JP2013174513A - Method and apparatus for detecting electromagnetic waves - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electromagnetic wave detection method and an apparatus, capable of achieving highly sensitive detection of electromagnetic waves, such as terahertz light, with a simple configuration.SOLUTION: An electromagnetic wave detection method for detecting electromagnetic waves by means of an EO sampling method that makes use of an electrooptic effect includes the steps of; having sampling light emitted by sampling light emission means enter a non-linear optical crystal; having a target electromagnetic wave emitted by electromagnetic wave emission means enter the non-linear optical crystal at the Cherenkov phase matching angle with respect to an optical axis of the sampling light; and combining the phase-matched electromagnetic wave and the sampling light to generate a sum frequency component or a difference frequency component, either of which is detected by means of a heterodyne detection method or a homodyne detection method.

Description

本発明は、電磁波の検出方法及びその装置に関し、特に、周波数３０GHz〜３０ＴＨｚ光長１０ｍｍ〜１０μｍの周波数領域の電磁波を検出するのに適した電磁波検出方法及び電磁波検出装置に関する。   The present invention relates to an electromagnetic wave detection method and an apparatus therefor, and more particularly to an electromagnetic wave detection method and an electromagnetic wave detection apparatus suitable for detecting an electromagnetic wave in a frequency range of a frequency of 30 GHz to 30 THz and a light length of 10 mm to 10 μm.

この種の周波数領域の中では、特にテラヘルツ光帯の電界強度を検出することで非破壊的に検査等を行う技術が近年開発され、例えば、Ｘ線装置に代わる安全な透視検査装置を構成してイメージングを行う技術などへの利用が進んでいる。また、物質内部の吸収スペクトルや複素誘電率を求めて分子の結合状態などの物性を調べる分光技術、キャリア濃度や移動度、導電率などの物性を調べる計測技術、生体分子の解析技術などへの利用も進められている（例えば、特許文献１，２，３参照）。   In this type of frequency region, technology for non-destructive inspection, etc., has recently been developed, particularly by detecting the electric field strength in the terahertz light band, and constitutes a safe fluoroscopic inspection device that replaces, for example, an X-ray device. The use for imaging technology is progressing. Also, spectroscopic techniques for examining physical properties such as molecular binding states by obtaining absorption spectra and complex permittivity inside substances, measurement techniques for examining physical properties such as carrier concentration, mobility, and conductivity, and biomolecule analysis techniques. The use is also proceeding (see, for example, Patent Documents 1, 2, and 3).

特開２０１１−３３７００号公報JP 2011-33700 A 特開２０１０−２０４４８８号公報JP 2010-204488 A 特開２０１１−２０３７１８号公報JP 2011-203718 A

IQEC/CLEO Pacific Rim 2011 「Efficient electro-optic sampling detection and generation of intenseTHz radiation via Cherenkov-type phase matching in a LiNbO3 crystalcoupled to a Si prisｍ」IQEC / CLEO Pacific Rim 2011 “Efficient electro-optic sampling detection and generation of intenseTHz radiation via Cherenkov-type phase matching in a LiNbO3 crystalcoupled to a Si prism” S. P. Kovalev and G. Kh.Kitaeva, JETP Lett. Vol.94,No.2, pp.91-96 (2011).S. P. Kovalev and G. Kh. Kitaeva, JETP Lett.Vol.94, No.2, pp.91-96 (2011).

ところで、テラヘルツ光のような電磁波の電界強度を検出する方法としては、電気光学（ＥＯ）効果を用いて電場を検出するＥＯサンプリング法を用いることができるが、このＥＯサンプリング法において電気光学結晶として非線形光学係数の大きな非線形光学結晶を用いる場合は、検出を高効率に行うためにサンプリングするテラヘルツ光の位相速度とサンプリング光として用いるフェムト秒レーザーパルスの群速度との速度が一致している（位相整合が成立している）こと、複屈折特性を有する結晶に対してはその複屈折による位相遅延を補償することが必要条件となる。   By the way, as a method for detecting the electric field strength of an electromagnetic wave such as terahertz light, an EO sampling method that detects an electric field using an electro-optic (EO) effect can be used. In this EO sampling method, an electro-optic crystal is used. When using a nonlinear optical crystal with a large nonlinear optical coefficient, the phase velocity of the terahertz light sampled for high efficiency of detection coincides with the velocity of the group velocity of the femtosecond laser pulse used as the sampling light (phase It is a necessary condition for crystals having birefringence characteristics to compensate for the phase delay due to the birefringence.

前者はチェレンコフ位相整合法を用いることで、どのような結晶及びサンプリング光長でも位相整合条件を得ることができる技術が本願出願人によって提案されている（非特許文献１参照）。しかし、後者の固有複屈折の問題については、偏光板を９０度回転させて同じ結晶光路を２度伝搬させるという手法が特許出願人により提案されている（非特許文献１参照）ものの、装置構成が複雑になるという欠点があった。
さらに、非特許文献２では、”Energy sensitive electro optical detection”と称する手法によるＴＨｚ光のＥＯサンプリング検出法を提案しているが、この検出法では従来法よりも感度がωTHz／ω0（ωTHz：ＴＨｚ光の周波数、ω0：サンプリング光の周波数）だけ小さくなるという問題がある。 The former has proposed a technique by which the phase matching condition can be obtained with any crystal and sampling light length by using the Cherenkov phase matching method (see Non-Patent Document 1). However, regarding the latter problem of intrinsic birefringence, a method of rotating the polarizing plate by 90 degrees and propagating the same crystal optical path twice has been proposed by the patent applicant (see Non-Patent Document 1). Has the disadvantage of becoming complicated.
Further, Non-Patent Document 2 proposes an EO sampling detection method for THz light by a method called “Energy sensitive electro optical detection”. This detection method has a sensitivity higher than that of the conventional method by ω THz / ω 0 (ω THz : frequency of THz light, and ω 0 : frequency of sampling light).

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたもので、固有複屈折のある結晶に対しても位相遅延補償なしに電磁波の検出ができ、波長板や偏光素子、光検出器による差分検出が不要で構成を簡素化できるとともに、高感度かつ高効率で電磁波の検出が可能な電磁波の検出方法及び電磁波の検出装置の提供を目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and can detect electromagnetic waves without phase delay compensation even for crystals having intrinsic birefringence, and can detect differences using a wave plate, a polarizing element, and a photodetector. An object of the present invention is to provide an electromagnetic wave detection method and an electromagnetic wave detection device that can be simplified and can be simplified in configuration, and can detect electromagnetic waves with high sensitivity and high efficiency.

上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、電気光学効果を用いたＥＯサンプリング法により電磁波を検出する電磁波検出方法において、サンプリング光照射手段から照射されたサンプリング光を非線形光学結晶に入射させ、電磁波照射手段から照射された検出対象の電磁波を、前記非線形光学結晶に前記サンプリング光の光軸に対してチェレンコフ位相整合角で入射させ、位相整合された前記電磁波と前記サンプリング光とを結合させて出力される和周波成分又は差周波成分をヘテロダイン検波法又はホモダイン検波法で検出する方法としてある。   In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 is an electromagnetic wave detection method for detecting an electromagnetic wave by an EO sampling method using an electro-optic effect, wherein the sampling light irradiated from the sampling light irradiation means is converted into a nonlinear optical crystal. The detection target electromagnetic wave irradiated from the electromagnetic wave irradiation means is incident on the nonlinear optical crystal at a Cherenkov phase matching angle with respect to the optical axis of the sampling light, and the phase-matched electromagnetic wave and the sampling light are This is a method for detecting the sum frequency component or the difference frequency component output by being combined by the heterodyne detection method or the homodyne detection method.

この場合、請求項２に記載するように、一方の面に前記導波路を形成したプリズムを準備し、前記プリズムの他方の面に前記電磁波を入射させるとよい。
前記非線形光学結晶は単結晶であってもよいが、請求項３に記載するように、前記非線形光学結晶から形成された導波路であってもよい。 In this case, as described in claim 2, a prism having the waveguide formed on one surface thereof is prepared, and the electromagnetic wave is preferably incident on the other surface of the prism.
The nonlinear optical crystal may be a single crystal, but as described in claim 3, it may be a waveguide formed from the nonlinear optical crystal.

上記方法の発明を実施するための本発明の装置は、請求項４に記載するように、電気光学効果を用いたＥＯサンプリング法により電磁波を検出する電磁波検出装置において、サンプリング光を照射するサンプリング光照射手段と、検出対象の電磁波を照射する電磁波照射手段と、前記電磁波を前記サンプリング光の光軸に対してチェレンコフ位相整合角で入射させる位相整合手段と、非線形光学結晶で形成され、位相整合された前記電磁波と前記サンプリング光とを結合させて和周波成分又は差周波成分を発生させる和差周波発生手段と、この和差周波発生器から出力された和周波成分又は差周波成分をヘテロダイン検波法又はホモダイン検波法で検出する検出手段とを有する構成としてある。   The apparatus of the present invention for carrying out the invention of the above method is the sampling light for irradiating the sampling light in the electromagnetic wave detecting apparatus for detecting the electromagnetic wave by the EO sampling method using the electro-optic effect as described in claim 4. An irradiation means, an electromagnetic wave irradiation means for irradiating an electromagnetic wave to be detected, a phase matching means for causing the electromagnetic wave to be incident on the optical axis of the sampling light at a Cherenkov phase matching angle, and a non-linear optical crystal. The difference frequency generating means for generating the sum frequency component or the difference frequency component by combining the electromagnetic wave and the sampling light, and the heterodyne detection method for the sum frequency component or the difference frequency component output from the sum difference frequency generator Or it has a configuration having detection means for detecting by homodyne detection.

前記位相整合手段及び前記和差周波発生手段は、請求項５に記載するように、一方の傾斜面から入射した前記電磁波をチェレンコフ位相整合角で他方の傾斜面に出力されるように形成されたプリズムと、前記他方の傾斜面に形成された非線形光学結晶との結合体である構成としてもよい。   The phase matching means and the sum-and-difference frequency generating means are formed to output the electromagnetic wave incident from one inclined surface to the other inclined surface at a Cherenkov phase matching angle, as described in claim 5. It is good also as a structure which is a coupling body of a prism and the nonlinear optical crystal formed in said other inclined surface.

本発明は上記のように構成されているので、固有複屈折のある結晶に対しても位相遅延補償なしに検出対象の電磁波のＥＯサンプリングを可能にするとともに、波長板，偏光素子，２つの光検出器による差分検出法を用いる必要がなく、簡素な構成で、かつ、高感度かつ高効率でＥＯサンプリング検出ができる。   Since the present invention is configured as described above, it is possible to perform EO sampling of the electromagnetic wave to be detected without phase delay compensation even for a crystal having intrinsic birefringence, and a wave plate, a polarizing element, and two light beams. It is not necessary to use a difference detection method by a detector, and EO sampling detection can be performed with a simple configuration, high sensitivity and high efficiency.

以下、本発明の好適な実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
［装置構成］
図１に本発明の装置構成をブロック図で示す。
図１の装置は、サンプリング光を照射するサンプリング光照射部１と、検出対象の電磁波であるテラヘルツ（以下、「ＴＨｚ」と記載する）波を照射するＴＨｚ光照射部２と、ＴＨｚ光の位相調整を行う位相整合部３と、位相調整されたＴＨｚ光とサンプリング光とを光結合して和周波を発生させる和差周波発生器４と、この和差周波発生器４からの出力から和周波成分を検出する検出器５とを有する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[Device configuration]
FIG. 1 is a block diagram showing the apparatus configuration of the present invention.
The apparatus of FIG. 1 includes a sampling light irradiation unit 1 that irradiates sampling light, a THz light irradiation unit 2 that emits terahertz (hereinafter referred to as “THz”) waves that are electromagnetic waves to be detected, and a phase of THz light. A phase matching unit 3 that performs adjustment, a sum / difference frequency generator 4 that optically couples phase-adjusted THz light and sampling light to generate a sum frequency, and outputs the sum frequency from the sum / difference frequency generator 4 And a detector 5 for detecting components.

［サンプリング光照射部１及びＴＨｚ光照射部２］
サンプリング光照射部１やＴＨｚ光照射部２としてはフェムト秒レーザー装置を用いることができる。なお、これらレーザー装置から照射されるレーザー光を公知の２倍波発生器に通すことで、半分の波長のレーザー光に変換してもよい。また、サンプリング光照射部１から照射されたサンプリング光は、次に説明する位相整合部３でＴＨｚ光と光結合できるように、公知の遅延手段によって位相整合部３に入射されるタイミングが調整される。 [Sampling light irradiation unit 1 and THz light irradiation unit 2]
As the sampling light irradiation unit 1 and the THz light irradiation unit 2, a femtosecond laser device can be used. In addition, you may convert into the laser beam of a half wavelength by letting the laser beam irradiated from these laser apparatuses pass through a well-known 2nd harmonic generator. The timing at which the sampling light irradiated from the sampling light irradiation unit 1 enters the phase matching unit 3 is adjusted by a known delay means so that the phase matching unit 3 described below can be optically coupled with the THz light. The

［位相整合部３］
サンプリング光とＴＨｚ光の二つの光を光結合する場合は、結合しようとする二つの光を位相整合する必要があり、二つの光の媒質中の位相速度が一致していることが条件となる。位相整合部３は、入射されたＴＨｚ光の位相速度がサンプリング光の群速度と同じになるように調整する。本発明では、サンプリング光の光軸に対して斜めにＴＨｚ光を入射させるチェレンコフ（Cherenkov）位相整合法を利用したものを用いる。
なお、ＴＨｚ光の位相速度がサンプリング光の群速度と同じになるように調整するための材料としては、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３：略称ＬＮ）や四ほう酸リチウム（Ｌｉ2Ｂ4Ｏ7：略称ＬＢＯ）、βバリウムボレイト（略称ＢＢＯ）など、二次の非線形光学効果を有する結晶を用いることができるが、電気光学係数の高いＬＮ結晶を用いるのが好ましい。 [Phase matching unit 3]
When optically coupling two light beams of sampling light and THz light, it is necessary to phase match the two light beams to be combined, and the condition is that the phase velocities in the medium of the two light beams are the same. . The phase matching unit 3 adjusts the phase velocity of the incident THz light so as to be the same as the group velocity of the sampling light. In the present invention, a method using a Cherenkov phase matching method in which THz light is incident obliquely with respect to the optical axis of the sampling light is used.
As materials for adjusting the phase velocity of THz light to be the same as the group velocity of sampling light, lithium niobate (LiNbO 3 : abbreviation LN) or lithium tetraborate (Li 2 B 4 O 7 : abbreviation) A crystal having a second-order nonlinear optical effect such as LBO) or β-barium borate (abbreviated as BBO) can be used, but an LN crystal having a high electro-optic coefficient is preferably used.

ＬＮ結晶や導波路に入射されたサンプリング光に対してＴＨｚ光をチェレンコフ位相整合角（θｃ）で入射させるには、例えば傾斜角（９０°−θｃ）のSiプリズムを用いるとよい。このときチェレンコフ位相整合角θcはSiプリズム中のＴＨｚ光の位相屈折率nTHzとＬＮ結晶中のサンプリングパルス光の群屈折率ngの比で決まる。すなわち、cosθc＝ｎｇ／ｎTHzでチェレンコフ位相整合角θｃが決まる。ＬＮ結晶としては、バルク結晶を用いるよりも導波路構造を持った結晶を用いるほうが、ＬＮ結晶内での吸収をさけ、検出帯域を広くとるために望ましい。 In order to make THz light incident at a Cherenkov phase matching angle (θ c ) on sampling light incident on an LN crystal or a waveguide, for example, a Si prism having an inclination angle (90 ° −θ c ) may be used. At this time, the Cherenkov phase matching angle θ c is determined by the ratio of the phase refractive index n THz of the THz light in the Si prism and the group refractive index ng of the sampling pulse light in the LN crystal. That is, the Cerenkov phase matching angle θ c is determined by cos θ c = n g / n THz . As the LN crystal, it is preferable to use a crystal having a waveguide structure rather than using a bulk crystal in order to avoid absorption in the LN crystal and widen the detection band.

［和差周波発生器４］
和差周波発生器４は、位相調整された二つの光の和周波又は差周波を発生させる。
前記した非線形光学効果を有する材料の単結晶や、この材料で形成された導波路は和差周波発生器４として利用することができる。 [Sum / Frequency Generator 4]
The sum / difference frequency generator 4 generates a sum frequency or a difference frequency of the two lights whose phases are adjusted.
A single crystal of the material having the nonlinear optical effect described above or a waveguide formed of this material can be used as the sum / difference frequency generator 4.

ここで、サンプリング光の周波数をω0，ＴＨｚ光の周波数をωTHzとすると、導波路を構成する非線形光学結晶内ではこれら２つの波の和周波ωSFG（＝ω0+ωTHz）が発生する。有効非線形光学係数（サンプリング光とテラヘルツ光の偏光方向，および非線形光学結晶の結晶方位に依存して決まる）をdeffとすると和周波発生（Sum Frequency
Generation, 略してSFG)による非線形分極は以下の式で与えられる。和周波Ｐ（２）は、 Here, if the sampling light frequency is ω 0 and the THz light frequency is ω THz , the sum frequency ω SFG (= ω 0 + ω THz ) of these two waves is generated in the nonlinear optical crystal constituting the waveguide. To do. Sum frequency generation (Sum Frequency) where d eff is the effective nonlinear optical coefficient (determined depending on the polarization direction of sampling light and terahertz light and the crystal orientation of the nonlinear optical crystal)
Generation, abbreviated as SFG), is given by The sum frequency P (2) is

Figure 2013174513
ε０は真空の誘電率である。この非線形分極により和周波が発生する。サンプリング光が十分強く，その非線形相互作用による減衰を無視できるとし、ＳＦＧにより発生した光波の電界振幅をＥSFGとすると、
Figure 2013174513
 ε 0 is the vacuum dielectric constant. A sum frequency is generated by this nonlinear polarization. Assuming that the sampling light is sufficiently strong and attenuation due to the nonlinear interaction can be ignored, and the electric field amplitude of the light wave generated by SFG is E SFG ,

Figure 2013174513
である。ここでμ０は真空の透磁率，cは真空中の光速度，Ｌはサンプリング光が電気光学結晶中を伝搬する距離，ｎω0＋ωTHzは周波数ω0＋ωTHzにおける屈折率，ｇ（ΔkL）は次で定義される位相不整合因子である。
Figure 2013174513
 It is. Here, μ 0 is the permeability of vacuum, c is the speed of light in vacuum, L is the distance that sampling light propagates through the electro-optic crystal, n ω0 + ωTHz is the refractive index at frequency ω 0 + ω THz , and g (ΔkL) is Is a phase mismatch factor defined by

Figure 2013174513
ここで波数不整合Δkは次で与えられる。
Figure 2013174513
 Here, the wave number mismatch Δk is given as follows.

Figure 2013174513
k0はサンプリング光の波数，ｋSFGはSFGによる光波の波数，kTHzはＴＨｚ光の波数である。光波の周波数はＴＨｚ光の周波数に比べて２桁以上大きい（ω0>>ωTHz）ので、ω0＋ωTHzはω0，ｎω0＋ωTHzはｎω0で近似してよい。すると(2)式は、
Figure 2013174513
 k 0 is the wave number of sampling light, k SFG is the wave number of light wave by SFG , and k THz is the wave number of THz light. Since the frequency of the light wave is at least two orders of magnitude higher than the frequency of the THz light (ω 0 >> ω THz ), ω 0 + ω THz may be approximated by ω 0 and n ω0 + ωTHz may be approximated by n ω0 . Then equation (2) becomes

Figure 2013174513
と書き換えられる。
Figure 2013174513
 It can be rewritten as

もともとのサンプリング光と和周波発生によって発生した光は重ね合わさって検出される。和周波発生の効率が小さく、もとのサンプリング光がほとんど減衰しないと仮定すると、光強度の変化率（もともとのサンプリング光の強度Ｉ0で規格化した全光強度）は次式で与えられる。 The original sampling light and the light generated by the sum frequency generation are superposed and detected. Assuming that the efficiency of sum frequency generation is small and that the original sampling light is hardly attenuated, the change rate of the light intensity (total light intensity normalized by the original intensity I 0 of the sampling light) is given by the following equation.

Figure 2013174513
最後の式では発生した和周波発生の電界振幅ＥSFGは、サンプリング光の電界振幅Ｅ0よりずっと小さいとしているので、ＥSFGの自乗に対応する項は無視した。
Figure 2013174513
 In the last equation, the electric field amplitude E SFG of the generated sum frequency is assumed to be much smaller than the electric field amplitude E 0 of the sampling light, so the term corresponding to the square of E SFG was ignored.

［検出器５］
検出器５は、和差周波発生器４からの出力から和周波成分を検出する。
サンプリング光強度の変化量だけをロックイン検出法で検出する場合は、信号強度は次式で与えられる。
（6）式においては、和周波発生による発生した光波の電界振幅ＥTHzはもとのサンプリング光の波長とほとんど同じであり、このため干渉により、ＥTHzはＥ0との積（（6）式２行目の真ん中の項）として検出されることが示されている。これはヘテロダイン検波と同じであり、信号はＥ0だけ増強される。
(6)式を書き直すと、 [Detector 5]
The detector 5 detects the sum frequency component from the output from the sum frequency generator 4.
When only the change amount of the sampling light intensity is detected by the lock-in detection method, the signal intensity is given by the following equation.
In the equation (6), the electric field amplitude E THz of the light wave generated by the sum frequency generation is almost the same as the wavelength of the original sampling light. Therefore, due to interference, E THz is a product of E 0 ((6) It is shown that it is detected as the middle term in the second line of the equation. This is the same as heterodyne detection and the signal is enhanced by E 0 .
(6)

Figure 2013174513
となり、これに(5)式を用いると、(7)式は次式で与えられる。
Figure 2013174513
 Then, using equation (5) for this, equation (7) is given by the following equation.

Figure 2013174513
ＬＮ結晶の場合，非線形感受率テンソル成分のなかでｄ33が一番大きい。
また、
Figure 2013174513
 In the case of the LN crystal, d 33 is the largest among the nonlinear susceptibility tensor components.
Also,

Figure 2013174513
の関係を用いて(8)式を書き換えると、
Figure 2013174513
 Rewriting equation (8) using the relationship

Figure 2013174513
を得る。ここでｎeはＬＮ結晶の異常光の屈折率で、ｒ33はｄ33に対応した電気光学係数である。
さらにＩｍ［g（ΔkL）］はΔkL=2.216 のとき最大値ｇmax=0.723をとる。チェレンコフ位相整合では波数不整合Δkを結晶の角度で任意に調整できるので、ΔkL =2.216となるように調整することで容易にｇmax=0.723を得る（結晶の伝搬長Ｌは一定とする）ことができる。
すなわち、波数不整合Δkを最適化することでヘテロダイン方式による信号の最大値を得ることができ、このときのヘテロダイン方式による信号強度は、
Figure 2013174513
 Get. Where n e is the extraordinary refractive index of the LN crystal, r 33 is the electro-optic coefficient corresponding to the d 33.
Further, Im [g (ΔkL)] takes the maximum value g max = 0.723 when ΔkL = 2.216. In Cherenkov phase matching, wave number mismatch Δk can be adjusted arbitrarily by the crystal angle, so g max = 0.723 can be easily obtained by adjusting ΔkL = 2.216 (the crystal propagation length L is constant). Can do.
That is, by optimizing the wave number mismatch Δk, the maximum value of the signal by the heterodyne method can be obtained, and the signal strength by the heterodyne method at this time is

Figure 2013174513
で与えられる。
Figure 2013174513
 Given in.

［比較］
本発明の方法を、ＬＮ結晶を用いた従来のＥＯサンプリング法と比較する。
従来のＥＯサンプリング法における信号変調度は次式で与えられる（完全位相整合条件を仮定）。 [Comparison]
The method of the present invention is compared with a conventional EO sampling method using an LN crystal.
The signal modulation degree in the conventional EO sampling method is given by the following equation (assuming perfect phase matching condition).

Figure 2013174513
ここで、DGはＴＨｚ光によって引き起こされた位相遅延である。ｎoはＬＮ結晶の正常光の屈折率である。
例えば、ｒ13 =9.6 [pm/V], ｒ33 =30.9 [pm/V], ｎo= 2.255、ｎe=2.176（800 nm）を用いてそれぞれの性能指数を計算すると従来のＥＯサンプリング法では、
Figure 2013174513
 Where DG is the phase delay caused by THz light. n o is the refractive index of normal light of the LN crystal.
For example, r 13 = 9.6 [pm / V], r 33 = 30.9 [pm / V], n o = 2.255, n e = 2.176 conventional EO sampling method when calculating the respective performance index using the (800 nm) Then

Figure 2013174513
となり、本発明のＥＯサンプリング法では、
Figure 2013174513
 In the EO sampling method of the present invention,

Figure 2013174513
となる。
以上から、本発明のＥＯサンプリング法は従来のＥＯサンプリング法よりも高効率（ＬＮ結晶の場合で約２倍）であることがわかる。
Figure 2013174513
 It becomes.
From the above, it can be seen that the EO sampling method of the present invention is more efficient than the conventional EO sampling method (about twice in the case of LN crystal).

［他の実施形態］
上記では和周波の検出を行っているが、本発明では差周波の検出を行ってもよい。結晶中では和周波だけではなく差周波も同時に発生している。この場合、差周波発生による光波のヘテロダイン信号は、和周波の場合に対して符号が反転する。どちらの信号が優勢になるかはＴＨｚ光のサンプリング光波に対する位相で決まる。
また、上記ではサンプリング光とＴＨｚ光は単一周波数としているが、実際にはそれぞれパルス波であるので、有限の周波数スペクトル分布を持つ。差周波発生と有限の周波数スペクトルを考慮した(10)式に対応する表式は次式で与えられる。 [Other Embodiments]
In the above description, the sum frequency is detected. However, in the present invention, the difference frequency may be detected. In the crystal, not only the sum frequency but also the difference frequency is generated simultaneously. In this case, the sign of the light heterodyne signal generated by the difference frequency is inverted compared to the sum frequency. Which signal is dominant is determined by the phase of the THz light with respect to the sampling light wave.
In the above description, the sampling light and the THz light have a single frequency. However, since each is actually a pulse wave, it has a finite frequency spectrum distribution. The expression corresponding to equation (10) considering difference frequency generation and finite frequency spectrum is given by the following equation.

Figure 2013174513
ここでＣ（ωTHz ）は次で定義されるサンプリング光の相互相関関数である。
Figure 2013174513
 Here, C (ω THz ) is a cross-correlation function of sampling light defined as follows.

Figure 2013174513
ωTHz =０のとき
Figure 2013174513
 When ω THz = 0

Figure 2013174513
はサンプリング光の自己相関関数であり、サンプリング光強度に比例した量である。サンプリング光のスペクトル分布がＴＨｚ光のそれよりも十分広い（サンプリング光のパルス幅がＴＨｚ光に対して十分狭い場合に相当）とすると
Figure 2013174513
 Is an autocorrelation function of the sampling light, which is an amount proportional to the sampling light intensity. If the spectral distribution of sampling light is sufficiently wider than that of THz light (corresponding to the case where the pulse width of sampling light is sufficiently narrower than that of THz light)

Figure 2013174513
と近似でき，(15)式は
Figure 2013174513
 (15) can be approximated as

Figure 2013174513
とあらわされる。(19)式の導出においてはΔkはωTHzに依存しないと仮定した。この仮定はチェレンコフ位相整合では妥当な仮定である。
(19)式は(10)式と類似しているが，周波数ωTHzに対するＴＨｚ光の振幅ＥTHz（ωTHz）の代わりに、ＴＨｚ光の時間波形ＥTHz（τ）が用いられている。ここでτはＴＨｚ光とサンプリング光の相対遅延時間である。したがって(19)式はＴＨｚ光の時間波形に依存したＥＯ信号が検出されることを示している。
Figure 2013174513
 It is expressed. In the derivation of Eq. (19), it is assumed that Δk does not depend on ω THz . This assumption is a reasonable assumption for Cherenkov phase matching.
The equation (19) is similar to the equation (10), but the THz light time waveform E THz (τ) is used instead of the amplitude E THz (ω THz ) of the THz light with respect to the frequency ω THz . Here, τ is a relative delay time between the THz light and the sampling light. Therefore, equation (19) indicates that an EO signal depending on the time waveform of THz light is detected.

［具体的装置構成］
本発明の具体的な装置構成の一例を図２に示す。
図２に示すように、このテラヘルツ光検出装置は、フェムト秒レーザー装置１１とレンズ１２とを備えたサンプリング光照射部１と、フェムト秒レーザー装置２１とＴＨｚエミッタ２２とを備えたＴＨｚ光照射部２と有する。
図２の例では、位相整合部３及び和差周波発生器４は、プリズム３１とこのプリズム３１の一面に形成された導波路４１とを有する構成としてある。
プリズム３１としては、テラヘルツ帯での吸収と分散が小さいシリコン（Si）プリズムを用いるのが好ましい。
図３に、図２の装置に用いられる位相整合部３及び和差周波発生器４の一例を示す。 [Specific equipment configuration]
An example of a specific apparatus configuration of the present invention is shown in FIG.
As shown in FIG. 2, the terahertz light detecting device includes a sampling light irradiation unit 1 including a femtosecond laser device 11 and a lens 12, and a THz light irradiation unit including a femtosecond laser device 21 and a THz emitter 22. 2
In the example of FIG. 2, the phase matching unit 3 and the sum / frequency generator 4 are configured to include a prism 31 and a waveguide 41 formed on one surface of the prism 31.
As the prism 31, it is preferable to use a silicon (Si) prism that has low absorption and dispersion in the terahertz band.
FIG. 3 shows an example of the phase matching unit 3 and the sum / frequency generator 4 used in the apparatus of FIG.

プリズム３１は、傾斜面がＴＨｚ光の入射面として形成された直角三角形状をなしていて、前記傾斜面から入射したＴＨｚ光が斜めに入射する面にＬＮ結晶の薄膜からなる導波路４１が形成されている。
前記傾斜面の傾斜角は、前記傾斜面から入射したＴＨｚ光がチェレンコフ位相整合に適した角度θになるように形成されている。チェレンコフ位相整合角はプリズム３１中のＴＨｚ光の位相屈折率ｎTHzとＬＮ結晶中のサンプリングパルス光の群屈折率ｎgの比で決まる。すなわち、cosθc＝ｎｇ／ｎTHzでチェレンコフ位相整合角θが決定される。
上記構成のプリズム３１は支持基板６上に載置される。 The prism 31 has a right triangle shape whose inclined surface is formed as a THz light incident surface, and a waveguide 41 made of a thin film of LN crystal is formed on the surface on which the THz light incident from the inclined surface is incident obliquely. Has been.
The inclined angle of the inclined surface is formed so that the THz light incident from the inclined surface becomes an angle θ suitable for Cherenkov phase matching. The Cherenkov phase matching angle is determined by the ratio of the phase refractive index n THz of the THz light in the prism 31 to the group refractive index ng of the sampling pulse light in the LN crystal. That is, the Cerenkov phase matching angle θ is determined by cos θ c = n g / n THz .
The prism 31 having the above configuration is placed on the support substrate 6.

サンプリング光照射部１に対向して反射鏡８が設置され、ＴＨｚ光照射部２に対向して凹面鏡７ａが設置されている。また、凹面鏡７ａに対向して凹面鏡７ｂが設置されている。
反射鏡８は、サンプリング光が導波路４１に入射するように配置され、凹面鏡７ａ，７ｂは、ＴＨｚ光がプリズム３１の傾斜面に入射するように配置される。
以上の構成より、サンプリング光照射部１から照射されたサンプリング光は、反射鏡８によってその進行方向を変換されて導波路４１の側面から入射する。また、ＴＨｚ光照射部２から照射されたＴＨｚ光は、凹面鏡７ａ，７ｂによってその進行方向を変換されるとともに収束されて、プリズム３１の傾斜面に入射する。
ＴＨｚ光とサンプリング光は導波路４１内で結合され、和周波出力又は差周波出力として導波路４１から出力される。出力された和周波は、ヘテロダイン方式の検出器によって検出される。 A reflecting mirror 8 is installed facing the sampling light irradiation unit 1, and a concave mirror 7 a is installed facing the THz light irradiation unit 2. In addition, a concave mirror 7b is installed facing the concave mirror 7a.
The reflecting mirror 8 is disposed so that the sampling light is incident on the waveguide 41, and the concave mirrors 7 a and 7 b are disposed so that the THz light is incident on the inclined surface of the prism 31.
With the above configuration, the sampling light irradiated from the sampling light irradiation unit 1 is changed in its traveling direction by the reflecting mirror 8 and is incident from the side surface of the waveguide 41. The THz light emitted from the THz light irradiating unit 2 is converted in its traveling direction by the concave mirrors 7 a and 7 b and converged to enter the inclined surface of the prism 31.
The THz light and the sampling light are combined in the waveguide 41 and output from the waveguide 41 as a sum frequency output or a difference frequency output. The output sum frequency is detected by a heterodyne detector.

［実施例］
以下の条件で本発明の効果の試験を行った。
レーザー光源：波長780nm，パルス幅＜100fs，繰り返し50MHz
ＴＨｚ光発生素子：ボウタイ型光伝導アンテナ，バイアス+/-50 Vp-p @95kHz (Sin波)，ポンプパワー約6mW
EO素子：Siプリズム結合LiNbO3結晶（厚さ 2mm， １% Mol. MgO-doped stoichiometric ＬＮ），プローブパワー約1mW
この実施例のＴＨｚ光の検出結果を図４に示す。
図４は、本発明によるＥＯサンプリング方式で検出したTHzパルス波の時間領域波形を，従来のＥＯサンプリングで検出した場合の波形とともに示したものである。本発明の検出方法によれば、波長板や偏光素子等を用いなくても、従来方法と同等にＴＨｚ光の検出ができることがわかる。 [Example]
The effect of the present invention was tested under the following conditions.
Laser light source: wavelength 780nm, pulse width <100fs, repetition rate 50MHz
THz light generator: Bowtie photoconductive antenna, bias +/- 50 Vp-p @ 95kHz (Sin wave), pump power approx. 6mW
EO element: Si prism coupled LiNbO 3 crystal (thickness 2mm, 1% Mol. MgO-doped stoichiometric LN), probe power about 1mW
The detection result of THz light in this example is shown in FIG.
FIG. 4 shows a time domain waveform of a THz pulse wave detected by the EO sampling method according to the present invention, together with a waveform when it is detected by the conventional EO sampling. According to the detection method of the present invention, it can be seen that THz light can be detected in the same manner as in the conventional method without using a wave plate or a polarizing element.

本発明は、ミリ波帯、マイクロ波帯及びテラヘルツ光帯を含む領域（周波数３０ＭＨｚ〜３０ＴＨｚ：１０ｍ〜１０μｍ）の電磁波の検出に好適に適用が可能である。
また、本発明は各種センシング装置やイメージング装置などに適用が可能である。 The present invention can be suitably applied to detection of electromagnetic waves in a region (frequency 30 MHz to 30 THz: 10 m to 10 μm) including a millimeter wave band, a microwave band, and a terahertz light band.
In addition, the present invention can be applied to various sensing devices and imaging devices.

本発明の装置構成を説明するブロック図である。It is a block diagram explaining the apparatus structure of this invention. 具体的な装置構成を示す概略図である。It is the schematic which shows a specific apparatus structure. 図２の装置に用いられる位相整合部及び和差周波発生器の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of the phase matching part and sum-and-frequency generator used for the apparatus of FIG. 本発明の実施例にかかり、ＴＨｚ光の検出結果を示すグラフである。It is a graph which shows the detection result of THz light concerning the Example of this invention.

１ サンプリング光照射部
２ テラヘルツ光照射部
３ 位相整合部
４ 和差周波発生器
５ 検出器

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Sampling light irradiation part 2 Terahertz light irradiation part 3 Phase matching part 4 Sum-difference frequency generator 5 Detector

Claims (5)

電気光学効果を用いたＥＯサンプリング法により電磁波を検出する電磁波検出方法において、
サンプリング光照射手段から照射されたサンプリング光を非線形光学結晶に入射させ、
電磁波照射手段から照射された検出対象の電磁波を、前記非線形光学結晶に前記サンプリング光の光軸に対してチェレンコフ位相整合角で入射させ、
位相整合された前記電磁波と前記サンプリング光とを結合させて出力される和周波成分又は差周波成分をヘテロダイン検波法又はホモダイン検波法で検出すること、
を特徴とする電磁波検出方法。 In an electromagnetic wave detection method for detecting an electromagnetic wave by an EO sampling method using an electro-optic effect,
The sampling light irradiated from the sampling light irradiation means is incident on the nonlinear optical crystal,
An electromagnetic wave to be detected irradiated from an electromagnetic wave irradiation means is incident on the nonlinear optical crystal at a Cherenkov phase matching angle with respect to the optical axis of the sampling light,
Detecting a sum frequency component or a difference frequency component output by combining the phase-matched electromagnetic wave and the sampling light by a heterodyne detection method or a homodyne detection method;
An electromagnetic wave detection method characterized by the above. 一方の面に前記非線形光学結晶を備えたプリズムを準備し、前記プリズムの他方の面に前記電磁波を入射させたことを特徴とする請求項１に記載の電磁波検出方法。 The electromagnetic wave detection method according to claim 1, wherein a prism including the nonlinear optical crystal is prepared on one surface, and the electromagnetic wave is incident on the other surface of the prism. 前記非線形光学結晶で導波路を形成し、この導波路に前記サンプリング光を入射させることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電磁波検出方法。 The electromagnetic wave detection method according to claim 1, wherein a waveguide is formed by the nonlinear optical crystal, and the sampling light is incident on the waveguide. 電気光学効果を用いたＥＯサンプリング法により電磁波を検出する電磁波検出装置において、
サンプリング光を照射するサンプリング光照射手段と、
検出対象の電磁波を照射する電磁波照射手段と、
前記電磁波を前記サンプリング光の光軸に対してチェレンコフ位相整合角で入射させる位相整合手段と、
非線形光学結晶で形成され、位相整合された前記電磁波と前記サンプリング光とを結合させて和周波成分又は差周波成分を発生させる和差周波発生手段と、
この和差周波発生器から出力された和周波成分又は差周波成分をヘテロダイン検波法又はホモダイン検波法で検出する検出手段と、
を有することを特徴とする電磁波検出装置。 In an electromagnetic wave detection device for detecting an electromagnetic wave by an EO sampling method using an electro-optic effect,
Sampling light irradiation means for irradiating sampling light;
An electromagnetic wave irradiation means for irradiating an electromagnetic wave to be detected;
Phase matching means for causing the electromagnetic wave to be incident on the optical axis of the sampling light at a Cherenkov phase matching angle;
A sum / difference frequency generating means for generating a sum frequency component or a difference frequency component by combining the electromagnetic wave formed of a nonlinear optical crystal and phase-matched with the sampling light;
Detection means for detecting the sum frequency component or the difference frequency component output from the sum difference frequency generator by heterodyne detection method or homodyne detection method,
An electromagnetic wave detection device comprising: 前記位相整合手段及び前記和差周波発生手段が、一方の傾斜面から入射した前記電磁波をチェレンコフ位相整合角で他方の傾斜面に出力されるように形成されたプリズムと、前記他方の傾斜面に形成された非線形光学結晶との結合体であることを特徴とする請求項４に記載の電磁波検出装置。 The phase matching means and the sum-and-difference frequency generating means have a prism formed to output the electromagnetic wave incident from one inclined surface to the other inclined surface at a Cherenkov phase matching angle, and the other inclined surface. The electromagnetic wave detection device according to claim 4, wherein the electromagnetic wave detection device is a combined body with the formed nonlinear optical crystal.
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