JP2552423B2 - Free electron laser oscillation method and device - Google Patents
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Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】この発明は、短波長のコヒーレン
ト放射光を効率よく発生させる自由電子レーザー発振方
法及び装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a free electron laser oscillation method and apparatus for efficiently generating coherent radiation of short wavelength.
【0002】[0002]
【従来の技術】自由電子レーザー(以下FELという)
発振装置は、電子銃などで得た電子ビームを加速器で加
速し、一般にウィグラーあるいはアンジュレータと呼ば
れる周期的な電磁場形成手段の磁界中に導入すると、空
間的に周期的に変化する磁界中を光速に近い相対論理的
速度で電子ビームが蛇行しながら加速、減速され、電磁
場との相互作用により電子ビームから位相の揃った電磁
波を誘導放射し、この電磁波は一対のミラーから成る光
共振器内で多数回往復して増幅されレーザー発振するよ
うに構成されている。2. Description of the Related Art Free electron laser (hereinafter referred to as FEL)
An oscillating device accelerates an electron beam obtained by an electron gun with an accelerator and introduces it into the magnetic field of a periodic electromagnetic field forming means generally called a wiggler or undulator, and changes the spatially periodically changing magnetic field to the speed of light. The electron beam is accelerated and decelerated while meandering at a close relative logical velocity, and electromagnetic waves with a uniform phase are induced and radiated from the electron beam by interaction with the electromagnetic field, and these electromagnetic waves are many in the optical resonator consisting of a pair of mirrors. The laser is oscillated by repeating the round trip.
【0003】上述した従来の一般的なFEL発振装置で
は、パルス状で送り込まれる電子ビームは、電磁場との
相互作用で発生した電磁波が重畳され強度が強くなった
電磁波とウィグラー磁場のビート波によるポンデロモー
ティブ力により集群化(バンチ化)され、この集群化さ
れた電子ビームによってコヒーレント光が発振される。In the above-mentioned conventional general FEL oscillator, the electron beam sent in a pulse shape is a ponder due to the beat wave of the wiggler magnetic field and the electromagnetic wave generated by the interaction with the electromagnetic field and superposed on the electromagnetic wave. The electron beam is bunched by the rotomotive force, and coherent light is oscillated by the bunched electron beam.
【0004】この場合、電子ビームは電磁波の波長に比
して十分長いパルス幅のものが使用され、集群化された
電子ビームの集群の長さは電磁波の波長に近い1/4の
オーダである。In this case, the electron beam has a pulse width sufficiently longer than the wavelength of the electromagnetic wave, and the length of the clustered electron beam is in the order of 1/4, which is close to the wavelength of the electromagnetic wave. .
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】ところで、FEL発振
装置は、他のレーザーと異なり発生するレーザー光の波
長を可変とすることができるという大きな特徴を有し、
このため種々の分野への応用が期待されており、その1
つの試みとして高効率な短波長化が種々研究されてい
る。By the way, the FEL oscillating device has a great feature that the wavelength of the laser light generated is different from other lasers and is variable.
Therefore, it is expected to be applied to various fields.
As one attempt, various studies have been conducted on highly efficient wavelength shortening.
【0006】短波長化を図る方法として、発生する電磁
波の波長が電子ビームのエネルギの強さの2乗に反比例
することから、電子ビームのエネルギの強さを大きくす
ればよいが、この方法には一定の限界がある。As a method of shortening the wavelength, since the wavelength of the electromagnetic wave generated is inversely proportional to the square of the energy intensity of the electron beam, the energy intensity of the electron beam may be increased. Has certain limits.
【0007】他の試みとしては、予め集群化した電子ビ
ームを用いる方法がある。通常のFEL発振装置では、
光共振器内で電子ビームを集群化し、その集群化した電
子ビームでレーザー光を得るようにしている。従って、
予め集群化した電子ビームを用いれば容易にコヒーレン
ト光を得ることができることが推測される。これは、一
般にコヒーレント放射光と呼ばれる。Another attempt is to use a pre-clustered electron beam. In a normal FEL oscillator,
The electron beam is clustered in the optical resonator, and the clustered electron beam is used to obtain laser light. Therefore,
It is presumed that coherent light can be easily obtained by using an electron beam clustered in advance. This is commonly referred to as coherent radiation.
【0008】しかしながら、何ら規則化されていない状
態で単に予め集群化しただけの電子ビームを用いてもレ
ーザー発振させることはできない。これは、集群化した
電子ビームとウィグラー磁場との相互作用により放射さ
れる放射光とは速度の相違により1波長分しか相互作用
を光共振器内で起さないからである。However, it is not possible to cause laser oscillation by using an electron beam that is simply clustered in advance in a state that is not ordered. This is because the radiated light emitted by the interaction between the clustered electron beam and the wiggler magnetic field causes only one wavelength interaction in the optical resonator due to the difference in speed.
【0009】この場合、短波長の放射光を得ることを前
提としているから、その波長はウィグラー磁場の蛇行ピ
ッチに比してはるかに小さく、しかもコヒーレント放射
光であるためには電子ビームの集群化した特性長が放射
光の波長に近いものでなければならない。In this case, since it is premised that short-wavelength radiation is obtained, the wavelength is much smaller than the meandering pitch of the Wiggler magnetic field, and in order to be coherent radiation, the electron beam is clustered. The characteristic length must be close to the wavelength of the emitted light.
【0010】このような放射光の波長と同程度の特性長
の集群化された電子ビームを得るには、導入される電子
ビームのパルス幅も従来より遙かに小さくなければなら
ない。例えば放射光の波長λs=100μmであれば、
特性長lb=300μm(電子ビームのパルス幅1ps
ec)とすると目標の状態に近くなり、パルス幅が10
fsec(=10-14 sec)ではλs→μm程度とな
る。In order to obtain a clustered electron beam having a characteristic length similar to the wavelength of the emitted light, the pulse width of the introduced electron beam must be much smaller than that of the conventional one. For example, if the wavelength λs of emitted light is 100 μm,
Characteristic length lb = 300 μm (electron beam pulse width 1 ps
ec), the target state is approached and the pulse width is 10
At fsec (= 10 −14 sec), λs → μm.
【0011】しかし、上記のような放射光の波長と同程
度の特性長の電子ビームで放射光を得ようとしても、放
射光と電子ビームの進行速度には当然差があるため、1
つの電子ビームの集群がウィグラー磁場のあるピッチの
位置で一度相互作用をすると、次のピッチでは電子ビー
ムの集群より放射光は光の一波長分だけ先へ進みずれて
しまい、ウィグラー磁場のピッチが進むにつれてそのず
れが大きくなり、相互作用を再び生じることはできなく
なるのである。However, even if an electron beam having a characteristic length similar to the wavelength of the emitted light is used to obtain the emitted light, the traveling speeds of the emitted light and the electron beam are naturally different from each other.
Once the bunches of two electron beams interact with each other at a certain pitch of the wiggler magnetic field, at the next pitch, the synchrotron radiation advances one wavelength of light ahead of the bunches of the electron beams, and the pitch of the wiggler magnetic field changes. As it progresses, the gap grows larger and the interaction cannot be regenerated.
【0012】従って、単に予め集群化した電子ビームを
用いてもFELの発振をさせることはできないのであ
る。Therefore, it is not possible to oscillate the FEL simply by using the electron beam pre-bunched.
【0013】この発明は、上述した従来の自由電子レー
ザー発振装置により短波長化したレーザー光を得る方法
の問題点に留意して、短波長のコヒーレント放射光と同
レベルの短パルスの電子ビームを予め集群化し、これと
電磁場との相互作用により複数の相互作用域で高効率に
短波長のコヒーレント放射光を得る自由電子レーザー発
振方法及び装置を提供することを課題とする。This invention pays attention to the problem of the method of obtaining a laser beam having a short wavelength by the above-mentioned conventional free electron laser oscillator, and produces an electron beam of a short pulse of the same level as that of a coherent radiation light of a short wavelength. It is an object of the present invention to provide a free electron laser oscillating method and apparatus for obtaining a coherent radiant light of a short wavelength with high efficiency in a plurality of interaction regions by pre-bunching the bunches with each other and interacting with them.
【0014】[0014]
【課題を解決するための手段】上記課題を解決する手段
としてこの発明は、電子ビームをそのパルス列間隔が発
生させようとする光の波長の周期と同レベルとなるよう
に予め集群化し、これを周期的に変化する電磁場内に導
入し、電磁場内での電子ビームと光の速度差を調整して
複数の相互作用域でコヒーレント放射光を得、発生した
放射光を光共振器内で多数回往復させて自由電子レーザ
ー光を発振させることから成る自由電子レーザー発振方
法としたのである。As means for solving the above-mentioned problems, the present invention clusters an electron beam in advance so that its pulse train interval is at the same level as the period of the wavelength of light to be generated, and Introduced into a periodically changing electromagnetic field, adjusting the speed difference between the electron beam and light in the electromagnetic field to obtain coherent synchrotron radiation in multiple interaction areas, and generating radiant light many times in the optical resonator. The method was a free electron laser oscillation method that consisted of reciprocating oscillation of free electron laser light.
【0015】そして上記発明の方法を実施する装置とし
て、電子ビームをそのパルス列間隔が発生させようとす
る光の波長の周期と同レベルとなるように予め集群化す
る電子ビーム集群化手段と、周期的に変化する電磁場を
形成する電磁場形成手段と、発生した電磁波の増幅を行
なう光共振器とを備え、電磁場形成手段は周期的に変化
する電磁場の周期ピッチを予め所定の間隔として電子ビ
ームと電磁場内で発生するコヒーレント放射光との速度
差を調整し、複数の相互作用域でコヒーレント放射光を
得るように電磁場を配置したものとして成る自由電子レ
ーザー発振装置の構成を採用したのである。As an apparatus for carrying out the method of the above invention, an electron beam bunching means for prebunching the electron beam so that the pulse train interval is at the same level as the period of the wavelength of the light to be generated, and a period Equipped with an electromagnetic field forming means for forming an electromagnetic field that changes with time and an optical resonator for amplifying the generated electromagnetic wave.The electromagnetic field forming means uses an electron beam and an electromagnetic field with a periodic pitch of the electromagnetic field that changes periodically as a predetermined interval. The configuration of the free electron laser oscillator is adopted in which the electromagnetic field is arranged so as to obtain the coherent radiation in a plurality of interaction regions by adjusting the speed difference with the coherent radiation generated inside.
【0016】上記レーザー発振装置において、前記電磁
場形成手段が周期的に変化する電磁場の強さを1ピッチ
毎に他より大きいものを配列し、その電磁場の強さが電
子ビームと放射光の速度差に等しい速度に電子ビームの
速度を調整する大きさとしたようにするのが好ましい。In the above laser oscillating device, the electromagnetic field forming means arranges a periodically changing electromagnetic field strength larger than the others at every pitch, and the electromagnetic field strength is a difference in velocity between the electron beam and the emitted light. It is preferably sized to adjust the velocity of the electron beam to a velocity equal to.
【0017】その場合さらに、前記電磁場形成手段が、
電磁場の強さが1ピッチ毎に異なる構成としたものの間
に速度差調整手段を設け、速度差調整手段が光路調整器
と電子ビーム軌道路調整器から成るとしてもよい。In that case, further, the electromagnetic field forming means includes:
The velocity difference adjusting means may be provided between the electromagnetic field strengths which are different for each pitch, and the velocity difference adjusting means may be composed of an optical path adjuster and an electron beam orbit adjuster.
【0018】[0018]
【作用】上記本発明の方法は、第二乃至第四の発明の装
置において実施される。その場合、第二の発明では速度
差を調整する方法として、電子ビームのパルス間隔、放
射光の波長、電磁場形成手段のピッチ長との間に一定の
関係が成立し、電磁場形成手段の所定ピッチ数毎に複数
ヶ所で電子ビームと放射光の速度差による波長のずれが
一致して相互作用域を生じさせ得る電磁場形成手段の配
列としている。The above method of the present invention is carried out in the apparatus of the second to fourth inventions. In that case, in the second invention, as a method of adjusting the speed difference, a constant relationship is established among the pulse interval of the electron beam, the wavelength of the emitted light, and the pitch length of the electromagnetic field forming means, and the predetermined pitch of the electromagnetic field forming means is established. The electromagnetic field forming means is arranged so that the wavelength shift due to the speed difference between the electron beam and the radiated light coincides with each other at a plurality of positions to generate an interaction region.
【0019】なお、電子ビームを予め集群化する方法と
して、例えば陰極にレーザー照射する形式の電子銃、R
F電子銃、又はバンチャーRF空胴を用いることができ
る。第一、第二の方法では電子ビームは極短パルスで発
生するため最初から集群化された状態で発生する。第三
の方法では発生した電子ビームをバンチャーRF空胴で
集群化させる。As a method of bunching an electron beam in advance, for example, an electron gun of a type in which a cathode is irradiated with a laser, R
An F electron gun or a buncher RF cavity can be used. In the first and second methods, the electron beam is generated in an extremely short pulse, so that the electron beam is generated in a clustered state from the beginning. In the third method, the generated electron beam is clustered in the buncher RF cavity.
【0020】第三の発明では、電磁場の強さを1ピッチ
毎に強いものを配置し、電子ビームの速度を遅らせてそ
の遅れが丁度前記速度差に等しくなる強さとすることに
よって調整される。In the third aspect of the invention, the electromagnetic field strength is set to be strong for each pitch, and the speed of the electron beam is delayed so that the delay is just equal to the speed difference.
【0021】第四の発明では、速度差調整手段の光路調
整器により放射光の進行を遅れさせることによってその
調整がなされる。In the fourth invention, the adjustment is made by delaying the progress of the emitted light by the optical path adjuster of the speed difference adjusting means.
【0022】いずれの方法による場合も、速度差の調整
をすることによって複数ヶ所の相互作用域を生じさせ、
これによって高効率に短波長のコヒーレント放射光が得
られる。In any of the methods, by adjusting the speed difference, a plurality of interaction regions are generated,
As a result, short-wavelength coherent radiation can be obtained with high efficiency.
【0023】[0023]
【実施例】以下この発明の実施例について図面を参照し
て説明する。図1はこの発明の方法を実施する装置の第
一実施例の概略構成図である。図示の自由電子レーザー
(以下FELという)発振装置は、電子銃10と、ウィ
グラー磁場形成手段20と、光共振器30とから成る。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a first embodiment of an apparatus for carrying out the method of the present invention. The illustrated free electron laser (hereinafter referred to as FEL) oscillation device includes an electron gun 10, a wiggler magnetic field forming means 20, and an optical resonator 30.
【0024】電子銃10は、通常の電子銃と異なり、加
熱陰極カソード11にレーザー12のレーザー光を照射
して電子ビームを発生させるもので電子ビームの発生効
率が極めて高効率であり、かつレーザー12の照射を超
高速で断続させ電子ビームをパルス列状に得る形式のも
のである。電子ビームのパルス列の周期は、例えば1p
sec(=10-12 sec)又は10fsec(=10
-14 sec)程度のものが得られる。13はアノード、
14はキャビティである。Unlike a normal electron gun, the electron gun 10 irradiates the heating cathode cathode 11 with the laser beam of the laser 12 to generate an electron beam, and has an extremely high electron beam generation efficiency and a laser. This is a type in which the irradiation of 12 is intermittently performed at an ultrahigh speed to obtain an electron beam in a pulse train form. The pulse train cycle of the electron beam is, for example, 1 p
sec (= 10 -12 sec) or 10 fsec (= 10
-14 sec) is obtained. 13 is an anode,
14 is a cavity.
【0025】上記電子銃10は、電子ビームを供給する
手段であると共に、電子ビームを予め集群化する手段の
役目をする。レーザー12で極めて短パルス、例えば1
0fsecのレーザー光を照射するとそれに対応して陰
極カソード11から短パルスの電子ビームが放出され、
これによって発生した電子ビームは集群化された状態で
送り出され、これら電子ビームはアノード13、キャビ
ティ14で加速され光速に近い相対論的な速度に加速さ
れる。The electron gun 10 is a means for supplying an electron beam and also serves as a means for prebunching the electron beam. Very short pulse with laser 12, eg 1
When a laser beam of 0 fsec is irradiated, a short pulse electron beam is emitted from the cathode 11 correspondingly,
The electron beams generated by this are sent out in a clustered state, and these electron beams are accelerated by the anode 13 and the cavity 14 and accelerated to a relativistic velocity close to the speed of light.
【0026】ウィグラー磁場形成手段20は、通常のウ
ィグラー電磁石と同様に互いに隣り合う複数組の電磁石
の磁界の向きが180°周期的に異なるものを連続して
並べて設けたものから成る。しかし、通常の場合と異な
りその周期ピッチは後で説明するように所定の関係式を
満足するような特定の配置でなければならない。The wiggler magnetic field forming means 20 is composed of a plurality of sets of electromagnets which are adjacent to each other and whose directions of magnetic fields are different from each other by 180 ° in a periodic manner, as in a normal wiggler electromagnet. However, unlike the usual case, the periodic pitch must be a specific arrangement that satisfies a predetermined relational expression, as will be described later.
【0027】所定の関係式は次の通りである。ウィグラ
ー磁石のピッチ長λω、放射光の波長λs、電子ビーム
のパルス列間隔λB 、電子ビームの加速エネルギγ、ウ
ィグラー磁場との共鳴特性パラメータK、Mを任意の整
数とすると、 λs=λω(1+K2 )/2γ2 λB =Mλs である。The predetermined relational expression is as follows. If the pitch length λω of the wiggler magnet, the wavelength λs of the emitted light, the pulse train interval λ B of the electron beam, the acceleration energy γ of the electron beam, and the resonance characteristic parameters K and M with the wiggler magnetic field are arbitrary integers, then λs = λω (1 + K 2 ) / 2γ 2 λ B = Mλs.
【0028】光共振器30は、通常の場合と同様に全反
射ミラー31と半透ミラー32から成り、系外には使用
済の電子ビームを処理するビームキャッチャ33が設け
られている。The optical resonator 30 comprises a total reflection mirror 31 and a semi-transparent mirror 32 as in the usual case, and a beam catcher 33 for processing a used electron beam is provided outside the system.
【0029】上記構成のFEL発振装置では、次のよう
にしてレーザー発振が行なわれる。図2、図3を参照し
て以下説明する。まず、図3に示すように、ウィグラー
磁場形成手段の電磁場内に送り込まれる電子ビームは予
め電子銃10等によって所定の短パルス間隔を有する集
群化されたビームとして供給される。In the FEL oscillator having the above structure, laser oscillation is performed as follows. This will be described below with reference to FIGS. 2 and 3. First, as shown in FIG. 3, the electron beam sent into the electromagnetic field of the wiggler magnetic field forming means is supplied in advance as a grouped beam having a predetermined short pulse interval by the electron gun 10 or the like.
【0030】この短パルス状の電子ビームのパルス幅
は、例えば前述したように1psecであるとすると、
集群化したビームの特性長If the pulse width of this short pulsed electron beam is, for example, 1 psec as described above,
Characteristic length of clustered beam
【0031】[0031]
【数1】 1b300μm## EQU1 ## 1b 300 μm
【0032】であり、この集群化したビームと電磁場と
の相互作用で発生するコヒーレント放射光の波長はλs
=100μmとなる。The wavelength of the coherent radiant light generated by the interaction between the clustered beam and the electromagnetic field is λs.
= 100 μm.
【0033】今、仮りに図3の(a)に示すウィグラー
磁石の一番左側の位置で(b)の電子軌道上を電子ビー
ムが進行するとすると、1つの電子ビームの集群化した
ものは(c)に示すようにある特性長さlbの中で複数
列(図では例えば1〜5として示している。)に集群化
し、これがウィグラー磁石による電磁場との相互作用に
より放射光を放出する。Now, assuming that the electron beam advances on the electron orbit of (b) at the leftmost position of the Wiggler magnet shown in (a) of FIG. 3, a group of one electron beam becomes ( As shown in c), a plurality of columns (indicated as 1 to 5 in the figure) are clustered in a certain characteristic length lb, which emits radiated light by the interaction with the electromagnetic field by the Wiggler magnet.
【0034】上記集群化した1つの電子ビームは放射光
と共に同一方向へ進行するが、上記電子ビームは次のウ
ィグラー磁石のピッチの位置では光の速度の方が速いた
め1波長分遅れ、1波長ずれることになる。第3のピッ
チでは2波長ずれる。従って、この波長のずれはウィグ
ラーピッチが進むにつれて大きくなる。The one electron beam thus clustered advances in the same direction as the emitted light, but the electron beam is delayed by one wavelength and one wavelength at the pitch position of the next wiggler magnet because the speed of light is faster. It will shift. Two wavelengths are offset at the third pitch. Therefore, this wavelength shift increases as the wiggler pitch increases.
【0035】上述したウィグラー磁石の多数のピッチに
対して、電子ビームのパルス列の周期、発生する放射光
の波長の間に何ら規則的な関係がないとすると、1度相
互作用をした電子ビームと放射光とは位相がずれるた
め、ウィグラー磁石との間で相互作用は再度生じないこ
とになる。If there is no regular relationship between the pulse train period of the electron beam and the wavelength of the emitted light with respect to the large number of pitches of the above-mentioned wiggler magnet, the electron beam interacts once. Since it is out of phase with the emitted light, the interaction with the wiggler magnet does not occur again.
【0036】しかし、この実施例ではウィグラー磁石の
ピッチ長λω、放射光の波長λs、電子ビームのパルス
列間隔λB の間には上述した関係式を満足するような関
係がある。従って、図2の(c)に示すように、まずウ
ィグラー磁石の第1ピッチ(磁石の上に示す数字)で相
互作用が生じたとすると、第2ピッチではλs、第3ピ
ッチでは2λsと段々ずれが大きくなるが、第M+1ピ
ッチではMλs=λBとなって再び放射光の波長と電子
ビームのパルス列とが一致し、相互作用が生じることに
なる。However, in this embodiment, the pitch length λω of the wiggler magnet, the wavelength λs of the emitted light, and the pulse train interval λ B of the electron beam have a relationship satisfying the above-mentioned relational expression. Therefore, as shown in (c) of FIG. 2, if interaction occurs at the first pitch (numbers shown above the magnets) of the wiggler magnet, it gradually shifts to λs at the second pitch and 2λs at the third pitch. Although increases in the first M + 1 pitch match the pulse train of the wavelength and the electron beam again synchrotron radiation becomes Mλs = λ B, so that the interaction occurs.
【0037】例えばウィグラー磁場形成手段20のウィ
グラー磁石が100としM=10とすると、相互作用域
は9ヶ所生じることになり、相互作用域が1ヶ所のみの
場合よりはるかに効率よくコヒーレント放射光が生じる
ことになる。For example, assuming that the wiggler magnet of the wiggler magnetic field forming means 20 is 100 and M = 10, nine interaction regions are generated, and coherent radiation light is generated much more efficiently than when there is only one interaction region. Will occur.
【0038】上記実施例では、予め電子ビームを集群化
する手段としてレーザー照射型の陰極を用いた電子銃1
0を一例とし説明したが、これ以外にもRF電子銃、又
はバンチャーRF空胴を用いる方法を採用することもで
きる。In the above-mentioned embodiment, the electron gun 1 using the laser irradiation type cathode as a means for clustering the electron beam in advance.
Although 0 has been described as an example, a method using an RF electron gun or a buncher RF cavity can be used instead.
【0039】RF電子銃を用いる場合は、例えば陰極か
ら大電流の電子ビームが発生すると、自己電荷による振
動で電子ビームの電流波形が極短波長(例えば100f
s〜10fs)となり、この極短波長化によって電子ビ
ームは集群化される。When an RF electron gun is used, for example, when a large-current electron beam is generated from the cathode, the current waveform of the electron beam has an extremely short wavelength (for example, 100 f) due to vibration due to self-charge.
s to 10 fs), and the electron beam is clustered by this extremely short wavelength.
【0040】バンチャーRF空胴による場合は、cw電
子銃で発生した電子ビームに対しバンチャーRF空胴中
で速度変調を加えてエネルギ分散により電子ビームを集
群化させる。In the case of the buncher RF cavity, velocity modulation is applied to the electron beam generated by the cw electron gun in the buncher RF cavity, and the electron beam is clustered by energy dispersion.
【0041】図4は、第二実施例の概略構成図である。
第一実施例では電子ビームと放射光との速度差による波
長のずれをウィグラー磁石の配列を特定の関係を満すよ
うにすることによって相互作用域を複数ヶ所発生するよ
うにしたが、この実施例では第一実施例とは異なり速度
差による波長のずれを生じさせないようにした例であ
る。FIG. 4 is a schematic configuration diagram of the second embodiment.
In the first embodiment, the wavelength shift due to the speed difference between the electron beam and the synchrotron radiation was made to generate a plurality of interaction regions by making the arrangement of the Wiggler magnets satisfy a specific relationship. Unlike the first embodiment, the example is an example in which a wavelength shift due to a speed difference is not generated.
【0042】ウィグラー磁場形成手段20は、第一実施
例と同様なピッチで配列するが、第1ピッチと第2ピッ
チのウィグラー磁石との間にはこれらより強い磁場を与
え得るウィグラー磁石(符号1X、2X……で示す)が
配置されている。従って、この場合の電子ビームの軌道
は図4の(b)のようになる。The wiggler magnetic field forming means 20 are arranged at the same pitch as in the first embodiment, but a wiggler magnet (reference numeral 1X) which can give a stronger magnetic field between the first pitch and the second pitch of the wiggler magnet. , 2X ...) are arranged. Therefore, the trajectory of the electron beam in this case is as shown in FIG.
【0043】上記強い磁場の強さは、第1ピッチと第2
ピッチの間で電子ビームと放射光の速度差が丁度放射光
の波長λsとなるように設定される。即ち、電子ビーム
は第2ピッチの位置では波長λs遅れ、放射光は電子ビ
ームの列の前のバンチ列に追いつき、時間的に空間的に
一致して相互作用を生じる。The strength of the strong magnetic field depends on the first pitch and the second pitch.
The speed difference between the electron beam and the emitted light between the pitches is set to be exactly the wavelength λs of the emitted light. That is, the electron beam is delayed by the wavelength λs at the position of the second pitch, and the emitted light catches up with the bunch row in front of the electron beam row, and spatially coincides temporally with each other to cause interaction.
【0044】ウィグラー磁石の磁場強度を大きくした場
合、図示のように電子ビームは進行方向と直角に大きく
振られ、その分進行方向の速度が減速されるからであ
る。This is because, when the magnetic field strength of the wiggler magnet is increased, the electron beam is largely swung at right angles to the traveling direction as shown in the figure, and the velocity in the traveling direction is decelerated accordingly.
【0045】図5は第三実施例の概略構成図を示す。こ
の実施例も第二実施例と同様に速度差を調整する方法の
例である。FIG. 5 shows a schematic block diagram of the third embodiment. This embodiment is also an example of a method for adjusting the speed difference as in the second embodiment.
【0046】この実施例では、図4の第二実施例と同じ
強いウィグラー磁石を1つおきに設けるウィグラー磁場
形成手段20の第一グループと、これと全く同じ構成の
第二グループのウィグラー磁場形成手段20’との間に
光路調整器40とビーム軌道路調整器50から成る速度
差調整手段を設けている。In this embodiment, the first group of the wiggler magnetic field forming means 20 in which every other strong wiggler magnet as in the second embodiment shown in FIG. 4 is provided, and the second group of the wiggler magnetic field forming means having exactly the same configuration as this. A speed difference adjusting means including an optical path adjuster 40 and a beam path adjuster 50 is provided between the means 20 '.
【0047】41〜46は全てミラーであり、41、4
6は固定式、他は可動式である。51〜54は電子ビー
ムの軌道を変えるための偏向電磁石である。41-46 are all mirrors, 41, 4
6 is a fixed type, and the others are movable. Reference numerals 51 to 54 are bending electromagnets for changing the trajectory of the electron beam.
【0048】この実施例では上記速度差調整手段の光路
調整器40で第二実施例の場合と反対に光の進行を電子
ビームに対して遅らせて速度差を調整するようにしてい
る。In this embodiment, contrary to the case of the second embodiment, the optical path adjuster 40 of the speed difference adjusting means delays the progress of light with respect to the electron beam to adjust the speed difference.
【0049】光路差調整器40では多数のミラー41〜
46を組合せ、例えばミラー42、43及び44、45
を移動させて光路を長くすると光の進行が第二グループ
のウィグラー磁場形成手段20’において電子ビームよ
り遅れるため、その遅れが電子ビームと放射光との進行
速度差に一致するように設定される。In the optical path difference adjuster 40, a large number of mirrors 41 to 41 are arranged.
46, eg mirrors 42, 43 and 44, 45
Is moved to make the optical path longer, the light travels later than the electron beam in the second group of Wiggler magnetic field forming means 20 ', so that the delay is set so as to match the traveling speed difference between the electron beam and the emitted light. .
【0050】ビーム軌道路調整器50は、途中のミラー
41、46による光路上を直進できないため軌道を変え
るのに必要であるとして設けている。The beam orbit path adjuster 50 is provided because it is necessary to change the orbit because it cannot move straight on the optical path by the mirrors 41 and 46 on the way.
【0051】その他の構成要素については第一実施例と
同じであり、同じ構成要素には同一符号を付して説明は
省略している。The other constituent elements are the same as those in the first embodiment, and the same constituent elements are designated by the same reference numerals and the description thereof is omitted.
【0052】なお、上記実施例では、速度差を調整する
方法として主として磁場形成手段のピッチ、磁場強度の
大きさ、光路長さを調整することとしているが、この他
にもウィグラー磁場との共鳴特性パラメータKに差異を
設けて調整する方法も採用し得る。In the above-mentioned embodiment, the pitch of the magnetic field forming means, the magnitude of the magnetic field strength, and the optical path length are mainly adjusted as a method of adjusting the speed difference. However, in addition to this, resonance with the wiggler magnetic field is performed. It is also possible to adopt a method of adjusting the characteristic parameter K by providing a difference.
【0053】[0053]
【効果】以上詳細に説明したように、この発明によるレ
ーザー発振方法では極めて短パルス間隔・電子ビームを
用いてこれを予め集群化し、その電子ビームと電磁場と
の相互作用で生じるコヒーレント放射光を電子ビームと
光の速度差を調整して複数の相互作用域で得るようにし
たから、極めて短波長のコヒーレント放射光を効率よく
得ることができるという大きな利点が得られる。As described in detail above, in the laser oscillation method according to the present invention, an electron beam having an extremely short pulse interval is used to pre-bundle the electron beam, and the coherent radiant light generated by the interaction between the electron beam and the electromagnetic field is converted into an electron beam. Since the speed difference between the beam and the light is adjusted so as to be obtained in a plurality of interaction regions, there is a great advantage that coherent radiation light having an extremely short wavelength can be efficiently obtained.
【0054】又、上記方法を実施する第二の発明の装置
は、速度差の調整を電磁場形成手段の配列により行なっ
ており、第三の発明では電磁場形成手段をその電磁場の
強さが上記速度差に等しくなるように電子ビームの速度
を調整するようにし、第四の発明では第三の発明の電磁
場形成手段の間に設けた速度差調整手段の光路調整器に
より放射光の速度を調整することとしたから、いずれの
発明においてもそれぞれ速度差が調整され複数の相互作
用域で短波長のコヒーレント放射光が効率よく得られる
という効果がある。In the apparatus of the second invention for carrying out the above method, the speed difference is adjusted by the arrangement of the electromagnetic field forming means. In the third invention, the electromagnetic field forming means is arranged so that the intensity of the electromagnetic field is the above speed. The speed of the electron beam is adjusted so as to be equal to the difference, and in the fourth invention, the speed of the emitted light is adjusted by the optical path adjuster of the speed difference adjusting means provided between the electromagnetic field forming means of the third invention. Therefore, in any of the inventions, there is an effect that the speed difference is adjusted and the short wavelength coherent radiation light is efficiently obtained in the plurality of interaction regions.
【図1】第一実施例の自由電子レーザー発振装置の概略
構成図FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a free electron laser oscillator according to a first embodiment.
【図2】作用を説明する図FIG. 2 is a diagram for explaining the operation
【図3】作用を説明する図FIG. 3 is a diagram for explaining the operation.
【図4】第二実施例の自由電子レーザー発振装置の概略
構成図FIG. 4 is a schematic configuration diagram of a free electron laser oscillator according to a second embodiment.
【図5】第三実施例の自由電子レーザー発振装置の概略
構成図FIG. 5 is a schematic configuration diagram of a free electron laser oscillator according to a third embodiment.
10 電子銃 11 カソード 12 レーザー 13 アノード 14 キャビティ 20 ウィグラー磁場形成手段 30 光共振器 31 全反射ミラー 32 半透ミラー 33 ビームキャッチャ 40 光路調整器 50 ビーム軌道路調整器 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Electron gun 11 Cathode 12 Laser 13 Anode 14 Cavity 20 Wiggler magnetic field forming means 30 Optical resonator 31 Total reflection mirror 32 Semi-transparent mirror 33 Beam catcher 40 Optical path adjuster 50 Beam orbit adjuster
Claims (4)
せようとする光の波長の周期と同レベルとなるように予
め集群化し、これを周期的に変化する電磁場内に導入
し、電磁場内での電子ビームと光の速度差を調整して複
数の相互作用域でコヒーレント放射光を得、発生した放
射光を光共振器内で多数回往復させて自由電子レーザー
光を発振させることから成る自由電子レーザー発振方
法。1. An electron beam is pre-grouped so that its pulse train interval has the same level as the period of the wavelength of light to be generated, and this is introduced into a periodically changing electromagnetic field, Free electrons consisting of oscillating free electron laser light by adjusting the speed difference between the electron beam and light to obtain coherent radiation in multiple interaction areas and reciprocating the generated radiation many times in the optical resonator Laser oscillation method.
せようとする光の波長の周期と同レベルとなるように予
め集群化する電子ビーム集群化手段と、周期的に変化す
る電磁場を形成する電磁場形成手段と、発生した電磁波
の増幅を行なう光共振器とを備え、電磁場形成手段は周
期的に変化する電磁場の周期ピッチを予め所定の間隔と
して電子ビームと電磁場内で発生するコヒーレント放射
光との速度差を調整し、複数の相互作用域でコヒーレン
ト放射光を得るように電磁場を配置したものとして成る
自由電子レーザー発振装置。2. An electron beam bunching means for prebunching an electron beam so that its pulse train interval is at the same level as the period of the wavelength of light to be generated, and an electromagnetic field forming a periodically changing electromagnetic field. The electromagnetic field forming means includes a forming means and an optical resonator for amplifying the generated electromagnetic wave, and the electromagnetic field forming means forms an electron beam and coherent radiation light generated in the electromagnetic field with a periodic pitch of the electromagnetic field that periodically changes as a predetermined interval. A free-electron laser oscillator in which the electromagnetic fields are arranged to adjust the speed difference and obtain coherent radiation in a plurality of interaction regions.
電磁場の強さを1ピッチ毎に他より大きいものを配列
し、その電磁場の強さが電子ビームと放射光の速度差に
等しい速度に電子ビームの速度を調整する大きさとした
ものから成ることを特徴とする請求項2に記載の自由電
子レーザー発振装置。3. The electromagnetic field forming means arranges the intensity of the electromagnetic field that periodically changes is larger than the others at every pitch, and the intensity of the electromagnetic field is equal to the velocity difference between the electron beam and the emitted light. The free electron laser oscillator according to claim 2, wherein the free electron laser oscillator has a size adjusted to adjust a speed of an electron beam.
1ピッチ毎に異なる構成としたものの間に速度差調整手
段を設け、速度差調整手段が光路調整器と電子ビーム軌
道路調整器から成るものとしたことを特徴とする請求項
3に記載の自由電子レーザー発振装置。4. The speed difference adjusting means is provided between the electromagnetic field forming means in which the strength of the electromagnetic field is different for each pitch, and the speed difference adjusting means comprises an optical path adjuster and an electron beam orbit adjuster. The free electron laser oscillation device according to claim 3, wherein
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5158988A JP2552423B2 (en) | 1993-06-29 | 1993-06-29 | Free electron laser oscillation method and device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5158988A JP2552423B2 (en) | 1993-06-29 | 1993-06-29 | Free electron laser oscillation method and device |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0722715A JPH0722715A (en) | 1995-01-24 |
| JP2552423B2 true JP2552423B2 (en) | 1996-11-13 |
Family
ID=15683767
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5158988A Expired - Lifetime JP2552423B2 (en) | 1993-06-29 | 1993-06-29 | Free electron laser oscillation method and device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
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Families Citing this family (2)
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|---|---|---|---|---|
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Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JPH0442987A (en) * | 1990-06-06 | 1992-02-13 | Mitsubishi Electric Corp | Free electron laser |
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| JPH05145201A (en) * | 1991-11-19 | 1993-06-11 | Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd | Free electron laser electron beam injector |
| JPH06326423A (en) * | 1993-05-14 | 1994-11-25 | Hidetsugu Ikegami | Generation of cyclobunching coherent radiation and device therefor |
-
1993
- 1993-06-29 JP JP5158988A patent/JP2552423B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0722715A (en) | 1995-01-24 |
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