JP2018091931A

JP2018091931A - テラヘルツ光発生装置

Info

Publication number: JP2018091931A
Application number: JP2016233334A
Authority: JP
Inventors: 俊明中; Toshiaki Naka; 佐々木　基; Motoi Sasaki; 基佐々木; 暁人土谷; Akito Tsuchiya
Original assignee: Shibuya Kogyo Co Ltd
Current assignee: Shibuya Corp
Priority date: 2016-11-30
Filing date: 2016-11-30
Publication date: 2018-06-14
Also published as: US10120264B2; EP3330793A1; US20180149946A1; EP3330793B1

Abstract

【解決手段】非線形光学結晶４の端面４Ａにポンプ光Ｌ１が入射されるとともに、凹レンズ６によって拡径されたシード光Ｌ２が凸レンズ７によって集光されるとともに平行光線に調整されてから上記端面４Ａに入射される。このように、端面４Ａにポンプ光Ｌ１とシード光Ｌ２が重畳して入射されることにより、非線形光学結晶４からテラヘルツ光ＴＨが発生する。上記シード光Ｌ２は凹レンズ６によって拡径されるので、端面４Ａに入射されるシード光Ｌの径を図３の従来品よりも大きくすることができる。そのため、端面４Ａに入射されるポンプ光Ｌ１とシード光Ｌ２の重畳面積を従来品よりも大きくすることができる。【効果】端面４Ａにおけるシード光Ｌ２とポンプ光Ｌ１の重畳面積を従来よりも大きくすることができるので、非線形光学結晶４から発生させるテラヘルツ光ＴＨの強度を大きくすることができる。【選択図】図２

Description

本発明はテラヘルツ光発生装置に関し、より詳しくは、非線形光学結晶に入射させるシード光の径を大きくすることで、強度が大きなテラヘルツ光を発生させることが可能なテラヘルツ光発生装置に関する。

従来、テラヘルツ光発生装置は公知であり、具体的には、パラメトリック効果によるテラヘルツ光を発生可能な非線形光学結晶と、ポンプ光を発振させるポンプ光発振器と、シード光を発振させるシード光発振器と、上記シード光の光路上に配置されて、シード光を集光する凸レンズとを備え、上記ポンプ光と上記シード光を、非線形光学結晶に重畳するように入射させることによりテラヘルツ光を発生させるようにしたテラヘルツ光発生装置が知られている（例えば特許文献１）。

特許第３７４７３１９号公報

ところで、特許文献１のような従来の装置は、図３に簡略化して示すように、ポンプ光Ｌ１を非線形光学結晶４の端面４Ａに入射させると同時に、凸レンズ７によって集光させたシード光Ｌ２を非線形光学結晶４の端面４Ａに重畳するように入射させてあり、それによって、非線形光学結晶４からテラヘルツ光ＴＨが発生するようになっている。
しかしながら、このような従来の装置においては、非線形光学結晶４の端面４Ａに入射されるシード光Ｌ２の径は約０．１ｍｍ程度となっているため、端面４Ａにおけるシード光Ｌ２とポンプ光Ｌ１との重畳面積が小さくなり、非線形光学結晶４から発生するテラヘルツ光ＴＨの強度が小さいという問題があった。

上述した事情に鑑み、本発明は、パラメトリック効果によるテラヘルツ光を発生可能な非線形光学結晶と、ポンプ光を発振させるポンプ光発振器と、シード光を発振させるシード光発振器と、上記シード光の光路上に配置されて、シード光を集光する凸レンズとを備え、
上記ポンプ光と上記シード光を、上記非線形光学結晶の端面から入射させることによりテラヘルツ光を発生させるテラヘルツ光発生装置において、
上記シード光の光路上に凹レンズを設けて、該凹レンズによって拡径させたシード光を上記端面でポンプ光と重畳するように上記非線形光学結晶に入射させることを特徴とするものである。

このような構成によれば、非線形光学結晶に入射されるシード光とポンプ光の重畳面積を大きくすることができるので、非線形光学結晶から発生するテラヘルツ光ＴＨの強度を従来品よりも大きくすることができる。

本発明の一実施例の構成を示す平面図。図１の実施例の要部の原理を示す構成図。従来技術を示す構成図。

以下、図示実施例について本発明を説明すると、図１において、１はテラヘルツ光ＴＨを発生させるテラヘルツ光発生装置であり、このテラヘルツ光発生装置１は、発生させたテラヘルツ光ＴＨを用いて検査対象物Ｏの品質検査を行うことができるようになっている。
テラヘルツ光発生装置１は、ポンプ光Ｌ１を発振させるポンプ光発振器２と、シード光Ｌ２を発振させるシード光発振器３と、シード光Ｌ２とポンプ光Ｌ１が端面４Ａに重畳して入射されるとテラヘルツ光ＴＨとアイドラー光Ｌ３を発生させる非線形光学結晶４と、シード光発振器３から発振されたシード光Ｌ２を順次反射させて非線形光学結晶４に導光する導光手段５と、シード光Ｌ２の光路上に配置されてシード光Ｌ２を拡径させる凹レンズ６と、シード光Ｌ２の光路上に配置されて凹レンズ６で拡径されたシード光Ｌ２を集光する凸レンズ７とを備えている。
このテラヘルツ光発生装置１は、上記非線形光学結晶４にシード光Ｌ２とポンプ光Ｌ１とを位相整合条件を満たして重畳するように入射させることにより、アイドラー光Ｌ３とテラヘルツ光ＴＨとを発生させる光注入型テラヘルツパラメトリック発生器（Ｉｓ−ＴＰＧ）として構成されている。

非線形光学結晶４は四角柱状に形成されており、図示しない保持具によって所定高さに軸心４Ｃが水平となるように固定されている。非線形光学結晶４における側面にシリコンプリズム１１が一体に取り付けられている。
シリコンプリズム１１を介して非線形光学結晶４からテラヘルツ光ＴＨが外方へ放射される際の光路上に、一対の凸レンズ１２Ａ、１２Ｂが離隔されて配置されるとともに、外方側の凸レンズ１２Ｂと対向する外方位置に受光素子１３が配置されている。
検査作業時においては、一対の凸レンズ１２Ａ、１２Ｂの中間の位置に、検査対象物Ｏがセットされるようになっており、該検査対象物Ｏに検査光としてのテラヘルツ光ＴＨが照射されると、検査対象物Ｏを透過した後のテラヘルツ光ＴＨが受光素子１３に受光されるようになっている。受光素子１３が受光したテラヘルツ光ＴＨを基にして、図示しない判定装置が検査対象物Ｏの品質の良否を検査するようになっている。
非線形光学結晶４の軸心４Ｃの一端の延長線上にポンプ光発振器２が固定して配置されており、非線形光学結晶４の軸心４Ｃの他端の延長線上にダンパー１５が固定して配置されている。非線形光学結晶４を透過して端面４Ｂから外方へ放射されたポンプ光Ｌ１およびアイドラー光Ｌ３は、ダンパー１５によって吸収されるようになっている。

ポンプ光発振器２はマイクロチップレーザからなり、制御装置１０によって作動を制御されるようになっている。ポンプ光発振器２は、非線形光学結晶４の端面４Ａから離隔させて、非線形光学結晶４と同じ高さに水平に支持されている。
ポンプ光発振器２が作動されると、ポンプ光Ｌ１としてのレーザ光が非線形光学結晶４に向けてパルス発振されて、該パルス発振されたポンプ光Ｌ１は非線形光学結晶４の端面４Ａの中心（端面４Ａに非線形光学結晶４の軸心４Ｃが交差する位置）に入射されるようになっている。ポンプ光Ｌ１としてのパルスレーザの波長は１０６４．４ｎｍであり、パルス発振する際の繰り返し周波数は４００ｐｓｅｃとなっている。なお、ポンプ光Ｌ１の光路上にコリメータ１６が配置されており、このコリメータ１６によってポンプ光Ｌ１を平行光線に調整するようになっている。つまり、ポンプ光Ｌ１はコリメータ１６によって平行光線に調整されてから端面４Ａに入射されるようになっている。
ポンプ光発振器２から発振されるポンプ光Ｌ１の光路の一側（放射方向の左側）に、凸レンズ７が固定して配置されている。シード光発振器３から発振されたシード光Ｌ２を集光レンズとしての凸レンズ７によって集光して非線形光学結晶４の端面４Ａの中心（端面４Ａに非線形光学結晶４の軸心４Ｃが交差する位置）に入射させるようになっている。
なお、ポンプ光Ｌ１とシード光Ｌ２は、必ずしも端面４Ａのうちの軸心４Ｃと交差する位置に照射される必要はなく、ポンプ光Ｌ１とシード光Ｌ２が端面４Ａで重畳して入射する構成となっていれば良い。
また、制御装置１０としては、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）又はプログラマブルロジックコンピュータ（ＰＬＣ）を用いることができる。なお、上記ポンプ光発振器２としては、マイクロチップレーザの代わりに極短パルスレーザを用いても良い。

シード光発振器３は、上記非線形光学結晶４の長手方向と平行な状態で所定高さ位置に水平に固定されており、シード光発振器３から発振されたシード光Ｌ２は、第１全反射ミラー１７と第２全反射ミラー１８とからなる導光手段５によって順次反射されてから非線形光学結晶４の端面４Ａに入射されるようになっている。本実施例においては、上記ポンプ光発振器２から発振された直後のポンプ光Ｌ１の光路と、シード光発振器３から発振された直後のシード光Ｌ２の光路は、相互に平行となり、シード光発振器３から発振するシード光Ｌ２の発振方向は、ポンプ光発振器２から発振されるポンプ光Ｌ１の発振方向とは逆となる。
シード光発振器３は半導体レーザからなり、シード光発振器３の作動は制御装置１０によって制御されるようになっている。シード光発振器３が作動されると、シード光Ｌ２が連続的に発振されるようになっている。発振された直後のシード光Ｌ２の光路は、非線形光学結晶４の軸心４Ｃと平行であって、かつ水平になっている。本実施例では、シード光Ｌ２としてのレーザ光の波長は１０６８〜１０７５ｎｍの範囲で可変するように、シード光発振器３から発振される。この範囲でシード光Ｌ２の波長を可変することで、０．８〜３ＴＨｚのテラヘルツ光ＴＨを発振することが可能となる。

第１全反射ミラー１７は可動ステージ２１に保持されており、かつ、シード光発振器３から発振されるシード光Ｌ２の発振方向に対して４５°傾斜された状態となっている。シード光発振器３からシード光Ｌ２が発振されると、第１全反射ミラー１７によって９０°の角度を成して反射されるようになっている。
ポンプ光発振器２から発振されるポンプ光Ｌ１の光路を挟んで第１全反射ミラー１７と反対側に第２全反射ミラー１８が所定位置に固定して配置されている。第２全反射ミラー１８は、第１全反射ミラー１７によって反射されるシード光Ｌ２の光路に対して所定角度傾斜した状態に維持されている。より具体的には、図１の左右方向を０°とした場合において、それに対する第２全反射ミラー１８の傾斜角度は１〜２°程度となっている。これにより、第１全反射ミラー１７によって反射されたシード光Ｌ２は、第２全反射ミラー１８によって反射されてから位相整合条件が満たされる入射角で非線形光学結晶４の端面４Ａの中央に入射されるようになっている。

第１全反射ミラー１７と第２全反射ミラー１８との間となるシード光Ｌ２の光路上に、光路の上流側から順に凹レンズ６と凸レンズ７が配置されている。凹レンズ６及び凸レンズ７は、シード光Ｌ２の光路と直交するように配置されており、凸レンズ７は図示しない支持部材により固定されている。この凸レンズ７は、その焦点位置が上記非線形光学結晶４の端面４Ａの位置となるような所定位置に支持されている。他方、凹レンズ６は、上記可動ステージ２１の所定位置に支持されている。
本実施例においては、可動ステージ２１に凹レンズ６及び第１全反射ミラー１７が設けられており、第１全反射ミラー１７によって反射されたシード光Ｌ２は凹レンズ６によって拡径されるようになっており、その後、拡径されたシード光Ｌ２は凸レンズ７によって集光されるとともに平行光線となるように調整され、次に上記第２全反射ミラー１８によって反射されて非線形光学結晶４の端面４Ａに入射されるようになっている。
第１全反射ミラー１７及び凹レンズ６を保持した可動ステージ２１は、シード光発振器３から発振された直後のシード光Ｌ２の光路に沿って水平方向に移動可能に構成されており、この可動ステージ２１は、移動機構２２によってシード光Ｌ２の光路に沿って図１の左右方向に移動されるようになっている。この移動機構２２の作動は制御装置１０によって制御されるようになっている。
シード光発振器３と第１全反射ミラー１７との間のシード光Ｌ２の光路上にコリメータ２３が配置されており、シード光発振器３から発振された直後のシード光Ｌ２はコリメータ２３によって平行光線となるように調整されるようになっている。
シード光発振器３からシード光Ｌ２が発振されると、該シード光Ｌ２はコリメータ２３で平行光線となるように調整された後に第１全反射ミラー１７によって９０°反射されて凹レンズ６、凸レンズ７を透過するようになっている。
そして、本実施例においては、所要時に制御装置１０が移動機構２２によって可動ステージ２１をシード光Ｌ２の光路に沿って所要量、水平方向に移動させることにより、凸レンズ７に対するシード光Ｌ２の入射角を変更できるようになっており、それによってシード光Ｌ２が非線形光学結晶４の端面４Ａに入射される際の入射角を変更できるようになっている。
なお、本実施例では第１全反射ミラー１７、第２全反射ミラー１８として光を全反射させる全反射ミラーを用いているが、ミラー１７、１８として部分透過ミラーを用いてもよく、その場合にはそれらを透過したシード光Ｌ２を発振器モニタに入射させてレーザ光の出力を計測する構成としても良い。

非線形光学結晶３の端面４Ａの中央（軸心４Ｃ）にポンプ光Ｌ１とシード光Ｌ２とが位相整合条件を満たして、かつ重畳して入射されると、非線形光学結晶４によりテラヘルツ光ＴＨが発生して、プリズム１１を介して外方に向けて放射されるようになっている。また、その際にはアイドラー光Ｌ３が非線形光学結晶４の端面４Ｂから外方へ放射されるようになっている。
前述したように、本実施例の導光手段５は第１全反射ミラー１７と第２全反射ミラー１８とから構成されており、さらに、導光手段５、凹レンズ６、凸レンズ７及び移動機構２２とによって、シード光Ｌ２を非線形光学結晶４の端面４Ａに照射するシード光照射手段２４が構成されている。

以上のように、本実施例においては、非線形光学結晶４の長手方向と平行にシード光発振器３を配置し、導光手段５によってシード光Ｌ２を折り返してから非線形光学結晶４の端面４Ａに入射させる構成となっている。また、シード光Ｌ２は凹レンズ６によって拡径されてから凸レンズ７によって集光され、かつ平行光線に調整された後に非線形光学結晶４の端面４Ａに入射されるようになっている。また、上記移動機構２２によって可動ステージ２１を介して第１全反射ミラー１７及び凹レンズ６をシード光Ｌ２の光路に沿って移動させるように構成されている。

以上の構成において、テラヘルツ光発生装置１で発生させたテラヘルツ光ＴＨを用いて以下のようにして検査対象物Ｏの検査が行われる。
先ず、検査対象物Ｏを一対の凸レンズ１２Ａ、１２Ｂの間の検査位置へセットする。
次に、検査対象物Ｏに照射するテラヘルツ光ＴＨの波長に応じて、制御装置１０は移動機構２２によって可動ステージ２１を介して第１全反射ミラー１７、凹レンズ６を水平方向に所要量移動させる。これにより、検査対象物Ｏに照射するテラヘルツ光ＴＨの波長と対応する位置に第１全反射ミラー１７が位置する。
その後、制御装置１０によってポンプ光発振器２及びシード光発振器３が作動される。これにより、ポンプ光発振器２からポンプ光Ｌ１がパルス発振され、該ポンプ光Ｌ１はコリメータ１６によって平行光線に調整されてから非線形光学結晶４の端面４Ａの中央に入射される。また、シード光発振器３から検査対象物Ｏに照射するテラヘルツ光ＴＨの波長に対応する波長のシード光Ｌ２が発振され、該シード光Ｌ２は第１全反射ミラー１７によって９０°反射されてから凹レンズ６によって拡径されるようになっており、その後、凸レンズ７によって集光されるとともに平行光線に調整されてから第２全反射ミラー１８によって反射されてから非線形光学結晶４の端面４Ａの中央に入射される。
第１全反射ミラー１７が上記シード光Ｌ２の波長に応じた所要位置に位置しているので位相整合条件は満たされており、かつ、ポンプ光Ｌ１とシード光Ｌ２が上記端面４Ａに同時に重畳して入射されるので、テラヘルツ光ＴＨが発生するとともにアイドラー光Ｌ３が発生する。
ここで、図２に原理的に示すように、本実施例においては、シード光ｌ２を凹レンズ６によって拡径させ、該拡径させたシード光Ｌ２を凸レンズ７によって集光させるとともに平行光線に調整してから端面４Ａの中央に入射させている。そのため、端面４Ａに入射されるシード光Ｌ２の径は、図３に示した従来品と比較して大きくなっており、そのために、端面４Ａで重畳されるポンプ光Ｌ１とシード光Ｌ２との重畳面積を大きくすることができ、非線形光学結晶４から発生するテラヘルツ光ＴＨの強度が従来品よりも大きくなっている。
そして、非線形光学結晶４から発生したテラヘルツ光ＴＨはシリコンプリズム１１を介して外方へ放射された後に、凸レンズ１２Ａを介して検査対象物Ｏへ照射される。検査対象物Ｏに照射されて該検査対象物Ｏを透過したテラヘルツ光ＴＨは凸レンズ１２Ｂを介して受光素子１３によって受光される。該受光素子１３によって受光されたテラヘルツ光ＴＨを基にして図示しない判定装置は、検査対象物Ｏが良品であるか否かを判定するようになっている。なお、非線形光学結晶４の他方の端面４Ｂから放射されたポンプ光Ｌ１およびアイドラー光Ｌ３はダンパー１５によって吸収されるようになっている。

以上のようにして、テラヘルツ光発生装置１により検査対象物Ｏにテラヘルツ光ＴＨの検査を行うが、検査対象物Ｏの種類を変更する場合には、それに応じてテラヘルツ光Ｌ２の波長を変更する必要がある。
この場合には、制御装置１０は移動機構２２によって可動ステージ２１を介して第１全反射ミラー１７及び凹レンズ６をシード光Ｌ２の光路に沿って所要量移動させる。それにより、変更後のテラヘルツ光ＴＨを得るための位相整合条件を満たす位置に第１全反射ミラー１７が位置する。つまり、集光レンズとしての凸レンズ７に対するシード光Ｌ２の入射角が変更され、第２全反射ミラー１８を介して端面４Ａに対するシード光Ｌ２の入射角が変更される。
さらに、シード光発振器３から発振されるシード光Ｌ２の波長を、変更後の所定波長のテラヘルツ光ＴＨで発生するための波長に変更する。
それにより、位相整合条件を満たして、変更後の検査対象物Ｏの種類に応じたテラヘルツ光Ｌ２が発生するようになっている。

上述した本実施例においては、集光レンズとしての凸レンズ７は１箇所だけ配置されるとともに、導光手段５によってシード光Ｌ２は折り返されてから非線形光学結晶４へ入射する構成となっている。そのため、本実施例によれば、従来と比較して小型で製造コストが安いテラヘルツ光発生装置１を提供できる。
また、導光手段５としては、シード光Ｌ２の光路に沿って水平に可動できる第１全反射ミラー１７と、所定位置に固定された第２全反射ミラー１８を備えており、単一の凸レンズ７によってシード光Ｌ２を集光する構成となっている。そのため、回折格子による近似値を用いて位相整合条件を満たすように構成された特許文献１の装置と比較して、本実施例によれば、いずれの波長であっても位相整合条件を満たすことができ、広帯域の可変波長テラヘルツ光源となりうるテラヘルツ光発生装置１を提供することができる。
さらに、本実施例においては、凹レンズ６によって拡径させたシード光Ｌ２を凸レンズ７によって集光させるとともに平行光線にして端面４Ａに入射させるので、端面に入射されるシード光Ｌ２の径は従来品と比較して大きくなっている（図２、図３参照）。それにより、端面４Ａで重畳されるポンプ光Ｌ１とシード光Ｌ２との重畳面積を大きくすることができ、非線形光学結晶から発生するテラヘルツ光ＴＨの強度を従来品よりも大きくすることができる。そのため、検査対象物Ｏの検査結果の判定がしやすくなり、検査対象物Ｏの品質の良否を確実に判定することが可能となる。

なお、テラヘルツ光発生装置１を用いての検査対象物Ｏに対する検査方法としては、０．８ＴＨｚ〜３ＴＨｚまでのテラヘルツ光ＴＨを、同一の検査対象物Ｏに対して連続的に波長を変化させて照射するようにしても良い。このように波長を掃引しながら検査対象物Ｏに照射することにより、テラヘルツ光ＴＨの吸収しやすい波長が異なる物質（例えば、物質Ａについては１ＴＨｚ、物質Ｂについては２ＴＨｚに吸収特性がある場合）に対して検査を行うことが可能である。
また、上記実施例においては、ポンプ光Ｌ１と発振直後のシード光Ｌ２が相互に平行となるようにポンプ光発振器２とシード光発振器３が配置されているが、シード光Ｌ２を第１全反射ミラー１７に入射させる角度は、適宜変更することが可能である。この場合には、第１全反射ミラー１７、第２全反射ミラー１８を支持する角度を調整して、位相整合条件（位相整合角）を満たすように調整する構成となる。
また、上記実施例においては、凸レンズ７よりもシード光Ｌ２の光路の上流側に凹レンズ６を配置しているが、凸レンズ７よりも下流側となる位置に凹レンズ６を配置しても良い。
また、上記第１全反射ミラー１７は、必ずしもシード光発振器３から発振された直後のシード光Ｌ２の光軸（光路）に完全に沿って移動させる必要はない。つまり、シード光Ｌ２に対する第１全反射ミラー１７の反射角が同じであれば、シード光Ｌ２の光軸（光路）に対して傾斜する経路を第１全反射ミラー１７が移動するようにしても良い。この場合には、傾斜する経路を第１全反射ミラー１７が移動する際に、シード光Ｌ２が入射する位置がずれることになる。
また、上記実施例においては、シード光Ｌ２の光路上に凸レンズ７を１つ配置した構成となっているが、凸レンズ７を光路上に複数配置しても良い。
さらに、上記実施例においては、コリメータ２３によってシード光Ｌ２を平行光線にしているが、コリメータ２３を省略しても良い。この場合には、シード光発振器３から出射した直後は平行光線でないシード光Ｌ２を、凹レンズ６および凸レンズ７によって、端面４Ａに入る際に平行光線となるように成形する。

１‥テラヘルツ光発生装置２‥ポンプ光発振器
３‥シード光発振器４‥非線形光学結晶
４Ａ‥端面５‥導光手段
６‥凹レンズ７‥凸レンズ
１７‥第１全反射ミラー１８‥第２全反射ミラー
２２‥移動機構Ｌ１‥ポンプ光
Ｌ２‥シード光ＴＨ‥テラヘルツ光

Claims

パラメトリック効果によるテラヘルツ光を発生可能な非線形光学結晶と、ポンプ光を発振させるポンプ光発振器と、シード光を発振させるシード光発振器と、上記シード光の光路上に配置されて、シード光を集光する凸レンズとを備え、
上記ポンプ光と上記シード光を、上記非線形光学結晶の端面から入射させることによりテラヘルツ光を発生させるテラヘルツ光発生装置において、
上記シード光の光路上に凹レンズを設けて、該凹レンズによって拡径させたシード光を上記端面でポンプ光と重畳するように上記非線形光学結晶に入射させることを特徴とするテラヘルツ光発生装置。
上記凹レンズは、上記シード光発振器と凸レンズとの間に配置され、
上記ポンプ光発振器から発振されたポンプ光を平行光線に調整する第１コリメータが設けられるとともに、上記シード光発振器から発振されたシード光を平行光線に調整する第２コリメータが設けられていることを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ光発生装置。