(57)【要約】【課題】同等の特性のテラヘルツ波を安定して複数の方向に発生する。【解決手段】ＫＴＰ−ＯＰＯ２０で発生した励起光が、ミラー２６ｂ、２６ａ、不要光カットフィルタ２８、及び軸外し放物面鏡２６ｃを介して第１平面１２ａ側から光学結晶１２に入射され、第２面１２ｂからテラヘルツ波ＴＨｚｂが発生すると共に、光学結晶１２を透過し凹面ミラー２６ｄで反射した励起光が、第２面１２ｂ側から光学結晶１２に入射され、第１平面１２ａからテラヘルツ波ＴＨｚａが発生し、穴あき軸外し放物面鏡３２ａ、３２ｂの各々で反射したテラヘルツ波ＴＨｚａ、ＴＨｚｂが、配置部４０ａ、４０ｂを透過し、放物面鏡４２ａ、４２ｂで反射して、検出器５０ａ、５０ｂへ入射される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なる複数の波長成分の光を含む励起光の光路上に配置され、入射された前記励起光に基づく差周波発生により、テラヘルツ波を発生する非線形光学結晶と、
前記非線形光学結晶から複数の方向に発生したテラヘルツ波を各々検出する複数の検出器と、
を含むテラヘルツ波発生装置。
【請求項２】
前記励起光を前記非線形光学結晶の第１面から前記第１面の反対側の第２面方向へ入射すると共に、前記非線形光学結晶を透過した前記励起光を前記第２面から前記第１面方向へ入射し、コリニア位相整合により、前記第１面及び前記第２面の各々からテラヘルツ波を発生させる請求項１記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項３】
第１のミラーと、
前記第１のミラーと共に共振器を構成する第２のミラーを備え、前記励起光を発生する励起光発生装置と、
をさらに含む請求項２記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項４】
前記励起光を透過する透過部、及び入射されたテラヘルツ波を反射する反射面を備え、前記入射されたテラヘルツ波を反射するように配置された一対の軸外し放物面鏡と、を含み、
前記一対の軸外し放物面鏡の間に前記非線形光学結晶を配置した
請求項２または請求項３記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項５】
前記非線形光学結晶を、少なくとも２つの平面を持つ形状とした請求項２〜請求項４のいずれか１項記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項６】
前記非線形光学結晶を少なくとも第１平面及び前記第１平面の反対側の第２平面を持つ形状とし、前記励起光を前記非線形光学結晶の側面から入射し、チェレンコフ位相整合により、複数の方向へテラヘルツ波を発生させる請求項１記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項７】
第１のミラーと、
前記第１のミラーと共に共振器を構成する第２のミラーを備え、前記励起光を発生する励起光発生装置と、
をさらに含む請求項６記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項８】
前記非線形光学結晶の前記第１平面及び前記第２平面の少なくとも一方に設けられ、前記非線形光学結晶から発生したテラヘルツ波を発生方向に応じた方向に導波する導波体をさらに含む請求項６または請求項７記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項９】
前記非線形光学結晶を板状とした請求項１〜請求項８のいずれか１項記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項１０】
発生したテラヘルツ波の光路の少なくとも１つに試料を配置するための配置部を設けた請求項１〜請求項９のいずれか１項記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項１１】
前記検出器を、検出したテラヘルツ波の強度に応じた画像を撮像するための撮像装置とした請求項１〜請求項１０のいずれか１項記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項１２】
請求項１〜請求項１１のいずれか１項記載のテラヘルツ波発生装置において、
前記非線形光学結晶に前記励起光を照射し、
前記非線形光学結晶から複数の方向に発生したテラヘルツ波の少なくとも一方を試料に照射し、
前記試料を透過もしくは反射したテラヘルツ波、または発生したテラヘルツ波を直接、前記検出器により検出する
テラヘルツ波測定方法。
【請求項１３】
前記非線形光学結晶から複数の方向に発生したテラヘルツ波を、測定対象試料及び参照試料の少なくとも一方に照射する請求項１２記載のテラヘルツ波測定方法。
【請求項１４】
前記非線形光学結晶から複数の方向に発生した一方のテラヘルツ波を測定対象試料に照射し、他方のテラヘルツ波を参照試料に照射する請求項１３記載のテラヘルツ波測定方法。
【請求項１５】
前記非線形光学結晶から複数の方向に発生したテラヘルツ波の各々を異なる測定対象試料または参照試料に照射する請求項１３記載のテラヘルツ波測定方法。
【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テラヘルツ波測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、２波長発振する光パラメトリック発振器として異なる波長を発振する第１の発信部と第２の発信部を共通の反射ミラーを用いて縦続接続構成をとることにより、一方の波長を変化させても他方の波長の発振状態に変化を与えない安定した２波長発振を実現した広帯域テラヘルツ波発生装置、及び、そのテラヘルツ波発生装置と室温動作の検出器を備えたテラヘルツ波計測装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、シグナル光とポンプ光源からのポンプ光とを無偏光ビームスプリッタによって合波して合波光を生成し、ファイバーアンプにより増幅し、偏光ビームスプリッタによって合波光を２つの合波光Ａ、Ｂに分割した上で、偏光ビームスプリッタにより合波光Ａ、Ｂが位相整合角を成してＧａＰ結晶において重なるように混合することで、合波光Ｂ中のポンプ光と合波光Ａ中のシグナル光との差周波混合によるテラヘルツ波と、合波光Ａ中のポンプ光と合波光Ｂ中のシグナル光との差周波混合によるテラヘルツ波が２方向に放射され、２方向に放射されるテラヘルツ波のうち、一方を参照光とすることができる分光装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
また、１つの光学結晶で異なる分光特性のテラヘルツ波を発生することができるテラヘルツ波発生装置が提案されている（例えば、特許文献３参照）。特許文献３のテラヘルツ波発生装置では、ＤＡＳＴ結晶とＤＡＳＣ結晶とをａ軸を一致させて貼り合わせて構成した光学結晶に、励起光をＤＡＳＣ結晶側から入射してＤＡＳＴ結晶に起因するテラヘルツ波を発生させると共に、励起光をＤＡＳＴ結晶側から入射してＤＡＳＣ結晶に起因するテラヘルツ波を発生させる。これにより、光学結晶へ入射する励起光の入射方向を切り替えることで、１つの光学結晶で異なる分光特性のテラヘルツ波を発生させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２１９９６７号公報
【特許文献２】特開２００９−２７６３８９号公報
【特許文献３】特開２０１２−１７７８９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載のテラヘルツ波発生装置では、テラヘルツ波は１方向に発生しているため、例えば、対象物質と参照物質とのそれぞれにテラヘルツ波を照射する場合には、発生したテラヘルツ波を分光する必要がある。そのため、対象物質及び参照物質に照射されるテラヘルツ波のパワーが低下してしまう、という問題がある。
【０００７】
また、特許文献２に記載のテラヘルツ波発生装置では、テラヘルツ波を２方向に発生させているが、励起光を分割した上で結晶に照射する必要があり、分割された２つの励起光の出力の安定性から、２方向に発生したテラヘルツ波の各々の出力が異なる場合がある、という問題がある。また、励起光を分割するため、及び発生した２方向のテラヘルツ波を検出するための光の取り回しに複雑な機構を有する、という問題もある。
【０００８】
さらに、特許文献３に記載のテラヘルツ波発生装置では、２方向に発生するテラヘルツ波の各々は特性が異なるものであり、例えば、対象物質と参照物質とのそれぞれに同等の特性のテラヘルツ波を照射したい場合などには適用することができない、という問題がある。
【０００９】
本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、同等の特性のテラヘルツ波を安定して複数の方向へ発生させることができるテラヘルツ波発生装置、及びこのテラヘルツ波発生装置を用いて安定したテラヘルツ波の測定を行うことができるテラヘルツ波測定方法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】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明のテラヘルツ波発生装置は、異なる複数の波長成分の光を含む励起光の光路上に配置され、入射された前記励起光に基づく差周波発生により、テラヘルツ波を発生する非線形光学結晶と、前記非線形光学結晶から複数の方向に発生したテラヘルツ波を各々検出する複数の検出器と、を含んで構成されている。
【００１１】
本発明のテラヘルツ波発生装置によれば、非線形光学結晶が、異なる複数の波長成分の光を含む励起光の光路上に配置されている。この非線形光学結晶に励起光が入射されると、入射された励起光に基づく差周波発生により、非線形光学結晶からテラヘルツ波が発生する。ここでは、励起光の１つの光路上に配置された非線形光学結晶から、複数の方向にテラヘルツ波が発生する。そして、複数の検出器の各々が、非線形光学結晶から複数の方向に発生したテラヘルツ波を各々検出する。
【００１２】
このように、励起光の光路上に配置された非線形光学結晶から複数の方向にテラヘルツ波を発生させるため、同等の特性のテラヘルツ波を安定して複数発生させることができる。
【００１３】
本発明のテラヘルツ波発生装置において、前記励起光を前記非線形光学結晶の第１面から前記第１面の反対側の第２面方向へ入射すると共に、前記非線形光学結晶を透過した前記励起光を前記第２面から前記第１面方向へ入射し、コリニア位相整合により、前記第１面及び前記第２面の各々からテラヘルツ波を発生させることができる。これにより、非線形光学結晶の第１面及び第２面の各々から、同等の特性のテラヘルツ波を発生させることができる。なお、第１面及び第２面は、平面でも曲面でもよく、また、非線形光学結晶の製法により得られる加工していない面でもよいし、研磨、切削、切断等の加工により得られる面であってもよい。
【００１４】
また、本発明のテラヘルツ発生装置は、第１のミラーと、前記第１のミラーと共に共振器を構成する第２のミラーを備え、前記励起光を発生する励起光発生装置と、を含んで構成することができる。また、本発明のテラヘルツ波発生装置は、前記励起光を透過する透過部、及び入射されたテラヘルツ波を反射する反射面を備え、前記入射されたテラヘルツ波を反射するように配置された一対の軸外し放物面鏡と、をさらに含んで構成することができ、前記一対の軸外し放物面鏡の間に前記非線形光学結晶を配置することができる。このように簡易な構成で、非線形光学結晶の第１面及び第２面の各々から同等の特性のテラヘルツ波を発生させることができる。
【００１５】
また、前記非線形光学結晶を、少なくとも２つの平面を持つ形状とすることができる。２つの平面は互いに対面していてもよいし、略平行であってもよい。
【００１６】
また、本発明のテラヘルツ波発生装置において、前記非線形光学結晶を少なくとも第１平面及び前記第１平面の反対側の第２平面を持つ形状とし、前記励起光を前記非線形光学結晶の側面から入射し、チェレンコフ位相整合により、複数の方向へテラヘルツ波を発生させることができる。より具体的には、非線形光学結晶の第１平面及び第２平面の各々からテラヘルツ波が発生する。これにより、非線形光学結晶から、同等の特性のテラヘルツ波を複数の方向へ発生させることができる。
【００１７】
また、本発明のテラヘルツ波発生装置は、第１のミラーと、前記第１のミラーと共に共振器を構成する第２のミラーを備え、前記励起光を発生する励起光発生装置と、をさらに含んで構成することができる。このように簡易な構成で、非線形光学結晶の第１平面及び第２平面の各々から同等の特性のテラヘルツ波を発生させることができる。
【００１８】
また、本発明のテラヘルツ波発生装置は、前記非線形光学結晶の前記第１平面及び前記第２平面の少なくとも一方に設けられ、前記非線形光学結晶から発生したテラヘルツ波を発生方向に応じた方向に導波する導波体をさらに含んで構成することができる。この導波体により、チェレンコフ位相整合により発生したテラヘルツ波を非線形光学結晶外に取り出すことができる。
【００１９】
また、前記非線形光学結晶を板状とすることができる。
【００２０】
また、本発明のテラヘルツ波発生装置は、発生したテラヘルツ波の光路の少なくとも１つに試料を配置するための配置部を設けることができる。これにより、配置部に試料を配置した場合には、試料を透過または反射したテラヘルツ波を検出することができ、配置部を設けていない場合には、発生したテラヘルツ波を直接検出することができる。
【００２１】
また、前記検出器を、検出したテラヘルツ波の強度に応じた画像を撮像するための撮像装置とすることができる。これにより、テラヘルツ波の検出結果を画像化することができる。
【００２２】
また、本発明のテラヘルツ波測定方法は、上記のテラヘルツ波発生装置において、前記非線形光学結晶に前記励起光を照射し、前記非線形光学結晶から複数の方向に発生したテラヘルツ波の少なくとも一方を試料に照射し、前記試料を透過もしくは反射したテラヘルツ波、または発生したテラヘルツ波を直接、前記検出器により検出する方法である。これにより、同等の特性のテラヘルツ波を用いて安定したテラヘルツ波の測定を行うことができる。
【００２３】
また、本発明のテラヘルツ波測定方法において、前記非線形光学結晶から複数の方向に発生したテラヘルツ波を、測定対象試料及び参照試料の少なくとも一方に照射することができる。例えば、前記非線形光学結晶から複数の方向に発生した一方のテラヘルツ波を測定対象試料に照射し、他方のテラヘルツ波を参照試料に照射することができる。また、前記非線形光学結晶から複数の方向に発生したテラヘルツ波の各々を異なる測定対象試料または参照試料に照射してもよい。
【発明の効果】
【００２４】
以上説明したように、本発明のテラヘルツ波発生装置によれば、励起光の光路上に配置された非線形光学結晶から複数の方向にテラヘルツ波を発生させるため、同等の特性のテラヘルツ波を安定して複数の方向に発生することができる、という効果が得られる。また、本発明のテラヘルツ波測定方法によれば、上記のテラヘルツ波発生装置を用いて安定したテラヘルツ波の測定を行うことができる
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】第１の実施の形態に係るテラヘルツ波発生装置の構成を示す概略図である。
【図２】第１の実施の形態におけるテラヘルツ波発生部の構成を示す概略図である。
【図３】凹面ミラーの曲率を説明するための概略図である。
【図４】同時に検出されたテラヘルツ波スペクトルを示すグラフである。
【図５】同時に検出された参照試料のテラヘルツ波スペクトルを示すグラフである。
【図６】測定対象試料のテラヘルツ波スペクトルを同時に検出された参照試料のテラヘルツ波スペクトルで除したテラヘルツ波スペクトルを示すグラフである。
【図７】第１の実施の形態に係るテラヘルツ波発生装置の他の構成を示す概略図である。
【図８】第１の実施の形態に係るテラヘルツ波発生装置の他の構成を示す概略図である。
【図９】非線形光学結晶の面と凹面ミラーの曲率との関係を説明するための概略図である。
【図１０】第２の実施の形態に係るテラヘルツ波発生装置の構成を示す概略図である。
【図１１】チェレンコフ位相整合条件におけるテラヘルツ波の発生を説明するための概略図である。
【図１２】第３の実施の形態に係るテラヘルツ波発生装置の構成を示す概略図である。
【図１３】第３の実施の形態におけるテラヘルツ波発生部の構成を示す概略図である。
【図１４】第３の実施の形態に係るテラヘルツ波発生装置の他の構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、図面を参照して、本発明のテラヘルツ波発生装置に係る実施の形態を詳細に説明する。
【００２７】
図１に示すように、第１の実施の形態に係るテラヘルツ波発生装置１０は、異なる２波長の励起光を発生するＫＴＰパラメトリック共振器（ＫＴＰ−ＯＰＯ）２０と、ＫＴＰ−ＯＰＯ２０内に配置されたテラヘルツ波発生部３０と、テラヘルツ波発生部３０で発生した２つのテラヘルツ波の各々の光路上に設けられた試料を配置するための配置部４０ａ、４０ｂと、テラヘルツ波の各々を導光する放物面鏡４２ａ、４２ｂと、導光されたテラヘルツ波の各々を検出する検出器５０ａ、５０ｂとを含んで構成されている。
【００２８】
ＫＴＰ−ＯＰＯ２０は、ポンプ光光源２２と、半波長板２３と、２つのＫＴＰ（リン酸チタニルカリウム：ＫＴｉＯＰＯ４）結晶２４ａ、２４ｂと、ミラー２６ａ、ミラー２６ｂ、軸外し放物面鏡２６ｃ、及び凹面ミラー２６ｄと、不要光カットフィルタ２８とを含んで構成されている。
【００２９】
ポンプ光光源２２は、ＫＴＰ−ＯＰＯ２０において２波長の励起光を発生するための元となるポンプ光を出力する光源であり、例えば、ＹＡＧレーザ（波長：５３２ｎｍ、パルス幅：２４ｎｓ、繰り返し周波数：５０Ｈｚ）等を用いることができる。ポンプ光の光路の延長上に、ミラー２６ａ、２つのＫＴＰ結晶２４ａ、２４ｂ、ミラー２６ｂが順に配置されている。
【００３０】
ＫＴＰ結晶２４ａ、２４ｂの各々は、結晶へ入射されるポンプ光の入射角度を独立して調整可能なように回転ステージに載置されている。ＫＴＰ結晶２４ａ、２４ｂへのポンプ光の入射角度を変更することで、ＫＴＰ−ＯＰＯ２０から発生する励起光の周波数を変更することができる。
【００３１】
ミラー２６ａは、ポンプ光（波長５３２ｎｍ）を透過すると共に、１３００ｎｍ〜１５００ｎｍの波長の光に対して高い反射率を有するダイクロイックミラーを用いることができ、ポンプ光の光路に対して４５°の角度で配置されている。また、ミラー２６ｂは、１３００ｎｍ〜１５００ｎｍの波長の光に対して高い反射率を有するミラーを用いることができ、ポンプ光の光路に対して垂直に配置されている。ミラー２６ａで分岐したポンプ光の光路と垂直な方向には、不要光カットフィルタ２８、軸外し放物面鏡２６ｃが順に配置されている。
【００３２】
不要光カットフィルタ２８は、ポンプ光（波長５３２ｎｍ）の波長成分を除去するためのフィルタである。励起光が光学結晶１２に入射される前に、励起光に残留するポンプ光の波長成分を除去して、光学結晶１２に精度の高い励起光を入射するためのものである。
【００３３】
軸外し放物面鏡２６ｃは、１３００〜１５００ｎｍの波長の光に対して高い反射率を有すると共に、入射された励起光を集光して、励起光の入射方向に対して垂直方向に反射させる。軸外し放物面鏡２６ｃで反射した励起光の光路の延長上には、テラヘルツ波発生部３０、凹面ミラー２６ｄが順に配置されている。
【００３４】
テラヘルツ波発生部３０は、一対の穴あき軸外し放物面鏡３２ａ、３２ｂと、一対の穴あき軸外し放物面鏡３２ａ、３２ｂとの間に配置された光学結晶１２とで構成されている。
【００３５】
光学結晶１２は、入射された異なる２波長の光（励起光）から差周波発生により異なる２波長の差周波数分に相当するテラヘルツ波を発生する非線形光学結晶である。第１の実施の形態における光学結晶１２は、コリニア位相整合条件を満たす非線形光学結晶であればよく、例えば、ＤＡＳＴ（４−ジメチルアミノ−Ｎ−メチル−４−スチルバゾリウムトシレート）結晶、ＤＡＳＣ（４−ジメチルアミノ−Ｎ−メチル−４−スチルバゾリウム−ｐ−クロロベンゼンスルホネート）結晶等を用いることができる。
【００３６】
一対の穴あき軸外し放物面鏡３２ａ、３２ｂは、中央に穴（図２中の一点破線部。図１では図示省略。）が穿設された軸外し放物面鏡であり、励起光が穴を通過すると共に、放物面が対向するように配置されている。より具体的には、図２に示すように、光学結晶１２の第１平面１２ａ側に穴あき軸外し放物面鏡３２ａが配置され、光学結晶１２の第２平面１２ｂ側に穴あき軸外し放物面鏡３２ｂが配置されている。穴あき軸外し放物面鏡３２ａ、３２ｂは、励起光が各々の穴を通過するように、かつ第１平面１２ａから発生したテラヘルツ波ＴＨｚａ、及び第２平面１２ｂから発生したテラヘルツ波ＴＨｚｂを、テラヘルツ波の入射方向に対して垂直方向に反射するように配置されている。
【００３７】
なお、光学結晶１２がコリニア位相整合条件を満たす場合は、励起光の光軸とテラヘルツ波ＴＨｚａの光軸、及び、励起光の光軸とテラヘルツ波ＴＨｚｂの光軸とは、同一方向の関係にある。従って、軸外し放物面鏡２６ｃ、凹面ミラー２６ｄ、穴あき軸外し放物面鏡３２ａ、３２ｂは、励起光の光路（光軸が同一方向の関係にあるテラヘルツ波の光路）上に沿って配置されていればよい。
【００３８】
凹面ミラー２６ｄは、１３００ｎｍ〜１５００ｎｍの波長の光に対して高い反射率を有する凹面ミラーを用いることができ、テラヘルツ波発生部３０を透過した励起光を反射して、再びテラヘルツ波発生部３０へ入射させるように配置されている。凹面ミラー２６ｄの曲率は、図３に示すように、光学結晶１２中の一点（図３中・印）に焦点を合わせるように、励起光の凹面ミラー２６ｄへの入射方向に励起光を戻すように調整されている。
【００３９】
配置部４０ａ、４０ｂは、測定対象試料または参照試料を配置するための試料ステージである。光学結晶１２の第１平面１２ａから発生し、穴あき軸外し放物面鏡３２ａで反射したテラヘルツ波ＴＨｚａの光路上に配置部４０ａが設けられ、光学結晶１２の第２平面１２ｂから発生し、穴あき軸外し放物面鏡３２ｂで反射したテラヘルツ波ＴＨｚｂの光路上に配置部４０ｂが設けられている。
【００４０】
放物面鏡４２ａ、４２ｂは、配置部４０ａ、４０ｂを透過したテラヘルツ波ＴＨｚａ、ＴＨｚｂを、検出器５０ａ、５０ｂが配置された方向へ反射する。なお、ここでは、配置部４０ａ、４０ｂを透過したテラヘルツ波を検出する場合について説明するが、配置部４０ａ、４０ｂで反射したテラヘルツ波を検出するような構成としてもよい。
【００４１】
次に、第１の実施の形態に係るテラヘルツ波発生装置１０の作用について説明する。
【００４２】
まず、ポンプ光光源２２からポンプ光が出力されると、ＫＴＰ−ＯＰＯ２０において、ポンプ光はミラー２６ａを透過してＫＴＰ結晶２４ａ、２４ｂに入射され、異なる２波長の励起光（１３００〜１５００ｎｍ）が発生する。発生した励起光は、ミラー２６ｂ及び２６ａで反射し、不要光カットフィルタ２８で、残留するポンプ光の波長成分が除去されて、軸外し放物面鏡２６ｃ方向へ向う。軸外し放物面鏡２６ｃで反射した励起光は、テラヘルツ波発生部３０に入射される。
【００４３】
励起光は、穴あき軸外し放物面鏡３２ａの穴を通過して、第１平面１２ａ側から光学結晶１２に入射される。そして、光学結晶１２の第２平面１２ｂ側からテラヘルツ波ＴＨｚｂが発生する。発生したテラヘルツ波ＴＨｚｂが穴あき軸外し放物面鏡３２ｂの放物面で反射すると共に、光学結晶１２を透過した励起光が穴あき軸外し放物面鏡３２ｂの穴を通過して、凹面ミラー２６ｄで反射する。
【００４４】
凹面ミラー２６ｄで反射した励起光は、再び穴あき軸外し放物面鏡３２ｂの穴を通過して、第２平面１２ｂ側から光学結晶１２に入射される。そして、光学結晶１２の第１平面１２ａ側からテラヘルツ波ＴＨｚａが発生する。発生したテラヘルツ波ＴＨｚａが穴あき軸外し放物面鏡３２ａの放物面で反射すると共に、光学結晶１２を透過した励起光が穴あき軸外し放物面鏡３２ａの穴を通過して、軸外し放物面鏡２６ｃ及びミラー２６ａで反射して、ミラー２６ｂ方向へ戻る。
【００４５】
また、穴あき軸外し放物面鏡３２ａで反射したテラヘルツ波ＴＨｚａ、及び穴あき軸外し放物面鏡３２ｂで反射したテラヘルツ波ＴＨｚｂは、配置部４０ａ、４０ｂを透過し、放物面鏡４２ａ、４２ｂで反射して、検出器５０ａ、５０ｂへ入射される。
【００４６】
次に、第１の実施の形態に係るテラヘルツ波発生装置１０を用いたテラヘルツ波測定方法について説明する。
【００４７】
まず、配置部４０ａに試料ａを配置し、配置部４０ｂに試料ｂを配置する。そして、ポンプ光光源２２からポンプ光を出力し、ＫＴＰ−ＯＰＯ２０において、異なる２波長の励起光を発生させ、テラヘルツ波発生部３０に入射する。これにより、光学結晶１２から発生したテラヘルツ波ＴＨｚａが配置部４０ａに配置された試料ａに照射される。また、光学結晶１２から発生したテラヘルツ波ＴＨｚｂが配置部４０ｂに配置された試料ｂに照射される。
【００４８】
そして、検出器５０ａで、配置部４０ａを透過したテラヘルツ波を検出することで、試料ａの測定結果（例えば、テラヘルツ波スペクトル）を取得する。これと同時に、検出器５０ｂで、配置部４０ｂを透過したテラヘルツ波を検出することで、試料ｂの測定結果を取得する。
【００４９】
なお、試料ａ及び試料ｂは、測定対象試料または参照試料とすることができる。また、試料ａ及び試料ｂの組み合わせについても、測定対象試料と参照試料としてもよいし、測定対象試料と測定対象試料としてもよいし、参照試料と参照試料としてもよい。また、配置部４０ａ、４０ｂに試料を配置しないで検出したテラヘルツ波を測定結果として取得してもよい。
【００５０】
例えば、配置部４０ａ及び配置部４０ｂの一方に測定対象試料を配置し、配置部４０ａ及び配置部４０ｂの他方に参照試料を配置する。そして、検出器５０ａ及び検出器５０ｂの一方で検出された参照試料のテラヘルツ波スペクトルを基準とし、検出器５０ａ及び検出器５０ｂの他方で検出された測定対象物質のテラヘルツ波スペクトルを除することで、１度の測定で参照試料を基準とした測定対象試料のスペクトルを得ることができる。
【００５１】
ここで、第１の実施の形態に係るテラヘルツ波発生装置１０によるテラヘルツ波測定方法を用いた実験について説明する。
【００５２】
本実験では、光学結晶１２としてＤＡＳＴ結晶を用いたテラヘルツ波発生装置１０を用いた。また、試料として、（１）ＰＥ（ポリエチレン−１００％、参照試料）、（２）ＫＣｌＯ４（ポリエチレン−９０％、ＫＣｌＯ４−１０％）、及び（３）Ｇｌｕ（ポリエチレン−９０％、Ｇｌｕ−１０％）を用いた。試料（２）及び（３）は、ＫＣｌＯ４及びグルコース（Ｇｌｕ）を重量％濃度換算で１０％混合したポリエチレンペレットである。測定条件は、励起光の一方の波長成分λ１を１３５０．５ｎｍに設定した上で、周波数を１．７〜２．７ＴＨｚの範囲で可変させスペクトルを得た。周波数分解能０．１ＴＨｚ、積算回数１００回とした。なお、測定条件はテラヘルツ波のスペクトルが得られる条件であれば、如何なる設定でもよい。
【００５３】
図４に、配置部４０ａ、４０ｂ共に試料を配置しない状態で検出器５０ａ、５０ｂで検出されたＤＡＳＴ結晶によるテラヘルツ波スペクトルを示す。また、図５に、配置部４０ａ、４０ｂの両方に参照試料ＰＥを配置した状態で検出器５０ａ、５０ｂで検出されたテラヘルツ波スペクトルを示す。図４及び図５に示すように、検出器５０ａ、５０ｂにおいて同様の形状のテラヘルツ波スペクトルが得られた。これは、励起光の１つの光路上に配置した光学結晶から複数方向に発生したテラヘルツ波の各々が同等の特性を有していることを示している。すなわち、第１の実施の形態に係るテラヘルツ波発生装置１０によれば、配置部４０ａと配置部４０ｂとに、同等の特性のテラヘルツ波を同時に照射することができる。
【００５４】
さらに、本実験では、上記の測定条件において、配置部４０ａ及び配置部４０ｂの一方に測定対象試料ＫＣｌＯ４を配置し、配置部４０ａ及び配置部４０ｂの他方に参照試料ＰＥを配置し、検出器５０ａ及び検出器５０ｂの一方で検出されたＰＥのテラヘルツ波スペクトルを基準とし、検出器５０ａ及び検出器５０ｂの他方で検出されたＫＣｌＯ４のテラヘルツ波スペクトルを除したスペクトル（ＫＣｌＯ４／ＰＥ）を取得した。同様に、測定対象試料をＧｌｕとし、スペクトル（Ｇｌｕ／ＰＥ）を取得した。図６に示すように、ＫＣｌＯ４及びグルコースのテラヘルツ領域でのスペクトルが取得できた。
【００５５】
以上説明したように、第１の実施の形態に係るテラヘルツ波発生装置及びテラヘルツ波測定方法によれば、励起光の１つの光路上に光学結晶を配置して、光学結晶の第１平面側及び第２平面側から励起光を入射することで、光学結晶の第１平面及び第２平面の各々からテラヘルツ波を発生させることができる。このため、例えば、励起光の揺らぎや光学結晶の劣化または損傷等によりテラヘルツ波の出力が変化する場合でも、第１平面から発生したテラヘルツ波にも、第２平面から発生したテラヘルツ波にもその影響が及ぶため、両方のテラヘルツ波の出力は同様に変化する。すなわち、第１の実施の形態に係るテラヘルツ波発生装置及びテラヘルツ波測定方法によれば、同等の特性のテラヘルツ波を安定して複数方向に発生することができる。また、同等の特性のテラヘルツ波を複数の試料に同時に照射することができるため、安定したテラヘルツ波の測定を行うことができる。
【００５６】
なお、第１の実施の形態における各構成の配置は図１に示した例に限定されない。例えば、図７に示すように、放物面鏡４２ａ、４２ｂを、並んで配置された検出器５０ａ、５０ｂの方向へテラヘルツ波を反射させるように、穴あき軸外し放物面鏡３２ａ、３２ｂと配置部４０ａ、４０ｂとの間に配置してもよい。
【００５７】
また、放物面鏡４２ａ、４２ｂは、テラヘルツ波を集光して検出器５０ａ、５０ｂへ導光するものであればよく、例えば、図８に示すように、放物面鏡４２ａ、４２ｂに替えてテラヘルツ波用の集光レンズ４３ａ、４３ｂを用いてもよい。
【００５８】
また、第１の実施の形態では、図２に示すように、第１面及び第２面が平面の光学結晶を用いる場合について説明したが、第１面及び第２面は平面に限定されず曲面であってもよい。例えば、図９に示すように、第２面が凸面の光学結晶１２を用いてもよい。この場合、図９中に破線で示すように、光学結晶１２を透過する励起光の広がりを狭くすることができる。これにより、凹面ミラー２６ｄの曲率の選択に自由度が生じる。また、光学結晶の面が凹面の場合には、光学結晶１２を透過する励起光の広がりが凸面とした場合よりも大きくなるが、凹面ミラー２６ｄの曲率を大きくすることで適用可能である。
【００５９】
次に、第２の実施の形態について説明する。なお、第２の実施の形態に係るテラヘルツ波発生装置において、第１の実施の形態に係るテラヘルツ波発生装置１０と同様の構成については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００６０】
図１０に示すように、第２の実施の形態に係るテラヘルツ波発生装置２１０は、複数の波長成分を含む励起光を発生するフェムト秒レーザ光源２２０と、テラヘルツ波発生部２３０と、テラヘルツ波用の集光レンズ４３ａ、４３ｂと、配置部４０ａ、４０ｂと、検出器５０ａ、５０ｂとを含んで構成されている。
【００６１】
フェムト秒レーザ光源２２０は、励起光として、フェムト秒パルスレーザ（例えば、中心波長：８００ｎｍ、パルス幅：８０ｆｓ、繰り返し周波数８０ＭＨｚ）を発生する。
【００６２】
テラヘルツ波発生部２３０は、光学結晶１２と、光学結晶１２の第１平面１２ａ及び第２平面１２ｂの各々に設けられたプリズム３３ａ、３３ｂとで構成されている。
【００６３】
光学結晶１２は、チェレンコフ位相整合条件を満たす非線形光学結晶であればよく、第１の実施の形態と同様、ＤＡＳＴ結晶やＤＡＳＣ結晶等を用いることができる。光学結晶１２は、２つの平面（第１平面１２ａ及び第２平面１２ｂ）を有する板状の形状で、フェムト秒レーザ光源２２０から発生した励起光が光学結晶１２の側面（第１平面１２ａ及び第２平面１２ｂとは異なる面）に入射されるように配置する。光学結晶１２内でチェレンコフ位相整合により発生したテラヘルツ波は、図１０に示すように、励起光の入射方向に応じた角度を伴って、光学結晶１２内で第１平面１２ａ方向及び第２平面１２ｂ方向の各々へ伝播する。
【００６４】
より具体的には、チェレンコフ位相整合条件におけるテラヘルツ波の発生は、図１１のように表現される。入射された異なる２波長の光（励起光）を、光学結晶１２の表面直下に入射すると、２Ｌｃ毎に非線形分極が極大となり、この各極大点で球面波が発生する。そして、球面波の波面が重なり合う方向に、テラヘルツ波が発生する。上記の励起光の入射方向に応じた角度は、図１１に記載する角度θを表しているが、この角度θは、下記（１）式で表現される。
【００６５】
【数１】
2014134575.tif 000003
【００６６】
ここで、Ｌｃはコヒーレンス長、λ１は入射された異なる２波長の光（励起光）の一方の波長、ｎ１は光学結晶１２のλ１に対する屈折率、λ２は入射された異なる２波長の光（励起光）の他方の波長、ｎ２は光学結晶１２のλ２に対する屈折率、λTHzは入射された異なる２波長の光の差周波発生により発生したテラヘルツ波の波長、ｎTHzは入射された異なる２波長の光の差周波発生により発生したテラヘルツ波に対する光学結晶１２の屈折率である。また、以下では、θを放射角という。なお、放射角θは、励起光の入射方向を基準として表した角度であり、図１１に示すように、励起光の入射方向が左から右の場合の放射角がθの場合、励起光の入射方向が反対方向（図１１において右から左）の場合には、放射角は−θとなる。
【００６７】
プリズム３３ａ、３３ｂは、光学結晶１２内を外界との界面まで伝播してきたテラヘルツ波を光学結晶１２外に取り出すもので、例えば、シリコンプリズムを用いることができる。
【００６８】
プリズム３３ａにより光学結晶１２の第１平面１２ａから取り出されたテラヘルツ波ＴＨｚａの光路の延長上には、集光レンズ４３ａ、配置部４０ａ、及び検出器５０ａが順に配置されている。また、プリズム３３ｂにより光学結晶１２の第２平面１２ｂから取り出されたテラヘルツ波ＴＨｚｂの光路の延長上には、集光レンズ４３ｂ、配置部４０ｂ、及び検出器５０ｂが順に配置されている。
【００６９】
なお、光学結晶１２がチェレンコフ位相整合条件を満たす場合、テラヘルツ波は（１）式及び図１１に示した放射角θで発生し、プリズム３３ａ、３３ｂの屈折率に応じた方向に取り出される。従って、検出器５０ａ、５０ｂは、放射角θとプリズム３３ａ、３３ｂの屈折率とに応じた方向となるテラヘルツ波の光路上に配置されていればよい。
【００７０】
次に、第２の実施の形態に係るテラヘルツ波発生装置２１０の作用について説明する。
【００７１】
フェムト秒レーザ光源２２０から励起光が発生され、光学結晶１２の側面に入射される。そして、光学結晶１２内で発生し、光学結晶１２内で第１平面１２ａ方向及び第２平面１２ｂ方向の各々へ伝播したテラヘルツ波ＴＨｚａ、ＴＨｚｂが、プリズム３３ａ、３３ｂにより取り出され、集光レンズ４３ａ、４３ｂの方向へ導光される。集光レンズ４３ａ、４３ｂの各々により集光されたテラヘルツ波ＴＨｚａ、ＴＨｚｂは、配置部４０ａ、４０ｂを透過し、検出器５０ａ、５０ｂへ入射される。
【００７２】
なお、第１の実施の形態と同様に、第２の実施の形態に係るテラヘルツ波発生装置２１０を用いて、テラヘルツ波測定方法を実施することができる。
【００７３】
以上説明したように、第２の実施の形態に係るテラヘルツ波発生装置によれば、励起光の１つの光路上に光学結晶を配置して、光学結晶の側面から励起光を入射することで、光学結晶の第１平面及び第２平面の各々からテラヘルツ波を発生させることができる。このため、第１の実施の形態と同様に、同等の特性のテラヘルツ波を安定して複数方向に発生することができる。また、同等の特性のテラヘルツ波を複数の試料に同時に照射することができるため、安定したテラヘルツ波の測定を行うことができる。
【００７４】
次に、第３の実施の形態について説明する。なお、第３の実施の形態に係るテラヘルツ波発生装置において、第１の実施の形態に係るテラヘルツ波発生装置１０及び第２の実施の形態に係るテラヘルツ波発生装置２１０と同様の構成については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００７５】
図１２に示すように、第３の実施の形態に係るテラヘルツ波発生装置３１０は、ＫＴＰ−ＯＰＯ２０と、テラヘルツ波発生部２３０と、集光レンズ４３ａ、４３ｂと、配置部４０ａ、４０ｂと、検出器５０ａ、５０ｂとを含んで構成されている。
【００７６】
ＫＴＰ−ＯＰＯ２０は、第１の実施の形態と同様に、ポンプ光光源２２と、半波長板２３と、２つのＫＴＰ結晶２４ａ、２４ｂと、ミラー２６ａ、ミラー２６ｂ、軸外し放物面鏡２６ｃ、及び凹面ミラー２６ｄと、不要光カットフィルタ２８とを含んで構成されている。
【００７７】
テラヘルツ波発生部２３０は、第２の実施の形態と同様に、光学結晶１２と、プリズム３３ａ、３３ｂとで構成されており、軸外し放物面鏡２６ｃで反射した励起光が光学結晶１２の側面に入射し、凹面ミラー２６ｄで反射した励起光が光学結晶１２の反対側の側面に入射するように配置されている。
【００７８】
また、第２の実施の形態と同様に、プリズム３３ａにより光学結晶１２の第１平面１２ａから取り出されたテラヘルツ波ＴＨｚａの光路の延長上には、集光レンズ４３ａ、配置部４０ａ、及び検出器５０ａが順に配置されている。また、プリズム３３ｂにより光学結晶１２の第２平面１２ｂから取り出されたテラヘルツ波ＴＨｚｂの光路の延長上には、集光レンズ４３ｂ、配置部４０ｂ、及び検出器５０ｂが順に配置されている。
【００７９】
なお、第２の実施の形態と同様に、検出器５０ａ、５０ｂは、放射角θとプリズム３３ａ、３３ｂの屈折率とに応じた方向となるテラヘルツ波の光路上に配置されていればよい。
【００８０】
第３の実施の形態に係るテラヘルツ波発生装置３１０の作用については、テラヘルツ波発生部２３０に励起光が入射されるまでは第１の実施の形態と同様であり、それ以降は第２の実施の形態と同様であるため、説明を省略する。
【００８１】
また、第１の実施の形態と同様に、第３の実施の形態に係るテラヘルツ波発生装置３１０を用いて、テラヘルツ波測定方法を実施することができる。
【００８２】
なお、第３の実施の形態における各構成の配置は図１２に示した例に限定されない。第３の実施の形態のように、チェレンコフ位相整合によりテラヘルツ波を発生するテラヘルツ発生部を共振器内に配置した場合には、図１３に示すように、４方向にテラヘルツ波を発生させることができる。具体的には、軸外し放物面鏡２６ｃで反射された励起光が光学結晶１２に入射される場合（励起光の進行方向が図１３において左から右の場合）には、図１２の場合と同様に、光学結晶１２の第１平面１２ａからテラヘルツ波ＴＨｚａ及び第２平面１２ｂからテラヘルツ波ＴＨｚｂが発生する。また、凹面ミラー２６ｄで反射された励起光が光学結晶１２に入射される場合（励起光の進行方向が図１３において右から左の場合）には、光学結晶１２の第１平面１２ａからテラヘルツ波ＴＨｚａ’及び第２平面１２ｂからテラヘルツ波ＴＨｚｂ’が発生する。これらのテラヘルツ波はいずれも同等の特性を有するものであるので、この４つのテラヘルツ波から任意の２以上を用いてテラヘルツ波の測定を行えばよい。例えば、テラヘルツ波ＴＨｚａとテラヘルツ波ＴＨｚａ’とを用いてもよいし、テラヘルツ波ＴＨｚｂとテラヘルツ波ＴＨｚｂ’とを用いてもよい。この場合、プリズム３３ａ、３３ｂの一方を省略することができる。
【００８３】
また、図１４に示すように、集光レンズ４３ａ、４３ｂに替えて放物面鏡４２ａ、４２ｂを用いてもよい。この場合、放物面鏡４２ａ、４２ｂが、放射角θとプリズム３３ａ、３３ｂの屈折率に応じた方向となるテラヘルツ波の光路上に配置されていればよい。
【００８４】
また、上記第１〜第３の実施の形態では、検出器を用いてテラヘルツ波を検出する場合について説明したが、検出器として、例えば、テラヘルツ波の強度に応じた画像を撮像するための撮像装置を用いてもよい。撮像装置としては、テラヘルツカメラ、赤外線カメラ、遠赤外カメラ、ミリ波カメラ等、テラヘルツ帯の光に感度を有する撮像装置を用いることができる。また、テラヘルツ波の強度に応じた画像は、各画素に対応した受光部で受光したテラヘルツ波の強度比に応じて、各画素の画素値（例えば、コントラスト、色、明るさ等）を変えて画像化したものとすることができる。
【符号の説明】
【００８５】
１０、２１０、３１０  テラヘルツ波発生装置
１２  光学結晶
２０  ＫＴＰ−ＯＰＯ
２６ｂ  ミラー
２６ｄ  凹面ミラー
３０、２３０  テラヘルツ発生部
３２ａ、３２ｂ  穴あき軸外し放物面鏡
３３ａ、３３ｂ  プリズム
４０ａ、４０ｂ  配置部
５０ａ、５０ｂ  検出器
２２０  フェムト秒レーザ光源
【図３】
2014134575.tif 000004
【図４】
2014134575.tif 000005
【図５】
2014134575.tif 000006
【図６】
2014134575.tif 000007
【図９】
2014134575.tif 000008
【図１】
2014134575.tif 000009
【図２】
2014134575.tif 000010
【図７】
2014134575.tif 000011
【図８】
2014134575.tif 000012
【図１０】
2014134575.tif 000013
【図１１】
2014134575.tif 000014
【図１２】
2014134575.tif 000015
【図１３】
2014134575.tif 000016
【図１４】
2014134575.tif 000017