JP5376366B2 - Electromagnetic wave generating apparatus and electromagnetic wave generating method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electromagnetic wave generating device which has a simple and inexpensive structure and generates pulse train laser light, a terahertz wave, or a millimeter wave, and to provide an electromagnetic wave generating method. <P>SOLUTION: The electromagnetic wave generating device includes a spatially distributed pulse train converting device 20 and a condenser lens 26. The spatially distributed pulse train converting device 20 has first and second mirrors 22, 24, and the first mirror 22 has first and second reflecting surfaces 22a, 22b having a step portion on a boundary line 23 where a part of a surface 22a side body and a part of a surface 22b side body come into contact with each other. The spatially distributed pulse train converting device 20 converts pulsed laser light of incident femtosecond laser pulses or picosecond laser pulses into spatially distributed pulse train laser light 3 composed of a plurality of spatially distributed pulse laser lights with time differences proportional to level difference intervals through reflection by the reflecting surfaces 22a, 22b across the boundary line 23. The condenser lens 26 converges the spatially distributed pulse train laser light 3 to generate pulse train laser light 4 on same axis composed of a plurality of pulse laser lights which are on the same axis at temporally equal intervals. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、パルス列レーザー光、テラヘルツ波またはミリ波を発生させる電磁波発生装置および電磁波発生方法に関する。   The present invention relates to an electromagnetic wave generating apparatus and an electromagnetic wave generating method for generating pulse train laser light, terahertz waves or millimeter waves.

電磁波とは、電磁場の周期的な変化が波動として伝播するものであり、電磁場の周期的な変化が波動として伝播するものは、すべて電磁波に含まれる。
また、特に本出願において、波長が10−7m(0.1μm)〜10−2m(10mm)のパルスレーザー光、パルス列レーザー光、テラヘルツ波およびミリ波の電磁波を対象とする。
なお、近赤外(波長800nm)のフェムト秒レーザー光、可視光のフェムト秒レーザーも含め、レーザー発光するものは全ての波長において、本出願における電磁波に含まれる。
An electromagnetic wave is one in which a periodic change in the electromagnetic field propagates as a wave, and anything in which a periodic change in the electromagnetic field propagates as a wave is included in the electromagnetic wave.
In particular, in the present application, a pulse laser beam, a pulse train laser beam, a terahertz wave, and a millimeter wave electromagnetic wave having a wavelength of 10 −7 m (0.1 μm) to 10 −2 m (10 mm) are targeted.
In addition, what emits laser light including femtosecond laser light of near infrared (wavelength 800 nm) and femtosecond laser of visible light is included in the electromagnetic wave in the present application at all wavelengths.

テラヘルツ波(THz波)の周波数は、0.3〜10THzであり、ν(周波数)=c(光速)/λ(波長)の関係式より、波長に換算すると、波長は1mm〜30μmである。
テラヘルツ波は、電波と光波の中間領域に当たる電磁波であり、電波のように紙やプラスティック等様々な物質に対して透過性を持ち、同時に光のように適度な空間分解能も兼ね備える。さらに、物質によって固有の吸収スペクトルを有することから、例えば分光測定により、小包などに隠された物質の種類を同定し、爆発物などの危険物を検知するような応用が期待できる。これを実現するには、様々な周波数で同調するテラヘルツ波の発生装置が不可欠である。
The frequency of the terahertz wave (THz wave) is 0.3 to 10 THz, and the wavelength is 1 mm to 30 μm when converted into the wavelength from the relational expression ν (frequency) = c (speed of light) / λ (wavelength).
A terahertz wave is an electromagnetic wave that strikes an intermediate region between radio waves and light waves, and has transparency to various substances such as paper and plastic like radio waves, and at the same time has an appropriate spatial resolution like light. Furthermore, since the substance has an intrinsic absorption spectrum, it can be expected to be applied to detect dangerous substances such as explosives by identifying the type of the substance hidden in a parcel or the like by spectroscopic measurement, for example. To achieve this, a terahertz wave generator that is tuned at various frequencies is indispensable.

フェムト秒レーザー光を非線形光学素子に照射し、分光測定に適したテラヘルツ波を発生させる手段に関しては、例えば、特許文献1、2及び非特許文献1〜3に開示されている。   For example, Patent Documents 1 and 2 and Non-Patent Documents 1 to 3 disclose means for generating a terahertz wave suitable for spectroscopic measurement by irradiating a non-linear optical element with femtosecond laser light.

特許文献1と非特許文献1は、空間位相変調器を用いたフェムト秒レーザーパルス列の生成と単一周波数発生手段を開示している。
広帯域光パルスの位相スペクトルに変調を加えることにより、可変な複数の波長におけるパルス列を発生させることができる。この原理を利用して生成した等間隔のフェムト秒パルス列を非線形光学素子に照射させると、テラヘルツ波パルスが連続波の波形を形成する。したがって、テラヘルツ波パルス間隔を周期とする周波数成分が強く発生する。この手段は、フェムト秒パルス列の時間間隔とパルス数を自由に変えられる利点がある。
Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 disclose generation of a femtosecond laser pulse train using a spatial phase modulator and single frequency generation means.
By modulating the phase spectrum of the broadband optical pulse, a pulse train at a plurality of variable wavelengths can be generated. When a non-linear optical element is irradiated with an equidistant femtosecond pulse train generated using this principle, a terahertz wave pulse forms a continuous wave waveform. Therefore, a frequency component having a period of the terahertz wave pulse interval is strongly generated. This means has an advantage that the time interval and the number of pulses of the femtosecond pulse train can be freely changed.

非特許文献2は、複屈折結晶の複屈折性を用いたフェムト秒パルス列の生成と単一周波数発生手段を開示している。
フェムト秒レーザー光を複屈折結晶に透過させると、その複屈折性により、異なる偏光方向のフェムト秒レーザーパルス間に時間遅延が生じる。この原理を用いて、時間的に等間隔のパルス列を生成し、単一周波数のテラヘルツ波を発生させることができる。しかし、この手段では、フェムト秒パルス列の時間間隔を変えるためには、結晶の長さが異なる複屈折性結晶を必要とする。
Non-Patent Document 2 discloses generation of a femtosecond pulse train using a birefringence of a birefringent crystal and a single frequency generating means.
When femtosecond laser light is transmitted through a birefringent crystal, a time delay occurs between femtosecond laser pulses of different polarization directions due to the birefringence. Using this principle, it is possible to generate a pulse train that is equally spaced in time and generate a single-frequency terahertz wave. However, this means requires birefringent crystals having different crystal lengths in order to change the time interval of the femtosecond pulse train.

非特許文献3では、空間分散ビームの差周波混合を用いた単一周波数発生手段を開示している。
フェムト秒レーザー光を回折格子に照射することによって、空間的に分散を与えた楕円形のビーム(空間分散ビーム)を生成し、それを二つに分ける。一つのビームを空間的にシフトさせた状態で2つのビームを重ねて非線形光学素子に照射することでテラヘルツ波を発生させる。このとき、2つの光の波長差はほぼ一定となるので、差周波混合により単一周波数のテラヘルツ波が発生する。また、片方の空間分散ビームを空間的にシフトさせる値を変化させることによって、テラヘルツ波の周波数同調が可能である。
Non-Patent Document 3 discloses a single frequency generating means using difference frequency mixing of spatially dispersed beams.
By irradiating the diffraction grating with femtosecond laser light, a spatially dispersed elliptical beam (spatial dispersion beam) is generated and divided into two. A terahertz wave is generated by irradiating a nonlinear optical element by superimposing two beams while spatially shifting one beam. At this time, since the wavelength difference between the two lights is substantially constant, a single frequency terahertz wave is generated by the difference frequency mixing. Also, frequency tuning of the terahertz wave is possible by changing a value for spatially shifting one of the spatially dispersed beams.

特許文献2は、単一のフェムト秒レーザーパルスによる広帯域発生手段を開示している。これは広帯域のフェムト秒パルスレーザーを用いて、広帯域のテラヘルツ波パルスを発生させる手段である。   Patent Document 2 discloses a broadband generation means using a single femtosecond laser pulse. This is a means for generating a broadband terahertz wave pulse using a broadband femtosecond pulse laser.

特開2001−174764号公報JP 2001-174664 A 特開2002−223017号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2002-2223017

J.Ahn, A.V.Efimov, R.D.Averitt, A.J.Taylor,“Terahertz waveform synthesis via optical rectification of shaped ultrafast laser pulses”Opt.Express 11,(2003.10.6)J. et al. Ahn, A.A. V. Efimov, R.M. D. Averitt, A.A. J. et al. Taylor, “Terahertz waveform synthesis via optical rectification of shaped ultralaser pulses” Opt. Express 11, (2003.10.6) Froberg, N.M.Bin Bin Hu, Xi−Cheng Zhang, Auston,D.H,“Terahertz radiation from a photoconducting antenna array”IEEE J.Quantum Elecctron 2291−2301(1992.10)Froberg, N.M. M.M. Bin Bin Hu, Xi-Chang Zhang, Austin, D.B. H, “Terahertz radiation from a photoducting antenna array” IEEE J. Quantum Electron 2291-2301 (1992.10) Ken−ichiro Maki,Chiko Otani,“Terahertz beam steering and frequency tuning by using the spatial dispersion of ultrafast laser pulses”Opt.Express 16,10158−10169(2008.7.7)Ken-ichiro Maki, Chiko Otani, “Terahertz beam steering and frequency tuning the use of the spatial dispersal of ultrafast lasers. Express 16, 10158-10169 (2008.7.7)

上述した空間位相変調器を用いたフェムト秒パルス列生成および単一周波数のテラヘルツ波発生方法(特許文献1と非特許文献1)は、市販化されている空間光変調器が、二百万円程度と高価であることや、位相変調する液晶画素の表示切替速度に依存するため応答速度が遅い(数十Hz程度)という問題点がある。また、二つの回折格子と空間光変調器(SLM)を使用するため、レーザー光強度が低下し、テラヘルツ波の出力が低下する問題点もある。   The femtosecond pulse train generation and single-frequency terahertz wave generation methods (Patent Document 1 and Non-Patent Document 1) using the spatial phase modulator described above are about 2 million yen in commercially available spatial light modulators. There is a problem that the response speed is slow (about several tens of Hz) because it depends on the display switching speed of the liquid crystal pixel to be phase-modulated. In addition, since two diffraction gratings and a spatial light modulator (SLM) are used, there is a problem that the laser light intensity is lowered and the output of the terahertz wave is lowered.

上述した複屈折結晶を用いた手段(非特許文献2)は、結晶の長さによって発生するテラヘルツ波の周波数が一意に決まる。そのため、所望の周波数に同調するためには、所定の長さの複屈折性結晶を準備しなければならない。したがって、任意の周波数に周波数同調することは、実質的に不可能である。さらに、結晶を透過することによってパルス幅が拡がり、レーザー光の尖頭値の値が低下するので、テラヘルツ波の信号強度の低下を防ぐために分散補償が必要になるという問題がある。   In the means using the above-described birefringent crystal (Non-Patent Document 2), the frequency of the terahertz wave generated by the length of the crystal is uniquely determined. Therefore, in order to tune to a desired frequency, a birefringent crystal having a predetermined length must be prepared. Therefore, frequency tuning to an arbitrary frequency is virtually impossible. Furthermore, there is a problem that dispersion compensation is necessary to prevent a decrease in the signal intensity of the terahertz wave because the pulse width is expanded by passing through the crystal and the peak value of the laser beam is reduced.

上述した空間分散ビームの差周波混合を用いた手段(非特許文献3)は、空間分散ビーム形成のためにフェムト秒パルスの尖頭値の値が低下する問題点がある。また、テラヘルツ波発生は二次の非線形光学効果を利用するので、その出力はレーザー光強度の二乗に比例する。したがって、テラヘルツ波の出力が低下する欠点がある。   The above-described means using the difference frequency mixing of the spatially dispersed beam (Non-patent Document 3) has a problem that the peak value of the femtosecond pulse is lowered due to the formation of the spatially dispersed beam. In addition, since the terahertz wave generation uses a second-order nonlinear optical effect, the output is proportional to the square of the laser light intensity. Therefore, there is a drawback that the output of the terahertz wave is reduced.

上述した単一のフェムト秒レーザーパルスによる広帯域発生手段(特許文献2)は、測定した短パルスのテラヘルツ波の時間波形をフーリエ変換することによって、様々な周波数成分の情報を得ることができる。しかし、一つのテラヘルツパルスに全ての周波数成分を含んでいるため、特定の周波数領域の高分解分光測定には使用できない。   The above-described broadband generation means (Patent Document 2) using a single femtosecond laser pulse can obtain information on various frequency components by performing Fourier transform on the time waveform of the measured short pulse terahertz wave. However, since all frequency components are included in one terahertz pulse, it cannot be used for high-resolution spectroscopic measurement in a specific frequency region.

本発明は、これらの問題点の少なくとも一部を改善するためになされたものである。本発明の実施例の目的は、例えば、簡易かつ安価な構造で、パルス列レーザー光、テラヘルツ波またはミリ波を発生させることができる電磁波発生装置と電磁波発生方法を提供することにある。   The present invention has been made to improve at least some of these problems. An object of an embodiment of the present invention is to provide an electromagnetic wave generating apparatus and an electromagnetic wave generating method capable of generating pulse train laser light, terahertz waves, or millimeter waves, for example, with a simple and inexpensive structure.

本発明の一実施態様の電磁波発生装置は、以下の特徴点を有する。
(1)互いに対向して配置された第1および第2のミラーを有し、該第1のミラーは、互いにその一部で密接する境界線を跨いで段差部を有する第1と第2の反射面を有し、前記第1および第2のミラーの間に入射するフェムト秒レーザーパルス又はピコ秒レーザーパルスのパルスレーザー光を、前記境界線を跨ぐ前記第1と第2の反射面での反射により第1と第2の反射面の段差間隔に比例する時間差で空間的に分布した複数のパルスレーザー光からなる空間分布パルス列レーザー光に変換する空間分布パルス列変換装置と、
前記空間分布パルス列レーザー光を集光して同軸上に時間的に等間隔な複数のパルスレーザー光からなる同軸パルス列レーザー光を生成する集光レンズとを備えることを特徴とする。
The electromagnetic wave generator of one embodiment of the present invention has the following characteristic points.
(1) It has the 1st and 2nd mirror arrange | positioned facing each other, and this 1st mirror has 1st and 2nd which has a level | step-difference part straddling the boundary line which mutually closes in part A pulse laser beam of a femtosecond laser pulse or a picosecond laser pulse that has a reflecting surface and is incident between the first and second mirrors is reflected on the first and second reflecting surfaces across the boundary line. A spatial distribution pulse train conversion device for converting into a spatial distribution pulse train laser beam composed of a plurality of pulse laser beams spatially distributed with a time difference proportional to the step interval between the first and second reflecting surfaces by reflection;
And a condensing lens that collects the spatially-distributed pulse train laser light and generates coaxial pulse train laser light composed of a plurality of pulse laser lights that are equidistant in time on the same axis.

(2)また、本発明の実施態様として、本発明の電磁波発生装置は、前記フェムト秒レーザーパルス又はピコ秒レーザーパルスのパルスレーザー光を出力するパルスレーザー装置を備える。
(3)また、前記電磁波は、パルス列レーザー光、テラヘルツ波またはミリ波である。
(4)さらに、前記同軸パルス列レーザー光から周波数帯域の狭いテラヘルツ波またはミリ波を発生させる光伝導アンテナ又は非線形光学結晶を備える。
(5)また、前記第1のミラーの第1と第2の反射面の一方又は両方をその反射面に直交する方向に連続的に移動し、境界線における段差間隔を変化させるパルス間隔調整装置を備え、
これにより前記同軸パルス列レーザー光の時間間隔を連続的に変化させる。
(2) Moreover, as an embodiment of the present invention, an electromagnetic wave generator of the present invention includes a pulse laser device that outputs a pulse laser beam of the femtosecond laser pulse or the picosecond laser pulse.
(3) The electromagnetic waves are pulse train laser light, terahertz waves, or millimeter waves.
(4) Further, a photoconductive antenna or a nonlinear optical crystal that generates a terahertz wave or a millimeter wave having a narrow frequency band from the coaxial pulse train laser light is provided.
(5) In addition, a pulse interval adjusting device that continuously moves one or both of the first and second reflecting surfaces of the first mirror in a direction orthogonal to the reflecting surface to change the step interval on the boundary line. With
Thereby, the time interval of the coaxial pulse train laser beam is continuously changed.

(6)本発明の一実施態様において、前記第1と第2の反射面上において、境界線方向をy軸、これに直交する方向をz軸、前記反射面に直交する方向をx軸とする3次元空間において、
前記第2のミラーの反射面は、xz平面およびxy平面において、前記第1と第2の反射面に平行であり、
前記パルスレーザー光は、少なくともx軸に対し傾斜して前記第1および第2のミラーの間に入射する。
(7)また、本発明の別の実施態様において、前記第1と第2の反射面上において、境界線方向をy軸、これに直交する方向をz軸、前記反射面に直交する方向をx軸とする3次元空間において、
前記第2のミラーの反射面は、xz平面において前記第1と第2の反射面と平行であり、かつxy平面において、前記第1と第2の反射面と非平行である。
(8)さらに、本発明の別の実施態様において、前記第2のミラーは、互いにその一部で密接する境界線を跨いで段差部を有する第3と第4の反射面を有する。
(6) In one embodiment of the present invention, on the first and second reflection surfaces, a boundary line direction is a y-axis, a direction perpendicular to the boundary direction is a z-axis, and a direction orthogonal to the reflection surface is an x-axis. In a three-dimensional space
The reflecting surface of the second mirror is parallel to the first and second reflecting surfaces in the xz plane and the xy plane,
The pulse laser beam is incident between the first and second mirrors at least with respect to the x-axis.
(7) In another embodiment of the present invention, on the first and second reflecting surfaces, a boundary line direction is a y-axis, a direction orthogonal to the z-axis is a direction orthogonal to the reflecting surface, In a three-dimensional space with x-axis,
The reflective surface of the second mirror is parallel to the first and second reflective surfaces in the xz plane and non-parallel to the first and second reflective surfaces in the xy plane.
(8) Furthermore, in another embodiment of the present invention, the second mirror has third and fourth reflecting surfaces having step portions straddling a boundary line in close contact with each other.

また本発明の一実施態様の電磁波発生方法は、以下の特徴点を有する。
(9)互いに対向して配置された第1および第2のミラーを準備し、該第1のミラーに、互いにその一部で密接する境界線を跨いで段差部を有する第1と第2の反射面を設け、
前記第1および第2のミラーの間にフェムト秒レーザーパルス又はピコ秒レーザーパルスのパルスレーザー光を入射させ、該パルスレーザー光を前記境界線を跨ぐ前記第1と第2の反射面での反射により第1と第2の反射面の段差間隔に比例する時間差で空間的に分布した複数のパルスレーザー光からなる空間分布パルス列レーザー光に変換し、
前記空間分布パルス列レーザー光を集光して同軸上に時間的に等間隔な複数のパルスレーザー光からなる同軸パルス列レーザー光を生成する、ことを特徴とする。
Moreover, the electromagnetic wave generation method of one embodiment of the present invention has the following characteristics.
(9) First and second mirrors arranged opposite to each other are prepared, and the first and second mirrors have step portions straddling a boundary line in close contact with each other on the first mirror. Provide a reflective surface,
A pulse laser beam of a femtosecond laser pulse or a picosecond laser pulse is incident between the first and second mirrors, and the pulse laser beam is reflected by the first and second reflecting surfaces across the boundary line. Is converted into a spatially distributed pulse train laser beam consisting of a plurality of pulsed laser beams spatially distributed with a time difference proportional to the step interval between the first and second reflecting surfaces,
The spatially-distributed pulse train laser beam is condensed to generate a coaxial pulse train laser beam composed of a plurality of pulse laser beams that are equally spaced in time on the same axis.

(10)また、本発明の実施態様として、本発明の電磁波発生方法は、前記同軸パルス列レーザー光を光伝導アンテナ又は非線形光学結晶に入射し、周波数帯域の狭いテラヘルツ波またはミリ波を発生させる。
(11)また、前記第1のミラーの第1と第2の反射面の一方又は両方をその反射面に直交する方向に連続的に移動して境界線における段差間隔を変化させ、前記同軸パルス列レーザー光の時間間隔を連続的に変化させる。
(10) As an embodiment of the present invention, in the electromagnetic wave generation method of the present invention, the coaxial pulse train laser beam is incident on a photoconductive antenna or a nonlinear optical crystal to generate a terahertz wave or a millimeter wave having a narrow frequency band.
(11) Further, the coaxial pulse train may be configured such that one or both of the first and second reflecting surfaces of the first mirror are continuously moved in a direction orthogonal to the reflecting surface to change the step interval at the boundary line. The time interval of the laser beam is continuously changed.

本発明によれば、従来技術の問題点を改善できる。
以下は本発明の実施例の効果である。
本発明の一実施態様では、単一のパルスレーザー光(フェムト秒レーザー光又はピコ秒レーザー光)から時間的に等間隔の同軸パルス列レーザー光を生成し、さらにそれを用いて可変調整可能な単一周波数のテラヘルツ波またはミリ波を発生させるものである。
According to the present invention, the problems of the prior art can be improved.
The following are the effects of the embodiment of the present invention.
In an embodiment of the present invention, a single pulse laser beam (femtosecond laser beam or picosecond laser beam) is used to generate a coaxial pulse train laser beam that is equidistant in time and further variably adjusted using the same. One frequency terahertz wave or millimeter wave is generated.

上述した本発明の装置及び方法によれば、空間分布パルス列変換装置により、単一のパルスレーザー光を複数のパルスレーザー光からなる空間分布パルス列レーザー光に変換し、集光レンズにより、空間分布パルス列レーザー光を同軸上に時間的に等間隔な複数のパルスレーザー光からなる同軸パルス列レーザー光を生成することができる。   According to the apparatus and method of the present invention described above, a single pulse laser beam is converted into a spatial distribution pulse train laser beam composed of a plurality of pulse laser beams by the spatial distribution pulse train converter, and the spatial distribution pulse train is converted by the condenser lens. It is possible to generate a coaxial pulse train laser beam composed of a plurality of pulse laser beams that are equally spaced in time on the same axis on the same axis.

また、本発明の実施形態によれば、光伝導アンテナ又は非線形光学結晶を備え、前記同軸パルス列レーザー光を光伝導アンテナ又は非線形光学結晶に入射することにより、周波数帯域の狭いテラヘルツ波またはミリ波を発生させることができる。   In addition, according to the embodiment of the present invention, a photoconductive antenna or a nonlinear optical crystal is provided, and the coaxial pulse train laser light is incident on the photoconductive antenna or the nonlinear optical crystal, thereby generating a terahertz wave or a millimeter wave having a narrow frequency band. Can be generated.

さらに、パルス間隔調整装置を備え、前記第1のミラー第1と第2の反射面の一方又は両方をその反射面に直交する方向に連続的に移動して境界線における段差間隔を変化させ、前記同軸パルス列レーザー光の時間間隔を連続的に変化させることにより、発生する周波数帯域の狭いテラヘルツ波またはミリ波の同調周波数を変化させることができる。   Furthermore, a pulse interval adjusting device is provided, and one or both of the first mirror first and second reflecting surfaces are continuously moved in a direction perpendicular to the reflecting surface to change the step interval at the boundary line, By continuously changing the time interval of the coaxial pulse train laser light, it is possible to change the tuning frequency of the generated terahertz wave or millimeter wave having a narrow frequency band.

また、パルス間隔調整装置を、例えばピエゾ素子とこれに電圧を印加する電源装置で構成することで、同調周波数を高い応答速度(例えば1〜3kHz)で変化させることができる。   Further, by configuring the pulse interval adjusting device with, for example, a piezo element and a power supply device that applies a voltage to the piezo element, the tuning frequency can be changed at a high response speed (for example, 1 to 3 kHz).

上述した本発明の実施例に係る装置及び方法は、従来技術と比較して以下の効果を有する。
(1) 単一のパルスレーザー光(フェムト秒パルス)による広帯域のテラヘルツ波発生と比べて、広帯域な周波数成分から所望の周波数の分光情報を得ることができるために、周波数成分を切り分ける必要がない。
(2) 従来の複屈折光学結晶によるパルス列レーザー光(フェムト秒パルス列)を生成する手段では、所望の周波数に同調するためには、所定の長さの複屈折光学結晶を準備する必要があり、任意の周波数に同調することは実質的に不可能であることと、パルス幅拡大によるテラヘルツ波の出力低下を防ぐための分散補償が必要であるという問題点があった。しかし、本発明では、第1と第2の反射面の段差間隔を変化させれば、容易に周波数同調が可能であり、ミラー間の反射のみを用いているため、分散補償の必要がない。
(3) 空間分散ビームの差周波混合の場合には、レーザー光強度の低下とパルス幅の拡大によるテラヘルツ波の出力低下という欠点があるが、本発明はミラー間の反射を用いているだけなので、その問題は解消される。
(4) 空間位相変調器と比較すると、リニアアクチュエータで段差ミラーを制御することで数kHzの応答速度で周波数を同調することができ、数百倍高速であることや、ミラーとピエゾ素子で数十万円程度であり、(1/10)にできる。さらに、空間位相変調器では、二つの回折格子と空間光変調器によって、レーザー光強度が低下し、テラヘルツ波の出力も低下するという問題点があったが、本発明ではミラー間の反射のみを用いているため、その問題は解消される。
The above-described apparatus and method according to the embodiments of the present invention have the following effects compared to the prior art.
(1) Compared with the generation of a broadband terahertz wave using a single pulse laser beam (femtosecond pulse), spectral information of a desired frequency can be obtained from a broadband frequency component, so there is no need to separate the frequency component. .
(2) In the conventional means for generating a pulse train laser beam (femtosecond pulse train) using a birefringent optical crystal, it is necessary to prepare a birefringent optical crystal having a predetermined length in order to tune to a desired frequency. There are problems that it is practically impossible to tune to an arbitrary frequency and that dispersion compensation is necessary to prevent a decrease in output of the terahertz wave due to the pulse width expansion. However, in the present invention, if the step difference between the first and second reflecting surfaces is changed, the frequency can be easily tuned and only the reflection between the mirrors is used, so there is no need for dispersion compensation.
(3) In the case of the difference frequency mixing of the spatially dispersed beam, there is a disadvantage that the output of the terahertz wave is reduced due to the reduction of the laser light intensity and the expansion of the pulse width, but the present invention only uses reflection between mirrors. The problem is solved.
(4) Compared with a spatial phase modulator, the step mirror can be controlled with a linear actuator, and the frequency can be tuned at a response speed of several kHz, which is several hundred times faster, and the number of mirrors and piezoelectric elements is several. It is about 100,000 yen and can be (1/10). Furthermore, in the spatial phase modulator, the two diffraction gratings and the spatial light modulator have a problem that the laser light intensity is reduced and the output of the terahertz wave is also reduced. The problem is solved because it is used.

本発明による段差ミラーの構成図である。It is a block diagram of the level | step difference mirror by this invention. 本発明による段差ミラーの作用説明図である。It is action | operation explanatory drawing of the level | step difference mirror by this invention. 本発明におけるレンズ集光による同軸パルス列レーザー光生成の説明図である。It is explanatory drawing of the coaxial pulse-train laser beam production | generation by the lens condensing in this invention. 本発明により発生するテラヘルツ波の波形図である。It is a wave form diagram of the terahertz wave generated by the present invention. 同軸パルス列レーザー光から周波数帯域の狭いテラヘルツ波を発生させる非線形光学素子の模式図である。It is a schematic diagram of a nonlinear optical element that generates a terahertz wave having a narrow frequency band from coaxial pulse train laser light. 本発明の一実施例による電磁波発生装置の全体構成図である1 is an overall configuration diagram of an electromagnetic wave generator according to an embodiment of the present invention. 図6の補足説明図であるIt is a supplementary explanatory drawing of FIG. 段差ミラーと対向ミラーが平行な場合の位置関係を示す図である。It is a figure which shows the positional relationship when a level | step difference mirror and a counter mirror are parallel. 段差ミラーと対向ミラーが平行でない場合の位置関係を示す図である。It is a figure which shows the positional relationship when a level | step difference mirror and an opposing mirror are not parallel. 本発明の第1実施例を示す図である。It is a figure which shows 1st Example of this invention. 本発明の第2実施例を示す図である。It is a figure which shows 2nd Example of this invention. 本発明の第3実施例を示す図である。It is a figure which shows 3rd Example of this invention.

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the common part in each figure, and the overlapping description is abbreviate | omitted.

初めに、図1〜図4を参照して、本発明の原理を説明する。なお、以下の説明において、パルスレーザー光はフェムト秒レーザー光であるが、本発明はこれに限定されず、ピコ秒レーザー光であってもよい。   First, the principle of the present invention will be described with reference to FIGS. In the following description, the pulsed laser light is femtosecond laser light, but the present invention is not limited to this, and may be picosecond laser light.

図1は、本発明による段差ミラーの構成図である。この図において、(A)は段差ミラー22の正面図と側面図、(B)は対向ミラー24と段差ミラー22間の往復反射の模式図である。ここで、段差ミラーとは、互いにその一部で密接する境界線23を跨いで段差部を有する第1と第2の反射面22a,22bを有する反射ミラーであり、対向ミラー24はこれに対抗する反射ミラーである。   FIG. 1 is a configuration diagram of a step mirror according to the present invention. In this figure, (A) is a front view and a side view of the step mirror 22, and (B) is a schematic diagram of reciprocal reflection between the counter mirror 24 and the step mirror 22. Here, the step mirror is a reflection mirror having first and second reflection surfaces 22a and 22b having a step portion across a boundary line 23 which is in close contact with each other, and the counter mirror 24 counters this. It is a reflection mirror.

図2は、本発明による段差ミラーの作用説明図である。この図において、
(A)はレーザー光の段差ミラーでの反射の説明図、(B)〜(D)はレーザー光における時間遅延の空間分布図である。
また、図3は、本発明におけるレンズ集光による同軸パルス列レーザー光生成の説明図である。
さらに、図4は、本発明により発生するテラヘルツ波の波形図である。この図において、(A)は単一のフェムト秒パルスから発生するテラヘルツ波の波形を示す図、(B)はフェムト秒パルス列から発生するテラヘルツ波の波形を示す図である。なお、図4(A)および(B)の右向きの矢印は時間軸を表す。
FIG. 2 is an operation explanatory view of the step mirror according to the present invention. In this figure,
(A) is explanatory drawing of reflection with the level | step difference mirror of a laser beam, (B)-(D) is a spatial distribution figure of the time delay in a laser beam.
FIG. 3 is an explanatory diagram of the generation of coaxial pulse train laser light by lens focusing in the present invention.
FIG. 4 is a waveform diagram of a terahertz wave generated by the present invention. In this figure, (A) shows a waveform of a terahertz wave generated from a single femtosecond pulse, and (B) shows a waveform of a terahertz wave generated from a femtosecond pulse train. Note that the arrows pointing to the right in FIGS. 4A and 4B represent the time axis.

本発明は、例えば、単一のパルスレーザー光(フェムト秒レーザー光又はピコ秒レーザー光)から、時間的に等間隔に複数個のパルスレーザー光が並ぶ同軸パルス列レーザー光を生成し、さらにそれを用いて単一周波数のテラヘルツ波またはミリ波を発生させるものである。
ここで、テラヘルツ波とミリ波は共に電磁波である。また、発生した電磁波は後述するように周波数同調が可能である。
In the present invention, for example, a single pulse laser beam (femtosecond laser beam or picosecond laser beam) is used to generate a coaxial pulse train laser beam in which a plurality of pulse laser beams are arranged at equal intervals in time. It is used to generate a single frequency terahertz wave or millimeter wave.
Here, both terahertz waves and millimeter waves are electromagnetic waves. The generated electromagnetic wave can be frequency-tuned as will be described later.

図1(A)に示すように、段差ミラー22の反射面22a,22b(第1と第2の反射面)を数百μm程度ずらして隙間がないように組み合わせる。すなわち、段差ミラー22は、2枚の互いに平行な反射面22a,22bを有し、その反射面の密接する境界線23を境に可変調整可能な段差間隔ΔLを有する。
段差ミラー22の境界部分23でレーザー光を反射させると、図1(A)の右図に示すように、上側の第1反射面22aで反射したレーザー光2と下側の第2反射面22bで反射したレーザー光2の間に、段差ミラー22の段差間隔ΔLだけ光学距離に差が生じる。従って、単一のパルスレーザー光2から2つのパルス列が生成される。
As shown in FIG. 1A, the reflecting surfaces 22a and 22b (first and second reflecting surfaces) of the step mirror 22 are shifted by several hundred μm so that there is no gap. That is, the step mirror 22 has two reflection surfaces 22a and 22b that are parallel to each other, and has a step interval ΔL that can be variably adjusted with a boundary line 23 between the reflection surfaces as a boundary.
When the laser beam is reflected by the boundary portion 23 of the step mirror 22, as shown in the right figure of FIG. 1A, the laser beam 2 reflected by the upper first reflecting surface 22a and the lower second reflecting surface 22b. A difference in the optical distance is generated between the laser beams 2 reflected by the step 2 by the step distance ΔL of the step mirror 22. Accordingly, two pulse trains are generated from the single pulse laser beam 2.

次に、図1(B)のように、対向ミラー24と段差ミラー22との間で、レーザー光2を往復反射させる。
このとき、図2(A)で示すように、段差ミラー22の境界線23に対するレーザー光2の反射位置を、(1)、(2)、(3)の順番にずらしていく。なおこの図2(B)〜図2(D)で、21a、21b、21cは、それぞれ、(1)(2)(3)の反射位置において段差ミラー22の境界線23に当たるレーザーの位置である。
Next, as shown in FIG. 1B, the laser beam 2 is reflected back and forth between the counter mirror 24 and the step mirror 22.
At this time, as shown in FIG. 2A, the reflection position of the laser beam 2 with respect to the boundary line 23 of the step mirror 22 is shifted in the order of (1), (2), and (3). In FIGS. 2B to 2D, reference numerals 21a, 21b, and 21c denote positions of lasers that hit the boundary line 23 of the step mirror 22 at the reflection positions (1), (2), and (3), respectively. .

段差ミラー22における一回目の反射(1)で、図1(B)の上側の第1反射面22aで反射したレーザー光2を基準として、下側の第2反射面22bで反射したレーザー光2の間に、段差ミラー22の段差間隔ΔLの光学距離だけ時間遅延が生じる(図2(B))。
次に、二回目の反射(2)では、(1)と(2)で上側の第1反射面22aで反射したレーザー光を基準として、(1)で下側の第2反射面22bで反射し、(2)で上側の第1反射面22aで反射したレーザー光は段差間隔ΔLの光学距離だけ時間遅延が生じ、(1)と(2)で下側の第2反射面22bで反射したレーザー光は2ΔLの光学距離だけ時間遅延が生じる(図2(C))。
最後に三回目の反射(3)では、(1)と(2)と(3)で上側の第1反射面22aで反射したレーザー光を基準として、(1)と(2)で上側の第1反射面22aで反射し、(3)で下側の第2反射面22bで反射したレーザー光は段差間隔ΔLの光学距離だけ時間遅延が生じ、(1)で上側の第1反射面22aで反射し、(2)と(3)で下側の第2反射面22bで反射したレーザー光は2ΔLの光学距離だけ時間遅延が生じ、(1)と(2)と(3)で下側の第2反射面22bで反射したレーザー光は3ΔLの光学距離だけ時間遅延が生じる(図2(D))。
このようにして、レーザー光2は、図2(D)に示すように、段差間隔ΔLに相当する時間間隔の複数のパルスレーザー光からなるパルス列3(「空間分布パルス列レーザー光」と呼ぶ)に変換される。
Laser light 2 reflected by the lower second reflecting surface 22b in the first reflection (1) at the step mirror 22 with reference to the laser light 2 reflected by the upper first reflecting surface 22a in FIG. In the meantime, a time delay is caused by the optical distance of the step interval ΔL of the step mirror 22 (FIG. 2B).
Next, in the second reflection (2), the laser beam reflected by the upper first reflecting surface 22a in (1) and (2) is used as a reference and reflected by the lower second reflecting surface 22b in (1). The laser beam reflected by the upper first reflecting surface 22a in (2) is delayed by an optical distance of the step interval ΔL and reflected by the lower second reflecting surface 22b in (1) and (2). The laser light is delayed in time by an optical distance of 2ΔL (FIG. 2C).
Finally, in the third reflection (3), the laser beam reflected by the upper first reflection surface 22a in (1), (2) and (3) is used as a reference, and the upper reflection in (1) and (2). The laser light reflected by the first reflecting surface 22a and reflected by the lower second reflecting surface 22b in (3) is delayed in time by the optical distance of the step interval ΔL. In (1), the upper first reflecting surface 22a is reflected. The laser light reflected and reflected by the lower second reflecting surface 22b in (2) and (3) is delayed by an optical distance of 2ΔL, and the lower side in (1), (2) and (3) The laser beam reflected by the second reflecting surface 22b is delayed by an optical distance of 3ΔL (FIG. 2D).
In this way, as shown in FIG. 2D, the laser light 2 is converted into a pulse train 3 (referred to as “spatial distribution pulse train laser light”) composed of a plurality of pulse laser light at time intervals corresponding to the step interval ΔL. Converted.

そして、異なった時間遅延で空間的に分布した空間分布パルス列レーザー光3を集光レンズ26で集光することで、図3に示すように、時間的にのみ等間隔なパルスレーザー光4(「同軸パルス列レーザー光」と呼ぶ)が生成される。
なお、集光レンズ26で集光することによって、時間的に等間隔なパルス列を生成しているわけではない。集光レンズ26で集光することで、時間的かつ空間的にも分布しているレーザー光を時間的にのみ列となるレーザー光に変換している。
Then, the spatially distributed pulse train laser light 3 spatially distributed with different time delays is condensed by the condenser lens 26, so that the pulse laser light 4 ("" Called "coaxial pulse train laser light").
In addition, by condensing with the condensing lens 26, the pulse train equally spaced in time is not produced | generated. By condensing with the condensing lens 26, the laser light distributed temporally and spatially is converted into the laser light that forms a line only in terms of time.

次に、単一周波数のテラヘルツ波が発生する原理を説明する。
まず、1つのパルスレーザー光3(フェムト秒レーザー光)を光伝導アンテナの一つであるダイポールアンテナに照射したときに発生したテラヘルツ波の時間波形は、図4(A)の右図のようになる。これは、フェムト秒パルス照射により、電極間にキャリアが励起され、キャリアの時間変化に対応して電磁波が放射されることによる。詳細は、後述する装置構成の説明において説明する。
Next, the principle of generating a single frequency terahertz wave will be described.
First, the time waveform of the terahertz wave generated when one pulse laser beam 3 (femtosecond laser beam) is applied to a dipole antenna, which is one of the photoconductive antennas, is as shown in the right diagram of FIG. Become. This is because the carrier is excited between the electrodes by the femtosecond pulse irradiation, and the electromagnetic wave is radiated corresponding to the time change of the carrier. Details will be described in the description of the apparatus configuration described later.

次に、数ps程度の時間間隔の同軸パルス列レーザー光4(フェムト秒パルス列)でテラヘルツ波5bを発生した場合の時間波形を図4(B)に示す。テラヘルツ波パルスが連続波の波形を形成する。したがって、THzパルス間隔を周期とする周波数成分が強く発生する。
さらに、段差ミラー22の段差間隔を調整することにより、パルス間隔を任意に変化させることができる。つまり、第1反射面22a又は第2反射面22bを移動させる簡易的な方法で、テラヘルツ波の周波数を所望の周波数に同調することが可能である。
また、テラヘルツ波に替えてミリ波を発生させることも同様にできる。
Next, FIG. 4B shows a time waveform when the terahertz wave 5b is generated by the coaxial pulse train laser beam 4 (femtosecond pulse train) having a time interval of about several ps. The terahertz wave pulse forms a continuous wave waveform. Therefore, a frequency component having a cycle of the THz pulse interval is strongly generated.
Furthermore, the pulse interval can be arbitrarily changed by adjusting the step interval of the step mirror 22. That is, the frequency of the terahertz wave can be tuned to a desired frequency by a simple method of moving the first reflecting surface 22a or the second reflecting surface 22b.
Similarly, millimeter waves can be generated instead of terahertz waves.

上記の例において、電磁波発生素子として光伝導アンテナの一種のダイポールアンテナを用いた場合、周波数可変範囲は0.6THz〜1THzである。
しかるに、空間位相変調器で生成したフェムト秒パルス列を、非線形光学素子の一種であるZnTe結晶に照射して発生させた場合のTHz波の周波数は、1THz〜3THzまで周波数可変であることは公知である。
そして、光源として、同じパルス幅100fs程度のフェムト秒レーザー光を用いても、発生素子として、例えば、非線形光学素子の一種であるZnTe結晶を用いれば、ミリ波帯からテラヘルツ波帯の周波数の電磁波を発生させることができる。よって、ミリ波を発生させることも可能であるし、ミリ波帯からテラヘルツ波帯の周波数の電磁波を発生させることも可能である。
In the above example, when a kind of photoconductive antenna dipole antenna is used as the electromagnetic wave generating element, the frequency variable range is 0.6 THz to 1 THz.
However, it is known that the frequency of a THz wave when a femtosecond pulse train generated by a spatial phase modulator is generated by irradiating a ZnTe crystal which is a kind of nonlinear optical element is variable from 1 THz to 3 THz. is there.
Even if femtosecond laser light having the same pulse width of about 100 fs is used as the light source, for example, if a ZnTe crystal which is a kind of nonlinear optical element is used as the generating element, electromagnetic waves having a frequency from the millimeter wave band to the terahertz wave band are used. Can be generated. Therefore, it is possible to generate a millimeter wave, and it is also possible to generate an electromagnetic wave having a frequency from the millimeter wave band to the terahertz wave band.

図5は、同軸パルス列レーザー光4から周波数帯域の狭いテラヘルツ波5を発生させる非線形光学素子30の模式図である。この図は、非線形光学素子の1つであるダイポール型の光伝導アンテナ素子を示している。   FIG. 5 is a schematic diagram of a nonlinear optical element 30 that generates a terahertz wave 5 having a narrow frequency band from the coaxial pulse train laser beam 4. This figure shows a dipole photoconductive antenna element which is one of nonlinear optical elements.

光伝導アンテナ素子30は、高速応答する低温成長ガリウムヒ素基板31上に、中央部に微小なギャップ32aを形成するように電極32が取り付けられている。このギャップ32a間に電源33で電圧を印加した状態で、ガリウムヒ素のバンドギャップよりも大きな光子エネルギーを持ったレーザーパルス4をギャップ32aに照射すると、キャリアが励起される。この時間変化に応答してテラヘルツ波5が放射される。   In the photoconductive antenna element 30, an electrode 32 is attached on a low-temperature grown gallium arsenide substrate 31 that responds at high speed so as to form a minute gap 32a at the center. When a voltage is applied between the gaps 32a by the power source 33 and the laser pulse 4 having a photon energy larger than the band gap of gallium arsenide is irradiated to the gaps 32a, carriers are excited. In response to this time change, the terahertz wave 5 is emitted.

図6は、本発明による電磁波発生装置の全体構成図であり、図7は図6の補足説明図である。図6において、本発明の電磁波発生装置は、空間分布パルス列変換装置20と集光レンズ26を備える。   FIG. 6 is an overall configuration diagram of an electromagnetic wave generator according to the present invention, and FIG. 7 is a supplementary explanatory diagram of FIG. In FIG. 6, the electromagnetic wave generator of the present invention includes a spatial distribution pulse train converter 20 and a condenser lens 26.

空間分布パルス列変換装置20は、図1(A)に示したように、互いに対向して配置された第1および第2のミラー22,24を有し、第1のミラー22は、互いにその一部で密接する境界線23を跨いで段差部を有する第1と第2の反射面22a,22bを有する。第1と第2の反射面22a,22bは、好ましくは互いに平行である。第1のミラー22は段差ミラーであり、第2のミラー24はこの例では段差のない対向ミラーである。   As shown in FIG. 1A, the spatial distribution pulse train converter 20 includes first and second mirrors 22 and 24 arranged to face each other, and the first mirror 22 has one of them. It has the 1st and 2nd reflective surfaces 22a and 22b which have a level | step-difference part across the boundary line 23 which closely_contact | connects. The first and second reflecting surfaces 22a and 22b are preferably parallel to each other. The first mirror 22 is a step mirror, and the second mirror 24 is a counter mirror without a step in this example.

また、空間分布パルス列変換装置20は、図1(B)および図2(A)〜図2(D)に示したように、第1および第2のミラー22,24の間に入射するフェムト秒レーザーパルス又はピコ秒レーザーパルスのパルスレーザー光2を、境界線23を跨ぐ第1と第2の反射面22a,22bでの反射により第1と第2の反射面の段差間隔に比例する時間差で空間的に分布した複数のパルスレーザー光からなる空間分布パルス列レーザー光3に変換する。   In addition, the spatial distribution pulse train converter 20 is configured so that the femtosecond incident between the first and second mirrors 22 and 24 as shown in FIG. 1B and FIG. 2A to FIG. The pulse laser beam 2 of the laser pulse or the picosecond laser pulse is reflected by the first and second reflecting surfaces 22a and 22b across the boundary line 23 with a time difference proportional to the step interval between the first and second reflecting surfaces. The laser beam is converted into a spatially distributed pulse train laser beam 3 composed of a plurality of spatially distributed pulse laser beams.

図6において、空間分布パルス列変換装置20は、さらに、パルス間隔調整装置28を有する。
パルス間隔調整装置28は、段差ミラー22を構成する第1と第2の反射面22a,22bの一方又は両方をその反射面に直交する方向に連続的に移動可能なリニアアクチュエータを有する。
例えば、第1と第2の反射面22a,22bの少なくとも一方に、段差間隔ΔLを可変調整可能なリニアアクチュエータが設けられ、段差間隔ΔLを連続的に移動可能になっている。リニアアクチュエータは、例えばピエゾ素子とこれに電圧を印加する電源装置とで構成することができる。
In FIG. 6, the spatial distribution pulse train conversion device 20 further includes a pulse interval adjustment device 28.
The pulse interval adjusting device 28 has a linear actuator capable of continuously moving one or both of the first and second reflecting surfaces 22a and 22b constituting the step mirror 22 in a direction perpendicular to the reflecting surface.
For example, a linear actuator capable of variably adjusting the step interval ΔL is provided on at least one of the first and second reflecting surfaces 22a and 22b, and the step interval ΔL can be continuously moved. The linear actuator can be composed of, for example, a piezoelectric element and a power supply device that applies a voltage to the piezoelectric element.

集光レンズ26は、図3に示したように、空間分布パルス列レーザー光3を集光して同軸上に時間的に等間隔な複数のパルスレーザー光からなる同軸パルス列レーザー光4を生成する。   As shown in FIG. 3, the condensing lens 26 condenses the spatially distributed pulse train laser light 3 to generate a coaxial pulse train laser light 4 composed of a plurality of pulse laser lights that are coaxially spaced at regular intervals.

図6において、本発明の電磁波発生装置は、さらに、パルスレーザー装置10を備える。
パルスレーザー装置10は、フェムト秒レーザーパルス又はピコ秒レーザーパルスのパルスレーザー光1を出力する。フェムト秒レーザー光のパルス幅は(1〜数100)×10−15秒(fs)であり、又はピコ秒レーザー光のパルス幅は(1〜数100)10−12秒(ps)である。
In FIG. 6, the electromagnetic wave generator of the present invention further includes a pulse laser device 10.
The pulse laser device 10 outputs a pulse laser beam 1 of a femtosecond laser pulse or a picosecond laser pulse. The pulse width of the femtosecond laser light is (1 to several hundreds) × 10 −15 seconds (fs), or the pulse width of the picosecond laser light is (1 to several hundreds) 10 −12 seconds (ps).

上述した空間分布パルス列変換装置20は、単一のパルスレーザー光1(図7(C)参照)からパルス間隔が等しい同軸パルス列レーザー光4(図7(D)参照)を生成する。ここで、同軸パルス列レーザー光4とは、図3に示したように、時間的に等間隔な複数のパルスレーザー光4を意味する。但し、時間的に等間隔であることは必須ではない。   The spatial distribution pulse train conversion device 20 described above generates a coaxial pulse train laser beam 4 (see FIG. 7D) having an equal pulse interval from a single pulse laser beam 1 (see FIG. 7C). Here, the coaxial pulse train laser beam 4 means a plurality of pulse laser beams 4 that are equally spaced in time as shown in FIG. However, it is not essential to be equally spaced in time.

この例において、本発明の電磁波発生装置は、さらに、反射ミラー12a,12b、シリンドリカルレンズ14a,14b、反射ミラー16、および反射ミラー18a,18bを備える。   In this example, the electromagnetic wave generator of the present invention further includes reflection mirrors 12a and 12b, cylindrical lenses 14a and 14b, a reflection mirror 16, and reflection mirrors 18a and 18b.

反射ミラー12a,12bは、パルスレーザー光1を反射して2つのシリンドリカルレンズ14a,14bに導く機能を有する。   The reflection mirrors 12a and 12b have a function of reflecting the pulse laser beam 1 and guiding it to the two cylindrical lenses 14a and 14b.

2つのシリンドリカルレンズ14a,14bは、それぞれの焦点距離f,fが異なっており、パルスレーザー光1のビーム断面形状を円形(図7(A)参照)から楕円形(図7(B)参照)に変換する。これは、シリンドリカルレンズの焦点距離の比(f/f)が、レーザービーム形状の長径対短径の比が等しくなるように変換される。断面形状が楕円形のパルスレーザー光を、楕円パルスレーザー光2と呼ぶ。 The two cylindrical lenses 14a and 14b have different focal lengths f 1 and f 2 , and the beam cross-sectional shape of the pulsed laser light 1 is circular (see FIG. 7A) to elliptical (FIG. 7B). See). This is converted so that the focal length ratio (f 2 / f 1 ) of the cylindrical lens is equal to the ratio of the major axis to the minor axis of the laser beam shape. A pulsed laser beam having an elliptical cross section is referred to as an elliptical pulsed laser beam 2.

反射ミラー16は、シリンドリカルレンズ14a,14bを出た楕円パルスレーザー光2を反射して段差ミラー22と対向ミラー24の間に導く機能を有する。
この例において、段差ミラー22と対向ミラー24は互いに平行に配置され、反射ミラー16は、段差ミラー22と対向ミラー24との間で楕円パルスレーザー光2を往復反射させ、かつ段差ミラー22における反射ごとに、その反射位置を境界線23に交差する方向にずらすように位置決めされている。
The reflection mirror 16 has a function of reflecting the elliptical pulse laser beam 2 emitted from the cylindrical lenses 14 a and 14 b and guiding it between the step mirror 22 and the counter mirror 24.
In this example, the step mirror 22 and the counter mirror 24 are arranged in parallel to each other, and the reflection mirror 16 reciprocally reflects the elliptical pulse laser beam 2 between the step mirror 22 and the counter mirror 24 and reflects it at the step mirror 22. Each position is positioned so that the reflection position is shifted in a direction intersecting the boundary line 23.

上述した空間分布パルス列変換装置20により、第1および第2のミラー22,24の間に入射するパルスレーザー光2を、境界線23を跨ぐ第1と第2の反射面22a,22bでの反射により第1と第2の反射面の段差間隔に比例する時間差で空間的に分布した複数のパルスレーザー光からなる空間分布パルス列レーザー光3に変換することができる。   Reflecting the pulse laser beam 2 incident between the first and second mirrors 22 and 24 on the first and second reflecting surfaces 22a and 22b across the boundary line 23 by the spatial distribution pulse train converter 20 described above. Thus, it is possible to convert into a spatially distributed pulse train laser beam 3 composed of a plurality of pulse laser beams spatially distributed with a time difference proportional to the step interval between the first and second reflecting surfaces.

すなわち段差ミラー22と対向ミラー24の間で複数回反射された楕円パルスレーザー光2は、図2(B)〜図2(D)に示したように、時間的に等間隔なパルス間隔で空間的に分布した空間分布パルス列レーザー光3となる。   That is, the elliptical pulse laser beam 2 reflected a plurality of times between the step mirror 22 and the counter mirror 24 is spaced at equal pulse intervals in time, as shown in FIGS. 2 (B) to 2 (D). The spatially distributed pulse train laser beam 3 is distributed.

反射ミラー18a,18bは、段差ミラー22と対向ミラー24の間から出た空間分布パルス列レーザー光3を反射して集光レンズ26に導く機能を有する。   The reflection mirrors 18 a and 18 b have a function of reflecting the spatially distributed pulse train laser light 3 emitted from between the step mirror 22 and the counter mirror 24 and guiding it to the condenser lens 26.

集光レンズ26は、空間的に分布した空間分布パルス列レーザー光3を集光して時間的に等間隔なパルス列レーザー光(同軸パルス列レーザー光4)を生成する。   The condensing lens 26 condenses the spatially distributed spatially-distributed pulse train laser light 3 and generates pulse train laser light (coaxial pulse train laser light 4) that is equally spaced in time.

図6において、本発明の電磁波発生装置は、さらに、電磁波変換デバイス30を備える。
電磁波変換デバイス30は、同軸パルス列レーザー光4から周波数帯域の狭いテラヘルツ波5またはミリ波を発生させる。電磁波変換デバイス30には、光伝導アンテナ又は非線形光学結晶等を用いることができる。
In FIG. 6, the electromagnetic wave generator of the present invention further includes an electromagnetic wave conversion device 30.
The electromagnetic wave conversion device 30 generates a terahertz wave 5 or a millimeter wave having a narrow frequency band from the coaxial pulse train laser beam 4. For the electromagnetic wave conversion device 30, a photoconductive antenna, a nonlinear optical crystal, or the like can be used.

上述した図6及び図7は、フェムト秒パルス列(パルス列レーザー光4)の生成と、これを用いたテラヘルツ波5を発生させる装置の構成を示している。
ビーム径が2mmの円形のフェムト秒レーザー光1から、焦点距離の異なる2つのシリンドリカルレンズ14a,14bを用いて、レーザー光2の形状を楕円にする。そして、そのレーザー光2を図1に示したように段差ミラー22と対向ミラー24の間で往復反射させ、フェムト秒パルス列(空間分布パルス列レーザー光3)に変換する。その後、空間的に分布した空間分布パルス列レーザー光3から集光レンズ26で同軸パルス列レーザー光4を生成し、図5に示したダイポール型光伝導アンテナ30のギャップ32aに集光させる。すると、時間的に等間隔なフェムト秒パルス列(同軸パルス列レーザー光4)によって電流変調が加わり、低温成長ガリウムヒ素基板31の裏面からテラヘルツ波5が放射される。
6 and 7 described above show the configuration of a device that generates a femtosecond pulse train (pulse train laser beam 4) and generates a terahertz wave 5 using the same.
From the circular femtosecond laser beam 1 having a beam diameter of 2 mm, the shape of the laser beam 2 is made elliptic by using two cylindrical lenses 14a and 14b having different focal lengths. Then, the laser beam 2 is reflected back and forth between the step mirror 22 and the counter mirror 24 as shown in FIG. 1, and converted into a femtosecond pulse train (spatial distribution pulse train laser beam 3). Thereafter, the coaxial pulse train laser beam 4 is generated from the spatially distributed spatially-distributed pulse train laser beam 3 by the condensing lens 26 and is collected in the gap 32a of the dipole photoconductive antenna 30 shown in FIG. Then, current modulation is applied by a femtosecond pulse train (coaxial pulse train laser beam 4) equally spaced in time, and a terahertz wave 5 is emitted from the back surface of the low-temperature grown gallium arsenide substrate 31.

図8と図9は、空間分布パルス列変換装置20を構成する第1のミラーと第2のミラーの位置関係を示す実施形態図である。
このうち、図8(A)(B)は、第1のミラーと第2のミラーが平行な場合、図9(A)(B)は、第1のミラーと第2のミラーが平行でない場合であり、それぞれ(A)は第2のミラー24Aが単一の反射面を有する場合、(B)は、第2のミラー24Bが互いにその一部で密接する境界線を跨いで段差部を有する第3と第4の反射面24a,24bを有する場合である。
FIG. 8 and FIG. 9 are embodiment diagrams showing the positional relationship between the first mirror and the second mirror constituting the spatial distribution pulse train converter 20.
8A and 8B show the case where the first mirror and the second mirror are parallel, and FIGS. 9A and 9B show the case where the first mirror and the second mirror are not parallel. And (A) has a stepped portion across a boundary line where the second mirror 24B is in close contact with each other when the second mirror 24A has a single reflecting surface. This is a case where the third and fourth reflecting surfaces 24a and 24b are provided.

すなわち、これらの図において、第2のミラーは、平面ミラーでも段差ミラーでもどちらでもよい。以下、第2のミラーが平面ミラーの場合を「対向平面ミラー」、第2のミラーが段差ミラーの場合を「対向段差ミラー」と呼ぶ。   That is, in these drawings, the second mirror may be either a plane mirror or a step mirror. Hereinafter, the case where the second mirror is a plane mirror is referred to as an “opposing step mirror”, and the case where the second mirror is a step mirror is referred to as an “opposing step mirror”.

図8と図9において、第1のミラーと第2のミラーの位置関係は、図8(A)(B)と図9(A)(B)の4通りある。   8 and 9, there are four positional relationships between the first mirror and the second mirror as shown in FIGS. 8A and 8B and FIGS. 9A and 9B.

図8(A)は、段差ミラー22と対向する対向平面ミラー24Aの反射面が、xy平面とxz平面(但し、xyz軸は互いに直交するものとする。以下、同じ。)の両方において、平行な関係にある場合である。すなわち、第1と第2の反射面上において、境界線方向をy軸、これに直交する方向をz軸、第1と第2の反射面22a,22bに直交する方向をx軸とする3次元空間において、第2のミラー(対向平面ミラー24A)の反射面は、xz平面およびxy平面において、第1と第2の反射面22a,22bに平行に構成されている。
図8(A)の位置関係は、上述した図6に相当する。
In FIG. 8A, the reflecting surface of the opposing plane mirror 24A facing the step mirror 22 is parallel on both the xy plane and the xz plane (provided that the xyz axes are orthogonal to each other, the same applies hereinafter). This is the case. That is, on the first and second reflection surfaces, the boundary line direction is the y-axis, the direction orthogonal to this is the z-axis, and the direction orthogonal to the first and second reflection surfaces 22a and 22b is the x-axis. In the dimensional space, the reflecting surface of the second mirror (opposing plane mirror 24A) is configured in parallel to the first and second reflecting surfaces 22a and 22b in the xz plane and the xy plane.
The positional relationship in FIG. 8A corresponds to FIG. 6 described above.

図8(B)は、段差ミラー22と対向する対向段差ミラー24Bの反射面が、xy平面とxz平面の両方において、平行な関係にある場合である。すなわち、第1と第2の反射面上において、境界線方向をy軸、これに直交する方向をz軸、第1と第2の反射面22a,22bに直交する方向をx軸とする3次元空間において、第2のミラー(対向段差ミラー24B)の反射面は、xz平面およびxy平面において、第1と第2の反射面22a,22bに平行に構成されている。
図8(A)の位置関係は、上述した図6において対向ミラー24を対向段差ミラー24Bに置き換えた場合に相当する。その他の構成は図6と同様である。
FIG. 8B shows a case where the reflecting surface of the opposing step mirror 24B facing the step mirror 22 is in a parallel relationship in both the xy plane and the xz plane. That is, on the first and second reflection surfaces, the boundary line direction is the y-axis, the direction orthogonal to this is the z-axis, and the direction orthogonal to the first and second reflection surfaces 22a and 22b is the x-axis. In the dimensional space, the reflection surface of the second mirror (opposing step mirror 24B) is configured to be parallel to the first and second reflection surfaces 22a and 22b in the xz plane and the xy plane.
The positional relationship in FIG. 8A corresponds to the case where the counter mirror 24 in FIG. 6 described above is replaced with the counter step mirror 24B. Other configurations are the same as those in FIG.

上述した図8(A)(B)の例では、パルスレーザー光2は、少なくともx軸に対し傾斜して第1および第2のミラー22、24の間に入射するようになっている。この傾斜角は、反射ごとに、その反射位置を境界線23に交差する方向にずらす距離に応じて、設定する。
上述した構成により、楕円パルスレーザー光2をx軸に対しわずかに傾斜させて入射させることにより、段差ミラー22と対向ミラー24との間で楕円パルスレーザー光2を往復反射させ、かつ段差ミラー22における反射ごとに、その反射位置を境界線23に交差する方向にずらすことができる。
また、図8(B)の配置では、対向段差ミラー24Bにおいてもその反射位置を第3と第4の反射面24a,24bの境界線に交差する方向にずらすことができる。
In the example of FIGS. 8A and 8B described above, the pulsed laser beam 2 is incident between the first and second mirrors 22 and 24 at an inclination with respect to at least the x-axis. This inclination angle is set according to the distance by which the reflection position is shifted in the direction intersecting the boundary line 23 for each reflection.
With the configuration described above, the elliptical pulse laser beam 2 is incident with being slightly inclined with respect to the x-axis, whereby the elliptical pulse laser beam 2 is reflected back and forth between the step mirror 22 and the counter mirror 24, and the step mirror 22 For each reflection at, the reflection position can be shifted in a direction intersecting the boundary line 23.
In the arrangement shown in FIG. 8B, the reflection position of the opposed step mirror 24B can be shifted in the direction intersecting the boundary line between the third and fourth reflecting surfaces 24a and 24b.

図9(A)は、段差ミラー22と対向する対向平面ミラー24Aの反射面が、xy平面では非平行、xz平面では平行な関係にある場合である。すなわち、第1と第2の反射面上において、境界線方向をy軸、これに直交する方向をz軸、前記反射面に直交する方向をx軸とする3次元空間において、第2のミラー(対向平面ミラー24A)の反射面は、xz平面において第1と第2の反射面22a,22bと平行であり、かつxy平面において、第1と第2の反射面22a,22bと非平行に構成されている。   FIG. 9A shows a case where the reflecting surface of the opposing flat mirror 24A facing the step mirror 22 is non-parallel in the xy plane and parallel in the xz plane. That is, on the first and second reflecting surfaces, the second mirror in a three-dimensional space in which the boundary line direction is the y-axis, the direction perpendicular to the z-axis is the z-axis, and the direction perpendicular to the reflecting surface is the x-axis. The reflective surface of the (opposing flat mirror 24A) is parallel to the first and second reflective surfaces 22a and 22b in the xz plane and non-parallel to the first and second reflective surfaces 22a and 22b in the xy plane. It is configured.

図9(B)は、段差ミラー22と対向する対向段差ミラー24Bの反射面が、xy平面では非平行、xz平面では平行な関係にある場合である。すなわち、第1と第2の反射面上において、境界線方向をy軸、これに直交する方向をz軸、前記反射面に直交する方向をx軸とする3次元空間において、第2のミラー(対向段差ミラー24B)の反射面は、xz平面において第1と第2の反射面22a,22bと平行であり、かつxy平面において、第1と第2の反射面22a,22bと非平行に構成されている。   FIG. 9B shows a case where the reflecting surface of the opposing step mirror 24B facing the step mirror 22 is non-parallel on the xy plane and parallel on the xz plane. That is, on the first and second reflecting surfaces, the second mirror in a three-dimensional space in which the boundary line direction is the y-axis, the direction perpendicular to the z-axis is the z-axis, and the direction perpendicular to the reflecting surface is the x-axis. The reflective surface of the (opposing step mirror 24B) is parallel to the first and second reflective surfaces 22a and 22b in the xz plane, and is not parallel to the first and second reflective surfaces 22a and 22b in the xy plane. It is configured.

上述した図9(A)(B)の例では、対向平面ミラー24A又は対向段差ミラー24Bの反射面は、パルスレーザー光2を段差ミラー22の異なる位置に反射するように設定されている。
上述した構成により、パルスレーザー光2を段差ミラー22と対向ミラー24との間に入射させることにより、段差ミラー22と対向平面ミラー24A又は対向段差ミラー24Bとの間でパルスレーザー光2を往復反射させ、かつ段差ミラー22における反射ごとに、その反射位置を境界線23に交差する方向にずらすことができる。
また、図8(B)の配置では、対向段差ミラー24Bにおいてもその反射位置を第3と第4の反射面24a,24bの境界線に交差する方向にずらすことができる。
In the example of FIGS. 9A and 9B described above, the reflection surface of the opposed flat mirror 24A or the opposed step mirror 24B is set so as to reflect the pulse laser beam 2 to a different position of the step mirror 22.
With the configuration described above, the pulse laser beam 2 is incident between the step mirror 22 and the counter mirror 24, so that the pulse laser beam 2 is reflected back and forth between the step mirror 22 and the counter flat mirror 24A or the counter step mirror 24B. The reflection position can be shifted in a direction intersecting the boundary line 23 for each reflection at the step mirror 22.
In the arrangement shown in FIG. 8B, the reflection position of the opposed step mirror 24B can be shifted in the direction intersecting the boundary line between the third and fourth reflecting surfaces 24a and 24b.

なお、図8と図9において、xz平面では対向する二つのミラーの反射面は平行である必要がある。そうでなければ、21a(図2(B))と21b(図2(C))との位置xの座標間隔と21b(図2(C))と21c(図2(D))との位置xの座標間隔が等しくならない。それが等しくないと、それぞれのフェムト秒パルスのレーザー光強度にばらつきが生じてしまい、さらには、発生するテラヘルツ波の出力強度もばらつくという問題点がある。
以下、本発明の実施例を説明する。
In FIGS. 8 and 9, the reflecting surfaces of the two mirrors facing each other need to be parallel in the xz plane. Otherwise, the coordinate interval of position x between 21a (FIG. 2 (B)) and 21b (FIG. 2 (C)) and the position between 21b (FIG. 2 (C)) and 21c (FIG. 2 (D)). The coordinate intervals of x are not equal. If they are not equal, there will be variations in the laser light intensity of each femtosecond pulse, and the output intensity of the generated terahertz wave will also vary.
Examples of the present invention will be described below.

図10は、本発明の第1実施例を示す図である。
この図において、図10(A)は、パルスレーザー装置10から出力された単一のパルスレーザー光1(フェムト秒パルス)をダイポール型光伝導アンテナ30に照射させたときに測定された時間波形を示す図である。
この図から、約0.4psのパルス幅の電磁波パルスが一つ発生していることがわかる。
FIG. 10 is a diagram showing a first embodiment of the present invention.
In this figure, FIG. 10A shows a time waveform measured when the dipole photoconductive antenna 30 is irradiated with a single pulse laser beam 1 (femtosecond pulse) output from the pulse laser device 10. FIG.
From this figure, it can be seen that one electromagnetic pulse having a pulse width of about 0.4 ps is generated.

図10(C)の曲線A(単一パルス)は、図10(A)の時間波形を元にフーリエ変換を用いて計算されたテラヘルツ波のスペクトルを示す図である。
この図から、図10(A)の電磁波パルスの線幅は約650GHzであり、広帯域にテラヘルツ波が発生していることがわかる。
A curve A (single pulse) in FIG. 10C is a diagram illustrating a spectrum of a terahertz wave calculated using Fourier transform based on the time waveform in FIG.
From this figure, it can be seen that the line width of the electromagnetic wave pulse in FIG. 10A is about 650 GHz, and a terahertz wave is generated in a wide band.

次に、図10(B)は、図6に示した本発明の電磁波発生装置を用いて、一つのフェムト秒パルスから4つのフェムト秒パルス(パルス列レーザー光4)を発生させ、それダイポール型光伝導アンテナ30に照射させたときに測定された時間波形を示す図である。
この図から、テラヘルツ波パルス5が4つ確認でき、その時間間隔は約1.3psの実質的に等間隔な周期となっていることがわかる。また、図10(C)の曲線B(パルス列)の電磁波スペクトルは、その周期に相当する0.8THzが中心周波数成分であり、線幅は約130GHzであった。
Next, FIG. 10 (B) uses the electromagnetic wave generator of the present invention shown in FIG. 6 to generate four femtosecond pulses (pulse train laser beam 4) from one femtosecond pulse, which is a dipole type light. It is a figure which shows the time waveform measured when making the conductive antenna 30 irradiate.
From this figure, four terahertz wave pulses 5 can be confirmed, and it can be seen that the time intervals are substantially equal intervals of about 1.3 ps. Further, in the electromagnetic wave spectrum of the curve B (pulse train) in FIG. 10C, the center frequency component is 0.8 THz corresponding to the period, and the line width is about 130 GHz.

図10(C)の曲線B(パルス列)は、曲線A(単一パルス)の場合と比較すると、明らかに周波数の帯域が狭いことがわかる。これらの結果から、図1〜図4で説明した原理を用いた図6の装置によって、フェムト秒パルス列(パルス列レーザー光)を生成し、狭帯域なテラヘルツ波5が発生したことがわかる。これによって、分光測定において、より高い周波数分解能のスペクトルを取得することができる。   It can be seen that curve B (pulse train) in FIG. 10C clearly has a narrower frequency band than curve A (single pulse). From these results, it can be seen that a femtosecond pulse train (pulse train laser beam) is generated by the apparatus of FIG. 6 using the principle described with reference to FIGS. 1 to 4, and a narrow-band terahertz wave 5 is generated. Thereby, a spectrum with a higher frequency resolution can be obtained in the spectroscopic measurement.

次に、周波数同調が可能なことを示すために、中心周波数を1THzとするテラヘルツ波が発生したときの第1と第2の反射面の段差間隔を0(基準)として、0、30μm、70μm、210μmの値だけその間隔を離して実験を行った。   Next, in order to show that frequency tuning is possible, the step interval between the first and second reflecting surfaces when a terahertz wave having a center frequency of 1 THz is generated is 0 (reference), 0, 30 μm, 70 μm The experiment was conducted with the interval of 210 μm.

図11は、本発明の第2実施例を示す図であり、片方の反射面(22a又は22b)をシフトさせた時のテラヘルツ波の時間波形を示す図である。
この図において、(A)(B)(C)はそれぞれ段差間隔が0、70μm、210μmの場合のテラヘルツ波の時間波形を示す。(A)(B)(C)の順でパルス間隔が広くなっていることがわかる。
FIG. 11 is a diagram illustrating a second embodiment of the present invention, and is a diagram illustrating a time waveform of a terahertz wave when one reflecting surface (22a or 22b) is shifted.
In this figure, (A), (B), and (C) show the time waveforms of terahertz waves when the step intervals are 0, 70 μm, and 210 μm, respectively. It can be seen that the pulse interval becomes wider in the order of (A), (B), and (C).

図12は、本発明の第3実施例を示す図であり、片方の反射面(22a又は22b)をシフトさせた時のテラヘルツ波シペクトルの変化を示す図である。
この図において、0.6THz、0.8THz、0.9THz、1THzにパワーのピークが発生している。また、反射面の段差間隔を広げれば、テラヘルツ波の中心周波数が低周波数側にシフトしている。これより、原理と一致する実験結果が得られ、0.6THzから1THzまで周波数可変であることを示せた。
FIG. 12 is a diagram showing a third embodiment of the present invention, and is a diagram showing a change in the terahertz wave spectrum when one of the reflection surfaces (22a or 22b) is shifted.
In this figure, power peaks occur at 0.6 THz, 0.8 THz, 0.9 THz, and 1 THz. Further, if the step interval on the reflecting surface is increased, the center frequency of the terahertz wave is shifted to the low frequency side. Thus, an experimental result consistent with the principle was obtained, and it was shown that the frequency was variable from 0.6 THz to 1 THz.

以下、本発明を従来技術と比較して、その特徴を説明する。
本発明の特徴は、単一のパルスレーザー光(フェムト秒レーザー光又はピコ秒レーザー光)から、時間的に等間隔に複数個のパルスレーザー光が並ぶ同軸パルス列レーザー光を生成し、さらにそれを用いて単一周波数のテラヘルツ波またはミリ波を発生させることができることである。
Hereinafter, the features of the present invention will be described in comparison with the prior art.
A feature of the present invention is that a single pulse laser beam (femtosecond laser beam or picosecond laser beam) is generated from a coaxial pulse train laser beam in which a plurality of pulse laser beams are arranged at equal intervals in time. It can be used to generate a single frequency terahertz wave or millimeter wave.

従来、フェムト秒レーザーを用いた単一周波数のテラヘルツ波発生においては、空間分散ビームの差周波混合による手段と複屈折結晶を用いたフェムト秒パルス列によるテラヘルツ波発生手段とがある。   Conventionally, in single frequency terahertz wave generation using a femtosecond laser, there are means by difference frequency mixing of spatially dispersed beams and terahertz wave generation means by a femtosecond pulse train using a birefringent crystal.

前者(空間分散ビームの差周波混合)の場合、レーザー光に分散を与えるためパルスの尖頭値が低下する。非線形光学素子の励起によるテラヘルツ波発生は二次の非線形光学効果であり、テラヘルツ波の出力はレーザー光強度の二乗に比例するので、テラヘルツ波の出力が低下してしまう欠点がある。   In the former case (difference frequency mixing of spatially dispersed beams), the peak value of the pulse is lowered because the laser light is dispersed. The generation of terahertz waves by excitation of the nonlinear optical element is a second-order nonlinear optical effect, and the output of the terahertz waves is proportional to the square of the laser light intensity, so that the output of the terahertz waves is reduced.

後者(複屈折結晶を用いたフェムト秒パルス列)の場合、複屈折結晶の長さに比例した時間遅延によってフェムト秒パルス列を生成するため、結晶の長さで一意にパルス間隔が決定され、発生するテラヘルツ波の周波数を任意に変えるためには、長さの異なる結晶に置き換えなければならない。また、結晶を透過すると、群速度分散によりパルス幅が拡がる。パルスの尖頭値低下によるテラヘルツ波の出力低下を防ぐために、負分散を与えてパルス幅を狭くする分散補償が必要である。加えて、フェムト秒パルス列を生成するという点において、空間光変調器を用いた方法がある。空間光変調器は自由に波形整形ができるが、値段が高価(二百万円程度)かつその応答速度が遅い(数十Hz)等の問題がある。   In the latter case (a femtosecond pulse train using a birefringent crystal), a femtosecond pulse train is generated by a time delay proportional to the length of the birefringent crystal. In order to arbitrarily change the frequency of the terahertz wave, it must be replaced with a crystal having a different length. Further, when transmitted through the crystal, the pulse width expands due to group velocity dispersion. In order to prevent a decrease in the output of the terahertz wave due to a decrease in the peak value of the pulse, it is necessary to perform dispersion compensation that gives negative dispersion and narrows the pulse width. In addition, there is a method using a spatial light modulator in terms of generating a femtosecond pulse train. Although the spatial light modulator can freely shape the waveform, there are problems such as high price (about 2 million yen) and slow response speed (tens of Hz).

これらに対して、本発明は、ミラーの反射のみを用いるので、群速度分散によるパルス幅の拡大への影響がほとんどない。さらに、段差ミラーの段差間隔を変えるだけで、容易にフェムト秒パルス間隔を制御できるため、発生するテラヘルツ波の同調も容易である。制御には、ピエゾ素子などが考えられ、数kHzで周波数同調が可能であり、値段も数十万円程度である。   On the other hand, since the present invention uses only the reflection of the mirror, there is almost no influence on the expansion of the pulse width due to the group velocity dispersion. Further, since the femtosecond pulse interval can be easily controlled simply by changing the step interval of the step mirror, tuning of the generated terahertz wave is easy. For the control, a piezo element or the like is conceivable, frequency tuning is possible at several kHz, and the price is about several hundred thousand yen.

本発明により同調可能な周波数の範囲は、レーザー励起する非線形光学素子の種類によって制限される。また、パルス数は反射回数に比例して増やせるので、テラヘルツ波の線幅をより狭くすることは、技術的に簡単である。
市販されている出力パワーが1Wのフェムト秒レーザーの場合を例に挙げる。単一パルスによるテラヘルツ波発生では、レーザーパワーは10mWでテラヘルツ波の出力は飽和する。したがって、一つのパルスあたり10mWとして100個のパルスを生成することができ、周波数1THzで線幅10GHzを達成することができる。
The range of frequencies that can be tuned according to the present invention is limited by the type of nonlinear optical element that is laser-excited. Moreover, since the number of pulses can be increased in proportion to the number of reflections, it is technically easy to narrow the line width of the terahertz wave.
The case of a femtosecond laser with a commercially available output power of 1 W is taken as an example. In terahertz wave generation by a single pulse, the laser power is 10 mW and the output of the terahertz wave is saturated. Accordingly, 100 pulses can be generated with 10 mW per pulse, and a line width of 10 GHz can be achieved at a frequency of 1 THz.

なお、光源はフェムト秒レーザーでなく、ピコ秒レーザーでも可能である。上記のレーザーは、パルス幅が1fsから33psの間のレーザーを指す。
ここで、33psとは、30GHzの周波数において、本発明の手法で狭線幅なスペクトルの電磁波を発生させるための最長のパルス幅である。
また、段差ミラーの形成には図1、図2では形状がD型の反射ミラーを用いたが、形状がD型であることは必須ではない。境界線23のエッジ部分で反射可能なミラーであればいい。
さらに、テラヘルツ波の発生部は、光伝導アンテナのみならず、非線形光学結晶など、非線形性を持つデバイスを有すればよい。
The light source may be a picosecond laser instead of a femtosecond laser. The laser mentioned above refers to a laser having a pulse width between 1 fs and 33 ps.
Here, 33 ps is the longest pulse width for generating an electromagnetic wave having a narrow line width spectrum by the method of the present invention at a frequency of 30 GHz.
In addition, in FIG. 1 and FIG. 2, the D-shaped reflection mirror is used for forming the step mirror, but it is not essential that the shape is D-shaped. Any mirror that can reflect at the edge portion of the boundary line 23 may be used.
Furthermore, the terahertz wave generation unit may have a device having nonlinearity such as a nonlinear optical crystal as well as a photoconductive antenna.

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない限りで種々に変更できることは勿論である。   In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above, Of course, it can change variously, unless it deviates from the summary of this invention.

1 パルスレーザー光(フェムト秒レーザー光又はピコ秒レーザー光)、
2 楕円パルスレーザー光、3 空間分布パルス列レーザー光、
4 同軸パルス列レーザー光、
10 パルスレーザー装置、12a,12b 反射ミラー、
14a,14b シリンドリカルレンズ、
16 反射ミラー、18a,18b 反射ミラー、
20 空間分布パルス列変換装置、
22 第1のミラー(段差ミラー)、
22a 第1反射面、22b 第2反射面、23 境界線、
24 第2のミラー(対向ミラー)、
24A 対向平面ミラー、24B 対向段差ミラー、
24a 第3反射面、24b 第4反射面、
26 集光レンズ、
28 パルス間隔調整装置(ピエゾ素子と電源装置)、
30 電磁波変換デバイス
(非線形光学素子、光伝導アンテナ又は非線形光学結晶)、
31 低温成長ガリウムヒ素基板、32 電極、
32a ギャップ、33 電源
1 Pulse laser light (femtosecond laser light or picosecond laser light),
2 elliptical pulse laser light, 3 spatially distributed pulse train laser light,
4 Coaxial pulse train laser beam,
10 pulse laser device, 12a, 12b reflecting mirror,
14a, 14b cylindrical lens,
16 reflection mirror, 18a, 18b reflection mirror,
20 Spatial distribution pulse train converter,
22 first mirror (step mirror),
22a 1st reflective surface, 22b 2nd reflective surface, 23 boundary line,
24 second mirror (opposite mirror),
24A facing flat mirror, 24B facing step mirror,
24a 3rd reflective surface, 24b 4th reflective surface,
26 condenser lens,
28 Pulse interval adjustment device (piezo element and power supply device),
30 Electromagnetic wave conversion device (nonlinear optical element, photoconductive antenna or nonlinear optical crystal),
31 low temperature growth gallium arsenide substrate, 32 electrodes,
32a gap, 33 power supply

Claims (11)

互いに対向して配置された第1および第2のミラーを有し、該第1のミラーは、互いにその一部で密接する境界線を跨いで段差部を有する第1と第2の反射面を有し、前記第1および第2のミラーの間に入射するフェムト秒レーザーパルス又はピコ秒レーザーパルスのパルスレーザー光を、前記境界線を跨ぐ前記第1と第2の反射面での反射により第1と第2の反射面の段差間隔に比例する時間差で空間的に分布した複数のパルスレーザー光からなる空間分布パルス列レーザー光に変換する空間分布パルス列変換装置と、
前記空間分布パルス列レーザー光を集光して同軸上に時間的に等間隔な複数のパルスレーザー光からなる同軸パルス列レーザー光を生成する集光レンズとを備えることを特徴とする電磁波発生装置。
The first and second mirrors are disposed opposite to each other, and the first mirror includes first and second reflecting surfaces having stepped portions across a boundary line in close contact with each other. A pulse laser beam of a femtosecond laser pulse or a picosecond laser pulse incident between the first and second mirrors is reflected by the first and second reflecting surfaces across the boundary line. A spatial distribution pulse train conversion device for converting into a spatial distribution pulse train laser beam composed of a plurality of pulse laser beams spatially distributed with a time difference proportional to the step interval between the first and second reflecting surfaces;
An electromagnetic wave generator comprising: a condensing lens that condenses the spatially-distributed pulse train laser light and generates a coaxial pulse train laser light composed of a plurality of pulse laser lights that are equidistant in time on the same axis.
前記フェムト秒レーザーパルス又はピコ秒レーザーパルスのパルスレーザー光を出力するパルスレーザー装置を備えることを特徴とする請求項1記載の電磁波発生装置。   The electromagnetic wave generator according to claim 1, further comprising a pulse laser device that outputs a pulse laser beam of the femtosecond laser pulse or the picosecond laser pulse. 前記電磁波は、パルス列レーザー光、テラヘルツ波またはミリ波であることを特徴とする請求項1記載の電磁波発生装置。   The electromagnetic wave generator according to claim 1, wherein the electromagnetic wave is a pulse train laser beam, a terahertz wave, or a millimeter wave. 前記同軸パルス列レーザー光から周波数帯域の狭いテラヘルツ波またはミリ波を発生させる光伝導アンテナ又は非線形光学結晶を備えることを特徴とする請求項1に記載の電磁波発生装置。   The electromagnetic wave generator according to claim 1, further comprising a photoconductive antenna or a nonlinear optical crystal that generates a terahertz wave or a millimeter wave having a narrow frequency band from the coaxial pulse train laser beam. 前記第1のミラーの第1と第2の反射面の一方又は両方をその反射面に直交する方向に連続的に移動し、境界線における段差間隔を変化させるパルス間隔調整装置を備え、
これにより前記同軸パルス列レーザー光の時間間隔を連続的に変化させることを特徴とする請求項1に記載の電磁波発生装置。
A pulse interval adjusting device that continuously moves one or both of the first and second reflecting surfaces of the first mirror in a direction perpendicular to the reflecting surface and changes a step interval at the boundary line;
The electromagnetic wave generator according to claim 1, wherein the time interval of the coaxial pulse train laser beam is thereby changed continuously.
前記第1と第2の反射面上において、境界線方向をy軸、これに直交する方向をz軸、前記反射面に直交する方向をx軸とする3次元空間において、
前記第2のミラーの反射面は、xz平面およびxy平面において、前記第1と第2の反射面に平行であり、
前記パルスレーザー光は、少なくともx軸に対し傾斜して前記第1および第2のミラーの間に入射する、ことを特徴とする請求項1に記載の電磁波発生装置。
On the first and second reflecting surfaces, in a three-dimensional space in which the boundary line direction is the y axis, the direction orthogonal to the z axis is the z axis, and the direction orthogonal to the reflecting surface is the x axis,
The reflecting surface of the second mirror is parallel to the first and second reflecting surfaces in the xz plane and the xy plane,
2. The electromagnetic wave generator according to claim 1, wherein the pulse laser beam is incident between the first and second mirrors at least with respect to the x-axis.
前記第1と第2の反射面上において、境界線方向をy軸、これに直交する方向をz軸、前記反射面に直交する方向をx軸とする3次元空間において、
前記第2のミラーの反射面は、xz平面において前記第1と第2の反射面と平行であり、かつxy平面において、前記第1と第2の反射面と非平行である、ことを特徴とする請求項1に記載の電磁波発生装置。
On the first and second reflecting surfaces, in a three-dimensional space in which the boundary line direction is the y axis, the direction orthogonal to the z axis is the z axis, and the direction orthogonal to the reflecting surface is the x axis,
The reflective surface of the second mirror is parallel to the first and second reflective surfaces in the xz plane and non-parallel to the first and second reflective surfaces in the xy plane. The electromagnetic wave generator according to claim 1.
前記第2のミラーは、互いにその一部で密接する境界線を跨いで段差部を有する第3と第4の反射面を有する、ことを特徴とする請求項1に記載の電磁波発生装置。   2. The electromagnetic wave generator according to claim 1, wherein the second mirror has third and fourth reflecting surfaces having stepped portions across a boundary line that is in close contact with each other. 互いに対向して配置された第1および第2のミラーを準備し、該第1のミラーに、互いにその一部で密接する境界線を跨いで段差部を有する第1と第2の反射面を設け、
前記第1および第2のミラーの間にフェムト秒レーザーパルス又はピコ秒レーザーパルスのパルスレーザー光を入射させ、該パルスレーザー光を前記境界線を跨ぐ前記第1と第2の反射面での反射により第1と第2の反射面の段差間隔に比例する時間差で空間的に分布した複数のパルスレーザー光からなる空間分布パルス列レーザー光に変換し、
前記空間分布パルス列レーザー光を集光して同軸上に時間的に等間隔な複数のパルスレーザー光からなる同軸パルス列レーザー光を生成する、ことを特徴とする電磁波発生方法。
First and second mirrors arranged opposite to each other are prepared, and first and second reflecting surfaces having a stepped portion across a boundary line in close contact with each other are provided on the first mirror. Provided,
A pulse laser beam of a femtosecond laser pulse or a picosecond laser pulse is incident between the first and second mirrors, and the pulse laser beam is reflected by the first and second reflecting surfaces across the boundary line. Is converted into a spatially distributed pulse train laser beam consisting of a plurality of pulsed laser beams spatially distributed with a time difference proportional to the step interval between the first and second reflecting surfaces,
An electromagnetic wave generating method comprising: condensing the spatially-distributed pulse train laser light to generate a coaxial pulse train laser light composed of a plurality of pulse laser lights at equal intervals on the same axis on the same axis.
前記同軸パルス列レーザー光を光伝導アンテナ又は非線形光学結晶に入射し、周波数帯域の狭いテラヘルツ波またはミリ波を発生させる、ことを特徴とする請求項9に記載の電磁波発生方法。   10. The electromagnetic wave generation method according to claim 9, wherein the coaxial pulse train laser beam is incident on a photoconductive antenna or a nonlinear optical crystal to generate a terahertz wave or a millimeter wave having a narrow frequency band. 前記第1のミラーの第1と第2の反射面の一方又は両方をその反射面に直交する方向に連続的に移動して境界線における段差間隔を変化させ、前記同軸パルス列レーザー光の時間間隔を連続的に変化させることを特徴とする請求項9に記載の電磁波発生方法。 One or both of the first and second reflecting surfaces of the first mirror are continuously moved in a direction orthogonal to the reflecting surface to change the step interval at the boundary line, and the time interval of the coaxial pulse train laser light The electromagnetic wave generation method according to claim 9, wherein the electromagnetic wave is continuously changed.
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