JP5244671B2 - Terahertz wave generator and generation system - Google Patents

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Description

本発明は、パルス励起光の入射によって、テラヘルツ波などの波長変換光を発生させる波長変換光発生装置、及び波長変換光発生システムに関するものである。   The present invention relates to a wavelength-converted light generation device and a wavelength-converted light generation system that generate wavelength-converted light such as terahertz waves by the incidence of pulsed excitation light.

周波数1THz(テラヘルツ)周辺の電磁波領域(テラヘルツ波領域、例えば、およそ0.01THz〜100THz、あるいはさらにその周辺領域を含んだ広い周波数領域を指す)は、光波と電波の境界に位置する周波数領域である。このようなテラヘルツ波は、非破壊検査、イメージング、通信など、様々な分野への応用が期待されている。   An electromagnetic wave region around a frequency of 1 THz (terahertz) (a terahertz wave region, for example, approximately 0.01 THz to 100 THz or a wide frequency region including the surrounding region) is a frequency region located at a boundary between a light wave and a radio wave. is there. Such terahertz waves are expected to be applied to various fields such as nondestructive inspection, imaging, and communication.

短パルス光を励起光としたテラヘルツ波の発生では、従来、非線形光学結晶中での光整流効果を利用する方法が広く用いられている。レーザ光源からのパルス励起光を非線形光学結晶へと入射させると、結晶内において光整流効果が生じる。このとき、所定のスペクトルを有するパルス励起光の各周波数成分により、差の周波数成分に対応するテラヘルツ波が発生し、これによってテラヘルツ波発生装置を実現することができる。   In the generation of terahertz waves using short pulse light as excitation light, a method using the optical rectification effect in a nonlinear optical crystal has been widely used. When pulse excitation light from a laser light source is incident on a nonlinear optical crystal, an optical rectification effect occurs in the crystal. At this time, a terahertz wave corresponding to the difference frequency component is generated by each frequency component of the pulse excitation light having a predetermined spectrum, whereby a terahertz wave generator can be realized.

Y.-S. Lee et al.,"Generation of narrow-band terahertz radiation via optical rectificationof femtosecond pulses in periodically poled lithium niobate", Appl. Phys.Lett. Vol.76 No.18 (2000) pp.2505-2507Y.-S. Lee et al., "Generation of narrow-band terahertz radiation via optical rectificationof femtosecond pulses in periodically poled lithium niobate", Appl. Phys. Lett. Vol. 76 No. 18 (2000) pp. 2505-2507 南口勝 他、「周期多層膜1次元フォトニック結晶における擬似位相整合第二高調波の増強」、第66回応用物理学会学術講演会 講演予稿集(2005秋 徳島大学) 9p−H−20Masaru Minamiguchi et al., “Enhancement of Quasi-Phase Matched Second Harmonics in 1D Photonic Crystals of Multilayered Multilayers”, Proceedings of the 66th Japan Society of Applied Physics Academic Lecture (Autumn 2005, Tokushima University) 9p-H-20

上記のように非線形光学結晶を利用したテラヘルツ波発生装置では、短パルスレーザ光などの励起光の群速度と、結晶中で発生するテラヘルツ波の位相速度とのずれにより、パルス励起光及びテラヘルツ波が結晶中を進行するにつれてテラヘルツ波の出力が低下するという問題がある。これに対して、擬似位相整合(QPM:Quasi Phase Matching)を利用してテラヘルツ波の発生、出力効率を向上する方法が提案されている。   As described above, in a terahertz wave generator using a nonlinear optical crystal, the pulse excitation light and the terahertz wave are caused by the difference between the group velocity of the excitation light such as a short pulse laser beam and the phase velocity of the terahertz wave generated in the crystal. There is a problem that the output of the terahertz wave decreases as the crystal proceeds in the crystal. On the other hand, a method for improving the generation and output efficiency of terahertz waves using quasi phase matching (QPM) has been proposed.

例えば、非特許文献1には、テラヘルツ波の発生に用いられる非線形光学結晶(例えばLiNbOなど)において非線形光学定数の周期的な反転構造を形成することにより、擬似位相整合を実現してテラヘルツ波の発生効率を向上する方法が示されている。また、非特許文献2には、非線形光学定数の正負反転構造ではなく、非線形光学結晶と、非線形光学効果を持たない通常の結晶とを交互に重ねる積層構造により、擬似位相整合の実現が可能であることが示されている。 For example, Non-Patent Document 1 discloses that a terahertz wave is realized by forming a periodic inversion structure of a nonlinear optical constant in a nonlinear optical crystal (for example, LiNbO 3 ) used for generating a terahertz wave, thereby realizing pseudo phase matching. A method for improving the generation efficiency of the is shown. In Non-Patent Document 2, pseudo-phase matching can be realized by a laminated structure in which a nonlinear optical crystal and a normal crystal having no nonlinear optical effect are alternately stacked, instead of a nonlinear optical constant positive / negative inversion structure. It is shown that there is.

上記構造のテラヘルツ波発生装置では、非線形光学定数の反転構造の周期、あるいは非線形光学結晶と通常の結晶との積層構造の周期、及びそれによる位相整合条件は、パルス励起光のパルス幅、群屈折率、及びテラヘルツ波の屈折率等によって決まるため、反転構造、積層構造の周期は、発生させるテラヘルツ波の周波数(波長)等の条件に対応して設定される必要がある。このため、いったん周期を決定してテラヘルツ波発生用の周期構造を形成してしまうと、その構造で発生させるテラヘルツ波の波長を調整、変更することが難しいという問題がある。このような問題は、テラヘルツ波以外の波長域での非線形光学結晶を用いた波長変換光の発生においても同様に生じる。   In the terahertz wave generator having the above-described structure, the period of the inversion structure of the nonlinear optical constant or the period of the laminated structure of the nonlinear optical crystal and the normal crystal, and the phase matching condition therefor are the pulse width of the pulse excitation light, the group refraction. The period of the inversion structure and the laminated structure needs to be set in accordance with conditions such as the frequency (wavelength) of the generated terahertz wave. For this reason, once the period is determined and a periodic structure for generating a terahertz wave is formed, there is a problem that it is difficult to adjust and change the wavelength of the terahertz wave generated by the structure. Such a problem also occurs in the generation of wavelength-converted light using a nonlinear optical crystal in a wavelength region other than the terahertz wave.

本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、パルス励起光の入射によって発生する波長変換光の波長を可変に制御することが可能な波長変換光発生装置及び発生システムを提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above problems, and provides a wavelength-converted light generation apparatus and a generation system capable of variably controlling the wavelength of wavelength-converted light generated by incidence of pulsed excitation light. The purpose is to provide.

このような目的を達成するために、本発明によるテラヘルツ波発生装置は、非線形光学結晶によって構成され、パルス励起光の入射によって波長変換光であるテラヘルツ波を発生するとともに、互いに距離を置いて隣り合うように順に配置された複数層の結晶層と、所定の材料によって構成され、それぞれ隣り合う2層の結晶層の間に介在するように複数層の結晶層と交互に配置されるとともに、位相整合条件の調整に用いられる少なくとも1層の調整層と、複数層の結晶層について、調整層を介して隣り合う2層の結晶層の間の物理距離を可変に調整する物理距離調整手段とを備え、調整層は、隣り合う2層の結晶層の間を満たす、非線形光学効果を実質的に有しない液体材料によって構成されているとともに、物理距離調整手段は、複数層の結晶層において、隣り合う2層の結晶層を接続する弾性部材を有することを特徴とする。 In order to achieve such an object, a terahertz wave generator according to the present invention is composed of a nonlinear optical crystal, generates a terahertz wave that is wavelength-converted light by incidence of pulsed excitation light, and is adjacent to each other at a distance from each other. A plurality of crystal layers arranged in order so as to meet each other and a predetermined material, and alternately arranged with a plurality of crystal layers so as to be interposed between two adjacent crystal layers, and a phase Physical distance adjusting means for variably adjusting the physical distance between two adjacent crystal layers via the adjustment layer with respect to at least one adjustment layer used for adjustment of the matching condition and a plurality of crystal layers; provided, adjustment layer, filling the space between the crystalline layers of the two layers adjacent with is constituted by substantially no liquid material nonlinear optical effect, the physical distance adjusting means, a plurality In the crystal layer, characterized Rukoto to have a resilient member connecting the crystal layer of two layers adjacent to each other.

また、本発明によるテラヘルツ波発生システムは、上記構成を有するテラヘルツ波発生装置と、テラヘルツ波発生装置に対して、テラヘルツ波の発生に用いられるパルス励起光を供給する励起光供給手段とを備えることを特徴とする。 The terahertz wave generation system according to the present invention includes the terahertz wave generation device having the above-described configuration , and excitation light supply means that supplies the terahertz wave generation device with pulse excitation light used to generate terahertz waves. It is characterized by.

上記した波長変換光発生装置及び発生システムにおいては、非線形光学結晶による複数層の結晶層と、その間に介在する少なくとも1層の調整層との積層構造によって、波長変換媒体となる素子を構成する。そして、その積層構造において、物理距離調整手段によって2層の結晶層の間の物理距離を可変に調整することで、積層構造での位相整合条件を調整している。このような構成によれば、調整層の厚さに相当する結晶層間の物理的な距離を調整することにより、波長変換光の発生に用いられる積層構造の周期、及びそれによる位相整合条件を設定または変更して、発生されるテラヘルツ波などの波長変換光の波長を可変に制御することが可能となる。   In the wavelength-converted light generator and the generation system described above, an element that becomes a wavelength conversion medium is configured by a laminated structure of a plurality of crystal layers formed by nonlinear optical crystals and at least one adjustment layer interposed therebetween. In the laminated structure, the physical distance adjustment means adjusts the phase matching condition in the laminated structure by variably adjusting the physical distance between the two crystal layers. According to such a configuration, by adjusting the physical distance between the crystal layers corresponding to the thickness of the adjustment layer, the period of the laminated structure used for generating the wavelength-converted light and the phase matching condition thereby are set. Alternatively, it is possible to variably control the wavelength of wavelength-converted light such as a terahertz wave that is generated.

ここで、結晶層の間に介在する調整層の材料については、調整層は、隣り合う2層の結晶層の間を満たす液体材料によって構成されていることが好ましい。また、調整層は、非線形光学効果を実質的に有しない材料(非線形光学定数が実質的に0である材料)によって構成されていることが好ましい。これにより、上記のように結晶層間の物理距離が可変に調整される積層構造を好適に実現することができる。   Here, regarding the material of the adjustment layer interposed between the crystal layers, the adjustment layer is preferably made of a liquid material that fills between two adjacent crystal layers. The adjustment layer is preferably made of a material that has substantially no nonlinear optical effect (a material whose nonlinear optical constant is substantially 0). Thereby, the laminated structure in which the physical distance between the crystal layers is variably adjusted as described above can be suitably realized.

物理距離を調整するための調整手段の具体的な構成については、物理距離調整手段は、調整層を構成する材料中において複数層の結晶層のそれぞれを移動させることで、物理距離を可変に調整する結晶層駆動手段を有する構成を用いることができる。また、物理距離調整手段は、複数層の結晶層において、隣り合う2層の結晶層を接続する弾性部材を有する構成を用いることができる。   Regarding the specific configuration of the adjusting means for adjusting the physical distance, the physical distance adjusting means variably adjusts the physical distance by moving each of the plurality of crystal layers in the material constituting the adjusting layer. It is possible to use a configuration having crystal layer driving means. In addition, the physical distance adjusting means may use a configuration having an elastic member that connects two adjacent crystal layers in a plurality of crystal layers.

また、波長変換光発生装置での結晶層及び調整層による積層構造については、複数層の結晶層としてn層(nは3以上の整数)の結晶層が設けられ、物理距離調整手段は、調整層を介して隣り合う2層の結晶層の間のn−1個の物理距離が互いに略等しい状態で、物理距離を可変に調整することが好ましい。このような構成によれば、3層以上の結晶層を含む積層構造の全体において、位相整合条件を好適に制御することができる。   In addition, regarding the laminated structure of the crystallized layer and the adjustment layer in the wavelength conversion light generator, n layers (n is an integer of 3 or more) are provided as a plurality of crystal layers. It is preferable that the physical distance is variably adjusted in a state where n−1 physical distances between two crystal layers adjacent to each other through the layers are substantially equal to each other. According to such a configuration, the phase matching condition can be suitably controlled in the entire stacked structure including three or more crystal layers.

また、波長変換光発生システムは、波長変換光発生装置及び励起光供給手段に加えて、物理距離調整手段の動作を制御することで、波長変換光発生装置での位相整合条件を制御する位相整合制御手段を備える構成としても良い。これにより、波長変換光の発生に用いられる積層構造での位相整合条件、及び発生される波長変換光の波長を、所望の条件及び波長に好適に制御することができる。   In addition, the wavelength-converted light generation system controls the phase matching condition in the wavelength-converted light generator by controlling the operation of the physical distance adjusting means in addition to the wavelength-converted light generator and the excitation light supply means. It is good also as a structure provided with a control means. Thereby, the phase matching conditions in the laminated structure used for the generation of wavelength-converted light and the wavelength of the generated wavelength-converted light can be suitably controlled to desired conditions and wavelengths.

本発明の波長変換光発生装置及び発生システムによれば、非線形光学結晶による複数層の結晶層と、その間に介在する少なくとも1層の調整層との積層構造によって波長変換光発生用の波長変換媒体を構成するとともに、物理距離調整手段によって2層の結晶層の間の物理距離を可変に調整して、積層構造での位相整合条件を調整することにより、発生される波長変換光の波長を可変に制御することが可能となる。   According to the wavelength-converted light generation apparatus and the generation system of the present invention, a wavelength-converted medium for generating wavelength-converted light by a laminated structure of a plurality of crystal layers made of nonlinear optical crystals and at least one adjustment layer interposed therebetween. In addition, the physical distance between the two crystal layers is variably adjusted by the physical distance adjusting means, and the phase matching condition in the laminated structure is adjusted, thereby changing the wavelength of the wavelength converted light to be generated. It becomes possible to control to.

擬似位相整合によるテラヘルツ波の発生の一例について示す図である。It is a figure shown about an example of generation | occurrence | production of the terahertz wave by pseudo phase matching. 擬似位相整合によるテラヘルツ波の発生の他の例について示す図である。It is a figure shown about the other example of generation | occurrence | production of the terahertz wave by pseudo phase matching. テラヘルツ波発生システムの一実施形態の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of one Embodiment of a terahertz wave generation system. テラヘルツ波発生装置での位相整合条件の調整について示す模式図である。It is a schematic diagram shown about adjustment of the phase matching conditions in a terahertz wave generator. 従来の波長変換光発生素子の構成について示す図である。It is a figure shown about the structure of the conventional wavelength conversion light generation element. テラヘルツ波発生装置の第1の構成例を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the 1st structural example of a terahertz wave generator. 図6に示した発生装置での物理距離調整部の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the physical distance adjustment part in the generator shown in FIG. テラヘルツ波発生装置の第2の構成例を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the 2nd structural example of a terahertz wave generator. テラヘルツ波発生装置の第3の構成例を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the 3rd structural example of a terahertz wave generator.

以下、図面とともに本発明による波長変換光発生装置、及び波長変換光発生システムの好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。   Hereinafter, preferred embodiments of a wavelength-converted light generation apparatus and a wavelength-converted light generation system according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. Further, the dimensional ratios in the drawings do not necessarily match those described.

また、以下においては、非線形光学結晶を用いた波長変換光の発生において、パルス励起光の入射によって発生される波長変換光としてテラヘルツ波を想定し、テラヘルツ波発生装置及び発生システムを例として、本発明による波長変換光発生装置及び発生システムの構成について説明する。   In the following, in the generation of wavelength converted light using a nonlinear optical crystal, a terahertz wave is assumed as wavelength converted light generated by incidence of pulsed excitation light, and the terahertz wave generator and generation system are taken as an example. The configurations of the wavelength-converted light generator and the generation system according to the invention will be described.

最初に、本発明によるテラヘルツ波発生装置の前提となる、擬似位相整合(QPM)によるテラヘルツ波の発生方法について説明する。   First, a terahertz wave generation method using quasi phase matching (QPM), which is a premise of the terahertz wave generation apparatus according to the present invention, will be described.

図1は、擬似位相整合によるテラヘルツ波の発生の一例について示す図である。図1に示すテラヘルツ波発生素子80は、所定の非線形光学定数を有する非線形光学結晶によって構成された厚さDaの第1結晶領域A1、A2、A3と、第1結晶領域とは正負反転した非線形光学定数を有する非線形光学結晶によって構成された厚さDbの第2結晶領域B1、B2、B3とが、パルス励起光Lの進行方向に沿って交互に配置された反転構造を有している。また、この発生素子80において、第1結晶領域A1側の端面が励起光入射面81、第2結晶領域B3側の端面がテラヘルツ波出力面82となっている。   FIG. 1 is a diagram illustrating an example of generation of terahertz waves by quasi phase matching. The terahertz wave generating element 80 shown in FIG. 1 includes a first crystal region A1, A2, A3 having a thickness Da made of a nonlinear optical crystal having a predetermined nonlinear optical constant, and a nonlinearity in which the first crystal region is inverted between positive and negative. The second crystal regions B1, B2, and B3 having a thickness Db and made of a nonlinear optical crystal having an optical constant have an inverted structure that is alternately arranged along the traveling direction of the pulse excitation light L. Further, in the generating element 80, the end surface on the first crystal region A1 side is an excitation light incident surface 81, and the end surface on the second crystal region B3 side is a terahertz wave output surface 82.

このような構成は、例えば非線形光学結晶において、所定の周期で分極反転構造を形成することによって実現することが可能である。例えば、非特許文献1では、非線形光学材料としてLiNbOを用い、ポーリングすることで自発分極とは逆方向に分極を反転させて、図1のような非線形光学定数の周期的な正負反転構造を形成している。また、LiNbOのポーリングは、材料を高温(約80℃〜200℃)とし、電界(約20kV/mm)を与えることで行っている。 Such a configuration can be realized, for example, by forming a domain-inverted structure with a predetermined period in a nonlinear optical crystal. For example, in Non-Patent Document 1, LiNbO 3 is used as a nonlinear optical material, and by poling, the polarization is reversed in the direction opposite to the spontaneous polarization, and a periodic positive / negative inversion structure with a nonlinear optical constant as shown in FIG. Forming. The poling of LiNbO 3 is performed by setting the material to a high temperature (about 80 ° C. to 200 ° C.) and applying an electric field (about 20 kV / mm).

また、図1に示した構成において、第1結晶領域Aと、第2結晶領域Bとについては、異なる非線形光学材料を用いることも可能である。ただし、この場合には、第1、第2結晶領域の界面における光の反射損失を回避するため、第1結晶領域Aと第2結晶領域Bとで、屈折率が同程度の材料を用いることが好ましい。   In the configuration shown in FIG. 1, different nonlinear optical materials can be used for the first crystal region A and the second crystal region B. However, in this case, in order to avoid light reflection loss at the interface between the first and second crystal regions, materials having the same refractive index are used in the first crystal region A and the second crystal region B. Is preferred.

図1に示したテラヘルツ波発生素子80に対し、所定の波長、強度、及びパルス幅を有するパルス励起光Lを入射すると、励起光Lは非線形光学結晶中においてテラヘルツ波Tに波長変換(周波数変換)される。まず、最も励起光入射面81側の第1結晶領域A1において、正の電界を持つテラヘルツ波T1が発生する。次に、第2結晶領域B1では、非線形光学定数の軸が第1結晶領域A1とは反転しているために、正負が逆転して負の電界を持つテラヘルツ波T2が発生する。   When pulse excitation light L having a predetermined wavelength, intensity, and pulse width is incident on the terahertz wave generating element 80 shown in FIG. 1, the excitation light L is converted into a terahertz wave T in a nonlinear optical crystal (frequency conversion). ) First, in the first crystal region A1 closest to the excitation light incident surface 81, a terahertz wave T1 having a positive electric field is generated. Next, in the second crystal region B1, since the axis of the nonlinear optical constant is inverted from that of the first crystal region A1, a terahertz wave T2 having a negative electric field is generated by reversing positive and negative.

ここで、発生素子80を構成する非線形光学結晶中では、パルスレーザ光などのパルス励起光Lに対する屈折率(群屈折率)に比べて、結晶中で発生するテラヘルツ波Tに対する屈折率(位相屈折率)の方が大きい。このため、図1に模式的に示すように、結晶中ではパルス励起光Lが先に進み、テラヘルツ波Tが遅れることとなる。   Here, in the nonlinear optical crystal constituting the generating element 80, the refractive index (phase refraction) for the terahertz wave T generated in the crystal is higher than the refractive index (group refractive index) for the pulse excitation light L such as pulse laser light. Rate) is greater. For this reason, as schematically shown in FIG. 1, the pulse excitation light L travels first in the crystal and the terahertz wave T is delayed.

図1に示す発生素子80では、このような結晶中での光の伝搬条件を考慮して、第1結晶領域A1で励起光Lによって発生して第2結晶領域B1へと伝搬したテラヘルツ波T1と、第2結晶領域B1で励起光Lによって発生したテラヘルツ波T2とで、その位相が180°ずれるように結晶領域A1、B1の厚さ(反転構造の周期)を設定する。これにより、テラヘルツ波T1、T2は位相整合して連続した1つの波となる。   In the generating element 80 shown in FIG. 1, in consideration of such light propagation conditions in the crystal, the terahertz wave T1 generated by the excitation light L in the first crystal region A1 and propagated to the second crystal region B1. And the terahertz wave T2 generated by the excitation light L in the second crystal region B1, the thickness of the crystal regions A1 and B1 (period of the inversion structure) is set so that the phase is shifted by 180 °. Thereby, the terahertz waves T1 and T2 become one continuous wave with phase matching.

テラヘルツ波T1、T2間の位相差が180°とは異なった場合には、それぞれの電界が打ち消しあってテラヘルツ波Tの出力が低下する。これに対して、位相整合条件を満たすように反転構造の周期を設定することにより、高効率、かつ狭帯域でのテラヘルツ波発生が可能となる。さらに、同様に、結晶領域A2で発生した正の電界を持つテラヘルツ波T3、結晶領域B2で発生した負の電界を持つテラヘルツ波T4、結晶領域A3で発生した正の電界を持つテラヘルツ波T5、結晶領域B3で発生した負の電界を持つテラヘルツ波T6が、テラヘルツ波T1、T2と位相整合して連続した1つの波となり、最終的にテラヘルツ波Tとして出力面82から出力される。   When the phase difference between the terahertz waves T1 and T2 is different from 180 °, the respective electric fields cancel each other and the output of the terahertz wave T decreases. On the other hand, by setting the period of the inversion structure so as to satisfy the phase matching condition, it is possible to generate a terahertz wave with high efficiency and a narrow band. Further, similarly, a terahertz wave T3 having a positive electric field generated in the crystal region A2, a terahertz wave T4 having a negative electric field generated in the crystal region B2, and a terahertz wave T5 having a positive electric field generated in the crystal region A3, The terahertz wave T6 having a negative electric field generated in the crystal region B3 becomes one continuous wave in phase matching with the terahertz waves T1 and T2, and is finally output from the output surface 82 as the terahertz wave T.

図2は、擬似位相整合によるテラヘルツ波の発生の他の例について示す図である。図2に示すテラヘルツ波発生素子85は、所定の非線形光学定数を有する非線形光学結晶によって構成された厚さDaの第1結晶領域(結晶層)A1、A2、A3と、非線形光学定数が0で非線形光学効果を有しない通常の材料によって構成された厚さDcの第2材料領域(材料層)C1、C2、C3とが、パルス励起光Lの進行方向に沿って交互に配置された積層構造を有している。また、この発生素子85において、第1結晶領域A1側の端面が励起光入射面86、第2材料領域C3側の端面がテラヘルツ波出力面87となっている。   FIG. 2 is a diagram illustrating another example of generation of terahertz waves by quasi phase matching. The terahertz wave generating element 85 shown in FIG. 2 has first crystal regions (crystal layers) A1, A2, and A3 having a thickness Da made of a nonlinear optical crystal having a predetermined nonlinear optical constant, and a nonlinear optical constant of 0. A laminated structure in which second material regions (material layers) C1, C2, and C3 having a thickness Dc and made of a normal material having no nonlinear optical effect are alternately arranged along the traveling direction of the pulse excitation light L have. In the generating element 85, the end surface on the first crystal region A1 side is an excitation light incident surface 86, and the end surface on the second material region C3 side is a terahertz wave output surface 87.

なお、このような構成においても、図1に示した構成と同様に、第1結晶領域、第2材料領域の界面における光の反射損失を回避するため、第1結晶領域Aと第2材料領域Cとで、屈折率が同程度の材料を用いることが好ましい。   In such a configuration, similarly to the configuration shown in FIG. 1, in order to avoid light reflection loss at the interface between the first crystal region and the second material region, the first crystal region A and the second material region It is preferable to use a material having the same refractive index as C.

図2に示したテラヘルツ波発生素子85に対し、パルス励起光Lを入射すると、励起光Lは非線形光学結晶中においてテラヘルツ波Tに波長変換される。まず、最も励起光入射面86側の第1結晶領域A1において、正の電界を持つテラヘルツ波T1が発生する。次に、第2材料領域C1では、非線形光学効果を有しないために、テラヘルツ波が発生せずに強度0の波T2となる。さらに、続く第1結晶領域A2において、結晶領域A1と同様に正の電界を持つテラヘルツ波T3が発生する。   When the pulsed excitation light L is incident on the terahertz wave generating element 85 shown in FIG. 2, the excitation light L is wavelength-converted into a terahertz wave T in the nonlinear optical crystal. First, a terahertz wave T1 having a positive electric field is generated in the first crystal region A1 closest to the excitation light incident surface 86 side. Next, since the second material region C1 does not have a nonlinear optical effect, a terahertz wave is not generated and the wave T2 has an intensity of 0. Further, in the subsequent first crystal region A2, a terahertz wave T3 having a positive electric field is generated as in the crystal region A1.

図2に示す発生素子85では、結晶中での光の伝搬条件を考慮し、第1結晶領域A1で励起光Lによって発生して第2材料領域C1を介して第1結晶領域A2へと伝搬したテラヘルツ波T1と、第1結晶領域A2で励起光Lによって発生したテラヘルツ波T3とで、その位相差が0°となるように結晶領域A1、A2、材料領域C1の厚さ(積層構造の周期)を設定する。これにより、テラヘルツ波T1、T3は位相整合して連続した1つの波となる。   In the generating element 85 shown in FIG. 2, in consideration of the light propagation conditions in the crystal, the light is generated by the excitation light L in the first crystal region A1 and propagates to the first crystal region A2 through the second material region C1. The thickness of the crystal regions A1, A2 and the material region C1 (stacked structure) so that the phase difference between the terahertz wave T1 and the terahertz wave T3 generated by the excitation light L in the first crystal region A2 is 0 °. Cycle). As a result, the terahertz waves T1 and T3 become one continuous wave with phase matching.

テラヘルツ波T1、T3間の位相差が0°とは異なった場合には、それぞれの電界が打ち消しあってテラヘルツ波Tの出力が低下する。これに対して、位相整合条件を満たすように積層構造の周期を設定することにより、高効率、かつ狭帯域でのテラヘルツ波発生が可能となる。さらに、同様に、結晶領域A3で発生した正の電界を持つテラヘルツ波T5が、テラヘルツ波T1、T3と位相整合して連続した1つの波となり、最終的にテラヘルツ波Tとして出力面87から出力される。   When the phase difference between the terahertz waves T1 and T3 is different from 0 °, the respective electric fields cancel each other and the output of the terahertz wave T decreases. On the other hand, by setting the period of the laminated structure so as to satisfy the phase matching condition, terahertz waves can be generated with high efficiency and in a narrow band. Furthermore, similarly, the terahertz wave T5 having a positive electric field generated in the crystal region A3 becomes one continuous wave in phase matching with the terahertz waves T1 and T3, and is finally output from the output surface 87 as the terahertz wave T. Is done.

図1に示した非線形光学結晶での非線形光学定数の反転構造、あるいは図2に示した非線形光学結晶と通常の結晶との積層構造を用いた、擬似位相整合によるテラヘルツ波発生素子では、上述したように、その構造の周期が決まってしまうと、出力されるテラヘルツ波の波長を調整、変更することが難しい。これに対して、本発明によるテラヘルツ波発生装置及び発生システムは、擬似位相整合型の素子を用いたテラヘルツ波の発生において、テラヘルツ波の波長の可変制御を可能とするものである。   In the terahertz wave generating element using the quasi phase matching using the inversion structure of the nonlinear optical constant in the nonlinear optical crystal shown in FIG. 1 or the laminated structure of the nonlinear optical crystal and the normal crystal shown in FIG. Thus, once the period of the structure is determined, it is difficult to adjust and change the wavelength of the output terahertz wave. On the other hand, the terahertz wave generation device and the generation system according to the present invention enable variable control of the wavelength of the terahertz wave in the generation of the terahertz wave using the quasi phase matching type element.

図3は、本発明によるテラヘルツ波発生装置を含むテラヘルツ波発生システムの一実施形態の構成を概略的に示すブロック図である。本実施形態によるテラヘルツ波発生システム1Aは、非線形光学結晶中での光整流効果を利用して波長変換光であるテラヘルツ波を発生させるものであり、テラヘルツ波発生装置10と、励起光源50と、テラヘルツ波発生制御部55とを備えて構成されている。   FIG. 3 is a block diagram schematically showing a configuration of an embodiment of a terahertz wave generation system including a terahertz wave generation device according to the present invention. A terahertz wave generation system 1A according to the present embodiment generates a terahertz wave that is wavelength-converted light by using an optical rectification effect in a nonlinear optical crystal, and includes a terahertz wave generation device 10, an excitation light source 50, And a terahertz wave generation control unit 55.

パルス励起光源50は、テラヘルツ波発生装置10に対して、テラヘルツ波の発生に用いられるパルス励起光Lを供給する励起光供給手段である。励起光源50としては、好ましくは、例えばフェムト秒(fs)パルスレーザ光を出力するフェムト秒パルスレーザ光源などのパルスレーザ光源を用いることができる。   The pulse excitation light source 50 is excitation light supply means for supplying the pulse excitation light L used for generating the terahertz wave to the terahertz wave generator 10. As the excitation light source 50, a pulse laser light source such as a femtosecond pulse laser light source that outputs femtosecond (fs) pulse laser light can be preferably used.

この励起光源50に対し、テラヘルツ波発生装置10は、テラヘルツ波発生用(波長変換用)の媒体となる非線形光学結晶を含んで構成されている。具体的には、本実施形態による発生装置10は、非線形光学結晶を含むテラヘルツ波発生素子20と、物理距離調整部30とによって構成されている。   For this excitation light source 50, the terahertz wave generation device 10 is configured to include a nonlinear optical crystal serving as a medium for generating terahertz waves (for wavelength conversion). Specifically, the generator 10 according to the present embodiment includes a terahertz wave generating element 20 including a nonlinear optical crystal and a physical distance adjusting unit 30.

テラヘルツ波発生素子20は、所定の非線形光学定数を有する非線形光学結晶によって構成され、パルス励起光Lの入射によって波長変換光であるテラヘルツ波Tを発生する複数層(図3では3層)の結晶層21と、結晶層21とは異なる材料によって構成され、複数層の結晶層21と交互に配置される少なくとも1層(図3では2層)の調整層22とを有して構成されている。   The terahertz wave generating element 20 is composed of a non-linear optical crystal having a predetermined non-linear optical constant, and is a multi-layer crystal (three layers in FIG. 3) that generates a terahertz wave T that is wavelength converted light upon incidence of pulsed excitation light L. The layer 21 is composed of a material different from that of the crystal layer 21, and includes a plurality of crystal layers 21 and at least one adjustment layer 22 (two layers in FIG. 3) arranged alternately. .

結晶層21は、図2に示した積層構造における第1結晶領域Aに対応するものであり、励起光Lの進行方向に沿って、互いに距離を置いて隣り合うように順に配置されている。また、調整層22は、図2に示した積層構造における第2材料領域Cに対応するものであり、それぞれ隣り合う2層の結晶層21の間に介在するように配置されている。この調整層22は、本発生素子20での位相整合条件の調整に用いられる層となっている。   The crystal layer 21 corresponds to the first crystal region A in the stacked structure shown in FIG. 2, and is sequentially arranged so as to be adjacent to each other with a distance along the traveling direction of the excitation light L. The adjustment layer 22 corresponds to the second material region C in the stacked structure shown in FIG. 2 and is disposed so as to be interposed between two adjacent crystal layers 21. The adjustment layer 22 is a layer used for adjusting the phase matching condition in the generating element 20.

本実施形態の発生素子20では、調整層22の材料として、外囲容器26内に収容された液体材料25が用いられている。結晶層21は、この容器26内に液体材料25とともに収容されており、液体材料25のうちで結晶層21の間を満たしている部分が調整層22として機能する構成となっている。また、容器26において、その一方の面が励起光Lを入射させる励起光入射面261、入射面261の反対側の面が発生素子20中で発生したテラヘルツ波Tを外部へと出力するテラヘルツ波出力面262となっている。   In the generating element 20 of this embodiment, the liquid material 25 accommodated in the outer container 26 is used as the material of the adjustment layer 22. The crystal layer 21 is accommodated in the container 26 together with the liquid material 25, and a portion of the liquid material 25 that fills the space between the crystal layers 21 functions as the adjustment layer 22. In addition, in the container 26, one surface thereof is an excitation light incident surface 261 on which the excitation light L is incident, and a surface opposite to the incident surface 261 is a terahertz wave that outputs the terahertz wave T generated in the generating element 20 to the outside. An output surface 262 is formed.

このような構成のテラヘルツ波発生素子20に対し、物理距離調整部30が設けられている。物理距離調整部30は、発生素子20の複数層の結晶層21について、調整層22を介して隣り合う2層の結晶層21の間の物理距離を可変に調整する調整手段である。   A physical distance adjusting unit 30 is provided for the terahertz wave generating element 20 having such a configuration. The physical distance adjustment unit 30 is an adjustment unit that variably adjusts the physical distance between two adjacent crystal layers 21 via the adjustment layer 22 with respect to the plurality of crystal layers 21 of the generation element 20.

すなわち、図3のテラヘルツ波発生装置10では、発生素子20において、調整層22の厚さに相当する結晶層21の間の物理的な距離Dを変更することが可能な構成となっており、この物理距離Dを調整部30によって可変に調整することにより、素子20での積層構造の周期、及びそれによる位相整合条件が可変に調整される。具体的には、本構成例では、物理距離調整部30は、調整層22を構成する材料25中において、複数層の結晶層21のそれぞれを積層方向(励起光Lの進行方向)に沿って移動させることで、その物理距離Dを可変に調整する結晶層駆動部31を有して構成されている。   That is, the terahertz wave generation device 10 of FIG. 3 has a configuration in which the physical distance D between the crystal layers 21 corresponding to the thickness of the adjustment layer 22 can be changed in the generation element 20. By adjusting the physical distance D variably by the adjusting unit 30, the period of the laminated structure in the element 20 and the phase matching condition thereby are variably adjusted. Specifically, in the present configuration example, the physical distance adjustment unit 30 includes a plurality of crystal layers 21 in the material 25 constituting the adjustment layer 22 along the stacking direction (advancing direction of the excitation light L). The crystal layer driving unit 31 is configured to variably adjust the physical distance D by being moved.

ここで、図4は、図3に示したテラヘルツ波発生装置10での位相整合条件の調整方法について模式的に示す図である。図4(a)に示す構成では、発生素子20は、固定かつ複数層で同一の厚さを有する非線形光学結晶の結晶層211、212、213と、結晶層の間に介在する液体材料25の調整層221、222とを有して構成されている。また、隣り合う2層の結晶層の間の物理距離はD=D1に設定されており、この物理距離D1が調整層221、222のそれぞれの厚さとなっている。   Here, FIG. 4 is a diagram schematically showing a method of adjusting the phase matching condition in the terahertz wave generation apparatus 10 shown in FIG. In the configuration shown in FIG. 4A, the generating element 20 includes a non-linear optical crystal crystal layer 211, 212, 213 having the same thickness in a plurality of layers, and a liquid material 25 interposed between the crystal layers. The adjustment layers 221 and 222 are included. The physical distance between two adjacent crystal layers is set to D = D1, and this physical distance D1 is the thickness of each of the adjustment layers 221 and 222.

このような構成において、結晶層211の位置を固定とするとともに、調整距離をΔD=D2−D1として、結晶層駆動部31(図3参照)によって、結晶層212をΔDだけ配列方向に移動し、また、結晶層213を2×ΔDだけ配列方向に移動する。このとき、図4(b)に示すように、結晶層の間の物理距離DがD1からD2に変更される。これにより、発生素子20の積層構造における位相整合条件が可変に調整され、素子20で発生するテラヘルツ波Tの波長λ及び周波数fが可変に制御される。   In such a configuration, the position of the crystal layer 211 is fixed, the adjustment distance is set to ΔD = D2−D1, and the crystal layer driving unit 31 (see FIG. 3) moves the crystal layer 212 by ΔD in the arrangement direction. The crystal layer 213 is moved in the arrangement direction by 2 × ΔD. At this time, as shown in FIG. 4B, the physical distance D between the crystal layers is changed from D1 to D2. Thereby, the phase matching condition in the laminated structure of the generating element 20 is variably adjusted, and the wavelength λ and the frequency f of the terahertz wave T generated in the element 20 are variably controlled.

また、図3に示す発生システム1Aでは、励起光源50及び発生装置10に対し、テラヘルツ波発生制御部55が設けられている。この発生制御部55は、物理距離調整部30の動作を制御することで、発生装置10での位相整合条件を制御する位相整合制御手段としての機能を有している。このような制御部55は、例えば所定の制御プログラムが実行されているコンピュータによって構成することができる。また、発生制御部55は、発生装置10の動作と合わせて、励起光源50の動作を制御する構成としても良い。   Further, in the generation system 1 </ b> A illustrated in FIG. 3, a terahertz wave generation control unit 55 is provided for the excitation light source 50 and the generation device 10. The generation control unit 55 has a function as a phase matching control unit that controls the phase matching condition in the generation device 10 by controlling the operation of the physical distance adjusting unit 30. Such a control part 55 can be comprised by the computer with which the predetermined | prescribed control program is run, for example. In addition, the generation control unit 55 may be configured to control the operation of the excitation light source 50 together with the operation of the generation device 10.

上記実施形態によるテラヘルツ波発生装置10、及びテラヘルツ波発生システム1Aの効果について説明する。   The effects of the terahertz wave generation device 10 and the terahertz wave generation system 1A according to the above embodiment will be described.

図3、図4に示したテラヘルツ波発生装置10及び発生システム1Aにおいては、非線形光学結晶による複数層の結晶層21と、その間に介在する少なくとも1層の調整層22との積層構造によって、テラヘルツ波発生用の波長変換媒体となる発生素子20を構成する。そして、その積層構造において、物理距離調整部30によって2層の結晶層21の間の物理距離Dを可変に調整することで、積層構造での位相整合条件を調整している。   In the terahertz wave generation device 10 and the generation system 1A shown in FIGS. 3 and 4, the terahertz structure has a stacked structure of a plurality of crystal layers 21 made of nonlinear optical crystals and at least one adjustment layer 22 interposed therebetween. A generation element 20 is formed as a wavelength conversion medium for generating waves. In the stacked structure, the physical distance adjusting unit 30 variably adjusts the physical distance D between the two crystal layers 21 to adjust the phase matching condition in the stacked structure.

このような構成によれば、調整層22の厚さに相当する結晶層21間の物理的な距離Dを調整することにより、テラヘルツ波Tの発生に用いられる積層構造の周期、及びそれによる位相整合条件を設定または変更して、装置構成自体を変更することなく同一の装置において、テラヘルツ波Tの波長(周波数)を可変に制御することが可能となる。   According to such a configuration, by adjusting the physical distance D between the crystal layers 21 corresponding to the thickness of the adjustment layer 22, the period of the laminated structure used for generating the terahertz wave T and the phase caused thereby It is possible to variably control the wavelength (frequency) of the terahertz wave T in the same device without setting or changing the matching condition and changing the device configuration itself.

ここで、図5は、従来の波長変換光発生素子の構成について示す図である。図5(a)に示す構成では、非線形光学結晶での分極反転の周期構造が、光の伝搬方向に直交する方向について扇状に変化するようになっており、励起光の入射位置を変更することにより、分極反転周期を選択可能な構成となっている。また、図5(b)に示す構成では、分極反転構造を持つ円形の素子構造であり、励起光の進行方向に対して素子を回転することで、実効的な分極反転周期を変更する構成となっている。これに対して、図3、図4に示したテラヘルツ波発生装置10では、素子に対する励起光の入射位置の変更や、結晶の回転等を行うことなく、励起光Lの進行方向に沿った結晶層21の間の物理距離Dを可変に調整することで、積層構造の周期、位相整合条件、及び得られるテラヘルツ波の波長の調整を好適かつ容易に実行することが可能である。   Here, FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a conventional wavelength-converted light generating element. In the configuration shown in FIG. 5A, the periodic structure of polarization inversion in the nonlinear optical crystal changes in a fan shape in the direction orthogonal to the light propagation direction, and the incident position of the excitation light is changed. Thus, the polarization inversion period can be selected. The configuration shown in FIG. 5B is a circular element structure having a polarization inversion structure, and the effective polarization inversion period is changed by rotating the element with respect to the traveling direction of the excitation light. It has become. On the other hand, in the terahertz wave generation device 10 shown in FIGS. 3 and 4, the crystal along the traveling direction of the excitation light L without changing the incident position of the excitation light on the element, rotating the crystal, or the like. By adjusting the physical distance D between the layers 21 variably, it is possible to suitably and easily execute adjustment of the period of the laminated structure, the phase matching condition, and the wavelength of the obtained terahertz wave.

図3に示したテラヘルツ波発生装置10において、結晶層21及び調整層22による積層構造については、結晶層としてn層(nは3以上の整数)の結晶層21が設けられた構成を用いることができる。この場合、物理距離調整部30は、調整層22を介して隣り合う2層の結晶層21の間のn−1個の物理距離D(n−1層の調整層22の厚さ)が互いに略等しい状態を保持しつつ、物理距離Dを可変に調整することが好ましい。このような構成によれば、3層以上の結晶層21を含む積層構造の全体において、位相整合条件を好適に制御することができる。なお、結晶層21及び調整層22の層数については、具体的な積層構造に応じて適宜設定して良い。   In the terahertz wave generator 10 shown in FIG. 3, the stacked structure including the crystal layer 21 and the adjustment layer 22 uses a configuration in which n crystal layers 21 (n is an integer of 3 or more) are provided as crystal layers. Can do. In this case, the physical distance adjustment unit 30 has n−1 physical distances D (thicknesses of the n−1 adjustment layers 22) between two adjacent crystal layers 21 via the adjustment layer 22. It is preferable to variably adjust the physical distance D while maintaining a substantially equal state. According to such a configuration, the phase matching condition can be suitably controlled in the entire stacked structure including three or more crystal layers 21. Note that the number of crystal layers 21 and adjustment layers 22 may be appropriately set according to a specific laminated structure.

また、調整層22の材料については、調整層22は、図3に関して上述したように、隣り合う2層の結晶層21の間を満たす液体材料25によって構成されていることが好ましい。また、調整層22は、非線形光学効果を実質的に有しない材料(非線形光学定数が実質的に0である材料)によって構成されていることが好ましい。これにより、結晶層21の間の物理距離Dが可変に調整される積層構造を好適に実現することができる。特に、調整層22に液体材料25を用いる構成では、結晶層21の間の物理距離の調整に伴って、調整層22の厚さを容易かつ確実に変更することが可能である。   As for the material of the adjustment layer 22, the adjustment layer 22 is preferably composed of a liquid material 25 that fills between two adjacent crystal layers 21 as described above with reference to FIG. 3. The adjustment layer 22 is preferably made of a material that does not substantially have a nonlinear optical effect (a material whose nonlinear optical constant is substantially 0). Thereby, it is possible to preferably realize a stacked structure in which the physical distance D between the crystal layers 21 is variably adjusted. In particular, in the configuration using the liquid material 25 for the adjustment layer 22, the thickness of the adjustment layer 22 can be easily and reliably changed as the physical distance between the crystal layers 21 is adjusted.

また、結晶層21間の物理距離を調整するための物理距離調整部30の具体的な構成については、調整層22を構成する材料中において複数層の結晶層21のそれぞれを配列方向に移動させることで、物理距離Dを可変に調整する結晶層駆動部31を設ける構成を用いることができる。また、物理距離調整部30は、複数層の結晶層21において、隣り合う2層の結晶層21を接続する弾性部材を有する構成を用いても良い。調整部30の構成については、具体的にはさらに後述する。   In addition, regarding a specific configuration of the physical distance adjustment unit 30 for adjusting the physical distance between the crystal layers 21, each of the plurality of crystal layers 21 is moved in the arrangement direction in the material constituting the adjustment layer 22. Thus, a configuration in which the crystal layer driving unit 31 that variably adjusts the physical distance D can be used. Further, the physical distance adjusting unit 30 may use a configuration in which a plurality of crystal layers 21 include an elastic member that connects two adjacent crystal layers 21. The configuration of the adjustment unit 30 will be specifically described later.

また、図3に示した発生システム1Aでは、発生装置10及び励起光源50に加えて、物理距離調整部30の動作を制御することで、発生装置10での位相整合条件を制御する発生制御部55を設けている。これにより、発生素子20の積層構造での位相整合条件、及び発生されるテラヘルツ波Tの波長を、所望の条件及び波長に好適に制御することができる。なお、このような制御部55については、例えば装置各部の動作を操作者が手動で制御する場合など、不要であれば設けない構成としても良い。   In addition, in the generation system 1A shown in FIG. 3, in addition to the generation device 10 and the excitation light source 50, the generation control unit that controls the phase matching condition in the generation device 10 by controlling the operation of the physical distance adjustment unit 30. 55 is provided. Thereby, the phase matching condition in the laminated structure of the generating element 20 and the wavelength of the generated terahertz wave T can be suitably controlled to the desired condition and wavelength. Such a control unit 55 may be configured not to be provided if unnecessary, for example, when an operator manually controls the operation of each unit of the apparatus.

図3、図4に示したテラヘルツ波発生装置10の構成の具体例を説明する。テラヘルツ波発生素子20で結晶層21を構成する非線形光学結晶としては、例えば、所定の厚さのZnTe(110)結晶を用いることができる。また、調整層22の液体材料25については、励起光L及びテラヘルツ波Tの両者に対して透明でそれらを透過する材料を用いることが好ましい。そのような液体材料25としては、例えば、サラダ油などの油脂を用いることができる。また、結晶層21及び調整層22の界面での光の反射損失を回避するため、結晶層21と調整層22とで、屈折率が同程度の材料を用いることが好ましい。   A specific example of the configuration of the terahertz wave generation device 10 illustrated in FIGS. 3 and 4 will be described. As the nonlinear optical crystal that forms the crystal layer 21 with the terahertz wave generating element 20, for example, a ZnTe (110) crystal having a predetermined thickness can be used. As the liquid material 25 of the adjustment layer 22, it is preferable to use a material that is transparent to both the excitation light L and the terahertz wave T and transmits them. As such a liquid material 25, fats and oils, such as salad oil, can be used, for example. In order to avoid light reflection loss at the interface between the crystal layer 21 and the adjustment layer 22, it is preferable to use materials having the same refractive index in the crystal layer 21 and the adjustment layer 22.

このような構成の発生素子20において、図4(a)に示すように結晶層21の間の距離をD=D1に設定した場合、その積層構造で位相整合がとれる周波数f1を中心としたテラヘルツ波が高効率で発生、出力される。また、図4(b)に示すように結晶層21の間の距離をD=D2に変更した場合、その積層構造で位相整合がとれるf1とは異なる周波数f2を中心としたテラヘルツ波が高効率で発生、出力される。   In the generating element 20 having such a configuration, when the distance between the crystal layers 21 is set to D = D1, as shown in FIG. 4A, the terahertz centered on the frequency f1 at which phase matching can be achieved in the stacked structure. Waves are generated and output with high efficiency. Also, as shown in FIG. 4B, when the distance between the crystal layers 21 is changed to D = D2, terahertz waves centered at a frequency f2 different from f1 that can achieve phase matching in the stacked structure are highly efficient. Is generated and output.

ここで、パルス励起光Lの波長を620nm、パルス幅をτ=150fs、素子20の積層構造において発生するテラヘルツ波Tの周波数を1.4THzとした場合を例として考える。結晶層21を構成する非線形光学結晶をZnTeとすると、波長620nmの励起光Lに対する屈折率はn=3.0である。一方、周波数1.4THzのテラヘルツ波Tに対する屈折率はn=3.19である。 Here, consider a case where the wavelength of the pulse excitation light L is 620 nm, the pulse width is τ = 150 fs, and the frequency of the terahertz wave T generated in the stacked structure of the element 20 is 1.4 THz. If the nonlinear optical crystal constituting the crystal layer 21 is ZnTe, the refractive index for the excitation light L having a wavelength of 620 nm is n L = 3.0. On the other hand, the refractive index for the terahertz wave T having a frequency of 1.4 THz is n T = 3.19.

また、このような構成の素子20において、位相整合がとれる積層構造の周期Λは、Λ=2cτ/(n−n)で与えられる(非特許文献1参照)。したがって、ZnTe結晶を用いて周波数f1=1.4THzを中心に位相整合がとれる周期はΛ=0.464mmとなる。調整層22の液体材料の屈折率がZnTe結晶と同じである場合、結晶層21、及び調整層22のそれぞれの厚さは0.232mmとなる。また、調整層22の液体材料を油脂とすると、その屈折率はZnTe結晶の半分の約1.5である。この場合、結晶層21の間の物理距離となる調整層22の厚さは、D1=0.464mmとなる。 Further, in the element 20 having such a configuration, the period Λ of the laminated structure capable of achieving phase matching is given by Λ = 2cτ / (n T −n L ) (see Non-Patent Document 1). Therefore, the period in which phase matching can be obtained around the frequency f1 = 1.4 THz using the ZnTe crystal is Λ = 0.464 mm. When the refractive index of the liquid material of the adjustment layer 22 is the same as that of the ZnTe crystal, the thickness of each of the crystal layer 21 and the adjustment layer 22 is 0.232 mm. Further, when the liquid material of the adjustment layer 22 is oil or fat, its refractive index is about 1.5, which is half that of the ZnTe crystal. In this case, the thickness of the adjustment layer 22 that is the physical distance between the crystal layers 21 is D1 = 0.464 mm.

次に、結晶層21のZnTe結晶の厚さをそのままにして、調整層22の厚さに相当する結晶層21の間の物理距離のみを変化させて、周波数f2=1.2THzを中心に位相整合をとることを考える。この場合、位相整合をとるために必要な調整層22の厚さは、D2=0.263mmとなる。したがって、図3の構成において、厚さ0.232mmのZnTe結晶を結晶層21とし、調整層22の液体材料25として油脂を用いた場合、結晶層21の間の物理距離をD1=0.464mmからD2=0.526mmへと変更することによって、素子20で発生するテラヘルツ波の中心周波数を、f1=1.4THzからf2=1.2THzへと可変に制御することができる(図4参照)。   Next, while keeping the thickness of the ZnTe crystal of the crystal layer 21 as it is, only the physical distance between the crystal layers 21 corresponding to the thickness of the adjustment layer 22 is changed, and the phase is centered on the frequency f2 = 1.2 THz. Consider matching. In this case, the thickness of the adjustment layer 22 necessary for achieving phase matching is D2 = 0.263 mm. Therefore, in the configuration of FIG. 3, when a ZnTe crystal having a thickness of 0.232 mm is used as the crystal layer 21 and oil is used as the liquid material 25 of the adjustment layer 22, the physical distance between the crystal layers 21 is D1 = 0.464 mm. By changing from D2 to 0.526 mm, the center frequency of the terahertz wave generated in the element 20 can be variably controlled from f1 = 1.4 THz to f2 = 1.2 THz (see FIG. 4). .

上記実施形態によるテラヘルツ波発生装置10の構成、及び発生装置10での結晶層間の物理距離Dの調整について、具体的な構成例とともにさらに説明する。   The configuration of the terahertz wave generation device 10 according to the above embodiment and the adjustment of the physical distance D between crystal layers in the generation device 10 will be further described together with a specific configuration example.

図6は、テラヘルツ波発生装置の第1の構成例を模式的に示す図である。図7は、図6に示したテラヘルツ波発生装置における物理距離調整部の構成を示す図である。本構成例によるテラヘルツ波発生装置10Aは、平面形状が略三角形状の結晶層21(211〜214)と、それらの間に介在する調整層22(221〜223)を構成する液体材料25とが容器26内に収容されたテラヘルツ波発生素子20を有している。また、容器26において、その一方の面が、励起光入射窓266が設けられた入射面261、反対側の面がテラヘルツ波出力窓267が設けられた出力面262となっている。なお、テラヘルツ波出力窓267としては、例えば高抵抗シリコンを好適に用いることができる。   FIG. 6 is a diagram schematically illustrating a first configuration example of the terahertz wave generation device. FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration of a physical distance adjustment unit in the terahertz wave generation device illustrated in FIG. 6. The terahertz wave generating apparatus 10A according to the present configuration example includes a crystal layer 21 (211 to 214) having a substantially triangular planar shape and a liquid material 25 constituting the adjustment layer 22 (221 to 223) interposed therebetween. The terahertz wave generating element 20 is accommodated in the container 26. Further, in the container 26, one surface thereof is an incident surface 261 provided with an excitation light incident window 266, and the opposite surface is an output surface 262 provided with a terahertz wave output window 267. As the terahertz wave output window 267, for example, high resistance silicon can be suitably used.

このようなテラヘルツ波発生素子20に対し、結晶層の間の物理距離Dを可変に調整する調整部の結晶層駆動部は、支持部材311、駆動部材312、ロッド313、及びバネ314を有して構成されている。結晶層211〜214のうちで、最も入射面261側の結晶層211は、上方に延びる棒状の支持部材311によって固定に支持されている。また、この結晶層211には、励起光Lの進行方向に沿って延びる3本のロッド313が固定されている。結晶層212、213、214には、ロッド313に対応してそれぞれ3個の貫通孔が設けられており、それらの貫通孔にロッド313が挿通されることで、結晶層212〜214が結晶層211に対して一定の位置関係で保持、配列されている。   For such a terahertz wave generating element 20, the crystal layer driving unit of the adjusting unit that variably adjusts the physical distance D between the crystal layers includes a support member 311, a driving member 312, a rod 313, and a spring 314. Configured. Of the crystal layers 211 to 214, the crystal layer 211 closest to the incident surface 261 is fixedly supported by a bar-shaped support member 311 extending upward. Further, three rods 313 extending along the traveling direction of the excitation light L are fixed to the crystal layer 211. The crystal layers 212, 213, and 214 are each provided with three through holes corresponding to the rods 313, and the rods 313 are inserted into the through holes so that the crystal layers 212 to 214 are crystal layers. 211 is held and arranged in a fixed positional relationship.

また、結晶層211、212の間、結晶層212、213の間、及び結晶層213、214の間には、それぞれ、3本のロッド313とともに、隣り合う2層の結晶層を接続する弾性部材である3個のバネ314が移動自在に設けられている。これらのバネ314はいずれも同じバネ特性を有しており、これによって、調整層221、222、223を介して隣り合う2層の結晶層の間の物理距離は、互いに略等しい距離となっている。   In addition, between the crystal layers 211 and 212, between the crystal layers 212 and 213, and between the crystal layers 213 and 214, an elastic member that connects two adjacent crystal layers together with the three rods 313, respectively. These three springs 314 are movably provided. All of these springs 314 have the same spring characteristics, so that the physical distance between two adjacent crystal layers via the adjustment layers 221, 222, and 223 is substantially equal to each other. Yes.

また、最も出力面262側の結晶層214は、上方に延びる棒状の部材312によって支持されている。また、この部材312は、結晶層の配列方向に沿って移動する駆動部材312となっている。なお、結晶層211に取り付けられた支持部材311、及び結晶層214に取り付けられた駆動部材312は、それぞれその上方部分が液体材料25の液面上に出た状態で設置されている。このような構成において、駆動部材312によって結晶層214が配列方向に移動されると、ロッド313及びバネ314の作用によって、結晶層212、213が結晶層間の物理距離が互いに略等しい状態を保持しつつ結晶層214とともに移動し、これによって、結晶層間の物理距離が可変に調整される。   The crystal layer 214 closest to the output surface 262 is supported by a bar-shaped member 312 extending upward. The member 312 is a drive member 312 that moves along the direction in which the crystal layers are arranged. The support member 311 attached to the crystal layer 211 and the drive member 312 attached to the crystal layer 214 are installed in a state where the upper portions thereof are exposed on the liquid surface of the liquid material 25. In such a configuration, when the crystal layer 214 is moved in the arrangement direction by the driving member 312, the crystal layers 212 and 213 maintain a state where the physical distances between the crystal layers are substantially equal to each other by the action of the rod 313 and the spring 314. While moving with the crystal layer 214, the physical distance between the crystal layers is variably adjusted.

図8は、テラヘルツ波発生装置の第2の構成例を模式的に示す図である。本構成例によるテラヘルツ波発生装置10Bは、複数層の結晶層21と、それらの間に介在する調整層22を構成する液体材料25とが容器26内に収容されたテラヘルツ波発生素子20を有している。また、発生素子20に対し、物理距離調整部は、ポリマーなどの弾性体を用いた、外部制御による膨張収縮が可能な弾性部材32を用いて構成されている。   FIG. 8 is a diagram schematically illustrating a second configuration example of the terahertz wave generation device. The terahertz wave generating device 10B according to this configuration example includes a terahertz wave generating element 20 in which a plurality of crystal layers 21 and a liquid material 25 constituting an adjustment layer 22 interposed therebetween are accommodated in a container 26. doing. Further, the physical distance adjusting unit for the generating element 20 is configured by using an elastic member 32 that can be expanded and contracted by external control using an elastic body such as a polymer.

本構成例では、複数層の結晶層21において、隣り合う2層の結晶層が弾性部材32を介して接続された構成となっている。このような構成において、外部制御によって弾性部材32を膨張または収縮させると、調整層22を構成する液体材料25が結晶層21の間に流入または流出し、これによって、結晶層21の間の物理距離、及び調整層22の厚さが可変に調整される。なお、このような弾性部材32としては、例えば光照射に伴う温度上昇によって膨張する熱膨張性ポリマーを用いることができる。   In this configuration example, in the plurality of crystal layers 21, two adjacent crystal layers are connected via an elastic member 32. In such a configuration, when the elastic member 32 is expanded or contracted by external control, the liquid material 25 constituting the adjustment layer 22 flows in or out between the crystal layers 21, thereby causing physical properties between the crystal layers 21. The distance and the thickness of the adjustment layer 22 are variably adjusted. In addition, as such an elastic member 32, for example, a thermally expandable polymer that expands due to a temperature rise accompanying light irradiation can be used.

図9は、テラヘルツ波発生装置の第3の構成例を模式的に示す図である。本構成例によるテラヘルツ波発生装置10Cの構成は、基本的には図8に示す発生装置10Bと同様の構成となっているが、調整層22を構成する液体材料25に対して容器26が設けられておらず、結晶層21及び弾性部材32の内部に液体材料25が封入された構成となっている点が異なる。このような構成において、弾性部材32を膨張または収縮させると、調整層22を構成する液体材料25の液面の高さが結晶層21の間において変動しつつ、結晶層21の間の物理距離、及び調整層22の厚さが可変に調整される。   FIG. 9 is a diagram schematically illustrating a third configuration example of the terahertz wave generation device. The configuration of the terahertz wave generation device 10C according to the present configuration example is basically the same as the configuration of the generation device 10B illustrated in FIG. 8, but a container 26 is provided for the liquid material 25 forming the adjustment layer 22. The difference is that the liquid material 25 is sealed inside the crystal layer 21 and the elastic member 32. In such a configuration, when the elastic member 32 is expanded or contracted, the height of the liquid surface of the liquid material 25 constituting the adjustment layer 22 varies between the crystal layers 21 and the physical distance between the crystal layers 21. , And the thickness of the adjustment layer 22 is variably adjusted.

本発明による波長変換光発生装置及び発生システムは、上記実施形態及び構成例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、結晶層及び調整層の積層構造、層数、各層の構成材料、あるいは物理距離調整部の構成等については、上記構成以外にも、具体的には様々な構成を用いて良い。また、上記においては、波長変換光としてテラヘルツ波を想定しているが、本発明による波長変換光発生装置及び発生システムは、テラヘルツ波以外の波長域での波長変換光の発生においても同様に適用することが可能である。   The wavelength-converted light generation apparatus and the generation system according to the present invention are not limited to the above-described embodiments and configuration examples, and various modifications are possible. For example, regarding the laminated structure of the crystal layer and the adjustment layer, the number of layers, the constituent material of each layer, the configuration of the physical distance adjustment unit, and the like, specifically, various configurations other than the above configuration may be used. In the above description, a terahertz wave is assumed as wavelength-converted light. However, the wavelength-converted light generator and the generation system according to the present invention are similarly applied to generation of wavelength-converted light in a wavelength region other than the terahertz wave. Is possible.

本発明は、パルス励起光の入射によって発生するテラヘルツ波などの波長変換光の波長を可変に制御することが可能な波長変換光発生装置、及び波長変換光発生システムとして利用可能である。   The present invention can be used as a wavelength-converted light generator and a wavelength-converted light generation system that can variably control the wavelength of wavelength-converted light such as terahertz waves generated by incidence of pulsed excitation light.

1A…テラヘルツ波発生システム、10、10A〜10C…テラヘルツ波発生装置、20…テラヘルツ波発生素子、21…非線形光学結晶層、22…調整層、25…液体材料、26…外囲容器、261…励起光入射面、262…テラヘルツ波出力面、266…励起光入射窓、267…テラヘルツ波出力窓、
30…物理距離調整部、31…結晶層駆動部、311…支持部材、312…駆動部材、313…ロッド、314…バネ、32…弾性部材、50…パルス励起光源、55…テラヘルツ波発生制御部。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1A ... Terahertz wave generation system, 10, 10A-10C ... Terahertz wave generator, 20 ... Terahertz wave generation element, 21 ... Nonlinear optical crystal layer, 22 ... Adjustment layer, 25 ... Liquid material, 26 ... Outer container, 261 ... Excitation light incident surface, 262... Terahertz wave output surface, 266... Excitation light incident window, 267.
DESCRIPTION OF SYMBOLS 30 ... Physical distance adjustment part, 31 ... Crystal layer drive part, 311 ... Support member, 312 ... Drive member, 313 ... Rod, 314 ... Spring, 32 ... Elastic member, 50 ... Pulse excitation light source, 55 ... Terahertz wave generation control part .

Claims (8)

非線形光学結晶によって構成され、パルス励起光の入射によって波長変換光であるテラヘルツ波を発生するとともに、互いに距離を置いて隣り合うように順に配置された複数層の結晶層と、
所定の材料によって構成され、それぞれ隣り合う2層の結晶層の間に介在するように前記複数層の結晶層と交互に配置されるとともに、位相整合条件の調整に用いられる少なくとも1層の調整層と、
前記複数層の結晶層について、前記調整層を介して隣り合う2層の結晶層の間の物理距離を可変に調整する物理距離調整手段と
を備え
前記調整層は、隣り合う2層の結晶層の間を満たす、非線形光学効果を実質的に有しない液体材料によって構成されているとともに、
前記物理距離調整手段は、前記複数層の結晶層において、隣り合う2層の結晶層を接続する弾性部材を有することを特徴とするテラヘルツ波発生装置。
A plurality of crystal layers that are configured by a nonlinear optical crystal, generate a terahertz wave that is wavelength-converted light by incidence of pulsed excitation light, and are sequentially arranged so as to be adjacent to each other at a distance;
At least one adjustment layer that is made of a predetermined material and is alternately arranged with the plurality of crystal layers so as to be interposed between two adjacent crystal layers, and is used for adjusting the phase matching condition When,
Physical distance adjusting means for variably adjusting the physical distance between two adjacent crystal layers via the adjustment layer for the plurality of crystal layers ;
The adjustment layer is composed of a liquid material that substantially does not have a nonlinear optical effect and fills between two adjacent crystal layers.
The physical distance adjusting means, in the crystal layer of the plural layers, a terahertz wave generating device according to claim Rukoto to have a resilient member connecting the crystal layer of two layers adjacent to each other.
前記複数層の結晶層のうちで最も前記パルス励起光の入射側の第1結晶層は、支持部材によって固定に支持されており、
前記複数層の結晶層において、隣り合う2層の結晶層の間には、前記弾性部材であるバネが移動自在に設けられており、
前記複数層の結晶層のうちで最も前記テラヘルツ波の出力側の結晶層は、結晶層の配列方向に沿って移動する駆動部材によって支持されていることを特徴とする請求項1記載のテラヘルツ波発生装置。
The first crystal layer on the most incident side of the pulse excitation light among the plurality of crystal layers is fixedly supported by a support member,
In the plurality of crystal layers, a spring which is the elastic member is movably provided between two adjacent crystal layers,
Most said terahertz wave output side of the crystal layer among the crystal layers of the plurality of layers, the terahertz wave according to claim 1, characterized in that it is supported by the drive member to move along the array direction of the crystal layer Generator.
前記第1結晶層には、前記パルス励起光の進行方向に沿って延びるロッドが固定されており、
前記複数層の結晶層のうちで前記第1結晶層を除く結晶層は、前記ロッドに対応して設けられた貫通孔に前記ロッドが挿通されることで、それらの結晶層が前記第1結晶層に対して一定の位置関係で保持、配列されていることを特徴とする請求項2記載のテラヘルツ波発生装置。
A rod extending along the traveling direction of the pulse excitation light is fixed to the first crystal layer,
Of the plurality of crystal layers, the crystal layers excluding the first crystal layer are inserted into through holes provided corresponding to the rods, so that the crystal layers are converted into the first crystals. The terahertz wave generation device according to claim 2 , wherein the terahertz wave generation device is held and arranged in a fixed positional relationship with respect to the layer .
前記弾性部材は、外部制御による膨張収縮が可能な弾性体を用いて構成されていることを特徴とする請求項1記載のテラヘルツ波発生装置。 The elastic member, a terahertz wave generating apparatus according to claim 1 Symbol mounting, characterized in that it is configured with the expansion and contraction is resilient body according to external control. 前記弾性部材を構成する前記弾性体は、熱膨張性ポリマーであることを特徴とする請求項4記載のテラヘルツ波発生装置。 Wherein the elastic body constituting the elastic member, a terahertz wave generating apparatus according to claim 4 Symbol mounting, characterized in that a thermally expandable polymer. 前記複数層の結晶層としてn層(nは3以上の整数)の結晶層が設けられ、
前記物理距離調整手段は、前記調整層を介して隣り合う2層の結晶層の間のn−1個の物理距離が互いに略等しい状態で、前記物理距離を可変に調整することを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項記載のテラヘルツ波発生装置。
N layers (n is an integer of 3 or more) are provided as the plurality of crystal layers,
The physical distance adjusting means variably adjusts the physical distance in a state where n-1 physical distances between two crystal layers adjacent to each other through the adjustment layer are substantially equal to each other. The terahertz wave generator according to any one of claims 1 to 5.
請求項1〜6のいずれか一項記載のテラヘルツ波発生装置と、
前記テラヘルツ波発生装置に対して、テラヘルツ波の発生に用いられるパルス励起光を供給する励起光供給手段と
を備えることを特徴とするテラヘルツ波発生システム。
The terahertz wave generator according to any one of claims 1 to 6,
Terahertz wave generation system characterized by comprising relative to the terahertz wave generating device, and a pumping light supply means for supplying pulsed excitation light used for generation of terahertz waves.
前記物理距離調整手段の動作を制御することで、前記テラヘルツ波発生装置での前記位相整合条件を制御する位相整合制御手段を備えることを特徴とする請求項7記載のテラヘルツ波発生システム。 8. The terahertz wave generation system according to claim 7, further comprising phase matching control means for controlling the phase matching condition in the terahertz wave generation device by controlling the operation of the physical distance adjusting means.
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