(57)【要約】      （修正有）【課題】テラヘルツ放射を生成するための新規な技法を提供する。【解決手段】ポンプビーム１２はパルスフロント傾斜を施すことによって非線形光学媒体５０に結合され、非線形光学過程によって、ＴＨｚ放射が生成される。速度整合条件を満足するために必要なポンプビームのパルスフロント傾斜は、複数のパルスフロント傾斜の合計としてもたらされ、続くステップにおいてポンプビームの部分的なパルスフロント傾斜として個別に誘導され、ポンプビームのパルスフロント傾斜の最後のステップは、ポンプビームを、非線形光学媒体の出射表面５２とゼロ以外の所定のサイズの角度Γを形成している非線形光学媒体の入射表面５１に形成された階段構造４０を介して、非線形光学媒体に結合することによって行われる。【選択図】図１
2020038363.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非線形光学媒体（５０）においてテラヘルツ放射（６０）を生成するための方法であって、
ポンプビーム（１２）は前記ポンプビームにパルスフロント傾斜を施すことによって事前傾斜され、このようにして得られた傾斜パルスフロントポンプビームは前記非線形光学媒体に結合され、前記光学媒体において、前記ポンプビームを用いた非線形光学過程によって、特に光整流によって、ＴＨｚ放射が生成され、
ｖｐ，ｃｓｃｏｓ（γ）＝ｖＴＨｚ，ｆの速度整合条件を満足するために必要な前記ポンプビームのパルスフロント傾斜は、複数のパルスフロント傾斜の合計としてもたらされ、各パルスフロント傾斜は、続くステップにおいて前記ポンプビームの部分的なパルスフロント傾斜として個別に誘導され、ここでｖｐ；ｃｓは前記ポンプビームの群速度であり、ｖＴＨｚ；ｆはＴＨｚパルスの位相速度であり、γは前記ポンプビーム（１２）のパルスフロントと位相フロントとの間に形成される角度であり、
前記ポンプビーム（１２）のパルスフロント傾斜の最後のステップは、階段構造（４０）を介して前記ポンプビーム（１２）を前記非線形光学媒体に結合することによって行われ、
前記非線形光学媒体は、ゼロ以外の所定のサイズの角度（Γ）を互いと形成している、前記ポンプビームの伝播方向において前記非線形光学媒体の境界となる入射表面（５１）および出射表面（５２）を備え、
前記階段構造（４０）は前記入射表面（５１）に形成されていることを特徴とする、方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、前記ポンプビーム（１２）は、少なくとも５フェムト秒、最大で数百フェムト秒のパルス長を有する、可視、近赤外、または中赤外領域内のレーザパルスであることを特徴とする、方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の方法であって、前記ポンプビーム（１２）のパルスフロント傾斜の一番最初のステップは、前記ポンプビーム（１２）を角分散誘導特性を有する光学素子（２０）を通して導くことによって行われ、角分散誘導特性を有する前記光学素子は、回折ベースの光学素子、屈折ベースの光学素子、前記回折ベースの素子と屈折ベースの素子の組み合わせとして実装される光学素子を含む群から選択されることを特徴とする、方法。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の方法であって、角分散誘導特性を有する前記光学素子（２０）から出て行く前記ポンプビーム（１２）は、イメージング光学系を通って前記階段構造（４０）へと導かれることを特徴とする、方法。
【請求項５】
請求項１から３のいずれか１項に記載の方法であって、前記事前傾斜を行う角分散誘導特性を有する前記光学素子（２０）は透過格子であり、前記事前傾斜の程度は、前記透過格子がリトロー型構成でまたは前記リトロー型構成に近い構成で使用される場合に、前記透過格子と前記非線形光学媒体（５０）の前記入射表面（５１）が互いに実質的に平行に配置されるように定められ、この結果最大の回折効率がもたらされることを特徴とする、方法。
【請求項６】
ポンプビーム（１２）を発するためのポンプ源（１０）と、ＴＨｚパルスを生成するための非線形光学媒体と、を備え
前記ポンプ源（１０）および前記非線形光学媒体（５０）は共に光経路を画定し、前記光経路は、前記ポンプ源（１０）から前記光経路の境界となる前記非線形光学媒体（５０）の入射表面（５１）へと前記ポンプビーム（１２）を導くように配置されており、
前記光経路内には角分散誘導特性を有する光学素子（２０）が配置されている、
テラヘルツ放射源（１００）であって、
前記非線形光学媒体は、前記入射表面と共に前記ポンプビームの伝播方向において前記非線形光学媒体の境界となる出射表面を更に備え、前記入射表面および出射表面は互いとゼロ以外の所定のサイズの角度（Γ）を形成しており、
前記非線形光学媒体（５０）の前記入射表面（５１）に階段構造（４０）が形成されていることを特徴とする、テラヘルツ放射源（１００）。
【請求項７】
請求項６に記載の放射源（１００）であって、前記階段構造は第１の方向に沿って前記階段構造の表面上に周期的に次々と配置された段（４１）よって形成されており、前記段（４１）の各々は２つの短手縁部（４１ｂ、４１ｃ）と１つの長手縁部（４１ａ）とを有し、前記長手縁部は両短手縁部に対して垂直に延在することを特徴とする、放射源（１００）。
【請求項８】
請求項６または７に記載の放射源（１００）であって、角分散誘導特性を有する前記光学素子（２０）と前記非線形光学媒体（５０）の前記入射表面との間の前記光経路内に、イメージング光学系が配置されていることを特徴とする、放射源（１００）。
【請求項９】
請求項６から８のいずれか１項に記載の放射源（１００）であって、角分散誘導特性を有する前記光学素子（２０）は、回折ベースの光学素子、屈折ベースの光学素子、ならびに前記回折ベースの光学素子および屈折ベースの光学素子の組み合わせとして実装される光学素子を含む群から選択され、好ましくは角分散誘導特性を有する前記光学素子は透過格子であることを特徴とする、放射源（１００）。
【請求項１０】
請求項６、７、または９に記載の放射源（１００）であって、角分散誘導特性を有する前記光学素子（２０）は、前記ポンプビームの事前傾斜を行うように構成された透過格子であり、前記事前傾斜の程度は、前記透過格子がリトロー型構成でまたは前記リトロー型構成に近い構成で使用される場合に、前記透過格子と前記非線形光学媒体（５０）の前記入射表面（５１）が互いに実質的に平行に配置されるように定められ、この結果最大の回折効率がもたらされることを特徴とする、放射源（１００）。
【請求項１１】
請求項６から８および１０のいずれか１項に記載の放射源（１００）であって、前記階段構造を形成している前記段（４１）の境界面は互いに垂直であり、前記境界面は前記短手縁部の一方（４１ｂ）および前記長手縁部（４１ａ）によってならびに前記短手縁部の他方（４１ｃ）および前記長手縁部（４１ａ）によって画定されていることを特徴とする、放射源（１００）。
【請求項１２】
請求項６から８および１０から１１のいずれか１項に記載の放射源（１００）であって、前記階段構造を形成する前記段（４１）の前記２つの短手縁部（４１ｂ、４１ｃ）の寸法（ｗ、ｈ）は、前記ポンプビーム（１２）の波長よりも数桁、好ましくは少なくとも１桁または２桁大きいことを特徴とする、放射源（１００）。
【請求項１３】
請求項１２に記載の放射源（１００）であって、各段（４１）の前記２つの短手縁部（４１ｂ、４１ｃ）の前記寸法（ｗ、ｈ）は、少なくとも数十マイクロメートルの範囲内にあることを特徴とする、放射源（１００）。
【請求項１４】
請求項６から１３のいずれか１項に記載の放射源（１００）であって、前記非線形光学媒体は格別に高い非線形光学係数を有する材料から作製され、その屈折率はテラヘルツ領域および可視領域において著しく異なることを特徴とする、放射源（１００）。
【請求項１５】
請求項６から１４のいずれか１項に記載の放射源（１００）であって、前記非線形光学媒体は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）結晶またはタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）結晶を含むことを特徴とする、放射源（１００）。
【請求項１６】
請求項６から１５のいずれか１項に記載の放射源（１００）であって、前記ポンプビームは、少なくとも５フェムト秒、最大で数百フェムト秒のパルス長を有する、可視、近赤外、または中赤外領域内のレーザパルスであることを特徴とする、放射源（１００）。
【請求項１７】
請求項１５に記載の放射源（１００）であって、前記非線形光学媒体（５０）はニオブ酸リチウムから作製され、前記事前傾斜の程度は実質的にγ＝６９°であることを特徴とする、放射源（１００）。
【請求項１８】
請求項１から５のいずれか１項に記載の方法であって、ゼロ以外の所定のサイズである前記角度（Γ）の値は、最大で２０°であり、より好ましくは最大で１５°であり、最も好ましくは最大で１０°であることを特徴とする、方法。
【請求項１９】
請求項６から１７のいずれか１項に記載の放射源であって、ゼロ以外の所定のサイズである前記角度（Γ）の値は、最大で２０°であり、より好ましくは最大で１５°であり、最も好ましくは最大で１０°であることを特徴とする、放射源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ放射を生成するための方法および機構に関する。特に、本発明は、生成されるテラヘルツパルスのビーム特性およびエネルギースケーラビリティが向上している、テラヘルツパルスを生成するための効率の向上した新規な方法および機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
今日、例えば電子または陽子などの荷電粒子の加速は、実質的に０．１から１０ＴＨｚ（契約内容による）の範囲内に収まる周波数を有する高強度のテラヘルツ（ＴＨｚ）パルスの、新しい有望な応用分野である。テラヘルツパルスは通常、超短光パルス、すなわちフェムト秒（ｆｓ）からピコ秒（ｐｓ）領域のパルス長を有する光パルスを、全体に非線形光学特性を有する結晶に結合することにより、その結晶内での光整流によって生成される。この目的のために、通常は、数百フェムト秒のパルス長を有する可視または近赤外のポンプパルスが使用される。
【０００３】
効率的なテラヘルツ放射生成を実現するためには、いわゆる速度整合条件を満たさなければならない。このことは、生成に使用されるポンプパルスの群速度が、このように生成されるＴＨｚパルスの位相速度と等しくなければならないことを意味する。前記速度が互いに近ければ、すなわち、非線形結晶のポンピングの周波数での群屈折率とＴＨｚ領域における屈折率との差が妥当に小さい程度のみであれば、既知の手段によってこの条件の充足が達成可能である。
【０００４】
（結晶）材料の２次非線形光学係数は、テラヘルツ放射生成の効率に決定的な影響を与える。前記係数が大きく（典型的には数１０ｐｍ／Ｖ’ｓを上回り）上述した屈折率の差もまた大きい、一部の材料では、速度整合でのテラヘルツ放射生成は達成できなくなる。これはいくつかの材料、例えば燐化ガリウム（ＧａＰ）、テルル化亜鉛（ＺｎＴｅ）などの一部の半導体、ならびに、格別に高い（１６０から１７０ｐｍ／Ｖ）非線形光学係数を有するニオブ酸リチウム（ＬＮ）およびタンタル酸リチウム（ＬＴ）の場合に当てはまり、このとき、ポンプ周波数での群屈折率とＴＨｚ領域内での位相屈折率との比は、２よりも大きい。この問題の解決法が、傾斜パルスフロント技法である（Ｊ．ヘブリングら（Ｊ．Ｈｅｂｌｉｎｇ  ｅｔ  ａｌ．）による、Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ、１０巻、２１号、１１６１〜１１６６ページ（２００２）、「Ｖｅｌｏｃｉｔｙ  ｍａｔｃｈｉｎｇ  ｂｙ  ｐｕｌｓｅ  ｆｒｏｎｔ  ｔｉｌｔｉｎｇ  ｆｏｒ  ｌａｒｇｅ−ａｒｅａ  ＴＨｚ−ｐｕｌｓｅ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ」と題する論文を参照）。これによれば、テラヘルツ放射の生成は、パルスフロント（強度フロント）が波面に対して所望の角度（γ）を成している光パルスによって実行される。生成されるＴＨｚビームは、前記速度整合条件に起因して傾斜パルスフロントに対して垂直に伝播するので、ＴＨｚ放射伝播の方向に沿ったポンピング群速度ｖｐ，ｃｓの投影は、ＴＨｚビームの位相速度ｖＴＨｚ，ｆと等しくなければならない、すなわち、
ｖｐ，ｃｓｃｏｓ（γ）＝ｖＴＨｚ，ｆ  （１）
の関係を満たさねばならない。特に、近赤外領域内のポンプ波長に関して、約１００Ｋから約２９３〜２９８Ｋすなわち室温までの範囲の温度において、ＬＮについてはγ≒６２°から６３°、ＬＴについてはγ≒６８°から６９°、およびＺｎＴｅについてはγ≒２２°から２９°で、この関係がそれぞれ満足される。
【０００５】
現在のところ、粒子加速に適した（すなわち約０．２から１．０ＴＨｚの）周波数を有する最高のエネルギーのＴＨｚパルスは、ＬＮ結晶によっておよび傾斜パルスフロント技法を活用することによって生成可能である（Ｊ．Ａ．フュレプら（Ｊ．Ａ．Ｆｕｌｏｐ  ｅｔ  ａｌ．）による、Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ、２２巻、１７号、２０１５５〜２０１６３ページ（２０１４）、「Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ＴＨｚ  ｐｕｌｓｅｓ  ｗｉｔｈ  ０．４  ｍＪ  ｅｎｅｒｇｙ」と題する論文を参照）。この刊行物に記載されている、０．４３ｍＪのパルスエネルギーを生じさせる高エネルギーＴＨｚ放射源は、非線形光学結晶としてプリズム形状のＬＮ結晶を常時使用する。この理由は、一方では、反射損失を最小にするためには、ポンプパルスが結晶に垂直に入射しなければならず、また生成されるＴＨｚパルスがそこから同じく垂直に出射しなければならないことである。他方では、ＴＨｚビームを直角に出力結合することによって、このビームに角分散が生じないことを保証でき、このことは更なる利用の観点からは非常に重要な要件である。したがって、上記の速度整合条件（１）を満たすためには、ＬＮ結晶の出射面は、ＬＮ結晶の入射面と、角度γに等しいくさび角度を形成しなければならない。
【０００６】
ＬＮ結晶の場合のくさび角度は大きいので（γ≒６３°）、高エネルギーＴＨｚ生成において、この媒体をＴＨｚ放射を生成するためのプリズムの形態で使用することは、このように生成されるＴＨｚビームの品質にとって非常に弊害がある。その理由は、高エネルギーＴＨｚパルスを生成するのに必要な幅広のポンプビームに関して、ポンプビームの断面視して互いに反対側にある２つの側に形成されているＴＨｚパルスは著しく異なる長さにわたって生成され、したがって吸収および分散を受ける程度が様々であり、更に、ＬＮ結晶の前記生成の位置における非線形効果もまた異なるからである。したがって、ポンプパルスの上記２つの側に対称に位置付けられた部分において生成されるＴＨｚパルスの強度ならびに一時的電界プロファイルは著しく異なる、すなわち、得られるＴＨｚビームは非常に非対称的で品質が悪い。効率的な粒子加速を実現するための重要な基準は、加速される粒子と、加速のために使用される制御可能な一時的プロファイルの電界強度を有するパルスとの間で、精確な同期を維持することである。このため、このようにして得られる低いビーム品質の非対称なＴＨｚビームは、同期に適さず、したがって効率的な粒子加速に適さない。
【０００７】
従来の傾斜パルスフロント技法では、ポンプビームのパルスフロント傾斜は一般に、前記ポンプビームをビーム経路内に配置されている（反射または透過）光学格子上で回折させることによって得られる。次いで、このビームがレンズまたはテレスコープを通してテラヘルツ放射生成用の非線形結晶内へとイメージングによって導かれる。結晶の内側に、格子の表面上のビームスポットの像が作り出される。従来の傾斜パルスフロントＴＨｚ放射源のイメージング誤差は、ポンプパルスのひずみを引き起こす、すなわち、前記誤差は結果的にポンプパルス長の局所的な増大をもたらす（Ｌ．パルファルヴィら（Ｌ．Ｐａｌｆａｌｖｉ  ｅｔ  ａｌ．）による、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、９２巻、１号、１７１１０７〜１７１１０９ページ（２００８）、「Ｎｏｖｅｌ  ｓｅｔｕｐｓ  ｆｏｒ  ｅｘｔｒｅｍｅｌｙ  ｈｉｇｈ  ｐｏｗｅｒ  ｓｉｎｇｌｅ−ｃｙｃｌｅ  ｔｅｒａｈｅｒｔｚ  ｐｕｌｓｅ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｂｙ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｒｅｃｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ」と題する論文、および、フュレプら（Ｆｕｌｏｐ  ｅｔ  ａｌ．）による、「Ｄｅｓｉｇｎ  ｏｆ  ｈｉｇｈ−ｅｎｅｒｇｙ  ｔｅｒａｈｅｒｔｚ  ｓｏｕｒｃｅｓ  ｂａｓｅｄ  ｏｎ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｒｅｃｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ」（Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ、１８巻、１２号、１２３００〜１２３２７ページ（２０１０）を参照）と題する論文を参照。断面の大きいポンプビーム（すなわち幅広のビーム）の場合、この効果はテラヘルツ放射生成の効率にとって非常に弊害がある。これを是正するために、上掲した科学誌は、どのようなイメージング光学系も含まず、したがってイメージング光学系に起因するイメージング誤差のない、いわゆる接触格子スキームの使用を提案している。このスキームでは、パルスフロントの傾斜は、非線形結晶の表面に（例えばエッチングによって）直接形成された透過光学格子上でポンプビームを回折させることによって得られる。形成される格子の周期の大きさ（一般にはマイクロメートルまたはサブマイクロメートル領域内）は、非線形結晶の材料およびポンピングの波長によって決定される。ＬＮについて典型的に約１μｍのポンプ波長を想定すると、接触格子は典型的には少なくとも２５００〜３０００  １／ｍｍの線密度を有さなければならない。（ナガシマら（Ｎａｇａｓｈｉｍａ  ｅｔ  ａｌ．）による、Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ、４９巻、１２２５０４−１から１２２５０４−５ページ（２０１０）、「Ｄｅｓｉｇｎ  ｏｆ  Ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ  Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｇｒａｔｉｎｇｓ  Ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ  ｉｎ  ＬｉＮｂＯ３  ｆｏｒ  Ｈｉｇｈ−Ｐｏｗｅｒ  Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ−Ｗａｖｅ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ」と題する論文、および、Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ、５１巻、１２２５０４−１ページ（２０１２）、「Ｅｒｒａｔｕｍ：Ｄｅｓｉｇｎ  ｏｆ  Ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ  Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｇｒａｔｉｎｇｓ  Ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ  ｉｎ  ＬｉＮｂＯ３  ｆｏｒ  Ｈｉｇｈ−Ｐｏｗｅｒ  Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ−Ｗａｖｅ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ」���題する修正論文、ならびに、オールマンら（Ｏｌｌｍａｎｎ  ｅｔ  ａｌ．）による、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｂ、１０８巻、４号、８２１〜８２６ページ（２０１２）、「Ｄｅｓｉｇｎ  ｏｆ  ａ  ｃｏｎｔａｃｔ  ｇｒａｔｉｎｇ  ｓｅｔｕｐ  ｆｏｒ  ｍＪ−ｅｎｅｒｇｙ  ＴＨｚ  ｐｕｌｓｅ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｂｙ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｒｅｃｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ」と題する論文を参照）。現時点では、そのような線密度を有する光学格子の製作は、可能ではあるとしても、実際には自明ではない。更に、テスト実験では、格子の線密度が閾値（ＬＮでは約２０００  １／ｍｍ）を上回る場合、得られる格子のプロファイルが不明確になることが示されている。結果的に、得られる格子の回折効率は理論上予測される値よりも大きく下回ることになり、この結果、ポンプパルスの結合の効率が大きく低下することに起因して、テラヘルツ放射生成の効率が劇的に低下する。
【０００８】
接触格子スキームの更なる重大な欠点は、面平行な構造が使用される場合に、テラヘルツ放射を効率的に生成することが可能ではないということにある。入射面および出射面を互いに対して（ＬＮについては約３０°の角度で）傾斜させること、およびこれにより、プリズム形状の素子の形態のテラヘルツ放射生成のために使用される媒体を提供すること（上で言及した２０１２のＯｌｌｍａｎｎらによる論文を参照）は、不可避である。
【０００９】
「４１ｔｈ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｉｎｆｒａｒｅｄ，  Ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ  ａｎｄ  Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ  Ｗａｖｅｓ  （ＩＲＭＭＷ−ＴＨｚ）」（２０１６年９月２５〜３０日）の会議録で発表された、ツボウチら（Ｔｓｕｂｏｕｃｈｉ  ｅｔ  ａｌ．）による「Ｃｏｍｐａｃｔ  ｄｅｖｉｃｅ  ｆｏｒ  ｉｎｔｅｎｓｅ  ＴＨｚ  ｌｉｇｈｔ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ：  Ｃｏｎｔａｃｔ  ｇｒａｔｉｎｇ  ｗｉｔｈ  Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ  ｒｅｓｏｎａｔｏｒ」と題する論文は、接触格子によってテラヘルツパルスを生成する方法を開示している。面平行な素子の形態で提供される非線形結晶における結合の効率を高めるために、結晶の表面と回折格子との間に、ファブリ−ペロー共振器として機能する２重被覆層が形成される。前記面平行な構造から得られるＴＨｚビームの出射面における出力結合は、垂直以外の方向で行われる。数サイクルのみから成りかつ広帯域幅を有するＴＨｚパルスの場合、このことは非常に不利である、すなわち、個々のスペクトル成分の分離により、こうして得られたＴＨｚパルスの実用は不可能になる。
【００１０】
オフォリ−オケイら（Ｏｆｏｒｉ−Ｏｋａｉ  ｅｔ  ａｌ．）による、「ＴＨｚ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｕｓｉｎｇ  ａ  ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ  ｓｔａｉｒ−ｓｔｅｐ  ｅｃｈｅｌｏｎ」と題する論文（Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ、２４巻、５号、５０５７〜５０６７ページ（２０１６）を参照）は、テラヘルツ放射生成用の傾斜パルスフロント技法を開示しており、この技法では、マイクロメートル領域内に収まる周期を有する回折格子の代わりに、大きさ約１００マイクロメートルの周期を有する段状構造上での反射を介して、ポンプビームのパルスフロント傾斜が実現される（反射エシェル格子に基づく生成用のスキーム）。反射されるとき、パルスフロントは平均的な傾斜となっており、その程度は、段状構造の段の高さおよび幅によって決定される。パルスフロントの微細構造もまた段状になり、前記微細構造の幅は段状格子の幅の２倍であり、一方その高さは、段状格子の高さと等しくなる。速度整合に必要なパルスフロント傾斜は、ポンプパルスの伝播経路内に配置されたイメージング光学系によって定められる。このように生成されるＴＨｚ放射は、結晶内を段状のパルスフロントの包絡面に対して垂直な方向に沿って伝播する。したがって、結晶からのＴＨｚ放射を出力結合するには、従来のスキームの場合（上記を参照）と同じくさび角度（ＬＮ結晶では約６３°）を有するプリズムが必要となる。この結果、特に高エネルギーテラヘルツ放射生成のために必要な幅広のポンプビームを使用する場合、得られるＴＨｚ放射は非対称になり、したがって例えば粒子加速には適さない。
【００１１】
国際公開第２０１７／０８１５０１Ａ２号パンフレット、および、パルファルヴィら（Ｐａｌｆａｌｖｉ  ｅｔ  ａｌ．）による、「Ｈｙｂｒｉｄ  ｔｉｌｔｅｄ−ｐｕｌｓｅ−ｆｒｏｎｔ  ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ  ｓｃｈｅｍｅ  ｆｏｒ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｈｉｇｈ−ｅｎｅｒｇｙ  ｔｅｒａｈｅｒｔｚ  ｐｕｌｓｅｓ」と題する論文（Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ、２４巻、８号、８１５６〜８１６９ページ（２０１６）を参照）には、テラヘルツ放射を生成するための方法および放射源が開示されている。開示される解決法は、従来の傾斜パルスフロントスキーム（上記を参照）を接触格子と組み合わせることによって得られる。パルスフロント傾斜は好ましくは、２つ（またはそれ以上）の別個の段において、ポンプビームのパルスフロント傾斜が従来の機構と接触格子との間で分散されるような様式で生じる。したがって、このスキームで生じるイメージング誤差は、従来のスキームの誤差と比較して大きく低減される。更に、ＬＮ結晶について行ったモデル計算によれば、有利には、一般的な接触格子スキームにおいて必要な線密度よりも低い（すなわち約２０００  １／ｍｍ未満の）線密度の場合であってさえも、良好な効率のテラヘルツ放射生成が達成可能である。この方法を実現するために、放射源は、ポンプパルスを発するためのポンプ源とＴＨｚパルスを生成するための非線形光学媒体とを備え、ポンプ源および非線形光学媒体は共に光経路を画定し、前記ポンプパルスはこの光経路に沿ってポンプ源から非線形光学媒体へと移動する。前記光経路内には、角分散誘導特性を有する第１の光学素子とイメージング光学系とが、ポンプパルスの伝播方向に沿って順次配置されている。更に、２つ以上の段においてポンプパルスのパルスフロント傾斜を誘導するために、光経路内の角分散誘導特性を有する第１の素子およびイメージング光学系よりも後ろに、角分散誘導特性を有する少なくとも１つの更なる素子も配置される。テラヘルツ放射を生成するための媒体は、プリズム形状の素子の形態で提供される。ポンプビームのパルスフロント傾斜を分散させる結果、適用されるプリズムのくさび角度は、従来の技術的解決法が必要とするくさび角度よりも小さくなるが（ＬＮではγ≒３０°、ＬＴではγ≒４５°）、それでもこれは、結果的に非対称なビームが生成されるのに十分な大きさであり、得られるテラヘルツ放射の利用の観点からは不利である。
【００１２】
Ｌ．パルファルヴィら（Ｌ．Ｐａｌｆａｌｖｉ  ｅｔ  ａｌ．）による、「Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ  ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａ  ｓｃａｌａｂｌｅ  ｓｅｔｕｐ  ｆｏｒ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｔｅｒａｈｅｒｔｚ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｕｓｉｎｇ  ａ  ｓｅｇｍｅｎｔｅｄ  ｔｉｌｔｅｄ−ｐｕｌｓｅ−ｆｒｏｎｔ  ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ」と題する論文（Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ、２５巻、２４号、２９５６０〜２９５７３ページ（２０１７）を参照）、および、欧州特許条約第５７条（３）に基づき先行技術に属する、欧州出願第１７１７７７５７．６号は、面平行な構造のテラヘルツパルス源（基本的にはＬＮかＬＴのいずれかをベースとし、次善として非線形光学特性を有する更なる媒体をベースとする）を提案している。前記パルス源は、幅広なポンプビームの場合であっても、対称なテラヘルツパルスを生成する。速度整合条件の充足に基づく、高いテラヘルツ生成効率を有するこのスキームでは、ポンプビーム源の下流の、前記ポンプビーム源が発したポンプビームの伝播経路内に、角分散誘導特性を有する第１の光学素子と、イメージング光学系と、テラヘルツ放射を生成するための非線形光学特性を有する媒体と、が配置されており、非線形光学特性を有する媒体は、互いに平行な入射面および出射面によって画定される、光を透過する（すなわちポンプビームに対して透明な）面平行な結晶の形態で提供され、入射面自体は階段構造として形成されている。階段構造の周期は、ポンプビーム源のポンプ波長よりも桁違いに、好ましくは少なくとも１桁または２桁大きい。以降では、平行な入射面および出射面を有し、更にその入射面には階段構造を有する素子を、「面平行なエシュロン（または段状／階段）接触格子」と呼ぶ。
【００１３】
階段構造を通過すると、パルスフロントは区分けされ、平均傾斜角度によって記述することが可能になる。速度整合した最大効率のテラヘルツ生成を実現するために、特定の幾何的条件を満たさなければならない。すなわち、一方で、面平行なエシュロン接触格子は、ポンプビームの伝播経路内に、個々の階段の長手縁部に接するように配された仮想平面（すなわち前記面平行なエシュロン接触格子の包絡面）が、伝播方向に対して垂直な平面と角度γＮＭを形成するような様式で配置されている。他方で、非線形光学特性を有する媒体内に入射する直前は、前記ポンプビームのパルスフロントは、面平行なエシュロン接触格子の包絡面と平行である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】国際公開第２０１７／０８１５０１号
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】Ｊ．ヘブリングら（Ｊ．Ｈｅｂｌｉｎｇ  ｅｔ  ａｌ．）、Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ、１０巻、２１号、１１６１〜１１６６ページ（２００２）、「Ｖｅｌｏｃｉｔｙ  ｍａｔｃｈｉｎｇ  ｂｙ  ｐｕｌｓｅ  ｆｒｏｎｔ  ｔｉｌｔｉｎｇ  ｆｏｒ  ｌａｒｇｅ−ａｒｅａ  ＴＨｚ−ｐｕｌｓｅ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ」
【非特許文献２】Ｊ．Ａ．フュレプら（Ｊ．Ａ．Ｆｕｌｏｐ  ｅｔ  ａｌ．）、Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ、２２巻、１７号、２０１５５〜２０１６３ページ（２０１４）、「Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ＴＨｚ  ｐｕｌｓｅｓ  ｗｉｔｈ  ０．４  ｍＪ  ｅｎｅｒｇｙ」
【非特許文献３】Ｌ．パルファルヴィら（Ｌ．Ｐａｌｆａｌｖｉ  ｅｔ  ａｌ．）、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、９２巻、１号、１７１１０７〜１７１１０９ページ（２００８）、「Ｎｏｖｅｌ  ｓｅｔｕｐｓ  ｆｏｒ  ｅｘｔｒｅｍｅｌｙ  ｈｉｇｈ  ｐｏｗｅｒ  ｓｉｎｇｌｅ−ｃｙｃｌｅ  ｔｅｒａｈｅｒｔｚ  ｐｕｌｓｅ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｂｙ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｒｅｃｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ」
【非特許文献４】フュレプら（Ｆｕｌｏｐ  ｅｔ  ａｌ．）、「Ｄｅｓｉｇｎ  ｏｆ  ｈｉｇｈ−ｅｎｅｒｇｙ  ｔｅｒａｈｅｒｔｚ  ｓｏｕｒｃｅｓ  ｂａｓｅｄ  ｏｎ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｒｅｃｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ」（Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ、１８巻、１２号、１２３００〜１２３２７ページ（２０１０））
【非特許文献５】ナガシマら（Ｎａｇａｓｈｉｍａ  ｅｔ  ａｌ．）、Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ、４９巻、１２２５０４−１から１２２５０４−５ページ（２０１０）、「Ｄｅｓｉｇｎ  ｏｆ  Ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ  Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｇｒａｔｉｎｇｓ  Ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ  ｉｎ  ＬｉＮｂＯ３  ｆｏｒ  Ｈｉｇｈ−Ｐｏｗｅｒ  Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ−Ｗａｖｅ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ」
【非特許文献６】Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ、５１巻、１２２５０４−１ページ（２０１２）、「Ｅｒｒａｔｕｍ：Ｄｅｓｉｇｎ  ｏｆ  Ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ  Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｇｒａｔｉｎｇｓ  Ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ  ｉｎ  ＬｉＮｂＯ３  ｆｏｒ  Ｈｉｇｈ−Ｐｏｗｅｒ  Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ−Ｗａｖｅ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ」
【非特許文献７】オールマンら（Ｏｌｌｍａｎｎ  ｅｔ  ａｌ．）、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｂ、１０８巻、４号、８２１〜８２６ページ（２０１２）、「Ｄｅｓｉｇｎ  ｏｆ  ａ  ｃｏｎｔａｃｔ  ｇｒａｔｉｎｇ  ｓｅｔｕｐ  ｆｏｒ  ｍＪ−ｅｎｅｒｇｙ  ＴＨｚ  ｐｕｌｓｅ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｂｙ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｒｅｃｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ」
【非特許文献８】ツボウチら（Ｔｓｕｂｏｕｃｈｉ  ｅｔ  ａｌ．）、「Ｃｏｍｐａｃｔ  ｄｅｖｉｃｅ  ｆｏｒ  ｉｎｔｅｎｓｅ  ＴＨｚ  ｌｉｇｈｔ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ：  Ｃｏｎｔａｃｔ  ｇｒａｔｉｎｇ  ｗｉｔｈ  Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ  ｒｅｓｏｎａｔｏｒ」、「４１ｔｈ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｉｎｆｒａｒｅｄ，  Ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ  ａｎｄ  Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ  Ｗａｖｅｓ  （ＩＲＭＭＷ−ＴＨｚ）」（２０１６年９月２５〜３０日）
【非特許文献９】オフォリ−オケイら（Ｏｆｏｒｉ−Ｏｋａｉ  ｅｔ  ａｌ．）、「ＴＨｚ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｕｓｉｎｇ  ａ  ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ  ｓｔａｉｒ−ｓｔｅｐ  ｅｃｈｅｌｏｎ」、Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ、２４巻、５号、５０５７〜５０６７ページ（２０１６）
【非特許文献１０】パルファルヴィら（Ｐａｌｆａｌｖｉ  ｅｔ  ａｌ．）、「Ｈｙｂｒｉｄ  ｔｉｌｔｅｄ−ｐｕｌｓｅ−ｆｒｏｎｔ  ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ  ｓｃｈｅｍｅ  ｆｏｒ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｈｉｇｈ−ｅｎｅｒｇｙ  ｔｅｒａｈｅｒｔｚ  ｐｕｌｓｅｓ」、Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ、２４巻、８号、８１５６〜８１６９ページ（２０１６）
【非特許文献１１】Ｌ．パルファルヴィら（Ｌ．Ｐａｌｆａｌｖｉ  ｅｔ  ａｌ．）、「Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ  ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａ  ｓｃａｌａｂｌｅ  ｓｅｔｕｐ  ｆｏｒ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｔｅｒａｈｅｒｔｚ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｕｓｉｎｇ  ａ  ｓｅｇｍｅｎｔｅｄ  ｔｉｌｔｅｄ−ｐｕｌｓｅ−ｆｒｏｎｔ  ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ」、Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ、２５巻、２４号、２９５６０〜２９５７３ページ（２０１７）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
面平行なエシュロン接触格子に基づくスキームは、完全な対称性を有するテラヘルツビームを生成することを主たる目的としている。しかしながら、必要となる面平行な構造、ならびに上で検討したようなテラヘルツ生成のために独自に設定される幾何形状は、テラヘルツ生成の達成可能な効率自体を大きく制限する。したがって、技術的解決法、すなわち、優れたビーム特性を維持しつつテラヘルツ生成の効率の改善をもたらす、テラヘルツ放射を生成するための方法および機構を用意することが、好ましいであろう。
【００１７】
上述した内容に照らして、本発明の目的は、（特に、最も重要なビーム特性に関する限りは対称なビームプロファイルを有する）優れたビーム特性のテラヘルツパルスをスケーラブルな様式で生成することを可能にする、実地で適用可能なテラヘルツ放射を生成するための方法および機構−以降、技法−を提供することである。本明細書においておよびこれ以降、「スケーラブルな（ｓｃａｌａｂｌｅ）」という用語は、本発明に係るテラヘルツ放射源において適用されるポンプビームの断面ビームスポットの半径−これは所望のテラヘルツパルスエネルギーの平方に比例する−を、生成されるテラヘルツ放射の優れたビーム特性を維持しつつ、比較的広い限度の間で調整できることを指す。特に、ビームスポットの前記半径は、ｍｍ領域内の値から数センチメートルの範囲内の値まで変更可能である。
【００１８】
本発明の更なる目的は、今日利用可能なＴＨｚパルスのパルスエネルギーおよび生成効率を向上させるテラヘルツ放射生成用の技法を提供することである。
【００１９】
本発明の別の更なる目的は、単波長エネルギーの荷電粒子を生じさせるためのテラヘルツ放射を生成するための技法を提供すること、および、前記粒子を同期させて効率的に加速することである。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明者らは自身の研究により、上述した目的が、速度整合条件を充足することに基づくテラヘルツ放射生成用の新規な機構であって、ポンプビーム源の下流のポンプビーム源が発するポンプビームの伝播経路内には、角分散誘導特性を有する第１の光学素子と、非線形光学特性を有する、光を透過する（すなわちポンプビームに対して透明な）媒体から作製される光学素子と、が配置されており、前記光学素子は、階段構造自体として形成される入射面を有する、機構、によって、達成可能であるとの結論に至った。ここで、および以降では、その入射面に階段構造（階段エシュロンとも呼ばれる）の形成された非線形光学特性の結晶を、「エシュロン接触格子」と呼ぶ。階段エシュロンの周期は、ポンプビーム源の波長よりも桁違いに、好ましくは少なくとも１桁または２桁大きい。前記エシュロン接触格子は、階段エシュロンの表面にわたって仮想の第１の方向に沿って周期的に次々と形成された階段から成り、各段は、２つの短手縁部と、短手縁部の各々に対して垂直な１つの長手縁部と、を備え、前記長手縁部は、仮想の第１の方向に対して直角に延びる階段エシュロンの表面にわたる、仮想の第２の方向と実質的に平行である。更に、エシュロン接触格子の入射面および出射面を（所定の）ゼロ以外の角度（いわゆるくさび角度）を形成するように構築することが可能となっているか、またはこのことは、生成されるテラヘルツ放射の特定の特性を最適化するために妥当でさえある。あるいはこれを別様に表現すると、前記エシュロン接触格子の入射面および出射面は、互いに平行ではない。本発明者らの研究によれば、前記くさび角度の値は最大で２０°であり、より好ましくは最大で１５°であり、最も好ましくは最大で１０°である。ただし、前記くさび角度の精確な値は、所定のポンピング条件（例えば波長、パルス長、ビーム径）に対して、所定の非線形光学媒体において、使用者の要求（すなわち、大きなテラヘルツ生成効率、最高品質のＴＨｚビーム像）を満足する実際の生成幾何形状によって、曖昧に定められる。
【００２１】
更に、エシュロン接触格子は、伝播方向においてこれに対して横断方向に延在するように、階段の長手縁部に接するように配された仮想平面（すなわち前記エシュロン接触格子の包絡面）が伝播方向に対して垂直な平面と所定の傾斜角度（γＮＭ）を成すような様式で、配置されている。傾斜角度γＮＭは、エシュロン接触格子の個々の階段の幾何パラメータによって決定される（すなわち、階段の短手縁部の一方の幅ｗおよび前記階段の短手縁部の他方の高さｈ、ならびに階段の傾斜を特徴付ける段角度α、前記段角度αは、各階段の短手縁部の一方と長手縁部とによって画定される第１の平面と、前記階段の他方短手縁部と長手縁部とによって画定される第２の平面とが、交差する角度である）。直角の階段の場合、すなわちα＝９０°である場合、γＮＭ＝ａｔａｎ（ｈ／ｗ）の関係が成り立つ。非線形光学媒体内で速度整合条件を満足するために、前記傾斜角度は適切な幾何的基準を満たす。すなわち、エシュロン接触格子を介して非線形光学媒体に結合されこの入力結合中にそのパルスフロントに関して区分けされるポンプビームのパルスフロントの平均傾斜（γ）、エシュロン接触格子の包絡面の傾斜角度（γＮＭ）、および非線形光学媒体内に入射する直前の（すなわちポンプビームが階段エシュロンに到達するときの）ポンプビームの初期パルスフロント傾斜（γ０）が、ｔｇ（γＮＭ）＝（ｎｐ，ｃｓｔｇ（γ）−ｔｇ（γ０））／（ｎｐ，ｃｓ−１）の関係を満足し、上式において、ｎｐ，ｃｓは、関与する非線形媒体のポンプ波長における群屈折率を表す。これ以降、上述した幾何特性を有する生成機構を、くさび状のスキーム／機構と呼ぶこととする。
【００２２】
実際の用途で使用できるテラヘルツ放射を生成するための方法を提供するという目的は、請求項１に記載の方法を精緻化することによって達成される。本発明に係る方法の更なる好ましい変形が、請求項２から５に、および請求項１８に記載されている。実際の用途で使用できるテラヘルツ放射を生成するためのテラヘルツパルス源を提供するという目的は、請求項６に記載のテラヘルツ放射源によって達成される。本発明に係る放射源の好ましい実施形態が、請求項７から１７に、および請求項１９に記載されている。
【００２３】
ＬＮ（またはＬＴ）結晶が必然的に大きなくさび角度を有して形成される、上述したテラヘルツ生成機構と比較すると、本発明に係る解決法は、著しい利点を有している。特に、本発明により、小さいくさび角度（すなわち最大で２０°、より好ましくは最大で１０°、または更に小さい値を有する）に対して、優れたビーム品質のテラヘルツ放射を高い効率で生成することが可能になる。本発明に係る技法は、ポンプビームのパルスフロント傾斜γ０を自由に設定することにその主要な特徴があり、上で言及した面平行なエシュロン接触格子よりも有利でもある。使用者の要求（高エネルギーのテラヘルツ放射／および良好なビーム品質）ならびにポンピング過程の特性（パルス長／ビームサイズ／波長）の知見を踏まえて、達成されるべき目的と調和するように実行される最適化を介して、γ０の値の設定が行われる。γ０の値を適切に設定することによって、テラヘルツエネルギーおよびＴＨｚ生成効率（すなわち、ＴＨｚパルスのエネルギーとポンプパルスのエネルギーの比）の両方が、既に提案した面平行なエシュロン接触格子を適用する場合に達成できる程度よりも著しく高い程度までスケーラブルになる。最適なビーム品質におよび最高のＴＨｚ生成効率に適した、機構の幾何形状は、互いに異なる場合があり、違いの程度は、非線形光学媒体の材料およびポンピングパラメータによって決定される。したがって、最も有望な機構を、常に合理的な折り合いの下で得ることができる。
【００２４】
既存の知られている実用的な技法および概念上の技法に対する、本発明の技法の更なる重要な利点は、特定の実施形態において、この技法が、光学イメージングを使用しない場合であってさえも、優れたビーム品質を有する高エネルギーのテラヘルツビームを生成するのに適しているということである。このようにして、一方では、イメージングの欠陥に起因する効率の低下を回避することができ、他方では、機構がより簡単になる。
【００２５】
本発明の技法の別の更なる重要な利点は、ポンプビームのパルスフロント傾斜が、相互に独立した２つの重要な基準を満たすことができるような初期パルスフロント傾斜γ０を有していることである。一方で、角分散誘導特性を有する第１の光学素子の入射面およびエシュロン接触格子の入射面を、互いに平行となるように位置決めすることができ、この場合、これら２つの素子を互いに恣意的な密な近さに配置することができる。このようにして、前記第１の光学素子の下流でポンプパルスが実際にエシュロン接触格子の入射面に到達する瞬間に、角分散を有するポンプビームの横断方向両側にある縁部におけるパルス長の間に著しい差が形成される可能性を回避できる。このことはまた、特定の実施形態ではイメージングが全く必要ないことも意味している。他方で、角分散誘導特性を有する第１の光学素子（例えば透過光学格子）を、可能な最高の回折効率が得られる（いわゆるリトロー型の）構成で使用することができる。ＬＮの場合、角分散誘導特性を有する第１の光学素子の入射面とエシュロン接触格子が平行であること（すなわちイメージング光学系の排除が可能になる条件）と、リトロー型構成における第１の光学素子上での回折と、の両方が、例えばγ０＝６９°の初期パルスフロント傾斜について（またはより精確には、γ０＝６８．９°について１０３０ｎｍのポンプ波長において、およびγ０＝６８．９°について８００ｎｍのポンプ波長において）、一緒に達成される。したがって、γ０＝６９°の初期のフロントパルス傾斜を利用する本発明の実施形態は、ＬＮにとって非常に好ましい実施形態を表している。
【００２６】
以下では、添付の図面を参照して本発明について詳細に記載する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】ゼロ以外の所定のくさび角度の非線形光学結晶を含む、エシュロン接触格子を用いて実装された、本発明に係るテラヘルツ放射を生成するための機構の実施形態の長手断面図であり、ポンプビームの初期パルスフロント傾斜γ０は透過格子上での回折によって生成される。
【図２】図１に示す本発明に係る機構において使用される、エシュロン接触格子を備えた非線形光学結晶内への入射時のその入射表面におけるポンプビームのパルスフロント傾斜を示す図である。
【図３】１０３０ｎｍの波長のポンプパルスで励起されるニオブ酸リチウムから作製されたエシュロン接触格子に関して、本発明の機構のくさび角度（Γ、実線）と、角分散誘導特性を有する第１の光学素子の入射面がエシュロン接触格子の入射面と成す角度（ε、破線）とを、ポンプビームの初期パルスフロント傾斜角度γ０の関数として示す図であり、ここで挿入図は、６２°から７７°の範囲の角度γ０についての同じ内容を示し、γ０＝６２°、６９°、および７６．７°における、エシュロン接触格子を有して作製された第１の光学素子のくさび角度の値（実線の正方形）および入射面の角度（実線の円）もまた示されている。
【図４Ａ】図１の平面に対して垂直な縁部に沿って角分散誘導特性を有する第１の光学素子と接触しているくさび状のエシュロン接触格子の直径２０ｍｍのスポットを照射する、前記縁部に隣接する接触格子に当たるポンプビームのパルス長を、くさび状のエシュロン接触格子の入射面の前記縁部から最も遠くに位置する極値位置において異なるポンプ波長（λ０）［図４Ａ、４Ｂ：λ０＝１０３０ｎｍ、図４Ｃ：λ０＝８００ｎｍ］および異なるパルス長（τ０）［図４Ａ：τ０＝５００ｆｓ、図４Ｂ：τ０＝１００ｆｓ、図４Ｃ：τ０＝３０ｆｓ］を有する、変形を制限されたポンプパルスの場合の、ポンプビームの初期パルスフロント傾斜角度γ０の関数として示す図であり、ここで、プロット（ｃ）中の挿入図は、初期パルスフロント傾斜角度γ０〜６９°の近傍を拡大図で示している。
【図４Ｂ】図１の平面に対して垂直な縁部に沿って角分散誘導特性を有する第１の光学素子と接触しているくさび状のエシュロン接触格子の直径２０ｍｍのスポットを照射する、前記縁部に隣接する接触格子に当たるポンプビームのパルス長を、くさび状のエシュロン接触格子の入射面の前記縁部から最も遠くに位置する極値位置において異なるポンプ波長（λ０）［図４Ａ、４Ｂ：λ０＝１０３０ｎｍ、図４Ｃ：λ０＝８００ｎｍ］および異なるパルス長（τ０）［図４Ａ：τ０＝５００ｆｓ、図４Ｂ：τ０＝１００ｆｓ、図４Ｃ：τ０＝３０ｆｓ］を有する、変形を制限されたポンプパルスの場合の、ポンプビームの初期パルスフロント傾斜角度γ０の関数として示す図であり、ここで、プロット（ｃ）中の挿入図は、初期パルスフロント傾斜角度γ０〜６９°の近傍を拡大図で示している。
【図４Ｃ】図１の平面に対して垂直な縁部に沿って角分散誘導特性を有する第１の光学素子と接触しているくさび状のエシュロン接触格子の直径２０ｍｍのスポットを照射する、前記縁部に隣接する接触格子に当たるポンプビームのパルス長を、くさび状のエシュロン接触格子の入射面の前記縁部から最も遠くに位置する極値位置において異なるポンプ波長（λ０）［図４Ａ、４Ｂ：λ０＝１０３０ｎｍ、図４Ｃ：λ０＝８００ｎｍ］および異なるパルス長（τ０）［図４Ａ：τ０＝５００ｆｓ、図４Ｂ：τ０＝１００ｆｓ、図４Ｃ：τ０＝３０ｆｓ］を有する、変形を制限されたポンプパルスの場合の、ポンプビームの初期パルスフロント傾斜角度γ０の関数として示す図であり、ここで、プロット（ｃ）中の挿入図は、初期パルスフロント傾斜角度γ０〜６９°の近傍を拡大図で示している。
【図５Ａ】テラヘルツ放射生成の効率（η）を、異なるポンプパルス強度（Ｉ）（それぞれのポンプパルス長における破壊閾値強度を上回らない）［図５Ａ：５０ＧＷ／ｃｍ２、図５Ｂ：２５０ＧＷ／ｃｍ２、および図５Ｃ：８３３ＧＷ／ｃｍ２］における、ならびに固定された温度１００Ｋおよび固定された段の幅ｗ＝５０μｍにおけるポンプパルスの様々な初期パルスフロント傾斜角度（γ０）に関する、異なるポンプ波長（λ０）［図５Ａ、５Ｂ：λ０＝１０３０ｎｍ、図５Ｃ：λ０＝８００ｎｍ］および異なるパルス長（τ０）［図５Ａ：τ０＝５００ｆｓ、図５Ｂ：τ０＝１００ｆｓ、図５Ｃ：τ０＝３０ｆｓ］を有する、変形を制限されたポンプパルスの場合の、光学媒体の平均厚さ（Ｌ）の関数として表す図であり、図５Ａ、５Ｂ、および５Ｃでは、実線および破線はそれぞれγ０＝６２°およびγ０＝６９°の場合を表し、一方点線は、最高のテラヘルツ生成効率を得ることのできる最適なγ０［すなわち、図５Ａ：γ０＝７６．２°、図５Ｂ：γ０＝７５°、および図５Ｃ：γ０＝６８°］の場合を示す。
【図５Ｂ】テラヘルツ放射生成の効率（η）を、異なるポンプパルス強度（Ｉ）（それぞれのポンプパルス長における破壊閾値強度を上回らない）［図５Ａ：５０ＧＷ／ｃｍ２、図５Ｂ：２５０ＧＷ／ｃｍ２、および図５Ｃ：８３３ＧＷ／ｃｍ２］における、ならびに固定された温度１００Ｋおよび固定された段の幅ｗ＝５０μｍにおけるポンプパルスの様々な初期パルスフロント傾斜角度（γ０）に関する、異なるポンプ波長（λ０）［図５Ａ、５Ｂ：λ０＝１０３０ｎｍ、図５Ｃ：λ０＝８００ｎｍ］および異なるパルス長（τ０）［図５Ａ：τ０＝５００ｆｓ、図５Ｂ：τ０＝１００ｆｓ、図５Ｃ：τ０＝３０ｆｓ］を有する、変形を制限されたポンプパルスの場合の、光学媒体の平均厚さ（Ｌ）の関数として表す図であり、図５Ａ、５Ｂ、および５Ｃでは、実線および破線はそれぞれγ０＝６２°およびγ０＝６９°の場合を表し、一方点線は、最高のテラヘルツ生成効率を得ることのできる最適なγ０［すなわち、図５Ａ：γ０＝７６．２°、図５Ｂ：γ０＝７５°、および図５Ｃ：γ０＝６８°］の場合を示す。
【図５Ｃ】テラヘルツ放射生成の効率（η）を、異なるポンプパルス強度（Ｉ）（それぞれのポンプパルス長における破壊閾値強度を上回らない）［図５Ａ：５０ＧＷ／ｃｍ２、図５Ｂ：２５０ＧＷ／ｃｍ２、および図５Ｃ：８３３ＧＷ／ｃｍ２］における、ならびに固定された温度１００Ｋおよび固定された段の幅ｗ＝５０μｍにおけるポンプパルスの様々な初期パルスフロント傾斜角度（γ０）に関する、異なるポンプ波長（λ０）［図５Ａ、５Ｂ：λ０＝１０３０ｎｍ、図５Ｃ：λ０＝８００ｎｍ］および異なるパルス長（τ０）［図５Ａ：τ０＝５００ｆｓ、図５Ｂ：τ０＝１００ｆｓ、図５Ｃ：τ０＝３０ｆｓ］を有する、変形を制限されたポンプパルスの場合の、光学媒体の平均厚さ（Ｌ）の関数として表す図であり、図５Ａ、５Ｂ、および５Ｃでは、実線および破線はそれぞれγ０＝６２°およびγ０＝６９°の場合を表し、一方点線は、最高のテラヘルツ生成効率を得ることのできる最適なγ０［すなわち、図５Ａ：γ０＝７６．２°、図５Ｂ：γ０＝７５°、および図５Ｃ：γ０＝６８°］の場合を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図１は、本発明に係るいわゆるくさび状のテラヘルツビームを生成する機構、およびテラヘルツ放射を生成するための放射源１００の好ましい例示的な実施形態を示す。放射源１００は、ポンプビーム１２を提供するためのポンプ源１０と、テラヘルツ放射６０を生成するための非線形光学特性を有する媒体によって形成される光学素子５０と、を備える。光透過光学素子５０は、出射表面として機能する出射面５２および入射表面の役割を果たす入射面５１を境界としており、前記入射面は前記出射面と；所定の角度を成しており、この結果、光学素子５０は好ましくは、くさび角度Γを有するくさび構造を有する素子として構築され、くさび角度Γは好ましくは最大で２０°であり、より好ましくは最大で１５°であり、最も好ましくは最大で１０°である。これを別様に表現すると、非線形光学媒体およびしたがって光学素子５０は、互いとゼロ以外の所定のサイズの角度であるくさび角度Γを成す、入射表面および出射表面を有する。テラヘルツ放射６０は、ポンプビーム１２と光学素子５０の材料との間で光学素子５０の平均厚さＬにおいて生じる非線形光学相互作用、好ましくは光整流の結果として生成される。次いで放射６０は、光学素子５０からその出射面５２を通って外に出るが、その後更なる使用に供される場合がある。所定の幾何パラメータを有する個々の段４１の周期的な階段（エシュロン）構造の形態で、入射面５１自体の表面／内部にエシュロン接触格子４０が形成される。
【００２９】
ポンプ源１０および光学素子５０−それぞれ開始素子および終了素子としての−は、ポンプ源１０の出射位置と入射面５１との間に延在する、連続的な光経路を画定する。ポンプビーム１２の伝播方向に沿って、すなわち入射面５１に向かって、放射源１００は、前記光経路内に、角分散誘導特性を有する光学素子２０と、非線形光学特性を有する前記テラヘルツ生成素子５０と、を備え、前記光経路に沿って、光学素子２０およびエシュロン接触格子４０は、互いから所定の距離に配置され、互いと角度εを成している。任意選択的に、特定の実施形態では、光学素子２０とエシュロン接触格子４０との間には、イメージングを行うイメージング光学系（図面には示されていない）もまた配置され得る。
【００３０】
ポンプ源１０は好ましくは、最大で数百ｆｓのパルス長を有する可視、近赤外、または中赤外領域のレーザパルス−ポンプビーム１２−を生じさせるのに好適なレーザ源であり、例えば１０３０ｎｍの中心発光波長を有するダイオードポンプ式Ｙｂレーザ、または８００ｎｍの中心発光波長を有するＴｉ：サファイアレーザである。様々な他のレーザを同様にポンプ源１０として使用することができる。
【００３１】
光学素子２０は、そこに入射しそれを通過するポンプビーム１２の角分散を誘導し、このことによりまた、ポンプビーム１２のパルスフロント（好ましくは初期の傾斜はゼロである）の所望の傾斜も提供する（以下を参照）、光学素子である。したがって、光学素子２０は、例えば、透過または反射光学格子、屈折ベースの光学素子（好ましくは１つ以上のプリズム）、またはこれらの組み合わせ（例えばプリズムと回折格子の組み合わせ、すなわちいわゆるグリズム）として構築される。図１に示す放射源１００の例示的な実施形態では、光学素子２０は好ましくは、所定の格子定数を有する透過格子であるが、−当業者には明らかなように−これは他の角分散光学素子、例えば反射格子、次善としてプリズム、等として形成されてもよい。
【００３２】
所望の程度の初期パルスフロント傾斜を有するポンプビーム１２は、図１に見ることができるように、エシュロン接触格子４０を通って、前記エシュロン接触格子４０の段４１の幅ｗの境界面（ｌｉｍｉｔｉｎｇ  ｐｌａｎｅ）に対して直角に、光学素子５０に入る。特に、ポンプビーム１２は、放射源１００の光軸に沿って、光学素子５０と関連付けられたエシュロン接触格子４０であって前記光軸を横断する方向に配置され光学素子５０と所定の角度を成している前記エシュロン接触格子４０上へと当たり、この接触格子を通過して光学素子５０の体積内に入り、このとき平均パルスフロント傾斜γによって特徴付けられる区分けされたパルスフロント４６を有している。区分けされたパルスフロント４６のパルスフロント傾斜γは、速度整合条件が要求する傾斜と等しい。テラヘルツ放射６０は、区分けされたパルスフロント４６の平均パルスフロント傾斜の包絡面４７と平行な位相フロントを有する光学素子５０内で生成される。この結果、テラヘルツ放射６０の伝播方向は、光学素子の出射面５２に対して必然的に垂直になる。上で検討したようなエシュロン接触格子４０内へのポンプビーム１２の入射、および前記エシュロン接触格子からの格子に対して垂直な方向へのテラヘルツ放射６０の出射によって、条件に応じて、くさび角度Γのサイズγ−γＮＭが曖昧に決定される。
【００３３】
エシュロン接触格子４０は好ましくは、当業者に知られている任意の機械加工方法によって（例えばエッチングによって）、周期的な階段構造として構築される。階段エシュロン構造の各段４１は、第１の短手縁部４１ｂと、第２の短手縁部４１ｃと、縁部４１ｂ、４１ｃの各々に対して垂直な長手縁部４１ａと、を備える。段４１は、図１の拡大部Ａに示すように、縁部４１ｂの高さｈと、縁部４１ｃの幅ｗと、縁部４１ｂおよび４１ａによって定まる境界面と縁部４１ｃおよび４１ａによって定まる境界面との間に形成される段角度αと、によって特徴付けられる。エシュロン接触格子４０の段４１の長手縁部４１ａは、以降で包絡面４２と呼ぶことになる共通の平面内に位置付けられている。図１に示す放射源１００の実施形態では、段角度αは、実質的に（すなわち、エシュロン接触格子４０を用意するのに使用される製造工程の公差内で）９０°であり、したがってこの場合、各段４１のそれぞれの２つの境界面は互いに垂直であり、すなわち段４１は直角の段として形成される。更なる実施形態の場合、段角度αは、９０°よりも僅かに（最大で約１５°、好ましくは最大で約１０°、より好ましくは最大でほんの数度）大きくてもよく、すなわち、これは鈍角であってもよく、得られる周期構造、すなわちエシュロン接触格子４０の光透過特性、またはテラヘルツ放射生成の効率が大きく低下するまで、各段を「傾斜」させてもよい。直角の段４１に関して、前記包絡面４２は個々の段４１の幅ｗを有する各縁部４１ｂと角度γＮＭを成し、基本的な幾何学的考察に基づき、γＮＭ＝ａｔａｎ（ｈ／ｗ）の関係によって、角度γＮＭのサイズを計算できる。エシュロン接触格子４０の段の方向における周期、すなわち個々の段４１の幅ｗは、テラヘルツ放射を生成するために使用されるポンプビーム１２の波長よりも数桁、好ましくは少なくとも１桁または２桁大きい。より好ましくは、エシュロン接触格子４０の前記周期、すなわち幅ｗは、ポンプビーム１２の波長の少なくとも数十倍から最大で数百倍までの範囲である。これらの周期に対応するマイクロ構造を有する光学構造を用意するのは、２０００〜３０００  １／ｍｍの線密度を有する光学格子を用意するよりも、はるかに簡単である。光の入力結合の効率を改善するために、エシュロン接触格子４０の段４１の外側の境界面には、任意選択的に反射防止コーティングを設けてもよい。
【００３４】
光学素子５０は、実際には少なくとも１ｐｍ／Ｖであり典型的には数１０ｐｍ／Ｖを上回る、著しく高い非線形光学係数を有し、かつ、テラヘルツ領域および可視領域において著しく異なる屈折率を有する、すなわち、２つの領域の屈折率の比が実際上１よりも大きい、好ましくは１．１よりも大きい、より好ましくは１．２よりも大きい、材料から作製される。光学素子５０は好ましくは、好ましくは非線形光学的な相互作用の効率にとって、したがって例えば光整流によるテラヘルツ放射生成にとって最も有利な結晶軸配向を有する、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）またはタンタル酸リチウム（ＬＴ）、および半導体材料、例えばＧａＰまたはＺｎＴｅから作製される。更に、反射損失を低減するために、および生成されるテラヘルツ放射６０の角分散を回避するために、光学素子５０の出射表面を形成する出射面５２は、光学素子５０から出射面５２を通して出射面５２に対して垂直に放射を発するように構成されている。
【００３５】
図２およびその拡大部Ｂは、テラヘルツ放射生成過程における、エシュロン接触格子４０に到達する前の、テラヘルツ放射を生成するためのポンプビーム１２のパルスフロント１５と、エシュロン接触格子４０の通過後の、同ポンプビーム１２のパルスフロント４６と、を示す。パルスフロント１５は、ポンプビーム１２の位相フロントに対する角度γ０である初期パルスフロント傾斜を有する、すなわち、ポンプビーム１２は、そのパルスフロントに関して特定の程度まで事前傾斜されているビームである。本発明に係るテラヘルツ放射源１００の光学素子５０を小さいくさび角度Γの結晶として形成することを、およびしたがって物理特性に関して実質的に対称であるＴＨｚビームを生成することを可能にするのは、パルスフロント１５の事前傾斜、および前記事前傾斜（すなわちγ０の値）の適切な程度である。本発明に係る放射源１００の場合、ポンプビーム１２のパルスフロント１５の（所望の程度の）事前傾斜は、好ましくは、角分散特性を有する光学素子２０によって誘導される。光学素子５０に結合されるポンプビーム１２のパルスフロント４６は、結晶内でポンプビーム１２の位相フロントに対して傾斜される。入力結合のために使用されるエシュロン接触格子４０が階段構成である結果、前記パルスフロント４６は区分けされることになり、その傾斜は、パルスフロント４６に沿った位置に応じて（同じく周期的に）異なっている。このため、パルスフロント４６の傾斜は、平均傾斜角度γによって特徴付けることができる。この場合、平均傾斜角度γは、結晶内でのポンプビーム１２の位相フロントと、部分Ｂに示すパルスフロント４６の包絡面４７との間の角度として決定される。
【００３６】
テラヘルツ放射６０の優れたビーム品質を実現する目的で、光学素子５０内でテラヘルツ放射を生成するために、
−ポンプビーム１２は、エシュロン接触格子４０に、エシュロン接触格子の段４１の幅ｗを有する境界面に対して垂直に結合され、
−速度整合条件、すなわちｖｐ，ｃｓｃｏｓ（γ）＝ｖＴＨｚ，ｆは、光学素子５０内で充足され、上式において、ｖｐ；ｃｓはポンプビーム１２の群速度であり、ｖＴＨｚ；ｆはテラヘルツ放射６０の位相速度であり、γはポンプビーム１２の位相フロントに対するポンプビーム１２のパルスフロントの傾斜であり、
−こうして生成されたテラヘルツ放射６０は、光学素子５０からその出射面５２に対して直角に出射し（図１を参照）、このことにより反射損失が最低限まで低減され、角分散を生じないテラヘルツ放射６０が得られる。
【００３７】
上述した内容を保証するために、適切な幾何的条件、すなわちエシュロン接触格子４０の包絡面４２の角度γＮＭ＝ａｔａｎ（ｈ／ｗ）を満たさなければならず、区分けされたパルスフロント４６の包絡面４７の角度γおよび角度γ０が表すポンプビームの初期のフロントパルス傾斜（すなわち事前傾斜）は、ｔｇ（γＮＭ）＝（ｎｐ，ｃｓｔｇ（γ）−ｔｇ（γ０））／（ｎｐ，ｃｓ−１）の関係を満足しなければならない。更に、光学素子５０から生成されるテラヘルツ放射６０を前記光学素子５０の出射面５２に対して垂直な方向に出力結合するためには、エシュロン接触格子４０のくさび角度Γを、ちょうど差γ−γＮＭに定めなければならない。
【００３８】
上記の幾何学的条件が満たされかつ角度γ０が最適に選択される場合、テラヘルツ放射生成は、典型的には小さいくさび角度（好ましくは最大で２０°、より好ましくは最大で１５°、最も好ましくは最大で１０°である）を有して形成されるくさび状の非線形光学結晶を使用することによって、高いテラヘルツ生成効率およびほぼ完全なテラヘルツビーム品質（パルス特性は非対称性を実質的に有さない）で行われる。更に、こうして得られたＴＨｚ放射には角分散が生じない。
【００３９】
明らかなことであるが、非線形光学媒体の材料およびポンプ源１０を選択することによって、上述した幾何パラメータは曖昧さ無しに決定されることになる。光学素子５０がＬＮ結晶となるように選択される場合、（テラヘルツ領域にわたる吸収を低減するために１００Ｋの温度を想定すると）、γ≒６２°が当てはまり、この場合γ０≒６９°であるので、エシュロン接触格子４０の段４１のパラメータであるｈ／ｗ特性は、ｈ／ｗ≒１．３となる。ここでポンプ源の波長を約１μｍとなるように選択すると、幅ｗの絶対長さは約３０から１００μｍに設定できる。こうして、今やエシュロン接触格子４０を要求される寸法で製造することができる。
【００４０】
図５は、例として、テラヘルツ生成の効率ηを、異なるポンプパルス強度Ｉ（それぞれのポンプパルス長における破壊閾値強度を上回らない）［図５Ａ：５０ＧＷ／ｃｍ２、図５Ｂ：２５０ＧＷ／ｃｍ２、および図５Ｃ：８３３ＧＷ／ｃｍ２］における、ならびに固定された温度１００Ｋおよび固定された段の幅ｗ＝５０μｍにおけるポンプパルスの様々な初期パルスフロント傾斜角度γ０に関する、異なるポンプ波長λ０［図５Ａ、５Ｂ：λ０＝１０３０ｎｍ、図５Ｃ：λ０＝８００ｎｍ］および異なるパルス長τ０［図５Ａ：τ０＝５００ｆｓ、図５Ｂ：τ０＝１００ｆｓ、図５Ｃ：τ０＝３０ｆｓ］を有する、変形を制限されたポンプパルスの場合の、光学媒体の平均厚さＬの関数として示す。図５Ａ、５Ｂ、および５Ｃでは、実線および破線は、γ０＝６２°およびγ０＝６９°である場合をそれぞれ表し、点線は、最高のテラヘルツ生成効率を得ることができる最適なγ０［すなわち、図５Ａ：γ０＝７６．２°、図５Ｂ：γ０＝７５°、；および図５Ｃ：γ０＝６８°］の場合を示す。γ０＝６２°の選択（これはいずれにしても、ＬＮから作製される面平行なエシュロン接触格子によるテラヘルツ生成に対応している）は、Ｌ．パルファルヴィら（Ｌ．Ｐａｌｆａｌｖｉ  ｅｔ  ａｌ．）による、「Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ  ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａ  ｓｃａｌａｂｌｅ  ｓｅｔｕｐ  ｆｏｒ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｔｅｒａｈｅｒｔｚ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｕｓｉｎｇ  ａ  ｓｅｇｍｅｎｔｅｄ  ｔｉｌｔｅｄ−ｐｕｌｓｅ−ｆｒｏｎｔ  ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ」と題する論文（Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ、２５巻、２４号、２９５６０〜２９５７３ページ（２０１７）を参照）との、直接の比較が可能になるように行われる。γ０＝６９°を選択することは、実用的な実現の観点から非常に重要である。このようなケースでは、ポンプビームの初期パルスフロント傾斜（事前傾斜）を誘導するために透過光学格子が使用される場合には、非線形光学素子５０を透過格子から恣意的な近さに配置することができ（図３にも示されているように、２つの素子が成す角度εがゼロであるため）、したがって、ポンプビームの直径方向両側にある縁部において、パルス長同士の間に差が形成されない（図４を参照）。
【００４１】
ここに示す曲線の導出に関する適切な背景を提供する数学モデルの詳細な説明は、今後刊行される本発明者らによる別の科学誌に見出すことができるが、本出願の範囲を超えている。しかしながら、図５は、テラヘルツ生成の観点から最も効果的である本発明に係るくさび状の機構の実際の構成に関して行われる理論的な計算（点線で表す）が、面平行なエシュロン接触格子を使用することによって達成可能な効率（実線で表す）と比較した場合のテラヘルツ生成効率ηの向上を予測していることを、はっきりと示している。前記効率の向上は、５０ｆｓから１ｐｓの間のポンプパルス長に関して著しく高く、このようなケースは図５Ａおよび５Ｂにも示されている。実際の実装がイメージングの適用を伴わず単純かつ容易である場合（破線、γ０＝６９ｏを参照）、（実線によって表される）面平行なエシュロン接触格子を使用することによって達成可能な効率と比較して、テラヘルツ生成効率ηの向上もまた予想できる。ここで、本発明の機構（破線を参照）は、適用されると（点線によって表される）可能な最高の効率にほぼ到達するので、短いパルスに関しても非常に有望である（図５Ｃを参照）ことにも、留意するべきである。
【００４２】
ここで、本特許出願で提案されているくさび状の機構が、アブガリアンら（Ａｂｇａｒｙａｎ  ｅｔ  ａｌ．）による、「Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ  ｏｆ  ｔｅｒａｈｅｒｔｚ  ｐｕｌｓｅｓ  ｇｅｎｅｒａｔｅｄ  ｉｎ  ｓｉｎｇｌｅ−ｄｏｍａｉｎ  ＬｉＮｂＯ３  ｃｒｙｓｔａｌ  ｂｙ  ｓｔｅｐ−ｗｉｓｅ  ｐｈａｓｅ  ｍａｓｋ」と題する論文（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｏｎｔｅｍｐｏｒａｒｙ  Ｐｈｙｓｉｃｓ（Ａｒｍｅｎｉａｎ  Ａｃａｄｅｍｙ  ｏｆ  Ｓｃｉｅｎｃｅｓ）、５１巻、１号、３５〜４０ページ（２０１６）を参照）で開示されている機構とは大きく異なることに留意することも重要である。当該論文は、ポンプビームが階段構造を介して非線形光学媒体に結合されるテラヘルツ生成技法を開示しているが、当該論文に従って構築されるこの階段構造は、本発明の機構の場合に非線形光学過程に寄与するプリズムのＬＮ材料とは異なる材料から作製されており（したがって、アブガリアンらの階段構造の屈折率もまた、ＬＮの屈折率とは異なる）、これは、個々の階段およびしたがってエシュロン接触格子自体がＬＮ媒体の入射表面に形成されしたがってＬＮから作製されている本発明とは対照的であり、このことは大きな違いをもたらす。更なる違いは、アブガリアンらに従うＬＮプリズムのくさび角度は、従来の知られている機構／スキームにおいて一般に使用される６３°のくさび角度と一致するが、これとは対照的に、本発明に係る機構／スキームにおいて使用されるＬＮから作製される光学素子のくさび角度は（事前傾斜の可能性に起因して）はるかに小さい、ということにある。別の更なる基本的な違いは、アブガリアンらによるテラヘルツ生成スキームは、初期パルスフロント傾斜を有さないポンプビームに適用されるが、これとは対照的に、初期のポンプビームのパルスフロント傾斜の程度は、本発明のテラヘルツ生成スキームの自由に調節可能なパラメータを表していることである。結論として、アブガリアンらによる論文で開示されているテラヘルツ生成技法は、ＴＨｚエネルギーのスケーラビリティおよび達成可能なＴＨｚビーム品質の両方に関して、厳しく制限される。
【００４３】
要約：従来のパルスフロント傾斜技法を、ポンプパルスを非線形光学結晶に結合するための、階段構造の周期がポンプビームの波長の数十倍から数百倍の間の範囲にわたる透過エシュロン接触格子と組み合わせることによって、高エネルギーテラヘルツ放射を生成するための新規なテラヘルツ生成スキームを開発した。この新規なスキームの最大の利点は、スキームにおいて、特定の単純な幾何的基準が満たされる場合に、小さいくさび角度を有する素子の形態の光学結晶を使用できることである。この結果、優れたビーム品質を有しかつ物理特性が実質的に対称なＴＨｚビームを、改善された生成効率で生成することができる。ポンプビームの初期パルスフロント傾斜（すなわち事前傾斜）を特定の程度で適用する場合、事前傾斜後にイメージングを適用する必要がない。このようにして、ポンプビームのサイズを、およびこのことにより生成されるテラヘルツパルスのエネルギーを、同様に増大させることができる。前記新規なスキームに基づく本発明に係るテラヘルツ放射源および方法は、幅広のポンプビームの適用を必要とする高エネルギーＴＨｚ放射を生成するのに、特に有利である。
【図１】
2020038363.tif 000003
【図２】
2020038363.tif 000004
【図３】
2020038363.tif 000005
【図４Ａ】
2020038363.tif 000006
【図４Ｂ】
2020038363.tif 000007
【図４Ｃ】
2020038363.tif 000008
【図５Ａ】
2020038363.tif 000009
【図５Ｂ】
2020038363.tif 000010
【図５Ｃ】
2020038363.tif 000011
【外国語明細書】
2020038363.tif 000012
2020038363.tif 000013
2020038363.tif 000014
2020038363.tif 000015
2020038363.tif 000016
2020038363.tif 000017
2020038363.tif 000018
2020038363.tif 000019
2020038363.tif 000020
2020038363.tif 000021
2020038363.tif 000022
2020038363.tif 000023
2020038363.tif 000024
2020038363.tif 000025
2020038363.tif 000026
2020038363.tif 000027
2020038363.tif 000028
2020038363.tif 000029
2020038363.tif 000030
2020038363.tif 000031
2020038363.tif 000032
2020038363.tif 000033
2020038363.tif 000034
2020038363.tif 000035
2020038363.tif 000036
2020038363.tif 000037
2020038363.tif 000038
2020038363.tif 000039
2020038363.tif 000040
2020038363.tif 000041
2020038363.tif 000042