JP2015022165A

JP2015022165A - 波長板

Info

Publication number: JP2015022165A
Application number: JP2013150594A
Authority: JP
Inventors: 陽一河田; Yoichi Kawada; 敬史安田; Takashi Yasuda; 篤司中西; Atsushi Nakanishi; 高橋　宏典; Hironori Takahashi; 宏典高橋
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2013-07-19
Filing date: 2013-07-19
Publication date: 2015-02-02
Also published as: WO2015008648A1

Abstract

【課題】広い波長領域にわたって適用可能であり、かつ取り扱いが容易な波長板を提供する。【解決手段】この波長板１０では、テラヘルツ波Ｔを入射させる入射面２と、入射面２に入射したテラヘルツ波Ｔを全反射させる複数の全反射面３と、全反射面３で全反射したテラヘルツ波Ｔを出射させる出射面４とを有するプリズム部材１を備え、入射面２に入射するテラヘルツ波Ｔの入射軸と、出射面４から出射するテラヘルツ波Ｔの出射軸とが略一致し、複数の全反射面３での全反射によるテラヘルツ波Ｔの位相の変化量が合計で３／４波長となるように、プリズム部材１内を通るテラヘルツ波Ｔの光軸に対する各全反射面３の傾斜角θが設定されている。【選択図】図２

Description

本発明は、波長板に関する。

偏光を制御する波長板として、例えば入射光の位相に対する出射光の位相の変化量が光の波長の１／４となる１／４波長板が挙げられる。１／４波長板を用いると、光軸を中心に１／４波長板を回転させることにより、例えば直線偏光を有する入射光を楕円偏光、円偏光又は直線偏光を有する光に変化させることができる。従来、１／４波長板としては、屈折率異方性を有する媒質によって構成されているものが一般的に用いられてきた。媒質に屈折率異方性が存在すると、偏光方向によって光の進む速度が変化するため、入射光の位相に対して出射光の位相が変化する。このときの位相の変化量は、光の波長に反比例する。

一方、１／４波長板として、全反射に伴う位相変化を利用したいわゆるフレネルロム型の１／４波長板がある（例えば特許文献１及び非特許文献１参照）。これらの文献に記載の１／４波長板では、菱面体を有する１／４波長板に所定の角度で光を入射し、１／４波長板の内部で光を２回全反射させた後に入射光の光軸とは異なる軸で出射光を得ている。また、非特許文献２には、入射光の光軸と出射光の光軸を同軸とするために、７０°以上の角度で光を全反射させる１／４波長板が記載されている。

特開２０１２−１４１６２３号公報

光学の原理Ｉ（ＭａｘＢｏｒｎ、ＥｍｉｌＷｏｌｆ著）ＡＣｒｉｔｉｃａｌＥｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆＲｈｏｍｂ−ＴｙｐｅＱｕａｒｔｅｒｗａｖｅＲｅｔａｒｄｅｒｓ（Ｊ．Ｍ．Ｂａｎｎｅｔｔ、ＡＰＰＬＩＥＤＯＰＴＩＣＳ，２１２３（１９７０））

しかしながら、媒質の屈折率異方性を利用する１／４波長板では、位相の変化量が光の波長に反比例するため、１／４波長分の位相変化を実現できる波長領域が限られているという問題があった。したがって、例えば広い波長領域を有するテラヘルツ波に１／４波長板を用いようとすると、波長ごとに特性の異なる１／４波長板を準備しなければならない場合があった。

一方、特許文献１及び非特許文献１に記載のフレネルロム型の１／４波長板では、入射光の光軸と出射光の光軸とが非同軸となっている。そのため、上述したように例えば入射光の光軸を中心に１／４波長板を回転させて使用する場合、回転に伴って出射光の光軸が変化してしまい、光学系の調整が煩雑となるという問題があった。また、非特許文献２に記載の１／４波長板では、７０°以上の大きな角度で光を全反射させる必要がある。そのため、１／４波長板の光の進行方向における長さが非常に大きくなってしまい、取り扱いが困難となるおそれがあった。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、広い波長領域にわたって適用可能であり、かつ取り扱いが容易な波長板を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る波長板は、テラヘルツ波を入射させる入射面と、入射面に入射したテラヘルツ波を全反射させる複数の全反射面と、全反射面で全反射したテラヘルツ波を出射させる出射面とを有するプリズム部材を備え、入射面に入射するテラヘルツ波の入射軸と、出射面から出射するテラヘルツ波の出射軸とが略一致し、複数の全反射面での全反射によるテラヘルツ波の位相の変化量が合計で３／４波長となるように、プリズム部材内を通るテラヘルツ波の光軸に対する各全反射面の傾斜角が設定されていることを特徴とする。

この波長板では、全反射を利用してテラヘルツ波の位相を変化させている。このため、位相の変化量がテラヘルツ波の波長に依存しなくなり、広い波長領域を有するテラヘルツ波に対して位相の変化量を所望の値とすることができる。また、この波長板では、複数の全反射面での全反射によるテラヘルツ波の位相の変化量が合計で３／４波長となるように、プリズム部材内を通るテラヘルツ波の光軸に対する各全反射面の傾斜角が設定されている。このため、１／４波長板を構成する場合に比べて各全反射面の傾斜角を小さくでき、波長板の大きさを抑えた状態で実質的に１／４波長板と等価な波長板を得ることができる。さらに、全反射面の傾斜角の設計自由度が上がることで入射軸と出射軸とを略一致させることができ、取り扱いが容易な所望の波長板を実現できる。

テラヘルツ波の光軸に対する各全反射面の傾斜角が、いずれも等しくなっていることが好ましい。この場合、波長板の設計・製造が容易となり、高い精度で所望の位相の変化量が得られる。

複数の全反射面は、第１の全反射面、第２の全反射面、第３の全反射面及び第４の全反射面の４面で構成されていることが好ましい。この場合、全反射面の傾斜角の最適化が可能となる。

プリズム部材は、１．８７以上の屈折率を有する部材によって形成されていることが好ましい。この場合、全反射面の傾斜角を小さくすることが容易になり、波長板の寸法を一層コンパクトにできる。

プリズム部材には、波長板を保持部材に保持させる保持面がテラヘルツ波の入射軸及び出射軸と略平行に設けられていることが好ましい。プリズム部材がこのような保持面を有していると、保持面を用いて波長板を保持部材に容易に保持させることが可能となる。

本発明によれば、広い波長領域にわたって適用可能であり、取り扱いが容易となる。

本発明に係る波長板の一実施形態を示す斜視図である。図１に示した波長板の側面図である。全反射面の傾斜角と位相の変化量との関係を示す図である。１／４波長板による偏光状態と、３／４波長板による偏光状態との関係を示す図である。実施例に係る波長板と比較例に係る波長板とを対比して示す側面図である。図１に示した波長板をホルダに適用した例を示す斜視図である。図６に示した波長板及びホルダを回転ホルダに適用した例を示す斜視図である。変形例に係る波長板を示す側面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る波長板の好適な実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明に係る波長板の一実施形態を示す斜視図である。また、図２は、図１の側面図である。図２には、波長板を通るテラヘルツ波の光軸を便宜的に鎖線で図示している。図１及び図２に示す波長板１０は、テラヘルツ波Ｔを導光するプリズム部材１を備え、入射したテラヘルツ波Ｔの偏光状態を一定量変化させる素子として構成されている。テラヘルツ波Ｔとしては、例えば５ｍｍの直径を有するレーザービームが想定される。なお、本発明における「テラヘルツ波」とは、０．１ＴＨｚ〜１００ＴＨｚの振動数を有する電磁波を意味する。

プリズム部材１は、例えば入射面２と、全反射面３と、出射面４と、保持面５とを有している。プリズム部材１は、テラヘルツ波Ｔの波長領域で１．８７以上の屈折率を有する部材（例えば３．４１の屈折率を有するシリコン）によって断面矩形に形成されている。

入射面２は、テラヘルツ波Ｔをプリズム部材１内に入射させる面であり、プリズム部材１の一端側に位置している。入射面２には、テラヘルツ波Ｔが略垂直に入射するようになっている。

全反射面３は、入射面２に入射したテラヘルツ波Ｔを全反射させることにより、テラヘルツ波Ｔの位相を変化させる面である。本実施形態では、全反射面３は、第１の全反射面３ａ、第２の全反射面３ｂ、第３の全反射面３ｃ、及び第４の全反射面３ｄの計４面で構成されている。第１の全反射面３ａは、入射面２側でプリズム部材１の底面に位置しており、第２の全反射面３ｂは、第１の全反射面３ａと対向するように入射面２側でプリズム部材２の上面に位置している。第３の全反射面３ｃは、出射面４側でプリズム部材１の上面に位置しており、第４の全反射面３ｄは、第３の全反射面３ｃと対向するように出射面４側でプリズム部材１の底面に位置している。

本実施形態では、テラヘルツ波Ｔの光軸と第１の全反射面３ａ〜第４の全反射面３ｄの法線方向との間の傾斜角θ１〜θ４は、例えばいずれも５４°となっている。入射面２に入射したテラヘルツ波Ｔは、図２に示すように、第１の全反射面３ａ、第２の全反射面３ｂ、第３の全反射面３ｃ、及び第４の全反射面３ｄの順に全反射し、出射面４に導光される。

出射面４は、全反射面３ａ〜３ｄで全反射したテラヘルツ波Ｔを出射させる面であり、プリズム部材１の他端側に位置している。出射面４からは、入射面２に入射するテラヘルツ波Ｔの入射軸と、出射面４から出射するテラヘルツ波Ｔの出射軸とが略一致するように、テラヘルツ波Ｔが略垂直に出射するようになっている。

保持面５は、波長板１をホルダ等の保持部材に保持させるための面である。本実施形態では、保持面５は、第１の保持面５ａ、第２の保持面５ｂ、第３の保持面５ｃ、第４の保持面５ｄ、第５の保持面５ｅ、及び第６の保持面５ｆの計６面で構成されている。第１の保持面５ａは、入射面２と第１の反射面３ａとの間でプリズム部材１の底面に位置しており、第２の保持面５ｂは、第２の保持面５ａと対向するように、入射面２と第２の反射面３ｂとの間でプリズム部材１の上面に位置している。

第３の保持面５ｃは、第１の全反射面３ａと第４の全反射面３ｄの間でプリズム部材１の底面に位置しており、第４の保持面５ｄは、第３の保持面５ｃと対向するように、第２の全反射面３ｂと第３の全反射面３ｃの間でプリズム部材１の上面に位置している。また、第５の保持面５ｅは、第４の全反射面３ｄと出射面４との間でプリズム部材１の底面に位置しており、第６の保持面５ｆは、第５の保持面５ｅと対向するように、第３の全反射面３ｃと出射面４との間でプリズム部材１の上面に位置している。これらの第１の保持面５ａ〜第６の保持面５ｆは、いずれもテラヘルツ波Ｔの入射軸及び出射軸と略平行に平坦に設けられている。

以下、上記波長板１の作用効果を説明する。プリズム部材１内において、全反射面３での全反射によるテラヘルツ波Ｔの位相の変化量δは、式（１）のとおりとなる。

ただし、式（１）中、ｎはプリズム部材１の屈折率Ｎとプリズム部材１の外側の媒質の屈折率Ｎ_ｏｕｔとの比（Ｎ_ｏｕｔ／Ｎ）を示し、θはテラヘルツ波の光軸と全反射面の法線方向との間の傾斜角を示す。

式（１）から明らかなように、全反射によるテラヘルツ波Ｔの位相の変化量δは、テラヘルツ波Ｔの波長に依存しておらず、全反射面３の傾斜角θに依存している。このため、各全反射面３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄの傾斜角θを適宜設定することによって、各全反射面３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄでの全反射によるテラヘルツ波Ｔの位相の変化量の合計を所望の値とすることができる。したがって、波長板１によれば、波長領域の広いテラヘルツ波Ｔであっても、全波長領域にわたって所望の位相の変化量を実現できる。また、波長板１では、金属等による反射を用いずに全反射のみを利用しているため、テラヘルツ波Ｔの損失を抑制できる。

波長板１では、傾斜角θが５４°となっているため、式（１）から、位相の変化量δは６７．５°と求まる。したがって、各全反射面３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄでの全反射によるテラヘルツ波Ｔの位相の変化量の合計は、６７．５°×４＝２７０°すなわち３／４波長となる。

また、各全反射面３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄでの全反射におけるテラヘルツ波Ｔの位相の変化量の最大値δ_ｍａｘは、プリズム部材１の屈折率Ｎとプリズム部材１の外側の媒質の屈折率Ｎ_ｏｕｔとの比ｎ＝Ｎ_ｏｕｔ／Ｎによって、式（２）のように表される。

ここで、プリズム部材１が屈折率１．８７の部材から形成され、屈折率が１．０である媒質（例えば空気）中に置かれているとする。この場合、式（２）においてｎ＝１／１．８７を代入すると、δ_ｍａｘ＝６７．５°と求められる。プリズム部材１が１．８７以上の屈折率を有する部材から形成されていれば、全反射による位相の変化量δを６７．５°とすることができる。

図３は、全反射面の傾斜角θと位相の変化量δとの関係を示す図である。同図に示すように、プリズム部材が１．８７の屈折率を有する部材から形成されている場合（Ｌ１）、位相の変化量δが６７．５°となる傾斜角θが存在する。また、プリズム部材１が例えば３．４１の屈折率を有するシリコンから形成されている場合（Ｌ２）、傾斜角θが１７°又は５４°であるときに、位相の変化量δを６７．５°とすることができる。

なお、図３のＬ２に示すように、プリズム部材１において傾斜角θを１７°に設定することも可能である。しかしながら、傾斜角θを１７°に設定した場合、傾斜角θを５４°に設定した場合と比べて、位相の変化量の傾きが急峻となっている。このため、傾斜角θのわずかなずれによって位相の変化量δが大きく変化し、所望の位相の変化量からの誤差が生じやすくなる。したがって、傾斜角θにずれが生じた場合でも位相の変化量δが大きく変化するのを抑制できるように、傾斜角θを５４°に設定することが好ましい。

上述したように、この波長板１では、第１の全反射面３ａ、第２の全反射面３ｂ、第３の全反射面３ｃ、及び第４の全反射面３ｄがいずれもテラヘルツ波Ｔの光軸と各全反射面３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄに対する法線方向との傾斜角θが５４°に設定されており、かつプリズム部材１が１．８７以上の屈折率を有する部材から形成されている。このため、各全反射面３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄでの全反射によるテラヘルツ波Ｔの位相の変化量が合計で３／４波長となる。

図４は、１／４波長板による偏光状態と、３／４波長板による偏光状態との関係を示す図である。図４（ａ）は、１／４波長板を用いた場合のテラヘルツ波のストークスパラメータＳ０，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を示し、一方、図４(ｂ)は、３／４波長板を用いた場合のテラヘルツ波のストークスパラメータＳ０，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を示している。図４（ａ）と図４（ｂ）とを比較すると、Ｓ３が波長板回転角度９０°だけシフトしていること以外は、１／４波長板と３／４波長板とは同じストークスパラメータを示している。このことから、３／４波長板と１／４波長板とは、回転角度だけが異なるものであり、実質的に等価な波長板であると言える。

ここで、波長板１０と同様の構成を有する１／４波長板１００を作製しようとした場合（図５（ａ）参照）、各全反射面１０３ａ〜１０３ｄにおける位相の変化量が９０°／４＝２２．５°となるように、例えば傾斜角θ１’〜θ４’をそれぞれ７８°に設定する必要がある（図３のＬ２参照）。この場合、１／４波長板１００のテラヘルツ波Ｔの入射軸及び出射軸方向における長さＬ’は、例えば８２ｍｍとなり、１／４波長板１００の取り扱いが困難となる場合がある。一方、波長板１０では、上述のとおり傾斜角θ１〜θ４がいずれも５４°であるため、図５（ｂ）に示すように、波長板１０のテラヘルツ波Ｔの入射軸及び出射軸方向における長さＬを例えば２８ｍｍと比較的小さくできる。このような波長板１０では、波長板の設計自由度を上げることができ、テラヘルツ波Ｔの入射軸と出射軸とを略一致させることが可能となる。

波長板１０を光学系に用いる場合、例えば波長板１０をホルダ６ａに保持させたものを（図６参照）、図７に示すように回転ホルダ６ｂに装着することができる。波長板１０では、テラヘルツ波Ｔの入射軸と出射軸とが略一致しているので、入射軸及び出射軸を中心に回転ホルダ６ｂを回転させることで、テラヘルツ波Ｔの入射軸及び出射軸にずれが生じることなく、容易に光学系を調整できる。

また、波長板１０は、テラヘルツ波Ｔの入射軸及び出射軸と平行な平坦面である保持面５を有するプリズム部材１を備えている。このため、図６に示すように、平坦な保持面５によって波長板１０をホルダ６ｂに保持させることが容易となる。

本発明は、上記実施形態に限られるものではない。上記実施形態では、第１の全反射面３ａ、第２の全反射面３ｂ、第３の全反射面３ｃ、及び第４の全反射面３ｄの傾斜角がいずれも等しくなっているが、全反射面３での位相の変化量が合計で３／４波長に相当するのであれば、傾斜角θは互いに異なっていてもよい。また、全反射面の数は４面以外であってもよい。

また、図８に示す波長板３０のように、保持面５を設けず、入射面２ａと、複数の全反射面３ｅ，３ｆ，３ｇ，３ｈと、出射面４ａとのみで構成されたプリズム部材２１を用いてもよい。

１，２１…プリズム部材、２…入射面、３…全反射面、４…出射面、５…保持面、１０，３０…波長板、Ｔ…テラヘルツ波、θ…傾斜角。

Claims

テラヘルツ波を入射させる入射面と、前記入射面に入射した前記テラヘルツ波を全反射させる複数の全反射面と、前記全反射面で全反射した前記テラヘルツ波を出射させる出射面とを有するプリズム部材を備え、
前記入射面に入射する前記テラヘルツ波の入射軸と、前記出射面から出射する前記テラヘルツ波の出射軸とが略一致し、前記複数の全反射面での全反射による前記テラヘルツ波の位相の変化量が合計で３／４波長となるように、前記プリズム部材内を通る前記テラヘルツ波の光軸に対する前記各全反射面の傾斜角が設定されていることを特徴とする波長板。
前記テラヘルツ波の光軸に対する前記各全反射面の傾斜角は、いずれも等しくなっていることを特徴とする請求項１に記載の波長板。
前記複数の全反射面は、第１の全反射面、第２の全反射面、第３の全反射面及び第４の全反射面の４面で構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の波長板。
前記プリズム部材は、１．８７以上の屈折率を有する部材によって形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の波長板。
前記プリズム部材には、前記波長板を保持部材に保持させる保持面が前記テラヘルツ波の前記入射軸及び前記出射軸と略平行に設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の波長板。