JP5555042B2

JP5555042B2 - テラヘルツ波発生装置

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Publication number: JP5555042B2
Application number: JP2010098991A
Authority: JP
Inventors: 敬史安田; 陽一河田; 篤司中西; 高一郎秋山; 宏典高橋
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2010-04-22
Filing date: 2010-04-22
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2030-04-22
Also published as: JP2011226994A

Description

本発明は、テラヘルツ波発生装置に関するものである。

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。

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。

これまでのテラヘルツ波発生技術では、ポンプ光パルスの中心波長によりテラヘルツ波発生に適する非線形光学結晶の種類が決まっていた。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。

近年では、通常では位相整合条件を満たさない非線形光学結晶が用いられる場合であっても、ポンプ光パルスのパルス面を傾斜させて該ポンプ光パルスを非線形光学結晶に入射させることで位相整合条件が満たされることが明らかになっている（非特許文献１〜４）。

J. Hebling, et al.,Optics Express 10, 1161 (2002). J. Hebling, et al.,Appl. Phys. B 78, 593 (2004). J. Hebling, et al.,IEEE J. Selected Topics in Quantum Electron. 14, 345 (2008). L. Palfalvi, et. al.,Appl. Phys. Lett. 92, 171107 (2008).

しかしながら、ポンプ光パルスのパルス面を傾斜させて該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、発生した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。

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、パルス面を傾斜させた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の不均一化を抑制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。

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のパルス面を傾斜させるパルス面傾斜部と、パルス面傾斜部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。

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、(1) ポンプ光パルスが垂直入射する入射面と、テラヘルツ波が垂直出射する出射面とを有し、(2) ポンプ光パルスの主光線に平行であってパルス面に垂直な断面において、出射面からのテラヘルツ波の出射方向に平行な二辺を有する平行四辺形であってポンプ光パルスが通過する特定領域にテラヘルツ波を発生させる第１結晶を有し、特定領域以外の他の領域にテラヘルツ波を発生しない第２結晶を含み、ポンプ光パルスが第１結晶の全領域を伝搬し、(3)テラヘルツ帯において第１結晶および第２結晶それぞれの屈折率が互いに略等しいことを特徴とする。

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、(1) ポンプ光パルスが垂直入射する入射面と、テラヘルツ波が垂直出射する出射面とを有し、(2) ポンプ光パルスの主光線に平行であってパルス面に垂直な断面において、出射面からのテラヘルツ波の出射方向に平行な二辺を有する平行四辺形であってポンプ光パルスが通過する特定領域にテラヘルツ波を発生させる第１結晶を有し、特定領域以外の他の領域に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結晶を含み、ポンプ光パルスが第１結晶の全領域を伝搬し、(3)テラヘルツ帯において第１結晶および第２結晶それぞれの屈折率が互いに略等しく、(4) 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することを特徴とする。

本発明のテラヘルツ波発生装置では、テラヘルツ波発生部の断面における特定領域は、入射面に平行な一辺を有する平行四辺形であってもよいし、出射面に平行な一辺を有する平行四辺形であってもよい。

なお、平行四辺形には、菱形、長方形および正方形も含まれる。

本発明によれば、パルス面を傾斜させた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の不均一化を抑制することができる。

テラヘルツ波発生装置１の構成図である。テラヘルツ波発生部２５におけるポンプ光パルスＰおよびテラヘルツ波Ｔそれぞれの伝播の様子を示す図である。テラヘルツ波イメージング装置２の構成図である。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２５Ａの構成図である。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２５Ｂの構成図である。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２５Ｃの構成図である。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２５Ｄの構成図である。

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。

図１は、テラヘルツ波発生装置１の構成図である。この図に示されるテラヘルツ波発生装置１は、光源１１，反射型回折格子２１，ミラー２２，１／２波長板２３およびレンズ２４およびテラヘルツ波発生部２５を備える。

光源１１は、テラヘルツ波を発生させるためにテラヘルツ波発生部２５に入射されるべきポンプ光パルスＰを出力するものである。光源１１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。反射型回折格子２１は、光源１１から出力されたポンプ光パルスを入力して、そのポンプ光パルスを反射・回折して出力する。反射型回折格子２１に対しポンプ光パルスの入射および出射は互いに同じ側である。

ミラー２２は、反射型回折格子２１により回折されて出力されたポンプ光パルスを１／２波長板２３へ反射させる。１／２波長板２３は、ミラー２２により反射されたポンプ光パルスを入力し、そのポンプ光パルスの偏光状態を調整して結像光学系２４へ出力する。結像光学系２４は、反射型回折格子２１により回折されて出力されミラー２２を経たポンプ光パルスを入力して、反射型回折格子２１におけるポンプ光パルスの像を結像する。

テラヘルツ波発生部２５は、結像光学系２４によりポンプ光パルスが結像される位置に配置され、結像光学系２４を経たポンプ光パルスＰを入力してテラヘルツ波Ｔを発生させる。テラヘルツ波発生部２５は、例えば、定比組成のＬｉＮｂＯ_３結晶（ｓＬＮ結晶）やＬｉＴａＯ_３結晶（ｓＬＴ結晶）、ＺｎＴｅ、ＧａＰ等の非線形光学結晶からなる。

このように構成されるテラヘルツ波発生装置１では、光源１１から出力されたポンプ光パルスＰは、反射型回折格子２１に入射する前では主光線に垂直なパルス面Ｓ_１を有しているが、反射型回折格子２１により回折された後では主光線に垂直な面に対して傾斜したパルス面Ｓ_２を有している。反射型回折格子２１により回折されたポンプ光パルスのパルス面Ｓ_２の傾斜角度は、ポンプ光パルスの波長、反射型回折格子２１の格子周期、および、反射型回折格子２１へのポンプ光パルスの入射角度、に依存する。

また、結像光学系２４により結像されたポンプ光パルスのパルス面Ｓ_３の傾斜角度は、結像光学系２４に入射する前のポンプ光パルスのパルス面Ｓ_２の傾斜角度と結像光学系２４の結像の倍率とに依存する。さらに、テラヘルツ波発生部２５中を伝搬する際のポンプ光パルスのパルス面Ｓ_４の傾斜角度は、テラヘルツ波発生部２５に入射する前のポンプ光パルスのパルス面Ｓ_３の傾斜角度とテラヘルツ波発生部２５の屈折率とに依存する。

したがって、ポンプ光パルスの波長、テラヘルツ波の周波数、ポンプ光パルスおよびテラヘルツ波それぞれに対するテラヘルツ波発生部２５の屈折率、ならびに、テラヘルツ波発生部２５の結晶軸の方位等を考慮した上で、テラヘルツ波発生部２５中を伝搬する際のポンプ光パルスのパルス面Ｓ_４の傾斜角度を適切に設定すれば、位相整合条件を満たすことができる。

このようなテラヘルツ波発生装置１によれば、通常は位相整合条件が満たされない中心波長のポンプ光パルスとテラヘルツ波発生部２５の結晶との組み合わせであっても、パルス面を傾斜させたポンプ光パルスをテラヘルツ波発生部２５に入射させることにより位相整合条件を満たすことができる。そして、通常の位相整合の手法では使用に適さなかった効率の高い非線形光学結晶が、幅広い範囲の波長のポンプ光パルスに対してテラヘルツ波発生部２５として使用できるようになる。こうして発生したテラヘルツ波Ｔは、非常に高強度であり、従来の分光計測における計測光としての利用だけでなく、テラヘルツ波Ｔ自体による試料の励起も可能となる。

なお、反射型回折格子２１は、ポンプ光パルスＰのパルス面を傾斜させるパルス面傾斜部として作用する。パルス面傾斜部は、反射型回折格子の他、透過型回折格子やプリズムなどであってもよい。

図２は、テラヘルツ波発生部２５におけるポンプ光パルスＰおよびテラヘルツ波Ｔそれぞれの伝播の様子を示す図である。この図には、ポンプ光パルスＰの主光線に平行であってパルス面に垂直な断面が示されている。この断面においてテラヘルツ波発生部２５中を伝播するポンプ光パルスＰのパルス面Ｓ_４が実線で示され、テラヘルツ波発生部２５中を伝播するテラヘルツ波Ｔの伝播方向が点線で示され、また、テラヘルツ波発生部２５の出射面２５ｂから出射されたテラヘルツ波Ｔの伝播方向および強度分布が出射面２５ｂからの複数の矢印で示されている。

テラヘルツ波発生部２５は、ポンプ光パルスＰが垂直入射する入射面２５ａと、テラヘルツ波Ｔが垂直出射する出射面２５ｂとを有する。入射面２５ａおよび出射面２５ｂそれぞれは平面である。入射面２５ａに垂直入射したポンプ光パルスＰは、テラヘルツ波発生部２５内を入射前と同じ方向に伝播していく。テラヘルツ波発生部２５内におけるポンプ光パルスＰの伝播の過程で各位置において位相が揃ったテラヘルツ波Ｔが発生する。そのテラヘルツ波Ｔは、点線で示される方向にテラヘルツ波発生部２５内を伝播し、出射面２５ｂから外部へ矢印で示される方向に出射する。出射面２５ｂからのテラヘルツ波Ｔの前後でテラヘルツ波Ｔの伝播方向は同じである。

出射面２５ｂの或る位置から出射する際のテラヘルツ波Ｔの強度は、その位置を通り出射面２５ｂに垂直な直線のうち、ポンプ光パルスＰが伝播することによりテラヘルツ波発生部２５においてテラヘルツ波Ｔが発生する部分の長さ（同図中の点線の長さ）に依存する。同図に示されるように、テラヘルツ波発生部２５の全体がテラヘルツ波を発生させ得る結晶からなる場合には、出射面２５ｂから出射する際のテラヘルツ波Ｔの断面内の強度分布は不均一化する。

図３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装置１を備える。なお、この図では、反射型回折格子２１，ミラー２２，１／２波長板２３およびレンズ２４の図示が省略されている。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。

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２５に入力される。テラヘルツ波発生部２５では、ポンプ光パルスの入力に応じてテラヘルツ波が発生し出力される。テラヘルツ波発生部２５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。

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。

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。

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２５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。

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２５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２５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。

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３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。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。したがって、テラヘルツ波の発生のときに強度分布の不均一化を抑制することが重要である。

以下では、図４〜図７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２５Ａ〜２５Ｄについて説明する。これらテラヘルツ波発生部２５Ａ〜２５Ｄそれぞれは、図１に示されたテラヘルツ波発生装置１においてテラヘルツ波発生部２５に替えて用いられるものである。

図４〜図７それぞれでは、ポンプ光パルスＰの主光線に平行であってパルス面Ｓ_４に垂直な断面が示されている。各図（ａ）では、テラヘルツ波発生部を構成する結晶の形状および配置が示されている。各図（ｂ）では、テラヘルツ波発生部中を伝播するポンプ光パルスＰのパルス面Ｓ_４が実線で示され、テラヘルツ波発生部中を伝播するテラヘルツ波Ｔの伝播方向が点線で示され、また、テラヘルツ波発生部の出射面２５ｂから出射されたテラヘルツ波Ｔの伝播方向および強度分布が出射面２５ｂからの複数の矢印で示されている。

図４は、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２５Ａの構成図である。テラヘルツ波発生部２５Ａは、４個の結晶１１１〜１１４が組み合わされて構成されている。ポンプ光パルスＰの主光線に平行であってパルス面Ｓ_４に垂直な断面において、出射面２５ｂからのテラヘルツ波Ｔの出射方向に平行な二辺を有する平行四辺形であってポンプ光パルスＰが通過する特定領域に、テラヘルツ波を発生させる第１結晶１１１が設けられ、この特定領域以外の他の領域に、テラヘルツ波を発生しない第２結晶１１２〜１１４が設けられている。

結晶１１１は、入射面２５ａに垂直入射し傾斜したパルス面Ｓ_４を有するポンプ光パルスＰに対してチェレンコフ型の位相整合条件を満たす非線形光学結晶であって、その全領域をポンプ光パルスＰが伝播し、その全領域においてテラヘルツ波Ｔを発生させることができる。結晶１１１の断面は、出射面２５ｂからのテラヘルツ波Ｔの出射方向に平行な二辺と、入射面２５ａ上の辺と、入射面２５ａ上の辺に平行な辺と、を有する平行四辺形を呈している。結晶１１１は、例えば、ｓＬＮ、ｓＬＴ、ＺｎＴｅ、ＧａＰ等である。

結晶１１２〜１１４の屈折率は、テラヘルツ帯において結晶１１１の屈折率と略等しい。結晶１１２〜１１４は、結晶１１１と同じ結晶であるが、結晶１１１とは光学軸の方位が異なっていて、ポンプ光パルスＰに対して位相整合条件を満たさないようにしてもよい。結晶１１２〜１１４それぞれの断面は三角形を呈している。結晶１１２および結晶１１３は結晶１１１を挟んで設けられていて、これら３個の結晶１１１〜１１３の全体の断面が長方形を呈している。結晶１１４は結晶１１１と出射面２５ｂとの間に設けられている。結晶１１１〜１１４の相互間の接着は、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。このように結晶１１１の周囲に結晶１１２〜１１４が設けられていることにより、ポンプ光パルスＰやテラヘルツ波Ｔの全反射が防止され得る。

このように構成されるテラヘルツ波発生部２５Ａは、４個の結晶１１１〜１１４のうち結晶１１１のみにおいてテラヘルツ波を発生させるので、ポンプ光パルスＰとテラヘルツ波Ｔとの間の相互作用長が一定となる。したがって、出射面２５ｂから出射されるテラヘルツ波の強度分布の不均一化が抑制され得る。

図５は、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２５Ｂの構成図である。テラヘルツ波発生部２５Ｂは、４個の結晶１２１〜１２４が組み合わされて構成されている。ポンプ光パルスＰの主光線に平行であってパルス面Ｓ_４に垂直な断面において、出射面２５ｂからのテラヘルツ波Ｔの出射方向に平行な二辺を有する平行四辺形であってポンプ光パルスＰが通過する特定領域に、テラヘルツ波を発生させる第１結晶１２１が設けられ、この特定領域以外の他の領域に、テラヘルツ波を発生しない第２結晶１２２〜１２４が設けられている。

結晶１２１は、入射面２５ａに垂直入射し傾斜したパルス面Ｓ_４を有するポンプ光パルスＰに対してチェレンコフ型の位相整合条件を満たす非線形光学結晶であって、その全領域をポンプ光パルスＰが伝播し、その全領域においてテラヘルツ波Ｔを発生させることができる。結晶１２１の断面は、出射面２５ｂからのテラヘルツ波Ｔの出射方向に平行な二辺と、出射面２５ｂ上の辺と、出射面２５ｂ上の辺に平行な辺と、を有する平行四辺形を呈している。結晶１２１は、例えば、ｓＬＮ、ｓＬＴ、ＺｎＴｅ、ＧａＰ等である。

結晶１２２〜１２４の屈折率は、テラヘルツ帯において結晶１２１の屈折率と略等しい。結晶１２２〜１２４は、結晶１２１と同じ結晶であるが、結晶１２１とは光学軸の方位が異なっていて、ポンプ光パルスＰに対して位相整合条件を満たさないようにしてもよい。結晶１２２，１２４それぞれの断面は三角形を呈している。結晶１２３の断面は四角形を呈している。結晶１２２および結晶１２３は結晶１２１を挟んで設けられていて、これら３個の結晶１２１〜１２３の全体の断面が平行四辺形を呈している。結晶１２４は結晶１２１と入射面２５ａとの間に設けられている。結晶１２１〜１２４の相互間の接着は、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。このように結晶１２１の周囲に結晶１２２〜１２４が設けられていることにより、ポンプ光パルスＰやテラヘルツ波Ｔの全反射が防止され得る。

このように構成されるテラヘルツ波発生部２５Ｂは、４個の結晶１２１〜１２４のうち結晶１２１のみにおいてテラヘルツ波を発生させるので、ポンプ光パルスＰとテラヘルツ波Ｔとの間の相互作用長が一定となる。したがって、出射面２５ｂから出射されるテラヘルツ波の強度分布の不均一化が抑制され得る。

図６は、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２５Ｃの構成図である。テラヘルツ波発生部２５Ｃは、４個の結晶１３１〜１３４が組み合わされて構成されている。ポンプ光パルスＰの主光線に平行であってパルス面Ｓ_４に垂直な断面において、出射面２５ｂからのテラヘルツ波Ｔの出射方向に平行な二辺を有する平行四辺形であってポンプ光パルスＰが通過する特定領域に、テラヘルツ波を発生させる第１結晶１３１が設けられ、この特定領域以外の他の領域に、第１結晶１３１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第２結晶１３２〜１３４が設けられている。

結晶１３１は、入射面２５ａに垂直入射し傾斜したパルス面Ｓ_４を有するポンプ光パルスＰに対してチェレンコフ型の位相整合条件を満たす非線形光学結晶であって、その全領域をポンプ光パルスＰが伝播し、その全領域においてテラヘルツ波Ｔを発生させることができる。結晶１３１の断面は、出射面２５ｂからのテラヘルツ波Ｔの出射方向に平行な二辺と、入射面２５ａ上の辺と、入射面２５ａ上の辺に平行な辺と、を有する平行四辺形を呈している。結晶１３１は、例えば、ｓＬＮ、ｓＬＴ、ＺｎＴｅ、ＧａＰ等である。

結晶１３２〜１３４の屈折率は、テラヘルツ帯において結晶１３１の屈折率と略等しい。結晶１３２〜１３４は、結晶１３１と同じ結晶であるが、結晶１３１とは光学軸の方位が異なっていて、第１結晶１３１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。結晶１３２〜１３４それぞれの断面は三角形を呈している。結晶１３２および結晶１３３は結晶１３１を挟んで設けられていて、これら３個の結晶１３１〜１３３の全体の断面が長方形を呈している。結晶１３４は結晶１３１と出射面２５ｂとの間に設けられている。結晶１３１〜１３４の相互間の接着は、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。このように結晶１３１の周囲に結晶１３２〜１３４が設けられていることにより、ポンプ光パルスＰやテラヘルツ波Ｔの全反射が防止され得る。

このように構成されるテラヘルツ波発生部２５Ｃは、４個の結晶１３１〜１３４の全てでテラヘルツ波を発生させるが、結晶１３１で発生するテラヘルツ波の偏光方位と、結晶１３２〜１３４で発生するテラヘルツ波の偏光方位とが互いに異なる。テラヘルツ波発生部２５Ｃは、４個の結晶１３１〜１３４で発生したテラヘルツ波のうち結晶１３１で発生したテラヘルツ波を、偏光子２６により選択的に透過させて出力することができる。したがって、出射されるテラヘルツ波の強度分布の不均一化が抑制され得る。

図７は、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２５Ｄの構成図である。テラヘルツ波発生部２５Ｄは、４個の結晶１４１〜１４４が組み合わされて構成されている。ポンプ光パルスＰの主光線に平行であってパルス面Ｓ_４に垂直な断面において、出射面２５ｂからのテラヘルツ波Ｔの出射方向に平行な二辺を有する平行四辺形であってポンプ光パルスＰが通過する特定領域に、テラヘルツ波を発生させる第１結晶１４１が設けられ、この特定領域以外の他の領域に、第１結晶１４１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第２結晶１４２〜１４４が設けられている。

結晶１４１は、入射面２５ａに垂直入射し傾斜したパルス面Ｓ_４を有するポンプ光パルスＰに対してチェレンコフ型の位相整合条件を満たす非線形光学結晶であって、その全領域をポンプ光パルスＰが伝播し、その全領域においてテラヘルツ波Ｔを発生させることができる。結晶１４１の断面は、出射面２５ｂからのテラヘルツ波Ｔの出射方向に平行な二辺と、出射面２５ｂ上の辺と、出射面２５ｂ上の辺に平行な辺と、を有する平行四辺形を呈している。結晶１４１は、例えば、ｓＬＮ、ｓＬＴ、ＺｎＴｅ、ＧａＰ等である。

結晶１４２〜１４４の屈折率は、テラヘルツ帯において結晶１４１の屈折率と略等しい。結晶１４２〜１４４は、結晶１４１と同じ結晶であるが、結晶１４１とは光学軸の方位が異なっていて、第１結晶１４１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。結晶１４２，１４４それぞれの断面は三角形を呈している。結晶１４３の断面は四角形を呈している。結晶１４２および結晶１４３は結晶１４１を挟んで設けられていて、これら３個の結晶１４１〜１４３の全体の断面が平行四辺形を呈している。結晶１４４は結晶１４１と入射面２５ａとの間に設けられている。結晶１４１〜１４４の相互間の接着は、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。このように結晶１４１の周囲に結晶１４２〜１４４が設けられていることにより、ポンプ光パルスＰやテラヘルツ波Ｔの全反射が防止され得る。

このように構成されるテラヘルツ波発生部２５Ｄは、４個の結晶１４１〜１４４の全てでテラヘルツ波を発生させるが、結晶１４１で発生するテラヘルツ波の偏光方位と、結晶１４２〜１４４で発生するテラヘルツ波の偏光方位とが互いに異なる。テラヘルツ波発生部２５Ｄは、４個の結晶１４１〜１４４で発生したテラヘルツ波のうち結晶１４１で発生したテラヘルツ波を、偏光子２６により選択的に透過させて出力することができる。したがって、出射されるテラヘルツ波の強度分布の不均一化が抑制され得る。

図６，図７に示されたテラヘルツ波発生部２５Ｃ，２５Ｄの具体例は以下のとおりである。第１結晶１３１，１４１としてｓＬＮ結晶が用いられる。ｓＬＮ結晶は、テラヘルツ波が発生しない方位が存在しない。第１結晶１３１，１４１は、Ｘカットで結晶内のポンプ光パルスのパルス面Ｓ_４の傾斜角が６４度であるとき位相整合条件を満たす結晶方位で平行四辺形に加工される。このとき、ポンプ光パルスの偏光方位は結晶上のＺ方向に平行であり、第１結晶１３１，１４１で発生するテラヘルツ波の偏光方位はポンプ光パルスの偏光方位と平行となる。

周囲に接着される第２結晶１３２〜１３４，１４２〜１４４は、第１結晶１３１，１４１で発生するテラヘルツ波の偏光方位に対して垂直な偏光方位を有するテラヘルツ波を発生させる結晶方位とされる。例えば、第２結晶１３２〜１３４，１４２〜１４４は、Ｙカットでポンプ光パルスの偏光方位がＸ方向に平行になるように加工される。このとき、第２結晶１３２〜１３４，１４２〜１４４で発生するテラヘルツ波は、ポンプ光パルスの偏光方位に対して垂直な偏光方位をもって出力される。

偏光子２６としてワイヤーグリッド偏光子が用いられて、ポンプ光パルスの偏光方位に対して平行な偏光方位を有するテラヘルツ波（すなわち、第１結晶１３１，１４１で発生したテラヘルツ波）が選択的に取り出される。このようにするにより、テラヘルツ波の強度分布が均一化され得る。

図４〜図７に示されたテラヘルツ波発生部２５Ａ〜２５Ｄにおいて、第１結晶の周囲に設けられる第２結晶は、第１結晶と同じ結晶であってもよいが、これに限られず、テラヘルツ帯において屈折率が略同じ物質で、テラヘルツ波の活性のない物、または、発生するテラヘルツ波を分離することができる物であればよい。この際、第２結晶はテラヘルツ波及びポンプ光パルスに吸収を持たない物質であることが望ましい。吸収がある場合は、吸収の度合いも加味して最終的に出力されるテラヘルツ波の強度分布が均一となるように加工形状が決定される。また、テラヘルツ波発生部２５Ａ〜２５Ｄそれぞれにおいて第１結晶の大きさはポンプ光パルスのビーム径程度であることが望ましい。

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にチェレンコフ型のテラヘルツ波発生の手法を適用することが可能になる。これにより、大出力のテラヘルツ波でイメージングをすることが可能になり、非破壊検査などへ向けた応用が広がる。

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…反射型回折格子、２２…ミラー、２３…１／２波長板、２４…レンズ、２５，２５Ａ〜２５Ｄ…テラヘルツ波発生部、２６…偏光子、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、１１２〜１１４…第２結晶、１２１…第１結晶、１２２〜１２４…第２結晶、１３１…第１結晶、１３２〜１３４…第２結晶、１４１…第１結晶、１４２〜１４４…第２結晶、Ｌ１〜Ｌ４…レンズ、Ｍ１〜Ｍ８…ミラー。

Claims

ポンプ光パルスを出力する光源と、
前記光源から出力されたポンプ光パルスのパルス面を傾斜させるパルス面傾斜部と、
前記パルス面傾斜部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、
前記テラヘルツ波発生部は、
前記ポンプ光パルスが垂直入射する入射面と、前記テラヘルツ波が垂直出射する出射面とを有し、
前記ポンプ光パルスの主光線に平行であってパルス面に垂直な断面において、前記出射面からの前記テラヘルツ波の出射方向に平行な二辺を有する平行四辺形であって前記ポンプ光パルスが通過する特定領域に前記テラヘルツ波を発生させる第１結晶を有し、前記特定領域以外の他の領域に前記テラヘルツ波を発生しない第２結晶を含み、前記ポンプ光パルスが前記第１結晶の全領域を伝搬し、
テラヘルツ帯において前記第１結晶および前記第２結晶それぞれの屈折率が互いに略等しい、
ことを特徴とするテラヘルツ波発生装置。
ポンプ光パルスを出力する光源と、
前記光源から出力されたポンプ光パルスのパルス面を傾斜させるパルス面傾斜部と、
前記パルス面傾斜部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、
前記テラヘルツ波発生部は、
前記ポンプ光パルスが垂直入射する入射面と、前記テラヘルツ波が垂直出射する出射面とを有し、
前記ポンプ光パルスの主光線に平行であってパルス面に垂直な断面において、前記出射面からの前記テラヘルツ波の出射方向に平行な二辺を有する平行四辺形であって前記ポンプ光パルスが通過する特定領域に前記テラヘルツ波を発生させる第１結晶を有し、前記特定領域以外の他の領域に前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結晶を含み、前記ポンプ光パルスが前記第１結晶の全領域を伝搬し、
テラヘルツ帯において前記第１結晶および前記第２結晶それぞれの屈折率が互いに略等しく、
前記第１結晶および前記第２結晶それぞれで発生して前記出射面から出射されたテラヘルツ波のうち前記第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する、
ことを特徴とするテラヘルツ波発生装置。
前記テラヘルツ波発生部の前記断面における前記特定領域が、前記入射面に平行な一辺を有する平行四辺形である、ことを特徴とする請求項１または２に記載のテラヘルツ波発生装置。
前記テラヘルツ波発生部の前記断面における前記特定領域が、前記出射面に平行な一辺を有する平行四辺形である、ことを特徴とする請求項１または２に記載のテラヘルツ波発生装置。