JP6780985B2 - Terahertz wave generator and terahertz wave generation method - Google Patents

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本発明は、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ものである。 The present invention relates to a terahertz wave generator and a terahertz wave generation method.

非特許文献1には、光伝導アンテナから放射される狭帯域のテラヘルツ波を、光パルス整形によって増強する技術が記載されている。また、非特許文献2には、マルチ光パルスと大口径光伝導アンテナを組み合わせて、狭帯域のテラヘルツ波を増強する技術が記載されている。この非特許文献2には、光伝導アンテナにおけるキャリアの飽和及び緩和時間について記載されている。 Non-Patent Document 1 describes a technique for enhancing a narrow-band terahertz wave radiated from a photoconducting antenna by optical pulse shaping. Further, Non-Patent Document 2 describes a technique for enhancing a narrow-band terahertz wave by combining a multi-optical pulse and a large-diameter photoconducting antenna. This non-patent document 2 describes the saturation and relaxation time of carriers in a light conducting antenna.

Yongqian Liu et. al., “Enhancement of narrow-band terahertzradiation from photoconducting antennas by optical pulse shaping”, OpticsLetters, Vol.21, No.21, pp.1762-1764 (1996)Yongqian Liu et. Al., “Enhancement of narrow-band terahertzradiation from photoconducting antennas by optical pulse shaping”, Optics Letters, Vol.21, No.21, pp.1762-1764 (1996) Sang-Gyu Park et.al., “High-Power Narrow-Band Terahertz Generation UsingLarge-Aperture Photoconductors”, IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol.35,No.8, pp.1257-1268 (1999)Sang-Gyu Park et.al., “High-Power Narrow-Band Terahertz Generation Using Large-Aperture Photoconductors”, IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol.35, No.8, pp.1257-1268 (1999) Marc M. Wefers et. al., “Space-Time Profiles of Shaped UltrafastOptical Waveforms”, IEEE Journal of Quantum electronics, vol.32, No.1,pp.161-172 (1996)Marc M. Wefers et. Al., “Space-Time Profiles of Shaped UltrafastOptical Waveforms”, IEEE Journal of Quantum electronics, vol.32, No.1, pp.161-172 (1996) Tingting Qi et. al., “Collective Coherent Control: Synchronizationof Polarization in Ferroelectric PbTiO3by Shaped THz Fields”, Physical ReviewLetters 102, 247603 (2009)Tingting Qi et. Al., “Collective Coherent Control: Synchronization of Polarization in Ferroelectric PbTiO3by Shaped THz Fields”, Physical Review Letters 102, 247603 (2009) K. Yamaguchi et. al., “Terahertz Time-Domain Observation of SpinReorientation in Orthoferrite ErFeO3 through Magnetic Free InductionDecay”, Physical Review Letters, 110, 137204 (2013)K. Yamaguchi et. Al., “Terahertz Time-Domain Observation of SpinReorientation in Orthoferrite ErFeO3 through Magnetic Free InductionDecay”, Physical Review Letters, 110, 137204 (2013) Shayne M. Harrel et. al., “Influence of free-carrier absorption onterahertz generation from ZnTe(110)”, Journal of applied physics, 107, 033526(2010)Shayne M. Harrel et. Al., “Influence of free-carrier absorption onterahertz generation from ZnTe (110)”, Journal of applied physics, 107, 033526 (2010) T. Kampfrath et. al., “Coherent terahertz control ofantiferromagnetic spin waves”, Nature Photonics, Vol.5, pp.31-34 (2011)T. Kampfrath et. Al., “Coherent terahertz control ofantiferromagnetic spin waves”, Nature Photonics, Vol.5, pp.31-34 (2011) M. Hacker, G. Stobrawa, T. Feurer, “Iterative Fourier transformalgorithm for phase-only pulse shaping”, Optics Express, Vol. 9, No. 4, pp.191-199,13 August 2001M. Hacker, G. Stobrawa, T. Feurer, “Iterative Fourier transform algorithm for phase-only pulse shaping”, Optics Express, Vol. 9, No. 4, pp.191-199, 13 August 2001 Olivier Ripoll, Ville Kettunen, Hans Peter Herzig, “Review ofiterative Fouriertransform algorithms for beam shaping applications”, OpticalEngineering, Vol. 43, No. 11, pp.2549-2556, November 2004Olivier Ripoll, Ville Kettunen, Hans Peter Herzig, “Review ofiterative Fourier transform algorithms for beam shaping applications”, OpticalEngineering, Vol. 43, No. 11, pp.2549-2556, November 2004

従来より、例えば光伝導アンテナといったテラヘルツ波発生素子にシングル光パルスを照射し、広帯域のテラヘルツ波を発生させる技術が知られている。光伝導アンテナに対して光パルスが照射されると、発生したキャリアがアンテナ間を伝搬することによって瞬時電流が流れ、テラヘルツ波が発生する。しかし、光パルスのエネルギーが高くなりすぎると、発生するキャリアの数が多くなり、空間電荷効果によってキャリアの反発が生じ(以下、このような現象をキャリアの飽和と称する)、テラヘルツ波の発生効率が下がってしまう。このような問題点に対し、光パルスを時間的に分割することが考えられる。テラヘルツ波発生素子におけるキャリアの飽和状態は時間経過と共に緩和されるので、複数の光パルスを時間間隔をおいて順次照射すれば、キャリアの飽和を回避しつつテラヘルツ波を発生させることができ、更に強いテラヘルツ波を出力することが可能になる(例えば非特許文献1,2を参照)。しかしながら、本発明者の実験によれば、光パルスを時間的に分割するだけでは、キャリアの飽和を十分に回避することが難しいことがわかった。 Conventionally, there has been known a technique of irradiating a terahertz wave generating element such as a photoconducting antenna with a single light pulse to generate a wide band terahertz wave. When an optical pulse is applied to a photoconducting antenna, the generated carrier propagates between the antennas, causing an instantaneous current to flow and generating a terahertz wave. However, if the energy of the optical pulse becomes too high, the number of carriers generated increases, and the space charge effect causes carrier repulsion (hereinafter, such a phenomenon is referred to as carrier saturation), and the generation efficiency of terahertz waves. Will go down. To solve such a problem, it is conceivable to divide the optical pulse in time. Since the carrier saturation state in the terahertz wave generating element is relaxed with the passage of time, if a plurality of optical pulses are sequentially irradiated at time intervals, the terahertz wave can be generated while avoiding carrier saturation. It becomes possible to output a strong terahertz wave (see, for example, Non-Patent Documents 1 and 2). However, according to the experiments of the present inventor, it has been found that it is difficult to sufficiently avoid carrier saturation simply by dividing the optical pulse in time.

本発明は、テラヘルツ波発生素子におけるキャリアの飽和をより効果的に回避することができ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。 An object of the present invention is to provide a terahertz wave generator and a terahertz wave generation method capable of more effectively avoiding carrier saturation in a terahertz wave generating element.

上述した課題を解決するために、一形態によるテラヘルツ波発生装置は、第1光パルスを出力する光源と、光源と光学的に結合され、第1光パルスから、互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる複数の第2光パルスを生成し、複数の第2光パルスそれぞれを、波長に応じて異なる光路上に出力するマルチパルス生成部と、マルチパルス生成部と光学的に結合され、マルチパルス生成部から出力された複数の第2光パルスを受けてテラヘルツ波パルスを発生するテラヘルツ波発生素子と、を備える。 In order to solve the above-mentioned problems, the terahertz wave generator according to one form is optically coupled to the light source that outputs the first light pulse and the light source, and the center wavelength has a time difference from the first light pulse. A multi-pulse generator that generates a plurality of second light pulses that are different from each other and outputs each of the plurality of second light pulses on different optical paths according to the wavelength, and a multi-pulse generator that is optically coupled to the multi-pulse generator to generate a multi-pulse. It includes a terahertz wave generating element that generates a terahertz wave pulse by receiving a plurality of second optical pulses output from a generation unit.

また、一形態によるテラヘルツ波発生方法は、第1光パルスから、互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる複数の第2光パルスを生成し、複数の第2光パルスそれぞれを、波長に応じて異なる光路上に出力するステップ(マルチパルス光生成ステップ)と、複数の第2光パルスをテラヘルツ波発生素子に入力してテラヘルツ波パルスを発生させるステップ(テラヘルツ波生成ステップ)と、を含む。 Further, in the terahertz wave generation method according to one form, a plurality of second light pulses having a time difference from each other and having different center wavelengths are generated from the first light pulse, and each of the plurality of second light pulses is generated according to the wavelength. It includes a step of outputting on different optical paths (multi-pulse light generation step) and a step of inputting a plurality of second light pulses to a terahertz wave generating element to generate a terahertz wave pulse (terahertz wave generation step).

これらのテラヘルツ波発生装置及びテラヘルツ波発生方法では、光源から出力された第1光パルスが時間分割され、互いに時間差を有する複数の第2光パルスが生成される。これらの第2光パルスの中心波長は互いに異なり、波長に応じて異なる光路上に出力される。これにより、テラヘルツ波発生素子において複数の第2光パルスは互いに異なる位置に照射されることとなる。従って、複数の第2光パルスが同じ位置に照射される場合と比較して、第2光パルスの照射により発生するキャリアが他の第2光パルスの照射の際のキャリアの飽和に影響する度合いは小さい。すなわち、上記のテラヘルツ波発生装置及びテラヘルツ波発生方法によれば、テラヘルツ波発生素子におけるキャリアの飽和をより効果的に回避することができる。 In these terahertz wave generators and terahertz wave generation methods, the first optical pulse output from the light source is time-divided, and a plurality of second optical pulses having a time difference from each other are generated. The central wavelengths of these second light pulses are different from each other, and they are output on different optical paths depending on the wavelength. As a result, in the terahertz wave generating element, the plurality of second light pulses are irradiated to different positions from each other. Therefore, the degree to which the carriers generated by the irradiation of the second light pulse affect the saturation of the carriers when the other second light pulses are irradiated, as compared with the case where a plurality of second light pulses are irradiated at the same position. Is small. That is, according to the above-mentioned terahertz wave generator and terahertz wave generation method, it is possible to more effectively avoid carrier saturation in the terahertz wave generation element.

上記のテラヘルツ波発生装置において、マルチパルス生成部は、互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる複数の第2光パルスを共通の光路上に出力する時間波形整形器と、時間波形整形器から出力された複数の第2光パルスそれぞれを、波長に応じて異なる光路に分離する光分散素子と、を有してもよい。同様に、上記のテラヘルツ波発生方法において、マルチパルス生成ステップは、互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる複数の第2光パルスを共通の光路上に出力する時間波形整形ステップと、複数の第2光パルスそれぞれを、波長に応じて異なる光路に分離する光分散ステップと、を含んでもよい。これらにより、上述したマルチパルス生成部及びマルチパルス生成ステップを好適に実現することができる。この場合、時間波形整形器(時間波形整形ステップ)は、第1光パルスを分光する分光素子(分光ステップ)と、分光後の第1光パルスの位相変調を波長毎に行うことにより、互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる複数の第2光パルスを生成する空間光変調器(光変調ステップ)と、複数の第2光パルスを集光する光学系(集光ステップ)と、を含んでもよい。これにより、複数の第2光パルスを生成するための構成を小型且つ簡易な構成により実現することができる。また、光分散素子は回折格子若しくはプリズムであってもよい。これにより、中心波長が互いに異なる複数の第2光パルスそれぞれを、波長に応じて好適に分離することができる。 In the above-mentioned terahertz wave generator, the multi-pulse generator outputs a plurality of second optical pulses having a time difference from each other and having different center wavelengths on a common optical path, and a time waveform shaper. It may have an optical dispersion element that separates each of the plurality of second light pulses into different optical paths according to the wavelength. Similarly, in the above-mentioned terahertz wave generation method, the multi-pulse generation step includes a time waveform shaping step of outputting a plurality of second light pulses having a time difference from each other and having different center wavelengths on a common optical path, and a plurality of first light pulses. It may include a light dispersion step that separates each of the two light pulses into different optical paths depending on the wavelength. As a result, the above-mentioned multi-pulse generation unit and multi-pulse generation step can be preferably realized. In this case, the time waveform shaper (time waveform shaping step) is different from each other by performing phase modulation of the first light pulse after the spectroscopy with the spectroscopic element (spectral step) that disperses the first light pulse for each wavelength. A spatial optical modulator (optical modulation step) that generates a plurality of second light pulses having different central wavelengths and an optical system (condensing step) that condenses a plurality of second optical pulses. Good. As a result, a configuration for generating a plurality of second optical pulses can be realized with a compact and simple configuration. Further, the light dispersion element may be a diffraction grating or a prism. Thereby, each of the plurality of second light pulses having different center wavelengths can be suitably separated according to the wavelength.

上記のテラヘルツ波発生装置において、マルチパルス生成部は、第1光パルスを分光する分光素子と、分光後の第1光パルスの位相変調を波長毎に行うことにより、互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる複数の第2光パルスを生成するとともに、該複数の第2光パルスの光路を波長に応じて分光方向と交差する方向に分離する空間光変調器と、分光方向において複数の第2光パルスを集光する光学系と、を有してもよい。同様に、上記のテラヘルツ波発生方法において、マルチパルス生成ステップは、第1光パルスを分光する分光ステップと、分光後の第1光パルスの位相変調を波長毎に行うことにより、互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる複数の第2光パルスを生成するとともに、該複数の第2光パルスの光路を波長に応じて分光方向と交差する方向に分離する光変調ステップと、分光方向において複数の第2光パルスを集光する集光ステップと、を含んでもよい。これらのような構成であっても、上述したマルチパルス生成部(マルチパルス生成ステップ)を好適に実現することができる。この場合、空間光変調器は、少なくとも回折格子パターンに基づいて分光後の第1光パルスを位相変調してもよい。これにより、空間光変調器において複数の第2光パルスの光路を波長に応じて好適に分離することができる。 In the above-mentioned terahertz wave generator, the multi-pulse generator has a time difference between the spectroscopic element that disperses the first optical pulse and the phase modulation of the first optical pulse after the spectroscopy for each wavelength, and has a central wavelength. Generates a plurality of second light pulses different from each other and separates the optical paths of the plurality of second light pulses in a direction intersecting the spectral direction according to a wavelength, and a plurality of second light pulses in the spectral direction. It may have an optical system that collects light pulses. Similarly, in the above-mentioned terahertz wave generation method, the multi-pulse generation step has a time difference between the spectroscopic step for dispersing the first optical pulse and the phase modulation of the first optical pulse after the spectroscopy for each wavelength. A photomodulation step that generates a plurality of second light pulses having different central wavelengths and separates the optical paths of the plurality of second light pulses in a direction intersecting the spectral direction according to the wavelength, and a plurality of light modulation steps in the spectral direction. It may include a focusing step of condensing the second light pulse. Even with such a configuration, the above-mentioned multi-pulse generation unit (multi-pulse generation step) can be preferably realized. In this case, the spatial light modulator may phase-modulate the first optical pulse after spectroscopy, at least based on the grating pattern. As a result, in the spatial light modulator, the optical paths of a plurality of second light pulses can be suitably separated according to the wavelength.

上記のテラヘルツ波発生装置及びテラヘルツ波発生方法において、各第2光パルスの時間幅は100フェムト秒以下であってもよい。このような超短光パルスによって、テラヘルツ波を効率的に発生させることができる。 In the above-mentioned terahertz wave generator and terahertz wave generation method, the time width of each second optical pulse may be 100 femtoseconds or less. Terahertz waves can be efficiently generated by such ultrashort optical pulses.

本発明によるテラヘルツ波発生装置及びテラヘルツ波発生方法によれば、テラヘルツ波発生素子におけるキャリアの飽和をより効果的に回避することができる。 According to the terahertz wave generator and the terahertz wave generation method according to the present invention, carrier saturation in the terahertz wave generating element can be avoided more effectively.

第1実施形態に係るテラヘルツ波発生装置の構成を概略的に示す図である。It is a figure which shows roughly the structure of the terahertz wave generator which concerns on 1st Embodiment. 時間波形整形器の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the time waveform shaper. 空間光変調素子の変調面を示す図である。It is a figure which shows the modulation surface of a spatial light modulation element. (a)単パルス状のシングル光パルスのスペクトル波形を示す。(b)該シングル光パルスの時間強度波形を示す。(A) The spectral waveform of a single pulse-like single light pulse is shown. (B) The time intensity waveform of the single light pulse is shown. (a)空間光変調素子において矩形波状の位相スペクトル変調を与えたときの変調光のスペクトル波形を示す。(b)得られる光パルスの時間強度波形を示す。(A) The spectral waveform of the modulated light when the rectangular wave-shaped phase spectrum modulation is applied in the spatial light modulation element is shown. (B) The time intensity waveform of the obtained light pulse is shown. 中心波長が800nm、帯域幅が±50nmであるシングル光パルスから生成される、3つの光パルスの波長帯域の例を示すグラフである。It is a graph which shows the example of the wavelength band of three optical pulses generated from the single optical pulse which has a central wavelength of 800 nm and a bandwidth of ± 50 nm. 回折格子及びレンズ付近の光パルスの光路を示す図である。It is a figure which shows the optical path of the optical pulse in the vicinity of a diffraction grating and a lens. テラヘルツ波発生素子の例として、光伝導アンテナ素子を示す平面図である。It is a top view which shows the light conduction antenna element as an example of a terahertz wave generation element. 図8の部分拡大図である。It is a partially enlarged view of FIG. 図9のX−X線に沿った側断面図である。It is a side sectional view along the X-ray line of FIG. 図9のXI−XI線に沿った側断面図である。It is a side sectional view along the line XI-XI of FIG. テラヘルツ波発生素子の別の例として、光伝導アンテナ素子を示す平面図である。As another example of the terahertz wave generating element, it is a top view which shows the light conduction antenna element. 図12の部分拡大図である。It is a partially enlarged view of FIG. 第1実施形態に係るテラヘルツ波発生方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the terahertz wave generation method which concerns on 1st Embodiment. データ作成部の構成を概略的に示す図である。It is a figure which shows the structure of the data creation part roughly. 位相スペクトル設計部及び強度スペクトル設計部の内部構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the internal structure of a phase spectrum design part and an intensity spectrum design part. 反復フーリエ変換法による位相スペクトルの計算手順を示す図である。It is a figure which shows the calculation procedure of the phase spectrum by the iterative Fourier transform method. 位相スペクトル設計部における位相スペクトル関数の計算手順を示す図である。It is a figure which shows the calculation procedure of the phase spectrum function in a phase spectrum design part. 強度スペクトル設計部におけるスペクトル強度の計算手順を示す図である。It is a figure which shows the calculation procedure of the spectrum intensity in the intensity spectrum design part. ターゲット生成部におけるターゲットスペクトログラムの生成手順の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the generation procedure of the target spectrogram in the target generation part. 強度スペクトル関数を算出する手順の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the procedure for calculating an intensity spectrum function. (a)(b)ターゲットスペクトログラムの作成過程を示す図である。It is a figure which shows (a) (b) the process of making a target spectrogram. 対応する各ターゲットスペクトログラムに対して評価値が所定の条件を満足した各スペクトログラムに含まれる2つのドメインの中心波長と、ドメイン間の中心波長間隔とを示すグラフである。It is a graph which shows the center wavelength of two domains included in each spectrogram whose evaluation value satisfied a predetermined condition for each corresponding target spectrogram, and the center wavelength interval between domains. (a)ターゲットスペクトログラムの2つのドメインの中心波長の組み合わせが(800nm,800nm)であるときのスペクトル波形を示すグラフである。(b)(a)のスペクトル波形をフーリエ変換して得られた出力光の時間強度波形を示すグラフである。(A) It is a graph which shows the spectral waveform when the combination of the center wavelengths of two domains of a target spectrogram is (800 nm, 800 nm). (B) It is a graph which shows the time intensity waveform of the output light obtained by Fourier transforming the spectral waveform of (a). (a)ターゲットスペクトログラムの2つのドメインの中心波長の組み合わせが(802nm,798nm)であるときのスペクトル波形を示すグラフである。(b)(a)のスペクトル波形をフーリエ変換して得られた出力光の時間強度波形を示すグラフである。(A) It is a graph which shows the spectral waveform when the combination of the center wavelengths of two domains of a target spectrogram is (802 nm, 798 nm). (B) It is a graph which shows the time intensity waveform of the output light obtained by Fourier transforming the spectral waveform of (a). (a)第2実施例にて用いられたターゲットスペクトログラムを示す図である。(b)(a)のターゲットスペクトログラムに基づいて算出されたスペクトログラムである。(A) It is a figure which shows the target spectrogram used in the 2nd Example. (B) A spectrogram calculated based on the target spectrogram of (a). (a)第2実施例にて用いられたターゲットスペクトログラムを示す図である。(b)(a)のターゲットスペクトログラムに基づいて算出されたスペクトログラムである。(A) It is a figure which shows the target spectrogram used in the 2nd Example. (B) A spectrogram calculated based on the target spectrogram of (a). (a)図26(b)のスペクトログラムから算出されたスペクトル波形を示すグラフである。(b)(a)のスペクトル波形をフーリエ変換して得られた出力光の時間強度波形を示すグラフである。(A) It is a graph which shows the spectral waveform calculated from the spectrogram of FIG. 26 (b). (B) It is a graph which shows the time intensity waveform of the output light obtained by Fourier transforming the spectral waveform of (a). (a)図27(b)のスペクトログラムから算出されたスペクトル波形を示すグラフである。(b)(a)のスペクトル波形をフーリエ変換して得られた出力光の時間強度波形を示すグラフである。(A) It is a graph which shows the spectral waveform calculated from the spectrogram of FIG. 27 (b). (B) It is a graph which shows the time intensity waveform of the output light obtained by Fourier transforming the spectral waveform of (a). 第1変形例を示す図である。It is a figure which shows the 1st modification. 第2変形例を示す図である。It is a figure which shows the 2nd modification. 第3変形例における4つの光パルスの集光位置を示す図である。It is a figure which shows the condensing position of four light pulses in the 3rd modification. 第4変形例に係るテラヘルツ波発生装置の構成の一部分を概略的に示す図である。It is a figure which shows roughly the part of the structure of the terahertz wave generator which concerns on 4th modification. パルスストレッチャの具体的な構成例として、グレーティングペア型の構成を示す図である。As a specific configuration example of the pulse stretcher, it is a figure which shows the structure of the grating pair type. (a)〜(c)第5変形例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating 5th modification (a)-(c). (a),(b)第6変形例を説明するための図である。(A), (b) It is a figure for demonstrating the 6th modification. (a),(b)第6変形例を説明するための図である。(A), (b) It is a figure for demonstrating the 6th modification. (a),(b)第7変形例を説明するための図である。(A), (b) It is a figure for demonstrating the 7th modification. (a)第2実施形態に係るテラヘルツ波発生装置の構成の一部を示す側面図である。(b)第2実施形態に係るテラヘルツ波発生装置の構成の一部を示す上面図である。(A) It is a side view which shows a part of the structure of the terahertz wave generator which concerns on 2nd Embodiment. (B) It is a top view which shows a part of the structure of the terahertz wave generator which concerns on 2nd Embodiment. 第2実施形態に係るテラヘルツ波発生装置の構成の一部を示す斜視図である。It is a perspective view which shows a part of the structure of the terahertz wave generator which concerns on 2nd Embodiment. 第2実施形態における空間光変調素子の変調パターンの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the modulation pattern of the spatial light modulation element in 2nd Embodiment. 第2実施形態に係るテラヘルツ波発生方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the terahertz wave generation method which concerns on 2nd Embodiment.

以下、添付図面を参照しながら本発明によるテラヘルツ波発生装置及びテラヘルツ波発生方法の実施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。 Hereinafter, embodiments of the terahertz wave generator and the terahertz wave generation method according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are designated by the same reference numerals, and duplicate description will be omitted.

(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態に係るテラヘルツ波発生装置1Aの構成を概略的に示す図である。図1に示されるように、本実施形態のテラヘルツ波発生装置1Aは、光源3と、マルチパルス生成部10Aと、テラヘルツ波発生素子30とを備える。
(First Embodiment)
FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a terahertz wave generator 1A according to a first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the terahertz wave generator 1A of the present embodiment includes a light source 3, a multi-pulse generator 10A, and a terahertz wave generator 30.

光源3は、コヒーレントなシングル(単一)光パルスP1を出力する。このシングル光パルスP1は、時間的に他の光パルスとは連続しない独立した光パルスであって、本実施形態における第1光パルスである。また、シングル光パルスP1は、複数の波長の光を含んでいる。光源3は、例えば超短パルスレーザといった固体レーザによって構成される。シングル光パルスP1の波長は、後述するテラヘルツ波発生素子30の構成材料に応じて選択される。例えば、テラヘルツ波発生素子30が低温成長GaAsを用いた光伝導アンテナである場合、キャリアを効率よく励起するため、シングル光パルスP1の中心波長は例えば800nmとされる。また、シングル光パルスP1のスペクトル幅は、後述するマルチ光パルスP2として100フェムト秒以下のフーリエ限界パルスが得られるように設定される。例えば、シングル光パルスP1の中心波長が800nmである場合、100フェムト秒のフーリエ限界パルスを得るためには、スペクトルの半値全幅(FWHM)は10nmより広いことが必要である。 The light source 3 outputs a coherent single light pulse P1. This single optical pulse P1 is an independent optical pulse that is not continuous with other optical pulses in terms of time, and is the first optical pulse in the present embodiment. Further, the single light pulse P1 includes light having a plurality of wavelengths. The light source 3 is composed of a solid-state laser such as an ultrashort pulse laser. The wavelength of the single optical pulse P1 is selected according to the constituent material of the terahertz wave generating element 30 described later. For example, when the terahertz wave generating element 30 is a photoconducting antenna using low temperature growth GaAs, the center wavelength of the single optical pulse P1 is set to, for example, 800 nm in order to efficiently excite carriers. The spectrum width of the single optical pulse P1 is set so that a Fourier limit pulse of 100 femtoseconds or less can be obtained as the multi-optical pulse P2 described later. For example, when the center wavelength of the single light pulse P1 is 800 nm, the full width at half maximum (FWHM) of the spectrum needs to be wider than 10 nm in order to obtain a Fourier limit pulse of 100 femtoseconds.

マルチパルス生成部10Aは、光源3と光学的に結合されている。マルチパルス生成部10Aは、シングル光パルスP1から、複数の光パルスP21,P22及びP23からなるマルチ光パルスP2を生成する。これらの光パルスP21〜P23は、本実施形態における第2光パルスである。光パルスP21〜P23の中心波長は互いに異なる。光パルスP21の中心波長が最も長く、光パルスP23の中心波長が最も短い。また、光パルスP21〜P23は、互いに時間差を有している。図1に示される例では、光パルスP21が最も早く出力され、光パルスP23が最も遅く出力されているが、光パルスP21〜P23の出力順序は任意である。各光パルスP21〜P23の時間幅は、例えば100フェムト秒以下であることが好ましい。 The multi-pulse generator 10A is optically coupled to the light source 3. The multi-pulse generation unit 10A generates a multi-optical pulse P2 composed of a plurality of optical pulses P21, P22 and P23 from a single optical pulse P1. These optical pulses P21 to P23 are the second optical pulses in this embodiment. The center wavelengths of the optical pulses P21 to P23 are different from each other. The central wavelength of the optical pulse P21 is the longest, and the central wavelength of the optical pulse P23 is the shortest. Further, the optical pulses P21 to P23 have a time difference from each other. In the example shown in FIG. 1, the optical pulse P21 is output earliest and the optical pulse P23 is output the latest, but the output order of the optical pulses P21 to P23 is arbitrary. The time width of each optical pulse P21 to P23 is preferably 100 femtoseconds or less, for example.

マルチパルス生成部10Aは、光パルスP21〜P23それぞれを空間的に分割し、波長に応じてそれぞれ異なる光路L1〜L3上に出力する。一例では、光路L1〜L3は互いに平行に並んでいる。なお、マルチパルス生成部10Aから出力される光パルスの個数に制約はなく、様々な個数とすることができる。但し、テラヘルツ波発生素子30において分子振動を効果的に励起するために、適切なパルス数がある。例えば、分子振動のオン/オフを切り替える場合、必要なパルス数はスイッチングの回数と等しい。 The multi-pulse generation unit 10A spatially divides each of the optical pulses P21 to P23 and outputs them on different optical paths L1 to L3 according to the wavelength. In one example, the optical paths L1 to L3 are arranged parallel to each other. The number of optical pulses output from the multi-pulse generation unit 10A is not limited and can be various. However, in order to effectively excite the molecular vibration in the terahertz wave generating element 30, there is an appropriate number of pulses. For example, when switching the molecular vibration on / off, the number of pulses required is equal to the number of switchings.

本実施形態のマルチパルス生成部10Aは、時間波形整形器11、回折格子18(光分散素子)、及びレンズ19を有する。時間波形整形器11は、光源3と光学的に結合されており、互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる光パルスP21〜P23を共通の(単一の)光路L0上に出力する。ここで、図2は、時間波形整形器11の構成例を示す図である。図2に示されるように、時間波形整形器11は、回折格子12、レンズ13、空間光変調器(Spatial Light Modulator:SLM)14、レンズ15、回折格子16、及びデータ作成部17を有する。 The multi-pulse generator 10A of the present embodiment includes a time waveform shaper 11, a diffraction grating 18 (light dispersion element), and a lens 19. The time waveform shaper 11 is optically coupled to the light source 3 and outputs optical pulses P21 to P23 having a time difference from each other and having different center wavelengths on a common (single) optical path L0. Here, FIG. 2 is a diagram showing a configuration example of the time waveform shaper 11. As shown in FIG. 2, the time waveform shaper 11 includes a diffraction grating 12, a lens 13, a Spatial Light Modulator (SLM) 14, a lens 15, a diffraction grating 16, and a data creation unit 17.

回折格子12は本実施形態における分光素子であり、光源3と光学的に結合されている。SLM14はレンズ13を介して回折格子12と光学的に結合されている。回折格子12は、シングル光パルスP1を波長成分毎に分光する。なお、分光素子として、回折格子12に代えてプリズム等の他の光学部品が用いられてもよい。また、図2には反射型の回折格子12が示されているが、回折格子12は透過型であってもよい。シングル光パルスP1は、回折格子12に対して斜めに入射し、複数の波長成分に分光される。この複数の波長成分を含む光Lbは、レンズ13によって各波長成分毎に集光され、SLM14の変調面に結像される。レンズ13は、光透過部材からなる凸レンズであってもよく、凹状の光反射面を有する凹面鏡であってもよい。 The diffraction grating 12 is a spectroscopic element in the present embodiment and is optically coupled to the light source 3. The SLM 14 is optically coupled to the diffraction grating 12 via the lens 13. The diffraction grating 12 disperses the single light pulse P1 for each wavelength component. As the spectroscopic element, another optical component such as a prism may be used instead of the diffraction grating 12. Further, although the reflection type diffraction grating 12 is shown in FIG. 2, the diffraction grating 12 may be a transmission type. The single light pulse P1 is obliquely incident on the diffraction grating 12 and is separated into a plurality of wavelength components. The light Lb containing the plurality of wavelength components is focused by the lens 13 for each wavelength component and imaged on the modulation surface of the SLM 14. The lens 13 may be a convex lens made of a light transmitting member or a concave mirror having a concave light reflecting surface.

SLM14は、位相マスクの一例であり、互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる光パルスP21〜P23をシングル光パルスP1から生成するために、光Lbの位相変調と強度変調とを同時に行う。また、光Lbの位相変調のみを行ってもよいし、光Lbの強度変調のみを行ってもよい。SLM14は、例えば位相変調型である。一実施例では、SLM14はLCOS(Liquid crystal on silicon)型である。図3は、SLM14の変調面14aを示す図である。図3に示されるように、変調面14aには、複数の変調領域14bが或る方向B1に沿って並んでおり、各変調領域14bは方向B1と交差する(例えば、直交する)方向B2に延びている。方向B1は、回折格子12による分光方向である。この変調面14aはフーリエ変換面として働き、複数の変調領域14bのそれぞれには、分光後の対応する各波長成分が入射する。SLM14は、各変調領域14bにおいて、入射した各波長成分の位相及び強度を他の波長成分から独立して変調する。なお、本実施形態のSLM14は位相変調型であるため、強度変調は、変調面14aに呈示される変調パターンによって実現される。 The SLM 14 is an example of a phase mask, and in order to generate optical pulses P21 to P23 having a time difference from each other and having different center wavelengths from the single optical pulse P1, phase modulation and intensity modulation of the optical Lb are performed at the same time. Further, only the phase modulation of the optical Lb may be performed, or only the intensity modulation of the optical Lb may be performed. The SLM 14 is, for example, a phase modulation type. In one embodiment, SLM14 is of type LCOS (Liquid crystal on silicon). FIG. 3 is a diagram showing a modulation surface 14a of the SLM 14. As shown in FIG. 3, a plurality of modulation regions 14b are arranged along a certain direction B1 on the modulation surface 14a, and each modulation region 14b is in a direction B2 intersecting (for example, orthogonal to) the direction B1. It is extending. The direction B1 is the spectral direction of the diffraction grating 12. The modulation surface 14a acts as a Fourier transform surface, and each of the plurality of modulation regions 14b is incident with each corresponding wavelength component after spectroscopy. The SLM 14 modulates the phase and intensity of each incident wavelength component independently of other wavelength components in each modulation region 14b. Since the SLM 14 of the present embodiment is a phase modulation type, the intensity modulation is realized by the modulation pattern presented on the modulation surface 14a.

SLM14は、データ作成部17によって作成された位相パターンに基づく制御信号を受ける。変調パターンは、SLM14を制御するためのデータであり、複素振幅分布の強度あるいは位相分布の強度を含むデータである。変調パターンは、例えば、計算機合成ホログラム(Computer-Generated Holograms(CGH))である。なお、データ作成部17の詳細については後述する。 The SLM 14 receives a control signal based on the phase pattern created by the data creation unit 17. The modulation pattern is data for controlling the SLM 14, and is data including the intensity of the complex amplitude distribution or the intensity of the phase distribution. The modulation pattern is, for example, Computer-Generated Holograms (CGH). The details of the data creation unit 17 will be described later.

SLM14によって変調された変調光Lcの各波長成分は、レンズ15によって回折格子16上の一点に集められる。このときのレンズ15は、変調光Lcを集光する集光光学系として機能する。レンズ15は、光透過部材からなる凸レンズであってもよく、凹状の光反射面を有する凹面鏡であってもよい。また、回折格子16は合波光学系として機能し、変調後の各波長成分を合波する。すなわち、これらのレンズ15及び回折格子16により、変調光Lcの複数の波長成分は互いに集光・合波され、同じ光路上を伝搬する光パルスP21〜P23となる。 Each wavelength component of the modulated light Lc modulated by the SLM 14 is collected by the lens 15 at a point on the diffraction grid 16. The lens 15 at this time functions as a condensing optical system that condenses the modulated light Lc. The lens 15 may be a convex lens made of a light transmitting member or a concave mirror having a concave light reflecting surface. Further, the diffraction grating 16 functions as a combined wave optical system, and combines each wavelength component after modulation. That is, the plurality of wavelength components of the modulated light Lc are focused and combined with each other by these lenses 15 and the diffraction grating 16, and become optical pulses P21 to P23 propagating on the same optical path.

レンズ15よりも前の領域(スペクトル領域)と、回折格子16よりも後ろの領域(時間領域)とは、互いにフーリエ変換の関係にあり、スペクトル領域における位相変調は、時間領域における時間強度波形に影響する。従って、光パルスP21〜P23は、SLM14の変調パターンに応じた、所望の時間強度波形を有することとなる。ここで、図4(a)は、一例として、単パルス状のシングル光パルスP1のスペクトル波形(スペクトル位相G11及びスペクトル強度G12)を示し、図4(b)は、該シングル光パルスP1の時間強度波形を示す。また、図5(a)は、一例として、SLM14において矩形波状の位相スペクトル変調を与えたときの変調光Lcのスペクトル波形(スペクトル位相G21及びスペクトル強度G22)を示し、図5(b)は、得られる光パルスの時間強度波形を示す。図4(a)及び図5(a)において、横軸は波長(nm)を示し、左の縦軸は強度スペクトルの強度値(任意単位)を示し、右の縦軸は位相スペクトルの位相値(rad)を示す。また、図4(b)及び図5(b)において、横軸は時間(フェムト秒)を表し、縦軸は光強度(任意単位)を表す。この例では、矩形波状の位相スペクトル波形を変調光Lcに与えることにより、シングル光パルスP1のシングルパルスが、高次光を伴うダブルパルスに変換されている。なお、図5に示されるスペクトル及び波形は一つの例であって、様々な位相スペクトル及び強度スペクトルの組み合わせにより、光パルスの個数及び時間強度波形を様々に変更することができる。 The region before the lens 15 (spectral region) and the region after the diffraction grating 16 (time domain) are in a Fourier transform relationship with each other, and the phase modulation in the spectral region is converted into a time intensity waveform in the time domain. Affect. Therefore, the optical pulses P21 to P23 have a desired time intensity waveform according to the modulation pattern of the SLM14. Here, FIG. 4A shows, as an example, the spectral waveforms (spectral phase G11 and spectral intensity G12) of the single pulse-shaped single light pulse P1, and FIG. 4B shows the time of the single light pulse P1. The intensity waveform is shown. Further, FIG. 5A shows, as an example, the spectral waveforms (spectral phase G21 and spectral intensity G22) of the modulated light Lc when the rectangular wave-shaped phase spectrum modulation is applied in SLM14, and FIG. 5B shows FIG. The time intensity waveform of the obtained optical pulse is shown. In FIGS. 4 (a) and 5 (a), the horizontal axis indicates the wavelength (nm), the left vertical axis indicates the intensity value (arbitrary unit) of the intensity spectrum, and the right vertical axis indicates the phase value of the phase spectrum. (Rad) is shown. Further, in FIGS. 4 (b) and 5 (b), the horizontal axis represents time (femtoseconds) and the vertical axis represents light intensity (arbitrary unit). In this example, by applying a rectangular wave-shaped phase spectrum waveform to the modulated light Lc, the single pulse of the single light pulse P1 is converted into a double pulse accompanied by higher-order light. The spectrum and waveform shown in FIG. 5 is an example, and the number of optical pulses and the time intensity waveform can be variously changed by combining various phase spectra and intensity spectra.

図6は、中心波長が800nm、帯域幅が±50nmであるシングル光パルスP1から生成される、3つの光パルスP21〜P23の波長帯域の例を示すグラフである。図6の横軸は波長(単位:nm)を表し、縦軸は強度(任意単位)を表す。図6に示されるように、各光パルスP21〜P23の帯域幅は例えば20nmであり、その半値全幅(FWHM)は例えば10nmである。また、各光パルスP21〜P23の中心波長は例えばそれぞれ840nm、800nm、及び760nmである。この例では、各光パルスP21〜P23の最短パルス幅はおよそ94フェムト秒となる。 FIG. 6 is a graph showing an example of the wavelength band of three optical pulses P21 to P23 generated from a single optical pulse P1 having a center wavelength of 800 nm and a bandwidth of ± 50 nm. The horizontal axis of FIG. 6 represents a wavelength (unit: nm), and the vertical axis represents an intensity (arbitrary unit). As shown in FIG. 6, the bandwidth of each optical pulse P21 to P23 is, for example, 20 nm, and its full width at half maximum (FWHM) is, for example, 10 nm. The central wavelengths of the light pulses P21 to P23 are, for example, 840 nm, 800 nm, and 760 nm, respectively. In this example, the shortest pulse width of each optical pulse P21 to P23 is approximately 94 femtoseconds.

なお、時間波形整形器11が有する位相マスクとしては、SLM14に限られず、他の様々な位相マスクを用いることができる。例えば、位相マスクは音響光学変調器であってもよい。また、位相マスクとしては、電気的に制御可能なSLMや音響光学変調器以外にも、例えば固定式のものを用いることができる。また、図2には透過型のSLM14が示されているが、光利用効率を高めるため、SLM14は反射型であってもよい(例えば浜松ホトニクス社製X13138−02)。 The phase mask of the time waveform shaper 11 is not limited to SLM14, and various other phase masks can be used. For example, the phase mask may be an acousto-optic modulator. Further, as the phase mask, for example, a fixed type can be used in addition to the electrically controllable SLM and the acousto-optic modulator. Further, although the transmissive type SLM14 is shown in FIG. 2, the SLM14 may be a reflective type (for example, X13138-02 manufactured by Hamamatsu Photonics Co., Ltd.) in order to improve the light utilization efficiency.

また、回折格子12、レンズ13、及びSLM14は、シングル光パルスP1のスペクトルに適した構成を有する。例えば、シングル光パルスP1のスペクトルの半値全幅が100nmである場合、回折格子12のライン数は300ライン/mm、レンズ13の焦点距離は181.5mm、SLM14の画素数は1280×1024、SLM14の画素ピッチは12.5μmとされる。また、テラヘルツ波発生効率を高める為、光パルスP21〜P23のパルス幅がテラヘルツ波発生素子30において最も短くなるように、時間波形整形器11において分散補償がなされてもよい。例えば、レンズ15、レンズ19の各分散をβ1,β2とすると、時間波形整形器11において、各光パルスP21〜P23に対して補償分散β=−(β1+β2)を付加してもよい。 Further, the diffraction grating 12, the lens 13, and the SLM 14 have a configuration suitable for the spectrum of the single optical pulse P1. For example, when the full width at half maximum of the spectrum of the single light pulse P1 is 100 nm, the number of lines of the diffraction grating 12 is 300 lines / mm, the focal length of the lens 13 is 181.5 mm, the number of pixels of the SLM 14 is 1280 × 1024, and the number of pixels of the SLM 14 is 1280 × 1024. The pixel pitch is 12.5 μm. Further, in order to increase the terahertz wave generation efficiency, dispersion compensation may be performed in the time waveform shaper 11 so that the pulse widths of the optical pulses P21 to P23 are the shortest in the terahertz wave generating element 30. For example, assuming that the variances of the lens 15 and the lens 19 are β 1 and β 2 , the compensation variance β = − (β 1 + β 2 ) is added to each optical pulse P21 to P23 in the time waveform shaper 11. May be good.

再び図1を参照する。時間波形整形器11から出力された光パルスP21〜P23は、回折格子18に入力される。図7は、回折格子18及びレンズ19付近の光パルスP21〜P23の光路を示す図である。回折格子18は、時間波形整形器11から出力されて共通の光路L0上を伝搬する光パルスP21〜P23それぞれを、波長に応じて光路L1〜L3に分離することにより、空間的に分割する。回折格子18は、反射型でもよく、透過型でもよい。光パルスP21〜P23の光径Dは例えば4mmであり、回折格子18の格子数dは例えば20ライン/mmである。回折格子18における回折角θは、θ=sin-1(λ/d)として表される。λは各光パルスP21〜P23の中心波長である。 See FIG. 1 again. The optical pulses P21 to P23 output from the time waveform shaper 11 are input to the diffraction grating 18. FIG. 7 is a diagram showing the optical paths of the optical pulses P21 to P23 near the diffraction grating 18 and the lens 19. The diffraction grating 18 spatially divides each of the optical pulses P21 to P23 output from the time waveform shaper 11 and propagating on the common optical path L0 into optical paths L1 to L3 according to the wavelength. The diffraction grating 18 may be a reflective type or a transmissive type. The light diameter D of the light pulses P21 to P23 is, for example, 4 mm, and the number of lattices d of the diffraction grating 18 is, for example, 20 lines / mm. The diffraction angle θ in the diffraction grating 18 is expressed as θ = sin -1 (λ / d). λ is the center wavelength of each light pulse P21 to P23.

回折格子18を通過した光パルスP21〜P23は、レンズ19によって、集光スポットQ1〜Q3にそれぞれ集光される。レンズ19は、例えば一又は複数のレンズによって構成される集光光学系である。或いは、レンズ19は、シリンドリカルミラーによって構成されてもよい。回折格子18とレンズ19との光学距離は、レンズ19の焦点距離fと等しい。このとき、集光スポットQ1〜Q3の間隔Δhは、Δh=f・tan(θ)として表される。焦点距離fが50mmである場合、間隔Δhは40μmである。一方、集光スポットQ1〜Q3の直径(ビームの直径であり、ガウス近似したときの1/e2の範囲内。eは自然対数)φは、φ=4λf/πDとして表され、この場合およそ13μmである。従って、集光スポットQ1〜Q3の間隔Δdが集光スポットQ1〜Q3の直径φよりも広くなり、集光スポットQ1〜Q3は互いに確実に分離する。 The light pulses P21 to P23 that have passed through the diffraction grating 18 are focused on the focusing spots Q1 to Q3 by the lens 19, respectively. The lens 19 is, for example, a condensing optical system composed of one or a plurality of lenses. Alternatively, the lens 19 may be configured by a cylindrical mirror. The optical distance between the diffraction grating 18 and the lens 19 is equal to the focal length f of the lens 19. At this time, the interval Δh between the focused spots Q1 to Q3 is expressed as Δh = f · tan (θ). When the focal length f is 50 mm, the interval Δh is 40 μm. On the other hand, the diameter of the focused spots Q1 to Q3 (the diameter of the beam, which is within the range of 1 / e 2 when Gaussian approximation is applied. E is the natural logarithm) φ is expressed as φ = 4λf / πD, and in this case, it is approximately It is 13 μm. Therefore, the interval Δd between the focused spots Q1 to Q3 becomes wider than the diameter φ of the focused spots Q1 to Q3, and the focused spots Q1 to Q3 are surely separated from each other.

再び図1を参照する。テラヘルツ波発生素子30は、マルチパルス生成部10Aと光学的に結合され、マルチパルス生成部10Aから出力された光パルスP21〜P23を受けてテラヘルツ波パルスを発生する。ここで、図8は、テラヘルツ波発生素子30の例として、光伝導アンテナ素子30Aを示す平面図である。図9は図8の部分拡大図であり、図10は図9のX−X線に沿った側断面図であり、図11は図9のXI−XI線に沿った側断面図である。 See FIG. 1 again. The terahertz wave generation element 30 is optically coupled to the multi-pulse generation unit 10A, receives optical pulses P21 to P23 output from the multi-pulse generation unit 10A, and generates a terahertz wave pulse. Here, FIG. 8 is a plan view showing a light conducting antenna element 30A as an example of the terahertz wave generating element 30. 9 is a partially enlarged view of FIG. 8, FIG. 10 is a side sectional view taken along line XX of FIG. 9, and FIG. 11 is a side sectional view taken along line XI-XI of FIG.

図10及び図11に示されるように、光伝導アンテナ素子30Aは、基板31と、基板31上に設けられた第1半導体層32と、第1半導体層32上に設けられた絶縁層33と、絶縁層33上に設けられた一対の電極34と、絶縁層33及び電極34を覆う保護膜37とを有する。基板31と第1半導体層32との間には、第1半導体層よりもバンドギャップの大きい絶縁性を有する第2半導体層35が設けられている。基板31は、例えば略矩形状を呈する半絶縁性GaAs基板である。第1半導体層32は、例えば分子線エピタキシー(MBE:Molecular Beam Epitaxy)によって低温(200℃〜300℃)でエピタキシャル成長させたGaAs層である。絶縁層33は、例えばSiN層である。第2半導体層35は、例えばAlGaAs層である。電極34は、オーミック電極であって、例えばAuGe,Au等によって形成されている。 As shown in FIGS. 10 and 11, the photoconducting antenna element 30A includes a substrate 31, a first semiconductor layer 32 provided on the substrate 31, and an insulating layer 33 provided on the first semiconductor layer 32. It has a pair of electrodes 34 provided on the insulating layer 33, and a protective film 37 covering the insulating layer 33 and the electrodes 34. A second semiconductor layer 35 having an insulating property having a bandgap larger than that of the first semiconductor layer is provided between the substrate 31 and the first semiconductor layer 32. The substrate 31 is, for example, a semi-insulating GaAs substrate having a substantially rectangular shape. The first semiconductor layer 32 is a GaAs layer epitaxially grown at a low temperature (200 ° C. to 300 ° C.) by, for example, molecular beam epitaxy (MBE). The insulating layer 33 is, for example, a SiN layer. The second semiconductor layer 35 is, for example, an AlGaAs layer. The electrode 34 is an ohmic electrode and is formed of, for example, AuGe, Au, or the like.

図8に示されるように、絶縁層33は、開口部33aを有している。開口部33aは、絶縁層33の中央部に形成され、光伝導アンテナ素子30Aの表面の法線方向から見て長方形状を呈している。また、各電極34は、配線部34a、複数(本実施形態では3つ)のアンテナ部34b、及び一対のパッド部34cを有する。配線部34aは、複数のアンテナ部34bとパッド部34cとを相互に接続している。複数のアンテナ部34bは、所定方向B3に沿ってアレイ状に並んでおり、配線部34aと一体に形成されている。複数のアンテナ部34bは、開口部33aの内部に位置し、第1半導体層32と接触している(図10を参照)。一方の電極34の複数のアンテナ部34bと、他方の電極34の複数のアンテナ部34bとは、所定の間隔をあけて対向配置されている。一方の電極34の一対のパッド部34cは、絶縁層33上の一辺に沿った2つの角部にそれぞれ位置する。他方の電極34の一対のパッド部34cは、絶縁層33上の他辺に沿った2つの角部にそれぞれ位置する。これらのパッド部34cは、外部配線と電気的に接続される。 As shown in FIG. 8, the insulating layer 33 has an opening 33a. The opening 33a is formed in the central portion of the insulating layer 33 and has a rectangular shape when viewed from the normal direction of the surface of the light conductive antenna element 30A. Further, each electrode 34 has a wiring portion 34a, a plurality of antenna portions 34b (three in the present embodiment), and a pair of pad portions 34c. The wiring portion 34a connects the plurality of antenna portions 34b and the pad portion 34c to each other. The plurality of antenna portions 34b are arranged in an array along a predetermined direction B3, and are integrally formed with the wiring portion 34a. The plurality of antenna portions 34b are located inside the opening 33a and are in contact with the first semiconductor layer 32 (see FIG. 10). The plurality of antenna portions 34b of one electrode 34 and the plurality of antenna portions 34b of the other electrode 34 are arranged so as to face each other at a predetermined interval. The pair of pad portions 34c of one electrode 34 are located at two corner portions along one side on the insulating layer 33, respectively. The pair of pad portions 34c of the other electrode 34 are located at two corner portions along the other side on the insulating layer 33, respectively. These pad portions 34c are electrically connected to external wiring.

図9に示されるように、アンテナ部34bは、配線部34aから他方のアンテナ部34bに向かって突出している。より具体的には、アンテナ部34bは、配線部34aの延在方向の中央部から、当該延在方向と略直交する方向に突出している。一方の電極34のアンテナ部34bの先端と、他方の電極34のアンテナ部34bの先端とは、互いに対向している。これらの先端間の領域(アンテナギャップ、幅5μm)には、前述した光パルスP21〜P23が入射して集光スポットQ1〜Q3が形成される。アンテナ部34bのパターンは、光伝導アンテナ素子30Aの表面の法線方向から見て長方形状を呈するダイポールパターンであり、光伝導アンテナ素子30Aは、このようなダイポールパターンが複数並んだダイポールアンテナアレイである。 As shown in FIG. 9, the antenna portion 34b projects from the wiring portion 34a toward the other antenna portion 34b. More specifically, the antenna portion 34b projects from the central portion of the wiring portion 34a in the extending direction in a direction substantially orthogonal to the extending direction. The tip of the antenna portion 34b of one electrode 34 and the tip of the antenna portion 34b of the other electrode 34 face each other. The above-mentioned optical pulses P21 to P23 are incident on the region between these tips (antenna gap, width 5 μm) to form focused spots Q1 to Q3. The pattern of the antenna portion 34b is a dipole pattern that exhibits a rectangular shape when viewed from the normal direction of the surface of the photoconducting antenna element 30A, and the photoconducting antenna element 30A is a dipole antenna array in which a plurality of such dipole patterns are arranged. is there.

この光伝導アンテナ素子30Aに対して光パルスP21〜P23が照射されると、発生したキャリアが一対の電極34間を伝搬することによって瞬時電流が流れ、テラヘルツ波が発生する。例えば、光パルスP21〜P23の時間間隔が1ピコ秒である場合、パルス時間間隔の逆数である1THzの共鳴を持つ分子やスピン振動を励起することができる。そして、キャリアの生成位置が各光パルスP21〜P23毎に分割されているので、キャリアの飽和を十分に回避しつつ、効率よくテラヘルツ波を発生させることができる。隣り合うアンテナ部34b同士の間隔は、例えば数十μm以下である必要がある。すなわち、全てのキャリアの生成位置の領域の大きさは、テラヘルツ波の波長以下(例えば、テラヘルツ波の周波数が1THzであれば300μm以下)である。そのような間隔であれば、各集光スポットQ1〜Q3から出力されるテラヘルツ波はひとつの点光源からの出力とみなされる。 When the light conduction antenna element 30A is irradiated with the light pulses P21 to P23, the generated carriers propagate between the pair of electrodes 34, so that an instantaneous current flows and a terahertz wave is generated. For example, when the time interval of the optical pulses P21 to P23 is 1 picosecond, it is possible to excite a molecule or spin vibration having a resonance of 1 THz, which is the reciprocal of the pulse time interval. Since the carrier generation position is divided for each optical pulse P21 to P23, it is possible to efficiently generate a terahertz wave while sufficiently avoiding carrier saturation. The distance between the adjacent antenna portions 34b needs to be, for example, several tens of μm or less. That is, the size of the region of the generation position of all carriers is not less than the wavelength of the terahertz wave (for example, 300 μm or less if the frequency of the terahertz wave is 1 THz). With such an interval, the terahertz waves output from the focused spots Q1 to Q3 are regarded as outputs from one point light source.

なお、図8及び図9では全てのアンテナ部34bがダイポールアンテナを構成する例を説明したが、少なくとも一つのアンテナ部の種類が他のアンテナ部と異なってもよい。例えば、少なくとも一つのアンテナ部が、ボウタイアンテナ、スパイラルアンテナ、或いは櫛形アンテナであってもよい。或いは、これらのアンテナ種類のうち少なくとも2つが混在していてもよい。得られるテラヘルツ波スペクトルはアンテナ種類によって異なるので、各アンテナ部のアンテナ種類を必要に応じて選択することにより、テラヘルツ波スペクトルを任意の形状に制御することができる。 Although an example in which all the antenna portions 34b form a dipole antenna has been described in FIGS. 8 and 9, the type of at least one antenna portion may be different from that of the other antenna portions. For example, at least one antenna unit may be a bowtie antenna, a spiral antenna, or a comb-shaped antenna. Alternatively, at least two of these antenna types may be mixed. Since the obtained terahertz wave spectrum differs depending on the antenna type, the terahertz wave spectrum can be controlled to an arbitrary shape by selecting the antenna type of each antenna unit as necessary.

図12は、テラヘルツ波発生素子30の別の例として、光伝導アンテナ素子30Bを示す平面図である。また、図13は図12の部分拡大図である。なお、光伝導アンテナ素子30Bの構成は、電極形状を除いて、上述した光伝導アンテナ素子30Aと同様である。 FIG. 12 is a plan view showing a light conducting antenna element 30B as another example of the terahertz wave generating element 30. Further, FIG. 13 is a partially enlarged view of FIG. The configuration of the photoconducting antenna element 30B is the same as that of the photoconducting antenna element 30A described above, except for the electrode shape.

光伝導アンテナ素子30Bが有する一対の電極36は、それぞれ、配線部36a、アンテナ部36b、及び一対のパッド部36cを有する。なお、配線部36a及び一対のパッド部36cの形状は、上述した光伝導アンテナ素子30Aの配線部34a及び一対のパッド部34cと同様である。アンテナ部36bは、一定の幅でもって所定方向B3に延びており、配線部36aと一体に形成されている。アンテナ部36bは、開口部33aの内部に位置し、第1半導体層32と接触している。一方の電極36のアンテナ部36bと、他方の電極36のアンテナ部36bとは、互いに平行に、所定の間隔をあけて対向配置されている。 The pair of electrodes 36 included in the photoconducting antenna element 30B has a wiring portion 36a, an antenna portion 36b, and a pair of pad portions 36c, respectively. The shapes of the wiring portion 36a and the pair of pad portions 36c are the same as those of the wiring portion 34a and the pair of pad portions 34c of the photoconducting antenna element 30A described above. The antenna portion 36b extends in a predetermined direction B3 with a constant width, and is integrally formed with the wiring portion 36a. The antenna portion 36b is located inside the opening 33a and is in contact with the first semiconductor layer 32. The antenna portion 36b of one electrode 36 and the antenna portion 36b of the other electrode 36 are arranged in parallel with each other and opposed to each other at a predetermined interval.

図9に示されるように、アンテナ部36b間の領域には、前述した光パルスP21〜P23が入射して、上記所定方向B3に並ぶ集光スポットQ1〜Q3が形成される。そして、一対の電極36間にバイアス電圧(例えば振幅±10V、変調周波数1kHz)を印加することによって、各集光スポットQ1〜Q3からテラヘルツ波が発生する。各集光スポットQ1〜Q3の領域の大きさは、テラヘルツ波の波長以下である。そのため、各集光スポットQ1〜Q3から出力されるテラヘルツ波は点光源からの出力とみなせるので、効率よくテラヘルツ波を発生させることができる。なお、このようなアンテナ部36bのパターンを有する光伝導アンテナ素子30Bは、ストリップラインアンテナと称される。 As shown in FIG. 9, the above-mentioned optical pulses P21 to P23 are incident on the region between the antenna portions 36b to form focused spots Q1 to Q3 arranged in the predetermined direction B3. Then, by applying a bias voltage (for example, amplitude ± 10 V, modulation frequency 1 kHz) between the pair of electrodes 36, a terahertz wave is generated from each focused spot Q1 to Q3. The size of the region of each focused spot Q1 to Q3 is equal to or smaller than the wavelength of the terahertz wave. Therefore, the terahertz waves output from the focused spots Q1 to Q3 can be regarded as outputs from the point light source, so that the terahertz waves can be efficiently generated. The optical conductive antenna element 30B having such a pattern of the antenna portion 36b is referred to as a stripline antenna.

上述したテラヘルツ波発生素子30の例では第1半導体層32の半導体材料として低温成長GaAsを例示したが、例えばSemi−insulating(SI)GaAsやInGaAsなど、テラヘルツ波の発生効率が高い半導体材料であればよい。 In the above-mentioned example of the terahertz wave generating element 30, low-temperature growth GaAs was exemplified as the semiconductor material of the first semiconductor layer 32, but any semiconductor material having high terahertz wave generation efficiency such as Semi-insulating (SI) GaAs and InGaAs can be used. Just do it.

また、テラヘルツ波発生素子30に到達した光パルスP21〜P23の光強度は互いに等しくてもよく、互いに異なってもよい。特に、コヒーレント制御などのテラヘルツ波の応用によっては、光パルスP21〜P23の光強度は互いに異なってもよい。また、時間的に最初にテラヘルツ波発生素子30に到達する光パルスの光強度を最大にするなど、各光パルスP21〜P23の光強度を任意に制御してもよい。 Further, the light intensities of the light pulses P21 to P23 reaching the terahertz wave generating element 30 may be equal to each other or different from each other. In particular, depending on the application of terahertz waves such as coherent control, the light intensities of the light pulses P21 to P23 may be different from each other. Further, the light intensity of each light pulse P21 to P23 may be arbitrarily controlled, such as maximizing the light intensity of the light pulse that first reaches the terahertz wave generating element 30 in terms of time.

ここで、本実施形態によるテラヘルツ波発生方法について説明する。このテラヘルツ波発生方法は、本実施形態のテラヘルツ波発生装置1Aを用いて実現可能である。図14は、本実施形態のテラヘルツ波発生方法を示すフローチャートである。 Here, a method of generating a terahertz wave according to the present embodiment will be described. This terahertz wave generation method can be realized by using the terahertz wave generator 1A of the present embodiment. FIG. 14 is a flowchart showing the terahertz wave generation method of the present embodiment.

まず、第1ステップ(パルス光生成ステップ)S1において、光源3からシングル光パルスP1を出力する。次に、第2ステップ(マルチパルス光生成ステップ)S2において、シングル光パルスP1から、互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる複数の光パルスP21〜P23を生成し、光パルスP21〜P23それぞれを、波長に応じて異なる光路上に出力する。この第2ステップS2は、時間波形整形ステップS3を含む。時間波形整形ステップS3では、光パルスP21〜P23を共通の光路L0上に出力する。時間波形整形ステップS3は、分光ステップS4、光変調ステップS5、及び集光ステップS6を含む。分光ステップS4では、シングル光パルスP1を分光する。光変調ステップS5では、分光後のシングル光パルスP1の位相変調を波長毎に行うことにより、互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる複数の光パルスP21〜P23を生成する。集光ステップS6では、光パルスP21〜P23を集光する。 First, in the first step (pulse light generation step) S1, a single light pulse P1 is output from the light source 3. Next, in the second step (multi-pulse light generation step) S2, a plurality of light pulses P21 to P23 having a time difference from each other and having different center wavelengths are generated from the single light pulse P1, and each of the light pulses P21 to P23 is generated. , Outputs on different optical paths depending on the wavelength. The second step S2 includes a time waveform shaping step S3. In the time waveform shaping step S3, the optical pulses P21 to P23 are output on the common optical path L0. The time waveform shaping step S3 includes a spectroscopic step S4, a light modulation step S5, and a focusing step S6. In the spectroscopy step S4, the single light pulse P1 is separated. In the optical modulation step S5, the phase modulation of the single optical pulse P1 after spectroscopy is performed for each wavelength to generate a plurality of optical pulses P21 to P23 having a time difference from each other and having different center wavelengths. In the focusing step S6, the optical pulses P21 to P23 are focused.

第2ステップS2は、光分散ステップS7を更に含む。光分散ステップS7では、光パルスP21〜P23それぞれを、波長に応じて異なる光路L1〜L3に分離する。最後に、第3ステップ(テラヘルツ波生成ステップ)S8において、光パルスP21〜P23をテラヘルツ波発生素子30に入力して、テラヘルツ波パルスを発生させる。 The second step S2 further includes a light dispersion step S7. In the optical dispersion step S7, the optical pulses P21 to P23 are separated into different optical paths L1 to L3 depending on the wavelength. Finally, in the third step (terahertz wave generation step) S8, the optical pulses P21 to P23 are input to the terahertz wave generating element 30 to generate the terahertz wave pulse.

以上に説明した本実施形態によるテラヘルツ波発生装置1A及びテラヘルツ波発生方法によって得られる効果について説明する。例えば非特許文献2に記載されたテラヘルツ波発生装置では、テラヘルツ波発生素子におけるキャリアの飽和を抑えるため、集光スポット径を例えば4mm程度と大きくしているので、テラヘルツ波の発生効率が抑えられてしまう。また、複数の光パルスの発生方式として多重マイケルソン干渉系を用いているので、光パルスの個数及び時間間隔を変更することが容易ではなく、また装置が大規模になるという問題がある。更に、光パルスのエネルギーが高い場合、テラヘルツ波のパワーが飽和することが報告されている。この理由は、キャリアの飽和が十分に回避されていないためと推測される。 The effects obtained by the terahertz wave generator 1A and the terahertz wave generation method according to the present embodiment described above will be described. For example, in the terahertz wave generator described in Non-Patent Document 2, in order to suppress the saturation of carriers in the terahertz wave generating element, the focused spot diameter is increased to, for example, about 4 mm, so that the terahertz wave generation efficiency can be suppressed. It ends up. Further, since the multiple Michelson interference system is used as the generation method of a plurality of optical pulses, there is a problem that it is not easy to change the number of optical pulses and the time interval, and the apparatus becomes large-scale. Furthermore, it has been reported that the power of terahertz waves is saturated when the energy of the optical pulse is high. It is presumed that the reason for this is that carrier saturation has not been sufficiently avoided.

これに対し、本実施形態のテラヘルツ波発生装置1A及びテラヘルツ波発生方法では、光源3から出力されたシングル光パルスP1が時間分割され、互いに時間差を有する複数の光パルスP21〜P23が生成される。これらの光パルスP21〜P23の中心波長は互いに異なり、波長に応じて異なる光路L1〜L3上に出力される。これにより、テラヘルツ波発生素子30において光パルスP21〜P23は互いに異なる位置に照射されることとなる。従って、光パルスP21〜P23が同じ位置に照射される場合と比較して、各光パルスの照射により発生するキャリアが他の光パルスの照射の際のキャリアの飽和に影響する度合いは小さい。すなわち、本実施形態のテラヘルツ波発生装置1Aによれば、テラヘルツ波発生素子30におけるキャリアの飽和をより効果的に回避し、テラヘルツ波の発生効率を向上できる。 On the other hand, in the terahertz wave generator 1A and the terahertz wave generation method of the present embodiment, the single optical pulse P1 output from the light source 3 is time-divided, and a plurality of optical pulses P21 to P23 having a time difference from each other are generated. .. The central wavelengths of these optical pulses P21 to P23 are different from each other, and are output on different optical paths L1 to L3 depending on the wavelength. As a result, the optical pulses P21 to P23 are irradiated to different positions in the terahertz wave generating element 30. Therefore, as compared with the case where the light pulses P21 to P23 are irradiated at the same position, the degree to which the carriers generated by the irradiation of each light pulse affect the saturation of the carriers when the other light pulses are irradiated is small. That is, according to the terahertz wave generator 1A of the present embodiment, it is possible to more effectively avoid carrier saturation in the terahertz wave generating element 30 and improve the terahertz wave generation efficiency.

また、本実施形態によれば、光パルスP21〜P23の時間間隔を自在に制御できるので、スペクトル選択の自由度及び効率を更に高めることができる。更に、光パルスP21〜P23の時間間隔を制御することにより、テラヘルツ波発生素子30に固有のキャリアの緩和時間によらず飽和を回避できるので、テラヘルツ波発生素子30の選択自由度を高めることができる。例えば、緩和時間が100ピコ秒程度と長いSI−GaAsを用いたテラヘルツ波発生素子を採用することも可能になる。 Further, according to the present embodiment, since the time interval of the optical pulses P21 to P23 can be freely controlled, the degree of freedom and efficiency of spectrum selection can be further increased. Further, by controlling the time interval of the optical pulses P21 to P23, saturation can be avoided regardless of the relaxation time of the carrier peculiar to the terahertz wave generating element 30, so that the degree of freedom of selection of the terahertz wave generating element 30 can be increased. it can. For example, it is possible to adopt a terahertz wave generating element using SI-GaAs, which has a long relaxation time of about 100 picoseconds.

また、本実施形態によれば、光伝導アンテナの形状の自由度を高めることができる。例えば複数の光パルスを一点に集光させる場合には、テラヘルツ波を効率的に発生させるためにダイポールアンテナが使用され、ダイポールアンテナのアンテナギャップに集光スポットが形成される。これに対し、本実施形態においては、光パルスP21〜P23を時間的かつ空間的に分離して集光するので、複数箇所にアンテナギャップを有するアンテナを使用することができ、例えば櫛型アンテナといった複雑な形状の光伝導アンテナを用いることができる。 Further, according to the present embodiment, the degree of freedom in the shape of the light conducting antenna can be increased. For example, when a plurality of light pulses are focused on one point, a dipole antenna is used to efficiently generate a terahertz wave, and a focusing spot is formed in the antenna gap of the dipole antenna. On the other hand, in the present embodiment, since the optical pulses P21 to P23 are separated temporally and spatially and collected, an antenna having antenna gaps at a plurality of locations can be used, for example, a comb-shaped antenna. A light conducting antenna having a complicated shape can be used.

また、本実施形態によれば、テラヘルツ波の発生効率が高まるので、スピン制御などのコヒーレント制御に応用することが可能になる。近年、テラヘルツ波をNiOなどの物質に照射し、スピンを制御する実験が注目を集めている(例えば非特許文献7)。例えば、2つのテラヘルツ波パルスを照射し、そのパルス間隔によってスピンのオフ/オフを制御することができる。本実施形態によってテラヘルツ波の発生効率が向上すれば、効率よくスピンを励起させることができる。さらに、時間波形整形器11によって容易にパルス間隔を制御できるので、量子演算などへの応用も可能となる。 Further, according to the present embodiment, since the generation efficiency of terahertz waves is increased, it can be applied to coherent control such as spin control. In recent years, experiments in which a substance such as NiO is irradiated with a terahertz wave to control spin have attracted attention (for example, Non-Patent Document 7). For example, two terahertz wave pulses can be irradiated, and spin off / off can be controlled by the pulse interval. If the terahertz wave generation efficiency is improved by this embodiment, the spin can be efficiently excited. Further, since the pulse interval can be easily controlled by the time waveform shaper 11, it can be applied to quantum arithmetic and the like.

また、本実施形態のように、マルチパルス生成部10A(第2ステップS2)は、互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる光パルスP21〜P23を共通の光路L0上に出力する時間波形整形器11(時間波形整形ステップS3)と、時間波形整形器11から出力された光パルスP21〜P23それぞれを、波長に応じて異なる光路に分離する回折格子18(光分散ステップS7)とを有してもよい。これにより、マルチパルス生成部10Aを好適に実現することができる。この場合、時間波形整形器11(時間波形整形ステップS3)は、シングル光パルスP1を分光する回折格子12(分光ステップS4)と、分光後のシングル光パルスP1の位相変調を波長毎に行うことにより、互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる光パルスP21〜P23を生成するSLM14(光変調ステップS5)と、光パルスP21〜P23を集光する光学系(集光ステップS6)と、を含んでもよい。これにより、光パルスP21〜P23を生成するための構成を小型且つ簡易な構成により実現することができる。また、光分散素子として回折格子18を用いることにより、中心波長が互いに異なる光パルスP21〜P23それぞれを、波長に応じて好適に分離することができる。 Further, as in the present embodiment, the multi-pulse generation unit 10A (second step S2) is a time waveform shaper that outputs optical pulses P21 to P23 having a time difference from each other and having different center wavelengths on a common optical path L0. It has 11 (time waveform shaping step S3) and a diffraction grating 18 (light dispersion step S7) that separates the optical pulses P21 to P23 output from the time waveform shaper 11 into different optical paths according to the wavelength. May be good. Thereby, the multi-pulse generation unit 10A can be preferably realized. In this case, the time waveform shaper 11 (time waveform shaping step S3) performs phase modulation of the diffraction grating 12 (spectral step S4) that disperses the single light pulse P1 and the single light pulse P1 after the spectroscopy for each wavelength. This includes an SLM14 (optical modulation step S5) that generates optical pulses P21 to P23 having a time difference from each other and having different center wavelengths, and an optical system (condensing step S6) that concentrates the optical pulses P21 to P23. It may be. As a result, a configuration for generating optical pulses P21 to P23 can be realized with a compact and simple configuration. Further, by using the diffraction grating 18 as the optical dispersion element, the optical pulses P21 to P23 having different center wavelengths can be suitably separated according to the wavelength.

また、本実施形態のように、光パルスP21〜P23の時間幅は100フェムト秒以下であってもよい。このような超短光パルスによって、テラヘルツ波を効率的に発生させることができる。 Further, as in the present embodiment, the time width of the optical pulses P21 to P23 may be 100 femtoseconds or less. Terahertz waves can be efficiently generated by such ultrashort optical pulses.

なお、本実施形態ではシングル光パルスP1をSLM14へ導く光学系(回折格子12及びレンズ13)と、複数の光パルスP21〜P23を生成する光学系(レンズ15及び回折格子16)とが別個に設けられているが、これらの光学系は共通であってもよい。その場合、SLM14は反射型であることが好ましい。 In the present embodiment, the optical system (diffraction grating 12 and lens 13) that guides the single light pulse P1 to SLM 14 and the optical system (lens 15 and diffraction grating 16) that generate a plurality of optical pulses P21 to P23 are separately separated. Although provided, these optical systems may be common. In that case, the SLM 14 is preferably of the reflective type.

ここで、時間波形整形器11のデータ作成部17について詳細に説明する。前述したように、時間波形整形器11は、互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる複数の光パルスを出力する。データ作成部17は、そのような複数の光パルスを生成するためにSLM14に表示される変調パターンを算出し、該変調パターンに関するデータをSLM14に提供する。 Here, the data creation unit 17 of the time waveform shaper 11 will be described in detail. As described above, the time waveform shaper 11 outputs a plurality of optical pulses having a time difference from each other and having different center wavelengths. The data creation unit 17 calculates a modulation pattern displayed on the SLM 14 in order to generate such a plurality of optical pulses, and provides the SLM 14 with data on the modulation pattern.

図15は、データ作成部17の構成を概略的に示す図である。本実施形態のデータ作成部17は、例えば、パーソナルコンピュータ;スマートフォン、タブレット端末などのスマートデバイス;あるいはクラウドサーバなどのプロセッサを有するコンピュータである。データ作成部17は、SLM14と電気的に接続されており、光パルスのパルス数及び時間強度波形を制御するための位相変調パターンを算出し、該位相変調パターンを含む制御信号SCをSLM14に提供する。本実施形態のデータ作成部17は、複数の光パルスを含む所望の波形を得る為の位相スペクトルを出力光に与える位相変調用の位相パターンと、所望の波形を得る為の強度スペクトルを出力光に与える強度変調用の位相パターンとを含む位相パターンをSLM14に呈示させる。そのために、データ作成部17は、任意波形入力部21と、位相スペクトル設計部22と、強度スペクトル設計部23と、変調パターン生成部24とを有する。すなわち、データ作成部17に設けられたコンピュータのプロセッサは、任意波形入力部21の機能と、位相スペクトル設計部22の機能と、強度スペクトル設計部23の機能と、変調パターン生成部24の機能とを実現する。それぞれの機能は、同じプロセッサにより実現されてもよいし、異なるプロセッサにより実現されてもよい。 FIG. 15 is a diagram schematically showing the configuration of the data creation unit 17. The data creation unit 17 of the present embodiment is, for example, a personal computer; a smart device such as a smartphone or a tablet terminal; or a computer having a processor such as a cloud server. The data creation unit 17 is electrically connected to the SLM 14, calculates a phase modulation pattern for controlling the number of pulses of the optical pulse and the time intensity waveform, and provides the SLM 14 with a control signal SC including the phase modulation pattern. To do. The data creation unit 17 of the present embodiment outputs a phase pattern for phase modulation that gives the output light a phase spectrum for obtaining a desired waveform including a plurality of optical pulses, and an intensity spectrum for obtaining a desired waveform. A phase pattern including a phase pattern for intensity modulation given to the SLM 14 is presented to the SLM 14. Therefore, the data creation unit 17 includes an arbitrary waveform input unit 21, a phase spectrum design unit 22, an intensity spectrum design unit 23, and a modulation pattern generation unit 24. That is, the computer processor provided in the data creation unit 17 has the functions of the arbitrary waveform input unit 21, the function of the phase spectrum design unit 22, the function of the intensity spectrum design unit 23, and the function of the modulation pattern generation unit 24. To realize. Each function may be realized by the same processor or may be realized by different processors.

コンピュータのプロセッサは、変調パターン算出プログラムによって、上記の各機能を実現することができる。故に、変調パターン算出プログラムは、コンピュータのプロセッサを、データ作成部17における任意波形入力部21、位相スペクトル設計部22、強度スペクトル設計部23、及び変調パターン生成部24として動作させる。変調パターン算出プログラムは、コンピュータの内部または外部の記憶装置(記憶媒体)に記憶される。記憶装置は、非一時的記録媒体であってもよい。記録媒体としては、フレキシブルディスク、CD、DVD等の記録媒体、ROM等の記録媒体、半導体メモリ、クラウドサーバ等が例示される。 The computer processor can realize each of the above functions by the modulation pattern calculation program. Therefore, the modulation pattern calculation program operates the computer processor as an arbitrary waveform input unit 21, a phase spectrum design unit 22, an intensity spectrum design unit 23, and a modulation pattern generation unit 24 in the data creation unit 17. The modulation pattern calculation program is stored in a storage device (storage medium) inside or outside the computer. The storage device may be a non-temporary recording medium. Examples of the recording medium include flexible disks, recording media such as CDs and DVDs, recording media such as ROMs, semiconductor memories, and cloud servers.

任意波形入力部21は、操作者からの所望の時間強度波形の入力を受け付ける。操作者は、所望の時間強度波形に関する情報(例えばパルス数、パルス幅など)を任意波形入力部21に入力する。所望の時間強度波形に関する情報は、位相スペクトル設計部22及び強度スペクトル設計部23に与えられる。位相スペクトル設計部22は、その時間強度波形に基づいて、対応する位相スペクトルを算出する。強度スペクトル設計部23は、その時間強度波形に基づいて、対応する強度スペクトルを算出する。変調パターン生成部24は、位相スペクトル設計部22において求められた位相スペクトルと、強度スペクトル設計部23において求められた強度スペクトルとを出力光に与えるための位相変調パターン(例えば、計算機合成ホログラム)を算出する。そして、算出された位相変調パターンを含む制御信号SCが、SLM14に提供され、SLM14は、制御信号SCに基づいて制御される。 The arbitrary waveform input unit 21 receives an input of a desired time intensity waveform from the operator. The operator inputs information about a desired time intensity waveform (for example, the number of pulses, pulse width, etc.) to the arbitrary waveform input unit 21. Information about the desired time intensity waveform is given to the phase spectrum design unit 22 and the intensity spectrum design unit 23. The phase spectrum design unit 22 calculates the corresponding phase spectrum based on the time intensity waveform. The intensity spectrum design unit 23 calculates the corresponding intensity spectrum based on the time intensity waveform. The modulation pattern generation unit 24 provides a phase modulation pattern (for example, a computer composite hologram) for giving the phase spectrum obtained by the phase spectrum design unit 22 and the intensity spectrum obtained by the intensity spectrum design unit 23 to the output light. calculate. Then, a control signal SC including the calculated phase modulation pattern is provided to the SLM 14, and the SLM 14 is controlled based on the control signal SC.

図16は、位相スペクトル設計部22及び強度スペクトル設計部23の内部構成を示すブロック図である。図16に示されるように、位相スペクトル設計部22及び強度スペクトル設計部23は、フーリエ変換部25、関数置換部26、波形関数修正部27、逆フーリエ変換部28、及びターゲット生成部29を有する。ターゲット生成部29は、フーリエ変換部29a及びスペクトログラム修正部29bを含む。これらの各構成要素の機能については、後に詳述する。 FIG. 16 is a block diagram showing the internal configurations of the phase spectrum design unit 22 and the intensity spectrum design unit 23. As shown in FIG. 16, the phase spectrum design unit 22 and the intensity spectrum design unit 23 include a Fourier transform unit 25, a function replacement unit 26, a waveform function correction unit 27, an inverse Fourier transform unit 28, and a target generation unit 29. .. The target generation unit 29 includes a Fourier transform unit 29a and a spectrogram correction unit 29b. The function of each of these components will be described in detail later.

ここで、所望の時間強度波形は時間領域の関数として表され、位相スペクトルは周波数領域の関数として表される。従って、所望の時間強度波形に対応する位相スペクトルは、例えば、所望の時間強度波形に基づく反復フーリエ変換によって得られる。図17は、反復フーリエ変換法による位相スペクトルの計算手順を示す図である。まず、周波数ωの関数である初期の強度スペクトル関数A0(ω)及び位相スペクトル関数Ψ0(ω)を用意する(図中の処理番号(1))。一例では、これらの強度スペクトル関数A0(ω)及び位相スペクトル関数Ψ0(ω)はそれぞれシングル光パルスP1のスペクトル強度及びスペクトル位相を表す。次に、強度スペクトル関数A0(ω)及び位相スペクトル関数Ψn(ω)を含む周波数領域の波形関数(a)を用意する(図中の処理番号(2))。

添え字nは、第n回目のフーリエ変換処理後を表す。最初(第1回目)のフーリエ変換処理の前においては、位相スペクトル関数Ψn(ω)として上述した初期の位相スペクトル関数Ψ0(ω)が用いられる。iは虚数である。
Here, the desired time intensity waveform is represented as a function of the time domain and the phase spectrum is represented as a function of the frequency domain. Therefore, the phase spectrum corresponding to the desired time intensity waveform can be obtained, for example, by an iterative Fourier transform based on the desired time intensity waveform. FIG. 17 is a diagram showing a procedure for calculating a phase spectrum by the iterative Fourier transform method. First, the initial intensity spectrum function A 0 (ω) and the phase spectrum function Ψ 0 (ω), which are functions of the frequency ω, are prepared (processing number (1) in the figure). In one example, these intensity spectral functions A 0 (ω) and phase spectral function Ψ 0 (ω) represent the spectral intensity and spectral phase of the single light pulse P1, respectively. Next, a waveform function (a) in the frequency domain including the intensity spectrum function A 0 (ω) and the phase spectrum function Ψ n (ω) is prepared (processing number (2) in the figure).

The subscript n represents after the nth Fourier transform process. Before the first (first) Fourier transform process, the above-mentioned initial phase spectral function Ψ 0 (ω) is used as the phase spectral function Ψ n (ω). i is an imaginary number.

続いて、上記関数(a)に対して周波数領域から時間領域へのフーリエ変換を行う(図中の矢印A1)。これにより、時間強度波形関数bn(t)及び時間位相波形関数Θn(t)を含む周波数領域の波形関数(b)が得られる(図中の処理番号(3))。

続いて、上記関数(b)に含まれる時間強度波形関数bn(t)を、所望の波形に基づく時間強度波形関数Target0(t)に置き換える(図中の処理番号(4)、(5))。


続いて、上記関数(d)に対して時間領域から周波数領域への逆フーリエ変換を行う(図中の矢印A2)。これにより、強度スペクトル関数Bn(ω)及び位相スペクトル関数Ψn(ω)を含む周波数領域の波形関数(e)が得られる(図中の処理番号(6))。
Subsequently, the Fourier transform from the frequency domain to the time domain is performed on the function (a) (arrow A1 in the figure). As a result, the waveform function (b) in the frequency domain including the time intensity waveform function b n (t) and the time phase waveform function Θ n (t) can be obtained (process number (3) in the figure).

Subsequently, the time intensity waveform function b n (t) included in the above function (b) is replaced with the time intensity waveform function Target 0 (t) based on the desired waveform (process numbers (4) and (5) in the figure. )).


Subsequently, the inverse Fourier transform from the time domain to the frequency domain is performed on the function (d) (arrow A2 in the figure). As a result, the waveform function (e) in the frequency domain including the intensity spectrum function B n (ω) and the phase spectrum function Ψ n (ω) can be obtained (processing number (6) in the figure).

続いて、上記関数(e)に含まれる強度スペクトル関数Bn(ω)を拘束するため、初期の強度スペクトル関数A0(ω)に置き換える(図中の処理番号(7))。

以降、上記の処理(1)〜(7)を複数回繰り返し行うことにより、波形関数中の位相スペクトル関数Ψn(ω)が表す位相スペクトル形状を、所望の時間強度波形に対応する位相スペクトル形状に近づけることができる。最終的に得られる位相スペクトル関数ΨIFTA(ω)が、所望の時間強度波形を得るための変調パターンの基になる。
Subsequently, in order to constrain the intensity spectrum function B n (ω) included in the above function (e), it is replaced with the initial intensity spectrum function A 0 (ω) (process number (7) in the figure).

After that, by repeating the above processes (1) to (7) a plurality of times, the phase spectrum shape represented by the phase spectrum function Ψ n (ω) in the waveform function is changed to the phase spectrum shape corresponding to the desired time intensity waveform. Can be approached to. The finally obtained phase spectral function Ψ IFTA (ω) is the basis of the modulation pattern for obtaining the desired time intensity waveform.

しかしながら、上述したような反復フーリエ法では、時間強度波形を制御することはできるが、時間強度波形を構成する周波数成分(帯域波長)を制御することはできないという問題がある。そこで、本実施形態のデータ作成部17は、以下に説明する算出方法を用いて、変調パターンの基になる位相スペクトル関数及び強度スペクトル関数を算出する。図18は、位相スペクトル設計部22における位相スペクトル関数の計算手順を示す図である。まず、周波数ωの関数である初期の強度スペクトル関数A0(ω)及び位相スペクトル関数Φ0(ω)を用意する(図中の処理番号(1))。一例では、これらの強度スペクトル関数A0(ω)及び位相スペクトル関数Φ0(ω)はそれぞれシングル光パルスP1のスペクトル強度及びスペクトル位相を表す。次に、強度スペクトル関数A0(ω)及び位相スペクトル関数Φ0(ω)を含む周波数領域の第1波形関数(g)を用意する(処理番号(2−a))。但し、iは虚数である。
However, in the iterative Fourier method as described above, although the time intensity waveform can be controlled, there is a problem that the frequency component (band wavelength) constituting the time intensity waveform cannot be controlled. Therefore, the data creation unit 17 of the present embodiment calculates the phase spectrum function and the intensity spectrum function that are the basis of the modulation pattern by using the calculation method described below. FIG. 18 is a diagram showing a calculation procedure of the phase spectrum function in the phase spectrum design unit 22. First, the initial intensity spectrum function A 0 (ω) and the phase spectrum function Φ 0 (ω), which are functions of the frequency ω, are prepared (process number (1) in the figure). In one example, these intensity spectral functions A 0 (ω) and phase spectral function Φ 0 (ω) represent the spectral intensity and spectral phase of the single light pulse P1, respectively. Next, the first waveform function (g) in the frequency domain including the intensity spectrum function A 0 (ω) and the phase spectrum function Φ 0 (ω) is prepared (processing number (2-a)). However, i is an imaginary number.

続いて、位相スペクトル設計部22のフーリエ変換部25は、上記関数(g)に対して周波数領域から時間領域へのフーリエ変換を行う(図中の矢印A3)。これにより、時間強度波形関数a0(t)及び時間位相波形関数φ0(t)を含む時間領域の第2波形関数(h)が得られる(フーリエ変換ステップ、処理番号(3))。
Subsequently, the Fourier transform unit 25 of the phase spectrum design unit 22 performs a Fourier transform from the frequency domain to the time domain with respect to the function (g) (arrow A3 in the figure). As a result, a second waveform function (h) in the time domain including the time intensity waveform function a 0 (t) and the time phase waveform function φ 0 (t) is obtained (Fourier transform step, processing number (3)).

続いて、位相スペクトル設計部22の関数置換部26は、次の数式(i)に示されるように、時間強度波形関数b0(t)に、任意波形入力部21において入力された所望の波形に基づく時間強度波形関数Target0(t)を代入する(処理番号(4−a))。
Subsequently, the function replacement unit 26 of the phase spectrum design unit 22 performs the desired waveform input by the arbitrary waveform input unit 21 to the time intensity waveform function b 0 (t) as shown in the following mathematical formula (i). Substitute the time intensity waveform function Target 0 (t) based on (processing number (4-a)).

続いて、位相スペクトル設計部22の関数置換部26は、次の数式(j)に示されるように、時間強度波形関数a0(t)を時間強度波形関数b0(t)で置き換える。すなわち、上記関数(h)に含まれる時間強度波形関数a0(t)を、所望の波形に基づく時間強度波形関数Target0(t)に置き換える(関数置換ステップ、処理番号(5))。
Subsequently, the function replacement unit 26 of the phase spectrum design unit 22 replaces the time intensity waveform function a 0 (t) with the time intensity waveform function b 0 (t) as shown in the following mathematical formula (j). That is, the time intensity waveform function a 0 (t) included in the above function (h) is replaced with the time intensity waveform function Target 0 (t) based on a desired waveform (function replacement step, processing number (5)).

続いて、位相スペクトル設計部22の波形関数修正部27は、置き換え後の第2波形関数(j)のスペクトログラムが、所望の波長帯域に従って予め生成されたターゲットスペクトログラムに近づくように第2波形関数を修正する。まず、置き換え後の第2波形関数(j)に対して時間−周波数変換を施すことにより、第2波形関数(j)をスペクトログラムSG0,k(ω,t)に変換する(図中の処理番号(5−a))。添え字kは、第k回目の変換処理を表す。 Subsequently, the waveform function correction unit 27 of the phase spectrum design unit 22 performs the second waveform function so that the spectrogram of the second waveform function (j) after replacement approaches the pre-generated target spectrogram according to the desired wavelength band. Fix it. First, the second waveform function (j) after replacement is subjected to time-frequency conversion to convert the second waveform function (j) into the spectrogram SG 0, k (ω, t) (processing in the figure). Number (5-a)). The subscript k represents the kth conversion process.

ここで、時間−周波数変換とは、時間波形のような複合信号に対して、周波数フィルタ処理または数値演算処理(窓関数をずらしながら乗算して、各々の時間に対してスペクトルを導出する処理)を施し、時間、周波数、信号成分の強さ(スペクトル強度)からなる3次元情報に変換することをいう。また、本実施形態では、その変換結果(時間、周波数、スペクトル強度)を「スペクトログラム」と定義する。 Here, the time-frequency conversion is a frequency filter process or a numerical calculation process (a process of multiplying a composite signal such as a time waveform while shifting the window function to derive a spectrum for each time). Is applied to convert to three-dimensional information consisting of time, frequency, and signal component strength (spectral strength). Further, in the present embodiment, the conversion result (time, frequency, spectral intensity) is defined as "spectrogram".

時間−周波数変換としては、例えば、短時間フーリエ変換(Short-Time Fourier Transform;STFT)やウェーブレット変換(ハールウェーブレット変換、ガボールウェーブレット変換、メキシカンハットウェーブレット変換、モルレーウェーブレット変換)などがある。 Examples of the time-frequency transform include a short-time Fourier transform (STFT) and a wavelet transform (Haar wavelet transform, Gabor wavelet transform, Mexican hat wavelet transform, Morley wavelet transform).

また、所望の波長帯域に従って予め生成されたターゲットスペクトログラムTargetSG0(ω,t)をターゲット生成部29から読み出す。このターゲットスペクトログラムTargetSG0(ω,t)は、目標とする時間波形(時間強度波形とそれを構成する周波数成分)と概ね同値であり、処理番号(5−b)のターゲットスペクトログラム関数において生成される。 Further, the target spectrogram TargetSG 0 (ω, t) generated in advance according to a desired wavelength band is read from the target generation unit 29. This target spectrogram TargetSG 0 (ω, t) has approximately the same value as the target time waveform (time intensity waveform and frequency components constituting it), and is generated by the target spectrogram function of process number (5-b). ..

次に、位相スペクトル設計部22の波形関数修正部27は、スペクトログラムSG0,k(ω,t)とターゲットスペクトログラムTargetSG0(ω,t)とのパターンマッチングを行い、類似度(どの程度一致しているか)を調べる。本実施形態では、類似度を表す指標として、評価値を算出する。そして、続く処理番号(5−c)では、得られた評価値が、所定の終了条件を満たすか否かの判定を行う。条件を満たせば処理番号(6)へ進み、満たさなければ処理番号(5−d)へ進む。処理番号(5−d)では、第2波形関数に含まれる時間位相波形関数φ0(t)を任意の時間位相波形関数φ0,k(t)に変更する。時間位相波形関数を変更した後の第2波形関数は、STFTなどの時間−周波数変換により再びスペクトログラムに変換される。以降、上述した処理番号(5−a)〜(5−c)が繰り返し行われる。こうして、スペクトログラムSG0,k(ω,t)がターゲットスペクトログラムTargetSG0(ω,t)に次第に近づくように、第2波形関数が修正される(波形関数修正ステップ)。 Next, the waveform function correction unit 27 of the phase spectrum design unit 22 performs pattern matching between the spectrogram SG 0, k (ω, t) and the target spectrogram Target SG 0 (ω, t), and the degree of similarity (how much they match). Check). In the present embodiment, an evaluation value is calculated as an index indicating the degree of similarity. Then, in the subsequent processing number (5-c), it is determined whether or not the obtained evaluation value satisfies a predetermined end condition. If the condition is satisfied, the process proceeds to the process number (6), and if not, the process proceeds to the process number (5-d). In the process number (5-d), the time phase waveform function φ 0 (t) included in the second waveform function is changed to an arbitrary time phase waveform function φ 0, k (t). The second waveform function after changing the time-phase waveform function is converted into a spectrogram again by a time-frequency conversion such as SFTT. After that, the above-mentioned processing numbers (5-a) to (5-c) are repeated. In this way, the second waveform function is modified so that the spectrogram SG 0, k (ω, t) gradually approaches the target spectrogram Target SG 0 (ω, t) (waveform function modification step).

その後、位相スペクトル設計部22の逆フーリエ変換部28は、修正後の第2波形関数に対して逆フーリエ変換を行い(図中の矢印A4)、周波数領域の第3波形関数(k)を生成する(逆フーリエ変換ステップ、処理番号(6))。

この第3波形関数(k)に含まれる位相スペクトル関数Φ0,k(ω)が、最終的に得られる所望の位相スペクトル関数ΦTWC-TFD(ω)となる。この位相スペクトル関数ΦTWC-TFD(ω)が、変調パターン生成部24に提供される。
After that, the inverse Fourier transform unit 28 of the phase spectrum design unit 22 performs an inverse Fourier transform on the modified second waveform function (arrow A4 in the figure) to generate a third waveform function (k) in the frequency domain. (Inverse Fourier transform step, process number (6)).

The phase spectrum function Φ 0, k (ω) included in the third waveform function (k) becomes the desired phase spectrum function Φ TWC-TFD (ω) finally obtained. This phase spectral function Φ TWC-TFD (ω) is provided to the modulation pattern generation unit 24.

図19は、強度スペクトル設計部23におけるスペクトル強度の計算手順を示す図である。なお、処理番号(1)から処理番号(5−c)までは、上述した位相スペクトル設計部22におけるスペクトル位相の計算手順と同様なので説明を省略する。強度スペクトル設計部23の波形関数修正部27は、スペクトログラムSG0,k(ω,t)とターゲットスペクトログラムTargetSG0(ω,t)との類似度を示す評価値が所定の終了条件を満たさない場合、第2波形関数に含まれる時間位相波形関数φ0(t)は初期値で拘束しつつ、時間強度波形関数b0(t)を任意の時間強度波形関数b0,k(t)に変更する(処理番号(5−e))。時間強度波形関数を変更した後の第2波形関数は、STFTなどの時間−周波数変換により再びスペクトログラムに変換される。以降、処理番号(5−a)〜(5−c)が繰り返し行われる。こうして、スペクトログラムSG0,k(ω,t)がターゲットスペクトログラムTargetSG0(ω,t)に次第に近づくように、第2波形関数が修正される(波形関数修正ステップ)。 FIG. 19 is a diagram showing a procedure for calculating the spectral intensity in the intensity spectrum design unit 23. Since the processing numbers (1) to (5-c) are the same as the spectrum phase calculation procedure in the phase spectrum design unit 22 described above, the description thereof will be omitted. In the waveform function correction unit 27 of the intensity spectrum design unit 23, when the evaluation value indicating the degree of similarity between the spectrogram SG 0, k (ω, t) and the target spectrogram Target SG 0 (ω, t) does not satisfy the predetermined end condition. , The time phase waveform function φ 0 (t) included in the second waveform function is constrained by the initial value, and the time intensity waveform function b 0 (t) is changed to an arbitrary time intensity waveform function b 0, k (t). (Processing number (5-e)). The second waveform function after changing the time intensity waveform function is converted into a spectrogram again by a time-frequency conversion such as STFT. After that, the processing numbers (5-a) to (5-c) are repeated. In this way, the second waveform function is modified so that the spectrogram SG 0, k (ω, t) gradually approaches the target spectrogram Target SG 0 (ω, t) (waveform function modification step).

その後、強度スペクトル設計部23の逆フーリエ変換部28は、修正後の第2波形関数に対して逆フーリエ変換を行い(図中の矢印A4)、周波数領域の第3波形関数(m)を生成する(逆フーリエ変換ステップ、処理番号(6))。
After that, the inverse Fourier transform unit 28 of the intensity spectrum design unit 23 performs an inverse Fourier transform on the modified second waveform function (arrow A4 in the figure) to generate a third waveform function (m) in the frequency domain. (Inverse Fourier transform step, process number (6)).

続いて、処理番号(7−b)では、強度スペクトル設計部23のフィルタ処理部が、第3波形関数(m)に含まれる強度スペクトル関数B0,k(ω)に対し、シングル光パルスP1の強度スペクトルに基づくフィルタ処理を行う(フィルタ処理ステップ)。具体的には、強度スペクトル関数B0,k(ω)に係数αを乗じた強度スペクトルのうち、シングル光パルスP1の強度スペクトルに基づいて定められる各波長毎のカットオフ強度を超える部分をカットする。全ての波長域において、強度スペクトル関数αB0,k(ω)がシングル光パルスP1のスペクトル強度を超えないようにするためである。一例では、波長毎のカットオフ強度は、シングル光パルスP1の強度スペクトル(本実施形態では初期の強度スペクトル関数A0(ω))と一致するように設定される。その場合、次の数式(n)に示されるように、強度スペクトル関数αB0,k(ω)が強度スペクトル関数A0(ω)よりも大きい周波数では、強度スペクトル関数ATWC-TFD(ω)の値として強度スペクトル関数A0(ω)の値が取り入れられる。また、強度スペクトル関数αB0,k(ω)が強度スペクトル関数A0(ω)以下である周波数では、強度スペクトル関数ATWC-TFD(ω)の値として強度スペクトル関数αB0,k(ω)の値が取り入れられる(図中の処理番号(7−b))。

この強度スペクトル関数ATWC-TFD(ω)が、最終的に得られる所望のスペクトル強度として変調パターン生成部24に提供される。
Subsequently, in the processing number (7-b), the filter processing unit of the intensity spectrum design unit 23 receives a single optical pulse P1 with respect to the intensity spectrum function B 0, k (ω) included in the third waveform function (m). Filtering is performed based on the intensity spectrum of (filtering step). Specifically, of the intensity spectrum obtained by multiplying the intensity spectrum function B 0, k (ω) by the coefficient α, the portion exceeding the cutoff intensity for each wavelength determined based on the intensity spectrum of the single optical pulse P1 is cut. To do. This is to prevent the intensity spectral function αB 0, k (ω) from exceeding the spectral intensity of the single light pulse P1 in all wavelength ranges. In one example, the cutoff intensity for each wavelength is set to match the intensity spectrum of the single light pulse P1 (in this embodiment, the initial intensity spectrum function A 0 (ω)). In that case, as shown in the following equation (n), at frequencies where the intensity spectral function αB 0, k (ω) is larger than the intensity spectral function A 0 (ω), the intensity spectral function A TWC-TFD (ω) The value of the intensity spectrum function A 0 (ω) is taken as the value of. Further, the intensity spectrum function αB 0, k (ω) is the intensity spectrum function A frequency is 0 (omega) or less, the intensity spectrum function A TWC-TFD intensity spectrum as a value of (omega) function αB 0, k (ω) The value of is taken in (processing number (7-b) in the figure).

This intensity spectral function A TWC-TFD (ω) is provided to the modulation pattern generation unit 24 as the desired spectral intensity finally obtained.

変調パターン生成部24は、位相スペクトル設計部22において算出された位相スペクトル関数ΦTWC-TFD(ω)により示されるスペクトル位相と、強度スペクトル設計部23において算出された強度スペクトル関数ATWC-TFD(ω)により示されるスペクトル強度とを光パルスP21〜P23に与えるための位相変調パターン(例えば、計算機合成ホログラム)を算出する(データ生成ステップ)。 The modulation pattern generation unit 24 includes the spectral phase indicated by the phase spectrum function Φ TWC-TFD (ω) calculated by the phase spectrum design unit 22 and the intensity spectrum function A TWC-TFD calculated by the intensity spectrum design unit 23. A phase modulation pattern (for example, a computer composite hologram) for giving the spectral intensity indicated by ω) to the optical pulses P21 to P23 is calculated (data generation step).

ここで、図20は、ターゲット生成部29におけるターゲットスペクトログラムTargetSG0(ω,t)の生成手順の一例を示す図である。ターゲットスペクトログラムTargetSG0(ω,t)は、目標とする時間波形(時間強度波形とそれを構成する周波数成分(波長帯域成分))を示すので、ターゲットスペクトログラムの作成は、周波数成分(波長帯域成分)を制御するために極めて重要な工程である。図20に示されるように、ターゲット生成部29は、まずスペクトル波形(初期の強度スペクトル関数A0(ω)及び初期の位相スペクトル関数Φ0(ω))、並びに所望の時間強度波形関数Target0(t)を入力する。また、所望の周波数(波長)帯域情報を含む時間関数p0(t)を入力する(処理番号(1))。 Here, FIG. 20 is a diagram showing an example of a procedure for generating the target spectrogram TargetSG 0 (ω, t) in the target generation unit 29. Since the target spectrogram TargetSG 0 (ω, t) indicates the target time waveform (time intensity waveform and frequency components (wavelength band components) that compose it), the target spectrogram is created by the frequency components (wavelength band components). It is a very important process to control. As shown in FIG. 20, the target generation unit 29 first has a spectral waveform (initial intensity spectral function A 0 (ω) and initial phase spectral function Φ 0 (ω)), and a desired time intensity waveform function Target 0. Enter (t). Further, the time function p 0 (t) including the desired frequency (wavelength) band information is input (processing number (1)).

次に、ターゲット生成部29は、例えば図17に示された反復フーリエ変換法、或いは非特許文献8または9に記載された方法を用いて、時間強度波形関数Target0(t)を実現するための位相スペクトル関数ΦIFTA(ω)を算出する(処理番号(2))。 Next, the target generation unit 29 realizes the time intensity waveform function Target 0 (t) by using, for example, the iterative Fourier transform method shown in FIG. 17 or the method described in Non-Patent Document 8 or 9. The phase spectrum function Φ IFTA (ω) of is calculated (processing number (2)).

続いて、ターゲット生成部29は、先に得られた位相スペクトル関数ΦIFTA(ω)を利用した反復フーリエ変換法により、時間強度波形関数Target0(t)を実現するための強度スペクトル関数AIFTA(ω)を算出する(処理番号(3))。ここで、図21は、強度スペクトル関数AIFTA(ω)を算出する手順の一例を示す図である。 Subsequently, the target generation unit 29 uses the intensity spectrum function A IFTA for realizing the time intensity waveform function Target 0 (t) by the iterative Fourier transform method using the previously obtained phase spectrum function Φ IFTA (ω). (Ω) is calculated (process number (3)). Here, FIG. 21 is a diagram showing an example of a procedure for calculating the intensity spectrum function A IFTA (ω).

まず、初期の強度スペクトル関数Ak=0(ω)及び位相スペクトル関数Ψ0(ω)を用意する(図中の処理番号(1))。次に、強度スペクトル関数Ak(ω)及び位相スペクトル関数Ψ0(ω)を含む周波数領域の波形関数(o)を用意する(図中の処理番号(2))。

添え字kは、第k回目のフーリエ変換処理後を表す。最初(第1回目)のフーリエ変換処理の前においては、強度スペクトル関数Ak(ω)として上記の初期強度スペクトル関数Ak=0(ω)が用いられる。iは虚数である。
First, the initial intensity spectral function Ak = 0 (ω) and the phase spectral function Ψ 0 (ω) are prepared (processing number (1) in the figure). Next, a waveform function (o) in the frequency domain including the intensity spectrum function Ak (ω) and the phase spectrum function Ψ 0 (ω) is prepared (processing number (2) in the figure).

The subscript k represents after the kth Fourier transform process. First in front of the Fourier transform processing (first time), the above initial strength spectral function A k = 0 (omega) is used as the intensity spectrum function A k (omega). i is an imaginary number.

続いて、上記関数(o)に対して周波数領域から時間領域へのフーリエ変換を行う(図中の矢印A5)。これにより、時間強度波形関数bk(t)を含む周波数領域の波形関数(p)が得られる(図中の処理番号(3))。
Subsequently, the Fourier transform from the frequency domain to the time domain is performed on the function (o) (arrow A5 in the figure). As a result, the waveform function (p) in the frequency domain including the time intensity waveform function b k (t) can be obtained (process number (3) in the figure).

続いて、上記関数(p)に含まれる時間強度波形関数bk(t)を、所望の波形に基づく時間強度波形関数Target0(t)に置き換える(図中の処理番号(4)、(5))。

Subsequently, the time intensity waveform function b k (t) included in the above function (p) is replaced with the time intensity waveform function Target 0 (t) based on the desired waveform (process numbers (4) and (5) in the figure. )).

続いて、上記関数(r)に対して時間領域から周波数領域への逆フーリエ変換を行う(図中の矢印A6)。これにより、強度スペクトル関数Ck(ω)及び位相スペクトル関数Ψk(ω)を含む周波数領域の波形関数(s)が得られる(図中の処理番号(6))。

続いて、上記関数(s)に含まれる位相スペクトル関数Ψk(ω)を拘束するため、初期の位相スペクトル関数Ψ0(ω)に置き換える(図中の処理番号(7−a))。
Subsequently, the inverse Fourier transform from the time domain to the frequency domain is performed on the function (r) (arrow A6 in the figure). As a result, the waveform function (s) in the frequency domain including the intensity spectrum function C k (ω) and the phase spectrum function Ψ k (ω) can be obtained (processing number (6) in the figure).

Subsequently, in order to constrain the phase spectrum function Ψ k (ω) included in the above function (s), it is replaced with the initial phase spectrum function Ψ 0 (ω) (processing number (7−a) in the figure).

また、逆フーリエ変換後の周波数領域における強度スペクトル関数Ck(ω)に対し、シングル光パルスP1の強度スペクトルに基づくフィルタ処理を行う。具体的には、強度スペクトル関数Ck(ω)により表される強度スペクトルのうち、シングル光パルスP1の強度スペクトルに基づいて定められる各波長毎のカットオフ強度を超える部分をカットする。一例では、波長毎のカットオフ強度は、シングル光パルスP1の強度スペクトル(例えば初期の強度スペクトル関数Ak=0(ω))と一致するように設定される。その場合、次の数式(u)に示されるように、強度スペクトル関数Ck(ω)が強度スペクトル関数Ak=0(ω)よりも大きい周波数では、強度スペクトル関数Ak(ω)の値として強度スペクトル関数Ak=0(ω)の値が取り入れられる。また、強度スペクトル関数Ck(ω)が強度スペクトル関数Ak=0(ω)以下である周波数では、強度スペクトル関数Ak(ω)の値として強度スペクトル関数Ck(ω)の値が取り入れられる(図中の処理番号(7−b))。

上記関数(s)に含まれる強度スペクトル関数Ck(ω)を、上記数式(u)によるフィルタ処理後の強度スペクトル関数Ak(ω)に置き換える。
Further, the intensity spectrum function C k (ω) in the frequency domain after the inverse Fourier transform is filtered based on the intensity spectrum of the single optical pulse P1. Specifically, in the intensity spectrum represented by the intensity spectrum function C k (ω), a portion exceeding the cutoff intensity for each wavelength determined based on the intensity spectrum of the single light pulse P1 is cut. In one example, the cutoff intensity for each wavelength is set to match the intensity spectrum of the single light pulse P1 (eg, the initial intensity spectrum function Ak = 0 (ω)). In that case, as shown in the following equation (u), at frequencies where the intensity spectrum function C k (ω) is larger than the intensity spectrum function A k = 0 (ω), the value of the intensity spectrum function A k (ω). The value of the intensity spectrum function A k = 0 (ω) is taken in as. Further, at frequencies where the intensity spectrum function C k (ω) is equal to or less than the intensity spectrum function A k = 0 (ω), the value of the intensity spectrum function C k (ω) is taken in as the value of the intensity spectrum function A k (ω). (Processing number (7-b) in the figure).

The intensity spectrum function C k (ω) included in the above function (s) is replaced with the intensity spectrum function A k (ω) after filtering by the above equation (u).

以降、上記の処理(1)〜(7−b)を繰り返し行うことにより、波形関数中の強度スペクトル関数Ak(ω)が表す強度スペクトル形状を、所望の時間強度波形に対応する強度スペクトル形状に近づけることができる。最終的に、強度スペクトル関数AIFTA(ω)が得られる。 After that, by repeating the above processes (1) to (7-b), the intensity spectrum shape represented by the intensity spectrum function Ak (ω) in the waveform function is changed to the intensity spectrum shape corresponding to the desired time intensity waveform. Can be approached to. Finally, the intensity spectral function A IFTA (ω) is obtained.

再び図20を参照する。以上に説明した処理番号(2)、(3)における位相スペクトル関数ΦIFTA(ω)及び強度スペクトル関数AIFTA(ω)の算出によって、これらの関数を含む周波数領域の第3波形関数(v)が得られる(処理番号(4))。

ターゲット生成部29のフーリエ変換部29aは、上の波形関数(v)をフーリエ変換する。これにより、時間領域の第4波形関数(w)が得られる(処理番号(5))。
See FIG. 20 again. By calculating the phase spectrum function Φ IFTA (ω) and the intensity spectrum function A IFTA (ω) in the processing numbers (2) and (3) described above, the third waveform function (v) in the frequency domain including these functions Is obtained (processing number (4)).

The Fourier transform unit 29a of the target generation unit 29 Fourier transforms the above waveform function (v). As a result, the fourth waveform function (w) in the time domain is obtained (processing number (5)).

ターゲット生成部29のスペクトログラム修正部29bは、時間−周波数変換により第4波形関数(w)をスペクトログラムSGIFTA(ω,t)に変換する(処理番号(6))。そして、処理番号(7)では、所望の周波数(波長)帯域情報を含む時間関数p0(t)を基にスペクトログラムSGIFTA(ω,t)を修正することにより、ターゲットスペクトログラムTargetSG0(ω,t)を生成する。例えば、2次元データにより構成されるスペクトログラムSGIFTA(ω,t)に現れる特徴的パターンを部分的に切り出し、時間関数p0(t)を基に当該部分の周波数成分の操作を行う。以下、その具体例について詳細に説明する。 The spectrogram correction unit 29b of the target generation unit 29 converts the fourth waveform function (w) into the spectrogram SG IFTA (ω, t) by time-frequency conversion (processing number (6)). Then, in the processing number (7), the target spectrogram TargetSG 0 (ω, t) is modified by modifying the spectrogram SG IFTA (ω, t) based on the time function p 0 (t) including the desired frequency (wavelength) band information. t) is generated. For example, a characteristic pattern appearing in the spectrogram SG IFTA (ω, t) composed of two-dimensional data is partially cut out, and the frequency component of the part is manipulated based on the time function p 0 (t). Hereinafter, a specific example thereof will be described in detail.

例えば、所望の時間強度波形関数Target0(t)として時間間隔が2ピコ秒であるトリプルパルスを設定した場合について考える。このとき、スペクトログラムSGIFTA(ω,t)は、図22(a)に示されるような結果となる。なお、図22(a)において横軸は時間(単位:フェムト秒)を示し、縦軸は波長(単位:nm)を示す。また、スペクトログラムの値は、図の明暗によって示されており、明るいほどスペクトログラムの値が大きい。このスペクトログラムSGIFTA(ω,t)において、トリプルパルスは2ピコ秒間隔で時間軸上に分かれたドメインD1、D2、及びD3として現れる。ドメインD1、D2、及びD3の中心(ピーク)波長は800nmである。 For example, consider the case where a triple pulse having a time interval of 2 picoseconds is set as the desired time intensity waveform function Target 0 (t). At this time, the spectrogram SG IFTA (ω, t) gives the result as shown in FIG. 22 (a). In FIG. 22A, the horizontal axis represents time (unit: femtosecond) and the vertical axis represents wavelength (unit: nm). The spectrogram value is indicated by the lightness and darkness of the figure, and the brighter the spectrogram value, the larger the spectrogram value. In this spectrogram SG IFTA (ω, t), triple pulses appear as domains D 1 , D 2 , and D 3 divided on the time axis at 2-picosecond intervals. The center (peak) wavelengths of domains D 1 , D 2 , and D 3 are 800 nm.

仮に光パルスP21〜P23の時間強度波形のみを制御したい(単にトリプルパルスを得たい)場合には、これらのドメインD1、D2、及びD3を操作する必要はない。しかし、各パルスの周波数(波長)帯域を制御したい場合には、これらのドメインD1、D2、及びD3の操作が必要となる。すなわち、図22(b)に示されるように、波長軸(縦軸)に沿った方向に各ドメインD1、D2、及びD3を互いに独立して移動させることは、それぞれのパルスの構成周波数(波長帯域)を変更することを意味する。このような各パルスの構成周波数(波長帯域)の変更は、時間関数p0(t)を基に行われる。 If it is desired to control only the time intensity waveforms of the optical pulses P21 to P23 (simply obtain a triple pulse), it is not necessary to operate these domains D 1 , D 2 , and D 3 . However, if it is desired to control the frequency (wavelength) band of each pulse, it is necessary to operate these domains D 1 , D 2 , and D 3 . That is, as shown in FIG. 22 (b), moving the domains D 1 , D 2 , and D 3 independently of each other in the direction along the wavelength axis (vertical axis) is the configuration of each pulse. It means changing the frequency (wavelength band). Such a change in the constituent frequency (wavelength band) of each pulse is performed based on the time function p 0 (t).

例えば、ドメインD2のピーク波長を800nmで据え置き、ドメインD1及びD3のピーク波長がそれぞれ−2nm、+2nmだけ平行移動するように時間関数p0(t)を記述するとき、スペクトログラムSGIFTA(ω,t)は、図22(b)に示されるターゲットスペクトログラムTargetSG0(ω,t)に変化する。例えばスペクトログラムにこのような処理を施すことによって、時間強度波形の形状を変えずに、各パルスの構成周波数(波長帯域)が任意に制御されたターゲットスペクトログラムを作成することができる。 For example, when the time function p 0 (t) is described so that the peak wavelength of domain D 2 is translated at 800 nm and the peak wavelengths of domains D 1 and D 3 are translated by -2 nm and + 2 nm, respectively, the spectrogram SG IFTA ( ω, t) changes to the target spectrogram TargetSG 0 (ω, t) shown in FIG. 22 (b). For example, by applying such processing to the spectrogram, it is possible to create a target spectrogram in which the constituent frequencies (wavelength bands) of each pulse are arbitrarily controlled without changing the shape of the time intensity waveform.

以上に説明したように、本実施形態のデータ作成部17では、周波数領域の第1波形関数(g)に対してフーリエ変換を行うことにより時間領域の第2波形関数(h)を生成したのち、第2波形関数(h)に対し、所望の波形に基づく時間強度波形関数Target0(t)の置き換えを行う。その後、第2波形関数に対して逆フーリエ変換を行い、周波数領域の第3波形関数(k)及び(m)を生成する。そして、第3波形関数(k)の位相スペクトル関数Φ0,k(ω)、及び第3波形関数(m)の強度スペクトル関数B0,k(ω)に基づいて変調パターンを生成する。これにより、複数の光パルスを含む所望の波形を実現するための変調パターンを好適に生成することができる。 As described above, the data creation unit 17 of the present embodiment generates the second waveform function (h) in the time domain by performing a Fourier transform on the first waveform function (g) in the frequency domain. , The second waveform function (h) is replaced with the time intensity waveform function Target 0 (t) based on a desired waveform. After that, the inverse Fourier transform is performed on the second waveform function to generate the third waveform functions (k) and (m) in the frequency domain. Then, a modulation pattern is generated based on the phase spectrum function Φ 0, k (ω) of the third waveform function (k) and the intensity spectrum function B 0, k (ω) of the third waveform function (m). As a result, it is possible to preferably generate a modulation pattern for realizing a desired waveform including a plurality of optical pulses.

加えて、本実施形態のデータ作成部17では、時間強度波形関数Target0(t)の置き換えののち、逆フーリエ変換の前に、ターゲットスペクトログラムTargetSG0(ω,t)に第2波形関数のスペクトログラムSG0,k(ω,t)が近づくように第2波形関数を修正する。このターゲットスペクトログラムTargetSG0(ω,t)は所望の波長帯域に従って予め生成されたものであり、この処理によって、第2波形関数の波長帯域は、所望の波長帯域に修正される。従って、第2波形関数を逆フーリエ変換して得られる第3波形関数(k)及び(m)もまた、所望の波長帯域内の関数となる。そして、上述したように変調パターンは、第3波形関数(k)の位相スペクトル関数Φ0,k(ω)、及び第3波形関数(m)の強度スペクトル関数B0,k(ω)に基づいて生成される。以上より、本実施形態のデータ作成部17によれば、複数の光パルスの波長成分(周波数成分)を個別に制御することが可能となる。 In addition, in the data creation unit 17 of the present embodiment, after replacing the time intensity waveform function Target 0 (t) and before the inverse Fourier transform, the target spectrogram TargetSG 0 (ω, t) is converted to the spectrogram of the second waveform function. Modify the second waveform function so that SG 0, k (ω, t) approaches. This target spectrogram TargetSG 0 (ω, t) is pre-generated according to a desired wavelength band, and this processing corrects the wavelength band of the second waveform function to the desired wavelength band. Therefore, the third waveform functions (k) and (m) obtained by inverse Fourier transforming the second waveform function are also functions within the desired wavelength band. Then, as described above, the modulation pattern is based on the phase spectrum function Φ 0, k (ω) of the third waveform function ( k ) and the intensity spectrum function B 0, k (ω) of the third waveform function (m). Is generated. From the above, according to the data creation unit 17 of the present embodiment, it is possible to individually control the wavelength components (frequency components) of a plurality of optical pulses.

また、本実施形態のように、波形関数修正部27は、第2波形関数のスペクトログラムSGIFTA(ω,t)とターゲットスペクトログラムTargetSG0(ω,t)との類似度を表す評価値を算出し、評価値が所定の条件を満たすように第2波形関数を修正してもよい。例えばこのような方式によって、第2波形関数のスペクトログラムSGIFTA(ω,t)がターゲットスペクトログラムTargetSG0(ω,t)に近づくように第2波形関数を精度良く修正することができる。 Further, as in the present embodiment, the waveform function correction unit 27 calculates an evaluation value indicating the degree of similarity between the spectrogram SG IFTA (ω, t) of the second waveform function and the target spectrogram TargetSG 0 (ω, t). , The second waveform function may be modified so that the evaluation value satisfies a predetermined condition. For example, by such a method, the second waveform function can be accurately modified so that the spectrogram SG IFTA (ω, t) of the second waveform function approaches the target spectrogram TargetSG 0 (ω, t).

また、本実施形態のように、波形関数修正部27は、第2波形関数を修正するために、時間強度波形関数b0,k(t)又は時間位相波形関数φ0,k(t)を変更してもよい。例えばこのような方式によって、第2波形関数のスペクトログラムSGIFTA(ω,t)がターゲットスペクトログラムTargetSG0(ω,t)に近づくように第2波形関数を好適に修正することができる。 Further, as in the present embodiment, the waveform function correction unit 27 performs the time intensity waveform function b 0, k (t) or the time phase waveform function φ 0, k (t) in order to correct the second waveform function. You may change it. For example, by such a method, the second waveform function can be suitably modified so that the spectrogram SG IFTA (ω, t) of the second waveform function approaches the target spectrogram TargetSG 0 (ω, t).

なお、データ作成部17は、本実施形態に限られるものではなく、様々な変更が可能である。例えば、本実施形態では、位相スペクトル設計部22が位相スペクトル関数ΦTWC-TFD(ω)を算出し、強度スペクトル設計部23が強度スペクトル関数ATWC-TFD(ω)を算出し、変調パターン生成部24が、双方の関数に基づいて変調パターンを生成しているが、変調パターン生成部は、位相スペクトル関数ΦTWC-TFD(ω)及び強度スペクトル関数ATWC-TFD(ω)のうち一方に基づいて変調パターンを生成してもよい。 The data creation unit 17 is not limited to this embodiment, and various changes can be made. For example, in the present embodiment, the phase spectrum design unit 22 calculates the phase spectrum function Φ TWC-TFD (ω), the intensity spectrum design unit 23 calculates the intensity spectrum function A TWC-TFD (ω), and generates a modulation pattern. The part 24 generates a modulation pattern based on both functions, and the modulation pattern generation part generates a modulation pattern in one of the phase spectrum function Φ TWC-TFD (ω) and the intensity spectrum function A TWC-TFD (ω). A modulation pattern may be generated based on this.

また、波形関数修正部27が第2波形関数をスペクトログラムSG0,k(ω,t)に変換する際(図18及び図19の処理番号(5−a))の時間−周波数変換として、本実施形態では短時間フーリエ変換(STFT)及びウェーブレット変換を例示している。時間−周波数変換処理において重要なことは、時間波形を「時間−周波数情報」であるスペクトログラムSG0,k(ω,t)へ変換することにある。本実施形態では、時間波形のうち時間強度波形のみを制御する手法(例えば非特許文献8,9)と異なり、その時間波形を構成する周波数成分(帯域成分)を制御することを主な目的としており、時間波形から時間強度情報と周波数(帯域)情報とを抽出することに意味があるからである。つまり、時間−周波数変換としては、STFT及びウェーブレット変換に限らず、時間波形から周波数情報を抽出し得る様々な変換処理を適用することができる。 Further, as a time-frequency conversion when the waveform function correction unit 27 converts the second waveform function into the spectrogram SG 0, k (ω, t) (processing numbers (5-a) in FIGS. 18 and 19), this method is used. In the embodiment, the short-time Fourier transform (STFT) and the wavelet transform are illustrated. What is important in the time-frequency conversion process is to convert the time waveform into the spectrogram SG 0, k (ω, t) which is "time-frequency information". In the present embodiment, unlike the method of controlling only the time intensity waveform among the time waveforms (for example, Non-Patent Documents 8 and 9), the main purpose is to control the frequency component (band component) constituting the time waveform. This is because it is meaningful to extract time intensity information and frequency (band) information from the time waveform. That is, the time-frequency conversion is not limited to the RTM and wavelet transforms, and various conversion processes capable of extracting frequency information from the time waveform can be applied.

また、本実施形態では、波形関数修正部27が、第2波形関数のスペクトログラムSGIFTA(ω,t)とターゲットスペクトログラムTargetSG0(ω,t)との類似度を示す評価値を用いて、これらが互いにどの程度近いかを判定している(図18及び図19の処理番号(5−c))。ターゲットスペクトログラムTargetSG0(ω,t)は、所望の時間波形が、どのような時間強度形状及び周波数(帯域)情報を含むかを表すものであり、いわば目標値(設計図)の役割を果たす。従って、本実施形態の評価値は、波形制御精度を示す指標の一つとなり得る。 Further, in the present embodiment, the waveform function correction unit 27 uses evaluation values indicating the degree of similarity between the spectrogram SG IFTA (ω, t) of the second waveform function and the target spectrogram Target SG 0 (ω, t). Determine how close they are to each other (process numbers (5-c) in FIGS. 18 and 19). The target spectrogram TargetSG 0 (ω, t) represents what kind of time intensity shape and frequency (band) information the desired time waveform contains, and serves as a so-called target value (design drawing). Therefore, the evaluation value of this embodiment can be one of the indexes indicating the waveform control accuracy.

一方、スペクトログラムSGIFTA(ω,t)は、周波数ω及び時間tといった2つの変数を含むので、画像としても扱うことができる。従って、スペクトログラムSGIFTA(ω,t)とターゲットスペクトログラムTargetSG0(ω,t)とがどの程度一致しているかを調べることは、画像解析における各種のパターンマッチング手法を用いた差違抽出作業であると考えることができる。故に、類似度を示す評価値を利用する方法の他にも、例えば、画像の特徴量(周波数や時間軸方向に限定した輪郭・形状など)を抽出してパターンのマッチング度合いを評価する方法や、画像を複数の部分に分割して部分毎に評価する方法などを適用することもできる。 On the other hand, since the spectrogram SG IFTA (ω, t) contains two variables such as frequency ω and time t, it can be treated as an image. Therefore, to find out how much the spectrogram SG IFTA (ω, t) and the target spectrogram Target SG 0 (ω, t) match is a difference extraction work using various pattern matching methods in image analysis. I can think. Therefore, in addition to the method of using the evaluation value indicating the degree of similarity, for example, a method of extracting the feature amount of the image (contour / shape limited to the frequency or the time axis direction) and evaluating the degree of pattern matching is used. , A method of dividing an image into a plurality of parts and evaluating each part can also be applied.

また、本実施形態では、波形関数修正部27が、評価値が所定の条件を満たさない(スペクトログラムSGIFTA(ω,t)とターゲットスペクトログラムTargetSG0(ω,t)とが乖離している)場合に、時間位相波形関数φ0,k(t)または時間強度波形関数b0,k(t)を他の任意のものへ変更する(図18の処理番号(5−d)、図19の処理番号(5−e))。これらの関数φ0,k(t)、b0,k(t)を変更する方法としては、様々な方法がある。最も簡易な方法としては、関数φ0,k(t)、b0,k(t)をランダムに変化させる方法がある。また、例えばシミュレーテッドアニーリング法などにより、一定のルールに従い(確率過程に伴い)関数φ0,k(t)、b0,k(t)の解を探索する方法も適用可能である。或いは、どのような関数φ0,k(t)、b0,k(t)を用いると評価値が良くなるかの指標が得られる場合には、その指標を活用してもよい。例えば、処理番号(5−a)にて算出される評価値の大きさや処理番号(5−c)における判定結果を、関数φ0,k(t)、b0,k(t)の変更の際にフィードバックしてもよい。具体的には、スペクトログラムSGIFTA(ω,t)とターゲットスペクトログラムTargetSG0(ω,t)との差分値を基に、新たなスペクトログラムNewSG0(ω,t)を作成し、そのNewSG0(ω,t)を逆スペクトログラム変換することで、時間波形の形に変形する。このようなスペクトログラム上での演算を経て得られたNewSG0(ω,t)を逆スペクトログラム変換することで得られる時間波形の時間位相や時間強度関数には、例えば、どのような関数φ0,k(t)、b0,k(t)を用いると評価値が良くなるかに関する(スペクトログラム上での演算に基づく)指標が含まれる。従って、適宜この指標を時間位相波形関数φ0,k(t)または時間強度波形関数b0,k(t)の修正にフィードバック利用する手法が考えられる。 Further, in the present embodiment, when the waveform function correction unit 27 does not satisfy the predetermined condition (the spectrogram SG IFTA (ω, t) and the target spectrogram Target SG 0 (ω, t) deviate from each other). In addition, the time phase waveform function φ 0, k (t) or the time intensity waveform function b 0, k (t) is changed to any other one (process number (5-d) in FIG. 18, process in FIG. 19). Number (5-e)). There are various methods for changing these functions φ 0, k (t) and b 0, k (t). The simplest method is to randomly change the functions φ 0, k (t) and b 0, k (t). Further, for example, a method of searching for a solution of a function φ 0, k (t) and b 0, k (t) according to a certain rule (according to a stochastic process) by a simulated annealing method or the like is also applicable. Alternatively, when an index of what kind of functions φ 0, k (t) and b 0, k (t) are used to improve the evaluation value can be obtained, the index may be used. For example, the magnitude of the evaluation value calculated by the processing number (5-a) and the judgment result in the processing number (5-c) can be changed by changing the functions φ 0, k (t) and b 0, k (t). You may give feedback at the time. Specifically, the spectrogram SG IFTA (ω, t) and the target spectrogram TargetSG 0 (ω, t) on the basis of the difference value between, to create a new spectrogram NewSG 0 (ω, t), the NewSG 0 (ω , T) is transformed into a time waveform by inverse spectrogram conversion. For example, what kind of function φ 0, can be used for the time phase and time intensity functions of the time waveform obtained by inverse spectrogram conversion of NewSG 0 (ω, t) obtained through such operations on the spectrogram . Includes indicators (based on spectrogram calculations) as to whether the use of k (t), b 0, k (t) improves the evaluation value. Therefore, a method of using this index as feedback for modifying the time phase waveform function φ 0, k (t) or the time intensity waveform function b 0, k (t) can be considered as appropriate.

また、ターゲット生成部29がターゲットスペクトログラムTargetSG0(ω,t)を生成する際、図20に示される処理番号(2)において、時間強度波形関数Target0(t)を実現するための位相スペクトル関数ΦIFTA(ω)を算出する。このとき、図17に示された反復フーリエ変換法、或いは非特許文献8または9に記載された方法を用い得ることを先に述べたが、位相スペクトル関数ΦIFTA(ω)の算出方法はこれらに限られず、時間強度波形関数Target0(t)の生成を実現し得るような、解析的若しくは近似的に求められる位相スペクトル関数ΦIFTA(ω)を用いても良い。 Further, when the target generation unit 29 generates the target spectrogram TargetSG 0 (ω, t), the phase spectrum function for realizing the time intensity waveform function Target 0 (t) at the processing number (2) shown in FIG. 20. Calculate Φ IFTA (ω). At this time, it has been described above that the iterative Fourier transform method shown in FIG. 17 or the method described in Non-Patent Document 8 or 9 can be used, but these are the methods for calculating the phase spectrum function Φ IFTA (ω). The phase spectrum function Φ IFTA (ω) obtained analytically or approximately may be used so as to realize the generation of the time intensity waveform function Target 0 (t).

また、ターゲット生成部29がターゲットスペクトログラムTargetSG0(ω,t)を生成する際、図20に示される処理番号(3)において、時間強度波形関数Target0(t)を実現するための強度スペクトル関数AIFTA(ω)を算出する。このとき、図19に示された、改良された反復フーリエ変換法を用いて強度スペクトル関数AIFTA(ω)を算出する例を先に述べたが、強度スペクトル関数AIFTA(ω)の算出方法はこれに限られず、時間強度波形関数Target0(t)の生成を実現し得るような、解析的若しくは近似的に求められる強度スペクトル関数AIFTA(ω)を用いても良い。 Further, when the target generation unit 29 generates the target spectrogram TargetSG 0 (ω, t), the intensity spectrum function for realizing the time intensity waveform function Target 0 (t) at the processing number (3) shown in FIG. 20. Calculate A IFTA (ω). At this time, an example of calculating the intensity spectrum function A IFTA (ω) using the improved iterative Fourier transform method shown in FIG. 19 has been described above, but the method of calculating the intensity spectrum function A IFTA (ω) has been described above. Is not limited to this, and an intensity spectrum function A IFTA (ω) obtained analytically or approximately may be used so as to realize the generation of the time intensity waveform function Target 0 (t).

なお、クラウドサーバなどの遠隔地に存在するコンピュータを用いて、本実施形態のデータ作成方法に基づいて変調パターン(例えば、計算機合成ホログラム)を作成し、作成された変調パターンに関するデータをユーザーに送信してもよい。その場合、本実施形態のデータ作成部17は不要となる。 A modulation pattern (for example, a computer composite hologram) is created based on the data creation method of the present embodiment using a computer existing in a remote location such as a cloud server, and data related to the created modulation pattern is transmitted to the user. You may. In that case, the data creation unit 17 of this embodiment becomes unnecessary.

(第1実施例)
上記実施形態のデータ作成方法に基づく計算を行って、周波数(波長)帯域の制御を含めた時間波形の制御が可能であることを確かめた。この計算においては、波長帯域が半値全幅で5nmであるシングルパルスをシングル光パルスP1として設定し、2ピコ秒間隔のダブルパルスを複数の光パルスとして設定した。この場合、ターゲットスペクトログラムTargetSG(ω,t)は、2つのドメインを含む。本実施例では、図22(b)に示された方法により、この2つのドメインを波長軸方向に平行移動した(すなわち各パルスを構成する周波数(波長)帯域を変更した)5つのターゲットスペクトログラムTargetSG(ω,t)を用意した。具体的には、2つのドメインの中心波長(ピーク波長)の組み合わせがそれぞれ(800nm,800nm)、(801nm,799nm)、(802nm,798nm)、(803nm,797nm)、及び(804nm,796nm)である5種類のターゲットスペクトログラムTargetSG0(ω,t)を用意した。そして、図18に示された方法を用いて位相スペクトル関数ΦTWC-TFD(ω)を、図19に示された方法を用いて強度スペクトル関数ATWC-TFD(ω)を、それぞれ算出した。
(First Example)
Calculations based on the data creation method of the above embodiment were performed, and it was confirmed that the time waveform could be controlled including the control of the frequency (wavelength) band. In this calculation, a single pulse having a wavelength band of 5 nm in full width at half maximum was set as a single optical pulse P1, and a double pulse with an interval of 2 picoseconds was set as a plurality of optical pulses. In this case, the target spectrogram TargetSG (ω, t) contains two domains. In this embodiment, five target spectrograms TargetSG in which the two domains are translated in the wavelength axis direction (that is, the frequency (wavelength) bands constituting each pulse are changed) by the method shown in FIG. 22 (b). (Ω, t) was prepared. Specifically, the combinations of the center wavelengths (peak wavelengths) of the two domains are (800 nm, 800 nm), (801 nm, 799 nm), (802 nm, 798 nm), (803 nm, 797 nm), and (804 nm, 796 nm), respectively. Five types of target spectrograms TargetSG 0 (ω, t) were prepared. Then, the phase spectral function Φ TWC-TFD (ω) was calculated using the method shown in FIG. 18, and the intensity spectral function A TWC-TFD (ω) was calculated using the method shown in FIG.

図23は、対応する各ターゲットスペクトログラムTargetSG0(ω,t)に対して評価値が所定の条件を満足した各スペクトログラムSG0,k(ω,t)に含まれる2つのドメインの中心波長と、ドメイン間の中心波長間隔とを示すグラフである。縦軸は各ドメインの中心波長を示し、横軸はドメイン間の中心波長間隔を示している。また、グラフG31及びG32は、ターゲットスペクトログラムTargetSG0(ω,t)に含まれる一方及び他方のドメインの中心波長をそれぞれ結ぶ直線であり、グラフG33及びG34は、スペクトログラムSG0,k(ω,t)に含まれる一方及び他方のドメインの中心波長をそれぞれ結ぶ近似曲線である。この結果から、隣接するパルスの波長帯域差が例えば4nm以内であるときに、周波数(波長)帯域を含めた時間波形の制御が可能であることが示された。すなわち、シングル光パルスP1の波長帯域の半値全幅(5nm)の範囲内において、任意の波長帯域への変更が概ね可能であることが示された。言い換えれば、ターゲットスペクトログラムTargetSG(ω,t)のドメインを波長軸方向に移動する際、シングル光パルスP1の波長帯域内で移動することが望ましい。 FIG. 23 shows the center wavelengths of two domains included in each spectrogram SG 0, k (ω, t) whose evaluation value satisfies a predetermined condition for each corresponding target spectrogram TargetSG 0 (ω, t). It is a graph which shows the center wavelength interval between domains. The vertical axis shows the center wavelength of each domain, and the horizontal axis shows the center wavelength interval between domains. Further, the graphs G31 and G32 are straight lines connecting the center wavelengths of one and the other domains included in the target spectrometer TargetSG 0 (ω, t), respectively, and the graphs G33 and G34 are the spectrogram SG 0, k (ω, t). ) Is an approximate curve connecting the center wavelengths of one and the other domains. From this result, it was shown that the time waveform including the frequency (wavelength) band can be controlled when the wavelength band difference of adjacent pulses is, for example, within 4 nm. That is, it was shown that it is possible to change to an arbitrary wavelength band within the range of the full width at half maximum (5 nm) of the wavelength band of the single optical pulse P1. In other words, when moving the domain of the target spectrogram TargetSG (ω, t) in the wavelength axis direction, it is desirable to move within the wavelength band of the single optical pulse P1.

図24(a)は、ターゲットスペクトログラムTargetSG(ω,t)の2つのドメインの中心波長の組み合わせを(800nm,800nm)と設定し、図18、図19に示された方法を用いて得られたスペクトル波形(スペクトル位相G41及びスペクトル強度G42)を示すグラフである。図24(b)は、図24(a)のスペクトル波形をフーリエ変換して得られた複数の光パルスの時間強度波形を示すグラフである。また、図25(a)は、ターゲットスペクトログラムTargetSG(ω,t)の2つのドメインの中心波長の組み合わせを(802nm,798nm)と設定し、図18、図19に示された方法を用いて得られたスペクトル波形(スペクトル位相G51及びスペクトル強度G52)を示すグラフである。図25(b)は、図25(a)のスペクトル波形をフーリエ変換して得られた複数の光パルスの時間強度波形を示すグラフである。 FIG. 24 (a) was obtained using the method shown in FIGS. 18 and 19 with the combination of the center wavelengths of the two domains of the target spectrum TargetSG (ω, t) set to (800 nm, 800 nm). It is a graph which shows the spectral waveform (spectral phase G41 and spectral intensity G42). FIG. 24 (b) is a graph showing the time intensity waveforms of a plurality of optical pulses obtained by Fourier transforming the spectral waveform of FIG. 24 (a). Further, FIG. 25 (a) is obtained by setting the combination of the center wavelengths of the two domains of the target spectrum SG (ω, t) as (802 nm, 798 nm) and using the method shown in FIGS. 18 and 19. It is a graph which shows the spectrum waveform (spectral phase G51 and spectrum intensity G52). FIG. 25 (b) is a graph showing the time intensity waveforms of a plurality of optical pulses obtained by Fourier transforming the spectral waveform of FIG. 25 (a).

図24(a)と図25(a)とを比較すると、各ドメインの中心波長が800nm,800nmである場合(図24(a))、位相スペクトル(G41)はステップ状であり、且つ、強度スペクトル(G42)の裾付近の波長において位相スペクトル(G41)に折り返しが生じている。これに対し、各ドメインの中心波長が802nm,798nmである場合(図25(a))、スペクトル強度(G52)の裾付近の波長に近づくに従って位相スペクトル(G51)のステップが滑らかになり、且つ、位相スペクトル(G51)の折り返しが生じていない。このことから、複数の光パルスの周波数(波長)帯域を制御するために、位相スペクトルに明確な違いが生じることがわかる。 Comparing FIG. 24 (a) and FIG. 25 (a), when the central wavelengths of each domain are 800 nm and 800 nm (FIG. 24 (a)), the phase spectrum (G41) is stepped and has an intensity. The phase spectrum (G41) is folded back at a wavelength near the tail of the spectrum (G42). On the other hand, when the central wavelengths of each domain are 802 nm and 798 nm (FIG. 25 (a)), the step of the phase spectrum (G51) becomes smoother as the wavelength near the tail of the spectral intensity (G52) approaches, and , The phase spectrum (G51) is not folded back. From this, it can be seen that there is a clear difference in the phase spectrum in order to control the frequency (wavelength) bands of a plurality of optical pulses.

また、図24(b)と図25(b)とを比較すると、複数の光パルスの周波数(波長)帯域の制御の違いにかかわらず、同様の時間強度波形が得られることがわかる。 Further, when FIG. 24 (b) and FIG. 25 (b) are compared, it can be seen that the same time intensity waveform can be obtained regardless of the difference in the control of the frequency (wavelength) bands of the plurality of optical pulses.

(第2実施例)
続いて、7本の光パルスを生成し、各パルスの波長帯域を互いに異ならせる実施例について説明する。図26(a)及び図27(a)は、本実施例にて用いられたターゲットスペクトログラムTargetSG(ω,t)を示す。図26(a)は各パルスの波長帯域を制御しない(等しくする)場合を示し、図27(a)は各パルスの波長帯域を互いに異ならせた場合を示す。また、図26(b)及び図27(b)は、それぞれ図26(a)及び図27(a)のターゲットスペクトログラムTargetSG(ω,t)に基づいて算出されたスペクトログラムSG0,k(ω,t)である。なお、これらの図において、横軸は時間(単位:フェムト秒)を示し、縦軸は波長(単位:nm)を示す。また、スペクトログラムの値は、図の明暗によって示されており、明るいほどスペクトログラムの値が大きい。本実施例では、ターゲットスペクトログラムTargetSG(ω,t)及びスペクトログラムSG0,k(ω,t)が、パルスの本数と同じ数のドメインD〜Dを含んでいる。
(Second Example)
Subsequently, an embodiment in which seven optical pulses are generated and the wavelength bands of the pulses are different from each other will be described. 26 (a) and 27 (a) show the target spectrogram TargetSG (ω, t) used in this example. FIG. 26 (a) shows a case where the wavelength bands of each pulse are not controlled (equalized), and FIG. 27 (a) shows a case where the wavelength bands of each pulse are different from each other. Further, FIGS. 26 (b) and 27 (b) show the spectrogram SG 0, k (ω, t) calculated based on the target spectrogram Target SG (ω, t) of FIGS. 26 (a) and 27 (a), respectively. t). In these figures, the horizontal axis indicates time (unit: femtosecond), and the vertical axis indicates wavelength (unit: nm). The spectrogram value is indicated by the lightness and darkness of the figure, and the brighter the spectrogram value, the larger the spectrogram value. In this embodiment, the target spectrogram Target SG (ω, t) and the spectrogram SG 0, k (ω, t) include the same number of domains D 1 to D 7 as the number of pulses.

図28(a)は、図26(b)のスペクトログラムSG0,k(ω,t)に対応する時間波形(第2波形関数)から算出されたスペクトル波形(スペクトル位相G61及びスペクトル強度G62)を示すグラフである。図28(b)は、図28(a)のスペクトル波形をフーリエ変換して得られた複数の光パルスの時間強度波形を示すグラフである。また、図29(a)は、図27(b)のスペクトログラムSG0,k(ω,t)に対応する時間波形(第2波形関数)から算出されたスペクトル波形(スペクトル位相G71及びスペクトル強度G72)を示すグラフである。図29(b)は、図29(a)のスペクトル波形をフーリエ変換して得られた複数の光パルスの時間強度波形を示すグラフである。 28 (a) shows the spectral waveforms (spectral phase G61 and spectral intensity G62) calculated from the time waveform (second waveform function) corresponding to the spectrogram SG 0, k (ω, t) of FIG. 26 (b). It is a graph which shows. FIG. 28 (b) is a graph showing the time intensity waveforms of a plurality of optical pulses obtained by Fourier transforming the spectral waveform of FIG. 28 (a). Further, FIG. 29 (a) shows a spectral waveform (spectral phase G71 and spectral intensity G72) calculated from a time waveform (second waveform function) corresponding to the spectrogram SG 0, k (ω, t) of FIG. 27 (b). ) Is a graph. FIG. 29 (b) is a graph showing the time intensity waveforms of a plurality of optical pulses obtained by Fourier transforming the spectral waveform of FIG. 29 (a).

図28(a)と図29(a)とを比較すると、各ドメインの中心波長が互いに等しい場合(図28(a))と、各ドメインの中心波長が互いに異なる場合(図29(a))とで、位相スペクトルに明確な違いが生じることがわかる。一方、図28(b)と図29(b)とを比較すると、複数の光パルスの周波数(波長)帯域の制御の違いにかかわらず、同様の時間強度波形が得られることがわかる。 Comparing FIGS. 28 (a) and 29 (a), when the center wavelengths of the domains are equal to each other (FIG. 28 (a)) and when the center wavelengths of the domains are different from each other (FIG. 29 (a)). It can be seen that there is a clear difference in the phase spectrum. On the other hand, when FIG. 28 (b) and FIG. 29 (b) are compared, it can be seen that the same time intensity waveform can be obtained regardless of the difference in the control of the frequency (wavelength) bands of the plurality of optical pulses.

(第1変形例)
上記第1実施形態においては、光パルスP21〜P23の光路L1〜L3を揃えるためにマルチパルス生成部10Aがレンズ19を有するが、図30に示されるように、回折格子18とレンズ19との間に、シリンドリカルミラー41及びペリスコープアレイ42が更に設けられてもよい。その場合、回折格子18によって波長毎に分割された複数の光パルスP21〜P23は、シリンドリカルミラー41を介してペリスコープアレイ42に入射する。そして、ペリスコープアレイ42によって光パルスP21〜P23の光路の間隔が調整されたのち、光パルスP21〜P23がレンズ19によって集光される。このような構成においては、ペリスコープアレイ42の反射角度を制御することにより、図7と同様に各光パルスP21〜P23の集光位置を好適に制御することができる。なお、本変形例においても、回折格子18は反射型及び透過型の何れであってもよく、シリンドリカルミラー41はレンズであってもよい。また、レンズ19はシリンドリカルミラーであってもよい。
(First modification)
In the first embodiment, the multi-pulse generator 10A has a lens 19 in order to align the optical paths L1 to L3 of the optical pulses P21 to P23, but as shown in FIG. 30, the diffraction grating 18 and the lens 19 A cylindrical mirror 41 and a periscope array 42 may be further provided between them. In that case, the plurality of optical pulses P21 to P23 divided for each wavelength by the diffraction grating 18 are incident on the periscope array 42 via the cylindrical mirror 41. Then, after the interval between the optical paths of the optical pulses P21 to P23 is adjusted by the periscope array 42, the optical pulses P21 to P23 are focused by the lens 19. In such a configuration, by controlling the reflection angle of the periscope array 42, the condensing position of each of the light pulses P21 to P23 can be suitably controlled as in FIG. 7. In this modification as well, the diffraction grating 18 may be either a reflective type or a transmissive type, and the cylindrical mirror 41 may be a lens. Further, the lens 19 may be a cylindrical mirror.

(第2変形例)
上記第1実施形態では、時間波形整形器11から出力された光パルスP21〜P23それぞれを異なる光路L1〜L3に分離するための光分散素子として回折格子18が用いられているが、図31に示されるように、回折格子18に代えてプリズム43が用いられてもよい。このような形態であっても、中心波長が互いに異なる光パルスP21〜P23それぞれを、波長に応じて好適に分離することができる。但し、プリズム43の波長毎の分散角度は回折格子18よりも小さいので、テラヘルツ波発生装置の小型化を要する場合には回折格子18が選択される。
(Second modification)
In the first embodiment, the diffraction grating 18 is used as an optical dispersion element for separating the optical pulses P21 to P23 output from the time waveform shaper 11 into different optical paths L1 to L3. FIG. 31 shows. As shown, the prism 43 may be used instead of the diffraction grating 18. Even in such a form, the optical pulses P21 to P23 having different center wavelengths can be suitably separated according to the wavelength. However, since the dispersion angle of the prism 43 for each wavelength is smaller than that of the diffraction grating 18, the diffraction grating 18 is selected when the terahertz wave generator needs to be miniaturized.

(第3変形例)
図7に示す上記第1実施形態では、中心波長が最も長い光パルスP21が最も早く出力され、中心波長が最も短い光パルスP23が最も遅く出力される。従って、図7及び図9に示されるように、光パルスP21〜P23にそれぞれ対応する集光スポットQ1〜Q3は、時間的にこの順序で形成される。すなわち、集光位置において空間的に隣り合う光パルスは、時間的にも隣り合っている。
(Third modification example)
In the first embodiment shown in FIG. 7, the light pulse P21 having the longest center wavelength is output earliest, and the light pulse P23 having the shortest center wavelength is output the latest. Therefore, as shown in FIGS. 7 and 9, the focused spots Q1 to Q3 corresponding to the optical pulses P21 to P23 are formed in this order in time. That is, the light pulses that are spatially adjacent to each other at the condensing position are also temporally adjacent to each other.

しかしながら、キャリアの飽和を避ける観点から、時間的に隣り合う光パルスは可能な限り空間的に離れて集光されることがより望ましい。図32は、一変形例における4つの光パルスP21〜P24の集光位置を示す図である。この変形例では、時間的に隣り合う光パルスの集光位置が隣り合わないように、光パルスP21〜P24の出力タイミングが工夫されている。すなわち、光パルスP21の中心波長をλ1、光パルスP22の中心波長をλ2、光パルスP23の中心波長をλ3、光パルスP24の中心波長をλ4としたとき、λ1>λ2>λ3>λ4の関係を満たすものとする。そして、光パルスP23を最初に出力し、次に光パルスP21を出力し、その次に光パルスP24を出力し、最後に光パルスP22を出力する。この場合、所定方向に並ぶ集光スポットQ1〜Q4のうち、集光スポットQ3が最初に形成され、集光スポットQ1が次に形成され、集光スポットQ4がその次に形成され、最後に集光スポットQ2が形成される。このように、時間的に隣り合う光パルスの集光位置が隣り合わないので、テラヘルツ波発生素子30におけるキャリアの飽和をより効果的に回避でき、更に効率良くテラヘルツ波を発生させることができる。 However, from the viewpoint of avoiding carrier saturation, it is more desirable that temporally adjacent optical pulses are focused as spatially separated as possible. FIG. 32 is a diagram showing the focusing positions of the four optical pulses P21 to P24 in one modification. In this modification, the output timings of the optical pulses P21 to P24 are devised so that the focusing positions of the optical pulses that are adjacent in time are not adjacent to each other. That is, when the central wavelength of the optical pulse P21 is λ1, the central wavelength of the optical pulse P22 is λ2, the central wavelength of the optical pulse P23 is λ3, and the central wavelength of the optical pulse P24 is λ4, the relationship of λ1> λ2> λ3> λ4. Satisfy. Then, the optical pulse P23 is output first, then the optical pulse P21 is output, then the optical pulse P24 is output, and finally the optical pulse P22 is output. In this case, among the condensing spots Q1 to Q4 arranged in a predetermined direction, the condensing spot Q3 is formed first, the condensing spot Q1 is formed next, the condensing spot Q4 is formed next, and finally the condensing spot Q4 is formed. Light spot Q2 is formed. As described above, since the focusing positions of the light pulses that are adjacent in time are not adjacent to each other, the saturation of the carriers in the terahertz wave generating element 30 can be avoided more effectively, and the terahertz wave can be generated more efficiently.

(第4変形例)
図33は、上記実施形態の第4変形例に係るテラヘルツ波発生装置1Bの構成の一部分を概略的に示す図である。図33に示されるように、本変形例に係るテラヘルツ波発生装置1Bは、光源3と時間波形整形器11との間の光路上に配置されたパルスストレッチャ(パルス拡張器)44を更に備える。パルスストレッチャ44は、光源3と光学的に結合され、シングル光パルスP1の波長成分毎に異なる遅延を与えることによってパルス時間幅を拡張する。具体的には、パルスストレッチャ44は、シングル光パルスP1に線形分散を与えることにより、時間的に異なる波長成分を有するチャープ光パルスP11を生成する。
(Fourth modification)
FIG. 33 is a diagram schematically showing a part of the configuration of the terahertz wave generator 1B according to the fourth modification of the above embodiment. As shown in FIG. 33, the terahertz wave generator 1B according to the present modification further includes a pulse stretcher (pulse expander) 44 arranged on the optical path between the light source 3 and the time waveform shaper 11. The pulse stretcher 44 is optically coupled to the light source 3 to extend the pulse time width by giving different delays for each wavelength component of the single light pulse P1. Specifically, the pulse stretcher 44 generates a chirp light pulse P11 having wavelength components different in time by giving a linear dispersion to the single light pulse P1.

その後、チャープ光パルスP11は時間波形整形器11に入力される。時間波形整形器11は、チャープ光パルスP11の各波長成分同士を分断することにより、互いに中心波長が異なる複数の光パルスを生成する。同時に、時間波形整形器11は、複数の光パルス毎に異なる遅延時間を与え、且つ各光パルスの時間幅を圧縮する。結果として、互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる複数の光パルスP21〜P23が生成される。 After that, the chirp optical pulse P11 is input to the time waveform shaper 11. The time waveform shaper 11 divides each wavelength component of the chirp optical pulse P11 to generate a plurality of optical pulses having different center wavelengths from each other. At the same time, the time waveform shaper 11 gives a different delay time for each of the plurality of optical pulses and compresses the time width of each optical pulse. As a result, a plurality of optical pulses P21 to P23 having a time difference from each other and having different center wavelengths are generated.

図34は、パルスストレッチャ44の具体的な構成例として、グレーティングペア型の構成を示す図である。このパルスストレッチャ44は、一対の回折格子44a,44bと、ミラー44cとを含む。回折格子44aには、シングル光パルスP1が入力される。シングル光パルスP1は、回折格子44aにおいて各波長成分に分光される。分光された各波長成分は、回折格子44bに入力され、互いの光路が平行に揃えられる。その後、これらの波長成分はミラー44cにおいて反射し、再び回折格子44b,44aを経て互いに結合される。この過程において、各波長成分の光路長がそれぞれ異なる(長波長側が短く、短波長側が長い)ので、結果的に、合波後の光パルスでは波長成分毎に異なる遅延が与えられ、パルス時間幅が拡張される。なお、パルスストレッチャ44としてはこのような構成に限られず、例えばプリズムペアが用いられてもよく、適当な長さを有するガラスロッドが用いられてもよい。 FIG. 34 is a diagram showing a grating pair type configuration as a specific configuration example of the pulse stretcher 44. The pulse stretcher 44 includes a pair of diffraction gratings 44a and 44b and a mirror 44c. A single optical pulse P1 is input to the diffraction grating 44a. The single light pulse P1 is separated into each wavelength component on the diffraction grating 44a. Each of the dispersed wavelength components is input to the diffraction grating 44b, and the optical paths of each are aligned in parallel. After that, these wavelength components are reflected by the mirror 44c and are again coupled to each other via the diffraction gratings 44b and 44a. In this process, the optical path lengths of each wavelength component are different (the long wavelength side is short and the short wavelength side is long). As a result, the optical pulse after the combined wave is given a different delay for each wavelength component, and the pulse time width. Is extended. The pulse stretcher 44 is not limited to such a configuration, and for example, a prism pair may be used, or a glass rod having an appropriate length may be used.

(第5変形例)
図35(a)〜図35(c)は、上記実施形態の第5変形例を説明するための図である。本変形例では、テラヘルツ波発生素子30のアンテナ構造を工夫することにより、マルチテラヘルツ波パルスの偏光方向を制御する。図35(a)に示されるダイポールアンテナの3組のアンテナ部のうち1組では、一対のアンテナ部34b1の対向方向が他組のアンテナ部34b2とは相違している。すなわち、他組においては一対のアンテナ部34b2の所定方向B3における位置が互いに一致しているので、一対のアンテナ部34b2は所定方向B3と直交する方向B4において対向している。これに対し、1組においては一対のアンテナ部34b1の所定方向B3における位置が互いにずれており、且つ突出長さが他組よりも長い。これにより、一対のアンテナ部34b1は所定方向B3において対向している。そして、所定方向B3において対向する一組のアンテナ部34b1のアンテナギャップに光パルスP23の集光スポットQ3が形成され、他組のアンテナ部34b2のアンテナギャップに、光パルスP21,P22の集光スポットQ1,Q2が形成されるとする。
(Fifth modification)
35 (a) to 35 (c) are diagrams for explaining a fifth modification of the above embodiment. In this modification, the polarization direction of the multi-terahertz wave pulse is controlled by devising the antenna structure of the terahertz wave generating element 30. In one of the three sets of antenna portions of the dipole antenna shown in FIG. 35 (a), the opposite direction of the pair of antenna portions 34b1 is different from that of the other set of antenna portions 34b2. That is, in the other set, the positions of the pair of antenna portions 34b2 in the predetermined direction B3 coincide with each other, so that the pair of antenna portions 34b2 face each other in the direction B4 orthogonal to the predetermined direction B3. On the other hand, in one set, the positions of the pair of antenna portions 34b1 in the predetermined direction B3 are deviated from each other, and the protruding length is longer than that of the other set. As a result, the pair of antenna portions 34b1 face each other in the predetermined direction B3. Then, a focusing spot Q3 of the optical pulse P23 is formed in the antenna gap of the pair of antenna portions 34b1 facing each other in the predetermined direction B3, and the focusing spot of the optical pulses P21 and P22 is formed in the antenna gap of the other set of antenna portions 34b2. It is assumed that Q1 and Q2 are formed.

この場合、図35(c)に示されるように、光パルスP21,P22により生じるテラヘルツ波T1,T2の偏光方向TP1,TP2は方向B4に沿い、光パルスP23により生じるテラヘルツ波T3の偏光方向TP3は所定方向B3に沿うこととなる。そして、時間波形整形器11が光パルスP21を最初に出力し、次に光パルスP22を出力し、最後に光パルスP23を出力するとき、最初に出力されるテラヘルツ波T1、及び次に出力されるテラヘルツ波T2の偏光方向は方向B4に沿い、最後に出力されるテラヘルツ波T3の偏光方向は所定方向B3に沿うこととなる。また、時間波形整形器11が光パルスP23を最初に出力し、次に光パルスP22を出力し、最後に光パルスP21を出力するとき、最初に出力されるテラヘルツ波T3の偏光方向は所定方向B3に沿い、次に出力されるテラヘルツ波T2、及び最後に出力されるテラヘルツ波T1の偏光方向は方向B4に沿うこととなる。このように、本変形例によれば、各光パルスP21〜P23の遅延時間を制御することにより、テラヘルツ波発生素子30から順に出力される複数のテラヘルツ波の偏光方向を、それぞれ独立して制御することができる。 In this case, as shown in FIG. 35 (c), the polarization directions TP1 and TP2 of the terahertz waves T1 and T2 generated by the optical pulses P21 and P22 are along the direction B4, and the polarization direction TP3 of the terahertz wave T3 generated by the optical pulse P23. Is along the predetermined direction B3. Then, when the time waveform shaper 11 first outputs the optical pulse P21, then outputs the optical pulse P22, and finally outputs the optical pulse P23, the first output terahertz wave T1 and then the next output. The polarization direction of the terahertz wave T2 is along the direction B4, and the polarization direction of the finally output terahertz wave T3 is along the predetermined direction B3. Further, when the time waveform shaper 11 first outputs the optical pulse P23, then outputs the optical pulse P22, and finally outputs the optical pulse P21, the polarization direction of the first output terahertz wave T3 is a predetermined direction. The polarization directions of the next output terahertz wave T2 and the last output terahertz wave T1 along B3 are along the direction B4. As described above, according to this modification, by controlling the delay time of each optical pulse P21 to P23, the polarization directions of a plurality of terahertz waves output in order from the terahertz wave generating element 30 are independently controlled. can do.

(第6変形例)
図36及び図37は、上記実施形態の第6変形例を説明するための図である。本変形例では、テラヘルツ波発生素子30のアンテナ構造を更に工夫するとともに、光パルスP21〜P23の光路とテラヘルツ波発生素子30との相対位置を移動可能とする移動ステージを更に設けることにより、テラヘルツ波の偏光方向の制御の自由度をより高める。
(6th modification)
36 and 37 are diagrams for explaining a sixth modification of the above embodiment. In this modification, the antenna structure of the terahertz wave generating element 30 is further devised, and a moving stage that enables the relative position between the optical path of the optical pulses P21 to P23 and the terahertz wave generating element 30 is further provided to provide terahertz. Increase the degree of freedom in controlling the polarization direction of the wave.

図36(a)及び図37(a)に示されるダイポールアンテナは、6組のアンテナ部を有する。そのうちの3組では、一対のアンテナ部34b1の所定方向B3における位置が互いにずれており、且つ突出長さが他組よりも長い。これにより、一対のアンテナ部34b1は所定方向B3において対向している。また、残りの3組では、一対のアンテナ部34b2の所定方向B3における位置が互いに一致しており、一対のアンテナ部34b2は所定方向B3と直交する方向B4において対向している。 The dipole antenna shown in FIGS. 36 (a) and 37 (a) has six sets of antenna portions. In the three sets, the positions of the pair of antenna portions 34b1 in the predetermined direction B3 are deviated from each other, and the protruding length is longer than that of the other sets. As a result, the pair of antenna portions 34b1 face each other in the predetermined direction B3. Further, in the remaining three sets, the positions of the pair of antenna portions 34b2 in the predetermined direction B3 coincide with each other, and the pair of antenna portions 34b2 face each other in the direction B4 orthogonal to the predetermined direction B3.

図36(a)に示されるように、3つの光パルスP21〜P23の集光スポットQ1〜Q3が、最初の3組のアンテナ部34b1のアンテナギャップに形成されるとする。この場合、図36(b)に示されるように、光パルスP21〜P23により生じるテラヘルツ波T1〜T3の偏光方向TP1〜TP3は全て所定方向B3に沿うこととなる。一方、光パルスP21〜P23の光路とテラヘルツ波発生素子30との相対位置を移動することにより、図37(a)に示されるように、集光スポットQ1がアンテナ部34b1のアンテナギャップに形成され、集光スポットQ2,Q3がアンテナ部34b2のアンテナギャップに形成されるとする。この場合、図37(b)に示されるように、光パルスP21により生じるテラヘルツ波T1の偏光方向TP1は所定方向B3に沿い、光パルスP22,P23により生じるテラヘルツ波T2,T3の偏光方向TP2,TP3は方向B4に沿うこととなる。このように、本変形例では、光パルスP21〜P23の光路とテラヘルツ波発生素子30との相対位置を変更することにより、テラヘルツ波発生素子30から順に出力される複数のテラヘルツ波の偏光方向を制御することができる。 As shown in FIG. 36A, it is assumed that the focused spots Q1 to Q3 of the three optical pulses P21 to P23 are formed in the antenna gap of the first three sets of antenna portions 34b1. In this case, as shown in FIG. 36B, the polarization directions TP1 to TP3 of the terahertz waves T1 to T3 generated by the optical pulses P21 to P23 all follow the predetermined direction B3. On the other hand, by moving the relative positions of the optical paths of the optical pulses P21 to P23 and the terahertz wave generating element 30, a focused spot Q1 is formed in the antenna gap of the antenna portion 34b1 as shown in FIG. 37 (a). It is assumed that the focusing spots Q2 and Q3 are formed in the antenna gap of the antenna portion 34b2. In this case, as shown in FIG. 37 (b), the polarization direction TP1 of the terahertz wave T1 generated by the optical pulse P21 is along the predetermined direction B3, and the polarization direction TP2 of the terahertz waves T2 and T3 generated by the optical pulses P22 and P23. TP3 will follow direction B4. As described above, in this modification, by changing the relative position between the optical path of the optical pulses P21 to P23 and the terahertz wave generating element 30, the polarization directions of the plurality of terahertz waves output in order from the terahertz wave generating element 30 are changed. Can be controlled.

なお、本変形例においては、各光パルスP21〜P23の時間遅延を制御することによって、マルチテラヘルツ波パルスの偏光の順序を制御することもできる。また、光パルスP21〜P23の集光スポットQ1〜Q3の位置を変更することによって、マルチテラヘルツ波パルスの偏光の組み合わせを制御することができる。例えば、非特許文献4には、PbTiO3のコヒーレント制御において、複数のテラヘルツ波パルスのうち最後のテラヘルツ波パルスの偏光を90°回転させることによって、効率よく結晶振動を励起できることが示されている。そのため、本変形例は、特に結晶などのコヒーレント制御に有効である。 In this modification, the order of polarization of the multi-terahertz wave pulse can also be controlled by controlling the time delay of each optical pulse P21 to P23. Further, by changing the positions of the focused spots Q1 to Q3 of the optical pulses P21 to P23, the combination of polarized light of the multiterahertz wave pulse can be controlled. For example, Non-Patent Document 4 shows that in coherent control of PbTiO 3 , crystal vibration can be efficiently excited by rotating the polarization of the last terahertz wave pulse among a plurality of terahertz wave pulses by 90 °. .. Therefore, this modification is particularly effective for coherent control of crystals and the like.

(第7変形例)
図38は、上記実施形態の第7変形例を説明するための図である。本変形例では、テラヘルツ波発生素子30のアンテナ構造を工夫することにより、マルチテラヘルツ波パルスの電場の符号を制御する。図38(a)に示されるダイポールアンテナでは、一方の電極の2つのアンテナ部34b3と、他方の電極の2つのアンテナ部34b3とが、所定方向B3において交互に配置されている。そして、一方の電極の第1のアンテナ部34b3と他方の電極の第1のアンテナ部34b3とによって第1のアンテナギャップが形成され、一方の電極の第2のアンテナ部34b3と他方の電極の第1のアンテナ部34b3とによって第2のアンテナギャップが形成され、一方の電極の第2のアンテナ部34b3と他方の電極の第2のアンテナ部34b3とによって第3のアンテナギャップが形成されている。第1のアンテナギャップには集光スポットQ1が形成され、第2のアンテナギャップには集光スポットQ2が形成され、第3のアンテナギャップには集光スポットQ3が形成される。
(7th modification)
FIG. 38 is a diagram for explaining a seventh modification of the above embodiment. In this modification, the sign of the electric field of the multi-terahertz wave pulse is controlled by devising the antenna structure of the terahertz wave generating element 30. In the dipole antenna shown in FIG. 38 (a), the two antenna portions 34b3 of one electrode and the two antenna portions 34b3 of the other electrode are alternately arranged in a predetermined direction B3. Then, a first antenna gap is formed by the first antenna portion 34b3 of one electrode and the first antenna portion 34b3 of the other electrode, and the second antenna portion 34b3 of one electrode and the second antenna portion of the other electrode are formed. A second antenna gap is formed by the antenna portion 34b3 of 1, and a third antenna gap is formed by the second antenna portion 34b3 of one electrode and the second antenna portion 34b3 of the other electrode. A focusing spot Q1 is formed in the first antenna gap, a focusing spot Q2 is formed in the second antenna gap, and a focusing spot Q3 is formed in the third antenna gap.

光パルスをダイポールアンテナに照射すると、キャリアによる電流の流れる方向によって、発生するテラヘルツ波の電場の符号が変化する。ここで、図38(a)において、電流が所定方向B3の一方の向き(図中の矢印B31)に流れる場合に、テラヘルツ波の電場がプラス方向に振動するものとする。このとき、テラヘルツ波パルスT1,T3の電場は主にプラスの方向に振動する。一方、テラヘルツ波パルスT2は主にマイナスの方向に振動する。このように、本変形例によれば、マルチテラヘルツ波パルスの各電場における振動方向を自在に制御することができる。さらに、上述した第5変形例及び第6変形例のように、ダイポールアンテナの対向方向を併せて工夫することにより、マルチテラヘルツ波パルスの偏光方向を同時に制御することができる。 When an optical pulse is applied to a dipole antenna, the sign of the electric field of the generated terahertz wave changes depending on the direction of current flow by the carrier. Here, in FIG. 38A, it is assumed that the electric field of the terahertz wave oscillates in the positive direction when the current flows in one direction of the predetermined direction B3 (arrow B31 in the drawing). At this time, the electric fields of the terahertz wave pulses T1 and T3 oscillate mainly in the positive direction. On the other hand, the terahertz wave pulse T2 oscillates mainly in the negative direction. As described above, according to this modification, the vibration direction of the multi-terahertz wave pulse in each electric field can be freely controlled. Further, as in the fifth modification and the sixth modification described above, the polarization direction of the multi-terahertz wave pulse can be controlled at the same time by devising the facing directions of the dipole antennas.

非特許文献5では、テラヘルツ波パルスを用いて、反強磁性体であるErFeO3のスピンを制御できることが報告されている。この非特許文献5には、ハーフサイクル(プラスまたはマイナスのどちらか片方にしか振動しない電場、つまり単峰を意味する)のテラヘルツ波を用いることによって、スピンに対してインパルス的な撃力を与えて、励起されたFモード(0.377THz)およびAFモード(0.673THz)の共鳴を区別できることが示されている。また、ハードディスクドライブなどの磁化制御においては、スピンの向きも重要であることが知られている。そのため、スピン制御においては、テラヘルツ波の電場の振動方向を制御することが望まれる。本変形例は、このようなスピンのコヒーレント制御に対して有用である。 Non-Patent Document 5 reports that the spin of ErFeO 3 , which is an antiferromagnet, can be controlled by using a terahertz wave pulse. In Non-Patent Document 5, a half-cycle (an electric field that oscillates in either plus or minus, that is, a single peak) terahertz wave is used to give an impulse-like impact force to the spin. It has been shown that the excitation F-mode (0.377 THz) and AF-mode (0.673 THz) resonances can be distinguished. It is also known that the spin direction is also important in magnetization control of hard disk drives and the like. Therefore, in spin control, it is desired to control the vibration direction of the electric field of the terahertz wave. This variant is useful for such spin coherent control.

(第2実施形態)
図39及び図40は、本発明の第2実施形態に係るテラヘルツ波発生装置1Cの構成の一部を示す図である。図39(a)は側面図であり、図39(b)は上面図であり、図40は斜視図である。本実施形態のテラヘルツ波発生装置1Cは、第1実施形態と異なり、回折格子18を備えていない。すなわち、時間波形整形器11とレンズ19とが、回折格子18を介さずに光結合されている。
(Second Embodiment)
39 and 40 are diagrams showing a part of the configuration of the terahertz wave generator 1C according to the second embodiment of the present invention. 39 (a) is a side view, FIG. 39 (b) is a top view, and FIG. 40 is a perspective view. Unlike the first embodiment, the terahertz wave generator 1C of the present embodiment does not include the diffraction grating 18. That is, the time waveform shaper 11 and the lens 19 are photocoupled without passing through the diffraction grating 18.

具体的には、本実施形態のSLM14は、第1実施形態と同様に、回折格子12による分光後のシングル光パルスP1の位相変調を波長毎に行うことにより、互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる複数の光パルスP21〜P23を生成する。加えて、本実施形態のSLM14は、複数の光パルスP21〜P23の光路を、波長に応じて分光方向(図中の矢印B4)と交差する方向(図中の矢印B3)に分離する。このようなSLM14の機能は、SLM14に表示される変調パターンが、方向B3に沿って格子が並ぶ回折格子パターンを含むことにより好適に実現される。すなわち、光パルスP21〜P23は、回折格子パターンの作用により、それらの中心波長に応じた互いに異なる角度で出力される。レンズ15は、分光方向B4において複数の光パルスP21〜P23を集光する。回折格子16では、光パルスP21〜P23の光路が、方向B4においては回折作用により互いに一致するが、方向B3においては回折作用が生じないので互いに異なったままとなる。その後、光パルスP21〜P23は、レンズ19により集光され、テラヘルツ波発生素子30において、方向B3に沿って並ぶ3つの集光スポットQ1〜Q3を形成する。なお、一例では、SLM14からレンズ19までの距離、及びレンズ19からテラヘルツ波発生素子30までの距離は、共にレンズ19の焦点距離fと等しい。 Specifically, the SLM14 of the present embodiment has a time difference from each other and has a central wavelength by performing phase modulation of the single light pulse P1 after spectroscopy by the diffraction grid 12 for each wavelength, as in the first embodiment. Generates a plurality of light pulses P21 to P23 different from each other. In addition, the SLM14 of the present embodiment separates the optical paths of the plurality of optical pulses P21 to P23 in a direction (arrow B3 in the figure) that intersects the spectral direction (arrow B4 in the figure) according to the wavelength. Such a function of the SLM 14 is preferably realized when the modulation pattern displayed on the SLM 14 includes a diffraction grating pattern in which the gratings are arranged along the direction B3. That is, the optical pulses P21 to P23 are output at different angles according to their center wavelengths due to the action of the diffraction grating pattern. The lens 15 collects a plurality of light pulses P21 to P23 in the spectral direction B4. In the diffraction grating 16, the optical paths of the light pulses P21 to P23 coincide with each other by the diffraction action in the direction B4, but remain different from each other because the diffraction action does not occur in the direction B3. After that, the light pulses P21 to P23 are focused by the lens 19 to form three focused spots Q1 to Q3 arranged along the direction B3 in the terahertz wave generating element 30. In one example, the distance from the SLM 14 to the lens 19 and the distance from the lens 19 to the terahertz wave generating element 30 are both equal to the focal length f of the lens 19.

図41は、本実施形態におけるSLM14の変調パターンの一例を示す図である。本実施形態では、SLM14の変調パターンを、方向B4において3つの領域14c〜14eに分割する。領域14cは、中心波長840nmの長波長域(すなわち光パルスP21の帯域)に対応する領域であり、領域14dは、中心波長800nmの中波長域(すなわち光パルスP22の帯域)に対応する領域であり、領域14eは、中心波長760nmの短波長域(すなわち光パルスP23の帯域)に対応する領域である。領域14c,14eでは、位相が0(rad)からπ(rad)まで滑らかに変化するブレーズド回折格子の位相パターンが含まれる。 FIG. 41 is a diagram showing an example of the modulation pattern of the SLM 14 in the present embodiment. In this embodiment, the modulation pattern of the SLM 14 is divided into three regions 14c to 14e in the direction B4. The region 14c is a region corresponding to a long wavelength region having a central wavelength of 840 nm (that is, the band of the optical pulse P21), and the region 14d is a region corresponding to a medium wavelength region having a central wavelength of 800 nm (that is, the band of the optical pulse P22). The region 14e is a region corresponding to a short wavelength region having a central wavelength of 760 nm (that is, a band of the optical pulse P23). Regions 14c and 14e include a phase pattern of a blazed diffraction grating whose phase changes smoothly from 0 (rad) to π (rad).

そして、このブレーズド回折格子により、領域14cでは、方向B4における一方の向きに傾斜した光路へ光パルスP21を出力し、領域14eでは、方向B4における他方の向きに傾斜した光路へ光パルスP23を出力する。なお、領域14dにはブレーズド回折格子が含まれておらず、光パルスP22はこれらの光路の中間の向きに出力される。 Then, the blazed diffraction grating outputs the light pulse P21 to the optical path inclined in one direction in the direction B4 in the region 14c, and outputs the light pulse P23 to the optical path inclined in the other direction in the direction B4 in the region 14e. To do. The region 14d does not include a blazed diffraction grating, and the optical pulse P22 is output in a direction intermediate between these optical paths.

一実施例では、回折格子12,16のライン数は300ライン/mmであり、レンズ13,15の焦点距離は181.5mmである。そして、SLM14のブレーズド回折格子の位相パターンのライン数は例えば3.33ライン/mmであり、シングル光パルスP1の光径は16mmであり、レンズ19の焦点距離はf=500mmである。この場合、集光スポットQ1〜Q3の直径は30μmとなり、集光スポットQ1〜Q3の間隔は66μmとなる。従って、本実施形態においても第1実施形態と同様に、集光スポットQ1〜Q3の直径よりも集光スポットQ1〜Q3の間隔が広くなり、集光スポットQ1〜Q3は互いに確実に分離することができる。その結果、キャリア飽和を抑圧し、テラヘルツ波の発生効率を向上させることができる。なお、本実施形態においても、前述した第3変形例と同様に、時間的に隣り合う光パルスは可能な限り空間的に離れて集光されることが望ましい。 In one embodiment, the number of lines of the diffraction gratings 12 and 16 is 300 lines / mm, and the focal lengths of the lenses 13 and 15 are 181.5 mm. The number of lines of the phase pattern of the blazed diffraction grating of the SLM 14 is, for example, 3.33 lines / mm, the light diameter of the single light pulse P1 is 16 mm, and the focal length of the lens 19 is f = 500 mm. In this case, the diameters of the focused spots Q1 to Q3 are 30 μm, and the distance between the focused spots Q1 to Q3 is 66 μm. Therefore, also in the present embodiment, as in the first embodiment, the distance between the focused spots Q1 to Q3 is wider than the diameter of the focused spots Q1 to Q3, and the focused spots Q1 to Q3 are surely separated from each other. Can be done. As a result, carrier saturation can be suppressed and the efficiency of terahertz wave generation can be improved. Also in this embodiment, it is desirable that the light pulses that are adjacent in time are focused as spatially separated as possible, as in the case of the third modification described above.

ここで、本実施形態によるテラヘルツ波発生方法について説明する。このテラヘルツ波発生方法は、本実施形態のテラヘルツ波発生装置1Cを用いて実現可能である。図42は、本実施形態のテラヘルツ波発生方法を示すフローチャートである。 Here, a method of generating a terahertz wave according to the present embodiment will be described. This terahertz wave generation method can be realized by using the terahertz wave generator 1C of the present embodiment. FIG. 42 is a flowchart showing the terahertz wave generation method of the present embodiment.

まず、第1ステップ(パルス光生成ステップ)S11において、光源3からシングル光パルスP1を出力する。次に、第2ステップ(マルチパルス光生成ステップ)S12において、シングル光パルスP1から、互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる複数の光パルスP21〜P23を生成し、光パルスP21〜P23それぞれを、波長に応じて異なる光路上に出力する。この第2ステップS12は、分光ステップS13、光変調ステップS14、及び集光ステップS15を含む。分光ステップS13では、シングル光パルスP1を分光する。光変調ステップS14では、分光後のシングル光パルスP1の位相変調を波長毎に行うことにより、互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる複数の光パルスP21〜P23を生成するとともに、光パルスP21〜P23の光路を、波長に応じて、分光方向B4と交差する方向B3に分離する。集光ステップS15では、分光方向B4において光パルスP21〜P23を集光する。最後に、第3ステップ(テラヘルツ波生成ステップ)S16において、光パルスP21〜P23をテラヘルツ波発生素子30に入力して、テラヘルツ波パルスを発生させる。 First, in the first step (pulse light generation step) S11, the single light pulse P1 is output from the light source 3. Next, in the second step (multi-pulse light generation step) S12, a plurality of light pulses P21 to P23 having a time difference from each other and having different center wavelengths are generated from the single light pulse P1, and each of the light pulses P21 to P23 is generated. , Outputs on different optical paths depending on the wavelength. The second step S12 includes a spectroscopic step S13, a light modulation step S14, and a focusing step S15. In the spectroscopy step S13, the single light pulse P1 is separated. In the optical modulation step S14, by performing phase modulation of the single optical pulse P1 after spectroscopy for each wavelength, a plurality of optical pulses P21 to P23 having a time difference from each other and having different center wavelengths are generated, and the optical pulses P21 to P21 The optical path of P23 is separated into a direction B3 that intersects the spectral direction B4 according to the wavelength. In the focusing step S15, the optical pulses P21 to P23 are focused in the spectral direction B4. Finally, in the third step (terahertz wave generation step) S16, the optical pulses P21 to P23 are input to the terahertz wave generating element 30 to generate the terahertz wave pulse.

本実施形態のテラヘルツ波発生装置1C及びテラヘルツ波発生方法によれば、前述したテラヘルツ波発生装置1Aと同様に、テラヘルツ波発生素子30におけるキャリアの飽和をより効果的に回避し、テラヘルツ波の発生効率を向上できる。 According to the terahertz wave generator 1C and the terahertz wave generation method of the present embodiment, similarly to the terahertz wave generator 1A described above, carrier saturation in the terahertz wave generator 30 is more effectively avoided, and terahertz waves are generated. Efficiency can be improved.

本発明によるテラヘルツ波発生装置及びテラヘルツ波発生方法は、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上述した各実施形態及び各変形例を、必要な目的及び効果に応じて互いに組み合わせてもよい。また、上記各実施形態では、テラヘルツ波発生媒質として半導体を用いたテラヘルツ波発生素子を例示したが、非線形結晶を用いたテラヘルツ波発生素子においても、本発明は有効である。すなわち、半導体においてはレーザーパワー増大に伴うキャリアの飽和が問題となるが、非線形結晶においても、レーザーパワーが増大すると、結晶自身の二光子吸収によるテラヘルツ波出力の飽和が問題となる(例えば非特許文献6)。従って、テラヘルツ波発生素子が非線形結晶を有する場合であっても、本発明を適用できる。非線形結晶は、例えばZnTe,GaSe,GaP,DAST,DSTMSなどである。 The terahertz wave generator and the terahertz wave generation method according to the present invention are not limited to the above-described embodiments, and various other modifications are possible. For example, the above-described embodiments and modifications may be combined with each other according to the required purpose and effect. Further, in each of the above embodiments, a terahertz wave generating element using a semiconductor as a terahertz wave generating medium has been exemplified, but the present invention is also effective for a terahertz wave generating element using a nonlinear crystal. That is, in semiconductors, carrier saturation due to an increase in laser power becomes a problem, but in nonlinear crystals as well, when laser power increases, saturation of terahertz wave output due to two-photon absorption of the crystal itself becomes a problem (for example, non-patented). Document 6). Therefore, the present invention can be applied even when the terahertz wave generating element has a non-linear crystal. Non-linear crystals include, for example, ZnTe, Gase, GaP, DAST, DSTMS and the like.

1A〜1C…テラヘルツ波発生装置、3…光源、10A…マルチパルス生成部、11…時間波形整形器、12,16…回折格子、13,15…レンズ、14a…変調面、14b…変調領域、17…データ作成部、18…回折格子、19…レンズ、21…任意波形入力部、22…位相スペクトル設計部、23…強度スペクトル設計部、24…変調パターン生成部、25…フーリエ変換部、26…関数置換部、27…波形関数修正部、28…逆フーリエ変換部、29…ターゲット生成部、29a…フーリエ変換部、29b…スペクトログラム修正部、30…テラヘルツ波発生素子、30A,30B…光伝導アンテナ素子、31…基板、32…第1半導体層、33…絶縁層、33a…開口部、34,36…電極、34a,36a…配線部、34b,36b…アンテナ部、34c,36c…パッド部、35…第2半導体層、37…保護膜、41…シリンドリカルミラー、42…ペリスコープアレイ、43…プリズム、44…パルスストレッチャ、44a,44b…回折格子、44c…ミラー、B3…所定方向、B4…分光方向、D…光径、f…焦点距離、L0〜L3…光路、P1…シングル光パルス、P2…マルチ光パルス、P21〜P24…光パルス、Q1〜Q4…集光スポット、SC…制御信号、T1〜T3…テラヘルツ波、TP1〜TP3…偏光方向。 1A to 1C ... Terahertz wave generator, 3 ... Light source, 10A ... Multi-pulse generator, 11 ... Time waveform shaper, 12, 16 ... Diffraction grating, 13, 15 ... Lens, 14a ... Modulation surface, 14b ... Modulation region, 17 ... Data creation unit, 18 ... Diffraction grating, 19 ... Lens, 21 ... Arbitrary waveform input unit, 22 ... Phase spectrum design unit, 23 ... Intensity spectrum design unit, 24 ... Modulation pattern generation unit, 25 ... Fourier transform unit, 26 ... Function substitution unit, 27 ... Wave function correction unit, 28 ... Inverse Fourier transform unit, 29 ... Target generation unit, 29a ... Fourier transform unit, 29b ... Spectrogram correction unit, 30 ... Terahertz wave generator, 30A, 30B ... Photoconduction Antenna element, 31 ... substrate, 32 ... first semiconductor layer, 33 ... insulating layer, 33a ... opening, 34, 36 ... electrode, 34a, 36a ... wiring section, 34b, 36b ... antenna section, 34c, 36c ... pad section , 35 ... second semiconductor layer, 37 ... protective film, 41 ... cylindrical mirror, 42 ... periscope array, 43 ... prism, 44 ... pulse stretcher, 44a, 44b ... diffraction grating, 44c ... mirror, B3 ... predetermined direction, B4 ... Spectral direction, D ... light diameter, f ... focal distance, L0 to L3 ... optical path, P1 ... single optical pulse, P2 ... multi optical pulse, P21 to P24 ... optical pulse, Q1 to Q4 ... focused spot, SC ... control signal , T1 to T3 ... Terahertz wave, TP1 to TP3 ... Polarization direction.

Claims (6)

第1光パルスを出力する光源と、
前記光源と光学的に結合され、前記第1光パルスから、互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる複数の第2光パルスを生成し、前記複数の第2光パルスそれぞれを、波長に応じて異なる光路上に出力するマルチパルス生成部と、
前記マルチパルス生成部と光学的に結合され、前記マルチパルス生成部から出力された前記複数の第2光パルスを受けてテラヘルツ波パルスを発生するテラヘルツ波発生素子と、
を備え、
前記マルチパルス生成部は、
互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる前記複数の第2光パルスを共通の光路上に出力する時間波形整形器と、
前記時間波形整形器から出力された前記複数の第2光パルスそれぞれを、波長に応じて異なる光路に分離する光分散素子と、
を有する、テラヘルツ波発生装置。
A light source that outputs the first light pulse and
Optically coupled to the light source, a plurality of second light pulses having a time difference from each other and having different center wavelengths are generated from the first light pulse, and each of the plurality of second light pulses is generated according to the wavelength. A multi-pulse generator that outputs on different optical paths,
A terahertz wave generating element that is optically coupled to the multi-pulse generating unit and receives the plurality of second optical pulses output from the multi-pulse generating unit to generate a terahertz wave pulse.
Bei to give a,
The multi-pulse generator
A time waveform shaper that outputs the plurality of second optical pulses having a time difference from each other and having different center wavelengths on a common optical path, and a time waveform shaper.
An optical dispersion element that separates each of the plurality of second light pulses output from the time waveform shaper into different optical paths according to the wavelength.
A terahertz wave generator.
前記時間波形整形器は、
前記第1光パルスを分光する分光素子と、
分光後の前記第1光パルスの位相変調を波長毎に行うことにより、互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる前記複数の第2光パルスを生成する空間光変調器と、
前記複数の第2光パルスを集光する光学系と、
を含む、請求項に記載のテラヘルツ波発生装置。
The time waveform shaper is
A spectroscopic element that disperses the first optical pulse and
A spatial light modulator that generates a plurality of second light pulses having a time difference from each other and having different center wavelengths by performing phase modulation of the first light pulse after spectroscopy for each wavelength.
An optical system that collects the plurality of second light pulses, and
The terahertz wave generator according to claim 1 .
前記光分散素子は回折格子若しくはプリズムである、請求項またはに記載のテラヘルツ波発生装置。 The terahertz wave generator according to claim 1 or 2 , wherein the light dispersion element is a diffraction grating or a prism. 各第2光パルスの時間幅が100フェムト秒以下である、請求項1〜のいずれか一項に記載のテラヘルツ波発生装置。 The terahertz wave generator according to any one of claims 1 to 3 , wherein the time width of each second optical pulse is 100 femtoseconds or less. 第1光パルスから、互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる複数の第2光パルスを生成し、前記複数の第2光パルスそれぞれを、波長に応じて異なる光路上に出力するマルチパルス光生成ステップと、
前記複数の第2光パルスをテラヘルツ波発生素子に入力してテラヘルツ波パルスを発生させるテラヘルツ波生成ステップと、
を含み、
前記マルチパルス光生成ステップは、
互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる前記複数の第2光パルスを共通の光路上に出力する時間波形整形ステップと、
前記複数の第2光パルスそれぞれを、波長に応じて異なる光路に分離する光分散ステップと、
を含む、テラヘルツ波発生方法。
From the first light pulse, a plurality of second light pulses having a time difference from each other and having different center wavelengths are generated, and each of the plurality of second light pulses is output on different optical paths according to the wavelength. Steps and
A terahertz wave generation step in which a plurality of second optical pulses are input to a terahertz wave generating element to generate a terahertz wave pulse, and a terahertz wave generation step.
Only including,
The multi-pulse light generation step
A time waveform shaping step that outputs the plurality of second optical pulses having a time difference from each other and having different center wavelengths on a common optical path, and
An optical dispersion step that separates each of the plurality of second light pulses into different optical paths according to the wavelength.
How to generate terahertz waves , including .
前記時間波形整形ステップは、
前記第1光パルスを分光する分光ステップと、
分光後の前記第1光パルスの位相変調を波長毎に行うことにより、互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる前記複数の第2光パルスを生成する光変調ステップと、
前記複数の第2光パルスを集光する集光ステップと、
を含む、請求項に記載のテラヘルツ波発生方法。
The time waveform shaping step is
The spectroscopic step of dispersing the first light pulse and
An optical modulation step of generating the plurality of second optical pulses having a time difference from each other and having different center wavelengths by performing phase modulation of the first optical pulse after spectroscopy for each wavelength.
A condensing step for condensing the plurality of second light pulses, and
5. The method for generating a terahertz wave according to claim 5 .
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JP4474625B2 (en) * 1999-12-14 2010-06-09 独立行政法人科学技術振興機構 Ultra-wideband variable wavelength multiplex pulse waveform shaping device
JP3834789B2 (en) * 2002-05-17 2006-10-18 独立行政法人科学技術振興機構 Autonomous ultra-short optical pulse compression, phase compensation, waveform shaping device
EP1784682A4 (en) * 2004-07-23 2009-08-19 Massachusetts Inst Technology Diffraction-based pulse shaping with a 2d optical modulator
JP2008277565A (en) * 2007-04-27 2008-11-13 Matsushita Electric Ind Co Ltd Terahertz wave generating device
JP5388166B2 (en) * 2008-09-02 2014-01-15 国立大学法人東北大学 Terahertz wave generator and method
JP5483176B2 (en) * 2009-11-25 2014-05-07 独立行政法人理化学研究所 Electromagnetic pulse train generator
JP5964779B2 (en) * 2013-04-22 2016-08-03 日本電信電話株式会社 Terahertz wave generation apparatus and terahertz wave generation method
JP6382033B2 (en) * 2014-08-29 2018-08-29 浜松ホトニクス株式会社 Pulsed light shaping device

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