JP2005284232A - テラヘルツ波発生装置及び計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ２波長光源と非線形光学結晶の差周波発生によるテラヘルツ波発生において，長時間安定した高出力テラヘルツ波発生が困難であるという課題がある。
【解決手段】 本発明は，高品質結晶の育成が可能でレーザー損傷の小さいＤＡＳＣ（４−Ｎ，Ｎ−ｄｉｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｏ−４’−Ｎ’−ｍｅｔｈｙｌ−ｓｔｉｌｂａｚｏｌｉｕｍ ｐ−ｃｈｌｏｒｏ−ｂｅｎｚｅｎｅ ｓｕｌｆａｔｅ）結晶１０と２波長発振する光パラメトリック発振器を組み合わせることにより安定した高出力テラヘルツ波発生装置を提供するものである。また，本発明にかかるテラヘルツ波発生装置と室温動作の焦電素子を用いたＴＨｚ波検出器１２を備えたテラヘルツ波計測装置を提供する。
【選択図】 図３

Description

本発明は，理化学計測分野における分光計測等に使用するテラヘルツ波発生装置およびテラヘルツ波計測装置に関するものである。以下，テラヘルツ波をＴＨｚ波と略す。

非線形光学効果である差周波発生（以下ＤＦＧと略す）現象を利用することにより，ＴＨｚ波の発生が可能である。２つの波長（周波数ｆ_１，ｆ_２）が異なる光波をＤＦＧ結晶に入射するとそれらの差周波に対応するｆ_３＝ｆ_１−ｆ_２の電磁波が発生し，ｆ_３としてＴＨｚ波周波数になるようにｆ_１，ｆ_２を設定するとＴＨｚ波が発生する。ＤＦＧ結晶としてこれまでＬｉＮｂＯ_３，ＺｎＴｅ，ＧａＰ，ＧａＡｓ結晶等の無機結晶の他，有機イオン性結晶であるＤＡＳＴ結晶も大きな非線形光学効果を有するためにＴＨｚ波発生に用いられてきた。ＤＡＳＴとは，４−Ｎ，Ｎ−ｄｉｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｏ−４’−Ｎ’−ｍｅｔｈｙｌ−ｓｔｉｌｂａｚｏｌｉｕｍ ｔｏｓｙｌａｔｅの略称である。また，２波長光源としては光パラメトリック発振器やＴｉサファイアレーザーが報告されている。

従来のＴＨｚ波発生装置としては，例えば図１はレーザー学会誌「レーザー研究」，Ｖｏｌ．３０，Ｎｏ．７（２００２）ｐｐ．３６５−３６８に示されているＤＡＳＴ結晶と２波長光パラメトリック発振器を組合せたＴＨｚ波発生装置の構成図であり，１は励起レーザー，２，３はＫＴｉＯＰＯ_４（以下ＫＴＰと略す）結晶，４，５はミラー，６は２波長光，７はレンズ，８はＤＡＳＴ結晶，９はＴＨｚ波である。以上のように構成された従来のＴＨｚ波発生装置の原理を説明する。ミラー４，５とわずかに異なる結晶角度をなす２ケのＫＴＰ結晶２，３から構成される光パラメトリック発振器から発生する２波長光６をレンズ７により集光してＤＡＳＴ結晶８に入射するとＤＦＧによりＴＨｚ波９が発生する。

発明が解決しようとする課題

しかしながら，ＤＡＳＴ結晶は育成時に結晶欠陥が入りやすく，パルスエネルギーが０．５ｍＪ以上の２波長光６をＤＡＳＴ結晶８に入射すると結晶内にレーザー損傷が発生し，長時間にわたり１０Ｗ以上のピークパワーを有するＴＨｚ波発生が困難であるという問題点があった。

課題を解決するための手段

本発明はかかる点を鑑み，安定した高出力ＴＨｚ波発生装置及び計測装置を提供することを目的とする。

第１の発明は，２波長光源と非線形光学結晶を備えたＴＨｚ波発生装置において，非線形光学結晶としてＤＡＳＴ結晶より欠陥の少ない高品質結晶の育成が可能であり，レーザー損傷の小さいＤＡＳＣ結晶をＴＨｚ波発生に用いる点である。ＤＡＳＣとは，図２に示す分子構造を有する有機イオン性結晶４−Ｎ，Ｎ−ｄｉｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｏ−４’−Ｎ’−ｍｅｔｈｙｌ−ｓｔｉｌｂａｚｏｌｉｕｍ ｐａｒａ−ｃｈｌｏｒｏ−ｂｅｎｚｅｎｅ ｓｕｌｆａｔｅの略称であり，ＤＡＳＴ結晶のアニオンのメチル（ＣＨ_３）基をクロル（Ｃｌ）基に置換した物質であり，メタノール溶媒に対する溶解度とその温度依存性が小さいために徐冷法による高品質結晶育成が容易である。ＤＡＳＣ結晶を用いると，パルスエネルギーが０．５ｍＪ以上の２波長光を結晶に入射してもレーザー損傷が発生せず，長時間にわたり１０Ｗ以上のピークパワーを有するＴＨｚ波発生が可能であることを新たに見出した。ＤＡＳＣの物質自体は既に合成されており既知であるが，ＤＡＳＣ単結晶がＴＨｚ波発生に有効であることはこれまで知られておらず，本発明の新規な点である。

第２の発明は，２波長光源として波長可変性に優れた光パラメトリック発振器を用いるものであり，発振器内においた複数のＫＴＰ結晶の内少なくとも１ケのＫＴＰ結晶を回転させることにより波長制御が容易で安定性の優れた光パラメトリック発振器を実現する。

第３の発明は，前記光パラメトリック発振器において，発振光を反射折り返してＫＴＰ結晶中を往復２回通過させる構成をとることを特徴とするＴＨｚ波発生装置であり，ＫＴＰ結晶の回転による光パラメトリック発振光の出力ビームの変動を除去する効果がある。

第４の発明は，吸湿性のあるＤＡＳＣ結晶の環境劣化を防ぐために，ＤＡＳＣ結晶を真空容器あるいは窒素等の不活性ガスを封入した容器内に実装することを特徴とするＴＨｚ波発生装置

第５の発明は，第１の発明のＴＨｚ波発生装置と焦電素子を用いたＴＨｚ波検出器を組み合わせたＴＨｚ波計測装置であり，室温で安定に動作するＬｉＴａＯ_３あるいはＤＴＧＳ結晶を主成分とする焦電素子を検出器として用いるものであり，広帯域で高感度なＴＨｚ波計測装置が実現される。ＤＴＧＳ結晶とは，Ｄｅｕｔｅｒａｔｅｄ Ｔｒｉｇｌｙｃｉｎｅ Ｓｕｌｆａｔｅ（重水素置換硫化トリグリシン）結晶のことである。なお，アラニンをドープしたＤＴＧＳ結晶も同様に有効である。

第６の発明は，第１の発明のＴＨｚ波発生装置とＤＡＳＣ結晶をＴＨｚ波検出器として用いたＴＨｚ波計測装置であり，ＤＡＳＣ結晶中でＴＨｚ波と光波を非線形光混合することにより発生する波長が異なる新たな光波を検出する方式である。本検出方式は，高速な非線形光学現象に基づくために時間応答がナノ秒以下と高速であり，またＴＨｚ波の空間的面情報を新たな光波の面情報として検出でき，ＣＣＤカメラのような低コストの光検出器でＴＨｚ波信号を検出できる点が大きなメリットである。なお，請求項５記載のＤＴＧＳ素子等の焦電素子を用いた検出器は，ＴＨｚ波により発生する熱効果を利用した検出原理であるために，応答速度がマイクロ秒と遅いが高感度である。

図３は本発明の第１実施例であり，１は励起レーザー，２，３はＫＴＰ結晶，４，５はミラー，６は２波長光波，７は集光レンズ，９はＴＨｚ波，１０はＤＡＳＣ結晶，１１は光遮断フィルター，１２はＴＨｚ波検出器である。励起レーザー１は波長０．５３２μｍ，パルス幅１０ｎｓ，繰返し２０Ｈｚの半導体レーザー励起の小型Ｎｄ：ＹＡＧレーザー（高調波）であり，２，３のＫＴＰ結晶は長さ１５ｍｍ，θ＝６５°，φ＝９０°でカットされたものである。またＤＡＳＣ結晶１０は結晶のｃ軸方向厚み０．５ｍｍの結晶を用いた。ＤＡＳＣ結晶と入射光の偏光の関係は，最大の非線形光学効果を利用するために入射光の偏光はＤＡＳＣ結晶のａ軸方向とし，入射光の伝搬方向はｃ軸あるいはｂ軸とする構成が有効である。

本実施例の動作原理を以下に説明する。励起レーザー１により励起されたＫＴＰ結晶２，３はミラー３，４により共振し２波長光パラメトリック発振が生じる。発振波長は，ＫＴＰ結晶２，３の角度に依存し，結晶のＹ軸を中心軸としてＸＺ面内で回転することに波長制御した。実験ではＫＴＰ結晶２の角度は固定し，ＫＴＰ結晶３を回転することにより波長λ_１＝１．４５μｍ，波長λ_２＝１．２５〜１．４５μｍの範囲で２波長間隔を変え発生するＴＨｚ波周波数を変化させた。２波長光６は焦点距離１５０ｍｍのレンズ７で集光しＤＡＳＣ結晶１０に入射し，発生したＴＨｚ波９は光遮断フィルター１１を通した後，室温動作のＤＴＧＳ焦電素子を用いたＴＨｚ波検出器１２によりパワーを測定した。その結果，２〜３０ＴＨｚの広い範囲にわたりＴＨｚ波が発生し，１２ＴＨｚにおけるピークパワーが１０Ｗ以上のＴＨＺ波が長時間（５０時間以上）にわたり得られることを確認した。実験によると１．２μｍ以下の波長域では１０ＴＨｚ以上の高周波が出にくく，また１．７μｍ以上では逆に１０ＴＨｚ以下の低周波が出にくい。これらの実験結果から１．２〜１．７μｍの波長範囲にある２波長光が２〜３０ＴＨｚの周波数域を広くカバーするためにきわめて有効であることを確認した。

なお，０．３〜５ＴＨｚ域をＤＡＳＣ結晶で発生するためには，０．９〜１．１μｍ域の２波長光が効率の良いＴＨｚ波発生に有効であり，本発明と同様な構成のＫＴＰ結晶を用いた光パラメトリック発振器と０．８〜１ｍｍ厚のＤＡＳＣ結晶の組合せにより実現できる。また，光パラメトリック発振は，０．５２〜０．５４μｍ域の他，１．０４〜１．０７μｍの波長範囲にある励起レーザーを用いることも可能であり，ＫＴＰ結晶は同様な結晶構造を有する（ＫＲｂ）ＴｉＯ（ＰＡｓ）Ｏ_４組成の結晶等を光パラメトリック発振器に用いることも可能である。

図４は本発明の第２実施例であり，励起光反射ミラー１３で導かれたレーザにより励起されたＫＴＰ結晶２，３により発生する光は，反射折り返しプリズム１４とミラー４の間で共振し光パラメトリック発振する。発振光は，ＫＴＰ結晶内を往復することにより，ＫＴＰ結晶３の回転による出力ビームの変動を自動的に除去することが可能であり，ＤＡＳＣ結晶上の集光点のずれは生じないために広帯域ＴＨｚ波発生に有利である。

図５（ａ）は本発明の第３実施例であり，ＤＡＳＣ結晶の有する吸湿性による特性劣化を防ぐために，ＤＡＳＣ結晶１０を入出力窓を有する真空あるいは窒素等の不活性ガスを封入した容器１５の内部に実装した構成である。また，図５（ｂ）は，ＤＡＳＣ結晶１０にＴＨｚ波集光用のポリマーレンズ１６を近接配置することによりＴＨｚ波の出射拡がりの小さなＴＨｚ波ビームを発生させたものである。ポリマーレンズ１６の材料としては，ＴＨｚ波域で吸収の小さいポリエチレンが有利である。なお，ＤＡＳＣ結晶１０の表面を光反射防止のためにＳｉＯ_２等の材料を用いた反射防止薄膜，あるいはポリ弗化ビニリデンを成分として含有する防湿膜により覆うことも特性向上のために有効である。

図６は本発明の第４実施例であり，本発明にかかる光パラメトリック発振器１７とＤＡＳＣ結晶を用いたＴＨｚ波発生部１８を備えたＴＨｚ波発生装置と，室温動作が可能で広帯域・高感度特性を有するＬｉＴａＯ_３あるいはＤＴＧＳ結晶を用いたＴＨｚ波検出器１２を組合せたＴＨｚ波計測装置の構成図である。このようなＴＨｚ波計測装置は，２〜３０ＴＨｚにおよぶ広帯域性を有しており，様々な被測定物１９の分光特性の他，ＴＨｚ波を用いた透過・反射画像等の計測に有利である。また，ＤＡＳＣ結晶を用いたＴＨｚ波発生部１８とＴＨｚ波検出器１２の全体を真空容器あるいは窒素ガスを封入した容器内に配置することにより，空気中の水分吸収の影響を低減した高精度計測が可能である。

図７は本発明の第５実施例であり，９はＴＨｚ波，２０は入射光，２１はＴＨｚ波反射ミラー，２２は検出用のＤＡＳＣ結晶，２３は新たに発生する出射光であり，２４は入射光遮断フィルター，２５は光検出器である。本発明はＤＡＳＣ結晶を用いたＴＨｚ波検出器であり，ＤＡＳＣ結晶２２内でＴＨｚ波９と入射光２０は光混合され，入射光２０とは異なる波長成分を有する新たな出射光２３が発生し，フィルター２４により入射光を遮断すると，ＴＨｚ波信号に比例した時間応答あるいは空間的面情報を有する出射光２３のみを取り出すことができ，その信号はＣＣＤ等の光検出器２５で電気信号に変換される。

発明の効果

以上説明したように，ＴＨｚ波発生装置およびＴＨｚ波計測装置として，ＤＡＳＣ結晶とＫＴＰ結晶を用いた２波長発振する光パラメトリック発振器を組合せることにより，２〜３０ＴＨｚをカバーできる安定で高出力なＴＨｚ波発生装置を実現した。このようなＴＨｚ波発生装置は，生体タンパク物質や機能性セラミクス等の分光計測装置としてその実用的効果はきわめて大きい。

従来例の構成図， 有機ＤＡＳＣ結晶の分子構造図， 本発明の第１実施例の構成図， 本発明の第２実施例の構成図， 本発明の第３実施例の断面構成図， 本発明の第４実施例の構成図， 本発明の第５実施例の構成図である。

符号の説明

１：励起レーザー
２，３：ＫＴＰ結晶
４，５：ミラー
６：２波長光
７：レンズ
８：ＤＡＳＴ結晶
９：ＴＨｚ波
１０：ＤＡＳＣ結晶
１１：光遮断フィルター
１２：ＴＨｚ波検出器
１３：励起光反射ミラー
１４：反射折り返しプリズム
１５：容器
１６：ポリマーレンズ
１７：光パラメトリック発振器
１８：ＴＨｚ波発生部
１９：被計測物
２０：入射光
２１：ＴＨｚ波反射ミラー
２２：検出用ＤＡＳＣ結晶
２３：出射光
２４：入射光遮断フィルター
２５：光検出器

Claims (6)

1. ２波長光源と非線形光学結晶を備えたテラヘルツ波発生装置において，前記非線形光学結晶が有機ＤＡＳＣ（４−Ｎ，Ｎ−ｄｉｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｏ−４’−Ｎ’−ｍｅｔｈｙｌ−ｓｔｉｌｂａｚｏｌｉｕｍｐ−ｃｈｌｏｒｏ−ｂｅｎｚｅｎｅ ｓｕｌｆａｔｅ）結晶であることを特徴とするテラヘルツ波発生装置
2. 請求項１記載の２波長光源が光パラメトリック発振器であり，前記光パラメトリック発振器の内部に置いた複数のＫＴｉＯＰＯ_４結晶の内，少なくとも１ケのＫＴｉＯＰＯ_４結晶を回転させることを特徴とするテラヘルツ波発生装置
3. 請求項２記載の光パラメトリック発振器において，発振光が前記ＫＴｉＯＰＯ_４結晶中を２回通過する反射折り返し構成を有することを特徴とするテラヘルツ波発生装置
4. 請求項１記載のＤＡＳＣ結晶を，真空容器あるいは窒素等の不活性ガスを封入した容器内に実装することを特徴とするテラヘルツ波発生装置
5. 請求項１記載のテラヘルツ波発生装置と，ＬｉＴａＯ_３あるいはＤＴＧＳ結晶を主成分とする焦電素子を用いたテラヘルツ波検出器を備えたことを特徴とするテラヘルツ波計測装置
6. 請求項１記載のテラヘルツ波発生装置と，ＤＡＳＣ結晶中でテラヘルツ波と光波を混合することにより発生する新たな光波の検出器を備えたことを特徴とするテラヘルツ波計測装置

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