電磁波発生装置
【課題】 周波数変化に伴う、２つのポンプ光間の交叉角度の制御も不要で、テラヘルツ波の出力側に複雑な光学系を設けることなく、簡単な装置構成で、周波数可変のテラヘルツ帯の電磁波を発生することの可能な電磁波発生装置を提供する。
【解決手段】第１のポンプ光を出射する第１のポンプ光出射部２４と、第１のポンプ光とは異なる波長の第２のポンプ光を、波長可変で出射する第２のポンプ光出射部２５と、周期的な分極反転構造を有し、第１のポンプ光と第２のポンプ光との差周波数の電磁波を生成する擬似位相整合素子１９と、第１のポンプ光と第２のポンプ光との交叉角を位相整合範囲角に調整して固定し、第１のポンプ光及び第２のポンプ光を擬似位相整合素子１９に入射させる光学系（Ｍ6，１８）とを備え、第２のポンプ光の周波数を変えることにより、擬似位相整合素子１９から可変波長のテラヘルツ電磁波を発生させる。
【解決手段】第１のポンプ光を出射する第１のポンプ光出射部２４と、第１のポンプ光とは異なる波長の第２のポンプ光を、波長可変で出射する第２のポンプ光出射部２５と、周期的な分極反転構造を有し、第１のポンプ光と第２のポンプ光との差周波数の電磁波を生成する擬似位相整合素子１９と、第１のポンプ光と第２のポンプ光との交叉角を位相整合範囲角に調整して固定し、第１のポンプ光及び第２のポンプ光を擬似位相整合素子１９に入射させる光学系（Ｍ6，１８）とを備え、第２のポンプ光の周波数を変えることにより、擬似位相整合素子１９から可変波長のテラヘルツ電磁波を発生させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、周波数可変のテラヘルツ帯の電磁波発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、テラヘルツ技術の応用可能性が次々と提案されてきたため、高出力で耐久性があるテラヘルツ放射源が求められるようになってきた。ここ何年かの間で、主に２つのテラヘルツ波放射源が研究されてきた。１つはフェムト秒レーザ励起による半導体からのテラヘルツ波放射であり、もう１つは非線形光学結晶を使っての差周波発生である。フェムト秒レーザ励起の場合は、ピコ秒のパルス幅を発生するために光整流により過度サージ電流が必要となる。差周波発生では、ほとんどの場合において、２つの励起レーザが必要である。差周波発生は、比較的大きい出力が期待できるが、これには位相整合を満足するために正確なビームアラインメントや、様々な光学素子の同期調整などが要求される。
【０００３】
従来、差周波発生による波長可変テラヘルツ電磁波の発生装置として、図２６に示すような誘電体であるニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）結晶内のポラリトンモードを利用したテラヘルツ電磁波発生装置が知られていた。図２６に示したような従来の電磁波発生装置においては、ＬｉＮｂＯ3結晶１０１に第１のポンプ光ｈν1及び第２のポンプ光ｈν2を入射し、差周波発生によりテラヘルツ電磁波ｈν3＝ｈν1−ｈν2を発生する。こうして得られるテラヘルツ電磁波ｈν3の周波数帯域は、およそ０．７ＴＨｚから２．５ＴＨｚの範囲のコヒーレント光である。しかし、テラヘルツ電磁波分光スペクトルの違いを使って多様な生体物質などを識別するような目的のためにはスペクトル可変範囲として上記周波数帯域は、図２６に示したような従来の電磁波発生装置では狭すぎたのである。図２６に示した従来の電磁波発生装置においては、テラヘルツ電磁波ｈν3は、ＬｉＮｂＯ3結晶１０１の表面に配置された複数のシリコン（Ｓｉ）プリズム１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃ，１０５ｄからなるプリズムアレイを介して取り出し、テラヘルツ電磁波ｈν3の取り出し角度を大きくしている。そのためテラヘルツ電磁波ｈν3とポンプ光ｈν1及びｈν2のビームの重なりが悪く、周波数帯域・効率とも低下する原因となっている。
【０００４】
一方、ＬｉＮｂＯ3結晶に１つのポンプ光を入射し、パラメトリック発振によりテラヘルツ電磁波ｈν3を発生することも可能である。この様なパラメトリック発振型のＬｉＮｂＯ3テラヘルツ発生装置においては、発生したテラヘルツ電磁波ｈν3のスペクトル線幅は、連続波（ＣＷ）レーザダイオード（半導体レーザ）によるインジェクションシーディングを行うことにより、１００ＭＨｚ程度まで狭線幅にできる。即ち、ＬｉＮｂＯ3テラヘルツ発生装置をスレーブレーザ（ホストレーザ）とし、スペクトル幅の狭いＣＷレーザダイオードをシードレーザ（マスター発振器）として、この２つのレーザを組み合わせ、スレーブレーザとスレーブレーザの両方の性質を兼ね備えさせることにより、スペクトル幅の狭いテラヘルツ電磁波ｈν3を発生することができる。しかしながら、ＣＷレーザダイオードのモードホッピングのため、逆に、広い範囲で連続的に周波数掃引することが困難となる。一方、インジェクションシーディングを行わないと、スペクトル線幅は極めて大きく１００ＧＨｚ（０．１ＴＨｚ）を越えるため、分解能が著しく低下し、周波数帯域が狭いことと合わせて物質同定の性能が十分でない。
【０００５】
このため、図２７に示すような、第1波長の第１のポンプ光ｈν1を出射する第１のポンプ光出射部２４と、第１のポンプ光ｈν1とは異なる波長の第２のポンプ光ｈν2を、波長可変で出射する第２のポンプ光出射部２５と、第１のポンプ光ｈν1と第２のポンプ光ｈν2との差周波数の電磁波ｈν3を生成する非線形光学結晶１０９と、第１のポンプ光ｈν1と第２のポンプ光ｈν2との差周波数１ＴＨｚにおける外部交叉角度θ inextを０．５°以内に調整し、第１のポンプ光及び第２のポンプ光を非線形光学結晶１０９に入射させる光学系（Ｍ6，１８）とを備える電磁波発生装置が提案されている（特許文献１参照。）。ここで、外部交叉角度θ inext は、非線形光学結晶１０９の結晶外における第１のポンプ光ｈν1と第２のポンプ光ｈν2との交叉角度であって、非線形光学結晶１０９の内部で定義される内部交叉角度θ in とは、ほぼ：
θ inext＝nL θ in ……（１）
なる関係を有する。 nLはポンプ光周波数での非線形光学結晶１０９の屈折率であるから、非線形光学結晶１０９が、ＧａＰの場合は、屈折率nL＝３．１程度である。
【０００６】
特許文献１に記載された差周波発生による従来の電磁波発生装置においては、光学系（Ｍ6，１８）は、ミラーＭ6及び偏光ビームスプリッタ１８からなり、ミラーＭ6は、第１のポンプ光出射部２４から出射した第１のポンプ光ｈν1を反射し、第１のポンプ光ｈν1を偏光ビームスプリッタ１８に入射する角度を調整する。図２７に示すように光学系（Ｍ6，１８）を配置することにより、第２のポンプ光出射部２５から出射した信号光（第２のポンプ光）ｈν2を偏光ビームスプリッタ１８を透過させ、第１のポンプ光出射部２４から出射したポンプ光（第１のポンプ光）ｈν1を、ミラーＭ6を用いて、垂直方向から入射させて偏光ビームスプリッタ１８の偏光面で反射させ、平行に近い微小な外部交叉角度θ inextで、ポンプ光（第１のポンプ光）ｈν1及び信号光（第２のポンプ光）ｈν2を、非線形光学結晶１０９内で結合させている。
【０００７】
nIをテラヘルツ電磁波ｈν3の周波数での非線形光学結晶１０９の屈折率、nLをポンプ光ｈν1，ｈν2の周波数での非線形光学結晶１０９の屈折率とすると、２つのポンプ光ｈν1，ｈν2が結晶内でなす内部交叉角度θ in が十分に小さいときは、図２８に示した波数ベクトルの幾何学的な関係から、次の式（２）に示す条件が必要になる：
θ in = (2 Δq/ q) 1/2 (nI/nL)(ν3 / ν1) ……（２）
即ち、外部交叉角度θ inext は、非線形光学結晶１０９の横波格子振動周波数より十分小さい領域では、式（２）に示すように、差周波数ν3に比例して増大する。差周波数ν3が横波格子振動周波数に近くなると、外部交叉角度θ inext は式（２）が示す比例関係からずれ初め、非線形光学結晶１０９の周波数分散を示す曲線（カーブ）に沿って変化する。
【０００８】
このため、特許文献１に記載された従来の電磁波発生装置では、図２７に示すように、パーソナルコンピュータ１１からの信号で、偏光ビームスプリッタ１８を搭載した回転ステージ５５の回転やビームスプリッタ用線形ステージ５４の位置をステージコントローラ３５とを用いて制御し、且つ、第２のポンプ光出射部２５のポンプ光源の波長をレーザコントローラ３１を用いて掃引する必要がある。２つのポンプ光ｈν1，ｈν2は、偏光ビームスプリッタ１８と約６０ｍｍ離れて配置されている非線形光学結晶１０９の表面で任意の微小な外部交叉角度θ inextにおいて常に同じ点で重ね合わせるために、偏光ビームスプリッタ１８は、図２７に示すように、回転ステージ５５による回転に連動してビームスプリッタ用線形ステージ５４上を動くように、ステージコントローラ３５で制御されるという複雑な駆動系を必要としていた。
【０００９】
更に、特許文献１に記載された電磁波発生装置においては、図２８に示すように、非線形光学結晶１０９より出射されるテラヘルツ電磁波ｈν3が、その周波数ν3により出射角度（ポンプ光ｈν1，ｈν2とテラヘルツ電磁波ｈν3のなす角）θI が変化するという問題があった。例えば、周波数ν3＝０．４〜６ＴＨｚでこの出射角度θI は３０〜６０°となる。
【００１０】
出射角度θIを周波数ν3によらず、一定位置或いは一定線上を通過するようにするには、図２７のように一対の非軸放物面鏡７ａ，７ｂを用いる必要があり、特許文献１に記載された電磁波発生装置のシステム構成が複雑になるという不具合があった。即ち、第１の非軸放物面鏡７ａは非線形光学結晶１０９直近において、上記周波数範囲のテラヘルツ電磁波ｈν3を捕獲できるよう配置し、この際、第１の非軸放物面鏡７ａの焦点の位置に非線形光学結晶１０９のテラヘルツ電磁波ｈν3の出射点が来るような光学配置にして、テラヘルツ電磁波ｈν3の出射方向に関わらず、テラヘルツ電磁波ｈν3のビームを同一光路にすることができるようにする複雑な駆動システムの必要な光学系が必要であるという不具合があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】国際公開ＷＯ２００５／０７３７９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
以上のように、特許文献１に記載された従来の電磁波発生装置においては、入射ポンプ光ｈν1，ｈν2の微小な外部交叉角度θ inextを制御するための偏光ビームスプリッタ１８を搭載した回転ステージ５５とビームスプリッタ用線形ステージ５４を、レーザコントローラ３１と連動して駆動し、２つのポンプ光ｈν1，ｈν2間の外部交叉角度θ inextを自動的に制御し、更に、放物面鏡用線形ステージ５３の移動をも、ステージコントローラ３５で制御できるようにパーソナルコンピュータ１１が制御するという、複雑なシステム構成を採用していた。つまり、特許文献１に記載された従来の電磁波発生装置においては、自動で連続的に周波数ν3を掃引し、且つそれぞれの周波数ν3で最高出力を得るためには、第２のポンプ光出射部２５の波長、２つのポンプ光ｈν1，ｈν2間の外部交叉角度θ inext、第２の非軸放物面鏡７ｂの位置を同時に制御する必要があり、非常に複雑なシステム構成であった。
【００１３】
上記課題を鑑み、本発明は、周波数変化に伴う、２つのポンプ光間の交叉角度の制御も不要で、テラヘルツ波の出力側に複雑な光学系を設けることなく、簡単な装置構成で、周波数可変のテラヘルツ帯の電磁波を発生することの可能な電磁波発生装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために、本発明の態様は、(a)第１のポンプ光を出射する第１のポンプ光出射部と、(b)第１のポンプ光とは異なる波長の第２のポンプ光を、波長可変で出射する第２のポンプ光出射部と、(c)周期的な分極反転構造を有し、第１のポンプ光と第２のポンプ光との差周波数の電磁波を生成する擬似位相整合素子と、(d)第１のポンプ光と第２のポンプ光との交叉角を位相整合範囲角に調整して固定し、第１のポンプ光及び第２のポンプ光を擬似位相整合素子に入射させる光学系とを備える電磁波発生装置であることを要旨とする。この本発明の態様に係る電磁波発生装置においては、交叉角を固定した状態で、第２のポンプ光の周波数を変えることにより、擬似位相整合素子から可変波長のテラヘルツ電磁波を発生させることを特徴とする。ここで「交叉角」は、後述するように、互いに関連する「外部交叉角度δ」又は「内部交叉角θ」である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、周波数変化に伴う、２つのポンプ光間の交叉角度の制御も不要で、テラヘルツ波の出力側に複雑な光学系を設けることなく、簡単な装置構成で、周波数可変のテラヘルツ帯の電磁波を発生することの可能な電磁波発生装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の基本コンセプトに係る電磁波発生装置の全体構成の概略を説明する模式的な図である。
【図２】本発明の基本コンセプトに係る電磁波発生装置に用いる擬似位相整合素子の構造例の概略を説明する模式的な鳥瞰図である。
【図３】擬似位相整合素子において、互いに打ち消し合うフェーズが、結晶の分極を反転させることにより、ＳＨＧ波長変換光の位相が反し、強度が増大することを説明する模式図である。
【図４】図３に示した擬似位相整合素子の製造方法の概略を説明する模式的な鳥瞰図である。
【図５】擬似位相整合素子の製造方法の他の例を概略的に説明する模式的な鳥瞰図である。
【図６】本発明の基本コンセプトに係る電磁波発生装置に用いる擬似位相整合素子の他の構造例の概略を説明する模式的な断面図である。
【図７】本発明の基本コンセプトに係る電磁波発生装置に於ける位相整合を説明する２次元ベクトル図（ベクトル合成図）である。
【図８】本発明の第１の実施の形態に係る電磁波発生装置に於ける位相整合を説明する２次元ベクトル図において、半径ｋLａ，ｋLｂと半径ｋTａ，ｋTｂの２つの円の交点が、一般には２つ存在することを説明する図である。
【図９】図８の２つの円の交点の一方に関し、図８で定義した第１の実施の形態に係る電磁波発生装置の分極反転構造に由来する一つのベクトルｋLａ、及び、対応するテラヘルツ波の波数ベクトルｋTａのそれぞれを、擬似位相整合素子の傾き、第１のポンプ光の波数ベクトルｋp1、及び第２のポンプ光の波数ベクトルｋp2と共に示す図である。
【図１０】図８の２つの円の交点の他方に関し、図８で定義した第１の実施の形態に係る電磁波発生装置の分極反転構造に由来する、図９に示したのとは異なる、他のベクトルｋLｂ及び、対応する他のテラヘルツ波の波数ベクトルｋTbのそれぞれを、擬似位相整合素子の傾き、第１のポンプ光の波数ベクトルｋp1、及び第２のポンプ光の波数ベクトルｋp2と共に示す図である。
【図１１】ベクトルｋp2＜ベクトルｋp1の場合について、複数のテラヘルツ波の波数ベクトルの軌跡を示す複数の円を示し、第１の実施の形態に係る電磁波発生装置に於ける位相整合を説明する２次元ベクトル図である。
【図１２】ベクトルｋp2＞ベクトルｋp1の場合について、複数のテラヘルツ波の波数ベクトルの軌跡を示す複数の円を示し、第１の実施の形態に係る電磁波発生装置に於ける位相整合を説明する２次元ベクトル図である。
【図１３】第１の実施の形態に係る電磁波発生装置に用いるＰＰＫＴＰ結晶のテラヘルツ波透過特性を示す図である。
【図１４】内部交叉角度の値が位相整合範囲角を超えている場合について、複数のテラヘルツ波の波数ベクトルの軌跡を示す複数の円を示し、第１の実施の形態に係る電磁波発生装置に於ける位相整合を説明する２次元ベクトル図である。
【図１５】内部交叉角度の値が位相整合範囲角に相当する場合について、複数のテラヘルツ波の波数ベクトルの軌跡を示す複数の円を示し、第１の実施の形態に係る電磁波発生装置に於ける位相整合を説明する２次元ベクトル図である。
【図１６】内部交叉角度の値が位相整合範囲角に相当する場合について、ベクトルｋLの傾きの角度（ｋL角）を横軸に、テラヘルツ波の周波数を縦軸に示す図である。
【図１７】テラヘルツ波の波数ベクトルｋTの角度と、ベクトルｋLの傾きの角度（ｋL角）の定義を説明する模式図である。と
【図１８】内部交叉角度の値が位相整合範囲角に相当する場合について、図１６の中央に□印でプロットした内側整合条件の部分を拡大して示す図である。
【図１９】ベクトルｋp2＞ベクトルｋp1の場合において、第１の実施の形態に係る電磁波発生装置の分極反転構造に由来するベクトルｋLの傾きの角度（ｋL角）及びテラヘルツ波の波数ベクトルｋTの方向角の値を３Ｄプロットにしたものである。
【図２０】ベクトルｋp2＜ベクトルｋp1の場合において、第１の実施の形態に係る電磁波発生装置の分極反転構造に由来するベクトルｋLの傾きの角度（ｋL角）及びテラヘルツ波の波数ベクトルｋTの方向角の値を３Ｄプロットにしたものである。
【図２１】内部交叉角度の値が位相整合範囲角に相当する場合について、本発明の第２の実施の形態に係る電磁波発生装置のベクトルｋLの傾きの角度（ｋL角）とテラヘルツ波の周波数との関係を示す図である。
【図２２】ベクトルｋp2＜ベクトルｋp1の場合において、第２の実施の形態に係る電磁波発生装置の分極反転構造に由来するベクトルｋLの傾きの角度（ｋL角）及びテラヘルツ波の波数ベクトルｋTの方向角の値を３Ｄプロットにしたものである。
【図２３】本発明の第３の実施の形態に係る電磁波発生装置の全体構成の概略を説明する模式的な図である。
【図２４】本発明の第４の実施の形態に係る電磁波発生装置の全体構成の概略を説明する模式的な図である。
【図２５】本発明の第５の実施の形態に係る電磁波発生装置の全体構成の概略を説明する模式的な図である。
【図２６】従来技術に係る電磁波発生装置の一部を説明する模式的な断面図である。
【図２７】他の従来技術に係る電磁波発生装置の全体構成の概略を説明する模式的な図である。
【図２８】従来技術に係る電磁波発生装置に於ける位相整合を説明する２次元ベクトル図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００１８】
（基本コンセプト）
本発明の基本コンセプトに係る電磁波発生装置は、図１に示すように、第１のポンプ光ｈν1を出射する第１のポンプ光出射部２４と、第１のポンプ光ｈν1とは異なる波長の第２のポンプ光ｈν2を、波長可変で出射する第２のポンプ光出射部２５と、周期的な分極反転構造を有し、第１のポンプ光ｈν1と第２のポンプ光ｈν2との差周波数の電磁波を生成する擬似位相整合素子１９と、第１のポンプ光ｈν1と第２のポンプ光ｈν2との外部交叉角度δ及び内部交叉角θを調整して固定し、第１のポンプ光ｈν1及び第２のポンプ光ｈν2を擬似位相整合素子１９に入射させる光学系（Ｍ6，１８）とを備える。ここで、外部交叉角度δ は擬似位相整合素子１９の外部における第１のポンプ光ｈν1と第２のポンプ光ｈν2との交叉角度であって、擬似位相整合素子１９の内部の交叉角度である内部交叉角度θとは、ほぼ：
δ＝ｎL θ iｎ ……（３）
なる関係を有するのは、式（１）と同様である。式（３）は、空気中を伝播する第１のポンプ光ｈν1や第２のポンプ光ｈν2等の波数ベクトルと、擬似位相整合素子１９中を伝播する第１のポンプ光ｈν1や第２のポンプ光ｈν2等に対する波数ベクトルが違うことを意味しており、注意が必要である。式（３）のｎLはポンプ光周波数での擬似位相整合素子１９の屈折率であるから、周波数分散が無視できれば、テラヘルツ波ｈνTに対する擬似位相整合素子１９の屈折率ｎTHzを用いて、
ｎL ＝ｎTHz ……（４）
と、近似することができる。
【００１９】
図１に示すように、基本コンセプトに係る電磁波発生装置は、更に、シリコンボロメータやＤＴＧＳ赤外光検出器のようなテラヘルツ帯の電磁波検出器３４を備え、擬似位相整合素子１９から出射したテラヘルツ帯の電磁波は電磁波検出器３４で検出される。電磁波検出器３４は、電圧計３３に接続され、電圧計３３は、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）１１に接続されて、電磁波検出器３４が検知したテラヘルツ帯の電磁波に依拠した電気信号に対し、演算処理が可能なように構成されている。擬似位相整合素子１９から出射するテラヘルツ帯の電磁波は、一定方向に出射するので、電磁波検出器３４は固定位置に配置することが可能である。
【００２０】
光学系（Ｍ6，１８）は、図１に示すように、ミラーＭ6及び偏光ビームスプリッタ１８からなる。ミラーＭ6は、第１のポンプ光出射部２４から出射した第１のポンプ光ｈν1を反射し、第１のポンプ光ｈν1を偏光ビームスプリッタ１８に入射する角度を調整するように回転可能なミラーである。図１に示す光学系（Ｍ6，１８）の配置により、第２のポンプ光出射部２５から出射した信号光（第２のポンプ光）ｈν2を偏光ビームスプリッタ１８を透過させる。又、第１のポンプ光出射部２４から出射したポンプ光（第１のポンプ光）ｈν1は、ミラーＭ6を用いて、垂直方向から入射させて偏光ビームスプリッタ１８の偏光面で反射させ、平行に近い微小な外部交叉角度δで、ポンプ光（第１のポンプ光）ｈν1及び信号光（第２のポンプ光）ｈν2を、擬似位相整合素子１９内で結合させる光学系を構成している。
【００２１】
基本コンセプトに係る電磁波発生装置は、図１に示すように、擬似位相整合素子１９は、回転ステージ５７に搭載され、回転ステージ５７は、ステージコントローラ３２による駆動される。ステージコントローラ３２は、パーソナルコンピュータ１１により制御されるように接続されている。具体的には、回転ステージ５７は、例えばステッピングモータにより駆動され、ステージコントローラ３２は、このステッピングモータを制御するモータコントローラから構成することが可能である。ステージコントローラ３２は、ＧＰＩＢ通信やＵＳＢ通信、ＲＳ−２３２Ｃ通信等によりパーソナルコンピュータ１１から制御されるようにできる。但し、後述するように、本発明の第1第４の実施の形態に係る電磁波発生装置では、擬似位相整合素子１９をほとんど回転させることなく、０．３〜２ＴＨｚのテラヘルツ波放射源が設計可能であるので、回転ステージ５７を省略することも可能である。
【００２２】
更に、第１のポンプ光出射部２４及び第２のポンプ光出射部２５は、レーザコントローラ３１に接続され、レーザコントローラ３１により出力強度及び周波数を制御される。レーザコントローラ３１は、パーソナルコンピュータ１１に接続され、ＧＰＩＢ通信やＵＳＢ通信、ＲＳ−２３２Ｃ通信等により制御される。特に、第２のポンプ光出射部２５の波長は、レーザコントローラ３１を介してパーソナルコンピュータ１１により制御されるが、ステージコントローラ３２をレーザコントローラ３１と連動して駆動・制御することにより、自動で連続的に周波数ν3を掃引し、且つそれぞれの周波数ν3で最高出力を得るためには、第２のポンプ光出射部２５の波長及び擬似位相整合素子１９の回転角度が制御される。
【００２３】
冒頭で述べたとおり、特許文献１に記載された従来の電磁波発生装置においては、外部交叉角度θ inext は、非線形光学結晶１０９の横波格子振動周波数より十分小さい領域では、式（２）に示すように、差周波数ν3に比例して増大し、差周波数ν3が横波格子振動周波数に近くなると、外部交叉角度θ inext は、非線形光学結晶１０９の周波数分散を示す曲線に沿って変化するので、従来は、パーソナルコンピュータ１１からの信号で、偏光ビームスプリッタ１８を搭載した回転ステージ５５の回転やビームスプリッタ用線形ステージ５４の位置をステージコントローラ３２を用いて制御する必要があったが、基本コンセプトに係る電磁波発生装置においては、図７に示すように、外部交叉角度δ は、差周波数ν3に依存しないので、一定方向に出射可能に構成できるので、図２７に記載されたような回転ステージ５５、ビームスプリッタ用線形ステージ５４やこれらを駆動制御するステージコントローラ３２は不要である。
【００２４】
ここで、第１のポンプ光出射部２４は、例えば、第１のポンプ光ｈν1を出射するクロム（Ｃｒ）添加フォルステライトレーザ、イッテルビウム（Ｙｂ）添加ＹＬＦ（イットリウム・リチウム・フルオライド）レーザ、Ｙｂ添加ファイバレーザのいずれかからなる第１のポンプ光ｈν1源を備え、第２のポンプ光出射部２５は、例えば、第２のポンプ光ｈν2を出射するＣｒ添加フォルステライトレーザ、Ｙｂ添加ＹＬＦレーザ、Ｙｂ添加ファイバレーザのいずれかからなる第２のポンプ光源を備えるようにすることが可能である。ここで、Ｃｒ添加フォルステライトレーザは、かんらん石の主成分であるフォルステライト(ＳｉＯ2・２ＭｇＯ=Ｍｇ2ＳｉＯ4)中のＣｒの準位を用いているため、インジェクションシーディングなしのＯＰＯに比べてスペクトル線幅が極めて狭い。Ｃｒ添加フォルステライトレーザは、波長１．０６４μｍの励起光源（ＹＡＧレーザ）１６を用いて励起され、ＯＰＯのようにＹＡＧ第３高調波を用いないので効率が高い。第１のポンプ光ｈν1及び第２のポンプ光源をそれぞれ励起し、第１及び第２のポンプ光源から第１のポンプ光ｈν1及び第２のポンプ光ｈν2を出射させる励起光源を更に備えるようにしても良い。或いは、第１のポンプ光出射部２４から波長１．０６４μｍのＹＡＧレーザの出力を第１のポンプ光ｈν1として出射し、第２のポンプ光出射部２５は、インジェクションシーディング機構を有するオプティカルパラメトリックオシレータを備え、オプティカルパラメトリックオシレータをＹＡＧレーザの出力で励起することにより、第２のポンプ光出射部２５からオプティカルパラメトリックオシレータの出力を第２のポンプ光ｈν2として出射するようにしても良い。
【００２５】
周期的な分極反転構造を有した擬似位相整合素子１９としては、例えば、図２に示すようなコヒーレンス長ｌcごとに結晶の分極方向を周期的に反転させた構造が採用可能である。図２では、厚さｌcで方向Ｍに分極している部分１９１Mと、厚さｌcで方向Ｍに反対の方向Ｎに分極している部分１９１Nとが交互に周期的に積層されている。歴史的には、図２に示すような、周期的な分極反転構造は、当初、第二高調波を生成する場合の位相整合に主に用いられていた。第二高調波を生成する場合のコヒーレンス長ｌcは、ｋ1を基本波（入射光）の波数、ｋ2を第二高調波（射出光）の波数とした場合には、
ｌc＝π／（ｋ2−２ｋ1） ……（５）
で表され、和周波を生成する場合のコヒーレンス長ｌcは、ｋ3、ｋ4を入射光の波数、ｋ5を射出光の波数とした場合に、
ｌc＝π／｛ｋ5−（ｋ3＋ｋ4）｝ ……（６）
で表される。
【００２６】
そして、分極反転の周期（格子定数）Λは、Λ＝２ｍｌc（ここでｍは、次数を表す正の整数である。）で表される。図２に示すとおり、Λは、分極反転の１周期分の長さであり、ｍが奇数の場合、その中にある基準となる方向Ｍに分極している部分１９１Mの長さｌc（Ｍ）と、方向Ｍの反対方向Ｎに分極している部分１９１Nの部分の長さｌc（Ｎ）の関係は、ｍ＝１として、Λ＝ｌc（Ｍ）＋ｌc（Ｎ）となる。このときｌc（Ｍ）：ｌc（Ｎ）＝１：１の関係が望ましい。一方、ｍが偶数の場合、基準となる方向Ｍに分極している部分１９１Mの長さｔ（Ｍ）と、方向Ｍの反対方向Ｎに分極している部分１９１Nの部分の長さｔ（Ｎ）の関係も、Λ＝ｔ（Ｍ）＋ｔ（Ｎ）となるが、ｍ＝２として、ｔ（Ｍ）：ｔ（Ｎ）＝１：３の関係が望ましい。
【００２７】
図２に示したように、擬似位相整合素子１９には、結晶の分極（Ｍ，Ｎ）を周期的に反転させた周期分極反転構造が形成されており、擬似位相整合の原理から分かるように、分極反転の周期Λは、分極の正負の領域を一対としてコヒーレンス長ｌcの２倍の長さになる。擬似位相整合素子１９の大きな特徴の１つとして、分極反転周期を調整することで、対応波長や変換方法（高調波発生、光パラメトリック発振等）をカスタマイズすることができることである。擬似位相整合素子１９は分極反転構造を形成する方位を選ぶことで、従来の複屈折位相整合では実現できなかった方位の高い非線形定数を利用でき、結晶本来の非線形特性を十分に活用した効率の良い波長変換が可能になる。
【００２８】
一般的に位相整合がとれていない場合には、基本波光と発生した波長変換光の間で位相速度に差があるために、基本波が結晶内を伝播するにつれて次々と発生する波長変換光は、少しずつ位相がずれて発生する。発生した波長変換光は、各々が加算されて徐々に強度が増すが、ある距離ｌｃ離れた２点で発生した波長変換光の位相差がπになると、互いに打ち消し合うようになり逆に強度が減衰していく。その結果、波長変換光の強度は図３（ｂ）の点線で示すように、分極反転の周期Λで、周期的に強弱を繰り返すようになる。擬似位相整合素子１９においては、図３（ｂ）の実線で示すように、互いに打ち消し合うフェーズにおいて、結晶の分極を反転させて、このフェーズで発生する波長変換光の位相を反転させ、安定して強度を増大させている。図３（ｂ）の実線で示すように、本来なら互いに打ち消し合うフェーズでも、逆に強め合うフェーズに移行でき、強度を常に増加させることができる。
【００２９】
基本コンセプトに係る電磁波発生装置に用いる擬似位相整合素子１９としては、第１のポンプ光ｈν1、第２のポンプ光ｈν2及びテラヘルツ波ｈνTの波長に対して透明で、機械的／光学的特性に優れ、中でも非線形光学定数が最も大きく、低価格な誘電体や半導体が好適である。
【００３０】
図２に示した基本コンセプトに係る電磁波発生装置に用いる擬似位相整合素子１９は、例えば、図４に示すように、リオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3 ）結晶（ＬＮ結晶）、タンタル酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3 ）結晶（ＬＮ結晶）、リン酸チタン酸カリウム（ＫＴｉＯＰＯ4 ）結晶（ＫＴＰ結晶）等の誘電体結晶から、超精密加工と研磨等により数μｍ〜５０μｍの薄板１９１M，１９１N，１９１M，１９１N，１９１M，１９１N，…を用意し、薄板１９１M，１９１N，１９１M，１９１N，１９１M，１９１N，…を交互に分極（Ｍ，Ｎ）が反転するようにして（図４（ａ）の矢印が分極Ｍ，Ｎの方向を示す。）接合することにより、図４（ｂ）に示すように、擬似位相整合素子１９を製造することができる。図４（ｂ）における接合方法としては、拡散接合や常温接合が採用可能で、拡散接合や常温接合を用いることにより、光学的／機械的に安定な接合を行うことができる。図４（ａ）では、便宜上、８枚を接合する場合を例示しているが、基本コンセプトに係る電磁波発生装置に用いる擬似位相整合素子１９に用いる薄板１９１M，１９１N，１９１M，１９１N，１９１M，１９１N，…の枚数は、図４に例示する枚数に限定されるものではない。又薄板１９１M，１９１N，１９１M，１９１N，１９１M，１９１N，…の厚さΛ／２は、高次の周期にすれば（次数ｍを大きくすれば）厚くできるため、加工精度に応じて最適な次数にすれば良い。
【００３１】
又、図２に示した基本コンセプトに係る電磁波発生装置に用いる擬似位相整合素子１９は、図５に示すような製造方法でも製造可能である。図４に示したような方法で必要な枚数だけ薄板を重ねて接合することにより擬似位相整合素子１９を作る場合には、枚数が非常に多くなるため、それらすべてを研削／研磨して接合するのは時間と価格がかかる。そこで図３に示すとおり、先ず、素材となる誘電体結晶や半導体結晶から、Ｘ線リソグラフィーや超精密加工等により、２つの櫛形状基板１９ａ，１９ｂを作成する。この際、櫛形の歯の部分の長さ方向が分極（Ｍ，Ｎ）の方向となるようにしておく（矢印が分極（Ｍ，Ｎ）の方向を示す）。そして、櫛形状基板１９ａと１９ｂを、櫛形の歯の部分の分極（Ｍ，Ｎ）が互いに反転する方向となるようにして嵌合させて接合するれば良い。図５に示す接合方法としては拡散接合や常温接合を用いることができる。このとき、２つの櫛形状基板１９ａ，１９ｂが互いに勘合しやすいように、溝が深くなるに従い、溝の間隔が狭くなるように、精密加工や異方性エッチングなどで櫛形部の構造を形成しても良い。又接合を用いずに嵌め合わせただけで使用可能な場合には、櫛形状基板１９ａ，１９ｂの互いの櫛歯の間に少し隙間ができるように加工し、隙間をマッチングオイルなどで埋めるようにしても良い。
【００３２】
更に、基本コンセプトに係る電磁波発生装置に用いる擬似位相整合素子１９は、図６に示すように分極Ｍの基板１９２の表面に、この表面に垂直方向の断面形状が円弧状であり、分極方向Ｎが、分極Ｍとは反対方向である領域１９３を、周期Λで、板面方向に周期的にストライプ状に埋め込んだ構造で周期分極反転構造を構成しても良い。即ち、基本コンセプトに係る電磁波発生装置に用いる擬似位相整合素子１９は、結晶の分極（Ｍ，Ｎ）が周期的に反転した構造であれば種々の周期分極反転構造が採用可能であり、又、その製造方法も種々の方法が採用可能である。
【００３３】
（第１の実施の形態）
以下の本発明の第１の実施の形態に係る電磁波発生装置の説明では、図１に示した基本コンセプトに係る電磁波発生装置の構成において、擬似位相整合素子１９として周期分極反転ＫＴＰ結晶（以下において「ＰＰＫＴＰ結晶」という。）を用いた場合を例示し、この擬似位相整合素子１９を用いた擬似位相整合条件により、擬似位相整合素子１９中で差周波信号を発生し、これによりテラヘルツ波を生成する構成を説明する。尚、図１の基本コンセプトの説明では、擬似位相整合素子１９を回転ステージ５７に搭載し、回転ステージ５７をステージコントローラ３２により駆動する構成を、便宜上例示的に説明したが、第１の実施の形態に係る電磁波発生装置では、擬似位相整合素子１９をほとんど回転させることなく、０．３〜２ＴＨｚのテラヘルツ波を擬似位相整合素子１９から出射することが可能である。
【００３４】
よって、第１の実施の形態に係る電磁波発生装置においては、図１に示した基本コンセプトに係る電磁波発生装置の説明で用いたステージコントローラ３２をパーソナルコンピュータ１１により制御することや、図１に示した基本コンセプトで説明した回転ステージ５７そのものを省略しても良い。又、以下の第１の実施の形態に係る電磁波発生装置の説明では、０．３〜２ＴＨｚの範囲において、擬似位相整合素子１９から出射するテラヘルツ波の分散の範囲は、３．０°〜３．５°程度以下の小さな値に設定できるので、図１に示した基本コンセプトに係る電磁波発生装置の構成において、電磁波検出器３４の位置を所定の位置に固定でき、且つ、擬似位相整合素子１９と電磁波検出器３４との間に、図２７に示したような、非軸放物面鏡７ａ，７ｂを用いる必要もない。
【００３５】
先ず、第１の実施の形態に係る電磁波発生装置の擬似位相整合素子１９として用いるＰＰＫＴＰ結晶のテラヘルツ波透過特性を調べた結果を図１３に示す。図１３の測定では、広帯域出力可能なテラヘルツ波放射源を使い、厚さ４６５μｍのＫＴＰ基板に対して透過特性の計測を行った。図１３に示すように、０．５〜２ＴＨｚの領域において比較的高い透過性が観測された。それ以下の周波数範囲では、光源の制約上測定できなかったが、ＫＴＰ基板は、少なくとも０．３ＴＨｚまでは透明であると推定される。
【００３６】
第１の実施の形態に係る電磁波発生装置における差周波発生によるテラヘルツ波の周波数幅は、擬似位相整合素子１９のテラヘルツ波の透過性特性を考慮して決めれば良い。よって、第１の実施の形態として例示するように、擬似位相整合素子１９が、ＰＰＫＴＰ結晶であれば、対象振動数領域を０．３〜２ＴＨｚに設定できる。尚、図１３に示す透過スペクトルのファブリーペロー干渉縞から、テラヘルツ波のＰＰＫＴＰの屈折率ｎTHz＝３．３９３と計算される。図１４〜図２０にデータでは、ＰＰＫＴＰの屈折率ｎTHz＝３．３９３の値を用いて計算している。但し、上述の基本コンセプトに係る電磁波発生装置の説明から理解できるように、より小さな吸収率や屈折率ｎTHzを持つ擬似位相整合素子１９を用いることにより、より実現可能で扱いやすい差周波発生を用いた電磁波発生装置が実現可能である。
【００３７】
図１に示すように、第１の実施の形態に係る電磁波発生装置では、第１のポンプ光ｈν1を出射する第１のポンプ光出射部２４と、第１のポンプ光ｈν1とは異なる波長の第２のポンプ光ｈν2を、波長可変で出射する第２のポンプ光出射部２５との２つのポンプ光ｈν1．ｈν２の相互作用により差周波を発生させる。第１のポンプ光ｈν1の波長は１．２１μｍに固定し、第２のポンプ光ｈν2は１．１９９μｍ〜１．２２１μｍに調整される。尚、Ｃｒ添加フォルステライトレーザは第１の実施の形態に係る電磁波発生装置で使用するレーザの波長帯を完全に網羅している。周期的な分極反転構造を持つ擬似位相整合素子１９の分極反転の周期Λは６μｍである。
【００３８】
擬似位相整合素子１９の周期的な分極反転構造に由来する光子運動量をベクトルｋLで示し、テラヘルツ波の波数ベクトルをベクトルｋTとし、第１のポンプ光ｈν1の波数ベクトルをベクトルｋp1で示し、第２のポンプ光ｈν2の波数ベクトルをベクトルｋp2で表現すれば、擬似位相整合での運動量保存則は式（７）で示される：
ベクトルｋp1−ベクトルｋp2＝ベクトルｋT＋ベクトルｋL…（７）
式（７）の関係は、図８に示される。
【００３９】
第１のポンプ光ｈν1のベクトルｋp1は、この波長領域での屈折率ｎTHz＝１．７４５として、ベクトルｋp1＝２ｎπ／λp1により計算し、波長１．２１μｍで固定としているので、９．０６μｍ−１で固定である。一方、第２のポンプ光ｈν2のベクトルｋp2は、第２のポンプ光出射部２５の波長をレーザコントローラ３１を介してパーソナルコンピュータ１１により制御することにより、波長１．１９９μｍから１．２２１μｍまで変化することにより、この波長領域での屈折率ｎTHz＝１．７４５として、ベクトルｋp2＝２ｎπ／λp2により計算されるので、８．９８７μｍ−１から９．１４５μｍ−１ まで変化する。尚、図８に示すとおり、運動量ベクトルベクトルｋp1は平行線上にある。
【００４０】
第１の実施の形態に係る電磁波発生装置で扱う内部交叉角度θは、すべてベクトルｋp1から見た内角であり、又その角度は擬似位相整合素子１９中での内部交叉角度θである。これ以降は、特に何も示さない限り、計算により得た内部交叉角度θは擬似位相整合素子１９中での角度を意味している。式（７）の右辺のベクトルｋLの値（〜１μｍ−１）は、擬似位相整合素子１９の分極反転の周期Λ＝６μｍの値を使って、ベクトルｋL＝２π／Λと導出される。一方、テラヘルツ波の波数ｋTは、差周波の運動量ベクトルベクトルの絶対値であるので、以下の式（８）のように表現できる：
ｋT ≒ ABS(ベクトルｋp1−ベクトルｋp2) …（８）
ここでABS(ベクトルｋp1−ベクトルｋp2) は、(ベクトルｋp1−ベクトルｋp2) の絶対値を表す。
【００４１】
式（８）のベクトルｋTの軌跡は、図８に半径がベクトルｋTａ＝ベクトルｋTｂの円として描かれている。擬似位相整合素子１９の配置が容易になっていることが明らかになっている。ベクトルｋTａ，ベクトルｋTｂの半径が式（８）により決定され、ベクトルｋTａ，ｋTｂのそれぞれの矢印の付け根（つまり半径ｋTａ，ｋTｂの円の中心）はベクトルｋp2のベクトルの終点に位置している。一方、分極反転構造に由来するベクトルｋLａ，ｋLｂを表す円の付け根（つまり半径ｋLａ，ｋLｂの円の中心）はベクトルｋp1のベクトルの終点にそれぞれ位置している。
【００４２】
擬似位相整合素子１９の周期的な分極反転構造に由来する光子運動量を表すベクトルｋLａ，ｋLｂは、テラヘルツ波の波数ベクトルｋTａ，ｋTｂとは異なり、擬似位相整合素子１９の分極反転の周期Λ＝６μｍにより決まるので、１μｍ−１の値を持つ定数であり、２つの円の交点は位相整合条件を満足する点である。図８から、半径ｋLａ，ｋLｂと半径ｋTａ，ｋTｂの２つの円が互いに接して交点が１つとなる場合を除いては、一般的に交点は２つ存在している。従って、図８に示すように、二とおりの交点が定義され、一方の交点でベクトルｋLａとベクトルｋTａとが定義され、他方の交点でベクトルｋLｂとベクトルｋTｂが、それぞれ定義される。図８から、擬似位相整合素子１９の分極反転の周期Λの大きさの上限はテラヘルツ波の波長程度、即ち、例えば、１ｍｍ（０．３ＴＨｚ）程度の値にすることが好ましいことが分かる。擬似位相整合素子１９の分極反転の周期Λを、テラヘルツ波の波長程度を越えて、更に大きくすると、図８に示すベクトルｋLａ，ｋLｂが小さくなり、従来の擬似位相整合素子１９を用いない差周波発生のベクトル図との差が無くなり、本発明の特徴が失われることになる。一方、分極反転の周期Λの下限は、擬似位相整合素子１９の製造技術によっても制限されるが、あまり微細化することも好ましくない。分極反転の周期Λの値が０．７μｍ程度まで小さくなると、第１のポンプ光ｈν1の波数ベクトルｋp1、及び第２のポンプ光ｈν2の波数ベクトルｋp2と同じ大きさに、ベクトルｋLａ，ｋLｂの絶対値が大きくなる。この場合、図８から理解できるように、運動量を保存するためには、ほぼ正三角形のベクトル合成図になり、励起２波の波数ベクトルｋp1と波数ベクトルｋp2との角度が６０°くらいとなり、ビームの重なりが小さくなり、都合がよくない。よって、擬似位相整合素子１９の分極反転の周期Λの下限は、励起光の波長よりも大きな値を選ぶことが好ましい。
【００４３】
図９は、図８で定義した第１の実施の形態に係る電磁波発生装置の分極反転構造に由来するベクトルｋLａ、及びテラヘルツ波の波数ベクトルｋTａのそれぞれを、擬似位相整合素子１９、第１のポンプ光ｈν1の波数ベクトルｋp1、及び第２のポンプ光ｈν2の波数ベクトルｋp2と共に示す図であり、図１０は、図８で定義した、第１の実施の形態に係る電磁波発生装置の分極反転構造に由来するベクトルｋLｂ及びテラヘルツ波の波数ベクトルｋTbのそれぞれを、擬似位相整合素子１９、第１のポンプ光ｈν1の波数ベクトルｋp1、及び第２のポンプ光ｈν2の波数ベクトルｋp2と共に示す図である。図９及び図１０に示すように、第１の実施の形態に係る電磁波発生装置においては、擬似位相整合素子１９から発生するテラヘルツ波の波数ベクトルｋTａ，ｋTｂの進路方向が２パターン存在する。よって、第１の実施の形態に係る電磁波発生装置の設計においては、システムが要求する仕様に応じて、テラヘルツ波の波数ベクトルｋTａの進路方向、又は、テラヘルツ波の波数ベクトルｋTｂの進路方向のいずれかを選択可能である。
【００４４】
第２のポンプ光出射部２５の波長を、レーザコントローラ３１を介してパーソナルコンピュータ１１が制御して、第２のポンプ光ｈν2の波長が、１．１９９μｍから１．２２１μｍまで変化することにより、第２のポンプ光ｈν2の波数ベクトルｋp2の値は、８．９７７μｍ−１から９．１４５μｍ−１に変化する。第２のポンプ光ｈν2の波数ベクトルｋp2の値が、８．９７７μｍ−１から９．１４５μｍ−１に変化するにつれて、図１１及び図１２に示すように、異なる波数ベクトルｋp2のベクトルのそれぞれの終点に、円の中心がそれぞれ位置するように、異なる半径ｋTの円がそれぞれ描かれる。
【００４５】
図１１に示すように、ベクトルｋp1がベクトルｋp2よりも大きい場合（ベクトルｋp2＜ベクトルｋp1）は、８．９７７μｍ−１から９．１４５μｍ−１の範囲で変化する波数ベクトルｋp2のベクトルのそれぞれの終点に、円の中心がそれぞれ位置するように、異なる半径ｋTの円がそれぞれ描かれ、異なる半径ｋTの円が、それぞれ、分極反転構造に由来するベクトルｋLの円と異なる点で交わる。一方、分極反転構造に由来するベクトルｋLを表す円の付け根（つまり一定半径ｋLの円の中心）は、ベクトルｋp1のベクトルの終点に位置している。このことは、差周波発生による生成したテラヘルツ波の波数ベクトルｋTの絶対値や方向が、第２のポンプ光ｈν2の波数ベクトルｋp2の値によって、変化することを示唆している。更に、第２のポンプ光ｈν2の波数ベクトルｋp2の値が、第１のポンプ光ｈν1の波数ベクトルベクトルｋp1に近づくにつれ、テラヘルツ波の波数ベクトルｋTの円の半径、つまりベクトルｋTの絶対値が徐々に小さくなっていくことが予測される。従って、ベクトルｋp1 @ ベクトルｋp2のとき（ベクトルｋTが０に限りなく近いとき）ベクトルｋp1とベクトルｋp2の間の内部交叉角度θの値によっては、図１４に示すように位相整合が満たされない場合が起こりうる。
【００４６】
図１２に示すように、ベクトルｋp1がベクトルｋp2よりも小さい場合（ベクトルｋp2＞ベクトルｋp1）も、図１１と同様に、波数ベクトルｋp2のベクトルのそれぞれの終点に、円の中心がそれぞれ位置するように、異なる半径ｋTの円がそれぞれ描かれるので、異なる半径ｋTの円が、それぞれ、分極反転構造に由来するベクトルｋLの円と異なる点で交わる。図１２においても、分極反転構造に由来するベクトルｋLを表す円の付け根は、ベクトルｋp1のベクトルの終点に位置している。図１２に示すベクトルｋp1がベクトルｋp2よりも小さい場合も、図１１と同様に、差周波発生による生成したテラヘルツ波の波数ベクトルｋTの絶対値や方向が、第２のポンプ光ｈν2の波数ベクトルｋp2の値によって、変化することが分かる。図１１の場合と同様に、第２のポンプ光ｈν2の波数ベクトルｋp2の値が、第１のポンプ光ｈν1の波数ベクトルベクトルｋp1に近づくにつれ、テラヘルツ波の波数ベクトルｋTの円の半径が徐々に小さくなっていくことが予測されるので、ベクトルｋp1 @ ベクトルｋp2のときは、ベクトルｋp1とベクトルｋp2の間の内部交叉角度θの値によっては、位相整合が満たされない場合が起こりうる。
【００４７】
図１４は、擬似位相整合素子１９にＰＰＫＴＰ結晶を用いたとき、内部交叉角度θ＝〜７．４４°とした場合について、図１１及び図１２を拡大して示したものである。但し、図１４は、図１１に示したベクトルｋp1がベクトルｋp2よりも大きい場合（ベクトルｋp2＜ベクトルｋp1）と図１２に示したベクトルｋp1がベクトルｋp2よりも小さい場合（ベクトルｋp2＞ベクトルｋp1）の２つの図を合成した図の拡大図に相当する。図１４に示すように内部交叉角度θ＝〜７．４４°の場合は、擬似位相整合素子１９の分極反転構造に由来するベクトルｋLは、第２のポンプ光ｈν2のベクトルｋp2と接しなくなるので、内部交叉角度θの値が位相整合範囲角を超えている場合に相当する。図１４の左側の破線で示した最も半径の大きな円は、テラヘルツ波の周波数が８．８１ＴＨｚの場合の波数ベクトルｋTを示す。又、図１４の左側の破線で示した円の内側の２点鎖線で示した２番目に半径の大きな円は、テラヘルツ波の周波数が６．１５ＴＨｚの場合の波数ベクトルｋTを示し、左側の２点鎖線で示した円の内側の１点鎖線で示した３番目に半径の大きな円は、テラヘルツ波の周波数が３．３７ＴＨｚの場合の波数ベクトルｋTを示す。これらテラヘルツ波の周波数が８．８１ＴＨｚ，６．１５ＴＨｚ，３．３７ＴＨｚの３本の波数ベクトルｋTを示す円は、分極反転構造に由来するベクトルｋLを表す円に交わり、擬似位相整合条件が存在する。しかしながら、図１４の左側において、１点鎖線で示した円の更に内側に、実線で示した最も半径が小さい円は、分極反転構造に由来するベクトルｋLを表す円との交点がなく、擬似位相整合条件が満たされなくなってしまうことが分かる。
【００４８】
同様に、図１４の右側の破線で示した最も半径の大きな円は、テラヘルツ波の周波数が１２．７４ＴＨｚの場合の波数ベクトルｋTを示す。又、図１４の右側の破線で示した円の内側の２点鎖線で示した２番目に半径の大きな円は、テラヘルツ波の周波数が９．１９ＴＨｚの場合の波数ベクトルｋTを示し、右側の２点鎖線で示した円の内側の３番目に半径の大きな１点鎖線で示した円は、テラヘルツ波の周波数が５．８２ＴＨｚの場合の波数ベクトルｋTを示す。これらテラヘルツ波の周波数が１２．７４ＴＨｚ，９．１９ＴＨｚ，５．８２ＴＨｚの３本の波数ベクトルｋTを示す円は、分極反転構造に由来するベクトルｋLを表す円に交わり、擬似位相整合条件が存在する。しかしながら、図１４の左側において、１点鎖線で示した円の更に内側に、実線で示した最も半径が小さい円は、分極反転構造に由来するベクトルｋLを表す円との交点がなく、擬似位相整合条件が満たされなくなってしまうことが分かる。この様に、内部交叉角度θの値が大きくなり、位相整合範囲角を超えた場合は、特に、テラヘルツ波の波数ベクトルｋTを示す円の半径がある値より小さな場合、擬似位相整合条件が満たされなくなってしまうことが分かる。
【００４９】
同様に、図１５は、分かりやすいように、擬似位相整合素子１９にＰＰＫＴＰ結晶を用いたとき、内部交叉角度θ＝〜６．３４°となる場合について、図１１及び図１２を拡大して示したものである。図１４と同様に、図１５は、図１１に示したベクトルｋp1がベクトルｋp2よりも大きい場合（ベクトルｋp2＜ベクトルｋp1）と図１２に示したベクトルｋp1がベクトルｋp2よりも小さい場合（ベクトルｋp2＞ベクトルｋp1）の２つの図を合成した図の拡大図に相当する。図１４に示した場合と異なり、図１５に示すように内部交叉角度θ＝〜６．３４°の場合は、擬似位相整合素子１９の分極反転構造に由来するベクトルｋLは、第２のポンプ光ｈν2のベクトルｋp2と接しているので、内部交叉角度θの値が位相整合範囲角の範囲内に存在する場合に相当する。即ち、第１のポンプ光ｈν1の波数ベクトルｋp1が９．０６μｍ−１のとき、分極反転構造に由来するベクトルｋLとテラヘルツ波の波数ベクトルｋTが丁度接するときの内部交叉角度θの値が、図１５にあるように〜６．３４°である。図１５の左側の破線で示した最も半径の大きな円は、テラヘルツ波の周波数が８．８１ＴＨｚの場合の波数ベクトルｋTを示し、破線で示した円の内側の２点鎖線で示した２番目に半径の大きな円は、テラヘルツ波の周波数が６．１５ＴＨｚの場合の波数ベクトルｋTを示し、２点鎖線で示した円の内側の１点鎖線で示した３番目に半径の大きな円は、テラヘルツ波の周波数が３．３７ＴＨｚの場合の波数ベクトルｋTを示し、１点鎖線で示した円の更に内側に、実線で示した最も半径が小さい円は、テラヘルツ波の周波数が０．４５ＴＨｚの場合の波数ベクトルｋTを示す。これら図１５の左側のテラヘルツ波の周波数が８．８１ＴＨｚ，６．１５ＴＨｚ，３．３７ＴＨｚ，０．４５ＴＨｚの４本の波数ベクトルｋTを示す円は、すべて、分極反転構造に由来するベクトルｋLを表す円に交わり、擬似位相整合条件が存在する。
【００５０】
一方、図１５の右側の破線で示した最も半径の大きな円は、テラヘルツ波の周波数が１２．７４ＴＨｚの場合の波数ベクトルｋTを示し、破線で示した円の内側の２点鎖線で示した２番目に半径の大きな円は、テラヘルツ波の周波数が９．１９ＴＨｚの場合の波数ベクトルｋTを示し、２点鎖線で示した円の内側の１点鎖線で示した３番目に半径の大きな円は、テラヘルツ波の周波数が５．８２ＴＨｚの場合の波数ベクトルｋTを示し、１点鎖線で示した円の更に内側に、実線で示した最も半径が小さい円は、テラヘルツ波の周波数が２．６１ＴＨｚの場合の波数ベクトルｋTを示す。これら図１５の右側のテラヘルツ波の周波数が１２．７４ＴＨｚ，９．１９ＴＨｚ，５．８２ＴＨｚ，２．６１ＴＨｚの４本の波数ベクトルｋTを示す円は、すべて、分極反転構造に由来するベクトルｋLを表す円に交わり、擬似位相整合条件が存在することが分かる。この様に、内部交叉角度θの値が位相整合範囲角の範囲内にある場合は、テラヘルツ波の波数ベクトルｋTを示す円の半径がある値より小さな場合であっても、常に、擬似位相整合条件を満たすことが分かる。
【００５１】
同様に、内部交叉角度θの値が小さくなり、最適値よりも小さくなった場合、図１４と同じ状況が起こり、擬似位相整合条件が満たされなくなってしまうことが分かる。いずれにせよ、図１４及び図１５に示したとおり、テラヘルツ波の波数ベクトルｋTの軌跡を示す円が、分極反転構造に由来するベクトルｋLの軌跡を示す円と接する場合を除いて、擬似位相整合を満足できる点が、ベクトルｋp2＜ベクトルｋp1の場合と、ベクトルｋp2＞ベクトルｋp1の場合で２点あるので、あるベクトルｋp2の値に対し、二とおりの擬似位相整合条件が存在するということが分かる。
【００５２】
更に、図１４及び図１５から分かるとおり、ベクトルｋp2＜ベクトルｋp1の場合のベクトルｋTの軌跡を示す左側の円と、ベクトルｋp2＞ベクトルｋp1の場合のベクトルｋTの軌跡を示す右側とが外接する位置を基準として、ベクトルｋp2＜ベクトルｋp1の場合と、ベクトルｋp2＞ベクトルｋp1の場合の２つの場合のそれぞれに関し、外接位置から遠方側のベクトルｋTの擬似位相整合条件と、外接位置に近接側のベクトルｋTの擬似位相整合条件で、二とおりの擬似位相整合条件が分類される。即ち、図８では、ベクトルｋp2＜ベクトルｋp1の場合について、半径ｋTａ＝ｋTｂの円と、半径ｋLａ＝ｋLｂを表す円の二とおりの交点に対応して、それぞれ左側にベクトルｋLａとベクトルｋTａとを定義し、右側にベクトルｋLｂとベクトルｋTｂを定義したが、同様に、ベクトルｋp2＞ベクトルｋp1の場合についても、ベクトルｋp1とベクトルｋp2との交差点から見て、遠方側のテラヘルツ波の波数ベクトルｋTの擬似位相整合条件と、近接側のテラヘルツ波の波数ベクトルｋTの擬似位相整合条件の分類ができる。このことは、図１４及び図１５において、ベクトルｋp2＜ベクトルｋp1の場合も、ベクトルｋp2＞ベクトルｋp1の場合も、それぞれ、２つの円の外接位置から見てほぼ対称的に、外側（両側）にできる交点での擬似位相整合条件（外側整合条件）と、内側（外接位置の近傍）にできる交点での擬似位相整合条件（内側整合条件）が定義できる。
【００５３】
図１７（ａ）は、ｘ軸の正の方向に平行なベクトルｋp1を基準にして、テラヘルツ波の波数ベクトルｋTの角度が定義される方向を示し、図１７（ｂ）は、同じくｘ軸の正の方向に平行なベクトルｋp1を基準にして擬似位相整合素子１９の分極反転構造に由来するベクトルｋLの傾きの角度φが定義される方向を示す。ここで、ベクトルｋLの方向自身は、分極反転構造が周期的に配列される方向として定義される。即ち、ベクトルｋLの方向は、図２，図５等に例示した分極反転構造を規定するストライプに垂直となる方向に定義される。図１７に定義したベクトルｋLの傾きの角度（ｋL角）を横軸に、 最適化した内部交叉角度θ＝６．３４°の場合について、図１６の縦軸に位相整合条件を満足する０．３〜２ＴＨｚ領域のテラヘルツ波の周波数を示す（図１６において、屈折率ｎTHz＝３．９３としている。）図１６に示したとおり、ベクトルｋLの傾きの角度（ｋL角）の分散（角度の変化量）は、０．３〜２ＴＨｚの全領域において、両側に△印でプロットした外側整合条件の方が、中央に□印でプロットした内側整合条件の分散に比べて、非常に大きいことが分かる。
【００５４】
図１６の左右対称に近い△印でプロットした外側整合条件は、左側がベクトルｋp2＞ベクトルｋp1の場合の擬似位相整合条件に対応し、右側がベクトルｋp2＜ベクトルｋp1の場合の擬似位相整合条件に対応している。ベクトルｋp2＞ベクトルｋp1の場合はテラヘルツ波の周波数が増大するとｋL角が減少し、ベクトルｋp2＜ベクトルｋp1の場合はテラヘルツ波の周波数が増大するとｋL角が増大することは、図１５からも理解できる。ちなみに、図１６の対称点はベクトルｋp1@ベクトルｋp2の場所である。
【００５５】
図１６から分かるとおり、第１の実施の形態に係る電磁波発生装置においては、図１５の２次元ベクトル図の外側整合条件における擬似位相整合条件を満足するテラヘルツ波の周波数領域は、図１５の２次元ベクトル図の内側整合条件でも同様に満足でき得る。それ故、第１の実施の形態に係る電磁波発生装置では、第１のポンプ光ｈν1と第２のポンプ光ｈν2との差周波数として発生するテラヘルツ波の、ある周波数領域を無駄にすることなく、ただ、図１５の２次元ベクトル図の内側整合条件のみを考慮してシステムを設計すれば良い。更に、第１の実施の形態に係る電磁波発生装置においては、図１５の２次元ベクトル図の内側整合条件のみを考えることにより、より簡単で実行可能な設計が期待できる。即ち、擬似位相整合素子１９の周期的な分極反転構造に由来するベクトルｋLの角度分散を最小に抑えることが可能なので、考慮しているテラヘルツ波の周波数領域においては、図１に示したステージコントローラ３２を介した回転ステージ５７による駆動が、擬似位相整合素子１９の回転を最小にできるという有利な効果を奏することが可能である。尚、第１のポンプ光ｈν1及び第２のポンプ光ｈν2に用いるレーザのビーム広がり角は、一般に１ｍｒａｄ（≒０．０５７３°）程度である。一方、図１６から、図１に例示した回転ステージ５７で必要とされる回転角は、ビーム広がりよりも小さな値であることが分かるので、回転ステージ５７で擬似位相整合素子１９を回転させる必要はなくなるので、回転ステージ５７を省略しても良い。したがって、第１の実施の形態に係る電磁波発生装置においては、場合によっては、図１に示したステージコントローラ３２や回転ステージ５７を省略可能であるというという有利な効果を奏することが可能である。
【００５６】
図１８は、図１６の中央に□印でプロットした内側整合条件の部分を拡大して示した図である。図１６では図１３に示したＰＰＫＴＰの透過率を考慮して、２ＴＨｚまでしかプロットしていないが、図１８では、より一般化して、内部交叉角度θ＝６．３４°の場合において、擬似位相整合素子１９が２ＴＨｚ以上の高周波領域に透明である場合について、プロットしている。図１８から、図１５の２次元ベクトル図の内側整合条件における擬似位相整合条件を満足するベクトルｋLの傾きの角度（ｋL角）の値の範囲は約０．００７°であることが分かる。
【００５７】
図１８によれば、差周波発生によるテラヘルツ波の周波数領域の中で、２７３．１６２７°〜２７３．１６３６°のベクトルｋLの傾きの角度（ｋL角）が、空白のバンドギャップを示すことが分かるが、このバンドギャップは、２７３．１６２７°〜２７３．１６３６°のｋL角の領域においては、擬似位相整合が成り立たないことを示している。バンドギャップとなるｋL角が、２７３．１６２７°〜２７３．１６３６°の領域は、波数ベクトルｋp1@波数ベクトルｋp2付近の波数ベクトルｋLに対応する。図１８の、ほぼ左右対称に近い□印でプロットした内側整合条件は、右側がベクトルｋp2＞ベクトルｋp1の場合の擬似位相整合条件に対応し、左側がベクトルｋp2＜ベクトルｋp1の場合の擬似位相整合条件に対応している。右側のベクトルｋp2＜ベクトルｋp1の場合はテラヘルツ波の周波数が減少するとともにｋL角が増大し、左側のベクトルｋp2＞ベクトルｋp1の場合はテラヘルツ波の周波数が増大するとｋL角が増大することは、図１５からも理解できる。
【００５８】
図１８から、第１の実施の形態に係る電磁波発生装置の設計を行う際、右側のベクトルｋp2＞ベクトルｋp1及び左側のベクトルｋp2＜ベクトルｋp1の２つのケースうち、どちらか一方だけを選んだとしても、得られるテラヘルツ波周波数帯は変わらないことが分かる。よって、どちらか一方だけを選ぶことにより、擬似位相整合素子１９の分極反転構造に由来するベクトルｋLの傾きの角度（ｋL角）の範囲は、更に０．００３５°に小さくすることが可能となる。図１８の極狭いｋL角の範囲に限定された変化を鑑みれば、システム構成の観点から、第１の実施の形態に係る電磁波発生装置の設計において、擬似位相整合素子１９を大きく回転させる必要がないか、 図１に示したステージコントローラ３２や回転ステージ５７を省略可能であるということが理解できる。即ち、第１のポンプ光ｈν1及び第２のポンプ光ｈν2に用いるレーザのビーム広がり角は、上述したように、一般には、１ｍｒａｄ（≒０．０５７３°）程度である。一方、図１８から、図１に例示した回転ステージ５７で必要とされる回転角は、ビーム広がりよりも遙かに小さな値とすることが可能であることが分かるので、回転ステージ５７で擬似位相整合素子１９を回転させる必要はなくなるからである。図１８から、内部交叉角度θ＝６．３４°の場合は、約１２ＴＨｚまでは位相整合条件を満たすことが分かるが、内部交叉角度θを更に角度θを大きく設定すれば、１２ＴＨｚ以上まで位相整合条件を満たすようにできる。
【００５９】
図８，図１１，図１２，図１４及び図１５等から分かるように、擬似位相整合素子１９の分極反転構造に由来するベクトルｋLに対して、それに対応する方向を持ったテラヘルツ波の波数ベクトルｋTが一対一で存在する。テラヘルツ波の波数ベクトルｋTの値の範囲は分極反転構造に由来するベクトルｋLと同様に重要である。なぜなら、テラヘルツ波の波数ベクトルｋTをテラヘルツ波発生源と考えた場合、発生するテラヘルツ波の角度分散はできるだけ小さい方が好ましいからである。従来は、図２７に示したような電磁波発生装置を用いて周波数調整を行うときには、第２のポンプ光ｈν2の波長、２つのポンプ光ｈν1，ｈν2間の外部交叉角度θ inext、第２の非軸放物面鏡７ｂの位置を同時に制御する必要があり、非常に複雑なシステム構成が必要で、実際に、常に、差周波発生条件を満足させることは困難であった。図１９は、ベクトルｋp2＞ベクトルｋp1の場合における、分極反転構造に由来するベクトルｋLの傾きの角度（ｋL角）及びテラヘルツ波の波数ベクトルｋTの方向角の値を３Ｄプロットにしたものであるが、図１５の２次元ベクトル図の内側整合条件だけをその対象としている。一方、図２０は、図１５の２次元ベクトル図の内側整合条件におけるベクトルｋp2＜ベクトルｋp1の場合における、分極反転構造に由来するベクトルｋLの傾きの角度（ｋL角）及びテラヘルツ波の波数ベクトルｋTの方向角の値を３Ｄプロットにしたものである。
【００６０】
図１９から、２７３．１６３６°〜２７３．１６６４°の僅かなベクトルｋLの方向角の範囲の変化に対応するベクトルｋTの方向角の値の範囲は３．５°未満であり、図２０から、２７３．１６４°〜２７３．１８７°の僅かなベクトルｋLの方向角の範囲の変化に対応するベクトルｋTの方向角の値の範囲は３．０°未満であることが分かる。既に述べたとおり、ベクトルｋLの傾きの角度（ｋL角）及びテラヘルツ波の波数ベクトルｋTの方向角の値は、擬似位相整合素子１９の中のテラヘルツ波伝播に対して定義される値であり、屈折効果は考慮に入れていない。しかしながら、ベクトルｋLの傾きの角度（ｋL角）及びテラヘルツ波の波数ベクトルｋTの方向角の値の範囲は大変小さいものであるので、自由空間であっても、屈折率効果はテラヘルツ波の発生方向の方向角に少々の補正を加えれば十分である。
【００６１】
第１の実施の形態に係る電磁波発生装置において、発生したテラヘルツ波のスペクトル純度は、ベクトルｋp2の調節分解能、励起レーザの線幅、擬似位相整合素子１９の角度分解能によってのみ制限される。式（３）に示したとおり、第１のポンプ光ｈν1と第２のポンプ光ｈν2との２つのレーザ光の間の擬似位相整合素子１９の外部交叉角度δは、擬似位相整合素子１９内の内部交叉角度θと屈折率の関係上異なったものである。更に、内部交叉角度θは擬似位相整合素子１９が回転するにつれて変化するが、その変化は、擬似位相整合素子１９を５°回転させたところで、内部交叉角度θの値は０．０２°以上変化しないことが計算で確認されている。この様な内部交叉角度θの値の小さな変化は、第１のポンプ光ｈν1と第２のポンプ光ｈν2のどちらか一方の励起レーザ光のビーム径の円形上の焦点調節でカバーできる。
【００６２】
以上のように、第１の実施の形態に係る電磁波発生装置によれば、擬似位相整合素子１９にＰＰＫＴＰ結晶を用いたとき、第１のポンプ光ｈν1と第２のポンプ光ｈν2の２つのレーザビームを〜６．３４°の内部交叉角度θで、擬似位相整合素子１９に入射させれば、０．３〜２ＴＨｚの周波数領域内での狭帯域のテラヘルツ波の電磁波を発生させることが可能である。即ち、第１の実施の形態に係る電磁波発生装置では、互いに式（３）で関連する外部交叉角度δ又は内部交叉角θを固定した状態で、第２のポンプ光ｈν2の周波数を変えることにより、擬似位相整合素子１９から可変波長のテラヘルツ電磁波を発生させることができる。この第１の実施の形態に係る電磁波発生装置によれば、周期的な分極反転構造を持つ擬似位相整合素子１９を、０．３〜２ＴＨｚのテラヘルツ波の周波数帯内で、テラヘルツ波の周波数を掃引するために、僅か０．００３５°しか回転させる必要がない。即ち、第１のポンプ光ｈν1及び第２のポンプ光ｈν2に用いるレーザのビーム広がり角は、上述したように、一般には、１ｍｒａｄ（≒０．０５７３°）程度であるが、０．００３５°という角度は、ビーム広がりよりも遙かに小さな値であるので、図１に例示した回転ステージ５７で擬似位相整合素子１９を回転させる必要はなくなる。よって、第１の実施の形態に係る電磁波発生装置の現実の構成としては、回転ステージ５７は不要となる。又、差周波として、擬似位相整合素子１９から発生するテラヘルツ波も僅か３．０°〜３．５°程度しか広がらないので、図１に示した基本コンセプトに係る電磁波発生装置の構成において、電磁波検出器３４の位置を固定でき、且つ、電磁波検出器３４の位置を固定した状態において、擬似位相整合素子１９と電磁波検出器３４の間に、図２７に示したような、従来技術において用いられていた非軸放物面鏡７ａ，７ｂを用いる必要もない。よって、第１の実施の形態に係る電磁波発生装置によれば、使用部品の点数を減少させ、極めて簡単且つ安価な構成することが可能になるので、第１の実施の形態に係る電磁波発生装置の工業的な実用可能性は極めて高い。
【００６３】
（第２の実施の形態）
以下の本発明の第２の実施の形態に係る電磁波発生装置の説明では、図１に示した基本コンセプトに係る電磁波発生装置の構成において、擬似位相整合素子１９として周期分極反転ＧａＰ結晶（以下において「ＰＰＧａＰ結晶」という。）を用いた場合を例示する。即ち、装置構成の図示を省略するが、本発明の第２の実施の形態に係る電磁波発生装置は、図１に示したのと同様に、第１のポンプ光ｈν1を出射する第１のポンプ光出射部２４と、第１のポンプ光ｈν1とは異なる波長の第２のポンプ光ｈν2を、波長可変で出射する第２のポンプ光出射部２５と、周期的な分極反転構造を有し、第１のポンプ光ｈν1と第２のポンプ光ｈν2との差周波数の電磁波を生成するＰＰＧａＰからなる擬似位相整合素子１９と、第１のポンプ光ｈν1と第２のポンプ光ｈν2との外部交叉角度δ及び内部交叉角θを調整して固定し、第１のポンプ光ｈν1及び第２のポンプ光ｈν2をＰＰＧａＰからなる擬似位相整合素子１９に入射させる光学系（Ｍ6，１８）とを備える。ここで、外部交叉角度δ はＰＰＧａＰからなる擬似位相整合素子１９の外部における第１のポンプ光ｈν1と第２のポンプ光ｈν2との交叉角度であって、ＰＰＧａＰからなる擬似位相整合素子１９の内部の交叉角度である内部交叉角度θとは、既に説明した式（３）で示した関係を有する。テラヘルツ波のＰＰＧａＰの屈折率ｎTHz＝３．４であり、ポンプ光周波数（λ＝１．５５μｍ）でのＰＰＧａＰの屈折率ｎL ＝３．０５５である。
【００６４】
ＰＰＧａＰからなる擬似位相整合素子１９としては、分極反転の周期Λを６μｍとし、例えば、図２に示したようなコヒーレンス長ｌcごとにＧａＰ結晶の分極方向を周期的に反転させた構造や、図５（ｂ）に示したような２つの櫛形状のＧａＰ基板１９ａ，１９ｂを貼り合わせて作成しても良く、或いは、図６に示したように分極ＭのＧａＰ基板１９２の表面に、この表面に垂直方向の断面形状が円弧状であり、分極方向Ｎが、分極Ｍとは反対方向であるＧａＰ領域１９３を、周期Λで、板面方向に周期的にストライプ状に埋め込んだ構造で周期分極反転構造を構成しても良い。即ち、第２の実施の形態に係る電磁波発生装置に用いるＰＰＧａＰからなる擬似位相整合素子１９は、ＧａＰ結晶の分極（Ｍ，Ｎ）が周期的に反転した構造であれば種々の周期分極反転構造が採用可能であり、又、その製造方法も種々の方法が採用可能である。
【００６５】
図１に示したのと同様に、第２の実施の形態に係る電磁波発生装置は、更に、シリコンボロメータやＤＴＧＳ赤外光検出器のようなテラヘルツ帯の電磁波検出器３４を備え、電磁波検出器３４を固定した状態で、ＰＰＧａＰからなる擬似位相整合素子１９から出射したテラヘルツ帯の電磁波は電磁波検出器３４で検出できる。電磁波検出器３４は、電圧計３３に接続され、電圧計３３は、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）１１に接続されて、電磁波検出器３４が検知したテラヘルツ帯の電磁波に依拠した電気信号に対し、演算処理が可能なように構成されている。ＰＰＧａＰからなる擬似位相整合素子１９から出射するテラヘルツ帯の電磁波は、一定方向に出射するので、擬似位相整合素子１９と電磁波検出器３４の間に、図２７に示したような、従来技術において用いられていた非軸放物面鏡７ａ，７ｂを用いる必要もない。
【００６６】
光学系（Ｍ6，１８）は、図１に示したのと同様に、ミラーＭ6及び偏光ビームスプリッタ１８から構成することが可能である。図１に示す光学系（Ｍ6，１８）の配置により、第２のポンプ光出射部２５から出射した信号光（第２のポンプ光）ｈν2を偏光ビームスプリッタ１８を透過させ、第１のポンプ光出射部２４から出射したポンプ光（第１のポンプ光）ｈν1は、ミラーＭ6を用いて、垂直方向から入射させて偏光ビームスプリッタ１８の偏光面で反射させ、平行に近い微小な外部交叉角度δで、ポンプ光（第１のポンプ光）ｈν1及び信号光（第２のポンプ光）ｈν2を、ＰＰＧａＰからなる擬似位相整合素子１９内で結合させることができる。
【００６７】
尚、第２の実施の形態に係る電磁波発生装置は、図１に示したのと同様に、擬似位相整合素子１９は、回転ステージ５７に搭載され、回転ステージ５７は、ステージコントローラ３２による駆動されるようにすることも可能ではあるが、ＰＰＧａＰからなる擬似位相整合素子１９をほとんど回転させることなく、０．３〜７ＴＨｚのテラヘルツ波放射源が設計可能であるので、回転ステージ５７を省略することも可能である。第１の実施の形態に係る電磁波発生装置で説明したとおり、第１のポンプ光ｈν1及び第２のポンプ光ｈν2に用いるレーザのビーム広がり角は、一般には、１ｍｒａｄ（≒０．０５７３°）程度であり、これに対し、回転ステージ５７で必要とされる回転角は、ビーム広がりよりも小さな値であるので、第２の実施の形態に係る電磁波発生装置においても、同様に、回転ステージ５７で擬似位相整合素子１９を回転させる必要はなくなるからである。
【００６８】
第２の実施の形態に係る電磁波発生装置に用いる第１のポンプ光出射部２４は、例えば、第１のポンプ光ｈν1を出射するＣｒ添加フォルステライトレーザ、Ｙｂ添加ＹＬＦレーザ、Ｙｂ添加ファイバレーザのいずれかからなる第１のポンプ光ｈν1源を備え、第２のポンプ光出射部２５は、例えば、第２のポンプ光ｈν2を出射するＣｒ添加フォルステライトレーザ、Ｙｂ添加ＹＬＦレーザ、Ｙｂ添加ファイバレーザのいずれかからなる第２のポンプ光源を備えるようにすることが可能である。この際、第１のポンプ光ｈν1及び第２のポンプ光源をそれぞれ励起し、第１及び第２のポンプ光源から第１のポンプ光ｈν1及び第２のポンプ光ｈν2を出射させる励起光源を更に備えるようにしても良い。或いは、第１のポンプ光出射部２４から波長１．０６４μｍのＹＡＧレーザの出力を第１のポンプ光ｈν1として出射し、第２のポンプ光出射部２５は、インジェクションシーディング機構を有するオプティカルパラメトリックオシレータを備え、オプティカルパラメトリックオシレータをＹＡＧレーザの出力で励起することにより、第２のポンプ光出射部２５からオプティカルパラメトリックオシレータの出力を第２のポンプ光ｈν2として出射するようにしても良い。
【００６９】
第１の実施の形態と同様に、ＰＰＧａＰからなる擬似位相整合素子１９の周期的な分極反転構造に由来する光子運動量をベクトルｋLで示し、テラヘルツ波の波数ベクトルをベクトルｋTとし、第１のポンプ光ｈν1の波数ベクトルをベクトルｋp1で示し、第２のポンプ光ｈν2の波数ベクトルをベクトルｋp2で表現すれば、擬似位相整合での運動量保存則は、既に述べた式（７）で示される。式（７）の右辺のベクトルｋLの値（〜１μｍ−１）は、ＰＰＧａＰからなる擬似位相整合素子１９の分極反転の周期Λ＝６μｍの値を使って、ベクトルｋL＝２π／Λと導出され、テラヘルツ波の波数ｋTも、既に述べた式（８）で表現できる。
【００７０】
２次元ベクトル図の図示を省略するが、式（７）及び（８）から、図１５に示したのと同様に、ベクトルｋp1がベクトルｋp2よりも大きい場合（ベクトルｋp2＜ベクトルｋp1）は、７．０８３μｍ−１から７．３２９μｍ−１の範囲で変化する波数ベクトルｋp2のベクトルのそれぞれの終点に、円の中心がそれぞれ位置するように、異なる半径ｋTの円がそれぞれ描かれ、異なる半径ｋTの円が、それぞれ、分極反転構造に由来するベクトルｋLの円と異なる点で交わる。一方、ＰＰＧａＰの分極反転構造に由来するベクトルｋLを表す円の付け根（つまり一定半径ｋLの円の中心）は、ベクトルｋp1のベクトルの終点に位置している。
【００７１】
第２の実施の形態に係る電磁波発生装置において、内部交叉角度θ＝〜４．８５°とすると、ＰＰＧａＰの分極反転構造に由来するベクトルｋLが、第２のポンプ光ｈν2のベクトルｋp2と接するように構成できるので、内部交叉角度θの値が位相整合範囲角の範囲内に存在する場合に相当する。既に、図１４及び図１５を用いて説明したとおり、外側整合条件と、内側整合条件が定義できる。第２の実施の形態に係る電磁波発生装置においては、外側整合条件における擬似位相整合条件を満足するテラヘルツ波の周波数領域は、内側整合条件でも同様に満足でき得る。それ故、第２の実施の形態に係る電磁波発生装置では、第１のポンプ光ｈν1と第２のポンプ光ｈν2との差周波数として発生するテラヘルツ波の、ある周波数領域を無駄にすることなく、ただ内側整合条件のみを考慮してシステムを設計すれば良い。更に、第２の実施の形態に係る電磁波発生装置においては、内側整合条件のみを考えることにより、より簡単で実行可能な設計が期待できる。
【００７２】
図２１は、第２の実施の形態に係る電磁波発生装置の内側整合条件における、ＰＰＧａＰの分極反転構造に由来するベクトルｋLの傾きの角度（ｋL角）と、擬似位相整合素子１９から発生するテラヘルツ波の周波数の関係を示す図である。 図２１によれば、差周波発生によるテラヘルツ波の周波数領域の中で、２７２．４２３°〜２７２．４２３４°のベクトルｋLの傾きの角度（ｋL角）が、空白のバンドギャップを示すことが分かる。このバンドギャップは、２７２．４２３°〜２７２．４２３４°のｋL角の領域においては、擬似位相整合が成り立たないことを示している。バンドギャップとなるｋL角が、２７２．４２３°〜２７２．４２３４°の領域は、波数ベクトルｋp1@波数ベクトルｋp2付近の波数ベクトルｋLに対応する。図２１の、ほぼ左右対称に近い□印でプロットした内側整合条件は、右側がベクトルｋp2＞ベクトルｋp1の場合の擬似位相整合条件に対応し、左側がベクトルｋp2＜ベクトルｋp1の場合の擬似位相整合条件に対応している。右側のベクトルｋp2＜ベクトルｋp1の場合はテラヘルツ波の周波数が減少するとともにｋL角が増大し、左側のベクトルｋp2＞ベクトルｋp1の場合はテラヘルツ波の周波数が増大するとｋL角が増大することは、式（７）及び（８）からから理解できる。
【００７３】
図２１から、第２の実施の形態に係る電磁波発生装置の設計を行う際、右側のベクトルｋp2＞ベクトルｋp1及び左側のベクトルｋp2＜ベクトルｋp1の２つのケースうち、どちらか一方だけを選んだとしても、得られるテラヘルツ波周波数帯は変わらないことが分かる。よって、どちらか一方だけを選ぶことにより、ＰＰＧａＰの分極反転構造に由来するベクトルｋLの傾きの角度（ｋL角）の範囲は、更に０．００１°に小さくすることが可能となる。図２１の極狭いｋL角の範囲に限定された変化を鑑みれば、システム構成の観点から、第２の実施の形態に係る電磁波発生装置の設計において、ＰＰＧａＰからなる擬似位相整合素子１９を大きく回転させる必要がないか、 図１に示したステージコントローラ３２や回転ステージ５７を省略可能であるということが理解できる。図２１には、擬似位相整合素子１９から発生するテラヘルツ波の周波数が２ＴＨｚまでしかプロットしていないが、内部交叉角度θ＝４．８５°の場合は、約７ＴＨｚまでは位相整合条件を満たす。
【００７４】
式（７）及び（８）から分かるように、ＰＰＧａＰの分極反転構造に由来するベクトルｋLに対して、それに対応する方向を持ったテラヘルツ波の波数ベクトルｋTが一対一で存在する。テラヘルツ波の波数ベクトルｋTの値の範囲はＰＰＧａＰの分極反転構造に由来するベクトルｋLと同様に重要である。なぜなら、テラヘルツ波の波数ベクトルｋTをテラヘルツ波発生源と考えた場合、発生するテラヘルツ波の角度分散はできるだけ小さい方が好ましいからである。既に述べたとおり、従来は、図２７に示したような電磁波発生装置を用いて周波数調整を行うときには、第２のポンプ光ｈν2の波長、２つのポンプ光ｈν1，ｈν2間の外部交叉角度θ inext、第２の非軸放物面鏡７ｂの位置を同時に制御する必要があり、非常に複雑なシステム構成が必要で、実際に、常に、差周波発生条件を満足させることは困難であった。図２２は、内側整合条件におけるベクトルｋp2＜ベクトルｋp1の場合における、ＰＰＧａＰの分極反転構造に由来するベクトルｋLの傾きの角度（ｋL角）及びテラヘルツ波の波数ベクトルｋTの方向角の値を３Ｄプロットにしたものである。
【００７５】
図２２から、２７４．４２３４°〜２７２．４２２３°の僅かなベクトルｋLの方向角の範囲の変化に対応するベクトルｋTの方向角の値の範囲は２．２°未満であることが分かる。既に述べたとおり、ベクトルｋLの傾きの角度（ｋL角）及びテラヘルツ波の波数ベクトルｋTの方向角の値は、ＰＰＧａＰからなる擬似位相整合素子１９の中のテラヘルツ波伝播に対して定義される値であり、屈折効果は考慮に入れていない。しかしながら、ベクトルｋLの傾きの角度（ｋL角）及びテラヘルツ波の波数ベクトルｋTの方向角の値の範囲は大変小さいものであるので、自由空間であっても、屈折率効果はテラヘルツ波の発生方向の方向角に少々の補正を加えれば十分である。
【００７６】
以上のように、第２の実施の形態に係る電磁波発生装置によれば、擬似位相整合素子１９にＰＰＧａＰ結晶を用いたとき、第１のポンプ光ｈν1と第２のポンプ光ｈν2の２つのレーザビームを〜４．８５°の内部交叉角度θで、ＰＰＧａＰからなる擬似位相整合素子１９に入射させれば、０．３〜７ＴＨｚの周波数領域内での狭帯域のテラヘルツ波の電磁波を発生させることが可能である。即ち、第２の実施の形態に係る電磁波発生装置では、互いに式（３）で関連する外部交叉角度δ又は内部交叉角θを固定した状態で、第２のポンプ光ｈν2の周波数を変えることにより、擬似位相整合素子１９から可変波長のテラヘルツ電磁波を発生させることができる。この第２の実施の形態に係る電磁波発生装置によれば、周期的な分極反転構造を持つＰＰＧａＰからなる擬似位相整合素子１９を、０．３〜７ＴＨｚのテラヘルツ波の周波数帯内で、テラヘルツ波の周波数を掃引するために僅か０．００１°しか回転させる必要がない。又、差周波として発生するテラヘルツ波は、周波数０．３４〜７．２ＴＨｚの範囲で、２．２°以内、０．８〜７．２ＴＨｚと限定すれば０．８５°程度しか広がらないので、工業的な実用可能性が極めて高い。
【００７７】
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態に係る電磁波発生装置は、図２３に示すように、第１のポンプ光ｈν1を出射する第１のポンプ光出射部２４と、第１のポンプ光ｈν1とは異なる波長の第２のポンプ光ｈν2を波長可変で出射する第２のポンプ光出射部２５と、第１のポンプ光ｈν1と第２のポンプ光ｈν2との差周波数の電磁波ｈν3を生成する擬似位相整合素子１９と、第１のポンプ光ｈν1と第２のポンプ光ｈν2との内部交叉角度θを位相整合範囲角に調整して固定し、第１のポンプ光及び第２のポンプ光を擬似位相整合素子１９に入射させる光学系（Ｍ6，１８）を備える。ここで、内部交叉角度θ は、擬似位相整合素子１９の内部における第１のポンプ光ｈν1と第２のポンプ光ｈν2との交叉角度であって、擬似位相整合素子１９の外部で定義される外部交叉角度δとは、ほぼ式（３）の関係を有する。例えば、擬似位相整合素子１９にＰＰＫＴＰ結晶を用いたとき、内部交叉角度θ＝６．３４°程度の値が位相整合範囲角であり、擬似位相整合素子１９にＰＰＧａＰ結晶を用いたときは、内部交叉角度θ＝４．８５°程度が、位相整合範囲角になる。第３の実施の形態に係る電磁波発生装置では、互いに式（３）で関連する外部交叉角度δ又は内部交叉角θを固定した状態で、第２のポンプ光ｈν2の周波数を変えることにより、擬似位相整合素子１９から可変波長のテラヘルツ電磁波を発生させる。
【００７８】
第３の実施の形態に係る電磁波発生装置においては、図２３に示すように、１個のフラッシュランプ６１で第１ＹＡＧロッド６２及び第２ＹＡＧロッド６３を励起するＹＡＧレーザ６即ち「ダブルパルスＹＡＧレーザ６」を励起光源として用い、ダブルパルスＹＡＧレーザ６をタイミング制御機構（手段）として機能させることによって２つのＣｒ添加フォルステライトレーザを励起する。ダブルパルスＹＡＧレーザ６は、１つのフラッシュランプ６１で第１ＹＡＧロッド６２及び第２ＹＡＧロッド６３を励起し、２つの１０６４ｎｍの波長の出力パルス光ｈν1，ｈν2を得る。
【００７９】
フラッシュランプ６１で第１ＹＡＧロッド６２及び第２ＹＡＧロッド６３を励起してから相当遅れてＱ−スイッチパルスによってＹＡＧレーザの発振を生じるので、第１ＹＡＧロッド６２及び第２ＹＡＧロッド６３のＱスイッチパルスのタイミングを１ナノ秒の精度でそれぞれ変えることができる。この結果、第１ＹＡＧロッド６２からの励起光パルスが第１のポンプ光源（Ｃｒ添加フォルステライトレーザ）を励起する時間と、第２ＹＡＧロッド６３からの励起光パルスが第２のポンプ光源（Ｃｒ添加フォルステライトレーザ）を励起する時間との間の時間差を調整することにより、第１のポンプ光源からのポンプ光（第１のポンプ光）のパルスと第２のポンプ光源からの信号光（第２のポンプ光）のパルスとが、ほぼ同時に擬似位相整合素子１９に到達するようにタイミングを制御する。「ほぼ同時に」とは、「Ｃｒ添加フォルステライトレーザの出力光のパルス幅よりも、十分に短い時間で」という意味であり、例えば、Ｃｒ添加フォルステライトレーザのパルス幅は、一般に２０〜３０ナノ秒程度であり、この様な場合は、１ナノ秒或いはそれ以下の時間差にすれば良い。
【００８０】
光学系（Ｍ6，１８）は、反射鏡（ミラー）Ｍ6及び偏光ビームスプリッタ１８からなる。反射鏡（ミラー）Ｍ6は、第１のポンプ光出射部２４から出射した第１のポンプ光ｈν1を反射し、第１のポンプ光ｈν1を偏光ビームスプリッタ１８に入射する角度を調整するように回転可能なミラーである。図２３に示す光学系（Ｍ6，１８）の配置により、第２のポンプ光出射部２５から出射した信号光（第２のポンプ光）ｈν2を偏光ビームスプリッタ１８を透過させる。又、第１のポンプ光出射部２４から出射したポンプ光（第１のポンプ光）ｈν1は、反射鏡（ミラー）Ｍ6を用いて、垂直方向から入射させて偏光ビームスプリッタ１８の偏光面で反射させ、内部交叉角度θを位相整合範囲角とするように、ポンプ光（第１のポンプ光）ｈν1及び信号光（第２のポンプ光）ｈν2を、擬似位相整合素子１９結合させる光学系を構成している。
【００８１】
但し、ポンプ光（第１のポンプ光）ｈν1と信号光（第２のポンプ光）ｈν2は、偏光ビームスプリッタ１８よってビームを平行に近く重ねれば良いので、第４実施例の図９に示すように、ポンプ光（第１のポンプ光）ｈν1を偏光ビームスプリッタ１８を透過させ、ポンプ光（第１のポンプ光）ｈν1に対し偏波面の直交する信号光（第２のポンプ光）ｈν2を垂直方向から入射させて偏光ビームスプリッタ１８の偏光面で反射させ、内部交叉角度θを位相整合範囲角とするように、第１のポンプ光及び第２のポンプ光を擬似位相整合素子１９内で結合させる光学系を構成しても良い。
【００８２】
尚、図２３に示した光学系（Ｍ6，１８）は、例示であり、反射鏡（ミラー）Ｍ6及び偏光ビームスプリッタ１８の他に、他のミラー等の光学素子を加えても良く、反射鏡（ミラー）Ｍ6の代わりに、プリズム等の反射鏡（ミラー）Ｍ6と等価な機能を有する光学素子に置き換えても良いことは勿論である。
【００８３】
第１のポンプ光源からのポンプ光（第１のポンプ光）のパルスと第２のポンプ光源からの信号光（第２のポンプ光）のパルスとが、ほぼ同時に擬似位相整合素子１９に到達するということは、第１及び第２のポンプ光源からの出力（パルス）をほぼ同時にすることである。第１及び第２のポンプ光源としての２つのＣｒ添加フォルステライトレーザの出力（パルス）がほぼ同時になるようにするには、ダブルパルスＹＡＧレーザ６のＱスイッチパルスのタイミングを変化させるようにあらかじめプログラムしておけば良い。或いは、テラヘルツ電磁波出力が最大になるようにＱスイッチパルス発生のタイミングをフィードバック制御するループを形成することにより、第１のポンプ光源からのポンプ光（第１のポンプ光）と第２のポンプ光源からの信号光（第２のポンプ光）のタイミングを一致させることができる。
【００８４】
ダブルパルスＹＡＧレーザ６は、図２３に示すレーザコントローラ３１により駆動される。即ち、レーザコントローラ３１は、フラッシュランプ励起用パルスＰ1、ＹＡＧレーザＱ−スイッチパルスＰ2，Ｐ3を発生し、レーザコントローラ３１とダブルパルスＹＡＧレーザ６とによって、信号光（第２のポンプ光）のパルスとポンプ光（第１のポンプ光）のパルスとをほぼ同時に擬似位相整合素子１９に到達させるタイミング制御機構（手段）（６，３１）を構成している。
【００８５】
図２３において、第１のポンプ光出射部２４の第１のポンプ光源、第２のポンプ光出射部２５の第２のポンプ光源として、それぞれＣｒ添加フォルステライトレーザを用いる。Ｃｒ添加フォルステライトレーザの遅れ時間は、主に、ダブルパルスＹＡＧレーザ６からの励起光強度とＣｒ添加フォルステライトレーザの出力波長によって決まるので、第１及び第２のポンプ光源としての２つのＣｒ添加フォルステライトレーザは、必ずしも同一のタイミングで出力を発生しない。テラヘルツ電磁波ｈν3の周波数ν3を掃引するには、例えば、第１のポンプ光出射部２４を構成する一方のＣｒ添加フォルステライトレーザ（第１のポンプ光源）の波長を固定し、第２のポンプ光出射部２５を構成する他方のＣｒ添加フォルステライトレーザ（第２のポンプ光源）の波長を掃引する（逆に、第２のポンプ光出射部２５を構成するＣｒ添加フォルステライトレーザ（第２のポンプ光源）の波長を固定し、第１のポンプ光出射部２４を構成するＣｒ添加フォルステライトレーザ（第１のポンプ光源）の波長を掃引するようにしても良い。）。
【００８６】
第２のポンプ光出射部２５を構成するＣｒ添加フォルステライトレーザ（第２のポンプ光源）の波長と強度が掃引に伴って変化するから、この２つのパラメータの関数として、２つのＣｒ添加フォルステライトレーザの出力が同時となるための２つのＱ−スイッチパルスＰ2，Ｐ3のタイミング差ｔをあらかじめプログラムしておき、プログラムに従って２つのＱ−スイッチパルスＰ2，Ｐ3を発生すれば良い。Ｃｒ添加フォルステライトレーザの出力パルス幅は約１０ナノ秒であるからＱ−スイッチパルスＰ2，Ｐ3のタイミング差ｔは、１ナノ秒の精度で制御すれば十分である。
【００８７】
第１のポンプ光出射部２４と第２のポンプ光出射部２５からそれぞれ出射したポンプ光（第１のポンプ光）ｈν1と信号光（第２のポンプ光）ｈν2は、偏光ビームスプリッタ１８よってビームを内部交叉角度θを位相整合範囲角とするように重ねられ、擬似位相整合素子１９に入射する。擬似位相整合素子１９から、ポンプ光（第１のポンプ光）ｈν1と信号光（第２のポンプ光）ｈν2の差の周波数を有するテラヘルツ電磁波ｈν3が出力する。
２台のＣｒ添加フォルステライトレーザを用いる場合は、発振波長により遅れ時間が１０ナノ秒以上になることがある。この様な場合、反射鏡を複数枚用いて構成した可変遅延線路では、光路が長くなり、装置の構成が大きくなりすぎる場合がある。したがって、調整すべき遅延時間が長くなる場合は、第３の実施の形態に係る電磁波発生装置のように、ダブルパルスＹＡＧレーザ６を用いる方法が電磁波発生装置の小型化に有効である。尚、第１のポンプ光出射部２４或いは第２のポンプ光出射部２５に用いる第１及び第２のポンプ光源としてのＣｒ添加フォルステライトレーザを、Ｙｂ添加したＹＬＦレーザやＹｂ添加ファイバレーザで置き換えても良いこともできることは、第４の実施の形態や第５実施例と同様である。
【００８８】
以上のように、第３の実施の形態に係る電磁波発生装置によれば、擬似位相整合素子１９にＰＰＫＴＰ結晶を用いたとき、第１のポンプ光ｈν1と第２のポンプ光ｈν2の２つのレーザビームを６．３４°程度の内部交叉角度θで、擬似位相整合素子１９に入射させれば、０．３〜２ＴＨｚの周波数領域内での狭帯域のテラヘルツ波の電磁波をＰＰＫＴＰ結晶から発生させることが可能である。又、擬似位相整合素子１９にＰＰＧａＰ結晶を用いたとき、第１のポンプ光ｈν1と第２のポンプ光ｈν2の２つのレーザビームを４．８５°程度の内部交叉角度θで、ＰＰＧａＰからなる擬似位相整合素子１９に入射させれば、０．３〜７ＴＨｚの周波数領域内での狭帯域のテラヘルツ波の電磁波をＰＰＧａＰ結晶から発生させることが可能である。
【００８９】
ＰＰＫＴＰ結晶を擬似位相整合素子１９として用いた場合は、０．３〜２ＴＨｚのテラヘルツ波の周波数帯内で、テラヘルツ波の周波数を掃引するためには、僅か０．００３５°しか擬似位相整合素子１９を回転させる必要がない。又、差周波として、ＰＰＫＴＰ結晶から発生するテラヘルツ波も僅か３．０°〜３．５°程度しか広がらない。一方、ＰＰＧａＰ結晶からなる擬似位相整合素子１９を用いた場合は、０．３〜７ＴＨｚのテラヘルツ波の周波数帯内で、テラヘルツ波の周波数を掃引するためにも、僅か０．００１°しか擬似位相整合素子１９を回転させる必要がなく、差周波としてＰＰＧａＰ結晶から発生するテラヘルツ波は、周波数０．３４〜７．２ＴＨｚの範囲で、２．２°以内、０．８〜７．２ＴＨｚと限定すれば０．８５°程度しか広がらない。よって、第３の実施の形態に係る電磁波発生装置によれば、図１に示した構成において、電磁波検出器３４の位置を固定でき、且つ、電磁波検出器３４の位置を固定した状態において、擬似位相整合素子１９と電磁波検出器３４の間に、図２７に示したような、従来技術において用いられていた非軸放物面鏡７ａ，７ｂを用いる必要もない。このため、第３の実施の形態に係る電磁波発生装置によれば、使用部品の点数を減少させ、極めて簡単且つ安価な構成することが可能になり、第３の実施の形態に係る電磁波発生装置の工業的な実用可能性は極めて高い。
【００９０】
（第４の実施の形態）
図２４に示すように、本発明の第４の実施の形態に係る電磁波発生装置は、第１のポンプ光ｈν1を出射する第１のポンプ光出射部２４と、第１のポンプ光ｈν1とは異なる波長の第２のポンプ光ｈν2を、波長可変で出射する第２のポンプ光出射部２５と、第１のポンプ光ｈν1と第２のポンプ光ｈν2との差周波数の電磁波ｈν3を生成する擬似位相整合素子１９と、第１のポンプ光ｈν1と第２のポンプ光ｈν2との内部交叉角度θを位相整合範囲角に調整して固定し、第１のポンプ光及び第２のポンプ光を擬似位相整合素子１９に入射させる光学系（Ｍ3，Ｍ6，Ｍ5，１８）とを備える。ここで、内部交叉角度θ は、擬似位相整合素子１９の内部における第１のポンプ光ｈν1と第２のポンプ光ｈν2との交叉角度であって、擬似位相整合素子１９の外部で定義される外部交叉角度δとは、ほぼ式（３）の関係を有する。例えば、擬似位相整合素子１９にＰＰＫＴＰ結晶を用いたとき、内部交叉角度θ＝６．３４°程度の値が位相整合範囲角であり、擬似位相整合素子１９にＰＰＧａＰ結晶を用いたときは、内部交叉角度θ＝４．８５°程度が、位相整合範囲角になる。第４の実施の形態に係る電磁波発生装置では、互いに式（３）で関連する外部交叉角度δ又は内部交叉角θを固定した状態で、第２のポンプ光ｈν2の周波数を変えることにより、擬似位相整合素子１９から可変波長のテラヘルツ電磁波を発生させる。
【００９１】
光学系（Ｍ3，Ｍ6，Ｍ5，１８）は、ハーフミラーＭ3、第１ミラーＭ5、第２ミラーＭ6及び偏光ビームスプリッタ１８からなる。ハーフミラーＭ3は、励起光源１６としてのＹＡＧレーザから出射した励起光の一部を透過し第１のポンプ光出射部２４に入射させ、励起光源（ＹＡＧレーザ）１６から出射した励起光の他の一部を反射し、第２のポンプ光出射部２５に入射させるミラーである。第１ミラーＭ5は、ハーフミラーＭ3で反射した励起光を更に反射し、励起光源（ＹＡＧレーザ）１６から出射した励起光の他の一部を第２のポンプ光出射部２５に入射させるミラーである。第２ミラーＭ6は、第１のポンプ光出射部２４から出射した第１のポンプ光ｈν1を反射し、第１のポンプ光ｈν1を偏光ビームスプリッタ１８に入射する角度を調整するように回転可能なミラーである。図２４に示す光学系（Ｍ3，Ｍ6，Ｍ5，１８）の配置により、第２のポンプ光出射部２５から出射した信号光（第２のポンプ光）ｈν2を偏光ビームスプリッタ１８を透過させる。又、第１のポンプ光出射部２４から出射したポンプ光（第１のポンプ光）ｈν1は、第２ミラーＭ6を用いて、垂直方向から入射させて偏光ビームスプリッタ１８の偏光面で反射させ、内部交叉角度θを位相整合範囲角とするように、ポンプ光（第１のポンプ光）ｈν1及び信号光（第２のポンプ光）ｈν2を、擬似位相整合素子１９内で結合させる光学系を構成している。
【００９２】
但し、ポンプ光（第１のポンプ光）ｈν1と信号光（第２のポンプ光）ｈν2は、偏光ビームスプリッタ１８よってビームを位相整合範囲角に設定すれば良いので、ポンプ光（第１のポンプ光）ｈν1を偏光ビームスプリッタ１８を透過させ、ポンプ光（第１のポンプ光）ｈν1に対し偏波面の直交する信号光（第２のポンプ光）ｈν2を垂直方向から入射させて偏光ビームスプリッタ１８の偏光面で反射させ、内部交叉角度θが位相整合範囲角となるように、第１のポンプ光及び第２のポンプ光を擬似位相整合素子１９内で結合させる光学系を構成しても良い。尚、図２４に示した光学系（Ｍ3，Ｍ6，Ｍ5，１８）は、例示であり、ハーフミラーＭ3、第１ミラーＭ5、第２ミラーＭ6及び偏光ビームスプリッタ１８の他に、他のミラー等の光学素子を加えても良く、第１ミラーＭ5、第２ミラーＭ6等の代わりに、プリズム等の第１ミラーＭ5や第２ミラーＭ6等と等価な機能を有する光学素子に置き換えても良いことは勿論である。
【００９３】
第１のポンプ光出射部２４及び第２のポンプ光出射部２５にそれぞれ備えられる第１及び第２のポンプ光源として、励起光源（ＹＡＧレーザ）１６で励起されるクロム（Ｃｒ）添加フォルステライトレーザを使う。既に述べたとおり、Ｃｒ添加フォルステライトレーザは、フォルステライト中のＣｒの準位を用いているため、スペクトル線幅が極めて狭い。Ｃｒ添加フォルステライトレーザは、波長１．０６４μｍの励起光源（ＹＡＧレーザ）１６を用いて励起することが可能で、ＯＰＯのようにＹＡＧ第３高調波を用いないので効率が高くすることが可能である。
【００９４】
即ち、第４の実施の形態に係る電磁波発生装置では、２つのＣｒ添加フォルステライトレーザを第１のポンプ光出射部２４及び第２のポンプ光出射部２５にそれぞれ備えられる第１及び第２のポンプ光源として用い、第１のポンプ光出射部２４を固定波長で、第２のポンプ光出射部２５を波長可変ポンプ光源とし、インジェクションシーディングなしで差周波としてのテラヘルツ電磁波ｈν3のスペクトル線幅を狭くすることができる。ポンプ光（第１のポンプ光）ｈν1の波長を、例えば、１．２０μｍに固定する。第１のポンプ光出射部２４に備えられる第１のポンプ光源は、内部にエタロンを設置することにより、固定波長でスペクトル線幅を１ＧＨｚ程度に狭くすることができる。第２のポンプ光出射部２５に備えられる第２のポンプ光源には同種のＣｒ添加フォルステライトレーザを使い、波長を掃引する。第２のポンプ光出射部２５は連続波長掃引のため、エタロンを挿入しないのでスペクトル線幅は１０ＧＨｚから１５ＧＨｚである。更に、Ｃｒ添加フォルステライトレーザは、ＯＰＯのようにＹＡＧの高調波を使う必要がないため、基本波１．０６４μｍによって励起でき、高出力且つ安価であることが特徴である。尚、第１のポンプ光出射部２４及び第２のポンプ光出射部２５に用いる第１及び第２のポンプ光源としてのＣｒ添加フォルステライトレーザを、Ｙｂを添加したＹＬＦレーザやＹｂを添加したファイバレーザで置き換えることもできる。Ｙｂ添加ＹＬＦレーザやＹｂ添加ファイバレーザを用いる場合も、インジェクションシーディングなしで比較的狭線幅を得られるので、極めて安価である利点を有する。但し、Ｙｂ添加ＹＬＦレーザやＹｂ添加ファイバレーザの場合は、ＹＡＧレーザ１６の波長１．０６４μｍより、僅かに波長が短いので、ＹＡＧレーザ１６の２倍波（波長５３０ｎｍ）で励起する必要がある。
【００９５】
以上のように、第４の実施の形態に係る電磁波発生装置によれば、擬似位相整合素子１９にＰＰＫＴＰ結晶を用いたとき、第１のポンプ光ｈν1と第２のポンプ光ｈν2の２つのレーザビームを６．３４°程度の内部交叉角度θで、擬似位相整合素子１９に入射させれば、０．３〜２ＴＨｚの周波数領域内での狭帯域のテラヘルツ波の電磁波をＰＰＫＴＰ結晶から発生させることが可能である。又、擬似位相整合素子１９にＰＰＧａＰ結晶を用いたとき、第１のポンプ光ｈν1と第２のポンプ光ｈν2の２つのレーザビームを４．８５°程度の内部交叉角度θで、ＰＰＧａＰからなる擬似位相整合素子１９に入射させれば、０．３〜７ＴＨｚの周波数領域内での狭帯域のテラヘルツ波の電磁波をＰＰＧａＰ結晶から発生させることが可能である。
【００９６】
ＰＰＫＴＰ結晶を擬似位相整合素子１９として用いた場合は、０．３〜２ＴＨｚのテラヘルツ波の周波数帯内で、テラヘルツ波の周波数を掃引するためには、僅か０．００３５°しか擬似位相整合素子１９を回転させる必要がない。又、差周波として、ＰＰＫＴＰ結晶から発生するテラヘルツ波も僅か３．０°〜３．５°程度しか広がらない。一方、ＰＰＧａＰ結晶からなる擬似位相整合素子１９を用いた場合は、０．３〜７ＴＨｚのテラヘルツ波の周波数帯内で、テラヘルツ波の周波数を掃引するためにも、僅か０．００１°しか擬似位相整合素子１９を回転させる必要がなく、差周波としてＰＰＧａＰ結晶から発生するテラヘルツ波は、周波数０．３４〜７．２ＴＨｚの範囲で、２．２°以内、０．８〜７．２ＴＨｚと限定すれば０．８５°程度しか広がらない。よって、第４の実施の形態に係る電磁波発生装置によれば、図１に示した構成において、電磁波検出器３４の位置を固定でき、且つ、電磁波検出器３４の位置を固定した状態において、擬似位相整合素子１９と電磁波検出器３４の間に、図２７に示したような、従来技術において用いられていた非軸放物面鏡７ａ，７ｂを用いる必要もない。このため、第４の実施の形態に係る電磁波発生装置によれば、使用部品の点数を減少させ、極めて簡単且つ安価な構成することが可能になり、第４の実施の形態に係る電磁波発生装置の工業的な実用可能性は極めて高い。
【００９７】
（第５の実施の形態）
図２５に示すように、本発明の第５の実施の形態に係る電磁波発生装置は、第１のポンプ光ｈν1を出射する第１のポンプ光出射部２４と、第１のポンプ光ｈν1とは異なる波長の第２のポンプ光ｈν2を、波長可変で出射する第２のポンプ光出射部２５と、第１のポンプ光ｈν1と第２のポンプ光ｈν2との差周波数の電磁波ｈν3を生成する擬似位相整合素子１９と、第１のポンプ光ｈν1と第２のポンプ光ｈν2との差周波数ν3＝１ＴＨｚにおける内部交叉角度θを位相整合範囲角に調整して固定し、第１のポンプ光及び第２のポンプ光を擬似位相整合素子１９に入射させる光学系（Ｍ1，Ｍ6，１８）とを備える。ここで、内部交叉角度θ は、擬似位相整合素子１９の内部における第１のポンプ光ｈν1と第２のポンプ光ｈν2との交叉角度であって、擬似位相整合素子１９の外部で定義される外部交叉角度δとは、ほぼ式（３）の関係を有する。例えば、擬似位相整合素子１９にＰＰＫＴＰ結晶を用いたとき、内部交叉角度θ＝６．３４°程度の値が位相整合範囲角であり、擬似位相整合素子１９にＰＰＧａＰ結晶を用いたときは、内部交叉角度θ＝４．８５°程度が、位相整合範囲角になる。第５の実施の形態に係る電磁波発生装置では、互いに式（３）で関連する外部交叉角度δ又は内部交叉角θを固定した状態で、第２のポンプ光ｈν2の周波数を変えることにより、擬似位相整合素子１９から可変波長のテラヘルツ電磁波を発生させる。
【００９８】
内部交叉角度θを上記のような位相整合範囲角に調整して固定し、第１及び第２のポンプ光を擬似位相整合素子１９に入射させる光学系（Ｍ1，Ｍ6，１８）は、第１ミラーＭ１、第２ミラーＭ6及び偏光ビームスプリッタ１８からなる。第１ミラーＭ１は、第１のポンプ光出射部２４から出射した第１のポンプ光ｈν1を反射し、第１のポンプ光ｈν1を第２のポンプ光出射部２５に入射させるミラーである。第２ミラーＭ6は、第１のポンプ光出射部２４から出射した第１のポンプ光ｈν1を反射し、第１のポンプ光ｈν1を偏光ビームスプリッタ１８に入射する角度を調整するように回転可能なミラーである。図２５に示す光学系（Ｍ1，Ｍ6，１８）の配置により、第２のポンプ光出射部２５から出射した信号光（第２のポンプ光）ｈν2を偏光ビームスプリッタ１８を透過させる。又、第１のポンプ光出射部２４から出射したポンプ光（第１のポンプ光）ｈν1は、第２ミラーＭ6を介して垂直方向から入射させて偏光ビームスプリッタ１８の偏光面で反射させ、内部交叉角度θを位相整合範囲角とするように、ポンプ光（第１のポンプ光）ｈν1及び信号光（第２のポンプ光）ｈν2を擬似位相整合素子１９内で結合させる光学系を構成している。
【００９９】
但し、ポンプ光（第１のポンプ光）ｈν1と信号光（第２のポンプ光）ｈν2は、偏光ビームスプリッタ１８よってビームを平行に近く重ねれば良いので、ポンプ光（第１のポンプ光）ｈν1を偏光ビームスプリッタ１８を透過させ、ポンプ光（第１のポンプ光）ｈν1に対し偏波面の直交する信号光（第２のポンプ光）ｈν2を垂直方向から入射させて偏光ビームスプリッタ１８の偏光面で反射させ、内部交叉角度θを位相整合範囲角とするように、第１のポンプ光及び第２のポンプ光を擬似位相整合素子１９内で結合させる光学系を構成しても良い。
【０１００】
尚、図２５に示した光学系（Ｍ1，Ｍ6，１８）は、例示であり、第１ミラーＭ１、第２ミラーＭ6及び偏光ビームスプリッタ１８の他に、他のミラー等の光学素子を加えても良く、第１ミラーＭ１、第２ミラーＭ6の代わりに、プリズム等の第１ミラーＭ１や第２ミラーＭ6と等価な機能を有する光学素子に置き換えても、内部交叉角度θを位相整合範囲角に調整して固定して、第１及び第２のポンプ光を擬似位相整合素子１９に入射させることができることは勿論である。
【０１０１】
具体的には、第１のポンプ光出射部２４として波長１．０６４μｍのパルスを発振するＹＡＧレーザ１６を使用する。第２のポンプ光出射部２５として、波長可変パラメトリックオッシレータ（ＯＰＯ）１７を用いる。波長可変ＯＰＯ１７は、励起光源１６としてのＹＡＧレーザからのポンプ光（第１のポンプ光）ｈν1の基本波を３逓倍した３５５ｎｍの光で励起される。
【０１０２】
テラヘルツ電磁波ｈν3のスペクトル線幅を狭く且つ、広い周波数にわたってモードホップなしで動作させるために、波長可変ＯＰＯ１７は、インジェクションシーディング機構（手段）を備える。インジェクションシーディング機構（手段）として、波長可変ＯＰＯ１７内にシードレーザ（マスター発振器）を具備する。シードレーザ（マスター発振器）としては、例えば、Ｑ値の高い共振器を硼酸バリウム（ＢａＢ2Ｏ4）結晶に用い、スペクトル幅を狭くすれば良い。即ち、シードレーザ（マスター発振器）及びスレーブレーザ（ホストレーザ）共に、ＢａＢ2Ｏ4結晶のパラメトリック効果を用いる。そして、スレーブレーザ（ホストレーザ）である波長可変ＯＰＯ１７の共振器長を、シードレーザとスレーブレーザの縦モードが一致するように制御すれば良い。スレーブレーザの共振器長を制御する共振器ロックには、少なくとも（波長)／（共振器のフィネス) オーダー以上の正確な制御が必要になるので、例えば、ピエゾドライバで共振器長を制御することが好ましい。
【０１０３】
即ち、波長可変ＯＰＯ１７の出力をフォトディテクターで検出し、その信号をブランキング回路を経てロックインアンプに入力する。更に、このロックインアンプの出力信号を、ピエゾドライバでファンクションジェネレーターからの変調信号と加算し、ピエゾ駆動電圧に変換し、変調ミラーを動かすようにすれば良い。このとき、ファンクションジェネレーターの同調信号をロックインアンプの参照信号とするようにしても良い。この様な波長可変ＯＰＯ１７は励起光源（ＹＡＧレーザ）１６の第３高調波即ち波長３５５ｎｍ光で励起されることによりスペクトル線幅を広げる原因となる波長縮退を避け、更にインジェクションシーディングを行うことにより、波長可変ＯＰＯ１７のスペクトル線幅を狭くできるので、差周波として発生するテラヘルツ電磁波ｈν3のスペクトル線幅も同様に狭くなる。
【０１０４】
波長可変ＯＰＯ１７の出力光波長を１．０３８μｍから１．０６３５μｍの範囲に選べば差周波数ν3は０．１５ＴＨｚから７ＴＨｚの範囲になる。又、波長可変ＯＰＯ１７の波長を１．０６４６μｍから１．０９１μｍの範囲に選んでも良い。尚、励起光源（ＹＡＧレーザ）１６も、同様に、Ｑ値の高い共振器のＹＡＧレーザをシードレーザ（マスター発振器）として用い、スペクトル幅を狭くし、インジェクションシーディングすることにより、狭線幅の励起光源とすることが好ましい。
【０１０５】
ポンプ光（第１のポンプ光）ｈν1と信号光（第２のポンプ光）ｈν2は直交した偏波方向を持ち、偏光ビームスプリッタ１８よってビームを位相整合範囲角となる内部交叉角度θに重ねる。ビームスプリッタ１８、又は、第２ミラーＭ6を微小回転させ、テラヘルツ電磁波ｈν3の周波数ν3に応じて位相整合範囲角となる内部交叉角度θ とするようにポンプ光（第１のポンプ光）ｈν1或いは信号光（第２のポンプ光）ｈν2のビーム方向を調整する。
第１のポンプ光出射部２４である励起光源（ＹＡＧレーザ）１６のスペクトル線幅は十分狭いので、差周波であるテラヘルツ電磁波ｈν3のスペクトル線幅は第２のポンプ光出射部２５のＯＰＯ１７のスペクトル線幅で決まることになる。ＯＰＯ１７はインジェクションシーディングされているためスペクトル線幅約４ＧＨｚであり、差周波であるテラヘルツ電磁波ｈν3のスペクトル線幅もほぼ４ＧＨｚである。テラヘルツ帯における固体、液体状物質のスペクトル線幅は一般的に５０ＧＨｚ以上なので第５の実施の形態に係る電磁波発生装置は十分に高分解能の分光測定を可能にする。
【０１０６】
以上のように、第５の実施の形態に係る電磁波発生装置によれば、擬似位相整合素子１９にＰＰＫＴＰ結晶を用いたとき、第１のポンプ光ｈν1と第２のポンプ光ｈν2の２つのレーザビームを６．３４°程度の内部交叉角度θで、擬似位相整合素子１９に入射させれば、０．３〜２ＴＨｚの周波数領域内での狭帯域のテラヘルツ波の電磁波をＰＰＫＴＰ結晶から発生させることが可能である。又、擬似位相整合素子１９にＰＰＧａＰ結晶を用いたとき、第１のポンプ光ｈν1と第２のポンプ光ｈν2の２つのレーザビームを４．８５°程度の内部交叉角度θで、ＰＰＧａＰからなる擬似位相整合素子１９に入射させれば、０．３〜７ＴＨｚの周波数領域内での狭帯域のテラヘルツ波の電磁波をＰＰＧａＰ結晶から発生させることが可能である。
【０１０７】
ＰＰＫＴＰ結晶を擬似位相整合素子１９として用いた場合は、０．３〜２ＴＨｚのテラヘルツ波の周波数帯内で、テラヘルツ波の周波数を掃引するためには、僅か０．００３５°しか擬似位相整合素子１９を回転させる必要がない。又、差周波として、ＰＰＫＴＰ結晶から発生するテラヘルツ波も僅か３．０°〜３．５°程度しか広がらない。一方、ＰＰＧａＰ結晶からなる擬似位相整合素子１９を用いた場合は、０．３〜７ＴＨｚのテラヘルツ波の周波数帯内で、テラヘルツ波の周波数を掃引するためにも、僅か０．００１°しか擬似位相整合素子１９を回転させる必要がなく、差周波としてＰＰＧａＰ結晶から発生するテラヘルツ波は、周波数０．３４〜７．２ＴＨｚの範囲で、２．２°以内、０．８〜７．２ＴＨｚと限定すれば０．８５°程度しか広がらない。よって、第５の実施の形態に係る電磁波発生装置によれば、図１に示した構成において、電磁波検出器３４の位置を固定でき、且つ、電磁波検出器３４の位置を固定した状態において、擬似位相整合素子１９と電磁波検出器３４の間に、図２７に示したような、従来技術において用いられていた非軸放物面鏡７ａ，７ｂを用いる必要もない。このため、第５の実施の形態に係る電磁波発生装置によれば、使用部品の点数を減少させ、極めて簡単且つ安価な構成することが可能になり、第５の実施の形態に係る電磁波発生装置の工業的な実用可能性は極めて高い。
【０１０８】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は本発明の第１の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【０１０９】
例えば、既に述べた本発明の第３の実施の形態の説明では、第１のポンプ光出射部２４として、第１のポンプ光ｈν1を出射するＣｒ添加フォルステライトレーザ、Ｙｂ添加ＹＬＦレーザ、Ｙｂ添加ファイバレーザのいずれかからなる第１のポンプ光ｈν1源を備え、第２のポンプ光出射部２５として、例えば、第２のポンプ光ｈν2を出射するＣｒ添加フォルステライトレーザ、Ｙｂ添加ＹＬＦレーザ、Ｙｂ添加ファイバレーザのいずれかからなる第２のポンプ光源を備えるようにすることが可能であることを述べたが、第１のポンプ光出射部２４及び第２のポンプ光出射部２５の少なくとも、いずれか一方を半導体レーザとすれば、更に、装置構成を小型化することが可能である。
【０１１０】
この様に、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【符号の説明】
【０１１１】
６…ＹＡＧレーザ
７ａ…第１の非軸放物面鏡
７ｂ…第２の非軸放物面鏡
１１…パーソナルコンピュータ
１６…励起光源（ＹＡＧレーザ）
１７…ＯＰＯ
１８…偏光ビームスプリッタ
１９…擬似位相整合素子
１９ａ，１９ｂ…櫛形状基板（ＧａＰ基板）
２４…第１のポンプ光出射部
２５…第２のポンプ光出射部
３１…レーザコントローラ
３２…ステージコントローラ
３３…電圧計
３４…電磁波検出器
３５…ステージコントローラ
５３…放物面鏡用線形ステージ
５４…ビームスプリッタ用線形ステージ
５５…回転ステージ
５７…回転ステージ
６１…フラッシュランプ
６２…第１ＹＡＧロッド
６３…第２ＹＡＧロッド
１０１…結晶
１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃ，１０５ｄ…プリズム
１０９…非線形光学結晶
１９１M，１９１N，…薄板
１９２…ＧａＰ基板
１９３…ＧａＰ領域
Ｍ１…第１ミラー
Ｍ3…ハーフミラー
Ｍ5…第１ミラー
Ｍ6…ミラー（第２ミラー）
Ｐ1…フラッシュランプ励起用パルス
Ｐ2，Ｐ3…スイッチパルス
【技術分野】
【０００１】
本発明は、周波数可変のテラヘルツ帯の電磁波発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、テラヘルツ技術の応用可能性が次々と提案されてきたため、高出力で耐久性があるテラヘルツ放射源が求められるようになってきた。ここ何年かの間で、主に２つのテラヘルツ波放射源が研究されてきた。１つはフェムト秒レーザ励起による半導体からのテラヘルツ波放射であり、もう１つは非線形光学結晶を使っての差周波発生である。フェムト秒レーザ励起の場合は、ピコ秒のパルス幅を発生するために光整流により過度サージ電流が必要となる。差周波発生では、ほとんどの場合において、２つの励起レーザが必要である。差周波発生は、比較的大きい出力が期待できるが、これには位相整合を満足するために正確なビームアラインメントや、様々な光学素子の同期調整などが要求される。
【０００３】
従来、差周波発生による波長可変テラヘルツ電磁波の発生装置として、図２６に示すような誘電体であるニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）結晶内のポラリトンモードを利用したテラヘルツ電磁波発生装置が知られていた。図２６に示したような従来の電磁波発生装置においては、ＬｉＮｂＯ3結晶１０１に第１のポンプ光ｈν1及び第２のポンプ光ｈν2を入射し、差周波発生によりテラヘルツ電磁波ｈν3＝ｈν1−ｈν2を発生する。こうして得られるテラヘルツ電磁波ｈν3の周波数帯域は、およそ０．７ＴＨｚから２．５ＴＨｚの範囲のコヒーレント光である。しかし、テラヘルツ電磁波分光スペクトルの違いを使って多様な生体物質などを識別するような目的のためにはスペクトル可変範囲として上記周波数帯域は、図２６に示したような従来の電磁波発生装置では狭すぎたのである。図２６に示した従来の電磁波発生装置においては、テラヘルツ電磁波ｈν3は、ＬｉＮｂＯ3結晶１０１の表面に配置された複数のシリコン（Ｓｉ）プリズム１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃ，１０５ｄからなるプリズムアレイを介して取り出し、テラヘルツ電磁波ｈν3の取り出し角度を大きくしている。そのためテラヘルツ電磁波ｈν3とポンプ光ｈν1及びｈν2のビームの重なりが悪く、周波数帯域・効率とも低下する原因となっている。
【０００４】
一方、ＬｉＮｂＯ3結晶に１つのポンプ光を入射し、パラメトリック発振によりテラヘルツ電磁波ｈν3を発生することも可能である。この様なパラメトリック発振型のＬｉＮｂＯ3テラヘルツ発生装置においては、発生したテラヘルツ電磁波ｈν3のスペクトル線幅は、連続波（ＣＷ）レーザダイオード（半導体レーザ）によるインジェクションシーディングを行うことにより、１００ＭＨｚ程度まで狭線幅にできる。即ち、ＬｉＮｂＯ3テラヘルツ発生装置をスレーブレーザ（ホストレーザ）とし、スペクトル幅の狭いＣＷレーザダイオードをシードレーザ（マスター発振器）として、この２つのレーザを組み合わせ、スレーブレーザとスレーブレーザの両方の性質を兼ね備えさせることにより、スペクトル幅の狭いテラヘルツ電磁波ｈν3を発生することができる。しかしながら、ＣＷレーザダイオードのモードホッピングのため、逆に、広い範囲で連続的に周波数掃引することが困難となる。一方、インジェクションシーディングを行わないと、スペクトル線幅は極めて大きく１００ＧＨｚ（０．１ＴＨｚ）を越えるため、分解能が著しく低下し、周波数帯域が狭いことと合わせて物質同定の性能が十分でない。
【０００５】
このため、図２７に示すような、第1波長の第１のポンプ光ｈν1を出射する第１のポンプ光出射部２４と、第１のポンプ光ｈν1とは異なる波長の第２のポンプ光ｈν2を、波長可変で出射する第２のポンプ光出射部２５と、第１のポンプ光ｈν1と第２のポンプ光ｈν2との差周波数の電磁波ｈν3を生成する非線形光学結晶１０９と、第１のポンプ光ｈν1と第２のポンプ光ｈν2との差周波数１ＴＨｚにおける外部交叉角度θ inextを０．５°以内に調整し、第１のポンプ光及び第２のポンプ光を非線形光学結晶１０９に入射させる光学系（Ｍ6，１８）とを備える電磁波発生装置が提案されている（特許文献１参照。）。ここで、外部交叉角度θ inext は、非線形光学結晶１０９の結晶外における第１のポンプ光ｈν1と第２のポンプ光ｈν2との交叉角度であって、非線形光学結晶１０９の内部で定義される内部交叉角度θ in とは、ほぼ：
θ inext＝nL θ in ……（１）
なる関係を有する。 nLはポンプ光周波数での非線形光学結晶１０９の屈折率であるから、非線形光学結晶１０９が、ＧａＰの場合は、屈折率nL＝３．１程度である。
【０００６】
特許文献１に記載された差周波発生による従来の電磁波発生装置においては、光学系（Ｍ6，１８）は、ミラーＭ6及び偏光ビームスプリッタ１８からなり、ミラーＭ6は、第１のポンプ光出射部２４から出射した第１のポンプ光ｈν1を反射し、第１のポンプ光ｈν1を偏光ビームスプリッタ１８に入射する角度を調整する。図２７に示すように光学系（Ｍ6，１８）を配置することにより、第２のポンプ光出射部２５から出射した信号光（第２のポンプ光）ｈν2を偏光ビームスプリッタ１８を透過させ、第１のポンプ光出射部２４から出射したポンプ光（第１のポンプ光）ｈν1を、ミラーＭ6を用いて、垂直方向から入射させて偏光ビームスプリッタ１８の偏光面で反射させ、平行に近い微小な外部交叉角度θ inextで、ポンプ光（第１のポンプ光）ｈν1及び信号光（第２のポンプ光）ｈν2を、非線形光学結晶１０９内で結合させている。
【０００７】
nIをテラヘルツ電磁波ｈν3の周波数での非線形光学結晶１０９の屈折率、nLをポンプ光ｈν1，ｈν2の周波数での非線形光学結晶１０９の屈折率とすると、２つのポンプ光ｈν1，ｈν2が結晶内でなす内部交叉角度θ in が十分に小さいときは、図２８に示した波数ベクトルの幾何学的な関係から、次の式（２）に示す条件が必要になる：
θ in = (2 Δq/ q) 1/2 (nI/nL)(ν3 / ν1) ……（２）
即ち、外部交叉角度θ inext は、非線形光学結晶１０９の横波格子振動周波数より十分小さい領域では、式（２）に示すように、差周波数ν3に比例して増大する。差周波数ν3が横波格子振動周波数に近くなると、外部交叉角度θ inext は式（２）が示す比例関係からずれ初め、非線形光学結晶１０９の周波数分散を示す曲線（カーブ）に沿って変化する。
【０００８】
このため、特許文献１に記載された従来の電磁波発生装置では、図２７に示すように、パーソナルコンピュータ１１からの信号で、偏光ビームスプリッタ１８を搭載した回転ステージ５５の回転やビームスプリッタ用線形ステージ５４の位置をステージコントローラ３５とを用いて制御し、且つ、第２のポンプ光出射部２５のポンプ光源の波長をレーザコントローラ３１を用いて掃引する必要がある。２つのポンプ光ｈν1，ｈν2は、偏光ビームスプリッタ１８と約６０ｍｍ離れて配置されている非線形光学結晶１０９の表面で任意の微小な外部交叉角度θ inextにおいて常に同じ点で重ね合わせるために、偏光ビームスプリッタ１８は、図２７に示すように、回転ステージ５５による回転に連動してビームスプリッタ用線形ステージ５４上を動くように、ステージコントローラ３５で制御されるという複雑な駆動系を必要としていた。
【０００９】
更に、特許文献１に記載された電磁波発生装置においては、図２８に示すように、非線形光学結晶１０９より出射されるテラヘルツ電磁波ｈν3が、その周波数ν3により出射角度（ポンプ光ｈν1，ｈν2とテラヘルツ電磁波ｈν3のなす角）θI が変化するという問題があった。例えば、周波数ν3＝０．４〜６ＴＨｚでこの出射角度θI は３０〜６０°となる。
【００１０】
出射角度θIを周波数ν3によらず、一定位置或いは一定線上を通過するようにするには、図２７のように一対の非軸放物面鏡７ａ，７ｂを用いる必要があり、特許文献１に記載された電磁波発生装置のシステム構成が複雑になるという不具合があった。即ち、第１の非軸放物面鏡７ａは非線形光学結晶１０９直近において、上記周波数範囲のテラヘルツ電磁波ｈν3を捕獲できるよう配置し、この際、第１の非軸放物面鏡７ａの焦点の位置に非線形光学結晶１０９のテラヘルツ電磁波ｈν3の出射点が来るような光学配置にして、テラヘルツ電磁波ｈν3の出射方向に関わらず、テラヘルツ電磁波ｈν3のビームを同一光路にすることができるようにする複雑な駆動システムの必要な光学系が必要であるという不具合があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】国際公開ＷＯ２００５／０７３７９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
以上のように、特許文献１に記載された従来の電磁波発生装置においては、入射ポンプ光ｈν1，ｈν2の微小な外部交叉角度θ inextを制御するための偏光ビームスプリッタ１８を搭載した回転ステージ５５とビームスプリッタ用線形ステージ５４を、レーザコントローラ３１と連動して駆動し、２つのポンプ光ｈν1，ｈν2間の外部交叉角度θ inextを自動的に制御し、更に、放物面鏡用線形ステージ５３の移動をも、ステージコントローラ３５で制御できるようにパーソナルコンピュータ１１が制御するという、複雑なシステム構成を採用していた。つまり、特許文献１に記載された従来の電磁波発生装置においては、自動で連続的に周波数ν3を掃引し、且つそれぞれの周波数ν3で最高出力を得るためには、第２のポンプ光出射部２５の波長、２つのポンプ光ｈν1，ｈν2間の外部交叉角度θ inext、第２の非軸放物面鏡７ｂの位置を同時に制御する必要があり、非常に複雑なシステム構成であった。
【００１３】
上記課題を鑑み、本発明は、周波数変化に伴う、２つのポンプ光間の交叉角度の制御も不要で、テラヘルツ波の出力側に複雑な光学系を設けることなく、簡単な装置構成で、周波数可変のテラヘルツ帯の電磁波を発生することの可能な電磁波発生装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために、本発明の態様は、(a)第１のポンプ光を出射する第１のポンプ光出射部と、(b)第１のポンプ光とは異なる波長の第２のポンプ光を、波長可変で出射する第２のポンプ光出射部と、(c)周期的な分極反転構造を有し、第１のポンプ光と第２のポンプ光との差周波数の電磁波を生成する擬似位相整合素子と、(d)第１のポンプ光と第２のポンプ光との交叉角を位相整合範囲角に調整して固定し、第１のポンプ光及び第２のポンプ光を擬似位相整合素子に入射させる光学系とを備える電磁波発生装置であることを要旨とする。この本発明の態様に係る電磁波発生装置においては、交叉角を固定した状態で、第２のポンプ光の周波数を変えることにより、擬似位相整合素子から可変波長のテラヘルツ電磁波を発生させることを特徴とする。ここで「交叉角」は、後述するように、互いに関連する「外部交叉角度δ」又は「内部交叉角θ」である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、周波数変化に伴う、２つのポンプ光間の交叉角度の制御も不要で、テラヘルツ波の出力側に複雑な光学系を設けることなく、簡単な装置構成で、周波数可変のテラヘルツ帯の電磁波を発生することの可能な電磁波発生装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の基本コンセプトに係る電磁波発生装置の全体構成の概略を説明する模式的な図である。
【図２】本発明の基本コンセプトに係る電磁波発生装置に用いる擬似位相整合素子の構造例の概略を説明する模式的な鳥瞰図である。
【図３】擬似位相整合素子において、互いに打ち消し合うフェーズが、結晶の分極を反転させることにより、ＳＨＧ波長変換光の位相が反し、強度が増大することを説明する模式図である。
【図４】図３に示した擬似位相整合素子の製造方法の概略を説明する模式的な鳥瞰図である。
【図５】擬似位相整合素子の製造方法の他の例を概略的に説明する模式的な鳥瞰図である。
【図６】本発明の基本コンセプトに係る電磁波発生装置に用いる擬似位相整合素子の他の構造例の概略を説明する模式的な断面図である。
【図７】本発明の基本コンセプトに係る電磁波発生装置に於ける位相整合を説明する２次元ベクトル図（ベクトル合成図）である。
【図８】本発明の第１の実施の形態に係る電磁波発生装置に於ける位相整合を説明する２次元ベクトル図において、半径ｋLａ，ｋLｂと半径ｋTａ，ｋTｂの２つの円の交点が、一般には２つ存在することを説明する図である。
【図９】図８の２つの円の交点の一方に関し、図８で定義した第１の実施の形態に係る電磁波発生装置の分極反転構造に由来する一つのベクトルｋLａ、及び、対応するテラヘルツ波の波数ベクトルｋTａのそれぞれを、擬似位相整合素子の傾き、第１のポンプ光の波数ベクトルｋp1、及び第２のポンプ光の波数ベクトルｋp2と共に示す図である。
【図１０】図８の２つの円の交点の他方に関し、図８で定義した第１の実施の形態に係る電磁波発生装置の分極反転構造に由来する、図９に示したのとは異なる、他のベクトルｋLｂ及び、対応する他のテラヘルツ波の波数ベクトルｋTbのそれぞれを、擬似位相整合素子の傾き、第１のポンプ光の波数ベクトルｋp1、及び第２のポンプ光の波数ベクトルｋp2と共に示す図である。
【図１１】ベクトルｋp2＜ベクトルｋp1の場合について、複数のテラヘルツ波の波数ベクトルの軌跡を示す複数の円を示し、第１の実施の形態に係る電磁波発生装置に於ける位相整合を説明する２次元ベクトル図である。
【図１２】ベクトルｋp2＞ベクトルｋp1の場合について、複数のテラヘルツ波の波数ベクトルの軌跡を示す複数の円を示し、第１の実施の形態に係る電磁波発生装置に於ける位相整合を説明する２次元ベクトル図である。
【図１３】第１の実施の形態に係る電磁波発生装置に用いるＰＰＫＴＰ結晶のテラヘルツ波透過特性を示す図である。
【図１４】内部交叉角度の値が位相整合範囲角を超えている場合について、複数のテラヘルツ波の波数ベクトルの軌跡を示す複数の円を示し、第１の実施の形態に係る電磁波発生装置に於ける位相整合を説明する２次元ベクトル図である。
【図１５】内部交叉角度の値が位相整合範囲角に相当する場合について、複数のテラヘルツ波の波数ベクトルの軌跡を示す複数の円を示し、第１の実施の形態に係る電磁波発生装置に於ける位相整合を説明する２次元ベクトル図である。
【図１６】内部交叉角度の値が位相整合範囲角に相当する場合について、ベクトルｋLの傾きの角度（ｋL角）を横軸に、テラヘルツ波の周波数を縦軸に示す図である。
【図１７】テラヘルツ波の波数ベクトルｋTの角度と、ベクトルｋLの傾きの角度（ｋL角）の定義を説明する模式図である。と
【図１８】内部交叉角度の値が位相整合範囲角に相当する場合について、図１６の中央に□印でプロットした内側整合条件の部分を拡大して示す図である。
【図１９】ベクトルｋp2＞ベクトルｋp1の場合において、第１の実施の形態に係る電磁波発生装置の分極反転構造に由来するベクトルｋLの傾きの角度（ｋL角）及びテラヘルツ波の波数ベクトルｋTの方向角の値を３Ｄプロットにしたものである。
【図２０】ベクトルｋp2＜ベクトルｋp1の場合において、第１の実施の形態に係る電磁波発生装置の分極反転構造に由来するベクトルｋLの傾きの角度（ｋL角）及びテラヘルツ波の波数ベクトルｋTの方向角の値を３Ｄプロットにしたものである。
【図２１】内部交叉角度の値が位相整合範囲角に相当する場合について、本発明の第２の実施の形態に係る電磁波発生装置のベクトルｋLの傾きの角度（ｋL角）とテラヘルツ波の周波数との関係を示す図である。
【図２２】ベクトルｋp2＜ベクトルｋp1の場合において、第２の実施の形態に係る電磁波発生装置の分極反転構造に由来するベクトルｋLの傾きの角度（ｋL角）及びテラヘルツ波の波数ベクトルｋTの方向角の値を３Ｄプロットにしたものである。
【図２３】本発明の第３の実施の形態に係る電磁波発生装置の全体構成の概略を説明する模式的な図である。
【図２４】本発明の第４の実施の形態に係る電磁波発生装置の全体構成の概略を説明する模式的な図である。
【図２５】本発明の第５の実施の形態に係る電磁波発生装置の全体構成の概略を説明する模式的な図である。
【図２６】従来技術に係る電磁波発生装置の一部を説明する模式的な断面図である。
【図２７】他の従来技術に係る電磁波発生装置の全体構成の概略を説明する模式的な図である。
【図２８】従来技術に係る電磁波発生装置に於ける位相整合を説明する２次元ベクトル図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００１８】
（基本コンセプト）
本発明の基本コンセプトに係る電磁波発生装置は、図１に示すように、第１のポンプ光ｈν1を出射する第１のポンプ光出射部２４と、第１のポンプ光ｈν1とは異なる波長の第２のポンプ光ｈν2を、波長可変で出射する第２のポンプ光出射部２５と、周期的な分極反転構造を有し、第１のポンプ光ｈν1と第２のポンプ光ｈν2との差周波数の電磁波を生成する擬似位相整合素子１９と、第１のポンプ光ｈν1と第２のポンプ光ｈν2との外部交叉角度δ及び内部交叉角θを調整して固定し、第１のポンプ光ｈν1及び第２のポンプ光ｈν2を擬似位相整合素子１９に入射させる光学系（Ｍ6，１８）とを備える。ここで、外部交叉角度δ は擬似位相整合素子１９の外部における第１のポンプ光ｈν1と第２のポンプ光ｈν2との交叉角度であって、擬似位相整合素子１９の内部の交叉角度である内部交叉角度θとは、ほぼ：
δ＝ｎL θ iｎ ……（３）
なる関係を有するのは、式（１）と同様である。式（３）は、空気中を伝播する第１のポンプ光ｈν1や第２のポンプ光ｈν2等の波数ベクトルと、擬似位相整合素子１９中を伝播する第１のポンプ光ｈν1や第２のポンプ光ｈν2等に対する波数ベクトルが違うことを意味しており、注意が必要である。式（３）のｎLはポンプ光周波数での擬似位相整合素子１９の屈折率であるから、周波数分散が無視できれば、テラヘルツ波ｈνTに対する擬似位相整合素子１９の屈折率ｎTHzを用いて、
ｎL ＝ｎTHz ……（４）
と、近似することができる。
【００１９】
図１に示すように、基本コンセプトに係る電磁波発生装置は、更に、シリコンボロメータやＤＴＧＳ赤外光検出器のようなテラヘルツ帯の電磁波検出器３４を備え、擬似位相整合素子１９から出射したテラヘルツ帯の電磁波は電磁波検出器３４で検出される。電磁波検出器３４は、電圧計３３に接続され、電圧計３３は、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）１１に接続されて、電磁波検出器３４が検知したテラヘルツ帯の電磁波に依拠した電気信号に対し、演算処理が可能なように構成されている。擬似位相整合素子１９から出射するテラヘルツ帯の電磁波は、一定方向に出射するので、電磁波検出器３４は固定位置に配置することが可能である。
【００２０】
光学系（Ｍ6，１８）は、図１に示すように、ミラーＭ6及び偏光ビームスプリッタ１８からなる。ミラーＭ6は、第１のポンプ光出射部２４から出射した第１のポンプ光ｈν1を反射し、第１のポンプ光ｈν1を偏光ビームスプリッタ１８に入射する角度を調整するように回転可能なミラーである。図１に示す光学系（Ｍ6，１８）の配置により、第２のポンプ光出射部２５から出射した信号光（第２のポンプ光）ｈν2を偏光ビームスプリッタ１８を透過させる。又、第１のポンプ光出射部２４から出射したポンプ光（第１のポンプ光）ｈν1は、ミラーＭ6を用いて、垂直方向から入射させて偏光ビームスプリッタ１８の偏光面で反射させ、平行に近い微小な外部交叉角度δで、ポンプ光（第１のポンプ光）ｈν1及び信号光（第２のポンプ光）ｈν2を、擬似位相整合素子１９内で結合させる光学系を構成している。
【００２１】
基本コンセプトに係る電磁波発生装置は、図１に示すように、擬似位相整合素子１９は、回転ステージ５７に搭載され、回転ステージ５７は、ステージコントローラ３２による駆動される。ステージコントローラ３２は、パーソナルコンピュータ１１により制御されるように接続されている。具体的には、回転ステージ５７は、例えばステッピングモータにより駆動され、ステージコントローラ３２は、このステッピングモータを制御するモータコントローラから構成することが可能である。ステージコントローラ３２は、ＧＰＩＢ通信やＵＳＢ通信、ＲＳ−２３２Ｃ通信等によりパーソナルコンピュータ１１から制御されるようにできる。但し、後述するように、本発明の第1第４の実施の形態に係る電磁波発生装置では、擬似位相整合素子１９をほとんど回転させることなく、０．３〜２ＴＨｚのテラヘルツ波放射源が設計可能であるので、回転ステージ５７を省略することも可能である。
【００２２】
更に、第１のポンプ光出射部２４及び第２のポンプ光出射部２５は、レーザコントローラ３１に接続され、レーザコントローラ３１により出力強度及び周波数を制御される。レーザコントローラ３１は、パーソナルコンピュータ１１に接続され、ＧＰＩＢ通信やＵＳＢ通信、ＲＳ−２３２Ｃ通信等により制御される。特に、第２のポンプ光出射部２５の波長は、レーザコントローラ３１を介してパーソナルコンピュータ１１により制御されるが、ステージコントローラ３２をレーザコントローラ３１と連動して駆動・制御することにより、自動で連続的に周波数ν3を掃引し、且つそれぞれの周波数ν3で最高出力を得るためには、第２のポンプ光出射部２５の波長及び擬似位相整合素子１９の回転角度が制御される。
【００２３】
冒頭で述べたとおり、特許文献１に記載された従来の電磁波発生装置においては、外部交叉角度θ inext は、非線形光学結晶１０９の横波格子振動周波数より十分小さい領域では、式（２）に示すように、差周波数ν3に比例して増大し、差周波数ν3が横波格子振動周波数に近くなると、外部交叉角度θ inext は、非線形光学結晶１０９の周波数分散を示す曲線に沿って変化するので、従来は、パーソナルコンピュータ１１からの信号で、偏光ビームスプリッタ１８を搭載した回転ステージ５５の回転やビームスプリッタ用線形ステージ５４の位置をステージコントローラ３２を用いて制御する必要があったが、基本コンセプトに係る電磁波発生装置においては、図７に示すように、外部交叉角度δ は、差周波数ν3に依存しないので、一定方向に出射可能に構成できるので、図２７に記載されたような回転ステージ５５、ビームスプリッタ用線形ステージ５４やこれらを駆動制御するステージコントローラ３２は不要である。
【００２４】
ここで、第１のポンプ光出射部２４は、例えば、第１のポンプ光ｈν1を出射するクロム（Ｃｒ）添加フォルステライトレーザ、イッテルビウム（Ｙｂ）添加ＹＬＦ（イットリウム・リチウム・フルオライド）レーザ、Ｙｂ添加ファイバレーザのいずれかからなる第１のポンプ光ｈν1源を備え、第２のポンプ光出射部２５は、例えば、第２のポンプ光ｈν2を出射するＣｒ添加フォルステライトレーザ、Ｙｂ添加ＹＬＦレーザ、Ｙｂ添加ファイバレーザのいずれかからなる第２のポンプ光源を備えるようにすることが可能である。ここで、Ｃｒ添加フォルステライトレーザは、かんらん石の主成分であるフォルステライト(ＳｉＯ2・２ＭｇＯ=Ｍｇ2ＳｉＯ4)中のＣｒの準位を用いているため、インジェクションシーディングなしのＯＰＯに比べてスペクトル線幅が極めて狭い。Ｃｒ添加フォルステライトレーザは、波長１．０６４μｍの励起光源（ＹＡＧレーザ）１６を用いて励起され、ＯＰＯのようにＹＡＧ第３高調波を用いないので効率が高い。第１のポンプ光ｈν1及び第２のポンプ光源をそれぞれ励起し、第１及び第２のポンプ光源から第１のポンプ光ｈν1及び第２のポンプ光ｈν2を出射させる励起光源を更に備えるようにしても良い。或いは、第１のポンプ光出射部２４から波長１．０６４μｍのＹＡＧレーザの出力を第１のポンプ光ｈν1として出射し、第２のポンプ光出射部２５は、インジェクションシーディング機構を有するオプティカルパラメトリックオシレータを備え、オプティカルパラメトリックオシレータをＹＡＧレーザの出力で励起することにより、第２のポンプ光出射部２５からオプティカルパラメトリックオシレータの出力を第２のポンプ光ｈν2として出射するようにしても良い。
【００２５】
周期的な分極反転構造を有した擬似位相整合素子１９としては、例えば、図２に示すようなコヒーレンス長ｌcごとに結晶の分極方向を周期的に反転させた構造が採用可能である。図２では、厚さｌcで方向Ｍに分極している部分１９１Mと、厚さｌcで方向Ｍに反対の方向Ｎに分極している部分１９１Nとが交互に周期的に積層されている。歴史的には、図２に示すような、周期的な分極反転構造は、当初、第二高調波を生成する場合の位相整合に主に用いられていた。第二高調波を生成する場合のコヒーレンス長ｌcは、ｋ1を基本波（入射光）の波数、ｋ2を第二高調波（射出光）の波数とした場合には、
ｌc＝π／（ｋ2−２ｋ1） ……（５）
で表され、和周波を生成する場合のコヒーレンス長ｌcは、ｋ3、ｋ4を入射光の波数、ｋ5を射出光の波数とした場合に、
ｌc＝π／｛ｋ5−（ｋ3＋ｋ4）｝ ……（６）
で表される。
【００２６】
そして、分極反転の周期（格子定数）Λは、Λ＝２ｍｌc（ここでｍは、次数を表す正の整数である。）で表される。図２に示すとおり、Λは、分極反転の１周期分の長さであり、ｍが奇数の場合、その中にある基準となる方向Ｍに分極している部分１９１Mの長さｌc（Ｍ）と、方向Ｍの反対方向Ｎに分極している部分１９１Nの部分の長さｌc（Ｎ）の関係は、ｍ＝１として、Λ＝ｌc（Ｍ）＋ｌc（Ｎ）となる。このときｌc（Ｍ）：ｌc（Ｎ）＝１：１の関係が望ましい。一方、ｍが偶数の場合、基準となる方向Ｍに分極している部分１９１Mの長さｔ（Ｍ）と、方向Ｍの反対方向Ｎに分極している部分１９１Nの部分の長さｔ（Ｎ）の関係も、Λ＝ｔ（Ｍ）＋ｔ（Ｎ）となるが、ｍ＝２として、ｔ（Ｍ）：ｔ（Ｎ）＝１：３の関係が望ましい。
【００２７】
図２に示したように、擬似位相整合素子１９には、結晶の分極（Ｍ，Ｎ）を周期的に反転させた周期分極反転構造が形成されており、擬似位相整合の原理から分かるように、分極反転の周期Λは、分極の正負の領域を一対としてコヒーレンス長ｌcの２倍の長さになる。擬似位相整合素子１９の大きな特徴の１つとして、分極反転周期を調整することで、対応波長や変換方法（高調波発生、光パラメトリック発振等）をカスタマイズすることができることである。擬似位相整合素子１９は分極反転構造を形成する方位を選ぶことで、従来の複屈折位相整合では実現できなかった方位の高い非線形定数を利用でき、結晶本来の非線形特性を十分に活用した効率の良い波長変換が可能になる。
【００２８】
一般的に位相整合がとれていない場合には、基本波光と発生した波長変換光の間で位相速度に差があるために、基本波が結晶内を伝播するにつれて次々と発生する波長変換光は、少しずつ位相がずれて発生する。発生した波長変換光は、各々が加算されて徐々に強度が増すが、ある距離ｌｃ離れた２点で発生した波長変換光の位相差がπになると、互いに打ち消し合うようになり逆に強度が減衰していく。その結果、波長変換光の強度は図３（ｂ）の点線で示すように、分極反転の周期Λで、周期的に強弱を繰り返すようになる。擬似位相整合素子１９においては、図３（ｂ）の実線で示すように、互いに打ち消し合うフェーズにおいて、結晶の分極を反転させて、このフェーズで発生する波長変換光の位相を反転させ、安定して強度を増大させている。図３（ｂ）の実線で示すように、本来なら互いに打ち消し合うフェーズでも、逆に強め合うフェーズに移行でき、強度を常に増加させることができる。
【００２９】
基本コンセプトに係る電磁波発生装置に用いる擬似位相整合素子１９としては、第１のポンプ光ｈν1、第２のポンプ光ｈν2及びテラヘルツ波ｈνTの波長に対して透明で、機械的／光学的特性に優れ、中でも非線形光学定数が最も大きく、低価格な誘電体や半導体が好適である。
【００３０】
図２に示した基本コンセプトに係る電磁波発生装置に用いる擬似位相整合素子１９は、例えば、図４に示すように、リオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3 ）結晶（ＬＮ結晶）、タンタル酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3 ）結晶（ＬＮ結晶）、リン酸チタン酸カリウム（ＫＴｉＯＰＯ4 ）結晶（ＫＴＰ結晶）等の誘電体結晶から、超精密加工と研磨等により数μｍ〜５０μｍの薄板１９１M，１９１N，１９１M，１９１N，１９１M，１９１N，…を用意し、薄板１９１M，１９１N，１９１M，１９１N，１９１M，１９１N，…を交互に分極（Ｍ，Ｎ）が反転するようにして（図４（ａ）の矢印が分極Ｍ，Ｎの方向を示す。）接合することにより、図４（ｂ）に示すように、擬似位相整合素子１９を製造することができる。図４（ｂ）における接合方法としては、拡散接合や常温接合が採用可能で、拡散接合や常温接合を用いることにより、光学的／機械的に安定な接合を行うことができる。図４（ａ）では、便宜上、８枚を接合する場合を例示しているが、基本コンセプトに係る電磁波発生装置に用いる擬似位相整合素子１９に用いる薄板１９１M，１９１N，１９１M，１９１N，１９１M，１９１N，…の枚数は、図４に例示する枚数に限定されるものではない。又薄板１９１M，１９１N，１９１M，１９１N，１９１M，１９１N，…の厚さΛ／２は、高次の周期にすれば（次数ｍを大きくすれば）厚くできるため、加工精度に応じて最適な次数にすれば良い。
【００３１】
又、図２に示した基本コンセプトに係る電磁波発生装置に用いる擬似位相整合素子１９は、図５に示すような製造方法でも製造可能である。図４に示したような方法で必要な枚数だけ薄板を重ねて接合することにより擬似位相整合素子１９を作る場合には、枚数が非常に多くなるため、それらすべてを研削／研磨して接合するのは時間と価格がかかる。そこで図３に示すとおり、先ず、素材となる誘電体結晶や半導体結晶から、Ｘ線リソグラフィーや超精密加工等により、２つの櫛形状基板１９ａ，１９ｂを作成する。この際、櫛形の歯の部分の長さ方向が分極（Ｍ，Ｎ）の方向となるようにしておく（矢印が分極（Ｍ，Ｎ）の方向を示す）。そして、櫛形状基板１９ａと１９ｂを、櫛形の歯の部分の分極（Ｍ，Ｎ）が互いに反転する方向となるようにして嵌合させて接合するれば良い。図５に示す接合方法としては拡散接合や常温接合を用いることができる。このとき、２つの櫛形状基板１９ａ，１９ｂが互いに勘合しやすいように、溝が深くなるに従い、溝の間隔が狭くなるように、精密加工や異方性エッチングなどで櫛形部の構造を形成しても良い。又接合を用いずに嵌め合わせただけで使用可能な場合には、櫛形状基板１９ａ，１９ｂの互いの櫛歯の間に少し隙間ができるように加工し、隙間をマッチングオイルなどで埋めるようにしても良い。
【００３２】
更に、基本コンセプトに係る電磁波発生装置に用いる擬似位相整合素子１９は、図６に示すように分極Ｍの基板１９２の表面に、この表面に垂直方向の断面形状が円弧状であり、分極方向Ｎが、分極Ｍとは反対方向である領域１９３を、周期Λで、板面方向に周期的にストライプ状に埋め込んだ構造で周期分極反転構造を構成しても良い。即ち、基本コンセプトに係る電磁波発生装置に用いる擬似位相整合素子１９は、結晶の分極（Ｍ，Ｎ）が周期的に反転した構造であれば種々の周期分極反転構造が採用可能であり、又、その製造方法も種々の方法が採用可能である。
【００３３】
（第１の実施の形態）
以下の本発明の第１の実施の形態に係る電磁波発生装置の説明では、図１に示した基本コンセプトに係る電磁波発生装置の構成において、擬似位相整合素子１９として周期分極反転ＫＴＰ結晶（以下において「ＰＰＫＴＰ結晶」という。）を用いた場合を例示し、この擬似位相整合素子１９を用いた擬似位相整合条件により、擬似位相整合素子１９中で差周波信号を発生し、これによりテラヘルツ波を生成する構成を説明する。尚、図１の基本コンセプトの説明では、擬似位相整合素子１９を回転ステージ５７に搭載し、回転ステージ５７をステージコントローラ３２により駆動する構成を、便宜上例示的に説明したが、第１の実施の形態に係る電磁波発生装置では、擬似位相整合素子１９をほとんど回転させることなく、０．３〜２ＴＨｚのテラヘルツ波を擬似位相整合素子１９から出射することが可能である。
【００３４】
よって、第１の実施の形態に係る電磁波発生装置においては、図１に示した基本コンセプトに係る電磁波発生装置の説明で用いたステージコントローラ３２をパーソナルコンピュータ１１により制御することや、図１に示した基本コンセプトで説明した回転ステージ５７そのものを省略しても良い。又、以下の第１の実施の形態に係る電磁波発生装置の説明では、０．３〜２ＴＨｚの範囲において、擬似位相整合素子１９から出射するテラヘルツ波の分散の範囲は、３．０°〜３．５°程度以下の小さな値に設定できるので、図１に示した基本コンセプトに係る電磁波発生装置の構成において、電磁波検出器３４の位置を所定の位置に固定でき、且つ、擬似位相整合素子１９と電磁波検出器３４との間に、図２７に示したような、非軸放物面鏡７ａ，７ｂを用いる必要もない。
【００３５】
先ず、第１の実施の形態に係る電磁波発生装置の擬似位相整合素子１９として用いるＰＰＫＴＰ結晶のテラヘルツ波透過特性を調べた結果を図１３に示す。図１３の測定では、広帯域出力可能なテラヘルツ波放射源を使い、厚さ４６５μｍのＫＴＰ基板に対して透過特性の計測を行った。図１３に示すように、０．５〜２ＴＨｚの領域において比較的高い透過性が観測された。それ以下の周波数範囲では、光源の制約上測定できなかったが、ＫＴＰ基板は、少なくとも０．３ＴＨｚまでは透明であると推定される。
【００３６】
第１の実施の形態に係る電磁波発生装置における差周波発生によるテラヘルツ波の周波数幅は、擬似位相整合素子１９のテラヘルツ波の透過性特性を考慮して決めれば良い。よって、第１の実施の形態として例示するように、擬似位相整合素子１９が、ＰＰＫＴＰ結晶であれば、対象振動数領域を０．３〜２ＴＨｚに設定できる。尚、図１３に示す透過スペクトルのファブリーペロー干渉縞から、テラヘルツ波のＰＰＫＴＰの屈折率ｎTHz＝３．３９３と計算される。図１４〜図２０にデータでは、ＰＰＫＴＰの屈折率ｎTHz＝３．３９３の値を用いて計算している。但し、上述の基本コンセプトに係る電磁波発生装置の説明から理解できるように、より小さな吸収率や屈折率ｎTHzを持つ擬似位相整合素子１９を用いることにより、より実現可能で扱いやすい差周波発生を用いた電磁波発生装置が実現可能である。
【００３７】
図１に示すように、第１の実施の形態に係る電磁波発生装置では、第１のポンプ光ｈν1を出射する第１のポンプ光出射部２４と、第１のポンプ光ｈν1とは異なる波長の第２のポンプ光ｈν2を、波長可変で出射する第２のポンプ光出射部２５との２つのポンプ光ｈν1．ｈν２の相互作用により差周波を発生させる。第１のポンプ光ｈν1の波長は１．２１μｍに固定し、第２のポンプ光ｈν2は１．１９９μｍ〜１．２２１μｍに調整される。尚、Ｃｒ添加フォルステライトレーザは第１の実施の形態に係る電磁波発生装置で使用するレーザの波長帯を完全に網羅している。周期的な分極反転構造を持つ擬似位相整合素子１９の分極反転の周期Λは６μｍである。
【００３８】
擬似位相整合素子１９の周期的な分極反転構造に由来する光子運動量をベクトルｋLで示し、テラヘルツ波の波数ベクトルをベクトルｋTとし、第１のポンプ光ｈν1の波数ベクトルをベクトルｋp1で示し、第２のポンプ光ｈν2の波数ベクトルをベクトルｋp2で表現すれば、擬似位相整合での運動量保存則は式（７）で示される：
ベクトルｋp1−ベクトルｋp2＝ベクトルｋT＋ベクトルｋL…（７）
式（７）の関係は、図８に示される。
【００３９】
第１のポンプ光ｈν1のベクトルｋp1は、この波長領域での屈折率ｎTHz＝１．７４５として、ベクトルｋp1＝２ｎπ／λp1により計算し、波長１．２１μｍで固定としているので、９．０６μｍ−１で固定である。一方、第２のポンプ光ｈν2のベクトルｋp2は、第２のポンプ光出射部２５の波長をレーザコントローラ３１を介してパーソナルコンピュータ１１により制御することにより、波長１．１９９μｍから１．２２１μｍまで変化することにより、この波長領域での屈折率ｎTHz＝１．７４５として、ベクトルｋp2＝２ｎπ／λp2により計算されるので、８．９８７μｍ−１から９．１４５μｍ−１ まで変化する。尚、図８に示すとおり、運動量ベクトルベクトルｋp1は平行線上にある。
【００４０】
第１の実施の形態に係る電磁波発生装置で扱う内部交叉角度θは、すべてベクトルｋp1から見た内角であり、又その角度は擬似位相整合素子１９中での内部交叉角度θである。これ以降は、特に何も示さない限り、計算により得た内部交叉角度θは擬似位相整合素子１９中での角度を意味している。式（７）の右辺のベクトルｋLの値（〜１μｍ−１）は、擬似位相整合素子１９の分極反転の周期Λ＝６μｍの値を使って、ベクトルｋL＝２π／Λと導出される。一方、テラヘルツ波の波数ｋTは、差周波の運動量ベクトルベクトルの絶対値であるので、以下の式（８）のように表現できる：
ｋT ≒ ABS(ベクトルｋp1−ベクトルｋp2) …（８）
ここでABS(ベクトルｋp1−ベクトルｋp2) は、(ベクトルｋp1−ベクトルｋp2) の絶対値を表す。
【００４１】
式（８）のベクトルｋTの軌跡は、図８に半径がベクトルｋTａ＝ベクトルｋTｂの円として描かれている。擬似位相整合素子１９の配置が容易になっていることが明らかになっている。ベクトルｋTａ，ベクトルｋTｂの半径が式（８）により決定され、ベクトルｋTａ，ｋTｂのそれぞれの矢印の付け根（つまり半径ｋTａ，ｋTｂの円の中心）はベクトルｋp2のベクトルの終点に位置している。一方、分極反転構造に由来するベクトルｋLａ，ｋLｂを表す円の付け根（つまり半径ｋLａ，ｋLｂの円の中心）はベクトルｋp1のベクトルの終点にそれぞれ位置している。
【００４２】
擬似位相整合素子１９の周期的な分極反転構造に由来する光子運動量を表すベクトルｋLａ，ｋLｂは、テラヘルツ波の波数ベクトルｋTａ，ｋTｂとは異なり、擬似位相整合素子１９の分極反転の周期Λ＝６μｍにより決まるので、１μｍ−１の値を持つ定数であり、２つの円の交点は位相整合条件を満足する点である。図８から、半径ｋLａ，ｋLｂと半径ｋTａ，ｋTｂの２つの円が互いに接して交点が１つとなる場合を除いては、一般的に交点は２つ存在している。従って、図８に示すように、二とおりの交点が定義され、一方の交点でベクトルｋLａとベクトルｋTａとが定義され、他方の交点でベクトルｋLｂとベクトルｋTｂが、それぞれ定義される。図８から、擬似位相整合素子１９の分極反転の周期Λの大きさの上限はテラヘルツ波の波長程度、即ち、例えば、１ｍｍ（０．３ＴＨｚ）程度の値にすることが好ましいことが分かる。擬似位相整合素子１９の分極反転の周期Λを、テラヘルツ波の波長程度を越えて、更に大きくすると、図８に示すベクトルｋLａ，ｋLｂが小さくなり、従来の擬似位相整合素子１９を用いない差周波発生のベクトル図との差が無くなり、本発明の特徴が失われることになる。一方、分極反転の周期Λの下限は、擬似位相整合素子１９の製造技術によっても制限されるが、あまり微細化することも好ましくない。分極反転の周期Λの値が０．７μｍ程度まで小さくなると、第１のポンプ光ｈν1の波数ベクトルｋp1、及び第２のポンプ光ｈν2の波数ベクトルｋp2と同じ大きさに、ベクトルｋLａ，ｋLｂの絶対値が大きくなる。この場合、図８から理解できるように、運動量を保存するためには、ほぼ正三角形のベクトル合成図になり、励起２波の波数ベクトルｋp1と波数ベクトルｋp2との角度が６０°くらいとなり、ビームの重なりが小さくなり、都合がよくない。よって、擬似位相整合素子１９の分極反転の周期Λの下限は、励起光の波長よりも大きな値を選ぶことが好ましい。
【００４３】
図９は、図８で定義した第１の実施の形態に係る電磁波発生装置の分極反転構造に由来するベクトルｋLａ、及びテラヘルツ波の波数ベクトルｋTａのそれぞれを、擬似位相整合素子１９、第１のポンプ光ｈν1の波数ベクトルｋp1、及び第２のポンプ光ｈν2の波数ベクトルｋp2と共に示す図であり、図１０は、図８で定義した、第１の実施の形態に係る電磁波発生装置の分極反転構造に由来するベクトルｋLｂ及びテラヘルツ波の波数ベクトルｋTbのそれぞれを、擬似位相整合素子１９、第１のポンプ光ｈν1の波数ベクトルｋp1、及び第２のポンプ光ｈν2の波数ベクトルｋp2と共に示す図である。図９及び図１０に示すように、第１の実施の形態に係る電磁波発生装置においては、擬似位相整合素子１９から発生するテラヘルツ波の波数ベクトルｋTａ，ｋTｂの進路方向が２パターン存在する。よって、第１の実施の形態に係る電磁波発生装置の設計においては、システムが要求する仕様に応じて、テラヘルツ波の波数ベクトルｋTａの進路方向、又は、テラヘルツ波の波数ベクトルｋTｂの進路方向のいずれかを選択可能である。
【００４４】
第２のポンプ光出射部２５の波長を、レーザコントローラ３１を介してパーソナルコンピュータ１１が制御して、第２のポンプ光ｈν2の波長が、１．１９９μｍから１．２２１μｍまで変化することにより、第２のポンプ光ｈν2の波数ベクトルｋp2の値は、８．９７７μｍ−１から９．１４５μｍ−１に変化する。第２のポンプ光ｈν2の波数ベクトルｋp2の値が、８．９７７μｍ−１から９．１４５μｍ−１に変化するにつれて、図１１及び図１２に示すように、異なる波数ベクトルｋp2のベクトルのそれぞれの終点に、円の中心がそれぞれ位置するように、異なる半径ｋTの円がそれぞれ描かれる。
【００４５】
図１１に示すように、ベクトルｋp1がベクトルｋp2よりも大きい場合（ベクトルｋp2＜ベクトルｋp1）は、８．９７７μｍ−１から９．１４５μｍ−１の範囲で変化する波数ベクトルｋp2のベクトルのそれぞれの終点に、円の中心がそれぞれ位置するように、異なる半径ｋTの円がそれぞれ描かれ、異なる半径ｋTの円が、それぞれ、分極反転構造に由来するベクトルｋLの円と異なる点で交わる。一方、分極反転構造に由来するベクトルｋLを表す円の付け根（つまり一定半径ｋLの円の中心）は、ベクトルｋp1のベクトルの終点に位置している。このことは、差周波発生による生成したテラヘルツ波の波数ベクトルｋTの絶対値や方向が、第２のポンプ光ｈν2の波数ベクトルｋp2の値によって、変化することを示唆している。更に、第２のポンプ光ｈν2の波数ベクトルｋp2の値が、第１のポンプ光ｈν1の波数ベクトルベクトルｋp1に近づくにつれ、テラヘルツ波の波数ベクトルｋTの円の半径、つまりベクトルｋTの絶対値が徐々に小さくなっていくことが予測される。従って、ベクトルｋp1 @ ベクトルｋp2のとき（ベクトルｋTが０に限りなく近いとき）ベクトルｋp1とベクトルｋp2の間の内部交叉角度θの値によっては、図１４に示すように位相整合が満たされない場合が起こりうる。
【００４６】
図１２に示すように、ベクトルｋp1がベクトルｋp2よりも小さい場合（ベクトルｋp2＞ベクトルｋp1）も、図１１と同様に、波数ベクトルｋp2のベクトルのそれぞれの終点に、円の中心がそれぞれ位置するように、異なる半径ｋTの円がそれぞれ描かれるので、異なる半径ｋTの円が、それぞれ、分極反転構造に由来するベクトルｋLの円と異なる点で交わる。図１２においても、分極反転構造に由来するベクトルｋLを表す円の付け根は、ベクトルｋp1のベクトルの終点に位置している。図１２に示すベクトルｋp1がベクトルｋp2よりも小さい場合も、図１１と同様に、差周波発生による生成したテラヘルツ波の波数ベクトルｋTの絶対値や方向が、第２のポンプ光ｈν2の波数ベクトルｋp2の値によって、変化することが分かる。図１１の場合と同様に、第２のポンプ光ｈν2の波数ベクトルｋp2の値が、第１のポンプ光ｈν1の波数ベクトルベクトルｋp1に近づくにつれ、テラヘルツ波の波数ベクトルｋTの円の半径が徐々に小さくなっていくことが予測されるので、ベクトルｋp1 @ ベクトルｋp2のときは、ベクトルｋp1とベクトルｋp2の間の内部交叉角度θの値によっては、位相整合が満たされない場合が起こりうる。
【００４７】
図１４は、擬似位相整合素子１９にＰＰＫＴＰ結晶を用いたとき、内部交叉角度θ＝〜７．４４°とした場合について、図１１及び図１２を拡大して示したものである。但し、図１４は、図１１に示したベクトルｋp1がベクトルｋp2よりも大きい場合（ベクトルｋp2＜ベクトルｋp1）と図１２に示したベクトルｋp1がベクトルｋp2よりも小さい場合（ベクトルｋp2＞ベクトルｋp1）の２つの図を合成した図の拡大図に相当する。図１４に示すように内部交叉角度θ＝〜７．４４°の場合は、擬似位相整合素子１９の分極反転構造に由来するベクトルｋLは、第２のポンプ光ｈν2のベクトルｋp2と接しなくなるので、内部交叉角度θの値が位相整合範囲角を超えている場合に相当する。図１４の左側の破線で示した最も半径の大きな円は、テラヘルツ波の周波数が８．８１ＴＨｚの場合の波数ベクトルｋTを示す。又、図１４の左側の破線で示した円の内側の２点鎖線で示した２番目に半径の大きな円は、テラヘルツ波の周波数が６．１５ＴＨｚの場合の波数ベクトルｋTを示し、左側の２点鎖線で示した円の内側の１点鎖線で示した３番目に半径の大きな円は、テラヘルツ波の周波数が３．３７ＴＨｚの場合の波数ベクトルｋTを示す。これらテラヘルツ波の周波数が８．８１ＴＨｚ，６．１５ＴＨｚ，３．３７ＴＨｚの３本の波数ベクトルｋTを示す円は、分極反転構造に由来するベクトルｋLを表す円に交わり、擬似位相整合条件が存在する。しかしながら、図１４の左側において、１点鎖線で示した円の更に内側に、実線で示した最も半径が小さい円は、分極反転構造に由来するベクトルｋLを表す円との交点がなく、擬似位相整合条件が満たされなくなってしまうことが分かる。
【００４８】
同様に、図１４の右側の破線で示した最も半径の大きな円は、テラヘルツ波の周波数が１２．７４ＴＨｚの場合の波数ベクトルｋTを示す。又、図１４の右側の破線で示した円の内側の２点鎖線で示した２番目に半径の大きな円は、テラヘルツ波の周波数が９．１９ＴＨｚの場合の波数ベクトルｋTを示し、右側の２点鎖線で示した円の内側の３番目に半径の大きな１点鎖線で示した円は、テラヘルツ波の周波数が５．８２ＴＨｚの場合の波数ベクトルｋTを示す。これらテラヘルツ波の周波数が１２．７４ＴＨｚ，９．１９ＴＨｚ，５．８２ＴＨｚの３本の波数ベクトルｋTを示す円は、分極反転構造に由来するベクトルｋLを表す円に交わり、擬似位相整合条件が存在する。しかしながら、図１４の左側において、１点鎖線で示した円の更に内側に、実線で示した最も半径が小さい円は、分極反転構造に由来するベクトルｋLを表す円との交点がなく、擬似位相整合条件が満たされなくなってしまうことが分かる。この様に、内部交叉角度θの値が大きくなり、位相整合範囲角を超えた場合は、特に、テラヘルツ波の波数ベクトルｋTを示す円の半径がある値より小さな場合、擬似位相整合条件が満たされなくなってしまうことが分かる。
【００４９】
同様に、図１５は、分かりやすいように、擬似位相整合素子１９にＰＰＫＴＰ結晶を用いたとき、内部交叉角度θ＝〜６．３４°となる場合について、図１１及び図１２を拡大して示したものである。図１４と同様に、図１５は、図１１に示したベクトルｋp1がベクトルｋp2よりも大きい場合（ベクトルｋp2＜ベクトルｋp1）と図１２に示したベクトルｋp1がベクトルｋp2よりも小さい場合（ベクトルｋp2＞ベクトルｋp1）の２つの図を合成した図の拡大図に相当する。図１４に示した場合と異なり、図１５に示すように内部交叉角度θ＝〜６．３４°の場合は、擬似位相整合素子１９の分極反転構造に由来するベクトルｋLは、第２のポンプ光ｈν2のベクトルｋp2と接しているので、内部交叉角度θの値が位相整合範囲角の範囲内に存在する場合に相当する。即ち、第１のポンプ光ｈν1の波数ベクトルｋp1が９．０６μｍ−１のとき、分極反転構造に由来するベクトルｋLとテラヘルツ波の波数ベクトルｋTが丁度接するときの内部交叉角度θの値が、図１５にあるように〜６．３４°である。図１５の左側の破線で示した最も半径の大きな円は、テラヘルツ波の周波数が８．８１ＴＨｚの場合の波数ベクトルｋTを示し、破線で示した円の内側の２点鎖線で示した２番目に半径の大きな円は、テラヘルツ波の周波数が６．１５ＴＨｚの場合の波数ベクトルｋTを示し、２点鎖線で示した円の内側の１点鎖線で示した３番目に半径の大きな円は、テラヘルツ波の周波数が３．３７ＴＨｚの場合の波数ベクトルｋTを示し、１点鎖線で示した円の更に内側に、実線で示した最も半径が小さい円は、テラヘルツ波の周波数が０．４５ＴＨｚの場合の波数ベクトルｋTを示す。これら図１５の左側のテラヘルツ波の周波数が８．８１ＴＨｚ，６．１５ＴＨｚ，３．３７ＴＨｚ，０．４５ＴＨｚの４本の波数ベクトルｋTを示す円は、すべて、分極反転構造に由来するベクトルｋLを表す円に交わり、擬似位相整合条件が存在する。
【００５０】
一方、図１５の右側の破線で示した最も半径の大きな円は、テラヘルツ波の周波数が１２．７４ＴＨｚの場合の波数ベクトルｋTを示し、破線で示した円の内側の２点鎖線で示した２番目に半径の大きな円は、テラヘルツ波の周波数が９．１９ＴＨｚの場合の波数ベクトルｋTを示し、２点鎖線で示した円の内側の１点鎖線で示した３番目に半径の大きな円は、テラヘルツ波の周波数が５．８２ＴＨｚの場合の波数ベクトルｋTを示し、１点鎖線で示した円の更に内側に、実線で示した最も半径が小さい円は、テラヘルツ波の周波数が２．６１ＴＨｚの場合の波数ベクトルｋTを示す。これら図１５の右側のテラヘルツ波の周波数が１２．７４ＴＨｚ，９．１９ＴＨｚ，５．８２ＴＨｚ，２．６１ＴＨｚの４本の波数ベクトルｋTを示す円は、すべて、分極反転構造に由来するベクトルｋLを表す円に交わり、擬似位相整合条件が存在することが分かる。この様に、内部交叉角度θの値が位相整合範囲角の範囲内にある場合は、テラヘルツ波の波数ベクトルｋTを示す円の半径がある値より小さな場合であっても、常に、擬似位相整合条件を満たすことが分かる。
【００５１】
同様に、内部交叉角度θの値が小さくなり、最適値よりも小さくなった場合、図１４と同じ状況が起こり、擬似位相整合条件が満たされなくなってしまうことが分かる。いずれにせよ、図１４及び図１５に示したとおり、テラヘルツ波の波数ベクトルｋTの軌跡を示す円が、分極反転構造に由来するベクトルｋLの軌跡を示す円と接する場合を除いて、擬似位相整合を満足できる点が、ベクトルｋp2＜ベクトルｋp1の場合と、ベクトルｋp2＞ベクトルｋp1の場合で２点あるので、あるベクトルｋp2の値に対し、二とおりの擬似位相整合条件が存在するということが分かる。
【００５２】
更に、図１４及び図１５から分かるとおり、ベクトルｋp2＜ベクトルｋp1の場合のベクトルｋTの軌跡を示す左側の円と、ベクトルｋp2＞ベクトルｋp1の場合のベクトルｋTの軌跡を示す右側とが外接する位置を基準として、ベクトルｋp2＜ベクトルｋp1の場合と、ベクトルｋp2＞ベクトルｋp1の場合の２つの場合のそれぞれに関し、外接位置から遠方側のベクトルｋTの擬似位相整合条件と、外接位置に近接側のベクトルｋTの擬似位相整合条件で、二とおりの擬似位相整合条件が分類される。即ち、図８では、ベクトルｋp2＜ベクトルｋp1の場合について、半径ｋTａ＝ｋTｂの円と、半径ｋLａ＝ｋLｂを表す円の二とおりの交点に対応して、それぞれ左側にベクトルｋLａとベクトルｋTａとを定義し、右側にベクトルｋLｂとベクトルｋTｂを定義したが、同様に、ベクトルｋp2＞ベクトルｋp1の場合についても、ベクトルｋp1とベクトルｋp2との交差点から見て、遠方側のテラヘルツ波の波数ベクトルｋTの擬似位相整合条件と、近接側のテラヘルツ波の波数ベクトルｋTの擬似位相整合条件の分類ができる。このことは、図１４及び図１５において、ベクトルｋp2＜ベクトルｋp1の場合も、ベクトルｋp2＞ベクトルｋp1の場合も、それぞれ、２つの円の外接位置から見てほぼ対称的に、外側（両側）にできる交点での擬似位相整合条件（外側整合条件）と、内側（外接位置の近傍）にできる交点での擬似位相整合条件（内側整合条件）が定義できる。
【００５３】
図１７（ａ）は、ｘ軸の正の方向に平行なベクトルｋp1を基準にして、テラヘルツ波の波数ベクトルｋTの角度が定義される方向を示し、図１７（ｂ）は、同じくｘ軸の正の方向に平行なベクトルｋp1を基準にして擬似位相整合素子１９の分極反転構造に由来するベクトルｋLの傾きの角度φが定義される方向を示す。ここで、ベクトルｋLの方向自身は、分極反転構造が周期的に配列される方向として定義される。即ち、ベクトルｋLの方向は、図２，図５等に例示した分極反転構造を規定するストライプに垂直となる方向に定義される。図１７に定義したベクトルｋLの傾きの角度（ｋL角）を横軸に、 最適化した内部交叉角度θ＝６．３４°の場合について、図１６の縦軸に位相整合条件を満足する０．３〜２ＴＨｚ領域のテラヘルツ波の周波数を示す（図１６において、屈折率ｎTHz＝３．９３としている。）図１６に示したとおり、ベクトルｋLの傾きの角度（ｋL角）の分散（角度の変化量）は、０．３〜２ＴＨｚの全領域において、両側に△印でプロットした外側整合条件の方が、中央に□印でプロットした内側整合条件の分散に比べて、非常に大きいことが分かる。
【００５４】
図１６の左右対称に近い△印でプロットした外側整合条件は、左側がベクトルｋp2＞ベクトルｋp1の場合の擬似位相整合条件に対応し、右側がベクトルｋp2＜ベクトルｋp1の場合の擬似位相整合条件に対応している。ベクトルｋp2＞ベクトルｋp1の場合はテラヘルツ波の周波数が増大するとｋL角が減少し、ベクトルｋp2＜ベクトルｋp1の場合はテラヘルツ波の周波数が増大するとｋL角が増大することは、図１５からも理解できる。ちなみに、図１６の対称点はベクトルｋp1@ベクトルｋp2の場所である。
【００５５】
図１６から分かるとおり、第１の実施の形態に係る電磁波発生装置においては、図１５の２次元ベクトル図の外側整合条件における擬似位相整合条件を満足するテラヘルツ波の周波数領域は、図１５の２次元ベクトル図の内側整合条件でも同様に満足でき得る。それ故、第１の実施の形態に係る電磁波発生装置では、第１のポンプ光ｈν1と第２のポンプ光ｈν2との差周波数として発生するテラヘルツ波の、ある周波数領域を無駄にすることなく、ただ、図１５の２次元ベクトル図の内側整合条件のみを考慮してシステムを設計すれば良い。更に、第１の実施の形態に係る電磁波発生装置においては、図１５の２次元ベクトル図の内側整合条件のみを考えることにより、より簡単で実行可能な設計が期待できる。即ち、擬似位相整合素子１９の周期的な分極反転構造に由来するベクトルｋLの角度分散を最小に抑えることが可能なので、考慮しているテラヘルツ波の周波数領域においては、図１に示したステージコントローラ３２を介した回転ステージ５７による駆動が、擬似位相整合素子１９の回転を最小にできるという有利な効果を奏することが可能である。尚、第１のポンプ光ｈν1及び第２のポンプ光ｈν2に用いるレーザのビーム広がり角は、一般に１ｍｒａｄ（≒０．０５７３°）程度である。一方、図１６から、図１に例示した回転ステージ５７で必要とされる回転角は、ビーム広がりよりも小さな値であることが分かるので、回転ステージ５７で擬似位相整合素子１９を回転させる必要はなくなるので、回転ステージ５７を省略しても良い。したがって、第１の実施の形態に係る電磁波発生装置においては、場合によっては、図１に示したステージコントローラ３２や回転ステージ５７を省略可能であるというという有利な効果を奏することが可能である。
【００５６】
図１８は、図１６の中央に□印でプロットした内側整合条件の部分を拡大して示した図である。図１６では図１３に示したＰＰＫＴＰの透過率を考慮して、２ＴＨｚまでしかプロットしていないが、図１８では、より一般化して、内部交叉角度θ＝６．３４°の場合において、擬似位相整合素子１９が２ＴＨｚ以上の高周波領域に透明である場合について、プロットしている。図１８から、図１５の２次元ベクトル図の内側整合条件における擬似位相整合条件を満足するベクトルｋLの傾きの角度（ｋL角）の値の範囲は約０．００７°であることが分かる。
【００５７】
図１８によれば、差周波発生によるテラヘルツ波の周波数領域の中で、２７３．１６２７°〜２７３．１６３６°のベクトルｋLの傾きの角度（ｋL角）が、空白のバンドギャップを示すことが分かるが、このバンドギャップは、２７３．１６２７°〜２７３．１６３６°のｋL角の領域においては、擬似位相整合が成り立たないことを示している。バンドギャップとなるｋL角が、２７３．１６２７°〜２７３．１６３６°の領域は、波数ベクトルｋp1@波数ベクトルｋp2付近の波数ベクトルｋLに対応する。図１８の、ほぼ左右対称に近い□印でプロットした内側整合条件は、右側がベクトルｋp2＞ベクトルｋp1の場合の擬似位相整合条件に対応し、左側がベクトルｋp2＜ベクトルｋp1の場合の擬似位相整合条件に対応している。右側のベクトルｋp2＜ベクトルｋp1の場合はテラヘルツ波の周波数が減少するとともにｋL角が増大し、左側のベクトルｋp2＞ベクトルｋp1の場合はテラヘルツ波の周波数が増大するとｋL角が増大することは、図１５からも理解できる。
【００５８】
図１８から、第１の実施の形態に係る電磁波発生装置の設計を行う際、右側のベクトルｋp2＞ベクトルｋp1及び左側のベクトルｋp2＜ベクトルｋp1の２つのケースうち、どちらか一方だけを選んだとしても、得られるテラヘルツ波周波数帯は変わらないことが分かる。よって、どちらか一方だけを選ぶことにより、擬似位相整合素子１９の分極反転構造に由来するベクトルｋLの傾きの角度（ｋL角）の範囲は、更に０．００３５°に小さくすることが可能となる。図１８の極狭いｋL角の範囲に限定された変化を鑑みれば、システム構成の観点から、第１の実施の形態に係る電磁波発生装置の設計において、擬似位相整合素子１９を大きく回転させる必要がないか、 図１に示したステージコントローラ３２や回転ステージ５７を省略可能であるということが理解できる。即ち、第１のポンプ光ｈν1及び第２のポンプ光ｈν2に用いるレーザのビーム広がり角は、上述したように、一般には、１ｍｒａｄ（≒０．０５７３°）程度である。一方、図１８から、図１に例示した回転ステージ５７で必要とされる回転角は、ビーム広がりよりも遙かに小さな値とすることが可能であることが分かるので、回転ステージ５７で擬似位相整合素子１９を回転させる必要はなくなるからである。図１８から、内部交叉角度θ＝６．３４°の場合は、約１２ＴＨｚまでは位相整合条件を満たすことが分かるが、内部交叉角度θを更に角度θを大きく設定すれば、１２ＴＨｚ以上まで位相整合条件を満たすようにできる。
【００５９】
図８，図１１，図１２，図１４及び図１５等から分かるように、擬似位相整合素子１９の分極反転構造に由来するベクトルｋLに対して、それに対応する方向を持ったテラヘルツ波の波数ベクトルｋTが一対一で存在する。テラヘルツ波の波数ベクトルｋTの値の範囲は分極反転構造に由来するベクトルｋLと同様に重要である。なぜなら、テラヘルツ波の波数ベクトルｋTをテラヘルツ波発生源と考えた場合、発生するテラヘルツ波の角度分散はできるだけ小さい方が好ましいからである。従来は、図２７に示したような電磁波発生装置を用いて周波数調整を行うときには、第２のポンプ光ｈν2の波長、２つのポンプ光ｈν1，ｈν2間の外部交叉角度θ inext、第２の非軸放物面鏡７ｂの位置を同時に制御する必要があり、非常に複雑なシステム構成が必要で、実際に、常に、差周波発生条件を満足させることは困難であった。図１９は、ベクトルｋp2＞ベクトルｋp1の場合における、分極反転構造に由来するベクトルｋLの傾きの角度（ｋL角）及びテラヘルツ波の波数ベクトルｋTの方向角の値を３Ｄプロットにしたものであるが、図１５の２次元ベクトル図の内側整合条件だけをその対象としている。一方、図２０は、図１５の２次元ベクトル図の内側整合条件におけるベクトルｋp2＜ベクトルｋp1の場合における、分極反転構造に由来するベクトルｋLの傾きの角度（ｋL角）及びテラヘルツ波の波数ベクトルｋTの方向角の値を３Ｄプロットにしたものである。
【００６０】
図１９から、２７３．１６３６°〜２７３．１６６４°の僅かなベクトルｋLの方向角の範囲の変化に対応するベクトルｋTの方向角の値の範囲は３．５°未満であり、図２０から、２７３．１６４°〜２７３．１８７°の僅かなベクトルｋLの方向角の範囲の変化に対応するベクトルｋTの方向角の値の範囲は３．０°未満であることが分かる。既に述べたとおり、ベクトルｋLの傾きの角度（ｋL角）及びテラヘルツ波の波数ベクトルｋTの方向角の値は、擬似位相整合素子１９の中のテラヘルツ波伝播に対して定義される値であり、屈折効果は考慮に入れていない。しかしながら、ベクトルｋLの傾きの角度（ｋL角）及びテラヘルツ波の波数ベクトルｋTの方向角の値の範囲は大変小さいものであるので、自由空間であっても、屈折率効果はテラヘルツ波の発生方向の方向角に少々の補正を加えれば十分である。
【００６１】
第１の実施の形態に係る電磁波発生装置において、発生したテラヘルツ波のスペクトル純度は、ベクトルｋp2の調節分解能、励起レーザの線幅、擬似位相整合素子１９の角度分解能によってのみ制限される。式（３）に示したとおり、第１のポンプ光ｈν1と第２のポンプ光ｈν2との２つのレーザ光の間の擬似位相整合素子１９の外部交叉角度δは、擬似位相整合素子１９内の内部交叉角度θと屈折率の関係上異なったものである。更に、内部交叉角度θは擬似位相整合素子１９が回転するにつれて変化するが、その変化は、擬似位相整合素子１９を５°回転させたところで、内部交叉角度θの値は０．０２°以上変化しないことが計算で確認されている。この様な内部交叉角度θの値の小さな変化は、第１のポンプ光ｈν1と第２のポンプ光ｈν2のどちらか一方の励起レーザ光のビーム径の円形上の焦点調節でカバーできる。
【００６２】
以上のように、第１の実施の形態に係る電磁波発生装置によれば、擬似位相整合素子１９にＰＰＫＴＰ結晶を用いたとき、第１のポンプ光ｈν1と第２のポンプ光ｈν2の２つのレーザビームを〜６．３４°の内部交叉角度θで、擬似位相整合素子１９に入射させれば、０．３〜２ＴＨｚの周波数領域内での狭帯域のテラヘルツ波の電磁波を発生させることが可能である。即ち、第１の実施の形態に係る電磁波発生装置では、互いに式（３）で関連する外部交叉角度δ又は内部交叉角θを固定した状態で、第２のポンプ光ｈν2の周波数を変えることにより、擬似位相整合素子１９から可変波長のテラヘルツ電磁波を発生させることができる。この第１の実施の形態に係る電磁波発生装置によれば、周期的な分極反転構造を持つ擬似位相整合素子１９を、０．３〜２ＴＨｚのテラヘルツ波の周波数帯内で、テラヘルツ波の周波数を掃引するために、僅か０．００３５°しか回転させる必要がない。即ち、第１のポンプ光ｈν1及び第２のポンプ光ｈν2に用いるレーザのビーム広がり角は、上述したように、一般には、１ｍｒａｄ（≒０．０５７３°）程度であるが、０．００３５°という角度は、ビーム広がりよりも遙かに小さな値であるので、図１に例示した回転ステージ５７で擬似位相整合素子１９を回転させる必要はなくなる。よって、第１の実施の形態に係る電磁波発生装置の現実の構成としては、回転ステージ５７は不要となる。又、差周波として、擬似位相整合素子１９から発生するテラヘルツ波も僅か３．０°〜３．５°程度しか広がらないので、図１に示した基本コンセプトに係る電磁波発生装置の構成において、電磁波検出器３４の位置を固定でき、且つ、電磁波検出器３４の位置を固定した状態において、擬似位相整合素子１９と電磁波検出器３４の間に、図２７に示したような、従来技術において用いられていた非軸放物面鏡７ａ，７ｂを用いる必要もない。よって、第１の実施の形態に係る電磁波発生装置によれば、使用部品の点数を減少させ、極めて簡単且つ安価な構成することが可能になるので、第１の実施の形態に係る電磁波発生装置の工業的な実用可能性は極めて高い。
【００６３】
（第２の実施の形態）
以下の本発明の第２の実施の形態に係る電磁波発生装置の説明では、図１に示した基本コンセプトに係る電磁波発生装置の構成において、擬似位相整合素子１９として周期分極反転ＧａＰ結晶（以下において「ＰＰＧａＰ結晶」という。）を用いた場合を例示する。即ち、装置構成の図示を省略するが、本発明の第２の実施の形態に係る電磁波発生装置は、図１に示したのと同様に、第１のポンプ光ｈν1を出射する第１のポンプ光出射部２４と、第１のポンプ光ｈν1とは異なる波長の第２のポンプ光ｈν2を、波長可変で出射する第２のポンプ光出射部２５と、周期的な分極反転構造を有し、第１のポンプ光ｈν1と第２のポンプ光ｈν2との差周波数の電磁波を生成するＰＰＧａＰからなる擬似位相整合素子１９と、第１のポンプ光ｈν1と第２のポンプ光ｈν2との外部交叉角度δ及び内部交叉角θを調整して固定し、第１のポンプ光ｈν1及び第２のポンプ光ｈν2をＰＰＧａＰからなる擬似位相整合素子１９に入射させる光学系（Ｍ6，１８）とを備える。ここで、外部交叉角度δ はＰＰＧａＰからなる擬似位相整合素子１９の外部における第１のポンプ光ｈν1と第２のポンプ光ｈν2との交叉角度であって、ＰＰＧａＰからなる擬似位相整合素子１９の内部の交叉角度である内部交叉角度θとは、既に説明した式（３）で示した関係を有する。テラヘルツ波のＰＰＧａＰの屈折率ｎTHz＝３．４であり、ポンプ光周波数（λ＝１．５５μｍ）でのＰＰＧａＰの屈折率ｎL ＝３．０５５である。
【００６４】
ＰＰＧａＰからなる擬似位相整合素子１９としては、分極反転の周期Λを６μｍとし、例えば、図２に示したようなコヒーレンス長ｌcごとにＧａＰ結晶の分極方向を周期的に反転させた構造や、図５（ｂ）に示したような２つの櫛形状のＧａＰ基板１９ａ，１９ｂを貼り合わせて作成しても良く、或いは、図６に示したように分極ＭのＧａＰ基板１９２の表面に、この表面に垂直方向の断面形状が円弧状であり、分極方向Ｎが、分極Ｍとは反対方向であるＧａＰ領域１９３を、周期Λで、板面方向に周期的にストライプ状に埋め込んだ構造で周期分極反転構造を構成しても良い。即ち、第２の実施の形態に係る電磁波発生装置に用いるＰＰＧａＰからなる擬似位相整合素子１９は、ＧａＰ結晶の分極（Ｍ，Ｎ）が周期的に反転した構造であれば種々の周期分極反転構造が採用可能であり、又、その製造方法も種々の方法が採用可能である。
【００６５】
図１に示したのと同様に、第２の実施の形態に係る電磁波発生装置は、更に、シリコンボロメータやＤＴＧＳ赤外光検出器のようなテラヘルツ帯の電磁波検出器３４を備え、電磁波検出器３４を固定した状態で、ＰＰＧａＰからなる擬似位相整合素子１９から出射したテラヘルツ帯の電磁波は電磁波検出器３４で検出できる。電磁波検出器３４は、電圧計３３に接続され、電圧計３３は、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）１１に接続されて、電磁波検出器３４が検知したテラヘルツ帯の電磁波に依拠した電気信号に対し、演算処理が可能なように構成されている。ＰＰＧａＰからなる擬似位相整合素子１９から出射するテラヘルツ帯の電磁波は、一定方向に出射するので、擬似位相整合素子１９と電磁波検出器３４の間に、図２７に示したような、従来技術において用いられていた非軸放物面鏡７ａ，７ｂを用いる必要もない。
【００６６】
光学系（Ｍ6，１８）は、図１に示したのと同様に、ミラーＭ6及び偏光ビームスプリッタ１８から構成することが可能である。図１に示す光学系（Ｍ6，１８）の配置により、第２のポンプ光出射部２５から出射した信号光（第２のポンプ光）ｈν2を偏光ビームスプリッタ１８を透過させ、第１のポンプ光出射部２４から出射したポンプ光（第１のポンプ光）ｈν1は、ミラーＭ6を用いて、垂直方向から入射させて偏光ビームスプリッタ１８の偏光面で反射させ、平行に近い微小な外部交叉角度δで、ポンプ光（第１のポンプ光）ｈν1及び信号光（第２のポンプ光）ｈν2を、ＰＰＧａＰからなる擬似位相整合素子１９内で結合させることができる。
【００６７】
尚、第２の実施の形態に係る電磁波発生装置は、図１に示したのと同様に、擬似位相整合素子１９は、回転ステージ５７に搭載され、回転ステージ５７は、ステージコントローラ３２による駆動されるようにすることも可能ではあるが、ＰＰＧａＰからなる擬似位相整合素子１９をほとんど回転させることなく、０．３〜７ＴＨｚのテラヘルツ波放射源が設計可能であるので、回転ステージ５７を省略することも可能である。第１の実施の形態に係る電磁波発生装置で説明したとおり、第１のポンプ光ｈν1及び第２のポンプ光ｈν2に用いるレーザのビーム広がり角は、一般には、１ｍｒａｄ（≒０．０５７３°）程度であり、これに対し、回転ステージ５７で必要とされる回転角は、ビーム広がりよりも小さな値であるので、第２の実施の形態に係る電磁波発生装置においても、同様に、回転ステージ５７で擬似位相整合素子１９を回転させる必要はなくなるからである。
【００６８】
第２の実施の形態に係る電磁波発生装置に用いる第１のポンプ光出射部２４は、例えば、第１のポンプ光ｈν1を出射するＣｒ添加フォルステライトレーザ、Ｙｂ添加ＹＬＦレーザ、Ｙｂ添加ファイバレーザのいずれかからなる第１のポンプ光ｈν1源を備え、第２のポンプ光出射部２５は、例えば、第２のポンプ光ｈν2を出射するＣｒ添加フォルステライトレーザ、Ｙｂ添加ＹＬＦレーザ、Ｙｂ添加ファイバレーザのいずれかからなる第２のポンプ光源を備えるようにすることが可能である。この際、第１のポンプ光ｈν1及び第２のポンプ光源をそれぞれ励起し、第１及び第２のポンプ光源から第１のポンプ光ｈν1及び第２のポンプ光ｈν2を出射させる励起光源を更に備えるようにしても良い。或いは、第１のポンプ光出射部２４から波長１．０６４μｍのＹＡＧレーザの出力を第１のポンプ光ｈν1として出射し、第２のポンプ光出射部２５は、インジェクションシーディング機構を有するオプティカルパラメトリックオシレータを備え、オプティカルパラメトリックオシレータをＹＡＧレーザの出力で励起することにより、第２のポンプ光出射部２５からオプティカルパラメトリックオシレータの出力を第２のポンプ光ｈν2として出射するようにしても良い。
【００６９】
第１の実施の形態と同様に、ＰＰＧａＰからなる擬似位相整合素子１９の周期的な分極反転構造に由来する光子運動量をベクトルｋLで示し、テラヘルツ波の波数ベクトルをベクトルｋTとし、第１のポンプ光ｈν1の波数ベクトルをベクトルｋp1で示し、第２のポンプ光ｈν2の波数ベクトルをベクトルｋp2で表現すれば、擬似位相整合での運動量保存則は、既に述べた式（７）で示される。式（７）の右辺のベクトルｋLの値（〜１μｍ−１）は、ＰＰＧａＰからなる擬似位相整合素子１９の分極反転の周期Λ＝６μｍの値を使って、ベクトルｋL＝２π／Λと導出され、テラヘルツ波の波数ｋTも、既に述べた式（８）で表現できる。
【００７０】
２次元ベクトル図の図示を省略するが、式（７）及び（８）から、図１５に示したのと同様に、ベクトルｋp1がベクトルｋp2よりも大きい場合（ベクトルｋp2＜ベクトルｋp1）は、７．０８３μｍ−１から７．３２９μｍ−１の範囲で変化する波数ベクトルｋp2のベクトルのそれぞれの終点に、円の中心がそれぞれ位置するように、異なる半径ｋTの円がそれぞれ描かれ、異なる半径ｋTの円が、それぞれ、分極反転構造に由来するベクトルｋLの円と異なる点で交わる。一方、ＰＰＧａＰの分極反転構造に由来するベクトルｋLを表す円の付け根（つまり一定半径ｋLの円の中心）は、ベクトルｋp1のベクトルの終点に位置している。
【００７１】
第２の実施の形態に係る電磁波発生装置において、内部交叉角度θ＝〜４．８５°とすると、ＰＰＧａＰの分極反転構造に由来するベクトルｋLが、第２のポンプ光ｈν2のベクトルｋp2と接するように構成できるので、内部交叉角度θの値が位相整合範囲角の範囲内に存在する場合に相当する。既に、図１４及び図１５を用いて説明したとおり、外側整合条件と、内側整合条件が定義できる。第２の実施の形態に係る電磁波発生装置においては、外側整合条件における擬似位相整合条件を満足するテラヘルツ波の周波数領域は、内側整合条件でも同様に満足でき得る。それ故、第２の実施の形態に係る電磁波発生装置では、第１のポンプ光ｈν1と第２のポンプ光ｈν2との差周波数として発生するテラヘルツ波の、ある周波数領域を無駄にすることなく、ただ内側整合条件のみを考慮してシステムを設計すれば良い。更に、第２の実施の形態に係る電磁波発生装置においては、内側整合条件のみを考えることにより、より簡単で実行可能な設計が期待できる。
【００７２】
図２１は、第２の実施の形態に係る電磁波発生装置の内側整合条件における、ＰＰＧａＰの分極反転構造に由来するベクトルｋLの傾きの角度（ｋL角）と、擬似位相整合素子１９から発生するテラヘルツ波の周波数の関係を示す図である。 図２１によれば、差周波発生によるテラヘルツ波の周波数領域の中で、２７２．４２３°〜２７２．４２３４°のベクトルｋLの傾きの角度（ｋL角）が、空白のバンドギャップを示すことが分かる。このバンドギャップは、２７２．４２３°〜２７２．４２３４°のｋL角の領域においては、擬似位相整合が成り立たないことを示している。バンドギャップとなるｋL角が、２７２．４２３°〜２７２．４２３４°の領域は、波数ベクトルｋp1@波数ベクトルｋp2付近の波数ベクトルｋLに対応する。図２１の、ほぼ左右対称に近い□印でプロットした内側整合条件は、右側がベクトルｋp2＞ベクトルｋp1の場合の擬似位相整合条件に対応し、左側がベクトルｋp2＜ベクトルｋp1の場合の擬似位相整合条件に対応している。右側のベクトルｋp2＜ベクトルｋp1の場合はテラヘルツ波の周波数が減少するとともにｋL角が増大し、左側のベクトルｋp2＞ベクトルｋp1の場合はテラヘルツ波の周波数が増大するとｋL角が増大することは、式（７）及び（８）からから理解できる。
【００７３】
図２１から、第２の実施の形態に係る電磁波発生装置の設計を行う際、右側のベクトルｋp2＞ベクトルｋp1及び左側のベクトルｋp2＜ベクトルｋp1の２つのケースうち、どちらか一方だけを選んだとしても、得られるテラヘルツ波周波数帯は変わらないことが分かる。よって、どちらか一方だけを選ぶことにより、ＰＰＧａＰの分極反転構造に由来するベクトルｋLの傾きの角度（ｋL角）の範囲は、更に０．００１°に小さくすることが可能となる。図２１の極狭いｋL角の範囲に限定された変化を鑑みれば、システム構成の観点から、第２の実施の形態に係る電磁波発生装置の設計において、ＰＰＧａＰからなる擬似位相整合素子１９を大きく回転させる必要がないか、 図１に示したステージコントローラ３２や回転ステージ５７を省略可能であるということが理解できる。図２１には、擬似位相整合素子１９から発生するテラヘルツ波の周波数が２ＴＨｚまでしかプロットしていないが、内部交叉角度θ＝４．８５°の場合は、約７ＴＨｚまでは位相整合条件を満たす。
【００７４】
式（７）及び（８）から分かるように、ＰＰＧａＰの分極反転構造に由来するベクトルｋLに対して、それに対応する方向を持ったテラヘルツ波の波数ベクトルｋTが一対一で存在する。テラヘルツ波の波数ベクトルｋTの値の範囲はＰＰＧａＰの分極反転構造に由来するベクトルｋLと同様に重要である。なぜなら、テラヘルツ波の波数ベクトルｋTをテラヘルツ波発生源と考えた場合、発生するテラヘルツ波の角度分散はできるだけ小さい方が好ましいからである。既に述べたとおり、従来は、図２７に示したような電磁波発生装置を用いて周波数調整を行うときには、第２のポンプ光ｈν2の波長、２つのポンプ光ｈν1，ｈν2間の外部交叉角度θ inext、第２の非軸放物面鏡７ｂの位置を同時に制御する必要があり、非常に複雑なシステム構成が必要で、実際に、常に、差周波発生条件を満足させることは困難であった。図２２は、内側整合条件におけるベクトルｋp2＜ベクトルｋp1の場合における、ＰＰＧａＰの分極反転構造に由来するベクトルｋLの傾きの角度（ｋL角）及びテラヘルツ波の波数ベクトルｋTの方向角の値を３Ｄプロットにしたものである。
【００７５】
図２２から、２７４．４２３４°〜２７２．４２２３°の僅かなベクトルｋLの方向角の範囲の変化に対応するベクトルｋTの方向角の値の範囲は２．２°未満であることが分かる。既に述べたとおり、ベクトルｋLの傾きの角度（ｋL角）及びテラヘルツ波の波数ベクトルｋTの方向角の値は、ＰＰＧａＰからなる擬似位相整合素子１９の中のテラヘルツ波伝播に対して定義される値であり、屈折効果は考慮に入れていない。しかしながら、ベクトルｋLの傾きの角度（ｋL角）及びテラヘルツ波の波数ベクトルｋTの方向角の値の範囲は大変小さいものであるので、自由空間であっても、屈折率効果はテラヘルツ波の発生方向の方向角に少々の補正を加えれば十分である。
【００７６】
以上のように、第２の実施の形態に係る電磁波発生装置によれば、擬似位相整合素子１９にＰＰＧａＰ結晶を用いたとき、第１のポンプ光ｈν1と第２のポンプ光ｈν2の２つのレーザビームを〜４．８５°の内部交叉角度θで、ＰＰＧａＰからなる擬似位相整合素子１９に入射させれば、０．３〜７ＴＨｚの周波数領域内での狭帯域のテラヘルツ波の電磁波を発生させることが可能である。即ち、第２の実施の形態に係る電磁波発生装置では、互いに式（３）で関連する外部交叉角度δ又は内部交叉角θを固定した状態で、第２のポンプ光ｈν2の周波数を変えることにより、擬似位相整合素子１９から可変波長のテラヘルツ電磁波を発生させることができる。この第２の実施の形態に係る電磁波発生装置によれば、周期的な分極反転構造を持つＰＰＧａＰからなる擬似位相整合素子１９を、０．３〜７ＴＨｚのテラヘルツ波の周波数帯内で、テラヘルツ波の周波数を掃引するために僅か０．００１°しか回転させる必要がない。又、差周波として発生するテラヘルツ波は、周波数０．３４〜７．２ＴＨｚの範囲で、２．２°以内、０．８〜７．２ＴＨｚと限定すれば０．８５°程度しか広がらないので、工業的な実用可能性が極めて高い。
【００７７】
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態に係る電磁波発生装置は、図２３に示すように、第１のポンプ光ｈν1を出射する第１のポンプ光出射部２４と、第１のポンプ光ｈν1とは異なる波長の第２のポンプ光ｈν2を波長可変で出射する第２のポンプ光出射部２５と、第１のポンプ光ｈν1と第２のポンプ光ｈν2との差周波数の電磁波ｈν3を生成する擬似位相整合素子１９と、第１のポンプ光ｈν1と第２のポンプ光ｈν2との内部交叉角度θを位相整合範囲角に調整して固定し、第１のポンプ光及び第２のポンプ光を擬似位相整合素子１９に入射させる光学系（Ｍ6，１８）を備える。ここで、内部交叉角度θ は、擬似位相整合素子１９の内部における第１のポンプ光ｈν1と第２のポンプ光ｈν2との交叉角度であって、擬似位相整合素子１９の外部で定義される外部交叉角度δとは、ほぼ式（３）の関係を有する。例えば、擬似位相整合素子１９にＰＰＫＴＰ結晶を用いたとき、内部交叉角度θ＝６．３４°程度の値が位相整合範囲角であり、擬似位相整合素子１９にＰＰＧａＰ結晶を用いたときは、内部交叉角度θ＝４．８５°程度が、位相整合範囲角になる。第３の実施の形態に係る電磁波発生装置では、互いに式（３）で関連する外部交叉角度δ又は内部交叉角θを固定した状態で、第２のポンプ光ｈν2の周波数を変えることにより、擬似位相整合素子１９から可変波長のテラヘルツ電磁波を発生させる。
【００７８】
第３の実施の形態に係る電磁波発生装置においては、図２３に示すように、１個のフラッシュランプ６１で第１ＹＡＧロッド６２及び第２ＹＡＧロッド６３を励起するＹＡＧレーザ６即ち「ダブルパルスＹＡＧレーザ６」を励起光源として用い、ダブルパルスＹＡＧレーザ６をタイミング制御機構（手段）として機能させることによって２つのＣｒ添加フォルステライトレーザを励起する。ダブルパルスＹＡＧレーザ６は、１つのフラッシュランプ６１で第１ＹＡＧロッド６２及び第２ＹＡＧロッド６３を励起し、２つの１０６４ｎｍの波長の出力パルス光ｈν1，ｈν2を得る。
【００７９】
フラッシュランプ６１で第１ＹＡＧロッド６２及び第２ＹＡＧロッド６３を励起してから相当遅れてＱ−スイッチパルスによってＹＡＧレーザの発振を生じるので、第１ＹＡＧロッド６２及び第２ＹＡＧロッド６３のＱスイッチパルスのタイミングを１ナノ秒の精度でそれぞれ変えることができる。この結果、第１ＹＡＧロッド６２からの励起光パルスが第１のポンプ光源（Ｃｒ添加フォルステライトレーザ）を励起する時間と、第２ＹＡＧロッド６３からの励起光パルスが第２のポンプ光源（Ｃｒ添加フォルステライトレーザ）を励起する時間との間の時間差を調整することにより、第１のポンプ光源からのポンプ光（第１のポンプ光）のパルスと第２のポンプ光源からの信号光（第２のポンプ光）のパルスとが、ほぼ同時に擬似位相整合素子１９に到達するようにタイミングを制御する。「ほぼ同時に」とは、「Ｃｒ添加フォルステライトレーザの出力光のパルス幅よりも、十分に短い時間で」という意味であり、例えば、Ｃｒ添加フォルステライトレーザのパルス幅は、一般に２０〜３０ナノ秒程度であり、この様な場合は、１ナノ秒或いはそれ以下の時間差にすれば良い。
【００８０】
光学系（Ｍ6，１８）は、反射鏡（ミラー）Ｍ6及び偏光ビームスプリッタ１８からなる。反射鏡（ミラー）Ｍ6は、第１のポンプ光出射部２４から出射した第１のポンプ光ｈν1を反射し、第１のポンプ光ｈν1を偏光ビームスプリッタ１８に入射する角度を調整するように回転可能なミラーである。図２３に示す光学系（Ｍ6，１８）の配置により、第２のポンプ光出射部２５から出射した信号光（第２のポンプ光）ｈν2を偏光ビームスプリッタ１８を透過させる。又、第１のポンプ光出射部２４から出射したポンプ光（第１のポンプ光）ｈν1は、反射鏡（ミラー）Ｍ6を用いて、垂直方向から入射させて偏光ビームスプリッタ１８の偏光面で反射させ、内部交叉角度θを位相整合範囲角とするように、ポンプ光（第１のポンプ光）ｈν1及び信号光（第２のポンプ光）ｈν2を、擬似位相整合素子１９結合させる光学系を構成している。
【００８１】
但し、ポンプ光（第１のポンプ光）ｈν1と信号光（第２のポンプ光）ｈν2は、偏光ビームスプリッタ１８よってビームを平行に近く重ねれば良いので、第４実施例の図９に示すように、ポンプ光（第１のポンプ光）ｈν1を偏光ビームスプリッタ１８を透過させ、ポンプ光（第１のポンプ光）ｈν1に対し偏波面の直交する信号光（第２のポンプ光）ｈν2を垂直方向から入射させて偏光ビームスプリッタ１８の偏光面で反射させ、内部交叉角度θを位相整合範囲角とするように、第１のポンプ光及び第２のポンプ光を擬似位相整合素子１９内で結合させる光学系を構成しても良い。
【００８２】
尚、図２３に示した光学系（Ｍ6，１８）は、例示であり、反射鏡（ミラー）Ｍ6及び偏光ビームスプリッタ１８の他に、他のミラー等の光学素子を加えても良く、反射鏡（ミラー）Ｍ6の代わりに、プリズム等の反射鏡（ミラー）Ｍ6と等価な機能を有する光学素子に置き換えても良いことは勿論である。
【００８３】
第１のポンプ光源からのポンプ光（第１のポンプ光）のパルスと第２のポンプ光源からの信号光（第２のポンプ光）のパルスとが、ほぼ同時に擬似位相整合素子１９に到達するということは、第１及び第２のポンプ光源からの出力（パルス）をほぼ同時にすることである。第１及び第２のポンプ光源としての２つのＣｒ添加フォルステライトレーザの出力（パルス）がほぼ同時になるようにするには、ダブルパルスＹＡＧレーザ６のＱスイッチパルスのタイミングを変化させるようにあらかじめプログラムしておけば良い。或いは、テラヘルツ電磁波出力が最大になるようにＱスイッチパルス発生のタイミングをフィードバック制御するループを形成することにより、第１のポンプ光源からのポンプ光（第１のポンプ光）と第２のポンプ光源からの信号光（第２のポンプ光）のタイミングを一致させることができる。
【００８４】
ダブルパルスＹＡＧレーザ６は、図２３に示すレーザコントローラ３１により駆動される。即ち、レーザコントローラ３１は、フラッシュランプ励起用パルスＰ1、ＹＡＧレーザＱ−スイッチパルスＰ2，Ｐ3を発生し、レーザコントローラ３１とダブルパルスＹＡＧレーザ６とによって、信号光（第２のポンプ光）のパルスとポンプ光（第１のポンプ光）のパルスとをほぼ同時に擬似位相整合素子１９に到達させるタイミング制御機構（手段）（６，３１）を構成している。
【００８５】
図２３において、第１のポンプ光出射部２４の第１のポンプ光源、第２のポンプ光出射部２５の第２のポンプ光源として、それぞれＣｒ添加フォルステライトレーザを用いる。Ｃｒ添加フォルステライトレーザの遅れ時間は、主に、ダブルパルスＹＡＧレーザ６からの励起光強度とＣｒ添加フォルステライトレーザの出力波長によって決まるので、第１及び第２のポンプ光源としての２つのＣｒ添加フォルステライトレーザは、必ずしも同一のタイミングで出力を発生しない。テラヘルツ電磁波ｈν3の周波数ν3を掃引するには、例えば、第１のポンプ光出射部２４を構成する一方のＣｒ添加フォルステライトレーザ（第１のポンプ光源）の波長を固定し、第２のポンプ光出射部２５を構成する他方のＣｒ添加フォルステライトレーザ（第２のポンプ光源）の波長を掃引する（逆に、第２のポンプ光出射部２５を構成するＣｒ添加フォルステライトレーザ（第２のポンプ光源）の波長を固定し、第１のポンプ光出射部２４を構成するＣｒ添加フォルステライトレーザ（第１のポンプ光源）の波長を掃引するようにしても良い。）。
【００８６】
第２のポンプ光出射部２５を構成するＣｒ添加フォルステライトレーザ（第２のポンプ光源）の波長と強度が掃引に伴って変化するから、この２つのパラメータの関数として、２つのＣｒ添加フォルステライトレーザの出力が同時となるための２つのＱ−スイッチパルスＰ2，Ｐ3のタイミング差ｔをあらかじめプログラムしておき、プログラムに従って２つのＱ−スイッチパルスＰ2，Ｐ3を発生すれば良い。Ｃｒ添加フォルステライトレーザの出力パルス幅は約１０ナノ秒であるからＱ−スイッチパルスＰ2，Ｐ3のタイミング差ｔは、１ナノ秒の精度で制御すれば十分である。
【００８７】
第１のポンプ光出射部２４と第２のポンプ光出射部２５からそれぞれ出射したポンプ光（第１のポンプ光）ｈν1と信号光（第２のポンプ光）ｈν2は、偏光ビームスプリッタ１８よってビームを内部交叉角度θを位相整合範囲角とするように重ねられ、擬似位相整合素子１９に入射する。擬似位相整合素子１９から、ポンプ光（第１のポンプ光）ｈν1と信号光（第２のポンプ光）ｈν2の差の周波数を有するテラヘルツ電磁波ｈν3が出力する。
２台のＣｒ添加フォルステライトレーザを用いる場合は、発振波長により遅れ時間が１０ナノ秒以上になることがある。この様な場合、反射鏡を複数枚用いて構成した可変遅延線路では、光路が長くなり、装置の構成が大きくなりすぎる場合がある。したがって、調整すべき遅延時間が長くなる場合は、第３の実施の形態に係る電磁波発生装置のように、ダブルパルスＹＡＧレーザ６を用いる方法が電磁波発生装置の小型化に有効である。尚、第１のポンプ光出射部２４或いは第２のポンプ光出射部２５に用いる第１及び第２のポンプ光源としてのＣｒ添加フォルステライトレーザを、Ｙｂ添加したＹＬＦレーザやＹｂ添加ファイバレーザで置き換えても良いこともできることは、第４の実施の形態や第５実施例と同様である。
【００８８】
以上のように、第３の実施の形態に係る電磁波発生装置によれば、擬似位相整合素子１９にＰＰＫＴＰ結晶を用いたとき、第１のポンプ光ｈν1と第２のポンプ光ｈν2の２つのレーザビームを６．３４°程度の内部交叉角度θで、擬似位相整合素子１９に入射させれば、０．３〜２ＴＨｚの周波数領域内での狭帯域のテラヘルツ波の電磁波をＰＰＫＴＰ結晶から発生させることが可能である。又、擬似位相整合素子１９にＰＰＧａＰ結晶を用いたとき、第１のポンプ光ｈν1と第２のポンプ光ｈν2の２つのレーザビームを４．８５°程度の内部交叉角度θで、ＰＰＧａＰからなる擬似位相整合素子１９に入射させれば、０．３〜７ＴＨｚの周波数領域内での狭帯域のテラヘルツ波の電磁波をＰＰＧａＰ結晶から発生させることが可能である。
【００８９】
ＰＰＫＴＰ結晶を擬似位相整合素子１９として用いた場合は、０．３〜２ＴＨｚのテラヘルツ波の周波数帯内で、テラヘルツ波の周波数を掃引するためには、僅か０．００３５°しか擬似位相整合素子１９を回転させる必要がない。又、差周波として、ＰＰＫＴＰ結晶から発生するテラヘルツ波も僅か３．０°〜３．５°程度しか広がらない。一方、ＰＰＧａＰ結晶からなる擬似位相整合素子１９を用いた場合は、０．３〜７ＴＨｚのテラヘルツ波の周波数帯内で、テラヘルツ波の周波数を掃引するためにも、僅か０．００１°しか擬似位相整合素子１９を回転させる必要がなく、差周波としてＰＰＧａＰ結晶から発生するテラヘルツ波は、周波数０．３４〜７．２ＴＨｚの範囲で、２．２°以内、０．８〜７．２ＴＨｚと限定すれば０．８５°程度しか広がらない。よって、第３の実施の形態に係る電磁波発生装置によれば、図１に示した構成において、電磁波検出器３４の位置を固定でき、且つ、電磁波検出器３４の位置を固定した状態において、擬似位相整合素子１９と電磁波検出器３４の間に、図２７に示したような、従来技術において用いられていた非軸放物面鏡７ａ，７ｂを用いる必要もない。このため、第３の実施の形態に係る電磁波発生装置によれば、使用部品の点数を減少させ、極めて簡単且つ安価な構成することが可能になり、第３の実施の形態に係る電磁波発生装置の工業的な実用可能性は極めて高い。
【００９０】
（第４の実施の形態）
図２４に示すように、本発明の第４の実施の形態に係る電磁波発生装置は、第１のポンプ光ｈν1を出射する第１のポンプ光出射部２４と、第１のポンプ光ｈν1とは異なる波長の第２のポンプ光ｈν2を、波長可変で出射する第２のポンプ光出射部２５と、第１のポンプ光ｈν1と第２のポンプ光ｈν2との差周波数の電磁波ｈν3を生成する擬似位相整合素子１９と、第１のポンプ光ｈν1と第２のポンプ光ｈν2との内部交叉角度θを位相整合範囲角に調整して固定し、第１のポンプ光及び第２のポンプ光を擬似位相整合素子１９に入射させる光学系（Ｍ3，Ｍ6，Ｍ5，１８）とを備える。ここで、内部交叉角度θ は、擬似位相整合素子１９の内部における第１のポンプ光ｈν1と第２のポンプ光ｈν2との交叉角度であって、擬似位相整合素子１９の外部で定義される外部交叉角度δとは、ほぼ式（３）の関係を有する。例えば、擬似位相整合素子１９にＰＰＫＴＰ結晶を用いたとき、内部交叉角度θ＝６．３４°程度の値が位相整合範囲角であり、擬似位相整合素子１９にＰＰＧａＰ結晶を用いたときは、内部交叉角度θ＝４．８５°程度が、位相整合範囲角になる。第４の実施の形態に係る電磁波発生装置では、互いに式（３）で関連する外部交叉角度δ又は内部交叉角θを固定した状態で、第２のポンプ光ｈν2の周波数を変えることにより、擬似位相整合素子１９から可変波長のテラヘルツ電磁波を発生させる。
【００９１】
光学系（Ｍ3，Ｍ6，Ｍ5，１８）は、ハーフミラーＭ3、第１ミラーＭ5、第２ミラーＭ6及び偏光ビームスプリッタ１８からなる。ハーフミラーＭ3は、励起光源１６としてのＹＡＧレーザから出射した励起光の一部を透過し第１のポンプ光出射部２４に入射させ、励起光源（ＹＡＧレーザ）１６から出射した励起光の他の一部を反射し、第２のポンプ光出射部２５に入射させるミラーである。第１ミラーＭ5は、ハーフミラーＭ3で反射した励起光を更に反射し、励起光源（ＹＡＧレーザ）１６から出射した励起光の他の一部を第２のポンプ光出射部２５に入射させるミラーである。第２ミラーＭ6は、第１のポンプ光出射部２４から出射した第１のポンプ光ｈν1を反射し、第１のポンプ光ｈν1を偏光ビームスプリッタ１８に入射する角度を調整するように回転可能なミラーである。図２４に示す光学系（Ｍ3，Ｍ6，Ｍ5，１８）の配置により、第２のポンプ光出射部２５から出射した信号光（第２のポンプ光）ｈν2を偏光ビームスプリッタ１８を透過させる。又、第１のポンプ光出射部２４から出射したポンプ光（第１のポンプ光）ｈν1は、第２ミラーＭ6を用いて、垂直方向から入射させて偏光ビームスプリッタ１８の偏光面で反射させ、内部交叉角度θを位相整合範囲角とするように、ポンプ光（第１のポンプ光）ｈν1及び信号光（第２のポンプ光）ｈν2を、擬似位相整合素子１９内で結合させる光学系を構成している。
【００９２】
但し、ポンプ光（第１のポンプ光）ｈν1と信号光（第２のポンプ光）ｈν2は、偏光ビームスプリッタ１８よってビームを位相整合範囲角に設定すれば良いので、ポンプ光（第１のポンプ光）ｈν1を偏光ビームスプリッタ１８を透過させ、ポンプ光（第１のポンプ光）ｈν1に対し偏波面の直交する信号光（第２のポンプ光）ｈν2を垂直方向から入射させて偏光ビームスプリッタ１８の偏光面で反射させ、内部交叉角度θが位相整合範囲角となるように、第１のポンプ光及び第２のポンプ光を擬似位相整合素子１９内で結合させる光学系を構成しても良い。尚、図２４に示した光学系（Ｍ3，Ｍ6，Ｍ5，１８）は、例示であり、ハーフミラーＭ3、第１ミラーＭ5、第２ミラーＭ6及び偏光ビームスプリッタ１８の他に、他のミラー等の光学素子を加えても良く、第１ミラーＭ5、第２ミラーＭ6等の代わりに、プリズム等の第１ミラーＭ5や第２ミラーＭ6等と等価な機能を有する光学素子に置き換えても良いことは勿論である。
【００９３】
第１のポンプ光出射部２４及び第２のポンプ光出射部２５にそれぞれ備えられる第１及び第２のポンプ光源として、励起光源（ＹＡＧレーザ）１６で励起されるクロム（Ｃｒ）添加フォルステライトレーザを使う。既に述べたとおり、Ｃｒ添加フォルステライトレーザは、フォルステライト中のＣｒの準位を用いているため、スペクトル線幅が極めて狭い。Ｃｒ添加フォルステライトレーザは、波長１．０６４μｍの励起光源（ＹＡＧレーザ）１６を用いて励起することが可能で、ＯＰＯのようにＹＡＧ第３高調波を用いないので効率が高くすることが可能である。
【００９４】
即ち、第４の実施の形態に係る電磁波発生装置では、２つのＣｒ添加フォルステライトレーザを第１のポンプ光出射部２４及び第２のポンプ光出射部２５にそれぞれ備えられる第１及び第２のポンプ光源として用い、第１のポンプ光出射部２４を固定波長で、第２のポンプ光出射部２５を波長可変ポンプ光源とし、インジェクションシーディングなしで差周波としてのテラヘルツ電磁波ｈν3のスペクトル線幅を狭くすることができる。ポンプ光（第１のポンプ光）ｈν1の波長を、例えば、１．２０μｍに固定する。第１のポンプ光出射部２４に備えられる第１のポンプ光源は、内部にエタロンを設置することにより、固定波長でスペクトル線幅を１ＧＨｚ程度に狭くすることができる。第２のポンプ光出射部２５に備えられる第２のポンプ光源には同種のＣｒ添加フォルステライトレーザを使い、波長を掃引する。第２のポンプ光出射部２５は連続波長掃引のため、エタロンを挿入しないのでスペクトル線幅は１０ＧＨｚから１５ＧＨｚである。更に、Ｃｒ添加フォルステライトレーザは、ＯＰＯのようにＹＡＧの高調波を使う必要がないため、基本波１．０６４μｍによって励起でき、高出力且つ安価であることが特徴である。尚、第１のポンプ光出射部２４及び第２のポンプ光出射部２５に用いる第１及び第２のポンプ光源としてのＣｒ添加フォルステライトレーザを、Ｙｂを添加したＹＬＦレーザやＹｂを添加したファイバレーザで置き換えることもできる。Ｙｂ添加ＹＬＦレーザやＹｂ添加ファイバレーザを用いる場合も、インジェクションシーディングなしで比較的狭線幅を得られるので、極めて安価である利点を有する。但し、Ｙｂ添加ＹＬＦレーザやＹｂ添加ファイバレーザの場合は、ＹＡＧレーザ１６の波長１．０６４μｍより、僅かに波長が短いので、ＹＡＧレーザ１６の２倍波（波長５３０ｎｍ）で励起する必要がある。
【００９５】
以上のように、第４の実施の形態に係る電磁波発生装置によれば、擬似位相整合素子１９にＰＰＫＴＰ結晶を用いたとき、第１のポンプ光ｈν1と第２のポンプ光ｈν2の２つのレーザビームを６．３４°程度の内部交叉角度θで、擬似位相整合素子１９に入射させれば、０．３〜２ＴＨｚの周波数領域内での狭帯域のテラヘルツ波の電磁波をＰＰＫＴＰ結晶から発生させることが可能である。又、擬似位相整合素子１９にＰＰＧａＰ結晶を用いたとき、第１のポンプ光ｈν1と第２のポンプ光ｈν2の２つのレーザビームを４．８５°程度の内部交叉角度θで、ＰＰＧａＰからなる擬似位相整合素子１９に入射させれば、０．３〜７ＴＨｚの周波数領域内での狭帯域のテラヘルツ波の電磁波をＰＰＧａＰ結晶から発生させることが可能である。
【００９６】
ＰＰＫＴＰ結晶を擬似位相整合素子１９として用いた場合は、０．３〜２ＴＨｚのテラヘルツ波の周波数帯内で、テラヘルツ波の周波数を掃引するためには、僅か０．００３５°しか擬似位相整合素子１９を回転させる必要がない。又、差周波として、ＰＰＫＴＰ結晶から発生するテラヘルツ波も僅か３．０°〜３．５°程度しか広がらない。一方、ＰＰＧａＰ結晶からなる擬似位相整合素子１９を用いた場合は、０．３〜７ＴＨｚのテラヘルツ波の周波数帯内で、テラヘルツ波の周波数を掃引するためにも、僅か０．００１°しか擬似位相整合素子１９を回転させる必要がなく、差周波としてＰＰＧａＰ結晶から発生するテラヘルツ波は、周波数０．３４〜７．２ＴＨｚの範囲で、２．２°以内、０．８〜７．２ＴＨｚと限定すれば０．８５°程度しか広がらない。よって、第４の実施の形態に係る電磁波発生装置によれば、図１に示した構成において、電磁波検出器３４の位置を固定でき、且つ、電磁波検出器３４の位置を固定した状態において、擬似位相整合素子１９と電磁波検出器３４の間に、図２７に示したような、従来技術において用いられていた非軸放物面鏡７ａ，７ｂを用いる必要もない。このため、第４の実施の形態に係る電磁波発生装置によれば、使用部品の点数を減少させ、極めて簡単且つ安価な構成することが可能になり、第４の実施の形態に係る電磁波発生装置の工業的な実用可能性は極めて高い。
【００９７】
（第５の実施の形態）
図２５に示すように、本発明の第５の実施の形態に係る電磁波発生装置は、第１のポンプ光ｈν1を出射する第１のポンプ光出射部２４と、第１のポンプ光ｈν1とは異なる波長の第２のポンプ光ｈν2を、波長可変で出射する第２のポンプ光出射部２５と、第１のポンプ光ｈν1と第２のポンプ光ｈν2との差周波数の電磁波ｈν3を生成する擬似位相整合素子１９と、第１のポンプ光ｈν1と第２のポンプ光ｈν2との差周波数ν3＝１ＴＨｚにおける内部交叉角度θを位相整合範囲角に調整して固定し、第１のポンプ光及び第２のポンプ光を擬似位相整合素子１９に入射させる光学系（Ｍ1，Ｍ6，１８）とを備える。ここで、内部交叉角度θ は、擬似位相整合素子１９の内部における第１のポンプ光ｈν1と第２のポンプ光ｈν2との交叉角度であって、擬似位相整合素子１９の外部で定義される外部交叉角度δとは、ほぼ式（３）の関係を有する。例えば、擬似位相整合素子１９にＰＰＫＴＰ結晶を用いたとき、内部交叉角度θ＝６．３４°程度の値が位相整合範囲角であり、擬似位相整合素子１９にＰＰＧａＰ結晶を用いたときは、内部交叉角度θ＝４．８５°程度が、位相整合範囲角になる。第５の実施の形態に係る電磁波発生装置では、互いに式（３）で関連する外部交叉角度δ又は内部交叉角θを固定した状態で、第２のポンプ光ｈν2の周波数を変えることにより、擬似位相整合素子１９から可変波長のテラヘルツ電磁波を発生させる。
【００９８】
内部交叉角度θを上記のような位相整合範囲角に調整して固定し、第１及び第２のポンプ光を擬似位相整合素子１９に入射させる光学系（Ｍ1，Ｍ6，１８）は、第１ミラーＭ１、第２ミラーＭ6及び偏光ビームスプリッタ１８からなる。第１ミラーＭ１は、第１のポンプ光出射部２４から出射した第１のポンプ光ｈν1を反射し、第１のポンプ光ｈν1を第２のポンプ光出射部２５に入射させるミラーである。第２ミラーＭ6は、第１のポンプ光出射部２４から出射した第１のポンプ光ｈν1を反射し、第１のポンプ光ｈν1を偏光ビームスプリッタ１８に入射する角度を調整するように回転可能なミラーである。図２５に示す光学系（Ｍ1，Ｍ6，１８）の配置により、第２のポンプ光出射部２５から出射した信号光（第２のポンプ光）ｈν2を偏光ビームスプリッタ１８を透過させる。又、第１のポンプ光出射部２４から出射したポンプ光（第１のポンプ光）ｈν1は、第２ミラーＭ6を介して垂直方向から入射させて偏光ビームスプリッタ１８の偏光面で反射させ、内部交叉角度θを位相整合範囲角とするように、ポンプ光（第１のポンプ光）ｈν1及び信号光（第２のポンプ光）ｈν2を擬似位相整合素子１９内で結合させる光学系を構成している。
【００９９】
但し、ポンプ光（第１のポンプ光）ｈν1と信号光（第２のポンプ光）ｈν2は、偏光ビームスプリッタ１８よってビームを平行に近く重ねれば良いので、ポンプ光（第１のポンプ光）ｈν1を偏光ビームスプリッタ１８を透過させ、ポンプ光（第１のポンプ光）ｈν1に対し偏波面の直交する信号光（第２のポンプ光）ｈν2を垂直方向から入射させて偏光ビームスプリッタ１８の偏光面で反射させ、内部交叉角度θを位相整合範囲角とするように、第１のポンプ光及び第２のポンプ光を擬似位相整合素子１９内で結合させる光学系を構成しても良い。
【０１００】
尚、図２５に示した光学系（Ｍ1，Ｍ6，１８）は、例示であり、第１ミラーＭ１、第２ミラーＭ6及び偏光ビームスプリッタ１８の他に、他のミラー等の光学素子を加えても良く、第１ミラーＭ１、第２ミラーＭ6の代わりに、プリズム等の第１ミラーＭ１や第２ミラーＭ6と等価な機能を有する光学素子に置き換えても、内部交叉角度θを位相整合範囲角に調整して固定して、第１及び第２のポンプ光を擬似位相整合素子１９に入射させることができることは勿論である。
【０１０１】
具体的には、第１のポンプ光出射部２４として波長１．０６４μｍのパルスを発振するＹＡＧレーザ１６を使用する。第２のポンプ光出射部２５として、波長可変パラメトリックオッシレータ（ＯＰＯ）１７を用いる。波長可変ＯＰＯ１７は、励起光源１６としてのＹＡＧレーザからのポンプ光（第１のポンプ光）ｈν1の基本波を３逓倍した３５５ｎｍの光で励起される。
【０１０２】
テラヘルツ電磁波ｈν3のスペクトル線幅を狭く且つ、広い周波数にわたってモードホップなしで動作させるために、波長可変ＯＰＯ１７は、インジェクションシーディング機構（手段）を備える。インジェクションシーディング機構（手段）として、波長可変ＯＰＯ１７内にシードレーザ（マスター発振器）を具備する。シードレーザ（マスター発振器）としては、例えば、Ｑ値の高い共振器を硼酸バリウム（ＢａＢ2Ｏ4）結晶に用い、スペクトル幅を狭くすれば良い。即ち、シードレーザ（マスター発振器）及びスレーブレーザ（ホストレーザ）共に、ＢａＢ2Ｏ4結晶のパラメトリック効果を用いる。そして、スレーブレーザ（ホストレーザ）である波長可変ＯＰＯ１７の共振器長を、シードレーザとスレーブレーザの縦モードが一致するように制御すれば良い。スレーブレーザの共振器長を制御する共振器ロックには、少なくとも（波長)／（共振器のフィネス) オーダー以上の正確な制御が必要になるので、例えば、ピエゾドライバで共振器長を制御することが好ましい。
【０１０３】
即ち、波長可変ＯＰＯ１７の出力をフォトディテクターで検出し、その信号をブランキング回路を経てロックインアンプに入力する。更に、このロックインアンプの出力信号を、ピエゾドライバでファンクションジェネレーターからの変調信号と加算し、ピエゾ駆動電圧に変換し、変調ミラーを動かすようにすれば良い。このとき、ファンクションジェネレーターの同調信号をロックインアンプの参照信号とするようにしても良い。この様な波長可変ＯＰＯ１７は励起光源（ＹＡＧレーザ）１６の第３高調波即ち波長３５５ｎｍ光で励起されることによりスペクトル線幅を広げる原因となる波長縮退を避け、更にインジェクションシーディングを行うことにより、波長可変ＯＰＯ１７のスペクトル線幅を狭くできるので、差周波として発生するテラヘルツ電磁波ｈν3のスペクトル線幅も同様に狭くなる。
【０１０４】
波長可変ＯＰＯ１７の出力光波長を１．０３８μｍから１．０６３５μｍの範囲に選べば差周波数ν3は０．１５ＴＨｚから７ＴＨｚの範囲になる。又、波長可変ＯＰＯ１７の波長を１．０６４６μｍから１．０９１μｍの範囲に選んでも良い。尚、励起光源（ＹＡＧレーザ）１６も、同様に、Ｑ値の高い共振器のＹＡＧレーザをシードレーザ（マスター発振器）として用い、スペクトル幅を狭くし、インジェクションシーディングすることにより、狭線幅の励起光源とすることが好ましい。
【０１０５】
ポンプ光（第１のポンプ光）ｈν1と信号光（第２のポンプ光）ｈν2は直交した偏波方向を持ち、偏光ビームスプリッタ１８よってビームを位相整合範囲角となる内部交叉角度θに重ねる。ビームスプリッタ１８、又は、第２ミラーＭ6を微小回転させ、テラヘルツ電磁波ｈν3の周波数ν3に応じて位相整合範囲角となる内部交叉角度θ とするようにポンプ光（第１のポンプ光）ｈν1或いは信号光（第２のポンプ光）ｈν2のビーム方向を調整する。
第１のポンプ光出射部２４である励起光源（ＹＡＧレーザ）１６のスペクトル線幅は十分狭いので、差周波であるテラヘルツ電磁波ｈν3のスペクトル線幅は第２のポンプ光出射部２５のＯＰＯ１７のスペクトル線幅で決まることになる。ＯＰＯ１７はインジェクションシーディングされているためスペクトル線幅約４ＧＨｚであり、差周波であるテラヘルツ電磁波ｈν3のスペクトル線幅もほぼ４ＧＨｚである。テラヘルツ帯における固体、液体状物質のスペクトル線幅は一般的に５０ＧＨｚ以上なので第５の実施の形態に係る電磁波発生装置は十分に高分解能の分光測定を可能にする。
【０１０６】
以上のように、第５の実施の形態に係る電磁波発生装置によれば、擬似位相整合素子１９にＰＰＫＴＰ結晶を用いたとき、第１のポンプ光ｈν1と第２のポンプ光ｈν2の２つのレーザビームを６．３４°程度の内部交叉角度θで、擬似位相整合素子１９に入射させれば、０．３〜２ＴＨｚの周波数領域内での狭帯域のテラヘルツ波の電磁波をＰＰＫＴＰ結晶から発生させることが可能である。又、擬似位相整合素子１９にＰＰＧａＰ結晶を用いたとき、第１のポンプ光ｈν1と第２のポンプ光ｈν2の２つのレーザビームを４．８５°程度の内部交叉角度θで、ＰＰＧａＰからなる擬似位相整合素子１９に入射させれば、０．３〜７ＴＨｚの周波数領域内での狭帯域のテラヘルツ波の電磁波をＰＰＧａＰ結晶から発生させることが可能である。
【０１０７】
ＰＰＫＴＰ結晶を擬似位相整合素子１９として用いた場合は、０．３〜２ＴＨｚのテラヘルツ波の周波数帯内で、テラヘルツ波の周波数を掃引するためには、僅か０．００３５°しか擬似位相整合素子１９を回転させる必要がない。又、差周波として、ＰＰＫＴＰ結晶から発生するテラヘルツ波も僅か３．０°〜３．５°程度しか広がらない。一方、ＰＰＧａＰ結晶からなる擬似位相整合素子１９を用いた場合は、０．３〜７ＴＨｚのテラヘルツ波の周波数帯内で、テラヘルツ波の周波数を掃引するためにも、僅か０．００１°しか擬似位相整合素子１９を回転させる必要がなく、差周波としてＰＰＧａＰ結晶から発生するテラヘルツ波は、周波数０．３４〜７．２ＴＨｚの範囲で、２．２°以内、０．８〜７．２ＴＨｚと限定すれば０．８５°程度しか広がらない。よって、第５の実施の形態に係る電磁波発生装置によれば、図１に示した構成において、電磁波検出器３４の位置を固定でき、且つ、電磁波検出器３４の位置を固定した状態において、擬似位相整合素子１９と電磁波検出器３４の間に、図２７に示したような、従来技術において用いられていた非軸放物面鏡７ａ，７ｂを用いる必要もない。このため、第５の実施の形態に係る電磁波発生装置によれば、使用部品の点数を減少させ、極めて簡単且つ安価な構成することが可能になり、第５の実施の形態に係る電磁波発生装置の工業的な実用可能性は極めて高い。
【０１０８】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は本発明の第１の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【０１０９】
例えば、既に述べた本発明の第３の実施の形態の説明では、第１のポンプ光出射部２４として、第１のポンプ光ｈν1を出射するＣｒ添加フォルステライトレーザ、Ｙｂ添加ＹＬＦレーザ、Ｙｂ添加ファイバレーザのいずれかからなる第１のポンプ光ｈν1源を備え、第２のポンプ光出射部２５として、例えば、第２のポンプ光ｈν2を出射するＣｒ添加フォルステライトレーザ、Ｙｂ添加ＹＬＦレーザ、Ｙｂ添加ファイバレーザのいずれかからなる第２のポンプ光源を備えるようにすることが可能であることを述べたが、第１のポンプ光出射部２４及び第２のポンプ光出射部２５の少なくとも、いずれか一方を半導体レーザとすれば、更に、装置構成を小型化することが可能である。
【０１１０】
この様に、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【符号の説明】
【０１１１】
６…ＹＡＧレーザ
７ａ…第１の非軸放物面鏡
７ｂ…第２の非軸放物面鏡
１１…パーソナルコンピュータ
１６…励起光源（ＹＡＧレーザ）
１７…ＯＰＯ
１８…偏光ビームスプリッタ
１９…擬似位相整合素子
１９ａ，１９ｂ…櫛形状基板（ＧａＰ基板）
２４…第１のポンプ光出射部
２５…第２のポンプ光出射部
３１…レーザコントローラ
３２…ステージコントローラ
３３…電圧計
３４…電磁波検出器
３５…ステージコントローラ
５３…放物面鏡用線形ステージ
５４…ビームスプリッタ用線形ステージ
５５…回転ステージ
５７…回転ステージ
６１…フラッシュランプ
６２…第１ＹＡＧロッド
６３…第２ＹＡＧロッド
１０１…結晶
１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃ，１０５ｄ…プリズム
１０９…非線形光学結晶
１９１M，１９１N，…薄板
１９２…ＧａＰ基板
１９３…ＧａＰ領域
Ｍ１…第１ミラー
Ｍ3…ハーフミラー
Ｍ5…第１ミラー
Ｍ6…ミラー（第２ミラー）
Ｐ1…フラッシュランプ励起用パルス
Ｐ2，Ｐ3…スイッチパルス
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のポンプ光を出射する第１のポンプ光出射部と、
前記第１のポンプ光とは異なる波長の第２のポンプ光を、波長可変で出射する第２のポンプ光出射部と、
周期的な分極反転構造を有し、前記第１のポンプ光と前記第２のポンプ光との差周波数の電磁波を生成する擬似位相整合素子と、
前記第１のポンプ光と前記第２のポンプ光との交叉角を位相整合範囲角に調整して固定し、前記第１のポンプ光及び前記第２のポンプ光を前記擬似位相整合素子に入射させる光学系
とを備え、前記第２のポンプ光の周波数を変えることにより、前記擬似位相整合素子から可変波長のテラヘルツ電磁波を発生させることを特徴とする電磁波発生装置。
【請求項２】
前記交叉角は、前記擬似位相整合素子の内部において、前記第１のポンプ光の波数ベクトルと前記第２のポンプ光の波数ベクトルとの交叉角として定義される内部交差角度であり、該内部交差角度が、前記第１のポンプ光の波数ベクトルの終点を中心とする、前記擬似位相整合素子の分極反転構造に由来するベクトルの軌跡として描かれる第1の円と、前記第２のポンプ光の波数ベクトルの終点を中心とする、前記テラヘルツ電磁波の波数ベクトルの軌跡として描かれる第２の円とが、互いに交わるように設定されることを特徴とする請求項１に記載の電磁波発生装置。
【請求項３】
前記第２のポンプ光の波数ベクトルが、前記第1の円に外接するように、前記内部交差角度が設定されることを特徴とする請求項１又は２に記載の電磁波発生装置。
【請求項４】
前記第１のポンプ光出射部からＹＡＧレーザの出力を前記第１のポンプ光として出射し、
前記第２のポンプ光出射部は、インジェクションシーディング機構を有するオプティカルパラメトリックオシレータを備え、前記オプティカルパラメトリックオシレータを前記ＹＡＧレーザの出力で励起することにより、前記第２のポンプ光出射部から前記オプティカルパラメトリックオシレータの出力を前記第２のポンプ光として出射する
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電磁波発生装置。
【請求項５】
前記第１のポンプ光出射部は、前記第１のポンプ光を出射するクロム添加フォルステライトレーザ、イッテルビウム添加イットリウム・リチウム・フルオライドレーザ、イッテルビウム添加ファイバレーザのいずれかからなる第１のポンプ光源を備え、
前記第２のポンプ光出射部は、前記第２のポンプ光を出射するクロム添加フォルステライトレーザ、イッテルビウム添加イットリウム・リチウム・フルオライドレーザ、イッテルビウム添加ファイバレーザのいずれかからなる第２のポンプ光源を備える
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電磁波発生装置。
【請求項６】
前記第１及び第２のポンプ光源をそれぞれ励起し、前記第１及び第２のポンプ光源から前記第１及び第２のポンプ光を出射させる励起光源を更に備えることを特徴とする請求項５に記載の電磁波発生装置。
【請求項１】
第１のポンプ光を出射する第１のポンプ光出射部と、
前記第１のポンプ光とは異なる波長の第２のポンプ光を、波長可変で出射する第２のポンプ光出射部と、
周期的な分極反転構造を有し、前記第１のポンプ光と前記第２のポンプ光との差周波数の電磁波を生成する擬似位相整合素子と、
前記第１のポンプ光と前記第２のポンプ光との交叉角を位相整合範囲角に調整して固定し、前記第１のポンプ光及び前記第２のポンプ光を前記擬似位相整合素子に入射させる光学系
とを備え、前記第２のポンプ光の周波数を変えることにより、前記擬似位相整合素子から可変波長のテラヘルツ電磁波を発生させることを特徴とする電磁波発生装置。
【請求項２】
前記交叉角は、前記擬似位相整合素子の内部において、前記第１のポンプ光の波数ベクトルと前記第２のポンプ光の波数ベクトルとの交叉角として定義される内部交差角度であり、該内部交差角度が、前記第１のポンプ光の波数ベクトルの終点を中心とする、前記擬似位相整合素子の分極反転構造に由来するベクトルの軌跡として描かれる第1の円と、前記第２のポンプ光の波数ベクトルの終点を中心とする、前記テラヘルツ電磁波の波数ベクトルの軌跡として描かれる第２の円とが、互いに交わるように設定されることを特徴とする請求項１に記載の電磁波発生装置。
【請求項３】
前記第２のポンプ光の波数ベクトルが、前記第1の円に外接するように、前記内部交差角度が設定されることを特徴とする請求項１又は２に記載の電磁波発生装置。
【請求項４】
前記第１のポンプ光出射部からＹＡＧレーザの出力を前記第１のポンプ光として出射し、
前記第２のポンプ光出射部は、インジェクションシーディング機構を有するオプティカルパラメトリックオシレータを備え、前記オプティカルパラメトリックオシレータを前記ＹＡＧレーザの出力で励起することにより、前記第２のポンプ光出射部から前記オプティカルパラメトリックオシレータの出力を前記第２のポンプ光として出射する
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電磁波発生装置。
【請求項５】
前記第１のポンプ光出射部は、前記第１のポンプ光を出射するクロム添加フォルステライトレーザ、イッテルビウム添加イットリウム・リチウム・フルオライドレーザ、イッテルビウム添加ファイバレーザのいずれかからなる第１のポンプ光源を備え、
前記第２のポンプ光出射部は、前記第２のポンプ光を出射するクロム添加フォルステライトレーザ、イッテルビウム添加イットリウム・リチウム・フルオライドレーザ、イッテルビウム添加ファイバレーザのいずれかからなる第２のポンプ光源を備える
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電磁波発生装置。
【請求項６】
前記第１及び第２のポンプ光源をそれぞれ励起し、前記第１及び第２のポンプ光源から前記第１及び第２のポンプ光を出射させる励起光源を更に備えることを特徴とする請求項５に記載の電磁波発生装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【公開番号】特開２０１２−２０３０１３（Ｐ２０１２−２０３０１３Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−６４４４８（Ｐ２０１１−６４４４８）
【出願日】平成２３年３月２３日（２０１１．３．２３）
【出願人】（５０２３５０５０４）学校法人上智学院 (50)
【出願人】（３９５０２３０６０）株式会社東京インスツルメンツ (7)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２３日（２０１１．３．２３）
【出願人】（５０２３５０５０４）学校法人上智学院 (50)
【出願人】（３９５０２３０６０）株式会社東京インスツルメンツ (7)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]