JP2014149470A - チャープ制御方法及びチャープ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】テラヘルツパルス波のチャープを制御することができるチャープ制御方法及びチャープ制御装置を提供する。
【解決手段】入力されたパルス光のパルス幅を拡張したパルス幅拡張パルス光を干渉させ周期的な強度変調を有する強度変調パルス光を生成し、前記強度変調パルス光をテラヘルツ波生成部に照射して生成されるテラヘルツパルス波のチャープを制御するチャープ制御方法において、前記パルス幅拡張パルス光は位相の変化量Φ（ω）が上記（１）式によって表される拡張部によって生成され、上記（２）式で表される前記テラヘルツパルス波のチャープを制御することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、チャープ制御方法及びチャープ制御装置に関し、特にテラヘルツパルス波におけるチャープの制御に関するものである。

テラヘルツパルス波の生成方法としては、チャープを付加したレーザーパルス光の干渉による波長可変狭帯域テラヘルツパルス生成方法が開示されている（例えば、非特許文献１）。ここでチャープとは、パルス波の周波数が時間的に変化する現象である。付加されたチャープが線形であり、時間と共に増加する場合を正のチャープ、減少する場合を負のチャープと呼ぶ。

レーザーパルス光が線形チャープのみを有する場合は、生成するテラヘルツパルス波はチャープを有しないフーリエ限界パルスとなる。一方、レーザーパルス光が非線形チャープを有する場合は、生成するテラヘルツパルス波にチャープが生じ、線幅の増大と強度の低下を引き起こすことが指摘されている。

A.S.Weling andD.H.Auston, J. Opt, Sco. Am. B 13, 2783(1996)

しかしながら従来のテラヘルツパルス波の生成方法では、生成されたテラヘルツパルス波のチャープを制御することができない、という問題があった。
そこで本発明は、テラヘルツパルス波のチャープを制御することができるチャープ制御方法及びチャープ制御装置を提供することを目的とする。

本発明係るチャープ制御方法は、入力されたパルス光のパルス幅を拡張したパルス幅拡張パルス光を干渉させ周期的な強度変調を有する強度変調パルス光を生成し、前記強度変調パルス光をテラヘルツ波生成部に照射して生成されるテラヘルツパルス波のチャープを制御するチャープ制御方法において、前記パルス幅拡張パルス光は位相の変化量Φ（ω）が（５）式

によって表される拡張部によって生成され、（６）式

で表される前記テラヘルツパルス波のチャープを制御することを特徴とする。

本発明によれば、位相の変化量Φ（ω）が（５）式で表される拡張部を用いることにより、テラヘルツパルス波に所望のチャープを付加したり、又はチャープを取り除くことができる。

テラヘルツパルス波の生成装置を示す構成図である。 変形例に係る拡張部の構成を示す模式図である。 変形例に係る拡張部を用いて生成されたテラヘルツパルス波の波形である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態に係るチャープ制御方法ついて詳細に説明する。

（全体構成）
図１に示す生成装置１は、光源２と、拡張部３Ａと、干渉計４と、テラヘルツ波生成部５とを備える。生成装置１は、光源２から出射されたパルス光Ｐ１からテラヘルツパルス波Ｐ４を生成し得る。

光源２には、例えばレーザーやキセノンランプを用いることができる。本実施形態の場合、光源２にレーザーを用い、パルス光Ｐ１は中心周波数ω_０、時間幅σのガウシアンパルスとする。パルス光Ｐ１の電場Ｅ_ｉｎ（ｔ）は（７）式

によって表される。ここでＥ_０は電場振幅、ｔは時間である。パルス光Ｐ１は、ビームスプリッタ６を透過して拡張部３Ａに入射する。

拡張部３Ａは、回折格子対１０，１１と反射鏡１２とを有し、入射したパルス光Ｐ１のパルス幅を拡張したパルス幅拡張パルス光Ｐ２を出射する。当該拡張部３Ａは、位相の変化量Φ（ω）が（８）式

によって表される。ここでωはパルス幅拡張パルス光Ｐ２の中心周波数、τ_０は群遅延、μは周波数掃引レート、βは３次位相変調である。本実施形態の場合、上記（８）式において１次〜３次の項で表現される点が特徴的部分である。

回折格子対１０，１１は所定距離ｂだけ離れた状態で表面が平行になるように配置されている。なお図中ｄは格子定数、γはパルス光Ｐ１の入射角度を表す。反射鏡１２は、当該反射鏡１２により反射された光が回折格子対１０，１１に入射したときとまったく同じ空間を逆に伝播し得るように配置されている。

ビームスプリッタ６を透過したパルス光Ｐ１は、一方の回折格子１０に入射する。パルス光Ｐ１の内の異なった周波数成分は、回折格子１０において異なった方向に回折され、他方の回折格子１１によりさらに回折される。回折されたパルス光Ｐ１は、反射鏡１２で反射され、入射したときとまったく同じ空間を逆に伝播する。そうするとパルス光Ｐ１中の波長成分の内、長波長の光が先に進み、短波長の光が遅れる。この結果、先頭部分に長波長の光、最後尾部分に短波長の光となり、パルス幅は時間的に引き伸ばされる。このようにして拡張部３Ａは、パルス幅が広がったパルス幅拡張パルス光Ｐ２を出射する。パルス幅拡張パルス光Ｐ２の電場Ｅ_ｏｕｔ（ｔ）は（９）式

によって表される。ここでａは（１０）式

Φ_０は位相オフセットである。パルス幅拡張パルス光Ｐ２は、ビームスプリッタ６に反射され、干渉計４に入射する。

干渉計４は、ビームスプリッタ１３と、移動反射鏡１４と、固定反射鏡１５とを有する。干渉計４は、入射したパルス幅拡張パルス光Ｐ２を強度変調パルス光Ｐ３に変換して出射する。ビームスプリッタ１３は、入射した光を透過光Ｐ２Ａと反射光Ｐ２Ｂとに分ける。透過光Ｐ２Ａは固定反射鏡１５で反射し再びビームスプリッタ１３で反射した後に出射する。反射光Ｐ２Ｂは移動反射鏡１４で反射してビームスプリッタ１３を透過して出射する。このようにして干渉計４は、二つの異なる経路を経た透過光Ｐ２Ａと反射光Ｐ２Ｂとを出口で重ねることにより、強度が周期的に変調された強度変調パルス光Ｐ３を出射することができる。強度変調パルス光Ｐ３の強度Ｉ_{ｔｏｔａｌ}（ｔ）は（１１）式

によって表される。強度変調パルス光Ｐ３は、テラヘルツ波生成部５に入射する。

テラヘルツ波生成部５は、光伝導アンテナを用いることができる。光伝導アンテナは、図示しないが光伝導膜と当該光伝導膜上に形成された１対の電極とを有する。１対の電極間にはバイアス電圧が印加されている。１対の電極間に強度変調パルス光Ｐ３が入射すると、瞬間的にキャリアが生成される。これにより光伝導アンテナは、光電流を誘起し、その急激な電流の立ち上がりによりテラヘルツパルス波Ｐ４を生成する。テラヘルツパルス波Ｐ４の電場Ｅ_ＴＨｚ（ｔ）は（１１）式の時間微分に相当し、（１２）式

によって表される。ここでω_Ｔは中心周波数（μτ）である。第１項と第２項は、テラヘルツパルス波Ｐ４の低周波部分に対応するので無視する。第３項はテラヘルツパルス波Ｐ４の狭帯域に対応する。したがってテラヘルツパルス波Ｐ４の電場Ｅ_ＴＨｚ（ｔ）は、（１３）式

によって表すことができる。

（作用及び効果）
本実施形態に係るチャープ制御方法は、位相の変化量Φ（ω）が（８）式で表される拡張部３Ａを用いることとした。これにより、拡張部３Ａから出射されたパルス幅拡張パルス光Ｐ２は、（９）式に示すように非線形のチャープを有する。

これにより当該パルス幅拡張パルス光Ｐ２を干渉計４で重ね合わさせて得られた強度変調パルス光Ｐ３は、（１１）式に示すように周波数が一定ではなく徐々に変化する。したがって、当該強度変調パルス光Ｐ３をテラヘルツ波生成部５に入射することにより得られるテラヘルツパルス波Ｐ４は、（１３）式に示すようにチャープが付加される。

（１３）式において、振動はｃｏｓ（θ＋ω_Ｔｔ＋３μ^２βω_Ｔｔ^２）の項で表される。本項から明らかなように、位相はｔで１階微分した場合、ω_Ｔ＋６μ^２βω_Ｔｔとなる。したがって、テラヘルツパルス波Ｐ４のある瞬間の周波数は、時間ｔに比例する。すなわちチャープ制御方法は、時間ｔに比例するチャープが付加されたテラヘルツパルス波Ｐ４を得ることができる（図１）。ここで６μ^２βω_Ｔｔは周波数掃引レートと呼ぶ。

図１に示すテラヘルツパルス波Ｐ４の波形は、横軸がテラヘルツパルス波Ｐ４の進行方向の変位ｚ、縦軸が電場Ｅ_ＴＨｚを示したグラフに表されている。本グラフからテラヘルツパルス波Ｐ４は、周波数が時間と共に増加していることが分かる。このように本実施形態に係るテラヘルツパルス波Ｐ４は、拡張部３Ａとして回折格子対１０，１１を用いることにより、正のチャープが付加される。
チャープ量はμ^２βにより制御することができる。μは（１４）式

βは（１５）式

で表すことができる。ここでｃは光速である。

上記のように本実施形態に係るチャープ制御方法によれば、位相の変化量Φ（ω）が（８）式で表される拡張部３Ａを用いることにより、テラヘルツパルス波Ｐ４に所望のチャープを付加したり、又はチャープを取り除くことができる。

（変形例）
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。

上記実施形態の場合、拡張部３Ａは回折格子対１０，１１を用いた例について説明したが、本発明はこれに限らず、図２に示す拡張部３Ｂを用いてもよい。本図に示す拡張部３Ｂは、１対の反射鏡２０，２１と、回折格子対２２，２３と、１対のレンズ２４，２５とを有する。

拡張部３Ｂに入射したパルス光Ｐ１は、一方の反射鏡２０に反射して一方の回折格子２２に入射する。パルス光Ｐ１の内の異なった周波数成分は、回折格子２２において異なった方向に回折される。回折されたパルス光Ｐ１は１対のレンズ２４，２５を透過して他方の回折格子２３に入射し、他方の反射鏡２１によって反射される。反射されたパルス光Ｐ１は、回折格子対１０，１１に入射したときとまったく同じ空間を逆に伝播して一方の反射鏡２０に反射され、拡張部３Ｂから出射する。このように１対のレンズ２４，２５を有する回折格子対２２，２３を用いることにより、図３に示すように周波数が時間と共に減少する負のチャープを付加したテラヘルツパルス波Ｐ４を得ることができる。

また拡張部３Ｂは回折格子対２２，２３を用いる場合に限られず、例えばプリズム対を用いることとしてもよい。

上記実施形態の場合、干渉計４はマイケルソン干渉計を用いた例について説明したが、本発明はこれに限らず、マッハチェンダー干渉計を用いてもよい。

上記実施形態の場合、テラヘルツ波生成部５は光伝導アンテナを用いた例について説明したが、本発明はこれに限らず、非線形光学結晶や加速電子を用いてもよい。

３Ａ、３Ｂ 拡張部
５ テラヘルツ波生成部
Ｐ１ パルス光
Ｐ２ パルス幅拡張パルス光
Ｐ３ 強度変調パルス光
Ｐ４ テラヘルツパルス波

Claims (2)

1. 入力されたパルス光のパルス幅を拡張したパルス幅拡張パルス光を干渉させ周期的な強度変調を有する強度変調パルス光を生成し、
   前記強度変調パルス光をテラヘルツ波生成部に照射して生成されるテラヘルツパルス波のチャープを制御するチャープ制御方法において、
   前記パルス幅拡張パルス光は位相の変化量Φ（ω）が（１）式
   

   

   によって表される拡張部によって生成され、
   （２）式
   

   

   で表される前記テラヘルツパルス波のチャープを制御することを特徴とするチャープ制御方法。
2. 入力されたパルス光のパルス幅を拡張したパルス幅拡張パルス光を干渉させ周期的な強度変調を有する強度変調パルス光を生成し、
   前記強度変調パルス光をテラヘルツ波生成部に照射して生成されるテラヘルツパルス波のチャープを制御するチャープ制御装置において、
   前記パルス幅拡張パルス光は位相の変化量Φ（ω）が（３）式
   

   

   
   によって表される拡張部によって生成され、
   （４）式
   

   

   
   で表される前記テラヘルツパルス波のチャープを制御することを特徴とするチャープ制御装置。

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