JP5964779B2 - テラヘルツ波発生装置及びテラヘルツ波発生方法 - Google Patents

テラヘルツ波発生装置及びテラヘルツ波発生方法 Download PDF

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Description

本発明は、小型化が必要な周波数掃引テラヘルツ波分光分析装置などにおいて用いられる単一周波数テラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生装置及びテラヘルツ波発生方法に関する。
非特許文献１に報告されている従来のテラヘルツ波発生装置を図１に示す。図１には、Ｎｄ：ＹＡＧ Ｑスイッチレーザーからなる励起光源１０１と、Ｃｒフォルステライトからなる差周波発生用の２つのゲイン・スイッチ・レーザー１０２と、光路を調整する光学素子１０３と、テラヘルツ波発生部１０４とを備えたテラヘルツ波発生装置が示されている。ゲイン・スイッチ・レーザー１０２は、それぞれ、励起光を透過し発振光を高反射率で反射するミラー１０８と、出力結合素子１０９と、ミラー１０８と出力結合素子１０９との間に設けられたＣｒフォルステライト単結晶１１０とを備える。
図１に示されるように、励起光源１０１より出力された励起光パルス１０５（最大２００ｍＪ、時間幅１０ｎｓ）は２系統に分けられ、２つのゲイン・スイッチ・レーザー１０２にそれぞれ入力する。従来のテラヘルツ波発生装置においては、装置の小型化のため、１台の励起光源１０１を用いている。この場合、励起光源１０１は、励起光を２系統に分ける部品を介して２つの励起光パルス１０５を２つのゲイン・スイッチ・レーザー１０２にそれぞれ入力することができる。
各ゲイン・スイッチ・レーザー１０２は、励起光源１０１から励起光パルス１０５が入力したのちビルドアップ時間を経て、発振光パルス１０６を出力する。２つのゲイン・スイッチ・レーザー１０２では、発振波長が１１３０ｎｍから１３７０ｎｍの間で互いに異なり、その周波数差は必要とするテラヘルツ波の周波数と一致するように調整される。
各ゲイン・スイッチ・レーザー１０２から出力された発振光パルス１０６は、光学素子１０３により光路が調整され、テラヘルツ波発生部１０４に入力される。テラヘルツ波発生部１０４では、２波長の発振光パルスが差周波発生用の非線形結晶ＧａＰに照射され、テラヘルツ波１０７が発生する。高効率の差周波発生のためには、２波長の発振光パルス１０６がタイミングを合わせてテラヘルツ波発生部１０４の非線形結晶に入射することが重要である。
その目的を達成するため、従来のテラヘルツ波発生装置では、発振光パルス１０６の出力とビルドアップ時間とに直線的な相関がある性質を利用し、２つのゲイン・スイッチ・レーザー１０２に入射する励起光パルス１０５の励起エネルギーを調整する機構や、ゲイン・スイッチ・レーザー１０２の共振器長とビルドアップ時間とに直線的な相関がある性質を利用した機構を用いてテラヘルツ波発生部１０４の非線形結晶への入射タイミングを調整している。そのどちらの機構による入射タイミング調整においても、ビルドアップ時間の変化に伴い、発振光パルス１０６の時間幅も変化することが報告されている。
図３は、非特許文献１で報告されているタイミング調整に伴う発振光パルスの時間幅の変化の概念図である。図３（ａ）はゲイン・スイッチ・レーザー１０２の共振器長が１２ｃｍの場合を示し、図３（ｂ）はゲイン・スイッチ・レーザー１０２の共振器長が２５ｃｍの場合を示す。図３の縦軸は発振光パルス１０６の瞬時強度を示し、図３の横軸は励起光パルス１０５がゲイン・スイッチ・レーザー１０２に入射した時点からの経過時間を示す。
図３（ａ）に示されるように、ゲイン・スイッチ・レーザー１０２の共振器長が１２ｃｍの場合、ビルドアップ時間４０ｎｓ、時間幅７．５ｎｓであるが、これを図３（ｂ）に示されるように共振器長２５ｃｍとすることでビルドアップ時間を８２ｎｓに変化させられる。しかし、その場合のパルスの時間幅は、１５．５ｎｓに広がってしまっている。
Jun-ichi Nishizawa, Tetsuo Sasaki, Tadao Tanabe, Norimitsu Hozumi, Yutaka Oyama, and Ken suto, "Single-frequency coherent terahertz-wave generation using two cr:forsterite lasers pumped using one Nd:YAG laser", Review of Scientific instruments, 2008年, Vol.79, p.1-3. G.J. Friel, R.S. Conroy, A.J. Kemp, B.D. Sinclair, J.M. Ley, "Q-switching of a diode-pumped Nd:YVO4 laser using a quadrupole electro-optic deflector", Applied Physics B, 1998年8月, Vol.67, Issue 2, p.267-270. Seigo Ohno, Katsuhiko Miyamoto, Hiroaki Minamide, and Hiromasa Ito, "New method to determine the refractive index and the absorption coefficient of organic nonlinear crystals in the ultra-wideband THz region", Optics Express, 2010年, Vol.18, No.16, p.17306-17312.
かかる従来のテラヘルツ波発生装置においては、異なる波長を有する２つの発振光パルスのテラヘルツ波発生装置への入射タイミングを合わせるために、発振光パルスを発生するゲイン・スイッチ・レーザーの共振器におけるビルドアップ時間を調整する機構が２系統存在するが、そのどちらによってもビルドアップ時間の増加に伴い、発振光パルスの時間幅も増加してしまう。テラヘルツ波を発生する差周波発生は２次の非線形効果であり、その効率は２つの発振光パルスの瞬時強度の積に正の相関を有し、また２つの発振光パルスが時間的に重なる部分のエネルギーしか差周波発生に寄与しない。したがって、一定のパルスエネルギーであれば、なるべく時間幅が小さく、２つの発振光パルスの時間幅が等しいことが望ましい。
しかしながら、上記のとおり従来のテラヘルツ波発生装置では、ビルドアップ時間の調整により光パルスの時間幅が拡大してしまう懸念がある。このような問題を回避するため、レーザー共振器のパルスタイミングを調整した場合であっても時間幅が小さく時間幅がレーザー共振器におけるビルドアップ時間に依存しないテラヘルツ波発生用パルス光源を使用するテラヘルツ波発生装置が望まれている。
以上のように、本発明は、時間幅が小さく、また時間幅がビルドアップ時間に依存しないテラヘルツ波発生用パルス光源を使用して、高強度のテラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生装置及びテラヘルツ波発生方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載のテラヘルツ波出力装置は、励起光源と、前記励起光源が出力した励起光パルスが入射され、前記励起光パルスから第１の発振光パルスを出力する第１のキャビティー・ダンプ・レーザーと、前記励起光パルスが入射され、前記励起光パルスから前記第１の発振光パルスとは発振波長が異なる第２の発振光パルスを出力する第２のキャビティー・ダンプ・レーザーと、前記第１の発振光パルス及び前記第２の発振光パルスが入射され、前記第１の発振光パルス及び前記第２の発振光パルスの差周波発生によりテラヘルツ波を発生する非線形光学結晶とを備えたテラヘルツ波出力装置であって、前記第１のキャビティー・ダンプ・レーザーは、第１の共振器と、前記第１の共振器内で前記第１の発振光パルスを生成する第１のゲイン媒体と、前記第１の共振器内を導波する前記第１の発振光パルスを前記非線形光学結晶に向けて出力するように動作する第１の光スイッチとを備え、前記第２のキャビティー・ダンプ・レーザーは、第２の共振器と、前記第２の共振器内で前記第２の発振光パルスを生成する第２のゲイン媒体と、前記第２の共振器内を導波する前記第２の発振光パルスを前記非線形光学結晶に向けて出力するように動作する第２の光スイッチとを備え、前記第１の光スイッチ及び前記第２の光スイッチが動作するタイミングは、前記励起光パルスの入射時からの経過時間を指定して、それぞれ独立に制御されることを特徴とする。
本発明の請求項２に記載のテラヘルツ波出力装置は、本発明の請求項１に記載のテラヘルツ波出力装置であって、前記第１のゲイン媒体及び前記第２のゲイン媒体はＣｒフォルステライト結晶からなり、前記第１の光スイッチ及び前記第２の光スイッチは電気光学偏向器であり、前記非線形光学結晶はＧａＰ単結晶からなることを特徴とする。
本発明の請求項３に記載のテラヘルツ波出力装置は、本発明の請求項１に記載のテラヘルツ波出力装置であって、前記第１のゲイン媒体及び前記第２のゲイン媒体はＣｒ４＋：ＹＡＧ結晶からなり、前記第１の光スイッチ及び前記第２の光スイッチは電気光学偏向器であり、前記非線形光学結晶は有機単結晶ＤＡＳＴからなることを特徴とする。
本発明の請求項４に記載のテラヘルツ波出力装置は、本発明の請求項１に記載のテラヘルツ波出力装置であって、前記第１の発振光パルス及び前記第２の発振光パルスの光路を調整して前記非線形光学結晶に入射させる光学系をさらに備えたことを特徴とする。
本発明の請求項５に記載のテラヘルツ波出力装置は、本発明の請求項１に記載のテラヘルツ波出力装置であって、前記励起光源は、前記励起光パルスを２系統に分ける部品を介して前記励起光パルスを前記第１のキャビティー・ダンプ・レーザー及び前記第２のキャビティー・ダンプ・レーザーにそれぞれ入射させることを特徴とする。
本発明の請求項６に記載のテラヘルツ波発生方法は、励起光源が出力した励起光パルスを第１のキャビティー・ダンプ・レーザー及び第２のキャビティー・ダンプ・レーザーに入射させるステップと、前記第１のキャビティー・ダンプ・レーザーが前記励起光パルスから第１の発振光を出力するステップと、前記第２のキャビティー・ダンプ・レーザーが前記励起光パルスから前記第１の発振光パルスとは発振波長が異なる第２の発振光を出力するステップと、前記第１の発振光パルス及び前記第２の発振光パルスが非線形光学結晶に入射するステップと、前記非線形光学結晶が前記第１の発振光パルス及び前記第２の発振光パルスの差周波発生によりテラヘルツ波を発生するステップとを備えたテラヘルツ波発生方法であって、前記第１の発振光を出力するステップ及び前記第２の発振光を出力するステップは、は、前記第１のキャビティー・ダンプ・レーザーの共振器内を導波する前記第１の発振光パルスを前記非線形光学結晶に向けて出力するように動作する第１の光スイッチと、前記第２のキャビティー・ダンプ・レーザーの共振器内を導波する前記第２の発振光パルスを前記非線形光学結晶に向けて出力するように動作する第２の光スイッチとを動作させるタイミングを前記励起光パルスの入射時からの経過時間を指定してそれぞれ独立に制御することにより、前記第１の発振光及び前記第２の発振光の各々の出力タイミングが制御されることを特徴とする。
本発明によるテラヘルツ波出力装置は、差周波発生に用いられる発振光パルスのタイミング制御を、キャビティー・ダンプ・レーザーに使用している光スイッチにより行うため、発振光パルスの時間幅がキャビティー・ダンプ・レーザーの共振器周回時間で決定され、発振光パルスの出力タイミングを変化させても発振光パルスの時間幅は充分小さい値となり変化しない。その結果、従来のゲイン・スイッチ・レーザーを用いたテラヘルツ波発生装置に比べ、高強度のテラヘルツ波出力が期待できる。
また、本発明のテラヘルツ波出力装置によると、１つの励起光源を使用し、キャビティー・ダンプ・レーザーの光スイッチとして小型である電気光学偏向器を使用することにより、装置全体を小型に構成することができる。
非特許文献１に報告されている従来のテラヘルツ波発生装置を示す図である。 本発明に係るテラヘルツ波発生装置を示す図である。 非特許文献１で報告されている従来のテラヘルツ波発生装置におけるタイミング調整に伴う発振光パルスの時間幅の変化の概念図である。 本発明に係るテラヘルツ波発生装置におけるタイミング調整に伴う発振光パルスの時間幅の変化の概念図である。
以下、本発明に係るテラヘルツ波出力装置を例示する。本発明に係るテラヘルツ波出力装置を図２に示す。図２には、励起光源２０１と、差周波発生用の２つのキャビティー・ダンプ・レーザー２０２と、光路を調整する光学素子２０３と、テラヘルツ波発生部２０４とを備えた本発明に係るテラヘルツ波発生装置が示されている。
本発明に係るテラヘルツ波発生装置においては、装置の小型化のため、１台の励起光源２０１を用いている。この場合、励起光源２０１は、励起光を２系統に分ける部品を介して２つの励起光パルス２０５を２つのキャビティー・ダンプ・レーザー２０２にそれぞれ入力することができる。励起光源２０１としては例えばＮｄ：ＹＡＧ Ｑスイッチレーザーを使用することができ、キャビティー・ダンプ・レーザー２０２としては例えばＣｒフォルステライトレーザーを使用することができる。テラヘルツ波発生部２０４は、例えば、差周波発生用の非線形結晶ＧａＰを含む。
キャビティー・ダンプ・レーザー２０２は、それぞれ、ミラー２０９及びミラー２１０からなる共振器と、例えばＣｒフォルステライト単結晶からなるゲイン媒体としてのレーザー結晶２１１と、例えば非特許文献２に示されるようなタンタル酸リチウム製の電気光学偏向器２１２と、水晶製複屈折フィルターなどからなり、発振光パルス２０７の波長を選択するための波長選択素子２１３とを備える。キャビティー・ダンプ・レーザー２０２では、ミラー２０９及びミラー２１０からなる共振器の間に、レーザー結晶２１１と、電気光学偏向器２１２と、波長選択素子２１３とが設けられている。ミラー２０９は励起光２０５を透過し共振器内発振光２０６を高反射率で反射し、ミラー２１０は共振器内発振光２０６を高反射率で反射する。各キャビティー・ダンプ・レーザー２０２において、それぞれの電気光学偏向器２１２が動作するタイミングは、励起光パルス２０５の入射時からの経過時間を指定して２つ独立で制御することができる。
キャビティー・ダンプ・レーザー２０２において、電気光学偏向器２１２は、光スイッチとして使用され、光路方向の長さが１１ｍｍ程度であって充分小型であるため、装置の小型化に適している。電気光学偏向器２１２は励起パルス入射前の時点で、ミラー２０９及びミラー２１０からなる共振器に高いＱ値を持たせるよう設定されている。共振器の周回時間の設定は例えば６ｎｓとすることができる。
図２に示されるように、励起光源２０１より出力された励起光パルス２０５（波長１．０６μｍ）は２系統に分けられ、２つのキャビティー・ダンプ・レーザー２０２にそれぞれ入力する。各キャビティー・ダンプ・レーザー２０２は、励起光源２０１から励起光パルス２０５が入力したのちビルドアップ時間を経て、発振光パルス２０７を出力する。２つのキャビティー・ダンプ・レーザー２０２では、発振波長が１１３０ｎｍから１３７０ｎｍの間で互いに異なり、その周波数差は必要とするテラヘルツ波の周波数と一致するように調整される。
各キャビティー・ダンプ・レーザー２０２から出力された発振光パルス２０７は、光学素子２０３により光路が調整され、テラヘルツ波発生部２０４に入力される。テラヘルツ波発生部２０４では、２波長の発振光パルス２０７が差周波発生用の非線形結晶ＧａＰに照射され、テラヘルツ波２０８が発生する。２つのキャビティー・ダンプ・レーザー２０２から発生される波長１．２μｍ付近の２系統の発振光パルス２０７は、高効率の差周波発生のためテラヘルツ波発生部２０４の非線形結晶に同時に入射させる必要があるが、２つのキャビティー・ダンプ・レーザー２０２から出力された各発振光パルス２０７がテラヘルツ波発生部２０４に到達するまでの時間に差があるため、非線形結晶に同時に入射させるためには各発振光パルス２０７の出射タイミングを調整する必要がある。
各キャビティー・ダンプ・レーザー２０２では、励起光パルス２０５がミラー２０９を透過してレーザー結晶２１１に入射すると、おおむね２００ｎｓのビルドアップ時間が経過した時点で、レーザー結晶２１１中に保持されていた励起エネルギーが共振器内の誘導放出光のエネルギーに変換される。キャビティー・ダンプ・レーザー２０２は、電気光学偏向器２１２を動作させて共振器内を導波する共振器内発振光２０６の光路を共振器外に向けるよう変更することにより発振光パルス２０７の出力を行う。例えば、一方のキャビティー・ダンプ・レーザー２０２の出射タイミングを他方のキャビティー・ダンプ・レーザー２０２の出射タイミングより４２ｎｓ遅らせたいのであれば、一方の電気光学偏向器２１２を励起後２１０ｎｓに動作させ、他方の電気光学偏向器２１２を励起後２５２ｎｓに動作させればよい。
図４に、本発明に係るテラヘルツ波発生装置におけるタイミング調整に伴う発振パルスの時間幅の変化の概念図を示す。図４（ａ）は、電気光学偏向器２１２を励起光パルス２０５の入射後２１０ｎｓでスイッチした場合を示し、電気光学偏向器２１２を励起光パルス２０５の入射後２５２ｎｓでスイッチした場合を示す。図４中、縦軸は出力パルスの瞬時強度、横軸は励起光パルス２０５がキャビティー・ダンプ・レーザー２０２に入射した時点からの経過時間を示す。
発振光は共振器によりエネルギーが保持されるので、透過損失が過大でない間は所望のタイミングでキャビティー・ダンプ・レーザー２０２から出力できる。図４（ａ）及び（ｂ）に示されるように、出力されるパルスの時間幅は共振器の周回時間６ｎｓから電気光学偏向器２１２の動作時間１ｎｓを減じた５ｎｓであり、この時間幅は出力のタイミングに左右されない。これにより、テラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生部２０４の非線形結晶に対して同じタイミングで、時間幅が５ｎｓと充分に小さく、波長の異なる２つの光パルスを入射させることができ、従来技術より高強度のテラヘルツ波発生が期待できる。また、１つの励起光源を使用しかつ電気光学偏向器２１２が小型であるため、装置全体を小型に構成することができる。
波長選択素子２１３としては複屈折フィルター以外に、グレーティングを使用することもできる。キャビティー・ダンプ・レーザー２０２のスイッチとしては、電気光学偏向器２１２のほかにポッケルスセルや音響光学素子も適用できる。
また、テラヘルツ波発生部２０４の非線形結晶として有機単結晶ＤＡＳＴを使用することもでき、その場合に発生させるテラヘルツ波の周波数が８ＴＨｚ以下であれば、非特許文献３に示されるように波長１．４μｍ付近の光が差周波発生に最適であることが知られている。この場合、１．４μｍ付近の波長域において波長可変発振が可能なＣｒ４＋：ＹＡＧレーザーをキャビティー・ダンプ・レーザー２０２として使用することが望ましい。もちろん他の非線形結晶や他の種類のパルスレーザーを使用したテラヘルツ波発生においても、本発明は適用できる。
励起光源 １０１、２０１
ゲイン・スイッチ・レーザー １０２
光学素子 １０３、２０３
テラヘルツ波発生部 １０４、２０４
ミラー １０８、２０９、２１０
出力結合素子 １０９
Ｃｒフォルステライト単結晶 １１０
キャビティー・ダンプ・レーザー ２０２
レーザー結晶 ２１１
電気光学偏向器 ２１２
波長選択素子 ２１３

Claims (6)

  1. 励起光源と、
    前記励起光源が出力した励起光パルスが入射され、前記励起光パルスから第１の発振光パルスを出力する第１のキャビティー・ダンプ・レーザーと、
    前記励起光パルスが入射され、前記励起光パルスから前記第１の発振光パルスとは発振波長が異なる第２の発振光パルスを出力する第２のキャビティー・ダンプ・レーザーと、
    前記第１の発振光パルス及び前記第２の発振光パルスが入射され、前記第１の発振光パルス及び前記第２の発振光パルスの差周波発生によりテラヘルツ波を発生する非線形光学結晶と
    を備えたテラヘルツ波出力装置であって、
    前記第１のキャビティー・ダンプ・レーザーは、第１の共振器と、前記第１の共振器内で前記第１の発振光パルスを生成する第１のゲイン媒体と、前記第１の共振器内を導波する前記第１の発振光パルスを前記非線形光学結晶に向けて出力するように動作する第１の光スイッチとを備え、
    前記第２のキャビティー・ダンプ・レーザーは、第２の共振器と、前記第２の共振器内で前記第２の発振光パルスを生成する第２のゲイン媒体と、前記第２の共振器内を導波する前記第２の発振光パルスを前記非線形光学結晶に向けて出力するように動作する第２の光スイッチとを備え、
    前記第１の光スイッチ及び前記第２の光スイッチが動作するタイミングは、前記励起光パルスの入射時からの経過時間を指定して、それぞれ独立に制御されることを特徴とするテラヘルツ波出力装置。
  2. 前記第１のゲイン媒体及び前記第２のゲイン媒体はＣｒフォルステライト結晶からなり、前記第１の光スイッチ及び前記第２の光スイッチは電気光学偏向器であり、前記非線形光学結晶はＧａＰ単結晶からなることを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波出力装置。
  3. 前記第１のゲイン媒体及び前記第２のゲイン媒体はＣｒ４＋：ＹＡＧ結晶からなり、前記第１の光スイッチ及び前記第２の光スイッチは電気光学偏向器であり、前記非線形光学結晶は有機単結晶ＤＡＳＴからなることを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波出力装置。
  4. 前記第１の発振光パルス及び前記第２の発振光パルスの光路を調整して前記非線形光学結晶に入射させる光学系をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波出力装置。
  5. 前記励起光源は、前記励起光パルスを２系統に分ける部品を介して前記励起光パルスを前記第１のキャビティー・ダンプ・レーザー及び前記第２のキャビティー・ダンプ・レーザーにそれぞれ入射させることを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波出力装置。
  6. 励起光源が出力した励起光パルスを第１のキャビティー・ダンプ・レーザー及び第２のキャビティー・ダンプ・レーザーに入射させるステップと、
    前記第１のキャビティー・ダンプ・レーザーが前記励起光パルスから第１の発振光を出力するステップと、
    前記第２のキャビティー・ダンプ・レーザーが前記励起光パルスから前記第１の発振光パルスとは発振波長が異なる第２の発振光を出力するステップと、
    前記第１の発振光パルス及び前記第２の発振光パルスが非線形光学結晶に入射するステップと、
    前記非線形光学結晶が前記第１の発振光パルス及び前記第２の発振光パルスの差周波発生によりテラヘルツ波を発生するステップと
    を備えたテラヘルツ波発生方法であって、
    前記第１の発振光を出力するステップ及び前記第２の発振光を出力するステップは、は、前記第１のキャビティー・ダンプ・レーザーの共振器内を導波する前記第１の発振光パルスを前記非線形光学結晶に向けて出力するように動作する第１の光スイッチと、前記第２のキャビティー・ダンプ・レーザーの共振器内を導波する前記第２の発振光パルスを前記非線形光学結晶に向けて出力するように動作する第２の光スイッチとを動作させるタイミングを前記励起光パルスの入射時からの経過時間を指定してそれぞれ独立に制御することにより、前記第１の発振光及び前記第２の発振光の各々の出力タイミングが制御されることを特徴とするテラヘルツ波発生方法。
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