JP5098895B2 - テラヘルツ波発生装置及びテラヘルツ波発生方法 - Google Patents
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Description
本発明は、高強度のテラヘルツ波を発生させることができるテラヘルツ波発生装置及びテラヘルツ波発生方法に関する。
テラヘルツ波は、周波数が０．１〜１０ＴＨｚ程度の電磁波である。また、テラヘルツ波は、その波長が３０〜３０００μｍ程度であり、光と電波との中間領域にあたることから、この性質を利用して通信、検査等、種々の分野へ応用することが期待されている。
テラヘルツ波を発生させる装置及び方法は、例えば非特許文献１，２に記載されている。
非特許文献１には、アンテナ素子（微小アンテナ構造を有し、電圧バイアスが印加されたアンテナに超短パルスレーザを照射することでテラヘルツ波を発生させる方式）、非線型効果（反転対称性χ(2)を有する物質に超短パルスレーザを照射することにより、光整流効果でテラヘルツ波を発生させる方式）、半導体表面、磁場印加方式、などによってテラヘルツ波を発生させる技術が開示されている。
非特許文献２には、回折格子によって入射レーザの波面をチルトさせ、ＬＮ（ＬｉＮｂＯ３：ニオブ酸リチウム）結晶内のチェレンコフ放射の概念によりテラヘルツ波を高強度化する技術が開示されている。
阪井清美「テラヘルツ時間領域分光法」、分光研究、２００１年、第５０巻、第６号、ｐ．２６１〜ｐ．２７３．
Hoffman et al., "Efficient terahertz generation by optical rectification at 1035 nm", OPTICS EXPRESS Vol. 15, No. 18, 3 September 2007, pp.11706-11713
非特許文献１に開示されたテラヘルツ波発生方法では、テラヘルツ波の出力が小さいため、限られた分光計測以外の分野に応用することは困難であった。
また、非特許文献２に開示されたテラヘルツ波発生方法では、入射レーザの波面を傾ける必要がある。このため、回折格子とレンズにより、回折格子上に集光されたビームの像を利用した転送系が用いられている。しかし、このような構成では、回折格子上の集光点の転送像はレンズの集光点近傍以外では分散の効果を大きく受けてしまうため、調整が難しいという問題点があった。
本発明は、上記実情に鑑みてなされたもので、簡易な構成で、高強度のテラヘルツ波が得られるテラヘルツ波発生装置及びテラヘルツ波発生方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の第一の観点に係るテラヘルツ波発生装置は、
所定の波長の励起光を出射する励起光源と、
前記励起光で励起されることにより、テラヘルツ波を発生させる光学結晶と、
前記テラヘルツ波を、前記励起光によって複数回光パラメトリック増幅させるテラヘルツ波増幅手段と、
を備え、
前記テラヘルツ波増幅手段は、前記光学結晶をコアとし前記光学結晶の屈折率よりも小さい屈折率を有する媒質をクラッドとして構成された光導波路を備え、入射した前記励起光が全反射条件を満たして前記光導波路を伝播するように構成されている、
ことを特徴とする。
所定の波長の励起光を出射する励起光源と、
前記励起光で励起されることにより、テラヘルツ波を発生させる光学結晶と、
前記テラヘルツ波を、前記励起光によって複数回光パラメトリック増幅させるテラヘルツ波増幅手段と、
を備え、
前記テラヘルツ波増幅手段は、前記光学結晶をコアとし前記光学結晶の屈折率よりも小さい屈折率を有する媒質をクラッドとして構成された光導波路を備え、入射した前記励起光が全反射条件を満たして前記光導波路を伝播するように構成されている、
ことを特徴とする。
前記光学結晶は、所定の厚さを有する板状体として形成されるとともに、前記板状体の第１及び第２の主面に対して所定の角度を有する傾斜面を備え、前記励起光が前記傾斜面に垂直に入射するように配置されており、
前記クラッドは、所定の屈折率を有する層から構成され、少なくとも前記光学結晶の前記第１及び第２の主面に接するように配置されており、
前記テラヘルツ波増幅手段は、前記励起光を前記第１及び第２の主面と前記クラッドとの界面でそれぞれ全反射させるように構成されており、
前記所定の厚さは、前記光学結晶中を伝播する前記励起光と前記テラヘルツ波とが光パラメトリック増幅の位相整合条件を満たすとともに、前記テラヘルツ波の伝播モードがシングルモードとなるような厚さである、
ように構成することとしてもよい。
前記クラッドは、所定の屈折率を有する層から構成され、少なくとも前記光学結晶の前記第１及び第２の主面に接するように配置されており、
前記テラヘルツ波増幅手段は、前記励起光を前記第１及び第２の主面と前記クラッドとの界面でそれぞれ全反射させるように構成されており、
前記所定の厚さは、前記光学結晶中を伝播する前記励起光と前記テラヘルツ波とが光パラメトリック増幅の位相整合条件を満たすとともに、前記テラヘルツ波の伝播モードがシングルモードとなるような厚さである、
ように構成することとしてもよい。
前記光学結晶は、ＬｉＮｂＯ３結晶である、
ように構成することとしてもよい。
ように構成することとしてもよい。
また、上記目的を達成するため、本発明の第二の観点に係るテラヘルツ波発生方法は、
光学結晶に向けて所定の波長の励起光を出射するステップと、
前記光学結晶を前記励起光で励起することにより、テラヘルツ波を発生させるステップと、
前記励起光を、前記光学結晶をコアとして形成された光導波路で全反射させながら伝播させるとともに、前記テラヘルツ波を、前記励起光によって複数回光パラメトリック増幅させるステップと、を備える、
ことを特徴とする。
光学結晶に向けて所定の波長の励起光を出射するステップと、
前記光学結晶を前記励起光で励起することにより、テラヘルツ波を発生させるステップと、
前記励起光を、前記光学結晶をコアとして形成された光導波路で全反射させながら伝播させるとともに、前記テラヘルツ波を、前記励起光によって複数回光パラメトリック増幅させるステップと、を備える、
ことを特徴とする。
本発明によれば、光学結晶に励起光を照射して励起することにより発生したテラヘルツ波を、光学結晶をコアとする光導波路内を全反射しながら伝播する励起光で、複数回光パラメトリック増幅させるので、簡易な構成で、高強度のテラヘルツ波を得ることができる。
以下、本発明の実施形態に係るテラヘルツ波発生装置について図１を参照して説明する。図１は、本実施形態のテラヘルツ波発生装置の構成を示す図である。なお、本実施形態のテラヘルツ波発生装置は、例えばテラヘルツ波を利用したイメージング検査装置に組み込まれて使用されるものである。
図１に示すように、本実施形態のテラヘルツ波発生装置１０は、励起光源１１、非線形光学結晶１２、光学系１７，１８を備えている。
励起光源１１は、非線形光学結晶１２に向けて出射する励起光１３の光源となる半導体レーザ装置である。励起光１３は、本実施形態では波長が例えば７８０ｎｍであり、偏光方向は、図のＺ軸方向に平行である。
非線形光学結晶１２は、レーザ等の入射光に対する非線形応答により、テラヘルツ波をパラメトリック発生させる光学結晶である。本実施形態では、非線形光学結晶１２としてＬＮ（ＬｉＮｂＯ３：ニオブ酸リチウム）結晶が用いられる。なお、非線形光学結晶１２の光学軸は図のＺ軸に平行である。
図１に示すように、非線形光学結晶１２は、厚さがｄ（μｍ）の板状体として形成されている。厚さｄは、後述するテラヘルツ波１５が、非線形光学結晶１２の内部をシングルモードで伝播する条件を満たす寸法であり、かつ、励起光１３とテラヘルツ波１５とが、光パラメトリック増幅の位相整合条件を満たすように調整された寸法である。本実施形態における非線形光学結晶１２の厚さｄは、例えば１００μｍである。
また、非線形光学結晶１２には、励起光１３が入射する面（入射面１２ｃ）が、平板の主面（全反射面１２ａ，１２ｂ）に対して角度θの斜面として形成されている。角度θは、後述するように、励起光１３が全反射面１２ａ，１２ｂで全反射する条件を満たす角度である。本実施形態における角度θは、例えば３０°である。なお、励起光１３及びテラヘルツ波１５の出射側の面（出射面１２ｄ）は、平板の主面（全反射面１２ａ，１２ｂ）に対して垂直である。
ここで、励起光１３とテラヘルツ波１５とは、それぞれの波長が異なることから、非線形光学結晶１２内における伝播速度もそれぞれ異なる。本実施形態では、テラヘルツ波１５の伝播速度が励起光１３の伝播速度の１／２となるように構成されている。即ち、本実施形態では、テラヘルツ波１５の伝播速度は、励起光１３の伝播速度の１／２である。
上記のように形成された非線形光学結晶１２と、その周囲の空気１６とは、非線形光学結晶１２をコアとし、空気１６の層をクラッドとする光導波路を構成する。
光学系１７は、励起光源１１と非線形光学結晶１２との間に設けられたレンズ等の光学系である。また、光学系１８はテラヘルツ波１５の出力側に設けられた光学系である。図１では、簡略化して光学系を表示しているが、テラヘルツ波発生装置の構成またはテラヘルツ波発生装置が組み込まれた検査装置の構成に応じて、任意の光学系の構成をとることができる。
なお、図１では、説明の便宜上、テラヘルツ波発生装置１０について上記以外の構成部品は図示を省略している。図示した以外にも、例えば、ケーシング等の部品についても同様に、任意に配置することができる。
次に、上記のように構成されたテラヘルツ波発生装置１０の動作について説明する。
図１に示すように、励起光源１１から非線形光学結晶１２の入射面１２ｃに向けて励起光１３が出射されると、励起光１３は、入射面１２ｃに垂直に入射する。
非線形光学結晶１２に入射した励起光１３は、光パラメトリック発生によって、アイドラー波１４とテラヘルツ波１５とを発生させる。ここで、励起光１３の角周波数をω１とし、アイドラー波１４の角周波数をω２とし、テラヘルツ波１５の角周波数をω３とすると、エネルギー保存則から、ω１＝ω２＋ω３である。また、励起光１３の光ベクトルをｋ１とし、アイドラー波１４の光ベクトルをｋ２とし、テラヘルツ波１５の光ベクトルをｋ３とすると、運動量保存則からｋ１＝ｋ２＋ｋ３である。
励起光１３は、非線形光学結晶１２の平板主面を構成する全反射面１２ａ，１２ｂで全反射する。ここで、本実施形態の非線形光学結晶１２に用いられるＬＮ結晶の屈折率は２．１５程度であり、空気の屈折率は１．０００３程度であることから、θ＝３０°で励起光１３の全反射の条件を満たす。従って、励起光１３は、全反射面１２ａ，１２ｂで、入射角θ（＝３０°）で複数回全反射しながら非線形光学結晶１２内を伝播する。
また、テラヘルツ波１５は、矢印で図示した方向に、非線形光学結晶１２内をシングルモードで伝播する。
次に、励起光１３とテラヘルツ波１５との関係について、図２を参照して説明する。なお、図２において、励起光１３を伝播の順に１３−１，１３−２，・・・，１３−ｎ（ｎは正の整数）及び１３ｏｕｔの各符号で示し、テラヘルツ波１５を伝播の順に１５−１，１５−２，・・・，１５−ｎ及び１５ｏｕｔの各符号で示す。また、図２に示す点Ｓ１，Ｓ２，Ｓｎは、励起光１３とテラヘルツ波１５とが相互作用を起こす場所を示す仮想の点である。
入射面１２ｃから非線形光学結晶１２に入射し、励起光１３及びアイドラー波１４を発生させた後の励起光１３−１は、全反射面１２ｂで全反射し、全反射面１２ａに向けて伝播する。また、非線形光学結晶１２内で発生したテラヘルツ波１５−１は、矢印で図示する方向に伝播する。
本実施形態では、図２に示すように、励起光１３−１とテラヘルツ波１５−１とが、それぞれ正三角形の２辺、１辺を構成している。また、上述したように、非線形光学結晶１２内におけるテラヘルツ波１５の伝播速度は、励起光１３の伝播速度の１／２である。即ち、同じ場所を同時に出発した励起光１３−１とテラヘルツ波１５−１とは、点Ｓ１に同時に到達する。
そして、点Ｓ１において、励起光１３−１とテラヘルツ波１５−１との間に相互作用が起こる。この相互作用は、励起光１３とテラヘルツ波１５との光パラメトリック増幅の位相整合条件を満たすような作用である。これにより、テラヘルツ波１５−１は光パラメトリック増幅され、テラヘルツ波１５−１よりも高強度のテラヘルツ波１５−２となって非線形光学結晶１２内を伝播していく。これに伴い、励起光１３−１は、励起光１３−１よりも強度が低い励起光１３−２となって非線形光学結晶１２内を伝播する。
続いて、非線形光学結晶１２の全反射面１２ａで全反射した励起光１３−２とテラヘルツ波１５−２とは、点Ｓ２で、再び相互作用を起こす。これにより、テラヘルツ波１５−２は増幅されてテラヘルツ波１５−３となり、励起光１３−２は強度が低下した励起光１３−３となる。
以降、点Ｓｎまでｎ回相互作用を繰り返すことにより、テラヘルツ波１５は励起光１３によってｎ回増幅され、高強度のテラヘルツ波１５ｏｕｔとなって出射面１２ｄから出力される。出力されたテラヘルツ波１５ｏｕｔは、検査対象物に照射され、検査装置が備える検出手段によって、検査対象物のイメージ等の情報が取得される。
また、励起光１３は強度が低下した励起光１３ｏｕｔとなって出射面１２ｄから出射される。なお、非線形光学結晶１２から出射した励起光１３ｏｕｔ及びアイドラー波１４は、吸収器（図示せず）等によって適宜吸収される。
なお、非線形光学結晶１２の伝播方向の寸法が大きくなると、ｎの値も大きくなるため、励起光１３との相互作用によってテラヘルツ波１５の強度を高くするという面では有利である。しかし、励起光１３は、テラヘルツ波１５を励起することにより強度が低下していくとともに、伝播に伴いぼやけていく。そのため、非線形光学結晶１２に入射される励起光１３の強度等を考慮し、非線形光学結晶１２の伝播方向の寸法を適切な値とすることが好ましい。
本実施形態においては、光導波路のコアを構成する非線形光学結晶１２内で励起光を複数回全反射させる。それとともに、非線形光学結晶内で光パラメトリック発生したテラヘルツ波を、励起光と光パラメトリック増幅の位相整合条件を満たすように複数回相互作用させる。これにより、１つの励起光でテラヘルツ波を複数回パラメトリック増幅させることができ、簡易な構成で効率良く高強度のテラヘルツ波を発生させることができる。
なお、この発明は上述した実施形態に限定されず、種々の変形及び応用が可能である。
例えば、上述した実施形態では、図１に示す角度θを３０°としたが、励起光１３が全反射する条件、及び励起光１３とテラヘルツ波１５との位相整合条件等を満たすことで、適宜他の角度を定めることができる。また、励起光１３の種類及び非線形光学結晶１２の種類についても同様である。
また、上述した実施形態では、コアに相当する非線形光学結晶１２とともに光導波路を構成するクラッドとして空気１６を使用しているが、励起光１３の全反射等の条件を満たせば、気体、固体等を問わず他の媒質を使用することとしてもよい。
また、上述した実施形態では、テラヘルツ波発生装置１０がイメージング検査装置に組み込まれているものとして記載しているが、本発明はこれに限定されるものではない。分光計測装置、通信装置、化学分析装置等、種々の分野の装置及び方法等に本発明を適用することができる。
１０ テラヘルツ波発生装置
１１ 励起光源
１２ 非線形光学結晶
１３ 励起光
１４ アイドラー波
１５ テラヘルツ波
１６ 空気
１７，１８ 光学系
１１ 励起光源
１２ 非線形光学結晶
１３ 励起光
１４ アイドラー波
１５ テラヘルツ波
１６ 空気
１７，１８ 光学系
Claims (4)
- 所定の波長の励起光を出射する励起光源と、
前記励起光で励起されることにより、テラヘルツ波を発生させる光学結晶と、
前記テラヘルツ波を、前記励起光によって複数回光パラメトリック増幅させるテラヘルツ波増幅手段と、
を備え、
前記テラヘルツ波増幅手段は、前記光学結晶をコアとし前記光学結晶の屈折率よりも小さい屈折率を有する媒質をクラッドとして構成された光導波路を備え、入射した前記励起光が全反射条件を満たして前記光導波路を伝播するように構成されている、
ことを特徴とするテラヘルツ波発生装置。 - 前記光学結晶は、所定の厚さを有する板状体として形成されるとともに、前記板状体の第１及び第２の主面に対して所定の角度を有する傾斜面を備え、前記励起光が前記傾斜面に垂直に入射するように配置されており、
前記クラッドは、所定の屈折率を有する層から構成され、少なくとも前記光学結晶の前記第１及び第２の主面に接するように配置されており、
前記テラヘルツ波増幅手段は、前記励起光を前記第１及び第２の主面と前記クラッドとの界面でそれぞれ全反射させるように構成されており、
前記所定の厚さは、前記光学結晶中を伝播する前記励起光と前記テラヘルツ波とが光パラメトリック増幅の位相整合条件を満たすとともに、前記テラヘルツ波の伝播モードがシングルモードとなるような厚さである、
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。 - 前記光学結晶は、ＬｉＮｂＯ３結晶である、
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。 - 光学結晶に向けて所定の波長の励起光を出射するステップと、
前記光学結晶を前記励起光で励起することにより、テラヘルツ波を発生させるステップと、
前記励起光を、前記光学結晶をコアとして形成された光導波路で全反射させながら伝播させるとともに、前記テラヘルツ波を、前記励起光によって複数回光パラメトリック増幅させるステップと、を備える、
ことを特徴とするテラヘルツ波発生方法。
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Applications Claiming Priority (1)
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| JP2008217050A JP5098895B2 (ja) | 2008-08-26 | 2008-08-26 | テラヘルツ波発生装置及びテラヘルツ波発生方法 |
Publications (2)
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