JP7061620B2 - テラヘルツレーザー源及びテラヘルツ放射を放出するための方法 - Google Patents

Description

本明細書はテラヘルツ（ＴＨｚ）レーザー源及びテラヘルツ放射を放出するための方法に関する。

テラヘルツ放射（ＴＨｚ）は、一般的に０．３ＴＨｚ～１０ＴＨｚの間にある周波数帯域で定義される。例えば、汚染物質及び危険物質の検出、監視撮像、医療用撮像、ＴＨｚ通信などのテラヘルツ放射が可能にする多くの用途を考慮すると、テラヘルツ放射の生成及び検出は、大きな関心事である。

ＴＨｚ放射の放出は、放射源、例えば、「ｃａｒｃｉｎｏｔｒｏｎｓ（商標）」としても知られる後進波発振器（ＢＷＯ）、分子レーザー、又は量子カスケードレーザーなどの特定の固体レーザーなどを使用して、直接的に得ることができる。

無線周波数、マイクロ波周波数、可視周波数、又は赤外周波数などのよりアクセスしやすい周波数の放射の、非線形結晶における非線形変換を使用して、間接的にＴＨｚ放射を得ることも可能である。実施されるプロセスは、例えば、周波数逓倍、光整流、又は更にはヘテロダイン混合などである。

従って、Ｓａｓａｋｉらによる論文「Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ ＧａＰ Ｃｏｎｔｉｎｏｕｓ－Ｗａｖｅ Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ Ｓｉｇｎａｌ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｆｏｒ Ｈｉｇｈ－Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ」（Ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｊｏｕｒｎａｌ、２０１４、４、８－１３）では、近赤外域の２つの周波数可変レーザー源の使用に基づく間接的なＴＨｚ源を提示している。２つのレーザー源から出力されたビームは、プレート・ビームスプリッタを使用して空間的に重ね合わされ、ＴＨｚ放射を生成するために、リン化ガリウム（ＧａＰ）の非線形結晶を照射し、このＴＨｚ放射の周波数は、２つの入射レーザービームの周波数間の周波数差に相当する。結果として得られるＴＨｚ周波数は、２つの周波数可変レーザー源のうちの一方の周波数を変えることにより、調節することができる。この技術は、室温で周波数可変ＴＨｚ放射を生成することを可能にする。

本明細書はまた、前述の論文と同様に、差周波発生に基づき、かつ、既知のデバイスと比べて優れた周波数安定性及び非常に正確な周波数のＴＨｚ放射を有する、間接的なＴＨｚレーザー源を提示する。

"Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ ＧａＰ Ｃｏｎｔｉｎｏｕｓ－Ｗａｖｅ Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ Ｓｉｇｎａｌ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｆｏｒ Ｈｉｇｈ－Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ" ｂｙ Ｓａｓａｋｉ ｅｔ ａｌ（Ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｊｏｕｒｎａｌ，２０１４，４，８－１３）

第１の態様によれば、本明細書は、以下を含むＴＨｚレーザー源に関する。
－ 周波数ｗ_１＝ｎｗ_ａである少なくとも１つの第１の光放射及び周波数ｗ_２＝ｍｗ_ａである１つの第２の光放射を放出するのに適した第１の発生器であって、ｎ及びｍは１以上の整数であり、ｗ_ａは第１の基準周波数である、第１の発生器。
－ 周波数ｗ_３＝ｌｗ_ｂである少なくとも１つの第１の光放射及び周波数ｗ_４＝ｐｗ_ｂである１つの第２の光放射を放出するのに適した第２の発生器であって、ｌ及びｐは１以上の整数であり、ｗ_ｂは第１の基準周波数ｗ_ａとは異なる第２の基準周波数である、第２の発生器。
－ 第１及び第２の発生器の各々によって放出される上記の第１の光放射から、差周波発生によって生成される、ｗ_５＝ｎｗ_ａ－ｌｗ_ｂに等しく、かつ０．３ＴＨｚ～１０ＴＨｚの間に含まれる周波数のＴＨｚ光放射を形成するのに適した非線形結晶。
－ 第１及び第２の発生器のうちの一方によって放出される上記の第２の放射のうちの一方の周波数をある１つの原子遷移に安定化させることを可能にする、少なくとも１つの第１の周波数安定化モジュール。

従って、このように説明したＴＨｚレーザー源の周波数は、ある１つの原子遷移に安定化され、これにより、優れた周波数安定性が得られるだけでなく、非常に正確な周波数のＴＨｚ放射が可能になる。そのようなＴＨｚレーザー源はまた、小型であり、実験室の外での使用に対応しているという利点がある。

１つ又は複数の例示的な実施形態によれば、発生器によって放出される第１及び第２の放射は、同じ周波数の放射であり得る（例えば、ｎ＝ｍ及び／又はｌ＝ｐ）。例えば、これは、同じ放射から得られた光放射が分割素子によって２つの放射に分割されるという問題であり得る。或いは、とりわけ、一方では安定化のために、他方では差周波発生によるＴＨｚ放射の生成のために、使用される放射の周波数の選択に関してより広い許容範囲を可能にするために、第１及び第２の光放射は、和周波発生、周波数逓倍、又は差周波発生によって得られることがある。この場合には、発生器によって放出される第１及び第２の光放射の周波数は、互いに倍数であり、等しくはない。いずれにせよ、発生器によって放出される全ての光放射は、互いにコヒーレントであり得る、即ち、固定した位相関係を有することがあり、その結果、発生器によって放出される１つの光放射の周波数安定化は、この発生器によって放出される他の光放射の周波数安定化につながる。

１つ又は複数の例示的な実施形態によれば、原子遷移はヨウ素の原子遷移であり、これは、完全に較正される周波数遷移を有するという利点と、電磁スペクトルの可視範囲（５００ｎｍ～７００ｎｍ）において非常に高い品質係数を持つという利点とを有する。他の原子遷移、例えば、赤外域における、アセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）、水蒸気（Ｈ_２Ｏ）、酸素（Ｏ_２）、一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ_４）、又は、可視若しくは近赤外域におけるアルカリ原子（例えば、セシウム（Ｃｓ）、ルビジウム（Ｒｂ）、カリウム（Ｋ）など）の原子遷移を使用することができる。

１つ又は複数の例示的な実施形態によれば、第１及び第２の発生器の各々によって放出される上記の第２の放射の周波数は、互いに独立して、ある１つの原子遷移に安定化される。このとき、ＴＨｚレーザー源は第１及び第２の周波数安定化モジュールを含み、その各々は、第１及び第２の発生器の各々によって放出される第２の光放射の周波数をそれぞれある１つの原子遷移に安定化させることを可能にする。これらの発生器の各々によって放出される２つの光放射の周波数安定化は、独立して、差周波発生によって生成されたＴＨｚ放射の周波数を安定化させる。

１つ又は複数の例示的な実施形態によれば、第１及び第２の発生器のうちの少なくとも一方の周波数は、光学遷移の線幅よりも広い周波数範囲内で調節可能であり、周波数可変ＴＨｚ源を形成することを可能にする。具体的には、安定化に使用される原子が、一連の特定された別々の原子遷移を有する場合、一方の及び／又は他方の発生器が安定化される原子遷移を変更することが可能であり、従って、ＴＨｚ周波数を変更することが可能になる。

１つ又は複数の例示的な実施形態によれば、第１の発生器は、周波数ｗ_６＝ｑｗ_ａである少なくとも１つの第３の光放射を放出するのに適しており、ここでｑは１以上の整数であり、また第２の発生器は、周波数ｗ_７＝ｒｗ_ｂである少なくとも１つの第３の光放射を放出するのに適しており、ここでｒは１以上の整数であり、ｑｗ_ａ－ｒｗ_ｂは、ｎｗ_ａ－ｌｗ_ｂの倍数又は約数である。従って、例えば無線周波数領域又はマイクロ波領域においてｑｗ_ａ－ｒｗ_ｂを測定することによって、完全に、ＴＨｚ周波数（ｎｗ_ａ－ｌｗ_ｂ）を知ることが可能になる。

１つ又は複数の例示的な実施形態によれば、レーザー源は更に、一方では第１及び第２の発生器の各々によってそれぞれ放出された第３の放射を、他方では所与の周波数の基準信号を、受け取るのに適した、周波数ミキサとも呼ばれる周波数比較器を含み、これは、結果として得られる信号、例えば無線周波数信号を伝達するためであり、その結果として得られる信号の周波数の測定により、上記の第３の放射間の周波数差を決定することが可能になる。周波数比較器は、例えばショットキー型のフォトミキサであり得る。基準放射の周波数は、例えば無線周波数又はマイクロ波周波数である。従って、第１及び第２の発生器の各々によって放出される第３の放射間の周波数差を正確に知ることが可能になり、ひいては、生成されるＴＨｚ周波数を知る精度を高めることが可能になる。

１つ又は複数の例示的な実施形態によれば、ＴＨｚレーザー源は、第１の周波数安定化モジュールを含み、この第１の周波数安定化モジュールは、上記の発生器のうちの第１の発生器によって放出される上記の第２の放射の周波数をある１つの原子遷移に安定化させることを可能にし、またこのＴＨｚレーザー源は、第１の発生器に対して第２の発生器をサーボ制御するためのモジュールを含む。この実施形態では、第２の発生器によって放出される第１の光放射は、ある１つの原子遷移に間接的に安定化される。これにより、生成されたＴＨｚ放射の安定性を保つことが可能になり、また、ＴＨｚ生成の際の連続的な波長可変性を導入することが可能になる。

１つ又は複数の例示的な実施形態によれば、第１の発生器は、周波数ｗ_６＝ｑｗ_ａである少なくとも１つの第３の光放射を放出するのに適しており、ここでｑは１以上の整数である。サーボ制御モジュールは、一方では、第１の発生器によって放出された第３の放射及び第２の発生器によって放出された第２の放射を、他方では所与の周波数の第１の基準信号を、受け取るのに適した第１の周波数比較器を、第１の無線周波数信号を伝達するために含む。サーボ制御モジュールは更に、上記の第１の無線周波数信号及び所与の周波数の無線周波数第２基準信号を受け取るのに適した第２の周波数比較器を含み、これは、第１の無線周波数信号の周波数と無線周波数第２基準信号の周波数との間の周波数差に特徴的な制御信号を伝達するためである。またこのサーボ制御モジュールは、上記の制御信号に応じて第２の発生器を制御するためのモジュールを含む。

１つ又は複数の例示的な実施形態によれば、第１及び第２の発生器のうちの少なくとも１つは、可視及び／又は赤外域における異なる周波数の少なくとも３つの光放射を生成するのに適した「トライデント（三叉）」タイプの発生器であり、この少なくとも３つの光放射は、互いに固定の位相関係を有する。異なる周波数の３つの放射を同相で放出させることができるそのような発生器は、例えば、仏国特許第３００４８２０号明細書に記載されるような可視及び赤外のコヒーレント・レーザー・ビームの発生器である。

第２の態様によれば、本明細書は以下のステップを含む、ＴＨｚレーザー放射を放出するための方法に関する。
－ 第１の発生器を用いて周波数ｗ_１＝ｎｗ_ａである第１の光放射及び周波数ｗ_２＝ｍｗ_ａである第２の光放射を生成するステップであって、ｎ及びｍは１以上の整数であり、ｗ_ａは第１の基準周波数である、ステップ。
－ 第２の発生器を用いて周波数ｗ_３＝ｌｗ_ｂである第１の光放射及び周波数ｗ_４＝ｐｗ_ｂである第２の光放射を生成するステップであって、ｐは１以上の整数であり、ｗ_ｂはｗ_ａとは異なる第２の基準周波数である、ステップ。
－ 第１及び第２の発生器によって放出される上記の第１の放射から、差周波発生によって生成される、ｗ_５＝ｎｗ_ａ－ｌｗ_ｂに等しく、かつ０．３ＴＨｚ～１０ＴＨｚの間に含まれる周波数のＴＨｚ光放射を形成するステップ。
－ 第１及び第２の発生器によって放出される第２の光放射のうちの少なくとも１つの周波数を安定化させるステップ。

第２の実施形態の１つ又は複数の例示的な実施形態によれば、ＴＨｚレーザー放射を放出するための方法は更に、以下のステップを含む。
－ 第１の発生器を用いて周波数ｗ_６＝ｑｗ_ａである少なくとも１つの第３の光放射を生成するステップであって、ｑは１以上の整数である、ステップ。
－ 第２の発生器を用いて周波数ｗ_７＝ｒｗ_ｂである少なくとも１つの第３の光放射を生成するステップであって、ｒは１以上の整数であり、ｑｗ_ａ－ｒｗ_ｂはｎｗ_ａ－ｌｗ_ｂの倍数又は約数である、ステップ。
－ ｑｗ_ａ－ｒｗ_ｂを、生成されたＴＨｚ放射の周波数をそこから導き出すために、測定するステップ。

第２の実施形態の１つ又は複数の例示的な実施形態によれば、ＴＨｚレーザー放射を放出するための方法は更に、以下のステップを含む。
－ 第１及び第２の基準周波数のうちの少なくとも１つ（ｗ_ａ及び／又はｗ_ｂ）を変えるステップ。
－ 第１及び第２の発生器によって放出される第１の光放射のうちの少なくとも１つを、少なくとも１つの第２の原子遷移に安定化させるステップ。

従って、第２及び／又は第４の放射が安定化される原子の線を変えることにより、ＴＨｚ周波数が変わる。これにより、周波数が非常に安定した離散的で高密度スペクトルのＴＨｚ放射を生成することが可能になる。

第２の実施形態の１つ又は複数の例示的な実施形態によれば、ＴＨｚレーザー放射を放出するための方法は、以下のステップを含む。
－ 上記の発生器のうちの第１の発生器によって放出される上記の第２の放射の周波数を、ある１つの原子遷移に安定化させるステップ。
－ 第１の発生器に対して第２の発生器をサーボ制御するステップ。

本明細書の主題の他の利点及び特徴が、以降の図によって示される説明を読むことにより明らかになるであろう。

本明細書の第１の例によるＴＨｚレーザー源を示す概略図であり、各発生器は光放射を放出し、その光放射の周波数は、独立して、ある１つの原子遷移に安定化される。 生成されたＴＨｚ放射の周波数を測定するための手段を更に備えた、図１に示したタイプのＴＨｚレーザー源を示す概略図である。 本明細書の第２の例によるＴＨｚレーザー源を示す概略図であり、第１の発生器によって放出された光放射の周波数は、ある１つの原子遷移に安定化され、第２の発生器によって放出された光放射の周波数は、第１の発生器によって放出された光放射に安定化される。 様々な精密さで示された、ヨウ素の吸収スペクトルを抜粋した図である。 様々な精密さで示された、ヨウ素の吸収スペクトルを抜粋した図である。 様々な精密さで示された、ヨウ素の吸収スペクトルを抜粋した図である。 様々な精密さで示された、ヨウ素の吸収スペクトルを抜粋した図である。 可視及び／又は赤外域で、互いにコヒーレントである複数の光放射を放出するのに適した、「トライデント」タイプの発生器を示す概略図である。

図では、同一の要素は同一の参照符号で参照される。

図１は、本明細書によるＴＨｚレーザー源１０の第１の例を示す。このＴＨｚレーザー源１０は、第１の発生器１、第２の発生器２、差周波発生に適した非線形結晶３、原子蒸気を含むセル４、及び発生器１、２によって放出された光放射の周波数をセル４の原子の別々の原子遷移に安定化させるためのモジュール、を含む。安定化モジュールは、モジュール５、６によって図中に概略的に示され、以下でより詳細に説明される。

より正確には、図１で示した例では、第１の発生器１は、少なくとも１つの第１及び１つの第２の光放射（（ｉ）及び（ｉｉ）で参照される）を放出するのに適しており、これらの光放射の周波数は、ｗ_ａで表わされる第１の基準周波数の倍数である。従って、第１の発生器によって放出された第１及び第２の光放射の周波数ｗ_１及びｗ_２を、それぞれｗ_１＝ｎｗ_ａ及びｗ_２＝ｍｗ_ａによって定義することができ、ここで、ｎ及びｍは１以上の整数である。同様に、第２の発生器２は、少なくとも１つの第１及び１つの第２の光放射（図１では（ｉｉｉ）及び（ｉｖ）で参照される）を放出するのに適しており、これらの光放射の周波数は、第１の基準周波数ｗ_ａとは異なる、ｗ_ｂで表わされる第２の基準周波数の倍数である。従って、第２の発生器によって放出された第１及び第２の光放射の周波数ｗ_３及びｗ_４を、それぞれｗ_３＝ｌｗ_ｂ及びｗ_４＝ｐｗ_ｂによって定義することができ、ここで、ｌ及びｐは１以上の整数である。

本明細書によれば、非線形結晶３は、第１及び第２の発生器の各々によって放出される上記の第１の光放射から、差周波発生によって生成される、０．３ＴＨｚ～１０ＴＨｚの間に含まれる周波数のＴＨｚ光放射（ｖ）を形成するのに適している。従って、生成されたＴＨｚ光放射（ｖ）の周波数ｗ_５は、ｗ_５＝ｎｗ_ａ－ｌｗ_ｂによって定義される。第１及び第２の発生器１、２によって放出された第１の放射（ｉ）及び（ｉｉｉ）は、例えば、レンズを用いて非線形結晶３に注入されるか、又は、放射（ｉ）及び（ｉｉ）が光ファイバーによって伝達されるファイバーベースの光学装置の場合には、適切なコリメータを介して注入される。

図１の例では、ＴＨｚレーザー源は、第１の発生器１によって放出された第２の放射（ｉｉ）の周波数をある１つの原子遷移に安定化させるために、５で参照される第１の周波数安定化モジュールを含み、かつ、第２の発生器２によって放出された第２の光放射（ｉｖ）の周波数をある１つの原子遷移に安定化させるために、第２の周波数安定化モジュール６を含む。図１の例では、第１及び第２の発生器についての周波数安定化は、同一の原子の別々の原子遷移へのものであるが、また、異なる原子種類の原子遷移へのものでもあり得る。

従って、第１及び第２の発生器からそれぞれ到来する２つの光放射は、非線形結晶における差周波発生により、ＴＨｚ放射を生成することを可能にし、第１及び第２の発生器からそれぞれ到来する他の２つの光放射は、ＴＨｚ放射を生成することを意図した光放射の周波数を安定化させることを可能にし、これにより、生成されたＴＨｚ放射の周波数が非常に高い精度で安定化されるだけでなく、原子遷移が非常によく分かっているので、生成されたＴＨｚ周波数を完全に知ることも可能になる。

周波数安定化に使用される原子は、例えば、可視又は近赤外域におけるヨウ化物原子又はアルカリ原子（例えば、セシウムＣｓ、ルビジウムＲｂ、カリウムＫ）である。安定化はまた、赤外域での、分子、例えばアセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）、水蒸気（Ｈ_２Ｏ）、酸素（Ｏ_２）、一酸化炭素（ＣＯ）、及びメタン（ＣＨ_４）などの原子遷移へのものであり得る。

ヨウ素分子の原子遷移は、特に、完全に較正された遷移であり、かつ、安定化させようとしている放射の周波数を非常に正確に知ることができる遷移である。更に、ヨウ素は５００ｎｍ～７００ｎｍの間で吸収するので、ヨウ素の使用により、周波数３倍のＥｒドープ光源、周波数２倍のＹＡＧ光源、又は周波数２倍のＹｂドープ光源を機能させることが可能になり、これらの光源は、以下でより詳細に説明するように、強力で小型である。

図４Ａ～４Ｄは、例として、５００～７００ｎｍの間のヨウ素の吸収線（図４Ａ）、約５１４．５ｎｍにおける約０．２ｎｍ（２００ＧＨｚ）のより狭いスペクトル帯域での吸収線（図４Ｂ）、約１ＧＨｚの帯域での約５１４．５ｎｍにおける吸収線（図４Ｃ）、及び約３００ｋＨｚの帯域での５１４．５８１ｎｍにおける吸収線（図４Ｄ）を示す。ヨウ素の超微細線の狭さは、約５００ｎｍである分子の解離限界が近づくにつれて、増加する。しかしながら、この値の周りでは、線の強度はより低くなる。従って、線の品質係数と、利用可能なレーザー源の性質及び固有の品質との間の最良の妥協点が求められる。従って、図４Ｂは、緑色域でのヨウ素分子の吸収スペクトルの一部を示し、これは、ヨウ素分子の線の品質係数（５１５ｎｍにおいてＱは約２×１０^９）と、利用可能なレーザー源の性質及び固有の品質との間の良好な妥協点が達成されるのを可能にする。図４Ｂに示す各線は、約１ＧＨｚに渡って延びる超微細クラスターから構成されており、その例が図４Ｃに示されている。図４Ｄは、５１４．５８１ｎｍにおけるヨウ素の狭い遷移を示す。従って、ヨウ素分子は、５１０ｎｍ～５２１ｎｍ範囲において１０，０００を超える識別された飽和吸収線を有し、また、本明細書によるＴＨｚ放射を生成するための方法のおかげで、ＴＨｚレーザー源の周波数を間接的に安定化させるために使用することができる、超安定周波数の幅広いくしを形成する。

図１に概略的に示される第１及び第２の安定化モジュール５、６はそれぞれ、原子遷移を調査するためのモジュール、及び発生器の周波数を制御するための周波数サーボ制御装置を含む。調査モジュールは、例えば、「飽和吸収」として知られ、かつ、例えばＰ．Ｈ．Ｌｅｅらによる論文（“Ｓａｔｕｒａｔｅｄ Ｎｅｏｎ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｉｎｓｉｄｅ ａ ６３２８ Ａ ｌａｓｅｒ”，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．１０，Ｎｏ．１１，Ｊｕｎｅ １，１９６７）に記載されている技術を利用する。この技術は、高い計測品質の周波数弁別手段を製造することを目指して、２つの反対方向に伝搬するビームを用いて、セル４内に含まれている原子の蒸気を調査する中で使われる。従って、幅の狭い半端な対称性の誤差信号が生成される。誤差信号は、レーザーに特有の要素に対して作用するのに適した周波数サーボ制御装置に送られ、その機能は、放射された周波数を設定することである（例えば、圧電セラミック、ダイオード電流、温度、等）。従って、発生器の外部要素（例えば、キャビティ長の変動）又は内部要素（例えば、発生器の温度の変動、ダイオードの場合には注入電流の変動、等）に対して作用することが可能である。従って、サーボ制御モジュールは、発生器を安定化させるために、電気ビートによって生成された信号の周波数を一定に保つことを可能にする。

安定化のために使用される放射の周波数及びＴＨｚ放射の生成のために使用される放射の周波数を独立して選択できるようにするために、発生器１、２の各々が、互いに異なる周波数の第１及び第２の光放射を放出することが、有利であることがある。従って、上記で説明したように、ヨウ素分子に対する安定化は、有利にも、約４００ＴＨｚ～約６００ＴＨｚの間に含まれる周波数を用いて緑色域で行われる。ＴＨｚ放射を生成するために、例えば、赤外域又は可視域での放射を使用して、差周波発生が行われることがある。可視域（約７００～８００ｎｍ）での放射を使用して行われる差周波発生が好ましい、というのも、例えばＧａＡｓをベースとする非線形結晶は、この波長範囲でより敏感であり、従って、これにより、より効果的なＴＨｚ放射の生成が可能になるからである。

いずれにせよ、ＴＨｚ放射の生成のために、第２の放射の周波数安定化が第１の放射の周波数安定化を確実にもたらすようにするために、上記の第１及び第２の光放射の放射機構がコヒーレントな同相放射、すなわち固定の位相関係を有する放射を確実に放出できるようにすることが求められる。これらの放射機構とは、例えば、周波数逓倍、和周波発生、又は差周波発生である。

従って、各発生器は、１つの例示的な実施形態では、波長可変の基準周波数を有するレーザー放射源（例えば、エルビウムドープ・ファイバー・レーザー又はレーザーダイオード）と、基準周波数の高調波を生成するのに適した１つ又は複数の非線形結晶と、を含むことがある。エルビウムドープ・ファイバー・レーザーは一般的に、レーザーダイオード（約５０ｐｍ）よりも大きな波長可変性（約１０００ｐｍの波長可変性）を有する。レーザーダイオードは小型であるという利点を有し、注入電流を介してサーボ制御が可能である。非線形結晶は、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）で出来ている結晶である。他の結晶、例えば、周期的に分極したチタンリン酸カリウム（即ちＰＰＫＴＰ）の結晶を、本来知られているように使用することができる。

同じ周波数の第１及び第２の放射で動作することが可能である場合には、発生器は、波長可変レーザー放射源、例えば、エルビウムドープ・ファイバー・レーザー又はレーザーダイオードと、２つの光放射を形成するための分割素子とを含むことがある。

図２は、本明細書によるＴＨｚレーザー源の１つの例示的な実施形態を示しており、各発生器は、第１及び第２の光放射に加えて、第３の光放射を放出する。この例では、図１の例と同様に、各発生器の周波数は別々の原子遷移に安定化される。

従って、第１の発生器１は、周波数ｗ_６＝ｑｗ_ａである少なくとも１つの第３の光放射（ｖｉ）を放出するのに適しており、ここでｑは１以上の整数であり、また第２の発生器２は、周波数ｗ_７＝ｒｗ_ｂである少なくとも１つの第３の光放射（ｖｉｉ）を放出するのに適しており、ここでｒは１以上の整数である。上記の通り、発生器によって放出された放射の周波数は同一であることがあり、その場合にはこれらの放射は、１つ又は複数の分割素子によって得られる。或いは、発生器によって放出された光放射の周波数は、基準周波数の倍数であるが等しくはないことがある。この場合には、光放射の生成機構により、コヒーレントな同相の光放射を確実に得ることが可能になる。

１つの例示的な実施形態では、各発生器は第３の光放射を放出し、これらの光放射は、図２に示すように、生成されたＴＨｚ周波数を測定するために使用される。これを行うために、ｑｗ_ａ ^－ｒｗ_ｂは、ｎｗ_ａ－ｌｗ_ｂの倍数又は約数であることが確実にされる。従って、ｑｗ_ａ ^－ｒｗ_ｂについての知識から、ＴＨｚ放射（ｖ）の周波数の値を得ることが可能になる。

１つの例示的な実施形態によれば、周波数差ｑｗ_ａ ^－ｒｗ_ｂの測定値は、第１及び第２の発生器の各々によって放出された第３の放射（ｖｉ）及び（ｖｉｉ）を受け取るのに適した周波数比較器７、例えばショットキータイプのフォトミキサによって得られる。ミキサ７は、信号源８によって放出された、所与の周波数ｆ_０、例えばマイクロ波周波数の基準信号Ｓ_１も受け取る。これは、信号Ｓ_２、例えば無線周波数信号をもたらし、その周波数は周波数差Δ_１＝［ｑｗ_ａ－ｒｗ_ｂ］－ｋ×ｆ_０に等しく、ここで、ｋは整数であり、ｆ_０は基準周波数である。周波数読取器９は、例えば、結果として得られる信号Ｓ_２の周波数を決定することを可能にする。

生成された周波数差の測定は、周波数が正確に分かっている周波数可変ＴＨｚレーザー源を形成することが求められている場合に、特に有用である。具体的には、発生器１、２の一方及び／又は他方に対して、光学遷移の線幅よりも広い周波数範囲内で周波数を調節可能である放射源を選択することができる。この場合、ＴＨｚ放射の生成に使用される光放射の周波数を、複数の原子線のうちの１つ、例えば、ヨウ素分子の複数の線のうちの１つに安定化させることが可能である。次いで、周波数差ｑｗ_ａ－ｒｗ_ｂの測定により、ＴＨｚ生成の周波数を正確に知ることができる。このようにして形成されたＴＨｚ源は、周波数可変であり、周波数が非常に安定した離散的で高密度スペクトルのＴＨｚ放射を生成することができる。

図３は、本発明によるＴＨｚレーザー源の別の例を示す。

この例では、２つの発生器のうちの一方のみの周波数が、ある１つの原子遷移に直接的に安定化される。図３の例では、これは、例えば１で参照される発生器である（しかしこれは同様に、２で参照される他方の発生器でもあり得る）。従って、上記の通り、ＴＨｚ源は第１の周波数安定化モジュール５を含み、この第１の周波数安定化モジュール５は、第１の発生器によって放出された第２の放射（ｉｉ）の周波数を、セル４内に含まれた原子のある１つの原子遷移に安定化させることを可能にする。第２の発生器は、その部分については、サーボ制御モジュール１４によって第１の発生器に対してサーボ制御される。サーボ制御モジュール１４の例示的な実施形態については以下で説明する。

図３に示すように、第１の発生器は、この例では、周波数ｗ_６＝ｑｗ_ａである少なくとも１つの第３の光放射（ｖｉ）を放出するのに適しており、ここでｑは１以上の整数である。上記の通り、第１の発生器によって放出される光放射は、同一の周波数であるか、又は位相がコヒーレントであるかのいずれかである。

サーボ制御モジュール１４は、この例では、信号Ｓ_２、例えば無線周波数信号を伝達するために、一方では第１の発生器によって放出された第３の放射（ｖｉ）及び第２の発生器によって放出された第２の放射（ｖｉｉ）を受け取り、他方では所与の周波数ｆ_０、例えば無線周波数又はマイクロ波周波数の、信号源８によって放出された第１の基準信号（Ｓ_１）を受け取るのに適した、第１の周波数比較器７を含む。サーボ制御モジュールは更に、第１の無線周波数信号Ｓ_２の周波数と無線周波数第２基準信号Ｓ_３の周波数との間の周波数差に特徴的な制御信号（典型的には制御電圧）を伝達するために、上記の第１の無線周波数信号Ｓ_２と、所与の周波数ｆ_１の、信号源１２によって放出される無線周波数第２基準信号Ｓ_３とを受け取るのに適した第２の周波数比較器１１を含み、より正確には、この制御信号の周波数はΔ_２＝（［ｑｗ_ａ－ｒｗ_ｂ］－ｋ×ｆ_０）－ｆ_１と書くことができ、ここでｋはゼロ以外の整数である。サーボ制御モジュールはまた、第２の発生器を制御するためのモジュール１３、例えば電圧比較器も含み、上記の制御信号に応じて、第２の発生器の放射周波数を制御することを可能にする。

従って、この例では、ＴＨｚ源の周波数安定化はまた、ある１つの原子遷移への安定化によって、しかし発生器のうちの１つに対しては間接的に、非常に安定的に得られる。

この例は、特に、連続的に周波数可変のＴＨｚ放射を形成することを可能にする。具体的には、無線周波数第２基準信号Ｓ_３の周波数ｆ_１が変動し、かつサーボ制御モジュールが閉ループ（Δ_２＝０）で動作する場合、周波数ｒｗ_ｂは、条件Δ_２＝０を維持するために、第２基準信号の周波数ｆ_１と同じ割合で変動する。従って、ＴＨｚ周波数は連続的かつ制御可能に変えられる。更に、ＴＨｚ周波数は既知であり、ＴＨｚ周波数を構成する放射の安定性と同じ安定性を有することになる、というのも、閉領域では、ｗ_７＝ｑｗ_ａ－ｋ×ｆ_０－ｆ_１であるからである。

同じ基準周波数の倍数であるが異なる周波数の３つの光放射を生成することが求められている場合には、図５に示され、公開されている仏国特許第３００４８２０Ｂ号明細書に記載されているような、「トライデント」タイプの発生器が場合によっては使用される。具体的には、この発生器は、例えば可視域及び／又は赤外域での３つのコヒーレントな同相の光放射を生成することが可能である。

より正確には、図５に示すコヒーレント・レーザー・ビームの発生器２０は、連続波レーザー源２１、例えば赤外線源、光増幅器２３、ＳＨＧ（第２高調波生成用）結晶２５、及びＳＦＧ（和周波生成用）結晶２７を含む。光増幅器、例えばエルビウムドープ・ファイバー増幅器は、レーザー源の放射出力が不十分である場合に、必要な光パワーを供給することを可能にする。増幅器は、光源に一体化されていてもよい。光源の放射光パワーが十分である場合には、光増幅器を使用しないことも可能である。赤外レーザー源１１によって放出され、光増幅器２３によって増幅されたレーザービーム１１１は、２つのビーム１１３及び１１４に分割され、これらのチャネルの各々に対する光パワーの割合は、発生器の下流で必要とされる出力に応じて最適化できる。第１のビーム１１４は、例えば７７２ｎｍの波長の、第１のビーム１１４の赤色域での第２高調波であるレーザービーム１１５を生成するために、第１の非線形結晶２５に直接的に結合される。第１の非線形結晶２５を通過しないＩＲの第２のビーム１１３は、予め赤色域で生成されたビーム１１５と重ね合わされ、２つのビーム１１３及び１１５は、赤色及び赤外（ＩＲ）の周波数を足し合わせるために、第２の非線形結晶２７に結合され、これにより、例えば５１５ｎｍの可視波長のビーム１１８がもたらされる。第２の非線形結晶２７から出力された他のビーム１１６及び１１７は、それぞれ赤外域及び赤色域での残りのビームである。有利にも、制御モジュール２６は、第２の非線形結晶２７への結合を見越して、ＩＲの第２のビーム１１３の結合パラメータを制御することを可能にし、これらのパラメータとはおそらくは、幾何学関連の、偏光関連の、及び／又は出力関連のパラメータである。これらの非線形結晶の温度もまた、これらの結晶の動作が確実に最適化されるようにするために、サーボ制御されることがある。制御モジュールは特に、ＳＦＧ非線形結晶２７の入力においてＩＲビームの光パワーを制御するための手段を含むことがあり、上記の手段は、緑色域で出力された光パワー（ビーム１１８）に対してサーボ制御される。このように説明した発生器により、（同じ赤外レーザービームから生成されているので）コヒーレントで同相である３つの光放射を、可視スペクトルの緑色帯域に加えてＩＲ及び赤色帯域で、放出することが可能になる。発生器２０は、ビームの伝搬が自由空間を介して又はファイバーを介しているモードで動作することがある。

従って、例えば図２の例では、「トライデント」タイプの２つの発生器が使用される場合、おそらくは以下の選択が行われる。
第１の発生器から出力される第１の光放射（ｉ）について、ｗ_１＝２ｗ_ａ。
第１の発生器から出力される第２の光放射（ｉｉ）について、ｗ_２＝３ｗ_ａ。
第１の発生器から出力される第３の光放射（ｖｉ）について、ｗ_６＝ｗ_ａ。
第２の発生器から出力される第１の光放射（ｉｉｉ）について、ｗ_３＝２ｗ_ｂ。
第２の発生器から出力される第２の光放射（ｉｉ）について、ｗ_４＝３ｗ_ｂ。
第２の発生器から出力される第３の光放射（ｖｉ）について、ｗ_７＝ｗ_ｂ。
ここで、ｗ_ｂ及びｗ_ａはそれぞれ第１及び第２の発生器の異なる基準周波数である。

従って、ｗ_ｂ及びｗ_ａが例えば赤外周波数である場合には、緑色域での光放射への発生器の周波数安定化、及び赤色域での放射によるＴＨｚ放射（ｖ）の生成、が得られる。

幾つかの詳細な例示的実施形態を通じて説明したが、本明細書による方法及びＴＨｚレーザー源は、当業者には明らかである様々な変形例、修正例、及び改良例を含む。それらの様々な変形例、修正例、及び改良例は、以降の特許請求の範囲によって定義されるような本明細書の主題の範囲内に含まれることを理解されたい。

Claims (10)

1. ＴＨｚレーザー源（１０）であって、
   － 周波数ｗ_１＝ｎｗ_ａである少なくとも１つの第１の光放射（ｉ）及び周波数ｗ_２＝ｍｗ_ａである１つの第２の光放射（ｉｉ）を放出するのに適した第１の発生器（１）であって、ｎ及びｍは１以上の整数であり、ｗ_ａは第１の基準周波数である、第１の発生器（１）と、
   － 周波数ｗ_３＝ｌｗ_ｂである少なくとも１つの第１の光放射（ｉｉｉ）及び周波数ｗ_４＝ｐｗ_ｂである１つの第２の光放射（ｉｖ）を放出するのに適した第２の発生器（２）であって、ｌ及びｐは１以上の整数であり、ｗ_ｂは前記第１の基準周波数ｗ_ａとは異なる第２の基準周波数である、第２の発生器（２）と、
   － 前記第１及び前記第２の発生器の各々によって放出される前記第１の光放射から、差周波発生によって生成される、ｗ_５＝ｎｗ_ａ－ｌｗ_ｂに等しく、かつ０．３ＴＨｚ～１０ＴＨｚの間に含まれる周波数のＴＨｚ光放射（ｖ）を形成するのに適した非線形結晶（３）と、
   － 前記第１及び前記第２の発生器のうちの一方によって放出される前記第２の放射のうちの一方の前記周波数をある１つの原子遷移に安定化させることを可能にする、少なくとも１つの第１の周波数安定化モジュールと、
   を含み、
   第１及び第２の周波数安定化モジュールを含み、その各々は、前記第１及び前記第２の発生器の各々によって放出される前記第２の光放射の前記周波数を、それぞれある１つの原子遷移に安定化させることを可能にし、
   － 前記第１の発生器（１）は、周波数ｗ _６ ＝ｑｗ _ａ である少なくとも１つの第３の光放射（ｖｉ）を放出するのに適しており、ここでｑは１以上の整数であり、
   － 前記第２の発生器（２）は、周波数ｗ _７ ＝ｒｗ _ｂ である少なくとも１つの第３の光放射（ｖｉｉ）を放出するのに適しており、ここでｒは１以上の整数であり、ｑｗ _ａ－ ｒｗ _ｂ はｎｗ _ａ －ｌｗ _ｂ の倍数又は約数であり、
   前記第１及び前記第２の発生器の各々によって放出される前記第３の放射と、所与の周波数（ｆ _０ ）の基準信号（Ｓ _１ ）とを受け取るのに適している周波数比較器（７）を更に含み、これにより、無線周波数の結果として得られる信号（Ｓ _２ ）を伝達し、前記信号（Ｓ _２ ）の周波数により、前記第３の放射間の周波数差を決定することが可能になる、ＴＨｚレーザー源（１０）。
2. 前記第１及び前記第２の発生器のうちの少なくとも一方の前記周波数は、光学遷移の線幅よりも広い周波数範囲内で調節可能であり、周波数可変ＴＨｚ源を形成することを可能にする、請求項１に記載のＴＨｚレーザー源。
3. － 前記発生器のうちの第１の発生器によって放出される前記第２の放射（ｉｉ）の前記周波数をある１つの原子遷移に安定化させることを可能にする、第１の周波数安定化モジュール（５）と、
   － 前記第１の発生器に対して前記第２の発生器をサーボ制御するためのモジュール（１４）と、
   を含む、請求項１に記載のＴＨｚレーザー源。
4. － 前記第１の発生器は、周波数ｗ_６＝ｑｗ_ａである少なくとも１つの第３の光放射（ｖｉ）を放出するのに適しており、ここでｑは１以上の整数であり、
   － 前記サーボ制御モジュールは、
   － 第１の無線周波数信号（Ｓ_２）を伝達するために、前記第１の発生器によって放出された前記第３の放射（ｖｉ）及び前記第２の発生器によって放出された前記第２の放射、並びに所与の周波数（ｆ_０）の第１の基準信号（Ｓ_１）を受け取るのに適した第１の周波数比較器（７）と、
   － 前記第１の無線周波数信号（Ｓ_２）の周波数と無線周波数第２基準信号（Ｓ_３）の周波数との間の周波数差に特徴的な制御信号を伝達するために、前記第１の無線周波数信号（Ｓ_２）、及び所与の周波数（ｆ_１）の前記無線周波数第２基準信号（Ｓ_３）を受け取るのに適した第２の周波数比較器（１１）と、
   － 前記制御信号に応じて、前記第２の発生器を制御するためのモジュール（１３）と、を含む、
   請求項３に記載のＴＨｚレーザー源。
5. 周波数可変ＴＨｚ源を形成するために、前記第２の発生器は周波数可変であり、前記無線周波数第２基準信号（Ｓ_３）の前記周波数は可変である、請求項４に記載のＴＨｚレーザー源。
6. 前記第１及び前記第２の発生器のうちの少なくとも１つは、可視及び／又は赤外域における異なる周波数の少なくとも３つの光放射を生成するのに適した「トライデント」タイプの発生器であり、前記少なくとも３つの光放射は、互いに固定の位相関係を有する、請求項１～５のいずれか一項に記載のＴＨｚレーザー源。
7. 前記原子遷移はヨウ素の原子遷移である、請求項１～６のいずれか一項に記載のＴＨｚレーザー源。
8. ＴＨｚ光放射を放出するための方法であって、
   － 第１の発生器（１）を用いて周波数ｗ_１＝ｎｗ_ａである第１の光放射（ｉ）及び周波数ｗ_２＝ｍｗ_ａである第２の光放射（ｉｉ）を生成するステップであって、ｎ及びｍは１以上の整数であり、ｗ_ａは第１の基準周波数である、ステップと、
   － 第２の発生器（２）を用いて周波数ｗ_３＝ｌｗ_ｂである第１の光放射（ｉｉｉ）及び周波数ｗ_４＝ｐｗ_ｂである第２の光放射（ｉｖ）を生成するステップであって、ｐは１以上の整数であり、ｗ_ｂはｗ_ａとは異なる第２の基準周波数である、ステップと、
   － 前記第１及び前記第２の発生器によって放出される前記第１の放射から、差周波発生によって生成される、ｗ_５＝ｎｗ_ａ－ｌｗ_ｂに等しく、かつ０．３ＴＨｚ～１０ＴＨｚの間に含まれる周波数のＴＨｚ光放射（ｖ）を形成するステップと、
   － 前記第１及び前記第２の発生器によって放出される前記第２の光放射のうちの少なくとも１つの光放射の前記周波数を安定化させるステップと、
   を含み、
   － 前記第１の発生器（１）を用いて周波数ｗ _６ ＝ｑｗ _ａ である少なくとも１つの第３の光放射（ｖｉ）を生成するステップであって、ｑは１以上の整数である、ステップと、
   － 前記第２の発生器（２）を用いて周波数ｗ _７ ＝ｒｗ _ｂ である少なくとも１つの第３の光放射（ｖｉｉ）を生成するステップであって、ｒは１以上の整数であり、ｑｗ _ａ－ ｒｗ _ｂ はｎｗ _ａ －ｌｗ _ｂ の倍数又は約数である、ステップと、
   － ｑｗ _ａ－ ｒｗ _ｂ を、前記生成されたＴＨｚ放射の前記周波数をそこから導き出すために、測定するステップと、
   を更に含む、ＴＨｚ光放射を放出するための方法。
9. － 前記第１及び前記第２の基準周波数のうちの少なくとも１つ（ｗ_ａ及び／又はｗ_ｂ）を変えるステップと、
   － 前記第１及び前記第２の発生器によって放出される前記第１の光放射のうちの少なくとも１つを、少なくとも１つの第２の原子遷移に安定化させるステップと、
   を更に含む、請求項８に記載のＴＨｚレーザー放射を放出するための方法。
10. － 前記発生器のうちの第１の発生器によって放出される前記第２の放射の前記周波数を、ある１つの原子遷移に安定化させるステップと、
    － 前記第１の発生器に対して前記第２の発生器をサーボ制御するステップと、
    を含む、請求項８に記載のＴＨｚレーザー放射を放出するための方法。

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