JP2018116118A

JP2018116118A - テラヘルツ光発生装置

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Publication number: JP2018116118A
Application number: JP2017006110A
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: 2017-01-17
Filing date: 2017-01-17
Publication date: 2018-07-26
Anticipated expiration: 2037-01-17
Also published as: JP6916435B2; EP3349062B1; EP3349062A1; US10031399B1; US20180203327A1

Abstract

【解決手段】ポンプ光照射手段３からポンプ光Ｌ１が非線形光学結晶２の一端面２ａに入射されると、該非線形光学結晶２の他端面２ｂから上記ポンプ光Ｌ１とアイドラー光Ｌ２とが発生される。非線形光学結晶２の他端面２ｂから出射されたポンプ光Ｌ１は反射光学系６により反射されて当該他端面２ｂにポンプ光Ｌ’として再入射され、また上記非線形光学結晶の他端面２ｂから発生したアイドラー光Ｌ２は反射光学系６により反射されて当該他端面２ｂにシード光Ｌ２’として再入射される。【効果】非線形光学結晶の他端面から発生したアイドラー光Ｌ２は複数の波長を含んでおり、これをポンプ光Ｌ１’とともにシード光Ｌ２’として非線形光学結晶に入射させているので、該非線形光学結晶から出力が大きく、かつ複数の波長を含むテラヘルツ光を発生させることができる。【選択図】図１

Description

本発明はテラヘルツ光発生装置に関し、より詳しくは、非線形光学結晶のパラメトリック効果によってテラヘルツ光を発生させるようにしたテラヘルツ光発生装置に関する。

従来、テラヘルツ光発生装置として、ポンプ光とシード光とを生成するレーザ光生成手段と、上記ポンプ光とシード光とが入射されてパラメトリック効果によりテラヘルツ光を発生する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）。
上記テラヘルツ光発生装置においては、非線形光学結晶にポンプ光とシード光とを入射することにより、該非線形光学結晶からピーク出力の大きなパルスのテラヘルツ光を狭線化したスペクトル幅で発生させることができる。

特開２００２−７２２６９号公報

上記特許文献１においては、ポンプ光とシード光とはそれぞれ単一波長のレーザ光が用いられており、その結果、テラヘルツ光は狭線化したスペクトル幅で発生されるようになる。換言すれば、テラヘルツ光を広い波長帯で発生させることはできなかった。
本発明はそのような事情に鑑み、出力の大きなテラヘルツ光を広い波長帯で発生させることができるテラヘルツ光発生装置を提供するものである。

請求項１の発明は、シード光とポンプ光とが入射されてパラメトリック効果によりテラヘルツ光を発生する非線形光学結晶を備えたテラヘルツ光発生装置において、
上記ポンプ光を上記非線形光学結晶の一端面から入射させ、該非線形光学結晶の他端面から上記ポンプ光を出射させるとともにアイドラー光を発生させるポンプ光照射手段と、
上記非線形光学結晶の他端面から出射したポンプ光を反射させて当該他端面に再入射させるとともに、上記非線形光学結晶の他端面から発生したアイドラー光を反射させ、該アイドラー光を上記シード光として上記非線形光学結晶の他端面から入射させることによりテラヘルツ光を発生させる反射光学系と、を備えたことを特徴とするものである。
請求項２の発明は、請求項１の発明において、上記反射光学系は、上記非線形光学結晶の他端面に対向する平板状の反射面を有する反射ミラーと、該反射ミラーと上記非線形光学結晶の他端面との間に配置された凸レンズとを備えており、該凸レンズは、上記非線形光学結晶の他端面から該凸レンズの焦点距離だけ離間して配置されていることを特徴とするものである。
請求項３の発明は、請求項１の発明において、上記反射光学系は、上記非線形光学結晶の他端面に対向する球面状の反射面を有する反射ミラーを備えており、該反射ミラーは、上記非線形光学結晶の他端面から発生したアイドラー光を該非線形光学結晶の他端面に向けて上記シード光として反射させることを特徴とするものである。
請求項４の発明は、請求項２または請求項３の発明において、上記非線形光学結晶の他端面と上記反射ミラーとの間に、上記ポンプ光を通過させる光通過部と、上記非線形光学結晶の他端面から発生したアイドラー光のうちの特定の波長のアイドラー光のみを通過させる光通過部とを有する波長選択手段を設けたことを特徴とするものである。

請求項１の発明によれば、上記ポンプ光照射手段からのポンプ光を上記非線形光学結晶の一端面から入射させることにより、該非線形光学結晶の他端面から複数の波長を含むアイドラー光を発生させることができる。そして上記反射光学系により、上記非線形光学結晶の他端面から出射したポンプ光を反射させて当該他端面に再入射させるとともに、上記複数の波長を含むアイドラー光を反射させて、該アイドラー光を上記シード光として上記非線形光学結晶の他端面から入射させることによって、該非線形光学結晶から出力が大きく、かつ複数の波長を含むテラヘルツ光を発生させることができる。
したがって、例えば該テラヘルツ光を被検査物に透過または反射させて該被検査物の成分等を検査するようにした場合には、該テラヘルツ光は広い波長帯を有しているので、個々の波長のテラヘルツ光を被検査物に照射する場合に比較して、該被検査物の成分等を一度で検査することが可能となる。
また、上記非線形光学結晶から発生されるテラヘルツ光は波長ごとに異なる角度で射出されるので、スペクトル分析が容易となる。つまり、複数の波長が混ざった光で検査を行うようにした場合には、受光側で波長ごとに分離する必要が生じるが、本発明によればそのような操作を省略することができる。
さらに請求項４の発明によれば、上記波長選択手段の光通過部により、非線形光学結晶から発生した複数の波長を含んだアイドラー光のうち、特定の波長のアイドラー光のみを通過させることができるので、該非線形光学結晶から発生されるアイドラー光自体の波長を変更することなく、上記波長選択手段によって特定の波長のアイドラー光のみを選択使用して特定の波長のテラヘルツ光を発生させることができる。

本発明の第１実施例を示す配置図。本発明の第２実施例を示す配置図。図２に示す波長選択手段１１の他の実施例を示す正面図。図２に示す波長選択手段１１の更に他の実施例を示す正面図。

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、テラヘルツ光発生装置１は、シード光とポンプ光とが入射されてパラメトリック効果によりテラヘルツ光を発生する非線形光学結晶２を備えている。該非線形光学結晶２は直方体形状に形成されている。
上記非線形光学結晶２にポンプ光Ｌ１を入射させるポンプ光照射手段３は、図示実施例では非線形光学結晶２の光軸上に配置されている。上記ポンプ光照射手段３としてはパルスレーザを発振する半導体レーザを用いることができ、該ポンプ光照射手段３から発振されたポンプ光Ｌ１としてのパルスレーザは、非線形光学結晶２の一端面２ａから入射され、該非線形光学結晶２を透過して他端面２ｂから出射されるようになっている。
上記ポンプ光Ｌ１の波長として、例えば１０６４．４ｎｍの波長を用いることができる。

上記非線形光学結晶２にその光軸上からポンプ光Ｌ１が入射されると、該非線形光学結晶２の他端面２ｂから上記光軸上にポンプ光Ｌ１が出射され、また該他端面２ｂから光軸を挟んで対称形に２つのアイドラー光Ｌ２、Ｌ２が発生する。
上記非線形光学結晶２から発生されるアイドラー光Ｌ２、Ｌ２の断面形状は、図１の紙面と垂直の方向に横長の略楕円形状となっている。また上記アイドラー光Ｌ２、Ｌ２は、例えば１０６９〜１０７７ｎｍという広い波長帯のスペクトル幅を有し、かつ、波長ごとに空間分離されているが、その出力は微弱である。

上記非線形光学結晶２を透過したポンプ光Ｌ１と該非線形光学結晶２で発生された一方のアイドラー光Ｌ２は、反射光学系６によってそれぞれ反射されるようになっており、反射されたポンプ光Ｌ１はポンプ光Ｌ１’として、またアイドラー光Ｌ２はシード光Ｌ２’として、それぞれ非線形光学結晶２にそれぞれの出射角度と同一角度で入射されるようになっている。また、他方のアイドラー光Ｌ２は、後に詳述する波長選択手段１１のダンパ部１１ｃによって吸収するようにしてある。
このように、反射ミラー１２で反射されたポンプ光Ｌ１’とシード光Ｌ２’は、非線形光学結晶２にそれぞれの出射角度と同一角度で入射するようにしてあるので、自動的に非線形光学結晶２に対する位相整合条件を満たした状態で非線形光学結晶２に入射されるようになる。
また上記非線形光学結晶２にポンプ光Ｌ１’とシード光Ｌ２’とを入射することにより、テラヘルツ光ＴＨを発生させる光注入型テラヘルツパラメトリック発生器（Ｉｓ−ＴＰＧ）が構成されている。

上記非線形光学結晶２に入射される上記シード光Ｌ２’は、上記アイドラー光Ｌ２が広い波長帯を有しているので、該シード光Ｌ２’も広い波長帯を有することになり、したがって非線形光学結晶２には広い波長帯のシード光Ｌ２’とともにポンプ光Ｌ１’が入射されるので、該非線形光学結晶２は出力が大きく、かつ広い波長帯、例えば１〜３ＴＨｚの波長帯を有するテラヘルツ光ＴＨを発生させるようになる。
この際、上記非線形光学結晶２を透過したポンプ光Ｌ１’がポンプ光照射手段３に戻るのを防止するために、非線形光学結晶２の一端面２ａとポンプ光照射手段３との間の光軸上にアイソレータ７を設けてある。すなわち該アイソレータ７は、ポンプ光Ｌ１の透過は許容するが、逆方向のポンプ光Ｌ１’の透過は阻止するようになっている。
なお、図１において、８はテラヘルツ光ＴＨを非線形光学結晶２から取り出すためのプリズムである。

上記反射光学系６は、上記非線形光学結晶２の他端面２ｂに対向させてその光軸と垂直になるように配置した平板状の反射面を有する反射ミラー１２と、該反射ミラー１２と上記非線形光学結晶２の他端面２ｂとの間に配置した凸レンズ１３とを備えており、該凸レンズ１３は、上記非線形光学結晶２の他端面２ｂから該凸レンズ１３の焦点距離ｆだけ離間させた位置に配置してある。
したがって、上記非線形光学結晶２の他端面２ｂからその光軸上で出射されたポンプ光Ｌ１は、上記凸レンズ１３の光軸上を透過して反射ミラー１２で反射され、再び上記凸レンズ１３の光軸上を透過して非線形光学結晶２の他端面２ｂに該光軸上からポンプ光Ｌ１’として入射されるようになる。
他方、上記非線形光学結晶２の他端面２ｂから出射されたアイドラー光Ｌ２は、上記凸レンズ１３が非線形光学結晶２の他端面２ｂから該凸レンズ１３の焦点距離ｆだけ離間させた位置に配置してあるので、該凸レンズ１３を透過する際に非線形光学結晶２の光軸と平行となるように屈折され、上記反射ミラー１２により同一光軸上で反射される。

そして上記同一光軸上で反射されたアイドラー光Ｌ２は上記凸レンズ１３を透過する際に再び屈折され、上記非線形光学結晶２の他端面２ｂから出射されたアイドラー光Ｌ２と同一の角度で、シード光Ｌ２’として非線形光学結晶２の他端面２ｂに入射される。
これによって非線形光学結晶２で発生されたテラヘルツ光ＴＨは、上述したようにその出力が大きく、かつ広い波長帯を有することになる。
ところで、上記非線形光学結晶２から出力されるテラヘルツ光ＴＨを図示しない容器や封筒あるいは生体試料などの被検査物に透過又は反射させ、それによって得られる検査光から被検査物によって吸収される波長成分をスペクトル解析することで、被検査物の成分や特性等を検査することができる。その際、上記テラヘルツ光ＴＨは広い波長帯を有しているので、上記検査光も広い波長帯を有することとなり、したがって広い波長帯のテラヘルツ光ＴＨによって被検査物の成分等を一度で検査することが可能となる。

上記非線形光学結晶２から出力されるテラヘルツ光ＴＨは広い波長帯を有しているが、図示実施例では、狭い波長帯のテラヘルツ光ＴＨ１を選択的に発生させることができるようにしてある。
すなわち図示実施例では、上記反射ミラー１２と凸レンズ１３との間に一部の光の通過を阻止する上記波長選択手段１１を設けて、該波長選択手段１１の本体部を構成する方形薄板状の遮光板にスリットなどの光通過部１１ａを設けることにより、凸レンズ１３を通過した広い波長帯を有するアイドラー光Ｌ２から特定の波長のアイドラー光Ｌ２のみの透過を選択できるようにしてある。
上記光通過部１１ａは、実質的に１つの波長を選択可能なように図１の紙面と垂直の方向に細い横長形状となっており、それによって広い波長帯を有しているアイドラー光Ｌ１から光通過部１１ａを介して特定の波長のみの通過を許容し、その他の波長は該波長選択手段１１によってその通過を遮断することができるようにしてある。なお、光通過部１１ａが図１の紙面と垂直の方向に細い横長形状となっているのは、上述したようにアイドラー光Ｌ２の断面形状が図１の紙面と垂直の方向に横長の略楕円形状となっているからである。
さらに上記波長選択手段１１には、ポンプ光Ｌ１、Ｌ１’の透過を許容する光通過部１１ｂを設けてあり、また前述したように非線形光学結晶２の他端面２ｂから発生した２つのアイドラー光Ｌ２、Ｌ２のうち、上述した他方のアイドラー光Ｌ２を吸収するためのダンパ部１１ｃを設けてある。

このように、上記波長選択手段１１に光通過部１１ａを設けて特定の波長のみのアイドラー光Ｌ１の通過を許容するようにすれば、当該特定の波長のみのシード光Ｌ２’を非線形光学結晶２に入射させることができる。これにより非線形光学結晶２によって生成されるテラヘルツ光ＴＨも、上記特定の波長のみのシード光Ｌ２’に依存した特定の波長のみのテラヘルツ光ＴＨとなる。
そしてテラヘルツ光ＴＨの波長を変更する際には、光通過部１１ａの位置のみを異ならせた複数の波長選択手段１１を用意してそれらを交換すればよく、それによって容易にテラヘルツ光ＴＨの波長を変更することができる。

図２は本発明の第２実施例を示したもので、本実施例の反射光学系１６は、上記第１実施例の反射光学系６における反射ミラー１２と凸レンズ１３との代わりに、上記非線形光学結晶２の他端面２ｂに対向する球面状の反射面を有する反射ミラー１７を設けたものである。
上記反射ミラー１７は、上記非線形光学結晶２の他端面２ｂから発生したアイドラー光Ｌ２を該非線形光学結晶２の他端面２ｂに向けて上記シード光Ｌ２’として反射させることができるような球面状の反射面を有している。
また該反射ミラー１７は、上記非線形光学結晶２の他端面２ｂからその光軸上で出射されたポンプ光Ｌ１を反射させて、再び上記光軸上を通過させ非線形光学結晶２の他端面２ｂに該光軸上からポンプ光Ｌ１’として入射させることができるようになっている。
上記球面状の反射ミラー１７は、その反射面の曲率Ｒを有する場合、その曲率の中心点が上記非線形光学結晶２の他端面２ｂとなる距離Ｌに配置してある。
その他の構成は、上記第１実施例と同様に構成してあり、同一若しくは相当部分には図１と同一の符号を付して示してある。

上記構成の第２実施例においても、波長選択手段１１に設けた光通過部１１ａにより、広い波長帯を有するアイドラー光Ｌ２から特定の波長のアイドラー光Ｌ２のみの透過を選択できるようにしてあるので、当該特定の波長のみのシード光Ｌ２’を非線形光学結晶２に入射させることができる。これにより非線形光学結晶２によって生成されるテラヘルツ光ＴＨも、上記特定の波長のみのシード光Ｌ２’に依存した特定の波長のみのテラヘルツ光ＴＨとなる。
他方、波長選択手段１１のダンパ部１１ｃを残してその他の部分を省略すれば、広い波長帯を有しているシード光Ｌ２’をポンプ光Ｌ１’とともに非線形光学結晶２に入射させることができ、したがって該非線形光学結晶２により出力が大きく、かつ広い波長帯を有するテラヘルツ光ＴＨを発生させることができる。

図３は上述した波長選択手段１１の他の実施例で、本実施例の波長選択手段２１は、２つの異なる波長を通過させるスリットなどの光通過部２１ａ、２１ｂを２つ設けたものである。
上記光通過部２１ａ、２１ｂは、それぞれ第１実施例の光通過部１１ａと同様に図１の紙面と垂直の方向に細い横長形状に形成してある。
そして本実施例においても、上記ポンプ光Ｌ１、Ｌ１’の透過を許容する光通過部２１ｃを設けるとともにダンパ部２１ｄを設けてある。
本実施例によれば、非線形光学結晶２から出力が大きく、かつ異なる２つの波長を有するテラヘルツ光ＴＨを発生させることができる。
なお、本実施例においては、光通過部２１ａ、２１ｂを３つ以上設けてもよい。

図４は上述した波長選択手段１１、２１の更に他の実施例で、上述した各実施例の波長選択手段１１、２１においては、異なる波長を選択する際には波長選択手段１１、２１を必要な波長を透過させる光通過部を有する波長選択手段に交換する必要があるが、本実施例では光通過部を異なる波長方向に移動させることができるようにして、波長選択手段を交換することなく必要な波長を選択することができるようにしたものである。
すなわち本実施例の波長選択手段３１は４つの異なる波長を選択できるように構成してあり、そのために該波長選択手段３１は第１遮光板３２とこれに重合させた第２遮光板３３とを備えている。一方の第１遮光板３２は図示しない部材により反射光学系６又は１６に対して図４の矢印で示す紙面の左右方向、すなわち図１の紙面と垂直の方向に移動可能に設けてあり、該第１遮光板３２にスリットなどの２本の平行な光通過部３２ａ、３２ｂを図１の紙面と垂直の方向に対して斜めに形成してある。
また、該第１遮光板３２にはポンプ光Ｌ１、Ｌ１’の光通過部３２ｃとアイドラー光Ｌ２のダンパ部３２ｄとを設けてある。

これに対し、他方の第２遮光板３３は図示しない部材により上記第１遮光板３２や反射光学系６又は１６に対して固定してあり、該第２遮光板３３はスリットなどの２本の平行な光通過部３３ａ、３３ｂを図４（図１）の紙面の上下方向に形成してある。
また、該第２遮光板３３は、上記第１遮光板３２に形成したポンプ光Ｌ１、Ｌ１’の光通過部３２ｃを覆うことがないように、第１遮光板３２に比較して細長い長方形状に形成してある。
そして上記各光通過部３２ａ、３２ｂ、３３ａ、３３ｂを重ねることにより、各光通過部の交点のみで上記アイドラー光Ｌ２およびシード光Ｌ２’の透過を許容させるようにしている。

本実施例によれば、各光通過部３２ａ、３２ｂ、３３ａ、３３ｂの４つの交点によって４つの異なる波長を有するテラヘルツ光ＴＨを発生させることができる。
そして選択すべき波長を異ならせる場合には、上記第１遮光板３２を第２遮光板３３に対して矢印方向に移動させればよく、それによって各光通過部３２ａ、３２ｂ、３３ａ、３３ｂの交点の位置を移動させることができるので、選択すべき波長を異ならせることができる。
なお、本実施例において、上記第１遮光板３２に設ける光通過部３２ａ、３２ｂと第２遮光板３３に設ける光通過部３３ａ、３３ｂとはそれぞれ１本以上であればよい。

上記実施例においてはいずれも波長選択手段１１、２１又は３１を設けているが、広い波長帯のテラヘルツ光ＴＨを得たい場合にはこれら波長選択手段１１、２１、３１を省略すればよい。その場合には、ダンパ部１１ｃ、２１ｄ、３２ｄを別個に設けるようにすればよい。
さらに図１、図２の実施例において、光通過部１１ｂ、２１ｃとダンパ部１１ｃ、２１ｄを固定したまま、各光通過部１１ａ、２１ａ、２１ｂを図１の上下方向に移動可能に設ければ、それによって異なる波長を選択することが可能となる。

１テラヘルツ光発生装置２非線形光学結晶
２ａ一端面２ｂ他端面
３ポンプ光照射手段６、１６反射光学系
１１、２１、３１波長選択手段１１ｂ、２１ｃ、３２ｃ光通過部
１１ａ、２１ａ、２１ｂ、３２ａ、３２ｂ光通過部
１１ｃ、２１ｄ、３２ｄダンパ部１２、１７反射ミラー
１３凸レンズＬ１、Ｌ１’ ポンプ光
Ｌ２アイドラー光Ｌ２’ シード光
ＴＨテラヘルツ波

Claims

シード光とポンプ光とが入射されてパラメトリック効果によりテラヘルツ光を発生する非線形光学結晶を備えたテラヘルツ光発生装置において、
上記ポンプ光を上記非線形光学結晶の一端面から入射させ、該非線形光学結晶の他端面から上記ポンプ光を出射させるとともにアイドラー光を発生させるポンプ光照射手段と、
上記非線形光学結晶の他端面から出射したポンプ光を反射させて当該他端面に再入射させるとともに、上記非線形光学結晶の他端面から発生したアイドラー光を反射させ、該アイドラー光を上記シード光として上記非線形光学結晶の他端面から入射させることによりテラヘルツ光を発生させる反射光学系と、を備えたことを特徴とするテラヘルツ光発生装置。
上記反射光学系は、上記非線形光学結晶の他端面に対向する平板状の反射面を有する反射ミラーと、該反射ミラーと上記非線形光学結晶の他端面との間に配置された凸レンズとを備えており、該凸レンズは、上記非線形光学結晶の他端面から該凸レンズの焦点距離だけ離間して配置されていることを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ光発生装置。
上記反射光学系は、上記非線形光学結晶の他端面に対向する球面状の反射面を有する反射ミラーを備えており、該反射ミラーは、上記非線形光学結晶の他端面から発生したアイドラー光を該非線形光学結晶の他端面に向けて上記シード光として反射させることを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ光発生装置。
上記非線形光学結晶の他端面と上記反射ミラーとの間に、上記ポンプ光を通過させる光通過部と、上記非線形光学結晶の他端面から発生したアイドラー光のうちの特定の波長のアイドラー光のみを通過させる光通過部とを有する波長選択手段を設けたことを特徴とする請求項２または請求項３に記載のテラヘルツ光発生装置。