JP4402901B2 - Terahertz wave generator - Google Patents

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JP4402901B2 JP2003141141A JP2003141141A JP4402901B2 JP 4402901 B2 JP4402901 B2 JP 4402901B2 JP 2003141141 A JP2003141141 A JP 2003141141A JP 2003141141 A JP2003141141 A JP 2003141141A JP 4402901 B2 JP4402901 B2 JP 4402901B2
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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はコヒーレントテラヘルツ波発生装置に関わる。
【0002】
【従来の技術】
生体物質、がん細胞など、大きな分子や高分子を識別するための波長可変テラヘルツ波を用いた分光光源として利用するため、誘電体LiNbO結晶内のポラリトンモードを利用したテラヘルツ波発生装置が知られている。すなわち、LiNbO結晶に一つまたは二つのポンプ光(後者をシグナル光あるいはアイドラ光と呼ぶこともある)を入射し、差周波発生やパラメトリックオッシレーションによりテラヘルツ波を発生する。こうして得られるテラヘルツ波の周波数はおよそ0.7THzから2.5THzの範囲のコヒーレント光である。しかし、テラヘルツ波分光スペクトルの違いを使って多様な生体物質などを識別するにはスペクトル可変範囲として上記周波数範囲は狭すぎるのである。より高周波まで測定することによって、スペクトルパターンの違いが明確となり分子の識別が可能となる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
LiNbO結晶のテラヘルツ波帯での吸収係数は3THzを超えると極めて大きくなるため出力が著しく低下し、周波数帯が制限される一因となっている。また、二つのポンプ光ビームの平行方向における位相不整合度が大きいため、図1に示すようにポンプ光のなす角度及びテラヘルツ波の取り出し角度を大きくした角度整合法をとらざるを得ず、そのためテラヘルツ波とポンプ光のビームの重なりが悪く、周波数帯域・効率とも低下する原因となっている。
【0004】
一方、発生したテラヘルツ波の線幅は、パラメトリック発振型のLiNbOテラヘルツ発生装置においては連続波(CW)レーザダイオードによるインジェクションシーディングを行うことにより、100MHz程度まで狭線幅にできるが、CWレーザダイオードのモードホッピングのため、逆に、広い範囲で連続的に周波数掃引することが困難となる。一方、インジェクションシーディングを行わないと線幅は極めて大きく100GHz(0.1THz)を越えるため、分解能が著しく低下し、周波数帯域が狭いことと合わせて物質同定の性能が十分でない。
【0005】
本発明の目的は述上の欠点を克服した、広周波数帯域、高出力、高分解能、且つモードホップのない周波数可変テラヘルツ発生装置を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明の代表的な例として、テラヘルツ波(THz波)を発生する結晶としてGaPを使う。GaPはLiNbOよりラマン効率が高いことを我々は明らかにしている。更に、フォノンポラリトンを構成する横波の純粋な振動周波数が11THzと極めて高いので広周波数帯域のポラリトンモードが得られる。更にLiNbO結晶よりテラヘルツ帯吸収係数が小さいことは既に知られている。二つのポンプ光の波長がおよそ1.0μmより小さい範囲においては、平行方向配置(コリニア)にて差周波光と非線形分極との位相整合関係が得られる。しかし本発明ではコリニア位相整合条件を満たす波長範囲とは逆に、二つのポンプ光の波長を1.0μmよりわずかに大きくする。その結果、平行方向では位相整合は得られないが、ポンプ光間に微小な角度を持たせることにより、角度位相整合が得られる。LiNbO結晶においても角度位相整合が行われているが、大きな角度を与えなければならず、ポンプ光、テラヘルツ光の重なりが悪く、効率が低い。GaPにおいてポンプ光が1.0μmよりわずかに長波長であれば位相整合角度が微小であるためこのような欠点を克服でき、周波数帯域を広げる効果が大きい。テラヘルツ波周波数を掃引するにはGaP結晶に接近したミラやビームスプリッタの回転角を微小に変化し、同時に第2のポンプ光源の周波数を掃引する。角度の微小変化の精密制御は回転ステージにより容易に達成できるのでテラヘルツ周波数の精密制御が可能となる。
【0007】
テラヘルツ波の線幅を狭くかつ、広い周波数にわたってモードホップなしで動作させるための第1の方法として、第1のポンプ光源に波長1.064μmのYAGレーザを用い、第二のポンプ光源すなわち波長可変ポンプ光源に、インジェクションシーディング装置を具備したオプティカルパラメトリックオッシレータ(OPO)を用いる。このようなOPOはYAGレーザの第3高調波すなわち波長355nm光で励起されることにより線幅を広げる原因となる波長縮退を避け、さらにOPO内にマスターオシレータを具備しこれを使ってインジェクションシーディングを行うことにより、OPOの線幅を狭くできるので差周波として発生するTHz波の線幅も同様に狭くなる。なお、YAGレーザもインジェクションシーディングされた狭線幅のものを用いる。
【0008】
第二の方法として、ポンプ光源としてCr:FORSTERITE(Cr添加カンラン石)レーザを用いる。このレーザはCrの準位を用いているためインジェクションシーディングなしのOPOに比べて線幅が極めて狭い。波長1.064μmのYAGレーザを用いて励起され、OPOのようにYAG第3高調波を用いないので効率が高い。Cr:FORSTERITEの波長可変範囲は、1.15μmから1.35μmまでの範囲である。二つのCr:FORSTERITEレーザをポンプ光源として用い、一方を固定波長で、他方を波長可変ポンプ光源とし、インジェクションシーディングなしで差周波としてのテラヘルツ波の線幅を狭くすることができる。
【0009】
【作用】
テラヘルツ波を発生する結晶がGaPの場合についてフォノンポラリトンの微小角度整合の原理を、図2を使って説明する。k,k,qは第1、第2ポンプ光およびテラヘルツ波の源となるフォノンポラリトンの波数ベクトルであり、v,v,vはそれぞれの周波数である。GaPにおいてはポンプ光の波長が1.0μm以下で平行方向での位相整合(Δq=0)が得られるが1.0μmより長波長では位相不整合Δqを発生する。二つのポンプ光が結晶内で成す角θinが十分に小さいときは図の波数ベクトルの幾何学的な関係から、次の式が得られる。
【0010】
【数1】
θin=(2Δq/q)1/2(n/n)(v/v
【0011】
ただし、Δqはポンプ光の周波数を1.0μmより長波長にしたため平行方向では位相整合が得られなくなったため生じた波数の不一致の大きさであり、Δq=k−k−qである。平行方向の位相整合はおよそ1.0μmが限界波長であると計算され、実験的にもほぼこれに近いことが知られている。ポンプ光波長をYAGレーザ波長1.064μmとした場合、限界波長より6.4%長波長であるが、THz波の分散関係からは位相不整合度Δq/qは約3%と計算される。従って〔数1〕式から、角θinは,v=1THzでは3.2分という小さな値を有することが求められる。
一方、THz波の進行方向θは図2から次の式が得られる。
【0012】
【数2】
sinθ=k/qsinθin
したがって〔数1〕、〔数2〕式から次の式が得られる。
【0013】
【数3】
sinθ=(2Δq/q)1/2
【0014】
すなわち、角θはk/q倍されるため、角θinよりは相当大きいが0.5THzから4THzにおいて、θは約10度から14度である。Tan14°=0.25であるため、THz波とポプ光のビームの重なりは図3のようにおよそ80%以上となり、実効的な相互作用距離は結晶長に近くなり高出力を広い範囲の周波数にわたって得ることができる。
【0015】
テラヘルツ波の周波数を7THzに増大させるとTHz波の分散が大きくなるため2Δq/qが増大し、分散特性の計算によれば7THzではΔq/q=12%まで増大するが、この場合でも、Δqは未だ小さいといってよい範囲にある。すなわち〔数1〕式よりθin=46分と計算され1度以下である。結晶外においては約142分、すなわち、2.4度となる。このときテラヘルツ波の方向、θは〔数3〕式から約30度であり、図4のようにビーム径3mm、結晶長5mmの場合、約50%以上のビーム重なりを得ることができる。このため7THzにおいても効率低下は著しくない。しかし、θは結晶内の全反射臨界角17度を超えているため図3のように垂直入射に近い場合は全反射のため出力面から外部に取り出せなくなる。その場合は、図4のようにポンプ光の入射角αextを0ではなく、13度以上にかたむければ臨界角17度以下にすることができる。
【0016】
出力テラヘルツ波をモードホップなしの狭線幅にするには適当なポンプ光源の選択が必要であり、それについては既に前節で述べた。
【0017】
【実施例】
(実施例1)
図4示すように第1のポンプ光源16として波長1.064μmのパルスYAGレーザを使用する。第2のポンプ光源として第1のポンプ光の基本波を3逓倍した355nmの光で励起される、インジェクションシーディングされた波長可変パラメトリックオッシレータ(OPO)17を用いる。OPOの出力光波長を1.038μmから1.0635μmの範囲に選べば差周波数は0.15THzから7THzの範囲になる。また、OPOの波長を1.0646μmから1.091μmの範囲に選んでもよい。第1のポンプ光と第2のポンプ光は直交した偏波方向を持ち、偏光ビームスプリッタ18よってビームを平行に近く重ねる。ビームスプリッタ18、または、ミラ18’を微小回転させ、テラヘルツ波周波数vに応じて極く小さい角θin extとなるように第1あるいは第2ポンプ光のビーム方向を調整する。なお、角θin extは結晶外の角度であってほぼθin ext=nθin,なる関係を有し、nはポンプ光周波数での屈折率であり、n=3.105である。たとえばvが1THzの時は結晶外で、θin extが10分(結晶内で3.2分)となる。
【0018】
GaP結晶19の光軸方向は110方向であり、入力面、出力面を有し、出力面からTHz波22、ポンプ光20,21ともに取り出される。0.15THzから5THzにおいてはθが約10−17度、7THzにおいても30度以下と小さいのでポンプ光とテラヘルツ光の重なりが大きく、長距離の相互作用が行われる。その結果、0.15−7THzの広い周波数にわたって100mW以上のテラヘルツパルス出力が得られる。
【0019】
第1のポンプ光であるYAGレーザの線幅は十分狭いので、差周波であるテラヘルツ波の線幅はOPOの線幅で決まることになる。OPOはインジェクションシーディングされているため線幅約4GHzであり、差周波であるテラヘルツ波の線幅もほぼ4GHzである。テラヘルツ帯における固体、液体状物質のスペクトル線幅は一般的に50GHz以上なので本実施例は十分に高分解能の分光測定を可能にする。
【0020】
(実施例2)
図5に示すように、テラヘルツ波を発生するのは実施例1と同様GaP結晶27である。第1及び第2のポンプ光源、24,25として共に、YAGレーザ23で励起されるCr:FORSTERITE(Cr添加カンラン石)レーザを使う。Cr:FORSTERITEは波長1.064μmのYAGレーザで励起することにより波長1.15μmから1.35μmまでの範囲の波長が得られる波長可変レーザであり、FORSTERITE内のCrの準位を使うことによりインジェクションシーディングなしで線幅値10GHzから15GHzを得ることができる。更に、OPOのようにYAGの高調波を使う必要がないため、基本波1.064mmによって励起でき、高出力且つ安価であることが特徴である。
【0021】
第1のポンプ光レーザの波長を例えば、1.20μmに固定する。第1のポンプ光源は内部にエタロンを設置することにより、固定波長で線幅を1GHz程度に狭くすることができる。第二のポンプ光源は同種のCr:FORSTERITEレーザを使い、波長を掃引する。後者は連続波長掃引のため、エタロンを挿入しないので線幅は10GHzから15GHzである。この結果、差周波として発生するTHz波の線幅はほぼ10GHzから15GHzを得ることができる。第2のポンプ光源の波長を1.2024μmから1.2346μmまで変えることにより、テラヘルツ波の発生する周波数範囲は実施例1と同様0.5THzから7THzの間である。出力も実施例1と同様である。
【0022】
ポンプ光としてのCr:FORSTERITEレーザは、YAGレーザの第3高調波を使わずに基本波で励起することが可能であり、更にインジェクションシーディングなしで比較的狭線幅を得られる。そのため極めて安価であることが利点である。テラヘルツ波発生用結晶としてGaPのように角度による位相整合を行う場合のみならず、結晶異方性を利用したコリニアな位相整合を行う結晶に対しても適用することにより極めて安価な波長可変テラヘルツ波発生装置を得ることができる。このような光学異方性結晶としてはZnGePやGaSeがある。
【0023】
(実施例3)
実施例1、2においてTHz波周波数が6THzを超える場合、図6のようにGaP結晶31の形状を約30度、60度の直角3角形となし、最長辺の入力面35からポンプ光32,33を入射する。たとえば7THzの場合、THz波のθはほぼ30度となるが出力端面36からほぼ垂直に34のように取り出されるのでTHz波の検出光学系の配置が容易になり、また、結晶配置が1−2度ずれても問題を生じない。一方、ポンプ光は面36では全反射されるが、面37から外部に放出される。さらに本実施例は実施例1と違ってTHz波の周波数が7THz以上になってもTHz波は全反射せずに出力を取り出せる。
【0024】
【発明の効果】
本発明によれば、0.5THzから7THzまでの周波数可変THz波単一周波数コヒーレントテラヘルツ光源が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 従来のテラヘルツ波発生法を示す図である。
【図2】 本発明におけるポンプ光およびテラヘルツ波の波数ベクトルの方向を示す図である。
【図3】 実施例1におけるポンプ光およびテラヘルツ波の結晶内伝播光路を示す図である。
【図4】 実施例1におけるテラヘルツ波発生装置の構成を示す図である。
【図5】 実施例2におけるテラヘルツ波発生装置の構成を示す図である。
【図6】 実施例3におけるGaP結晶の形状とビーム方向を示す図である。
【符号の説明】
1…LiNbO結晶
2…第1のポンプ光
3…第2のポンプ光(アイドラ光、あるいは信号光とも呼ぶ)
4…テラヘルツ波
5…シリコンプリズム
6…第1のポンプ光の波数ベクトル
7…第2のポンプ光の波数ベクトル
8…テラヘルツ波の波数ベクトル
9…ポンプ光が結晶内でのなす角度θin
10…テラヘルツ波の結晶内角度θ
11…GaP結晶
12…第1のポンプ光の光路
13…第2のポンプ光の光路
14…テラヘルツ波の光路
15…テラヘルツ波とポンプ光のビームの重なり
16…YAGレーザ
17…オプティカルパラメトリックオシレータ(OPO)
18…偏光ビームスプリッタ
18’…ミラ
19…GaP結晶
20…第1のポンプ光進行方向
21…第2のポンプ光進行方向
22…テラヘルツ波の進行方向
23…YAGレーザ
24…第1のCr:FORSTERITEレーザ
25…第2のCr:FORSTERITEレーザ
26…偏光ビームスプリッタ
26’…ミラ
27…GaP結晶
28…第1のポンプ光ビーム
29…第2のポンプ光ビーム
30…テラヘルツ波出力
31…GaP結晶
32…第1のポンプ光
33…第2のポンプ光
34…テラヘルツ波
35…ポンプ光入射面
36…テラヘルツ波出力面
37…ポンプ光出射面
38…角度30度
39…角度60度
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a coherent terahertz wave generator.
[0002]
[Prior art]
A terahertz wave generator using a polariton mode in a dielectric LiNbO 3 crystal is known to be used as a spectral light source using a wavelength-tunable terahertz wave for identifying large molecules and macromolecules such as biological materials and cancer cells. It has been. That is, one or two pump lights (the latter may be called signal light or idler light) are incident on the LiNbO 3 crystal, and a terahertz wave is generated by difference frequency generation or parametric oscillation. The frequency of the terahertz wave thus obtained is coherent light in the range of about 0.7 THz to 2.5 THz. However, the frequency range is too narrow as a spectrum variable range in order to identify various biological materials using the difference in terahertz wave spectrum. By measuring up to higher frequencies, the difference in the spectral pattern becomes clear and the molecule can be identified.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
The absorption coefficient in the terahertz wave band of the LiNbO 3 crystal becomes extremely large when it exceeds 3 THz, so that the output is remarkably lowered, which is one factor that limits the frequency band. Further, since the degree of phase mismatch in the parallel direction of the two pump light beams is large, an angle matching method in which the angle between the pump light and the extraction angle of the terahertz wave is increased as shown in FIG. The overlap between the terahertz wave and the pump light beam is poor, which causes a decrease in both frequency band and efficiency.
[0004]
On the other hand, in the parametric oscillation type LiNbO 3 terahertz generator, the line width of the generated terahertz wave can be narrowed to about 100 MHz by performing injection seeding with a continuous wave (CW) laser diode. On the contrary, because of the mode hopping of the diode, it is difficult to continuously sweep the frequency over a wide range. On the other hand, if injection seeding is not performed, the line width is extremely large and exceeds 100 GHz (0.1 THz), so the resolution is remarkably lowered and the performance of substance identification is not sufficient in combination with the narrow frequency band.
[0005]
An object of the present invention is to provide a frequency variable terahertz generator that overcomes the above-mentioned drawbacks and has a wide frequency band, high output, high resolution, and no mode hop.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
As a typical example of the present invention, GaP is used as a crystal that generates a terahertz wave (THz wave). We have shown that GaP has a higher Raman efficiency than LiNbO 3 . Furthermore, since the pure vibration frequency of the transverse wave constituting the phonon polariton is as extremely high as 11 THz, a polariton mode in a wide frequency band can be obtained. Furthermore, it is already known that the terahertz band absorption coefficient is smaller than that of LiNbO 3 crystal. In the range where the wavelengths of the two pump lights are smaller than about 1.0 μm, the phase matching relationship between the difference frequency light and the nonlinear polarization can be obtained in the parallel arrangement (collinear). However, in the present invention, contrary to the wavelength range that satisfies the collinear phase matching condition, the wavelengths of the two pump lights are made slightly larger than 1.0 μm. As a result, phase matching cannot be obtained in the parallel direction, but angular phase matching can be obtained by providing a minute angle between the pump lights. Angular phase matching is also performed in the LiNbO 3 crystal, but a large angle must be given, and the overlapping of pump light and terahertz light is poor and the efficiency is low. In GaP, if the pump light has a wavelength slightly longer than 1.0 μm, the phase matching angle is very small, so that such disadvantages can be overcome and the effect of expanding the frequency band is great. In order to sweep the terahertz wave frequency, the rotation angle of the mirror or beam splitter close to the GaP crystal is slightly changed, and at the same time, the frequency of the second pump light source is swept. Precise control of minute change in angle can be easily achieved by a rotating stage, so that terahertz frequency can be precisely controlled.
[0007]
As a first method for operating the terahertz wave with a narrow line width and without mode hops over a wide frequency, a YAG laser having a wavelength of 1.064 μm is used as the first pump light source, and the second pump light source, that is, the wavelength variable. An optical parametric oscillator (OPO) equipped with an injection seeding device is used as a pump light source. Such an OPO avoids wavelength degeneration that causes the line width to be increased by being excited by the third harmonic of the YAG laser, that is, the wavelength of 355 nm, and further includes a master oscillator in the OPO, which is used for injection seeding. Since the line width of the OPO can be narrowed by performing the above, the line width of the THz wave generated as the difference frequency is similarly narrowed. A YAG laser having a narrow line width subjected to injection seeding is also used.
[0008]
As a second method, a Cr: FORSTERITE (Cr-added olivine) laser is used as a pump light source. Since this laser uses the Cr level, the line width is extremely narrow compared to OPO without injection seeding. It is excited using a YAG laser having a wavelength of 1.064 μm, and does not use the third harmonic of YAG unlike OPO, so that the efficiency is high. The wavelength variable range of Cr: FORSTERITE is a range from 1.15 μm to 1.35 μm. Two Cr: FORSTERITE lasers are used as pump light sources, one is a fixed wavelength and the other is a tunable pump light source, and the line width of the terahertz wave as a difference frequency can be reduced without injection seeding.
[0009]
[Action]
The principle of phonon polariton minute angle matching in the case where the crystal generating the terahertz wave is GaP will be described with reference to FIG. k L , k S , and q are wave vector vectors of phonon polariton that are sources of the first and second pump lights and the terahertz wave, and v L , v S , and v are respective frequencies. In GaP, phase matching (Δq = 0) is obtained in the parallel direction when the wavelength of the pump light is 1.0 μm or less, but phase mismatch Δq is generated at wavelengths longer than 1.0 μm. When the angle θ in formed by the two pump lights in the crystal is sufficiently small, the following equation is obtained from the geometric relationship of the wave vector in the figure.
[0010]
[Expression 1]
θ in = (2Δq / q) 1/2 (n I / n L ) (v / v L )
[0011]
However, Δq is the magnitude of the mismatch of wave numbers generated because the phase matching cannot be obtained in the parallel direction because the frequency of the pump light is longer than 1.0 μm, and Δq = k L −k S −q. The phase matching in the parallel direction is calculated to be a critical wavelength of about 1.0 μm, and it is known experimentally that it is close to this. When the pump light wavelength is YAG laser wavelength 1.064 μm, the wavelength is 6.4% longer than the limit wavelength, but the phase mismatch degree Δq / q is calculated to be about 3% from the dispersion relation of the THz wave. Therefore, from the equation (1), the angle θ in is required to have a small value of 3.2 minutes at v = 1 THz.
On the other hand, the traveling direction theta I of the THz wave the following equation is obtained from Fig.
[0012]
[Expression 2]
sin θ I = k s / q sin θ in
Therefore, the following formula is obtained from the formulas [1] and [2].
[0013]
[Equation 3]
sin θ I = (2Δq / q) 1/2
[0014]
That is, since the angle θ I is multiplied by k s / q, it is considerably larger than the angle θ in , but at 0.5 THz to 4 THz, θ I is about 10 degrees to 14 degrees. Since Tan14 ° = 0.25, the overlap between the THz wave and the beam of pop light is approximately 80% or more as shown in FIG. 3, and the effective interaction distance is close to the crystal length, so that the high output has a wide frequency range. Can be obtained over.
[0015]
When the frequency of the terahertz wave is increased to 7 THz, the dispersion of the THz wave increases, so 2Δq / q increases. According to the calculation of the dispersion characteristic, Δq / q increases to 12% at 7 THz, but even in this case, Δq Is still in a small range. That is, θ in = 46 minutes is calculated from the equation (1) and is 1 degree or less. Outside the crystal, it is about 142 minutes, that is, 2.4 degrees. At this time, the direction of the terahertz wave, θ I is about 30 degrees from the equation (3). When the beam diameter is 3 mm and the crystal length is 5 mm as shown in FIG. 4, a beam overlap of about 50% or more can be obtained. For this reason, the efficiency reduction is not significant even at 7 THz. However, since θ I exceeds the total reflection critical angle of 17 degrees in the crystal, when it is close to normal incidence as shown in FIG. 3, it cannot be extracted from the output surface due to total reflection. In this case, as shown in FIG. 4, if the incident angle α ext of the pump light is not 0 but is more than 13 degrees, the critical angle can be made 17 degrees or less.
[0016]
In order to make the output terahertz wave narrow with no mode hop, it is necessary to select an appropriate pump light source, which has already been described in the previous section.
[0017]
【Example】
Example 1
As shown in FIG. 4, a pulse YAG laser having a wavelength of 1.064 μm is used as the first pump light source 16. As the second pump light source, an injection seeded wavelength tunable parametric oscillator (OPO) 17 that is excited by 355 nm light obtained by multiplying the fundamental wave of the first pump light by three is used. If the output light wavelength of the OPO is selected in the range of 1.038 μm to 1.0635 μm, the difference frequency is in the range of 0.15 THz to 7 THz. Further, the wavelength of OPO may be selected in the range of 1.0646 μm to 1.091 μm. The first pump light and the second pump light have orthogonal polarization directions, and the beams are superposed in parallel by the polarization beam splitter 18. The beam splitter 18 or the mirror 18 ′ is slightly rotated, and the beam direction of the first or second pump light is adjusted so that the angle θ in ext is extremely small according to the terahertz wave frequency v. The angle θ in ext is an angle outside the crystal and has a relationship of approximately θ in ext = n L θ in , where n L is the refractive index at the pump light frequency, and n L = 3.105. is there. For example, when v is 1 THz, θ in ext is 10 minutes (3.2 minutes in the crystal) outside the crystal.
[0018]
The optical axis direction of the GaP crystal 19 is 110 directions, and has an input surface and an output surface, and both the THz wave 22 and the pump lights 20 and 21 are extracted from the output surface. From 0.15 THz to 5 THz, θ I is about 10-17 degrees, and even at 7 THz is as small as 30 degrees or less, so that the overlap between pump light and terahertz light is large, and long-distance interaction is performed. As a result, a terahertz pulse output of 100 mW or more can be obtained over a wide frequency range of 0.15 to 7 THz.
[0019]
Since the line width of the YAG laser that is the first pump light is sufficiently narrow, the line width of the terahertz wave that is the difference frequency is determined by the line width of the OPO. Since OPO is injection seeded, the line width is about 4 GHz, and the line width of the terahertz wave that is the difference frequency is also about 4 GHz. Since the spectral line width of a solid or liquid substance in the terahertz band is generally 50 GHz or more, this embodiment enables spectroscopic measurement with sufficiently high resolution.
[0020]
(Example 2)
As shown in FIG. 5, it is the GaP crystal 27 that generates the terahertz wave as in the first embodiment. As the first and second pump light sources 24 and 25, a Cr: FORSTERITE (Cr-added olivine) laser excited by the YAG laser 23 is used. Cr: FORSTERITE is a tunable laser that can obtain a wavelength in the range of 1.15 μm to 1.35 μm by exciting with a YAG laser with a wavelength of 1.064 μm. By using the Cr level in FORSTERITE, injection is performed. Line width values of 10 GHz to 15 GHz can be obtained without seeding. Further, since it is not necessary to use YAG harmonics unlike OPO, it can be excited by a fundamental wave of 1.064 mm, and is characterized by high output and low cost.
[0021]
The wavelength of the first pump light laser is fixed at 1.20 μm, for example. By installing an etalon inside the first pump light source, the line width can be reduced to about 1 GHz at a fixed wavelength. The second pump light source uses the same kind of Cr: FORSTERITE laser and sweeps the wavelength. Since the latter is a continuous wavelength sweep, no etalon is inserted, so the line width is 10 GHz to 15 GHz. As a result, the line width of the THz wave generated as the difference frequency can be approximately 10 GHz to 15 GHz. By changing the wavelength of the second pump light source from 1.2024 μm to 1.2346 μm, the frequency range where the terahertz wave is generated is between 0.5 THz and 7 THz as in the first embodiment. The output is the same as in the first embodiment.
[0022]
The Cr: FORSTERITE laser as the pump light can be excited with a fundamental wave without using the third harmonic of the YAG laser, and a relatively narrow line width can be obtained without injection seeding. Therefore, it is an advantage that it is extremely inexpensive. As a terahertz wave generating crystal, not only when performing phase matching by angle like GaP, but also by applying it to a crystal that performs collinear phase matching using crystal anisotropy, it is extremely inexpensive and can be used as a wavelength tunable terahertz wave. A generator can be obtained. Examples of such an optically anisotropic crystal include ZnGeP 2 and GaSe.
[0023]
(Example 3)
In the first and second embodiments, when the THz wave frequency exceeds 6 THz, the shape of the GaP crystal 31 is approximately 30 degrees and a right angle triangle of 60 degrees as shown in FIG. 6, and the pump light 32, 33 is incident. For example, in the case of 7 THz, the θ I of the THz wave is approximately 30 degrees, but the THz wave detection optical system is easily arranged as 34 from the output end face 36, and the crystal arrangement is 1 -2 degrees will not cause a problem. On the other hand, the pump light is totally reflected at the surface 36 but is emitted from the surface 37 to the outside. Further, unlike the first embodiment, the present embodiment can extract the output without totally reflecting the THz wave even when the frequency of the THz wave becomes 7 THz or more.
[0024]
【The invention's effect】
According to the present invention, a frequency variable THz wave single frequency coherent terahertz light source from 0.5 THz to 7 THz can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating a conventional terahertz wave generation method.
FIG. 2 is a diagram showing directions of wave vectors of pump light and terahertz waves in the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing an intra-crystal propagation optical path of pump light and terahertz waves in Example 1.
4 is a diagram illustrating a configuration of a terahertz wave generation device according to Embodiment 1. FIG.
FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration of a terahertz wave generation device according to a second embodiment.
6 is a diagram showing the shape and beam direction of a GaP crystal in Example 3. FIG.
[Explanation of symbols]
1 ... LiNbO 3 crystal 2 ... first pump light 3 ... second pump light (also called idler light or signal light)
4 ... terahertz wave 5 ... silicon prism 6 ... wave vector 7 of first pump light ... wave vector 8 of second pump light ... wave vector 9 of terahertz wave ... angle θin formed by pump light in crystal
10 ... Terahertz wave internal angle θ I
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... GaP crystal 12 ... Optical path 13 of 1st pump light ... Optical path 14 of 2nd pump light ... Optical path 15 of terahertz wave ... Overlapping of terahertz wave and pump beam 16 ... YAG laser 17 ... Optical parametric oscillator (OPO) )
DESCRIPTION OF SYMBOLS 18 ... Polarizing beam splitter 18 '... Mira 19 ... GaP crystal 20 ... 1st pump light traveling direction 21 ... 2nd pump light traveling direction 22 ... Terahertz wave traveling direction 23 ... YAG laser 24 ... 1st Cr: FORSTERITE Laser 25 ... Second Cr: FORSTERITE laser 26 ... Polarizing beam splitter 26 '... Mira 27 ... GaP crystal 28 ... First pump light beam 29 ... Second pump light beam 30 ... Terahertz wave output 31 ... GaP crystal 32 ... First pump light 33 ... second pump light 34 ... terahertz wave 35 ... pump light incident surface 36 ... terahertz wave output surface 37 ... pump light exit surface 38 ... angle 30 degrees 39 ... angle 60 degrees

Claims (5)

波長1.0μmより長波長のレーザ光である第1のポンプ光を発生する第1のポンプ光源と、
波長1.0μmより長波長のレーザ光である第2のポンプ光を発生し、波長可変の第2のポンプ光源
断面が、最小頂角30度の直角3角形をなし、該直角3角形の最長辺となる面を入力面とし、該入力面に前記第1及び第2のポンプ光の二つのビームが入射する結晶と、
前記二つのビームを互いに微小な角度で前記結晶に入射させ、フォノンポラリトンを前記結晶中に励起する手段
を有し、前記第2のポンプ光の周波数と前記微小角度を同時に変えることにより、前記第1、第2のポンプ光の周波数の差周波数が0.15THzから7THzの範囲において、前記結晶から波長可変高出力広帯域のテラヘルツ波を発生させることを特徴とするテラヘルツ波発生装置。
A first pump light source that generates first pump light that is laser light having a wavelength longer than 1.0 μm ;
Generating a second pump light which is a laser light having a wavelength longer than 1.0 μm, and a second pump light source having a variable wavelength;
The cross-section is a right triangle with a minimum apex angle of 30 degrees, and the surface that is the longest side of the right triangle is the input surface, and the two beams of the first and second pump lights are incident on the input surface. Crystals,
The two beams is incident on the crystal at each other small angle, and means for exciting the phonon polariton tons in the crystal, by changing the frequency and the minute angle of the second pump light at the same time, the A terahertz wave generator characterized by generating a wavelength-tunable, high-power, broadband terahertz wave from the crystal in a range where the difference frequency between the frequencies of the first and second pump lights ranges from 0.15 THz to 7 THz.
前記結晶がGaP結晶であ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。 The terahertz wave generator according to claim 1, wherein the crystal is a GaP crystal. 前記第1のポンプ光源が波長1.064μmのYAGレーザであり、
前記第2のポンプ光源が前記第1のポンプ光源の第3高調波によって励起され、インジェクションシーディング手段を備えたオプティカルパラメトリックオシレータ(OPO)である
ことを特徴とする請求項1又は2に記載のテラヘルツ波発生装置。
The first pump light source is a YAG laser having a wavelength of 1.064 μm;
The second pump source is excited by the third harmonic of the first pump light source is the optical parametric oscillator (OPO) which includes a injection seeding means
The terahertz wave generator according to claim 1 or 2, characterized in that.
波長1.0μmより長波長のレーザ光である第1のポンプ光を発生する第1のポンプ光源と、
波長1.0μmより長波長のレーザ光である第2のポンプ光を発生し、波長可変の第2のポンプ光源と、
前記第1及び第2のポンプ光の二つのビームが入射する結晶と、
前記二つのビームを互いに微小な角度で前記結晶に入射させ、フォノンポラリトンを前記結晶中に励起する手段と
を有し、前記第1及び第2のポンプ光源の少なくとも一方が、波長1.064μmのYAGレーザによって励起され波長可変のレーザ光を発生するCr:FORSTERITEレーザであり、前記第2のポンプ光の周波数と前記微小角度を同時に変えることにより、前記第1、第2のポンプ光の周波数の差周波数が0.15THzから7THzの範囲において、前記結晶から波長可変高出力広帯域のテラヘルツ波を発生させることを特徴とするテラヘルツ波発生装置。
A first pump light source that generates first pump light that is laser light having a wavelength longer than 1.0 μm;
Generating a second pump light which is a laser light having a wavelength longer than 1.0 μm, and a second pump light source having a variable wavelength;
A crystal on which the two beams of the first and second pump lights are incident;
Means for injecting the two beams into the crystal at a minute angle to excite phonon polaritons in the crystal;
Has at least one of said first and second pump light sources for generating laser light of a wavelength tunable excited by YAG laser with a wavelength of 1.064 .mu.m Cr: a FORSTERITE laser, before Symbol second pump light By simultaneously changing the frequency and the minute angle, a tunable, high-power, broadband terahertz wave is generated from the crystal when the difference frequency between the first and second pump light frequencies is in the range of 0.15 THz to 7 THz. The terahertz wave generator characterized by the above-mentioned.
第1及び第2のポンプ光源の少くなくとも一方が、波長1.064μmのYAGレーザによって励起され波長可変のレーザ光を発生するCr:FORSTERITEレーザであり、半導体あるいは誘電体結晶に前記二つのポンプ光を入射し差周波として広帯域高出力のコヒーレントテラヘルツ波を発生することを特徴とするテラヘルツ波発生装置。  At least one of the first and second pump light sources is a Cr: FORSTERITE laser that is pumped by a YAG laser having a wavelength of 1.064 μm and generates a wavelength-tunable laser beam. A terahertz wave generator characterized by generating a broadband and high-output coherent terahertz wave as a difference frequency by entering light.
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