WO2010024213A1 - テラヘルツ波発生装置およびテラヘルツ波発生方法 - Google Patents

テラヘルツ波発生装置およびテラヘルツ波発生方法 Download PDF

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WO2010024213A1
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terahertz wave
pulse laser
ultrashort pulse
laser beam
light source
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PCT/JP2009/064708
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秀幸 大竹
譲 上原
耕一郎 田中
正也 永井
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アイシン精機株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/39—Non-linear optics for parametric generation or amplification of light, infrared or ultraviolet waves
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F2203/00—Function characteristic
    • G02F2203/13—Function characteristic involving THZ radiation

Definitions

  • the present invention relates to a terahertz wave generating apparatus and a terahertz wave generating method for generating a terahertz wave in a direction satisfying a non-collinear phase matching condition by irradiating an ultra-short pulse laser beam in a nonlinear optical crystal.
  • Non-Patent Document 1 discloses three methods of a conventional terahertz wave generation method: an antenna element method, a nonlinear effect method, and a magnetic field application method.
  • the antenna element method a terahertz wave is generated by applying a voltage bias to a photoconductive antenna that is a minute structure formed on a semiconductor substrate and irradiating the photoconductive antenna with an ultrashort pulse laser beam in that state.
  • the nonlinear effect method a terahertz wave is generated by irradiating a substance having a nonlinear susceptibility ⁇ (2) with an ultrashort pulse laser beam based on the optical rectification effect.
  • the magnetic field application method a terahertz wave is generated by applying a magnetic field in parallel to the semiconductor surface and irradiating the semiconductor surface with ultrashort pulse laser light in that state.
  • Non-Patent Document 2 discloses a method of obtaining Cherenkov-type radiation in a nonlinear optical crystal to obtain a high-intensity terahertz wave by tilting the web front of the laser light applied to the nonlinear optical crystal with respect to the plane of the nonlinear optical crystal ( (Tilt) is disclosed.
  • the web front of the laser beam is tilted by using a diffraction image transfer system composed of a diffraction grating and a lens.
  • FIG. 10 shows the principle of generation of terahertz waves by this method.
  • this method when the pulsed laser light L is incident on the nonlinear optical crystal 100 from a direction perpendicular to the optical axis Z of the nonlinear optical crystal 100, parametric interaction occurs in the nonlinear optical crystal 100, and non-collinear phase matching occurs.
  • a terahertz wave T is generated in the direction A that satisfies the condition.
  • Patent Document 1 discloses a method using two laser generators.
  • One of the two laser generators is a YAG laser that outputs a pulse laser beam.
  • the pulse laser beam is set to have a pulse width of 15 ns and a wavelength of 1064 nm.
  • the other laser generator is a Yb fiber laser that outputs continuous laser light.
  • the continuous laser light is used as a terahertz wave injection seeder, and the wavelength is fixed at 1070.2 nm in order to improve the intensity of the terahertz wave.
  • the intensity of the generated terahertz wave is small.
  • the intensity of the generated terahertz wave is 8 J / It is about Pulse. For this reason, it is difficult to apply these terahertz wave generation methods to fields other than predetermined spectroscopic measurement.
  • Non-Patent Document 2 it is necessary to provide a terahertz wave generator with a diffraction grating having a complicated structure. In addition, since it is necessary to form a diffraction image near the condensing point of the lens, it is difficult to adjust the transfer system.
  • Patent Document 1 requires two laser generators as described above, and the Yb fiber laser needs to be a mode hop-free laser in order to stabilize the wavelength of the continuous laser light. is there. In this method, only a terahertz wave having a time width of about nanoseconds can be generated. In addition, the manufacturing cost of the device may be expensive.
  • the present invention has been made in view of such a situation, and an object thereof is to provide a terahertz wave generating apparatus and a terahertz wave generating method that have a simple structure and can generate a high-intensity terahertz wave.
  • a terahertz wave generator generates a terahertz wave in a direction satisfying a non-collinear phase matching condition by making ultrashort pulse laser light enter a nonlinear optical crystal.
  • a terahertz wave generator comprising: a pulsed light source that generates the ultrashort pulse laser beam; and an ultrashort pulse laser beam generated by the pulsed light source that is synchronized with the propagation of the terahertz wave. And an irradiation unit that irradiates discretely on the terahertz wave propagation line.
  • the irradiation unit receives and transmits the ultrashort pulse laser beam generated by the pulse light source, and emits the laser beam onto the terahertz wave propagation line of the nonlinear optical crystal so as to be synchronized with the propagation of the terahertz wave.
  • a plurality of optical fibers having different optical path lengths.
  • the irradiation unit includes an optical splitter that divides the ultrashort pulse laser beam generated from the pulsed light source into a plurality of ultrashort pulse laser beams and sends the laser beams to the plurality of optical fibers.
  • the irradiation unit includes a length adjusting mechanism for adjusting an optical path length of each of the optical fibers, and the length adjusting mechanism includes a drum on which each of the optical fibers is wound, and a diameter of the drum A tension changing unit that changes the tension in the longitudinal direction of the optical fiber by changing.
  • the pulse light source is provided for each of the optical fibers.
  • the irradiation unit receives and transmits the ultrashort pulse laser beam generated by the pulse light source, and emits the laser beam onto the terahertz wave propagation line of the nonlinear optical crystal so as to be synchronized with the propagation of the terahertz wave.
  • a multi-core fiber having a plurality of cores as a transmission path for the plurality of cores, wherein the plurality of cores have different optical path lengths.
  • the emission portions of the plurality of cores are arranged in parallel in the direction of the terahertz wave propagation line, and end surfaces formed by the emission portions of the plurality of cores are formed so as to form a predetermined angle,
  • the optical path length of the core is longer as it goes to one side in the parallel direction of the emitting part.
  • the pulse light source is provided for each of the cores.
  • each of the pulsed light sources includes a timing adjustment mechanism for adjusting the generation timing of the ultrashort pulse laser beam.
  • an incident angle of each ultrashort pulse laser beam emitted from each of the emission parts to the nonlinear optical crystal and an arrival position on the propagation line of the terahertz wave in the nonlinear optical crystal are set at the emission part of each transmission path.
  • a lens for setting the distance to a desired value is provided.
  • a terahertz wave generation method generates a terahertz wave in a direction satisfying a non-collinear phase matching condition by making ultrashort pulse laser light enter a nonlinear optical crystal.
  • a terahertz wave generating method wherein a pulse laser beam group composed of a plurality of the ultrashort pulse laser beams having the same repetition frequency and having a discrete wavefront is irradiated toward the nonlinear optical crystal, and the pulse laser beam Each ultrashort pulse laser beam of the group is transmitted so as to reach a position shifted sequentially on the terahertz wave propagation line with a time difference.
  • the ultrashort pulse laser light is transmitted through each transmission path, and is emitted toward each of the nonlinear optical crystals from each emission section of the transmission path, whereby the pulse laser light group is configured.
  • the deviation of the arrival position of each ultrashort pulse laser beam on the propagation line is caused by the emission units being arranged in one direction, and the arrival time of each ultrashort pulse laser beam on the propagation line is The difference is caused by the fact that the optical path length of each transmission path becomes longer as it goes to one side in the parallel direction of the emitting part.
  • a high-intensity terahertz wave can be generated with a simple structure and process.
  • FIG. 1 It is a block diagram which shows the structure of the terahertz wave generator which concerns on Embodiment 1 of this invention. It is a figure which expands and shows the state in which an ultrashort pulse laser beam group injects into a LN crystal. It is a block diagram which shows the structure of the terahertz wave generator which concerns on Embodiment 2 of this invention. It is a block diagram which shows the structure of the terahertz wave generator which concerns on Embodiment 3 of this invention. It is a block diagram which shows the structure of the terahertz wave generator which concerns on Embodiment 4 of this invention. It is a block diagram which shows the structure of the terahertz wave generator which concerns on Embodiment 5 of this invention. FIG.
  • FIG. 20 is a block diagram showing a modification example in the fifth embodiment. It is a block diagram which shows the structure of the terahertz wave generator which concerns on Embodiment 6 of this invention.
  • FIG. 25 is a block diagram illustrating a modification example in the sixth embodiment. It is a figure which shows the generation principle of the terahertz wave generation method.
  • FIG. 1 shows the configuration of the terahertz wave generation device according to the first embodiment.
  • the terahertz wave generator 1 includes an ultrashort pulse laser light source 3, a distributor 5, and a fiber bundle 7.
  • the ultrashort pulse laser light source 3 generates an ultrashort pulse laser beam having a single repetition frequency.
  • the distributor 5 is connected to the ultrashort pulse laser light source 3 through one optical fiber 9.
  • the distributor 5 divides the ultrashort pulse laser beam emitted from the ultrashort pulse laser light source 3 into a plurality of ultrashort pulse laser beams, and divides the divided ultrashort pulse laser beams into optical fibers F1 to F5 described later. Collimate below the diameter of the transmission line.
  • the fiber bundle 7 is a bundle of optical fibers F1 to F5 connected to the distributor 5 respectively.
  • the ultrashort pulse laser beams divided and collimated by the distributor 5 are simultaneously incident on the optical fibers F1 to F5.
  • Each of the optical fibers F1 to F5 transmits the ultrashort pulse laser beam, and then emits the ultrashort pulse laser beam L from the emitting unit 13 toward an LN crystal (hereinafter referred to as LN crystal) 15 as a nonlinear optical crystal.
  • LN crystal LN crystal
  • the terahertz wave generator 1 in the present embodiment generates the terahertz wave T using the principle shown in FIG. L is adjusted to enter the LN crystal 15 from a direction perpendicular to the optical axis of the LN crystal 15.
  • the optical fibers F1 to F5 are collectively referred to as an optical fiber F as appropriate.
  • the number of optical fibers is described as five from F1 to F5, but the number may be more than this.
  • a straight line A shown in FIG. 1 indicates a propagation line in which the terahertz wave T generated in the LN crystal 15 by the incidence of the ultrashort pulse laser beam L travels in a direction that satisfies the non-collinear phase matching condition.
  • the emission sections 13 of the optical fibers F are arranged in parallel so that the ultrashort pulse laser beam L emitted from the emission section 13 is sequentially irradiated onto the propagation line A of the terahertz wave.
  • the optical path length of each optical fiber F becomes longer as it goes to one side in the direction of parallel emission of the output portion 13, that is, the direction of the propagation line A of the terahertz wave. Specifically, it becomes longer in the order of F1, F2, F3, F4, and F5.
  • a condensing lens 17 is provided at the emitting portion 13 of the optical fiber F.
  • the ultrashort pulse laser light L emitted from each emitting portion 13 is condensed so as to be perpendicularly incident on the surface of the LN crystal 15, and
  • the condensing points of the respective ultrashort pulse laser beams L are positioned on the terahertz wave propagation line A with a predetermined interval.
  • the ultrashort pulse laser beam is divided and collimated by the distributor 5 to be optical fiber. Simultaneously enters F. Then, the split and collimated ultrashort pulse laser light L is transmitted through the transmission path of the optical fiber F, and then emitted from the emitting unit 13 toward the LN crystal 15. As a result, a pulse laser beam group C composed of a plurality of ultrashort pulse laser beams L and having a discrete wavefront travels toward the LN crystal 15.
  • each ultrashort pulse laser beam L constituting the pulse laser beam group C is given a time delay when it passes through the transmission path of the optical fiber F.
  • This time delay is caused by the high refractive index of the material of the optical fiber F, and the magnitude thereof is determined according to the optical path length of the transmission path of the optical fiber F.
  • the optical path length of the transmission path of the optical fibers F1 to F5 becomes longer toward the one side in the parallel direction of the emission section 13 (that is, the direction of the propagation line A of the terahertz wave)
  • the time delay increases as the ultrashort pulse laser beam L is emitted from the optical fiber F closer to one side in the parallel direction of the unit 13 (that is, the direction of the propagation line A of the terahertz wave). Therefore, when the ultrashort pulse laser beam is simultaneously incident on the optical fibers F1 to F5 from the distributor 5, the web front of the pulse laser beam group C is parallel to the emitting portion 13 (that is, the propagation line A of the terahertz wave). It becomes in a state of being inclined so as to be delayed as it becomes one side of (direction).
  • FIG. 2 shows an enlarged view of the state in which the pulse laser beam group C is incident on the LN crystal 15.
  • L1 to L3 shown in FIG. 2 are ultrashort pulse laser beams L included in one pulse laser beam group C. Since L1 passes through the optical fiber F1 having the shortest transmission path, the time delay is the shortest.
  • L2 has the second shortest time delay because the transmission path passes through the second shortest optical fiber F2.
  • L3 has the third shortest time delay because the transmission path passes through the third shortest optical fiber F3.
  • the ultrashort pulse laser beam L1 having the shortest time delay reaches the LN crystal 15 first.
  • a terahertz wave T is generated in the LN crystal 15 by parametric fluorescence, and a part of the terahertz wave T propagates in the direction of the propagation line A.
  • the ultrashort pulse laser light L2 having the second shortest time delay arrives at the position after travel, and parametric amplification occurs due to parametric interaction.
  • the intensity of the terahertz wave T is amplified.
  • the terahertz wave T travels in the direction of the propagation line A by a predetermined distance d2
  • the ultrashort pulse laser beam L3 having the third shortest time delay reaches the position after travel, and the intensity of the terahertz wave T is amplified again. Is done. This intensity amplification process is repeated until the ultrashort pulse laser beam L given the longest time delay reaches the LN crystal 15. As a result, the terahertz wave T has high intensity.
  • the terahertz wave T propagates through the LN crystal 15
  • the terahertz wave T is absorbed by the LN crystal 15.
  • the pulse width of the laser beam generated by the ultrashort pulse laser light source 3 and the pulse laser beam so that the degree of intensity increase (gain) of the terahertz wave T is larger than the absorption amount.
  • the interval of the ultrashort pulse laser beam L in the group C is adjusted.
  • the pulse laser beam group C composed of a plurality of ultrashort pulse laser beams L travels toward the LN crystal 15, and each ultrashort pulse laser beam L of the pulse laser beam group C is terahertz. Since the laser beam L reaches the sequentially shifted positions on the wave propagation line A with a time difference, each of the ultrashort pulse laser beams L can be sequentially irradiated to the terahertz wave T generated in the LN crystal 15. Thereby, a high-intensity terahertz wave is generated.
  • the terahertz wave generator 1 is provided with a plurality of optical fibers F, and the structure of the device obtained by adjusting the position of the emitting portion 13 of each optical fiber F and the optical path length of the transmission path is simple.
  • the optical path length of the transmission path of each optical fiber F and the position of the emitting portion 13 the time required for each ultrashort pulse laser beam L of the pulse laser beam group C to reach the terahertz wave propagation line A And you can adjust the position.
  • the shape of the LN crystal 15 and the relative position between the LN crystal 15 and the terahertz wave generator 1 can be arbitrarily set.
  • the ultrashort pulse laser light L emitted from each optical fiber F can be condensed at a desired position. Thereby, the amplification of the terahertz wave by the ultrashort pulse laser beam L emitted from each optical fiber F can be ensured. This reliably generates a high-intensity terahertz wave.
  • the lens 17 may be omitted. Also in this case, the web front of the pulse laser beam group C is tilted so that the beam-like ultrashort pulse laser beam L is sequentially irradiated to the terahertz wave (that is, each ultrashort pulse laser of the pulse laser beam group C). By giving a time delay to the light L in order), the intensity of the terahertz wave is amplified.
  • FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration of the terahertz wave generation device 20 according to the second embodiment.
  • the terahertz wave generator 20 is provided with an ultrashort pulse fiber laser light source 21 and a distributor 23 instead of the ultrashort pulse laser light source 3 and the distributor 5 in the first embodiment.
  • an ultrashort pulse fiber laser light source 21 and a distributor 23 instead of the ultrashort pulse laser light source 3 and the distributor 5 in the first embodiment.
  • the ultrashort pulse fiber laser light source 21 generates an ultrashort pulse laser beam having a single repetition frequency, and collimates the generated ultrashort pulse laser beam so as to be equal to or less than the diameter of the transmission path of the optical fiber F.
  • the distributor 23 is connected to the ultrashort pulse fiber laser light source 21 through one optical fiber 10.
  • the distributor 23 divides the ultrashort pulse laser beam emitted from the ultrashort pulse fiber laser light source 21 into a plurality of ultrashort pulse laser beams and simultaneously emits the divided ultrashort pulse laser beams to the optical fibers F. To do. Also in the present embodiment, as in the first embodiment, the optical path length of the transmission path of each optical fiber F and the position of the emitting unit 13, and further, the curved surface and position of the lens 17 are adjusted. The same effect as 1 is exhibited.
  • FIG. 4 is a block diagram illustrating a configuration of the terahertz wave generation device 30 according to the third embodiment.
  • the terahertz wave generation device 30 is obtained by adding a length adjustment mechanism 31 for adjusting the optical path length of the transmission path of the optical fiber F to the terahertz wave generation device 1 according to the first embodiment.
  • a length adjustment mechanism 31 for adjusting the optical path length of the transmission path of the optical fiber F to the terahertz wave generation device 1 according to the first embodiment.
  • the length adjusting mechanism 31 includes a drum (not shown) around which each of the optical fibers F1 to F5 is wound, and a piezoelectric unit (not shown) for changing the diameter of each drum. At this time, the longitudinal tension applied to the optical fibers F1 to F5 is changed by changing the diameter of the drum.
  • the lengths of the optical fibers F1 to F5 are changed by changing the longitudinal tension applied to the optical fibers F1 to F5 by operating the length adjusting mechanism 31.
  • the optical path lengths of the transmission paths F1 to F5 can be adjusted to a desired length.
  • the time delay given to the ultrashort pulse laser beam L emitted from the optical fibers F1 to F5 can be set in a larger range.
  • each ultrashort pulse laser beam L emitted from the optical fibers F1 to F5 is reliably irradiated to the terahertz wave on the propagation line A of the terahertz wave.
  • the piezoelectric unit is connected to a computer (not shown) and changes the diameter of the drum based on a signal from the computer.
  • the computer is electrically connected to a sensor (not shown) that measures the intensity of the terahertz wave, and calculates the amount of change in the diameter of the drum based on the measured value of the sensor.
  • the computer transmits a signal for causing the drum to change the calculated amount to the piezo element.
  • FIG. 5 is a block diagram illustrating a configuration of the terahertz wave generation device 40 according to the fourth embodiment.
  • the terahertz wave generation device 1 according to the first embodiment is provided with a plurality of ultrashort pulse laser light sources 3.
  • each ultrashort pulse laser beam L constituting the pulse laser beam group C is generated by a different ultrashort pulse laser light source 3.
  • differences from the first embodiment will be described.
  • the distributor 5 shown in FIG. 1 is omitted, and the ultrashort pulse laser light source 3 is provided for each optical fiber F of the fiber bundle 7.
  • Each optical fiber F transmits the ultrashort pulse laser beam generated by the corresponding ultrashort pulse laser light source 3 and then emits the ultrashort pulse laser beam L toward the LN crystal 15.
  • a timing adjusting mechanism 41 for adjusting the generation timing of the laser beam is connected to each of the ultrashort pulse laser light sources 3.
  • each ultrashort pulse laser light source 3 simultaneously makes the ultrashort pulse laser light incident on the corresponding optical fiber F.
  • the optical path length of the transmission path of the optical fiber F may be set to a constant value.
  • a desired inclination can be given to the web front of the pulse laser beam group C by sequentially shifting the generation timing of the laser beams of each ultrashort pulse laser light source 3 at an appropriate interval. Since each timing adjustment mechanism 41 is controlled by a personal computer, the light pulse emission timing of the corresponding ultrashort pulse laser light source 3 can be adjusted to a desired time.
  • FIG. 6 is a block diagram illustrating a configuration of the terahertz wave generation device 50 according to the fifth embodiment.
  • the terahertz wave generation device 50 is obtained by adding a high-output amplifier 51 described later to the terahertz wave generation device 1 according to the first embodiment.
  • a high-output amplifier 51 described later
  • differences from the first embodiment will be described.
  • a high-output amplifier 51 is provided to increase the output of the ultrashort pulse laser beam that passes through the transmission path of each optical fiber F.
  • the ultrashort pulse laser beam L whose intensity has been increased by the high-power amplifier 51 is emitted from each optical fiber F toward the LN crystal 15. For this reason, when the ultrashort pulse laser light L emitted from each optical fiber F is irradiated to the terahertz wave, the degree of the intensity amplification of the terahertz wave is increased, so that a terahertz wave having a higher intensity is generated.
  • FIG. 7 shows a modification of the present embodiment.
  • the length adjustment mechanism 31 described in the third embodiment is provided for the optical fibers F1 to F5 so as to be positioned in front of the high-power amplifier 51.
  • the length adjusting mechanism 31 adjusts the optical path lengths of the optical fibers F1 to F5, thereby giving a desired time delay to the ultrashort pulse laser beam L whose intensity has been increased by the high output amplifier 51. I can do it.
  • the high-intensity ultrashort pulse laser light L is reliably irradiated to the terahertz wave on the propagation line A of the terahertz wave, so that a terahertz wave with higher intensity is generated.
  • FIG. 8 is a block diagram illustrating a configuration of the terahertz wave generation device 60 according to the sixth embodiment.
  • a coupler 61 and a multi-core fiber 63 are provided instead of the distributor 5 and the fiber bundle 7 in the first embodiment.
  • differences from the first embodiment will be described.
  • the coupler 61 is connected to the ultrashort pulse laser light source 3 through the optical fiber 65, and makes the intensity of the ultrashort pulse laser light emitted from the ultrashort pulse laser light source 3 uniform.
  • the multi-core fiber 63 includes a plurality of transmission paths 67 and a clad portion (not labeled) that covers the plurality of transmission paths 67.
  • Each transmission path 67 is directly connected to the emitting portion of the coupler 61 so that the ultrashort pulse laser light whose intensity is uniformed by the coupler 61 is simultaneously incident on each transmission path 67.
  • each transmission path 67 is adjusted so that the ultrashort pulse laser beam L emitted from the emission part 69 enters the LN crystal 15 from a direction perpendicular to the optical axis of the LN crystal 15. ing. Further, the emission units 69 of the respective transmission paths 67 are arranged in parallel so that the ultrashort pulse laser beam L emitted from the emission unit 69 is irradiated onto the terahertz wave propagation line A sequentially shifted.
  • each transmission path 67 of each transmission path 67 becomes closer to one side in the parallel direction of the output part 69 (that is, the direction of the propagation line A of the terahertz wave).
  • the optical path length is longer.
  • Each emitting portion 69 is provided with a condensing lens 71.
  • the ultra-short pulse laser light L emitted from each emission unit 69 is condensed so as to be perpendicularly incident on the surface of the LN crystal 15, Further, the condensing points of the respective ultrashort pulse laser beams L are positioned on the terahertz wave propagation line A at a predetermined interval.
  • the ultrashort pulse laser light source 3 emits the ultrashort pulse laser light L
  • the ultrashort pulse laser light L is made uniform by the coupler 61 and then the multi-core fiber. Simultaneously enter the 63 transmission lines 67. Then, the ultrashort pulse laser beam L incident on each transmission path 67 is emitted from the emission unit 69 toward the LN crystal 15.
  • the pulse laser beam group C that is composed of a plurality of ultrashort pulse laser beams L and has a discrete wavefront travels toward the LN crystal 15.
  • each transmission path 67 of the multi-core fiber 63 becomes longer as it goes to one side in the parallel direction of the emitting portion 69 (that is, the direction of the propagation line A of the terahertz wave)
  • the web front is inclined so as to be delayed toward the one side in the parallel direction of the emitting portion 69 (that is, the direction of the propagation line A of the terahertz wave).
  • each ultrashort pulse laser beam L of the pulsed laser beam group C arrives at a sequentially shifted position on the propagation line A of the terahertz wave with a time difference.
  • the light L can be repeatedly irradiated to the terahertz wave T.
  • a pulse laser The position at which each ultrashort pulse laser beam L in the light group C is irradiated on the propagation line A of the terahertz wave and the arrival time can be adjusted.
  • the shape of the LN crystal 15 and the relative position between the LN crystal 15 and the terahertz wave generator 60 can be arbitrarily set.
  • the ultrashort pulse laser light L emitted from each transmission path 67 can be condensed at a desired position, so that a high-intensity terahertz wave is surely obtained. T is generated.
  • FIG. 9 shows a modification of the present embodiment.
  • each transmission path 67 of the multi-core fiber 63 is connected to the emission part of the coupler 61 via the optical fiber 75, and at this time, via the optical fiber 75.
  • Ultrashort pulse laser light enters from the coupler 61.
  • the length adjusting mechanism 31 shown in the third embodiment is provided at a position subsequent to the coupler 61 with respect to each optical fiber 75.
  • the time delay given to the ultrashort pulse laser beam L emitted from each transmission path 67 is in a larger range. Can be set. Thereby, each ultrashort pulse laser beam L emitted from each transmission path 67 is reliably irradiated to the terahertz wave T on the propagation line A of the terahertz wave.
  • the ultrashort pulse laser light source 3 may be provided for each transmission path 67 of the multi-core fiber 63.
  • each transmission path 67 is connected to the ultrashort pulse laser light source 3 via an optical fiber, and the ultrashort pulse laser light from the ultrashort pulse laser light source 3 is incident thereon.
  • the timing adjustment mechanism 41 shown in FIG. 5 is connected to each ultrashort pulse laser light source 3.
  • the ultrashort pulse laser beam generated by each ultrashort pulse laser light source 3 can be simultaneously incident into each transmission path 67 of the multi-core fiber 63.
  • the present invention is a device that generates a high-intensity terahertz wave, and can be used for measuring the film thickness of a multi-layered automobile, and has extremely high industrial applicability.

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Abstract

　本発明のテラヘルツ波発生装置は、単一繰り返し周波数の超短パルスレーザ光を発生する超短パルスレーザ光源（３）と、超短パルスレーザ光源（３）が発生した超短パルスレーザ光を各々伝送してＬＮ結晶（１５）に向けて出射する光ファイバＦ１～Ｆ５とを有する。光ファイバＦ１～Ｆ５における伝送路の出射部（１３）は、これら出射部（１３）の各々から出射された超短パルスレーザ光ＬがＬＮ結晶（１５）におけるテラヘルツ波の伝播線Ａ上に順次ずれて照射されるように、並列されている。またこのとき、光ファイバＦ１～Ｆ５の伝送路の光路長は、出射部（１３）の並列方向の一方側になるにつれて長くなっている。

Description

テラヘルツ波発生装置およびテラヘルツ波発生方法
　本発明は、非線形光学結晶内に超短パルスレーザ光を照射することで、ノンコリニア位相整合条件を満たす方向にテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生装置およびテラヘルツ波発生方法に関する。
　非特許文献１は、従来のテラヘルツ波の発生方法として、アンテナ素子方式、非線形効果方式、及び磁場印加方式の３つの方法を開示する。アンテナ素子方式では、半導体基板上に形成された微小構造である光伝導アンテナに電圧バイアスを印加し、その状態で超短パルスレーザ光を光伝導アンテナに照射することでテラヘルツ波を発生させる。非線形効果方式では、光整流効果に基づき、非線型感受率χ(2)を有する物質に超短パルスレーザ光を照射することでテラヘルツ波を発生させる。磁場印加方式では、半導体表面に平行に磁場を印加し、その状態で超短パルスレーザ光を半導体表面に照射することでテラヘルツ波を発生させる。
　非特許文献２は、非線形光学結晶にチェレンコフ型の放射を生じさせて高強度のテラヘルツ波を得る方法として、非線形光学結晶に照射するレーザ光のウェブフロントを非線形光学結晶の面に対して傾斜（チルト）させる方法を開示する。この方法では、回折格子とレンズとから構成される回折像転送系を用いることで、レーザ光のウェブフロントをチルトさせる。
　またテラヘルツ波の発生方法の１つとして、パラメトリック発振に利用可能な非線形光学結晶内にポンプ波を入射する方法が存在する。図１０は、この方法でのテラヘルツ波の発生原理を示している。この方法によれば、非線形光学結晶１００に該非線形光学結晶１００の光学軸Ｚと垂直な方向からパルスレーザ光Ｌを入射した場合、非線形光学結晶１００内でパラメトリック相互作用が生じて、ノンコリニア位相整合条件を満たす方向Ａにテラヘルツ波Ｔが発生する。このテラヘルツ波の発生方法として、特許文献１は、２台のレーザ発生器を用いる方法を開示する。２台のうち一方のレーザ発生器は、パルスレーザ光を出力するＹＡＧレーザであり、このときパルスレーザ光は、パルス幅が１５ｎｓ、波長が１０６４ｎｍに設定される。他方のレーザ発生器は、連続レーザ光を出力するＹｂファイバレーザである。このとき連続レーザ光は、テラヘルツ波のインジェクションシーダとして用いられ、テラヘルツ波の強度向上のために波長が１０７０．２ｎｍに固定される。
特開２００２－７２２６９号公報
「分光研究」日本分光学会、２００１年、第５０巻、第６号 「Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ」米国、Ａｍｅｒｉｃａｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃｓ、２００１年、第９０巻，ｐ．１７１２１－１～１７１２１－３
　非特許文献１に記載された３つのテラヘルツ波の発生方法では、発生するテラヘルツ波の強度が小さく、例えば、最大の強度が得られる磁場印加方式の場合でも、発生するテラヘルツ波の強度は８Ｊ／Ｐｕｌｓｅ程度である。このため、これらのテラヘルツ波の発生方法を所定の分光計測を除く分野に適用することは困難である。
　また非特許文献２に記載された方法では、テラヘルツ波発生装置に複雑な構造の回折格子を設ける必要がある。その上、レンズの集光点近傍に回折像が形成される必要があるため、転送系の調整が難しい。
　また特許文献１に記載された方法では、上述のように２台のレーザ発生器が必要であるとともに、連続レーザ光の波長を安定させるために、Ｙｂファイバレーザはモードホップフリーレーザである必要がある。この方法では、ナノ秒程度の時間幅を有するテラヘルツ波しか生成できない。また、装置の製造コストが高価になりかねない。
　本発明はこうした状況に鑑みてなされ、構造が簡易であり、かつ、高強度のテラヘルツ波を発生させることの出来るテラヘルツ波発生装置およびテラヘルツ波発生方法を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するため、本発明の第１の観点に係るテラヘルツ波発生装置は、超短パルスレーザ光を非線形光学結晶に入射することで、ノンコリニア位相整合条件を満たす方向にテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生装置であって、前記超短パルスレーザ光を発生するパルス光源と、前記パルス光源が発生した超短パルスレーザ光を、前記テラヘルツ波の伝播と同期するように、前記非線形光学結晶のテラヘルツ波伝播線上に離散的に照射する照射部とを有することを特徴とする。
　好ましくは、前記照射部は、前記パルス光源が発生した前記超短パルスレーザ光を受光して伝送し、前記テラヘルツ波の伝播と同期するように前記非線形光学結晶の前記テラヘルツ波伝播線上に出射するための複数の光ファイバを備え、該光ファイバは、互いに光路長が異なることを特徴とする。
　好ましくは、前記照射部は、前記パルス光源から発生する前記超短パルスレーザ光を複数の超短パルスレーザ光に分割して前記複数の光ファイバに送る光分割器を備えることを特徴とする。
　好ましくは、前記照射部は、各前記光ファイバの光路長を調整するための長さ調整機構を備え、前記長さ調整機構は、各前記光ファイバが巻き回されるドラムと、前記ドラムの直径を変更することで前記光ファイバの長手方向の張力を変更する張力変更部とを備えることを特徴とする。
　好ましくは、前記パルス光源が各前記光ファイバ毎に設けられることを特徴とする。
　好ましくは、前記照射部は、前記パルス光源が発生した前記超短パルスレーザ光を受光して伝送し、前記テラヘルツ波の伝播と同期するように前記非線形光学結晶の前記テラヘルツ波伝播線上に出射するための伝送路としての複数のコアを有するマルチコアファイバを備え、前記複数のコアは、互いに光路長が異なることを特徴とする。
　好ましくは、前記複数のコアの出射部は、前記テラヘルツ波伝播線の方向に並列に配置されており、前記複数のコアの出射部で構成される端面が所定角度をなすように形成され、各前記コアの光路長は、前記出射部の並列方向の一方側になるにつれて長くなっていることを特徴とする。
　好ましくは、前記パルス光源が各前記コア毎に設けられることを特徴とする。
　好ましくは、各前記パルス光源は、前記超短パルスレーザ光の発生タイミングを調節するためのタイミング調節機構を備えることを特徴とする。
　好ましくは、各前記伝送路の出射部に、各前記出射部から出射された各超短パルスレーザ光の前記非線形光学結晶への入射角度と前記非線形光学結晶におけるテラヘルツ波の伝播線上の到達位置の間隔とを所望の値にするためのレンズが設けられることを特徴とする。
　上記目的を達成するため、本発明の第２の観点に係るテラヘルツ波発生方法は、超短パルスレーザ光を非線形光学結晶に入射することで、ノンコリニア位相整合条件を満たす方向にテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生方法であって、同一繰り返し周波数の複数の前記超短パルスレーザ光から構成されて離散的な波面を有するパルスレーザ光群を、前記非線形光学結晶に向けて照射し、前記パルスレーザ光群の各超短パルスレーザ光を、前記テラヘルツ波伝播線上の順次ずれた位置に、時間差を持って到達するように、伝達することを特徴とする。
　好ましくは、前記超短パルスレーザ光が、各伝送路を介して伝送され、かつ、前記伝送路の各出射部から前記非線形光学結晶に向けて出射されることで、前記パルスレーザ光群は構成され、前記伝播線上における各前記超短パルスレーザ光の到達位置のずれは、各前記出射部が一方向に並列されることで生じ、前記伝播線上への各前記超短パルスレーザ光の到達時間の差は、各前記伝送路の光路長が、前記出射部の並列方向の一方側になるにつれて長くなっていることで生じることを特徴とする。
　本発明のテラヘルツ波発生装置および発生方法によれば、簡易な構造および工程で、高強度のテラヘルツ波を発生させることが出来る。
本発明の実施の形態１に係るテラヘルツ波発生装置の構成を示すブロック図である。 超短パルスレーザ光群がＬＮ結晶に入射する状態を拡大して示す図である。 本発明の実施の形態２に係るテラヘルツ波発生装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態３に係るテラヘルツ波発生装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態４に係るテラヘルツ波発生装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態５に係るテラヘルツ波発生装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態５における変形例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態６に係るテラヘルツ波発生装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態６における変形例を示すブロック図である。 テラヘルツ波発生方法の発生原理を示す図である。
　以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付し、その説明は繰り返さない。
（実施の形態１）
　図１は、実施の形態１に係るテラヘルツ波発生装置の構成を示す。
　実施の形態１に係るテラヘルツ波発生装置１は、超短パルスレーザ光源３と、分配器５と、ファイババンドル７とを備える。
　超短パルスレーザ光源３は、単一繰り返し周波数を有する超短パルスレーザ光を発生させる。分配器５は、１本の光ファイバ９を介して超短パルスレーザ光源３と接続されている。この分配器５は、超短パルスレーザ光源３から出射された超短パルスレーザ光を複数の超短パルスレーザ光に分割するとともに、この分割した超短パルスレーザ光を後述の光ファイバＦ１～Ｆ５の伝送路の径以下にコリメートする。ファイババンドル７は、分配器５に各々接続された光ファイバＦ１～Ｆ５が結束されたものである。各光ファイバＦ１～Ｆ５には、分配器５によって分割及びコリメートされた各超短パルスレーザ光が同時に入射する。そして、各光ファイバＦ１～Ｆ５は、超短パルスレーザ光を伝送した後、出射部１３から非線形光学結晶としてのＬＮ結晶（以下、ＬＮ結晶）１５に向けてこの超短パルスレーザ光Ｌを出射する。ここで本実施形態におけるテラヘルツ波発生装置１は、図１０に示した原理を利用してテラヘルツ波Ｔを発生させるので、各光ファイバＦ１～Ｆ５の出射部１３の向きは、超短パルスレーザ光ＬがＬＮ結晶１５の光学軸に垂直な向きからＬＮ結晶１５に入射するように調整されている。なお、以下では、光ファイバＦ１～Ｆ５を総称して、光ファイバＦと適宜示す。また、実施形態の説明においては光ファイバの数をＦ１～Ｆ５の５本で記載しているが、本数はこれ以上でも良い。
　図１に示す直線Ａは、超短パルスレーザ光Ｌの入射によってＬＮ結晶１５に生じたテラヘルツ波Ｔが、ノンコリニア位相整合条件を満たす方向に進む伝播線を示している。各光ファイバＦの出射部１３は、該出射部１３から出射された超短パルスレーザ光Ｌがテラヘルツ波の伝播線Ａ上に順次ずれて照射されるように並列されている。各光ファイバＦの光路長は、出射部１３の並列方向の、即ち、テラヘルツ波の伝播線Ａの方向の一方側になるにつれて長くなっている。具体的には、Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４、Ｆ５の順に長くなっている。また、光ファイバＦの出射部１３には集光用のレンズ１７が設けられている。このとき各レンズ１７の曲面及び位置を調節することで、各出射部１３から出射された超短パルスレーザ光Ｌが各々ＬＮ結晶１５の表面に対して垂直に入射するように集光され、且つ各超短パルスレーザ光Ｌの集光点がテラヘルツ波の伝播線Ａ上で所定の間隔をあけて位置するようになっている。
　以上の構成を有するテラヘルツ波発生装置１によれば、超短パルスレーザ光源３が超短パルスレーザ光を出射するたびに、該超短パルスレーザ光は分配器５によって分割及びコリメートされて光ファイバＦに同時に入射する。そして該分割及びコリメートされた超短パルスレーザ光Ｌは、光ファイバＦの伝送路を伝送された後、出射部１３からＬＮ結晶１５に向けて出射される。この結果、複数の超短パルスレーザ光Ｌから構成されて離散的な波面を有するパルスレーザ光群ＣがＬＮ結晶１５に向けて進行する。
　ここでパルスレーザ光群Ｃを構成する各超短パルスレーザ光Ｌには、それが光ファイバＦの伝送路を通過するとき、時間遅延が与えられる。この時間遅延は、光ファイバＦの材料の屈折率が高いことから生じ、その大きさは光ファイバＦの伝送路の光路長に応じて定まる。本実施の形態では、光ファイバＦ１～Ｆ５の伝送路の光路長が出射部１３の並列方向（即ち、テラヘルツ波の伝播線Ａの方向）の一方側になるにつれて長くなっていることから、出射部１３の並列方向（即ち、テラヘルツ波の伝播線Ａの方向）の一方側寄りの光ファイバＦから出射される超短パルスレーザ光Ｌほど時間遅延が大きくなる。このため、分配器５から光ファイバＦ１～Ｆ５へ同時に超短パルスレーザ光を入射するとき、パルスレーザ光群Ｃのウェブフロントは、出射部１３の並列方向（即ち、テラヘルツ波の伝播線Ａの方向）の一方側になるにつれて遅れるように傾斜した状態になる。
　図２は、パルスレーザ光群ＣがＬＮ結晶１５に入射する状態を拡大して示している。図２に示すＬ１～Ｌ３は、一つのパルスレーザ光群Ｃに含まれる超短パルスレーザ光Ｌである。Ｌ１は、伝送路が最も短い光ファイバＦ１を通過するので、時間遅延が最も短い。Ｌ２は、伝送路が２番目に短い光ファイバＦ２を通過するので、時間遅延が２番目に短い。Ｌ３は、伝送路が３番目に短い光ファイバＦ３を通過するので、時間遅延が３番目に短い。
　パルスレーザ光群Ｃを構成する複数の超短パルスレーザ光Ｌのうち、時間遅延が最も短い超短パルスレーザ光Ｌ１が、ＬＮ結晶１５にはじめに到達する。この結果、パラメトリック蛍光によりＬＮ結晶１５にテラヘルツ波Ｔが発生し、このテラヘルツ波Ｔの一部は伝播線Ａの方向に伝播する。そして、テラヘルツ波Ｔが伝播線Ａの方向に所定距離ｄ１分進行すると、進行後の位置に時間遅延が２番目に短い超短パルスレーザ光Ｌ２が到達し、パラメトリック相互作用によるパラメトリック増幅が生じる。この結果、テラヘルツ波Ｔの強度が増幅される。さらにテラヘルツ波Ｔが、伝播線Ａの方向に所定距離ｄ２分進行すると、進行後の位置に時間遅延が３番目に短い超短パルスレーザ光Ｌ３が到達して、再びテラヘルツ波Ｔの強度が増幅される。この強度の増幅過程は、最も長い時間遅延が与えられた超短パルスレーザ光ＬがＬＮ結晶１５に到達するまで繰り返される。この結果、テラヘルツ波Ｔは高強度になる。
　なおテラヘルツ波ＴがＬＮ結晶１５内を伝播していく過程では、ＬＮ結晶１５によるテラヘルツ波Ｔの吸収が生じる。このため、本実施の形態では、この吸収量よりもテラヘルツ波Ｔの強度増進の度合い（ゲイン）が大きくなるように、超短パルスレーザ光源３が発生するレーザ光のパルス幅、及びパルスレーザ光群Ｃにおける超短パルスレーザ光Ｌの間隔が調節されている。
　本実施の形態によれば、複数の超短パルスレーザ光Ｌからなるパルスレーザ光群ＣがＬＮ結晶１５に向けて進行するとともに、該パルスレーザ光群Ｃの各超短パルスレーザ光Ｌがテラヘルツ波の伝播線Ａ上の順次ずれた位置に時間差を持って到達するので、各超短パルスレーザ光ＬをＬＮ結晶１５内に生じたテラヘルツ波Ｔに順次照射することが出来る。これにより、高強度のテラヘルツ波が発生する。そして、テラヘルツ波発生装置１に複数の光ファイバＦを設けるとともに、各光ファイバＦの出射部１３の位置及び伝送路の光路長を調節することによって得られる装置の構造は簡易である。
　また、各光ファイバＦの伝送路の光路長及び出射部１３の位置を調節することで、パルスレーザ光群Ｃの各超短パルスレーザ光Ｌが、テラヘルツ波の伝播線Ａ上に到達する時間及び位置を調節出来る。これにより、ＬＮ結晶１５の形状、及びＬＮ結晶１５とテラヘルツ波発生装置１との相対位置を任意に設定することが出来る。
　また、レンズ１７の曲面及び位置を調節することで、各光ファイバＦから出射された超短パルスレーザ光Ｌを所望の位置に集光させることが可能になる。これにより、各光ファイバＦから出射された超短パルスレーザ光Ｌによるテラヘルツ波の増幅を確実なものに出来る。これにより、確実に高強度のテラヘルツ波が発生する。
　なお本実施の形態では、レンズ１７は省略されてもよい。この場合においても、ビーム状の超短パルスレーザ光Ｌがテラヘルツ波に順次照射されるように、パルスレーザ光群Ｃのウェブフロントを傾斜させる（即ち、パルスレーザ光群Ｃの各超短パルスレーザ光Ｌに順番に時間遅延を与える）ことで、テラヘルツ波の強度は増幅される。
（実施の形態２）
　図３は、実施の形態２に係るテラヘルツ波発生装置２０の構成を示すブロック図である。このテラヘルツ波発生装置２０には、実施の形態１における超短パルスレーザ光源３及び分配器５の代わりに、超短パルスファイバレーザ光源２１及び分配器２３が設けられている。以下、実施の形態１との相違点について説明する。
　超短パルスファイバレーザ光源２１は、単一繰り返し周波数の超短パルスレーザ光を発生するとともに、発生した超短パルスレーザ光を光ファイバＦの伝送路の径以下になるようにコリメートする。分配器２３は、１本の光ファイバ１０を介して超短パルスファイバレーザ光源２１と接続されている。この分配器２３は、超短パルスファイバレーザ光源２１から出射された超短パルスレーザ光を複数の超短パルスレーザ光に分割するとともに、分割した超短パルスレーザ光を各光ファイバＦへ同時に出射する。本実施の形態においても、実施の形態１のように、各光ファイバＦの伝送路の光路長及び出射部１３の位置、さらにはレンズ１７の曲面及び位置が調整されることで、実施の形態１と同様の効果が発揮される。
（実施の形態３）
　図４は、実施の形態３に係るテラヘルツ波発生装置３０の構成を示すブロック図である。このテラヘルツ波発生装置３０は、実施の形態１に係るテラヘルツ波発生装置１に、光ファイバＦの伝送路の光路長を調整するための長さ調整機構３１を追加したものである。以下、実施の形態１との相違点について説明する。
　長さ調整機構３１は、光ファイバＦ１～Ｆ５の各々が巻き回されるドラム（図示せず）と、各ドラムの直径を変更するためのピエゾ電気ユニット（図示せず）とを備える。このとき、ドラムの直径の変更により、光ファイバＦ１～Ｆ５に加えられる長手方向の張力が変更される。
　本実施の形態によれば、長さ調整機構３１を作動させることにより光ファイバＦ１～Ｆ５に加えられる長手方向の張力を変更することで、光ファイバＦ１～Ｆ５の長さが変わるので、光ファイバＦ１～Ｆ５の伝送路の光路長を所望の長さに調整することが出来る。これにより、光ファイバＦ１～Ｆ５から出射される超短パルスレーザ光Ｌに与える時間遅延をより大きな範囲で設定することが出来る。これにより、光ファイバＦ１～Ｆ５から出射される各超短パルスレーザ光Ｌはテラヘルツ波の伝播線Ａ上のテラヘルツ波に確実に照射される。
　なお、より好ましくは、ピエゾ電気ユニットは、コンピュータ（図示せず）に接続され、該コンピュータからの信号に基づきドラムの直径を変更する。この場合、コンピュータは、テラヘルツ波の強度を測定するセンサ（図示せず）と電気的に接続され、該センサの計測値に基づきドラムの直径の変更量を算出する。そしてコンピュータは、この算出した量の変更をドラムに生じさせるための信号をピエゾ素子に送信する。このようにすることで、現実のテラヘルツ波Ｔの発生強度に基づき光ファイバＦ１～Ｆ５の伝送路の光路長が調整されるので、テラヘルツ波Ｔの発生強度を所望の値に調整することが出来る。
（実施の形態４）
　図５は、実施の形態４に係るテラヘルツ波発生装置４０の構成を示すブロック図である。このテラヘルツ波発生装置４０は、実施の形態１に係るテラヘルツ波発生装置１に、複数の超短パルスレーザ光源３を設けたものである。このとき、パルスレーザ光群Ｃを構成する各超短パルスレーザ光Ｌはそれぞれ異なる超短パルスレーザ光源３によって発生される。以下、実施の形態１との相違点について説明する。
　実施の形態４では、図１に示した分配器５は省略され、超短パルスレーザ光源３はファイババンドル７の各光ファイバＦ毎に設けられている。各光ファイバＦは、対応する超短パルスレーザ光源３が発生した超短パルスレーザ光を伝送した後、この超短パルスレーザ光ＬをＬＮ結晶１５に向けて出射する。
　また超短パルスレーザ光源３の各々にはレーザ光の発生タイミングを調節するためのタイミング調節機構４１が接続されている。該タイミング調節機構４１の作動により、各超短パルスレーザ光源３は、各々対応する光ファイバＦへ同時に超短パルスレーザ光を入射する。
　本実施の形態によれば、分配器５を設けることなく、各光ファイバＦ内に同時に超短パルスレーザ光を入射させることが出来る。
　なお本実施の形態のように、超短パルスレーザ光源３を複数設ける場合には、光ファイバＦの伝送路の光路長は一定の値に設定されてもよい。この場合、各超短パルスレーザ光源３のレーザ光の発生タイミングを順次適宜な間隔でずらしていくことで、パルスレーザ光群Ｃのウェブフロントに所望の傾斜を与えることが出来る。各タイミング調節機構４１は、パソコンにより制御されているので、対応する超短パルスレーザ光源３の光パルス出射タイミングを所望の時間に調整できる。
（実施の形態５）
　図６は、実施の形態５に係るテラヘルツ波発生装置５０の構成を示すブロック図である。このテラヘルツ波発生装置５０は、実施の形態１に係るテラヘルツ波発生装置１に、後述の高出力アンプ５１を追加したものである。以下、実施の形態１と相違する点について説明する。
　実施の形態５では、各光ファイバＦの伝送路を通過する超短パルスレーザ光の出力を高めるための高出力アンプ５１が設けられている。
　本実施の形態によれば、高出力アンプ５１によって強度が高められた超短パルスレーザ光Ｌが各光ファイバＦからＬＮ結晶１５に向けて出射される。このため、各光ファイバＦから出射された超短パルスレーザ光Ｌがテラヘルツ波に照射された際に、テラヘルツ波の強度増幅の度合いは大きくなるので、より強度の高いテラヘルツ波が発生する。
　図７は本実施の形態における変形例を示している。本変形例におけるテラヘルツ波発生装置５３では、実施の形態３で述べた長さ調整機構３１が、高出力アンプ５１の前段に位置するように光ファイバＦ１～Ｆ５に対して設けられている。この変形例によれば、長さ調整機構３１に光ファイバＦ１～Ｆ５の光路長を調整させることで、高出力アンプ５１によって強度が高められた超短パルスレーザ光Ｌに所望の時間遅延を与えることが出来る。これにより、高強度の超短パルスレーザ光Ｌが確実にテラヘルツ波の伝播線Ａ上のテラヘルツ波に照射されるので、より強度の高いテラヘルツ波が発生する。
（実施の形態６）
　図８は、実施の形態６に係るテラヘルツ波発生装置６０の構成を示すブロック図である。このテラヘルツ波発生装置６０には、実施の形態１における分配器５及びファイババンドル７の代わりに、結合器６１及びマルチコアファイバ６３が設けられている。以下、実施の形態１と相違する点について説明する。
　結合器６１は、光ファイバ６５を介して超短パルスレーザ光源３と接続されており、超短パルスレーザ光源３から出射された超短パルスレーザ光の強度を均一化にする。
　マルチコアファイバ６３は、複数の伝送路６７と、該複数の伝送路６７を被覆するクラッド部（符号付さず）とから構成されている。結合器６１によって強度が均一化された超短パルスレーザ光が各伝送路６７に同時に入射するように、各伝送路６７は結合器６１の出射部と直接接続されている。
　また、出射部６９から出射された超短パルスレーザ光Ｌが、ＬＮ結晶１５の光学軸に垂直な向きからＬＮ結晶１５に入射するように、各伝送路６７の出射部６９の向きは調整されている。また、出射部６９から出射された超短パルスレーザ光Ｌがテラヘルツ波の伝播線Ａ上に順次ずれて照射されるように、各伝送路６７の出射部６９は並列されている。また、マルチコアファイバ６３の出射側端面が所定の斜度に研磨されているので、出射部６９の並列方向（即ち、テラヘルツ波の伝播線Ａの方向）の一方側になるにつれて各伝送路６７の光路長は長くなっている。また、各出射部６９には集光用のレンズ７１が設けられている。このとき、各レンズ７１の曲面及び位置を調節することで、各出射部６９から出射された超短パルスレーザ光Ｌは、ＬＮ結晶１５の表面に対して垂直に入射するように集光され、且つ各超短パルスレーザ光Ｌの集光点は、テラヘルツ波の伝播線Ａ上で所定の間隔をあけて位置するようになっている。
　本実施の形態によれば、超短パルスレーザ光源３が超短パルスレーザ光Ｌを出射するたびに、該超短パルスレーザ光Ｌは、結合器６１によって強度が均一にされた後、マルチコアファイバ６３の各伝送路６７に同時に入射する。そして各伝送路６７に入射した超短パルスレーザ光Ｌは、出射部６９からＬＮ結晶１５に向けて出射される。この結果、実施の形態１と同様、複数の超短パルスレーザ光Ｌから構成されて離散的な波面を有するパルスレーザ光群Ｃが、ＬＮ結晶１５に向けて進行する。そして、マルチコアファイバ６３の各伝送路６７の光路長が出射部６９の並列方向（即ち、テラヘルツ波の伝播線Ａの方向）の一方側になるにつれて長くなっているので、パルスレーザ光群Ｃのウェブフロントは、出射部６９の並列方向（即ち、テラヘルツ波の伝播線Ａの方向）の一方側になるにつれて遅れるように傾斜した状態になる。この結果、パルスレーザ光群Ｃの各超短パルスレーザ光Ｌがテラヘルツ波の伝播線Ａ上の順次ずれた位置に時間差を持って到達するので、実施の形態１と同様、各超短パルスレーザ光Ｌをテラヘルツ波Ｔに繰り返し照射することが出来る。これにより、ＬＮ結晶１５内に高強度のテラヘルツ波Ｔが発生する。そして、マルチコアファイバ６３を設けるとともに、マルチコアファイバ６３における各伝送路６７の光路長及び各伝送路６７の出射部６９の位置を調節することによって得られる装置の構造は簡易である。
　また、各伝送路６７の出射部６９の位置を調節したり、各伝送路６７の光路長を調節するためにマルチコアファイバ６３の出射側端面の研磨斜度を調節したりすることで、パルスレーザ光群Ｃの各超短パルスレーザ光Ｌがテラヘルツ波の伝播線Ａ上に照射される位置及び到達する時間を調節出来る。これにより、ＬＮ結晶１５の形状、及び、ＬＮ結晶１５とテラヘルツ波発生装置６０との相対位置を任意に設定することが出来る。
　また、レンズ７１の曲面及び位置を調節することで、各伝送路６７から出射された超短パルスレーザ光Ｌを所望の位置に集光させることが可能になるため、確実に高強度のテラヘルツ波Ｔが発生する。
　図９は本実施の形態における変形例を示している。本変形例のテラヘルツ波発生装置７３では、マルチコアファイバ６３の各伝送路６７は、結合器６１の出射部とそれぞれ光ファイバ７５を介して接続されており、このとき、この光ファイバ７５を介して結合器６１から超短パルスレーザ光が入射する。そしてテラヘルツ波発生装置７３では、各光ファイバ７５に対して結合器６１の後段の位置に実施の形態３で示した長さ調整機構３１が設けられている。
　本変形例によれば、長さ調整機構３１を用いて各光ファイバ７５の光路長を調整することで、各伝送路６７から出射される超短パルスレーザ光Ｌに与える時間遅延をより大きな範囲で設定することが出来る。これにより、各伝送路６７から出射される各超短パルスレーザ光Ｌは確実にテラヘルツ波の伝播線Ａ上のテラヘルツ波Ｔに照射される。
　なお本実施の形態では、超短パルスレーザ光源３は、マルチコアファイバ６３の各伝送路６７毎に設けられてもよい。この場合、各伝送路６７は、光ファイバを介して超短パルスレーザ光源３と接続されて、超短パルスレーザ光源３からの超短パルスレーザ光が入射される。またこの場合には、各超短パルスレーザ光源３に図５に示したタイミング調整機構４１が接続されることが好ましい。これにより、マルチコアファイバ６３の各伝送路６７内に各超短パルスレーザ光源３が発生した超短パルスレーザ光を同時に入射させることが出来る。
　本出願は、２００８年８月２６日に出願された、日本国特許出願特願２００８－２１７３８５号に基づく。本明細書中に、その明細書、特許請求の範囲、図面全体を参照して取り込むものとする。
　この発明は、高強度のテラヘルツ波を発生させる装置であり、多層からなる自動車の膜厚の測定等に利用でき、産業上の利用可能性が極めて高い。
　１、２０、３０、４０、５０、５３、６０、７３　　テラヘルツ波発生装置
　７　　　　　ファイババンドル
　９、１０、６５、７５　光ファイバ
　３　　　　　超短パルスレーザ光源
　５、２３　　分配器
　１３、６９　出射部
　１５　　　　ＬＮ結晶
　１７、７１　レンズ
　２１　　　　超短パルスファイバレーザ光源　
　３１　　　　長さ調整機構
　４１　　　　タイミング調節機構
　５１　　　　高出力アンプ
　６１　　　　結合器
　６３　　　　マルチコアファイバ
　６７　　　　伝送路
　Ａ　　　　　テラヘルツ波の伝播線
　Ｃ　　　　　パルスレーザ光群
　Ｆ１～Ｆ５　光ファイバ
　Ｌ　　　　　超短パルスレーザ光
　Ｔ　　　　　テラヘルツ波

Claims (14)

  1. 　超短パルスレーザ光を非線形光学結晶に入射することで、ノンコリニア位相整合条件を満たす方向にテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生装置であって、
    　前記超短パルスレーザ光を発生するパルス光源と、
    　前記パルス光源が発生した超短パルスレーザ光を、前記テラヘルツ波の伝播と同期するように、前記非線形光学結晶のテラヘルツ波伝播線上に離散的に照射する照射部と、
    　を有するテラへルツ波発生装置。
  2. 　前記照射部は、前記パルス光源が発生した前記超短パルスレーザ光を受光して伝送し、前記テラヘルツ波の伝播と同期するように前記非線形光学結晶の前記テラヘルツ波伝播線上に出射するための複数の光ファイバを備え、
    　該光ファイバは、互いに光路長が異なることを特徴とする、請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
  3. 　前記照射部は、前記パルス光源から発生する前記超短パルスレーザ光を複数の超短パルスレーザ光に分割して前記複数の光ファイバに送る光分割器を備えることを特徴とする、請求項２に記載のテラヘルツ波発生装置。
  4. 　前記照射部は、各前記光ファイバの光路長を調整するための長さ調整機構を備え、
    　前記長さ調整機構は、各前記光ファイバが巻き回されるドラムと、前記ドラムの直径を変更することで前記光ファイバの長手方向の張力を変更する張力変更部とを備えることを特徴とする、請求項３に記載のテラヘルツ波発生装置。
  5. 　前記パルス光源が各前記光ファイバ毎に設けられることを特徴とする、請求項４に記載のテラヘルツ波発生装置。
  6. 　前記照射部は、前記パルス光源が発生した前記超短パルスレーザ光を受光して伝送し、前記テラヘルツ波の伝播と同期するように前記非線形光学結晶の前記テラヘルツ波伝播線上に出射するための伝送路としての複数のコアを有するマルチコアファイバを備え、
    　前記複数のコアは、互いに光路長が異なることを特徴とする、請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
  7. 　前記複数のコアの出射部は、前記テラヘルツ波伝播線の方向に並列に配置されており、
    　前記複数のコアの出射部で構成される端面が所定角度をなすように形成され、各前記コアの光路長は、前記出射部の並列方向の一方側になるにつれて長くなっていることを特徴とする、請求項６に記載のテラヘルツ波発生装置。
  8. 　前記パルス光源が各前記コア毎に設けられることを特徴とする、請求項７に記載のテラヘルツ波発生装置。
  9. 　各前記パルス光源は、前記超短パルスレーザ光の発生タイミングを調節するためのタイミング調節機構を備えることを特徴とする、請求項５に記載のテラヘルツ波発生装置。
  10. 　各前記パルス光源は、前記超短パルスレーザ光の発生タイミングを調節するためのタイミング調節機構を備えることを特徴とする、請求項８に記載のテラヘルツ波発生装置。
  11. 　各前記伝送路の出射部に、各前記出射部から出射された各超短パルスレーザ光の前記非線形光学結晶への入射角度と前記非線形光学結晶におけるテラヘルツ波の伝播線上の到達位置の間隔とを所望の値にするためのレンズが設けられることを特徴とする、請求項９に記載のテラヘルツ波発生装置。
  12. 　各前記伝送路の出射部に、各前記出射部から出射された各超短パルスレーザ光の前記非線形光学結晶への入射角度と前記非線形光学結晶におけるテラヘルツ波の伝播線上の到達位置の間隔とを所望の値にするためのレンズが設けられることを特徴とする、請求項１０に記載のテラヘルツ波発生装置。
  13. 　超短パルスレーザ光を非線形光学結晶に入射することで、ノンコリニア位相整合条件を満たす方向にテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生方法であって、
    　同一繰り返し周波数の複数の前記超短パルスレーザ光から構成されて離散的な波面を有するパルスレーザ光群を、前記非線形光学結晶に向けて照射し、
    　前記パルスレーザ光群の各超短パルスレーザ光を、前記テラヘルツ波伝播線上の順次ずれた位置に、時間差を持って到達するように、伝達することを特徴とする、
    　テラヘルツ波発生方法。
  14. 　前記超短パルスレーザ光が、各伝送路を介して伝送され、かつ、前記伝送路の各出射部から前記非線形光学結晶に向けて出射されることで、前記パルスレーザ光群は構成され、
    　前記伝播線上における各前記超短パルスレーザ光の到達位置のずれは、各前記出射部が一方向に並列されることで生じ、
    　前記伝播線上への各前記超短パルスレーザ光の到達時間の差は、各前記伝送路の光路長が、前記出射部の並列方向の一方側になるにつれて長くなっていることで生じることを特徴とする、請求項１３に記載のテラヘルツ波発生方法。
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