(57)【要約】【課題】1.5-7.0THzに亘って光整流効果の位相整合が十分に取れ、改善すべき余地のない強度のテラヘルツ波を出力可能なテラヘルツ波発生装置を提供すること。【解決手段】本発明に係るテラヘルツ波発生装置は、パルス光発生装置と、パルス光発生装置から発生したパルス光が照射される非線形結晶DASTとから構成される。前記パルス光発生装置は、出力側より順に、出力鏡２０と、Cr4+:YAG単結晶ファイバー導波路２２と、第１の球面鏡２４と、分散補償のための石英ガラスロッド２６と、第２の球面鏡２８と続き、光路切り替えミラー３０に至る構造を持つ。光路切り替えミラー３０は、中心波長（平均波長）1.55μmのパルス光を発生させる場合は光を反射することなくそのまま透過させ、第１の光路へ導き、中心波長（平均波長）1.40μmのパルス光を発生させる場合は光を反射して第２の光路へ導く。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス光発生装置と、
パルス光発生装置から発生したパルス光が照射される非線形結晶DASTと
から構成されたテラヘルツ波発生装置であって、
前記パルス光発生装置は、出力側から順に、
出力鏡と、
Cr4+:YAG単結晶ファイバー導波路と、
第１の球面鏡と、
分散補償のための石英ガラスロッドと、
第２の球面鏡と、
光路切り替えミラーと
から構成され、
前記光路切り替えミラーは、第１の光路または第２の光路のいずれかに光を伝播させるために、電気信号により切り替え可能であることを特徴とする、テラヘルツ波発生装置。
【請求項２】
第１の球面鏡の前段に、励起光源の半導体レーザーを更に備えたことを特徴とする、請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項３】
前記パルス光発生装置は、
前記第１の光路には、第１の半導体可飽和吸収体ミラーが配置され、前記第１の半導体可飽和吸収体ミラーは、1.45乃至1.65μmを超える範囲の可飽和吸収波長域を持ち、1.45乃至1.65μmの範囲で高い反射率を持っており、
前記第２の光路には、分散補償ミラー及び第２の半導体可飽和吸収体ミラーが配置され、前記第２の半導体可飽和吸収体ミラーは、1.30乃至1.50μmを超える範囲の可飽和吸収波長域を持ち、1.30乃至1.50μmの範囲で高い反射率を持っており、1.47乃至1.57μmの範囲の１値及び1.35乃至1.45μmの範囲の１値を中心波長（平均波長）とする光パルスを発生する
よう調整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。
【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し、具体的には、分光分析装置、透視装置等に利用されるテラヘルツ波発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の、Erドープガラスファイバーモード同期レーザー１０と、レンズ１２と、非線形光学結晶DAST１４とを用いた1.5-7.0THzの周波数域におけるテラヘルツ波発生装置は、パルス幅70-100fs程度の極短パルス光を非線形光学結晶DAST１４に照射し、光整流効果、すなわち光パルスの持つ波長帯域内の異なる２波長間の差周波発生によって、テラヘルツ波を生成することが出来る（図１を参照）。
【０００３】
厚さ0.36mmの非線形光学結晶DASTを用いたテラヘルツ波発生装置の例が実際に報告されているが（非特許文献１、非特許文献２を参照）、この例では、比較的薄い非線形光学結晶DASTを使用しているため、高強度のテラヘルツ波が得にくいという問題があった。
【０００４】
なお、この装置による方法では、一般的に良く使用されている固体レーザー励起のTiサファイアレーザーではなく、半導体レーザー励起のErドープガラスファイバーモード同期レーザーを用いるため、安価にテラヘルツ光源を構成することが可能である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】"テラヘルツ分光システム TR-1000"、［online］、大塚電子株式会社、［平成24年6月11日検索］、インターネット〈URL：http://www.photal.co.jp/product/tr10_0.html〉
【非特許文献２】"よみもの[第３回]テラヘルツ分光による物性評価−時間領域分光法以外の手法、およびテラヘルツ波光源"、［online］、大塚電子株式会社、［平成24年6月11日検索］、インターネット〈URL：http://www.photal.co.jp/book/thz_03_01.html〉
【非特許文献３】Jun Takayanagi, So Kanamori, Koji Suizu, Masatsugu Yamashita, Toshihiko Ouchi, Shintaro Kasai, Hideyuki Ohtake, Hiromasa Uchida, Norihiko Nishizawa, and Kodo Kawase, 「Generation and detection of broadband coherent terahertz radiation using 17-fs ultrashort pulse fiber laser」, Opt. Express 16, 2008, p.12859
【非特許文献４】S. Ishibashi and K. Naganuma, 「Diode-pumped Cr4+:YAG single crystal fiber laser」, in Advanced Solid State Lasers, OSA Technical Digest Series (Optical Society of America, 2000), paper MD4.
【非特許文献５】Z. Zhang, T. Nakagawa, K. Torizuka, T. Sugaya, and K. Kobayashi, 「Gold-reflector-based semiconductor saturable absorber mirror for femtosecond mode-locked Cr4+:YAG lasers」, Applied Physics B: Lasers and Optics, Volume 70, Supplement 1, 2004, S59-S62
【非特許文献６】Yuzo Ishida and Kazunori Naganuma, 「Characteristics of femtosecond pulses near 1.5 μm in a self-mode-locked Cr4+:YAG laser」, Optics Letters, vol. 19, no. 23, 1994, p.2003
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
テラヘルツ波の発生強度を高めるには、厚い非線形光学結晶DASTを用いることが望ましく、具体的には、厚さ0.5mm以上の非線形光学結晶DASTを用いることが望ましい。
【０００７】
しかしながら、たとえ厚さ0.5mm以上の非線形光学結晶DASTを用いた場合であっても、図１に示すように、Erドープガラスファイバーモード同期レーザー１０が発生する極短パルス光の中心波長は1.55μmで固定されるため、3THz付近、4-5THz付近、及び6-7THz付近においてテラヘルツ波発生の位相整合を十分に取ることが出来ない（非特許文献３を参照）。従って、これらの周波数域のテラヘルツ波出力パワーが、完全な位相整合によって得られる出力に及ばないという課題があった。なお、この課題を解決するに当たって装置価格の上昇を避けることは非常に重要である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、パルス光発生装置と、パルス光発生装置から発生したパルス光が照射される非線形結晶DASTとから構成されたテラヘルツ波発生装置であって、パルス光発生装置は、出力側から順に、出力鏡と、Cr4+:YAG単結晶ファイバー導波路と、第１の球面鏡と、分散補償のための石英ガラスロッドと、第２の球面鏡と、光路切り替えミラーとから構成され、光路切り替えミラーは、第１の光路または第２の光路のいずれかに光を伝播させるために、電気信号により切り替え可能であることを特徴とする。
【０００９】
本発明の一実施形態は、第１の球面鏡の前段に、励起光源の半導体レーザーを更に備えたことを特徴とする。
【００１０】
本発明の一実施形態において、パルス光発生装置は、第１の光路には第１の半導体可飽和吸収体ミラーが配置され、第１の半導体可飽和吸収体ミラーは、1.45乃至1.65μmを超える範囲の可飽和吸収波長域を持ち、1.45乃至1.65μmの範囲で高い反射率を持っており、第２の光路には、分散補償ミラー及び第２の半導体可飽和吸収体ミラーが配置され、第２の半導体可飽和吸収体ミラーは、1.30乃至1.50μmを超える範囲の可飽和吸収波長域を持ち、1.30乃至1.50μmの範囲で高い反射率を持っており、1.47乃至1.57μmの範囲の１値及び1.35乃至1.45μmの範囲の１値を中心波長（平均波長）とする光パルスを発生するよう調整されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、極短パルスレーザー光を非線形光学結晶DASTに照射してテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生装置に関する。
【００１２】
本発明に係るテラヘルツ波発生装置では、Cr4+:YAG単結晶ファイバーを増幅媒体として使用し、パルスの中心波長（平均波長）が1.47-1.57μm間にある１波長と、パルスの中心波長（平均波長）が1.35-1.45μm間にある１波長との計２波長の光を可変に出力出来る極短パルスレーザーを用いる。かかる構成により、高出力のテラヘルツ波発生を可能にする厚さ0.5mm以上の非線形光学結晶DASTを介して、周波数1.5-7.0THzに亘って位相整合について改善すべき余地のない強度のテラヘルツ波を出力することが出来る。
【００１３】
光整流効果、すなわち光パルスの持つ波長帯域内の異なる２波長間の差周波発生によって、テラヘルツ波が生成される。本発明に係るテラヘルツ波発生装置において、周波数1.5-2.5THzにおいて高出力のテラヘルツ波を発生させる場合は、中心波長（平均波長）が1.47-1.57μm間の１波長の極短パルス光を非線形光学結晶DASTに照射し、周波数2.5-7.0THzにおいて高出力のテラヘルツ波を発生させる場合は、中心波長（平均波長）が1.35-1.45μm間の１波長の極短パルス光を非線形光学結晶DASTに照射することにより、1.5-7.0THzに亘って位相整合を十分に取ることが出来る（非特許文献３を参照）。
【００１４】
また、本発明に係るテラヘルツ波発生装置は、半導体レーザーが直接励起可能なCr4+:YAG単結晶ファイバーから構成されるので、安価に構成することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】従来の、Erドープガラスファイバーモード同期レーザーと、非線形光学結晶DASTとから構成された1.5-7.0THzの周波数域におけるテラヘルツ波発生装置を説明するための図である。
【図２】本発明の一実施例に係るパルス光発生装置の構成を示す図である。
【図３】本発明に係る中心波長可変なCr4+:YAG単結晶ファイバーモード同期レーザーと、非線形光学結晶DASTとから構成された1.5-7.0THzの周波数域におけるテラヘルツ波発生装置を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明は、パルス光を非線形光学結晶DASTに照射してテラヘルツ波を発生させる装置である。ここで、本発明は、DASTに照射するパルス光を発生させる装置として、パルスの中心波長（平均波長）が1.47-1.57μm間にある１波長のパルス光と、パルスの中心波長（平均波長）が1.35-1.45μm間にある１波長のパルス光とを発生させることができ、この２種類のパルス光を切り替えて発生させることが可能な光源を使用する。
【００１７】
具体的には、パルス光を発生させる装置は、レーザー共振器として、Cr4+:YAG単結晶（更に具体的には、Cr4+:YAG単結晶ファイバー）と、分散補償媒体（具体的には石英ガラスロッドと分散補償ミラー）と、可飽和吸収体（具体的には半導体可飽和吸収体ミラー）とが配置された装置である。パルス光発生装置は、光路切り替えミラーを更に備え、光路切り替えミラーによって中心波長（平均波長）を選択可能ならしめる。パルス光発生装置は、Cr4+:YAGパルスレーザー（更に具体的には、Cr4+:YAG単結晶ファイバーパルスレーザー）である。
【００１８】
パルスレーザーとして用いるCr4+:YAG単結晶ファイバーパルスレーザーは、モード同期レーザーであり、従来技術に係るErドープガラスファイバーモード同期レーザーと同様に半導体レーザーで直接励起する構成を持つ。Cr4+:YAG単結晶ファイバーモード同期レーザーは構成する部品が廉価であり、Erドープガラスファイバーモード同期レーザーと比較しても価格面に遜色がない。
【００１９】
Cr4+:YAG単結晶ファイバーモード同期レーザーの発振パルス幅は50fs以下とすることが可能であり、周波数7.0THzまでのテラヘルツ波発生に十分な周波数帯域を備えている。
【００２０】
1.5-7.0THzのテラヘルツ波周波数域で完全な位相整合を得るために、Cr4+:YAG単結晶ファイバーモード同期レーザーは、出力する極短パルスの中心波長（平均波長）が例えば1.55μmと1.40μmという２値で可変となるように設計される。
【００２１】
Cr4+:YAG単結晶ファイバーモード同期レーザーは、単結晶ファイバー導波路と空間光学系とから構成された外部共振器型であり、その空間光学系の光路途中に光路切り替えミラーが設置される。切り替えミラーからの一方の光路に中心波長（平均波長）1.55μmで極短パルスを発生させるための可飽和吸収体ミラーが配置される。切り替えミラーからの他方の光路に中心波長（平均波長）1.40μmの極短パルスを発生させるための分散補償ミラーと可飽和吸収体ミラーとが配置される。切り替えミラーは、必要に応じて電気信号により切り替えられる。
【００２２】
テラヘルツ波の周波数1.5-2.5THzにおいて高い出力を発生させる場合は、中心波長（平均波長）が1.55μmである極短パルスを非線形光学結晶DASTに照射する。テラヘルツ波の周波数2.5-7.0THzにおいて高い出力を発生させる場合は、中心波長（平均波長）が1.40μmである極短パルスを非線形光学結晶DASTに照射する。これらの中心波長に関する設定は、位相整合データより妥当性を確認することが出来る（非特許文献３を参照）。
【００２３】
上記のような構造を持つ本発明に係るテラヘルツ波発生装置では、3.0THz付近、4.0-5.0THz付近、及び6.0-7.0THz付近を含む、1.5-7.0THzに亘る周波数域において完全な位相整合でテラヘルツ波を発生させることが出来る。そのため、本発明により、従来技術に係る中心波長が1.55μm固定の極短パルスレーザーからの出力パルスを非線形光学結晶DASTに照射する構成を持つテラヘルツ波発生装置において課題であった、厚さ0.5mm以上の非線形光学結晶DASTを使用した際に、完全な位相整合により発生されるべきテラヘルツ波の出力パワーが得られないという問題を解決することが出来る。
【実施例】
【００２４】
本実施例に係るテラヘルツ波発生装置は、パルス光発生装置と、パルス光発生装置から発生したパルス光が照射される非線形結晶DASTとから構成される。パルス光発生装置は、Cr4+:YAG単結晶ファイバーを増幅媒体とした、半導体レーザーで直接励起するモード同期レーザーである。モード同期レーザーの出力パルスを非線形結晶DASTに照射して、周波数1.5-7.0THzのテラヘルツ波を発生させる。
【００２５】
以下に本実施例の特徴（１）〜（４）を列挙する。
【００２６】
（１）共振器内に切り替えミラーにより別れる２つの光路を持つ。一方の光路には、1.55μmを中心波長（平均波長）とする極短パルスを発生させるように、半導体可飽和吸収体ミラーが配置される。他方の光路には、1.40μmを中心波長（平均波長）とする極短パルスを発生させるように、分散補償ミラーや半導体可飽和吸収体ミラーが配置される。
【００２７】
（２）切り替えミラーは、電気信号による自動切り替え機能を持つ。
【００２８】
（３）本実施例では、パルス光発生装置は、Cr4+:YAG単結晶ファイバーモード同期レーザーであって、Cr4+:YAG単結晶ファイバーを増幅媒体に用いる。従って、半導体レーザーで直接励起する構成が可能であり、従来技術に係るErドープガラスファイバーモード同期レーザーを用いた場合と同程度に廉価である。
【００２９】
（４）本実施例に係るテラヘルツ波発生装置を利用して、テラヘルツ波の周波数1.5-2.5THzにおいて高い出力を発生させる場合は、中心波長（平均波長）1.55μmの極短パルス光を非線形結晶DASTに照射し、周波数2.5-7.0THzにおいて高い出力を発生させる場合は、中心波長（平均波長）1.40μmの極短パルス光を非線形結晶DASTに照射する。本実施例に係るテラヘルツ波発生装置により、1.5-7.0THzに亘り位相整合が十分に取れ、位相整合について改善すべき余地のない強度のテラヘルツ波を出力することが出来る。
【００３０】
図２に、本実施例に係るパルス光発生装置、すなわち、半導体レーザー３６で直接励起する構造を持つCr4+:YAG単結晶ファイバーモード同期レーザーの構成を示す。
【００３１】
図２に示すように、本実施例に係るパルス光発生装置は、出力側より順に、出力鏡２０と、Cr4+:YAG単結晶ファイバー導波路２２と、第１の球面鏡２４と、分散補償のための石英ガラスロッド２６と、第２の球面鏡２８と続き、光路切り替えミラー３０に至る構造を持つ（Cr4+:YAG単結晶ファイバー導波路に関して、非特許文献４を参照）。
【００３２】
出力鏡２０の反射率は、発振波長において99%である。
【００３３】
第１の球面鏡２４の反射率は、発振波長において99.9%以上であり、第１の球面鏡２４の透過率は、励起波長において95%以上である。
【００３４】
石英ガラスロッド２６は、両端において発振光がブリュースター角で入射又は出射するように配置される。
【００３５】
第２の球面鏡２８の反射率は、発振波長において99.9%以上である。
【００３６】
光路切り替えミラー３０は、波長1.30-1.50μmにおいて99.9%以上の反射率を有する。中心波長（平均波長）1.55μmのパルス光を発生させる場合は光を反射することなくそのまま透過させ、第１の光路へ導く。中心波長（平均波長）1.40μmのパルス光を発生させる場合は光を反射して第２の光路へ導く。光路切り替えミラー３０の切り替えは電気信号により自動的に行われる。
【００３７】
透過側、すなわち第１の光路には、第１の半導体可飽和吸収体ミラー３２が配置される。半導体可飽和吸収体ミラーの動作波長域について、半導体可飽和吸収体ミラーは広い可飽和吸収波長域を持つ。半導体可飽和吸収体ミラーが持つ広い可飽和吸収波長域は、本発明で発生・使用される光パルスの持つ波長域を大きく上回る。可飽和吸収の値は、波長により少しずつ変化する。
【００３８】
第１の半導体可飽和吸収体ミラー３２は、波長1.45-1.65μmで98%以上という高い反射率を持ち、波長1.45-1.65μmを超える範囲の可飽和吸収波長域を持ち、その値は1.55μmにおいて反射率変化1%である（引用文献５を参照）。第１の半導体可飽和吸収体ミラー３２により共振器内の発振光が折り返される。
【００３９】
反射側、すなわち第２の光路には、分散補償ミラー３４が２枚と、第２の半導体可飽和吸収体ミラー３６とが配置される。２枚の分散補償ミラー３４の各々において片道２回ずつ反射されるように、分散補償ミラー３４及び第２の半導体可飽和吸収体ミラー３６が配置される。光路切り替えミラー３０で反射された光は、２枚の分散補償ミラー３４で計４回反射された後、第２の半導体可飽和吸収体ミラー３６で折り返される。第２の半導体可飽和吸収体ミラー３６は、波長1.30-1.50μmで98%以上という高い反射率を持ち、波長1.30-1.50μmを超える範囲の可飽和吸収波長域を持ち、その値は1.40μmにおいて反射率変化1%である。
【００４０】
第１の球面鏡２４の外側から、半導体レーザー３８（波長0.9-1.1μm、出力10W以上）出力の励起光をレンズ（図示せず）によりCr4+:YAG単結晶ファイバー導波路２２の端部へ集光する。本実施例では、直径約120μmの単結晶ファイバーを使用した。Cr4+:YAG単結晶ファイバー導波路２２は、側面にSiO2クラッドを持つので、励起光が拡散的な高出力半導体レーザー光であってもファイバー内に閉じ込めることが出来る（非特許文献４を参照）。
【００４１】
極短パルス光を発生させる際には共振器内光路における群遅延分散の補正が重要である。長さ40mmのCr4+:YAG単結晶ファイバー導波路を使用する場合、波長1.55μmにおいて+400fs2、波長1.40μmにおいて+1900fs2の群遅延分散が生じる。パルス幅50fs程度の極短パルス発生に必要な群遅延分散量は-2300fs2程度である(非特許文献５を参照)。そのため、分散補償媒体（石英ガラスロッド２６、分散補償ミラー３４等）には波長1.55μmでおおむね-2700fs2、波長1.40μmでおおむね-4200fs2の分散補償が求められる。
【００４２】
石英ガラスロッド２６の長さを48.4mmに設定すると、波長1.55μmにおいて-2700fs2、波長1.40μmにおいて-1130fs2の群遅延分散が得られる。中心波長（平均波長）1.40μmのパルスを発生する第２の光路に、波長1.40μmにおいておおむね-380fs2の分散補償を得る分散補償ミラー３４を２枚配置し、往復計８回反射させることにより、第１の光路及び第２の光路の両方において、極短パルス発生に必要な群遅延分散が得られる。
【００４３】
上で説明した本実施例に係るパルス光発生装置（具体的には、中心波長可変なCr4+:YAG単結晶ファイバーモード同期レーザー）４０の出力光を、厚さ1.0mmの非線形結晶DAST１４にレンズ１２により集光することで、テラヘルツ波を発生させた（図３を参照）。
【００４４】
テラヘルツ波の周波数1.5-2.5THzにおいて高い出力が必要な場合は、切り替えミラーを制御して、光が透過側（第１の光路）を伝播するようにし、中心波長（平均波長）が1.55μm、パルス幅が50fs程度の極短パルス光を発生させて、非線形結晶DAST１４に照射する。周波数2.5-7THzにおいて高い出力を発生させる場合は、切り替えミラーを制御して、光が反射側（第２の光路）を伝播するようにし、中心波長（平均波長）が1.40μm、パルス幅が50fs程度の極短パルス光を発生させて、非線形結晶DAST１４に照射する。
【００４５】
以上のようなテラヘルツ波発生装置により1.5-7THzに亘って光整流効果の位相整合が十分に取れ、改善すべき余地のない強度のテラヘルツ波を出力することが出来る。
【符号の説明】
【００４６】
１０  Erドープガラスファイバーモード同期レーザー
１２  レンズ
１４  非線形光学結晶DAST
２０  出力鏡
２２  Cr4+:YAG単結晶ファイバー導波路
２４  第１の球面鏡
２６  石英ガラスロッド
２８  第２の球面鏡
３０  光路切り替えミラー
３２  第１の半導体可飽和吸収体ミラー
３４  分散補償ミラー
３６  第２の半導体可飽和吸収体ミラー
３８  半導体レーザー
４０  中心波長可変なCr4+:YAG単結晶ファイバーモード同期レーザー
【図１】
2014010171.tif 000003
【図２】
2014010171.tif 000004
【図３】
2014010171.tif 000005