JP2010204488A - テラヘルツ波発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】テラヘルツ波のエネルギー変換効率を向上させる技術を提供する。
【解決手段】テラヘルツ波発生装置１０では、テラヘルツ波Ｌ３を発生させる際に、第１レーザ光Ｌ１と第２レーザ光Ｌ２を導波路デバイス２０の非線形光学結晶の入射面にコリニアに入射する。非線形光学結晶は、第１レーザ光と第２レーザ光からその差周波数を有するテラヘルツ波Ｌ３をチェレンコフ型位相整合方式により生成する。非線形光学結晶の入射面の厚みはテラヘルツ波の非線形光学結晶における半波長よりも小さく設定される。非線形光学結晶のテラヘルツ波Ｌ３が放射される放射面上に、緩衝層が形成されており、緩衝層の可視光から近赤外の周波数帯域における屈折率は、非線形光学結晶の同周波数帯域における屈折率よりも小さく設定される。テラヘルツ波発生装置１０では、上記の構造を有することで、テラヘルツ波のエネルギー変換効率を向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロ波（電波）と赤外線（光波）の間の周波数を有するテラヘルツ波を発生する装置に関する。

電波と光波の中間の周波数を有するテラヘルツ波は、セラミックの内部欠陥検査や試薬検査、鏡像異性体含有量分析等の光源として大変に有効であり、実用化に向けて高出力が可能な光源の開発が盛んに行われている。図７に、現在までに公表されている光源の周波数と出力の関係を示す。図７に示すように、０．１ＴＨｚ未満の周波数帯域及び数十ＴＨｚよりも高い周波数帯域では、複数種類の光源が公表されている。その一方、その間の周波数帯域では、未だに有効な光源が公表されていない周波数帯域も存在する。広い周波数帯域で高出力が可能なテラヘルツ波光源が望まれている。

特許文献１に、差周波発生法を用いてテラヘルツ波を発生する技術の１つが開示されている。この技術では、２つの異なる周波数を有するレーザ光をテラヘルツ波発生用結晶に入射し、その周波数差に相当するテラヘルツ波を発生させる。レーザ光をテラヘルツ波発生用結晶に入射する際には、レーザ光とテラヘルツ波の位相条件が整合するように入射する。一般に、テラヘルツ波の周波数帯域における屈折率はレーザ光の周波数帯における屈折率にくらべて大きい。そのため、特許文献１の技術では、レーザ光とテラヘルツ波の位相を整合させる際に、周波数の異なる２本のレーザ光の間に有限の角度差をつけて２本のレーザ光をテラヘルツ波発生用結晶に入射する。特許文献１の技術を用いることで、０．６〜２．６ＴＨｚの周波数を有するテラヘルツ波が発生することが確認されている。

特開２００６−２１５２２２号公報

特許文献１の技術は、テラヘルツ波の光源の開発にとって大変有効な技術である。
しかしながら、特許文献１の技術では、テラヘルツ波の周波数が低くなるにつれて２本のレーザ光をテラヘルツ波発生用結晶に入射する際の角度差が小さくなる。角度差が小さくなると、角度差を正しく調整することが難しく、レーザ光からテラヘルツ波を発生させる際のエネルギー変換効率が悪化してしまう。図６に、特許文献１の技術を用いて発生させたテラヘルツ波の周波数とエネルギー変換効率の関係を点線で示す。図６に示すように、周波数が１ＴＨｚ未満の領域では、周波数の低下に伴ってテラヘルツ波のエネルギー変換効率が悪化する事象が観測されている。また、テラヘルツ波がテラヘルツ波発生用結晶内を進行すると、テラヘルツ波発生用結晶内を進行する距離に応じてテラヘルツ波がテラヘルツ波発生用結晶に吸収される。一般に、テラヘルツ波のテラヘルツ波発生用結晶への吸収は、高周波において顕著となる。そのため、図６に点線で示すように、周波数が２ＴＨｚ以上の領域では、周波数の上昇に伴ってテラヘルツ波のエネルギー変換効率が悪化する事象が観測されている。テラヘルツ波のエネルギー変換効率が悪化すると、高出力のテラヘルツ波を出力することが難しい。高出力のテラヘルツ波を発生させるために、エネルギー変換効率の向上が望まれる。
上記の問題を鑑み、本発明は、広い周波数帯域において、テラヘルツ波のエネルギー変換効率を向上させる技術を提供することを目的としている。

本発明は、チェレンコフ型位相整合方式を用いてテラヘルツ波を発生させ、さらにテラヘルツ波発生用結晶である非線形光学結晶の厚さを工夫することで、レーザ光からテラヘルツ波を発生させる際のエネルギー変換効率を向上させることに成功した。
本発明は、テラヘルツ波発生装置に具現化される。このテラヘルツ波発生装置は、周波数の異なる２種類のレーザ光を２次の非線形性を有する非線形光学結晶に入射し、２種類のレーザ光の差周波数を持つテラヘルツ波をチェレンコフ型位相整合方式により放射する。
本発明のテラヘルツ波発生装置では、２種類のレーザ光が非線形光学結晶の入射面にコリニアに入射されている。「入射面」とは、非線形光学結晶の表面のうち、レーザ光が入射される表面を意味する。また、入射面の厚みは、テラヘルツ波の非線形光学結晶における半波長よりも小さく設定されている。また、非線形結晶の放射面の少なくとも１つの面上に緩衝層が形成されている。「放射面」とは、非線形光学結晶の表面のうち、テラヘルツ波を放射する表面を意味する。この緩衝層の可視光から近赤外の周波数帯域における屈折率は、非線形光学結晶の可視光から近赤外の周波数帯域における屈折率よりも小さく設定されている。

非線形光学結晶にレーザ光を入射すると、結晶内に非線形分極が生じる。２次の非線形を有する非線形光学結晶では、周波数の異なる２つのレーザ光を入射した場合に、その２つのレーザ光の差周波数に応じた周期を有する非線形分極が生じる。また、非線形光学結晶では、レーザ光の入射によりエネルギー状態が励起し、元のエネルギー状態に戻る際にエネルギー波が放射される。非線形光学結晶が非線形分極している場合、その分極の周波数に対応するエネルギー波が放射される。非線形光学結晶がテラヘルツ波の周波数を有して分極している場合、非線形光学結晶からテラヘルツ波が放射される。しかし、一般にテラヘルツ波の屈折率はレーザ光の屈折率にくらべて大きく、非線形光学結晶における光の伝播速度は非線形光学結晶におけるテラヘルツ波の伝播速度を超える。そのため、テラヘルツ波は非線形光学結晶からチェレンコフ放射される。テラヘルツ波は、非線形光学結晶からチェレンコフ型位相整合条件を満たす放射角へと放射される。本発明では、上記のチェレンコフ型位相整合方式によってテラヘルツ波を放射する。

本発明では、チェレンコフ型位相整合方式によってテラヘルツ波を放射する。チェレンコフ型位相整合方式では、非線形光学結晶に生じた非線形分極に基づいてテラヘルツ波が放射される。また、非線形分極を生じさせる際に、２本のレーザ光の間に角度差をつける必要がない。そのため、第１レーザ光と第２レーザ光を非線形光学結晶にコリニアに入射することができる。第１レーザ光と第２レーザ光を所定の角度差に調整する特許文献１の技術に比べて、第１レーザ光と第２レーザ光の角度関係を正確に調整することができ、テラヘルツ波の低周波域でのエネルギー変換効率を向上させることができる。

また、本発明のテラヘルツ波発生装置では、入射面の厚みがテラヘルツ波の非線形光学結晶における半波長よりも小さく形成されている。
非線形光学結晶に入射されるレーザ光のビーム径は、有限の照射面積を有しており、その内部に無数の微小レーザ光が入射されている。微小レーザ光は入射された部位における非線形光学結晶を非線形分極させ、それぞれの部位から微小テラヘルツ波を放射する。この結果、非線形光学結晶から微小テラヘルツ波の集まり（微小テラヘルツ波群）であるテラヘルツ波が放射される。非線形光学結晶の各々の位置から放射された微小テラヘルツ波の非線形光学結晶の放射面における位相は、その位置の入射面の厚み方向の距離に基づいて決定される。テラヘルツ波の中に、非線形光学結晶の放射面における位相が逆位相となる微小テラヘルツ波が含まれていると、微小テラヘルツ波がお互いに打ち消しあって弱められ、非線形光学結晶から放射されるテラヘルツ波のエネルギー変換効率が悪化する。
本発明では、上記のように設定されることで、微小テラヘルツ波群の中に逆位相となる微小テラヘルツ波が含まれることが抑制される。これにより、テラヘルツ波が弱められることが抑制され、テラヘルツ波の高周波域でのエネルギー変換効率を向上させることができる。

上記のように非線形光学結晶の入射面の厚みを小さくが設定されることで、非線形光学結晶内でテラヘルツ波が吸収される量を抑制する効果も得ることができる。
テラヘルツ波が非線形光学結晶内を進行すると、非線形光学結晶内を進行する距離に応じてテラヘルツ波が非線形光学結晶に吸収される。非線形光学結晶が上記のように設定されることで、テラヘルツ波が非線形光学結晶内を進行する距離を短くすることができ、テラヘルツ波が非線形光学結晶で吸収される量を抑制することができる。これによって、テラヘルツ波のエネルギー変換効率を向上させることができる。

また、本発明のテラヘルツ波発生装置では、放射面の少なくとも１つの面上に緩衝層が形成されおり、その緩衝層の可視光から近赤外の周波数帯域における屈折率が、非線形光学結晶の可視光から近赤外の周波数帯域における屈折率よりも小さく設定されている。
本発明によれば、非線形光学結晶に入射された第１レーザ光と第２レーザ光が、非線形光学結晶と緩衝層の境界部において全反射されやすい。つまり、第１レーザ光と第２レーザ光が非線形光学結晶から漏れ出ることが抑制され、非線形光学結晶を第１レーザ光と第２レーザ光が通過する導波路として機能させることができる。これによって、非線形光学結晶に入射された第１レーザ光と第２レーザ光が減衰することが抑制され、テラヘルツ波のエネルギー変換効率を向上させることができる。

緩衝層の表面にはプリズムが設けられていることが好ましい。非線形光学結晶の可視光から近赤外の周波数帯域における屈折率をｎ１（OPT）とし、非線形光学結晶のテラヘルツ波の周波数帯域における屈折率をｎ１（THz）とし、プリズムのテラヘルツ波の周波数帯域における屈折率をｎ２（THz）とすると、この屈折率ｎ１（OPT）と屈折率ｎ１（THz）と屈折率ｎ２（THz）は数１の関係を満たすように構成されている。

図５にテラヘルツ波Ｌ３が非線形光学結晶２６からプリズム３０へと放射される様子を示す。図５においては、緩衝層を省略して図示する。第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２の進行方向に対するテラヘルツ波の放射角θは、位相条件によって決定される。つまり、第１レーザ光Ｌ１の波長をλ１とし、第２レーザ光Ｌ２の波長をλ２とし、テラヘルツ波の真空における波長をλ（THz）とし、非線形光学結晶の可視光から近赤外の周波数帯域における第１レーザ光Ｌ１の屈折率をｎ１１（OPT）とし、非線形光学結晶の可視光から近赤外の周波数帯域における第２レーザ光Ｌ２の屈折率をｎ１２（OPT）とすると、数２のように表され、近似することで数３のように表すことができる。

テラヘルツ波が非線形光学結晶２６からプリズム３０へと放射される際の臨界角α０は、プリズムのテラヘルツ波の周波数帯域における屈折率ｎ２（THz）を用いて数４のように表される。テラヘルツ波は、非線形光学結晶２６からプリズム３０へと放射される入射角αが数５の関係を満たす場合に、非線形光学結晶２６からプリズム３０へと放射される。また、入射角αと放射角θは数６の関係を有する。数３〜数６を用いることで、数１の関係を得ることができる。

本発明では、数１の関係を満たすことで、非線形光学結晶から放射されたテラヘルツ波をプリズムへと入射することができる。
本発明によれば、プリズムを用いてテラヘルツ波を所望の位置に放射することができる。また、プリズムの材質として、テラヘルツ波の吸収量が少ない材質を選ぶことで、テラヘルツ波のエネルギー変換効率が悪化することを抑制することができる。

本発明によれば、広い周波数帯域において、テラヘルツ波のエネルギー変換効率を向上させることができる。これにより、テラヘルツ波光源の出力を向上させることができる。

テラヘルツ波発生装置１０とテラヘルツ波測定装置６０を模式的に示した図である。 導波路デバイス２０の構成を模式的に示した図である。 テラヘルツ波が放射される様子を説明する図である。 テラヘルツ波が放射される様子を説明する図である。 テラヘルツ波が放射される様子を説明する図である。 本実施例のテラヘルツ波発生装置１０から放射されるテラヘルツ波の周波数とエネルギー変換効率の関係を示す。 現在までに公表されているテラヘルツ波光源の周波数と出力の関係を示す。

以下に説明する実施例の主要な特徴を整理する。
（特徴１）第１レーザ光と第２レーザ光は、可視光から近赤外の周波数帯域における周波数を有している。
（特徴２）非線形光学結晶は、層状に形成されている。非線形光学結晶の側面が入射面に相当し、非線形光学結晶の上面と底面のうちの少なくとも一方が放射面に相当する。
（特徴３）緩衝層の厚みは、第１レーザ光と第２レーザ光の染み出し長よりも大きい。
（特徴４）緩衝層の厚みは、テラヘルツ波の緩衝層における波長よりも小さい。
（特徴５）緩衝層は、テラヘルツ波に対する吸収係数が小さい物質で形成されている。

本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。図１に、本発明のテラヘルツ波発生装置１０と、そのテラヘルツ波発生装置１０から放射されたテラヘルツ波Ｌ３を測定するテラヘルツ波測定装置６０を模式的に示す。テラヘルツ波発生装置１０は、ＹＡＧレーザ発振機１２とＫＴＰ光パラメトリック発振機（ＫＴＰ−ＯＰＯ）１４とレンズ１６と導波路デバイス２０を備えている。テラヘルツ波測定装置６０は、ボロメータ６２とＡ／Ｄ変換機６４とＰＣ６６を備えている。テラヘルツ波発生装置１０及びテラヘルツ波測定装置６０の間には、テラヘルツ波Ｌ３を集光するためのレンズ６８が配置されている。

本発明のテラヘルツ波発生装置１０について説明する。ＹＡＧレーザ発振機１２は、Ｎｄイオンを添加したＹＡＧ結晶を用いたレーザ発振機であり、５３２ｎｍの波長のレーザ光Ｌ０をＫＴＰ−ＯＰＯ１４に入射している。ＫＴＰ−ＯＰＯ１４は、ＫＴＰ結晶を用いた光パラメトリック発振機であり、ＹＡＧレーザ発振機１２から入射されたレーザ光から約３倍の波長を有するレーザ光群（波長：１３００ｎｍ〜１５５０ｎｍ）を生成している。ＫＴＰ−ＯＰＯ１４は、生成したレーザ光群から周波数ω１の第１レーザ光（ポンプ光と呼ばれることがある）と周波数ω２の第２レーザ光（アイドラー光と呼ばれることがある）を選択し、レンズ１６を通してこの２つのレーザ光を導波路デバイス２０にコリニアに入射する。ＫＴＰ−ＯＰＯ１４では、第１レーザ光Ｌ１と第２レーザ光Ｌ２の差周波数ω３（＝ω１-ω２）が、所望のテラヘルツ波の周波数となるように設定されている。

図２に、導波路デバイス２０の構成を模式的に示す。導波路デバイス２０は、結晶台２２と接着層２４と非線形光学結晶２６と緩衝層２８プリズム３０がその順に積層されて構成されている。
結晶台２２は非線形光学結晶２６を配置するための台であり、その上面に接着層２４を介して層状の非線形光学結晶２６が積層されている。非線形光学結晶２６は、２次の非線形性を有した結晶であり、例えばＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＤＡＳＴ、ＺｎＴｅ、ＧａＡｓ、ＺｎＳｅ、ＧａＳｅ、ＧａＰ等の結晶である。非線形光学結晶２６は、その厚さが、周波数ω３を有するテラヘルツ波の非線形光学結晶２６における波長の半分よりも小さく設定されている。ここで、周波数ω３を有するテラヘルツ波の非線形光学結晶２６における波長は、テラヘルツ波Ｌ３の真空における波長λ（THz）と非線形光学結晶２６のテラヘルツ波の周波数帯域における屈折率ｎ１（THz）を用いて、λ（THz）/ｎ１（THz）と表される。非線形光学結晶２６は、後述するように、その側面２６ａに第１レーザ光Ｌ１と第２レーザ光Ｌ２が入射されると、その上面２６ｂから周波数ω３のテラヘルツ波を放射する。
テラヘルツ波が放射される非線形光学結晶２６の上面２６ｂには、緩衝層２８が積層されており、緩衝層２８の上面にはプリズム３０が積層されている。

緩衝層２８の厚さｄは、第１レーザ光Ｌ１と第２レーザ光Ｌ２の染み出し長ξよりも厚く形成されている。また、緩衝層２８は、可視光から近赤外の周波数帯域における屈折率ｎ３（OPT）が、非線形光学結晶２６の可視光から近赤外の周波数帯域における屈折率ｎ１（OPT）よりも低い物質で形成されている。導波路デバイス２０では、非線形光学結晶２６に入射された第１レーザ光Ｌ１と第２レーザ光Ｌ２が緩衝層２８へと染み出すことが抑制されており、非線形光学結晶２６を導波路として機能させることができる。
その一方、緩衝層２８の厚さｄは、テラヘルツ波の緩衝層における波長にくらべて薄く設定されている。また、緩衝層２８は、テラヘルツ波に対する吸収係数が小さい物質で形成されている。そのため、テラヘルツ波が非線形光学結晶２６から緩衝層２８を介してプリズム３０に伝播される際に、テラヘルツ波が緩衝層２８において減衰することが抑制される。そのため以後の説明では、テラヘルツ波の非線形光学結晶２６からプリズム３０への伝播を考える際に緩衝層２８を省略して考えることがある。

次に、テラヘルツ波測定装置６０について説明する。ボロメータ６２はＳｉボロメータであり、測定口６２ａを備えている。ボロメータ６２は、測定口６２ａを通して入射されたテラヘルツ波のエネルギーを、入射したテラヘルツ波の周波数に対応付けて測定する。測定口６２ａは、レンズ６８を介して導波路デバイス２０に対向配置されている。詳しくは、導波路デバイス２０からテラヘルツ波が放射される方向に向けられている。ボロメータ６２は、測定したエネルギー値であるアナログ値をＰＣ６６へと伝達する。ボロメータ６２から伝達されたエネルギー値は、Ａ／Ｄ変換機６４によってデジタル化され、ＰＣ６６に伝達される。ＰＣ６６では、伝達されたエネルギー値を用いて、テラヘルツ波発生装置１０から放射されたテラヘルツ波の周波数とエネルギー値の関係を算出する。

導波路デバイス２０からテラヘルツ波が放射される様子を、図面を参照しながら説明する。上記したように、テラヘルツ波が非線形光学結晶２６からプリズム３０への伝播される際は、緩衝層２８を省略して考えることができ、以下の説明に用いる図では緩衝層２８を省略して図示している。
図３に示すように、非線形光学結晶２６の側面２６ａに第１レーザ光Ｌ１と第２レーザ光Ｌ２が入射されると、レーザ光Ｌ１、Ｌ２の進行方向に沿って非線形光学結晶２６に非線形分極が生じる。図３の下部に示す波は、非線形光学結晶２６の内部の分極の様子を模式的に示している。非線形光学結晶２６が２次の非線形性を有している場合、非線形光学結晶２６がレーザ光Ｌ１、Ｌ２の差周波数ω３に応じた周期２Ｌｃを有する非線形分極が生じる。ここで、周期２Ｌｃは、第１レーザ光Ｌ１の波長λ１と第２レーザ光Ｌ２の波長λ２と非線形光学結晶２６の可視光から近赤外の周波数帯域における第１レーザ光Ｌ１の屈折率ｎ１１（OPT）と非線形光学結晶２６の可視光から近赤外の周波数帯域における第１レーザ光Ｌ１の屈折率ｎ１２（OPT）を用いて、数７のように表される。

非線形光学結晶２６では、第１レーザ光Ｌ１と第２レーザ光Ｌ２の入射によってエネルギー状態が励起する。励起した非線形光学結晶２６は、元の状態に戻る際にエネルギー波を放射する。非線形光学結晶２６が差周波数ω３に応じて分極している場合、差周波数ω３を有するテラヘルツ波Ｌ３を放射する。このとき、可視光の非線形光学結晶２６における伝播速度が、テラヘルツ波Ｌ３の非線形光学結晶２６における伝播速度を超え、非線形光学結晶２６においてテラヘルツ波Ｌ３がチェレンコフ放射される。
非線形光学結晶２６では、第１レーザ光Ｌ１と第２レーザ光Ｌ２が入射された側面２６ａ側の点Ｘ１からテラヘルツ波Ｌ３が球面状に放射され、次に点Ｘ２からテラヘルツ波Ｌ３が球面状に放射される。点Ｘ２から放射されるテラヘルツ波Ｌ３は、点Ｘ１から放射されるテラヘルツ波Ｌ３と比べて位相が同じであり１周期遅れる。同様に、点Ｘ３からは、点Ｘ２から放射されるテラヘルツ波Ｌ３と比べて位相が同じであり、１周期遅れたテラヘルツ波Ｌ３が球面状に放射される。点Ｘ４からは、点Ｘ３から放射されるテラヘルツ波Ｌ３と比べて位相が同じであり、１周期遅れたテラヘルツ波Ｌ３が球面状に放射される。点Ｘ５からは、点Ｘ４から放射されるテラヘルツ波Ｌ３と比べて位相が同じであり、１周期遅れたテラヘルツ波Ｌ３が球面状に放射される。

各点Ｘ１〜Ｘ５から同時に放射されたテラヘルツ波Ｌ３は、各々の波面の共通接線に垂直な方向へと伝播する。レーザ光の進行方向に対するテラヘルツ波Ｌ３の放射角θ（チェレンコフ角と呼ばれることがある）は、波長λ（THz）と屈折率ｎ１（THz）と周期２Ｌｃを用いて、数８のように表される。数７と数８から数２の関係を得ることができ、さらに近似することによって数３の関係を得ることができる。図３の上部には、非線形光学結晶２６の内部においてテラヘルツ波Ｌ３が放射角θを持って放射される様子を模式的に示している。

非線形光学結晶２６に入射される第１レーザ光Ｌ１と第２レーザ光Ｌ２は、有限の照射面積を有している。そのため、図４に示すように、第１レーザ光Ｌ１と第２レーザ光Ｌ２が非線形光学結晶２６の異なる深さ位置Ｐ１、Ｐ２に同時に入射され、位置Ｐ１、Ｐ２からそれぞれテラヘルツ波Ｌ３が放射される。一般に、位置Ｐ１から放射されるテラヘルツ波Ｌ３と位置Ｐ２から放射されるテラヘルツ波の非線形光学結晶２６の上面２６ｂにおける位相は異なる。位置Ｐ１から放射されたテラヘルツ波Ｌ３１と位置Ｐ２から放射されたテラヘルツ波Ｌ３２の非線形光学結晶２６の上面２６ｂにおける位相が逆位相となった場合、各々の位置から放射されたテラヘルツ波Ｌ３が打ち消しあい、非線形光学結晶２６から出力されるテラヘルツ波Ｌ３が弱められる。

本実施例の非線形光学結晶２６では、その厚さＤが、周波数ω３のテラヘルツ波Ｌ３の非線形光学結晶２６における波長λ（THz）/ｎ１（THz）の半分よりも薄く設定されている。そのため、最も位相の異なる非線形光学結晶２６の上面２６ｂから放射されたテラヘルツ波Ｌ３と非線形光学結晶２６の下面２６ｃから放射されたテラヘルツ波Ｌ３の非線形光学結晶２６の上面２６ｂにおける位相の差を「π」よりも小さく抑えることができる。これにより、非線形光学結晶２６の異なる深さ位置から放射されたテラヘルツ波Ｌ３がお互いに弱め合うことが抑制される。

本実施例の非線形光学結晶２６では、上記のように非線形光学結晶２６の厚さＤを薄く設定しておくことで、テラヘルツ波Ｌ３が非線形光学結晶２６内を進行する距離を短縮することができる。これによって、非線形光学結晶２６に吸収されるテラヘルツ波Ｌ３の量を減少させることができる。

非線形光学結晶２６の各点から放射されたテラヘルツ波Ｌ３は、非線形光学結晶２６の上面から緩衝層２８を通ってプリズム３０へと放射される。上記したように、プリズム３０のテラヘルツ波Ｌ３の周波数帯域における屈折率ｎ１（THz）は、非線形光学結晶２６のテラヘルツ波Ｌ３の周波数帯域における屈折率ｎ２（THz）よりも小さく設定されている。そのため、図５に示すように、非線形光学結晶２６から放射されたテラヘルツ波Ｌ３がプリズム３０に入射する際に屈折する。

テラヘルツ波Ｌ３のプリズム３０への入射角αは、放射角θを用いて数６のように表される。また、テラヘルツ波Ｌ３が非線形光学結晶２６からプリズム３０へと入射される際の臨界角α０は数４のように表される。そのため、入射角αが数５の関係を満たす場合に、テラヘルツ波Ｌ３が非線形光学結晶２６からプリズム３０へと放射される。上記の数３〜数６から、数１の関係が得られる。本実施例の導波路デバイス２０では、数１の関係を満たす場合に、非線形光学結晶２６で発生したテラヘルツ波Ｌ３がプリズム３０へと放射される。プリズム３０に放射されたテラヘルツ波は、プリズム３０の上面３０ａから大気中へと放射される。

図６にテラヘルツ波測定装置６０を用いて測定した本実施例のテラヘルツ波発生装置１０から放射されるテラヘルツ波Ｌ３の周波数とエネルギー変換効率の関係を示す。図６には、特許文献１のテラヘルツ波発生装置を用いて放射させたテラヘルツ波の周波数とエネルギー変換効率の関係を比較として点線で示す。
本実施例のテラヘルツ波発生装置１０では、導波路デバイス２０の非線形光学結晶２６に第１レーザ光Ｌ１と第２レーザ光Ｌ２をコリニアに入射する。特許文献１の技術のように、第１レーザ光Ｌ１と第２レーザ光Ｌ２の間に角度差を設ける必要がない。そのため、第１レーザ光Ｌ１と第２レーザ光Ｌ２を正確に調整することができ、テラヘルツ波Ｌ３のエネルギー変換効率を向上させることができる。

また、本実施例のテラヘルツ波発生装置１０では、非線形光学結晶２６の厚さＤが、周波数ω３を有するテラヘルツ波Ｌ３の非線形光学結晶２６における波長λ（THz）/ｎ１（THz）の半分よりも薄く設定されている。これにより、非線形光学結晶２６から放射されるテラヘルツ波Ｌ３が非線形光学結晶２６において減衰することが抑制され、テラヘルツ波Ｌ３のエネルギー変換効率を向上させることができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
例えば、本実施例のプリズム３０では、その上面３０ａがテラヘルツ波Ｌ３の放射方向に対して垂直となるように形成されていることが好ましい。プリズム３０の上面３０ａが上記のように形成されていることで、テラヘルツ波Ｌ３がプリズム３０から大気中に放射される際に、エネルギーが損失することが抑制され、テラヘルツ波Ｌ３の取り出し効率を高くすることができる。

非線形光学結晶２６とプリズム３０の境界部においても同様である。非線形光学結晶２６では、その上面２６ｂがテラヘルツ波Ｌ３の放射方向に対して垂直となるように形成されていることが好ましい。これによって、テラヘルツ波Ｌ３が非線形光学結晶２６からプリズム３０に放射される際に、エネルギーが損失することが抑制され、テラヘルツ波Ｌ３のエネルギー変換効率を高くすることができる。

本実施例の導波路デバイス２０では、非線形光学結晶２６の上面２６ｂからテラヘルツ波Ｌ３を放射しているが、非線形光学結晶２６の下面２６ｃからテラヘルツ波Ｌ３を放射してもよい。さらには、非線形光学結晶２６の上面２６ｂと下面２６ｃの両面から同時にテラヘルツ波Ｌ３を放射してもよい。テラヘルツ波Ｌ３を両面から放射することで、テラヘルツ波Ｌ３のエネルギー変換効率を向上させることができる。

また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０ テラヘルツ波発生装置
１２ ＹＡＧレーザ発振機
１４ ＫＴＰ光パラメトリック発振機
１６ レンズ
２０ 導波路デバイス
２２ 結晶台
２４ 接着層
２６ 非線形光学結晶
２８ 緩衝層
３０ プリズム
６０ テラヘルツ波測定装置
６２ ボロメータ
６４ Ａ／Ｄ変換機
６８ レンズ
Ｌ０ レーザ光
Ｌ１ 第１レーザ光（ポンプ光）
Ｌ２ 第２レーザ光（アイドラー光）
Ｌ３ テラヘルツ波
α 入射角
α０ 臨界角
θ 放射角（チェレンコフ角）
ω１ 第１レーザ光の周波数
ω２ 第２レーザ光の周波数
ω３ テラヘルツ波の周波数

Claims (2)

1. 周波数の異なる２種類のレーザ光を２次の非線形性を有する非線形光学結晶に入射し、前記２種類のレーザ光の差周波数を持つテラヘルツ波をチェレンコフ型位相整合方式により放射するテラヘルツ波発生装置であって、
   前記２種類のレーザ光は、前記非線形光学結晶のレーザ光が入射される入射面にコリニアに入射されており、
   前記入射面の厚みは前記テラヘルツ波の前記非線形光学結晶における半波長よりも小さく形成されており、
   前記非線形結晶のテラヘルツ波を放射する放射面の少なくとも１つの面上に、可視光から近赤外の周波数帯域における屈折率が、前記非線形光学結晶の可視光から近赤外の周波数帯域における屈折率よりも小さく設定されている緩衝層が形成されているテラヘルツ波発生装置。
2. 前記緩衝層の表面にプリズムが設けられており、
   前記非線形光学結晶の可視光から近赤外の周波数帯域における屈折率ｎ１（OPT）と、前記非線形光学結晶のテラヘルツ波の周波数帯域における屈折率ｎ１（THz）と、前記プリズムのテラヘルツ波の周波数帯域における屈折率ｎ２（THz）が、
   arccos（ｎ１（OPT）／ｎ１（THz））＞π−arcsin（ｎ２（THz）／ｎ１（THz））
   を満たすように構成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装置。

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