JP2014030022A - 光アンジュレータを使用する高効率単色ｘ線源 - Google Patents

Abstract

【課題】 エネルギー性の電磁放射を生成する方法が、それぞれの複数の個別の放射間隔中に、その所与の波長の放射に関するラウンドトリップ・トランジットタイム（ＲＴＴＴ）によって特徴付けられる光共振器に所与の波長のレーザ放射を注入すること。
【解決手段】少なくともいくつかの放射間隔が、１つ又は複数の光学的なマクロパルスによって定義され、少なくとも１つの光学的なマクロパルスが、前記光学的なマクロパルス内のそれに続く光学的なマイクロパルスによってコヒーレントに強化される関連する循環する光学的なマイクロパルスを誘発し、前記共振器内の任意の所与の位置での前記循環する光学的なマイクロパルスの電界の振幅が前記放射間隔中に最大値に到達する。
【選択図】図１Ｂ

Description

関連出願

（関連出願の相互参照）
本出願は、２００５年６月２日に出願の米国特許出願第６０／６８７，０１４号の米国
特許法１１９条（ｅ）の利益を主張し、その全体の開示が参照によって組み込まれる。

本発明は一般に、ｘ線やその他のエネルギー性の電磁放射（短波長）の生成に関し、よ
り詳細には、電磁気の短波長放射を生成するために相対論的電子を比較的長い波長を有す
る電磁放射と相互作用させる技術に関する。

放射の強力な、準単色の、前方ピークのビームを生成するためにアンジュレータを使用
する、電磁放射の電子ビームに基づく供給源の特有の能力によって、アンジュレータが第
２及び第３世代のシンクロトロン放射源及び自由電子レーザなどの高性能の光源の重要な
構成要素になった。したがって、Ｍｏｔｚ’の先駆的な概念の記述やＳｔａｎｆｏｒｄで
の第１の実演（Ｍｏｔｚ’１９５１）に始まり、自由電子レーザの開発（Ｍａｄｅｙ １
９７１）、ならびに（Ｂｒｏｏｋｈａｖｅｎ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ
（Ｄｅｃｋｅｒ １９９６）、Ｌａｗｒｅｎｃｅ Ｂｅｒｋｅｌｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏ
ｒｙ（Ｒｏｂｉｎｓｏｎ １９９１）、ｔｈｅ Ｓｔａｎｆｏｒｄ Ｌｉｎｅａｒ Ａｃ
ｃｅｌｅｒａｔｏｒ Ｃｅｎｔｅｒ（Ｈｅｔｔｅｌ ２００２）、及びＡｒｇｏｎｎｅ
Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ（Ｇａｌａｙｄａ １９９５）での第２世代の
シンクロトロン放射源に関連する多くの刊行された記述の概念まで、文献にはアンジュレ
ータ技術及びアンジュレータの使用の多くの参照がある。

今日建設されるそのようなシステムは、ほとんどすべてがローレンツ力ｅｖ×Ｂの磁力
成分が磁界全体にわたって移動する電子の動きに周期的な横断方向の加速及び周期的な横
断方向の速度の両方を強制する、静的な横断方向の空間的に周期的な磁界を形成するよう
に設計された双極マグネットの直線的な配列として建設されるアンジュレータを使用する
。典型的な磁石の周期は、所望の放射の波長及びシステムで使用可能な電子ビームのエネ
ルギーに応じて１ｃｍより幾分小さいものから１０ｃｍ程度までの範囲にある。放射を高
調波に限定しながら放射された出力を最大限にするために、これらのシステムは、一般に
０．１と１．０の間の程度の規格化ベクトル・ポテンシャル(normalized vector potenti
al)ａ_nで運転される。一般的なアンジュレータの長さは、所望のスペクトルバンド幅を達
成するために、必要に応じて１から１０メーの範囲にある。１つの例として、３．０Ｇｅ
Ｖの電子エネルギーで１％のスペクトル幅を有する１０オングストロームの波長のｘ線、
及び最小の角度発散を有する電子ビームを生成するように設計されたａ_n ²＝０．２で稼動
するアンジュレータは、５．７ｃｍの周期と３メーの長さを有する。

稼動のために必要な高エネルギー、高出力の電子ビームを生成する必要があった、その
ようなシステムに使用されるアンジュレータの拡張された長さによって、加速器システム
の寸法、コスト、複雑さと共に、そのような光源は物理的に大きくかつ高価なものになっ
た。例として、Ｂｒｏｏｋｈａｖｅｎ、Ｌａｗｒｅｎｃｅ Ｂｅｒｋｅｌｅｙ Ｌａｂｏ
ｒａｔｏｒｙ、Ｓｔａｎｆｏｒｄ、Ａｒｇｏｎｎｅのｘ線源は、それぞれ、５４、６３、
７５、３５０メートルの直径を有し、建設費用は、１億６０００万ドルから５億万ドルの
範囲であった。

関連する物理的現象である逆コンプトン散乱は、シンクロトロン放射源（Ｒｕｔｈ １
９９８、Ｒｕｔｈ ２０００、Ｈａｒｔｅｍａｎ ２００４）や自由電子レーザ（Ｅｌｉ
ａｓ １９７９）で短波長電磁放射を生成する手段としても研究されてきた。逆コンプト
ンのメカニズムは、入射する電磁波が１つの電子によって散乱されるコンプトン散乱と、
電荷を移動させることによって放出される放射が、動きの方向に沿って周波数が上昇する
ドップラー・シフトの２つの基本的な物理的効果を結び付ける。

しかし、文献（Ｈｅｆｔｉｅｒ １９６０）に記載されたコンプトン散乱の概念は、メ
カニズムが１つの光子の散乱として説明できる場合のみ適用され、入射する電磁波の電界
と磁界が光の速度に接近する横断の速度を誘発するのに十分強い場合、例えばそれらの正
規化ベクトル・ポテンシャルが１に近づく場合には、もはや根拠のあるものでない。低い
界の振幅にこのような制約があり、放射されたパワーが界の振幅の２乗に依存することを
考えると、電子ビームに基づく逆コンプトン光源は、アンジュレータに基づく光源と比肩
できることが今日まで簡単に証明されていない。

発明の１つの態様では、複数の分離された放射間隔のそれぞれの間に、エネルギーの電
磁放射を生成する方法は、所与の波長のレーザ放射をその所与の波長の放射に関するラウ
ンドトリップ・トランジットタイム（round-trip transit time：ＲＴＴＴ）によって特
徴付けられる光共振器に注入するステップを含む。少なくともいくつかの放射間隔が１つ
又は複数の光学的なマクロパルスによって定義され、少なくとも１つの光学的なマクロパ
ルスが、光学的なマクロパルス内のそれに続く光学的なマイクロパルスによってコヒーレ
ントに強化され、関連する循環する光学的なマイクロパルスを誘発し、共振器内の任意の
所与の位置での循環する光学的なマイクロパルスの電界の振幅が放射間隔中に最大値に達
する。

レーザは現在（出力の点で）コヒーレントな放射の唯一の供給源であるので、用語「レ
ーザ」が使用される。新規に発見されたコヒーレントの光源が有用であることが分かった
場合、用語「レーザ」は、そのような供給源を包含する。

この方法では、循環する光学的なマイクロパルスを誘発する少なくとも１つの光学的な
マクロパルスが、一連の光学的なマイクロパルスからなり、注入される光学的なマイクロ
パルスとその光学的なマクロパルスによって誘発された循環する光学的なマイクロパルス
との間に少なくとも５０％の間隔的な重複をもたらすように、１つの光学的なマイクロパ
ルスの開始と次のマイクロパルスの開始の間の間隔が所与の波長の放射に関するＲＴＴＴ
のちょうど整数倍（１×を含む）に十分に近く、その光学的なマクロパルスに注入される
光学的なマイクロパルスがその光学的なマクロパルスによって誘発された循環する光学的
なマイクロパルスと光学的な位相の±４５°以内にあることを特徴とする。

方法は、循環する光学的なマイクロパルスの電界の振幅がその最大値又はその付近であ
るとき、循環する光学的なマイクロパルスが、０．１より大きい正規化されたベクトル・
ポテンシャルを特徴とする相互作用の領域に光アンジュレータの電界を形成するように、
循環するマイクロパルスを共振器内の相互作用領域に合焦させるステップと、一連の電子
マイクロパルスを含む電子ビームを共振器の相互作用領域に向けて送るステップをさらに
含む。少なくともいくつかの電子マイクロパルスは、共振器内の循環する光学的なマイク
ロパルスと同期され、電子ビームは、共振器内の相互作用領域に合焦され、それによって
少なくとも１つの電子マイクロパルスが相互作用領域で相互作用領域の光アンジュレータ
の界と相互作用し、レーザ放射の光周波数よりも高い光周波数で電磁放射を生成する。

本発明の１つの態様によれば、アンジュレータに基づくシンクロトロン放射源の電流の
生成で達成可能な性能に匹敵する性能のレベルでの動作は、光アンジュレータを使用して
得ることができ、それは、正規化ベクトル・ポテンシャルが０．１以上の程度に上昇され
る一連の強力な光パルスであり、この一連のパルスを通って移動する相対論的電子による
紫外、ｘ線、ガンマ線放射の放出の値の範囲が最適化される。しかし、この正規化ベクト
ル・ポテンシャルで稼動する永久磁石アンジュレータとは対照的に、そのような光アンジ
ュレータで単位長さ当たりに放射されるｘ線出力は、１０，０００倍程度大きい。

同様に重要なのは、そのような供給源の動作に必要な電子エネルギーは、同じ因数の平
方根によって約分され、それによって寸法、コスト、運転費がかなり大幅に縮小する。最
後に、磁力式のアンジュレータの使用に基づく短波長の放射源とは対照的に、連続的な放
射間隔の光アンジュレータを備える光パルス列の波長とフォーマットを変更する能力によ
って、従来の磁力式のアンジュレータの使用によって達成不可能な用途に必要な単色及び
多色のｘ線パルスの生成においてあるレベルの柔軟性が可能になる。

ほぼ同心の光共振器の光学的な特性は、１つ又は複数の低出力ポンプレーザから共振器
に注入される光パワーを統合し、その蓄積されたエネルギーを共振器内の真空中の小さな
点に合焦することによって本発明の動作に必要な強力な光パルスの生成を可能にする。適
切な設計により、共振器の内側表面のピークの光パワー密度とフルエンスは、回折により
それらの表面のピーク出力の損傷しきい値と調和するレベルに低下される。これらの表面
のフルエンスと平均光パワーの入射はさらに、ポンプレーザが光パワーを共振器に注入す
る間にわたる時間の間隔を制限することによって、統合されたパルスと平均出力の損傷し
きい値の下に保つことができる。

専門用語の目的で、光共振器に注入又はその中に蓄積される個々の光パルスを光学的な
マイクロパルスとノミナル、そのような光学的なマイクロパルスが光共振器に注入される
間を置いた間隔を放射間隔と呼ぶことが便利である。したがって、共振器へのレーザ放射
の入射は、２つのまったく異なる時間尺度、すなわち放射間隔の時間尺度、及びマイクロ
パルスの時間尺度を特徴とする階層パルス構造を有する。下記に説明されるように、シス
テム及び方法は、共振器に注入される光学的なマイクロパルスが、共振器内に循環する光
学的なマイクロパルスをコヒーレントに強化し、したがって、所与の循環する光学的なマ
イクロパルスの振幅を増加させるように構成される。

この出願では、循環する光学的なマイクロパルスをコヒーレントに強化する注入される
光学的なマイクロパルスの文脈で用語「コヒーレントに強化する」は、注入される光学的
なマイクロパルス及び循環する光学的なマイクロパルスの振幅を加えることを意味するた
めに使用される。２つが互いにまったく同相である場合にこれが起こるが、用語は０の位
相差からある度合いで離れることが可能であることも企図する。同様に、用語は、注入さ
れる光学的なマイクロパルスのエンベロープ（幅及び到達時間）と循環する光学的なマイ
クロパルスの間の１００％の重複から離れることが可能であることも企図する。

例えば、代表的な実施形態では、注入される光学的なマイクロパルスの位相と循環する
光学的なマイクロパルスの位相との間の±２０°の位相差でも、比較的効率的に強化され
る。同様に、循環するマイクロパルス幅の１０％で注入されたマイクロパルスのエンベロ
ープの間に重複がないことでも比較的効率的に強化される。

したがって、効率的な強化は、注入されたマイクロパルスの位相を循環する蓄積された
マイクロパルスの位相の±２０°以内に維持し、注入されたマイクロパルスのエンベロー
プの時間的な幅及び到達の時間を循環する光学的なマイクロパルスの幅の１０％以内に維
持することによって達成される。しかし、「コヒーレントな強化」の定義は、それによっ
て注入効率がより低くなり、ａ_nの同じ値に対して注入される光学的なマイクロパルスの
出力がより高くなっても、位相差を±４５°程度の限界、及び光学的なマイクロパルスの
継続時間の±５．０％程度の非重複まで含むのに十分な幅がある。

循環する光学的なマイクロパルスが注入される光学的なマイクロパルスによってコヒー
レントに強化されるたびに、その時点の循環する光学的なマイクロパルスの振幅が増加す
る。しかし、１往復の後に、循環する光学的なマイクロパルスの振幅は共振器損失により
低下する。往復の間の共振器損失がコヒーレント強化による上昇よりも少ない限り、循環
する光学的なマイクロパルスの振幅が増大し続ける。ミラー損失は、百分率として入射光
パワーに比例するので、振幅が大きくなるほど、損失が大きくなる。いくつかの点で、共
振器損失は、コヒーレント強化の量に等しくなり、循環する光学的なマイクロパルスの振
幅は増大しなくなる。確かに、光学的なマクロパルスが終了した後、循環する光学的なマ
イクロパルスの振幅は減衰し始める。

この出願では、用語「光学的なマクロパルス」は、放射間隔内の一連のマイクロパルス
を意味するのに使用され、光共振器の単一のラウンドトリップ・トランジットを作るため
に、１つの光学的なマイクロパルスの開始と、光学的なマイクロパルスに関する時間間隔
の実質的にちょうど整数倍（１×を含む）に等しい次の光学的なマイクロパルスの開始と
の間の間隔を有することを特徴とする。このラウンドトリップ・トランジットタイムの間
隔を「ＲＴＴＴ」と呼ぶ。この定義により、単一の所与の光学的なマクロパルスは、単一
の循環する光学的なマイクロパルスをコヒーレントに強化する（その他の可能性のある制
約に従う）一連の光学的なマイクロパルスからなる。光学的なマイクロパルスは一般に、
実質的に等しい継続時間のものである。

この定義は、光学的なマクロパルス内のすべての光学的なマイクロパルスが等しく間隔
を置いたものである必要がないことに留意されたい。そうではなく、光学的なマクロパル
ス内の１つの光学的なマイクロパルスは、ＲＴＴＴの第１の整数倍でその前の光学的なマ
イクロパルスから間隔を置くことができ、光学的なマクロパルス内の別の光学的なマイク
ロパルスは、ＲＴＴＴの第１の整数倍とは異なるＲＴＴＴの第２の整数倍でその前の光学
的なマイクロパルスから間隔を置くことができる。ほとんどの実施態様は、等しく間隔を
置いた光学的なマイクロパルスを有する光学的なマクロパルスを特徴とするが、これは循
環する光学的なマイクロパルスのコヒーレントな強化に必要でない。

これによって、２つの光学的なマイクロパルスがＲＴＴＴの整数倍以外によって分離さ
れる場合、それらは異なる光学的なマクロパルスに属する（又は一方もしくは両方が１つ
の光学的なマクロパルスの部分ではない）ということが推論される。例えば、共振器に注
入される光学的なマイクロパルスが１／２ラウンドトリップ・トランジットタイムで分離
される場合、これは２つの重複する光学的なマクロパルスを構成しており、そのそれぞれ
の光学的なマイクロパルスがインターリーブされているとみなされる。これらの２つの光
学的なマクロパルスを共振器に注入することは、その他の可能性のある制約を受け、別個
の循環する光学的なマイクロパルスをコヒーレントに強化する。言い換えれば、光学的な
マクロパルスの定義は、光学的なマクロパルス内のすべての光学的なマイクロパルスが同
じ循環する光学的なマイクロパルスをコヒーレントに強化する結果となる。２つの重複す
る光学的なマクロパルスが任意の相対的な時間の遅れを使用してインターリーブされるそ
の他の例が説明できる。

何らかの診断的な用途などの、特定のタイミングの制約を満たさず、どのような循環す
る光学的なマイクロパルスもコヒーレントに強化しない１つ又は複数の光学的なマイクロ
パルスを注入することが望ましい例がある可能性がある。これらは、１つの光学的なマク
ロパルスに属さないので孤立した光学的なマイクロパルスと考えることができる。光学的
なマクロパルスの継続時間は、放射間隔の継続時間と実質的に同じ、又は放射間隔よりも
短くなっていることに留意されたい。光学的なマクロパルスの継続時間が放射間隔よりも
短い場合、光学的なマクロパルスの部分ではない別の光学的なマイクロパルスがあること
が含意される。そのようなその他の光学的なマイクロパルスは、１つ又は複数のその他の
光学的なマイクロパルスに属することができ、又はそのような、離れて孤立した光学的な
マイクロパルスであることができる。

本発明の実施態様は、光共振器内の循環する光学的なマイクロパルスをコヒーレントに
強化するために、光共振器へのポンプレーザの光学的なマイクロパルスの入射の能力を活
用する。コヒーレントの強化は、注入される光学的なマイクロパルスの時間パターンが１
つ又は複数の光学的なマクロパルスを含むことによって達成でき、複数の光学的なマクロ
パルスのそれぞれは、１つ又は複数の光学的なマイクロパルスを特徴とし、実質的にＲＴ
ＴＴのちょうど整数倍ｍ（１×、すなわちｍ＝１を含む）である。光周波数は、実質的に
（ｃを基準にした）ＲＴＴＴの逆数のちょうど整数倍ｎであり、したがって光周波数は、
ｎを（ｍにＲＴＴＴをかけたもの）で割ったものである必要がある。上記に示したように
、異なる周期又は同じ周期を伴う複数の連続するものをインターリーブできる。

それぞれの光学的なマイクロパルスは、共振器に注入された後に、共振器内で循環し、
共振器に注入された同じ光学的なマクロパルスのそれに続くそれぞれの光学的なマイクロ
パルスは、所与の光学的なマクロパルスのより以前の光学的なマイクロパルスから生じた
循環するマイクロパルスをコヒーレントに強化する。１つの態様での本発明の動作は、０
．１以上の程度の正規化ベクトル・ポテンシャルを有する蓄積された光学的なマイクロパ
ルスを達成するのに適切な出力の数のマイクロパルスの注入を必要とし、一方でマクロパ
ルスの継続期間を制限し、したがって、注入されるマイクロパルスの数を共振器の内側表
面に関する統合されたパルスと平均の出力の損傷と調和する値に制限することが分かるで
あろう。

例として、光学的なマイクロパルスの継続時間は一般に、１〜１０ｐｓ（ピコ秒）程度
であり、一方で、光学的なマイクロパルスの繰り返し率は、一般に、（例えば、１ＧＨｚ
（Ｌバンド）から１０ギガヘルツ（Ｘバンド）、特定の例では２．８６ギガヘルツ）のＧ
Ｈｚ範囲である。放射間隔の継続時間は、１〜１０μ秒（マイクロ秒）程度であり、放射
間隔の繰り返し率は、１０〜１００Ｈｚ又はそれより低いもしくは高い程度である。これ
は、０．１〜０．００１の範囲のマイクロパルスのデューティ・サイクルと、０．０００
０１〜０．００１の範囲の放射間隔のデューティ・サイクルに一致する。したがって、用
語「放射間隔」、「マクロパルス」、「マイクロパルス」は相対的な意味で使用される。
特定の例では、放射間隔の継続時間と、一般的な光学的なマクロパルスの幅は、マイクロ
秒の程度であり、光学的なマイクロパルスの幅は、ピコ秒の程度である。

射出間ベースで、レーザ波長及び／又は光学的なマクロパルスのタイミングを射出間で
任意で変更するようにプログラムできる単一のポンプレーザ、又は重複又は互いにずれた
光学的なマクロパルスを生成するように起動できる複数のポンプレーザを使用することを
想定すると、本発明は、異なる、任意に調整可能な波長のｘ線ビームを変更し、又は同じ
放射間隔中、又は個別の放射間隔中、複数の波長のｘ線ビームを同時に生成するための手
段も提供する。

これらの能力は、主要なシンクロトロンの放射研究所で現在使用されている永久磁石ア
ンジュレータ供給源などのより従来からあるｘ線源を使用して画像化されるのに十分長く
残存しない可能性のある過渡的な特性を捕らえるため、ミリ秒、マイクロ秒、又はピコ秒
の時間尺度でのいくつかの波長で露出を必要とするように、その特性が時間と共に動的に
変化するシステム及び構造の分析で決定的に重要なものである可能性がある。

ａ_n〜０．１以上の程度の正規化ベクトル・ポテンシャルを有するがマイクロメートル
程度の空間的な周期を有する光アンジュレータを組み込むことによって、本明細書に記載
される本発明は、寸法とコストが劇的に低減したアンジュレータや電子ビーム加速器の両
方によって稼動でき、それによってこれまで可能であったコストのわずかな部分で高性能
の紫外及びｘ線光源が構築され、稼動される。

多くの実施態様が、循環する光学的なマイクロパルスのうちの１つと相互作用するそれ
ぞれの電子マイクロパルスを有するが、循環する光学的なマイクロパルスがそのそれぞれ
の通路で電子マイクロパルスと相互作用する必要はまったくない。同様に、それぞれの電
子マイクロパルスが共振器内の循環する光学的なマイクロパルスと相互作用する必要はま
ったくない。実際に、これは単一の電子ビームが複数の光共振器によって共有される場合
である。また、孤立した光学的なマイクロパルスは、電子のマイクロパルスと相互作用す
るようにタイミングをとられることは考えられないことに留意されたい。

本明細書に説明された本発明の特定の実施形態は、ｘ線を生成することを対象としてい
るが、その他の実施形態がＥＵＶ及びガンマ線などのその他の波長の範囲で電磁放射を生
成できる。用語、エネルギー電子放射は、遠ＵＶ、極ＵＶ（ＥＵＶ）、ｘ線、ガンマ線を
含む１００ｎｍより短い波長を有する電子放射を意味するのに使用される。説明の多くは
ｘ線によってなされるが、文脈が特に示唆しない限りその他の形式のエネルギー性の電子
放射が含まれる。

循環する光学的なマイクロパルスが共振器の相互作用領域にある、入射する電子マイクロパルス（バンチ）の相互作用を概略的に示す、本発明の１つの実施形態によるシステムの高レベルの概略図である。 図１Ａに示されるシステムのより包括的な概略図である。 Ａ：（ａ）一連の光学的なマイクロパルスを含む代表的な光学的なマクロパルス、（ｂ）入射する光学的なマイクロパルスが光共振器内の循環する光学的なマイクロパルスをコヒーレントに強化すると、循環する光学的なマイクロパルスの振幅が増大する様式、（ｃ）注入される電子マイクロパルスが共振器内の蓄積された光パワーの最大又はその付近で光共振器に入るようにタイミングをとられた代表的な電子マクロパルスを示すタイミング図である。 Ｂ：放射間隔のデューティ・サイクルが時間平均の損傷及び形状歪みを限度内に抑えるように選択される、代表的な電子ビーム及びレーザビームのマクロパルスのタイミングを示す。 光位相のコヒーレンスの概念を概略的に示し、図３Ａが、左から共振器の鏡に接近する入射する光学的なマイクロパルス、及び右から共振器の鏡に接近する循環する光学的なマイクロパルスを示し、図３Ｂが、共振器の鏡によって反射され、それを通して伝達される、入射及び循環する光学的なマイクロパルスの部分を示す。 ２つの循環する光学的なマイクロパルスを確立するために使用される２つの個別のレーザからの光学的なマイクロパルスを示す。 本発明の実施形態を実施するのに適した光共振器の第１の構成の概略図である。 本発明の実施形態を実施するのに適した光共振器の第２の構成の概略図である。 入射する光学的なマイクロパルス、循環する光学的なマイクロパルス、入射する電子マイクロパルスの間の所望のタイミング関係を維持するための代表的な制御要素を示す、それぞれ第１及び第２の共振器構成を使用する実施形態の概略図である。 入射する光学的なマイクロパルス、循環する光学的なマイクロパルス、入射する電子マイクロパルスの間の所望のタイミング関係を維持するための代表的な制御要素を示す、それぞれ第１及び第２の共振器構成を使用する実施形態の概略図である。 補助的な光共振器を使用する制御システムの１つの実施形態の概略図である。 複数の光アンジュレータの間で単一の電子ビームを共有するための代替の手法の概略図である。 複数の光アンジュレータの間で単一の電子ビームを共有するための代替の手法の概略図である。

明細書及び図面の残りの部分を参照することによって本発明の性質及び利点のさらなる
理解が可能である。

基本構成及び動作
手短に言って、本発明の実施形態は、ｘ線やその他のエネルギー性の電磁放射（紫外線
及びガンマ線を含む短波長）の生成を可能にする。これらの実施形態は、ｘ線結晶構造解
析、医学ｘ線撮影法、ｘ線治療、その他のｘ線やガンマ線撮像システム、さらに原子及び
高エネルギー物理学の調査に必要な、高輝度の、準単色の、高平均出力、高ピーク出力の
ｘ線ビームを提供する。

図１Ａは、本発明の１つの実施形態による代表的なシステム１０の主要な要素の高レベ
ルの概略図である。システムの主要な要素は、パルス電子ビーム加速器２０などの電子供
給源、モードロック・ポンプレーザ２５（又は複数のポンプレーザ）などのパルス光源、
光学的レゾネータとして稼動される光共振器３０を備える。共振器３０は、対向する凹型
鏡３２、３５を備えるものとして概略的に示される。手短に言えば、加速器２０からの一
連の合焦される電子マイクロパルス４０を共振器３０の相互作用領域４５で光アンジュレ
ータの界と相互作用させてエネルギー性の電磁放射を生成する。

アンジュレータの界は、レーザ２５からの放射５０を共振器３０に注入して共振器内で
１つ又は複数の循環する光学的なマイクロパルス６０を確立することによって定められる
ことが好ましい。レーザ放射は、レーザビームと呼ばれることもある。共振器は、循環す
る光学的なマイクロパルスを相互作用領域４５に合焦させるように構成される。下記によ
り詳細に説明されるように、入射する放射内の光学的なマイクロパルスは、循環する光学
的なマイクロパルスがそれに続く入射する放射内の光学的なマイクロパルスによってコヒ
ーレントに強化されるように間隔を置かれ、同期される。そのような相互作用から生成さ
れるものは、エネルギーの低下した散乱ｘ線（又はその他のエネルギー性電磁放射）マイ
クロパルス７０、電子マイクロパルス７５である。

図１Ｂは、図１Ａに示されるシステムのより包括的な概略図である。上述のように、シ
ステムは、電子加速器２０からの電子マイクロパルス４０を（凹型鏡３２、３５として概
略的に示される）光共振器３０に蓄積された１つ又は複数の強力なコヒーレントな光学的
なマイクロパルス６０と衝突させることによって、高輝度のコヒーレントな単色のｘ線（
又はその他のエネルギー性の電磁放射）を生成するように稼動する。ｘ線生成は、光学的
なマイクロパルスのベクトル・ポテンシャルが〜０．１よりも大きいａ_nの値を維持する
ように制御される相互作用領域４５に局所化される。

システムは、制御コンピュータ８０に接続された、いくつかの制御要素とフィードバッ
ク要素を備える。電子ビーム制御は、電子ビーム伝送光学及び診断素子８５ａ、８５ｂ、
８５ｃや、ビーム位置監視装置８７を備える。電子加速装置２０からの電子バンチは、ビ
ーム位置監視装置８７の制御下で電子ビーム伝送光学及び診断素子８５ａから相互作用領
域４５に送られ、次いで電子ビーム伝送光学及び診断素子８５ｂによって出力ビームから
除去され、電子ビーム伝送光学及び診断素子８５ｃによって減速ビームダンプ９０に送ら
れる。

生成されたｘ線マイクロパルスは、その間にコリメータ１００が配置されるｘ線ビーム
診断素子９５ａ、９５ｂを通って、ｘ線を利用するためのｘ線試験又はその他の要素に送
られる。

光学ビーム制御部は、伝送及びモード整合光学素子１０５、（この特定の共振器の実施
形態では傾斜板として示される）球形度補償器１１０、１つ又は複数の光学診断素子１１
５、一対の放射熱源１１７、１２０。ポンプ・レーザ２５（又は複数のポンプレーザ）に
よって生成された光学的なマイクロパルスは、伝送及びモード整合光学素子１０５を通っ
て光共振器３０に送られる。球形度補償器１１０は、光共振器内でコヒーレント・パルス
が積み重なるのと同時に、相互作用領域４５内で緊密な焦点を得ることができるのを確実
にするために共振器光学素子に組み込まれる。光共振器３０内で循環する光学的なマイク
ロパルスのモードの質と強度は、光学診断素子１１５によって監視される。放射熱源１１
７、１２０は、蓄積されたビームの熱効果を補償するために、それぞれのビームスプリッ
タ１２２、１２５を介して共振器の鏡３２、３５に向けられる。光共振器３０の幾何学形
状の制御のこのさらなるレベルは、相互作用領域４５の必要な光学ベクトル・ポテンシャ
ルａ_nを維持するのを補助する。

電子ビーム伝送光学及び診断素子８５ａ、８５ｂ、８５ｃ、ビーム位置監視装置８７、
ｘ線ビーム診断素子９５ａ、９５ｂ、光学診断素子１１５からの信号は制御コンピュータ
８０に送られ、その制御コンピュータ８０は、これらの信号を電子ビーム伝送光学及び診
断素子８５ａ、８５ｂ、８５ｃ、伝送及びモード整合光学素子１０５、球形度補償器１１
０、放射熱源１１７、１２０を制御するために使用する。

図２Ａは、図１Ａ、１Ｂのシステムの稼動中に所与の循環する光学的なマイクロパルス
の場合に関するいくつかのタイミングの関係を概略的に示すタイミング図である。マイク
ロパルス・タイミングの詳細は下記に論じられるが、この時点では、入射する放射の全体
の時間のプロファイルは、一連の間隔を置いた光学的なマクロパルスを含み、そのそれぞ
れは一連の光学的なマイクロパルスを含む。用語「光学的なマクロパルス」は、この用途
で使用されるので、光学的なマクロパルスを構成する光学的なマイクロパルスが１つの循
環する光学的なマイクロパルスを誘発する。いくつかの実施形態では、複数の光学的なマ
クロパルスが複数の対応する循環する光学的なマイクロパルスを誘発するように重畳でき
る。

図２Ａの最上部は、一連の光学的なマイクロパルスを含む代表的な光学的なマクロパル
スを示す。図２Ａの中間部は、入射する（注入される）光学的なマイクロパルスが光共振
器内の循環する光学的なマイクロパルスをコヒーレントに強化すると、循環する光学的な
マイクロパルスの振幅が増大するようすを示す。これは、入射する光学的なマイクロパル
スの共振器内での「積み重ね」と呼ぶことができる。図２Ａの底部は、注入される電子マ
イクロパルスが共振器内での蓄積された光パワーの最大又はその付近で光共振器に入るよ
うにタイミングをとられる代表的な電子マクロパルスを示す。

図２Ｂは、代表的な光学及び電子のタイミングを示す。注入される電子マイクロパルス
が共振器内での蓄積された光パワーの最大又はその付近で光共振器に入るようにタイミン
グをとられる。マクロパルス内の注入される光学的なマイクロパルスの数は、共振器への
熱に誘発された損傷の促進を制限するように選択される。デューティ・サイクルは、時間
平均の損傷と補償されない形状歪みを限度内に抑えるように選択される。

図３Ａ、３Ｂは、光位相のコヒーレンスの概念を概略的に示す。図３Ａは、左から共振
器の鏡に接近する入射する光学的なマイクロパルス、及び右から共振器の鏡に接近する循
環する光学的なマイクロパルスを示す。図３Ｂは、
（ａ）入射する光学的なマイクロパルスの部分が共振器の鏡を通って共振器内に伝達さ
れ、循環する光学的なマイクロパルスの部分が共振器の鏡によって（反転して）反射され
る
（ｂ）入射する光学的なマイクロパルスの部分が共振器の鏡によって（反転して）反射
され、循環する光学的なマイクロパルスの部分が共振器の鏡を通って伝達される一般的な
場合を示す。

図示されるように、微視的（光学）位相及び注入される光学的なマイクロパルスのエン
ベロープが、微視的（光学）位相及び循環する光学的なマイクロパルスのエンベロープと
実質的に整合すると、これは、
（ａ）共振器の鏡によって伝達された入射する光学的なマイクロパルスの一部分の振幅
が、共振器の鏡によって反射された循環する光学的なマイクロパルスの一部分にコヒーレ
ントに加わる
（ｂ）共振器の鏡によって反射された入射する光学的なマイクロパルスの部分、共振器
の鏡を通って伝達された循環する光学的なマイクロパルスの部分の振幅が、共振器の外側
で打ち消しあうよう（すなわち破壊的）に加わることになる。

本発明の動作の根本にある物理学
空間的に周期的な横断方向の磁界又は電磁界によって偏向された相対論的電子線は、γ
²ｋ²Ａ²の積に比例した比率で電磁エネルギーを放射する。ただし、
γはローレンツ因子Ｅ／ｍｃ²で、
ｋは、界の空間的な振動の周期λを特定する波数２π／λで、
Ａは、ｒｍｓベクトル・ポテンシャルである。
正規化ベクトル・ポテンシャルａ_nを定義することも有用である。ただし、ｃｇｓ単位
でａ_n＝ｅＡ／ｍｃ²

横断方向の磁界が周期的である場合、（すなわち界が静的である場合、波長（１＋ａ_n ²
）λ／（１＋βｃｏｓθ）γ²で電子の動きの方向に平行な軸）放出される放射は前方方
向にピークを形成する。界が移動平面波である場合、放出される放射は、波長（１＋ａ_n ²
）λ／２（１＋βｃｏｓθ）γ²、ただし、θは、光共振器の軸が、電子ビームの前方方
向から変位された角度である。このプロセスは、静的な界の場合に、ｘ線結晶構造解析な
どの用途に関する準単色のｘ線放射の強力な、高度にコリメートされたビームの生成に向
いており、これらの用途の役割を果たすために多数の非常に大きな、高価なアクセラレー
タに基づいたｘ線源を建設することになった。

静的な及び時間変化の界の両方に関して、これらの供給源内の電子によって放射された
エネルギーは、ベクトル・ポテンシャルの平方として増加する界の強度と共に増加し続け
る。さらにより多くのエネルギーが大きな界（ａ_n＞＞１）で放射される間、放射はより
長い波長で放出される。高い界（ａ_n＞＞１）で放出される放射は同様に、もはや単色で
ないが、ほぼ白色光のスペクトラムまで完全に縮退する、増加する数の高調波を含む（Ｅ
ｌｌｅａｕｍｅ ２００３及びＬａｕ ２００３）。

したがって、正規化ベクトル・ポテンシャルの増加する値を有するアンジュレータの放
射のスペクトラムの質的な進展により、これらの原理に基づいて、システムの設計者や使
用者が、用途と整合するように設計を最適化する機会が与えられる（Ｋｉｍ １９８９）
。単色性や少ない高周波成分を強調する用途に関しては、システムは、０．１＜ａ_n＜０
．５の範囲のより低い値のａ_nで稼動するように設計でき、一方で、より高い値のベクト
ル・ポテンシャルで稼動する特徴は、ｘ線リソグラフィなどの用途に関するａ_n＞＞１（
例えば３以上）に対してほぼ連続光の白色光放射に収束する、高調波に関連するより広い
範囲の波長を含む、より高い出力と光子フラックスのビームを生成するように有用に活用
することができる。

放射されるエネルギーが固定された発光波長での波数、ベクトル・ポテンシャル、電子
エネルギーに依存することは、放射されるエネルギーが磁界又は電磁界の周期λを低下さ
せることによってのみ増加できることを示す。この結果から、放射される出力を最大にす
るには、アンジュレータ周期を最小限に抑えることが必要であるという一般的な結論が成
立する。本発明の技術により、電子ビームに基づくｘ線源で現在使用される１〜１０ｃｍ
の範囲から、光学的な領域、例えば４桁ほど小さい、マイクロメートル程度の値までアン
ジュレータ周期λを低下させることが可能になる。

したがって、本発明によって可能になるアンジュレータ周期の低下は、少なくとも４桁
ほどアンジュレータの単位長さ当たりに放射されるエネルギーを増加させ、同時に稼動に
必要な電子加速器の寸法とコストを低減させ、それによってｘ線結晶構造解析、医学ｘ線
撮影法及びｘ線治療、高度ｘ線及びガンマ線撮像システム、原子及び高エネルギー物理学
の科学的調査に使用する、コンパクトで安価な高性能のｘ線やガンマ線の光源の建設が可
能になる。

そのような緊密に焦点を結び、エネルギー性の光学的なパルスを形成し維持するには、
共振器の光学的な表面に入射するフルエンスとピーク・パワー密度が、共振器を構築する
のに用いられる基材と被覆の損傷率と調和し、共振器の鏡の形状と間隔が稼動に必要な焦
点を維持するために制御され、パルス型ポンプ・レーザによって生成された光学的なパル
スの間隔と光位相が共振器内で集積された光パルスと正確に同期したままになることが必
要になる。

光学的なマイクロパルスの特性
まさにこれらの要求する制約を満たすために、本明細書に記載された本発明は、鏡にｃ
ｍ尺度の点の寸法を維持しながら、循環する光学的なマイクロパルスを光学的な波長の程
度の焦点に持っていくそのような共振器の能力を活用するために、高い技巧の、球面に近
い光共振器の整合モードで１つ又は複数の低い平均出力のパルスレーザから、ピコ秒の、
同期された、位相コヒーレントな光パルスを集積することによって形成された、光アンジ
ュレータを利用する。この様式で、共振器の構成要素の表面でのピーク・パワー密度とフ
ルエンスが安定かつ信頼できる運転と調和するように維持しながら、焦点のベクトル・ポ
テンシャルが均一に近づき、光共振器が構築できる。

そのような共振器の光学的な表面でのピーク光パワー密度の低下を可能にしても、光学
的な表面での平均光パワー密度はなお、被覆及び／又は基材の材料の溶融、拡散、又は分
解による損傷又は劣化、さらには共振器の構成要素の被覆や基材に消散するマクロパルス
平均及び／又は時間平均出力による形状歪みを招くおそれがある。したがって、機能上の
光アンジュレータは、共振器の幾何学形状だけに依存することができないが、光源の稼動
に必要な条件を保ちながら、これらの光学的な損傷のメカニズムを抑制する１つ又は複数
の技術も組み込む必要がある。

したがって、本発明の実施形態は、共振器の構成要素を損傷から保護しながら、所望の
高いベクトル・ポテンシャルをもたらす共振器内で循環する光学的なマイクロパルスに関
する時間構造を組み込む。光学的なマイクロパルスのレベルでは、ピコ秒の時間尺度で電
子なだれの形成を制限するように、循環する光学的なマイクロパルスは、それらが共振器
の構成要素に当たる場合に十分に制限された時間とピーク出力のものである。放射間隔レ
ベルでは、放射間隔内の光学的なマイクロパルスの数は、共振器の光学素子の構成要素の
被覆と表面のピーク温度上昇を制限するように制約される。

さらに、連続的な放射間隔の繰り返し率は、共振器の構築に使用される光学素子の熱応
力と熱変形を管理可能な値に保つために制限される。この文脈では、「管理可能な値」は
、発生源の稼動に必要な条件を維持するために、表面温度勾配を調整し、又は鏡間隔、ポ
ンプ・レーザ周波数、ピコ秒のパルスを調整することによって補償できる値を意味する。

正規化ベクトル・ポテンシャルａ_n０．１〜１．０の値で稼動できる光学的な界の形成
を考えると、強力な、コリメートされた、準単色のｘ線ビームが、緊密に焦点を結び、バ
ンチの、パルス電子ビームを蓄積された光パルスを通して共振器内のその焦点に送ること
によって本発明で生成される。適切な電子ビーム供給源に連結された場合、そのように構
築され、稼動される光アンジュレータは、ｘ線パワー出力の特定の値に必要な可能な限り
最も低い平均電子電流と電力で現行のアンジュレータ技術を使用して可能なよりも１００
倍低い電子エネルギーでこの放射を生成することを可能にする。

このシステムによって生成されたｘ線ビームの瞬時のピーク出力は、ａ_n ²とγによって
決定されるような放射されるｘ線／電子の数、ピーク電子電流とバンチ長さによって決定
されるバンチ当たりの電子の平均数、さらにはバンチの間隔によって決定される。本発明
によって生成される平均のｘ線パワーは、光共振器で使用される表面と基材の平均パワー
率、及び存在すれば、稼動に必要な電子ビームを提供するために用いられる加速器に関す
る繰り返し率への制限によってのみ生成される。

現在達成可能な光学的な損傷しきい値と、加速器のピーク及び平均電流に関して代表的
な値とを想定することにより、ｃｍ周期のアンジュレータを使用する供給源に関する最先
端技術に匹敵するｘ線ビーム輝度が生み出され、稼動に必要な加速器とアンジュレータ・
システムの寸法が縮小されるため、寸法とコストがはるかに低減する。循環する光学的な
マイクロパルスを形成するためにピコ秒のパルス光ビームを使用することにより、鏡の表
面で光パワー密度と平均光パワーに関する同じ制約によって制限される連続的な光学ビー
ムを使用して実現可能なよりもはるかに大きな正規化ベクトル・ポテンシャル及び放射ｘ
線パワーの値を得ることが可能になることがさらに理解できる。

ポンプ・レーザの特徴
本発明の稼動に必要な光学的な放射は、その光学的なマイクロパルスが、共振器内で循
環する光パルスのラウンドトリップ・トランジットタイムの整数倍に等しい期間を有する
位相と振幅において変化する、１つ又は複数のそれぞれがパルスの、位相コヒーレントな
レーザ供給源によって生成される。そのようなレーザは、一般的に光アンジュレータとし
て使用するのに必要なピーク出力を直接的に得ることが不可能であるが、低い出力の位相
コヒーレントなレーザ源から得られる代表的なパルスは、共振器内で少なくとも３桁、レ
ーザ出力パワーを超えるピーク出力を達成するために、適切に設計された低損失の光蓄積
共振器内で統合できる。

注入されるマイクロパルスの各列の位相の周期性の状態は、原則的に、制限された数の
それぞれの光学的なマイクロパルスでの光学的なサイクルを考えると、稼動への大幅な影
響なしに、光蓄積共振器の固有振動数に等しくないレーザ周波数（電界のゼロクロッシン
グの間の周期の逆数）を使用できるようにする。しかし、ＣＷレーザによって駆動される
光蓄積共振器に通常適用可能な周波数同期に関する基準の緩和により、注入されたパルス
の光位相が、それらの時間の間隔に同じ周期と同期性があり、共振器のラウンドトリップ
・トランジットタイムの整数倍に等しい必要があるという本発明での要件が変わることは
ない。

これら制約を考えると、蓄積共振器に注入されるパルスの光周波数は、複数の周波数ｖ
_nm＝ｎ／（ｍτ）の個別のもの、又は組合せに等しく設定される必要がある。ただし、τ
は共振器に関するラウンドトリップ・トランジットタイム（ＲＴＴＴと呼ばれることもあ
る）、ｍはτにおいて注入されるマイクロパルスの間の時間間隔を定義する整数であり、
ｎは１／（ｍτ）に対する光周波数の比率を定義する整数である。

条件が共振器に注入されるマイクロパルスの位相と振幅の周期性によって満たされるこ
とを考えると、それぞれの光パルス列が振幅と位相の変化の周期性に関する前述の条件を
満たすことのみを条件として、異なるレーザとマイクロパルスの繰り返し周波数、及び互
いに対する任意のタイミングの多重の光パルス列によって共振器を同時に励起することが
特に可能である。

そのような光蓄積共振器に使用することが可能なレーザ供給源には、光通信に使用され
る広帯域パルス・ダイオードレーザ、パルス光ファイバー・レーザ、位相固定自由電子レ
ーザが含まれる。活性のレーザ媒体を光蓄積共振器の外側に配置することにより、より広
い範囲のレーザ媒体を使用すること、及び蓄積共振器内に必ず存在するものよりもほぼ最
適な条件の下でこれらのレーザ媒体を稼動させることの両方が可能であり、それによって
それよりもほぼ最適な正規化ベクトル・ポテンシャルを伴う蓄積された光学的なマイクロ
パルスを生成する。

１つ又は複数の自由電子レーザ（ＦＥＬ）が光共振器を励起するために本発明の一部分
として統合される場合、これらのＦＥＬは、共通の線形加速器の注入器を使用し、又はＦ
ＥＬの稼動、及び本発明の最適化されたアンジュレータｘ線源の稼動の両方に対して共通
の線形加速器の注入器を使用するように設定できる。

本発明の実施形態による光アンジュレータの動作に使用されるピコ秒のパルス構造は、
パルス位相コヒーレントのポンプ・レーザとマイクロ波、又は無線周波数の電子加速器の
両方の能力に一般的に匹敵するが、レーザ周波数とレーザのパルス間隔の同期、及びシス
テムに使用される加速器によって生成される電子バンチの位相とパルス間隔に関する条件
は、加速器とレーザの稼動周波数を光蓄積共振器の寸法と正確に整合する必要がある。

パルス・ポンプレーザと共振器のラウンドトリップ・トランジットタイムによってもた
らされる光パルス列の周期性の同期は、トランジットタイムを適切な値に維持するために
鏡の長手方向位置を調整し、又は共振器の寸法や焦点パラメータでの変化を追跡するため
にポンプ・レーザの光波長とパルス周期を調整することによって設定され維持される。ポ
ンプ・レーザのレーザ周波数とマイクロパルス繰り返し周波数が、稼動中に変えられると
、加速器の稼動周波数は、それにしたがって同期を維持するために変更される。光共振器
に関するラウンドトリップ・トランジットタイムが、稼動中に一定の値に維持される場合
、レーザと加速器の周波数を変更する必要はまったくない。

注入されるマイクロパルスの位相のジッターの効果や、エンベロープを光共振器に連結
するときのタイミングと光共振器に循環するマイクロパルスの強化の考察によって、効率
的な注入を確実にするには、注入されるマイクロパルスの位相は、循環する蓄積されたマ
イクロパルスの位相の±２０°以内に維持されることが好ましく、注入されるマイクロパ
ルスのエンベロープの到達の時の幅と時間は、循環する光学的なマイクロパルスの幅の１
０％以内に調整されることが好ましいことが示される。

注入される光学的なマイクロパルスの位相とタイミングがこれらの限度内に維持できな
い場合、循環するマイクロパルスのベクトル・ポテンシャルをシステムの動作に必要なレ
ベルに上昇させるために、注入されるマイクロパルスの出力を増加させることが必要であ
る。±４５°程度の限界になる位相のジッター、及び／又は光学的なマイクロパルスの継
続時間の±５０％程度のタイミングのジッターがより大きくなると、このように継続時間
が許容されるが、注入効率がより低くなり、同じ値のａ_nに対して注入される光学的なマ
イクロパルスの出力がより高くなる欠点がある。これらの拡張された範囲での位相ジッタ
ー及び／又はタイミング・ジッターを伴う実施形態は、入射する光学的なマイクロパルス
によるコヒーレントな強化をなおもたらすと考えられる。

時間ドメインでのレーザ、光学的なマイクロパルス、加速器、共振器の周期性での小さ
な不整合、及びこれらの周期性に影響を与える寸法に対するシステムの極端な感度を考え
ると、効率的かつ安定的な稼動を確実にするために必要な周波数及び／又は周期性の同期
は、ほとんどの実際のシステムで、これらの周期性を測定し比較し、稼動の周波数を調整
し、かつ／又は閉ループフィードバック制御の下で必要に応じて調整される要素の稼動の
周波数及び／又は寸法を調整するのに必要なセンサと診断部を備えることが必要である。

複数のレーザの実施形態
図４は、２つの個別のレーザ２５ａ、２５ｂからの光学的なマイクロパルスがそれぞれ
の単一の循環する光学的なマイクロパルス６０ａ、６０ｂを確立するのに使用される実施
形態を示す概略図である。図示されるように、レーザは、（インターリーブされるマクロ
パルスを提供するのではなく）単一の光学的なマクロパルスを生成するそれぞれのレーザ
と調和する、共振器のラウンドトリップ・トランジットタイムによって分離され、入射す
る光学的なマイクロパルス５０ａ、５０ｂのそれぞれの列をもたらす。これらのビームは
、原則的には２つのレーザビームは、共振器の両側に導入できるが、共振器に導入される
前にビーム結合器１２２で結合される。

図面は他方のレーザの光学的なマクロパルスの光学的なマイクロパルスの間に中心を合
わせた、一方のレーザの光学的なマクロパルスも示す。パルスの積み重なりを受け入れる
ために、一方のレーザの光学的なマイクロパルスの他方のレーザの光学的なマイクロパル
スに対するタイミングはまったく関係を必要としない。したがって、インターリーブされ
た組の光学的なマクロパルスの間隔は、周期的であり、間隔のすべてが加速された電子マ
イクロパルスの間隔の整数倍に一致する限り、１つの組の光学的なマイクロパルスは間隔
が密集し、ギャップがそれに続き、別の組の間隔が密集した光学的なマイクロパルスがそ
れに続く。

しかし、共振器が単一の電子マイクロパルスの周期的な列を生成する電子加速器と共に
使用される場合、絡み合う光学的なマクロパルスはラウンドトリップ・タイムτを整数で
割ったもの（τ／ｎ）によって互いから間隔を置く必要もあり、そうでなければ循環する
光学的なマイクロパルスは電子マイクロパルスと衝突しない。ほとんど又はすべての電流
電子加速器は、電子マイクロパルス（バンチ）を加速するのに必要な高い電界を生成する
いくつかの種類のＲＦ共振を使用するので、本発明のほとんどの実際の実施形態は、電子
マイクロパルスが何らかの定義された周波数で周期的に送出されることによって制約され
る。

電子ビームの特性
本発明で使用される電子ビームは、１つ又は複数のＲＦ又はマイクロ波加速器によって
提供され、そのそれぞれは、拡張された一連の電子バンチを生成する（それぞれがＲＦ位
相で角度を１０°以上の範囲を定めず、加速器の稼動周波数又はその整数倍の周期で間隔
を空けることが好ましい）。そのようなビームの実現可能な供給源には、ＲＦ若しくはマ
イクロ波線形加速器、マイクロトロン、又は蓄積リングが含まれる。代表的な実施形態は
、１つ又は複数の１０〜３０ＭｅＶ電子線形加速器を使用し、それぞれが高い平均電流の
バンチ電子ビームを生成するために３ＧＨｚで稼動する熱イオンマイクロ波ガンを利用す
る。

加速器によって生成された電子ビームは、その電子ビームが光学的な放射と衝突する領
域で水平平面と垂直平面の両方のウエストに合焦される。焦点スポットの寸法は、許容可
能なｘ線スペクトル幅を生み出す値への電子の角度広がりを規制しながら、電子ビームの
断面を最小限に抑えるように選択される。システムの稼動は、一般に角度広がりのｘ線ス
ペクトル輝度によって課せられる制約と調和する最も小さいビーム焦点を達成するために
可能な限り低い電子ビーム放出を必要とする。

光アンジュレータを通る電子の通路をたどって、送出される電子ビームは、それに続く
個別の、第１のものと同様の相互作用領域で使用するために再び合焦され、蓄積リング内
で再循環され、ビーム・ダンプ又は廃棄部に伝送され、又は熱とイオン放射の代わりにＲ
Ｆ又はマイクロ波の出力として消費される電子のエネルギーにちょうど位相を合わされた
複数の第２の組の１つ又は複数のＲＦ又はマイクロ波に伝送される。代表的な実施形態で
は、光アンジュレータに伝送されるビームを生成する加速器と同様の長さの第２の加速器
区画は、減速する電子のエネルギーを従来のビーム・ダンプに廃棄するために１０ＭｅＶ
より下に低減するために１８０°位相をずらされる。

共振器の特性
単純な２つの鏡の光蓄積共振器の設計及び稼動が、科学文献（Ｓｉｅｇｍａｎ １９９
６ａ）に広範に論評され、このタイプの共振器は、高エネルギー物理での調査用のシング
ルパスの線形衝突型加速器で使用される高エネルギー低放射率電子ビームの断面を測定す
るための非常に優れた「ｏｐｔｉｃａｌ ｗｉｒｅｓ」（Ｓａｋａｉ ２００１）を提供
するためにＣＷレーザ供給源と共に既に使用されている。従来技術は、パルスの積み重ね
のためのモードロック・ポンプを使用する場合に蓄積されたパルスの注入の効率と振幅を
最適化する固有モードの間隔に整合させるために、モードロック周波数を調整する必要に
も対処している（Ｊｏｎｅｓ ２００１）。

しかし、そのような光蓄積共振器は、（パルスポンプ供給源を使用する）パルスの積み
重ね、又は（ＣＷポンプ供給源を使用する）強力な狭い焦点スポットを生成する目的で、
従来技術で開発され実証されてきたが、効率的なパルスの積み重ねと定められた狭い焦点
スポットの両方を単一の蓄積共振器内で同時に得るための能力は、従来技術で説明されて
いない特別な共振器設計を必要とする。例えば、単一モードを構築するのに使用される共
振器では、従来技術のＣＷ「ｏｐｔｉｃａｌ ｗｉｒｅ」は、ラウンドトリップ・トラン
ジットタイムにまったく制約を設けず、したがって単一では、マイクロパルスの繰り返し
周波数が効率的なマルチモードの稼動を遂行するこの間隔に正確に整合されるパルスレー
ザ供給源に使用するのに適していない。

従来技術はまた、本発明の一部分として組み込まれる光共振器の構成と稼動に必要な光
学素子を実際に製造するために利用可能な手段についてまったく手引きを行っていない。
ＣＷと位相コヒーレント・パルスのレーザビームを注入し集積するために設計された共振
器の設計と構成が文献（Ｓａｋａｉ ２００１ ａｎｄ Ｊｏｎｅｓ ２００１）に詳細
に論じられているが、従来技術は、効率的な集積と蓄積に関し、また有用な光アンジュレ
ータの実現に必要な狭い焦点の形成と維持に関してまさに要求される基準を同時に満たす
ことができる共振器を構築するために利用可能な実際の手段についてまったく手引きを設
けていない。

本発明が依存する共振器は、湾曲した反射表面の製造に固有の制限を回避することによ
って、稼動に必要な共振器の固有モードのスペクトラム、共振器のラウンドトリップ・ト
ランジットタイム、共振器損失を維持しながら、同時に循環する光学的なパルスを回折に
よって可能にされる最も小さい点に合焦させる能力を達成する。対処される中心になる問
題は、本発明の蓄積共振器の実際の実施形態で必要な鏡に関する湾曲の中心の位置で数百
ミクロンの絶対値の不確定性に対応して、その湾曲の中心が０．１％未満の誤差で規定さ
れ、又はその曲率半径も同様に規定されるように鏡表面を研磨し形成することが本質的に
不可能であることである。

この不確定性は、数ミクロンの程度の不確定性が、効率的なパルスの積み重ねとするた
めの鏡の離隔距離、及びウエストで緊密な焦点を独立に得るための鏡の湾曲の中心の空間
的な位置の両方で同時に得られなければならない本出願に対して不十分である。従来技術
では、これらの条件のうちの１つ又はもう一方のみを得ることができるが、両方は得るこ
とができない。しかし、本発明の態様は、従来技術で見ることができない能力である、ポ
ンプ・レーザによって注入される光学的なマイクロパルスを集積するのに使用される光共
振器の構成と能力を提供する。

共振器設計
２つの鏡の共振器では、最小の焦点スポット寸法と特定のラウンドトリップ・トランジ
ットタイムの達成は、鏡の製造での実際に達成可能であるより大きな正確さ、又は許容で
きないレベルの内部応力を招く可能性もある手順である、その表面を必要な形状に合致さ
せるために鏡を変形させる機構を必要とする。したがって、共振器の２つの主要な鏡の製
造で不可避の誤差を補償するために製造し配置できる第３の要素を共振器に加えることが
一般に好ましい。したがって、本発明に使用される光蓄積共振器に関する実行可能な設計
は、必要な正確さを対応する正確さが製造において達成できる別の光学素子に伝え、動作
の際に共振器パラメータを適切に調整する技術を提供することによって、鏡の製造の上記
の制限を回避する。少なくとも２つのそのような一般的な３要素の共振器構成が実現でき
る。

第１の共振器の構成
図５は、本発明の実施形態を実施するのに適した光共振器３０の第１の構成の概略図で
ある。この構成は、ポンプ・レーザからのｐ偏光された光に対してブルースター角で、又
はほぼブルースター角で向けられた有限の厚さの誘電性のブルースター・プレートとして
球形度補償器１１０を実装する。共振器内のプレートの存在は２つの効果がある。
（ｉ）共振器内のパルスのラウンドトリップ・トランジットタイムをプレートの厚さに
正比例する時間の遅れによって増加させる。
（ii）最接近した鏡の湾曲の中心をプレートの厚さに正比例する空間での変位によって
光学的に移動させる。（ｉ）及び（ii）での時間的かつ空間的な変位は、プレートの独立
の物理的な特性によって決定され、したがってそれらは蓄積共振器の設計で独立に規定す
ることができる。共振器による循環する光学的なマイクロパルスの最適な合焦は、２つの
鏡３２、３５の湾曲の中心が、ビームのウエストに対応する１２５で示された点と実質的
に一致するとき生じる。

プレートを共振器の設計に組み込むための提示された方法は、以下のステップのシーケ
ンスに基づいている。
１）誘電プレートに対するノミナル厚さ、入射角、及び共振器内の位置を選択する。プ
レートのノミナル厚さに関する最適な選択は、下記の段落[００９６]（翻訳文では００８
５）に説明される。
２）プレートによって導かれた時間の遅れを含む効率的なパルスの積み重ねに必要な物
理的な鏡の離隔距離を計算する。この計算は、プレートの厚さを伴う第１の式を生み出す
。
３）プレートによって光学的に導かれた空間的な変位を含むウエストで焦点スポットの
所望の半径を得るために必要な２）で決定された間隔を使用して鏡の曲率半径を計算する
。この計算は、プレートの厚さを伴う第２の式を生み出す。
４）共振器の鏡を３）で決定された半径に可能な限り近く整合する曲率半径を使用して
共振器の鏡を製造する。
５）干渉計又はその他の光学的な技術によって、４）で製造された鏡の実際の曲率半径
を測定する。数マイクロメートルの誤差内でこの測定を行うのに必要な方法が従来技術に
見ることができる。
６）ステップ２）と３）からのプレートの厚さを伴う２つの独立した式を使用し、ステ
ップ５）からの測定された曲率半径をこれらの式での固定されたパラメータとして使用し
２つの新しい未知数に関するこれらの２つの式を解く。ｉ）プレートの新しい厚さ、及び
ii）新しい物理的な鏡の離隔距離

プレートのノミナル厚さに関する元の選択は、鏡の製造可能な曲率半径での不確定性の
限界を考えて十分である必要があり（ステップ３）、プレートの新しい厚さは、優れた平
坦度を有して製造可能であるように十分に厚く、吸収又は自己収束などの共振器の稼動へ
の不要な光学的な効果を最小限に抑えるように十分に薄い。

一般に、傾斜した平行なプレートは、発散又は収束する光ビームに非点収差を導き、本
設計で「垂直」及び「水平」（すなわち直交の横断）方向に異なる焦点半径を有する蓄積
された光ビームを生じる。しかし、非点収差は、入射するプレートでのプレートの表面の
間の小さなくさび角を研削することによって正確に補償でき、くさび角の大きさは、当分
野の技術者に知られた光学分析技術によって決定できる。

上記の設計手法の利益は、２つの鏡の湾曲の中心を数マイクロメートルの精密さに位置
決めする困難さとは対照的に、プレートの厚さが数マイクロメートルの精密さに容易に研
削及び研磨できることから生じる。したがって、本発明で必要に応じて（共振器球形度を
介して）焦点スポットとパルスの積み重ねを同時に最適化することは、上記の設計で達成
できる。

湾曲した鏡表面の製造での誤差を補償することに加えて、プルースター・プレートは、
稼動中に鏡表面の熱変形を補償するように設計することもでき、その最も重要な効果は、
高出力を蓄積した光ビームの間隔的なプロファイルにより湾曲率を変えることである。そ
のような効果は、原則的に鏡の基材の知られた熱力学的かつ光学的な特性を使用して高い
正確さに計算又は測定できる。あるいは、蓄積共振器は、歪みを補償するために、例えば
鏡の一方又は両方をバックヒートする可変出力の外部レーザビームを使用して、又は調整
可能な機械的応力を後面又は縁部で鏡に加えることによってこの補償を独立にもたらすこ
とができる。図１Ｂは、１つの特定の実装形態として熱補償に使用される２つの放射熱源
１１７、１２０を示す。

蓄積共振器の実際の実施形態は、実際にはこれらの又はその他の技術によって曲率半径
のそのような変化を保証する必要がある。例えば、蓄積共振器のノミナル構成が蓄積され
たビームをまったく使用せずに鏡の中心温度を上昇させるために適用される外部熱源を使
用する場合、稼動中にその供給源の強度は必要に応じて稼動中のレーザポンプによって誘
発された加熱を埋め合わせるために必要に応じて低減できる。同様に、加えられた機械的
な応力は、高い出力の蓄積されたビームを使用して動作中に必要な曲率半径を維持するた
めにその最初の（空〜共振器）値から調整できる。

図５は、球形度とモードロックを制御するための追加の位置決め要素も示す。特に、位
置決め装置１３２が凹面鏡３２と関連付けられて示され、位置決め装置１３５が凹面鏡３
５を備えて示される。例えば、これらの位置決め装置は、生じる可能性のあるいかなる動
揺も補償する、急速な応答を行うために機械構成要素と電気構成要素の両方によって実施
できる。例えば、鏡は、単一の軸に沿って位置するために、その平行動きが制約される安
定した機械的なフレクシャに装着することができ、その場合、動きがフレクシャを押すそ
れぞれの圧電アクチュエータによって誘発される。

図５の基本設計では、鏡を平行移動することは、共振器の長さもわずかに変更し、した
がってパルスの積み重ねに影響を与えることに留意されたい。この設計で鏡を平行移動さ
せずにレゾネータの球形度を補償する技術は、図１Ｂに示されるような（放射熱源１１７
、１２０）共振器の長さを変更せずに鏡の曲率半径を変更するために、レーザのバックヒ
ーティングを使用することである。原則的に、共振器のラウンドトリップ・タイムと共振
周波数で生じる変化がモードロックで周波数ロックのレーザ供給源、及びＲＦ駆動にフィ
ードバックされる場合、球形度を平行移動のみを使用して補償することが可能であり、Ｒ
Ｆ線形加速器ＦＥＬでもこれができるように変化が全体的に十分に小さくなる。

第２の共振器の構成
図６は、本発明の実施形態を実施するのに適した光共振器３０の３０'で示される第２
の構成の概略図である。この構成は、（共振器の球形度を介して）焦点スポットとパルス
の積み重ねを独立に最適化することが可能である。この設計は、図示される様式で折り曲
げられる線形の共振器軸を生成するために、３つの鏡（２つの湾曲した共振器の鏡１４０
、１４５と、実質的に平坦な鏡１５０）を使用する。緊密に合焦するウエストを囲む共振
器の領域が湾曲した鏡１４０、１４５によって境界を定められる。

鏡１４０は、共振器の一方の端部の鏡を定める実質的に球対称の鏡であり、共振器ビー
ムを垂直の入射で反射する。鏡１４５は、中間の軸外し放物面鏡であり、共振器のビーム
を４５°等の適切な傾斜した入射角で平坦な鏡１５０に反射し、その鏡１５０は共振器の
他方の端部の鏡を定める。鏡の基本的な曲率半径は、球面の端部の鏡１４０と軸外し放物
面鏡１４５との間に蓄積されたビームが収束して１５５で図示されるウエストで緊密に合
焦し、軸外し放物面鏡と平坦な端部の鏡の間の蓄積されたビームが平坦な鏡の位置でウエ
ストによって実質的にコリメートされる（すなわち、波面が平坦な鏡で実質的に平面であ
る）ように設計される。

焦点スポットの最適化（共振器の球面度を介する）は、中間の放物面鏡に対する端部の
鏡の離隔距離が平坦な鏡に対して独立に調整できるように、球面共振器の端部の鏡を可動
ステージ１６０に配置することによって達成される。緊密な合焦を達成し維持するために
共振器の球形度のそのような独立のおそらく動的な最適化を可能にすることによって、こ
れらの鏡の曲率を維持するために外部の熱的又は機械的な変形を加えることがこれ以上必
要でなくなる。パルスの積み重ねの最適化は、蓄積されたビームが共振器のこの領域で大
きな横断方向の半径によって実質的にコリメートされるので、中間の放物面鏡に対する端
部の鏡の離隔距離が球面の端部の鏡に対して独立に調整できるように、平坦な共振器の端
部の鏡を可動ステージ１６５に配置することによって同時に達成され、パルスの積み重ね
の調整は共振器の相互作用領域内で合焦されるビームに実質的に影響を与えることなく行
うことができる。

原則的に、ポンプ・レーザの繰り返し率が十分に広範囲の繰り返し率にわたって連続的
に調整可能である場合、共振器の球形度とパルスの積み重ねの独立の最適化の問題は生じ
ないことに留意されたい。そのような場合、蓄積共振器はウエストで緊密に合焦されたビ
ームを提供するように構成でき、ポンプ・レーザの繰り返し率は、パルスの積み重ねの要
件を満たすように調整される。蓄積共振器の製造の不備に相当する繰り返し率の十分な調
整可能性がないＲＦ線形加速器の自由電子レーザなどのいくつかのポンプ・レーザがある
が、それによって共振器構造はこの最適化を同時に達成する技術のすべてを組み込む必要
がある。

例えば放射間隔の継続時間、蓄積共振器の長さ、駆動レーザの出力などの一定のシステ
ム・パラメータが指定される特定の実施形態では、鏡の透過率は、放射間隔の終わりの循
環する光学的なマイクロパルスの出力、又は放射間隔中に蓄積共振器の相互作用領域を通
過する統合された光エネルギーを最大にするように駆動レーザからの十分な出力を共振器
内に連結するように選択できる。しかし、蓄積共振器の相互作用領域での所望のベクトル
・ポテンシャルを得るために、その他に鏡の反射率の値が必要な可能性がある。

例えば、反射率がピークの循環する出力又は統合された循環するエネルギーに関して最
適化されるときに、駆動レーザの出力が非常に高いので、ベクトル・ポテンシャルが所望
の値を超える場合、所望のベクトル・ポテンシャルを得るために反射率が必要に応じて低
下され、それによって同時に、放射間隔中に蓄積共振器内で循環する光パワーのより均一
の時間依存性が生み出される。ここで考察されるもののような特定の実際の実施形態では
、鏡の吸収損失は無視でき、それによって鏡から反射されないエネルギーは、鏡を通って
伝達されたと考えることができる。非ゼロの吸収損失を説明する方法が当分野の技術者に
よって知られている。

連結要素を備えない光学要素の間の反射損失の分布の選択は、所望の連結効率に依存し
、総損失に対する連結損失の比率として定義される。連結効率が均一である場合、共振器
内で蓄積する最大の出力が得られるが、この場合に生じる反射される出力のレベルは、駆
動レーザ内への後方反射を低減させるために、駆動レーザと蓄積共振器の間に分離用の光
学部品を必要とする可能性がある。この反射される出力は、（例えば鏡の反射率が等しい
２つの鏡の共振器など）損失整合共振器(loss-matched cavity)を設計するによって最小
に抑えることができるが、これは、均一の連結効率の場合と比較して共振器内に増大する
出力を低減させる。反射される出力と伝達される出力の間の適切なトレードオフを選択す
るように、連結効率のその他の値が選択できる。

システム構成の考察
電子ビームと蓄積された光パルスとの焦点が一致するようにそのような光蓄積共振器を
電子ビームの焦点の付近に配置し、注入される光パルス及び／又は加速された電子ビーム
のタイミングが２つのビームをそれらの共通の焦点で交差させるように制御することによ
って、加速されたビームのそれぞれのバンチの電子が、強力な、蓄積された光パルスによ
って生成された強力なアンジュレータの界に光パルスのピーク強度で、又はその付近で曝
され、それによって、高い強度の光パルスが光蓄積共振器内で循環して、これらのより小
さい電子のバンチの複数の連続的な衝突によって、それぞれの衝突の際にアンジュレータ
の放射の効率的な生成に必要な条件や、高い平均Ｘ線フルエンスと輝度を達成する。

システムの稼動を最適にするのに必要な循環する光パルスに関する焦点のパラメータは
、電子ビームに関する焦点とは幾分異なる。焦点で電子ビームの水平と垂直の点の寸法を
最適化することは一般に、後方散乱するｘ線の波長の角度依存性によって角度広がりに加
わる制限と調和する点の寸法を最小限に抑えることが必要であるに過ぎないが、蓄積され
た光パルスに関する焦点のパラメータは、光パルスの電子バンチとの重複を最適化するよ
うに選択されることが好ましい。

最も単純な場合、すなわち同じ軸の反対方向に沿った電子ビームと光パルスの同一直線
上の伝播の場合、電子が相互作用する光学的な界のパワー密度が、ポンプ・レーザの設計
によって決定される光パルスの長さ、及び回折の法則によって決定される焦点スポットの
付近の光ビームの直径と領域の特性依存の両方に依存する時間と位置によって変わる。光
学的なスポットの半径ｗ（ｚ）は、一般に焦点スポットの位置に対する軸方向位置ｚによ
って以下のように変化する。
ｗ（ｚ）＝ｗ₀［１＋（ｚ／ｚ_R）²］^1/2
ただし、ｗ₀は焦点スポットでの点の半径であり、ｚ_Rは焦点スポットの「界の深度」を特
定するレイリー・パラメータである。

電子によって放出されるアンジュレータの放射の強度の光パワー密度への特性依存を考
察することによって、連続的に合焦する光ビームを通って移動する電子は、焦点から＋／
−ｚｒの距離で−から＋無限大に移動する際に放出されるエネルギーの半分を放射するこ
とを示すことができる。したがって、循環する光学的なマイクロパルスのパルス長は、電
子が以下の場合に同じピーク強度の連続的な光ビームと衝突する場合と比較して、後方散
乱されたｘ線光子の数で多くても２倍の損失でレイリー・パラメータｚＲの２倍程度に低
減することができる。
７）焦点スポット領域の光パルスの断面が電子ビームの断面と整合したままになる。
８）電子が、光パルスの質量中心が焦点スポットの前の１つのレイリー・パラメータの
点に到達する時間と、パルスの質量中心が焦点スポットに到達する時間との間の間隔中の
ある時点で対抗して伝播する光パルスに当たる。
９）光パルスが光の速度で割ったレイリー・パラメータの２倍以下にほぼ等しい継続時
間を有する。
１０）光蓄積共振器に関するレイリー・パラメータが、およそ加速器の駆動装置によっ
てもたらされる電子バンチの長さ以上に設定される。

これらの条件が満たされる場合、蓄積共振器内で循環する光パルスを通って移動する電
子は、光パワー密度が焦点スポットでの強度の２倍以内の焦点スポットの周りの空間領域
での光学的な界に当たり、光蓄積共振器内で循環するパルスのピーク出力に等しい出力を
有する連続的な光ビームを通って移動する同じ電子によって生成されるｘ線ビームの２倍
以内のフルエンスと輝度のｘ線ビームを生成する。

共振器の寸法と鏡の反射率の分析
鏡での光強度又は熱出力負荷を適用可能な損傷しきい値の下に制限しながら相互作用領
域で所望のベクトル・ポテンシャルを生み出す、レーザ駆動蓄積共振器に関する代表的な
設計階層構造が以下に説明される。この設計手順は、例として意図するものであり、排他
的又は限定的であることを意図しない。

代表的な設計は、ポンプ・レーザ波長λ、レーザ・マイクロパルス継続時間τ_p、ピー
ク出力Ｐ_inc、マイクロパルス繰り返し率ｖ_pから始まり、それらは一般的にすべて利用可
能なレーザシステムによって決定される。次いで、共振器の相互作用領域でのＴＥＭ₀₀モ
ードの所望の共振器内１／ｅ²強度のビーム半径ω₀は、例えば光ビームが整合される電子
ビームの放出特性と焦点の幾何学的形状に依存して特定できる。

次いで、相互作用領域での軸上の所望の正規化ベクトル・ポテンシャルａ_nが、対象と
なる用途に応じて特定される。ｒｍｓベクトル・ポテンシャルａ_nは、以下の式によって
ｃｇｓ単位でｒｍｓ光電界

に関連付けられている。

ただし、ｅとｍは、電子電荷及び質量であり、λは光波長であり、ｃは光の速度である。
ａ_nから軸上の電界

を決定するとき、ｃｇｓ単位の軸上の光強度Ｉ_pは以下の式から計算できる。

強度のｍｋｓ単位への変換がよく知られており、対応する循環するマイクロパルスのピー
ク出力Ｐｃｉｒｃが以下の関係式によって軸上の強度から得られる。

共振器の長さに対して完全に位相を合わせ、それによって循環する光学的なマイクロパ
ルスをコヒーレントに強化するピーク出力Ｐ_incの注入されるマイクロパルスに関しては
、（パス０で空の共振器から始まる）共振器内のパスｎの間循環する出力Ｐ_circが以下の
式によって表現される。

ただし、ｔ₁ ²は入力鏡での分数の出力連結係数であり、δ_cは分数のラウンドトリップ・
共振器出力損失である。放射間隔中の共振器ミラーのそれぞれに入射する総光エネルギー
として定義できる統合された光エネルギーＫｃａｖは、以下の式になるように上記の式の
統合によって得られる。

ただし、

は放射間隔中の時間平均の入射レーザ出力であり、Ｔ_Ωは放射間隔の継続時間であり、Ｎ
は放射間隔中の共振器ラウンドトリップの総数である。

共振器内の総数Ｎのラウンドトリップを有する放射間隔に関しては、放射間隔の終了で
の循環するピーク出力Ｐ_circ（すなわちパスＮでの）は、δ_cＮ＝２．５２を満たす共振
器損失δ_cに関して最大化され、統合された光エネルギーＫ_cavは、δ_cＮ＝３．７８に関
して最大化される。これらの２つの場合の間の有用な設計の折衷は、基準δ_cＮ＝３．０
５６（式１）を使用して得られる。
それに対して

及び

であり、
次いで、放射間隔の終了での循環するピーク出力Ｐ_circは、（ｔ₁ ²が共振器損失δ_cに
対して圧倒的である共振器設計に関して）以下の式で与えられる。

長さＬｃの対称的な共振器での共振器の鏡での放射間隔中の周波数Ｆ_Ω（すなわち軸上
の単位面積当たりの統合されたエネルギー）が、以下の式のようなＴＥＭ₀₀モードの幾何
学的形状から得られる。

また、放射間隔の時間間隔Ｔ_Ωは、以下の式によって共振器の長さＬ_cに関連付けられる
。

式２、１、３は、その他のシステム・パラメータ又は要件を受け入れるために望むよう
に変更できる熱出力負荷を制限する点設計手順に関する基礎を形成する。例えば、自由電
子レーザに基づくシステムに関する以下の設計は、上記の手順から直接的に生まれる。
λ＝１μｍ
ω₀＝１０μｍ（それに関してｚ_R＝０．３１ｍｍ＝ｃ（１ｐｓ））
τ_p＝１ｐｓ
ｖ_p＝２．８６ＧＨｚ
Ｐ_circ＝４３ＧＷ（ａ_n＝０．１に対応する）
Ｐ_inc＝５０ＭＷ（逆テーパを付けられたＦＥＬに対応する）
Ｆ_Ω＝６０Ｊ／ｃｍ²（Ｔ_Ω＝１μｓに関する保守的なフルエンスの損傷しきい値）
上記のパラメータに関しては、式２がδｃ＝０．２８５％のランドトリップの共振器損
失を特定し、次いで式１が共振器内の全体でＮ＝１０７３ラウンドトリップを特定し、次
いで式３及び後続するものが共に放射間隔に関してＴΩ＝５．４μｓの継続期間を特定す
る。

次いで、共振器の寸法は、上記の設計手順によって得られる特定の共振器パラメータに
対して計算できる。この例では、対応する共振器長さは、Ｌ_c＝０．７５ｍであり、次い
でその長さは、共振器内の循環するマイクロパルスの最も近い整数、この例ではＬｃ＝０
．７８６ｍに整合するように必要に応じて増加される。ＴＥＭ₀₀モードの１／ｅ²強度半
径ω_mirr＝１２．５ｍｍ、及び共振器の鏡の直径φ_mirrは、φ_mirr＝６０ｍｍになるよう
に保守的に選択できる。

損傷メカニズムがピーク光強度（統合された光フルエンスとは異なる）に依存する早急
な時間尺度で起こる稼動体制に関しては、選択された設計は対象となるプロセスに関する
適応可能な損傷しきい値と両立できる必要がある。長さＬｃの対称的な共振器での共振器
の鏡での放射間隔の終了でのピークの循環するマイクロパルス強度（すなわち軸上の単位
面積当たりのピークのマイクロパルスの出力）は、

である。

相互作用領域で所望のベクトル・ポテンシャルａ_nを生み出すように選択される規定の
ビーム半径ω₀及び循環するピークのマイクロパルスの出力Ｐ_circに関しては、対称の光
蓄積共振器の長さＬ_cがフルエンスの考慮とは独立に決定される。最終的なシステム設計
に関しては、システム・パラメータは、光強度依存、及び統合されたフルエンス依存の損
傷メカニズムの両方に関する損傷しきい値と両立する必要がある。

同期の制御及び安定化
上述したように、蓄積共振器内の電子マイクロパルス、ポンプ・レーザからの光学的な
マイクロパルスと、循環する光学的なマイクロパルスが同期されることが重要である。こ
れを達成するためのいくつかの実行可能な手法がある。概略的には、本発明の実施形態は
、以下のもののうちの１つ又は複数を設定及び安定化するためのセンサ及び制御部を設け
ることができる。
・ 光共振器の焦点スポットパラメータとラウンドトリップ・トランジットタイム
・ ポンプ・レーザのレーザ及び光学的なマイクロパルスの周期性
・ 電子ビーム加速器の周波数
・ 加速器の位相及び電子ビーム・ステアリング
好ましい実施形態は、上記の少なくともいくつか、及び好ましくはすべてのものを安定
化させることを目的とする。

図７Ａ、７Ｂは、同期の制御と安定化を行う代表的な制御素子を示す概略図である。図
７Ａは、図５に示される第１の（ブルースター補償の）共振器構成を使用する実施形態に
対応する。図７Ｂは、図６に示される第２の（折りたたまれた）共振器構成を使用する実
施形態に対応する。診断と制御が過渡的な、及び定常状態の蓄積共振器の稼動体制を受け
入れるように設計され、そのいくつかの実施形態は、最大の蓄積された循環する光パワー
及び統合された光エネルギーをもたらすように、放射間隔の有限の継続時間によって制約
できる。そのような最適な共振器は一般に、定常状態の稼動を達成せず、したがって周期
駆動レーザと電子ビーム入力の周波数と位相及び循環する光パルスの位相の両方を監視す
る診断と制御を備える必要がある。

光共振器内の循環する光パルスに関する第１の診断は、共振器内のパルスが繰り返され
るラウンドトリップによって増大するとその空間的及び時間的な伸展を記録することが可
能である、１つ又は複数の２Ｄ及び／又は３Ｄのフォトダイオード・アレイと、高速フォ
トダイオードを備える。これらの検出装置は、横断方向のモード・プロファイルの形状と
位置、及び共振器のラウンドトリップ・トランジットタイムより早い時間尺度で循環する
光強度の時間的な依存を測定するために、１つ又は複数の共振器ポートのところに構成さ
れる。

入射する電子バンチに対する第１の診断は、相互作用領域付近の１つ又は複数のビーム
位置監視装置とＲＦピックオフ検出装置、及び生成された高エネルギー光子パワー及び／
又はフラックスを測定するｘ線検出装置を備える。駆動レーザシステムからの入射するレ
ーザパルスの周波数と位相に関する診断も含まれる。

制御が以下の少なくとも１つ、より好ましくは、いくつか又はすべてに設けられること
が好ましい。
・ 光蓄積共振器の鏡の同心度。代表的な制御が光蓄積共振器の鏡の平行移動及び／又
はレーザのバックヒーティングを備えることができる。
・ 循環する光パルスのラウンドトリップ・トランジットタイム。代表的な制御が、光
パルスのエンベロープの尺度及び感度による鏡の平行移動からなることができる。
・ 光蓄積共振器への駆動レーザの周波数整合。代表的な制御が、光波長の部分の尺度
及び空間的な解像度によるレーザ共振器の鏡の平行移動を行うことができる。
・ 駆動レーザシステムのマイクロパルスの繰り返し周波数。
・ ＲＦ電子加速器のマイクロバンチの繰り返し周波数。
・ 光蓄積共振器の鏡の横断方向の位置合わせ。
・ 駆動レーザビームの横断方向の位置合わせとタイミング。
・ 駆動レーザビームの長手方向の位置合わせとモード整合。
・ 入射する電子バンチの横断方向の位置合わせとタイミング。
・ 駆動レーザからの光パルスの入射する電子バンチとの同期。

駆動レーザの共振器連結係数
駆動レーザ及び蓄積共振器の最適な位置合わせを維持する制御に要求される感度は、駆
動レーザの空間モードと蓄積共振器のＴＥＭ₀₀モードの重複を決定するシステム・パラメ
ータに依存する。駆動レーザモードそれ自体がＴＥＭ₀₀モードの場合、その共振器モード
への連結は、ガウスモード理論から計算される以下の出力連結係数ηによって分析的に決
定される（ここでは、駆動レーザ及び共振器モードの完全な空間的な位置合わせが均一の
出力連結係数に対応することを想定する）。
１）入射する駆動レーザビームが、共振器軸からの一様な横断方向変位Ｓを除いて、共
振器モードに完全に位置合わせし、モード整合する場合、

である。
ただし、ω₀は、ウエストでのＴＥＭ₀₀モードの１／ｅ²強度ビーム半径である。
２）入射する駆動レーザビームが、ウエストでの共振器軸からの角度変位θを除いて、
共振器モードに完全に位置合わせし、モード整合する場合、

である。
ただし、θ₀が遠くの界でのＴＥＭ₀₀モードの１／ｅ²強度の半発散角である。
３）入射する駆動レーザビームが、共振器軸に沿った長手方向の変位Δｚを除いて、共
振器モードに完全に位置合わせし、モード整合する場合、

である。
ただし、ζ≡Δｚ／ｚＲ、ｚＲは、共振器モードのレイリー範囲である。
４）入射する駆動レーザビームが、ウエストでのビーム半径の不整合を除いて、共振器
モードに完全に位置合わせし、モード整合する場合、

である。
ただし、ω_bは、ウエストでの駆動レーザモードの１／ｅ²強度ビーム半径である。

ＴＥＭ₀₀共振器モードに連結されない、又は光学要素によって吸収される任意の入射す
る駆動レーザ出力は、共振器から反射される。

独立の（すなわちマスタ）及び依存の（すなわちスレーブ）の制御は、以下のように代
表的な実施形態で連結される（実際の実施形態は以下の任意のサブセットを含むことがで
きる）。

１．光共振器の位置合わせと合焦
光共振器の位置合わせと合焦は、以下の１つ又は複数のものによって達成できる。
・ 光蓄積共振器の鏡の同心度は、伝達されたＴＥＭ₀₀モード・プロファイルの横方向
の形状と幅を監視するフォトダイオード・アレイからのフィードバックによって独立に制
御される。
・ 光蓄積共振器の鏡の横方向の位置合わせは、伝達されるＴＥＭ₀₀モードの横方向の
位置を監視するフォトダイオード・アレイからのフィードバックによって独立に制御され
る。
・ 蓄積共振器内の循環する光パルスのタイミング及び／又は位相は、共振器内のＴＥ
Ｍ₀₀モードの循環する出力を監視するフォトダイオード・アレイから得られる位相信号に
よって独立に監視され、共振器内のＴＥＭ₀₀モードの循環する出力を最大にするために、
入射する駆動レーザパルスに対する調整可能な位相を提供する。

２．入射する駆動レーザの位置合わせとタイミング
入射する駆動レーザの位置合わせと合焦は、以下の１つ又は複数のものによって達成で
きる。
・ 入射する駆動レーザビームの横断方向の位置合わせは、伝達されるＴＥＭ₀₀モード
の出力を監視するフォトダイオード・アレイからのフィードバックによって独立に制御さ
れる。
・ 入射する駆動レーザビームの長手方向の位置合わせと空間のモード整合（Ｓｉｅｇ
ｍａｎ １９８６ｂ）が、共振器内のＴＥＭ₀₀モードに最適に連結するために独立に調整
され、蓄積共振器のポートのうちの２つ以上で記録されるモード・プロファイル情報を使
用するフォトダイオード・アレイからのフィードバックによって独立に制御できる。
・ 光蓄積共振器内の循環するパルスへの入射する駆動レーザパルスの周波数整合（又
は波頂対波頂の波面整合）がポンド−ドレバー−ホール（ＰＤＨ）レーザ安定化技術（Ｄ
ｒｅｖｅｒ １９８３）によって独立に制御され、その場合ＰＤＨ誤差信号が光蓄積共振
器又は駆動レーザシステムの周波数を（鏡の平行移動を介して）調整するのに使用される
。
・ 入射する駆動レーザビームのタイミング及び／又は位相が入射する駆動レーザビー
ムから得られるピックオフ信号によって独立に監視され、独立のフォトダイオード検出器
内に送られる。
・ これらの制御は、駆動レーザシステムを形成する駆動レーザの任意の多重度に関し
て必要に応じて重複できる。

３．入射する電子ビームの位置合わせとタイミング
入射する電子ビームの位置合わせとタイミングは、以下の１つ又は複数のものによって
達成できる。
・ 入射する電子バンチの横断方向の位置合わせは、相互作用領域の付近の近接ビーム
位置監視装置からのフィードバックによって独立に制御され、生成されたｘ線の強度を最
大にするように最適化される。
・ 入射する電子バンチのタイミング及び／又は位相は、駆動レーザからの光パルスを
有する入射する電子バンチの同期を最適化し、生成された高エネルギー光子パワー及び／
又はフラックスを最大化するための調整可能な位相オフセットを含む、相互作用領域付近
のＲＦピックオフ検出装置から得られる位相信号によって連結され制御される。
・ これらの制御は、電子バンチの供給源を形成する電子加速器の任意の多重度に関し
て必要に応じて重複できる。

４．駆動レーザシステムと電子ビーム加速器のマイクロパルスの繰り返し周波数
駆動レーザシステムと電子ビーム加速器のマイクロパルスの繰り返し周波数は以下の１
つ又は複数のものによって制御できる。
・ 蓄積共振器内の循環する光パルスのラウンドトリップ周波数、及び駆動レーザシス
テムとＲＦ電子加速器のマイクロパルスの繰り返し周波数は、２つのスレーブを有する単
一のマスタとして相互に連結される。
・ 代表的な実施形態では、駆動レーザシステムとＲＦ電子加速器のマイクロパルスの
繰り返し周波数は、フォトダイオード・アレイから得られる、蓄積共振器内の循環する光
パルスのラウンドトリップ周波数、及び／又はＴＥＭ₀₀モードの循環する出力を監視する
高速フォトダイオードによって連結及び制御される。
・ 別の実施形態では、蓄積共振器の鏡の平行移動によって制御される、駆動レーザシ
ステムのマイクロパルスの繰り返し周波数、及び循環する光パルスのラウンドトリップ周
波数は、ＲＦ電子加速器のマイクロバンチ繰り返し周波数によって連結され制御される。
・ これらの制御は、駆動レーザと電子加速器の任意の多重度に関して必要に応じて重
複できる。

補助低出力共振器を使用する制御システム
図８は、駆動レーザと蓄積共振器の周波数を整合する別の制御システムの概略図である
。図８と図７Ａ、７Ｂに示される制御システムとの間の第１の違いは、それぞれの高出力
駆動レーザ及び（ブルースター連結され、又は折り曲げられた設計の）光アンジュレータ
の蓄積共振器に関する機械的に連結された、低出力補助共振器の導入である。これらの補
助共振器の主な特徴は、それぞれの対の連結された鏡が互いに同調して平行移動できるよ
うに、それらの鏡が高出力の共振器の鏡に対して共通の基部に機械的に、又はその他の方
式で堅固に装着されることであり、これらの対の連結された鏡は、図で「連結された鏡ア
センブリ」と名称を付けられている。折り曲げられた蓄積共振器に関する補助共振器の鏡
は、側方に変位されるものとして概略的に示されるが、折り曲げられた共振器を使用する
好ましい実施形態では、補助鏡は、それらのそれぞれの鏡の「上」、すなわち折り曲げら
れた共振器の平面の外側に配置されることに留意されたい。

補助共振器を導入する目的は、ポンド−ドレバー−ホール又はその他の技術を使用して
蓄積共振器に高出力の駆動レーザを直接的に安定化させる代わりに、これらの補助共振器
は、個別の低出力周波数安定化レーザ１７０に直接的に安定化し周波数ロックすることが
できることであり、次いで、連結された鏡アセンブリに組み込まれた安定した機械的な連
結は、高出力レーザと蓄積共振器に間接的にこの安定性を送るのに使用できる。補助共振
器を安定化させるのに使用される単一モードのｃｗレーザは、駆動レーザによって送出さ
れるパルスビームとは異なる波長のものであることができる。

この代替の技術は、有限の放射間隔を利用する光アンジュレータに関する２つの主な利
点を有する。第１に、高出力駆動レーザの代わりに（例えばポンド−ドレバー−ホール「
ＰＤＨ」など）低出力補助共振器にレーザ安定化技術を適用することによって、高出力駆
動レーザビームへの光学的な調整（例えば、位相変調と偏光制御）が排除され、高出力蓄
積共振器への駆動レーザビームの整合がより容易かつ高い信頼性で実施できる。第２に、
補助共振器が安定したｃｗレーザに連続的にロックされたままになり、したがってその安
定性を高出力共振器へ連続的に伝えるので、高出力駆動ビームがない場合に、放射間隔中
の時間中でも高出力共振器が互いに「周波数ロックされた」ままになる。

図９に示される構成について、稼動に関する代表的な制御階層構造は以下のようなもの
である。
１）マスタ・クロックは、駆動レーザモード・ロッカーと電子ビームにタイミング信号
を供給する。
２）補助共振器が個別のポンド−ドレバー−ホール（「ＰＤＨ」）システムを使用して
安定化された単一モードのレーザに周波数ロックされ、誤差信号が図示されるようにそれ
ぞれの連結された鏡アセンブリにフィードバックされる。
３）高出力駆動レーザの稼動がより低出力補助共振器とは独立に駆動レーザ・チューニ
ング・アクチュエータを調整することによって最適化される。
４）光アンジュレータの蓄積共振器の稼動が、駆動レーザビームを蓄積共振器内へ整合
し、低出力補助共振器とは独立に蓄積共振器パルス積み重ねアクチュエータを調整するこ
とによってＴＥＭ₀₀での稼動に関して最適化される。
５）適切に設計されたシステムで球形の鏡が光軸に位置合わせされたままになるように
、２Ｄフォトダイオード・アレイが蓄積共振器の鏡のステアリングに対する誤差信号を得
るために使用され、球形の鏡のステアリングは、周波数の整合及びパルスの積み重ねとは
独立に調整できる。
６）２Ｄフォトダイオード・アレイは、一般にＴＥＭ₀₀モード寸法が安定したままにな
るように蓄積共振器の同心度に関する誤差信号を得るのにも使用され、この補償は、周波
数整合に影響を与える全体の共振器長さの変化を導く。しかし、光アンジュレータの蓄積
共振器は、低出力補助共振器に機械的に連結されているので、ＰＤＨフィードバックシス
テムは、（計画的に又はその他の方式で）直ちに連続的に共振器長さのいかなる変化も補
償し、全体の共振器長さが安定したままになり、駆動レーザへの蓄積共振器の周波数ロッ
クが保たれる。
７）ＴＥＭ₀₀モードでの蓄積共振器の安定した稼動の下で、蓄積共振器のパルス積み重
ねアクチュエータは、それを最大のＴＥＭ₀₀モードの出力に対して調整された状態に保つ
のに使用できる誤差信号を生成するためにわずかに振動できる。
８）ＴＥＭ₀₀モードの安定した動作が達成されるとき、蓄積された光パルスの電子バン
チとの重複を最適にし、それによってｘ線生成を最大にするために、駆動レーザ／電子ビ
ーム同期ステージをゆっくりと走査できる。

安定し蓄積された光ビームを確立及び制御するためのターンオン手順
以下の手順は、高出力稼動とｘ線の生成のためにシステムを最初にターンオンするため
の代表的な手順である。排他的であることを意図しない。

１）最初の共振器準備
共振器の最初の位置合わせは、制御を作動不能にして「手動」で遂行される。稼動中に
駆動レーザと電子加速器のマイクロパルス繰り返し周波数を整合させる必要のある共振器
ランドトリップ・タイムは、関連する物理的距離の注意深い測定、又は共振器内の乱され
ていない循環がフォトダイオード診断を使用して測定できる単一のシード・マイクロパル
スの注入によって定めることができる。入力レーザの位置合わせと整合を含む共振器の最
初の横断方向の位置合わせは、変形された、注入されるビームのウエストが共振器のウエ
ストと空間的に位置合わせされるように低出力の駆動レーザビームを注入することによっ
て遂行でき、次いで鏡の横断方向の位置合わせが、フォトダイオード・アレイの低出力か
つ非コヒーレントの共振器内のビームの対称性と位置を観測することによって調整できる
。駆動レーザと共振器の鏡のこの位置合わせは、必要に応じて反復できる。これらの及び
同様の手順によって、共振器は動作中の残りの鏡の調整を除いて、注入されるレーザのあ
る程度の最初のコヒーレントな増大を可能にするために実質的に位置合わせされた状態に
準備できる。

２）低出力安定蓄積ビームの最初の確立
コヒーレントな循環する光ビームの最初の確立は、共振器の調整がコヒーレントなパル
スの積み重なりの突然の始まり、及びそれに対応する共振器内の出力の増加を生じる場合
に、熱変形が共振器の光学部品に加わらないように、十分に低い駆動レーザ出力で、制御
を作動不能にして最もよく遂行される。これらの低いビーム出力では、駆動レーザが共振
器に注入され、駆動レーザシステムのマイクロパルス繰り返し周波数が蓄積共振器のラウ
ンドトリップ周波数に整合するように調整される（ラウンドトリップ周波数が同心度とは
独立に調整できる共振器構成に関しては、蓄積共振器のラウンドトリップ周波数は、駆動
レーザシステムのマイクロパルス繰り返し周波数に整合するように調整できる）。調整が
十分に低速な場合、注入される駆動レーザは、共振器内のレゾナンスを励起することが観
測され、おそらく最初は散発的に過ぎず、変動の程度は、駆動レーザの共振器内のビーム
への連結（すなわちモードロック）の度合いを示す。

この点において、蓄積共振器のレゾナンスを励起するために、駆動レーザの光周波数（
又は光波長の部分の尺度での共振器の鏡の平行移動）が注意深く調整される。このレゾナ
ンスは、光周波数の調整に敏感な準安定モード・プロファイルとしてフォトダイオード診
断に現れる。その結果生じるレゾナンスは、ＴＥＭ₀₀モードの励起を必ずしも示さず、そ
の他のより高い程度の横断方向モードのうちの１つを示し、したがって周波数調整は、Ｔ
ＥＭ₀₀レゾナンスが共振器内で増大することが観測されるまで継続される必要がある。こ
の確立されたＴＥＭ₀₀レゾナンスを基準として使用して、ＴＥＭ₀₀モードで蓄積された出
力を最大にするために、必要であれば周波数と相互作用的に、横断方向の共振器の位置合
わせと共振器の同心度を注意深く調整する必要がある。

３）制御システムのターンオン
ステップ２の低い駆動レーザ出力で、次いで共振器に関する制御を一度につき１つずつ
作動する必要がある。作動のための代表的な順は、以下のものである。（ａ）フォトダイ
オード・アレイに蓄積されたビームの中心を合わせるための共振器の鏡の横断方向の位置
合わせ。（ｂ）蓄積されたＴＥＭ₀₀モードへの連結を最大にするための駆動レーザビーム
の横断方向と長手方向の位置合わせ。（ｃ）駆動レーザ光周波数をレゾナントＴＥＭ₀₀モ
ードの軸方向モードにロックするためのポンド−ドレバー−ホール（ＰＤＨ）レーザ安定
化システムの作動。（ｄ）相互作用領域で所望の焦点スポットパラメータとビーム寸法を
得るための蓄積共振器の同心度（共振器長さでの対応する変化がＰＤＨ安定化システムに
よってこの点で補償及び追跡される）。（ｅ）蓄積共振器のラウンドトリップ周波数への
マイクロパルス応答周波数のロック。

４）高出力安定蓄積ビームの最終の確立
ステップ３の制御をターンオンした後に、共振器の相互作用領域で所望の正規化ベクト
ル・ポテンシャルを得るために、駆動レーザ出力はゆっくりと増加する。理想的には、こ
れは共振器内のビーム又は光学部品の動揺なしに進行する。しかし、鏡又は光学部品の歪
みがより高い出力で誘発される場合、共振器への第１の影響として共振器の同心度の歪み
とＴＥＭ₀₀モードの寸法の変化が生じる。制御システムが完全に作動することで、これら
の変化は高出力でも補償される。しかし、補償が最終のシステム構成にならない（例えば
、制御パラメータのうちの１つが最後にその最適な範囲外になるなどの）場合、位置合わ
せとターンオン手順は、開始構成を再び初期化するために低い出力で繰り返し、そのよう
して最適化された高出力の構成が生成される。

５）ｘ線の生成
ステップ１から４で光アンジュレータを確立した後に、次いで電子ビームは、相互作用
領域内に合焦し、加速器マイクロパルスの繰り返し周波数が駆動レーザと蓄積共振器周波
数にロックされ、次いで相互作用領域で電子バンチを蓄積された光パルスと衝突させるよ
うに相対的な位相が調整される。この手順に関する第１の診断は、ｘ線検出器に高エネル
ギー光子を生成することである。次いで、電子ビームの横断方向と長手方向の位置合わせ
とタイミングは、生成されるｘ線出力を最適化するように調整できる。

複数のアンジュレータの実施形態
上述の議論は単一の共振器で強力なアンジュレータの界に曝される電子ビームを考察し
たが、電子ビームを複数の光共振器の間で共有し、したがって複数のｘ線源をもたらすこ
とが可能である。均一に近づく正規化ベクトル・ポテンシャルでもｘ線放出に関する確率
は小さいままになるので、これが可能であり、それによって、５、６回そのような相互作
用領域を通過した後でも、ビーム内の電子のほとんどは、その完全に非振動の動き量とエ
ネルギーを有する。複数のｘ線源の間で電子ビームを共有する能力は、少なくとも電子ビ
ーム設備が高価である理由により重要である。これは、そのようなｘ線をたんぱく質ｘ線
結晶構造解析と複数のｘ線源から利点を得ることができるその他の用途に使用する研究所
にとって価値のある特徴である。

図９Ａ、９Ｂは、単一の電子ビームを複数の光アンジュレータの間で共有する別の手法
の概略図である。両方の実施形態で、電子ビームは、四極マグネット２００などのよく知
られた素子を使用して合焦され、次いで双極マグネット２１０などのよく知られた要素を
使用して偏向される。第１の光共振器３０ａを通過した後に、次いでビームは下流側の光
共振器３０ｂを通過するように偏向され合焦される。図はそのような２つの共振器を示す
が、追加の共振器を設けることが可能である。

図９Ａは、ｘ線ビームがすべて元の電子ビーム方向の一方の側に向けられた構成を示す
。この構成を使用することによって、多重の独立のｘ線ビームを駆動するために、電子ビ
ームを第１の光学蓄積共振器の第１の相互作用領域から下流側の光共振器内の複数の相互
作用領域で電子ビームを再合焦することが可能であることに留意されたい。構成は蓄積リ
ングを必要としないが、およそ５〜３０度のアークの電子ビームを同時に送り、電子ビー
ムを第２の蓄積共振器の相互作用部で再合焦し、設備で使用される数のビームラインを駆
動するために要求される回数のプロセスを繰り返すことができる電子ビーム伝送チャネル
（格子）のみを必要とする。使用された電子ビームが「エネルギー回収」線形加速器での
ように処分する前に減速されるか、又は単に適切に設計された高エネルギー・ビーム・ダ
ンプで処理されるかにかかわらず、この配置は適切である。

複数のｘ線ビームラインに使用するために蓄積リングを必要としないことについてのコ
メントは、本発明が電子蓄積リングと共に使用できないことを暗示するように解釈すべき
ではない。

図９Ｂは、ｘ線ビームが元の電子ビーム方向のそれぞれ異なる側に向けられた構成を示
す。図９Ａで示された構成に対する唯一の変更は、システムに追加の光共振器ごとに別の
レンズ（例えば四極子２００）及び別の対の偏向素子（例えば双極子２１０）を加えたこ
とである。

上述のように、本発明の原理に従って構築されたＵＶ、ｘ線、ガンマ線源の効果的な稼
動は、相互作用領域での電子ビームの横断方向寸法の電子ビームエネルギーの拡散と放出
の影響を最小限に抑える電子ビーム伝送システムを必要とする。したがって、電子ビーム
伝送システムは、相互作用領域で実質的に分散０をもたらし、分散を変えることなく垂直
面と水平面の両方で電子ビームを鋭利な焦点スポットにする合焦レンズを装着できるよう
にし、減速及び処分のために相互作用領域で使用し、又は第２の独立に調整可能なＵＶ、
ｘ線、又はガンマ線ビームラインを生成するために第２の相互作用領域で使用するのに続
いてビームを再合焦するように設計される必要がある。

図９Ａ、９Ｂに示された単純な電子ビーム伝送システムは、その対称性によって、これ
らの要件を満たすことができ、さらにそれらを関連のない科学的、医療的、又は工業的な
用途を援助することに同時に使用するのを促進するために、ビームラインに沿った連続的
な相互作用領域で生成されるＵＶ、ｘ線、ガンマ線ビームを空間的に分離する能力をもた
らす。この構成は、すべての合焦レンズが０分散の位置に、又はその付近に配置できるよ
うにもして、それによって、電子ビームの下流側の分散にレンズが影響を与えるのを排除
する（又は最小限に抑える）。

これらの比較的簡単な設計に追加できるいくつかのさらなる機能向上がある。例えば、
四極子によって導入されたエネルギー依存性合焦条件の原因である色収差を軽減又は排除
するために軸外し双極子の間の六極マグネットが使用できる。これは、六極子によっても
たらされる合焦が横断方向位置によって非対称であるからであり、したがって軸外し高エ
ネルギー電子は、軸外し低エネルギー電子よりも強い合焦効果を有する。

設計の優先事項
本発明を組み込むシステムでは、共振器の光学的表面に入射するピークパワー密度と平
均パワー密度の両方は、共振器の長さ、共振器の鏡の横断方向の半径、鏡の光学的な点寸
法を増加させることによって低減でき、そのような長く大きな共振器は、蓄積リング又は
超伝導線形加速器のような連続的又はほぼ連続的な電子ビーム源を使用するシステムの動
作に有用である。

放出プロセスの物理学及び利用可能な光学材料の性質と調和するシステムで使用される
各電子によって生成されるｘ線の数を最大にすることによって、本発明は稼動に必要な電
子ビームの生成に必要な電力を低減させ、同時に電子ビームによって生成されたイオン化
放射を最低の達成可能なレベルに低減させ、それによって設備と稼動コストを最小に低減
させ、一方で供給源によって生成されたｘ線の強度及び輝度を最大にする。

参考文献
以下の参考文献が参照によって本明細書に組み込まれる。

結論
結論として、本発明の実施形態が準単色のエネルギー性の電磁放射の効率的で調整可能
な供給源を紫外、ｘ線、ガンマ線の波長で提供できることが理解できるであろう。そのよ
うな供給源は、整合されたほぼ球形の低損失の光共振器内の１つ又は複数のパルスレーザ
から位相コヒーレントなパルス放射を蓄積することによって形成される光アンジュレータ
、及び電子バンチが光学的なマイクロパルスのピーク強度で循環する光学的なマイクロパ
ルスと相互作用するように、上述の光学的なマイクロパルスの周期でバンチされ、上述の
光共振器の相互作用（焦点スポット）領域で蓄積される（循環する）光学的なマイクロパ
ルスと合焦及び同期された相対論的電子ビームを使用して構築できる。

ポンプ・レーザのピーク出力及び共振器の反射率が、共振器の相互作用（焦点スポット
）領域で０．１よりも大きな規格化光ベクトル・ポテンシャルによって循環する光学的な
マイクロパルスを生成するように選択される場合に、ｘ線生成の強度と効率が最適化され
、平均の放射ｘ線出力を最適にするように形成されたパルス列の繰り返し率を最大にしな
がら、光共振器の反射表面に入射する光パルスのフルエンスと平均出力がその損傷しきい
値内にある状態のままになるのを確実にするように、注入される光パルスと電子バンチの
放射間隔の継続時間が鏡での所与のビーム寸法に関して最適化される。

本発明の実施形態は、緊密にバンチされた電子ビームによる効率的なｘ線生成に必要な
平均の循環する光パワーを大幅に低減させ、又は連続的なビームでのような同じ平均出力
を維持しながらピーク光パワーを大幅に増加する利点ももたらすことができ、それによっ
て実質的に光蓄積共振器の高反射率の鏡に入射する光学的な界のフルエンスと平均出力密
度を実質的に制限し、したがって実質的にこれらの鏡への光学的な損傷の危険、熱膨張に
よる形状歪み等を実質的に低減させる。そのような低いデューティ・サイクルのパルスレ
ーザ・ビームを使用することは、明らかにポンプ・レーザによるシステムの稼動に供給さ
れる平均出力も実質的に低減する。

この規定は最も輝度が高く最も強度の高い実現可能なｘ線ビームの生成に適しているが
、生成されるｘ線の実際のパルス幅とパルス間隔は、光波長又は光パルスの幅と間隔を変
えることによって、光蓄積共振器に関するレイリー・パラメータを変更することによって
、あるいは電子エネルギー又は電子が対抗して伝播する光パルスのビームを横切る角度を
変更することによって、強度と輝度を下げることと引き換えに変更できる。

上記は、本発明の特定の実施形態の完全な説明であるが、上記の説明は、特許請求の範
囲によって定義される本発明の範囲を限定するものとして解釈すべきではない。

Claims (11)

1. エネルギー性の電磁放射を生成する方法であって、
   光アンジュレータの界をレゾナント光共振器内で生成するステップと、前記生成するステップにおいて、前記光アンジュレータの界は、前記共振器内で循環し、前記相互作用領域で合焦される前記光学的なマイクロパルスによってもたらされ、
   前記共振器内で循環する光学的なマイクロパルスは、間隔を置いた光学的なマイクロパルスが前記共振器内で循環する光学的なマイクロパルスをコヒーレントに強化するように前記共振器の部分的に伝達される鏡を通して、間隔を置いた光学的なマイクロパルスを注入することによって生成され、
   コーヒレント強化は、注入された光学的なマイクロパルスの反射部分を循環する光学的なマイクロパルスの伝送された部分と干渉させると共に注入した光学的なマイクロパルスの伝送された部分を前記循環する光学的なマイクロパルスの反射部分と干渉させることにより達成され、
   前記光アンジュレータ界は、前記共振器の前記相互作用領域の０．１の正規化ベクトル・ポテンシャルによって特徴付けられ、
   光学的なマイクロパルスが相互作用領域を通って移動する方向と反対の方向に沿った成分を有する方向に、電子マイクロパルスの電子ビームを前記共振器の前記相互作用領域に向けて送るステップと、
   前記共振器の前記相互作用領域に前記電子ビームを合焦させるステップと、を
   前記合焦させるステップにおいて、前記電子マイクロパルスは前記光アンジュレータの界と相互作用し、前記アンジュレータの界をもたらす前記循環する光学的なマイクロパルスの光周波数よりも高い光周波数で電磁放射を生成することを特徴とする方法。
2. エネルギー性の電磁放射を生成する方法であって、前記方法が複数の分離されたそれぞれのエネルギー性の電磁放射間隔中に、
   所与の波長の放射に関するラウンドトリップ・トランジットタイム（ＲＴＴＴ）によって特徴付けられる前記所与の波長の光学的なマイクロパルスのレーザ放射を光共振器内の鏡を介して注入するステップと、
   前記注入するステップにおいて、
   少なくともいくつかのエネルギー性の電磁放射間隔は１つまたは複数の光学的なマクロパルスからなる注入されたレーザ放射によって定義され、それぞれの光学的なマクロパルスは間隔を置いた一連の光学的なマイクロパルスを含み、
   少なくとも１つの光学的なマクロパルスは、前記光学的なマクロパルス内で続いて起こる注入された光学的なマイクロパルスによってコヒーレントに強化される、関連した循環する光学的なマイクロパルスを誘発し、前記共振器内の任意の所与の位置での前記循環する光学的なマイクロパルスの電界の振幅は前記エネルギー性の電磁放射間隔に最大値に到達し、
   コーヒレント強化は注入した光学的なマイクロパルスの反射部分を循環する光学的マイクロパルスの伝達された部分と干渉させることによって行なわれ、且つ注入した光学的マイクロパルスの伝達部分を前記循環する光学的マイクロパルスの反射部分と干渉させることによって得られるものであり、
   前記循環する光学的なマイクロパルスを誘発する少なくとも１つの注入された光学的なマクロパルスは一連の注入された光学的なマイクロパルスからなり、
   ギー性の電磁放射間隔中に最大値に到達し、
   注入される光学的なマイクロパルスと前記光学的なマクロパルスによって誘発された前記循環する光学的なマイクロパルスとの間に少なくとも５０％の間隔的な重複をもたらすように、１つの注入された光学的なマイクロパルスの開始と次のマイクロパルスの開始の間の間隔が所与の波長の放射に関するＲＴＴＴのちょうど（１×を含む）整数倍に十分に近く、
   前記光学的なマクロパルスに前記注入される光学的なマイクロパルスは前記光学的なマクロパルスによって誘発された前記循環する光学的なマイクロパルスと光位相の±４５°以内にあり、
   循環する光学的なマイクロパルスの電界の振幅がその最大値又はその付近であるとき、前記循環する光学的なマイクロパルスが、０．１以上の程度の正規化されたベクトル・ポテンシャルによって特徴付けられる前記相互作用の領域に光アンジュレータの界を形成するように、前記循環するマイクロパルスを前記共振器内の相互作用領域に合焦させるステップと、
   一連の電子マイクロパルスを含む電子ビームを前記共振器の前記相互作用領域に向けて送るステップと、
   前記電子マイクロパルスのうちの少なくともいくつかが、前記共振器内で前記循環する光学的なマイクロパルスと同期するステップと、
   前記電子ビームを前記共振器内の前記相互作用領域に合焦し、それによって少なくとも１つの電子マイクロパルスが相互作用領域の前記光アンジュレータの界と相互作用し、前記レーザ放射の光周波数よりも高い光周波数で電磁放射を生成するステップとを有することを特徴とする方法。
3. 前記光学的なマクロパルスの前記注入される光学的なマイクロパルスは、前記光学的なマクロパルスによって誘発された前記循環する光学的なマイクロパルスに対して光学的な位相で±２０°以内にあることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 注入される光学的なマイクロパルスと、前記光学的なマクロパルスによって誘発された前記循環する光学的なマイクロパルスとの間に少なくとも９０％の間隔的な重複をもたらすように、１つの光学的なマイクロパルスの開始と次のマイクロパルスの開始の間の間隔は、実質的に所与の波長の放射に関する前記ＲＴＴＴのちょうど（１×を含む）整数倍に十分に近くなっていることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
5. 循環する光学的マイクロパルスは注入レーザ放射によって生成されると共に、１又はそれ以上の光学的マクロパルスから構成され、このマクロパルスは一連の間隔を有するマクロパルスから構成され、
   前記レーザ放射は追加の一連の光学的なマクロパルスを含み、
   それぞれの追加のマクロパルスは、追加の循環する光学的なマイクロパルスを誘発し、
   前記追加の一連の中のそれぞれの光学的なマクロパルスは、注入される光学的なマイクロパルスと前記光学的なマクロパルスによって誘発された前記循環する光学的なマイクロパルスとの間に少なくとも５０％の間隔的な重複をもたらすように、１つの光学的なマイクロパルスの開始と次のマイクロパルスの開始の間の間隔が所与の波長の放射に関するＲＴＴＴのちょうど（１×を含む）整数倍に十分に近いことによって特徴付けられる一連の光学的なマイクロパルスを含み、
   前記追加の光学的なマクロパルスの光学的なマイクロパルスは、前記第１に示した一連の光学的なマクロパルスの前記光学的なマイクロパルスにインターリーブされることを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 前記第１に示した光学的なマクロパルス及び前記追加の光学的なマクロパルスが異なる波長によって特徴付けられることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
7. 前記レーザ放射が第１と第２の個別のレーザによって生成され、
   前記第１に示した光学的なマクロパルス、及び前記追加の光学的なマクロパルスは前記第１と第２のレーザによってそれぞれ生成されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
8. エネルギー性の電磁放射を生成する装置であって、前記装置は、
   相互作用領域を有するレゾナント光共振器と、
   一連の間隔を置いたエネルギー性の電磁放射間隔中に、前記共振器内で循環し前記相互作用領域に合焦される１つ又は複数の光学的なマイクロパルスを確立することによって前記相互作用領域に光アンジュレータの界を生成する手段であって、前記共振器内で循環する１つまたは複数の光学的なマイクロパルスは、間隔を置いた光学的なマイクロパルスが前記共振器内で循環する光学的なマイクロパルスをコヒーレントに強化するように前記共振器内の鏡を介して間隔を置いた１つまたは複数の光学的なマイクロパルスを注入することによって生成され、前記光アンジュレータ界は、前記共振器の前記相互作用領域での０．１以上の程度の正規化ベクトル・ポテンシャルによって特徴付けられる、前記生成する手段と、
   電子マイクロパルスの電子ビームを供給し、前記１つ又は複数の光学的なマイクロパルスは前記相互作用領域を通って移動する方向と反対の方向に沿った成分を有する方向に、前記電子マイクロパルスを前記共振器の前記相互作用領域に向かって送る手段と、
   前記共振器の前記相互作用領域に前記電子ビームを合焦させる手段であって、前記電子マイクロパルスは前記光アンジュレータの界と相互作用し、前記アンジュレータの界をもたらす前記循環する光学的なマイクロパルスの光周波数よりも高い光周波数で電磁放射を生成する手段とから構成され、
   コーヒレント強化は注入された光学的マイクロパルスを循環する光学的マイクロパルスの一部分と干渉させ、且つ注入した光学的マイクロパルスの伝送された一部分と循環する光学的マイクロパルスの反射部分とを干渉させることによって達成することを特徴とする装置。
9. エネルギー性の電磁放射を生成する装置であって、
   共振器に注入された放射がその中で循環し、相互作用領域で合焦されるように間隔を置いた少なくとも２つの凹形の反射器を有する光共振器であって、所与の波長の放射に関するラウンドトリップ・トランジットタイム（ＲＴＴＴ）によって特徴付けられる前記光共振器であり、前記凹形の反射器の１つは部分的に伝送され、前記光学振器に注入される電磁波は前記部分的に伝送される反射器を通して注入され、
   複数の個別のエネルギー性の電磁放射間隔のそれぞれの間に所与の波長の光学的マイクロパルスのレーザ放射を前記共振器内に送るレーザシステムと、
   前記共振器の前記相互作用領域に向けられた電子ビームを提供する電子ビーム生成装置と、を備え、
   前記レーザシステムは、少なくとも１つのエネルギー性の電磁放射間隔に関して、
   前記レーザ放射が１つ又は複数の光学的なマクロパルスを含み、
   少なくとも１つの光学的なマクロパルスが、１つの光学的なマイクロパルスの開始と次のマイクロパルスの開始の間の間隔が所与の波長の放射に関するＲＴＴＴのちょうど（１×を含む）整数倍に十分に近いことを特徴とする一連の注入された光学的なマイクロパルスを含み、それによって前記共振器の任意の所与の位置での前記循環する光学的なマイクロパルスの前記振幅が前記エネルギー性の電磁放射間隔中に最大値に達するように、少なくとも１つの光学的なマクロパルスが前記光学的なマクロパルスのそれに続く注入された光学的なマイクロパルスによってコヒーレントに強化された循環する光学的なマイクロパルスを誘発し、
   前記循環する光学的なマイクロパルスの電界の振幅がその最大値又はその付近であるとき、前記循環する光学的なマイクロパルスが、０．１の正規化されたベクトル・ポテンシャルを特徴とする前記相互作用の領域に光アンジュレータの界を形成するように、それぞれの循環するマイクロパルスが前記共振器内の前記相互作用領域に合焦され、
   前記電子ビーム生成装置は、
   前記電子ビームが、間隔を置いた電子マクロパルスによって特徴付けられる時間依存を有し、
   前記電子マイクロパルスが、少なくとも１つの循環する光学的なマイクロパルスと同期され、
   前記電子ビーム生成装置が、前記電子ビームを前記共振器の前記相互作用領域に合焦し、それによって前記相互作用領域の前記光アンジュレータの界と相互作用し、前記レーザ放射の光周波数よりも高い光周波数で電磁放射を生成する電子ビームとを備えることを特徴とする装置。
10. 循環する光学的マイクロパルスの１つは注入レーザ放射によって生成されると共に、１又はそれ以上の光学的マクロパルスから構成され、このマクロパルスは一連の間隔を有するマクロパルスから構成され、
    前記レーザ放射は追加の一連の光マクロパルスを有し、
    それぞれの追加のマクロパルスは、追加の循環する光学的なマイクロパルスを誘発し、
    前記追加の一連の光マクロパルスのそれぞれは、少なくとも５０％の空間的な重複をもたらすために、１つの追加の光学的なマイクロパルス周期の開始と次の光学的なマイクロパルスの周期の開始の間の間隔が所与の波長の放射に関するＲＴＴＴのちょうど（１×を含む）整数倍に十分に近く、循環する光学的なマイクロパルスが前記光学的なマクロパルスによって誘発されることを特徴とする一連の間隔を置いた光学的なマイクロパルスを含み、
    前記追加の光学的なマクロパルスの光学的なマイクロパルスは、前記第１に示した一連の光学的なマクロパルスの前記光学的なマイクロパルスにインターリーブされることを特徴とする請求項８に記載の装置。
11. 前記第１に示した光学的なマクロパルス及び前記追加の光学的なマクロパルスは異なる波長によって特徴付けられることを特報とする請求項１０に記載の装置。

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