テラヘルツ波発生検出装置、およびフェムト秒レーザ発生装置
【課題】簡単な構成により、高パワーを有し、細いパルス幅であり、変調されたフェムト秒レーザ光パルスをテラヘルツ波発生部に入射可能なテラヘルツ波発生検出装置、およびフェムト秒レーザ発生装置を提供する。
【解決手段】ファイバレーザ発振器１０８からの光パルスをビームスプリッタ１０９にて２つに分岐し、該分岐された一方の光パルスに強度変調器１１０にて種光の段階で変調をかける。次いで、該変調済み光パルスのパワーをファイバ増幅器１１５にて出力値まで増幅し、上記変調済み光パルスのパルス幅をファイバ圧縮器１１６にて出力値まで細くして、高パワーおよび細いパルス幅を有する、変調済みのフェムト秒レーザ光パルスを、テラヘルツ波発生部１０２に出射する。
【解決手段】ファイバレーザ発振器１０８からの光パルスをビームスプリッタ１０９にて２つに分岐し、該分岐された一方の光パルスに強度変調器１１０にて種光の段階で変調をかける。次いで、該変調済み光パルスのパワーをファイバ増幅器１１５にて出力値まで増幅し、上記変調済み光パルスのパルス幅をファイバ圧縮器１１６にて出力値まで細くして、高パワーおよび細いパルス幅を有する、変調済みのフェムト秒レーザ光パルスを、テラヘルツ波発生部１０２に出射する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ波発生検出装置、およびフェムト秒レーザ発生装置に関し、より詳細には、レーザによりテラヘルツ波を発生させて被測定物に入射し、反射や透過などにより該被測定物から出射されたテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波発生検出装置、およびフェムト秒レーザ発生装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、特許文献１に開示されているテラヘルツ時間領域分光法（ＴＨｚ−ＴＤＳ）では、ポンプ光が伝播する経路の一部を形成する遅延ラインを光路長走査部により変位させ、該光路長走査部を所定の繰り返し周期で連続して走査するラピッドスキャン方式において、該遅延ラインの変位をレーザ干渉計などにより正確に測定している。これにより、遅延ラインを高速にスキャンすることができる。特許文献１に開示された技術では測定データを積算することで高感度化を行うのだが、スキャン１回あたりの測定時間が従来のステップスキャンＴＨｚ−ＴＤＳと比べて短いため、レーザの強度揺らぎなどの影響を受けにくいため正確な測定が可能になる。
【０００３】
特許文献２では、連続光をマッハツェンダ干渉計によりパルス化する技術が開示されている。この場合、上記マッハツェンダ干渉計により光パルスの繰返し周期と強度を容易に変調できるため機械式チョッパが不要になる。また、特許文献２では、２つの超短光パルスレーザを用い、該２つの超短光パルスレーザから繰り返し周波数の異なる２つの光パルス列を作ることで、任意の位置での光パルスの到着時間を変化させている。これにより遅延ラインが不要になる。
【０００４】
特許文献３では、透過型・反射型など複数の測定形態に対応可能なテラヘルツ時間領域分光装置であって、フェムト秒レーザ発振部とテラヘルツ波発生素子との間であるパルス励起光の伝播路中に、該パルス励起光の繰り返し時間を試料の緩和時間に合わせて調整するために周波数調節手段としての音響光学変調器（以下、単に“ＡＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｏｐｔｉｃ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）”とも呼ぶ）や電気光変調器（以下、単に“ＥＯＭ（Ａｃｏｕｓｔｏ Ｏｐｔｉｃ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）”とも呼ぶ）を設けている。このような構成により、テラヘルツ波発生用レーザ光パルスの繰り返し周波数をＡＯＭやＥＯＭを用いて変調することができ、これによりパルス励起光の繰る返し周波数を下げることができ、元々のレーザ繰り返し周波数より遅い応答を観測できる。
【０００５】
特許文献４に開示された波長１．５５μｍ帯のファイバレーザを用いたテラヘルツ時間領域分光法では、ポンプ光とプローブ光とに２分割する前に、第二高調波を発生可能な非線形結晶に基本波となる短パルスレーザ光を入射している。これにより、非線形結晶から波長変換されない短パルスレーザ光である基本波と、波長変換された短パルスレーザ光である第二高調波とが出射されることになり、該波長変換されない短パルスレーザ光をポンプ光として用い、上記波長変換された短パルスレーザ光をプローブ光として用いている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４６５４９９６号公報
【特許文献２】特開２００９−８０００７号公報
【特許文献３】特許第４２４８６６５号公報
【特許文献４】特開２００８−１０６３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述のように特許文献１に開示された発明は、光路長走査部により光路長を変化させながら、該光路長走査部を１走査する際の所定のタイミングでサンプリングを行う技術に指向するものであり、ポンプ光に変調をかける技術に指向するものでは無い。従って、光伝導アンテナを用いてテラヘルツ波を発生させる際にはバイアス電圧を変調することで発生するテラヘルツ波に変調をかけることができる。しかしながら、広帯域なテラヘルツ波を発生可能な非線形結晶を用いてテラヘルツ波を発生させる場合には、テラヘルツ波に変調をかけることができないため、微弱な信号を検出するための高感度なロックイン検出を用いることができない。
【０００８】
上述のようにロックイン検出ができないので感度を良くするためには、積算回数を多く取る必要がある。しかしながら、短い測定時間内に積算回数を増加させるためには、上記光路長走査部を高速に振らなければならず、このような光路長走査部の高速の移動に対応して遅延ラインの位置情報を正確に取得するには、レーザ干渉計等の高精度な測距計が必要となる。よって、制御が複雑となる。また、上記レーザ干渉計を組む等、高精度の調整を要する空間光学系が多くなり、セットアップも複雑になる。
【０００９】
また、特許文献２の連続光をマッハツェンダ干渉計によりパルス化する技術においては、受動モード同期レーザを用いず、該マッハツェンダ干渉計に印加される電気信号により電気的にパルスを揃えているので、パルス間隔にバラツキが生じることがある。よって、遅延ラインのステップの精度が悪くなってしまう。そのため、ステップ精度が重要となる広帯域テラヘルツ波検出の精度が悪くなってしまい、テラヘルツ波の広帯域化が困難である。
【００１０】
また、さらに上記形態では、上記マッハツェンダ干渉計を光スイッチとして機能させて連続光からパルス列を形成しているが、上記マッハツェンダ干渉計では発生するパルス列のパルス幅を細くするのが難しく、細いパルス幅（例えば、５０ｆｓ）のフェムト秒レーザを発生することは困難である。この点からも、特許文献２に開示された技術では、広帯域テラヘルツ波を発生させることは困難であることが分かる。
【００１１】
一方、特許文献２の繰り返し周波数が異なる２つのパルス列を用いる形態においては、該２つのパルス列を出射するレーザとしてモード同期レーザを用いたとしても、上記２つのパルス列を出射するレーザは別個のレーザであるので、それぞれのレーザが安定した繰り返し周波数のパルス列を出射しなければ、各サンプリング時における、テラヘルツ波（すなわち、一方の繰り返し周波数のパルス列）とプローブ光（他方の繰り返し周波数のパルス列）とが重なるタイミングのずれが一定とならない。このようにタイミングのずれが一定とならないと、速い応答、すなわち高周波成分の検出が難しくなってしまう。しかしながら、２台のレーザの繰り返し周波数を高い精度で安定化させるためには複雑な制御が必要となる。また、２台のレーザを用いることはコストの面から見ても、またサイズの面から見ても問題があると言える。
【００１２】
上述のように、広帯域テラヘルツ波を発生させるためには、該テラヘルツ波を発生させるためのレーザ光としてスペクトル幅の広い、パルス幅が細い光パルスを用いる必要がある。
【００１３】
ところが、特許文献３に開示された技術のように、テラヘルツ波発生素子に入射すべき条件のフェムト秒レーザをＡＯＭやＥＯＭに通すと、波長分散の効果により入射された光パルスのパルス幅が広がってしまう。すなわち、フェムト秒レーザ発生装置からテラヘルツ波発生素子に入射すべき条件が整ったフェムト秒レーザを出射し、該条件が整ったフェムト秒レーザをＡＯＭやＥＯＭを通過させると、上記波長分散の効果によりそのパルス幅が広がってしまうのである。従って、テラヘルツ波の広帯域化を狙ってフェムト秒レーザ発生装置からパルス幅を細くしたフェムト秒レーザ光パルスを出射しても、特許文献３に開示された発明では、上記フェムト秒レーザ光パルスを該フェムト秒レーザ光パルスの繰り返し周波数を下げるためにＡＯＭやＥＯＭに入射させるので、パルス幅が広がってしまう。特に、ＡＯＭやＥＯＭに入射するフェムト秒レーザ光パルスのスペクトル帯域を大きくするほどパルス幅も広がってしまう。また、テラヘルツ波発生素子に入射すべき条件が整ったフェムト秒レーザパルスをＡＯＭやＥＯＭで変調するとデバイスへの挿入損失と、変調により光強度が半分以下になってしまうこととが避けられない。従って、高いパワーを有し、パルス幅の細いフェムト秒レーザをテラヘルツ波発生素子に入射することは難しいものとなっている。
このように、特許文献３では、繰り返し周波数を下げることはできるが、それと同時に、通過する光パルスのパルス幅を広げてしまい、光強度も下げてしまう。従って、特許文献３に開示された発明では、広帯域テラヘルツ波を発生させることが困難である。
【００１４】
また、特許文献３では、パルス励起光を所定の時間間隔の断続光とするために、上記伝播路中に光チョッパを設けている。このような機械式の光チョッパにおいては、高速に変調をかけることができないため、結果として高速な測定が不可能である。
【００１５】
特許文献４に開示された技術では、ポンプ光とプローブ光とに２分割する前にレーザ光を非線形結晶に入射し、該非線形結晶から出射される基本波と第二高調波とをポンプ光とプローブ光として用いているので、該レーザ光の全てをテラヘルツ波の発生および検出に利用することができる。従って、特許文献４に係る発明は、エネルギー効率を向上することができるので、非常に有力な技術であるが、改善しなければならない課題が残されている。一般に、ファイバレーザで高強度の極短パルスを生成するのは大変難しいのだが、このような高強度の極短パルスレーザをせっかく生成しても、生成したエネルギーを分割してしまうのは非効率的である。また、波長変換されずに結晶を透過してきたレーザ光のパルス幅は結晶入射前のものと比べて広くなるため、広帯域テラヘルツ波発生の観点から見ると都合が悪い。また、機械式のチョッパを用いているため、高速測定が不可能である。
【００１６】
このように、従来では、テラヘルツ波発生部に入射する光パルスに変調をかける場合、レーザ発生装置から、テラヘルツ波発生部に入射すべき、パワーおよびパルス幅を有するレーザ光パルス（例えば、フェムト秒レーザの光パルス）を出力し、該レーザ光パルスに対して、所定の変調器にて変調をかけて、テラヘルツ波発生部に入射している。しかしながら、上記変調器がチョッパの場合は、その機械的制限から高速変調がかけられない。従って、高速測定ができない。また、上記変調器がＡＯＭやＥＯＭである場合には、波長分散の効果によりパルス幅が広がってしまう。特に、広帯域のテラヘルツ波の発生を狙って広帯域でパルス幅の狭い光パルスを入射するとパルス幅がより広がってしまう。従って、この場合も、細いパルス幅（例えば５０ｆｓ）のフェムト秒レーザ光パルスを形成することが難しい。さらには、変調により光強度の半分を捨ててしまうことと、挿入損失を考慮すると、発生するテラヘルツ波の強度が弱くなり、結果として高速に高感度な測定を行うことができなくなってしまう。
【００１７】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、簡単な構成により、高パワーを有し、細いパルス幅であり、電気的に高速に変調されたフェムト秒レーザ光パルスをテラヘルツ波発生部に入射可能なテラヘルツ波発生検出装置、およびフェムト秒レーザ発生装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
このような目的を達成するために、本発明の第１の態様は、テラヘルツ波発生検出装置であって、光パルスを発振するレーザ発振器と、前記光パルスを２つに分岐する分岐手段と、前記２つに分岐された一方の光パルスに所定の変調をかける変調手段と、前記変調をかけられた一方の光パルスのパワーを増幅する増幅手段と、前記増幅手段にて増幅された、前記変調がかけられた一方の光パルスのパルス幅を細くする圧縮手段と、前記圧縮手段から出射された、前記変調がかけられた一方の光パルスによりテラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生手段と、前記２つに分岐された他方の光パルスと、前記テラヘルツ波発生手段から発生したテラヘルツ波が入射された被測定物から出射されたテラヘルツ波とが入射されるように構成され、前記出射されたテラヘルツ波の検出を行うテラヘルツ波検出手段と、前記２つに分岐された一方の光パルスおよび他方の光パルスのいずれか一方を所定の遅延時間だけ遅延させる遅延手段とを備えることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の第２の態様は、所定のパワーおよび所定のパルス幅を有するフェムト秒レーザ光パルスであって、所定の変調がかけられたフェムト秒レーザ光パルスを出射するフェムト秒レーザ発生装置であって、光パルスを発振するレーザ発振器と、前記光パルスに前記所定の変調をかける変調手段と、前記変調をかけられた光パルスのパワーを前記所定のパワーまで増幅する増幅手段と、前記増幅手段にて増幅された、前記変調がかけられた光パルスのパルス幅を前記所定のパルス幅まで細くして、前記所定のパワーおよび前記所定のパルス幅を有するフェムト秒レーザ光パルスとして出射する圧縮手段とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、簡単な構成により、高パワー（例えば、５００ｍＷ）を有し、細いパルス幅（例えば、５０ｆｓ）であり、電気的に高速に変調されたフェムト秒レーザ光パルスをテラヘルツ波発生部に入射可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態に係るテラヘルツ波発生検出装置の概略構成図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るテラヘルツ波発生検出装置の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明するが、本発明は本実施形態に限定されるものではない。なお、以下で説明する図面で、同機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略することもある。
【００２３】
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係るテラヘルツ波発生検出装置の概略構成図である。
図１において、テラヘルツ波発生検出装置１００は、テラヘルツ波発生部に入射すべき条件が整ったフェムト秒レーザの光パルス（以下、簡単のため“テラヘルツ波発生用光パルス”と呼ぶこともある）、およびテラヘルツ波検出部に入射すべきフェムト秒レーザの光パルス（以下、簡単のため“テラヘルツ波検出用光パルス”と呼ぶこともある）を出射するフェムト秒レーザ発生装置１０１を備える。また、テラヘルツ波発生検出装置１００は、フェムト秒レーザ発生装置１０１から出射されたテラヘルツ波発生用光パルスによりテラヘルツ波の光パルス（以下、簡単のため“テラヘルツ波パルス”と呼ぶこともある）を発生するテラヘルツ波発生部１０２と、反射または透過により被測定物１０５から出射されたテラヘルツ波パルスを検出するテラヘルツ波検出部１０３と、テラヘルツ波パルスを伝播するための伝播モジュール１０４とを備える。該伝播モジュール１０４は、複数の軸外し放物面鏡を有し、テラヘルツ波発生部１０２から入射されたテラヘルツ波をコリメートし、集光して被測定物１０５に入射させ、かつ被測定物１０５から入射されたテラヘルツ波をコリメートし、集光してテラヘルツ波検出部１０３に入射させるように構成されている。
【００２４】
上記テラヘルツ波検出部１０３には、該テラヘルツ波検出部１０３に、テラヘルツ波検出用光パルスと被測定物１０５から出射され伝播モジュール１０４を介したテラヘルツ波とが入射されるときに発生する電流が入力される電流増幅器１０６が電気的に接続されており、該電流増幅器１０６には、ロックインアンプ１０７が電気的に接続されている。
【００２５】
なお、上記テラヘルツ波発生用光パルスは、テラヘルツ波発生部１０２に入射すべきフェムト秒レーザの光パルスであって、テラヘルツ波発生部１０２での所望のテラヘルツ波発生のために設定された、パワーおよびパルス幅を有し、かつ変調済みの光パルスである。本実施形態では、テラヘルツ波発生用光パルスを、一例として、高強度のテラヘルツ波発生のために高いパワー（本実施形態では、一例として５００ｍＷ）を有し、かつ広帯域テラヘルツ波を発生させるために細いパルス幅（本実施形態では、一例として５０ｆｓ）の、変調がかけられた光パルスとして説明する。
【００２６】
フェムト秒レーザ発生装置１０１は、ファイバレーザ発振器１０８と、インライン型のビームスプリッタ１０９と、強度変調器１１０と、遅延ラインスキャナ１１１と、光路長調整器１１２と、光ファイバカプラ１１３ａ、１１３ｂと、ファイバ増幅器１１５と、ファイバ圧縮器１１６と、ファイバ増幅器１１７と、ファイバ圧縮器１１８とを備える。本実施形態では、上記フェムト秒レーザ発生装置１０１の各々の構成要素を光ファイバデバイスとし、該構成要素の各々を光ファイバにて接続して空間伝播部を排除している。従って、光パルスの伝播部となる光ファイバをコンパクトに巻くことができるため、装置の小型化、安定化を図ることができる。また、本実施形態では、上記各構成要素を接続している光ファイバは偏光保持ファイバ（ＰＭＦ）であることが望ましい。従って、環境変化、ファイバの曲げに対して、生成される光パルスの強度、パルス波形、偏光方向を安定にすることができる。
【００２７】
図１において、ファイバレーザ発振器１０８は、受動モード同期ファイバレーザであり、最終的にフェムト秒レーザ発生装置１０１から出力する光パルスであるテラヘルツ波発生用光パルスのパワーよりも低いパワーを有し、該テラヘルツ波発生用光パルスのパルス幅よりも広いパルス幅の光パルスを発振する。すなわち、ファイバレーザ発振器１０８は、テラヘルツ波発生用光パルスおよびテラヘルツ波検出用光パルスの種光パルスを発振する。本実施形態では、ファイバレーザ発振器１０８からは、パルス幅５００ｆｓ、平均強度４０ｍＷ、繰り返し周波数１００ＭＨｚのフェムト秒光パルス列が出力される。
【００２８】
このように、本実施形態では、ファイバレーザ発振器１０８から発振されるレーザの繰り返し周波数を、一般的な受動モード同期ファイバレーザに比べて高く設定している。平均強度が同じであれば繰り返し周波数を高くすることによりパルスピークパワーが減少し光ファイバ中での非線形効果の影響が少なくなる。従って、上述のように繰り返し周波数を高く設定することにより、テラヘルツ波発生用光パルスの短パルス化と、高平均強度化とを両立させることができる。
【００２９】
ファイバレーザ発振器１０８の出射端と、インライン型のビームスプリッタ１０９の入射端とがＰＭＦにより接続されている。ビームスプリッタ１０９は、１つの入射端と、２つの出射端とを有し、上記入射端から入射された種光パルスを２つに分岐して、該分岐された種光パルスを上記２つの出射端から出射する。すなわち、ビームスプリッタ１０９は、ファイバレーザ発振器１０８から入射された種光パルスを２つに分岐して、一方の出射端からテラヘルツ波発生用の種光パルスを出射し、他方の出射端からテラヘルツ波検出用の種光パルスを出射する。
【００３０】
上記ビームスプリッタ１０９の一方の出射端と、強度変調器１１０とがＰＭＦにより接続されている。強度変調器１１０は、フェムト秒レーザ発生装置１０１からの出射時にはテラヘルツ波発生用光パルスとなる光パルスに所定の変調をかけるためのものである。すなわち、強度変調器１１０は、テラヘルツ波発生用光パルスのパワーよりも低く、かつ該パルスのパルス幅よりも広い光パルス（種光パルス）に対して変調をかけるものであり、本実施形態では、該強度変調器１１０により、テラヘルツ波発生用光パルスとして持つべきパワーおよびパルス幅に整える前に、該テラヘルツ波派生用パルスとなる光パルスに対して予め変調をかける。従って、テラヘルツ波発生用光パルスを変調済みの光パルスとすることができる。
【００３１】
本実施形態では、テラヘルツ波発生用の光パルスとテラヘルツ波検出用の光パルスとに分岐する構成として、従来のようにバルクビームスプリッタを用いず、インライン型のビームスプリッタ１０９を用いているので、装置を小型化にすることができ、安定に装置を動作させることができる。
【００３２】
本実施形態では、強度変調器１１０として、ＡＯＭを用いているが、ＥＯＭを用いても良い。本実施形態では、ＡＯＭである強度変調器１１０は、入射された、テラヘルツ波発生用の種光パルス列に対して、９０ｋＭｚの変調をかけるように構成されている。この変調周波数は、ロックインアンプ１０７の帯域上限が１００ｋＨｚであることから設定した値であり、機器によってはより高速な変調をかけても良い。
【００３３】
このように、強度変調器１１０としてＡＯＭやＥＯＭを用いることにより、より高速な変調をかけることができ、高速にテラヘルツ波を検出することができる。また、強度変調器１１０は、ロックインアンプ１０７に電気的に接続されており、強度変調器１１０の変調信号はロックインアンプ１０７に出力される。従って、ロックインアンプ１０７を用いた高感度検出を行うことができる。本実施形態では、ＡＯＭやＥＯＭにより高速変調を行うことができる。従って、該変調をより高速にすることにより、ロックインアンプの代わりにバンドパスフィルタを用いた高感度検出を行うこともできる。
【００３４】
なお、本実施形態では、種光パルスの段階で変調をかけることが重要であり、特にテラヘルツ波検出用の光パルスのパワーおよびパルス幅を設定値（種光パルスよりも高いパワー、および該種光パルスよりも細いパルス幅）にする前の段階で、テラヘルツ波検出用の光パルスに所定の変調をかけることが重要となる。従って、強度変調器１１０をＡＯＭやＥＯＭにすることが本質ではなく、強度変調器１１０としては、例えば光スイッチ等、入力された光パルス列に所定の変調をかけることができるものであればいずれを用いても良い。また、変調周波数が遅くても構わないのであれば、強度変調器１１０として光チョッパを用いても良い。
【００３５】
光ファイバカプラ１１３ａは、２つの入射端と、１つの出射端とを有し、２つの入射端の一方と、強度変調器１１０の出射端とがＰＭＦにより接続されており、２つの入射端の他方と、励起レーザ１１４ａとがＰＭＦにより接続されており、上記２つの入射端のそれぞれから入射された光を上記出射端から出射する。該励起レーザ１１４ａは、後述するファイバ増幅器１１５に増幅機能を持たせるための励起光を発振する。従って、光ファイバカプラ１１３ａの一方の入射端からは、強度変調器１１０から出射された、所定の変調がかけられたテラヘルツ波発生用の種光パルスが入射され、該変調済みの種光パルスを出射端から出射する。一方、光ファイバカプラ１１３ａの他方の入射端からは、励起レーザ１１４ａから出射された励起光が入射され、該励起光を出射端から出射する。
なお、本実施形態では、ファイバ増幅器１１５に増幅機能を持たせるための励起光を、ファイバ増幅器１１５の種光パルスの入射側からファイバ増幅器１１５に入射させているが、上記励起光をファイバ増幅器１１５の種光パルスの出射側からファイバ増幅器１１５に入射させても良い。この場合は、励起レーザ１１４ａに接続された光ファイバカプラ１１３ａを、ファイバ増幅器１１５とファイバ圧縮器１１６との間に設け、励起レーザ１１４ａから出射された励起光を光ファイバカプラ１１３ａを介してファイバ増幅器１１５の種光パルスの出射側から該ファイバ増幅器１１５に入射するようにすれば良い。
【００３６】
光ファイバカプラ１１３ａの出射端と、ファイバ増幅器１１５の入射端とがＰＭＦにより接続されている。該ファイバ増幅器１１５は、分散特性が正常分散値を有するエルビウム添加ファイバである。このように、正常分散のエルビウム添加ファイバを増幅ファイバとして用いることにより、パルス分裂などの測定性能に悪影響を及ぼす非線形効果を低減することができる。ファイバ増幅器１１５は、励起用レーザダイオードである励起レーザ１１４ａからの励起光が光ファイバカプラ１１３ａを介して注入されることにより、テラヘルツ波発生用の種光パルス列を増幅することができる。なお、ファイバ増幅器１１５としては、エルビウムの他に、イッテルビウム、ツリウム、またはネオジウムなどが添加されたファイバ増幅器を用いることができ、必要な波長に合わせて添加物を選択すれば良い。本実施形態では、ファイバ増幅器１１５は、入射されたテラヘルツ波発生用の種光パルスのパワーを５００ｍＷまで増幅するように構成されている。すなわち、ファイバ増幅器１１５により、テラヘルツ波発生用の種光パルスのパワーを、最終的に出力される光パルスであるテラヘルツ波発生用光パルスとして持つべきパワーまで増幅させる。
【００３７】
ファイバ増幅器１１５が偏光保持ファイバではない場合、偏波コントローラをファイバ増幅器１１５の前（光ファイバカプラ１１３ａとファイバ増幅器１１５との間）に設置して偏波を調整すると良い。
この偏波調整を容易にするために、ファイバ増幅器１１５を多段構成にし、それぞれ偏波コントローラを設置しても良い。また、各ファイバ増幅器の後（ファイバ増幅器の出力側）には戻り光を防ぐためにアイソレータを挿入しても良い。それぞれの偏波コントローラは、各ファイバ増幅器の後に設置したＴＡＰモニタ出力パワーを観測し、その強度が最大になるように最適化する。多段で増幅・偏波調整を繰り返すことにより、１段のファイバ増幅器で強度増幅する場合と比べて、ファイバ中で生じる非線形偏波回転による偏光の乱れを抑圧することができる。
【００３８】
ファイバ増幅器１１５の出射端と、ファイバ圧縮器１１６とがＰＭＦを介して接続されている。該ファイバ圧縮器１１６は、大口径の定偏波フォトニッククリスタルファイバ等のラージモードエリアファイバであり、入射されたテラヘルツ波発生用の種光パルスのパルス幅を５０ｆｓに圧縮するように構成されている。
【００３９】
ファイバ増幅器１１５から出力された光パルス（テラヘルツ波発生用の種光パルス）は、ファイバ増幅器１１５の非線形効果と正常分散の影響とにより、スペクトルが広がると同時に正の単調なチャープを有している。本実施形態では、ファイバ圧縮器１１６として大口径のフォトニッククリスタルファイバ等のラージモードエリアファイバを用いているので、このチャープを補償することができる。このフォトニッククリスタルファイバはモードフィールド径が２０ミクロン以上であるが、光パルスのシングルモード伝搬が可能である。そのため、増幅により高ピーク強度化した光パルスの伝搬においても、過剰な非線形効果を抑制することができ、シングルピークの高ピーク強度短パルスを生成することができる。本実施形態では、ファイバ増幅器１１５中で生じる光スペクトル広がりと、ファイバ圧縮器１１６としてのフォトニッククリスタルファイバ中で生じるチャープ補償およびソリトン圧縮とにより、テラヘルツ波発生用の種光パルスのパルス幅は５０ｆｓ以下に圧縮される。すなわち、ファイバ圧縮器１１６により、テラヘルツ波発生用の種光パルスのパルス幅を、最終的に出力される光パルスであるテラヘルツ波発生用光パルスとして持つべきパルス幅まで細くする。
【００４０】
なお、フォトニッククリスタルファイバは微細な空孔が開いた形状をしており、粉塵や水分の影響を受け特性が劣化してしまう恐れがあることから、ファイバ端面はエンドシーリングするか、レンズを固定する際にファイバ保持部を密閉することで粉塵や水分の影響を軽減するように工夫するとよい。また、フォトニッククリスタルファイバのように、曲げ損失が大きく、ファイバの揺れにより出力に影響を与えてしまうファイバを用いる場合には、許容される最小の曲げ半径でファイバ固定できるような樹脂ガイドを作製すると安定性を保ったまま装置を小型化することができる。
【００４１】
上記ビームスプリッタ１０９の他方の出射端と、遅延ラインスキャナ１１１とがＰＭＦにより接続されている。該遅延ラインスキャナ１１１は、テラヘルツ波検出用の種光パルスを所定の遅延時間だけ遅延させるように構成されており、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）等の制御装置（不図示）に電気的に接続された、ファイバピグテール付のインライン型の遅延ラインスキャナである。該遅延ラインスキャナ１１１は、駆動部により駆動可能なミラーを有しており、上記制御装置が上記駆動部を駆動させることにより、テラヘルツ波検出用の種光パルスに所定の遅延を付与するようにミラーを移動させることができる。すなわち、テラヘルツ波信号のサンプリングを行う際には、制御装置からの指示により、遅延ラインスキャナ１１１を駆動しながらテラヘルツ波発生用光パルスとテラヘルツ波検出用光パルスとの時間差を調整する。
【００４２】
遅延ラインスキャナ１１１と、インライン型の光路長調整器１１２の入射端とがＰＭＦにより接続されている。該光路長調整器１１２は、手動により位置を変位可能なミラーを有している。該ミラーの位置を変位させることにより、テラヘルツ波検出用の種光パルスの光路長を調節することができる。この光路長調整器１１２は、テラヘルツ波発生用光パルスとテラヘルツ波検出用光パルスの光路長を調整するときに用いるもので、一度調整してしまえばその後測定の度に時間差を調整する必要はない。テラヘルツ波発生用光パルス列（一部区間はテラヘルツ波として伝搬）とテラヘルツ波検出用光パルス列との時間差は、この光路長調整器１１２の調整器範囲内に納まるようにあらかじめファイバ長またはテラヘルツ波伝搬長を調整しておく必要がある。
【００４３】
なお、本実施形態では、テラヘルツ波検出用の種光パルスに所定の遅延時間を付与する形態であるが、テラヘルツ波発生用の種光パルスに所定の遅延時間を付与するようにしても良い。この場合は、ビームスプリッタ１０９と光ファイバカプラ１１３ａとの間のいずれかの位置に遅延ラインスキャナ１１１を配置すれば良い。
【００４４】
光ファイバカプラ１１３ｂは、２つの入射端と、１つの出射端とを有し、２つの入射端の一方と、光路長調整器１１２の出射端とがＰＭＦにより接続されており、２つの入射端の他方と、励起レーザ１１４ｂとがＰＭＦにより接続されており、上記２つの入射端のそれぞれから入射された光を上記出射端から出射する。該励起レーザ１１４ｂは、後述するファイバ増幅器１１７に増幅機能を持たせるための励起光を発振する。従って、光ファイバカプラ１１３ｂの一方の入射端からは、光路長調整器１１２から出射されたテラヘルツ波検出用の種光パルスが入射され、該種光パルスを出射端から出射する。一方、光ファイバカプラ１１３ｂの他方の入射端からは、励起レーザ１１４ｂから出射された励起光が入射され、該励起光を出射端から出射する。
なお、本実施形態では、ファイバ増幅器１１７に増幅機能を持たせるための励起光を、ファイバ増幅器１１７の種光パルスの入射側からファイバ増幅器１１７に入射させているが、上記励起光をファイバ増幅器１１７の種光パルスの出射側からファイバ増幅器１１７に入射させても良い。この場合は、励起レーザ１１４ｂに接続された光ファイバカプラ１１３ｂを、ファイバ増幅器１１７とファイバ圧縮器１１８との間に設け、励起レーザ１１４ｂから出射された励起光を光ファイバカプラ１１３ｂを介してファイバ増幅器１１７の種光パルスの出射側から該ファイバ増幅器１１７に入射するようにすれば良い。
【００４５】
光ファイバカプラ１１３ｂの出射端と、ファイバ増幅器１１７の入射端とがＰＭＦにより接続されている。該ファイバ増幅器１１７は、異常分散特性を有するファイバ増幅器および正常分散特性を有するファイバ増幅器を２段に設けた構造を有する。すなわち、ファイバ増幅器１１７へのテラヘルツ波検出用の種光パルスの入射側に異常分散特性を有する第１のファイバ増幅器が設けられており、上記種光パルスの進行方向の後段側には、正常分散特性を有する第２のファイバ増幅器が設けられている。ファイバ増幅器１１７における増幅の前半部分において異常分散特性を有するファイバ増幅器を用いることにより、入射された光パルスのパワー（光強度）が比較的弱い場合には、パルス圧縮とパルス増幅とを同時に行うことができる。あるレベルまでパワー（光強度）が増幅された後には正常分散特性を有するファイバ増幅器を用いて光増幅を行う。これは、正常分散中で非線形効果を誘起することで、パルス分裂を生じないまま自己位相変調によりスペクトル幅を大きく広げ、光パルスに正の単調なチャープを付加することができるからである。このような構成により、本実施形態では、ファイバ増幅器１１７は、励起用レーザダイオードである励起レーザ１１４ｂからの励起光が光ファイバカプラ１１３ｂを介して注入されることにより、テラヘルツ波検出用の種光パルスのパワーを５００ｍＷまで増幅することができる。
【００４６】
ファイバ増幅器１１７の出射端と、ファイバ圧縮器１１８の入射端とがＰＭＦにより接続されている。該ファイバ圧縮器１１８は、シングルモード光ファイバであり、該シングルモード光ファイバにより、上記ファイバ増幅器１１７から出射された正チャープを有するテラヘルツ波発生用の種光パルスをパルス圧縮することができる。本実施形態では、ファイバ圧縮器１１８は、上記テラヘルツ波発生用の種光パルスのパルス幅を５０ｆｓまで細くするように構成されている。
【００４７】
このような構成により、フェムト秒レーザ発生装置１０１は、高いパワー（光強度）を有し、細いパルス幅の光パルスである、テラヘルツ波発生用光パルスをテラヘルツ波発生部１０２へと出射する。
【００４８】
ファイバ圧縮器１１６の出射端（フォトニッククリスタルファイバの出射端）は、テラヘルツ波発生部１０２の入射端に接続されている。該テラヘルツ波発生部１０２は、ファイバ圧縮器１１６であるラージモードエリアファイバの出射端に接続されたコリメートレンズと、該コリメートレンズにてコリメートされた光を集光するように設けられた集光レンズと、該集光レンズにて集光された光が入射するように設けられたテラヘルツ波発生用の非線形結晶とを有している。上記フォトニッククリスタルファイバ出射端、コリメートレンズ、集光レンズ、およびＤＡＳＴ結晶はモジュール化されている。このような構成で、フォトニッククリスタルファイバから出射されたテラヘルツ波発生用光パルスは、コリメートレンズおよび集光レンズによりコリメート・集光されテラヘルツ波発生用非線形結晶であるＤＡＳＴ結晶に入射され、ＤＡＳＴ結晶はテラヘルツ波を発生する。
なお、非線形結晶以外にも光伝導アンテナを用いてテラヘルツ波を発生させることができる。その際には、ＰＰＬＮを用いて波長変換することが望ましい。
【００４９】
また、ファイバ圧縮器１１８の出射端（シングルモード光ファイバの出射端）は、テラヘルツ波検出部１０３に接続されている。該テラヘルツ波検出部１０３は、ファイバ圧縮器１１８であるシングルモード光ファイバの出射端に接続され、第二高調波を発生可能な非線形結晶（本実施形態では、ＰＰＬＮ（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ Ｐｏｌｅｄ Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｎｉｏｂａｔｅ））と、該非線形結晶から発生した光から第二高調波を抽出する光学フィルタと、該光学フィルタにより抽出された第二高調波を光伝導アンテナに入射させるためのレンズと、該光学フィルタにて抽出された第二高調波が入射するように設けられた光伝導アンテナとを有する。該光伝導アンテナの裏面（ファイバ圧縮器１１８と反対側の面）にはシリコンの半球または超半球レンズが設置されている。本実施形態では、上記シングルモード光ファイバの出射端からシリコンレンズまで１つのモジュールとなっており、空間伝搬時と比べて小型化・堅牢化が実現されている。このような構成により、ファイバ圧縮器１１８から出射されたテラヘルツ波検出用光パルスがＰＰＬＮに入射すると、該ＰＰＬＮから第２高調波が発生し、光学フィルタにより第２高調波のみが取り出され、該取り出された第二高調波はレンズにより光伝導アンテナへ集光される。このとき、光伝導アンテナのシリコンレンズ側から被測定物１０５から出射されたテラヘルツ波が入射されることにより、該テラヘルツ波の検出が行われる。
なお、本実施形態では、光伝導アンテナを用いてテラヘルツ波を検出したが、変わりに非線形結晶を用いてＥＯ検出してもよい。非線形結晶を用いたＥＯ検出においては第２高調波を発生しなくてもテラヘルツ波を検出することができる。
【００５０】
次に、本実施形態に係るテラヘルツ波発生検出装置１００の動作を説明する。
まずは、ファイバレーザ発振器１０８は、テラヘルツ波発生部１０２への入射光パルスであるテラヘルツ波発生用光パルスとして設定されたパワー（光強度）（５００ｍＷ）よりも低く、かつ該テラヘルツ波発生用光パルスとして設定されたパルス幅（５０ｆｓ）よりも広いパルス幅を有する種光パルス（平均パワー４０ｍＷ、パルス幅５００ｆｓ、繰り返し周波数１００ＭＨｚ）を発振する。該種光パルスは、ビームスプリッタ１０９にて２つに分岐され、分岐された一方がテラヘルツ波発生用の種光パルス（平均パワー２０ｍＷ、パルス幅５００ｆｓ、繰り返し周波数１００ＭＨｚ）として強度変調器１１０に入射し、他方がテラヘルツ波検出用の種光パルス（平均パワー２０ｍＷ、パルス幅５００ｆｓ、繰り返し周波数１００ＭＨｚ）として遅延ラインスキャナ１１１に入射する。
【００５１】
強度変調器１１０は、入射されたテラヘルツ波発生用の種光パルス（平均パワー２０ｍＷ、パルス幅５００ｆｓ、繰り返し周波数１００ＭＨｚ）に対して９０ｋＨｚの変調をかけ、該変調信号をロックインアンプ１０７に送信する。該変調がかけられたテラヘルツ波発生用の種光パルス（平均パワー２０ｍＷ、パルス幅５００ｆｓ）は光ファイバカプラ１１３ａを介してファイバ増幅器１１５に入射する。光ファイバ増幅器１１５は、励起レーザ１１４ａから光ファイバカプラ１１３ａを介して入力された励起光により、上記変調がかけられたテラヘルツ波発生用の種光パルスのパワーを出力値である５００ｍＷに増幅してファイバ圧縮器１１６へと出射する。該ファイバ圧縮器１１６は、入射された変調がかけられ、増幅されたテラヘルツ波発生用の種光パルス（パワー５００ｍＷ、パルス幅５００ｆｓ）のパルス幅を５０ｆｓまで細くする。これにより、フェムト秒レーザ発生装置１０１は、パワー５００ｍＷ、パルス幅５０ｆｓのテラヘルツ波発生用光パルスを出射する。
【００５２】
上記フェムト秒レーザ発生装置１０１から出射されたテラヘルツ波発生用光パルスはテラヘルツ波発生部１０２に入射し、該テラヘルツ波発生部１０２はテラヘルツ波を発生する。該発生したテラヘルツ波は伝播モジュール１０４を介して被測定物１０５に入射する。該被測定物１０５に入射されたテラヘルツ波は該被測定物１０５にて反射され、該反射されたテラヘルツ波は伝播モジュール１０４を介してテラヘルツ波検出部１０３に入射する。
【００５３】
一方、テラヘルツ波波形を観測するために、テラヘルツ波検出用の種光パルス（平均パワー２０ｍＷ、パルス幅５００ｆｓ、繰り返し周波数１００ＭＨｚ）が通過する遅延ラインスキャナ１１１を制御装置で駆動し、被測定物１０５から出射される反射されたテラヘルツ波とテラヘルツ波検出用光パルスの時間差を変化させながら、テラヘルツ波検出部１０３の光伝導アンテナ出力電流を検出する。遅延ラインスキャナ１１１によるスキャンのスキャン幅、スキャンレートは被測定物１０５に応じて調整するとよい。
【００５４】
上記遅延ラインスキャナ１１１により所定の遅延時間が付与されたテラヘルツ波検出用の種光パルス（平均パワー２０ｍＷ、パルス幅５００ｆｓ、繰り返し周波数１００ＭＨｚ）は、光ファイバカプラ１１３ｂを介してファイバ増幅器１１７に入射する。光ファイバ増幅器１１７は、励起レーザ１１４ｂから光ファイバカプラ１１３ｂを介して入力された励起光により、上記所定の遅延時間が付与されたテラヘルツ波検出用の種光パルスのパワーを出力値である５００ｍＷに増幅してファイバ圧縮器１１８へと出射する。該ファイバ圧縮器１１８は、入射された所定の遅延時間が付与され、増幅されたテラヘルツ波検出用の種光パルス（パワー２００ｍＷ、パルス幅５００ｆｓ、繰り返し周波数１００ＭＨｚ）のパルス幅を５０ｆｓまで細くする。これにより、フェムト秒レーザ発生装置１０１は、パワー２００ｍＷ、パルス幅５０ｆｓのテラヘルツ波検出用光パルスを出射する。
【００５５】
テラヘルツ波検出部１０３は、フェムト秒レーザ発生装置１０１から出射されたテラヘルツ波検出用光パルスと、伝播モジュール１０４から出射された、被測定物１０５にて反射されたテラヘルツ波とにより、光伝導アンテナにて生じた電流を電流増幅器１０６を介してロックインアンプ１０７に出力する。該ロックインアンプ１０７により、強度変調器１１０から出力された変調信号と、テラヘルツ波検出部１０３から出力された電流とによりテラヘルツ波の電場時間波形を測定する。
【００５６】
従来では、例えば、高速変調を狙ってＡＯＭ（またはＥＯＭ）を強度変調器として用いる場合、フェムト秒レーザ発生装置とテラヘルツ波発生部との間にＡＯＭを設けているので、該ＡＯＭの波長分散の効果によりパルス幅が広がってしまっていた。また、上記ＡＯＭは、超短パルスレーザとして高強度のレーザを用意したとしても、強度変調器でＯＮ／ＯＦＦ変調するため、レーザ光強度の半分を捨ててしまっていることになる。また、これらのデバイスの挿入損失も生じてしまう。よって、全てのエネルギーを効率的に利用することが困難であった。しかしながら、テラヘルツ波の高強度化を考慮すると、テラヘルツ波発生部に入射すべきフェムト秒レーザ光パルスを高強度（高パワー）にする必要がある。また、パワーを落としたとしても、上述のようにＡＯＭの波長分散の効果によりどうしてもパルス幅が広がってしまい、変調をしつつも、細いパルス幅のフェムト秒レーザ光パルスを発生させることが困難であった。このように、従来では、変調を行いつつ、高パワーを有し、細いパルス幅のフェムト秒レーザ光パルスを出射することは困難であった。
【００５７】
これに対し、本実施形態では、テラヘルツ波発生部１０２に入射すべきテラヘルツ波発生用光パルスに必要なパワーおよびパルス幅にする前に、テラヘルツ波発生用の光パルス（種光パルス）に所定の変調をかけ、該変調をかけた後に、テラヘルツ波発生用の光パルスを所望のパワーにし、かつ所望のパルス幅にしている。すなわち、テラヘルツ波発生用光パルスの種光の段階で変調をかけ、その後に増幅器によりパワーを必要な値まで大きくし、かつパルス圧縮器により必要な値までパルス幅を狭くする。
【００５８】
従って、ＡＯＭやＥＯＭである強度変調器１１０により、テラヘルツ波発生用の種光パルスに変調をかける際に、該強度変調器１１０の波長分散の効果によりパルス幅が広がったとしても、変調後に上記テラヘルツ波発生用の種光パルスのパルス幅をファイバ圧縮器１１６にて細くしているので、結果としては、変調済みにも関わらず、パルス幅の細いきれいなフェムト秒レーザの光パルスを出射することができる。よって、テラヘルツ波発生部１０２に対して細いパルス幅のフェムト秒レーザ光を入射することができ、発生するテラヘルツ波を広帯域にすることができる。すなわち、本実施形態では、テラヘルツ波発生用の光パルスの伝播経路において、強度変調器１１０を設け、さらに、該強度変調器１１０の、光パルスの進行方向に対して後段にファイバ圧縮器１１６を設けることで、広帯域テラヘルツ波を発生させるときに致命的となる波長分散の影響を回避することができる。
【００５９】
また、高強度テラヘルツ波発生のために発生用光パルスの高強度化を行う必要があるが、テラヘルツ波発生用の種光パルスを変調した後に、最終出力とすべき値にパワーを増幅しているので、低パワーの光パルスを強度変調器１１０に入射させても、最終出力時には所望の高パワーを有するテラヘルツ波発生用光パルスを得ることができる。さらには、増幅前に変調を行うことで、レーザ最終出力を変調する場合に比べて励起レーザのエネルギーを効率的に活用し高強度化を行うことができる。
【００６０】
このように、本実施形態では、フェムト秒レーザ発生装置１０１は、電気的に高速な変調をかけつつも、高パワーを有し、細いパルス幅のフェムト秒レーザ光パルスをテラヘルツ波発生部１０２を出射することができ、該高速変調済みであり、高パワーを有し、細いパルス幅のフェムト秒レーザ光パルスを用いてテラヘルツ波を発生させることができる。従って、高強度であり、かつ広帯域なテラヘルツ波を生成することができる。
【００６１】
また、本実施形態では、テラヘルツ波発生用パルスの最終条件を整える前に種光パルスに変調をかけているので、ロックインアンプによる検出を行うことができる。また、最終的なパルス成形の前に変調を行うように、強度変調器１１０を設けるという簡単な構成により、テラヘルツ波の広帯域化、および高強度化を図ることができる。
【００６２】
（第２の実施形態）
本発明では、種光の段階でテラヘルツ波発生用の光パルスに所定の変調をかけ、該変調が施された光パルスを、最終的に出力すべき光パルスのパルス幅（テラヘルツ波発生部に入射するものとして設定されたパルス幅）を有するように成形し、かつ最終的に出力すべき光パルスのパワー（光強度）（テラヘルツ波発生部に入射するものとして設定されたパワー（光強度））を有するように増幅することが重要である。このために、テラヘルツ波発生用の光パルスの伝播経路において、所定の変調をかけるために強度変調器を設け、さらに、該強度変調器の、光パルスの進行方向に対して後段に、変調済みの光パルスのパワーを出力値となるパワーに増幅するための増幅器および該変調済みの光パルスのパルス幅を出力値となるパルス幅まで細くするためのパルス圧縮器を設けることに特徴がある。従って、このような構成を採るものであれば、第１の実施形態のように、レーザ発振器からテラヘルツ波発生部およびテラヘルツ波検出部までの各構成要素を光ファイバにて接続する形態に限らず、空間伝播系を用いても良いし、空間伝播系と光ファイバ接続とを混合させた形態を用いても良い。
【００６３】
図２は、本実施形態に係る、レーザ発振器からテラヘルツ波発生部およびテラヘルツ波検出部までの各構成要素間を空間伝播させるテラヘルツ波発生検出装置の概略構成図である。
図２において、テラヘルツ波発生検出装置２００は、テラヘルツ波発生用光パルスおよびテラヘルツ波検出用光パルスを出射するフェムト秒レーザ発生装置２０１と、フェムト秒レーザ発生装置２０１から出射されたテラヘルツ波発生用光パルスによりテラヘルツ波パルスを発生するテラヘルツ波発生部２０２と、反射または透過により被測定物２０５から出射されたテラヘルツ波パルスを検出するテラヘルツ波検出部２０３と、テラヘルツ波パルスを伝播するための伝播モジュール２０４とを備える。該伝播モジュール２０４は、上述した伝播モジュール２０４と同様の構成を有する。
【００６４】
フェムト秒レーザ発生装置２０１は、レーザ発振器２０６と、ビームスプリッタ２０７と、強度変調器２０８と、増幅器２０９、２１２と、パルス圧縮器２１０、２１３と、遅延ラインスキャナ２１１とを備える。
【００６５】
レーザ発振器２０６は受動モード同期レーザであり、パルス幅５００ｆｓ、平均強度４０ｍＷ、繰り返し周波数１００ＭＨｚのフェムト秒光パルス列を発振するように構成されている。すなわち、レーザ発振器２０６は、テラヘルツ波発生用光パルスおよびテラヘルツ波検出用光パルスの種光パルスを発振する。該レーザ発振器２０６の光パルスの進行方向の後段にはビームスプリッタ２０７が設けられており、該ビームスプリッタ２０７は、レーザ発振器２０６から出射された種光パルス（パルス幅５００ｆｓ、平均強度（パワー）４０ｍＷ、繰り返し周波数１００ＭＨｚ）を２つに分岐する。該分岐された一方の光パルスはテラヘルツ波発生用の種光パルスであり、他方の光パルスはテラヘルツ波検出用の種光パルスである。ビームスプリッタ２０７の透過側には強度変調器２０８が設けられており、上記ビームスプリッタ２０７にて分岐された一方の種光パルスはテラヘルツ波発生用の種光パルスとして強度変調器２０８に入射する。また、ビームスプリッタ２０７の反射側には遅延ラインスキャナ２１１が設けられており、上記ビームスプリッタ２０７にて分岐された他方の種光パルスはテラヘルツ波検出用の種光パルスとして遅延ラインスキャナ２１１に入射する。
【００６６】
強度変調器２０８は、ＡＯＭ、ＥＯＭ、光チョッパ、または光スイッチ等の、光パルスに所定の変調をかけることが可能な部材である。従って、強度変調器２０８は、ビームスプリッタ２０７から出射されたテラヘルツ波発生用の種光パルスに対して所定の変調をかけて出射する。
【００６７】
強度変調器２０８の光パルスの進行方向の後段には増幅器２０９が設けられている。該増幅器２０９は、強度変調器２０８から出射された、変調済みのテラヘルツ波発生用の種光パルス（平均パワー２０ｍＷ、パルス幅５００ｆｓ）のパワーを出力値である５００ｍＷまで増幅するように構成されている。従って、増幅器２０９は、変調済みのテラヘルツ波発生用の種光パルス（パワー５００ｍＷ、パルス幅５００ｆｓ）を出射する。
【００６８】
増幅器２０９の光パルスの進行方向の後段にはパルス圧縮器２１０が設けられており、該パルス圧縮器２１０の光パルスの進行方向の後段にはテラヘルツ波発生部２０２が設けられている。パルス圧縮器２１０は、増幅器２０９から出射された、変調済みのテラヘルツ波発生用の種光パルス（パワー５００ｍＷ、パルス幅５００ｆｓ）のパルス幅を出力値である５０ｆｓまで細くするように構成されている。従って、パルス圧縮器２１０は、変調済みのテラヘルツ波発生用光パルス（パワー５００ｍＷ、パルス幅５０ｆｓ）をテラヘルツ波発生部２０２に対して出射する。
【００６９】
遅延ラインスキャナ２１１は、ビームスプリッタ２０７から出射されたテラヘルツ波検出用の種光パルスに対して所定の遅延時間を付与するように構成されている。該遅延ラインスキャナ２１１は、ＰＣ等の制御装置（不図示）に電気的に接続されており、該制御装置による制御により、テラヘルツ波検出用の種光パルスに所定の遅延時間を付与するように動作する。
【００７０】
遅延ラインスキャナ２１１の光パルスの進行方向の後段には、増幅器２１２およびパルス圧縮器２１３がこの順番で設けられている。増幅器２１２は、遅延ラインスキャナ２１１から出射された、所定の遅延時間が付与されたテラヘルツ波検出用の種光パルス（平均パワー２０ｍＷ、パルス幅５００ｆｓ）のパワーを出力値である５００ｍＷまで増幅するように構成されている。また、パルス圧縮器２１３は、増幅器２１２から出射された、所定の遅延時間が付与されたテラヘルツ波検出用の種光パルス（パワー５００ｍＷ、パルス幅５００ｆｓ）のパルス幅を出力値である５０ｆｓまで細くするように構成されている。従って、パルス圧縮器２１３から出射された光パルスは、所定の遅延時間が付与されたテラヘルツ波検出用光パルス（パワー２００ｍＷ、パルス幅５０ｆｓ）となる。
【００７１】
このように、本実施形態においても、種光の段階で所定の変調をかけ、変調後において、光パルスのパワーを必要な値まで増幅し、かつ光パルスのパルス幅を必要な値まで狭めている。よって、フェムト秒レーザ発生装置２０１は、高パワーを有し、細いパルス幅である、変調済みのフェムト秒レーザ光パルスを出射することができる。従って、テラヘルツ波発生検出装置２００は、高強度であり、広帯域のテラヘルツ波を発生させることができる。
【符号の説明】
【００７２】
１００、２００ テラヘルツ波発生検出装置
２０１、２０１ フェムト秒レーザ発生装置
１０２、２０２ テラヘルツ波発生部
１０３、２０３ テラヘルツ波検出部
１０９、２０７ ビームスプリッタ
１１０、２０８ 強度変調器
１１５、１１７ ファイバ増幅器
１１６、１１８ ファイバ圧縮器
１１１、２１１ 遅延ラインスキャナ
２０９、２１２ 増幅器
２１０、２１３ パルス圧縮器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ波発生検出装置、およびフェムト秒レーザ発生装置に関し、より詳細には、レーザによりテラヘルツ波を発生させて被測定物に入射し、反射や透過などにより該被測定物から出射されたテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波発生検出装置、およびフェムト秒レーザ発生装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、特許文献１に開示されているテラヘルツ時間領域分光法（ＴＨｚ−ＴＤＳ）では、ポンプ光が伝播する経路の一部を形成する遅延ラインを光路長走査部により変位させ、該光路長走査部を所定の繰り返し周期で連続して走査するラピッドスキャン方式において、該遅延ラインの変位をレーザ干渉計などにより正確に測定している。これにより、遅延ラインを高速にスキャンすることができる。特許文献１に開示された技術では測定データを積算することで高感度化を行うのだが、スキャン１回あたりの測定時間が従来のステップスキャンＴＨｚ−ＴＤＳと比べて短いため、レーザの強度揺らぎなどの影響を受けにくいため正確な測定が可能になる。
【０００３】
特許文献２では、連続光をマッハツェンダ干渉計によりパルス化する技術が開示されている。この場合、上記マッハツェンダ干渉計により光パルスの繰返し周期と強度を容易に変調できるため機械式チョッパが不要になる。また、特許文献２では、２つの超短光パルスレーザを用い、該２つの超短光パルスレーザから繰り返し周波数の異なる２つの光パルス列を作ることで、任意の位置での光パルスの到着時間を変化させている。これにより遅延ラインが不要になる。
【０００４】
特許文献３では、透過型・反射型など複数の測定形態に対応可能なテラヘルツ時間領域分光装置であって、フェムト秒レーザ発振部とテラヘルツ波発生素子との間であるパルス励起光の伝播路中に、該パルス励起光の繰り返し時間を試料の緩和時間に合わせて調整するために周波数調節手段としての音響光学変調器（以下、単に“ＡＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｏｐｔｉｃ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）”とも呼ぶ）や電気光変調器（以下、単に“ＥＯＭ（Ａｃｏｕｓｔｏ Ｏｐｔｉｃ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）”とも呼ぶ）を設けている。このような構成により、テラヘルツ波発生用レーザ光パルスの繰り返し周波数をＡＯＭやＥＯＭを用いて変調することができ、これによりパルス励起光の繰る返し周波数を下げることができ、元々のレーザ繰り返し周波数より遅い応答を観測できる。
【０００５】
特許文献４に開示された波長１．５５μｍ帯のファイバレーザを用いたテラヘルツ時間領域分光法では、ポンプ光とプローブ光とに２分割する前に、第二高調波を発生可能な非線形結晶に基本波となる短パルスレーザ光を入射している。これにより、非線形結晶から波長変換されない短パルスレーザ光である基本波と、波長変換された短パルスレーザ光である第二高調波とが出射されることになり、該波長変換されない短パルスレーザ光をポンプ光として用い、上記波長変換された短パルスレーザ光をプローブ光として用いている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４６５４９９６号公報
【特許文献２】特開２００９−８０００７号公報
【特許文献３】特許第４２４８６６５号公報
【特許文献４】特開２００８−１０６３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述のように特許文献１に開示された発明は、光路長走査部により光路長を変化させながら、該光路長走査部を１走査する際の所定のタイミングでサンプリングを行う技術に指向するものであり、ポンプ光に変調をかける技術に指向するものでは無い。従って、光伝導アンテナを用いてテラヘルツ波を発生させる際にはバイアス電圧を変調することで発生するテラヘルツ波に変調をかけることができる。しかしながら、広帯域なテラヘルツ波を発生可能な非線形結晶を用いてテラヘルツ波を発生させる場合には、テラヘルツ波に変調をかけることができないため、微弱な信号を検出するための高感度なロックイン検出を用いることができない。
【０００８】
上述のようにロックイン検出ができないので感度を良くするためには、積算回数を多く取る必要がある。しかしながら、短い測定時間内に積算回数を増加させるためには、上記光路長走査部を高速に振らなければならず、このような光路長走査部の高速の移動に対応して遅延ラインの位置情報を正確に取得するには、レーザ干渉計等の高精度な測距計が必要となる。よって、制御が複雑となる。また、上記レーザ干渉計を組む等、高精度の調整を要する空間光学系が多くなり、セットアップも複雑になる。
【０００９】
また、特許文献２の連続光をマッハツェンダ干渉計によりパルス化する技術においては、受動モード同期レーザを用いず、該マッハツェンダ干渉計に印加される電気信号により電気的にパルスを揃えているので、パルス間隔にバラツキが生じることがある。よって、遅延ラインのステップの精度が悪くなってしまう。そのため、ステップ精度が重要となる広帯域テラヘルツ波検出の精度が悪くなってしまい、テラヘルツ波の広帯域化が困難である。
【００１０】
また、さらに上記形態では、上記マッハツェンダ干渉計を光スイッチとして機能させて連続光からパルス列を形成しているが、上記マッハツェンダ干渉計では発生するパルス列のパルス幅を細くするのが難しく、細いパルス幅（例えば、５０ｆｓ）のフェムト秒レーザを発生することは困難である。この点からも、特許文献２に開示された技術では、広帯域テラヘルツ波を発生させることは困難であることが分かる。
【００１１】
一方、特許文献２の繰り返し周波数が異なる２つのパルス列を用いる形態においては、該２つのパルス列を出射するレーザとしてモード同期レーザを用いたとしても、上記２つのパルス列を出射するレーザは別個のレーザであるので、それぞれのレーザが安定した繰り返し周波数のパルス列を出射しなければ、各サンプリング時における、テラヘルツ波（すなわち、一方の繰り返し周波数のパルス列）とプローブ光（他方の繰り返し周波数のパルス列）とが重なるタイミングのずれが一定とならない。このようにタイミングのずれが一定とならないと、速い応答、すなわち高周波成分の検出が難しくなってしまう。しかしながら、２台のレーザの繰り返し周波数を高い精度で安定化させるためには複雑な制御が必要となる。また、２台のレーザを用いることはコストの面から見ても、またサイズの面から見ても問題があると言える。
【００１２】
上述のように、広帯域テラヘルツ波を発生させるためには、該テラヘルツ波を発生させるためのレーザ光としてスペクトル幅の広い、パルス幅が細い光パルスを用いる必要がある。
【００１３】
ところが、特許文献３に開示された技術のように、テラヘルツ波発生素子に入射すべき条件のフェムト秒レーザをＡＯＭやＥＯＭに通すと、波長分散の効果により入射された光パルスのパルス幅が広がってしまう。すなわち、フェムト秒レーザ発生装置からテラヘルツ波発生素子に入射すべき条件が整ったフェムト秒レーザを出射し、該条件が整ったフェムト秒レーザをＡＯＭやＥＯＭを通過させると、上記波長分散の効果によりそのパルス幅が広がってしまうのである。従って、テラヘルツ波の広帯域化を狙ってフェムト秒レーザ発生装置からパルス幅を細くしたフェムト秒レーザ光パルスを出射しても、特許文献３に開示された発明では、上記フェムト秒レーザ光パルスを該フェムト秒レーザ光パルスの繰り返し周波数を下げるためにＡＯＭやＥＯＭに入射させるので、パルス幅が広がってしまう。特に、ＡＯＭやＥＯＭに入射するフェムト秒レーザ光パルスのスペクトル帯域を大きくするほどパルス幅も広がってしまう。また、テラヘルツ波発生素子に入射すべき条件が整ったフェムト秒レーザパルスをＡＯＭやＥＯＭで変調するとデバイスへの挿入損失と、変調により光強度が半分以下になってしまうこととが避けられない。従って、高いパワーを有し、パルス幅の細いフェムト秒レーザをテラヘルツ波発生素子に入射することは難しいものとなっている。
このように、特許文献３では、繰り返し周波数を下げることはできるが、それと同時に、通過する光パルスのパルス幅を広げてしまい、光強度も下げてしまう。従って、特許文献３に開示された発明では、広帯域テラヘルツ波を発生させることが困難である。
【００１４】
また、特許文献３では、パルス励起光を所定の時間間隔の断続光とするために、上記伝播路中に光チョッパを設けている。このような機械式の光チョッパにおいては、高速に変調をかけることができないため、結果として高速な測定が不可能である。
【００１５】
特許文献４に開示された技術では、ポンプ光とプローブ光とに２分割する前にレーザ光を非線形結晶に入射し、該非線形結晶から出射される基本波と第二高調波とをポンプ光とプローブ光として用いているので、該レーザ光の全てをテラヘルツ波の発生および検出に利用することができる。従って、特許文献４に係る発明は、エネルギー効率を向上することができるので、非常に有力な技術であるが、改善しなければならない課題が残されている。一般に、ファイバレーザで高強度の極短パルスを生成するのは大変難しいのだが、このような高強度の極短パルスレーザをせっかく生成しても、生成したエネルギーを分割してしまうのは非効率的である。また、波長変換されずに結晶を透過してきたレーザ光のパルス幅は結晶入射前のものと比べて広くなるため、広帯域テラヘルツ波発生の観点から見ると都合が悪い。また、機械式のチョッパを用いているため、高速測定が不可能である。
【００１６】
このように、従来では、テラヘルツ波発生部に入射する光パルスに変調をかける場合、レーザ発生装置から、テラヘルツ波発生部に入射すべき、パワーおよびパルス幅を有するレーザ光パルス（例えば、フェムト秒レーザの光パルス）を出力し、該レーザ光パルスに対して、所定の変調器にて変調をかけて、テラヘルツ波発生部に入射している。しかしながら、上記変調器がチョッパの場合は、その機械的制限から高速変調がかけられない。従って、高速測定ができない。また、上記変調器がＡＯＭやＥＯＭである場合には、波長分散の効果によりパルス幅が広がってしまう。特に、広帯域のテラヘルツ波の発生を狙って広帯域でパルス幅の狭い光パルスを入射するとパルス幅がより広がってしまう。従って、この場合も、細いパルス幅（例えば５０ｆｓ）のフェムト秒レーザ光パルスを形成することが難しい。さらには、変調により光強度の半分を捨ててしまうことと、挿入損失を考慮すると、発生するテラヘルツ波の強度が弱くなり、結果として高速に高感度な測定を行うことができなくなってしまう。
【００１７】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、簡単な構成により、高パワーを有し、細いパルス幅であり、電気的に高速に変調されたフェムト秒レーザ光パルスをテラヘルツ波発生部に入射可能なテラヘルツ波発生検出装置、およびフェムト秒レーザ発生装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
このような目的を達成するために、本発明の第１の態様は、テラヘルツ波発生検出装置であって、光パルスを発振するレーザ発振器と、前記光パルスを２つに分岐する分岐手段と、前記２つに分岐された一方の光パルスに所定の変調をかける変調手段と、前記変調をかけられた一方の光パルスのパワーを増幅する増幅手段と、前記増幅手段にて増幅された、前記変調がかけられた一方の光パルスのパルス幅を細くする圧縮手段と、前記圧縮手段から出射された、前記変調がかけられた一方の光パルスによりテラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生手段と、前記２つに分岐された他方の光パルスと、前記テラヘルツ波発生手段から発生したテラヘルツ波が入射された被測定物から出射されたテラヘルツ波とが入射されるように構成され、前記出射されたテラヘルツ波の検出を行うテラヘルツ波検出手段と、前記２つに分岐された一方の光パルスおよび他方の光パルスのいずれか一方を所定の遅延時間だけ遅延させる遅延手段とを備えることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の第２の態様は、所定のパワーおよび所定のパルス幅を有するフェムト秒レーザ光パルスであって、所定の変調がかけられたフェムト秒レーザ光パルスを出射するフェムト秒レーザ発生装置であって、光パルスを発振するレーザ発振器と、前記光パルスに前記所定の変調をかける変調手段と、前記変調をかけられた光パルスのパワーを前記所定のパワーまで増幅する増幅手段と、前記増幅手段にて増幅された、前記変調がかけられた光パルスのパルス幅を前記所定のパルス幅まで細くして、前記所定のパワーおよび前記所定のパルス幅を有するフェムト秒レーザ光パルスとして出射する圧縮手段とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、簡単な構成により、高パワー（例えば、５００ｍＷ）を有し、細いパルス幅（例えば、５０ｆｓ）であり、電気的に高速に変調されたフェムト秒レーザ光パルスをテラヘルツ波発生部に入射可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態に係るテラヘルツ波発生検出装置の概略構成図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るテラヘルツ波発生検出装置の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明するが、本発明は本実施形態に限定されるものではない。なお、以下で説明する図面で、同機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略することもある。
【００２３】
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係るテラヘルツ波発生検出装置の概略構成図である。
図１において、テラヘルツ波発生検出装置１００は、テラヘルツ波発生部に入射すべき条件が整ったフェムト秒レーザの光パルス（以下、簡単のため“テラヘルツ波発生用光パルス”と呼ぶこともある）、およびテラヘルツ波検出部に入射すべきフェムト秒レーザの光パルス（以下、簡単のため“テラヘルツ波検出用光パルス”と呼ぶこともある）を出射するフェムト秒レーザ発生装置１０１を備える。また、テラヘルツ波発生検出装置１００は、フェムト秒レーザ発生装置１０１から出射されたテラヘルツ波発生用光パルスによりテラヘルツ波の光パルス（以下、簡単のため“テラヘルツ波パルス”と呼ぶこともある）を発生するテラヘルツ波発生部１０２と、反射または透過により被測定物１０５から出射されたテラヘルツ波パルスを検出するテラヘルツ波検出部１０３と、テラヘルツ波パルスを伝播するための伝播モジュール１０４とを備える。該伝播モジュール１０４は、複数の軸外し放物面鏡を有し、テラヘルツ波発生部１０２から入射されたテラヘルツ波をコリメートし、集光して被測定物１０５に入射させ、かつ被測定物１０５から入射されたテラヘルツ波をコリメートし、集光してテラヘルツ波検出部１０３に入射させるように構成されている。
【００２４】
上記テラヘルツ波検出部１０３には、該テラヘルツ波検出部１０３に、テラヘルツ波検出用光パルスと被測定物１０５から出射され伝播モジュール１０４を介したテラヘルツ波とが入射されるときに発生する電流が入力される電流増幅器１０６が電気的に接続されており、該電流増幅器１０６には、ロックインアンプ１０７が電気的に接続されている。
【００２５】
なお、上記テラヘルツ波発生用光パルスは、テラヘルツ波発生部１０２に入射すべきフェムト秒レーザの光パルスであって、テラヘルツ波発生部１０２での所望のテラヘルツ波発生のために設定された、パワーおよびパルス幅を有し、かつ変調済みの光パルスである。本実施形態では、テラヘルツ波発生用光パルスを、一例として、高強度のテラヘルツ波発生のために高いパワー（本実施形態では、一例として５００ｍＷ）を有し、かつ広帯域テラヘルツ波を発生させるために細いパルス幅（本実施形態では、一例として５０ｆｓ）の、変調がかけられた光パルスとして説明する。
【００２６】
フェムト秒レーザ発生装置１０１は、ファイバレーザ発振器１０８と、インライン型のビームスプリッタ１０９と、強度変調器１１０と、遅延ラインスキャナ１１１と、光路長調整器１１２と、光ファイバカプラ１１３ａ、１１３ｂと、ファイバ増幅器１１５と、ファイバ圧縮器１１６と、ファイバ増幅器１１７と、ファイバ圧縮器１１８とを備える。本実施形態では、上記フェムト秒レーザ発生装置１０１の各々の構成要素を光ファイバデバイスとし、該構成要素の各々を光ファイバにて接続して空間伝播部を排除している。従って、光パルスの伝播部となる光ファイバをコンパクトに巻くことができるため、装置の小型化、安定化を図ることができる。また、本実施形態では、上記各構成要素を接続している光ファイバは偏光保持ファイバ（ＰＭＦ）であることが望ましい。従って、環境変化、ファイバの曲げに対して、生成される光パルスの強度、パルス波形、偏光方向を安定にすることができる。
【００２７】
図１において、ファイバレーザ発振器１０８は、受動モード同期ファイバレーザであり、最終的にフェムト秒レーザ発生装置１０１から出力する光パルスであるテラヘルツ波発生用光パルスのパワーよりも低いパワーを有し、該テラヘルツ波発生用光パルスのパルス幅よりも広いパルス幅の光パルスを発振する。すなわち、ファイバレーザ発振器１０８は、テラヘルツ波発生用光パルスおよびテラヘルツ波検出用光パルスの種光パルスを発振する。本実施形態では、ファイバレーザ発振器１０８からは、パルス幅５００ｆｓ、平均強度４０ｍＷ、繰り返し周波数１００ＭＨｚのフェムト秒光パルス列が出力される。
【００２８】
このように、本実施形態では、ファイバレーザ発振器１０８から発振されるレーザの繰り返し周波数を、一般的な受動モード同期ファイバレーザに比べて高く設定している。平均強度が同じであれば繰り返し周波数を高くすることによりパルスピークパワーが減少し光ファイバ中での非線形効果の影響が少なくなる。従って、上述のように繰り返し周波数を高く設定することにより、テラヘルツ波発生用光パルスの短パルス化と、高平均強度化とを両立させることができる。
【００２９】
ファイバレーザ発振器１０８の出射端と、インライン型のビームスプリッタ１０９の入射端とがＰＭＦにより接続されている。ビームスプリッタ１０９は、１つの入射端と、２つの出射端とを有し、上記入射端から入射された種光パルスを２つに分岐して、該分岐された種光パルスを上記２つの出射端から出射する。すなわち、ビームスプリッタ１０９は、ファイバレーザ発振器１０８から入射された種光パルスを２つに分岐して、一方の出射端からテラヘルツ波発生用の種光パルスを出射し、他方の出射端からテラヘルツ波検出用の種光パルスを出射する。
【００３０】
上記ビームスプリッタ１０９の一方の出射端と、強度変調器１１０とがＰＭＦにより接続されている。強度変調器１１０は、フェムト秒レーザ発生装置１０１からの出射時にはテラヘルツ波発生用光パルスとなる光パルスに所定の変調をかけるためのものである。すなわち、強度変調器１１０は、テラヘルツ波発生用光パルスのパワーよりも低く、かつ該パルスのパルス幅よりも広い光パルス（種光パルス）に対して変調をかけるものであり、本実施形態では、該強度変調器１１０により、テラヘルツ波発生用光パルスとして持つべきパワーおよびパルス幅に整える前に、該テラヘルツ波派生用パルスとなる光パルスに対して予め変調をかける。従って、テラヘルツ波発生用光パルスを変調済みの光パルスとすることができる。
【００３１】
本実施形態では、テラヘルツ波発生用の光パルスとテラヘルツ波検出用の光パルスとに分岐する構成として、従来のようにバルクビームスプリッタを用いず、インライン型のビームスプリッタ１０９を用いているので、装置を小型化にすることができ、安定に装置を動作させることができる。
【００３２】
本実施形態では、強度変調器１１０として、ＡＯＭを用いているが、ＥＯＭを用いても良い。本実施形態では、ＡＯＭである強度変調器１１０は、入射された、テラヘルツ波発生用の種光パルス列に対して、９０ｋＭｚの変調をかけるように構成されている。この変調周波数は、ロックインアンプ１０７の帯域上限が１００ｋＨｚであることから設定した値であり、機器によってはより高速な変調をかけても良い。
【００３３】
このように、強度変調器１１０としてＡＯＭやＥＯＭを用いることにより、より高速な変調をかけることができ、高速にテラヘルツ波を検出することができる。また、強度変調器１１０は、ロックインアンプ１０７に電気的に接続されており、強度変調器１１０の変調信号はロックインアンプ１０７に出力される。従って、ロックインアンプ１０７を用いた高感度検出を行うことができる。本実施形態では、ＡＯＭやＥＯＭにより高速変調を行うことができる。従って、該変調をより高速にすることにより、ロックインアンプの代わりにバンドパスフィルタを用いた高感度検出を行うこともできる。
【００３４】
なお、本実施形態では、種光パルスの段階で変調をかけることが重要であり、特にテラヘルツ波検出用の光パルスのパワーおよびパルス幅を設定値（種光パルスよりも高いパワー、および該種光パルスよりも細いパルス幅）にする前の段階で、テラヘルツ波検出用の光パルスに所定の変調をかけることが重要となる。従って、強度変調器１１０をＡＯＭやＥＯＭにすることが本質ではなく、強度変調器１１０としては、例えば光スイッチ等、入力された光パルス列に所定の変調をかけることができるものであればいずれを用いても良い。また、変調周波数が遅くても構わないのであれば、強度変調器１１０として光チョッパを用いても良い。
【００３５】
光ファイバカプラ１１３ａは、２つの入射端と、１つの出射端とを有し、２つの入射端の一方と、強度変調器１１０の出射端とがＰＭＦにより接続されており、２つの入射端の他方と、励起レーザ１１４ａとがＰＭＦにより接続されており、上記２つの入射端のそれぞれから入射された光を上記出射端から出射する。該励起レーザ１１４ａは、後述するファイバ増幅器１１５に増幅機能を持たせるための励起光を発振する。従って、光ファイバカプラ１１３ａの一方の入射端からは、強度変調器１１０から出射された、所定の変調がかけられたテラヘルツ波発生用の種光パルスが入射され、該変調済みの種光パルスを出射端から出射する。一方、光ファイバカプラ１１３ａの他方の入射端からは、励起レーザ１１４ａから出射された励起光が入射され、該励起光を出射端から出射する。
なお、本実施形態では、ファイバ増幅器１１５に増幅機能を持たせるための励起光を、ファイバ増幅器１１５の種光パルスの入射側からファイバ増幅器１１５に入射させているが、上記励起光をファイバ増幅器１１５の種光パルスの出射側からファイバ増幅器１１５に入射させても良い。この場合は、励起レーザ１１４ａに接続された光ファイバカプラ１１３ａを、ファイバ増幅器１１５とファイバ圧縮器１１６との間に設け、励起レーザ１１４ａから出射された励起光を光ファイバカプラ１１３ａを介してファイバ増幅器１１５の種光パルスの出射側から該ファイバ増幅器１１５に入射するようにすれば良い。
【００３６】
光ファイバカプラ１１３ａの出射端と、ファイバ増幅器１１５の入射端とがＰＭＦにより接続されている。該ファイバ増幅器１１５は、分散特性が正常分散値を有するエルビウム添加ファイバである。このように、正常分散のエルビウム添加ファイバを増幅ファイバとして用いることにより、パルス分裂などの測定性能に悪影響を及ぼす非線形効果を低減することができる。ファイバ増幅器１１５は、励起用レーザダイオードである励起レーザ１１４ａからの励起光が光ファイバカプラ１１３ａを介して注入されることにより、テラヘルツ波発生用の種光パルス列を増幅することができる。なお、ファイバ増幅器１１５としては、エルビウムの他に、イッテルビウム、ツリウム、またはネオジウムなどが添加されたファイバ増幅器を用いることができ、必要な波長に合わせて添加物を選択すれば良い。本実施形態では、ファイバ増幅器１１５は、入射されたテラヘルツ波発生用の種光パルスのパワーを５００ｍＷまで増幅するように構成されている。すなわち、ファイバ増幅器１１５により、テラヘルツ波発生用の種光パルスのパワーを、最終的に出力される光パルスであるテラヘルツ波発生用光パルスとして持つべきパワーまで増幅させる。
【００３７】
ファイバ増幅器１１５が偏光保持ファイバではない場合、偏波コントローラをファイバ増幅器１１５の前（光ファイバカプラ１１３ａとファイバ増幅器１１５との間）に設置して偏波を調整すると良い。
この偏波調整を容易にするために、ファイバ増幅器１１５を多段構成にし、それぞれ偏波コントローラを設置しても良い。また、各ファイバ増幅器の後（ファイバ増幅器の出力側）には戻り光を防ぐためにアイソレータを挿入しても良い。それぞれの偏波コントローラは、各ファイバ増幅器の後に設置したＴＡＰモニタ出力パワーを観測し、その強度が最大になるように最適化する。多段で増幅・偏波調整を繰り返すことにより、１段のファイバ増幅器で強度増幅する場合と比べて、ファイバ中で生じる非線形偏波回転による偏光の乱れを抑圧することができる。
【００３８】
ファイバ増幅器１１５の出射端と、ファイバ圧縮器１１６とがＰＭＦを介して接続されている。該ファイバ圧縮器１１６は、大口径の定偏波フォトニッククリスタルファイバ等のラージモードエリアファイバであり、入射されたテラヘルツ波発生用の種光パルスのパルス幅を５０ｆｓに圧縮するように構成されている。
【００３９】
ファイバ増幅器１１５から出力された光パルス（テラヘルツ波発生用の種光パルス）は、ファイバ増幅器１１５の非線形効果と正常分散の影響とにより、スペクトルが広がると同時に正の単調なチャープを有している。本実施形態では、ファイバ圧縮器１１６として大口径のフォトニッククリスタルファイバ等のラージモードエリアファイバを用いているので、このチャープを補償することができる。このフォトニッククリスタルファイバはモードフィールド径が２０ミクロン以上であるが、光パルスのシングルモード伝搬が可能である。そのため、増幅により高ピーク強度化した光パルスの伝搬においても、過剰な非線形効果を抑制することができ、シングルピークの高ピーク強度短パルスを生成することができる。本実施形態では、ファイバ増幅器１１５中で生じる光スペクトル広がりと、ファイバ圧縮器１１６としてのフォトニッククリスタルファイバ中で生じるチャープ補償およびソリトン圧縮とにより、テラヘルツ波発生用の種光パルスのパルス幅は５０ｆｓ以下に圧縮される。すなわち、ファイバ圧縮器１１６により、テラヘルツ波発生用の種光パルスのパルス幅を、最終的に出力される光パルスであるテラヘルツ波発生用光パルスとして持つべきパルス幅まで細くする。
【００４０】
なお、フォトニッククリスタルファイバは微細な空孔が開いた形状をしており、粉塵や水分の影響を受け特性が劣化してしまう恐れがあることから、ファイバ端面はエンドシーリングするか、レンズを固定する際にファイバ保持部を密閉することで粉塵や水分の影響を軽減するように工夫するとよい。また、フォトニッククリスタルファイバのように、曲げ損失が大きく、ファイバの揺れにより出力に影響を与えてしまうファイバを用いる場合には、許容される最小の曲げ半径でファイバ固定できるような樹脂ガイドを作製すると安定性を保ったまま装置を小型化することができる。
【００４１】
上記ビームスプリッタ１０９の他方の出射端と、遅延ラインスキャナ１１１とがＰＭＦにより接続されている。該遅延ラインスキャナ１１１は、テラヘルツ波検出用の種光パルスを所定の遅延時間だけ遅延させるように構成されており、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）等の制御装置（不図示）に電気的に接続された、ファイバピグテール付のインライン型の遅延ラインスキャナである。該遅延ラインスキャナ１１１は、駆動部により駆動可能なミラーを有しており、上記制御装置が上記駆動部を駆動させることにより、テラヘルツ波検出用の種光パルスに所定の遅延を付与するようにミラーを移動させることができる。すなわち、テラヘルツ波信号のサンプリングを行う際には、制御装置からの指示により、遅延ラインスキャナ１１１を駆動しながらテラヘルツ波発生用光パルスとテラヘルツ波検出用光パルスとの時間差を調整する。
【００４２】
遅延ラインスキャナ１１１と、インライン型の光路長調整器１１２の入射端とがＰＭＦにより接続されている。該光路長調整器１１２は、手動により位置を変位可能なミラーを有している。該ミラーの位置を変位させることにより、テラヘルツ波検出用の種光パルスの光路長を調節することができる。この光路長調整器１１２は、テラヘルツ波発生用光パルスとテラヘルツ波検出用光パルスの光路長を調整するときに用いるもので、一度調整してしまえばその後測定の度に時間差を調整する必要はない。テラヘルツ波発生用光パルス列（一部区間はテラヘルツ波として伝搬）とテラヘルツ波検出用光パルス列との時間差は、この光路長調整器１１２の調整器範囲内に納まるようにあらかじめファイバ長またはテラヘルツ波伝搬長を調整しておく必要がある。
【００４３】
なお、本実施形態では、テラヘルツ波検出用の種光パルスに所定の遅延時間を付与する形態であるが、テラヘルツ波発生用の種光パルスに所定の遅延時間を付与するようにしても良い。この場合は、ビームスプリッタ１０９と光ファイバカプラ１１３ａとの間のいずれかの位置に遅延ラインスキャナ１１１を配置すれば良い。
【００４４】
光ファイバカプラ１１３ｂは、２つの入射端と、１つの出射端とを有し、２つの入射端の一方と、光路長調整器１１２の出射端とがＰＭＦにより接続されており、２つの入射端の他方と、励起レーザ１１４ｂとがＰＭＦにより接続されており、上記２つの入射端のそれぞれから入射された光を上記出射端から出射する。該励起レーザ１１４ｂは、後述するファイバ増幅器１１７に増幅機能を持たせるための励起光を発振する。従って、光ファイバカプラ１１３ｂの一方の入射端からは、光路長調整器１１２から出射されたテラヘルツ波検出用の種光パルスが入射され、該種光パルスを出射端から出射する。一方、光ファイバカプラ１１３ｂの他方の入射端からは、励起レーザ１１４ｂから出射された励起光が入射され、該励起光を出射端から出射する。
なお、本実施形態では、ファイバ増幅器１１７に増幅機能を持たせるための励起光を、ファイバ増幅器１１７の種光パルスの入射側からファイバ増幅器１１７に入射させているが、上記励起光をファイバ増幅器１１７の種光パルスの出射側からファイバ増幅器１１７に入射させても良い。この場合は、励起レーザ１１４ｂに接続された光ファイバカプラ１１３ｂを、ファイバ増幅器１１７とファイバ圧縮器１１８との間に設け、励起レーザ１１４ｂから出射された励起光を光ファイバカプラ１１３ｂを介してファイバ増幅器１１７の種光パルスの出射側から該ファイバ増幅器１１７に入射するようにすれば良い。
【００４５】
光ファイバカプラ１１３ｂの出射端と、ファイバ増幅器１１７の入射端とがＰＭＦにより接続されている。該ファイバ増幅器１１７は、異常分散特性を有するファイバ増幅器および正常分散特性を有するファイバ増幅器を２段に設けた構造を有する。すなわち、ファイバ増幅器１１７へのテラヘルツ波検出用の種光パルスの入射側に異常分散特性を有する第１のファイバ増幅器が設けられており、上記種光パルスの進行方向の後段側には、正常分散特性を有する第２のファイバ増幅器が設けられている。ファイバ増幅器１１７における増幅の前半部分において異常分散特性を有するファイバ増幅器を用いることにより、入射された光パルスのパワー（光強度）が比較的弱い場合には、パルス圧縮とパルス増幅とを同時に行うことができる。あるレベルまでパワー（光強度）が増幅された後には正常分散特性を有するファイバ増幅器を用いて光増幅を行う。これは、正常分散中で非線形効果を誘起することで、パルス分裂を生じないまま自己位相変調によりスペクトル幅を大きく広げ、光パルスに正の単調なチャープを付加することができるからである。このような構成により、本実施形態では、ファイバ増幅器１１７は、励起用レーザダイオードである励起レーザ１１４ｂからの励起光が光ファイバカプラ１１３ｂを介して注入されることにより、テラヘルツ波検出用の種光パルスのパワーを５００ｍＷまで増幅することができる。
【００４６】
ファイバ増幅器１１７の出射端と、ファイバ圧縮器１１８の入射端とがＰＭＦにより接続されている。該ファイバ圧縮器１１８は、シングルモード光ファイバであり、該シングルモード光ファイバにより、上記ファイバ増幅器１１７から出射された正チャープを有するテラヘルツ波発生用の種光パルスをパルス圧縮することができる。本実施形態では、ファイバ圧縮器１１８は、上記テラヘルツ波発生用の種光パルスのパルス幅を５０ｆｓまで細くするように構成されている。
【００４７】
このような構成により、フェムト秒レーザ発生装置１０１は、高いパワー（光強度）を有し、細いパルス幅の光パルスである、テラヘルツ波発生用光パルスをテラヘルツ波発生部１０２へと出射する。
【００４８】
ファイバ圧縮器１１６の出射端（フォトニッククリスタルファイバの出射端）は、テラヘルツ波発生部１０２の入射端に接続されている。該テラヘルツ波発生部１０２は、ファイバ圧縮器１１６であるラージモードエリアファイバの出射端に接続されたコリメートレンズと、該コリメートレンズにてコリメートされた光を集光するように設けられた集光レンズと、該集光レンズにて集光された光が入射するように設けられたテラヘルツ波発生用の非線形結晶とを有している。上記フォトニッククリスタルファイバ出射端、コリメートレンズ、集光レンズ、およびＤＡＳＴ結晶はモジュール化されている。このような構成で、フォトニッククリスタルファイバから出射されたテラヘルツ波発生用光パルスは、コリメートレンズおよび集光レンズによりコリメート・集光されテラヘルツ波発生用非線形結晶であるＤＡＳＴ結晶に入射され、ＤＡＳＴ結晶はテラヘルツ波を発生する。
なお、非線形結晶以外にも光伝導アンテナを用いてテラヘルツ波を発生させることができる。その際には、ＰＰＬＮを用いて波長変換することが望ましい。
【００４９】
また、ファイバ圧縮器１１８の出射端（シングルモード光ファイバの出射端）は、テラヘルツ波検出部１０３に接続されている。該テラヘルツ波検出部１０３は、ファイバ圧縮器１１８であるシングルモード光ファイバの出射端に接続され、第二高調波を発生可能な非線形結晶（本実施形態では、ＰＰＬＮ（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ Ｐｏｌｅｄ Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｎｉｏｂａｔｅ））と、該非線形結晶から発生した光から第二高調波を抽出する光学フィルタと、該光学フィルタにより抽出された第二高調波を光伝導アンテナに入射させるためのレンズと、該光学フィルタにて抽出された第二高調波が入射するように設けられた光伝導アンテナとを有する。該光伝導アンテナの裏面（ファイバ圧縮器１１８と反対側の面）にはシリコンの半球または超半球レンズが設置されている。本実施形態では、上記シングルモード光ファイバの出射端からシリコンレンズまで１つのモジュールとなっており、空間伝搬時と比べて小型化・堅牢化が実現されている。このような構成により、ファイバ圧縮器１１８から出射されたテラヘルツ波検出用光パルスがＰＰＬＮに入射すると、該ＰＰＬＮから第２高調波が発生し、光学フィルタにより第２高調波のみが取り出され、該取り出された第二高調波はレンズにより光伝導アンテナへ集光される。このとき、光伝導アンテナのシリコンレンズ側から被測定物１０５から出射されたテラヘルツ波が入射されることにより、該テラヘルツ波の検出が行われる。
なお、本実施形態では、光伝導アンテナを用いてテラヘルツ波を検出したが、変わりに非線形結晶を用いてＥＯ検出してもよい。非線形結晶を用いたＥＯ検出においては第２高調波を発生しなくてもテラヘルツ波を検出することができる。
【００５０】
次に、本実施形態に係るテラヘルツ波発生検出装置１００の動作を説明する。
まずは、ファイバレーザ発振器１０８は、テラヘルツ波発生部１０２への入射光パルスであるテラヘルツ波発生用光パルスとして設定されたパワー（光強度）（５００ｍＷ）よりも低く、かつ該テラヘルツ波発生用光パルスとして設定されたパルス幅（５０ｆｓ）よりも広いパルス幅を有する種光パルス（平均パワー４０ｍＷ、パルス幅５００ｆｓ、繰り返し周波数１００ＭＨｚ）を発振する。該種光パルスは、ビームスプリッタ１０９にて２つに分岐され、分岐された一方がテラヘルツ波発生用の種光パルス（平均パワー２０ｍＷ、パルス幅５００ｆｓ、繰り返し周波数１００ＭＨｚ）として強度変調器１１０に入射し、他方がテラヘルツ波検出用の種光パルス（平均パワー２０ｍＷ、パルス幅５００ｆｓ、繰り返し周波数１００ＭＨｚ）として遅延ラインスキャナ１１１に入射する。
【００５１】
強度変調器１１０は、入射されたテラヘルツ波発生用の種光パルス（平均パワー２０ｍＷ、パルス幅５００ｆｓ、繰り返し周波数１００ＭＨｚ）に対して９０ｋＨｚの変調をかけ、該変調信号をロックインアンプ１０７に送信する。該変調がかけられたテラヘルツ波発生用の種光パルス（平均パワー２０ｍＷ、パルス幅５００ｆｓ）は光ファイバカプラ１１３ａを介してファイバ増幅器１１５に入射する。光ファイバ増幅器１１５は、励起レーザ１１４ａから光ファイバカプラ１１３ａを介して入力された励起光により、上記変調がかけられたテラヘルツ波発生用の種光パルスのパワーを出力値である５００ｍＷに増幅してファイバ圧縮器１１６へと出射する。該ファイバ圧縮器１１６は、入射された変調がかけられ、増幅されたテラヘルツ波発生用の種光パルス（パワー５００ｍＷ、パルス幅５００ｆｓ）のパルス幅を５０ｆｓまで細くする。これにより、フェムト秒レーザ発生装置１０１は、パワー５００ｍＷ、パルス幅５０ｆｓのテラヘルツ波発生用光パルスを出射する。
【００５２】
上記フェムト秒レーザ発生装置１０１から出射されたテラヘルツ波発生用光パルスはテラヘルツ波発生部１０２に入射し、該テラヘルツ波発生部１０２はテラヘルツ波を発生する。該発生したテラヘルツ波は伝播モジュール１０４を介して被測定物１０５に入射する。該被測定物１０５に入射されたテラヘルツ波は該被測定物１０５にて反射され、該反射されたテラヘルツ波は伝播モジュール１０４を介してテラヘルツ波検出部１０３に入射する。
【００５３】
一方、テラヘルツ波波形を観測するために、テラヘルツ波検出用の種光パルス（平均パワー２０ｍＷ、パルス幅５００ｆｓ、繰り返し周波数１００ＭＨｚ）が通過する遅延ラインスキャナ１１１を制御装置で駆動し、被測定物１０５から出射される反射されたテラヘルツ波とテラヘルツ波検出用光パルスの時間差を変化させながら、テラヘルツ波検出部１０３の光伝導アンテナ出力電流を検出する。遅延ラインスキャナ１１１によるスキャンのスキャン幅、スキャンレートは被測定物１０５に応じて調整するとよい。
【００５４】
上記遅延ラインスキャナ１１１により所定の遅延時間が付与されたテラヘルツ波検出用の種光パルス（平均パワー２０ｍＷ、パルス幅５００ｆｓ、繰り返し周波数１００ＭＨｚ）は、光ファイバカプラ１１３ｂを介してファイバ増幅器１１７に入射する。光ファイバ増幅器１１７は、励起レーザ１１４ｂから光ファイバカプラ１１３ｂを介して入力された励起光により、上記所定の遅延時間が付与されたテラヘルツ波検出用の種光パルスのパワーを出力値である５００ｍＷに増幅してファイバ圧縮器１１８へと出射する。該ファイバ圧縮器１１８は、入射された所定の遅延時間が付与され、増幅されたテラヘルツ波検出用の種光パルス（パワー２００ｍＷ、パルス幅５００ｆｓ、繰り返し周波数１００ＭＨｚ）のパルス幅を５０ｆｓまで細くする。これにより、フェムト秒レーザ発生装置１０１は、パワー２００ｍＷ、パルス幅５０ｆｓのテラヘルツ波検出用光パルスを出射する。
【００５５】
テラヘルツ波検出部１０３は、フェムト秒レーザ発生装置１０１から出射されたテラヘルツ波検出用光パルスと、伝播モジュール１０４から出射された、被測定物１０５にて反射されたテラヘルツ波とにより、光伝導アンテナにて生じた電流を電流増幅器１０６を介してロックインアンプ１０７に出力する。該ロックインアンプ１０７により、強度変調器１１０から出力された変調信号と、テラヘルツ波検出部１０３から出力された電流とによりテラヘルツ波の電場時間波形を測定する。
【００５６】
従来では、例えば、高速変調を狙ってＡＯＭ（またはＥＯＭ）を強度変調器として用いる場合、フェムト秒レーザ発生装置とテラヘルツ波発生部との間にＡＯＭを設けているので、該ＡＯＭの波長分散の効果によりパルス幅が広がってしまっていた。また、上記ＡＯＭは、超短パルスレーザとして高強度のレーザを用意したとしても、強度変調器でＯＮ／ＯＦＦ変調するため、レーザ光強度の半分を捨ててしまっていることになる。また、これらのデバイスの挿入損失も生じてしまう。よって、全てのエネルギーを効率的に利用することが困難であった。しかしながら、テラヘルツ波の高強度化を考慮すると、テラヘルツ波発生部に入射すべきフェムト秒レーザ光パルスを高強度（高パワー）にする必要がある。また、パワーを落としたとしても、上述のようにＡＯＭの波長分散の効果によりどうしてもパルス幅が広がってしまい、変調をしつつも、細いパルス幅のフェムト秒レーザ光パルスを発生させることが困難であった。このように、従来では、変調を行いつつ、高パワーを有し、細いパルス幅のフェムト秒レーザ光パルスを出射することは困難であった。
【００５７】
これに対し、本実施形態では、テラヘルツ波発生部１０２に入射すべきテラヘルツ波発生用光パルスに必要なパワーおよびパルス幅にする前に、テラヘルツ波発生用の光パルス（種光パルス）に所定の変調をかけ、該変調をかけた後に、テラヘルツ波発生用の光パルスを所望のパワーにし、かつ所望のパルス幅にしている。すなわち、テラヘルツ波発生用光パルスの種光の段階で変調をかけ、その後に増幅器によりパワーを必要な値まで大きくし、かつパルス圧縮器により必要な値までパルス幅を狭くする。
【００５８】
従って、ＡＯＭやＥＯＭである強度変調器１１０により、テラヘルツ波発生用の種光パルスに変調をかける際に、該強度変調器１１０の波長分散の効果によりパルス幅が広がったとしても、変調後に上記テラヘルツ波発生用の種光パルスのパルス幅をファイバ圧縮器１１６にて細くしているので、結果としては、変調済みにも関わらず、パルス幅の細いきれいなフェムト秒レーザの光パルスを出射することができる。よって、テラヘルツ波発生部１０２に対して細いパルス幅のフェムト秒レーザ光を入射することができ、発生するテラヘルツ波を広帯域にすることができる。すなわち、本実施形態では、テラヘルツ波発生用の光パルスの伝播経路において、強度変調器１１０を設け、さらに、該強度変調器１１０の、光パルスの進行方向に対して後段にファイバ圧縮器１１６を設けることで、広帯域テラヘルツ波を発生させるときに致命的となる波長分散の影響を回避することができる。
【００５９】
また、高強度テラヘルツ波発生のために発生用光パルスの高強度化を行う必要があるが、テラヘルツ波発生用の種光パルスを変調した後に、最終出力とすべき値にパワーを増幅しているので、低パワーの光パルスを強度変調器１１０に入射させても、最終出力時には所望の高パワーを有するテラヘルツ波発生用光パルスを得ることができる。さらには、増幅前に変調を行うことで、レーザ最終出力を変調する場合に比べて励起レーザのエネルギーを効率的に活用し高強度化を行うことができる。
【００６０】
このように、本実施形態では、フェムト秒レーザ発生装置１０１は、電気的に高速な変調をかけつつも、高パワーを有し、細いパルス幅のフェムト秒レーザ光パルスをテラヘルツ波発生部１０２を出射することができ、該高速変調済みであり、高パワーを有し、細いパルス幅のフェムト秒レーザ光パルスを用いてテラヘルツ波を発生させることができる。従って、高強度であり、かつ広帯域なテラヘルツ波を生成することができる。
【００６１】
また、本実施形態では、テラヘルツ波発生用パルスの最終条件を整える前に種光パルスに変調をかけているので、ロックインアンプによる検出を行うことができる。また、最終的なパルス成形の前に変調を行うように、強度変調器１１０を設けるという簡単な構成により、テラヘルツ波の広帯域化、および高強度化を図ることができる。
【００６２】
（第２の実施形態）
本発明では、種光の段階でテラヘルツ波発生用の光パルスに所定の変調をかけ、該変調が施された光パルスを、最終的に出力すべき光パルスのパルス幅（テラヘルツ波発生部に入射するものとして設定されたパルス幅）を有するように成形し、かつ最終的に出力すべき光パルスのパワー（光強度）（テラヘルツ波発生部に入射するものとして設定されたパワー（光強度））を有するように増幅することが重要である。このために、テラヘルツ波発生用の光パルスの伝播経路において、所定の変調をかけるために強度変調器を設け、さらに、該強度変調器の、光パルスの進行方向に対して後段に、変調済みの光パルスのパワーを出力値となるパワーに増幅するための増幅器および該変調済みの光パルスのパルス幅を出力値となるパルス幅まで細くするためのパルス圧縮器を設けることに特徴がある。従って、このような構成を採るものであれば、第１の実施形態のように、レーザ発振器からテラヘルツ波発生部およびテラヘルツ波検出部までの各構成要素を光ファイバにて接続する形態に限らず、空間伝播系を用いても良いし、空間伝播系と光ファイバ接続とを混合させた形態を用いても良い。
【００６３】
図２は、本実施形態に係る、レーザ発振器からテラヘルツ波発生部およびテラヘルツ波検出部までの各構成要素間を空間伝播させるテラヘルツ波発生検出装置の概略構成図である。
図２において、テラヘルツ波発生検出装置２００は、テラヘルツ波発生用光パルスおよびテラヘルツ波検出用光パルスを出射するフェムト秒レーザ発生装置２０１と、フェムト秒レーザ発生装置２０１から出射されたテラヘルツ波発生用光パルスによりテラヘルツ波パルスを発生するテラヘルツ波発生部２０２と、反射または透過により被測定物２０５から出射されたテラヘルツ波パルスを検出するテラヘルツ波検出部２０３と、テラヘルツ波パルスを伝播するための伝播モジュール２０４とを備える。該伝播モジュール２０４は、上述した伝播モジュール２０４と同様の構成を有する。
【００６４】
フェムト秒レーザ発生装置２０１は、レーザ発振器２０６と、ビームスプリッタ２０７と、強度変調器２０８と、増幅器２０９、２１２と、パルス圧縮器２１０、２１３と、遅延ラインスキャナ２１１とを備える。
【００６５】
レーザ発振器２０６は受動モード同期レーザであり、パルス幅５００ｆｓ、平均強度４０ｍＷ、繰り返し周波数１００ＭＨｚのフェムト秒光パルス列を発振するように構成されている。すなわち、レーザ発振器２０６は、テラヘルツ波発生用光パルスおよびテラヘルツ波検出用光パルスの種光パルスを発振する。該レーザ発振器２０６の光パルスの進行方向の後段にはビームスプリッタ２０７が設けられており、該ビームスプリッタ２０７は、レーザ発振器２０６から出射された種光パルス（パルス幅５００ｆｓ、平均強度（パワー）４０ｍＷ、繰り返し周波数１００ＭＨｚ）を２つに分岐する。該分岐された一方の光パルスはテラヘルツ波発生用の種光パルスであり、他方の光パルスはテラヘルツ波検出用の種光パルスである。ビームスプリッタ２０７の透過側には強度変調器２０８が設けられており、上記ビームスプリッタ２０７にて分岐された一方の種光パルスはテラヘルツ波発生用の種光パルスとして強度変調器２０８に入射する。また、ビームスプリッタ２０７の反射側には遅延ラインスキャナ２１１が設けられており、上記ビームスプリッタ２０７にて分岐された他方の種光パルスはテラヘルツ波検出用の種光パルスとして遅延ラインスキャナ２１１に入射する。
【００６６】
強度変調器２０８は、ＡＯＭ、ＥＯＭ、光チョッパ、または光スイッチ等の、光パルスに所定の変調をかけることが可能な部材である。従って、強度変調器２０８は、ビームスプリッタ２０７から出射されたテラヘルツ波発生用の種光パルスに対して所定の変調をかけて出射する。
【００６７】
強度変調器２０８の光パルスの進行方向の後段には増幅器２０９が設けられている。該増幅器２０９は、強度変調器２０８から出射された、変調済みのテラヘルツ波発生用の種光パルス（平均パワー２０ｍＷ、パルス幅５００ｆｓ）のパワーを出力値である５００ｍＷまで増幅するように構成されている。従って、増幅器２０９は、変調済みのテラヘルツ波発生用の種光パルス（パワー５００ｍＷ、パルス幅５００ｆｓ）を出射する。
【００６８】
増幅器２０９の光パルスの進行方向の後段にはパルス圧縮器２１０が設けられており、該パルス圧縮器２１０の光パルスの進行方向の後段にはテラヘルツ波発生部２０２が設けられている。パルス圧縮器２１０は、増幅器２０９から出射された、変調済みのテラヘルツ波発生用の種光パルス（パワー５００ｍＷ、パルス幅５００ｆｓ）のパルス幅を出力値である５０ｆｓまで細くするように構成されている。従って、パルス圧縮器２１０は、変調済みのテラヘルツ波発生用光パルス（パワー５００ｍＷ、パルス幅５０ｆｓ）をテラヘルツ波発生部２０２に対して出射する。
【００６９】
遅延ラインスキャナ２１１は、ビームスプリッタ２０７から出射されたテラヘルツ波検出用の種光パルスに対して所定の遅延時間を付与するように構成されている。該遅延ラインスキャナ２１１は、ＰＣ等の制御装置（不図示）に電気的に接続されており、該制御装置による制御により、テラヘルツ波検出用の種光パルスに所定の遅延時間を付与するように動作する。
【００７０】
遅延ラインスキャナ２１１の光パルスの進行方向の後段には、増幅器２１２およびパルス圧縮器２１３がこの順番で設けられている。増幅器２１２は、遅延ラインスキャナ２１１から出射された、所定の遅延時間が付与されたテラヘルツ波検出用の種光パルス（平均パワー２０ｍＷ、パルス幅５００ｆｓ）のパワーを出力値である５００ｍＷまで増幅するように構成されている。また、パルス圧縮器２１３は、増幅器２１２から出射された、所定の遅延時間が付与されたテラヘルツ波検出用の種光パルス（パワー５００ｍＷ、パルス幅５００ｆｓ）のパルス幅を出力値である５０ｆｓまで細くするように構成されている。従って、パルス圧縮器２１３から出射された光パルスは、所定の遅延時間が付与されたテラヘルツ波検出用光パルス（パワー２００ｍＷ、パルス幅５０ｆｓ）となる。
【００７１】
このように、本実施形態においても、種光の段階で所定の変調をかけ、変調後において、光パルスのパワーを必要な値まで増幅し、かつ光パルスのパルス幅を必要な値まで狭めている。よって、フェムト秒レーザ発生装置２０１は、高パワーを有し、細いパルス幅である、変調済みのフェムト秒レーザ光パルスを出射することができる。従って、テラヘルツ波発生検出装置２００は、高強度であり、広帯域のテラヘルツ波を発生させることができる。
【符号の説明】
【００７２】
１００、２００ テラヘルツ波発生検出装置
２０１、２０１ フェムト秒レーザ発生装置
１０２、２０２ テラヘルツ波発生部
１０３、２０３ テラヘルツ波検出部
１０９、２０７ ビームスプリッタ
１１０、２０８ 強度変調器
１１５、１１７ ファイバ増幅器
１１６、１１８ ファイバ圧縮器
１１１、２１１ 遅延ラインスキャナ
２０９、２１２ 増幅器
２１０、２１３ パルス圧縮器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光パルスを発振するレーザ発振器と、
前記光パルスを２つに分岐する分岐手段と、
前記２つに分岐された一方の光パルスに所定の変調をかける変調手段と、
前記変調をかけられた一方の光パルスのパワーを増幅する増幅手段と、
前記増幅手段にて増幅された、前記変調がかけられた一方の光パルスのパルス幅を細くする圧縮手段と、
前記圧縮手段から出射された、前記変調がかけられた一方の光パルスによりテラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生手段と、
前記２つに分岐された他方の光パルスと、前記テラヘルツ波発生手段から発生したテラヘルツ波が入射された被測定物から出射されたテラヘルツ波とが入射されるように構成され、前記出射されたテラヘルツ波の検出を行うテラヘルツ波検出手段と、
前記２つに分岐された一方の光パルスおよび他方の光パルスのいずれか一方を所定の遅延時間だけ遅延させる遅延手段と
を備えることを特徴とするテラヘルツ波発生検出装置。
【請求項２】
前記レーザ発振器は、第１のパワーおよび第１のパルス幅を有する光パルスを発振するレーザ発振器であり、
前記増幅手段は、前記変調をかけられた一方の光パルスのパワーを前記第１のパワーよりも高い第２のパワーまで増幅するように構成され、
前記圧縮手段は、前記増幅手段にて増幅された、前記変調がかけられた一方の光パルスのパルス幅を前記第１のパルス幅よりも細い第２のパルス幅まで細くするように構成され、
前記テラヘルツ波発生手段には、前記圧縮手段から出射された、前記第２のパワーおよび前記第２のパルス幅を有し、前記変調がかけられた一方の光パルスが入射することを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生検出装置。
【請求項３】
前記２つに分岐された他方の光パルスのパワーを増幅するように設けられた第２の増幅手段と、
前記第２の増幅手段にて増幅された、前記他方の光パルスのパルス幅を狭くするように設けられた第２の圧縮手段と
をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載のテラヘルツ波発生検出装置。
【請求項４】
前記レーザ発振器と前記分岐手段とが、前記分岐手段と前記変調手段とが、前記変調手段と前記増幅手段とが、前記増幅手段と前記圧縮手段とが、前記圧縮手段と前記テラヘルツ波発生手段とがそれぞれ、光ファイバを介して接続されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のテラヘルツ波発生検出装置。
【請求項５】
前記分岐手段は、インライン型のビームスプリッタであることを特徴とする請求項４に記載の１乃至のいずれか一項に記載のテラヘルツ波発生検出装置。
【請求項６】
前記変調手段は、音響光学変調器および電気光変調器のいずれか一方であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のテラヘルツ波発生検出装置。
【請求項７】
所定のパワーおよび所定のパルス幅を有するフェムト秒レーザ光パルスであって、所定の変調がかけられたフェムト秒レーザ光パルスを出射するフェムト秒レーザ発生装置であって、
光パルスを発振するレーザ発振器と、
前記光パルスに前記所定の変調をかける変調手段と、
前記変調をかけられた光パルスのパワーを前記所定のパワーまで増幅する増幅手段と、
前記増幅手段にて増幅された、前記変調がかけられた光パルスのパルス幅を前記所定のパルス幅まで細くして、前記所定のパワーおよび前記所定のパルス幅を有するフェムト秒レーザ光パルスとして出射する圧縮手段と
を備えることを特徴とするフェムト秒レーザ発生装置。
【請求項８】
前記レーザ発振器と前記変調手段との間に設けられ、前記光パルスを２つに分岐する分岐手段をさらに備え、
前記変調手段は、前記２つに分岐された一方の光パルスに前記所定の変調をかけることを特徴とする請求項７に記載のフェムト秒レーザ発生装置。
【請求項１】
光パルスを発振するレーザ発振器と、
前記光パルスを２つに分岐する分岐手段と、
前記２つに分岐された一方の光パルスに所定の変調をかける変調手段と、
前記変調をかけられた一方の光パルスのパワーを増幅する増幅手段と、
前記増幅手段にて増幅された、前記変調がかけられた一方の光パルスのパルス幅を細くする圧縮手段と、
前記圧縮手段から出射された、前記変調がかけられた一方の光パルスによりテラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生手段と、
前記２つに分岐された他方の光パルスと、前記テラヘルツ波発生手段から発生したテラヘルツ波が入射された被測定物から出射されたテラヘルツ波とが入射されるように構成され、前記出射されたテラヘルツ波の検出を行うテラヘルツ波検出手段と、
前記２つに分岐された一方の光パルスおよび他方の光パルスのいずれか一方を所定の遅延時間だけ遅延させる遅延手段と
を備えることを特徴とするテラヘルツ波発生検出装置。
【請求項２】
前記レーザ発振器は、第１のパワーおよび第１のパルス幅を有する光パルスを発振するレーザ発振器であり、
前記増幅手段は、前記変調をかけられた一方の光パルスのパワーを前記第１のパワーよりも高い第２のパワーまで増幅するように構成され、
前記圧縮手段は、前記増幅手段にて増幅された、前記変調がかけられた一方の光パルスのパルス幅を前記第１のパルス幅よりも細い第２のパルス幅まで細くするように構成され、
前記テラヘルツ波発生手段には、前記圧縮手段から出射された、前記第２のパワーおよび前記第２のパルス幅を有し、前記変調がかけられた一方の光パルスが入射することを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生検出装置。
【請求項３】
前記２つに分岐された他方の光パルスのパワーを増幅するように設けられた第２の増幅手段と、
前記第２の増幅手段にて増幅された、前記他方の光パルスのパルス幅を狭くするように設けられた第２の圧縮手段と
をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載のテラヘルツ波発生検出装置。
【請求項４】
前記レーザ発振器と前記分岐手段とが、前記分岐手段と前記変調手段とが、前記変調手段と前記増幅手段とが、前記増幅手段と前記圧縮手段とが、前記圧縮手段と前記テラヘルツ波発生手段とがそれぞれ、光ファイバを介して接続されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のテラヘルツ波発生検出装置。
【請求項５】
前記分岐手段は、インライン型のビームスプリッタであることを特徴とする請求項４に記載の１乃至のいずれか一項に記載のテラヘルツ波発生検出装置。
【請求項６】
前記変調手段は、音響光学変調器および電気光変調器のいずれか一方であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のテラヘルツ波発生検出装置。
【請求項７】
所定のパワーおよび所定のパルス幅を有するフェムト秒レーザ光パルスであって、所定の変調がかけられたフェムト秒レーザ光パルスを出射するフェムト秒レーザ発生装置であって、
光パルスを発振するレーザ発振器と、
前記光パルスに前記所定の変調をかける変調手段と、
前記変調をかけられた光パルスのパワーを前記所定のパワーまで増幅する増幅手段と、
前記増幅手段にて増幅された、前記変調がかけられた光パルスのパルス幅を前記所定のパルス幅まで細くして、前記所定のパワーおよび前記所定のパルス幅を有するフェムト秒レーザ光パルスとして出射する圧縮手段と
を備えることを特徴とするフェムト秒レーザ発生装置。
【請求項８】
前記レーザ発振器と前記変調手段との間に設けられ、前記光パルスを２つに分岐する分岐手段をさらに備え、
前記変調手段は、前記２つに分岐された一方の光パルスに前記所定の変調をかけることを特徴とする請求項７に記載のフェムト秒レーザ発生装置。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１３−６８５２４（Ｐ２０１３−６８５２４Ａ）
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０７４１７（Ｐ２０１１−２０７４１７）
【出願日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【出願人】（０００００００１１）アイシン精機株式会社 (5,421)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【出願人】（０００００００１１）アイシン精機株式会社 (5,421)
【Ｆターム（参考）】
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