CN107039874A - 太拉赫兹光发生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种太拉赫兹光发生装置。具备被入射来自激光生成单元(2)的第1激光(L1)和第2激光(L2)发生太拉赫兹光(TH1)的第1非线性光学结晶(3)。激光生成单元具有通过被入射与第2激光相同的波长的激光发生包含多个波长的无效光(L1)的第2非线性光学结晶(7)，通过使从该第2非线性光学结晶发生的无效光作为第1激光(L1)入射到第1非线性光学结晶，从该第1非线性光学结晶发生包含多个波长的太拉赫兹光。根据需要，能够设置具有仅使包含多个波长的无效光中的特定的波长的无效光通过的光透射部的波长选择单元。能够得到输出大的包含多个波长的太拉赫兹光。另外，易于通过波长选择单元得到必要的特定的波长的太拉赫兹光。

Description

太拉赫兹光发生装置
技术领域
本发明涉及太拉赫兹光发生装置，更详细而言涉及通过第1非线性光学结晶的参量效应发生太拉赫兹光的太拉赫兹光发生装置。
背景技术
以往，作为太拉赫兹光发生装置，已知如下装置，具备：激光生成单元，生成作为种子光(seed beam)的第1激光和作为泵浦光(pump beam)的第2激光；以及第1非线性光学结晶，被入射上述第1激光和第2激光而通过参量效应发生太拉赫兹光(专利文献1)。
在上述太拉赫兹光发生装置中，通过对第1非线性光学结晶入射作为种子光的第1激光和作为泵浦光的第2激光，能够从该第1非线性光学结晶以狭窄化了的光谱宽度发生峰值输出大的脉冲的太拉赫兹光。
专利文献1：日本特开2002-72269号公报
发明内容
在上述专利文献1中，第1激光和第2激光分别使用单一波长的激光，其结果，以狭窄化了的光谱宽度发生太拉赫兹光。换言之，无法以宽的波段发生太拉赫兹光。
本发明鉴于这样的事情，提供一种能够以宽的波段发生输出大的太拉赫兹光的太拉赫兹光发生装置。
方案1的发明提供一种太拉赫兹光发生装置，具备：激光生成单元，生成作为种子光的第1激光和作为泵浦光的第2激光；以及第1非线性光学结晶，被入射所述第1激光和第2激光而通过参量效应发生太拉赫兹光，其中，
所述激光生成单元具有通过被入射与所述第2激光相同的波长的激光而发生包含多个波长的无效(idler)光的第2非线性光学结晶，通过将从该第2非线性光学结晶发生了的无效光作为所述第1激光入射到所述第1非线性光学结晶，从该第1非线性光学结晶发生包含多个波长的太拉赫兹光。
另外，方案3的发明的特征在于，设置有具有仅使从所述第2非线性光学结晶发生了的包含多个波长的无效光中的、特定的波长的无效光通过的光透射部的波长选择单元，根据通过了该波长选择单元的光透射部的特定的波长的无效光，从所述第1非线性光学结晶发生特定的波长的太拉赫兹光。
根据方案1的发明，能够利用上述激光生成单元，通过对第2非线性光学结晶入射与上述第2激光相同的波长的激光来发生包含多个波长的无效光，能够通过将该包含多个波长的无效光作为上述第1激光入射到第1非线性光学结晶，从该第1非线性光学结晶发生输出大并且包含多个波长的太拉赫兹光。
因此，在例如使该太拉赫兹光透射被检查物来检查该被检查物的成分等的情况下，由于该太拉赫兹光具有宽的波段，所以相比于使各个波长的太拉赫兹光透射被检查物的情况，能够一次性检查该被检查物的成分等。
另外，针对每个波长，以不同的角度射出从上述第1非线性光学结晶发生的太拉赫兹光，所以光谱分析变得容易。即，在用混合了多个波长的光进行检查的情况下，需要在受光侧针对每个波长进行分离，但根据本发明，能够省略这样的操作。
进而，根据方案3的发明，通过上述波长选择单元的光透射部，能够仅使从第2非线性光学结晶发生了的包含多个波长的无效光中的、特定的波长的无效光通过，所以无需变更从该第2非线性光学结晶发生的无效光自身的波长，而能够通过上述波长选择单元仅选择使用特定的波长的无效光。
附图说明
图1是示出本发明的实施例的配置图。
图2是图1的主要部分的放大图。
(符号说明)
1：太拉赫兹光发生装置；2：激光生成单元；3：第1非线性光学结晶；6：激光照射单元；7：第2非线性光学结晶；11：导光单元；12、13：柱面透镜；16：检查单元；17：被检查物；19：第3非线性光学结晶；20：摄影装置；31：波长选择单元；32：光透射部；L1：第1激光；L2：第2激光；TH1：太拉赫兹光。
具体实施方式
以下，关于图示实施例说明本发明，在图1中，太拉赫兹光发生装置1具备：激光生成单元2，生成作为种子光的第1激光L1和作为泵浦光的第2激光L2；以及第1非线性光学结晶3，通过被入射上述两个激光L1、L2而发生无效光L3和太拉赫兹光TH1。
构成了通过对上述第1非线性光学结晶3入射作为种子光的第1激光L1和作为泵浦光的第2激光L2，发生无效光L3和太拉赫兹光TH1的光注入型太拉赫兹参量发生器(Is-TPG)。
在专利文献1的太拉赫兹光发生装置中，作为种子光的第1激光和作为泵浦光的第2激光都使用单一波长的激光，作为其结果，由第1非线性光学结晶3发生的太拉赫兹光也具有窄的波段的光谱宽度，但在本实施例中，作为上述种子光的第1激光L1具有宽的波段的光谱宽度，并且，针对每个波长被空间分离，由此由上述第1非线性光学结晶3发生的太拉赫兹光TH1也具有宽的波段的光谱宽度。
上述激光生成单元2具备振荡出输入到上述第1非线性光学结晶3的作为泵浦光的第2激光L2的激光照射单元6，作为该激光照射单元6，能够使用振荡出脉冲激光的半导体激光器。
在本实施例中，从上述激光照射单元6振荡出的第2激光L2通过在该第2激光L2的光轴上设置了的第2偏振光束分离器PBS2被分支成两个，使分支了的第2激光L2经由第2全反射反射镜M2从上述第1非线性光学结晶3的光轴上入射到该第1非线性光学结晶3。
上述激光生成单元2在上述第2激光L2的光轴上，具备在比上述第2偏振光束分离器PBS2更跟前的位置处设置了的第1偏振光束分离器PBS1，使通过该第1偏振光束分离器PBS1分支了的第2激光L2经由第1全反射反射镜M1从第2非线性光学结晶7的光轴上入射到该第2非线性光学结晶7。
在本实施例中，使上述第1非线性光学结晶3的光轴和第2非线性光学结晶7的光轴一致，并且第1非线性光学结晶3和第2非线性光学结晶7使用同一结构的光学结晶。
如果对上述第2非线性光学结晶7，从一定的方向、例如如图示实施例那样从光轴上入射第2激光L2，则发生2个无效光L1、L1’，并且发生太拉赫兹光TH2。此时，以宽的波段发生上述无效光L1、L1’以及太拉赫兹光TH2，但其输出微弱。
构成了通过对上述第2非线性光学结晶7入射作为泵浦光的第2激光L2，发生无效光L1、L1’和太拉赫兹光TH2的太拉赫兹参量发生器(TPG)。
在本实施例中，一方的无效光L1如以下详述那样被用作上述第1激光L1，但不使用另一方的无效光L1’，该无效光L1’和通过上述第2非线性光学结晶7而变得不需要的第2激光L2’被波束挡板(beam damper)8吸收。进而，上述太拉赫兹光TH2被原样地消耗。
将由上述第2非线性光学结晶7发生了的无效光L1，经由对该无效光L1进行引导的导光单元11，如上所述作为第1激光L1，入射到上述第1非线性光学结晶3。
上述无效光L1即第1激光L1具有宽的波段，所以被入射该第1激光L1和作为泵浦光的第2激光L2的第1非线性光学结晶3发生输出大并且具有宽的波段的无效光L3和太拉赫兹光TH1。
在本实施例中，无效光L3和通过第1非线性光学结晶3而变得不需要的第2激光L2’被波束挡板8’吸收，仅利用太拉赫兹光TH1。
将从上述激光照射单元6振荡出的脉冲激光的第2激光L2在延迟了其光路长度的量的定时入射到第2非线性光学结晶7，如果对第2非线性光学结晶7入射第2激光L2，则在与其入射定时相同的定时，发生上述无效光L1、L1’。然后，上述无效光L1在与上述导光单元11的光路长度相应地延迟了的定时作为第1激光L1入射到上述第1非线性光学结晶3。
另一方面，将从上述激光照射单元6振荡出的脉冲激光的第2激光L2在延迟了其光路长度的量的定时入射到第1非线性光学结晶3，但此时，在上述第2偏振光束分离器PBS2与第2全反射反射镜M2之间设置有以往公知的定时调整单元T1，通过该定时调整单元T1，在与上述第1激光L1入射到上述第1非线性光学结晶3的定时一致的定时，将第2激光L2入射到第1非线性光学结晶3。
然后，如果对第1非线性光学结晶3同时入射第1激光L1和第2激光L2，则在与其入射定时相同的定时，发生上述太拉赫兹光TH1。
上述导光单元11具备在第2非线性光学结晶7与第1非线性光学结晶3之间在两者的光轴上使中心一致地配置的一对柱面透镜12、13，与第2非线性光学结晶7邻接的一侧的柱面透镜12从上述无效光L1的发生点离开该柱面透镜12的焦距f(参照图2)地配置。由此，通过了上述柱面透镜12的无效光L1被变换成与上述光轴平行的平行光。
此外，从上述第2非线性光学结晶7发生的无效光L1的剖面形状成为在与图1的纸面垂直的方向上横宽的剖面椭圆形形状，因此上述平行光也成为剖面椭圆形形状。另外，上述柱面透镜12、13都是单焦点的同一结构的透镜，由BK7、石英玻璃等构成。这些柱面透镜12、13也可以由球面平凸透镜构成。
如图2所示，通过了上述柱面透镜12的无效光L1被变换成与上述光轴平行的平行光。但是，无效光L1以预定的宽度发生，所以从焦点位置f产生的无效光L1被变换为平行光，但从焦点位置f在与光轴正交的方向上偏移而发生的无效光L1被折射成在从柱面透镜12起焦距f的位置处与上述平行光交叉。
因此，通过了上述柱面透镜12的无效光L1在从柱面透镜12起焦距f的位置处收敛，并且从此处扩散而入射到柱面透镜13。
其结果，从上述第2非线性光学结晶7出射的无效光L1、和通过柱面透镜13入射到第1非线性光学结晶3的第1激光L1相对通过2个柱面透镜12、13的中央的焦点位置f与光轴正交的面高精度地光学对称，因此从上述第2非线性光学结晶7出射的无效光L1的相对光轴的出射角度、和通过柱面透镜13入射到第1非线性光学结晶3的第1激光L1的相对光轴的入射角度实质上相同。
在该状态下，使上述第1非线性光学结晶3和第2非线性光学结晶7成为同一结构，所以入射到第1非线性光学结晶3的第1激光L1以自动地满足了针对第1非线性光学结晶3的相位匹配条件的状态入射到该第1非线性光学结晶3。
在本实施例中，如图1所示，设置有利用了从上述第1非线性光学结晶3输出的太拉赫兹光TH1的检查单元16，通过使上述太拉赫兹光TH1透射容器、封袋或者生物体试料等被检查物17，能够检查其成分。
上述检查单元16具备：导光单元18，通过与上述导光单元11同样的结构，对太拉赫兹光TH1进行引导；第3非线性光学结晶19，被入射通过该导光单元18引导了的太拉赫兹光TH1；以及例如CCD照相机那样的摄影装置20，将从该第3非线性光学结晶19发生了的无效光作为检测光L4输入。
上述第3非线性光学结晶19配置于从上述激光照射单元6振荡出的第2激光L2的光轴上，使通过了上述第2偏振光束分离器PBS2的第2激光L2入射到该第3非线性光学结晶19。在本实施例中，上述第3非线性光学结晶19也使用与上述第1非线性光学结晶3以及第2非线性光学结晶7相同的光学结晶。
在上述第1非线性光学结晶3的发生太拉赫兹光TH1的一侧的表面、和第3非线性光学结晶19的被入射太拉赫兹光TH1的一侧的表面上，分别设置有棱镜耦合器23、24，在两个棱镜耦合器23、24之间配置有上述导光单元18。
上述导光单元18与上述导光单元11同样地具备一对柱面透镜25、26，两个柱面透镜25、26分别从棱镜耦合器23、24离开焦距而配置，并且在两者的中间位置处配置上述被检查物17。
由此，从上述第1非线性光学结晶3的棱镜耦合器23射出的太拉赫兹光TH1通过与第1非线性光学结晶3邻接的一侧的柱面透镜25被变换成与其光轴平行的平行光，在透射上述被检查物17之后，通过与第3非线性光学结晶19邻接的一侧的柱面透镜26收敛，经由棱镜耦合器24入射到第3非线性光学结晶19。
如上所述，如果对上述第1非线性光学结晶3同时入射第1激光L1和第2激光L2，则在与其入射定时相同的定时，发生上述太拉赫兹光TH1，但该脉冲状的太拉赫兹光TH1在延迟了导光单元18的光路长度的量的定时，入射到第3非线性光学结晶19。
另一方面，从上述激光照射单元6振荡出的脉冲激光的第2激光L2在延迟了其光路长度的量的定时，入射到第3非线性光学结晶19，但此时，在上述第2偏振光束分离器PBS2与第3非线性光学结晶19之间，设置有以往公知的定时调整单元T2，通过该定时调整单元T2，在与上述太拉赫兹光TH1入射到上述第3非线性光学结晶19的定时一致的定时，第2激光L2入射到第3非线性光学结晶19。
上述第1非线性光学结晶3和第3非线性光学结晶19以上述一对柱面透镜25、26的中央位置为中心而光学对称，如果对上述第3非线性光学结晶19入射上述太拉赫兹光TH1和第2激光L2，则基于与第1非线性光学结晶3相反的现象，从第3非线性光学结晶19生成检查光(无效光)L4。然后，在该检查光L4被摄影装置20接收之后，对被吸收的波长成分进行光谱解析，从而检查被检查物17的成分、特性等。
此时，关于上述检查光L4，由于输入到第3非线性光学结晶19的太拉赫兹光TH1具有宽的波段，所以该检查光L4也具有宽的波段，因此能够通过宽的波段的太拉赫兹光TH1，一次性检查被检查物17的成分等。
另外，通过了第3非线性光学结晶19的第2激光L2’被波束挡板8”吸收。
在具有以上的结构的太拉赫兹光发生装置1中，作为上述连续激光照射单元6的具体例，能够使用振荡出输出15mJ、波长1064nm的皮秒脉冲激光的半导体激光器。从该连续激光照射单元6振荡出的第2激光L2通过第1偏振光束分离器PBS1，作为一个例子被分支成3mJ和12mJ，3mJ的第2激光L2被输入到第2非线性光学结晶7。
另外，12mJ的第2激光L2通过第2偏振光束分离器PBS2，作为一个例子被分支成7mJ和5mJ，7mJ的第2激光L2被输入到第1非线性光学结晶3，5mJ的第2激光L2被输入到第3非线性光学结晶19。
上述第1～第3非线性光学结晶3、7、19优选全部使用同一材料，能够使用例如LiNbO3(铌酸锂)。
如果将上述波长1064nm的第2激光L2入射到LiNbO3制的第2非线性光学结晶7，则得到波长1070～1075nm的范围的无效光L1。
如果将该波长范围1070～1075nm的无效光L1作为第1激光L1入射到LiNbO3制的第1非线性光学结晶3，则得到波长1～3THz的范围的太拉赫兹光TH1。
然后，如果透射了上述被检查物17的太拉赫兹光TH1入射到第3非线性光学结晶19，则由此能够得到波长1070～1075nm的范围的检查光L4。
在上述实施例中，通过第1非线性光学结晶3发生宽的波段的太拉赫兹光TH1，但根据需要，能够选择性地发生窄的波段的太拉赫兹光TH1。
在该情况下，如图2的想象线所示，在一对柱面透镜12、13的中央的焦点位置处设置阻止光的通过的波长选择单元31，通过在该波长选择单元31中设置了的狭缝等光透射部32，能够从通过了柱面透镜12的具有宽的波段的无效光L1中选择仅透射特定的波长的无效光L1即可。
即如上所述，无效光L1具有宽的波段，所以通过了柱面透镜12的无效光L1针对各波长的每一个在从柱面透镜12起焦距f的位置处收敛，并且从此处扩散而入射到柱面透镜13。
上述光透射部32以实质上能够选择1个波长的方式，成为在与图2的纸面垂直的方向上细的横宽形状，由此能够从具有宽的波段的无效光L1中经由光透射部32仅容许通过特定的波长，针对其他波长，通过该波长选择单元31切断其通过。
这样，如果在上述波长选择单元31中设置光透射部32而仅容许通过特定的波长的无效光L1，则能够使仅该特定的波长的第1激光L1入射到第1非线性光学结晶3，所以通过该第1非线性光学结晶3生成的太拉赫兹光TH1也成为仅具有依赖于上述仅特定的波长的无效光L1的特定的波长的太拉赫兹光TH1。
然后，在变更太拉赫兹光TH1的波长时，使上述波长选择单元31在图2的箭头所示的与无效光L1的光轴交叉的上下方向上移动，由此变更从无效光L1经由光透射部32通过的波长，从而能够容易地变更上述太拉赫兹光TH1的波长。
即，上述光透射部32能够在具有宽的波段的无效光L1的剖面形状中，从长的波长向短的波长的方向往返移动，由此能够选择必要的波长的无效光L1。
上述波长选择单元31的移动既可以自动也可以手动、或者也可以准备光透射部32的位置不同的多个波长选择单元31，并交换它们。另外，在提高波长的选择的精度的方面上，优选在一对柱面透镜12、13的中央的焦点位置处设置波长选择单元31，但不一定限定于此。
此外，在上述实施例中，通过使太拉赫兹光TH1透射被检查物17而检查其成分，但也可以通过检测由被检查物17反射了的太拉赫兹光TH1来检查其成分。
在该情况下，在被检查物17的图1中的上方侧、即第1非线性光学结晶3侧，配置第3非线性光学结晶19、摄影装置20，使由被检查物17反射了的太拉赫兹光TH1通过柱面透镜26会聚，而经由在第3非线性光学结晶19中设置的棱镜耦合器24入射到第3非线性光学结晶19即可。然后，通过摄影装置20接收从第3非线性光学结晶19生成了的检查光L4，对由被检查物17反射了的波长成分进行光谱解析，从而能够检查被检查物17的成分、特性等。
另外，在上述实施例中，用波束挡板8吸收透射了第2非线性光学结晶7的第2激光L2’，但也可以省略该波束挡板8和第2偏振光束分离器PBS2以及第2全反射反射镜M2，使透射了第2非线性光学结晶7的第2激光L2’进一步透射一对柱面透镜12、13，作为第2激光L2入射到第1非线性光学结晶3。
另外，在上述实施例中，使从激光照射单元6振荡出的脉冲激光在波束分离器PBS1、PBS2中分割而入射到第1非线性光学结晶3、第2非线性光学结晶7、第3非线性光学结晶19，但也可以分别独立地设置激光照射单元，从各激光照射单元对各非线性光学结晶分别入射脉冲激光。即使在该情况下，也需要与上述同样地，调整各脉冲激光入射到第1非线性光学结晶3、第2非线性光学结晶7、第3非线性光学结晶19的定时。
另外，在上述实施例中，在同轴上配置了第1非线性光学结晶3和第2非线性光学结晶7，但不限于此，只要通过导光单元11引导了的第1激光L1适当地入射到第1非线性光学结晶3，则也可以将该第1非线性光学结晶3配置于与上述同轴上不同的位置处。
进而，作为上述第1至第3非线性光学结晶3、7、19，使用了LiNbO3，但不限于此。另外，如果使第1至第3非线性光学结晶全部成为同一结构，则易于得到适当的相位匹配条件，但不一定限于此，能够组合不同的结构的非线性光学结晶。进而，上述各结构部件的材质、数值是一个例子，当然能够根据需要使用适宜的材质、数值。

Claims (7)

1.一种太拉赫兹光发生装置，具备：
激光生成单元，生成作为种子光的第1激光和作为泵浦光的第2激光；以及
第1非线性光学结晶，被入射所述第1激光和第2激光而通过参量效应发生太拉赫兹光，
该太拉赫兹光发生装置的特征在于，
所述激光生成单元具有通过被入射与所述第2激光相同的波长的激光而发生包含多个波长的无效光的第2非线性光学结晶，通过将从该第2非线性光学结晶发生的无效光作为所述第1激光入射到所述第1非线性光学结晶，从该第1非线性光学结晶发生包含多个波长的太拉赫兹光。
2.根据权利要求1所述的太拉赫兹光发生装置，其特征在于，
在所述第1非线性光学结晶与第2非线性光学结晶之间，设置有对从所述第2非线性光学结晶发生的无效光进行导光而入射到所述第1非线性光学结晶的导光单元，
所述导光单元包括离开预定距离而被配置的具有同一焦距的一对透镜，并且被配置成这些一对透镜的轴心位于同一直线上，进而所述一对透镜中的所述第2非线性光学结晶侧的透镜从该第2非线性光学结晶中的所述无效光的发生点离开所述焦距而被配置。
3.根据权利要求1或者2所述的太拉赫兹光发生装置，其特征在于，
设置有具有光透射部的波长选择单元，该光透射部仅使从所述第2非线性光学结晶发生的包含多个波长的无效光中的特定的波长的无效光通过，
根据通过了该波长选择单元的光透射部的特定的波长的无效光，从所述第1非线性光学结晶发生特定的波长的太拉赫兹光。
4.根据权利要求3所述的太拉赫兹光发生装置，其特征在于，
所述波长选择单元配置于所述一对透镜之间。
5.根据权利要求4所述的太拉赫兹光发生装置，其特征在于，
使所述波长选择单元的光透射部在与无效光的光轴交叉的方向上移动，能够变更透射该光透射部的无效光的波长。
6.根据权利要求4或者5所述的太拉赫兹光发生装置，其特征在于，
所述一对透镜离开所述焦距的2倍的距离而被配置，并且所述波长选择单元配置于一对透镜的中央位置处。
7.根据权利要求1至6中的任意一项所述的太拉赫兹光发生装置，其特征在于，
所述太拉赫兹光发生装置具备使从所述第1非线性光学结晶输出的太拉赫兹光透射被检查物来检查其成分的检查单元。
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