JP2010231018A - Wavelength conversion light generator and generation system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、パルス励起光の入射によって、テラヘルツ波などの波長変換光を発生させる波長変換光発生装置、及び波長変換光発生システムに関するものである。 The present invention relates to a wavelength-converted light generation device and a wavelength-converted light generation system that generate wavelength-converted light such as terahertz waves by the incidence of pulsed excitation light.
周波数1THz(テラヘルツ)周辺の電磁波領域(テラヘルツ波領域、例えば、およそ0.01THz〜100THz、あるいはさらにその周辺領域を含んだ広い周波数領域を指す)は、光波と電波の境界に位置する周波数領域である。このようなテラヘルツ波は、非破壊検査、イメージング、通信など、様々な分野への応用が期待されている。 An electromagnetic wave region around a frequency of 1 THz (terahertz) (a terahertz wave region, for example, approximately 0.01 THz to 100 THz or a wide frequency region including the surrounding region) is a frequency region located at a boundary between a light wave and a radio wave. is there. Such terahertz waves are expected to be applied to various fields such as nondestructive inspection, imaging, and communication.
短パルス光を励起光としたテラヘルツ波の発生では、従来、非線形光学結晶中での光整流効果を利用する方法が広く用いられている。レーザ光源からのパルス励起光を非線形光学結晶へと入射させると、結晶内において光整流効果が生じる。このとき、所定のスペクトルを有するパルス励起光の各周波数成分により、差の周波数成分に対応するテラヘルツ波が発生し、これによってテラヘルツ波発生装置を実現することができる。 In the generation of terahertz waves using short pulse light as excitation light, a method using the optical rectification effect in a nonlinear optical crystal has been widely used. When pulse excitation light from a laser light source is incident on a nonlinear optical crystal, an optical rectification effect occurs in the crystal. At this time, a terahertz wave corresponding to the difference frequency component is generated by each frequency component of the pulse excitation light having a predetermined spectrum, whereby a terahertz wave generator can be realized.
上記のように非線形光学結晶を利用したテラヘルツ波発生装置では、短パルスレーザ光などの励起光の群速度と、結晶中で発生するテラヘルツ波の位相速度とのずれにより、パルス励起光及びテラヘルツ波が結晶中を進行するにつれてテラヘルツ波の出力が低下するという問題がある。これに対して、擬似位相整合(QPM:Quasi Phase Matching)を利用してテラヘルツ波の発生、出力効率を向上する方法が提案されている。 As described above, in a terahertz wave generator using a nonlinear optical crystal, the pulse excitation light and the terahertz wave are caused by the difference between the group velocity of the excitation light such as a short pulse laser beam and the phase velocity of the terahertz wave generated in the crystal. There is a problem that the output of the terahertz wave decreases as the crystal proceeds in the crystal. On the other hand, a method for improving the generation and output efficiency of terahertz waves using quasi phase matching (QPM) has been proposed.
例えば、非特許文献1には、テラヘルツ波の発生に用いられる非線形光学結晶(例えばLiNbO3など)において非線形光学定数の周期的な反転構造を形成することにより、擬似位相整合を実現してテラヘルツ波の発生効率を向上する方法が示されている。また、非特許文献2には、非線形光学定数の正負反転構造ではなく、非線形光学結晶と、非線形光学効果を持たない通常の結晶とを交互に重ねる積層構造により、擬似位相整合の実現が可能であることが示されている。
For example, Non-Patent
上記構造のテラヘルツ波発生装置では、非線形光学定数の反転構造の周期、あるいは非線形光学結晶と通常の結晶との積層構造の周期、及びそれによる位相整合条件は、パルス励起光のパルス幅、群屈折率、及びテラヘルツ波の屈折率等によって決まるため、反転構造、積層構造の周期は、発生させるテラヘルツ波の周波数(波長)等の条件に対応して設定される必要がある。このため、いったん周期を決定してテラヘルツ波発生用の周期構造を形成してしまうと、その構造で発生させるテラヘルツ波の波長を調整、変更することが難しいという問題がある。このような問題は、テラヘルツ波以外の波長域での非線形光学結晶を用いた波長変換光の発生においても同様に生じる。 In the terahertz wave generator having the above-described structure, the period of the inversion structure of the nonlinear optical constant or the period of the laminated structure of the nonlinear optical crystal and the normal crystal, and the phase matching condition therefor are the pulse width of the pulse excitation light, the group refraction. The period of the inversion structure and the laminated structure needs to be set in accordance with conditions such as the frequency (wavelength) of the generated terahertz wave. For this reason, once the period is determined and a periodic structure for generating a terahertz wave is formed, there is a problem that it is difficult to adjust and change the wavelength of the terahertz wave generated by the structure. Such a problem also occurs in the generation of wavelength-converted light using a nonlinear optical crystal in a wavelength region other than the terahertz wave.
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、パルス励起光の入射によって発生する波長変換光の波長を可変に制御することが可能な波長変換光発生装置及び発生システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and provides a wavelength-converted light generation apparatus and a generation system capable of variably controlling the wavelength of wavelength-converted light generated by incidence of pulsed excitation light. The purpose is to provide.
このような目的を達成するために、本発明による波長変換光発生装置は、非線形光学結晶によって構成され、パルス励起光の入射によって波長変換光を発生するとともに、互いに距離を置いて隣り合うように順に配置された複数層の結晶層と、所定の材料によって構成され、それぞれ隣り合う2層の結晶層の間に介在するように複数層の結晶層と交互に配置されるとともに、位相整合条件の調整に用いられる少なくとも1層の調整層と、複数層の結晶層について、調整層を介して隣り合う2層の結晶層の間の物理距離が固定された状態で、その光学距離を可変に調整する光学距離調整手段とを備えることを特徴とする。 In order to achieve such an object, the wavelength-converted light generator according to the present invention is composed of a nonlinear optical crystal, generates wavelength-converted light by incidence of pulsed excitation light, and is adjacent to each other at a distance. A plurality of crystal layers arranged in order and a predetermined material, and alternately arranged with a plurality of crystal layers so as to be interposed between two adjacent crystal layers, For at least one adjustment layer used for adjustment and multiple crystal layers, the optical distance is variably adjusted while the physical distance between two adjacent crystal layers is fixed via the adjustment layer. And an optical distance adjusting means.
また、本発明による波長変換光発生システムは、上記構成の波長変換光発生装置と、波長変換光発生装置に対して、波長変換光の発生に用いられるパルス励起光を供給する励起光供給手段とを備えることを特徴とする。 A wavelength-converted light generation system according to the present invention includes a wavelength-converted light generator configured as described above, and excitation light supply means for supplying pulsed pump light used for generating wavelength-converted light to the wavelength-converted light generator. It is characterized by providing.
上記した波長変換光発生装置及び発生システムにおいては、非線形光学結晶による複数層の結晶層と、その間に介在する少なくとも1層の調整層との積層構造によって、波長変換媒体となる素子を構成する。そして、その積層構造において、光学距離調整手段によって2層の結晶層の間の物理距離が固定の状態で、その光学距離を可変に調整することで、積層構造での位相整合条件を調整している。このような構成によれば、調整層での光路長に相当する結晶層間の光学的な距離を調整することにより、波長変換光の発生に用いられる積層構造の実効的な周期、及びそれによる位相整合条件を設定または変更して、発生されるテラヘルツ波などの波長変換光の波長を可変に制御することが可能となる。 In the wavelength-converted light generator and the generation system described above, an element that becomes a wavelength conversion medium is configured by a laminated structure of a plurality of crystal layers formed by nonlinear optical crystals and at least one adjustment layer interposed therebetween. In the laminated structure, the optical distance adjustment means adjusts the phase matching condition in the laminated structure by variably adjusting the optical distance while the physical distance between the two crystal layers is fixed. Yes. According to such a configuration, by adjusting the optical distance between the crystal layers corresponding to the optical path length in the adjustment layer, the effective period of the laminated structure used for generating the wavelength-converted light, and the phase caused thereby By setting or changing the matching condition, it is possible to variably control the wavelength of the wavelength converted light such as the terahertz wave generated.
ここで、結晶層の間に介在する調整層の材料については、調整層は、隣り合う2層の結晶層の間に配置された液晶層によって構成されていることが好ましい。また、調整層は、非線形光学効果を実質的に有しない材料(非線形光学定数が実質的に0である材料)によって構成されていることが好ましい。これにより、上記のように結晶層間の光学距離が可変に調整される積層構造を好適に実現することができる。 Here, regarding the material of the adjustment layer interposed between the crystal layers, the adjustment layer is preferably constituted by a liquid crystal layer disposed between two adjacent crystal layers. The adjustment layer is preferably made of a material that has substantially no nonlinear optical effect (a material whose nonlinear optical constant is substantially 0). Thereby, a laminated structure in which the optical distance between the crystal layers is variably adjusted as described above can be suitably realized.
光学距離を調整するための調整手段の具体的な構成については、光学距離調整手段は、調整層に対して電圧を印加してその光学特性を変化させることで、光学距離を可変に調整する電圧印加手段を有する構成を用いることができる。また、この場合、光学距離調整手段は、結晶層及び調整層からなる積層構造において、各層の間に設けられて電圧印加手段による電圧の印加に用いられる電極を有する構成とすることが好ましい。 Regarding the specific configuration of the adjusting means for adjusting the optical distance, the optical distance adjusting means applies a voltage to the adjusting layer to change its optical characteristics, thereby changing the optical distance variably. A structure having an application unit can be used. In this case, it is preferable that the optical distance adjusting means has an electrode provided between the layers and used for applying a voltage by the voltage applying means in a laminated structure including the crystal layer and the adjusting layer.
また、波長変換光発生装置での結晶層及び調整層による積層構造については、複数層の結晶層としてn層(nは3以上の整数)の結晶層が設けられ、光学距離調整手段は、調整層を介して隣り合う2層の結晶層の間のn−1個の光学距離が互いに略等しい状態で、光学距離を可変に調整することが好ましい。このような構成によれば、3層以上の結晶層を含む積層構造の全体において、位相整合条件を好適に制御することができる。 In addition, regarding the stacked structure of the crystal layer and the adjustment layer in the wavelength conversion light generator, n crystal layers (n is an integer of 3 or more) are provided as a plurality of crystal layers. It is preferable that the optical distance is variably adjusted in a state where n−1 optical distances between two crystal layers adjacent to each other through the layers are substantially equal to each other. According to such a configuration, the phase matching condition can be suitably controlled in the entire stacked structure including three or more crystal layers.
また、波長変換光発生システムは、波長変換光発生装置及び励起光供給手段に加えて、光学距離調整手段の動作を制御することで、波長変換光発生装置での位相整合条件を制御する位相整合制御手段を備える構成としても良い。これにより、波長変換光の発生に用いられる積層構造での位相整合条件、及び発生される波長変換光の波長を、所望の条件及び波長に好適に制御することができる。 In addition, the wavelength-converted light generation system controls the phase matching condition in the wavelength-converted light generator by controlling the operation of the optical distance adjusting unit in addition to the wavelength-converted light generator and the excitation light supply unit. It is good also as a structure provided with a control means. Thereby, the phase matching conditions in the laminated structure used for the generation of wavelength-converted light and the wavelength of the generated wavelength-converted light can be suitably controlled to desired conditions and wavelengths.
本発明の波長変換光発生装置及び発生システムによれば、非線形光学結晶による複数層の結晶層と、その間に介在する少なくとも1層の調整層との積層構造によって波長変換光発生用の波長変換媒体を構成するとともに、光学距離調整手段によって2層の結晶層の間の物理距離が固定の状態で光学距離を可変に調整して、積層構造での位相整合条件を調整することにより、発生される波長変換光の波長を可変に制御することが可能となる。 According to the wavelength-converted light generation apparatus and the generation system of the present invention, a wavelength-converted medium for generating wavelength-converted light by a laminated structure of a plurality of crystal layers made of nonlinear optical crystals and at least one adjustment layer interposed therebetween. And adjusting the phase matching condition in the laminated structure by adjusting the optical distance variably while the physical distance between the two crystal layers is fixed by the optical distance adjusting means. It becomes possible to variably control the wavelength of the wavelength-converted light.
以下、図面とともに本発明による波長変換光発生装置、及び波長変換光発生システムの好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。 Hereinafter, preferred embodiments of a wavelength-converted light generator and a wavelength-converted light generation system according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. Further, the dimensional ratios in the drawings do not necessarily match those described.
また、以下においては、非線形光学結晶を用いた波長変換光の発生において、パルス励起光の入射によって発生される波長変換光としてテラヘルツ波を想定し、テラヘルツ波発生装置及び発生システムを例として、本発明による波長変換光発生装置及び発生システムの構成について説明する。 In the following, in the generation of wavelength converted light using a nonlinear optical crystal, a terahertz wave is assumed as wavelength converted light generated by incidence of pulsed excitation light, and the terahertz wave generator and generation system are taken as an example. The configurations of the wavelength-converted light generator and the generation system according to the invention will be described.
最初に、本発明によるテラヘルツ波発生装置の前提となる、擬似位相整合(QPM)によるテラヘルツ波の発生方法について説明する。 First, a terahertz wave generation method using quasi phase matching (QPM), which is a premise of the terahertz wave generation apparatus according to the present invention, will be described.
図1は、擬似位相整合によるテラヘルツ波の発生の一例について示す図である。図1に示すテラヘルツ波発生素子80は、所定の非線形光学定数を有する非線形光学結晶によって構成された厚さDaの第1結晶領域A1、A2、A3と、第1結晶領域とは正負反転した非線形光学定数を有する非線形光学結晶によって構成された厚さDbの第2結晶領域B1、B2、B3とが、パルス励起光Lの進行方向に沿って交互に配置された反転構造を有している。また、この発生素子80において、第1結晶領域A1側の端面が励起光入射面81、第2結晶領域B3側の端面がテラヘルツ波出力面82となっている。
FIG. 1 is a diagram illustrating an example of generation of terahertz waves by quasi phase matching. The terahertz
このような構成は、例えば非線形光学結晶において、所定の周期で分極反転構造を形成することによって実現することが可能である。例えば、非特許文献1では、非線形光学材料としてLiNbO3を用い、ポーリングすることで自発分極とは逆方向に分極を反転させて、図1のような非線形光学定数の周期的な正負反転構造を形成している。また、LiNbO3のポーリングは、材料を高温(約80℃〜200℃)とし、電界(約20kV/mm)を与えることで行っている。
Such a configuration can be realized, for example, by forming a domain-inverted structure with a predetermined period in a nonlinear optical crystal. For example, in
また、図1に示した構成において、第1結晶領域Aと、第2結晶領域Bとについては、異なる非線形光学材料を用いることも可能である。ただし、この場合には、第1、第2結晶領域の界面における光の反射損失を回避するため、第1結晶領域Aと第2結晶領域Bとで、屈折率が同程度の材料を用いることが好ましい。 In the configuration shown in FIG. 1, different nonlinear optical materials can be used for the first crystal region A and the second crystal region B. However, in this case, in order to avoid light reflection loss at the interface between the first and second crystal regions, materials having the same refractive index are used in the first crystal region A and the second crystal region B. Is preferred.
図1に示したテラヘルツ波発生素子80に対し、所定の波長、強度、及びパルス幅を有するパルス励起光Lを入射すると、励起光Lは非線形光学結晶中においてテラヘルツ波Tに波長変換(周波数変換)される。まず、最も励起光入射面81側の第1結晶領域A1において、正の電界を持つテラヘルツ波T1が発生する。次に、第2結晶領域B1では、非線形光学定数の軸が第1結晶領域A1とは反転しているために、正負が逆転して負の電界を持つテラヘルツ波T2が発生する。
When pulse excitation light L having a predetermined wavelength, intensity, and pulse width is incident on the terahertz
ここで、発生素子80を構成する非線形光学結晶中では、パルスレーザ光などのパルス励起光Lに対する屈折率(群屈折率)に比べて、結晶中で発生するテラヘルツ波Tに対する屈折率(位相屈折率)の方が大きい。このため、図1に模式的に示すように、結晶中ではパルス励起光Lが先に進み、テラヘルツ波Tが遅れることとなる。
Here, in the nonlinear optical crystal constituting the generating
図1に示す発生素子80では、このような結晶中での光の伝搬条件を考慮して、第1結晶領域A1で励起光Lによって発生して第2結晶領域B1へと伝搬したテラヘルツ波T1と、第2結晶領域B1で励起光Lによって発生したテラヘルツ波T2とで、その位相が180°ずれるように結晶領域A1、B1の厚さ(反転構造の周期)を設定する。これにより、テラヘルツ波T1、T2は位相整合して連続した1つの波となる。
In the generating
テラヘルツ波T1、T2間の位相差が180°とは異なった場合には、それぞれの電界が打ち消しあってテラヘルツ波Tの出力が低下する。これに対して、位相整合条件を満たすように反転構造の周期を設定することにより、高効率、かつ狭帯域でのテラヘルツ波発生が可能となる。さらに、同様に、結晶領域A2で発生した正の電界を持つテラヘルツ波T3、結晶領域B2で発生した負の電界を持つテラヘルツ波T4、結晶領域A3で発生した正の電界を持つテラヘルツ波T5、結晶領域B3で発生した負の電界を持つテラヘルツ波T6が、テラヘルツ波T1、T2と位相整合して連続した1つの波となり、最終的にテラヘルツ波Tとして出力面82から出力される。
When the phase difference between the terahertz waves T1 and T2 is different from 180 °, the respective electric fields cancel each other and the output of the terahertz wave T decreases. On the other hand, by setting the period of the inversion structure so as to satisfy the phase matching condition, it is possible to generate a terahertz wave with high efficiency and a narrow band. Further, similarly, a terahertz wave T3 having a positive electric field generated in the crystal region A2, a terahertz wave T4 having a negative electric field generated in the crystal region B2, and a terahertz wave T5 having a positive electric field generated in the crystal region A3, The terahertz wave T6 having a negative electric field generated in the crystal region B3 becomes one continuous wave in phase matching with the terahertz waves T1 and T2, and is finally output from the
図2は、擬似位相整合によるテラヘルツ波の発生の他の例について示す図である。図2に示すテラヘルツ波発生素子85は、所定の非線形光学定数を有する非線形光学結晶によって構成された厚さDaの第1結晶領域(結晶層)A1、A2、A3と、非線形光学定数が0で非線形光学効果を有しない通常の材料によって構成された厚さDcの第2材料領域(材料層)C1、C2、C3とが、パルス励起光Lの進行方向に沿って交互に配置された積層構造を有している。また、この発生素子85において、第1結晶領域A1側の端面が励起光入射面86、第2材料領域C3側の端面がテラヘルツ波出力面87となっている。
FIG. 2 is a diagram illustrating another example of generation of terahertz waves by quasi phase matching. The terahertz
なお、このような構成においても、図1に示した構成と同様に、第1結晶領域、第2材料領域の界面における光の反射損失を回避するため、第1結晶領域Aと第2材料領域Cとで、屈折率が同程度の材料を用いることが好ましい。 In such a configuration, similarly to the configuration shown in FIG. 1, in order to avoid light reflection loss at the interface between the first crystal region and the second material region, the first crystal region A and the second material region It is preferable to use a material having the same refractive index as C.
図2に示したテラヘルツ波発生素子85に対し、パルス励起光Lを入射すると、励起光Lは非線形光学結晶中においてテラヘルツ波Tに波長変換される。まず、最も励起光入射面86側の第1結晶領域A1において、正の電界を持つテラヘルツ波T1が発生する。次に、第2材料領域C1では、非線形光学効果を有しないために、テラヘルツ波が発生せずに強度0の波T2となる。さらに、続く第1結晶領域A2において、結晶領域A1と同様に正の電界を持つテラヘルツ波T3が発生する。
When the pulsed excitation light L is incident on the terahertz
図2に示す発生素子85では、結晶中での光の伝搬条件を考慮し、第1結晶領域A1で励起光Lによって発生して第2材料領域C1を介して第1結晶領域A2へと伝搬したテラヘルツ波T1と、第1結晶領域A2で励起光Lによって発生したテラヘルツ波T3とで、その位相差が0°となるように結晶領域A1、A2、材料領域C1の厚さ(積層構造の周期)を設定する。これにより、テラヘルツ波T1、T3は位相整合して連続した1つの波となる。
In the generating
テラヘルツ波T1、T3間の位相差が0°とは異なった場合には、それぞれの電界が打ち消しあってテラヘルツ波Tの出力が低下する。これに対して、位相整合条件を満たすように積層構造の周期を設定することにより、高効率、かつ狭帯域でのテラヘルツ波発生が可能となる。さらに、同様に、結晶領域A3で発生した正の電界を持つテラヘルツ波T5が、テラヘルツ波T1、T3と位相整合して連続した1つの波となり、最終的にテラヘルツ波Tとして出力面87から出力される。
When the phase difference between the terahertz waves T1 and T3 is different from 0 °, the respective electric fields cancel each other and the output of the terahertz wave T decreases. On the other hand, by setting the period of the laminated structure so as to satisfy the phase matching condition, terahertz waves can be generated with high efficiency and in a narrow band. Furthermore, similarly, the terahertz wave T5 having a positive electric field generated in the crystal region A3 becomes one continuous wave in phase matching with the terahertz waves T1 and T3, and is finally output from the
図1に示した非線形光学結晶での非線形光学定数の反転構造、あるいは図2に示した非線形光学結晶と通常の結晶との積層構造を用いた、擬似位相整合によるテラヘルツ波発生素子では、上述したように、その構造の周期が決まってしまうと、出力されるテラヘルツ波の波長を調整、変更することが難しい。これに対して、本発明によるテラヘルツ波発生装置及び発生システムは、擬似位相整合型の素子を用いたテラヘルツ波の発生において、テラヘルツ波の波長の可変制御を可能とするものである。 In the terahertz wave generating element using the quasi phase matching using the inversion structure of the nonlinear optical constant in the nonlinear optical crystal shown in FIG. 1 or the laminated structure of the nonlinear optical crystal and the normal crystal shown in FIG. Thus, once the period of the structure is determined, it is difficult to adjust and change the wavelength of the output terahertz wave. On the other hand, the terahertz wave generation device and the generation system according to the present invention enable variable control of the wavelength of the terahertz wave in the generation of the terahertz wave using the quasi phase matching type element.
図3は、本発明によるテラヘルツ波発生装置を含むテラヘルツ波発生システムの一実施形態の構成を概略的に示すブロック図である。本実施形態によるテラヘルツ波発生システム1Aは、非線形光学結晶中での光整流効果を利用して波長変換光であるテラヘルツ波を発生させるものであり、テラヘルツ波発生装置10と、励起光源50と、テラヘルツ波発生制御部55とを備えて構成されている。
FIG. 3 is a block diagram schematically showing a configuration of an embodiment of a terahertz wave generation system including a terahertz wave generation device according to the present invention. A terahertz
パルス励起光源50は、テラヘルツ波発生装置10に対して、テラヘルツ波の発生に用いられるパルス励起光Lを供給する励起光供給手段である。励起光源50としては、好ましくは、例えばフェムト秒(fs)パルスレーザ光を出力するフェムト秒パルスレーザ光源などのパルスレーザ光源を用いることができる。
The pulse
この励起光源50に対し、テラヘルツ波発生装置10は、テラヘルツ波発生用(波長変換用)の媒体となる非線形光学結晶を含んで構成されている。具体的には、本実施形態による発生装置10は、非線形光学結晶を含むテラヘルツ波発生素子20と、光学距離調整部30とによって構成されている。
For this
テラヘルツ波発生素子20は、所定の非線形光学定数を有する非線形光学結晶によって構成され、パルス励起光Lの入射によって波長変換光であるテラヘルツ波Tを発生する複数層(図3では3層)の結晶層21と、結晶層21とは異なる材料によって構成され、複数層の結晶層21と交互に配置される少なくとも1層(図3では2層)の調整層22とを有して構成されている。
The terahertz
結晶層21は、図2に示した積層構造における第1結晶領域Aに対応するものであり、励起光Lの進行方向に沿って、互いに距離を置いて隣り合うように順に配置されている。また、調整層22は、図2に示した積層構造における第2材料領域Cに対応するものであり、それぞれ隣り合う2層の結晶層21の間に介在するように配置されている。この調整層22は、本発生素子20での位相整合条件の調整に用いられる層となっている。また、複数層の結晶層21については、好ましくは、それらの厚さは互いに固定かつ複数層で同一の厚さに設定される。また、調整層22が複数層設けられている場合、好ましくは、それらの厚さは互いに固定かつ複数層で同一の厚さに設定される。
The
本実施形態の発生素子20では、調整層22の材料として液晶材料が用いられており、液晶材料の周囲を接着剤などの固定材料で囲んで形成された液晶層によって調整層22が構成されている。また、これらの結晶層21及び調整層22からなる素子20の積層構造において、その一方の面が励起光Lを入射させる励起光入射面201、入射面201の反対側の面が発生素子20中で発生したテラヘルツ波Tを外部へと出力するテラヘルツ波出力面202となっている。
In the generating
このような構成のテラヘルツ波発生素子20に対し、光学距離調整部30が設けられている。光学距離調整部30は、発生素子20の複数層の結晶層21について、調整層22を介して隣り合う2層の結晶層21の間の物理距離が固定の状態で、その光学距離を可変に調整する調整手段である。
An optical
すなわち、図3のテラヘルツ波発生装置10では、発生素子20において、励起光Lの進行方向に沿った調整層22での光路長(光学的な厚さ)に相当する結晶層21の間の光学的な距離を変更することが可能な構成となっており、この光学距離を調整部30によって可変に調整することにより、素子20での積層構造の周期、及びそれによる位相整合条件が可変に調整される。具体的には、本構成例では、光学距離調整部30は、調整層22に対して電圧を印加してその光学特性を変化させることで、結晶層21の間の光学距離を可変に調整する電圧印加部31を有して構成されている。
That is, in the terahertz
また、この光学距離調整用の電圧印加部31に対応し、結晶層21及び調整層22からなる発生素子20の積層構造において、各層の間に電圧印加用の電極36、37が設けられている。すなわち、結晶層21及び調整層22の積層構造に対し、結晶層21と、その励起光Lの進行方向について下流側にある調整層22との間には、第1電極36が設けられている。また、結晶層21と、その上流側にある調整層22との間には、第2電極37が設けられている。本実施形態では、これらの電圧印加部31、及び電極36、37を用いて、光学距離調整部30が構成されている。
Corresponding to the
このような構成において、電圧印加部31は、液晶層からなる調整層22に対し、その上流側の第1電極36に電圧Vを印加するとともに、下流側の第2電極37を接地電位G(電圧0)としている。このとき、液晶層に電圧Vが可変に印加されることで調整層22での液晶材料中を伝搬する光の光路長が変化し、これによって積層構造の実効的な周期が変化する。また、積層構造の実効的な周期が可変に設定されると、その積層構造で位相整合がとれる周波数を中心としたテラヘルツ波が発生、出力される。これにより、発生素子20の積層構造における位相整合条件が可変に調整され、素子20で発生するテラヘルツ波Tの波長λ及び周波数fが可変に制御される。
In such a configuration, the
また、図3に示す発生システム1Aでは、励起光源50及び発生装置10に対し、テラヘルツ波発生制御部55が設けられている。この発生制御部55は、光学距離調整部30の動作を制御することで、発生装置10での位相整合条件を制御する位相整合制御手段としての機能を有している。このような制御部55は、例えば所定の制御プログラムが実行されているコンピュータによって構成することができる。また、発生制御部55は、発生装置10の動作と合わせて、励起光源50の動作を制御する構成としても良い。
Further, in the
上記実施形態によるテラヘルツ波発生装置10、及びテラヘルツ波発生システム1Aの効果について説明する。
The effects of the terahertz
図3に示したテラヘルツ波発生装置10及び発生システム1Aにおいては、非線形光学結晶による複数層の結晶層21と、その間に介在する少なくとも1層の調整層22との積層構造によって、テラヘルツ波発生用の波長変換媒体となる発生素子20を構成する。そして、その積層構造において、光学距離調整部30によって2層の結晶層21の間の物理距離Dが固定の状態で、その光学距離を可変に調整することで、積層構造での位相整合条件を調整している。
In the terahertz
このような構成によれば、調整層22での光路長に相当する結晶層21間の光学的な距離ODを調整することにより、テラヘルツ波Tの発生に用いられる積層構造の実効的な周期、及びそれによる位相整合条件を設定または変更して、装置構成自体を変更することなく同一の装置において、テラヘルツ波Tの波長(周波数)を可変に制御することが可能となる。
According to such a configuration, by adjusting the optical distance OD between the crystal layers 21 corresponding to the optical path length in the
ここで、図4は、従来の波長変換光発生素子の構成について示す図である。図4(a)に示す構成では、非線形光学結晶での分極反転の周期構造が、光の伝搬方向に直交する方向について扇状に変化するようになっており、励起光の入射位置を変更することにより、分極反転周期を選択可能な構成となっている。また、図4(b)に示す構成では、分極反転構造を持つ円形の素子構造であり、励起光の進行方向に対して素子を回転することで、実効的な分極反転周期を変更する構成となっている。これに対して、図3に示したテラヘルツ波発生装置10では、素子に対する励起光の入射位置の変更や、結晶の回転等を行うことなく、励起光Lの進行方向に沿った結晶層21の間の物理距離が固定の状態で、光学距離を可変に調整することで、積層構造の周期、位相整合条件、及び得られるテラヘルツ波の波長の調整を好適かつ容易に実行することが可能である。
Here, FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a conventional wavelength-converted light generating element. In the configuration shown in FIG. 4A, the periodic structure of polarization inversion in the nonlinear optical crystal changes in a fan shape in the direction orthogonal to the light propagation direction, and the incident position of the excitation light is changed. Thus, the polarization inversion period can be selected. In addition, the configuration shown in FIG. 4B is a circular element structure having a polarization inversion structure, and the effective polarization inversion period is changed by rotating the element with respect to the traveling direction of the excitation light. It has become. On the other hand, in the terahertz
図3に示したテラヘルツ波発生装置10において、結晶層21及び調整層22による積層構造については、結晶層としてn層(nは3以上の整数)の結晶層21が設けられた構成を用いることができる。この場合、光学距離調整部30は、調整層22を介して隣り合う2層の結晶層21の間のn−1個の光学距離(n−1層の調整層22での光路長)が互いに略等しい状態を保持しつつ、光学距離を可変に調整することが好ましい。このような構成によれば、3層以上の結晶層21を含む積層構造の全体において、位相整合条件を好適に制御することができる。なお、結晶層21及び調整層22の層数については、具体的な積層構造に応じて適宜設定して良い。
In the
また、調整層22の材料については、調整層22は、図3に関して上述したように、隣り合う2層の結晶層21の間に配置された液晶層(液晶材料)によって構成されていることが好ましい。また、調整層22は、非線形光学効果を実質的に有しない材料(非線形光学定数が実質的に0である材料)によって構成されていることが好ましい。これにより、結晶層21の間の光学距離が可変に調整される積層構造を好適に実現することができる。特に、調整層22に液晶材料を用いる構成では、電圧の印加等によって、調整層22での光路長を容易かつ確実に変更することができる。
As for the material of the
また、結晶層21間の光学距離を調整するための光学距離調整部30の具体的な構成については、調整層22に対して電圧を印加してその光学特性を変化させることで、光学距離を可変に調整する電圧印加部31を設ける構成を用いることができる。また、このように電圧印加を行う場合、光学距離調整部30は、結晶層21及び調整層22からなる積層構造において、各層の間に設けられて電圧印加部31による電圧の印加に用いられる電極36、37を有する構成とすることが好ましい。調整部30の構成については、具体的にはさらに後述する。
In addition, regarding the specific configuration of the optical
また、図3に示した発生システム1Aでは、発生装置10及び励起光源50に加えて、光学距離調整部30の動作を制御することで、発生装置10での位相整合条件を制御する発生制御部55を設けている。これにより、発生素子20の積層構造での位相整合条件、及び発生されるテラヘルツ波Tの波長を、所望の条件及び波長に好適に制御することができる。なお、このような制御部55については、例えば装置各部の動作を操作者が手動で制御する場合など、不要であれば設けない構成としても良い。
In addition, in the
図3に示したテラヘルツ波発生装置10の構成の具体例を説明する。テラヘルツ波発生素子20で結晶層21を構成する非線形光学結晶としては、例えば、所定の厚さのZnTe(110)結晶を用いることができる。また、調整層22の材料については、例えば上述したように、電圧の印加によって光学特性を変化させることが可能な液晶材料を用いることが好ましい。そのような液晶材料としては、例えば5CBが挙げられる。また、結晶層21及び調整層22の界面での光の反射損失を回避するため、結晶層21と調整層22とで、屈折率が同程度の材料を用いることが好ましい。
A specific example of the configuration of the terahertz
このような構成の発生素子20において、結晶層21の間の固定の物理距離Dに対し、その光学距離をOD1に設定した場合、その積層構造で実効的に位相整合がとれる周波数f1を中心としたテラヘルツ波が高効率で発生、出力される。また、結晶層21の間の光学距離をOD2に変更した場合、その積層構造で実効的に位相整合がとれるf1とは異なる周波数f2を中心としたテラヘルツ波が高効率で発生、出力される。
In the
ここで、パルス励起光Lの波長を620nm、パルス幅をτ=150fs、素子20の積層構造において発生するテラヘルツ波Tの周波数を1.4THzとした場合を例として考える。結晶層21を構成する非線形光学結晶をZnTeとすると、波長620nmの励起光Lに対する屈折率はnL=3.0である。一方、周波数1.4THzのテラヘルツ波Tに対する屈折率はnT=3.19である。
Here, consider a case where the wavelength of the pulse excitation light L is 620 nm, the pulse width is τ = 150 fs, and the frequency of the terahertz wave T generated in the stacked structure of the
また、このような構成の素子20において、位相整合がとれる積層構造の周期Λは、Λ=2cτ/(nT−nL)で与えられる(非特許文献1参照)。したがって、ZnTe結晶を用いて周波数f1=1.4THzを中心に位相整合がとれる周期はΛ=0.464mmとなる。調整層22の液晶材料の屈折率がZnTe結晶と同じである場合、結晶層21、及び調整層22のそれぞれの厚さは0.232mmとなる。また、調整層22の液晶材料を5CBとすると、パルス励起光に対する屈折率は1.72、テラヘルツ波に対する屈折率は1.83である。この場合、調整層22の厚さ(結晶層21の間の物理距離)は、D=0.405mmとなる。
Further, in the
次に、調整層22の液晶材料5CBに対し、電圧印加部31及び電極36、37によって、電圧Vとして590V/cmの交流電界を印加する。この場合、調整層22の屈折率は約0.2だけ増加し、電圧V印加時のパルス励起光に対する光路長は0.774mm、テラヘルツ波に対する光路長は0.824mmと長くなる。このように、調整層22に対して電圧印加を行って光学距離を調整することにより、位相整合がとれて発生するテラヘルツ波の中心周波数を、f1=1.4THzからf2=1.23THzへと可変に制御することができる。
Next, an AC electric field of 590 V / cm is applied as the voltage V to the liquid crystal material 5CB of the
なお、調整層22の液晶の厚さが上記のようにD=0.405mmである場合、交流電界590V/cmは、印加電圧V=24Vに相当する。また、調整層22の材料については、例えば液晶材料以外にもA/O結晶、E/O結晶等を用いることができる。また、調整層22の材料としてZnTe(100)結晶を用いることも可能である。ZnTe(100)結晶では、結晶に対して垂直にパルス励起光を入射させた場合、非線形光学定数が0であるためにテラヘルツ波は発生しない。また、励起光の進行方向と平行に電圧を印加した場合、その屈折率が変化し、それによって励起光及びテラヘルツ波に対する光路長を可変に調整することができる。
In addition, when the thickness of the liquid crystal of the
上記実施形態によるテラヘルツ波発生装置10の構成、及び発生装置10での結晶層間の光学距離の調整について、具体的な構成例とともにさらに説明する。
The configuration of the terahertz
図5は、テラヘルツ波発生装置の構成例を模式的に示す図である。本構成例によるテラヘルツ波発生装置10Aは、非線形光学結晶による結晶層21(211〜214)と、それらの間に介在する液晶材料による調整層22(221〜223)とによって構成されたテラヘルツ波発生素子20を有している。また、素子20の一方の面である結晶層211の端面が励起光入射面201、反対側の面である結晶層214の端面がテラヘルツ波出力面202となっている。
FIG. 5 is a diagram schematically illustrating a configuration example of the terahertz wave generation device. A
これらの結晶層211〜214、及び調整層221〜223を有する積層構造に対し、結晶層211と調整層221との間、結晶層212と調整層222との間、及び結晶層213と調整層223との間には、それぞれ第1電極361、362、363が設けられている。また、調整層221と結晶層212との間、調整層222と結晶層213との間、及び調整層223と結晶層214との間には、それぞれ第2電極371、372、373が設けられている。
With respect to the laminated structure having the crystal layers 211 to 214 and the adjustment layers 221 to 223, the
第1電極361〜363及び第2電極371〜373は、図5に電極361、371についてその形状を示したように、それぞれ各層の間において、励起光L及びテラヘルツ波Tが通過するための開口が設けられたリング状の電極パターンで形成されている。このような電極は、例えば結晶層211〜214を構成するZnTe結晶などの非線形光学結晶の表面において蒸着によって形成することができる。
The
このような構成において、電圧印加部31によって、第1電極361〜363に電圧Vが印加され、また、第2電極371〜373が接地電位Gとされると、印加される電圧Vの値が可変に調整されることにより、調整層221〜223の液晶材料の光学特性が変化して、結晶層間の光学距離が可変に調整される。また、図5に示した構成では、各調整層に印加される電圧の値が等しいことから、調整層221〜223のそれぞれでの光学距離(光路長)は、互いに略等しい状態に保持される。
In such a configuration, when the
本発明による波長変換光発生装置及び発生システムは、上記実施形態及び構成例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、結晶層及び調整層の積層構造、層数、各層の構成材料、あるいは光学距離調整部の構成等については、上記構成以外にも、具体的には様々な構成を用いて良い。また、上記においては、波長変換光としてテラヘルツ波を想定しているが、本発明による波長変換光発生装置及び発生システムは、テラヘルツ波以外の波長域での波長変換光の発生においても同様に適用することが可能である。 The wavelength-converted light generation apparatus and the generation system according to the present invention are not limited to the above-described embodiments and configuration examples, and various modifications are possible. For example, regarding the stacked structure of the crystal layer and the adjustment layer, the number of layers, the constituent material of each layer, the configuration of the optical distance adjustment unit, and the like, various configurations other than the above configuration may be used. In the above description, a terahertz wave is assumed as wavelength-converted light. However, the wavelength-converted light generator and the generation system according to the present invention are similarly applied to generation of wavelength-converted light in a wavelength region other than the terahertz wave. Is possible.
本発明は、パルス励起光の入射によって発生するテラヘルツ波などの波長変換光の波長を可変に制御することが可能な波長変換光発生装置、及び波長変換光発生システムとして利用可能である。 The present invention can be used as a wavelength-converted light generator and a wavelength-converted light generation system that can variably control the wavelength of wavelength-converted light such as terahertz waves generated by incidence of pulsed excitation light.
1A…テラヘルツ波発生システム、10、10A…テラヘルツ波発生装置、20…テラヘルツ波発生素子、21…非線形光学結晶層、22…調整層、201…励起光入射面、202…テラヘルツ波出力面、
30…光学距離調整部、31…電圧印加部、36…第1電極、37…第2電極、50…パルス励起光源、55…テラヘルツ波発生制御部。
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF
Claims (8)
所定の材料によって構成され、それぞれ隣り合う2層の結晶層の間に介在するように前記複数層の結晶層と交互に配置されるとともに、位相整合条件の調整に用いられる少なくとも1層の調整層と、
前記複数層の結晶層について、前記調整層を介して隣り合う2層の結晶層の間の物理距離が固定の状態で、その光学距離を可変に調整する光学距離調整手段と
を備えることを特徴とする波長変換光発生装置。 A plurality of crystal layers that are configured by a nonlinear optical crystal, generate wavelength-converted light by incidence of pulsed excitation light, and are arranged in order so as to be adjacent to each other at a distance;
At least one adjustment layer that is made of a predetermined material and is alternately arranged with the plurality of crystal layers so as to be interposed between two adjacent crystal layers, and is used for adjusting the phase matching condition When,
An optical distance adjusting means for variably adjusting the optical distance of the plurality of crystal layers in a state where a physical distance between two adjacent crystal layers via the adjustment layer is fixed. A wavelength-converted light generator.
前記光学距離調整手段は、前記調整層を介して隣り合う2層の結晶層の間のn−1個の光学距離が互いに略等しい状態で、前記光学距離を可変に調整することを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項記載の波長変換光発生装置。 N layers (n is an integer of 3 or more) are provided as the plurality of crystal layers,
The optical distance adjusting means variably adjusts the optical distance in a state where n-1 optical distances between two crystal layers adjacent to each other through the adjustment layer are substantially equal to each other. The wavelength conversion light generator as described in any one of Claims 1-5.
前記波長変換光発生装置に対して、波長変換光の発生に用いられるパルス励起光を供給する励起光供給手段と
を備えることを特徴とする波長変換光発生システム。 The wavelength-converted light generator according to any one of claims 1 to 6,
A wavelength-converted light generation system comprising: excitation light supply means for supplying pulsed excitation light used for generating wavelength-converted light to the wavelength-converted light generator.
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