WO2009131113A1 - テラヘルツ波ビーム走査装置と方法 - Google Patents

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WO2009131113A1
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terahertz
laser beam
terahertz wave
linear
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謙一郎 牧
孝幸 澁谷
知行 大谷
晃道 川瀬
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独立行政法人理化学研究所
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
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    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H01Q3/30—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array
    • H01Q3/34—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means
    • H01Q3/42—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means using frequency-mixing
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    • G02F1/35—Non-linear optics
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    • H01Q19/06—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using refracting or diffracting devices, e.g. lens
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    • H01Q19/062—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using refracting or diffracting devices, e.g. lens for focusing
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    • G02F2203/00—Function characteristic
    • G02F2203/13—Function characteristic involving THZ radiation

Definitions

  • the present invention relates to a terahertz beam scanning apparatus and method (apparatus and method of Terahertz BeamSteering) for scanning a terahertz wave beam.
  • a terahertz wave is an electromagnetic wave located between radio waves and infrared rays and having a frequency of 0.3 to 10 THz (wavelength 30 ⁇ m to 1 mm). For this reason, terahertz waves are expected to be a practical tool for fluoroscopic imaging of various objects because of their transparency to various materials such as paper and plastic, and appropriate spatial resolution. Has been.
  • terahertz wave with directionality a terahertz focused beam
  • Patent Documents 1 to 3 have already been proposed as means for scanning a terahertz wave beam while fixing a sample in order to increase the speed of fluoroscopic imaging using terahertz waves.
  • Patent Document 1 uses a galvano scanner mirror for laser beam scanning.
  • Patent Document 2 scans a terahertz wave beam using a phased array antenna.
  • a terahertz wave is generated by difference frequency mixing using two laser beams having different wavelengths
  • the phase difference of the laser beam is shifted by using an optical phase shifter for each array element.
  • the wavefront of the wave beam is tilted indirectly to scan the terahertz wave beam.
  • Patent Document 3 scans a beam by collectively controlling the phase of the entire array using a single spatial light phase modulator instead of the large number of optical phase shifters in Patent Document 2.
  • JP 2006-224142 A “Laser scanning device and laser marking device, and laser marking method” JP 2007-103997 A, “Electromagnetic wave radiation device” JP 2008-5205 A, “Optical Control Type Phased Array Radar Device”
  • the galvano scanner mirror of Patent Document 1 has a problem that the operation speed is slow at a maximum of 1 kHz (1000 times per second) because the mirror is mechanically operated.
  • Patent Document 2 an optical phase shifter is used for each array element.
  • the scale of the array is increased, it is necessary to use a large number of phase shifters corresponding to the number of elements. There is a problem that the scale and cost of the system become high.
  • an electrical phase shifter using liquid crystal has been studied. However, until now, the amount of phase shift has not been sufficient, and it has been difficult to scan a terahertz beam at a high speed and a wide angle.
  • Patent Document 3 a single spatial light modulator is used instead of a large number of phase shifters, but the response speed of the modulator is slow, so that it is not suitable for high-speed scanning of a terahertz wave beam.
  • an object of the present invention is to provide a terahertz wave beam scanning apparatus and method capable of scanning a terahertz wave beam at high speed and at a wide angle.
  • a laser device that generates a first laser beam and a second laser beam having different wavelengths;
  • a laser optical system for condensing the first laser light and the second laser light at the same common focus;
  • a terahertz generator located at the common focus and generating a terahertz wave beam by difference frequency mixing, and
  • the laser optical system is configured to be capable of changing a relative incident angle between the first laser beam and the second laser beam to the terahertz generator.
  • the laser optical system is located between a first focus located upstream of the common focus and collects the first laser light passing through the first focus at the common focus.
  • a confocal lens system to light A beam combiner that is positioned between the first focus and the confocal lens system and reflects the second laser light that has passed through the transfer position of the first focus onto the optical axis of the confocal lens system;
  • a laser beam deflecting device positioned at the first focal position or the transfer position and deflecting the first laser beam or the second laser beam passing therethrough.
  • the laser beam deflecting device is an electro-optic deflector or a galvano scanner.
  • the laser device is a two-wavelength laser device that simultaneously generates a first laser beam and a second laser beam having different wavelengths.
  • the laser device comprises: a broadband laser device that generates broadband laser light; a dispersion element that spatially disperses the wavelength component of the broadband laser light; and a distributed broadband device.
  • a cylindrical lens that converts laser light into parallel and converts the cross-sectional shape into a linear beam extending in one direction, and a beam splitter that divides the linear beam into substantially the same first linear beam and second linear beam.
  • a shift optical system for shifting the first linear beam or the second linear beam in the one direction, The first linear beam is the first laser beam, and the second linear beam is the second laser beam.
  • the first laser beam and the second laser beam having different wavelengths are generated, Changing the relative incident angle between the first laser beam and the second laser beam to the terahertz generator to focus the first laser beam and the second laser beam on the same common focus;
  • a terahertz wave beam scanning method is provided in which a terahertz wave beam is generated in a direction in which the incident angle is enlarged by a terahertz generator located at the common focal point.
  • the laser optical system is configured to change the relative incident angle between the first laser beam and the second laser beam to the terahertz generator.
  • the first laser beam and the second laser beam having different wavelengths are generated, and the relative incident angle between the first laser beam and the second laser beam to the terahertz generator is changed by the laser optical system to change the first laser beam.
  • the light and the second laser light are collected at the same common focus, and a terahertz wave beam is generated in a direction in which the incident angle is enlarged by a terahertz generator (for example, a nonlinear optical element) located at the common focus.
  • a terahertz generator for example, a nonlinear optical element
  • a terahertz generator for example, a non-linear optical element
  • a first laser beam and a second laser beam for example, two infrared lasers
  • a terahertz wave beam is generated by mixing, the terahertz wave beam can be scanned at a high speed at a wide angle several hundred times by slightly changing the incident angle of one laser beam.
  • the scanning speed of the terahertz wave beam can be improved by 1000 times compared to the conventional mechanical scanning. Is possible.
  • FIG. 1 is a first embodiment of a terahertz beam scanning apparatus according to the present invention. It is a block diagram at the time of applying the terahertz beam scanning apparatus 10 of this invention to a high-speed imaging system. 1 is an overall configuration diagram of a test apparatus according to the present invention.
  • FIG. It is a figure which shows intensity distribution of the terahertz wave beam 4 at the time of changing incident angle (theta) i of the laser beam 1.
  • FIG. It is a relationship diagram of a radiation angle theta T of the terahertz beam 4 with respect to the incident angle theta i of the laser beam 1.
  • FIG. It is a principle diagram of the apparatus of FIG.
  • FIG. 1A to 1C are diagrams illustrating the scanning principle of a terahertz wave beam according to the present invention.
  • FIG. 1A shows a case where the terahertz wave beam is directed to the left side
  • FIG. 1B is directed to the front side
  • FIG. 1C is directed to the right side.
  • 1A to 1C 1 is a first laser beam, 1a is a wavefront of the first laser beam, 2 is a second laser beam, 2a is a wavefront of the second laser beam, and 3 is a terahertz generator (in this example, a nonlinear optical element) ) 4 is a terahertz wave beam, 4a is a wavefront of the terahertz wave beam, ⁇ i is a relative incident angle between the first laser beam 1 and the second laser beam 2 to the terahertz generator (in this example, the first laser beam) 1 incident angle), ⁇ T is the radiation angle of the terahertz beam.
  • the difference frequency mixing means that the terahertz generator 3 (nonlinear optical element in this example) is irradiated with two laser beams 1 and 2 (first laser beam and second laser beam) having different wavelengths as shown in FIG. 1B.
  • FIGS. 1A and 1C when the incident angle of the first laser beam 1 on one side is slightly inclined, the phase difference 5 generated between the second laser beam 2 and the other second laser beam 2 varies depending on the position. It changes linearly.
  • the electromagnetic wave generated from the two laser beams 1 and 2 is expressed by the equation (1) of Formula 1.
  • Equation (1) represents a signal of a direct current, a second harmonic, a sum frequency, and a difference frequency component, respectively.
  • Expression (2) of Expression 2 the expression of the fourth term is rewritten as Expression (2) of Expression 2.
  • ⁇ T is the angular frequency of the terahertz wave.
  • Equation (2) means is that the phase of the generated terahertz wave is equal to the phase difference between the two laser beams. Accordingly, as shown in FIGS. 1A and 1C, when the incident direction of the first laser beam 1 on one side is tilted, the phase of the terahertz wave beam 4 generated from each position also changes, and the wavefront of the terahertz wave beam 4 radiated from the whole is changed. Since 4a inclines, the advancing direction inclines. Therefore, by controlling the incident angle ⁇ i of the first laser beam 1 on one side, the terahertz wave beam 4 can be scanned (vibrated left and right in the drawing).
  • the greatest feature of the present invention is the size of the scanning angle of the terahertz wave beam 4.
  • the phase difference between the two laser beams generated by tilting the incidence of the first laser beam 1 to the left is expressed by Equation (3) in Formula 2.
  • Equation (5) Equation (5)
  • an infrared laser is used to generate the terahertz wave beam 4, and the wavelength of the terahertz wave beam 4 is several hundred times longer than that of infrared rays. That is, since the value of k i / k T in the equation (5) is very large, the relative incident angle between the first laser beam and the second laser beam to the terahertz generator (that is, the first laser beam 1). simply by changing the angle of incidence theta i) slightly, which means that the terahertz beam 4 is scanned by the several hundred times the radiation angle theta T.
  • FIG. 2 is a diagram showing a relationship between an incident angle ⁇ i (Incident angle of the laser) of laser light and a radiation angle ⁇ T (Radiation angle of THz radiation) of a terahertz wave.
  • ⁇ i incident angle of the laser
  • ⁇ T radiation angle of THz radiation
  • FIG. 3 is a diagram showing a first embodiment of a terahertz beam scanning apparatus according to the present invention.
  • a terahertz beam scanning device 10 of the present invention includes a laser device 12, a laser optical system 14, and a terahertz generator 16.
  • the laser device 12 generates a first laser beam 1 and a second laser beam 2 having different wavelengths.
  • the laser optical system 14 focuses the first laser beam 1 and the second laser beam 2 on the same common focal point 14b.
  • the laser optical system 14 is configured to change the incident angle ⁇ i of the first laser beam 1 (or the second laser beam 2) to the terahertz generator 16.
  • the changing direction of the incident angle ⁇ i that is, the scanning direction is in the same plane (on the paper surface in this figure) in this example, but two-dimensionally, for example, a horizontal angle ⁇ and a vertical angle ⁇ . It may be deflected (scanned).
  • the laser optical system 14 includes a confocal lens system 17, a beam combiner 18, a reflection mirror 19, and a laser beam deflecting device 20.
  • the confocal lens system 17 is located between the common focal point 14b and the first focal point 14a located on the upstream side, and condenses the first laser light 1 that has passed through the first focal point 14a on the common focal point 14b. It has become.
  • the confocal lens system 17 includes two convex lenses 17a and 17b (or a convex lens group), has focal lengths F 1 and F 2 , respectively, and the interval is set to F 1 + F 2 . .
  • the focal lengths F 1 and F 2 are preferably the same, but may be different.
  • the beam combiner 18 is located between the first focal point 14a and the confocal lens system 17, and the second laser light 2 that has passed through the transfer position of the first focal point 14a (for example, the position of the reflection mirror 19) is confocal lens. Reflected on the optical axis of the system 17.
  • the laser beam deflecting device 20 is an electro-optic deflector in this example, and is positioned at the first focal position 14a and deflects the first laser beam 1 passing therethrough.
  • the deflection direction that is, the scanning direction of the laser light is in the same plane (on the paper surface in this figure) in this example, but may be deflected (scanned) two-dimensionally.
  • a galvano scanner is used instead of or in combination with the electro-optic deflector, and is installed at or near the transfer position of the first focal point 14a to deflect the second laser light 2 two-dimensionally. Also good.
  • Terahertz generator 16 is a non-linear optical element in this example, lie in a common focal point 14b of the laser optical system 14 generates a terahertz beam 4 in a direction to expand the incident angle theta i by difference frequency mixing.
  • the traveling direction of the first laser beam 1 is controlled by the high-speed optical deflector (electro-optic deflector 20), and is coupled to the second laser beam 2 using the beam combiner 18. .
  • the first laser beam 1 and the second laser beam 2 are incident on the nonlinear optical element 16 through the two lenses 17a and 17b.
  • the reason for this configuration is to change the incident angle ⁇ i of one (first laser beam 1) while the first laser beam 1 and the second laser beam 2 are overlapped on the nonlinear optical element 16. .
  • FIG. 4 is a configuration diagram when the terahertz beam scanning apparatus 10 of the present invention is applied to a high-speed imaging system.
  • 7 is a measurement sample
  • 22 is a confocal lens system
  • 24 is a terahertz wave detector.
  • the confocal lens system 22 includes two convex lenses 22a and 22b (or a convex lens group), has focal lengths F 3 and F 4 , respectively, and the interval is set to F 3 + F 4 .
  • two lenses 22a and 22b and a terahertz wave detector 24 are added to the downstream side of the terahertz beam scanning apparatus 10 of the present invention, and the measurement sample 7 is placed between the lenses.
  • the generated terahertz wave beam 4 travels in a direction perpendicular to the measurement sample 7 via the first lens 22a and is collected on the sample 7.
  • the terahertz wave beam 4 transmitted through the sample 7 is incident on the terahertz wave detector 24 through another lens 22b.
  • the focal point moves on the measurement sample 7. Further, the beam 4 is always incident on the detector 24 regardless of the direction in which the beam 4 is controlled.
  • FIG. 5 is an overall configuration diagram of the test apparatus of the present invention.
  • a laser device 12 is a two-wavelength laser device (OPO) that generates a first laser beam 1 and a second laser beam 2 having different wavelengths simultaneously from the same position and in the same direction.
  • 11b and 11c and the diffraction grating 13 are used to deflect the first laser beam 1 to the laser beam deflecting device 20 and the second laser beam 2 to the beam combiner 18, respectively.
  • the nonlinear optical element 16 is PPLN (one of nonlinear optical elements)
  • the laser beam deflecting device 20 is a manual rotating mirror.
  • 17c is a ⁇ / 2 wave plate
  • 17d is an auxiliary lens
  • 25a and 25b are parabolic mirrors
  • 26 is a knife edge
  • 27 is a bolometer
  • 28 is an oscilloscope.
  • the inventor of the present invention manufactured the terahertz beam scanning apparatus 10 shown in FIG. 5 and conducted a test to verify the principle of the present invention.
  • the first laser beam 1 and the second laser beam 2 having wavelengths of 1300 nm and 1306.8 nm are incident on a lithium niobate (LiNbO 3 ) crystal (referred to as PPLN) having a periodically poled structure, and the frequency A terahertz wave 4 of 1.2 THz was generated.
  • the lithium niobate (LiNbO 3 ) crystal is one of the nonlinear optical elements 16 described above.
  • FIG. 6 is a diagram showing the intensity distribution of the terahertz wave beam 4 when the incident angle ⁇ i of the laser beam 1 is changed.
  • the horizontal axis represents the radiation angle ⁇ T of the terahertz wave viewed from the nonlinear optical element 16 (LiNbO 3 crystal).
  • Each numerical value in the figure is the incident angle ⁇ i (Incidentangle) of the laser beam. From this figure, it can be confirmed that the entire terahertz wave beam 4 is greatly shifted only by tilting the incident angle ⁇ i of the laser beam 1 by only 0.011 °.
  • FIG. 7 is a relationship diagram of the radiation angle ⁇ T (Radiation angle) of the terahertz wave beam 4 with respect to the incident angle ⁇ i (Incident angle) of the laser beam 1.
  • the solid line represents the calculated value obtained from the relationship of equation (5).
  • the experimental result shows a value sufficiently close to the calculated value, and it is confirmed that the terahertz wave beam 4 is scanned at an angle 200 times the change of the incident angle ⁇ i. It was done.
  • FIG. 8 is a diagram showing a second embodiment of the terahertz beam scanning apparatus according to the present invention.
  • the laser device 12 includes a broadband laser device 31, a dispersion element 32, a cylindrical lens 33 (cylindrical lens), a beam splitter 34 (beamsplitter), and a shift optical system 35.
  • Reference numerals 36a to 36f are reflection mirrors.
  • the broadband laser device 31 is a femtosecond laser, and generates broadband laser light 8 of 100 fs and 90 MHz.
  • the dispersive element 32 includes a transflective mirror 32a and a diffraction grating 32b (diffraction grating), takes out part of the laser light 8 as probe light 8a, and spatially disperses the other wavelength components.
  • the cylindrical lens 33 converts the dispersed laser light 8 into parallel, and converts the cross-sectional shape into a linear beam 9 extending in one direction.
  • the beam splitter 34 splits the linear beam 9 into substantially the same first linear beam 1 and second linear beam 2.
  • the first linear beam 1 is the first laser beam 1 in the first embodiment
  • the second linear beam 2 is the second laser beam 2 in the first embodiment.
  • the shift optical system 35 includes reflection mirrors 35a and 35b, and shifts the second linear beam 2 in the one direction.
  • the terahertz generator 16 is a stripline photoconductive antenna, 17e is a cylindrical lens, and 29 is a dipole antenna.
  • FIG. 9A to 9C are principle diagrams of the apparatus shown in FIG. 9A is a spatial dispersion diagram of the linear beam 9
  • FIG. 9B is a diagram in which the first linear beam 1 and the second linear beam 2 are spatially overlapped
  • FIG. 9C is a stripline type photoconductive antenna.
  • the wideband laser light 8 having various frequency components is given spatial dispersion using a diffraction grating 32b (or a prism or the like), and the frequency varies depending on the position.
  • a linear beam 9 distributed linearly is formed.
  • the linear beam 9 is divided to prepare substantially the same first linear beam 1 and second linear beam 2, and one beam (second linear beam 2) is prepared. ) To the side and stack. At this time, the frequency of the laser light is different at each position in the overlapping region, but the difference between the two lights is the same.
  • the difference frequency mixing is generated in the entire overlapping region. Wake up to generate a single frequency terahertz beam 4. Further, when the phase of each frequency component of the spatially dispersed beam is aligned and the equiphase surface is distributed perpendicular to the traveling direction, the incident angle ⁇ i of one spatially dispersed beam (for example, the first linear beam 1). Is slightly changed, a phase difference similar to that in the case of using the single-wavelength laser light shown in FIGS. 1A to 1C is generated, and the terahertz wave beam 4 can be scanned in a direction in which the incident angle ⁇ i is enlarged.
  • FIG. 10 shows test results of the terahertz beam scanning apparatus shown in FIG. 10 is an intensity distribution diagram of the terahertz wave beam 4 when the incident angle ⁇ i of the laser beam 1 is changed
  • FIG. 11 is a diagram of the intensity of the terahertz wave beam 4 with respect to the incident angle ⁇ i of the laser beam 1. It is a related figure of radiation angle (theta) T.
  • the traveling direction of the terahertz wave beam 4 changes greatly only by slightly tilting the incident angle ⁇ i of the laser beam 1 as in the result of FIG. From FIG. 11, when the incident angle ⁇ i of the laser beam 1 is changed within a range of only 0.155 °, the terahertz wave beam 4 is scanned by being enlarged by 29 ° which is 187 times the angle. I understand. The experimental values are in good agreement with the calculated values.
  • the advantage of the second embodiment is that the use rate of light can be increased by using laser light having various wavelength components (multimode). Further, in order to scan the beam using the phased array principle, it is a condition that the generation region of the terahertz wave is sufficiently wide with respect to the wavelength. In the second embodiment, the region where the beams shown in FIG. Since it is generated entirely, it can be said that it is very suitable for beam scanning.
  • the laser apparatus 12 In the method of the present invention using the apparatus of the first embodiment or the second embodiment described above, the laser apparatus 12 generates the first laser light 1 and the second laser light 2 having different wavelengths, and the laser optical system 14 By changing the relative incident angle ⁇ i between the first laser beam and the second laser beam to the terahertz generator, the first laser beam and the second laser beam are condensed on the same common focal point 14b.
  • the terahertz wave beam 4 is generated in the direction in which the incident angle ⁇ i is enlarged by the terahertz generator 16 located at the focal point 14b.
  • the terahertz generator 16 (for example, a nonlinear optical element) is irradiated with the first laser beam 1 and the second laser beam 2 (for example, two infrared lasers) having different wavelengths.
  • the terahertz wave beam 4 is generated by difference frequency mixing, the terahertz wave beam 4 can be scanned at a high speed at a wide angle several hundred times by slightly changing the incident angle ⁇ i of one laser beam 1.
  • the scanning speed of the terahertz wave beam 4 can be increased by 1000 times compared to the conventional mechanical scanning. It is possible to improve.
  • a galvano scanner is an example of a device that scans a laser beam at a relatively high speed. This is to mechanically rotate the mirror using a servo motor, and its scanning speed is about 1 kHz (meaning that it takes 1 millisecond to make one round trip of the beam).
  • the change of radiation angle theta T of the terahertz wave relative to the change of the incident angle theta i of the laser beam e.g., ⁇ 0.1 °
  • the deflection angle of the galvano scanner can be made extremely small, and the scanning speed can be increased more than 1 kHz accordingly.
  • the electro-optic deflector when used as the laser beam deflecting device 20 of the present invention, the electro-optic deflector has a scanning speed of 1 MHz, and the speed is improved by 1000 times or more compared with mechanical scanning. Is possible.
  • phased array antenna has been conventionally known as a non-mechanical beam scanning technique.
  • the phased array antenna distributes terahertz waves output from an oscillator to each array element, and feeds power to each antenna using a variable phase shifter for each element.
  • the phased array antenna by controlling the phase by changing the phase equally, the wavefront of the radio wave radiated from the entire antenna is tilted, and the beam is scanned.
  • a phased array antenna has a large number of elements and constitutes an array antenna having a large scale, a large number of variable phase shifters corresponding to the phased array antenna are required, so that the entire apparatus becomes large and the cost increases.
  • the present invention does not require any variable phase shifter, and beam scanning can be realized with a single optical deflector. Therefore, the apparatus can be reduced in size and cost.
  • the greatest feature not found in the prior art has an “angle increasing effect” that a terahertz wave beam can be scanned at an angle several hundred times the incident angle of laser light. That is.
  • Previous studies have reported examples in which the incident angle of laser light is tilted and the terahertz wave beam is controlled in the same direction as the incident angle.
  • the angle range of the optical deflector is about several degrees, the terahertz beam scanning angle is limited to several degrees.
  • the angle since the angle is increased, it is possible to scan the terahertz wave beam over a sufficiently wide range.
  • the angular resolution of the optical deflector is about 2 mm, when this is applied to an imaging apparatus, the resolution reaches 1000 or more, and has sufficient performance as imaging.
  • High-speed nondestructive inspection device When the present invention is applied to industry, it exhibits its power when measuring a large number of objects because of its high scanning speed. Since the terahertz wave has a property of transmitting paper and plastic and reflecting metal, it is possible to detect non-destructive foreign substances such as metal pieces mixed in food and products. In addition, since it has a characteristic of having an inherent absorption spectrum depending on the substance, it is possible to discover explosives and prohibited drugs hidden in mail.
  • the terahertz beam scanning apparatus In a product production line or a mail delivery line, in a state where an object to be inspected that is placed on a movable platform such as a belt conveyor is moving, using the terahertz beam scanning apparatus of the present invention, By scanning the focus of the terahertz wave in a direction perpendicular to the movement of the inspection object, the entire non-inspection object can be imaged to obtain a fluoroscopic image. At this time, by performing the measurement at a high speed, the inspection apparatus can be added to the production line as it is without reducing the production speed.
  • Terahertz waves have the advantage of being easy to handle for users in product factories and post offices, as compared to X-ray measurements, without being exposed to the human body.
  • the invented terahertz beam scanning apparatus has high utility as a practical technique for industrial application.
  • terahertz waves are several hundred times higher than microwaves, they are expected to be used for ultra-wideband wireless communications that are much faster than current data transmission rates.
  • the invented terahertz beam scanning method can be applied not only to imaging but also to an adaptive antenna for a base station in this wireless communication. For example, a signal is sent from a transmitter to a beam scanning device, and a terahertz wave beam carrying the signal is radiated into space. At this time, by concentrating the beam in the direction of the mobile communication terminal, the reception intensity at the terminal is increased, and a high-quality communication line is secured. In addition, the effect of suppressing line degradation due to interference can be obtained simultaneously.
  • the beam scanning method As a base, it receives radio waves emitted from the terminal, detects its arrival direction, autonomously scans the transmission beam toward the terminal, and moves the terminal. On the other hand, it will lead to the development of technology that automatically tracks the beam and maintains the line quality. In addition, by forming a plurality of terahertz beams, it can be expected to develop a new antenna that performs independent beam scanning and tracking for a plurality of terminals.
  • Nonlinear optical elements include nonlinear optical crystals and photoconductive elements.
  • the nonlinear optical element that generates the terahertz wave may have an array structure.
  • the number of elements in the array structure may be any number as long as it is two or more.
  • the laser light band is visible light or infrared light.
  • the laser beam deflecting device includes an electro-optic deflector, an acousto-optic deflector, and a rotating mirror. (7) A reflecting mirror may be used instead of the lens. (8) Terahertz beam scanning in a two-dimensional direction is also possible.

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Abstract

【課題】テラヘルツ波ビームを高速かつ広い角度で走査することができるテラヘルツ波ビーム走査装置と方法を提供する。 【解決手段】異なる波長を持つ第１レーザー光１と第２レーザー光２を発生させるレーザー装置１２と、第１レーザー光１と第２レーザー光２を同一の共通焦点１４ｂに集光させるレーザー光学系１４と、前記共通焦点に位置し差周波混合によりテラヘルツ波ビーム４を発生させるテラヘルツ発生器１６とを備える。レーザー光学系１４は、テラヘルツ発生器への第１レーザー光と第２レーザー光と間の相対的入射θｉを変更可能に構成されている。

Description

テラヘルツ波ビーム走査装置と方法
　本発明は、テラヘルツ波ビームを走査するテラヘルツ波ビーム走査装置と方法(apparatus and method of Terahertz BeamSteering)に関する。
　テラヘルツ波は、電波と赤外線の中間に位置し、周波数が０．３～１０ＴＨｚ（波長３０μｍ～１ｍｍ）の電磁波である。そのためテラヘルツ波は、紙やプラスティック等の様々な物質に対する透過性と、適度な空間分解能を有し、様々な物体の透視イメージングの実用的ツールとして期待され、これまでの研究でその有用性が確認されている。
　しかし、テラヘルツ波を用いた従来の透視イメージングは、テラヘルツ波の集光ビーム（以下、方向性を有するテラヘルツ波を「テラヘルツ波ビーム」と呼ぶ）を試料に照射し、試料自体を機械的に動かしてテラヘルツ波ビームを走査していた。そのため、テラヘルツ波ビームの走査速度は機械的動作で制限され、透視イメージングに長時間を要する問題点があった。
　そこで、テラヘルツ波を用いた透視イメージングの高速化のため、試料を固定してテラヘルツ波ビームを走査する手段として、特許文献１～３が既に提案されている。
　特許文献１は、レーザービームの走査にガルバノスキャナミラーを用いるものである。
　特許文献２は、フェーズドアレーアンテナを用いて、テラヘルツ波ビームを走査するものである。
　この発明は、波長が異なる２つのレーザー光を用いた差周波混合によりテラヘルツ波を発生させる際、アレー素子毎に光の移相器を用いて、レーザー光の位相差をシフトすることで、テラヘルツ波ビームの波面を間接的に傾け、テラヘルツ波ビームを走査するものである。
　特許文献３は、特許文献２における多数の光の移相器の代わりに、一つの空間光位相変調器を用いてアレー全体の位相をまとめて制御して、ビームを走査するものである。
特開２００６－２２４１４２号公報、「レーザ走査装置およびレーザマーキング装置、ならびにレーザマーキング方法」 特開２００７－１０３９９７号公報、「電磁波放射装置」 特開２００８－５２０５号公報、「光制御型フェーズドアレイレーダ装置」
　特許文献１のガルバノスキャナミラーは、ミラーを機械的に動作させるため、動作速度が最大１ｋＨｚ（１秒間に１０００回）と遅い問題点がある。
　また、特許文献２では、アレー素子ごとに光の移相器を用いているが、アレーの規模を大きくする場合、素子数に応じた多数の移相器を使用する必要があるため、装置全体の規模、コストが高くなるという問題点がある。
　さらにテラヘルツ帯では、液晶を用いた電気的移相器が研究されているが、これまでは移相量が充分でなく、テラヘルツ波ビームを高速かつ広角度で走査することは困難であった。
　また、特許文献３では、多数の移相器の代わりに、一つの空間光変調器を用いているが、変調器の応答速度が遅いため、テラヘルツ波ビームの高速走査には不向きである。
　本発明は、かかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち本発明の目的は、テラヘルツ波ビームを高速かつ広い角度で走査することができるテラヘルツ波ビーム走査装置と方法を提供することにある。
　本発明によれば、異なる波長を持つ第１レーザー光と第２レーザー光を発生させるレーザー装置と、
　前記第１レーザー光と第２レーザー光を同一の共通焦点に集光させるレーザー光学系と、
　前記共通焦点に位置し差周波混合によりテラヘルツ波ビームを発生させるテラヘルツ発生器と、を備え、
　前記レーザー光学系は、テラヘルツ発生器への第１レーザー光と第２レーザー光と間の相対的入射角を変更可能に構成されている、ことを特徴とするテラヘルツ波ビーム走査装置が提供される。
　本発明の好ましい実施形態によれば、前記レーザー光学系は、前記共通焦点より上流側に位置する第１焦点との間に位置し、第１焦点を通過した第１レーザー光を共通焦点に集光させる共焦点レンズ系と、
　前記第１焦点と共焦点レンズ系との間に位置し、第１焦点の転写位置を通過した第２レーザー光を共焦点レンズ系の光軸上に反射させるビーム結合器と、
　前記第１焦点位置又は転写位置に位置し、そこを通過する第１レーザー光又は第２レーザー光を偏向させるレーザー光偏向装置と、を備える。
　前記レーザー光偏向装置は、電気光学偏向器又はガルバノスキャナである。
　本発明の好ましい実施形態によれば、前記レーザー装置は、異なる波長を持つ第１レーザー光と第２レーザー光を同時に発生させる２波長レーザー装置である。
　また、本発明の好ましい別の実施形態によれば、前記レーザー装置は、広帯域レーザー光を発生させる広帯域レーザー装置と、前記広帯域レーザー光の波長成分を空間的に分散する分散素子と、分散した広帯域レーザー光を平行にして、その断面形状を一方向に伸びた線状ビームに変換する円筒レンズと、前記線状ビームをほぼ同一の第１線状ビームと第２線状ビームに分割するビームスプリッターと、第１線状ビーム又は第２線状ビームを前記一方向にシフトするシフト光学系とを備え、
　第１線状ビームは前記第１レーザー光であり、第２線状ビームは前記第２レーザー光である。
　また、本発明によれば、異なる波長を持つ第１レーザー光と第２レーザー光を発生させ、
　前記テラヘルツ発生器への第１レーザー光と第２レーザー光と間の相対的入射角を変化させて前記第１レーザー光と第２レーザー光を同一の共通焦点に集光させ、
　前記共通焦点に位置するテラヘルツ発生器によりテラヘルツ波ビームを前記入射角を拡大した方向に発生させる、ことを特徴とするテラヘルツ波ビーム走査方法が提供される。
　上記本発明の装置および方法によれば、レーザー光学系が、テラヘルツ発生器への第１レーザー光と第２レーザー光と間の相対的入射角を変更可能に構成されているので、レーザー装置により異なる波長を持つ第１レーザー光と第２レーザー光を発生させ、レーザー光学系によりテラヘルツ発生器への第１レーザー光と第２レーザー光と間の相対的入射角を変化させて前記第１レーザー光と第２レーザー光を同一の共通焦点に集光させ、前記共通焦点に位置するテラヘルツ発生器（例えば非線形光学素子）によりテラヘルツ波ビームを前記入射角を拡大した方向に発生させる。
　また、後述する実施例から明らかなように、テラヘルツ発生器（例えば非線形光学素子）に、異なる波長を持つ第１レーザー光と第２レーザー光（例えば２つの赤外線レーザー）を照射して、差周波混合によりテラヘルツ波ビームを発生させる際、片方のレーザー光の入射角をわずかに変えることにより、その数百倍の広い角度でテラヘルツ波ビームを高速に走査できる。
　特に、レーザー光偏向装置として電気光学偏向器を用いて、一方のレーザー光の入射角を制御することにより、テラヘルツ波ビームの走査速度を従来の機械的走査と比べて１０００倍も向上させることが可能である。
本発明によるテラヘルツ波ビームの走査原理を示す図である。 本発明によるテラヘルツ波ビームの走査原理を示す図である。 本発明によるテラヘルツ波ビームの走査原理を示す図である。 レーザー光の入射角θｉとテラヘルツ波の放射角θＴとの関係を示す図である。 本発明によるテラヘルツ波ビーム走査装置の第１実施形態図である。 本発明のテラヘルツビーム走査装置１０を高速イメージングシステムへ適用する際の構成図である。 本発明の試験装置の全体構成図である。 レーザー光１の入射角θｉを変化させた際のテラヘルツ波ビーム４の強度分布を示す図である。 レーザー光１の入射角θｉに対するテラヘルツ波ビーム４の放射角θＴの関係図である。 本発明によるテラヘルツ波ビーム走査装置の第２実施形態図である。 図８の装置の原理図である。 図８の装置の原理図である。 図８の装置の原理図である。 レーザー光１の入射角θｉを変化させた際のテラヘルツ波ビーム４の強度分布図である。 レーザー光１の入射角θｉに対するテラヘルツ波ビーム４の放射角θＴの関係図である。
　以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。
（テラヘルツ波ビームの走査原理）
　図１Ａ～Ｃは、本発明によるテラヘルツ波ビームの走査原理を示す図である。図１Ａは、テラヘルツ波ビーム左側、図１Ｂは正面、図１Ｃは右側にそれぞれ向ける場合を示している。
　図１Ａ～Ｃにおいて、１は第１レーザー光、１ａは第１レーザー光の波面、２は第２レーザー光、２ａは第２レーザー光の波面、３はテラヘルツ発生器（この例では非線形光学素子）、４はテラヘルツ波ビーム、４ａはテラヘルツ波ビームの波面、θｉはテラヘルツ発生器への第１レーザー光１と第２レーザー光２と間の相対的入射角（この例では第１レーザー光１の入射角）、θＴはテラヘルツ波ビームの放射角である。
　本発明では、差周波混合における位相の性質を利用している。差周波混合とは、図１Ｂのように、テラヘルツ発生器３（この例では非線形光学素子）に波長が異なる２つのレーザー光１、２（第１レーザー光と第２レーザー光）を照射することでテラヘルツ波ビーム４を発生させる手段である。
　これに加えて、図１Ａと図１Ｃに示すように、片方の第１レーザー光１の入射角をわずかに傾けると、もう一つの第２レーザー光２との間に生じる位相差５が位置によって線形的に変化する。このとき、２次の非線形光学効果に基づき、２つのレーザー光１、２から生じる電磁波は数１の式（１）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ここで、Ｅ１、Ｅ２はそれぞれ２つのレーザー光の電界、｜Ｅ１｜、｜Ｅ２｜はそれらの振幅、ω１、ω２はそれらの角周波数、ｔは時間、そしてΔφは２つのレーザー間の位相差を示している。各項に含まれる角周波数に着目するとわかるように、式（１）の各項はそれぞれ直流、第２高調波、和周波、そして差周波成分の信号を表している。ここでは差周波混合によりテラヘルツ波を発生させることから、第４項の式が数２の式（２）のように書き換えられる。
　ここで、ωＴはテラヘルツ波の角周波数である。このとき、ω１－ω２＝ωＴ・・・式（２ａ）を満たす。
　式（２）が意味するものは、発生するテラヘルツ波の位相が、２つのレーザー光の位相差に等しくなることである。したがって、図１Ａや図１Ｃのように、片方の第１レーザー光１の入射方向を傾けると、各位置から発生するテラヘルツ波ビーム４の位相も変化し、全体から放射するテラヘルツ波ビーム４の波面４ａが傾斜するため、進行方向が傾く。従って、片方の第１レーザー光１の入射角θｉを制御することで、テラヘルツ波ビーム４の走査（図で左右に振ること）ができることになる。
　さらに、本発明の最大の特長は、テラヘルツ波ビーム４の走査角の大きさにある。
　図１Ａにおいて、第１レーザー光１の入射を左に傾けることにより生じる２つのレーザー光間の位相差は数２の式（３）で表現される。
　ここで、ｋｉはレーザー光の波数、ｘは素子上の位置である。また、素子全体から発生するテラヘルツ波ビーム４の位相分布も、同様に数２の式（４）で表される。
　ここで、ｋＴはテラヘルツ波の波数である。式（１）と式（２）で説明した位相関係より、φＴ（ｘ）＝Δφｉ（ｘ）・・・式（２ｂ）となることから、これと式（３）、（４）を組み合わせることで、数２の式（５）の関係が導かれる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　一般に、テラヘルツ波ビーム４の発生には赤外線レーザーが用いられ、さらに、テラヘルツ波ビーム４の波長は赤外線に比べて数百倍も長い。つまり式（５）中のｋｉ／ｋＴの値が非常に大きいことから、テラヘルツ発生器への第１レーザー光と第２レーザー光と間の相対的入射角（すなわち、第１レーザー光１の入射角θｉ）をわずかに変えるだけで、その数百倍の放射角θＴでテラヘルツ波ビーム４が走査されることを意味する。
　図２は、レーザー光の入射角θｉ(Incident angle of the laser)とテラヘルツ波の放射角θＴ(Radiationangle of THz radiation)との関係を示す図である。
　この図に示すように、例えば、レーザー光（上記の例では第１レーザー光１）の入射角θｉを±０．１°振ると、１ＴＨｚの場合に、テラヘルツ波ビーム４の走査範囲（放射角）は±４０°にも及び、広角度のビーム走査が可能となる。
（テラヘルツ波ビーム走査装置の構成）
　図３は、本発明によるテラヘルツ波ビーム走査装置の第１実施形態図である。
　この図において、本発明のテラヘルツ波ビーム走査装置１０は、レーザー装置１２、レーザー光学系１４、およびテラヘルツ発生器１６を備える。
　レーザー装置１２は、異なる波長を持つ第１レーザー光１と第２レーザー光２を発生させる。
　レーザー光学系１４は、第１レーザー光１と第２レーザー光２を同一の共通焦点１４ｂに集光させる。また、このレーザー光学系１４は、第１レーザー光１（または第２レーザー光２）のテラヘルツ発生器１６への入射角θｉを変更可能に構成されている。入射角θｉを変更方向、すなわち走査方向は、この例では同一平面内（この図で紙面上）であるが、例えば横方向の角度θと縦方向の角度φのように、２次元的に偏向（走査）してもよい。
　レーザー光学系１４は、この例では、共焦点レンズ系１７、ビーム結合器１８、反射ミラー１９およびレーザー光偏向装置２０を備える。
　共焦点レンズ系１７は、共通焦点１４ｂとこれより上流側に位置する第１焦点１４ａとの間に位置し、第１焦点１４ａを通過した第１レーザー光１を共通焦点１４ｂに集光させるようになっている。
　この例で、共焦点レンズ系１７は、２枚の凸レンズ１７ａ，１７ｂ（又は凸レンズ群）からなり、それぞれ焦点距離Ｆ１，Ｆ２を有し、その間隔がＦ１＋Ｆ２に設定されている。焦点距離Ｆ１，Ｆ２は、同一であるのが好ましいが、相違してもよい。
　ビーム結合器１８は、第１焦点１４ａと共焦点レンズ系１７との間に位置し、第１焦点１４ａの転写位置（例えば反射ミラー１９の位置）を通過した第２レーザー光２を共焦点レンズ系１７の光軸上に反射させる。
　レーザー光偏向装置２０は、この例では電気光学偏向器であり、第１焦点位置１４ａに位置し、そこを通過する第１レーザー光１を偏向させる。偏向方向、すなわちレーザー光の走査方向は、この例では同一平面内（この図で紙面上）であるが、２次元的に偏向（走査）してもよい。
　なお、電気光学偏向器の代わり、又はこれと併用してガルバノスキャナを用い、これを第１焦点１４ａの転写位置又はその近傍に設置して、第２レーザー光２を２次元的に偏向させてもよい。
　テラヘルツ発生器１６は、この例では非線形光学素子であり、レーザー光学系１４の共通焦点１４ｂに位置し、差周波混合により入射角θｉを拡大した方向にテラヘルツ波ビーム４を発生させる。
　上述した図３の例では、第１レーザー光１の進行方向を高速光偏向器（電気光学偏向器２０）で制御し、ビーム結合器１８を用いて、第２レーザー光２と結合させている。また第１レーザー光１と第２レーザー光２を２枚のレンズ１７ａ，１７ｂを介して非線形光学素子１６へ入射させる。このような構成にするのは、非線形光学素子１６上で第１レーザー光１と第２レーザー光２を重ねたまま、片方（第１レーザー光１）の入射角θｉを変化させるためである。
　図４は、本発明のテラヘルツビーム走査装置１０を高速イメージングシステムへ適用する際の構成図である。
　この図において、７は測定試料、２２は共焦点レンズ系、２４はテラヘルツ波検出器である。共焦点レンズ系２２は、２枚の凸レンズ２２ａ，２２ｂ（又は凸レンズ群）からなり、それぞれ焦点距離Ｆ３，Ｆ４を有し、その間隔がＦ３＋Ｆ４に設定されている。
　この例では、本発明のテラヘルツビーム走査装置１０の下流側に、２枚のレンズ２２ａ，２２ｂとテラヘルツ波検出器２４を付加し、測定試料７をレンズ間に設置する。発生するテラヘルツ波ビーム４は、１枚目のレンズ２２ａを介して、測定試料７に対して垂直方向に進行し、試料７上に集光される。その後、試料７を透過するテラヘルツ波ビーム４はもう一枚のレンズ２２ｂを介してテラヘルツ波検出器２４へ入射する。テラヘルツ波ビーム４を走査すると、焦点が測定試料７上を移動する。また、ビーム４がどの方向に制御される場合でも、つねに検出器２４へ入射する構成になっている。
　図５は、本発明の試験装置の全体構成図である。この図において、レーザー装置１２は、異なる波長を持つ第１レーザー光１と第２レーザー光２を同一位置から同時に、かつ同方向に発生させる２波長レーザー装置（ＯＰＯ）であり、反射ミラー１１ａ，１１ｂ，１１ｃと回折格子１３を用いて、第１レーザー光１をレーザー光偏向装置２０に、第２レーザー光２をビーム結合器１８に、それぞれ偏向させるようになっている。
　この例では非線形光学素子１６は、ＰＰＬＮ（非線形光学素子の１つ）であり、レーザー光偏向装置２０は、手動回転ミラーである。またこの図において、１７ｃはλ／２波長板、１７ｄは補助レンズ、２５ａ，２５ｂは放物面鏡、２６はナイフエッジ、２７はボロメータ、２８はオシロスコープである。
　本発明の発明者は、図５で示したテラヘルツ波ビーム走査装置１０を製作し、本発明の原理を実証する試験を行った。
　この試験では、波長がそれぞれ１３００ｎｍ、１３０６．８ｎｍの第１レーザー光１と第２レーザー光２を周期分極反転構造を持つニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）結晶（ＰＰＬＮと呼ばれる）に入射して、周波数１．２ＴＨｚのテラヘルツ波４を発生させた。ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）結晶は、上述した非線形光学素子１６の１つである。
　図６は、レーザー光１の入射角θｉを変化させた際のテラヘルツ波ビーム４の強度分布を示す図である。この図で、横軸は、非線形光学素子１６（ＬｉＮｂＯ３結晶）から見たテラヘルツ波の放射角θＴを表している。また、図中の各数値は、レーザー光の入射角θｉ(Incidentangle)である。
　この図からレーザー光１の入射角θｉをわずか０．０１１°だけ傾けただけで、テラヘルツ波ビーム４の全体が大きくシフトしていることが確認できる。
　図７は、レーザー光１の入射角θｉ(Incident angle)に対するテラヘルツ波ビーム４の放射角θＴ(Radiationangle)の関係図である。
　この図において実線は、式（５）の関係から得られる計算値を表している。この図から若干の誤差は認められるものの、実験結果は計算値に充分近い値を示しており、入射角θｉの変化に対して２００倍の角度でテラヘルツ波ビーム４が走査されることが確認された。
　図８は、本発明によるテラヘルツ波ビーム走査装置の第２実施形態図である。
　この図において、レーザー装置１２は、広帯域レーザー装置３１、分散素子３２、円筒レンズ３３(cylindrical lens)、ビームスプリッター３４(beamsplitter)、およびシフト光学系３５からなる。また、３６ａ～３６ｆは、反射ミラーである。
　広帯域レーザー装置３１は、この例では、フェトム秒レーザーであり、１００ｆｓ，９０ＭＨｚの広帯域のレーザー光８を発生させる。
　分散素子３２は、半透過ミラー３２ａおよび回折格子３２ｂ(diffraction grating)からなり、レーザー光８の一部をプローブ光８ａとして取り出し、その他を波長成分を空間的に分散する。
　円筒レンズ３３は、分散したレーザー光８を平行にして、その断面形状を一方向に伸びた線状ビーム９に変換する。
　ビームスプリッター３４は、線状ビーム９をほぼ同一の第１線状ビーム１と第２線状ビーム２に分割する。第１線状ビーム１は第１実施形態における第１レーザー光１であり、第２線状ビーム２は第１実施形態における第２レーザー光２である。
　シフト光学系３５は、反射ミラー３５ａ，３５ｂからなり、第２線状ビーム２を前記一方向にシフトするようになっている。
　また、この例において、テラヘルツ発生器１６はストリップライン型光伝導アンテナ、１７ｅは円筒レンズ、２９はダイポールアンテナである。
　図９Ａ～Ｃは、図８の装置の原理図である。この図において、図９Ａは線状ビーム９の空間分散図、図９Ｂは第１線状ビーム１と第２線状ビーム２を空間的に重ねた図、図９Ｃは、ストリップライン型光伝導アンテナの構成図である。
　図８と図９Ａ～Ｃにおいて、図９Ａのように、様々な周波数成分を持つ広帯域レーザー光８に、回折格子３２ｂ（やプリズム等）を用いて、空間的な分散を与え、位置によって周波数が線形的に分布する線状ビーム９を形成する。
　さらに、図９Ｂで示すように、この線状ビーム９を分割して、ほぼ同一の第１線状ビーム１と第２線状ビーム２を用意して、片方のビーム（第２線状ビーム２）を横にずらして重ねる。このとき、重なる領域内の各位置では、レーザー光の周波数は異なるが、２つの光の差は同一になる。
　従って、第１線状ビーム１と第２線状ビーム２を図９Ｃで示されるストリップライン型光伝導アンテナ（又は、その他の非線形光学素子）へ照射することにより、重なる領域全体で差周波混合が起き、単一周波数のテラヘルツ波ビーム４が発生する。
　さらに、空間分散ビームの各周波数成分の位相が揃っていて、等位相面が進行方向に対して垂直に分布するとき、片方の空間分散ビーム（例えば第１線状ビーム１）の入射角θｉをわずかに変えると、図１Ａ～Ｃで示した単一波長のレーザー光を用いる場合と同様な位相差が生じ、テラヘルツ波ビーム４を入射角θｉを拡大した方向に走査することができる。
　図１０、図１１は、図８で示したテラヘルツ波ビーム走査装置の試験結果である。このうち、図１０は、レーザー光１の入射角θｉを変化させた際のテラヘルツ波ビーム４の強度分布図であり、図１１は、レーザー光１の入射角θｉに対するテラヘルツ波ビーム４の放射角θＴの関係図である。
　図１０から、図６の結果と同様に、レーザー光１の入射角θｉをわずかに傾けただけで、テラヘルツ波ビーム４の進行方向が大きく変化していることがわかる。
　また、図１１から、レーザー光１の入射角θｉをわずか０．１５５°の範囲で変化させたとき、その１８７倍の角度である２９°もテラヘルツ波ビーム４が拡大されて走査されることがわかる。またこの実験値は計算値と良い一致を示している。
　第２実施形態の利点は、様々な波長成分を持つ（マルチモード）レーザー光を用いることにより、光の利用率を高めることができる点にある。また、フェーズドアレーの原理を用いてビームを走査するためには、テラヘルツ波の発生領域がその波長に対して充分広いことが条件であり、第２実施形態では、図１１で示すビームが重なる領域全体から発生するため、ビーム走査に非常に適していると言える。
　上述した第１実施形態又は第２実施形態の装置を用い、本発明の方法では、　レーザー装置１２により異なる波長を持つ第１レーザー光１と第２レーザー光２を発生させ、レーザー光学系１４によりテラヘルツ発生器への第１レーザー光と第２レーザー光と間の相対的入射角θｉを変化させて前記第１レーザー光と第２レーザー光を同一の共通焦点１４ｂに集光させ、この共通焦点１４ｂに位置するテラヘルツ発生器１６によりテラヘルツ波ビーム４を入射角θｉを拡大した方向に発生させる。
　また、上述した実施例から明らかなように、テラヘルツ発生器１６（例えば非線形光学素子）に、異なる波長を持つ第１レーザー光１と第２レーザー光２（例えば２つの赤外線レーザー）を照射して、差周波混合によりテラヘルツ波ビーム４を発生させる際、片方のレーザー光１の入射角θｉをわずかに変えることにより、その数百倍の広い角度でテラヘルツ波ビーム４を高速に走査できる。
　特に、レーザー光偏向装置２０として電気光学偏向器を用いて、一方のレーザー光の入射角θｉを制御することにより、テラヘルツ波ビーム４の走査速度を従来の機械的走査と比べて１０００倍も向上させることが可能である。
（従来の技術に対する優位点）
　本発明は、従来技術と比較して、以下の点で優れている。
（１）非機械的動作による高速化
　従来、レーザー光のビームを比較的速い速度で走査する装置として、ガルバノスキャナが挙げられる。これはサーボモーターを用いてミラーを機械的に回転させるものであり、その走査速度は１ｋＨｚ程度である（ビームを一往復させるのに１ミリ秒要することを意味する）。
　これを本発明のレーザー光偏向装置２０として用いた場合、レーザー光の入射角θｉの変化（例えば±０．１°）に対してテラヘルツ波の放射角θＴの変化（例えば±４０°）は１００倍以上になるので、ガルバノスキャナの振れ角度を非常に小さくでき、その分、走査速度を１ｋＨｚより高めることができる。
　また、本発明のレーザー光偏向装置２０として電気光学偏向器を用いた場合、電気光学偏向器は、走査速度が１ＭＨｚにもおよび、機械的走査と比較して１０００倍以上も速度を向上させることが可能である。
（２）　装置の小型化・低コスト化
　非機械的なビーム走査技術として、フェーズドアレーアンテナが従来から知られている。フェーズドアレーアンテナは、発振器から出力されるテラヘルツ波を各アレー素子へ分配し、素子毎に可変移相器を用いてそれぞれのアンテナへ給電する。このとき、位相を等量的に変化させて制御することにより、アンテナ全体から放射する電波の波面が傾き、ビームが走査されるものである。
　しかし、フェーズドアレーアンテナは素子数が多く、規模が大きいアレーアンテナを構成する場合、それに応じた多数の可変移相器が要求され、装置全体が大きくなり、コストも高くなる欠点がある。
　これに対し、本発明では可変移相器をいっさい必要とせず、光偏向器一つあればビーム走査が実現できるため、装置の小型化、低コスト化が可能である。
（３）　広角度・高分解能
　本発明において、従来技術に無い最も大きな特長は、レーザー光の入射角の数百倍の角度でテラヘルツ波ビームを走査できるという「角度増大効果」を有していることである。これまでの研究で、レーザー光の入射角を傾けて、その入射角と同じ角度の方向にテラヘルツ波ビームを制御する例は報告されている。このとき、光偏向器の角度範囲は数度程度であるため、テラヘルツ波ビーム走査角度も数度が限界ということになる。
　しかし、本発明では、角度が増大されるために、テラヘルツ波ビームを充分広範囲に走査することが可能である。さらに、光偏向器の角度分解能は２ミリ°程度であることから、これをイメージング装置に適用した場合、その解像度は１０００以上に及び、イメージングとして充分な性能を有している。
（産業への適用例）
（１）　高速非破壊検査装置
　本発明を産業へ応用する場合、その高い走査速度から、大量の物体を測定する場合に威力を発揮する。テラヘルツ波は紙やプラスティックを透過し、金属を反射する性質を持つため、例えば食品や製品に混入されている金属片等の異物を非破壊で探知することができる。また、物質によって固有の吸収スペクトルを有する性質もあることから、郵便物等に隠されている爆発物や禁止薬物を発見することもできる。
　例えば、製品の生産ラインや郵便物の配送ラインにおいて、ベルトコンベアのような可動台上に乗せられている被検査物が移動している状態で、本発明のテラヘルツ波ビーム走査装置を用いて、テラヘルツ波の焦点を被検査物の移動に対して垂直方向に走査させることで、非検査物の全体をイメージングして、透視画像を得ることができる。
　このとき、高速に測定を行うことで、生産速度を落とすことなく、検査装置を生産ラインにそのまま付加することも可能である。テラヘルツ波は、Ｘ線測定と比較して人体への被爆が無く、製品工場や郵便局での利用者にとって扱いやすいという利点もある。このように、発明したテラヘルツ波ビーム走査装置は、産業応用のための実用的な技術として高い有用性を持っている。
（２）　移動体通信用アダプティブアンテナ
　テラヘルツ波はマイクロ波より周波数が数百倍高いことから、現状のデータ伝送速度よりはるかに高速な超広帯域無線通信への利用が期待されている。発明したテラヘルツビーム走査方法は、イメージングのみならず、この無線通信における基地局用のアダプティブアンテナにも応用できる。
　例えば、送信機から信号がビーム走査装置に送られ、信号を載せたテラヘルツ波ビームが空間に放射される。このとき、ビームを移動体通信端末の方向に集中することにより、端末での受信強度が高まり、品質の高い通信回線が確保される。また、干渉による回線劣化の抑制効果も同時に得られる。さらに、同ビーム走査方法をベースに改良を施すことにより、端末から発せされる電波を受信し、その到来方向を探知し、送信ビームを自律的に端末方向へ走査することや、端末の移動に対してビームを自動的に追尾し、回線品質を維持する技術の開発にも繋がる。また、複数のテラヘルツビームを形成することで、複数の端末に対してそれぞれ独立したビーム走査、追尾をする新たなアンテナの開発も期待できる。
（本発明の適用範囲）
（１）　テラヘルツ波のみならず、ミリ波（３０ＧＨｚ～３００ＧＨｚ）のビーム走査にも適用できる。
（２）　非線形光学素子には、非線形光学結晶、光伝導素子を含む。
（３）　テラヘルツ波が発生する非線形光学素子は、アレー構造であってもよい。
（４）　アレー構造の場合の素子数は２つ以上であれば幾つでもよい。
（５）　レーザー光の帯域は可視光や赤外線である。
（６）　レーザー光偏向装置として、電気光学偏向器、音響光学偏向器、回転ミラーがこれに含まれる。
（７）　レンズの代わりに、反射鏡を用いてもよい。
（８）　２次元方向のテラヘルツ波ビーム走査も可能である。
　なお、本発明は上述した実施例及び実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。

Claims (6)

  1. 　異なる波長を持つ第１レーザー光と第２レーザー光を発生させるレーザー装置と、
    　前記第１レーザー光と第２レーザー光を同一の共通焦点に集光させるレーザー光学系と、
    　前記共通焦点に位置し差周波混合によりテラヘルツ波ビームを発生させるテラヘルツ発生器と、を備え、
    　前記レーザー光学系は、テラヘルツ発生器への第１レーザー光と第２レーザー光と間の相対的入射角を変更可能に構成されている、ことを特徴とするテラヘルツ波ビーム走査装置。
  2. 　前記レーザー光学系は、前記共通焦点より上流側に位置する第１焦点との間に位置し、第１焦点を通過した第１レーザー光を共通焦点に集光させる共焦点レンズ系と、
    　前記第１焦点と共焦点レンズ系との間に位置し、第１焦点の転写位置を通過した第２レーザー光を共焦点レンズ系の光軸上に反射させるビーム結合器と、
    　前記第１焦点位置又は転写位置に位置し、そこを通過する第１レーザー光又は第２レーザー光を偏向させるレーザー光偏向装置と、を備える、ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波ビーム走査装置。
  3. 　前記レーザー光偏向装置は、電気光学偏向器又はガルバノスキャナである、ことを特徴とする請求項２に記載のテラヘルツ波ビーム走査装置。
  4. 　前記レーザー装置は、異なる波長を持つ第１レーザー光と第２レーザー光を同時に発生させる２波長レーザー装置である、ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波ビーム走査装置。
  5. 　前記レーザー装置は、広帯域レーザー光を発生させる広帯域レーザー装置と、前記広帯域レーザー光の波長成分を空間的に分散する分散素子と、分散した広帯域レーザー光を平行にして、その断面形状を一方向に伸びた線状ビームに変換する円筒レンズと、前記線状ビームをほぼ同一の第１線状ビームと第２線状ビームに分割するビームスプリッターと、第１線状ビーム又は第２線状ビームを前記一方向にシフトするシフト光学系とを備え、
    　第１線状ビームは前記第１レーザー光であり、第２線状ビームは前記第２レーザー光である、ことを特徴とする請求項２に記載のテラヘルツ波ビーム走査装置。
  6. 　異なる波長を持つ第１レーザー光と第２レーザー光を発生させ、
    　前記テラヘルツ発生器への第１レーザー光と第２レーザー光と間の相対的入射角を変化させて前記第１レーザー光と第２レーザー光を同一の共通焦点に集光させ、
    　前記共通焦点に位置するテラヘルツ発生器によりテラヘルツ波ビームを前記入射角を拡大した方向に発生させる、ことを特徴とするテラヘルツ波ビーム走査方法。
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