JP5527570B2 - テラヘルツ光源 - Google Patents
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Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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))
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。
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。
2 欠陥部
3 ミラー部
Claims (4)
- 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
ことを特徴とするテラヘルツ光源。 - 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
ことを特徴とする請求項1記載のテラヘルツ光源。 - 前記欠陥部が、ZnTeによって形成されている
ことを特徴とする請求項2記載のテラヘルツ光源。 - 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
ことを特徴とする請求項1、2または3記載のテラヘルツ光源。
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