JP4276323B2 - Terahertz wave generator - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、周波数1THz(テラヘルツ)周辺の電磁波であるテラヘルツ波発生装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
周波数1THz(テラヘルツ)周辺の電磁波領域(テラヘルツ波領域、例えばおよそ100GHz〜10THz、あるいはさらにその周辺領域を含んだ広い周波数領域を指す)は、光波と電波の境界に位置する周波数領域であり、テラヘルツ波は、例えば赤外の分光やイメージングへの応用等に有効である。このような周波数領域は光源や検出器などの開発が比較的遅れており、技術面でも応用面でも未開拓の部分が多い。特に、産業上の応用という点から言えば、小型かつ簡便な光源であるテラヘルツ波発生装置が不可欠であるが、近年、光スイッチ素子を用いたそのような光源の開発が進められつつある。電気回路の発振器による方法ではテラヘルツ波領域の電磁波発生は難しいが、パルス状の光を用いて電流を変調することによって、この領域の電磁波発生の光源を実現することができる(文献として、例えば、「レーザー研究26巻7号 pp.515−521 (1998)」がある)。
【0003】
図5に、テラヘルツ波発生に従来用いられている光スイッチ素子1の一例の構成図を示す。この光スイッチ素子1では、GaAsなど高速応答する半導体の基板15と低温成長GaAsなどの光伝導薄膜16上に伝送線路12a及び12bからなる平行伝送線路12が形成され、その中央部分に微小ダイポールアンテナからなる単一の光スイッチ10が設けられている。光スイッチ10の中央には、例えば数μm程度の微小なギャップ11があり、ギャップ11には直流電源17によって適当な電圧が印加される。
【0004】
このギャップ11間に半導体のバンドギャップよりも高いエネルギーのレーザ光を例えば光パルスとして入射すると、半導体中に自由キャリアが生成されてパルス状の電流が流れ、このパルス状の電流によってパルス状にテラヘルツ波が発生される。また、2波長のレーザ光を光スイッチ10に入射し、その差周波を利用することによって連続テラヘルツ波を発生することができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上記したような連続テラヘルツ波の発生装置としては、例えば「Appl. Phys. Lett. 70 (5), pp.559−561 (1997)」に開示されているものがある(図6)。この装置においては、2波長のレーザ光の光源としてそれぞれ異なる波長成分のレーザ光を供給する2台の半導体レーザ9a、9bを用いている。半導体レーザ9a、9bからのレーザ光は、それぞれレンズ91及びアイソレータ92を含む光学系を介して光ファイバ93a、93bに入射され結合器94で合成されて、光ファイバ95a、及びチョッパ96等を含む光学系を介して光スイッチ素子1に入射される。
【0006】
ここで、光スイッチ素子1の光スイッチは光混合器として機能する。このとき、光スイッチはレーザ光の2波長成分の差周波数に対して応答し、差周波数による電磁波として連続テラヘルツ波が発生される。なお、図6に示した装置においては、光スイッチ素子1で発生したテラヘルツ波は出射レンズ1aを介して出力され、2つの放物面鏡1cによってボロメータ1dに入射されて検出・測定される。また、結合器94からの光は光ファイバ95bを介してスペクトルアナライザー97にも入射されて、その波長分布等が測定されている。
【0007】
テラヘルツ波発生装置を分光用等の光源として応用する場合、分光測定のSN比及び測定精度を向上するためには、得られるテラヘルツ波の出力強度を大きくすることが必要である。ここで、上記した装置において励起光源として用いられている半導体レーザは、温度や駆動電流で発振波長を可変できるなどの利点があるが、得られるテラヘルツ波の出力を大きくすることができない。例えば、上記した装置においては、半導体レーザ9a、9bの波長可変範囲は810〜830nm、最大合計パワーは50mWであって、このとき得られるテラヘルツ波は、その周波数については約9THzを上限とし、また、最大出力強度は約10nWである。
【0008】
本発明は、以上の問題点に鑑みてなされたものであり、大強度のテラヘルツ波を出力することが可能なテラヘルツ波発生装置を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明によるテラヘルツ波発生装置は、励起光源と、少なくとも1つの光スイッチを有する光スイッチ素子とを備え、励起光源からの励起光が光スイッチ素子に入射されることによってテラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生装置であって、励起光源は、レーザ媒質励起手段と、主共振器と、2波長設定手段とを含み、異なる2つの波長成分を有するレーザ光を励起光として供給する2波長発振レーザを備えて構成され、主共振器は、レーザ媒質励起手段により励起されるレーザ媒質と、少なくとも2つの共振器鏡と、2波長設定手段への光の入出力を行う光入出力手段とを有し、いずれか1つの共振器鏡が光入出力手段として機能するように構成され、2波長設定手段は、第1の波長成分の光を選択的に主共振器へ戻す第1の副共振器と、第1の波長成分とは異なる第2の波長成分の光を選択的に主共振器へ戻す第2の副共振器と、光入出力手段と第1の副共振器及び第2の副共振器との間に設置される光分岐器とを有するとともに、第1の副共振器及び第2の副共振器は、光入出力手段からの光のうち、それぞれ第1の波長成分及び第2の波長成分を選択する波長選択手段と、波長選択された光を光入出力手段を介して主共振器へ戻すための光フィードバック手段とを有し、レーザ媒質励起手段、主共振器、または2波長設定手段のいずれかに、励起光となるレーザ光を2波長発振レーザから出力する光出力手段が設けられており、第1の副共振器及び第2の副共振器の波長選択手段の少なくとも一方は、その選択波長が可変であるように構成された可変波長選択手段であることを特徴とする。
【0010】
上記した装置では、2波長成分の光を光スイッチに入射し、その差周波から連続テラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生装置において、励起光として用いられる2波長成分の光を2波長発振レーザによって供給している。この2波長発振レーザは、固体レーザ媒質などのレーザ媒質を有する主共振器に、2つの副共振器を併設して構成されており、2波長設定手段におけるこれら2つの副共振器は、主共振器からの光のうちそれぞれ異なる波長成分を選択して主共振器内に戻す。これによって、テラヘルツ波の発生に利用可能な2波長成分のレーザ光を効率的に生成・供給することができ、したがって、大出力強度のテラヘルツ波を得ることが可能となる。
【0011】
ここで、2波長発振レーザのレーザ媒質は、チタンサファイアであることが好ましい。これによって、得られるテラヘルツ波の出力強度を特に高めることができる。また、例えば上述した半導体レーザを用いた従来装置では、半導体レーザの波長可変範囲(ゲインバンド幅)が狭いため、その差周波数によって得られるテラヘルツ波の周波数の選択範囲が狭くなってしまう。これに対して、波長可変範囲の広いチタンサファイアレーザを用いることによって、広い周波数範囲でテラヘルツ波の周波数を設定することが可能となる。
【0012】
また、第1の副共振器及び第2の副共振器の波長選択手段の少なくとも一方は、その選択波長が可変であるように構成された可変波長選択手段であることを特徴としても良い。
【0013】
さらに、第1の副共振器及び第2の副共振器の少なくとも一方は、主共振器へ戻す波長選択された光の光量を調整するための光量調整手段を有することを特徴としても良い。
【0014】
このように、2波長成分の光について、その一方または両方の対応する副共振器に選択波長または光量を可変とする手段を設置することによって、2波長成分の差周波数・光量比等を可変として、得られるテラヘルツ波の周波数や、その発生効率等を変更することができる構成とすることができる。
【0015】
また、2波長発振レーザは、レーザ光の波長・強度分布を測定するレーザ光測定手段と、レーザ光測定手段による測定結果に基づいて得られるテラヘルツ波のモニターまたは装置各部の制御を行う制御手段とを有することを特徴とする。
【0016】
周波数分布等の測定が困難なテラヘルツ波に対して、テラヘルツ波を直接測定するのではなく励起光であるレーザ光の2波長成分を測定し、その差周波数を制御手段によって求めることによってテラヘルツ波の波長等をモニターすることができる。また、その測定結果に基づいて装置各部を制御することも可能となる。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、図面と共に本発明によるテラヘルツ波発生装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【0018】
図1は、本発明に係るテラヘルツ波発生装置の第1の実施形態を示す構成図である。このテラヘルツ波発生装置においては、光スイッチ(図示していない)が形成されている光スイッチ素子1に入射される励起光を出力する励起光源として2波長発振レーザ2が用いられている。2波長発振レーザ2から出力された2つの異なる波長成分を有するレーザ光は、集光レンズ1bを介して励起光として光スイッチ素子1に入射される。光スイッチ素子1の微小ダイポールアンテナからなる光スイッチには微小なギャップ(例えば5μm)が形成されており、このギャップにはバイアス電源17によって所定の電圧が印加されている。
【0019】
このとき、光スイッチ素子1の光スイッチは光混合器として機能するが、この2波長成分を有するレーザ光に対する光スイッチの応答は、2波長成分の和周波数には追従できず、その差周波数に応答し差周波数による電磁波が放射される。この差周波数は例えば0〜数THz程度に相当し、これによって連続テラヘルツ波が得られる。なお、励起される光電流は励起光である2波長発振レーザ2からのレーザ光強度に比例し、したがって、入射電界の2乗に比例する。
【0020】
発生された連続テラヘルツ波は、出射レンズ1aを介して外部の測定系等に向けて出射される。なお、光スイッチ素子1については、単一の光スイッチを有する構成のみでなく、例えば複数の光スイッチからなる1次元または2次元の光スイッチアレイを有する構成など、様々な光スイッチ素子を用いることができる。このとき、励起光の光スイッチ素子への入射光学系については、図1に示した単一の集光レンズ1bに限られず、各光スイッチに対応させるなどして様々な構成による光学系を用いることができる。また、例えば光ファイバを入射光学系に用いても良い。
【0021】
本実施形態によるテラヘルツ波発生装置に用いられる2波長発振レーザ2は、レーザ媒質励起手段である励起用レーザ3と、レーザ光を発生させる主共振器4と、第1副共振器6及び第2副共振器7を有する2波長設定手段5と、を有して構成されている。
【0022】
レーザ媒質励起手段としては、ここでは励起用レーザ3が用いられる。なお、レーザ媒質励起手段としては例えば電流、放電、Arレーザなどの気体レーザ光、半導体レーザ、フラッシュランプ光、色素レーザ等を用いることができる。励起用レーザ3から出力された励起用レーザ光は、主共振器4へと入力される。
【0023】
主共振器4は、レーザ媒質40、2つの共振器鏡41、42、及び凹面反射鏡からなる反射鏡43、44を有して構成されている。反射鏡43としては、励起用レーザ光に相当する波長成分の光を高率で透過するとともに、主共振器4内において形成されるレーザ光に相当する波長成分の光を高率で反射するものが用いられる。反射鏡44についても、同様に主共振器4内において形成されるレーザ光に相当する波長成分の光を高率で反射するものが用いられている。このような構成によって、励起用レーザ3からの励起用レーザ光が効率的にレーザ媒質40へと入射されて、レーザ媒質40の励起が行われる。
【0024】
ここで、レーザ媒質40としては例えばチタンサファイアを用いることが好ましい。代表的な固体レーザの1つであるチタンサファイアレーザは、波長帯域が680〜1100nm程度と最も広く、波長可変レーザやフェムト秒レーザとして広く利用されている。なお、使用する波長帯域等の条件によって、様々な媒質をレーザ媒質40として用いることが可能である。例えば、Ti3+ドープ結晶であるチタンサファイア以外の固体レーザ媒質としては、クロムフォルステライトやCr:YAGなどのCr4+ドープ結晶、アレキサンドライトやエメラルドなどのCr3+ドープ結晶、またV2+ドープ結晶などがある。
【0025】
共振器鏡41は、励起されたレーザ媒質40からの誘導放出光によって形成されるレーザ光の大部分を反射(例えば99.2%)してレーザ光を閉じ込める。また、この共振器鏡41は、そのレーザ光の一部を所定の割合で透過させて2波長設定手段5へと出力し、また2波長設定手段5によって波長選択された光を主共振器4へと入力させる光入出力手段としても機能する。
【0026】
一方、共振器鏡42は、共振器鏡41と同様にレーザ光の大部分を反射(例えば99.2%)してレーザ光を閉じ込めるとともに、そのレーザ光の一部を所定の割合で透過させて2波長発振レーザ2の外部、本装置においては光スイッチ素子1の方向、へと出力させる光出力手段としても機能している。なお、この主共振器4は、2波長設定手段5を設置しない場合においてもレーザ発振する構成とされている。
【0027】
光入出力手段として機能する共振器鏡41を介して2波長設定手段5へと入射された光は、ハーフミラーまたはビームスプリッター等からなる光分岐器51によって分岐されて、それぞれ対称に構成された第1副共振器6及び第2副共振器7へと入射される。
【0028】
第1副共振器6は、入射した光のうち第1の波長成分(波長λ1とする)を選択して主共振器4へと戻すものであって、プリズム61、及び光フィードバック手段である全反射鏡62を有して構成されている。また、第2副共振器7は、入射した光のうち第1の波長成分と異なる第2の波長成分(波長λ2とする)を選択して主共振器4へと戻すものであって、プリズム71、及び光フィードバック手段である全反射鏡72を有して構成されている。なお、それぞれの選択波長λ1、λ2は、プリズム61、71、及び全反射鏡62、72の構成・配置によって決定されるので、第1副共振器6においてはプリズム61及び全反射鏡62、第2副共振器7においてはプリズム71及び全反射鏡72がそれぞれの波長選択手段となる。
【0029】
本実施形態においては、第1副共振器6のプリズム61及び全反射鏡62は固定されており、したがって、選択波長λ1は固定される。これに対して、第2副共振器7では全反射鏡72が図中に矢印で示した方向に回転ステージ等によって回転可能なように構成されている。このとき、全反射鏡72の角度によって主共振器4へと戻るレーザ光成分の波長が変化するので、したがって選択波長λ2は可変とされている。
【0030】
さらに、第2副共振器7においては、主共振器4へと戻される光量を調整するための光量調整手段である可変減衰フィルター73が設けられている。可変減衰フィルター73としては、例えば、濃度を徐々に変化させたクロム等の蒸着膜が形成された円盤状のガラスを回転させることによって減衰量を調整・変更する回転駆動式の可変NDフィルターなどを用いることができる。
【0031】
以上の構成によって、主共振器4から2波長設定手段5に入射された光は、第1副共振器6または第2副共振器7に入射され、波長λ1またはλ2の2波長成分が選択されて、主共振器4へと再び入力される。このような動作によって、最終的に主共振器4内に波長λ1及びλ2の2波長成分を有するレーザ光が形成されて、光出力手段として機能する共振器鏡42から光スイッチ素子1へと出射される。
【0032】
上記した構成の2波長発振レーザ2においては、形成されるレーザ光における2波長成分のそれぞれの波長及び強度比等について測定・モニターするため、レーザ光測定手段であるスペクトラムアナライザー23が設置されている。すなわち、レーザ光の一部が2波長設定手段5中に設置された光分岐器51によって分岐されて入射レンズ21を介して光ファイバ22に入射され、スペクトラムアナライザー23に導光される。
【0033】
このスペクトラムアナライザー23はさらに制御装置24に接続されており、制御装置24によってスペクトラムアナライザー23の動作が制御されるとともに、スペクトラムアナライザー23による測定結果が制御装置24に送られる。制御装置24は、この測定結果に基づいて、本実施形態においては第2副共振器7の全反射鏡72及び可変減衰フィルター73を駆動制御して、これによって、レーザ光の波長、強度比等の特性のモニターと、その測定結果に基づいた2波長発振レーザ2から得られるレーザ光の制御・調整が実現される。
【0034】
なお、第1副共振器6及び第2副共振器7における波長選択手段については、上記したプリズムを用いる方法に限らず、様々な方法を用いることができる。図2は、図1に示した実施形態についての第1副共振器6の変形例を示す。この第1副共振器6はAOTF(acousto-optical tunable filter、音響光学波長可変フィルター)64を有して構成されている。
【0035】
このAOTF64にはRFドライバー64aから所定の周波数f1の駆動信号が供給されており、これによりAOTF64内に生じた音響波によって波長λ1のレーザ光成分のみが偏向される。この波長成分は補償プリズム65の通過時に角度が変えられて、全反射鏡62に垂直に入射して、選択波長λ1の光成分が選択される。第2副共振器7についても、同様にAOTFを用いた構成としても良い。このとき、RFドライバーから供給される周波数を変化させることによって、選択波長を可変とすることができる。この場合、制御装置24はRFドライバー等を制御する構成とされる。
【0036】
以下に、本実施形態によるテラヘルツ波発生装置の効果を説明する。
【0037】
上記したテラヘルツ波発生装置では、励起光源として、2つの副共振器6、7によって2波長成分を選択する2波長発振レーザ2を用いている。主共振器と副共振器とを備えたレーザ装置については、特開平5−226749号公報及び「光学25巻9号 pp.505−511 (1996)」に示された波長選択自己注入同期法を用いた波長可変レーザがある。この波長可変レーザにおいては、例えば822〜922nmの広い波長範囲に対して大きな出力が得られている。
【0038】
ただし、このレーザ装置は単一の副共振器によってレーザ光を波長可変とするものである。これに対して、本実施形態によるテラヘルツ波発生装置に用いられる2波長発振レーザ2は、選択波長の可変性ではなく、2波長の選択波長の併存・同時供給とそれによる差周波数でのテラヘルツ波の発生を目的とし、これを2つの副共振器を併設することによって実現するものである。
【0039】
また、従来の2波長発振レーザとしては、「第59回応用物理学会学術講演会(1998秋), 17p−P2−19」に示されたAOTFを用いた電子制御2波長発振レーザがある。上記の装置においては、副共振器は設けられておらず、主共振器内に設置されたAOTFにRFドライバーから2つの異なる周波数f1、f2からなる駆動信号が供給され、これによって2つの異なる波長λ1、λ2の波長成分が選択される。なお、AOTFによるレーザでの波長選択については、例えば「Optics Lett., Vol.21, No.10, pp.731-733 (1996)」に記載されている。
【0040】
このような装置においては、主共振器内に2波長を選択する手段であるAOTFを設置するために、AOTFに2つの周波数の信号を同時に供給している。この場合、特に2つの選択波長が近いときにAOTF内で異常な共振ビートが生じるなど動作が不安定となる。これに対して、本実施形態における2波長発振レーザ2では主共振器4とは別に2波長設定手段5を設け、この2波長設定手段5内に2つの副共振器6、7を設置して波長選択を行っている。これによって、2波長での発振を安定に行うことが可能となるとともに、波長選択手段についても様々な手段を適用することができる。
【0041】
また、2つの選択波長λ1、λ2に対してそれぞれ別個に副共振器6、7を設けているので、それぞれの波長及び強度比等をそれぞれ別個・独立に設定可能である。このことは、テラヘルツ波の発生・制御を効率的に行う上で特に重要である。さらに、例えば一方または両方の副共振器に可動の全反射鏡や可変NDフィルターなどを設置することによって、2波長成分の差周波数や強度比等の相関を可変に制御することが可能である。
【0042】
なお、2波長発振レーザをテラヘルツ波発生装置に用いる場合には、2波長成分の差周波数のみが重要となるので、一方の副共振器に可変波長選択手段等を設置することによって、テラヘルツ波の制御が可能である。
【0043】
上記した実施形態では、第2副共振器は、全反射鏡72が回転可能に設置されることによって、選択波長λ2が可変である波長選択手段の構成とされている。これによって、選択波長λ1の光の周波数と、選択波長λ2の光の周波数との差周波数によって生成されるテラヘルツ波の周波数を可変とすることができる。なお、得られるテラヘルツ波の波長をλとすると、1/λ=|1/λ1−1/λ2|が成り立つ。例えば、λ1=800nm、λ2=810nmとすると得られるテラヘルツ波はλ=65μm(周波数4.6THz)、また、λ1=800nm、λ2=880nmとすると得られるテラヘルツ波はλ=8.8μm(周波数34THz)である。
【0044】
ここで、チタンサファイアレーザは例えば半導体レーザと比べてその出力パワーが非常に大きく、したがって、大出力強度のテラヘルツ波を得ることが可能となる。また、チタンサファイアレーザはその波長帯域が広く、したがって取りうる2波長成分の差周波数の範囲が広い。すなわち、様々な波長(周波数)のテラヘルツ波を発生させる装置構成を実現することが可能であり、特に従来の装置に比べて差周波数を大きくして、短波長(高周波数)のテラヘルツ波を得ることが可能である。
【0045】
例えば波長帯域幅が750〜950nmの200nmであるとすると、λ=3.6μm(周波数83THz)程度までのテラヘルツ波を発生させることが可能である。ただし、光スイッチ素子1に形成される光スイッチの応答速度によって、得られるテラヘルツ波の周波数の上限は一般には数10THz程度に制限される。なお、チタンサファイア以外の媒質を用いた場合においても、同様に出力の大強度化、波長帯域の広範囲化が可能である。
【0046】
さらに、上記のように励起光である2波長成分のレーザ光のうち、一方の選択波長を上記のように可変とすることによって、広い波長(周波数)範囲についてその周波数分布等の特性が可変なテラヘルツ波発生装置とすることができる。なお、得られるテラヘルツ波の周波数分布を変更する必要がない場合には、第1副共振器6及び第2副共振器7の波長選択手段をともに固定した構成としても良い。また、可変減衰フィルター73については、2波長成分の光量比を変更する必要がない場合には、その減衰率が固定されたNDフィルターなどの減衰フィルターとしても良い。また、減衰フィルターを設けない構成とすることも可能である。
【0047】
また、得られるテラヘルツ波の周波数等の特性及びその制御について、本実施形態においてはスペクトラムアナライザー23を用いて2波長発振レーザ2から得られるレーザ光を測定し、その測定結果から制御装置24で差周波数を計算して、発生される赤外光であるテラヘルツ波の波長を決定する。赤外波長領域においては、効率的な分光器や光検出器がなく、したがって、テラヘルツ波の波長等をモニターすることは困難である。これに対して、波長800nm前後のレーザ光の測定によってテラヘルツ波の波長を決定する方法を用いることによって、高感度での検出が可能となる。また、このモニターの結果に基づいて2波長発振レーザ2を制御しているので、外部環境等が変動してもテラヘルツ波の波長を安定に保つことができる。
【0048】
図3は、本発明に係るテラヘルツ波発生装置の第2の実施形態を示す構成図である。
【0049】
本実施形態における主共振器4は、レーザ媒質40、レーザ媒質40の一方の端面にコーティングによって形成された共振器鏡面41a、及び凹面反射鏡である共振器鏡42を有して構成されている。共振器鏡面41aは、励起用レーザ3からの励起用レーザ光を透過し、形成されるレーザ光を全反射するように形成される。また、共振器鏡42は、レーザ光の一部を所定の割合で2波長設定手段5へと透過させる光入出力手段としても機能している。この場合、主共振器4の構成は第1の実施形態に比べて簡単化されている。
【0050】
2波長設定手段5へと入射された光は、コリメートレンズ52を通過した後、光分岐器51によって分岐される。第1副共振器6及び第2副共振器7は同一の構成とされており、それぞれプリズム61、71、全反射鏡62、72、及び可変減衰フィルター63、73を有して構成されている。また、全反射鏡62、72はいずれも回転可能とされており、したがって、本実施形態においては2つの選択波長λ1及びλ2、及びそれらの光量がいずれも可変な構成となっている。これによって、より細かい条件調整が可能となる。特に、2つの選択波長が大きく異なった構成とした場合、最も高いレーザ出力強度が得られる波長を中心とし、その両側に2つの選択波長を設定することによって、常に大出力でのテラヘルツ波を得ることが可能となる。
【0051】
また、光分岐器51がレーザ光を光スイッチ素子1の方向へと出力する光出力手段として機能している。このように、2波長設定手段5内からレーザ光を出力する構成とすることによって、主共振器4中のレーザパワーをより高く保つことができる。
【0052】
このとき、出力光の一部がハーフミラーなどの光分岐器25によって分岐され、入射レンズ21及び光ファイバ22を介してスペクトラムアナライザー23に入力されてレーザ光についての測定が行われる。また、制御装置24は、第1副共振器6に設置された全反射鏡62及び可変減衰フィルター63と、第2副共振器7に設置された全反射鏡72及び可変減衰フィルター73とを制御して、レーザ光の2波長成分の波長及び強度比制御を行っている。
【0053】
図4は、本発明に係るテラヘルツ波発生装置の第3の実施形態を示す構成図である。
【0054】
本実施形態においては、主共振器4については第2の実施形態と同様の構成とされている。一方、2波長設定手段5については、第1副共振器6及び第2副共振器7に減衰フィルターが設置されておらず、全反射鏡62、72が回転可能であるとともに、移動ステージ上に設置されるなどして光路軸方向について可動に設置されている。
【0055】
このとき、プリズム61、71からの距離が大きくなるように全反射鏡62、72を移動すると、プリズムでの分光のときにより狭い波長範囲の光が主共振器4へと戻るようになり、光量が減少されるので、これによって減衰フィルターと同様に光量調整手段として機能させることができる。この場合、副共振器6、7の構成がより簡単化される。また、制御装置24は全反射鏡62、72を制御して、レーザ光の2波長成分の波長及び強度比制御を行っている。
【0056】
また、コリメートレンズ52と光分岐器51との間に、さらに光スイッチ素子1への光出力手段として光分岐器53が設置されている。また、光スイッチ素子1とは反対の方向へと出射された光は、反射鏡54によって全反射されて、共振器内に戻るか、または光スイッチ素子1へと出力される。
【0057】
本発明によるテラヘルツ波発生装置は、上記した実施形態に限られるものではなく、様々な構成とすることが可能である。2波長発振レーザ2については、主共振器4、副共振器6、7ともに、エタロン、グレーティング、複屈折フィルター、干渉フィルターなどの他の光学要素を使用するなどして、様々に変形することができる。
【0058】
また、光出力手段についても、上記した実施形態に示したもの以外に様々な構成とすることができる。例えば、形成されたレーザ光の一部を励起用レーザ3側に出力して、そこから外部に出力する構成とすることも可能である。また、主共振器4内にハーフミラーを設置することもできる。
【0059】
また、制御手段24は、例えばさらに表示装置及び入力装置に接続して、表示された測定結果に基づいて操作者が入力装置を介して制御条件を指定する構成とするなど、様々な構成が可能である。
【0060】
【発明の効果】
本発明によるテラヘルツ波発生装置は、以上詳細に説明したように、次のような効果を得る。すなわち、連続テラヘルツ波の発生に用いる2波長成分を有するレーザ光を、2台の半導体レーザ等を用いるのではなく、2つの副共振器を有する2波長発振レーザとすることによって、2波長のレーザ光の生成を効率化して得られるテラヘルツ波の出力を大強度化することができる。
【0061】
特に、2波長発振レーザを、主共振器内において2波長成分を選択するのではなく、各波長成分に対して別個に副共振器を設けて波長選択を行う構成とすることによって、それぞれの波長成分を安定的に発生させてテラヘルツ波の発生を良好な条件によって行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るテラヘルツ波発生装置の第1の実施形態を示す構成図である。
【図2】第1副共振器の変形例を示す構成図である。
【図3】本発明に係るテラヘルツ波発生装置の第2の実施形態を示す構成図である。
【図4】本発明に係るテラヘルツ波発生装置の第3の実施形態を示す構成図である。
【図5】光スイッチを用いたテラヘルツ波の発生方法を説明する図である。
【図6】従来のテラヘルツ波発生装置の一例を示す構成図である。
【符号の説明】
1…光スイッチ素子、1a…出射レンズ、1b…集光レンズ、
2…2波長発振レーザ、21…入射レンズ、22…光ファイバ、23…スペクトラムアナライザー、24…制御装置、25…光分岐器、
3…励起用レーザ、4…主共振器、40…レーザ媒質、41、42…共振器鏡、41a…共振器鏡面、43、44…反射鏡、
5…2波長設定手段、51…光分岐器、52…コリメートレンズ、53…光分岐器、54…反射鏡、6…第1副共振器、61…プリズム、62…全反射鏡、63…可変減衰フィルター、64…AOTF、64a…RFドライバー、65…補償プリズム、7…第2副共振器、71…プリズム、72…全反射鏡、73…可変減衰フィルター。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a terahertz wave generator that is an electromagnetic wave around a frequency of 1 THz (terahertz).
[0002]
[Prior art]
An electromagnetic wave region around a frequency of 1 THz (terahertz) (terahertz wave region, for example, approximately 100 GHz to 10 THz, or a wide frequency region including the surrounding region) is a frequency region located at the boundary between light waves and radio waves, and is terahertz. Waves are effective for applications such as infrared spectroscopy and imaging. In such a frequency range, development of light sources and detectors is relatively delayed, and there are many undeveloped parts in both technical and application aspects. In particular, in terms of industrial application, a terahertz wave generator, which is a small and simple light source, is indispensable. In recent years, development of such a light source using an optical switch element is being promoted. Although it is difficult to generate electromagnetic waves in the terahertz wave region by a method using an electric circuit oscillator, a light source for generating electromagnetic waves in this region can be realized by modulating current using pulsed light (for example, as a reference, for example, "Laser Research Vol. 26, No. 7, pp.515-521 (1998)").
[0003]
FIG. 5 shows a configuration diagram of an example of an optical switch element 1 conventionally used for generating terahertz waves. In this optical switch element 1, a parallel transmission line 12 comprising transmission lines 12a and 12b is formed on a semiconductor substrate 15 such as GaAs that responds at high speed and a photoconductive thin film 16 such as low-temperature grown GaAs, and a minute dipole antenna is formed at the center thereof. A single optical switch 10 is provided. In the center of the optical switch 10, there is a minute gap 11 of about several μm, for example, and an appropriate voltage is applied to the gap 11 by a DC power source 17.
[0004]
When laser light having an energy higher than the band gap of the semiconductor is incident as an optical pulse between the gaps 11, for example, free carriers are generated in the semiconductor and a pulsed current flows, and the pulsed current causes the terahertz to pulse. A wave is generated. Further, a continuous terahertz wave can be generated by making two-wavelength laser light incident on the optical switch 10 and utilizing the difference frequency.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
As a device for generating a continuous terahertz wave as described above, there is one disclosed in, for example, “Appl. Phys. Lett. 70 (5), pp. 559-561 (1997)” (FIG. 6). In this apparatus, two semiconductor lasers 9a and 9b that supply laser beams having different wavelength components are used as light sources for two-wavelength laser beams. The laser beams from the semiconductor lasers 9a and 9b are incident on the optical fibers 93a and 93b through the optical system including the lens 91 and the isolator 92, and are combined by the coupler 94, and include the optical fiber 95a and the chopper 96. The light enters the optical switch element 1 through the optical system.
[0006]
Here, the optical switch of the optical switch element 1 functions as an optical mixer. At this time, the optical switch responds to the difference frequency of the two wavelength components of the laser light, and a continuous terahertz wave is generated as an electromagnetic wave due to the difference frequency. In the apparatus shown in FIG. 6, the terahertz wave generated by the optical switch element 1 is output through the output lens 1a, and is incident on the bolometer 1d by the two parabolic mirrors 1c, and is detected and measured. The light from the coupler 94 is also incident on the spectrum analyzer 97 via the optical fiber 95b, and its wavelength distribution and the like are measured.
[0007]
When the terahertz wave generator is applied as a light source for spectroscopy, it is necessary to increase the output intensity of the obtained terahertz wave in order to improve the SN ratio and measurement accuracy of the spectroscopic measurement. Here, the semiconductor laser used as the excitation light source in the above-described apparatus has an advantage that the oscillation wavelength can be varied by temperature and driving current, but the output of the obtained terahertz wave cannot be increased. For example, in the above-described apparatus, the wavelength variable range of the semiconductor lasers 9a and 9b is 810 to 830 nm, the maximum total power is 50 mW, and the terahertz wave obtained at this time has an upper limit of about 9 THz for the frequency. The maximum output intensity is about 10 nW.
[0008]
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a terahertz wave generator capable of outputting a high-intensity terahertz wave.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve such an object, a terahertz wave generator according to the present invention includes a pumping light source and an optical switch element having at least one optical switch, and pumping light from the pumping light source is incident on the optical switch element. The terahertz wave generating device generates a terahertz wave by an excitation light source including a laser medium excitation unit, a main resonator, and a two-wavelength setting unit, and pumps laser beams having two different wavelength components. The main resonator includes a laser medium pumped by the laser medium pumping means, at least two resonator mirrors, and input / output of light to the two-wavelength setting means. Optical input / output means to perform, Any one of the resonator mirrors is configured to function as an optical input / output unit, The two-wavelength setting means selectively selects the first sub-resonator that selectively returns the light having the first wavelength component to the main resonator and the light having the second wavelength component that is different from the first wavelength component. A second sub-resonator returning to the resonator; an optical input / output means; and an optical branching device disposed between the first sub-resonator and the second sub-resonator. And a second sub-resonator are wavelength selection means for selecting the first wavelength component and the second wavelength component, respectively, of the light from the light input / output means, and the light input / output means for selecting the wavelength-selected light. An optical feedback means for returning to the main resonator via the laser, and outputting laser light as excitation light from the two-wavelength oscillation laser to either the laser medium excitation means, the main resonator, or the two-wavelength setting means Optical output means is provided to reduce the wavelength selection means of the first sub-resonator and the second sub-resonator. One and also is characterized by its selective wavelength is variable wavelength selection unit that is configured to be variable.
[0010]
In the above-described apparatus, in a terahertz wave generating apparatus that makes light of two wavelength components incident on an optical switch and generates a continuous terahertz wave from the difference frequency, light of two wavelength components used as excitation light is supplied by a two-wavelength oscillation laser. is doing. This two-wavelength oscillation laser is configured by arranging two sub-resonators in combination with a main resonator having a laser medium such as a solid-state laser medium, and these two sub-resonators in the two-wavelength setting means are main resonances. A different wavelength component is selected from the light from the resonator and returned to the main resonator. This makes it possible to efficiently generate and supply laser light having two wavelength components that can be used to generate a terahertz wave, and therefore, it is possible to obtain a terahertz wave having a high output intensity.
[0011]
Here, the laser medium of the two-wavelength laser is preferably titanium sapphire. Thereby, the output intensity of the obtained terahertz wave can be particularly increased. For example, in the conventional apparatus using the above-described semiconductor laser, the wavelength variable range (gain bandwidth) of the semiconductor laser is narrow, so that the selection range of the frequency of the terahertz wave obtained by the difference frequency is narrowed. On the other hand, by using a titanium sapphire laser with a wide wavelength variable range, the frequency of the terahertz wave can be set in a wide frequency range.
[0012]
Further, at least one of the wavelength selecting units of the first sub-resonator and the second sub-resonator may be a variable wavelength selecting unit configured such that the selected wavelength is variable.
[0013]
Further, at least one of the first sub-resonator and the second sub-resonator may include a light amount adjusting means for adjusting the light amount of the wavelength-selected light that is returned to the main resonator.
[0014]
In this way, with respect to light of two wavelength components, by setting means for changing the selected wavelength or light quantity in one or both of the corresponding sub-resonators, the difference frequency / light quantity ratio of the two wavelength components can be made variable. The frequency of the obtained terahertz wave, the generation efficiency thereof, and the like can be changed.
[0015]
The two-wavelength laser includes a laser beam measurement unit that measures the wavelength / intensity distribution of the laser beam, a terahertz wave monitor obtained based on the measurement result of the laser beam measurement unit, or a control unit that controls each part of the apparatus. It is characterized by having.
[0016]
For terahertz waves that are difficult to measure, such as frequency distribution, instead of directly measuring terahertz waves, two-wavelength components of laser light that is excitation light are measured, and the difference frequency is obtained by the control means. The wavelength etc. can be monitored. It is also possible to control each part of the apparatus based on the measurement result.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of a terahertz wave generator according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. Further, the dimensional ratios in the drawings do not necessarily match those described.
[0018]
FIG. 1 is a configuration diagram showing a first embodiment of a terahertz wave generator according to the present invention. In this terahertz wave generator, a two-wavelength laser 2 is used as a pumping light source that outputs pumping light incident on an optical switch element 1 in which an optical switch (not shown) is formed. Laser light having two different wavelength components output from the two-wavelength oscillation laser 2 is incident on the optical switch element 1 as excitation light through the condenser lens 1b. A small gap (for example, 5 μm) is formed in the optical switch composed of a small dipole antenna of the optical switch element 1, and a predetermined voltage is applied to the gap by a bias power source 17.
[0019]
At this time, the optical switch of the optical switch element 1 functions as an optical mixer, but the response of the optical switch to the laser light having the two wavelength components cannot follow the sum frequency of the two wavelength components, and the difference frequency is not reached. In response, an electromagnetic wave with a difference frequency is emitted. This difference frequency corresponds to about 0 to several THz, for example, and a continuous terahertz wave is obtained. The excited photocurrent is proportional to the intensity of the laser beam from the two-wavelength oscillation laser 2 that is the excitation light, and is therefore proportional to the square of the incident electric field.
[0020]
The generated continuous terahertz wave is emitted toward an external measurement system or the like via the emission lens 1a. For the optical switch element 1, not only a configuration having a single optical switch but also various optical switch elements such as a configuration having a one-dimensional or two-dimensional optical switch array composed of a plurality of optical switches are used. Can do. At this time, the incident optical system of the excitation light to the optical switch element is not limited to the single condensing lens 1b shown in FIG. 1, and optical systems having various configurations such as corresponding to each optical switch are used. be able to. Further, for example, an optical fiber may be used for the incident optical system.
[0021]
The two-wavelength laser 2 used in the terahertz wave generator according to the present embodiment includes an excitation laser 3 that is laser medium excitation means, a main resonator 4 that generates laser light, a first sub-resonator 6, and a second resonator. And a two-wavelength setting means 5 having a sub-resonator 7.
[0022]
As the laser medium excitation means, the excitation laser 3 is used here. As the laser medium excitation means, for example, current, discharge, gas laser light such as Ar laser, semiconductor laser, flash lamp light, dye laser or the like can be used. The excitation laser beam output from the excitation laser 3 is input to the main resonator 4.
[0023]
The main resonator 4 includes a laser medium 40, two resonator mirrors 41 and 42, and reflecting mirrors 43 and 44 each including a concave reflecting mirror. The reflecting mirror 43 transmits light having a wavelength component corresponding to the excitation laser beam at a high rate and reflects light having a wavelength component corresponding to the laser beam formed in the main resonator 4 at a high rate. Is used. Similarly, the reflecting mirror 44 is used that reflects light having a wavelength component corresponding to the laser beam formed in the main resonator 4 at a high rate. With such a configuration, the excitation laser light from the excitation laser 3 is efficiently incident on the laser medium 40 and the laser medium 40 is excited.
[0024]
Here, as the laser medium 40, for example, titanium sapphire is preferably used. A titanium sapphire laser, which is one of typical solid-state lasers, has the widest wavelength band of about 680 to 1100 nm, and is widely used as a wavelength tunable laser or a femtosecond laser. Various media can be used as the laser medium 40 depending on conditions such as the wavelength band to be used. For example, Ti 3+ Examples of solid-state laser media other than titanium sapphire, which is a doped crystal, include chromium forsterite and Cr: YAG. 4+ Cr, such as doped crystals, alexandrite and emerald 3+ Doped crystal, also V 2+ There are doped crystals.
[0025]
The resonator mirror 41 reflects (for example, 99.2%) most of the laser light formed by the stimulated emission light from the excited laser medium 40 and confines the laser light. The resonator mirror 41 transmits a part of the laser light at a predetermined ratio and outputs the laser light to the two-wavelength setting unit 5, and the light selected by the two-wavelength setting unit 5 as the main resonator 4. It also functions as a light input / output means for inputting to the camera.
[0026]
On the other hand, similarly to the resonator mirror 41, the resonator mirror 42 reflects most of the laser light (for example, 99.2%) to confine the laser light, and transmits a part of the laser light at a predetermined ratio. Therefore, it also functions as a light output means for outputting the light to the outside of the two-wavelength oscillation laser 2, that is, in the direction of the optical switch element 1 in this apparatus. The main resonator 4 is configured to oscillate laser even when the two-wavelength setting means 5 is not installed.
[0027]
The light incident on the two-wavelength setting means 5 via the resonator mirror 41 functioning as an optical input / output means is branched by an optical branching device 51 composed of a half mirror or a beam splitter, and is configured symmetrically. The light enters the first sub resonator 6 and the second sub resonator 7.
[0028]
The first sub-resonator 6 includes a first wavelength component (wavelength λ) of the incident light. 1 Is selected and returned to the main resonator 4, and includes a prism 61 and a total reflection mirror 62 as optical feedback means. The second sub-resonator 7 includes a second wavelength component (wavelength λ) different from the first wavelength component in the incident light. 2 Is selected and returned to the main resonator 4 and includes a prism 71 and a total reflection mirror 72 as optical feedback means. Each selected wavelength λ 1 , Λ 2 Is determined by the configuration and arrangement of the prisms 61 and 71 and the total reflection mirrors 62 and 72. Therefore, the prism 61 and the total reflection mirror 62 in the first sub-resonator 6 and the prism 71 in the second sub-resonator 7 are used. And the total reflection mirror 72 becomes each wavelength selection means.
[0029]
In the present embodiment, the prism 61 and the total reflection mirror 62 of the first sub-resonator 6 are fixed, and therefore the selected wavelength λ 1 Is fixed. On the other hand, the second sub-resonator 7 is configured such that the total reflection mirror 72 can be rotated by a rotary stage or the like in the direction indicated by the arrow in the drawing. At this time, the wavelength of the laser beam component returning to the main resonator 4 changes depending on the angle of the total reflection mirror 72, and therefore the selected wavelength λ 2 Is variable.
[0030]
Further, the second sub-resonator 7 is provided with a variable attenuation filter 73 that is a light amount adjusting means for adjusting the amount of light returned to the main resonator 4. As the variable attenuation filter 73, for example, a rotationally driven variable ND filter that adjusts and changes the attenuation amount by rotating a disk-shaped glass on which a deposition film of chromium or the like whose concentration is gradually changed is formed. Can be used.
[0031]
With the above configuration, the light incident on the two-wavelength setting unit 5 from the main resonator 4 is incident on the first sub-resonator 6 or the second sub-resonator 7, and the wavelength λ 1 Or λ 2 These two wavelength components are selected and input to the main resonator 4 again. By such an operation, the wavelength λ finally enters the main resonator 4. 1 And λ 2 Are emitted from the resonator mirror 42 functioning as a light output means to the optical switch element 1.
[0032]
In the two-wavelength laser 2 having the above-described configuration, a spectrum analyzer 23 serving as a laser beam measuring unit is installed in order to measure and monitor the wavelength and intensity ratio of each of the two wavelength components in the formed laser beam. . That is, a part of the laser beam is branched by the optical branching device 51 installed in the two-wavelength setting unit 5, enters the optical fiber 22 through the incident lens 21, and is guided to the spectrum analyzer 23.
[0033]
The spectrum analyzer 23 is further connected to a control device 24. The operation of the spectrum analyzer 23 is controlled by the control device 24, and a measurement result by the spectrum analyzer 23 is sent to the control device 24. Based on this measurement result, the control device 24 drives and controls the total reflection mirror 72 and the variable attenuation filter 73 of the second sub-resonator 7 in the present embodiment, whereby the wavelength, intensity ratio, etc. of the laser beam are controlled. The control of the laser beam obtained from the two-wavelength oscillation laser 2 based on the measurement result and the control / adjustment of the laser beam are realized.
[0034]
Note that the wavelength selection means in the first sub-resonator 6 and the second sub-resonator 7 is not limited to the method using the prism, and various methods can be used. FIG. 2 shows a modification of the first sub-resonator 6 for the embodiment shown in FIG. The first sub-resonator 6 includes an AOTF (acousto-optical tunable filter) 64.
[0035]
The AOTF 64 has a predetermined frequency f from the RF driver 64a. 1 The drive signal is supplied to the wavelength λ by the acoustic wave generated in the AOTF 64. 1 Only the laser beam component is deflected. The wavelength component is changed in angle when passing through the compensation prism 65 and is incident on the total reflection mirror 62 perpendicularly to select the wavelength λ. 1 Are selected. Similarly, the second sub-resonator 7 may be configured to use AOTF. At this time, the selection wavelength can be made variable by changing the frequency supplied from the RF driver. In this case, the control device 24 is configured to control the RF driver and the like.
[0036]
Below, the effect of the terahertz wave generator by this embodiment is demonstrated.
[0037]
In the above-described terahertz wave generator, the two-wavelength oscillation laser 2 that selects the two-wavelength components by the two sub-resonators 6 and 7 is used as the excitation light source. For a laser device including a main resonator and a sub-resonator, the wavelength selective self-injection locking method disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-226749 and “Optical Vol. 25, No. 9, pp.505-511 (1996)” is used. There is a tunable laser used. In this wavelength tunable laser, a large output is obtained for a wide wavelength range of 822 to 922 nm, for example.
[0038]
However, this laser device makes the wavelength of laser light variable by a single sub-resonator. On the other hand, the two-wavelength laser 2 used in the terahertz wave generator according to the present embodiment is not variable in the selection wavelength, but coexistence and simultaneous supply of the two selection wavelengths and the terahertz wave at the difference frequency due thereto. This is realized by providing two sub-resonators together.
[0039]
As a conventional two-wavelength oscillation laser, there is an electronically controlled two-wavelength oscillation laser using AOTF, which is described in “The 59th JSAP Scientific Lecture (Autumn 1998), 17p-P2-19”. In the above apparatus, no sub-resonator is provided, and two different frequencies f are supplied from the RF driver to the AOTF installed in the main resonator. 1 , F 2 A drive signal consisting of two different wavelengths λ 1 , Λ 2 Are selected. Note that wavelength selection by a laser using AOTF is described in, for example, “Optics Lett., Vol. 21, No. 10, pp. 731-733 (1996)”.
[0040]
In such an apparatus, in order to install an AOTF which is a means for selecting two wavelengths in the main resonator, signals of two frequencies are simultaneously supplied to the AOTF. In this case, the operation becomes unstable, for example, an abnormal resonance beat occurs in the AOTF when the two selected wavelengths are close. On the other hand, the two-wavelength laser 2 in the present embodiment is provided with two-wavelength setting means 5 separately from the main resonator 4, and two sub-resonators 6 and 7 are installed in the two-wavelength setting means 5. Wavelength selection is performed. Accordingly, it is possible to stably oscillate at two wavelengths, and various means can be applied to the wavelength selection means.
[0041]
Two selected wavelengths λ 1 , Λ 2 Since the sub-resonators 6 and 7 are separately provided, the wavelength and the intensity ratio can be set separately and independently. This is particularly important for efficiently generating and controlling terahertz waves. Further, for example, by installing a movable total reflection mirror or a variable ND filter in one or both of the sub-resonators, it is possible to variably control the correlation between the difference frequency of two wavelength components, the intensity ratio, and the like.
[0042]
Note that when a two-wavelength laser is used in a terahertz wave generator, only the difference frequency between the two wavelength components is important. Therefore, by installing variable wavelength selection means or the like in one sub-resonator, Control is possible.
[0043]
In the above-described embodiment, the second sub-resonator has the selected wavelength λ by the total reflection mirror 72 being rotatably installed. 2 The wavelength selection means is configured to be variable. As a result, the selected wavelength λ 1 Light frequency and selected wavelength λ 2 The frequency of the terahertz wave generated by the difference frequency from the light frequency of can be made variable. If the wavelength of the obtained terahertz wave is λ, 1 / λ = | 1 / λ 1 -1 / λ 2 | Holds. For example, λ 1 = 800 nm, λ 2 = 810 nm, the obtained terahertz wave is λ = 65 μm (frequency 4.6 THz), and λ 1 = 800 nm, λ 2 When t = 880 nm, the terahertz wave obtained is λ = 8.8 μm (frequency 34 THz).
[0044]
Here, the titanium sapphire laser has an extremely large output power as compared with, for example, a semiconductor laser, and therefore, it is possible to obtain a terahertz wave having a high output intensity. Further, the titanium sapphire laser has a wide wavelength band, and therefore a wide range of difference frequencies between two wavelength components that can be taken. In other words, it is possible to realize a device configuration that generates terahertz waves of various wavelengths (frequencies). In particular, the difference frequency is made larger than that of conventional devices to obtain terahertz waves of short wavelengths (high frequencies). It is possible.
[0045]
For example, if the wavelength bandwidth is 200 nm, which is 750 to 950 nm, it is possible to generate a terahertz wave up to about λ = 3.6 μm (frequency: 83 THz). However, the upper limit of the frequency of the obtained terahertz wave is generally limited to about several tens of THz due to the response speed of the optical switch formed in the optical switch element 1. Even when a medium other than titanium sapphire is used, it is possible to increase the output intensity and widen the wavelength band.
[0046]
Furthermore, by changing one of the two wavelength component laser lights as excitation light as described above as described above, characteristics such as frequency distribution can be varied over a wide wavelength (frequency) range. It can be set as a terahertz wave generator. When there is no need to change the frequency distribution of the obtained terahertz wave, the wavelength selection means of the first sub-resonator 6 and the second sub-resonator 7 may be fixed together. The variable attenuation filter 73 may be an attenuation filter such as an ND filter having a fixed attenuation rate when it is not necessary to change the light quantity ratio of the two wavelength components. It is also possible to employ a configuration in which no attenuation filter is provided.
[0047]
In addition, regarding the characteristics such as the frequency of the obtained terahertz wave and the control thereof, in this embodiment, the laser light obtained from the two-wavelength laser 2 is measured using the spectrum analyzer 23, and the control device 24 determines the difference from the measurement result. The frequency is calculated, and the wavelength of the terahertz wave that is the generated infrared light is determined. In the infrared wavelength region, there is no efficient spectroscope or photodetector, and therefore it is difficult to monitor the wavelength of the terahertz wave. In contrast, by using a method of determining the wavelength of the terahertz wave by measuring laser light having a wavelength of about 800 nm, detection with high sensitivity becomes possible. Further, since the two-wavelength oscillation laser 2 is controlled based on the result of the monitor, the wavelength of the terahertz wave can be kept stable even when the external environment or the like changes.
[0048]
FIG. 3 is a configuration diagram showing a second embodiment of the terahertz wave generation device according to the present invention.
[0049]
The main resonator 4 in the present embodiment includes a laser medium 40, a resonator mirror surface 41a formed by coating on one end surface of the laser medium 40, and a resonator mirror 42 that is a concave reflecting mirror. . The resonator mirror surface 41a is formed so as to transmit the excitation laser beam from the excitation laser 3 and totally reflect the formed laser beam. The resonator mirror 42 also functions as a light input / output unit that transmits part of the laser light to the two-wavelength setting unit 5 at a predetermined ratio. In this case, the configuration of the main resonator 4 is simplified as compared with the first embodiment.
[0050]
The light incident on the two-wavelength setting unit 5 passes through the collimator lens 52 and is branched by the light splitter 51. The first sub-resonator 6 and the second sub-resonator 7 have the same configuration, and include prisms 61 and 71, total reflection mirrors 62 and 72, and variable attenuation filters 63 and 73, respectively. . Further, the total reflection mirrors 62 and 72 are both rotatable, and therefore, in the present embodiment, the two selected wavelengths λ. 1 And λ 2 , And their light amounts are variable. Thereby, finer condition adjustment is possible. In particular, when two selected wavelengths are greatly different from each other, a terahertz wave with a large output is always obtained by setting two selected wavelengths on both sides centered on a wavelength at which the highest laser output intensity can be obtained. It becomes possible.
[0051]
Further, the optical branching unit 51 functions as an optical output unit that outputs laser light in the direction of the optical switch element 1. As described above, the laser power in the main resonator 4 can be kept higher by adopting a configuration in which laser light is output from the two-wavelength setting unit 5.
[0052]
At this time, a part of the output light is branched by an optical branching device 25 such as a half mirror, and is input to the spectrum analyzer 23 via the incident lens 21 and the optical fiber 22 to measure the laser light. The control device 24 controls the total reflection mirror 62 and the variable attenuation filter 63 installed in the first sub-resonator 6, and the total reflection mirror 72 and the variable attenuation filter 73 installed in the second sub-resonator 7. Thus, the wavelength and intensity ratio control of the two wavelength components of the laser light is performed.
[0053]
FIG. 4 is a configuration diagram showing a third embodiment of the terahertz wave generation device according to the present invention.
[0054]
In the present embodiment, the main resonator 4 has the same configuration as that of the second embodiment. On the other hand, with respect to the two-wavelength setting means 5, the first sub-resonator 6 and the second sub-resonator 7 are not provided with attenuation filters, the total reflection mirrors 62 and 72 are rotatable, and on the moving stage. It is installed so as to be movable in the optical path axis direction.
[0055]
At this time, if the total reflection mirrors 62 and 72 are moved so that the distance from the prisms 61 and 71 is increased, light in a narrower wavelength range is returned to the main resonator 4 at the time of spectroscopy by the prism, As a result, it is possible to function as a light amount adjusting means in the same manner as the attenuation filter. In this case, the configuration of the sub-resonators 6 and 7 is further simplified. The control device 24 controls the total reflection mirrors 62 and 72 to control the wavelength and intensity ratio of the two wavelength components of the laser light.
[0056]
Further, an optical branching device 53 is installed between the collimating lens 52 and the optical branching device 51 as light output means to the optical switch element 1. The light emitted in the direction opposite to that of the optical switch element 1 is totally reflected by the reflecting mirror 54 and returns to the resonator or is output to the optical switch element 1.
[0057]
The terahertz wave generator according to the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can have various configurations. The two-wavelength laser 2 can be variously modified by using other optical elements such as an etalon, a grating, a birefringence filter, and an interference filter for both the main resonator 4 and the sub resonators 6 and 7. it can.
[0058]
Further, the light output means can have various configurations other than those shown in the above embodiment. For example, a part of the formed laser light can be output to the excitation laser 3 side and output from there to the outside. A half mirror can also be installed in the main resonator 4.
[0059]
In addition, the control means 24 can be configured in various ways, for example, by connecting to a display device and an input device and allowing the operator to specify control conditions via the input device based on the displayed measurement results. It is.
[0060]
【The invention's effect】
As described in detail above, the terahertz wave generator according to the present invention obtains the following effects. That is, by using a laser beam having two wavelength components used for generating a continuous terahertz wave as a two-wavelength oscillation laser having two sub-resonators instead of using two semiconductor lasers or the like, a two-wavelength laser is obtained. The output of the terahertz wave obtained by increasing the efficiency of light generation can be increased.
[0061]
In particular, in the two-wavelength laser, by selecting a wavelength by providing a sub-resonator separately for each wavelength component instead of selecting two wavelength components in the main resonator, It is possible to stably generate components and generate terahertz waves under favorable conditions.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing a first embodiment of a terahertz wave generation device according to the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram showing a modification of the first sub-resonator.
FIG. 3 is a configuration diagram illustrating a second embodiment of the terahertz wave generation device according to the present invention.
FIG. 4 is a configuration diagram showing a third embodiment of a terahertz wave generation device according to the present invention.
FIG. 5 is a diagram illustrating a method for generating a terahertz wave using an optical switch.
FIG. 6 is a configuration diagram illustrating an example of a conventional terahertz wave generator.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Optical switch element, 1a ... Outgoing lens, 1b ... Condensing lens,
DESCRIPTION OF SYMBOLS 2 ... 2 wavelength oscillation laser, 21 ... Incident lens, 22 ... Optical fiber, 23 ... Spectrum analyzer, 24 ... Control apparatus, 25 ... Optical branching device,
DESCRIPTION OF SYMBOLS 3 ... Laser for excitation, 4 ... Main resonator, 40 ... Laser medium, 41, 42 ... Resonator mirror, 41a ... Resonator mirror surface, 43, 44 ... Reflector mirror,
5 ... 2 wavelength setting means, 51 ... optical splitter, 52 ... collimator lens, 53 ... optical splitter, 54 ... reflecting mirror, 6 ... first sub-resonator, 61 ... prism, 62 ... total reflecting mirror, 63 ... variable Attenuation filter, 64 ... AOTF, 64a ... RF driver, 65 ... compensation prism, 7 ... second subresonator, 71 ... prism, 72 ... total reflection mirror, 73 ... variable attenuation filter.

Claims (4)

励起光源と、少なくとも1つの光スイッチを有する光スイッチ素子とを備え、前記励起光源からの励起光が前記光スイッチ素子に入射されることによってテラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生装置であって、
前記励起光源は、レーザ媒質励起手段と、主共振器と、2波長設定手段とを含み、異なる2つの波長成分を有するレーザ光を前記励起光として供給する2波長発振レーザを備えて構成され、
前記主共振器は、前記レーザ媒質励起手段により励起されるレーザ媒質と、少なくとも2つの共振器鏡と、前記2波長設定手段への光の入出力を行う光入出力手段とを有し、いずれか1つの前記共振器鏡が前記光入出力手段として機能するように構成され、
前記2波長設定手段は、第1の波長成分の光を選択的に前記主共振器へ戻す第1の副共振器と、前記第1の波長成分とは異なる第2の波長成分の光を選択的に前記主共振器へ戻す第2の副共振器と、前記光入出力手段と前記第1の副共振器及び前記第2の副共振器との間に設置される光分岐器とを有するとともに、
前記第1の副共振器及び前記第2の副共振器は、前記光入出力手段からの光のうち、それぞれ前記第1の波長成分及び前記第2の波長成分を選択する波長選択手段と、波長選択された光を前記光入出力手段を介して前記主共振器へ戻すための光フィードバック手段とを有し、
前記レーザ媒質励起手段、前記主共振器、または前記2波長設定手段のいずれかに、前記励起光となる前記レーザ光を前記2波長発振レーザから出力する光出力手段が設けられており、
前記第1の副共振器及び前記第2の副共振器の前記波長選択手段の少なくとも一方は、その選択波長が可変であるように構成された可変波長選択手段であることを特徴とするテラヘルツ波発生装置。
A terahertz wave generator comprising a pumping light source and an optical switch element having at least one optical switch, and generating a terahertz wave when pumping light from the pumping light source is incident on the optical switch element,
The excitation light source includes a two-wavelength oscillation laser that includes laser medium excitation means, a main resonator, and two wavelength setting means, and supplies laser light having two different wavelength components as the excitation light.
It said main resonator includes a laser medium excited by the laser medium excitation means, and at least two resonators mirrors and an optical output means for inputting and outputting light to the second wavelength setting means, any One of the resonator mirrors is configured to function as the light input / output means;
The two-wavelength setting means selects a first sub-resonator that selectively returns light having a first wavelength component to the main resonator, and light having a second wavelength component that is different from the first wavelength component. A second sub-resonator to be returned to the main resonator, and an optical branching device installed between the optical input / output means, the first sub-resonator and the second sub-resonator. With
The first sub-resonator and the second sub-resonator are wavelength selection means for selecting the first wavelength component and the second wavelength component, respectively, of the light from the light input / output means; Optical feedback means for returning wavelength selected light to the main resonator via the optical input / output means;
The laser medium excitation means, the main resonator, or the two-wavelength setting means is provided with a light output means for outputting the laser light serving as the excitation light from the two-wavelength laser,
At least one of the wavelength selecting units of the first sub-resonator and the second sub-resonator is a variable wavelength selecting unit configured such that the selected wavelength is variable, the terahertz wave Generator.
前記レーザ媒質は、チタンサファイアであることを特徴とする請求項1記載のテラヘルツ波発生装置。  The terahertz wave generation device according to claim 1, wherein the laser medium is titanium sapphire. 前記第1の副共振器及び前記第2の副共振器の少なくとも一方は、前記主共振器へ戻す波長選択された光の光量を調整するための光量調整手段を有することを特徴とする請求項1または2記載のテラヘルツ波発生装置。  The at least one of the first sub-resonator and the second sub-resonator has a light amount adjusting means for adjusting the light amount of the wavelength-selected light to be returned to the main resonator. The terahertz wave generator according to 1 or 2. 前記2波長発振レーザは、前記レーザ光の波長・強度分布を測定するレーザ光測定手段と、前記レーザ光測定手段による測定結果に基づいて、前記光スイッチ素子において得られるテラヘルツ波のモニターまたは装置各部の制御を行う制御手段とを有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項記載のテラヘルツ波発生装置。  The two-wavelength laser includes a laser beam measuring unit that measures a wavelength / intensity distribution of the laser beam, and a terahertz wave monitor or each part of the device that is obtained in the optical switch element based on a measurement result by the laser beam measuring unit. The terahertz wave generator according to any one of claims 1 to 3, further comprising: a control unit that performs the above control.
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