(57)【要約】【課題】  パルス励起光の入射によって発生する波長変換光の波長を可変に制御することが可能な波長変換光発生装置及び発生システムを提供する。【解決手段】  非線形光学結晶によって構成され、パルス励起光Ｌの入射によって波長変換光Ｔを発生するとともに、互いに距離を置いて隣り合うように順に配置された複数層の結晶層２１と、所定の材料によって構成され、それぞれ隣り合う２層の結晶層２１の間に介在するように結晶層２１と交互に配置されるとともに、位相整合条件の調整に用いられる少なくとも１層の調整層２２との積層構造を有する発生素子２０を用いて、波長変換光発生装置１０を構成する。また、発生素子２０の結晶層２１について、調整層２２を介して隣り合う結晶層間の物理距離が固定の状態で光学距離を可変に調整する光学距離調整部３０を設ける。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非線形光学結晶によって構成され、パルス励起光の入射によって波長変換光を発生するとともに、互いに距離を置いて隣り合うように順に配置された複数層の結晶層と、
所定の材料によって構成され、それぞれ隣り合う２層の結晶層の間に介在するように前記複数層の結晶層と交互に配置されるとともに、位相整合条件の調整に用いられる少なくとも１層の調整層と、
前記複数層の結晶層について、前記調整層を介して隣り合う２層の結晶層の間の物理距離が固定の状態で、その光学距離を可変に調整する光学距離調整手段と
を備えることを特徴とする波長変換光発生装置。
【請求項２】
前記調整層は、隣り合う２層の結晶層の間に配置された液晶層によって構成されていることを特徴とする請求項１記載の波長変換光発生装置。
【請求項３】
前記調整層は、非線形光学効果を実質的に有しない材料によって構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の波長変換光発生装置。
【請求項４】
前記光学距離調整手段は、前記調整層に対して電圧を印加してその光学特性を変化させることで、前記光学距離を可変に調整する電圧印加手段を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の波長変換光発生装置。
【請求項５】
前記光学距離調整手段は、前記結晶層及び前記調整層からなる積層構造において、各層の間に設けられて前記電圧印加手段による電圧の印加に用いられる電極を有することを特徴とする請求項４記載の波長変換光発生装置。
【請求項６】
前記複数層の結晶層としてｎ層（ｎは３以上の整数）の結晶層が設けられ、
前記光学距離調整手段は、前記調整層を介して隣り合う２層の結晶層の間のｎ−１個の光学距離が互いに略等しい状態で、前記光学距離を可変に調整することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の波長変換光発生装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項記載の波長変換光発生装置と、
前記波長変換光発生装置に対して、波長変換光の発生に用いられるパルス励起光を供給する励起光供給手段と
を備えることを特徴とする波長変換光発生システム。
【請求項８】
前記光学距離調整手段の動作を制御することで、前記波長変換光発生装置での前記位相整合条件を制御する位相整合制御手段を備えることを特徴とする請求項７記載の波長変換光発生システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルス励起光の入射によって、テラヘルツ波などの波長変換光を発生させる波長変換光発生装置、及び波長変換光発生システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
周波数１ＴＨｚ（テラヘルツ）周辺の電磁波領域（テラヘルツ波領域、例えば、およそ０．０１ＴＨｚ〜１００ＴＨｚ、あるいはさらにその周辺領域を含んだ広い周波数領域を指す）は、光波と電波の境界に位置する周波数領域である。このようなテラヘルツ波は、非破壊検査、イメージング、通信など、様々な分野への応用が期待されている。
【０００３】
短パルス光を励起光としたテラヘルツ波の発生では、従来、非線形光学結晶中での光整流効果を利用する方法が広く用いられている。レーザ光源からのパルス励起光を非線形光学結晶へと入射させると、結晶内において光整流効果が生じる。このとき、所定のスペクトルを有するパルス励起光の各周波数成分により、差の周波数成分に対応するテラヘルツ波が発生し、これによってテラヘルツ波発生装置を実現することができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Y.-S. Lee et al., "Generation of narrow-band terahertzradiation via optical rectification of femtosecond pulses in periodically poledlithium niobate", Appl. Phys. Lett. Vol.76 No.18 (2000) pp.2505-2507
【非特許文献２】南口勝  他、「周期多層膜１次元フォトニック結晶における擬似位相整合第二高調波の増強」、第６６回応用物理学会学術講演会  講演予稿集（２００５秋  徳島大学）  ９ｐ−Ｈ−２０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のように非線形光学結晶を利用したテラヘルツ波発生装置では、短パルスレーザ光などの励起光の群速度と、結晶中で発生するテラヘルツ波の位相速度とのずれにより、パルス励起光及びテラヘルツ波が結晶中を進行するにつれてテラヘルツ波の出力が低下するという問題がある。これに対して、擬似位相整合（ＱＰＭ：Quasi Phase Matching）を利用してテラヘルツ波の発生、出力効率を向上する方法が提案されている。
【０００６】
例えば、非特許文献１には、テラヘルツ波の発生に用いられる非線形光学結晶（例えばＬｉＮｂＯ３など）において非線形光学定数の周期的な反転構造を形成することにより、擬似位相整合を実現してテラヘルツ波の発生効率を向上する方法が示されている。また、非特許文献２には、非線形光学定数の正負反転構造ではなく、非線形光学結晶と、非線形光学効果を持たない通常の結晶とを交互に重ねる積層構造により、擬似位相整合の実現が可能であることが示されている。
【０００７】
上記構造のテラヘルツ波発生装置では、非線形光学定数の反転構造の周期、あるいは非線形光学結晶と通常の結晶との積層構造の周期、及びそれによる位相整合条件は、パルス励起光のパルス幅、群屈折率、及びテラヘルツ波の屈折率等によって決まるため、反転構造、積層構造の周期は、発生させるテラヘルツ波の周波数（波長）等の条件に対応して設定される必要がある。このため、いったん周期を決定してテラヘルツ波発生用の周期構造を形成してしまうと、その構造で発生させるテラヘルツ波の波長を調整、変更することが難しいという問題がある。このような問題は、テラヘルツ波以外の波長域での非線形光学結晶を用いた波長変換光の発生においても同様に生じる。
【０００８】
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、パルス励起光の入射によって発生する波長変換光の波長を可変に制御することが可能な波長変換光発生装置及び発生システム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】
【０００９】
このような目的を達成するために、本発明による波長変換光発生装置は、非線形光学結晶によって構成され、パルス励起光の入射によって波長変換光を発生するとともに、互いに距離を置いて隣り合うように順に配置された複数層の結晶層と、所定の材料によって構成され、それぞれ隣り合う２層の結晶層の間に介在するように複数層の結晶層と交互に配置されるとともに、位相整合条件の調整に用いられる少なくとも１層の調整層と、複数層の結晶層について、調整層を介して隣り合う２層の結晶層の間の物理距離が固定された状態で、その光学距離を可変に調整する光学距離調整手段とを備えることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明による波長変換光発生システムは、上記構成の波長変換光発生装置と、波長変換光発生装置に対して、波長変換光の発生に用いられるパルス励起光を供給する励起光供給手段とを備えることを特徴とする。
【００１１】
上記した波長変換光発生装置及び発生システムにおいては、非線形光学結晶による複数層の結晶層と、その間に介在する少なくとも１層の調整層との積層構造によって、波長変換媒体となる素子を構成する。そして、その積層構造において、光学距離調整手段によって２層の結晶層の間の物理距離が固定の状態で、その光学距離を可変に調整することで、積層構造での位相整合条件を調整している。このような構成によれば、調整層での光路長に相当する結晶層間の光学的な距離を調整することにより、波長変換光の発生に用いられる積層構造の実効的な周期、及びそれによる位相整合条件を設定または変更して、発生されるテラヘルツ波などの波長変換光の波長を可変に制御することが可能となる。
【００１２】
ここで、結晶層の間に介在する調整層の材料については、調整層は、隣り合う２層の結晶層の間に配置された液晶層によって構成されていることが好ましい。また、調整層は、非線形光学効果を実質的に有しない材料（非線形光学定数が実質的に０である材料）によって構成されていることが好ましい。これにより、上記のように結晶層間の光学距離が可変に調整される積層構造を好適に実現することができる。
【００１３】
光学距離を調整するための調整手段の具体的な構成については、光学距離調整手段は、調整層に対して電圧を印加してその光学特性を変化させることで、光学距離を可変に調整する電圧印加手段を有する構成を用いることができる。また、この場合、光学距離調整手段は、結晶層及び調整層からなる積層構造において、各層の間に設けられて電圧印加手段による電圧の印加に用いられる電極を有する構成とすることが好ましい。
【００１４】
また、波長変換光発生装置での結晶層及び調整層による積層構造については、複数層の結晶層としてｎ層（ｎは３以上の整数）の結晶層が設けられ、光学距離調整手段は、調整層を介して隣り合う２層の結晶層の間のｎ−１個の光学距離が互いに略等しい状態で、光学距離を可変に調整することが好ましい。このような構成によれば、３層以上の結晶層を含む積層構造の全体において、位相整合条件を好適に制御することができる。
【００１５】
また、波長変換光発生システムは、波長変換光発生装置及び励起光供給手段に加えて、光学距離調整手段の動作を制御することで、波長変換光発生装置での位相整合条件を制御する位相整合制御手段を備える構成としても良い。これにより、波長変換光の発生に用いられる積層構造での位相整合条件、及び発生される波長変換光の波長を、所望の条件及び波長に好適に制御することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の波長変換光発生装置及び発生システムによれば、非線形光学結晶による複数層の結晶層と、その間に介在する少なくとも１層の調整層との積層構造によって波長変換光発生用の波長変換媒体を構成するとともに、光学距離調整手段によって２層の結晶層の間の物理距離が固定の状態で光学距離を可変に調整して、積層構造での位相整合条件を調整することにより、発生される波長変換光の波長を可変に制御することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】擬似位相整合によるテラヘルツ波の発生の一例について示す図である。
【図２】擬似位相整合によるテラヘルツ波の発生の他の例について示す図である。
【図３】テラヘルツ波発生システムの一実施形態の構成を示すブロック図である。
【図４】従来の波長変換光発生素子の構成について示す図である。
【図５】テラヘルツ波発生装置の構成例を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面とともに本発明による波長変換光発生装置、及び波長変換光発生システムの好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００１９】
また、以下においては、非線形光学結晶を用いた波長変換光の発生において、パルス励起光の入射によって発生される波長変換光としてテラヘルツ波を想定し、テラヘルツ波発生装置及び発生システムを例として、本発明による波長変換光発生装置及び発生システムの構成について説明する。
【００２０】
最初に、本発明によるテラヘルツ波発生装置の前提となる、擬似位相整合（ＱＰＭ）によるテラヘルツ波の発生方法について説明する。
【００２１】
図１は、擬似位相整合によるテラヘルツ波の発生の一例について示す図である。図１に示すテラヘルツ波発生素子８０は、所定の非線形光学定数を有する非線形光学結晶によって構成された厚さＤａの第１結晶領域Ａ１、Ａ２、Ａ３と、第１結晶領域とは正負反転した非線形光学定数を有する非線形光学結晶によって構成された厚さＤｂの第２結晶領域Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３とが、パルス励起光Ｌの進行方向に沿って交互に配置された反転構造を有している。また、この発生素子８０において、第１結晶領域Ａ１側の端面が励起光入射面８１、第２結晶領域Ｂ３側の端面がテラヘルツ波出力面８２となっている。
【００２２】
このような構成は、例えば非線形光学結晶において、所定の周期で分極反転構造を形成することによって実現することが可能である。例えば、非特許文献１では、非線形光学材料としてＬｉＮｂＯ３を用い、ポーリングすることで自発分極とは逆方向に分極を反転させて、図１のような非線形光学定数の周期的な正負反転構造を形成している。また、ＬｉＮｂＯ３のポーリングは、材料を高温（約８０℃〜２００℃）とし、電界（約２０ｋＶ／ｍｍ）を与えることで行っている。
【００２３】
また、図１に示した構成において、第１結晶領域Ａと、第２結晶領域Ｂとについては、異なる非線形光学材料を用いることも可能である。ただし、この場合には、第１、第２結晶領域の界面における光の反射損失を回避するため、第１結晶領域Ａと第２結晶領域Ｂとで、屈折率が同程度の材料を用いることが好ましい。
【００２４】
図１に示したテラヘルツ波発生素子８０に対し、所定の波長、強度、及びパルス幅を有するパルス励起光Ｌを入射すると、励起光Ｌは非線形光学結晶中においてテラヘルツ波Ｔに波長変換（周波数変換）される。まず、最も励起光入射面８１側の第１結晶領域Ａ１において、正の電界を持つテラヘルツ波Ｔ１が発生する。次に、第２結晶領域Ｂ１では、非線形光学定数の軸が第１結晶領域Ａ１とは反転しているために、正負が逆転して負の電界を持つテラヘルツ波Ｔ２が発生する。
【００２５】
ここで、発生素子８０を構成する非線形光学結晶中では、パルスレーザ光などのパルス励起光Ｌに対する屈折率（群屈折率）に比べて、結晶中で発生するテラヘルツ波Ｔに対する屈折率（位相屈折率）の方が大きい。このため、図１に模式的に示すように、結晶中ではパルス励起光Ｌが先に進み、テラヘルツ波Ｔが遅れることとなる。
【００２６】
図１に示す発生素子８０では、このような結晶中での光の伝搬条件を考慮して、第１結晶領域Ａ１で励起光Ｌによって発生して第２結晶領域Ｂ１へと伝搬したテラヘルツ波Ｔ１と、第２結晶領域Ｂ１で励起光Ｌによって発生したテラヘルツ波Ｔ２とで、その位相が１８０°ずれるように結晶領域Ａ１、Ｂ１の厚さ（反転構造の周期）を設定する。これにより、テラヘルツ波Ｔ１、Ｔ２は位相整合して連続した１つの波となる。
【００２７】
テラヘルツ波Ｔ１、Ｔ２間の位相差が１８０°とは異なった場合には、それぞれの電界が打ち消しあってテラヘルツ波Ｔの出力が低下する。これに対して、位相整合条件を満たすように反転構造の周期を設定することにより、高効率、かつ狭帯域でのテラヘルツ波発生が可能となる。さらに、同様に、結晶領域Ａ２で発生した正の電界を持つテラヘルツ波Ｔ３、結晶領域Ｂ２で発生した負の電界を持つテラヘルツ波Ｔ４、結晶領域Ａ３で発生した正の電界を持つテラヘルツ波Ｔ５、結晶領域Ｂ３で発生した負の電界を持つテラヘルツ波Ｔ６が、テラヘルツ波Ｔ１、Ｔ２と位相整合して連続した１つの波となり、最終的にテラヘルツ波Ｔとして出力面８２から出力される。
【００２８】
図２は、擬似位相整合によるテラヘルツ波の発生の他の例について示す図である。図２に示すテラヘルツ波発生素子８５は、所定の非線形光学定数を有する非線形光学結晶によって構成された厚さＤａの第１結晶領域（結晶層）Ａ１、Ａ２、Ａ３と、非線形光学定数が０で非線形光学効果を有しない通常の材料によって構成された厚さＤｃの第２材料領域（材料層）Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３とが、パルス励起光Ｌの進行方向に沿って交互に配置された積層構造を有している。また、この発生素子８５において、第１結晶領域Ａ１側の端面が励起光入射面８６、第２材料領域Ｃ３側の端面がテラヘルツ波出力面８７となっている。
【００２９】
なお、このような構成においても、図１に示した構成と同様に、第１結晶領域、第２材料領域の界面における光の反射損失を回避するため、第１結晶領域Ａと第２材料領域Ｃとで、屈折率が同程度の材料を用いることが好ましい。
【００３０】
図２に示したテラヘルツ波発生素子８５に対し、パルス励起光Ｌを入射すると、励起光Ｌは非線形光学結晶中においてテラヘルツ波Ｔに波長変換される。まず、最も励起光入射面８６側の第１結晶領域Ａ１において、正の電界を持つテラヘルツ波Ｔ１が発生する。次に、第２材料領域Ｃ１では、非線形光学効果を有しないために、テラヘルツ波が発生せずに強度０の波Ｔ２となる。さらに、続く第１結晶領域Ａ２において、結晶領域Ａ１と同様に正の電界を持つテラヘルツ波Ｔ３が発生する。
【００３１】
図２に示す発生素子８５では、結晶中での光の伝搬条件を考慮し、第１結晶領域Ａ１で励起光Ｌによって発生して第２材料領域Ｃ１を介して第１結晶領域Ａ２へと伝搬したテラヘルツ波Ｔ１と、第１結晶領域Ａ２で励起光Ｌによって発生したテラヘルツ波Ｔ３とで、その位相差が０°となるように結晶領域Ａ１、Ａ２、材料領域Ｃ１の厚さ（積層構造の周期）を設定する。これにより、テラヘルツ波Ｔ１、Ｔ３は位相整合して連続した１つの波となる。
【００３２】
テラヘルツ波Ｔ１、Ｔ３間の位相差が０°とは異なった場合には、それぞれの電界が打ち消しあってテラヘルツ波Ｔの出力が低下する。これに対して、位相整合条件を満たすように積層構造の周期を設定することにより、高効率、かつ狭帯域でのテラヘルツ波発生が可能となる。さらに、同様に、結晶領域Ａ３で発生した正の電界を持つテラヘルツ波Ｔ５が、テラヘルツ波Ｔ１、Ｔ３と位相整合して連続した１つの波となり、最終的にテラヘルツ波Ｔとして出力面８７から出力される。
【００３３】
図１に示した非線形光学結晶での非線形光学定数の反転構造、あるいは図２に示した非線形光学結晶と通常の結晶との積層構造を用いた、擬似位相整合によるテラヘルツ波発生素子では、上述したように、その構造の周期が決まってしまうと、出力されるテラヘルツ波の波長を調整、変更することが難しい。これに対して、本発明によるテラヘルツ波発生装置及び発生システムは、擬似位相整合型の素子を用いたテラヘルツ波の発生において、テラヘルツ波の波長の可変制御を可能とするものである。
【００３４】
図３は、本発明によるテラヘルツ波発生装置を含むテラヘルツ波発生システムの一実施形態の構成を概略的に示すブロック図である。本実施形態によるテラヘルツ波発生システム１Ａは、非線形光学結晶中での光整流効果を利用して波長変換光であるテラヘルツ波を発生させるものであり、テラヘルツ波発生装置１０と、励起光源５０と、テラヘルツ波発生制御部５５とを備えて構成されている。
【００３５】
パルス励起光源５０は、テラヘルツ波発生装置１０に対して、テラヘルツ波の発生に用いられるパルス励起光Ｌを供給する励起光供給手段である。励起光源５０としては、好ましくは、例えばフェムト秒（ｆｓ）パルスレーザ光を出力するフェムト秒パルスレーザ光源などのパルスレーザ光源を用いることができる。
【００３６】
この励起光源５０に対し、テラヘルツ波発生装置１０は、テラヘルツ波発生用（波長変換用）の媒体となる非線形光学結晶を含んで構成されている。具体的には、本実施形態による発生装置１０は、非線形光学結晶を含むテラヘルツ波発生素子２０と、光学距離調整部３０とによって構成されている。
【００３７】
テラヘルツ波発生素子２０は、所定の非線形光学定数を有する非線形光学結晶によって構成され、パルス励起光Ｌの入射によって波長変換光であるテラヘルツ波Ｔを発生する複数層（図３では３層）の結晶層２１と、結晶層２１とは異なる材料によって構成され、複数層の結晶層２１と交互に配置される少なくとも１層（図３では２層）の調整層２２とを有して構成されている。
【００３８】
結晶層２１は、図２に示した積層構造における第１結晶領域Ａに対応するものであり、励起光Ｌの進行方向に沿って、互いに距離を置いて隣り合うように順に配置されている。また、調整層２２は、図２に示した積層構造における第２材料領域Ｃに対応するものであり、それぞれ隣り合う２層の結晶層２１の間に介在するように配置されている。この調整層２２は、本発生素子２０での位相整合条件の調整に用いられる層となっている。また、複数層の結晶層２１については、好ましくは、それらの厚さは互いに固定かつ複数層で同一の厚さに設定される。また、調整層２２が複数層設けられている場合、好ましくは、それらの厚さは互いに固定かつ複数層で同一の厚さに設定される。
【００３９】
本実施形態の発生素子２０では、調整層２２の材料として液晶材料が用いられており、液晶材料の周囲を接着剤などの固定材料で囲んで形成された液晶層によって調整層２２が構成されている。また、これらの結晶層２１及び調整層２２からなる素子２０の積層構造において、その一方の面が励起光Ｌを入射させる励起光入射面２０１、入射面２０１の反対側の面が発生素子２０中で発生したテラヘルツ波Ｔを外部へと出力するテラヘルツ波出力面２０２となっている。
【００４０】
このような構成のテラヘルツ波発生素子２０に対し、光学距離調整部３０が設けられている。光学距離調整部３０は、発生素子２０の複数層の結晶層２１について、調整層２２を介して隣り合う２層の結晶層２１の間の物理距離が固定の状態で、その光学距離を可変に調整する調整手段である。
【００４１】
すなわち、図３のテラヘルツ波発生装置１０では、発生素子２０において、励起光Ｌの進行方向に沿った調整層２２での光路長（光学的な厚さ）に相当する結晶層２１の間の光学的な距離を変更することが可能な構成となっており、この光学距離を調整部３０によって可変に調整することにより、素子２０での積層構造の周期、及びそれによる位相整合条件が可変に調整される。具体的には、本構成例では、光学距離調整部３０は、調整層２２に対して電圧を印加してその光学特性を変化させることで、結晶層２１の間の光学距離を可変に調整する電圧印加部３１を有して構成されている。
【００４２】
また、この光学距離調整用の電圧印加部３１に対応し、結晶層２１及び調整層２２からなる発生素子２０の積層構造において、各層の間に電圧印加用の電極３６、３７が設けられている。すなわち、結晶層２１及び調整層２２の積層構造に対し、結晶層２１と、その励起光Ｌの進行方向について下流側にある調整層２２との間には、第１電極３６が設けられている。また、結晶層２１と、その上流側にある調整層２２との間には、第２電極３７が設けられている。本実施形態では、これらの電圧印加部３１、及び電極３６、３７を用いて、光学距離調整部３０が構成されている。
【００４３】
このような構成において、電圧印加部３１は、液晶層からなる調整層２２に対し、その上流側の第１電極３６に電圧Ｖを印加するとともに、下流側の第２電極３７を接地電位Ｇ（電圧０）としている。このとき、液晶層に電圧Ｖが可変に印加されることで調整層２２での液晶材料中を伝搬する光の光路長が変化し、これによって積層構造の実効的な周期が変化する。また、積層構造の実効的な周期が可変に設定されると、その積層構造で位相整合がとれる周波数を中心としたテラヘルツ波が発生、出力される。これにより、発生素子２０の積層構造における位相整合条件が可変に調整され、素子２０で発生するテラヘルツ波Ｔの波長λ及び周波数ｆが可変に制御される。
【００４４】
また、図３に示す発生システム１Ａでは、励起光源５０及び発生装置１０に対し、テラヘルツ波発生制御部５５が設けられている。この発生制御部５５は、光学距離調整部３０の動作を制御することで、発生装置１０での位相整合条件を制御する位相整合制御手段としての機能を有している。このような制御部５５は、例えば所定の制御プログラムが実行されているコンピュータによって構成することができる。また、発生制御部５５は、発生装置１０の動作と合わせて、励起光源５０の動作を制御する構成としても良い。
【００４５】
上記実施形態によるテラヘルツ波発生装置１０、及びテラヘルツ波発生システム１Ａの効果について説明する。
【００４６】
図３に示したテラヘルツ波発生装置１０及び発生システム１Ａにおいては、非線形光学結晶による複数層の結晶層２１と、その間に介在する少なくとも１層の調整層２２との積層構造によって、テラヘルツ波発生用の波長変換媒体となる発生素子２０を構成する。そして、その積層構造において、光学距離調整部３０によって２層の結晶層２１の間の物理距離Ｄが固定の状態で、その光学距離を可変に調整することで、積層構造での位相整合条件を調整している。
【００４７】
このような構成によれば、調整層２２での光路長に相当する結晶層２１間の光学的な距離ＯＤを調整することにより、テラヘルツ波Ｔの発生に用いられる積層構造の実効的な周期、及びそれによる位相整合条件を設定または変更して、装置構成自体を変更することなく同一の装置において、テラヘルツ波Ｔの波長（周波数）を可変に制御することが可能となる。
【００４８】
ここで、図４は、従来の波長変換光発生素子の構成について示す図である。図４（ａ）に示す構成では、非線形光学結晶での分極反転の周期構造が、光の伝搬方向に直交する方向について扇状に変化するようになっており、励起光の入射位置を変更することにより、分極反転周期を選択可能な構成となっている。また、図４（ｂ）に示す構成では、分極反転構造を持つ円形の素子構造であり、励起光の進行方向に対して素子を回転することで、実効的な分極反転周期を変更する構成となっている。これに対して、図３に示したテラヘルツ波発生装置１０では、素子に対する励起光の入射位置の変更や、結晶の回転等を行うことなく、励起光Ｌの進行方向に沿った結晶層２１の間の物理距離が固定の状態で、光学距離を可変に調整することで、積層構造の周期、位相整合条件、及び得られるテラヘルツ波の波長の調整を好適かつ容易に実行することが可能である。
【００４９】
図３に示したテラヘルツ波発生装置１０において、結晶層２１及び調整層２２による積層構造については、結晶層としてｎ層（ｎは３以上の整数）の結晶層２１が設けられた構成を用いることができる。この場合、光学距離調整部３０は、調整層２２を介して隣り合う２層の結晶層２１の間のｎ−１個の光学距離（ｎ−１層の調整層２２での光路長）が互いに略等しい状態を保持しつつ、光学距離を可変に調整することが好ましい。このような構成によれば、３層以上の結晶層２１を含む積層構造の全体において、位相整合条件を好適に制御することができる。なお、結晶層２１及び調整層２２の層数については、具体的な積層構造に応じて適宜設定して良い。
【００５０】
また、調整層２２の材料については、調整層２２は、図３に関して上述したように、隣り合う２層の結晶層２１の間に配置された液晶層（液晶材料）によって構成されていることが好ましい。また、調整層２２は、非線形光学効果を実質的に有しない材料（非線形光学定数が実質的に０である材料）によって構成されていることが好ましい。これにより、結晶層２１の間の光学距離が可変に調整される積層構造を好適に実現することができる。特に、調整層２２に液晶材料を用いる構成では、電圧の印加等によって、調整層２２での光路長を容易かつ確実に変更することができる。
【００５１】
また、結晶層２１間の光学距離を調整するための光学距離調整部３０の具体的な構成については、調整層２２に対して電圧を印加してその光学特性を変化させることで、光学距離を可変に調整する電圧印加部３１を設ける構成を用いることができる。また、このように電圧印加を行う場合、光学距離調整部３０は、結晶層２１及び調整層２２からなる積層構造において、各層の間に設けられて電圧印加部３１による電圧の印加に用いられる電極３６、３７を有する構成とすることが好ましい。調整部３０の構成については、具体的にはさらに後述する。
【００５２】
また、図３に示した発生システム１Ａでは、発生装置１０及び励起光源５０に加えて、光学距離調整部３０の動作を制御することで、発生装置１０での位相整合条件を制御する発生制御部５５を設けている。これにより、発生素子２０の積層構造での位相整合条件、及び発生されるテラヘルツ波Ｔの波長を、所望の条件及び波長に好適に制御することができる。なお、このような制御部５５については、例えば装置各部の動作を操作者が手動で制御する場合など、不要であれば設けない構成としても良い。
【００５３】
図３に示したテラヘルツ波発生装置１０の構成の具体例を説明する。テラヘルツ波発生素子２０で結晶層２１を構成する非線形光学結晶としては、例えば、所定の厚さのＺｎＴｅ（１１０）結晶を用いることができる。また、調整層２２の材料については、例えば上述したように、電圧の印加によって光学特性を変化させることが可能な液晶材料を用いることが好ましい。そのような液晶材料としては、例えば５ＣＢが挙げられる。また、結晶層２１及び調整層２２の界面での光の反射損失を回避するため、結晶層２１と調整層２２とで、屈折率が同程度の材料を用いることが好ましい。
【００５４】
このような構成の発生素子２０において、結晶層２１の間の固定の物理距離Ｄに対し、その光学距離をＯＤ１に設定した場合、その積層構造で実効的に位相整合がとれる周波数ｆ１を中心としたテラヘルツ波が高効率で発生、出力される。また、結晶層２１の間の光学距離をＯＤ２に変更した場合、その積層構造で実効的に位相整合がとれるｆ１とは異なる周波数ｆ２を中心としたテラヘルツ波が高効率で発生、出力される。
【００５５】
ここで、パルス励起光Ｌの波長を６２０ｎｍ、パルス幅をτ＝１５０ｆｓ、素子２０の積層構造において発生するテラヘルツ波Ｔの周波数を１．４ＴＨｚとした場合を例として考える。結晶層２１を構成する非線形光学結晶をＺｎＴｅとすると、波長６２０ｎｍの励起光Ｌに対する屈折率はｎＬ＝３．０である。一方、周波数１．４ＴＨｚのテラヘルツ波Ｔに対する屈折率はｎＴ＝３．１９である。
【００５６】
また、このような構成の素子２０において、位相整合がとれる積層構造の周期Λは、Λ＝２ｃτ／（ｎＴ−ｎＬ）で与えられる（非特許文献１参照）。したがって、ＺｎＴｅ結晶を用いて周波数ｆ１＝１．４ＴＨｚを中心に位相整合がとれる周期はΛ＝０．４６４ｍｍとなる。調整層２２の液晶材料の屈折率がＺｎＴｅ結晶と同じである場合、結晶層２１、及び調整層２２のそれぞれの厚さは０．２３２ｍｍとなる。また、調整層２２の液晶材料を５ＣＢとすると、パルス励起光に対する屈折率は１．７２、テラヘルツ波に対する屈折率は１．８３である。この場合、調整層２２の厚さ（結晶層２１の間の物理距離）は、Ｄ＝０．４０５ｍｍとなる。
【００５７】
次に、調整層２２の液晶材料５ＣＢに対し、電圧印加部３１及び電極３６、３７によって、電圧Ｖとして５９０Ｖ／ｃｍの交流電界を印加する。この場合、調整層２２の屈折率は約０．２だけ増加し、電圧Ｖ印加時のパルス励起光に対する光路長は０．７７４ｍｍ、テラヘルツ波に対する光路長は０．８２４ｍｍと長くなる。このように、調整層２２に対して電圧印加を行って光学距離を調整することにより、位相整合がとれて発生するテラヘルツ波の中心周波数を、ｆ１＝１．４ＴＨｚからｆ２＝１．２３ＴＨｚへと可変に制御することができる。
【００５８】
なお、調整層２２の液晶の厚さが上記のようにＤ＝０．４０５ｍｍである場合、交流電界５９０Ｖ／ｃｍは、印加電圧Ｖ＝２４Ｖに相当する。また、調整層２２の材料については、例えば液晶材料以外にもＡ／Ｏ結晶、Ｅ／Ｏ結晶等を用いることができる。また、調整層２２の材料としてＺｎＴｅ（１００）結晶を用いることも可能である。ＺｎＴｅ（１００）結晶では、結晶に対して垂直にパルス励起光を入射させた場合、非線形光学定数が０であるためにテラヘルツ波は発生しない。また、励起光の進行方向と平行に電圧を印加した場合、その屈折率が変化し、それによって励起光及びテラヘルツ波に対する光路長を可変に調整することができる。
【００５９】
上記実施形態によるテラヘルツ波発生装置１０の構成、及び発生装置１０での結晶層間の光学距離の調整について、具体的な構成例とともにさらに説明する。
【００６０】
図５は、テラヘルツ波発生装置の構成例を模式的に示す図である。本構成例によるテラヘルツ波発生装置１０Ａは、非線形光学結晶による結晶層２１（２１１〜２１４）と、それらの間に介在する液晶材料による調整層２２（２２１〜２２３）とによって構成されたテラヘルツ波発生素子２０を有している。また、素子２０の一方の面である結晶層２１１の端面が励起光入射面２０１、反対側の面である結晶層２１４の端面がテラヘルツ波出力面２０２となっている。
【００６１】
これらの結晶層２１１〜２１４、及び調整層２２１〜２２３を有する積層構造に対し、結晶層２１１と調整層２２１との間、結晶層２１２と調整層２２２との間、及び結晶層２１３と調整層２２３との間には、それぞれ第１電極３６１、３６２、３６３が設けられている。また、調整層２２１と結晶層２１２との間、調整層２２２と結晶層２１３との間、及び調整層２２３と結晶層２１４との間には、それぞれ第２電極３７１、３７２、３７３が設けられている。
【００６２】
第１電極３６１〜３６３及び第２電極３７１〜３７３は、図５に電極３６１、３７１についてその形状を示したように、それぞれ各層の間において、励起光Ｌ及びテラヘルツ波Ｔが通過するための開口が設けられたリング状の電極パターンで形成されている。このような電極は、例えば結晶層２１１〜２１４を構成するＺｎＴｅ結晶などの非線形光学結晶の表面において蒸着によって形成することができる。
【００６３】
このような構成において、電圧印加部３１によって、第１電極３６１〜３６３に電圧Ｖが印加され、また、第２電極３７１〜３７３が接地電位Ｇとされると、印加される電圧Ｖの値が可変に調整されることにより、調整層２２１〜２２３の液晶材料の光学特性が変化して、結晶層間の光学距離が可変に調整される。また、図５に示した構成では、各調整層に印加される電圧の値が等しいことから、調整層２２１〜２２３のそれぞれでの光学距離（光路長）は、互いに略等しい状態に保持される。
【００６４】
本発明による波長変換光発生装置及び発生システムは、上記実施形態及び構成例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、結晶層及び調整層の積層構造、層数、各層の構成材料、あるいは光学距離調整部の構成等については、上記構成以外にも、具体的には様々な構成を用いて良い。また、上記においては、波長変換光としてテラヘルツ波を想定しているが、本発明による波長変換光発生装置及び発生システムは、テラヘルツ波以外の波長域での波長変換光の発生においても同様に適用することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明は、パルス励起光の入射によって発生するテラヘルツ波などの波長変換光の波長を可変に制御することが可能な波長変換光発生装置、及び波長変換光発生システムとして利用可能である。
【符号の説明】
【００６６】
１Ａ…テラヘルツ波発生システム、１０、１０Ａ…テラヘルツ波発生装置、２０…テラヘルツ波発生素子、２１…非線形光学結晶層、２２…調整層、２０１…励起光入射面、２０２…テラヘルツ波出力面、
３０…光学距離調整部、３１…電圧印加部、３６…第１電極、３７…第２電極、５０…パルス励起光源、５５…テラヘルツ波発生制御部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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