JP6510776B2 - 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。 The present invention relates to a terahertz wave generator.
テラヘルツ波は、概ね0.5THz〜3.0THzの周波数を有する電磁波の一種である。テラヘルツ波は、薬物検査、半導体の欠陥検出及び電磁波通信など広範な分野への適用が期待されている。テラヘルツ波の発生方法には、差周波発生を利用する方法、フェムト秒レーザの発振スペクトルが広範囲に存在する特徴を利用する方法、又は半導体ウエハーに微細加工を施してアンテナ素子化する方法などがある。例えば、非特許文献1には、波長可変テラヘルツ光源が記載されている。この波長可変テラヘルツ光源は、励起光と注入光とを利用して非線形光学結晶を励起することにより、テラヘルツ光を発生させる。 The terahertz wave is a type of electromagnetic wave having a frequency of approximately 0.5 THz to 3.0 THz. Terahertz waves are expected to be applied to a wide range of fields such as drug inspection, semiconductor defect detection, and electromagnetic wave communication. Methods of generating terahertz waves include a method of utilizing difference frequency generation, a method of utilizing a feature in which the oscillation spectrum of a femtosecond laser exists in a wide range, or a method of micromachining a semiconductor wafer to form an antenna element . For example, Non-Patent Document 1 describes a wavelength tunable terahertz light source. This wavelength tunable terahertz light source generates terahertz light by exciting a nonlinear optical crystal using excitation light and injection light.
発振波長が異なる2種類のレーザを用いた差周波発生型のテラヘルツ波発生装置が検討されている。このテラヘルツ波発生装置では、例えば、ポンプ光の光源としてレーザダイオード(LD)励起受動Qスイッチ固体レーザを利用し、シード光の光源としてファブリペロー型波長可変半導体レーザを利用している。このようなテラヘルツ波発生装置では、ポンプ光の縦モードがシングルモードであっても、横モードがマルチモードであると、所定条件下でテラヘルツ波は発生するが、このテラヘルツ波の特性を精度良く評価できない場合がある。具体的には、テラヘルツ波のピーク値が波長帯域において経時的に変動するので、テラヘルツ波の平均出力やピーク値を精度良く評価することが困難である。そこで、ポンプ光として利用される受動Qスイッチ固体レーザでは、出射光の縦モード及び横モードにおいてシングルモードであることが要求されている。 A difference frequency generation type terahertz wave generator using two types of lasers having different oscillation wavelengths has been studied. In this terahertz wave generator, for example, a laser diode (LD) pumped passive Q-switched solid laser is used as a light source of pump light, and a Fabry-Perot type wavelength tunable semiconductor laser is used as a light source of seed light. In such a terahertz wave generator, even if the longitudinal mode of the pump light is a single mode, a terahertz wave is generated under a predetermined condition if the transverse mode is a multi mode, but the characteristics of the terahertz wave are accurately There are times when it can not be evaluated. Specifically, since the peak value of the terahertz wave fluctuates with time in the wavelength band, it is difficult to accurately evaluate the average output and peak value of the terahertz wave. Therefore, in a passive Q-switched solid state laser used as pump light, a single mode is required in the longitudinal mode and the transverse mode of the emitted light.
非特許文献1の波長可変テラヘルツ光源において、非線形光学結晶には円形のビームプロファイルを有するシード光を入射している。シード光を発生させる光源には、外部共振型半導体レーザ素子が利用されている。この外部共振型半導体レーザ素子からは、楕円型のビームプロファイルを有する光が出射される。そこで、波長可変テラヘルツ光源は、シード光の光源と非線形結晶との間に配置された光学処理系を有している。この光学処理系により、半導体レーザから出射された楕円状のビームプロファイルを、円形のビームプロファイルに整形している。 In the wavelength tunable terahertz light source of Non-Patent Document 1, seed light having a circular beam profile is incident on the nonlinear optical crystal. An external resonant semiconductor laser device is used as a light source for generating seed light. Light having an elliptical beam profile is emitted from this external resonant semiconductor laser device. Therefore, the wavelength tunable terahertz light source has an optical processing system disposed between the seed light source and the nonlinear crystal. The optical processing system shapes the elliptical beam profile emitted from the semiconductor laser into a circular beam profile.
このようなテラヘルツ波発生装置を利用する技術分野にあっては、テラヘルツ波発生装置の小型化が望まれている。しかし、ビームプロファイルを整形するための光学処理系を有するテラヘルツ波発生装置は、小型化し難い。 In the technical field using such a terahertz wave generator, miniaturization of the terahertz wave generator is desired. However, a terahertz wave generator having an optical processing system for shaping a beam profile is difficult to miniaturize.
そこで、本発明は、小型化が可能なテラヘルツ波発生装置を提供することを目的とする。 Then, an object of this invention is to provide the terahertz wave generator which can be miniaturized.
本発明の一側面に係るテラヘルツ波発生装置は、第1の光軸に沿ってシード光を出力するシード光出力部と、第2の光軸に沿ってポンプ光を出力するポンプ光出力部と、シード光及びポンプ光が入力され、シード光とポンプ光との差周波数に相当する周波数を有するテラヘルツ波を発生させる差周波発生部と、を備え、差周波発生部は、シード光が入射されるシード光入射面と、ポンプ光が入射されるポンプ光入射面と、を有し、シード光出力部は、シード光を発生するフォトニック結晶型面発光レーザと、シード光が出射されると共にシード光入射面に当接する光当接面と、を有する。 A terahertz wave generator according to one aspect of the present invention includes a seed light output unit that outputs seed light along a first optical axis, and a pump light output unit that outputs pump light along a second optical axis. A seed light and a pump light are input, and the seed light is input to the difference frequency generation unit, which generates a terahertz wave having a frequency corresponding to a difference frequency between the seed light and the pump light. The seed light output portion has a seed light incident surface for emitting the seed light, and the seed light output portion emits the seed light and the photonic crystal type surface emitting laser for generating the seed light. And a light contact surface that contacts the seed light incident surface.
このテラヘルツ波発生装置は、シード光の光源としてフォトニック結晶型面発光レーザを備えている。フォトニック結晶型面発光レーザによれば、円形なエミッタエリアにおいてガウシアン分布の光密度を有する円形のシード光を得ることができる。このようなシード光は、ビームプロファイルを整形する必要がない。このため、テラヘルツ波発生装置は、ビームプロファイルを整形するための光学処理系が不要であるので、部品点数を削減することが可能である。従って、テラヘルツ波発生装置は、小型化が可能である。更に、シード光出力部と差周波発生部との間に光学処理系を配置する必要がないので、シード光出力部の光当接面を差周波発生部のシード光入射面に当接させることができる。すなわち、シード光出力部と差周波発生部との間に空間を設ける必要がない。従って、テラヘルツ波発生装置を構成する部品間隔を小さくすることが可能になるので、一層の小型化が可能になる。 This terahertz wave generator includes a photonic crystal surface emitting laser as a light source of seed light. According to the photonic crystal surface emitting laser, it is possible to obtain circular seed light having a light density of Gaussian distribution in the circular emitter area. Such seed light does not have to shape the beam profile. For this reason, since the terahertz wave generator does not require an optical processing system for shaping a beam profile, it is possible to reduce the number of parts. Therefore, the terahertz wave generator can be miniaturized. Furthermore, since it is not necessary to dispose an optical processing system between the seed light output unit and the difference frequency generation unit, the light contact surface of the seed light output unit should be in contact with the seed light incidence surface of the difference frequency generation unit. Can. That is, there is no need to provide a space between the seed light output unit and the difference frequency generation unit. Therefore, since it becomes possible to make small the component space | interval which comprises a terahertz wave generator, the further miniaturization is attained.
差周波発生部は、非線形光学結晶を有し、非線形光学結晶は、シード光入射面と、ポンプ光入射面と、シード光とポンプ光とが所定の交差角度をもって交差する光混合部と、を含むこととしてもよい。この構成によれば、シード光出力部及びポンプ光出力部の位置関係が、非線形光学結晶単体で規定される。従って、シード光出力部及びポンプ光出力部の位置関係を規定するための追加の部品が不要になるので、テラヘルツ波発生装置の構成を簡素化することができる。 The difference frequency generation unit has a non-linear optical crystal, and the non-linear optical crystal includes a seed light incident surface, a pump light incident surface, and a light mixing unit in which the seed light and the pump light intersect at a predetermined crossing angle. It may be included. According to this configuration, the positional relationship between the seed light output unit and the pump light output unit is defined by the nonlinear optical crystal alone. Therefore, since the additional component for defining the positional relationship between the seed light output unit and the pump light output unit is not necessary, the configuration of the terahertz wave generator can be simplified.
シード光出力部は、第1の光軸が光当接面に対して直交するようにシード光を出力し、シード光入射面とポンプ光入射面とのなす角度は、交差角度に基づいて設定されていてもよい。この構成によれば、シード光出力部及びポンプ光出力部の位置関係が、シード光入射面及びポンプ光入射面により規定される。これにより、第1の光軸が光当接面に対して直交するシード光出力部を利用できるので、シード光出力部の構成が簡素化され、より小型化される。従って、テラヘルツ波発生装置を容易に小型化することができる。 The seed light output unit outputs the seed light so that the first optical axis is orthogonal to the light contact surface, and the angle between the seed light incident surface and the pump light incident surface is set based on the intersection angle It may be done. According to this configuration, the positional relationship between the seed light output unit and the pump light output unit is defined by the seed light incident surface and the pump light incident surface. As a result, since the seed light output unit in which the first optical axis is orthogonal to the light contact surface can be used, the configuration of the seed light output unit is simplified and the size is further reduced. Therefore, the terahertz wave generator can be easily miniaturized.
シード光入射面とポンプ光入射面とは、同一平面内に含まれ、第1の光軸と光当接面とのなす角度は、交差角度に基づいて設定されていてもよい。この構成によれば、シード光入射面とポンプ光入射面とは、同一平面内に含まれているので、差周波発生部を構成する非線形光学結晶を加工して、シード光入射面とポンプ光入射面とを所定の角度の関係に形成する必要がない。従って、テラヘルツ波発生装置の構成部品を容易に準備することができる。 The seed light incident surface and the pump light incident surface may be included in the same plane, and the angle between the first optical axis and the light contact surface may be set based on the intersection angle. According to this configuration, since the seed light incident surface and the pump light incident surface are included in the same plane, the non-linear optical crystal constituting the difference frequency generation unit is processed to form the seed light incident surface and the pump light It is not necessary to form the incident surface in a predetermined angular relationship. Therefore, the components of the terahertz wave generator can be easily prepared.
差周波発生部は、非線形光学結晶と、第1の光軸上に配置された光透過性光学部品と、を有し、非線形光学結晶は、ポンプ光入射面と、シード光とポンプ光とが所定の交差角度をもって交差する光混合部と、を含み、光透過性光学部品は、シード光入射面を含むこととしてもよい。この構成によれば、第1の光軸が光当接面に対して直交するシード光出力部を利用している。また、シード光入射面とポンプ光入射面とを所定の角度の関係に形成する必要もない。従って、テラヘルツ波発生装置の構成部品を容易に準備することができる。 The difference frequency generation unit includes a nonlinear optical crystal and a light transmissive optical component disposed on the first optical axis, and the nonlinear optical crystal includes a pump light incident surface, seed light and pump light. The light transmissive optical component may include a seed light incident surface, which includes a light mixing section intersecting at a predetermined crossing angle. According to this configuration, the seed light output unit in which the first optical axis is orthogonal to the light contact surface is used. Further, it is not necessary to form the seed light incident surface and the pump light incident surface in the relationship of a predetermined angle. Therefore, the components of the terahertz wave generator can be easily prepared.
シード光出力部は、第1の光軸が光当接面に対して直交するようにシード光を出力し、シード光入射面とポンプ光入射面とのなす角度は、交差角度に基づいて設定されていてもよい。この構成によれば、簡易な構成でシード光出射部とポンプ光出射部との位置関係を規定することができる。 The seed light output unit outputs the seed light so that the first optical axis is orthogonal to the light contact surface, and the angle between the seed light incident surface and the pump light incident surface is set based on the intersection angle It may be done. According to this configuration, the positional relationship between the seed light emitting unit and the pump light emitting unit can be defined with a simple configuration.
交差角度は、シード光とポンプ光とが位相整合条件を満たす位相整合角度であってもよい。この角度によれば、テラヘルツ波を効率よく発生させることができる。 The crossing angle may be a phase matching angle at which the seed light and the pump light satisfy the phase matching condition. According to this angle, the terahertz wave can be generated efficiently.
本発明の他の側面に係るテラヘルツ波発生装置は、第1の光軸に沿ってシード光を出力するシード光出力部と、第2の光軸に沿ってポンプ光を出力するポンプ光出力部と、シード光及びポンプ光が入力され、シード光とポンプ光との差周波数に相当する周波数を有するテラヘルツ波を発生させる差周波発生部と、を備え、差周波発生部は、シード光が入射されるシード光入射面と、ポンプ光が入射されるポンプ光入射面と、を有し、シード光出力部は、シード光を発生する外部共振型面発光レーザと、シード光が出射されると共にシード光入射面に当接する光当接面と、を有する。 A terahertz wave generator according to another aspect of the present invention includes a seed light output unit that outputs seed light along a first optical axis, and a pump light output unit that outputs pump light along a second optical axis. And a difference frequency generation unit that receives the seed light and the pump light and generates a terahertz wave having a frequency corresponding to the difference frequency between the seed light and the pump light, and the difference frequency generation unit receives the seed light The seed light output surface has an external resonant type surface emitting laser that generates seed light and the seed light is emitted. And a light contact surface that contacts the seed light incident surface.
このテラヘルツ波発生装置のシード光出力部は、外部共振型面発光レーザを有している。外部共振型面発光レーザから出射されたレーザ光によれば、ビームプロファイルを整形するための光学処理系が不要であるので、部品点数を削減することが可能である。従って、テラヘルツ波発生装置は、小型化が可能である。更に、シード光出力部と差周波発生部との間に光学処理系を配置する必要がないので、テラヘルツ波発生装置を構成する部品間隔を小さくすることが可能になる。従って、一層の小型化が可能になる。 The seed light output unit of this terahertz wave generator has an external resonant type surface emitting laser. According to the laser light emitted from the external cavity surface emitting laser, the optical processing system for shaping the beam profile is unnecessary, so it is possible to reduce the number of parts. Therefore, the terahertz wave generator can be miniaturized. Furthermore, since it is not necessary to dispose an optical processing system between the seed light output unit and the difference frequency generation unit, it is possible to reduce the interval between components constituting the terahertz wave generation device. Therefore, further miniaturization is possible.
本発明によれば、小型化が可能なテラヘルツ波発生装置が提供される。 According to the present invention, a terahertz wave generator that can be miniaturized is provided.
<第1実施形態>
以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための形態を詳細に説明する。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。
First Embodiment
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. In the description of the drawings, the same elements will be denoted by the same reference symbols, without redundant description.
図1に示されるように、テラヘルツ波発生装置1は、シード光出力部2と、ポンプ光出力部3と、差周波発生部4と、を備えている。テラヘルツ波発生装置1は、差周波発生の原理を利用してテラヘルツ波を発生させる。具体的には、テラヘルツ波発生装置1は、シード光SLとポンプ光PLとを差周波発生部4の内部で光混合する。そうすると、シード光SLの周波数ωSとポンプ光PLの周波数ωPの差周波数に相当する周波数(ωT=|ωS−ωP|)を有するテラヘルツ波Tが発生する。
As shown in FIG. 1, the terahertz wave generator 1 includes a seed
図2に示されるように、シード光出力部2は、第1の光軸L1に沿ってシード光SLを出力する。シード光出力部2は、フォトニック結晶型面発光レーザ6と、キャップ7と、ステム8とを有している。なお、本実施形態でいう「面発光レーザ」とは、光が半導体基板に対して垂直に出射する構造を有するレーザをいう。
As shown in FIG. 2, the seed
フォトニック結晶面発光レーザ(Photonic Crystal Surface Emitting Laser)(以下、「PCSEL」ともいう)6は、フォトニック結晶を備えた垂直共振型面発光レーザである。面発光レーザにおいて、フォトニック結晶は、屈折率の異なる材料が周期的に並んだナノ構造体からなる層であって、例えばGaAs等の化合物半導体層内に複数の穴が周期的に形成され、複数の穴をそのまま利用したり、又は複数の穴にベースとなる化合物半導体材料とは屈折率の異なる別の化合物半導体が埋め込まれた構造であって、活性層とクラッド層との間に配置されている。活性層に閉じ込められた光がフォトニック結晶内の共振で発振し、2次のブラッグ(Bragg)回折により、光の一部が垂直方向に回折され、レーザ発振する。従ってフォトニック結晶は、共振するレーザ光の波長を決定すると共に、光の共振によってレーザ光を生成するものである。フォトニック結晶によれば、安定したレーザ光の発振状態を得ることができる。また、PCSEL6では、レーザ発振に関与する素子構造のエミッタ形状が真円であるので、円形のビームプロファイルを有する出力光を得ることができる。また、出力光の光密度分布は、同心円状において均一である。 Photonic Crystal Surface Emitting Laser (hereinafter, also referred to as “PCSEL”) 6 is a vertical resonance surface emitting laser provided with a photonic crystal. In a surface emitting laser, a photonic crystal is a layer formed of nanostructures in which materials having different refractive indices are periodically arranged, and a plurality of holes are periodically formed in a compound semiconductor layer such as GaAs, for example. A structure in which a plurality of holes are used as they are, or another compound semiconductor having a different refractive index from the compound semiconductor material based on the plurality of holes is embedded, and is disposed between the active layer and the cladding layer ing. The light confined in the active layer oscillates at the resonance in the photonic crystal, and a part of the light is diffracted in the vertical direction by the second-order Bragg diffraction to cause laser oscillation. Therefore, the photonic crystal determines the wavelength of the resonating laser light and generates the laser light by the resonance of the light. According to the photonic crystal, a stable oscillation state of laser light can be obtained. Further, in PCSEL6, since the emitter shape of the element structure involved in the laser oscillation is a perfect circle, it is possible to obtain output light having a circular beam profile. Also, the light density distribution of the output light is uniform in the form of concentric circles.
このPCSEL6は、チップキャリア9に取り付けられている。そして、チップキャリア9は、ヒートシンク11に取り付けられている。ヒートシンク11は、ステム8に取り付けられている。このヒートシンク11は、チップキャリア9が取り付けられたキャリア取付面11aと、ステム8に固定されたステム取付面11bとを有している。キャリア取付面11aは、ステム取付面11bに対して平行である。
The
キャップ7は、その内部にPCSEL6等を収容する。キャップ7の内部は、窒素ガスが充填されて外部から封止されている。キャップ7の下端縁7aは、ステム8に固定されている。キャップ7の上端面(光当接面)7bは、ステム8に対して平行である。上端面7bは、光出射窓7cを有している。光出射窓7cは、上端面7b形成された孔がARコーティングが施された透明光学部材7dによって塞がれて構成されている。また、上端面7bは、差周波発生部4に当接し、光学接着剤により接着固定されている(図1参照)。ステム8には、複数のリードピン12が設けられている。このリードピン12を介してPCSEL6に電流を供給する。
The
ここで、ステム8の搭載面8aには、ヒートシンク11のステム取付面11bが固定されている。ステム取付面11bに対してキャリア取付面11aは平行である。このキャリア取付面11aには、PCSEL6を搭載したチップキャリア9が取り付けられている。PCSEL6は、キャリア取付面11aに対して直交する方向にシード光SLを出射する。即ち、第1の光軸L1は、搭載面8aに対して直交している。そして、ステム8の搭載面8aに対してキャップ7の上端面7bは、平行である。従って、第1の光軸L1は、上端面7bに対して直交している。
Here, the
シード光出力部2は、基板13に対して機械的及び電気的に接続されている。この基板13は、PCSEL6の駆動するための制御素子などを有している。また、基板13は、PCSEL6の温度を制御するためのヒータ13aを有している。
The seed
図1に示されるように、ポンプ光出力部3は、第2の光軸L2に沿ってポンプ光PLを出力する。ポンプ光出力部3は、例えば、受動Qスイッチレーザ(Nd:YAGレーザ)である。このポンプ光出力部3は、縦モード及び横モードが共にシングルモードであるポンプ光を出射する。また、ポンプ光PLは、パルス幅が100psec〜1000psec(一例として450psec)であり、1パルスあたりのエネルギが例えば500μJ/pulseである。また、ポンプ光PLのビーム品質M2は、一例として1.5以下である。
As shown in FIG. 1, the pump
差周波発生部4は、非線形光学結晶5を有している。非線形光学結晶5としては、例えば、光損傷に強い定比組成のMgOドープLiNbO3結晶(MgO:LN結晶)、LiTaO3結晶(sLT結晶)、ZnTe、GaP、GaSeなどがある。差周波発生部4は、端面5aの一部が切り取られた略直方体状を為している。非線形光学結晶5は、シード光入射面5bと、ポンプ光入射面5cと、光混合部17と、光出射面5dとを有している。
The
シード光入射面5bは、端面5aの一部が切り取られて形成された斜面である。シード光入射面5bには、光学研磨処理がなされている。このシード光入射面5bには、シード光出力部2が接着されている。具体的には、キャップ7の上端面7bが接着されている。ここで、第1の光軸L1は、上端面7bに対して直交する。そうすると、第1の光軸L1は、上端面7bに当接しているシード光入射面5bに対しても直交する。
The seed
ポンプ光入射面5cは、端面5aにおいて切り取られずに残った部分である。従って、ポンプ光入射面5cとシード光入射面5bとの間の角部A2は、所定の角度φをなしている。この所定の角度φについては後に詳細に説明する。ポンプ光PLは、ポンプ光入射面5cに対して垂直に入射される。すなわち、第2の光軸L2は、ポンプ光入射面5cに対して直交する。
The pump
第1の光軸L1は、シード光入射面5bに対して直交している。また、第2の光軸L2は、ポンプ光入射面5cに対して直交している。そして、ポンプ光入射面5cとシード光入射面5bの間の角部A2は角度φである。従って、第1の光軸L1と第2の光軸L2の等位相面とは、それらの延長線上で交差するので、第1の光軸L1と第2の光軸L2の等位相面による相互作用領域が形成され、テラヘルツ波が発生する。この相互作用領域が、光混合部17である。光混合部17では、第1の光軸L1と第2の光軸L2とが所定の交差角度をもって交差している。この交差角度は、シード光SLとポンプ光PLとの間における位相整合条件を満たす位相整合角度θPMである。この位相整合角度θPMは、運動量保存の法則に基づいて決定される。第2の光軸L2に対して位相整合角度θPMをもって第1の光軸L1を交差させるためには、シード光入射面5bをポンプ光入射面5cを含む端面5aに対して、角度φだけ傾ける必要がある。この位相整合角度θPMと角度φとの関係は、φ=(180−θPM)[deg]である。
The first optical axis L1 is orthogonal to the seed
光出射面5dは、位相整合される領域において、位相整合されずに透過されてきたポンプ光並びにシード光が出射する面であり、ポンプ光入射面5cと反対側の端面に形成されている。すなわち、光出射面5dは、第2の光軸L2上にあり、第2の光軸L2に対して直交している。
The
テラヘルツ波発生装置1は、制御部19を更に備えている。制御部19は、シード光出力部2及びポンプ光出力部3の動作を制御するものである。例えば、制御部19は、シード光SL及びポンプ光PLの強度や波長を制御する。このテラヘルツ波発生装置1は、シード光SLの波長を制御することにより、テラヘルツ波Tの波長を制御している。シード光SLを発生するPCSEL6は、素子温度によって出力光の波長が変化する。従って、制御部19は、PCSEL6の温度を制御することにより、シード光SLの波長を制御している。例えば、制御部19とヒータ13aとによれば、PCSEL6の温度を0.1℃刻みで制御することが可能である。
The terahertz wave generator 1 further includes a
ところで、端面発光型半導体レーザではビームプロファイルのX方向又はY方向の何れか一方が他方よりも長い形状を有している。そこで、複数のレンズを有する光学系を利用してレーザ光のビームプロファイルを整形している。しかし、光学系による整形処理ではビームプロファイルを完全に真円にすることは困難である。また、レーザ光の光密度分布も同心円状に不均一な分布である。この不均一な光密度分布を改善するために、レーザ光を光ファイバに通して光混合する。 In the edge emitting semiconductor laser, one of the X direction and the Y direction of the beam profile has a shape longer than the other. Therefore, the beam profile of the laser beam is shaped using an optical system having a plurality of lenses. However, it is difficult to completely round the beam profile in the shaping process by the optical system. Further, the light density distribution of the laser light is also concentrically nonuniform distribution. In order to improve this nonuniform light density distribution, the laser light is passed through an optical fiber and light mixed.
一方、このテラヘルツ波発生装置1は、シード光SLの光源としてPCSEL6を備えている。PCSEL6によれば、均一な光密度を有する円形のシード光SLを得ることができる。このようなシード光SLは、ビームプロファイルを整形する必要がない。従って、テラヘルツ波発生装置1は、ビームプロファイルを整形するための光学処理系が不要であるので、部品点数を削減することが可能である。従って、テラヘルツ波発生装置1は、小型化が可能である。
On the other hand, the terahertz wave generator 1 includes the
また、ポンプ光PLとシード光SLとが交差する位相整合角度θPMは、非常に小さい。従って、シード光出力部2及びポンプ光出力部3から、光混合部17までの距離が長くなる。そうすると、シード光出力部2がポンプ光PLの光路を遮ったり、ポンプ光出力部3がシード光SLの光路を遮ったりすることが生じ得る。
Further, the phase matching angle θ PM at which the pump light PL and the seed light SL intersect is very small. Therefore, the distance from the seed
一方、シード光出力部2と差周波発生部4との間に光学処理系を配置する必要がないので、シード光出力部2の上端面7bを差周波発生部4のシード光入射面5bに当接させることができる。すなわち、シード光出力部2と差周波発生部4との間に空間を設ける必要がないので、シード光出力部2及びポンプ光出力部3から、光混合部17までの距離を短くすることができる。従って、シード光SL及びポンプ光PLの光路が遮られることがない。更には、テラヘルツ波発生装置1を構成する部品間隔を小さくすることが可能になるので、一層の小型化が可能になる。
On the other hand, since it is not necessary to dispose an optical processing system between the seed
また、このテラヘルツ波発生装置1では、シード光出力部2及びポンプ光出力部3の間の位置関係が、非線形光学結晶単体で規定される。具体的には、シード光出力部2及びポンプ光出力部3の位置関係が、シード光入射面5b及びポンプ光入射面5cにより規定される。これにより、シード光出力部2及びポンプ光出力部3の位置関係を規定するための追加の部品が不要になると共に、シード光出力部2の構成が簡易になる。従って、テラヘルツ波発生装置1を更に小型化することができる。
Further, in the terahertz wave generator 1, the positional relationship between the seed
<実施例>
以下、テラヘルツ波発生装置1の駆動条件の一例を説明する。テラヘルツ波発生装置1から出力されるテラヘルツ波Tの周波数帯域は、0.5THz〜3.0THzである。また、ポンプ光PLの波長は一定値(1064.2nm)である。そうすると、テラヘルツ波Tの可変波長域(0.5THz〜3.0THz)を達成するために、シード光SLの波長を、1075.65nm〜1066.10nmの範囲で変化させる。例えば、シード光SLの波長を1068.37nmとした場合には、テラヘルツ波Tの周波数は1.10THzである。また、シード光SLの波長を1068.41nmとした場合には、テラヘルツ波Tの周波数は1.11THzである。従って、テラヘルツ波Tの周波数を0.01THz刻みで制御するとすれば、シード光SLの波長をおよそ0.04nm以下の刻みで制御する必要がある。
<Example>
Hereinafter, an example of the drive conditions of the terahertz wave generator 1 will be described. The frequency band of the terahertz wave T output from the terahertz wave generator 1 is 0.5 THz to 3.0 THz. The wavelength of the pump light PL is a constant value (1064.2 nm). Then, in order to achieve a variable wavelength range (0.5 THz to 3.0 THz) of the terahertz wave T, the wavelength of the seed light SL is changed in the range of 1075.65 nm to 1066.10 nm. For example, when the wavelength of the seed light SL is 1068.37 nm, the frequency of the terahertz wave T is 1.10 THz. When the wavelength of the seed light SL is 1068.41 nm, the frequency of the terahertz wave T is 1.11 THz. Therefore, if the frequency of the terahertz wave T is controlled in 0.01 THz steps, it is necessary to control the wavelength of the seed light SL in approximately 0.04 nm or less.
ここで、比較例に係る外部共振型のグレーティング素子を利用した半導体レーザでは、その出射光の波長を小数点以下2桁まで精度良く制御することは困難である。一方、前述したように、制御部19によるPCSEL6の温度制御精度は、0.1℃である。この精度を波長に換算すると、制御部19によるPCSEL6の波長制御精度は、0.007nm/Kである。従って、上述した駆動条件によれば、テラヘルツ波Tの周波数を例えば0.01THz刻みで制御することが可能である。
Here, in the semiconductor laser using the external resonant grating element according to the comparative example, it is difficult to control the wavelength of the emitted light with high precision to two decimal places. On the other hand, as described above, the temperature control accuracy of the
また、シード光SLを発生させるPCSEL6の波長―温度特性は、例えば0.07nm/Kである。従って、温度制御の範囲を40℃に設定すると、中心波長が異なる3個のPCSELを備えることにより、シード光SLに要求される波長帯域(1075.65nm〜1066.10nm)を実現できる。また、温度制御の範囲を120℃に設定した場合には、1個のPCSELで要求される波長帯域を実現できる。
The wavelength-temperature characteristic of
<第2実施形態>
次に、図3に示されるように、第2実施形態に係るテラヘルツ波発生装置1Aについて説明する。テラヘルツ波発生装置1Aは、差周波発生部4Aが光透過性光学部品21を有している点で、第1実施形態に係るテラヘルツ波発生装置1と相違する。また、テラヘルツ波発生装置1Aは、差周波発生部4Aが有する非線形光学結晶22が切り取り加工されていない点で第1実施形態に係るテラヘルツ波発生装置1と相違する。その他の構成は、第1実施形態に係るテラヘルツ波発生装置1と同様である。以下、差周波発生部4Aについて詳細に説明する。
Second Embodiment
Next, as shown in FIG. 3, the
差周波発生部4Aは、非線形光学結晶22と、光透過性光学部品21とを有している。非線形光学結晶22は、第1実施形態の非線形光学結晶5と同じ材料からなる。非線形光学結晶22は、端面22aの一部が切り取られる加工はなされていない。第1実施形態において切り取られた箇所に相当する部分には、光透過性光学部品21が接着されている。すなわち、光透過性光学部品21は、ポンプ光入射面22cを含む端面22aに固定されている。
The difference
光透過性光学部品21は、非線形光学結晶22に対してシード光出力部2を固定する。具体的には、シード光出力部2の第1の光軸L1が、第2の光軸L2に対して位相整合条件を満たす位相整合角度θPMで交差するようにシード光出力部2の姿勢を保持する。すなわち、第2実施形態に係る差周波発生部4Aでは、光透過性光学部品21がシード光入射面21aを有し、非線形光学結晶22がポンプ光入射面22cを有している。
The light transmissive
光透過性光学部品21は、シード光SLに対して透明な材料からなる。光透過性光学部品21は、断面が直角三角形である三角柱状をなしている。光透過性光学部品21の斜面であるシード光入射面21aには、シード光出力部2が当接して接着されている。また、シード光入射面21aとは反対側の底面21bは、非線形光学結晶22の端面22aに当接して接着されている。シード光入射面21aと底面21bとの間の角部A3は、位相整合条件を満たす位相整合角度θPMに基づいて設定されている。底面21bとシード光入射面21aと第1の光軸L1とにより構成される三角形は、第1の光軸L1と第2の光軸L2と端面22aとにより構成される三角形に対して相似である。従って、光透過性光学部品21の底面21bとシード光入射面21aとの角部A3は、第1の光軸L1と第2の光軸L2との間の角部A1に対応する。従って、第1の光軸L1と第2の光軸L2との間の角部A1が位相整合角度θPMである場合、光透過性光学部品21と非線形光学結晶22が同じ屈折率を有する材料であれば角部A3も位相整合角度θPMである。また光透過性光学部品21と非線形光学結晶22が異なる屈折率を有する材料であれば、角部A3はスネルの法則に従った角度となる。
The light transmissive
テラヘルツ波発生装置1Aは、第1実施形態に係るテラヘルツ波発生装置1と同様に、小型化が可能である。また、テラヘルツ波発生装置1Aでは、第1の光軸L1が上端面7bに対して直交するシード光出力部2を利用している。また、シード光入射面21aとポンプ光入射面22cとを所定の角度の関係に形成しさえすれば、テラヘルツ波発生装置1Aの構成部品を容易に準備することができる。
The
<第3実施形態>
次に、図4に示されるように、第3実施形態に係るテラヘルツ波発生装置1Bについて説明する。テラヘルツ波発生装置1Bは、シード光出力部2Aにおけるシード光SLの出射方向が第1実施形態に係るテラヘルツ波発生装置1と相違する。また、テラヘルツ波発生装置1Bは、差周波発生部4Bが有する非線形光学結晶22が切り取り加工されていない点で第1実施形態に係るテラヘルツ波発生装置1と相違する。その他の構成は、第1実施形態に係るテラヘルツ波発生装置1と同様である。以下、シード光出力部2A及び差周波発生部4Bについて詳細に説明する。
Third Embodiment
Next, as shown in FIG. 4, the
シード光出力部2Aは、シード光SLの出射方向(即ち第1の光軸L1)がキャップ7の上端面7bに対して直交していない。すなわち、上端面7bに対して第1の光軸L1が傾いている。上端面7bの法線L3と第1の光軸L1との間の角部A4は、第1の光軸L1と第2の光軸L2との間の角部A1の錯角である。従って、第1の光軸L1と第2の光軸L2との間の角部A1が位相整合角度θPMである場合には、角部A4も位相整合角度θPMに設定される。
In the seed
図5に示されるように、シード光出力部2Aは、傾斜ベース23を有している。傾斜ベース23は、ステム8とヒートシンク11との間に配置されている。傾斜ベース23は、搭載面8aに固定されたステム取付面23aと、ステム取付面23aの反対側のヒートシンク取付面23bとを有している。このヒートシンク取付面23bは、ステム取付面23aに対して平行ではない。
As shown in FIG. 5, the seed
このステム取付面23aとヒートシンク取付面23bとの間の角部A5(図5(b)参照)は、位相整合角度θPMに基づいて設定されている。ステム取付面23aとヒートシンク取付面23bとによりなる角度A5は、第1の光軸L1と第2の光軸L2或いは端面22aとによりなる角度A1に対してスネルの法則で規定される角度となっている。すなわち第1の光軸L1と第2の光軸L2との間の角部A1が位相整合角度θPMである場合には、角部A5はスネルの法則に規定される角度となり位相整合角度θPMとはならない。
The corner A5 (see FIG. 5B) between the
図4に示されるように、非線形光学結晶22は、端面22aの一部が切り取られる加工はなされていない。第1実施形態において切り取られた箇所に相当する部分には、シード光入射面22bが設定されている。すなわち、本実施形態では、端面22aは、シード光入射面22bとポンプ光入射面22cとを含んでいる。そして、上述したように、シード光出力部2Aの第1の光軸L1は、上端面7bに対して傾いている。従って、シード光出力部2Aの上端面7bを非線形光学結晶22の端面22aに当接させて固定すれば、非線形光学結晶22の光混合部17において、第1の光軸L1と第2の光軸L2とは、位相整合条件を満たす位相整合角度θPMで交差する。
As shown in FIG. 4, the non-linear
テラヘルツ波発生装置1Bは、第1実施形態に係るテラヘルツ波発生装置1と同様に、小型化が可能である。また、テラヘルツ波発生装置1Bでは、シード光入射面22bとポンプ光入射面22cとは、同一平面内に含まれているので、差周波発生部4を構成する非線形光学結晶22を加工して、シード光入射面22bとポンプ光入射面22cとを所定の角度の関係に形成する必要がない。従って、テラヘルツ波発生装置1Bの構成部品を容易に準備することができる。
The
本発明は、前述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。 The present invention is not limited to the embodiments described above, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
<変形例1>
図6に示されるように、テラヘルツ波発生装置1Cのシード光出力部2Bは、外部共振型面発光レーザ(垂直共振器型面発光レーザとも言われ、Vertical External Cavity Surface Emitting Laser:VECSELと称す)を有していてもよい。図8(a)に示されるように、外部共振型面発光レーザは、一般に言われている面発光レーザ(VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser)の出力ミラーに相当するブラッグ反射鏡を形成せず、別の部品として外部ミラーを設けるものである。ブラッグ反射鏡がない面発光レーザ素子(以下半導体チップとする)26単独では発振することはできないが、ヒートシンク上に、半導体チップ26と、半導体チップ26とは別体の出射ミラー27とを所定の間隔でヒートシンク上に配置し、外部ミラーにブラッグ反射鏡を代用させることで、共振器長が一般的な面発光レーザに比べれば非常に長くなり、ビームはかなり狭い広がり角で出射することができる。更に、シード光出力部2Bは、半導体チップ26を支持するヒートシンク11と、ヒートシンク11を支持するステム8と、半導体チップ26と出射ミラー27とを収容するキャップ28と、を有している。半導体チップ26は、ヒートシンク11を介してステム8の搭載面8aに固定されている。キャップ28の上端面28aには、レーザ光が出射される光出射窓28bが形成されている。光出射窓28bは、ARコーティングが施された透明光学部材28cによって塞がれている。出射ミラー27は、キャップ28の内部における上端面7b側に配置されている。また、半導体チップ26と出射ミラー27との間には、レーザ光を偏光するブリュースター材29が配置されている。
<Modification 1>
As shown in FIG. 6, the seed
外部共振型面発光レーザを有するシード光出力部2Bでは、発光部において発生した光が出射ミラー27と反射ミラーとの間で共振し、光出射窓28bから外部へレーザ光が出射される。このようなシード光出力部2Bによれば、ビームプロファイルが円形であるシード光を好適に得ることができる。
In the seed
<変形例2>
図7に示されるように、テラヘルツ波発生装置1Dのシード光出力部2Cは、変形例1とは別の外部共振型面発光レーザを有していてもよい。シード光出力部2Cでは、出射側の出射ミラー34が非線形光学結晶5のシード光入射面5b上に形成されている。図8(b)に示されるように、外部共振型面発光レーザは、ヒートシンク30と、ヒートシンク30上に配置された半導体チップ31及びスペーサ32と、リード33とを有している。半導体チップ31において発生した光は、半導体チップ31が含む反射ミラー(不図示)と、シード光入射面5bに形成された出射ミラー34との間で共振し、非線形光学結晶5内に入力される。このようなシード光出力部2Cによれば、ビームプロファイルが円形であるシード光を好適に得ることができる。
<
As shown in FIG. 7, the seed
1,1A,1B,1C,1D…テラヘルツ波発生装置、2,2A,2B,2C…シード光出力部、3…ポンプ光出力部、4,4A,4B…差周波発生部、5,22…非線形光学結晶、5b,22b…シード光入射面、5c,22c…ポンプ光入射面、6…フォトニック結晶面発光レーザ、7b…上端面(光当接面)、L1…第1の光軸、L2…第2の光軸、PL…ポンプ光、SL…シード光、T…テラヘルツ波、θPM…位相整合角度。 1, 1A, 1B, 1C, 1D: terahertz wave generator, 2, 2A, 2B, 2C: seed light output unit, 3: pump light output unit, 4, 4A, 4B: difference frequency generation unit, 5, 22 Non-linear optical crystal, 5b, 22b: Seed light incident surface, 5c, 22c: Pump light incident surface, 6: Photonic crystal surface emitting laser, 7b: Upper end surface (light contact surface), L1: First optical axis, L2 ... second optical axis, PL ... pump light, SL ... seed light, T ... terahertz wave, θ PM ... phase matching angle.
Claims (5)
第2の光軸に沿ってポンプ光を出力するポンプ光出力部と、
前記シード光及び前記ポンプ光が入力され、前記シード光と前記ポンプ光との差周波数に相当する周波数を有するテラヘルツ波を発生させる差周波発生部と、を備え、
前記差周波発生部は、前記シード光が入射されるシード光入射面と、前記ポンプ光が入射されるポンプ光入射面と、を有し、
前記シード光出力部は、前記シード光を発生するフォトニック結晶型面発光レーザと、
前記シード光が出射されると共に前記シード光入射面に当接する光当接面と、を有し、
前記差周波発生部は、非線形光学結晶を有し、
前記非線形光学結晶は、前記シード光入射面と、前記ポンプ光入射面と、前記シード光と前記ポンプ光とが所定の交差角度をもって交差する光混合部と、を含み、
前記シード光出力部は、前記第1の光軸が前記光当接面に対して直交するように前記シード光を出力し、
前記シード光入射面と前記ポンプ光入射面とのなす角度は、前記交差角度に基づいて設定されている、テラヘルツ波発生装置。 A seed light output unit that outputs seed light along the first optical axis;
A pump light output unit that outputs pump light along a second optical axis;
A difference frequency generation unit which receives the seed light and the pump light and generates a terahertz wave having a frequency corresponding to a difference frequency between the seed light and the pump light;
The difference frequency generation unit has a seed light incident surface on which the seed light is incident, and a pump light incident surface on which the pump light is incident;
The seed light output unit is a photonic crystal surface emitting laser that generates the seed light.
And a light contact surface which emits the seed light and abuts on the seed light incident surface;
The difference frequency generation unit has a non-linear optical crystal,
The non-linear optical crystal includes the seed light incident surface, the pump light incident surface, and a light mixing unit in which the seed light and the pump light intersect at a predetermined intersection angle.
The seed light output unit outputs the seed light so that the first optical axis is orthogonal to the light contact surface,
The angle which the said seed light entrance plane and the said pump light entrance plane make is set based on the said crossing angle, THz wave generator.
第2の光軸に沿ってポンプ光を出力するポンプ光出力部と、
前記シード光及び前記ポンプ光が入力され、前記シード光と前記ポンプ光との差周波数に相当する周波数を有するテラヘルツ波を発生させる差周波発生部と、を備え、
前記差周波発生部は、前記シード光が入射されるシード光入射面と、前記ポンプ光が入射されるポンプ光入射面と、を有し、
前記シード光出力部は、前記シード光を発生するフォトニック結晶型面発光レーザと、
前記シード光が出射されると共に前記シード光入射面に当接する光当接面と、を有し、
前記差周波発生部は、非線形光学結晶と、前記第1の光軸上に配置された光透過性光学部品と、を有し、
前記非線形光学結晶は、前記ポンプ光入射面と、前記シード光と前記ポンプ光とが所定の交差角度をもって交差する光混合部と、を含み、
光透過性光学部品は、前記シード光入射面を含み、
前記シード光出力部は、前記第1の光軸が前記光当接面に対して直交するように前記シード光を出力し、
前記シード光入射面と前記ポンプ光入射面とのなす角度は、前記交差角度に基づいて設定されている、テラヘルツ波発生装置。 A seed light output unit that outputs seed light along the first optical axis;
A pump light output unit that outputs pump light along a second optical axis;
A difference frequency generation unit which receives the seed light and the pump light and generates a terahertz wave having a frequency corresponding to a difference frequency between the seed light and the pump light;
The difference frequency generation unit has a seed light incident surface on which the seed light is incident, and a pump light incident surface on which the pump light is incident;
The seed light output unit is a photonic crystal surface emitting laser that generates the seed light.
And a light contact surface which emits the seed light and abuts on the seed light incident surface;
The difference frequency generation unit includes a non-linear optical crystal and a light transmissive optical component disposed on the first optical axis,
The non-linear optical crystal includes the pump light incident surface, and a light mixing unit in which the seed light and the pump light intersect at a predetermined crossing angle,
The light transmissive optical component includes the seed light incident surface, and
The seed light output unit outputs the seed light so that the first optical axis is orthogonal to the light contact surface,
The angle which the said seed light entrance plane and the said pump light entrance plane make is set based on the said crossing angle, THz wave generator.
第2の光軸に沿ってポンプ光を出力するポンプ光出力部と、
前記シード光及び前記ポンプ光が入力され、前記シード光と前記ポンプ光との差周波数に相当する周波数を有するテラヘルツ波を発生させる差周波発生部と、を備え、
前記差周波発生部は、前記シード光が入射されるシード光入射面と、前記ポンプ光が入射されるポンプ光入射面と、を有し、
前記シード光出力部は、前記シード光を発生する外部共振型面発光レーザと、前記シード光が出射されると共に前記シード光入射面に当接する光当接面と、を有し、
前記差周波発生部は、非線形光学結晶を有し、
前記非線形光学結晶は、前記シード光入射面と、前記ポンプ光入射面と、前記シード光と前記ポンプ光とが所定の交差角度をもって交差する光混合部と、を含み、
前記シード光出力部は、前記第1の光軸が前記光当接面に対して直交するように前記シード光を出力し、
前記シード光入射面と前記ポンプ光入射面とのなす角度は、前記交差角度に基づいて設定されている、テラヘルツ波発生装置。 A seed light output unit that outputs seed light along the first optical axis;
A pump light output unit that outputs pump light along a second optical axis;
A difference frequency generation unit which receives the seed light and the pump light and generates a terahertz wave having a frequency corresponding to a difference frequency between the seed light and the pump light;
The difference frequency generation unit has a seed light incident surface on which the seed light is incident, and a pump light incident surface on which the pump light is incident;
The seed light output unit includes an external cavity surface emitting laser that generates the seed light, and a light contact surface that emits the seed light and that abuts on the seed light incident surface.
The difference frequency generation unit has a non-linear optical crystal,
The non-linear optical crystal includes the seed light incident surface, the pump light incident surface, and a light mixing unit in which the seed light and the pump light intersect at a predetermined intersection angle.
The seed light output unit outputs the seed light so that the first optical axis is orthogonal to the light contact surface,
The angle which the said seed light entrance plane and the said pump light entrance plane make is set based on the said crossing angle, THz wave generator.
第2の光軸に沿ってポンプ光を出力するポンプ光出力部と、
前記シード光及び前記ポンプ光が入力され、前記シード光と前記ポンプ光との差周波数に相当する周波数を有するテラヘルツ波を発生させる差周波発生部と、を備え、
前記差周波発生部は、前記シード光が入射されるシード光入射面と、前記ポンプ光が入射されるポンプ光入射面と、を有し、
前記シード光出力部は、前記シード光を発生する外部共振型面発光レーザと、前記シード光が出射されると共に前記シード光入射面に当接する光当接面と、を有し、
前記差周波発生部は、非線形光学結晶と、前記第1の光軸上に配置された光透過性光学部品と、を有し、
前記非線形光学結晶は、前記ポンプ光入射面と、前記シード光と前記ポンプ光とが所定の交差角度をもって交差する光混合部と、を含み、
光透過性光学部品は、前記シード光入射面を含み、
前記シード光出力部は、前記第1の光軸が前記光当接面に対して直交するように前記シード光を出力し、
前記シード光入射面と前記ポンプ光入射面とのなす角度は、前記交差角度に基づいて設定されている、テラヘルツ波発生装置。 A seed light output unit that outputs seed light along the first optical axis;
A pump light output unit that outputs pump light along a second optical axis;
A difference frequency generation unit which receives the seed light and the pump light and generates a terahertz wave having a frequency corresponding to a difference frequency between the seed light and the pump light;
The difference frequency generation unit has a seed light incident surface on which the seed light is incident, and a pump light incident surface on which the pump light is incident;
The seed light output unit includes an external cavity surface emitting laser that generates the seed light, and a light contact surface that emits the seed light and that abuts on the seed light incident surface.
The difference frequency generation unit includes a non-linear optical crystal and a light transmissive optical component disposed on the first optical axis,
The non-linear optical crystal includes the pump light incident surface, and a light mixing unit in which the seed light and the pump light intersect at a predetermined crossing angle,
The light transmissive optical component includes the seed light incident surface, and
The seed light output unit outputs the seed light so that the first optical axis is orthogonal to the light contact surface,
The angle which the said seed light entrance plane and the said pump light entrance plane make is set based on the said crossing angle, THz wave generator.
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