(57)【要約】【課題】光非線形性結晶を用いた差周波混合過程において、テラヘルツ波の閉じ込めが可能な導波路構造を備え、高効率でコヒーレントなテラヘルツ波発生装置及び発生方法を提供する。【解決手段】ポンプ光２Ａを発生するポンプ光源２と、信号光３Ａを発生する信号光源３と、ポンプ光２と信号光３を同じ光路上で合成するための入射光学部５と、入射光学部５で合波されたポンプ光２Ｄ及び信号光３Ｄが入射されるテラヘルツ波発生用結晶７と、を備え、テラヘルツ波発生用結晶７は、スラブ型の導波路又はリブ型の導波路構造を有しており、合波されたポンプ光２Ｄ及び信号光３Ｄが導波路の光軸方向に入射され、導波路７におけるポンプ光２と信号光３との差周波数混合によって導波路７の光軸上にテラヘルツ波８を発生する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプ光を発生するポンプ光源と、
信号光を発生する信号光源と、
上記ポンプ光と上記信号光とを同じ光路上で合成するための入射光学部と、
該入射光学部で合波された上記ポンプ光及び信号光が入射するテラヘルツ波発生用結晶と、
を備え、
上記テラヘルツ波発生用結晶は、スラブ型の導波路又はリブ型の導波路を有しており、
上記合波された上記ポンプ光及び信号光が上記導波路の光軸方向に入射され、該導波路における上記ポンプ光と上記信号光との差周波数混合によって上記導波路の光軸上にテラヘルツ波を発生することを特徴とする、テラヘルツ波発生装置。
【請求項２】
前記テラヘルツ波発生用結晶がＧａＰからなり、
前記スラブ型導波路の厚さが、ＴＥモード及びＴＭモードの基本モードとなるように設定されていることを特徴とする、請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項３】
前記スラブ型導波路の光軸方向が［１１０］方向に平行であり、
前記スラブ型導波路に入射される前記ポンプ光及び信号光の直線偏光は、［−１１１］方向に平行であることを特徴とする、請求項１又は２に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項４】
前記スラブ型導波路の光軸方向が［１１０］方向に平行であり、
前記スラブ型導波路に入射される前記ポンプ光及び信号光の直線偏光は、［１−１１］方向に平行であることを特徴とする、請求項１又は２に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項５】
前記テラヘルツ波発生用結晶がＧａＰからなり、
前記リブ型導波路の光軸方向が、[１１０]方向に平行であり、
前記ポンプ光の直線偏光は［００１］方向に平行であり、
前記信号光の直線偏光は［−１１０］方向に平行であることを特徴とする、請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項６】
前記リブ型導波路は、前記光軸方向の断面が溝部とリブ部とからなる凸形状を有しており、該リブ部の幅は２００μｍから１ｍｍで、リブ部の高さは１００μｍよりも大きいことを特徴とする、請求項５に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項７】
前記スラブ型の導波路又はリブ型の導波路は、前記光軸方向の長さが、１ｍｍから１０ｍｍであることを特徴とする、請求項１〜６の何れかに記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項８】
前記信号光源がヤグレーザであり、前記ポンプ光源が該ヤグレーザの第３次高調波で励起される光パラメトリック発振器であることを特徴とする、請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項９】
前記入射光学部は、１／２波長板と偏光ビームスプリッタを備えていることを特徴とする、請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項１０】
ポンプ光源からポンプ光となるレーザ光を発生し、
信号光源から信号光となるレーザ光を発生し、
該ポンプ光と該信号光とを同じ光路となるように合波し、
合波した上記ポンプ光及び信号光を、スラブ型の導波路又はリブ型の導波路構造を有しているテラヘルツ波発生用結晶の光軸方向に入射させ、
上記導波路における上記ポンプ光と上記信号光との差周波数混合によって、上記導波路の光軸上にテラヘルツ波を発生させることを特徴とする、テラヘルツ波発生方法。
【請求項１１】
前記スラブ型導波路をＧａＰで形成し、
前記スラブ型導波路の厚さを、該スラブ型導波路のＴＥモード及びＴＭモードの基本モードとなるように設定することを特徴とする、請求項１０に記載のテラヘルツ波発生方法。
【請求項１２】
前記スラブ型導波路の光軸方向を［１１０］方向に平行とし、
前記スラブ型導波路に入射される前記ポンプ光及び信号光を、［１−１１］方向に平行な直線偏光とし、
前記スラブ型導波路の光軸方向の長さを変えることによって、楕円偏光又は円偏光を有する前記テラヘルツ波を発生させることを特徴とする、請求項１０又は１１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項１３】
前記スラブ型導波路の光軸方向を［１１０］に平行とし、
前記スラブ型導波路に入射される前記ポンプ光及び信号光を、［−１１１］方向に平行な直線偏光とし、
右回りの楕円偏光又は円偏光を有する前記テラヘルツ波を発生させることを特徴とする、請求項１０又は１１に記載のテラヘルツ波発生方法。
【請求項１４】
前記スラブ型導波路の光軸方向を［１１０］方向に平行とし、
前記スラブ型導波路に入射される前記ポンプ光及び信号光を、［１−１１］方向に平行な直線偏光とし、
左回りの楕円偏光又は円偏光を有する前記テラヘルツ波を発生させることを特徴とする、請求項１０又は１１に記載のテラヘルツ波発生方法。
【請求項１５】
前記リブ型導波路をＧａＰで形成し、
前記リブ型導波路の光軸方向を[１１０]方向に平行とし、
前記ポンプ光の直線偏光を［００１］方向に平行とし、
前記信号光の直線偏光を［−１１０］方向に平行とすることを特徴とする、請求項１０に記載のテラヘルツ波発生方法。
【請求項１６】
前記ポンプ光及び前記信号光の偏光を、１／２波長板と偏光ビームスプリッタとによって調整することを特徴とする、請求項１０〜１５の何れかに記載のテラヘルツ波発生方法。
【請求項１７】
前記テラヘルツ波発生用結晶へ入射される前記ポンプ光及び前記信号光のビーム面積を変えることによって前記テラヘルツ波の出力を調整することを特徴とする、請求項１０〜１５の何れかに記載のテラヘルツ波発生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ波発生装置及び発生方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ波（ＴＨｚ波とも呼ぶ）は電波と光の中間に存在する電磁波であり、周波数としては０．１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚ、波長にして３ｍｍから３０μｍの程度の帯域に相当する。狭線幅のＴＨｚ波を発生する方法として、バルクの半導体及び絶縁体からなる非線形な光学結晶（光非線形性結晶と呼ぶ）のフォノンポラリトン励起が挙げられ、半導体のＧａＰや強誘電体のＬｉＮｂＯ３などを用いた高効率で広帯域なＴＨｚ光源の開発が行われている。これらのＴＨｚ光源を用いて生体分子のＴＨｚ分光やＴＨｚイメージングへの応用が進展している。
【０００３】
例えば、非特許文献１には、バルクの光非線形性結晶を用いた狭線幅のコヒーレントなＴＨｚ光源が報告されている。
図２２は、バルクの光非線形性結晶１００に対する入射光と発生するＴＨｚ波との関係を模式的に説明する図である。
図２２に示すように、例えばＧａＰからなるバルクの光非線形性結晶１００には、励起光１０２となるポンプ光１０３と信号光１０４とが入射され、光非線形性結晶１００からＴＨｚ波１０６を発生させている。発生するＴＨｚ波１０６の周波数は、ポンプ光１０３と信号光１０４との差の周波数である。ＴＨｚ波１０６を発生させる位相整合条件としては、２つの励起光１０２，１０４の間に適切な角度をつける所謂ノンコリニア位相整合が採用されている。このようなバルクの光非線形性結晶１００を用いたＴＨｚ波発生装置においては、ＴＨｚ波１０６の伝搬方向は、励起光１０２，１０４の伝搬方向と１０度以上ずれており、励起光１０２，１０４との重なりが小さくなり変換効率が低かった。
【０００４】
バルクの光非線形性結晶１００を用いてＴＨｚ波１０６を発生する場合、高効率化のために励起光１０２，１０４のビーム径を小さくする方法がある。しかしながら、ビーム径がＴＨｚ波１０６の波長と同程度となるとＴＨｚ波１０６自身の回折効果に基づくビーム広がりのために励起光１０２，１０４とＴＨｚ波１０６との間の強度分布の重なりが小さくなる。このため、非線形光学相互作用が減少し、ＴＨｚ波１０６の変換効率の向上は見込めない。
【０００５】
特許文献１には、バルクの光非線形性結晶を用いないで、光非線形性結晶を矩形導波路構造としたＴＨｚ波光源が開示されている。
図２３は、特許文献１に開示された矩形導波路構造を有しているＴＨｚ波光源１１０の斜視図である。図２３に示すように、光非線形性結晶１１２は、光軸方向の断面は一辺がａの長さの正方形であり、光軸方向の長さはＬの矩形導波路構造を有している。励起光となるポンプ光１０２と信号光１０４とは、光軸方向の断面に垂直入射し、出射するＴＨｚ波１０８も同じ光軸上にある。励起光１０２，１０４及びＴＨｚ波１０６は何れも光軸方向を向いている、所謂コリニアの位相整合が行われている。つまり、ポンプ光１０２と信号光１０４とを入射させる入射光学系及び光非線形性結晶１１２が、ほぼ同一の光路で相互作用してＴＨｚ波１０６が取り出されるように配置されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−９１８０２号公報
【非特許文献１】T. Tanabe 他４名, “Frequency -tunable high-power teraherz wave generation from GaP”, J. Appl. Phys., Vol.93, pp.4610-4615, 2003
【非特許文献２】J. Nishizawa 他５名,“THz generation from GaP rod-type waveguides”, IEEE Photon. Technol. Lett., Vol.19, No.3, pp.143-145, 2007
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載の光非線形性結晶１１２を矩形導波路構造としたＴＨｚ波光源１１０によれば、矩形導波路の断面寸法ａを３００μｍ以下とし、コリニアな光学配置とすることで、矩形導波路内のＴＨｚ波閉じ込めが可能となった。これによって、従来のバルクの光非線形性結晶１００を用いたＴＨｚ波光源よりも高い効率でＴＨｚ波を発生することができるようになった。
しかしながら、光非線形性結晶１１２からなる矩形導波路構造は、その断面寸法ａを３００μｍ以下とし、光軸方向を１〜１０ｍｍ程度するための製作が容易ではなく、集積化が困難である。このため、製作が容易で、変換効率が大きく、さらに集積化し易いＴＨｚ波光源が望まれている。
【０００８】
本発明の一目的は、上記課題に鑑み、光非線形性結晶を用いた差周波混の混合過程において、テラヘルツ波の閉じ込めが可能な導波路構造を備え、高効率でコヒーレントなテラヘルツ波発生装置を提供することである。
本発明の第２の目的は、テラヘルツ波を発生する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記第１の目的を達成するため、本発明のテラヘルツ波発生装置は、ポンプ光を発生するポンプ光源と、信号光を発生する信号光源と、ポンプ光と信号光とを同じ光路上で合成するための入射光学部と、入射光学部で合波されたポンプ光及び信号光が入射されるテラヘルツ波発生用結晶と、を備え、テラヘルツ波発生用結晶は、スラブ型の導波路又はリブ型の導波路構造を有しており、合波されたポンプ光及び信号光が導波路の光軸方向に入射され、導波路におけるポンプ光と信号光との差周波数混合によって導波路の光軸上にテラヘルツ波を発生する。
【００１０】
上記構成において、好ましくは、テラヘルツ波発生用結晶がＧａＰからなり、スラブ型導波路の厚さは、ＴＥモード及びＴＭモードの基本モードとなるように設定されている。
スラブ型導波路の光軸方向は、好ましくは、［１１０］方向に平行であり、スラブ型導波路に入射されるポンプ光及び信号光の直線偏光は、［−１１１］方向に平行である。
スラブ型導波路の光軸方向は、好ましくは、［１１０］方向に平行であり、スラブ型導波路に入射されるポンプ光及び信号光の直線偏光は、［１−１１］方向に平行である。
【００１１】
上記構成において、好ましくは、テラヘルツ波発生用結晶がＧａＰからなり、リブ型導波路の光軸方向が、[１１０］方向に平行であり、ポンプ光の直線偏光は、［００１］方向に平行であり、信号光の直線偏光は、［−１１０］方向に平行である。
リブ型導波路は、好ましくは、光軸方向の断面が溝部とリブ部からなる凸形状を有しており、リブ部の幅は２００μｍから１ｍｍであり、リブ部の高さは１００μｍよりも大きい。
【００１２】
上記構成において、スラブ型又はリブ型の導波路は、好ましくは、光軸方向の長さが、１ｍｍから１０ｍｍである。
信号光源が、好ましくは、ヤグレーザであり、ポンプ光源がヤグレーザの第３次高調波で励起される光パラメトリック発振器である。
入射光学部は、好ましくは、１／２波長板と偏光ビームスプリッタを備えている。
【００１３】
上記第２の目的を達成するため、本発明のテラヘルツ波発生方法は、ポンプ光源からポンプ光となるレーザ光を発生し、信号光源から信号光となるレーザ光を発生し、ポンプ光と該信号光とを同じ光路となるように合波し、合波したポンプ光及び信号光を、スラブ型の導波路又はリブ型の導波路構造を有しているテラヘルツ波発生用結晶の光軸方向に入射し、導波路におけるポンプ光と信号光との差周波数混合によって、導波路の光軸上にテラヘルツ波を発生することを特徴とする。
【００１４】
上記構成において、スラブ型導波路を、好ましくはＧａＰで形成し、スラブ型導波路の厚さを、スラブ型導波路のＴＥモード及びＴＭモードの基本モードとなるように設定する。
スラブ型導波路の光軸方向を、［１１０］方向に平行とし、スラブ型導波路に入射される前記ポンプ光及び信号光を、［１−１１］方向に平行な直線偏光とし、スラブ型導波路の光軸方向の長さを変えることによって、楕円偏光又は円偏光を有するテラヘルツ波を発生することができる。
スラブ型導波路の光軸方向を、好ましくは、［１１０］に平行とし、スラブ型導波路に入射される前記ポンプ光及び信号光を、［−１１１］方向に平行な直線偏光とし、右回りの楕円偏光又は円偏光を有するテラヘルツ波を発生することができる。
前記スラブ型導波路の光軸方向を、好ましくは、［１１０］方向に平行とし、スラブ型導波路に入射されるポンプ光及び信号光を、［１−１１］方向に平行な直線偏光とし、左回りの楕円偏光又は円偏光を有するテラヘルツ波を発生することができる。
【００１５】
上記構成において、リブ型導波路をＧａＰで形成し、リブ型導波路の光軸方向を［１１０］方向に平行とし、ポンプ光の直線偏光を［００１］方向に平行とし、信号光の直線偏光を［−１１０］方向に平行としてもよい。
ポンプ光及び信号光の偏光を、１／２波長板と偏光ビームスプリッタとによって調整してもよい。
テラヘルツ波発生用結晶へ入射されるポンプ光及び信号光のビーム面積を変えることによって前記テラヘルツ波の出力を調整してもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のテラヘルツ波発生装置によれば、テラヘルツ波発生用結晶がスラブ型又はリブ型の導波路構造を有しており、コリニアな光学配置によって位相整合されたテラヘルツ波を効率良く発生させることができ、高出力のテラヘルツ波の発生が可能となる。
【００１７】
本発明のテラヘルツ波発生方法によれば、ポンプ光及び信号光のスラブ型の導波路又はリブ型の導波路構造への入射方法によってコリニアな光学配置とし、位相整合されたテラヘルツ波を効率良く発生させることができる。スラブ型の導波路構造を用いた場合には、外部素子を用いないで左回り又は右回りの楕円偏光のテラヘルツ波を発生させることができる。さらに、リブ型の導波路構造を用いた場合には、その厚さ及び幅方向の２次元のテラヘルツ波の閉じ込めによって回折効果を低減することができる。さらに、励起光となるポンプ光及び信号光のビーム径を調整することで変換効率の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。各図において同一又は対応する部材には同一符号を用いる。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明のテラヘルツ波発生装置１の構成を模式的に示す図である。
テラヘルツ波発生装置１は、ポンプ光源２と、信号光源３と、ポンプ光源２及び信号光源３をコリニアなビームに合成するための入射光学部５と、入射光学部５から出射光６が入射される光非線形性結晶を用いたＴＨｚ波発生部７と、から構成されている。光非線形性結晶７はテラヘルツ波発生用結晶とも呼ばれており、例えばＧａＰからなり、スラブ型導波路やリブ型導波路の構造を有している。最初に、光非線形性結晶７が、スラブ型導波路である場合について説明する。
【００１９】
ポンプ光源２はレーザ光源である。ポンプ光源２は例えば、波長が１０６４ｎｍのヤグレーザ（Ｎｄ：ＹＡＧレーザ）を図示しない第３次高調波発生器に入射し、発生した波長３５５ｎｍで励起される光パラメトリック発振器（ＯＰＯ）２からのレーザ光２Ａ（以下、ポンプ光と呼ぶ）を用いることができる。この場合、ポンプ光２Ａの波長は１０５９ｎｍから１０６３ｎｍの間で調整が可能である。
【００２０】
信号光源３はレーザ光源であり、波長が１０６４ｎｍのレーザ光３Ａ（以下、信号光と呼ぶ）を発生させるＮｄ：ＹＡＧレーザを使用することができる。ポンプ光源３と信号光源３とから発生されるレーザ光の周波数差は、ＴＨｚ波発生部７から発生するＴＨｚ波８の周波数となるように選定される。
【００２１】
入射光学部５は、ポンプ光２Ａが入射する第１の１／２波長板１１と、第１の１／２波長板１１からの光が入射される第１の偏光ビームスプリッタ１２と、信号光３Ａが入射する第２の１／２波長板１３と、第２の１／２波長板１３からの光が入射される第２の偏光ビームスプリッタ１４と、第１の偏光ビームスプリッタ１２を透過したポンプ光２Ａが入射されると共に、第２の偏光ビームスプリッタ１４を透過した信号光３Ａが第１の鏡１６を介して入射される無偏光ビームスプリッタ１７と、無偏光ビームスプリッタ１７とＴＨｚ波発生部７との間に配設される第３の１／２波長板１８と第２の鏡１９と、から構成されている。
【００２２】
ポンプ光２Ａは、第１の１／２波長板１１によって偏光面が直交する２つのレーザ光に分離され、第１の偏光ビームスプリッタ１２によって偏光方向が分離され、透過光が無偏光ビームスプリッタ１７で反射され、さらに、第３の１／２波長板１８と第２の鏡１９とを順に通過してＴＨｚ波発生部７へ入射する。第１の１／２波長板１１を回転させることによって、ポンプ光源２から無偏光ビームスプリッタ１７へ入射されるポンプ光２Ｂを任意の強度割合に調整することができる。
【００２３】
信号光３Ａは、第２の１／２波長板１３によって偏光面が直交する２つのレーザ光に分離され、偏光面が直交する２つのレーザ光は、第２の偏光ビームスプリッタ１４によって偏光方向が分離され、第１の鏡１６で反射され、無偏光ビームスプリッタ１７を透過し、さらに、第３の１／２波長板１８と第２の鏡１９とを順に通過してＴＨｚ波発生部７へ入射する。第２の１／２波長板１３を回転させることによって、信号光３Ａから無偏光ビームスプリッタ１７へ入射される信号光３Ｂを任意の強度割合に調整することができる。
【００２４】
無偏光ビームスプリッタ１７を透過したポンプ光２Ｃ及び信号光３Ｃは、さらに、第３の１／２波長板１８を回転させることによって偏光面を回転することができる。
ここで、第１，第２の偏光ビームスプリッタ１２，１４及び無偏光ビームスプリッタ１７は、所謂キュービックポラライザを用いることができる。
【００２５】
図１に示すように、入射光学部５から光非線形性結晶７に入射するポンプ光２Ｄ及び信号光３Ｄからなる出射光６は同一の光路上にある。出射光６は光非線形性結晶７の励起光である。後述するように、光非線形性結晶７内でポンプ光２Ｄ、信号光３Ｄ及びＴＨｚ波８が、コリニアすなわちほぼ同一の光路で相互作用してＴＨｚ波８が取り出されるように入射光学部５及び光非線形性結晶７が配置されている。
【００２６】
図２は、スラブ型導波路構造を有している光非線形性結晶７に入射するポンプ光２Ｄ、信号光３Ｄ及び発生するＴＨｚ波８において、（Ａ）が光路の配置関係を示す図であり、（Ｂ）が偏光を示す図である。
図２（Ａ）に示すように、スラブ型導波路を有している光非線形性結晶７は、薄板形状であり、［００１］方向に垂直な四角の面を有しており、光軸方向の長さがＬである。光軸方向の断面は［−１１０］方向に平行であり、長方形の面である。この面の厚さがｔで、幅がｗである。ポンプ光２Ｄ及び信号光３Ｄの偏光は、共に光非線形性結晶７の［−１１１］方向に平行な直線偏光である。ポンプ光２Ｄ、信号光３Ｄ及び発生するＴＨｚ波８の光軸方向は、［１１０］方向に平行となっている。
なお、結晶の中のある方向を与える方向指数は〔ｈｋｌ〕、等価な方向を示す方向指数は＜ｈｋｌ＞、面指数は（ｈｋｌ）と記載するのが通常である。ある面が結晶軸と原点に関し負の側で交わるとき、その指数は負号を指数の上につけるが、本明細書（特許請求の範囲を含む）においては便宜上その指数の前に負号の「−」を付けた。方位を表記する場合も同様である。
【００２７】
励起光となるポンプ光２Ｄ及び信号光３Ｄがスラブ型導波路構造を有している光非線形性結晶７に入射すると、光非線形性結晶７内で発生するＴＨｚ波８Ａの偏光状態は励起光２Ｄ，３Ｄと同様に［−１１１］方向に平行な直線偏光である。
【００２８】
図２（Ｂ）で示すように、光非線形性結晶７内で発生したＴＨｚ波８Ａは、光非線形性結晶７がスラブ型導波路構造を有しているので、ＴＥモード８ＣとＴＭモード８Ｄとなって、光非線形性結晶７内を伝播する。ＴＥモード８ＣとＴＭモード８Ｄとの間の位相差は、光非線形性結晶７の長さＬに対応するスラブ型導波路の伝播長さに応じて増加する。これにより、光非線形性結晶７から出射されるＴＨｚ波８は円又は楕円偏光状態となる。
ここで、ＴＥモード８Ｃは、光軸の進行方向に磁界成分を持ち、電界成分を持たない波である。一方、ＴＭモード８Ｄは、光軸の進行方向に電界成分を持ち、磁界成分を持たない波である。
【００２９】
ポンプ光２Ｄ、信号光３Ｄが光非線形性結晶７に入射し、ポンプ光２Ｄと信号光３Ｄとの差周波数混合で発生したＴＨｚ波８は、テラヘルツ波発生装置１の外部又は内部に配置したＴＨｚ波検知部２０で検出することができる。図１には、ＴＨｚ波発生部７から発生したＴＨｚ波８を検出するＴＨｚ波検知部２０も併せて示している。このＴＨｚ波検知部２０は、一例としてＴＨｚ波８を集光するレンズ２１とボロメータ等のＴＨｚ波検知器２２とから構成することができる。ここで、ＴＨｚ波８とＴＨｚ波検知部２０との間の光路上に、ポンプ光２Ｃ及び信号光３Ｄを除去するためのＧｅフィルタ等のフィルタを設けてもよい。
【００３０】
テラヘルツ波発生装置１によれば、ポンプ光２Ａ及び信号光３Ａをコリニアなビームに合成して、光非線形性結晶７に入射させ、光非線形性結晶７内でポンプ光２Ｄ、信号光３Ｄ及びＴＨｚ波をほぼ同一の光路で相互作用をさせ、さらに、位相整合を行うことで、効率よく高出力のＴＨｚ波８が取り出される。
【００３１】
スラブ型導波路の位相整合条件：
次に、光非線形性結晶７がスラブ型導波路の構造を有している場合のＴＨｚ波発生における位相整合条件について、さらに詳細に説明する。
図３はスラブ型導波路７中の伝播モードのモード分散関係の計算結果を示す図である。図３の横軸はＴＨｚ波８の周波数（ＴＨｚ）であり、縦軸はスラブ型導波路７を伝播するＴＨｚ波８Ｃ，８Ｄの実効屈折率である。
図３の実線で示すモード分散曲線は、それぞれＴＥモード８ＣとＴＭモード８Ｄであり、点線は位相整合に必要なＴＨｚ波８の実効屈折率（ｎＴＨｚ）を示している。この場合、位相整合条件は、モード分散曲線と実効屈折率との交点の周波数で満足される。スラブ型導波路７の厚さは、ＴＥモード及びＴＭモードの基本モードとなるように設定すればよい。ここで、光非線形性結晶７の光軸方向の幅は、スラブ型導波路７に必要な長さとすればよく、ＴＨｚ波の波長程度が必要であり、矩形導波路とならないようにしておけばよい。具体的には、光非線形性結晶７をスラブ型導波路に製作する際の容易さや取り扱いが容易な寸法とすればよい。
【００３２】
図４は、スラブ型導波路７中の伝播モードのモード分散関係と共にＴＥ波とＴＭ波の実効屈折率の差Δｎ（Δｎ＝ｎｅｆｆ，ＴＥ−ｎｅｆｆ，ＴＭ）を示す図である。図４の横軸はポンプ光２Ａと信号光３Ａとの差周波数（ＴＨｚ）であり、左縦軸はスラブ型導波路７を伝播するＴＨｚ波の実効屈折率であり、右縦軸はＴＥ波とＴＭ波の実効屈折率の差Δｎ（Δｎ＝ｎｅｆｆ，ＴＥ−ｎｅｆｆ，ＴＭ）である。
図４から明らかなように、差周波数が１．４ＴＨｚ程度まではＴＥ波とＴＭ波の実効屈折率の差Δｎが正であり、ＴＭモードの位相速度ＶＴＭはＴＥモードの位相速度ＶＴＥよりも大きい（ＶＴＭ＞ＶＴＥ）ことが分かる。
【００３３】
発生するＴＨｚ波の偏光について：
次に、スラブ型導波路７のＴＥモード８ＣとＴＭモード８Ｄとの間の位相差の違いによって発生する楕円偏光について説明する。
図５は、スラブ型導波路７の長さＬと、ＴＥモード８ＣとＴＭモード８Ｄとの間の位相差との関係を示す図であり、図６は、励起光６とスラブ型導波路７内のＴＥモード８Ｃ及びＴＭモード８Ｄとの関係を模式的に示す図である。図５の横軸はスラブ型導波路７の長さＬ（ｍｍ）であり、縦軸はスラブ型導波路７を伝播するＴＥモード８ＣとＴＭモード８Ｄとの間の位相差（ラジアン）である。
図５から明らかなように、ＴＥモード８ＣとＴＭモード８Ｄとの間の位相差（Φ）は、スラブ型導波路７の長さＬと共に増大し、位相差（Φ）はＬが５ｍｍ，１０ｍｍ，１５ｍｍ、２０ｍｍでそれぞれ１／４πラジアン，１／２πラジアン，３／４πラジアン，πラジアンとなる。この場合、光非線形性結晶７で発生したＴＨｚ波８において、ＴＭモード８Ｄの位相速度ＶＴＭはＴＥモード８Ｃの位相速度ＶＴＥよりも大きい（ＶＴＭ＞ＶＴＥ）ので、右回りの楕円又は円偏光となる。さらに、スラブ型導波路７の長さＬを増大させると、位相差（Φ）はπラジアン以上となるので、光非線形性結晶７で発生したＴＨｚ波８は、左回りの楕円又は円偏光となる。
【００３４】
光非線形性結晶７で発生するＴＨｚ波８の左回りの楕円又は円偏光は、光非線形性結晶７へのポンプ光２Ｄ及び信号光３Ｄの偏光方向を［１−１１］方向に平行な直線偏光とすることでも発生させることができる。
図７は、差周波数１ＴＨｚにおける、スラブ型導波路７の長さＬと、ＴＥモード８ＣとＴＭモード８Ｄとの間の位相差との関係を示す図であり、図８は、励起光６とスラブ型導波路７内のＴＥモード８Ｃ及びＴＭモード８Ｄとの関係を模式的に示す図である。図７の横軸及び縦軸は図５と同じであるので、説明は省略する。
図７から明らかなように、ポンプ光２Ｄ及び信号光３Ｄの偏光方向を［１−１１］方向に平行な直線偏光とすることで、スラブ型導波路７の長さＬと共に増大し、位相差（Φ）はＬが５ｍｍ，１０ｍｍ，１５ｍｍ、２０ｍｍでそれぞれ５／４πラジアン，３／２πラジアン，７／４πラジアン，２πラジアンとなり、光非線形性結晶７で発生したＴＨｚ波８は、左回りの楕円又は円偏光となる。
【００３５】
以上説明したように、スラブ型導波路構造を有している光非線形結晶７から発生するＴＨｚ波８の偏光状態は、水晶波長板又はプリズム等の外部素子を使用しないで楕円偏光又は円偏光とすることができる。従来のテラヘルツ波発生装置からのＴＨｚ波の偏光は、励起光及び光非線形性結晶の誘電テンソルで決定され、主として直線偏光となる。このため、直線偏光を円偏光とするために外部素子を用いていた。外部素子は、ＴＨｚ波に対する反射及び吸収による電力損失が大きく、ＴＨｚ帯の分光に適用する際には、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比と呼ぶ）低下の原因となっていた。これに対して、本発明のテラヘルツ波発生装置１によれば、Ｓ／Ｎ比の良好な楕円偏光又は円偏光のＴＨｚ波８を発生することができる。
【００３６】
これにより、スラブ型導波路７を有しているテラヘルツ波発生装置１は、偏光依存導波路モードが発現し、互いに直交する偏光成分であるＴＥモード及びＴＭモードは異なる伝搬速度を有している。ＴＥモード及びＴＭモードの位相差による合成波、つまり光非線形性結晶７から出射するＴＨｚ波８の偏光状態を、直線偏光から楕円偏光又は円偏光に変換することができる。適切なＴＨｚ周波数及び導波路寸法とすることにより、楕円偏光及び円偏光の様々な偏光状態の制御が可能となる。
【００３７】
（スラブ型導波路によるＴＨｚ波発生例）
スラブ型導波路７によるＴＨｚ波発生例について説明する。
（００１）面を有しているＧａＰ基板７を両面研磨し、厚さを２９０μｍとした。このＧａＰ基板７を［１１０］及び［−１１０］方向に劈開して、光軸方向の長さ（Ｌ）が５ｍｍ，１０ｍｍ，１５ｍｍのスラブ型導波路７を製作した。
【００３８】
信号光源３は波長が１０６４ｎｍのレーザ光を発生させるＱ−スイッチＮｄ：ＹＡＧレーザを使用した。Ｎｄ：ＹＡＧレーザ３の出力は約５．４ｋＷとした。ポンプ光源２としては、β−ＢａＢ２Ｏ４（ＢＢＯ）を用いた光パラメトリック発振器を用いた。光パラメトリック発振器２の励起光の波長は、信号光源３の第３次高調波を用いた。このポンプ光２Ａの波長は０．３ＴＨｚと１．６ＴＨｚの周波数の差に相当する１０５８〜１０６３ｎｍ領域に調整し、パルス出力は約１０ｋＷである。ポンプ光２Ｄ及び信号光３Ｄは、スラブ型導波路７の入力表面上に例えば３００μｍの直径となるように焦点を合わせた。
【００３９】
ＴＨｚ波８の発生は同一線上の位相整合条件で行なった。発生したＴＨｚ波８はポリエチレンからなるレンズ２１で集光し、液体ヘリウムで冷却したＳｉボロメータ２２で検出した。
【００４０】
図９は、光軸方向の長さ（Ｌ）が１０ｍｍのスラブ型導波路７を用いたテラヘルツ波発生装置１からのＴＨｚ波出力特性を示す図である。図の横軸は励起光６の周波数差（ＴＨｚ）であり、縦軸はピーク出力電力（任意目盛り）であり、各励起光６の周波数差におけるＴＨｚ波８の出力、ＴＥモード出力及びＴＭモード出力を示している。ＴＨｚ波８の出力からＴＥモード出力及びＴＭモード出力を分離するために、ＴＨｚ波８と検知部２０との間にはワイヤグリッド型偏光子を挿入した。
図９から明らかなように、テラヘルツ波発生装置１から０．７〜１．５ＴＨｚの出力が得られ、１ＴＨｚ前後の周波数において最も出力が大きいことが分かる。この出力が大きい周波数は、図３で示したコリニア配置における位相整合周波数と良く一致していることが分かる。
【００４１】
図１０は、スラブ型導波路７を用いたテラヘルツ波発生装置１からの１ＴＨｚにおけるＴＨｚ波８の偏光特性を示す図である。図１０は、極座標図であり、光軸の垂直面の各角度のＴＨｚ波強度を示している。図２に示す［００１］方向が９０度であり、励起光６の偏光方向は［−１１１］方向である。
図１０から明らかなように、テラヘルツ波発生装置１から発生するＴＨｚ波８の偏光特性は、右回りの楕円偏光特性を示すことが分かった。光軸方向の長さ（Ｌ）を５ｍｍ（四角印），１０ｍｍ（丸印），１５ｍｍ（三角印）と増大するにつれて、より顕著な楕円偏光となる。
【００４２】
図１１は、スラブ型導波路７を用いたテラヘルツ波発生装置１からの１ＴＨｚにおけるＴＨｚ波８の右回りと左回りの偏光特性を示す図である。図１１は、図１０と同じ極座標図である。光非線形性結晶の軸方向の長さ（Ｌ）は１０ｍｍである。
図１１から明らかなように、発生するＴＨｚ波８の楕円偏光の回転方向は、励起光６の偏光方向を［−１１１］方向に平行な直線偏光から［１−１１］方向に平行な直線偏光とすることで、右回り（四角印参照）から左回り（丸印参照）にすることができる。
【００４３】
（比較例）
ＧａＰからなるスラブ型導波路７をバルクのＧａＰに代え、ノンコリニアの位相整合でＴＨｚ波を発生させた。
図１２は、比較例のバルクのＧａＰからなるテラヘルツ波発生装置から発生させた１ＴＨｚ波の偏光特性を示す図である。図１２は、図１０と同じ極座標図であり、光非線形性結晶であるＧａＰの軸方向の長さ（Ｌ）は、５ｍｍ（四角印），１０ｍｍ（丸印），１５ｍｍ（三角印）である。
図１２から明らかなように、バルクのＧａＰからなるテラヘルツ波発生装置から発生するＴＨｚ波の偏光特性は、光軸方向の長さ（Ｌ）を５ｍｍ，１０ｍｍ，１５ｍｍと変化させても、何れも直線偏光であることが分かる。
【００４４】
（第２の実施形態）
次に、光非線形性結晶７がリブ型導波の構造を有しているテラヘルツ波発生装置３０について説明する。
図１３は、第２の実施形態に係るテラヘルツ波発生装置３０の構成を模式的に示す図であり、図１４は、リブ型導波路構造を有している光非線形性結晶３７に入射するポンプ光２Ｆ、信号光３Ｄ及び発生するＴＨｚ波８の配置関係を示す図である。
テラヘルツ波発生装置３０が、図１に示したテラヘルツ波発生装置１と異なるのは、スラブ型導波路構造の光非線形性結晶７をリブ型導波路構造とした点と、入射光学部５の無偏光ビームスプリッタ１７を偏光ビームスプリッタ３２とした点にある。この偏光ビームスプリッタ３２は、第１及び第２の偏光ビームスプリッタ１２，１４と区別するために第３の偏光ビームスプリッタと呼ぶ。他の構成は、テラヘルツ波発生装置１と同じであるので、説明は省略する。なお、リブ型導波路３７はリッジ型導波路と呼ばれることもある。
【００４５】
入射光学部５の第３の偏光ビームスプリッタ３２によって、光非線形性結晶３７へ入射されるポンプ光２Ｆ及び信号光３Ｄからなる励起光３６が、互いに直交する直線偏光したレーザ光とされる。
【００４６】
図１４に示すように、リブ型導波路を有している光非線形性結晶３７は、その表面３７Ａに一対の平行な細長い溝３７Ｂ，３７Ｂが形成されており、これらの溝３７Ｂ，３７Ｂによってリブ部３７Ｃが形成されている。光非線形性結晶３７としては、ＧａＰを用いることができる。
【００４７】
図１４に示すように、リブ型導波路３７の光軸は[１１０]方向であり、光軸の垂直方向は[００１]方向である。リブ型導波路３７は、例えば３００μｍ〜３５０μｍの厚みに両面研磨した（００１）面を有しているＧａＰ基板を[１１０]及び[−１１０]方向に劈開し、このＧａＰ基板をフォトリソグラフィとプラズマエッチングとの工程を用いて製作することができる。
【００４８】
ＧａＰからなるリブ型導波路３７中にＴＥモードのＴＨｚ波８を発生させるために、ポンプ光２Ｆの直線偏光はリブ型導波路３７の［００１］方向に平行に設定し、信号光３Ｄの直線偏光はリブ型導波路３７の［−１１０］方向に平行に設定する。つまり、図１４に示すように、リブ型導波路３７に入射するポンプ光２Ｆ及び信号光３Ｄは、互いに直交する偏光状態となっている。
【００４９】
リブ幅Ｗが１ｍｍ，５００μｍ，３００μｍ及び２００μｍのリブ型導波路３７を設計した。リブ型導波路３７内のＴＨｚ波８二次元閉じ込めを実現するために１００μｍより高いリブが必要である。
【００５０】
リブ型導波路の位相整合条件：
次に、リブ型導波路３７の位相整合条件について説明する。
リブ型導波路３７の位相整合条件は下記（１）式で示される。
【数１】
2010117690.tif 000003
ここで、ｎｉ（i＝p，s，又はeff，ＴＨｚ）は、それぞれリブ型導波路３７を伝播するポンプ光、信号光及びリブ型導波路３７を伝播するＴＨｚ波の実効屈折率に相当し、λｉ（i＝p，s，又はＴＨｚ）はそれぞれリブ型導波路３７内のポンプ光、信号光及びＴＨｚ波の管内波長である。
リブ型導波路３７のＴＥモードの基本モードにおける実効屈折率であるｎｅｆｆ，ＴＨｚを解析的に導出することは困難である。そこで、ｎｅｆｆ，ＴＨｚを実効屈折率法で評価した。
図１５は、リブ型導波路３７のＴＥモードを実効屈折率法で解析するための手法を示す模式図である。図１５に示すように、実効屈折率法に基づいてリブ型導波路３７をリブ部（コア部とも呼ばれる）領域(I)とクラッド部領域(II)とに分割し、さらに、矢印で示すように３層対称のスラブ型導波路に置換する。
ここで、リブ部領域の幅をＷとし、高さをｔＩとし、クラッド部領域(II)の高さをｔIIとする。リブ部領域(I)の実効屈折率をＮIとし、クラッド部領域(II)の実効屈折率をＮIIとする。
【００５１】
リブ部領域(I)とクラッド部領域(II)で導波路の厚み方向に沿って、ＴＨｚ波の閉じ込めを考慮し、ＴＥモードに対するリブ部領域(I)の実効屈折率ＮIと、クラッド部領域(II)の実効屈折率ＮIIを下記（２）式に基づいて計算した。
【数２】
2010117690.tif 000004
ここで、tj（j＝I又はII）はそれぞれリブ部領域(I)及びクラッド部領域(II)の厚みであり、tI＝３５０μｍ、tII＝１５０μｍであり、ｎＴＨｚはＴＨｚ波の周波数でのバルクＧａＰ材料の屈折率である。この値は、例えば１ＴＨｚでｎＴＨｚ＝３．３４である。Ｎj（j＝I又はII）は、それぞれ、リブ部領域(I)及びクラッド部領域(II)の実効屈折率である。
【００５２】
リブ型導波路３７はリブ幅Ｗの横方向に沿った対称板導波路として扱えるので、ＴＭモードに対するＴＨｚ波の実効屈折率ｎｅｆｆ，ＴＨｚは、下記（３）式から決定される。
【数３】
2010117690.tif 000005
【００５３】
図１６は、リブ型導波路３７中の伝播モードのモード分散関係の計算結果を示す図である。図１６の横軸はＴＨｚ波の周波数（ＴＨｚ）であり、縦軸はリブ型導波路３７を伝播するＴＨｚ波の実効屈折率（ｎｅｆｆ，ＴＨｚ）である。
図１６の実線で示すモード分散曲線は、種々のリブ幅（２００μｍから１ｍｍ）に対するneff，ＴＨｚの周波数依存性を示している。図１４の点線は（１）式から計算された位相整合に必要な屈折率を示している。一定の周波数において、リブ幅を減らすことによって、ＴＨｚ波の横方向封入のために実効屈折率は減少する。この場合、位相整合条件は、モード分散曲線（neff，ＴＨｚ）と位相整合に必要な屈折率との交点の周波数で満足される。
従って、位相整合条件を満足するＴＨｚ波の周波数は、リブ幅を狭くするとより高い周波数へ変化することが分かる。例えば、０．８ＴＨｚで１ｍｍ幅の導波路のneff，ＴＨｚ＝３．３０５は２００μｍの幅に対して３．２６０に変化する。基礎ピ−クの高周波数側への移行はＴＨｚ波のＴＨｚ波のモード分散の変化による。
【００５４】
上記の計算から、例えば、リブ幅Ｗは２００μｍから１ｍｍとすることができる。リブ高ｔＩはリブ型導波路３７内のＴＨｚ波８の二次元閉じ込めを実現するために１００μｍより高くする必要である。リブ型導波路３７の長さＬは１ｍｍから１０ｍｍ程度であり、代表的な値は５ｍｍである。
ここで、光非線形性結晶３７の光軸方向の幅は、ＴＥモードが生じる長さとすればよい。具体的には、光非線形性結晶をリブ型導波路３７に製作する際の容易さや取り扱いが容易な寸法とすればよく、リブ幅や上記ｔI,ｔIIよりも長くてもよい。
【００５５】
光非線形性結晶３７がリブ型導波路の構造を有しているテラヘルツ波発生装置３０によれば、リブ型導波路３７における厚さ及び幅方向の２次元方向のＴＨｚ波の閉じ込めにより、回折効果を低減し、効率よく高出力のＴＨｚ波８を取り出すことができる。このため、励起光３６とリブ型導波路３７内のＴＨｚ波との強度分布の重なりを維持することができ、励起光３６のビーム径を減少させても変換効率向上が可能となる。
【００５６】
（リブ型導波路を用いたＴＨｚ波発生例）
光非線形性結晶３７として、半絶縁性の厚さが３５０μｍのＧａＰＧａＰ基板を用い、リブ型導波路３７をエッチングで形成した。エッチングには、誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ）反応性イオンエッチング（ＩＣＰ−ＲＩＥと呼ぶ）を用いた。またＲＩＥ工程のマスクとしては、フォトレジスト（化薬マイクロケム製、ＸＰ  ＫＭＰＲ−１０２５）を用いた。フォトレジストは、スピンコータによってＧａＰ基板上に４０μｍの厚さで被覆し、紫外線露光（ｉ線）を用いてパタ−ン化した。ＩＣＰ−ＲＩＥの反応ガスとして塩素（Ｃｌ２）とアルゴン（Ａｒ）の混合ガスを使用し、２μｍ／分の速いエッチング速度で、リブ高さ（ｔI）が２００μｍのリブ型導波路３７を作製した。リブ型導波路３７を加工した試料は［１１０］結晶方向に沿って１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形に劈開した。
なお、リブ型導波路３７以外のポンプ光２及び信号光３やＴＨｚ波８の検出等は、スラブ型導波路７によるＴＨｚ波８の発生例と同一である。
【００５７】
ポンプ光２Ｆ及び信号光３Ｄの偏光はＧａＰリブ型導波路３７中にＴＥモードのＴＨｚ波８を発生させるためにリブ型導波路３７の［００１］及び［−１１０］結晶方向に平行に設定された。
【００５８】
図１７は、種々のリブ幅ＷのＧａＰからなるリブ型導波路３７を有しているテラヘルツ波発生装置３０から発生するＴＨｚ波８の出力特性を示す図である。図１７の横軸は発生したＴＨｚ波８の周波数（ＴＨｚ）であり、縦軸はピーク出力電力（ｍＷ）である。リブ幅は、１ｍｍ，５００μｍ，３００μｍ及び２００μｍと変化させている。
図１７から明らかなように、リブ幅が１ｍｍのリブ型導波路３７の出力ピーク周波数は、約０．７５及び１．１７ＴＨｚであった。０．７５ＴＨｚの出力は、リブ型導波路３７の最低次伝播モード（基本モードとも呼ぶ）から発生し、１．１７ＴＨｚの出力は高次モードによる。
ここで、基本波モードの０．７５ＴＨｚの出力は、高次モードの１．１７ＴＨｚの出力より大きかった。これはリブ型導波路３７中で、ガウシャンビームを有している入力赤外光とＴＨｚ波８の基本モードとの間に強い干渉があることを示す。リブ幅を１ｍｍから２００μｍへ狭くするほど発生するＴＨｚ波８の基本モードの周波数が高くなっていく。リブ幅が２００μｍのリブ型導波路３７中の基本モードの周波数は約１．３２ＴＨｚに移行し、その出力は１ｍｍ幅のリブ型導波路３７からのものよりも３倍大きいことが分かる。
【００５９】
図１８は、リブ幅Ｗと発生するＴＨｚ波８の基本モード周波数の関係を示す図である。図１８の横軸はリブ幅（μｍ）であり、縦軸は発生したＴＨｚ波８の基本モード周波数（ＴＨｚ）である。図１６において、黒丸印（●）は実測値であり、実線が図１６で示した計算から得た基本モード周波数である。
図１８から明らかなように、リブ幅を狭くするほど実測したＴＨｚ波８の基本波モードの周波数が高くなり、計算値とよく一致していることが判明した。
【００６０】
ＴＨｚ波８の出力向上は励起光３６の入射ビーム面積を減らすことでも達成される。
図１９は、励起光３６の入射ビーム面積Ｓの関数として、リブ幅が２００μｍ及び３００μｍのリブ型導波路３７から発生させたＴＨｚ波８の出力を示す図である。図１９の横軸は入射ビーム面積Ｓ（ｃｍ２）でありであり、縦軸は発生したＴＨｚ波８のピーク出力電力（ｍＷ）である。図１９において、三角印（▲）及び丸印（●）は、それぞれ、リブ幅が２００μｍ及び３００μｍのデータである。比較のために比較例の１０ｍｍ長さのバルクＧａＰ結晶から得られるＴＨｚ波の出力も示しており、四角（□）及び丸印（○）は、それぞれ、１．１ＴＨｚ及び１．３ＴＨｚのデータである。ポンプ光２と信号光３のピーク出力は、それぞれ、８．３ｋＷ、４．５ｋＷである。
【００６１】
図１９から明らかなように、リブ幅が２００μｍのリブ型導波路３７から発生した１．３２ＴＨｚのＴＨｚ波８の出力は、Ｓ＝４．４×１０−５ｃｍ２（ビーム直径が７５μｍ）〜３．１４×１０−４ｃｍ２（ビーム直径が２００μｍ）の範囲では、Ｓ−０．３５に比例した。
リブ幅が３００μｍのリブ型導波路３７から発生した１．１０ＴＨｚのＴＨｚ波８の出力は、Ｓ＝１．２２×１０−４ｃｍ２（ビーム直径が１２５μｍ）〜７．０６×１０−４ｃｍ２（ビーム直径が３００μｍ）の範囲ではＳ−０．３５に比例した。Ｓ＝４．４×１０−５ｃｍ２（ビーム直径が７５μｍ）〜３．１４×１０−４ｃｍ２（ビーム直径が２００μｍ）の範囲では、Ｓ−０．１２に比例した。リブ幅が２００μｍ及び３００μｍのリブ型導波路３７によって発生するＴＨｚ波８の出力は、バルクＧａＰ結晶からのＴＨｚ波出力よりも５〜６倍大きく、入力ビームの面積Ｓが３．８×１０−４ｃｍ２より小さくても増加した。
【００６２】
一方、比較例では、２００μｍ及び３００μｍ幅のリブ型導波路３７によって発生するＴＨｚ波周波数に対応する周波数である１．３２ＴＨｚ及び１．１０ＴＨｚを励起光とし、非同一線上の位相整合条件下で、ＴＨｚ波を発生させた。ＴＨｚ波の出力増加は、励起光の入射ビーム面積Ｓが３．８×１０−４ｃｍ２（ビーム直径が約２００μｍ）よりも小さい時に飽和し、入射ビーム面積Ｓを減少させてもＴＨｚ波の出力が増大しなかった。
リブ型導波路３７からのＴＨｚ波出力は、リブ型導波路３７内で発生するＴＨｚ波を水平方向と垂直方向とに閉じ込めるので、全測定領域にわたって向上した。
【００６３】
上記結果から、リブ型導波路３７を用いたテラヘルツ波発生装置３０によれば、比較例の場合よりも出力が大きくコヒーレントなＴＨｚ波８を発生することができる。これは、リブ型導波路３７内のＴＨｚ波の閉じ込めによってＴＨｚ波自身の回折が減少し、励起光３６との広い重複を維持できることに起因する。
【００６４】
図２０は、リブ幅が３００μｍ及び２００μｍのリブ型導波路３７から発生させたＴＨｚ波８と厚さが１６０μｍ及び２９０μｍのスラブ型導波路７との変換効率を示す図である。図２０の横軸は発生したＴＨｚ波８の周波数（ＴＨｚ）であり、縦軸は発生したＴＨｚ波８の変換効率（Ｗ−１）である。比較のために、比較例の１０ｍｍ長さのバルクＧａＰ結晶から得られるＴＨｚ波の変換効率も示している。ポンプ光２Ａと信号光３Ａのピーク出力は、それぞれ、８．３ｋＷ、４．５ｋＷである。
図２０から明らかなように、幅が２００μｍのリブ型導波路３７で得られる周波数が１．３２ＴＨｚのＴＨｚ波８の変換効率は、１．９×１０−１０（Ｗ−１）であり、幅が３００μｍのリブ型導波で得られる周波数が１．１０ＴＨｚのＴＨｚ波８の変換効率は、１．４×１０−１０（Ｗ−１）であり、これは比較例の場合よりも７及び８倍大きい値である。
厚さが１６０μｍのスラブ型導波路７で得られる周波数が１．３５ＴＨｚのＴＨｚ波８の変換効率は、約７×１０−１１Ｗ−１であり、厚さが２９０μｍのスラブ型導波路７で得られる周波数が０．７７ＴＨｚのＴＨｚ波８の変換効率は、約３×１０−１１Ｗ−１であり、これは比較例の場合よりも３〜４倍大きい値である。
【００６５】
上記結果から、リブ型導波路３７及びスラブ型導波路７から出力されるＴＨｚ波８の変換効率は、何れも比較例のバルク結晶からのＴＨｚ波出力に比べて大きいことが分かる。特に、リブ型導波路３７から出力されるＴＨｚ波８の変換効率は、比較例のバルク結晶からのＴＨｚ波出力に比べて約１桁増大し、リブ型導波路３７中のＴＨｚ波の二次元閉じ込めによってＴＨｚ波８の変換効率を向上させることが可能となった。
【００６６】
（励起光源の変形例）
ポンプ光２Ａ及び信号光３Ａは、半導体レーザを用いることができる。このような半導体レーザはＩｎＧａＡｓＰ系半導体レーザを用いることができる。ＩｎＧａＡｓＰ系半導体レーザの組成を選ぶことによって、波長９００ｎｍから１６００ｎｍの範囲の連続波出力を得ることができる。典型的な波長として、ポンプ光源２としては中心波長９５５ｎｍ、信号光源３としては中心波長９７５ｎｍの半導体レーザを使用する。
【００６７】
図２１は、ポンプ光２Ａ及び信号光３Ａに用いることができる半導体レーザ４０の構成を示す図である。
図２１に示すように、半導体レーザ４０は、ＩｎＧａＡｓＰ系半導体レーザからなるマスタオシレータ４１とパワー増幅器４２とから構成されている。マスタオシレータ４１の発振波長は、半導体レーザ４０の外部に設けたグレーティング４３と共振器用鏡４４，４５によって、中心波長に対して所定の波長範囲、例えば±１０ｎｍ変化させることができる。パワー増幅器４２は、マスタオシレータ４１と同じ組成のレーザダイオードであるがマスタオシレータ４１の出力を入射して増幅する。パワー増幅器４２はテーパ導波路などを有しているレーザダイオードであり、単一波長の大出力を得ることができる。線幅１０ＭＨｚ以下であり、連続出力０．５Ｗを超える大きな出力が得られる。
【００６８】
本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るテラヘルツ波発生装置の構成を模式的に示す図である。
【図２】スラブ型導波路構造を有している光非線形性結晶に入射するポンプ光、信号光及び発生するＴＨｚ波において、（Ａ）は光路の配置関係を示す図、（Ｂ）は偏光を示す図である。
【図３】スラブ型導波路中の伝播モードのモード分散関係の計算結果を示す図である。
【図４】スラブ型導波路中の伝播モードのモード分散関係と共にＴＥ波とＴＭ波の実効屈折率の差Δｎ（Δｎ＝ｎｅｆｆ，ＴＥ−ｎｅｆｆ，ＴＭ）を示す図である。
【図５】差周波数１ＴＨｚにおける、スラブ型導波路の長さＬと、ＴＥモードとＴＭモードとの間の位相差との関係を示す図である。
【図６】励起光とスラブ型導波路内のＴＥモード及びＴＭモードとの関係を模式的に示す図である。
【図７】差周波数１ＴＨｚにおける、スラブ型導波路の長さＬと、ＴＥモードとＴＭモードとの間の位相差との関係を示す図である。
【図８】励起光とスラブ型導波路内のＴＥモード及びＴＭモードとの関係を模式的に示す図である。
【図９】光軸方向の長さ（Ｌ）が１０ｍｍのスラブ型導波路を用いたテラヘルツ波発生装置からのＴＨｚ波出力特性を示す図である。
【図１０】スラブ型導波路を用いたテラヘルツ波発生装置からの１ＴＨｚにおけるＴＨｚ波の偏光特性を示す図である。
【図１１】スラブ型導波路を用いたテラヘルツ波発生装置からの１ＴＨｚにおけるＴＨｚ波の右回りと左回りの偏光特性を示す図である。
【図１２】比較例のバルクのＧａＰからなるテラヘルツ波発生装置から発生させた１ＴＨｚ波の偏光特性を示す図である。
【図１３】第２の実施形態に係るテラヘルツ波発生装置３０の構成を模式的に示す図である。
【図１４】リブ型導波路構造を有している光非線形性結晶に入射するポンプ光、信号光及び発生するＴＨｚ波の配置関係を示す図である。
【図１５】リブ型導波路のＴＥモードを実効屈折率法で解析するための手法を示す模式図である。
【図１６】リブ型導波路中の伝播モードのモード分散関係の計算結果を示す図である。
【図１７】種々のリブ幅ＷのＧａＰからなるリブ型導波路を有しているテラヘルツ波発生装置から発生するＴＨｚ波の出力特性を示す図である。
【図１８】リブ幅Ｗと発生するＴＨｚ波の基本モード周波数の関係を示す図である。
【図１９】励起光の入射ビーム面積Ｓの関数として、リブ幅が３００μｍ及び２００μｍのリブ型導波路から発生させたＴＨｚ波の出力を示す図である。
【図２０】リブ幅が３００μｍ及び２００μｍのリブ型導波路から発生させたＴＨｚ波と厚さが１６０μｍ及び２９０μｍのスラブ型導波路との変換効率を示す図である。
【図２１】ポンプ光及び信号光に用いることができる半導体レーザの構成を示す図である。
【図２２】バルクの光非線形性結晶に対する入射光と発生するＴＨｚ波との関係を模式的に説明する図である。
【図２３】特許文献１に開示された矩形導波路構造を有しているＴＨｚ波光源の斜視図である。
【符号の説明】
【００７０】
１，３０：テラヘルツ波発生装置
２：ポンプ光源
２Ａ：ポンプ光
３：信号光源
３Ａ：信号光
５：入射光学部
６，３６：入射光学部からの出射光
７：ＴＨｚ波発生部
８：ＴＨｚ波
１１：第１の１／２波長板
１２：第１の偏光ビームスプリッタ
１３：第２の１／２波長板
１４：第２の偏光ビームスプリッタ
１６：第１の鏡
１７：無偏光ビームスプリッタ
１８：第３の１／２波長板
１９：第２の鏡
２０：ＴＨｚ波検知部
２１：レンズ
２２：ＴＨｚ波検知器
３２：第３の偏光ビームスプリッタ
３７：リブ型導波路
４０：半導体レーザ
４１：マスタオシレータ
４２：パワー増幅器
４３：グレーティング
４４，４５：共振器用鏡
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１１】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２】
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【図１０】
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【図１２】
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