特許 5750602 偏光ビーム変換素子、偏光ビーム変換方法、電子銃、ビーム測定装置、及び電子発生方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5750602

(24)【登録日】2015年5月29日

(45)【発行日】2015年7月22日

(54)【発明の名称】偏光ビーム変換素子、偏光ビーム変換方法、電子銃、ビーム測定装置、及び電子発生方法

(51)【国際特許分類】

   G02B 27/28 20060101AFI20150702BHJP

   G02B 27/09 20060101ALI20150702BHJP

   H01J 37/073 20060101ALI20150702BHJP

   B23K 26/064 20140101ALI20150702BHJP

【ＦＩ】

   G02B27/28 Z

   G02B27/09

   H01J37/073

   B23K26/064

【請求項の数】18

【全頁数】29

(21)【出願番号】特願2010-243071(P2010-243071)

(22)【出願日】2010年10月29日

(65)【公開番号】特開2012-93675(P2012-93675A)

(43)【公開日】2012年5月17日

【審査請求日】2013年10月29日

(73)【特許権者】

【識別番号】503138134

【氏名又は名称】ナノフォトン株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】503359821

【氏名又は名称】国立研究開発法人理化学研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100103894

【弁理士】

【氏名又は名称】家入 健

(74)【代理人】

【識別番号】100129953

【弁理士】

【氏名又は名称】岩瀬 康弘

(72)【発明者】

【氏名】小林 実

(72)【発明者】

【氏名】冨澤 宏光

【審査官】 稲荷 宗良

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−２２３０９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１９３０２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１１６３１１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ ２７／２８

Ｂ２３Ｋ ２６／０６４

Ｇ０２Ｂ ２７／０９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１及び第２の波長板を備え、擬似ラジアル偏光、又は擬似アジマス偏光を生成するための偏光ビーム変換素子であって、
前記第１の波長板には、放射状に２^ｎ（ｎは２以上の自然数）分割された分割領域が設けられ、前記分割領域のそれぞれに（λ／４）×（１−ａｒｃｃｏｓ（０．５／ｃｏｓ（π／２^ｎ））／（π／２））の位相差を与える分割波長板が設けられ、
前記第１の波長板の前記分割波長板の軸方位が、略回転対称になっており、
前記第１の波長板の後段に配置された前記第２の波長板には、放射状に２^ｎ分割された分割領域が設けられ、前記分割領域のそれぞれに（λ／４）×（ａｒｃｃｏｓ（１−０．５／ｃｏｓ^２（π／２^ｎ））／（π／２））の位相差を与える分割波長板が設けられ、
前記第２の波長板の前記分割波長板の軸方位が、略回転対称になっており、
前記第１の波長板の分割領域のそれぞれが、前記第２の波長板の分割領域とずれて配置され、
前記第１の波長板に設けられた分割波長板の軸方位と前記第２の波長板の前記分割波長板の軸方位がずれている偏光ビーム変換素子。

【請求項2】

前記第１の波長板、及び前記第２の波長板の少なくとも一方が２π／２^ｎの回転対称になっていることを特徴とする請求項１に記載の偏光ビーム変換素子。

【請求項3】

光軸と垂直な平面において、前記第２の波長板の分割領域と一致するよう配置された２^ｎの分割領域を有する位相板をさらに備え、
前記位相板が隣接する分割領域においてλ／２^ｎに対応する光路長差を与える請求項１、又は２に記載の偏光ビーム変換素子。

【請求項4】

前記第１の波長板の分割波長板の軸方位と、前記第２の波長板の前記分割波長板の軸方位が略π／２^ｎずれている請求項１乃至３のいずれか１項に記載の偏光ビーム変換素子。

【請求項5】

前記第１の波長板の前記分割領域の境界線と、前記第２の波長板の前記分割領域の境界線が略π／２^ｎずれている請求項１乃至４のいずれか１項に記載の偏光ビーム変換素子。

【請求項6】

ｎ＝２であり、
前記第１の波長板の４つの分割領域、及び第２の波長板の４つの分割領域のそれぞれが矩形状になっている請求項１乃至５のいずれか１項に記載の偏光ビーム変換素子。

【請求項7】

前記第１の波長板の前段に配置された第３の波長板をさらに備え、
前記第３の波長板が入射する直線偏光を円偏光にする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の偏光ビーム変換素子。

【請求項8】

第１及び第２の波長板を備え、擬似ラジアル偏光、又は擬似アジマス偏光を生成するための偏光ビーム変換素子であって、
前記第１の波長板には、放射状に２分割された分割領域が設けられており、前記分割領域のそれぞれにλ／４板が設けられ、
２分割された前記分割領域に設けられた前記第１の波長板の前記λ／４板の軸方位が、互いに略直交し、
前記第１の波長板の後段に設けられた第２の波長板には、放射状に２分割された分割領域が設けられており、前記分割領域のそれぞれにλ／４板が設けられ、
２分割された前記分割領域に設けられた前記第２の波長板の前記λ／４板の軸方位が、互いに略直交し、
前記第１の波長板の分割領域のそれぞれが、前記第２の波長板の分割領域とずれて配置されている偏光ビーム変換素子。

【請求項9】

光軸と垂直な平面において、前記第１の波長板の分割領域の境界線、及び前記第１の波長板の分割領域の境界線と一致する２つの境界線で分割された４つの分割領域を有する位相板をさらに備え、
前記位相板が隣接する分割領域において、λ／４に対応する光路長差を与える請求項８に記載の偏光ビーム変換素子。

【請求項10】

前記位相板と前記第２の波長板が一体的に形成されていることを特徴とする請求項３、又は９に記載の偏光ビーム変換素子。

【請求項11】

前記位相板が前記第２の波長板に蒸着された蒸着膜によって構成され、
前記第２の波長板の材料と同一の材料を蒸着することで前記位相板が形成されている請求項１０に記載の偏光ビーム変換素子。

【請求項12】

前記第１の波長板の前記λ／４板の軸方位と、前記第２の波長板の前記λ／４の軸方位が平行になっている請求項８乃至１１のいずれか１項に記載の偏光ビーム変換素子。

【請求項13】

前記第１の波長板の前記分割領域の境界線と、前記第２の波長板の前記分割領域の境界線が略π／２ずれている請求項８乃至１２のいずれか１項に記載の偏光ビーム変換素子。

【請求項14】

擬似ラジアル偏光、又は擬似アジマス偏光を生成する偏光ビーム変換方法であって、
円偏光を第１の波長板に入射させるステップと、
前記第１の波長板を通過した光を第２の波長板に入射させるステップと、を備え、
前記第１の波長板には、放射状に２^ｎ（ｎは２以上の自然数）分割された分割領域が設けられ、前記分割領域のそれぞれに（λ／４）×（１−ａｒｃｃｏｓ（０．５／ｃｏｓ（π／２^ｎ））／（π／２））の位相差を与える分割波長板が設けられ、
前記第１の波長板の前記分割波長板の軸方位が、回転対称になっており、
前記第１の波長板の後段に配置された前記第２の波長板には、放射状に２^ｎ分割された分割領域が設けられ、前記分割領域のそれぞれに（λ／４）×（ａｒｃｃｏｓ（１−０．５／ｃｏｓ^２（π／２^ｎ））／（π／２））の位相差を与える分割波長板が設けられ、
前記第２の波長板の前記分割波長板の軸方位が、回転対称になっており、
前記第１の波長板の分割領域のそれぞれが、前記第２の波長板の分割領域とずれて配置され、
前記第１の波長板に設けられた分割波長板の軸方位と前記第２の波長板の分割波長板の軸方位がずれている、偏光ビーム変換方法。

【請求項15】

擬似ラジアル偏光、又は擬似アジマス偏光を生成する偏光ビーム変換方法であって、
円偏光を第１の波長板に入射させるステップと、
前記第１の波長板を通過した光を第２の波長板に入射させるステップと、を備え、
前記第１の波長板には、放射状に２分割された分割領域が設けられており、前記分割領域のそれぞれにλ／４板が設けられ、
前記第１の波長板の前記λ／４板の軸方位が、略回転対称になっており、
前記第１の波長板の後段に設けられた第２の波長板には、放射状に２分割された分割領域が設けられており、前記分割領域のそれぞれにλ／４板が設けられ、
前記第２の波長板の前記λ／４板の軸方位が、略回転対称になっており、
前記第１の波長板の分割領域のそれぞれが、前記第２の波長板の分割領域とずれて配置されている偏光ビーム変換方法。

【請求項16】

請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の偏光ビーム変換素子と、
前記偏光ビーム変換素子によって生成された擬似ラジアル偏光を集光するレンズと、
前記レンズで集光された光が入射するフォトカソードと、を備える電子銃。

【請求項17】

請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の偏光ビーム変換素子に、円偏光を入射させるステップと、
前記偏光ビーム変換素子で生成された擬似ラジアル偏光を集光して、フォトカソードに入射させるステップと、を有する電子発生方法。

【請求項18】

パルスレーザ光を用いて量子ビームを３次元的に測定するビーム測定装置であって、
レーザ発振器によって発振したパルスレーザ光の波長が時間に応じて変化するよう、前記パルスレーザ光のパルス波形を整形して出射する光源部と、
前記光源部から出射したパルスレーザ光に対して入射位置に応じた時間遅延を与える遅延素子と、前記パルスレーザ光を入射位置に応じて異なる偏光状態に変換する偏光ビーム変換素子と、を有する入射光学系と、
前記量子ビームのビーム径路に配置され、電界によって屈折率が変化する電気光学素子と、
前記入射光学系から前記電気光学素子を介して入射したパルスレーザ光から、所定の偏光成分を取り出す偏光子と、
前記偏光子で取り出されたパルスレーザ光のスペクトルを測定する測定器と、を備え、
前記偏光ビーム変換素子に、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の偏光ビーム変換素子が用いられているビーム測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、偏光ビーム変換素子、偏光ビーム変換方法、電子銃、ビーム測定装置、及び電子発生方法に関し、特に詳しくは、擬似ラジアル偏光、及び擬似アジマス偏光を生成するための偏光ビーム変換素子、偏光ビーム変換方法、並びにそれを用いた電子銃、及び電子発生方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ラジアル偏光ビームが、電子銃の高輝度化、レーザ加工の高効率化、レーザ顕微鏡における分子配向の測定などにおいて利用されている（例えば、特許文献１〜３）。ラジアル偏光ビームは、レーザビームを偏光素子に入射させることで生成される。偏光素子としては、水晶などの異方性を持った光学結晶から製作した波長板（位相板）を組み合わせた素子（以下、組み合わせ波長板素子）、フォトニック結晶素子、液晶を用いた素子、などが実用化されている。この内、組み合わせ波長板素子、フォトニック結晶素子を用いた場合には、完全なラジアル偏光ビームではなく、擬似ラジアル偏光ビーム（ビームの断面を複数の領域に分けられ、それぞれの領域において、中心からラジアル方向を向いた直線偏光となっているビーム）が生成される。
特許文献２では、擬似ラジアル偏光をビーム測定装置及びビーム測定方法に利用している。具体的には、電子ビームの経路中に、電子ビームが通過する中空部分を有する電気光学素子を配置している。電子ビームによって生じる電界によって、電気光学素子の結晶軸方位が変化する。そして、擬似ラジアル偏光が電気光学素子を通過することによって、偏光状態が変化する。このため、電気光学素子を通過した光の偏光状態を測定することで、電子ビームの空間分布を測定することができる。また、特許文献１では、擬似ラジアル偏光を集光することで、Ｚ偏光を生成している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００８−２８８０９９号公報

【特許文献2】特開２００８−２８８０８７号公報

【特許文献3】特開２０１０−０１５８７７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

組み合わせ波長板素子には、紫外から赤外までの広い波長に対応可能で、高強度のレーザを用いた場合にも損傷しにくいという利点がある。一方で擬似ラジアル偏光ビームの生成において、領域の分割数を増やそうとすると、様々な軸方位を持った波長板を複雑な形状に切り出す必要があり、製作が困難であるという問題点があった。

【0005】

例えば、４分割の場合、各分割領域の中心角は９０°となるが、８分割の場合、各分割領域の中心角が４５°となる。８分割の組み合わせ波長板素子を制作する場合、波長板の切り出しが困難になる。中心角が４５°の場合、中心角が９０°の場合に比べて、切り出しが困難である。さらに、各分割領域を所定の軸方位にするため、様々な軸方位を有する波長板を用意する必要がある。このため、作成に必要な部品点数が多くなり、製造コストが増加してしまう。上記の問題点は、擬似アジマス偏光を生成するための組み合わせ波長板でも同様に発生する。このように、擬似ラジアル偏光、又は擬似アジマス偏光の分割数と同じ分割数の波長板を用意する必要があるという問題点がある。よって、擬似ラジアル偏光、又は擬似アジマス偏光の分割数と同じだけ、波長板を分割する必要がある。よって、波長板の分割数が増え、製造コストが増加してしまうという問題点がある。
本発明は上述の問題点に鑑みてなされたものであり、波長板の分割数よりも多い分割数の偏光ビーム変換素子、及びそれを用いた偏光ビーム変換方法、電子銃、ビーム測定装置、電子発生方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の第１の態様にかかる偏光ビーム変換素子は、第１及び第２の波長板を備え、擬似ラジアル偏光、又は擬似アジマス偏光を生成するための偏光ビーム変換素子であって、前記第１の波長板には、放射状に２^ｎ（ｎは２以上の自然数）分割された分割領域が設けられ、前記分割領域のそれぞれに（λ／４）×（１−ａｒｃｃｏｓ（０．５／ｃｏｓ（π／２^ｎ））／（π／２））の位相差を与える分割波長板が設けられ、前記第１の波長板の前記分割波長板の軸方位が、回転対称になっており、前記第１の波長板の後段に配置された前記第２の波長板には、放射状に２^ｎ分割された分割領域が設けられ、前記分割領域のそれぞれに（λ／４）×（ａｒｃｃｏｓ（１−０．５／ｃｏｓ^２（π／２^ｎ））／（π／２））の位相差を与える分割波長板が設けられ、前記第２の波長板の前記分割波長板の軸方位が、回転対称になっており、前記第１の波長板の分割領域のそれぞれが、前記第２の波長板の分割領域とずれて配置され、前記第１の波長板に設けられた分割波長板の軸方位と前記第２の波長板の分割波長板の軸方位がずれているものである。よって、低コストで波長板の分割数よりも多い分割数のビームに変換することができる偏光ビーム変換素子を提供することができる。

【0007】

本発明の第２の態様にかかる偏光ビーム変換素子は、上記の偏光ビーム変換素子であって、前記第１の波長板、及び前記第２の波長板の少なくとも一方が２π／２^ｎの回転対称になっていることを特徴とするものである。これにより、ラジアル偏光、又はアジマス偏光に近づけることができる。

【0008】

本発明の第３の態様にかかる偏光ビーム変換素子は、上記の偏光ビーム変換素子であって、光軸と垂直な平面において、前記第２の波長板の分割領域と一致するよう配置された２^ｎの分割領域を有する位相板をさらに備え、前記位相板が隣接する分割領域においてλ／２^ｎに対応する光路長差を与えるものである。これにより、非ラゲールガウスビームを擬似ラジアル偏光、又は擬似アジマス偏光に変換することができる。

【0009】

本発明の第４の態様にかかる偏光ビーム変換素子は、上記の偏光ビーム変換素子であって、前記第１の波長板の分割波長板の軸方位と、前記第２の波長板の分割波長板の軸方位が略π／２^ｎずれているものである。これにより、擬似ラジアル偏光、又は擬似アジマス偏光により近づけることができる。

【0010】

本発明の第５の態様にかかる偏光ビーム変換素子は、上記の偏光ビーム変換素子であって、前記第１の波長板の前記分割領域の境界線と、前記第２の波長板の前記分割領域の境界線が略π／２^ｎずれているものである。これにより、擬似ラジアル偏光、又は擬似アジマス偏光により近づけることができる。

【0011】

本発明の第６の態様にかかる偏光ビーム変換素子は、上記の偏光ビーム変換素子であって、ｎ＝２であり、前記第１の波長板の４つの分割領域、及び第２の波長板の４つの分割領域のそれぞれが矩形状になっているものである。これにより、第１及び第２の波長板を容易に作成することができる。

【0012】

本発明の第７の態様にかかる偏光ビーム変換素子は、上記の偏光ビーム変換素子であって、前記第１の波長板の前段に配置された第３の波長板をさらに備え、前記第３の波長板が、入射する直線偏光を円偏光にするものである。これにより、直線偏光を擬似ラジアル偏光、又は擬似アジマス偏光に変換することができる。

【0013】

本発明の第８の態様にかかる偏光ビーム変換素子は、第１及び第２の波長板を備え、擬似ラジアル偏光、又は擬似アジマス偏光を生成するための偏光ビーム変換素子であって、前記第１の波長板には、放射状に２分割された分割領域が設けられており、前記分割領域のそれぞれにλ／４板が設けられ、前記第１の波長板の前記λ／４板の軸方位が、略直交し、前記第１の波長板の後段に設けられた第２の波長板には、放射状に２分割された分割領域が設けられており、前記分割領域のそれぞれにλ／４板が設けられ、前記第１の波長板の前記λ／４板の軸方位が、略直交し、前記第１の波長板の分割領域のそれぞれが、前記第２の波長板の分割領域とずれて配置されているものである。これにより、低コストで４分割のビームに変換することができる偏光ビーム変換素子を提供することができる。

【0014】

本発明の第９の態様にかかる偏光ビーム変換素子は、上記の偏光ビーム変換素子であって、光軸と垂直な平面において、前記第１の波長板の分割領域の境界線、及び前記第１の波長板の分割領域の境界線と一致する２つの境界線で分割された４つの分割領域を有する位相板をさらに備え、前記位相板が隣接する分割領域において、λ／４に対応する光路長差を与えるものである。これにより、非ラゲールガウスビームを擬似ラジアル偏光、又は擬似アジマス偏光に変換することができる。

【0015】

本発明の第１０の態様にかかる偏光ビーム変換素子は、上記の偏光ビーム変換素子であって、前記位相板と前記第２の波長板が一体的に形成されていることを特徴とするものである。これにより、部品点数を少なくすることができ、部品コストを低減することができる。

【0016】

本発明の第１１の態様にかかる偏光ビーム変換素子は、上記の偏光ビーム変換素子であって、前記位相板が前記第２の波長板に蒸着された蒸着膜によって構成され、前記第２の波長板の材料と同一の材料を蒸着することで前記位相板が形成されているものである。これにより、光の利用効率を向上することができる。

【0017】

本発明の第１２の態様にかかる偏光ビーム変換素子は、上記の偏光ビーム変換素子であって、前記第１の波長板の前記λ／４板の軸方位と、前記第２の波長板の前記λ／４の軸方位が平行になっているものである。これにより、擬似ラジアル偏光、又は擬似アジマス偏光により近づけることができる。

【0018】

本発明の第１３の態様にかかる偏光ビーム変換素子は、上記の偏光ビーム変換素子であって、前記第１の波長板の前記分割領域の境界線と、前記第２の波長板の前記分割領域の境界線が略π／２ずれているものである。これにより、擬似ラジアル偏光、又は擬似アジマス偏光により近づけることができる。

【0019】

本発明の第１４の態様にかかる偏光ビーム変換方法は、擬似ラジアル偏光、又は擬似アジマス偏光を生成する偏光ビーム変換方法であって、円偏光を第１の波長板に入射させるステップと、前記第１の波長板を通過した光を第２の波長板に入射させるステップと、を備え、前記第１の波長板には、放射状に２^ｎ（ｎは２以上の自然数）分割された分割領域が設けられ、前記分割領域のそれぞれに（λ／４）×（１−ａｒｃｃｏｓ（０．５／ｃｏｓ（π／２^ｎ））／（π／２））の位相差を与える分割波長板が設けられ、前記第１の波長板の前記分割波長板の軸方位が、回転対称になっており、前記第１の波長板の後段に配置された前記第２の波長板には、放射状に２^ｎ分割された分割領域が設けられ、前記分割領域のそれぞれに（λ／４）×（ａｒｃｃｏｓ（１−０．５／ｃｏｓ^２（π／２^ｎ））／（π／２））の位相差を与える分割波長板が設けられ、前記第２の波長板の前記分割波長板の軸方位が、回転対称になっており、前記第１の波長板の分割領域のそれぞれが、前記第２の波長板の分割領域とずれて配置され、前記第１の波長板に設けられた分割波長板の軸方位と前記第２の波長板の分割波長板の軸方位がずれている、ものである。よって、低コストで、波長板の分割数よりも多い分割数のビームを生成することができる。

【0020】

本発明の第１５の態様にかかる偏光ビーム変換方法は、擬似ラジアル偏光、又は擬似アジマス偏光を生成する偏光ビーム変換方法であって、円偏光を第１の波長板に入射させるステップと、前記第１の波長板を通過した光を第２の波長板に入射させるステップと、を備え、前記第１の波長板には、放射状に２分割された分割領域が設けられており、前記分割領域のそれぞれにλ／４板が設けられ、前記第１の波長板の前記分割波長板の軸方位が、略回転対称になっており、前記第１の波長板の後段に設けられた第２の波長板には、放射状に２分割された分割領域が設けられており、前記分割領域のそれぞれにλ／４板が設けられ、前記第１の波長板の前記分割波長板の軸方位が、略回転対称になっており、前記第１の波長板の分割領域のそれぞれが、前記第２の波長板の分割領域とずれて配置されているものである。これにより、低コストで４分割のビームに変換することができる偏光ビーム変換素子を提供することができる。

【0021】

本発明の第１６の態様にかかる電子銃は、上記の偏光ビーム変換素子と、前記偏光ビーム変換素子によって生成された擬似ラジアル偏光を集光するレンズと、前記レンズで集光された光が入射するフォトカソードと、を備えるものである。これにより、高品質の電子ビームを発生させることができる。

【0022】

本発明の第１７の態様にかかる電子発生方法は、上記の偏光ビーム変換素子に、円偏光を入射させるステップと、前記偏光ビーム変換素子で生成された擬似ラジアル偏光を集光して、フォトカソードに入射させるステップと、を有するものである。これにより、高品質の電子ビームを発生させることができる。

【0023】

本発明の第１８の態様にかかる電子銃は、パルスレーザ光を用いて量子ビームを３次元的に測定するビーム測定装置であって、レーザ発振器によって発振したパルスレーザ光の波長が時間に応じて変化するよう、前記パルスレーザ光のパルス波形を整形して出射する光源部と、前記光源部から出射したパルスレーザ光に対して入射位置に応じた時間遅延を与える遅延素子と、前記パルスレーザ光を入射位置に応じて異なる偏光状態に変換する偏光ビーム変換素子と、を有する入射光学系と、前記量子ビームのビーム径路に配置され、入射位置に応じて異なる結晶軸を有する電気光学素子と、前記入射光学系から前記電気光学素子を介して入射したパルスレーザ光から、所定の偏光成分を取り出す偏光子と、前記偏光子で取り出されたパルスレーザ光のスペクトルを測定する測定器と、を備え、前記偏光ビーム変換素子に、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の偏光ビーム変換素子が用いられているものである。これにより、精度よく３次元測定することができる。

【発明の効果】

【0024】

本発明によれば、波長板の分割数よりも多い分割数のビームに変換することができる偏光ビーム変換素子、及びそれを用いた偏光ビーム変換方法、電子銃、電子発生方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】実施の形態１にかかる偏光ビーム変換素子の構成を示す側面図である。

【図2】偏光ビーム変換素子に用いられる第１の波長板の構成を示す正面図である。

【図3】偏光ビーム変換素子に用いられる第２の波長板の構成を示す正面図である。

【図4】偏光ビーム変換素子に用いられる位相板の構成を示す正面図である。

【図5】第１の波長板上における入射光の配置を示す平面図である。

【図6】第１の波長板を通過した光の偏光状態を示す図である。

【図7】第２の波長板上における入射光の配置を示す平面図である。

【図8】第２の波長板を通過した光の偏光状態を示す図である。

【図9】第２の波長板を通過した光の位相差を示す図である。

【図10】右円偏光を擬似ラジアル偏光にするための構成を示す図である。

【図11】左円偏光を擬似ラジアル偏光にするための構成を示す図である。

【図12】実施の形態２にかかる偏光ビーム変換素子の構成を示す側面図である。

【図13】偏光ビーム変換素子に用いられる第３の波長板の構成を示す正面図である。

【図14】実施の形態３にかかる偏光ビーム変換素子の構成を示す側面図である。

【図15】実施の形態４にかかる偏光ビーム変換素子の構成を示す側面図である。

【図16】偏光ビーム変換素子を用いた電子銃の構成を示す図である。

【図17】偏光ビーム変換素子を用いたビーム測定装置の構成を示す図である。

【図18】ポアンカレ球を示す斜視図である。

【図19】８分割の第１の波長板を示す正面図である。

【図20】８分割の第２の波長板を示す正面図である。

【図21】ポアンカレ球を北極側から見た投影図である。

【図22】ポアンカレ球を北極側から見た投影図である。

【図23】４分割ビームを生成する際に用いられる、第１の波長板の構成を示す正面図である。

【図24】４分割ビームを生成する際に用いられる、第２の波長板の構成を示す正面図である。

【図25】４分割ビームを生成する際に用いられる、位相板の構成を示す正面図である。

【発明を実施するための形態】

【0026】

実施の形態１
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。まず、図１を用いて本実施形態に係る偏光ビーム変換素子の全体構成を説明する。図１は、偏光ビーム変換素子の全体構成を示す側面図である。偏光ビーム変換素子１は、第１の波長板１０と第２の波長板２０と位相板３０を有している。第１の波長板１０と第２の波長板２０と位相板３０を組み合わせることで、偏光ビーム変換素子１が形成される。偏光ビーム変換素子１は、擬似ラジアル偏光（以下、単にラジアル偏光ともいう）、又は擬似アジマス偏光（以下、単にアジマス偏光ともいう）を生成するための素子である。位相板３０の後段に第１の波長板１０が設けられている。第１の波長板１０の後段に第２の波長板２０が設けられている。従って、位相板３０を通過した入射光は、第１の波長板１０に入射する。第１の波長板１０を通過した入射光は、第２の波長板２０に入射する。第１の波長板１０、及び第２の波長板２０のそれぞれは、波長板を組み合わせた組み合わせ波長板素子である。第１の波長板１０、及び第２の波長板２０のそれぞれは、平行な光入射面と光出射面を有しており、光入射面と光出射面とが、光軸と垂直になるように配置されている。

【0027】

なお、レーザ光は、平行光束となっており、光軸に対して、平行に伝播する。レーザ光の伝播方向をＺ方向とし、図１中の上下方向をＹ方向とし、図１の紙面と垂直方向をＸ方向とする３次元直交座標系を用いて説明する。右円偏光のレーザ光が偏光ビーム変換素子１を通過すると、擬似ラジアル偏光に変化される。なお、右円偏光の電気ベクトルの振幅を１とすると、Ｘ方向、及びＹ方向の電気ベクトルＥｘ、Ｅｙは以下の式（１）に表される。

【0028】

Ｅｘ＝ｃｏｓ（−ωｔ＋π／２）
Ｅｙ＝ｃｏｓ（−ωｔ） ・・・式（１）

【0029】

次に、図２を用いて、第１の波長板１０の構成に付いて説明する。図２は、第１の波長板１０の構成を示す平面図である。図２に示すように、第１の波長板１０は、４つの分割領域１１〜１４を有している。例えば、第１の波長板１０を放射状に四等分することで、４つの分割領域１１〜１４が形成される。第１の波長板１０の外形は、正方形状になっているため、分割領域１１〜１４のそれぞれも正方形状になっている。４つの分割領域１１〜１４は、同じ大きさの正方形となっている。第１の波長板１０の中心は、光軸と一致する。第１の波長板１０の外形の四辺は、Ｘ軸、又はＹ軸から４５°又は−４５°傾いている。４つの分割領域１１〜１４は、光軸を中心とする周方向に沿って配置されている。４つの分割領域１１〜１４をそれぞれ第１分割領域１１、第２分割領域１２、第３分割領域１３、第４分割領域１４とする。

【0030】

以下の説明において、光軸、すなわち第１の波長板１０の中心をＸＹ平面の原点とし、角度は、＋Ｘ軸を０°、入射側から見て反時計回りを正とする。第１分割領域１１、及び第３分割領域１３はＹ軸上に配置され、第２分割領域１２、及び第４分割領域１４は、Ｘ軸上に配置される。第１分割領域１１と第３分割領域１３とは、Ｘ軸に対して線対称に配置され、第２分割領域１２と第４分割領域１４とは、Ｙ軸に対して線対称に配置されている。第１分割領域１１と第３分割領域１３は原点を挟んで対向配置され、第２分割領域１２と第４分割領域１４は原点を挟んで対向配置されている。第１の波長板１０の対角線がＸ方向、Ｙ方向と平行になるように、第１の波長板１０が配置されている。

【0031】

分割領域１１〜１４のそれぞれは、λ／８板を有している。図２において、λ／８板の軸方位（ＸＹ平面における光学軸の方向）を矢印で示す。なお、以下の説明において、軸方位は、波長板の遅軸の向きである。第１分割領域１１と第３分割領域１３に設けられたλ／８板の軸方位は、＋４５°であり、第２分割領域１２と第４分割領域１４に設けられたλ／８板の軸方位は、−４５°（３１５°）である。従って、４つの分割領域１１〜１４のうち、対向する２つの分割領域に設けられたλ／８板の軸方位は、平行になっている。例えば、第１分割領域１１と第３分割領域１３に設けられたλ／８板の軸方位（＋４５°）は平行になっている。同様に、第２分割領域１２と第４分割領域１４に設けられたλ／８板の軸方位（−４５°）は平行になっている。また、４つの分割領域１１〜１４のうち、周方向に隣接する２つの分割領域に設けられたλ／８板の軸方位は、直交している。例えば、第１分割領域１１のλ／８板の軸方位（＋４５°）は、第２分割領域１２、及び第４分割領域１４のλ／８板の軸方位（−４５°）と直交している。同様に、第３分割領域１３のλ／８板の軸方位（＋４５°）は、第２分割領域１２、及び第４分割領域１４のλ／８板の軸方位（−４５°）と直交している。

【0032】

第１分割領域１１と第２分割領域１２の境界線、及び第３分割領域１３と第４分割領域１４の境界線は、原点を通る＋４５°の直線であり、第１分割領域１１及び第３分割領域１３に設けられたλ／８板の軸方位と平行になっている。第１分割領域１１と第４分割領域１４の境界線、第３分割領域１３と第２分割領域１２の境界線は、原点を通る−４５°の直線であり、第２分割領域１２及び第４分割領域１４に設けられたλ／８板の軸方位と平行になっている。

【0033】

次に、図３を用いて第２の波長板２０の構成に付いて説明する。図３は、第２の波長板２０の構成を示す正面図である。第２の波長板２０も、４つの分割領域２１〜２４を有している。また、ここでは、第２の波長板２０は第１の波長板１０と同程度の大きさとなっている。第２の波長板２０の外形は、正方形状になっているため、分割領域２１〜２４のそれぞれも正方形状になっている。分割領域２１〜２４は、同じ大きさの正方形となっている。第２の波長板２０の中心は、光軸と一致する。４つの分割領域２１〜２４は、光軸を中心とする周方向に沿って配置されている。４つの分割領域２１〜２４をそれぞれ第１分割領域２１、第２分割領域２２、第３分割領域２３、第４分割領域２４とする。第２の波長板２０の四辺がＸ方向、又はＹ方向と平行になっている。

【0034】

ＸＹ平面視において、第２の波長板２０の分割領域２１〜２４は、第１の波長板１０の分割領域１１〜１４に対して４５°ずれて配置されている。従って、第１分割領域２１と第２分割領域２２の境界線、及び第３分割領域２３と第４分割領域２４の境界線は、原点を通り、Ｙ軸と平行な直線になっている。第１分割領域２１と第４分割領域２４の境界線、及び第３分割領域２３と第２分割領域２２の境界線は、原点を通り、Ｘ軸と平行な直線になっている。ＸＹ平面において、第１分割領域２１は第２象限に配置され、第２分割領域２２は第一象限に配置され、第４分割領域２４は第３象限に配置され、第３分割領域２３は第４象限に配置される。

【0035】

分割領域２１〜２４のそれぞれは、λ／４板を有している。ここで、λ／４板の軸方位（ＸＹ平面における光学軸の方向）を矢印で示す。第１分割領域１１と第３分割領域１３に設けられたλ／４板の軸方位は、＋９０°であり、第２分割領域２２と第４分割領域２４に設けられたλ／４板の軸方位は、０°である。従って、４つの分割領域２１〜２４のうち、対向する２つの分割領域に設けられたλ／４板の軸方位は、平行になっている。例えば、第１分割領域２１と第３分割領域２３に設けられたλ／４板の軸方位（＋９０°）は平行になっている。同様に、第２分割領域１２と第４分割領域２４に設けられたλ／４板の軸方位（＋９０°）は平行になっている。また、４つの分割領域２１〜２４のうち、周方向に隣接する２つの分割領域に設けられたλ／４板の軸方位は、直交している。例えば、第１分割領域２１のλ／４板の軸方位（＋９０°）は、第２分割領域２２のλ／４板の軸方位（０°）と直交している。同様に、第３分割領域２３のλ／４板の軸方位（＋９０°）は、第４分割領域２４のλ／４板の軸方位（０°）と直交している。

【0036】

次に、図４を用いて位相板３０の構成に付いて説明する。図４は、位相板３０の構成を示す正面図である。位相板３０も、第２の波長板２０と同様に４つの分割領域３１〜３４を有している。位相板３０の外形は、第２の波長板と略同じ大きさの正方形となっている。位相板３０の外形は正方形状であるため、各分割領域３１〜３４も正方形になっている。ＸＹ平面視において、分割領域３１〜３４は、第２の波長板２０の分割領域２１〜２４と一致するように配置されている。すなわち、第１分割領域３１は第２象限に配置され、第２分割領域３２は第一象限に配置され、第４分割領域３４は第３象限に配置され、第３分割領域３３は第４象限に配置される。

【0037】

位相板３０は、透明な材質（例えば、ガラス、又は樹脂）から構成され、ＸＹ平面の位置に応じて厚さが異なっている。これにより、入射位置に応じて位相をずらすことができ、レーザ光の波面を調整することができる。具体的には、第１分割領域３１〜第４分割領域３４で、光路長がλ／４ずつ異なるよう、厚さが変化している。第１分割領域３１を基準（０）とすると、第２分割領域３２は第１分割領域３１よりもλ／４の光路長に対応するだけ厚くなっている。第３分割領域３３はλ／２の光路長に対応するだけ厚くなっており、第４分割領域３４は（３／４）λの光路長に対応するだけ厚くなっている。従って、位相板３０は、螺旋階段状に厚さが変化している。第４分割領域３４を通過した光は、第１分割領域３１を通過した光に比べて、３／４λだけ波面が遅れる。すなわち、第４分割領域３４を通過した光は、第１分割領域３１を通過した光に比べて、３π／２だけ位相が遅れる。同様に、第３分割領域３３を通過した光は、第１分割領域３１を通過した光に比べて、λ／２だけ波面が遅れ、第２分割領域３２を通過した光は、第１分割領域３１を通過した光に比べて、λ／４だけ波面が遅れる。すなわち、第３分割領域３３を通過した光は、第１分割領域３１を通過した光に比べて、πだけ位相が遅れ、第２分割領域３２を通過した光は、第１分割領域３１を通過した光に比べて、π／２だけ位相が遅れる。位相板３０を用いることで、偏光状態を変化させずに、通過したレーザ光の波面を遅らせることができる。なお、位相板３０の厚さの違いは、レーザ光の波長と、位相板３０を構成する材質の屈折率によって、定めることができる。

【0038】

図５、及び図６を用いて第１の波長板１０を通過したレーザ光の偏光状態について説明する。図５は、分割領域１１〜１４の軸方位を示す図であり、図６は、第１の波長板１０を通過したレーザ光の偏光状態を説明するための図である。図５に示すように、スポット形状が円形のレーザ光が第１の波長板１０に入射したとする。レーザ光のスポット中心は、第１の波長板１０の中心と一致している。すると、スポットの１／４が第１分割領域１１を通過する。同様に、第２分割領域１２、第３分割領域１３、及び第４分割領域１４を通過する光もスポットの１／４となる。

【0039】

第１分割領域１１〜第４分割領域１４は、λ／８板から構成されている。レーザ光は右円偏光となっている。従って、軸方位が＋４５°の分割領域（第１分割領域１１、及び第３分割領域１３）を右円偏光の光が通過すると、図６に示すような、Ｙ方向を長軸とする楕円偏光となる。軸方位が−４５°の分割領域（第２分割領域１２、及び第４分割領域１４）を右円偏光の光が通過すると、Ｘ方向を長軸とする楕円偏光となる。このように、入射光は、第１の波長板１０における入射位置に応じて、偏光状態が変化する。

【0040】

そして、第１の波長板１０を通過した入射光は、第２の波長板２０に入射する。第２の波長板２０は、上記の通り、４つの分割領域２１〜２４を有している。図７に示すように、入射光のスポット中心と第２の波長板２０の中心は一致している。そして、第１の波長板１０の分割領域１１〜１４と第２の波長板２０の分割領域２１〜２４はずれて配置されている。従って、第１の波長板１０の第１分割領域１１を通過した入射光は、第２の波長板２０の第１分割領域２１と第２分割領域２２に入射する。第１の波長板１０の第２分割領域１２を通過した入射光は、第２の波長板２０の第３分割領域２３と第２分割領域２２に入射する。第１の波長板１０の第３分割領域１３を通過した入射光は、第２の波長板２０の第３分割領域２３と第４分割領域２４に入射する。第１の波長板１０の第４分割領域１４を通過した入射光は、第２の波長板２０の第１分割領域２１と第４分割領域２４に入射する。

【0041】

従って、第１の波長板１０、及び第２の波長板２０を通過した出射光は、図８に示すように、８分割の偏光状態となる。ここで、出射光は、８つの領域５１〜５８に分割されているとして説明する。なお、各領域５１〜５８中に記載されている数字は、第１の波長板１０におけるλ／８板と、第２の波長板２０におけるλ／４板の軸方位を示すものである。例えば、領域５１の出射光は、軸方位−４５°のλ／８板と、軸方位９０°のλ／４板を通過している。領域５１の出射光が通過した箇所の軸方位を（−４５,９０）と表記する。同様に表記すると、領域５２は（４５,９０）、領域５３は（４５,０）、領域５４は（−４５,０）、領域５５は（−４５,９０）、領域５６は（４５,９０）、領域５７は（４５,０）、領域５８は（−４５,０）となる。

【0042】

原点を挟んで対向する２つの領域では、軸方位が同じになっている。例えば、領域５１と領域５５の軸方位は（−４５,９０）となっている。同様に、領域５２と領域５６の軸方位は（４５,９０）となり、領域５３と領域５７の軸方位は（４５,０）となり、領域５４と領域５８の軸方位は（−４５,０）となっている。このように、対向する一対の領域では、軸方位が一致している。さらに、領域５１〜領域５４はそれぞれ軸方位が異なっているため、４通りの軸方位（４５,９０）、（−４５,９０）、（４５,０）、（−４５,０）が存在する。

【0043】

各領域における偏光軸は、放射状になる。すなわち、偏光状態は、８つの領域のそれぞれにおいて、中心からラジアル方向を向いた直線偏光となる。図８では、円形のスポットの外側に、出射光の偏光方向を示している。同じ軸方位である領域５１と領域５５は、偏光軸が１５７．５°（−２２．５°）の直線偏光となっている。同様に、領域５２と領域５６は、偏光軸が１１２．５°（−６７．５°）の直線偏光となり、領域５３と領域５７は、偏光軸が６７．５°の直線偏光となり、領域５４と領域５８は、偏光軸が２２．５°の直線偏光となっている。従って、８分割の領域５１〜５８において、出射光は、偏光軸が放射状に配置される。なお、偏光軸とは、ＸＹ平面における偏光面の方向を示している。このように、光軸を挟んで対向する２つの領域では、偏光軸が平行となり、隣接する領域では、偏光軸が４５°異なっている。

【0044】

また、第１の波長板１０と第２の波長板２０を通過すると、ＸＹ平面における位置に応じて位相が変化する。従って、出射光の波面が遅れて、波面のずれが生じてしまう。ここで、出射光の位相の遅れに付いて、図９を用いて説明する。領域５１と領域５２の出射光の位相を基準とすると、領域５３と領域５４の出射光の位相はπ／２早くなり、領域５５と領域５６の出射光の位相はπ早くなる。領域５７と領域５８の出射光の位相は３π／２早く、すなわち、π／２遅くなる。このため、あるＸＹ平面で考えると、位相に応じて、電気ベクトルの大きさが変化している。さらに、あるＸＹ平面で考えると、対向する２つの領域で電気ベクトルの向きが一致してしまう。例えば、領域５１の電気ベクトルの向きは、領域５５の電気ベクトルの向きと一致（＋１５７．５°）している。

【0045】

そこで、位相を揃えるために、位相板３０を用いている。位相板３０は上記の通り、分割領域３１〜３４で厚さが異なっている。このため、領域５１と領域５２を基準とすると、領域５３と領域５４では、位相板３０によって、予め位相がπ／２遅れた状態になっている。同様に、位相板３０によって、領域５５と領域５６では予め位相がπ遅れた状態となっており、領域５７と領域５８とでは、予め位相が３π／２遅れた状態となっている。従って、位相板３０、第１の波長板１０、及び第２の波長板２０を通過した出射光は、位相が揃う。これにより、右円偏光が擬似ラジアル偏光となる。このように、４分割の位相板を組み合わせることで、８分割の擬似ラジアル偏光を生成することができる。

【0046】

次に、第１の波長板１０及び第２の波長板３０の作成方法について、簡潔に説明する。第１の波長板１０を作成する場合、正方形状のλ／８板を用意する。なお、λ／８板の軸方位は、正方形の１辺と平行になっている。そして、λ／８板を四等分する。すなわち、４つの分割領域を形成するため、正方形のλ／８板の中心を通る２本の分割線に沿って、λ／８板を切り出す。なお、２本の分割線は互いに直交しており、λ／８板の４辺に対して平行、又は垂直になっている。そして、ホルダや透明基板等を用いて、４つに切り出された分割片を固定する。このとき、軸方位が図２に示すようになるように、４片に切り出されたλ／８板を固定する。例えば、対向する２つの分割領域に対応する２辺のλ／８板を９０°回転させて、固定する。

【0047】

ここで、λ／８板を切り出す際、中心角が９０°になるように切り出すことができる。このため、複雑な形状に切り出す必要がなくなり、切り出しを簡便かつ確実に行うことができる。すなわち、中心角が４５°となる８片の場合と比べて、簡便に切り出すことができる。さらに、一枚のλ／８板から切り出された４片によって、１枚の第１の波長板１０を作成することが可能となる。これにより、部品数を低減することができ、製造コストを低減することができる。同様に、λ／４板を切り出すことで、第２の波長板３０について作成することができる。このように、切り出しを簡便かつ確実に行うことができ、生産性を向上することができる。さらに、１枚のλ／４板から切り出された４片によって、１枚の第２の波長板２０を作成することが可能となる。これにより、異なる軸方位のλ／４板、及びλ／８板を用意する必要がなくなり、部品数を低減することができる。このように、製造コストを低減することができ、擬似ラジアル偏光、及び擬似アジマス偏光を生成するための偏光ビーム変換素子１を低コストで実現することができる。

【0048】

また、同一形状のλ／８板を４枚用意して、４枚のλ／８板を組み合わせることで、第１の波長板１０を作成することができる。例えば、正方形又は中心角が９０°の扇型のλ／８板を４枚用意する。そして、４枚に切り出した場合と同様に、４枚のλ／８板を組み合わせる。このようにすることで、同一形状のλ／８板を用いて第１の波長板１０を作成することが可能になる。同様に、４枚のλ／４板を用意することで、第２の波長板２０を作成することができる。この場合、切り出す必要がないため、かつ同一部品を用意すればよいため、第1の波長板１０と第２の波長板２０をより低コストで作成することができる。

【0049】

４つの分割領域の中心角を直角することで、第１の波長板１０、第２の波長板２０が回転対称になる。すなわち、隣接する分割領域では、軸方位が９０°ずれており、９０°対称となっている。Ｚ軸を回転中心として９０°回転させたとしても、第１の波長板１０、及び第２の波長板２０を軸方位は変化しなくなる。このようにすることで、製造が容易となり、８分割の軸対称ビームに変換するための偏光ビーム変換素子１を低コストで作成することができる。もちろん、第１の波長板１０、及び第２の波長板２０の少なくとも一方を回転対称にしても良い。さらに、組み合わせ波長板素子であるため、広い波長域に対応することができる。特に、石英とＭｇＦ_２を組み合わせた広帯域波長板を用意することで、位相板３０以外の部品を広帯域化することができる。

【0050】

位相板３０の製造方法に付いて説明する。透明な基板（ガラス板）に対して、透明膜を成膜することで、位相板３０を作成することができる。例えば、マスクを用いて、蒸着する膜の厚さを部分的に変える。このようにすることで、簡便に位相板３０を作成することができる。あるいは、透明な基板をエッチングすることで、位相板３０を作成しても良い。この場合、レジスト等をマスクとして用いることで、位相板３０を簡便に作成することができる。なお、位相板３０は、入射位置に応じて光路長が異なるものであれば、上記の構成以外のものを用いてもよい。なお、位相板３０については、波長に応じて変更する必要がある。しかしながら、厚さの異なる透明な透明板等を用意するだけでよいため、広い波長域であっても低コストで対応することができる。

【0051】

なお、本実施の形態において、第２の波長板２０と位相板３０を一体的に形成することも可能である。この場合、λ／４板上に直接、位相差を与える透明膜を形成する。例えば、誘電体膜を蒸着する、あるいは光硬化性樹脂膜を塗布することによって、第２の波長板に透明膜を形成することができる。これによって、透明膜を保持する基板が不要となり、偏光ビーム変換素子１を低コストで実現できる。
さらに、透明膜は、λ／４板と近い屈折率の材料によって形成することが好ましい。もちろん、λ／４板と屈折率が同じ材料として、λ／４板と同じ材料を使用することができる。例えば、λ／４板が石英波長板の場合、ＳｉＯ_２を蒸着する。λ／４板がＭｇＦ_２の場合、ＭｇＦ_２を蒸着する。あるいは、ＳｉＯ_２、ＭｇＦ_２、と同じ屈折率に調整されたレジスト、光硬化性樹脂膜を塗布する。
こうすることで、位相板（透明膜）と波長板の屈折率が近くなり、界面での反射によるロスを少なくすることができる。よって、光の利用効率を向上することができる。λ／４板と異なる屈折率の材料で透明膜を形成する場合でも、λ／４板と透明膜との間に適切な誘電体多層膜を形成することで、界面での反射によるロスを小さくできる。しかしながら、この場合にはλ／４板と近い屈折率の透明膜を使用する場合に比べると製造工程が増えてしまう。また、第２の波長板２０と位相板２０は分割領域の配置が同じであるため、容易に均一な厚さの透明膜を形成することができる。すなわち、４片のλ／８板又は４片のλ／４板を組み合わせる前に、それぞれの波長板の片に対して所定の厚さだけ透明膜を形成すればよい。

【0052】

なお、左円偏光をラジアル偏光にする場合に付いて、図１０、図１１を用いて説明する。図１０は、上述した右円偏光をラジアル偏光にする際の軸方位と位相遅れを示す図であり、図１１は、左円偏光をラジアル偏光にする際の軸方位と位相遅れを示す図である。

【0053】

上記の通り、右円偏光の場合、領域５１〜５８の軸方位は、図１０のようになっている。さらに、位相板３０による位相差は図１０のようになっている。左円偏光の場合、領域５１〜５８の軸方位、及び位相板３０による位相差は、図１１のようになっている。このような軸方位にするため、第１の波長板１０と第２の波長板２０を図２、及び図３に示した状態から−９０°回転させる。さらに、位相板３０を裏返す。すなわち、−４５°の直線を回転軸として、位相板３０を１８０°回転させる。これにより、分割領域３２と分割領域３４の位置が入れ替わる。このようにすることで、右円偏光と同じ部品で、左円偏光をラジアル偏光にすることができる。すなわち、右円偏光と左円偏光から擬似ラジアル偏光を生成する場合であっても、第１の波長板１０、第２の波長板２０、及び位相板３０を共通化することができる。また、第１の波長板１０、及び第２の波長板２０を−９０°回転させる代わりに、第１の波長板１０、及び第２の波長板２０を裏返しても、同様の軸方位とすることができる。

【0054】

（擬似アジマス偏光の生成）
さらに、擬似アジマス偏光を生成するための配置に付いて説明する。右円偏光から擬似アジマス偏光を生成する場合、第１の波長板１０と第２の波長板２０を裏返す。これにより、第１の波長板１０と第２の波長板２０の軸方位は、図１１に示す状態となる。なお、位相板３０はそのままの配置、すなわち、図１０に示す配置とする。このような配置とすることで、右円偏光から擬似アジマス偏光を生成することができる。なお、第１の波長板１０と第２の波長板２０とを裏返す代わりに、第1の波長板１０と第２の波長板２０を図２、及び図３に示した状態から−９０°回転させても良い。
左円偏光から擬似アジマス偏光を生成する場合、位相板３０を裏返す。すなわち、位相板３０を図１１に示す状態とする。このとき、第１の波長板１０と第２の波長板２０とは、図１０に示す状態となっている。このような配置とすることで、左円偏光を擬似アジマス偏光に変換することができる。
このようにすることで、擬似ラジアル偏光を生成するための組み合わせ波長板で、擬似ラジアル偏光を生成することができる。すなわち、擬似ラジアル偏光と擬似アジマス偏光とで、第１の波長板１０、第２の波長板２０、及び位相板３０を共通化することができる。

【0055】

実施の形態２．
本実施の形態では、直線偏光を擬似ラジアル偏光、又は擬似アジマス偏光とするため、偏光ビーム変換素子１が、図１２に示す構成となっている。本実施形態では、実施の形態１で示した構成に加えて第３の波長板４０が設けられている。なお、実施の形態１で示した構成については説明を省略する。第３の波長板４０は、第１の波長板１０の前段に配置されている。第３の波長板４０は、図１３に示すように、λ／４板である。図１３では、λ／４板の軸方位が太線で示され、直線偏光の偏光軸が矢印で示されている。直線偏光の偏光軸が軸方位に対して４５°傾いている。よって、直線偏光が第３の波長板４０を通過することで、円偏光が生成される。従って、実施の形態１と同様に、擬似ラジアル偏光、又は擬似アジマス偏光を生成することができる。

【0056】

実施の形態３．
本実施の形態では、円偏光ラゲールガウスビームを擬似ラジアル偏光、又は擬似アジマス偏光とするための、偏光ビーム変換素子１が図１４に示す構成となっている。ラゲールガウスビームでは波面が螺旋状になっている。そのため、第１の波長板１０と第２の波長板２０による位相遅れの調整が不要となる。実施の形態１の構成から、位相板３０が取り除かれた構成となっている。なお、実施の形態１で示した構成については説明を省略する。本実施形態では、入射光の波面が予め螺旋状になっているラゲールガウスビームを用いてため、位相板３０で位相を揃える必要がない。もちろん、本実施の形態にかかる偏光ビーム変換素子１は、波面が螺旋状となっているラゲールガウスビームに限らず、波面が螺旋階段状となっている擬似的なラゲールガウスビームに対しても適用可能である。なお、ラゲールガウスビームはホログラム素子や液晶素子を用いて生成することができる。

【0057】

実施の形態４．
本実施の形態では、直線偏光ラゲールガウスビームを擬似ラジアル偏光、又は擬似アジマス偏光とするための、偏光ビーム変換素子１が図１５に示す構成となっている。ラゲールガウスビームでは波面が螺旋状になっている。そのため、第１の波長板１０と第２の波長板２０による位相遅れの調整が不要となる。実施の形態２の構成から、位相板３０が取り除かれた構成となっている。すなわち、実施の形態３の構成に対して、第３の波長板４０を追加した構成となっている。なお、実施の形態１で示した構成については説明を省略する。本実施形態では、入射光の波面が予め螺旋状になっているため、位相板３０で位相を揃える必要がない。もちろん、本実施の形態にかかる偏光ビーム変換素子１は、波面が螺旋状となっているラゲールガウスビームに限らず、波面が螺旋階段状となっている擬似的なラゲールガウスビームに対しても適用可能である。なお、ラゲールガウスビームはホログラム素子や液晶素子を用いて生成することができる。

【0058】

その他の実施の形態．
なお、上記の説明では、第１の波長板１０、第２の波長板２０、及び位相板３０の外形は正方形に限られるものではない。例えば、第１の波長板１０、第２の波長板２０、及び位相板３０の外形が、円形や長方形状であっても良い。また、レーザ光のスポット形状は円形に限られるものではない。例えば、スポットがリング状のビームを用いることもできる。さらに、波長板、及び位相板の外形線、軸方位の角度、分割領域の境界線は、示した角度値と厳密に一致していなくてもよい。実質的に、擬似ラジアル偏光や擬似アジマス偏光が得られるように配置されていても良い。このため、第１の波長板１０には、放射状に４分割された分割領域が設けられ、分割領域のそれぞれにλ／８板が設けられた構成とする。そした、λ／８板の軸方位が、周方向に隣接する２つの分割領域では略直交しており、かつ対向する２つの分割領域では略平行となるように配置する。さらに、第１の波長板１０の後段に配置された第２の波長板２０には、放射状に４分割された分割領域が設けられ、分割領域のそれぞれにλ／４板が配置された構成とする。そして、λ／４板の軸方位が、周方向に隣接する２つの分割領域では略直交しており、かつ対向する２つの分割領域では略平行となるように配置する。さらに、第１の波長板１０の分割領域のそれぞれが、第２の波長板２０の分割領域とずれて配置され、λ／８板の軸方位とλ／４板の軸方位がずれるように配置すればよい。

【0059】

実施の形態１、２では、位相板３０が最前段に配置されていたが、位相板３０の配置は、特に限られるものではない。すなわち、位相板３０は、偏光軸を変えるものではないため、どの場所に配置しても良い。例えば、第２の波長板２０の後段でもよく、第１の波長板１０と第２の波長板２０の間でもよく、第１の波長板１０と第３の波長板４０の間であっても良い。

【0060】

（応用例１：電子銃、及び電子発生方法）
上記の偏光ビーム変換素子は電子銃、レーザ加工装置、レーザ顕微鏡等に利用することができる。例えば、電子銃、特には偏極電子銃への利用することで、電子ビームの高輝度化、低エミッタンス化を実現することができる。例えば、フォトカソードに擬似ラジアル偏光ビームを入射させる。擬似ラジアル偏光ビームを用いた電子銃に付いては、例えば、特開２００８−２８８０９９号公報、特開２００９−０３１６３４号公報、特開２０１０−０１５８７７号公報等に記載されている。さらに、上記の電子銃は、電子顕微鏡、Ｘ線自由電子レーザ（ＸＦＥＬ）、逆コンプトン散乱によるフェムト秒Ｘ線パルス光源、高繰り返しフェムト秒時間分解電子顕微鏡、超短パルス電子線描画装置、エネルギー回収型ライナック（ＥＲＬ）などの電子源として、好適である。また、偏光ビーム変換素子をレーザ加工装置に用いることで、高効率なレーザ加工を実現することができる。レーザ顕微鏡に用いることで、より精度よく観察することができる。

【0061】

また、擬似ラジアル偏光は、Ｚ方向に電気ベクトルが振動するＺ方向の生成に利用することができる。上記の偏光ビーム変換素子を用いて生成したＺ偏光を利用する電子銃、及び電子発生方法に付いて、図１６を用いて説明する。図１６は、電子銃の構成を示す図である。

【0062】

電子銃１００は、レーザ光１５０がカソードに入射することによって、電子を発生するフォトカソード電子銃である。そして、電子銃１００で発生した電子は、マイクロ波源１２４からのマイクロ波によって加速される。なお、本実施の形態にかかる電子銃１００は、反射型のフォトカソードを有している。すなわち、電子ビーム出射側からレーザ光を照射している。

【0063】

電子銃１００は、レーザ光源１１１、波長変換素子１１２、アキシコンレンズ１１３、アキシコンレンズ１１４、偏光ビーム変換素子１１５、ミラー１１７、レンズ１１８、フォトカソード１２１、共振器１２３、及びマイクロ波源１２４を有している。

【0064】

レーザ光源１１１は、直線偏光のレーザ光１５０を出射する。レーザ光源１１１としては、例えば、再生増幅器付きのＴｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザを用いることができる。従って、レーザ光源１１１は、波長７９０ｍｍのパルスレーザ光を出射する。レーザ光源１１１からの光ビームは、平行光束となって、波長変換素子１１２に入射する。波長変換素子１１２は、例えば、非線形光学結晶であり、レーザ光１５０の波長を変換する。これにより、レーザ光１５０の波長が短くなる。波長変換素子１１２としては、例えば、ＢＢＯ結晶を用いることができる。すなわち、波長変換素子１１２は、波長７９０ｎｍの基本波から、波長３９５ｎｍの２倍波を生成する。もちろん、２倍波に限らず、波長２６３ｎｍの３倍波を用いてもよい。このように、波長変換素子１１２は、レーザ光１５０の波長を変換する。

【0065】

波長変換されたレーザ光１５０は、１対のアキシコンレンズ１１３、１１４に入射する。アキシコンレンズ１１３、１１４は、円錐形状になっている。レーザ光１５０は、１対のアキシコンレンズ１１３、１１４によって屈折され、輪状のビームに変換される。すなわち、アキシコンレンズ１１４から出射したレーザ光１５０の断面は、中空のリング状になっている。このように、１対のアキシコンレンズ１１３、１１４は、レーザ光１５０から円環ビームを生成する。アキシコンレンズ１１４からは、平行な光束が出射する。なお、１対のアキシコンレンズ１１３、１１４以外の構成で円環ビームを生成してもよい。例えば、１つのアキシコンレンズと１つの球面レンズとによって、円環ビームを生成することができる。このように、１枚以上のアキシコンレンズを用いることで、レーザ光強度の低下を防ぐことができる。あるいは、リング状のスリット（輪帯）を用いてもよい。このように、レーザ光源１１１からのレーザ光を円環状の光ビームに変換する円環ビーム変換手段を設けることによって、レーザ光１５０を効率よく利用することができる。

【0066】

アキシコンレンズ１１４から出射したレーザ光１５０は、偏光ビーム変換素子１１５に入射する。偏光ビーム変換素子１１５は、実施の形態２で示した偏光ビーム変換素子１である。この偏光ビーム変換素子１１５は、直線偏光を偏光軸が放射状になるラジアル偏光に変換する。正確には、偏光ビーム変換素子１１５に直線偏光のレーザ光１５０を入射させることで、ラジアル偏光に近い偏光状態となる。すなわち、直線偏光をラジアル偏光に近似する擬似ラジアル偏光にすることができる。この偏光ビーム変換素子１１５を、レンズ１１８と組み合わせることで、Ｚ方向（光軸方向）に大きな電場成分を持つＺ偏光を生成することができる。Ｚ偏光に変換されたレーザ光１５０は、光の進行方向に振動する。

【0067】

偏光ビーム変換素子１１５を通過したレーザ光１５０は、ミラー１１７に入射する。ミラー１１７は、レーザ光１５０の光軸に対して４５°傾斜している。従って、ミラー１１７は、レーザ光１５０を、フォトカソード１２１の方向に反射する。ミラー１１７からのレーザ光１５０は、レンズ１１８に入射する。レンズ１１８は、レーザ光１５０は、レンズ１１８によって屈折され、フォトカソード１２１に入射する。すなわち、レンズ１１８は、レーザ光１５０を集光して、フォトカソード１２１に照射する。

【0068】

ミラー１１７、及びレンズ１１８は、中心部分がくり抜かれた中空形状になっている。また、アキシコンレンズ１１３、１１４によって、レーザ光１５０が輪状になっている。このため、中空のミラー１１７、及びレンズ１１８を用いた場合でも、レーザ光のほとんどがフォトカソード１２１に入射する。換言すると、ミラー１１７、及びレンズ１１８は、輪状のレーザ光１５０に対応する中空部分を有している。よって、輪状のレーザ光１５０は、ミラー１１７、及びレンズ１１８の中空部分には、入射しない。これにより、レーザ光１５０のほとんどがフォトカソード１２１に入射する。従って、レーザ光１５０の利用効率の低下を防ぐことができる。

【0069】

レンズ１１８を通過したレーザ光１５０は、共振器１２３の開口部に入射する。レーザ光１５０は共振器１２３の空胴部分を通過して、フォトカソード１２１に入射する。レーザ光１５０は、レンズ１１８によって、フォトカソード１２１の表面に集光されている。すなわち、レンズ１１８の焦点位置にフォトカソード１２１の表面が配置されている。従って、レーザ光１５０の集光点は、フォトカソード１２１の表面となる。フォトカソード１２１にレーザ光１５０が入射すると、光電効果によって、電子が発生する。なお、レーザ光１５０の光軸は、フォトカソード１２１の表面と垂直になっている。すなわち、ミラー１１７はフォトカソード１２１に対して４５°傾斜している。よって、レーザ光１５０は、フォトカソード１２１に直入射する。

【0070】

共振器１２３には、マイクロ波源１２４で発生したマイクロ波が入射されている。共振器１２３は、空胴共振器であり、入力されたマイクロ波に応じた定在波を発生する。すなわち、ＲＦ共振器である共振器１２３には、フォトカソード１２１で発生した電子を加速するための電場が発生している。フォトカソード１２１で発生した電子は、共振器１２３内の電場で加速される。すなわち、所定の速度の電子ビーム１６０となって共振器１２３から出射する。ここでは、共振器１２３で発生する定在波に応じて、レーザ光パルスのタイミングを調整する。すなわち、マイクロ波源１２４からのマイクロ波とレーザ光のパルスを同期させる。これにより、共振器１２３内に加速電場が生じているタイミングで、フォトカソード１２１から電子が発生する。従って、電子ビーム１６０が効率よく加速される。そして、加速された電子ビーム１６０は、ミラー１１７、及びレンズ１１８の中空部分を通過する。これにより、電子ビーム１６０に対して外乱が生じるのを防ぐことができる。すなわち、電子ビーム１６０がミラー１１７やレンズ１１８などの構造物を通過しなくなる。ミラー１１７、及びレンズ１１８が電子ビーム１６０と干渉しない。このため、電子ビーム１６０の品質の劣化を防ぐことができる。

【0071】

このようにして得られた電子ビーム１６０は、所定の経路を通過して、Ｘ線自由電子レーザ（ＸＦＥＬ）、逆コンプトン散乱によるフェムト秒Ｘ線パルス光源、フェムト秒時間分解電子顕微鏡、超短パルス電子線描画装置、エネルギー回収型ライナック（ＥＲＬ）などに利用される。なお、電子ビーム１６０の経路中に存在するミラ−１１７、及びレンズ１１８は、真空中に配置される。すなわち、ミラー１１７、及びレンズ１１８は真空チャンバー内に配設される。従って、偏光ビーム変換素子１１５からのレーザ光１５０は、真空チャンバーに設けられたウィンドウを介して、ミラー１１７に入射する。このように、偏光ビーム変換素子１１５を大気中に配設している。これにより、光学系の調整等を容易に行うことができる。例えば、波長板、及び位相板の回転させることで、λ／４板とλ／８板の軸方位を調整することができる。よって、利便性を向上することができる。

【0072】

ここで、偏光ビーム変換素子１１５、及びレンズ１１８を用いることによって、レーザ光１５０の焦点位置では、Ｚ方向の電場が発生している。フォトカソード１２１の表面にＺ方向の電場をかけることで、ショットキー効果が発生する。ショットキー効果によって、フォトカソード１２１の実効的な仕事関数が小さくなるため、量子効率が高くなる。波長の長いレーザ光を用いた場合でも、大気中で安定な材料をフォトカソード１２１として用いることができる。例えば、仕事関数が４ｅＶ程度の銅や仕事関数が５．５ｅＶ程度の銅ダイアモンドなどをフォトカソード材料として用いることができる。換言すると、大気中で、フォトカソード１２１をメンテナンスすることが可能になる。よって、メンテナンス性を向上することができ、電子銃の長寿命化を図ることができる。さらに、フォトカソード材料の選択幅を広くすることができる。また、波長の長いレーザ光を用いることができるので、レーザ光源１１１の大型化、複雑化を防ぐことができる。すなわち、簡素な構成で小型のレーザ光源１１１を用いることが可能になる。

【0073】

フォトカソード１２１に金属材料を用いる場合、光電効果のレスポンスは、１０ｆｓｅｃ程度である。従って、マイクロ波源１２４のマイクロ波と同期して、レーザ光１５０を照射することで、安定して電子を加速することができる。

【0074】

本実施の形態では、偏光ビーム変換素子１１５を用いてＺ偏光を発生させている。レーザ光１５０によるＺ方向の電場を利用して、電子を発生させている。すなわち、Ｚ偏光をフォトカソード１２１の表面に入射させている。これにより、ニードル化したフォトカソードに比べて、エミッタンスを向上することができる。さらに、量子効率を向上することができるため、高輝度の電子ビーム１６０を得ることができる。よって、簡便な構成で、高品質の電子ビーム１６０を発生させることができる。また、実効的な仕事関数を低くすることができる。このため、金属やダイアモンドなどの大気中で安定なフォトカソード材料を用いることができる。これにより、低ランニングコストでメンテナンス性の高い電子銃１００を実現することができる。

【0075】

（応用例２：ビーム測定装置）
さらに、上記の偏光ビーム変換素子は、特開２００８−２８８０８７号公報に開示されたビーム測定装置、ビーム測定方法についても利用することができる。本実施の形態の偏光ビーム変換素子を用いて、擬似ラジアル偏光を生成する。さらに、測定対象となる電子ビームの経路中には、ビームが通過する中空部分を有する電気光学素子を配置しておく。そして、電気光学素子の中空部分を電子ビームのバンチが通過すると、電気光学素子の結晶軸が変化する。また、電子ビームと同期して、中空の擬似ラジアル偏光を、経路中の電気光学素子を通過させる。すると、結晶軸の軸方位に応じて、擬似ラジアル偏光の偏光状態が変化する。従って、電気光学素子を通過した光の偏光状態を調べることで、ビームの３次元空間分布等を測定することができる。

【0076】

ビーム測定装置の構成に付いて、図１７を用いて説明する。図１７は、ビーム測定装置２００の構成を示す図であり、基本的には、特開２００８−２８８０８７号公報に記載された構成と同様の構成を有している。なお、ビーム測定装置２００の基本的な概念は、特開２００８−２８８０８７号公報に開示されているため、詳細な説明を省略する。

【0077】

レーザ光源２０１は、プローブ光となるレーザ光を出射する。レーザ光源２０１から出射したレーザ光は、光変調器２０２、及びフォトニック結晶２０３によって、線形にチャーピングされる。よって、フォトニック結晶２０３から出射したレーザ光は、波長と時間の関係がリニアになっている。光変調器２０２は、例えば、ファーストライト（ＦＡＳＴＬＩＴＥ）社製ＤＡＺＺＬＥＲ（登録商標）ＵＷＢ−６５０−１１００であり、パルスレーザ光の時間波形を変調する。フォトニック結晶は、非線形光学効果によって、レーザ光を広帯域化する。レーザ発振器によって発振したパルスレーザ光の波長が時間に応じて変化するよう、パルスレーザ光のパルス波形を整形して出射する。

【0078】

線形にチャーピングされた光ビームは、偏光ビーム変換素子２０４に入射する。偏光ビーム05２０４は、上記のように、光ビームをラジアル偏光に変換する。偏光ビーム変換素子２０４で８分割の擬似ラジアル偏光となった光ビームは、一対のアキシコンレンズ２０５、２０６に入射する。１対のアキシコンレンズ２０５、２０６によって、光ビームのスポットが中空となり、円環ビームが生成される。アキシコンレンズ２０５、２０６からの円環ラジアル偏光ビームは、タイミング制御板２０７に入射する。タイミング制御板２０７は、分割領域毎に、遅延時間を与える。すなわち、タイミング制御板２０７は、８つの分割領域毎に光路長が変化するよう、厚さや材料等が異なっている。タイミング制御板２０７は、例えば、各分割領域に１０ｐｓｅｃ以上の遅延時間を与える。８分割の擬似ラジアル偏光の光ビームに対して、偏光方向毎に所定の遅延時間が与えられる。

【0079】

タイミング制御板２０７からの光ビームは、ミラー２０８に入射する。ミラー２０８は、電子ビーム２２０のビーム経路中に配置されている。ミラー２０８は、レーザ光の光軸に対して４５°傾斜している。従って、ミラー２０８は、レーザ光を、ミラー２１１の方向に反射する。ミラー２０８からのレーザ光は、電子ビームの進行方向に伝播する。すなわち、パルスレーザ光は、電子ビームの下流側に伝搬する。ミラー２１１も、ミラー２０８と同様に中空になっており、電子ビーム２２０の経路中に配置されている。ミラー２１１によって、電子ビーム２２０の経路から、レーザ光が取り出される。

【0080】

ミラー２０８、２１１は、中心部分がくり抜かれた中空形状になっている。また、アキシコンレンズ２０５、２０６によって、レーザ光が輪状になっている。このため、中空のミラー２０８、２１１を用いた場合でも、レーザ光のほとんどがミラー２０８、２１１で反射される。従って、レーザ光の利用効率の低下を防ぐことができ、正確な測定が可能になる。また、電子ビーム３１は、ミラー２５の中空部分を通過する。これにより、非破壊で電子ビームを測定することができる。

【0081】

ミラー２０８とミラー２１１の間には、電気光学結晶２０９、又はカー材料２１０が配置される。電気光学結晶２０９は、電気光学効果を示す結晶であり、結晶軸がラジアル配置されている。電気光学結晶２０９では、電子ビーム２２０によって生じる電界によって、屈折率が変化する。電気光学結晶２０９としては、電界の強さに比例して屈折率が変化するポッケルス素子を用いることができる。カー材料２１０は、カー効果を示す材料であり、例えば、非晶質材料を用いることができる。カー材料２１０では、電子ビーム２２０によって生じる電界によって、屈折率が変化する。カー効果では、電界の強さの２乗に比例して、屈折率が変化する。なお、電気光学結晶２０９、又はカー材料２１０は、ミラー２０８、２１１と同様に中空であり、この中空部分を電子ビーム２２０が通過する。これにより、非破壊でのビーム測定が可能となる。なお、以下の説明ではビームの経路中に電気光学結晶２０９を配置する例に付いて説明する。

【0082】

電子ビーム２２０のバンチが電気光学結晶２０９の中空部分を通過するときに、レーザ光が電気光学結晶２０９を通過するにタイミング調整する。こうすることで、レーザ光が電気光学結晶２０９の屈折率変化の影響を受ける。例えば、結晶軸に平行な電場が印加されると結晶軸方向の屈折率が変化する。このとき、レーザ光の光軸と垂直な平面において、結晶軸と垂直な方向では、屈折率が略変化しない。従って、電気光学結晶２０９では、電場強度に比例して屈折率の変化が起こり、複屈折が誘起される。複屈折によって、各分割領域で、直線偏光が楕円偏光に変換される。楕円偏光の傾きは、電場強度に応じて変化する。また、電気光学結晶２０９における電場強度は、電子ビーム２２０の空間分布を反映している。ラジアル偏光ビームが、電気光学結晶２０９に入射すると、同時に電気光学結晶２０９に入射する電子ビーム２２０の空間分布に応じて、偏光状態が変化する。電気光学結晶２０９は、タイミング制御板２０７と同様に８分割となっており、例えば、結晶軸が放射状になっている。

【0083】

電気光学結晶２０９によって偏光状態が変化した光ビームは、ミラー２１１に入射する。ミラー２１１によって、電子ビームの経路中から光ビームが取り出される。光ビームは波長板２１２に入射する。波長板２１２を通過した光ビームは、偏光ビームスプリッタ２１３に入射する。電気光学結晶２０９によって生じたリタデーションを偏光ビームスプリッタ２１３で直交する偏光成分に分離する。このように、偏光ビームスプリッタ２１３は、入射光学系から電気光学結晶２０９を介して入射したパルスレーザ光から、所定の偏光成分を取り出す。そして、それぞれの直交成分に対して、分光器２１４、２１５が分光測定を行う。これにより、直交成分のそれぞれに対して、スペクトルが測定される。

【0084】

ここで、電気光学結晶２０９に入射するレーザ光はチャープされている。さらに、電気光学結晶２０９に入射するレーザ光には、タイミング制御板２０７によって、遅延時間が与えられている。従って、電気光学結晶２０９によるリタデーションの影響を受けるレーザ光の波長が、分割領域で異なっている。すなわち、光ビームの進行方向において、電子ビーム２２０のバンチと同じ位置にあるレーザ光の波長は、分割領域で異なっている。従って、分光測定を行うことで、各分割領域の光強度を独立に測定することができる。さらに、直交成分のそれぞれに対してスペクトル測定を行うことで、電子ビームの空間分布を測定することができる。

【0085】

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、各位相差板の分割領域の中心角は、厳密に９０°に限られるものではない。すなわち、４分割にすることで、中心角が直角に近くなるので、８分割の場合よりも中心角を大きくすることができる。このようにすることで、波長板の切り出しを簡便に行うことができる。

【0086】

（偏光ビーム変換素子の２^ｎ分割への拡張）
上記の説明では、４分割の波長板を２枚組み合わせて、８分割の擬似ラジアル偏光を生成したが、本発明にかかる偏光ビーム変換素子は、２^ｎ分割の波長板を２枚組み合わせて、２^{（ｎ＋１）}分割の擬似ラジアル偏光に変換する構成に拡張することができる（なお、ｎは２以上の自然数である）。ｎ分割に拡張する場合に付いて説明する。

【0087】

回転対称性を満たすため、入射光を円偏光とする。左右どちらの円偏光でもよいが、以下の説明では、右回りの円偏光が入射する場合を考える。偏光状態を図１８に示すポアンカレ球で考える。偏光状態をポアンカレ球上で考える。球の直径は１に規格化されているとする。ポアンカレ球状の座標を極座標（ψ,χ）で表す。
ただし、
Ｓ_１＝ｃｏｓχｃｏｓψ
Ｓ_２＝ｃｏｓχｓｉｎψ
Ｓ_３＝ｓｉｎχ
Ｓ_１^２＋Ｓ_２^２＋Ｓ_３^２＝１
である。

【0088】

第１の波長板１０、第２の波長板２０を２^ｎ分割とし、Ｘ軸となす角が最も小さい分割領域を第１分割領域とする。説明の明確化のため、第１の波長板１０の第１分割領域の波長板を波長板１−１とし、第２の波長板２０の第１分割領域の波長板を波長板２−１とする。さらに、第１の波長板１０について、波長板１−１から反時計回りに波長板１−２、波長板１−３、・・・波長板１−ｎとする。同様に、第２の波長板２０についても、波長板２−１から反時計回りに波長板２−２、波長板２−３、・・・波長板２−ｎとする。波長板１−１〜１−８、及び波長板２−１〜２−８の中心角は、２π／２^ｎとなる。２^３＝８分割の波長板を２枚組み合わせて、２^４＝１６分割の擬似ラジアル偏光を生成する例では、第１の波長板１０と第２の波長板２０は、図１９、図２０のように示される。図１９は８分割の第１の波長板１０を示す正面図であり、図２０は、８分割の第２の波長板２０を示す正面図である。

【0089】

図２１はポアンカレ球を北極側から見た投影図である。入射光の右回り円偏光はポアンカレ球上で、北極(ψ,χ)=(０,π／２)である（点Ａ）。入射光は波長板１−１を透過し、ポアンカレ球上で、点Ｂで表される偏光状態に変化する。２^ｎ＋１分割のラジアル偏光が生成されるためには、波長板１−１と波長板２−１を透過した光の偏光方向とｘ軸のなす角がπ／２^ｎ＋１となればよい。この偏光状態はポアンカレ球上で(ψ,χ)=（π／２^ｎ，０）で表される（点Ｃ）。波長板１−１と波長板２−２^ｎを透過した光の偏光方向とｘ軸のなす角はπ／２^ｎ＋１となればよい。この偏光状態はポアンカレ球上で(ψ,χ)=（−π／２^ｎ，０）で表される（点Ｄ）。

【0090】

点Ｂの満たすべき条件に付いて考える。
波長板２−１と波長板２−２^ｎは同じ位相差の波長板であるため、ＢとＣの間の球の表面に沿った距離と、ＢとＤの間の球の表面に沿った距離とは等しいことが求められる。したがって、点ＢはＳ_１Ｓ_３平面上の点である必要がある（北極からの投影図のＳ_１軸上）。
回転対称性から、波長板２−１がｘ軸となす角と、波長板２−２^ｎ がｘ軸となす角との差は、２π／２^ｎである。このような角度の違いを持った波長板によって、ＢからＣ、ＢからＤへ偏光状態が移動するためには、北極からの投影図上でのＣＢＤ＝２π／２^ｎ−１である必要がある。以上の条件から点Ｂの位置は(０，ａｒｃｃｏｓ（０．５／ｃｏｓ(π／２^ｎ）)と求められる。

【0091】

なお、上記の点Ｂの位置は、図２２を参照して、以下のように導出される。
２・∠ＣＡＢ＝∠ＣＢＥより、ＡＢ＝ＢＣ(二等辺三角形)
ＡＣ＝１より、ＡＢ＝０．５／ｃｏｓ（∠ＣＡＢ）=０．５／ｃｏｓ（π/２^ｎ）
χ＝ａｒｃｃｏｓ（ＡＢ）＝ａｒｃｃｏｓ（０．５/ｃｏｓ（π/２^ｎ）

【0092】

波長板１−１は点Ａから点Ｂへ偏光状態を変化させることから、次のようなものを用いればよい。
軸の向きとｘ軸の成す角度:−π／４
位相差：（λ／４）×（１−ａｒｃｃｏｓ（０．５／ｃｏｓ（π／２^ｎ））／（π／２）） ・・・（２）

【0093】

波長板２−１は点Ｂから点Ｃへ偏光状態を変化させることから、次のようなものを用いればよい。
軸の向きとｘ軸の成す角度: π／２^ｎ−π／４
位相差：（λ／４）×（ａｒｃｃｏｓ（１−０．５／ｃｏｓ^２（π／２^ｎ））／（π／２）） ・・・（３）

【0094】

回転対称性から残りの波長板の軸方位は容易に求まる。すなわち、隣接する分割領域の波長板の軸方位の差が、２π／２^ｎとなればよい。これにより、対向する２つの分割領域の波長板の軸方位が平行になる。第１の波長板１０に設けられた波長板１−１〜波長板１−ｎは全て同じ位相差であり、第２の波長板２０に設けられた波長板２−１〜波長板２０ｎも全て同じ位相差である。そして、第１の波長板１０に設けられた波長板の軸方位と、第２の波長板２０に設けられた波長板の軸方位は、π／２^ｎずれている。すなわち、第１の波長板１０の分割領域と一部重複する第２の波長板２０の分割領域において、重複する分割領域の軸方位の成す角度は、２π／２^ｎとなる。さらに、ＸＹ平面上において、第１の波長板１０の分割領域と第２の波長板２０の分割領域は、ずれている。ＸＹ平面において、第１の波長板１０の分割領域と第２の波長板２０の分割領域とが、π／２^ｎずれている。従って、第１の波長板１０の分割領域の一つがｘ軸で二等分されるとすると、第２の波長板２０の分割領域の境界線の一つがｘ軸と一致する。

【0095】

このような第１の波長板１０、及び第２の波長板２０を透過した光の位相を求めると、波長板１−１と波長板２−１を透過した光の位相と、波長板１−２と波長板２−１を透過した光の位相は揃っている。回転対称性から同様に波長板１−２と波長板２−２を透過した光の位相と、波長板１−３と波長板２−２を透過した光の位相も揃うことがわかる。すなわち、第２の波長板２０において１つの分割領域内を透過した光の位相は揃っている。

【0096】

波長板２−１を透過した光の位相と波長板２−２を透過した光の位相を比較すると、波長板２−２を透過した光の位相は、２π／２^ｎだけ位相が遅れている。第２の波長板２０の隣り合う分割領域では境界を入射側から見て反時計回りに超えると２π／２^ｎだけ位相が遅れる。第２の波長板２０と同様に分割した位相板をもちいることで、この位相差を補正できる。具体的には、入射側から見て時計回りに２π／２^ｎ（λ／２^ｎ）ずつ、位相差を増加させた分割位相板を用いる。この分割位相板によって、隣接する分割領域を通過する光に、２π／２^ｎ（λ／２^ｎ）の光路長差が与えられる。この位相差は第２の波長板上に蒸着などによって形成した位相差膜によって与えても良い。すなわち、位相板３０を第２の波長板２０の上に直接形成してもよい。

【0097】

左回り円偏光が入射される場合は、それぞれの波長板の軸方位をπ／２だけ回転させた波長板のセットを用い、反時計回りに２π／２^ｎ（λ／２^ｎ）ずつ、位相差を変化させた分割位相板を用いることでラジアル偏光を生成できる。このことは第１の波長板１０、第２の波長板２０と位相板３０のそれぞれを裏返すことと同じである。位相差膜が第２の波長板上に直接形成されている場合にも、そのまま裏返して用いることができる。それぞれを裏返すことができるように、第１の波長板１０と第２の波長板２０とは分離可能とし、裏返しても組み付けられるようにすることができる。

【0098】

アジマス偏光を生成させる場合には、（擬似アジマス偏光の生成）で説明した手法を用いることができる。例えば、右回り円偏光からラジアル偏光を生成させるための組み合わせに左回り円偏光を入射する（あるいはその逆とする）と良い。このとき、上記の位相板３０を裏返した状態としている。このようにすることで、アジマス偏光を生成することができる。

【0099】

このように、第１の波長板１０の各分割領域において、直交する成分に、式（２）で示される位相差を与え、第２の波長板２０の各分割領域において、直交する成分に式（３）で示される位相差を与える。また、第１の波長板１０において、隣接する分割領域の軸方位は、２π／２^ｎ異なるように配置する。同様に、第２の波長板２０において、隣接する分割領域の軸方位が、２π／２^ｎ異なるように配置する。さらに、各分割領域の中心角を２π／２^ｎとする。このようにすることで、第１の波長板１０と第２の波長板２０が回転対称となる。さらに、非ラゲールガウスビームの場合、光軸と垂直な平面において、第２の波長板２０の分割領域と一致するよう配置された２^ｎの分割領域を有する位相板をさらに設ける。そして、位相板３０が隣接する分割領域においてλ／２^ｎに対応する光路長差を与えるようにする。第１の波長板１０の波長板の軸方位と、第２の波長板２０の波長板の軸方位が略π／２^ｎずれるように配置する。こうすることで、擬似ラジアル偏光、又は擬似アジマス偏光に近づけることができる。

【0100】

（ｎ＝１の場合）
次に、ｎ＝１の場合に付いて図２３〜図２５を用いて説明する。ｎ＝１の場合、２分割の波長板を２枚用意して、４分割の擬似ラジアル偏光、又は擬似アジマス偏光を生成する。図２３は、第１の波長板１０の正面図であり、図２４は、第２の波長板２０の正面図であり、図２５は位相板３０の正面図である。図２３〜図２５は、それぞれ、ビームの入射側から見た構成を示している。ｎ＝１の場合、入射光を４５°の直線偏光とする。すなわち、ｘ軸から＋４５°傾斜した偏光面を持つ直線偏光を第１の波長板１０に入射させる。第１の波長板１０の前段に、λ／２板やλ／４板を配置することで、入射光を４５°の直線偏光にすることができる。ｎ＝１の場合、上記の（２）式、及び（３）式に当てはまらない特異点となる。以下の説明では、４５°の直線偏光を、４分割の擬似ラジアル偏光に変換する例に付いて説明する。

【0101】

第１の波長板１０は、ｎが２以上の時と同様に、放射状に２分割されている。本実施形態では、第１の波長板１０は図２３に示すように、左右に二等分された分割領域を有している。すなわち、第１分割領域と第２分割領域の境界線がｙ方向となる。右側の分割領域の波長板１−１では、軸方位がｘ方向となり、左側の分割領域の波長板１−２では、軸方位がｙ方向となっている。このように、波長板１−１の軸方位と波長板１−２の軸方位とが直交している。

【0102】

第２の波長板２０は、ｎが２以上の時と同様に、放射状に２分割されている。本実施形態では、第２の波長板２０は、上下に二等分された分割領域を有している。すなわち、第１分割領域と第２分割領域の境界線がｘ方向となる。上側の分割領域の波長板２−１では、軸方位がｘ方向となり、下側の分割領域の波長板２−２では、軸方位がｙ方向となっている。このように、波長板２−１の軸方位と波長板２−２の軸方位とが直交している。このようにすることで、４分割の放射状の偏光状態に変換することができる。また、２分割の波長板を２枚用意するだけでよいため、コストを低減することができる。

【0103】

さらに、非ラゲールガウスビームの場合、図２５に示す位相板３０を第２の波長板２０の後段に配置する。もちろん、上記と同様に、第２の波長板２０に直接、位相板３０を形成しても良い。位相板３０は、４分割の分割領域を有している。そして、第１象限の位相を基準（０）とすると、第２象限はλ／４（π／２）、第３象限はλ／２（π）、第４象限は３λ／４（３π／２）だけ、位相を遅らせる。このように、４分割の位相板３０を配置して、位相を遅らせることで、位相を揃えることができる。

【0104】

４分割のアジマス偏光を生成させる場合には、−４５°の直線偏光を第１の波長板１０に入射させればよい。あるいは、第１の波長板１０、第２の波長板２０、位相板３０を反転させて、４分割の擬似アジマス偏光を生成しても良い。（間違っていないかご確認下さい）

【0105】

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、各波長板の分割領域で与えられる位相差、軸方位等は、上記の式、及び値と厳密に一致していなくても良い。

【符号の説明】

【0106】

１ 偏光ビーム変換素子
１０ 第１の波長板、 １１ 第１分割領域、 １２ 第２分割領域、
１３ 第３分割領域、 １４ 第４分割領域
２０ 第２の波長板、 ２１ 第１分割領域、 ２２ 第２分割領域
２３ 第３分割領域、 ２４ 第４分割領域、
３０ 位相板、 ３１ 第１分割領域、 ３２ 第２分割領域、
３３ 第３分割領域、 ３４ 第４分割領域
１００ 電子銃１００、 １１１ レーザ光源、 １１２ 波長変換素子１１２
１１３ アキシコンレンズ、 １１４ アキシコンレンズ、 １１５ 偏光ビーム変換素子、
１１７ ミラー、 １１８ レンズ、 １２１ フォトカソード、 １２３ 共振器、
１２４ マイクロ波源、 １５０ レーザ光
２０１ レーザ光源
２０２ 光変調器
２０３ フォトニック結晶
２０４ 偏光ビーム変換素子
２０５ アキシコンレンズ
２０６ アキシコンレンズ
２０７ タイミング制御板２０７
２２０ 電子ビーム
２１１ 中空ミラー
２１２ 波長板
２１３ ビームスプリッタ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】