動させることで位置の変化を打ち消す。この構成によりレーザー光の状態は第１凸レンズ５１の入射時と常に一致し、周回の条件を保つことができる。

図１１は衝突点におけるレーザー光の位置（重心）の調整をｘ軸方向（水平方向）に対して周回路中の４枚の凸レンズを用いて行った結果である。第１凸レンズ５１の調整量とレーザー光の位置の移動量はほぼ１：１に対応しており、調整後もレーザー光は集まった状態を維持していた。なお、ｙ軸方向（鉛直方向）にも同様の結果が得られている。

さらに、衝突点における位置調整を行った際に、第１凸レンズ５１から５０ｃｍの地点でのレーザー光位置を測定した結果が図１２である。
レーザー光位置は第１凸レンズ５１の調整量に比例していて、しかもレーザー光は集まった状態を維持していた。
この２つの位置調整の結果から、凸レンズ４枚を同量移動させることでレーザー光の位置をすべての周回において同じにすることができるということが確認できた。
以上からこの手段によってレーザー光の周回の条件を崩すことのない調整法が確立されたと言える。

（実証機導入体系）
実証機に導入するレーザー光はＱ-ｓｗｉｔｃｈ Ｎｄ：ＹＡＧの２倍波（λ＝５３２ｎｍ）、エネルギーは１．４Ｊ／ｐｕｌｓｅ、パルス幅は１０ｎｓ（ＦＷＨＭ） と高出力である。すると、実験体系と同様の体系では、ポッケルスセル側の凸レンズ
の焦点で空気のプラズマ化が問題となる。

そこで、図１３のようなポッケルスセル側に凹レンズを組み込むことが好ましい。この構成では１周が７ｍとなっている。
この構成では図１４で示す通り、ポッケルスセル側の凸レンズ間中央に凹レンズを挿入している。凹レンズによってレーザー光の集光を防ぐことができる。さらに、凹レンズの焦点距離を凸レンズの焦点距離の１／４にすることで、レンズ間距離ｄがトランスファーマトリックスで２ｄ分となり小型化ができる。
しかし、この体系では、１周のトランスファーマトリックスが数３の式（４）となるため、入射光の条件を変更した場合は周回路内の再調整が必要となる。しかし、凸レンズが４枚あるため、調整の自由度は実験の体系と同様であり、実験で用いた調整法が可能である。

上述したように、Ｘ線強度増強のためのレーザー光周回システムの原理実証実験において、Ｘ線発生量はレーザー光周回システムを導入しないときと比べて１０倍の１０^９ｐｈｏｔｏｎｓ／ｓｅｃであると見込まれた。
また、周回路中の凸レンズを同量移動させることで周回の条件を崩すことなくレーザー光を衝突点に導けるという手段が確立できた。この手段により比較的容易にレーザー光を電子ビームに衝突させることができ、Ｘ線を発生できる。
さらに、実際の単色硬Ｘ線源に導入するレーザー光周回システムにおいて、空気のプラズマ化などを衝突や周回に影響の出るものを防止する策として、凸レンズ間に凹レンズを挿入することにより、周回の条件を崩すことのない調整方法を用いることができる。
従ってこのレーザー光周回システムの導入によりＸ線強度の増幅が可能となり、Ｘ線の応用利用の幅が広がることが期待できる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更することができることは勿論である。

本発明によるレーザー光周回装置を備えたＸ線発生装置の全体構成図である。 本発明によるレーザー光周回光学系の第１実施形態図である。 本発明によるレーザー光周回光学系の第２実施形態図である。 本発明によるレーザー光周回光学系の第３実施形態図である。 本発明によるレーザー光周回光学系の第４実施形態図である。 本発明による複数回衝突のイメージ図である。 原理実証実験の構成図である。 第３ミラーの透過光のレーザー光強度測定結果である。 本発明による光軸の傾きの調整手段の説明図ある。 本発明による衝突点の位置調整手段の説明図ある。 衝突点におけるレーザー光の位置及びビームサイズとｘ軸方向レンズ調整量との関係図である。 第１凸レンズから５０ｃｍの地点でのレーザー光の位置及びビームサイズとｘ軸方向レンズ調整量との関係図である。 ポッケルスセル側に凹レンズを組み込んだ構成図である。 図１３の詳細図である。 特許文献１の「Ｘ線発生装置」の模式図である。 非特許文献１の「小型Ｘ線発生装置」の模式図である。 非特許文献２の周回装置の模式図である。

符号の説明

１ パルス電子ビーム、２ 直線軌道、２ａ 衝突点、
３ レーザー光（パルスレーザー光）、３ａ 第１直線偏光（ｐ偏光）、
３ｂ 第２直線偏光（Ｓ偏光）、４ 単色硬Ｘ線、５ 周回路、
６ ＣＣＤ、７ バイプラナー光電管、９ レーザー光集光点
１０ 電子ビーム発生装置、１１ ＲＦ電子銃、１２ α‐磁石、
１３ 加速管、１４ ベンディング磁石、１５ Ｑ−磁石、
１６ 減速管、１７ ビームダンプ、１８ 高周波電源、
１９ 同期装置、２０ レーザー発生装置、
２１ レーザー装置、２２ 可変ビームエキスパンダ、
３０ レーザー光周回装置、３１ 反射ミラー、
３２ レーザー光周回光学系、３４ 偏光ビームスプリッター、
３６ａ，３６ｂ，３６ｃ 反射ミラー、３８ ポッケルスセル、
４０ 制御装置、４１ ２分の１波長板（λ／２波長板）、
５０ レーザー光集光点調整装置、
５１ 第１凸レンズ、５２ 第２凸レンズ、５３ 第３凸レンズ、
５４ 第４凸レンズ、５５ 凹レンズ、
５８ 第１レンズ位置調整装置（調整移動機構）
５９ 第２レンズ位置調整装置（調整移動機構）

Claims (14)

1. レーザー光を外部から導入し、該レーザー光を周回する周回路内に閉じ込めて、該周回路内のレーザー光集光点を繰り返し通過させるレーザー光周回光学系と、
   前記レーザー光集光点の位置を調整するレーザー光集光点調整装置とを備え、これにより同一のレーザー光を同一のレーザー光集光点に複数回集光させる、ことを特徴とするレーザー光周回装置。
2. 前記レーザー光集光点調整装置は、レーザー光集光点の上流側に位置する第１凸レンズと、レーザー光集光点の下流側に位置する第２凸レンズと、前記第１凸レンズと第２凸レンズを光軸に直交する方向に移動可能な第１レンズ位置調整装置とを備える、ことを特徴とする請求項１に記載のレーザー光周回装置。
3. 前記レーザー光集光点調整装置は、更に、前記第１凸レンズと第２凸レンズとで２つの区画に分割される半周回路の内、レーザー光集光点を含まない側の半周回路において上流側に位置する第４凸レンズと下流側に位置する第３凸レンズを、第２凸レンズと第３凸レンズの間の周回路長ｄ_２３と、第４凸レンズと第１凸レンズの間の周回路長ｄ_４１とを等しく設け、さらに前記第３凸レンズと第４凸レンズを光軸に直交する方向に移動可能な第２レンズ位置調整装置を備えたことを特徴とする請求項２に記載のレーザー光周回装置。
4. 第４凸レンズの焦点距離ｆ_４と第１凸レンズの焦点距離ｆ_１の和は、第４凸レンズと第１凸レンズの間の周回路長ｄ_４１に等しく、かつ
   第２凸レンズの焦点距離ｆ_２と第３凸レンズの焦点距離ｆ_３の和は、第２凸レンズと第３凸レンズの間の周回路長ｄ_２３に等しく設定されている、ことを特徴とする請求項３に記載のレーザー光周回装置。
5. 前記レーザー光集光点調整装置は、更に、２つの同焦点距離の第３凸レンズと第４凸レンズを互いに焦点距離だけ離して設け、その中央に凹レンズを設け、
   該凹レンズの焦点距離ｆ_５は、焦点距離ｆ_３の１／４と焦点距離ｆ_４の１／４に等しい、ことを特徴とする請求項３に記載のレーザー光周回装置。
6. 前記第３凸レンズと凹レンズの間の周回路長ｄ_３５と、凹レンズと第４凸レンズとの間の周回路長ｄ_５４は、焦点距離ｆ_３の１／２に等しく設定されている、ことを特徴とする請求項５に記載のレーザー光周回装置。
7. 前記レーザー光周回光学系は、第１直線偏光をそのまま通し、これに直交する第２直線偏光を直角に反射する偏光ビームスプリッターと、
   該偏光ビームスプリッターを出たレーザー光を複数回反射して前記偏光ビームスプリッターに周回させる複数の反射ミラーと、
   前記周回路内に位置し電圧の印加時に通過するレーザー光の偏光方向を９０度回転するポッケルスセルと、
   偏光ビームスプリッターに周回するレーザー光が常に第２直線偏光となるようにポッケルスセルを制御する制御装置とを備え、
   前記偏光ビームスプリッターによりレーザー光を直角に反射して、レーザー光を周回する周回路内に閉じ込める、ことを特徴とする請求項１に記載のレーザー光周回装置。
8. 前記レーザー光は、パルスレーザー光であり、
   更に、前記ポッケルスセルの上流側に位置し通過するパルスレーザー光の偏光面を９０度回転させる２分の１波長板を備え、
   前記制御装置により、パルスレーザー光の最初の周回時には、ポッケルスセルに電圧を印加せずに第２直線偏光をそのまま通し、２周目以降はポッケルスセルに電圧を印加し第１直線偏光を第２直線偏光にして通す、ことを特徴とする請求項７に記載のレーザー光周回装置。
9. 前記レーザー光は、パルスレーザー光であり、
   前記制御装置により、パルスレーザー光の最初の周回時に、ポッケルスセルに電圧を印加し第１直線偏光を第２直線偏光にして通し、２周目以降はポッケルスセルに電圧を印加せずに第２直線偏光をそのまま通す、ことを特徴とする請求項７に記載のレーザー光周回装置。
10. レーザー光を外部から導入し、該レーザー光を周回する周回路内に閉じ込めて、該周回路内のレーザー光集光点を繰り返し通過させ、
    かつレーザー光集光点の位置を調整し、同一のレーザー光を同一のレーザー光集光点に複数回集光させる、ことを特徴とするレーザー光周回方法。
11. レーザー光集光点の上流側に第１凸レンズを位置決めし、レーザー光集光点の下流側に第２凸レンズを位置決めし、第１凸レンズと第２凸レンズを光軸に直交する方向に移動してレーザー光集光点の位置を調整する、ことを特徴とする請求項１０に記載のレーザー光周回方法。
12. 更に、第１凸レンズの上流側に第３凸レンズを位置決めし、第２凸レンズの下流側に第４凸レンズを位置決めし、前記第１乃至第４の凸レンズを光軸に直交する方向に移動してレーザー光集光点の位置と入射角度を調整する、ことを特徴とする請求項１１に記載のレーザー光周回方法。
13. 前記第３凸レンズと第４凸レンズの間に凹レンズを設け、これにより周回路を小型化し、かつ第３凸レンズと第４凸レンズの間のレーザー光の集光強度を低減する、ことを特徴とする請求項１２に記載のレーザー光周回方法。
14. 第１直線偏光のレーザー光を偏光ビームスプリッターを通して外部から導入し、
    該偏光ビームスプリッターを出たレーザー光を同一平面内で複数回反射して前記偏光ビームスプリッターに周回させる周回路を形成し、
    前記周回路内に位置するポッケルスセルを用いて、偏光ビームスプリッターに周回するレーザー光が常に第１直線偏光と直交する第２直線偏光となるようにポッケルスセルを制御し、
    偏光ビームスプリッターによりレーザー光を直角に反射して、レーザー光を周回する周回路内に閉じ込める、ことを特徴とする請求項１０に記載のレーザー光周回方法。
    

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