テラヘルツ波発生方法と装置
【課題】簡単かつ安定に、テラヘルツ波の単一周波数を変化させる。
【解決手段】第１レーザビーム１ａと第２レーザビーム１ｂとを差周波混合部に入射し、両レーザビームを該差周波混合部内で重ねることで、両レーザビームの周波数差を周波数とするテラヘルツ波を発生させる。各レーザビームは周波数勾配方向に空間的な広がりを持つとともに、その空間的な周波数分布は、周波数勾配方向に周波数の大きさが漸増する分布であり、これにより、両レーザビームの重なり領域の各位置で両レーザビームの周波数差が同一となり、該重なり領域から単一周波数のテラヘルツ波を発生させる。第１レーザビームと第２レーザビームを周波数勾配方向に互いに対し空間的にシフトさせることで、重なり領域における周波数差を変化させ、これにより、単一周波数を変化させる。
【解決手段】第１レーザビーム１ａと第２レーザビーム１ｂとを差周波混合部に入射し、両レーザビームを該差周波混合部内で重ねることで、両レーザビームの周波数差を周波数とするテラヘルツ波を発生させる。各レーザビームは周波数勾配方向に空間的な広がりを持つとともに、その空間的な周波数分布は、周波数勾配方向に周波数の大きさが漸増する分布であり、これにより、両レーザビームの重なり領域の各位置で両レーザビームの周波数差が同一となり、該重なり領域から単一周波数のテラヘルツ波を発生させる。第１レーザビームと第２レーザビームを周波数勾配方向に互いに対し空間的にシフトさせることで、重なり領域における周波数差を変化させ、これにより、単一周波数を変化させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第１レーザビームと第２レーザビームとを差周波混合部に入射し、両レーザビームを該差周波混合部内で重ねることで、両レーザビームの周波数差を周波数とするテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生方法と装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ波は、電波と赤外線の中間に位置する電磁波であり、周波数が０．３〜１０ＴＨｚであり波長が３０μｍ〜１ｍｍである。このテラヘルツ波は、電波のように紙やプラスチック等様々な物質に対して透過性を持つとともに、光のように適度な空間分解能も兼ね備える。さらに、テラヘルツ波は、物資に対し固有の吸収スペクトルを有することから、例えば、分光測定により、小包などに隠された物質の種類を同定し、爆発物などの危険物を検知するような応用が期待できる。これを、実現するには、様々な周波数でテラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生装置が不可欠である。
【０００３】
これまで、分光測定に適したテラヘルツ波発生装置には、レーザ光で差周波混合部を励起する手法が広く用いられており、主に次の２つに分類できる。
【０００４】
（差周波混合による単一周波数発生）
周波数・波長が異なる２つの単一周波数レーザ光を利用して、差周波混合の原理で単一周波数のテラヘルツ波を発生させる（例えば、下記特許文献１）。さらに、片方のレーザ光の周波数を制御して周波数の差を変化させることにより、テラヘルツ波の周波数を変化させる。
【０００５】
（フェムト秒レーザによる広域発生）
広域のフェムト秒パルスレーザを用いて、広域帯のテラヘルツ波パルスを発生させる手法がある（例えば、下記特許文献２）。
【０００６】
【特許文献１】特開平２００２−３４１３９２
【特許文献２】特開平２００２−２２３０１７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した「差周波混合による単一周波数発生」においては、レーザ光の波長を限定するとレーザの強度およびテラヘルツ波の出力も低下するという問題がある。また、レーザ自体の周波数を制御するため、安定性が低いという問題がある。
【０００８】
上述した「フェムト秒レーザによる広域発生」においては、一度に様々な周波数成分のテラヘルツ波を得ることができるが、１つのパルスに全ての周波数成分が含まれるため、分光情報を得るためには、フーリエ変換により周波数成分を切り分ける必要がある。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、周波数成分を切り分けることなく簡単かつ安定に、テラヘルツ波の周波数を変化させることができるテラヘルツ波発生方法と装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明によると、第１レーザビームと第２レーザビームとを差周波混合部に入射し、両レーザビームを該差周波混合部内で重ねることで、両レーザビームの周波数差を周波数とするテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生方法であって、
第１レーザビームは所定方向に空間的な広がりを持つとともに、第１レーザビームの空間的な周波数分布は、前記所定方向である周波数勾配方向に周波数の大きさが漸増する分布であり、第２レーザビームも前記周波数勾配方向に空間的な広がりを持つとともに、第２レーザビームの空間的な周波数分布も、前記周波数勾配方向に周波数の大きさが漸増する分布であり、これにより、両レーザビームの重なり領域の各位置で両レーザビームの周波数差が同一となり、該重なり領域から単一周波数のテラヘルツ波を発生させ、
第１レーザビームと第２レーザビームを前記周波数勾配方向に互いに対し空間的にシフトさせることで、前記重なり領域における前記周波数差を変化させ、これにより、前記単一周波数を変化させる、ことを特徴とするテラヘルツ波発生方法が提供される。
【００１１】
また、上記目的を達成するため、本発明によると、第１レーザビームと第２レーザビームから両レーザビームの周波数差を周波数とするテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生装置であって、
レーザ生成誘導装置と差周波混合部とを備え、
前記レーザ生成誘導装置は、第１レーザビームと第２レーザビームを生成し互いに重なるように前記差周波混合部へ案内し、
前記差周波混合部は、入射される第１レーザビームと第２レーザビームの重なり領域において、両レーザビームの周波数差を周波数とするテラヘルツ波を発生させ、
第１レーザビームは所定方向に空間的な広がりを持つとともに、第１レーザビームの空間的な周波数分布は、前記所定方向である周波数勾配方向に周波数の大きさが漸増する分布であり、第２レーザビームも前記周波数勾配方向に空間的な広がりを持つとともに、第２レーザビームの空間的な周波数分布も、前記周波数勾配方向に周波数の大きさが漸増する分布であり、これにより、前記重なり領域の各位置で両レーザビームの周波数差が同一となり、該重なり領域から単一周波数のテラヘルツ波が発生するようになっており、
第１レーザビームと第２レーザビームを前記周波数勾配方向に互いに対し空間的にシフトさせるシフト装置をさらに備え、
前記シフトにより、前記重なり領域における前記周波数差を変化させ、これにより、前記単一周波数が可変となっている、ことを特徴とするテラヘルツ波発生装置が提供される。
【００１２】
上述の本発明のテラヘルツ波発生方法と装置では、第１レーザビームは所定の周波数勾配方向に空間的な広がりを持つとともに、第１レーザビームの空間的な周波数分布は、前記周波数勾配方向に周波数の大きさが漸増する分布であり、第２レーザビームも前記周波数勾配方向に空間的な広がりを持つとともに、第２レーザビームの空間的な周波数分布も、前記周波数勾配方向に周波数の大きさが漸増する分布であり、これにより、両レーザビームの重なり領域の各位置で両レーザビームの周波数差が同一となり、該重なり領域から単一周波数のテラヘルツ波を発生させ、第１レーザビームと第２レーザビームを前記周波数勾配方向に互いに対し空間的にシフトさせることで、前記重なり領域における前記周波数差を変化させ、これにより、前記単一周波数を変化させるので、周波数成分を切り分けることなく簡単かつ安定に、テラヘルツ波の周波数を変化させることができる。
【００１３】
本発明の好ましい実施形態によると、前記レーザ生成誘導装置は、
所定の周波数帯域を持つレーザ光を発生させる帯域レーザ発生部と、
前記レーザ光が入射されることで、空間的な広がりを持つとともに前記周波数分布を有する勾配レーザビームを生成する周波数勾配生成部と、
前記勾配レーザビームを第１レーザビームと第２レーザビームとに分離するビーム分離部と、
第１レーザビームと第２レーザビームを前記差周波混合部へ案内する案内光学部と、を有する。
【００１４】
このようなレーザ生成誘導装置の構成により、前記周波数勾配方向に前記周波数分布を有する第１レーザビームおよび第２レーザビームを生成することができる。
【００１５】
本発明の好ましい実施形態によると、前記案内光学部は、光路に関して前記ビーム分離部と前記差周波混合部との間に設けられ、前記ビーム分離部からの第２レーザビームを反射させる反射ミラーを有し、
前記シフト装置は、前記反射ミラーを移動させることで、前記反射した第２レーザビームが前記差周波混合部へ入射する位置を変化させる。
【００１６】
このように、前記シフト装置が、前記反射ミラーを移動させることで、前記反射した第２レーザビームが前記差周波混合部へ入射する位置を変化させることができる。
【発明の効果】
【００１７】
上述した本発明によると、周波数成分を切り分けることなく簡単かつ安定に、テラヘルツ波の周波数を変化させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明を実施するための最良の実施形態を図面に基づいて説明する。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。
【００１９】
（原理）
本発明は、図１に示す特性を持つ第１レーザビームと第２レーザビームを利用する。
図１に示すように、第１レーザビームと第２レーザビームの各々は、周波数勾配方向（図１の横軸方向に対応）に空間的な広がりを持つとともに、その空間的な周波数分布は、前記周波数勾配方向に周波数の大きさが漸増する線形的分布である。第１レーザビームと第２レーザビームの各々の空間的形状は、例えば楕円形状であってよく、この楕円の長軸方向が前記周波数勾配方向に相当してよい。
このような第１レーザビームと第２レーザビームとを、それぞれの周波数勾配方向を同じ向きにして、重ねると、両レーザビーム１ａ，１ｂの重なり領域の各位置で両レーザビーム１ａ，１ｂの周波数差が同一となる（図２（Ａ）を参照）。即ち、図２（Ａ）において、第１レーザビーム１ａと第２レーザビーム１ｂとは互いに重なっており、重なり領域の各位置（位置ｘ）で、周波数差が同一となる。
図２（Ａ）の状態から、第１レーザビームと第２レーザビームを前記周波数勾配方向に互いに対し空間的にシフトさせることで、前記重なり領域における前記周波数差を変化させる。例えば、図２（Ａ）の状態から、図２（Ｂ）のように第２レーザビームを左にシフトさせると、前記周波数差が小さくなる。一方、図２（Ａ）の状態から、図２（Ｃ）のように第２レーザビームを右にシフトさせると、前記周波数差が大きくなる。
このような重なり領域を差周波混合部内に位置させるとともに、上述のように前記周波数差を変化させることで、可変な単一周波数のテラヘルツ波を発生させることができる。
【００２０】
図３は、本発明の実施形態によるテラヘルツ波発生装置１０の構成図である。図３に示すように、レーザ生成誘導装置３、差周波混合部５およびシフト装置７を備える。
レーザ生成誘導装置３は、上述の第１レーザビーム１ａと第２レーザビーム１ｂを生成し互いに重なるように前記差周波混合部５へ案内する。前記差周波混合部５は、入射される第１レーザビーム１ａと第２レーザビーム１ｂの重なり領域において、両レーザビーム１ａ，１ｂの周波数差を周波数とするテラヘルツ波６を差周波混合により発生させる。シフト装置７は、第１レーザビーム１ａと第２レーザビーム１ｂを前記周波数勾配方向に互いに対し空間的にシフトさせる。
この構成により、第１レーザビーム１ａと第２レーザビーム１ｂとをそれぞれの周波数勾配方向を同じ向きにして重ね、両レーザビーム１ａ，１ｂを前記周波数勾配方向に互いに対し空間的にシフトさせることができる。これにより、前記重なり領域の各位置において両レーザビーム１ａ，１ｂの周波数差を同じにしつつ、当該周波数差を変化させることができる。従って、該周波数差に等しい単一周波数のテラヘルツ波６を発生させる場合に、該単一周波数を変化させることができる。
【００２１】
テラヘルツ波発生装置１０の構成をより詳しく説明する。
【００２２】
前記レーザ生成誘導装置３は、帯域レーザ発生部９、周波数勾配生成部１１、ビーム分離部１２および案内光学部１３を有する。
帯域レーザ発生部９は、所定の周波数帯域を持つレーザ光を発生させる。帯域レーザ発生部９は、例えば、フェムト秒レーザやその他の所定の周波数帯域（好ましくは、広帯域）のレーザ光を発生させるレーザ発生部である。
周波数勾配生成部１１には、帯域レーザ発生部９からのレーザ光が入射される。周波数勾配生成部１１は、入射されるレーザ光から勾配レーザビームを生成する回折格子などの分散素子であってよい。勾配レーザビームは、前記周波数勾配方向に空間的な広がりを持つとともに前記周波数分布を有する。
ビーム分離部１２は、前記勾配レーザビームを第１レーザビーム１ａと第２レーザビーム１ｂとに分離する。ビーム分離部１２は、例えば、ビームスプリッタであり、勾配レーザビームを好ましくは１対１の強度割合で第１レーザビーム１ａと第２レーザビーム１ｂとに分離する。
案内光学部１３は、ビーム分離部１２で分離された第１レーザビーム１ａと第２レーザビーム１ｂを、前記差周波混合部５へ案内する。図３の例では、案内光学部１３は、ビーム分離部１２で分離された第２レーザビーム１ｂを反射させる第１反射ミラー１３ａおよび第２反射ミラー１３ｂと、ビーム分離部１２で分離された第１レーザビーム１ａを反射させる第３反射ミラー１３ｃおよび第４反射ミラー１３ｄと、第２反射ミラー１３ｂで反射された第２レーザビーム１ｂと第４反射ミラー１３ｄで反射された第１レーザビーム１ａとを結合させるように差周波混合部５へ案内するビームスプリッタ１３ｅと、を有する。なお、図３の例では、案内光学部１３は、シリンドリカルレンズ１３ｆをさらに有する。この構成で、第１レーザビーム１ａと第２レーザビーム１ｂとが、前記差周波混合部５において互いに重なるように前記差周波混合部５に案内される。
【００２３】
差周波混合部５は、入射される第１レーザビーム１ａと第２レーザビーム１ｂの重なり領域において、両レーザビーム１ａ，１ｂの周波数差を周波数とするテラヘルツ波６を発生させる。図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線断面図であり、差周波混合部５の構成例を示す。図３の例では、差周波混合部５は、低温成長のガリウムヒ素（ＬＴ−ＧａＡｓ）基板１６の表面に金属ストリップライン電極１５ａ，１５ｂが取り付けられたものであり、光伝導アンテナと呼ばれる非線形光学素子の１つである。この電極１５ａ，１５ｂ間に電圧を印加した状態で、第１レーザビーム１ａと第２レーザビーム１ｂとが互いに重なるように電極１５ａ，１５ｂ間に照射される。すると、キャリアが生成され、レーザビームの照射領域全てにおいて、一方の電極１５ａから他方の電極１５ｂへ向けて電流が流れる。このときの吸収の非線形性から、差周波混合が生じて、光の周波数差に相当する周波数を持つテラヘルツ波６が発生する。
【００２４】
シフト装置７は、上述の第２反射ミラー１３ｂを移動させることで、前記反射した第１レーザビーム１ａが前記差周波混合部５へ入射する位置を前記周波数勾配方向に関して変化させる。シフト装置７が第２反射ミラー１３ｂを移動させる方向は、第２反射ミラー１３ｂへ第２レーザビーム１ｂが入射してくる方向またはこれと逆方向である。これにより、差周波混合部５における第２レーザビーム１ｂの位置が、図３の上下方向に移動させられる。
好ましくは、シフト装置７は、第２反射ミラー１３ｂだけでなく、第１反射ミラー１３ａも同じ方向にかつ同じ距離だけ移動させる。これにより、第２レーザビーム１ｂと第１レーザビーム１ａとの光路差が生じることを防止できる。即ち、ビーム分離部１２から差周波混合部５までの第１レーザビーム１ａの第１光路と、ビーム分離部１２から差周波混合部５までの第２レーザビーム１ｂの第２光路とは、同じ距離に設定されるが、シフト装置７が、第２反射ミラー１３ｂと第１反射ミラー１３ａを同じ方向にかつ同じ距離だけ移動させることで、第１反射ミラー１３ａと第２反射ミラー１３ｂを移動させても第１光路と第２光路に差が生じない。従って、第１レーザビーム１ａと第２レーザビーム１ｂが、パルスレーザである場合にも、発生するテラヘルツ波６の損失を防ぐことができる。
シフト装置７は、例えばサーボモータにより第１反射ミラー１３ａと第２反射ミラー１３ｂを駆動するものであってよい。
【００２５】
なお、図３（および後述の図８）において、ビーム平行器（例えば、シリンドリカルレンズ）１４は、回折格子などの分散素子１１から広がりながら進行するレーザ光を平行光にする。
【００２６】
上述の本発明の実施形態では、第１レーザビーム１ａは所定の周波数勾配方向に空間的な広がりを持つとともに、第１レーザビーム１ａの空間的な周波数分布は、前記周波数勾配方向に周波数の大きさが漸増する分布であり、第２レーザビーム１ｂも前記周波数勾配方向に空間的な広がりを持つとともに、第２レーザビーム１ｂの空間的な周波数分布も、前記周波数勾配方向に周波数の大きさが漸増する分布であり、これにより、両レーザビーム１ａ，１ｂの重なり領域の各位置で両レーザビーム１ａ，１ｂの周波数差が同一となり、該重なり領域から単一周波数のテラヘルツ波６を発生させ、第１レーザビーム１ａと第２レーザビーム１ｂを前記周波数勾配方向に互いに対し空間的にシフトさせることで、前記重なり領域における前記周波数差を変化させ、これにより、前記単一周波数を変化させるので、周波数成分を切り分けることなく簡単かつ安定に、テラヘルツ波６の周波数を変化させることができる。
【００２７】
次に、図３の構成を用いた実験結果について述べる。
【００２８】
図５（Ａ）は、単一周波数が０．７ＴＨｚのテラヘルツ波６を発生させるための上述の第１レーザビーム１ａと第２レーザビーム１ｂの波長分布を示す。第１レーザビーム１ａは、８０１ｎｍ〜８１０ｎｍまでの波長成分を持ち、上述の周波数勾配方向に１２ｍｍの空間領域に広がっている。第２レーザビーム１ｂは、７９９ｎｍ〜８１０ｎｍまでの波長成分を持ち、上述の周波数勾配方向に１４ｍｍの空間領域に広がっている。両レーザビーム１ａ，１ｂともほぼ線形的に分布している。両レーザビーム１ａ，１ｂが重なる周波数勾配方向の領域寸法は、１２ｍｍである。
図５（Ｂ）は、図５（Ａ）の場合における両レーザビーム１ａ，１ｂの周波数差分布を示す。図５（Ｂ）に示すように、両レーザビーム１ａ，１ｂが重なる領域内の全体において、周波数差は０．７ＴＨｚである（波長差にすると約１．５ｎｍである）。この結果は、上述した本発明の原理と一致している。
【００２９】
図６（Ａ）は、図３の構成を用いて発生させたテラヘルツ波６の測定結果を示す。図６（Ａ）は、発生するテラヘルツ波６の周波数が０．６ＴＨｚとなるようにシフト装置７によるシフトを行った場合である。図６（Ａ）に示すテラヘルツ波６の波形は、周期が１．６ｐｓの速い振動が振幅変調されたようなパルス形状であり、その包絡線の幅は８ｐｓである。この時間波形を元に高速フーリエ変換を用いて計算されたテラヘルツ波６のスペクトルを図６（Ｂ）に示す。図６（Ｂ）に示すように、中心周波数は０．６ＴＨｚであり、線幅は８０ＧＨｚであった。
【００３０】
図７（Ａ）は、第２レーザビーム１ｂのシフト量に対するテラヘルツ波６のスペクトルを示す。シフト量は、固定されている第１レーザビーム１ａの位置を基準とする。周波数が、０．３１ＴＨｚ〜１．６９ＴＨｚまで同調されることを確認した。その内、強度が最大になるのは、０．６８ＴＨｚのときであった。この測定結果から得られるビームシフト量と中心周波数の対応を図７（Ｂ）に示す。実線で示される計算値は、図５（Ａ）で示した第１レーザビーム１ａと第２レーザビーム１ｂの波長・周波数成分から導出された。実験結果は、計算値に近い値を示しており、上述した本発明の原理が実証されたと言える。
【００３１】
（本発明の従来技術との比較）
本発明の最大の特長は、広帯域のレーザ光による励起で、単一周波数のテラヘルツ波６を発生させることである。従来のフォトミキサーと呼ばれる差周波発生方法では、帯域が非常に狭い連続光のレーザを用いていたが、その分レーザの強度が低くなり、充分な強度のテラヘルツ波６が得られないという欠点が挙げられる。また、広帯域のフェムト秒レーザの光を、光伝導素子に直接集光させる方法が広く利用されているが、その場合、発生するテラヘルツ波６の帯域も１ＴＨｚ程度と広くなり、分光用のデバイスとして利用するためには、波形自体をサンプリングする必要があった。
これらに対して、本発明は、広帯域のレーザ光の波長を限定することなく、ほぼ全ての波長成分を利用して、同一周波数を持つテラヘルツ波６を発生させることが可能なため、レーザ光の利用率が高く、より効率的な発生手法であると言える。さらに、片方のレーザ光のビーム（第２レーザビーム１ｂ）を空間的にシフトするだけでテラヘルツ波６の周波数が同調されるため、従来のようにレーザ本体を制御して光の波長を変える必要が無く、より安定かつ高速に同調することが可能である。また、図３中で示した勾配レーザビームを形成するための回折格子などの周波数勾配生成部１１の波長分解能をさらに高めれば、テラヘルツ波６の線幅をより狭くすることが期待でき、分光測定のためのテラヘルツ波発生装置として充分利用できる。
【００３２】
（本発明の応用例）
図８は、上述した本発明の応用例を示す図である。図８に示すように、テラヘルツ波発生装置１０は、ビーム走査装置１７を有する。
【００３３】
ビーム走査装置１７の走査原理について説明する。
図９は、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６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、２ａは第１レーザビーム１ａの波面、２ｂは第２レーザビーム１ｂの波面、６ａはテラヘルツ波６の波面、θｉは差周波混合部５への第１レーザビーム１ａと第２レーザビーム１ｂとの間の相対的入射角（この例では第１レーザビーム１ａの入射角）、θＴはテラヘルツ波６の放射角である。
【００３４】
図９（Ａ）と図９（Ｃ）に示すように、片方の第１レーザビーム１ａの入射角をわずかに傾けると、もう一つの第２レーザビーム１ｂとの間に生じる位相差４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、第１レーザビーム１ａと第２レーザビーム１ｂから生じる電磁波は数１の式（１）で表される。
【００３５】
【数１】
【００３６】
ここで、Ｅ１、Ｅ２はそれぞれ第１レーザビーム１ａと第２レーザビーム１ｂ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は第１レーザビーム１ａと第２レーザビーム１ｂ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６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。
【００３７】
ここで、ωＴはテラヘルツ波６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６の位相が、第１レーザビーム１ａと第２レーザビーム１ｂの位相差に等しくなることである。したがって、図９（Ａ）や図９（Ｃ）のように、片方の第１レーザビーム１ａ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６の位相も変化し、全体から放射するテラヘルツ波６のビームの波面６ａが傾斜するため、進行方向が傾く。従って、片方の第１レーザビーム１ａの入射角θｉを制御することで、テラヘルツ波ビーム６の走査（図で左右に振ること）ができることになる。
【００３８】
さらに、ビーム走査装置１７の最大の特長は、テラヘルツ波ビーム６の走査角の大きさにある。
図９（Ａ）において、第１レーザビーム１ａの入射を左に傾けることにより生じる第１レーザビーム１ａと第２レーザビーム１ｂ間の位相差は数２の式（３）で表現される。
【００３９】
ここで、ｋｉはレーザ光の波数、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６の位相分布も、同様に数２の式（４）で表される。
【００４０】
ここで、ｋＴはテラヘルツ波６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。
【００４１】
【数２】
【００４２】
一般に、テラヘルツ波ビーム６の発生には赤外線レーザが用いられ、さらに、テラヘルツ波ビーム６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レーザビーム１ａと第２レーザビーム１ｂと間の相対的入射角（すなわち、第１レーザビーム１ａ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６が走査されることを意味する。
【００４３】
図１０は、第１レーザビーム１ａの入射角θｉとテラヘルツ波６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、第１レーザビーム１ａ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６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。
【００４４】
上述のビーム走査装置１７は、図８のように、レーザ光偏向装置１９と共焦点レンズ系２１を有する。
レーザ光偏向装置１９は、第４反射ミラー１３ｄを回転駆動することで、第１レーザビーム１ａの入射角θｉを変化させる。代わりに、レーザ光偏向装置１９は、第４反射ミラー１３ｄとビームスプリッタ１３ｅとの間などに配置され、第１レーザビーム１ａの進行方向を変更する装置（例えば、電気光学変更器、音響光学偏向器、）であってもよい。
共焦点レンズ系２１は、共通焦点２３ｂとこれより上流側に位置する第１焦点２３ａとの間に位置し、第１焦点２３ａを通過した第１レーザビーム１ａを共通焦点２３ｂ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２１は、２枚の凸レンズ２１ａ，２１ｂ（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。
【００４５】
図８の構成により、上述のテラヘルツ波装置の効果に加えて、第４反射ミラー１３ｄを、ある角度だけ回転駆動させると、その数百倍の角度でテラヘルツ波６の放射方向が変更される。
【００４６】
なお、ビーム分離素子２５は、レーザ光の一部をプローブ光８ａとして取り出すものである。２６ａ，２６ｂは放物面鏡、２７はダイポールアンテナである。
【００４７】
本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。
【００４８】
（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）レーザ光の帯域は可視光や赤外線である。
（６）レーザ光偏向装置として、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】
【００４９】
【図１】本発明に使用する線形的な周波数分布を有するレーザビームを示す。
【図２】図１の周波数分布を有する２つのレーザビームを用いて、単一周波数のテラヘルツ波を発生させる説明図である。
【図３】本発明の実施形態によるテラヘルツ波発生装置の構成図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線断面図であり、差周波混合部の構成例を示す。
【図５】本発明の原理を示す実験結果である。
【図６】図３の構成を用いて発生させたテラヘルツ波の測定結果を示す。
【図７】ビームシフト量とテラヘルツ波周波数との関係を示す図である。
【図８】本発明の応用例を示す図である。
【図９】テラヘルツ波ビームの走査原理を示す図である。
【図１０】第１レーザビームの入射角θｉとテラヘルツ波の放射角θＴとの関係を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１ａ 第１レーザビーム、１ｂ 第２レーザビーム、２ａ 第１レーザビームの波面、２ｂ 第２レーザビームの波面、３ レーザ生成誘導装置、４ 位相差、５ 差周波混合部、６ テラヘルツ波、６ａ テラヘルツ波ビームの波面、７ シフト装置、９ 帯域レーザ発生部、１０ テラヘルツ波発生装置、１１ 周波数勾配生成部、１２ ビーム分離部、１３ 案内光学部、１３ａ 第１反射ミラー、１３ｂ 第２反射ミラー、１３ｃ 第３反射ミラー、１３ｄ 第４反射ミラー、１３ｅ ビームスプリッタ、１３ｆ シリンドリカルレンズ、１４ ビーム平行器、１５ａ，１５ｂ 金属ストリップライン電極、１６ ガリウムヒ素基板、１７ ビーム走査装置、１９ レーザ光偏向装置、２１ 共焦点レンズ系、２１ａ，２１ｂ 凸レンズ、２３ａ 第１焦点，２３ｂ 共通焦点，２５ ビーム分離素子、２６ａ，２６ｂ 放物面鏡、２７ ダイポールアンテナ、
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第１レーザビームと第２レーザビームとを差周波混合部に入射し、両レーザビームを該差周波混合部内で重ねることで、両レーザビームの周波数差を周波数とするテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生方法と装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ波は、電波と赤外線の中間に位置する電磁波であり、周波数が０．３〜１０ＴＨｚであり波長が３０μｍ〜１ｍｍである。このテラヘルツ波は、電波のように紙やプラスチック等様々な物質に対して透過性を持つとともに、光のように適度な空間分解能も兼ね備える。さらに、テラヘルツ波は、物資に対し固有の吸収スペクトルを有することから、例えば、分光測定により、小包などに隠された物質の種類を同定し、爆発物などの危険物を検知するような応用が期待できる。これを、実現するには、様々な周波数でテラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生装置が不可欠である。
【０００３】
これまで、分光測定に適したテラヘルツ波発生装置には、レーザ光で差周波混合部を励起する手法が広く用いられており、主に次の２つに分類できる。
【０００４】
（差周波混合による単一周波数発生）
周波数・波長が異なる２つの単一周波数レーザ光を利用して、差周波混合の原理で単一周波数のテラヘルツ波を発生させる（例えば、下記特許文献１）。さらに、片方のレーザ光の周波数を制御して周波数の差を変化させることにより、テラヘルツ波の周波数を変化させる。
【０００５】
（フェムト秒レーザによる広域発生）
広域のフェムト秒パルスレーザを用いて、広域帯のテラヘルツ波パルスを発生させる手法がある（例えば、下記特許文献２）。
【０００６】
【特許文献１】特開平２００２−３４１３９２
【特許文献２】特開平２００２−２２３０１７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した「差周波混合による単一周波数発生」においては、レーザ光の波長を限定するとレーザの強度およびテラヘルツ波の出力も低下するという問題がある。また、レーザ自体の周波数を制御するため、安定性が低いという問題がある。
【０００８】
上述した「フェムト秒レーザによる広域発生」においては、一度に様々な周波数成分のテラヘルツ波を得ることができるが、１つのパルスに全ての周波数成分が含まれるため、分光情報を得るためには、フーリエ変換により周波数成分を切り分ける必要がある。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、周波数成分を切り分けることなく簡単かつ安定に、テラヘルツ波の周波数を変化させることができるテラヘルツ波発生方法と装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明によると、第１レーザビームと第２レーザビームとを差周波混合部に入射し、両レーザビームを該差周波混合部内で重ねることで、両レーザビームの周波数差を周波数とするテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生方法であって、
第１レーザビームは所定方向に空間的な広がりを持つとともに、第１レーザビームの空間的な周波数分布は、前記所定方向である周波数勾配方向に周波数の大きさが漸増する分布であり、第２レーザビームも前記周波数勾配方向に空間的な広がりを持つとともに、第２レーザビームの空間的な周波数分布も、前記周波数勾配方向に周波数の大きさが漸増する分布であり、これにより、両レーザビームの重なり領域の各位置で両レーザビームの周波数差が同一となり、該重なり領域から単一周波数のテラヘルツ波を発生させ、
第１レーザビームと第２レーザビームを前記周波数勾配方向に互いに対し空間的にシフトさせることで、前記重なり領域における前記周波数差を変化させ、これにより、前記単一周波数を変化させる、ことを特徴とするテラヘルツ波発生方法が提供される。
【００１１】
また、上記目的を達成するため、本発明によると、第１レーザビームと第２レーザビームから両レーザビームの周波数差を周波数とするテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生装置であって、
レーザ生成誘導装置と差周波混合部とを備え、
前記レーザ生成誘導装置は、第１レーザビームと第２レーザビームを生成し互いに重なるように前記差周波混合部へ案内し、
前記差周波混合部は、入射される第１レーザビームと第２レーザビームの重なり領域において、両レーザビームの周波数差を周波数とするテラヘルツ波を発生させ、
第１レーザビームは所定方向に空間的な広がりを持つとともに、第１レーザビームの空間的な周波数分布は、前記所定方向である周波数勾配方向に周波数の大きさが漸増する分布であり、第２レーザビームも前記周波数勾配方向に空間的な広がりを持つとともに、第２レーザビームの空間的な周波数分布も、前記周波数勾配方向に周波数の大きさが漸増する分布であり、これにより、前記重なり領域の各位置で両レーザビームの周波数差が同一となり、該重なり領域から単一周波数のテラヘルツ波が発生するようになっており、
第１レーザビームと第２レーザビームを前記周波数勾配方向に互いに対し空間的にシフトさせるシフト装置をさらに備え、
前記シフトにより、前記重なり領域における前記周波数差を変化させ、これにより、前記単一周波数が可変となっている、ことを特徴とするテラヘルツ波発生装置が提供される。
【００１２】
上述の本発明のテラヘルツ波発生方法と装置では、第１レーザビームは所定の周波数勾配方向に空間的な広がりを持つとともに、第１レーザビームの空間的な周波数分布は、前記周波数勾配方向に周波数の大きさが漸増する分布であり、第２レーザビームも前記周波数勾配方向に空間的な広がりを持つとともに、第２レーザビームの空間的な周波数分布も、前記周波数勾配方向に周波数の大きさが漸増する分布であり、これにより、両レーザビームの重なり領域の各位置で両レーザビームの周波数差が同一となり、該重なり領域から単一周波数のテラヘルツ波を発生させ、第１レーザビームと第２レーザビームを前記周波数勾配方向に互いに対し空間的にシフトさせることで、前記重なり領域における前記周波数差を変化させ、これにより、前記単一周波数を変化させるので、周波数成分を切り分けることなく簡単かつ安定に、テラヘルツ波の周波数を変化させることができる。
【００１３】
本発明の好ましい実施形態によると、前記レーザ生成誘導装置は、
所定の周波数帯域を持つレーザ光を発生させる帯域レーザ発生部と、
前記レーザ光が入射されることで、空間的な広がりを持つとともに前記周波数分布を有する勾配レーザビームを生成する周波数勾配生成部と、
前記勾配レーザビームを第１レーザビームと第２レーザビームとに分離するビーム分離部と、
第１レーザビームと第２レーザビームを前記差周波混合部へ案内する案内光学部と、を有する。
【００１４】
このようなレーザ生成誘導装置の構成により、前記周波数勾配方向に前記周波数分布を有する第１レーザビームおよび第２レーザビームを生成することができる。
【００１５】
本発明の好ましい実施形態によると、前記案内光学部は、光路に関して前記ビーム分離部と前記差周波混合部との間に設けられ、前記ビーム分離部からの第２レーザビームを反射させる反射ミラーを有し、
前記シフト装置は、前記反射ミラーを移動させることで、前記反射した第２レーザビームが前記差周波混合部へ入射する位置を変化させる。
【００１６】
このように、前記シフト装置が、前記反射ミラーを移動させることで、前記反射した第２レーザビームが前記差周波混合部へ入射する位置を変化させることができる。
【発明の効果】
【００１７】
上述した本発明によると、周波数成分を切り分けることなく簡単かつ安定に、テラヘルツ波の周波数を変化させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明を実施するための最良の実施形態を図面に基づいて説明する。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。
【００１９】
（原理）
本発明は、図１に示す特性を持つ第１レーザビームと第２レーザビームを利用する。
図１に示すように、第１レーザビームと第２レーザビームの各々は、周波数勾配方向（図１の横軸方向に対応）に空間的な広がりを持つとともに、その空間的な周波数分布は、前記周波数勾配方向に周波数の大きさが漸増する線形的分布である。第１レーザビームと第２レーザビームの各々の空間的形状は、例えば楕円形状であってよく、この楕円の長軸方向が前記周波数勾配方向に相当してよい。
このような第１レーザビームと第２レーザビームとを、それぞれの周波数勾配方向を同じ向きにして、重ねると、両レーザビーム１ａ，１ｂの重なり領域の各位置で両レーザビーム１ａ，１ｂの周波数差が同一となる（図２（Ａ）を参照）。即ち、図２（Ａ）において、第１レーザビーム１ａと第２レーザビーム１ｂとは互いに重なっており、重なり領域の各位置（位置ｘ）で、周波数差が同一となる。
図２（Ａ）の状態から、第１レーザビームと第２レーザビームを前記周波数勾配方向に互いに対し空間的にシフトさせることで、前記重なり領域における前記周波数差を変化させる。例えば、図２（Ａ）の状態から、図２（Ｂ）のように第２レーザビームを左にシフトさせると、前記周波数差が小さくなる。一方、図２（Ａ）の状態から、図２（Ｃ）のように第２レーザビームを右にシフトさせると、前記周波数差が大きくなる。
このような重なり領域を差周波混合部内に位置させるとともに、上述のように前記周波数差を変化させることで、可変な単一周波数のテラヘルツ波を発生させることができる。
【００２０】
図３は、本発明の実施形態によるテラヘルツ波発生装置１０の構成図である。図３に示すように、レーザ生成誘導装置３、差周波混合部５およびシフト装置７を備える。
レーザ生成誘導装置３は、上述の第１レーザビーム１ａと第２レーザビーム１ｂを生成し互いに重なるように前記差周波混合部５へ案内する。前記差周波混合部５は、入射される第１レーザビーム１ａと第２レーザビーム１ｂの重なり領域において、両レーザビーム１ａ，１ｂの周波数差を周波数とするテラヘルツ波６を差周波混合により発生させる。シフト装置７は、第１レーザビーム１ａと第２レーザビーム１ｂを前記周波数勾配方向に互いに対し空間的にシフトさせる。
この構成により、第１レーザビーム１ａと第２レーザビーム１ｂとをそれぞれの周波数勾配方向を同じ向きにして重ね、両レーザビーム１ａ，１ｂを前記周波数勾配方向に互いに対し空間的にシフトさせることができる。これにより、前記重なり領域の各位置において両レーザビーム１ａ，１ｂの周波数差を同じにしつつ、当該周波数差を変化させることができる。従って、該周波数差に等しい単一周波数のテラヘルツ波６を発生させる場合に、該単一周波数を変化させることができる。
【００２１】
テラヘルツ波発生装置１０の構成をより詳しく説明する。
【００２２】
前記レーザ生成誘導装置３は、帯域レーザ発生部９、周波数勾配生成部１１、ビーム分離部１２および案内光学部１３を有する。
帯域レーザ発生部９は、所定の周波数帯域を持つレーザ光を発生させる。帯域レーザ発生部９は、例えば、フェムト秒レーザやその他の所定の周波数帯域（好ましくは、広帯域）のレーザ光を発生させるレーザ発生部である。
周波数勾配生成部１１には、帯域レーザ発生部９からのレーザ光が入射される。周波数勾配生成部１１は、入射されるレーザ光から勾配レーザビームを生成する回折格子などの分散素子であってよい。勾配レーザビームは、前記周波数勾配方向に空間的な広がりを持つとともに前記周波数分布を有する。
ビーム分離部１２は、前記勾配レーザビームを第１レーザビーム１ａと第２レーザビーム１ｂとに分離する。ビーム分離部１２は、例えば、ビームスプリッタであり、勾配レーザビームを好ましくは１対１の強度割合で第１レーザビーム１ａと第２レーザビーム１ｂとに分離する。
案内光学部１３は、ビーム分離部１２で分離された第１レーザビーム１ａと第２レーザビーム１ｂを、前記差周波混合部５へ案内する。図３の例では、案内光学部１３は、ビーム分離部１２で分離された第２レーザビーム１ｂを反射させる第１反射ミラー１３ａおよび第２反射ミラー１３ｂと、ビーム分離部１２で分離された第１レーザビーム１ａを反射させる第３反射ミラー１３ｃおよび第４反射ミラー１３ｄと、第２反射ミラー１３ｂで反射された第２レーザビーム１ｂと第４反射ミラー１３ｄで反射された第１レーザビーム１ａとを結合させるように差周波混合部５へ案内するビームスプリッタ１３ｅと、を有する。なお、図３の例では、案内光学部１３は、シリンドリカルレンズ１３ｆをさらに有する。この構成で、第１レーザビーム１ａと第２レーザビーム１ｂとが、前記差周波混合部５において互いに重なるように前記差周波混合部５に案内される。
【００２３】
差周波混合部５は、入射される第１レーザビーム１ａと第２レーザビーム１ｂの重なり領域において、両レーザビーム１ａ，１ｂの周波数差を周波数とするテラヘルツ波６を発生させる。図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線断面図であり、差周波混合部５の構成例を示す。図３の例では、差周波混合部５は、低温成長のガリウムヒ素（ＬＴ−ＧａＡｓ）基板１６の表面に金属ストリップライン電極１５ａ，１５ｂが取り付けられたものであり、光伝導アンテナと呼ばれる非線形光学素子の１つである。この電極１５ａ，１５ｂ間に電圧を印加した状態で、第１レーザビーム１ａと第２レーザビーム１ｂとが互いに重なるように電極１５ａ，１５ｂ間に照射される。すると、キャリアが生成され、レーザビームの照射領域全てにおいて、一方の電極１５ａから他方の電極１５ｂへ向けて電流が流れる。このときの吸収の非線形性から、差周波混合が生じて、光の周波数差に相当する周波数を持つテラヘルツ波６が発生する。
【００２４】
シフト装置７は、上述の第２反射ミラー１３ｂを移動させることで、前記反射した第１レーザビーム１ａが前記差周波混合部５へ入射する位置を前記周波数勾配方向に関して変化させる。シフト装置７が第２反射ミラー１３ｂを移動させる方向は、第２反射ミラー１３ｂへ第２レーザビーム１ｂが入射してくる方向またはこれと逆方向である。これにより、差周波混合部５における第２レーザビーム１ｂの位置が、図３の上下方向に移動させられる。
好ましくは、シフト装置７は、第２反射ミラー１３ｂだけでなく、第１反射ミラー１３ａも同じ方向にかつ同じ距離だけ移動させる。これにより、第２レーザビーム１ｂと第１レーザビーム１ａとの光路差が生じることを防止できる。即ち、ビーム分離部１２から差周波混合部５までの第１レーザビーム１ａの第１光路と、ビーム分離部１２から差周波混合部５までの第２レーザビーム１ｂの第２光路とは、同じ距離に設定されるが、シフト装置７が、第２反射ミラー１３ｂと第１反射ミラー１３ａを同じ方向にかつ同じ距離だけ移動させることで、第１反射ミラー１３ａと第２反射ミラー１３ｂを移動させても第１光路と第２光路に差が生じない。従って、第１レーザビーム１ａと第２レーザビーム１ｂが、パルスレーザである場合にも、発生するテラヘルツ波６の損失を防ぐことができる。
シフト装置７は、例えばサーボモータにより第１反射ミラー１３ａと第２反射ミラー１３ｂを駆動するものであってよい。
【００２５】
なお、図３（および後述の図８）において、ビーム平行器（例えば、シリンドリカルレンズ）１４は、回折格子などの分散素子１１から広がりながら進行するレーザ光を平行光にする。
【００２６】
上述の本発明の実施形態では、第１レーザビーム１ａは所定の周波数勾配方向に空間的な広がりを持つとともに、第１レーザビーム１ａの空間的な周波数分布は、前記周波数勾配方向に周波数の大きさが漸増する分布であり、第２レーザビーム１ｂも前記周波数勾配方向に空間的な広がりを持つとともに、第２レーザビーム１ｂの空間的な周波数分布も、前記周波数勾配方向に周波数の大きさが漸増する分布であり、これにより、両レーザビーム１ａ，１ｂの重なり領域の各位置で両レーザビーム１ａ，１ｂの周波数差が同一となり、該重なり領域から単一周波数のテラヘルツ波６を発生させ、第１レーザビーム１ａと第２レーザビーム１ｂを前記周波数勾配方向に互いに対し空間的にシフトさせることで、前記重なり領域における前記周波数差を変化させ、これにより、前記単一周波数を変化させるので、周波数成分を切り分けることなく簡単かつ安定に、テラヘルツ波６の周波数を変化させることができる。
【００２７】
次に、図３の構成を用いた実験結果について述べる。
【００２８】
図５（Ａ）は、単一周波数が０．７ＴＨｚのテラヘルツ波６を発生させるための上述の第１レーザビーム１ａと第２レーザビーム１ｂの波長分布を示す。第１レーザビーム１ａは、８０１ｎｍ〜８１０ｎｍまでの波長成分を持ち、上述の周波数勾配方向に１２ｍｍの空間領域に広がっている。第２レーザビーム１ｂは、７９９ｎｍ〜８１０ｎｍまでの波長成分を持ち、上述の周波数勾配方向に１４ｍｍの空間領域に広がっている。両レーザビーム１ａ，１ｂともほぼ線形的に分布している。両レーザビーム１ａ，１ｂが重なる周波数勾配方向の領域寸法は、１２ｍｍである。
図５（Ｂ）は、図５（Ａ）の場合における両レーザビーム１ａ，１ｂの周波数差分布を示す。図５（Ｂ）に示すように、両レーザビーム１ａ，１ｂが重なる領域内の全体において、周波数差は０．７ＴＨｚである（波長差にすると約１．５ｎｍである）。この結果は、上述した本発明の原理と一致している。
【００２９】
図６（Ａ）は、図３の構成を用いて発生させたテラヘルツ波６の測定結果を示す。図６（Ａ）は、発生するテラヘルツ波６の周波数が０．６ＴＨｚとなるようにシフト装置７によるシフトを行った場合である。図６（Ａ）に示すテラヘルツ波６の波形は、周期が１．６ｐｓの速い振動が振幅変調されたようなパルス形状であり、その包絡線の幅は８ｐｓである。この時間波形を元に高速フーリエ変換を用いて計算されたテラヘルツ波６のスペクトルを図６（Ｂ）に示す。図６（Ｂ）に示すように、中心周波数は０．６ＴＨｚであり、線幅は８０ＧＨｚであった。
【００３０】
図７（Ａ）は、第２レーザビーム１ｂのシフト量に対するテラヘルツ波６のスペクトルを示す。シフト量は、固定されている第１レーザビーム１ａの位置を基準とする。周波数が、０．３１ＴＨｚ〜１．６９ＴＨｚまで同調されることを確認した。その内、強度が最大になるのは、０．６８ＴＨｚのときであった。この測定結果から得られるビームシフト量と中心周波数の対応を図７（Ｂ）に示す。実線で示される計算値は、図５（Ａ）で示した第１レーザビーム１ａと第２レーザビーム１ｂの波長・周波数成分から導出された。実験結果は、計算値に近い値を示しており、上述した本発明の原理が実証されたと言える。
【００３１】
（本発明の従来技術との比較）
本発明の最大の特長は、広帯域のレーザ光による励起で、単一周波数のテラヘルツ波６を発生させることである。従来のフォトミキサーと呼ばれる差周波発生方法では、帯域が非常に狭い連続光のレーザを用いていたが、その分レーザの強度が低くなり、充分な強度のテラヘルツ波６が得られないという欠点が挙げられる。また、広帯域のフェムト秒レーザの光を、光伝導素子に直接集光させる方法が広く利用されているが、その場合、発生するテラヘルツ波６の帯域も１ＴＨｚ程度と広くなり、分光用のデバイスとして利用するためには、波形自体をサンプリングする必要があった。
これらに対して、本発明は、広帯域のレーザ光の波長を限定することなく、ほぼ全ての波長成分を利用して、同一周波数を持つテラヘルツ波６を発生させることが可能なため、レーザ光の利用率が高く、より効率的な発生手法であると言える。さらに、片方のレーザ光のビーム（第２レーザビーム１ｂ）を空間的にシフトするだけでテラヘルツ波６の周波数が同調されるため、従来のようにレーザ本体を制御して光の波長を変える必要が無く、より安定かつ高速に同調することが可能である。また、図３中で示した勾配レーザビームを形成するための回折格子などの周波数勾配生成部１１の波長分解能をさらに高めれば、テラヘルツ波６の線幅をより狭くすることが期待でき、分光測定のためのテラヘルツ波発生装置として充分利用できる。
【００３２】
（本発明の応用例）
図８は、上述した本発明の応用例を示す図である。図８に示すように、テラヘルツ波発生装置１０は、ビーム走査装置１７を有する。
【００３３】
ビーム走査装置１７の走査原理について説明する。
図９は、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６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、２ａは第１レーザビーム１ａの波面、２ｂは第２レーザビーム１ｂの波面、６ａはテラヘルツ波６の波面、θｉは差周波混合部５への第１レーザビーム１ａと第２レーザビーム１ｂとの間の相対的入射角（この例では第１レーザビーム１ａの入射角）、θＴはテラヘルツ波６の放射角である。
【００３４】
図９（Ａ）と図９（Ｃ）に示すように、片方の第１レーザビーム１ａの入射角をわずかに傾けると、もう一つの第２レーザビーム１ｂとの間に生じる位相差４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、第１レーザビーム１ａと第２レーザビーム１ｂから生じる電磁波は数１の式（１）で表される。
【００３５】
【数１】
【００３６】
ここで、Ｅ１、Ｅ２はそれぞれ第１レーザビーム１ａと第２レーザビーム１ｂ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は第１レーザビーム１ａと第２レーザビーム１ｂ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６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。
【００３７】
ここで、ωＴはテラヘルツ波６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６の位相が、第１レーザビーム１ａと第２レーザビーム１ｂの位相差に等しくなることである。したがって、図９（Ａ）や図９（Ｃ）のように、片方の第１レーザビーム１ａ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６の位相も変化し、全体から放射するテラヘルツ波６のビームの波面６ａが傾斜するため、進行方向が傾く。従って、片方の第１レーザビーム１ａの入射角θｉを制御することで、テラヘルツ波ビーム６の走査（図で左右に振ること）ができることになる。
【００３８】
さらに、ビーム走査装置１７の最大の特長は、テラヘルツ波ビーム６の走査角の大きさにある。
図９（Ａ）において、第１レーザビーム１ａの入射を左に傾けることにより生じる第１レーザビーム１ａと第２レーザビーム１ｂ間の位相差は数２の式（３）で表現される。
【００３９】
ここで、ｋｉはレーザ光の波数、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６の位相分布も、同様に数２の式（４）で表される。
【００４０】
ここで、ｋＴはテラヘルツ波６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。
【００４１】
【数２】
【００４２】
一般に、テラヘルツ波ビーム６の発生には赤外線レーザが用いられ、さらに、テラヘルツ波ビーム６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レーザビーム１ａと第２レーザビーム１ｂと間の相対的入射角（すなわち、第１レーザビーム１ａ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６が走査されることを意味する。
【００４３】
図１０は、第１レーザビーム１ａの入射角θｉとテラヘルツ波６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、第１レーザビーム１ａ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６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。
【００４４】
上述のビーム走査装置１７は、図８のように、レーザ光偏向装置１９と共焦点レンズ系２１を有する。
レーザ光偏向装置１９は、第４反射ミラー１３ｄを回転駆動することで、第１レーザビーム１ａの入射角θｉを変化させる。代わりに、レーザ光偏向装置１９は、第４反射ミラー１３ｄとビームスプリッタ１３ｅとの間などに配置され、第１レーザビーム１ａの進行方向を変更する装置（例えば、電気光学変更器、音響光学偏向器、）であってもよい。
共焦点レンズ系２１は、共通焦点２３ｂとこれより上流側に位置する第１焦点２３ａとの間に位置し、第１焦点２３ａを通過した第１レーザビーム１ａを共通焦点２３ｂ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２１は、２枚の凸レンズ２１ａ，２１ｂ（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。
【００４５】
図８の構成により、上述のテラヘルツ波装置の効果に加えて、第４反射ミラー１３ｄを、ある角度だけ回転駆動させると、その数百倍の角度でテラヘルツ波６の放射方向が変更される。
【００４６】
なお、ビーム分離素子２５は、レーザ光の一部をプローブ光８ａとして取り出すものである。２６ａ，２６ｂは放物面鏡、２７はダイポールアンテナである。
【００４７】
本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。
【００４８】
（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）レーザ光の帯域は可視光や赤外線である。
（６）レーザ光偏向装置として、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】
【００４９】
【図１】本発明に使用する線形的な周波数分布を有するレーザビームを示す。
【図２】図１の周波数分布を有する２つのレーザビームを用いて、単一周波数のテラヘルツ波を発生させる説明図である。
【図３】本発明の実施形態によるテラヘルツ波発生装置の構成図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線断面図であり、差周波混合部の構成例を示す。
【図５】本発明の原理を示す実験結果である。
【図６】図３の構成を用いて発生させたテラヘルツ波の測定結果を示す。
【図７】ビームシフト量とテラヘルツ波周波数との関係を示す図である。
【図８】本発明の応用例を示す図である。
【図９】テラヘルツ波ビームの走査原理を示す図である。
【図１０】第１レーザビームの入射角θｉとテラヘルツ波の放射角θＴとの関係を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１ａ 第１レーザビーム、１ｂ 第２レーザビーム、２ａ 第１レーザビームの波面、２ｂ 第２レーザビームの波面、３ レーザ生成誘導装置、４ 位相差、５ 差周波混合部、６ テラヘルツ波、６ａ テラヘルツ波ビームの波面、７ シフト装置、９ 帯域レーザ発生部、１０ テラヘルツ波発生装置、１１ 周波数勾配生成部、１２ ビーム分離部、１３ 案内光学部、１３ａ 第１反射ミラー、１３ｂ 第２反射ミラー、１３ｃ 第３反射ミラー、１３ｄ 第４反射ミラー、１３ｅ ビームスプリッタ、１３ｆ シリンドリカルレンズ、１４ ビーム平行器、１５ａ，１５ｂ 金属ストリップライン電極、１６ ガリウムヒ素基板、１７ ビーム走査装置、１９ レーザ光偏向装置、２１ 共焦点レンズ系、２１ａ，２１ｂ 凸レンズ、２３ａ 第１焦点，２３ｂ 共通焦点，２５ ビーム分離素子、２６ａ，２６ｂ 放物面鏡、２７ ダイポールアンテナ、
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１レーザビームと第２レーザビームとを差周波混合部に入射し、両レーザビームを該差周波混合部内で重ねることで、両レーザビームの周波数差を周波数とするテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生方法であって、
第１レーザビームは所定方向に空間的な広がりを持つとともに、第１レーザビームの空間的な周波数分布は、前記所定方向である周波数勾配方向に周波数の大きさが漸増する分布であり、第２レーザビームも前記周波数勾配方向に空間的な広がりを持つとともに、第２レーザビームの空間的な周波数分布も、前記周波数勾配方向に周波数の大きさが漸増する分布であり、これにより、両レーザビームの重なり領域の各位置で両レーザビームの周波数差が同一となり、該重なり領域から単一周波数のテラヘルツ波を発生させ、
第１レーザビームと第２レーザビームを前記周波数勾配方向に互いに対し空間的にシフトさせることで、前記重なり領域における前記周波数差を変化させ、これにより、前記単一周波数を変化させる、ことを特徴とするテラヘルツ波発生方法。
【請求項２】
第１レーザビームと第２レーザビームから両レーザビームの周波数差を周波数とするテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生装置であって、
レーザ生成誘導装置と差周波混合部とを備え、
前記レーザ生成誘導装置は、第１レーザビームと第２レーザビームを生成し互いに重なるように前記差周波混合部へ案内し、
前記差周波混合部は、入射される第１レーザビームと第２レーザビームの重なり領域において、両レーザビームの周波数差を周波数とするテラヘルツ波を発生させ、
第１レーザビームは所定方向に空間的な広がりを持つとともに、第１レーザビームの空間的な周波数分布は、前記所定方向である周波数勾配方向に周波数の大きさが漸増する分布であり、第２レーザビームも前記周波数勾配方向に空間的な広がりを持つとともに、第２レーザビームの空間的な周波数分布も、前記周波数勾配方向に周波数の大きさが漸増する分布であり、これにより、前記重なり領域の各位置で両レーザビームの周波数差が同一となり、該重なり領域から単一周波数のテラヘルツ波が発生するようになっており、
第１レーザビームと第２レーザビームを前記周波数勾配方向に互いに対し空間的にシフトさせるシフト装置をさらに備え、
前記シフトにより、前記重なり領域における前記周波数差を変化させ、これにより、前記単一周波数が可変となっている、ことを特徴とするテラヘルツ波発生装置。
【請求項３】
前記レーザ生成誘導装置は、
所定の周波数帯域を持つレーザ光を発生させる帯域レーザ発生部と、
前記レーザ光が入射されることで、空間的な広がりを持つとともに前記周波数分布を有する勾配レーザビームを生成する周波数勾配生成部と、
前記勾配レーザビームを第１レーザビームと第２レーザビームとに分離するビーム分離部と、
第１レーザビームと第２レーザビームを前記差周波混合部へ案内する案内光学部と、を有する、ことを特徴とする請求項２に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項４】
前記案内光学部は、光路に関して前記ビーム分離部と前記差周波混合部との間に設けられ、前記ビーム分離部からの第２レーザビームを反射させる反射ミラーを有し、
前記シフト装置は、前記反射ミラーを移動させることで、前記反射した第２レーザビームが前記差周波混合部へ入射する位置を変化させる、ことを特徴とする、請求項３に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項１】
第１レーザビームと第２レーザビームとを差周波混合部に入射し、両レーザビームを該差周波混合部内で重ねることで、両レーザビームの周波数差を周波数とするテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生方法であって、
第１レーザビームは所定方向に空間的な広がりを持つとともに、第１レーザビームの空間的な周波数分布は、前記所定方向である周波数勾配方向に周波数の大きさが漸増する分布であり、第２レーザビームも前記周波数勾配方向に空間的な広がりを持つとともに、第２レーザビームの空間的な周波数分布も、前記周波数勾配方向に周波数の大きさが漸増する分布であり、これにより、両レーザビームの重なり領域の各位置で両レーザビームの周波数差が同一となり、該重なり領域から単一周波数のテラヘルツ波を発生させ、
第１レーザビームと第２レーザビームを前記周波数勾配方向に互いに対し空間的にシフトさせることで、前記重なり領域における前記周波数差を変化させ、これにより、前記単一周波数を変化させる、ことを特徴とするテラヘルツ波発生方法。
【請求項２】
第１レーザビームと第２レーザビームから両レーザビームの周波数差を周波数とするテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生装置であって、
レーザ生成誘導装置と差周波混合部とを備え、
前記レーザ生成誘導装置は、第１レーザビームと第２レーザビームを生成し互いに重なるように前記差周波混合部へ案内し、
前記差周波混合部は、入射される第１レーザビームと第２レーザビームの重なり領域において、両レーザビームの周波数差を周波数とするテラヘルツ波を発生させ、
第１レーザビームは所定方向に空間的な広がりを持つとともに、第１レーザビームの空間的な周波数分布は、前記所定方向である周波数勾配方向に周波数の大きさが漸増する分布であり、第２レーザビームも前記周波数勾配方向に空間的な広がりを持つとともに、第２レーザビームの空間的な周波数分布も、前記周波数勾配方向に周波数の大きさが漸増する分布であり、これにより、前記重なり領域の各位置で両レーザビームの周波数差が同一となり、該重なり領域から単一周波数のテラヘルツ波が発生するようになっており、
第１レーザビームと第２レーザビームを前記周波数勾配方向に互いに対し空間的にシフトさせるシフト装置をさらに備え、
前記シフトにより、前記重なり領域における前記周波数差を変化させ、これにより、前記単一周波数が可変となっている、ことを特徴とするテラヘルツ波発生装置。
【請求項３】
前記レーザ生成誘導装置は、
所定の周波数帯域を持つレーザ光を発生させる帯域レーザ発生部と、
前記レーザ光が入射されることで、空間的な広がりを持つとともに前記周波数分布を有する勾配レーザビームを生成する周波数勾配生成部と、
前記勾配レーザビームを第１レーザビームと第２レーザビームとに分離するビーム分離部と、
第１レーザビームと第２レーザビームを前記差周波混合部へ案内する案内光学部と、を有する、ことを特徴とする請求項２に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項４】
前記案内光学部は、光路に関して前記ビーム分離部と前記差周波混合部との間に設けられ、前記ビーム分離部からの第２レーザビームを反射させる反射ミラーを有し、
前記シフト装置は、前記反射ミラーを移動させることで、前記反射した第２レーザビームが前記差周波混合部へ入射する位置を変化させる、ことを特徴とする、請求項３に記載のテラヘルツ波発生装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００９−２６５３６７（Ｐ２００９−２６５３６７Ａ）
【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２００８−１１５１４９（Ｐ２００８−１１５１４９）
【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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