JP4749156B2 - 電磁波発生装置 - Google Patents
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Description
但し、Δqはポンプ光hν1,hν2の波長を1.0μmより長波長にしたため平行方向では位相整合が得られなくなったため生じた波数の不一致の大きさであり、
Δq=kL−kS−q ・・・・・(2)
である。平行方向の位相整合はおよそ1.0μmが限界波長であると計算され、実験的にもほぼこれに近いことが確認できている。ポンプ光hν1,hν2の波長をYAGレーザの波長1.064μmとした場合、限界波長より6.4%長波長であるが、テラヘルツ電磁波の分散関係からは位相不整合度Δq/qは約3%と計算される。したがって、式(1)から、内部交叉角度θinは,ν3=1THzでは3.2’(分)=0.054°という小さな値を有することが計算できる。
更に、式(1)及び(3)から次の式が得られる。
sinθI=(2Δq/q)1/2 ・・・・・(4)
即ち、出射角θIはk/q倍されるため、内部交叉角度θinよりは相当大きいが0.5THzから4THzにおいて、出射角θIは約10°から14°である。tan14°=0.25であるため、テラヘルツ電磁波hν3の光路Φ3とポンプ光hν1,hν2の光路Φ1,Φ2の重なりは、図3に示すように、およそ80%以上となり、実効的な相互作用距離は結晶長に近くなり高出力を広い範囲の周波数にわたって得ることができる。
図4に示すように、本発明の第1実施例に係る電磁波発生装置は、1.0μmより長波長の第1のポンプ光hν1を出射する第1のポンプ光出射部2と、1.0μmより長波長で、第1のポンプ光hν1とは異なる波長の第2のポンプ光hν2を、波長可変で出射する第2のポンプ光出射部25と、第1のポンプ光hν1と第2のポンプ光hν2との差周波数の電磁波hν3を生成する非線形光学結晶19と、第1のポンプ光hν1と第2のポンプ光hν2との差周波数ν3=1THzにおける外部交叉角度θin extを0.5°以内に調整し、第1のポンプ光及び第2のポンプ光を非線形光学結晶19に入射させる光学系(M1,M2,18)とを備える。ここで、外部交叉角度θin extは結晶外における第1のポンプ光hν1と第2のポンプ光hν2との交叉角度であって内部交叉角度θinとは、ほぼ:
θin ext=nLθin ・・・・・(5)
なる関係を有する。nLはポンプ光周波数での非線形光学結晶19の屈折率であるから、非線形光学結晶19が、GaPの場合は、屈折率nL=3.1程度である。
図6に示すように、本発明の第2実施例に係る電磁波発生装置は、1.0μmより長波長の第1のポンプ光hν1を出射する第1のポンプ光出射部24と、1.0μmより長波長で、第1のポンプ光hν1とは異なる波長の第2のポンプ光hν2を、波長可変で出射する第2のポンプ光出射部25と、第1のポンプ光hν1と第2のポンプ光hν2との差周波数の電磁波hν3を生成する非線形光学結晶19と、第1のポンプ光hν1と第2のポンプ光hν2との差周波数1THzにおける外部交叉角度θin extを0.5°以内に調整し、第1のポンプ光及び第2のポンプ光を非線形光学結晶19に入射させる光学系(M3,M4,M5,18)とを備える。
第3実施例に係る電磁波発生装置は、第1実施例及び第2実施例に係る電磁波発生装置とほぼ同様な構成であるが、非線形光学結晶19の形状が、図6に示すような断面が直角3角形となる3角柱構造である点が異なる。図6のように非線形光学結晶19の断面形状を約30°、60°の直角3角形となし、最長辺の入力面S1からポンプ光hν1,hν2を入射するようにすれば、テラヘルツ電磁波hν3は、電磁波出射面(出力端面)S3からほぼ垂直に取り出すことができる。
第4実施例に係る電磁波発生装置は、図8に示すように、第1のポンプ光hν1を出射する第1のポンプ光出射部24と、第1のポンプ光hν1とは異なる波長の第2のポンプ光hν2を、波長可変で出射する第2のポンプ光出射部25と、第1のポンプ光hν1と第2のポンプ光hν2との差周波数の電磁波hν3を生成する非線形光学結晶19と、第1のポンプ光hν1と第2のポンプ光hν2との外部交叉角度θin extを調整し、第1のポンプ光及び第2のポンプ光を非線形光学結晶19に入射させる光学系18とを備える。そして、第2のポンプ光hν2の周波数と外部交叉角度θin extを連動して変えることにより、非線形光学結晶19から可変波長のテラヘルツ電磁波hν3を発生させる。第1実施例に係る電磁波発生装置と同様に、第1のポンプ光出射部24を機能させるための励起光源16として、1.064μmのパルスを発振するYAGレーザを用い、第2のポンプ光出射部25を機能させる光源として、励起光源(YAGレーザ)16の3倍波で励起する可変波長OPO54を用いる。即ち、図8に示す第4実施例に係る電磁波発生装置においては、第1アッテネータ52とにより第1のポンプ光出射部24が構成され、可変波長OPO54と第2アッテネータ53とにより、第2のポンプ光出射部25が構成されている。
第5実施例に係る電磁波発生装置は、図13に示すように、第1のポンプ光hν1を出射する第1のポンプ光出射部24と、第1のポンプ光hν1とは異なる波長の第2のポンプ光hν2を、波長可変で出射する第2のポンプ光出射部25と、第1のポンプ光hν1と第2のポンプ光hν2との差周波数の電磁波hν3を生成する非線形光学結晶19と、第1のポンプ光hν1と第2のポンプ光hν2との外部交叉角度θin extを調整し、第1のポンプ光及び第2のポンプ光を非線形光学結晶19に入射させる光学系18とを備える。そして、第2のポンプ光hν2の周波数と外部交叉角度θin extを連動して変えることにより、非線形光学結晶19から可変波長のテラヘルツ電磁波hν3を発生させる。更に、図13に示すように、第4実施例に係る電磁波発生装置は第2のポンプ光出射部25と光学系18との間に、タイミング制御機構(手段)27を挿入している。タイミング制御機構(手段)27は、ポンプ光(第1のポンプ光)hν1のパルス及び信号光(第2のポンプ光)hν2のパルスの非線形光学結晶19に到達するタイミングを制御する機能を有する。
第1実施例〜第5実施例に係る電磁波発生装置と同様に、第6実施例に係る電磁波発生装置においても、差周波発生のために2つのポンプ光hν1,hν2を非線形光学結晶19に入射する。但し、第6実施例に係る電磁波発生装置は、図15のように、非線形光学結晶19とともに、第1入射ミラーM21と,第2入射ミラーM22とを搭載するテラヘルツ発生部回転ステージ58を備える。第1入射ミラーM21は、第1のポンプ光hν1を反射し、第1のポンプ光hν1を非線形光学結晶19に入射する角度を調整するように回転可能なミラーである。第2入射ミラーM22は、第2のポンプ光hν2を反射し、第2のポンプ光hν2を非線形光学結晶19に入射する角度を調整するように回転可能なミラーである。このテラヘルツ発生部回転ステージ58は、図15に示すように、非線形光学結晶19の電磁波出射面上の出射点33を中心軸として回転する。このテラヘルツ発生部回転ステージ58の回転角を制御することにより、電磁波出射面に対してある出射角度を持って出射したテラヘルツ電磁波hν3を、任意の周波数において、その出射角度によらず任意の点に集光することが可能である。
第2実施例に係る電磁波発生装置等で説明した第1及び第2のポンプ光源としてのCr添加フォルステライトは、Crの励起準位の寿命が長いため、励起光源16としてのYAGレーザのパルスで励起されてから出力パルスを発生するまで相当の遅れ時間を生じる。この遅れ時間は各種の要因によって異なるので2つのCr添加フォルステライトレーザを図6のように同時に励起光源(YAGレーザ)16で励起しても同時に出力を発生しない場合がある。このタイミングのずれは出力光のパルス幅、数ナノ秒よりも大きくなりえるので、その場合はポンプ光(第1のポンプ光)hν1と信号光(第2のポンプ光)hν2の時間的重なりがないからテラヘルツ電磁波hν3を得ることができない。少しタイミングがずれていればテラヘルツ電磁波出力が小さくなる。このため、第5実施例に係る電磁波発生装置では、図13に示すように、第2のポンプ光出射部25側にタイミング制御機構(手段)27として可変遅延線路56を挿入し、その線路長を可変させ、タイミングを調整した。
第8実施例に係る電磁波発生装置においては、図17に示すようにテラヘルツ電磁波出力をビームスプリッタ9で分割し、検知器8でテラヘルツ強度を検知する。検知器8が出力する検知出力Doutをトリガパルス発生回路10とダブルパルスYAGレーザ6とから構成されるタイミング制御機構(手段)(6,10)に、フィードバックしている。即ち、検知出力Doutを、トリガパルス発生回路10に入力することによりフィードバックループが構成され、最大のテラヘルツ出力が得られるQ−スイッチパルスP2,P3のタイミング差tの最適値を自動的に見出すことができる。他は、第7実施例に係る電磁波発生装置と実質的に同様であるので、重複した説明を省略する。
上記のように、本発明は第1〜第8実施例によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施例、実施例及び運用技術が明らかとなろう。即ち、本発明はここでは記載していない様々な実施例等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
Claims (12)
- 1.0μmより長波長の第1のポンプ光を出射する第1のクロム添加フォルステライトレーザからなる第1のポンプ光出射部と、
1.0μmより長波長で、前記第1のポンプ光とは異なる波長の第2のポンプ光を、波長可変で出射する第2のクロム添加フォルステライトレーザからなる第2のポンプ光出射部と、
電磁波出射面を有し、前記第1のポンプ光と前記第2のポンプ光との差周波数の電磁波を生成し、該電磁波を前記電磁波出射面から出射する非線形光学結晶と、
前記第1のポンプ光と前記第2のポンプ光との外部交叉角度を、差周波数1THzにおいて0.5°以内に調整し、前記第1のポンプ光及び前記第2のポンプ光を前記非線形光学結晶に入射させる光学系と、
前記非線形光学結晶を回転し、前記第1のポンプ光の光軸に対する前記電磁波出射面の角度を制御する角度制御機構
とを備え、前記角度制御機構が、前記第2のポンプ光の周波数と前記外部交叉角度の変化及び前記電磁波出射面の角度の変化とが自動で連動するように、前記非線形光学結晶を回転させることにより、3THzを越える周波数における前記電磁波出射面におけるテラヘルツ電磁波の全反射を防ぎ、3THzを越える周波数範囲を含み、前記電磁波出射面から0.5THzから7THzの間で周波数掃引可能な、可変波長の前記テラヘルツ電磁波を出射させることを特徴とする電磁波発生装置。 - 前記非線形光学結晶は、GaP結晶、ZnGeP2結晶及びGaSe結晶のいずれかであることを特徴とする請求項1に記載の電磁波発生装置。
- 前記第1及び第2のポンプ光源をそれぞれ励起し、前記第1及び第2のポンプ光源から前記第1及び第2のポンプ光を出射させる励起光源を更に備えることを特徴とする請求項1に記載の電磁波発生装置。
- 前記第1のポンプ光のパルス及び前記第2のポンプ光のパルスの前記非線形光学結晶に到達するタイミングを制御するタイミング制御機構を更に備えることを特徴とする請求項3に記載の電磁波発生装置。
- 第1のポンプ光を出射する第1のクロム添加フォルステライトレーザからなる第1のポンプ光出射部と、
前記第1のポンプ光とは異なる波長の第2のポンプ光を、波長可変で出射する第2のクロム添加フォルステライトレーザからなる第2のポンプ光出射部と、
電磁波出射面を有し、前記第1のポンプ光と前記第2のポンプ光との差周波数の電磁波を生成し、該電磁波を前記電磁波出射面から出射する非線形光学結晶と、
前記第1のポンプ光と前記第2のポンプ光との外部交叉角度を調整し、前記第1のポンプ光及び前記第2のポンプ光を前記非線形光学結晶に入射させる光学系と、
前記非線形光学結晶を回転し、前記第1のポンプ光の光軸に対する前記電磁波出射面の角度を制御する角度制御機構と、
前記第1のポンプ光のパルス及び前記第2のポンプ光のパルスの前記非線形光学結晶に到達するタイミングを制御するタイミング制御機構
とを備え、前記角度制御機構が、前記第2のポンプ光の周波数と前記外部交叉角度の変化及び前記電磁波出射面の角度の変化とが自動で連動するように、前記非線形光学結晶を回転させることにより、3THzを越える周波数における前記電磁波出射面におけるテラヘルツ電磁波の全反射を防ぎ、3THzを越える周波数範囲を含み、前記電磁波出射面から0.5THzから7THzの間で周波数掃引可能な、可変波長の前記テラヘルツ電磁波を出射させることを特徴とする電磁波発生装置。 - 前記タイミング制御機構は、前記第1及び第2のポンプ光源をそれぞれ励起する励起光パルスの間の時間差を調整することによりタイミングを制御することを特徴とする請求項5に記載の電磁波発生装置。
- 前記タイミング制御機構は、前記第1のポンプ光源を励起する第1YAGロッドと、前記第2のポンプ光源を励起する第2YAGロッドとを有するダブルパルスYAGレーザを備え、前記第1YAGロッドからの励起光パルスと、前記第2YAGロッドからの励起光パルスとの間の時間差を調整することによりタイミングを制御することを特徴とする請求項5に記載の電磁波発生装置。
- 前記非線形光学結晶から出射した前記テラヘルツ電磁波のビームを分割するビームスプリッタと、
分割された前記ビームの強度を検知し、検知出力を前記タイミング制御機構にフィードバックする検知器
とを更に有し、前記タイミング制御機構は、前記検知出力が最大となるように前記タイミングを制御することを特徴とする請求項5に記載の電磁波発生装置。 - 第1のポンプ光を出射する第1のクロム添加フォルステライトレーザからなる第1のポンプ光出射部と、
前記第1のポンプ光とは異なる波長の第2のポンプ光を、波長可変で出射する第2のクロム添加フォルステライトレーザからなる第2のポンプ光出射部と、
電磁波出射面を有し、前記第1のポンプ光と前記第2のポンプ光との差周波数の電磁波を生成し、該電磁波を前記電磁波出射面から出射する非線形光学結晶と、
前記第1のポンプ光と前記第2のポンプ光との外部交叉角度を調整し、前記第1のポンプ光及び前記第2のポンプ光を前記非線形光学結晶に入射させる光学系と、
前記非線形光学結晶を回転し、前記第1のポンプ光の光軸に対する前記電磁波出射面の角度を制御する角度制御機構
とを備え、前記角度制御機構が、前記第2のポンプ光の周波数、前記外部交叉角度及び前記電磁波出射面の角度が自動で連動して変わるように、前記非線形光学結晶を回転させることにより、3THzを越える周波数における前記電磁波出射面におけるテラヘルツ電磁波の全反射を防ぎ、3THzを越える周波数範囲を含み、前記電磁波出射面から0.5THzから7THzの間で周波数掃引可能な、可変波長の前記テラヘルツ電磁波を出射させることを特徴とする電磁波発生装置。 - 前記電磁波出射面から出射した前記電磁波を反射する第1の非軸放物面鏡と、
該第1の非軸放物面鏡で反射した前記電磁波を反射し、前記第1の非軸放物面鏡に対して線形ステージ上を移動する第2の非軸放物面鏡と、
前記電磁波出射面に対してある出射角度を持って出射した前記電磁波を、その出射角度によらず任意の点に集光するように前記第2の非軸放物面鏡の位置を制御する位置制御装置とを更に備えることを特徴とする請求項9に記載の電磁波発生装置。 - 前記第1のポンプ光を反射し前記第1のポンプ光を前記非線形光学結晶に入射する角度を調整するように回転可能な第1入射ミラーと、前記第2のポンプ光を反射し前記第2のポンプ光を前記非線形光学結晶に入射する角度を調整するように回転可能な第2入射ミラーとを、前記非線形光学結晶とともに搭載し、前記電磁波出射面上の出射点を中心軸として回転するテラヘルツ発生部回転ステージを備え、
該テラヘルツ発生部回転ステージを回転することにより、前記電磁波出射面に対してある出射角度を持って出射した前記電磁波を、その出射角度によらず任意の点に集光することを特徴とする請求項9に記載の電磁波発生装置。 - 前記非線形光学結晶は、GaP結晶、ZnGeP2結晶及びGaSe結晶のいずれかであることを特徴とする請求項9に記載の電磁波発生装置。
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