JP2007133339A

JP2007133339A - フォノンポラリトン励起テラヘルツ波発生方法及び装置

Info

Publication number: JP2007133339A
Application number: JP2005355381A
Authority: JP
Inventors: Junichi Nishizawa; 潤一西澤; Ken Sudo; 建須藤; Tadao Tanabe; 匡生田邉
Original assignee: Semiconductor Research Foundation
Current assignee: Semiconductor Research Foundation
Priority date: 2005-11-09
Filing date: 2005-11-09
Publication date: 2007-05-31

Abstract

【課題】非線形光学結晶における差周波混合により得られる周波数可変テラヘルツ波の出力は小さく、テラヘルツ計測における光源としては出力および発生周波数帯域が十分ではなかった。本発明は波長可変の近赤外光源を用いて、ＧａＰバルク結晶におけるフォノンーポラリトンをテラヘルツ波の発生周波数に対応する位相整合角度で励起することにより、高輝度なテラヘルツ波を広帯域において周波数可変に発生できるテラヘルツ波発生方法及び装置を提供する。
【解決手段】ＧａＰバルク結晶に入射する２つの近赤外線を平行からわずかにずらして位相整合条件を満たすように差周波混合し、結晶中に存在するフォノン−ポラリトンを励起することにより、広帯域において周波数可変なテラヘルツ波を高輝度に得る。
【選択図】図２

Description

本発明はバルク半導体結晶においてテラヘルツの周波数で振動しているフォノン−ポラリトンを非線形光学効果のひとつである差周波混合により励起する方法及び装置に関する。

これまで未踏領域と呼ばれていた電波と光波の中間領域にあるテラヘルツ波は通信だけでなく医療における利用についても期待されている。生体分子間の結合を構成する振動エネルギーの大きさは周波数で考えるとテラヘルツ帯にあり、テラヘルツ波によるタンパク質などの生体高分子がもつ機能の解明といった基礎研究が始まっている。テラヘルツ波光源としては広い周波数帯域における高輝度な周波数可変光源が求められている。それぞれの振動周波数からより多くの情報を得ることができれば正確な判断が可能となり、またテラヘルツ波は水に大きく吸収されるので、多くの水を含む生体試料のテラヘルツ計測には高輝度のテラヘルツ波が必要とされている。

テラヘルツ波発生法のひとつに非線形光学効果による周波数変換技術（差周波混合）がある。非線形光学定数が大きいＬｉＮｂＯ_３などの光学結晶に波長がわずかに異なる２種類の近赤外光を入射することにより、その周波数の差に相当する第３の電磁波としてテラヘルツ波が発生する。従来の差周波混合は光学結晶中における電子分極に基づく周波数変換であり、原子振動の周波数帯にあるテラヘルツ波発生についてはエネルギー変換効率が小さくなるために得られるテラヘルツ光源のパワーは必ずしも大きいとはいえず、水分を多く含む試料のテラヘルツ計測は困難な状況にある。

発明が開示しようとする課題

本発明はＧａＰバルク結晶に入射する２つの近赤外線を平行からわずかにずらして位相整合条件を満たすように差周波混合し、結晶中に存在するフォノン−ポラリトンを励起することにより、広帯域において周波数可変にテラヘルツ波が発生する方法及び装置を提供する。

課題を解決するための手段

本発明はフォノン−ポラリトンを励起することによりテラヘルツ波を発生させるという本発明者である西澤の提案、およびＧａＰ結晶中におけるラマン発振による１２ＴＨｚにおけるテラヘルツ波の高出力発生に基づき、波長可変の近赤外光源を用いて、広帯域において周波数可変なテラヘルツ波を発生させる。２つの近赤外線の間における微小な角度を制御することによりテラヘルツ波が発生する位相整合が満たされる。発生するテラヘルツ波はフォノン−ポラリトンが有する急峻なエネルギーを利用するので、周波数純度に優れている。

発明の効果

本発明によれば、広帯域において周波数可変なテラヘルツ波の高出力発生法および装置が得られる。これによって、テラヘルツ分子振動の赤外活性なモードの観察が可能になるほか、コヒーレント単色光源であるのでイメージングや化学反応の選択的な誘起など広範に利用することができる。

発明を実施するための最良の形態、実施例１

図１において、信号光源１は波長可変レーザであり、ポンプ光源２は波長固定の高出力近赤外レーザである。それぞれのレーザから発生する近赤外光が結晶性に優れたＧａＰバルク結晶３において光混合し、信号光とポンプ光の周波数差に相当するテラヘルツ波が発生する。２つの近赤外光とテラヘルツ波の偏光はＧａＰ結晶中においてラマン選択則を満たす。フィルター４により近赤外光の散乱光を除去することができ、テラヘルツ波のみを得ることができる。

発生するテラヘルツ波の出力は結晶特性の影響を受けるので、ストイキオメトリを制御する結晶成長技術やアニール処理が必要である。つまり、ＧａＰ結晶におけるフォノンの乱れを抑え、テラヘルツ波および近赤外光の吸収および散乱が小さくすることが必要である。テラヘルツ波は３ＴＨｚを境界として低周波数領域は自由キャリア、高周波数領域はフォノンによる影響が大きい。また、格子欠陥によりテラヘルツ波が散乱される。また、波長程度のサイズをもつ光導波路の空間にフォノンおよびテラヘルツ波が導波路に閉じ込まれることによりラマン効果を有効に発揮できるようになり、テラヘルツ波の発生出力は向上する。

図２に近赤外光源のひとつとしてＹＡＧレーザを用いたときにＧａＰバルク結晶から発生するテラヘルツ波出力の周波数依存性を示す。入射する近赤外光のエネルギーはそれぞれ３ｍＪである。出力は入射エネルギーに比例して増加し、２．５ＴＨｚにおいて発生するテラヘルツ波は入射近赤外光のエネルギーがそれぞれ２６ｍＪおよび５．８ｍＪのとき０．８Ｗの出力で発生する。

図３に２つの近赤外線がなす角度（位相整合角度）と発生する周波数の関係を示す。たとえばＹＡＧレーザを近赤外光源のひとつに用いたとき、４２秒の角度をつけて２つの近赤外光を入射すると０．５ＴＨｚのテラヘルツ波が発生する。テラヘルツ波の周波数と２つの入射ビームがなす角度はＧａＰ結晶中におけるフォノン−ポラリトン分散関係との良い一致が見てとれる。６．５ＴＨｚ以上における違いは、テラヘルツ波の全反射を避けるためにＧａＰ結晶を回転させたことによる。２つの入射ビームがなす角度を大きくするにしたがい、より高い周波数における位相整合条件が満たされるようになる。テラヘルツ波の線幅はファブリ・ペロー干渉計を用いる線幅測定の結果より、入射する近赤外光の線幅と同程度であることが分かる。

図４に近赤外光源としてＣｒ：Ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅレーザを用いたときにＧａＰ結晶から発生するテラヘルツ波出力の周波数依存性を示す。実施例１と同様な周波数領域においてテラヘルツ波が発生する。図５に示すように入射する近赤外光が長波長になるにしたがい、位相整合条件を満たす２つの近赤外ビームにおける角度を大きくする必要がある。光通信に用いられている１．５ミクロン帯域におけるテラヘルツ波の発生も可能である。

実施例１の構成ＧａＰバルク結晶から発生するテラヘルツ波出力の周波数依存性近赤外線がなす角度と発生するテラヘルツ波周波数の関係近赤外光源としてＣｒ：Ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅレーザを用いたときに発生するテラヘルツ波出力近赤外光源としてＣｒ：Ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅレーザを用いたときの位相整合角度

符号の説明

１…波長可変近赤外レーザ
２…高出力近赤外レーザ
３…ＧａＰバルク結晶
４…近赤外線除去フィルター

Claims

ＧａＰバルク結晶に入射する２つの近赤外線を平行からわずかにずらして位相整合条件を満たすように差周波混合し、結晶中に存在するフォノン−ポラリトンを励起することにより、広帯域において周波数可変な周波数純度に優れているテラヘルツ波を高輝度に得ることを特徴とするテラヘルツ波発生方法及び装置。
前記ＧａＰバルク結晶におけるフォノンの乱れが抑えられ、テラヘルツ波および近赤外光の自由キャリアや格子欠陥、フォノンによる吸収および散乱が小さくなるように、ストイキオメトリや結晶温度が制御されてい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方法及び装置。
前記ＧａＰバルク結晶がテラヘルツ波の波長程度のサイズをもつことにより、フォノンおよびテラヘルツ波が導波路に閉じ込められ、ラマン効果が有効に発揮され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方法及び装置。
前記近赤外光の波長が１〜１．５ミクロン帯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方法及び装置。