JP2009276389A - テラヘルツ波発生装置およびテラヘルツ波発生方法 - Google Patents

Abstract

【課題】分光装置を簡素に構築することができるテラヘルツ波発生装置の実現。
【解決手段】シグナル光源１０からのシグナル光とポンプ光源１１からのポンプ光とを無偏光ビームスプリッタ１２によって合波して合波光を生成し、ファイバーアンプにより増幅した。そして、偏光ビームスプリッタ１５によって合波光を２つの合波光Ａ、Ｂに分割し、偏光ビームスプリッタ１６により合波光Ａ、Ｂが位相整合角を成してＧａＰ結晶１７において重なるように混合した。これにより、合波光Ｂ中のポンプ光と合波光Ａ中のシグナル光との差周波混合によるテラヘルツ波と、合波光Ａ中のポンプ光と合波光Ｂ中のシグナル光との差周波混合によるテラヘルツ波が２方向に放射される。２方向に放射されるテラヘルツ波のうち、一方を参照光とすることができるので、分光装置を簡素に構築できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、非線形結晶を用いて差周波混合によりテラヘルツ波を生成するテラヘルツ波発生装置およびテラヘルツ波発生方法に関する。

近年、電波と光との境界の電磁波であるテラヘルツ波が注目され、テラヘルツ波を用いた分光技術やイメージング技術について研究開発がなされている。

テラヘルツ波発生装置として、非線形結晶を用いた差周波数の発生を利用するものが知られている（たとえば、特許文献１〜３）。これは、周波数差がテラヘルツ帯域である２つの励起光を位相整合条件を満たすようにして非線形光学結晶に入射させ、差周波混合によってテラヘルツ波を発生させるものである。

ＧａＰなどの等方性の非線形光学結晶を用いる場合は、複屈折性を利用して位相整合させることができないため、２つの励起光に微小な角度を持たせるノンコリニア位相整合を行っている。ＧａＰ結晶の場合のノンコリニア位相整合について、特許文献１、３に詳しく記載されている。
特開２００４−３１８０２８ 特開２００６−９１８０２ 特開２００７−１３３３３９

特許文献１〜３などに示された従来のテラヘルツ波発生装置では、発生するテラヘルツ波は１方向である。そのため、従来のテラヘルツ波発生装置を分光法に用いる場合はハーフミラーなどによってテラヘルツ波を分割して参照光を得る必要があった。しかし、ハーフミラーには周波数依存性があり、測定精度を悪化させていた。また、テラヘルツ帯域を扱うハーフミラーなどの光学部品は高価であり、コストの点で問題があった。

そこで本発明の目的は、分光法における測定精度を向上させることができ、かつ低コストに分光装置を構築することができるテラヘルツ波発生装置を実現することである。

第１の発明は、第１励起光を放射する第１励起光源と、第１励起光との周波数差がテラヘルツ帯域である第２励起光を放射する第２励起光源と、第１励起光と第２励起光とを合波させて合波光を生成する合波手段と、合波光を２つに分割する分割手段と、２つの合波光の成す角度が位相整合角となるよう角度を調整して混合させる角度調整手段と、２つの合波光が位相整合角を成して入射し、差周波混合によって同時に２方向にテラヘルツ波を放射する非線形光学結晶と、を備えていることを特徴とするテラヘルツ波発生装置である。

非線形光学結晶は、差周波混合によってテラヘルツ波を発生させることができ、ノンコリニア位相整合により位相整合条件が満たされるものであればよい。たとえば、ＧａＰ結晶やＬｉＮｂＯ₃ 結晶などを用いることができる。

第２の発明は、第１の発明において、テラヘルツ波発生装置は、合波光を分割手段により分割する前に増幅するファイバーアンプを備えていることを特徴とするテラヘルツ波発生装置である。

第３の発明は、第１の発明または第２の発明において、テラヘルツ波発生装置は、合波光を分割手段により分割する前に集光し、非線形光学結晶においてもっともビーム径が絞られるように調整するレンズを備えていることを特徴とするテラヘルツ波発生装置である。

第４の発明は、第１の発明から第３の発明において、非線形光学結晶は、ＧａＰ結晶であることを特徴とするテラヘルツ波発生装置である。

第５の発明は、第１の発明から第４の発明において、第１励起光源と前記第２励起光源のうち少なくとも一方は波長可変であることを特徴とするテラヘルツ波発生装置である。

第６の発明は、第１励起光と、第１励起光との周波数差がテラヘルツ帯域である第２励起光とを生成し、第１励起光と第２励起光とを合波させて合波光を生成し、合波光を２つに分割し、２つの合波光の成す角度が位相整合角となるよう角度を調整し、２つの合波光を位相整合角を成して非線形光学結晶に入射させ、第１励起光と第２励起光との差周波数であることを特徴とするテラヘルツ波発生方法である。

第７の発明は、第６の発明のテラヘルツ波発生方法により発生した２方向のテラヘルツ波のうち、一方を試料に照射する測定光とし、他方を参照光とすることを特徴とする分光法である。

第１の発明のテラヘルツ波発生装置によると、テラヘルツ波を２方向に同時に発生させることができる。そのため、第１の発明のテラヘルツ波発生装置を用いて分光装置を構築すれば、従来のようにテラヘルツ波をハーフミラー等の光学部品によって分割して参照光を得る必要がない。したがって、本発明のテラヘルツ波発生装置を用いれば分光装置の構成を簡素化することができ、低コストで測定精度の高い分光装置を構築することができる。

また、第２の発明のように、第１励起光と第２励起光とを合波しているため、１台のファイバーアンプで第１励起光と第２励起光の双方を増幅することができ、テラヘルツ波発生装置の構成を簡素化することができ、低コスト化を図ることができる。

また、第３の発明のように、第１励起光と第２励起光を合波して同時に集光しているため、ビーム径が円形となり、非線形光学結晶において２つの合波光を効率的に重ねることができ、テラヘルツ波の出力を向上させることができる。

また、第４の発明のように、非線形光学結晶としてＧａＰ結晶を用いることができる。

また、第５の発明のように、第１励起光源と前記第２励起光源のうち少なくとも一方を波長可変とすれば、第１励起光と第２励起光との周波数差を制御することができるので、発生させるテラヘルツ波の周波数を可変とすることができる。

また、第６の発明によると、テラヘルツ波を２方向に同時に発生させることができる。

また、第７の発明によると、従来のようにテラヘルツ波をハーフミラー等の光学部品によって分割して参照光を得る必要がないので、測定精度を向上させることができ、低コストで分光測定することができる。

以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

実施例１は、同時に２方向にテラヘルツ波を発生させることができ、そのテラヘルツ波の周波数が可変であるテラヘルツ波発生装置である。図１は、実施例１のテラヘルツ波発生装置の構造について示した図である。テラヘルツ波発生装置は、シグナル光源１０と、ポンプ光源１１と、無偏光ビームスプリッタ１２と、ファイバーアンプ１３と、レンズ１４と、偏光ビームスプリッタ１５、１６と、ＧａＰ結晶１７と、ミラー１８〜２０と、１／２波長板２１〜２４と、を備えている。シグナル光源１０、ポンプ光源１１は本発明の第１、第２励起光源に相当している。また、無偏光ビームスプリッタ１２が本発明の合波手段に相当し、偏光ビームスプリッタ１５が本発明の分割手段に相当し、偏光ビームスプリッタ１６が本発明の角度調整手段に相当し、ＧａＰ結晶１７が本発明の非線形光学結晶に相当している。

シグナル光源１０は、ＬＤ励起のＹＡＧレーザである。波長１．０６４μｍ、線幅１５ＭＨｚ、出力２００ｍＷのシグナル光を放射する。

ポンプ光源１１は、波長可変な外部共振器型半導体レーザである。共振器のアライメントにより波長を１．０２μｍから１．０８μｍの範囲で可変であり、シグナル光との周波数差は最大１２ＴＨｚである。この波長範囲において出力は５００ｍＷ以上である。また、線幅は２ＭＨｚである。

ファイバーアンプ１３は、Ｙｂをドープした光ファイバ増幅器であり、無偏光ビームスプリッタ１２からの合波光を増幅させるものである。

レンズ１４は、焦点距離５００ｍｍである。このレンズ１４によって、ファイバーアンプ１３からの合波光のビーム径がＧａＰ結晶１７において最も絞られるようにする。

無偏光ビームスプリッタ１２および偏光ビームスプリッタ１５、１６は、三角プリズムの斜面に誘電体多層膜を形成し、２つの三角プリズムを斜面で接着したキューブ型の素子である。偏光ビームスプリッタ１６は回転、移動させることができる。たとえば、偏光ビームスプリッタ１６を１軸ステージ上に乗せることで移動の制御が可能である。無偏光ビームスプリッタ１２に入射した光は、その偏光状態によらずに反射光と透過光に分割される。偏光ビームスプリッタ１５、１６に入射した光は、反射光と透過光に分割され、その反射光と透過光の偏光方向は互いに直交する。無偏光ビームスプリッタ１２は、シグナル光とポンプ光とを合波するためのものである。偏光ビームスプリッタ１５は、シグナル光とポンプ光との合波光を２つに分割するものである。偏光ビームスプリッタ１６は、その回転、移動を制御することで、２つの合波光の成す角度と重なる位置を調整して混合するものである。

ＧａＰ結晶１７は（１１０）面で研磨されている。この（１１０）面が光の入射面となる。実施例１のテラヘルツ波発生装置は、このＧａＰ結晶１７に２つの励起光を入射させて差周波混合を生じさせることによりテラヘルツ波を発生させるものである。ＧａＰ結晶１７は等方性の非線形光学結晶であり、複屈折性を有していないため、２つの励起光に角度を持たせて行う位相整合（ノンコリニア位相整合）によって位相整合条件を満たすようにする。

ミラー１８〜２０はいずれも光の照射方向を制御するためのものであり、１／２波長板２１〜２４はいずれも光の偏光方向を調整するためのものである。

このテラヘルツ波発生装置は、ＧａＰ結晶１７からポンプ光とシグナル光との差周波数のテラヘルツ波を２方向に同時に発生させることができるものである。また、ポンプ光源１１を制御してポンプ光の波長を変化させ、ポンプ光とシグナル光との周波数差を変化させることにより、発生させるテラヘルツ波の周波数を制御することができる。

以下、テラヘルツ波発生装置によるテラヘルツ波発生の動作についてより詳しく説明する。

まず、ポンプ光源１１を制御してポンプ光の波長を調整し、シグナル光とポンプ光との周波数差が、所望のテラヘルツ波の周波数となるようにする。そして、シグナル光源１０からシグナル光を、ポンプ光源１１からポンプ光を出力させる。

シグナル光源１０から放射されるシグナル光は、１／２波長板２１を通したのち、ミラー２０によって反射させ、無偏光ビームスプリッタ１２に入射させる。一方、ポンプ光源１１から放射されるポンプ光は、１／２波長板２２を通して無偏光ビームスプリッタ１２に入射させる。これにより、偏光方向が揃った状態でシグナル光およびポンプ光を合波させ、合波光を出力させる。

次に、無偏光ビームスプリッタ１２から出力された合波光をファイバーアンプ１３に入射させ、合波光を増幅させる。

次に、レンズ１４によって合波光を集光し、ＧａＰ結晶１７においてもっともビーム径が絞られるようにする。

次に、偏光ビームスプリッタ１５によって合波光を、合波光Ａ、Ｂの２つに分割する。一方の合波光Ａは、１／２波長板２３を通して偏光ビームスプリッタ１６に入射させる。他方の合波光Ｂは、ミラー１９によって反射させ、１／２波長板２４を透過し、さらにミラー２０によって反射させたのち、偏光ビームスプリッタ１６に入射させる。そして、偏光ビームスプリッタ１６によって、ＧａＰ結晶１７において２つの合波光Ａ、Ｂが角度を成して混合するようにする。合波光Ａ、Ｂの成す角度および重なる位置は、偏光ビームスプリッタ１６を回転、移動させることで制御することができる。合波光Ａ、Ｂの成す角度は位相整合条件を満たすように制御する。

２つの合波光Ａ、Ｂは、ＧａＰ結晶１７の（１１０）面に重ね合わせて入射させる。（１１０）面に入射させるのは、他の結晶面よりも効率よくＴＯフォノンが励起され、効率よくテラヘルツ波を発生させることができるからである。また、合波光Ａ、Ｂの偏光方向は、一方が［００１］軸方向となるように、他方が［１−１０］軸方向となるようにする。これは、ラマン選択則から導かれるフォノンの励起効率に優れるからである。いずれの現象もＧａＰ結晶のフォノン−ポラリトンの分散曲線から説明される。

ＧａＰ結晶１７中では差周波混合によってフォノン−ポラリトンが励起され、ポンプ光とシグナル光との差周波数のテラヘルツ波が発生する。図２は、ＧａＰ結晶１７中におけるシグナル光、ポンプ光、およびテラヘルツ波（フォノン−ポラリトン）の波数ベクトルの関係を示した図である。図２中において、ｋ_s は合波光Ａ中のシグナル光の波数ベクトル、ｋ_p は合波光Ｂ中のポンプ光の波数ベクトル、ｋ_s ’は合波光Ｂ中のシグナル光の波数ベクトル、ｋ_p ’は合波光Ａ中のポンプ光の波数ベクトル、ｑ、ｑ’は発生するテラヘルツ波の波数ベクトルを示している。ｑ＝ｋ_p −ｋ_s 、ｑ’＝ｋ_p ’−ｋ_s ’である。この図２のように、ポンプ光の波数ベクトルとシグナル光の波数ベクトルとの差ｋ_p −ｋ_s 、ｋ_p ’−ｋ_s ’がテラヘルツ波の波数ベクトルｑ、ｑ’と一致するときに位相整合条件が満たされる。２本の合波光Ａ、Ｂを入射させているため、一方の合波光Ａ中のシグナル光と他方の合波光Ｂ中のポンプ光によるテラヘルツ波（ｑ＝ｋ_p −ｋ_s 、図２（ａ）参照）と、一方の合波光Ａ中のポンプ光と他方の合波光Ｂ中のシグナル光によるテラヘルツ波（ｑ’＝ｋ_p ’−ｋ_s ’、図２（ｂ）参照）の２波が発生し、ＧａＰ結晶１７からそれぞれ異なる方向に放射される。すなわち、ｑとｋ_p との成す角度と、ｑ’とｋ_p ’との成す角度が等しく、ｋ_p ＋ｋ_p ’の方向に対して対称的な２方向にテラヘルツ波が出力される。

また、レンズ１４によってシグナル光およびポンプ光を同時に集光しているため、ＧａＰ結晶１７において合波光Ａ、Ｂのビーム形状はほぼ円形となる。そのため、図３に示すように合波光Ａ、Ｂを効率的に重ね合わせることができる。

以上のように、実施例１のテラヘルツ波発生装置からは、同時に２方向にテラヘルツ波が発生する。したがって、実施例１のテラヘルツ波発生装置を用いて分光装置を構築すれば、テラヘルツ波を光学部品を用いて分割して参照光を生成する必要がないので、低コストに分光装置を構築することができ、また高精度に分光測定を行うことができる。

図４は、ポンプ光の波長を１．０５５μｍとした場合の位相整合角度と出力の関係を示すグラフである。横軸はＧａＰ結晶１７に入射する直前での合波光Ａ、Ｂの成す角度θで単位は分、縦軸はテラヘルツ波の相対強度を示している。テラヘルツ波発生装置からは、波長１．０６４μｍのシグナル光と波長１．０５５μｍのポンプ光との周波数差である２．４１ＴＨｚのテラヘルツ波が２方向に放射される。この放射されるテラヘルツ波を、液体ヘリウム冷却のシリコンボロメータを用いて検出した。なお、合波光Ａに光学チョッパーを用いて同期させ、ロックインアンプを用いることでテラヘルツ波を高感度に検出できるようにしている。合波光Ａ、Ｂの成す角度θを変化させて周波数２．４１ＴＨｚのテラヘルツ波の出力を測定したところ、図４のように±１９．８分の角度に出力のピークがあることがわかり、合波光Ａ、Ｂの進行方向に対して約４３度と約−４３度の２方向にテラヘルツ波が発生したことが確認できた。

なお、実施例では非線形光学結晶としてＧａＰ結晶を用いたが、差周波混合によってテラヘルツ波を発生させ、ノンコリニア位相整合により位相整合条件を満たすことができる非線形光学結晶であれば他のものを用いてもよい。たとえば、ＬｉＮｂＯ₃ 結晶などを用いることができる。

本発明のテラヘルツ波発生装置は、分光法などに用いることができる。

実施例１のテラヘルツ波発生装置の構成について示した図。 波数ベクトルの関係を示した図。 合波光Ａ、Ｂの重なり形状を示す図。 位相整合角度と出力の関係を示すグラフ。

符号の説明

１０：シグナル光源
１１：ポンプ光源
１２：無偏光ビームスプリッタ
１３：ファイバーアンプ
１４：レンズ
１５、１６：偏光ビームスプリッタ
１７：ＧａＰ結晶

Claims (7)

1. 第１励起光を放射する第１励起光源と、
   前記第１励起光との周波数差がテラヘルツ帯域である第２励起光を放射する第２励起光源と、
   前記第１励起光と前記第２励起光とを合波させて合波光を生成する合波手段と、
   前記合波光を２つに分割する分割手段と、
   ２つの前記合波光の成す角度が位相整合角となるよう角度を調整して混合させる角度調整手段と、
   ２つの前記合波光が位相整合角を成して入射し、差周波混合によって同時に２方向にテラヘルツ波を放射する非線形光学結晶と、
   を備えていることを特徴とするテラヘルツ波発生装置。
2. 前記テラヘルツ波発生装置は、前記合波光を前記分割手段により分割する前に増幅するファイバーアンプを備えている、
   ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
3. 前記テラヘルツ波発生装置は、前記合波光を前記分割手段により分割する前に集光し、前記非線形光学結晶においてもっともビーム径が絞られるように調整するレンズを備えている、
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のテラヘルツ波発生装置。
4. 前記非線形光学結晶は、ＧａＰ結晶であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のテラヘルツ波発生装置。
5. 前記第１励起光源と前記第２励起光源のうち少なくとも一方は波長可変であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のテラヘルツ波発生装置。
6. 第１励起光と、前記第１励起光との周波数差がテラヘルツ帯域である第２励起光とを生成し、
   前記第１励起光と前記第２励起光とを合波させて合波光を生成し、
   前記合波光を２つに分割し、
   ２つの前記合波光の成す角度が位相整合角となるよう角度を調整し、
   ２つの前記合波光を位相整合角を成して非線形光学結晶に入射させ、前記第１励起光と前記第２励起光との差周波数であるテラヘルツ波を２方向に発生させる、
   ことを特徴とするテラヘルツ波発生方法。
7. 請求項６に記載のテラヘルツ波発生方法により発生した２方向のテラヘルツ波のうち、一方を試料に照射する測定光とし、他方を参照光とすることを特徴とする分光法。