JP2009265361A - テラヘルツ波ビーム走査装置と方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】異なる波長を持つ第1レーザー光1と第2レーザー光2を発生させるレーザー装置12と、第1レーザー光1と第2レーザー光2を同一の共通焦点14bに集光させるレーザー光学系14と、前記共通焦点に位置し差周波混合によりテラヘルツ波ビーム4を発生させるテラヘルツ発生器16とを備える。レーザー光学系14は、テラヘルツ発生器への第1レーザー光と第2レーザー光と間の相対的入射θiを変更可能に構成されている。
【選択図】図3
Description
この発明は、波長が異なる2つのレーザー光を用いた差周波混合によりテラヘルツ波を発生させる際、アレー素子毎に光の移相器を用いて、レーザー光の位相差をシフトすることで、テラヘルツ波ビームの波面を間接的に傾け、テラヘルツ波ビームを走査するものである。
さらにテラヘルツ帯では、液晶を用いた電気的移相器が研究されているが、これまでは移相量が充分でなく、テラヘルツ波ビームを高速かつ広角度で走査することは困難であった。
前記第1レーザー光と第2レーザー光を同一の共通焦点に集光させるレーザー光学系と、
前記共通焦点に位置し差周波混合によりテラヘルツ波ビームを発生させるテラヘルツ発生器と、を備え、
前記レーザー光学系は、テラヘルツ発生器への第1レーザー光と第2レーザー光と間の相対的入射角を変更可能に構成されている、ことを特徴とするテラヘルツ波ビーム走査装置が提供される。
前記第1焦点と共焦点レンズ系との間に位置し、第1焦点の転写位置を通過した第2レーザー光を共焦点レンズ系の光軸上に反射させるビーム結合器と、
前記第1焦点位置又は転写位置に位置し、そこを通過する第1レーザー光又は第2レーザー光を偏向させるレーザー光偏向装置と、を備える。
第1線状ビームは前記第1レーザー光であり、第2線状ビームは前記第2レーザー光である。
前記テラヘルツ発生器への第1レーザー光と第2レーザー光と間の相対的入射角を変化させて前記第1レーザー光と第2レーザー光を同一の共通焦点に集光させ、
前記共通焦点に位置するテラヘルツ発生器によりテラヘルツ波ビームを前記入射角を拡大した方向に発生させる、ことを特徴とするテラヘルツ波ビーム走査方法が提供される。
図1は、本発明によるテラヘルツ波ビームの走査原理を示す図である。この図は、テラヘルツ波ビームをそれぞれ(A)左側、(B)正面、(C)右側に向ける場合を示している。
この図において、1は第1レーザー光、1aは第1レーザー光の波面、2は第2レーザー光、2aは第2レーザー光の波面、3はテラヘルツ発生器(この例では非線形光学素子)、4はテラヘルツ波ビーム、4aはテラヘルツ波ビームの波面、θiはテラヘルツ発生器への第1レーザー光1と第2レーザー光2と間の相対的入射角(この例では第1レーザー光1の入射角)、θTはテラヘルツ波ビームの放射角である。
これに加えて、図1(A)と図1(C)に示すように、片方の第1レーザー光1の入射角をわずかに傾けると、もう一つの第2レーザー光2との間に生じる位相差5が位置によって線形的に変化する。このとき、2次の非線形光学効果に基づき、2つのレーザー光1、2から生じる電磁波は数1の式(1)で表される。
式(2)が意味するものは、発生するテラヘルツ波の位相が、2つのレーザー光の位相差に等しくなることである。したがって、図1(A)や図1(C)のように、片方の第1レーザー光1の入射方向を傾けると、各位置から発生するテラヘルツ波ビーム4の位相も変化し、全体から放射するテラヘルツ波ビーム4の波面4aが傾斜するため、進行方向が傾く。従って、片方の第1レーザー光1の入射角θiを制御することで、テラヘルツ波ビーム4の走査(図で左右に振ること)ができることになる。
図1(A)において、第1レーザー光1の入射を左に傾けることにより生じる2つのレーザー光間の位相差は数2の式(3)で表現される。
この図に示すように、例えば、レーザー光(上記の例では第1レーザー光1)の入射角θiを±0.1°振ると、1THzの場合に、テラヘルツ波ビーム4の走査範囲(放射角)は±40°にも及び、広角度のビーム走査が可能となる。
図3は、本発明によるテラヘルツ波ビーム走査装置の第1実施形態図である。
この図において、本発明のテラヘルツ波ビーム走査装置10は、レーザー装置12、レーザー光学系14、およびテラヘルツ発生器16を備える。
レーザー装置12は、異なる波長を持つ第1レーザー光1と第2レーザー光2を発生させる。
この例で、共焦点レンズ系17は、2枚の凸レンズ17a,17b(又は凸レンズ群)からなり、それぞれ焦点距離F1,F2を有し、その間隔がF1+F2に設定されている。焦点距離F1,F2は、同一であるのが好ましいが、相違してもよい。
なお、電気光学偏向器の代わり、又はこれと併用してガルバノスキャナを用い、これを第1焦点14aの転写位置又はその近傍に設置して、第2レーザー光2を2次元的に偏向させてもよい。
この図において、7は測定試料、22は共焦点レンズ系、24はテラヘルツ波検出器である。共焦点レンズ系22は、2枚の凸レンズ22a,22b(又は凸レンズ群)からなり、それぞれ焦点距離F3,F4を有し、その間隔がF3+F4に設定されている。
この例では非線形光学素子16は、PPLN(非線形光学素子の1つ)であり、レーザー光偏向装置20は、手動回転ミラーである。またこの図において、17cはλ/2波長板、17dは補助レンズ、25a,25bは放物面鏡、26はナイフエッジ、27はボロメータ、28はオシロスコープである。
この試験では、波長がそれぞれ1300nm、1306.8nmの第1レーザー光1と第2レーザー光2を周期分極反転構造を持つニオブ酸リチウム(LiNbO3)結晶(PPLNと呼ばれる)に入射して、周波数1.2THzのテラヘルツ波4を発生させた。ニオブ酸リチウム(LiNbO3)結晶は、上述した非線形光学素子16の1つである。
この図からレーザー光1の入射角θiをわずか0.011°だけ傾けただけで、テラヘルツ波ビーム4の全体が大きくシフトしていることが確認できる。
この図において実線は、式(5)の関係から得られる計算値を表している。この図から若干の誤差は認められるものの、実験結果は計算値に充分近い値を示しており、入射角θiの変化に対して200倍の角度でテラヘルツ波ビーム4が走査されることが確認された。
この図において、レーザー装置12は、広帯域レーザー装置31、分散素子32、円筒レンズ33、ビームスプリッター34、およびシフト光学系35からなる。また、36a〜36fは、反射ミラーである。
広帯域レーザー装置31は、この例では、フェトム秒レーザーであり、100fs,90MHzの広帯域のレーザー光8を発生させる。
分散素子32は、半透過ミラー32aおよび回折格子32bからなり、レーザー光8の一部をプローブ光8aとして取り出し、その他を波長成分を空間的に分散する。
円筒レンズ33は、分散したレーザー光8を平行にして、その断面形状を一方向に伸びた線状ビーム9に変換する。
ビームスプリッター34は、線状ビーム9をほぼ同一の第1線状ビーム1と第2線状ビーム2に分割する。第1線状ビーム1は第1実施形態における第1レーザー光1であり、第2線状ビーム2は第1実施形態における第2レーザー光2である。
シフト光学系35は、反射ミラー35a,35bからなり、第2線状ビーム2を前記一方向にシフトするようになっている。
さらに、図9(B)で示すように、この線状ビーム9を分割して、ほぼ同一の第1線状ビーム1と第2線状ビーム2を用意して、片方のビーム(第2線状ビーム2)を横にずらして重ねる。このとき、重なる領域内の各位置では、レーザー光の周波数は異なるが、2つの光の差は同一になる。
従って、第1線状ビーム1と第2線状ビーム2を図9(C)で示されるストリップライン型光伝導アンテナ(又は、その他の非線形光学素子)へ照射することにより、重なる領域全体で差周波混合が起き、単一周波数のテラヘルツ波ビーム4が発生する。
さらに、空間分散ビームの各周波数成分の位相が揃っていて、等位相面が進行方向に対して垂直に分布するとき、片方の空間分散ビーム(例えば第1線状ビーム1)の入射角θiをわずかに変えると、図1で示した単一波長のレーザー光を用いる場合と同様な位相差が生じ、テラヘルツ波ビーム4を入射角θiを拡大した方向に走査することができる。
また、図11から、レーザー光1の入射角θiをわずか0.155°の範囲で変化させたとき、その187倍の角度である29°もテラヘルツ波ビーム4が拡大されて走査されることがわかる。またこの実験値は計算値と良い一致を示している。
本発明は、従来技術と比較して、以下の点で優れている。
(1)非機械的動作による高速化
従来、レーザー光のビームを比較的速い速度で走査する装置として、ガルバノスキャナが挙げられる。これはサーボモーターを用いてミラーを機械的に回転させるものであり、その走査速度は1kHz程度である(ビームを一往復させるのに1ミリ秒要することを意味する)。
これを本発明のレーザー光偏向装置20として用いた場合、レーザー光の入射角θiの変化(例えば±0.1°)に対してテラヘルツ波の放射角θTの変化(例えば±40°)は100倍以上になるので、ガルバノスキャナの振れ角度を非常に小さくでき、その分、走査速度を1kHzより高めることができる。
非機械的なビーム走査技術として、フェーズドアレーアンテナが従来から知られている。フェーズドアレーアンテナは、発振器から出力されるテラヘルツ波を各アレー素子へ分配し、素子毎に可変移相器を用いてそれぞれのアンテナへ給電する。このとき、位相を等量的に変化させて制御することにより、アンテナ全体から放射する電波の波面が傾き、ビームが走査されるものである。
しかし、フェーズドアレーアンテナは素子数が多く、規模が大きいアレーアンテナを構成する場合、それに応じた多数の可変移相器が要求され、装置全体が大きくなり、コストも高くなる欠点がある。
これに対し、本発明では可変移相器をいっさい必要とせず、光偏向器一つあればビーム走査が実現できるため、装置の小型化、低コスト化が可能である。
本発明において、従来技術に無い最も大きな特長は、レーザー光の入射角の数百倍の角度でテラヘルツ波ビームを走査できるという「角度増大効果」を有していることである。これまでの研究で、レーザー光の入射角を傾けて、その入射角と同じ角度の方向にテラヘルツ波ビームを制御する例は報告されている。このとき、光偏向器の角度範囲は数度程度であるため、テラヘルツ波ビーム走査角度も数度が限界ということになる。
しかし、本発明では、角度が増大されるために、テラヘルツ波ビームを充分広範囲に走査することが可能である。さらに、光偏向器の角度分解能は2ミリ°程度であることから、これをイメージング装置に適用した場合、その解像度は1000以上に及び、イメージングとして充分な性能を有している。
(1) 高速非破壊検査装置
本発明を産業へ応用する場合、その高い走査速度から、大量の物体を測定する場合に威力を発揮する。テラヘルツ波は紙やプラスティックを透過し、金属を反射する性質を持つため、例えば食品や製品に混入されている金属片等の異物を非破壊で探知することができる。また、物質によって固有の吸収スペクトルを有する性質もあることから、郵便物等に隠されている爆発物や禁止薬物を発見することもできる。
例えば、製品の生産ラインや郵便物の配送ラインにおいて、ベルトコンベアのような可動台上に乗せられている被検査物が移動している状態で、本発明のテラヘルツ波ビーム走査装置を用いて、テラヘルツ波の焦点を被検査物の移動に対して垂直方向に走査させることで、非検査物の全体をイメージングして、透視画像を得ることができる。
このとき、高速に測定を行うことで、生産速度を落とすことなく、検査装置を生産ラインにそのまま付加することも可能である。テラヘルツ波は、X線測定と比較して人体への被爆が無く、製品工場や郵便局での利用者にとって扱いやすいという利点もある。このように、発明したテラヘルツ波ビーム走査装置は、産業応用のための実用的な技術として高い有用性を持っている。
テラヘルツ波はマイクロ波より周波数が数百倍高いことから、現状のデータ伝送速度よりはるかに高速な超広帯域無線通信への利用が期待されている。発明したテラヘルツビーム走査方法は、イメージングのみならず、この無線通信における基地局用のアダプティブアンテナにも応用できる。
例えば、送信機から信号がビーム走査装置に送られ、信号を載せたテラヘルツ波ビームが空間に放射される。このとき、ビームを移動体通信端末の方向に集中することにより、端末での受信強度が高まり、品質の高い通信回線が確保される。また、干渉による回線劣化の抑制効果も同時に得られる。さらに、同ビーム走査方法をベースに改良を施すことにより、端末から発せされる電波を受信し、その到来方向を探知し、送信ビームを自律的に端末方向へ走査することや、端末の移動に対してビームを自動的に追尾し、回線品質を維持する技術の開発にも繋がる。また、複数のテラヘルツビームを形成することで、複数の端末に対してそれぞれ独立したビーム走査、追尾をする新たなアンテナの開発も期待できる。
(2) 非線形光学素子には、非線形光学結晶、光伝導素子を含む。
(3) テラヘルツ波が発生する非線形光学素子は、アレー構造であってもよい。
(4) アレー構造の場合の素子数は2つ以上であれば幾つでもよい。
(5) レーザー光の帯域は可視光や赤外線である。
(6) レーザー光偏向装置として、電気光学偏向器、音響光学偏向器、回転ミラーがこれに含まれる。
(7) レンズの代わりに、反射鏡を用いてもよい。
(8) 2次元方向のテラヘルツ波ビーム走査も可能である。
2 第2レーザー光、2a 第2レーザー光の波面、
3 テラヘルツ発生器(非線形光学素子)、
4 テラヘルツ波ビーム、4a テラヘルツ波ビームの波面、
5 位相差、7 測定試料、8 広帯域レーザー光、
8a プローブ光、9 線状ビーム、
10 テラヘルツ波ビーム走査装置、
11a,11b,11c 反射ミラー、
12 レーザー装置(2波長レーザー装置)、
13 回折格子、14 レーザー光学系、
14a 第1焦点、14b 共通焦点、
16 テラヘルツ発生器(非線形光学素子、ストリップライン型光伝導アンテナ)、
17 共焦点レンズ系、17a,17b 凸レンズ(又は凸レンズ群)、
17c λ/2波長板、17d 補助レンズ、17e 円筒レンズ、
18 ビーム結合器、19 反射ミラー、
20 レーザー光偏向装置(電気光学偏向器、ガルバノスキャナ)、
22 共焦点レンズ系、22a,22b 凸レンズ(又は凸レンズ群)、
24 テラヘルツ波検出器、25a,25b 放物面鏡、26 ナイフエッジ、
27 ボロメータ、28 オシロスコープ、29 ダイポールアンテナ、
31 広帯域レーザー装置、32 分散素子、32b 回折格子、
33 円筒レンズ、34 ビームスプリッター、
35 シフト光学系、35a,35b 反射ミラー、
36a〜36f 反射ミラー
Claims (6)
- 異なる波長を持つ第1レーザー光と第2レーザー光を発生させるレーザー装置と、
前記第1レーザー光と第2レーザー光を同一の共通焦点に集光させるレーザー光学系と、
前記共通焦点に位置し差周波混合によりテラヘルツ波ビームを発生させるテラヘルツ発生器と、を備え、
前記レーザー光学系は、テラヘルツ発生器への第1レーザー光と第2レーザー光と間の相対的入射角を変更可能に構成されている、ことを特徴とするテラヘルツ波ビーム走査装置。 - 前記レーザー光学系は、前記共通焦点より上流側に位置する第1焦点との間に位置し、第1焦点を通過した第1レーザー光を共通焦点に集光させる共焦点レンズ系と、
前記第1焦点と共焦点レンズ系との間に位置し、第1焦点の転写位置を通過した第2レーザー光を共焦点レンズ系の光軸上に反射させるビーム結合器と、
前記第1焦点位置又は転写位置に位置し、そこを通過する第1レーザー光又は第2レーザー光を偏向させるレーザー光偏向装置と、を備える、ことを特徴とする請求項1に記載のテラヘルツ波ビーム走査装置。 - 前記レーザー光偏向装置は、電気光学偏向器又はガルバノスキャナである、ことを特徴とする請求項2に記載のテラヘルツ波ビーム走査装置。
- 前記レーザー装置は、異なる波長を持つ第1レーザー光と第2レーザー光を同時に発生させる2波長レーザー装置である、ことを特徴とする請求項1に記載のテラヘルツ波ビーム走査装置。
- 前記レーザー装置は、広帯域レーザー光を発生させる広帯域レーザー装置と、前記広帯域レーザー光の波長成分を空間的に分散する分散素子と、分散した広帯域レーザー光を平行にして、その断面形状を一方向に伸びた線状ビームに変換する円筒レンズと、前記線状ビームをほぼ同一の第1線状ビームと第2線状ビームに分割するビームスプリッターと、第1線状ビーム又は第2線状ビームを前記一方向にシフトするシフト光学系とを備え、
第1線状ビームは前記第1レーザー光であり、第2線状ビームは前記第2レーザー光である、ことを特徴とする請求項2に記載のテラヘルツ波ビーム走査装置。 - 異なる波長を持つ第1レーザー光と第2レーザー光を発生させ、
前記テラヘルツ発生器への第1レーザー光と第2レーザー光と間の相対的入射角を変化させて前記第1レーザー光と第2レーザー光を同一の共通焦点に集光させ、
前記共通焦点に位置するテラヘルツ発生器によりテラヘルツ波ビームを前記入射角を拡大した方向に発生させる、ことを特徴とするテラヘルツ波ビーム走査方法。
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