JP2011215382A

JP2011215382A - 電磁波発生装置

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Publication number: JP2011215382A
Application number: JP2010083772A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Kawada; 陽一河田; Takashi Yasuda; 敬史安田; Hironori Takahashi; 宏典高橋
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2010-03-31
Publication date: 2011-10-27
Anticipated expiration: 2030-03-31
Also published as: JP5373686B2

Abstract

【課題】光学的作用部に入力されるポンプ光パルスのパルス面傾斜角度およびビーム径それぞれを適切な値に容易に設定することができる電磁波発生装置を提供する。
【解決手段】光源１０から出力されたポンプ光パルスは、ビーム径変更光学系２０によりビーム径を変更され、パルス面傾斜部３０によりパルス面を傾斜され、ビーム径調整光学系４０によりビーム径を調整されて、光学的作用部５０に入力される。光学的作用部５０ではポンプ光パルスが入力されることで電磁波が発生する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ポンプ光パルスが入力されることで電磁波を発生する光学的作用部を備える電磁波発生装置に関するものである。

ポンプ光パルスが入力されることで電磁波を発生する光学的作用部を備える電磁波発生装置として、テラヘルツ波発生装置（非特許文献１〜５）や光パラメトリック増幅装置（非特許文献６）が知られている。このような電磁波発生装置において、パルス面傾斜部によりポンプ光パルスのパルス面を傾斜させた後に、そのポンプ光パルスを光学的作用部に入力させる場合がある。また、パルス面傾斜部によりポンプ光パルスのパルス面を傾斜させ、そのパルス面が傾斜したポンプ光パルスのビーム径をビーム径調整光学系により調整した後に、そのポンプ光パルスを光学的作用部に入力させる場合がある。

パルス面傾斜部から出力される光パルスのパルス面傾斜角度（主光線方向に垂直な面に対する傾斜角度）γは、tanγ＝λ・ｄφ／ｄλ なる式で表される。λは光パルスの波長であり、ｄφ／ｄλ は波長λでのパルス面傾斜部の角分散である。

パルス面が傾斜した光パルスのビーム径をビーム径調整光学系により拡大または縮小すると、光パルスのパルス面傾斜角度は変化する。このときの光パルスのパルス面傾斜角度の変化は、ビーム径調整光学系による光パルスのビーム径の拡大・縮小の率に応じたものとなる。

J. Hebling, et al., OpticsExpress 10, 1161 (2002). J. Hebling, et al., Appl. Phys. B78, 593 (2004). J. Hebling, et al., IEEE J.Selected Topics in Quantum Electron. 14, 345 (2008). L. Palfalvi, et. al., Appl. Phys.Lett. 92, 171107 (2008). A.Stepanov, et al., Optics Express 13, 5762 (2005). T.Kobayashi, et al., Meas. Sci. Technol. 13, 1671 (2002).

一般に、光学的作用部において電磁波を効率よく発生させるには、位相整合条件を満たす必要があり、その為には、光学的作用部に入力されるポンプ光パルスのパルス面傾斜角度を適切に設定する必要がある。また、光学的作用部が損傷閾値を有していることから、光学的作用部に入力されるポンプ光パルスの単位面積当りのエネルギーを適切に設定する必要があり、その為には、光学的作用部に入力されるポンプ光パルスのビーム径を適切に設定する必要がある。

しかしながら、上述したとおり、パルス面傾斜部の後段にビーム径調整光学系が設けられた場合、光学的作用部に入力されるポンプ光パルスのパルス面傾斜角度およびビーム径は、各々独立には設定され得ず、一方が変化すれば他方も変化することになり、各々を適切な値に設定することが困難である。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、光学的作用部に入力されるポンプ光パルスのパルス面傾斜角度およびビーム径それぞれを適切な値に容易に設定することができる電磁波発生装置を提供することを目的とする。

本発明の電磁波発生装置は、(1) ポンプ光パルスを出力する光源と、(2) 光源から出力されたポンプ光パルスのビーム径を変更するビーム径変更光学系と、(3)ビーム径変更光学系から出力されたポンプ光パルスのパルス面を傾斜させるパルス面傾斜部と、(4) パルス面傾斜部から出力されたポンプ光パルスのビーム径を調整するビーム径調整光学系と、(5)ビーム径調整光学系から出力されたポンプ光パルスが入力されることで電磁波を発生する光学的作用部と、を備えることを特徴とする。

本発明の電磁波発生装置では、光源から出力されたポンプ光パルスは、ビーム径変更光学系によりビーム径を変更され、パルス面傾斜部によりパルス面を傾斜され、ビーム径調整光学系によりビーム径を調整されて、光学的作用部に入力される。光学的作用部ではポンプ光パルスが入力されることで電磁波が発生する。

本発明の電磁波発生装置は、ビーム径変更光学系による像がパルス面傾斜部に位置していてもよい。また、ビーム径調整光学系がパルス面傾斜部と光学的作用部との間に結像関係を有していてもよい。

本発明の電磁波発生装置は、ビーム径変更光学系およびビーム径調整光学系それぞれによるポンプ光パルスのビーム径の拡大・縮小ならびにパルス面傾斜部によるポンプ光パルスのパルス面の傾斜により、光学的作用部における位相整合条件および単位面積当りのポンプ光パルスのエネルギーそれぞれを調整してもよい。

本発明の電磁波発生装置では、光学的作用部は、ビーム径調整光学系から出力されたポンプ光パルスを入力して、テラヘルツ波を発生してもよい。或いは、光学的作用部は、ビーム径調整光学系から出力されたポンプ光パルスと被増幅光とを互いに非同軸として入力し、入力したポンプ光パルスにより励起され、入力した被増幅光を光パラメトリック増幅して出力してもよい。

本発明によれば、光学的作用部に入力されるポンプ光パルスのパルス面傾斜角度およびビーム径それぞれを適切な値に容易に設定することができる。

第１実施形態の電磁波発生装置１の構成図である。第２実施形態の電磁波発生装置２の構成図である。第３実施形態の電磁波発生装置３の構成図である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１実施形態）

図１は、第１実施形態の電磁波発生装置１の構成図である。第１実施形態の電磁波発生装置１は、光源１０、ビーム径変更光学系２０、パルス面傾斜部３０、ビーム径調整光学系４０および光学的作用部５０を備える。

光源１０は、ポンプ光パルスを出力するものであり、好適にはパルス幅がフェムト秒程度である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である。ビーム径変更光学系２０は、光源１０から出力されたポンプ光パルスのビーム径を変更する。ビーム径変更光学系２０は、レンズ２１およびレンズ２２を含む。前段のレンズ２１の後側焦点位置と後段のレンズ２２の前側焦点位置とは互いに一致している。ビーム径変更光学系２０は、前段のレンズ２１の焦点距離と後段のレンズ２２の焦点距離との比に応じて、ポンプ光パルスのビーム径を変更することができる。

パルス面傾斜部３０は、ビーム径変更光学系２０から出力されたポンプ光パルスのパルス面を傾斜させる。パルス面傾斜部３０は、例えば、プリズム，グリズム，反射型回折格子，透過型回折格子または空間光変調器を用いて、ポンプ光パルスのパルス面を傾斜させることができる。パルス面とは、ある瞬間において、光パルスのビームライン上の最大出力を示す位置をつないだ面のことである。これに対し、波面とは、光の等位相面をいう。

ビーム径調整光学系４０は、パルス面傾斜部３０から出力されたポンプ光パルスのビーム径を調整する。ビーム径調整光学系４０は、レンズ４１およびレンズ４２を含む。前段のレンズ４１の後側焦点位置と後段のレンズ４２の前側焦点位置とは互いに一致している。ビーム径調整光学系４０は、前段のレンズ４１の焦点距離と後段のレンズ４２の焦点距離との比に応じて、ポンプ光パルスのビーム径を調整することができる。

光学的作用部５０は、ビーム径調整光学系４０から出力されたポンプ光パルスが入力されることで電磁波を発生する。光学的作用部５０として例えば非線形光学結晶が用いられる。ポンプ光パルスの入力によりテラヘルツ波を発生させる光学的作用部５０としては定比組成ニオブ酸リチウム結晶などが用いられる。

ビーム径変更光学系２０およびビーム径調整光学系４０それぞれは、レンズ対により構成されてもよいし、曲面ミラー対により構成されてもよい。ビーム径変更光学系２０およびビーム径調整光学系４０それぞれは、拡大光学系であってもよいし、縮小光学系であってもよい。また、ビーム径変更光学系２０およびビーム径調整光学系４０の全体が、拡大光学系であってもよいし、縮小光学系であってもよい。

この電磁波発生装置１では、光源１０から出力されたポンプ光パルスは、ビーム径変更光学系２０によりビーム径を変更され、パルス面傾斜部３０によりパルス面を傾斜され、ビーム径調整光学系４０によりビーム径を調整されて、光学的作用部５０に入力される。光学的作用部５０ではポンプ光パルスが入力されることで電磁波が発生する。

光源１０から出力されてパルス面傾斜部３０に入力されるまでのポンプ光パルスのパルス面Ｓ１は、主光線方向に垂直な面に平行であり、傾斜角度が０度である。パルス面傾斜部３０から出力されてビーム径調整光学系４０に入力されるまでのポンプ光パルスのパルス面Ｓ２は、主光線方向に垂直な面に対して傾斜角度γ_２だけ傾斜する。ビーム径調整光学系４０から出力されて光学的作用部５０に入力されるポンプ光パルスのパルス面Ｓ３は、主光線方向に垂直な面に対して傾斜角度γ_３だけ傾斜する。ただし、パルス面Ｓ２の時間範囲Ｔ_２とパルス面Ｓ３の時間範囲Ｔ_３とは互いに等しい。

パルス面Ｓ２の傾斜角度γ_２は、ビーム径変更光学系２０の有無には依らず、ポンプ光パルスの波長およびパルス面傾斜部３０の角分散に依り決まる。パルス面Ｓ２の傾斜角度γ_２からパルス面Ｓ３の傾斜角度γ_３への変化は、ビーム径調整光学系４０によるポンプ光パルスのビーム径の拡大・縮小の率に応じたものとなる。すなわち、光学的作用部５０に入力されるポンプ光パルスのパルス面Ｓ３の傾斜角度γ_３は、ポンプ光パルスの波長，パルス面傾斜部３０の角分散およびビーム径調整光学系４０の拡大縮小率により決定される。一方、光学的作用部５０に入力されるポンプ光パルスのビーム径は、ビーム径変更光学系２０およびビーム径調整光学系４０の全体の拡大縮小率により決定される。

したがって、電磁波発生装置１は、ビーム径変更光学系２０およびビーム径調整光学系４０それぞれによるポンプ光パルスのビーム径の拡大・縮小ならびにパルス面傾斜部３０によるポンプ光パルスのパルス面の傾斜により、光学的作用部５０に入力されるポンプ光パルスのパルス面傾斜角度およびビーム径それぞれを互いに独立に適切な値に設定することができ、光学的作用部５０における位相整合条件および単位面積当りのポンプ光パルスのエネルギーそれぞれを調整することができる。

例えば、ポンプ光パルスの中心波長が８００ｎｍであり、ビーム径変更光学系２０に入力されるポンプ光パルスのビーム径が３ｍｍであるとし、パルス面傾斜部３０として２０００grooves/mmの回折格子を利用する場合を想定する。ビーム径変更光学系２０のビーム径の拡大率を１.０７倍とし、ビーム径調整光学系４０のビーム径の縮小率を０.６２５倍とすると、ビーム径調整光学系４０から出力されるポンプ光パルスのパルス面傾斜角度γ_３を７７°とし、ビーム径を２ｍｍとすることができる。また、ビーム径変更光学系２０のビーム径の拡大率を２.６７倍とし、ビーム径調整光学系４０のビーム径の縮小率を０.６２５倍とすると、ビーム径調整光学系４０から出力されるポンプ光パルスのパルス面傾斜角度γ_３を上記の例と同様に７７°とし、ビーム径を５ｍｍとすることができる。

本実施形態では、パルス面傾斜部３０の種類（例えば、パルス面傾斜部３０として回折格子を用いた場合は回折格子の単位長さ当りの刻線本数など）を変えることなく、パルス面傾斜角度を調整することができる。また、パルス面傾斜部３０として用いられる回折光学素子のうち大きな角度分散を有するもの（すなわち、パルス面の傾斜角度を大きく傾けることができるもの）は一般的に高価で且つ光利用効率が低いが、本実施形態では、角度分散が小さくて光利用効率が高い回折光学素子を用いつつパルス面の傾斜角度を大きくすることができ、かつ調整することができる。

ビーム径変更光学系２０による像はパルス面傾斜部３０に位置するのが好ましい。また、ビーム径調整光学系４０はパルス面傾斜部３０と光学的作用部５０との間に結像関係を有するのが好ましい。このようにすることで、ポンプ光パルスのビーム品質が向上し、光学的作用部５０において高効率に所望の波長の電磁波を発生させることができる。

ビーム径変更光学系２０およびビーム径調整光学系４０それぞれは、像面歪曲等の収差に因る像の歪みを取り去る光学系となっているのが更に好ましく、その為に例えば４ｆ光学系となっているのが好ましい。

また、ビーム径変更光学系２０およびビーム径調整光学系４０それぞれは、上記結像関係における物面と像面との位置関係を保ったまま拡大率・縮小率を任意に変えることができるズームレンズ型光学系となっているのが好ましい。このようにすることで、任意のパルス面傾斜角度とビーム径とを容易に変化させることができる。

（第２実施形態）

図２は、第２実施形態の電磁波発生装置２の構成図である。この図に示される第２実施形態の電磁波発生装置２は、光学的作用部５０においてテラヘルツ波を発生させるものであって、パルス面傾斜部３０として透過型回折格子を用い、また、光学的作用部５０としてテラヘルツ波を発生する非線形光学結晶を用いる。

近年、テラヘルツ波発生技術に関して、通常はテラヘルツ波発生の為の位相整合条件が満たされない光学的作用部を用いた場合であっても、光学的作用部に入力されるポンプ光パルスのパルス面を傾斜させることで位相整合条件を満たすことができることが知られている（非特許文献１〜５）。本技術では光学的作用部としてテラヘルツ波発生用の非線形光学結晶（ニオブ酸リチウム結晶やＺｎＴｅ結晶など）などが用いられる。

従来では、光学的作用部における位相整合条件を合わせるために、パルス面傾斜部によりポンプ光パルスのパルス面が傾斜され、その後にビーム径調整光学系によりポンプ光パルスのビーム径が調整される。しかし、この方法では、光学的作用部（テラヘルツ波発生用の非線形光学結晶）に入力されるポンプ光パルスのパルス面傾斜角度およびビーム径を互いに独立に調整することはできない。

テラヘルツ波発生用の非線形光学結晶には損傷閾値が存在することから、或る閾値以上のエネルギー密度を有するポンプ光パルスが入力されると、テラヘルツ波発生用の非線形光学結晶に損傷が生じたり、意図しない効果が発生してしまったりする可能性がある。また、単位面積あたりのポンプ光パルスのエネルギーが高くなりすぎると、テラヘルツ波への変換効率が低くなり、出力が飽和するという報告がなされている（非特許文献５）。このことから、テラヘルツ波発生用の非線形光学結晶の位相整合条件を合わせるためにポンプ光パルスのパルス面傾斜角度を調整しようとすると、ポンプ光パルスのビーム径を所望値とすることができなくなるのは大きな問題である。

第２実施形態の電磁波発生装置２は、上記のような問題を解消し得るものである。すなわち、第２実施形態の電磁波発生装置２は、ビーム径変更光学系２０およびビーム径調整光学系４０それぞれによるポンプ光パルスのビーム径の拡大・縮小ならびにパルス面傾斜部３０によるポンプ光パルスのパルス面の傾斜により、光学的作用部５０に入力されるポンプ光パルスのパルス面傾斜角度およびビーム径それぞれを互いに独立に適切な値に設定することができ、光学的作用部５０における位相整合条件および単位面積当りのポンプ光パルスのエネルギーそれぞれを調整することができる。そして、光学的作用部５０は、最適な条件でテラヘルツ波を発生することができる。

第２実施形態においても、パルス面傾斜部３０として、前述の透過型回折格子のみでなく、例えば、プリズム，グリズム，反射型回折格子または空間光変調器が用いられ得る。ビーム径変更光学系２０による像はパルス面傾斜部３０に位置するのが好ましい。また、ビーム径調整光学系４０はパルス面傾斜部３０と光学的作用部５０との間に結像関係を有するのが好ましい。ビーム径変更光学系２０およびビーム径調整光学系４０それぞれは、像面歪曲等の収差に因る像の歪みを取り去る光学系となっているのが更に好ましく、その為に例えば４ｆ光学系となっているのが好ましい。

また、ビーム径変更光学系２０およびビーム径調整光学系４０それぞれは、上記結像関係における物面と像面との位置関係を保ったまま拡大率・縮小率を任意に変えることができるズームレンズ型光学系となっているのが好ましい。このようにすることで、任意のパルス面傾斜角度とビーム径とを容易に変化させることができ、光学的作用部５０を損傷させることなく光学的作用部５０における位相整合条件を容易に満たすことができる。

（第３実施形態）

図３は、第３実施形態の電磁波発生装置３の構成図である。この図に示される第３実施形態の電磁波発生装置３は、光学的作用部５０において非同軸光パラメトリック増幅をするものであって、パルス面傾斜部３０としてプリズムを用い、光学的作用部５０として光パラメトリック増幅作用を有する非線形光学結晶を用い、また、被増幅光を出力する被増幅光源６０を更に備える。

非同軸光パラメトリック増幅法を用いた極短パルス光の発生が報告されている（非特許文献６）。この技術では、光学的作用部５０に被増幅光とポンプ光パルスとが互いに非同軸で入力される。この際、光学的作用部５０内において被増幅光およびポンプ光パルスそれぞれのパルス面を互いに一致させるために、パルス面傾斜部３０が利用される。非同軸光パラメトリック増幅法で用いられる光学的作用部５０にも、第２実施形態で説明したような損傷閾値が存在する。第３実施形態の電磁波発生装置３は、ポンプ光パルスによる光学的作用部５０の損傷の問題を解決することができる。

また、非同軸光パラメトリック増幅法において、光学的作用部５０における被増幅光およびポンプ光パルスそれぞれのビーム径は、最も効率よくポンプ光パルスのエネルギーを被増幅光へ移せる大きさとなっていることが望ましい。第３実施形態の電磁波発生装置３は、このような要求にも対応することができる。

第３実施形態の電磁波発生装置３は、ビーム径変更光学系２０およびビーム径調整光学系４０それぞれによるポンプ光パルスのビーム径の拡大・縮小ならびにパルス面傾斜部３０によるポンプ光パルスのパルス面の傾斜により、光学的作用部５０に入力されるポンプ光パルスのパルス面傾斜角度およびビーム径それぞれを互いに独立に適切な値に設定することができ、光学的作用部５０における位相整合条件および単位面積当りのポンプ光パルスのエネルギーそれぞれを調整することができる。そして、光学的作用部５０は、最適な条件でポンプ光パルスと被増幅光とを互いに非同軸として入力し、入力したポンプ光パルスにより励起され、入力した被増幅光を光パラメトリック増幅して出力することができる。

第３実施形態においても、パルス面傾斜部３０として、前述のプリズムのみでなく、例えば、グリズム，反射型回折格子，透過型回折格子または空間光変調器が用いられ得る。ビーム径変更光学系２０による像はパルス面傾斜部３０に位置するのが好ましい。また、ビーム径調整光学系４０はパルス面傾斜部３０と光学的作用部５０との間に結像関係を有するのが好ましい。ビーム径変更光学系２０およびビーム径調整光学系４０それぞれは、像面歪曲等の収差に因る像の歪みを取り去る光学系となっているのが更に好ましく、その為に例えば４ｆ光学系となっているのが好ましい。

また、光学的作用部５０においてポンプ光パルスのパルス面傾斜角度およびビーム径が調整されていることに加えて、被増幅光のパルス面傾斜角度およびビーム径が調整されていてもよい。

１〜３…電磁波発生装置、１０…光源、２０…ビーム径変更光学系、２１，２２…レンズ、３０…パルス面傾斜部、４０…ビーム径調整光学系、４１，４２…レンズ、５０…光学的作用部、６０…被増幅光源。

Claims

ポンプ光パルスを出力する光源と、
前記光源から出力されたポンプ光パルスのビーム径を変更するビーム径変更光学系と、
前記ビーム径変更光学系から出力されたポンプ光パルスのパルス面を傾斜させるパルス面傾斜部と、
前記パルス面傾斜部から出力されたポンプ光パルスのビーム径を調整するビーム径調整光学系と、
前記ビーム径調整光学系から出力されたポンプ光パルスが入力されることで電磁波を発生する光学的作用部と、
を備えることを特徴とする電磁波発生装置。
前記ビーム径変更光学系による像が前記パルス面傾斜部に位置する、
ことを特徴とする請求項１に記載の電磁波発生装置。
前記ビーム径調整光学系が前記パルス面傾斜部と前記光学的作用部との間に結像関係を有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の電磁波発生装置。
前記ビーム径変更光学系および前記ビーム径調整光学系それぞれによるポンプ光パルスのビーム径の拡大・縮小ならびに前記パルス面傾斜部によるポンプ光パルスのパルス面の傾斜により、前記光学的作用部における位相整合条件および単位面積当りのポンプ光パルスのエネルギーそれぞれを調整する、
ことを特徴とする請求項１に記載の電磁波発生装置。
前記光学的作用部が、前記ビーム径調整光学系から出力されたポンプ光パルスを入力して、テラヘルツ波を発生する、
ことを特徴とする請求項１に記載の電磁波発生装置。
前記光学的作用部が、前記ビーム径調整光学系から出力されたポンプ光パルスと被増幅光とを互いに非同軸として入力し、入力したポンプ光パルスにより励起され、入力した被増幅光を光パラメトリック増幅して出力する、
ことを特徴とする請求項１に記載の電磁波発生装置。