JP4102141B2 - テラヘルツ波発生装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、周波数１ＴＨｚ（テラヘルツ）周辺の電磁波であるテラヘルツ波発生装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
周波数１ＴＨｚ（テラヘルツ）周辺の電磁波領域（テラヘルツ波領域、例えばおよそ０．１ＴＨｚ〜１００ＴＨｚ、あるいはさらにその周辺領域を含んだ広い周波数領域を指す）は、光波と電波の境界に位置する周波数領域であり、テラヘルツ波は、赤外の分光やイメージングへの応用等に有効である。例えば、周波数０．１ＴＨｚ〜１００ＴＨｚ、波長３ｍｍ〜３μｍの中・遠赤外光には、Ｘ線測定などとは異なり、生体にダメージを与えずにその透過イメージを取得できるという応用がある。また、ガス分析などへの分光応用も考えられる。
【０００３】
このような周波数領域は、その発生装置や検出装置などの装置開発が比較的遅れており、技術面でも応用面でも未開拓の部分が多い。特に、テラヘルツ波を用いた各種の測定においては、テラヘルツ波領域内にあるどの波長で測定を行っても良い結果が得られる訳ではなく、それぞれの測定に適した波長のテラヘルツ波を用いる必要がある。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−２３５２０３号公報
【０００５】
【非特許文献１】
阪井清美、「テラヘルツ時間領域分光法」、分光研究 50, p.261-273 (2001)
【０００６】
【非特許文献２】
J.K.Ranka, R.S.Windeler, and A.J.Stentz, "Visible continuum generation in air-silica microstructure optical fibers with anomalous dispersion at 800 nm", Optics Letters 25, p.25-27 (2000)
【０００７】
【非特許文献３】
神成文彦、武井信達、塩澤麻理子、「アダプティブ制御によるフェムト秒レーザーパルス整形と光励起過程への応用」、レーザー研究 28, p.479-485 (2000)
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
特定の波長成分が増強されたテラヘルツ波を発生する方法としては、波形整形によって生成されたパルス列を励起光として用いる方法や、２波長の励起光を用いる方法などがある。しかしながら、特に、波長の短い領域においては、このような方法では、特定の波長成分のテラヘルツ波を効率的に発生させることは難しい。
【０００９】
例えば、特開２０００−２３５２０３号公報には、２波長発振レーザから供給される光を励起光としてテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生装置が記載されている。この発生装置では、特定の波長成分を有する遠赤外のテラヘルツ波を連続光（ＣＷ光）として発生させることができる。しかしながら、このような装置においては、テラヘルツ波が連続光であるため、そのピーク光強度を充分に大きくすることは難しい。したがって、テラヘルツ波を生体測定などに応用した場合、良好なＳ／Ｎ比で測定を行うことができないという問題があった。
【００１０】
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、所望の波長成分を有するテラヘルツ波を効率的に発生させることが可能なテラヘルツ波発生装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明によるテラヘルツ波発生装置は、（１）テラヘルツ波の発生に用いられる励起光を供給する励起光供給手段と、（２）入力された光の波長スペクトルを変換するスペクトル変換手段、及び波長スペクトルを制御するスペクトル制御手段を有し、励起光供給手段から供給された励起光を入力して、その波長スペクトルが励起光供給手段から供給された段階とは異なる励起光スペクトルに変形された励起光を生成するスペクトル生成手段と、（３）非線形光学結晶を有し、スペクトル生成手段で生成された励起光スペクトルを有する励起光を非線形光学結晶に入力して、テラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生手段とを備え、スペクトル生成手段において、スペクトル変換手段はフォトニック結晶ファイバであるとともに、スペクトル制御手段は波形整形器であり、励起光供給手段側から、フォトニック結晶ファイバ、波形整形器の順で配置されていることを特徴とする。
【００１２】
上記したテラヘルツ波発生装置においては、レーザ光源などの励起光供給手段から、テラヘルツ波発生手段の非線形光学結晶へと入力される励起光について、スペクトル生成手段によってその波長スペクトルを変形する。そして、励起光供給手段から供給された段階での励起光とは異なる波長スペクトルを励起光スペクトルとして有する励起光を生成し、その励起光を非線形光学結晶に入力してテラヘルツ波を発生させている。
【００１３】
このような構成によれば、非線形光学結晶で発生されるテラヘルツ波の波長分布を励起光スペクトルによって制御することができる。したがって、所望の波長成分を有するテラヘルツ波を効率的に発生させることが可能となる。また、このような発生装置では、励起光をパルス光とすることによって、充分なピーク光強度を有するパルス状のテラヘルツ波を発生させることが可能である。
【００１４】
ここで、スペクトル変換手段による波長スペクトルの変換とは、波長スペクトルに含まれている波長成分を波長変換等することによって、波長スペクトルを変形することをいう。また、スペクトル制御手段による波長スペクトルの制御とは、波長スペクトルに含まれている波長成分を選択等することによって、波長スペクトルを変形することをいう。
【００１５】
また、スペクトル生成手段は、スペクトル変換手段またはスペクトル制御手段のいずれか一方、もしくは両方、あるいは複数のスペクトル変換手段またはスペクトル制御手段の組合せによって構成することができる。
【００１６】
具体的には、スペクトル変換手段は、フォトニック結晶ファイバを有して構成されていることが好ましい。また、スペクトル制御手段は、波形整形器を有して構成されていることが好ましい。また、これら以外のスペクトル変換手段、スペクトル制御手段を用いても良い。
【００１７】
また、テラヘルツ波発生装置は、テラヘルツ波発生手段で発生されたテラヘルツ波の一部を検出するテラヘルツ波検出手段を備え、テラヘルツ波検出手段によるテラヘルツ波の検出結果に基づいて、スペクトル制御手段による波長スペクトルの制御条件を設定または変更することを特徴とする。このようなフィードバック制御を行う構成とすることにより、非線形光学結晶で発生されるテラヘルツ波の波長分布を好適に制御することができる。
【００１８】
あるいは、テラヘルツ波発生手段で発生されたテラヘルツ波が照射される試料に対して設置された反応計測手段による試料での反応の計測結果に基づいて、スペクトル制御手段による波長スペクトルの制御条件を設定または変更する構成としても良い。このような構成によっても、非線形光学結晶で発生されるテラヘルツ波の波長分布を好適に制御することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面とともに本発明によるテラヘルツ波発生装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００２０】
図１は、本発明によるテラヘルツ波発生装置の第１実施形態の構成を模式的に示すブロック図である。このテラヘルツ波発生装置は、レーザ光源１と、スペクトル生成部２と、テラヘルツ波発生部５と、テラヘルツ波検出部６とを備えて構成されている。
【００２１】
レーザ光源１は、テラヘルツ波の発生に用いられる励起光を供給する励起光供給手段である。レーザ光源１としては、例えば、フェムト秒（ｆｓ）パルスレーザ光を励起光として出力するフェムト秒パルスレーザ光源が用いられる。また、励起光は、好ましくは、ある程度広がった波長スペクトルを有する。
【００２２】
レーザ光源１から供給される励起光に対し、テラヘルツ波発生部５は、非線形光学結晶５０を有して構成されている。非線形光学結晶５０としては、例えば、２次の非線形感受率が高い電気光学結晶（ＥＯ結晶：Electro-Optical Crystal）が用いられる。
【００２３】
レーザ光源１からのパルス励起光が非線形光学結晶５０へと入力されると、非線形光学結晶５０において光整流作用が生じる。このとき、広がった波長スペクトル内にあるパルス励起光の各周波数成分（波長成分）により、差の周波数成分に対応するテラヘルツ波が発生する（例えば、文献「阪井清美、分光研究、50, p.261 (2001)」参照）。なお、光整流作用は、２次の受動非線形光学効果である差周波混合で、入射する光の周波数差を近付けた場合に相当する。また、非線形光学結晶５０において発生されるテラヘルツ波は、例えば、周波数０．１ＴＨｚ〜１００ＴＨｚ、波長３ｍｍ〜３μｍの中・遠赤外光である。
【００２４】
図１に示したテラヘルツ波発生装置においては、レーザ光源１とテラヘルツ波発生部５との間に、スペクトル生成部２が設置されている。スペクトル生成部２は、スペクトル変換部３、またはスペクトル制御部４の少なくとも一方を有して構成される。そして、スペクトル生成部２は、レーザ光源１から供給されたパルス励起光を入力して、その波長スペクトルが所定の励起光スペクトルに変形された励起光を生成する。
【００２５】
ここで、スペクトル変換部３は、入力された光の波長スペクトル（周波数スペクトル）を変換する変換手段である。スペクトル変換部３による波長スペクトルの変換とは、波長スペクトルに含まれている波長成分に対して波長変換等を行うことによって、波長スペクトルを変形することをいう。このスペクトル変換部３としては、具体的には例えば、フォトニック結晶ファイバ、ホローファイバ、テーパードファイバ、ノッチフィルタ、バンドパスフィルタなどを適用することができる。
【００２６】
また、スペクトル制御部４は、入力された光の波長スペクトル（周波数スペクトル）を制御する制御手段である。スペクトル制御部４による波長スペクトルの制御とは、波長スペクトルに含まれている波長成分を選択等することによって、波長スペクトルを変形することをいう。このスペクトル制御部４としては、具体的には例えば、波形整形器、レーザアンプなどを適用することができる。
【００２７】
スペクトル生成部２において、スペクトル変換部３、またはスペクトル制御部４、またはそれらの両方によって変形されて生成される励起光スペクトルは、テラヘルツ波発生部５の非線形光学結晶５０で発生させようとするテラヘルツ波の波長分布に対応して設定される。
【００２８】
図２は、レーザ光源１とスペクトル生成部２との間の位置Ｐ0での励起光のスペクトルを示すグラフであり、図２（ａ）はその時間スペクトルを、図２（ｂ）は波長スペクトルを示している。また、図３は、スペクトル生成部２とテラヘルツ波発生部５との間の位置Ｐ1での励起光のスペクトルを示すグラフであり、図３（ａ）はその時間スペクトルを、図３（ｂ）は波長スペクトルを示している。
【００２９】
レーザ光源１から励起光として供給されるフェムト秒パルスレーザ光などのパルス励起光は、図２（ａ）に示すように、短い時間幅でのパルス状の時間スペクトルを有する。また、このパルス励起光は、図２（ｂ）に示すように、ある程度の波長幅で広がった波長スペクトルを有する。
【００３０】
これに対して、スペクトル生成部２における波長スペクトルの変形後でのパルス励起光は、図３（ａ）に示すように、変形前と同様の短い時間幅でのパルス状の時間スペクトルを有する。また、このパルス励起光は、図３（ｂ）に示すように、スペクトル生成部２により波長スペクトルが所定の励起光スペクトルへと変形されている。図３（ｂ）に示した例では、スペクトル生成部２で生成されたパルス励起光の励起光スペクトルは、異なる波長を有する２つのピークを波長成分として含む波長スペクトルとなっている。
【００３１】
本実施形態においては、テラヘルツ波発生部５に対し、さらに、テラヘルツ波検出部６が設置されている。テラヘルツ波検出部６は、テラヘルツ波発生部５の非線形光学結晶５０で発生されたテラヘルツ波の一部を検出する。
【００３２】
このテラヘルツ波検出部６によるテラヘルツ波の検出結果は、スペクトル生成部２のスペクトル制御部４へとフィードバックされる。そして、スペクトル制御部４は、フィードバックされたテラヘルツ波検出部６での検出結果に基づいて、励起光の波長スペクトルの制御に適用される制御条件を設定または変更する。
【００３３】
本実施形態によるテラヘルツ波発生装置の効果について説明する。
【００３４】
図１に示したテラヘルツ波発生装置では、励起光供給手段であるレーザ光源１から、テラヘルツ波発生部５の非線形光学結晶５０へと入力される励起光について、スペクトル生成部２によってその波長スペクトルを変形する。そして、レーザ光源１から供給された段階での励起光とは異なる波長スペクトルを励起光スペクトルとして有する励起光を生成し、その励起光を非線形光学結晶５０に入力してテラヘルツ波を発生させている。
【００３５】
このような構成によれば、スペクトル生成部２において生成される励起光スペクトルによって、非線形光学結晶５０で発生されるテラヘルツ波の波長分布を制御することができる。したがって、所望の波長成分を有するテラヘルツ波を効率的に発生させることが可能となる。
【００３６】
また、このような発生装置では、レーザ光源１としてパルスレーザ光源を適用し、励起光をパルス励起光とすることによって、充分なピーク光強度を有するパルス状のテラヘルツ波を発生させることができる。これにより、テラヘルツ波発生装置から出力されるテラヘルツ波を生体測定などに応用した場合、良好なＳ／Ｎ比で測定を行うことが可能となる。
【００３７】
従来のテラヘルツ波発生装置の構成例のブロック図を図４（ａ）〜（ｃ）に示す。
【００３８】
図４（ａ）に示すテラヘルツ波発生装置（従来例１）は、ある程度広がった波長スペクトルを有するパルス励起光を供給するレーザ光源９１と、非線形光学結晶９０を有するテラヘルツ波発生部９２とからなる。この構成では、レーザ光源９１からの励起光をそのまま非線形光学結晶９０に入力して、テラヘルツ波を発生させている。
【００３９】
図５（ａ）は、図４（ａ）に示したテラヘルツ波発生装置について、レーザ光源９１とテラヘルツ波発生部９２との間の位置Ｐ6での励起光強度スペクトルを示すグラフである。図５（ａ）において、横軸は励起光の波長（ｎｍ）を示し、また、縦軸は励起光強度（×１０-3、ａ．ｕ．：arb. unit）を示している。
【００４０】
また、図５（ｂ）は、図４（ａ）に示したテラヘルツ波発生装置について、テラヘルツ波発生部９２からテラヘルツ波の出力方向にある位置Ｐ7でのテラヘルツ波強度スペクトルを示すグラフである。図５（ｂ）において、横軸はテラヘルツ波の周波数（ＴＨｚ）及び波長（μｍ）を示し、また、縦軸はテラヘルツ波強度（ａ．ｕ．）を示している。なお、以下において示す強度スペクトル等の各グラフは、いずれも計算値を示している。
【００４１】
図５（ａ）には、それぞれ強度分布の波長幅が異なる４種類の励起光強度スペクトルＡ１〜Ａ４を示している。ただし、テラヘルツ波発生部の非線形光学結晶へと入力される励起光の強度は、光学結晶の耐熱性によって制限される。このため、これらのスペクトルＡ１〜Ａ４は、その積分強度が１となるように規格化されている。
【００４２】
このような強度スペクトルを有する励起光に対し、非線形光学結晶において発生されるテラヘルツ波の短波長側（高周波数側）の限界、及びそれによるテラヘルツ波強度スペクトルの分布広がりは、図５（ｂ）に示すように、励起光強度スペクトルの分布広がり等によって決まる。
【００４３】
図５（ｂ）には、上記した励起光強度スペクトルＡ１〜Ａ４にそれぞれ対応する４種類のテラヘルツ波強度スペクトルＢ１〜Ｂ４を示している。これらのスペクトルＢ１〜Ｂ４に示すように、励起光強度スペクトルの分布広がりが大きいほど、短波長の波長成分（高周波数の周波数成分）を有するテラヘルツ波が得られる。しかしながら、このような構成では、テラヘルツ波において特定の波長成分を増強することができず、所望の波長成分を有するテラヘルツ波を効率的に発生させることは難しい。
【００４４】
これに対して、テラヘルツ波において特定の波長成分を増強する方法として、波形整形によって生成されたパルス列を励起光として用いる方法や、２波長の励起光を用いる方法が知られている。
【００４５】
例えば、図４（ｂ）に示すテラヘルツ波発生装置（従来例２）は、レーザ光源９１と、非線形光学結晶を有するテラヘルツ波発生部９２と、パルス列生成部９３とからなる。この構成では、レーザ光源９１からのパルス励起光は、パルス列生成部９３によって所定の時間間隔を有する複数のパルス光とされる。そして、この複数のパルス光からなるパルス列を非線形光学結晶９０に入力して、テラヘルツ波を発生させている。ただし、このような構成では、特に短波長の波長成分を有するテラヘルツ波を発生させる場合、パルス列の時間間隔を短く（例えば５０ｆｓ以下）する必要がある。このため、パルス列の生成、及びパルス列を用いたテラヘルツ波の発生が困難となる。
【００４６】
また、図４（ｃ）に示すテラヘルツ波発生装置（従来例３）は、互いに異なる波長のパルス励起光を供給する第１レーザ光源９１ａ及び第２レーザ光源９１ｂと、テラヘルツ波発生部９２とからなる。この構成では、レーザ光源９１ａ、９１ｂからの２波長の励起光を非線形光学結晶に入力して、テラヘルツ波を発生させている。ただし、このような構成では、発生されるテラヘルツ波が連続光（ＣＷ光）であるため、そのピーク光強度を充分に大きくすることは難しい。
【００４７】
これに対して、図１に示した構成のテラヘルツ波発生装置によれば、スペクトル生成部２において生成される励起光スペクトルによって、非線形光学結晶５０で発生されるテラヘルツ波の波長分布を制御している。これにより、上述したように、所望の波長成分を有するテラヘルツ波を、充分な強度で効率的に発生させることが可能となる。
【００４８】
なお、所定の波長スペクトルを有する励起光を生成するスペクトル生成部２の構成については、例えば、スペクトル変換部３またはスペクトル制御部４のいずれか一方、もしくは両方、あるいは複数のスペクトル変換部３またはスペクトル制御部４の組合せによって構成することができる。
【００４９】
また、本実施形態においては、テラヘルツ波発生部５に対してテラヘルツ波検出部６を設置し、テラヘルツ波検出部６によるテラヘルツ波の検出結果に基づいて、励起光の波長スペクトルを制御するスペクトル制御部４に対してフィードバック制御を行っている。このような構成により、非線形光学結晶５０で発生されるテラヘルツ波の波長分布を好適に制御することができる。ただし、スペクトル制御部４のフィードバック制御が不要な場合には、テラヘルツ波検出部６を設置しない構成としても良い。
【００５０】
図６は、テラヘルツ波発生装置の第２実施形態の構成を模式的に示すブロック図である。このテラヘルツ波発生装置は、レーザ光源１と、スペクトル生成部２と、テラヘルツ波発生部５とを備えて構成されている。これらのうち、レーザ光源１、及び非線形光学結晶５０を有するテラヘルツ波発生部５の構成については、図１に示した実施形態と同様である。
【００５１】
レーザ光源１とテラヘルツ波発生部５との間には、スペクトル生成部２が設置されている。本実施形態においては、スペクトル生成部２は、スペクトル変換部３であるフォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ：Photonic Crystal Fiber）３０を有して構成されている。フォトニック結晶ファイバ３０は、レーザ光源１から供給されたパルス励起光を入力して、その波長スペクトルを変換することによって波長スペクトルを変形し、所定の励起光スペクトルを有する励起光を生成する。
【００５２】
図６に示したテラヘルツ波発生装置では、上述したように、レーザ光源１から非線形光学結晶５０へと入力される励起光について、フォトニック結晶ファイバ３０からなるスペクトル変換部３によって波長スペクトルを変換し、その励起光によってテラヘルツ波を発生させている。
【００５３】
これにより、テラヘルツ波の波長分布を励起光スペクトルによって制御して、所望の波長成分を有するテラヘルツ波を効率的に発生させることが可能となる。また、スペクトル変換部３としてフォトニック結晶ファイバ３０を用いることにより、波長スペクトルの変換を好適に行うことができる。
【００５４】
図７は、フォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）３０の構造を模式的に示す図であり、図７（ａ）は断面図、図７（ｂ）はそのコア周辺の拡大断面図を示している。フォトニック結晶ファイバ３０は、図７（ａ）及び（ｂ）に示すように、そのコア周辺に空気の孔３０ａによる周期構造を有する光ファイバである。このようなフォトニック結晶ファイバ３０をスペクトル変換部３として用いることにより、レーザ光源１からの励起光の波長スペクトルを変換することができる（例えば、文献「J.K.Ranka et al., Optics Letters 25, p.25 (2000)」参照）。
【００５５】
図８（ａ）は、テラヘルツ波発生装置における励起光強度スペクトルを示すグラフである。この図８（ａ）において、横軸は励起光の波長（ｎｍ）を示し、また、縦軸は励起光強度（×１０-3、ａ．ｕ．）を示している。ここで、グラフＣ１は、図６に示したテラヘルツ波発生装置について、スペクトル生成部２とテラヘルツ波発生部５との間の位置Ｐ1での励起光強度スペクトルを示すグラフである。また、グラフＣ２は、従来例１（図４（ａ）参照）のテラヘルツ波発生装置について、レーザ光源９１とテラヘルツ波発生部９２との間の位置Ｐ6での励起光強度スペクトルを示すグラフである。なお、グラフＣ１、Ｃ２は、それぞれ積分強度が１となるように規格化されている。
【００５６】
図８（ｂ）は、テラヘルツ波発生装置におけるテラヘルツ波強度スペクトルを示すグラフである。この図８（ｂ）において、横軸はテラヘルツ波の周波数（ＴＨｚ）及び波長（μｍ）を示し、また、縦軸はテラヘルツ波強度（ａ．ｕ．）を示している。ここで、グラフＤ１は、図６に示したテラヘルツ波発生装置について、テラヘルツ波発生部５からテラヘルツ波の出力方向にある位置Ｐ2でのテラヘルツ波強度スペクトルを示すグラフである。また、グラフＤ２は、従来例１のテラヘルツ波発生装置について、テラヘルツ波発生部９２からテラヘルツ波の出力方向にある位置Ｐ7でのテラヘルツ波強度スペクトルを示すグラフである。
【００５７】
ここでは、レーザ光源１から励起光として供給されるパルスレーザ光を、波長スペクトル半値全幅が１６ｎｍのパルスレーザ光としている。また、フォトニック結晶ファイバ３０としては、図７に示した構造のフォトニック結晶ファイバを用い、また、その長さは２ｃｍに設定している。
【００５８】
図８（ａ）においては、従来の構成でのグラフＣ２では、波長８００ｎｍをピーク波長とする波長成分からなる励起光強度スペクトルとなっている。一方、図６の構成でのグラフＣ１では、波長スペクトルの変換により、波長７８５ｎｍ近傍のピーク波長を有する波長成分と、波長８１５ｎｍ近傍のピーク波長を有する波長成分とを含む励起光強度スペクトルが得られている。
【００５９】
このような励起光強度スペクトルを有する励起光に対し、図８（ｂ）においては、グラフＣ２に対応する従来の構成でのグラフＤ２では、長波長側（低周波数側）の極限をピークとし、短波長側（高周波数側）にいくにしたがって強度が単調に減少するテラヘルツ波強度スペクトルとなっている。
【００６０】
一方、グラフＣ１に対応する図６の構成でのグラフＤ１では、長波長側の極限のピークのみでなく、波長１９μｍにもピークを有するテラヘルツ波強度スペクトルが得られている。このように、図６に示した構成のテラヘルツ波発生装置によれば、テラヘルツ波の波長分布を励起光スペクトルによって制御して、所望の波長成分を有するテラヘルツ波を効率的に発生させることができる。
【００６１】
図９は、図８（ｂ）に示したテラヘルツ波強度スペクトルから得られる強度比スペクトルを示すグラフである。ここで、グラフＤ６は、図８（ｂ）に示したグラフＤ１でのテラヘルツ波強度スペクトルをグラフＤ２での従来のスペクトルで割った、テラヘルツ波の強度比スペクトルを示している。
【００６２】
このグラフＤ６では、波長１６μｍにピークを有するテラヘルツ波強度比スペクトルが得られている。また、そのピーク光強度は、従来での光強度の３．７倍となっており、充分なピーク光強度が得られている。
【００６３】
図１０は、テラヘルツ波発生装置の第３実施形態の構成を模式的に示すブロック図である。このテラヘルツ波発生装置は、レーザ光源１と、スペクトル生成部２と、テラヘルツ波発生部５とを備えて構成されている。これらのうち、レーザ光源１、及び非線形光学結晶５０を有するテラヘルツ波発生部５の構成については、図１に示した実施形態と同様である。
【００６４】
レーザ光源１とテラヘルツ波発生部５との間には、スペクトル生成部２が設置されている。本実施形態においては、スペクトル生成部２は、スペクトル制御部４である波形整形器４０を有して構成されている。波形整形器４０は、レーザ光源１から供給されたパルス励起光を入力して、その波長スペクトルを制御することによって波長スペクトルを変形し、所定の励起光スペクトルを有する励起光を生成する。
【００６５】
図１０に示したテラヘルツ波発生装置では、上述したように、レーザ光源１から非線形光学結晶５０へと入力される励起光について、波形整形器４０からなるスペクトル制御部４によって波長スペクトルを制御し、その励起光によってテラヘルツ波を発生させている。
【００６６】
これにより、テラヘルツ波の波長分布を励起光スペクトルによって制御して、所望の波長成分を有するテラヘルツ波を効率的に発生させることが可能となる。また、スペクトル制御部４として波形整形器４０を用いることにより、波長スペクトルの制御を好適に行うことができる（例えば、文献「神成文彦 他、レーザー研究、28, p.479 (2000)」参照）。なお、この場合には、波形整形器４０によって生成される励起光スペクトルは、レーザ光源１から供給された励起光の波長スペクトルの一部を抽出したものとなる。
【００６７】
図１１（ａ）は、テラヘルツ波発生装置における励起光強度スペクトルを示すグラフである。ここで、グラフＥ１は、図１０に示したテラヘルツ波発生装置について、位置Ｐ1での励起光強度スペクトルを示すグラフである。また、グラフＥ２は、従来例１のテラヘルツ波発生装置について、位置Ｐ6での励起光強度スペクトルを示すグラフである。なお、グラフＥ１、Ｅ２は、それぞれ積分強度が１となるように規格化されている。
【００６８】
図１１（ｂ）は、テラヘルツ波発生装置におけるテラヘルツ波強度スペクトルを示すグラフである。ここで、グラフＦ１は、図１０に示したテラヘルツ波発生装置について、位置Ｐ2でのテラヘルツ波強度スペクトルを示すグラフである。また、グラフＦ２は、従来例１のテラヘルツ波発生装置について、位置Ｐ7でのテラヘルツ波強度スペクトルを示すグラフである。
【００６９】
ここでは、レーザ光源１から励起光として供給されるパルスレーザ光を、波長スペクトル半値全幅が１６ｎｍのパルスレーザ光としている。
【００７０】
図１１（ａ）においては、従来の構成でのグラフＥ２では、波長８００ｎｍをピーク波長とする波長成分からなる励起光強度スペクトルとなっている。一方、図１０の構成でのグラフＥ１では、波長スペクトルの制御により、波長７９２ｎｍ近傍のピーク波長を有する波長成分と、波長８０８ｎｍ近傍のピーク波長を有する波長成分とを含む励起光強度スペクトルが得られている。
【００７１】
このような励起光強度スペクトルを有する励起光に対し、図１１（ｂ）においては、グラフＥ２に対応する従来の構成でのグラフＦ２では、長波長側の極限をピークとし、短波長側にいくにしたがって強度が単調に減少するテラヘルツ波強度スペクトルとなっている。
【００７２】
一方、グラフＥ１に対応する図１０の構成でのグラフＦ１では、長波長側の極限のピークのみでなく、波長４５μｍにもピークを有するテラヘルツ波強度スペクトルが得られている。このように、図１０に示した構成のテラヘルツ波発生装置によれば、テラヘルツ波の波長分布を励起光スペクトルによって制御して、所望の波長成分を有するテラヘルツ波を効率的に発生させることができる。
【００７３】
また、このように波形整形器４０を用いる構成では、発生されるテラヘルツ波強度スペクトルは、レーザ光源１から供給された励起光をそのまま用いた場合のスペクトルの一部を抽出したものとなるが、図１１（ｂ）においては、波長４５μｍ周辺の波長成分が効果的に抽出されていることがわかる。また、このような構成では、パルス列を用いてテラヘルツ波を発生させる構成（図４（ｂ）参照）とは異なり高調波が発生しないので、良好な単色性を有するテラヘルツ波が得られる。
【００７４】
図１２は、テラヘルツ波発生装置の第４実施形態の構成を模式的に示すブロック図である。このテラヘルツ波発生装置は、レーザ光源１と、スペクトル生成部２と、テラヘルツ波発生部５とを備えて構成されている。これらの構成については、図１０に示した実施形態と同様である。
【００７５】
本実施形態においては、テラヘルツ波発生部５に対し、さらに、テラヘルツ波検出部６が設置されている。テラヘルツ波検出部６は、例えば、非線形光学結晶６０を有して構成されており、テラヘルツ波発生部５の非線形光学結晶５０で発生されたテラヘルツ波の一部を、非線形光学結晶６０によって検出する。
【００７６】
このテラヘルツ波検出部６によるテラヘルツ波の検出結果は、スペクトル生成部２の波形整形器４０へとフィードバックされる。そして、スペクトル制御部４である波形整形器４０は、フィードバックされたテラヘルツ波検出部６での検出結果に基づいて、励起光の波長スペクトルの制御に適用される制御条件を設定または変更する。
【００７７】
このように、非線形光学結晶６０を有するテラヘルツ波検出部６によるテラヘルツ波の検出結果に基づいて、励起光の波長スペクトルを制御する波形整形器４０に対してフィードバック制御を行うことにより、非線形光学結晶５０で発生されるテラヘルツ波の波長分布を好適に制御することができる。
【００７８】
図１３は、テラヘルツ波発生装置の第５実施形態の構成を模式的に示すブロック図である。このテラヘルツ波発生装置は、レーザ光源１と、スペクトル生成部２と、テラヘルツ波発生部５と、テラヘルツ波検出部６とを備えて構成されている。これらのうち、レーザ光源１、非線形光学結晶５０を有するテラヘルツ波発生部５、及びテラヘルツ波検出部６の構成については、図１に示した実施形態と同様である。
【００７９】
レーザ光源１とテラヘルツ波発生部５との間には、スペクトル生成部２が設置されている。本実施形態においては、スペクトル生成部２は、スペクトル変換部３であるフォトニック結晶ファイバ３０と、スペクトル制御部４である波形整形器４０とを有して構成されている。
【００８０】
フォトニック結晶ファイバ３０、及び波形整形器４０は、励起光を供給するレーザ光源１側から、フォトニック結晶ファイバ３０、波形整形器４０の順で配置されている。フォトニック結晶ファイバ３０は、レーザ光源１から供給されたパルス励起光を入力して、その波長スペクトルを変換する。さらに、波形整形器４０は、フォトニック結晶ファイバ３０からのパルス励起光を入力して、その波長スペクトルを制御する。これにより、波長スペクトルが所定の励起光スペクトルに変形された励起光が生成される。
【００８１】
また、波形整形器４０には、テラヘルツ波検出部６によるテラヘルツ波の検出結果がフィードバックされている。そして、スペクトル制御部４である波形整形器４０は、フィードバックされたテラヘルツ波検出部６での検出結果に基づいて、励起光の波長スペクトルの制御に適用される制御条件を設定または変更する。
【００８２】
図１３に示したテラヘルツ波発生装置では、上述したように、レーザ光源１から非線形光学結晶５０へと入力される励起光について、フォトニック結晶ファイバ３０からなるスペクトル変換部３と、波形整形器４０からなるスペクトル制御部４とによって波長スペクトルを変形し、その励起光によってテラヘルツ波を発生させている。
【００８３】
これにより、テラヘルツ波の波長分布を励起光スペクトルによって制御して、所望の波長成分を有するテラヘルツ波を効率的に発生させることが可能となる。また、フォトニック結晶ファイバ３０及び波形整形器４０を組合せて用いることにより、フォトニック結晶ファイバ３０によって広げられた波長スペクトルを波形整形器４０によって制御することが可能となるので、波長スペクトルの変形をより好適に行うことができる。
【００８４】
また、本実施形態においては、テラヘルツ波検出部６によるテラヘルツ波の検出結果に基づいて、波形整形器４０をフィードバック制御している。このような構成により、非線形光学結晶５０で発生されるテラヘルツ波の波長分布を好適に制御することができる。ただし、波形整形器４０のフィードバック制御が不要な場合には、テラヘルツ波検出部６を設置しない構成としても良い。
【００８５】
図１４（ａ）は、テラヘルツ波発生装置における励起光強度スペクトルを示すグラフである。ここで、グラフＧ１は、図１３に示したテラヘルツ波発生装置について、位置Ｐ1での励起光強度スペクトルを示すグラフである。また、グラフＧ２は、図６に示したテラヘルツ波発生装置について、位置Ｐ1での励起光強度スペクトルを示すグラフ（図８（ａ）のグラフＣ１に相当）である。また、グラフＧ３は、従来例１のテラヘルツ波発生装置について、位置Ｐ6での励起光強度スペクトルを示すグラフである。なお、グラフＧ１、Ｇ２、Ｇ３は、それぞれ積分強度が１となるように規格化されている。
【００８６】
図１４（ｂ）は、テラヘルツ波発生装置におけるテラヘルツ波強度スペクトルを示すグラフである。ここで、グラフＨ１は、図１３に示したテラヘルツ波発生装置について、位置Ｐ2でのテラヘルツ波強度スペクトルを示すグラフである。また、グラフＨ２は、図６に示したテラヘルツ波発生装置について、位置Ｐ2でのテラヘルツ波強度スペクトルを示すグラフ（図８（ｂ）のグラフＤ１に相当）である。また、グラフＨ３は、従来例１のテラヘルツ波発生装置について、位置Ｐ7でのテラヘルツ波強度スペクトルを示すグラフである。
【００８７】
ここでは、レーザ光源１から励起光として供給されるパルスレーザ光を、波長スペクトル半値全幅が１６ｎｍのパルスレーザ光としている。また、フォトニック結晶ファイバ３０としては、図７に示した構造のフォトニック結晶ファイバを用い、また、その長さは２ｃｍに設定している。
【００８８】
図１４（ａ）においては、従来の構成でのグラフＧ３では、波長８００ｎｍをピーク波長とする波長成分からなる励起光強度スペクトルとなっている。一方、フォトニック結晶ファイバ３０を用いた図６の構成でのグラフＧ２では、図８に関して上述したように、波長７８５ｎｍ近傍のピーク波長を有する波長成分と、波長８１５ｎｍ近傍のピーク波長を有する波長成分とを含む励起光強度スペクトルが得られている。また、フォトニック結晶ファイバ３０に対してさらに波形整形器４０を用いた図１３の構成でのグラフＧ１では、グラフＧ２と同様の励起光強度スペクトルとなっているが、グラフＧ２に比べてピーク以外の波長成分が減少し、ピークが顕著な励起光強度スペクトルが得られている。
【００８９】
このような励起光強度スペクトルを有する励起光に対し、図１４（ｂ）においては、グラフＧ３に対応する従来の構成でのグラフＨ３では、長波長側の極限をピークとし、短波長側にいくにしたがって強度が単調に減少するテラヘルツ波強度スペクトルとなっている。
【００９０】
一方、グラフＧ２に対応する図６の構成でのグラフＨ２では、長波長側の極限のピークのみでなく、波長１９μｍにもピークを有するテラヘルツ波強度スペクトルが得られている。また、グラフＧ１に対応する図１３の構成でのグラフＨ１では、グラフＨ２と同様のテラヘルツ波強度スペクトルとなっているが、グラフＨ２に比べて波長３２μｍ（周波数９ＴＨｚ）近傍の波長成分が大きく減少し、波長１９μｍ（周波数１６ＴＨｚ）でのピークが顕著なテラヘルツ波強度スペクトルが得られている。
【００９１】
図１５は、図１４（ｂ）に示したテラヘルツ波強度スペクトルから得られる強度比スペクトルを示すグラフである。ここで、グラフＨ６は、図１４（ｂ）に示したグラフＨ１でのテラヘルツ波強度スペクトルをグラフＨ３での従来のスペクトルで割った、テラヘルツ波の強度比スペクトルを示している。また、グラフＨ７は、グラフＨ２でのテラヘルツ波強度スペクトルをグラフＨ３での従来のスペクトルで割った、テラヘルツ波の強度比スペクトル（図９のグラフＤ６に相当）を示している。
【００９２】
このグラフＨ６では、グラフＨ７と同様に、波長１６μｍにピークを有するテラヘルツ波強度比スペクトルが得られている。また、そのピーク光強度は、従来での光強度の４．２倍となっており、３．７倍のグラフＨ７に比べても、さらに充分なピーク光強度が得られている。これは、スペクトル生成部２において、フォトニック結晶ファイバ３０に対して、さらに波形整形器４０を組合せて用いているためである。
【００９３】
ここで、図１３に示した構成のテラヘルツ波発生装置について、その具体的な構成例を示しておく。図１６は、図１３に示したテラヘルツ波発生装置の一例を示す構成図である。ただし、この図１６においては、レーザ光源１及びテラヘルツ波検出部６については図示を省略し、スペクトル変換部３及びスペクトル制御部４からなるスペクトル生成部２と、非線形光学結晶５０を有するテラヘルツ波発生部５とについて、その構成を図示している。なお、レーザ光源１から供給されるパルス励起光は、例えば、パルス時間幅６０ｆｓ、中心波長８００ｎｍ、スペクトル半値全幅１６ｎｍのフェムト秒パルスレーザ光である。
【００９４】
本構成例においては、スペクトル変換部３は、フォトニック結晶ファイバ３０と、２つの対物レンズ３１、３２とから構成されている。レーザ光源１からのパルス励起光は、倍率１００倍の対物レンズ３１によって集光されて、長さ２ｃｍのフォトニック結晶ファイバ３０へと入力され、フォトニック結晶ファイバ３０においてその波長スペクトルが変換される。そして、波長変換された励起光は、倍率４０倍の対物レンズ３２を介して、平行光としてスペクトル制御部４へと出力される。
【００９５】
スペクトル制御部４は、波形整形器４０から構成されている。また、波形整形器４０は、２つの回折格子４１、４４と、２つのシリンドリカルミラー４２、４３と、波長マスク４５とを有する。スペクトル変換部３で波長変換されたパルス励起光は、４００本／ｍｍの回折格子４１で分光されて、Ｒ＝１５００ｍｍのシリンドリカルミラー４２を介して波長マスク４５に入力される。そして、パルス励起光は、この波長マスク４５で所定の波長成分が選択されることによって、その波長スペクトルが制御される。具体的な波長マスク４５としては、例えば、金属板に所定のパターンで開口を形成したものを用いることができる。
【００９６】
波長マスク４５で波長成分が選択された励起光は、Ｒ＝１５００ｍｍのシリンドリカルミラー４３を介して４００本／ｍｍの回折格子４４に入力される。そして、この回折格子４４で空間的な位置がそろえられた後、波長スペクトルが所定の励起光スペクトルに変形された励起光としてテラヘルツ波発生部５へと出力される。
【００９７】
テラヘルツ波発生部５は、非線形光学結晶５０と、放物面ミラー５１とから構成されている。所定の励起光スペクトルを有するスペクトル制御部４からのパルス励起光は、ｆ＝５０ｍｍの放物面ミラー５１を介して、厚さ１０μｍのＧａＰ（１１０）結晶からなる非線形光学結晶５０へと入力される。そして、非線形光学結晶５０において、光整流効果によって中・遠赤外などのテラヘルツ波が発生されて出力される。
【００９８】
テラヘルツ波発生装置の構成について、さらに説明する。所定の波長スペクトルを有する励起光を生成するスペクトル生成部２の構成については、上述したように、例えば、スペクトル変換部３またはスペクトル制御部４のいずれか一方、もしくは両方、あるいは複数のスペクトル変換部３またはスペクトル制御部４の組合せによって構成することができ、上述した各実施形態以外にも、様々な構成を用いることが可能である。
【００９９】
図１７は、テラヘルツ波発生装置の第６実施形態の構成を模式的に示すブロック図である。このテラヘルツ波発生装置は、レーザ光源１と、スペクトル生成部２と、テラヘルツ波発生部５と、テラヘルツ波検出部６とを備えて構成されている。これらのうち、レーザ光源１、非線形光学結晶５０を有するテラヘルツ波発生部５、及びテラヘルツ波検出部６の構成については、図１に示した実施形態と同様である。
【０１００】
レーザ光源１とテラヘルツ波発生部５との間には、スペクトル生成部２が設置されている。本実施形態においては、スペクトル生成部２は、波形整形器などからなるスペクトル制御部４と、フォトニック結晶ファイバなどからなるスペクトル変換部３とを有して構成されている。
【０１０１】
スペクトル制御部４、及びスペクトル変換部３は、レーザ光源１側から、この順で配置されている。スペクトル制御部４は、レーザ光源１から供給されたパルス励起光を入力して、その波長スペクトルを制御する。さらに、スペクトル変換部３は、スペクトル制御部４からのパルス励起光を入力して、その波長スペクトルを変換する。これにより、波長スペクトルが所定の励起光スペクトルに変形された励起光が生成される。
【０１０２】
また、スペクトル制御部４には、テラヘルツ波検出部６によるテラヘルツ波の検出結果がフィードバックされている。そして、スペクトル制御部４は、フィードバックされたテラヘルツ波検出部６での検出結果に基づいて、励起光の波長スペクトルの制御に適用される制御条件を設定または変更する。
【０１０３】
図１７に示したテラヘルツ波発生装置では、上述したように、スペクトル制御部４と、スペクトル変換部３とによって、励起光の波長スペクトルを変形している。これにより、所望の波長成分を有するテラヘルツ波を効率的に発生させることが可能となる。また、スペクトル制御部４及びスペクトル変換部３を組合せて用いることにより、波長スペクトルの変形を好適に行うことができる。
【０１０４】
また、テラヘルツ波検出部６によるテラヘルツ波の検出結果に基づいて、スペクトル制御部４をフィードバック制御する構成により、テラヘルツ波の波長分布を好適に制御することができる。ただし、フィードバック制御が不要な場合には、テラヘルツ波検出部６を設置しない構成としても良い。
【０１０５】
図１８は、テラヘルツ波発生装置の第７実施形態の構成を模式的に示すブロック図である。このテラヘルツ波発生装置は、レーザ光源１と、スペクトル生成部２と、テラヘルツ波発生部５と、テラヘルツ波検出部６とを備えて構成されている。これらのうち、レーザ光源１、非線形光学結晶５０を有するテラヘルツ波発生部５、及びテラヘルツ波検出部６の構成については、図１に示した実施形態と同様である。
【０１０６】
レーザ光源１とテラヘルツ波発生部５との間には、スペクトル生成部２が設置されている。本実施形態においては、スペクトル生成部２は、波形整形器などからなる第１スペクトル制御部４ａと、フォトニック結晶ファイバなどからなるスペクトル変換部３と、第２スペクトル制御部４ｂとを有して構成されている。
【０１０７】
第１スペクトル制御部４ａ、スペクトル変換部３、及び第２スペクトル制御部４ｂは、レーザ光源１側から、この順で配置されている。第１スペクトル制御部４ａは、レーザ光源１から供給されたパルス励起光を入力して、その波長スペクトルを制御する。また、スペクトル変換部３は、第１スペクトル制御部４ａからのパルス励起光を入力して、その波長スペクトルを変換する。さらに、第２スペクトル制御部４ｂは、スペクトル変換部３からのパルス励起光を入力して、その波長スペクトルを制御する。これにより、波長スペクトルが所定の励起光スペクトルに変形された励起光が生成される。
【０１０８】
また、第１スペクトル制御部４ａ、及び第２スペクトル制御部４ｂには、それぞれテラヘルツ波検出部６によるテラヘルツ波の検出結果がフィードバックされている。そして、第１スペクトル制御部４ａ、及び第２スペクトル制御部４ｂのそれぞれは、フィードバックされたテラヘルツ波検出部６での検出結果に基づいて、励起光の波長スペクトルの制御に適用される制御条件を設定または変更する。
【０１０９】
図１８に示したテラヘルツ波発生装置では、上述したように、第１スペクトル制御部４ａと、スペクトル変換部３と、第２スペクトル制御部４ｂとによって、励起光の波長スペクトルを変形している。これにより、所望の波長成分を有するテラヘルツ波を効率的に発生させることが可能となる。また、スペクトル制御部４ａ、４ｂ及びスペクトル変換部３を組合せて用いることにより、波長スペクトルの変形を好適に行うことができる。
【０１１０】
また、テラヘルツ波検出部６によるテラヘルツ波の検出結果に基づいて、スペクトル制御部４ａ、４ｂをフィードバック制御する構成により、テラヘルツ波の波長分布を好適に制御することができる。ただし、フィードバック制御が不要な場合には、テラヘルツ波検出部６を設置しない構成としても良い。
【０１１１】
図１９は、テラヘルツ波発生装置の第８実施形態の構成を模式的に示すブロック図である。このテラヘルツ波発生装置は、レーザ光源１と、スペクトル生成部２と、テラヘルツ波発生部５と、テラヘルツ波検出部６とを備えて構成されている。これらのうち、レーザ光源１、非線形光学結晶５０を有するテラヘルツ波発生部５、及びテラヘルツ波検出部６の構成については、図１に示した実施形態と同様である。
【０１１２】
レーザ光源１とテラヘルツ波発生部５との間には、スペクトル生成部２が設置されている。本実施形態においては、スペクトル生成部２は、波形整形器などからなる第１スペクトル制御部４ａと、第２スペクトル制御部４ｂとを有して構成されている。
【０１１３】
第１スペクトル制御部４ａ、及び第２スペクトル制御部４ｂは、レーザ光源１側から、この順で配置されている。第１スペクトル制御部４ａは、レーザ光源１から供給されたパルス励起光を入力して、その波長スペクトルを制御する。さらに、第２スペクトル制御部４ｂは、第１スペクトル制御部４ａからのパルス励起光を入力して、その波長スペクトルを制御する。これにより、波長スペクトルが所定の励起光スペクトルに変形された励起光が生成される。
【０１１４】
また、第１スペクトル制御部４ａ、及び第２スペクトル制御部４ｂには、それぞれテラヘルツ波検出部６によるテラヘルツ波の検出結果がフィードバックされている。そして、第１スペクトル制御部４ａ、及び第２スペクトル制御部４ｂのそれぞれは、フィードバックされたテラヘルツ波検出部６での検出結果に基づいて、励起光の波長スペクトルの制御に適用される制御条件を設定または変更する。
【０１１５】
図１９に示したテラヘルツ波発生装置では、上述したように、第１スペクトル制御部４ａと、第２スペクトル制御部４ｂとによって、励起光の波長スペクトルを変形している。これにより、所望の波長成分を有するテラヘルツ波を効率的に発生させることが可能となる。また、スペクトル制御部４ａ、４ｂを組合せて用いることにより、波長スペクトルの変形を好適に行うことができる。
【０１１６】
また、テラヘルツ波検出部６によるテラヘルツ波の検出結果に基づいて、スペクトル制御部４ａ、４ｂをフィードバック制御する構成により、テラヘルツ波の波長分布を好適に制御することができる。ただし、フィードバック制御が不要な場合には、テラヘルツ波検出部６を設置しない構成としても良い。
【０１１７】
図２０は、テラヘルツ波発生装置の第９実施形態の構成を模式的に示すブロック図である。このテラヘルツ波発生装置は、レーザ光源１と、スペクトル生成部２と、テラヘルツ波発生部５と、テラヘルツ波検出部６とを備えて構成されている。これらの構成については、図１に示した実施形態と同様である。
【０１１８】
本実施形態においては、テラヘルツ波発生部５で発生されてテラヘルツ波発生装置から出力されたテラヘルツ波が照射される試料Ｓに対して、反応計測部７が設置されている。反応計測部７は、テラヘルツ波発生装置から出力されたテラヘルツ波を照射することによって生じる試料Ｓでの反応を計測する反応計測手段である。反応計測部７による試料Ｓでの反応の計測方法としては、例えば、試料Ｓの温度、試料Ｓにおけるテラヘルツ波の透過率、反射率、試料Ｓでの生成物の量などを計測する方法がある。
【０１１９】
この反応計測部７による反応の計測結果は、スペクトル生成部２のスペクトル制御部４へとフィードバックされる。そして、スペクトル制御部４は、フィードバックされた反応計測部７での計測結果に基づいて、励起光の波長スペクトルの制御に適用される制御条件を設定または変更する。
【０１２０】
このように、反応計測部７による試料Ｓでの反応の計測結果に基づいて、励起光の波長スペクトルを制御するスペクトル制御部４に対してフィードバック制御を行うことにより、非線形光学結晶５０で発生されるテラヘルツ波の波長分布を好適に制御することができる。
【０１２１】
なお、本実施形態においては、反応計測部７による計測結果に基づくスペクトル制御部４のフィードバック制御に加えて、テラヘルツ波検出部６による検出結果に基づくフィードバック制御を併用している。ただし、テラヘルツ波の検出結果に基づくフィードバック制御が不要な場合には、テラヘルツ波検出部６を設置せず、反応計測部７からのフィードバック制御のみを行う構成としても良い。
【０１２２】
【発明の効果】
本発明によるテラヘルツ波発生装置は、以上詳細に説明したように、次のような効果を得る。すなわち、レーザ光源などの励起光供給手段から、テラヘルツ波発生手段の非線形光学結晶へと入力される励起光について、スペクトル変換手段またはスペクトル制御手段の少なくとも一方を有するスペクトル生成手段によってその波長スペクトルを所定の励起光スペクトルへと変形する構成によれば、非線形光学結晶で発生されるテラヘルツ波の波長分布を励起光スペクトルによって制御することができる。したがって、所望の波長成分を有するテラヘルツ波を効率的に発生させることが可能となる。また、このような発生装置では、励起光をパルス光とすることによって、充分なピーク光強度を有するパルス状のテラヘルツ波を発生させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】テラヘルツ波発生装置の第１実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２】レーザ光源とスペクトル生成部との間の位置Ｐ0での励起光の（ａ）時間スペクトル、及び（ｂ）波長スペクトルを示すグラフである。
【図３】スペクトル生成部とテラヘルツ波発生部との間の位置Ｐ1での励起光の（ａ）時間スペクトル、及び（ｂ）波長スペクトルを示すグラフである。
【図４】従来のテラヘルツ波発生装置の構成例を示すブロック図である。
【図５】図４（ａ）に示したテラヘルツ波発生装置における（ａ）励起光強度スペクトル、及び（ｂ）テラヘルツ波強度スペクトルを示すグラフである。
【図６】テラヘルツ波発生装置の第２実施形態の構成を示すブロック図である。
【図７】フォトニック結晶ファイバの構造を模式的に示す（ａ）断面図、及び（ｂ）拡大断面図である。
【図８】図６に示したテラヘルツ波発生装置における（ａ）励起光強度スペクトル、及び（ｂ）テラヘルツ波強度スペクトルを示すグラフである。
【図９】図８（ｂ）に示したテラヘルツ波強度スペクトルから得られる強度比スペクトルを示すグラフである。
【図１０】テラヘルツ波発生装置の第３実施形態の構成を示すブロック図である。
【図１１】図１０に示したテラヘルツ波発生装置における（ａ）励起光強度スペクトル、及び（ｂ）テラヘルツ波強度スペクトルを示すグラフである。
【図１２】テラヘルツ波発生装置の第４実施形態の構成を示すブロック図である。
【図１３】テラヘルツ波発生装置の第５実施形態の構成を示すブロック図である。
【図１４】図１３に示したテラヘルツ波発生装置における（ａ）励起光強度スペクトル、及び（ｂ）テラヘルツ波強度スペクトルを示すグラフである。
【図１５】図１４（ｂ）に示したテラヘルツ波強度スペクトルから得られる強度比スペクトルを示すグラフである。
【図１６】図１３に示したテラヘルツ波発生装置の一例を示す構成図である。
【図１７】テラヘルツ波発生装置の第６実施形態の構成を示すブロック図である。
【図１８】テラヘルツ波発生装置の第７実施形態の構成を示すブロック図である。
【図１９】テラヘルツ波発生装置の第８実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２０】テラヘルツ波発生装置の第９実施形態の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１…レーザ光源、２…スペクトル生成部、３…スペクトル変換部、３０…フォトニック結晶ファイバ、３１、３２…対物レンズ、４、４ａ、４ｂ…スペクトル制御部、４０…波形整形器、４１、４４…回折格子、４２、４３…シリンドリカルミラー、４５…波長マスク、５…テラヘルツ波発生部、５０…非線形光学結晶、５１…放物面ミラー、６…テラヘルツ波検出部、６０…非線形光学結晶、７…反応計測部。
【発明の属する技術分野】
本発明は、周波数１ＴＨｚ（テラヘルツ）周辺の電磁波であるテラヘルツ波発生装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
周波数１ＴＨｚ（テラヘルツ）周辺の電磁波領域（テラヘルツ波領域、例えばおよそ０．１ＴＨｚ〜１００ＴＨｚ、あるいはさらにその周辺領域を含んだ広い周波数領域を指す）は、光波と電波の境界に位置する周波数領域であり、テラヘルツ波は、赤外の分光やイメージングへの応用等に有効である。例えば、周波数０．１ＴＨｚ〜１００ＴＨｚ、波長３ｍｍ〜３μｍの中・遠赤外光には、Ｘ線測定などとは異なり、生体にダメージを与えずにその透過イメージを取得できるという応用がある。また、ガス分析などへの分光応用も考えられる。
【０００３】
このような周波数領域は、その発生装置や検出装置などの装置開発が比較的遅れており、技術面でも応用面でも未開拓の部分が多い。特に、テラヘルツ波を用いた各種の測定においては、テラヘルツ波領域内にあるどの波長で測定を行っても良い結果が得られる訳ではなく、それぞれの測定に適した波長のテラヘルツ波を用いる必要がある。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−２３５２０３号公報
【０００５】
【非特許文献１】
阪井清美、「テラヘルツ時間領域分光法」、分光研究 50, p.261-273 (2001)
【０００６】
【非特許文献２】
J.K.Ranka, R.S.Windeler, and A.J.Stentz, "Visible continuum generation in air-silica microstructure optical fibers with anomalous dispersion at 800 nm", Optics Letters 25, p.25-27 (2000)
【０００７】
【非特許文献３】
神成文彦、武井信達、塩澤麻理子、「アダプティブ制御によるフェムト秒レーザーパルス整形と光励起過程への応用」、レーザー研究 28, p.479-485 (2000)
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
特定の波長成分が増強されたテラヘルツ波を発生する方法としては、波形整形によって生成されたパルス列を励起光として用いる方法や、２波長の励起光を用いる方法などがある。しかしながら、特に、波長の短い領域においては、このような方法では、特定の波長成分のテラヘルツ波を効率的に発生させることは難しい。
【０００９】
例えば、特開２０００−２３５２０３号公報には、２波長発振レーザから供給される光を励起光としてテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生装置が記載されている。この発生装置では、特定の波長成分を有する遠赤外のテラヘルツ波を連続光（ＣＷ光）として発生させることができる。しかしながら、このような装置においては、テラヘルツ波が連続光であるため、そのピーク光強度を充分に大きくすることは難しい。したがって、テラヘルツ波を生体測定などに応用した場合、良好なＳ／Ｎ比で測定を行うことができないという問題があった。
【００１０】
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、所望の波長成分を有するテラヘルツ波を効率的に発生させることが可能なテラヘルツ波発生装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明によるテラヘルツ波発生装置は、（１）テラヘルツ波の発生に用いられる励起光を供給する励起光供給手段と、（２）入力された光の波長スペクトルを変換するスペクトル変換手段、及び波長スペクトルを制御するスペクトル制御手段を有し、励起光供給手段から供給された励起光を入力して、その波長スペクトルが励起光供給手段から供給された段階とは異なる励起光スペクトルに変形された励起光を生成するスペクトル生成手段と、（３）非線形光学結晶を有し、スペクトル生成手段で生成された励起光スペクトルを有する励起光を非線形光学結晶に入力して、テラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生手段とを備え、スペクトル生成手段において、スペクトル変換手段はフォトニック結晶ファイバであるとともに、スペクトル制御手段は波形整形器であり、励起光供給手段側から、フォトニック結晶ファイバ、波形整形器の順で配置されていることを特徴とする。
【００１２】
上記したテラヘルツ波発生装置においては、レーザ光源などの励起光供給手段から、テラヘルツ波発生手段の非線形光学結晶へと入力される励起光について、スペクトル生成手段によってその波長スペクトルを変形する。そして、励起光供給手段から供給された段階での励起光とは異なる波長スペクトルを励起光スペクトルとして有する励起光を生成し、その励起光を非線形光学結晶に入力してテラヘルツ波を発生させている。
【００１３】
このような構成によれば、非線形光学結晶で発生されるテラヘルツ波の波長分布を励起光スペクトルによって制御することができる。したがって、所望の波長成分を有するテラヘルツ波を効率的に発生させることが可能となる。また、このような発生装置では、励起光をパルス光とすることによって、充分なピーク光強度を有するパルス状のテラヘルツ波を発生させることが可能である。
【００１４】
ここで、スペクトル変換手段による波長スペクトルの変換とは、波長スペクトルに含まれている波長成分を波長変換等することによって、波長スペクトルを変形することをいう。また、スペクトル制御手段による波長スペクトルの制御とは、波長スペクトルに含まれている波長成分を選択等することによって、波長スペクトルを変形することをいう。
【００１５】
また、スペクトル生成手段は、スペクトル変換手段またはスペクトル制御手段のいずれか一方、もしくは両方、あるいは複数のスペクトル変換手段またはスペクトル制御手段の組合せによって構成することができる。
【００１６】
具体的には、スペクトル変換手段は、フォトニック結晶ファイバを有して構成されていることが好ましい。また、スペクトル制御手段は、波形整形器を有して構成されていることが好ましい。また、これら以外のスペクトル変換手段、スペクトル制御手段を用いても良い。
【００１７】
また、テラヘルツ波発生装置は、テラヘルツ波発生手段で発生されたテラヘルツ波の一部を検出するテラヘルツ波検出手段を備え、テラヘルツ波検出手段によるテラヘルツ波の検出結果に基づいて、スペクトル制御手段による波長スペクトルの制御条件を設定または変更することを特徴とする。このようなフィードバック制御を行う構成とすることにより、非線形光学結晶で発生されるテラヘルツ波の波長分布を好適に制御することができる。
【００１８】
あるいは、テラヘルツ波発生手段で発生されたテラヘルツ波が照射される試料に対して設置された反応計測手段による試料での反応の計測結果に基づいて、スペクトル制御手段による波長スペクトルの制御条件を設定または変更する構成としても良い。このような構成によっても、非線形光学結晶で発生されるテラヘルツ波の波長分布を好適に制御することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面とともに本発明によるテラヘルツ波発生装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００２０】
図１は、本発明によるテラヘルツ波発生装置の第１実施形態の構成を模式的に示すブロック図である。このテラヘルツ波発生装置は、レーザ光源１と、スペクトル生成部２と、テラヘルツ波発生部５と、テラヘルツ波検出部６とを備えて構成されている。
【００２１】
レーザ光源１は、テラヘルツ波の発生に用いられる励起光を供給する励起光供給手段である。レーザ光源１としては、例えば、フェムト秒（ｆｓ）パルスレーザ光を励起光として出力するフェムト秒パルスレーザ光源が用いられる。また、励起光は、好ましくは、ある程度広がった波長スペクトルを有する。
【００２２】
レーザ光源１から供給される励起光に対し、テラヘルツ波発生部５は、非線形光学結晶５０を有して構成されている。非線形光学結晶５０としては、例えば、２次の非線形感受率が高い電気光学結晶（ＥＯ結晶：Electro-Optical Crystal）が用いられる。
【００２３】
レーザ光源１からのパルス励起光が非線形光学結晶５０へと入力されると、非線形光学結晶５０において光整流作用が生じる。このとき、広がった波長スペクトル内にあるパルス励起光の各周波数成分（波長成分）により、差の周波数成分に対応するテラヘルツ波が発生する（例えば、文献「阪井清美、分光研究、50, p.261 (2001)」参照）。なお、光整流作用は、２次の受動非線形光学効果である差周波混合で、入射する光の周波数差を近付けた場合に相当する。また、非線形光学結晶５０において発生されるテラヘルツ波は、例えば、周波数０．１ＴＨｚ〜１００ＴＨｚ、波長３ｍｍ〜３μｍの中・遠赤外光である。
【００２４】
図１に示したテラヘルツ波発生装置においては、レーザ光源１とテラヘルツ波発生部５との間に、スペクトル生成部２が設置されている。スペクトル生成部２は、スペクトル変換部３、またはスペクトル制御部４の少なくとも一方を有して構成される。そして、スペクトル生成部２は、レーザ光源１から供給されたパルス励起光を入力して、その波長スペクトルが所定の励起光スペクトルに変形された励起光を生成する。
【００２５】
ここで、スペクトル変換部３は、入力された光の波長スペクトル（周波数スペクトル）を変換する変換手段である。スペクトル変換部３による波長スペクトルの変換とは、波長スペクトルに含まれている波長成分に対して波長変換等を行うことによって、波長スペクトルを変形することをいう。このスペクトル変換部３としては、具体的には例えば、フォトニック結晶ファイバ、ホローファイバ、テーパードファイバ、ノッチフィルタ、バンドパスフィルタなどを適用することができる。
【００２６】
また、スペクトル制御部４は、入力された光の波長スペクトル（周波数スペクトル）を制御する制御手段である。スペクトル制御部４による波長スペクトルの制御とは、波長スペクトルに含まれている波長成分を選択等することによって、波長スペクトルを変形することをいう。このスペクトル制御部４としては、具体的には例えば、波形整形器、レーザアンプなどを適用することができる。
【００２７】
スペクトル生成部２において、スペクトル変換部３、またはスペクトル制御部４、またはそれらの両方によって変形されて生成される励起光スペクトルは、テラヘルツ波発生部５の非線形光学結晶５０で発生させようとするテラヘルツ波の波長分布に対応して設定される。
【００２８】
図２は、レーザ光源１とスペクトル生成部２との間の位置Ｐ0での励起光のスペクトルを示すグラフであり、図２（ａ）はその時間スペクトルを、図２（ｂ）は波長スペクトルを示している。また、図３は、スペクトル生成部２とテラヘルツ波発生部５との間の位置Ｐ1での励起光のスペクトルを示すグラフであり、図３（ａ）はその時間スペクトルを、図３（ｂ）は波長スペクトルを示している。
【００２９】
レーザ光源１から励起光として供給されるフェムト秒パルスレーザ光などのパルス励起光は、図２（ａ）に示すように、短い時間幅でのパルス状の時間スペクトルを有する。また、このパルス励起光は、図２（ｂ）に示すように、ある程度の波長幅で広がった波長スペクトルを有する。
【００３０】
これに対して、スペクトル生成部２における波長スペクトルの変形後でのパルス励起光は、図３（ａ）に示すように、変形前と同様の短い時間幅でのパルス状の時間スペクトルを有する。また、このパルス励起光は、図３（ｂ）に示すように、スペクトル生成部２により波長スペクトルが所定の励起光スペクトルへと変形されている。図３（ｂ）に示した例では、スペクトル生成部２で生成されたパルス励起光の励起光スペクトルは、異なる波長を有する２つのピークを波長成分として含む波長スペクトルとなっている。
【００３１】
本実施形態においては、テラヘルツ波発生部５に対し、さらに、テラヘルツ波検出部６が設置されている。テラヘルツ波検出部６は、テラヘルツ波発生部５の非線形光学結晶５０で発生されたテラヘルツ波の一部を検出する。
【００３２】
このテラヘルツ波検出部６によるテラヘルツ波の検出結果は、スペクトル生成部２のスペクトル制御部４へとフィードバックされる。そして、スペクトル制御部４は、フィードバックされたテラヘルツ波検出部６での検出結果に基づいて、励起光の波長スペクトルの制御に適用される制御条件を設定または変更する。
【００３３】
本実施形態によるテラヘルツ波発生装置の効果について説明する。
【００３４】
図１に示したテラヘルツ波発生装置では、励起光供給手段であるレーザ光源１から、テラヘルツ波発生部５の非線形光学結晶５０へと入力される励起光について、スペクトル生成部２によってその波長スペクトルを変形する。そして、レーザ光源１から供給された段階での励起光とは異なる波長スペクトルを励起光スペクトルとして有する励起光を生成し、その励起光を非線形光学結晶５０に入力してテラヘルツ波を発生させている。
【００３５】
このような構成によれば、スペクトル生成部２において生成される励起光スペクトルによって、非線形光学結晶５０で発生されるテラヘルツ波の波長分布を制御することができる。したがって、所望の波長成分を有するテラヘルツ波を効率的に発生させることが可能となる。
【００３６】
また、このような発生装置では、レーザ光源１としてパルスレーザ光源を適用し、励起光をパルス励起光とすることによって、充分なピーク光強度を有するパルス状のテラヘルツ波を発生させることができる。これにより、テラヘルツ波発生装置から出力されるテラヘルツ波を生体測定などに応用した場合、良好なＳ／Ｎ比で測定を行うことが可能となる。
【００３７】
従来のテラヘルツ波発生装置の構成例のブロック図を図４（ａ）〜（ｃ）に示す。
【００３８】
図４（ａ）に示すテラヘルツ波発生装置（従来例１）は、ある程度広がった波長スペクトルを有するパルス励起光を供給するレーザ光源９１と、非線形光学結晶９０を有するテラヘルツ波発生部９２とからなる。この構成では、レーザ光源９１からの励起光をそのまま非線形光学結晶９０に入力して、テラヘルツ波を発生させている。
【００３９】
図５（ａ）は、図４（ａ）に示したテラヘルツ波発生装置について、レーザ光源９１とテラヘルツ波発生部９２との間の位置Ｐ6での励起光強度スペクトルを示すグラフである。図５（ａ）において、横軸は励起光の波長（ｎｍ）を示し、また、縦軸は励起光強度（×１０-3、ａ．ｕ．：arb. unit）を示している。
【００４０】
また、図５（ｂ）は、図４（ａ）に示したテラヘルツ波発生装置について、テラヘルツ波発生部９２からテラヘルツ波の出力方向にある位置Ｐ7でのテラヘルツ波強度スペクトルを示すグラフである。図５（ｂ）において、横軸はテラヘルツ波の周波数（ＴＨｚ）及び波長（μｍ）を示し、また、縦軸はテラヘルツ波強度（ａ．ｕ．）を示している。なお、以下において示す強度スペクトル等の各グラフは、いずれも計算値を示している。
【００４１】
図５（ａ）には、それぞれ強度分布の波長幅が異なる４種類の励起光強度スペクトルＡ１〜Ａ４を示している。ただし、テラヘルツ波発生部の非線形光学結晶へと入力される励起光の強度は、光学結晶の耐熱性によって制限される。このため、これらのスペクトルＡ１〜Ａ４は、その積分強度が１となるように規格化されている。
【００４２】
このような強度スペクトルを有する励起光に対し、非線形光学結晶において発生されるテラヘルツ波の短波長側（高周波数側）の限界、及びそれによるテラヘルツ波強度スペクトルの分布広がりは、図５（ｂ）に示すように、励起光強度スペクトルの分布広がり等によって決まる。
【００４３】
図５（ｂ）には、上記した励起光強度スペクトルＡ１〜Ａ４にそれぞれ対応する４種類のテラヘルツ波強度スペクトルＢ１〜Ｂ４を示している。これらのスペクトルＢ１〜Ｂ４に示すように、励起光強度スペクトルの分布広がりが大きいほど、短波長の波長成分（高周波数の周波数成分）を有するテラヘルツ波が得られる。しかしながら、このような構成では、テラヘルツ波において特定の波長成分を増強することができず、所望の波長成分を有するテラヘルツ波を効率的に発生させることは難しい。
【００４４】
これに対して、テラヘルツ波において特定の波長成分を増強する方法として、波形整形によって生成されたパルス列を励起光として用いる方法や、２波長の励起光を用いる方法が知られている。
【００４５】
例えば、図４（ｂ）に示すテラヘルツ波発生装置（従来例２）は、レーザ光源９１と、非線形光学結晶を有するテラヘルツ波発生部９２と、パルス列生成部９３とからなる。この構成では、レーザ光源９１からのパルス励起光は、パルス列生成部９３によって所定の時間間隔を有する複数のパルス光とされる。そして、この複数のパルス光からなるパルス列を非線形光学結晶９０に入力して、テラヘルツ波を発生させている。ただし、このような構成では、特に短波長の波長成分を有するテラヘルツ波を発生させる場合、パルス列の時間間隔を短く（例えば５０ｆｓ以下）する必要がある。このため、パルス列の生成、及びパルス列を用いたテラヘルツ波の発生が困難となる。
【００４６】
また、図４（ｃ）に示すテラヘルツ波発生装置（従来例３）は、互いに異なる波長のパルス励起光を供給する第１レーザ光源９１ａ及び第２レーザ光源９１ｂと、テラヘルツ波発生部９２とからなる。この構成では、レーザ光源９１ａ、９１ｂからの２波長の励起光を非線形光学結晶に入力して、テラヘルツ波を発生させている。ただし、このような構成では、発生されるテラヘルツ波が連続光（ＣＷ光）であるため、そのピーク光強度を充分に大きくすることは難しい。
【００４７】
これに対して、図１に示した構成のテラヘルツ波発生装置によれば、スペクトル生成部２において生成される励起光スペクトルによって、非線形光学結晶５０で発生されるテラヘルツ波の波長分布を制御している。これにより、上述したように、所望の波長成分を有するテラヘルツ波を、充分な強度で効率的に発生させることが可能となる。
【００４８】
なお、所定の波長スペクトルを有する励起光を生成するスペクトル生成部２の構成については、例えば、スペクトル変換部３またはスペクトル制御部４のいずれか一方、もしくは両方、あるいは複数のスペクトル変換部３またはスペクトル制御部４の組合せによって構成することができる。
【００４９】
また、本実施形態においては、テラヘルツ波発生部５に対してテラヘルツ波検出部６を設置し、テラヘルツ波検出部６によるテラヘルツ波の検出結果に基づいて、励起光の波長スペクトルを制御するスペクトル制御部４に対してフィードバック制御を行っている。このような構成により、非線形光学結晶５０で発生されるテラヘルツ波の波長分布を好適に制御することができる。ただし、スペクトル制御部４のフィードバック制御が不要な場合には、テラヘルツ波検出部６を設置しない構成としても良い。
【００５０】
図６は、テラヘルツ波発生装置の第２実施形態の構成を模式的に示すブロック図である。このテラヘルツ波発生装置は、レーザ光源１と、スペクトル生成部２と、テラヘルツ波発生部５とを備えて構成されている。これらのうち、レーザ光源１、及び非線形光学結晶５０を有するテラヘルツ波発生部５の構成については、図１に示した実施形態と同様である。
【００５１】
レーザ光源１とテラヘルツ波発生部５との間には、スペクトル生成部２が設置されている。本実施形態においては、スペクトル生成部２は、スペクトル変換部３であるフォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ：Photonic Crystal Fiber）３０を有して構成されている。フォトニック結晶ファイバ３０は、レーザ光源１から供給されたパルス励起光を入力して、その波長スペクトルを変換することによって波長スペクトルを変形し、所定の励起光スペクトルを有する励起光を生成する。
【００５２】
図６に示したテラヘルツ波発生装置では、上述したように、レーザ光源１から非線形光学結晶５０へと入力される励起光について、フォトニック結晶ファイバ３０からなるスペクトル変換部３によって波長スペクトルを変換し、その励起光によってテラヘルツ波を発生させている。
【００５３】
これにより、テラヘルツ波の波長分布を励起光スペクトルによって制御して、所望の波長成分を有するテラヘルツ波を効率的に発生させることが可能となる。また、スペクトル変換部３としてフォトニック結晶ファイバ３０を用いることにより、波長スペクトルの変換を好適に行うことができる。
【００５４】
図７は、フォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）３０の構造を模式的に示す図であり、図７（ａ）は断面図、図７（ｂ）はそのコア周辺の拡大断面図を示している。フォトニック結晶ファイバ３０は、図７（ａ）及び（ｂ）に示すように、そのコア周辺に空気の孔３０ａによる周期構造を有する光ファイバである。このようなフォトニック結晶ファイバ３０をスペクトル変換部３として用いることにより、レーザ光源１からの励起光の波長スペクトルを変換することができる（例えば、文献「J.K.Ranka et al., Optics Letters 25, p.25 (2000)」参照）。
【００５５】
図８（ａ）は、テラヘルツ波発生装置における励起光強度スペクトルを示すグラフである。この図８（ａ）において、横軸は励起光の波長（ｎｍ）を示し、また、縦軸は励起光強度（×１０-3、ａ．ｕ．）を示している。ここで、グラフＣ１は、図６に示したテラヘルツ波発生装置について、スペクトル生成部２とテラヘルツ波発生部５との間の位置Ｐ1での励起光強度スペクトルを示すグラフである。また、グラフＣ２は、従来例１（図４（ａ）参照）のテラヘルツ波発生装置について、レーザ光源９１とテラヘルツ波発生部９２との間の位置Ｐ6での励起光強度スペクトルを示すグラフである。なお、グラフＣ１、Ｃ２は、それぞれ積分強度が１となるように規格化されている。
【００５６】
図８（ｂ）は、テラヘルツ波発生装置におけるテラヘルツ波強度スペクトルを示すグラフである。この図８（ｂ）において、横軸はテラヘルツ波の周波数（ＴＨｚ）及び波長（μｍ）を示し、また、縦軸はテラヘルツ波強度（ａ．ｕ．）を示している。ここで、グラフＤ１は、図６に示したテラヘルツ波発生装置について、テラヘルツ波発生部５からテラヘルツ波の出力方向にある位置Ｐ2でのテラヘルツ波強度スペクトルを示すグラフである。また、グラフＤ２は、従来例１のテラヘルツ波発生装置について、テラヘルツ波発生部９２からテラヘルツ波の出力方向にある位置Ｐ7でのテラヘルツ波強度スペクトルを示すグラフである。
【００５７】
ここでは、レーザ光源１から励起光として供給されるパルスレーザ光を、波長スペクトル半値全幅が１６ｎｍのパルスレーザ光としている。また、フォトニック結晶ファイバ３０としては、図７に示した構造のフォトニック結晶ファイバを用い、また、その長さは２ｃｍに設定している。
【００５８】
図８（ａ）においては、従来の構成でのグラフＣ２では、波長８００ｎｍをピーク波長とする波長成分からなる励起光強度スペクトルとなっている。一方、図６の構成でのグラフＣ１では、波長スペクトルの変換により、波長７８５ｎｍ近傍のピーク波長を有する波長成分と、波長８１５ｎｍ近傍のピーク波長を有する波長成分とを含む励起光強度スペクトルが得られている。
【００５９】
このような励起光強度スペクトルを有する励起光に対し、図８（ｂ）においては、グラフＣ２に対応する従来の構成でのグラフＤ２では、長波長側（低周波数側）の極限をピークとし、短波長側（高周波数側）にいくにしたがって強度が単調に減少するテラヘルツ波強度スペクトルとなっている。
【００６０】
一方、グラフＣ１に対応する図６の構成でのグラフＤ１では、長波長側の極限のピークのみでなく、波長１９μｍにもピークを有するテラヘルツ波強度スペクトルが得られている。このように、図６に示した構成のテラヘルツ波発生装置によれば、テラヘルツ波の波長分布を励起光スペクトルによって制御して、所望の波長成分を有するテラヘルツ波を効率的に発生させることができる。
【００６１】
図９は、図８（ｂ）に示したテラヘルツ波強度スペクトルから得られる強度比スペクトルを示すグラフである。ここで、グラフＤ６は、図８（ｂ）に示したグラフＤ１でのテラヘルツ波強度スペクトルをグラフＤ２での従来のスペクトルで割った、テラヘルツ波の強度比スペクトルを示している。
【００６２】
このグラフＤ６では、波長１６μｍにピークを有するテラヘルツ波強度比スペクトルが得られている。また、そのピーク光強度は、従来での光強度の３．７倍となっており、充分なピーク光強度が得られている。
【００６３】
図１０は、テラヘルツ波発生装置の第３実施形態の構成を模式的に示すブロック図である。このテラヘルツ波発生装置は、レーザ光源１と、スペクトル生成部２と、テラヘルツ波発生部５とを備えて構成されている。これらのうち、レーザ光源１、及び非線形光学結晶５０を有するテラヘルツ波発生部５の構成については、図１に示した実施形態と同様である。
【００６４】
レーザ光源１とテラヘルツ波発生部５との間には、スペクトル生成部２が設置されている。本実施形態においては、スペクトル生成部２は、スペクトル制御部４である波形整形器４０を有して構成されている。波形整形器４０は、レーザ光源１から供給されたパルス励起光を入力して、その波長スペクトルを制御することによって波長スペクトルを変形し、所定の励起光スペクトルを有する励起光を生成する。
【００６５】
図１０に示したテラヘルツ波発生装置では、上述したように、レーザ光源１から非線形光学結晶５０へと入力される励起光について、波形整形器４０からなるスペクトル制御部４によって波長スペクトルを制御し、その励起光によってテラヘルツ波を発生させている。
【００６６】
これにより、テラヘルツ波の波長分布を励起光スペクトルによって制御して、所望の波長成分を有するテラヘルツ波を効率的に発生させることが可能となる。また、スペクトル制御部４として波形整形器４０を用いることにより、波長スペクトルの制御を好適に行うことができる（例えば、文献「神成文彦 他、レーザー研究、28, p.479 (2000)」参照）。なお、この場合には、波形整形器４０によって生成される励起光スペクトルは、レーザ光源１から供給された励起光の波長スペクトルの一部を抽出したものとなる。
【００６７】
図１１（ａ）は、テラヘルツ波発生装置における励起光強度スペクトルを示すグラフである。ここで、グラフＥ１は、図１０に示したテラヘルツ波発生装置について、位置Ｐ1での励起光強度スペクトルを示すグラフである。また、グラフＥ２は、従来例１のテラヘルツ波発生装置について、位置Ｐ6での励起光強度スペクトルを示すグラフである。なお、グラフＥ１、Ｅ２は、それぞれ積分強度が１となるように規格化されている。
【００６８】
図１１（ｂ）は、テラヘルツ波発生装置におけるテラヘルツ波強度スペクトルを示すグラフである。ここで、グラフＦ１は、図１０に示したテラヘルツ波発生装置について、位置Ｐ2でのテラヘルツ波強度スペクトルを示すグラフである。また、グラフＦ２は、従来例１のテラヘルツ波発生装置について、位置Ｐ7でのテラヘルツ波強度スペクトルを示すグラフである。
【００６９】
ここでは、レーザ光源１から励起光として供給されるパルスレーザ光を、波長スペクトル半値全幅が１６ｎｍのパルスレーザ光としている。
【００７０】
図１１（ａ）においては、従来の構成でのグラフＥ２では、波長８００ｎｍをピーク波長とする波長成分からなる励起光強度スペクトルとなっている。一方、図１０の構成でのグラフＥ１では、波長スペクトルの制御により、波長７９２ｎｍ近傍のピーク波長を有する波長成分と、波長８０８ｎｍ近傍のピーク波長を有する波長成分とを含む励起光強度スペクトルが得られている。
【００７１】
このような励起光強度スペクトルを有する励起光に対し、図１１（ｂ）においては、グラフＥ２に対応する従来の構成でのグラフＦ２では、長波長側の極限をピークとし、短波長側にいくにしたがって強度が単調に減少するテラヘルツ波強度スペクトルとなっている。
【００７２】
一方、グラフＥ１に対応する図１０の構成でのグラフＦ１では、長波長側の極限のピークのみでなく、波長４５μｍにもピークを有するテラヘルツ波強度スペクトルが得られている。このように、図１０に示した構成のテラヘルツ波発生装置によれば、テラヘルツ波の波長分布を励起光スペクトルによって制御して、所望の波長成分を有するテラヘルツ波を効率的に発生させることができる。
【００７３】
また、このように波形整形器４０を用いる構成では、発生されるテラヘルツ波強度スペクトルは、レーザ光源１から供給された励起光をそのまま用いた場合のスペクトルの一部を抽出したものとなるが、図１１（ｂ）においては、波長４５μｍ周辺の波長成分が効果的に抽出されていることがわかる。また、このような構成では、パルス列を用いてテラヘルツ波を発生させる構成（図４（ｂ）参照）とは異なり高調波が発生しないので、良好な単色性を有するテラヘルツ波が得られる。
【００７４】
図１２は、テラヘルツ波発生装置の第４実施形態の構成を模式的に示すブロック図である。このテラヘルツ波発生装置は、レーザ光源１と、スペクトル生成部２と、テラヘルツ波発生部５とを備えて構成されている。これらの構成については、図１０に示した実施形態と同様である。
【００７５】
本実施形態においては、テラヘルツ波発生部５に対し、さらに、テラヘルツ波検出部６が設置されている。テラヘルツ波検出部６は、例えば、非線形光学結晶６０を有して構成されており、テラヘルツ波発生部５の非線形光学結晶５０で発生されたテラヘルツ波の一部を、非線形光学結晶６０によって検出する。
【００７６】
このテラヘルツ波検出部６によるテラヘルツ波の検出結果は、スペクトル生成部２の波形整形器４０へとフィードバックされる。そして、スペクトル制御部４である波形整形器４０は、フィードバックされたテラヘルツ波検出部６での検出結果に基づいて、励起光の波長スペクトルの制御に適用される制御条件を設定または変更する。
【００７７】
このように、非線形光学結晶６０を有するテラヘルツ波検出部６によるテラヘルツ波の検出結果に基づいて、励起光の波長スペクトルを制御する波形整形器４０に対してフィードバック制御を行うことにより、非線形光学結晶５０で発生されるテラヘルツ波の波長分布を好適に制御することができる。
【００７８】
図１３は、テラヘルツ波発生装置の第５実施形態の構成を模式的に示すブロック図である。このテラヘルツ波発生装置は、レーザ光源１と、スペクトル生成部２と、テラヘルツ波発生部５と、テラヘルツ波検出部６とを備えて構成されている。これらのうち、レーザ光源１、非線形光学結晶５０を有するテラヘルツ波発生部５、及びテラヘルツ波検出部６の構成については、図１に示した実施形態と同様である。
【００７９】
レーザ光源１とテラヘルツ波発生部５との間には、スペクトル生成部２が設置されている。本実施形態においては、スペクトル生成部２は、スペクトル変換部３であるフォトニック結晶ファイバ３０と、スペクトル制御部４である波形整形器４０とを有して構成されている。
【００８０】
フォトニック結晶ファイバ３０、及び波形整形器４０は、励起光を供給するレーザ光源１側から、フォトニック結晶ファイバ３０、波形整形器４０の順で配置されている。フォトニック結晶ファイバ３０は、レーザ光源１から供給されたパルス励起光を入力して、その波長スペクトルを変換する。さらに、波形整形器４０は、フォトニック結晶ファイバ３０からのパルス励起光を入力して、その波長スペクトルを制御する。これにより、波長スペクトルが所定の励起光スペクトルに変形された励起光が生成される。
【００８１】
また、波形整形器４０には、テラヘルツ波検出部６によるテラヘルツ波の検出結果がフィードバックされている。そして、スペクトル制御部４である波形整形器４０は、フィードバックされたテラヘルツ波検出部６での検出結果に基づいて、励起光の波長スペクトルの制御に適用される制御条件を設定または変更する。
【００８２】
図１３に示したテラヘルツ波発生装置では、上述したように、レーザ光源１から非線形光学結晶５０へと入力される励起光について、フォトニック結晶ファイバ３０からなるスペクトル変換部３と、波形整形器４０からなるスペクトル制御部４とによって波長スペクトルを変形し、その励起光によってテラヘルツ波を発生させている。
【００８３】
これにより、テラヘルツ波の波長分布を励起光スペクトルによって制御して、所望の波長成分を有するテラヘルツ波を効率的に発生させることが可能となる。また、フォトニック結晶ファイバ３０及び波形整形器４０を組合せて用いることにより、フォトニック結晶ファイバ３０によって広げられた波長スペクトルを波形整形器４０によって制御することが可能となるので、波長スペクトルの変形をより好適に行うことができる。
【００８４】
また、本実施形態においては、テラヘルツ波検出部６によるテラヘルツ波の検出結果に基づいて、波形整形器４０をフィードバック制御している。このような構成により、非線形光学結晶５０で発生されるテラヘルツ波の波長分布を好適に制御することができる。ただし、波形整形器４０のフィードバック制御が不要な場合には、テラヘルツ波検出部６を設置しない構成としても良い。
【００８５】
図１４（ａ）は、テラヘルツ波発生装置における励起光強度スペクトルを示すグラフである。ここで、グラフＧ１は、図１３に示したテラヘルツ波発生装置について、位置Ｐ1での励起光強度スペクトルを示すグラフである。また、グラフＧ２は、図６に示したテラヘルツ波発生装置について、位置Ｐ1での励起光強度スペクトルを示すグラフ（図８（ａ）のグラフＣ１に相当）である。また、グラフＧ３は、従来例１のテラヘルツ波発生装置について、位置Ｐ6での励起光強度スペクトルを示すグラフである。なお、グラフＧ１、Ｇ２、Ｇ３は、それぞれ積分強度が１となるように規格化されている。
【００８６】
図１４（ｂ）は、テラヘルツ波発生装置におけるテラヘルツ波強度スペクトルを示すグラフである。ここで、グラフＨ１は、図１３に示したテラヘルツ波発生装置について、位置Ｐ2でのテラヘルツ波強度スペクトルを示すグラフである。また、グラフＨ２は、図６に示したテラヘルツ波発生装置について、位置Ｐ2でのテラヘルツ波強度スペクトルを示すグラフ（図８（ｂ）のグラフＤ１に相当）である。また、グラフＨ３は、従来例１のテラヘルツ波発生装置について、位置Ｐ7でのテラヘルツ波強度スペクトルを示すグラフである。
【００８７】
ここでは、レーザ光源１から励起光として供給されるパルスレーザ光を、波長スペクトル半値全幅が１６ｎｍのパルスレーザ光としている。また、フォトニック結晶ファイバ３０としては、図７に示した構造のフォトニック結晶ファイバを用い、また、その長さは２ｃｍに設定している。
【００８８】
図１４（ａ）においては、従来の構成でのグラフＧ３では、波長８００ｎｍをピーク波長とする波長成分からなる励起光強度スペクトルとなっている。一方、フォトニック結晶ファイバ３０を用いた図６の構成でのグラフＧ２では、図８に関して上述したように、波長７８５ｎｍ近傍のピーク波長を有する波長成分と、波長８１５ｎｍ近傍のピーク波長を有する波長成分とを含む励起光強度スペクトルが得られている。また、フォトニック結晶ファイバ３０に対してさらに波形整形器４０を用いた図１３の構成でのグラフＧ１では、グラフＧ２と同様の励起光強度スペクトルとなっているが、グラフＧ２に比べてピーク以外の波長成分が減少し、ピークが顕著な励起光強度スペクトルが得られている。
【００８９】
このような励起光強度スペクトルを有する励起光に対し、図１４（ｂ）においては、グラフＧ３に対応する従来の構成でのグラフＨ３では、長波長側の極限をピークとし、短波長側にいくにしたがって強度が単調に減少するテラヘルツ波強度スペクトルとなっている。
【００９０】
一方、グラフＧ２に対応する図６の構成でのグラフＨ２では、長波長側の極限のピークのみでなく、波長１９μｍにもピークを有するテラヘルツ波強度スペクトルが得られている。また、グラフＧ１に対応する図１３の構成でのグラフＨ１では、グラフＨ２と同様のテラヘルツ波強度スペクトルとなっているが、グラフＨ２に比べて波長３２μｍ（周波数９ＴＨｚ）近傍の波長成分が大きく減少し、波長１９μｍ（周波数１６ＴＨｚ）でのピークが顕著なテラヘルツ波強度スペクトルが得られている。
【００９１】
図１５は、図１４（ｂ）に示したテラヘルツ波強度スペクトルから得られる強度比スペクトルを示すグラフである。ここで、グラフＨ６は、図１４（ｂ）に示したグラフＨ１でのテラヘルツ波強度スペクトルをグラフＨ３での従来のスペクトルで割った、テラヘルツ波の強度比スペクトルを示している。また、グラフＨ７は、グラフＨ２でのテラヘルツ波強度スペクトルをグラフＨ３での従来のスペクトルで割った、テラヘルツ波の強度比スペクトル（図９のグラフＤ６に相当）を示している。
【００９２】
このグラフＨ６では、グラフＨ７と同様に、波長１６μｍにピークを有するテラヘルツ波強度比スペクトルが得られている。また、そのピーク光強度は、従来での光強度の４．２倍となっており、３．７倍のグラフＨ７に比べても、さらに充分なピーク光強度が得られている。これは、スペクトル生成部２において、フォトニック結晶ファイバ３０に対して、さらに波形整形器４０を組合せて用いているためである。
【００９３】
ここで、図１３に示した構成のテラヘルツ波発生装置について、その具体的な構成例を示しておく。図１６は、図１３に示したテラヘルツ波発生装置の一例を示す構成図である。ただし、この図１６においては、レーザ光源１及びテラヘルツ波検出部６については図示を省略し、スペクトル変換部３及びスペクトル制御部４からなるスペクトル生成部２と、非線形光学結晶５０を有するテラヘルツ波発生部５とについて、その構成を図示している。なお、レーザ光源１から供給されるパルス励起光は、例えば、パルス時間幅６０ｆｓ、中心波長８００ｎｍ、スペクトル半値全幅１６ｎｍのフェムト秒パルスレーザ光である。
【００９４】
本構成例においては、スペクトル変換部３は、フォトニック結晶ファイバ３０と、２つの対物レンズ３１、３２とから構成されている。レーザ光源１からのパルス励起光は、倍率１００倍の対物レンズ３１によって集光されて、長さ２ｃｍのフォトニック結晶ファイバ３０へと入力され、フォトニック結晶ファイバ３０においてその波長スペクトルが変換される。そして、波長変換された励起光は、倍率４０倍の対物レンズ３２を介して、平行光としてスペクトル制御部４へと出力される。
【００９５】
スペクトル制御部４は、波形整形器４０から構成されている。また、波形整形器４０は、２つの回折格子４１、４４と、２つのシリンドリカルミラー４２、４３と、波長マスク４５とを有する。スペクトル変換部３で波長変換されたパルス励起光は、４００本／ｍｍの回折格子４１で分光されて、Ｒ＝１５００ｍｍのシリンドリカルミラー４２を介して波長マスク４５に入力される。そして、パルス励起光は、この波長マスク４５で所定の波長成分が選択されることによって、その波長スペクトルが制御される。具体的な波長マスク４５としては、例えば、金属板に所定のパターンで開口を形成したものを用いることができる。
【００９６】
波長マスク４５で波長成分が選択された励起光は、Ｒ＝１５００ｍｍのシリンドリカルミラー４３を介して４００本／ｍｍの回折格子４４に入力される。そして、この回折格子４４で空間的な位置がそろえられた後、波長スペクトルが所定の励起光スペクトルに変形された励起光としてテラヘルツ波発生部５へと出力される。
【００９７】
テラヘルツ波発生部５は、非線形光学結晶５０と、放物面ミラー５１とから構成されている。所定の励起光スペクトルを有するスペクトル制御部４からのパルス励起光は、ｆ＝５０ｍｍの放物面ミラー５１を介して、厚さ１０μｍのＧａＰ（１１０）結晶からなる非線形光学結晶５０へと入力される。そして、非線形光学結晶５０において、光整流効果によって中・遠赤外などのテラヘルツ波が発生されて出力される。
【００９８】
テラヘルツ波発生装置の構成について、さらに説明する。所定の波長スペクトルを有する励起光を生成するスペクトル生成部２の構成については、上述したように、例えば、スペクトル変換部３またはスペクトル制御部４のいずれか一方、もしくは両方、あるいは複数のスペクトル変換部３またはスペクトル制御部４の組合せによって構成することができ、上述した各実施形態以外にも、様々な構成を用いることが可能である。
【００９９】
図１７は、テラヘルツ波発生装置の第６実施形態の構成を模式的に示すブロック図である。このテラヘルツ波発生装置は、レーザ光源１と、スペクトル生成部２と、テラヘルツ波発生部５と、テラヘルツ波検出部６とを備えて構成されている。これらのうち、レーザ光源１、非線形光学結晶５０を有するテラヘルツ波発生部５、及びテラヘルツ波検出部６の構成については、図１に示した実施形態と同様である。
【０１００】
レーザ光源１とテラヘルツ波発生部５との間には、スペクトル生成部２が設置されている。本実施形態においては、スペクトル生成部２は、波形整形器などからなるスペクトル制御部４と、フォトニック結晶ファイバなどからなるスペクトル変換部３とを有して構成されている。
【０１０１】
スペクトル制御部４、及びスペクトル変換部３は、レーザ光源１側から、この順で配置されている。スペクトル制御部４は、レーザ光源１から供給されたパルス励起光を入力して、その波長スペクトルを制御する。さらに、スペクトル変換部３は、スペクトル制御部４からのパルス励起光を入力して、その波長スペクトルを変換する。これにより、波長スペクトルが所定の励起光スペクトルに変形された励起光が生成される。
【０１０２】
また、スペクトル制御部４には、テラヘルツ波検出部６によるテラヘルツ波の検出結果がフィードバックされている。そして、スペクトル制御部４は、フィードバックされたテラヘルツ波検出部６での検出結果に基づいて、励起光の波長スペクトルの制御に適用される制御条件を設定または変更する。
【０１０３】
図１７に示したテラヘルツ波発生装置では、上述したように、スペクトル制御部４と、スペクトル変換部３とによって、励起光の波長スペクトルを変形している。これにより、所望の波長成分を有するテラヘルツ波を効率的に発生させることが可能となる。また、スペクトル制御部４及びスペクトル変換部３を組合せて用いることにより、波長スペクトルの変形を好適に行うことができる。
【０１０４】
また、テラヘルツ波検出部６によるテラヘルツ波の検出結果に基づいて、スペクトル制御部４をフィードバック制御する構成により、テラヘルツ波の波長分布を好適に制御することができる。ただし、フィードバック制御が不要な場合には、テラヘルツ波検出部６を設置しない構成としても良い。
【０１０５】
図１８は、テラヘルツ波発生装置の第７実施形態の構成を模式的に示すブロック図である。このテラヘルツ波発生装置は、レーザ光源１と、スペクトル生成部２と、テラヘルツ波発生部５と、テラヘルツ波検出部６とを備えて構成されている。これらのうち、レーザ光源１、非線形光学結晶５０を有するテラヘルツ波発生部５、及びテラヘルツ波検出部６の構成については、図１に示した実施形態と同様である。
【０１０６】
レーザ光源１とテラヘルツ波発生部５との間には、スペクトル生成部２が設置されている。本実施形態においては、スペクトル生成部２は、波形整形器などからなる第１スペクトル制御部４ａと、フォトニック結晶ファイバなどからなるスペクトル変換部３と、第２スペクトル制御部４ｂとを有して構成されている。
【０１０７】
第１スペクトル制御部４ａ、スペクトル変換部３、及び第２スペクトル制御部４ｂは、レーザ光源１側から、この順で配置されている。第１スペクトル制御部４ａは、レーザ光源１から供給されたパルス励起光を入力して、その波長スペクトルを制御する。また、スペクトル変換部３は、第１スペクトル制御部４ａからのパルス励起光を入力して、その波長スペクトルを変換する。さらに、第２スペクトル制御部４ｂは、スペクトル変換部３からのパルス励起光を入力して、その波長スペクトルを制御する。これにより、波長スペクトルが所定の励起光スペクトルに変形された励起光が生成される。
【０１０８】
また、第１スペクトル制御部４ａ、及び第２スペクトル制御部４ｂには、それぞれテラヘルツ波検出部６によるテラヘルツ波の検出結果がフィードバックされている。そして、第１スペクトル制御部４ａ、及び第２スペクトル制御部４ｂのそれぞれは、フィードバックされたテラヘルツ波検出部６での検出結果に基づいて、励起光の波長スペクトルの制御に適用される制御条件を設定または変更する。
【０１０９】
図１８に示したテラヘルツ波発生装置では、上述したように、第１スペクトル制御部４ａと、スペクトル変換部３と、第２スペクトル制御部４ｂとによって、励起光の波長スペクトルを変形している。これにより、所望の波長成分を有するテラヘルツ波を効率的に発生させることが可能となる。また、スペクトル制御部４ａ、４ｂ及びスペクトル変換部３を組合せて用いることにより、波長スペクトルの変形を好適に行うことができる。
【０１１０】
また、テラヘルツ波検出部６によるテラヘルツ波の検出結果に基づいて、スペクトル制御部４ａ、４ｂをフィードバック制御する構成により、テラヘルツ波の波長分布を好適に制御することができる。ただし、フィードバック制御が不要な場合には、テラヘルツ波検出部６を設置しない構成としても良い。
【０１１１】
図１９は、テラヘルツ波発生装置の第８実施形態の構成を模式的に示すブロック図である。このテラヘルツ波発生装置は、レーザ光源１と、スペクトル生成部２と、テラヘルツ波発生部５と、テラヘルツ波検出部６とを備えて構成されている。これらのうち、レーザ光源１、非線形光学結晶５０を有するテラヘルツ波発生部５、及びテラヘルツ波検出部６の構成については、図１に示した実施形態と同様である。
【０１１２】
レーザ光源１とテラヘルツ波発生部５との間には、スペクトル生成部２が設置されている。本実施形態においては、スペクトル生成部２は、波形整形器などからなる第１スペクトル制御部４ａと、第２スペクトル制御部４ｂとを有して構成されている。
【０１１３】
第１スペクトル制御部４ａ、及び第２スペクトル制御部４ｂは、レーザ光源１側から、この順で配置されている。第１スペクトル制御部４ａは、レーザ光源１から供給されたパルス励起光を入力して、その波長スペクトルを制御する。さらに、第２スペクトル制御部４ｂは、第１スペクトル制御部４ａからのパルス励起光を入力して、その波長スペクトルを制御する。これにより、波長スペクトルが所定の励起光スペクトルに変形された励起光が生成される。
【０１１４】
また、第１スペクトル制御部４ａ、及び第２スペクトル制御部４ｂには、それぞれテラヘルツ波検出部６によるテラヘルツ波の検出結果がフィードバックされている。そして、第１スペクトル制御部４ａ、及び第２スペクトル制御部４ｂのそれぞれは、フィードバックされたテラヘルツ波検出部６での検出結果に基づいて、励起光の波長スペクトルの制御に適用される制御条件を設定または変更する。
【０１１５】
図１９に示したテラヘルツ波発生装置では、上述したように、第１スペクトル制御部４ａと、第２スペクトル制御部４ｂとによって、励起光の波長スペクトルを変形している。これにより、所望の波長成分を有するテラヘルツ波を効率的に発生させることが可能となる。また、スペクトル制御部４ａ、４ｂを組合せて用いることにより、波長スペクトルの変形を好適に行うことができる。
【０１１６】
また、テラヘルツ波検出部６によるテラヘルツ波の検出結果に基づいて、スペクトル制御部４ａ、４ｂをフィードバック制御する構成により、テラヘルツ波の波長分布を好適に制御することができる。ただし、フィードバック制御が不要な場合には、テラヘルツ波検出部６を設置しない構成としても良い。
【０１１７】
図２０は、テラヘルツ波発生装置の第９実施形態の構成を模式的に示すブロック図である。このテラヘルツ波発生装置は、レーザ光源１と、スペクトル生成部２と、テラヘルツ波発生部５と、テラヘルツ波検出部６とを備えて構成されている。これらの構成については、図１に示した実施形態と同様である。
【０１１８】
本実施形態においては、テラヘルツ波発生部５で発生されてテラヘルツ波発生装置から出力されたテラヘルツ波が照射される試料Ｓに対して、反応計測部７が設置されている。反応計測部７は、テラヘルツ波発生装置から出力されたテラヘルツ波を照射することによって生じる試料Ｓでの反応を計測する反応計測手段である。反応計測部７による試料Ｓでの反応の計測方法としては、例えば、試料Ｓの温度、試料Ｓにおけるテラヘルツ波の透過率、反射率、試料Ｓでの生成物の量などを計測する方法がある。
【０１１９】
この反応計測部７による反応の計測結果は、スペクトル生成部２のスペクトル制御部４へとフィードバックされる。そして、スペクトル制御部４は、フィードバックされた反応計測部７での計測結果に基づいて、励起光の波長スペクトルの制御に適用される制御条件を設定または変更する。
【０１２０】
このように、反応計測部７による試料Ｓでの反応の計測結果に基づいて、励起光の波長スペクトルを制御するスペクトル制御部４に対してフィードバック制御を行うことにより、非線形光学結晶５０で発生されるテラヘルツ波の波長分布を好適に制御することができる。
【０１２１】
なお、本実施形態においては、反応計測部７による計測結果に基づくスペクトル制御部４のフィードバック制御に加えて、テラヘルツ波検出部６による検出結果に基づくフィードバック制御を併用している。ただし、テラヘルツ波の検出結果に基づくフィードバック制御が不要な場合には、テラヘルツ波検出部６を設置せず、反応計測部７からのフィードバック制御のみを行う構成としても良い。
【０１２２】
【発明の効果】
本発明によるテラヘルツ波発生装置は、以上詳細に説明したように、次のような効果を得る。すなわち、レーザ光源などの励起光供給手段から、テラヘルツ波発生手段の非線形光学結晶へと入力される励起光について、スペクトル変換手段またはスペクトル制御手段の少なくとも一方を有するスペクトル生成手段によってその波長スペクトルを所定の励起光スペクトルへと変形する構成によれば、非線形光学結晶で発生されるテラヘルツ波の波長分布を励起光スペクトルによって制御することができる。したがって、所望の波長成分を有するテラヘルツ波を効率的に発生させることが可能となる。また、このような発生装置では、励起光をパルス光とすることによって、充分なピーク光強度を有するパルス状のテラヘルツ波を発生させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】テラヘルツ波発生装置の第１実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２】レーザ光源とスペクトル生成部との間の位置Ｐ0での励起光の（ａ）時間スペクトル、及び（ｂ）波長スペクトルを示すグラフである。
【図３】スペクトル生成部とテラヘルツ波発生部との間の位置Ｐ1での励起光の（ａ）時間スペクトル、及び（ｂ）波長スペクトルを示すグラフである。
【図４】従来のテラヘルツ波発生装置の構成例を示すブロック図である。
【図５】図４（ａ）に示したテラヘルツ波発生装置における（ａ）励起光強度スペクトル、及び（ｂ）テラヘルツ波強度スペクトルを示すグラフである。
【図６】テラヘルツ波発生装置の第２実施形態の構成を示すブロック図である。
【図７】フォトニック結晶ファイバの構造を模式的に示す（ａ）断面図、及び（ｂ）拡大断面図である。
【図８】図６に示したテラヘルツ波発生装置における（ａ）励起光強度スペクトル、及び（ｂ）テラヘルツ波強度スペクトルを示すグラフである。
【図９】図８（ｂ）に示したテラヘルツ波強度スペクトルから得られる強度比スペクトルを示すグラフである。
【図１０】テラヘルツ波発生装置の第３実施形態の構成を示すブロック図である。
【図１１】図１０に示したテラヘルツ波発生装置における（ａ）励起光強度スペクトル、及び（ｂ）テラヘルツ波強度スペクトルを示すグラフである。
【図１２】テラヘルツ波発生装置の第４実施形態の構成を示すブロック図である。
【図１３】テラヘルツ波発生装置の第５実施形態の構成を示すブロック図である。
【図１４】図１３に示したテラヘルツ波発生装置における（ａ）励起光強度スペクトル、及び（ｂ）テラヘルツ波強度スペクトルを示すグラフである。
【図１５】図１４（ｂ）に示したテラヘルツ波強度スペクトルから得られる強度比スペクトルを示すグラフである。
【図１６】図１３に示したテラヘルツ波発生装置の一例を示す構成図である。
【図１７】テラヘルツ波発生装置の第６実施形態の構成を示すブロック図である。
【図１８】テラヘルツ波発生装置の第７実施形態の構成を示すブロック図である。
【図１９】テラヘルツ波発生装置の第８実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２０】テラヘルツ波発生装置の第９実施形態の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１…レーザ光源、２…スペクトル生成部、３…スペクトル変換部、３０…フォトニック結晶ファイバ、３１、３２…対物レンズ、４、４ａ、４ｂ…スペクトル制御部、４０…波形整形器、４１、４４…回折格子、４２、４３…シリンドリカルミラー、４５…波長マスク、５…テラヘルツ波発生部、５０…非線形光学結晶、５１…放物面ミラー、６…テラヘルツ波検出部、６０…非線形光学結晶、７…反応計測部。
Claims (4)
- テラヘルツ波の発生に用いられる励起光を供給する励起光供給手段と、
入力された光の波長スペクトルを変換するスペクトル変換手段、及び波長スペクトルを制御するスペクトル制御手段を有し、前記励起光供給手段から供給された前記励起光を入力して、その波長スペクトルが前記励起光供給手段から供給された段階とは異なる励起光スペクトルに変形された前記励起光を生成するスペクトル生成手段と、
非線形光学結晶を有し、前記スペクトル生成手段で生成された前記励起光スペクトルを有する前記励起光を前記非線形光学結晶に入力して、テラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生手段とを備え、
前記スペクトル生成手段において、前記スペクトル変換手段はフォトニック結晶ファイバであるとともに、前記スペクトル制御手段は波形整形器であり、前記励起光供給手段側から、前記フォトニック結晶ファイバ、前記波形整形器の順で配置されていることを特徴とするテラヘルツ波発生装置。 - 前記スペクトル生成手段において、前記波形整形器は、２つの回折格子と、前記２つの回折格子の間に配置された波長マスクとを有して構成され、前記波長マスクで波長成分が選択されることによって、前記波長スペクトルが制御されることを特徴とする請求項１記載のテラヘルツ波発生装置。
- 前記テラヘルツ波発生手段で発生された前記テラヘルツ波の一部を検出するテラヘルツ波検出手段を備え、前記テラヘルツ波検出手段による前記テラヘルツ波の検出結果に基づいて、前記スペクトル制御手段による前記波長スペクトルの制御条件を設定または変更することを特徴とする請求項１または２記載のテラヘルツ波発生装置。
- 前記テラヘルツ波発生手段で発生された前記テラヘルツ波が照射される試料に対して設置された反応計測手段による前記試料での反応の計測結果に基づいて、前記スペクトル制御手段による前記波長スペクトルの制御条件を設定または変更することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のテラヘルツ波発生装置。
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