JP2010060751A - テラヘルツ波の発生装置及び発生方法 - Google Patents

Abstract

【課題】単一の励起用レーザ光源によって駆動される２つのレーザ光の時間遅れを制御して、持ち運べる大きさのテラヘルツ波発生装置及び発生方法を提供する。
【解決手段】単一の励起用レーザ光源２と、この光源２から入射した光を２分岐する分岐光学系３と、２分岐された励起用レーザ光の一方が入射されてテラヘルツ波発生用の第１周波数のレーザ光７を発生する第１周波数のレーザ光源４と、２分岐された励起用レーザ光の他方が入射されてテラヘルツ波発生用の第２周波数のレーザ光８を発生する第２周波数のレーザ光源５と、該レーザ光７とレーザ光８とを合波する合波光学系６と、合波光学系６から合波された第１周波数のレーザ光及び第２周波数のレーザ光を入射するテラヘルツ波発生用結晶９と、を備え、テラヘルツ波発生用結晶９により第１周波数のレーザ光７と第２周波数のレーザ光８との差周波数混合によってテラヘルツ波２５を発生する。
【選択図】図１

Description

本発明は、テラヘルツ波発生装置に関する。さらに、詳しくは、本発明は、単一励起用レーザ光源によって２つのテラヘルツ励起用の近赤外レーザ光源を発振させ、これらのレーザ発振の時間を制御することによりテラヘルツ波を発生させる装置とこれを実現させる方法に関する。

テラヘルツ波とは電波と光の中間に存在する電磁波であり、周波数としては０．１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚ程度の帯域に相当する。テラヘルツ波を発生させる方法として、２つの異なる周波数のレーザを結晶中で光混合し、非線形光学効果のひとつである、２つの周波数の差の周波数に変換することにより、テラヘルツ波をはじめとする幅広い周波数帯域における電磁波を得る方法がある。

例えば、ＧａＰやニオブ酸リチウムの結晶において、２つの異なる周波数のパルス光を時間的にかつ空間的に一致させて照射すると、テラヘルツ波が発生する。２つのパルス光を発生するレーザに用いる結晶は、ＧａＰのバンドギャップよりも小さなエネルギーを有し、かつ、瞬間に大きな発振出力が得られる材料を用いる。パルス光を発生するレーザは、例えば、パルス幅がナノ秒のヤグレーザを励起光源とし、この励起光源から励起される波長可変のパラメトリック発振器やクロムフォルステライトレーザが用いられている。これらはＱスイッチ動作に基づくナノ秒（ｎｓ）パルスレーザである。

ＧａＰ結晶を用いたテラヘルツ波発生は、２つのパルスレーザをＧａＰ結晶へ入射させる際に、わずかな角度をレーザの間に設けている。テラヘルツ波発生のためには、ＧａＰ結晶へ入射する２つのパルスレーザ同士が空間的にだけでなく、時間的にも一致して照射されることが必要である。

従来から行われている２つのパルスレーザにおけるＱスイッチによるタイミング制御や、遅延回路を設けることによるタイミング制御は、２台のパルスレーザや光学部品を配置する空間を必要とするため、システムの小型化が困難な状態にある（例えば、非特許文献１参照）。

K. Suto, T. Sasaki, T. Tanabe, K. Saito, J. Nishizawa and M. Ito, “GaP THz wave generator and THz spectrometer using Cr:Forsterite lasers”, REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS, Vol. 76, 123109, 2005

ヤグレーザ励起のクロムフォルステライトレーザによる差周波混合テラヘルツ波発生方法では、２つのクロムフォルステライトレーザの発振タイミングを調整するために、それぞれに励起光源としてヤグレーザを設置し、２台のヤグレーザにおけるＱスイッチをコントロールすることでタイミングを調整していた。そこで用いられているクロムフォルステライトレーザはパルス幅が２０ｎｓ程度である。テラヘルツ波の発生はサブナノ秒程度の時間的一致があればその時間におけるテラヘルツ波出力が得られるが、ヤグレーザを２台用いるので、装置が大型にならざるを得なかった。

上記課題に鑑み、本発明の第１の目的は、単一の励起用レーザ光源を用い、この励起用レーザ光源によって駆動される２つのレーザ光の時間遅れを制御して、持ち運べる大きさのテラヘルツ波発生装置を提供することである。
本発明の第２の目的は、テラヘルツ波を発生する方法を提供することである。

上記第１の目的を達成するため、本発明のテラヘルツ波発生装置は、単一の励起用レーザ光源と、励起用レーザ光源から入射した光を２分岐する分岐光学系と、２分岐された励起用レーザ光の一方が入射されてテラヘルツ波発生用の第１周波数のレーザ光を発生する第１周波数のレーザ光源と、２分岐された励起用レーザ光の他方が入射されてテラヘルツ波発生用の第２周波数のレーザ光を発生する第２周波数のレーザ光源と、第１周波数のレーザ光と第２周波数のレーザ光とが合波される合波光学系と、合波光学系から合波された第１周波数のレーザ光及び第２周波数のレーザ光が入射されるテラヘルツ波発生用結晶と、を備え、第１周波数のレーザ光と第２周波数のレーザ光との差周波数混合によってテラヘルツ波を発生することを特徴とする。

上記構成において、第１周波数のレーザ光の励起用レーザ光に対する時間遅れと、第２周波数のレーザ光の励起用レーザ光に対する時間遅れと、が、好ましくは、励起用レーザ光源の励起エネルギー、第１周波数のレーザ光源の発振効率、第２周波数のレーザ光源の発振効率、第１周波数のレーザ光源の共振器長及び第２周波数のレーザ光源の共振器長の何れか又はそれらの組み合わせによって同期される。
励起用レーザ光源は、好ましくはヤグレーザである。第１周波数のレーザ光源及び／又は第２周波数のレーザ光源は、好ましくはクロムフォルステライトレーザである。テラヘルツ波発生用結晶は、好ましくはＧａＰからなる。分岐光学系は、好ましくは偏光ビームスプリッタと１／２波長板とを備えている。

上記第２の目的を達成するため、本発明のテラヘルツ波発生方法は、単一の励起用レーザ光源から入射した光を２分岐し、２分岐された励起用レーザ光の一方のレーザ光をテラヘルツ波発生用の第１周波数のレーザ光源に入射して第１周波数のレーザ光を発生し、２分岐された励起用レーザ光の他の方レーザ光をテラヘルツ波発生用の第２周波数のレーザ光源に入射して第２周波数のレーザ光を発生し、第１周波数のレーザ光と第２周波数のレーザ光とを合波してテラヘルツ波発生用結晶に入射し、第１周波数のレーザ光の励起用レーザ光に対する時間遅れと第２周波数のレーザ光の励起用レーザ光に対する時間遅れとを、励起用レーザ光源の励起エネルギー、第１周波数のレーザ光源の発振効率、第２周波数のレーザ光源の発振効率、第１周波数のレーザ光源の共振器長及び第２周波数のレーザ光源の共振器長の何れか又はそれらの組み合わせによって制御して、テラヘルツ波を発生させることを特徴とする。

上記構成において、第１周波数のレーザ光の励起用レーザ光に対する時間遅れと第２周波数のレーザ光の励起用レーザ光に対する時間遅れとを、励起用レーザ光源の励起エネルギー、第１周波数のレーザ光源の発振効率、第２周波数のレーザ光源の発振効率、第１周波数のレーザ光源の共振器長及び第２周波数のレーザ光源の共振器長の何れか又はそれらの組み合わせによって同期させることが好ましい。
励起用レーザ光源を、好ましくはヤグレーザとする。好ましくは、第１周波数のレーザ光源及び／又は第２周波数のレーザ光源をクロムフォルステライトレーザとし、テラヘルツ波発生用結晶をＧａＰとし、第１周波数と第２周波数の差のテラヘルツ波を発生させる。励起用レーザ光を、偏光ビームスプリッタと１／２波長板とによって調整することが好ましい。

本発明のテラヘルツ波発生装置によれば、単一励起光源で励起される第１周波数のレーザ光と第２の周波数のレーザ光とのパルスタイミングの制御が可能となり、これらのパルスタイミングを一致させる必要がある差周波混合によるテラヘルツ波発生装置を小型化して搬送可能なサイズに構成することができる。

本発明のテラヘルツ波発生方法によれば、単一励起光源で励起される第１周波数のレーザ光と第２の周波数のレーザ光とにパルスタイミングを、励起用レーザ光源の励起エネルギー、第１周波数のレーザ光源の発振効率、第２周波数のレーザ光源の発振効率、第１周波数のレーザ光源の共振器長及び第２周波数のレーザ光源の共振器長の何れかによって容易に制御することができる。

以下、幾つかの好ましい実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明のテラヘルツ波発生装置１の構成を模式的に示す図である。
テラヘルツ波発生装置１は、単一の励起用レーザ光源２と、励起用レーザ光源２から入射した光を２分岐する分岐光学系３と、２分岐された励起用レーザ光の一方が入射され、テラヘルツ波発生用の第１周波数のレーザ光７を発生する第１周波数のレーザ光源４と、２分岐された励起用レーザ光の他方が入射され、テラヘルツ波発生用の第２周波数のレーザ光８を発生する第２周波数のレーザ光源５と、第１周波数のレーザ光７と第２周波数のレーザ光８とが合波される合波光学系６と、合波光学系６から合波された第１周波数のレーザ光７及び第２周波数のレーザ光８が入射されるテラヘルツ波発生用結晶２５と、を備えている。
ここで、テラヘルツ波発生装置１は、例えば、光学定盤等の上に上記構成部品を順次配置して構成することができる。

単一の励起用レーザ光源２は、例えばヤグレーザやＹＬＦレーザ（Ｎｄ：ＹＬＦ、ネオジウムイルフレーザとも呼ばれている）を用いることができる。

分岐光学系３は、励起用レーザ光源２からの光が入射する１／２波長板１１と１／２波長板１１からの光が入射される偏光ビームスプリッタ１２と、偏光ビームスプリッタ１２からの透過光が入射する１／２波長板１３と、偏光ビームスプリッタ１２からの反射光が入射する鏡１４と、から構成されている。励起用レーザ光源２からのレーザ光は、１／２波長板によって偏光面が直交する２つのレーザ光に分離される。
従って、励起用レーザ光源２の偏光面が直交する２つのレーザ光は、偏光ビームスプリッタ１２によって偏光方向が分離され、透過光が１／２波長板１３を介して第１周波数のレーザ光源４へ入射する。一方、偏光ビームスプリッタ１２の反射光が、鏡１４を介して第２周波数のレーザ光源５へ入射する。ここで、偏光ビームスプリッタ１２は、所謂キュービックポーラライザを用いることができる。

分岐光学系３において、１／２波長板１１を回転させることによって、第１周波数のレーザ光源４及び第２周波数のレーザ光源５へ入射される光を任意の強度割合に調整することができる。さらに、第１周波数のレーザ光源４へ入射される光は、１／２波長板１３を回転させることによって偏光面を回転することができる。

第１周波数のレーザ光源４は励起用レーザ光源２から励起され、種々の構成を採用することができる。例えば、図１に示すように、第１周波数のレーザ光源４は、第１周波数反射用鏡１６と、固体レーザ媒体１７と、励起用レーザ光カットフィルタ１８と、回折格子１９と、鏡２１と、の順に配置されている。つまり、固体レーザ媒体１７は、第１周波数反射用鏡１６と回折格子１９とからなる共振器中に配置されている。この固体レーザ媒体１７としては、例えば、クロムフォルステライト結晶を用いることができる。共振器は回折格子１９を備えているので、第１周波数のレーザ光源４は回折格子１９の角度を変えることによりその発振波長が可変となる。

第２周波数のレーザ光源５は励起用レーザ光源２から励起され、種々の構成を採用することができる。例えば、図２に示すように、第２周波数のレーザ光源５は、第２周波数反射用鏡２２と、固体レーザ媒体１７と、励起用レーザ光カットフィルタ１８と、回折格子１９と、鏡２１と、の順に配置されている。つまり、固体レーザ媒体１７は、第２周波数反射用鏡１６と回折格子１９とからなる共振器中に配置されている。この固体レーザ媒体１７としては、例えば、クロムフォルステライト結晶を用いることができる。クロムフォルステライト結晶を用いたレーザをクロムフォルステライトレーザと呼ぶ。共振器は回折格子１９を備えているので、第２周波数のレーザ光源５は回折格子１９の角度を変えることによりその発振波長が可変となる。

合波光学系６は、第１周波数のレーザ光源４と第２周波数のレーザ光源５を重ね合わせる機能を有している。合波光学系６は、第１周波数のレーザ光源４と第２周波数のレーザ光源５とが入射される偏光ビームスプリッタ１２と、鏡１４と、１／２波長板２３と、から構成されている。第２周波数のレーザ光源５からのレーザ光８は、第２周波数のレーザ光源５と偏光ビームスプリッタ１２との間の光軸上に配置される１／２波長板２３を介して、偏光ビームスプリッタ１２へ入射される。第１周波数のレーザ光源４からのレーザ光７は、鏡１４を介して偏光ビームスプリッタ１２へ入射される。

合波光学系６で合波された第１周波数のレーザ光７と第２の周波数のレーザ光８とが、テラヘルツ波発生用結晶９に入射する。テラヘルツ波発生用結晶９は、例えばＧａＰ等の半導体結晶を用いることができる。

テラヘルツ波発生用結晶９で発生したテラヘルツ波２５は、テラヘルツ波発生装置１の外部又は内部に配置した検知器２７で検出することができる。

図２は、励起用レーザ光、テラヘルツ波発生用の励起光源となる第１周波数のレーザ光７及び第２周波数のレーザ光８の波形を模式的に示す図である。図の横軸は時間であり、縦軸はレーザ光強度（任意目盛）を示している。
図２では、励起用レーザ光源２が第１周波数のレーザ光源４及び第２周波数のレーザ光源５に照射されて所定の遅れ時間の後、第１周波数のレーザ光７と第２周波数のレーザ光８が発振して合波光学系６で合波されているが、完全には同期していない状態にある。図示の場合、励起用レーザ光源２がＱスイッチヤグレーザであり、第１周波数のレーザ光源４及び第２周波数のレーザ光源５がクロムフォルステライトレーザの場合を示している。クロムフォルステライトレーザ４，５の出力はヤグレーザの１／１０程度である。第１のクロムフォルステライトレーザ光７のパルス幅は、出力がピークの半分となるパルス幅７Ａとして示している。テラヘルツ波２５を効率よく発生させるためには、第１周波数のレーザ光７と第２周波数のレーザ光８とを、テラヘルツ波発生用結晶９へ互いの時間遅れが同じ状態、つまり時間的に一致した状態でテラヘルツ波発生用結晶９へ入射させる必要がある。つまり、第１周波数のレーザ光７と第２周波数のレーザ光８とを同期させることが必要である。

テラヘルツ波発生装置１において、第１周波数のレーザ光７と第２周波数のレーザ光８とを同期させる、即ち、発振タイミングを同じとするためには、励起用レーザ光源２の励起エネルギーや、第１周波数のレーザ光源４及び第２周波数のレーザ光源５の発振効率及び共振器長の何れかの調整により制御することができる。つまり、第１周波数のレーザ光７の励起用レーザ光に対する時間遅れと第２周波数のレーザ光８の励起用レーザ光に対する時間遅れとを、励起用レーザ光源２の励起エネルギー、第１周波数のレーザ光源４の発振効率、第２周波数のレーザ光源５の発振効率、第１周波数のレーザ光源４の共振器長及び第２周波数のレーザ光源５の共振器長の何れか、又は、これらの組合わせによって制御することで、テラヘルツ波２５を発生することができる。

例えば、クロムフォルステライトレーザ４の発振タイミングは、発振出力が大きくなるほどそのタイミングが早くなる。つまり、励起用レーザ光源２であるヤグレーザが照射されてからクロムフォルステライトレーザ４が発振するまでの時間（以下、遅れ時間という。）は、短くなる傾向がある。この性質を利用することにより、クロムフォルステライトレーザ４とクロムフォルステライトレーザ５のパルスタイミングがずれているときはパルスタイミングが早いクロムフォルステライトレーザ４へのヤグレーザ２から入射される励起エネルギーを小さくする。一方、パルスタイミングが遅いクロムフォルステライトレーザ５の出力を大きくなるように１／２波長板１１，１３を回転させることにより、テラヘルツ波発生用結晶９内で、パルスタイミングを一致させることができる。

テラヘルツ波発生装置１によれば、単一の励起用レーザ光源２によって、第１周波数のレーザ光源４及び第２周波数のレーザ光源５が励起され、これらの第１周波数のレーザ光源４及び第２周波数のレーザ光源５からの光７，８がテラヘルツ波発生用結晶９へ入射して、第１周波数と第２周波数の差の周波数に相当するテラヘルツ波２５を発生することができる。このテラヘルツ波２５の発生は、波長可変の近赤外レーザである第１周波数のレーザ光源４及び第２周波数のレーザ光源５を用いて、テラヘルツ波発生用結晶９中における差周波混合のフォノン−ポラリトン励起に基づくものである。

テラヘルツ波発生装置１によれば、単一の励起用レーザ光源２で第１周波数のレーザ光源４と第２周波数のレーザ光源５とからなる２つの光源を発振させると共に、第１周波数のレーザ光７と第２周波数のレーザ光８とのパルスの時間遅れの調整が可能となる。このため、テラヘルツ波発生用結晶９への励起パルスの時間タイミングを一致させることができる。これにより、第１周波数のレーザ光源４及び第２周波数のレーザ光源５からの光パルスの時間を同期させる必要がある差周波混合によるテラヘルツ波発生装置１の小型化を図ることができる。

（テラヘルツ波発生例１）
発振波長が１０６４ｎｍのヤグレーザを励起用レーザ光源２として用いた。第１周波数のレーザ光源４及び第２周波数のレーザ光源５の固体レーザ媒体１７としては、クロムフォルステライト結晶（５ｍｍ×５ｍｍ×１０ｍｍ）を使用し、共振器内に配置した。このとき励起光の偏光方向は、クロムフォルステライト結晶の［０１０］軸方向に平行（Ｅ／／ｂ）とし、進行方向はクロムフォルステライト結晶の［００１］軸方向とした。用いた回折格子１９の溝本数は８３０本／ｍｍとした。テラヘルツ波発生用結晶９はＧａＰからなる結晶を用いた。

図３は、第１周波数のレーザ光源４の発振エネルギーと遅れ時間との関係を示す図である。図の横軸は発振エネルギー（ｍＪ）であり、縦軸は遅れ時間（ｎｓ）を示している。図３から明らかなように、クロムフォルステライトレーザ４の出力が１ｍＪ大きくなると、遅れ時間が８ｎｓ短くなる。２ｍＪの変化で１６ｎｓ変化させることができる。遅れ時間は１０ｎｓ程度のパルス幅に比べて大きい。つまり、クロムフォルステライトレーザ４の発振タイミングは発振出力が大きくなるほどそのタイミングが早くなる。よって、ヤグレーザ２の励起に対してクロムフォルステライトレーザ４が発振するまでの遅れ時間は、短くなる傾向がある。

図４は、第１周波数のレーザ光７及び第２周波数のレーザ光８の遅れ時間に対する１／２波長板１１の回転角度との関係を示す図である。図の横軸は１／２波長板１１の回転角度であり、縦軸はヤグレーザに対する遅れ時間を示している。
第１周波数のレーザ光源４側へのヤグレーザ２の入射エネルギーを３３ｍＪにし、波長１２５９．４ｎｍにおいて２ｍＪのレーザ発振をさせた。また、第２周波数のレーザ光源５側へのヤグレーザ２の入射エネルギーを３０ｍＪにし、波長１２４７．４ｎｍにおいて１．４ｍＪでレーザ発振をさせた。
図４から明らかなように、１／２波長板１１の回転角度を変化させると、第１周波数のレーザ光７及び第２周波数のレーザ光８の遅れ時間が変化し、約１°で遅れ時間を同じにすることができた。つまり、第１周波数のレーザ光７と第２周波数のレーザ光８のそれぞれのパルスに対して、ヤグレーザ２からの遅れ時間を合わせること、すなわち、同期させてパルスタイミングを一致させることができた。

第１周波数のレーザ光７及び第２周波数のレーザ光８のパルス幅は、それぞれ１０ｎｓであった。第２周波数のレーザ光８をＧａＰ結晶９に垂直に入射させた。これに対して、第１周波数のレーザ光７を０．６度の角度位相整合条件でＧａＰ結晶９へ入射させ、２．１ＴＨｚのテラヘルツ波２５を発生させた。この周波数は、第１周波数のレーザ光７及び第２周波数のレーザ光８の周波数差に相当する。

（第２の実施の形態）
図５は、テラヘルツ波発生装置２０の第２の実施形態の構成を模式的に示す図である。テラヘルツ波発生装置２０は、図１に示すテラヘルツ波発生装置１に対して、分岐光学系３をハーフミラー３２と鏡１４とで構成した点で異なっている。他の構成は、テラヘルツ波発生装置１と同じであるので説明は省略する。テラヘルツ波発生装置２０では、例えば、励起用レーザ光源２にヤグレーザを使用し、クロムフォルステライト結晶１７を共振器内に配置する。共振器に回折格子１９を配置することにより波長選択が可能である。

図６は、第１周波数のレーザ光源４の共振器における回折格子の配置を説明する模式図である。図６に示すように、回折格子１９の入射角をαとし、１次光が入射角と同じ方向に戻るような光学配置とすることによって０次光方向へ近赤外、例えば、１２５０ｎｍのレーザ発振が起こる。回折格子１９への入射角度を調整することにより波長を変えることができる。発振エネルギーを大きくすると発振タイミングが早くなる傾向があるので、共振器の鏡２１の配置を調整するによって発振効率を変化させることができる。このように、第１周波数のレーザ光源４又は第２周波数のレーザ光源５の発振効率を変化させることで、第１周波数のレーザ光源４又は第２周波数のレーザ光源５から発生する２波長の光７，８の時間遅れを制御することが可能となる。

（テラヘルツ波発生例２）
上記第２の実施形態によるテラヘルツ波発生装置２０において、第１周波数のレーザ光源４へのヤグレーザ２の入射エネルギーを４０ｍＪにし、波長１２５９．４ｎｍにおいて出力が３ｍＪのレーザ発振をさせた。
第２周波数のレーザ光源５において、溝本数が８３０本／ｍｍの回折格子１９を使い、入射角をα＝３１．２度にして、１次光が入射角と同じ方向に戻るような光学配置とした。０次光方向へのヤグレーザの入射エネルギーを４０ｍＪとし、１２４７．４ｎｍにおいて発振するような光学配置とすることによってパルスタイミングを一致させることができた。このときの第２周波数のレーザ光源５の出力は、２．８ｍＪであった。それぞれのパルスにおけるジッターは４ｎｓ程度であり、パルス幅１０ｎｓに対して小さいものであった。

テラヘルツ波発生例２においても、テラヘルツ波発生例１と同様の角度位相整合条件で第１周波数のレーザ光源４と第２周波数のレーザ光源５からのレーザ光７，８をＧａＰ結晶９に入射させることによって、２．１ＴＨｚのテラヘルツ波２５を発生させることができた。

（第３の実施の形態）
図７は、第３の実施形態によるラヘルツ波発生装置３０の構成を模式的に示すものである。テラヘルツ波発生装置３０が図１に示すテラヘルツ波発生装置１と異なるのは、第１周波数のレーザ光源４において、共振器の長さを可変にするための共振器長可変機構３４を設けた点にある。具体的には、第１周波数となる１．２μｍ帯の反射ミラー１６と回折格子１９との距離を可変とするためのレール３４を設けている。図示の場合、第１周波数のレーザ光源４の共振器長を可変にしたが、第２周波数のレーザ光源５の共振器長を可変としても構わない。他の構成は、テラヘルツ波発生装置２０と同じであるので説明は省略する。

（テラヘルツ波発生例３）
励起用レーザ光源２にヤグレーザを使用し、クロムフォルステライト結晶１７を共振器内に配置する。共振軸に対する回折格子１９の角度を調整することにより発振波長が変わる。クロムフォルステライトレーザ４の発振タイミングは、共振器長が短くなると発振タイミングが早くなる傾向がある。つまり、ヤグレーザ２に対するクロムフォルステライトレーザ４の発振遅れ時間は短くなる。

図８は、第２周波数のレーザ光源５の共振器長と遅れ時間との関係を示す図である。図の横軸は共振器長（ｃｍ）であり、縦軸は遅れ時間（ｎｓ）を示している。図８から明らかなように、例えば５ｃｍ共振器長を短くすることにより遅れ時間を１２ｎｓ短くすることができた。

第３の実施形態に係るテラヘルツ波発生装置３０において、第１周波数のレーザ光源４の共振器長が１５ｃｍで入射エネルギーを３３ｍＪとすると、１２５９．４ｎｍにおいて出力２ｍＪのレーザ光７が発振する。一方、第２周波数のレーザ光源５へのヤグレーザ２の入射エネルギーを３０ｍＪとし、１２４７．４ｎｍで発振をさせたとき、第２周波数のレーザ光源５側の共振器長を１３ｃｍとすることによりパルスタイミングを一致させることができた。この時の第２周波数のレーザ光源５の出力は１．４ｍＪであった。

上記各実施形態に係るテラヘルツ波発生装置１，２０，３０によれば、単一の励起用レーザ光源２で第１周波数のレーザ光源４と第２周波数のレーザ光源５とからなる２つの光源を発振させることができ、これにより第１周波数のレーザ光７と第２周波数のレーザ光８との時間遅れの調整が可能となる。このため、テラヘルツ波発生用結晶９への第１周波数のレーザ光７と第２周波数のレーザ光８のパルスの時間タイミングを一致させることができる。このようにして、第１周波数のレーザ光７と第２周波数のレーザ光８のパルスを同期させる必要がある差周波混合によるテラヘルツ波発生装置１，２０，３０の小型化を図ることができる。

本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。

本発明の第１実施形態に係るテラヘルツ波発生装置の構成を模式的に示す図である。 励起用レーザ光、テラヘルツ波発生用の励起光源となる第１周波数のレーザ光及び第２周波数のレーザ光の波形を模式的に示す図である。 第１周波数のレーザ光源の発振エネルギーと遅れ時間との関係を示す図である。 第１周波数のレーザ光及び第２周波数のレーザ光の遅れ時間に対する１／２波長板の回転角度との関係を示す図である。 本発明の第２実施形態に係るテラヘルツ波発生装置の構成を模式的に示す図である。 第１周波数のレーザ光源の共振器における回折格子の配置を説明する模式図である。 本発明の第３実施形態に係るテラヘルツ波発生装置の構成を模式的に示す図である。 第２周波数のレーザ光源の共振器長と遅れ時間との関係を示す図である。

符号の説明

１，２０，３０：テラヘルツ波発生装置
２：単一の励起用レーザ光源
３：分岐光学系
４：第１周波数のレーザ光源
５：第２周波数のレーザ光源
６：合波光学系
７：第１周波数のレーザ光
８：第２周波数のレーザ光
９：テラヘルツ波発生用結晶
１１，１３：１／２波長板
１２：偏光ビームスプリッタ
１４，２１：鏡
１６：第１周波数反射用鏡
１７：固体レーザ媒体
１８：励起用レーザ光カットフィルタ
１９：回折格子
２２：第２周波数反射用鏡
２３：１／２波長板
２５：テラヘルツ波
２７：検知器
３２：ハーフミラー
３４：共振器長可変機構

Claims (11)

1. 単一の励起用レーザ光源と、
   上記励起用レーザ光源から入射した光を２分岐する分岐光学系と、
   上記２分岐された励起用レーザ光の一方が入射されテラヘルツ波発生用の第１周波数のレーザ光を発生する第１周波数のレーザ光源と、
   上記２分岐された励起用レーザ光の他方が入射されテラヘルツ波発生用の第２周波数のレーザ光を発生する第２周波数のレーザ光源と、
   上記第１周波数のレーザ光と第２周波数のレーザ光とが合波される合波光学系と、
   上記合波光学系から合波された第１周波数のレーザ光及び第２周波数のレーザ光が入射されるテラヘルツ波発生用結晶と、
   を備え、
   上記テラヘルツ波発生用結晶により、上記第１周波数のレーザ光と上記第２周波数のレーザ光との差周波数混合によってテラヘルツ波を発生することを特徴とする、テラヘルツ波発生装置。
2. 前記第１周波数のレーザ光の前記励起用レーザ光に対する時間遅れと、
   前記第２周波数のレーザ光の前記励起用レーザ光に対する時間遅れと、
   を、前記励起用レーザ光源の励起エネルギー、前記第１周波数のレーザ光源の発振効率、前記第２周波数のレーザ光源の発振効率、前記第１周波数のレーザ光源の共振器長及び前記第２周波数のレーザ光源の共振器長の何れか、又はそれらの組み合わせによって同期させ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. 前記励起用レーザ光源がヤグレーザであることを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置及び方法。
4. 前記第１周波数のレーザ光源及び／又は第２周波数のレーザ光源がクロムフォルステライトレーザであることを特徴とする、請求項１〜３の何れかに記載のテラヘルツ波発生装置。
5. 前記テラヘルツ波発生用結晶がＧａＰからなることを特徴とする、請求項１〜４の何れかに記載のテラヘルツ波発生装置。
6. 前記分岐光学系は、偏光ビームスプリッタと１／２波長板と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。
7. 単一の励起用レーザ光源から入射した光を２分岐し、
   上記２分岐された励起用レーザ光の一方のレーザ光を、テラヘルツ波発生用の第１周波数のレーザ光源に入射して該第１周波数のレーザ光を発生し、
   上記２分岐された励起用レーザ光の他の方レーザ光を、テラヘルツ波発生用の第２周波数のレーザ光源に入射して該第２周波数のレーザ光を発生し、
   上記第１周波数のレーザ光と第２周波数のレーザ光とを合波してテラヘルツ波発生用結晶に入射し、
   上記第１周波数のレーザ光の上記励起用レーザ光に対する時間遅れと上記第２周波数のレーザ光の上記励起用レーザ光に対する時間遅れとを、上記励起用レーザ光源の励起エネルギー、上記第１周波数のレーザ光源の発振効率、上記第２周波数のレーザ光源の発振効率、上記第１周波数のレーザ光源の共振器長及び上記第２周波数のレーザ光源の共振器長の何れか、又はそれらの組み合わせによって制御して、テラヘルツ波を発生することを特徴とする、テラヘルツ波発生方法。
8. 前記第１周波数のレーザ光の前記励起用レーザ光に対する時間遅れと、前記第２周波数のレーザ光の前記励起用レーザ光に対する時間遅れと、を、前記励起用レーザ光源の励起エネルギー、前記第１周波数のレーザ光源の発振効率、前記第２周波数のレーザ光源の発振効率、前記第１周波数のレーザ光源の共振器長及び前記第２周波数のレーザ光源の共振器長の何れか、又はそれらの組み合わせによって同期させることを特徴とする、請求項７に記載のテラヘルツ波発生方法。
9. 前記励起用レーザ光源をヤグレーザとすることを特徴とする、請求項７又は８に記載のテラヘルツ波発生方法。
10. 前記第１周波数のレーザ光源及び／又は前記第２周波数のレーザ光源を、クロムフォルステライトレーザとし、
    テラヘルツ波発生用結晶をＧａＰとし、
    前記第１周波数と前記第２周波数の差のテラヘルツ波を発生させることを特徴とする、
    請求項７〜９の何れかに記載のテラヘルツ波発生方法。
11. 前記励起用レーザ光を、偏光ビームスプリッタと１／２波長板とによって調整することを特徴とする、請求項７〜１０の何れかに記載のテラヘルツ波発生方法。

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