JP2021089379A - テラヘルツ光発生装置およびテラヘルツ光発生方法 - Google Patents
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Abstract
Description
特に特許文献1のテラヘルツ光発生装置では所要の波長のテラヘルツ光を発生させることが可能となっており、ポンプ光とシード光とが上記所要の位相整合条件を満たす交差角で上記非線形光学結晶に入射するよう、上記ポンプ光またはシード光のうち少なくともいずれか一方を導光する導光手段が設けられている。
そのための作業としては、上記テラヘルツ光発生装置より非線形光学結晶を取り外し、ポンプ光とシード光との交差位置から離隔した2点でポンプ光とシード光との光軸間距離を測定し、これら測定した2点の光軸間距離と、交差位置から各測定位置までの距離とを用いて、交差角を算出する方法が取られていた。
しかしながら、このような測定方法では非線形光学結晶の取り外しや装着といった作業が必要であり、作業が煩雑であるという問題があるほか、これらの作業によってさらなるずれを生じさせるおそれがあった。
このような問題に鑑み、本発明はポンプ光とシード光との交差角を容易に測定することが可能なテラヘルツ光発生装置を提供するとともに、テラヘルツ光発生方法を提供するものである。
上記導光手段と非線形光学結晶との間に設けられ、上記ポンプ光およびシード光の一部を取り出すとともに残りを上記非線形光学結晶に照射させる取り出し手段と、上記取り出し手段より取り出したポンプ光とシード光との交差位置に設けられ、当該ポンプ光とシード光を通過させる通過部が形成された交差位置規定部材と、上記通過部を通過したポンプ光およびシード光を受光する撮像手段と、上記撮像手段が受光した画像に基づいて上記ポンプ光とシード光との光軸間距離を測定する光軸間距離測定手段と、上記光軸間距離と上記撮像手段から上記交差位置規定部材までの部材間距離とから、上記ポンプ光と上記シード光との交差角を計測する算出手段とを備えることを特徴としている。
また請求項4の発明にかかるテラヘルツ光発生方法は、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、ポンプ光とシード光とが所要の位相整合条件を満たす交差角で入射するとテラヘルツ光を発生させる非線形光学結晶と、ポンプ光とシード光とが上記所要の位相整合条件を満たす交差角で上記非線形光学結晶に入射するよう、上記ポンプ光またはシード光のうち少なくともいずれか一方を導光する導光手段とを備えたテラヘルツ光発生装置に対し、
上記非線形光学結晶に入射する前のポンプ光およびシード光の一部を取り出し、
取り出したポンプ光とシード光とが交差する交差位置に、上記ポンプ光およびシード光とが通過可能な通過部を有する交差位置規定部材を配置し、
上記交差位置規定部材の通過部を通過した上記ポンプ光とシード光とを撮像手段によって受光し、
撮像手段が撮像した画像から認識した上記ポンプ光とシード光との光軸間距離と、上記撮像手段から上記交差位置規定部材までの部材間距離とから、上記ポンプ光と上記シード光との交差角を計測することを特徴としている。
上記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とが入射されるとテラヘルツ光TH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を上記非線形光学結晶4に対して所定の入射角で入射させる導光手段5とを備え、これらはパーソナルコンピュータ(PC)やプログラマブルロジックコンピュータ(PLC)からなる制御手段6によって制御されるようになっている。
上記構成を有するテラヘルツ光発生装置1によれば、上記シード光L2とポンプ光L1とを非線形光学結晶4の位相整合条件を満たす所要の交差角θで入射させることによりテラヘルツ光THを発生させるものとなっており、本実施例のテラヘルツ光発生装置1は光注入型テラヘルツパラメトリック発生装置(Is−TPG)として構成されたものとなっている。
上記ポンプ光発振器2より発振されたポンプ光L1は非線形光学結晶4の端面4Aの中央部(端面4Aに非線形光学結晶4の軸心が交差する位置)に対して垂直に入射するようになっている。
またポンプ光L1の光軸上には、非線形光学結晶4を通過したポンプ光L1および、非線形光学結晶4内で生成されたアイドラー光L3を吸収するダンパー7が設けられている。
さらに、上記ポンプ光発振器2と非線形光学結晶4との間にはコリメータ8が配置され、このコリメータ8によって平行光線に調整された後のポンプ光L1が非線形光学結晶4の端面4Aに入射されるようになっている。
そしてポンプ光発振器2は、ポンプ光L1としてのレーザ光を非線形光学結晶4に向けてパルス発振し、本実施例において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100Hz、パルス幅400psecとなっている。
シード光発振器3は、シード光L2を連続的に発振するようになっており、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の軸心と平行であるものの、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の発振方向と逆方向に設定されている。
そして本実施例では、シード光L2としてのレーザ光の波長は1068〜1075nmの範囲で可変可能となっており、これにより上記非線形光学結晶4からは0.8〜3THzのテラヘルツ光THを発生させることが可能となっている。
上記非線形光学結晶4の端面4Aに入射するポンプ光L1とシード光L2との交差角θが位相整合条件を満たしている場合には、非線形光学結晶4においてテラヘルツ光THが発生するようになっている。
また上記ポンプ光L1とシード光L2との交差位置が非線形光学結晶4の端面4Aに位置している場合には、テラヘルツ光THを高効率で発生させることが可能となっている。
そして本実施例では、テラヘルツ光発生装置1のメンテナンス時などの際に、ポンプ光L1とシード光L2との交差位置を上記端面4Aに位置させるため、上記非線形光学結晶4を上記ポンプ光L1の光軸方向に沿って移動させる結晶移動手段14を備えている。
またシリコンプリズム11より照射されるテラヘルツ光THの光路上には、一対の凸レンズ12A、12Bが離隔されて配置され、また外方側の凸レンズ12Bに隣接した位置には検査対象物Oの検査に用いる受光素子13が配置されている。
このような構成により、検査対象物Oの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をセットし、検査対象物Oを透過した後のテラヘルツ光THを上記受光素子13に受光させることで、検査対象物Oの品質の良否を判定するようになっている。
またシード光発振器3と第1全反射ミラー21との間には、シード光L2の光路上にコリメータ24が設けられており、シード光発振器3から発振された直後のシード光L2をコリメータ24によって平行光線となるように調整するようになっている。
上記第1全反射ミラー21はシード光発振器3から発振されたシード光L2の光軸に対して45°傾斜された状態で支持されており、これにより上記シード光L2を上記凸レンズ23に向けて90°の角度で反射させるようになっている。
また本実施例の第1全反射ミラー21は、ミラー移動手段25によってシード光発振器3から発振された直後のシード光L2の光軸方向に移動可能となっており、後述するようにテラヘルツ光THの波長を変更する際に用いられる。
これにより、第2全反射ミラー22で反射したシード光L2は上記非線形光学結晶4の端面4Aに対して傾斜した状態で入射することとなり、これにより上記端面4Aにおいてポンプ光L1とシード光L2とが交差するようになっている。
つまり、上記第1全反射ミラー21をミラー移動手段25によって移動させると、凸レンズ23に対するシード光L2の入射位置が変更されるが、凸レンズ23の焦点位置は、集光したシード光L2を第2全反射ミラー22によって反射させた後、非線形光学結晶4の端面4Aの中心に集光するように設定されている。
ここで、例えばテラヘルツ光発生装置1のメンテナンスを行った場合など、導光手段5によって導光したシード光L2が端面4Aでポンプ光L1と交差しなかった場合には、上記非線形光学結晶4を上記結晶移動手段14によって移動させ、交差位置が端面4Aに位置するようにする。
そこで制御手段6は、シード光発振器3から発振されるシード光L2の波長を変更するとともに、上記導光手段5を制御することにより、ポンプ光L1とシード光L2との交差角θを上記位相整合条件を満たす所要の角度に変更する動作が必要となる。
具体的には、上記第1全反射ミラー21をシード光発振器3から発振された直後のシード光L2の光路に沿って移動させることで、シード光L2を非線形光学結晶4の端面4Aに入射させる入射角を変更し、これによりポンプ光L1とシード光L2との交差角θを変更するようになっている。
制御手段6には、発生させるテラヘルツ光THの波長ごとに、第1全反射ミラー21の位置が登録されているため、使用するテラヘルツ光THを制御手段6に指示することにより、自動的に第1全反射ミラー21を移動させて上記ポンプ光L1とシード光L2との交差角θを変更することができる。
しかしながら、上記導光手段5のミラー移動手段22に機械的な誤差などが存在する場合、第1全反射ミラー21の位置がずれてシード光L2が所定の入射角とは違う角度で非線形光学結晶4に入射することとなる。
その結果、上記ポンプ光L1とシード光L2との交差角θが位相整合条件を満たさず、所要のテラヘルツ光THが得られないこととなるため、導光手段5によってシード光L2の導光経路を変更した後には、実際にポンプ光L1とシード光L2とが所要の交差角θで非線形光学結晶4の端面4Aに入射しているか否かを確認する必要があり、誤差が認められた場合にはこれを修正する必要がある。
上記交差角測定装置31は導光手段5と非線形光学結晶4との間に設けられており、より具体的には上記ポンプ光発振器2によって照射されたポンプ光L1の光軸上であって、かつ導光手段5の第2全反射ミラー22で反射した直後のシード光L2の光軸上に設けられている。
図2に示すように、交差角測定装置31は、ポンプ光L1およびシード光L2の光路上に設けられた2つの1/2波長板32A、32Bと、1/2波長板32Aと1/2波長板32Bとの間に設けられた偏光ビームスプリッタ33と、偏光ビームスプリッタ33によって取り出されたポンプ光L1およびシード光L2の光路上に設けられた交差位置規定部材としてのアイリスプレート34と、アイリスプレート34を移動させるアイリスプレート移動手段35と、アイリスプレート34に形成された通過部としての細孔34aを通過したポンプ光L1およびシード光L2を受光する撮像手段としてのカメラ36と、上記アイリスプレート34とカメラ36との部材間距離Dを測定する部材間距離測定手段37とから構成されている。
また制御手段6には、上記カメラ36が撮像した画像から上記ポンプ光L1の光軸とシード光L2の光軸との光軸間距離dを測定する光軸間距離測定手段38と、上記光軸間距離dと上記部材間距離Dとから上記ポンプ光L1と上記シード光L2との交差角θを算出する算出手段39とが設けられている。
2つの1/2波長板32A、32Bのうち、ポンプ光発振器2および導光手段5側に位置する1/2波長板32Aは、透過させたポンプ光L1およびシード光L2が上記偏光ビームスプリッタ33で反射する割合を調整するものとなっている。
本実施例では例えば偏光ビームスプリッタ33に到達したポンプ光L1およびシード光L2のうち、5〜10%を上記カメラ36側に反射させるような反射率に設定されている。
一方、非線形光学結晶4側に位置する1/2波長板32Bは、偏光ビームスプリッタ33で反射せずに透過したポンプ光L1およびシード光L2の偏光方向を、上記非線形光学結晶4に入射させるために元の偏光方向に戻すようになっている。
本実施例では、上記ポンプ光発振器2より照射されるポンプ光L1の光軸に対して45°の角度で反射面が設けられており、このためポンプ光L1は偏光ビームスプリッタ33によって90°の角度で反射するようになっている。
一方シード光L2も偏光ビームスプリッタ33によって反射した後、上記カメラ36側においてポンプ光L1と交差するようになっている。
ここで、上記偏光ビームスプリッタ33で反射したポンプ光L1とシード光L2との交差角θと、偏光ビームスプリッタ33を透過したポンプ光L1とシード光L2との交差角θとは同じ角度となる。
また上記偏光ビームスプリッタ33で反射したポンプ光L1とシード光L2との交差位置と、偏光ビームスプリッタ33を透過したポンプ光L1とシード光L2との交差位置とは、ポンプ光発振器2およびシード光発振器3からの光路長が同じとなる。
そして、上記アイリスプレート移動手段35は上記アイリスプレート34を上記ポンプ光L1の光軸方向に移動させ、例えば駆動手段によって回転するボールねじを用いてアイリスプレート34を移動させる機構を採用することができる。
このため、アイリスプレート34をポンプ光L1とシード光L2との交差位置に位置させ、ポンプ光L1およびシード光L2が細孔34aを通過しても、これらの光軸近傍の部分のみが通過し、その他の部分は遮られることとなる。
その結果、上記カメラ36にはポンプ光L1およびシード光L2が断面形状が細孔34aによって円形形状にケラれた状態で受光されるようになっている(図3参照)。
このように、本実施例のアイリスプレート34では上記細孔34aによってポンプ光L1およびシード光L2のエネルギーの高い部分だけを取り出すようになっており、具体的に上記細孔34aの直径を以下のように設定することができる。
まず、ポンプ光L1およびシード光L2がいわゆるガウシアンビームである場合、その光軸部分のビーム強度が高くなり、その外周に向けてビーム強度が減少していくこととなる。
第1の方法としては、レーザ光の光軸部分を中心として、ビーム強度がピーク値(光軸部分)に対して1/e2となる2点間を結び、その距離を細孔34aの直径とする方法が考えられる。
また第2の方法としては、レーザ光のビーム強度の分布がガウシアン分布の場合、その強度分布を示すガウス曲線の標準偏差に対し、4倍(D4σ)の距離を細孔34aの直径とする方法が考えられる。
具体的には、上記ポンプ光L1は常にアイリスプレート34の細孔34aを垂直に通過するため、カメラ36の受光素子36aの同じ位置に垂直に入射するようになっている。
このため制御手段6は、上記ポンプ光L1については同じ位置で受光した光のうち、最も輝度の高い位置を、ビーム強度の高いポンプ光L1の光軸部分として認識する。
上述したように、上記ポンプ光L1およびシード光L2がアイリスプレート34に到達するまでの光路長は、これらポンプ光L1およびシード光L2が非線形光学結晶4の端面4Aに到達するまでの光路長と同じであるため、シード光L2はアイリスプレート34の細孔34aを上記端面4Aへの入射角と同じ角度で通過することとなる。
そして細孔34aを通過したシード光L2は、カメラ36の受光素子36aに対して斜めに入射し、また制御手段6は、上記シード光L2についても最も輝度の高い位置をシード光L2の光軸部分として認識する。
つまり、アイリスプレート34がポンプ光L1とシード光L2との交差位置に位置していない場合には、上記細孔34aを通過できず、受光素子36aに受光されないこととなる。
すると、制御手段6は上記アイリスプレート移動手段35によってアイリスプレート34をポンプ光L1の光軸方向に例えば0.5mmピッチで移動させる。
すると、シード光L2の一部が細孔34aを通過するようになるが、シード光L2の光軸部分が細孔34aを通過していない場合には、受光素子36aが受光した光の輝度が所定のしきい値に達しないため、制御手段6はシード光L2の光軸部分が細孔34aを通過していないものとして認識する。
そして、アイリスプレート34がポンプ光L1とシード光L2との交差位置に位置すると、シード光L2の光軸部分が細孔34aを通過するようになり、受光素子36aでは受光した光の輝度が上記しきい値を超えることから、制御手段6はシード光L2の光軸部分を認識することができる。
上記部材間距離測定手段37は従来公知のリニアスケールによって構成され、上記ポンプ光L1とシード光L2との交差位置に位置しているアイリスプレート34とカメラ36の受光素子36aとの部材間距離Dを測定する。
そして上記算出手段39は、光軸間距離測定手段38が測定した光軸間距離dと、部材間距離測定手段37が測定した部材間距離Dとから、ポンプ光L1とシード光L2との交差角θを算出する。
本実施例では、ポンプ光L1が受光素子36aに対して垂直に入射していることから、上記光軸間距離dと部材間距離Dとに基づいて容易に交差角θを算出することが可能となっている(θ=atan(d/D))。
ここで算出したポンプ光L1とシード光L2との交差角θは、本実施例では上記受光素子36aに対するシード光L2の入射角を意味し、これをさらに換言すると、非線形光学結晶4の端面4Aに対するシード光L2の入射角を意味している。
まず制御手段6には、所定のテラヘルツ光THに対応するシード光L2の波長や、位相整合条件を満たすポンプ光L1とシード光L2との交差角θを形成するための導光手段5における第1全反射ミラー21の位置が登録されている。
上記ポンプ光発振器2がポンプ光L1を照射し、シード光発振器3がシード光L2を照射すると、ポンプ光L1は非線形光学結晶4の端面4Aに入射し、上記シード光L2は上記導光手段5に導光された後、所要の傾斜角で上記端面4Aに入射する。
この時、ポンプ光L1とシード光L2とが所定の位相整合条件を満たした交差角θで非線形光学結晶4の端面4Aに入射すれば、非線形光学結晶4から所要のテラヘルツ光THが発生することとなる。
しかしながら、機械的な誤差等によって上記導光手段5の第1全反射ミラー21の位置が微妙にずれている場合など、シード光L2が所定の入射角で非線形光学結晶4の端面4Aに入射しない場合、位相整合条件が満たされないことから、所要のテラヘルツ光THが得られないこととなる。
まず、上記ポンプ光発振器2より照射されたポンプ光L1と、上記シード光発振器3より照射されて上記導光手段5によって導光されたシード光L2とは、交差角測定装置31の1/2波長板32Aを通過する。
これにより、ポンプ光L1およびシード光L2の偏光方向が変換され、一部のポンプ光L1およびシード光L2が上記偏光ビームスプリッタ33によって反射し、その他は下流側の1/2波長板32Bを通過した後、非線形光学結晶4に入射する。
これにより、ポンプ光L1およびシード光L2の光軸部分がアイリスプレート34の細孔34aを通過して、カメラ36にポンプ光L1とシード光L2とが受光されることとなる。
すると、制御手段6の光軸間距離測定手段38がポンプ光L1の光軸とシード光L2の光軸との光軸間距離dを測定し、一方部材間距離測定手段37がアイリスプレート34とカメラ36の受光素子36aとの部材間距離Dを測定する。
このようにして光軸間距離dおよび部材間距離Dが測定されると、上記算出手段39がこれらの測定結果からポンプ光L1とシード光L2との交差角θを算出する。
交差角θが位相整合条件を満たさない場合、制御手段6は上記導光手段5の上記ミラー移動手段22によって第1全反射ミラー21を移動させ、シード光L2の光路を補正することにより、ポンプ光L1とシード光L2との交差角θを修正し、上記交差角θが上記位相整合条件を満たすまで上述した作業を繰り返す。
これに対し従来のテラヘルツ光発生装置1では、交差角測定装置31を備えていないため、ポンプ光L1とシード光L2との交差角θを所要の位相整合角に一致させる作業が煩雑となっていた。
具体的に図1の構成を用いて説明すると、従来はポンプ光L1とシード光L2との交差角θを測定するために、光路上から非線形光学結晶4を取り外し、その光路上にカメラを設置する。
続いて、ポンプ光L1とシード光L2との交差位置に対する上記カメラの位置を測定しながら、当該カメラに撮影されるポンプ光L1とシード光L2との光軸間距離dを複数回測定し、この交差位置からカメラまでの距離と、各計測位置における光軸間距離dとから、ポンプ光L1とシード光L2との交差角θを算出していた。
しかしながら、この方法では非線形光学結晶4の取り外しと装着の作業が必要となり、作業が非常に煩雑であるばかりか、またその作業中に非線形光学結晶4の位置がずれる場合があった。
本実施例では、非線形光学結晶4を取り外す必要がないことから、作業が煩雑とはならず、また作業にともなう機械的なずれも生じないため、ポンプ光L1とシード光L2との交差角θの測定を容易に行うことができ、また交差角θを修正する際のずれも生じないようにすることができる。
また上記実施例では、導光手段5はシード光L2を導光するようになっているが、ポンプ光L1を導光してもよく、またポンプ光L1およびシード光L2を導光する構成としてもよい。例えば、上記特許文献1における図2に示される構成にも適用することが可能である。
さらに、上記第1全反射ミラー21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21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21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21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。
また上記アイリスプレート34については、制御手段6によって制御されるアイリスプレート移動手段35を用いて移動させているが、手動によりアイリスプレート34を移動させる移動手段を用いてもよい。
3 シード光発振器 4 非線形光学結晶
5 導光手段 6 制御手段
21 第1全反射ミラー 22 第2全反射ミラー
23 凸レンズ 25 ミラー移動手段
31 交差角θ測定装置
33 偏光ビームスプリッタ(取り出し手段)
34 アイリスプレート(交差位置規定部材)
34a 細孔(通過部) 35 アイリスプレート移動手段
36 カメラ(撮像手段) 37 部材間距離測定手段
38 光軸間距離測定手段 39 算出手段
L1 ポンプ光 L2 シード光
TH テラヘルツ光
Claims (4)
- 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、ポンプ光とシード光とが所要の位相整合条件を満たす交差角で入射するとテラヘルツ光を発生させる非線形光学結晶と、ポンプ光とシード光とが上記所要の位相整合条件を満たす交差角で上記非線形光学結晶に入射するよう、上記ポンプ光またはシード光のうち少なくともいずれか一方を導光する導光手段とを備えたテラヘルツ光発生装置において、
上記導光手段と非線形光学結晶との間に設けられ、上記ポンプ光およびシード光の一部を取り出すとともに残りを上記非線形光学結晶に照射させる取り出し手段と、上記取り出し手段より取り出したポンプ光とシード光との交差位置に設けられ、当該ポンプ光とシード光とを通過させる通過部が形成された交差位置規定部材と、上記通過部を通過したポンプ光およびシード光を受光する撮像手段と、上記撮像手段が受光した画像に基づいて上記ポンプ光とシード光との光軸間距離を測定する光軸間距離測定手段と、上記光軸間距離と上記撮像手段から上記交差位置規定部材までの部材間距離とから、上記ポンプ光と上記シード光との交差角を算出する算出手段とを備えることを特徴とするテラヘルツ光発生装置。 - 上記導光手段は、上記算出手段によるポンプ光とシード光との交差角の算出結果に基づいて、上記ポンプ光とシード光との交差角が位相整合条件を満たすよう、上記ポンプ光またはシード光の導光経路を変更す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。
- 上記交差位置規定部材を上記ポンプ光もしくはシード光のうちいずれか一方の光軸に沿って移動させる移動手段を備え、
上記撮像手段が受光したポンプ光およびシード光の画像に基づいて、上記交差位置規定部材が上記ポンプ光とシード光との交差位置に位置しているか否かを判定する判定手段を備え、
上記判定手段によって交差位置規定部材が上記ポンプ光とシード光との交差位置に位置していないと判定した場合、上記移動手段によって上記交差位置規定部材を上記ポンプ光とシード光との交差位置まで移動させることを特徴とする請求項1または請求項2のいずれかに記載のテラヘルツ光発生装置。 - 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、ポンプ光とシード光とが所要の位相整合条件を満たす交差角で入射するとテラヘルツ光を発生させる非線形光学結晶と、ポンプ光とシード光とが上記所要の位相整合条件を満たす交差角で上記非線形光学結晶に入射するよう、上記ポンプ光またはシード光のうち少なくともいずれか一方を導光する導光手段とを備えたテラヘルツ光発生装置に対し、
上記非線形光学結晶に入射する前のポンプ光およびシード光の一部を取り出し、
取り出したポンプ光とシード光とが交差する交差位置に、上記ポンプ光およびシード光とが通過可能な通過部を有する交差位置規定部材を配置し、
上記交差位置規定部材の通過部を通過した上記ポンプ光とシード光とを撮像手段によって受光し、
撮像手段が撮像した画像から認識した上記ポンプ光とシード光との光軸間距離と、上記撮像手段から上記交差位置規定部材までの部材間距離とから、上記ポンプ光と上記シード光との交差角を算出することを特徴とするテラヘルツ光発生方法。
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