JP2004279604A

JP2004279604A - Wavelength converter

Info

Publication number: JP2004279604A
Application number: JP2003068969A
Authority: JP
Inventors: Sadaichi Suzuki; 貞一鈴木; Tasuke Nagao; 太介長尾; Takashi Ozawa; 隆小澤; Tadashi Ito; 正伊藤; Keiichi Edamatsu; 圭一枝松
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 2003-03-13
Filing date: 2003-03-13
Publication date: 2004-10-07

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a small, simple and highly efficient wavelength converter which generates light or a electromagnetic wave in a long wavelength band such as THz light without needing a complicated optical system. <P>SOLUTION: The wavelength converter is equipped with a first photonic crystal 11 arranged on a substrate 10 and two pieces of second photonic crystal 12 arranged on both sides of the first photonic crystal. The first photonic crystal 11 is obtained by fabricating a laminated thin film structure of ZnO and SiO<SB>2</SB>on a quartz substrate. For example, fifty layers each of ZnO and SiO<SB>2</SB>, hundred layers in total, are alternately deposited. The second photonic crystal 12 is fabricated by piling up for example ten layers of LiNbO<SB>3</SB>14 deposited on a quartz substrate 13 on both sides of the first photonic crystal 11. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入射レーザー光の波長を所望の波長に変換する波長変換装置及び波長変換方法に関するものである。この波長変換装置は、入射波長よりも長波長の光を発生させることにより、これまで困難であった新しい波長領域の光源を提供しようとするものであり、特に医療応用、透視技術、画像イメージング等の分野の発展に有用なものである。
【０００２】
【従来の技術】
これまでレーザーの出現により種々のコヒーレント光源が研究、開発され、市販されてきたが、振動数（周波数）１０^１０〜１０^１３Ｈｚの領域の光または電磁波（以下、ＴＨｚ光という）を発生する有効なコヒーレント光源はほとんど存在しないのが現状である。このＴＨｚ（テラヘルツ）光は、サブミリ波や遠赤外光線と呼ばれることもある。従来から、ＴＨｚ光の発生用光源としては、自由電子レーザーを用いて電子ビームを周期磁場の中で蛇行させることによりレーザー発振させる方法が知られているが、この方法は超大型の自由電子レーザーを用いなくてはならず実用的でない。
【０００３】
また、次の特許文献１には、簡単な構造により、制御性がよく高速で波長変調制御できる波長変換装置が提案されている。
【特許文献１】
特開２００２−２２９０８６号公報
この装置は、２種類以上の光の媒質が周期構造を形成してなる周期構造体と、周期構造体に変調をかける周期構造体変調手段とを備え、周期構造体は、当該周期構造体においてパラメトリック変換または４光波混合を生起させるために、２次または３次の非線形光学効果を有する媒質を含んでおり、周期構造体変調手段は、パラメトリック変換における信号光およびアイドラ光の波長、または４光波混合における出射光波長を変化させるものである。この構成により、周期構造体において、同一の励起レーザ光に対応して、光パラメトリック効果または４光波混合が異なる光学定数条件で起こるようになり、周期構造体変調手段により波長を所望の波長に変えることができるというものであるが、いわゆる差周波を用いるものではない。
【０００４】
また近赤外のフェムト秒レーザーを光伝導アンテナ素子に照射して、ＴＨｚ光を発生させる方法が次の非特許文献１に開示されている。
【非特許文献１】
分光研究、第５０巻、第６号、２００１年、ｐｐ．２６１−２７３、「テラヘルツ時間領域分光法」
この方法は、広い波長領域に渡ってＴＨｚ光を発生することが可能であるが、レーザーのような単一波長での発振は難しい。
【０００５】
また、波長の近接した２種のレーザー光をＬｉＮｂＯ_３などの非線形光学結晶に照射し、パラメトリック発振により波長変換を行って、ＴＨｚ光を発生させる方法が次の非特許文献２に開示されている。
【非特許文献２】
応用物理、第７１巻、第２号、２００２年、ｐｐ．１６７−１７２、「テラフォトニクス光源」
この方法は、ＹＡＧレーザーおよび波長可変半導体レーザーを用いて、ＬｉＮｂＯ_３結晶中において２種の入射光に特定の角度を持たせてパラメトリック発振させＴＨｚ光との間で位相整合を実現させるものであり、複雑で大型の光学系が必要である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従って本発明の目的は、複雑な光学系を必要としない、ＴＨｚ光等の長波長帯域の光または電磁波を発生する小型かつ簡便で高効率の波長変換装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、非線形光学媒質により構成されるフォトニック結晶を備え、前記フォトニック結晶が周波数の異なる２つのレーザー光または３つ以上のレーザー光の照射を受けてその差周波光を発生するようにした波長変換装置により、達成される。ここで、本発明をいくつかの場合に分けて説明する。
一つ目の方法としては、前記フォトニック結晶に、差周波光に対して共振する光共振器を配置することによって差周波を効率的に取り出す方式である。共振器によって差周波光は定在波状態になるため、取り出し効率が上昇する。
また二つ目の方法としては、前記フォトニック結晶（第１のフォトニック結晶）に、差周波光に対して共鳴する第２のフォトニック結晶を配置することにより差周波光を効率的に発生させる構成のものである。ここで差周波に対して共鳴するとは、第２のフォトニック結晶において差周波光の伝播モードが存在することを意味している。通常、第１のフォトニック結晶の周りを第２のフォトニック結晶が囲むように配置したり、第１のフォトニック結晶を第２のフォトニック結晶により両側からはさむように配置する。
さらに３つ目の方式として、構成は上記２つ目の構成と同様であるが、第１，第２のフォトニック結晶の格子定数、すなわち周期を適切に決めることにより、第１のフォトニック結晶を第２のフォトニック結晶の欠陥として機能させる。その欠陥のエネルギー準位は第２のフォトニック結晶のバンドギャップ内にあり、差周波光の周波数はその欠陥のエネルギー準位に相当するものである。欠陥モードは状態密度が非常に高いため、効率的にパラメトリック発振を起こすことが出来る。
【０００８】
また、本発明に係る波長変換方法は、非線形光学媒質により構成されるフォトニック結晶に周波数の異なる２つのレーザー光または３つ以上のレーザー光を照射しその差周波光を発生させることにより波長変換を行うものである。ここで、合い隣り合う２つのレーザー光は近接した周波数を有する。発生する差周波光の周波数は１０^１０〜１０^１３Ｈｚ（０．０１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚ）とすることができる。ここで２つのレーザの周波数が近接する（合い隣り合う）とはそのエネルギー差が所望のＴＨｚ光のエネルギーに等しいことを指す。このような近接するレーザー光の発生にはλ／４位相シフトをさせない分布帰還形レーザー（ＤＦＢ）を用いて２波長を同時発振させることで得ることも出来る。
またレーザーの共振器長を適当に選択することにより、複数の縦モードを発振させ、縦モード間のエネルギーが一定であることを利用して所望のＴＨｚ光を発生させることも可能である。
このように構成することにより、複雑な光学系を必要としない、小型で簡便かつ高効率でＴＨｚ光等の長波長帯域の光または電磁波を発生させることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について述べるが、その前に本発明の原理について説明する。
本発明では、非線形光学効果をもつフォトニック結晶と２種以上の波長を持つレーザー光をもちいて差周波光を発生させる。フォトニック結晶は、屈折率の異なる２種の物質を波長のオーダーで交互に周期的に配置して構成され、それにより光に対する分散関係を変化させることができる人工的な光学素子である。フォトニック結晶は固体中の電子のバンド構造に類似したフォトニックバンドをもち、結晶周期構造中の電子状態を特徴付けるブロッホ（Ｂｌｏｃｈ）関数と同様な電磁界の状態をとることが知られている。また、フォトニック結晶の特徴である光のバンドギャップを利用して、光を微小な領域に閉じ込め、低閾値のレーザー発振を実現したり、フォトニック結晶内に導波路を形成して急峻に光の進行方向を変化させたりする研究などが進められている。
【００１０】
一方、フォトニック結晶のもうひとつの特徴は非線形光学現象が顕著に現れることである。フォトニック結晶では周期的な屈折率の変化を人工的に制御しているので、フォトニック結晶の周期と屈折率差により実現される光のバンド構造を任意に変化させることが可能である。このように、フォトニック結晶中を伝播する光の周波数（振動数）と波数ベクトルは、フォトニック結晶のバンド構造により決定される。つまりフォトニックバンドは光の分散関係すなわちフォトニック結晶中を伝播する光波の性質を決める。図７は可視光領域および近赤外光のフォトニック結晶のバンド図の一例を示すものである。ここに示したフォトニックバンドは、誘電体多層膜などで実現される１次元のフォトニック結晶の例であり、ＺｎＯの膜厚を２００ｎｍ、ＳｉＯ_２の膜厚を３０ｎｍとして交互に多層に積層した時のものである。
【００１１】
つぎにフォトニック結晶を非線形光学係数を持った材料で作成することを考える。以下ではこのようなフォトニック結晶を非線形フォトニック結晶とよぶことにする。非線形現象を説明するために、はじめに第２高調波発生について簡単に説明する。いま周波数（振動数）ωの入射光が非線形フォトニック結晶内を伝播するとき、バンド構造によりきめられる伝播ベクトルｋ（ω）を持つ。このときフォトニック結晶内で第２高調波２ωを効率よく発生させるためには、非線形光学係数を介して第２高調波の振動が電子により誘起されるだけでなく、次式の位相整合条件を満たすことが必要であることが知られている。（ＳａｋｏｄａＯｐｔｉｃａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＰｈｏｔｏｎｉｃＣｒｙｓｔａｌｓ（ＳｐｒｉｎｇｅｒＳｅｒｉｅｓｉｎＯｐｔｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅｓ，８０ｐ１１１）
【００１２】
【数１】

【００１３】
ここで、ｋ（２ω）は第２高調波がフォトニック結晶中で持つ波数、Ｇはフォトニック結晶の逆格子ベクトル、ｍは整数である。
フォトニック結晶内の光は、屈折率が真空に比べて大きいため、フォトニック結晶中を伝播する群速度が小さい。そのためフォトニック結晶内の電界が圧縮されて単位長さあたりの電界強度が非常に高くなる。このように電界強度が増すため、第２高調波の発生（ＳＨＧ）など非線形光学効果が顕著になると考えられる。さらにｋ（ω）を始状態と考えると、終状態であるｋ（２ω）における状態密度が高いほど上式の光変換過程が効率よく起こると考えられる。
【００１４】
本発明は上で詳しく述べたフォトニック結晶のもつ顕著な非線形光学効果を用いて、２種以上の入射光のエネルギー差に相当する光すなわち差周波光を効率よく発生させようとするものである。これにより入射光に比べてエネルギー的に小さい光（または電磁波）の発生が可能になる。
【００１５】
さらに本発明を詳細に述べる。ここでは入射光として周波数（振動数）の近接した角振動数がω_１およびω_２の２つの光がフォトニック結晶に入射する場合を考える。ω_１−ω_２＝Δωを満たして光が分解する過程を光パラメトリック過程と呼んでいる。
本発明は、入射光であるω_１、ω_２の光の照射を受けてその差周波光を発生する第１のフォトニック結晶を備えるものであり、この場合、差周波光Δω＝ω_１−ω_２に対して共鳴する第２のフォトニック結晶を配置すること、または第１のフォトニック結晶の外側に光共振器を配置することが好ましい。第１のフォトニック結晶のみによっても差周波Δωを発生させることは可能であるが、好適には、入射光ω_１、ω_２とにより差周波（電磁波）Δωを発生しうる第１のフォトニック結晶と、差周波（電磁波）Δωに共鳴する共振器から構成され、または差周波Δωに対して高い状態密度を与える長周期の第２のフォトニック結晶から構成される。ω_１、ω_２の光は第１のフォトニック結晶を構成する材料のもつ非線形光学係数を通じて互いに相互作用を行い、その結果、差周波であるΔω＝ω_１−ω_２の電子的振動がフォトニック結晶を構成する非線形媒質内に誘起される。この誘起された光（または電磁波）を有効に取り出すために共振器や第２のフォトニック結晶が用いられる。
【００１６】
図５は光パラメトリック過程と位相整合条件を説明するための図であり、（ａ）はＧ＝０のとき、（ｂ）はＧ＝１のときをそれぞれ示している。いま入射光のフォトニック結晶内での波数ベクトルをｋ（ω_１）とｋ（ω_２）とする。この時発生するΔωの光がもつ波数をｋ（Δω）とすると、位相整合条件として次式
【００１７】
【数２】

【００１８】
が満たされるとき、Δωの光の発生効率が最も高い。従って、フォトニック結晶自体をこの差周波にたいする位相整合条件を満足するように設計すればよい。
またこのときエネルギーの保存法則と量子力学的な状態遷移の立場からは、ω_１＞ω_２とすると、始状態はｋ（ω_１）、終状態はｋ（ω_２）とｋ（Δω）であると考えることが出来る。そのため次式
【００１９】
【数３】

【００２０】
のように書くと、始状態ｋ（ω_１）における群速度が小さいことおよび終状態ｋ（ω_２）とｋ（Δω）の状態密度が高いことが効率のよい差周波発生のために必要であることがわかる。ここにＧは逆格子ベクトル、ｍは整数を表わすが、以下では説明を簡単にするためｍ＝０として説明する。
【００２１】
ω_１とω_２が近接しているときｋ（ω_１）−ｋ（ω_２）すなわちｋ（Δω）は小さくなるため、短周期の第１のフォトニック結晶においては無視できる。たとえば入射光ω_１を２×１０^１４Ｈｚ（１．５μｍ）とし、ω_２を１．９９×１０^１４Ｈｚとすると、その差周波として１ＴＨｚ（１×１０^１２Ｈｚ）の光が観測される。このときｋ（Δω）／ｋ（ω_１）＝５×１０^−３であり、ｋベクトルの差は小さく無視できる。
【００２２】
このように入射光のエネルギーが接近していて、さらに差周波光の波長が第１のフォトニック結晶の大きさより大きな時は、位相整合条件はほぼ満たされていると考えることが出来る。このとき長周期の第２のフォトニック結晶をもちいてΔω光に対して共振または共鳴するような構造体を設けることにより差周波光を有効に取り出すことが出来る。
【００２３】
すなわち上記第１のフォトニック結晶を挟持するように第２のフォトニック結晶を上記第１のフォトニック結晶の周囲に設け、差周波Δωが長周期構造をもつ第２のフォトニック結晶に共鳴し、第２のフォトニック結晶内の波数ｋ_２（Δω）の状態密度を大きく設計することによってΔωの発生効率を高めることが出来る。このように第２のフォトニック結晶を設計することで光パラメトリック発振の遷移確率が上昇する。第２のフォトニック結晶は非線形媒質である必要はかならずしも無い。図６はテラヘルツ領域のフォトニック結晶のバンド図の一例を示すものである。このフォトニックバンドは、１次元のフォトニック結晶の例であり、ＳｉＯ_２（α）の膜厚を０．３ｍｍ、ＬｉＮｂＯ_３の膜厚を０．０１ｍｍとして交互に多層に積層した時のものである。
【００２４】
また非線形フォトニック結晶内において発生した差周波Δωはその波長に対して共振する光共振器を、第１のフォトニック結晶の周囲に配置しても効率よく差周波Δωを取り出すことが出来る。このとき光共振器の長さは差周波光の波長の半整数倍または整数倍になるようにミラー（反射鏡）を配置する。第１のフォトニック結晶の両側にミラーを設け、片方のミラーの反射率はこの差周波光に対して１００％反射させ、他方のミラーの反射率は低めに設定して差周波光を取り出すことが出来るようにする。
【００２５】
さらに第１のフォトニック結晶を長周期を持つ第２のフォトニック結晶の欠陥ととらえて設計することも可能である。長周期の第２のフォトニック結晶の中に第１のフォトニック結晶が挿入されるので、第２のフォトニック結晶から見ると、第１のフォトニック結晶は欠陥としての働きをする。差周波のエネルギーは低く、長い波長を持つため、差周波光Δωの波長は第１のフォトニック結晶の厚みより長くなり、第１のフォトニック結晶は差周波光Δωにとっては一様な媒質であるとみなせる。
【００２６】
そのような場合には第２のフォトニック結晶のバンドギャップ内に差周波Δωのエネルギーが位置するよう設計できる。欠陥モードの状態密度は高い。このようにすると差周波光Δωは第１のフォトニック結晶内に閉じ込められ、高いＱ値を得ることが出来る。すなわち欠陥内の電界強度が高まることになる。
従ってレーザー光であるω_１、ω_２の強度が高いのは言うまでも無く、差周波の電界強度も上昇するため、相乗的に次式
【００２７】
【数４】

【００２８】
の光パラメトリック発振が有効に起こる。従って、差周波光Δωを有効に取り出すことが可能である。
【００２９】
これまでの説明では、２種類のレーザ光を用いて差周波光を出力させる場合について主に述べた。一方、３以上のそれぞれ異なる近接した波長を有するレーザ光を用いる場合においても、差周波光を出力させて波長変換を行なわせることが可能である。３以上のレーザ光を用いる場合には、それぞれ周波数の差はすでに述べたように縦モード間では同一であるので差周波光が有効に取り出せる。すなわち隣り合う縦モード間の光の周波数は、Δω＝ω_ｉ −ω_ｉ−１（ｉはモードをあらわす）となり、モードによらず一定である。したがって所望のＴＨｚ光の周波数をΔωとしておけば、３種以上の隣り合う縦モード周波数をすべて所望のＴＨｚ発生に寄与させることが出来る。
（実施例）
以下、実施例に基づいて、本発明を具体的に説明する。
実施例１
図１は、本発明に係る波長変換装置の一実施例を示す図である。本実施例は、図示のように、基板１０上に配置された第１のフォトニック結晶１１と、第１のフォトニック結晶の両側に配置された第２のフォトニック結晶１２とを備える。第１のフォトニック結晶１１は、０．３ｍｍの石英基板の上にスパッタによりＺｎＯとＳｉＯ_２の積層薄膜構造を作成して得られる。ここでＺｎＯは３３０ｎｍ、ＳｉＯ_２は９０ｎｍとして交互に５０層ずつ計１００層着膜した。ＺｎＯは非線形感受率を持ち、光パラメトリック効果をもつ。このフォトニック結晶によりＺｎＯのパラメトリック発振が効率的に起こる。次に、０．３ｍｍの石英基板（α型）１３にＬｉＮｂＯ_３１４を１０μｍ着膜したものを第１のフォトニック結晶１１の両側に１０層ずつ積み重ね、ＴＨｚ光に対する第２のフォトニック結晶１２を作成する。石英基板１３のＴＨｚ帯における屈折率は約２であり、ＬｉＮｂＯ_３のこの領域での屈折率は約５である。このときＴＨｚ光は第２のフォトニック結晶１２内を伝播できる。
【００３０】
このように構成された波長変換装置に、８００ｎｍの赤外波長を持つＴｉサファイアレーザー光１５と波長８０２ｎｍで発振させたＴｉサファイアレーザー光１６を同時にパルス発振にて照射する。これらのレーザービームは１００層の多層膜構造をもつ第１のフォトニック結晶１１に照射され、その内部でパラメトリック発振が起こり、約１ＴＨｚの電磁波が生成される。この光は第２のフォトニック結晶１２内を状態密度分だけ増強されて、ＴＨｚ光１７として外部へと射出される。
【００３１】
実施例２
図２は、本発明に係る波長変換装置の他の実施例を示す図である。本実施例は、図示のように、基板２０上に配置されたフォトニック結晶２１と、フォトニック結晶の両側に配置されたミラー２２、２３を有する光共振器２９とを備える。フォトニック結晶２１は、厚さを０．３ｍｍの石英基板２４の上にスパッタによりＺｎＯとＳｉＯ_２の積層薄膜構造を作成して得られる。ここでＺｎＯは３３０ｎｍ、ＳｉＯ_２は９０ｎｍとして交互に５０層ずつ計１００層着膜した。ＺｎＯは非線形感受率を持ち、光パラメトリック効果をもつ。このフォトニック結晶２１によりＺｎＯのパラメトリック発振が効率的に起こる。次に、積層された１００層の多層膜と反対側の石英基板２４にミラー２２を作製するためＡｕを蒸着する。ミラー２２は近赤外光を１００％反射させるように構成される。また多層膜の上に同様に０．３ｍｍの石英基板２５を密着させて、その反対側にミラー２３を作製するためＡｕを蒸着する。ミラー２３は近赤外光での透過率が７０％となるように構成される。
【００３２】
このように構成された波長変換装置に、８００ｎｍの赤外波長を持つＴｉサファイアレーザー光２６と波長８０２ｎｍで発振させたＴｉサファイアレーザー光２７をパルス発振にて同時に７０％透過ミラー２３側から照射する。これらのレーザービームは１００層の多層膜構造をもつフォトニック結晶に照射され、その内部でパラメトリック発振が起こり、約１ＴＨｚの電磁波が生成される。この光は外側に形成された光共振器２９により共振が起こるため、パラメトリック発振が促進されて、ＴＨｚ光２８として効率よく外部へ取り出すことが出来る。
【００３３】
実施例３
図３は、本発明に係る波長変換装置の他の実施例を示す図である。本実施例は、図示のように、基板３０上に配置された第１のフォトニック結晶３１と、第１のフォトニック結晶の両側に配置された第２のフォトニック結晶３２とを備える。第１のフォトニック結晶３１は、０．３ｍｍの石英基板の上にスパッタによりＺｎＯとＳｉＯ_２の積層薄膜構造を作成して得られる。ここでＺｎＯは３３０ｎｍ、ＳｉＯ_２は９０ｎｍとして交互に５０層ずつ計１００層着膜した。ＺｎＯは非線形感受率を持ち、光パラメトリック効果をもつ。このフォトニック結晶によりＺｎＯのパラメトリック発振が効率的に起こる。次に、０．３ｍｍの石英基板（α型）３３にＬｉＮｂＯ_３３４を１０μｍ着膜した基板を第１のフォトニック結晶３１の両側に１０層ずつ積み重ね、ＴＨｚ光に対する第２のフォトニック結晶３２を作成する。石英基板のＴＨｚ帯における屈折率は約２であり、ＬｉＮｂＯ_３のこの領域での屈折率は約５である。
【００３４】
このように構成された波長変換装置に、８００ｎｍの赤外波長を持つＴｉサファイアレーザー光３５と波長８００．７９ｎｍで発振させたＴｉサファイアレーザー光３６を同時にパルス発振にて照射する。（このとき差周波の波長は０．８０７ｍｍ、周波数では０．３７１ＴＨｚとなる。）これらのレーザービームは１００層の多層膜構造をもつフォトニック結晶に照射されて、内部でパラメトリック発振が起こり、約０．４ＴＨｚの電磁波が生成される。この光は第２のフォトニック結晶３２のバンドギャップに相当している。しかし第１のフォトニック結晶３１が第２のフォトニック結晶３２の不純物としての役割をはたすために第２のフォトニック結晶３２のバンドギャップ内に不純物による欠陥準位を形成することが出来る。実際本実施例においては第１のフォトニック結晶３１の全体の厚みと第２のフォトニック結晶３２の結晶周期の比率により、不純物準位が約０．８０７ｍｍ（８０７μｍ）に現れるため、上記２種のレーザー光の差周波に相当する波長がこの不純物準位のエネルギーに一致する。図４は波長と透過率の関係を表すグラフであり、上述のことが示されている。
不純物準位の状態密度は非常に大きいので、
【００３５】
【数５】

【００３６】
という素過程のおこる確率が上昇する。差周波光はこの不純物準位に捕捉されて高い電界強度が得られる。このように本発明では、小型かつ簡便な装置によって差周波の発振を効率的に起こさせることができ、ＴＨｚ領域の光または電磁波（テラヘルツ波）を効率よく発生させることができる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、複雑な光学系を必要としない、ＴＨｚ光等の長波長帯域の光または電磁波を発生する小型かつ簡便で高効率の波長変換装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る波長変換装置の一実施例を示す図である。
【図２】本発明に係る波長変換装置の他の実施例を示す図である。
【図３】本発明に係る波長変換装置の他の実施例を示す図である。
【図４】波長と透過率の関係を表すグラフである。
【図５】光パラメトリック過程と位相整合条件を説明するための図であり、（ａ）はＧ＝０のとき、（ｂ）はＧ＝１のときを示す図である。
【図６】テラヘルツ領域のフォトニック結晶のバンド図の一例を示すものである。
【図７】可視光領域のフォトニック結晶のバンド図の一例を示すものである。
【符号の説明】
１０基板
１１第１のフォトニック結晶
１２第２のフォトニック結晶
１３石英基板
１４ＬｉＮｂＯ_３
１５、１６Ｔｉサファイアレーザー光
１７ＴＨｚ光[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a wavelength conversion device and a wavelength conversion method for converting a wavelength of incident laser light into a desired wavelength. This wavelength conversion device aims to provide a light source in a new wavelength region, which has been difficult so far, by generating light having a wavelength longer than the incident wavelength, and particularly for medical applications, fluoroscopy technology, image imaging, and the like. It is useful for the development of the field.
[0002]
[Prior art]
Until now, various coherent light sources have been studied, developed and marketed with the advent of lasers, but they are effective in generating light or electromagnetic waves (hereinafter referred to as THz light) in the frequency range (frequency) of 10 ¹⁰ to 10 ¹³ Hz. At present, there is almost no coherent light source. This THz (terahertz) light may be called a submillimeter wave or a far infrared ray. Conventionally, as a light source for generating THz light, there has been known a method in which a free electron laser is used to cause laser oscillation by meandering an electron beam in a periodic magnetic field, but this method uses a very large free electron laser. Must be used, which is not practical.
[0003]
Patent Document 1 proposes a wavelength conversion device that has a simple structure, has good controllability, and can perform wavelength modulation control at high speed.
[Patent Document 1]
JP, 2002-229086 A This device is provided with a periodic structure in which two or more kinds of light media form a periodic structure, and a periodic structure modulating means for modulating the periodic structure. Includes a medium having a second-order or third-order nonlinear optical effect in order to cause parametric conversion or four-wave mixing in the periodic structure, and the periodic structure modulating means includes a signal light and an idler in the parametric conversion. It changes the wavelength of light or the wavelength of emitted light in four-wave mixing. With this configuration, in the periodic structure, the optical parametric effect or four-wave mixing occurs under different optical constant conditions corresponding to the same excitation laser light, and the periodic structure modulating means changes the wavelength to a desired wavelength. It does not use a so-called difference frequency.
[0004]
Non-Patent Document 1 discloses a method of generating THz light by irradiating a near-infrared femtosecond laser to a photoconductive antenna element.
[Non-patent document 1]
Spectroscopic Research, Vol. 50, No. 6, 2001, pp. 261-273, "Terahertz time-domain spectroscopy"
Although this method can generate THz light over a wide wavelength range, it is difficult to oscillate at a single wavelength such as a laser.
[0005]
Further, Non-Patent Document 2 discloses a method of irradiating a nonlinear optical crystal such as LiNbO ₃ with two types of laser lights having wavelengths close to each other and performing wavelength conversion by parametric oscillation to generate THz light. .
[Non-patent document 2]
Applied Physics, Vol. 71, No. 2, 2002, pp. 167-172, "Teraphotonics light source"
In this method, two types of incident light are given a specific angle in a LiNbO ₃ crystal and parametrically oscillated using a YAG laser and a wavelength-variable semiconductor laser to realize phase matching with THz light. A complicated and large optical system is required.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a small, simple, and highly efficient wavelength converter that generates light in a long wavelength band such as THz light or electromagnetic waves, which does not require a complicated optical system.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
An object of the present invention is to provide a photonic crystal including a non-linear optical medium, wherein the photonic crystal is irradiated with two laser lights or three or more laser lights having different frequencies to generate a difference frequency light. This is achieved by the wavelength converter described above. Here, the present invention will be described in several cases.
The first method is a method of efficiently extracting the difference frequency by disposing an optical resonator that resonates with the difference frequency light in the photonic crystal. Since the difference frequency light is in a standing wave state by the resonator, the extraction efficiency is increased.
A second method is to efficiently generate difference frequency light by arranging a second photonic crystal that resonates with the difference frequency light in the photonic crystal (first photonic crystal). It is of a configuration that causes Here, to resonate with the difference frequency means that a propagation mode of the difference frequency light exists in the second photonic crystal. Usually, the first photonic crystal is arranged so as to surround the second photonic crystal, or the first photonic crystal is arranged so as to be sandwiched from both sides by the second photonic crystal.
Further, as a third method, the structure is the same as that of the above-described second structure, but by appropriately determining the lattice constants of the first and second photonic crystals, that is, the period, the first photonic crystal can be obtained. Function as defects of the second photonic crystal. The energy level of the defect is in the band gap of the second photonic crystal, and the frequency of the difference frequency light corresponds to the energy level of the defect. Since the defect mode has a very high density of states, parametric oscillation can be efficiently generated.
[0008]
Further, the wavelength conversion method according to the present invention is characterized in that a photonic crystal composed of a non-linear optical medium is irradiated with two laser lights or three or more laser lights having different frequencies to generate a difference frequency light. Is what you do. Here, two adjacent laser beams have adjacent frequencies. The frequency of the generated difference frequency light can be 10 ¹⁰ to 10 ¹³ Hz (0.01 THz to 10 THz). Here, that the frequencies of the two lasers are close to each other (adjacent to each other) means that the energy difference is equal to the energy of the desired THz light. Such an adjacent laser beam can be generated by simultaneously oscillating two wavelengths using a distributed feedback laser (DFB) that does not cause a λ / 4 phase shift.
By appropriately selecting the laser cavity length, a plurality of longitudinal modes can be oscillated, and a desired THz light can be generated by utilizing the fact that the energy between the longitudinal modes is constant.
With such a configuration, it is possible to generate light or electromagnetic waves in a long wavelength band such as THz light with a small size, simply, and with high efficiency, which does not require a complicated optical system.
[0009]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described, but before that, the principle of the present invention will be described.
In the present invention, difference frequency light is generated using a photonic crystal having a nonlinear optical effect and laser light having two or more wavelengths. A photonic crystal is an artificial optical element that is configured by alternately and periodically arranging two kinds of substances having different refractive indexes in the order of wavelength, thereby changing a dispersion relation with respect to light. It is known that a photonic crystal has a photonic band similar to the band structure of electrons in a solid and takes an electromagnetic field state similar to a Bloch function characterizing an electronic state in a periodic crystal structure. In addition, by utilizing the band gap of light, which is a characteristic of photonic crystals, light is confined to a small area to realize low-threshold laser oscillation. Research on changing the direction of travel is ongoing.
[0010]
On the other hand, another characteristic of the photonic crystal is that a nonlinear optical phenomenon is remarkably exhibited. Since the periodic change in the refractive index is artificially controlled in the photonic crystal, it is possible to arbitrarily change the light band structure realized by the period of the photonic crystal and the difference in the refractive index. As described above, the frequency (frequency) and the wave vector of the light propagating in the photonic crystal are determined by the band structure of the photonic crystal. That is, the photonic band determines the dispersion relation of light, that is, the property of the light wave propagating in the photonic crystal. FIG. 7 shows an example of a band diagram of a photonic crystal in the visible light region and near infrared light. Photonic band shown here is an example of one-dimensional photonic crystals is realized by a dielectric multilayer film by laminating a film thickness of ZnO 200 nm, the multilayer alternately thickness of SiO ₂ as 30nm It is time.
[0011]
Next, consider creating a photonic crystal with a material having a nonlinear optical coefficient. Hereinafter, such a photonic crystal is referred to as a non-linear photonic crystal. First, the second harmonic generation will be briefly described to explain the nonlinear phenomenon. Now, when the incident light having the frequency (frequency) ω propagates in the nonlinear photonic crystal, it has a propagation vector k (ω) determined by the band structure. At this time, in order to efficiently generate the second harmonic 2ω in the photonic crystal, not only the oscillation of the second harmonic is induced by electrons through the nonlinear optical coefficient, but also the phase matching condition of the following equation is satisfied. It is known that it is necessary to meet. (Sakoda Optical Properties of Photonic Crystals (Springer Series in Optical Sciences, 80 p111)
[0012]
(Equation 1)

[0013]
Here, k (2ω) is the wave number of the second harmonic in the photonic crystal, G is the reciprocal lattice vector of the photonic crystal, and m is an integer.
Since the light in the photonic crystal has a higher refractive index than vacuum, the group velocity propagating through the photonic crystal is small. Therefore, the electric field in the photonic crystal is compressed, and the electric field intensity per unit length becomes very high. Since the electric field strength is increased in this way, it is considered that a nonlinear optical effect such as generation of a second harmonic (SHG) becomes prominent. Further, when k (ω) is considered as the starting state, it is considered that the higher the density of states in k (2ω), which is the final state, the more efficiently the light conversion process of the above equation occurs.
[0014]
The present invention is intended to efficiently generate light corresponding to the energy difference between two or more types of incident light, that is, difference frequency light, by using the remarkable nonlinear optical effect of the photonic crystal described in detail above. . This enables generation of light (or electromagnetic wave) that is smaller in energy than the incident light.
[0015]
Further, the present invention will be described in detail. Here consider the case where two light proximate angular frequency of omega ₁ and omega ₂ of the frequency (frequency) as the incident light is incident on the photonic crystal. The process of satisfying ω ₁ −ω ₂ = Δω and decomposing light is called an optical parametric process.
The present invention includes a first photonic crystal that receives the light of the incident light ω ₁ and ω ₂ to generate the difference frequency light, and in this case, the difference frequency light Δω = ω ₁ − disposing a second photonic crystal that resonates with respect to omega _2, or it is preferable that the outside of the first photonic crystal is disposed an optical resonator. Although it is possible to generate the difference frequency Δω by only the first photonic crystal, preferably, the first photonic crystal that can generate the difference frequency (electromagnetic wave) Δω by the incident lights ω ₁ and ω ₂ is used. It is composed of a crystal and a resonator that resonates with the difference frequency (electromagnetic wave) Δω, or is composed of a long-period second photonic crystal that gives a high state density to the difference frequency Δω. The lights of ω ₁ and ω ₂ interact with each other through the nonlinear optical coefficient of the material constituting the first photonic crystal, and as a result, the electronic vibration of Δω = ω ₁ −ω ₂ which is the difference frequency is generated by the photo. It is induced in the nonlinear medium constituting the nick crystal. In order to effectively extract the induced light (or electromagnetic wave), a resonator or a second photonic crystal is used.
[0016]
5A and 5B are diagrams for explaining the optical parametric process and the phase matching condition. FIG. 5A shows the case where G = 0, and FIG. 5B shows the case where G = 1. Now, let the wave vectors of the incident light in the photonic crystal be k (ω ₁ ) and k (ω ₂ ). Assuming that the wave number of the light of Δω generated at this time is k (Δω), the following equation is used as the phase matching condition.
(Equation 2)

[0018]
Is satisfied, the light generation efficiency of Δω is the highest. Therefore, the photonic crystal itself may be designed to satisfy the phase matching condition for the difference frequency.
Also, at this time, from the viewpoint of the law of conservation of energy and quantum mechanical state transition, if ω ₁ > ω ₂ , the initial state is k (ω ₁ ), and the final state is k (ω ₂ ) and k (Δω). You can think that there is. Therefore, the following equation:
[Equation 3]

[0020]
In order to efficiently generate the difference frequency, it is necessary that the group velocity in the initial state k (ω ₁ ) is small and the state density of the final states k (ω ₂ ) and k (Δω) is high. You can see that there is. Here, G represents a reciprocal lattice vector, and m represents an integer. In the following, for simplicity of description, it is assumed that m = 0.
[0021]
When ω ₁ and ω ₂ are close to each other, k (ω ₁ ) −k (ω ₂ ), that is, k (Δω) becomes small, and therefore can be ignored in the short-period first photonic crystal. For example, if the incident light ω ₁ is 2 × 10 ¹⁴ Hz (1.5 μm) and ω ₂ is 1.99 × 10 ¹⁴ Hz, light having a difference frequency of 1 THz (1 × 10 ¹² Hz) is observed. At this time, k (Δω) / k (ω ₁ ) = 5 × 10 ⁻³ , and the difference between the k vectors is small and can be ignored.
[0022]
Thus, when the energy of the incident light is close and the wavelength of the difference frequency light is larger than the size of the first photonic crystal, it can be considered that the phase matching condition is almost satisfied. At this time, by using a long-period second photonic crystal and providing a structure that resonates or resonates with Δω light, difference frequency light can be effectively extracted.
[0023]
That is, a second photonic crystal is provided around the first photonic crystal so as to sandwich the first photonic crystal, and the difference frequency Δω resonates with the second photonic crystal having a long period structure. By increasing the state density of the wave number k ₂ (Δω) in the _second photonic crystal, the generation efficiency of Δω can be increased. By designing the second photonic crystal in this way, the transition probability of optical parametric oscillation increases. The second photonic crystal need not necessarily be a nonlinear medium. FIG. 6 shows an example of a band diagram of a photonic crystal in a terahertz region. This photonic band is an example of a one-dimensional photonic crystal, and is obtained when the thickness of SiO ₂ (α) is 0.3 mm and the thickness of LiNbO ₃ is 0.01 mm, and the layers are alternately stacked. is there.
[0024]
Further, the difference frequency Δω generated in the nonlinear photonic crystal can be efficiently extracted even if an optical resonator that resonates with the wavelength is arranged around the first photonic crystal. At this time, a mirror (reflection mirror) is arranged so that the length of the optical resonator is a half integral multiple or an integral multiple of the wavelength of the difference frequency light. Mirrors are provided on both sides of the first photonic crystal. One mirror reflects 100% of the difference frequency light with respect to the difference frequency light, and the other mirror sets the reflectance to a lower value to extract the difference frequency light. To be able to
[0025]
Further, it is possible to design the first photonic crystal as a defect of the second photonic crystal having a long period. Since the first photonic crystal is inserted into the long-period second photonic crystal, the first photonic crystal functions as a defect when viewed from the second photonic crystal. Since the energy of the difference frequency is low and has a long wavelength, the wavelength of the difference frequency light Δω is longer than the thickness of the first photonic crystal, and the first photonic crystal is a uniform medium for the difference frequency light Δω. Can be considered to be.
[0026]
In such a case, it can be designed so that the energy of the difference frequency Δω is located within the band gap of the second photonic crystal. The density of states in the defect mode is high. By doing so, the difference frequency light Δω is confined in the first photonic crystal, and a high Q value can be obtained. That is, the electric field strength in the defect increases.
Therefore, it goes without saying that the intensities of the laser beams ω ₁ and ω ₂ are high, and the electric field intensity of the difference frequency also increases.
(Equation 4)

[0028]
Optical parametric oscillation effectively occurs. Therefore, it is possible to effectively extract the difference frequency light Δω.
[0029]
In the above description, the case where the difference frequency light is output using two types of laser light has been mainly described. On the other hand, even when three or more laser beams having different wavelengths close to each other are used, the wavelength conversion can be performed by outputting the difference frequency light. When three or more laser beams are used, the difference in frequency is the same between the longitudinal modes as described above, so that difference frequency light can be effectively extracted. That is, the frequency of light between adjacent longitudinal modes is Δω = ω _i − ω _i-1 (I represents a mode), and is constant regardless of the mode. Therefore, if the desired THz light frequency is Δω, three or more adjacent longitudinal mode frequencies can all contribute to the generation of the desired THz.
(Example)
Hereinafter, the present invention will be specifically described based on examples.
Example 1
FIG. 1 is a diagram showing one embodiment of a wavelength converter according to the present invention. This embodiment includes a first photonic crystal 11 disposed on a substrate 10 and second photonic crystals 12 disposed on both sides of the first photonic crystal, as illustrated. The first photonic crystal 11 is obtained by forming a laminated thin film structure of ZnO and SiO ₂ on a 0.3 mm quartz substrate by sputtering. Here, a total of 100 layers were deposited alternately in 50 layers each with ZnO of 330 nm and SiO ₂ of 90 nm. ZnO has a non-linear susceptibility and has an optical parametric effect. Parametric oscillation of ZnO occurs efficiently by the photonic crystal. Next, a 10-μm-thick LiNbO ₃ 14 film deposited on a 0.3 mm quartz substrate (α-type) 13 is stacked on both sides of the first photonic crystal 11, and the second photonic crystal 12 for THz light is stacked. Create The refractive index of the quartz substrate 13 in the THz band is about 2, and the refractive index of LiNbO ₃ in this region is about 5. At this time, the THz light can propagate in the second photonic crystal 12.
[0030]
The thus-configured wavelength converter is simultaneously irradiated with a Ti sapphire laser beam 15 having an infrared wavelength of 800 nm and a Ti sapphire laser beam 16 oscillated at a wavelength of 802 nm by pulse oscillation. These laser beams are applied to the first photonic crystal 11 having a multilayer structure of 100 layers, where parametric oscillation occurs, and an electromagnetic wave of about 1 THz is generated. This light is enhanced in the second photonic crystal 12 by the state density, and is emitted to the outside as THz light 17.
[0031]
Example 2
FIG. 2 is a diagram showing another embodiment of the wavelength converter according to the present invention. As shown, this embodiment includes a photonic crystal 21 disposed on a substrate 20 and an optical resonator 29 having mirrors 22 and 23 disposed on both sides of the photonic crystal. The photonic crystal 21 is obtained by forming a laminated thin film structure of ZnO and SiO ₂ on a quartz substrate 24 having a thickness of 0.3 mm by sputtering. Here, a total of 100 layers were deposited alternately in 50 layers each with ZnO of 330 nm and SiO ₂ of 90 nm. ZnO has a non-linear susceptibility and has an optical parametric effect. Parametric oscillation of ZnO occurs efficiently by the photonic crystal 21. Next, Au is vapor-deposited on the quartz substrate 24 on the opposite side of the laminated 100-layer multilayer film to form the mirror 22. The mirror 22 is configured to reflect near infrared light at 100%. Also, a 0.3 mm quartz substrate 25 is similarly adhered on the multilayer film, and Au is vapor-deposited on the opposite side to form the mirror 23. The mirror 23 is configured such that the transmittance for near-infrared light is 70%.
[0032]
The thus-configured wavelength converter is simultaneously irradiated with Ti sapphire laser light 26 having an infrared wavelength of 800 nm and Ti sapphire laser light 27 oscillated at a wavelength of 802 nm from the 70% transmission mirror 23 side by pulse oscillation. . These laser beams are applied to a photonic crystal having a multilayer structure of 100 layers, in which parametric oscillation occurs and an electromagnetic wave of about 1 THz is generated. Since this light is resonated by the optical resonator 29 formed on the outside, parametric oscillation is promoted and the THz light 28 can be efficiently extracted to the outside.
[0033]
Example 3
FIG. 3 is a diagram showing another embodiment of the wavelength converter according to the present invention. This embodiment includes a first photonic crystal 31 disposed on a substrate 30 and second photonic crystals 32 disposed on both sides of the first photonic crystal, as shown in the drawing. The first photonic crystal 31 is obtained by forming a laminated thin film structure of ZnO and SiO ₂ on a 0.3 mm quartz substrate by sputtering. Here, a total of 100 layers were deposited alternately in 50 layers each with ZnO of 330 nm and SiO ₂ of 90 nm. ZnO has a non-linear susceptibility and has an optical parametric effect. Parametric oscillation of ZnO occurs efficiently by the photonic crystal. Next, a substrate in which LiNbO ₃ is deposited on a 0.3 mm quartz substrate (α type) 33 with a thickness of 10 μm is stacked on both sides of the first photonic crystal 31 by 10 layers, and a second photonic crystal 32 for THz light is formed. Create The refractive index of the quartz substrate in the THz band is about 2, and the refractive index of LiNbO ₃ in this region is about 5.
[0034]
The thus-configured wavelength converter is simultaneously irradiated with a Ti sapphire laser beam 35 having an infrared wavelength of 800 nm and a Ti sapphire laser beam 36 oscillated at a wavelength of 800.79 nm by pulse oscillation. (At this time, the wavelength of the difference frequency is 0.807 mm, and the frequency is 0.371 THz.) These laser beams are applied to a photonic crystal having a multilayer structure of 100 layers, and parametric oscillation occurs inside the laser. An electromagnetic wave of 0.4 THz is generated. This light corresponds to the band gap of the second photonic crystal 32. However, since the first photonic crystal 31 serves as an impurity of the second photonic crystal 32, a defect level due to the impurity can be formed in the band gap of the second photonic crystal 32. In fact, in the present embodiment, the impurity level appears at about 0.807 mm (807 μm) due to the ratio of the total thickness of the first photonic crystal 31 to the crystal period of the second photonic crystal 32. The wavelength corresponding to the difference frequency of the laser light coincides with the energy of the impurity level. FIG. 4 is a graph showing the relationship between the wavelength and the transmittance, showing the above.
Since the density of states of impurity levels is very large,
[0035]
(Equation 5)

[0036]
The probability that the elementary process occurs increases. The difference frequency light is captured by these impurity levels, and a high electric field intensity is obtained. As described above, according to the present invention, the oscillation of the difference frequency can be efficiently caused by the small and simple device, and the light or the electromagnetic wave (terahertz wave) in the THz region can be efficiently generated.
[0037]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to obtain a compact, simple, and highly efficient wavelength converter that generates light in a long wavelength band such as THz light or electromagnetic waves, which does not require a complicated optical system.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing one embodiment of a wavelength conversion device according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing another embodiment of the wavelength converter according to the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing another embodiment of the wavelength conversion device according to the present invention.
FIG. 4 is a graph showing a relationship between wavelength and transmittance.
5A and 5B are diagrams for explaining an optical parametric process and a phase matching condition. FIG. 5A is a diagram illustrating a case where G = 0, and FIG. 5B is a diagram illustrating a case where G = 1.
FIG. 6 shows an example of a band diagram of a photonic crystal in a terahertz region.
FIG. 7 shows an example of a band diagram of a photonic crystal in a visible light region.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 10 substrate 11 first photonic crystal 12 second photonic crystal 13 quartz substrate 14 LiNbO ₃
15, 16 Ti sapphire laser light 17 THz light

Claims

What is claimed is: 1. A wavelength conversion device comprising a photonic crystal constituted by a nonlinear optical medium, wherein the photonic crystal receives two laser beams having different frequencies to generate a difference frequency light. Conversion device.

What is claimed is: 1. A wavelength conversion device provided with a photonic crystal constituted by a nonlinear optical medium, wherein the photonic crystal is irradiated with three or more laser beams having different frequencies and generates a difference frequency light. Wavelength converter.

The wavelength conversion device according to claim 1, wherein the frequency of the difference frequency light generated by the photonic crystal is 10 ¹⁰ to 10 ¹³ Hz.

The wavelength converter according to claim 1, further comprising an optical resonator that resonates the difference frequency light.

What is claimed is: 1. A wavelength conversion device including a first photonic crystal formed of a nonlinear optical medium, wherein the first photonic crystal receives a plurality of laser beams having different frequencies and generates a difference frequency light. A wavelength conversion device, further comprising a second photonic crystal that resonates with the difference frequency light.

The wavelength converter according to claim 5, wherein the frequency of the difference frequency light corresponds to a propagation mode of the second photonic crystal.

The first photonic crystal acts as a defect in the second photonic crystal, the energy level of the defect is within the band gap of the second photonic crystal, and the frequency of the difference frequency light is The wavelength conversion device according to claim 5, wherein the energy level corresponds to the energy level of:

Irradiating a photonic crystal composed of a non-linear optical medium with two laser lights having different frequencies to generate a difference frequency light between the two laser lights, thereby wavelength-converting the two laser lights. Wavelength conversion method.

The photonic crystal composed of the nonlinear optical medium is irradiated with three or more laser lights having different frequencies to generate a difference frequency light of the three or more laser lights, so that the three or more laser lights have a wavelength. A wavelength conversion method characterized by converting.

9. The wavelength conversion method according to claim 8, wherein the two laser beams have frequencies close to each other.

10. The wavelength conversion method according to claim 9, wherein the three or more laser beams have frequencies close to each other.

The wavelength conversion method according to claim 8, wherein a frequency of the difference frequency light is 10 ¹⁰ to 10 ¹³ Hz.