JP2006227433A - テラヘルツ波発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 小さい規模で、高いパワーのテラヘルツ波を連続的に発生するテラヘルツ波発生装置を提供する。
【解決手段】 第１の半導体レーザ１２と、第２の半導体レーザ１３と、非線形光学材料により形成された非線形光学素子１４とを備え、第１の半導体レーザ１２が発する第１の光は第２の半導体レーザ１３により反射して共振し、第２の半導体レーザ１３が発する第２の光は第１の半導体レーザ１２により反射して共振し、第１の光の行路と第２の光の行路とが一致するように、第１の半導体レーザ１２及び第２の半導体レーザ１３は配置されており、非線形光学素子１４は、第１の光及び第２の光の行路の上に配置されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、テラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生装置に関する。

近赤外光の周波数とミリ波の周波数との間の、０．１ＴＨｚから１００ＴＨｚまでの周波数帯域（テラヘルツ領域と呼ばれる）の電磁波（以下、「テラヘルツ波」という。）は、種々の物質を透過するミリ波の性質と、直進性を有する赤外光の性質とを有する。そのため、テラヘルツ波は、半導体、医学、セキュリティ、環境調査、通信等の分野に応用することができ、大変注目されている。

しかしながら、テラヘルツ波に関する技術開発は、可視光、赤外光、ミリ波に関する技術開発に比べ、進んでいない。

第１の従来のテラヘルツ波発生装置を図１２に示す（例えば、非特許文献１参照）。第１の従来のテラヘルツ波発生装置は、半絶縁性ＧａＡｓ基板２０１とその上に設けられた厚さ１〜３μｍのＬＴ−ＧａＡｓ層２０２と、その上に設けられた電極２０３及び電極２０４とで構成されている。ＬＴ−ＧａＡｓ層２０２は、温度２００〜２５０℃の環境下で形成された層である。電極２０３と電極２０４との間隔は３〜１０μｍであって、電極２０３と電極２０４との間には、電源２０５により電圧が印加される。

ＬＴ−ＧａＡｓ層２０２は、キャリアの寿命が短い、キャリアの移動度が高い、インピーダンスが高いという性質を有する。波長が７８０ｎｍ程度で高いピークパワーを有するフェムト秒レーザからのパルス光３０１が電極２０３と電極２０４との間の領域に照射されると、ＬＴ−ＧａＡｓ層２０２内で電子正孔対が発生する。電子は上記電圧により加速されて電極間を移動し、パルス電流が電極間を流れる。このとき、ＧａＡｓ基板２０１の裏面からテラヘルツ波１００が放射する。このようなテラヘルツ波の放射源は、光電導（ＰＣ）アンテナとして知られている。なお、正孔は電極間を低速で移動するため、テラヘルツ波の放射には関与しない。

第２の従来のテラヘルツ波発生装置を図１３に示す。第２の従来のテラヘルツ波発生装置は、ＺｎＴｅ、ＧａＳｅ、ＧａＰ、ＬｉＮｂＯ₃等の非線形光学材料により形成された非線形光学素子４００である。非線形光学素子４００（テラヘルツ波発生装置）は、レーザからの連続的であり、かつ複数の波長成分を有する光３０２が照射されると、テラヘルツ波１００を放射する。
M. Tani et.al., "Emission characteristics of photoconductive antennas based on low-temperature-grown GaAs and semi-insulating GaAs", Applied Optics, vol.36, No.30, 7853-7859 (1997)

しかしながら、図１２に示す第１の従来のテラヘルツ波発生装置は、フェムト秒レーザからのパルス光３０１が照射されることにより、テラヘルツ波１００を発生する。つまり、第１の従来のテラヘルツ波発生装置は、断続的に照射される光により、断続的にテラヘルツ波を発生する。テラヘルツ波を連続的に得ようとする場合、第１の従来のテラヘルツ波発生装置を使用することはできない。

それに対して、図１３に示す第２の従来のテラヘルツ波発生装置（非線形光学素子４００）は、連続的であり、かつ複数の波長成分を有する光３０２が照射されると、テラヘルツ波１００を連続的に発生する。しかしながら、第２の従来のテラヘルツ波発生装置は、照射される光をテラヘルツ波に変換する効率が悪い。なぜなら、光３０２は非線形光学素子４００を一回しか通過せず、かつ、光３０２の多くが非線形光学素子４００の表面で反射するからである。そのため、高いパワーのテラヘルツ波を得ようとすると、高いパワーの光を照射する光源を用いなければならない。高いパワーの光を出力する光源は大きい。つまり、第２の従来のテラヘルツ波発生装置と光源とで構成されるシステムにより高いパワーのテラヘルツ波を発生させることはできるが、そのシステムの規模は大きい。

このように従来の技術では、規模の小さい装置で、高いパワーのテラヘルツ波を連続的に発生させることができない。

本発明は、上記課題を考慮し、小さい規模で、高いパワーのテラヘルツ波を連続的に発生するテラヘルツ波発生装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決し上記目的を達成するために、本発明のテラヘルツ波発生装置は、半導体レーザからの第１の光を共振させる第１の共振部と、半導体レーザからの第２の光を共振させる第２の共振部と、非線形光学材料により形成された非線形光学素子とを備え、前記第１の共振部と前記第２の共振部とは、前記第１の光の行路の少なくとも一部が前記第２の光の行路の少なくとも一部と共通するように配置されており、前記非線形光学素子は、前記第１の光の行路と前記第２の光の行路との共通する部位に配置されている。

このように、本発明のテラヘルツ波発生装置は、半導体レーザからの光を利用しているので、規模が小さく、また、第１の光及び第２の光は共振するので、高いパワーのテラヘルツ波を発生する。更に、連続光が非線形光学素子に入射するので、本発明のテラヘルツ波発生装置は、連続的にテラヘルツ波を放射することができる。

前記第１の共振部は、前記第１の光を発する第１の半導体レーザと、前記第１の半導体レーザからの前記第１の光を反射することにより共振させるための第１の反射部とを有し、前記第２の共振部は、前記第２の光を発する第２の半導体レーザと、前記第２の半導体レーザからの前記第２の光を反射することにより共振させるための第２の反射部とを有していてもよい。

第１の半導体レーザ、第１の反射部、第２の半導体レーザ、及び第２の反射部が配置される位置を変更することにより、第１の光と第２の光との一方又は双方の周波数（波長）を変更することができる。これにより、特定の周波数のテラヘルツ波を発生させることができる。

また、非線形光学素子に対する、第１の半導体レーザ、第１の反射部、第２の半導体レーザ、及び第２の反射部の相対的な位置を変更することにより、非線形光学素子へ入射する第１の光と第２の光との一方又は双方の入射角を変更することができる。これにより、特定の周波数のテラヘルツ波を発生させることができる。

前記第２の半導体レーザは前記第１の反射部を兼ねていて、前記第１の半導体レーザは前記第２の反射部を兼ねていてもよい。

本発明のテラヘルツ波発生装置は、更に、前記第１の反射部の位置を変更する変更部を備えてもよい。変更部により、第１の光の周波数（波長）を変更することができる。また、非線形光学素子へ入射する第１の光の入射角を変更することができる。これにより、特定の周波数のテラヘルツ波を発生させることができる。

本発明のテラヘルツ波発生装置は、半導体レーザを備え、前記第１の共振部は、前記半導体レーザからの第１の光を反射することにより共振させるための第１の反射部を有し、前記第２の共振部は、前記半導体レーザからの第２の光を反射することにより共振させるための第２の反射部を有していてもよい。その際、本発明のテラヘルツ波発生装置は、更に、前記第１の反射部の位置を変更する変更部を備えてもよい。

本発明のテラヘルツ波発生装置は、更に、前記第１の共振部と、前記第２の共振部と、前記非線形光学素子とが配置される基板を備えてもよい。これにより、テラヘルツ波発生装置の規模を小さくすることができる。

前記第１の共振部、前記第２の共振部、及び前記非線形光学素子は、複数存在してもよい。

前記半導体レーザの利得バンド幅は、１〜１０ｎｍであることが好ましい。

本発明は、小さい規模で、高いパワーのテラヘルツ波を連続的に発生するテラヘルツ波発生装置を提供することができる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。

（実施の形態１）
先ず、実施の形態１のテラヘルツ波発生装置を図１を用いて説明する。

図１は、実施の形態１のテラヘルツ波発生装置の構成図である。実施の形態１のテラヘルツ波発生装置は、基板１１と、第１の半導体レーザ１２と、第２の半導体レーザ１３と、非線形光学素子１４とで構成されている。第１の半導体レーザ１２、第２の半導体レーザ１３、及び非線形光学素子１４は、基板１１の上に配置されている。

基板１１は、高抵抗のＳｉにより形成されている。第１の半導体レーザ１２は、以下の４種類のいずれかである。

（Ａ−１）分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢレーザ）
（Ａ−２）分布ブラッグ反射型半導体レーザ（ＤＢＲレーザ）
（Ａ−３）外部共振器型レーザ
（Ａ−４）ファブリペロ型レーザ
（Ａ−１）から（Ａ−３）は、波長７８０ｎｍ（周波数３８４．６ＴＨｚ）の第１の光Ａが発振しやすいように（閾値利得が低いように）、半導体レーザの中に回折格子が形成されているか、半導体レーザの外にミラーが形成されている。他方、（Ａ−４）は、波長７８０ｎｍ（周波数３８４．６ＴＨｚ）の第１の光Ａを含む、多数の波長（周波数）の光を発振する、所謂、マルチ縦モードを発振する（（Ａ−４）自体には波長選択性は無い）。この波長帯で発振するように、第１の半導体レーザ１２の材料として、ＡｌＧａＡｓ系の半導体が用いられている。第２の半導体レーザ１３も、上記（Ａ−１）から（Ａ−４）のいずれかである。ただし、第１の光Ａの代わりに、例えば、波長７８２ｎｍ（周波数３８３．６ＴＨｚ）の第２の光Ｂが、発振波長の一つにある。

（Ａ−１）から（Ａ−３）では、第１の半導体レーザ１２からの光のうち、第１の半導体レーザ１２と第２の半導体レーザ１３との間で第１の光Ａのみが、第１の半導体レーザ１２の内部の回折格子又は外部のミラー（ミラーには、第２の半導体レーザ１３のミラーも含まれる。）により選択されて発振する。同様に、第２の半導体レーザ１３からの光のうち、第２の半導体レーザ１３と第１の半導体レーザ１２との間で第２の光Ｂのみが、第２の半導体レーザ１３の内部の回折格子又は外部のミラー（ミラーには、第１の半導体レーザ１２のミラーも含まれる。）により選択されて発振する。

（Ａ−４）では選択される波長は無いが、（Ａ−４）はマルチ縦モードを発振するため、（Ａ−４）が発する光には、第１の光Ａ、第２の光Ｂが含まれている。第１の半導体レーザ１２及び第２の半導体レーザ１３が、上記（Ａ−１）から（Ａ−４）のいずれかである場合、第１の光Ａ及び第２の光Ｂは、ともに、第１の半導体レーザ１２のミラー及び第２の半導体レーザ１３のミラーにより反射し、共振する。

このように、実施の形態１では、第１の半導体レーザ１２からの第１の光Ａが第２の半導体レーザ１３により反射され、第２の半導体レーザ１３からの第２の光Ｂが第１の半導体レーザ１２により反射される。そのため、第１の半導体レーザ１２からの第１の光Ａの行路Ｌと、第２の半導体レーザ１３からの第２の光Ｂの行路Ｌとは同じ光路である。

非線形光学素子１４は、非線形光学材料ＬｉＮｂＯ₃により形成された素子であって、ＬｉＮｂＯ₃の一部のＬｉがプロトンで置換されて屈折率が周囲より高い導波路１４ａを有している。非線形光学素子１４は、導波路１４ａが第１の光Ａの行路（すなわち、第２の光Ｂの行路）Ｌの上に位置するように、基板１１の上に配置されている。

第１の光Ａ及び第２の光Ｂが非線形光学素子１４の導波路１４ａを通過する際、導波路１４ａの内部において、非線形効果により、第１の光Ａの周波数（周波数３８４．６ＴＨｚ）と第２の光Ｂの周波数（周波数３８３．６ＴＨｚ）との差の周波数（１ＴＨｚ）の電磁波（テラヘルツ波）１００が発生する。第１の光Ａ及び第２の光Ｂは、それぞれ、第１の半導体レーザ１２及び第２の半導体レーザ１３によって得られ、連続した光であって同じ行路Ｌを往復する。つまり、第１の光Ａ及び第２の光Ｂは非線形光学素子１４の導波路１４ａを常に通過する。そのため、導波路１４ａから、第１の光Ａの周波数と第２の光Ｂの周波数との差の周波数のテラヘルツ波１００が連続的に発生する。また、第１の光Ａ及び第２の光Ｂは共振するので、第１の光Ａ及び第２の光Ｂのパワーは高い。そのため、実施の形態１のテラヘルツ波発生装置は、高いパワーのテラヘルツ波を出力する。

このように、実施の形態１のテラヘルツ波発生装置は、周波数の差がテラヘルツ領域に存在する第１の光Ａと第２の光Ｂとの同一の行路Ｌに配置された非線形光学素子１４を備える。第１の光Ａ及び第２の光Ｂは、連続した光であって、小型の第１の半導体レーザ１２及び第２の半導体レーザ１３によって得られる。また、第１の光Ａ及び第２の光Ｂは共振する。そのため、実施の形態１のテラヘルツ波発生装置は、小さい規模で、高いパワーのテラヘルツ波を連続的に発生することができる。

次に、実施の形態１のテラヘルツ波発生装置の製造方法について簡単に述べる。第１の光Ａと第２の光Ｂとを高効率に導波路１４ａに入射させるためには、第１の半導体レーザ１２及び第２の半導体レーザ１３を、設計で決められた位置から±２μｍの範囲に収まる精度で基板１１の上に実装しなければならない。それを実現するために、ＧＦＡ（Guided Fluid Assembly）を用いて、第１の半導体レーザ１２及び第２の半導体レーザ１３を、パッシブアライメントで基板１１の上に実装する（“ＧＦＡ”については、B. P. Singh, K. Onozawa, K. Yamanaka, T. Tojo, and D. Ueda: IEEE/LEOS OPTICAL MEMS 2004 Int. Conf. on Optical MEMS and Their Applications, Takamatsu, 2004, Japan, p. 176-177.を参照）。ＧＦＡを用いるため、図１には記載されていないが、第１の半導体レーザ１２及び第２の半導体レーザ１３の基板１１との接着面には、電極パターンが形成されており、そのパターンがはめ込まれるリセスが基板１１に形成されている。

次に、ワイヤーボンド等を施し、第１の半導体レーザ１２及び第２の半導体レーザ１３が発光することができる状態にする。そして、第１の半導体レーザ１２及び第２の半導体レーザ１３を発光させ（アクティブアライメント）、発生するテラヘルツ波のパワーが最大になるように非線形光学素子１４の位置を決める。非線形光学素子１４の固定には、ＵＶ硬化樹脂を用いる。

なお、高抵抗のＧａＡｓ基板の上に、有機金属気相成長法を用いて、半導体レーザ用エピタキシャル層を形成し、それをエッチング等で分離することにより、ＧａＡｓ基板の上に、２個の半導体レーザをモノリシックに集積してもよい。モノリシック構造では、２個の半導体レーザの位置は、フォトリソグラフィ精度で決定されるため、２個の半導体レーザを、設計で決めた位置から±０．１μｍの範囲に収まるように配置することが可能である。非線形光学素子１４は、アクティブアライメントとＵＶ硬化樹脂とにより、２個の半導体レーザ間に配置する。

（実施の形態２）
次に、実施の形態２のテラヘルツ波発生装置を図２を用いて説明する。

図２は、実施の形態２のテラヘルツ波発生装置の構成図である。実施の形態２のテラヘルツ波発生装置は、基板と、第３の半導体レーザ２１と、第４の半導体レーザ２２と、ミラー２３と、アクチュエータ２４と、ミラー２５と、ミラー２６と、非線形光学素子２７とを備える。説明の簡単化のため、図２には基板は示されていない。第３の半導体レーザ２１と、第４の半導体レーザ２２と、ミラー２３と、アクチュエータ２４と、ミラー２５と、ミラー２６と、非線形光学素子２７とが、基板の上に配置されている。

第３の半導体レーザ２１は、下記３種類のいずれかである。
（Ｂ−１）分布ブラッグ反射型半導体レーザ（ＤＢＲレーザ）
（Ｂ−２）外部共振器型レーザ
（Ｂ−３）ファブリペロ型レーザ
第３の半導体レーザ２１は、発振波長の一つに第３の光Ｃを有する。第４の半導体レーザ２２は、第３の半導体レーザ２１と同様、（Ｂ−１）から（Ｂ−３）のいずれかである。ただし、第３の光Ｃの代わりに第４の光Ｄを有する。これら（Ｂ−１）〜（Ｂ−３）のレーザは、二つ以上の鏡で形成された共振器の、鏡の間隔が変化することで、発振波長が変わる特徴を有する。

ミラー２３は光を反射する平面状のミラーである。アクチュエータ２４は、ミラー２３を基板の上で所定の方向（図２の黒矢印の方向）に移動させる構成部である。ミラー２５は光を反射する凹面状のミラーである。ミラー２６は光を反射する凹面状のミラーである。ミラー２５とミラー２６とは、互いに相手方から見て凹状となるように配置さている。また、ミラー２５は、ミラー２３から見て凹状となるように配置さている。

第３の半導体レーザ２１からの光は、ミラー２３で反射してミラー２５へ進行し、ミラー２５により反射してミラー２６へ進行し、ミラー２６により反射してそれまでの行路を逆に進行して第３の半導体レーザ２１へ戻る。第３の半導体レーザ２１、ミラー２５、ミラー２６は、基板の上に、固定された状態で配置されている。ミラー２３は、アクチュエータ２４の駆動によって、基板の上を所定の方向（図２の黒矢印の方向）に所定の範囲内で移動することができるように、基板の上に配置されている。ミラー２３が移動すると、第３の半導体レーザ２１からの光が第３の半導体レーザ２１へ戻るまでの行路の長さが変化する。行路の長さが変化すると、第３の半導体レーザ２１が発生する光のうち、共振する第３の光Ｃの波長・周波数が変化する。

第４の半導体レーザ２２及びミラー２６は、基板の上に、固定された状態で配置されている。つまり、第４の半導体レーザ２２からの光が第４の半導体レーザ２２へ戻るまでの行路の長さは変化しない。そのため、その行路で共振する第４の半導体レーザ２２からの第４の光Ｄの波長・周波数は一定である。

非線形光学素子２７は、非線形光学材料により形成された素子であって、第４の光Ｄの行路の上に位置するように、基板の上に配置されている。また、ミラー２３の位置が変化しても、第３の光Ｃが非線形光学素子２７を通過するように、第３の半導体レーザ２１、第４の半導体レーザ２２、ミラー２３、アクチュエータ２４、ミラー２５、ミラー２６、及び非線形光学素子２７は配置されている。

上述したように、ミラー２３が移動すると、第３の半導体レーザ２１からの光が第３の半導体レーザ２１へ戻るまでの行路の長さが変化し、共振する第３の光Ｃの波長・周波数が変化する。また、ミラー２３が移動すると、第３の光Ｃが非線形光学素子２７に入射する際の角度θも変化する。

実施の形態１において説明したように、非線形光学素子２７に周波数の異なる２種類の光が同時に照射されると、２種類の光の周波数の差の周波数を有するテラヘルツ波が非線形光学素子２７から放射する。実施の形態２においても、第３の光Ｃの周波数と第４の光Ｄの周波数との差がテラヘルツ領域に存在していれば、非線形光学素子２７からその差のテラヘルツ波が放射する。

また、実施の形態２では、第４の光Ｄの周波数は一定であるが、アクチュエータ２４を用いてミラー２３の位置を変化させると、第３の光Ｃの周波数は変化する。そのため、ユーザは、アクチュエータ２４を用いることによりミラー２３の位置を変化させて、第３の光Ｃの周波数を所望する値に変化させることができる。これにより、ユーザは、所望する周波数のテラヘルツ波を、非線形光学素子２７から放射させることができる。すなわち、ユーザは、実施の形態２のテラヘルツ波発生装置を用いて、所望する周波数のテラヘルツ波を発生させることができる。

また、非線形光学素子２７に入射する２種類の光の入射角が変化すれば、非線形光学素子２７から放射するテラヘルツ波の最適周波数は変化する。ここで、最適周波数とは、変換効率が最大となる周波数である。実施の形態２では、第４の光Ｄの非線形光学素子２７への入射角は一定であるが、第３の光Ｃの非線形光学素子２７への入射角は、アクチュエータ２４を用いてミラー２３の位置を変化させると、変化する。そのため、ユーザは、アクチュエータ２４を用いることにより第３の光Ｃの非線形光学素子２７への入射角を所望する角度に変化させて、第３の光Ｃの周波数と第４の光Ｄの周波数との差を最適な値に調整することにより、出力の高いテラヘルツ波を、非線形光学素子２７から放射させることができる。すなわち、ユーザは、実施の形態２のテラヘルツ波発生装置を用いて、出力の高いテラヘルツ波を発生させることができる。

このように、実施の形態２のテラヘルツ波発生装置は、小さい規模で、高いパワーのテラヘルツ波を連続的に発生することができるとともに、発生するテラヘルツ波の周波数を変化させることができる。すなわち、ユーザは、実施の形態２のテラヘルツ波発生装置から放射するテラヘルツ波の周波数を選択することができる。

（実施の形態３）
次に、実施の形態３のテラヘルツ波発生装置を図３を用いて説明する。

図３は、実施の形態３のテラヘルツ波発生装置の構成図である。実施の形態３のテラヘルツ波発生装置は、基板と、第５の半導体レーザ３１と、第６の半導体レーザ３２と、ミラー３３と、ミラー３４と、非線形光学素子２７とを備える。説明の簡単化のため、図３には基板は示されていない。基板には、第５の半導体レーザ３１と、第６の半導体レーザ３２と、ミラー３３と、ミラー３４と、非線形光学素子２７とが配置されている。

第５の半導体レーザ３１は、上記（Ｂ−１）から（Ｂ−３）のいずれかであり、発振波長の一つに第５の光Ｅを含んでいる。第６の半導体レーザ３２も、上記（Ｂ−１）から（Ｂ−３）のいずれかであり、発振波長の一つに第６の光Ｆを含んでいる。ミラー３３は、第５の半導体レーザ３１からの光を第５の半導体レーザ３１へ反射する構成部であって、第５の光Ｅを共振させる。ミラー３４は、第６の半導体レーザ３２からの光を第６の半導体レーザ３２へ反射する構成部であって、第６の光Ｆを共振させる。

非線形光学素子２７は、第５の光Ｅの行路ｅと第６の光Ｆの行路ｆとの交点に配置されている。

実施の形態３では、第５の半導体レーザ３１、第６の半導体レーザ３２、ミラー３３、及びミラー３４の位置が変化すると、第５の光Ｅの行路ｅの長さと、第６の光Ｆの行路ｆの長さとが変化する。第５の光Ｅの行路ｅの長さが変化すると、第５の光Ｅの周波数が変化する。同様に、第６の光Ｆの行路ｆの長さが変化すると、第６の光Ｆの周波数が変化する。第５の光Ｅと第６の光Ｆとが非線形光学素子２７に入射すると、第５の光Ｅの周波数と第６の光Ｆの周波数との差の周波数を有するテラヘルツ波が、非線形光学素子２７から放射する。

上述したように、第５の半導体レーザ３１、第６の半導体レーザ３２、ミラー３３、及びミラー３４の位置を変化させることにより、非線形光学素子２７に入射する第５の光Ｅの周波数と第６の光Ｆの周波数とを変化させることができる。そのため、ユーザは、第５の光Ｅの周波数と第６の光Ｆの周波数との差が所望の値となるように、第５の半導体レーザ３１、第６の半導体レーザ３２、ミラー３３、及びミラー３４の位置を変化させることにより、所望の値の周波数のテラヘルツ波を、非線形光学素子２７から放射させることができる。

また、実施の形態３では、第５の半導体レーザ３１、第６の半導体レーザ３２、ミラー３３、及びミラー３４の位置を変化させることにより、第５の光Ｅの行路ｅと第６の光Ｆの行路ｆとが形成する角度θを変化させることができる。角度θが変化すると、非線形光学素子２７から放射するテラヘルツ波の最適周波数が変化する。そのため、ユーザは、第５の半導体レーザ３１、第６の半導体レーザ３２、ミラー３３、及びミラー３４の位置を変化させることにより、第５の光Ｅの周波数と第６の光Ｆの周波数との差の周波数のテラヘルツ波の出力が大きくなるように角度θ変化させて、出力の高い周波数のテラヘルツ波を、非線形光学素子２７から放射させることができる。

なお、図４に示すように、基板３０の上に、第５の半導体レーザ３１と、第６の半導体レーザ３２と、ミラー３３と、ミラー３４と、非線形光学素子２７とで構成されるテラヘルツ波発生部を複数配置してテラヘルツ波発生装置を構成してもよい。その際、テラヘルツ波発生部毎に、非線形光学素子２７に対する、第５の半導体レーザ３１、第６の半導体レーザ３２、ミラー３３、及びミラー３４の位置が異なっていてもよい。それとは逆に、非線形光学素子２７に対する、第５の半導体レーザ３１、第６の半導体レーザ３２、ミラー３３、及びミラー３４の位置は、何れのテラヘルツ波発生部においても同じであってもよい。

（実施の形態４）
次に、実施の形態４のテラヘルツ波発生装置を図５を用いて説明する。

図５は、実施の形態４のテラヘルツ波発生装置の構成図である。実施の形態４のテラヘルツ波発生装置は、基板と、半導体レーザアレイ４１と、複数のマイクロレンズ４２と、レンズ４３と、レンズ４４と、ミラー４５と、アクチュエータ４６と、非線形光学素子２７とを備える。説明の簡単化のため、図５には基板は示されていない。基板には、半導体レーザアレイ４１と、複数のマイクロレンズ４２と、レンズ４３と、レンズ４４と、ミラー４５と、アクチュエータ４６と、非線形光学素子２７とが配置されている。

半導体レーザアレイ４１は、複数の部位から光を出力する構成部である。各マイクロレンズ４２は、半導体レーザアレイ４１からの光をコリメートしてレンズ４３に導く構成部であって、半導体レーザアレイ４１が光を出力する部位の数と同じ数のマイクロレンズ４２が基板の上に設けられている。レンズ４３は、各マイクロレンズ４２によって集められた、半導体レーザアレイ４１からの各光を非線形光学素子２７に集める構成部である。レンズ４４は、非線形光学素子２７を透過した、半導体レーザアレイ４１からの各光を平行にする構成部である。ミラー４５は、平面状で、レンズ４４によって平行にされた各光を、各光が同じ行路を逆に進行してレンズ４４に戻るように反射する構成部である。アクチュエータ４６は、ミラー４５を、ミラー４５に進行してきた各光の行路と平行な方向（図５の白矢印の方向）に移動させる構成部である。

半導体レーザアレイ４１からの各光の行路は異なるので、行路毎に共振する光の周波数は異なる。すなわち、実施の形態４のテラヘルツ波発生装置では、複数の周波数で共振する光が存在する。したがって、非線形光学素子２７から、複数の周波数のテラヘルツ波が放射する。また、アクチュエータ４６によって、半導体レーザアレイ４１からの各光の行路の長さは変化する。すなわち、共振する各光の周波数は変化する。これにより、ユーザは、アクチュエータ４６を用いてミラー４５を移動させることにより、非線形光学素子２７から放射させる複数のテラヘルツ波の周波数を変化させることができる。

なお、図６に示すように、アクチュエータ４６を用いず、平面状で、特定の光のみを透過させるフィルタ４９をミラー４５と平行に配置し、非線形光学素子２７から特定の周波数のテラヘルツ波のみを放射させてもよい。

（実施の形態５）
次に、実施の形態５のテラヘルツ波発生装置を図７を用いて説明する。

図７は、実施の形態５のテラヘルツ波発生装置の構成図である。実施の形態５のテラヘルツ波発生装置は、基板と、半導体レーザ５１と、マイクロレンズ５２と、ハーフミラー５３と、ミラー５４と、ミラー５５と、ミラー５６と、アクチュエータ５７と、非線形光学素子２７とを備える。説明の簡単化のために、図７には基板は示されていない。基板には、半導体レーザ５１と、マイクロレンズ５２と、ハーフミラー５３と、ミラー５４と、ミラー５５と、ミラー５６と、アクチュエータ５７と、非線形光学素子２７とが配置されている。

半導体レーザ５１は光を発する構成部である。半導体レーザ５１の活性層は、広いバンド幅に対して利得を有するように設計されている。マイクロレンズ５２は、半導体レーザ５１からの光をコリメートする構成部である。また、マイクロレンズ５２は、半導体レーザ５１へ進行する光をコリメートする構成部でもある。

ハーフミラー５３は、光の一部を反射し、残部を透過させる、平面状の素子である。具体的には、ハーフミラー５３は、マイクロレンズ５２によってコリメートされた、半導体レーザ５１からの光の一部をその進行方向を９０°変化させてミラー５４へ進行させるように上記光の一部を反射し、半導体レーザ５１からの光の残部を透過させてミラー５５へ進行させる。また、ハーフミラー５３は、ミラー５４からの光を透過させてミラー５６へ進行させる。また、ハーフミラー５３は、ミラー５５からの光をその進行方向を９０°変化させてミラー５６へ進行させる。また、ハーフミラー５３は、ミラー５６からの光をその進行方向を９０°変化させてミラー５５へ進行させる。また、ハーフミラー５３は、ミラー５５からの光を透過させてマイクロレンズ５２へ進行させる。また、ハーフミラー５３は、ミラー５６からの光を透過させてミラー５４へ進行させる。更に、ハーフミラー５３は、ミラー５４からの光をその進行方向を９０°変化させてマイクロレンズ５２へ進行させる。

ミラー５４、ミラー５５、及びミラー５６は、平面状のミラーであって、ミラー５４及びミラー５６は、反射面が半導体レーザ５１からハーフミラー５３へ進行する光と平行となるように配置されており、対向している。ミラー５５は、反射面が半導体レーザ５１からハーフミラー５３へ進行する光と直交するように配置されている。

非線形光学素子２７は、ハーフミラー５３とミラー５６との間を進行する光の行路に設けられている。

アクチュエータ５７は、ミラー５５を、半導体レーザ５１からハーフミラー５３へ進行する光の進行方向（図７の黒矢印の方向）に移動させる構成部である。

実施の形態５のテラヘルツ波発生装置では、半導体レーザ５１から出力した光の一部は、マイクロレンズ５２、ハーフミラー５３、ミラー５４、ハーフミラー５３、ミラー５６、ハーフミラー５３、ミラー５５（又はミラー５４）、ハーフミラー５３、マイクロレンズ５２、半導体レーザ５１の順（以下、「行路Ｇ」という。）に進行する。また、半導体レーザ５１から出力した光の残部は、マイクロレンズ５２、ハーフミラー５３、ミラー５５、ハーフミラー５３、ミラー５６、ハーフミラー５３、ミラー５４（又はミラー５５）、ハーフミラー５３、マイクロレンズ５２、半導体レーザ５１の順（以下、「行路Ｈ」という。）に進行する。

行路Ｇの長さと行路Ｈの長さとが異なれば、行路Ｇで共振する光の周波数と行路Ｈで共振する光の周波数とが異なる。行路Ｇで共振する光の周波数と行路Ｈで共振する光の周波数との差がテラヘルツ領域に存在するように、行路Ｇの長さと行路Ｈの長さとを設計すれば、非線形光学素子２７から、上記差の周波数のテラヘルツ波が放射する。

また、アクチュエータ５７を用いてミラー５５の位置を変化させて、行路Ｇ及び行路Ｈで共振する光の周波数の一方又は双方を変化させれば、非線形光学素子２７から放射するテラヘルツ波の周波数を変化させることができる。

（実施の形態６）
次に、実施の形態６のテラヘルツ波発生装置を図８を用いて説明する。

図８は、実施の形態６のテラヘルツ波発生装置の構成図である。実施の形態６のテラヘルツ波発生装置は、基板と、半導体レーザ６１と、マイクロレンズ６２と、ハーフミラー６３と、ミラー６４と、ミラー６５と、ミラー６６と、非線形光学素子２７とを備える。説明の簡単化のために、図８には基板は示されていない。基板には、半導体レーザ６１と、マイクロレンズ６２と、ハーフミラー６３と、ミラー６４と、ミラー６５と、ミラー６６と、非線形光学素子２７とが配置されている。

半導体レーザ６１は光を発する構成部である。マイクロレンズ６２は、半導体レーザ６１からの光をコリメートする構成部である。また、マイクロレンズ６２は、半導体レーザ６１へ進行する光をコリメートする構成部でもある。

ハーフミラー６３は、光の一部を反射し、残部を透過させる、平面状の構成部である。具体的には、ハーフミラー６３は、マイクロレンズ６２によってコリメートされた、半導体レーザ６１からの光の一部をその進行方向を９０°変化させてミラー６４へ進行させ、半導体レーザ６１からの光の残部を透過させてミラー６５へ進行させる。また、ハーフミラー６３は、ミラー６６からの光をその進行方向を９０°変化させてミラー６５へ進行させる。また、ハーフミラー６３は、ミラー６５からの光を透過させてマイクロレンズ６２へ進行させる。また、ハーフミラー６３は、ミラー６５からの光をその進行方向を９０°変化させてミラー６６へ進行させる。更に、ハーフミラー６３は、ミラー６４からの光をその進行方向を９０°変化させてマイクロレンズ６２へ進行させる。

ミラー６４は、直交する２個の反射面により構成されており、ハーフミラー６３側に開いていて、ハーフミラー６３からの光をその進行方向を２度９０°変化させてミラー６６へ進行させる。また、ミラー６４は、ミラー６６からの光をその進行方向を２度９０°変化させてハーフミラー６３へ進行させる。

ミラー６５は、平面状のミラーであって、反射面が半導体レーザ６１からハーフミラー６３へ進行する光と直交するように配置されている。

ミラー６６は、直交する２個の反射面により構成されており、ハーフミラー６３側に開いていて、ハーフミラー６３からの光をその進行方向を２度９０°変化させてミラー６４へ進行させる。また、ミラー６６は、ミラー６４からの光をその進行方向を２度９０°変化させてハーフミラー６３へ進行させる。

非線形光学素子２７は、半導体レーザ６１からハーフミラー６３へ進行する光の行路と、ハーフミラー６３を介さずにミラー６４とミラー６６との間を進行する光の行路との交差点に配置されている。

実施の形態６のテラヘルツ波発生装置では、半導体レーザ６１から出力した光の一部は、マイクロレンズ６２、ハーフミラー６３、ミラー６４、ミラー６６、ハーフミラー６３、ミラー６５、ハーフミラー６３、マイクロレンズ６２、半導体レーザ６１の順（以下、「行路Ｉ」という。）に進行する。また、半導体レーザ６１から出力した光の残部は、マイクロレンズ６２、ハーフミラー６３、ミラー６５、ハーフミラー６３、ミラー６６、ミラー６４、ハーフミラー６３、マイクロレンズ６２、半導体レーザ６１の順（以下、「行路Ｊ」という。）に進行する。

行路Ｉの長さと行路Ｊの長さとが異なるので、行路Ｉで共振する光の周波数と行路Ｊで共振する光の周波数とが異なる。行路Ｉで共振する光の周波数と行路Ｊで共振する光の周波数との差がテラヘルツ領域に存在するように、行路Ｉの長さと行路Ｊの長さとを設計すれば、非線形光学素子２７から、上記差の周波数のテラヘルツ波が放射する。

なお、図９に示すように、ミラー６４を平面状のミラー６８に置き換えてもよい。その場合、半導体レーザ６１から出力した光の一部は、マイクロレンズ６２、ハーフミラー６３、ミラー６８、ハーフミラー６３、ミラー６６、ミラー６８、ミラー６６、ハーフミラー６３、ミラー６５、ハーフミラー６３、マイクロレンズ６２、半導体レーザ６１の順（以下、「行路Ｋ」という。）に進行する。また、半導体レーザ６１から出力した光の残部は、マイクロレンズ６２、ハーフミラー６３、ミラー６５、ハーフミラー６３、ミラー６６、ミラー６８、ミラー６６、ハーフミラー６３、ミラー６５、ハーフミラー６３、マイクロレンズ６２、半導体レーザ６１の順（以下、「行路Ｌ」という。）に進行する。

行路Ｋの長さと行路Ｌの長さとが異なるので、行路Ｋで共振する光の周波数と行路Ｌで共振する光の周波数とが異なる。行路Ｋで共振する光の周波数と行路Ｌで共振する光の周波数との差がテラヘルツ領域に存在するように、行路Ｋの長さと行路Ｌの長さとを設計すれば、非線形光学素子２７から、上記差の周波数のテラヘルツ波が放射する。

また、図１０に示すように、アクチュエータ６９により、ミラー６８とハーフミラー６３との距離を変化させてもよい。その場合、ユーザは、行路Ｋの長さ及び行路Ｌの長さを所望の長さに変化させることができる。これにより、ユーザは、非線形光学素子２７から、所望の周波数のテラヘルツ波を放射させることができる。

（実施の形態７）
次に、実施の形態７のテラヘルツ波発生装置を、図１１を用いて説明する。

図１１は、実施の形態７のテラヘルツ波発生装置の構成図である。実施の形態７のテラヘルツ波発生装置は、基板７０と、複数の半導体レーザ７１と、複数のマイクロレンズ７２と、複数の非線形光学素子２７と、複数のハーフミラー７３と、複数のミラー７４と、複数のミラー７５とを備える。基板７０には、複数の半導体レーザ７１と、複数のマイクロレンズ７２と、複数の非線形光学素子２７と、複数のハーフミラー７３と、複数のミラー７４と、複数のミラー７５とが配置されている。

実施の形態７では、平行に、等間隔に左右に配置された各ミラー７４と、各ミラー７４と直交する一つの平面の上に配置された複数のミラー７５とにより、マトリックスが形成されている。マトリックスの一つ一つには、一個の半導体レーザ７１と、一個のマイクロレンズ７２と、一個の非線形光学素子２７と、一個のハーフミラー７３とで構成される光学素子群が配置されている。マトリックスの一つ一つは、図７と同じ構成になっている（非線形光学素子２７が設けられている場所が異なるが、同じ作用が得られる）。したがって、各光学素子群の非線形光学素子２７には、二つの周波数の光が入射する。そのため、各光学素子群の非線形光学素子２７から、テラヘルツ波が放射する。

図７で説明したように、ハーフミラー７３と、ミラー７４又はミラー７５との距離を変えることにより、放射するテラヘルツ波の周波数を変えることができる。また、マトリックスの一つ一つについて、ハーフミラー７３と、ミラー７４又はミラー７５との距離が異なるようにすれば、実施の形態７のテラヘルツ波発生装置は、複数の周波数のテラヘルツ波を高いパワーで放射することができる。

本発明のテラヘルツ波発生装置は、テラヘルツ波を発生する装置として有用であり、医療分野等で使用することができ、産業上の利用価値は高い。

実施の形態１のテラヘルツ波発生装置の構成図である。 実施の形態２のテラヘルツ波発生装置の構成図である。 実施の形態３のテラヘルツ波発生装置の構成図である。 実施の形態３のテラヘルツ波発生装置の構成図である。 実施の形態４のテラヘルツ波発生装置の構成図である。 実施の形態４のテラヘルツ波発生装置の構成図である。 実施の形態５のテラヘルツ波発生装置の構成図である。 実施の形態６のテラヘルツ波発生装置の構成図である。 実施の形態６のテラヘルツ波発生装置の構成図である。 実施の形態６のテラヘルツ波発生装置の構成図である。 実施の形態７のテラヘルツ波発生装置の構成図である。 第１の従来のテラヘルツ波発生装置の構成図である。 第２の従来のテラヘルツ波発生装置の構成図である。

符号の説明

１１ 基板
１２、１３、２１、２２、３１、３２、５１、６１、７１ 半導体レーザ
１４、２７ 非線形光学素子
２３、２５、２６、３３、３４、４５、５４、５５、５６、６４、６５、６６、６８、７４、７５ ミラー
２４、４６、５７、６９ アクチュエータ
４１ 半導体レーザアレイ
４２、５２、６２、７２ マイクロレンズ
４３、４４ レンズ
４９ フィルタ
５３、６３、７３ ハーフミラー
１００ テラヘルツ波

Claims (8)

1. 半導体レーザからの第１の光を共振させる第１の共振部と、
   半導体レーザからの第２の光を共振させる第２の共振部と、
   非線形光学材料により形成された非線形光学素子とを備え、
   前記第１の共振部と前記第２の共振部とは、前記第１の光の行路の少なくとも一部が前記第２の光の行路の少なくとも一部と共通するように配置されており、
   前記非線形光学素子は、前記第１の光の行路と前記第２の光の行路との共通する部位に配置されている
   テラヘルツ波発生装置。
2. 前記第１の共振部は、前記第１の光を発する第１の半導体レーザと、前記第１の半導体レーザからの前記第１の光を反射することにより共振させるための第１の反射部とを有し、
   前記第２の共振部は、前記第２の光を発する第２の半導体レーザと、前記第２の半導体レーザからの前記第２の光を反射することにより共振させるための第２の反射部とを有する
   請求項１記載のテラヘルツ波発生装置。
3. 前記第２の半導体レーザは前記第１の反射部を兼ねており、前記第１の半導体レーザは前記第２の反射部を兼ねている
   請求項２記載のテラヘルツ波発生装置。
4. 更に、
   前記第１の反射部の位置を変更する変更部を備える
   請求項２記載のテラヘルツ波発生装置。
5. 半導体レーザを備え、
   前記第１の共振部は、前記半導体レーザからの第１の光を反射することにより共振させるための第１の反射部を有し、
   前記第２の共振部は、前記半導体レーザからの第２の光を反射することにより共振させるための第２の反射部を有する
   請求項１記載のテラヘルツ波発生装置。
6. 更に、
   前記第１の反射部の位置を変更する変更部を備える
   請求項５記載のテラヘルツ波発生装置。
7. 更に、
   前記第１の共振部と、前記第２の共振部と、前記非線形光学素子とが配置される基板を備える
   請求項１記載のテラヘルツ波発生装置。
8. 前記第１の共振部、前記第２の共振部、及び前記非線形光学素子は、複数存在する
   請求項７記載のテラヘルツ波発生装置。

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