JP4958349B2

JP4958349B2 - リング型共振器とその高速同調方法

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Publication number: JP4958349B2
Application number: JP2001293000A
Authority: JP
Inventors: 泰亜南出; 晃道川瀬; 弘昌伊藤
Original assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 2001-09-26
Filing date: 2001-09-26
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2021-09-26
Also published as: JP2003098565A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リング型共振器とその高速同調方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周波数範囲が約１〜３ＴＨｚである遠赤外線あるいはサブミリ波の領域は、光波と電波の境界に位置しており、光波と電波がそれぞれの領域で発展してきたのとは対象的に、技術面及び応用面の両面で未開拓の分野として取り残されていた。しかし、無線通信におけるこの周波数帯（約１〜３ＴＨｚ）の有効利用や超高速通信への対応、およびこの周波数帯の電磁波の特徴を生かしたイメージングやトモグラフィーによる環境計測、そして生物や医学への応用など、この領域は近年ますます重要となってきている。以下、この周波数帯（約１〜３ＴＨｚ）の遠赤外線及びサブミリ波を「テラヘルツ波」と呼ぶ。
【０００３】
テラヘルツ波は発生・検出ともに困難であり、従来は、（Ａ）自由電子レーザー、（Ｂ）後進波管、（Ｃ）ｐ−Ｇｅレーザー、等の手段によりテラヘルツ波を発生させていた。
【０００４】
自由電子レーザーは、原理的に任意の波長のテラヘルツ波を発生可能であるが、１ＴＨｚ付近での発振には光波帯よりもはるかに長い電子バンチが必要となり、１０メートル規模の大型装置となり、高価であるばかりか使用に際し不便である問題点があった。
【０００５】
後進波管（ＢＷＯ：ＢａｃｋｗａｒｄＯｓｃｉｌｌａｔｏｒ）は、スペクトル純度に優れ、数百ＧＨｚ帯では有用であるが、１ＴＨｚより高周波側で波長可変性が急減する問題点があった。
【０００６】
ｐ−Ｇｅレーザーは、液体ヘリウムで冷却が必要な極低温を要するため、その設備が大型となり、使用上不便であった。
【０００７】
従って、従来のテラヘルツ波発生手段は、いずれも実験室レベルでは一部使用可能であるが、大型かつ高価であり、或いは使用上の不便が多く、多種多様な応用研究のニーズを満たすほど実用的かつ簡便ではなかった。
【０００８】
上述した従来のテラヘルツ波発生手段に対して、１〜２ＴＨｚ帯で波長可変であり、かつ小型レーザー装置で作動可能な常温動作のテラヘルツ波発生手段が、本発明の発明者等によって以下の参考資料に報告されている。
（参考資料１）特開平９−１４６１３１号公報
（参考資料２）ＵｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｒａｄｉａｔｉｏｎｏｆｗｉｄｅｌｙｔｕｎａｂｌｅＴＨｚｗａｖｅｕｓｉｎｇａｐｒｉｓｍｃｏｕｐｌｅｒｕｎｄｅｒｎｏｎｃｏｌｌｉｎｅａｒｐｈａｓｅｍａｔｃｈｉｎｇｃｉｎｄｉｔｉｏｎ，１９９７ＡｍｅｒｉｃａｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＰｈｙｓｉｃｓ，１１Ａｕｇｕｓｔ１９９７
（参考資料３）「パラメトリック発振による波長可変テラヘルツ電磁波の発生と応用」、レーザー研究、１９９８年７月
（参考資料４）ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ₃を用いたＴＨｚ波パラメトリック特性の検討」、電子情報通信学会誌文誌、２０００年４月
図１０は、このテラヘルツ波の発生原理図である。この図において、１は非線形光学結晶（例えばＬｉＮｂＯ₃）、２はポンプ波（例えばＹＡＧレーザー光）、３はアイドラー波、４はテラヘルツ波である。
【０００９】
ラマン活性かつ遠赤外活性を有する非線形光学結晶１にポンプ波２を一定方向に入射すると、誘導ラマン効果（又はパラメトリック相互作用）により物質の素励起波（ポラリトン）を介してアイドラー波３とテラヘルツ波４が発生する。この場合、ポンプ波２（ω_p）、テラヘルツ波４（ω_T）、アイドラー波３（ω_i）の間には、式（１）で示すエネルギー保存則と式（２）で示す運動量保存則（位相整合条件）が成り立つ。なお、式（２）はベクトルであり、ノンコリニアな位相整合条件は、図１０の右上に示すように表現できる。
ω_p＝ω_T＋ω_i．．．（１）
κ_p＝κ_T＋κ_i．．．（２）
このとき発生するアイドラー波３とテラヘルツ波４は空間的な広がりを持ち、その出射角度に応じてそれらの波長は連続的に変化する。このシングルパス配置におけるブロードなアイドラー波及びテラヘルツ波の発生をＴＰＧ（ＴＨｚ−ｗａｖｅＰａｒａｍｅｔｒｉｃＧｅｎｅｒａｔｉｏｎ）と呼ぶ。
【００１０】
なお、基本的な光パラメトリック過程は、１個のポンプ光子の消滅と、１個のアイドラ光子および１個のシグナル光子の同時生成によって定義される。アイドラ光あるいはシグナル光が共振する場合、ポンプ光強度が一定のしきい値を超えるとパラメトリック発振が生じる。また、１個のポンプ光子の消滅と、１個のアイドラ光子および１個のポラリトンの同時生成が誘導ラマン散乱であり、広義のパラメトリック相互作用に含まれる。
【００１１】
しかし、図１０に示したシングルパス配置のテラヘルツ波発生装置で発生したテラヘルツ波は非常に微弱であり、しかもその大部分は、非線形光学結晶中を数百μｍ進む間に吸収されてしまうという問題があった。
【００１２】
図１１はこの問題を解決したテラヘルツ波発生装置の構成図である。この図に示すように、上述したブロードなアイドラー波３に対して特定方向（角度θ）に共振器（ファブリー・ペロー型共振器）を構成することで、特定方向のアイドラー波３の強度を高めることができる。この場合、共振器は高反射コーティングを施したミラーＭ₁とＭ₂からなり、回転ステージ５上にセットされ、共振器の角度を微調整することができる。また、２枚のミラーＭ₁、Ｍ₂はその半分のみに高反射コーティングを施し、残りは素通しでポンプ波２が通過するようになっている。なお、図１１で６はテラヘルツ波４を外部に取り出すためのプリズム結合器である。
【００１３】
図１１に示したテラヘルツ波発生装置において、ポンプ波の結晶への入射角θをある範囲（例えば１〜２°）で変えると、結晶中でのポンプ波とアイドラ波のなす角が変化し、テラヘルツ波とアイドラ波のなす角度も変化する。この位相整合条件の変化により、テラヘルツ波は例えば約１４０〜３１０μｍの間で連続波長可変性を備える。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来のテラヘルツ波発生装置では、非線形光学結晶１と２枚の鏡Ｍ₁，Ｍ₂で構成されたアイドラ光共振器を回転ステージ５上に載せて全体を回転させ、これによりポンプ波（励起光ビーム）２とアイドラー波３のなす角を変化させ、テラヘルツ波およびアイドラ波の発振周波数を変えていた。
【００１５】
しかしかかる発振周波数の同調手段は、共振器を回転させる回転ステージ５の駆動機構が複雑となり、かつ共振器自体の調整が煩雑である問題点があった。
【００１６】
また、平均的な非線形光学結晶（ＬｉＮｂＯ₃）の長さは例えば約６０ｍｍであり、反射鏡や反射鏡ホルダーを回転ステージ５の上に配置すると長さは約２０ｃｍ以上になる。さらに共振器を安定するには共振器の剛性を高める必要があり重量も増える。その結果、共振器全体の回転体としてのイナーシャが増加し、高速にその回転角を変えることは困難であった。そのため、従来のテラヘルツ波パラメトリック発振器の周波数掃引は低速であり、任意波長への瞬時周波数同調は不可能であった。
【００１７】
一方、レーザーの分野においては、上述したファブリー・ペロー型共振器の他に、リング型共振器が広く知られており、リング型共振器も以下の参考資料に報告されている。
（参考資料５）Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ-ｗａｖｅ，ｓｉｎｇｌｙ-ｒｅｓｏｎａｎｔ，ｏｐｔｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｒｉｃｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｂａｓｅｄｏｎｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙｐｏｌｅｄＫＴｉＯＰＯ４，Ｊａｎｕａｒｙ２０００／Ｖｏｌ．６，Ｎｏ．３／ＯＰＴＩＣＳＥＸＰＲＥＳＳ５８
（参考資料６）Ｃｏｎｔｕｎｕｏｕｓｌｙｔｕｎａｂｌｅ，ｓｉｎｇｌｅ-ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ-ｍｏｄｅ，ｐｕｌｓｅｄｍｉｄ-ｉｎｆｒａｒｅｄｏｐｔｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｒｉｃｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｂａｓｅｄｏｎｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙｐｏｌｅｄｌｉｔｈｉｕｍｎｉｏｂａｔｅ，Ｖｏｌ．１７，Ｎｏ．７／Ｊｕｌｙ２０００／Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ｂ
図１２は、リング型共振器テラヘルツ波発生装置の一例である８の字リング型共振器の構成図である。この図において、１は非線形光学結晶（例えばＬｉＮｂＯ₃）、２はポンプ波（例えばＹＡＧレーザー光）、３はアイドラー波、４はテラヘルツ波である。アイドラー波３はこの例では４枚のミラーＭ₁，Ｍ₂，Ｍ₃，Ｍ₄を８の字状に共振して、非線形光学結晶１内でテラヘルツ波４を発生するようになっている。
【００１８】
このリング型共振器の同調手段としては、従来のファブリー・ペロー型共振器と同様に回転ステージを回転させており、機構が複雑であり、共振器の調整が煩雑であり、周波数掃引が低速であり、任意波長への瞬時周波数同調が不可能である問題点があった。
【００１９】
本発明は、かかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち本発明の目的は、周波数掃引及び周波数同調を容易かつ高速に行うことができるリング型共振器とその高速同調方法を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、３枚のミラーＭ_１，Ｍ_２，Ｍ_３で３角形型に光ビームを反射させ、そのうち２枚の平面ミラーＭ_１，Ｍ_２の間に光学結晶（１）を配置したリング型共振器において、
前記光学結晶は、両端面が平行な結晶であり、結晶内に光ビームが通過する一点Ｐを設定し、点Ｐを通り結晶端面に垂直な直線ｌ上における点Ｐから結晶端面までの入射側距離と出射側距離をそれぞれ結晶の屈折率ｎで除した位置を見かけ上の入射点Ｐ_０と見かけ上の出射点とし、
前記光学結晶（１）内の見かけ上の入射点Ｐ_０の平面ミラーＭ_１による虚像点Ｐ’と、見かけ上の出射点の平面ミラーＭ_２による虚像点Ｐ”と、ミラーＭ_３上の反射点Ｏとを通る円を設定し、前記反射点Ｏは前記円の円弧上の虚像点Ｐ’，Ｐ”の中点に位置しており、
光学結晶を通過する光ビームを直接反射しないミラーＭ_３をその反射面上の反射点Ｏで揺動させるビーム偏向素子（１０）を備える、ことを特徴とするリング型共振器が提供される。
【００２１】
また本発明によれば、３枚のミラーＭ_１，Ｍ_２，Ｍ_３で３角形型に光ビームを反射させ、そのうち２枚の平面ミラーＭ_１，Ｍ_２の間に光学結晶（１）を配置し、
前記光学結晶は、両端面が平行な結晶であり、結晶内に光ビームが通過する一点Ｐを設定し、点Ｐを通り結晶端面に垂直な直線ｌ上における点Ｐから結晶端面までの入射側距離と出射側距離をそれぞれ結晶の屈折率ｎで除した位置を見かけ上の入射点Ｐ_０と見かけ上の出射点とし、
前記光学結晶（１）内の見かけ上の入射点Ｐ_０の平面ミラーＭ_１による虚像点Ｐ’と、見かけ上の出射点の平面ミラーＭ_２による虚像点Ｐ”と、ミラーＭ_３上の反射点Ｏとを通る円を設定し、前記反射点Ｏは前記円の円弧上の虚像点Ｐ’，Ｐ”の中点に位置しており、
光学結晶を通過する光ビームを直接反射しないミラーＭ_３をその反射面上の反射点Ｏで揺動させ、光学結晶（１）に入射する光ビームの入射角を偏向させ、これによりその同調周波数を変更する、ことを特徴とするリング型共振器の高速同調方法が提供される。
【００２２】
上記本発明の装置及び方法によれば、ビーム偏向素子（１０）でミラーＭ₃をその反射面上の１点Ｏで揺動させることにより、３角形型に反射する光ビームの光軸を偏向して、光学結晶（１）に入射する光ビームの入射角（例えば非線形光学結晶における位相整合角）を偏向させ、その同調周波数を変更することができる。従って、このビーム偏向素子（１０）として１ｋＨｚ以上に応答可能な素子（例えばガルバノ式光学スキャナ）を用いることにより、光ビーム（テラヘルツ波等）の周波数掃引及び周波数同調を容易かつ高速に行うことができる。
【００２３】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記光学結晶（１）は、パラメトリック効果によってテラヘルツ波発生が可能な非線形光学結晶であり、前記光ビームは、非線形光学結晶（１）内で発生したアイドラー波（３）であり、前記ミラーＭ₃の揺動により非線形光学結晶における位相整合角を調整する。
【００２４】
この構成により、同調の困難なテラヘルツ波の周波数掃引及び周波数同調を容易かつ高速に行うことができる。
【００２６】
この構成により、ミラーＭ₃をその反射点Ｏを中心に揺動させても、光学結晶（１）内の一点Ｐを光ビームが常に通過し、光学結晶（１）における周波数掃引及び周波数同調を行うことができる。
【００２７】
前記ビーム偏向素子（１０）は、ガルバノ式光学スキャナである、ことが好ましい。この構成により、かかるビーム偏向素子（１０）を用いることにより、１ｋＨｚ以上の応答速度で、光ビーム（テラヘルツ波等）の周波数掃引及び周波数同調を容易かつ高速に行うことができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。
【００２９】
図１は、本発明によるリング型共振器の全体構成図である。この図に示すように、本発明のリング型共振器は、３枚のミラーＭ₁，Ｍ₂，Ｍ₃で３角形型に光ビーム３を反射させ、そのうち２枚の平面ミラーＭ₁，Ｍ₂の間に光学結晶１を配置したリング型共振器である。
【００３０】
なお、以下、テラヘルツ波の発生を目的とするリング型共振器について説明するが、本発明はこれに限定されず、その他の周知のリング型共振器に適用することができる。
【００３１】
図１において光学結晶１は、パラメトリック効果によってテラヘルツ波発生が可能な非線形光学結晶であり、光ビーム３は、非線形光学結晶１内で発生したアイドラー波３である。
【００３２】
非線形光学結晶１は、パラメトリック発振可能な結晶であり、例えば、ＬｉＮｂＯ₃、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ₃（ＭｇＯドープＬｉＮｂＯ₃）を用いることができる。その他の非線形光学結晶１としては、ＬｉＴａＯ₃、ＮｄドープＬｉＮｂＯ₃、ＮｄドープＬｉＴａＯ₃、等を用いてもよい。
【００３３】
本発明のリング型共振器は、更に光学結晶１を通過する光ビーム３（アイドラー波３）を直接反射しないミラーＭ₃をその反射面上の１点Ｏで揺動させるビーム偏向素子１０を備える。
【００３４】
ビーム偏向素子１０は、好ましくはガルバノ式光学スキャナである。ガルバノ式光学スキャナは、ガルバノメータに反射ミラーを設置した光学スキャナであり、反射ミラーの回転角をＤＣ電圧により制御することができる。例えば、ハーモニックドライブシステムズ社製のＬＳＡ-２０Ａ-３０を用いた場合、回転角±３°をＤＣ電圧により制御することができ、その直線性は±０．０６％以下、応答速度は約１ｋＨｚに達する。従って反射ミラーへのビーム入射角を機械的に変えることによって、ビームの入射角度を変化させることができる。
【００３５】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明する。
【００３６】
図１において、非線形光学結晶１としてＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ₃を用い、励起光源（ポンプ波２）にはＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザー（１．０６４μｍ、５０ｍＪ）を使用した。鏡Ｍ₁，Ｍ₂，Ｍ₃はアイドラー光３（約１．０７μｍ）の共振器を構成しており、Ｍ₁は励起光導入のため半面のみＨＲコートされている。Ｍ₄は、励起光（ポンプ波２）を共振器から外部へ導くために用いた。テラヘルツ波の同調操作は精密回転ステージ（ハーモニックドライブシステムズ社製）上の鏡Ｍ₃をコンピュータ制御して行った。
（周波数同調手段）
本発明のリング型共振器とその高速同調方法では、非線形光学結晶１のポラリトンを介したパラメトリック相互作用による周波数変換を利用しており、非線形媒質中で十分強い励起光２（ω_p）を入射させると、テラヘルツ波４（ω_T）およびアイドラー光３（ω_i）がエネルギー保存則ω_p＝ω_i＋ω_Tのもと、運動量保存則ｋ_p＝ｋ_i＋ｋ_T（位相整合条件）を満たすようにノンコリニアな状態で発生する。これより励起光２とアイドラー光３のなす角度（位相整合角）を制御することで位相整合条件が変わりテラヘルツ波４の周波数同調が可能となる。
【００３７】
本発明では周波数同調手段として、３枚の鏡（Ｍ₁，Ｍ₂，Ｍ₃）で構成されるリング型共振器においてアイドラー光３の光軸を変化させる。この同調手段は、１枚の鏡Ｍ₃を回転させるだけの簡単な手段で、アイドラー光３の光軸をある１点を中心に鏡の回転角度と同角度に回転できる。
【００３８】
図２は、本発明による同調原理図である。この図において、３枚の鏡Ｍ₁，Ｍ₂，Ｍ₃を使った任意のリング型共振器においてＭ₁，Ｍ₂間の光軸上の点Ｐを考える。点Ｐを出発点とすると光は、Ｐ→Ａ→Ｏ₁→Ｂ→Ｐの経路で点Ｐに戻り、同一経路を周回する。ここで、リング型共振器を理解するため、点ＰのＭ₁，Ｍ₂の像をそれぞれ点Ｐ′，Ｐ″（ＰＡ＝Ｐ′Ａ，ＰＢ＝Ｐ″Ｂ）とする。このように展開したリング型共振器の光軸は、直線Ｏ₁Ａ上の点Ｐ′から出た光がＭ₃で反射され、直線Ｏ₁Ｂ上の点Ｐ″に到達する経路Ｐ′→Ｏ₁→Ｐ″をとる。今、同調を変えても光軸は必ず点Ｐを通ることとすると、点Ｐ′，Ｐ″は固定点となる。以降Ｍ₁およびＭ₂で反射する光軸は考えない。
【００３９】
次に点Ｐ′から角度θを変化して出発する光を考える。この光は、Ｍ₃上の点Ｏ₁と異なる反射点に到達するが、Ｍ₃を回転し角度を調整することで点Ｐ″に導くことが可能である。別な見方をすると、Ｍ₃を回転した際点Ｐ′から点Ｐ″へ向かう多くの経路の中から、適切なある１つの経路Ｐ′→Ｏ₂→Ｐ″が自動的に選択されることになる。ただし、この新しい経路がリング型共振器の新しい光軸となるには、次の２つの条件を満たす必要がある。
（条件１）角度θで点Ｐ′を出発した光は、角度θで点Ｐ″に戻って来なければならない。
（条件２）反射点Ｏ₂で常に入射角と反射角が等しくなる。
【００４０】
これら条件は、Ｍ₃の配置に関する条件であり、次にＭ₃の位置決定に関して述べる。
【００４１】
まず、条件１（∠Ｏ₂Ｐ′Ｏ₁＝∠Ｏ₂Ｐ″Ｏ₁＝θ）と円周角の定理より弧Ｏ₂Ｏ₁に対する円周角が等しく４点Ｐ′，Ｏ₂，Ｏ₁，Ｐ″は同一円周状に存在する。次に、∠Ｐ′Ｏ₂Ｐ″を二等分し点Ｏ₂を通る直線は、弧Ｐ′Ｐ″を二等分する点Ｏ′を通る。これは、弧Ｐ′Ｏ′＝弧Ｐ″Ｏ′の時、円周角も等しくなるので∠Ｐ′Ｏ₂Ｏ′＝∠Ｐ″Ｏ₂Ｏ′となることによる。ここで、点Ｐ′、点Ｐ″は定点のため点Ｏ₂の位置が変化しても∠Ｐ′Ｏ₂Ｐ″の角二等分線は、必ず点Ｏ′を通る。したがって、条件２を満たすためには、∠Ｐ′Ｏ₂Ｐ″の角二等分線Ｏ₂Ｏ′に直交するようにＭ₃を配置すればよい。ここで、円の中心Ｏ_Cを通る直線ＯＯ′（直径）の円周角は直角であるから、この点Ｏ₂を通り直線Ｏ₂Ｏ′に直交する直線は点Ｏを通る。角度θが変化して点Ｏ₂の位置が変わっても点Ｏを必ず通ることになる。また、Ｍ₃の回転角、点Ｐ′からの出射角、点Ｐ″への入射角はすべて等しく、Ｍ₃の回転による光軸の変化分とも一致する（∠Ｏ₂Ｐ′Ｏ₁＝∠Ｏ₂Ｐ″Ｏ₁＝∠Ｏ₂ＯＯ₁＝∠ＡＰＡ′＝∠ＢＰＢ′＝θ）。
【００４２】
つまり、光学結晶１内の一点Ｐの平面ミラーＭ₁，Ｍ２による虚像点Ｐ'，Ｐ"とミラーＭ₃上の反射点Ｏとを通る円を設定し、反射点Ｏを円の円弧上の虚像点Ｐ'，Ｐ"の中点に位置決めすれば、Ｍ₃は点Ｏを中心に回転するように配置すればよく、Ｍ₃を角度θ回転させれば点Ｐを回転中心としてアイドラー光の光軸も角度θ回転する。
【００４３】
結晶を配置した場合の動作は、次のように説明することができる。図３に示すように両端面が平行な結晶を考える。光は、結晶に角度θで入射し、結晶端面で屈折した後、結晶内の点Ｐを通るとする。屈折角をθ_inとするとスネルの法則により（１）式が成り立つ。またＴＰＯでは前述のように微小角を扱うので（２）式のように近似できる。ここで、ｎは結晶の屈折率を示す。
【００４４】
ｎ・ｓｉｎθ_in＝ｓｉｎθ．．．（１）
ｎθ_in≒θ．．．（２）
次に、結晶端面に垂直で点Ｐを通る直線ｌと結晶に入射する光の延長線が結晶内で交わる点をＰ₀とすると、点Ｐ，Ｐ₀の結晶端Ｄからの距離には、（３）式のような関係がある。ここで、点Ｃ，Ｄは直線ｌ上における結晶端の点である。また、（２）式の関係を考慮しＰＤ＝Ｌとすると、（３）式は（４）式のように表せる。
【００４５】
Ｐ₀Ｄ＝ＰＤ（ｔａｎθ_in／ｔａｎθ）．．．（３）
≒Ｌ／ｎ．．．（３）
（４）式より、点Ｐ₀の位置は光の入射角によらず固定である。つまり、光は見かけ上点Ｐ₀を目掛けて入射すると考えることができ、実際には結晶の境界で屈折し点Ｐを通過する。一方、結晶から出射する場合も同様であり、点ＣからＰＣ／ｎ離れた直線ｌ上の点から出射すると考えることができる。
【００４６】
従って結晶を挿入した場合、見かけ上の入射点Ｐ₀、または見かけ上の出射点（出射端Ｃから距離ＰＣ／ｎの点）が図２での不動点Ｐに対応するものであるため、これら２点のＭ₂及びＭ₁で作られる鏡像点を前述同様に考えることによって同調動作を説明することが可能である。
（リング型ＴＰＯの構成）
上述した同調原理に基づき、リング型ＴＰＯを構成したものが図１に示したリング型共振器である。アイドラー光３の共振器を構成する鏡として３枚の鏡（Ｍ₁，Ｍ₂，Ｍ₃）を使用し、左右対称の配置にした。共振器のサイズは、Ｍ₁とＭ₂の間隔が１５０ｍｍ、Ｍ₁とＭ₃、Ｍ₂とＭ₃が同間隔で１０６ｍｍであり、直角二等辺三角形になっている。Ｍ₂には鏡の半面にＨＲコートを施してあり、ＨＲコートが無い部分から励起光２を導入できる様にした。Ｍ₁，Ｍ₃は、全面ＨＲコートを施した。Ｍ₃は、周波数同調を行うため精密回転ステージ１０上に設置した。ここで、位相整合角は角度２゜の範囲を微調整する必要があり、高分解能な精密回転ステージ（ハーモニック・ドライブ・システムズ社製、分解能：０．０６秒）を使用した。
【００４７】
アイドラー光３の光軸の回転中心は、Ｍ₃の回転中心Ｏから左右等距離のＭ₁Ｍ₂中点にある。Ｍ₄は、不要な励起光２を共振器から取り除くための鏡である。Ｍ₄の配置は、励起光２とアイドラー光３を容易に分離し励起光２を取り出せるようＭ₃直前とした。
【００４８】
励起光２には、繰り返し５０Ｈｚ、パルス幅２５ｎｓのＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザー（ＬＯＴＩＳ社製）を使用し、偏波方向は結晶のｚ軸に沿うようにした。非線形結晶１には、５ｍｏｌ％ＭｇＯ添加のＬｉＮｂＯ₃（ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ₃）を用いた。ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ₃は、長さ７０ｍｍ、幅４ｍｍ、高さ５ｍｍの大きさで、両端面を光学研摩し無反射コートを施した。
【００４９】
テラヘルツ波４の取り出しには、高抵抗シリコンプリズム６（ρ＞１ｋΩ・ｃｍ、α＝０．６ｃｍ^-1）を使用した。シリコンプリズム６は、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ₃結晶（屈折率５．２）と外部の境界面で生じるテラヘルツ波の全反射を回避する効果を有する。また周波数同調を行う際、結晶内部で位相整合条件が変化し、テラヘルツ波４の出射方向が変化するが、シリコンが持つテラヘルツ帯における屈折率の低分散性により１〜３ＴＨｚの同調範囲に対して３゜以内の出射角変化に抑える効果がある。
【００５０】
リング型ＴＰＯは以下の利点を有する。
ａ）非線形結晶への励起光入力が一方向である場合、リング型のような進行波レーザーが適切であり、安定した発振が得られる。
ｂ）空間的ホールバーニングを制御し、利得を有効利用できる。
ｃ）光進行方向が一方向であるため、光の引き回しが簡単で光学素子の導入配置が容易である。このため、励起光とアイドラー光の分離などに有利である。
（発振の最適化）
次に、本発明のリング型共振器における結晶の最適な配置に関して述べる。図４は、本発明のリング型共振器の発振最適化のための構成図である。図４においてＭ₃の位置を矢印方向に直線的に変化させると、結晶内部でアイドラー光の光軸がＭ₃を変化させた方向と同一方向に平行移動する。本方法を用いて最適な相互作用条件を測定した。測定方法を次に述べる。
【００５１】
まず、励起光とアイドラー光が結晶内で交差する点を決定する。Ｍ₁の鏡を透過した励起光とアイドラー光を共振器の外で結晶端から５３０ｍｍ離れた位置で検出し、励起光とアイドラー光が分離した距離（Ｌ）及びそれぞれの波長をスペクトラムアナライザで測定する。
【００５２】
それぞれの波長を測定することで位相整合角（θ）が算出でき、結晶端からの距離及び両光の分離した距離からｔａｎθ＝Ｌ／（５３０＋α）の式を用いて、両光が結晶内で交わる点（α）を求めることができる。この方法で励起光とアイドラー光の光軸が交わる位置を求め、Ｍ₃を移動して順次位置とアイドラー光出力を求める。
【００５３】
図５は、本発明の実施例による結晶内のアイドラー光の光軸位置と出力の関係図である。この図の横軸０は光が結晶からでる結晶端面の位置であり、ｙ_c＝７０ｍｍは光が結晶に入る端面の位置である。
【００５４】
この図からアイドラー光の強度は、結晶の中心（ｙ_c＝３５ｍｍ）から離れるに従って発振強度が減少する結果が得られた。この結果より最適な相互作用条件は、結晶長さ方向の中心部分で励起光とアイドラー光の光軸が交わるよう調整すればよいことがわかった。これは、励起光とアイドラー光のオバーラップが結晶内部で最も大きくなる条件であり、実験的に確認することができた。これより、結晶長さ方向の中心部分がアイドラー光の回転中心と合うように結晶を配置した。
（リング型ＴＰＯの動作特性）
以下に、ノンコリニア・リング型共振器ＴＰＯの動作特性を示す。図６は、位相整合角とテラヘルツ波の周波数との関係図（同調特性図）である。この図において各点は実測値を表している。測定には平行に配置された２枚の金属メッシュエタロンによるＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ干渉計を用い、そのエタロン間隔変化させて計測を行った。テラヘルツ波の検出には、４．２Ｋ−シリコンボロメータを使用した。実線は位相整合角とテラヘルツ波周波数の関係を計算した結果である。入力した励起光エネルギーは、約３０ｍＪ／ｐｕｌｓｅである。図よりＭ₃を回転し位相整合角を０．９２゜から２．７゜まで変化させて、０．９３ＴＨｚから２．７ＴＨｚの広帯域な周波数同調を得ることができた。Ｍ₃は、コンピュータにより回転制御されており、実験結果が理論値とよく一致していることから、コンピュータによる周波数制御が可能である。
【００５５】
図７は、実験で得られた同調範囲でのテラヘルツ波の波長とその出力との関係図である。励起光入力は、図６での条件と同様で約３０ｍＪ／ｐｕｌｓｅである。この図より１ＴＨｚ付近から２．５ＴＨｚの約１．５ＴＨｚの帯域で０．１ｐＪ／ｐｕｌｓｅ以上のテラヘルツ波出力が得られた。この結果からテラヘルツ波検出器として４．２Ｋ−シリコンボロメータを使用すれば、その最小感度が約１ｆＪ／ｐｕｌｓｅであるので、広帯域で十分なシグナル強度が得られていることがわかる。また、１．３ＴＨｚで最大出力６９．６ｐＪ／ｐｕｌｓｅが得られ、従来のＴＰＯと比較すると１個のシリコンプリズム結合鏡からの出力として最大値が得られた。また結晶側面に沿ってシリコンプリズムを連続的に配置するシリコンプリズムアレイを使用すれば、よりテラヘルツ波出力を増大させることが可能である。
【００５６】
図８は、ＴＰＯの入出力特性図であり、励起光とアイドラー光の入出力特性を示す。この測定は、アイドラー光の出力が最大であった波長１．０７２μｍで行った。アイドラー光は、励起光エネルギー１５ｍＪ／ｐｕｌｓｅ以上で発振が確認できた。発振しきい値は、図において励起光エネルギーを増加させた時のアイドラー光の傾きから約２０ｍＪ／ｐｕｌｓｅと求めることができた。このしきい値は、従来の典型的な共振器長１５０ｍｍのＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ型ＴＰＯと同程度であった。
（塩化水素（ＨＣｌ）ガスのテラヘルツ波分光）
次に、本発明の周波数同調方法の性能を評価するため、テラヘルツ波領域で数本の吸収線を持つＨＣｌガスの分光を行った。計測に用いたガスは、ＨＣｌガスを５％含むＨｅガスとの混合気で、長さ８７０ｍｍのガスセルに大気圧で入れて使用した。ガスセルは、ＴＰＯとシリコンボロメーターとの間に設置し、できるだけ各々の間隔をつめて水蒸気による吸収が小さくなるようにして分光を行った。分光スペクトラムは、ガスセルを真空にした時のスペクトラムと比較（割算）を行い求めた。
【００５７】
図９は、実験結果を示すＨＣｌガスのテラヘルツ波分光の例である。図上部にはＮＡＳＡのデータベースで報告されている中心吸収ラインを示した。
【００５８】
この図より、４２ｃｍ^-1と６３ｃｍ^-1の吸収ラインがよく一致して計測することができ、本発明の周波数同調方法の動作信頼性を確認した。また、繰り返し計測において再現性あることも確認した。
【００５９】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００６０】
【発明の効果】
上述したように、３枚の鏡で構成するリング型テラヘルツ波パラメトリック発振器において、１枚の鏡を回転制御することで周波数同調を行う手段を新しく提案し、動作の確認を行った。本発明の周波数同調には次の利点がある。
ａ）１枚の鏡のみを回転制御する方法で、特に高出力のレーザーおよび非線形結晶の位置関係は不動なことから、安全性、信頼性が高い。
ｂ）アイドラー光の光軸は、結晶内の一点を中心に変化するため、常に、最適な相互作用条件を保持できる。
ｃ）アイドラー光の光軸調整は、発振可能な角度範囲内に粗調されていれば自動的に発振するため、初期アライメントが容易である。
ｄ）励起光の光軸が固定されており、共振器全体を回転させる方法で稀に発生する結晶角の光損傷を抑制できる。
【００６１】
本発明のリング型共振器の実施例により、０．９３ＴＨｚから２．７ＴＨｚまでの広帯域連続周波数同調が得られた。また、結晶の配置を最適化することにより、最大６９．６ｐＪ／ｐｕｌｓｅのテラヘルツ波出力が得られた。さらにＨＣｌガス分光を行ない、ＴＰＯの性能を確認し良好な結果を得た。本発明のＴＰＯは、テラヘルツ波応用分野において幅広く利用することが可能である。
【００６２】
また本発明のリング型共振器では、励起光の光軸を固定しアイドラー光の光軸を変化させるため、広帯域周波数同調の際しばしば生じる励起光の光軸のズレによる結晶角の光損傷を低減できる利点があると共に、光学系の初期配置における鏡角度調整が容易になる。これは発振がノンコリニア位相整合条件を満たす鏡角度でおこり、発振利得をもつ角度範囲内に粗調整されれば、自動的に適切な整合角が選択されるためである。
従って、本発明のリング型共振器とその高速同調方法は、周波数掃引及び周波数同調を容易かつ高速に行うことができる優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるリング型共振器の全体構成図である。
【図２】本発明による同調原理図である。
【図３】結晶を配置した場合の説明図である。
【図４】本発明のリング型共振器の発振最適化のための構成図である。
【図５】本発明の実施例による結晶内のアイドラー光の光軸位置と出力の関係図である。
【図６】位相整合角とテラヘルツ波の周波数との関係図（同調特性図）である。
【図７】テラヘルツ波周波数とその出力との関係図である。
【図８】ＴＰＯの入出力特性図である。
【図９】ＨＣｌガスのテラヘルツ波分光の例である。
【図１０】テラヘルツ波の発生原理図である。
【図１１】共振器を有する従来のテラヘルツ波発生装置の構成図である。
【図１２】従来の８の字リング型共振器の構成図である。
【符号の説明】
１非線形光学結晶、２ポンプ波（励起光）、３アイドラー波、
４テラヘルツ波、５回転ステージ、
６プリズム結合器（シリコンプリズム）、
１０ビーム偏向素子（ガルバノ式光学スキャナ）

Claims

３枚のミラーＭ_１，Ｍ_２，Ｍ_３で３角形型に光ビームを反射させ、そのうち２枚の平面ミラーＭ_１，Ｍ_２の間に光学結晶（１）を配置したリング型共振器において、
前記光学結晶は、両端面が平行な結晶であり、結晶内に光ビームが通過する一点Ｐを設定し、点Ｐを通り結晶端面に垂直な直線ｌ上における点Ｐから結晶端面までの入射側距離と出射側距離をそれぞれ結晶の屈折率ｎで除した位置を見かけ上の入射点Ｐ_０と見かけ上の出射点とし、
前記光学結晶（１）内の見かけ上の入射点Ｐ_０の平面ミラーＭ_１による虚像点Ｐ’と、見かけ上の出射点の平面ミラーＭ_２による虚像点Ｐ”と、ミラーＭ_３上の反射点Ｏとを通る円を設定し、前記反射点Ｏは前記円の円弧上の虚像点Ｐ’，Ｐ”の中点に位置しており、
光学結晶を通過する光ビームを直接反射しないミラーＭ_３をその反射面上の反射点Ｏで揺動させるビーム偏向素子（１０）を備える、ことを特徴とするリング型共振器。
前記光学結晶（１）は、パラメトリック効果によってテラヘルツ波発生が可能な非線形光学結晶であり、前記光ビームは、非線形光学結晶（１）内で発生したアイドラー波（３）であり、前記ミラーＭ_３の揺動により非線形光学結晶における位相整合角を調整する、ことを特徴とする請求項１に記載のリング型共振器。
前記ビーム偏向素子（１０）は、ガルバノ式光学スキャナである、ことを特徴とする請求項１または２に記載のリング型共振器。
３枚のミラーＭ_１，Ｍ_２，Ｍ_３で３角形型に光ビームを反射させ、そのうち２枚の平面ミラーＭ_１，Ｍ_２の間に光学結晶（１）を配置し、
前記光学結晶は、両端面が平行な結晶であり、結晶内に光ビームが通過する一点Ｐを設定し、点Ｐを通り結晶端面に垂直な直線ｌ上における点Ｐから結晶端面までの入射側距離と出射側距離をそれぞれ結晶の屈折率ｎで除した位置を見かけ上の入射点Ｐ_０と見かけ上の出射点とし、
前記光学結晶（１）内の見かけ上の入射点Ｐ_０の平面ミラーＭ_１による虚像点Ｐ’と、見かけ上の出射点の平面ミラーＭ_２による虚像点Ｐ”と、ミラーＭ_３上の反射点Ｏとを通る円を設定し、前記反射点Ｏは前記円の円弧上の虚像点Ｐ’，Ｐ”の中点に位置しており、
光学結晶を通過する光ビームを直接反射しないミラーＭ_３をその反射面上の反射点Ｏで揺動させ、光学結晶（１）に入射する光ビームの入射角を偏向させ、これによりその同調周波数を変更する、ことを特徴とするリング型共振器の高速同調方法。