JP2010066380A - 波長可変テラヘルツ波発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】連続した広帯域で波長可変のテラヘルツ波発生装置の実現。
【解決手段】第１励起光を放射し、この第１励起光の波長が、モードホップがなく連続して可変できる第１波長掃引幅を有した第１励起光源５１と、モードホップを有し、第１波長掃引幅以下の間隔で、離散的に発振波長を可変設定でき、第１励起光との周波数差がテラヘルツ帯域である第２励起光を放射する第２励起光源５２と、第１励起光と前記第２励起光の成す角度が位相整合角となるよう角度を調整して混合させる角度調整手段６４と、２つの前記増幅光が位相整合角を成して入射し、差周波混合によって同時に２方向にテラヘルツ波を放射する非線形光学結晶６５とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、非線形光学結晶を用いて差周波混合によりテラヘルツ波を生成する波長可変のテラヘルツ波発生装置に関する。特に、広い帯域で連続的に波長可変とした装置に関する。

近年、電波と光との境界の電磁波であるテラヘルツ波が注目され、テラヘルツ波を用いた分光技術やイメージング技術について研究開発がなされている。

テラヘルツ波の発生には、パラメトリック素子を用いた差周波による発生法、非線形素子を用いたパラメトリック発振器による発生法、半導体基板に形成された光伝導アンテナや電気光学（Electro-Optical ）効果を有する結晶にピコ秒〜フェムト秒の短パルスレーザ光を入力して発生する方法がある。

非線形光学結晶を用いた差周波数の発生を利用するものが知られている（たとえば、特許文献１〜３）。これは、周波数差がテラヘルツ帯域である２つの励起光を位相整合条件を満たすようにして非線形光学結晶に入射させ、差周波混合によってテラヘルツ波を発生させるものである。

ＧａＰなどの等方性の非線形光学結晶を用いる場合は、複屈折性を利用して位相整合させることができないため、２つの励起光に微小な角度を持たせるノンコリニア位相整合を行っている。ＧａＰ結晶の場合のノンコリニア位相整合について、特許文献１、３に詳しく記載されている。

非線形光学効果の一つである差周波発生を利用する方法では、ポンプレーザ、信号レーザと呼ぶ周波数の異なる２つのパルス光をテラヘルツ電磁波発生用結晶である半導体ＧａＰ、ＧａＳｅ結晶などに入射させることにより、その周波数の差に相当する単色コヒーレントテラヘルツ波の発生が可能となる。これらテラヘルツ光源により、物質のテラヘルツ帯におけるスペクトル測定やイメージングを行うことで、分子の同定、食品・医薬品の検査等の非破壊検査、癌組織の発見などが可能となる。

２つのレーザパルス光を用いてテラヘルツ電磁波を発生するには、ポンプ光、信号光そしてテラヘルツ電磁波が位相整合条件を満たす必要がある。屈折率が等方的であるＧａＰ結晶などを使う場合、２つの入射ビームに所定の角度を持たせる必要がある。これらのテラヘルツ波は、例えば、分光分析に用いる場合には、波長が広帯域において連続して変化できることが必要である。
特開２００４−３１８０２８ 特開２００６−９１８０２ 特開２００７−１３３３３９

しかしながら、上記のテラヘルツ波発生装置において、波長を広帯域において可変できるようにするためには、励起光源に近赤外半導体レーザを用いた場合に、モードホップにより可変波長が連続しないという問題や可変波長掃引幅が狭いという問題がある。このことから、従来においては、広帯域において波長を連続的に可変することは困難であった。

そこで本発明の目的は、広帯域において連続して波長を可変できるテラヘルツ波発生装置を実現することである。

第１の発明は、波長可変のテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生装置において、第１励起光を放射し、この第１励起光の波長が、モードホップがなく連続して可変できる第１波長掃引幅を有した第１励起光源と、モードホップを有し、第１波長掃引幅以下の間隔で、離散的に発振波長を可変設定でき、第１励起光との周波数差がテラヘルツ帯域である第２励起光を放射する第２励起光源と、第１励起光と第２励起光の成す角度が位相整合角となるよう角度を調整して混合させる角度調整手段と、２つの励起光が位相整合角を成して入射し、差周波混合によってテラヘルツ波を放射する非線形光学結晶と、を備えたことを特徴とするテラヘルツ波発生装置である。

また、第２野発明は、波長可変のテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生装置において、第１励起光を放射し、この第１励起光の波長が、モードホップがなく連続して可変できる第１波長掃引幅を有した第１励起光源と、モードホップを有し、第１波長掃引幅以下の間隔で、離散的に発振波長を可変設定でき、第１励起光との周波数差がテラヘルツ帯域である第２励起光を放射する第２励起光源と、第１励起光と第２励起光とを合波させて合波光を生成する合波手段と、合波光を２つに分割する分割手段と、分割手段により分割された２つの合波光の成す角度が位相整合角となるように角度を調整して混合させる角度調整手段と、２つの合波光が位相整合角を成して入射し、差周波混合によって同時に２方向にテラヘルツ波を放射する非線形光学結晶と、を備えていることを特徴とするテラヘルツ波発生装置である。

第１の発明が、第１励起光と第２励起光とを、別々の光路を伝搬させて、両者を位相整合角となるように角度調整して、非線形光学結晶に入射させるようにしたのに対して、第２の発明は、第１励起光と第２励起光とを、一旦、合波して、その合波光を２分割して、分割されたそれぞれの合波光を、位相整合角となるように角度調整して、非線形光学結晶に入射させている。

また、第１の発明においては、角度調整手段の前段に、第１励起光と第２励起光とを、それぞれ、増幅する増幅器を設け、角度調整手段は、それぞれの増幅器の出力する第１励起光と第２励起光の角度調整をすることが望ましい。増幅器には、ファイバーアンプを用いることができる。また、第２の発明においては、第１励起光と第２励起光とを合波した後、その合波光を分割する前に、増幅するファイバーアンプを設けることが望ましい。

また、第１の発明及び第２の発明において、第１励起光源は、ＤＦＢレーザ、又は、ＤＢＲを用いた半導体レーザであり、第２励起光源は、外部共振器型半導体レーザであることが望ましい。一般的に、モードホップがない場合には、波長可変幅は狭いが、モードホップがある場合には、連続的に波長を可変することはできないが、不連続であっても可変し得る波長範囲は広い。したがって、本第１の発明及び第２の発明において、第１励起光源には、モードホップがなく連続して可変できる所定の第１波長掃引幅を有した光源を用い、第２励起光源には、モードホップを有し、第１波長掃引幅よりも狭い間隔で、離散的に発振波長を可変設定できる光源を用いれば十分であり、その種類には限定されない。ＤＦＢ（分布帰還型）半導体レーザ、又は、ＤＢＲ（分布ブラッグ反射型）半導体レーザは、温度制御により、屈折率を変化させることで、モードホップがなく１ＴＨｚ程度の連続した波長可変幅を実現することができるので、第１励起光源として最適である。また、外部共振器型半導体レーザは、回折格子と外部共振器とを用いて共振光を半導体にフィードバックさせて発振させるレーザであり、回折格子への入射角により、共振波長を変化させるものである。このため、共振波長幅が狭く、次の共振波長との間で、モードホップがあり、連続して波長を変化させることができない。しかし、不連続であっても、波長を可変設定できる範囲は広いので、第２励起光源として最適である。この場合、周波数幅は、外部共振器型半導体レーザにもよるが、５〜１５ＧＨｚ、又は、１〜４ＭＨｚ程度であり、モードホップの周波数間隔も５〜１５ＧＨｚ、又は、１〜４ＭＨｚ程度である。

また、第１発明及び第２発明において、テラヘルツ波発生装置は、非線形光学結晶においてもっともビーム径が絞られるように調整するレンズを備えるのが望ましい。
さらに、非線形光学結晶には、ＧａＰ結晶を用いることができる。

第２励起光の波長をある波長に設定して、第１励起光の波長を第１波長掃引幅で変化させる。そして、第２励起光の波長を他の波長に設定して、同様に、第１励起光の波長を第１波長掃引幅で変化させる。これを繰り返すことで、出力されるテラヘルツ波の波長を広い帯域において、連続して変化させることができる。このため、広い波長帯域における物質の分光分析などを、一度に、実施することができる。

また、第２の発明では、第１励起光と第２励起光とを合波しているため、１台のファイバーアンプで第１励起光と第２励起光の双方を増幅することができ、テラヘルツ波発生装置の構成を簡素化することができ、低コスト化を図ることができる。また、第１励起光と第２励起光を合波して同時に集光しているため、ビーム径が円形となり、非線形光学結晶において２つの合波光を効率的に重ねることができ、テラヘルツ波の出力を向上させることができる。

以下、本発明の具体的な実施例について図を参照して説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
まず、本発明の原理について説明する。図１（ａ）に示すように、第１励起光の連続した波長可変幅である第１波長掃引幅の下限値λ_L と上限値λ_u を、ｃ／（ｆ₁₀−Δｆ₁₀）、ｃ／（ｆ₁₀＋Δｆ₁₀）とする。ただし、ｃは光速度、ｆ₁₀は、中心周波数、２Δｆ₁₀は、周波数での掃引幅である。波長掃引幅の中心波長λ₁₀は、ｃ／ｆ₁₀であり、波長掃引幅２Δλ₁₀は、次式を満たす。

Δｆ₁₀≪ｆ₁₀であるから、

次に、第１波長掃引幅内での第１励起光の周波数と、波長を、それぞれ、ｆ₁ （ｘ）、λ₁ （ｘ）として、第２励起光の周波数をｆ₂ （ｙ）、波長をλ₂ （ｙ）とし、得られるテラヘルツ波の周波数をｆ₃ （ｘ，ｙ）、波長をλ₃ （ｘ，ｙ）とする。次の関係式が成立する。ただし、とり得るｘ、ｙの値に対して、ｆ₂ （ｙ）＞ｆ₁ （ｘ）とする。また、ｘは、第１波長掃引幅内での第１励起光の周波数を決定するインデックス、ｙは、第２励起光の設定される周波数を決定するインデックスである。

Δｆ₁ （ｘ）は、第１励起光の中心周波数ｆ₁₀から測定した偏差周波数である。
また、波長については、次式が成立する。

ただし、ｆ₃₀（ｙ）、λ₃₀（ｘ，ｙ）は、それぞれ、出力されるテラヘルツ波の、第１励起光の周波数を変化する場合の中心周波数、中心波長である。

また、第２励起光の設定される周波数の間隔は、第１波長掃引幅の周波数幅２Δｆ₁₀以下とする。
すなわち、

とする。また、ｙの値の最小値を１、最大値をｋ_max とし、第２励起光の可変設定幅の最小値をｆ₂ （１）、その最大値をｆ₂ （ｋ_max ）とする。

なお、第２励起光は、モードホップがあり、連続して周波数が可変できる幅と、その実現できる周波数の隣接周波数間隔の最小値は、通常は、５〜１５ＧＨｚ程度であり、第１波長掃引幅に対応する周波数幅２Δｆ₁₀や、第２励起光の可変設定周波数幅ｆ₂ （ｋ_max ）−ｆ₂ （１）に比べて、十分に短い。したがって、（６）式を満たすように、（６）式の等号の場合も含めて、第２励起光の周波数、波長を選択することができる。

第２励起光は、図１（ｂ）のように、ｆ₂ （１），ｆ₂ （２），…ｆ₂ （ｋ），…ｆ₂ （ｋ_max ）のように、離散的に周波数を設定することができる。もちろん、ｆ₂ （１），ｆ₂ （２），…，ｆ₂ （ｋ）の間においても、離散的な周波数で発振させることが可能である。図１（ｂ）のように、任意の周波数間隔で、第２励起光の周波数を設定する。

今、第２励起光の周波数をｆ₂ （ｙ）に設定して、第１励起光の周波数を第１波長掃引幅において、変化させたとする。すると、Δｆ₁ （ｘ）は、−Δｆ₁₀からΔｆ₁₀へと変化するので、出力されるテラヘルツ波の周波数ｆ₃ は、（４）式から明らかなように、ｆ₃₀（ｙ）＋Δｆ₁₀からｆ₃₀（ｙ）−Δｆ₁₀へと変化する。

第２励起光の設定周波数をｆ₂ （１）に設定して、第１励起光の周波数を変化させると、出力されるテラヘルツ波の周波数の可変範囲は、図１（ｃ）に示すＡ１の領域となる。また、第２励起光の設定周波数をｆ₂ （２）に設定して、第１励起光の周波数を変化させると、出力されるテラヘルツ波の周波数の可変範囲は、図１（ｃ）に示すＡ２の領域となる。そして、これらを繰り返して、第２励起光の設定周波数をｆ₂ （ｋ_max ）に設定して、第１励起光の周波数を変化させると、出力されるテラヘルツ波の周波数の可変範囲は、図１（ｃ）に示すＡｋ_max の領域となる。

第２励起光の可変設定できる周波数間隔ｆ₂ （ｋ＋１）−ｆ₂ （ｋ）は、第１励起光の波長掃引幅に対応した周波数掃引幅２Δｆ₁₀以下にできるので、出力されるテラヘルツ波の周波数可変幅Ａ１，Ａ２，…Ａｋ，…Ａｋ_max は、連続することになる。

図２に、実施例１にかかるテラヘルツ波発生装置の構成を示す。テラヘルツ波発生装置５０は、ＤＦＢ半導体レーザから成る第１励起光源５１と、外部共振型半導体レーザから成る第２励起光源５２とを有する。第１励起光源５１と第２励起光源５２は、それぞれ、１／２波長板５３、５４を介して、ファイバーアンプ５５、５６に接続されている。ファイバーアンプ５５、５６の出力は、それぞれ、レンズ５７、５８を介して、ミラー５９、６０に、接続されている。ミラー５９により反射された第１励起光は、１／２波長板６２を通過して、ミラー６３により反射されて、偏光ビームスプリッタ６４に入射する。また、ミラー６０により反射された第２励起光が１／２波長板６１を通過して、偏向ビームスプリッタ６４に入力している。偏向ビームスプリンタ６４に入射した第１励起光と第２励起光とは、ＧａＰ結晶６５に入射している。偏光ビームスプリッタ６４が本発明の角度調整手段に相当し、ＧａＰ結晶６５が本発明の非線形光学結晶に相当している。

ファイバーアンプ５５、５６は、Ｙｂをドープした光ファイバ増幅器である。レンズ５７、５８は、焦点距離５００ｍｍである。このレンズ５７、５８によって、それぞれ、ファイバーアンプ５５、５６からの第１励起光及び第２励起光のビーム径がＧａＰ結晶６５において最も絞られる。

偏光ビームスプリッタ６４は、三角プリズムの斜面に誘電体多層膜を形成し、２つの三角プリズムを斜面で接着したキューブ型の素子である。偏光ビームスプリッタ６４は回転及び光軸方向及びそれに垂直な方向に移動させることができる。たとえば、回転可能に支持された偏光ビームスプリッタ６４を１軸ステージ上に乗せることで移動と回転の制御が可能である。偏光ビームスプリッタ６４は、その回転、移動を制御することで、２つの合波光の成す角度と重なる位置を調整して混合するものである。

ＧａＰ結晶６５は（１１０）面で研磨されている。この（１１０）面が光の入射面となる。実施例１のテラヘルツ波発生装置は、このＧａＰ結晶６５に２つの励起光を入射させて差周波混合を生じさせることによりテラヘルツ波を発生させるものである。ＧａＰ結晶６５は等方性の非線形光学結晶であり、複屈折性を有していないため、２つの励起光に角度を持たせて行う位相整合（ノンコリニア位相整合）によって位相整合条件を満たすようにする。

ミラー５９、６０、６３は、いずれも光の照射方向を制御するためのものであり、１／２波長板５３、５４、６１、６２は、いずれも光の偏光方向を調整するためのものである。このテラヘルツ波発生装置５０は、ＧａＰ結晶６５から第１励起光と第２励起光との差周波数のテラヘルツ波を発生させることができるものである。

次に、本テラヘルツ波発生装置５０により、広帯域に渡り、出力されるテラヘルツ波の周波数、波長を変化させる方法を説明する。
まず、第２励起光源５２における回折格子への入射角を制御することで、第２励起光の周波数をｆ₂ （ｋ）に設定する。次に、第１励起光源５１の温度を制御することで、第１励起光の周波数をｆ₁₀＋Δｆ₁₀から、ｆ₁₀−Δｆ₁₀へと２Δｆ₁₀の範囲で変化させる。すると、出力されるテラヘルツ波の周波数はｆ₂ （ｋ）−ｆ₁₀−Δｆ₁₀から、ｆ₂ （ｋ）−ｆ₁₀＋Δｆ₁₀へと幅２Δｆ₁₀で変化する。すなわち、ｆ₂ （ｋ）−ｆ₁₀を中心周波数として、その中心周波数からΔｆ₁₀だけ低い周波数から、その中心周波数からΔｆ₁₀だけ高い周波数まで、出力されるテラヘルツ波の周波数を連続的に変化させることができる。

次に、第２励起光源５２を制御して、第２励起光源の周波数を第２励起光の周波数をｆ₂ （ｋ＋１）に設定する。次に、上記の場合と同様に、第１励起光源５１の温度を制御することで、第１励起光の周波数をｆ₁₀＋Δｆ₁₀から、ｆ₁₀−Δｆ₁₀へと２Δｆ₁₀の範囲で変化させる。すると、出力されるテラヘルツ波の周波数はｆ₂ （ｋ＋１）−ｆ₁₀−Δｆ₁₀から、ｆ₂ （ｋ＋１）−ｆ₁₀＋Δｆ₁₀へと幅２Δｆ₁₀で変化する。すなわち、ｆ₂ （ｋ＋１）−ｆ₁₀を中心周波数として、その中心周波数からΔｆ₁₀だけ低い周波数から、その中心周波数からΔｆ₁₀だけ高い周波数まで、出力されるテラヘルツ波の周波数を連続的に変化させることができる。ｆ₂ （ｋ＋１）−ｆ₂ （ｋ）≦２Δｆ₁₀に設定されているので、ｆ₂ （ｋ）−ｆ₁₀−Δｆ₁₀からｆ₂ （ｋ）−ｆ₁₀＋Δｆ₁₀までの周波数領域と、ｆ₂ （ｋ＋１）−ｆ₁₀−Δｆ₁₀からｆ₂ （ｋ＋１）−ｆ₁₀＋Δｆ₁₀までの周波数領域とは、一部領域が重複するが、連続した領域となる。このように、第２励起光の周波数ｆ₂ （ｋ）を順次、変化させて、同様に第１励起光の周波数を温度制御により掃引することで、出力されるテラヘルツ波の周波数は広帯域において連続した周波数となる。

なお、レンズ５７、５８の光軸方向の位置を制御することで、ＧａＰ結晶６５に入射する第１励起光と第２励起光のスポットの直径を最小にすることで、テラヘルツ波を出力を最大にすることができる。また、出力されるテラヘルツ波の周波数ｆとＧａＰ結晶６５に入射する２つの励起光の位相整合角θとの間には、図３に示す特性がある。したがって、出力されるテラヘルツ波を周波数に応じて、位相整合角θを調整する必要がある。このため、第１励起光と第２励起光との入射角を制御するために、偏光ビームスプリッタ６４の回転角、及び位置を制御する。偏光ビームスプリッタ６４は角度調整手段を構成する。

また、ｆ₂ （ｋ＋１）−ｆ₂ （ｋ）＝２Δｆ₁₀に、第２励起光の周波数ｆ₂ （ｋ）を設定することで、出力されるテラヘルツ波の周波数は、周波数領域に重なりがなく、連続させることができる。この条件は、第２励起光源のモードホップ間隔が１５ＧＨｚ程度と、出力されるテラヘルツ波の周波数に比べて小さいために、容易に満たすことができる。

図４は、第２励起光の周波数ｆ₂ （ｋ）を２８５．１１ＴＨｚに設定して、第１励起光の中心周波数ｆ₁₀を２８３．５５ＴＨｚに設定して、周波数掃引幅２ｆ₁₀を０．５ＴＨｚとして、出力されるテラヘルツ波を用いて、空気の吸収スペクトルを測定したものである。１．５５ＴＨｚ〜２．０５ＴＨｚまで、周波数が連続的に変化していることが分かる。

第２励起光の周波数を順次変化させて、第１励起光の波長を第１波長掃引幅で掃引することで、図４に示される出力されるテラヘルツの帯域が平行移動して生成される図５に示すような１〜７ＴＨｚの広帯域において、出力されるテラヘルツ波の波長を連続的に変化させることができる。

実施例２は、同時に２方向にテラヘルツ波を発生させることができ、そのテラヘルツ波の周波数が可変であるテラヘルツ波発生装置である。図６は、実施例２のテラヘルツ波発生装置の構造について示した図である。テラヘルツ波発生装置１は、第１励起光源１１と、第２励起光源１０と、無偏光ビームスプリッタ１２と、ファイバーアンプ１３と、レンズ１４と、偏光ビームスプリッタ１５、１６と、ＧａＰ結晶１７と、ミラー１８〜２０と、１／２波長板２１〜２４と、を備えている。また、無偏光ビームスプリッタ１２が本発明の合波手段に相当し、偏光ビームスプリッタ１５が本発明の分割手段に相当し、偏光ビームスプリッタ１６が本発明の角度調整手段に相当し、ＧａＰ結晶１７が本発明の非線形光学結晶に相当している。

第１励起光源１１は、実施例１と同様にＤＦＢ半導体レーザである。また、第２励起光源１０は、実施例１と同様に外部共振型半導体レーザである。ファイバーアンプ１３は、Ｙｂをドープした光ファイバ増幅器であり、無偏光ビームスプリッタ１２からの合波光を増幅させるものである。

レンズ１４は、焦点距離５００ｍｍである。このレンズ１４の光軸方向の位置を制御することにより、ファイバーアンプ１３からの合波光のビーム径がＧａＰ結晶１７において最も絞られるようにする。

無偏光ビームスプリッタ１２および偏光ビームスプリッタ１５、１６は、三角プリズムの斜面に誘電体多層膜を形成し、２つの三角プリズムを斜面で接着したキューブ型の素子である。偏光ビームスプリッタ１６は回転及び光軸方向及びそれに垂直な方向に移動させることができる。たとえば、回転可能な偏光ビームスプリッタ１６を１軸ステージ上に乗せることで回転と移動の制御が可能である。無偏光ビームスプリッタ１２に入射した光は、その偏光状態によらずに反射光と透過光に分割される。偏光ビームスプリッタ１５、１６に入射した光は、反射光と透過光に分割され、その反射光と透過光の偏光方向は互いに直交する。無偏光ビームスプリッタ１２は、第２励起光と第１励起光とを合波するためのものである。偏光ビームスプリッタ１５は、第２励起光と第１励起光との合波光を２つに分割するものである。偏光ビームスプリッタ１６は、その回転、移動を制御することで、２つの合波光の成す角度と重なる位置を調整して混合するものである。

ＧａＰ結晶１７は（１１０）面で研磨されている。この（１１０）面が光の入射面となる。実施例１のテラヘルツ波発生装置は、このＧａＰ結晶１７に２つの励起光を入射させて差周波混合を生じさせることによりテラヘルツ波を発生させるものである。ＧａＰ結晶１７は等方性の非線形光学結晶であり、複屈折性を有していないため、２つの励起光に角度を持たせて行う位相整合（ノンコリニア位相整合）によって位相整合条件を満たすようにする。

ミラー１８〜２０はいずれも光の照射方向を制御するためのものであり、１／２波長板２１〜２４はいずれも光の偏光方向を調整するためのものである。このテラヘルツ波発生装置は、ＧａＰ結晶１７から第１励起光と第２励起光との差周波数のテラヘルツ波を２方向に同時に発生させることができるものである。

以下、テラヘルツ波発生装置によるテラヘルツ波発生の動作についてより詳しく説明する。第１励起光源１１から放射される第１励起光は、１／２波長板２１を通したのち、無偏光ビームスプリッタ１２に入射させる。一方、第２励起光源１０から放射される第２励起光は、１／２波長板２２を通して、ミラー１８により反射させて、無偏光ビームスプリッタ１２に入射させる。これにより、偏光方向が揃った状態で第１励起光および第２励起光を合波させ、合波光を出力させる。

次に、無偏光ビームスプリッタ１２から出力された合波光をファイバーアンプ１３に入射させ、合波光を増幅させる。

次に、レンズ１４の光軸方向の位置を制御することでその焦点位置を制御して、合波光を集光し、ＧａＰ結晶１７においてもっともビーム径が絞られるようにする。

次に、偏光ビームスプリッタ１５によって合波光を、合波光Ａ、Ｂの２つに分割する。一方の合波光Ａは、１／２波長板２３を通して偏光ビームスプリッタ１６に入射させる。他方の合波光Ｂは、ミラー１９によって反射させ、１／２波長板２４を透過し、さらにミラー２０によって反射させたのち、偏光ビームスプリッタ１６に入射させる。そして、偏光ビームスプリッタ１６によって、ＧａＰ結晶１７において２つの合波光Ａ、Ｂが角度を成して混合するようにする。合波光Ａ、Ｂの成す角度および重なる位置は、偏光ビームスプリッタ１６を回転、移動させることで制御することができる。合波光Ａ、Ｂの成す角度は位相整合条件を満たすように制御する。

２つの合波光Ａ、Ｂは、ＧａＰ結晶１７の（１１０）面に重ね合わせて入射させる。（１１０）面に入射させるのは、他の結晶面よりも効率よくＴＯフォノンが励起され、効率よくテラヘルツ波を発生させることができるからである。また、合波光Ａ、Ｂの偏光方向は、一方が［００１］軸方向となるように、他方が［１−１０］軸方向となるようにする。これは、ラマン選択則から導かれるフォノンの励起効率に優れるからである。いずれの現象もＧａＰ結晶のフォノン−ポラリトンの分散曲線から説明される。

ＧａＰ結晶１７中では差周波混合によってフォノン−ポラリトンが励起され、第２励起光と第１励起光との差周波数のテラヘルツ波が発生する。図７は、ＧａＰ結晶１７中における第２励起光、第１励起光、およびテラヘルツ波（フォノン−ポラリトン）の波数ベクトルの関係を示した図である。図７中において、ｋ_s は合波光Ａ中の第１励起光の波数ベクトル、ｋ_p は合波光Ｂ中の第２励起光の波数ベクトル、ｋ_s ’は合波光Ｂ中の第１励起光の波数ベクトル、ｋ_p ’は合波光Ａ中の第２励起光の波数ベクトル、ｑ、ｑ’は発生するテラヘルツ波の波数ベクトルを示している。ｑ＝ｋ_p −ｋ_s 、ｑ’＝ｋ_p ’−ｋ_s ’である。この図７のように、第２励起光の波数ベクトルと第１励起光の波数ベクトルとの差ｋ_p −ｋ_s 、ｋ_p ’−ｋ_s ’がテラヘルツ波の波数ベクトルｑ、ｑ’と一致するときに位相整合条件が満たされる。２本の合波光Ａ、Ｂを入射させているため、一方の合波光Ｂ中の第２励起光と他方の合波光Ａ中の第１励起光によるテラヘルツ波（ｑ＝ｋ_p −ｋ_s 、図７（ａ）参照）と、一方の合波光Ａ中の第２励起光と他方の合波光Ｂ中の第１励起光によるテラヘルツ波（ｑ’＝ｋ_p ’−ｋ_s ’、図７（ｂ）参照）の２波が発生し、ＧａＰ結晶１７からそれぞれ異なる方向に放射される。すなわち、ｑとｋ_p との成す角度と、ｑ’とｋ_p ’との成す角度が等しく、ｋ_p ＋ｋ_p ’の方向に対して対称的な２方向にテラヘルツ波が出力される。

また、レンズ１４によってシグナル光およびポンプ光を同時に集光しているため、ＧａＰ結晶１７において合波光Ａ、Ｂのビーム形状はほぼ円形となる。そのため、合波光Ａ、Ｂを効率的に重ね合わせることができる。

以上のように、実施例２のテラヘルツ波発生装置からは、同時に２方向にテラヘルツ波が発生する。したがって、実施例２のテラヘルツ波発生装置を用いて分光装置を構築すれば、テラヘルツ波を光学部品を用いて分割して参照光を生成する必要がないので、低コストに分光装置を構築することができ、また高精度に分光測定を行うことができる。

実施例２においても、実施例１と同様に、広い波長帯域において、出力されるテラヘルツ波の波長を連続的に変化させることができる。また、出力されるテラヘルツ波の周波数に依存して、偏光ビームスプリッタ１６の回転角度や位置を制御して、ＧａＰ結晶１７に入射させる第１励起光と第２励起光との角度差を制御して、その周波数において位相整合条件が成立するように制御される。なお、上記実施例では非線形光学結晶としてＧａＰ結晶を用いたが、差周波混合によってテラヘルツ波を発生させ、ノンコリニア位相整合により位相整合条件を満たすことができる非線形光学結晶であれば他のものを用いてもよい。たとえば、ＬｉＮｂＯ₃ 結晶などを用いることができる。

本発明のテラヘルツ波発生装置は、分光法などに用いることができる。

実施例１のテラヘルツ波発生装置の原理を示した説明図。 実施例１のテラヘルツ波発生装置の構成を示した図。 出力されるテラヘルツ波の周波数と位相整合角との関係を示した特性図。 実施例１の装置により出力されるテラヘルツ波を用いた空気のスペクトラム吸収特性の測定図。 広帯域で波長が可変であることを示す出力されるテラヘルツ波の周波数帯域を示した説明図。 実施例２のテラヘルツ波発生装置の構成を示した図。 波数ベクトルの関係を示した図。

符号の説明

５１、１１：第１励起光源
５２、１０：第２励起光源
１２：無偏光ビームスプリッタ
１３：ファイバーアンプ
１４：レンズ
１５、１６：偏光ビームスプリッタ
１７：ＧａＰ結晶

Claims (7)

1. 波長可変のテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生装置において、
   第１励起光を放射し、この第１励起光の波長が、モードホップがなく連続して可変できる第１波長掃引幅を有した第１励起光源と、
   モードホップを有し、前記第１波長掃引幅以下の間隔で、離散的に発振波長を可変設定でき、前記第１励起光との周波数差がテラヘルツ帯域である第２励起光を放射する第２励起光源と、
   前記第１励起光と前記第２励起光の成す角度が位相整合角となるよう角度を調整して混合させる角度調整手段と、
   ２つの前記励起光が位相整合角を成して入射し、差周波混合によってテラヘルツ波を放射する非線形光学結晶と、
   を備えたことを特徴とするテラヘルツ波発生装置。
2. 波長可変のテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生装置において、
   第１励起光を放射し、この第１励起光の波長が、モードホップがなく連続して可変できる第１波長掃引幅を有した第１励起光源と、
   モードホップを有し、前記第１波長掃引幅以下の間隔で、離散的に発振波長を可変設定でき、前記第１励起光との周波数差がテラヘルツ帯域である第２励起光を放射する第２励起光源と、
   前記第１励起光と前記第２励起光とを合波させて合波光を生成する合波手段と、
   前記合波光を２つに分割する分割手段と、
   前記分割手段により分割された２つの合波光の成す角度が位相整合角となるように角度を調整して混合させる角度調整手段と、
   ２つの前記合波光が位相整合角を成して入射し、差周波混合によって同時に２方向にテラヘルツ波を放射する非線形光学結晶と、
   を備えていることを特徴とするテラヘルツ波発生装置。
3. 前記角度調整手段の前段に、前記第１励起光と前記第２励起光とを、それぞれ、増幅する増幅器を有し、
   前記角度調整手段は、それぞれの増幅器の出力する第１励起光と第２励起光の角度調整をす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。
4. 前記テラヘルツ波発生装置は、前記合波光を前記分割手段により分割する前に増幅するファイバーアンプを備えている、
   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。
5. 前記第１励起光源は、ＤＦＢレーザ、又は、ＤＢＲを用いた半導体レーザであり、前記第２励起光源は、外部共振器型半導体レーザであることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載のテラヘルツ波発生装置。
6. 前記テラヘルツ波発生装置は、前記非線形光学結晶においてもっともビーム径が絞られるように調整するレンズを備えている、
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載のテラヘルツ波発生装置。
7. 前記非線形光学結晶は、ＧａＰ結晶であることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載のテラヘルツ波発生装置。

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