JP5353121B2 - テラヘルツ波発生装置およびテラヘルツ波発生方法 - Google Patents

Description

本発明は、非線形光学結晶内に超短パルスレーザ光を照射することでテラヘルツ波をノンコリニア位相整合条件を満たす方向に発生させるテラヘルツ波発生装置およびテラヘルツ波発生方法に関する。

非特許文献１には、従来のテラヘルツ波の発生方法として、アンテナ素子方式、非線形効果方式、及び磁場印加方式の３つの方法が記載されている。アンテナ素子方式は、半導体基板に形成された微小構造の光伝導アンテナに電圧バイアスが印加された状態で超短パルスレーザ光を照射することでテラヘルツ波を発生させる方法である。非線形効果方式は、非線型感受率であるχ⁽²⁾を有する物質に超短パルスレーザ光を照射することで生じる光整流効果によってテラヘルツ波を発生させる方法である。磁場印加方式は、半導体表面に平行に磁場を印加した状態で超短パルスレーザ光を照射することでテラヘルツ波を発生させる方法である。

また非特許文献２には、非線形光学結晶にチェレンコフ型の放射を生じさせて高強度のテラヘルツ波を得る方法として、非線形光学結晶に照射させるレーザ光のウェブフロントを非線形光学結晶の面に対して傾斜（チルト）させる方法が記載されている。この方法においては、回折格子とレンズとから構成される回折像の転送系を用いることで、レーザ光のウェブフロントをチルトさせている。

また従来のテラヘルツ波の発生方法として、パラメトリック発振可能な非線形光学結晶内にポンプ波を入射させることでテラヘルツ波を発生させる方法がある。図１０は、このテラヘルツ波の発生原理を示している。この方法によれば、非線形光学結晶１００に対して該非線形光学結晶１００の光学軸Ｚと垂直な方向からパルスレーザ光Ｌが入射した場合、非線形光学結晶１００内でパラメトリック相互作用が生じて、テラヘルツ波Ｔがノンコリニア位相整合条件を満たす方向Ａに発生する。このようなテラヘルツ波の発生方法として、特許文献１には、２台のレーザ発生器を用いる方法が記載されている。２台のレーザ発生器のうち一方は、パルスレーザ光を出力するＹＡＧレーザであり、パルスレーザ光は、パルス幅が１５ｎｓ、波長が１０６４ｎｍに設定される。他方のレーザ発生器は、連続レーザ光を出力するＹｂファイバレーザであり、連続レーザ光は、テラヘルツ波のインジェクションシーダとして用いられ、テラヘルツ波の強度向上のために波長が１０７０．２ｎｍに固定される。

分光研究 第５０巻 第６号 ２００１年 Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ｖｏｌ．９０，１７１２１（２００１） 特開２００２−７２２６９号公報

ところで、非特許文献１に記載された３つのテラヘルツ波の発生方法では、発生するテラヘルツ波の強度は小さく、最大の強度が得られる磁場印加方式でも、８Ｊ／Ｐｕｌｓｅ程度である。このため、所定の分光計測以外の分野に適用することが困難である。

また非特許文献２に記載された方法では、複雑な構造の回折格子をテラヘルツ波発生装置に設ける必要があるとともに、回折像はレンズの集光点近傍に形成されなくてはならないため、転送系の調整が難しいという問題が生じる。

また特許文献１に記載された方法では、上述のように２台のレーザ発生器が必要であるとともに、連続レーザ光の波長を安定させるために、Ｙｂファイバレーザはモードホップフリーレーザでなければならない。このため、装置の製造コストが高価になる。また特許文献１に記載された方法では、ナノ秒程度の時間幅を有するテラヘルツ波しか生成できない。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、テラヘルツ波発生装置の製造コストを安価に抑えて、高強度のテラヘルツ波を発生させることの出来るテラヘルツ波発生装置およびテラヘルツ波発生方法を提供することである。

上記目的を達成するため、本発明の第１の観点に係るテラヘルツ波発生装置は、非線形光学結晶に対して超短パルスレーザ光を入射させることで、ノンコリニア位相整合条件を満たす方向にテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生装置であって、前記超短パルスレーザ光を発生するパルス光源を有し、該パルス光源から発生した超短パルスレーザ光は、光ファイバの伝送路を通過することで時間遅延が与えられるとともに、前記非線形光学結晶におけるテラヘルツ波の伝播線上に、テラヘルツ波の伝播と同期して、離散的に照射されることを特徴とする。

好ましくは、前出のパルス光源が発生した超短パルスレーザ光を前記非線形光学結晶におけるテラヘルツ波の伝播線上に、テラヘルツ波の伝播と同期した離散的な照射は、光ファイバによって構成されていることを特徴とする。

好ましくは、前記パルス光源から発生する短パルスレーザ光を複数のパルスレーザ光に分割する光分割手段をさらに有し、前記光ファイバの伝送路は、該光分割手段が分割した超短パルスレーザ光を各々伝送して前記非線形光学結晶に向けて出射することを特徴とする。

好ましくは、前記光ファイバの伝送路の光路長を調整する長さ調整機構をさらに有し、前記長さ調整機構は、前記光ファイバが巻き回されるドラムと、該ドラムの直径を変更可能に設けられたピエゾ電気ユニットとを備え、該ピエゾ電気ユニットが前記ドラムの直径を変更することで前記光ファイバに加える長手方向の張力を変更することを特徴とする。

好ましくは、各前記光ファイバの伝送路によって伝送される超短パルスレーザ光の強度を増幅するアンプをさらに有することを特徴とする。

好ましくは、前記光ファイバは、複数の伝送路を有するマルチコアファイバによって構成されていることを特徴とする。

好ましくは、各前記伝送路の光路長は、前記マルチコアファイバの出射側端面が所定角度で研磨されることで、前記出射部の並列方向の一方側になるにつれて長くなっていることを特徴とする。

好ましくは、前記パルス光源は、各前記伝送路毎に設けられ、各前記伝送路は、対応するパルス光源から発生した超短パルスレーザ光を伝送して前記非線形光学結晶に向けて出射することを特徴とする。

好ましくは、前記パルス光源の各々には、超短パルスレーザ光の発生タイミングを調節するタイミング調節機構が設けられていることを特徴とする。

好ましくは、各前記伝送路の出射部には、該出射部の各々から出射された超短パルスレーザ光が前記テラヘルツ波の伝播線上で所定の間隔をあけて照射されるように前記超短パルスレーザ光を集光するレンズが設けられていることを特徴とする。

上記目的を達成するため、本発明の第２の観点に係るテラヘルツ波発生方法は、非線形光学結晶に対して超短パルスレーザ光を入射させることで、ノンコリニア位相整合条件を満たす方向にテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生方法であって、同一繰り返し周波数の複数の超短パルスレーザ光から構成されて離散的な波面を有するパルスレーザ光群を、非線形結晶に向けて照射し、光ファイバの伝送路を通過させることで該パルスレーザ光群を構成する各超短パルスレーザ光に時間遅延を与え、前記パルスレーザ光群の各超短パルスレーザ光を、前記テラヘルツ波の伝播線上の順次ずれた位置に時間差を持って伝播線上に到達させることを特徴とする。

好ましくは、前記パルスレーザ光群は、複数の伝送路が前記超短パルスレーザ光を各々伝送して前記非線形光学結晶に向けて出射することで構成され、前記伝播線上における各前記超短パルスレーザ光の到達位置のずれは、各前記伝送路の出射部が一方向に並列されることで生じ、前記伝播線上への各前記超短パルスレーザ光の到達時間の差は、各伝送路の光路長が、前記出射部の並列方向の一方側になるにつれて長くなっていることで生じることを特徴とする。

本発明の高強度テラヘルツ波発生装置によれば、各伝送路は、超短パルスレーザ光を各々伝送して非線形光学結晶に向けて出射するようになっていることから、複数の超短パルスレーザ光からなるパルスレーザ光群が非線形結晶に向けて進行する。そして、各伝送路の出射部は、該出射部の各々から出射された超短パルスレーザ光が非線形光学結晶におけるテラヘルツ波の伝播線上に順次ずれて照射されるように並列されていることから、前記パルスレーザ光群の各超短パルスレーザ光はテラヘルツ波の伝播線上の順次ずれた位置に照射される。さらに、各前記伝送路の光路長は、前記出射部の並列方向の一方側になるにつれて長くなっていることから、前記パルスレーザ光群の各超短パルスレーザ光は時間差を持って伝播線上に到達するようになるため、各超短パルスレーザ光を非線形結晶内に生じたテラヘルツ波に順次照射することが出来る。これにより、高強度のテラヘルツ波を発生させることが出来る。そして上述した高強度のテラヘルツ波の発生を、テラヘルツ波発生装置に複数の伝送路を設けるとともに、各伝送路の出射部の位置や伝送路の光路長を調節することで実現していることから、テラヘルツ波発生装置は簡易な構造となる。これにより、テラヘルツ波発生装置の製造コストは安価に抑えられる。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付し、その説明は繰り返さない。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係るテラヘルツ波発生装置の構成を示している。

実施の形態１に係るテラヘルツ波発生装置１は、超短パルスレーザ光源３と、分配器５と、ファイババンドル７とを備えている。

超短パルスレーザ光源３は、単一繰り返し周波数の超短パルスレーザ光を発生させる。分配器５は、超短パルスレーザ光源３と１本の光ファイバ９を介して接続されており、超短パルスレーザ光源３から出射された超短パルスレーザ光を複数の超短パルスレーザ光に分割するとともに、後述の光ファイバＦ１〜Ｆ５の伝送路の径以下にコリメートする。ファイババンドル７は、分配器５に各々接続された光ファイバＦ１〜Ｆ５が結束されたものであって、光ファイバＦ１〜Ｆ５には、分配器５によって分割及びコリメートされた超短パルスレーザ光が同時に入射する。そして、各光ファイバＦ１〜Ｆ５は、超短パルスレーザ光を伝送した後、出射部１３から非線形結晶としてのＬＮ結晶（以下、ＬＮ結晶）１５に向けて出射する。ここで本実施形態におけるテラヘルツ波発生装置１は、図１０に示した原理を利用してテラヘルツ波を発生させるものであって、各光ファイバＦ１〜Ｆ５の出射部１３の向きは、超短パルスレーザ光ＬがＬＮ結晶１５の光学軸に垂直な向きからＬＮ結晶１５に入射するように調整されている。なお、以下では、光ファイバＦ１〜Ｆ５を総称して、光ファイバＦと適宜示す。また、実施形態の説明においてはファイバの数をF１〜F５の５本で記載しているが、本数はこれ以上でも良い。

図１に示す直線Ａは、超短パルスレーザ光Ｌの入射によって、ＬＮ結晶１５に生じたテラヘルツ波がノンコリニア位相整合条件を満たす方向に進む伝播線を示している。各光ファイバＦの出射部１３は、該出射部１３から出射された超短パルスレーザ光Ｌがテラヘルツ波の伝播線Ａ上に順次ずれて照射されるように並列されている。各光ファイバＦの光路長は、出射部１３の並列方向（テラヘルツ波の伝播線Ａの方向）の一方側になるにつれて長くなっている（Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４、Ｆ５の順に長くなっている）。また、光ファイバＦの出射部１３には集光用のレンズ１７が設けられており、各レンズ１７の曲面及び位置が調節されることで、各出射部１３から出射された超短パルスレーザ光Ｌは各々ＬＮ結晶の表面に対して垂直に入射するように集光され、且つ各超短パルスレーザ光Ｌの集光点は、テラヘルツ波の伝播線Ａ上で所定の間隔をあけて位置するようになっている。

以上の構成を有するテラヘルツ波発生装置１によれば、超短パルスレーザ光源３が超短パルスレーザ光を出射するたびに、該超短パルスレーザ光は分配器５によって分割及びコリメートされて光ファイバＦ１〜Ｆ５に同時に入射する。そして該分割及びコリメートされた超短パルスレーザ光は、光ファイバＦ１〜Ｆ５の伝送路を伝送された後、出射部１３からＬＮ結晶１５に向けて出射される。この結果、複数の超短パルスレーザ光Ｌから構成されて離散的な波面を有するパルスレーザ群Ｃが、ＬＮ結晶１５に向けて進行する。

ここでパルスレーザ群Ｃを構成する各超短パルスレーザ光Ｌには、光ファイバＦの伝送路を通過したことで時間遅延が与えられている。この時間遅延は、光ファイバＦの材料の屈折率が高いことから生じたものであって、その大きさは光ファイバＦの伝送路の光路長に応じて定まる。本実施の形態では、光ファイバＦ１〜Ｆ５の伝送路の光路長が出射部１３の並列方向（テラヘルツ波の伝播線Ａの方向）の一方側になるにつれて長くなっていることから、時間遅延は、出射部１３の並列方向（テラヘルツ波の伝播線Ａの方向）の一方側寄りの光ファイバＦから出射される超短パルスレーザ光Ｌほど大きくなっている。このため、分配器５から光ファイバＦ１〜Ｆ５へ同時に超短パルスレーザ光を入射させると、パルスレーザ光群Ｃのウェブフロントは、出射部１３の並列方向（テラヘルツ波の伝播線Ａの方向）の一方側が遅れるように傾斜した状態になる。

図２は、超短パルスレーザ光ＬがＬＮ結晶１５に入射する状態を拡大して示している。
図２に示すＬ１〜Ｌ３は、一つのパルスレーザ光群Ｃに含まれる超短パルスレーザ光Ｌであって、Ｌ１は、伝送路が最も短い光ファイバＦ１を通過したことで、時間遅延が最も短い超短パルスレーザ光Ｌを示している。Ｌ２は、伝送路が２番目に短い光ファイバＦ２を通過したことで、時間遅延が２番目に短い超短パルスレーザ光Ｌを示している。Ｌ３は、伝送路が３番目に短い光ファイバＦ３を通過したことで、時間遅延が３番目に短い超短パルスレーザ光Ｌを示している。

パルスレーザ光群Ｃを構成する複数の超短パルスレーザ光Ｌのうち、ＬＮ結晶１５には、時間遅延が最も短い超短パルスレーザ光Ｌ１がはじめに到達する。この結果、ＬＮ結晶１５にパラメトリック蛍光により発生したテラヘルツ波Ｔの一部が線Ａの方向に伝播する。そして、テラヘルツ波Ｔが伝播線Ａの方向に所定距離ｄ１分進行すると、この進行した位置に時間遅延が２番目に短い超短パルスレーザ光Ｌ２が照射されて、パラメトリック相互作用によるパラメトリック増幅が生じる。この結果、テラヘルツ波Ｔの強度は増幅される。さらにテラヘルツ波Ｔが、伝播線Ａの方向に所定距離ｄ２分進行すると、この進行した位置に時間遅延が３番目に短い超短パルスレーザ光Ｌ３が到達して、再びテラヘルツ波Ｔの強度は増幅される。この強度の増進は、最も長い時間遅延が与えられた超短パルスレーザ光ＬがＬＮ結晶１５に到達するまで繰り返される。この結果、テラヘルツ波Ｔは高強度になる。

なおテラヘルツ波がＬＮ結晶１５内を伝播していく過程では、テラヘルツ波がＬＮ結晶１５に吸収される現象が生じる。このため、本実施の形態では、前記吸収量よりもテラヘルツ波の強度増進の度合い（ゲイン）が大きくなるように、超短パルスレーザ光源３が発生するレーザ光のパルス幅や、パルスレーザ光群Ｃにおける超短パルスレーザ光Ｌの間隔が調節されている。

本実施の形態によれば、複数の超短パルスレーザ光Ｌからなるパルスレーザ光群ＣがＬＮ結晶１５に向けて進行するとともに、該パルスレーザ光群Ｃの各超短パルスレーザ光Ｌがテラヘルツ波の伝播線Ａ上の順次ずれた位置に時間差を持って到達するようになるため、各超短パルスレーザ光ＬをＬＮ結晶１５内に生じたテラヘルツ波に順次照射することが出来る。これにより、高強度のテラヘルツ波を発生させることが出来る。そして、このことを、テラヘルツ波発生装置１に複数の光ファイバＦを設けるとともに、各光ファイバＦの出射部１３の位置や伝送路の光路長を調節することで実現していることから、テラヘルツ波発生装置１の製造コストは安価に抑えられる。

また、各光ファイバＦの伝送路の光路長や出射部１３の位置を調節することで、パルスレーザ光群Ｃの各超短パルスレーザ光Ｌが、テラヘルツ波の伝播線Ａ上に到達する時間や位置を調節出来る。これにより、ＬＮ結晶１５の形状や、ＬＮ結晶１５とテラヘルツ波発生装置１との相対位置を任意に設定することが出来る。

また、レンズ１７の曲面及び位置を調節することで、各光ファイバＦから出射された超短パルスレーザ光Ｌを所望の位置に集光させることが可能になる。これにより、テラヘルツ波を各光ファイバＦから出射された超短パルスレーザ光Ｌによって確実に増幅させることが出来る。これにより、確実に高強度のテラヘルツ波を発生させることが出来る。

なお本実施の形態では、レンズ１７は省略されてもよい。この場合においても、ビーム状の超短パルスレーザ光Ｌがテラヘルツ波に順次照射されるように、パルスレーザ光群Ｃのウェブフロントを傾斜させる（パルスレーザ光群Ｃの各超短パルスレーザ光Ｌに時間遅延を与える）ことで、テラヘルツ波の強度は増幅され得る。

（実施の形態２）
図３は、実施の形態２に係るテラヘルツ波発生装置２０の構成を示すブロック図である。実施の形態２は、実施の形態１における超短パルスレーザ光源３及び分配器５の代わりに、超短パルスファイバレーザ光源２１及び分配器２３が設けられている。以下、実施の形態１との相違点について説明する。

超短パルスファイバレーザパルス光源２１は、単一繰り返し周波数の超短パルスレーザ光を発生するとともに、発生した超短パルスレーザ光が光ファイバＦの伝送路の径以下になるようにコリメートする。分配器２３は、超短パルスファイバレーザ光源２１と１本の光ファイバ１０を介して接続されており、超短パルスファイバレーザ光源２１から出射された超短パルスレーザ光を複数の超短パルスレーザ光に分割するとともに、分割した超短パルスレーザ光を各光ファイバＦへ同時に出射する。本実施の形態においても、実施の形態１のように、各光ファイバＦの伝送路の光路長や出射部１３の位置、さらにはレンズ１７の曲面及び位置が調整されることで、実施の形態１と同様の効果が発揮される。

（実施の形態３）
図４は、実施の形態３に係るテラヘルツ波発生装置３０の構成を示すブロック図である。実施の形態３は、実施の形態１に、光ファイバＦの伝送路の光路長を調整する長さ調整機構３１を追加したものである。以下、実施の形態１との相違点について説明する。

長さ調整機構３１は、光ファイバＦ１〜Ｆ５の各々が巻き回されるドラム（図示せず）と、各ドラムの直径を変更可能に設けられたピエゾ電気ユニット（図示せず）とを備え、前記ドラムの直径の変更により光ファイバＦ１〜Ｆ５に加える長手方向の張力を変更するようになっている。

本実施の形態によれば、長さ調整機構３１を作動させて光ファイバＦ１〜Ｆ５に加える長手方向の張力を変更することで、光ファイバＦ１〜Ｆ５の長さが変わってくることから、光ファイバＦ１〜Ｆ５の伝送路の光路長を所望の長さに調整することが出来る。これにより、光ファイバＦ１〜Ｆ５から出射される出射される超短パルスレーザ光Ｌに与える時間遅延をより大きな範囲で設定することが出来る。これにより、光ファイバＦ１〜Ｆ５から出射される各超短パルスレーザ光Ｌは確実にテラヘルツ波に照射されるようになる。

なお、より好ましくは、ピエゾ電気ユニットは、コンピュータ（図示せず）に接続され、該コンピュータからの信号に基づきドラムの直径を変更するように設けられる。この場合、コンピュータは、テラヘルツ波の強度を測定するセンサ（図示せず）と電気的に接続され、該センサの計測値に基づきドラムの直径の変更量を算出する。そしてコンピュータは、かかる量の変更をドラムに生じさせるための信号をピエゾ素子に送信する。このようにすることで、現実のテラヘルツ波の発生強度に基づき光ファイバＦ１〜Ｆ５の伝送路の光路長が調整されるので、テラヘルツ波の発生強度を所望の値に調整することが出来る。

（実施の形態４）
図５は、実施の形態４に係るテラヘルツ波発生装置４０の構成を示すブロック図である。実施の形態４は、パルスレーザ光群Ｃを構成する各超短パルスレーザ光Ｌを異なるレーザ光源によって発生させたものである。以下、実施の形態１との相違点について説明する。

実施の形態４では、図１に示した分配器５は省略され、超短パルスレーザ光源３は、ファイババンドル７の各光ファイバＦ毎に設けられている。各光ファイバＦは、対応する超短パルスレーザ光源３が発生した超短パルスレーザ光を伝送した後、ＬＮ結晶１５に向けて出射するようになっている。

また超短パルスレーザ光源３の各々にはレーザ光の発生タイミングを調節するタイミング調節機構４１が接続されている。該タイミング調整機構４１の作動により、各超短パルスレーザ光源３は、各々対応する光ファイバＦへ同時に超短パルスレーザ光を入射する。

本実施の形態によれば、分配器５を設けることなく、各光ファイバＦ内に同時に超短パルスレーザ光を入射させることが出来る。

なお本実施の形態のように、超短パルスレーザ光源３を複数設ける場合には、光ファイバＦの伝送路の光路長は一律に設定されてもよい。この場合、各超短パルスレーザ光源３のレーザ光の発生タイミングを順次適宜な間隔でずらしていくことで、パルスレーザ光群Ｃのウェブフロントに所望の傾斜を付けることが可能になる。タイミング調整機構４１はそれぞれの装置がパソコンにより制御され、それぞれの超短パルス光源３の光パルス出射タイミングを所望の時間に調整できる。

（実施の形態５）
図６は、実施の形態５に係るテラヘルツ波発生装置５０の構成を示すブロック図である。実施の形態５におけるテラヘルツ波発生装置５０は、実施の形態１に後述の高出力アンプ５１を追加したものである。以下、実施の形態１と相違する点について説明する。

実施の形態５では、各光ファイバＦの伝送路を通過する超短パルスレーザ光の出力を高める高出力アンプ５１が設けられている。

本実施の形態によれば、高出力アンプ５１によって強度が高められた超短パルスレーザ光Ｌが各光ファイバＦからＬＮ結晶１５に向けて出射される。このため、各光ファイバＦから出射された超短パルスレーザ光Ｌがテラヘルツ波に照射された際に、テラヘルツ波に生じる強度増進の度合いを大きくすることが出来るため、より強度の高いテラヘルツ波を発生させることが可能になる。

図７は本実施の形態における変形例を示している。本変形例におけるテラヘルツ波発生装置５３では、実施の形態３で述べた長さ調節機構３１が、高出力アンプ５１の前段に位置するように光ファイバＦ１〜Ｆ５に対して設けられている。この変形例によれば、長さ調整機構３１に光ファイバＦ１〜Ｆ５の光路長を調整させることで、高出力アンプ５１によって強度が高められた超短パルスレーザ光Ｌに所望の時間遅延を与えることが出来る。これにより、高強度の超短パルスレーザ光Ｌが確実にテラヘルツ波に照射されるようになるので、より強度の高いテラヘルツ波を発生させることが可能になる。

（実施の形態６）
図８は、実施の形態６に係るテラヘルツ波発生装置６０の構成を示すブロック図である。実施の形態６におけるテラヘルツ波発生装置６０は、図１に示した分配器５及びファイババンドル７に代えて、結合器６１及びマルチコアファイバ６３を設けたものである。以下、実施の形態１と相違する点について説明する。

結合器６１は、光ファイバ６５を介して超短パルスレーザ光源３と接続されており、超短パルスレーザ光源３から出射された超短パルスレーザ光の強度を均一にする。

マルチコアファイバ６３は、複数の伝送路６７と、該複数の伝送路６７を被覆するクラッド部（符号付さず）とから構成されている。各伝送路６７は、結合器６１の出射部と直接接続されており、各伝送路６７には、結合器６１によって強度が均一にされた超短パルスレーザ光が同時に入射するようになっている。

また各伝送路６７の出射部６９の向きは、該出射部６９から出射された超短パルスレーザ光ＬがＬＮ結晶１５の光学軸に垂直な向きからＬＮ結晶１５に入射するように調整されている。また各伝送路６７の出射部６９は、該出射部６９から出射された超短パルスレーザ光Ｌがテラヘルツ波の伝播線Ａ上に順次ずれて照射されるように並列されている。また、各伝送路６７の光路長は、マルチコアファイバ６３の出射側端面が所定の斜度に研磨されていることで出射部６９の並列方向（テラヘルツ波の伝播線Ａの方向）の一方側になるにつれて長くなっている。また各出射部６９には、集光用のレンズ７１が設けられており、各レンズ７１の曲面及び位置が調節されることで、各出射部６９から出射された超短パルスレーザ光Ｌは、ＬＮ結晶１５の表面に対して垂直に入射するように集光され、且つ各超短パルスレーザ光Ｌの集光点は、テラヘルツ波の伝播線Ａ上で所定の間隔をあけて位置するようになっている。

本実施の形態によれば、超短パルスレーザ光源３が超短パルスレーザ光Ｌを出射するたびに、該超短パルスレーザ光Ｌは結合器６１によって強度が均一にされてマルチコアファイバ６３の各伝送路６７に同時に入射する。そして各伝送路６７に入射した超短パルスレーザ光Ｌは、出射部６９からＬＮ結晶１５に向けて出射される。この結果、実施の形態１と同様、複数の超短パルスレーザ光Ｌから構成されて離散的な波面を有するパルスレーザ群Ｃが、ＬＮ結晶１５に向けて進行する。そして、マルチコアファイバ６３の各伝送路６７の光路長が出射部６９の並列方向（テラヘルツ波の伝播線Ａの方向）の一方側になるにつれて長くなっていることから、パルスレーザ光群Ｃのウェブフロントは、出射部６９の並列方向（テラヘルツ波の伝播線Ａの方向）の一方側が遅れるように傾斜した状態になる。この結果、パルスレーザ光群Ｃの各超短パルスレーザ光Ｌがテラヘルツ波の伝播線Ａ上の順次ずれた位置に時間差を持って到達するようになるため、実施の形態１と同様、各超短パルスレーザ光Ｌをテラヘルツ波に繰り返し照射することが出来る。これにより、ＬＮ結晶１５内に高強度のテラヘルツ波を発生させることが出来る。そして、このことを、マルチコアファイバ６３を設けるとともに、マルチコアファイバ６３における各伝送路６７の光路長や各伝送路６７の出射部６９の位置を調節することで実現していることから、テラヘルツ波発生装置６０の製造コストは安価に抑えられる。

また、各伝送路６７の出射部６９の位置を調節したり、各伝送路６７の光路長を調節すべくマルチコアファイバ６３の出射側端面の研磨斜度を調節することで、パルスレーザ光群Ｃの各超短パルスレーザ光Ｌがテラヘルツ波の伝播線Ａ上に照射される位置や到達する時間を調節出来る。これにより、ＬＮ結晶１５の形状や、ＬＮ結晶１５とテラヘルツ波発生装置６０との相対位置を任意に設定することが出来る。

また、レンズ７１の曲面及び位置を調節することで、各伝送路６７から出射されたパルスレーザ光Ｌを所望の位置に集光させることが可能になるため、確実に高強度のテラヘルツ波を発生させることが出来る。

図９は本実施の形態における変形例を示している。本変形例のテラヘルツ波発生装置７３では、マルチコアファイバ６３の各伝送路６７は、結合器６１の出射部とそれぞれ光ファイバ７５を介して接続されており、この光ファイバ７５を介して結合器６１から超短パルスレーザ光が入射するようになっている。そしてテラヘルツ波発生装置７３では、各光ファイバ７５に対して結合器６１の後段の位置に実施の形態３で示した長さ調整機構３１が設けられている。

本変形例によれば、長さ調整機構３１に各光ファイバ７５の光路長を調整させることで、各伝送路６７から出射される超短パルスレーザ光Ｌに与える時間遅延をより大きな範囲で設定することが出来る。これにより、各伝送路６７から出射される各超短パルスレーザ光Ｌは確実にテラヘルツ波に照射されるようになる。

なお本実施の形態では、超短パルスレーザ光源３は、マルチコアファイバ６３の各伝送路６７毎に設けられてもよい。この場合、各伝送路６７は、光ファイバを介して超短パルスレーザ光源３と接続されて、超短パルスレーザ光源３からの超短パルスレーザ光が入射される。またこの場合には、各超短パルスレーザ光源に図５に示したタイミング調整機構４１が接続されることが好ましい。これにより、マルチコアファイバ６３の各伝送路６７内に各超短パルスレーザ光源が発生した超短パルスレーザ光を同時に入射させることが出来る。

この発明は、高強度のテラヘルツ波を発生させる装置であり、多層からなる自動車の膜厚の測定等に利用でき、産業上の利用可能性 が極めて高いものである。

本発明の実施の形態１に係るテラヘルツ波発生装置の構成を示すブロック図である。 超短パルスレーザ光群がＬＮ結晶に入射する状態を拡大して示す図である。 本発明の実施の形態２に係るテラヘルツ波発生装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態３に係るテラヘルツ波発生装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態４に係るテラヘルツ波発生装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態５に係るテラヘルツ波発生装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態５における変形例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態６に係るテラヘルツ波発生装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態６における変形例を示すブロック図である。 テラヘルツ波発生方法の発生原理を示す図である。

符号の説明

１、２０、３０、４０、５０、５３、６０、７３ テラヘルツ波発生装置
３ 超短パルスレーザ光源
５、２３ 分配器
１３、６９ 出射部
１５ ＬＮ結晶
１７、７１ レンズ
２１ 超短パルスファイバレーザ光源
３１ 長さ調整機構
４１ タイミング調節機構
５１ 高出力アンプ
６３ マルチコアファイバ
Ａ テラヘルツ波の伝播線
Ｃ パルスレーザ光群
Ｆ１〜Ｆ５ 光ファイバ
Ｌ 超短パルスレーザ光

Claims (11)

1. 非線形光学結晶に対して超短パルスレーザ光を入射させることで、ノンコリニア位相整合条件を満たす方向にテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生装置であって、
   前記超短パルスレーザ光を発生するパルス光源を有し、
   該パルス光源から発生した超短パルスレーザ光は、光ファイバの伝送路を通過することで時間遅延が与えられるとともに、前記非線形光学結晶におけるテラヘルツ波の伝播線上に、テラヘルツ波の伝播と同期して、離散的に照射されることを特徴とするテラへルツ波発生装置。
2. 前出のパルス光源が発生した超短パルスレーザ光を前記非線形光学結晶におけるテラヘルツ波の伝播線上に、テラヘルツ波の伝播と同期した離散的な照射は、光ファイバによって構成され、
   前記パルス光源から発生する超短パルスレーザ光を複数の超短パルスレーザ光に分割する光分割手段をさらに有し、
   前記光ファイバの伝送路は、該光分割手段が分割した超短パルスレーザ光を各々伝送して前記非線形光学結晶に向けて出射す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。
3. 前記光ファイバの伝送路の光路長を調整する長さ調整機構をさらに有し、
   前記長さ調整機構は、各前記光ファイバが巻き回されるドラムと、該ドラムの直径を変更可能に設けられたピエゾ電気ユニットとを備え、該ピエゾ電気ユニットが前記ドラムの直径を変更することで前記光ファイバに加える長手方向の張力を変更することを特徴とする請求項２に記載のテラヘルツ波発生装置。
4. 各前記光ファイバの伝送路によって伝送される超短パルスレーザ光の強度を増幅するアンプをさらに有することを特徴とする請求項２又は３に記載のテラヘルツ波発生装置。
5. 前記光ファイバは、複数の伝送路を有するマルチコアファイバによって構成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のテラへルツ波発生装置。
6. 各前記伝送路の光路長は、前記マルチコアファイバの出射側端面が所定角度で研磨されることで、前記出射部の並列方向の一方側になるにつれて長くなっていることを特徴とする請求項５に記載のテラへルツ波発生装置。
7. 前記パルス光源は、各前記伝送路毎に設けられ、
   各前記伝送路は、対応する超短パルス光源から発生した超短パルスレーザ光を伝送して前記非線形光学結晶に向けて出射することを特徴とする請求項５又は６に記載のテラヘルツ波発生装置。
8. 前記パルス光源の各々には、超短パルスレーザ光の発生タイミングを調節するタイミング調節機構が設けられていることを特徴とする請求項７に記載のテラヘルツ波発生装置。
9. 各前記伝送路の出射部には、該出射部の各々から出射された超短パルスレーザ光が前記テラヘルツ波の伝播線上で所定の間隔をあけて照射されるように前記超短パルスレーザ光を集光するレンズが設けられていることを特徴とする請求項８に記載のテラヘルツ波発生装置。
10. 非線形光学結晶に対して超短パルスレーザ光を入射させることで、ノンコリニア位相整合条件を満たす方向にテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生方法であって、
    同一繰り返し周波数の複数の超短パルスレーザ光から構成されて離散的な波面を有するパルスレーザ光群を、非線形結晶に向けて照射し、光ファイバの伝送路を通過させることで該パルスレーザ光群を構成する各超短パルスレーザ光に時間遅延を与え、
    前記パルスレーザ光群の各超短パルスレーザ光を、前記テラヘルツ波の伝播線上の順次ずれた位置に時間差を持って伝播線上に到達させる
    ことを特徴とするテラヘルツ波発生方法。
11. 前記パルスレーザ光群は、複数の伝送路が前記超短パルスレーザ光を各々伝送して前記非線形光学結晶に向けて出射することで構成され、
    前記伝播線上における各前記超短パルスレーザ光の到達位置のずれは、各前記伝送路の出射部が一方向に並列されることで生じ、
    前記伝播線上への各前記超短パルスレーザ光の到達時間の差は、各伝送路の光路長が、前記出射部の並列方向の一方側になるにつれて長くなっていることで生じる
    ことを特徴とする請求項１０に記載のテラヘルツ波発生方法。

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