JP5527570B2 - Terahertz light source - Google Patents
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Description
本発明は、テラヘルツ光源に関する。光と電波の中間に位置するテラヘルツ光は、紙やプラスチック、ビニール、繊維、半導体、脂肪、粉体など様々な物質を透過する特性を持っていることから、分光やイメージング用途の新たな光源として注目されている。
本発明は、かかるテラヘルツ光を発生させるテラヘルツ光源に関する。
The present invention relates to a terahertz light source. Terahertz light, located between light and radio waves, has the property of transmitting various substances such as paper, plastic, vinyl, fiber, semiconductor, fat, and powder, making it a new light source for spectroscopic and imaging applications. Attention has been paid.
The present invention relates to a terahertz light source that generates such terahertz light.
現在、テラヘルツ光を発生させる装置としてフェムト秒レーザがあるが、フェムト秒レーザは非常に高価であり、また、装置自体が大型であるしその取り扱いに非常に注意を要する。このため、企業や大学等の研究室における実験等には使用されているが、生産現場や医療機器やセキュリティ設備等におけるテラヘルツ光の光源として使用することは事実上困難である。 Currently, there is a femtosecond laser as a device that generates terahertz light. However, the femtosecond laser is very expensive, and the device itself is large in size and requires very careful handling. For this reason, it is used for experiments in laboratories of companies and universities, but it is practically difficult to use as a light source of terahertz light in production sites, medical equipment, security facilities, and the like.
生産現場等においても使用できるテラヘルツ光源の開発が進められており、非線形光学結晶等に対して励起光を照射したときに生じる光整流効果を利用した技術が開発されている（特許文献１〜３）。
Development of a terahertz light source that can also be used in production sites has been promoted, and a technique using an optical rectification effect that occurs when excitation light is irradiated to a nonlinear optical crystal or the like has been developed (
特許文献１の技術は、ウェッジ構造を有するZnTe（ジンクテルル）などの非線形光学結晶に対して、励起光として極短レーザーパルス光（波長：〜15fs）を照射することによってテラヘルツ電磁波を発生させるものである。この技術では非線形結晶がウェッジ構造となっており厚さが位置によって異なるので、レーザ光を照射する位置を変えることによって発生するテラヘルツ光の波長を変えることができる。
The technology of
また、特許文献２には、複数のスラブを組み合わせて形成された第１、第２フォトニック結晶を備え、この第１、第２フォトニック結晶間に非線形結晶等の不純物構造を設けた光デバイスが開示されている。この光デバイスでは、不純物構造としてZnTeを用い、このZnTeにスラブ間の空間を通してポンプレーザ光を照射することによって、ZnTeからテラヘルツ光を出力させることができる。そして、光デバイスにおけるZnTeの厚みやフォトニック結晶を構成するスラブの層数を変えれば、出力光のスペクトルや強度を調整できる旨の記載もある。
Further,
さらに、特許文献３には、第１のフォトニック結晶と、この第１のフォトニック結晶の周囲に第２のフォトニック結晶を設けた波長変換装置が開示されており、第２のフォトニック結晶を通して第１のフォトニック結晶に異なる周波数を有する２つの光を入射してテラヘルツ光を発生させる方法が記載されている。この波長変換装置では、第１のフォトニック結晶の周囲に第２のフォトニック結晶を設けることによって、２つの光の差周波を有効に取り出すことができる旨の記載がある。
Furthermore,
しかるに、特許文献１〜３の技術では、ZnTeや第１のフォトニック結晶からテラヘルツ光を発生させることはできるものの、発生するテラヘルツ光が弱く、発生したテラヘルツ光を増幅するものではないから、生産現場等におけるテラヘルツ光の光源として使用することは事実上困難である。
However, in the techniques of
本発明は上記事情に鑑み、高強度のテラヘルツ光を出力でき、かつ、構造をコンパクトにできるテラヘルツ光源を提供することを目的とする。 In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a terahertz light source capable of outputting high-intensity terahertz light and having a compact structure.
第１発明のテラヘルツ光源は、屈折率の異なる層を交互に配設することによって形成された１次元フォトニック結晶から形成されており、該１次元フォトニック結晶は、その内部にテラヘルツ光を発生し得る部材によって形成された欠陥部と、該欠陥部を挟むように配設された、該欠陥部において発生したテラヘルツ光の強度を増幅する一対のミラー部とを備えており、該一対のミラー部は、前記欠陥部が発生するテラヘルツ光を、該欠陥部内で共振させ得る構造に形成されていることを特徴とする。
なお、本明細書において、「テラヘルツ光」とは、電波と光波の間の周波数を有する電磁波であって、0.1〜10ＴＨｚの周波数を有するものを意味している。
第２発明のテラヘルツ光源は、第１発明において、前記欠陥部は、励起光が照射されるとテラヘルツ光を発生する非線形光学結晶であり、前記一対のミラー部を形成する層において、その軸方向と直交する面には、前記励起光の反射を防止する反射防止処理が施されていることを特徴とする。
第３発明のテラヘルツ光源は、第２発明において、前記欠陥部が、ZnTeによって形成されていることを特徴とする。
第４発明のテラヘルツ光源は、第１、第２または第３発明において、前記一対のミラー部は、その軸方向に沿って空気層と固体層とが交互に配設されたものであることを特徴とする。
The terahertz light source of the first invention is formed of a one-dimensional photonic crystal formed by alternately arranging layers having different refractive indexes, and the one-dimensional photonic crystal generates terahertz light therein. And a pair of mirrors arranged to sandwich the defective part and amplifying the intensity of the terahertz light generated in the defective part. The portion is formed in a structure capable of resonating terahertz light generated by the defect portion in the defect portion.
In the present specification, “terahertz light” means an electromagnetic wave having a frequency between radio waves and light waves and having a frequency of 0.1 to 10 THz.
A terahertz light source according to a second invention is the terahertz light source according to the first invention, wherein the defect portion is a non-linear optical crystal that generates terahertz light when irradiated with excitation light, and the axial direction of the layer forming the pair of mirror portions A surface orthogonal to the surface is subjected to an antireflection treatment for preventing the reflection of the excitation light.
A terahertz light source according to a third invention is characterized in that, in the second invention, the defect portion is formed of ZnTe.
A terahertz light source according to a fourth aspect of the present invention is the first, second or third aspect of the present invention, wherein the pair of mirror portions are such that an air layer and a solid layer are alternately arranged along the axial direction thereof. Features.
第１発明によれば、欠陥部が発生したテラヘルツ光を欠陥部内で共振させることができるから、テラヘルツ光源から外部に出力されるテラヘルツ光の強度を増幅することができる。また、欠陥部内で共振できる周波数のテラヘルツ光のみを増幅して出力することができるから、所定の波長のテラヘルツ光のみを出力させることができる。さらに、一次元フォトニック結晶に欠陥部を設けただけであるから、光源をコンパクトな構成とすることができる。
第２発明によれば、ミラー部を透過して欠陥部に供給される励起光が、ミラー部を通過するときに減衰することを防ぐことができ、欠陥部に供給される励起光の強度が低下することを防ぐことができる。すると、欠陥部から発生するテラヘルツ光の強度を強くすることができるので、出力されるテラヘルツ光の強度も強くすることができる。
第３発明によれば、ZnTeは結晶の損傷閾値も高く、テラヘルツ光の発生効率が高いので、光源から出力されるテラヘルツ光を強くすることができる。とくに、励起光として可視光を使用した場合、位相整合が優れているので好ましい。
第４発明によれば、両層の屈折率比が大きくなるので、少ない層数でも高い反射率を得ることができる。
According to the first aspect, since the terahertz light generated in the defect portion can be resonated in the defect portion, the intensity of the terahertz light output from the terahertz light source to the outside can be amplified. In addition, since only the terahertz light having a frequency that can resonate in the defect portion can be amplified and output, only the terahertz light having a predetermined wavelength can be output. Furthermore, since the one-dimensional photonic crystal is merely provided with a defect portion, the light source can be made compact.
According to the second invention, it is possible to prevent the excitation light transmitted through the mirror part and supplied to the defect part from being attenuated when passing through the mirror part, and the intensity of the excitation light supplied to the defect part is reduced. It can be prevented from lowering. Then, since the intensity of the terahertz light generated from the defect portion can be increased, the intensity of the output terahertz light can also be increased.
According to the third invention, ZnTe also has a high crystal damage threshold and high terahertz light generation efficiency, so that the terahertz light output from the light source can be strengthened. In particular, when visible light is used as excitation light, it is preferable because phase matching is excellent.
According to the fourth invention, since the refractive index ratio of both layers is increased, a high reflectance can be obtained even with a small number of layers.
本発明のテラヘルツ光源は、欠陥部を備えた一次元フォトニック結晶からなる部材であって、テラヘルツ光を発生し得る部材によって欠陥部を形成したこと、および、欠陥部を挟むように一対のミラー部を配設したことに特徴を有している。 The terahertz light source of the present invention is a member made of a one-dimensional photonic crystal having a defect portion, wherein the defect portion is formed by a member capable of generating terahertz light, and a pair of mirrors so as to sandwich the defect portion It has the feature that the part is disposed.
まず、本発明のテラヘルツ光源を説明する前に、一次元フォトニック結晶について説明する。 First, before describing the terahertz light source of the present invention, a one-dimensional photonic crystal will be described.
フォトニック結晶とは、内部に周期的な屈折率分布を有する材料であり、屈折率が一次元的に分布しているものが一次元フォトニック結晶である。一次元フォトニック結晶としでは、例えば、図３に示すように、屈折率の異なる２つ物質からなる２層（Ａ層、Ｂ層）が一次元的に交互に配設された結晶を挙げることができる。 A photonic crystal is a material having a periodic refractive index distribution inside, and one having a refractive index distributed one-dimensionally is a one-dimensional photonic crystal. As the one-dimensional photonic crystal, for example, as shown in FIG. 3, a crystal in which two layers (A layer and B layer) made of two substances having different refractive indexes are arranged one-dimensionally alternately is cited. Can do.
一次元フォトニック結晶は、屈折率分布に沿った方向（以下、軸方向という）では、特定の周波数の電磁波の透過率が極端に低くなる性質を有しており、この透過率が極端に低い周波数領域はフォトニックバンドギャップと呼ばれる。
図３に示すように、Ａ層、Ｂ層が、以下（１）式の関係にあるときには、フォトニックバンドギャップは、ｃ／λを中心周波数として形成される。
なお、ｎＡ、ｎＢ各層を形成する物質の屈折率、ｄＡ、ｄＢは各層の厚み、λは電磁波の波長、ｃは光速を示している。
As shown in FIG. 3, when the A layer and the B layer have the relationship of the following expression (1), the photonic band gap is formed with c / λ as the center frequency.
In addition, the refractive index of the substance which forms each layer of n A and n B , d A and d B are the thickness of each layer, λ is the wavelength of the electromagnetic wave, and c is the speed of light.
そして、一次元フォトニック結晶の一部に周期配列を乱す部分（以下、欠陥部という）を設け、この欠陥部が以下（２）式を満たすときには、ｃ／λの周波数を有する電磁波が欠陥部内に生じた場合、ｃ／λの周波数を有する電磁波の定在波が欠陥部に形成される。これは、ｃ／λの周波数の電磁波に対して、一次元フォトニック結晶における欠陥部を挟む部分が共振器として機能するからであり、かかる定在波が欠陥部に形成されると、ｃ／λの周波数の電磁波は欠陥部内において増幅されるのである。
なお、ｎｘは欠陥部を形成する物質の屈折率、ｄＸは欠陥部の厚み、λは電磁波の波長を示している。
The refractive index of n x a substance for forming a defective portion, d X is the thickness of the defect, lambda represents the wavelength of the electromagnetic wave.
以上のごとく、欠陥部を備えた一次元フォトニック結晶では、その屈折率分布に応じた周波数の電磁波を欠陥部内で増強することができるのである。 As described above, in a one-dimensional photonic crystal having a defect portion, an electromagnetic wave having a frequency corresponding to the refractive index distribution can be enhanced in the defect portion.
つぎに、本実施形態のテラヘルツ光源を図面に基づき説明する。
図１は本実施形態のテラヘルツ光源１の概略説明図である。図２は本実施形態のテラヘルツ光源１におけるミラー部３の構図を説明した図である。
Next, the terahertz light source of the present embodiment will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic explanatory diagram of a
図１に示すように、本実施形態のテラヘルツ光源１は、一次元フォトニック結晶からなる部材であって、テラヘルツ光を発生し得る部材によって形成された欠陥部２と、欠陥部２を挟むように配設された一対のミラー部３，３とから構成されている。つまり、欠陥部２と一対のミラー部３，３は、テラヘルツ光源１の軸方向（図１では左右方向）に沿って、ミラー部３、欠陥部２、ミラー部３の順で積層されているのである。
As shown in FIG. 1, the
まず、欠陥部２は、テラヘルツ光を発生し得る部材によって形成されており、例えば、ジンクテルル（ZnTe）やLiTaO３、LiNbO３などの無機非線形光学結晶、有機非線形光学結晶、GaAs、ZnTe、CdTe、GaSeなどの半導体、ポリマー等によって形成されている。これらの材料は、可視光線や紫外光線、近赤外光線等の励起光が照射されると、非線形光学効果の一種である光整流効果によりテラヘルツ光を発生する部材である。
とくに、無機非線形光学結晶であるジンクテルル（ＺｎＴｅ）を欠陥部２に使用すれば、結晶の損傷閾値も高く、テラヘルツ光の発生効率が高いので、光源から出力されるテラヘルツ光を強くすることができる。とくに、励起光として可視光を使用した場合、位相整合が優れているので好ましい。
First, the
In particular, if zinc tellurium (ZnTe), which is an inorganic nonlinear optical crystal, is used for the
ここで、光整流効果とは、２次非線形感受率の大きな物質に光が入射したときに、物質中に電界が発生する効果である。発生電界の大きさは入射光の強度と２次非線形感受率に比例し、発生電界の大きさが大きくなると、発生するテラヘルツ光も大きくなる。 Here, the optical rectification effect is an effect that an electric field is generated in a substance when light is incident on the substance having a large second-order nonlinear susceptibility. The magnitude of the generated electric field is proportional to the intensity of the incident light and the second-order nonlinear susceptibility. When the magnitude of the generated electric field increases, the generated terahertz light also increases.
なお、以下では、欠陥部２が発生するテラヘルツ光を、発生テラヘルツ光という。
さらになお、欠陥部２においてテラヘルツ光を発生させる方法は上記のごとき方法に限られず、光伝導効果等の方法でテラヘルツ光を発生させることができる。そして、かかる方法でテラヘルツ光を発生させる場合には、欠陥部として、例えば、光伝導アンテナ、半導体基板を設ければよい。
Hereinafter, the terahertz light generated by the
Furthermore, the method for generating the terahertz light in the
図１に示すように、一対のミラー部３，３は、欠陥部２を、テラヘルツ光源１の軸方向から挟むように配設されている。
各ミラー部３は、テラヘルツ光源１の軸方向に沿って屈折率の異なる層が交互に配設されている。具体的には、図２に示すように、各ミラー部３は、ポリプロピレンまたは酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等を素材とする前記励起光および前記発生テラヘルツ光を透過しうる光透過性部材３ａと、中空な部材３ｂとを複数枚重ねて形成されている。中空な部材３ｂとは、板状の部材であってその表裏を貫通する貫通孔３ｈが形成された部材である。つまり、各ミラー部３では、テラヘルツ光源１の軸方向に沿って、光透過性部材３ａの層（固体層）と、中空な部材３ｂの貫通孔３ｈの部分（空気層）とが交互に配設されているのである。
As shown in FIG. 1, the pair of
In each
そして、前記欠陥部２は、テラヘルツ光源１の軸方向長さｄｘと、欠陥部２を構成する材料の屈折率ｎｘの積が、欠陥部２が発生するテラヘルツ光のうちテラヘルツ光源１から出力させるテラヘルツ光の波長λ（以下、単に出力テラヘルツ光の波長λという）の１／２の長さとなるように形成されている。
また、前記一対のミラー部３，３を構成する光透過性部材３ａは、その軸方向長さｄＡと、光透過性部材３ａを構成する材料の屈折率ｎＡの積が、出力テラヘルツ光の波長λの１／４の長さとなるように形成されている
そして、中空な部材３ｂは、テラヘルツ光源１の軸方向長さｄＢと、空気の屈折率ｎＢの積が、出力テラヘルツ光の波長λの１／４の長さとなるように形成されている。
Then, the
The
上記のごとき構成であるから、テラヘルツ光源１に対して、テラヘルツ光源１の軸方向から励起光を照射すれば、励起光は、ミラー部３の光透過性部材３ａを透過し、中空な部材３ｂの貫通孔３ｈを通過して、欠陥部２に到達する。すると、光整流効果により欠陥部２がテラヘルツ光を発生する。
すると、発生したテラヘルツ光のうち、波長λのテラヘルツ光に対して一対のミラー部３，３が共振器として機能することによって欠陥部２内で増強されるから、励起光が照射されたときに発生したテラヘルツ光よりも高強度である、波長λのテラヘルツ光をテラヘルツ光源１から出力させることができる。
With the configuration as described above, if the terahertz
Then, among the generated terahertz light, the pair of
しかも、各ミラー部３は、光透過性部材３ａの層（固体層）と空気層とが交互に配設されている。つまり、屈折率の異なる層のうち、一方を空気層としているので、両層の屈折率比が大きくなり、少ない層数でも高い反射率を得ることができる。
In addition, in each
なお、ミラー部３は、少なくとも光透過性部材３ａが２層と、中空な部材３ｂが１層必要であるが、光透過性部材３ａおよび中空な部材３ｂを設ける数はとくに限定されない。つまり、欠陥部２に光透過性部材３ａが接し、この光透過性部材３ａから交互に中空な部材３ｂと光透過性部材３ａとが配設されていればよい。原則として、中空な部材３ｂおよび光透過性部材３ａを設ける数が多くなるほど、欠陥部２内にテラヘルツ光を閉じ込めて増強する効果が高くなり、出力されるテラヘルツ光源１の強度を強くすることができる。
In addition, although the
具体的には、欠陥部２で発生した発生したテラヘルツ光のうち、波長λのテラヘルツ光の増強度Ｇは、以下の（３）式で表される。
例えば、ミラー部３の周期がＮ＝１の場合とは、光透過性部材３ａが２層、中空な部材３ｂが１層の場合であり、ミラー部３の周期がＮ＝２の場合とは、光透過性部材３ａが３層、中空な部材３ｂが２層の場合である。なお、図１のテラヘルツ光源１は、周期がＮ＝２のミラー部３を有するテラヘルツ光源１である。
Specifically, the enhancement G of the terahertz light having the wavelength λ among the generated terahertz light generated in the
For example, the case where the period of the
また、式（３）からも分かるように、光透過性部材３ａの屈折率と空気の屈折率との差が大きいほど、テラヘルツ光を増幅させる効果が大きくなるので、光透過性部材３ａは大きい屈折率を有するものが好ましい。
さらになお、ミラー部３において、中空な部材３ｂに代えて、貫通孔を有しない板状部材を設けてもよい。この場合、板状部材には、励起光の透過性は高いが吸収性は低いものが好ましいのはいうまでもない
Further, as can be seen from the equation (3), the greater the difference between the refractive index of the
Furthermore, in the
また、欠陥部２に励起光を照射したときに発生するテラヘルツ光は、励起光の強度が強いほど発生するテラヘルツ光の強度も強くなる。
励起光は一方のミラー部３を通過して欠陥部２に供給されるので、ミラー部３を構成する光透過性部材３ａの表面において励起光が一部反射されたり、光透過性部材３ａにより励起光が吸収されたりする。すると、欠陥部２に供給される励起光の強度が減衰し、励起光を照射したときに欠陥部から発生するテラヘルツ光が弱くなる可能性がある。
In addition, the terahertz light generated when the
Since the excitation light passes through one
そこで、本実施形態のテラヘルツ光源１において、励起光が入射される側に位置するミラー部３を形成する光透過性部材３ａの表裏両面に励起光の反射を低減防止する反射防止処理を施すことが好ましい。つまり、励起光が入射される側に位置するミラー部３の光透過性部材３ａにおいて、その軸方向と直交する面３ｓに励起光の反射を低減防止する反射防止処理を施すことが好ましい。
Therefore, in the terahertz
反射防止処理は、光透過性部材３ａ表面において、その表面で反射する反射光を打ち消しあうような干渉を生じさせる光学膜（反射防止膜）を形成する処理である。
そして、本実施形態のテラヘルツ光源１における光透過性部材３ａの面３ｓに上記のごとき反射防止処理を行って反射防止膜を形成すれば、光透過性部材３ａの面３ｓにおける励起光の表面反射および裏面反射を防ぐことができる。すると、ミラー部３を透過するときにおける励起光が減衰を防ぐことができるから、欠陥部２に供給される励起光の強度が低下することを防ぐことができる。よって、欠陥部２から発生するテラヘルツ光の強度自体を強くすることができるので、外部に出力されるテラヘルツ光の強度も強くすることができる。
The antireflection treatment is a treatment for forming an optical film (antireflection film) that causes interference on the surface of the
Then, if the antireflection film is formed on the
以下に、反射防止処理によって光透過性部材３ａ表面に形成される反射防止膜について、説明する。
The antireflection film formed on the surface of the
単層薄膜の反射防止膜を基板（本実施例のテラヘルツ光源１であれば光透過性部材３ａ）形成する場合において、基板の屈折率をnS、薄膜の屈折率をnf（nS＞nf）とする。すると、薄膜表面での振幅反射と、薄膜と基板との界面での振幅反射が等しく、両振幅反射の位相がπだけずれていれば、両振幅反射が打ち消うような干渉が生じ、基板表面での反射が低減される。
In the case of forming a single-layer thin-film antireflection film on the substrate (the
具体的には、光が基板に対して垂直入射するとした場合、薄膜の光学膜厚ｄ、および、薄膜の屈折率nfを以下の式（４）、（５）を満たすようにする。なお、λは反射を防止する光の波長（特定波長）であり、n0は入射媒質（本実施例のテラヘルツ光源１であれば空気）の屈折率である。
例えば、ガラス基板(ns=1.52)と空気(n0)の間に反射防止膜を形成する場合であれば、nf=1.23の材料を光学膜厚がλ/4となるように積層する必要がある。
しかし、実際には、膜を形成する基板に対して上記のごとき条件を満たす適当な屈折率材料がない場合が多い。
そこで、高屈折率層と低屈折率層を有する多層膜を形成し、特定波長λの1/4あるいはその奇数倍の光学膜厚で、高屈折率層と低屈折率層とを交互に積層させることによって、上記のごとき条件を満たす反射防止膜を形成することが可能である。
For example, when an antireflection film is formed between a glass substrate (n s = 1.52) and air (n 0 ), a material of n f = 1.23 is laminated so that the optical film thickness is λ / 4. There is a need.
However, in practice, there are many cases where there is no appropriate refractive index material that satisfies the above conditions for the substrate on which the film is formed.
Therefore, a multilayer film having a high refractive index layer and a low refractive index layer is formed, and a high refractive index layer and a low refractive index layer are alternately laminated with an optical film thickness that is 1/4 of the specific wavelength λ or an odd multiple thereof. Therefore, it is possible to form an antireflection film that satisfies the above conditions.
図４に示すように、ポリプロピレンシート（Polypropylene（PP）（ｎ１＝1.48）、ｄ１＝99μｍ）の表面に、高屈折率層の物質がポリビニルカルバゾール(Polyvinyl carbazole(PVK))（ｎ２=1.68、ｄ２=119nm）、低屈折率層の物質がセルロースアセテート(Cellulose acetate (CA))（ｎ３=1.46〜1.50、ｄ３=133〜136nm）である多層膜を形成する。すると、この多層膜は、ポリプロピレンシートと空気との界面における、励起可視光の反射を防止する反射防止膜として機能する。 As shown in FIG. 4, on the surface of a polypropylene sheet (Polypropylene (PP) (n 1 = 1.48), d 1 = 99 μm), the material of the high refractive index layer is polyvinyl carbazole (PVK) (n 2 = 1.68, d 2 = 119 nm), and a multilayer film in which the material of the low refractive index layer is cellulose acetate (CA) (n 3 = 1.46 to 1.50, d 3 = 133 to 136 nm) is formed. Then, this multilayer film functions as an antireflection film that prevents reflection of excitation visible light at the interface between the polypropylene sheet and air.
なお、上記のごとき多層膜を形成する処理は、例えば、面３ｓに無機ガラス系の物質からなる誘電体多層膜を形成する処理や、面３ｓにスピンコートにより有機ポリマー系の物質からなる層を形成する処理等を挙げることができるが、これらの処理に限定されない。
また、光透過性部材３ａにおける反射防止処理は、励起光が入射される側の光透過性部材３ａにのみ行ってもよいが、励起光が入射される側の光透過性部材３ａに加えて、欠陥部２から発生するテラヘルツ光が出射される側の光透過性部材３ａにも反射防止処理を行ってもよい。
そして、反射防止膜を設けても、反射防止膜の膜厚はテラヘルツ光の波長とくらべ非常に薄いので、反射防止膜によるテラヘルツ光の減衰はほとんど生じず、また、テラヘルツ光源１の光整流効果においても反射防止膜の膜厚はほとんど無視することができる。
The process for forming a multilayer film as described above is, for example, a process for forming a dielectric multilayer film made of an inorganic glass material on the
The antireflection treatment in the
Even when the antireflection film is provided, the film thickness of the antireflection film is very thin compared to the wavelength of the terahertz light, so that the terahertz light is hardly attenuated by the antireflection film, and the optical rectification effect of the terahertz
本発明のテラヘルツ光源において、ミラー部の周期が出力されるテラヘルツ光の強度に与える影響を確認するために、ミラー部の周期Ｎが、Ｎ＝１の場合とＮ＝２の場合において、テラヘルツ光源から出力されるテラヘルツ光の強度を比較した。 In the terahertz light source of the present invention, in order to confirm the influence of the period of the mirror part on the intensity of the output terahertz light, the terahertz light source is obtained when the period N of the mirror part is N = 1 and N = 2. The intensities of the terahertz light output from are compared.
テラヘルツ光源には、ミラー部が固体層と空気層とからなる一次元フォトニック結晶において、一対のミラー部間に欠陥部を設けたものを使用した（図１参照）。
実験に使用したテラヘルツ光源の欠陥部、ミラー部が固体層および空気層は、以下のように設計した。
欠陥部： ZnTe結晶（屈折率ｎ＝2.92）、厚さ1000μｍ
固体層：ポリプロピレンシート（屈折率ｎ＝1.48）、厚さ99μｍ
空気層：空気（屈折率ｎ＝1）、厚さ146μｍ
なお、ミラー部の周期がＮ＝１の場合とは、固体層が２層、空気層が１層の場合であり、ミラー部の周期がＮ＝２の場合とは、固体層が３層、空気層が２層の場合である。なお、図１のテラヘルツ光源が、周期がＮ＝２のミラー部を有するテラヘルツ光源である。
As the terahertz light source, a one-dimensional photonic crystal in which a mirror part is composed of a solid layer and an air layer, in which a defect part is provided between a pair of mirror parts, was used (see FIG. 1).
The defect part of the terahertz light source used in the experiment, the mirror part, the solid layer, and the air layer were designed as follows.
Defect: ZnTe crystal (refractive index n = 2.92), thickness 1000μm
Solid layer: Polypropylene sheet (refractive index n = 1.48), thickness 99μm
Air layer: Air (refractive index n = 1), thickness 146μm
In addition, the case where the period of the mirror part is N = 1 is a case where the solid layer is two layers and the air layer is one layer, and the case where the period of the mirror part is N = 2 is that the solid layer is three layers, This is a case where there are two air layers. Note that the terahertz light source in FIG. 1 is a terahertz light source having a mirror portion with a period of N = 2.
また、テラヘルツ光は、欠陥部に励起光を照射することにより発生させた。使用した励起光は、モード同期Ti:Sapphireレーザーから発振されたフェムト秒パルス光である。 The terahertz light was generated by irradiating the defect with excitation light. The pumping light used is femtosecond pulsed light oscillated from a mode-locked Ti: Sapphire laser.
図５はテラヘルツ光源が発生するテラヘルツ光強度を測定する実験装置（THz-TDS系）の概略説明図である。本実施例では、テラヘルツ光源が発生するテラヘルツ光強度は電気光学（ElectroOptic：EO）サンプリング法を利用して検出している。EOサンプリング法は、外部電界によって屈折率が変化するEO結晶の性質（電気光学効果）を利用して、フェムト秒レーザーパルスの偏光制御により超高速過渡応答信号を検出する方法である。
以下、この実験装置におけるEOサンプリング法を利用したテラヘルツ光強度の検出を説明する。
FIG. 5 is a schematic explanatory diagram of an experimental apparatus (THz-TDS system) for measuring the intensity of terahertz light generated by a terahertz light source. In this embodiment, the terahertz light intensity generated by the terahertz light source is detected by using an electro-optic (EO) sampling method. The EO sampling method is a method of detecting an ultra-fast transient response signal by controlling the polarization of a femtosecond laser pulse by utilizing the property (electro-optic effect) of an EO crystal whose refractive index changes with an external electric field.
Hereinafter, detection of the terahertz light intensity using the EO sampling method in this experimental apparatus will be described.
まず、モード同期Ti:Sapphireレーザーからフェムト秒パルスを発振する。発振されたフェムト秒パルスは、ペリクルビームスプリッターによりポンプ光とプローブ光の二つに分けられ、ポンプ光は光チョッパーを用い約3kHzの周波数で振幅変調を掛けた状態で、本発明のテラヘルツ光源の欠陥部に照射される。すると、本発明のテラヘルツ光源の欠陥部ではテラヘルツ光が発生し、発生したテラヘルツ光は、ポンプ光と同軸かつ入射側と反対側に出力される。 First, a femtosecond pulse is oscillated from a mode-locked Ti: Sapphire laser. The oscillated femtosecond pulse is divided into the pump light and the probe light by the pellicle beam splitter, and the pump light is amplitude-modulated at a frequency of about 3 kHz using an optical chopper, and the terahertz light source of the present invention is used. Irradiates the defective part. Then, terahertz light is generated in the defect portion of the terahertz light source of the present invention, and the generated terahertz light is output coaxially with the pump light and opposite to the incident side.
なお、レーザーのスポットには広がりがあるので、ポンプ光をレンズにより集光させた状態でテラヘルツ光源に照射している。
さらになお、テラヘルツ光源の出力側には黒い紙を置いている。テラヘルツ光源に照射されたポンプ光は、欠陥部においてテラヘルツ光の発生に寄与するとともにテラヘルツ光源を通過するが、このテラヘルツ光源を通過したポンプ光がテラヘルツ光を検出するテラヘルツ光検出素子に入射すると、テラヘルツ光強度の検出精度に影響を与える。上述したように、テラヘルツ光源の直後に黒い紙を置いておけば、黒い紙は可視光に対しては不透明だが、テラヘルツ光に対しては透明であるので、ポンプ光を黒い紙で遮断することができ、検出精度に影響を与えることを防ぐことができる。
Since the laser spot is wide, the terahertz light source is irradiated with the pump light condensed by the lens.
Furthermore, black paper is placed on the output side of the terahertz light source. The pump light irradiated to the terahertz light source contributes to the generation of terahertz light in the defect portion and passes through the terahertz light source.When the pump light that has passed through the terahertz light source enters the terahertz light detection element that detects the terahertz light, Affects the detection accuracy of terahertz light intensity. As described above, if black paper is placed immediately after the terahertz light source, black paper is opaque to visible light but transparent to terahertz light, so pump light should be blocked by black paper. It is possible to prevent the detection accuracy from being affected.
テラヘルツ光源から発生したテラヘルツ光は、軸はずし放物面鏡（焦点距離約15cm）で平行光線にした後、もう一つの軸はずし放物面鏡（焦点距離約15cm）でテラヘルツ光検出素子（ZnTe）に入射される。
なお、軸はずし放物面鏡とテラヘルツ光検出素子との間には、ペリクルビームスプリッターが設けられている。しかし、ペリクルビームスプリッターはその厚みが2μmとテラヘルツ光の波長に対して非常に薄いため、テラヘルツ光はペリクルビームスプリッターを透過して、テラヘルツ光検出素子であるZnTeに入射される。
The terahertz light generated from the terahertz light source is converted into parallel rays by an off-axis parabolic mirror (focal length of about 15 cm), and then the terahertz light detecting element (ZnTe) by another off-axis parabolic mirror (focal length of about 15 cm). ).
A pellicle beam splitter is provided between the off-axis parabolic mirror and the terahertz light detection element. However, since the thickness of the pellicle beam splitter is 2 μm, which is very thin with respect to the wavelength of the terahertz light, the terahertz light passes through the pellicle beam splitter and is incident on ZnTe which is a terahertz light detection element.
一方、ペリクルビームスプリッターによりポンプ光と分離されたプローブ光は、回転NDフィルターでその強度を調整される。強度が調整されたプローブ光は、偏光板で完全な直線偏光にした後、光学ステージでポンプ光に対して時間遅延を与えてから、テラヘルツ光検出素子に入射される。なお、プローブ光は、軸はずし放物面鏡とテラヘルツ光検出素子との間に位置するペリクルビームスプリッターで反射されてからテラヘルツ光検出素子に入射する。 On the other hand, the intensity of the probe light separated from the pump light by the pellicle beam splitter is adjusted by the rotating ND filter. The probe light whose intensity has been adjusted is made to be completely linearly polarized light by a polarizing plate, and then a time delay is given to the pump light by an optical stage, and then incident on a terahertz light detecting element. The probe light is reflected by a pellicle beam splitter located between the off-axis parabolic mirror and the terahertz light detection element, and then enters the terahertz light detection element.
テラヘルツ光検出素子に入射されたプローブ光はテラヘルツ光検出素子を通過し、λ/4板を通された後、ウォラストンプリズムで互いに直交する二つの偏光成分に分けられる。
そして、二つの偏光成分に分けられた光を、バランス検出器によってロックイン検出すれば、テラヘルツ光の強度を検出することができる。
The probe light incident on the terahertz light detecting element passes through the terahertz light detecting element, passes through the λ / 4 plate, and then is divided into two polarization components orthogonal to each other by the Wollaston prism.
The intensity of the terahertz light can be detected by detecting the light divided into two polarization components by lock-in detection using a balance detector.
ロックイン検出したときにテラヘルツ光の強度が検出できる原理は以下のとおりである。
テラヘルツ光検出素子にプローブ光のみが入射されている場合、λ/4板を通されたプローブ光は円偏光となるため、直交する二つの偏光成分の強度は同じになる。
これに対し、テラヘルツ光とプローブ光が同時にテラヘルツ光検出素子に入射している場合、テラヘルツ光検出素子（ZnTe）はテラヘルツ光の電場によって複屈折を誘起されているため、プローブ光は楕円偏光に変化する。すると、λ/4板を通されたプローブ光は楕円偏光に変化されるので、直交する二つの偏光成分の強度に差が生じる。この差をバランス検出器で測定すれば、テラヘルツ光検出素子におけるテラヘルツ光の電場を検出でき、この電場に基づいてテラヘルツ光検出素子に入射しているテラヘルツ光の強度を検出することができるのである。
The principle that the intensity of terahertz light can be detected when lock-in is detected is as follows.
When only the probe light is incident on the terahertz light detecting element, the probe light that has passed through the λ / 4 plate is circularly polarized, so that the intensity of two orthogonal polarization components are the same.
In contrast, when terahertz light and probe light are simultaneously incident on the terahertz light detection element, the terahertz light detection element (ZnTe) is induced to birefringence by the electric field of the terahertz light, so that the probe light becomes elliptically polarized light. Change. Then, since the probe light passed through the λ / 4 plate is changed to elliptically polarized light, a difference occurs in the intensity of two orthogonally polarized components. If this difference is measured with a balance detector, the electric field of the terahertz light in the terahertz light detecting element can be detected, and the intensity of the terahertz light incident on the terahertz light detecting element can be detected based on this electric field. .
そして、プローブ光を時間遅延させることによって、プローブ光が検出素子に到達するタイミングをずらせば、異なるタイミングにおけるテラヘルツ光の強度を検出できるから、テラヘルツ光の時間波形を計測することができる。すると、テラヘルツ光の時間波形をフーリエ変換することにより周波数領域における振幅と位相情報の両方を一度に得ることができるのである。 Then, by delaying the probe light in time, if the timing at which the probe light reaches the detection element is shifted, the intensity of the terahertz light at different timings can be detected, so that the time waveform of the terahertz light can be measured. Then, both amplitude and phase information in the frequency domain can be obtained at a time by performing Fourier transform on the time waveform of the terahertz light.
なお、バランス検出器において検出されるテラヘルツ光の検出精度を高くするために、プローブ光は、バランス検出器に入射する二つの光のパワーが0.1〜1mWとなるように、回転NDフィルターで調整されており、また、テラヘルツ光（信号光）とプローブ光の強度比が約1：2となるように、λ/4板で調整した。バランス検出器の特性上、このような条件にするとS/Nが良くTHz波を検出できる。 In order to increase the detection accuracy of terahertz light detected by the balance detector, the probe light is adjusted by a rotating ND filter so that the power of the two lights incident on the balance detector is 0.1 to 1 mW. In addition, adjustment was made with a λ / 4 plate so that the intensity ratio of terahertz light (signal light) to probe light was about 1: 2. Due to the characteristics of the balance detector, T / S waves can be detected with good S / N under such conditions.
以下に実験結果を示す。
図６はＮ＝１の場合とＮ＝２の場合におけるテラヘルツ光源から発生したテラヘルツ光の時間波形のフーリエ変換スペクトルを示した図である。
図６に示すように、Ｎ＝２の場合、Ｎ＝１の場合に比べて、発生したテラヘルツ光の振幅が大きい部分が見られる。最大では、0.67THz付近において振幅が3.8倍となっており、周期が増えることによって、テラヘルツ光源から外部に出力できるテラヘルツ光の強度を強くすることができることが確認できる。
The experimental results are shown below.
FIG. 6 is a diagram illustrating a Fourier transform spectrum of a time waveform of terahertz light generated from a terahertz light source when N = 1 and N = 2.
As shown in FIG. 6, when N = 2, a portion where the amplitude of the generated terahertz light is larger than that when N = 1 is observed. At maximum, the amplitude is 3.8 times around 0.67 THz, and it can be confirmed that the intensity of terahertz light that can be output from the terahertz light source can be increased by increasing the period.
本発明のテラヘルツ光源において、反射防止処理を行った場合において、この反射防止処理が出力されるテラヘルツ光の強度に与える影響を確認した。
実験は、ZnTe結晶（ミラー部なし）から出力されるテラヘルツ光の強度と、実施例１のテラヘルツ光源の固体層（ポリプロピレンシート）の表面に反射防止膜を設けたテラヘルツ光源（実施例２）場合における出力されるテラヘルツ光の強度を比較した。
In the terahertz light source of the present invention, when the antireflection treatment was performed, the influence of the antireflection treatment on the intensity of the output terahertz light was confirmed.
In the experiment, the intensity of the terahertz light output from the ZnTe crystal (without the mirror part) and the terahertz light source (Example 2) in which an antireflection film is provided on the surface of the solid layer (polypropylene sheet) of the terahertz light source of Example 1 We compared the intensities of terahertz light output at.
実施例２のテラヘルツ光源におけるミラー部の周期はＮ＝３である。
反射防止膜は、励起光を入射する側に位置するミラー部の固体層、テラヘルツ光が出力される側に位置するミラー部の固体層の両方に設けている。また、反射防止膜は、固体層側から高屈折率物質の層、低屈折率物質の層、の順で両者が交互に並ぶように形成しており（図４参照）、反射防止膜の各層を形成する物質は、以下のとおりである。
The period of the mirror part in the terahertz light source of Example 2 is N = 3.
The antireflection film is provided on both the solid layer of the mirror part positioned on the side where the excitation light is incident and the solid layer of the mirror part positioned on the side where the terahertz light is output. Further, the antireflection film is formed so that both of the layers of the high refractive index material and the low refractive index material are alternately arranged in this order from the solid layer side (see FIG. 4). The substances that form are as follows.
高屈折率物質：ポリビニルカルバゾール(Polyvinyl carbazole(PVK))（n=1.68、d=119nm）
低屈折率物質：セルロースアセテート(Cellulose acetate (CA))（n=1.46〜1.50、d=133〜136nm）
積層数：PVK１層、CA１層
成膜方法：スピンコート法（スピナー（共和理研製、型番 K-359SD-1））
High refractive index material: Polyvinyl carbazole (PVK) (n = 1.68, d = 119nm)
Low refractive index material: Cellulose acetate (CA) (n = 1.46-1.50, d = 133-136nm)
Number of layers:
スピンコート法により各層を形成するときには、PVK溶液およびCA溶液を使用するが、各溶液の濃度は、４０g/l（PVK溶液）、３５g/l（CA溶液）である。なお、CAの溶媒にはPVKを溶解しないジアセトンアルコール、PVKの溶媒にはCAを溶解しないクロロベンゼンを用いている。
また、PVK層を形成するときにおける スピナーの回転数は5000r/min.であり、CA層を形成するときにおける スピナーの回転数は6000r/min.である。
When each layer is formed by spin coating, a PVK solution and a CA solution are used. The concentration of each solution is 40 g / l (PVK solution) and 35 g / l (CA solution). Note that diacetone alcohol that does not dissolve PVK is used as the solvent for CA, and chlorobenzene that does not dissolve CA is used as the solvent for PVK.
The spinner rotation speed when forming the PVK layer is 5000 r / min., And the spinner rotation speed when forming the CA layer is 6000 r / min.
なお、テラヘルツ光強度は、実施例１の場合と同様に、図５に示す実験装置（THz-TDS系）により測定した。 The terahertz light intensity was measured by the experimental apparatus (THz-TDS system) shown in FIG.
結果を図７に示す。図７に示すように、ZnTe結晶のみからなる光源から出力されるテラヘルツ光（比較光）では、1.0THz、1.3THz、1.5THz、および2.0THz付近に大きな振幅が確認できる。一方、実施例２のテラヘルツ光源（THz-１DPC）から出力されるテラヘルツ光（実施光）では、1.0THz、1.3THz、および2.0THz付近において、大きな振幅が確認できる。
そして、1.0THz付近の振幅は、比較光と実施光ははほぼ同程度となっているが、1.3THzおよび2.0THz付近の振幅は、実施光の振幅が比較光の振幅よりも大きくなっている。とくに、2.0THz付近の振幅は、実施光の振幅が比較光の振幅の約２倍となった。
The results are shown in FIG. As shown in FIG. 7, in the terahertz light (comparative light) output from the light source made of only the ZnTe crystal, large amplitudes can be confirmed in the vicinity of 1.0 THz, 1.3 THz, 1.5 THz, and 2.0 THz. On the other hand, in the terahertz light (execution light) output from the terahertz light source (THz-1DPC) of Example 2, large amplitudes can be confirmed in the vicinity of 1.0 THz, 1.3 THz, and 2.0 THz.
The amplitude near 1.0THz is almost the same for the comparison light and the execution light, but the amplitudes near 1.3THz and 2.0THz are larger than the amplitude of the comparison light. . In particular, for the amplitude around 2.0 THz, the amplitude of the execution light was about twice the amplitude of the comparison light.
以上のことから、ミラー部の固体層に反射防止膜を形成することにより、ZnTeを欠陥層に含むテラヘルツ光源では、発生するテラヘルツ光における特定の周波数の振幅を、ZnTe結晶のみからなる光源から発生するテラヘルツ光の振幅よりも大きくすることができ、出力されるテラヘルツ光を増強できることが確認できる。 From the above, by forming an antireflection film on the solid layer of the mirror part, a terahertz light source containing ZnTe in the defect layer generates a specific frequency amplitude in the generated terahertz light from a light source consisting only of ZnTe crystals It can be confirmed that the terahertz light can be made larger than the amplitude of the terahertz light and the output terahertz light can be enhanced.
本発明のテラヘルツ光源は、生産現場や医療機器やセキュリティ設備等におけるテラヘルツ光の光源に適している。 The terahertz light source of the present invention is suitable as a terahertz light source in production sites, medical devices, security facilities, and the like.
１ テラヘルツ光源
２ 欠陥部
３ ミラー部
1 Terahertz
Claims (4)
該１次元フォトニック結晶は、
その内部にテラヘルツ光を発生し得る部材によって形成された欠陥部と、
該欠陥部を挟むように配設された、該欠陥部において発生したテラヘルツ光の強度を増幅する一対のミラー部とを備えており、
該一対のミラー部は、
前記欠陥部が発生するテラヘルツ光を、該欠陥部内で共振させ得る構造に形成されている
ことを特徴とするテラヘルツ光源。 It is formed from a one-dimensional photonic crystal formed by alternately arranging layers having different refractive indexes,
The one-dimensional photonic crystal is
A defect formed by a member capable of generating terahertz light inside,
A pair of mirror parts that are disposed so as to sandwich the defect part and amplify the intensity of the terahertz light generated in the defect part ,
The pair of mirror parts is
A terahertz light source, wherein the terahertz light generated by the defect portion is formed in a structure capable of resonating in the defect portion.
前記一対のミラー部を形成する層において、その軸方向と直交する面には、前記励起光の反射を防止する反射防止処理が施されている
ことを特徴とする請求項１記載のテラヘルツ光源。 The defect portion is a nonlinear optical crystal that generates terahertz light when irradiated with excitation light,
2. The terahertz light source according to claim 1, wherein in the layer forming the pair of mirror portions, an antireflection treatment for preventing reflection of the excitation light is performed on a surface orthogonal to an axial direction thereof.
ことを特徴とする請求項２記載のテラヘルツ光源。 The terahertz light source according to claim 2, wherein the defect portion is made of ZnTe.
その軸方向に沿って空気層と固体層とが交互に配設されたものである
ことを特徴とする請求項１、２または３記載のテラヘルツ光源。 The pair of mirror parts is
4. The terahertz light source according to claim 1, wherein air layers and solid layers are alternately arranged along the axial direction.
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