JP2003005238A - テラヘルツ波発生装置とその高速同調方法 - Google Patents
テラヘルツ波発生装置とその高速同調方法Info
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- JP2003005238A JP2003005238A JP2001187735A JP2001187735A JP2003005238A JP 2003005238 A JP2003005238 A JP 2003005238A JP 2001187735 A JP2001187735 A JP 2001187735A JP 2001187735 A JP2001187735 A JP 2001187735A JP 2003005238 A JP2003005238 A JP 2003005238A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 非線形光学結晶中のノンコリニア位相整合条
件のパラメトリック発振によるテラヘルツ波の発生にお
いて、テラヘルツ波の周波数掃引及び周波数同調を容易
かつ高速に行うことができるテラヘルツ波発生装置とそ
の高速同調方法を提供する。 【解決手段】 第１焦点Ｆ１を通過した光ビームを非線
形光学結晶１内に位置する第２焦点Ｆ２に集光する共焦
点光学系１２と、第１焦点Ｆ１を通過する光ビームの光
軸を高速で偏向可能なビーム偏向素子１４とを備える。
ビーム偏向素子と共焦点光学系を介して非線形光学結晶
１内の第２焦点Ｆ２に向けて単一周波数またはマルチモ
ードのレーザー光７をポンプ波２として入射し、ノンコ
リニア位相整合条件を満たす方向にアイドラー波３とテ
ラヘルツ波４を発生させ、かつビーム偏向素子１４で光
ビームの光軸を偏向して発生するテラヘルツ波４の周波
数を同調させる。
件のパラメトリック発振によるテラヘルツ波の発生にお
いて、テラヘルツ波の周波数掃引及び周波数同調を容易
かつ高速に行うことができるテラヘルツ波発生装置とそ
の高速同調方法を提供する。 【解決手段】 第１焦点Ｆ１を通過した光ビームを非線
形光学結晶１内に位置する第２焦点Ｆ２に集光する共焦
点光学系１２と、第１焦点Ｆ１を通過する光ビームの光
軸を高速で偏向可能なビーム偏向素子１４とを備える。
ビーム偏向素子と共焦点光学系を介して非線形光学結晶
１内の第２焦点Ｆ２に向けて単一周波数またはマルチモ
ードのレーザー光７をポンプ波２として入射し、ノンコ
リニア位相整合条件を満たす方向にアイドラー波３とテ
ラヘルツ波４を発生させ、かつビーム偏向素子１４で光
ビームの光軸を偏向して発生するテラヘルツ波４の周波
数を同調させる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、テラヘルツ波発生
装置とその高速同調方法に関する。
装置とその高速同調方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】周波数範囲が約１〜３ＴＨｚである遠赤
外線あるいはサブミリ波の領域は、光波と電波の境界に
位置しており、光波と電波がそれぞれの領域で発展して
きたのとは対象的に、技術面及び応用面の両面で未開拓
の分野として取り残されていた。しかし、無線通信にお
けるこの周波数帯（約１〜３ＴＨｚ）の有効利用や超高
速通信への対応、およびこの周波数帯の電磁波の特徴を
生かしたイメージングやトモグラフィーによる環境計
測、そして生物や医学への応用など、この領域は近年ま
すます重要となってきている。以下、この周波数帯（約
１〜３ＴＨｚ）の遠赤外線及びサブミリ波を「テラヘル
ツ波」と呼ぶ。
外線あるいはサブミリ波の領域は、光波と電波の境界に
位置しており、光波と電波がそれぞれの領域で発展して
きたのとは対象的に、技術面及び応用面の両面で未開拓
の分野として取り残されていた。しかし、無線通信にお
けるこの周波数帯（約１〜３ＴＨｚ）の有効利用や超高
速通信への対応、およびこの周波数帯の電磁波の特徴を
生かしたイメージングやトモグラフィーによる環境計
測、そして生物や医学への応用など、この領域は近年ま
すます重要となってきている。以下、この周波数帯（約
１〜３ＴＨｚ）の遠赤外線及びサブミリ波を「テラヘル
ツ波」と呼ぶ。
【０００３】テラヘルツ波は発生・検出ともに困難であ
り、従来は、（Ａ）自由電子レーザー、（Ｂ）後進波
管、（Ｃ）ｐ−Ｇｅレーザー、等の手段によりテラヘル
ツ波を発生させていた。自由電子レーザーは、原理的に
任意の波長のテラヘルツ波を発生可能であるが、１ＴＨ
ｚ付近での発振には光波帯よりもはるかに長い電子バン
チが必要となり、１０メートル規模の大型装置となり、
高価であるばかりか使用に際し不便である問題点があっ
た。後進波管（ＢＷＯ：Ｂａｃｋｗａｒｄ Ｏｓｃｉｌ
ｌａｔｏｒ）は、スペクトル純度に優れ、数百ＧＨｚ帯
では有用であるが、１ＴＨｚより高周波側で波長可変性
が急減する問題点があった。ｐ−Ｇｅレーザーは、液体
ヘリウムで冷却が必要な極低温を要するため、その設備
が大型となり、使用上不便であった。
り、従来は、（Ａ）自由電子レーザー、（Ｂ）後進波
管、（Ｃ）ｐ−Ｇｅレーザー、等の手段によりテラヘル
ツ波を発生させていた。自由電子レーザーは、原理的に
任意の波長のテラヘルツ波を発生可能であるが、１ＴＨ
ｚ付近での発振には光波帯よりもはるかに長い電子バン
チが必要となり、１０メートル規模の大型装置となり、
高価であるばかりか使用に際し不便である問題点があっ
た。後進波管（ＢＷＯ：Ｂａｃｋｗａｒｄ Ｏｓｃｉｌ
ｌａｔｏｒ）は、スペクトル純度に優れ、数百ＧＨｚ帯
では有用であるが、１ＴＨｚより高周波側で波長可変性
が急減する問題点があった。ｐ−Ｇｅレーザーは、液体
ヘリウムで冷却が必要な極低温を要するため、その設備
が大型となり、使用上不便であった。
【０００４】従って、従来のテラヘルツ波発生手段は、
いずれも実験室レベルでは一部使用可能であるが、大型
かつ高価であり、或いは使用上の不便が多く、多種多様
な応用研究のニーズを満たすほと実用的かつ簡便ではな
かった。
いずれも実験室レベルでは一部使用可能であるが、大型
かつ高価であり、或いは使用上の不便が多く、多種多様
な応用研究のニーズを満たすほと実用的かつ簡便ではな
かった。
【０００５】上述した従来のテラヘルツ波発生手段に対
して、１〜２ＴＨｚ帯で波長可変であり、かつ小型レー
ザー装置で作動可能な常温動作のテラヘルツ波発生手段
が、本発明の発明者等によって以下の参考資料に報告さ
れている。
して、１〜２ＴＨｚ帯で波長可変であり、かつ小型レー
ザー装置で作動可能な常温動作のテラヘルツ波発生手段
が、本発明の発明者等によって以下の参考資料に報告さ
れている。
【０００６】（参考資料１）特開平９−１４６１３１号
公報 （参考資料２）Ｕｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｒａｄ
ｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｗｉｄｅｌｙ ｔｕｎａｂｌｅ
ＴＨｚ ｗａｖｅ ｕｓｉｎｇ ａ ｐｒｉｓｍｃｏｕ
ｐｌｅｒ ｕｎｄｅｒ ｎｏｎｃｏｌｌｉｎｅａｒ ｐ
ｈａｓｅ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｃｉｎｄｉｔｉｏｎ，１
９９７ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ
Ｐｈｙｓｉｃｓ， １１ Ａｕｇｕｓｔ １９９７ （参考資料３）「パラメトリック発振による波長可変テ
ラヘルツ電磁波の発生と応用」、レーザー研究、１９９
８年７月 （参考資料４）ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ3を用いたＴＨｚ波
パラメトリック特性の検討」、電子情報通信学会誌文
誌、２０００年４月
公報 （参考資料２）Ｕｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｒａｄ
ｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｗｉｄｅｌｙ ｔｕｎａｂｌｅ
ＴＨｚ ｗａｖｅ ｕｓｉｎｇ ａ ｐｒｉｓｍｃｏｕ
ｐｌｅｒ ｕｎｄｅｒ ｎｏｎｃｏｌｌｉｎｅａｒ ｐ
ｈａｓｅ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｃｉｎｄｉｔｉｏｎ，１
９９７ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ
Ｐｈｙｓｉｃｓ， １１ Ａｕｇｕｓｔ １９９７ （参考資料３）「パラメトリック発振による波長可変テ
ラヘルツ電磁波の発生と応用」、レーザー研究、１９９
８年７月 （参考資料４）ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ3を用いたＴＨｚ波
パラメトリック特性の検討」、電子情報通信学会誌文
誌、２０００年４月
【０００７】図７は、このテラヘルツ波の発生原理図で
ある。この図において、１は非線形光学結晶（例えばＬ
ｉＮｂＯ3）、２はポンプ波（例えばＹＡＧレーザー
光）、３はアイドラー波、４はテラヘルツ波である。ラ
マン活性かつ遠赤外活性を有する非線形光学結晶１にポ
ンプ波２を一定方向に入射すると、誘導ラマン効果（又
はパラメトリック相互作用）により物質の素励起波（ポ
ラリトン）を介してアイドラー波３とテラヘルツ波４が
発生する。この場合、ポンプ波２（ωp）、テラヘルツ
波４（ωT）、アイドラー波３（ωi）の間には、式
（１）で示すエネルギー保存則と式（２）で示す運動量
保存則（位相整合条件）が成り立つ。なお、式（２）は
ベクトルであり、ノンコリニアな位相整合条件は、図７
の右上に示すように表現できる。
ある。この図において、１は非線形光学結晶（例えばＬ
ｉＮｂＯ3）、２はポンプ波（例えばＹＡＧレーザー
光）、３はアイドラー波、４はテラヘルツ波である。ラ
マン活性かつ遠赤外活性を有する非線形光学結晶１にポ
ンプ波２を一定方向に入射すると、誘導ラマン効果（又
はパラメトリック相互作用）により物質の素励起波（ポ
ラリトン）を介してアイドラー波３とテラヘルツ波４が
発生する。この場合、ポンプ波２（ωp）、テラヘルツ
波４（ωT）、アイドラー波３（ωi）の間には、式
（１）で示すエネルギー保存則と式（２）で示す運動量
保存則（位相整合条件）が成り立つ。なお、式（２）は
ベクトルであり、ノンコリニアな位相整合条件は、図７
の右上に示すように表現できる。
【０００８】
ωp＝ωT＋ωi．．．（１）
κp＝κT＋κi．．．（２）
【０００９】このとき発生するアイドラー波３とテラヘ
ルツ波４は空間的な広がりを持ち、その出射角度に応じ
てそれらの波長は連続的に変化する。このシングルパス
配置におけるブロードなアイドラー波及びテラヘルツ波
の発生をＴＰＧ（ＴＨｚ−ｗａｖｅ Ｐａｒａｍａｔｒ
ｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）と呼ぶ。なお、基本的な
光パラメトリック過程は、１個のポンプ光子の消滅と、
１個のアイドラ光子および１個のシグナル光子の同時生
成によって定義される。アイドラ光あるいはシグナル光
が共振する場合、ポンプ光強度が一定のしきい値を超え
るとパラメトリック発振が生じる。また、１個のポンプ
光子の消滅と、１個のアイドラ光子および１個のポラリ
トンの同時生成が誘導ラマン散乱であり、広義のパラメ
トリック相互作用に含まれる。
ルツ波４は空間的な広がりを持ち、その出射角度に応じ
てそれらの波長は連続的に変化する。このシングルパス
配置におけるブロードなアイドラー波及びテラヘルツ波
の発生をＴＰＧ（ＴＨｚ−ｗａｖｅ Ｐａｒａｍａｔｒ
ｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）と呼ぶ。なお、基本的な
光パラメトリック過程は、１個のポンプ光子の消滅と、
１個のアイドラ光子および１個のシグナル光子の同時生
成によって定義される。アイドラ光あるいはシグナル光
が共振する場合、ポンプ光強度が一定のしきい値を超え
るとパラメトリック発振が生じる。また、１個のポンプ
光子の消滅と、１個のアイドラ光子および１個のポラリ
トンの同時生成が誘導ラマン散乱であり、広義のパラメ
トリック相互作用に含まれる。
【００１０】しかし、図７に示したシングルパス配置の
テラヘルツ波発生装置で発生したテラヘルツ波は非常に
微弱であり、しかもその大部分は、非線形光学結晶中を
数百μｍ進む間に吸収されてしまうという問題があっ
た。
テラヘルツ波発生装置で発生したテラヘルツ波は非常に
微弱であり、しかもその大部分は、非線形光学結晶中を
数百μｍ進む間に吸収されてしまうという問題があっ
た。
【００１１】図８はこの問題を解決したテラヘルツ波発
生装置の構成図である。この図に示すように、上述した
ブロードなアイドラー波３に対して特定方向（角度θ）
に共振器を構成することで、特定方向のアイドラー波３
の強度を高めることができる。この場合、共振器は高反
射コーティングを施したミラーＭ1とＭ2からなり、回転
ステージ５上にセットされ、共振器の角度を微調整する
ことができる。また、２枚のミラーＭ1、Ｍ2はその半分
のみに高反射コーティングを施し、残りは素通しでポン
プ波２が通過するようになっている。なお、図８で６は
テラヘルツ波４を外部に取り出すためのプリズム結合器
である。
生装置の構成図である。この図に示すように、上述した
ブロードなアイドラー波３に対して特定方向（角度θ）
に共振器を構成することで、特定方向のアイドラー波３
の強度を高めることができる。この場合、共振器は高反
射コーティングを施したミラーＭ1とＭ2からなり、回転
ステージ５上にセットされ、共振器の角度を微調整する
ことができる。また、２枚のミラーＭ1、Ｍ2はその半分
のみに高反射コーティングを施し、残りは素通しでポン
プ波２が通過するようになっている。なお、図８で６は
テラヘルツ波４を外部に取り出すためのプリズム結合器
である。
【００１２】図８に示したテラヘルツ波発生装置におい
て、ポンプ波の結晶への入射角θをある範囲（例えば１
〜２°）で変えると、結晶中でのポンプ波とアイドラ波
のなす角が変化し、テラヘルツ波とアイドラ波のなす角
度も変化する。この位相整合条件の変化により、テラヘ
ルツ波は例えば約１４０〜３１０μｍの間で連続波長可
変性を備える。
て、ポンプ波の結晶への入射角θをある範囲（例えば１
〜２°）で変えると、結晶中でのポンプ波とアイドラ波
のなす角が変化し、テラヘルツ波とアイドラ波のなす角
度も変化する。この位相整合条件の変化により、テラヘ
ルツ波は例えば約１４０〜３１０μｍの間で連続波長可
変性を備える。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
のテラヘルツ波発生装置では、非線形光学結晶１と２枚
の鏡Ｍ1，Ｍ2で構成されたアイドラ光共振器を回転ステ
ージ５上に載せて全体を回転させ、これによりポンプ波
（励起光ビーム）２とアイドラー波３のなす角を変化さ
せ、テラヘルツ波およびアイドラ波の発振周波数を変え
ていた。
のテラヘルツ波発生装置では、非線形光学結晶１と２枚
の鏡Ｍ1，Ｍ2で構成されたアイドラ光共振器を回転ステ
ージ５上に載せて全体を回転させ、これによりポンプ波
（励起光ビーム）２とアイドラー波３のなす角を変化さ
せ、テラヘルツ波およびアイドラ波の発振周波数を変え
ていた。
【００１４】しかしかかる発振周波数の同調手段は、共
振器を回転させる回転ステージ５の駆動機構が複雑とな
り、かつ共振器自体の調整が煩雑である問題点があっ
た。また、平均的な非線形光学結晶（ＬｉＮｂＯ3）の
長さは例えば約６０ｍｍであり、反射鏡や反射鏡ホルダ
ーを回転ステージ５の上に配置すると長さは約２０ｃｍ
以上になる。さらに共振器を安定するには共振器の剛性
を高める必要があり重量も増える。その結果、共振器全
体の回転体としてのイナーシャが増加し、高速にその回
転角を変えることは困難であった。そのため、従来のテ
ラヘルツ波パラメトリック発振器の周波数掃引は低速で
あり、任意波長への瞬時周波数同調は不可能であった。
振器を回転させる回転ステージ５の駆動機構が複雑とな
り、かつ共振器自体の調整が煩雑である問題点があっ
た。また、平均的な非線形光学結晶（ＬｉＮｂＯ3）の
長さは例えば約６０ｍｍであり、反射鏡や反射鏡ホルダ
ーを回転ステージ５の上に配置すると長さは約２０ｃｍ
以上になる。さらに共振器を安定するには共振器の剛性
を高める必要があり重量も増える。その結果、共振器全
体の回転体としてのイナーシャが増加し、高速にその回
転角を変えることは困難であった。そのため、従来のテ
ラヘルツ波パラメトリック発振器の周波数掃引は低速で
あり、任意波長への瞬時周波数同調は不可能であった。
【００１５】本発明は、かかる問題点を解決するために
創案されたものである。すなわち本発明の目的は、非線
形光学結晶中のノンコリニア位相整合条件のパラメトリ
ック発振によるテラヘルツ波の発生において、テラヘル
ツ波の周波数掃引及び周波数同調を容易かつ高速に行う
ことができるテラヘルツ波発生装置とその高速同調方法
を提供することにある。
創案されたものである。すなわち本発明の目的は、非線
形光学結晶中のノンコリニア位相整合条件のパラメトリ
ック発振によるテラヘルツ波の発生において、テラヘル
ツ波の周波数掃引及び周波数同調を容易かつ高速に行う
ことができるテラヘルツ波発生装置とその高速同調方法
を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、パラメ
トリック効果によってテラヘルツ波発生が可能な非線形
光学結晶（１）を有するテラヘルツ波パラメトリック発
振器（１０）と、第１焦点Ｆ１を通過した光ビームを前
記非線形光学結晶内に位置する第２焦点Ｆ２に集光する
共焦点光学系（１２）と、前記第１焦点Ｆ１を通過する
光ビームの光軸を高速で偏向可能なビーム偏向素子（１
４）と、前記ビーム偏向素子と共焦点光学系を介して第
２焦点Ｆ２に向けてレーザー光（７）を入射するレーザ
ー装置（１６）と、を備えたことを特徴とするテラヘル
ツ波発生装置が提供される。
トリック効果によってテラヘルツ波発生が可能な非線形
光学結晶（１）を有するテラヘルツ波パラメトリック発
振器（１０）と、第１焦点Ｆ１を通過した光ビームを前
記非線形光学結晶内に位置する第２焦点Ｆ２に集光する
共焦点光学系（１２）と、前記第１焦点Ｆ１を通過する
光ビームの光軸を高速で偏向可能なビーム偏向素子（１
４）と、前記ビーム偏向素子と共焦点光学系を介して第
２焦点Ｆ２に向けてレーザー光（７）を入射するレーザ
ー装置（１６）と、を備えたことを特徴とするテラヘル
ツ波発生装置が提供される。
【００１７】また本発明によれば、第１焦点Ｆ１を通過
した光ビームを非線形光学結晶（１）内に位置する第２
焦点Ｆ２に集光する共焦点光学系（１２）と、前記第１
焦点Ｆ１を通過する光ビームの光軸を高速で偏向可能な
ビーム偏向素子（１４）とを備え、前記ビーム偏向素子
と共焦点光学系を介して非線形光学結晶（１）内の第２
焦点Ｆ２に向けてレーザー光（７）をポンプ波（２）と
して入射し、ノンコリニア位相整合条件を満たす方向に
アイドラー波（３）とテラヘルツ波（４）を発生させ、
かつビーム偏向素子（１４）で光ビームの光軸を偏向し
て発生するテラヘルツ波（４）の周波数を同調させる、
ことを特徴とするテラヘルツ波の高速同調方法が提供さ
れる。
した光ビームを非線形光学結晶（１）内に位置する第２
焦点Ｆ２に集光する共焦点光学系（１２）と、前記第１
焦点Ｆ１を通過する光ビームの光軸を高速で偏向可能な
ビーム偏向素子（１４）とを備え、前記ビーム偏向素子
と共焦点光学系を介して非線形光学結晶（１）内の第２
焦点Ｆ２に向けてレーザー光（７）をポンプ波（２）と
して入射し、ノンコリニア位相整合条件を満たす方向に
アイドラー波（３）とテラヘルツ波（４）を発生させ、
かつビーム偏向素子（１４）で光ビームの光軸を偏向し
て発生するテラヘルツ波（４）の周波数を同調させる、
ことを特徴とするテラヘルツ波の高速同調方法が提供さ
れる。
【００１８】上記本発明の装置及び方法によれば、光ビ
ームとしてレーザー光（７）をポンプ波（２）として入
射し、ノンコリニア位相整合条件を満たす方向にアイド
ラー波（３）とテラヘルツ波（４）を発生させ、かつビ
ーム偏向素子（１４）で光ビームの光軸を偏向して発生
するテラヘルツ波（４）の周波数を同調させることがで
きる。従って、このビーム偏向素子（１４）として１ｋ
Ｈｚ以上に応答可能な素子（例えばガルバノ式光学スキ
ャナまたは音響光学素子）を用いることにより、テラヘ
ルツ波の周波数掃引及び任意周波数への同調を容易かつ
高速に行うことができる。
ームとしてレーザー光（７）をポンプ波（２）として入
射し、ノンコリニア位相整合条件を満たす方向にアイド
ラー波（３）とテラヘルツ波（４）を発生させ、かつビ
ーム偏向素子（１４）で光ビームの光軸を偏向して発生
するテラヘルツ波（４）の周波数を同調させることがで
きる。従って、このビーム偏向素子（１４）として１ｋ
Ｈｚ以上に応答可能な素子（例えばガルバノ式光学スキ
ャナまたは音響光学素子）を用いることにより、テラヘ
ルツ波の周波数掃引及び任意周波数への同調を容易かつ
高速に行うことができる。
【００１９】本発明の好ましい実施形態によれば、前記
テラヘルツ波パラメトリック発振器（１０）は、非線形
光学結晶（１）内で発生したアイドラー波（３）を結晶
中で多重往復させて増幅する共振器（Ｍ1，Ｍ2）と、前
記非線形光学結晶の表面に配置されたプリズム結合器
（６）とを有する。この構成により、アイドラー波
（３）を増幅して発生するテラヘルツ波（４）の強度を
高め、かつ、プリズム結合器（６）によりテラヘルツ波
の発生方向を一定化し、テラヘルツ波を適用する計測シ
ステムの調整を簡潔にすることができる。
テラヘルツ波パラメトリック発振器（１０）は、非線形
光学結晶（１）内で発生したアイドラー波（３）を結晶
中で多重往復させて増幅する共振器（Ｍ1，Ｍ2）と、前
記非線形光学結晶の表面に配置されたプリズム結合器
（６）とを有する。この構成により、アイドラー波
（３）を増幅して発生するテラヘルツ波（４）の強度を
高め、かつ、プリズム結合器（６）によりテラヘルツ波
の発生方向を一定化し、テラヘルツ波を適用する計測シ
ステムの調整を簡潔にすることができる。
【００２０】また前記共焦点光学系（１２）は、焦点距
離ｆ１の第１凸レンズ系（１２ａ）と焦点距離ｆ２の第
２凸レンズ系（１２ｂ）とからなり、第１凸レンズ系と
第２凸レンズ系は互いにその焦点距離の和ｆ１＋ｆ２の
間隔を隔てて同軸上に位置し、これにより第１凸レンズ
系と第２凸レンズ系がその中間位置にそれぞれの焦点位
置を共有する。この構成により、ビーム偏向素子（１
４）で光ビームの光軸を偏向しても、その光ビームを非
線形光学結晶内に位置する第２焦点Ｆ２に集光すること
ができる。
離ｆ１の第１凸レンズ系（１２ａ）と焦点距離ｆ２の第
２凸レンズ系（１２ｂ）とからなり、第１凸レンズ系と
第２凸レンズ系は互いにその焦点距離の和ｆ１＋ｆ２の
間隔を隔てて同軸上に位置し、これにより第１凸レンズ
系と第２凸レンズ系がその中間位置にそれぞれの焦点位
置を共有する。この構成により、ビーム偏向素子（１
４）で光ビームの光軸を偏向しても、その光ビームを非
線形光学結晶内に位置する第２焦点Ｆ２に集光すること
ができる。
【００２１】更にビーム偏向素子（１４）は、ガルバノ
式光学スキャナまたは音響光学素子である、ことが好ま
しい。かかるビーム偏向素子（１４）を用いることによ
り、１ｋＨｚ以上の応答速度で、テラヘルツ波の周波数
掃引及び周波数同調を容易かつ高速に行うことができ
る。
式光学スキャナまたは音響光学素子である、ことが好ま
しい。かかるビーム偏向素子（１４）を用いることによ
り、１ｋＨｚ以上の応答速度で、テラヘルツ波の周波数
掃引及び周波数同調を容易かつ高速に行うことができ
る。
【００２２】
【発明の実施の形態】以下に本発明の好ましい実施形態
を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通
する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略す
る。
を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通
する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略す
る。
【００２３】図１は、本発明によるテラヘルツ波発生装
置の全体構成図である。この図に示すように本発明のテ
ラヘルツ波発生装置は、テラヘルツ波パラメトリック発
振器１０、共焦点光学系１２、ビーム偏向素子１４およ
びレーザー装置１６を備える。
置の全体構成図である。この図に示すように本発明のテ
ラヘルツ波発生装置は、テラヘルツ波パラメトリック発
振器１０、共焦点光学系１２、ビーム偏向素子１４およ
びレーザー装置１６を備える。
【００２４】テラヘルツ波パラメトリック発振器１０
（ＴＰＯ）は、ＬｉＮｂＯ3結晶のノンコリニア位相整
合を利用したテラヘルツ光源であり、パラメトリック効
果によってテラヘルツ波発生が可能な非線形光学結晶１
と、非線形光学結晶１内で発生したアイドラー波３を結
晶中で多重往復させて増幅する共振器（ミラーＭ1，Ｍ2
からなる）と、非線形光学結晶１の表面（図で上面）に
配置されたプリズム結合器６とを有する。非線形光学結
晶１は、パラメトリック発振可能な結晶であり、例え
ば、ＬｉＮｂＯ3、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ3（ＭｇＯドープ
ＬｉＮｂＯ3）を用いることができる。その他の非線形
光学結晶１としては、ＬｉＴａＯ3、ＮｄドープＬｉＮ
ｂＯ3、ＮｄドープＬｉＴａＯ3、等を用いてもよい。
（ＴＰＯ）は、ＬｉＮｂＯ3結晶のノンコリニア位相整
合を利用したテラヘルツ光源であり、パラメトリック効
果によってテラヘルツ波発生が可能な非線形光学結晶１
と、非線形光学結晶１内で発生したアイドラー波３を結
晶中で多重往復させて増幅する共振器（ミラーＭ1，Ｍ2
からなる）と、非線形光学結晶１の表面（図で上面）に
配置されたプリズム結合器６とを有する。非線形光学結
晶１は、パラメトリック発振可能な結晶であり、例え
ば、ＬｉＮｂＯ3、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ3（ＭｇＯドープ
ＬｉＮｂＯ3）を用いることができる。その他の非線形
光学結晶１としては、ＬｉＴａＯ3、ＮｄドープＬｉＮ
ｂＯ3、ＮｄドープＬｉＴａＯ3、等を用いてもよい。
【００２５】共焦点光学系（１２）は、図２（Ｂ）に示
すように、焦点距離ｆ１の第１凸レンズ系１２ａと焦点
距離ｆ２の第２凸レンズ系１２ｂとからなる。第１凸レ
ンズ系１２ａと第２凸レンズ系１２ｂはそれぞれ１枚ま
たは複数のレンズで構成される。また第１凸レンズ系１
２ａと第２凸レンズ系１２ｂは互いにその焦点距離の和
ｆ１＋ｆ２の間隔Ｌを隔てて同軸上に位置する。従っ
て、第１凸レンズ系１２ａと第２凸レンズ系１２ｂはそ
の中間位置Ａにそれぞれの焦点位置を共有する。この構
成により、第１焦点Ｆ１を通過した光ビームを第２焦点
Ｆ２に集光することができる。
すように、焦点距離ｆ１の第１凸レンズ系１２ａと焦点
距離ｆ２の第２凸レンズ系１２ｂとからなる。第１凸レ
ンズ系１２ａと第２凸レンズ系１２ｂはそれぞれ１枚ま
たは複数のレンズで構成される。また第１凸レンズ系１
２ａと第２凸レンズ系１２ｂは互いにその焦点距離の和
ｆ１＋ｆ２の間隔Ｌを隔てて同軸上に位置する。従っ
て、第１凸レンズ系１２ａと第２凸レンズ系１２ｂはそ
の中間位置Ａにそれぞれの焦点位置を共有する。この構
成により、第１焦点Ｆ１を通過した光ビームを第２焦点
Ｆ２に集光することができる。
【００２６】ビーム偏向素子１４は、ガルバノ式光学ス
キャナまたは音響光学素子である。ガルバノ式光学スキ
ャナは、ガルバノスキャナに設置された反射ミラーであ
り、反射ミラーの回転角を電圧により制御することがで
きる。例えば、ハーモニックドライブシステムズ社製の
ＬＳＡ-２０Ａ-３０を用いた場合、回転角±３°を電圧
により制御することができ、その直線性は±０．０６％
以下、応答速度は約１ｋＨｚに達する。従って反射ミラ
ーの反射面の角度を機械的に変えることによって、ビー
ムに対して反射面内の１点を中心とする出射方向に回転
を与えることができる。
キャナまたは音響光学素子である。ガルバノ式光学スキ
ャナは、ガルバノスキャナに設置された反射ミラーであ
り、反射ミラーの回転角を電圧により制御することがで
きる。例えば、ハーモニックドライブシステムズ社製の
ＬＳＡ-２０Ａ-３０を用いた場合、回転角±３°を電圧
により制御することができ、その直線性は±０．０６％
以下、応答速度は約１ｋＨｚに達する。従って反射ミラ
ーの反射面の角度を機械的に変えることによって、ビー
ムに対して反射面内の１点を中心とする出射方向に回転
を与えることができる。
【００２７】また、音響光学素子には、音響光学素子
（音響光学偏向器、音響光学変調器）などが含まれる。
音響光学素子は音響光学結晶を進行する音波によって生
ずる屈折率の縞により光波が回折されることを利用した
もので、音響波の周波数によって回折角を変えることが
できる。音響光学素子は可動部分が全くなく、高速かつ
信頼性が高い特徴がある。例えば、オプトサイエンス社
から偏向角度約３°以上、アクセス時間約５μｓｅｃ以
下のＡＯ偏向器が市販されている。これらのビーム偏向
素子１４により、図２の第１焦点Ｆ１を通過する光ビー
ムの光軸を高速で偏向させることができる。なお偏向の
しかたは、ガルバノ式光学スキャナでは図１に例示する
ように反射であり、ＡＯ偏向器では透過となる。
（音響光学偏向器、音響光学変調器）などが含まれる。
音響光学素子は音響光学結晶を進行する音波によって生
ずる屈折率の縞により光波が回折されることを利用した
もので、音響波の周波数によって回折角を変えることが
できる。音響光学素子は可動部分が全くなく、高速かつ
信頼性が高い特徴がある。例えば、オプトサイエンス社
から偏向角度約３°以上、アクセス時間約５μｓｅｃ以
下のＡＯ偏向器が市販されている。これらのビーム偏向
素子１４により、図２の第１焦点Ｆ１を通過する光ビー
ムの光軸を高速で偏向させることができる。なお偏向の
しかたは、ガルバノ式光学スキャナでは図１に例示する
ように反射であり、ＡＯ偏向器では透過となる。
【００２８】図１において、レーザー装置１６は、ビー
ム偏向素子１４と共焦点光学系１２を介して非線形光学
結晶１内に位置する第２焦点Ｆ２に向けて単一周波数の
レーザー光７を入射する。
ム偏向素子１４と共焦点光学系１２を介して非線形光学
結晶１内に位置する第２焦点Ｆ２に向けて単一周波数の
レーザー光７を入射する。
【００２９】本発明のテラヘルツ波発生装置では、図１
に示すように、ビーム偏向素子１４、共焦点光学系１
２、テラヘルツ波パラメトリック発振器１０の順に配置
する。
に示すように、ビーム偏向素子１４、共焦点光学系１
２、テラヘルツ波パラメトリック発振器１０の順に配置
する。
【００３０】図２は本発明の原理図である。この図にお
いて、（Ａ）は焦点距離ｆ１と焦点距離ｆ２が同一の場
合、（Ｂ）はこれが異なる場合である。以下これらの図
を用いて本発明の原理図を説明する。
いて、（Ａ）は焦点距離ｆ１と焦点距離ｆ２が同一の場
合、（Ｂ）はこれが異なる場合である。以下これらの図
を用いて本発明の原理図を説明する。
【００３１】図２（Ａ）のように、焦点距離ｆのレンズ
２枚を反射点Ｆ１からｆ、２ｆ、ｆの間隔に配置した場
合を考える。ｒinを入射点、ｒoutを出射点とする光線
行列を光エレクトロニクス基礎（Ａ．Ｙａｒｉｖ著）に
従って計算する。２枚のレンズが焦点を共有する一点鎖
線の位置Ａで全半と後半に分ける。前半部分の光線行列
は［数１］の式（１）で得られる。また後半の光学系は
前半と全く同じなのでｒinからｒoutまでの光線行列は
［数１］の式（２）で表される。更にｒin、ｒ' inをそ
れぞれの入射面での光線の位置と傾き、ｒout，ｒ' o ut
をそれぞれ入射点での光線の位置、傾きとすると、［数
１］の式（３）が得られ、ｒout面上でのポンプビーム
の位置と入射角は、ｒin面を出発するポンプビームの位
置と傾きによって決定される。
２枚を反射点Ｆ１からｆ、２ｆ、ｆの間隔に配置した場
合を考える。ｒinを入射点、ｒoutを出射点とする光線
行列を光エレクトロニクス基礎（Ａ．Ｙａｒｉｖ著）に
従って計算する。２枚のレンズが焦点を共有する一点鎖
線の位置Ａで全半と後半に分ける。前半部分の光線行列
は［数１］の式（１）で得られる。また後半の光学系は
前半と全く同じなのでｒinからｒoutまでの光線行列は
［数１］の式（２）で表される。更にｒin、ｒ' inをそ
れぞれの入射面での光線の位置と傾き、ｒout，ｒ' o ut
をそれぞれ入射点での光線の位置、傾きとすると、［数
１］の式（３）が得られ、ｒout面上でのポンプビーム
の位置と入射角は、ｒin面を出発するポンプビームの位
置と傾きによって決定される。
【００３２】
【数１】
【００３３】反射点ｒinをミラーの回転中心のおいて不
動点にすれば、ｒoutも不動である。単純にするため反
射点をｒin＝０として反射点を中心にミラーを回転して
ビームに角度変化を与えると考えると、ｒout＝ｒin＝
０、ｒ' out＝-ｒ' inが得られることから、ポンプ光入射
角はｒout＝０の一点を中心に、スキャナで与えた角度
に等しい角度で回転する。
動点にすれば、ｒoutも不動である。単純にするため反
射点をｒin＝０として反射点を中心にミラーを回転して
ビームに角度変化を与えると考えると、ｒout＝ｒin＝
０、ｒ' out＝-ｒ' inが得られることから、ポンプ光入射
角はｒout＝０の一点を中心に、スキャナで与えた角度
に等しい角度で回転する。
【００３４】２枚のレンズの焦点距離が異なる一般的な
場合にも、１点を中心にビームの回転を与えることがで
きるが、入射角が焦点距離の比率に応じて拡大・縮小さ
れる。この場合、図２（Ｂ）のように、１枚目レンズの
焦点距離をｆ１、２枚目レンズの焦点距離をｆ２として
焦点を共有するようにｆ１＋ｆ２の間隔Ｌで配置する。
ｆinを入射点、ｆoutを出射点とし、２枚のレンズが焦
点を共有する１点鎖線の位置Ａで前半と後半に分ける。
場合にも、１点を中心にビームの回転を与えることがで
きるが、入射角が焦点距離の比率に応じて拡大・縮小さ
れる。この場合、図２（Ｂ）のように、１枚目レンズの
焦点距離をｆ１、２枚目レンズの焦点距離をｆ２として
焦点を共有するようにｆ１＋ｆ２の間隔Ｌで配置する。
ｆinを入射点、ｆoutを出射点とし、２枚のレンズが焦
点を共有する１点鎖線の位置Ａで前半と後半に分ける。
【００３５】前半部分の光線行列は［数２］の式（４）
で得られる。後半の光学系も同様に計算すると［数２］
の式（５）が得られる。従ってｒinからｒoutまでの光
線行列は［数２］の式（６）で表される。ｒin、ｒ' in
をそれぞれ入射面での光線の位置と傾き、ｒout、ｒ'
outをそれぞれ入射点での光線の位置と傾きとすると、
［数２］の式（７）が得られる。
で得られる。後半の光学系も同様に計算すると［数２］
の式（５）が得られる。従ってｒinからｒoutまでの光
線行列は［数２］の式（６）で表される。ｒin、ｒ' in
をそれぞれ入射面での光線の位置と傾き、ｒout、ｒ'
outをそれぞれ入射点での光線の位置と傾きとすると、
［数２］の式（７）が得られる。
【００３６】
【数２】
【００３７】反射点ｒinをミラーの回転中心において不
動点にすれば、ｒout＝−（ｆ2／ｆ 1）・ｒinも不動で
ある。ただし、ｒout＝−（ｆ2／ｆ1）・ｒinは、ｒout
面の像が-（ｆ2／ｆ1）倍に拡大・縮小されることを意
味しており、ビームのサイズの拡大・縮小を伴う。また
ｒout面の入射角ｒ' outはｒin面の出射角のｆ1／ｆ2倍
に拡大・縮小される。
動点にすれば、ｒout＝−（ｆ2／ｆ 1）・ｒinも不動で
ある。ただし、ｒout＝−（ｆ2／ｆ1）・ｒinは、ｒout
面の像が-（ｆ2／ｆ1）倍に拡大・縮小されることを意
味しており、ビームのサイズの拡大・縮小を伴う。また
ｒout面の入射角ｒ' outはｒin面の出射角のｆ1／ｆ2倍
に拡大・縮小される。
【００３８】上述した装置を用い本発明のテラヘルツ波
発生装置の高速同調方法では、ビーム偏向素子１４と共
焦点光学系１２を介して非線形光学結晶１内の第２焦点
Ｆ２に向けて単一周波数またはマルチモードのレーザー
光７をポンプ波２として入射し、ノンコリニア位相整合
条件を満たす方向にアイドラー波３とテラヘルツ波４を
発生させ、かつビーム偏向素子１４で光ビームの光軸を
偏向して発生するテラヘルツ波４の周波数を同調させ
る。
発生装置の高速同調方法では、ビーム偏向素子１４と共
焦点光学系１２を介して非線形光学結晶１内の第２焦点
Ｆ２に向けて単一周波数またはマルチモードのレーザー
光７をポンプ波２として入射し、ノンコリニア位相整合
条件を満たす方向にアイドラー波３とテラヘルツ波４を
発生させ、かつビーム偏向素子１４で光ビームの光軸を
偏向して発生するテラヘルツ波４の周波数を同調させ
る。
【００３９】上述した本発明の装置及び方法によれば、
光ビームとして単一周波数またはマルチモードのレーザ
ー光７をポンプ波２として入射し、ノンコリニア位相整
合条件を満たす方向にアイドラー波３とテラヘルツ波４
を発生させ、かつビーム偏向素子１４で光ビームの光軸
を偏向して発生するテラヘルツ波４の周波数を同調させ
ることができる。従って、このビーム偏向素子１４とし
て１ｋＨｚ以上に応答可能な素子（例えばガルバノ式光
学スキャナまたは音響光学素子）を用いることにより、
テラヘルツ波の周波数掃引及び任意周波数への同調を容
易かつ高速に行うことができる。
光ビームとして単一周波数またはマルチモードのレーザ
ー光７をポンプ波２として入射し、ノンコリニア位相整
合条件を満たす方向にアイドラー波３とテラヘルツ波４
を発生させ、かつビーム偏向素子１４で光ビームの光軸
を偏向して発生するテラヘルツ波４の周波数を同調させ
ることができる。従って、このビーム偏向素子１４とし
て１ｋＨｚ以上に応答可能な素子（例えばガルバノ式光
学スキャナまたは音響光学素子）を用いることにより、
テラヘルツ波の周波数掃引及び任意周波数への同調を容
易かつ高速に行うことができる。
【００４０】
【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。図１に示
した装置において、テラヘルツ波パラメトリック発振器
１０（ＴＰＯ）を長さ５０ｍｍのＬｉＮｂＯ3結晶と２
枚の反射鏡Ｍ1，Ｍ2（Ｒ＞９９％、Ｒ＝４０％）から構
成した。また励起光源すなわちレーザー装置１６とし
て、Ｑ-ｓｗｉｔｃｈ Ｎｄ：ＹＡＧレーザー（波長
１．０６４μｍ、パルス幅２５ｎｓ、５０Ｈｚ、４０ｍ
Ｊ／ｐｕｌｓｅ）を用いた。更に共焦点光学系１２とし
て、焦点距離ｆ＝２００ｍｍのレンズを２枚、２ｆの間
隔で配置した共焦点光学系を採用し、光学スキャナ１４
によって与えられるビーム振れ角をＬｉＮｂＯ3結晶内
の１点を中心とするポンプ光の入射角に対応させた。
した装置において、テラヘルツ波パラメトリック発振器
１０（ＴＰＯ）を長さ５０ｍｍのＬｉＮｂＯ3結晶と２
枚の反射鏡Ｍ1，Ｍ2（Ｒ＞９９％、Ｒ＝４０％）から構
成した。また励起光源すなわちレーザー装置１６とし
て、Ｑ-ｓｗｉｔｃｈ Ｎｄ：ＹＡＧレーザー（波長
１．０６４μｍ、パルス幅２５ｎｓ、５０Ｈｚ、４０ｍ
Ｊ／ｐｕｌｓｅ）を用いた。更に共焦点光学系１２とし
て、焦点距離ｆ＝２００ｍｍのレンズを２枚、２ｆの間
隔で配置した共焦点光学系を採用し、光学スキャナ１４
によって与えられるビーム振れ角をＬｉＮｂＯ3結晶内
の１点を中心とするポンプ光の入射角に対応させた。
【００４１】図３〜図６は、本発明のテラヘルツ波発生
装置の試験結果である。図３は、本発明のテラヘルツ波
発生装置の同調特性である。この図において横軸は非線
形光学結晶１に対する入射角θin、縦軸は発生したテラ
ヘルツ波の周波数である。また図中の直線は理論値、黒
丸は実測値である。この図から入射角を変化させるだけ
で、テラヘルツ波の周波数を理論値通りに正確に同調さ
せることができることがわかる。
装置の試験結果である。図３は、本発明のテラヘルツ波
発生装置の同調特性である。この図において横軸は非線
形光学結晶１に対する入射角θin、縦軸は発生したテラ
ヘルツ波の周波数である。また図中の直線は理論値、黒
丸は実測値である。この図から入射角を変化させるだけ
で、テラヘルツ波の周波数を理論値通りに正確に同調さ
せることができることがわかる。
【００４２】図４は、本発明のテラヘルツ波発生装置の
出力特性である。この図において横軸はテラヘルツ波の
周波数、縦軸はテラヘルツ波とアイドラー波のパルス出
力である。この図から周波数可変範囲１〜２ＴＨｚにお
いて、最大出力１５０ｐＪ／ｐｕｌｓｅのテラヘルツ波
が得られた。なお非線形光学結晶１としてＭｇＯ：Ｌｉ
ＮｂＯ3を用いれば周波数可変範囲は２．６ＴＨｚまで
拡大する。
出力特性である。この図において横軸はテラヘルツ波の
周波数、縦軸はテラヘルツ波とアイドラー波のパルス出
力である。この図から周波数可変範囲１〜２ＴＨｚにお
いて、最大出力１５０ｐＪ／ｐｕｌｓｅのテラヘルツ波
が得られた。なお非線形光学結晶１としてＭｇＯ：Ｌｉ
ＮｂＯ3を用いれば周波数可変範囲は２．６ＴＨｚまで
拡大する。
【００４３】図５は、本発明のテラヘルツ波発生装置に
よるテラヘルツ波の波長測定結果である。この図におい
て横軸は図１のメタルメッシュエタロン１９の間隔拡大
量、縦軸はエタロンを通過したテラヘルツ波の出力であ
る。また図中の実線は非線形光学結晶１に対する入射角
θinが１．７３°の場合、破線は１．４９°の場合であ
る。この図から、入射角θinが１．７３°の場合には波
長１６７μmのテラヘルツ波が発生し、入射角θinが
１．４９°の場合には波長１９３μmのテラヘルツ波が
発生することがわかる。
よるテラヘルツ波の波長測定結果である。この図におい
て横軸は図１のメタルメッシュエタロン１９の間隔拡大
量、縦軸はエタロンを通過したテラヘルツ波の出力であ
る。また図中の実線は非線形光学結晶１に対する入射角
θinが１．７３°の場合、破線は１．４９°の場合であ
る。この図から、入射角θinが１．７３°の場合には波
長１６７μmのテラヘルツ波が発生し、入射角θinが
１．４９°の場合には波長１９３μmのテラヘルツ波が
発生することがわかる。
【００４４】図６は、本発明の高速同調方法によるテラ
ヘルツ波のスイッチング特性である。この図において、
横軸は時間、縦軸は図５における間隔拡大量が４９μm
に固定されたエタロンを通過したテラヘルツ波の出力で
ある。また(a)は入射角θinが１．７３°の場合、(b)は
入射角θinが１．４９°の場合、(c)は１．７３°と
１．４９°を２５Hzでスイッチングした場合である。こ
の図から、２５Hzに追従して、１パルス毎に発振波長が
スイッチングしていることがわかる。
ヘルツ波のスイッチング特性である。この図において、
横軸は時間、縦軸は図５における間隔拡大量が４９μm
に固定されたエタロンを通過したテラヘルツ波の出力で
ある。また(a)は入射角θinが１．７３°の場合、(b)は
入射角θinが１．４９°の場合、(c)は１．７３°と
１．４９°を２５Hzでスイッチングした場合である。こ
の図から、２５Hzに追従して、１パルス毎に発振波長が
スイッチングしていることがわかる。
【００４５】上述したように、位相整合条件をポンプ光
入射角によって変化させるため、共振器を機械的に回転
せずにＴＨｚ波の波長選択が可能である。すなわち光学
式スキャナドライバへの制御電圧を変えることによって
１５０μｍ-２９０μｍまでの波長可変性が得られるこ
とを確認した。
入射角によって変化させるため、共振器を機械的に回転
せずにＴＨｚ波の波長選択が可能である。すなわち光学
式スキャナドライバへの制御電圧を変えることによって
１５０μｍ-２９０μｍまでの波長可変性が得られるこ
とを確認した。
【００４６】なお、本発明は上述した実施形態に限定さ
れず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できる
ことは勿論である。
れず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できる
ことは勿論である。
【００４７】
【発明の効果】上述したように、本発明は、ガルバノス
キャナもしくは音響光学素子と共焦点光学系を用いた励
起光源ビームの入射角回転によるテラヘルツ波パラメト
リック発振器の新しい周波数同調手段であり、周波数掃
引が高速、任意周波数への高速同調が可能、という特徴
を持つ。すなわち、従来のテラヘルツ波発振器では不可
能であった高速周波数掃引および任意周波数への高速同
調を可能にする効果を有する。言い換えれば、本発明の
方法および装置により、（１）テラヘルツ波パラメトリ
ック発振器を回転せずに同調可能であり、（２）周波数
同調が高速であり、（３）連続的周波数掃引が高速であ
り、（４）大きく離れた任意周波数への高速同調も可能
である。
キャナもしくは音響光学素子と共焦点光学系を用いた励
起光源ビームの入射角回転によるテラヘルツ波パラメト
リック発振器の新しい周波数同調手段であり、周波数掃
引が高速、任意周波数への高速同調が可能、という特徴
を持つ。すなわち、従来のテラヘルツ波発振器では不可
能であった高速周波数掃引および任意周波数への高速同
調を可能にする効果を有する。言い換えれば、本発明の
方法および装置により、（１）テラヘルツ波パラメトリ
ック発振器を回転せずに同調可能であり、（２）周波数
同調が高速であり、（３）連続的周波数掃引が高速であ
り、（４）大きく離れた任意周波数への高速同調も可能
である。
【００４８】従って、本発明の方法および装置は以下の
応用が可能である。 （１）分光測定の高速化 テラヘルツ波帯に吸収線を持つガスの分光では、テラヘ
ルツ波はガス中を伝搬した後検出される。テラヘルツ波
周波数掃引し、ガスに特異的な吸収線の周波数、線幅、
吸収量などの情報が得られる。ガスの種の特定、濃度、
温度等の情報が引き出せる。周波数掃引が高速なこと
は、分光測定の高速化をもたらす。 （２）高感度ガス検出 測定対象となるガスの吸収線に一致した周波数と透過と
なる周波数を交互に発振させ、２つの周波数に対する透
過光強度の差を検出する差分検出法は、背景雑音が相殺
されるため検出感度を高めることができる。レーザー光
を用いた分光ではしばしば用いられている手法である。
テラヘルツ波帯では、任意周波数へ高速に同調できる光
源が無かったため困難であったが、本発明の同調方法に
よりあらゆるガス種に対応した差分検出法が高速に行え
る。 （３）ガス濃度の実時間計測 任意周波数への同調速度が、ガルバノスキャナの場合１
ミリ秒、音響光学素子の場合１マイクロ秒程度であるた
め、実時間でガス濃度を検出することができる。
応用が可能である。 （１）分光測定の高速化 テラヘルツ波帯に吸収線を持つガスの分光では、テラヘ
ルツ波はガス中を伝搬した後検出される。テラヘルツ波
周波数掃引し、ガスに特異的な吸収線の周波数、線幅、
吸収量などの情報が得られる。ガスの種の特定、濃度、
温度等の情報が引き出せる。周波数掃引が高速なこと
は、分光測定の高速化をもたらす。 （２）高感度ガス検出 測定対象となるガスの吸収線に一致した周波数と透過と
なる周波数を交互に発振させ、２つの周波数に対する透
過光強度の差を検出する差分検出法は、背景雑音が相殺
されるため検出感度を高めることができる。レーザー光
を用いた分光ではしばしば用いられている手法である。
テラヘルツ波帯では、任意周波数へ高速に同調できる光
源が無かったため困難であったが、本発明の同調方法に
よりあらゆるガス種に対応した差分検出法が高速に行え
る。 （３）ガス濃度の実時間計測 任意周波数への同調速度が、ガルバノスキャナの場合１
ミリ秒、音響光学素子の場合１マイクロ秒程度であるた
め、実時間でガス濃度を検出することができる。
【００４９】従って、本発明のテラヘルツ波発生装置と
その高速同調方法は、非線形光学結晶中のノンコリニア
位相整合条件のパラメトリック発振によるテラヘルツ波
の発生において、テラヘルツ波の周波数掃引及び周波数
同調を容易かつ高速に行うことができる、等の優れた効
果を有する。
その高速同調方法は、非線形光学結晶中のノンコリニア
位相整合条件のパラメトリック発振によるテラヘルツ波
の発生において、テラヘルツ波の周波数掃引及び周波数
同調を容易かつ高速に行うことができる、等の優れた効
果を有する。
【図１】本発明によるテラヘルツ波発生装置の全体構成
図である。
図である。
【図２】本発明の原理図である。
【図３】本発明のテラヘルツ波発生装置の同調特性であ
る。
る。
【図４】本発明のテラヘルツ波発生装置の出力特性であ
る。
る。
【図５】本発明のテラヘルツ波発生装置によるテラヘル
ツ波の波長測定結果である。
ツ波の波長測定結果である。
【図６】本発明の高速同調方法によるテラヘルツ波のス
イッチング特性である。
イッチング特性である。
【図７】テラヘルツ波の発生原理図である。
【図８】共振器を有する従来のテラヘルツ波発生装置の
構成図である。
構成図である。
１ 非線形光学結晶、２ ポンプ波、３ アイドラー
波、４ テラヘルツ波、５ 回転ステージ、６ プリズ
ム結合器、７ レーザー光、１０ テラヘルツ波パラメ
トリック発振器、１２ 共焦点光学系、１２ａ 第１凸
レンズ系、１２ｂ 第２凸レンズ系、１４ ビーム偏向
素子、１６ レーザー装置、１９ メタルメッシュエタ
ロン、２０ ボロメーター、
波、４ テラヘルツ波、５ 回転ステージ、６ プリズ
ム結合器、７ レーザー光、１０ テラヘルツ波パラメ
トリック発振器、１２ 共焦点光学系、１２ａ 第１凸
レンズ系、１２ｂ 第２凸レンズ系、１４ ビーム偏向
素子、１６ レーザー装置、１９ メタルメッシュエタ
ロン、２０ ボロメーター、
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 川瀬 晃道
宮城県仙台市青葉区荒巻字青葉519−1399
理化学研究所 フォトダイナミクス研究
センター内
(72)発明者 伊藤 弘昌
宮城県仙台市青葉区荒巻字青葉519−1399
理化学研究所 フォトダイナミクス研究
センター内
Ｆターム(参考） 2K002 AA02 AA04 AA07 AB12 BA02
BA12 CA03 DA01 GA04 HA21
Claims (5)
- 【請求項１】 パラメトリック効果によってテラヘルツ
波発生が可能な非線形光学結晶（１）を有するテラヘル
ツ波パラメトリック発振器（１０）と、第１焦点Ｆ１を
通過した光ビームを前記非線形光学結晶内に位置する第
２焦点Ｆ２に集光する共焦点光学系（１２）と、前記第
１焦点Ｆ１を通過する光ビームの光軸を高速で偏向可能
なビーム偏向素子（１４）と、前記ビーム偏向素子と共
焦点光学系を介して第２焦点Ｆ２に向けてレーザー光
（７）を入射するレーザー装置（１６）と、を備えたこ
とを特徴とするテラヘルツ波発生装置。 - 【請求項２】 前記テラヘルツ波パラメトリック発振器
（１０）は、非線形光学結晶（１）内で発生したアイド
ラー波（３）を結晶中で多重往復させて増幅する共振器
（Ｍ1，Ｍ2）と、前記非線形光学結晶の表面に配置され
たプリズム結合器（６）とを有する、ことを特徴とする
請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。 - 【請求項３】 前記共焦点光学系（１２）は、焦点距離
ｆ１の第１凸レンズ系（１２ａ）と焦点距離ｆ２の第２
凸レンズ系（１２ｂ）とからなり、第１凸レンズ系と第
２凸レンズ系は互いにその焦点距離の和ｆ１＋ｆ２の間
隔を隔てて同軸上に位置し、これにより第１凸レンズ系
と第２凸レンズ系がその中間位置にそれぞれの焦点位置
を共有する、ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘ
ルツ波発生装置。 - 【請求項４】 ビーム偏向素子（１４）は、ガルバノ式
光学スキャナまたは音響光学素子である、ことを特徴と
する請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。 - 【請求項５】 第１焦点Ｆ１を通過した光ビームを非線
形光学結晶（１）内に位置する第２焦点Ｆ２に集光する
共焦点光学系（１２）と、前記第１焦点Ｆ１を通過する
光ビームの光軸を高速で偏向可能なビーム偏向素子（１
４）とを備え、 前記ビーム偏向素子と共焦点光学系を介して非線形光学
結晶（１）内の第２焦点Ｆ２に向けてレーザー光（７）
をポンプ波（２）として入射し、ノンコリニア位相整合
条件を満たす方向にアイドラー波（３）とテラヘルツ波
（４）を発生させ、かつビーム偏向素子（１４）で光ビ
ームの光軸を偏向して発生するテラヘルツ波（４）の周
波数を同調させる、ことを特徴とするテラヘルツ波の高
速同調方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001187735A JP2003005238A (ja) | 2001-06-21 | 2001-06-21 | テラヘルツ波発生装置とその高速同調方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001187735A JP2003005238A (ja) | 2001-06-21 | 2001-06-21 | テラヘルツ波発生装置とその高速同調方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003005238A true JP2003005238A (ja) | 2003-01-08 |
Family
ID=19026988
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001187735A Pending JP2003005238A (ja) | 2001-06-21 | 2001-06-21 | テラヘルツ波発生装置とその高速同調方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
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| JP (1) | JP2003005238A (ja) |
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