JPH06110095A - ミリ波・サブミリ波発生方法ならびにその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ミリ波・サブミリ波を光波による差周波発生
によって室温動作で高能率に発生する発生方法とその装
置を提供する。 【構成】 光波領域ならびにミリ波・サブミリ波領域で
損失が小さく、非線形光学係数の大きい非線形光学結晶
を用いる。近赤外または可視域の入射光波周波数ω_１・
ω_２に対して、その材料の有する最大の非線形成分（例
えばｄ_３３）の極性が周期Ｔごとに逆転するように、結
晶軸（例えばＺ軸）を交互に対向配置する。ω_１・ω_２
・ω_３は同一光軸上になり、ω_１−ω_２＝ω_３の出射光
波周波数をミリ波・サブミリ波として得る。周期Ｔは、
ωに対する波長λと屈折率ｎとにもとづいて決定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、周波数（すなわち波
長）の異なった２つの光波を非線形媒質中で混合するこ
とにより、ミリ波またはサブミリ波（以下、ミリ波・サ
ブミリ波という）帯の差周波光を効率よく発生させる発
生方法ならびにその方法を用いてミリ波・サブミリ波を
発生する非線形光学構成の装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光波帯の周波数において、周波数（波
長）の異なる２光波（ω_１、ω_２）を非線形光学結晶中
で混合させてそれらの差に相当する周波数成分（ω_３＝
ω_１−ω_２）が得られることは知られている。この方法
によってミリ波・サブミリ波を発生させるためには、発
生させるミリ波サブミリ波の周波数だけ僅かに異なるレ
−ザ−光を混合することによって実現される。

【０００３】また、２光波を２乗検波すれば差周波成分
を検出（ヘテロダイン検出）できることから、ミリ波・
サブミリ波帯までの帯域を持つ光検出器によっても、差
周波成分を発生できる。

【０００４】非線形光学結晶中での光波の混合によるミ
リ波・サブミリ波発生において、光波間の位相整合、す
なわち運動量の保存条件を満足させることは重要であ
る。従来技術では、結晶の屈折率の波長依存性が大きな
ことから、同一光軸上での動作は不可能である。こうし
た光波間の位相整合を実現するため、従来技術では、入
射光波と発生するミリ波・サブミリ波がほぼ垂直に近い
角度関係をもつことが要請される。このため、相互作用
長や相互作用体積を大きく取ることができず、発生効率
の減少をきたしており、基礎実験が報告されたにすぎな
かった。

【０００５】また、一般に異なった波長間での非線形相
互作用においては、エネルギー保存のもとでの位相整合
が重要となる。この条件が満足されない状態では、相互
作用により発生する非線形分極波から発生する波（光波
やミリ波・サブミリ波）が、伝搬にともなって互いに干
渉して打ち消し合い、十分に大きな変換効率を実現する
ことができない。

【０００６】差周波発生においてエネルギー保存の関係
は、

【数１】 ここで、ω_１、ω_２（ω_１＞ω_２）は入射光波の角周波
数であり、ω_３は発生させるミリ波・サブミリ波の角周
波数である。以下、添字_１、_２、_３は各周波数の成分に
対応する。

【０００７】位相整合すなわち運動量保存の関係は、

【数２】 によって与えられる。ここでｋは伝搬定数であり、位相
の不整合成分△ｋは

【数３】 で与えられる。

【０００８】差周波成分は、位相不整合成分によって正
弦波状に増減を繰り返す。この正弦波の周期を２Ｌ_ｃと
するとき、Ｌ_ｃをコヒ−レンス長と呼び、次式の関係で
結ばれる。

【数４】 Ｌ_ｃ（またはその整数倍）毎に発生する波（分極波）の
符号の反転が何らかの方法で実現できれば、この２Ｌ_ｃ
毎に繰り返される打ち消しの現象を除去し、逆に加え合
わせを生じさせることができる。

【０００９】この方法が疑似位相整合（Ｑｕａｓｉ−Ｐ
ｈａｓｅ Ｍａｔｃｈｉｎｇ）、つまり、ＱＰＭであっ
て、有効な非線形相互作用が達成できる。この基本的な
考えは１９６２年に文献などによって提案されてお
り、１９８８年以降になって近赤外光の第２高調波発生
に適用する具体的な技術が開発され、文献などに開
示されている。

【００１０】〔文献〕 Ｊ．Ａ．Ａｒｍｓｔｒｏｎｇ， Ｎ．Ｂｌｅｏｍｂｅｒ
ｇｅｎ， Ｊ．Ｄｕｃｕｉｎｇ， ａｎｄ Ｐ．Ｓ．Ｐ
ｅｒｓｈｅｎ， Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．， ｖｏｌ．１２
７， ｐ．１９１８ （１９６２）．

【００１１】〔文献〕 張、伊藤、稲場、第４９回応用物理学学術講演会講演予
稿集、７ａ−ＺＤ−９、（１９８８）． 〔文献〕 Ｅ．Ｊ．Ｌｉｍ， Ｍ．Ｍ．Ｆｅｊｅｒ， ａｎｄ
Ｒ．Ｌ．Ｂｙｅｒ，Ｅｌｅｃｔｒｏｎ． Ｌｅｔｔ．，
ｖｏｌ．２５， ｐ．７３１ （１９８９）．

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上記の疑似位相整合に
ついて、つまり、Ｌ_cごとに発生する分極波の極性の反
転について、何らかの解決策が得られれば、ミリ波・サ
ブミリ波の差周波発生において同一光軸上で位相整合を
任意の非線形光学材料について実現できる。

【００１３】この結果、最適な材料を用いて相互作用体
積を大きくできるとともに相互作用長も長く取れ、ミリ
波・サブミリ波差周波発生において変換効率を大幅に上
昇できることになるが、これを具体的にどのように構成
して疑似位相整合を可能にすべきかという課題がある。

【００１４】

【発明を解決するための手段】疑似位相整合において
は、各波の伝搬方向を同一とするコリニアな相互作用が
実現される。コリニアの場合には、上記の式、式、
式は、すべてスカラー量の関係となり、次式のように
書き直される。

【数５】 ここで、λは波長、ｎは屈折率である。

【００１５】この疑似位相整合の考えを、新たにミリ波
・サブミリ波発生に拡張し、これをミリ波・サブミリ波
発生装置の構成方法に具体化したものが本発明である。
本発明は、上記の式による結晶の非線形光学係数の符
号を一定の周期で反転させることにより、ミリ波・サブ
ミリ波の発生を光軸と同一方向（コリニア）に、疑似位
相整合により実現することを特徴とするものである。

【００１６】

【実施例】以下、図により実施例を説明する。図１は、
本発明装置の中心である周期構造非線形光学結晶の構成
を示す。図に示すように、一定の周期Ｔで非線形光学結
晶の結晶軸方向を交互に変化させる構造をもつ差周波発
生装置を用いて、ミリ波・サブミリ波を発生させるもの
である。

【００１７】このとき、周期Ｔを

【数６】 とすると非線形結晶中で誘起される非線形分極の符号が
Ｌ_ｃ毎に反転することから、疑似位相整合が達成できる
ことになる。具体的な周期は、発生させる波長と、入射
光の波長、ならびにそれらの波長における材料の屈折率
の値から、式の関係を用いて決定することができる。

【００１８】図２は、発生装置全体の構成である。ミリ
波・サブミリ波帯を発生させるには、レ−ザ１、レ−ザ
２の発振波長差は近赤外域の光波に対しては０．５〜５
ｎｍ程度となる。任意の発振波長差を得たり、発生する
ミリ波・サブミリ波の波長を連続的に掃引するには、発
振波長の可変なレ−ザ光源が求められる。

【００１９】具体的なレ−ザとしては、波長可変な固体
レーザ、例えば、Ｔｉ：サファイアレ−ザ、Ｃｒ：Ｌｉ
ＳｒＡｌＦ_６レーザ、Ｃｒ：ＬｉＣａＡｌＦ_６レーザ、
または、色素レ−ザ、さらには、半導体レ−ザ、およ
び、それらの組み合わせが用いられる。

【００２０】図１の非線形光学材料としては、２次の非
線形光学係数の値が大きく、近赤外域で吸収損失がほと
んど無く、かつミリ波、サブミリ波帯での吸収損失も小
さいことが必要である。

【００２１】誘電率は光波帯では電子分極によるが、ミ
リ波・サブミリ波帯ではイオン分極の寄与が付加される
ことから、光波帯の値と比べて大きな値となる。疑似位
相整合では最大の非線形光学テンソル成分を利用できる
方位と偏波方向を自由に選択できる特徴を持つが、これ
は、ミリ波・サブミリ波発生の場合においても同様であ
る。

【００２２】図２において、ω_１、ω_２の発振周波数を
有するレ−ザの出力を、図１の周期構造非線形光学結晶
に入射させる。このとき、入出力波長と周期の間には式
の関係が満足されねばならない。

【００２３】非線形光学材料として代表的な、ニオブ酸
リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）について、式の条件を計算
したものを図３に示す。ニオブ酸リチウムで最大の非線
形光学テンソル成分はｄ_３３である（ＷＩＬＥＹ−ＩＮ
ＴＥＲＳＣＩＥＮＣＥ社、１９８３年発行、Ａ．ＹＡＲ
ＩＶ他著、「ＯＰＴＩＣＡＬ ＷＡＶＥＳ ＩＮ ＣＲ
ＹＳＴＡＬＳ」５１２〜５１５頁、表１２．２参照）こ
とから、この成分を有効に利用するには、図１に示すよ
うに結晶のＺ軸が互いに逆向きとなるような構造を有す
るＸカット板またはＹカット板を用いることになる。

【００２４】また、周期Ｔは、発生する波長に応じて図
３にみられるように数十ミクロンから数百ミクロンの程
度となる。入射光、出力光の偏波方向はいずれもＺ軸に
平行となる。λ_１＝８２５ｎｍとし、λ_２はλ_１より小
さいものとして計算した一例である。

【００２５】図４には、一方の入射波長λ_１に対する周
期の依存性をサブミリ波領域の３００μｍ、６００μ
ｍ、９００μｍについて計算した結果であり、入射波長
についての依存性は小さい。

【００２６】図１に示すような周期構造非線形光学結晶
の具体的な構成方法を次に述べる。必要な厚さに光学研
磨されたＸカット（またはＹカット）ニオブ酸リチウム
結晶板を、適当な断面積の一定の大きさに切断し、Ｚ軸
方向が互いに逆向きとなるように、オプティカルコンタ
クトにより張り合わせて所望の相互作用長を実現する。

【００２７】一層の厚さが１００ミクロン以下と薄い場
合など、張り合わせのみで光学的平面や強度が得られな
い場合には、支持板としてミリ波、サブミリ波帯におい
て損失が小さな厚い基板（ニオブ酸リチウムのブロック
材でも可）に張り付けていくことも可能である。

【００２８】全長、つまり、相互作用長Ｌ_ｍは、このよ
うな製作方法であることから積層枚数で決定され、特に
制限は無く、変換効率を大きくとるために、５ミリメー
トルないしは５０ミリメートルにするのが一般的である
が、この相互作用長Ｌ_ｍは、結晶材料の光吸収係数、光
源のスペクトル拡りおよび安定性によって制限されるこ
とになる。

【００２９】発生する出力の簡単な見積りを行う。差周
波発生による出力は、次の式の関係式で与えられる。

【数７】 ここで、Ｐは光波／電磁波強度、Ａはビ−ム断面積、ε
₀は真空中での誘電率、μ₀は真空中での透磁率である。
非線形光学テンソルは誘電率と密接な関係にあり、その
関係はミラーの法則（Ｍｉｌｌｅｒ’ｓ Ｒｕｌｅ）で
結ばれる。

【００３０】その結果、非線形結晶の性能指数であるｄ
²／ｎ³は、サブミリ波になると光波間の相互作用の場合
に比して約２０倍大きい値をとる。これらを考慮する
と、波長３００μｍのサブミリ波発生において、入射光
波長を８２５ｎｍ近傍で、それぞれ５Ｗの光パワーでビ
−ムの面積を１ｍｍ^２とし、相互作用長２０ｍｍとする
と、疑似位相整合によって得られるサブミリ波出力は約
１００μＷが得られることになる。

【００３１】また、入射光パワーおよび相互作用長の２
乗に変換出力は比例することから、入射光にピ−ク出力
の大きなパルスレ−ザ光を用いることにより、変換効率
の大幅な向上が計られる。

【００３２】上記の説明から分かるように、本発明にお
いて、非線形光学係数の符号を変えるということは、結
晶軸Ｚの方向を反対に変えることを言い、例えば、上記
のテンソル成分ｄ_３３を＋ｄ_３３と−ｄ_３３とに変える
ことを指すものであり、また、周期とは、例えば、この
テンソル成分で言うと、結晶内における対象光波の入力
から出力への伝搬方向の＋ｄ_３３領域と−ｄ_３３領域と
を加えた長さを指すものであり、さらに、周期的とはこ
の周期を規則的に繰り返すことを指すものであることは
言うまでもない。

【００３３】〔変形実施〕この発明は次のように変形し
て実施することができる。 （１）ミリ波・サブミリ波の取り出し効率改善 ミリ波・サブミリ波帯における屈折率の値は、一般に光
波帯のそれに比べ２倍程度とたいへん大きな値を取る。
このため、出力部の境界における強度反射係数は、研磨
面で６０％程度となり、１／３程度しか外部に出力を取
り出せないことになる。

【００３４】そこで、発生したミリ波、サブミリ波を効
率よく結晶外に取り出すために、図５に示すように出力
側にブリュースタ角の取り出し部を設け、必要な偏波成
分に対して反射損失が皆無となるようにすることによ
り、この問題を解決できる。

【００３５】例えば、ニオブ酸リチウムでは、ω_３に対
するブルースタ角θ_Ｂは約１１°であり、出射角θ_３は
約８０°となる。また、この出力部の構造は、周期構造
非線形光学結晶の支持材としても利用でき、光学的精度
の向上に寄与する。

【００３６】（２）共振器構造による効率改善 結晶の両端面を蒸着して入射光に対する光共振器を形成
することにより、内部の電界が共振器のＱ値倍程度に増
大されることから、相互作用効率の大幅の増大が計れ
る。

【００３７】この構成例を図６に示す。入射側、出射側
の反射鏡はω₁、ω₂の波長に対して高い反射率を有し、
出射側はω₃に対して透過性の良いことが望まれる。ま
た、この際、光共振器の共振と入射光波の位相関係は常
に一定となるように調整が必要である。

【００３８】（３）ニオブ酸リチウム以外の材料による
構成 実施例で述べたニオブ酸リチウム以外に、本方式は各種
の非線形光学材料で実現可能である。用いる材料の条件
としては、用いる入力光波の波長帯と、発生させるミリ
波、サブミリ波帯で吸収損失が十分小さく、かつ非線形
光学係数が大きなことである。

【００３９】このような条件を満たすものとしては、タ
ンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、ＫＴＰ、ＫＮｂＯ
_３などの無機強誘電体材料、ＧａＡｓ、ＩｎＰなどのＩ
ＩＩ族・Ｖ族半導体、ＺｎＳｅ、ＣｄＳなどのＩＩ族・
ＶＩ族の化合物半導体、ならびにＭＮＡに代表される有
機非線形光学材料も利用できる。

【００４０】いずれの材料についても、最大のテンソル
成分を利用できる結晶の方位と偏波方向を選択して、式
の条件に基づき周期の条件が設定できる。いずれの場
合にも周期は数十ミクロンから数百ミクロンであり、本
発明で詳述したニオブ酸リチウムによる周期構造非線形
光学結晶の構成と同様に、平行平板の一定の厚さの鏡面
材料を結晶軸を周期的に逆転して積層する事により実現
される。

【００４１】特に、非線形係数が極めて大きいにもかか
わらず任意の方位での結晶加工が難しい、有機非線形光
学結晶も本方法によって利用ができる。また、結晶薄膜
の製作方法についても、ラングミュラーブロジェット膜
（ＬＢ膜）を所望の厚さ製作し、その方位を考慮して積
層する事も可能である。

【００４２】（４）周期のチャーピングについて 疑似位相整合条件を満たす式の条件は理想的に単色の
入射光に対して単色出力が得られるが、実際には実験条
件の変化や光源のスペクトルに幅を持つことから、結晶
の周期に対してもチャーピングをかけることにより疑似
位相整合条件に幅（帯域）をもたせることが可能であ
る。特に本発明の積層構造では、自由にその周期を同一
素子内で変化できることが大きな特色である。

【００４３】

【発明の効果】特にサブミリ波領域は、従来技術の半導
体固体素子や電子管、あるいは気体レ−ザによっても広
い帯域で高い効率で発生させることが極めて困難な領域
であったが、本発明によれば、光波の差周波発生により
広い帯域においてミリ波・サブミリ波発生を半導体類に
よって効率よく発生し得る発生方法が得られ、また、こ
の発生方法を利用することにより、室温動作でミリ波・
サブミリ波発生する非線形光学装置を提供し得るなどの
特長がある。

【図面の簡単な説明】

図面は、この発明の実施例を示し、各図の内容は次のと
おりである。

【図１】周期構造非線形光学結晶の基本構成の概念を示
す要部斜視図

【図２】光波の差周波発生によるミリ波・サブミリ波発
生装置のブロック構成図

【図３】入射波長λ_１を８２５ｎｍに固定したときの、
サブミリ波波長λ_３と周期ならびにこれと対応した他方
の入射波長λ_２との関係を示す線図

【図４】入射波長λ_１と周期Ｔの関係を示す線図

【図５】ミリ波・サブミリ波出力のブルースタ角取り出
し部を有する周期構造非線形光学結晶の構成を示す要部
側面図

【図６】両端部に光波λ_１、λ_２についての光共振器を
有する周期構造非線形光学結晶の構成を示す要部側面図

【符号の説明】

ω_１ 周波数 ω_２ 周波数 ω_３ 周波数 Ｚ 結晶軸 Ｔ 周期

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ミリ波またはサブミリ波帯の周波数を、
   非線形光学係数の符号を周期的に逆転させた非線形光学
   結晶での疑似位相整合により、入射光波間の差周波混合
   を同一光軸上（コリニア）で行うことを特徴とするミリ
   波またはサブミリ波の発生方法。
2. 【請求項２】 請求項１の発生方法を用いるミリ波また
   はサブミリ波発生装置であって、前記非線形光学結晶に
   ニオブ酸リチウムの最大の非線形テンソル成分ｄ_３３を
   用いることを特徴とするミリ波またはサブミリ波発生装
   置。
3. 【請求項３】 請求項１の発生方法を用いるミリ波また
   はサブミリ波発生装置であって、前記周期非線形光学結
   晶の出力部をミリ波またはサブミリ波に対してブルース
   タ角度をもつ形状に形成することにり前記出力部の反射
   損失を除去し得るようにしたことを特徴とするミリ波ま
   たはサブミリ波発生装置。
4. 【請求項４】 請求項１の発生方法を用いるミリ波また
   はサブミリ波発生装置であって、前記周期非線形光学結
   晶の両端部を、入射光波およびミリ波・サブミリ波に対
   する光共振器構造にして内部電界を大きくする構造によ
   り前記ミリ波またはサブミリ波の発生効率を向上し得る
   ようにしたことを特徴とするミリ波またはサブミリ波発
   生装置。