JP2008058918A

JP2008058918A - テラヘルツ電磁波発生方法及び分光・イメージング測定装置

Info

Publication number: JP2008058918A
Application number: JP2006269435A
Authority: JP
Inventors: Junichi Nishizawa; 潤一西澤; Tadao Tanabe; 匡生田邉; Atsushi Kenmochi; 敦志釼持; Tetsuro Sasaki; 哲朗佐々木; Yutaka Koyama; 裕小山
Original assignee: Semiconductor Research Foundation
Current assignee: Semiconductor Research Foundation
Priority date: 2006-09-01
Filing date: 2006-09-01
Publication date: 2008-03-13

Abstract

【課題】従来の非線形光学結晶を用いるテラヘルツ電磁波光源と比較し、一つの励起レーザに基づく小型光学系によりテラヘルツ電磁波を発生させる方法及び測定装置を提供する。
【解決手段】非線形光学結晶として屈折率異方性を有するＧａＳｅ結晶を用いる場合、屈折率主軸に対し、入射光を平行に近い角度で入射させることによりテラヘルツ電磁波を発生させる。入射光には６５０ｎｍ以上の波長を持つ高出力光源を利用する。
【選択図】図１

Description

本発明は一つの励起レーザを使ったテラヘルツ電磁波の発生方法及び装置に関するものである。

テラヘルツ電磁波を発生する方法はいくつかあるが、非線形光学効果の一つである差周波発生を利用する方法では、ポンプレーザ、信号レーザと呼ぶ周波数の異なる２つのパルス光をテラヘルツ電磁波発生用結晶である半導体ＧａＰ、ＧａＳｅ結晶などに入射することにより、その周波数の差に相当する単色コヒーレントテラヘルツ波の発生が可能となる。これらテラヘルツ光源により、物質のテラヘルツ帯におけるスペクトル測定、イメージングを行うことで、分子の同定、食品・医薬品の検査等の非破壊検査、癌組織の発見などが可能となる。

２つのレーザパルス光を用いてテラヘルツ電磁波を発生するには、ポンプ光、信号光そしてテラヘルツ電磁波が位相整合条件を満たす必要がある。屈折率が等方的であるＧａＰ結晶などを使う場合、２つの入射ビームに所定の角度を持たせる必要がある。この角度はテラヘルツ電磁波の周波数により変化するため、周波数挿引には入射光の周波数を挿引するだけでなく２つの入射光間の角度も変化させる必要がある。さらに周波数挿引に伴い、テラヘルツ電磁波の出射角度も変化するため、これを補正する機構も必要となりテラヘルツ電磁波発生装置の構成が複雑になる。また屈折率の異方性を有するＧａＳｅ結晶などの場合、ポンプ光と信号光は同一の光軸であり、位相整合は結晶軸を光軸に対して所定の角度にすることで達成される。この方法においても角度を精密に制御するための機構が必要となる。

いずれの方法もその光学系は複雑かつ精密であり、測定システムの構築、調整が難しい。加えて、装置サイズが大きく持ち運びが困難である。テラヘルツ電磁波を幅広い分野で手軽に利用するため、簡単な光学系でテラヘルツ電磁波を発生できる装置が求められる。

本発明は、一つの励起光源でテラヘルツ電磁波を発生させる方法である。励起レーザと非線形光学結晶を有し、共振器構造を必要としない小型で単純な光学系を有する分光・イメージング装置を提供する。

小型テラヘルツ電磁波光源の励起光源としてＯＰＯをはじめレーザダイオード等を用いることにより、装置サイズを小型化することが可能となる。さらにファイバレーザ励起により持ち運び可能であるだけでなく、現在の光源では入ることのできない小さな隙間や、体内へもテラヘルツ電磁波を導くことが可能となる。

励起光はパルス光、或いは連続光を発する一つの励起レーザとする。本発明で使用する励起光はフェムト秒レーザほど高いピークパワーを必要とせず、パルス幅は１ナノ秒以上、或いは連続光でよい。非線形光学結晶が屈折率異方を有する場合、入射光の光軸との屈折率主軸（ｃ軸）は同一軸上に近いものとする。

本発明によると、小型な光学系を有するテラヘルツ電磁波発生装置が得られる。非線形光学効果を利用している従来の装置でと比較し、発生する周波数は白色であるため周波数情報は正確には得にくいものの、電波と光波の両方の性質を併せ持つテラヘルツ領域の特性を生かしたイメージングなどの測定が容易に行えるようになる。またパラメトリック発振ほど大出力の励起光源を必要としないため、多様なレーザを励起光源として使用可能である。

励起光源２として近赤外光を発する波長可変の光パラメトリック発振器（ＯＰＯ）を使う。また非線形光学結晶１としてＧａＳｅ結晶を採用する。入射光の波長は６５０ｎｍ以上とする。これはＧａＳｅ結晶のバンドギャップが６５０ｎｍであるため、それ以下の波長の光を入射すると結晶が損傷するためである。ただし、出力の点から実用的には７００ｎｍ付近の波長を入射することが適している。入射光の光軸は結晶軸から１０度程度の範囲内で入射する。ＧａＳｅ結晶から出射するテラヘルツ電磁波は非軸放物面鏡３、４により集光される。発生しているテラヘルツ電磁波の周波数を回折格子により測定すると、図２に示すように０．４６−１ＴＨｚ程度である。また図３に示すように、ＧａＳｅ結晶から出射したテラヘルツ電磁波は広がり角が３°程度であり、ほぼ平行ビームと近似できる。

非軸放物面鏡４の焦点５に検体６を設置すると、テラヘルツイメージング測定が可能となる。図４は本測定装置の分解能を示した図である。発生するテラヘルツ電磁波は２ｍｍφのアパーチャー７により成形している。透過強度の微分変化ｄＩ／ｄｘの半値幅から分解能は約１．８４ｍｍであることがわかる。図５は布（雑巾）の中に存在する異物（ねじ）のイメージングである。３５×３５ｍｍの範囲を０．５ｍｍステップで測定した。

図６は実施例１の光源を利用した分光測定装置である。非線形光学結晶１から発生したテラヘルツ電磁波をポリエチレンレンズ８で平行ビームとし、回折格子９へ入射する。その後検体６、スリット１０を、通過後出力を測定することで物質の分光測定が可能となる。図７は１ＴＨｚ付近に吸収を持つことが分かっているＬ−Ｔｙｒｏｓｉｎｅの透過スペクトルである。１ＴＨｚ付近における吸収ピークを確認できる。

励起光源２として波長６５０ｎｍ以上の光を発するレーザダイオード、波長９５０ｎｍのＹｂファイバレーザ或いは波長１５００ｎｍのＥｒファイバレーザを使う。他の構成は実施例１と同様である。光源を連続波モードで動作すれば、白色テラヘルツ電磁波を連続波として発生させることが可能となる。

励起光源２としてレーザダイオード或いはファイバレーザを使う。図８に示すようにファイバ１１の先端にレンズ１２を設置することで励起光をスポット径２ｍｍ程度の平行光とし、テラヘルツ波発生用光学結晶へ入射する。この装置によると自在に移動することが可能なテラヘルツ電磁波発生装置が実現する。

実施例１の構成を示す図である。実施例１の構成において入射光の波長を７５０ｎｍとしたときに発生するテラヘルツ電磁波の周波数を示す図である。実施例１の構成におけるテラヘルツ電磁波の広がりを示す図である。実施例１の構成におけるイメージングの分解能を示す図である。実施例１の構成において測定した、建材の断熱材中に存在する異物のテラヘルツイメージング像である。実施例２の構成を示す図である。実施例２の構成において測定したＬ−Ｔｙｒｏｓｉｎｅの透過スペクトルである。実施例４の構成を示す図である。

符号の説明

１…非線形光学結晶
２…励起光源
３…非軸放物面鏡
４…非軸放物面鏡
５…焦点
６…検体
７…アパーチャー
８…ポリエチレンレンズ
９…回折格子
１０…スリット
１１…ファイバ
１２…レンズ

Claims

一つの励起レーザとこれにより励起される非線形光学結晶を有し、共振器構造を必要とせずテラヘルツ電磁波を発生することを特徴とする、テラヘルツ電磁波発生方法及び装置。
請求項１に記載の励起レーザが１ナノ秒以上のパルス幅を有するパルス光、或いは連続光を発振する一つの励起レーザであることを特徴とするテラヘルツ電磁波発生方法及び装置。
請求項１及び２に記載の非線形光学結晶が、ＧａＳｅ結晶であることを特徴とするテラヘルツ電磁波発生方法及び装置。
請求項１、２及び３に記載の励起レーザが６５０ｎｍ以上の波長を有することを特徴とするテラヘルツ電磁波発生方法及び装置。
請求項１、２、３及び４に記載の励起レーザがレーザダイオード或いはファイバレーザであることを特徴とするテラヘルツ電磁波発生方法及び装置。
請求項１、２、３、４または５に記載の発生方法を光源として利用するイメージング測定装置。
請求項１、２、３、４または５に記載の発生方法を光源として利用し、物質のスペクトルを測定する分光測定装置。