JP5909089B2 - 光学結晶、テラヘルツ波発生装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、光学結晶、テラヘルツ波発生装置及び方法に関する。

従来、非線形光学効果である差周波発生現象を利用してテラヘルツ波を発生することができる非線形光学結晶が知られている。発生するテラヘルツ波の特性は、使用する非線形光学結晶の物性に依存するため、使用する非線形光学結晶により発生するテラヘルツ波の周波数帯域も個々に特徴がある。このため、テラヘルツ波の利用目的に応じて所望の出力特性のテラヘルツ波が得られることが望まれる。

そこで、テラヘルツ波の発生に使用する非線形光学結晶を、成分Ａと成分Ｂとを含む混合結晶とすることで、特定の周波数領域において発生するテラヘルツ波の強度が減少することを抑制したテラヘルツ波発生用有機材料が提案されている（例えば、特許文献１参照。）

特開２００７−３２８１４５号公報

しかしながら、特許文献１のテラヘルツ波発生有機材料を使用して発生したテラヘルツ波は、特定の周波数領域におけるテラヘルツ波の強度の減少を多少抑制できてはいるものの、成分Ａのみの非線形光学結晶を使用して発生したテラヘルツ波において強度が減少する周波数領域、及び成分Ｂのみの非線形光学結晶を使用して発生したテラヘルツ波において強度が減少する周波数領域の両方で強度が減少した特性となってしまう、という問題がある。

本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、１つの光学結晶で異なる分光特性のテラヘルツ波を発生することができる光学結晶、及びテラヘルツ波発生装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、第１の発明の光学結晶は、入射された異なる２波長の光から差周波発生により前記異なる２波長の光の差周波数分に相当するテラヘルツ波を発生する第１の非線形光学結晶と、入射された前記異なる２波長の光から差周波発生により前記異なる２波長の光の差周波数分に相当するテラヘルツ波を発生し、かつ前記第１の非線形光学結晶と材質が異なる第２の非線形光学結晶と、から構成された光学結晶であって、前記第１の非線形光学結晶と前記第２の非線形光学結晶とを、接触または近接して配置して構成されている。

第１の発明の光学結晶によれば、第１の非線形光学結晶は、入射された異なる２波長の光から差周波発生により異なる２波長の差周波数分に相当するテラヘルツ波を発生する。第２の非線形光学結晶は、第１の非線形光学結晶とは材質が異なるため、入射された異なる２波長の光から差周波発生により異なる２波長の差周波数分に相当するテラヘルツ波であって、第１の非線形光学結晶から発生するテラヘルツ波とは異なるテラヘルツ波を発生する。この第１の非線形光学結晶と第２の非線形光学結晶とを、接触または近接して配置して１つの光学結晶として構成し、光学結晶へ入射する異なる２波長の光の入射方向を切り替えることで、１つの光学結晶で異なる分光特性のテラヘルツ波を発生することができる。

また、第１の発明の光学結晶において、前記第１の非線形光学結晶のいずれかの光学軸のベクトル方向と、前記第２の非線形光学結晶のいずれかの光学軸のベクトル方向とが同じ方向を向くように、前記第１の非線形光学結晶と前記第２の非線形光学結晶とを配置することができる。さらに、第１の発明の光学結晶において、前記第２の非線形光学結晶の光学軸のベクトル方向と、該光学軸に対応する前記第１の非線形光学結晶の光学軸とのベクトル方向とが同じ方向を向くように、前記第１の非線形光学結晶と前記第２の非線形光学結晶とを配置することができる。例えば、第１の非線形光学結晶と第２の非線形光学結晶とを、各々のａ軸のベクトル方向が同じ方向を向くように配置することができる。また、第１の非線形光学結晶と第２の非線形光学結晶とを、各々の光学的特性が最大となる光学軸のベクトル方向が同じ方向を向くように配置することもできる。この場合、第１の非線形光学結晶及び第２の非線形光学結晶の性能を最大限に引き出すことができる。

また、第１の発明の光学結晶において、前記第１の非線形光学結晶及び前記第２の非線形光学結晶の各々は、２価の連結基である主骨格と、前記主骨格に電子求引性基及び電子供与性基が結合した構造からなる化合物とすることができる。具体的には、前記化合物は、ＤＡＳＴ結晶、ＤＡＳＣ結晶、ＯＨ１、ＢＮＡ、ＢＤＡＳ−ＴＰ、ＤＡＳ−ＨＴＰ、及びＭＣ−ＴＰＳから選択された一種とすることができる。

また、第１の発明の光学結晶において、前記第１の非線形光学結晶と前記第２の非線形光学結晶とを、融着法、結晶育成法、及び接着剤法のいずれかの方法により接触させることができる。

第２の発明のテラヘルツ波発生装置は、第１の発明の光学結晶と、前記異なる２波長の光を発生する光発生装置と、前記光発生装置から発生された異なる２波長の光が、前記第１の非線形光学結晶から前記第２の非線形光学結晶への方向、及び前記第２の非線形光学結晶から前記第１の非線形光学結晶への方向に透過するように、前記異なる２波長の光を前記光学結晶に入射する入射装置と、を含んで構成することができる。

第２の発明のテラヘルツ波発生装置によれば、光発生装置が異なる２波長の光を発生する。入射装置は、光発生装置から発生された異なる２波長の光が、第１の非線形光学結晶から第２の非線形光学結晶への方向、及び第２の非線形光学結晶から第１の非線形光学結晶への方向に透過するように、光学発生装置から発生された光を光学結晶に入射する。このように、入射装置により、光学結晶へ入射する異なる２波長の光の入射方向を切り替えることで、１つの光学結晶で異なる分光特性のテラヘルツ波を発生することができる。

また、第２の発明のテラヘルツ発生装置において、前記入射装置を、前記光発生装置から発生された異なる２波長の光が、前記第１の非線形光学結晶から前記第２の非線形光学結晶への方向へ透過する位置と、前記第２の非線形光学結晶から前記第１の非線形光学結晶への方向に透過する位置との間で、前記光学結晶及び前記光発生装置の少なくとも一方を回転させる回転部材とすることができる。また、前記入射装置を、前記光発生装置から発生された異なる２波長の光を反射するミラーと、前記異なる２波長の光及び前記ミラーで反射した光を透過する透過部、及び入射されたテラヘルツ波を反射する反射面を備え、前記入射されたテラヘルツ波を反射するように、前記光学結晶を挟むように前記光発生装置と前記ミラーとの間に配置された一対の軸外し放物面鏡とで構成することができる。

第３の発明のテラヘルツ波発生装置は、第１のミラーと、前記第１のミラーと共に共振器を構成する第２のミラーを備え、異なる２波長の光を発生する光発生装置と、入射された異なる２波長の光を透過する透過部、及び入射されたテラヘルツ波を反射する反射面を備え、前記入射されたテラヘルツ波を反射するように前記共振器内に配置された一対の軸外し放物面鏡と、前記一対の軸外し放物面鏡の間に配置された第１の発明の光学結晶と、を含んで構成されている。

第３の発明のテラヘルツ波発生装置によれば、第１のミラーと、第１のミラーと共に共振器を構成する第２のミラーを備えた光発生装置が、異なる２波長の光を発生する。異なる２波長の光は、共振器内に配置された一対の軸外し放物面鏡の透過部を透過して、一対の軸外し放物面鏡の間に配置された上記光学結晶に入射され、光学結晶から各々異なる分光特性のテラヘルツ波が発生する。軸外し放物面鏡は、入射されたテラヘルツ波を反射する反射面を備えており、光学結晶から発生され、反射面に入射されたテラヘルツ波を反射する。

このように、共振器内に配置された一対の軸外し放物面鏡の間に第１の発明の光学結晶を配置することで、異なる２波長の光が光学結晶に対して双方向から入射されることになり、１つの光学結晶で異なる分光特性のテラヘルツ波を発生することができる。

また、第３のテラヘルツ波発生装置は、前記一対の軸外し放物面鏡の各々から反射されたテラヘルツ波を混合する混合器を含んで構成してもよい。これにより、異なる分光特性のテラヘルツ波を混合したテラヘルツ波を得ることができる。

第４の発明のテラヘルツ波発生方法は、第１の分光特性のテラヘルツ波を発生させる場合には、異なる２波長の光が、第１の発明の光学結晶の前記第１の非線形光学結晶から前記第２の非線形光学結晶への方向に透過するように、前記異なる２波長の光を前記光学結晶に入射し、前記第１の分光特性とは異なる第２の分光特性のテラヘルツ波を発生させる場合には、前記異なる２波長の光が、前記第２の非線形光学結晶から前記第１の非線形光学結晶への方向に透過するように、前記異なる２波長の光を前記光学結晶に入射する方法である。

また、第５の発明のテラヘルツ波発生方法は、異なる２波長の光を共振させながら、第１の発明の光学結晶の前記第１の非線形光学結晶から前記第２の非線形光学結晶への方向、及び前記第２の非線形光学結晶から前記第１の非線形光学結晶への方向に透過するように前記光学結晶に入射し、該光学結晶の前記第１の非線形光学結晶側から第１のテラヘルツ波を発生させ、前記第２の非線形光学結晶側から第２のテラヘルツ波を発生させる方法である。

以上説明したように、本発明の光学結晶、及びテラヘルツ波発生装置によれば、異なる分光特性のテラヘルツ波を発生する第１の非線形光学結晶と第２の非線形光学結晶とを、接着または近接して配置して１つの光学結晶として構成し、光学結晶へ入射する異なる２波長の光の入射方向を切り替えることで、１つの光学結晶で異なる分光特性のテラヘルツ波を発生することができる、という効果が得られる。

第１の実施の形態の光学結晶を示す外観斜視図である。 ＤＡＳＴ結晶により発生するテラヘルツ波のスペクトル特性を示すグラフである。 ＤＡＳＣ結晶により発生するテラヘルツ波のスペクトル特性を示すグラフである。 （Ａ）光学結晶への励起光の入射方向を説明するための図、（Ｂ）ＤＡＳＴ結晶側から励起光を入射した場合のスペクトル特性を示すグラフ、及び（Ｃ）ＤＡＳＣ結晶側から励起光を入射した場合のスペクトル特性を示すグラフである。 励起光の入射方向により異なる分光特性のテラヘルツ波が発生することの原理を説明するための図である。 光学軸を説明するための図である。 ２枚の非線形光学結晶を貼り合わせる際の光学軸の方向を説明するための図である。 第２の実施の形態のテラヘルツ波発生装置の構成を示す概略図である。 光学結晶への励起光の入射方向を説明するための図である。 第３の実施の形態のテラヘルツ波発生装置の構成を示す概略図である。 第３の実施の形態のテラヘルツ発生装置のテラヘルツ波発生部の構成を示す概略図である。 第３の実施の形態のテラヘルツ波発生装置の構成の他の例を示す概略図である。 実施例において測定されたテラヘルツ波のスペクトル特性を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明の光学結晶及びテラヘルツ波発生装置の実施の形態を詳細に説明する。

図１に示すように、第１の実施の形態の光学結晶１０は、材質が異なる２つの薄板状の非線形光学結晶を貼り合わせたものである。本実施の形態では、一方の非線形光学結晶をＤＡＳＴ（４−ジメチルアミノ−Ｎ−メチル−４−スチルバゾリウムトシレート）結晶１０ａ、他方の非線形光学結晶をＤＡＳＣ（４−ジメチルアミノ−Ｎ−メチル−４−スチルバゾリウム−ｐ−クロロベンゼンスルホネート）結晶１０ｂとした例について説明する。

非線形光学結晶であるＤＡＳＴ結晶１０ａ及びＤＡＳＣ結晶１０ｂの各々は、入射された異なる２波長の光（励起光）から差周波発生により異なる２波長の差周波数分に相当するテラヘルツ波を発生する。ＤＡＳＴ結晶１０ａ単体に励起光を入射した場合に発生するテラヘルツ波のスペクトルは、図２に示すように、８．５ＴＨｚ付近に出力の吸収が見られる。また、ＤＡＳＣ結晶１０ｂ単体に励起光を入射した場合に発生するテラヘルツ波のスペクトルは、図３に示すように、７．７ＴＨｚ付近に出力の吸収が見られる。

このように発生するテラヘルツ波の特性が異なる２つの非線形光学結晶を貼り合わせた本実施の形態の光学結晶１０に、励起光を入射した際に発生するテラヘルツ波のスペクトルを図４に示す。同図（Ｂ）は、ＤＡＳＣ結晶１０ｂからＤＡＳＴ結晶１０ａの方向（同図（Ａ）に示す矢印Ｒの方向）から励起光を入射した場合のテラヘルツ波のスペクトルである。この場合、テラヘルツ波が発生する側の面の結晶であるＤＡＳＴ結晶１０ａの場合のスペクトル（図２）の特徴と同様に、８．５ＴＨｚ付近に出力の吸収が存在するスペクトルのテラヘルツ波が発生する。一方、同図（Ｃ）は、ＤＡＳＴ結晶１０ａからＤＡＳＣ結晶１０ｂの方向（同図（Ａ）に示す矢印Ｌの方向）から励起光を入射した場合のテラヘルツ波のスペクトルである。この場合、テラヘルツ波が発生する側の面の結晶であるＤＡＳＣ結晶１０ｂの場合のスペクトル（図３）の特徴と同様に、７．７ＴＨｚ付近に出力の吸収が存在するスペクトルのテラヘルツ波が発生する。なお、同図（Ｂ）及び（Ｃ）の各々で示された２つのスペクトルは、ＤＡＳＣ結晶１０ａとＤＡＳＣ結晶１０ｂとを重ね合わせる際の光学軸を反転させたものである。光学軸についての詳細は後述する。

このように、光学結晶１０への励起光の入射方向により、発生するテラヘルツ波の特性が異なることの原理について説明する。図５に示すように、ＤＡＳＴ結晶１０ａ側から励起光を入射した場合には、まず、ＤＡＳＴ結晶１０ａから図２に示すような特性のテラヘルツ波（テラヘルツ波ＴＨｚ１）が発生するが、このテラヘルツ波ＴＨｚ１は、ＤＡＳＣ結晶１０ｂにおいて吸収されてしまう。また、ＤＡＳＴ結晶１０ａを透過した励起光がＤＡＳＣ結晶１０ｂに入射し、ＤＡＳＣ結晶１０ｂから図３に示すような特性のテラヘルツ波（テラヘルツ波ＴＨｚ２）が発生する。従って、光学結晶１０からはテラヘルツ波ＴＨｚ２のみが発生することになる。ＤＡＳＣ結晶１０ｂ側から励起光を入射した場合も同様に、まず、ＤＡＳＣ結晶１０ｂからテラヘルツ波ＴＨｚ２が発生するが、ＤＡＳＴ結晶１０ａにおいてテラヘルツ波２が吸収されると共に、テラヘルツ波ＴＨｚ１を発生する。従って、光学結晶１０からはテラヘルツ波ＴＨｚ１のみが発生することになる。なお、図５では、説明の便宜上、ＤＡＳＴ結晶１０ａとＤＡＳＣ結晶１０ｂとの間隔を離しているが、本実施の形態の光学結晶１０では、これらの２結晶は接触または近接して配置されている。

以上説明したように、第１の実施の形態の光学結晶１０によれば、光学結晶１０への励起光の入射方向により異なる分光特性のテラヘルツ波を得ることができる。

ここで、第１の実施の形態の光学結晶１０の作製方法について説明する

まず、ＤＡＳＴ結晶１０ａ及びＤＡＳＣ結晶１０ｂの光学軸を確認する。光学軸とは、光学異方性の複屈折結晶において、屈折率が一定になり、偏光していない光を入射しても複屈折が発生せず、常光線と異常光線とが一致する方向、または常光線と異常光線とのずれが最小となる方向である。図６に示すように、非線形光学結晶の光学軸は、その結晶の屈折率や結晶構造により一意的に決定できる。なお、図６は、ＤＡＳＴ結晶の光学軸を示したものである。

光学軸の確認は、例えば、吸収係数を測定し、クラマースクローニッヒの式から算出する方法のような屈折率を測定する方法により確認することができる。また、結晶構造解析による分子配列から光学軸を決定する方法により確認してもよい。また、結晶に対して任意の条件に設定した電磁波を直接照射し、最も性能が高まる方位を実験的に確認してもよい。さらに、結晶によっては、晶癖により視覚的に光学軸を確認できる結晶もあるため、視覚的に確認してもよい。

次に、図７に示すように、確認した光学軸を一致させるようにＤＡＳＴ結晶１０ａとＤＡＳＣ結晶１０ｂとを重ね合わせる。ＤＡＳＴ結晶やＤＡＳＣ結晶のように複屈折を有する複屈折結晶を重ね合わせる場合には、常光線または異常光線のどちらか一方の同一な光学軸を一致させるように重ね合わせることで、それぞれの結晶の性能を引き出すことができる。さらに、それぞれの結晶における光学的特性が最大となる光学軸を重ね合わせることで、最大限の性能を引き出すことが可能である。例えば、ＤＡＳＴ結晶やＤＡＳＣ結晶ではａ軸、ＯＨ１結晶ではｃ軸が光学的特性が最大になる光学軸にあたる。従って、本実施の形態のようにＤＡＳＴ結晶とＤＡＳＣ結晶とを重ね合わせる場合には、双方の結晶のａ軸を一致させるように重ね合わせるとよい。また、例えば、ＤＡＳＴ結晶とＯＨ１結晶とを重ね合わせる場合には、ＤＡＳＴ結晶のａ軸とＯＨ１結晶のｃ軸とを一致させるように重ね合わせるとよい。

次に、重ね合わせたＤＡＳＴ結晶１０ａとＤＡＳＣ結晶１０ｂとを貼り合わせる。貼り合わせ方法は、融着法、結晶育成法、または接着剤法を用いることができる。以下、各貼り合わせ方法について説明する。

融着法は、融点の異なった物質を貼り合わせるために、融点の低い物質の融点まで加熱し、結晶をわずかに融かすことでそれぞれの結晶を貼り合わせ、その後冷却して固化させる方法である。具体的には、ＤＡＳＴ結晶１０ａ及びＤＡＳＣ結晶１０ｂの融点は、それぞれ２５６℃、２８１．５℃であるため、２枚の結晶の光学軸を揃えて重ね合わせた状態で、ＤＡＳＴ１０ａ結晶の融点付近まで加熱してＤＡＳＴ結晶１０ａをわずかに融解させ、ＤＡＳＣ結晶１０ｂと融着させる。

結晶育成法を用いる場合は、ＤＡＳＴ結晶１０ａまたはＤＡＳＣ結晶１０ｂを種晶として用いて、それぞれ異なった溶液（例えば、ＤＡＳＴ結晶１０ａを種晶とした場合にはＤＡＳＣ溶液、ＤＡＳＣ結晶１０ｂを種晶とした場合にはＤＡＳＴ溶液）中で結晶成長させることで、分子レベルで結晶を貼り合わせる。

接着剤法は、２枚の結晶の光学軸の屈折率の中間である接着剤が存在する場合、光学軸を揃えて重ね合わせる面を接着する。性能損失の少ない貼り合わせ結晶を作製できる。

なお、ここでは、ＤＡＳＴ結晶とＤＡＳＣ結晶とを接触させて貼り合わせる場合について説明したが、２つの非線形光学結晶を近接して、すなわち２つの非線形光学結晶間に隙間を設けて配置して、１つの光学結晶を構成するようにしてもよい。

次に、第２の実施の形態について説明する。第２の実施の形態では、第１の実施の形態の光学結晶１０を用いて構成されたテラヘルツ波発生装置について説明する。

図８に示すように、第２の実施の形態のテラヘルツ波発生装置１２は、光学結晶１０と、光学結晶１０に入射される異なる２波長の励起光を発生する励起光光源１４と、励起光が入射される光学結晶１０の面を切り替えるための回転ステージ１６と、を含んで構成されている。

励起光光源１４は、例えば、異なる２波長の光を発生することができる２波長発生半導体レーザ等を用いることができる。

回転ステージ１６は、光学結晶１０を載置して回転可能に構成されている。回転ステージ１６の回転は、手動で行うようにしてもよいし、モータ等の駆動源を設けて回転させるようにしてもよい。

次に、第２の実施の形態のテラヘルツ波発生装置１２の作用について説明する。

まず、回転ステージ１６に光学結晶１０をセットする。そして、所望の特性のテラヘルツ波が得られるように、励起光が入射される光学結晶１０の面を考慮して、回転ステージ１６を回転させる。具体的には、ＤＡＳＣ結晶により発生するテラヘルツ波ＴＨｚ２を得たい場合には、図９の左図に示すように、ＤＡＳＴ結晶１０ａの面が励起光光源１４側となり、励起光の光路と光学結晶１０の平面に対する法線方向とが一致するように回転ステージ１６を回転させる。

次に、励起光光源１４から励起光を発生させて、光学結晶１０へ励起光を入射する。これにより、ＤＡＳＴ結晶１０ａで発生するテラヘルツ波ＴＨｚ１がＤＡＳＣ結晶１０ｂで吸収されると共に、ＤＡＳＣ結晶１０ｂからテラヘルツ波ＴＨｚ２が発生し、所望のテラヘルツ波ＴＨｚ２を得ることができる。

また、ＤＡＳＴ結晶により発生するテラヘルツ波ＴＨｚ１を得たい場合には、図９の右図に示すように、上述の状態から回転ステージを１８０°回転させて、ＤＡＳＣ結晶１０ｂの面が励起光光源１４側となり、励起光の光路と光学結晶１０の平面に対する法線方向とが一致するようにする。

次に、励起光光源１４から励起光を発生させて、光学結晶１０へ励起光を入射する。これにより、ＤＡＳＣ結晶１０ｂで発生するテラヘルツ波ＴＨｚ２がＤＡＳＴ結晶１０ａで吸収されると共に、ＤＡＳＴ結晶１０ａからテラヘルツ波ＴＨｚ１が発生し、所望のテラヘルツ波ＴＨｚ１を得ることができる。

以上説明したように、第２の実施の形態のテラヘルツ波発生装置によれば、ＤＡＳＴ結晶とＤＡＳＣ結晶とを貼り合わせた光学結晶を回転ステージにより回転させて、励起光が入射する面を切り替えるだけで、光学結晶の入れ替え等を行うことなく、異なる分光特性のテラヘルツ波を得ることができる。

なお、第２の実施の形態では、光学結晶を垂直方向を軸として回転させる場合について説明したが、水平方向を軸として回転させるようにしてもよい。また、光学結晶を回転させる場合だけでなく、励起光光源の配置を変更して、または光学結晶を回転させると共に励起光光源の配置を変更して、一方の入射方向の励起光と他方の入射方向の励起光とを切り替えるようにしてもよい。また、一方の入射方向の励起光のための第１の励起光光源と他方の入射方向の励起光のための第２の励起光光源とを設けるようにしてもよい。ただし、装置の小型化やコスト面を考慮すると、本実施の形態のように光学結晶を回転させる構成が好ましい。

次に、第３の実施の形態について説明する。第３の実施の形態では、第１の実施の形態の光学結晶１０を用いて構成されたテラヘルツ波発生装置について説明する。

図１０に示すように、第３の実施の形態のテラヘルツ波発生装置２１２は、異なる２波長の励起光を発生するＫＴＰパラメトリック共振器（ＫＴＰ−ＯＰＯ）２０と、ＫＴＰ−ＯＰＯ２０内に配置されたテラヘルツ波発生部３０と、テラヘルツ波発生部３０で発生した２つのテラヘルツ波を混合する軸外し放物面鏡４０と、を含んで構成されている。

ＫＴＰ−ＯＰＯ２０は、ポンプ光光源２２と、２つのＫＴＰ（リン酸チタニルカリウム：ＫＴｉＯＰＯ_４）結晶２４ａ、２４ｂと、３つのミラー２６ａ、２６ｂ、２６ｃと、ＳＨＧカットフィルタ２８と、を含んで構成されている。

ポンプ光光源２２は、ＫＴＰ−ＯＰＯ２０において２波長の励起光を発生するための元となるポンプ光を出力する光源であり、例えば、ＹＡＧレーザ（波長：５３２ｎｍ、パルス幅：１５ｎｓ、繰り返し周波数：５０Ｈｚ）等を用いることができる。

ＫＴＰ結晶２４ａ、２４ｂの各々は、結晶へ入射されるポンプ光の入射角度を独立して調整可能なように回転ステージに載置されている。ＫＴＰ結晶へのポンプ光の入射角度を変更することで、ＫＴＰ−ＯＰＯ２０から発生する励起光の周波数を変更することができる。

ミラー２６ａ、２６ｂ、２６ｃは、１３００〜１５００ｎｍの波長の光に対して高い反射率を有するダイクロイックミラーである。ミラー２６ａは、ポンプ光の光路に対して４５°の角度で配置されている。ポンプ光の光路の延長上に、ミラー２６ａ、２つのＫＴＰ結晶２４ａ、２４ｂ、ミラー２６ｂが順に配置されている。また、ミラー２６ａで分岐したポンプ光の光路と垂直な方向には、ＳＨＧカットフィルタ２８、テラヘルツ波発生部３０、ミラー２６ｃが順に配置されている。

ＳＨＧカットフィルタ２８は、５３２ｎｍの波長成分を除去するためのフィルタである。励起光が光学結晶１０に入射される前に、励起光に残留する５３２ｎｍ成分を除去して、光学結晶１０に精度の高い励起光を入射するためのものである。

テラヘルツ波発生部３０は、一対の穴あき軸外し放物面鏡３２ａ、３２ｂと、一対の穴あき軸外し放物面鏡３２ａ、３２ｂとの間に配置された光学結晶１０とで構成されている。

光学結晶１０は、第１の実施の形態で述べたように、ＤＡＳＴ結晶１０ａとＤＡＳＣ結晶１０ｂとを貼り合わせたものである。

一対の穴あき軸外し放物面鏡３２ａ、３２ｂは、中央に穴（図１１中の一点破線部。図１０では図示省略。）が穿設された軸外し放物面鏡であり、励起光が穴を通過すると共に、放物面が対向するように配置されている。より具体的には、図１１に示すように、光学結晶１０のＤＡＳＴ結晶１０ａ側に穴あき軸外し放物面鏡３２ａが配置され、光学結晶１０のＤＡＳＣ結晶１０ｂ側に穴あき軸外し放物面鏡３２ｂが配置されている。穴あき軸外し放物面鏡３２ａ、３２ｂは、励起光が各々の穴を通過するように、かつＤＡＳＴ結晶１０ａ側から発生したテラヘルツ波ＴＨｚ１、及びＤＡＳＣ結晶１０ｂ側から発生したテラヘルツ波ＴＨｚ２が同じ方向に反射するように配置されている。なお、図１１では、説明の便宜上、ＤＡＳＴ結晶１０ａとＤＡＳＣ結晶１０ｂとの間隔を離しているが、本実施の形態の光学結晶１０では、これらの２結晶は接触または近接して配置されている。

軸外し放物面鏡４０は、穴あき軸外し放物面鏡３２ａ、３２ｂの各々で反射されたテラヘルツ波を混合して、検出器５０に入射する。なお、ここでは、検出器５０に入射することとしているが、実際には、検出器５０の位置が、テラヘルツ波の使用目的に応じた検査ステージとなり、検査ステージにセットされた検体を透過または反射したテラヘルツ波を、検出器により検出する。

次に、第３の実施の形態のテラヘルツ波発生装置２１２の作用について説明する。

まず、ＫＴＰ−ＯＰＯ２０において、ポンプ光光源２２からポンプ光が出力されると、ポンプ光はミラー２６ａを透過してＫＴＰ結晶２４ａ、２４ｂに入射され、異なる２波長の励起光（１３００〜１５００ｎｍ）が発生する。発生した励起光は、ミラー２６ｂ及び２６ａで反射し、ミラー２６ｃ方向へ向かい、ＳＨＧカットフィルタ２８で、残留する５３２ｎｍ成分が除去されて、テラヘルツ波発生部３０に入射される。

励起光は、穴あき軸外し放物面鏡３２ａの穴を通過して、ＤＡＳＴ結晶１０ａ側の面から光学結晶１０に入射される。そして、ＤＡＳＴ結晶１０ａで発生するテラヘルツ波ＴＨｚ１がＤＡＳＣ結晶１０ｂで吸収されると共に、ＤＡＳＣ結晶１０ｂからテラヘルツ波ＴＨｚ２が発生する。

発生したＴＨｚ波２が穴あき軸外し放物面鏡３２ｂの放物面で同一方向（ここでは軸外し放物面鏡４０方向）に反射されると共に、光学結晶１０を透過した励起光が穴あき軸外し放物面鏡３２ｂの穴を通過して、ミラー２６ｃで反射する。

ミラー２６ｃで反射した励起光は、再び穴あき軸外し放物面鏡３２ｂの穴を通過して、ＤＡＳＣ結晶１０ｂ側の面から光学結晶１０に入射される。そして、ＤＡＳＣ結晶１０ｂで発生するテラヘルツ波ＴＨｚ２がＤＡＳＴ結晶１０ａで吸収されると共に、ＤＡＳＴ結晶１０ａからテラヘルツ波ＴＨｚ１が発生する。

発生したＴＨｚ波１が穴あき軸外し放物面鏡３２ａの放物面で同一方向（ここでは軸外し放物面鏡４０方向）に反射されると共に、光学結晶１０を透過した励起光が穴あき軸外し放物面鏡３２ａの穴を通過して、ミラー２６ａで反射して、ミラー２６ｂ方向へ戻る。

また、穴あき軸外し放物面鏡３２ａで反射したテラヘルツ波ＴＨｚ１、及び穴あき軸外し放物面鏡３２ｂで反射したテラヘルツ波ＴＨｚ２は、軸外し放物面鏡４０で混合されて、検出器５０へ入射される。

以上説明したように、第３の実施の形態のテラヘルツ波発生装置によれば、ＤＡＳＴ結晶とＤＡＳＣ結晶とを貼り合わせた光学結晶をＫＴＰ−ＯＰＯ内に設け、ＤＡＳＴ結晶側から発生するテラヘルツ波とＤＡＳＣ結晶側から発生するテラヘルツ波とを別々に取り出した上で混合するため、各々のテラヘルツ波の特性を補い合った特性のテラヘルツ波を得ることができる。

また、ＤＡＳＴ結晶側から発生するテラヘルツ波、ＤＡＳＣ結晶側から発生するテラヘルツ波、及び混合したテラヘルツ波の検出をそれぞれ切り替え可能に構成することで、１つのテラヘルツ波発生装置から３種類の異なる分光特性のテラヘルツ波を得ることができる。

なお、第３の実施の形態では、ＫＴＰ−ＯＰＯにより励起光を発生する場合について説明したが、図１２に示すように、ミラー２２０ａ、２２０ｂを備えた２波長光発生レーザユニット２２０を用いて励起光を発生するようにしてもよい。この場合、ミラー２６ｃと２波長光発生レーザユニット内のミラー２２０ｂとで共振器が構成されている。

また、第３の実施の形態では、共振器内に光学結晶を配置する場合について説明したが、励起光を共振させることなく、テラヘルツ波を発生させるようにしてもよい。例えば、ＫＴＰ−ＯＰＯ２０や２波長光発生レーザユニット２２０等の光源と、ミラー２６ｃと、光源とミラー２６ｃとの間に光学結晶１０を挟むように配置された一対の穴あき軸外し放物面鏡３２ａ、３２ｂとで構成することができる。この構成では、ミラー２６ｃ、及び一対の穴あき軸外し放物面鏡３２ａ、３２ｂが、本発明の入射装置の一例となる。

また、第３の実施の形態では、２種類のテラヘルツ波を混合する部材として軸外し放物面鏡を用いる場合について説明したが、ミラーと集光レンズとを組み合わせた光学系により、２種類のテラヘルツ波を混合するように構成してもよい。

また、上記実施の形態では、光学結晶をＤＡＳＴ結晶とＤＡＳＣ結晶とで構成する場合について説明したが、非線形性を示す異なる光学結晶を用いてもよい。非線形成を示す化合物は、π結合を有する主骨格に、電子求引性基及び電子供与性基が結合した構造からなる化合物であり、下記の式（１）で表される化合物である。また、結晶構造が非中心対称性である結晶である。また、上記条件を満たせばイオン性結晶であってもよい。

Ｄ−Ｘ−Ａ （１）

式（１）中、Ａは電子求引性基を表し、Ｄは電子供与性基を表し、Ｘは２価の連結基を表す。

式（１）を満たす化合物としては、具体的には、ＤＡＳＴ結晶及びＤＡＳＣ結晶以外に、ＢＤＡＳ−ＴＰ（ビス（４−ジメチルアミノ−Ｎ−メチル−４−スチルバゾリウム）テレフタレート）、ＤＡＳ−ＨＴＰ（４−ジメチルアミノ−Ｎ−メチル−４−スチルバリゾリウムヒドロゲンテレフタレート）、ＢＮＡ（Ｎ−ベンジル２−メチル−４−ニトロアニリン）、ＯＨ１（２−（３−（４−ヒドロキシスチリル）−５，５−ジメチルシクロヘクス−２−エニリデン）マロノニトリル）、ＭＣ−ＰＴＳ（メロシアニン−ｐ−トルエンスルホン酸）等が挙げられる。これらの化学式を下記に示す。

以下、本発明を実施例にて詳細に説明する。なお、本発明は本実施例に何ら限定されるものではない。本実施例では、第３の実施の形態のテラヘルツ波発生装置２１２（図１０）を用いて、下記条件により実験を行った。

ポンプ光光源２２としては、波長：５３２ｎｍ、パルス幅：２４ｎｓ、繰り返し周波数：５０Ｈｚのレーザ光源を用いた。ミラー２６ａとしては、５３２ｎｍの波長の光を透過し、１３００ｎｍの波長の光を反射するダイクロイックミラーを用いた。ＳＨＧカットフィルタ２８としては、５３２ｎｍの波長成分を除去するカットフィルタを用いた。検出器５０としては、シリコン（Ｓｉ）ボロメータを用いた。

光学結晶１０としては、上記各実施の形態で述べたように、ＤＡＳＴ結晶とＤＡＳＣ結晶とを貼り合わせたものを用いた。また、ＤＡＳＴ結晶の厚みは０．２１ｍｍ、ＤＡＳＣ結晶の厚みは０．１６ｍｍとした。なお、結晶の厚み方向が励起光の透過方向である。なお、本実施例では、光学結晶の縦及び横のサイズは、励起光が全て結晶に当たる程度のサイズとした。本実施例に限らず、本発明においては、励起光が全て結晶前面に当たる程度のサイズであれば、光学結晶の全方位のサイズは特に限定されない。

また、ＫＴＰ結晶２４ａの角度を固定とし、ＫＴＰ結晶２４ｂの角度を可変とした。これにより、１３５０．５ｎｍの固定波長と可変波長との２波長の励起光を発生させ、その差周波数として０．５〜１０ＴＨｚのテラヘルツ波を発生させ、そのスペクトル特性を測定した。なお、周波数刻み幅０．１ＴＨｚ、積算回数５０回で、スペクトル特性を測定した。

図１３に、測定されたテラヘルツ波のスペクトル特性を示す。なお、図１３では、出力の最大値が１となるように縦軸の値を正規化している。また、図１３において、「ＤＡＳＴのみ」及び「ＤＡＳＣのみ」は、参考例として、第３の実施の形態のテラヘルツ波発生装置２１２を用い、光学結晶としてＤＡＳＴ結晶のみ、またはＤＡＳＣ結晶のみを用いた場合に発生したテラヘルツ波のスペクトル特性を示したものである。また、「貼りあわせ（ＤＡＳＴに初めに入射）」及び「貼りあわせ（ＤＡＳＣに初めに入射）」は、本実施例の実験結果を示すスペクトル特性である。「貼りあわせ（ＤＡＳＴに初めに入射）」は、励起光が初めにＤＡＳＴ結晶側から入射されるように光学結晶が配置されている場合であり、「貼りあわせ（ＤＡＳＣに初めに入射）」は、励起光が初めにＤＡＳＣ結晶側から入射されるように光学結晶が配置されている場合である。

図１３に示すように、「貼りあわせ（ＤＡＳＴに初めに入射）」及び「貼りあわせ（ＤＡＳＣに初めに入射）」いずれの場合も、各結晶（ＤＡＳＴ結晶またはＤＡＳＣ結晶）の特性に依存する出力の吸収は見られなかった。すなわち、ＤＡＳＴ結晶とＤＡＳＣ結晶とを貼り合わせた光学結晶とすることで、各々のテラヘルツ波の特性を補い合った特性のテラヘルツ波を得ることができた。

１０ 光学結晶
１０ａ ＤＡＳＴ結晶
１０ｂ ＤＡＳＣ結晶
１２、２１２ テラヘルツ波発生装置
１４ 励起光光源
１６ 回転ステージ
２２ ポンプ光光源
２４ａ、２４ｂ ＫＴＰ結晶
２６ａ、２６ｂ、２６ｃ ミラー
３０ テラヘルツ波発生部
３２ａ、３２ｂ 穴あき軸外し放物面鏡
４０ 軸外し放物面鏡
５０ 検出器

Claims (13)

1. 入射された異なる２波長の光から差周波発生により前記異なる２波長の光の差周波数分に相当するテラヘルツ波を発生する第１の非線形光学結晶と、
   入射された前記異なる２波長の光から差周波発生により前記異なる２波長の光の差周波数分に相当するテラヘルツ波を発生し、かつ前記第１の非線形光学結晶と材質が異なる第２の非線形光学結晶と、
   から構成された光学結晶であって、
   前記第１の非線形光学結晶と前記第２の非線形光学結晶とを、接触または近接して配置した光学結晶。
2. 前記第１の非線形光学結晶のいずれかの光学軸のベクトル方向と、前記第２の非線形光学結晶のいずれかの光学軸のベクトル方向とが同じ方向を向くように、前記第１の非線形光学結晶と前記第２の非線形光学結晶とを配置した請求項１に記載の光学結晶。
3. 前記第２の非線形光学結晶の光学軸のベクトル方向と、該光学軸に対応する前記第１の非線形光学結晶の光学軸とのベクトル方向とが同じ方向を向くように、前記第１の非線形光学結晶と前記第２の非線形光学結晶とを配置した請求項２に記載の光学結晶。
4. 前記第１の非線形光学結晶及び前記第２の非線形光学結晶の各々は、２価の連結基である主骨格と、前記主骨格に電子求引性基及び電子供与性基が結合した構造からなる化合物である、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の光学結晶。
5. 前記化合物は、ＤＡＳＴ結晶、ＤＡＳＣ結晶、ＯＨ１、ＢＮＡ、ＢＤＡＳ−ＴＰ、ＤＡＳ−ＨＴＰ、及びＭＣ−ＴＰＳから選択された一種である請求項４に記載の光学結晶。
6. 前記第１の非線形光学結晶と前記第２の非線形光学結晶とを、融着法、結晶育成法、及び接着剤法のいずれかの方法により接触させた請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の光学結晶。
7. 請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の光学結晶と、
   前記異なる２波長の光を発生する光発生装置と、
   前記光発生装置から発生された異なる２波長の光が、前記第１の非線形光学結晶から前記第２の非線形光学結晶への方向、及び前記第２の非線形光学結晶から前記第１の非線形光学結晶への方向に透過するように、前記異なる２波長の光を前記光学結晶に入射する入射装置と、
   を含むテラヘルツ波発生装置。
8. 前記入射装置を、前記光発生装置から発生された異なる２波長の光が、前記第１の非線形光学結晶から前記第２の非線形光学結晶への方向へ透過する位置と、前記第２の非線形光学結晶から前記第１の非線形光学結晶への方向に透過する位置との間で、前記光学結晶及び前記光発生装置の少なくとも一方を回転させる回転部材とした請求項７に記載のテラヘルツ波発生装置。
9. 前記入射装置を、前記光発生装置から発生された異なる２波長の光を反射するミラーと、前記異なる２波長の光及び前記ミラーで反射した光を透過する透過部、及び入射されたテラヘルツ波を反射する反射面を備え、前記入射されたテラヘルツ波を反射するように、前記光学結晶を挟むように前記光発生装置と前記ミラーとの間に配置された一対の軸外し放物面鏡とで構成した請求項７に記載のテラヘルツ波発生装置。
10. 第１のミラーと、
    前記第１のミラーと共に共振器を構成する第２のミラーを備え、異なる２波長の光を発生する光発生装置と、
    入射された異なる２波長の光を透過する透過部、及び入射されたテラヘルツ波を反射する反射面を備え、前記入射されたテラヘルツ波を反射するように前記共振器内に配置された一対の軸外し放物面鏡と、
    前記一対の軸外し放物面鏡の間に配置された請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の光学結晶と、
    を含むテラヘルツ波発生装置。
11. 前記一対の軸外し放物面鏡の各々から反射されたテラヘルツ波を混合する混合器を含む請求項１０に記載のテラヘルツ波発生装置。
12. 第１の分光特性のテラヘルツ波を発生させる場合には、異なる２波長の光が、請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の光学結晶の前記第１の非線形光学結晶から前記第２の非線形光学結晶への方向に透過するように、前記異なる２波長の光を前記光学結晶に入射し、前記第１の分光特性とは異なる第２の分光特性のテラヘルツ波を発生させる場合には、前記異なる２波長の光が、前記第２の非線形光学結晶から前記第１の非線形光学結晶への方向に透過するように、前記異なる２波長の光を前記光学結晶に入射するテラヘルツ波発生方法。
13. 異なる２波長の光を共振させながら、請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の光学結晶の前記第１の非線形光学結晶から前記第２の非線形光学結晶への方向、及び前記第２の非線形光学結晶から前記第１の非線形光学結晶への方向に透過するように前記光学結晶に入射し、該光学結晶の前記第１の非線形光学結晶側から第１のテラヘルツ波を発生させ、前記第２の非線形光学結晶側から第２のテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生方法。