JP5451893B2 - 電磁波放射装置 - Google Patents
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Description
ここで、MgOドープLN結晶は、ドープされていないLN基板上に形成されている。MgOドープLN結晶において発生したテラヘルツ波(チェレンコフ光)は球面波であり、円錐状に広がって放射される。よって、MgOドープLN結晶において発生したテラヘルツ波には、ドープされていないLN基板から遠ざかる方向に進行するテラヘルツ波と、ドープされていないLN基板に向かって進行するテラヘルツ波とが存在する。
K.Suizu,K.Koketsu,T.Shibuya,T.Tsutsui,T.Akiba,and K.Kawase,"Extremely frequency−widenedterahertz wave generation using Cherenkov−type radiation,"Opt.Express 17(8),6676−6681ページ 2009年
そこで、本発明は、テラヘルツ波の出力パワーを大きくすることを課題とする。
本発明にかかる電磁波放射装置は、二つ以上の波長成分を有する励起光を受け、チェレンコフ位相整合により0.01[THz]以上100[THz]以下の周波数の電磁波を出力する非線形結晶と、前記非線形結晶に接し、前記非線形結晶から出力された前記電磁波を全反射する全反射層とを備えるように構成される。
上記のように構成された電磁波放射装置によれば、非線形結晶が、二つ以上の波長成分を有する励起光を受け、チェレンコフ位相整合により0.01[THz]以上100[THz]以下の周波数の電磁波を出力する。全反射層が、前記非線形結晶に接し、前記非線形結晶から出力された前記電磁波を全反射する。
なお、本発明にかかる電磁波放射装置は、前記非線形結晶の厚さをt、前記電磁波の波長をλ、前記非線形結晶の前記電磁波の波長における屈折率nTHz、前記電磁波の前記全反射層へのしみ出し長をδTHzとした場合、前記非線形結晶の厚さtが、t≦λ/4nTHz−δTHzを満たすようにしてもよい。
なお、本発明にかかる電磁波放射装置は、前記非線形結晶が、前記全反射層に接する接触面と、前記接触面と対向する対向面を有し、前記非線形結晶から見て前記対向面の方に配置され、前記電磁波が透過する電磁波透過部を備えるようにしてもよい。
なお、本発明にかかる電磁波放射装置は、前記電磁波透過部の前記励起光の波長における屈折率nopt_clが、前記非線形結晶の前記励起光の波長における屈折率noptよりも小さいようにしてもよい。
なお、本発明にかかる電磁波放射装置は、前記電磁波透過部が、前記非線形結晶の前記対向面に接する励起光反射部と、前記励起光反射部を透過した前記電磁波が透過する透過部とを有し、前記励起光反射部の前記励起光の波長における屈折率nopt_bが、前記非線形結晶の前記励起光の波長における屈折率noptよりも小さいようにしてもよい。
なお、本発明にかかる電磁波放射装置は、前記電磁波が前記励起光反射部を透過できる程度に、前記励起光反射部の厚さtbが、前記電磁波の波長λよりも薄く、前記励起光が前記励起光反射部を透過できない程度に、前記励起光反射部の厚さtbが厚いものであるようにしてもよい。
なお、本発明にかかる電磁波放射装置は、前記全反射層が載せられた基板を備え、前記全反射層が、前記非線形結晶と前記基板との間に配置されるようにしてもよい。
なお、本発明にかかる電磁波放射装置は、前記励起光がフェムト秒光パルスであるようにしてもよい。
なお、本発明にかかる電磁波放射装置は、前記励起光を受ける前記非線形結晶の面の幅が、前記全反射層の幅よりも狭いようにしてもよい。
第2図は、電磁波放射装置1の部分拡大正面図である。
第3図は、励起光Lpが、非線形結晶10の最も高い部分(対向面10b)に、横から入射された場合の、テラヘルツ波L1とテラヘルツ波L2との光路を示す図である。
第4図は、本発明の実施形態の第一変形例にかかる電磁波放射装置1の正面図である。
第5図は、本発明の実施形態の第二変形例にかかる電磁波放射装置1の側面図である。
第1図は、本発明の実施形態にかかる電磁波放射装置1の正面図である。第2図は、電磁波放射装置1の部分拡大正面図である。ただし、第2図において、上部クラッド16a、16b、16cは図示省略する。
電磁波放射装置1は、0.01[THz]以上100[THz]以下の周波数の電磁波を放射する。電磁波放射装置1から放射される電磁波は、例えば、テラヘルツ波帯(例えば、0.03[THz]以上10[THz]以下)の電磁波(テラヘルツ波)である。以下、本発明の実施形態においては、電磁波放射装置1から放射される電磁波を、テラヘルツ波とする。
電磁波放射装置1は、励起光源2、非線形結晶10、全反射層12、基板14、上部クラッド(電磁波透過部)16a、16b、16cを備える。
励起光源2は、二つの波長成分(波長λ1、λ2)を有する励起光Lpを出力する。波長λ1、λ2は、例えば、1250nm以上1700nm以下の範囲内の値をとる。励起光Lpは、例えば、フェムト秒光パルスである。なお、フェムト秒光パルスは、二つの波長成分(波長λ1、λ2)以外の波長成分も有するので、二つ以上の波長成分を有することとなる。
非線形結晶10は、例えば、MgOドープLN結晶である。非線形結晶10の側面(すなわち、YZ面)に垂直に、励起光Lpを入射する。ただし、励起光Lpの偏光面はZ軸(第1図の紙面に垂直な軸)に平行である。励起光Lpの二つの波長成分により、非線形結晶10内に非線形分極が形成され、その分極に対応した周波数の電磁波(テラヘルツ波)が放射される。なお、励起光Lpの波長における非線形結晶10の屈折率をnoptとし、テラヘルツ波の波長における非線形結晶10の屈折率をnTHzとすると、nTHz>noptである。非線形結晶10の屈折率分散により、励起光Lpに含まれる2つの波長(λ1,λ2)の屈折率は異なる。しかし、λ1とλ2の波長の差は、テラヘルツ波の波長に対して非常に小さく、λ1とλ2との間の屈折率分散の影響をほとんど無視できる。従って、励起光Lp(波長λ1、λ2))の非線形結晶内における屈折率(n1,n2)(それぞれ、λ1、λ2に対応)はほぼ等しく、noptとすることが出来る。
なお、チェレンコフ位相整合を満足する角度をθとすると、cosθ=(λTHz/nTHz)/(λ1λ2/(n1λ2−n2λ1))である。ただし、テラヘルツ波の波長をλTHzとする。
下記の式で記述されるチェレンコフ位相整合を満足する角度θ(第2図参照)方向に球面波のテラヘルツ波が、非線形結晶10から放射される。なお、角度θは、第2図を参照して、励起光Lpの進行方向と、テラヘルツ波の進行方向とのなす角度である。なお、下記の式は、cosθ=(λTHz/nTHz)/(λ1λ2/(n1λ2−n2λ1))において、n1=n2=noptとみなした場合の式である。
第1図に示すように、上方向に進行するテラヘルツ波L1、L3、L5と、下方向に進行するテラヘルツ波L2、L4、L6とがある。
なお、非線形結晶10は、全反射層12に接する接触面10aと、接触面10aと対向する対向面10bを有する。また、非線形結晶10の厚さtは、例えば、3.8μmである。
全反射層12は、例えば、光学接着剤である。全反射層12は、非線形結晶10に接し、非線形結晶10から出力されたテラヘルツ波L2、L4、L6を全反射する。テラヘルツ波を全反射することから、テラヘルツ波の波長における全反射層12の屈折率をnTHz_adとすると、nTHz>nTHz_adである。しかも、テラヘルツ波L2、L4、L6を全反射するため、テラヘルツ波L2、L4、L6の入射角(π/2−θ)が臨界角よりも大きいこととなる。すなわち、以下の式が成立する。
しかも、非線形結晶10内を進行する励起光が、全反射層12を透過せずに、非線形結晶10内に閉じ込められるようにするために、励起光の波長における全反射層12の屈折率をnopt_adとすると、nopt>nopt_adであるようにする。
さらに、全反射層12の厚さtadを、テラヘルツ波の全反射層12へのしみ出し長δTHzよりも厚くする。すなわち、以下の式が成立する。ただし、λは、非線形結晶10が放射するテラへルツ波の波長である。
テラヘルツ波の全反射層12へのしみ出しを考慮すると、第2図を参照して、テラヘルツ波L2は、全反射層12が非線形結晶10に接する面よりも、しみ出し長δTHzだけ内側で、全反射される。もし、全反射層12がしみ出し長δTHzよりも薄ければ、テラヘルツ波が全反射層12を透過してしまい、好ましくない。
基板14には、全反射層12が載せられている。全反射層12が、非線形結晶10と基板14との間に配置される。基板14は、例えば、ドープされていないLN基板である。
上部クラッド(電磁波透過部)16a、16b、16cは、非線形結晶10の対向面10b上に配置されている。すなわち、非線形結晶10から見て対向面10bの方に配置されている。しかも、テラヘルツ波は、上部クラッド16a、16b、16cを透過する。上部クラッド16a、16b、16cは、例えばシリコンプリズムである。上部クラッド16a、16b、16cから、テラヘルツ波が放射され(テラヘルツ放射)、電磁波放射装置1からテラヘルツ波を取り出すことができる。なお、取り出し角α(第1図参照)を適宜定めて、テラヘルツ波が全反射しないようにすることは、周知であり、詳細な説明を省略する。
なお、テラヘルツ波が、上部クラッド16a、16b、16cを透過するためには、テラヘルツ波が、上部クラッド16a、16b、16cにより全反射しないことを要する。テラヘルツ波の波長における上部クラッド16a、16b、16cの屈折率をnTHz_clとすると、nTHz<nTHz_clであればよい。ただし、nTHz≧nTHz_clである場合は、テラヘルツ波L1〜L6の入射角(π/2−θ)が、臨界角よりも小さい必要がある。この場合、以下の式が成立する。
しかも、非線形結晶10内を進行する励起光が、上部クラッド16a、16b、16cを透過せずに、非線形結晶10内に閉じ込められるようにするために、励起光の波長における上部クラッド16a、16b、16cの屈折率をnopt_clとすると、nopt>nopt_clであるようにする。
次に、本発明の実施形態の動作を説明する。
励起光源2から、励起光Lpが、非線形結晶10に与えられる。励起光Lpは、非線形結晶10内をほぼ直進する。励起光Lpの二つの波長成分(波長λ1、λ2)により、非線形結晶10内に非線形分極が形成され、その分極に対応した周波数のテラヘルツ波が放射される。しかも、nTHz>noptの条件を満足する非線形結晶10より放射されるテラヘルツ波の進行方向は、励起光Lpの進行方向と、チェレンコフ位相整合を満足する角度θをなす。
全反射層12から離れ、上部クラッド16a、16b、16cへ向かうテラヘルツ波L1、L3、L5が、非線形結晶10から放射される。テラヘルツ波L1、L3、L5は、上部クラッド16a、16b、16cを透過する。
さらに、全反射層12へ向かって、テラヘルツ波L2、L4、L6が、非線形結晶10から放射される。テラヘルツ波L2、L4、L6は、全反射層12により全反射され、上部クラッド16a、16b、16cへ向かう。そして、テラヘルツ波L2、L4、L6は、上部クラッド16a、16b、16cを透過する。
ここで、テラヘルツ波L1の進行方向と、全反射層12により反射された後のテラヘルツ波L2の進行方向とは平行である。テラヘルツ波L3、L4についても、テラヘルツ波L5、L6についても同様である。
テラヘルツ波L1とテラヘルツ波L2との光路差によっては、テラヘルツ波面D(テラヘルツ波L1の進行方向に垂直)において、テラヘルツ波L1とテラヘルツ波L2とが逆位相となり、テラヘルツ波が弱まってしまう。このようなことを防止するために、非線形結晶10の厚さtを所定の値以下にすることが好ましい。この所定の値(λ/4nTHz−δTHz)について、以下に説明する。
第3図は、励起光Lpが、非線形結晶10の最も高い部分(対向面10b)に、横から入射された場合の、テラヘルツ波L1とテラヘルツ波L2との光路を示す図である。なお、第3図に示す場合は、励起光Lpが、非線形結晶10の厚さtと同じ直径のビーム径を有するビームである場合に生じうる。
テラヘルツ波L1とテラヘルツ波L2とは、共に点Oから放射されるものとする。点Oからテラヘルツ波面Dまでのテラヘルツ波L1の光路長OAと、点Oからテラヘルツ波面Dまでのテラヘルツ波L2の光路長OB+OCとの差が、テラヘルツ波L1とテラヘルツ波L2との光路差Δである。よって、テラヘルツ波L1とテラヘルツ波L2との光路差Δ=2(t+δTHz)sinθである。
ところで、光路差Δは、点Oが対向面10b上にあるときに最大であり、点Oが接触面10aに近づくにつれて小さくなる。よって、所定のθにおける、光路差Δの最大値は、2(t+δTHz)sinθである。ここで、sinθの最大値は1である。よって、光路差Δの最大値は、2(t+δTHz)である。よって、光路差Δの最大値2(t+δTHz)について、以下の式を満たせば、テラヘルツ波面Dにおいて、テラヘルツ波L1とテラヘルツ波L2とが逆位相にならない。
よって、非線形結晶10の厚さtが、以下の式を満たせば、テラヘルツ波面Dにおいて、テラヘルツ波L1とテラヘルツ波L2とが逆位相にならない。よって、テラヘルツ波面Dにおいて、テラヘルツ波L1とテラへルツ波L2とが弱めあうことを防止できる。
本発明の実施形態によれば、全反射層12へ向かって放射されたテラヘルツ波L2、L4、L6が、全反射層12により反射され、上部クラッド16a、16b、16cに向かって進行する。よって、テラヘルツ波L2、L4、L6を、上部クラッド16a、16b、16cを介して、電磁波放射装置1から取り出すことができる。
非特許文献1(Fig.2を参照)に記載の技術によれば、テラヘルツ波L2、L4、L6に相当するテラヘルツ波は、基板14により吸収されてしまう。このような従来技術に比べて、本発明の実施形態によれば、テラヘルツ波L1、L3、L5に加えて、同程度のパワーのテラヘルツ波L2、L4、L6を電磁波放射装置1から取り出すことができるため、テラヘルツ波の出力パワーをおよそ2倍程度に大きくすることができる。
しかも、非線形結晶10の厚さtを所定の値(λ/4nTHz−δTHz)以下にするので、全反射層12へ向かって放射されたテラヘルツ波L2と、全反射層12から離れるように放射されたテラヘルツ波L1とが、テラヘルツ波面Dにおいて、逆位相になって弱めあうことを防止できる。
なお、本発明の実施形態にかかる電磁波放射装置1には色々な変形例が考えられる。
第4図は、本発明の実施形態の第一変形例にかかる電磁波放射装置1の正面図である。ただし、第4図においては、励起光源2、基板14を図示省略する。第一変形例にかかる電磁波放射装置1は、上部クラッド(透過部)16a、16b、16cと、非線形結晶10との間に、励起光反射部18を設けたものである。
励起光反射部18は、非線形結晶10の対向面10bに接する。しかも、非線形結晶10内を進行する励起光が、励起光反射部18を透過せずに、非線形結晶10内に閉じ込められるようにするために、励起光反射部18の励起光Lpの波長における屈折率nopt_bが、非線形結晶10の励起光の波長における屈折率noptよりも小さいようにする。
しかも、テラヘルツ波が励起光反射部18を透過できる程度に、励起光反射部18の厚さtbが、非線形結晶10が放射するテラヘルツ波の波長λの1/4以下の厚さのものとする。さらに、励起光Lpが励起光反射部18を透過できない程度に、励起光反射部18の厚さtbが厚いものであるものとする。
なお、上部クラッド(透過部)16a、16b、16cは、本発明の実施形態と同様である。ただし、励起光反射部18があるので、nopt>nopt_clでなくてもよい。
第5図は、本発明の実施形態の第二変形例にかかる電磁波放射装置1の側面図である。ただし、励起光源2、上部クラッド16a、16b、16cを図示省略する。また、第5図においては、接着層19を透視して図示している。
第1図〜第4図においては、スラブ導波路を図示していたが、第5図に示すように、非線形結晶10をリッジ状とし、リッジ導波路化してもよい。すなわち、励起光Lpを受ける非線形結晶10の面の幅W1が、全反射層12の幅W2よりも狭いものとしてよい。この場合、接着層19は、全反射層12の上に配置され、全反射層12と共に、非線形結晶10を包囲するようになる。接着層19の上に、上部クラッド16a、16b、16cを載せるようにする。非線形結晶10の面の幅W1を狭くすることにより、励起光Lpのパワー密度を上げることができ、テラヘルツ波を電磁波放射装置1から取り出す効率をさらに上げることができる。
Claims (9)
- 二つ以上の波長成分を有する励起光を受け、チェレンコフ位相整合により0.01[THz]以上100[THz]以下の周波数の電磁波を出力する非線形結晶と、
前記非線形結晶に接し、前記非線形結晶から出力された前記電磁波を全反射する全反射層と、
前記全反射層が載せられた基板と、
を備えた電磁波放射装置であって、
前記全反射層が、前記非線形結晶と前記基板との間に配置され、
前記非線形結晶が、前記全反射層に接する接触面と、前記接触面と対向する対向面を有し、
前記電磁波放射装置は、さらに、
前記非線形結晶から見て前記対向面の方に配置され、前記電磁波が透過する電磁波透過部を備えた電磁波放射装置。 - 二つ以上の波長成分を有する励起光を受け、チェレンコフ位相整合により0.01[THz]以上100[THz]以下の周波数の電磁波を出力する非線形結晶と、
前記非線形結晶に接し、前記非線形結晶から出力された前記電磁波を全反射する全反射層と、
を備えた電磁波放射装置であって、
前記全反射層は、前記励起光を全反射し、
前記非線形結晶が、前記全反射層に接する接触面と、前記接触面と対向する対向面を有し、
前記電磁波放射装置は、さらに、
前記非線形結晶から見て前記対向面の方に配置され、前記電磁波が透過する電磁波透過部を備えた電磁波放射装置。 - 請求項3に記載の電磁波放射装置であって、
前記電磁波透過部の前記励起光の波長における屈折率nopt_clが、前記非線形結晶の前記励起光の波長における屈折率noptよりも小さい、
電磁波放射装置。 - 請求項3に記載の電磁波放射装置であって、
前記電磁波透過部は、
前記非線形結晶の前記対向面に接する励起光反射部と、
前記励起光反射部を透過した前記電磁波が透過する透過部と、
を有し、
前記励起光反射部の前記励起光の波長における屈折率nopt_bが、前記非線形結晶の前記励起光の波長における屈折率noptよりも小さい、
電磁波放射装置。 - 請求項5に記載の電磁波放射装置であって、
前記電磁波が前記励起光反射部を透過できる程度に、前記励起光反射部の厚さtbが、前記電磁波の波長λよりも薄く、
前記励起光が前記励起光反射部を透過できない程度に、前記励起光反射部の厚さtbが厚いものである、
電磁波放射装置。 - 請求項1ないし6のいずれか一項に記載の電磁波放射装置であって、
前記励起光は、フェムト秒光パルスである、
電磁波放射装置。 - 請求項1ないし7のいずれか一項に記載の電磁波放射装置であって、
前記励起光を受ける前記非線形結晶の面の幅が、前記全反射層の幅よりも狭い、
電磁波放射装置。 - 請求項1または2に記載の電磁波放射装置であって、
前記全反射層の厚さtadは、前記電磁波のしみ出し長δTHzよりも大きい、
電磁波放射装置。
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