CN111033375A - 太赫兹波产生方法和太赫兹波产生装置 - Google Patents

太赫兹波产生方法和太赫兹波产生装置 Download PDF

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Abstract

一种太赫兹波产生方法，通过使泵浦光入射能够通过光学参量效应产生太赫兹波的非线性光学晶体，在满足非共线相位匹配条件的方向上产生太赫兹波，以峰值激发功率密度为预定的太赫兹波振荡阈值以上且为预定的激光损伤阈值以下，并且平均激发功率密度为预定的光折变效应产生阈值以下的方式，使具有10ps以上且1ns以下的脉冲宽度并具有1kHz以上的重复频率的泵浦光入射所述非线性光学晶体。

Description

太赫兹波产生方法和太赫兹波产生装置
技术领域
本发明涉及太赫兹波产生方法和太赫兹波产生装置。
背景技术
太赫兹波区域(远红外区域)是位于光波与(无线)电波之间的接触点处的频率区域，是位于光学与电子的交界处的区域。这种太赫兹波区域同时具有光波那样的线性传播性和电波那样的物质透过性，有望应用于成像和光谱测量。但是，与光波段和无线电波段不同，太赫兹波区域在技术方面和应用方面是未开发的领域，强烈期望开发用于光源和检测器的抑制装置。尤其，将0.3～5THz的频率区域称为太赫兹间隙。
近年来，已经开发了使用光学整流(Optical Rectification)的高强度太赫兹波光源，受到瞩目。该太赫兹波光源通过使飞秒激光器的波前倾斜而高强度激发非线性光学晶体(LiNbO3)的表面，从而在宽频带(宽波段)中产生高峰值强度的太赫兹波。
另一方面，对于窄线宽(窄波段)的太赫兹波光源也存在大量需求。太赫兹波区域是与晶体声子模式、分子低频振动模式和气体旋转模式等的能量水平相对应的区域。例如，已知在太赫兹波区域的大气吸收光谱中，由于空气中的低分子量的气体分子，尤其水蒸气，存在许多吸收线(损耗)。因而，在大气环境下的测量中，期望使用窄线宽的太赫兹波光源，避开吸收线来选择频率。另外，当通过太赫兹光谱测量来确定目标分子种类时，使用线宽为吸收线宽以下的光源是有效的。
在如上需求背景下，近年来，开发了注种式太赫兹参量产生(injection-seededTerahertz Parametric Generation：以下称为is-TPG)方式的太赫兹波光源，受到瞩目(例如，参见专利文献1)。
当泵浦光(激发光)入射于具有拉曼活性和远红外活性的非线性光学晶体时，通过受激拉曼效应(或参量相互作用)借助物质的元激发波(极化激元)而产生闲散光和太赫兹波。
当仅将泵浦光注入到非线性光学晶体中时，闲散光和太赫兹波作为由参量噪声产生的自然发射光而产生，因此光谱线宽度变宽并且太赫兹波非常微弱。
因此，已知如下技术，将窄线宽的种子光注入到由光学参量效应产生的太赫兹波中，从而通过增益集中使光谱变窄，产生高单色性(<4GHz)的太赫兹波(例如，参见专利文献2)。通过使用这样的种子光，不需要飞秒激光器之类超短脉冲光源，能够谋求装置紧凑化、低成本化。
已提出有如下一种用于产生相干太赫兹波的方法，在is-TPG方式的太赫兹波光源中，将具有100Hz以下的重复频率和高峰值强度(峰值)的亚纳秒微芯片激光器用作激发光源，从而用激发光高强度地激发非线性光学晶体，在室温下以高转换效率
Figure BDA0002380950500000022
产生具有高峰值强度的相干太赫兹波(例如，参见非专利文献1)。通过使用亚纳秒的激发光，对与受激拉曼散射增益竞争的受激布里渊散射的贡献进行抑制，实现高转换效率。
另外，还提出有在is-TPG方式的太赫兹波光源中以宽频带(0.4～4.7THz)产生太赫兹波的方法(例如，参见非专利文献2)。
现有技术文献
专利文献1：日本特开2002-72269号公报
专利文献2：日本特许第3747319号说明书
非专利文献
非专利文献1：S.Hayashi，K.Nawata，T.Taira，J.Shikata，K.Kawase，andH.Minamide，“Ultrabright continuously tunable terhertz-wave generation at roomtemperature”，Scientific Reports，2014年6月5日发行，vol.4，pp.5045
非专利文献2：Y.Takida and H.Minamide，“Frequency-domain spectroscopyusing high-power tunable THz-wave sources：towards THz sensing and detectorsensitivity calibration”,Proc of SPIE，vol.10210，
Figure BDA0002380950500000021
发明内容
然而，在以往技术中，能够产生的太赫兹波的重复频率限制在100Hz以下，存在适用范围受到限制这样的问题。
要产生高重复频率的太赫兹波，需要利用具有高重复频率的高强度激光器来高强度激发具有高(有效)非线性极化率的非线性光学晶体。然而，在具有高重复频率的泵浦光的高强度激发条件下，晶体的光学损伤经常成为问题。
本发明是鉴于这种情况而完成的，其目的在于提供一种能够在避免非线性光学晶体的光学损伤的同时，在室温下产生具有高重复频率和高单色性的太赫兹波的太赫兹波产生方法和太赫兹波产生装置。
实施方式的第一方面是一种太赫兹波产生方法，通过使泵浦光入射能够通过光学参量效应产生太赫兹波的非线性光学晶体，在满足非共线相位匹配条件的方向上产生太赫兹波，以峰值激发功率密度为预定的太赫兹波振荡阈值以上且为预定的激光损伤阈值以下，平均激发功率密度为预定的光折变效应产生阈值以下的方式，使具有10ps以上且1ns以下的脉冲宽度并具有1kHz以上的重复频率的所述泵浦光入射所述非线性光学晶体。
另外，根据实施方式的第二方面，在第一方面中，可以是，通过改变所述泵浦光的功率来改变所述峰值激发功率密度和所述平均激发功率密度中的至少一者。
另外，根据实施方式的第三方面，在第一方面或第二方面中，可以是，通过改变所述非线性光学晶体的入射面上的所述泵浦光的光束直径来改变所述峰值激发功率密度和所述平均激发功率密度中的至少一者。
另外，根据实施方式的第四方面，在第一方面至第三方面中的任一方面中，可以是，所述太赫兹波振荡阈值为可以为500MW/cm2。
另外，根据实施方式的第五方面，在第一至第四方面中的任何一方面中，可以是，所述非线性光学晶体是掺氧化镁的同成分铌酸锂晶体。
另外，根据实施方式的第六方面，在第五方面中，可以是，所述激光损伤阈值为5.6GW/cm2。
另外，根据本实施方式的第七方面，在第五方面或第六方面中，可以是，所述光折变效应产生阈值为52kW/cm2。
另外，根据本实施方式的第八方面，在第一至第四方面中的任一方面中，可以是，所述非线性光学晶体是近化学计量比铌酸锂晶体。
另外，根据实施方式的第九方面，在第八方面中，可以是，所述激光损伤阈值为14GW/cm2。
另外，根据实施方式的第十方面，在第八方面或第九方面中，可以是，所述光折变效应产生阈值为2MW/cm2。
另外，实施方式的第十一方面是一种太赫兹波产生装置，其包括：泵浦光源，输出具有10ps以上且1ns以下的脉冲宽度并具有1kHz以上的重复频率的泵浦光；非线性光学晶体，能够通过光学参量效应产生太赫兹波；第一光学系统，将从所述泵浦光源输出的所述泵浦光引导至所述非线性光学晶体；以及控制部，以峰值激发功率密度为预定的太赫兹波振荡阈值以上且为预定的激光损伤阈值以下，平均激发功率密度为预定的光折变效应产生阈值以下的方式，控制所述泵浦光源和所述第一光学系统中的至少一者，通过使所述泵浦光入射所述非线性光学晶体，在满足非共线相位匹配条件的方向上产生太赫兹波。
另外，根据实施方式的第十二方面，在第十一方面中，可以是，所述控制部通过控制所述泵浦光源而改变所述泵浦光的功率，从而控制所述峰值激发功率密度和所述平均激发功率密度中的至少一者。
另外，根据实施方式的第十三方面，在第十一方面或第十二方面中，可以是，所述第一光学系统包括放大所述泵浦光的泵浦光放大系统，所述控制部通过所述泵浦光放大系统改变所述泵浦光的放大率，从而控制所述峰值激发功率密度和所述平均激发功率密度中的至少一者。
另外，根据实施方式的第十四方面，在第十一至第十三方面中的任何一方面中，可以是，所述第一光学系统包括能够改变焦点位置的透镜系统，所述控制部通过控制所述透镜系统而控制所述峰值激发功率密度和所述平均激发功率密度中的至少一者。
另外，根据实施方式的第十五方面，在第十一方面至第十四方面中的任一方面中，可以是，所述太赫兹波产生装置包括第二光学系统，该第二光学系统沿通过使所述泵浦光入射所述非线性光学晶体而产生的闲散光的产生方向注入种子光，所述控制部通过改变所述种子光的功率来控制所述峰值激发功率密度和所述平均激发功率密度中的至少一者。
另外，根据实施方式的第十六方面，在第十一方面至第十五方面中的任一方面中，可以是，所述太赫兹波振荡阈值为500MW/cm2。
另外，根据实施方案的第十七方面，在第十一至第十六方面中的任一方面中，可以是，所述非线性光学晶体是掺氧化镁的同成分铌酸锂晶体。
另外，根据实施方式的第十八方面，在第十七方面中，可以是，所述激光损伤阈值为5.6GW/cm2。
此外，根据实施方式的第十九方面，在第十七方面或第十八方面中，可以是，所述光折变效应产生阈值为52kW/cm2。
另外，根据实施方式的第二十方面，在第十一方面至第十六方面中的任一方面中，可以是，所述非线性光学晶体是近化学计量比铌酸锂晶体。
另外，根据实施方式的第二十一方面，在第二十方面中，可以是，所述激光损伤阈值为14GW/cm2。
另外，根据实施方式的第二十二方面，在第二十方面或第二十一方面中，可以是，所述光折变效应产生阈值为2MW/cm2。
此外，上述多个方面的结构可以任意组合。
根据本发明，能够提供一种能够在避免非线性光学晶体的光学损伤的同时，在室温下产生具有高重复频率和高单色性的太赫兹波的太赫兹波产生方法和太赫兹波产生装置。
附图说明
图1是示出实施方式的太赫兹波产生装置的光学系统的结构的一个示例的概要图。
图2是用于说明实施方式的太赫兹波产生装置的动作的概要图。
图3是用于说明实施方式的太赫兹波产生装置的动作的概要图。
图4是表示实施方式的眼科装置的控制系统的结构的一个示例的概要图。
图5是用于说明实施方式的太赫兹波产生装置的控制内容的概要图。
图6是用于说明实施方式的太赫兹波产生装置中的激发条件的确定流程的概要图。
具体实施方式
参考附图详细说明本发明的太赫兹波产生方法和太赫兹波产生装置的实施方式的一个示例。本发明的太赫兹波产生方法通过将泵浦光入射于能够通过光学参量效应产生太赫兹波的非线性光学晶体，在满足非共线相位匹配条件的方向上产生太赫兹波。以下，主要说明实现该太赫兹波产生方法的太赫兹波产生装置。以下，为了便于说明，将激发光表述为泵浦光。
[光学系统的结构示例]
图1示出实施方式的太赫兹波产生装置的光学系统的结构示例。实施方式的太赫兹波产生装置1通过将泵浦光入射于能够通过光学参量效应产生太赫兹波的非线性光学晶体，能够在满足非共线相位匹配条件的方向上产生太赫兹波。
太赫兹波产生装置1包括泵浦光产生系统10、泵浦光导光系统20、泵浦光放大系统30、种子光产生系统50和太赫兹波产生系统70。
(泵浦光产生系统10)
泵浦光产生系统10产生入射于后述的非线性光学晶体71的泵浦光。泵浦光产生系统10包括泵浦光源11和隔离器12。
泵浦光源11输出泵浦光。对于泵浦光源11，例如使用设置有半导体可饱和吸收镜(Semiconductor Saturable Abosorber Mirror：SESAM)的无源Q开关型微芯片激光器。如图2所示，该微芯片激光器输出泵浦光(例如5mW)，该泵浦光具有100kHz的重复频率，1064nm的中心波长和140ps的脉冲宽度。
泵浦光源11是输出具有10ps以上且1ns以下的脉冲宽度以及1kH以上的重复频率的泵浦光即可。此外，泵浦光源11可以是输出功率、重复频率、中心波长和脉冲宽度中的至少一个可变的光源。
隔离器12阻挡所输出的泵浦光向泵浦光源11返回的返回光。
(泵浦光导光系统20)
泵浦光导光系统20将从泵浦光产生系统10输出的泵浦光引导至非线性光学晶体71。此时，泵浦光导光系统20将从泵浦光产生系统10输出的泵浦光引导至泵浦光放大系统30，将由该泵浦光放大系统30放大的泵浦光引导至非线性光学晶体71。泵浦光导光系统20包括反射镜21、偏振光分束器22和透镜系统23。
反射镜21反射从泵浦光产生系统10输出的泵浦光，并将其引导至偏振光分束器22。
偏振光分束器22使从泵浦光产生系统10输出的泵浦光的第一偏振分量(例如，垂直偏振分量)透射通过而将其引导至泵浦光放大系统30，将由泵浦光放大系统30放大的泵浦光的第二偏振分量(例如，水平偏振分量)反射而引导至透镜系统23。
透镜系统23包括一个以上透镜，可以改变入射光的焦点位置。透镜系统23可以包括可以在光轴方向上移动的至少一个透镜。在这种情况下，透镜系统23可以包括在光轴方向上移动透镜的移动机构，移动机构通过来自后述控制部100的控制在光轴方向上移动透镜来改变焦点位置。
另外，透镜系统23可以包括变焦透镜。在这种情况下，变焦透镜可以通过来自后述控制部100的控制改变焦点位置。
另外，也可以是可以改变非线性光学晶体71相对于透镜系统23的相对位置。在这种情况下，可以包括使透镜系统23和非线性光学晶体71中的至少一者在光轴方向上移动的移动机构，该移动机构通过来自后述控制部100的控制使透镜系统23和非线性光学晶体71中的至少一者沿光轴方向移动，由此可以改变非线性光学晶体71相对于透镜系统23的相对位置。从而，改变非线性光学晶体71内部中透镜系统23的焦点位置。
(泵浦光放大系统30)
泵浦光放大系统30对透射通过偏振光分束器22的泵浦光进行放大。泵浦光放大系统30包括双通型双端泵浦光放大器。
泵浦光放大系统30包括法拉第旋转器31、半波片32、中继透镜33、双色镜34、激光晶体35、双色镜36、中继透镜37和反射镜38。泵浦光放大系统30也可以包括偏振光分束器22。激光晶体35也可以是掺钕钒酸钇(Nd：YVO4)晶体。
中继透镜37可以改变入射光的焦点位置。例如，泵浦光放大系统30可以包括使中继透镜37沿光轴方向移动的移动机构，移动机构通过来自后述控制部100的控制使中继透镜37沿光轴方向移动，从而改变焦点位置。另外，中继透镜37也可以是变焦透镜。在这种情况下，变焦透镜可以通过来自后述控制部100的控制来改变焦点位置。
而且，泵浦光放大系统30包括第一激光二极管40、光纤41、准直透镜42、会聚透镜43、第二激光二极管44、光纤45、准直透镜46和会聚透镜47。
第一激光二极管40和第二激光二极管44通过CW(连续波；Continuous Wave)振荡输出中心波长为808nm的泵浦激光。第一激光二极管40和第二激光二极管44的输出功率也可以不同。双色镜34、36具有透射808nm的光并反射1064nm的光的特性。
透射通过偏振光分束器22的泵浦光的偏振面通过法拉第旋转器31和半波片32旋转。偏振面旋转了的泵浦光通过中继透镜33，被双色镜34反射，入射于激光晶体35的第一端面。入射到激光晶体35的第一端面的泵浦光从与激光晶体35的第一端面相对的第二端面射出，被双色镜36反射，通过中继透镜37，被反射镜38反射。被反射镜38反射了的泵浦光在相同的路径上向相反方向行进，入射于激光晶体35的第二端面而从第一端面射出，被引导至偏振光分束器22。
从第一激光二极管40输出的泵浦激光被光纤41引导，从光纤41的端部射出。从光纤41的端部射出的泵浦激光被准直透镜42转换成平行光束，经由双色镜34通过会聚透镜43入射于激光晶体35的第一端面。第一端面是被双色镜34反射的泵浦光所入射的端面。由此，来自第一激光二极管40的泵浦激光会聚在激光晶体35的第一端面或其内部的焦点位置。
同样，从第二激光二极管44输出的泵浦激光被光纤45引导，从光纤45的端部射出。从光纤45的端部射出的泵浦激光被准直透镜46转换成平行光束，经由双色镜36通过会聚透镜47入射于激光晶体35的第二端面。第二端面是与第一端面相对的端面，并且是被双色镜36反射的泵浦光所入射的端面。由此，来自第二激光二极管44的泵浦激光会聚在激光晶体35的第二端面或其内部的焦点位置。
在泵浦光放大系统30中经由激光晶体35被引导到偏振光分束器22的泵浦光通过在激光晶体35中进行往返而被放大(例如，平均功率为4.4W)。被引导至偏振光分束器22的泵浦光的偏振面通过半波片32和法拉第旋转器31旋转。因而，该泵浦光的偏振方向与放大前的泵浦光的偏振方向正交。被引导至偏振光分束器22的泵浦光被偏振光分束器22反射，通过透镜系统23，入射于非线性光学晶体61的端面。
(种子光产生系统50)
种子光产生系统50将具有窄线宽的种子光注入到在非线性光学晶体71中通过光学参量效应产生的太赫兹波中。种子光产生系统50包括种子光源51、光纤52、光放大器53、隔离器54、衍射光栅55、中继透镜56、反射镜57、反射镜58、中继透镜59和反射镜60。
种子光源51例如通过CW(连续波；Continuous Wave)振荡输出中心波长在1068～1075nm之间可变的种子光。从种子光源51输出的种子光被光纤52引导到光放大器53。
光放大器53放大从种子光源51输出的种子光。对于光放大器53，例如可以使用将掺有镱(Yb)的光纤用于增益介质的光放大器(Ytterbium Doped Fiber Amplifier：YDFA)。光放大器53对种子光的放大率也可以可变。
隔离器54阻挡被放大了的种子光向光放大器53和种子光源51返回的返回光。
衍射光栅55的衍射面布置在与非线性光学晶体71中泵浦光的入射端面(或者，非线性光学晶体61中泵浦光的焦点位置)光学上大致共轭的位置。中继透镜56的焦距与中继透镜59的焦距之比为3∶1。中继透镜56的一个焦点位置布置在衍射光栅55的衍射面或其附近。中继透镜56的另一个焦点位置布置在中继透镜56和中继透镜59之间。中继透镜59的一个焦点位置布置在中继透镜56的焦点位置处或其附近。中继透镜59的另一个焦点位置布置在非线性光学晶体71中泵浦光的入射端面(或者，非线性光学晶体61中泵浦光的焦点位置)或其附近。通过种子光产生系统50产生的种子光沿闲散光的产生方向注入到非线性光学晶体71中。
这种结构是实质上实现消色差相位匹配(Achromatic phase matching)的结构(例如，参见专利文献2)。即，通过由中继透镜56和中继透镜59构成的共焦光学系统和衍射光栅55，与波长无关地使种子光的非线性光学晶体71的入射角实质上与期望的非共线相位匹配条件一致。因而，不必在每次改变种子光的波长时调整光轴，使用具有窄线宽的种子光，进行基于增益集中的光谱狭窄化，生成高单色性(<4GHz)的太赫兹波成为可能。
(太赫兹波产生系统70)
太赫兹波产生系统70通过光学参量效应产生太赫兹波。太赫兹波产生系统70包括非线性光学晶体71、硅棱镜72和准直透镜73。
非线性光学晶体71可以通过光学参量效应产生太赫兹波。对于非线性光学晶体71，可以使用近化学计量比铌酸锂(LiNbO3)、同成分铌酸锂等。在本实施方式中，近化学计量比铌酸锂包括向铌酸锂以低浓度掺镁(Mg)等杂质的。例如，近化学计量比铌酸锂的Li2O/(Nb2O5+Li2O)的摩尔分数可以为0.490以上且小于0.500。对于具有等成分的铌酸锂，有的将镁(Mg)、氧化镁(MgO)等杂质掺到铌酸锂中。
另外，对于非线性光学晶体71，可以使用掺镁的钽酸锂(LiTaO3)晶体、磷酸钛氧钾(KTiOPO4，KTP)晶体、砷酸钛氧钾(KTiOAsO4，KTA)晶体、砷化镓(GaAs)晶体、锑化铟(InSb)晶体、磷化镓(GaP)晶体、硒化锌(ZnSe)晶体、碲化锌(ZnTe)晶体等。以下，实施方式的非线性光学晶体71使用具有等成分的铌酸锂，其中以5mol％的比例掺氧化镁(MgO)。
硅棱镜72是用于将由光学参量效应产生的太赫兹波提取到非线性光学晶体71的外部的棱镜。准直透镜73将由硅棱镜72提取的太赫兹波转换为平行光束。
这样的非线性光学晶体71具有拉曼活性和远红外活性。当泵浦光入射于非线性光学晶体71时，通过受激拉曼效应(或参量相互作用)，借助物质的元激发波(极化激元)产生闲散光和太赫兹波。在泵浦光(频率ωp，波数向量kp)，太赫兹波(频率ωT，波数向量kT)和闲散光(频率ωi，波数向量ki)之间，式(1)所示的能量守恒定律和式(2)所示的动量守恒定律(相位匹配条件)成立。此外，式(2)是向量等式，非共线相位匹配条件可以表示为如图3所示。
ωp＝ωT+ωi···(1)
Kp＝kT+ki···(2)
闲散光和太赫兹波具有空间扩展，它们的波长根据其出射角连续变化。这样的宽的闲散光和太赫兹波的产生称为TPG(THz-wave Parametric Generation，太赫兹参量产生)。
此外，基本的光学参量过程由一个泵浦光子的消失以及一个闲散光子和一个信号光子的同时产生来定义。当闲散光或信号光发生谐振时，若泵浦光强度超过一定阈值则发生参量振荡。另外，一个泵浦光子的消失以及一个闲散光子和一个极化激元的同时产生为受激拉曼散射，包括在广义的参量相互作用中。
泵浦光导光系统20和泵浦光放大系统30是实施方式的“第一光学系统”的一个示例。种子光产生系统50是实施方式的“第二光学系统”的一个示例。
[控制系统的构成示例]
图4示出实施方式的太赫兹波产生装置1的控制系统的构成示例。在图4中，对与图1相同的部分标注相同的附图标记，适当省略其说明。
太赫兹波产生装置1的控制系统以控制部100为中心构成。控制部100执行太赫兹波产生装置1的各部的控制。尤其，控制部100控制泵浦光产生系统10、泵浦光导光系统20、泵浦光放大系统30和种子光产生系统50。
对泵浦光产生系统10的控制包括用于改变泵浦光的输出功率、重复频率、中心波长和脉冲宽度中的至少一者的控制。控制部100可以通过控制泵浦光源11来改变泵浦光的输出功率、重复频率、中心波长和脉冲宽度中的至少一者。
对泵浦光导光系统20的控制包括用于改变透镜系统23的入射光的焦点位置的控制。控制部100可以通过控制使透镜系统23的至少一个透镜在光轴方向上移动的移动机构来改变焦点位置。另外，控制部100可以通过控制透镜系统23中包括的变焦透镜来改变透镜系统23的焦点位置。或者，控制部100也可以改变透镜系统23和非线性光学晶体71之间的相对位置。
对泵浦光导光系统20的控制包括用于改变泵浦光的放大率的控制。控制部100可以通过控制第一激光二极管40和第二激光二极管44中的至少一者来改变泵浦光的放大率。控制部100可以通过控制使中继透镜37在光轴方向上移动的移动机构37A来改变泵浦光的放大率。另外，控制部100也可以通过使准直透镜42和会聚透镜43中的至少一者在光轴方向上移动来改变注入到激光晶体35中的泵浦激光器的焦点位置，从而改变泵浦光的放大率。同样，控制部100也可以通过使准直透镜46和会聚透镜47中的至少一者在光轴方向上移动来改变注入到激光晶体35中的泵浦激光器的焦点位置，从而改变泵浦光的放大率。
对于种子光产生系统50的控制包括用于改变注入到非线性光学晶体71中的种子光的功率的控制。控制部100可以通过控制种子光源51来改变注入到非线性光学晶体71中的种子光的功率。控制部100可以通过改变光放大器53的放大率来改变注入到非线性光学晶体71中的种子光的功率。
如上那样的控制部100的功能可以由处理器实现。在本说明书中，“处理器”例如意指CPU(中央处理单元，central processing unit)、GPU(图形处理单元，GraphicsProcessing Unit)、ASIC(专用集成电路，Application Specific Integrated Circuit)、可编程逻辑器件(例如，SPLD(简单可编程逻辑器件，Simple Programmable LogicDevice)、CPLD(复杂可编程逻辑器件，Complex Programmable Logic Device)、FPGA(现场可编程门阵列，Field Programmable Gate Array))等电路。
处理器例如也可以通过读取并执行存储在存储电路或存储装置中的程序来实现实施方式的功能。存储电路或存储装置的至少一部分可以包括在处理器中。此外，可以将存储电路或存储装置的至少一部分设置在处理器的外部。
如上所述，为了产生具有高重复频率的太赫兹波，需要通过具有高重复频率和高强度的泵浦光来高强度激发非线性光学晶体71。然而，仅纯单地改变泵浦光的重复频率和强度，有时对非线性光学晶体71造成光学损伤。
因此，本实施方式的太赫兹波产生装置1通过关注泵浦光的峰值激发功率密度和平均激发功率密度来控制入射于非线性光学晶体71的泵浦光。由此，能够可靠地避免非线性光学晶体71的光学损伤。
峰值激发功率密度是每单位面积的泵浦光的功率峰值。平均激发功率密度是每单位面积的泵浦光的功率平均值。
峰值激发功率密度PW和平均激发功率密度AW使用泵浦光的重复频率f和脉冲宽度d如下式(3)所示那样建立关联。
PW＝AW/(f×d)···(3)
非性线光学晶体71的光学损伤大致可分为非热损伤和热损伤。非热损伤相当于激光损伤。热损伤相当于经时变化的能量积蓄导致的损伤(或光折变损伤)。
对于非热损伤，主要通过使用具有低重复频率的脉冲光源进行测量而按照非线性光学晶体的种类确定损伤阈值。另一方面，对于热损伤，主要通过使用CW光源进行测量而按照非线性光学晶体的种类确定损伤阈值。因而，为了避免非线性光学晶体的非热损伤和热损伤，泵浦光在各个损伤阈值以下的激发条件下入射即可。然而，在由具有高重复频率的脉冲光源激发的条件下，对非线性光学晶体的非热损伤机理和热损伤机理可能形成竞争，到目前为止还不清楚这种条件下的光学损伤避免对策。
因此，在本实施方式，根据峰值激发功率密度和/或平均激发功率密度规定光学损伤阈值。通过基于这些来控制泵浦光，能够可靠地避免非线性光学晶体71的光学损伤。
在使用非线性光学晶体的光波长转换中，非线性光学晶体的高强度激发是必不可少的。非线性光学晶体的高强度激发的阈值根据峰值激发功率密度规定为太赫兹波产生阈值。
因而，可以使用峰值激发功率密度来规定非热损伤阈值的上限和下限。具体地，为了避免非热损伤，要求峰值激发功率密度为预定的太赫兹波产生阈值以上，并且为预定的激光损伤阈值以下。
另一方面，作为非线性光学晶体的热损伤的光折变损伤是光折变效应引起的折射率变化。众所周知，由于光折变损伤在非线性光学晶体内部形成折射率光栅，导致透射通过晶体的光向晶体c轴方向发生光束平移/失真，从而引起波长转换效率的降低。
通过以下(a)～(d)过程说明光折变效应的机理(带传输模式)。
(A)带之间的浅施主能级的载流子(电子)向导体的光激发
(B)光激发的载流子的扩散(迁移)和深受主能级的捕获(复合)
(C)晶体内的空间电场形成
(D)借助电光效应通过空间电场实现的晶体的折射率调制
通过平均激发功率密度将光折变效应的产生阈值规定为光折变效应产生阈值。
因而，可以使用平均激发功率密度来规定热损伤阈值的上限。具体地，为了避免热损伤，要求平均激发功率密度为预定的光折变效应产生阈值以下。
图5示出实施方式的太赫兹波产生装置1中的泵浦光的控制内容的说明图。在图5中，纵轴是表示峰值激发功率密度(单位：MW/cm2)的对数轴，横轴是表示平均激发功率密度(单位：kW/cm2)的线性轴。图5示出入射于以5mol％的比例掺氧化镁(MgO)的具有等成分的铌酸锂的泵浦光的控制内容。
在图5中，“○”表示通过本发明人等的实验确认到太赫兹波的产生的激发条件，“×”表示通过本发明人等的实验未确认到太赫兹波的产生的激发条件。在本实施方式中，根据式(3)以阈值TH4以下激发脉冲宽度为10ps以上且1ns以下，重复频率为1kHz以上的脉冲光。
如上所述，控制部100控制图1所示的光学系统，以使得可发生太赫兹波振荡，并且避免非线性光学晶体71的非热损伤和热损伤。具体地，控制部100以峰值激发功率密度为预定的太赫兹波振荡阈值TH1以上并且为预定的激光损伤阈值TH2以下，平均激发功率密度为预定的光折变效应产生阈值TH3以下的方式，控制入射非线性光学晶体71的泵浦光。
根据本发明人等的实验结果，太赫兹波振荡阈值TH1优选为500MW/cm2。激光损伤阈值TH2根据参考文献(M.H.Wu等人，“Terahertz parametric generation andamplification from potassium titanyl phosphate in comparison with lithiumniobate and lithium tantalite”Opt.Express 24，23(2016))，优选为6GW/cm2。根据本发明人等的实验结果，光折变效应产生阈值TH3优选为53kW/cm2。
同样，当非线性光学晶体71是近化学计量比铌酸锂晶体时，各阈值也如下。根据本发明人等的实验结果，太赫兹振荡阈值TH1优选为500MW/cm2。根据日本Oxide公司(OxideCorporation)公布的上述近化学计量比铌酸锂晶体的产品规格，激光损伤阈值TH2优选为14GW/cm2。根据上述产品规格，光折变效应产生阈值TH3优选为2MW/cm2。
此外，在图5中，特性T1表示通过具有140ps的脉冲宽度和76kHz的重复频率的泵浦光确认到产生太赫兹波时的特性图。特性T2表示通过具有1ns的脉冲宽度和100kHz的重复频率的泵浦光未能确认到产生太赫兹波时的特性图。可认为，在阈值TH1～TH3附近，由于光学元件的性能和测量条件的偏差而产生或不产生太赫兹波。
[控制示例]
控制部100通过组合以下第一控制～第八控制中的任何一个或两个以上，能够在根据图5所示的峰值激发功率密度和平均激发功率密度规定的范围内使泵浦光入射非线性光学晶体71。
(第一控制)
控制部100可以通过改变泵浦光源11的输出功率来改变入射非线性光学晶体71的泵浦光的功率。由此，能够改变通过峰值激发功率密度和平均激发功率密度规定的激发条件。因而，控制部100可以使泵浦光在图5所示的期望范围内入射非线性光学晶体71。
(第二控制)
控制部100可以通过改变透镜系统23的焦点位置来改变入射非线性光学晶体71的泵浦光的照射面积(入射面上的泵浦光的光束直径)。由此，能够改变通过峰值激发功率密度和平均激发功率密度规定的激发条件。因而，控制部100可以使泵浦光在图5所示的期望范围内入射非线性光学晶体71。
(第三控制)
控制部100可以通过改变非线性光学晶体71相对于透镜系统23的相对位置来改变入射非线性光学晶体71的泵浦光的照射面积(入射面上的泵浦光的光束直径)。当非线性光学晶体71移动时，优选的是构成为种子光产生系统50也连动。由此，能够改变通过峰值激发功率密度和平均激发功率密度规定的激发条件。因而，控制部100可以使泵浦光在图5所示的期望范围内入射非线性光学晶体71。
(第四控制)
控制部100可以通过控制第一激光二极管40和第二激光二极管44中的至少一者来改变泵浦光的放大率，从而改变入射非线性光学晶体71的泵浦光的功率。由此，能够改变通过峰值激发功率密度和平均激发功率密度规定的激发条件。因而，控制部100可以使泵浦光在图5所示的期望范围内入射非线性光学晶体71。
(第五控制)
控制部100可以通过改变入射激光晶体35的泵浦激光或泵浦光的光阑来改变泵浦光的放大率，从而改变入射非线性光学晶体71的泵浦光的功率。由此，能够改变通过峰值激发功率密度和平均激发功率密度规定的激发条件。因而，控制部100可以使泵浦光在图5所示的期望范围内入射非线性光学晶体71。
(第六控制)
控制部100可以通过改变种子光源51的输出功率来改变种子光的功率，从而改变入射非线性光学晶体71的泵浦光的功率。由此，能够改变通过峰值激发功率密度和平均激发功率密度规定的激发条件。因而，控制部100可以使泵浦光在图5所示的期望范围内入射非线性光学晶体71。
(第七控制)
控制部100可以通过改变光放大器53的放大率来改变种子光的功率，从而改变入射非线性光学晶体71的泵浦光的功率。由此，能够改变通过峰值激发功率密度和平均激发功率密度规定的激发条件。因而，控制部100可以使泵浦光在图5所示的期望范围内入射非线性光学晶体71。
(第八控制)
控制部100可以通过在保持彼此的焦距比例的情况下改变中继透镜56、59的f值来改变种子光的功率密度，从而改变入射非线性光学晶体71的泵浦光的功率。由此，能够改变通过峰值激发功率密度和平均激发功率密度规定的激发条件。因而，控制部100可以使泵浦光在图5所示的期望范围内入射非线性光学晶体71。
[激发条件的确定方法的示例]
当如上那样划定泵浦光的控制范围时，可以如下确定实施方式的太赫兹波产生装置1中的激发条件。
图6示出实施方式的太赫兹波产生装置1中的激发条件的确定流程。
(步骤S1)
首先，确定要产生的太赫兹波的谱线宽度。例如，考虑太赫兹波区域中的大气吸收光谱来确定光谱线宽。
(步骤S2)
当在步骤S1中确定谱线宽度时，根据公知的傅立叶极限式唯一确定泵浦光的脉冲宽度。
(步骤S3)
接下来，确定太赫兹波的重复频率。例如，考虑泵浦光源11的性能等来确定重复频率。
(步骤S4)
当完成步骤S2中的脉冲宽度的确定和步骤S3中的重复频率的确定时，在图5的特性图上指定可控制的直线。因此，泵浦光的功率或照射面积确定为限定在图5所示的控制范围内。
(步骤S5)
控制部100按照步骤S4中确定的控制内容来控制光学系统等，从而泵浦光能够在期望的激发条件下入射非线性光学晶体71并产生期望的太赫兹波(结束)。
如上所述，关注峰值激发功率密度和平均激发功率密度的两个参数，适当地选择泵浦光的重复频率和脉冲宽度，从而能够产生具有高单色性的期望的太赫兹波。另外，可以采用廉价的光源作为泵浦光源。
尤其，由于可以产生具有高重复频率的太赫兹波，即使是低能量的太赫兹波也能够反复用光接收器接收光，从而能够提高光接收灵敏度。由此，能够在室温下采用低成本的光接收器。
实施方式的太赫兹波产生方法通过将泵浦光入射能够通过光学参量效应产生太赫兹波的非线性光学晶体71，在满足非共线相位匹配条件的方向上产生太赫兹波。在太赫兹波产生方法中，以峰值激发功率密度为预定的太赫兹波振荡阈值(TH1)以上且为预定的激光损伤阈值(TH2)以下，平均激发功率密度为预定的光折变效应产生阈值(T3)以下的方式，使具有10ps以上且1ns以下的脉冲宽度并具有1kHz以上的重复频率的泵浦光入射非线性光学晶体。
根据这种结构，可以在不对非线性光学晶体造成热损伤和非热损伤的情况下，在室温下可靠地产生具有高重复频率和高单色性的太赫兹波。
另外，在实施方式的太赫兹波产生方法中，也可以通过改变泵浦光的功率来改变峰值激发功率密度和平均激发功率密度中的至少一者。
根据这种结构，由于改变泵浦光的功率，因此能够通过简单的控制来改变峰值激发功率密度和平均激发功率密度，可靠地避免非线性光学晶体的光学损伤。
另外，在实施方式的太赫兹波产生方法中，也可以通过改变非线性光学晶体的入射面上的泵浦光的光束直径，改变峰值激发功率密度和平均激发功率密度中的至少一者。
根据这种构造，由于改变非线性光学晶体的入射面上的泵浦光的光束直径，因此可以通过简单的控制来改变峰值激发功率密度和平均激发功率密度，可靠地避免非线性光学晶体的光学损伤。
另外，在实施方式的太赫兹波产生方法中，太赫兹波振荡阈值也可以是500MW/cm2。
另外，在实施方式的太赫兹波产生方法中，非线性光学晶体可以是掺氧化镁的同成分铌酸锂晶体。
另外，在实施方式的太赫兹波产生方法中，激光损伤阈值可以是5.6GW/cm2。
另外，在实施方式的太赫兹波产生方法中，光折变效应产生阈值可以是52kW/cm2。
根据上述的任一结构，可以在可靠地避免掺氧化镁的同成分铌酸锂晶体的光学损伤的同时，在室温下产生具有高重复频率和高单色性的太赫兹波。
另外，在实施方式的太赫兹波产生方法中，非线性光学晶体可以是近化学计量比铌酸锂晶体。
另外，在实施方式的太赫兹波产生方法中，激光损伤阈值可以是14GW/cm2。
另外，在实施方式的太赫兹波产生方法中，光折变效应产生阈值可以是2MW/cm2。
根据上述的任一结构，可以在可靠地避免近化学计量比铌酸锂晶体的光学损伤的同时，在室温下产生具有高重复频率和高单色性的太赫兹波。
另外，本实施方式的太赫兹波产生装置1包括泵浦光源11，非线性光学晶体71以及第一光学系统(泵浦光导光系统20，泵浦光放大系统30)和控制部100。泵浦光源输出具有10ps以上且1ns以下的脉冲宽度并具有1kHz以上的重复频率的泵浦光。非线性光学晶体可以通过光学参量效应产生太赫兹波。第一光学系统将从泵浦光源输出的泵浦光引导至非线性光学晶体。控制部以峰值激发功率密度为预定的太赫兹波振荡阈值(TH1)以上并且为预定的激光损伤阈值(TH2)以下，平均激发功率密度为预定的光折变效应产生阈值(TH3)以下的方式，控制泵浦光源和第一光学系统中的至少一者。太赫兹波产生装置通过使泵浦光入射非线性光学晶体，在满足非共线相位匹配条件的方向上产生太赫兹波。
根据这种结构，可以提供一种太赫兹波产生装置，其可以在不对非线性光学晶体造成热损伤和非热损伤的情况下，在室温下可靠地产生具有高重复频率和高单色性的太赫兹波。
另外，在实施方式的太赫兹波产生装置中，控制部可以通过控制泵浦光源来改变泵浦光的功率，从而控制峰值激发功率密度和平均激发功率密度中的至少一者。
根据这种结构，由于改变泵浦光的功率，因此能够通过简单的控制来改变峰值激发功率密度和平均激发功率密度，可靠地避免非线性光学晶体的光学损伤。
另外，在实施方式的太赫兹波产生装置中，可以是，第一光学系统包括放大泵浦光的泵浦光放大系统30，控制部通过泵浦光放大系统改变泵浦光的放大率，从而控制峰值激发功率密度和平均激发功率密度中的至少一者。
根据这种结构，由于改变泵浦光的放大率，因此能够通过简单的控制来改变峰值激发功率密度和平均激发功率密度，可靠地避免非线性光学晶体的光学损伤。
另外，在实施方式的太赫兹波产生装置中，可以是，第一光学系统包括能够改变焦点位置的透镜系统23，控制部通过控制透镜系统而控制峰值激发功率密度和平均激发功率密度中的至少一者。
根据这种结构，由于改变非线性光学晶体的入射面上的泵浦光的光束直径，因此能够通过简单的控制来改变峰值激发功率密度和平均激发功率密度，可靠地避免非线性光学晶体的光学损伤。
另外，可以是，实施方式的太赫兹波产生装置包括第二光学系统(种子光产生系统50)，该第二光学系统沿通过使泵浦光入射非线性光学晶体而产生的闲散光的产生方向注入种子光，控制部通过改变种子光的功率来控制峰值激发功率密度和平均激发功率密度中的至少一者。
根据这种结构，由于改变种子光的功率，因此能够通过简单的控制来改变峰值激发功率密度和平均激发功率密度，可靠地避免非线性光学晶体的光学损伤。
另外，在实施方式的太赫兹波产生装置中，太赫兹波振荡阈值可以是500MW/cm2。
另外，在实施方式的太赫兹波产生装置中，非线性光学晶体可以是掺氧化镁的同成分铌酸锂晶体。
另外，在实施方式的太赫兹波产生装置中，激光损伤阈值可以是5.6GW/cm2。
另外，在实施方式的太赫兹波产生装置中，光折变效应产生阈值可以是52kW/cm2。
根据上述的任一结构，能够在可靠地避免掺氧化镁的同成分铌酸锂晶体的光学损伤的同时，在室温下产生具有高重复频率和高单色性的太赫兹波。
另外，在实施方式的太赫兹波产生装置中，非线性光学晶体可以是近化学计量比铌酸锂晶体。
另外，在实施方式的太赫兹波产生装置中，激光损伤阈值可以是14GW/cm2。
另外，在实施方式的太赫兹波产生装置中，光折变效应产生阈值可以是2MW/cm2。
根据上述的任一结构，能够在可靠地避免近化学计量比铌酸锂晶体的光学损伤的同时，在室温下产生具有高重复频率和高单色性的太赫兹波。
以上所示的实施方式仅是用于实施本发明的一个示例。要实施本发明的人可以在本发明的主旨范围内进行任意的变形、省略、增加等。
附图标记说明
1：太赫兹波产生装置；10：泵浦光产生系统；11：泵浦光源；12、54：隔离器；20：泵浦光导光系统；21、38、57、58、60：反射镜；22：偏振光分束器；23：透镜系统；30：泵浦光放大系统；31：法拉第旋转器；32：半波片；33、37、56、59：中继透镜；34、36：双色镜；35：激光晶体；40：第一激光二极管；41、45、52：光纤；42、46：准直透镜；43、47：会聚透镜；44：第二激光二极管；50：种子光产生系统；51：种子光源；53：光放大器；55：衍射光栅；70：太赫兹波产生系统；71：非线性光学晶体；72：硅棱镜；73：透镜；100：控制部。

Claims (22)

1.一种太赫兹波产生方法，通过使泵浦光入射能够通过光学参量效应产生太赫兹波的非线性光学晶体，在满足非共线相位匹配条件的方向上产生太赫兹波，其特征在于，
以峰值激发功率密度为预定的太赫兹波振荡阈值以上且为预定的激光损伤阈值以下，平均激发功率密度为预定的光折变效应产生阈值以下的方式，使具有10ps以上且1ns以下的脉冲宽度并具有1kHz以上的重复频率的所述泵浦光入射所述非线性光学晶体。
2.根据权利要求1所述的太赫兹波产生方法，其特征在于，
通过改变所述泵浦光的功率来改变所述峰值激发功率密度和所述平均激发功率密度中的至少一者。
3.根据权利要求1或2所述的太赫兹波产生方法，其特征在于，
通过改变所述非线性光学晶体的入射面上的所述泵浦光的光束直径来改变所述峰值激发功率密度和所述平均激发功率密度中的至少一者。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的太赫兹波产生方法，其特征在于，
所述太赫兹波振荡阈值为500MW/cm2。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的太赫兹波产生方法，其特征在于，
所述非线性光学晶体是掺氧化镁的同成分铌酸锂晶体。
6.根据权利要求5所述的太赫兹波产生方法，其特征在于，
所述激光损伤阈值为5.6GW/cm2。
7.根据权利要求5或6所述的太赫兹波产生方法，其特征在于，
所述光折变效应产生阈值为52kW/cm2。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的太赫兹波产生方法，其特征在于，
所述非线性光学晶体是近化学计量比铌酸锂晶体。
9.根据权利要求8所述的太赫兹波产生方法，其特征在于，
所述激光损伤阈值为14GW/cm2。
10.根据权利要求8或9所述的太赫兹波产生方法，其特征在于，
所述光折变效应产生阈值为2MW/cm2。
11.一种太赫兹波产生装置，其特征在于，包括：
泵浦光源，输出具有10ps以上且1ns以下的脉冲宽度并具有1kHz以上的重复频率的泵浦光；
非线性光学晶体，能够通过光学参量效应产生太赫兹波；
第一光学系统，将从所述泵浦光源输出的所述泵浦光引导至所述非线性光学晶体；以及
控制部，以峰值激发功率密度为预定的太赫兹波振荡阈值以上且为预定的激光损伤阈值以下，平均激发功率密度为预定的光折变效应产生阈值以下的方式，控制所述泵浦光源和所述第一光学系统中的至少一者，
通过使所述泵浦光入射所述非线性光学晶体，在满足非共线相位匹配条件的方向上产生太赫兹波。
12.根据权利要求11所述的太赫兹波产生装置，其特征在于，
所述控制部通过控制所述泵浦光源而改变所述泵浦光的功率，从而控制所述峰值激发功率密度和所述平均激发功率密度中的至少一者。
13.根据权利要求11或12所述的太赫兹波产生装置，其特征在于，
所述第一光学系统包括放大所述泵浦光的泵浦光放大系统，
所述控制部通过所述泵浦光放大系统改变所述泵浦光的放大率，从而控制所述峰值激发功率密度和所述平均激发功率密度中的至少一者。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的太赫兹波产生装置，其特征在于，
所述第一光学系统包括能够改变焦点位置的透镜系统，
所述控制部通过控制所述透镜系统而控制所述峰值激发功率密度和所述平均激发功率密度中的至少一者。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的太赫兹波产生装置，其特征在于，
所述太赫兹波产生装置包括第二光学系统，该第二光学系统沿通过使所述泵浦光入射所述非线性光学晶体而产生的闲散光的产生方向注入种子光，
所述控制部通过改变所述种子光的功率来控制所述峰值激发功率密度和所述平均激发功率密度中的至少一者。
16.根据权利要求11至15中任一项所述的太赫兹波产生装置，其特征在于，
所述太赫兹波振荡阈值为500MW/cm2。
17.根据权利要求11至16中任一项所述的太赫兹波产生装置，其特征在于，
所述非线性光学晶体是掺氧化镁的同成分铌酸锂晶体。
18.根据权利要求17所述的太赫兹波产生装置，其特征在于，
所述激光损伤阈值为5.6GW/cm2。
19.根据权利要求17或18所述的太赫兹波产生装置，其特征在于，
所述光折变效应产生阈值为52kW/cm2。
20.根据权利要求11至16中任一项所述的太赫兹波产生装置，其特征在于，
所述非线性光学晶体是近化学计量比铌酸锂晶体。
21.根据权利要求20所述的太赫兹波产生装置，其特征在于，
所述激光损伤阈值为14GW/cm2。
22.根据权利要求20或21所述的太赫兹波产生装置，其特征在于，
所述光折变效应产生阈值为2MW/cm2。
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