JP5216544B2 - テラヘルツ波発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、テラヘルツ波発生装置に関するものである。

テラヘルツ波は、光波と電波との中間領域に相当する０.０１ＴＨｚ〜１００ＴＨｚ程度の周波数を有する電磁波であり、光波と電波との間の中間的な性質を有している。このようなテラヘルツ波の応用として、測定対象物で透過または反射したテラヘルツ波の電場振幅の時間波形を測定することで該測定対象物の情報を取得する技術が研究されている。

テラヘルツ波を用いた測定対象物の情報の測定技術は、一般に以下のようなものである。すなわち、光源（例えばフェムト秒レーザ光源）から出力されたパルス光は、分岐部により２分岐されてパルス励起光およびパルス検出光とされる。そのうちパルス励起光はテラヘルツ波発生素子（例えば非線形光学結晶や光導電アンテナ素子）に入力されて、これにより、このテラヘルツ波発生素子からパルステラヘルツ波が発生する。この発生したテラヘルツ波は、計測光として測定対象部で透過または反射されることで該測定対象物の情報（例えば、吸収係数、屈折率）を取得し、その後、パルス検出光と略同一タイミングでテラヘルツ波検出素子（例えば、電気光学結晶や光導電アンテナ素子）に入射される。

テラヘルツ波およびパルス検出光が入力されたテラヘルツ波検出素子では、両光の間の相関が検出される。例えば、テラヘルツ波検出素子として電気光学結晶が用いられる場合、テラヘルツ波およびパルス検出光は、合波部により合波されて電気光学結晶に入射され、この電気光学結晶においてテラヘルツ波の伝搬に伴い複屈折が誘起され、その複屈折によりパルス検出光の偏光状態が変化する。電気光学結晶におけるパルス検出光の偏光状態の変化が検出され、ひいては、テラヘルツ波の電場振幅が検出されて、測定対象物の情報が得られる。

テラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生装置としては様々な構成のものが知られている。その１つのテラヘルツ波発生装置は、非線形光学結晶にパルス励起光を入射させて該非線形光学結晶からテラヘルツ波を発生させる。従来のこのようなテラヘルツ波発生装置では、パルス励起光の中心波長に応じてテラヘルツ波発生に適する非線形光学結晶の種類が決まっていた。例えば、中心波長８００ｎｍのパルス励起光が用いられる場合、非線形光学結晶におけるパルス励起光とテラヘルツ波との位相整合条件により、非線形光学結晶としてＺｎＴｅ結晶が広く用いられている。中心波長８００ｎｍのパルス励起光がＺｎＴｅ結晶に入射されると、該パルス励起光と同軸上にパルス状のテラヘルツ波が発生する。

近年では、通常は位相整合条件が満たされない中心波長のパルス励起光と非線形光学結晶との組み合わせであっても、パルス面を傾斜させたパルス励起光を非線形光学結晶に入射させることにより位相整合条件を満たせることが明らかになった（非特許文献１〜３を参照）。
J. Hebling, et al., OpticsExpress 10, 1161 (2002). J. Hebling, et al., Appl. Phys. B78, 593 (2004). J. Hebling, et al., IEEE J.Selected Topics in Quantum Electron. 14, 345 (2008).

しかし、非特許文献１〜３それぞれに記載されたテラヘルツ波発生装置が以下のような問題点を有していることを本発明者は見出した。すなわち、或る１つの周波数のテラヘルツ波に対して位相整合条件が満たされるようパルス励起光のパルス面の傾斜角度が設定されるので、最初に設計した周波数のテラヘルツ波とは別の周波数のテラヘルツ波に対して位相整合条件を満たすようにするためには、パルス励起光のパルス面の傾斜角度の調整が必要である。

ところが、非特許文献１〜３それぞれに記載されたテラヘルツ波発生装置では、パルス励起光のパルス面の傾斜角度を変化させると、非線形光学結晶に向うパルス励起光の光路も変化するので、光路の再調整または光学系の再設計が必要となる。したがって、非特許文献１〜３それぞれに記載されたテラヘルツ波発生装置では、パルス励起光のパルス面の傾斜角度の調整（すなわち、位相整合条件の調整）が容易でなく、また、テラヘルツ波の周波数の変更も容易ではない。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、位相整合条件の調整が容易なテラヘルツ波発生装置を提供することを目的とする。

本発明に係るテラヘルツ波発生装置は、(1) パルス励起光を出力する励起光源と、(2) 励起光源から出力されたパルス励起光を入力して、そのパルス励起光を回折してパルス面が傾斜したパルス励起光を出力するとともに、パルス励起光の主光線の入射位置を通り格子に平行な直線を中心軸として方位が可変である透過型回折格子と、(3) 透過型回折格子により回折されて出力されたパルス励起光を入力して、透過型回折格子におけるパルス励起光の像を所定平面上に結像するとともに、その結像の倍率が可変である可変結像光学系と、(4) 可変結像光学系によりパルス励起光が結像される位置に配置され、可変結像光学系を経たパルス面が傾斜したパルス励起光を入力してテラヘルツ波を発生させる非線形光学結晶と、を備えることを特徴とする。

このテラヘルツ波発生装置では、励起光源から出力されたパルス励起光は、透過型回折格子に入力されて回折されてパルス面が傾斜する。透過型回折格子により回折されてパルス面が傾斜されて出力されたパルス励起光は、可変結像光学系により非線形光学結晶上において結像される。そして、可変結像光学系によりパルス励起光が結像される位置に配置された非線形光学結晶では、パルス励起光が入力されてテラヘルツ波が発生する。

特に、このテラヘルツ波発生装置では、パルス励起光のパルス面を傾斜させる手段として透過型回折格子を用い、その透過型回折格子の方位を設定することでパルス励起光のパルス面の傾斜角度を調整し、結像倍率が可変の可変結像光学系によりパルス励起光のパルス面の傾斜角度を更に大きく調整することができる。しかも、このテラヘルツ波発生装置は、このようにパルス励起光のパルス面の傾斜角度を大きく調整する場合であっても、透過型回折格子からのパルス励起光の出力方向が変化しないので、位相整合条件の調整または最適化が容易である。

また、本発明に係るテラヘルツ波発生装置は、励起光源と透過型回折格子との間の光路上に設けられ、励起光源から出力されたパルス励起光の分散を補償する分散補償部を更に備えるのが好適である。この場合には、透過型回折格子や可変結像光学系によりパルス励起光のパルス幅が伸張する場合であっても、分散補償部により予めパルス励起光へ任意の分散を与えることで、非線形光学結晶に達したパルス励起光をテラヘルツ波発生に最適なパルス幅およびパルス波形とすることができる。

本発明によれば、位相整合条件の調整が容易なテラヘルツ波発生装置を提供することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、以下では、比較例のテラヘルツ波発生装置について説明した後に、本実施形態のテラヘルツ波発生装置について説明する。

図１は、比較例のテラヘルツ波発生装置１の構成を示す図である。この図に示される比較例のテラヘルツ波発生装置１は、励起光源１０、反射型回折格子３１、ミラー４０、２分の１波長板５０、結像光学系６０および非線形光学結晶７０を備える。

励起光源１０は、テラヘルツ波を発生させるために非線形光学結晶７０に入射されるべきパルス励起光を出力するものである。励起光源１０は、好ましくは超短パルスレーザ光を出力するパルスレーザ光源であり、例えばフェムト秒レーザ光源である。反射型回折格子３１は、励起光源１０から出力されたパルス励起光を入力して、そのパルス励起光を反射・回折して出力する。反射型回折格子３１に対しパルス励起光の入射および出射は互いに同じ側である。

ミラー４０は、反射型回折格子３１により回折されて出力されたパルス励起光を２分の１波長板５０へ反射させる。２分の１波長板５０は、ミラー４０により反射されたパルス励起光を入力し、そのパルス励起光の偏光状態を調整して結像光学系６０へ出力する。結像光学系６０は、反射型回折格子３１により回折されて出力されミラー４０を経たパルス励起光を入力して、反射型回折格子３１におけるパルス励起光の像を結像する。

非線形光学結晶７０は、結像光学系６０によりパルス励起光が結像される位置に配置され、結像光学系６０を経たパルス励起光を入力してテラヘルツ波Ｔを発生させる。非線形光学結晶７０は、例えば、定比組成のＬｉＮｂＯ_３結晶（ｓＬＮ結晶）やＬｉＴａＯ_３結晶（ｓＬＴ結晶）、ＺｎＴｅ、ＧａＰ等である。

このように構成されるテラヘルツ波発生装置１では、励起光源１０から出力されたパルス励起光は、反射型回折格子３１に入射する前では主光線に垂直なパルス面Ｐ_１を有しているが、反射型回折格子３１により回折された後では主光線に垂直な面に対して傾斜したパルス面Ｐ_２を有している。反射型回折格子３１により回折されたパルス励起光のパルス面Ｐ_２の傾斜角度は、パルス励起光の波長、反射型回折格子３１の格子周期、および、反射型回折格子３１へのパルス励起光の入射角度、に依存する。

また、結像光学系６０により結像されたパルス励起光のパルス面Ｐ_３の傾斜角度は、結像光学系６０に入射する前のパルス励起光のパルス面Ｐ_２の傾斜角度と結像光学系６０の結像の倍率とに依存する。さらに、非線形光学結晶７０中を伝搬する際のパルス励起光のパルス面Ｐ_４の傾斜角度は、非線形光学結晶７０に入射する前のパルス励起光のパルス面Ｐ_３の傾斜角度と非線形光学結晶７０の屈折率とに依存する。

したがって、パルス励起光の波長、テラヘルツ波の周波数、パルス励起光およびテラヘルツ波それぞれに対する非線形光学結晶７０の屈折率、ならびに、非線形光学結晶７０の結晶軸の方位等を考慮した上で、非線形光学結晶７０中を伝搬する際のパルス励起光のパルス面Ｐ_４の傾斜角度を適切に設定すれば、位相整合条件を満たすことができる。

このようなテラヘルツ波発生装置１によれば、通常は位相整合条件が満たされない中心波長のパルス励起光と非線形光学結晶７０との組み合わせであっても、パルス面を傾斜させたパルス励起光を非線形光学結晶７０に入射させることにより位相整合条件を満たすことができる。そして、通常の位相整合の手法では使用に適さなかった効率の高い非線形光学結晶が、幅広い範囲の波長のパルス励起光に対して使用できるようになる。こうして発生したテラヘルツ波Ｔは、非常に高強度であり、従来の分光計測における計測光としての利用だけでなく、テラヘルツ波Ｔ自体による試料の励起も可能となる。

ところで、パルス励起光のパルス面の傾斜角度の調整は容易ではない。反射型回折格子３１の角度の調整によりパルス励起光のパルス面の傾斜角度は変化するが、同時に、回折後のパルス励起光の光路も変化するので、パルス励起光の光路の再調整または光学系の再設計が必要である。

図２は、比較例のテラヘルツ波発生装置１において、反射型回折格子３１へ入射するパルス励起光の入射角度θ_ｉと、入射方向と出射方向との間の角度θ_ｄとの関係を示すグラフである。ここでは、パルス励起光の中心波長を８００ｎｍとし、反射型回折格子３１の刻線本数を２０００ grooves/mmとした。この図から判るように、例えば、反射型回折格子３１へのパルス励起光の入射角度θ_ｉを４８°から５８°へ変化させると、反射型回折格子３１から出射するパルス励起光の光路は約２０°も変化する。

また、原理的に結像光学系６０の結像倍率を変化させることにより、パルス励起光のパルス面の傾斜角度を変化させることができるが、反射型回折格子３１上のパルス励起光の像を非線形光学結晶７０上に結像しなければならないことから、光路の再調整または光学系の再設計が必要である。

さらに、或る１つの周波数のテラヘルツ波に対して位相整合条件が満たされるようパルス励起光のパルス面の傾斜角度が設定されるので、最初に設計した周波数のテラヘルツ波とは別の周波数のテラヘルツ波に対して位相整合条件を満たすようにするためには、パルス励起光のパルス面の傾斜角度の調整が必要である。しかし、この調整は上述のように容易でない。

このように、比較例のテラヘルツ波発生装置１では、パルス励起光のパルス面の傾斜角度を変化させると、非線形光学結晶７０に向うパルス励起光の光路も変化するので、光路の再調整または光学系の再設計が必要となる。したがって、比較例のテラヘルツ波発生装置１では、パルス励起光のパルス面の傾斜角度の調整（すなわち、位相整合条件の調整）が容易でなく、また、テラヘルツ波の周波数の変更も容易ではない。

次に説明する本実施形態のテラヘルツ波発生装置２は、このような比較例のテラヘルツ波発生装置１が有する問題を解消し得るものである。図３は、本実施形態のテラヘルツ波発生装置２の構成を示す図である。この図に示される本実施形態のテラヘルツ波発生装置２は、励起光源１０、透過型回折格子３２、可変結像光学系６１および非線形光学結晶７０を備える。

本実施形態のテラヘルツ波発生装置２に含まれる励起光源１０および非線形光学結晶７０それぞれは、比較例のテラヘルツ波発生装置１に含まれるものと同様のものである。

本実施形態のテラヘルツ波発生装置２は、反射型回折格子ではなく、透過型回折格子３２を備えている。透過型回折格子３２は、励起光源１０から出力されたパルス励起光を入力して、そのパルス励起光を回折して出力する。透過型回折格子３２に対しパルス励起光の入射および出射は互いに反対の側である。また、透過型回折格子３２は、パルス励起光の主光線の入射位置を通り格子に平行な直線を中心軸として方位が可変である。

可変結像光学系６１は、図３では凸レンズ６２，凹レンズ６３および凸レンズ６４を含む構成となっているが、この構成に限らず様々な構成をとり得る。可変結像光学系６１は、透過型回折格子３２により回折されて出力されたパルス励起光を入力して、透過型回折格子３２におけるパルス励起光の像を結像するとともに、その結像の倍率が可変である。

非線形光学結晶７０は、可変結像光学系６１によりパルス励起光が結像される位置に配置され、可変結像光学系６１を経たパルス励起光を入力してテラヘルツ波Ｔを発生させる。非線形光学結晶７０は、パルス励起光が或る入射面に垂直に入射するとともに、テラヘルツ波が或る出射面から垂直に出射するような形状を有するのが好ましい。

このように構成されるテラヘルツ波発生装置２では、励起光源１０から出力されたパルス励起光は、透過型回折格子３２に入射する前では主光線に垂直なパルス面Ｐ_１を有しているが、透過型回折格子３２により回折された後では主光線に垂直な面に対して傾斜したパルス面Ｐ_２を有している。透過型回折格子３２により回折されたパルス励起光のパルス面Ｐ_２の傾斜角度は、パルス励起光の波長、透過型回折格子３２の格子周期、および、透過型回折格子３２へのパルス励起光の入射角度、に依存する。

また、可変結像光学系６１により結像されたパルス励起光のパルス面Ｐ_３の傾斜角度は、可変結像光学系６１に入射する前のパルス励起光のパルス面Ｐ_２の傾斜角度と可変結像光学系６１の結像の倍率とに依存する。さらに、非線形光学結晶７０中を伝搬する際のパルス励起光のパルス面Ｐ_４の傾斜角度は、非線形光学結晶７０に入射する前のパルス励起光のパルス面Ｐ_３の傾斜角度と非線形光学結晶７０の屈折率とに依存する。

したがって、このテラヘルツ波発生装置２においても、パルス励起光の波長、テラヘルツ波の周波数、パルス励起光およびテラヘルツ波それぞれに対する非線形光学結晶７０の屈折率、ならびに、非線形光学結晶７０の結晶軸の方位等を考慮した上で、非線形光学結晶７０中を伝搬する際のパルス励起光のパルス面Ｐ_４の傾斜角度を適切に設定すれば、位相整合条件を満たすことができる。

このようなテラヘルツ波発生装置２によれば、通常は位相整合条件が満たされない中心波長のパルス励起光と非線形光学結晶７０との組み合わせであっても、パルス面を傾斜させたパルス励起光を非線形光学結晶７０に入射させることにより位相整合条件を満たすことができる。そして、通常の位相整合の手法では使用に適さなかった効率の高い非線形光学結晶が、幅広い範囲の波長のパルス励起光に対して使用できるようになる。こうして発生したテラヘルツ波Ｔは、非常に高強度であり、従来の分光計測における計測光としての利用だけでなく、テラヘルツ波Ｔ自体による試料の励起も可能となる。

図４は、本実施形態のテラヘルツ波発生装置２において、透過型回折格子３２へ入射するパルス励起光の入射角度θ_ｉと、入射方向と出射方向との間の角度θ_ｄとの関係を示すグラフである。比較例の場合（図２）と同様に、ここでも、パルス励起光の中心波長を８００ｎｍとし、透過型回折格子３２の刻線本数を２０００ grooves/mmとした。この図から判るように、透過型回折格子３２へのパルス励起光の入射角度θ_ｉが５３°前後を中心とする１０°程度の範囲に亘って、透過型回折格子３２からのパルス励起光の出射方向が変化しない。よって、この範囲においては透過型回折格子３２の方位を変化させても、透過型回折格子３２から出力されるパルス励起光の光路を変化させることなく、パルス励起光のパルス面Ｐ_２の傾斜を変化させることができる。

図５は、本実施形態のテラヘルツ波発生装置２において、透過型回折格子３２へ入射するパルス励起光の入射角度θ_ｉと、透過型回折格子３２から出力されるパルス励起光のパルス面Ｐ_２の傾斜角度との関係を示すグラフである。この図から判るように、例えば、透過型回折格子３２へ入射するパルス励起光の入射角度θ_ｉを４８°から５８°へ変化させた場合、透過型回折格子３２から出力されるパルス励起光のパルス面Ｐ_２の傾斜角度は７２°から６７°へ変化させることができる。

図６は、本実施形態のテラヘルツ波発生装置２において、可変結像光学系６１の結像倍率と、可変結像光学系６１により結像されるパルス励起光のパルス面Ｐ_３の傾斜角度との関係を示すグラフである。ここでは、可変結像光学系６１に入力されるパルス励起光のパルス面Ｐ_２の傾斜角度を７０°とした。この図から判るように、可変結像光学系６１の結像倍率を変化させることにより、可変結像光学系６１により結像されるパルス励起光のパルス面Ｐ_３の傾斜角度を変化させることができる。例えば、可変結像光学系６１の結像倍率を０.１倍から２倍へ変化させると、パルス励起光のパルス面Ｐ_３の傾斜角度を８８°から５４°の範囲で大きく変化させることができる。

本実施形態のテラヘルツ波発生装置２における可変結像光学系６１は、透過型回折格子３２上と非線形光学結晶７０上との間の結像関係を維持したまま、すなわち、透過型回折格子３２と非線形光学結晶７０との間の距離を変えずに、パルス励起光の波面歪みを生じさせることなく、パルス励起光の像の倍率（すなわち、パルス励起光のパルス面の傾斜角度）を任意に変化させることができることが特徴である。

パルス面Ｐ_３が傾斜したパルス励起光が非線形光学結晶７０に入射して、パルス面Ｐ_４が傾斜したパルス励起光が非線形光学結晶７０中を伝搬すると、これに伴い非線形光学結晶７０においてテラヘルツ波が発生する。このとき、非線形光学結晶７０中を伝搬するパルス励起光のパルス面Ｐ_４の傾斜角度は、非線形光学結晶７０の屈折率を考慮したものであって、位相整合条件を満たすように調整される。

以上のように、本実施形態のテラヘルツ波発生装置２は、パルス励起光のパルス面を傾斜させる手段として透過型回折格子３２を用い、その透過型回折格子３２の方位を設定することでパルス励起光のパルス面Ｐ_２の傾斜角度を調整し、可変結像光学系６１によりパルス励起光のパルス面Ｐ_３の傾斜角度を更に大きく調整することができる。

しかも、本実施形態のテラヘルツ波発生装置２は、このようにパルス励起光のパルス面Ｐ_３の傾斜角度を大きく調整する場合であっても、透過型回折格子３２からのパルス励起光の出力方向が変化しないので、位相整合条件の調整または最適化が容易である。例えば、テラヘルツ波の発生に際して、テラヘルツ波信号をモニタしながら非線形光学結晶７０における位相整合条件を連続的に変化させて、位相整合条件の最適化を図ることができる。また、任意の周波数のテラヘルツ波に対応した発生条件を容易に整えることができる。よって、テラヘルツ波の周波数選択性を持つことができる。

図７は、本実施形態のテラヘルツ波発生装置の変形例の構成を示す図である。この図に示されるテラヘルツ波発生装置２Ａは、図３に示されるテラヘルツ波発生装置２の構成に加えて分散補償部２０を備える。分散補償部２０は、励起光源１０と透過型回折格子３２との間の光路上に設けられ、励起光源１０から出力されたパルス励起光のパルス幅をテラヘルツ波発生に最適なパルス幅およびパルス波形とする。

パルス励起光は、透過型回折格子３２や可変結像光学系６１により分散を受け、パルス幅が伸張する場合がある。そこで、分散補償部２０により予めパルス励起光にあらかじめ任意の分散を与えることで、非線形光学結晶７０に達したパルス励起光をテラヘルツ波発生に最適なパルス幅およびパルス波形とすることができる。なお、分散補償部２０としては、プリズム対、回折格子対、波形整形器などが利用され得る。

比較例のテラヘルツ波発生装置１の構成を示す図である。 比較例のテラヘルツ波発生装置１において、反射型回折格子３１へ入射するパルス励起光の入射角度θ_ｉと、入射方向と出射方向との間の角度θ_ｄとの関係を示すグラフである。 本実施形態のテラヘルツ波発生装置２の構成を示す図である。 本実施形態のテラヘルツ波発生装置２において、透過型回折格子３２へ入射するパルス励起光の入射角度θ_ｉと、入射方向と出射方向との間の角度θ_ｄとの関係を示すグラフである。 本実施形態のテラヘルツ波発生装置２において、透過型回折格子３２へ入射するパルス励起光の入射角度θ_ｉと、透過型回折格子３２から出力されるパルス励起光のパルス面Ｐ_２の傾斜角度との関係を示すグラフである。 本実施形態のテラヘルツ波発生装置２において、可変結像光学系６１の結像倍率と、可変結像光学系６１により結像されるパルス励起光のパルス面Ｐ_３の傾斜角度との関係を示すグラフである。 本実施形態のテラヘルツ波発生装置の変形例の構成を示す図である。

符号の説明

１，２，２Ａ…テラヘルツ波発生装置、１０…励起光源、２０…分散補償部、３１…反射型回折格子、３２…透過型回折格子、４０…ミラー、５０…２分の１波長板、６０…結像光学系、６１…可変結像光学系、６２〜６４…レンズ、７０…非線形光学結晶。

Claims (2)

1. パルス励起光を出力する励起光源と、
   前記励起光源から出力されたパルス励起光を入力して、そのパルス励起光を回折してパルス面が傾斜したパルス励起光を出力するとともに、前記パルス励起光の主光線の入射位置を通り格子に平行な直線を中心軸として方位が可変である透過型回折格子と、
   前記透過型回折格子により回折されて出力された前記パルス励起光を入力して、前記透過型回折格子における前記パルス励起光の像を所定平面上に結像するとともに、その結像の倍率が可変である可変結像光学系と、
   前記可変結像光学系により前記パルス励起光が結像される位置に配置され、前記可変結像光学系を経たパルス面が傾斜した前記パルス励起光を入力してテラヘルツ波を発生させる非線形光学結晶と、
   を備えることを特徴とするテラヘルツ波発生装置。
   
2. 前記励起光源と前記透過型回折格子との間の光路上に設けられ、前記励起光源から出力されたパルス励起光をテラヘルツ波発生に最適なパルス幅およびパルス波形とする分散補償部を更に備え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。

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