JP5380357B2 - Terahertz wave generator - Google Patents
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Description
本発明は、テラヘルツ波発生装置に関するものである。 The present invention relates to a terahertz wave generator.
テラヘルツ波は、光波と電波との中間領域に相当する0.01THz〜100THz程度の周波数を有する電磁波であり、光波と電波との間の中間的な性質を有している。このようなテラヘルツ波の応用として、測定対象物で透過または反射したテラヘルツ波の電場振幅の時間波形を測定することで該測定対象物の情報を取得する技術が研究されている。 The terahertz wave is an electromagnetic wave having a frequency of about 0.01 THz to 100 THz corresponding to an intermediate region between the light wave and the radio wave, and has an intermediate property between the light wave and the radio wave. As an application of such a terahertz wave, a technique for acquiring information on the measurement object by measuring a time waveform of the electric field amplitude of the terahertz wave transmitted or reflected by the measurement object has been studied.
テラヘルツ波発生技術として、ポンプ光パルスを非線形光学結晶に入射させることでテラヘルツ波を発生させる技術が知られている。ポンプ光パルスは、例えばフェムト秒レーザ光源から出力される超短パルス光である。例えば、中心波長800nmのポンプ光パルスが用いられる場合、位相整合条件を満たすものとしてZnTe結晶が広く用いられている。位相整合条件を満たす非線形光学結晶にポンプ光パルスが入射すると、そのポンプ光パルスと同軸上にテラヘルツ波が発生する(非特許文献1、2)。 As a terahertz wave generation technique, a technique for generating a terahertz wave by making a pump light pulse incident on a nonlinear optical crystal is known. The pump light pulse is ultrashort pulse light output from, for example, a femtosecond laser light source. For example, when a pump light pulse having a center wavelength of 800 nm is used, ZnTe crystals are widely used as satisfying the phase matching condition. When the pump light pulse is incident on the nonlinear optical crystal that satisfies the phase matching condition, a terahertz wave is generated coaxially with the pump light pulse (Non-Patent Documents 1 and 2).
しかしながら、非線形光学結晶にポンプ光パルスを入射させて同軸上にテラヘルツ波を発生させる場合、一般にポンプ光パルスが断面においてガウシアン形状の強度分布を有していることから、発生するテラヘルツ波も断面においてガウシアン形状の強度分布を有することになり、テラヘルツ波の断面において強度分布が不均一になるという問題が生じる。 However, when a pump light pulse is incident on a nonlinear optical crystal to generate a terahertz wave on the same axis, the pump light pulse generally has a Gaussian-shaped intensity distribution in the cross section, so that the generated terahertz wave is also in the cross section. A Gaussian-shaped intensity distribution results, and there arises a problem that the intensity distribution becomes non-uniform in the cross section of the terahertz wave.
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、断面における強度分布が不均一なポンプ光パルスを非線形光学結晶に入射させてテラヘルツ波を発生させる場合にテラヘルツ波の強度分布を均一化することができるテラヘルツ波発生装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems. When a pump light pulse having a nonuniform intensity distribution in a cross section is incident on a nonlinear optical crystal to generate a terahertz wave, the intensity distribution of the terahertz wave is reduced. An object of the present invention is to provide a terahertz wave generator that can be made uniform.
本発明のテラヘルツ波発生装置は、ポンプ光パルスを出力する光源と、光源から出力されたポンプ光パルスが入力されることでテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生部と、を備える。そして、テラヘルツ波発生部は、ポンプ光パルスの伝播によりテラヘルツ波を発生させる第1結晶を含み、ポンプ光パルスの強度が強い位置における第1結晶の厚みと比較して、ポンプ光パルスの強度が弱い位置における第1結晶が厚いことを特徴とする。 The terahertz wave generation device of the present invention includes a light source that outputs a pump light pulse, and a terahertz wave generation unit that generates a terahertz wave when the pump light pulse output from the light source is input. The terahertz wave generation unit includes a first crystal that generates a terahertz wave by propagation of the pump light pulse, and the intensity of the pump light pulse is higher than the thickness of the first crystal at a position where the intensity of the pump light pulse is strong. The first crystal at a weak position is thick.
本発明のテラヘルツ波発生装置のテラヘルツ波発生部は、ポンプ光パルスの伝播によりテラヘルツ波を発生させない第2結晶を更に含み、第1結晶と第2結晶とが貼り合わされていてもよい。 The terahertz wave generation unit of the terahertz wave generation device of the present invention may further include a second crystal that does not generate a terahertz wave by propagation of a pump light pulse, and the first crystal and the second crystal may be bonded together.
或いは、本発明のテラヘルツ波発生装置のテラヘルツ波発生部は、ポンプ光パルスの伝播により上記テラヘルツ波と異なる偏光方位のテラヘルツ波を発生させる第2結晶を更に含み、第1結晶と第2結晶とが貼り合わされており、第1結晶および第2結晶それぞれで発生して出射面から出射されたテラヘルツ波のうち第1結晶で発生したテラヘルツ波を偏光子により選択的に出力してもよい。 Alternatively, the terahertz wave generation unit of the terahertz wave generation device of the present invention further includes a second crystal that generates a terahertz wave having a polarization direction different from the terahertz wave by propagation of the pump light pulse, and the first crystal and the second crystal The terahertz waves generated in the first crystal out of the terahertz waves generated from the first crystal and the second crystal and emitted from the emission surface may be selectively output by the polarizer.
本発明のテラヘルツ波発生装置では、第1結晶は、光軸から径方向に向かって階段状に厚くなっていてもよいし、光軸から径方向に向かって直線的に厚くなっていてもよいし、また、光軸から径方向に向かって曲線的に厚くなっていてもよい。 In the terahertz wave generation device of the present invention, the first crystal may be thickened stepwise from the optical axis in the radial direction, or may be thickened linearly from the optical axis in the radial direction. In addition, it may be thicker in a curve from the optical axis toward the radial direction.
本発明によれは、断面における強度分布が不均一なポンプ光パルスを非線形光学結晶に入射させてテラヘルツ波を発生させる場合にテラヘルツ波の強度分布を均一化することができる。 According to the present invention, when a terahertz wave is generated by making a pump light pulse having a nonuniform intensity distribution in a cross section incident on a nonlinear optical crystal, the intensity distribution of the terahertz wave can be made uniform.
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
図1は、テラヘルツ波発生部21におけるポンプ光パルスの入射およびテラヘルツ波の出射を説明する図である。テラヘルツ波発生部21は、ポンプ光パルスPが垂直に入射する入射面21aと、テラヘルツ波Tが垂直に出射する出射面21bとを有する。入射面21aおよび出射面21bそれぞれは平面であり、両者は互いに平行である。テラヘルツ波発生部21は、例えば、定比組成のLiNbO3結晶(sLN結晶)やLiTaO3結晶(sLT結晶)、ZnTe、GaP等の非線形光学結晶からなる。同図では、入射面21aに入射するポンプ光パルスPの強度分布が複数の矢印で示され、また、出射面21bから出射するテラヘルツ波Tの強度分布が複数の矢印で示されている。
FIG. 1 is a diagram for explaining pump light pulse incidence and terahertz wave emission in the terahertz
ポンプ光パルスPを出力する光源は、好ましくは超短パルスレーザ光を出力するパルスレーザ光源であり、例えばフェムト秒レーザ光源である。この図に示されるように、入射面21aに入射するポンプ光パルスPは、断面において、中心において最も強度が強く、中心から離れるに従って強度が弱くなっていくような強度分布を有していて、多くの場合にはガウシアン形状の強度分布を有している。したがって、出射面21bから出射するテラヘルツ波Tも、断面において、中心において最も強度が強く、中心から離れるに従って強度が弱くなっていくような強度分布を有していて、多くの場合にはガウシアン形状の強度分布を有することになる。
The light source that outputs the pump light pulse P is preferably a pulse laser light source that outputs an ultrashort pulse laser beam, for example, a femtosecond laser light source. As shown in this figure, the pump light pulse P incident on the
図2は、テラヘルツ波イメージング装置2の構成図である。この図に示されるテラヘルツ波イメージング装置2は、図1に示されたテラヘルツ波発生部21および光源11を含むテラヘルツ波発生装置を備える。テラヘルツ波発生装置1が上述したようなテラヘルツ波の断面内の強度分布の不均一性を有する場合、テラヘルツ波イメージング装置2は以下のような問題点を有することとなる。
FIG. 2 is a configuration diagram of the terahertz
この図に示されるテラヘルツ波イメージング装置2では、光源11から出力された光パルスは、分岐部12により2分岐されてポンプ光パルスおよびプローブ光パルスとされる。分岐部12から出力されたポンプ光パルスは、ミラーM1〜M3により順次に反射されて、テラヘルツ波発生部21に入力される。テラヘルツ波発生部21では、ポンプ光パルスの入力に応じて同軸上にテラヘルツ波が発生し出力される。テラヘルツ波発生部21から出力されたテラヘルツ波は、測定対象部9を透過することで測定対象物9の情報(例えば、吸収係数、屈折率)を取得し、その後、レンズL1およびレンズL2を経て、合波部41に入力される。一方、分岐部12から出力されたプローブ光パルスは、ミラーM4〜M8により順次に反射され、偏光子31により直線偏光とされ、合波部41に入力される。
In the terahertz
合波部41に入力されたテラヘルツ波およびプローブ光パルスは、合波部41により互いに同軸となるように合波されて、略同一タイミングで電気光学結晶42に入力される。テラヘルツ波およびプローブ光パルスが入力された電気光学結晶42では、テラヘルツ波の伝搬に伴い複屈折が誘起され、その複屈折によりプローブ光パルスの偏光状態が変化する。電気光学結晶42から出力されたプローブ光パルスは、検光子43、レンズL3およびレンズL4を経て、撮像部44により撮像される。
The terahertz wave and the probe light pulse input to the combining
電気光学結晶42におけるプローブ光パルスの偏光状態変化の分布は、プローブ光学系の光路上に設けられた偏光子31、電気光学結晶42の出力側に設けられた検光子43、および、この検光子43を透過したプローブ光パルスを撮像する撮像部44により、光強度分布として撮像される。このようにして、電気光学結晶42におけるプローブ光パルスの偏光状態変化の分布が検出され、ひいては、測定対象物9で透過したテラヘルツ波の像が得られる。
The distribution of the change in the polarization state of the probe light pulse in the electro-
3個のミラーM1〜M3は光路長差調整部13を構成している。すなわち、ミラーM1およびM2が移動することで、分岐部12からテラヘルツ波発生部21に到るまでのポンプ光学系の光路長が調整される。これにより、光路長差調整部13は、分岐部12から合波部41に到るまでのポンプ光学系およびテラヘルツ波光学系の光路と、分岐部12から合波部41に到るまでのプローブ光学系の光路との間の光路長差ΔLを調整することができる。
The three mirrors M <b> 1 to M <b> 3 constitute an optical path length
このようなテラヘルツ波イメージング装置2において、テラヘルツ波発生部21から出力されるテラヘルツ波の断面内の強度分布の不均一性が存在すると、撮像部44による撮像に得られた画像において、測定対象物9に由来する強度分布であるのか、或いは、テラヘルツ波発生部21から出力されるテラヘルツ波の断面内の強度分布に由来するものであるのか、を区別することができない。したがって、テラヘルツ波の断面内の強度分布の不均一性は、イメージングへの応用を妨げる。
In such a terahertz
測定対象物9が存在しない場合に撮像部44により取得した画像を用いて、測定対象物9が存在する場合に撮像部44により取得した画像を信号処理により補正して、テラヘルツ波の断面内の強度分布の不均一性の影響を除去することも考えられる。しかし、図2に示されるようなテラヘルツ波イメージング装置2において使用される光源11は、例えばフェムト秒レーザ光源であるから、光パルス間の強度揺らぎが大きいので、テラヘルツ波の断面内の強度分布の不均一性の影響を除去しきれない。
Using the image acquired by the
また、信号処理で強度分布を均一にすることも考えられるが、この場合、強度が弱い部分(ノイズレベルに近い部分)は非常にノイズが大きい信号になってしまい、実用に向かない。さらに、テラヘルツ波の断面における中央領域では強度分布が比較的均一であるから、このテラヘルツ波の断面における中央領域の部分のみを測定に用いることも考えられるが、この場合には、テラヘルツ波の断面における周辺領域の部分が無駄になり、測定対象物9の測定範囲が狭くなる。したがって、テラヘルツ波の発生のときに強度分布を均一化することが重要である。
In addition, it is conceivable to make the intensity distribution uniform by signal processing. In this case, a portion with a low intensity (a portion close to the noise level) becomes a signal with a very large noise, which is not suitable for practical use. Furthermore, since the intensity distribution is relatively uniform in the central region of the terahertz wave cross section, it is possible to use only the central region of the terahertz wave cross section for measurement. In this case, the peripheral area portion is wasted, and the measurement range of the
以下では、図3〜図9を用いて、本実施形態のテラヘルツ波発生装置のテラヘルツ波発生部21A〜21Fについて説明する。これらテラヘルツ波発生部21A〜21Fそれぞれは、図1または図2においてテラヘルツ波発生部21に替えて用いられるものである。
Hereinafter, the terahertz
図3は、テラヘルツ波発生部21Aの断面図である。同図では、入射面21aに入射するポンプ光パルスPの強度分布が複数の矢印で示され、また、出射面21bから出射するテラヘルツ波Tの強度分布が複数の矢印で示されている。図4は、テラヘルツ波発生部21Aの斜視図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view of the terahertz
テラヘルツ波発生部21Aは、ポンプ光パルスPの伝播によりテラヘルツ波Tを発生させる第1結晶111からなる。第1結晶111は、例えば、ZnTe、GaAs、GaSe、sLN、CdTe、GaP、DAST、DASC、DSTMS、BNA等である。ポンプ光パルスPの強度が強い位置(中心に近い位置)における第1結晶111の厚みと比較して、ポンプ光パルスPの強度が弱い位置(中心から遠い位置)における第1結晶111が厚い。特に、このテラヘルツ波発生部21Aの第1結晶111は、光軸から径方向に向かって階段状に厚くなっている。
The terahertz
このように構成されるテラヘルツ波発生部21Aは、断面において中心に近いほど強度が強く強度分布が不均一なポンプ光パルスPが入射面21aに入射したときに、出射面21bから出射するテラヘルツ波Tの強度分布を均一化することができる。
The terahertz
図5は、テラヘルツ波発生部21Bの断面図である。テラヘルツ波発生部21Bは、ポンプ光パルスPの伝播によりテラヘルツ波Tを発生させる第1結晶121と、テラヘルツ波を発生させない第2結晶122とを含み、第1結晶121と第2結晶122とが互いに接着されて構成されている。
FIG. 5 is a cross-sectional view of the terahertz
第1結晶121と第2結晶122との接着は、テラヘルツ波に対して吸収が少ない接着剤(例えばワックス)、オプティカルコンタクト、ダイレクトボンディングなどの何れかの方法による。第1結晶121および第2結晶122それぞれの屈折率は互いに等しいことが好ましい。例えば、第1結晶121は方位(110)のZnTe結晶であり、第2結晶122は方位(100)のZnTe結晶である。
Adhesion between the
第1結晶121は、図3,図4に示された第1結晶111と同様のものである。第2結晶122は、光軸から径方向に向かって階段状に薄くなっている。第1結晶121と第2結晶122とが接着されてなるテラヘルツ波発生部21Bの全体は、厚みが一様である。
The
このように構成されるテラヘルツ波発生部21Bは、断面において中心に近いほど強度が強く強度分布が不均一なポンプ光パルスPが入射面に入射したときに、出射面から出射するテラヘルツ波Tの強度分布を均一化することができる。また、テラヘルツ波発生部21Bは、入射面および出射面それぞれが平坦であり、出射時のテラヘルツ波Tの回折が抑制され得る。
The terahertz
図6は、テラヘルツ波発生部21Cの断面図である。テラヘルツ波発生部21Cは、ポンプ光パルスPの伝播によりテラヘルツ波Tを発生させる第1結晶131と、テラヘルツ波を発生させない第2結晶132とを含み、第1結晶131と第2結晶132とが互いに接着されて構成されている。
FIG. 6 is a cross-sectional view of the terahertz
テラヘルツ波発生部21Cの第1結晶131は、光軸から径方向に向かって直線的に厚くなっている。また、第2結晶132は、光軸から径方向に向かって直線的に薄くなっている。第1結晶131と第2結晶132とが接着されてなるテラヘルツ波発生部21Cの全体は、厚みが一様である。
The
このように構成されるテラヘルツ波発生部21Cは、断面において中心に近いほど強度が強く強度分布が不均一なポンプ光パルスPが入射面に入射したときに、出射面から出射するテラヘルツ波Tの強度分布を均一化することができる。また、テラヘルツ波発生部21Cは、入射面および出射面それぞれが平坦であり、出射時のテラヘルツ波Tの屈折が抑制され得る。
The terahertz
図7は、テラヘルツ波発生部21Dの断面図である。テラヘルツ波発生部21Dは、ポンプ光パルスPの伝播によりテラヘルツ波Tを発生させる第1結晶141と、テラヘルツ波を発生させない第2結晶142とを含み、第1結晶141と第2結晶142とが互いに接着されて構成されている。
FIG. 7 is a cross-sectional view of the terahertz
テラヘルツ波発生部21Dの第1結晶141は、光軸から径方向に向かって曲線的に厚くなっている。また、第2結晶142は、光軸から径方向に向かって曲線的に薄くなっている。第1結晶141と第2結晶142とが接着されてなるテラヘルツ波発生部21Dの全体は、入射面および出射面それぞれが平坦であり、厚みが一様である。
The
このように構成されるテラヘルツ波発生部21Dは、断面において中心に近いほど強度が強く強度分布が不均一なポンプ光パルスPが入射面に入射したときに、出射面から出射するテラヘルツ波Tの強度分布を均一化することができる。また、テラヘルツ波発生部21Dは、出射時のテラヘルツ波Tの屈折が抑制され得る。
The terahertz
図8は、テラヘルツ波発生部21Eの断面図である。テラヘルツ波発生部21Eは、ポンプ光パルスPの伝播によりテラヘルツ波Tを発生させる第1結晶151と、テラヘルツ波を発生させない第2結晶152,153とを含み、第2結晶152,第1結晶151および第2結晶152が順に接着されて構成されている。
FIG. 8 is a cross-sectional view of the terahertz
テラヘルツ波発生部21Eの第1結晶151は、光軸から径方向に向かって曲線的に厚くなっている。また、第2結晶152および第2結晶153の全体は、光軸から径方向に向かって曲線的に薄くなっている。第1結晶151と第2結晶152,153とが接着されてなるテラヘルツ波発生部21Eの全体は、入射面および出射面それぞれが平坦であり、厚みが一様である。
The
このように構成されるテラヘルツ波発生部21Eは、断面において中心に近いほど強度が強く強度分布が不均一なポンプ光パルスPが入射面に入射したときに、出射面から出射するテラヘルツ波Tの強度分布を均一化することができる。また、テラヘルツ波発生部21Eは、出射時のテラヘルツ波Tの屈折が抑制され得る。
The terahertz
図9は、テラヘルツ波発生部21Fの断面図である。テラヘルツ波発生部21Fは、ポンプ光パルスPの伝播によりテラヘルツ波Tを発生させる第1結晶161,162と、テラヘルツ波を発生させない第2結晶163とを含み、第1結晶161,第2結晶163および第1結晶162が順に接着されて構成されている。
FIG. 9 is a cross-sectional view of the terahertz
テラヘルツ波発生部21Fの第1結晶161および第1結晶162の全体は、光軸から径方向に向かって曲線的に厚くなっている。また、第2結晶163は、光軸から径方向に向かって曲線的に薄くなっている。第1結晶161,162と第2結晶163とが接着されてなるテラヘルツ波発生部21Fの全体は、入射面および出射面それぞれが平坦であり、厚みが一様である。
The whole of the
このように構成されるテラヘルツ波発生部21Fは、断面において中心に近いほど強度が強く強度分布が不均一なポンプ光パルスPが入射面に入射したときに、出射面から出射するテラヘルツ波Tの強度分布を均一化することができる。また、テラヘルツ波発生部21Fは、出射時のテラヘルツ波Tの屈折が抑制され得る。
The terahertz
なお、上記のテラヘルツ波発生部21B〜21Fにおいて、第2結晶は、第1結晶で発生するテラヘルツ波と異なる偏光方位のテラヘルツ波を発生させるものであってもよい。この場合、第1結晶および第2結晶それぞれで発生して出射面から出射されたテラヘルツ波のうち第1結晶で発生したテラヘルツ波を、ワイヤーグリッド偏光子等の偏光子により選択的に出力することができる。
In the terahertz
本実施形態のテラヘルツ波発生装置は、テラヘルツ波イメージングを行う際に測定対象物への大面積のテラヘルツ波照射が可能になり、非破壊検査などへ向けた応用が広がる。 The terahertz wave generation apparatus of the present embodiment can irradiate a measurement target with a large area terahertz wave when performing terahertz wave imaging, and the application for nondestructive inspection and the like spreads.
1…テラヘルツ波発生装置、2…テラヘルツ波イメージング装置、11…光源、12…分岐部、13…光路長差調整部、21,21A〜21F…テラヘルツ波発生部、31…偏光子、41…合波部、42…電気光学結晶、43…検光子、44…撮像部、111…第1結晶、121…第1結晶、122…第2結晶、131…第1結晶、132…第2結晶、141…第1結晶、142…第2結晶、151…第1結晶、152,153…第2結晶、161,162…第1結晶、163…第2結晶、L1〜L4…レンズ、M1〜M8…ミラー。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Terahertz wave generator, 2 ... Terahertz wave imaging device, 11 ... Light source, 12 ... Branch part, 13 ... Optical path length difference adjustment part, 21, 21A-21F ... Terahertz wave generator, 31 ... Polarizer, 41 ... Wave
Claims (6)
前記テラヘルツ波発生部は、前記ポンプ光パルスの伝播により前記テラヘルツ波を発生させる第1結晶を含み、前記ポンプ光パルスの強度が強い位置における前記第1結晶の厚みと比較して、前記ポンプ光パルスの強度が弱い位置における前記第1結晶が厚い、
ことを特徴とするテラヘルツ波発生装置。 A light source that outputs a pump light pulse, and a terahertz wave generation unit that generates a terahertz wave by inputting the pump light pulse output from the light source,
The terahertz wave generation unit includes a first crystal that generates the terahertz wave by propagation of the pump light pulse, and the pump light is compared with a thickness of the first crystal at a position where the intensity of the pump light pulse is strong. The first crystal is thick at a position where the pulse intensity is weak,
The terahertz wave generator characterized by the above-mentioned.
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。 The terahertz wave generation unit further includes a second crystal that does not generate a terahertz wave by propagation of the pump light pulse, and the first crystal and the second crystal are bonded together,
The terahertz wave generator according to claim 1.
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。 The terahertz wave generation unit further includes a second crystal that generates a terahertz wave having a polarization orientation different from the terahertz wave by propagation of the pump light pulse, and the first crystal and the second crystal are bonded together, A terahertz wave generated in the first crystal out of the terahertz waves generated in the first crystal and the second crystal and emitted from the emission surface is selectively output by a polarizer,
The terahertz wave generator according to claim 1.
The terahertz wave generation device according to any one of claims 1 to 3, wherein the first crystal is curvedly thicker in a radial direction from the optical axis.
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