JP2016224179A

JP2016224179A - 電磁波発生装置

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Publication number: JP2016224179A
Application number: JP2015108762A
Authority: JP
Inventors: 俊明中; Toshiaki Naka; 佐々木　基; Motoi Sasaki; 基佐々木; 暁人土谷; Akito Tsuchiya
Original assignee: Shibuya Kogyo Co Ltd
Current assignee: Shibuya Corp
Priority date: 2015-05-28
Filing date: 2015-05-28
Publication date: 2016-12-28
Anticipated expiration: 2035-05-28
Also published as: JP6489311B2

Abstract

【解決手段】電磁波発生装置１は、周波数の異なる第１パルスレーザ光Ｌ１と第２パルスレーザ光Ｌ２とを第１非線形光学結晶３に入射させることにより、両パルスレーザ光の差周波数の電磁波を発生させることができるようになっている。上記パルスレーザ光Ｌ１、Ｌ２を生成するパルスレーザ生成手段２は、第１連続レーザ光照射手段５からの第１連続レーザ光Ｌｓ１と、第２連続レーザ光照射手段６からの第２連続レーザ光Ｌｓ２と、励起パルスレーザ光照射手段７からの励起パルスレーザ光Ｌｅとを第２非線形光学結晶４に入射させ、それにより該第２非線形光学結晶から第１連続レーザ光に基づく第１パルスレーザ光Ｌ１と、第２連続レーザ光に基づく第２パルスレーザ光とを出力させる。【効果】パルスレーザ生成手段２を小型かつ安価に構成することができ、また第１パルスレーザ光と第２パルスレーザ光とを同期した状態で生成させることができる。【選択図】図１

Description

本発明はテラヘルツ波などの電磁波を発生させる電磁波発生装置に関し、より詳しくは、２つのパルスレーザ光の差周波数を周波数とする電磁波を発生させる電磁波発生装置に関する。

従来、電磁波発生装置として、周波数の異なる第１パルスレーザ光と第２パルスレーザ光とを生成するパルスレーザ光生成手段と、上記両パルスレーザ光が入射され、両パルスレーザ光の差周波数の電磁波を発生させる第１非線形光学結晶とを備えたものが知られている（特許文献１）。
上記構成の電磁波発生装置においては、両パルスレーザ光の差周波数を周波数とする電磁波を発生させることができるので、従来に比較して低い周波数の電磁波を発生させることができるという利点がある。

特許第４７４９１５６号

上記パルスレーザ光生成手段は、周波数の異なる第１パルスレーザ光と第２パルスレーザ光とを生成する必要があるが、各パルスレーザ光はそれぞれ高いエネルギーを持つ光パラメトリック発振（ＯＰＯ）されたパルスレーザ光であることが好ましい。
光パラメトリック発振されたパルスレーザ光を得るためには、例えば連続レーザ光を非線形光学結晶に入射させる連続レーザ光照射手段と、励起パルスレーザ光を上記非線形光学結晶に入射させる励起パルスレーザ光照射手段とからパルスレーザ光生成手段を構成すればよく、周波数の異なる第１パルスレーザ光と第２パルスレーザ光とを生成するためには上記構成のパルスレーザ光生成手段を２組設けて各連続レーザ光の周波数を異ならせればよい。
しかしながら、２組のパルスレーザ光生成手段を設けるためには、連続レーザ光照射手段、励起パルスレーザ光照射手段および非線形光学結晶が２組必要となり、高価となるだけではなく装置が大型化するという欠点がある。
また、２組のパルスレーザ光生成手段を独立して設けると、各パルスレーザ光生成手段によって得られる第１パルスレーザ光と第２パルスレーザ光との生成のタイミングが一致するとは限らないため、その場合には２つのパルスレーザ光の同期をとるための機構が必要となる（例えば特許文献１の図８のタイミング制御機構２６参照）。そしてそのような機構を設ければ、その分装置が大型化して高価となる。
本発明はそのような事情に鑑み、周波数の異なる第１パルスレーザ光と第２パルスレーザ光とを生成するパルスレーザ光生成手段をより簡単かつ安価に構成することができ、しかも第１パルスレーザ光と第２パルスレーザ光との生成のタイミングを一致させることができる電磁波発生装置を提供するものである。

請求項１の発明は、周波数の異なる第１パルスレーザ光と第２パルスレーザ光とを生成するパルスレーザ光生成手段と、上記両パルスレーザ光が入射され、両パルスレーザ光の差周波数の電磁波を発生させる第１非線形光学結晶とを備えた電磁波発生装置において、
上記パルスレーザ生成手段を、第１の周波数を有する第１連続レーザ光を第２非線形光学結晶に入射させる第１連続レーザ光照射手段と、上記第１の周波数とは異なる第２の周波数を有する第２連続レーザ光を上記第２非線形光学結晶に入射させる第２連続レーザ光照射手段と、さらに励起パルスレーザ光を上記第２非線形光学結晶に入射させる励起パルスレーザ光照射手段とから構成し、
上記第２非線形光学結晶から出力される第１連続レーザ光に基づくアイドラー光を上記第１パルスレーザ光とし、上記第２非線形光学結晶から出力される第２連続レーザ光に基づくアイドラー光を第２パルスレーザ光としたことを特徴とするものである。

上記構成によれば、上記パルスレーザ生成手段を２つの連続レーザ光照射手段と、１つの励起パルスレーザ光照射手段および１つの第２非線形光学結晶とから構成することができるので、それら連続レーザ光照射手段、励起パルスレーザ光照射手段および第２非線形光学結晶を２組設ける場合に比較して装置を小型かつ安価に構成することができる。
また、上記第２非線形光学結晶から出力される第１連続レーザ光に基づくアイドラー光を上記第１パルスレーザ光とし、上記第２非線形光学結晶から出力される第２連続レーザ光に基づくアイドラー光を第２パルスレーザ光としており、これらアイドラー光は上記励起パルスレーザ光に同期して生成されるので、格別な構成を要することなく第１パルスレーザ光と第２パルスレーザ光とを同期した状態で生成させることができる。

本発明の実施例を示す配置図。

以下図示実施例について本発明を説明すると、図１において、電磁波発生装置１は、周波数の異なる第１パルスレーザ光Ｌ１と第２パルスレーザ光Ｌ２とを生成するパルスレーザ光生成手段２と、上記両パルスレーザ光Ｌ１、Ｌ２が入射されることによって、両パルスレーザ光の差周波数の電磁波を発生させる第１非線形光学結晶３とを備えている。
上記パルスレーザ光生成手段２は、第１の周波数を有する第１連続レーザ光Ｌｓ１を第２非線形光学結晶４に入射させる第１連続レーザ光照射手段５と、上記第１の周波数とは異なる第２の周波数を有する第２連続レーザ光Ｌｓ２を上記第２非線形光学結晶４に入射させる第２連続レーザ光照射手段６とを備えている。
また上記パルスレーザ光生成手段２は、励起パルスレーザ光Ｌｅを上記第２非線形光学結晶４に入射させる励起パルスレーザ光照射手段７を備えている。
そして上記第２非線形光学結晶４に入射される第１連続レーザ光Ｌｓ１の光軸と第２連続レーザ光Ｌｓ２の光軸とは、上記励起パルスレーザ光Ｌｅの光軸を挟んで対称に設けてあり、その状態で各連続レーザ光Ｌｓ１、Ｌｓ２を上記第２非線形光学結晶４に入射させるようにしてある。

上記第１連続レーザ光照射手段５と、励起パルスレーザ光照射手段７と、第２非線形光学結晶４とによって第１光パラメトリック発振器が構成されており、第１連続レーザ光照射手段５からの第１連続レーザ光Ｌｓ１がシード光として用いられ、励起パルスレーザ光照射手段７からの励起パルスレーザ光Ｌｅがポンプ光として用いられる。
シード光である第１連続レーザ光Ｌｓ１はポンプ光である励起パルスレーザ光Ｌｅからエネルギーをもらって増幅し、第２非線形光学結晶４内でアイドラー光Ｌ１とシグナル光Ｔ１とが発生する。このアイドラー光Ｌ１は第１パルスレーザ光Ｌ１として用いられ、シグナル光Ｔ１はそのまま消費される。
また、上記第２非線形光学結晶４を通過して不要となった励起パルスレーザ光Ｌｅ’は、ビームダンパ８によって吸収される。

他方、上記第２連続レーザ光照射手段６と、上記励起パルスレーザ光照射手段７と、第２非線形光学結晶４とによって第２光パラメトリック発振器が構成されており、第２連続レーザ光照射手段６からの第２連続レーザ光Ｌｓ２がシード光として用いられ、励起パルスレーザ光照射手段７からの励起パルスレーザ光Ｌｅがポンプ光として用いられる。
シード光である第２連続レーザ光Ｌｓ２はポンプ光である励起パルスレーザ光Ｌｅからエネルギーをもらって増幅し、アイドラー光Ｌ２とシグナル光Ｔ２が発生する。上記アイドラー光Ｌ２は第２パルスレーザ光Ｌ２として用いられ、シグナル光Ｔ２はそのまま消費される。
この時、上記アイドラー光Ｌ１、Ｌ２すなわちパルスレーザ光Ｌ１、Ｌ２は、上記励起パルスレーザ光Ｌｅに同期して生成されるので、両パルスレーザ光Ｌ１、Ｌ２は自動的に同期した状態で生成されることになる。
なお、上記第１連続レーザ光Ｌｓ１、第２連続レーザ光Ｌｓ２、励起パルスレーザ光Ｌｅは、光パラメトリック発振器の位相整合角を有するように入射されるのは勿論であり、また第１連続レーザ光Ｌｓ１の周波数と第２連続レーザ光Ｌｓ２の周波数とは異ならせてあるので、第１パルスレーザ光Ｌ１の周波数と第２パルスレーザ光Ｌ２の周波数も異なることになる。また９Ａ、９Ｂはミラーである。

上記パルスレーザ光生成手段２によって生成された第１パルスレーザ光Ｌ１と第２パルスレーザ光Ｌ２とは、第１光学系１１Ａと第２光学系１１Ｂとによってそれぞれ案内されて上記第１非線形光学結晶３に入射される。
上記第１光学系１１Ａは、両光学系１１Ａ、１１Ｂに共通の三角プリズム１２と、第１ミラー１３Ａ、第１レンズ１４Ａ、第１ミラー１５Ａおよび両光学系１１Ａ、１１Ｂに共通の五角プリズム１６とから構成されており、上記第１パルスレーザ光Ｌ１は上記三角プリズム１２、第１ミラー１３Ａ、第１レンズ１４Ａ、第１ミラー１５Ａおよび五角プリズム１６を介して第１非線形光学結晶３に入射されるようになっている。

また上記第２光学系１１Ｂは、上記三角プリズム１２と、第２ミラー１３Ｂ、第２レンズ１４Ｂ、第２ミラー１５Ｂおよび上記五角プリズム１６とから構成されており、上記第２パルスレーザ光Ｌ２は三角プリズム１２、第２ミラー１３Ｂ、第２レンズ１４Ｂ、第２ミラー１５Ｂおよび五角プリズム１６を介して第１非線形光学結晶３に入射されるようになっている。
上記第１光学系１１Ａと第２光学系１１Ｂとは、上記第１非線形光学結晶３と第２非線形光学結晶４とを結ぶ光軸に対して線対称となるように構成してあり、それによって第１光学系１１Ａの光路長と第２光学系１１Ｂの光路長とを同一としてある。その結果、上述したように上記パルスレーザ光Ｌ１、Ｌ２は同期した状態で生成されているので、両パルスレーザ光Ｌ１、Ｌ２は同時に上記第１非線形光学結晶３に入射されるようになる。
なお、上記第１レンズ１４Ａおよび第２レンズ１４Ｂはそれぞれコリメートレンズであって、レーザ光を平行にする作用を有している。これによって第１光学系１１Ａと第２光学系１１Ｂとを導光される間にレーザ光が拡散された場合であっても、上記コリメートレンズで平行光に絞ることによって、平行光のレーザ光を第１非線形光学結晶３に入射させるようにしてある。

上記パルスレーザ光Ｌ１、Ｌ２が同時に第１非線形光学結晶３に入射されると、第１非線形光学結晶３によって両パルスレーザ光Ｌ１、Ｌ２の差周波数の電磁波Ｔ３が発生されるようになり、該電磁波Ｔ３はその周波数により例えばテラヘルツ波として、通信、計測、検査、イメージングなどに利用することができる。
なお、上記パルスレーザ光Ｌ１、Ｌ２は、上記特許文献１に記載されているように、所要の角度などの必要な条件を満たすように第１非線形光学結晶３に入射されることは勿論である。

以上の構成を有する電磁波発生装置１において、上記第１連続レーザ光照射手段５と第２連続レーザ光照射手段６としては、例えば波長λｅ＝１０６４.４ｎｍ〜１０８０ｎｍ（周波数ｆ１＝２８０〜３００ＴＨｚ）の範囲で周波数を可変することができる半導体レーザを用いることが好ましい。上記第１連続レーザ光照射手段５と第２連続レーザ光照射手段６との少なくともいずれか一方は、周波数が固定されていてもよい。
一例として、上記第１連続レーザ光照射手段５からは周波数ｆ１＝２９９ＴＨｚの第１連続レーザ光Ｌｓ１が、第２連続レーザ光照射手段６からは周波数ｆ２＝２９８．５ＴＨｚの第２連続レーザ光Ｌｓ２がそれぞれ第２非線形光学結晶４に入射される。
また励起パルスレーザ光照射手段７としては、例えば波長λｅ＝１０６４.４ｎｍ（周波数ｆｅ＝約３００ＴＨｚ）、パルス幅３００ｐｓのＮｄ：ＹＡＧレーザを用いることができる。また一例として、繰り返し周波数１００Ｈｚで励起パルスレーザ光Ｌｅを発振するようになっている。
さらに第２非線形光学結晶４としては、ＬｉＮｂＯ３やＧａＰを用いることができる。

上述した条件で第２非線形光学結晶４に第１連続レーザ光Ｌｓ１、第２連続レーザ光Ｌｓ２および励起パルスレーザ光Ｌｅが入射されると、第２非線形光学結晶４内では、励起パルスレーザ光Ｌｅと第１連続レーザ光Ｌｓ１とによって差分の周波数の１ＴＨｚのテラヘルツ光（シグナル光）Ｔ１が発生するとともに、第１連続レーザ光Ｌｓ１はパルス幅１００ｐｓの第１パルスレーザ光Ｌ１に変換される（周波数はｆ１＝２９９ＴＨｚのまま）。
これと同時に、励起パルスレーザ光Ｌｅと第２連続レーザ光Ｌｓ２とによって差分の周波数の１．５ＴＨｚのテラヘルツ光（シグナル光）Ｔ２が発生するとともに、第２連続レーザ光Ｌｓ２はパルス幅１００ｐｓの第２パルスレーザ光Ｌ２に変換される（周波数はｆ１＝２９８．５ＴＨｚのまま）。
この時、前述したようにパルスレーザ光Ｌ１、Ｌ２は、励起パルスレーザ光Ｌｅのタイミングで生成されるので、第２非線形光学結晶４を出た時点でのパルスレーザ光Ｌ１、Ｌ２は、両パルスレーザ光Ｌ１、Ｌ２の同期をとるための機構を用いることなく、自動的に同期された状態となっている。

その後、上記パルスレーザ光Ｌ１、Ｌ２は、それぞれ同一光路長を有する第１光学系１１Ａと第２光学系１１Ｂとによって第１非線形光学結晶３に同一のタイミングで導かれ、該第１非線形結晶３に入射された第１パルスレーザ光Ｌ１と第２パルスレーザ光Ｌ２とから、差分の周波数（差周波数）であるｆｔ＝０．５ＴＨｚのテラヘルツ光（電磁波）Ｔ３を得ることができる。
このように本実施例によれば、従来のテラヘルツ発生装置（例えば、特開２００２−７２２６２９号公報のテラヘルツ発生装置）では発生させることが困難であった０．７ＴＨｚ以下のテラヘルツ光を発生させることが可能となる。

なお、上記第１非線形光学結晶３としては、ＧａＰ（リン化ガリウム）結晶を用いることが好ましいが、ＤＡＳＴ（有機非線形光学結晶）やＧａＡｓ（ヒ化ガリウム）を用いてもよい。
上述した実施例では、コリニア位相整合条件を有する第１非線形光学結晶３を用いているため、パルスレーザ光Ｌ１、Ｌ２を第１非線形光学結晶３に対して平行に導入させているが、第１非線形光学結晶３としてノンコリニア位相整合条件を有する非線形光学結晶を用いる場合には、第１光学系１１Ａと第２光学系１１Ｂとによって、位相整合角を有するようにパルスレーザ光Ｌ１、Ｌ２を非線形光学結晶に導入させればよい。
また上記実施例では、テラヘルツ光（シグナル光）Ｔ１、Ｔ２をそのまま消費するようにしているが、これらを通信、計測、検査、イメージングなどに利用することができる。この場合には、テラヘルツ光（シグナル光）Ｔ１、Ｔ２、テラヘルツ光Ｔ３を共通の照射領域に導光する光学系と、照射するテラヘルツ光を切り替えるスイッチング手段とを設けて、使用する周波数帯に応じて、照射領域に導光するテラヘルツ光を切り替えるようにしてもよい。
さらに、上述した各構成部材の材質や数値は一例であり、必要に応じて適宜の材質や数値を用いることができることは勿論である。

１電磁波発生装置２パルスレーザ光生成手段
３第１非線形光学結晶４第２非線形光学結晶
５第１連続レーザ光照射手段６第２連続レーザ光照射手段
７励起パルスレーザ光照射手段１１Ａ、１１Ｂ光学系
Ｌ１第１パルスレーザ光Ｌ２第２パルスレーザ光
Ｌｅ励起パルスレーザ光Ｌｓ１第１連続レーザ光
Ｌｓ２第２連続レーザ光Ｔ３テラヘルツ光

Claims

周波数の異なる第１パルスレーザ光と第２パルスレーザ光とを生成するパルスレーザ光生成手段と、上記両パルスレーザ光が入射され、両パルスレーザ光の差周波数の電磁波を発生させる第１非線形光学結晶とを備えた電磁波発生装置において、
上記パルスレーザ生成手段を、第１の周波数を有する第１連続レーザ光を第２非線形光学結晶に入射させる第１連続レーザ光照射手段と、上記第１の周波数とは異なる第２の周波数を有する第２連続レーザ光を上記第２非線形光学結晶に入射させる第２連続レーザ光照射手段と、さらに励起パルスレーザ光を上記第２非線形光学結晶に入射させる励起パルスレーザ光照射手段とから構成し、
上記第２非線形光学結晶から出力される第１連続レーザ光に基づくアイドラー光を上記第１パルスレーザ光とし、上記第２非線形光学結晶から出力される第２連続レーザ光に基づくアイドラー光を第２パルスレーザ光としたことを特徴とする電磁波発生装置。
上記第１連続レーザ光の光軸と上記第２連続レーザ光の光軸とは、上記励起パルスレーザ光の光軸を挟んで対称に設けた状態で第２非線形光学結晶に入射されることを特徴とする請求項１に記載の電磁波発生装置。
上記第２非線形光学結晶から出力される第１パルスレーザ光を上記第１非線形光学結晶に導く第１光学系と、上記第２非線形光学結晶から出力される第２パルスレーザ光を上記第１非線形光学結晶に導く第２光学系とが設けられ、各光学系の光路長が同一に設定されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電磁波発生装置。