JP4393147B2 - テラヘルツ電磁波発生素子 - Google Patents

Description

本発明は、テラヘルツ電磁波発生素子に関し、特に広帯域のテラヘルツ波を放射できるテラヘルツ電磁波発生素子に関するものである。

超短光レーザーパルス照射により発生されるテラヘルツ波パルス（およそ１００ＧＨｚ〜１０ＴＨｚ）は、これまで未開拓であったテラヘルツ帯の新光源として注目されており、このテラヘルツ波を用いた応用研究が盛んに行なわれるようになっている。

また、最近、１０ｆｓ（フェムト秒：１フェムト秒は１０００兆分の１秒）程度のフェムト秒レーザーパルスを用いることによって、このテラヘルツ波の広帯域化の研究が進められており、その放射強度および帯域は放射素子の厚みに依存することが報告されている（たとえば非特許文献１）。
Q. Wu and X. -C. Zhang et al., "Free-space electro-optics sampling of mid-infrared pulses", Appl. Phys. Lett. Vol. 71, No. 10, 8 September 1997, pp. 1285-1286

近年、テラヘルツ帯電磁波の放射・検出技術が発達し、これを用いた時間領域分光が材料分析などにおいて試み始められている。時間領域分光は透過率や屈折率が同時に得られることなどから注目されており、テラヘルツ帯だけでなく中赤外などへ、より広帯域の分析に適用できることが望まれているが、従来は、周波数帯域に応じて放射素子を取り替える必要があった。その後、ＺｎＴｅを薄膜化し極短パルス光を照射することで中赤外に近い領域の周波数域まで放射できることが見出されたが、その特性から、広帯域化には複数の放射素子が必要であった。

それゆえ、本発明の目的は、広帯域のテラヘルツ波を放射できるテラヘルツ電磁波発生素子を提供することである。

本発明のテラヘルツ電磁波発生素子は、パルス光の照射によりテラヘルツ帯の電磁波を放射するテラヘルツ電磁波発生素子であって、放射される電磁波のスペクトル成分が厚みにより変化する非線形光学結晶よりなり、かつ厚みが連続的に変化するウェッジ構造を有している。

上記のテラヘルツ電磁波発生素子において好ましくは、非線形光学結晶はＺｎＴｅよりなっている。

本発明のテラヘルツ電磁波発生素子によれば、テラヘルツ電磁波発生素子は、厚みが連続的に変化するウェッジ構造を有しているため、パルス光によるテラヘルツ電磁波発生素子の照射位置を変えることによって、その照射位置におけるテラヘルツ電磁波発生素子の厚みを変えることができる。このテラヘルツ電磁波発生素子は、放射される電磁波のスペクトル成分が厚みにより変化する非線形光学結晶よりなっているため、パルス光による照射位置を変えることによって電磁波のスペクトル成分を変化させることができる。このようにして得られた互いに異なるスペクトル成分を複数組み合わせることによって、広帯域のテラヘルツ波の放射を可能にすることができる。

また、テラヘルツ電磁波発生素子が非線形光学結晶よりなることにより、レーザー光などの強い光を非線形光学結晶に照射することで光整流効果によって非線形光学結晶に分極が発生・消滅して実効的にパルス電流が生じたのと等価となって非線形光学結晶からテラヘルツ電磁波を放射することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施の形態におけるテラヘルツ電磁波発生素子の構成を示す概略図である。図１を参照して、本実施の形態のテラヘルツ電磁波発生素子１は、パルス光の照射によりテラヘルツ帯の電磁波を放射するものである。このテラヘルツ電磁波発生素子１は、その厚みＴにより、放射する電磁波のスペクトル成分が変化する非線形光学結晶、たとえばＺｎＴｅなどよりなっており、厚みＴが連続的に変化するウェッジ（wedge：くさび）構造を有している。このテラヘルツ電磁波発生素子１は、機械的強度を補強するため、たとえば石英基板２上に設けられている。

図２に示すように、上記のＺｎＴｅなどの非線形光学結晶１に極短レーザーパルス光（波長：〜１５ｆｓ）を照射すると、光整流効果により、分極が発生・消滅して実効的にパルス電流が生じたのと等価となってテラヘルツ電磁波が放射される。たとえば、ＺｎＴｅ結晶の厚みＴを１０μｍ程度とし、１０ｆｓ程度のパルス光をＺｎＴｅ結晶に入射すれば、数１０ＴＨｚに及ぶスペクトルを有するテラヘルツ電磁波が放射される。また、そのスペクトル成分はＺｎＴｅ結晶の厚みＴに応じて変化する。

図３は、ＺｎＴｅ結晶から放射される電磁波のスペクトル成分がＺｎＴｅ結晶の厚みＴに応じて変化する様子を示す図であり、横軸に振動数を、縦軸にフーリエ変換（ＦＴ）振幅（規格化）をとったものである。図３を参照して、ＺｎＴｅ結晶の厚みＴを１ｍｍから１０μｍに薄くするにつれて、高周波成分が増加し、低周波成分が減少している。５ＴＨｚ付近にはＺｎＴｅフォノンによる吸収がある。また、群速度不整合による吸収が各厚みで異なる周波数に存在している。上記の特性から、均一な厚みＴを有する１つの素子で１ＴＨｚ〜数１０ＴＨｚをカバーするのは困難であることが分かる。

一方、素子形状をウェッジ構造として厚みＴを連続的に変化できるようにし、励起パルス光の照射位置を任意に選べるようにすれば、厚みＴを変えた照射位置を複数組み合わせることによって、１ＴＨｚ〜数１０ＴＨｚに及ぶ広帯域スペクトルが１つの素子で得られる。

具体的には、図１に示すようなウェッジ構造のテラヘルツ電磁波発生素子１を準備し、たとえば素子１を矢印Ａ方向に移動可能とすることで励起パルス光が素子１を照射する位置を任意に選べるようにし、厚みＴの異なる各位置に励起パルスを照射し、それらを複数組み合わせることにより、１ＴＨｚ〜数１０ＴＨｚに及ぶ広帯域スペクトルが１つの素子で得られる（ただし、５ＴＨｚ付近のみＺｎＴｅフォノン吸収のためスペクトルが得られない）。このように本実施の形態のテラヘルツ電磁波発生素子１によれば、１つの素子でテラヘルツから中赤外域におよぶ広帯域の時間領域分光が可能となる。

なお、上記の厚みＴの異なる各位置に励起パルスを照射する方法としては、励起パルスを分割して多数の励起パルスを同時に各位置に照射する方法や、励起パルスの照射位置を高速で移動させて各位置に照射する方法がある。

次に、本実施の形態のテラヘルツ電磁波発生素子１を用いた、時間領域分光を行なう分光装置について説明する。

図４は、本発明の一実施の形態におけるテラヘルツ電磁波発生素子を用いた、時間領域分光を行なう分光装置の光学系の配置を示す概略図である。図４を参照して、この分光装置は、本実施の形態のテラヘルツ電磁波発生素子１と、励起用パルスレーザー１１と、ビームスプリッタ１２と、放物面鏡１３と、テラヘルツ検出器１４と、光学遅延ステージ１５と、対物レンズ１６とを主に有している。

励起用パルスレーザー１１は、励起パルス２０を出射するためのものであり、たとえばチタンサファイアレーザーよりなっている。ビームスプリッタ１２は、励起パルス２０をポンプパルス２０ａとプローブパルス２０ｂとの２つのパルスに分けるものである。

本実施の形態のテラヘルツ電磁波発生素子１は、ポンプパルス２０ａを照射されることで、テラヘルツ電磁波７を放射するものである。放物面鏡１３は、テラヘルツ電磁波発生素子１から放射されたテラヘルツ電磁波７の向きを変えて試料３０に照射し、試料３０を透過したテラヘルツ電磁波７の向きを変えて集光してテラヘルツ検出器１４に照射するものである。

光学遅延ステージ１５は、鏡が移動することによって光路長を変化させてプローブパルス２０ｂがテラヘルツ検出器１４に到達するタイミングをずらすものである。対物レンズ１６は、プローブパルス２０ｂをテラヘルツ検出器１４に照射するものである。テラヘルツ検出器１４は、テラヘルツ電磁波７の電場強度（電場振幅）に比例する電流信号Ｉsignalを出力するものである。

この分光装置の動作においては、まず、励起用パルスレーザー１１から励起パルス２０（フェムト秒光パルス）が出射され、その励起パルス２０がポンプパルス２０ａとプローブパルス２０ｂとの２つに分けられる。ポンプパルス２０ａの照射により、テラヘルツ電磁波発生素子１がテラヘルツ電磁波７を放射し、そのテラヘルツ電磁波７が試料３０を照射し、試料３０を透過したテラヘルツ電磁波７がテラヘルツ検出器１４に集光されて検出される。テラヘルツ検出器１４は、プローブパルス２０ｂが照射された瞬間にテラヘルツ検出器１４に入射しているテラヘルツ電磁波７の電場強度を検出する。光学遅延ステージ１５では、鏡が移動することによって光路長が変化されて、プローブパルス２０ｂがテラヘルツ検出器１４に到達するタイミングがずらされる。プローブパルス２０ｂの到達するタイミングをずらしながら、テラヘルツ電磁波７の電場強度の時間変化を測定し、その結果をフーリエ変換することにより、テラヘルツ電磁波７のスペクトルが得られる。これにより、時間領域でのテラヘルツ電磁波７の電場強度とその周波数スペクトルとの測定が可能となる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明のテラヘルツ電磁波発生素子は、時間領域分光に有効に適用され得る。

本発明の一実施の形態におけるテラヘルツ電磁波発生素子の構成を示す概略図である。 ＺｎＴｅなどの非線形光学結晶にレーザーパルス光を照射することでテラヘルツ電磁波が放射されることを説明するための図である。 ＺｎＴｅ結晶から放射される電磁波のスペクトル成分がＺｎＴｅ結晶の厚みＴに応じて変化する様子を示す図である。 本発明の一実施の形態におけるテラヘルツ電磁波発生素子を用いた、時間領域分光を行なう装置の構成を用いた時間領域分光を行なう装置の光学系の配置を示す概略図である。

符号の説明

１ テラヘルツ電磁波発生素子、２ 石英基板、１１ 励起用パルスレーザー、１２ ビームスプリッタ、１３ 放物面鏡、１４ テラヘルツ検出器、１５ 光学遅延ステージ、１６ 対物レンズ、２０ 励起パルス、２０ａ ポンプパルス、２０ｂ プローブパルス、３０ 試料。

Claims (2)

1. パルス光の照射によりテラヘルツ帯の電磁波を放射するテラヘルツ電磁波発生素子であって、放射される前記電磁波のスペクトル成分が厚みにより変化する非線形光学結晶よりなり、かつ厚みが連続的に変化するウェッジ構造を有する、テラヘルツ電磁波発生素子。
2. 前記非線形光学結晶がＺｎＴｅよりなることを特徴とする、請求項１に記載のテラヘルツ電磁波発生素子。

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