JP2000049402A

JP2000049402A - テラヘルツ波発生装置

Info

Publication number: JP2000049402A
Application number: JP10211012A
Authority: JP
Inventors: Hironori Takahashi; 宏典高橋
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1998-07-27
Filing date: 1998-07-27
Publication date: 2000-02-18
Anticipated expiration: 2018-07-27
Also published as: JP3919344B2

Abstract

(57)【要約】【課題】周波数スペクトルの切り換えを容易に行うこ
とができるテラヘルツ波発生装置を提供する。【解決手段】複数の光スイッチ１０ａ〜１０ｆからな
る光スイッチアレイを有する光スイッチ素子１を用い、
各光スイッチに入射される光パルスに異なる遅延時間を
与えるテラヘルツ波発生装置において、光スイッチ１０
ａ〜１０ｆに印加される電圧の値または極性を、電圧制
御装置２によって切り換えることができる構成とするこ
とにより、得られるテラヘルツ波の周波数スペクトルを
瞬時に切り換えることができるテラヘルツ波発生装置が
実現できる。このようなテラヘルツ波発生装置は、例え
ばより効率的に測定を行うことができるテラヘルツ波分
光器など、様々な装置に応用することが可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【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の周波数領域を指す）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「レーザー学会研
究会報告ＲＴＭ−９６−７ p.39-44 (1996)」、「光学
２６巻２号 p.86-92 (1997)」がある）。

【０００３】図１５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、その中央部分に微少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１
０の中央には、例えば数μm程度の微少なギャップ１１
があり、ギャップ１１には直流電源２１によって適当な
電圧が印加される。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
テラヘルツ波が発生される。

【０００４】また、Ｎ個の光スイッチからなる光スイッ
チアレイを配置することによって、周波数ｆ₀ の入射光
パルスから周波数Ｎｆ₀ のテラヘルツ波を発生する装置
がＵＳ５４０１９５３号公報に示されている。図１６に
そのような光スイッチ素子１の構成図を示す。この光ス
イッチ素子１は、光パルスの入射面が角度θで傾斜した
くさび型である、特定の屈折率を有する光学媒体５０の
上に形成され、複数の光スイッチ１０が間隔Ｄで並列に
接続されて設けられている。このような構成により各光
スイッチ１０について、光パルス光源３から入射する光
パルスに対する光伝達時間、及び光スイッチ１０から出
力端１７までの電流伝達時間が異なるものとなる。これ
ら光伝達時間と電流伝達時間の和による遅延時間が各ス
イッチ毎に生じるので、入射する周波数ｆ₀ の光パルス
から、周波数Ｎｆ₀ のテラヘルツ波を発生させることが
できる。なお、このＵＳ５４０１９５３号公報には、く
さび型の光学媒体５０を用いる方法の他にも、各光スイ
ッチに対して異なる遅延時間を発生するいくつかの方法
が示されている。また、光スイッチの個数については、
必ずしもＮ個である必要はない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、光スイ
ッチアレイを用いた上記の装置の場合、すべての光スイ
ッチに同じ電圧が印加されるので、得られるテラヘルツ
波の周波数スペクトルは限られたものとなる。特に、テ
ラヘルツ波の周波数等を変更する場合には、例えば上記
した遅延時間を変えなくてはならない。この場合、光学
媒体５０を変更するか、もしくは光スイッチ１０の配列
を変更することになり、装置の構成を変えなくてはなら
ないので、テラヘルツ波の周波数スペクトルの切り換え
を容易には行うことができない。

【０００６】本発明は、特定の周波数スペクトルを有す
るテラヘルツ波を高い効率で発生することができ、かつ
容易に周波数スペクトルの切り換えを行うことができる
テラヘルツ波発生装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【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、本発明による請求項１に記載のテラヘルツ波
発生装置は、光パルスを発生させる光パルス光源と、複
数の光スイッチからなる光スイッチアレイを有する光ス
イッチ素子を備えたテラヘルツ波発生装置であって、複
数の光スイッチに対応して光パルスをそれぞれ分割・伝
達させる光パルス発生手段と、複数の光スイッチに入射
される光パルスにそれぞれ特定の遅延時間を与える光パ
ルス遅延手段と、複数の光スイッチにそれぞれ印加され
る電圧の値及び極性を制御する電圧制御手段とを有する
ことを特徴とする。

【０００８】複数の光スイッチによる光スイッチアレイ
を有する光スイッチ素子を用いたテラヘルツ波発生装置
において、入射する光パルスに与えられる遅延時間を光
パルス遅延手段によって各光スイッチに対して異なる値
に設定することによって、特定の周波数領域のテラヘル
ツ波を効率良く発生させることができる。このような装
置において、さらに光スイッチに印加する電圧の値及び
極性を制御・変更できるような電圧制御手段を設置し
て、電圧の切り換えを行うことによって、得られるテラ
ヘルツ波の周波数スペクトルを容易に切り換えることが
可能になる。

【０００９】また、請求項２に記載のテラヘルツ波発生
装置は、請求項１記載のテラヘルツ波発生装置におい
て、光スイッチ素子の光スイッチアレイは、複数列から
なる２次元アレイ状に構成されていることを特徴とす
る。

【００１０】光スイッチがテラヘルツ波を発生・出力す
るためのアンテナを兼ねる構成において、１次元の光ス
イッチアレイではなく、２列以上の複数列からなる２次
元アレイ状の光スイッチアレイの配列とすることによっ
て、テラヘルツ波の発生・出力位置が１次元的に広がる
ことを防いで、より点光源に近いテラヘルツ波発生装置
を実現することができる。

【００１１】

【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。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。

【００１２】図１に、本発明に係るテラヘルツ波発生装
置に用いられる、１×６アレイでの光スイッチアレイを
用いた光スイッチ素子及び電圧制御手段の一実施形態の
構成図を示す。この実施形態における光スイッチ素子１
は、伝送線路１２ａ及び１２ｂからなる平行伝送線路１
２と、伝送線路１２ａ及び１２ｂの間に設置された微少
ダイポールアンテナからなる６つの光スイッチ１０ａ〜
１０ｆとから構成されている。伝送線路１２ａはすべて
の光スイッチ１０ａ〜１０ｆに対して共通に接続されて
おり、リード線２０によって電圧制御手段である電圧制
御装置２に接続されている。一方、伝送線路１２ｂは各
々の光スイッチ１０ａ〜１０ｆに対して分割されてお
り、各々がリード線２０ａ〜２０ｆによって電圧制御装
置２に接続されている。このような構成によって、電圧
制御装置２により光スイッチ１０ａ〜１０ｆに印加され
る電圧を各々別個に設定・制御することができる。な
お、光スイッチ素子に用いられる基板等については従来
と同様のものを用いている。

【００１３】各光スイッチ１０ａ〜１０ｆは、テラヘル
ツ波を出力するアンテナとしての機能も有しており、図
１５に単一の光スイッチに関して示したテラヘルツ波の
発生機構と同様に、光パルス光源（図示していない）か
らの光パルスが入射するとパルス状の電流が流れて、そ
れによって各光スイッチ１０ａ〜１０ｆからテラヘルツ
波が発生・出力される。

【００１４】本実施形態における電圧制御装置２は、直
流電源２１ａ、２１ｂ及び２１ｃと、スイッチ２２とか
ら構成されている。伝送線路１２ａはアース接続されて
いる。一方、光スイッチ１０ａ、１０ｃ及び１０ｅの伝
送線路１２ｂ側の端子は、同一の直流電源２１ａに接続
されて、同一の電圧が供給されている。また、光スイッ
チ１０ｂ、１０ｄ及び１０ｆの伝送線路１２ｂ側の端子
は、スイッチ２２に接続されており、電圧極性が反対に
なるように接続されている直流電源２１ｂ及び２１ｃの
いずれかに接続し、また、その接続を切り換えることに
よって、供給される電圧の極性を切り換えることができ
るように設定されている。なお、スイッチ２２は、例え
ば切り換え制御回路２５によって制御される構成として
も良い。

【００１５】図２に、本発明に係るテラヘルツ波発生装
置に用いられる、２×３アレイでの光スイッチアレイを
用いた光スイッチ素子及び電圧制御手段の一実施形態の
構成図を示す。この実施形態における光スイッチ素子１
は、伝送線路１２ａ、１２ｂ及び１２ｃからなる平行伝
送線路１２と、微少ダイポールアンテナからなる６つの
光スイッチ１０ａ〜１０ｆとから構成されている。光ス
イッチ１０ａ〜１０ｆは、光スイッチ１０ａ、１０ｂ及
び１０ｃが伝送線路１２ａ及び１２ｂの間に、光スイッ
チ１０ｄ、１０ｅ及び１０ｆが伝送線路１２ｂ及び１２
ｃの間に設置されている。また、本実施形態においては
各々の伝送線路１２ａ、１２ｂ及び１２ｃは分割されて
おらず、各々リード線２０ａ、２０ｂ及び２０ｃによっ
て電圧制御装置２に接続されている。

【００１６】光スイッチがテラヘルツ波を出力するアン
テナを兼ねる構成とする場合、複数の光スイッチによる
光スイッチアレイを用いることによって光源位置が１次
元的に広がるが、光スイッチの配列を１次元の光スイッ
チアレイではなく、図２に示したような２次元アレイ状
の光スイッチアレイとすることによって、テラヘルツ波
の発生・出力位置の範囲を狭くして、より点光源に近い
テラヘルツ波発生装置を実現することができる。

【００１７】本実施形態における電圧制御装置２は、直
流電源２１ａ、２１ｂ及び２１ｃと、スイッチ２２とか
ら構成されている。伝送線路１２ｂはアース接続されて
いる。一方、光スイッチ１０ａ、１０ｂ及び１０ｃが接
続されている伝送線路１２ａは、直流電源２１ａに接続
されている。また、光スイッチ１０ｄ、１０ｅ及び１０
ｆが接続されている伝送線路１２ｃは、スイッチ２２に
接続されており、電圧極性が反対になるように接続され
ている直流電源２１ｂ及び２１ｃのいずれかに接続し、
また、その接続を切り換えることによって、供給される
電圧の極性を切り換えることができるように設定されて
いる。なお、スイッチ２２は、例えば切り換え制御回路
２５によって制御される構成としても良い。

【００１８】なお、図１及び図２に示した光スイッチ素
子における、複数の光スイッチからなる光スイッチアレ
イの構成については、このようなものに限られるもので
はなく、入射される光パルスの周波数や必要な時間分割
数等に対応して、様々な構成とすることが可能である。
また、図１及び図２に示した光スイッチ素子に対する電
圧制御装置についても、図１及び図２に示したスイッチ
を用いたものに限らず、様々な形態のものが可能であ
る。図３に、図１に示したものと同様の１×６アレイの
光スイッチアレイによる光スイッチ素子１に適用される
電圧制御装置２の他の実施形態を示した。本実施形態で
は、光スイッチ１０ａ〜１０ｆに対応する伝送線路１２
ｂの各部分は、各々可変電圧電源である直流電源２１ａ
〜２１ｆに接続されている。直流電源２１ａ〜２１ｆは
電圧の値及び極性を変更可能なものであって、各々の電
圧の値及び極性の設定は切り換え制御回路２５によって
制御されている。これによって、光スイッチ１０ａ〜１
０ｆに対する、極性を含めた各々の電圧値Ｖ_a、Ｖ_b、Ｖ
_c、Ｖ_d、Ｖ_e及びＶ_fを、目的に応じて別個かつ任意に設
定または変更することができる。

【００１９】これらの直流電源２１ａ〜２１ｆは、例え
ば２つの可変電圧直流電源と、極性切り換えのスイッチ
によって構成しても良い。また、極性の切り換えをファ
ンクション発振器のような装置を用いて行えば、スイッ
チの切り換えは例えばkHz〜MHz程度、もしくはそれ以上
の高速での切り換えが可能である。このような高速での
切り換えが可能であることは、テラヘルツ波発生装置の
様々な応用において重要である。また、切り換え制御回
路２５は、外部の装置、例えば測定系全体を制御するコ
ンピュータ、による制御をさらに受ける構成としても良
い。

【００２０】本発明によるテラヘルツ波発生装置は、上
記したような構成を有する光スイッチ素子及び電圧制御
手段と、光パルス光源と、光パルス発生手段と、光パル
ス遅延手段とを有して構成される。このような構成にお
いて、光スイッチ素子の各光スイッチに対する光パルス
は、光パルス光源からの光パルスを各光スイッチに対応
して分割・伝達する光パルス発生手段と、各々の光スイ
ッチに入射される光パルスに対して特定の遅延時間を与
えるための光パルス遅延手段とによって、入射される。
図４に、それらの手段を備えたテラヘルツ波発生装置の
一実施形態を、光スイッチ素子１として図１または図３
に示したものを用いた場合について示す。本実施形態に
おいては、光パルス発生手段４は、レンズ系４１と、各
々同じ長さ（光路長）を有する光ファイバ４２ａ〜４２
ｆと、コリメートレンズ４３ａ〜４３ｆとから構成され
る。光パルス光源３から出射された光パルスは、レンズ
系４１によって光ファイバ４２ａ〜４２ｆに分割・入射
される。光ファイバ４２ａ〜４２ｆによって伝達された
光パルスは、各々コリメートレンズ４３ａ〜４３ｆによ
って収束されて、光パルス遅延手段５に入射される。

【００２１】光パルス遅延手段５は、光学媒体５０ａ〜
５０ｆから構成される。これらの光学媒体５０ａ〜５０
ｆは、光スイッチ素子１の光スイッチ１０ａ〜１０ｆに
各々対応して設置されている。光学媒体５０ａ〜５０ｆ
の長さは別個に設定され、その長さは各々ｌ_a〜ｌ_fであ
る。このように、互いに異なる長さの特定の屈折率を有
する光学媒体を各光スイッチに対して用いることによっ
て、各光スイッチに入射される光パルスに対して各々異
なる遅延時間を与えることができる。これらの長さは、
例えば一定の周波数でテラヘルツ波を生成するために、
適当な基準長ｌによってｌ_a＝ｌ、ｌ_b＝２ｌ、ｌ_c＝３
ｌ、ｌ_d＝４ｌ、ｌ_e＝５ｌ、ｌ_f＝６ｌのように設定さ
れる。このとき、光学媒体５０ａ〜５０ｆの屈折率を
ｎ、光の速度をｃとして、隣り合う光スイッチの光路差
は（ｎ−１）ｌ、遅延時間差は（ｎ−１）ｌ／ｃとな
る。なお、この長さの設定については、上記のような隣
り合う光スイッチに対する遅延時間差がすべて等しいも
のに限られるものではなく、目的とするテラヘルツ波に
よって様々な構成とすることが可能である。また、必要
があれば、光学媒体５０ａ〜５０ｆと、光スイッチ１０
ａ〜１０ｆとの間に、光パルスの収束または集光のため
のレンズ系等を設置しても良い。

【００２２】光パルス発生手段４及び光パルス遅延手段
５については、図４に示したものに限ることなく、様々
な装置・手段が適用可能である。例えば、光パルス遅延
手段については各々に別個の光学媒体を設置するのでは
なく、エシュロン状に一体に加工された光学媒体や、連
続的に光路長が変化するくさび型に加工された光学媒体
を使用しても良い。また、ファブリペローエタロン等を
用いて、反射回数によって異なる遅延時間を与える構成
とすることも可能である。ファブリペローエタロンにつ
いては、必要があれば２つのガラスを平行でないように
設置して用いても良い。なお、いずれの場合も、各々特
定の遅延時間を与えられた光パルスに対して、光パルス
の収束または集光のためのレンズ系等を設置しても良
い。

【００２３】また、光パルス発生手段についても、光フ
ァイバを用いず、拡大光学系によって入射光パルスの断
面積を拡大した後、レンズまたはミラー等による分割光
学系によって各々の光スイッチに対する光パルスに分割
・収束して、光ファイバ等を介さずに直接光パルス遅延
手段に入射する構成としても良い。また、例えばくさび
型の光学媒体を光パルス遅延手段として用いた場合など
には、光パルスを分割せずに充分な広さに拡大したのち
に光学媒体に入射させ、特定の遅延時間差分布を有する
光パルスとして光スイッチアレイに照射しても良い。ま
た、光パルス遅延手段が光パルス発生手段をも兼ねる構
成とすることも可能である。

【００２４】以下に、本発明によるテラヘルツ波発生装
置による、発生するテラヘルツ波の周波数スペクトル及
びその切り換えについて説明する。なお、以下に示すテ
ラヘルツ波の時間波形及び周波数スペクトルは、シミュ
レーションによる計算結果である。入射する光パルスの
パルス幅は５０fs程度の充分に狭い時間幅を想定してい
る。また、テラヘルツ波の時間波形の計算点の間隔は約
４９fsとし、入射パルス光の繰り返し周期は５０ps（２
０GHz）とした。ただし、時間波形における計算点は、
必要な点のみを図示している。

【００２５】図５は、図１５に示した単一の光スイッチ
による従来のテラヘルツ波発生装置に光パルスを入射し
たときに得られるテラヘルツ波を示し、（ａ）はその時
間波形、（ｂ）は時間波形を高速フーリエ変換（ＦＦ
Ｔ）して得られる周波数スペクトルである。このとき得
られる図５（ａ）に示されたテラヘルツ波の時間波形で
は、発生したテラヘルツ波の半値幅はおよそ９８fsであ
る。このような時間波形による図５（ｂ）に示された周
波数スペクトルは、約１．５THzを中心とする広いスペ
クトル分布を有している。

【００２６】図６は本発明によるテラヘルツ波発生装置
についての第１の実施例を示し、図１に示した１×６ア
レイでの光スイッチアレイを用いた光スイッチ素子１に
おいて、光スイッチ１０ａ及び１０ｂの２つの光スイッ
チに対して同じ極性の電圧を印加し、２つの光スイッチ
間の遅延時間差を約７８１fsに設定して光パルスを入射
したときに、得られるテラヘルツ波を示している。図６
（ａ）に示す時間波形では、約７８１fsの間隔で、２つ
のテラヘルツ波パルスが発生している。このような時間
波形による図６（ｂ）に示す周波数スペクトルは、約
１．３THz付近で強度が最大の広いピークを有し、ま
た、そのほぼ倍の周波数領域でも大きい強度が得られて
いる。

【００２７】図７は本発明によるテラヘルツ波発生装置
についての第２の実施例を示し、図６とほぼ同様の条件
であるが、光スイッチ１０ｂに印加される電圧の極性
を、光スイッチ１０ａに印加される電圧の極性に対して
反転したときに、得られるテラヘルツ波を示している。
このとき、図７（ａ）に示す時間波形では、２つ目のテ
ラヘルツ波パルスが、印加電圧の極性反転によって反転
している。このような時間波形による図７（ｂ）に示す
周波数スペクトルは、図６（ｂ）とは反対に、約１．３
THz付近及びそのほぼ倍の周波数で強度が０になってお
り、その中間の約１．９THz付近で強度が最大の広いピ
ークを有し、また約０．７THz付近も大きい強度のピー
クになっている。すなわち、図６（ｂ）に示した周波数
スペクトルに対して、ピークの位置がピークの間隔のほ
ぼ１／２ずれており、強度分布が反転している。このよ
うに、光スイッチ１０ｂに与えられる電圧の極性を反転
したことによって、得られるテラヘルツ波の周波数スペ
クトルを切り換えることができる。

【００２８】図８は本発明によるテラヘルツ波発生装置
についての第３の実施例を示し、図１に示した１×６ア
レイでの光スイッチアレイを用いた光スイッチ素子１に
おいて、光スイッチ１０ａ〜１０ｆの６つの光スイッチ
に対して同じ極性の電圧を印加し、隣り合う光スイッチ
間の遅延時間差を各々約７８１fsに設定して光パルスを
入射したときに、得られるテラヘルツ波を示している。
このときには、図８（ｂ）に示す得られる周波数スペク
トルにおける各々のピークの幅が小さくなっており、約
１．３THz、約２．５THz、及びさらに高い周波数領域に
特に強度の大きいピークが得られている。

【００２９】図９は本発明によるテラヘルツ波発生装置
についての第４の実施例を示し、図８とほぼ同様の条件
であるが、光スイッチ１０ｂ、１０ｄ及び１０ｆに印加
される電圧の極性を、光スイッチ１０ａ、１０ｃ及び１
０ｅに印加される電圧の極性に対して反転したときに、
得られるテラヘルツ波を示している。この場合も図８
（ｂ）に示したものと同様にピークの幅は小さく、約
０．７THz、約１．９THz、及びさらに高い周波数領域に
特に強度の大きいピークが得られている。

【００３０】テラヘルツ波の周波数スペクトルは、テラ
ヘルツ波発生の条件を変更することによって、さらに様
々に変えることができる。図１０は本発明によるテラヘ
ルツ波発生装置についての第５の実施例を示し、図６と
ほぼ同様の条件によるものであり、図１に示した１×６
アレイでの光スイッチアレイを用いた光スイッチ素子１
において、光スイッチ１０ａ及び１０ｂの２つの光スイ
ッチに対して同じ極性の電圧を印加しているが、２つの
光スイッチ間の遅延時間差を図６における約７８１fsか
ら、４倍の約３１２４fsに設定して光パルスを入射した
ときに、得られるテラヘルツ波を示している。図１０
（ａ）に示す時間波形では、約３１２４fsの間隔で、２
つのテラヘルツ波パルスが発生している。このような時
間波形による図１０（ｂ）に示す周波数スペクトルは、
図６（ｂ）に示したものに比べて、各々のピークの幅が
ほぼ１／４に狭くなっている。

【００３１】図１１は本発明によるテラヘルツ波発生装
置についての第６の実施例を示し、図１０とほぼ同様の
条件であるが、光スイッチ１０ｂに印加される電圧の極
性を、光スイッチ１０ａに印加される電圧の極性に対し
て反転したときに、得られるテラヘルツ波を示してい
る。すなわち、図７の場合に対して、遅延時間差を４倍
の３１２４fsに変更した場合に相当する。この場合も図
１０（ｂ）に示したものと同様に、図７（ｂ）に示した
ものに比べて、各々のピークの幅がほぼ１／４に狭くな
っている。なお、図１０及び図１１における周波数スペ
クトルの強度分布の反転については、図６及び図７の場
合と同様である。

【００３２】また、各光スイッチに供給される電圧につ
いても、電圧の極性のみでなく、電圧値をも変更するこ
とによって、さらに様々な周波数スペクトルを有するテ
ラヘルツ波を得ることができる。図１２は本発明による
テラヘルツ波発生装置についての第７の実施例として、
そのようなテラヘルツ波の一例を示す。ここでは、図３
に示す光スイッチ素子１を図４に示すテラヘルツ波発生
装置に適用し、光スイッチ１０ａ〜１０ｆに供給される
電圧値を、各々Ｖ_a＝＋１V、Ｖ_b＝＋２V、Ｖ_c＝＋１V、
Ｖ_d＝−１V、Ｖ_e＝−２V、Ｖ_f＝−１Vに設定し、光スイ
ッチ１０ａ〜１０ｆに入射される光パルスに遅延時間を
与える光学媒体５０ａ〜５０ｆの長さを、各々ｌ_a＝
ｌ、ｌ_b＝２ｌ、ｌ_c＝３ｌ、ｌ_d＝５ｌ、ｌ_e＝６ｌ、ｌ
_f＝７ｌに設定した。なおこのとき、光学媒体５０ａ〜
５０ｆの長さは、隣り合う光スイッチ１０ａ及び１０ｂ
に入射する光パルスの遅延時間差が約７８１fsになるよ
うに基準長ｌが設定されている。このように、各光スイ
ッチに設定される電圧の値及び極性、及び入射する光パ
ルスに与えられる遅延時間を変更することによって、目
的に応じて様々な周波数スペクトルのテラヘルツ波を発
生することが可能である。

【００３３】本発明によるテラヘルツ波発生装置によれ
ば、各光スイッチに供給される電圧の極性等を切り換え
ることによって、例えば強度分布が反転したまったく異
なる周波数スペクトルを有するテラヘルツ波を発生する
ことができる。この切り換えは、前述したように、用い
るスイッチによって非常に高速に行うことが可能であ
る。本発明によるテラヘルツ波発生装置の応用例とし
て、例えば、このような周波数スペクトル切り換えにつ
いての特性を利用することによって、従来とは異なるテ
ラヘルツ波分光器を実現することができる。

【００３４】図１３に、本発明によるテラヘルツ波発生
装置を用いたテラヘルツ波分光器の一実施形態の構成を
示す。なお、分光器の基本的な構成については、「光学
２６巻２号 p.86-92 (1997)」に示されているものとほ
ぼ同様である。

【００３５】光パルス光源であるパルスレーザ３ａから
出射された光パルスは、反射ミラー３１によって反射さ
れて、光パルス発生手段４に入射される。光パルス発生
手段４で分割・伝達された光パルスは、光パルス遅延手
段５に入射されて各光スイッチに入射する光パルスに対
して特定の遅延時間が与えられ、複数の光スイッチから
なる光スイッチアレイを有する光スイッチ素子１に入射
されて、テラヘルツ波が発生される。光スイッチ素子１
の各光スイッチに印加される電圧の値及び極性は、電圧
制御装置２によって制御されている。

【００３６】発生したテラヘルツ波は、出射レンズ６４
及び軸外し放物面ミラー６５によってサンプル６１ａが
入ったサンプルセル６１に入射・通過し、軸外し放物面
ミラー６６及び受信レンズ６７によって、受信用光スイ
ッチ素子６ａに収束・照射される。なお、出射系及び受
信系は外囲容器６２及び６３の内部に設置され、外囲容
器６２及び６３の内部は、テラヘルツ波の伝搬中におけ
る空気中の水蒸気による吸収を除くために、真空にする
かまたは乾燥窒素で満たしてある。また、入射光パルス
はハーフミラー３３によって分岐され、タイミング調整
ミラー３４及び可動であるタイミング調整ミラー３５に
よってタイミングを調整された後、反射ミラー３２を介
して測定のための検出光として、受信用光スイッチ素子
６ａに入射される。なお、サンプル６１ａによる吸収の
みを測定によって知るため、サンプルセル６１を空にし
たときのセルのみによる測定を事前に行っておき、その
データと、サンプル６１ａを入れたときのデータとの差
から、サンプル６１ａによる吸収を決定する。

【００３７】ここで、例として光スイッチ素子１及び電
圧制御装置２として図１に示したものを用い、隣り合う
光スイッチ間の遅延時間差を７８１fsとして、図８また
は図９に示したテラヘルツ波を発生させた場合について
述べる。このとき、光スイッチ１０ｂ、１０ｄ及び１０
ｆに印加される電圧の極性を、光スイッチ１０ａ、１０
ｃ及び１０ｅに印加される電圧の極性と同じにしたとき
に、図８に示す１．３THz及び２．５THzにピークを持つ
テラヘルツ波が、また、極性を反転したときに、図９に
示す０．７THz及び１．９THzにピークを持つテラヘルツ
波が光スイッチ素子１から出射される。

【００３８】受信用光スイッチ素子６ａによって受信さ
れたテラヘルツ波は、電流として電流計７１によって読
み出され、ロックインアンプ７２を介して処理装置７３
に入力される。処理装置７３は、入力されたデータを表
示・記録するなどの必要な処理を行うものである。光ス
イッチに与えられる電圧の極性切り換えは、電圧制御装
置２によって行われるが、この切り換えについての参照
信号は、図１３に示すようにロックインアンプ７２にも
与えられている。これによって、ロックインアンプ７２
は参照信号に同期して検出を行う。

【００３９】このとき、サンプル６１ａが例えば１．３
THzのテラヘルツ波に対して顕著な吸収を示す物質であ
る場合を考えると、このようなサンプル６１ａは極性を
切り換えたときにまったく異なる吸収特性を示す。すな
わち、極性を同じにしたときには１．３THzのテラヘル
ツ波を大きく減衰させるのに対して、極性を反転したと
きには０．７THz及び１．９THzのテラヘルツ波をあまり
減衰させずに透過させる。このように、まったく異なる
吸収特性を示す周波数帯についての測定を、装置を変更
することなく電圧を切り換えることのみで連続して行
い、それらに対する応答を調べることによって、短時間
でより確実なサンプルに関する測定を行うことが可能と
なる。このような分光測定は、本発明によるテラヘルツ
波発生装置によってはじめて可能になるものである。

【００４０】図１４に、本発明によるテラヘルツ波発生
装置を用いたテラヘルツ波分光器の他の実施形態の構成
を示す。本実施形態においては、テラヘルツ波の受信に
ボロメータ６ｂを用いていることを特徴としている。ボ
ロメータ６ｂは熱型の光強度検出器であり、受信したテ
ラヘルツ波をボロメータ６ｂの温度上昇として検出す
る。この場合、テラヘルツ波の周波数に関する情報等は
得ることができず、受信したテラヘルツ波強度のみが得
られる。ボロメータ６ｂの時間応答は、例えば光スイッ
チに比べて遅いが、その応答時間に合わせて電圧制御装
置２による電圧の極性切り換えを行い、電圧制御装置２
からの参照信号をロックインアンプ７２に与えることに
よって、その電圧極性切り換え前後でのボロメータ６ｂ
の出力差を効率的に計測することができる。

【００４１】なお、図１３及び図１４に示したテラヘル
ツ波分光器において、出射レンズ６４、軸外し放物面ミ
ラー６５、６６及び受信レンズ６７からなる光学系の構
成については、このような構成に限られるものではな
く、サンプルセル６１の設置方法等の装置構成に応じ
て、異なる構成としても良い。

【００４２】本発明によるテラヘルツ波発生装置の応用
は、図１３及び図１４に示したテラヘルツ波分光器に限
ることなく、様々な装置に対して適用が可能である。ま
た、テラヘルツ波の測定方法についても、光スイッチ素
子及びボロメータに限られず、目的に応じて様々な測定
方法及び装置を用いることができる。例えば、ZnTe結晶
などの電気光学結晶の屈折率がテラヘルツ波を照射する
ことによって変化する電気光学効果（ＥＯ効果、Electr
o Optic effect）を利用するＥＯサンプリング法を用い
ることが可能である。例えば、テラヘルツ波が入射され
ている電気光学結晶に読み出し光を入射・透過させ、そ
の出力像をＣＣＤカメラなどによって測定することによ
り、電気光学結晶の屈折率の変化によって変調された読
み出し光によって、電気光学結晶を通過したテラヘルツ
波のビームプロファイルを得ることができる。

【００４３】

【発明の効果】本発明によるテラヘルツ波は、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、
光スイッチ素子に設けられた複数の光スイッチに対して
印加する電圧の値及び極性を切り換えることができる電
圧制御手段を備えることによって、光パルスを照射した
ときに得られるテラヘルツ波の周波数スペクトルを容易
に切り換えることができるテラヘルツ波発生装置を実現
できる。また、光スイッチアレイを１次元ではなく複数
列からなる２次元アレイに配列することによって、テラ
ヘルツ波の発生・出力位置を狭くして、より点光源に近
いテラヘルツ波発生装置とすることができる。

【００４４】特に周波数スペクトルの切り換えについて
優れた特性を有するこのようなテラヘルツ波発生装置
は、例えば確実かつ効率的にサンプルの分析を行うこと
ができるテラヘルツ波分光器など、テラヘルツ波を用い
た様々な装置等に応用することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る１×６アレイでの光スイッチ素子
及び電圧制御装置の一実施形態を示す構成図である。

【図２】本発明に係る２×３アレイでの光スイッチ素子
及び電圧制御装置の一実施形態を示す構成図である。

【図３】本発明に係る１×６アレイでの光スイッチ素子
及び電圧制御装置の他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一実施形
態を示す構成図である。

【図５】従来のテラヘルツ波発生装置によって得られる
テラヘルツ波の周波数特性を示すグラフであり、（ａ）
は時間波形、（ｂ）は周波数スペクトルを示す。

【図６】本発明によるテラヘルツ波発生装置の第１の実
施例におけるテラヘルツ波の周波数特性を示すグラフで
ある。

【図７】本発明によるテラヘルツ波発生装置の第２の実
施例におけるテラヘルツ波の周波数特性を示すグラフで
ある。

【図８】本発明によるテラヘルツ波発生装置の第３の実
施例におけるテラヘルツ波の周波数特性を示すグラフで
ある。

【図９】本発明によるテラヘルツ波発生装置の第４の実
施例におけるテラヘルツ波の周波数特性を示すグラフで
ある。

【図１０】本発明によるテラヘルツ波発生装置の第５の
実施例におけるテラヘルツ波の周波数特性を示すグラフ
である。

【図１１】本発明によるテラヘルツ波発生装置の第６の
実施例におけるテラヘルツ波の周波数特性を示すグラフ
である。

【図１２】本発明によるテラヘルツ波発生装置の第７の
実施例におけるテラヘルツ波の周波数特性を示すグラフ
である。

【図１３】本発明によるテラヘルツ波発生装置を用いた
テラヘルツ波分光器の一実施形態を示す構成図である。

【図１４】本発明によるテラヘルツ波発生装置を用いた
テラヘルツ波分光器の他の実施形態を示す構成図であ
る。

【図１５】単一の光スイッチによる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。

【図１６】複数の光スイッチによる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、１０、１０ａ〜１０ｆ…光スイッ
チ、１１…ギャップ、１２…平行伝送線路、１２ａ〜１
２ｃ…伝送線路、１５…基板、１６…光伝導薄膜、１７
…出力端２…電圧制御装置、２０、２０ａ〜２０ｆ…リード線、
２１、２１ａ〜２１ｆ…直流電源、２２…スイッチ、２
５…切り換え制御回路、３…光パルス光源、３ａ…パル
スレーザ、３１、３２…反射ミラー、３３…ハーフミラ
ー、３４、３５…タイミング調整ミラー、４…光パルス
発生手段、４１…レンズ系、４２ａ〜４２ｆ…光ファイ
バ、４３ａ〜４３ｆ…コリメートレンズ、５…光パルス
遅延手段、５０、５０ａ〜５０ｆ…光学媒体、６ａ…受
信用光スイッチ素子、６ｂ…ボロメータ、６１…サンプ
ルセル、６１ａ…サンプル、６２、６３…外囲容器、６
４…出射レンズ、６５、６６…軸外し放物面ミラー、６
７…受信レンズ、７１…電流計、７２…ロックインアン
プ、７３…処理装置。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光パルスを発生させる光パルス光源と、
複数の光スイッチからなる光スイッチアレイを有する光
スイッチ素子を備えたテラヘルツ波発生装置であって、前記複数の光スイッチに対応して前記光パルスをそれぞ
れ分割・伝達させる光パルス発生手段と、前記複数の光
スイッチに入射される前記光パルスにそれぞれ特定の遅
延時間を与える光パルス遅延手段と、前記複数の光スイ
ッチにそれぞれ印加される電圧の値及び極性を制御する
電圧制御手段とを有することを特徴とするテラヘルツ波
発生装置。
【請求項２】前記光スイッチ素子の前記光スイッチア
レイは、複数列からなる２次元アレイ状に構成されてい
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。