JP6765050B2 - 電磁波発生装置 - Google Patents

Description

本発明はテラヘルツ波などの電磁波を発生させる電磁波発生装置に関し、より詳しくは周波数の異なる第１励起レーザ光と第２励起レーザ光とが入射することで両レーザ光の差周波数の電磁波を発生させる非線形光学結晶を備えた電磁波発生装置に関する。

従来、電磁波発生装置として、周波数の異なる第１励起レーザ光と第２励起レーザ光とを所要の位相整合角で非線形光学結晶に入射させることで、差周波発振により両レーザ光の差周波数の電磁波（例えばテラヘルツ波）を発生させる電磁波発生装置が知られている（特許文献１、２）。
上記構成の電磁波発生装置においては、両レーザ光の周波数の差を周波数とする電磁波を発生させることができるので、従来に比較して低い周波数の電磁波を発生させることができるという利点がある。

特開２００２-７２２６９号公報 特開２０１０−６６３８１号公報

しかしながら、上記差周波数の電磁波を得るためには、上記第１励起レーザ光と第２励起レーザ光とをそれぞれ非線形光学結晶に対応した位相整合角で入射させる必要がある。
特に特許文献２では、位相整合による差周波発振を行うための手段として、ミラーやその他角度調整手段（特許文献２）を備えているが、当該角度調整手段の調整作業が煩雑なものとなっていた。
また上記位相整合角は第１励起レーザ光と第２励起レーザ光との波長によって変動するため、発生させる電磁波の周波数を変更する際には、上記角度調整手段の調整作業を改めて行う必要があった。
本発明はそのような事情に鑑み、従来に比較して位相整合角の調整が容易な電磁波発生装置を提供するものである。

すなわち請求項１の発明は、 周波数の異なる第１励起レーザ光と第２励起レーザ光とが所要の位相整合角で入射すると、両レーザ光の差周波数の電磁波を発生させる第１非線形光学結晶を備えた電磁波発生装置において、
上記第１励起レーザ光と第２励起レーザ光とを出射させる第２非線形光学結晶と、
上記第２非線形光学結晶にポンプ光を照射するポンプ光照射手段と、
上記第２非線形光学結晶に対し、上記ポンプ光の入射角度と異なる入射角度で入射するように第１シード光を照射して、上記ポンプ光との間で上記第１励起レーザ光を発生させる第１シード光照射手段と、
第２非線形光学結晶に対し、上記ポンプ光および上記第１シード光の入射角度と異なる入射角度で入射するように第２シード光を照射して、上記ポンプ光との間で上記第２励起レーザ光を発生させる第２シード光照射手段と、
上記第１非線形光学結晶と第２非線形光学結晶との間に設けられて、上記第２非線形光学結晶より出射した第１励起レーザ光と第２励起レーザ光とを第１非線形光学結晶に導光するレンズとを備え、
上記ポンプ光および第１、第２シード光が上記第２非線形光学結晶に入射すると、当該第２非線形光学結晶から上記第１励起レーザ光および第２励起レーザ光が異なる方向に出射され、上記レンズが第１励起レーザ光および第２励起レーザ光を所要の位相整合角で第１非線形光学結晶に入射させることを特徴としている。

上記発明では、第２非線形光学結晶にポンプ光および第１、第２シード光を入射させることで、光パラメトリック増幅に基づいて光強度を増大させた第１励起レーザ光および第２励起レーザ光を出射させることができる。
そして、この第２非線形光学結晶より出射した第１励起レーザ光および第２励起レーザ光を、上記レンズによって導光して第１非線形光学結晶に入射させることで、差周波発振による差周波数の電磁波を得ることができ、ミラーや特許文献２における角度調整手段が不要となるため、第１励起レーザ光および第２励起レーザ光を第１非線形光学結晶へと導光するための調整作業を容易に行うことができる。
さらに、後述するように、レンズの位置は第１励起レーザ光および第２励起レーザ光の波長に影響を受けない為、発生させる電磁波の周波数を変更するために上記第１、第２シード光の周波数（波長）を変更しても、レンズの位置を調整する必要がない。

本発明の実施例を示す配置図 非線形光学結晶における位相整合条件を説明する図 ポンプ光とシード光との交点Ｐ０を検出する方法を説明する図

以下図示実施例について説明すると、図１は電磁波としてのテラヘルツ波ＴＷを発生させる電磁波発生装置１となっており、周波数の異なる第１励起レーザ光Ｌ１と第２励起レーザ光Ｌ２とを所要の位相整合角で入射させて、両レーザ光の差周波数からなる上記テラヘルツ波ＴＷを発生させる第１非線形光学結晶Ｃ１を備えている。
そして上記第１非線形光学結晶Ｃ１に上記第１励起レーザ光Ｌ１と第２励起レーザ光Ｌ２とを入射させるため、上記電磁波発生装置１はさらに、上記第１励起レーザ光Ｌ１と第２励起レーザ光Ｌ２とを出射させる第２非線形光学結晶Ｃ２と、上記第２非線形光学結晶Ｃ２にポンプ光Ｌｐを照射するポンプ光照射手段２と、第２非線形光学結晶Ｃ２に第１シード光Ｌｓ１を照射して上記ポンプ光Ｌｐとの間で上記第１励起レーザ光Ｌ１を発生させる第１シード光照射手段３と、第２非線形光学結晶Ｃ２に第２シード光Ｌｓ２を照射して上記ポンプ光Ｌｐとの間で上記第２励起レーザ光Ｌ２を発生させる第２シード光照射手段４と、上記第１非線形光学結晶Ｃ１と第２非線形光学結晶Ｃ２との間に設けられて、上記第２非線形光学結晶Ｃ２より出射した第１励起レーザ光Ｌ１と第２励起レーザ光Ｌ２とを第１非線形光学結晶Ｃ１に導光するレンズ５とを備えている。
なお、以下の説明において、上記ポンプ光照射手段２より照射されるポンプ光Ｌｐの光軸Ａに沿った方向をＸ方向とし、当該Ｘ軸に直交する図示上下方向をＹ方向とする。

上記第１、第２非線形光学結晶Ｃ１、Ｃ２としては同じ組成を有したものを使用している。なお異なる組成のものを使用することも可能である。
また第１、第２非線形光学結晶Ｃ１、Ｃ２は、それぞれ上記ポンプ光照射手段２より照射されるポンプ光Ｌｐの光軸Ａ上に設けられている。なお、第１非線形光学結晶Ｃ１については、上記第１励起レーザ光Ｌ１および第２励起レーザ光Ｌ２が図示左方を向く端面より入射すれば必ずしも光軸Ａ上に設ける必要はない。
上記ポンプ光照射手段２は単一周波数のレーザ光をパルス発振するパルスレーザ発振器となっており、これに対し第１、第２シード光照射手段３、４は単一周波数の連続レーザ光を照射させるレーザ発振器となっている。
なお、後述する実施例でも述べるように、上記第１、第２シード光照射手段３、４のうち少なくともいずれか一方については、照射する第１、第２シード光Ｌｓ１、Ｌｓ２の波長（周波数）を可変させるようにしてもよい。
そして第１、第２シード光照射手段３、４と第２非線形光学結晶Ｃ２との間には、それぞれ第１、第２シード光Ｌｓ１、Ｌｓ２を第２非線形光学結晶Ｃ２に入射させるミラー６が設けられている。
本実施例では、上記第１、第２シード光照射手段３、４は上記第１励起レーザ光Ｌ１の光軸Ａに対して同じ側から第１、第２シード光Ｌｓ１、Ｌｓ２を第２非線形光学結晶Ｃ２に入射させ、出射する第１励起レーザ光Ｌ１および第２励起レーザ光Ｌ２が光軸Ａにおける入射した側とは反対側に出射するようになっている。

図２は非線形光学結晶Ｃにポンプ光Ｌｐ（もしくは第１励起レーザ光Ｌ１）およびシード光Ｌｓ（もしくは第２励起レーザ光Ｌ２）を入射させて、アイドラー波Ｗｉおよび電磁波Ｗｓを発生させる原理を説明する図となっている。
まず、非線形光学結晶Ｃにポンプ光Ｌｐを入射させると、非線形光学結晶Ｃの内部でアイドラー波Ｗｉと電磁波Ｗｓ（例えばテラヘルツ波ＴＷ）とが発生する（光パラメトリック発振）。
このようにして発生したアイドラー波Ｗｉおよび電磁波Ｗｓは空間的な広がりを持ち、その出射角度に応じてそれらの波長は連続的に変化しているが、上記非線形光学結晶Ｃに所定の位相整合角でシード光Ｌｓを入射させることにより、当該方向のアイドラー波Ｗｉの強度を高めることができる（光パラメトリック増幅）。
また、上記アイドラー波Ｗｉの強度を高めることで、発生する電磁波Ｗｓの出力も高めることができ、また電磁波Ｗｓの周波数は、入射したポンプ光Ｌｐとシード光Ｌｓとの差、すなわち差周波数となる。
これらの内容は、例えば上記特許文献１、２に記載されているように従来公知であるため、これ以上の詳細な説明については省略する。

本実施例の電磁波発生装置１は、上記原理を使用したものとなっており、第１非線形光学結晶Ｃ１では、上記第１励起レーザ光Ｌ１および第２励起レーザ光Ｌ２を入射させることにより、上記電磁波Ｗｓとしてのテラヘルツ波ＴＷとして得るものとなっている。
なお、第１非線形光学結晶Ｃ１を通過した第１励起レーザ光Ｌ１および第２励起レーザ光Ｌ２については、本実施例では図示しないダンパーによってこれらを吸収するようになっている。
一方、第２非線形光学結晶Ｃ２では、上記ポンプ光Ｌｐおよび上記第１、第２シード光Ｌｓ１、Ｌｓ２を入射させることで、増幅されたアイドラー波Ｗｉとしての上記第１励起レーザ光Ｌ１および上記第２励起レーザ光Ｌ２を異なる方向にそれぞれ出射させるものとなっている。
このとき、上記第２非線形光学結晶Ｃ２より出射する第１励起レーザ光Ｌ１および第２励起レーザ光Ｌ２は上記ポンプ光Ｌｐのパルスタイミングで生成されるため、第２非線形光学結晶Ｃ２より出射した第１励起レーザ光Ｌ１および第２励起レーザ光Ｌ２は、同期をとるための機構を用いることなく、自動的に同期された状態となっている。
なお、第２非線形光学結晶Ｃ２を通過したポンプ光Ｌｐについては、第２非線形光学結晶Ｃ２の前方に設けたダンパー７によって吸収し、また発生した電磁波Ｗｓについてはそのまま消費される。

上記レンズ５は単焦点レンズであって、上記第１励起レーザ光Ｌ１および第２励起レーザ光Ｌ２の波長を有したレーザ光を屈折させることが可能であれば、素材を問わず用いることができる。
図１において、レンズ５の中心Ｃ０は上記ポンプ光Ｌｐの光軸Ａ上に位置しているが、上記第１励起レーザ光Ｌ１および第２励起レーザ光Ｌ２を導光することができれば、レンズ５の中心Ｃ０を光軸Ａに対して偏倚した位置に設けてもよい。
そして上記レンズ５の位置は、以下の（数１）を用いて、第１励起レーザ光Ｌ１と第２励起レーザ光Ｌ２との交点Ｐ０から上記レンズ５の中心Ｃ０までの距離Ｌで規定することができる。なお、ここでいう上記交点Ｐ０からレンズ５の中心Ｃ０までの上記距離Ｌとは、Ｘ方向における距離となっている。
以下の説明における数式において、添え字ｐはポンプ光を、添え字ｉはアイドラー波を、添え字ｓは電磁波（シグナル波）をそれぞれ示し、下記（数１）においてｎ_１ｉは第１および第２励起レーザ光の波長帯の光に対する第１非線形光学結晶の屈折率を、ｎ_１ｓは電磁波（テラヘルツ波）の波長帯の光に対する第１非線形光学結晶の屈折率を、ｎ_２ｉは第１および第２励起レーザ光の波長帯の光に対する第２非線形光学結晶の屈折率を、ｎ_２ｓは電磁波（テラヘルツ波）の波長帯の光に対する第２非線形光学結晶の屈折率をそれぞれ示す。ここで、ｎ_１ｉ、ｎ_２ｉについては、近赤外帯での屈折率を示している。

以下、上記（数１）を導出する手順について説明する。まず、上記第２非線形光学結晶Ｃ２から出射される第１励起レーザ光Ｌ１の光軸Ａと第２励起レーザ光Ｌ２の光軸Ａとの交点Ｐ０を以下のように求める。
図３に示すように、第２非線形光学結晶Ｃ２にポンプ光Ｌｐおよび第１、第２シード光Ｌｓ１、Ｌｓ２を入射させることで、第２非線形光学結晶Ｃ２の内部で上記第１、第２励起レーザ光Ｌ１、Ｌ２が発生する。
このとき第２非線形光学結晶Ｃ２の内部で生成される第１励起レーザ光Ｌ１の角度θ１および第２励起レーザ光Ｌ２の角度θ２は、第２非線形光学結晶Ｃ２の組成および入射する第１、第２シード光Ｌｓ１、Ｌｓ２の波長ごとに発生角度が計算可能となっている。
また、第２非線形光学結晶Ｃ２が有する屈折率を用いることで、第２非線形光学結晶Ｃ２から出射する第１励起レーザ光Ｌ１の出射角度θ１’、および第２励起レーザ光Ｌ２の出射角度θ２’も算出することが可能となっている。
なお、このときの第１、第２シード光Ｌｓ１、Ｌｓ２の第２非線形光学結晶Ｃ２への入射角度はそれぞれθ１’、θ２’であり、第２非線形光学結晶Ｃ２に入射する際に屈折して角度θ１、θ２となる。
次に、第２非線形光学結晶Ｃ２の前方にフォトディテクタＰＤを設置し、該フォトディテクタＰＤをＹ軸方向に移動させて、出射された上記第１励起レーザ光Ｌ１および第２励起レーザ光Ｌ２のレーザ出力が最も高くなるＹ軸上の位置をそれぞれ検出する。
このようにして算出した上記第２非線形光学結晶Ｃ２から出射される第１励起レーザ光Ｌ１および第２励起レーザ光Ｌ２の角度θ１’、θ２’と、検出された第１励起レーザ光Ｌ１および第２励起レーザ光Ｌ２のレーザ出力が最も高くなるＹ軸上の位置ｒ１、ｒ２とから、Ｘ軸およびＹ軸における交点Ｐ０の位置を算出することができる。
なお、上記交点Ｐ０の位置は、第１励起レーザ光Ｌ１、第２励起レーザ光Ｌ２の波長やこれに対応する第２非線形光学結晶Ｃ２の屈折率、並びにポンプ光Ｌｐの出力に応じて変動するため、場合によっては上記交点Ｐ０がポンプ光Ｌｐの光軸Ａ上に位置することもある。

次に、図２に示したような、非線形光学結晶Ｃにおけるノンコリニア位相整合条件について考える。上述したように、光パラメトリック発振とは、ポンプ光Ｌｐ（第１励起レーザ光Ｌ１）として入射したフォトンを非線形光学結晶Ｃを介してアイドラー波Ｗｉと電磁波Ｗｓとに分ける現象である。
これらの光のフォトンの間には、以下に示すエネルギー保存ならびに運動量保存が成立する。ここでＥは光のエネルギーを、ｋは光の運動量をそれぞれ示す。

一方、ポンプ光Ｌｐ、アイドラー波Ｗｉ、電磁波Ｗｓにおけるそれぞれのエネルギーと運動量とについては以下の式が成立する。ここでｈはプランク定数、ｃは光の速さ、λは光の波長、ｎは非線形光学結晶での屈折率をそれぞれ示す。

これら（数２）（数３）に基づいて、アイドラー波Ｗｉとポンプ光Ｌｐとの波長について以下の式が成立する。

これと同様、アイドラー波Ｗｉとポンプ光Ｌｐとの間の角度すなわち位相整合角θについて以下の式が成立する。

次に、図２で説明したように、非線形光学結晶Ｃにポンプ光Ｌｐとシード光Ｌｓとを入射させることで、発生した上記アイドラー波Ｗｉの出力を高める光パラメトリック発振について考える。このとき、入射するシード光Ｌｓと出射するアイドラー波Ｗｉの波長は同じとなる。
さらに、光の波長に対する第２非線形光学結晶Ｃ２の屈折率の変化は緩やかであることから、以下の関係が成立する。ただし、Δλ≡λｉ―λｐ、Δｎ≡ｎｉ―ｎｐとし、添え字ａ＝ｉ、ｓとする。

この（数６）の関係によれば、Δλ／λａの一次までの近似では、ｎｐ＝ｎｉとして考えることができる。
一方、ポンプ光Ｌｐの波長に比べて電磁波Ｗｓの波長は長いことから、上記（数４）においてアイドラー波Ｗｉとポンプ光Ｌｐとは波長が近い値をとり、ポンプ光Ｌｐとアイドラー波Ｗｉとの位相整合角θは１〜２°と小さいことが理解できる。
以上のことから、位相整合角δθとして以下の近似をすることができる。

このようにして得られた（数７）を用いれば、上記（数５）を整理して以下の式が得られる。

この（数８）に、上記（数４）を用いてλｓを消去し、さらに（数６）と同様、Δλ／λｐ,ｓの一次までの近似でｎｐ＝ｎｉ≡ｎとしてよいことを利用して、以下の式を得ることができる。

そして当該（数９）を、Δλ’＝λ’ｉ―λｐ、δλ＝λ’ｉ―λｉを用いて整理するとともに、λｐ≒λｉを用いることで、非線形光学結晶Ｃにおけるポンプ光Ｌｐとアイドラー波Ｗｉとの位相整合角δθ、換言するとポンプ光Ｌｐとシード光Ｌｓとの位相整合角δθに関する以下の式を得ることができる

上記（数１０）を用いることで、上記第２非線形光学結晶Ｃ２の内部における、ポンプ光Ｌｐに対する第１シード光Ｌｓ１の位相整合角θ１と、ポンプ光Ｌｐに対する第２シード光Ｌｓ２の位相整合角θ２とをそれぞれ以下のようにあらわすことができる。
下記（数１１）の添え字ｐはポンプ光Ｌｐを示し、添え字１、２は、それぞれ第１、第２シード光Ｌｓ１、Ｌｓ２を示している。また、屈折率ｎ_２ｓについては、第２非線形光学結晶Ｃ２において第１、第２シード光Ｌｓ１、Ｌｓ２に基づいて発生する電磁波Ｗｓが波長の変化に対して鈍感であることから、第１、第２シード光Ｌｓ１、Ｌｓ２について共通の値を使用することができる。

従って、第２非線形光学結晶Ｃ２に入射した当該第２非線形光学結晶Ｃ２の内部における第１、第２シード光Ｌｓ１、Ｌｓ２の角度の差δ_２θは以下の式によってあらわすことができる。但し、λｉはアイドラー波Ｗｉの波長を示し、またδλ＝λ２−λ１とする。

これらの式は第２非線形光学結晶Ｃ２の内部での現象を示しており、第１、第２励起レーザ光Ｌ１、Ｌ２は第２非線形光学結晶Ｃ２より出射する際に屈折するため、第２非線形光学結晶Ｃ２の外部に出射した第１励起レーザ光Ｌ１と第２励起レーザ光Ｌ２との角度の差δ_２θ’は以下の式によってあらわされる。

続いて、上記第１非線形光学結晶Ｃ１に第１励起レーザ光Ｌ１および第２励起レーザ光Ｌ２を入射させてテラヘルツ波ＴＷを発生させる位相整合角δ_１θについて検討する。
この第１非線形光学結晶Ｃ１においても、図２で説明したように入射した第１励起レーザ光Ｌ１から生じたアイドラー波Ｗｉに対して所定の角度で第２励起レーザ光Ｌ２を入射させることから、（数２）と同様のエネルギー保存および運動量保存が成立する。
従って、上記（数３）〜（数１３）を参照すれば、第１励起レーザ光Ｌ１と第２励起レーザ光Ｌ２との位相整合角δ_１θについて以下の式を得ることができる。なおｎ_１ｓは第１非線形光学結晶Ｃ１に入射した第１励起レーザ光Ｌ１から上記テラヘルツ波ＴＷが発生する屈折率を示している。

このようにして、（数１３）において定義した第２非線形光学結晶Ｃ２より出射した第１励起レーザ光Ｌ１と第２励起レーザ光Ｌ２とのなす角δ_２θ’と、（数１４）において定義した第１非線形光学結晶Ｃ１に入射する第１励起レーザ光Ｌ１と第２励起レーザ光Ｌ２との位相整合角δ_１θとが得られた。
そして最後に、以下のようにして上記第１励起レーザ光Ｌ１と第２励起レーザ光Ｌ２との交点Ｐ０から上記レンズ５の中心Ｃ０までの距離Ｌを算出する。
まず、第２非線形光学結晶Ｃ２から出射し、レンズ５によって屈折する前の第１励起レーザ光Ｌ１および第２励起レーザ光Ｌ２の、当該レンズ５の中心Ｃ０に対するＹ方向の座標ｒ１、ｒ２を求める。この時、第１励起レーザ光Ｌ１と光軸Ａとの角度θ１’と第２励起レーザ光Ｌ２と光軸Ａとの角度θ２’とが小さければ、以下のようにあらわすことができる。

従って、レンズ５を通過して屈折した第１励起レーザ光Ｌ１および第２励起レーザ光Ｌ２の光軸Ａに対する傾きθ１”、θ２”は、レンズ５の焦点距離をｆとした場合に、それぞれ幾何光学を用いて以下のようにあらわすことができる。但し、θ１”は、θ１’＞０のときθ１”＞０となるように定義した（θ２”についても同様）。

以上のことから、第２非線形光学結晶Ｃ２より出射し、上記レンズ５によって導光された第１励起レーザ光Ｌ１と第２励起レーザ光Ｌ２とが位相整合角δ_１θで第１非線形光学結晶Ｃ１に入射する条件は以下の式で表すことができる。

そしてこの（数１７）を下記（数１８）のように変形することで、上記（数１）を得ることができる。

上述したように、上記（数１）はレーザ光の波長（周波数）に依存しておらず、従って、屈折率の波長依存性が大きくない限り、上記第１、第２シード光Ｌｓ１、Ｌｓ２の波長を変えてもこの関係は変化しない。
つまり、第１、第２シード光Ｌｓ１、Ｌｓ２の波長を変えても、上記レンズ５の距離Ｌを調整せずに、異なる周波数のテラヘルツ波ＴＷを得ることが可能であることが理解できる。
具体的に説明すると、第１、第２シード光Ｌｓ１、Ｌｓ２の波長を変えると、上記ポンプ光Ｌｐによって発生するアイドラー波Ｗｉの波長に適合する位相整合角θ１、θ２も変化することから、結果として上記レンズ５の中心Ｃ０と第１励起レーザ光Ｌ１および第２励起レーザ光Ｌ２の交点Ｐ０との距離Ｌが変化する可能性がある。
この場合、上記（数１）にかかる距離Ｌの変化をΔＬとすると、当該ΔＬに対する第１非線形光学結晶Ｃ１における位相整合角のずれは以下の式で表すことができる。

この（数１９）によれば、ΔＬ／αｆが十分に小さい場合、すなわちレンズ５の焦点距離が大きければ、位相整合角のずれが小さくなることが理解できる。
また非線形光学結晶Ｃより発生するテラヘルツ波ＴＷは角度に対して鈍感であるため、位相整合角のずれが小さい場合にはこれを無視することができる。従って、上記レンズ５の距離Ｌを調整しなくても、十分な強度のテラヘルツ波ＴＷを得ることが可能であることが理解できる。

以下、上記構成を有する電磁波発生装置１における実施例について説明する。
まず上記ポンプ光照射手段２には、例えば波長λｅ＝１．０６４μｍ（周波数＝約３００ＴＨｚ）のレーザ光を、パルス幅３００ｐｓ、繰り返し周波数１００Ｈｚでパルス発振するＮｄ：ＹＡＧレーザを用いた。
上記第１シード光照射手段３には、波長λ１＝１．０６９２〜１．０７１９μｍ（周波数＝約２８０．４〜２７９．７ＴＨｚ）の連続レーザ光を照射可能で、波長を変更可能な半導体レーザ発振器を用いた。
一方、上記第２シード光照射手段４は波長λ２＝１．０６８μｍ（周波数＝約２８０．７ＴＨｚ）の連続レーザ光を照射する半導体レーザ発振器とした。
上記第１、第２非線形光学結晶Ｃ１、Ｃ２としては素材としてＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ_３を用い、結晶温度は３００Ｋとなっている。その場合の上記（数１）における屈折率は、ｎ_１ｉ＝ｎ_２ｉ＝２．１４５、ｎ_１ｓ＝ｎ_２ｓ＝５．２となる。
そして、上記レンズ５としては素材としてＢＫ７を用い、焦点距離ｆ＝１００ｍｍの単焦点レンズを用いた。

そして、上記屈折率に基づいて、上記第１シード光照射手段３は第２非線形光学結晶Ｃ２に第１シード光Ｌｓ１を入射させ、第２非線形光学結晶Ｃ２から第１励起レーザ光Ｌ１を出射させる。
このとき、第１シード光Ｌｓ１の波長λ１＝１．０６９２μｍとした場合の第２非線形光学結晶Ｃ２への入射角度はθ１’＝１．３１°となり、第２非線形光学結晶Ｃ２に入射すると屈折してθ１＝１．３１°となる。従って、第２非線形光学結晶Ｃ２からは第１励起レーザ光Ｌ１が出射角度θ１’＝１．３１°で出射することとなる。
これと同様、波長λ１＝１．０７１９μｍとした場合の入射角度はθ１’＝２．０°となり、第２非線形光学結晶Ｃ２に入射すると屈折してθ１＝２．０°となり、第１励起レーザ光Ｌ１の出射角度はθ１’＝２．０°となる。
一方、上記屈折率に基づいて、上記第２シード光照射手段４は第２非線形光学結晶Ｃ２に第２シード光Ｌｓ２を入射させ、第２非線形光学結晶Ｃ２から第２励起レーザ光Ｌ２を出射させる。
このとき、第２シード光Ｌｓ２の波長λ２＝１．０６８μｍとした場合の第２非線形光学結晶Ｃ２への入射角度はθ２’＝１．０１°となり、第２非線形光学結晶Ｃ２に入射すると屈折してθ２＝０．４８°となる。従って、第２非線形光学結晶Ｃ２からは第１励起レーザ光Ｌ１が出射角度θ２’＝１．０１°で出射することとなる。
そして、図３で説明した方法を用いて第１励起レーザ光Ｌ１の光軸Ａと第２励起レーザ光Ｌ２の光軸Ａとの交点Ｐ０を求め、さらに上記（数１）を用いることで、交点Ｐ０から上記レンズ５の中心Ｃ０までの距離Ｌ＝２００ｍｍを算出した。
そして、第１非線形光学結晶Ｃ１において第１励起レーザ光Ｌ１と第２励起レーザ光Ｌ２とが入射することにより、差周波発振により周波数＝０．３〜１ＴＨｚのテラヘルツ波ＴＷが得られる。
ここで、上記第１シード光Ｌｓ１の波長を変更すると、本来であれば上記第１非線形光学結晶Ｃ１に入射する第１励起レーザ光Ｌ１と第２励起レーザ光Ｌ２との位相整合角はδ_１θ＝０．２９〜０．９８°の範囲で変化するが、上記（数１９）を用いて説明した通り、上記距離Ｌを設定しなおさなくても、上記テラヘルツ波ＴＷを得ることが可能となっている。

なお、上記実施例では第１非線形光学結晶Ｃ１に上記波長を有する第１励起レーザ光Ｌ１および第２励起レーザ光Ｌ２を入射させることにより、電磁波Ｗｓとしてテラヘルツ波ＴＷを得るようになっているが、第１励起レーザ光Ｌ１および第２励起レーザ光Ｌ２の波長を適宜設定することで、ミリ波などの電磁波も得ることが可能となっている。

１ 電磁波発生装置 ２ 補助ポンプ光照射手段
３ 第１補助シード光照射手段 ４ 第２補助シード光照射手段
Ｃ１ 第１非線形光学結晶 Ｃ２ 第２非線形光学結晶
ＴＷ テラヘルツ波 Ｌ１ 第１励起レーザ光
Ｌ２ 第２励起レーザ光 Ｌｐ ポンプ光
Ｌｓ１ 第１シード光 Ｌｓ２ 第２シード光

Claims (3)

1. 周波数の異なる第１励起レーザ光と第２励起レーザ光とが所要の位相整合角で入射すると、両レーザ光の差周波数の電磁波を発生させる第１非線形光学結晶を備えた電磁波発生装置において、
   上記第１励起レーザ光と第２励起レーザ光とを出射させる第２非線形光学結晶と、
   上記第２非線形光学結晶にポンプ光を照射するポンプ光照射手段と、
   上記第２非線形光学結晶に対し、上記ポンプ光の入射角度と異なる入射角度で入射するように第１シード光を照射して、上記ポンプ光との間で上記第１励起レーザ光を発生させる第１シード光照射手段と、
   第２非線形光学結晶に対し、上記ポンプ光および上記第１シード光の入射角度と異なる入射角度で入射するように第２シード光を照射して、上記ポンプ光との間で上記第２励起レーザ光を発生させる第２シード光照射手段と、
   上記第１非線形光学結晶と第２非線形光学結晶との間に設けられて、上記第２非線形光学結晶より出射した第１励起レーザ光と第２励起レーザ光とを第１非線形光学結晶に導光するレンズとを備え、
   上記ポンプ光および第１、第２シード光が上記第２非線形光学結晶に入射すると、当該第２非線形光学結晶から上記第１励起レーザ光および第２励起レーザ光が異なる方向に出射され、上記レンズが第１励起レーザ光および第２励起レーザ光を所要の位相整合角で第１非線形光学結晶に入射させることを特徴とする電磁波発生装置。
2. 上記第２非線形光学結晶における第１励起レーザ光と第２励起レーザ光との交点Ｐ０から上記レンズ中心Ｃ０までの距離Ｌが、
   

   

   （ただし、ｎ１ｉは第１および第２励起レーザ光の波長帯の光に対する第１非線形光学結晶の屈折率を、ｎ１ｓは電磁波の波長帯の光に対する第１非線形光学結晶の屈折率を、ｎ２ｉは第１および第２励起レーザ光の波長帯の光に対する第２非線形光学結晶の屈折率を、ｎ２ｓは電磁波の波長帯の光に対する第２非線形光学結晶の屈折率をそれぞれ示す。）
   で規定される位置に上記レンズを配置することを特徴とする請求項１に記載の電磁波発生装置。
3. 上記第１シード光照射手段および第２シード光照射手段のうち、少なくともいずれか一方を、照射するシード光の波長が変更可能であることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の電磁波発生装置。

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