特開 2024-120772 測定システム、プログラム、測定方法、及びレーザ加速自由電子レーザ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024120772

(43)【公開日】2024-09-05

(54)【発明の名称】測定システム、プログラム、測定方法、及びレーザ加速自由電子レーザ装置

(51)【国際特許分類】

   H01S 3/30 20060101AFI20240829BHJP

   H05H 15/00 20060101ALI20240829BHJP

   G01J 1/00 20060101ALI20240829BHJP

   H01S 3/00 20060101ALI20240829BHJP

【ＦＩ】

H01S3/30 A

H05H15/00

G01J1/00 H

H01S3/00 G

【審査請求】未請求

【請求項の数】15

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023027811

(22)【出願日】2023-02-24

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り ・ウェブサイトのアドレス ｈｔｔｐｓ：／／ｋａｋｅｎ．ｎｉｉ．ａｃ．ｊｐ／ｊａ／ｇｒａｎｔ／ＫＡＫＥＮＨＩ－ＰＲＯＪＥＣＴ－２２Ｋ１２６６５／ 掲載日 令和４年４月１９日 ・ウェブサイトのアドレス ｈｔｔｐｓ：／／ｋａｋｅｎ．ｎｉｉ．ａｃ．ｊｐ／ｊａ／ｇｒａｎｔ／ＫＡＫＥＮＨＩ－ＰＲＯＪＥＣＴ－２２Ｋ１２６６５／ 掲載日 令和４年７月１日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２９年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、未来社会創造事業「レーザープラズマ加速場の高速・高精度診断系の開発」及び平成３１年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、未来社会創造事業「レーザー駆動電子加速技術開発」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】301032942

【氏名又は名称】国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構

(71)【出願人】

【識別番号】504176911

【氏名又は名称】国立大学法人大阪大学

(74)【代理人】

【識別番号】110000338

【氏名又は名称】弁理士法人 ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ

(72)【発明者】

【氏名】中新 信彦

(72)【発明者】

【氏名】近藤 康太郎

(72)【発明者】

【氏名】ホァン カイ

(72)【発明者】

【氏名】神門 正城

(72)【発明者】

【氏名】細貝 知直

(72)【発明者】

【氏名】金 展

【テーマコード（参考）】

2G065

2G085

5F172

【Ｆターム（参考）】

2G065AA12

2G065AB09

2G065AB14

2G065BB14

2G065BB28

2G065BC13

2G085AA20

2G085DB08

2G085DB10

5F172AG01

5F172ZZ04

(57)【要約】

【課題】電子バンチのタイミング又はバンチ長の推定の容易化・高精度化を図る。
【解決手段】測定システム（１）は、パルス状のプローブ光（ＰＬ）と電子バンチ（ＥＢ）により放射されるパルス状の放射光（ＥＬ）とを周波数干渉させることにより生じる干渉パターン（ＩＰ）を測定する測定装置（１１）と、前記測定装置によって測定された干渉パターンから前記放射光のパルス幅を算出し、前記電子バンチのバンチ長を推定する演算装置（１２）と、を備えている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

パルス状のプローブ光と電子バンチにより放射されるパルス状の放射光とを周波数干渉させることにより生じる干渉パターンを測定する測定装置と、
前記測定装置によって測定された干渉パターンから前記電子バンチのバンチ長を推定する演算装置と、を備えている、
測定システム。

【請求項2】

超短パルスレーザの光路を第１の光路と第２の光路とに分岐するビームスプリッタと、前記第２の光路上に配置された光学遅延ユニットと、を含むプローブ光生成装置を更に備え、
前記プローブ光は、前記光学遅延ユニットによって遅延された前記超短パルスレーザである、
請求項１に記載の測定システム。

【請求項3】

前記第１の光路上にガスジェットを供給するインジェクタを有する電子バンチ生成装置を更に備え、
前記電子バンチは、前記超短パルスレーザによって前記ガスジェット中に励起された航跡場によって加速された電子により構成される、
請求項２に記載の測定システム。

【請求項4】

前記測定装置は、前記放射光と前記プローブ光とを共通の光路上に導くビームコンバイナと、前記共通の光路上に配置されたイメージングスペクトロメータであって、前記干渉パターンを測定する測定するイメージングスペクトロメータと、を含む、
請求項１に記載の測定システム。

【請求項5】

前記放射光は、ラジアル偏光であり、
前記干渉パターンは、空間方向に分離された２つの干渉領域であって、周波数方向に干渉縞が並んだ２つの干渉領域を含む、
請求項１に記載の測定システム。

【請求項6】

前記測定装置は、遷移放射によって前記電子バンチから前記放射光を生成する金属板を含む、
請求項１～５の何れか一項に記載の測定システム。

【請求項7】

前記測定装置は、回折放射によって前記電子バンチから前記放射光を生成する、孔が形成された金属板を含む、
請求項１～５の何れか一項に記載の測定システム。

【請求項8】

前記測定装置は、チェレンコフ放射によって前記電子バンチから前記放射光を生成する、誘電体により構成された筒体を含む、
請求項１～５の何れか一項に記載の測定システム。

【請求項9】

前記測定装置は、スミスパーセル放射によって前記電子バンチから前記放射光を生成する回折格子を含む、
請求項１～５の何れか一項に記載の測定システム。

【請求項10】

前記測定装置は、シンクロトロン放射によって前記電子バンチから前記放射光を生成する磁石を含む、
請求項１～５の何れか一項に記載の測定システム。

【請求項11】

前記演算装置は、フーリエ変換スペクトル干渉法を用いて前記干渉パターンから前記放射光の時間波形を算出する算出工程と、前記時間波形から前記電子バンチのバンチ長を推定する推定工程とを実行する、
請求項１～５の何れか一項に記載の測定システム。

【請求項12】

コンピュータを請求項１１に記載の演算装置として動作させるためのプログラムであって、前記コンピュータに前記算出工程と前記推定工程とを実行させるプログラム。

【請求項13】

請求項１２に記載のプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。

【請求項14】

パルス状のプローブ光と電子バンチにより放射されるパルス状の放射光とを周波数干渉させることにより生じる干渉パターンを測定する測定工程と、
前記測定工程において測定された干渉パターンから前記電子バンチのバンチ長を推定する推定工程と、を含んでいる、
測定方法。

【請求項15】

レーザ装置と、前記レーザ装置によって生成されたレーザ光によって励起された航跡場を用いて電子バンチを加速する加速器と、前記加速器によって加速された電子バンチに周期的な横磁場を印加することによって自由電子レーザを生成するアンジュレータと、を備え、
請求項１、２、４、及び５の何れか一項に記載の測定システムが前記加速器に組み込まれている、レーザ加速自由電子レーザ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電子バンチのバンチ長を測定する測定システム、プログラム、測定方法、及びレーザ加速自由電子レーザ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば、超短パルスレーザによってガスジェット中に励起された航跡場によって、電子を相対論的速度にまで加速することができる。このように加速された電子により構成される短バンチ長（例えば、フェムト秒（１０^－１５秒）オーダー）の電子バンチは、自由電子レーザ装置の実現や超高速現象の観測等への利用が期待されている。電子バンチのバンチ長（電子の塊の長さ）が短い方が、超高速現象の観察が容易となる。

【0003】

ここで、電子バンチを利用するには、そのバンチ長が判っていることが好ましい。非特許文献１は、バンチ長を測定する次の手法（１）～（３）を開示する。

【0004】

（１）高エネルギーの電子からの放射をストリークカメラで時間掃引して検出することでバンチ長を評価する。
（２）高周波電場によって電子ビームを回転させて、時間方向の分布を空間方向に転写することで、バンチ長を評価する。
（３）電子ビーム及びプローブ光をそれぞれ、電気光学結晶の中及び横を通過させて、電子ビームの電場による電気光学結晶の屈折率変化に起因する、プローブ光の偏光の回転の大きさ等から、電子のバンチ長を推定する。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】神門正城、レーザプラズマ電子加速研究におけるレーザプラズマと電子ビームの特性評価、プラズマ・核融合学会誌Vol95、504 (2019).

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、これらの手法（１）～（３）によって、例えば、フェムト秒オーダーの短バンチ長を測定するのは困難である。すなわち、手法（１）では、ストリークカメラの時間分解能に限界があり、手法（２）では、高周波電場と電子ビームの間のタイミングの精度に限界があり、手法（３）では、プローブ光の偏光の回転の測定精度に限界がある。

【0007】

本発明の一態様は、短バンチ長の測定が容易な測定システム、プログラム、測定方法、及びレーザ加速自由電子レーザ装置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】

【0008】

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る測定システムは、パルス状のプローブ光と電子バンチにより放射されるパルス状の放射光とを周波数干渉させることにより生じる干渉パターンを測定する測定装置と、前記測定装置によって測定された干渉パターンから前記電子バンチのバンチ長を推定する演算装置と、を備えている。

【発明の効果】

【0009】

本発明の一態様によれば、電子バンチのバンチ長を測定することができる。しかも、プローブ光の最短パルス幅（フーリエ限界パルス幅）と同程度のバンチ長を測定することができるで、プローブ光の最短パルス幅を小さくすることで、短バンチ長の測定を容易に実現することができる。したがって、短バンチ長の測定が容易な測定システム、プログラム、測定方法、及びレーザ加速自由電子レーザ装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の一実施形態に係る測定システムの構成を示すブロック図である。

【図2】図１に示す測定装置より測定された干渉パターンを示す模式図である。

【図3】（ａ）は、図１に示す測定装置により実測された放射光の具体例を示す図である。（ｂ）は、図１に示す測定装置により実測されたプローブ光の具体例を示す図である。（ｃ）は、（ａ）に示す放射光と（ｂ）に示すプローブ光との干渉により生じた干渉パターンであって、図１に示す測定装置により実測された干渉パターンの具体例を示す図である。

【図4】図１に示す演算装置により実施される推定方法の具体例を示すフロー図である。

【図5】（ａ）は、図４に示す変数変換処理において得られる周波数領域のスペクトルＳ（ω）の具体例を示すグラフである。（ｂ）は、図４に示す逆フーリエ変換処理において得られる時間領域の波形Ｓ（ｔ）の具体例を示すグラフである。（ｃ）は、図４に示す変数変換処理において得られる周波数領域のスペクトルＳpr（ω）の具体例を示すグラフである。（ｄ）は、図４に示す逆フーリエ変換処理において得られる時間領域の波形Ｓpr（ｔ）の具体例を示すグラフである。

【図6】（ａ）は、図４に示す抽出処理において得られる直流成分｜Ｅotr（ｔ）｜²の具体例を示すグラフである。（ｂ）は、図４に示す平方根・フーリエ変換処理において得られる電場強度分布｜Ｅotr（ω）｜の具体例を示すグラフである。（ｃ）は、図４に示すシフト処理において得られる時間領域の波形ｆ（ｔ）の具体例を示すグラフである。（ｄ）は、図４に示すフーリエ変換・偏角処理において得られる相対位相分布φrel（ω）の具体例を示すグラフである。

【図7】（ａ）は、図４に示す加算処理において参照される位相分布φpr（ω）の具体例を示すグラフである。（ｂ）は、図４に示す加算処理において得られる位相分布φotr（ω）の具体例を示すグラフである。（ｃ）は、図４に示す逆フーリエ変換処理において得られる時間波形Ｉotr（ｔ）の具体例を示すグラフである。

【図8】図１に示す測定システムの第１の変形例を示すブロック図である。

【図9】図１に示す測定システムの第２の変形例を示すブロック図である。

【図10】図１に示す測定システムの第３の変形例を示すブロック図である。

【図11】図１に示す測定システムの第４の変形例を示すブロック図である。

【図12】図１示す測定システムを適用することが可能なレーザ加速自由電子レーザ装置の構成を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

（測定システムの構成）
本発明の一実施形態に係る測定システム１について、図１を参照して説明する。図１は、測定システム１の構成を示すブロック図である。

【0012】

測定システム１は、測定装置１１と、演算装置１２と、を備えている。測定装置１１は、電子バンチＥＢにより放射されるパルス状の放射光ＥＬとパルス状のプローブ光ＰＬとを周波数干渉させることにより生じる干渉パターンＩＰを測定するための装置である。演算装置１２は、測定装置１１において測定された干渉パターンＩＰから電子バンチＥＢのバンチ長Ｌを推定するための装置である。

【0013】

測定装置１１は、例えば、図１に示すように、ラジエータ１１１と、ミラー１１２と、ビームコンバイナ１１３と、イメージングスペクトロメータ１１４と、により構成することができる。

【0014】

ラジエータ１１１は、電子バンチＥＢから放射光ＥＬを生成するための構成である。本実施形態においては、ラジエータ１１１として、金属板、より具体的には、厚さ１００μｍのステンレス板を用い、遷移放射によって、電子バンチＥＢから放射光（遷移放射光）ＥＬを生成する。ミラー１１２は、放射光ＥＬの光路を屈曲させるための構成である。ビームコンバイナ１１３は、放射光ＥＬとプローブ光ＰＬとを共通の光路上に導くための構成である。プローブ光ＰＬは、放射光ＥＬよりも時間τだけ遅れて共通の光路に入射する。これにより、プローブ光ＰＬと放射光ＥＬとの周波数干渉が生じる。イメージングスペクトロメータ１１４は、この周波数干渉の干渉パターンＩＰを測定するための構成である。イメージングスペクトロメータ１１４により測定された干渉パターンＩＰは、演算装置１２に提供される。干渉パターンＩＰの具体例については、参照する図面を代えて後述する。

【0015】

演算装置１２は、例えば図１に示すように、メモリ１２１と、プロセッサ１２２と、により構成することができる。

【0016】

メモリ１２１は、プログラムを記憶するための構成である。プロセッサ１２２は、このプログラムに含まれる命令を実行することによって、測定装置１１において測定された干渉パターンＩＰから電子バンチＥＢのバンチ長を推定するための構成である。本実施形態において、プロセッサ１２２は、（１）干渉パターンＩＰからから放射光ＥＬの時間波形Ｉotr（ｔ）を算出し、（２）放射光ＥＬの時間波形Ｉotr（ｔ）から電子バンチＥＢのバンチ長を推定する。放射光ＥＬの時間波形Ｉotr（ｔ）の算出には、フーリエ変換スペクトル干渉法を用いる。なお、測定装置１１において測定された干渉パターンＩＰから電子バンチＥＢのバンチ長を推定する方法の具体例については、参照する図面を代えて後述する。

【0017】

測定システム１は、更に、プローブ光生成装置１０ａ及び電子バンチ生成装置１０ｂを備えている。プローブ光生成装置１０ａは、上述したプローブ光ＰＬを生成するための装置である。電子バンチ生成装置１０ｂは、上述した電子バンチＥＢを生成するための装置である。

【0018】

プローブ光生成装置１０ａは、例えば、図１に示すように、ビームスプリッタ１０１と、ミラー１０２と、光学遅延ユニット１０３と、により構成することができる。ビームスプリッタ１０１は、パルス状のレーザ光（例えば、超短パルスレーザ）Ｌ０の光路を、２つの光路ＬＰ１，ＬＰ２に分岐するための構成である。ミラー１０２は、光路ＬＰ２を屈曲させるための構成である。光学遅延ユニット１０３は、光路ＬＰ２上を進行するレーザ光Ｌ０を遅延させるための構成である。上述したプローブ光ＰＬは、光学遅延ユニット１０３によって遅延されたレーザ光Ｌ０である。

【0019】

電子バンチ生成装置１０ｂは、例えば、図１に示すように、高速ガスバルブ１０４により構成することができる。高速ガスバルブ１０４は、光路ＬＰ１上にガスジェットＧＪを供給するための構成（インジェクタ）である。プローブ光生成装置１０ａから出射され、光路ＬＰ１を進行するレーザ光Ｌ０によって、ガスジェットＧＪ中に航跡場が励起される。上述した電子バンチＥＢは、この航跡場によって加速（レーザプラズマ加速）された電子のクラスタである。

【0020】

なお、本実施形態においては、パルス状のレーザ光Ｌ０として、超短パルスレーザ、具体的には、中心波長８００ｎｍ、パルス幅２４フェムト秒、エネルギー１．７Ｊ、ビームサイズ（直径）６５ｍｍの超短パルスレーザを用いる。レーザ光Ｌ０は、例えば、チタンサファイアレーザ（不図示）により生成され、軸外し放物面により集光され、ガスジェットＧＪに照射される。

【0021】

後述するように、本実施形態に係る演算装置１２は、放射光ＥＬとプローブ光ＰＬとの干渉パターンＩＰに加えて、プローブ光ＰＬのスペクトルもしくはスペクトルの干渉パターンＩＰ’、及び、プローブ光ＰＬの位相分布φpr（ω）を参照して、放射光ＥＬの時間波形を算出する。このため、本実施形態に係る測定システム１は、プローブ光ＰＬのスペクトルもしくはスペクトルの干渉パターンＩＰ’を測定する機能、及び、プローブ光ＰＬの位相分布φpr（ω）を測定する機能を有している。ここで、プローブ光ＰＬの位相分布φpr（ω）とは、プローブ光ＰＬの絶対位相φprの周波数分布のことを指す。

【0022】

プローブ光ＰＬのスペクトルもしくはスペクトルの干渉パターンＩＰ’を測定する機能を実現する方法としては、例えば、プローブ光生成装置１０ａ内の光路ＬＰ１上に、遮蔽体１０５を設置することによって、測定装置１１への電子バンチＥＢの供給を停止する方法が挙げられる。また、プローブ光ＰＬの位相分布φpr（ω）を測定する機能を実現する方法としては、例えば、プローブ光ＰＬの光路上にミラー１１５を挿入すると共に、このミラー１１５により反射されたプローブ光ＰＬの光路上に自己参照型スペクトル干渉計１１６を配置し、この自己参照型スペクトル干渉計１１６によって、プローブ光ＰＬの位相分布φpr（ω）を測定する方法が挙げられる。もちろん、プローブ光ＰＬのスペクトルもしくはスペクトルの干渉パターンＩＰ’が既知である場合、及び、プローブ光ＰＬの位相分布φpr（ω）が既知である場合には、これらの構成を省略しても構わない。

【0023】

以上のように、測定システム１によれば、電子バンチＥＢのバンチ長を推定することができる。なお、フーリエ変換スペクトル干渉法の時間分解能は、プローブ光ＰＬの最短パルス幅（フーリエ限界パルス幅）と同程度となる。本実施形態においては、パルス幅２４フェムト秒のレーザ光Ｌ０をプローブ光ＰＬとして用いているので、２４フェムト秒程度の時間分解能で放射光ＥＬの時間波形Ｉotr（ｔ）を算出することができる。

【0024】

（干渉パターンの具体例）
測定装置１１によって測定される干渉パターンＩＰの具体例について、図２を参照して説明する。図２は、干渉パターンＩＰを示す模式図である。

【0025】

干渉パターンＩＰは、空間軸と波長軸（又は周波数軸）とが張る２次元平面Ｈ上に形成される。放射光ＥＬは、ラジアル偏光であるため、空間軸方向に並ぶ２つの領域Ａ１，Ａ２を構成する。一方、プローブ光ＰＬは、直線偏光を有し、これら２つの領域Ａ１，Ａ２と交わる１つの領域Ａ０を構成する。このため、領域Ａ１と領域Ａ０との共通部分である領域（干渉領域）Ａ１’＝Ａ１∩Ａ０、及び、領域Ａ２と領域Ａ０との共通部分である領域（干渉領域）Ａ２’＝Ａ２∩Ａ０において、波長軸方向に並ぶ干渉縞が観察される。領域Ａ１と領域Ａ２とで、放射光ＥＬの位相が反転しているので、領域Ａ１’と領域Ａ２’とで、干渉縞が半周期分ずれることになる。このため、干渉縞は、いわば魚の骨のような形になる。

【0026】

図３の（ａ）は、プローブ光ＰＬを遮蔽した状態で測定装置１１によって実測された放射光ＥＬである。図３の（ａ）によれば、空間軸方向に並ぶ２つの領域Ａ１，Ａ２において放射光ＥＬが観測されることが見て取れる。

【0027】

図３の（ｂ）は、放射光ＥＬを遮蔽した状態で測定装置１１によって実測されたプローブ光ＰＬである。図３の（ｂ）によれば、２つの領域Ａ１，Ａ２と交わる１つの領域Ａ０においてプローブ光ＰＬが観測されることが見て取れる。なお、領域Ａ０に現れている干渉縞は、プローブ光ＰＬ同士の干渉によって生じる干渉縞であり、バンチ長の測定に際しては無視するべきものである。

【0028】

図３の（ｃ）は、測定装置１１によって実測された放射光ＥＬとプローブ光ＰＬとの干渉パターンＩＰである。図３の（ｃ）によれば、空間軸方向に並ぶ２つの領域Ａ１’，Ａ２’において波長軸方向に並ぶ干渉縞が観測されることが見て取れる。なお、放射光ＥＬとプローブ光ＰＬとの干渉により生じる干渉縞の周期は、プローブ光ＰＬ同士の干渉により生じる干渉縞の周期と相違する。したがって、放射光ＥＬとプローブ光ＰＬとの干渉により生じる干渉縞を、プローブ光ＰＬ同士の干渉により生じる干渉縞と弁別して測定することは容易である。

【0029】

なお、波長８００ｎｍで干渉縞が形成されることは、少なくとも波長８００ｎｍまで放射光ＥＬのコヒーレント性が保たれること、すなわち、８００ｎｍよりも小さいバンチ構造が存在していることを意味する。波長８００ｎｍは、時間２．６７フェムト秒に相当するので、換言すれば、２．６７フェムト秒よりも短いバンチ構造（例えば、アト秒オーダーのバンチ構造）が存在していることを意味する。

【0030】

（推定方法の具体例）
測定装置１１によって測定される干渉パターンＩＰから電子バンチＥＢのバンチ長を推定する方法の具体例（以下、推定方法Ｓ１と記載する）について、図４～図７を参照して説明する。

【0031】

図４は、推定方法Ｓ１の流れを示すフロー図である。推定方法Ｓ１は、フーリエ変換スペクトル干渉法を用いて干渉パターンＩＰからから放射光ＥＬの時間波形Ｉotr（ｔ）を算出する算出工程Ｓ１ａと、放射光ＥＬの時間波形Ｉotr（ｔ）から電子バンチＥＢのバンチ長を推定する推定工程Ｓ１ｂと、により構成されている。算出工程Ｓ１ａは、変数変換処理Ｓ１０１、逆フーリエ変換処理Ｓ１０２、変数変換処理Ｓ１０３、逆フーリエ変換処理Ｓ１０４、減算処理Ｓ１０５、抽出処理Ｓ１０６、平方根・フーリエ変換処理Ｓ１０７、抽出・シフト処理Ｓ１０８、フーリエ変換・偏角処理Ｓ１０９、加算処理Ｓ１１０、及び逆フーリエ変換処理Ｓ１１１を含んでいる。推定工程Ｓ１ｂは、推定処理Ｓ１１２を含んでいる。なお、推定方法Ｓ１の実施に先行して、演算装置１２は、放射光ＥＬとプローブ光ＰＬとの干渉パターンＩＰ、プローブ光ＰＬのスペクトルもしくはスペクトルの干渉パターンＩＰ’、及び、プローブ光ＰＬの位相分布φpr（ω）を測定装置１１から取得しているものとする。

【0032】

演算装置１２は、放射光ＥＬとプローブ光ＰＬとの干渉パターンＩＰに対して、変数変換処理Ｓ１０１と、逆フーリエ変換処理Ｓ１０２と、を実施する。変数変換処理Ｓ１０１は、変数変換によって、干渉パターンＩＰ（波長領域のスペクトル）を周波数領域のスペクトルS（ω）に変換する処理である。変数変換処理Ｓ１０１において得られる周波数領域のスペクトルＳ（ω）の一例を、図５の（ａ）に示す。逆フーリエ変換処理Ｓ１０２は、逆フーリエ変換によって、周波数領域のスペクトルＳ（ω）を時間領域のスペクトルＳ（ｔ）に変換する処理である。逆フーリエ変換処理Ｓ１０２において得られる時間領域の波形Ｓ（ｔ）の一例を、図５の（ｂ）に示す。

【0033】

また、演算装置１２は、プローブ光ＰＬのスペクトルもしくはスペクトルの干渉パターンＩＰ’に対して、変数変換処理Ｓ１０３と、逆フーリエ変換処理Ｓ１０４と、を実施する。変数変換処理Ｓ１０３は、変数変換によって、プローブ光ＰＬのスペクトルもしくはスペクトルの干渉パターンＩＰ’（波長領域のスペクトル）を周波数領域のスペクトルＳpr（ω）に変換する処理である。変数変換処理Ｓ１０３において得られる周波数領域のスペクトルＳpr（ω）の一例を、図５の（ｃ）に示す。逆フーリエ変換処理Ｓ１０４は、逆フーリエ変換によって、周波数領域のスペクトルＳpr（ω）を時間領域の波形Ｓpr（ｔ）に変換する処理である。逆フーリエ変換処理Ｓ１０４において得られる時間領域の波形Ｓpr（ｔ）の一例を、図５の（ｄ）に示す。

【0034】

なお、演算装置１２は、変数変換処理Ｓ１０３及び逆フーリエ変換処理Ｓ１０４を、変数変換処理Ｓ１０１及び逆フーリエ変換処理Ｓ１０２とパラレルに実施してもよいし、変数変換処理Ｓ１０１及び逆フーリエ変換処理Ｓ１０２の前又は後にシリアルに実施してもよい。

【0035】

次に、演算装置１２は、周波数領域のスペクトルＳ（ｔ）、波形Ｓpr（ｔ）に対して、減算処理Ｓ１０５を実施する。減算処理Ｓ１０５は、時間領域のスペクトルＳ（ｔ）から時間領域の波形Ｓpr（ｔ）を減算することによって、差分「Ｓ（ｔ）－Ｓpr（ｔ）」を算出する処理である。

【0036】

次に、演算装置１２は、差分「Ｓ（ｔ）－Ｓpr（ｔ）」に対して、抽出処理Ｓ１０６と、平方根・フーリエ変換処理Ｓ１０７と、を実施する。抽出処理Ｓ１０６は、差分「Ｓ（ｔ）－Ｓpr（ｔ）」の直流成分を抽出する処理である。差分「Ｓ（ｔ）－Ｓpr（ｔ）」の直流成分は、差分「Ｓ（ｔ）－Ｓpr（ｔ）」に含まれる複数のピークのうちｔ＝０のピークに対応し、放射光ＥＬの電場強度波形｜Ｅotr（ｔ）｜の二乗を表す。抽出処理Ｓ１０６において得られる直流成分｜Ｅotr（ｔ）｜²の一例を、図６の（ａ）に示す。平方根・フーリエ変換処理Ｓ１０７は、差分「Ｓ（ｔ）－Ｓpr（ｔ）」の直流成分｜Ｅotr（ｔ）｜²の平方根をフーリエ変換することによって、放射光ＥＬの電場強度分布｜Ｅotr（ω）｜を算出する処理である。ここで、放射光ＥＬの電場強度分布｜Ｅotr（ω）｜とは、放射光ＥＬの電場強度｜Ｅotr｜の周波数分布のことを指す。平方根・フーリエ変換処理Ｓ１０７において得られる電場強度分布｜Ｅotr（ω）｜の一例を、図６（ｂ）に示す。

【0037】

また、演算装置１２は、差分「Ｓ（ｔ）－Ｓpr（ｔ）」に対して、抽出・シフト処理Ｓ１０８と、フーリエ変換・偏角処理Ｓ１０９と、加算処理Ｓ１１０と、を実施する。抽出・シフト処理Ｓ１０８は、差分「Ｓ（ｔ）－Ｓpr（ｔ）」から、放射光ＥＬとプローブ光ＰＬとの周波数干渉による干渉縞の振動成分を抽出し、時間τだけシフトさせる処理である。これにより、放射光ＥＬとプローブ光ＰＬとの周波数干渉による干渉縞に対応するピークがｔ＝０に現れるスペクトルｆ（ｔ）＝Ｓ（ｔ＋τ）－Ｓpr（ｔ＋τ）が得られる。シフト処理Ｓ１０８において得られるスペクトルｆ（ｔ）の一例を、図６の（ｃ）に示す。フーリエ変換・偏角処理Ｓ１０９は、スペクトルｆ（ｔ）のフーリエ変換で得られる複素数の偏角を取ることによって、プローブ光ＰＬに対する放射光ＥＬの相対位相分布φrel（ω）を算出する処理である。ここで、プローブ光ＰＬに対する放射光ＥＬの相対位相分布φrel（ω）とは、放射光ＥＬの絶対位相φotrとプローブ光ＰＬの絶対位相φprとの差「φotr－φpr」の周波数分布のことを指す。フーリエ変換・偏角処理Ｓ１０９において得られる相対位相分布φrel（ω）の一例を、図６の（ｄ）に示す。加算処理Ｓ１１０は、プローブ光ＰＬに対する放射光ＥＬの相対位相分布φrel（ω）とプローブ光ＰＬの位相分布φpr（ω）とを加算することによって、放射光ＥＬの位相分布φotr（ω）を算出する処理である。ここで、放射光ＥＬの位相分布φotr（ω）とは、放射光ＥＬの絶対位相φotrの周波数分布のことを指す。加算処理Ｓ１１０において参照される位相分布φpr（ω）の一例を、図７の（ａ）に示し、加算処理Ｓ１１０において得られる位相分布φotr（ω）の一例を、図７の（ｂ）に示す。

【0038】

なお、演算装置１２は、抽出・シフト処理Ｓ１０８、フーリエ変換・偏角処理Ｓ１０９、及び加算処理Ｓ１１０を、抽出処理Ｓ１０６、及び平方根・フーリエ変換処理Ｓ１０７とパラレルに実施してもよいし、抽出処理Ｓ１０６、及び平方根・フーリエ変換処理Ｓ１０７の前又は後にシリアルに実施してもよい。

【0039】

最後に、演算装置１２は、電場強度分布｜Ｅotr（ω）｜及び位相分布φotr（ω）に対して、逆フーリエ変換処理Ｓ１１１と、推定処理Ｓ１１２と、を実施する。逆フーリエ変換処理Ｓ１１１は、放射光ＥＬの電場強度分布｜Ｅotr（ω）｜と位相分布φotr（ω）とから決まる放射光のスペクトルＩotr（ω）＝｜Ｅotr（ω）｜ｅ^{ｉφotr（ω）}を逆フーリエ変換することによって、放射光ＥＬの時間波形Ｉotr（ｔ）を算出する処理である。逆フーリエ変換処理Ｓ１１１において得られる時間波形Ｉotr（ｔ）の一例を、図７の（ｃ）に示す。推定処理Ｓ１１２は、放射光ＥＬの時間波形Ｉotr（ｔ）から電子バンチＥＢのバンチ長を推定する処理である。なお、電子バンチＥＢのバンチ長は、放射光ＥＬの時間波形Ｉotr（ｔ）から容易に推定することができる。放射光ＥＬのパルス幅と電子バンチＥＢのバンチ長には、一定の相関が存在するためである。バンチ長の推定には、例えば、放射光ＥＬのパルス幅と電子バンチＥＢのバンチ長との対応関係を与えるテーブルを利用してもよいし、放射光ＥＬのパルス幅を電子バンチＥＢのバンチ長に換算する換算式を利用してもよい。

【0040】

なお、推定方法Ｓ１は、相対位相分布φrel（ω）から電子バンチＥＢのタイミングジッタ―を評価する評価工程を含んでいてもよい。相対位相分布φrel（ω）から電子バンチＥＢのタイミングジッタを評価する方法は、例えば、以下のとおりである。相対位相分布φrel（ω）を１次関数でフィッティングしたときに得られる傾きは、放射光ＥＬとプローブ光ＰＬの時間差に対応する。放射光ＥＬは電子バンチＥＢと同じタイミングで放射されるため、放射光ＥＬとプローブ光ＰＬの時間差は、プローブ光ＰＬに対する電子バンチＥＢのタイミングとなる。すなわち、相対位相分布φrel（ω）を求めることによって、プローブ光ＰＬに対する電子バンチＥＢのタイミングを計測することを複数回行い、そのばらつき（例えば、標準偏差）を求めることで、タイミングジッタを評価することができる。

【0041】

（測定システムの変形例）
測定システム１の変形例について、図８～図１１を参照して説明する。

【0042】

図８は、測定システム１の第１の変形例（以下、測定システム１Ａと記載する）を示すブロック図である。

【0043】

測定システム１は、遷移放射によって電子バンチＥＢから放射光ＥＬを生成するのに対して、本変形例に係る測定システム１Ａは、回折放射によって電子バンチＥＢから放射光ＥＬを生成する。このため、ラジエータ１１１として、電子バンチＥＢが通過する孔の形成された金属板を用いている。また、ミラー１１２として、電子バンチＥＢが通過する孔の形成されたミラーを用いている。測定システム１Ａによれば、電子バンチＥＢを破壊することのない、非破壊測定を行うことができる。

【0044】

図９は、測定システム１の第２の変形例（以下、測定システム１Ｂと記載する）を示すブロック図である。

【0045】

測定システム１は、遷移放射によって電子バンチＥＢから放射光ＥＬを生成するのに対して、本変形例に係る測定システム１Ｂは、チェレンコフ放射によって電子バンチＥＢから放射光ＥＬを生成する。このため、ラジエータ１１１として、誘電体により構成された筒体を用いている。また、ミラー１１２として、電子バンチＥＢが通過する孔の形成されたミラーを用いている。測定システム１Ｂによれば、電子バンチＥＢを破壊することのない、非破壊測定を行うことができる。

【0046】

図１０は、測定システム１の第３の変形例（以下、測定システム１Ｃと記載する）を示すブロック図である。

【0047】

測定システム１は、遷移放射によって電子バンチＥＢから放射光ＥＬを生成するのに対して、本変形例に係る測定システム１Ｃは、スミスパーセル放射によって電子バンチＥＢから放射光ＥＬを生成する。このため、ラジエータ１１１として、回折格子を用いている。また、放射光ＥＬを反射するミラー１１２の位置を変更している。測定システム１Ｃによれば、電子バンチＥＢを破壊することのない、非破壊測定を行うことができる。

【0048】

図１１は、測定システム１の第４の変形例（以下、測定システム１Ｄと記載する）を示すブロック図である。

【0049】

測定システム１は、遷移放射によって電子バンチＥＢから放射光ＥＬを生成するのに対して、本変形例に係る測定システム１Ｄは、シンクロトロン放射によって電子バンチＥＢから放射光ＥＬを生成する。このため、ラジエータ１１１として、磁石を用いている。測定システム１Ｄによれば、電子バンチＥＢを破壊することのない、非破壊測定を行うことができる。

【0050】

（レーザ加速自由電子レーザ装置）
レーザ加速自由電子レーザ装置１０００について、図１２を参照して説明する。図１２は、レーザ加速自由電子レーザ装置１０００の構成を示すブロック図である。

【0051】

レーザ加速自由電子レーザ装置１０００は、レーザ装置１００１と、入射器１００２と、外部電子入射器１００３と、前段加速器１００４と、主加速器１００５と、アンジュレータ１００６と、を備えている。なお、レーザ装置１００１を複数のレーザ装置（例えば、第1、第2のレーザ装置）から構成してもよい。この場合、例えば、第１のレーザ装置から出射された光パルスを第２のレーザ装置で増幅して、出射する。

【0052】

レーザ装置１００１は、入射器１００２に超短パルスレーザＬ１を供給すると共に、前段加速器１００４に超短パルスレーザＬ２を、主加速器１００５に超短パルスレーザＬ３を供給するための構成である。

【0053】

入射器１００２は、超短パルスレーザＬ１により励起された航跡場を用いて電子を加速することによって、電子バンチＥＢ１を生成するための構成である。外部電子入射器１００３は、外部電子ＥＥを前段加速器１００４に供給するための構成である。前段加速器１００４は、超短パルスレーザＬ２により励起された航跡場を用いて電子バンチＥＢ１及び外部電子ＥＥを加速することによって、電子バンチＥＢ１よりも高エネルギーの電子バンチＥＢ２を生成するための構成である。主加速器１００５は、超短パルスレーザＬ３により励起された航跡場を用いて電子バンチＥＢ２を加速することによって、電子バンチＥＢ２よりも高エネルギーの電子バンチＥＢ３を生成するための構成である。

【0054】

アンジュレータ１００６は、電子バンチＥＢ３に周期的な横磁場を印加するための構成である。相対論的な速度に加速された電子バンチＥＢ３が、この横磁場によって正弦軌道を描くことにより、シンクロトロン放射が生じる。このシンクロトロン放射によって生成されるコヒーレント光が、レーザ加速自由電子レーザ装置１０００によって生成される自由電子レーザＦＥＬである。レーザ加速自由電子レーザ装置１０００においては、アンジュレータ１００６により印加される周期的な横磁場の強度を適宜設定することによって、所望の波長の自由電子レーザＦＥＬを得ることができる。

【0055】

上述した測定システム１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄの構成要素（例えば、プローブ光生成装置１０ａ、及び測定装置１１）を、レーザ加速自由電子レーザ装置１０００に組み込むことができる。すなわち、プローブ光生成装置１０ａを超短パルスレーザＬ１、Ｌ２、Ｌ３に設置し、測定装置１１を入射器１００２、前段加速器１００４、及び主加速器１００５の後、もしくは、アンジュレータ１００６の前に組み込むことができる。これにより、電子バンチＥＢ１，ＥＢ２，ＥＢ３のバンチ長をモニタすることが可能になる。また、電子バンチＥＢ１，ＥＢ２，ＥＢ３のバンチ長に応じたレーザ加速自由電子レーザ装置１０００の制御を行うことが可能になる。なお、測定システム１は電子バンチを破壊するタイプのシステムであるが、ラジエータ１１１（例えば、金属板）を電子バンチＥＢ１，ＥＢ２，ＥＢ３の通る経路に出し入れすることによって、電子バンチの計測と利用とを切り替えることができる。

【0056】

（付記事項）
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。

【0057】

〔まとめ〕
本発明の第１の態様に係る測定システムは、パルス状のプローブ光と電子バンチにより放射されるパルス状の放射光とを周波数干渉させることにより生じる干渉パターンを測定する測定装置と、前記測定装置によって測定された干渉パターンから前記電子バンチのバンチ長を推定する演算装置と、を備えている。

【0058】

本発明の第２の態様に係る測定システムは、第１の態様に係る測定システムにおいて、超短パルスレーザの光路を第１の光路と第２の光路とに分岐するビームスプリッタと、前記第２の光路上に配置された光学遅延ユニットを含むプローブ光生成装置を更に備え、前記プローブ光は、前記光学遅延ユニットによって遅延された前記超短パルスレーザである。

【0059】

本発明の第３の態様に係る測定システムは、第２の態様に係る測定システムにおいて、前記第１の光路上にガスジェットを供給するインジェクタを有する電子バンチ生成装置を更に備え、前記電子バンチは、前記超短パルスレーザによって前記ガスジェット中に励起された航跡場によって加速された電子により構成される。

【0060】

本発明の第４の態様に係る測定システムは、第１～第３の態様何れかに係る測定システムにおいて、前記測定装置は、前記放射光と前記プローブ光とを共通の光路上に導くビームコンバイナと、前記共通の光路上に配置されたイメージングスペクトロメータであって、前記干渉パターンを測定する測定するイメージングスペクトロメータと、を含む。

【0061】

本発明の第５の態様に係る測定システムは、第１～第４の態様何れかに係る測定システムにおいて、前記放射光は、ラジアル偏光であり、前記干渉パターンは、空間方向に分離された２つの干渉領域であって、周波数方向に干渉縞が並んだ２つの干渉領域を含む。

【0062】

本発明の第６の態様に係る測定システムは、第１～第５の態様何れかに係る測定システムにおいて、前記測定装置は、遷移放射によって前記電子バンチから前記放射光を生成する金属板を含む。

【0063】

本発明の第７の態様に係る測定システムは、第１～第５の態様何れかに係る測定システムにおいて、前記測定装置は、回折放射によって前記電子バンチから前記放射光を生成する、孔が形成された金属板を含む。

【0064】

本発明の第８の態様に係る測定システムは、第１～第５の態様何れかに係る測定システムにおいて、前記測定装置は、チェレンコフ放射によって前記電子バンチから前記放射光を生成する、誘電体により構成された筒体を含む。

【0065】

本発明の第９の態様に係る測定システムは、第１～第５の態様何れかに係る測定システムにおいて、前記測定装置は、スミスパーセル放射によって前記電子バンチから前記放射光を生成する回折格子を含む。

【0066】

本発明の第１０の態様に係る測定システムは、第１～第５の態様何れかに係る測定システムにおいて、前記測定装置は、シンクロトロン放射によって前記電子バンチから前記放射光を生成する磁石を含む。

【0067】

本発明の第１１の態様に係る測定システムは、第１～第１０の態様何れかに係る測定システムにおいて、前記演算装置は、フーリエ変換スペクトル干渉法を用いて前記干渉パターンから前記放射光の時間波形を算出する算出工程と、前記時間波形から前記電子バンチのバンチ長を推定する推定工程とを実行する。

【0068】

本発明の第１２の態様に係るプログラムは、コンピュータを第１０の態様の演算装置として動作させるためのプログラムであって、前記コンピュータに前記算出工程と前記推定工程とを実行させる。

【0069】

本発明の第１３の態様に係る記録媒体は、第１２の態様のプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体である。

【0070】

本発明の第１４の態様に係る測定方法は、パルス状のプローブ光と電子バンチにより放射されるパルス状の放射光とを周波数干渉させることにより生じる干渉パターンを測定する測定工程と、前記測定工程において測定された干渉パターンから前記電子バンチのバンチ長を推定する推定工程と、を含んでいる。

【0071】

本発明の第１５の態様に係るレーザ加速自由電子レーザ装置は、レーザ装置と、前記レーザ装置によって生成されたレーザ光によって励起された航跡場を用いて電子バンチを加速する加速器と、前記加速器によって加速された電子バンチに周期的な横磁場を印加することによって自由電子レーザを生成するアンジュレータと、を備え、第１、第２、及び、第４～第１１の態様何れか（従属先が態様３を除く）の測定システムが前記加速器に組み込まれている。

【符号の説明】

【0072】

１ 測定システム
１０ａ プローブ光生成装置
１０ｂ 電子バンチ生成装置
１０１ ビームスプリッタ
１０２ ミラー
１０３ 光学遅延ユニット
１０４ 高速ガスバルブ（インジェクタ）
１１ 測定装置
１１１ ラジエータ
１１２ ミラー
１１３ ビームコンバイナ
１１４ イメージングスペクトロメータ
１２ 演算装置
１２１ メモリ
１２２ プロセッサ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】