JP2004318028A - テラヘルツ波発生装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】GaP結晶と波長が1.0μm以上である2つのポンプ光源、ポンプ光源のなす角度を平行方向から微小に変化させる手段とからなり、その差周波に等しい周波数のテラヘルツ波出力を得る。本発明によれば微小な角度整合を行うことにより、0.5THzから7THzの範囲で単一周波数を持つ効率の高い波長可変テラヘルツ波発生装置が得られる。また、安価なテラヘルツ波発生装置が得られる。
【選択図】 図4
Description
【発明の属する技術分野】
本発明はコヒーレントテラヘルツ波発生装置に関わる。
【0002】
【従来の技術】
生体物質、がん細胞など、大きな分子や高分子を識別するための波長可変テラヘルツ波を用いた分光光源として利用するため、誘電体LiNbO3結晶内のポラリトンモードを利用したテラヘルツ波発生装置が知られている。すなわち、LiNbO3結晶に一つまたは二つのポンプ光(後者をシグナル光あるいはアイドラ光と呼ぶこともある)を入射し、差周波発生やパラメトリックオッシレーションによりテラヘルツ波を発生する。こうして得られるテラヘルツ波の周波数はおよそ0.7THzから2.5THzの範囲のコヒーレント光である。しかし、テラヘルツ波分光スペクトルの違いを使って多様な生体物質などを識別するにはスペクトル可変範囲として上記周波数範囲は狭すぎるのである。より高周波まで測定することによって、スペクトルパターンの違いが明確となり分子の識別が可能となる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
LiNbO3結晶のテラヘルツ波帯での吸収係数は3THzを超えると極めて大きくなるため出力が著しく低下し、周波数帯が制限される一因となっている。また、二つのポンプ光ビームの平行方向における位相不整合度が大きいため、図1に示すようにポンプ光のなす角度及びテラヘルツ波の取り出し角度を大きくした角度整合法をとらざるを得ず、そのためテラヘルツ波とポンプ光のビームの重なりが悪く、周波数帯域・効率とも低下する原因となっている。
【0004】
一方、発生したテラヘルツ波の線幅は、パラメトリック発振型のLiNbO3テラヘルツ発生装置においては連続波(CW)レーザダイオードによるインジェクションシーディングを行うことにより、100MHz程度まで狭線幅にできるが、CWレーザダイオードのモードホッピングのため、逆に、広い範囲で連続的に周波数掃引することが困難となる。一方、インジェクションシーディングを行わないと線幅は極めて大きく100GHz(0.1THz)を越えるため、分解能が著しく低下し、周波数帯域が狭いことと合わせて物質同定の性能が十分でない。
【0005】
本発明の目的は述上の欠点を克服した、広周波数帯域、高出力、高分解能、且つモードホップのない周波数可変テラヘルツ発生装置を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明の代表的な例として、テラヘルツ波(THz波)を発生する結晶としてGaPを使う。GaPはLiNbO3よりラマン効率が高いことを我々は明らかにしている。更に、フォノンポラリトンを構成する横波の純粋な振動周波数が11THzと極めて高いので広周波数帯域のポラリトンモードが得られる。更にLiNbO3結晶よりテラヘルツ帯吸収係数が小さいことは既に知られている。二つのポンプ光の波長がおよそ1.0μmより小さい範囲においては、平行方向配置(コリニア)にて差周波光と非線形分極との位相整合関係が得られる。しかし本発明ではコリニア位相整合条件を満たす波長範囲とは逆に、二つのポンプ光の波長を1.0μmよりわずかに大きくする。その結果、平行方向では位相整合は得られないが、ポンプ光間に微小な角度を持たせることにより、角度位相整合が得られる。LiNbO3結晶においても角度位相整合が行われているが、大きな角度を与えなければならず、ポンプ光、テラヘルツ光の重なりが悪く、効率が低い。GaPにおいてポンプ光が1.0μmよりわずかに長波長であれば位相整合角度が微小であるためこのような欠点を克服でき、周波数帯域を広げる効果が大きい。テラヘルツ波周波数を掃引するにはGaP結晶に接近したミラやビームスプリッタの回転角を微小に変化し、同時に第2のポンプ光源の周波数を掃引する。角度の微小変化の精密制御は回転ステージにより容易に達成できるのでテラヘルツ周波数の精密制御が可能となる。
【0007】
テラヘルツ波の線幅を狭くかつ、広い周波数にわたってモードホップなしで動作させるための第1の方法として、第1のポンプ光源に波長1.064μmのYAGレーザを用い、第二のポンプ光源すなわち波長可変ポンプ光源に、インジェクションシーディング装置を具備したオプティカルパラメトリックオッシレータ(OPO)を用いる。このようなOPOはYAGレーザの第3高調波すなわち波長355nm光で励起されることにより線幅を広げる原因となる波長縮退を避け、さらにOPO内にマスターオシレータを具備しこれを使ってインジェクションシーディングを行うことにより、OPOの線幅を狭くできるので差周波として発生するTHz波の線幅も同様に狭くなる。なお、YAGレーザもインジェクションシーディングされた狭線幅のものを用いる。
【0008】
第二の方法として、ポンプ光源としてCr:FORSTERITE(Cr添加カンラン石)レーザを用いる。このレーザはCrの準位を用いているためインジェクションシーディングなしのOPOに比べて線幅が極めて狭い。波長1.064μmのYAGレーザを用いて励起され、OPOのようにYAG第3高調波を用いないので効率が高い。Cr:FORSTERITEの波長可変範囲は、1.15μmから1.35μmまでの範囲である。二つのCr:FORSTERITEレーザをポンプ光源として用い、一方を固定波長で、他方を波長可変ポンプ光源とし、インジェクションシーディングなしで差周波としてのテラヘルツ波の線幅を狭くすることができる。
【0009】
【作用】
テラヘルツ波を発生する結晶がGaPの場合についてフォノンポラリトンの微小角度整合の原理を、図2を使って説明する。kL,kS,qは第1、第2ポンプ光およびテラヘルツ波の源となるフォノンポラリトンの波数ベクトルであり、vL,vS,vはそれぞれの周波数である。GaPにおいてはポンプ光の波長が1.0μm以下で平行方向での位相整合(Δq=0)が得られるが1.0μmより長波長では位相不整合Δqを発生する。二つのポンプ光が結晶内で成す角θinが十分に小さいときは図の波数ベクトルの幾何学的な関係から、次の式が得られる。
【0010】
【数1】
θin=(2Δq/q)1/2(nI/nL)(v/vL)
【0011】
ただし、Δqはポンプ光の周波数を1.0μmより長波長にしたため平行方向では位相整合が得られなくなったため生じた波数の不一致の大きさであり、Δq=kL−kS−qである。平行方向の位相整合はおよそ1.0μmが限界波長であると計算され、実験的にもほぼこれに近いことが知られている。ポンプ光波長をYAGレーザ波長1.064μmとした場合、限界波長より6.4%長波長であるが、THz波の分散関係からは位相不整合度Δq/qは約3%と計算される。従って〔数1〕式から、角θinは,v=1THzでは3.2分という小さな値を有することが求められる。
一方、THz波の進行方向θIは図2から次の式が得られる。
【0012】
【数2】
sinθI=ks/qsinθin
したがって〔数1〕、〔数2〕式から次の式が得られる。
【0013】
【数3】
sinθI=(2Δq/q)1/2
【0014】
すなわち、角θIはks/q倍されるため、角θinよりは相当大きいが0.5THzから4THzにおいて、θIは約10度から14度である。Tan14°=0.25であるため、THz波とポプ光のビームの重なりは図3のようにおよそ80%以上となり、実効的な相互作用距離は結晶長に近くなり高出力を広い範囲の周波数にわたって得ることができる。
【0015】
テラヘルツ波の周波数を7THzに増大させるとTHz波の分散が大きくなるため2Δq/qが増大し、分散特性の計算によれば7THzではΔq/q=12%まで増大するが、この場合でも、Δqは未だ小さいといってよい範囲にある。すなわち〔数1〕式よりθin=46分と計算され1度以下である。結晶外においては約142分、すなわち、2.4度となる。このときテラヘルツ波の方向、θIは〔数3〕式から約30度であり、図4のようにビーム径3mm、結晶長5mmの場合、約50%以上のビーム重なりを得ることができる。このため7THzにおいても効率低下は著しくない。しかし、θIは結晶内の全反射臨界角17度を超えているため図3のように垂直入射に近い場合は全反射のため出力面から外部に取り出せなくなる。その場合は、図4のようにポンプ光の入射角αextを0ではなく、13度以上にかたむければ臨界角17度以下にすることができる。
【0016】
出力テラヘルツ波をモードホップなしの狭線幅にするには適当なポンプ光源の選択が必要であり、それについては既に前節で述べた。
【0017】
【実施例】
(実施例1)
図4示すように第1のポンプ光源16として波長1.064μmのパルスYAGレーザを使用する。第2のポンプ光源として第1のポンプ光の基本波を3逓倍した355nmの光で励起される、インジェクションシーディングされた波長可変パラメトリックオッシレータ(OPO)17を用いる。OPOの出力光波長を1.038μmから1.0635μmの範囲に選べば差周波数は0.15THzから7THzの範囲になる。また、OPOの波長を1.0646μmから1.091μmの範囲に選んでもよい。第1のポンプ光と第2のポンプ光は直交した偏波方向を持ち、偏光ビームスプリッタ18よってビームを平行に近く重ねる。ビームスプリッタ18、または、ミラ18’を微小回転させ、テラヘルツ波周波数vに応じて極く小さい角θin extとなるように第1あるいは第2ポンプ光のビーム方向を調整する。なお、角θin extは結晶外の角度であってほぼθin ext=nLθin,なる関係を有し、nLはポンプ光周波数での屈折率であり、nL=3.105である。たとえばvが1THzの時は結晶外で、θin extが10分(結晶内で3.2分)となる。
【0018】
GaP結晶19の光軸方向は110方向であり、入力面、出力面を有し、出力面からTHz波22、ポンプ光20,21ともに取り出される。0.15THzから5THzにおいてはθIが約10−17度、7THzにおいても30度以下と小さいのでポンプ光とテラヘルツ光の重なりが大きく、長距離の相互作用が行われる。その結果、0.15−7THzの広い周波数にわたって100mW以上のテラヘルツパルス出力が得られる。
【0019】
第1のポンプ光であるYAGレーザの線幅は十分狭いので、差周波であるテラヘルツ波の線幅はOPOの線幅で決まることになる。OPOはインジェクションシーディングされているため線幅約4GHzであり、差周波であるテラヘルツ波の線幅もほぼ4GHzである。テラヘルツ帯における固体、液体状物質のスペクトル線幅は一般的に50GHz以上なので本実施例は十分に高分解能の分光測定を可能にする。
【0020】
(実施例2)
図5に示すように、テラヘルツ波を発生するのは実施例1と同様GaP結晶27である。第1及び第2のポンプ光源、24,25として共に、YAGレーザ23で励起されるCr:FORSTERITE(Cr添加カンラン石)レーザを使う。Cr:FORSTERITEは波長1.064μmのYAGレーザで励起することにより波長1.15μmから1.35μmまでの範囲の波長が得られる波長可変レーザであり、FORSTERITE内のCrの準位を使うことによりインジェクションシーディングなしで線幅値10GHzから15GHzを得ることができる。更に、OPOのようにYAGの高調波を使う必要がないため、基本波1.064mmによって励起でき、高出力且つ安価であることが特徴である。
【0021】
第1のポンプ光レーザの波長を例えば、1.20μmに固定する。第1のポンプ光源は内部にエタロンを設置することにより、固定波長で線幅を1GHz程度に狭くすることができる。第二のポンプ光源は同種のCr:FORSTERITEレーザを使い、波長を掃引する。後者は連続波長掃引のため、エタロンを挿入しないので線幅は10GHzから15GHzである。この結果、差周波として発生するTHz波の線幅はほぼ10GHzから15GHzを得ることができる。第2のポンプ光源の波長を1.2024μmから1.2346μmまで変えることにより、テラヘルツ波の発生する周波数範囲は実施例1と同様0.5THzから7THzの間である。出力も実施例1と同様である。
【0022】
ポンプ光としてのCr:FORSTERITEレーザは、YAGレーザの第3高調波を使わずに基本波で励起することが可能であり、更にインジェクションシーディングなしで比較的狭線幅を得られる。そのため極めて安価であることが利点である。テラヘルツ波発生用結晶としてGaPのように角度による位相整合を行う場合のみならず、結晶異方性を利用したコリニアな位相整合を行う結晶に対しても適用することにより極めて安価な波長可変テラヘルツ波発生装置を得ることができる。このような光学異方性結晶としてはZnGeP2やGaSeがある。
【0023】
(実施例3)
実施例1、2においてTHz波周波数が6THzを超える場合、図6のようにGaP結晶31の形状を約30度、60度の直角3角形となし、最長辺の入力面35からポンプ光32,33を入射する。たとえば7THzの場合、THz波のθIはほぼ30度となるが出力端面36からほぼ垂直に34のように取り出されるのでTHz波の検出光学系の配置が容易になり、また、結晶配置が1−2度ずれても問題を生じない。一方、ポンプ光は面36では全反射されるが、面37から外部に放出される。さらに本実施例は実施例1と違ってTHz波の周波数が7THz以上になってもTHz波は全反射せずに出力を取り出せる。
【0024】
【発明の効果】
本発明によれば、0.5THzから7THzまでの周波数可変THz波単一周波数コヒーレントテラヘルツ光源が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来のテラヘルツ波発生法を示す図である。
【図2】本発明におけるポンプ光およびテラヘルツ波の波数ベクトルの方向を示す図である。
【図3】実施例1におけるポンプ光およびテラヘルツ波の結晶内伝播光路を示す図である。
【図4】実施例1におけるテラヘルツ波発生装置の構成を示す図である。
【図5】実施例2におけるテラヘルツ波発生装置の構成を示す図である。
【図6】実施例3におけるGaP結晶の形状とビーム方向を示す図である。
【符号の説明】
1…LiNbO3結晶
2…第1のポンプ光
3…第2のポンプ光(アイドラ光、あるいは信号光とも呼ぶ)
4…テラヘルツ波
5…シリコンプリズム
6…第1のポンプ光の波数ベクトル
7…第2のポンプ光の波数ベクトル
8…テラヘルツ波の波数ベクトル
9…ポンプ光が結晶内でのなす角度θin
10…テラヘルツ波の結晶内角度θI
11…GaP結晶
12…第1のポンプ光の光路
13…第2のポンプ光の光路
14…テラヘルツ波の光路
15…テラヘルツ波とポンプ光のビームの重なり
16…YAGレーザ
17…オプティカルパラメトリックオシレータ(OPO)
18…偏光ビームスプリッタ
18’…ミラ
19…GaP結晶
20…第1のポンプ光進行方向
21…第2のポンプ光進行方向
22…テラヘルツ波の進行方向
23…YAGレーザ
24…第1のCr:FORSTERITEレーザ
25…第2のCr:FORSTERITEレーザ
26…偏光ビームスプリッタ
26’…ミラ
27…GaP結晶
28…第1のポンプ光ビーム
29…第2のポンプ光ビーム
30…テラヘルツ波出力
31…GaP結晶
32…第1のポンプ光
33…第2のポンプ光
34…テラヘルツ波
35…ポンプ光入射面
36…テラヘルツ波出力面
37…ポンプ光出射面
38…角度30度
39…角度60度
Claims (5)
- 波長1.0μmより長波長のレーザ光を発生する、第1のポンプ光源および波長可変の第2のポンプ光源、前記ポンプ光源の二つのビームが互いに微小な角度で入射しフォノンポラリトンを結晶中に励起する手段を有し、第2のポンプ光の周波数と前記微小角度を同時に変えることにより、前記第1、第2のポンプ光の周波数の差周波数が0.15THzから7THzの範囲において、前記結晶から波長可変高出力広帯域のテラヘルツ波を発生させることを特徴とするテラヘルツ波発生装置。
- 前記結晶がGaP結晶であることを特徴とするテラヘルツ波発生装置。
- 前記第1のポンプ光源が波長1.064μmのYAGレーザであり、第2のポンプ光源が第1のポンプ光源の第3高調波によって励起され、インジェクションシーディング手段を備えたオプティカルパラメトリックオシレータ(OPO)であることにより線幅が狭いことを特徴とする請求項1および2に記載のテラヘルツ波発生装置。
- 前記第1及び第2のポンプ光源の少なくとも一方が、波長1.064μmのYAGレーザによって励起され波長可変のレーザ光を発生するCr:FORSTERITEレーザであることを特徴とする請求項1および2に記載のテラヘルツ波発生装置。
- 第1及び第2のポンプ光源の少くなくとも一方が、波長1.064μmのYAGレーザによって励起され波長可変のレーザ光を発生するCr:FORSTERITEレーザであり、半導体あるいは誘電体結晶に前記二つのポンプ光を入射し差周波として広帯域高出力のコヒーレントテラヘルツ波を発生することを特徴とするテラヘルツ波発生装置。
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