JP2014044365A - Pulse front inclined optical system and terahertz wave generator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザパルスのパルスフロントを傾斜させるパルスフロント傾斜光学系、及び、該パルスフロント傾斜光学系を備えるテラヘルツ波発生装置に関するものである。 The present invention relates to a pulse front tilt optical system that tilts a pulse front of a laser pulse, and a terahertz wave generator including the pulse front tilt optical system.
近年、レーザパルスのパルスフロント(パルスの強度のピーク位置をつないだ面)を傾斜させる手法を利用したテラヘルツ波技術が研究されている。レーザパルスを回折格子などの回折素子で回折させると、回折素子入射前には光軸方向に垂直な向きにあったパルスフロントが傾斜し、パルス内の空間位置によって時間差が生じるようになる。 In recent years, a terahertz wave technique using a technique of tilting a pulse front of a laser pulse (a plane connecting peak positions of pulse intensities) has been studied. When a laser pulse is diffracted by a diffraction element such as a diffraction grating, the pulse front that is in a direction perpendicular to the optical axis direction is inclined before the diffraction element is incident, and a time difference is generated depending on the spatial position in the pulse.
テラヘルツ波の一般的な分光法であるテラヘルツ時間領域分光法では、テラヘルツ波とは別のレーザパルス(プローブパルス)を用いてテラヘルツ波を検出する。ここで、プローブパルスは、テラヘルツ波を時間的に切り出す時間窓の役割をし、プローブパルスとテラヘルツ波との相対的時間差を変化させることで、テラヘルツ波を時間分解して測定することが可能となる。 In terahertz time domain spectroscopy, which is a general spectroscopy of terahertz waves, terahertz waves are detected using a laser pulse (probe pulse) different from terahertz waves. Here, the probe pulse serves as a time window for temporally cutting out the terahertz wave, and by changing the relative time difference between the probe pulse and the terahertz wave, it is possible to measure the terahertz wave with time resolution. Become.
従来、テラヘルツ波とプローブパルスとの時間差を変化させる手法として、プローブパルス又はテラヘルツ波を発生させるレーザの光路に遅延光路を配置し、該遅延光路を走査する手法が多く用いられてきた。しかし、この手法は、遅延光路の走査に時間を要するという課題がある。このような課題を解決し得るものとして、プローブパルスのパルスフロントを傾斜させることにより、遅延光路の走査を要することなく、プローブパルスの空間位置によってテラヘルツ波の異なる時間領域を検出する技術が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, as a technique for changing the time difference between a terahertz wave and a probe pulse, a technique of arranging a delayed optical path in the optical path of a laser that generates a probe pulse or a terahertz wave and scanning the delayed optical path has been widely used. However, this method has a problem that it takes time to scan the delay optical path. As a technique that can solve such problems, a technique has been proposed in which the time front of the terahertz wave is detected depending on the spatial position of the probe pulse without tilting the optical path by tilting the pulse front of the probe pulse. (For example, refer to Patent Document 1).
一方、テラヘルツ波技術は、大口径のテラヘルツ波イメージングやテラヘルツ波による非線形現象が期待されている。しかし、従来のテラヘルツ波の発生強度では、それらを行うことが困難であった。このような課題を解決するものとして、近年、回折格子によってパルスフロントを傾斜させる手法を利用した高出力テラヘルツ波発生法が提案されている(例えば、非特許文献1参照)。この手法は、非線形光学効果の一種である差周波混合を用い、2次の非線形光学係数が大きい非線形光学素子(例えば、LiNbO3結晶)に、パルスフロントが傾斜した近赤外レーザパルスを照射して、位相整合条件を満足させることにより、高出力のテラヘルツ波を発生させるものである。 On the other hand, terahertz wave technology is expected to have large-diameter terahertz wave imaging and nonlinear phenomena due to terahertz waves. However, it has been difficult to perform them with the conventional generation intensity of terahertz waves. In order to solve such a problem, a high-power terahertz wave generation method using a technique of tilting the pulse front with a diffraction grating has been recently proposed (for example, see Non-Patent Document 1). This method uses difference frequency mixing, which is a kind of nonlinear optical effect, and irradiates a nonlinear optical element having a large second-order nonlinear optical coefficient (for example, LiNbO 3 crystal) with a near-infrared laser pulse whose pulse front is inclined. Thus, a high-output terahertz wave is generated by satisfying the phase matching condition.
ここで、差周波混合を生じさせるためには、一般に、以下の位相整合条件を満足させる必要がある。 Here, in order to cause difference frequency mixing, it is generally necessary to satisfy the following phase matching conditions.
ところが、通常、LiNbO3結晶は、以下の(2)式を満足する。そのため、差周波混合を生じさせる位相整合条件を満たすことができず、そのままでは高強度のテラヘルツ波を発生させことができない。 However, the LiNbO 3 crystal usually satisfies the following formula (2). Therefore, the phase matching condition that causes the difference frequency mixing cannot be satisfied, and a high-intensity terahertz wave cannot be generated as it is.
そこで、非特許文献1では、近赤外レーザパルスのパルスフロントをθcだけ傾斜させることで、以下の(3)式で示すように位相整合条件を満たし、高出力なテラヘルツ波を発生させることを可能としている。なお、(3)式において、θcは近赤外レーザパルスのパルスフロント傾斜角であり、発生するテラヘルツ波の周波数によって最適な角度は異なる。 Therefore, in Non-Patent Document 1, by tilting the pulse front of the near-infrared laser pulse by θc, the phase matching condition is satisfied and a high-output terahertz wave is generated as shown in the following equation (3). It is possible. In equation (3), θc is the pulse front tilt angle of the near-infrared laser pulse, and the optimum angle varies depending on the frequency of the generated terahertz wave.
図4は、非特許文献1に開示されたテラヘルツ波発生装置の概略構成図である。このテラヘルツ波発生装置では、近赤外レーザパルスを回折格子100で回折させてパルスフロントを傾斜させている。そして、パルスフロントが傾斜した近赤外レーザパルスを反射ミラー101及び1/2波長板102を経てレンズ103によりLiNbO3結晶104に集光させてテラヘルツ波を発生させている。
FIG. 4 is a schematic configuration diagram of the terahertz wave generator disclosed in Non-Patent Document 1. In this terahertz wave generator, the near-infrared laser pulse is diffracted by the diffraction grating 100 to tilt the pulse front. A near-infrared laser pulse having a tilted pulse front is condensed on the LiNbO 3
図4に示す構成において、LiNbO3結晶104に集光される近赤外レーザパルスのパルスフロントの傾斜角は、レンズ103の倍率に依存する。そのため、テラヘルツ波を発生させるには、回折格子100と共にレンズ103の倍率も含めて装置を構築する必要がある。また、近赤外レーザパルスが回折格子100で回折される際、レーザパルスの各波長成分は異なる方向に回折される。そして、回折光の差周波混合によってテラヘルツ波を発生させるためには、差周波混合に関与する近赤外レーザパルスの異なる波長成分が、LiNbO3結晶104内のテラヘルツ波が発生する位置で空間的に重なる必要がある。図4に示す構成においては、近赤外レーザパルスがレンズ103によってLiNbO3結晶104内に集光された際に、集光位置で各波長成分が空間的に重なってテラヘルツ波が発生する。
In the configuration shown in FIG. 4, the tilt angle of the pulse front of the near-infrared laser pulse focused on the LiNbO 3
なお、ここで言う差周波混合とは、周波数の異なる2種のレーザ光を入射して、その差の周波数の光を発生させるものではなく、近赤外レーザパルスの有限な幅を持つ周波数成分の中で差周波混合を行うものである。また、パルスフロントの傾斜には、段差ミラーなどを用いる手法もあるが、この手法では、パルスが断続的に分断されて位相整合条件を広い領域で満たすことができない。そのため、テラヘルツ波の発生には、連続的にパルスフロントが傾斜する回折素子を用いた手法が適している。 Note that the difference frequency mixing here does not mean that two types of laser beams having different frequencies are incident to generate light of the difference frequency, but a frequency component having a finite width of a near-infrared laser pulse. In the above, difference frequency mixing is performed. In addition, there is a method of using a step mirror for the inclination of the pulse front. However, in this method, the pulse is intermittently divided and the phase matching condition cannot be satisfied in a wide region. Therefore, for the generation of terahertz waves, a technique using a diffraction element whose pulse front is continuously inclined is suitable.
しかしながら、特許文献1や非特許文献1に開示のパルスフロントの傾斜方法では、回折素子によりレーザパルスが回折された際、レーザパルスの各波長成分が異なる角度に回折されるため、その後、各波長成分の伝播方向が一致する、つまり平行光となることはない。図4に示したテラヘルツ波発生装置では、回折格子100で回折された近赤外レーザ光をLiNbO3結晶104内で集光させるようにしている。そのため、差周波混合に関わる各波長成分が空間的に重なるのは、集光位置のみとなり、光軸方向において集光点から離れた位置では、各波長成分が空間的に乖離し、差周波混合の効率が低下することになる。すなわち、図4の構成では、パルスフロントを傾斜させる手法を活用して非線形光学係数が大きいLiNbO3結晶104を用いてテラヘルツ波の発生効率を高めているにも関わらず、その効果を発揮できる領域が限定されている。
However, in the pulse front tilt method disclosed in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1, when the laser pulse is diffracted by the diffraction element, each wavelength component of the laser pulse is diffracted at different angles. The propagation directions of the components do not coincide, that is, they do not become parallel light. In the terahertz wave generator shown in FIG. 4, the near-infrared laser light diffracted by the diffraction grating 100 is condensed in the LiNbO 3
したがって、かかる観点に鑑みてなされた本発明の目的は、レーザパルスのパルスフロントを連続的に傾斜させて、レーザパルスをほぼ平行光として伝播できるパルスフロント傾斜光学系を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention made in view of such a viewpoint is to provide a pulse front tilt optical system capable of continuously tilting the pulse front of a laser pulse and propagating the laser pulse as substantially parallel light.
さらに、本発明の他の目的は、上記のパルスフロント傾斜光学系を備え、非線形光学結晶の広い領域で高効率にテラヘルツ波を発生可能なテラヘルツ波発生装置を提供することにある。 Furthermore, another object of the present invention is to provide a terahertz wave generator that includes the above-described pulse front tilt optical system and can generate a terahertz wave with high efficiency in a wide area of a nonlinear optical crystal.
上記目的を達成する本発明に係るパルスフロント傾斜光学系は、パルス状の電磁波のパルスフロントを傾斜させるパルスフロント傾斜光学系であって、
前記電磁波を回折する第1の回折素子と、
該第1の回折素子により回折された前記電磁波を伝播する伝播光学系と、
前記第1の回折素子とは異なる分散特性を有し、前記伝播光学系により伝播された前記電磁波を回折する第2の回折素子と、を備え、
前記第2の回折素子により回折された前記電磁波がほぼ平行光となるように構成されている、
ことを特徴とするものである。
The pulse front tilt optical system according to the present invention that achieves the above object is a pulse front tilt optical system that tilts the pulse front of a pulsed electromagnetic wave,
A first diffraction element that diffracts the electromagnetic wave;
A propagation optical system for propagating the electromagnetic wave diffracted by the first diffraction element;
A second diffraction element having a dispersion characteristic different from that of the first diffraction element and diffracting the electromagnetic wave propagated by the propagation optical system,
The electromagnetic wave diffracted by the second diffraction element is configured to be substantially parallel light,
It is characterized by this.
本発明によれば、パルス状の電磁波が第1の回折素子1によって回折されると、電磁波のパルスフロントは、回折される前と比べて傾斜する。そして、第1の回折素子で回折された電磁波は、伝播光学系を経て第2の回折素子で回折された際に、再びパルスフロントが傾斜される。また、第1の回折素子で回折された際に発散光となった電磁波は、伝播光学系及び第2の回折素子を経た後にほぼ平行光となる。これにより、第1の回折素子に入射したパルス状の電磁波を、第2の回折素子からパルスフロントが傾斜し、且つ、ほぼ平行光の電磁波として射出させることが可能となる。 According to the present invention, when a pulsed electromagnetic wave is diffracted by the first diffraction element 1, the pulse front of the electromagnetic wave is inclined as compared with that before being diffracted. When the electromagnetic wave diffracted by the first diffraction element is diffracted by the second diffraction element via the propagation optical system, the pulse front is inclined again. Further, the electromagnetic wave that becomes divergent light when diffracted by the first diffraction element becomes substantially parallel light after passing through the propagation optical system and the second diffraction element. As a result, the pulsed electromagnetic wave incident on the first diffractive element can be emitted from the second diffractive element as a substantially parallel light electromagnetic wave with the pulse front inclined.
上記発明において、前記第2の回折素子で回折された前記電磁波の光束径を調整する光束径調整光学系を更に備えてもよい。 In the above invention, a light beam diameter adjusting optical system for adjusting a light beam diameter of the electromagnetic wave diffracted by the second diffraction element may be further provided.
このように、光束径調整光学系によって電磁波の光束径を調整することにより、電磁波のパルスフロントの傾斜角も変化させることが可能となる。 Thus, by adjusting the beam diameter of the electromagnetic wave with the beam diameter adjusting optical system, the tilt angle of the pulse front of the electromagnetic wave can be changed.
更に、上記他の目的を達成する本発明に係るテラヘルツ波発生装置は、
請求項1又は2に記載のパルスフロント傾斜光学系と、
該パルスフロント傾斜光学系を経た前記電磁波の照射によりテラヘルツ波を発生する非線形光学素子と、を備え、
前記パルスフロント傾斜光学系は、前記電磁波が前記非線形光学素子内で非線形光学効果によって前記テラヘルツ波を発生させる位相整合条件を満たすように、前記非線形光学素子内での前記電磁波のパルスフロントを傾斜させる、
ことを特徴とするものである。
Furthermore, the terahertz wave generator according to the present invention that achieves the above-described other object is as follows.
The pulse front tilt optical system according to claim 1 or 2,
A non-linear optical element that generates a terahertz wave by irradiation of the electromagnetic wave through the pulse front tilt optical system,
The pulse front tilt optical system tilts the pulse front of the electromagnetic wave in the nonlinear optical element so that the electromagnetic wave satisfies a phase matching condition for generating the terahertz wave by a nonlinear optical effect in the nonlinear optical element. ,
It is characterized by this.
本発明によれば、パルスフロントが傾斜した電磁波を非線形光学素子に入射させることにより、上記(2)式の位相整合条件を満たし、テラヘルツ波を発生させることが可能となる。また、非線形光学素子に入射されるパルスフロントが傾斜した電磁波は、ほぼ平行光であるため、非線形光学素子内のどの位置においても高効率で差周波混合を行うことが可能となる。これにより、高出力なテラヘルツ波を発生させることが可能となる。 According to the present invention, it is possible to generate a terahertz wave by satisfying the phase matching condition of the above equation (2) by causing an electromagnetic wave having a tilted pulse front to enter the nonlinear optical element. In addition, since the electromagnetic wave having a tilted pulse front incident on the nonlinear optical element is substantially parallel light, it is possible to perform difference frequency mixing with high efficiency at any position in the nonlinear optical element. This makes it possible to generate a high-power terahertz wave.
上記発明において、前記非線形光学素子は、LiNbO3結晶又はLiTaO3結晶であってもよい。 In the above invention, the nonlinear optical element may be a LiNbO 3 crystal or a LiTaO 3 crystal.
このように、非線形光学素子として、LiNbO3結晶又はLiTaO3結晶を用いれば、これらの結晶は2次の非線形光学係数が大きいので、非常に高出力なテラヘルツ波を発生させることが可能となる。 As described above, when a LiNbO 3 crystal or a LiTaO 3 crystal is used as the nonlinear optical element, these crystals have a large second-order nonlinear optical coefficient, so that it is possible to generate a terahertz wave with a very high output.
上記発明において、前記電磁波は、近赤外光であってもよい。 In the above invention, the electromagnetic wave may be near infrared light.
このように、電磁波として近赤外光を用いることで、電磁波源としてフェムト秒パルス光源としてよく用いられるチタンサファイアレーザを使用することが可能となる。また、チタンサファイアレーザを使用してテラヘルツ波の検出を行うテラヘルツ波時間領域分光法に本発明を適用する場合、テラヘルツ波検出とテラヘルツ波発生とで同一の光源を用いることができ、光源を節約することが可能となる。 Thus, by using near infrared light as the electromagnetic wave, a titanium sapphire laser often used as a femtosecond pulse light source can be used as the electromagnetic wave source. In addition, when the present invention is applied to terahertz wave time domain spectroscopy using a titanium sapphire laser to detect terahertz waves, the same light source can be used for terahertz wave detection and terahertz wave generation, thus saving the light source. It becomes possible to do.
上記発明において、前記非線形光学素子は、前記テラヘルツ波の発生に寄与する前記電磁波の伝播方向における領域の長さが、前記電磁波のパルスフロントの伝播方向における長さよりも長くてもよい。 In the above invention, in the nonlinear optical element, the length of the region in the propagation direction of the electromagnetic wave that contributes to the generation of the terahertz wave may be longer than the length in the propagation direction of the pulse front of the electromagnetic wave.
これにより、非線形光学素子内の電磁波の伝播方向のより広い領域で、高効率に高出力なテラヘルツ波を発生させることが可能となる。 Accordingly, it is possible to generate a terahertz wave with high efficiency and high efficiency in a wider region in the propagation direction of the electromagnetic wave in the nonlinear optical element.
本発明によれば、レーザパルスのパルスフロントを連続的に傾斜させて、レーザパルスをほぼ平行光として伝播できるパルスフロント傾斜光学系を提供することできる。また、本発明によれば、非線形光学結晶の広い領域で高効率にテラヘルツ波を発生可能なテラヘルツ波発生装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the pulse front inclination optical system which can incline the pulse front of a laser pulse continuously and can propagate a laser pulse as substantially parallel light can be provided. Further, according to the present invention, it is possible to provide a terahertz wave generating device that can generate a terahertz wave with high efficiency in a wide region of a nonlinear optical crystal.
以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1実施の形態)
図1は、本発明の第1実施の形態に係るテラヘルツ波発生装置の概略構成図である。このテラヘルツ波発生装置は、近赤外フェムト秒パルス光源10、パルスフロント傾斜光学系20及び非線形光学素子30を備える。近赤外フェムト秒パルス光源10は、パルス電磁波源を構成するもので、例えば近赤外光を射出するチタンサファイアレーザやファイバーレーザが使用される。
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a terahertz wave generator according to a first embodiment of the present invention. The terahertz wave generator includes a near-infrared femtosecond
パルスフロント傾斜光学系20は、近赤外フェムト秒パルス光源10からの電磁波のパルスフロントを傾斜させるもので、第1の回折格子11と、レンズ12及び13と、第2の回折格子14と、1/2波長板15と、ビームエキスパンダ16とを備える。ここで、第1の回折格子11は、第1の回折素子を構成する。レンズ12及び13は、伝播光学系を構成する。第2の回折格子14は、第2の回折素子を構成し、第1の回折格子11と分散特性が異なる。なお、本実施の形態において、第1の回折格子11及び第2の回折格子14は、反射型で構成されている。ビームエキスパンダ16は、光束径調整光学系を構成する。非線形光学素子30は、LiNbO3結晶又はLiTaO3結晶からなる。
The pulse front tilt
図1において、近赤外フェムト秒パルス光源10から射出されたフェムト秒パルスの近赤外パルスレーザ光は、第1の回折格子11に入射して回折される。この際、第1の回折格子11に入射される前の近赤外レーザパルス光のパルスフロントPaは、近赤外レーザパルス光の伝播方向に対して垂直となっている。しかし、回折後、近赤外レーザパルス光のパルスフロントPbは、その向きが垂直ではなくなり、傾斜する。また、第1の回折格子11の回折角は、波長によって異なるため、近赤外レーザパルス光に含まれる各波長成分は異なる方向に回折されて、結果として第1の回折格子11で回折された近赤外レーザパルス光は発散光となる。
In FIG. 1, a near-infrared pulse laser beam of a femtosecond pulse emitted from a near-infrared femtosecond
第1の回折格子11で回折された近赤外レーザパルス光は、レンズ12及びレンズ13を介して第2の回折格子14の回折面に結像される。この際、レンズ12及びレンズ13は、テレセントリック光学系となっており、第2の回折格子14に結像される近赤外レーザパルス光の伝播方向が各像高で互いに平行となる。
The near-infrared laser pulse light diffracted by the first diffraction grating 11 is imaged on the diffraction surface of the
第1の回折格子11及び第2の回折格子14は、回折面が光学的に共役となるように配置される。すなわち、第1の回折格子11の回折面が結像される結像面は、第1の回折格子11の回折角と、レンズ12及びレンズ13の合成倍率とによって傾斜され(シャイン・プルーフの原理)、その結像面と第2の回折格子14の回折面が一致するように配置される。また、レンズ12及びレンズ13を経て第2の回折格子14に入射する近赤外レーザパルス光のパルスフロントPcは、第1の回折格子11で回折された際のパルスフロントPbよりも、レンズ12及びレンズ13の合成倍率によって、傾斜角が更に変化する。
The first diffraction grating 11 and the
ここで、第2の回折格子14は、第1の回折格子11と分散特性、つまり刻線数が異なる。また、第1の回折格子11の刻線数、第1の回折格子11への近赤外レーザパルス光の入射角、レンズ12及びレンズ13の合成倍率、第2の回折格子14の刻線数は、第2の回折格子14で回折された近赤外レーザパルス光の全ての波長の回折角が、ほぼ等しくなるように設定される。これにより、第2の回折格子14で回折された後の近赤外レーザパルス光は、ほぼ平行光となる。また、第2の回折格子14で回折された後の近赤外レーザパルス光のパルスフロントPdは、伝播方向に対して垂直ではなく、ある角度で傾斜した状態となる。すなわち、近赤外フェムト秒パルス光源10からの伝播方向に対して垂直なパルスフロントPaの近赤外レーザパルス光は、第1の回折格子11、レンズ12及びレンズ13、第2の回折格子14により、伝播方向に対して傾斜したパルスフロントPdを有し、且つ、ほぼ平行光の近赤外レーザパルス光に変換される。
Here, the
第2の回折格子14で回折された近赤外レーザパルス光は、1/2波長板15及びビームエキスパンダ16を経て非線形光学素子30に入射される。これにより、非線形光学素子30からパルス状のテラヘルツ波が発生される。ここで、1/2波長板15は、近赤外レーザパルス光の偏光方向を、非線形光学素子30において差周波混合によりテラヘルツ波が発生するために最適な偏光状態となるように調整する。また、ビームエキスパンダ16は、近赤外レーザパルス光の光束径を変更し、それに伴ってパルスフロントPdをパルスフロントPeのように傾斜角を変化させる。
The near-infrared laser pulse light diffracted by the
このようにして、上記(3)式の位相整合条件を満足するように、近赤外レーザパルス光のパルスフロントの傾斜角を整えることで、非線形光学素子30内で効率良くテラヘルツ波を発生させて、非線形光学素子30からテラヘルツ波パルスTpを射出することができる。なお、第2の回折格子14で回折された近赤外レーザパルス光のパルスフロントPdが、位相整合条件を満足する角度に傾斜している場合、ビームエキスパンダ16は不要である。また、ビームエキスパンダ16は、ビーム径を拡大するだけではなく、ビーム径を縮小するためにも使用され、倍率を可変とすることで任意の角度にパルスフロントの傾斜角を調整することが可能となる。
In this way, by adjusting the tilt angle of the pulse front of the near-infrared laser pulse light so as to satisfy the phase matching condition of the above expression (3), a terahertz wave can be efficiently generated in the nonlinear
なお、非線形光学素子30内の近赤外レーザパルス光のパルスフロントPfは、非線形光学素子30への入射前のパルスフロントPeに対して、非線形光学素子30の屈折率によって傾斜角が変化する。そのため、非線形光学素子30の屈折率も考慮して、各光学素子の条件を設定する。また、図1では、非線形光学素子30が、上記(3)式のパルスフロント傾斜角θcを成すように、断面が台形状にカットされている。これは、テラヘルツ波の出射面がテラヘルツ波の伝播方向に対して垂直となるようにするためであり、他の角度でカットされていても良く、非線形光学素子30の形状は台形状に限らない。
Note that the tilt angle of the pulse front Pf of the near-infrared laser pulsed light in the nonlinear
本実施の形態に係るテラヘルツ波発生装置では、分散特性の異なる第1の回折格子11及び第2の回折格子14を用いて、近赤外レーザパルス光を、ほぼ平行光の状態でパルスフロントを傾斜させて非線形光学素子30に入射させている。したがって、従来のように光軸方向でテラヘルツ波が発生する領域が限定されることは無く、非線形光学素子30の任意の位置において高い効率でテラヘルツ波を発生させることが可能となる。また、回折格子の結像面位置に非線形光学素子30を配置する必要がなく、非線形光学素子30を光軸方向の任意の位置に配置することができるので、構成の自由度が拡がり、アライメントが簡便になるという利点もある。
In the terahertz wave generator according to the present embodiment, the near-infrared laser pulse light is transmitted in a substantially parallel light state using the first diffraction grating 11 and the
なお、図1に示した構成において、第1の回折格子11の刻線数、第1の回折格子11への近赤外レーザパルス光の入射角、レンズ12及びレンズ13の合成倍率、第2の回折格子14の刻線数、ビームエキスパンダ16の倍率は、適宜設定する必要があり、幾通りもの組み合わせが可能である。その中で、第1の回折格子11及び/又は第2の回折格子14をリトロー配置として、第1の回折格子11及び/又は第2の回折格子14の回折効率を高めたり、ビームエキスパンダ16により非線形光学素子30に入射する近赤外レーザパルス光のビーム径を小さくして、光密度を大きくしたりする等の条件を選ぶことで、テラヘルツ波の発生効率を高めることができる。
In the configuration shown in FIG. 1, the number of engravings of the first diffraction grating 11, the incident angle of the near-infrared laser pulse light to the first diffraction grating 11, the combined magnification of the
また、図1に示した構成では、レンズ12及びレンズ13の2枚のレンズを用いて、第1の回折格子11で回折された近赤外レーザパルス光を、第2の回折格子14の回折面に結像させるようにしている。しかし、伝播光学系を構成するレンズは、2枚に限らず、更にレンズ枚数を増やすことで収差をより改善することにより、第2の回折格子14で回折された光の平行度を高めることも可能である。
Further, in the configuration shown in FIG. 1, the near-infrared laser pulse light diffracted by the first diffraction grating 11 is diffracted by the
(第2実施の形態)
図2は、本発明の第2実施の形態に係るテラヘルツ波発生装置の概略構成図である。このテラヘルツ波発生装置は、第1実施の形態に係るテラヘルツ波発生装置において、反射型の第1の回折格子11及び第2の回折格子14に代えて、透過型の第1の回折格子18及び第2の回折格子19を用いたものである。その他の構成は、図1と同様であるので、図1と同一素子には同一の参照番号を付して説明を省略する。
(Second Embodiment)
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the terahertz wave generation device according to the second embodiment of the present invention. This terahertz wave generating device is the same as the terahertz wave generating device according to the first embodiment, but instead of the reflective first diffraction grating 11 and the
本実施の形態によると、第1実施の形態と同様の効果が得られる他、特に、レンズ12として焦点距離が短いものを用いても、第1の回折格子18に入射する近赤外レーザパルス光がレンズ12で遮られることがなくなるなど、光学系の構成の自由度が拡がる利点がある。
According to the present embodiment, the same effects as those of the first embodiment can be obtained. In particular, even when a
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形又は変更が可能である。例えば、第1の回折格子及び第2の回折格子は、一方が反射型、他方が透過型としてもよい。また、第1の回折素子及び第2の回折素子は、回折格子に限らず、プリズムやグリズム等の他の分散素子としてもよい。 In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various deformation | transformation or change is possible in the range which does not deviate from the meaning of invention. For example, one of the first diffraction grating and the second diffraction grating may be a reflection type and the other may be a transmission type. Further, the first diffractive element and the second diffractive element are not limited to the diffraction grating, and may be other dispersive elements such as a prism and a grism.
非線形光学素子は、図1及び図2に示したような断面が台形状に限らず、図3に示すような形状としてもよい。図3に示す非線形光学素子31は、近赤外レーザパルス光の光軸方向(伝播方向)に長く伸びた形状からなる。つまり、テラヘルツ波の発生に寄与する近赤外レーザパルス光の伝播方向における領域Rの長さが、近赤外レーザパルス光の伝播方向におけるパルスフロントPfの長さよりも長い形状からなる。また、非線形光学素子31のテラヘルツ波射出端面には、例えばシリコンプリズム32が接合されている。
The non-linear optical element has a cross section as shown in FIGS. 1 and 2 that is not limited to a trapezoidal shape but may have a shape as shown in FIG. The nonlinear
図4のテラヘルツ波発生装置では、LiNbO3結晶104内において、回折格子100の回折面の結像面位置付近でのみテラヘルツ波の発生効率が高く、そこから離れた位置ではテラヘルツ波の発生効率が低くなる。仮に回折格子100の回折面の結像面の傾斜角とパルスフロントの傾斜角が等しいとすると、LiNbO3結晶104内で効率良くテラヘルツ波が発生する領域は、近赤外レーザパルス光の伝播方向におけるパルスフロントの長さ程度となり、それ以上に長い結晶を利用した場合には、結晶によるテラヘルツ波の吸収などで逆にテラヘルツ波の発生効率が低くなってしまう。しかし、図3に示した構成によると、非線形光学素子31内を近赤外レーザパルス光が伝播する全ての領域Rにおいてテラヘルツ波が発生するので、近赤外レーザパルス光の伝播方向に広い領域でテラヘルツ波を発生させることができる。また、シリコンプリズム32によって、上記(3)式の位相整合条件に従って非線形光学素子31内で特定の角度に発生したテラヘルツ波が、非線形光学素子31の端面で全反射されるのを防ぐことができる。加えて、シリコンプリズム32中でのテラヘルツ波の伝播方向(図3のZ方向)に垂直な向き(図3のX−Y平面)にプリズムをカットすることで、シリコンプリズム32の端面から垂直にテラヘルツ波パルスTpを発生させることができ、アライメントを簡単にすることができる。
In the terahertz wave generation device of FIG. 4, in the LiNbO 3 crystal 104, the generation efficiency of the terahertz wave is high only near the image plane position of the diffraction surface of the
また、非線形光学素子31は、テラヘルツ波が射出する端面を近赤外レーザパルス光の光軸(伝播方向)と平行にすることによって、テラヘルツ波の非線形光学素子31内での伝播距離を一部の領域で均一にすることができる。これにより、伝播距離が均一な領域から発生するテラヘルツ波(図3のX1〜X2で発生するテラヘルツ波)については、非線形光学素子31内でのテラヘルツ波の吸収量が均一となり、結果として非線形光学素子31から射出するテラヘルツ波の空間分布が均一となるという利点がある。
Further, the nonlinear
なお、シリコンプリズム32は、他の材料で構成されていても良く、また、形状も任意にできる。また、非線形光学素子31は、テラヘルツ波が発生する側の端面を近赤外レーザパルス光の光軸と平行とせず、特定の角度でカットすることにより、シリコンプリズム32を省略して非線形光学素子31からテラヘルツ波パルスを射出させることもできる。その他にも、非線形光学素子31は、種々の形状が可能である。また、非線形光学素子31やシリコンプリズム32は、コーティングや反射防止構造の採用によって、テラヘルツ波の入射端面でのフレネル反射を軽減したり、差周波混合の位相不整合や光密度を考慮して非線形光学素子31に入射する近赤外レーザパルス光の光束径を最適化したりするなどして、非線形光学素子31から射出されるテラヘルツ波の高出力化を図ることも可能である。
In addition, the
なお、非線形光学素子31内を伝播する近赤外レーザパルス光は、伝播する際に近赤外レーザパルス光のチャープによって徐々にテラヘルツ波の発生効率が低下する。そのため、非線形光学素子31の近赤外レーザパルス光の伝播方向の長さは、テラヘルツ波の発生効率を考慮して適度な長さとするのが望ましい。
The near-infrared laser pulse light propagating in the nonlinear
また、上記実施の形態において、伝播光学系を構成するレンズ12及びレンズ13は、シリンドリカルレンズとすることもでき、これにより図3のY方向にもテラヘルツ波パルスTpの光束を拡げることも可能である。
Further, in the above embodiment, the
10 近赤外フェムト秒パルス光源
11,18 第1の回折格子
12,13 レンズ
14,19 第2の回折格子
15 1/2波長板
16 ビームエキスパンダ
20 パルスフロント傾斜光学系
30,31 非線形光学素子
32 シリコンプリズム
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記電磁波を回折する第1の回折素子と、
該第1の回折素子により回折された前記電磁波を伝播する伝播光学系と、
前記第1の回折素子とは異なる分散特性を有し、前記伝播光学系により伝播された前記電磁波を回折する第2の回折素子と、を備え、
前記第2の回折素子により回折された前記電磁波がほぼ平行光となるように構成されている、
ことを特徴とするパルスフロント傾斜光学系。 A pulse front tilt optical system for tilting a pulse front of a pulsed electromagnetic wave,
A first diffraction element that diffracts the electromagnetic wave;
A propagation optical system for propagating the electromagnetic wave diffracted by the first diffraction element;
A second diffraction element having a dispersion characteristic different from that of the first diffraction element and diffracting the electromagnetic wave propagated by the propagation optical system,
The electromagnetic wave diffracted by the second diffraction element is configured to be substantially parallel light,
A pulse front tilt optical system.
該パルスフロント傾斜光学系を経た前記電磁波の照射によりテラヘルツ波を発生する非線形光学素子と、を備え、
前記パルスフロント傾斜光学系は、前記電磁波が前記非線形光学素子内で非線形光学効果によって前記テラヘルツ波を発生させる位相整合条件を満たすように、前記非線形光学素子内での前記電磁波のパルスフロントを傾斜させる、
ことを特徴とするテラヘルツ波発生装置。 The pulse front tilt optical system according to claim 1 or 2,
A non-linear optical element that generates a terahertz wave by irradiation of the electromagnetic wave through the pulse front tilt optical system,
The pulse front tilt optical system tilts the pulse front of the electromagnetic wave in the nonlinear optical element so that the electromagnetic wave satisfies a phase matching condition for generating the terahertz wave by a nonlinear optical effect in the nonlinear optical element. ,
The terahertz wave generator characterized by the above-mentioned.
6. The nonlinear optical element according to claim 3, wherein a length of a region in a propagation direction of the electromagnetic wave contributing to generation of the terahertz wave is longer than a length in a propagation direction of a pulse front of the electromagnetic wave. The terahertz wave generator according to any one of the above.
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