(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプ光パルスを出力する光源と、前記光源から出力されたポンプ光パルスが入力されることでテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生部と、を備え、
前記テラヘルツ波発生部は、前記ポンプ光パルスの伝播により前記テラヘルツ波を発生させる第１結晶を含み、前記ポンプ光パルスの強度が強い位置における前記第１結晶の厚みと比較して、前記ポンプ光パルスの強度が弱い位置における前記第１結晶が厚い、
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部は、前記ポンプ光パルスの伝播によりテラヘルツ波を発生させない第２結晶を更に含み、前記第１結晶と前記第２結晶とが貼り合わされている、
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】
前記テラヘルツ波発生部は、前記ポンプ光パルスの伝播により前記テラヘルツ波と異なる偏光方位のテラヘルツ波を発生させる第２結晶を更に含み、前記第１結晶と前記第２結晶とが貼り合わされており、前記第１結晶および前記第２結晶それぞれで発生して前記出射面から出射されたテラヘルツ波のうち前記第１結晶で発生したテラヘルツ波を偏光子により選択的に出力する、
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４】
前記第１結晶が、光軸から径方向に向かって階段状に厚くなっていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項５】
前記第１結晶が、光軸から径方向に向かって直線的に厚くなっていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項６】
前記第１結晶が、光軸から径方向に向かって曲線的に厚くなっていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のテラヘルツ波発生装置。
【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に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ波は、光波と電波との中間領域に相当する０.０１ＴＨｚ〜１００ＴＨｚ程度の周波数を有する電磁波であり、光波と電波との間の中間的な性質を有している。このようなテラヘルツ波の応用として、測定対象物で透過または反射したテラヘルツ波の電場振幅の時間波形を測定することで該測定対象物の情報を取得する技術が研究されている。
【０００３】
テラヘルツ波発生技術として、ポンプ光パルスを非線形光学結晶に入射させることでテラヘルツ波を発生させる技術が知られている。ポンプ光パルスは、例えばフェムト秒レーザ光源から出力される超短パルス光である。例えば、中心波長８００ｎｍのポンプ光パルスが用いられる場合、位相整合条件を満たすものとしてＺｎＴｅ結晶が広く用いられている。位相整合条件を満たす非線形光学結晶にポンプ光パルスが入射すると、そのポンプ光パルスと同軸上にテラヘルツ波が発生する（非特許文献１、２）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】L. Xu, et al., Appl. Phys. Lett.61, 1784 (1992).
【非特許文献２】A. Nahata, et al., Appl. Phys.Lett. 69, 2321 (1996).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、非線形光学結晶にポンプ光パルスを入射させて同軸上にテラヘルツ波を発生させる場合、一般にポンプ光パルスが断面においてガウシアン形状の強度分布を有していることから、発生するテラヘルツ波も断面においてガウシアン形状の強度分布を有することになり、テラヘルツ波の断面において強度分布が不均一になるという問題が生じる。
【０００６】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、断面における強度分布が不均一なポンプ光パルスを非線形光学結晶に入射させてテラヘルツ波を発生させる場合にテラヘルツ波の強度分布を均一化することができるテラヘルツ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】
【０００７】
本発明のテラヘルツ波発生装置は、ポンプ光パルスを出力する光源と、光源から出力されたポンプ光パルスが入力されることでテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生部と、を備える。そして、テラヘルツ波発生部は、ポンプ光パルスの伝播によりテラヘルツ波を発生させる第１結晶を含み、ポンプ光パルスの強度が強い位置における第１結晶の厚みと比較して、ポンプ光パルスの強度が弱い位置における第１結晶が厚いことを特徴とする。
【０００８】
本発明のテラヘルツ波発生装置のテラヘルツ波発生部は、ポンプ光パルスの伝播によりテラヘルツ波を発生させない第２結晶を更に含み、第１結晶と第２結晶とが貼り合わされていてもよい。
【０００９】
或いは、本発明のテラヘルツ波発生装置のテラヘルツ波発生部は、ポンプ光パルスの伝播により上記テラヘルツ波と異なる偏光方位のテラヘルツ波を発生させる第２結晶を更に含み、第１結晶と第２結晶とが貼り合わされており、第１結晶および第２結晶それぞれで発生して出射面から出射されたテラヘルツ波のうち第１結晶で発生したテラヘルツ波を偏光子により選択的に出力してもよい。
【００１０】
本発明のテラヘルツ波発生装置では、第１結晶は、光軸から径方向に向かって階段状に厚くなっていてもよいし、光軸から径方向に向かって直線的に厚くなっていてもよいし、また、光軸から径方向に向かって曲線的に厚くなっていてもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれは、断面における強度分布が不均一なポンプ光パルスを非線形光学結晶に入射させてテラヘルツ波を発生させる場合にテラヘルツ波の強度分布を均一化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】テラヘルツ波発生部２１におけるポンプ光パルスの入射およびテラヘルツ波の出射を説明する図である。
【図２】テラヘルツ波イメージング装置２の構成図である。
【図３】テラヘルツ波発生部２１Ａの断面図である。
【図４】テラヘルツ波発生部２１Ａの斜視図である。
【図５】テラヘルツ波発生部２１Ｂの断面図である。
【図６】テラヘルツ波発生部２１Ｃの断面図である。
【図７】テラヘルツ波発生部２１Ｄの断面図である。
【図８】テラヘルツ波発生部２１Ｅの断面図である。
【図９】テラヘルツ波発生部２１Ｆの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１４】
図１は、テラヘルツ波発生部２１におけるポンプ光パルスの入射およびテラヘルツ波の出射を説明する図である。テラヘルツ波発生部２１は、ポンプ光パルスＰが垂直に入射する入射面２１ａと、テラヘルツ波Ｔが垂直に出射する出射面２１ｂとを有する。入射面２１ａおよび出射面２１ｂそれぞれは平面であり、両者は互いに平行である。テラヘルツ波発生部２１は、例えば、定比組成のＬｉＮｂＯ３結晶（ｓＬＮ結晶）やＬｉＴａＯ３結晶（ｓＬＴ結晶）、ＺｎＴｅ、ＧａＰ等の非線形光学結晶からなる。同図では、入射面２１ａに入射するポンプ光パルスＰの強度分布が複数の矢印で示され、また、出射面２１ｂから出射するテラヘルツ波Ｔの強度分布が複数の矢印で示されている。
【００１５】
ポンプ光パルスＰを出力する光源は、好ましくは超短パルスレーザ光を出力するパルスレーザ光源であり、例えばフェムト秒レーザ光源である。この図に示されるように、入射面２１ａに入射するポンプ光パルスＰは、断面において、中心において最も強度が強く、中心から離れるに従って強度が弱くなっていくような強度分布を有していて、多くの場合にはガウシアン形状の強度分布を有している。したがって、出射面２１ｂから出射するテラヘルツ波Ｔも、断面において、中心において最も強度が強く、中心から離れるに従って強度が弱くなっていくような強度分布を有していて、多くの場合にはガウシアン形状の強度分布を有することになる。
【００１６】
図２は、テラヘルツ波イメージング装置２の構成図である。この図に示されるテラヘルツ波イメージング装置２は、図１に示されたテラヘルツ波発生部２１および光源１１を含むテラヘルツ波発生装置を備える。テラヘルツ波発生装置１が上述したようなテラヘルツ波の断面内の強度分布の不均一性を有する場合、テラヘルツ波イメージング装置２は以下のような問題点を有することとなる。
【００１７】
この図に示されるテラヘルツ波イメージング装置２では、光源１１から出力された光パルスは、分岐部１２により２分岐されてポンプ光パルスおよびプローブ光パルスとされる。分岐部１２から出力されたポンプ光パルスは、ミラーＭ１〜Ｍ３により順次に反射されて、テラヘルツ波発生部２１に入力される。テラヘルツ波発生部２１では、ポンプ光パルスの入力に応じて同軸上にテラヘルツ波が発生し出力される。テラヘルツ波発生部２１から出力されたテラヘルツ波は、測定対象部９を透過することで測定対象物９の情報（例えば、吸収係数、屈折率）を取得し、その後、レンズＬ１およびレンズＬ２を経て、合波部４１に入力される。一方、分岐部１２から出力されたプローブ光パルスは、ミラーＭ４〜Ｍ８により順次に反射され、偏光子３１により直線偏光とされ、合波部４１に入力される。
【００１８】
合波部４１に入力されたテラヘルツ波およびプローブ光パルスは、合波部４１により互いに同軸となるように合波されて、略同一タイミングで電気光学結晶４２に入力される。テラヘルツ波およびプローブ光パルスが入力された電気光学結晶４２では、テラヘルツ波の伝搬に伴い複屈折が誘起され、その複屈折によりプローブ光パルスの偏光状態が変化する。電気光学結晶４２から出力されたプローブ光パルスは、検光子４３、レンズＬ３およびレンズＬ４を経て、撮像部４４により撮像される。
【００１９】
電気光学結晶４２におけるプローブ光パルスの偏光状態変化の分布は、プローブ光学系の光路上に設けられた偏光子３１、電気光学結晶４２の出力側に設けられた検光子４３、および、この検光子４３を透過したプローブ光パルスを撮像する撮像部４４により、光強度分布として撮像される。このようにして、電気光学結晶４２におけるプローブ光パルスの偏光状態変化の分布が検出され、ひいては、測定対象物９で透過したテラヘルツ波の像が得られる。
【００２０】
３個のミラーＭ１〜Ｍ３は光路長差調整部１３を構成している。すなわち、ミラーＭ１およびＭ２が移動することで、分岐部１２からテラヘルツ波発生部２１に到るまでのポンプ光学系の光路長が調整される。これにより、光路長差調整部１３は、分岐部１２から合波部４１に到るまでのポンプ光学系およびテラヘルツ波光学系の光路と、分岐部１２から合波部４１に到るまでのプローブ光学系の光路との間の光路長差ΔＬを調整することができる。
【００２１】
このようなテラヘルツ波イメージング装置２において、テラヘルツ波発生部２１から出力されるテラヘルツ波の断面内の強度分布の不均一性が存在すると、撮像部４４による撮像に得られた画像において、測定対象物９に由来する強度分布であるのか、或いは、テラヘルツ波発生部２１から出力されるテラヘルツ波の断面内の強度分布に由来するものであるのか、を区別することができない。したがって、テラヘルツ波の断面内の強度分布の不均一性は、イメージングへの応用を妨げる。
【００２２】
測定対象物９が存在しない場合に撮像部４４により取得した画像を用いて、測定対象物９が存在する場合に撮像部４４により取得した画像を信号処理により補正して、テラヘルツ波の断面内の強度分布の不均一性の影響を除去することも考えられる。しかし、図２に示されるようなテラヘルツ波イメージング装置２において使用される光源１１は、例えばフェムト秒レーザ光源であるから、光パルス間の強度揺らぎが大きいので、テラヘルツ波の断面内の強度分布の不均一性の影響を除去しきれない。
【００２３】
また、信号処理で強度分布を均一にすることも考えられるが、この場合、強度が弱い部分（ノイズレベルに近い部分）は非常にノイズが大きい信号になってしまい、実用に向かない。さらに、テラヘルツ波の断面における中央領域では強度分布が比較的均一であるから、このテラヘルツ波の断面における中央領域の部分のみを測定に用いることも考えられるが、この場合には、テラヘルツ波の断面における周辺領域の部分が無駄になり、測定対象物９の測定範囲が狭くなる。したがって、テラヘルツ波の発生のときに強度分布を均一化することが重要である。
【００２４】
以下では、図３〜図９を用いて、本実施形態のテラヘルツ波発生装置のテラヘルツ波発生部２１Ａ〜２１Ｆについて説明する。これらテラヘルツ波発生部２１Ａ〜２１Ｆそれぞれは、図１または図２においてテラヘルツ波発生部２１に替えて用いられるものである。
【００２５】
図３は、テラヘルツ波発生部２１Ａの断面図である。同図では、入射面２１ａに入射するポンプ光パルスＰの強度分布が複数の矢印で示され、また、出射面２１ｂから出射するテラヘルツ波Ｔの強度分布が複数の矢印で示されている。図４は、テラヘルツ波発生部２１Ａの斜視図である。
【００２６】
テラヘルツ波発生部２１Ａは、ポンプ光パルスＰの伝播によりテラヘルツ波Ｔを発生させる第１結晶１１１からなる。第１結晶１１１は、例えば、ＺｎＴｅ、ＧａＡｓ、ＧａＳｅ、ｓＬＮ、ＣｄＴｅ、ＧａＰ、ＤＡＳＴ、ＤＡＳＣ、ＤＳＴＭＳ、ＢＮＡ等である。ポンプ光パルスＰの強度が強い位置（中心に近い位置）における第１結晶１１１の厚みと比較して、ポンプ光パルスＰの強度が弱い位置（中心から遠い位置）における第１結晶１１１が厚い。特に、このテラヘルツ波発生部２１Ａの第１結晶１１１は、光軸から径方向に向かって階段状に厚くなっている。
【００２７】
このように構成されるテラヘルツ波発生部２１Ａは、断面において中心に近いほど強度が強く強度分布が不均一なポンプ光パルスＰが入射面２１ａに入射したときに、出射面２１ｂから出射するテラヘルツ波Ｔの強度分布を均一化することができる。
【００２８】
図５は、テラヘルツ波発生部２１Ｂの断面図である。テラヘルツ波発生部２１Ｂは、ポンプ光パルスＰの伝播によりテラヘルツ波Ｔを発生させる第１結晶１２１と、テラヘルツ波を発生させない第２結晶１２２とを含み、第１結晶１２１と第２結晶１２２とが互いに接着されて構成されている。
【００２９】
第１結晶１２１と第２結晶１２２との接着は、テラヘルツ波に対して吸収が少ない接着剤（例えばワックス）、オプティカルコンタクト、ダイレクトボンディングなどの何れかの方法による。第１結晶１２１および第２結晶１２２それぞれの屈折率は互いに等しいことが好ましい。例えば、第１結晶１２１は方位（１１０）のＺｎＴｅ結晶であり、第２結晶１２２は方位（１００）のＺｎＴｅ結晶である。
【００３０】
第１結晶１２１は、図３，図４に示された第１結晶１１１と同様のものである。第２結晶１２２は、光軸から径方向に向かって階段状に薄くなっている。第１結晶１２１と第２結晶１２２とが接着されてなるテラヘルツ波発生部２１Ｂの全体は、厚みが一様である。
【００３１】
このように構成されるテラヘルツ波発生部２１Ｂは、断面において中心に近いほど強度が強く強度分布が不均一なポンプ光パルスＰが入射面に入射したときに、出射面から出射するテラヘルツ波Ｔの強度分布を均一化することができる。また、テラヘルツ波発生部２１Ｂは、入射面および出射面それぞれが平坦であり、出射時のテラヘルツ波Ｔの回折が抑制され得る。
【００３２】
図６は、テラヘルツ波発生部２１Ｃの断面図である。テラヘルツ波発生部２１Ｃは、ポンプ光パルスＰの伝播によりテラヘルツ波Ｔを発生させる第１結晶１３１と、テラヘルツ波を発生させない第２結晶１３２とを含み、第１結晶１３１と第２結晶１３２とが互いに接着されて構成されている。
【００３３】
テラヘルツ波発生部２１Ｃの第１結晶１３１は、光軸から径方向に向かって直線的に厚くなっている。また、第２結晶１３２は、光軸から径方向に向かって直線的に薄くなっている。第１結晶１３１と第２結晶１３２とが接着されてなるテラヘルツ波発生部２１Ｃの全体は、厚みが一様である。
【００３４】
このように構成されるテラヘルツ波発生部２１Ｃは、断面において中心に近いほど強度が強く強度分布が不均一なポンプ光パルスＰが入射面に入射したときに、出射面から出射するテラヘルツ波Ｔの強度分布を均一化することができる。また、テラヘルツ波発生部２１Ｃは、入射面および出射面それぞれが平坦であり、出射時のテラヘルツ波Ｔの屈折が抑制され得る。
【００３５】
図７は、テラヘルツ波発生部２１Ｄの断面図である。テラヘルツ波発生部２１Ｄは、ポンプ光パルスＰの伝播によりテラヘルツ波Ｔを発生させる第１結晶１４１と、テラヘルツ波を発生させない第２結晶１４２とを含み、第１結晶１４１と第２結晶１４２とが互いに接着されて構成されている。
【００３６】
テラヘルツ波発生部２１Ｄの第１結晶１４１は、光軸から径方向に向かって曲線的に厚くなっている。また、第２結晶１４２は、光軸から径方向に向かって曲線的に薄くなっている。第１結晶１４１と第２結晶１４２とが接着されてなるテラヘルツ波発生部２１Ｄの全体は、入射面および出射面それぞれが平坦であり、厚みが一様である。
【００３７】
このように構成されるテラヘルツ波発生部２１Ｄは、断面において中心に近いほど強度が強く強度分布が不均一なポンプ光パルスＰが入射面に入射したときに、出射面から出射するテラヘルツ波Ｔの強度分布を均一化することができる。また、テラヘルツ波発生部２１Ｄは、出射時のテラヘルツ波Ｔの屈折が抑制され得る。
【００３８】
図８は、テラヘルツ波発生部２１Ｅの断面図である。テラヘルツ波発生部２１Ｅは、ポンプ光パルスＰの伝播によりテラヘルツ波Ｔを発生させる第１結晶１５１と、テラヘルツ波を発生させない第２結晶１５２，１５３とを含み、第２結晶１５２，第１結晶１５１および第２結晶１５２が順に接着されて構成されている。
【００３９】
テラヘルツ波発生部２１Ｅの第１結晶１５１は、光軸から径方向に向かって曲線的に厚くなっている。また、第２結晶１５２および第２結晶１５３の全体は、光軸から径方向に向かって曲線的に薄くなっている。第１結晶１５１と第２結晶１５２，１５３とが接着されてなるテラヘルツ波発生部２１Ｅの全体は、入射面および出射面それぞれが平坦であり、厚みが一様である。
【００４０】
このように構成されるテラヘルツ波発生部２１Ｅは、断面において中心に近いほど強度が強く強度分布が不均一なポンプ光パルスＰが入射面に入射したときに、出射面から出射するテラヘルツ波Ｔの強度分布を均一化することができる。また、テラヘルツ波発生部２１Ｅは、出射時のテラヘルツ波Ｔの屈折が抑制され得る。
【００４１】
図９は、テラヘルツ波発生部２１Ｆの断面図である。テラヘルツ波発生部２１Ｆは、ポンプ光パルスＰの伝播によりテラヘルツ波Ｔを発生させる第１結晶１６１，１６２と、テラヘルツ波を発生させない第２結晶１６３とを含み、第１結晶１６１，第２結晶１６３および第１結晶１６２が順に接着されて構成されている。
【００４２】
テラヘルツ波発生部２１Ｆの第１結晶１６１および第１結晶１６２の全体は、光軸から径方向に向かって曲線的に厚くなっている。また、第２結晶１６３は、光軸から径方向に向かって曲線的に薄くなっている。第１結晶１６１，１６２と第２結晶１６３とが接着されてなるテラヘルツ波発生部２１Ｆの全体は、入射面および出射面それぞれが平坦であり、厚みが一様である。
【００４３】
このように構成されるテラヘルツ波発生部２１Ｆは、断面において中心に近いほど強度が強く強度分布が不均一なポンプ光パルスＰが入射面に入射したときに、出射面から出射するテラヘルツ波Ｔの強度分布を均一化することができる。また、テラヘルツ波発生部２１Ｆは、出射時のテラヘルツ波Ｔの屈折が抑制され得る。
【００４４】
なお、上記のテラヘルツ波発生部２１Ｂ〜２１Ｆにおいて、第２結晶は、第１結晶で発生するテラヘルツ波と異なる偏光方位のテラヘルツ波を発生させるものであってもよい。この場合、第１結晶および第２結晶それぞれで発生して出射面から出射されたテラヘルツ波のうち第１結晶で発生したテラヘルツ波を、ワイヤーグリッド偏光子等の偏光子により選択的に出力することができる。
【００４５】
本実施形態のテラヘルツ波発生装置は、テラヘルツ波イメージングを行う際に測定対象物への大面積のテラヘルツ波照射が可能になり、非破壊検査などへ向けた応用が広がる。
【符号の説明】
【００４６】
１…テラヘルツ波発生装置、２…テラヘルツ波イメージング装置、１１…光源、１２…分岐部、１３…光路長差調整部、２１，２１Ａ〜２１Ｆ…テラヘルツ波発生部、３１…偏光子、４１…合波部、４２…電気光学結晶、４３…検光子、４４…撮像部、１１１…第１結晶、１２１…第１結晶、１２２…第２結晶、１３１…第１結晶、１３２…第２結晶、１４１…第１結晶、１４２…第２結晶、１５１…第１結晶、１５２，１５３…第２結晶、１６１，１６２…第１結晶、１６３…第２結晶、Ｌ１〜Ｌ４…レンズ、Ｍ１〜Ｍ８…ミラー。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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