JP2015203714A - テラヘルツ波発生装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡便な構成により、広帯域にわたってスペクトル平滑性を有し、高強度で広帯域なテラヘルツ波発生装置及び方法を提供する。
【解決手段】本発明の一実施形態に係るテラヘルツ波発生装置１は、非線形光学効果によりテラヘルツ波を発生する非線形光学結晶３と、第１及び第２の波長を有するレーザ光１１を前記非線形光学結晶３に入射する光源５と、前記レーザ光１１が前記非線形光学結晶３の内部を通過して一端面３ｙで反射され、反射前の前記レーザ光の第１の波長成分１１ｐと反射後の前記レーザ光の第２の波長成分１１ｓとがノンコリニア位相整合条件を満たすように、前記レーザ光１１の前記端面３ｙに対する入射角を調整する回転ステージ８とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、テラヘルツ波発生装置及び方法に関し、より詳細には、非線形光学効果によりテラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生装置及び方法に関する。

テラヘルツ波は、周波数がおよそテラヘルツオーダー（０．１〜１００ＴＨｚ）の電磁波を指し、光波と電波の中間帯域に当たる。様々な物質内の分子振動や分子間相互作用はテラヘルツ周波数帯に存在することから、基礎科学、応用科学の分野を問わず、テラヘルツ技術に強い関心が集まっている。テラヘルツ波は、センシング、イメージング、分光など分野での利用が期待されており、実用化のための良質なテラヘルツ波発生源が必要とされている。

従来、テラヘルツ波の発生方法として種々の技術が提案されている。その中でも特に非線形光学効果による周波数変換を利用したテラヘルツ波発生は、常温動作かつ簡便な構成でテラヘルツ波発生が可能であることから特に有望視されている技術である。

S. Hayashi, K. Nawata, H. Sakai, T. Taira, H. Minamide, and K. Kawase, "High-power, single-longitudinal-mode terahertz-wave generation pumped by a microchip Nd:YAG laser" Optics Express, Vol. 20, No. 3, pp. 2881-2886 (2012) Koji Suizu, Katsuhiko Miyamoto, Tomoyu Yamashita, and Hiromasa Ito, "High-power terahertz-wave generation using DAST crystal and detection using mid-infrared powermeter" Optics Letters, Vol. 32, Issue 19, pp. 2885-2887 (2007)

特開２０１０−１１７３９７号公報

非特許文献１では、光注入型テラヘルツ波パラメトリック発生（ｉｓ−ＴＰＧ）によりテラヘルツ波を発生する技術が開示されている。周波数差がテラヘルツ波に相当する励起光と注入光を、ノンコリニア位相整合条件が満たされる角度で非線形光学結晶（ＬＮ結晶）に入射すると、光パラメトリック効果によりその差の周波数を持つテラヘルツ波が発生する。注入光の角度及び波長を変化させることで、〜３ＴＨｚの帯域で波長可変なテラヘルツ波を発生させることができる。

非特許文献２では、有機非線形光学結晶（ＤＡＳＴ結晶）を用いて差周波発生によりテラヘルツ波を発生する技術が開示されている。周波数差がテラヘルツ波に相当する２波長のレーザ光を、コリニア位相整合条件が満たされるようにＤＡＳＴに入射すると、差周波発生によりその差の周波数を持つテラヘルツ波が発生する。入射光の波長を変化させることで、〜２０ＴＨｚ以上の帯域で波長可変なテラヘルツ波を発生させることができる。

特許文献１では、非線形光学結晶（ＬＮ結晶）を用いてパルス面傾斜法によりテラヘルツ波を発生する技術が開示されている。フェムト秒光パルスのパルス面を、チェレンコフ型の位相整合条件が満たされる角度でＬＮ結晶に入射すると、光整流現象により入射光の周波数成分間の差の周波数に対応するテラヘルツ波が発生する。フェムト秒光パルスは広いスペクトルを有しているため、これらの差周波から得られるテラヘルツ波は〜３ＴＨｚの帯域を有する広帯域なモノサイクルテラヘルツ波である。

非特許文献１では、２本のレーザ光をＬＮ結晶の入り口で交差させて結晶に入射している。レーザ光は結晶に対して角度を持って入射することから、２本のレーザ光が相互作用してテラヘルツが発生する領域は結晶表面から離れた結晶内部に位置することになる。ところが、テラヘルツ波はＬＮ結晶に吸収され易いため、結晶内部で発生したテラヘルツ波、特に吸収の強い高周波（３ＴＨｚ〜）のテラヘルツ波を結晶外部に取り出すことは困難である。したがって、非特許文献１に開示された技術では、高周波にわたる広帯域なテラヘルツ波を発生することができない。

非特許文献２では、非線形光学結晶として有機非線形光学結晶ＤＡＳＴを用いている。ＤＡＳＴ結晶は高い非線形光学係数を有しているため、広帯域に波長可変なテラヘルツ波を発生させることが可能である。ところが、ＤＡＳＴ結晶自身による吸収ピークがテラヘルツ波帯に多数存在するため、得られるテラヘルツ波のスペクトル形状は平滑ではない。また、ＤＡＳＴ結晶はレーザ強度耐性が弱く、高強度のレーザ光を受けると結晶が損傷してしまう。よって、使用するレーザ光の強度は結晶のレーザ強度閾値内に制限され、得られるテラヘルツ波の出力も制限されたものとなる。したがって、非特許文献２に開示された技術では、広帯域にわたってスペクトル平滑性を有する、高強度なテラヘルツ波を発生することができない。

特許文献１では、フェムト秒光パルスのパルス面を傾斜させてＬＮ結晶に入射している。非特許文献１と同様に、テラヘルツ波はＬＮ結晶の内部で発生するため、特に吸収の強い高周波（３ＴＨｚ〜）のテラヘルツ波は結晶外部に取り出すことが困難である。また、回折格子やレンズ対を用いて、入射波の波面を調整して傾斜パルス面を作り出す必要がある。したがって、特許文献１に開示された技術では、高周波にわたる広帯域なテラヘルツ波を発生することができず、光学系も複雑になる。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、簡便な構成により、広帯域にわたってスペクトル平滑性を有し、高強度で広帯域なテラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生装置及び方法を提供することにある。

この目的を達成するために、本発明に係るテラヘルツ波発生装置は、非線形光学効果によりテラヘルツ波を発生する非線形光学結晶と、第１及び第２の波長を有するレーザ光を前記非線形光学結晶に入射する光源と、前記レーザ光が前記非線形光学結晶の内部を通過して一端面で反射され、反射前の前記レーザ光の第１の波長成分と反射後の前記レーザ光の第２の波長成分とがノンコリニア位相整合条件を満たすように、前記レーザ光の前記端面に対する入射角を調整する角度調整手段とを備える。

この目的を達成するために、本発明に係るテラヘルツ波発生方法は、第１及び第２の波長を有するレーザ光を非線形光学効果によりテラヘルツ波を発生する非線形光学結晶に入射するステップと、前記レーザ光が前記非線形光学結晶の内部を通過して一端面で反射され、反射前の前記レーザ光の第１の波長成分と反射後の前記レーザ光の第２の波長成分とがノンコリニア位相整合条件を満たすように、前記レーザ光の前記端面に対する入射角を調整するステップとを備える。

本発明においては、２波長のレーザ光を非線形光学結晶の一端面で反射させ、結晶内で入射光と反射光とを相互作用させることによりテラヘルツ波を発生させている。入射光と反射光とが相互作用する領域は、レーザ光の入射位置にかかわらず必然的に結晶の端面（反射面）に近接する領域となるため、発生するテラヘルツ波は結晶自身による吸収損失を受けにくく、入射位置を精密に位置決めする必要もない。また、レーザ強度耐性に優れ、広帯域にわたって平滑なコヒーレンス長を有する非線形光学結晶、例えばＬＮ結晶を用いることができる。したがって、本発明によれば、簡便な構成により、広帯域にわたってスペクトル平滑性を有し、高強度で広帯域なテラヘルツ波を発生することが可能である。

本発明の一実施形態に係るテラヘルツ波発生装置の概略構成図である。 本発明の一実施形態に係るテラヘルツ波の発生原理を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係る発生テラヘルツ波とその強度を示す図である。 本発明の一実施形態に係る発生テラヘルツ波と位相整合角の関係を示す図である。 本発明の一実施形態に係るテラヘルツ波発生装置の概略構成図である。 本発明の一実施形態に係る位相整合角を説明するための図である。 差周波発生によるテラヘルツ波の発生原理を説明するための図である。 差周波発生における位相整合角と発生テラヘルツ波周波数との関係を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明するが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。なお、以下で説明する図面で、同機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略することもある。

（第１実施形態）
まず、本実施形態に係るテラヘルツ波発生装置の全体構成について説明する。

図１は、本実施形態に係るテラヘルツ波発生装置の概略構成図である。テラヘルツ波発生装置１は、非線形光学結晶３、低屈折率層７、プリズム６、光源５、１／２波長板１０、集光レンズ９、回転ステージ８を備えて構成されている。

非線形光学結晶３は、強い光に対して非線形な応答を示す結晶であり、２つの異なる波長のレーザ光が入射されると非線形光学効果によりテラヘルツ波を発生することが可能である。レーザ光は入射面３ｘから入射され、結晶内部を通過して反射面３ｙで反射される。非線形光学結晶３の種類は、使用するレーザ波長における屈折率、位相整合条件、非線形光学定数などを比較して選択される。本実施形態では、ＭｇＯ添加リチウムナイオベート（ＬＮ）結晶を用いる。代わりに、リチウムタンタレート（ＬＴ）結晶を用いても良い。

非線形光学結晶３の入射面３ｘ（ＹＺ面）は、入射するレーザ光が反射しないように光学研磨、もしくは低反射コーティングされていることが好ましい。また、入射面３ｘから入射したレーザ光は、非線形光学結晶３の反射面３ｙ（ＸＺ面）において高効率で反射されることが好ましい。本実施形態では、反射効率を上げるための低屈折率層７が反射面３ｙに設けられている。低屈折率層７は、入射するレーザ光の波長帯において屈折率の低い層であり、例えば、フッ素樹脂フィルムやシリコン酸化膜である。低屈折率層７は、厚さが数ミクロン程度でありテラヘルツ波帯の波長に比して十分薄いため、非線形光学結晶３に入射したレーザ光を効率良く反射させる一方で、結晶内部で発生したテラヘルツ波を結晶外部に透過させることができる。

さらに、非線形光学結晶３は、テラヘルツ波取出面３ｙにプリズム６を備えている。プリズム６は、低屈折率層７を間に挟んで取り付けられる。プリズム６の素材には、シリコン等、テラヘルツ波帯において空気の屈折率とＬＮ結晶の屈折率の中間程度の屈折率を有する物質を使用する。ＬＮ結晶は、屈折率が約５であり、空気との屈折率の差が非常に大きいため、結晶内部で発生したテラヘルツ波は空気層との境界で全反射してしまい、外部に放出されない。そこで、プリズム６によってその屈折率の差を軽減して、発生したテラヘルツ波が結晶外部に放出されるようにしている。

光源５は、シードレーザ５１と波長変換用外部共振器５２を有して構成されている。シードレーザ５１にナノ秒Ｎｄ：ＹＡＧレーザを用いて、２倍波（波長５３２ｎｍ）をパルス幅６ｎｓ、繰返し周波数１０Ｈｚで波長変換用外部共振器５２にシードしている。シードレーザ５１にナノ秒レーザを用いると発生テラヘルツ波の線スペクトルを細くすることができ、また、シードレーザ５１にピコ秒レーザを用いると、テラヘルツ波の発生効率を高めることができる。シードレーザ５１には、高強度ナノ秒・ピコ秒のレーザパルスが発生できるのであれば、Ｎｄ：ＹＡＧディスクレーザ、Ｙｂ：ＹＡＧレーザ、チタンサファイアレーザ、Ｙｂ添加ファイバレーザ、Ｅｒ添加ファイバレーザ等を用いた発振器や増幅器を用いることもできる。

波長変換用外部共振器５２は、シードレーザ５１からのシード光を波長変換して２波長レーザ光１１を生成する。波長変換レーザ５２には、ＫＰＴ結晶を用いた光パラメトリック発振器（ＫＴＰ−ＯＰＯ）を用いる。生成される２波長レーザ光１１は、２つの波長成分としてポンプ光１１ｐとシグナル光１１ｓを有している。ポンプ光１１ｐとシグナル光１１ｓとの周波数の差はテラヘルツ波帯に相当するように調整されている。ＫＴＰ−ＯＰＯからの出力は、パルスエネルギー７．５ｍJ、繰返し周波数１０Ｈｚ、波長可変帯域１３００−１６００ｎｍである。２波長レーザ光１１を生成するためには、ＫＴＰ−ＯＰＯのような非線形光学効果を用いた波長変換用外部共振器５２に限られず、広帯域なレーザ媒質の利得帯域内で波長を選択して発振・増幅するような発振器や増幅器を用いることもできる。なお、図１においては、光源５から出射する２波長レーザ光１１は、便宜上、ポンプ光１１ｐとシグナル光１１ｓの２本の矢印で示されているが、実際には、２波長レーザ光１１は、ポンプ光１１ｐとシグナル光１１がコリニア（同軸）に重ね合わされた１本のビームである。

波長変換用外部共振器５２で生成された２波長レーザ光１１は、１／２偏光板１０、集光レンズ９を介して、非線形光学結晶３の入射面３ｘ（ＹＺ面）に入射する。１／２偏光板１０は、非線形光学結晶３において非線形光学効果が生じるように２波長レーザ光１１の偏光方向を非線形光学結晶３の光学軸に合わせることが可能である。２波長レーザ光１１と発生するテラヘルツ波１２の偏光方向は、非線形光学結晶３のＸＹ面に平行である。

集光レンズ９は、光源５から出射された２波長レーザ光１１のビーム径及びビーム形状を変えることが可能である。集光レンズ９の焦点距離は、２波長レーザ光１１の出力強度と非線形光学結晶３のレーザ損傷閾値を考慮して決定される。なお、図４においては、便宜上、集光レンズ９は１枚の集光レンズとして図示されているが、複数のレンズが組み合わされた構成としても良い。

非線形光学結晶３で発生するテラヘルツ波１２の強度は、「ポンプ光のパワー密度×シグナル光のパワー密度」と「入射したポンプ光と反射したシグナル光とが相互作用する領域の体積」の積に比例する。よって、この値が最大となるように２波長レーザ光１１（ポンプ光１１ｐ、シグナル光１１ｓ）のビーム形状を最適化すると効率的にテラヘルツ波１２を発生させることができる。本実施形態では、２波長レーザ光１１のビーム形状を集光レンズ９により楕円形にしている。図１におけるｚ軸方向が楕円の長軸方向、ｙ軸方向が楕円の短軸方向に当たる。ビーム形状を反射面３ｙに垂直な方向（ｙ軸方向）を短軸方向とする楕円形とすることによって、ビーム形状が真円状の場合と比較して、ビーム密度を高く保ちながら相互作用領域２を広範囲に取ることができる。

回転ステージ８は、非線形光学結晶３を載置してＸＹ面内で回転可能に構成されている。回転ステージ８を回転させることにより、光源５から非線形光学結晶３に入射される２波長レーザ光１１の入射角を、所望に応じて調整することができる。２波長レーザ光１１の反射面３ｙにおける入射角と反射角は等しいことから、結晶に入射した入射光と反射面３ｙで反射した反射光とが成す角は、回転ステージ８の回転角の２倍となる。入射角の調整手段としては、非線形光学結晶３を回転ステージ８によって回転させる代わりに、入射する２波長レーザ光１１の方向をガルバノミラー等を用いて変化させるようにしても良い。

次に、本実施形態に係る差周波テラヘルツ波発生の原理について説明する。

図２は、２波長レーザ光１１が非線形光学結晶３に入射する様子を示している。非線形光学結晶３はｘ軸方向に長い柱状の直方体であり、図２にはｚ軸方向から見た結晶の上面図が示されている。図３において、ポンプ光１１ｐは一対の実線矢印、シグナル光１１ｓは一対の破線矢印で示されている。ポンプ光１１ｐの波長はλ_ｐ、シグナル光１１ｓの波長はλ_ｓである。図の斜線部分２は、ポンプ光１１ｐとシグナル光１１ｓとが相互作用する領域であり、この相互作用によって発生するテラヘルツ波１２が白抜き矢印で示されている。便宜上、反射したポンプ光１１ｐ’の図示は省略し、ポンプ光１１ｐとシグナル光１１ｓを少しずらして図示している。

２波長レーザ光１１、すなわち、ポンプ光１１ｐとシグナル光１１ｓは、同じ角度で同軸に非線形光学結晶３の入射面３ｘ（ＹＸ面）に入射する。入射したポンプ光１１ｐとシグナル光１１ｓは、結晶の内部を通過して端面３ｙ（ＸＺ面）で反射する。入射したポンプ光１１ｐと反射したシグナル光１１ｓ’とがノンコリニア位相整合条件を満たす場合、入射ポンプ光１１ｐと反射シグナル光１１ｓ’は相互作用してその周波数差に相当するテラヘルツ波１２が発生する。

ここで、ノンコリニア位相整合条件は、入射ポンプ光１１ｐ、反射シグナル光１１ｓ’、発生テラヘルツ波１２の間の波数ベクトルｋ_ｐ、ｋ_ｓ’、ｋ_ＴＨｚを用いて、ｋ_ｐ＝ｋ_ｓ’＋ｋ_ＴＨｚで表される。これは言わば、相互作用する光の運動量保存則であり、図２右のベクトル図で示される。このベクトル図から、入射ポンプ光１１ｐと反射シグナル光１１ｓ’とがノンコリニア位相整合条件を満たすためには、入射ポンプ光１１ｐと反射シグナル光１１ｓ’との成す角θが位相整合角θ_ｋと一致すれば良いことが分かる。位相整合角θ_ｋは、以下の数式で与えられる。
ただし、ｎ_ｐ、ｎ_ｓ、ｎ_ＴＨｚは、ポンプ光１１ｐ、シグナル光１１ｓ、テラヘルツ波１２に対する非線形光学結晶３の屈折率、ω_ｐ、ω_ｓ、ω_ＴＨｚは、ポンプ光１１ｐ、シグナル光１１ｓ、テラヘルツ波１２の角周波数である。

反射する光の入射角と反射角は等しいことから、２波長レーザ光１１の反射面３ｙに対する入射角を位相整合角θ_ｋの半分にすると、入射ポンプ光１１ｐと反射シグナル光１１ｓ’とのなす角θは位相整合角θ_ｋに一致する。すなわち、ポンプ光１１ｐとシグナル光１１ｓを、非線形光学結晶３の端面３ｙ（ＸＺ面）に対して位相整合角θ_ｋの半分の入射角で非線形光学結晶３の入射面３ｘ（ＹＺ面）から入射し、非線形光学結晶３の内部を通過して反射面３ｙ（ＸＺ面）でシグナル光１１ｓを反射させると、入射したポンプ光１１ｐと反射したシグナル光１１ｓ’との成す角は位相整合角θ_ｋとなり、ノンコリニア位相整合条件が満たされる。したがって、２波長レーザ光１１を反射面３ｙに対して位相整合角θ_ｋの半分の入射角で入射すれば、テラヘルツ波を発生することが可能である。

本実施形態においては、非線形光学結晶３の端面３ｙにおける反射を利用することによって、テラヘルツ波１２を発生させている。図２に示されるように、入射ポンプ光１１ｐと反射シグナル光１１ｓ’との相互作用領域２は、必然的に、その一辺が反射面３ｙに接した三角形の領域となる。２波長レーザ光１１の反射面３ｙに対する入射角を変化させた場合や、２波長レーザ光１１の入射位置を変化させた場合（例えば、入射面３ｘへの入射位置をｙ軸負方向に移動すると、反射面３ｙにおける反射位置はｘ軸正方向に移動する）であっても、相互作用領域２の一辺は常に反射面３に接する。したがって、本実施形態のテラヘルツ波発生原理によれば、２波長レーザ光１１の入射角や入射位置にかかわらず、テラヘルツ波を反射面３ｙ、つまり結晶の表面近くで発生させることができる。

非線形光学結晶の多くはテラヘルツ波帯で大きな吸収を有しているため、結晶内部で発生したテラヘルツ波は、結晶表面から取り出されるまでに結晶自身による吸収損失の影響を少なからず受ける。従来の差周波発生によるテラヘルツ波発生では、例えば図７（ａ）に示されるように、非線形光学結晶３の入射面３ｘでポンプ光１１ｐとシグナル光１１ｓを交差させて結晶に入射している。つまり、ポンプ光１１ｐとシグナル光１１の相互作用領域２、すなわちテラヘルツ波１２の発生箇所は、非線形光学結晶３の表面から離れた結晶内部にある。したがって、従来の差周波発生によるテラヘルツ波発生では、非線形光学結晶自身による吸収損失が問題となる。

本実施形態では、反射光を利用することによってテラヘルツ波を結晶表面に近い領域で発生させているため、上述のような結晶自身による吸収損失の影響を低減することができる。このことは、図２における相互作用領域２と図７（ａ）における相互作用領域２との比較により明らかである。したがって、本実施形態の反射光を利用したテラヘルツ波発生によれば、発生したテラヘルツ波を効率的に結晶外部に取り出すことが可能となる。

図８は、図７（ａ）に示されるような従来の差周波テラヘルツ波発生において、ポンプ光１１ｐとシグナル光１１ｓとがノンコリニア位相整合条件を満たす場合の、位相整合角θ_ｋと発生するテラヘルツ波の周波数との関係を示したものである。縦軸は位相整合角θ_ｋ、横軸は発生テラヘルツ波周波数である。ポンプ光１１ｐの波長を１３００ｎｍ、１４００ｎｍ、１４４０ｎｍに固定して、シグナル光１１ｓの波長をそれぞれ変化させる場合の理論値である。周波数の高いテラヘルツ波を発生させるためには、ポンプ光１１ｐとシグナル光１１ｓとの成す角θを位相整合角θ_ｋに合わせて大きくする必要があることが分かる。

図７（ａ）においてポンプ光１１ｐとシグナル光１１ｓとの成す角θを大きくすると、図７（ｂ）のように、ポンプ光１１ｐとシグナル光１１ｓの相互作用領域２は、結晶のさらに内部寄り（紙面上で右方向）に全体的に移動する。つまり、従来の差周波発生によるテラヘルツ波発生では、発生するテラヘルツ波の周波数が高いほど吸収損失の影響も大きくなってしまうため、高周波帯までの広帯域なテラヘルツ波を発生することは困難である。

これに対し、本実施形態では、入射ポンプ光１１ｐと反射シグナル光１１ｓ’との成す角θを大きくした場合であっても、相互作用領域２は常に反射面３ｙに接した形状であるため、テラヘルツ波１２を結晶の表面近くで発生させることができる。したがって、本実施形態の反射光を利用したテラヘルツ波発生によれば、高周波帯域であっても結晶自身による吸収損失の影響を低減することができる。

また、本実施形態の反射光を利用したテラヘルツ波発生は、入射光の入射位置を精密に位置決めする必要がない。従来では、結晶自身による吸収損失を低減するために、図７のようにポンプ光１１ｐとシグナル光１１ｓの入射面３ｘにおける交差位置を結晶の端（反射面３ｙ側）に合わせる必要がある。これに対し、本実施形態では、２波長レーザ光１１が反射面３ｙで反射するように入射されれば、入射位置が入射面３ｘの何れの位置であっても吸収損失に変化はなく同様のテラヘルツ波出力が得られる。さらに、本実施形態では、２波長レーザ光１１（ポンプ光１１ｐ、シグナル光１１ｓ）はコリニア（同軸上）にあるため、位相整合条件を満たすために制御すべき入射角は１つのみである。つまり、本実施形態の反射光を利用したテラヘルツ波発生は、１つの入射角を調整すれば良く、異なる２本のレーザ光の入射角及び入射位置をそれぞれ調整するような複雑な構成を必要としない。

（実施例１）
上述の図１に示される構成によりテラヘルツ波を発生させ、シリコンボロメータを用いて発生したテラヘルツ波を観測した。非線形光学結晶３には、５×６５×６ｍｍ（幅×長さ×高さ）のサイズのＬＮ結晶を用いた。ポンプ光１１ｐの波長λ_ｐは１４４０ｎｍに固定し、シグナル光１１ｓの波長λ_ｓを変化させて、その差に相当する周波数のテラヘルツ波を発生させた。入射する２波長レーザ光１１のパワー密度は７５ＭＷ／ｃｍ_２、ビーム形状は２．１×１．２ｍｍ^２の楕円形となるように集光レンズ９でビームの形状を調整した。回転ステージ８を回転させて２波長レーザ光１１の入射角を調整し、複数の入射角で測定を行った。

図３は、発生したテラヘルツ波の周波数とその強度を示している。測定した角度のうち、回転ステージ８の回転角が０．３９度から３．１５度までの６つの場合の出力強度と、測定した全ての角度を通して得られた最大の出力強度とが示されている。０．２〜７．２ＴＨｚの広帯域なテラヘルツ波が発生し、発生したテラヘルツ波のスペクトルは、１．５〜５．５ＴＨｚの広帯域にわたって平坦な形状を有していることが確認された。

図４は、位相整合角θ_ｋの理論値と本実施例における実験値との比較を示している。横軸は発生したテラヘルツ波周波数、縦軸は対応する位相整合角θ_ｋである。上述の数式１から計算された理論値が丸点で示され、本実施例において測定された実験値が実線で示されている。１〜６ＴＨｚの帯域にわたって位相整合角θ_ｋの理論値と実験値とが良く一致していることが確認された。

（第２実施形態）
図５は、本実施形態に係るテラヘルツ波発生装置の概略構成図である。テラヘルツ波発生装置１は、非線形光学結晶３、低屈折率層７、プリズム６、光源５、１／２波長板１０、集光レンズ１３、回転ステージ８を備えて構成されている。

光源５は、複数の周波数成分を有するフェムト秒光パルスを生成することが可能である。光源５は、フェムト秒光パルスからなるレーザ光１１を、１／２波長板１０、集光レンズ１３を介して、非線形光学結晶３の入射面３ｘ（ＹＺ面）に入射する。光源５には、モード同期フェムト秒レーザを用いる。フェムト秒レーザであれば、チタンサファイアレーザ、Ｙｂ：ＹＡＧレーザなどの固体レーザＹｂ添加ファイバレーザ、Ｅｒ添加ファイバレーザ、Ｔｍ添加ファイバレーザ等のファイバレーザ、あるいはこれらを波長変換して得られるフェムト秒レーザを光源５に用いることができる。フェムト秒レーザは高いピーク強度を持つため、高強度なテラヘルツ波を発生させることが可能となる。

集光レンズ１３は、光源５から出力されたレーザ光１１を受けて、ビーム幅に角度をつけて絞りながらレーザ光１１を非線形光学結晶３の入射面３ｘに入射させることが可能である。非線形光学結晶３に入射したレーザ光１１は、非線形光学結晶３の内部を通過して反射面３ｙで反射する。集光レンズ１３の焦点位置は非線形光学結晶３の反射面３ｙである。図７において、光源５から出射するレーザ光１１は、２本の破線矢印で挟まれた幅のビームとして示されている。また、集光レンズ１３は１枚の集光レンズで図示されているが、複数のレンズが組み合わされた構成としても良い。

その他の構成要素である非線形光学結晶３、低屈折率層７、プリズム６、１／２波長板１０については、第１実施形態と同様の構成であるため、本実施形態での繰返しの説明は省略する。

図６（ａ）は、図５における非線形光学結晶３に係る部分を拡大したものであり（低屈折率層７は省略）、レーザ光１１が反射面３ｙで反射する様子を示している。レーザ光１１は、集光レンズ１３により角度を付けて絞られながら非線形光学結晶３に入射するため、レーザ光１１のビームの中央部と端部とでは、反射面３ｙに対する入射角は異なる。すなわち、レーザ光１１は、反射面３ｙの最も手前で反射する部分の入射角を最小入射角θ_ｍｉｎとし、反射面の最も奥で反射する部分の入射角を最大入射角θ_ｍａｘとする、θ_ｍｉｎからθ_ｍａｘまでの幅を持った入射角を有している。

本実施形態では、光源５にフェムト秒レーザを用いているため、レーザ光１１には広帯域の複数の周波数成分が含まれている。レーザ光１１が平行な幅を持ったビーム（入射角が１つ）である場合には、レーザ光１１の持つ様々な周波数成分のうち、１つの入射角に対応する位相整合条件を満たすことのできる周波数成分は限られたものになる。そのため、レーザ光１１の広い帯域にわたって、周波数成分間で同時に位相整合条件を満たすことができない可能性がある。そこで、入射するレーザ光１１の入射角にθ_ｍｉｎからθ_ｍａｘまでの幅を持たせることで、レーザ光１１の異なる周波数成分間の複数の位相整合条件が広帯域にわたって同時に満たされるようにしている。したがって、本実施形態によれば、フェムト秒レーザを用いて広帯域なテラヘルツ波を発生することが可能である。なお、非線形光学結晶に入射されたフェムト秒光パルスは、非線形光学結晶の群速度分散の影響によりパルスに広がりが生じる。そのため、光パルスを非線形光学結晶の入射端に近い位置で反射させることによって、もしくは予め光パルスに非線形光学結晶と逆の分散を付与することによってパルス広がりの影響を低減することが好ましい。

図６（ｂ）は、本実施形態の変形例である。図６（ｂ）においては、平行なビーム幅を有するレーザ光１１が非線形光学結晶３に入射され、非線形光学結晶３の反射面３ｙは外側に向かって凸状となる緩やかな曲率を有している。反射面３ｙの角度が一定でないことから、反射波の角度は入射したレーザ光１１の反射位置によってθ_ｍｉｎからθ_ｍａｘまでの範囲で変化する。つまり、非線形光学結晶３に対して１つの入射角で入射したレーザ光１１は、反射面３ｙで反射されるとθ_ｍｉｎからθ_ｍａｘの範囲の反射角を有する反射光となる。したがって、ビームの幅に角度をつけて入射する図６（ａ）の場合と同様に、θ_ｍｉｎからθ_ｍａｘの範囲で入射光と反射光の位相整合条件を満たすことが可能になる。

なお、本実施形態において、平行なビーム幅を有するレーザ光１１が入射される場合の反射面３ｙの形状は、図６（ｂ）に示されるように、外側に向かって凸状に限定されるものではない。反射面３ｙの形状は、非線形光学結晶３に対して１つの入射角で入射するレーザ光１１が反射面３ｙにおいて複数の異なる反射角で反射されるような形状であれば良く、例えば、外側に向かって凹状となる曲率を有する形状とすることができる。

このように、本発明においては、レーザ光を非線形光学結晶に入射し、入射したレーザ光を結晶の端面で反射させて、入射光と反射光とがノンコリニア位相整合条件を満たすようにしている。結晶端面に入射する光と結晶端面で反射した光とが相互作用して非線形光学効果を起こすことで、非線形光学結晶の端面近くでのテラヘルツ波発生が可能となる。

１ テラヘルツ波発生装置
２ 相互作用領域（テラヘルツ波発生領域）
３ 非線形光学結晶
３ｘ 入射面
３ｙ 端面（反射面、テラヘルツ波取出面）
５ 光源
６ プリズム
７ 低屈折率層
８ 回転ステージ
９ 集光レンズ
１０ １／２波長板
１１ ２波長レーザ光、レーザ光（フェムト秒光パルス）
１１ｐ 入射ポンプ光
１１ｓ 入射シグナル光
１１ｓ’ 反射シグナル光
１２ 発生テラヘルツ波
１３ 集光レンズ

Claims (7)

1. 非線形光学効果によりテラヘルツ波を発生する非線形光学結晶と、
   第１及び第２の波長を有するレーザ光を前記非線形光学結晶に入射する光源と、
   前記レーザ光が前記非線形光学結晶の内部を通過して一端面で反射され、反射前の前記レーザ光の第１の波長成分と反射後の前記レーザ光の第２の波長成分とがノンコリニア位相整合条件を満たすように、前記レーザ光の前記端面に対する入射角を調整する角度調整手段と、
   を備えるテラヘルツ波発生装置。
2. 前記入射角は位相整合角θ_ｋの半分である請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
3. 前記端面に低屈折率層が設けられている請求項１又は２に記載のテラヘルツ波発生装置。
4. 前記レーザ光のビーム形状を、前記端面に対して垂直な方向を短軸方向とする楕円形に変形するビーム変形手段を備える請求項１乃至３に記載のテラヘルツ波発生装置。
5. 前記レーザ光はフェムト秒光パルスであり、前記レーザ光の異なる周波数成分間の複数の位相整合条件が同時に満たされるように、前記レーザ光のビーム幅に角度を付けるビーム集光手段を備える請求項１乃至４に記載のテラヘルツ波発生装置。
6. 前記レーザ光はフェムト秒光パルスであり、前記端面は前記非線形光学結晶の外側に向かって凸状、又は凹状となる曲率を有する請求項１乃至４に記載のテラヘルツ波発生装置。
7. 第１及び第２の波長を有するレーザ光を非線形光学効果によりテラヘルツ波を発生する非線形光学結晶に入射するステップと、
   前記レーザ光が前記非線形光学結晶の内部を通過して一端面で反射され、反射前の前記レーザ光の第１の波長成分と反射後の前記レーザ光の第２の波長成分とがノンコリニア位相整合条件を満たすように、前記レーザ光の前記端面に対する入射角を調整するステップと、
   を備えるテラヘルツ波発生方法。