テラヘルツ波発生装置及びテラヘルツ波発生方法
【課題】高効率にテラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生装置及び発生方法を提供すること。
【解決手段】パルス時間幅が３５０ｆｓ〜１０ｐｓで、パルスエネルギーが２μＪ〜１Ｊの短パルスレーザ光を発生するパルス光源１と、パルス光源１から発生された短パルスレーザ光のパルスフロントPF0を光軸ｚ１と直交する面に対して所定の角度α傾斜させるパルスフロント傾斜手段２と、パルスフロント傾斜手段２で所定の傾斜角度αに傾斜された短パルスレーザ光が入射されてテラヘルツ波を発生する非線形結晶３と、を有する。
【解決手段】パルス時間幅が３５０ｆｓ〜１０ｐｓで、パルスエネルギーが２μＪ〜１Ｊの短パルスレーザ光を発生するパルス光源１と、パルス光源１から発生された短パルスレーザ光のパルスフロントPF0を光軸ｚ１と直交する面に対して所定の角度α傾斜させるパルスフロント傾斜手段２と、パルスフロント傾斜手段２で所定の傾斜角度αに傾斜された短パルスレーザ光が入射されてテラヘルツ波を発生する非線形結晶３と、を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
テラヘルツ波は周波数が０．１〜１０ＴＨｚ（波長が３０μｍ〜３０００μｍ）の電磁波であり、波長が赤外〜遠赤外領域とほぼ一致する。テラヘルツ波帯はこれまで未開拓電磁波であったが、この周波数帯の電磁波の特徴を生かした時間領域分光、タイム・オブ・フライト法による形状や膜厚測定、イメージング及びトモグラフィーによる材料のキャラクタリゼーション、環境計測、生物や医学への応用などが検討され、近年重要になってきている。本発明は、テラヘルツ波の応用に必要不可欠なテラヘルツ波発生装置及びテラヘルツ波発生方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高出力のテラヘルツ波を発生させるために、テラヘルツ波発生用非線形結晶中でのポンプ光（励起光）のパルスフロントを、テラヘルツ波の位相速度とポンプ光の群速度とで決まる特定の角度に傾斜させ、非線形結晶の光整流効果でポンプ光パルスフロントの法線ベクトル方向に高強度のテラヘルツ波を発生させる方法が開発されている（例えば、非特許文献１〜３参照。）。
【非特許文献１】J. Hebling et al., ” Velocity matching by pulse front tilting for large-area THz-pulse generation “, Opt. Express Vol. 10, pp1161-1166 (2002)
【非特許文献２】M. C. Hoffmann et al., ”Efficient terahertz generation by optical rectification at 1035 nm “, Opt. Express Vol. 15, pp11706-11713 (2007)
【非特許文献３】J. Hebling et al., ” Tunable THz pulse generation by optical rectification of ultrashort laser pulses with tilted pulse fronts “, Appl. Phys. B Vol.78, pp593-599 (2004)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来の光整流効果を用いたテラヘルツ波の発生では、非線形結晶に入射させるポンプ光パルスの尖頭値を高めるためにポンプ光パルスのパルス時間幅を３００ｆｓ以下、理想的には２００ｆｓ以下にしなければならない。
【０００４】
ポンプ光パルスのパルス時間幅が３００ｆｓ以下の場合、発生するテラヘルツ波のエネルギーはポンプ光パルスのエネルギーに比例するが、ポンプ光パルスエネルギーが大きくなると飽和してしまい、エネルギーの大きなテラヘルツ波を効率よく発生することができない。
【０００５】
なお、上記のテラヘルツ波のエネルギーが飽和する理由は、ポンプ光パルスのピークパワー（尖頭値）が高いことによる２フォトン及び３フォトン吸収に基づくと解釈されている（非特許文献２参照。）。また、非線形結晶の表面付近で発生したテラヘルツ波が非線形結晶中を伝播する過程で、テラヘルツ波のスペクトルの一部がフォノンに吸収される現象も関与していると考えられる。
【０００６】
いずれにしても、上記従来のテラヘルツ波発生装置及び発生方法では、高々、ポンプ光パルスエネルギーに比例するテラヘルツ波しか得られず、テラヘルツ波の発生効率が低かった。
【０００７】
本発明は、上記従来の問題に鑑みてなされたものであり、従来の光整流過程によるテラヘルツ波発生装置及び発生方法より高効率にテラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生装置及び発生方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するためになされた本発明のテラヘルツ波発生装置は、パルス時間幅が３５０ｆｓ〜１０ｐｓで、パルスエネルギーが２μＪ〜１Ｊの短パルスレーザ光を発生するパルス光源と、前記パルス光源から発生された前記短パルスレーザ光のパルスフロントを光軸と直交する面に対して所定の角度傾斜させるパルスフロント傾斜手段と、前記パルスフロント傾斜手段で所定の傾斜角度に傾斜された前記短パルスレーザ光が入射されてテラヘルツ波を発生する非線形結晶と、を有することを特徴とする。
【０００９】
上記テラヘルツ波発生装置において、前記非線形結晶から発生されるテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出手段を備えるものとすることができる。
【００１０】
また、前記テラヘルツ波検出手段は、EO（Electro-optic）サンプリング型であり、前記パルス光源から発生される短パルスレーザ光をポンプ光パルスとプローブ光パルスに分割する光分割手段と、前記光分割手段で分割された前記プローブ光パルスの時間遅延を制御する光学遅延手段と、前記光分割手段で分割されたプローブ光パルスを増幅する増幅手段及び或いは前記プローブ光パルスのパルス時間幅を圧縮する圧縮器を備えてもよい。
【００１１】
また、前記パルス光源は、ファイバーレーザを含むものとすると良い。
【００１２】
上記の課題を解決するためになされた本発明のテラヘルツ波発生方法は、パルス時間幅が３５０ｆｓ〜１０ｐｓで、パルスエネルギーが２μＪ〜１Ｊの短パルスレーザ光のパルスフロントを光軸と直交する面に対して所定の角度傾斜させるパルスフロント傾斜ステップと、前記パルスフロント傾斜ステップで傾斜させられた前記短パルスレーザ光を非線形結晶に入射させてテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生ステップと、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のテラヘルツ波発生装置及び発生方法は、パルス時間幅が３５０ｆｓ〜１０ｐｓで、パルスエネルギーが２μＪ〜１Ｊの短パルスレーザ光で非線形結晶を励起（ポンプ）するので、前記パルスエネルギーの高次に比例するエネルギーをもつテラヘルツ波を発生することができる。その結果、本発明のテラヘルツ波発生装置及び発生方法は、テラヘルツ波の発生効率が高い。
【００１４】
テラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出手段を備えるので、応用性が高い。すなわち、本発明のテラヘルツ波発生装置では、非線形結晶とテラヘルツ波検出手段との間のテラヘルツ波の光路中に被測定対象を配置するだけで被測定対象の特性を測定することができる。
【００１５】
プローブ光パルスを増幅する増幅手段を備えていると、パルス光源から発生される短パルスレーザ光の大部分をポンプ光パルスとすることができる。その結果エネルギーの大きなテラヘルツ波を発生することできる。
【００１６】
プローブ光パルスのパルス時間幅を圧縮する圧縮器を備えていると、短パルスレーザ光のパルス時間幅が大きくても、圧縮器で圧縮したプローブ光パルスとすることができ、テラヘルツ波の検出分解能が上がる。
【００１７】
パルス光源がファイバーレーザであると、バルク光学部品が少なく装置の小型化や信頼性向上が図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の実施形態を図面を参照して詳しく説明する。
【００１９】
（実施形態１）図１は、実施形態１のテラヘルツ波発生装置の概略構成図である。
【００２０】
本実施形態のテラヘルツ波発生装置は、図１に示すように、パルス光源１と、パルスフロント傾斜手段２と、非線形結晶３と、を備えている。
【００２１】
パルス光源１には、たとえば繰り返し周波数１００kHz、パルス時間幅６００ｆｓ、中心波長１０４５ｎｍ、平均出力パワー１０〜１０００ｍＷ、パルスエネルギー０．１μＪ〜１０μＪのＹｂドープファイバーレーザ（IMRA America Inc. D1000）を用いることができる。
【００２２】
このパルス光源１は、励起パワーを変えることで平均出力パワーを１０〜１０００ｍＷの範囲で可変である。パルス光源１自身で平均出力パワーを変えることができない場合は、パルス光源１の下流に、たとえば、可変式ＮＤフィルターを配置して、平均出力パワーを可変にしても良い。
【００２３】
パルスフロント傾斜手段２は、回折格子２aと、レンズ２b、２cを備えている。２dは、光路折り曲げミラーである。このパルスフロント傾斜手段２は、光軸ｚ０と直交する面に平行なパルスフロントＰＦ０をもつ短パルスレーザ光を光軸ｚ１と直交する面に対して角度α傾斜したパルスフロントＰＦ１をもつ短パルスレーザ光にする。
【００２４】
なお、パルスフロント傾斜手段２は、回折格子２aだけでも良い。レンズ２b、２cは、パルスフロント傾斜角を可変にするために用いられている。本実施形態では、２aとして回折格子を用いたが、エシェロン（階段格子）でも良い。
【００２５】
非線形結晶３には、たとえば０．６％のMgOをドープしたLiNbO3結晶を用いることができる。LiNbO3結晶３は、図１に示すように光軸ｚ１と直交する入射面３aに対して角度βの出射面３bを持つように直方体をカットしたものである。角度βは、短パルスレーザ光の結晶３中での群速度Ｖｇｒpと発生するテラヘルツ波の位相速度ＶｐｈTHzとで決まり、次式を満たすように設計されている。
【００２６】
ＶｐｈTHz＝Ｖｇｒpｃｏｓβ （１）
非線形結晶３が０．６％のMgOをドープしたLiNbO3結晶の場合、β＝６４°である。
【００２７】
非線形結晶３に入射する短パルスレーザ光のパルスフロントＰＦ１の傾斜角αは、非線形結晶３の光整流現象によりテラヘルツ波が効率よく発生されるように、次式を満たすように設計されている。
【００２８】
ｔａｎα＝ｎｇｒｐｔａｎβ （２）
ここで、ｎｇｒｐは短パルスレーザ光の非線形結晶３中での群屈折率である。非線形結晶３が０．６％のMgOをドープしたLiNbO3結晶の場合、α＝７８°である。
【００２９】
したがって、上記のパルスフロント傾斜手段２は、非線形結晶３に入射する短パルスレーザ光のパルスフロントＰＦ１の傾斜角α＝７８°になるように調整される。すなわち、α＝７８°になるように、本実施形態では、２aにグルーブ数１８００本／ｍｍの回折格子を用い、２bに焦点距離１００ｍｍのレンズ、２cに焦点距離１５０ｍｍのレンズを用いた。そして、回折格子２aとレンズ２bとの距離を１７５ｍｍに、レンズ２bとレンズ２cとの間隔を４５ｍｍ、レンズ２cから結晶３までの距離を１００ｍｍに調節した。なお、このときの結晶３の入射面３aでの短パルスレーザ光のスポット径は約０．７ｍｍであった。
【００３０】
本実施形態では、非線形結晶３にMgO：LiNbO3用いたが、LiNbO3、LiTaO3、BBO(βBaB2O2)、LBO(LiB3O5)、KTP(KTiOPO4)、AgGaS2、AgGaSe2等の波長変換用非線形結晶を使用しても良い。
【００３１】
また、非線形結晶３は、ZnTe、ZnSe、GaP、GaAs、CdTe、GaSe等のII−VI族系、III−V族系の半導体でも良い。
【００３２】
また、非線形結晶３に、KDP(KH2PO4)、DKDP(KD2PO4)、ADP(NH4H2PO4)、KNbO3、BaTiO3、鉛系またはジルコニウム系強誘電体等の強誘電体結晶を使用しても良い。
【００３３】
また、非線形結晶３は、PMN(Pb(Mg1/3Nb2/3)O3)、PZN(Pb(Zn1/3Nb2/3)O3)、PSN(Pb(Sc1/2Nb1/2)O3)、PST(Pb(Sc1/2Ta1/2)O3)、PLZT((Pb,La)(Zr,Ti)O3)、PZT(Pb(Zr,Ti)O3)等の鉛系リラクサー及びKTa1-xNbxO3、K1-xLixTaO3、Sr1-xCaxTiO3等の量子常誘電体系リラクサーでも良い。
【００３４】
さらに、非線形結晶３にDAST（４−ジメチルアミノ−Ｎ−メチル−４−スチルバゾリウムトシレート）等の有機非線形結晶を用いることができる。
【００３５】
次に本実施形態のテラヘルツ波発生装置のテラヘルツ波発生特性を説明する。図２〜図４は、非線形結晶３から発生されたテラヘルツ波THzを図示しないEOサンプリング型検出手段で検出した結果である。
【００３６】
図２は、非線形結晶３に入射する短パルスレーザ光（ポンプ光）の平均パワーＰAVを１４ｍＷ、１８ｍＷ、２４ｍＷ、３２ｍＷ、４６ｍＷ、６０ｍＷ、９０ｍＷ、１４０ｍＷ、２１５ｍＷ、３７０ｍＷ、８５０ｍＷと変化させたときのテラヘルツ波の電場振幅時間分解波形であり、A1はＰAV＝１４ｍＷのときの波形、A2はＰAV＝１８ｍＷ、・・・・・A8はＰAV＝１４０ｍＷの波形、A9はＰAV＝２１５ｍＷの波形、A10はＰAV＝４００ｍＷの波形、A11はＰAV＝８５０ｍＷの波形をそれぞれ表している（ただし、A1〜A7は図２では波形が重なっているため付与されていない。）。ＰAV＝２１５ｍＷの波形A9からピーク値が急激に増大していることが図２から分かる。
【００３７】
図３は、図２の波形をフーリエ変換して求めたテラヘルツ波のパワースペクトルで、A11はPAV＝８５０ｍＷのスペクトル、A10はPAV＝３７０ｍＷのスペクトル、A7はPAV＝９０ｍＷのスペクトルである。
【００３８】
図４は、図２のピーク値を縦軸に取り、横軸にＰAVを取ってピーク値と平均パワーの関係を図示したグラフである。PAV＝２１５ｍＷのときのA9が直線Ｓから外れだし、それ以後、急激に（非線形に）電場信号ピーク値が増大することが分かる。PAV＝２１５ｍＷのときの短パルスレーザ光のエネルギーは約２μＪ（＝２１５ｍＷ／１００ｋＨｚ）であり、これから、パルス時間幅が６００ｆｓの場合、短パルスレーザ光のパルスエネルギーが２μＪ以上のときテラヘルツ波が効率よく発生することがわかる。したがって、本実施形態のテラヘルツ波発生装置においてパルス光源１に用いたＹｂドープファイバーレーザの平均出力パワーの可変範囲を２００〜１０００ｍＷにしたものが、本発明のテラヘルツ波発生装置になる。なお、パルス時間幅が６００ｆｓ（一定）で平均出力パワーの可変範囲が２００〜１０００ｍＷであることは、短パルスレーザ光のパルスエネルギーが２〜１０μＪであることを意味する。
【００３９】
図４に示すように、短パルスレーザ光のパルスエネルギーが約２μＪを越えると急激にテラヘルツ波のエネルギーが増大するのは、図２及び図３から次のような現象が起きていることによると考えられる。図２からは短パルスレーザ光（励起光）の平均パワー（パルスエネルギー）の増加に伴い電場振幅が急激に増大するが、A11（PAV＝８５０ｍＷ、パルスエネルギー８．５μＪ）の電場波形においてテラヘルツパルス幅が狭くなっていることが分かる。また、図３からは、A７よりA10、A10よりA11とスペクトル幅が拡がることがわかる。
【００４０】
図２及び図３からわかる上記の知見から、パルス時間幅が６００ｆｓでパルスエネルギーが約２μＪ以上の短パルスレーザ光で非線形結晶３が励起されると、非線形結晶３の非線形二次感受率χ（２）を用いた非線形二次過程（χ（２）過程）が多段的（カスケード）に起き、コヒーレント・アンチストークス・ラマン散乱（CARS）とコヒーレント・ストークス・ラマン散乱（CSRS）或いは誘導ラマン散乱（SRS）によって、励起光のスペクトル幅を拡げると共に、非線形結晶３内でパルス圧縮を起こし励起光が短パルス化されるものと考えられる。また、初段のχ（２）過程により発生したテラヘルツ波は、２段目のχ（２）過程により赤外パルスに変換され、この赤外パルスは吸収のない非線形結晶３内を進み、３段目のχ（２）過程によりテラヘルツ波に変換されるため、テラヘルツ波の非線形結晶３による減衰が小さくなると考えられる。
【００４１】
本実施形態では、パルス光源に様々なレーザ（チタンサファイアレーザ、イッテルビウム固体レーザ再生増幅器、他）とパルス時間幅伸長器と組み合わせた光源を用いて、様々なパルス時間幅、様々なパルスエネルギーをもつ短パルスレーザ光を発生させ、図４と同様なテラヘルツ波発生特性を調べた。その結果、パルス時間幅が３５０ｆｓ〜１０ｐｓで、パルスエネルギーが２μＪ〜１Ｊの短パルスレーザ光が非線形結晶に励起光として入射すると、テラヘルツ波の電場信号ピーク値が急激に（非線形に）増大することが分かった。
【００４２】
パルス時間幅が３５０ｆｓ〜１０ｐｓで、パルスエネルギーが２μＪ〜１Ｊの短パルスレーザ光のピークパワーは０．２ＭＷ〜２．８ＴＷであるが、ピークパワーが高すぎると、多光子吸収やフォノンによる吸収によりテラヘルツ波の電場信号ピーク値の増大率の低下が起き且つ非線形結晶の光損傷及び破壊が起きやすくなる。したがって、パルス時間幅が３５０ｆｓ〜１０ｐｓで、パルスエネルギーが２μＪ〜１ｍＪの短パルスレーザ光が好ましい。この場合の短パルスレーザ光のピークパワーは、０．２ＭＷ〜２．８ＧＷである。
【００４３】
（実施形態２）本実施形態のテラヘルツ波発生装置は、実施形態１のテラヘルツ波発生装置にテラヘルツ波検出手段を付加した以外は実施形態１のテラヘルツ波発生装置と同じである。同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００４４】
本実施形態のテラヘルツ波発生装置は、図５に示すように非線形結晶３から発生されるテラヘルツ波THzを受波する位置にテラヘルツ波検出手段４を備えている。
【００４５】
テラヘルツ波検出手段４として、液体ヘリウム冷却ボロメータ（Infrared Labs.製）やパイロメータ等を用いることができる。
【００４６】
本実施形態のテラヘルツ波発生装置は、テラヘルツ波検出手段４を備えているので、非線形結晶３とテラヘルツ波検出手段４の間のテラヘルツ波ＴＨｚ光路中に被測定対象を配置するだけで、非測定対象の物理量を測定することができる。
【００４７】
（実施形態３）本実施形態のテラヘルツ波発生装置は、実施形態２のテラヘルツ波発生装置のテラヘルツ波検出手段がEOサンプリング型に変更され、且つそれに伴って必要な光学系が付加されたものである。同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００４８】
本実施形態のテラヘルツ波発生装置は、図６に示すように、パルス光源１から発生される短パルスレーザ光を非線形結晶３を励起するポンプ光Ｌpuとプローブ光Ｌprとに分割する光分割手段６と、プローブ光Ｌprの時間遅延を制御する光学遅延手段７と、EOサンプリング型テラヘルツ波検出手段５とを備えている。
【００４９】
光分割手段６として、たとえばビームスプリッタを用いることができる。ビームスプリッタ６は、部分反射・部分透過板である。ビームスプリッタ６で反射された短パルスレーザ光がプローブ光Ｌprになり、透過された短パルスレーザ光がポンプ光Ｌpuになる。通常、テラヘルツ波を発生させるためのポンプ光Ｌpuを強くする必要があり、たとえば、反射率５％、透過率９５％のビームスプリッタ６が使用される。
【００５０】
光学遅延手段７は、交差ミラー７aと交差ミラー７aを矢印A方向に移動させる移動機構７bとを備え、ポンプ光Ｌpuで非線形結晶３が励起されて発生されるテラヘルツ波THzに対してプローブ光Ｌprに時間的な遅れ或いは進みを発生させる。なお、移動機構７bは、パソコン１４で制御される。７cは、光路折り曲げミラーである。
【００５１】
EOサンプリング型テラヘルツ波検出手段５は、EO（電気光学）結晶５a、１／４波長板５b、検光子５c、バランス検出器５dを備えている。５eは、レンズである。EO結晶５aには、（１１０）面で軸出しされた厚さ１ｍｍのCdTe結晶を使用することができる。
【００５２】
なお、EO結晶５aは、ZnTe、ZnSe、GaP、GaAs、CdTe、GaSe等のII−VI族系、III−V族系の半導体でも良い。
【００５３】
また、EO結晶５aとしては、MgO：LiNbO3、LiNbO3、LiTaO3、BBO、LBO、KTP、AgGaS2、AgGaSe2等の波長変換用非線形結晶を使用しても良い。
【００５４】
また、EO結晶５a にKDP、DKDP、ADP、KNbO3、BaTiO3、鉛系またはジルコニウム系強誘電体等の強誘電体結晶を使用しても良い。
【００５５】
また、EO結晶５a は、PMN、PZN、PSN、PST、PLZT、PZT等の鉛系リラクサー及びKTa1-xNbxO3、K1-xLixTaO3、Sr1-xCaxTiO3等の量子常誘電体系リラクサーでも良い。
【００５６】
さらに、EO結晶５a にDAST（４−ジメチルアミノ−Ｎ−メチル−４−スチルバゾリウムトシレート）等の有機非線形結晶を用いることができる。
【００５７】
非線形結晶３から発生されたテラヘルツ波THzは、二つの軸外し放物面鏡８a、８bでコリメートされ、CdTe結晶５aに集光照射される。
【００５８】
一方、光学遅延手段７で時間遅延が制御されたプローブ光Ｌprは、１／２波長板９で偏光が制御され、レンズ１０で折り曲げミラー１１と軸外し放物面鏡８bの孔を介してCdTe結晶５aに集光照射される。
【００５９】
EO結晶５aは、テラヘルツ波THzが照射されて誘起される光電場によって、プローブ光Ｌprの偏光を回転させる。
【００６０】
１／４波長板５bは、テラヘルツ波ＴＨｚによりEO結晶５aに誘起される複屈折によって生じるプローブ光Ｌprの偏光回転を任意に回転させる。
【００６１】
バランス検出器５dは、テラヘルツ波THzによるEO結晶５aに誘起される複屈折で生じるプローブ光Ｌprの偏光回転量を、差動増幅機構を用いて抽出して微量検出する。
【００６２】
１２はボックスカー、１３はAD変換器、１４はパソコンである。
【００６３】
テラヘルツ波THzとプローブ光ＬprがEO結晶５a内で時間的に重なったときのみ、テラヘルツ波ＴＨｚによる複屈折をプローブ光Ｌprが受け、これにより、直線偏光のプローブ光Ｌprが楕円偏光化される。複屈折量は、テラヘルツ波THzの強度に比例する。複屈折を受けたプローブ光Ｌprは、１／４波長板５bで楕円偏光の主軸が回転し、検光子５cに入射される。検光子５cは、入射されたプローブ光Ｌprをｐ偏光とｓ偏光とに分岐し、バランス検出器５dに入射させる。すると、バランス検出器５dは、上記二つの偏光成分の光信号の強度差に比例する電気信号をボックスカー１２に出力する。ここで、この電気信号は、テラヘルツ波THzによる電気光学効果を受けたプローブ光Ｌprの複屈折量であり、この複屈折量はテラヘルツ波THzの強度に比例する。プローブ光Ｌprを時間遅延して、この電気信号をパソコン１４に取り込むことで、図２に示すようなテラヘルツ波THzの電場振幅時間分解波形が得られる。
【００６４】
本実施形態のテラヘルツ波発生装置は、EOサンプリング型テラヘルツ波検出手段５を備えているので、テラヘルツ波THzの位相情報も利用することができる。その結果、軸外し放物面鏡８a、８b間に配置された被測定対象を、たとえばタイム・オブ・フライト法を用いて計測することができ、応用性が格段に拡がる。
【００６５】
（実施形態４）本実施形態のテラヘルツ波発生装置は、プローブ光を増幅する増幅器とプローブ光のパルス時間幅を圧縮する圧縮器とを付加した以外、実施形態３のテラヘルツ波発生装置と同じである。同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００６６】
本実施形態のテラヘルツ波発生装置は、図７に示すように、プローブ光Ｌprの光路中に光増幅器１５と圧縮器１６とを備えている。
【００６７】
光増幅器１５としては、ファイバ増幅器を使用することができる。ファイバ増幅器としては、モード変換器を備えたマルチモードファイバ増幅器（特開平１１−７４５９３参照。）を用いると良い。この増幅器でプローブ光Ｌprを増幅すると、ビーム品質を劣化させることなく、強いプローブ光にすることができるからである。その結果、光分割手段６で短パルスレーザ光の殆どをポンプ光Ｌpuに分割することができる。また、EOサンプリング型検出手段５でテラヘルツ波THzを高感度に検出することができる。
【００６８】
また、光増幅器１５として、コア部に利得媒質をドープしたラージモードエリア・フォトニック結晶ファイバを用いても良い。この増幅器の場合、レーザダイオードで励起されたファイバ中にプローブ光Ｌprを通過させることでプローブ光Ｌprが増幅される。コア部にドープされる利得媒質がYbの場合、波長９８０ｎｍのレーザダイオードを励起光源として用いることができる。
【００６９】
また、光増幅器１５として、Ybキュービコン・ファイバ増幅器（L Shah, et. al. “ High energy femtosecond Yb cubicon fiber amplifier ” ,Opt. Express Vol. 13, pp4717-4722 (2005)参照。）を用いても良い。この増幅器で増幅されたプローブ光Ｌprは、増幅器の伸長器と圧縮器１６との間の３次分散ミスマッチを補償するので、圧縮器１６で圧縮されたプローブ光Ｌprがペデスタルフリーの短パルス光になる。その結果、EOサンプリング型検出手段５でテラヘルツ波THzを高分解に検出することができる。
【００７０】
圧縮器１６としては、非線形ファイバやフォトニック結晶ファイバを用いることができる。
【００７１】
また、圧縮器１６として回折格子対を用いても良い。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】実施形態１のテラヘルツ波発生装置の概略構成図である。
【図２】図１のテラヘルツ波発生装置で発生したテラヘルツ波をＥＯサンプリング型検出手段で検出した電場振幅時間分解波形である。
【図３】図２の電場振幅時間分解波形をフーリエ変換して求めたパワースペクトルである。
【図４】図２の電場振幅時間分解波形のピーク値の短パルスレーザ光パワー依存性を示すグラフである。
【図５】実施形態２のテラヘルツ波発生装置の概略構成図である。
【図６】実施形態３のテラヘルツ波発生装置の概略構成図である。
【図７】実施形態４のテラヘルツ波発生装置の概略構成図である。
【符号の説明】
【００７３】
１・・・・・・パルス光源
２・・・・・・パルスフロント傾斜手段
３・・・・・・非線形結晶
４・・・・・・テラヘルツ波検出手段
５・・・・・・EOサンプリング型テラヘルツ波検出手段
６・・・・・・光分割手段
７・・・・・・光学遅延手段
１５・・・・・光増幅器
１６・・・・・圧縮器
PF0、PF1・・ パルスフロント
Ｌpu・・・・・ポンプ光パルス
Ｌpr・・・・・プローブ光パルス
ｚ０、ｚ１・・・光軸
α・・・・・・所定の傾斜角度
【技術分野】
【０００１】
テラヘルツ波は周波数が０．１〜１０ＴＨｚ（波長が３０μｍ〜３０００μｍ）の電磁波であり、波長が赤外〜遠赤外領域とほぼ一致する。テラヘルツ波帯はこれまで未開拓電磁波であったが、この周波数帯の電磁波の特徴を生かした時間領域分光、タイム・オブ・フライト法による形状や膜厚測定、イメージング及びトモグラフィーによる材料のキャラクタリゼーション、環境計測、生物や医学への応用などが検討され、近年重要になってきている。本発明は、テラヘルツ波の応用に必要不可欠なテラヘルツ波発生装置及びテラヘルツ波発生方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高出力のテラヘルツ波を発生させるために、テラヘルツ波発生用非線形結晶中でのポンプ光（励起光）のパルスフロントを、テラヘルツ波の位相速度とポンプ光の群速度とで決まる特定の角度に傾斜させ、非線形結晶の光整流効果でポンプ光パルスフロントの法線ベクトル方向に高強度のテラヘルツ波を発生させる方法が開発されている（例えば、非特許文献１〜３参照。）。
【非特許文献１】J. Hebling et al., ” Velocity matching by pulse front tilting for large-area THz-pulse generation “, Opt. Express Vol. 10, pp1161-1166 (2002)
【非特許文献２】M. C. Hoffmann et al., ”Efficient terahertz generation by optical rectification at 1035 nm “, Opt. Express Vol. 15, pp11706-11713 (2007)
【非特許文献３】J. Hebling et al., ” Tunable THz pulse generation by optical rectification of ultrashort laser pulses with tilted pulse fronts “, Appl. Phys. B Vol.78, pp593-599 (2004)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来の光整流効果を用いたテラヘルツ波の発生では、非線形結晶に入射させるポンプ光パルスの尖頭値を高めるためにポンプ光パルスのパルス時間幅を３００ｆｓ以下、理想的には２００ｆｓ以下にしなければならない。
【０００４】
ポンプ光パルスのパルス時間幅が３００ｆｓ以下の場合、発生するテラヘルツ波のエネルギーはポンプ光パルスのエネルギーに比例するが、ポンプ光パルスエネルギーが大きくなると飽和してしまい、エネルギーの大きなテラヘルツ波を効率よく発生することができない。
【０００５】
なお、上記のテラヘルツ波のエネルギーが飽和する理由は、ポンプ光パルスのピークパワー（尖頭値）が高いことによる２フォトン及び３フォトン吸収に基づくと解釈されている（非特許文献２参照。）。また、非線形結晶の表面付近で発生したテラヘルツ波が非線形結晶中を伝播する過程で、テラヘルツ波のスペクトルの一部がフォノンに吸収される現象も関与していると考えられる。
【０００６】
いずれにしても、上記従来のテラヘルツ波発生装置及び発生方法では、高々、ポンプ光パルスエネルギーに比例するテラヘルツ波しか得られず、テラヘルツ波の発生効率が低かった。
【０００７】
本発明は、上記従来の問題に鑑みてなされたものであり、従来の光整流過程によるテラヘルツ波発生装置及び発生方法より高効率にテラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生装置及び発生方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するためになされた本発明のテラヘルツ波発生装置は、パルス時間幅が３５０ｆｓ〜１０ｐｓで、パルスエネルギーが２μＪ〜１Ｊの短パルスレーザ光を発生するパルス光源と、前記パルス光源から発生された前記短パルスレーザ光のパルスフロントを光軸と直交する面に対して所定の角度傾斜させるパルスフロント傾斜手段と、前記パルスフロント傾斜手段で所定の傾斜角度に傾斜された前記短パルスレーザ光が入射されてテラヘルツ波を発生する非線形結晶と、を有することを特徴とする。
【０００９】
上記テラヘルツ波発生装置において、前記非線形結晶から発生されるテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出手段を備えるものとすることができる。
【００１０】
また、前記テラヘルツ波検出手段は、EO（Electro-optic）サンプリング型であり、前記パルス光源から発生される短パルスレーザ光をポンプ光パルスとプローブ光パルスに分割する光分割手段と、前記光分割手段で分割された前記プローブ光パルスの時間遅延を制御する光学遅延手段と、前記光分割手段で分割されたプローブ光パルスを増幅する増幅手段及び或いは前記プローブ光パルスのパルス時間幅を圧縮する圧縮器を備えてもよい。
【００１１】
また、前記パルス光源は、ファイバーレーザを含むものとすると良い。
【００１２】
上記の課題を解決するためになされた本発明のテラヘルツ波発生方法は、パルス時間幅が３５０ｆｓ〜１０ｐｓで、パルスエネルギーが２μＪ〜１Ｊの短パルスレーザ光のパルスフロントを光軸と直交する面に対して所定の角度傾斜させるパルスフロント傾斜ステップと、前記パルスフロント傾斜ステップで傾斜させられた前記短パルスレーザ光を非線形結晶に入射させてテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生ステップと、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のテラヘルツ波発生装置及び発生方法は、パルス時間幅が３５０ｆｓ〜１０ｐｓで、パルスエネルギーが２μＪ〜１Ｊの短パルスレーザ光で非線形結晶を励起（ポンプ）するので、前記パルスエネルギーの高次に比例するエネルギーをもつテラヘルツ波を発生することができる。その結果、本発明のテラヘルツ波発生装置及び発生方法は、テラヘルツ波の発生効率が高い。
【００１４】
テラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出手段を備えるので、応用性が高い。すなわち、本発明のテラヘルツ波発生装置では、非線形結晶とテラヘルツ波検出手段との間のテラヘルツ波の光路中に被測定対象を配置するだけで被測定対象の特性を測定することができる。
【００１５】
プローブ光パルスを増幅する増幅手段を備えていると、パルス光源から発生される短パルスレーザ光の大部分をポンプ光パルスとすることができる。その結果エネルギーの大きなテラヘルツ波を発生することできる。
【００１６】
プローブ光パルスのパルス時間幅を圧縮する圧縮器を備えていると、短パルスレーザ光のパルス時間幅が大きくても、圧縮器で圧縮したプローブ光パルスとすることができ、テラヘルツ波の検出分解能が上がる。
【００１７】
パルス光源がファイバーレーザであると、バルク光学部品が少なく装置の小型化や信頼性向上が図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の実施形態を図面を参照して詳しく説明する。
【００１９】
（実施形態１）図１は、実施形態１のテラヘルツ波発生装置の概略構成図である。
【００２０】
本実施形態のテラヘルツ波発生装置は、図１に示すように、パルス光源１と、パルスフロント傾斜手段２と、非線形結晶３と、を備えている。
【００２１】
パルス光源１には、たとえば繰り返し周波数１００kHz、パルス時間幅６００ｆｓ、中心波長１０４５ｎｍ、平均出力パワー１０〜１０００ｍＷ、パルスエネルギー０．１μＪ〜１０μＪのＹｂドープファイバーレーザ（IMRA America Inc. D1000）を用いることができる。
【００２２】
このパルス光源１は、励起パワーを変えることで平均出力パワーを１０〜１０００ｍＷの範囲で可変である。パルス光源１自身で平均出力パワーを変えることができない場合は、パルス光源１の下流に、たとえば、可変式ＮＤフィルターを配置して、平均出力パワーを可変にしても良い。
【００２３】
パルスフロント傾斜手段２は、回折格子２aと、レンズ２b、２cを備えている。２dは、光路折り曲げミラーである。このパルスフロント傾斜手段２は、光軸ｚ０と直交する面に平行なパルスフロントＰＦ０をもつ短パルスレーザ光を光軸ｚ１と直交する面に対して角度α傾斜したパルスフロントＰＦ１をもつ短パルスレーザ光にする。
【００２４】
なお、パルスフロント傾斜手段２は、回折格子２aだけでも良い。レンズ２b、２cは、パルスフロント傾斜角を可変にするために用いられている。本実施形態では、２aとして回折格子を用いたが、エシェロン（階段格子）でも良い。
【００２５】
非線形結晶３には、たとえば０．６％のMgOをドープしたLiNbO3結晶を用いることができる。LiNbO3結晶３は、図１に示すように光軸ｚ１と直交する入射面３aに対して角度βの出射面３bを持つように直方体をカットしたものである。角度βは、短パルスレーザ光の結晶３中での群速度Ｖｇｒpと発生するテラヘルツ波の位相速度ＶｐｈTHzとで決まり、次式を満たすように設計されている。
【００２６】
ＶｐｈTHz＝Ｖｇｒpｃｏｓβ （１）
非線形結晶３が０．６％のMgOをドープしたLiNbO3結晶の場合、β＝６４°である。
【００２７】
非線形結晶３に入射する短パルスレーザ光のパルスフロントＰＦ１の傾斜角αは、非線形結晶３の光整流現象によりテラヘルツ波が効率よく発生されるように、次式を満たすように設計されている。
【００２８】
ｔａｎα＝ｎｇｒｐｔａｎβ （２）
ここで、ｎｇｒｐは短パルスレーザ光の非線形結晶３中での群屈折率である。非線形結晶３が０．６％のMgOをドープしたLiNbO3結晶の場合、α＝７８°である。
【００２９】
したがって、上記のパルスフロント傾斜手段２は、非線形結晶３に入射する短パルスレーザ光のパルスフロントＰＦ１の傾斜角α＝７８°になるように調整される。すなわち、α＝７８°になるように、本実施形態では、２aにグルーブ数１８００本／ｍｍの回折格子を用い、２bに焦点距離１００ｍｍのレンズ、２cに焦点距離１５０ｍｍのレンズを用いた。そして、回折格子２aとレンズ２bとの距離を１７５ｍｍに、レンズ２bとレンズ２cとの間隔を４５ｍｍ、レンズ２cから結晶３までの距離を１００ｍｍに調節した。なお、このときの結晶３の入射面３aでの短パルスレーザ光のスポット径は約０．７ｍｍであった。
【００３０】
本実施形態では、非線形結晶３にMgO：LiNbO3用いたが、LiNbO3、LiTaO3、BBO(βBaB2O2)、LBO(LiB3O5)、KTP(KTiOPO4)、AgGaS2、AgGaSe2等の波長変換用非線形結晶を使用しても良い。
【００３１】
また、非線形結晶３は、ZnTe、ZnSe、GaP、GaAs、CdTe、GaSe等のII−VI族系、III−V族系の半導体でも良い。
【００３２】
また、非線形結晶３に、KDP(KH2PO4)、DKDP(KD2PO4)、ADP(NH4H2PO4)、KNbO3、BaTiO3、鉛系またはジルコニウム系強誘電体等の強誘電体結晶を使用しても良い。
【００３３】
また、非線形結晶３は、PMN(Pb(Mg1/3Nb2/3)O3)、PZN(Pb(Zn1/3Nb2/3)O3)、PSN(Pb(Sc1/2Nb1/2)O3)、PST(Pb(Sc1/2Ta1/2)O3)、PLZT((Pb,La)(Zr,Ti)O3)、PZT(Pb(Zr,Ti)O3)等の鉛系リラクサー及びKTa1-xNbxO3、K1-xLixTaO3、Sr1-xCaxTiO3等の量子常誘電体系リラクサーでも良い。
【００３４】
さらに、非線形結晶３にDAST（４−ジメチルアミノ−Ｎ−メチル−４−スチルバゾリウムトシレート）等の有機非線形結晶を用いることができる。
【００３５】
次に本実施形態のテラヘルツ波発生装置のテラヘルツ波発生特性を説明する。図２〜図４は、非線形結晶３から発生されたテラヘルツ波THzを図示しないEOサンプリング型検出手段で検出した結果である。
【００３６】
図２は、非線形結晶３に入射する短パルスレーザ光（ポンプ光）の平均パワーＰAVを１４ｍＷ、１８ｍＷ、２４ｍＷ、３２ｍＷ、４６ｍＷ、６０ｍＷ、９０ｍＷ、１４０ｍＷ、２１５ｍＷ、３７０ｍＷ、８５０ｍＷと変化させたときのテラヘルツ波の電場振幅時間分解波形であり、A1はＰAV＝１４ｍＷのときの波形、A2はＰAV＝１８ｍＷ、・・・・・A8はＰAV＝１４０ｍＷの波形、A9はＰAV＝２１５ｍＷの波形、A10はＰAV＝４００ｍＷの波形、A11はＰAV＝８５０ｍＷの波形をそれぞれ表している（ただし、A1〜A7は図２では波形が重なっているため付与されていない。）。ＰAV＝２１５ｍＷの波形A9からピーク値が急激に増大していることが図２から分かる。
【００３７】
図３は、図２の波形をフーリエ変換して求めたテラヘルツ波のパワースペクトルで、A11はPAV＝８５０ｍＷのスペクトル、A10はPAV＝３７０ｍＷのスペクトル、A7はPAV＝９０ｍＷのスペクトルである。
【００３８】
図４は、図２のピーク値を縦軸に取り、横軸にＰAVを取ってピーク値と平均パワーの関係を図示したグラフである。PAV＝２１５ｍＷのときのA9が直線Ｓから外れだし、それ以後、急激に（非線形に）電場信号ピーク値が増大することが分かる。PAV＝２１５ｍＷのときの短パルスレーザ光のエネルギーは約２μＪ（＝２１５ｍＷ／１００ｋＨｚ）であり、これから、パルス時間幅が６００ｆｓの場合、短パルスレーザ光のパルスエネルギーが２μＪ以上のときテラヘルツ波が効率よく発生することがわかる。したがって、本実施形態のテラヘルツ波発生装置においてパルス光源１に用いたＹｂドープファイバーレーザの平均出力パワーの可変範囲を２００〜１０００ｍＷにしたものが、本発明のテラヘルツ波発生装置になる。なお、パルス時間幅が６００ｆｓ（一定）で平均出力パワーの可変範囲が２００〜１０００ｍＷであることは、短パルスレーザ光のパルスエネルギーが２〜１０μＪであることを意味する。
【００３９】
図４に示すように、短パルスレーザ光のパルスエネルギーが約２μＪを越えると急激にテラヘルツ波のエネルギーが増大するのは、図２及び図３から次のような現象が起きていることによると考えられる。図２からは短パルスレーザ光（励起光）の平均パワー（パルスエネルギー）の増加に伴い電場振幅が急激に増大するが、A11（PAV＝８５０ｍＷ、パルスエネルギー８．５μＪ）の電場波形においてテラヘルツパルス幅が狭くなっていることが分かる。また、図３からは、A７よりA10、A10よりA11とスペクトル幅が拡がることがわかる。
【００４０】
図２及び図３からわかる上記の知見から、パルス時間幅が６００ｆｓでパルスエネルギーが約２μＪ以上の短パルスレーザ光で非線形結晶３が励起されると、非線形結晶３の非線形二次感受率χ（２）を用いた非線形二次過程（χ（２）過程）が多段的（カスケード）に起き、コヒーレント・アンチストークス・ラマン散乱（CARS）とコヒーレント・ストークス・ラマン散乱（CSRS）或いは誘導ラマン散乱（SRS）によって、励起光のスペクトル幅を拡げると共に、非線形結晶３内でパルス圧縮を起こし励起光が短パルス化されるものと考えられる。また、初段のχ（２）過程により発生したテラヘルツ波は、２段目のχ（２）過程により赤外パルスに変換され、この赤外パルスは吸収のない非線形結晶３内を進み、３段目のχ（２）過程によりテラヘルツ波に変換されるため、テラヘルツ波の非線形結晶３による減衰が小さくなると考えられる。
【００４１】
本実施形態では、パルス光源に様々なレーザ（チタンサファイアレーザ、イッテルビウム固体レーザ再生増幅器、他）とパルス時間幅伸長器と組み合わせた光源を用いて、様々なパルス時間幅、様々なパルスエネルギーをもつ短パルスレーザ光を発生させ、図４と同様なテラヘルツ波発生特性を調べた。その結果、パルス時間幅が３５０ｆｓ〜１０ｐｓで、パルスエネルギーが２μＪ〜１Ｊの短パルスレーザ光が非線形結晶に励起光として入射すると、テラヘルツ波の電場信号ピーク値が急激に（非線形に）増大することが分かった。
【００４２】
パルス時間幅が３５０ｆｓ〜１０ｐｓで、パルスエネルギーが２μＪ〜１Ｊの短パルスレーザ光のピークパワーは０．２ＭＷ〜２．８ＴＷであるが、ピークパワーが高すぎると、多光子吸収やフォノンによる吸収によりテラヘルツ波の電場信号ピーク値の増大率の低下が起き且つ非線形結晶の光損傷及び破壊が起きやすくなる。したがって、パルス時間幅が３５０ｆｓ〜１０ｐｓで、パルスエネルギーが２μＪ〜１ｍＪの短パルスレーザ光が好ましい。この場合の短パルスレーザ光のピークパワーは、０．２ＭＷ〜２．８ＧＷである。
【００４３】
（実施形態２）本実施形態のテラヘルツ波発生装置は、実施形態１のテラヘルツ波発生装置にテラヘルツ波検出手段を付加した以外は実施形態１のテラヘルツ波発生装置と同じである。同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００４４】
本実施形態のテラヘルツ波発生装置は、図５に示すように非線形結晶３から発生されるテラヘルツ波THzを受波する位置にテラヘルツ波検出手段４を備えている。
【００４５】
テラヘルツ波検出手段４として、液体ヘリウム冷却ボロメータ（Infrared Labs.製）やパイロメータ等を用いることができる。
【００４６】
本実施形態のテラヘルツ波発生装置は、テラヘルツ波検出手段４を備えているので、非線形結晶３とテラヘルツ波検出手段４の間のテラヘルツ波ＴＨｚ光路中に被測定対象を配置するだけで、非測定対象の物理量を測定することができる。
【００４７】
（実施形態３）本実施形態のテラヘルツ波発生装置は、実施形態２のテラヘルツ波発生装置のテラヘルツ波検出手段がEOサンプリング型に変更され、且つそれに伴って必要な光学系が付加されたものである。同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００４８】
本実施形態のテラヘルツ波発生装置は、図６に示すように、パルス光源１から発生される短パルスレーザ光を非線形結晶３を励起するポンプ光Ｌpuとプローブ光Ｌprとに分割する光分割手段６と、プローブ光Ｌprの時間遅延を制御する光学遅延手段７と、EOサンプリング型テラヘルツ波検出手段５とを備えている。
【００４９】
光分割手段６として、たとえばビームスプリッタを用いることができる。ビームスプリッタ６は、部分反射・部分透過板である。ビームスプリッタ６で反射された短パルスレーザ光がプローブ光Ｌprになり、透過された短パルスレーザ光がポンプ光Ｌpuになる。通常、テラヘルツ波を発生させるためのポンプ光Ｌpuを強くする必要があり、たとえば、反射率５％、透過率９５％のビームスプリッタ６が使用される。
【００５０】
光学遅延手段７は、交差ミラー７aと交差ミラー７aを矢印A方向に移動させる移動機構７bとを備え、ポンプ光Ｌpuで非線形結晶３が励起されて発生されるテラヘルツ波THzに対してプローブ光Ｌprに時間的な遅れ或いは進みを発生させる。なお、移動機構７bは、パソコン１４で制御される。７cは、光路折り曲げミラーである。
【００５１】
EOサンプリング型テラヘルツ波検出手段５は、EO（電気光学）結晶５a、１／４波長板５b、検光子５c、バランス検出器５dを備えている。５eは、レンズである。EO結晶５aには、（１１０）面で軸出しされた厚さ１ｍｍのCdTe結晶を使用することができる。
【００５２】
なお、EO結晶５aは、ZnTe、ZnSe、GaP、GaAs、CdTe、GaSe等のII−VI族系、III−V族系の半導体でも良い。
【００５３】
また、EO結晶５aとしては、MgO：LiNbO3、LiNbO3、LiTaO3、BBO、LBO、KTP、AgGaS2、AgGaSe2等の波長変換用非線形結晶を使用しても良い。
【００５４】
また、EO結晶５a にKDP、DKDP、ADP、KNbO3、BaTiO3、鉛系またはジルコニウム系強誘電体等の強誘電体結晶を使用しても良い。
【００５５】
また、EO結晶５a は、PMN、PZN、PSN、PST、PLZT、PZT等の鉛系リラクサー及びKTa1-xNbxO3、K1-xLixTaO3、Sr1-xCaxTiO3等の量子常誘電体系リラクサーでも良い。
【００５６】
さらに、EO結晶５a にDAST（４−ジメチルアミノ−Ｎ−メチル−４−スチルバゾリウムトシレート）等の有機非線形結晶を用いることができる。
【００５７】
非線形結晶３から発生されたテラヘルツ波THzは、二つの軸外し放物面鏡８a、８bでコリメートされ、CdTe結晶５aに集光照射される。
【００５８】
一方、光学遅延手段７で時間遅延が制御されたプローブ光Ｌprは、１／２波長板９で偏光が制御され、レンズ１０で折り曲げミラー１１と軸外し放物面鏡８bの孔を介してCdTe結晶５aに集光照射される。
【００５９】
EO結晶５aは、テラヘルツ波THzが照射されて誘起される光電場によって、プローブ光Ｌprの偏光を回転させる。
【００６０】
１／４波長板５bは、テラヘルツ波ＴＨｚによりEO結晶５aに誘起される複屈折によって生じるプローブ光Ｌprの偏光回転を任意に回転させる。
【００６１】
バランス検出器５dは、テラヘルツ波THzによるEO結晶５aに誘起される複屈折で生じるプローブ光Ｌprの偏光回転量を、差動増幅機構を用いて抽出して微量検出する。
【００６２】
１２はボックスカー、１３はAD変換器、１４はパソコンである。
【００６３】
テラヘルツ波THzとプローブ光ＬprがEO結晶５a内で時間的に重なったときのみ、テラヘルツ波ＴＨｚによる複屈折をプローブ光Ｌprが受け、これにより、直線偏光のプローブ光Ｌprが楕円偏光化される。複屈折量は、テラヘルツ波THzの強度に比例する。複屈折を受けたプローブ光Ｌprは、１／４波長板５bで楕円偏光の主軸が回転し、検光子５cに入射される。検光子５cは、入射されたプローブ光Ｌprをｐ偏光とｓ偏光とに分岐し、バランス検出器５dに入射させる。すると、バランス検出器５dは、上記二つの偏光成分の光信号の強度差に比例する電気信号をボックスカー１２に出力する。ここで、この電気信号は、テラヘルツ波THzによる電気光学効果を受けたプローブ光Ｌprの複屈折量であり、この複屈折量はテラヘルツ波THzの強度に比例する。プローブ光Ｌprを時間遅延して、この電気信号をパソコン１４に取り込むことで、図２に示すようなテラヘルツ波THzの電場振幅時間分解波形が得られる。
【００６４】
本実施形態のテラヘルツ波発生装置は、EOサンプリング型テラヘルツ波検出手段５を備えているので、テラヘルツ波THzの位相情報も利用することができる。その結果、軸外し放物面鏡８a、８b間に配置された被測定対象を、たとえばタイム・オブ・フライト法を用いて計測することができ、応用性が格段に拡がる。
【００６５】
（実施形態４）本実施形態のテラヘルツ波発生装置は、プローブ光を増幅する増幅器とプローブ光のパルス時間幅を圧縮する圧縮器とを付加した以外、実施形態３のテラヘルツ波発生装置と同じである。同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００６６】
本実施形態のテラヘルツ波発生装置は、図７に示すように、プローブ光Ｌprの光路中に光増幅器１５と圧縮器１６とを備えている。
【００６７】
光増幅器１５としては、ファイバ増幅器を使用することができる。ファイバ増幅器としては、モード変換器を備えたマルチモードファイバ増幅器（特開平１１−７４５９３参照。）を用いると良い。この増幅器でプローブ光Ｌprを増幅すると、ビーム品質を劣化させることなく、強いプローブ光にすることができるからである。その結果、光分割手段６で短パルスレーザ光の殆どをポンプ光Ｌpuに分割することができる。また、EOサンプリング型検出手段５でテラヘルツ波THzを高感度に検出することができる。
【００６８】
また、光増幅器１５として、コア部に利得媒質をドープしたラージモードエリア・フォトニック結晶ファイバを用いても良い。この増幅器の場合、レーザダイオードで励起されたファイバ中にプローブ光Ｌprを通過させることでプローブ光Ｌprが増幅される。コア部にドープされる利得媒質がYbの場合、波長９８０ｎｍのレーザダイオードを励起光源として用いることができる。
【００６９】
また、光増幅器１５として、Ybキュービコン・ファイバ増幅器（L Shah, et. al. “ High energy femtosecond Yb cubicon fiber amplifier ” ,Opt. Express Vol. 13, pp4717-4722 (2005)参照。）を用いても良い。この増幅器で増幅されたプローブ光Ｌprは、増幅器の伸長器と圧縮器１６との間の３次分散ミスマッチを補償するので、圧縮器１６で圧縮されたプローブ光Ｌprがペデスタルフリーの短パルス光になる。その結果、EOサンプリング型検出手段５でテラヘルツ波THzを高分解に検出することができる。
【００７０】
圧縮器１６としては、非線形ファイバやフォトニック結晶ファイバを用いることができる。
【００７１】
また、圧縮器１６として回折格子対を用いても良い。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】実施形態１のテラヘルツ波発生装置の概略構成図である。
【図２】図１のテラヘルツ波発生装置で発生したテラヘルツ波をＥＯサンプリング型検出手段で検出した電場振幅時間分解波形である。
【図３】図２の電場振幅時間分解波形をフーリエ変換して求めたパワースペクトルである。
【図４】図２の電場振幅時間分解波形のピーク値の短パルスレーザ光パワー依存性を示すグラフである。
【図５】実施形態２のテラヘルツ波発生装置の概略構成図である。
【図６】実施形態３のテラヘルツ波発生装置の概略構成図である。
【図７】実施形態４のテラヘルツ波発生装置の概略構成図である。
【符号の説明】
【００７３】
１・・・・・・パルス光源
２・・・・・・パルスフロント傾斜手段
３・・・・・・非線形結晶
４・・・・・・テラヘルツ波検出手段
５・・・・・・EOサンプリング型テラヘルツ波検出手段
６・・・・・・光分割手段
７・・・・・・光学遅延手段
１５・・・・・光増幅器
１６・・・・・圧縮器
PF0、PF1・・ パルスフロント
Ｌpu・・・・・ポンプ光パルス
Ｌpr・・・・・プローブ光パルス
ｚ０、ｚ１・・・光軸
α・・・・・・所定の傾斜角度
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス時間幅が３５０ｆｓ〜１０ｐｓで、パルスエネルギーが２μＪ〜１Ｊの短パルスレーザ光を発生するパルス光源と、
前記パルス光源から発生された前記短パルスレーザ光のパルスフロントを光軸と直交する面に対して所定の角度傾斜させるパルスフロント傾斜手段と、
前記パルスフロント傾斜手段で所定の傾斜角度に傾斜された前記短パルスレーザ光が入射されてテラヘルツ波を発生する非線形結晶と、を有することを特徴とするテラヘルツ波発生装置。
【請求項２】
前記非線形結晶から発生されるテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出手段を備える請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項３】
前記テラヘルツ波検出手段は、EO（Electro-optic）サンプリング型であり、
前記パルス光源から発生される短パルスレーザ光をポンプ光パルスとプローブ光パルスに分割する光分割手段と、
前記光分割手段で分割された前記プローブ光パルスの時間遅延を制御する光学遅延手段と、
前記光分割手段で分割されたプローブ光パルスを増幅する増幅手段及び或いは前記プローブ光パルスのパルス時間幅を圧縮する圧縮器を備える請求項２に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項４】
前記パルス光源は、ファイバーレーザを含む請求項１ないし３のいずれか１項に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項５】
パルス時間幅が３５０ｆｓ〜１０ｐｓで、パルスエネルギーが２μＪ〜１Ｊの短パルスレーザ光のパルスフロントを光軸と直交する面に対して所定の角度傾斜させるパルスフロント傾斜ステップと、
前記パルスフロント傾斜ステップで傾斜させられた前記短パルスレーザ光を非線形結晶に入射させてテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生ステップと、を有することを特徴とするテラヘルツ波発生方法。
【請求項１】
パルス時間幅が３５０ｆｓ〜１０ｐｓで、パルスエネルギーが２μＪ〜１Ｊの短パルスレーザ光を発生するパルス光源と、
前記パルス光源から発生された前記短パルスレーザ光のパルスフロントを光軸と直交する面に対して所定の角度傾斜させるパルスフロント傾斜手段と、
前記パルスフロント傾斜手段で所定の傾斜角度に傾斜された前記短パルスレーザ光が入射されてテラヘルツ波を発生する非線形結晶と、を有することを特徴とするテラヘルツ波発生装置。
【請求項２】
前記非線形結晶から発生されるテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出手段を備える請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項３】
前記テラヘルツ波検出手段は、EO（Electro-optic）サンプリング型であり、
前記パルス光源から発生される短パルスレーザ光をポンプ光パルスとプローブ光パルスに分割する光分割手段と、
前記光分割手段で分割された前記プローブ光パルスの時間遅延を制御する光学遅延手段と、
前記光分割手段で分割されたプローブ光パルスを増幅する増幅手段及び或いは前記プローブ光パルスのパルス時間幅を圧縮する圧縮器を備える請求項２に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項４】
前記パルス光源は、ファイバーレーザを含む請求項１ないし３のいずれか１項に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項５】
パルス時間幅が３５０ｆｓ〜１０ｐｓで、パルスエネルギーが２μＪ〜１Ｊの短パルスレーザ光のパルスフロントを光軸と直交する面に対して所定の角度傾斜させるパルスフロント傾斜ステップと、
前記パルスフロント傾斜ステップで傾斜させられた前記短パルスレーザ光を非線形結晶に入射させてテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生ステップと、を有することを特徴とするテラヘルツ波発生方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−１１７３９７（Ｐ２０１０−１１７３９７Ａ）
【公開日】平成２２年５月２７日（２０１０．５．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２８８５１３（Ｐ２００８−２８８５１３）
【出願日】平成２０年１１月１１日（２００８．１１．１１）
【出願人】（０００００００１１）アイシン精機株式会社 (5,421)
【出願人】（５０４１３２２７２）国立大学法人京都大学 (1,269)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年５月２７日（２０１０．５．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１１月１１日（２００８．１１．１１）
【出願人】（０００００００１１）アイシン精機株式会社 (5,421)
【出願人】（５０４１３２２７２）国立大学法人京都大学 (1,269)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]