テラヘルツ波ビーム走査装置と方法
【課題】テラヘルツ波ビームを高速かつ広い角度で走査することができるテラヘルツ波ビーム走査装置と方法を提供する。
【解決手段】異なる波長を持つ第１レーザー光１と第２レーザー光２を発生させるレーザー装置１２と、第１レーザー光１と第２レーザー光２を同一の共通焦点１４ｂに集光させるレーザー光学系１４と、前記共通焦点に位置し差周波混合によりテラヘルツ波ビーム４を発生させるテラヘルツ発生器１６とを備える。レーザー光学系１４は、テラヘルツ発生器への第１レーザー光と第２レーザー光と間の相対的入射θｉを変更可能に構成されている。
【解決手段】異なる波長を持つ第１レーザー光１と第２レーザー光２を発生させるレーザー装置１２と、第１レーザー光１と第２レーザー光２を同一の共通焦点１４ｂに集光させるレーザー光学系１４と、前記共通焦点に位置し差周波混合によりテラヘルツ波ビーム４を発生させるテラヘルツ発生器１６とを備える。レーザー光学系１４は、テラヘルツ発生器への第１レーザー光と第２レーザー光と間の相対的入射θｉを変更可能に構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ波ビームを走査するテラヘルツ波ビーム走査装置と方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ波は、電波と赤外線の中間に位置し、周波数が０．３〜１０ＴＨｚ（波長３０μｍ〜１ｍｍ）の電磁波である。そのためテラヘルツ波は、紙やプラスティック等の様々な物質に対する透過性と、適度な空間分解能を有し、様々な物体の透視イメージングの実用的ツールとして期待され、これまでの研究でその有用性が確認されている。
【０００３】
しかし、テラヘルツ波を用いた従来の透視イメージングは、テラヘルツ波の集光ビーム（以下、方向性を有するテラヘルツ波を「テラヘルツ波ビーム」と呼ぶ）を試料に照射し、試料自体を機械的に動かしてテラヘルツ波ビームを走査していた。そのため、テラヘルツ波ビームの走査速度は機械的動作で制限され、透視イメージングに長時間を要する問題点があった。
【０００４】
そこで、テラヘルツ波を用いた透視イメージングの高速化のため、試料を固定してテラヘルツ波ビームを走査する手段として、特許文献１〜３が既に提案されている。
【０００５】
特許文献１は、レーザービームの走査にガルバノスキャナミラーを用いるものである。
【０００６】
特許文献２は、フェーズドアレーアンテナを用いて、テラヘルツ波ビームを走査するものである。
この発明は、波長が異なる２つのレーザー光を用いた差周波混合によりテラヘルツ波を発生させる際、アレー素子毎に光の移相器を用いて、レーザー光の位相差をシフトすることで、テラヘルツ波ビームの波面を間接的に傾け、テラヘルツ波ビームを走査するものである。
【０００７】
特許文献３は、特許文献２における多数の光の移相器の代わりに、一つの空間光位相変調器を用いてアレー全体の位相をまとめて制御して、ビームを走査するものである。
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−２２４１４２号公報、「レーザ走査装置およびレーザマーキング装置、ならびにレーザマーキング方法」
【特許文献２】特開２００７−１０３９９７号公報、「電磁波放射装置」
【特許文献３】特開２００８−５２０５号公報、「光制御型フェーズドアレイレーダ装置」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１のガルバノスキャナミラーは、ミラーを機械的に動作させるため、動作速度が最大１ｋＨｚ（１秒間に１０００回）と遅い問題点がある。
【００１０】
また、特許文献２では、アレー素子ごとに光の移相器を用いているが、アレーの規模を大きくする場合、素子数に応じた多数の移相器を使用する必要があるため、装置全体の規模、コストが高くなるという問題点がある。
さらにテラヘルツ帯では、液晶を用いた電気的移相器が研究されているが、これまでは移相量が充分でなく、テラヘルツ波ビームを高速かつ広角度で走査することは困難であった。
【００１１】
また、特許文献３では、多数の移相器の代わりに、一つの空間光変調器を用いているが、変調器の応答速度が遅いため、テラヘルツ波ビームの高速走査には不向きである。
【００１２】
本発明は、かかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち本発明の目的は、テラヘルツ波ビームを高速かつ広い角度で走査することができるテラヘルツ波ビーム走査装置と方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明によれば、異なる波長を持つ第１レーザー光と第２レーザー光を発生させるレーザー装置と、
前記第１レーザー光と第２レーザー光を同一の共通焦点に集光させるレーザー光学系と、
前記共通焦点に位置し差周波混合によりテラヘルツ波ビームを発生させるテラヘルツ発生器と、を備え、
前記レーザー光学系は、テラヘルツ発生器への第１レーザー光と第２レーザー光と間の相対的入射角を変更可能に構成されている、ことを特徴とするテラヘルツ波ビーム走査装置が提供される。
【００１４】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記レーザー光学系は、前記共通焦点より上流側に位置する第１焦点との間に位置し、第１焦点を通過した第１レーザー光を共通焦点に集光させる共焦点レンズ系と、
前記第１焦点と共焦点レンズ系との間に位置し、第１焦点の転写位置を通過した第２レーザー光を共焦点レンズ系の光軸上に反射させるビーム結合器と、
前記第１焦点位置又は転写位置に位置し、そこを通過する第１レーザー光又は第２レーザー光を偏向させるレーザー光偏向装置と、を備える。
【００１５】
前記レーザー光偏向装置は、電気光学偏向器又はガルバノスキャナである。
【００１６】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記レーザー装置は、異なる波長を持つ第１レーザー光と第２レーザー光を同時に発生させる２波長レーザー装置である。
【００１７】
また、本発明の好ましい別の実施形態によれば、前記レーザー装置は、広帯域レーザー光を発生させる広帯域レーザー装置と、前記広帯域レーザー光の波長成分を空間的に分散する分散素子と、分散した広帯域レーザー光を平行にして、その断面形状を一方向に伸びた線状ビームに変換する円筒レンズと、前記線状ビームをほぼ同一の第１線状ビームと第２線状ビームに分割するビームスプリッターと、第１線状ビーム又は第２線状ビームを前記一方向にシフトするシフト光学系とを備え、
第１線状ビームは前記第１レーザー光であり、第２線状ビームは前記第２レーザー光である。
【００１８】
また、本発明によれば、異なる波長を持つ第１レーザー光と第２レーザー光を発生させ、
前記テラヘルツ発生器への第１レーザー光と第２レーザー光と間の相対的入射角を変化させて前記第１レーザー光と第２レーザー光を同一の共通焦点に集光させ、
前記共通焦点に位置するテラヘルツ発生器によりテラヘルツ波ビームを前記入射角を拡大した方向に発生させる、ことを特徴とするテラヘルツ波ビーム走査方法が提供される。
【発明の効果】
【００１９】
上記本発明の装置および方法によれば、レーザー光学系が、テラヘルツ発生器への第１レーザー光と第２レーザー光と間の相対的入射角を変更可能に構成されているので、レーザー装置により異なる波長を持つ第１レーザー光と第２レーザー光を発生させ、レーザー光学系によりテラヘルツ発生器への第１レーザー光と第２レーザー光と間の相対的入射角を変化させて前記第１レーザー光と第２レーザー光を同一の共通焦点に集光させ、前記共通焦点に位置するテラヘルツ発生器（例えば非線形光学素子）によりテラヘルツ波ビームを前記入射角を拡大した方向に発生させる。
【００２０】
また、後述する実施例から明らかなように、テラヘルツ発生器（例えば非線形光学素子）に、異なる波長を持つ第１レーザー光と第２レーザー光（例えば２つの赤外線レーザー）を照射して、差周波混合によりテラヘルツ波ビームを発生させる際、片方のレーザー光の入射角をわずかに変えることにより、その数百倍の広い角度でテラヘルツ波ビームを高速に走査できる。
【００２１】
特に、レーザー光偏向装置として電気光学偏向器を用いて、一方のレーザー光の入射角を制御することにより、テラヘルツ波ビームの走査速度を従来の機械的走査と比べて１０００倍も向上させることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。
【００２３】
（テラヘルツ波ビームの走査原理）
図１は、本発明によるテラヘルツ波ビームの走査原理を示す図である。この図は、テラヘルツ波ビームをそれぞれ（Ａ）左側、（Ｂ）正面、（Ｃ）右側に向ける場合を示している。
この図において、１は第１レーザー光、１ａは第１レーザー光の波面、２は第２レーザー光、２ａは第２レーザー光の波面、３はテラヘルツ発生器（この例では非線形光学素子）、４はテラヘルツ波ビーム、４ａはテラヘルツ波ビームの波面、θｉはテラヘルツ発生器への第１レーザー光１と第２レーザー光２と間の相対的入射角（この例では第１レーザー光１の入射角）、θＴはテラヘルツ波ビームの放射角である。
【００２４】
本発明では、差周波混合における位相の性質を利用している。差周波混合とは、図１（Ｂ）のように、テラヘルツ発生器３（この例では非線形光学素子）に波長が異なる２つのレーザー光１、２（第１レーザー光と第２レーザー光）を照射することでテラヘルツ波ビーム４を発生させる手段である。
これに加えて、図１（Ａ）と図１（Ｃ）に示すように、片方の第１レーザー光１の入射角をわずかに傾けると、もう一つの第２レーザー光２との間に生じる位相差５が位置によって線形的に変化する。このとき、２次の非線形光学効果に基づき、２つのレーザー光１、２から生じる電磁波は数１の式（１）で表される。
【００２５】
【数１】
【００２６】
ここで、Ｅ１、Ｅ２はそれぞれ２つのレーザー光の電界、｜Ｅ１｜、｜Ｅ２｜はそれらの振幅、ω１、ω２はそれらの角周波数、ｔは時間、そしてΔφは２つのレーザー間の位相差を示している。各項に含まれる角周波数に着目するとわかるように、式（１）の各項はそれぞれ直流、第２高調波、和周波、そして差周波成分の信号を表している。ここでは差周波混合によりテラヘルツ波を発生させることから、第４項の式が数２の式（２）のように書き換えられる。
【００２７】
ここで、ωＴはテラヘルツ波の角周波数である。このとき、ω１−ω２＝ωＴ・・・式（２ａ）を満たす。
式（２）が意味するものは、発生するテラヘルツ波の位相が、２つのレーザー光の位相差に等しくなることである。したがって、図１（Ａ）や図１（Ｃ）のように、片方の第１レーザー光１の入射方向を傾けると、各位置から発生するテラヘルツ波ビーム４の位相も変化し、全体から放射するテラヘルツ波ビーム４の波面４ａが傾斜するため、進行方向が傾く。従って、片方の第１レーザー光１の入射角θｉを制御することで、テラヘルツ波ビーム４の走査（図で左右に振ること）ができることになる。
【００２８】
さらに、本発明の最大の特長は、テラヘルツ波ビーム４の走査角の大きさにある。
図１（Ａ）において、第１レーザー光１の入射を左に傾けることにより生じる２つのレーザー光間の位相差は数２の式（３）で表現される。
【００２９】
ここで、ｋｉはレーザー光の波数、ｘは素子上の位置である。また、素子全体から発生するテラヘルツ波ビーム４の位相分布も、同様に数２の式（４）で表される。
【００３０】
ここで、ｋＴはテラヘルツ波の波数である。式（１）と式（２）で説明した位相関係より、φＴ（ｘ）＝Δφｉ（ｘ）・・・式（２ｂ）となることから、これと式（３）、（４）を組み合わせることで、数２の式（５）の関係が導かれる。
【００３１】
【数２】
【００３２】
一般に、テラヘルツ波ビーム４の発生には赤外線レーザーが用いられ、さらに、テラヘルツ波ビーム４の波長は赤外線に比べて数百倍も長い。つまり式（５）中のｋｉ／ｋＴの値が非常に大きいことから、テラヘルツ発生器への第１レーザー光と第２レーザー光と間の相対的入射角（すなわち、第１レーザー光１の入射角θｉ）をわずかに変えるだけで、その数百倍の放射角θＴでテラヘルツ波ビーム４が走査されることを意味する。
【００３３】
図２は、レーザー光の入射角θｉとテラヘルツ波の放射角θＴとの関係を示す図である。
この図に示すように、例えば、レーザー光（上記の例では第１レーザー光１）の入射角θｉを±０．１°振ると、１ＴＨｚの場合に、テラヘルツ波ビーム４の走査範囲（放射角）は±４０°にも及び、広角度のビーム走査が可能となる。
【００３４】
（テラヘルツ波ビーム走査装置の構成）
図３は、本発明によるテラヘルツ波ビーム走査装置の第１実施形態図である。
この図において、本発明のテラヘルツ波ビーム走査装置１０は、レーザー装置１２、レーザー光学系１４、およびテラヘルツ発生器１６を備える。
レーザー装置１２は、異なる波長を持つ第１レーザー光１と第２レーザー光２を発生させる。
【００３５】
レーザー光学系１４は、第１レーザー光１と第２レーザー光２を同一の共通焦点１４ｂに集光させる。また、このレーザー光学系１４は、第１レーザー光１（または第２レーザー光２）のテラヘルツ発生器１６への入射角θｉを変更可能に構成されている。入射角θｉを変更方向、すなわち走査方向は、この例では同一平面内（この図で紙面上）であるが、例えば横方向の角度θと縦方向の角度φのように、２次元的に偏向（走査）してもよい。
【００３６】
レーザー光学系１４は、この例では、共焦点レンズ系１７、ビーム結合器１８、反射ミラー１９およびレーザー光偏向装置２０を備える。
【００３７】
共焦点レンズ系１７は、共通焦点１４ｂとこれより上流側に位置する第１焦点１４ａとの間に位置し、第１焦点１４ａを通過した第１レーザー光１を共通焦点１４ｂに集光させるようになっている。
この例で、共焦点レンズ系１７は、２枚の凸レンズ１７ａ，１７ｂ（又は凸レンズ群）からなり、それぞれ焦点距離Ｆ１，Ｆ２を有し、その間隔がＦ１＋Ｆ２に設定されている。焦点距離Ｆ１，Ｆ２は、同一であるのが好ましいが、相違してもよい。
【００３８】
ビーム結合器１８は、第１焦点１４ａと共焦点レンズ系１７との間に位置し、第１焦点１４ａの転写位置（例えば反射ミラー１９の位置）を通過した第２レーザー光２を共焦点レンズ系１７の光軸上に反射させる。
【００３９】
レーザー光偏向装置２０は、この例では電気光学偏向器であり、第１焦点位置１４ａに位置し、そこを通過する第１レーザー光１を偏向させる。偏向方向、すなわちレーザー光の走査方向は、この例では同一平面内（この図で紙面上）であるが、２次元的に偏向（走査）してもよい。
なお、電気光学偏向器の代わり、又はこれと併用してガルバノスキャナを用い、これを第１焦点１４ａの転写位置又はその近傍に設置して、第２レーザー光２を２次元的に偏向させてもよい。
【００４０】
テラヘルツ発生器１６は、この例では非線形光学素子であり、レーザー光学系１４の共通焦点１４ｂに位置し、差周波混合により入射角θｉを拡大した方向にテラヘルツ波ビーム４を発生させる。
【００４１】
上述した図３の例では、第１レーザー光１の進行方向を高速光偏向器（電気光学偏向器２０）で制御し、ビーム結合器１８を用いて、第２レーザー光２と結合させている。また第１レーザー光１と第２レーザー光２を２枚のレンズ１７ａ，１７ｂを介して非線形光学素子１６へ入射させる。このような構成にするのは、非線形光学素子１６上で第１レーザー光１と第２レーザー光２を重ねたまま、片方（第１レーザー光１）の入射角θｉを変化させるためである。
【００４２】
図４は、本発明のテラヘルツビーム走査装置１０を高速イメージングシステムへ適用する際の構成図である。
この図において、７は測定試料、２２は共焦点レンズ系、２４はテラヘルツ波検出器である。共焦点レンズ系２２は、２枚の凸レンズ２２ａ，２２ｂ（又は凸レンズ群）からなり、それぞれ焦点距離Ｆ３，Ｆ４を有し、その間隔がＦ３＋Ｆ４に設定されている。
【００４３】
この例では、本発明のテラヘルツビーム走査装置１０の下流側に、２枚のレンズ２２ａ，２２ｂとテラヘルツ波検出器２４を付加し、測定試料７をレンズ間に設置する。発生するテラヘルツ波ビーム４は、１枚目のレンズ２２ａを介して、測定試料７に対して垂直方向に進行し、試料７上に集光される。その後、試料７を透過するテラヘルツ波ビーム４はもう一枚のレンズ２２ｂを介してテラヘルツ波検出器２４へ入射する。テラヘルツ波ビーム４を走査すると、焦点が測定試料７上を移動する。また、ビーム４がどの方向に制御される場合でも、つねに検出器２４へ入射する構成になっている。
【実施例１】
【００４４】
図５は、本発明の試験装置の全体構成図である。この図において、レーザー装置１２は、異なる波長を持つ第１レーザー光１と第２レーザー光２を同一位置から同時に、かつ同方向に発生させる２波長レーザー装置（ＯＰＯ）であり、反射ミラー１１ａ，１１ｂ，１１ｃと回折格子１３を用いて、第１レーザー光１をレーザー光偏向装置２０に、第２レーザー光２をビーム結合器１８に、それぞれ偏向させるようになっている。
この例では非線形光学素子１６は、ＰＰＬＮ（非線形光学素子の１つ）であり、レーザー光偏向装置２０は、手動回転ミラーである。またこの図において、１７ｃはλ／２波長板、１７ｄは補助レンズ、２５ａ，２５ｂは放物面鏡、２６はナイフエッジ、２７はボロメータ、２８はオシロスコープである。
【００４５】
本発明の発明者は、図５で示したテラヘルツ波ビーム走査装置１０を製作し、本発明の原理を実証する試験を行った。
この試験では、波長がそれぞれ１３００ｎｍ、１３０６．８ｎｍの第１レーザー光１と第２レーザー光２を周期分極反転構造を持つニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）結晶（ＰＰＬＮと呼ばれる）に入射して、周波数１．２ＴＨｚのテラヘルツ波４を発生させた。ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）結晶は、上述した非線形光学素子１６の１つである。
【００４６】
図６は、レーザー光１の入射角θｉを変化させた際のテラヘルツ波ビーム４の強度分布を示す図である。この図で、横軸は、非線形光学素子１６（ＬｉＮｂＯ３結晶）から見たテラヘルツ波の放射角θＴを表している。また、図中の各数値は、レーザー光の入射角θｉである。
この図からレーザー光１の入射角θｉをわずか０．０１１°だけ傾けただけで、テラヘルツ波ビーム４の全体が大きくシフトしていることが確認できる。
【００４７】
図７は、レーザー光１の入射角θｉに対するテラヘルツ波ビーム４の放射角θＴの関係図である。
この図において実線は、式（５）の関係から得られる計算値を表している。この図から若干の誤差は認められるものの、実験結果は計算値に充分近い値を示しており、入射角θｉの変化に対して２００倍の角度でテラヘルツ波ビーム４が走査されることが確認された。
【００４８】
図８は、本発明によるテラヘルツ波ビーム走査装置の第２実施形態図である。
この図において、レーザー装置１２は、広帯域レーザー装置３１、分散素子３２、円筒レンズ３３、ビームスプリッター３４、およびシフト光学系３５からなる。また、３６ａ〜３６ｆは、反射ミラーである。
広帯域レーザー装置３１は、この例では、フェトム秒レーザーであり、１００ｆｓ，９０ＭＨｚの広帯域のレーザー光８を発生させる。
分散素子３２は、半透過ミラー３２ａおよび回折格子３２ｂからなり、レーザー光８の一部をプローブ光８ａとして取り出し、その他を波長成分を空間的に分散する。
円筒レンズ３３は、分散したレーザー光８を平行にして、その断面形状を一方向に伸びた線状ビーム９に変換する。
ビームスプリッター３４は、線状ビーム９をほぼ同一の第１線状ビーム１と第２線状ビーム２に分割する。第１線状ビーム１は第１実施形態における第１レーザー光１であり、第２線状ビーム２は第１実施形態における第２レーザー光２である。
シフト光学系３５は、反射ミラー３５ａ，３５ｂからなり、第２線状ビーム２を前記一方向にシフトするようになっている。
【００４９】
また、この例において、テラヘルツ発生器１６はストリップライン型光伝導アンテナ、１７ｅは円筒レンズ、２９はダイポールアンテナである。
【００５０】
図９は、図８の装置の原理図である。この図において、（Ａ）は線状ビーム９の空間分散図、（Ｂ）は第１線状ビーム１と第２線状ビーム２を空間的に重ねた図、（Ｃ）は、ストリップライン型光伝導アンテナの構成図である。
【００５１】
図８、図９において、図９（Ａ）のように、様々な周波数成分を持つ広帯域レーザー光８に、回折格子３２ｂ（やプリズム等）を用いて、空間的な分散を与え、位置によって周波数が線形的に分布する線状ビーム９を形成する。
さらに、図９（Ｂ）で示すように、この線状ビーム９を分割して、ほぼ同一の第１線状ビーム１と第２線状ビーム２を用意して、片方のビーム（第２線状ビーム２）を横にずらして重ねる。このとき、重なる領域内の各位置では、レーザー光の周波数は異なるが、２つの光の差は同一になる。
従って、第１線状ビーム１と第２線状ビーム２を図９（Ｃ）で示されるストリップライン型光伝導アンテナ（又は、その他の非線形光学素子）へ照射することにより、重なる領域全体で差周波混合が起き、単一周波数のテラヘルツ波ビーム４が発生する。
さらに、空間分散ビームの各周波数成分の位相が揃っていて、等位相面が進行方向に対して垂直に分布するとき、片方の空間分散ビーム（例えば第１線状ビーム１）の入射角θｉをわずかに変えると、図１で示した単一波長のレーザー光を用いる場合と同様な位相差が生じ、テラヘルツ波ビーム４を入射角θｉを拡大した方向に走査することができる。
【実施例２】
【００５２】
図１０、図１１は、図８で示したテラヘルツ波ビーム走査装置の試験結果である。このうち、図１０は、レーザー光１の入射角θｉを変化させた際のテラヘルツ波ビーム４の強度分布図であり、図１１は、レーザー光１の入射角θｉに対するテラヘルツ波ビーム４の放射角θＴの関係図である。
【００５３】
図１０から、図６の結果と同様に、レーザー光１の入射角θｉをわずかに傾けただけで、テラヘルツ波ビーム４の進行方向が大きく変化していることがわかる。
また、図１１から、レーザー光１の入射角θｉをわずか０．１５５°の範囲で変化させたとき、その１８７倍の角度である２９°もテラヘルツ波ビーム４が拡大されて走査されることがわかる。またこの実験値は計算値と良い一致を示している。
【００５４】
第２実施形態の利点は、様々な波長成分を持つ（マルチモード）レーザー光を用いることにより、光の利用率を高めることができる点にある。また、フェーズドアレーの原理を用いてビームを走査するためには、テラヘルツ波の発生領域がその波長に対して充分広いことが条件であり、第２実施形態では、図１１で示すビームが重なる領域全体から発生するため、ビーム走査に非常に適していると言える。
【００５５】
上述した第１実施形態又は第２実施形態の装置を用い、本発明の方法では、 レーザー装置１２により異なる波長を持つ第１レーザー光１と第２レーザー光２を発生させ、レーザー光学系１４によりテラヘルツ発生器への第１レーザー光と第２レーザー光と間の相対的入射角θｉを変化させて前記第１レーザー光と第２レーザー光を同一の共通焦点１４ｂに集光させ、この共通焦点１４ｂに位置するテラヘルツ発生器１６によりテラヘルツ波ビーム４を入射角θｉを拡大した方向に発生させる。
【００５６】
また、上述した実施例から明らかなように、テラヘルツ発生器１６（例えば非線形光学素子）に、異なる波長を持つ第１レーザー光１と第２レーザー光２（例えば２つの赤外線レーザー）を照射して、差周波混合によりテラヘルツ波ビーム４を発生させる際、片方のレーザー光１の入射角θｉをわずかに変えることにより、その数百倍の広い角度でテラヘルツ波ビーム４を高速に走査できる。
【００５７】
特に、レーザー光偏向装置２０として電気光学偏向器を用いて、一方のレーザー光の入射角θｉを制御することにより、テラヘルツ波ビーム４の走査速度を従来の機械的走査と比べて１０００倍も向上させることが可能である。
【００５８】
（従来の技術に対する優位点）
本発明は、従来技術と比較して、以下の点で優れている。
（１）非機械的動作による高速化
従来、レーザー光のビームを比較的速い速度で走査する装置として、ガルバノスキャナが挙げられる。これはサーボモーターを用いてミラーを機械的に回転させるものであり、その走査速度は１ｋＨｚ程度である（ビームを一往復させるのに１ミリ秒要することを意味する）。
これを本発明のレーザー光偏向装置２０として用いた場合、レーザー光の入射角θｉの変化（例えば±０．１°）に対してテラヘルツ波の放射角θＴの変化（例えば±４０°）は１００倍以上になるので、ガルバノスキャナの振れ角度を非常に小さくでき、その分、走査速度を１ｋＨｚより高めることができる。
【００５９】
また、本発明のレーザー光偏向装置２０として電気光学偏向器を用いた場合、電気光学偏向器は、走査速度が１ＭＨｚにもおよび、機械的走査と比較して１０００倍以上も速度を向上させることが可能である。
【００６０】
（２） 装置の小型化・低コスト化
非機械的なビーム走査技術として、フェーズドアレーアンテナが従来から知られている。フェーズドアレーアンテナは、発振器から出力されるテラヘルツ波を各アレー素子へ分配し、素子毎に可変移相器を用いてそれぞれのアンテナへ給電する。このとき、位相を等量的に変化させて制御することにより、アンテナ全体から放射する電波の波面が傾き、ビームが走査されるものである。
しかし、フェーズドアレーアンテナは素子数が多く、規模が大きいアレーアンテナを構成する場合、それに応じた多数の可変移相器が要求され、装置全体が大きくなり、コストも高くなる欠点がある。
これに対し、本発明では可変移相器をいっさい必要とせず、光偏向器一つあればビーム走査が実現できるため、装置の小型化、低コスト化が可能である。
【００６１】
（３） 広角度・高分解能
本発明において、従来技術に無い最も大きな特長は、レーザー光の入射角の数百倍の角度でテラヘルツ波ビームを走査できるという「角度増大効果」を有していることである。これまでの研究で、レーザー光の入射角を傾けて、その入射角と同じ角度の方向にテラヘルツ波ビームを制御する例は報告されている。このとき、光偏向器の角度範囲は数度程度であるため、テラヘルツ波ビーム走査角度も数度が限界ということになる。
しかし、本発明では、角度が増大されるために、テラヘルツ波ビームを充分広範囲に走査することが可能である。さらに、光偏向器の角度分解能は２ミリ°程度であることから、これをイメージング装置に適用した場合、その解像度は１０００以上に及び、イメージングとして充分な性能を有している。
【００６２】
（産業への適用例）
（１） 高速非破壊検査装置
本発明を産業へ応用する場合、その高い走査速度から、大量の物体を測定する場合に威力を発揮する。テラヘルツ波は紙やプラスティックを透過し、金属を反射する性質を持つため、例えば食品や製品に混入されている金属片等の異物を非破壊で探知することができる。また、物質によって固有の吸収スペクトルを有する性質もあることから、郵便物等に隠されている爆発物や禁止薬物を発見することもできる。
例えば、製品の生産ラインや郵便物の配送ラインにおいて、ベルトコンベアのような可動台上に乗せられている被検査物が移動している状態で、本発明のテラヘルツ波ビーム走査装置を用いて、テラヘルツ波の焦点を被検査物の移動に対して垂直方向に走査させることで、非検査物の全体をイメージングして、透視画像を得ることができる。
このとき、高速に測定を行うことで、生産速度を落とすことなく、検査装置を生産ラインにそのまま付加することも可能である。テラヘルツ波は、Ｘ線測定と比較して人体への被爆が無く、製品工場や郵便局での利用者にとって扱いやすいという利点もある。このように、発明したテラヘルツ波ビーム走査装置は、産業応用のための実用的な技術として高い有用性を持っている。
【００６３】
（２） 移動体通信用アダプティブアンテナ
テラヘルツ波はマイクロ波より周波数が数百倍高いことから、現状のデータ伝送速度よりはるかに高速な超広帯域無線通信への利用が期待されている。発明したテラヘルツビーム走査方法は、イメージングのみならず、この無線通信における基地局用のアダプティブアンテナにも応用できる。
例えば、送信機から信号がビーム走査装置に送られ、信号を載せたテラヘルツ波ビームが空間に放射される。このとき、ビームを移動体通信端末の方向に集中することにより、端末での受信強度が高まり、品質の高い通信回線が確保される。また、干渉による回線劣化の抑制効果も同時に得られる。さらに、同ビーム走査方法をベースに改良を施すことにより、端末から発せされる電波を受信し、その到来方向を探知し、送信ビームを自律的に端末方向へ走査することや、端末の移動に対してビームを自動的に追尾し、回線品質を維持する技術の開発にも繋がる。また、複数のテラヘルツビームを形成することで、複数の端末に対してそれぞれ独立したビーム走査、追尾をする新たなアンテナの開発も期待できる。
【００６４】
なお、本発明は上述した実施例及び実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００６５】
（１） テラヘルツ波のみならず、ミリ波（３０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚ）のビーム走査にも適用できる。
（２） 非線形光学素子には、非線形光学結晶、光伝導素子を含む。
（３） テラヘルツ波が発生する非線形光学素子は、アレー構造であってもよい。
（４） アレー構造の場合の素子数は２つ以上であれば幾つでもよい。
（５） レーザー光の帯域は可視光や赤外線である。
（６） レーザー光偏向装置として、電気光学偏向器、音響光学偏向器、回転ミラーがこれに含まれる。
（７） レンズの代わりに、反射鏡を用いてもよい。
（８） ２次元方向のテラヘルツ波ビーム走査も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明によるテラヘルツ波ビームの走査原理を示す図である。
【図２】レーザー光の入射角θｉとテラヘルツ波の放射角θＴとの関係を示す図である。
【図３】本発明によるテラヘルツ波ビーム走査装置の第１実施形態図である。
【図４】本発明のテラヘルツビーム走査装置１０を高速イメージングシステムへ適用する際の構成図である。
【図５】本発明の試験装置の全体構成図である。
【図６】レーザー光１の入射角θｉを変化させた際のテラヘルツ波ビーム４の強度分布を示す図である。
【図７】レーザー光１の入射角θｉに対するテラヘルツ波ビーム４の放射角θＴの関係図である。
【図８】本発明によるテラヘルツ波ビーム走査装置の第２実施形態図である。
【図９】図８の装置の原理図である。
【図１０】レーザー光１の入射角θｉを変化させた際のテラヘルツ波ビーム４の強度分布図である。
【図１１】レーザー光１の入射角θｉに対するテラヘルツ波ビーム４の放射角θＴの関係図である。
【符号の説明】
【００６７】
１ 第１レーザー光、１ａ 第１レーザー光の波面、
２ 第２レーザー光、２ａ 第２レーザー光の波面、
３ テラヘルツ発生器（非線形光学素子）、
４ テラヘルツ波ビーム、４ａ テラヘルツ波ビームの波面、
５ 位相差、７ 測定試料、８ 広帯域レーザー光、
８ａ プローブ光、９ 線状ビーム、
１０ テラヘルツ波ビーム走査装置、
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ 反射ミラー、
１２ レーザー装置（２波長レーザー装置）、
１３ 回折格子、１４ レーザー光学系、
１４ａ 第１焦点、１４ｂ 共通焦点、
１６ テラヘルツ発生器（非線形光学素子、ストリップライン型光伝導アンテナ）、
１７ 共焦点レンズ系、１７ａ，１７ｂ 凸レンズ（又は凸レンズ群）、
１７ｃ λ／２波長板、１７ｄ 補助レンズ、１７ｅ 円筒レンズ、
１８ ビーム結合器、１９ 反射ミラー、
２０ レーザー光偏向装置（電気光学偏向器、ガルバノスキャナ）、
２２ 共焦点レンズ系、２２ａ，２２ｂ 凸レンズ（又は凸レンズ群）、
２４ テラヘルツ波検出器、２５ａ，２５ｂ 放物面鏡、２６ ナイフエッジ、
２７ ボロメータ、２８ オシロスコープ、２９ ダイポールアンテナ、
３１ 広帯域レーザー装置、３２ 分散素子、３２ｂ 回折格子、
３３ 円筒レンズ、３４ ビームスプリッター、
３５ シフト光学系、３５ａ，３５ｂ 反射ミラー、
３６ａ〜３６ｆ 反射ミラー
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ波ビームを走査するテラヘルツ波ビーム走査装置と方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ波は、電波と赤外線の中間に位置し、周波数が０．３〜１０ＴＨｚ（波長３０μｍ〜１ｍｍ）の電磁波である。そのためテラヘルツ波は、紙やプラスティック等の様々な物質に対する透過性と、適度な空間分解能を有し、様々な物体の透視イメージングの実用的ツールとして期待され、これまでの研究でその有用性が確認されている。
【０００３】
しかし、テラヘルツ波を用いた従来の透視イメージングは、テラヘルツ波の集光ビーム（以下、方向性を有するテラヘルツ波を「テラヘルツ波ビーム」と呼ぶ）を試料に照射し、試料自体を機械的に動かしてテラヘルツ波ビームを走査していた。そのため、テラヘルツ波ビームの走査速度は機械的動作で制限され、透視イメージングに長時間を要する問題点があった。
【０００４】
そこで、テラヘルツ波を用いた透視イメージングの高速化のため、試料を固定してテラヘルツ波ビームを走査する手段として、特許文献１〜３が既に提案されている。
【０００５】
特許文献１は、レーザービームの走査にガルバノスキャナミラーを用いるものである。
【０００６】
特許文献２は、フェーズドアレーアンテナを用いて、テラヘルツ波ビームを走査するものである。
この発明は、波長が異なる２つのレーザー光を用いた差周波混合によりテラヘルツ波を発生させる際、アレー素子毎に光の移相器を用いて、レーザー光の位相差をシフトすることで、テラヘルツ波ビームの波面を間接的に傾け、テラヘルツ波ビームを走査するものである。
【０００７】
特許文献３は、特許文献２における多数の光の移相器の代わりに、一つの空間光位相変調器を用いてアレー全体の位相をまとめて制御して、ビームを走査するものである。
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−２２４１４２号公報、「レーザ走査装置およびレーザマーキング装置、ならびにレーザマーキング方法」
【特許文献２】特開２００７−１０３９９７号公報、「電磁波放射装置」
【特許文献３】特開２００８−５２０５号公報、「光制御型フェーズドアレイレーダ装置」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１のガルバノスキャナミラーは、ミラーを機械的に動作させるため、動作速度が最大１ｋＨｚ（１秒間に１０００回）と遅い問題点がある。
【００１０】
また、特許文献２では、アレー素子ごとに光の移相器を用いているが、アレーの規模を大きくする場合、素子数に応じた多数の移相器を使用する必要があるため、装置全体の規模、コストが高くなるという問題点がある。
さらにテラヘルツ帯では、液晶を用いた電気的移相器が研究されているが、これまでは移相量が充分でなく、テラヘルツ波ビームを高速かつ広角度で走査することは困難であった。
【００１１】
また、特許文献３では、多数の移相器の代わりに、一つの空間光変調器を用いているが、変調器の応答速度が遅いため、テラヘルツ波ビームの高速走査には不向きである。
【００１２】
本発明は、かかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち本発明の目的は、テラヘルツ波ビームを高速かつ広い角度で走査することができるテラヘルツ波ビーム走査装置と方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明によれば、異なる波長を持つ第１レーザー光と第２レーザー光を発生させるレーザー装置と、
前記第１レーザー光と第２レーザー光を同一の共通焦点に集光させるレーザー光学系と、
前記共通焦点に位置し差周波混合によりテラヘルツ波ビームを発生させるテラヘルツ発生器と、を備え、
前記レーザー光学系は、テラヘルツ発生器への第１レーザー光と第２レーザー光と間の相対的入射角を変更可能に構成されている、ことを特徴とするテラヘルツ波ビーム走査装置が提供される。
【００１４】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記レーザー光学系は、前記共通焦点より上流側に位置する第１焦点との間に位置し、第１焦点を通過した第１レーザー光を共通焦点に集光させる共焦点レンズ系と、
前記第１焦点と共焦点レンズ系との間に位置し、第１焦点の転写位置を通過した第２レーザー光を共焦点レンズ系の光軸上に反射させるビーム結合器と、
前記第１焦点位置又は転写位置に位置し、そこを通過する第１レーザー光又は第２レーザー光を偏向させるレーザー光偏向装置と、を備える。
【００１５】
前記レーザー光偏向装置は、電気光学偏向器又はガルバノスキャナである。
【００１６】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記レーザー装置は、異なる波長を持つ第１レーザー光と第２レーザー光を同時に発生させる２波長レーザー装置である。
【００１７】
また、本発明の好ましい別の実施形態によれば、前記レーザー装置は、広帯域レーザー光を発生させる広帯域レーザー装置と、前記広帯域レーザー光の波長成分を空間的に分散する分散素子と、分散した広帯域レーザー光を平行にして、その断面形状を一方向に伸びた線状ビームに変換する円筒レンズと、前記線状ビームをほぼ同一の第１線状ビームと第２線状ビームに分割するビームスプリッターと、第１線状ビーム又は第２線状ビームを前記一方向にシフトするシフト光学系とを備え、
第１線状ビームは前記第１レーザー光であり、第２線状ビームは前記第２レーザー光である。
【００１８】
また、本発明によれば、異なる波長を持つ第１レーザー光と第２レーザー光を発生させ、
前記テラヘルツ発生器への第１レーザー光と第２レーザー光と間の相対的入射角を変化させて前記第１レーザー光と第２レーザー光を同一の共通焦点に集光させ、
前記共通焦点に位置するテラヘルツ発生器によりテラヘルツ波ビームを前記入射角を拡大した方向に発生させる、ことを特徴とするテラヘルツ波ビーム走査方法が提供される。
【発明の効果】
【００１９】
上記本発明の装置および方法によれば、レーザー光学系が、テラヘルツ発生器への第１レーザー光と第２レーザー光と間の相対的入射角を変更可能に構成されているので、レーザー装置により異なる波長を持つ第１レーザー光と第２レーザー光を発生させ、レーザー光学系によりテラヘルツ発生器への第１レーザー光と第２レーザー光と間の相対的入射角を変化させて前記第１レーザー光と第２レーザー光を同一の共通焦点に集光させ、前記共通焦点に位置するテラヘルツ発生器（例えば非線形光学素子）によりテラヘルツ波ビームを前記入射角を拡大した方向に発生させる。
【００２０】
また、後述する実施例から明らかなように、テラヘルツ発生器（例えば非線形光学素子）に、異なる波長を持つ第１レーザー光と第２レーザー光（例えば２つの赤外線レーザー）を照射して、差周波混合によりテラヘルツ波ビームを発生させる際、片方のレーザー光の入射角をわずかに変えることにより、その数百倍の広い角度でテラヘルツ波ビームを高速に走査できる。
【００２１】
特に、レーザー光偏向装置として電気光学偏向器を用いて、一方のレーザー光の入射角を制御することにより、テラヘルツ波ビームの走査速度を従来の機械的走査と比べて１０００倍も向上させることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。
【００２３】
（テラヘルツ波ビームの走査原理）
図１は、本発明によるテラヘルツ波ビームの走査原理を示す図である。この図は、テラヘルツ波ビームをそれぞれ（Ａ）左側、（Ｂ）正面、（Ｃ）右側に向ける場合を示している。
この図において、１は第１レーザー光、１ａは第１レーザー光の波面、２は第２レーザー光、２ａは第２レーザー光の波面、３はテラヘルツ発生器（この例では非線形光学素子）、４はテラヘルツ波ビーム、４ａはテラヘルツ波ビームの波面、θｉはテラヘルツ発生器への第１レーザー光１と第２レーザー光２と間の相対的入射角（この例では第１レーザー光１の入射角）、θＴはテラヘルツ波ビームの放射角である。
【００２４】
本発明では、差周波混合における位相の性質を利用している。差周波混合とは、図１（Ｂ）のように、テラヘルツ発生器３（この例では非線形光学素子）に波長が異なる２つのレーザー光１、２（第１レーザー光と第２レーザー光）を照射することでテラヘルツ波ビーム４を発生させる手段である。
これに加えて、図１（Ａ）と図１（Ｃ）に示すように、片方の第１レーザー光１の入射角をわずかに傾けると、もう一つの第２レーザー光２との間に生じる位相差５が位置によって線形的に変化する。このとき、２次の非線形光学効果に基づき、２つのレーザー光１、２から生じる電磁波は数１の式（１）で表される。
【００２５】
【数１】
【００２６】
ここで、Ｅ１、Ｅ２はそれぞれ２つのレーザー光の電界、｜Ｅ１｜、｜Ｅ２｜はそれらの振幅、ω１、ω２はそれらの角周波数、ｔは時間、そしてΔφは２つのレーザー間の位相差を示している。各項に含まれる角周波数に着目するとわかるように、式（１）の各項はそれぞれ直流、第２高調波、和周波、そして差周波成分の信号を表している。ここでは差周波混合によりテラヘルツ波を発生させることから、第４項の式が数２の式（２）のように書き換えられる。
【００２７】
ここで、ωＴはテラヘルツ波の角周波数である。このとき、ω１−ω２＝ωＴ・・・式（２ａ）を満たす。
式（２）が意味するものは、発生するテラヘルツ波の位相が、２つのレーザー光の位相差に等しくなることである。したがって、図１（Ａ）や図１（Ｃ）のように、片方の第１レーザー光１の入射方向を傾けると、各位置から発生するテラヘルツ波ビーム４の位相も変化し、全体から放射するテラヘルツ波ビーム４の波面４ａが傾斜するため、進行方向が傾く。従って、片方の第１レーザー光１の入射角θｉを制御することで、テラヘルツ波ビーム４の走査（図で左右に振ること）ができることになる。
【００２８】
さらに、本発明の最大の特長は、テラヘルツ波ビーム４の走査角の大きさにある。
図１（Ａ）において、第１レーザー光１の入射を左に傾けることにより生じる２つのレーザー光間の位相差は数２の式（３）で表現される。
【００２９】
ここで、ｋｉはレーザー光の波数、ｘは素子上の位置である。また、素子全体から発生するテラヘルツ波ビーム４の位相分布も、同様に数２の式（４）で表される。
【００３０】
ここで、ｋＴはテラヘルツ波の波数である。式（１）と式（２）で説明した位相関係より、φＴ（ｘ）＝Δφｉ（ｘ）・・・式（２ｂ）となることから、これと式（３）、（４）を組み合わせることで、数２の式（５）の関係が導かれる。
【００３１】
【数２】
【００３２】
一般に、テラヘルツ波ビーム４の発生には赤外線レーザーが用いられ、さらに、テラヘルツ波ビーム４の波長は赤外線に比べて数百倍も長い。つまり式（５）中のｋｉ／ｋＴの値が非常に大きいことから、テラヘルツ発生器への第１レーザー光と第２レーザー光と間の相対的入射角（すなわち、第１レーザー光１の入射角θｉ）をわずかに変えるだけで、その数百倍の放射角θＴでテラヘルツ波ビーム４が走査されることを意味する。
【００３３】
図２は、レーザー光の入射角θｉとテラヘルツ波の放射角θＴとの関係を示す図である。
この図に示すように、例えば、レーザー光（上記の例では第１レーザー光１）の入射角θｉを±０．１°振ると、１ＴＨｚの場合に、テラヘルツ波ビーム４の走査範囲（放射角）は±４０°にも及び、広角度のビーム走査が可能となる。
【００３４】
（テラヘルツ波ビーム走査装置の構成）
図３は、本発明によるテラヘルツ波ビーム走査装置の第１実施形態図である。
この図において、本発明のテラヘルツ波ビーム走査装置１０は、レーザー装置１２、レーザー光学系１４、およびテラヘルツ発生器１６を備える。
レーザー装置１２は、異なる波長を持つ第１レーザー光１と第２レーザー光２を発生させる。
【００３５】
レーザー光学系１４は、第１レーザー光１と第２レーザー光２を同一の共通焦点１４ｂに集光させる。また、このレーザー光学系１４は、第１レーザー光１（または第２レーザー光２）のテラヘルツ発生器１６への入射角θｉを変更可能に構成されている。入射角θｉを変更方向、すなわち走査方向は、この例では同一平面内（この図で紙面上）であるが、例えば横方向の角度θと縦方向の角度φのように、２次元的に偏向（走査）してもよい。
【００３６】
レーザー光学系１４は、この例では、共焦点レンズ系１７、ビーム結合器１８、反射ミラー１９およびレーザー光偏向装置２０を備える。
【００３７】
共焦点レンズ系１７は、共通焦点１４ｂとこれより上流側に位置する第１焦点１４ａとの間に位置し、第１焦点１４ａを通過した第１レーザー光１を共通焦点１４ｂに集光させるようになっている。
この例で、共焦点レンズ系１７は、２枚の凸レンズ１７ａ，１７ｂ（又は凸レンズ群）からなり、それぞれ焦点距離Ｆ１，Ｆ２を有し、その間隔がＦ１＋Ｆ２に設定されている。焦点距離Ｆ１，Ｆ２は、同一であるのが好ましいが、相違してもよい。
【００３８】
ビーム結合器１８は、第１焦点１４ａと共焦点レンズ系１７との間に位置し、第１焦点１４ａの転写位置（例えば反射ミラー１９の位置）を通過した第２レーザー光２を共焦点レンズ系１７の光軸上に反射させる。
【００３９】
レーザー光偏向装置２０は、この例では電気光学偏向器であり、第１焦点位置１４ａに位置し、そこを通過する第１レーザー光１を偏向させる。偏向方向、すなわちレーザー光の走査方向は、この例では同一平面内（この図で紙面上）であるが、２次元的に偏向（走査）してもよい。
なお、電気光学偏向器の代わり、又はこれと併用してガルバノスキャナを用い、これを第１焦点１４ａの転写位置又はその近傍に設置して、第２レーザー光２を２次元的に偏向させてもよい。
【００４０】
テラヘルツ発生器１６は、この例では非線形光学素子であり、レーザー光学系１４の共通焦点１４ｂに位置し、差周波混合により入射角θｉを拡大した方向にテラヘルツ波ビーム４を発生させる。
【００４１】
上述した図３の例では、第１レーザー光１の進行方向を高速光偏向器（電気光学偏向器２０）で制御し、ビーム結合器１８を用いて、第２レーザー光２と結合させている。また第１レーザー光１と第２レーザー光２を２枚のレンズ１７ａ，１７ｂを介して非線形光学素子１６へ入射させる。このような構成にするのは、非線形光学素子１６上で第１レーザー光１と第２レーザー光２を重ねたまま、片方（第１レーザー光１）の入射角θｉを変化させるためである。
【００４２】
図４は、本発明のテラヘルツビーム走査装置１０を高速イメージングシステムへ適用する際の構成図である。
この図において、７は測定試料、２２は共焦点レンズ系、２４はテラヘルツ波検出器である。共焦点レンズ系２２は、２枚の凸レンズ２２ａ，２２ｂ（又は凸レンズ群）からなり、それぞれ焦点距離Ｆ３，Ｆ４を有し、その間隔がＦ３＋Ｆ４に設定されている。
【００４３】
この例では、本発明のテラヘルツビーム走査装置１０の下流側に、２枚のレンズ２２ａ，２２ｂとテラヘルツ波検出器２４を付加し、測定試料７をレンズ間に設置する。発生するテラヘルツ波ビーム４は、１枚目のレンズ２２ａを介して、測定試料７に対して垂直方向に進行し、試料７上に集光される。その後、試料７を透過するテラヘルツ波ビーム４はもう一枚のレンズ２２ｂを介してテラヘルツ波検出器２４へ入射する。テラヘルツ波ビーム４を走査すると、焦点が測定試料７上を移動する。また、ビーム４がどの方向に制御される場合でも、つねに検出器２４へ入射する構成になっている。
【実施例１】
【００４４】
図５は、本発明の試験装置の全体構成図である。この図において、レーザー装置１２は、異なる波長を持つ第１レーザー光１と第２レーザー光２を同一位置から同時に、かつ同方向に発生させる２波長レーザー装置（ＯＰＯ）であり、反射ミラー１１ａ，１１ｂ，１１ｃと回折格子１３を用いて、第１レーザー光１をレーザー光偏向装置２０に、第２レーザー光２をビーム結合器１８に、それぞれ偏向させるようになっている。
この例では非線形光学素子１６は、ＰＰＬＮ（非線形光学素子の１つ）であり、レーザー光偏向装置２０は、手動回転ミラーである。またこの図において、１７ｃはλ／２波長板、１７ｄは補助レンズ、２５ａ，２５ｂは放物面鏡、２６はナイフエッジ、２７はボロメータ、２８はオシロスコープである。
【００４５】
本発明の発明者は、図５で示したテラヘルツ波ビーム走査装置１０を製作し、本発明の原理を実証する試験を行った。
この試験では、波長がそれぞれ１３００ｎｍ、１３０６．８ｎｍの第１レーザー光１と第２レーザー光２を周期分極反転構造を持つニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）結晶（ＰＰＬＮと呼ばれる）に入射して、周波数１．２ＴＨｚのテラヘルツ波４を発生させた。ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）結晶は、上述した非線形光学素子１６の１つである。
【００４６】
図６は、レーザー光１の入射角θｉを変化させた際のテラヘルツ波ビーム４の強度分布を示す図である。この図で、横軸は、非線形光学素子１６（ＬｉＮｂＯ３結晶）から見たテラヘルツ波の放射角θＴを表している。また、図中の各数値は、レーザー光の入射角θｉである。
この図からレーザー光１の入射角θｉをわずか０．０１１°だけ傾けただけで、テラヘルツ波ビーム４の全体が大きくシフトしていることが確認できる。
【００４７】
図７は、レーザー光１の入射角θｉに対するテラヘルツ波ビーム４の放射角θＴの関係図である。
この図において実線は、式（５）の関係から得られる計算値を表している。この図から若干の誤差は認められるものの、実験結果は計算値に充分近い値を示しており、入射角θｉの変化に対して２００倍の角度でテラヘルツ波ビーム４が走査されることが確認された。
【００４８】
図８は、本発明によるテラヘルツ波ビーム走査装置の第２実施形態図である。
この図において、レーザー装置１２は、広帯域レーザー装置３１、分散素子３２、円筒レンズ３３、ビームスプリッター３４、およびシフト光学系３５からなる。また、３６ａ〜３６ｆは、反射ミラーである。
広帯域レーザー装置３１は、この例では、フェトム秒レーザーであり、１００ｆｓ，９０ＭＨｚの広帯域のレーザー光８を発生させる。
分散素子３２は、半透過ミラー３２ａおよび回折格子３２ｂからなり、レーザー光８の一部をプローブ光８ａとして取り出し、その他を波長成分を空間的に分散する。
円筒レンズ３３は、分散したレーザー光８を平行にして、その断面形状を一方向に伸びた線状ビーム９に変換する。
ビームスプリッター３４は、線状ビーム９をほぼ同一の第１線状ビーム１と第２線状ビーム２に分割する。第１線状ビーム１は第１実施形態における第１レーザー光１であり、第２線状ビーム２は第１実施形態における第２レーザー光２である。
シフト光学系３５は、反射ミラー３５ａ，３５ｂからなり、第２線状ビーム２を前記一方向にシフトするようになっている。
【００４９】
また、この例において、テラヘルツ発生器１６はストリップライン型光伝導アンテナ、１７ｅは円筒レンズ、２９はダイポールアンテナである。
【００５０】
図９は、図８の装置の原理図である。この図において、（Ａ）は線状ビーム９の空間分散図、（Ｂ）は第１線状ビーム１と第２線状ビーム２を空間的に重ねた図、（Ｃ）は、ストリップライン型光伝導アンテナの構成図である。
【００５１】
図８、図９において、図９（Ａ）のように、様々な周波数成分を持つ広帯域レーザー光８に、回折格子３２ｂ（やプリズム等）を用いて、空間的な分散を与え、位置によって周波数が線形的に分布する線状ビーム９を形成する。
さらに、図９（Ｂ）で示すように、この線状ビーム９を分割して、ほぼ同一の第１線状ビーム１と第２線状ビーム２を用意して、片方のビーム（第２線状ビーム２）を横にずらして重ねる。このとき、重なる領域内の各位置では、レーザー光の周波数は異なるが、２つの光の差は同一になる。
従って、第１線状ビーム１と第２線状ビーム２を図９（Ｃ）で示されるストリップライン型光伝導アンテナ（又は、その他の非線形光学素子）へ照射することにより、重なる領域全体で差周波混合が起き、単一周波数のテラヘルツ波ビーム４が発生する。
さらに、空間分散ビームの各周波数成分の位相が揃っていて、等位相面が進行方向に対して垂直に分布するとき、片方の空間分散ビーム（例えば第１線状ビーム１）の入射角θｉをわずかに変えると、図１で示した単一波長のレーザー光を用いる場合と同様な位相差が生じ、テラヘルツ波ビーム４を入射角θｉを拡大した方向に走査することができる。
【実施例２】
【００５２】
図１０、図１１は、図８で示したテラヘルツ波ビーム走査装置の試験結果である。このうち、図１０は、レーザー光１の入射角θｉを変化させた際のテラヘルツ波ビーム４の強度分布図であり、図１１は、レーザー光１の入射角θｉに対するテラヘルツ波ビーム４の放射角θＴの関係図である。
【００５３】
図１０から、図６の結果と同様に、レーザー光１の入射角θｉをわずかに傾けただけで、テラヘルツ波ビーム４の進行方向が大きく変化していることがわかる。
また、図１１から、レーザー光１の入射角θｉをわずか０．１５５°の範囲で変化させたとき、その１８７倍の角度である２９°もテラヘルツ波ビーム４が拡大されて走査されることがわかる。またこの実験値は計算値と良い一致を示している。
【００５４】
第２実施形態の利点は、様々な波長成分を持つ（マルチモード）レーザー光を用いることにより、光の利用率を高めることができる点にある。また、フェーズドアレーの原理を用いてビームを走査するためには、テラヘルツ波の発生領域がその波長に対して充分広いことが条件であり、第２実施形態では、図１１で示すビームが重なる領域全体から発生するため、ビーム走査に非常に適していると言える。
【００５５】
上述した第１実施形態又は第２実施形態の装置を用い、本発明の方法では、 レーザー装置１２により異なる波長を持つ第１レーザー光１と第２レーザー光２を発生させ、レーザー光学系１４によりテラヘルツ発生器への第１レーザー光と第２レーザー光と間の相対的入射角θｉを変化させて前記第１レーザー光と第２レーザー光を同一の共通焦点１４ｂに集光させ、この共通焦点１４ｂに位置するテラヘルツ発生器１６によりテラヘルツ波ビーム４を入射角θｉを拡大した方向に発生させる。
【００５６】
また、上述した実施例から明らかなように、テラヘルツ発生器１６（例えば非線形光学素子）に、異なる波長を持つ第１レーザー光１と第２レーザー光２（例えば２つの赤外線レーザー）を照射して、差周波混合によりテラヘルツ波ビーム４を発生させる際、片方のレーザー光１の入射角θｉをわずかに変えることにより、その数百倍の広い角度でテラヘルツ波ビーム４を高速に走査できる。
【００５７】
特に、レーザー光偏向装置２０として電気光学偏向器を用いて、一方のレーザー光の入射角θｉを制御することにより、テラヘルツ波ビーム４の走査速度を従来の機械的走査と比べて１０００倍も向上させることが可能である。
【００５８】
（従来の技術に対する優位点）
本発明は、従来技術と比較して、以下の点で優れている。
（１）非機械的動作による高速化
従来、レーザー光のビームを比較的速い速度で走査する装置として、ガルバノスキャナが挙げられる。これはサーボモーターを用いてミラーを機械的に回転させるものであり、その走査速度は１ｋＨｚ程度である（ビームを一往復させるのに１ミリ秒要することを意味する）。
これを本発明のレーザー光偏向装置２０として用いた場合、レーザー光の入射角θｉの変化（例えば±０．１°）に対してテラヘルツ波の放射角θＴの変化（例えば±４０°）は１００倍以上になるので、ガルバノスキャナの振れ角度を非常に小さくでき、その分、走査速度を１ｋＨｚより高めることができる。
【００５９】
また、本発明のレーザー光偏向装置２０として電気光学偏向器を用いた場合、電気光学偏向器は、走査速度が１ＭＨｚにもおよび、機械的走査と比較して１０００倍以上も速度を向上させることが可能である。
【００６０】
（２） 装置の小型化・低コスト化
非機械的なビーム走査技術として、フェーズドアレーアンテナが従来から知られている。フェーズドアレーアンテナは、発振器から出力されるテラヘルツ波を各アレー素子へ分配し、素子毎に可変移相器を用いてそれぞれのアンテナへ給電する。このとき、位相を等量的に変化させて制御することにより、アンテナ全体から放射する電波の波面が傾き、ビームが走査されるものである。
しかし、フェーズドアレーアンテナは素子数が多く、規模が大きいアレーアンテナを構成する場合、それに応じた多数の可変移相器が要求され、装置全体が大きくなり、コストも高くなる欠点がある。
これに対し、本発明では可変移相器をいっさい必要とせず、光偏向器一つあればビーム走査が実現できるため、装置の小型化、低コスト化が可能である。
【００６１】
（３） 広角度・高分解能
本発明において、従来技術に無い最も大きな特長は、レーザー光の入射角の数百倍の角度でテラヘルツ波ビームを走査できるという「角度増大効果」を有していることである。これまでの研究で、レーザー光の入射角を傾けて、その入射角と同じ角度の方向にテラヘルツ波ビームを制御する例は報告されている。このとき、光偏向器の角度範囲は数度程度であるため、テラヘルツ波ビーム走査角度も数度が限界ということになる。
しかし、本発明では、角度が増大されるために、テラヘルツ波ビームを充分広範囲に走査することが可能である。さらに、光偏向器の角度分解能は２ミリ°程度であることから、これをイメージング装置に適用した場合、その解像度は１０００以上に及び、イメージングとして充分な性能を有している。
【００６２】
（産業への適用例）
（１） 高速非破壊検査装置
本発明を産業へ応用する場合、その高い走査速度から、大量の物体を測定する場合に威力を発揮する。テラヘルツ波は紙やプラスティックを透過し、金属を反射する性質を持つため、例えば食品や製品に混入されている金属片等の異物を非破壊で探知することができる。また、物質によって固有の吸収スペクトルを有する性質もあることから、郵便物等に隠されている爆発物や禁止薬物を発見することもできる。
例えば、製品の生産ラインや郵便物の配送ラインにおいて、ベルトコンベアのような可動台上に乗せられている被検査物が移動している状態で、本発明のテラヘルツ波ビーム走査装置を用いて、テラヘルツ波の焦点を被検査物の移動に対して垂直方向に走査させることで、非検査物の全体をイメージングして、透視画像を得ることができる。
このとき、高速に測定を行うことで、生産速度を落とすことなく、検査装置を生産ラインにそのまま付加することも可能である。テラヘルツ波は、Ｘ線測定と比較して人体への被爆が無く、製品工場や郵便局での利用者にとって扱いやすいという利点もある。このように、発明したテラヘルツ波ビーム走査装置は、産業応用のための実用的な技術として高い有用性を持っている。
【００６３】
（２） 移動体通信用アダプティブアンテナ
テラヘルツ波はマイクロ波より周波数が数百倍高いことから、現状のデータ伝送速度よりはるかに高速な超広帯域無線通信への利用が期待されている。発明したテラヘルツビーム走査方法は、イメージングのみならず、この無線通信における基地局用のアダプティブアンテナにも応用できる。
例えば、送信機から信号がビーム走査装置に送られ、信号を載せたテラヘルツ波ビームが空間に放射される。このとき、ビームを移動体通信端末の方向に集中することにより、端末での受信強度が高まり、品質の高い通信回線が確保される。また、干渉による回線劣化の抑制効果も同時に得られる。さらに、同ビーム走査方法をベースに改良を施すことにより、端末から発せされる電波を受信し、その到来方向を探知し、送信ビームを自律的に端末方向へ走査することや、端末の移動に対してビームを自動的に追尾し、回線品質を維持する技術の開発にも繋がる。また、複数のテラヘルツビームを形成することで、複数の端末に対してそれぞれ独立したビーム走査、追尾をする新たなアンテナの開発も期待できる。
【００６４】
なお、本発明は上述した実施例及び実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００６５】
（１） テラヘルツ波のみならず、ミリ波（３０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚ）のビーム走査にも適用できる。
（２） 非線形光学素子には、非線形光学結晶、光伝導素子を含む。
（３） テラヘルツ波が発生する非線形光学素子は、アレー構造であってもよい。
（４） アレー構造の場合の素子数は２つ以上であれば幾つでもよい。
（５） レーザー光の帯域は可視光や赤外線である。
（６） レーザー光偏向装置として、電気光学偏向器、音響光学偏向器、回転ミラーがこれに含まれる。
（７） レンズの代わりに、反射鏡を用いてもよい。
（８） ２次元方向のテラヘルツ波ビーム走査も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明によるテラヘルツ波ビームの走査原理を示す図である。
【図２】レーザー光の入射角θｉとテラヘルツ波の放射角θＴとの関係を示す図である。
【図３】本発明によるテラヘルツ波ビーム走査装置の第１実施形態図である。
【図４】本発明のテラヘルツビーム走査装置１０を高速イメージングシステムへ適用する際の構成図である。
【図５】本発明の試験装置の全体構成図である。
【図６】レーザー光１の入射角θｉを変化させた際のテラヘルツ波ビーム４の強度分布を示す図である。
【図７】レーザー光１の入射角θｉに対するテラヘルツ波ビーム４の放射角θＴの関係図である。
【図８】本発明によるテラヘルツ波ビーム走査装置の第２実施形態図である。
【図９】図８の装置の原理図である。
【図１０】レーザー光１の入射角θｉを変化させた際のテラヘルツ波ビーム４の強度分布図である。
【図１１】レーザー光１の入射角θｉに対するテラヘルツ波ビーム４の放射角θＴの関係図である。
【符号の説明】
【００６７】
１ 第１レーザー光、１ａ 第１レーザー光の波面、
２ 第２レーザー光、２ａ 第２レーザー光の波面、
３ テラヘルツ発生器（非線形光学素子）、
４ テラヘルツ波ビーム、４ａ テラヘルツ波ビームの波面、
５ 位相差、７ 測定試料、８ 広帯域レーザー光、
８ａ プローブ光、９ 線状ビーム、
１０ テラヘルツ波ビーム走査装置、
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ 反射ミラー、
１２ レーザー装置（２波長レーザー装置）、
１３ 回折格子、１４ レーザー光学系、
１４ａ 第１焦点、１４ｂ 共通焦点、
１６ テラヘルツ発生器（非線形光学素子、ストリップライン型光伝導アンテナ）、
１７ 共焦点レンズ系、１７ａ，１７ｂ 凸レンズ（又は凸レンズ群）、
１７ｃ λ／２波長板、１７ｄ 補助レンズ、１７ｅ 円筒レンズ、
１８ ビーム結合器、１９ 反射ミラー、
２０ レーザー光偏向装置（電気光学偏向器、ガルバノスキャナ）、
２２ 共焦点レンズ系、２２ａ，２２ｂ 凸レンズ（又は凸レンズ群）、
２４ テラヘルツ波検出器、２５ａ，２５ｂ 放物面鏡、２６ ナイフエッジ、
２７ ボロメータ、２８ オシロスコープ、２９ ダイポールアンテナ、
３１ 広帯域レーザー装置、３２ 分散素子、３２ｂ 回折格子、
３３ 円筒レンズ、３４ ビームスプリッター、
３５ シフト光学系、３５ａ，３５ｂ 反射ミラー、
３６ａ〜３６ｆ 反射ミラー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なる波長を持つ第１レーザー光と第２レーザー光を発生させるレーザー装置と、
前記第１レーザー光と第２レーザー光を同一の共通焦点に集光させるレーザー光学系と、
前記共通焦点に位置し差周波混合によりテラヘルツ波ビームを発生させるテラヘルツ発生器と、を備え、
前記レーザー光学系は、テラヘルツ発生器への第１レーザー光と第２レーザー光と間の相対的入射角を変更可能に構成されている、ことを特徴とするテラヘルツ波ビーム走査装置。
【請求項２】
前記レーザー光学系は、前記共通焦点より上流側に位置する第１焦点との間に位置し、第１焦点を通過した第１レーザー光を共通焦点に集光させる共焦点レンズ系と、
前記第１焦点と共焦点レンズ系との間に位置し、第１焦点の転写位置を通過した第２レーザー光を共焦点レンズ系の光軸上に反射させるビーム結合器と、
前記第１焦点位置又は転写位置に位置し、そこを通過する第１レーザー光又は第２レーザー光を偏向させるレーザー光偏向装置と、を備える、ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波ビーム走査装置。
【請求項３】
前記レーザー光偏向装置は、電気光学偏向器又はガルバノスキャナである、ことを特徴とする請求項２に記載のテラヘルツ波ビーム走査装置。
【請求項４】
前記レーザー装置は、異なる波長を持つ第１レーザー光と第２レーザー光を同時に発生させる２波長レーザー装置である、ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波ビーム走査装置。
【請求項５】
前記レーザー装置は、広帯域レーザー光を発生させる広帯域レーザー装置と、前記広帯域レーザー光の波長成分を空間的に分散する分散素子と、分散した広帯域レーザー光を平行にして、その断面形状を一方向に伸びた線状ビームに変換する円筒レンズと、前記線状ビームをほぼ同一の第１線状ビームと第２線状ビームに分割するビームスプリッターと、第１線状ビーム又は第２線状ビームを前記一方向にシフトするシフト光学系とを備え、
第１線状ビームは前記第１レーザー光であり、第２線状ビームは前記第２レーザー光である、ことを特徴とする請求項２に記載のテラヘルツ波ビーム走査装置。
【請求項６】
異なる波長を持つ第１レーザー光と第２レーザー光を発生させ、
前記テラヘルツ発生器への第１レーザー光と第２レーザー光と間の相対的入射角を変化させて前記第１レーザー光と第２レーザー光を同一の共通焦点に集光させ、
前記共通焦点に位置するテラヘルツ発生器によりテラヘルツ波ビームを前記入射角を拡大した方向に発生させる、ことを特徴とするテラヘルツ波ビーム走査方法。
【請求項１】
異なる波長を持つ第１レーザー光と第２レーザー光を発生させるレーザー装置と、
前記第１レーザー光と第２レーザー光を同一の共通焦点に集光させるレーザー光学系と、
前記共通焦点に位置し差周波混合によりテラヘルツ波ビームを発生させるテラヘルツ発生器と、を備え、
前記レーザー光学系は、テラヘルツ発生器への第１レーザー光と第２レーザー光と間の相対的入射角を変更可能に構成されている、ことを特徴とするテラヘルツ波ビーム走査装置。
【請求項２】
前記レーザー光学系は、前記共通焦点より上流側に位置する第１焦点との間に位置し、第１焦点を通過した第１レーザー光を共通焦点に集光させる共焦点レンズ系と、
前記第１焦点と共焦点レンズ系との間に位置し、第１焦点の転写位置を通過した第２レーザー光を共焦点レンズ系の光軸上に反射させるビーム結合器と、
前記第１焦点位置又は転写位置に位置し、そこを通過する第１レーザー光又は第２レーザー光を偏向させるレーザー光偏向装置と、を備える、ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波ビーム走査装置。
【請求項３】
前記レーザー光偏向装置は、電気光学偏向器又はガルバノスキャナである、ことを特徴とする請求項２に記載のテラヘルツ波ビーム走査装置。
【請求項４】
前記レーザー装置は、異なる波長を持つ第１レーザー光と第２レーザー光を同時に発生させる２波長レーザー装置である、ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波ビーム走査装置。
【請求項５】
前記レーザー装置は、広帯域レーザー光を発生させる広帯域レーザー装置と、前記広帯域レーザー光の波長成分を空間的に分散する分散素子と、分散した広帯域レーザー光を平行にして、その断面形状を一方向に伸びた線状ビームに変換する円筒レンズと、前記線状ビームをほぼ同一の第１線状ビームと第２線状ビームに分割するビームスプリッターと、第１線状ビーム又は第２線状ビームを前記一方向にシフトするシフト光学系とを備え、
第１線状ビームは前記第１レーザー光であり、第２線状ビームは前記第２レーザー光である、ことを特徴とする請求項２に記載のテラヘルツ波ビーム走査装置。
【請求項６】
異なる波長を持つ第１レーザー光と第２レーザー光を発生させ、
前記テラヘルツ発生器への第１レーザー光と第２レーザー光と間の相対的入射角を変化させて前記第１レーザー光と第２レーザー光を同一の共通焦点に集光させ、
前記共通焦点に位置するテラヘルツ発生器によりテラヘルツ波ビームを前記入射角を拡大した方向に発生させる、ことを特徴とするテラヘルツ波ビーム走査方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００９−２６５３６１（Ｐ２００９−２６５３６１Ａ）
【公開日】平成２１年１１月１２日（２００９．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１１５０３４（Ｐ２００８−１１５０３４）
【出願日】平成２０年４月２５日（２００８．４．２５）
【出願人】（５０３３５９８２１）独立行政法人理化学研究所 (1,056)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１１月１２日（２００９．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年４月２５日（２００８．４．２５）
【出願人】（５０３３５９８２１）独立行政法人理化学研究所 (1,056)
【Ｆターム（参考）】
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