JP2015038599A - テラヘルツ波発生装置、及び情報取得装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 本発明は、発生するテラヘルツ波を安定化できるテラヘルツ波発生装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 テラヘルツ波発生装置は、光が入射することによりテラヘルツ波を発生する非線形光学結晶を含むテラヘルツ波発生素子１２５と、非線形光学結晶から発生したテラヘルツ波を外部に取り出す結合部材１１０と、非線形光学結晶から射出した光を検出する光検出器１０５と、光検出器の検出結果を用いて非線形光学結晶に入射する光を調整する調整装置１０１と、を有する。
【選択図】 図１
【解決手段】 テラヘルツ波発生装置は、光が入射することによりテラヘルツ波を発生する非線形光学結晶を含むテラヘルツ波発生素子１２５と、非線形光学結晶から発生したテラヘルツ波を外部に取り出す結合部材１１０と、非線形光学結晶から射出した光を検出する光検出器１０５と、光検出器の検出結果を用いて非線形光学結晶に入射する光を調整する調整装置１０１と、を有する。
【選択図】 図１
Description
本発明は、テラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生装置、及び情報取得装置に関する。
テラヘルツ波は、０．０３ＴＨｚ以上３０ＴＨｚ以下の範囲のうち任意の周波数帯域の成分を有する電磁波である。テラヘルツ波を用いた検査技術として、時間領域分光法（Ｔｉｍｅ−Ｄｏｍａｉｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＴＤＳ）を応用して試料の物性を調べる分光技術、生体分子の解析技術等が開発されている。
テラヘルツ波の発生方法として、非線形光学結晶を用いる方法がある。この非線形光学結晶を用いる方法は、二次の非線形現象を用いており、周波数の異なる２つのレーザ光を入射させる差周波発生方法及び光パラメトリック過程による単色テラヘルツ波発生方法等が挙げられる。また、超短パルスレーザ光を照射して光整流によりパルス状のテラヘルツ波を発生する方法等も含む。
非線形光学結晶によるテラヘルツ波の発生においては、特許文献１に記載されているような、電気光学的チェレンコフ放射現象（以下、チェレンコフ放射と呼ぶことがある）を用いる手法が近年注目されている。電気光学的チェレンコフ放射現象を用いると、高強度で、且つ、比較的広帯域のテラヘルツ波を発生させることができるため、テラヘルツ波を用いた情報取得装置においてより高精度な測定が可能となる。
電気光学的チェレンコフ放射現象は、図７に示したように、発生したテラヘルツ波７０２が衝撃波のように円錐状に放出される現象で、非線形光学結晶を伝搬するレーザ光７０１の伝搬群速度がテラヘルツ波７０２の伝搬位相速度よりも早い場合に発生する。この時、放射角θｃは（１）式のようになる。なお、ｖｇはレーザ光７０１の伝搬群速度、ｎｇはレーザ光７０１に対する群屈折率、ｖＴＨｚはテラヘルツ波７０２の伝搬位相速度、ｎＴＨｚはテラヘルツ波７０２に対する群屈折率を表す。
テラヘルツ波を用いた測定では、テラヘルツ波の出力及びパルス形状の変動が測定精度に影響を与えるため、安定したテラヘルツ波を得ることが求められる。しかし、非線形光学結晶を用いたテラヘルツ波の発生では、非線形光学結晶に入射するレーザ光の出力やパルス幅等が不安定であるため、非線形光学結晶から発生するテラヘルツ波の出力及びパルス形状が安定しないという課題があった。
特許文献２には、非線形光学結晶に単一波長のレーザ光を入射して２倍波、４倍波等の高調波を発生させる場合、発生する高調波を安定化する方法が記載されている。非線形光学結晶を伝搬しても高調波に変換されなかったレーザ光を検出してフィードバック制御を行うことによって、レーザ光の波長を調整して発生する高調波の出力を安定化させている。
非線形光学結晶を用いてテラヘルツ波を発生させる場合は、前述したように周波数の異なる２つの光や広帯域な超短パルスレーザ光等を非線形光学結晶に照射する。そのため、特許文献２のような、単一波長の光の波長を調整して発生する電磁波を安定化する方法を適用しても、発生するテラヘルツ波を安定化できないことがあった。
上記課題に鑑み、本発明は、発生するテラヘルツ波を安定化できるテラヘルツ波発生装置を提供することを目的とする。
本発明の一側面としてのテラヘルツ波発生装置は、光が入射することによりテラヘルツ波を発生する非線形光学結晶を含むテラヘルツ波発生素子と、前記非線形光学結晶から発生したテラヘルツ波を外部に取り出す結合部材と、前記非線形光学結晶から射出した光を検出する光検出器と、前記光検出器の検出結果を用いて前記非線形光学結晶に入射する光を調整する調整装置と、を有することを特徴とする。
本発明の一側面としてのテラヘルツ波発生装置によれば、発生するテラヘルツ波を安定化できる。
（第１の実施形態）
本実施形態における情報取得装置の構成について、図１を参照して説明する。本実施形態における情報取得装置は、ＴＤＳ法を応用して試料の情報を取得する。情報取得装置は、光源１１５、分岐器１１６、テラヘルツ波発生装置１２５、光学遅延部１１８、検出器（テラヘルツ波検出部）１１３、放物面鏡１１１、ビームスプリッター１１２、増幅器１２０、変調部１２２、信号取得部１２３、処理部１２４を有する。
本実施形態における情報取得装置の構成について、図１を参照して説明する。本実施形態における情報取得装置は、ＴＤＳ法を応用して試料の情報を取得する。情報取得装置は、光源１１５、分岐器１１６、テラヘルツ波発生装置１２５、光学遅延部１１８、検出器（テラヘルツ波検出部）１１３、放物面鏡１１１、ビームスプリッター１１２、増幅器１２０、変調部１２２、信号取得部１２３、処理部１２４を有する。
光源１１５は、光を発生させるレーザ光源で、光ファイバを含んでいる。本実施形態では、光として超短パルスレーザ光（以下、「レーザ光」と呼ぶことがある）を出力する。具体的には、光源１１５は、中心波長１．５５μｍでパルス幅２０ｆｓ、繰り返し周波数５０ＭＨｚのフェムト秒パルスレーザ光を出力する。なお、本明細書の「超短パルスレーザ光」は、パルス幅が数１００ｆｓ以下のレーザ光で、特に、パルス幅が１ｆｓ以上１００ｆｓ以下の超短パルスレーザ光をフェムト秒パルスレーザ光と呼ぶ。
光源１１５から出力されたレーザ光は、分岐器１１６で２つに分岐され、一方はファイバ１１４を通ってテラヘルツ波発生装置１２５のテラヘルツ波発生素子１０９に入射して、他方はファイバ１１７を通過して検出器１１３に到達する。なお、ファイバ１１４及びファイバ１１７は、高次ソリトン圧縮を行うための高非線形ファイバや、テラヘルツ波発生素子１０９及び検出器１１３に至るまでのレーザ光の分散の影響を緩和するためにプリチャープを行う分散ファイバ等を含んでいてもよい。またこれらは偏波保持ファイバであることが望ましい。
テラヘルツ波発生装置１２５は、テラヘルツ波を発生させる装置で、テラヘルツ波発生素子１０９と結合部材１１０とを含む。レーザ光が、ファイバ１１４を通ってテラヘルツ波発生素子１０９の非線形光学結晶（不図示）に入射するとテラヘルツ波２０７が発生し、そのテラヘルツ波２０７が結合部材１１０を伝搬して外部に取り出される。テラヘルツ波発生装置１２５の構成の詳細については後述する。
結合部材１１０内を伝搬したテラヘルツ波２０７は、放物面鏡１１１ａとビームスプリッター１１２と放物面鏡１１１ｂとを有する照射部を介して試料１２６に導かれる。具体的には、テラヘルツ波２０７は、放物面鏡１１１ａで反射されてビームスプリッター１１２に照射される。その後、ビームスプリッター１１２で反射されて放物面鏡１１１ｂを介して試料１２６に照射される。試料１２６で反射したテラヘルツ波２０７はビームスプリッター１１２を通過した後、放物面鏡１１１ｃで集光されて検出器１１３に入射する。
一方、ファイバ１１７を通るレーザ光は、光学遅延部１１８を通過して検出器１１３に入射する。この時、レーザ光は、不図示のレンズ等で集光され、前述のテラヘルツ波２０７とは反対側から検出器１１３に入射する。以降、本明細書では、検出器１１３に入射するレーザ光をプローブ光と呼ぶ。
光学遅延部１１８は、レーザ光が分岐器１１６から出力されてテラヘルツ波発生素子１０９に入射するまでの光路長とプローブ光が検出器１１３に入射するまでの光路長との光路長差を調整して、テラヘルツ波２０７を検出するタイミングを調整する部分である。本実施形態では、プローブ光を折り返す折り返し光学系と折り返し光学系を動かす可動部とを用いて、プローブ光が検出器１１３に入射するまでの光路長を調整する。可動部には回転する系等を適用しても良い。
また、この方法に限らず、プローブ光の伝播経路中の屈折率等を変化させることで光路長を変化させる方法等も適用できる。光学遅延部１１８は、分岐器１１６から出力された２つのレーザ光の一方がプローブ光として検出器１１３に入射するまでの光路長と、他方がテラヘルツ波発生素子１０９に到達してテラヘルツ波２０７に変換され、検出器１１３に入射するまでの光路長とを調整する。そのため、プローブ光の光路長ではなく、テラヘルツ波発生素子１０９に入射するレーザ光の光路長又はテラヘルツ波２０７の光路長を調整する等の方法を用いても良い。
検出器１１３は、テラヘルツ波２０７を検出するテラヘルツ波検出部である。本実施形態の検出器１１３は、低温成長させたＧａＡｓにダイポールアンテナを形成した光伝導素子である。光源１１５から出力されるレーザ光の波長が１．５５μｍであれば、不図示のＳＨＧ結晶（Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ結晶）をプローブ光の伝搬経路に配置しても良い。ＳＨＧ結晶を用いて２倍波を生成すれば、ＧａＡｓを励起するのに適したプローブ光を得ることができ、ＳＮ比の高い検出が可能となる。
ＳＨＧ結晶としては、レーザ光のパルス形状を維持するために、０．１ｍｍ程度の厚さのＰＰＬＮ（周期的極性反転リチウムナイオベイト）を用いることが望ましい。なお、本実施形態のようにパルス幅が十分に小さい場合には基本波をそのままプローブ光として利用できる。
分岐器１１６と光学遅延部１１８との間には、オプティカルチョッパー１２１が組み込まれている。オプティカルチョッパー１２１によってプローブ光を変調して位相敏感検波（位相同期検波）を行い、その出力信号が信号取得部１２３に送られる。オプティカルチョッパー１２１は変調部１２２によって制御されている。
信号取得部１２３は、検出器１１３からの出力信号を取得する部分である。処理部１２４は、信号取得部１２３が取得した出力信号を用いて時間波形を形成して、その時間波形を処理することで試料１２６の光学特性や形状等の情報を取得する。
ここからは、テラヘルツ波発生装置１２５について詳細を説明する。本実施形態のテラヘルツ波発生装置１２５は、光減衰器１０１、テラヘルツ波発生素子１０９、結合部材１１０、反射鏡１０７、光検出器１０５、基準電源１０４、増幅器１０３を有する。
テラヘルツ波発生素子１０９は、テラヘルツ波を発生する非線形光学結晶を含む。テラヘルツ波発生素子１０９の非線形光学結晶から発生したテラヘルツ波２０７は、結合部材１１０を透過して外部に射出される。まず、テラヘルツ波発生素子１０９の構成について説明する。
図２にテラヘルツ波発生素子１０９と結合部材１１０の構成を示した。図２（ａ）はテラヘルツ波発生素子１０９の導波路２０２の中心軸を含む断面図で、図２（ｂ）はテラヘルツ波発生素子１０９の斜視図である。テラヘルツ波発生素子１０９は、基板２０１と導波路２０２とを有する。
導波路２０２にレーザ光が入射するとテラヘルツ波２０７が発生する。発生したテラヘルツ波２０７は、チェレンコフ型放射によって図２（ａ）に示したように円錐状に放射され、結合部材１１０を透過して外部に射出される。導波路２０２は、基板２０１上に、接着剤２０６によって接着されている下部クラッド層２０４と、レーザ光が伝播するコア層２０３と、コア層２０３の上に設けられた上部クラッド層２０５とを有している。コア層２０３をレーザ光が伝搬するとテラヘルツ波２０７が発生する。
なお、図２におけるテラヘルツ波２０７は簡単のために直線で示しているが、実際は、導波路２０２に含まれる非線形光学結晶から発生したテラヘルツ波２０７は、導波路２０２を伝搬した後、結合部材１１０に入射する際に屈折する。
コア層２０３は、非線形光学結晶である。非線形光学結晶の代表的なものとしてＬｉＮｂＯｘ（以後ＬＮ）、ＬｉＴａＯｘ、ＮｂＴａＯｘ、ＫＴＰ、ＤＡＳＴ、ＺｎＴｅ、ＧａＳｅ、ＧａＡｓ等が挙げられる。コア層２０３の厚さは、テラヘルツ波２０７のうち最も周波数の高いテラヘルツ波のコア層２０３における等価波長の２分の１以下であることが望ましい。本実施形態のコア層２０３は、ＬＮをから成る。なお、コア層２０３は、ＬＮ以外の材料を含んでいても良い。
基板２０１は、ＹカットのＬＮ結晶等を用いる。基板２０１は、レーザ光の伝搬方向をＬＮ結晶のＸ軸、レーザ光の伝搬方向と直交する方向をＺ軸としている。そのような構成にすることによって、Ｚ軸と平行な電界成分をもつ偏波の超短パルスレーザ光がコア層２０３に入射すると、２次の非線形現象によるテラヘルツ波２０７の発生が効率良く起こる。
下部クラッド層２０４及び上部クラッド層２０５は、テラヘルツ帯におけるコア層２０３の屈折率よりも屈折率が低い材料を用いて形成される層である。コア層２０３に入射したレーザ光（以下、「入射光」と呼ぶことがある）２０８は、下部クラッド層２０４及び上部クラッド層２０５によってコア層２０３に閉じ込められる。そのため、入射光２０８は、導波路２０２から外部に出ることなくコア層２０３を伝搬する。
本実施形態では、基板２０１と下部クラッド層２０４とが接着剤２０６で接着されている。また、上部クラッド層２０５は、コア層２０３と結合部材１１０とを接着するための接着剤である。導波路２０２の構成はこれに限らず、例えば、基板２０１とコア層２０３とが接着剤によって接着されており、その接着剤が下部クラッド層２０４としての機能を有していても良い。
また、導波路２０２を形成するためには、コア層２０３よりも屈折率が低い領域が少なくともコア層２０３の上下にコア層２０３を挟むように存在すれば良く、導波路２０２を形成する手法やその構成は限定しない。すなわち、接着剤を用いて屈折率の異なる部材を貼り合わせる手法に限らず、例えば、ＬＮ結晶を用いた基板２０１の一部に拡散等でＭｇＯドープＬＮ層を形成する手法等を用いて導波路２０２を形成しても良い。この場合、ＭｇＯドープＬＮ層はＬＮよりも屈折率が高いため、基板２０１のうちＭｇＯドープＬＮ層が形成されていない部分が下部クラッド層２０４として機能する。
本実施形態の導波路２０２は、コア層２０３の一部をＴｉ拡散によって高屈折率化して、周囲の領域２０９と屈折率差を設ける方法やエッチング等の方法で形成されたリッジ形状である。このように、コア層２０３の側面にも導波構造を形成することで、光の閉じ込めを強くすることができる。コア層２０３の周囲をＳｉＯｘ膜や樹脂等で保護しても良い。なお、本実施形態のようにコア層２０３の周囲にそれぞれ異なるクラッド層を設けるのではなく、上下及び左右のクラッド層を一体の構成としても良い。また、コア層２０３が横に均一に広がっていて周囲の領域２０９のないスラブ導波路も適用できる（不図示）。
上部クラッド層２０５には、ＬＮよりも屈折率が小さいＳｉＯｘ、ＳｉＮｘ等の誘導体や薄膜やＰＥＴのような樹脂等が好適に用いられる。また、上部クラッド層２０５の厚さは、クラッド層として機能するのに十分厚く、且つ、結合部材１１０からテラヘルツ波２０７を外部に取り出す際に多重反射や損失の影響が無視できる程度に薄いことが望ましい。
具体的には、コア層２０３を伝搬するレーザ光について、各クラッド層に染み出す光強度分布がコア層２０３の光強度の１／ｅ２以下になるような厚みに設定する。
また、テラヘルツ波２０７について、外部に取り出したい周波数のうち、最も周波数の高いテラヘルツ波の上部クラッド層２０５における等価波長の１／１０程度厚さ以下に設定することが望ましい。一般的に、構造体の厚さが波長の１／１０程度であれば、その波長の電磁波に対して、反射、散乱、屈折等の影響が無視できるとみなされるからである。ただし、上述した厚さの範囲外でも、テラヘルツ波発生素子１０９からテラヘルツ波２０７を発生することは可能である。
本実施形態では、上述の条件を満たす導波路２０２として、コア層２０３を厚さ３．８μｍ、幅４μｍ、下部クラッド層２０４及び上部クラッド層２０５の厚さをそれぞれ１μｍとしたが、この値に限るものではない。
結合部材１１０は、発生したテラヘルツ波２０７を取り出す部材で、テラヘルツ波２０７の損失が少ない高抵抗Ｓｉ等を材料に用いたプリズムである。非線形光学結晶としてＬＮを用い、結合部材１１０として高抵抗Ｓｉを用いた場合、前述の（１）式から、ＬＮ内を伝搬するテラヘルツ波２０７のチェレンコフ放射角は約６５度となる。ＬＮから放射されたテラヘルツ波２０７は、結合部材１１０に入射する際に屈折するため、結合部材１１０を透過するテラヘルツ波２０７とレーザ光２０８の伝搬方向とが成すチェレンコフ放射角θｃｌａｄは約４９度になる。
本実施形態ではリッジ形状の導波路２０２を用いているため、レーザ光の伝搬方向と直交する方向のテラヘルツ波２０７の発生は発散光となっている。一方、導波路２０２に平行なテラヘルツ波２０７の成分はほとんど発散しない。そのため、一方向にのみ集光機能を有するように、結合部材１１０を図２（ｂ）に示すような先端を切り落とした円錐形状にすることで、テラヘルツ波２０７を効率良く外部に取り出すことを可能にしている。
本実施形態では、コア層２０３の非線形光学結晶としてＬＮを用いているが、これに限らずその他の非線形光学結晶を用いることもできる。ＬＮは、テラヘルツ波２０７に対する屈折率とレーザ光に対する屈折率との差が十分に大きいため、ノンコリニアで発生するテラヘルツ波２０７を取り出すことが可能である。
しかし、使用する非線形光学結晶によっては該屈折率差が小さく、発生したテラヘルツ波２０７を容易に取り出せないことがある。その場合、テラヘルツ波発生素子１０９と結合部材１１０とが近接するように導波路２０２を設けて、結合部材１１０の材料に非線形光学結晶よりも屈折率が大きいものを用いれば良い。このような構成にすることで、チェレンコフ放射の条件（ＶＴＨｚ＜Ｖｇ）を満たし、テラヘルツ波２０７を外部に取り出すことができる。
テラヘルツ波発生装置１２５のその他の構成について説明する。これらの構成は、テラヘルツ波２０７を安定化するために、入射光２０８のフィードバック制御を行うための構成である。具体的には、導波路２０２を伝搬してもテラヘルツ波２０７に変換されずに射出面１０８から射出したレーザ光（以下、射出光と呼ぶことがある）１０６を検出して、その検出結果を用いて入射光２０８の出力を調整する。射出面１０８から射出するレーザ光（射出光）１０６の平均出力は、導波路の構造等にもよるが入射光２０８の出力の１０％〜５０％程度である。
射出光１０６の出力と発生するテラヘルツ波２０７の出力との間には、図３に示したような一定の関係があることが、発明者の検討によって見出されている。そのため、射出光１０６を観察すれば、発生するテラヘルツ波２０７の出力を間接的にモニターできる。そして、射出光１０６の強度を参照して入射光２０８の出力を調整することでテラヘルツ波２０７の出力を安定化できると考えられる。射出光１０６の強度は、入射光２０８の導波路２０２に対する結合効率の変動も反映しているため、射出光１０６の強度を観察することは、このような結合効率の変動の影響も含めて、テラヘルツ波２０７の発生パワー（強度）を調整できることを意味している。
光検出器１０５は、射出光１０６を検出する。射出面１０８から射出した射出光１０６は反射鏡１０７で反射されて光検出器１０５に入射する。光検出器１０５における検出結果は、射出光１０６の強度に応じた電圧として出力される。光検出器１０５においては、数１００μｍ以上１ｍｍ以下程度の受光面積を持つものが一般的である。そのため、射出光１０６が光検出器１０５に至るまでの光学系の変動を受けていても、光検出器１０５の検出結果にはその影響が現れにくい。そのため、安定にフィードバック制御ができる。光検出器１０５がパルス光を検出する場合は、その平均出力が電圧として出力される。
基準電源１０４は、所定の電圧で一定となるように設定されている。基準電源１０４における電圧と光検出器１０５の検出結果の電圧との差動出力を増幅器１０３から電気信号１０２として光減衰器１０１に出力される。
光減衰器１０１は、レーザ光の出力を調整する調整装置である。電気信号１０２を取得して、それを用いてレーザ光を減衰させる光減衰量を変更することで、テラヘルツ波発生素子１０９に入射するレーザ光の出力を調整する。
具体的には、基準電源１０４の電圧の値を所定の値に設定しておき、光検出器１０５の検出結果が所定の値よりも低い場合は、光減衰器１０１がレーザ光の出力を増加させる。光検出器１０５の検出結果が所定の値よりも高い場合は、光減衰器１０１はレーザ光の出力が減少するように調整する。この時、図３に示したような射出光１０６の出力とテラヘルツ波２０７の出力との関係を示すデータは予め記憶しておくと良い。
具体的には、図３に示したような射出光１０６のパワーと発生するテラヘルツ波２０７のパワーとの関係を示すデータは、使用するテラヘルツ波発生装置１２５を含めた系に応じて予め取得しておき、情報取得装置の記憶部（不図示）に格納しておく。そして、このデータを参照して、所望のテラヘルツ波出力になるように基準電源１０４の電圧値を設定するように制御すればよい。もちろん、記憶部を備えることは必須でなく、これらのデータは、着脱式の記憶装置や外部の記憶装置に格納しておき、そこから適宜取得できるようにしてもよい。外部の記憶装置からデータを取得する場合、インターネット等の通信手段を用いて取得すればよい。これにより、前述のようにテラヘルツ波発生装置１２５において、入射光２０８の出力を調整できる。
本実施形態では、基準電源１０４の電圧と光検出器１０５の検出結果に応じた電圧との差を電気信号として出力し、その電気信号によって光減衰器１０１を制御している。しかし、光減衰器１０１の制御方法は、上述の方法に限らない。例えば、光検出器１０５の検出結果と光減衰器１０１における減衰量との関係を予め表として記録しておき、それを参照して減衰量を決定して、決定した減衰量に基づいて光減衰器１０１を制御すれば良い。また、超短パルスレーザの調整を行う際の基準となる所定の値は、ユーザが任意に決定しても良いし、光源１１５の出力やテラヘルツ波発生素子１０９の変換効率等から定まる値を用いても良い。また、直前のレーザ光の出力を参照して、出力が一定となるように調整する方法等も適用できる。
このような構成にすることで、発生するテラヘルツ波２０７の出力を安定化できる。また、非線形光学結晶（コア層２０３）を伝搬して非線形光学結晶から射出されたレーザ光１０６を検出してフィードバック制御を行うため、レーザ光が導波路２０２に入射する際の位置ずれ、または入射角等によって生じる影響を含めた調整が可能となる。
すなわち、レーザ光が導波路２０２に入射する際に位置がずれていたり、入射角があったりした場合でも、その影響を受けた後のレーザ光を検出してフィードバック制御を行うことができる。そのため、入射光２０８を検出してフィードバック制御する場合よりも、発生するテラヘルツ波２０７の出力を精度良く調整できる。
また、本実施形態では、非線形光学結晶から射出したレーザ光を検出するため、光検出器１０５で検出するためにテラヘルツ波２０７の発生に使用するレーザ光を分岐する必要が無い。そのため、光源１１５から出力されたレーザ光の減少を抑制しながら、テラヘルツ波２０７を安定化するためのフィードバック制御を行うことができる。その結果、光源１１５から出力されたレーザ光をより効率的に使用できる。
さらに、光源１１５からのレーザ光の減少を抑制しつつテラヘルツ波２０７の発生を行い、発生したテラヘルツ波２０７を分岐させることなく利用できる。そのため、テラヘルツ波２０７の一部を分岐して検出し、その検出結果を用いてテラヘルツ波２０７を安定化する場合よりも、高出力のテラヘルツ波２０７を利用できる。
なお、本実施形態では、レーザ光の出力を調整する調整装置として光減衰器１０１を用いる方法を挙げたが、これに限らず、例えば、調整装置が備わっている光源等を使用しても良い。この時、超短パルスレーザ光のパルス幅等の品質劣化を招かない調整装置を適用することが望ましい。
（第２の実施形態）
第２の実施形態の情報取得装置の構成について図４を参照して説明する。なお、前述の第１の実施形態と共通する部分についての説明は省略する。図４（ａ）に本実施形態における情報取得装置の構成を示した。
第２の実施形態の情報取得装置の構成について図４を参照して説明する。なお、前述の第１の実施形態と共通する部分についての説明は省略する。図４（ａ）に本実施形態における情報取得装置の構成を示した。
本実施形態における情報取得装置は、テラヘルツ波発生装置４１０の構成が第１の実施形態のテラヘルツ波発生装置１２５と異なる。具体的には、第１の実施形態では、導波路２０２に入射する光の出力を調整してテラヘルツ波２０７を安定化しているが、本実施形態では、テラヘルツ波２０７の出力に加え、パルス状の光のパルス形状を調整してテラヘルツ波２０７のパルス形状の安定化も行う。テラヘルツ波発生装置４１０の構成以外は第１の実施形態と同様である。
本実施形態では、第１の実施形態と同様に超短パルスレーザ光（以下、「レーザ光」と呼ぶ）を非線形光学結晶に入射してテラヘルツ波２０７を発生させる。非線形光学結晶を用いてテラヘルツ波２０７を発生させると、同時にレーザ光の２倍波、３倍波等の高調波が発生する。例えば、１．５５μｍのレーザ光がＬＮを用いたテラヘルツ波発生素子１０９を伝搬した場合、伝搬経路とほぼ同軸方向に、０．７８μｍの２倍波、０．５２μｍの３倍波のパルス光が発生する。
本実施形態では、レーザ光のパルス形状の調整として、具体的にはレーザ光のパルス幅を調整する。レーザ光の出力が安定であることを前提とすると、パルス幅が狭いほどレーザ光のピーク強度が増し、その結果として高調波の出力が増加するため、それを用いてフィードバック制御を行えばパルス形状を調整できる。なお、レーザ光のパルス幅に限らず、パルス波の形等の調整を行っても良い。
パルス状のテラヘルツ波２０７が非線形光学結晶から発生する仕組みは、レーザ光に含まれる広帯域な波長スペクトル同士のビートに相当する波長のテラヘルツ波が光整流効果でコヒーレントに発生するためである。したがって、レーザ光の出力及びパルス幅を同時に安定化することは、テラヘルツ波２０７の出力及びパルス形状を安定化させることにつながる。
なお、光源１１５においてレーザ光の出力の安定化が高精度に行われている場合には、必ずしも出力とパルス幅の両方を安定化させる必要はなく、パルス形状の調整のみを実施しても良い。
本実施形態のテラヘルツ波発生装置４１０は、テラヘルツ波発生素子１０９と結合部材１１０とを含む。テラヘルツ波発生素子１０９及び結合部材１１０の構成は、第１の実施形態と同様である。また、第１の実施形態のテラヘルツ波発生装置１２５と同様に、出力を調整する第１の調整装置としての光減衰器１０１、第１の光検出器としての光検出器１０５、基準電源１０４、増幅器１０３を有する光出力調整機構を備えている。更に、第１の光検出器１０５と異なる第２の光検出器４０６、基準電源４０７、増幅器４０８、パルス形状としてパルス幅を調整する第２の調整装置としてのパルス幅調整装置４０１を備えたパルス幅調整機構を有する。
テラヘルツ波発生装置４１０は、波長分割器４０３を備えており、テラヘルツ波発生素子１０９を通過したレーザ光（射出光）は、ファイバ４０２を通って波長分割器４０３で基本波λ０と２倍波と３倍波とを含む高調波λ１とに分割される。基本波λ０は、ファイバ４０５を通って第１の光検出器１０５で検出され、第１の実施形態と同様の方法で、光減衰器１０１が非線形光学結晶に入射するレーザ光の出力を制御する。
高調波λ１は、ファイバ４０４を通って第２の光検出器４０６に入射する。高調波λ１は、第２の光検出器４０６でその強度に応じた電気信号に変換され、基準電源４０７の電圧と第２の光検出器４０６からの電気信号の電圧との差を示す電気信号４０９が、増幅器４０８を通ってパルス幅調整装置４０１に送られる。
パルス幅調整装置４０１は電気信号４０９を受けて、レーザ光のパルス幅を調整する部分である。パルス幅調整装置４０１でパルス幅を調整する手法としては、例えば、図４（ｃ）のような２枚のくさび型の分散媒体４１７ａ及び４１７ｂを用いる方法等が挙げられる。分散媒体４１７ａ及び４１７ｂにレーザ光を伝搬させ、分散媒体４１７ａを矢印の方向に動かすことによって分散量を調整する。
なお、本実施形態では、導波路２０２から出射した２倍波と３倍波とを含む高調波λ１を検出している。高調波の出力を増加させる構成を特に備えていない場合には、典型的には基本波の約１／１０程度の出力（導波路長１ｍｍの場合）の２倍波が得られ、３倍波はさらに出力が小さいため、２倍波の光を検出しているとみなせる。
パルス幅の調整の精度を向上させるために、高調波の出力を増加させたい場合には、導波路２０２の構成を高調波用に変更して結合効率を向上させたり、ＰＰＬＮ構造として高調波発生効率を向上させたりすれば良い。また、導波路２０２にＰＰＬＮ構造を有する高調波発生用の結晶をさらに直列につないでパルス形状を制御するための信号を発生させてもよい。
本実施形態のテラヘルツ波発生装置４１０は、図４（ｂ）に示したようにモジュール化されている。具体的には、匡体４１６の内部にテラヘルツ波発生装置４１０の各構成が収納されている。匡体４１６には発生したテラヘルツ波２０７を外部に射出するための窓４１５があり、光源１１５とはケーブル４１１で接続されている。ケーブル４１１内には、超短パルスレーザ光を導波路２０２に導くファイバ１１４や電源ラインを含む電気配線４１２等が収納されている。
図４（ｂ）の基本波検出部４１４は、図４（ａ）における光検出器１０５と基準電源１０４、増幅器１０３が一体化したものである。また、高調波検出部４１３は、図４（ａ）における光検出器４０６と基準電源４０７、増幅器４０８が一体化したものである。このようなこのようにテラヘルツ波発生装置をモジュール化して小型化することで、腹腔鏡や内視鏡等の小型な情報取得装置への応用が期待できる。
なお、テラヘルツ波発生装置の形態は用途に合うものを使用することが望ましく、本実施形態のようにモジュール化されていなくても良い。また、本実施形態では、モジュール化するために光ファイバを用いて各構成を接続しているが、光ファイバを用いずに空間光学系で構成しても良い。
本実施形態のテラヘルツ波発生装置４１０は、発生するテラヘルツ波２０７を安定化できる。超短パルスレーザ光の出力とパルス形状を制御することができるため、テラヘルツ波２０７の出力だけではなくパルス波形も安定化できる。
（第３の実施形態）
第３の実施形態について、図５を参照して説明する。図５は、本実施形態の情報取得装置の構成を説明する図である。本実施形態は、テラヘルツ波発生装置５０１の構成が第１の実施形態と異なっており、情報取得装置等のその他の構成は第１の実施形態と同様である。具体的には、第１の実施形態におけるテラヘルツ波発生装置１２５における基準電源１０４は電圧が一定だが、本実施形態では電圧が変化して変調信号を送る変調電源５０２を用いている。変調電源５０２の電圧と光検出器１０５で検出した電圧との差を用いてレーザ光の出力を調整する。
第３の実施形態について、図５を参照して説明する。図５は、本実施形態の情報取得装置の構成を説明する図である。本実施形態は、テラヘルツ波発生装置５０１の構成が第１の実施形態と異なっており、情報取得装置等のその他の構成は第１の実施形態と同様である。具体的には、第１の実施形態におけるテラヘルツ波発生装置１２５における基準電源１０４は電圧が一定だが、本実施形態では電圧が変化して変調信号を送る変調電源５０２を用いている。変調電源５０２の電圧と光検出器１０５で検出した電圧との差を用いてレーザ光の出力を調整する。
第１の実施形態と同様に、非線形光学結晶から射出したレーザ光を光検出器１０５で検出して、その検出結果と所定の値とを比較する。光減衰器１０１は、検出結果が所定の値より大きい場合は、導波路２０２（非線形光学結晶）に入射するレーザ光の出力を小さくし、検出結果が所定の値より小さい場合は、導波路２０２に入射するレーザ光の出力を大きくする。
本実施形態では、変調電源５０２は、変調信号として変調されている電圧を出力する。そのため、レーザ光を調整する際の基準となる電圧が変化することになり、電圧の変化に応じた出力のレーザ光がテラヘルツ波発生素子１０９に入射することになる。その結果、発生するテラヘルツ波２０７の出力も変動することになる。その結果、変調電源５０２からの信号を正弦波や矩形波等の任意の形状に変調することによって、それに応じた出力のテラヘルツ波２０７が得られる。
このようなテラヘルツ波２０７は、通信における信号伝送等に応用することができる。また、本実施形態のテラヘルツ波発生装置を情報取得装置のテラヘルツ波発生源として使用すると、ノイズを低減した信号処理が可能となり、測定精度の向上が期待できる。本実施形態によれば、所望の出力のテラヘルツ波２０７を安定的に得ることができる。なお、本実施形態は、レーザ光の出力の調整だけでなく、パルス状のレーザ光のパルス形状の調整を行う場合にも適用できる。
（第４の実施形態）
第４の実施形態について、図６を参照して説明する。図６に、本実施形態のテラヘルツ波発生素子６０１の構成例を示した。上述の第１から第３の実施形態では、光として超短パルスレーザ光を用いて光整流によりパルス状のテラヘルツ波２０７を発生させていた。それに対して、本実施形態のテラヘルツ波発生装置は、光として周波数の異なる２つのレーザ光６０９をテラヘルツ波発生素子６０１が有する非線形光学結晶に入射してテラヘルツ波６１１を発生させる。レーザ光６０９の周波数をそれぞれν１、ν２とする。
第４の実施形態について、図６を参照して説明する。図６に、本実施形態のテラヘルツ波発生素子６０１の構成例を示した。上述の第１から第３の実施形態では、光として超短パルスレーザ光を用いて光整流によりパルス状のテラヘルツ波２０７を発生させていた。それに対して、本実施形態のテラヘルツ波発生装置は、光として周波数の異なる２つのレーザ光６０９をテラヘルツ波発生素子６０１が有する非線形光学結晶に入射してテラヘルツ波６１１を発生させる。レーザ光６０９の周波数をそれぞれν１、ν２とする。
本実施形態のテラヘルツ波発生素子６０１は、ＬＮ基板６０２と導波路６０３とを有する。導波路６０３は、コア層６０４と下部クラッド層６０５と上部クラッド層６０６とを含む。
コア層６０４は、ＭｇＯドープＬＮ層である。下部クラッド層６０５は、コア層６０４とＬＮ基板６０２とを接着するための接着剤層を兼ねている。上部クラッド層６０６は低屈折率バッファ層である。本実施形態ではテラヘルツ波６１１の出力を大きくするために、導波路６０３の長さを４０ｍｍとして、導波路６０３の上に複数の結合部材６０８を備えている。
レーザ光６０９が導波路６０３を伝搬すると、２つの異なる周波数ν１とν２との差周波に相当する単色のテラヘルツ波６１１が発生する。例えば、入射するレーザ光６０９におけるν１とν２の周波数差が０．５ＴＨｚ〜７ＴＨｚとしたとき、その範囲で放射テラヘルツ波６１１の周波数を可変にできる。レーザ光源としては、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ励起のＫＴＰ−ＯＰＯ光源や、２台の波長可変レーザダイオード等を用いることができる。発生したテラヘルツ波６１１は、結合部材６０８を通過して外部に射出される。
このようにして発生した単一周波数のテラヘルツ波６１１を試料に照射して、試料で透過又は反射したテラヘルツ波６１１の出力の変化を観察すれば、テラヘルツ波によるイメージングが可能となる。テラヘルツ波６１１の検出器１１３としては、例えばボロメータ、パイロ型センサ、ショットキー型センサ等が挙げられる。
本実施形態のテラヘルツ波発生装置においても、テラヘルツ波６１１に変換されなかったレーザ光（射出光）６１０が、射出端６０７から射出される。そのため、上述の第１から第３の実施形態と同様に、その射出光６１０を検出して、その検出結果を用いてテラヘルツ波発生素子６０１に入射するレーザ光（入射光）６０９の出力を調整することで、発生するテラヘルツ波６１１の出力を安定化できる。また、非線形光学結晶を伝搬した後の光を検出してフィードバック制御を行うため、非線形光学結晶に入射する際の位置ずれ及び入射角等によって生じる影響も含めた安定化が可能となる。
テラヘルツ波６１１の出力が安定化されると、テラヘルツ波を用いたイメージングにおいて、ムラ等のない鮮明な画像が得られる。本実施形態のテラヘルツ波発生装置は、特定の周波数で検査やイメージングを行なう検査、例えば医薬品に含まれている特定物質の吸収スペクトルの周波数と同じ周波数のテラヘルツ波を用いて、その物質の含有量を調べる検査等を行う情報取得装置に応用できる。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
例えば、上述の実施形態における情報取得装置では、試料１２６に照射するテラヘルツ波２０７と試料１２６で反射したテラヘルツ波２０７が同軸の例を示している。しかし、図１（ｂ）に示したように放物面鏡１１１を追加して、試料１２６に照射するテラヘルツ波と試料１２６で反射したテラヘルツ波２０７とが非同軸となる構成にしても良い。このような構成にすると、試料１２６への入射角が９０度ではなくなるが、検出されるテラヘルツ波２０７の出力を大きくできる。
また、上述の実施形態では試料１２６で反射したテラヘルツ波２０７を検出しているが、反射系の情報取得装置に限らず、試料を透過したテラヘルツ波２０７を検出する透過系の情報取得装置でも良い。
さらに、上述の実施形態では、光源から出力されたレーザ光を分岐器１１６で分岐して、その一方が光ファイバ１１７を通って検出器１１３に入射する。これに限らず、テラヘルツ波発生素子から射出される射出光の一部をプローブ光として用いても良い。その場合には、分岐器１１６や光ファイバ１１７は不要となり、また、光学遅延部１１８は、テラヘルツ波発生素子１０９と検出器１１３との間におけるレーザ光の伝搬経路中に設けられる。
上述の実施形態のテラヘルツ波発生素子は、導波路を有する構成となっているが、導波路を有さないテラヘルツ波発生素子を用いてテラヘルツ波を発生させても良い。この場合でも、非線形光学結晶を伝搬してテラヘルツ波に変換されずに射出された光（射出光）を検出して、その検出結果を用いて非線形光学結晶に入射する光（入射光）の調整を行う。射出光の検出結果を用いてフィードバック制御を行うことで、光が非線形光学結晶に入射する際の入射角等の影響によって生じる光の出力の変化等を含めた調整が可能となり、入射光の一部を検出する場合よりも精度良くテラヘルツ波を安定化できる。
第１の実施形態では、射出光１０６を検出した検出結果を用いて入射光の出力を調整する際、図３に示した関係図を参照している。しかし、図３の関係図以外にも、射出光のパワーとテラヘルツ波２０７のパワーとの関係を表すテーブル等を参照してもよい。また、第２の実施形態のように射出光の高調波を検出する場合は、高調波のパワーと発生するテラヘルツ波のパワーとの関係を表す図及びテーブル等を用いてもよい。テラヘルツ波のパルス形状を調整する構成では、射出光又は高調波のパワーとテラヘルツ波２０７のパルス形状との関係を表す図、テーブル等を参照すればよい。また、上述の図及び表を組み合わせて使用してもよい。
これらの図やテーブルを格納する場所は、情報取得装置の記憶部でもよいし、テラヘルツ波発生装置１２５に記憶部を設けてそこに格納してもよい。また、脱着可能なメモリ装置、又は、図１（ａ）の処理部１２４に内包した記憶装置からの読み出し、装置外からクラウドシスムテム等によりダウンロードする等の方法により、記憶情報を入手して制御するようにしてもよい。
１０１ 調整装置
１０５ 光検出器
１０９ テラヘルツ波発生素子
１１０ 結合部材
１２５ テラヘルツ波発生装置
１０５ 光検出器
１０９ テラヘルツ波発生素子
１１０ 結合部材
１２５ テラヘルツ波発生装置
Claims (12)
- 光が入射することによりテラヘルツ波を発生する非線形光学結晶を含むテラヘルツ波発生素子と、
前記非線形光学結晶から発生したテラヘルツ波を外部に取り出す結合部材と、
前記非線形光学結晶から射出した光を検出する光検出器と、
前記光検出器の検出結果を用いて前記非線形光学結晶に入射する光を調整する調整装置と、を有する
ことを特徴とするテラヘルツ波発生装置。 - 前記調整装置は、前記非線形光学結晶に入射する光の出力を調整する
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。 - 前記非線形光学結晶に入射する光はパルス光であり、
前記調整装置は、前記非線形光学結晶に入射する光のパルス形状を調整する
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。 - 前記調整装置は、前記光検出器の検出結果が所定の値より大きい場合は、前記出力を小さくして、前記光検出器の検出結果が予め定められた値より小さい場合は、前記出力を大きくする
ことを特徴とする請求項２に記載のテラヘルツ波発生装置。 - 前記調整装置は、前記光検出器の検出結果が所定の値より小さい場合は、前記パルス幅を狭くして、前記光検出器の検出結果が所定の値より大きい場合は、前記パルス幅を広くする
ことを特徴とする請求項３に記載のテラヘルツ波発生装置。 - 前記所定の値は、変調信号によって変化する
ことを特徴とする請求項４又は５に記載のテラヘルツ波発生装置。 - 前記非線形光学結晶から射出した光を基本波と高調波とに分割する波長分割器と、
第１の光検出器としての前記光検出器と異なる第２の光検出器と、
第１の調整装置としての前記調整装置と異なる第２の調整装置と、を有し、
前記第１の光検出器は、前記波長分割器からの前記基本波を検出し、
前記第２の光検出器は、前記波長分割器からの前記高調波を検出し、
前記第１の調整装置は、前記第１の光検出器の検出結果を用いて前記非線形光学結晶に入射する光の出力を調整し、
前記第２の調整装置は、前記第２の光検出器の検出結果を用いて前記非線形光学結晶に入射する光のパルス幅を調整する
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。 - 前記テラヘルツ波発生素子は、前記非線形光学結晶に入射した光を伝搬する導波路を有し、
前記導波路は、
前記非線形光学結晶を含むコア層と、
テラヘルツ帯において前記コア層の屈折率より小さい屈折率を有するクラッド層と、を備える
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載のテラヘルツ波発生装置。 - 前記導波路は、リッジ形状である
ことを特徴とする請求項８に記載のテラヘルツ波発生装置。 - テラヘルツ波を試料に照射して前記試料からのテラヘルツ波を測定する情報取得装置であって、
光を出力する光源と、
前記光源からの光が入射することによりテラヘルツ波を発生する請求項１乃至９のいずれか一項に記載のテラヘルツ波発生装置と、
前記テラヘルツ波発生装置から発生したテラヘルツ波を前記試料に照射する照射部と、
前記試料からのテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部と、を有する
ことを特徴とする情報取得装置。 - 前記テラヘルツ波検出部の検出結果を用いて前記試料の情報を取得する処理部を更に有する
ことを特徴とする請求項１０に記載の情報取得装置。 - 非線形光学結晶に光を入射することによりテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生ステップと、
前記非線形光学結晶から発生したテラヘルツ波を外部に取り出す取り出しステップと、
前記非線形光学結晶から射出した光を検出する光検出ステップと、
前記光検出ステップの検出結果を用いて前記非線形光学結晶に入射する光を調整する調整ステップと、を有する
ことを特徴とするテラヘルツ波発生方法。
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