(57)【要約】【課題】テラヘルツ波導入損失を低減しかつ検出信号光を励起光と同一方向に発生かつ伝搬させて、励起光と検出信号光の相互作用領域を大きくして変換効率を大幅に高めることができるテラヘルツ波検出装置と方法を提供する。【解決手段】互いに平行な入射面１２ａ及び出射面１２ｂと、入射面１２ａ及び出射面１２ｂに対し直交する受光側面１２ｃとを有する斜周期分極反転素子１２と、入射面１２ａに垂直に励起光１を入射する励起光源１４と、出射面１２ｂから垂直に出射した検出信号光Ａからテラヘルツ波３を検出する光検出器１６と、を備える。斜周期分極反転素子１２は、受光側面１２ｃから垂直に入射するテラヘルツ波３と励起光１との疑似位相整合により、検出信号光Ａを励起光１と同一方向に平行に発生するように構成されている。【選択図】図２
2014203025.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに平行な入射面及び出射面と、入射面及び出射面に対し直交する受光側面とを有する斜周期分極反転素子と、
前記入射面に垂直に励起光を入射する励起光源と、
前記出射面から垂直に出射した検出信号光からテラヘルツ波を検出する光検出器と、を備え、
前記斜周期分極反転素子は、前記受光側面から垂直に入射するテラヘルツ波と前記励起光との疑似位相整合により、前記検出信号光を前記励起光と同一方向に平行に発生するように構成されている、ことを特徴とするテラヘルツ波検出装置。
【請求項２】
前記疑似位相整合は、前記励起光に対する分極反転の角度と分極反転の周期とによって位相整合条件に運動量を与えるものである、ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波検出装置。
【請求項３】
前記斜周期分極反転素子は、周期分極反転ニオブ酸リチウム結晶である、ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波検出装置。
【請求項４】
前記斜周期分極反転素子と光検出器の間に、前記検出信号光と前記励起光の２光波から前記検出信号光のみを分離する光分離素子を備える、ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波検出装置。
【請求項５】
前記光分離素子は、半透過ミラー、誘電体多層膜フィルター、又はグレイティングである、ことを特徴とする請求項４に記載のテラヘルツ波検出装置。
【請求項６】
前記斜周期分極反転素子と光分離素子の間に、前記検出信号光又は前記励起光の周波数を２倍にする第二高調波発生装置を備える、ことを特徴とする請求項５に記載のテラヘルツ波検出装置。
【請求項７】
前記光検出器は、テラヘルツ波の強度又は周波数を計測するフォトダイオード又はスペクトルアナライザである、ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波検出装置。
【請求項８】
さらに、テラヘルツ波を試料に照射して通過したサンプル波を出力する試料照射光学系を備え、
前記テラヘルツ波は、前記サンプル波と試料を通過しないリファレンス波とからなり、前記光検出器によりテラヘルツ波の位相と振幅を計測する、ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波検出装置。
【請求項９】
さらに、テラヘルツ波を遅延させて遅延したサンプル波を出力する時間遅延光学系を備え、
前記テラヘルツ波は、前記サンプル波と遅延しないリファレンス波とからなり、前記光検出器によりテラヘルツ波の位相と振幅を計測する、ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波検出装置。
【請求項１０】
前記斜周期分極反転素子は、
前記励起光又は検出信号光を内部に閉じ込めるバルク型、
該バルク型に基板を付加したリッジ型、或いは、
前記バルク型又はリッジ型の受光側面とこれに対向する側面と一体化されその間より屈折率が小さい低屈折率部を有するスラブ型の導波路構造である、ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波検出装置。
【請求項１１】
前記斜周期分極反転素子は、並列又は直列に配置された複数の分割素子からなり、
各分割素子の分極反転の角度と分極反転の周期は、互いに異なる周波数のテラヘルツ波に対応する、ことを特徴とする請求項２に記載のテラヘルツ波検出装置。
【請求項１２】
前記斜周期分極反転素子の入射面と励起光源を連結する光ファイバーからなる励起光ファイバーと、
前記斜周期分極反転素子の出射面に一端が結合された光ファイバーからなる検出信号光ファイバーと、
検出信号光ファイバーの他端に結合され前記検出信号光のみを前記光検出器に出力するファイバー周波数フィルターと、を備える、ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波検出装置。
【請求項１３】
さらに、前記斜周期分極反転素子の受光側面とテラヘルツ波光源を連結する光ファイバーからなるテラヘルツ波ファイバーを備える、ことを特徴とする請求項１２に記載のテラヘルツ波検出装置。
【請求項１４】
互いに平行な入射面及び出射面と、入射面及び出射面に対し直交する受光側面とを有する斜周期分極反転素子と、
前記入射面に垂直に励起光を入射する励起光源と、
前記出射面から垂直に出射した検出信号光からテラヘルツ波を検出する光検出器と、を準備し、
前記斜周期分極反転素子を、前記受光側面から垂直に入射するテラヘルツ波と前記励起光との疑似位相整合により、前記検出信号光が前記励起光と同一方向に平行に発生するように構成する、ことを特徴とするテラヘルツ波検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非線形光学効果を用いて微弱なテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出装置と方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ波（ｔｅｒａｈｅｒｔｚ  ｗａｖｅ）とは周波数が０．１〜１０ＴＨｚ（１ＴＨｚ＝１０１２Ｈｚ）の領域、すなわち波長が０．０３〜３ｍｍのミリ波から遠赤外線領域の電磁波（ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  ｗａｖｅ）を意味する。
【０００３】
テラヘルツ波は、電波天文学、材料科学、生体分子分光学などの基礎学術分野から、セキュリティ、情報通信、環境、医療などの実用分野に至る幅広い分野での応用が期待されている。
【０００４】
しかし、テラヘルツ波は、中近赤外線、可視光、紫外線などの光（周波数１×１０１３〜１０１５Ｈｚ）と電波（周波数１０３〜１０１２Ｈｚ）の間に挟まれた周波数帯域の電磁波であり、光学と電子工学という既存の技術がそのままでは適用できない問題点がある。
【０００５】
非線形光学効果を用いてテラヘルツ波を検出する検出手段は、例えば特許文献１〜３に開示されている。
また本願発明に関連する論文は、例えば非特許文献１〜５に開示されている。
【０００６】
非特許文献１は、周期分極反転素子を用いたテラヘルツ波発生に関する論文であり、本発明とは異なる。
【０００７】
また、非特許文献２〜５は、バルク結晶を用いたテラヘルツ波検出に関するものであり、周期分極反転素子を用いたテラヘルツ波検出とは異なる。
【０００８】
特許文献１の「単色波長可変型テラヘルツ波発生／検出システム及び方法」は、非線形光学効果を有するバルク結晶を用いたテラヘルツ波検出手段である。
【０００９】
特許文献２の「テラヘルツ波発生素子、テラヘルツ波検出素子、及びテラヘルツ時間領域分光装置」は、ピコ秒（１０−１２秒）より短いパルス幅の超短パルスレーザー光をバルク結晶に入射してテラヘルツ波検出を行うものである。
【００１０】
特許文献３の「テラヘルツ光検出素子および光学設備」は、屈折率の異なる層を交互に組み合わせた結晶（フォトニック結晶）を用いるものである。
【００１１】
また、非線形光学効果以外のテラヘルツ波検出器として、熱検出型テラヘルツ波検出器、テラヘルツ二乗検出器、量子検出器が知られている。
【００１２】
熱検出型テラヘルツ波検出器は、ボロメータ、焦電効果検出器、ゴーレイセルなどが該当し、テラヘルツ波を熱エネルギーとして検出するものである。非線形光学効果を用いる本発明とはまったく別である。代表的な熱型検出器については以下のとおりである。
シリコンボロメータなど４Ｋの極低温下で動作させる検出器は、比較的検出感度が高いが、液体ヘリウムを使用する必要があって、実応用で汎用的に利用できない。一方、焦電効果検出器やゴーレイセルは、常温で動作するものの、ボロメータに比べ検出感度が２ケタ以上低く、テラヘルツ波光源の高出力化が困難であるため、利用上問題となる場合が多い。
また、これらの検出器は、基本的に応答速度がマイクロ秒〜ミリ秒と遅く、時間分解分光などの高度な計測には使用できない。
【００１３】
テラヘルツ二乗検出器は、例えばショットキ・ダイオードなどが該当する。
高速動作が可能なＧａＡｓなどの半導体を用いたショットキ・ダイオードなどは、室温で動作し、ナノ秒より短い時間のパルス計測なども可能なテラヘルツ波検出器であるが、アンテナを介してテラヘルツ波を検出する構造であることから、アンテナの性能に大きく依存する。特に、アンテナ設計は、特定の周波数領域で最適となるように行うため、１〜３ＴＨｚなど広帯域にわたり高効率にテラヘルツ波検出を実現することはできない。また、テラヘルツ波は、波長がマイクロ波などと比べ短く、数百μｍ以下であるため、波長に応じて縮小され、作製時のエラーが性能に大きく寄与してしまう。
さらには、高周波数まで応答するショットキ・ダイオードは、ウィスカーアンテナが用いられ、針状のアンテナを検出器に接触させて使用する。この仕組みでは、振動などによる機械的なショックで、接触が外れる場合があり、安定したテラヘルツ波計測には問題となる。
【００１４】
量子検出器は、量子ドット検出器、半導体光伝導検出器などが該当する。
量子検出器は、感度が高く応答速度も速いが、極低温下での動作温度となるため、実応用上では、汎用的に用いられる検出器ではなく、天文など究極の性能が求められる限られた応用での利用にとどまる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】Ｙ．  Ｓａｓａｋｉ，  Ａ．  Ｙｕｒｉ，  Ｋ．  Ｋａｗａｓｅ，  ａｎｄ  Ｈ．  Ｉｔｏ，  “Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ‐ｗａｖｅ  ｓｕｒｆａｃｅ‐ｅｍｉｔｔｅｄ  ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｉｎ  ｓｌａｎｔ‐ｓｔｒｉｐｅ‐ｔｙｐｅ  ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ  ｐｏｌｅｄ  ＬｉＮｂＯ３  ｃｒｙｓｔａｌ，”  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．  ８１，  ３３２３（２００２）．
【非特許文献２】Ａ．  Ａ．  Ｂａｂｉｎ，  Ｖ．  Ｎ．  Ｐｅｔｒｙａｋｏｖ，  ａｎｄ  Ｇ．  Ｉ．  Ｆｒｅｉｄｍａｎ，  “Ｕｓｅ  ｏｆ  ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ  ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  ｂｙ  ｐｏｌａｒｉｔｏｎｓ  ｉｎ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ｓｕｂｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ  ｒａｄｉａｔｉｏｎ，”  Ｓｏｖｉｅｔ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  １３，  ９５８‐９６０  （１９８３）．
【非特許文献３】Ｙ．  Ｊ．  Ｄｉｎｇ，  ａｎｄ  Ｗ．  Ｓｈｉ，  “Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ＴＨｚ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｕｐｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  ｉｎ  ＧａＰ  ｃｒｙｓｔａｌｓ，”  Ｓｏｌｉｄ‐Ｓｔａｔｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  ５０，  １１２８‐１１３６  （２００６）．
【非特許文献４】Ｒ．  Ｇｕｏ，  Ｓ．  Ｏｈｎｏ，  Ｈ．  Ｍｉｎａｍｉｄｅ，Ｔ．  Ｉｋａｒｉ，  ａｎｄ  Ｈ．  Ｉｔｏ，  “Ｈｉｇｈｌｙ  ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  ｃｏｈｅｒｅｎｔ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｅｒａｈｅｒｔｚ  ｗａｖｅｓ  ａｔ  ｒｏｏｍ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｕｓｉｎｇ  ａ  ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ  ｐｒｏｃｅｓｓ，”  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．  ９３，  ０２１１０６  （２００８）．
【非特許文献５】Ｈｉｒｏａｋｉ  Ｍｉｎａｍｉｄｅ，  Ｊｕｎ  Ｚｈａｎｇ，  Ｒｕｉｘｉａｎｇ  Ｇｕｏ，  Ｋａｔｓｕｈｉｋｏ  Ｍｉｙａｍｏｔｏ，  Ｓｅｉｇｏ  Ｏｈｎｏ，  ａｎｄ  Ｈｉｒｏｍａｓａ  Ｉｔｏ，  “Ｈｉｇｈ‐ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｅｒａｈｅｒｔｚ  ｗａｖｅｓ  ｕｓｉｎｇ  ｎｏｎｌｉｎｅａｒ  ｕｐ‐ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  ｉｎ  ａｎ  ｏｒｇａｎｉｃ  ４‐ｄｉｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｏ‐Ｎ‐ｍｅｔｈｙｌ‐４‐ｓｔｉｌｂａｚｏｌｉｕｍ  ｔｏｓｙｌａｔｅ  ｃｒｙｓｔａｌ，”  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．  ９７，  １２１１０６  （２０１０）．
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開２０１１‐７５５８３号公報
【特許文献２】特開２０１２‐１４１５５号公報
【特許文献３】特開２０１０‐２１０９９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
非線形光学効果を用いた従来のテラヘルツ波検出手段は、非線形光学結晶として例えばニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）結晶を用いる。励起光とテラヘルツ波が、非線形光学結晶に入射すると、テラヘルツ波周波数に応じた異なる波長の検出信号光が発生するので、発生した検出信号光の強度や波長を検出することによって、テラヘルツ波の強度や周波数を測定するものである。
【００１８】
図１は、非線形光学効果を用いた従来のテラヘルツ波検出装置の模式図であり、（Ａ）は従来のテラヘルツ波検出光学系、（Ｂ）は位相整合条件を示している。
図１（Ａ）に示すように、非線形光学効果を有するバルク結晶４（この例でＬｉＮｂＯ３）を用いてテラヘルツ波３を検出するには、バルク結晶４の内部で位相整合条件（図１（Ｂ）参照）という波長変換のために必要なエネルギー保存則（ω１＝ω２＋ω３）および運動量保存則（ｋ１＝ｋ２＋ｋ３）を同時に満たさなくてはならない。
ここで、ω１は励起光１、ω２は検出信号光２、ω３はテラヘルツ波３のそれぞれ角周波数（すなわちエネルギー）、ｋ１は励起光１、ｋ２は検出信号光２、ｋ３はテラヘルツ波３のそれぞれ波数（すなわち運動量）である。
【００１９】
（１）その結果、図１（Ｂ）から明らかなように、検出信号光２は励起光１と違う角度θで進む。ここで角度θは、検出信号光２と励起光１がなす角度である。
この角度θがあることにより、励起光１と検出信号光２がバルク結晶４の内部を進行するに従って空間的に離れるため、２つの光波（励起光１と検出信号光２）が相互作用する領域（相互作用領域）は小さい。そのため従来のテラヘルツ波検出装置は、テラヘルツ波を検出容易な検出信号光へ変換する変換効率が低いという問題点があった。
（２）また、テラヘルツ波３の周波数に応じて、検出信号光２の出力位置と角度θが変化する。そのため、テラヘルツ波３の周波数が変化した場合でも発生した検出信号光２を光検出器５に導くためには、バルク結晶４の後段に補正光学系６が必要であり、系全体が大型化する。
（３）さらに、テラヘルツ波３は、シリコンプリズムなどの入力結合素子７を介して、バルク結晶４の側面から斜めに導入される。したがって、テラヘルツ波３を相互作用領域に導入させるアライメントは、屈折率の高い入力結合素子７を介して行われるため困難を伴い、かつ入力結合素子７でのテラヘルツ波導入損失（フレネル損）が大きかった。
【００２０】
本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち本発明の目的は、テラヘルツ波導入損失を低減し、かつ励起光と検出信号光の相互作用領域を大きくして、微弱なテラヘルツ波を検出容易な検出信号光へ光パラメトリック増幅により高効率に変換することができるテラヘルツ波検出装置と方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明によれば、互いに平行な入射面及び出射面と、入射面及び出射面に対し直交する受光側面とを有する斜周期分極反転素子と、
前記入射面に垂直に励起光を入射する励起光源と、
前記出射面から垂直に出射した検出信号光からテラヘルツ波を検出する光検出器と、を備え、
前記斜周期分極反転素子は、前記受光側面から垂直に入射するテラヘルツ波と前記励起光との疑似位相整合により、前記検出信号光を前記励起光と同一方向に平行に発生するように構成されている、ことを特徴とするテラヘルツ波検出装置が提供される。
【００２２】
前記疑似位相整合は、前記励起光に対する分極反転の角度と分極反転の周期とによって位相整合条件に運動量を与えるものである。
【００２３】
前記斜周期分極反転素子は、周期分極反転ニオブ酸リチウム結晶である、ことが好ましい。
【００２４】
前記斜周期分極反転素子と光検出器の間に、前記検出信号光と前記励起光の２光波から前記検出信号光のみを分離する光分離素子を備える。
【００２５】
前記光分離素子は、半透過ミラー、誘電体多層膜フィルター、又はグレイティングである。
【００２６】
前記斜周期分極反転素子と光分離素子の間に、前記検出信号光又は前記励起光の周波数を２倍にする第二高調波発生装置を備える、ことが好ましい。
【００２７】
前記光検出器は、テラヘルツ波の強度又は周波数を計測するフォトダイオード又はスペクトルアナライザである。
【００２８】
さらに、テラヘルツ波を試料に照射して通過したサンプル波を出力する試料照射光学系を備え、
前記テラヘルツ波は、前記サンプル波と試料を通過しないリファレンス波とからなり、前記光検出器によりテラヘルツ波の位相と振幅を計測する。
【００２９】
さらに、テラヘルツ波を遅延させて遅延したサンプル波を出力する時間遅延光学系を備え、
前記テラヘルツ波は、前記サンプル波と遅延しないリファレンス波とからなり、前記光検出器によりテラヘルツ波の位相と振幅を計測する。
【００３０】
前記斜周期分極反転素子は、
前記励起光又は検出信号光を内部に閉じ込めるバルク型、
該バルク型に基板を付加したリッジ型、或いは、
前記バルク型又はリッジ型の受光側面とこれに対向する側面とにそれぞれ一体化されその間より屈折率が小さい低屈折率部を有するスラブ型の導波路構造である。
【００３１】
前記斜周期分極反転素子は、並列又は直列に配置された複数の分割素子からなり、
各分割素子の分極反転の角度と分極反転の周期は、互いに異なる周波数のテラヘルツ波に対応する。
【００３２】
前記斜周期分極反転素子の入射面と励起光源を連結する光ファイバーからなる励起光ファイバーと、
前記斜周期分極反転素子の出射面に一端が結合された光ファイバーからなる検出信号光ファイバーと、
検出信号光ファイバーの他端に結合され前記検出信号光のみを前記光検出器に出力するファイバー周波数フィルターと、を備える。
【００３３】
さらに、前記斜周期分極反転素子の受光側面とテラヘルツ波光源を連結する光ファイバーからなるテラヘルツ波ファイバーを備える、ことが好ましい。
【００３４】
また本発明によれば、互いに平行な入射面及び出射面と、入射面及び出射面に対し直交する受光側面とを有する斜周期分極反転素子と、
前記入射面に垂直に励起光を入射する励起光源と、
前記出射面から垂直に出射した検出信号光からテラヘルツ波を検出する光検出器と、を準備し、
前記斜周期分極反転素子を、前記受光側面から垂直に入射するテラヘルツ波と前記励起光との疑似位相整合により、前記検出信号光が前記励起光と同一方向に平行に発生するように構成する、ことを特徴とするテラヘルツ波検出方法が提供される。
【発明の効果】
【００３５】
上記本発明の装置と方法によれば、斜周期分極反転素子が、受光側面から垂直に入射するテラヘルツ波と入射面から垂直に入射する励起光との疑似位相整合により、検出信号光を励起光と同一方向に平行に発生するように構成されているので、入力結合素子を省略してテラヘルツ波導入損失を低減することができ、かつ検出信号光を励起光と同一方向に発生かつ伝搬させることができる。
【００３６】
斜周期分極反転素子の内部（光導波路内）で励起光と同一方向に伝搬する検出信号光は、パラメトリック位相整合を満たしているので励起光により光パラメトリック増幅される。この光パラメトリック増幅は、テラヘルツ波の入射位置から斜周期分極反転素子の出射面まで継続するので、励起光と検出信号光の相互作用領域を大きくでき、テラヘルツ波を検出信号光に変換する変換効率を飛躍的に高めることができる。
【００３７】
従って、本発明によれば、テラヘルツ波導入損失を低減し、かつ励起光と検出信号光の相互作用領域を大きくして、微弱なテラヘルツ波を検出容易な検出信号光へ光パラメトリック増幅により高効率に変換することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】非線形光学効果を用いた従来のテラヘルツ波検出装置の模式図である。
【図２】本発明によるテラヘルツ波検出装置の第１実施形態を示す図である。
【図３】本発明によるテラヘルツ波検出装置の第２実施形態を示す図である。
【図４】本発明によるテラヘルツ波検出装置の第３実施形態を示す図である。
【図５】本発明によるテラヘルツ波検出装置の第４実施形態を示す図である。
【図６】本発明によるテラヘルツ波検出装置の第５実施形態を示す図である。
【図７】本発明によるテラヘルツ波検出装置の第６実施形態を示す図である。
【図８】本発明によるテラヘルツ波検出装置の第７実施形態を示す図である。
【図９】本発明によるテラヘルツ波検出装置の第８実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。
【００４０】
図２は、本発明によるテラヘルツ波検出装置１０の第１実施形態を示す図であり、（Ａ）は本発明のテラヘルツ波検出光学系、（Ｂ）は本発明の位相整合条件を示している。
【００４１】
図２において、本発明のテラヘルツ波検出装置１０は、斜周期分極反転素子１２、励起光源１４、及び光検出器１６を備える。
斜周期分極反転素子１２は、互いに平行な入射面１２ａ及び出射面１２ｂと、入射面１２ａ及び出射面１２ｂに対し直交する受光側面１２ｃとを有する。
励起光源１４は、斜周期分極反転素子１２の入射面１２ａに垂直に励起光１を入射する。
光検出器１６は、斜周期分極反転素子１２の出射面１２ｂから垂直に出射した検出信号光Ａからテラヘルツ波３を検出する。
【００４２】
励起光１は、波長１〜１０μｍの赤外レーザ光、又は可視レーザ光であることが好ましい。以下、波長１〜１０μｍの赤外レーザ光、又は可視レーザ光を「光波」と呼ぶ。
【００４３】
斜周期分極反転素子１２は、この例では、周期分極反転ニオブ酸リチウム結晶である。
【００４４】
斜周期分極反転素子１２の受光側面１２ｃは、この受光側面１２ｃから垂直に入射するテラヘルツ波３と励起光１との疑似位相整合により、検出信号光Ａを励起光１と同一方向に平行に発生するように構成されている。
疑似位相整合は、励起光１に対する分極反転の角度α（°）と分極反転の周期Λ（μｍ）とによって位相整合条件に運動量ｋΛを与えるものである。
【００４５】
疑似位相整合は、以下の式で示すことができる。
ｋΛｓｉｎα＝ｋ１−ｋ２・・・（１）
ｋΛｃｏｓα＝ｋ３      ・・・（２）
ｋΛ＝２π／Λ          ・・・（３）
ｋｊ＝ωｊｎｊ／ｃ      ・・・（４）
ここで、ｋΛは格子波数（Ｇｒａｔｉｎｇ  ｗａｖｅ  ｎｕｍｂｅｒ）、ｊは１，２，３の整数、ωは角周波数、ｎは角周波数に対する素子の屈折率、ｃは光速である。
【００４６】
また本発明によるテラヘルツ波検出方法は、図２に示すように、互いに平行な入射面１２ａ及び出射面１２ｂと、入射面１２ａ及び出射面１２ｂに対し直交する受光側面１２ｃとを有する斜周期分極反転素子１２と、入射面１２ａに垂直に励起光１を入射する励起光源１４と、出射面１２ｂから垂直に出射した検出信号光Ａからテラヘルツ波３を検出する光検出器１６と、を準備する。
また、斜周期分極反転素子１２を、受光側面１２ｃから垂直に入射するテラヘルツ波３と励起光１との疑似位相整合により、検出信号光Ａが励起光１と同一方向に平行に発生するように構成する。
【００４７】
励起光１が光波（波長１〜１０μｍの赤外レーザ光、又は可視レーザ光）である場合、検出信号光Ａも光波となる。
【００４８】
図２において、本発明のテラヘルツ波検出装置１０は、さらに、斜周期分極反転素子１２と光検出器１６の間に、検出信号光Ａと励起光１の２光波から検出信号光Ａのみを分離する光分離素子１８を備える。
光分離素子１８は、この例では励起光１を透過させ、検出信号光Ａを反射する半透過ミラーである。
【００４９】
図２において、斜周期分極反転素子１２は、分極反転した部分を斜線で示している。
斜周期分極反転素子１２は、分極反転の角度α（°）と周期Λ（μｍ）によって、位相整合条件に運動量ｋΛを与えることができる（図２（Ｂ）の位相整合条件を参照）。この疑似位相整合により、検出信号光Ａは励起光１とコリニア（平行）に発生可能になり、大きな相互作用領域を実現できる。その結果、光パラメトリック増幅が、テラヘルツ波３の入射位置から斜周期分極反転素子１２の出射面１２ｂまで継続するので、テラヘルツ波３から検出信号光Ａへの高い変換効率が得られる。
ここで「光パラメトリック増幅」とは、斜周期分極反転素子１２の内部（光導波路内）で励起光１と同一方向に検出信号光Ａが伝搬するので、励起光１のエネルギーにより検出信号光Ａが増幅される現象を意味する。
また、テラヘルツ波３を斜周期分極反転素子１２の受光側面１２ｃから垂直に入射できるので、入力結合素子７（図１参照）が不要になり、入力結合素子７によるテラヘルツ波導入損失（フレネル損）をなくすことができる。
【００５０】
図３は、本発明によるテラヘルツ波検出装置１０の第２実施形態を示す図である。
この図において、本発明のテラヘルツ波検出装置１０は、さらに、テラヘルツ波３を試料Ｓに照射して通過したサンプル波３ａを出力する試料照射光学系２０を備える。
試料照射光学系２０は、この例では、斜周期分極反転素子１２の受光側面１２ｃに垂直に入射するテラヘルツ波３の一部を試料Ｓに向けて反射する第１ミラー２０ａと、試料Ｓを透過したテラヘルツ波３（サンプル波３ａと呼ぶ）を斜周期分極反転素子１２の受光側面１２ｃに向けて反射する第２ミラー２０ｂとを有する。
この構成により、斜周期分極反転素子１２の受光側面１２ｃに垂直に入射するテラヘルツ波３は、サンプル波３ａと試料Ｓを通過しないリファレンス波３ｂとからなる。
また、光検出器１６は、テラヘルツ波３（サンプル波３ａとリファレンス波３ｂ）の強度又は周波数を計測するフォトダイオード又はスペクトルアナライザである。
図３のテラヘルツ波検出装置１０の構成により、テラヘルツ波３を分光して、テラヘルツ波３の位相と振幅を計測することができる。
またこの構成により、テラヘルツ波検出装置１０をテラヘルツ波による光変調器として用いることができる。
【００５１】
図４は、本発明によるテラヘルツ波検出装置１０の第３実施形態を示す図である。
この図において、本発明のテラヘルツ波検出装置１０は、さらに、テラヘルツ波３を遅延させて遅延したサンプル波３ａを出力する時間遅延光学系２２を備える。
時間遅延光学系２２は、この例では、斜周期分極反転素子１２の受光側面１２ｃに垂直に入射するテラヘルツ波３の一部を受光側面１２ｃ以外に向けて反射する第１ミラー２２ａと、第１ミラー２２ａで反射したテラヘルツ波３（サンプル波３ａと呼ぶ）を斜周期分極反転素子１２の受光側面１２ｃに向けて反射する第２ミラー２２ｂとを有する。
第２ミラー２２ｂは、第１ミラー２２ａに対して相対的に移動可能であり、その移動によりサンプル波３ａを受光側面１２ｃに直接入射するテラヘルツ波３（リファレンス波３ｂと呼ぶ）に対して遅延させるようになっている。
図４のテラヘルツ波検出装置１０の構成により、時間遅延光学系２２を用いることで、テラヘルツ波３の位相と振幅を計測することができる。
またこの構成によっても、テラヘルツ波検出装置１０をテラヘルツ波による光変調器として用いることができる。
【００５２】
図５は、本発明によるテラヘルツ波検出装置１０の第４実施形態を示す図である。
この図において、斜周期分極反転素子１２は、バルク型（Ａ）、リッジ型（Ｂ）、又はスラブ型（Ｃ）の導波路構造である。
【００５３】
バルク型（Ａ）の導波路構造は、励起光１又は検出信号光Ａを全反射させてその内部に閉じ込めるようになっている。
リッジ型（Ｂ）の導波路構造は、バルク型（Ａ）に基板１３ａを付加したものであり、バルク型（Ａ）と同様に励起光１又は検出信号光Ａを全反射させてその内部に閉じ込めるようになっている。
スラブ型（Ｃ）の導波路構造は、バルク型（Ａ）又はリッジ型（Ｂ）の受光側面１２ｃとこれに対向する側面とにそれぞれ一体化されその間の屈折率ｎａより屈折率ｎｂが小さい低屈折率部１３ｂを有する。
【００５４】
リッジ型（Ｂ）又はスラブ型（Ｃ）のような導波路構造の場合、光波（励起光１と検出信号光Ａ）は分斜周期分極反転素子１２の内部に閉じ込められる。この構成により、狭い領域に閉じ込められた光波は、パラメトリック位相整合を満たしているので励起光１により光パラメトリック増幅される非線形光学効果を誘起し、高効率に検出信号光Ａを発生させることができる。
【００５５】
図６は、本発明によるテラヘルツ波検出装置１０の第５実施形態を示す図であり、（Ａ）は斜周期分極反転素子１２の構成図、（Ｂ）はテラヘルツ波３の周波数ｆと分極反転角度α及び周期Λとの関係図である。
【００５６】
図６（Ａ）において、斜周期分極反転素子１２は、並列に配置された複数の分割素子１２−１、１２−２、１２−３からなる。
各分割素子１２−１、１２−２、１２−３の分極反転の角度αと分極反転の周期Λは、互いに異なる周波数のテラヘルツ波３に対応している。
【００５７】
図６（Ｂ）は、０．５ＴＨｚ〜３ＴＨｚのテラヘルツ波３に対して、位相整合を得られる分極反転角度α（°）と周期Λ（μｍ）を計算した結果である。入力テラヘルツ波周波数がｆ１，ｆ２，ｆ３のとき、それぞれ分極反転の角度（α１，α２，α３）と周期（Λ１，Λ２，Λ３）が図６（Ｂ）からわかる。従って、図６（Ａ）に示すように、それぞれの周波数（ｆ１，ｆ２，ｆ３）に対応する３つの分割素子１２−１、１２−２、１２−３を重ねた斜周期分極反転素子１２を作成することによって、テラヘルツ波３の周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３を検出できる。
また、分割素子は３つに限定されず、重ねる分割素子をさらに増やすことで、広帯域のテラヘルツ波３を検出することができる。
【００５８】
図７は、本発明によるテラヘルツ波検出装置１０の第６実施形態を示す図であり、（Ａ）は斜周期分極反転素子１２の構成図、（Ｂ）はテラヘルツ波３の周波数ｆと分極反転角度α及び周期Λとの関係図である。
【００５９】
図７（Ａ）において、斜周期分極反転素子１２は、直列に配置された複数の分割素子１２−１、１２−２、１２−３からなる。
各分割素子１２−１、１２−２、１２−３の分極反転角度α（°）と周期Λ（μｍ）は、互いに異なる周波数のテラヘルツ波３に対応している。
その他の構成は、図６と同様である。
この構成により、分割素子１２−１、１２−２、１２−３を直列に配置した場合においても、図６と同様に広帯域のテラヘルツ波３を検出することができる。
【００６０】
図８は、本発明によるテラヘルツ波検出装置１０の第７実施形態を示す図である。
この図において、光分離素子１８は、（Ａ）誘電体多層膜フィルター１８Ａ又は（Ｂ）グレイティング１８Ｂである。
【００６１】
本発明では、励起光１と検出信号光Ａがコリニアに伝搬するため、励起光１と検出信号光Ａの２光波を空間的、あるいは周波数的に分離したのち、光検出器１６へ導入することが好ましい。
図８に示すように、励起光１と検出信号光Ａの２光波を分離するための光分離素子１８として斜周期分極反転素子１２の後段に、誘電体多層膜フィルター１８Ａ又はグレイティング１８Ｂを設けることが好ましい。分離された検出信号光Ａは光検出器１６で検出される。
【００６２】
また、図８（Ｃ）において符号１９は第二高調波発生装置である。
第二高調波発生装置１９は、斜周期分極反転素子１２と光分離素子１８（図示せず）の間に設けられ、検出信号光Ａ又は励起光１の周波数を２倍にすることが好ましい。
この構成により、検出信号光Ａ又は励起光１の周波数を倍加して、光検出器１６で容易に検出しやすい波長（例えば可視光）に変換することができる。
【００６３】
図９は、本発明によるテラヘルツ波検出装置１０の第８実施形態を示す図である。
この図において、本発明のテラヘルツ波検出装置１０は、さらに励起光ファイバー２４、テラヘルツ波ファイバー２６、検出信号光ファイバー２８、及びファイバー周波数フィルター３０を備える。
【００６４】
励起光ファイバー２４は、斜周期分極反転素子１２の入射面１２ａと励起光源１４を連結する光ファイバーからなる。
テラヘルツ波ファイバー２６は、斜周期分極反転素子１２の受光側面１２ｃとテラヘルツ波光源を連結する光ファイバーからなる。
なお、テラヘルツ波ファイバー２６は、必須ではなく、これを省略してもよい。
検出信号光ファイバー２８は、斜周期分極反転素子１２の出射面１２ｂに一端が結合された光ファイバーからなる。
ファイバー周波数フィルター３０は、検出信号光ファイバー２８の他端に結合され検出信号光Ａのみを光検出器１６に出力する。
【００６５】
図９において、励起光１およびテラヘルツ波３は、それぞれ励起光ファイバー２４、テラヘルツ波ファイバー２６を介して斜周期分極反転素子１２に導入される。斜周期分極反転素子１２から出力された２光波（励起光１と検出信号光Ａ）は、検出信号光ファイバー２８へ結合され、ファイバー周波数フィルター３０へ導入される。ファイバー周波数フィルター３０で検出信号光Ａのみを取り出し、光検出器１６で検出信号光Ａを検出する。この時、ファイバー増幅器３２によって検出信号光Ａを増幅したのち、光検出器１６で測定することによって、微弱な検出信号光Ａを検出でき、結果として、テラヘルツ波３の検出感度の向上が可能である。
【００６６】
また、図９の構成において、励起光ファイバー２４と検出信号光ファイバー２８は光波の損失が少ないため、伝送距離を長距離（例えば数十ｍ〜数ｋｍ）にできるので、テラヘルツ波３を斜周期分極反転素子１２で増幅又は変調することによりテラヘルツ波３の位相と振幅を遠隔から計測することができる。
この構成により、本発明によるテラヘルツ波検出装置１０を光ファイバーネットワークに適用することができる。またその際に、２光波（励起光１と検出信号光Ａ）を伝送波、テラヘルツ波３を変調波として用いることができる。
【００６７】
上述した本発明の装置と方法によれば、斜周期分極反転素子１２が、受光側面１２ｃから垂直に入射するテラヘルツ波３と入射面１２ａから垂直に入射する励起光１との疑似位相整合により、検出信号光Ａを励起光１と同一方向に平行に発生するように構成されているので、入力結合素子７を省略してテラヘルツ波導入損失を低減することができ、かつ検出信号光Ａを励起光１と同一方向に発生かつ伝搬させることができる。
【００６８】
斜周期分極反転素子１２の内部（光導波路内）で励起光１と同一方向に伝搬する検出信号光Ａは、パラメトリック位相整合を満たしているので励起光１により光パラメトリック増幅される。この光パラメトリック増幅は、テラヘルツ波３の入射位置から斜周期分極反転素子１２の出射面１２ｂまで継続するので、励起光１と検出信号光Ａの相互作用領域を大きくでき、テラヘルツ波３を検出信号光Ａに変換する変換効率を飛躍的に高めることができる。
【００６９】
従って、本発明によれば、テラヘルツ波導入損失を低減し、かつ励起光１と検出信号光Ａの相互作用領域を大きくして、光パラメトリック増幅により微弱なテラヘルツ波３を検出容易な検出信号光Ａへ高効率に変換することができる。
【００７０】
また、上述した本発明の実施形態によれば、以下の付随した効果も得ることもできる。
図３に示した構成により、テラヘルツ波３を分光して、テラヘルツ波３の強度や周波数を計測することができる。
図４に示した構成により、テラヘルツ波３の位相計測が可能である。
図６、図７に示した構成により、異なる周波数のテラヘルツ波３を検出することができる。
図９に示した構成により、光ファイバー技術と融合することで小型化および安定化できる。また光導波路技術を用いて、より高効率化できる。
【００７１】
なお、本発明は上述した実施例及び実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【符号の説明】
【００７２】
α（α１，α２，α３）  分極反転の角度
Λ（Λ１，Λ２，Λ３）  分極反転の周期
ｋΛ  運動量
Ａ  検出信号光
Ｓ  試料
ｆ（ｆ１，ｆ２，ｆ３）  周波数
１  励起光
２  検出信号光
３  テラヘルツ波
３ａ  サンプル波
３ｂ  リファレンス波
４  バルク結晶
５  光検出器
６  補正光学系
７  入力結合素子
１０  テラヘルツ波検出装置
１２  斜周期分極反転素子（周期分極反転ニオブ酸リチウム結晶）
１２−１、１２−２、１２−３  分割素子
１２ａ  入射面
１２ｂ  出射面
１２ｃ  受光側面
１３ａ  基板
１３ｂ  低屈折率部
１４  励起光源
１６  光検出器（フォトダイオード、スペクトルアナライザ）
１８  光分離素子
１８Ａ  誘電体多層膜フィルター
１８Ｂ  グレイティング
１９  第二高調波発生装置
２０  試料照射光学系
２０ａ  第１ミラー
２０ｂ  第２ミラー
２２  時間遅延光学系
２２ａ  第１ミラー
２２ｂ  第２ミラー
２４  励起光ファイバー
２６  テラヘルツ波ファイバー
２８  検出信号光ファイバー
３０  ファイバー周波数フィルター
【図１】
2014203025.tif 000003
【図２】
2014203025.tif 000004
【図３】
2014203025.tif 000005
【図４】
2014203025.tif 000006
【図５】
2014203025.tif 000007
【図６】
2014203025.tif 000008
【図７】
2014203025.tif 000009
【図８】
2014203025.tif 000010
【図９】
2014203025.tif 000011