(57)【要約】【課題】  本発明は生体分子の同定、癌細胞やウイルスの検出、ＩＣ部品検査、水分の検出など広範な応用に役立つ周波数可変テラヘルツ電磁波発生装置に関して、小型で出力変動が小さく、高速の測定が可能で、人の手によって移動させて測定することができ、微量分子測定にも適した可変周波数テラヘルツ電磁波発生装置及び方法を提供する。【解決手段】  高出力単一波長の半導体レーザをポンプ光源及び信号光源とし、導波路構造などにより、テラヘルツ電磁波が充分に小さい断面積内で同軸方向に位相整合された相互作用を起こさせることにより、効率良くテラヘルツ電磁波を発生させる。【選択図】  図２
2006091802.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプ光と信号光とを光非線形性結晶に導入してそれぞれの周波数の差に等しい周波数のテラヘルツ電磁波（ＴＨｚ波）を発生する装置及び方法において、ポンプ光源、信号光源の少なくとも一方が半導体レーザであり、光非線形性結晶内でポンプ光と信号光、テラヘルツ光がコリニアすなわちほぼ同一の光路で相互作用してテラヘルツ光が取り出されるように入射光学系及び光非線形性結晶が配置されていることを特徴とするテラヘルツ電磁波発生装置及び方法。
【請求項２】
ポンプ光を光非線形性結晶に導入して信号光を発振せしめ、ポンプ光と信号光の周波数の差に等しい周波数のテラヘルツ電磁波（ＴＨｚ波）を発生する装置及び方法において、ポンプ光源が半導体レーザまたは半導体レーザで励起される固体レーザであり、光非線形性結晶内でポンプ光と信号光、テラヘルツ光がコリニアすなわちほぼ同一の光路で相互作用してテラヘルツ光が取り出されるように入射光学系及び光非線形性結晶が配置されていることを特徴とするテラヘルツ電磁波発生装置及び方法。
【請求項３】
ポンプ光を第一の光非線形性結晶に導入して信号光を発振せしめ、前記ポンプ光と信号光を第二の光非線形結晶に導入してそれらの周波数の差に等しい周波数のテラヘルツ電磁波（ＴＨｚ波）を発生する装置及び方法において、ポンプ光源が半導体レーザまたは半導体レーザで励起される固体レーザであり、第二の光非線形性結晶内でポンプ光と信号光、テラヘルツ光がコリニアすなわちほぼ同一の光路で相互作用してテラヘルツ光が取り出されるように入射光学系及び光非線形性結晶が配置されていることを特徴とするテラヘルツ電磁波発生装置及び方法。
【請求項４】
前記光非線形性結晶の少なくとも一つが、テラヘルツ電磁波に対して導波路構造を有していることを特徴とする請求項１乃至３に記載のテラヘルツ電磁波発生装置及び方法。
【請求項５】
前記入射光学系が所定の最小ビーム半径とコリニアな相互作用に必要な長さのビームウェスト長を与えるレンズであることを特徴とする請求項１乃至３に記載のテラヘルツ電磁波発生装置及び方法。
【請求項６】
前記半導体レーザがＩｎＧａＡｓＰ系レーザであることを特徴とする請求項１乃至３に記載のテラヘルツ電磁波発生装置及び方法。
【請求項７】
前記半導体レーザが外部共振器を有する波長可変レーザであることを特徴とする請求項１乃至３に記載のテラヘルツ電磁波発生装置及び方法。
【請求項８】
前記半導体レーザがＩｎＧａＡｌＮ系レーザであることを特徴とする請求項１乃至３に記載のテラヘルツ電磁波発生装置及び方法。
【請求項９】
前記ポンプ光ないしは信号光がＩｎＧａＡｌＮ系レーザでポンプされるパラメトリックレーザの出力光であることを特徴とする請求項１乃至３に記載のテラヘルツ電磁波発生装置及び方法。
【請求項１０】
前記半導体レーザの少なくとも一つの出力光が希土類添加ファイバ増幅器によって増幅されることを特徴とする請求項１乃至３に記載のテラヘルツ電磁波発生装置及び方法。
【請求項１１】
前記希土類添加ファイバ増幅器がＥｒ添加ファイバ増幅器であり、前記光非線形性結晶がＧａＳｅ結晶であることを特徴とする請求項１０に記載のテラヘルツ電磁波発生装置及び方法。
【請求項１２】
前記光非線形性結晶がＧａＰ，ＧａＮ，ＺｎＳ，ＺｎＯ，ＣｄＳｅ，ＧａＳｅ，ＺｎＧｅＰ２から選ばれることを特徴とする請求項１乃至３に記載のテラヘルツ電磁波発生装置及び方法。
【請求項１３】
前記光非線形性結晶が屈折率異方性を有する結晶であることを特徴とする請求項１乃至３に記載のテラヘルツ電磁波発生装置及び方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明はレーザ光源を使ったテラヘルツ帯の周波数可変電磁波発生装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】  高出力のパルスレーザ光をＧａＰなどの半導体やＬｉＮｂＯ３などの誘電体に照射し、ポンプ光、信号光と呼ぶ二つのレーザ光の差周波数に等しいテラヘルツ帯電磁波（ＴＨｚ波）を発生することができる。ひとつのポンプパルスレーザを使い、ラマン発振あるいはパラメトリック発振によって信号光を生じさせ、発振した信号光と、もとのポンプ光との差周波数に等しいＴＨｚ波を発生させることも行われている。発生するＴＨｚ波は周波数可変であり、これを光源として、分子の共振スペクトルを測定し、生体分子の同定、癌細胞やウイルスの検出、ＩＣ部品検査、水分の検出など広範な応用に役立てることができる。なお、ここではＴＨｚ波とは、およそ０．１ＴＨｚから１００ＴＨｚの間の周波数を有する電磁波を意味する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】  従来、可変周波数ＴＨｚ波の発生においてはポンプ光源及び信号光源としてはＯＰＯレーザ（オプティカル・パラメトリック・オシレータ）やＹＡＧレーザなどの高出力パルスレーザを使用している。これらのパルスレーザの場合、パルス幅は極めて短く、５ｎｓｅｃから２０ｎｓｅｃであり、出力は数百ｋＷと大きいが、フラッシュランプでＹＡＧレーザを励起するため繰り返し周波数は１０Ｈｚ程度と極めて低く、したがって、スペクトル測定やイメージング測定を高速で行うことは困難であった。また、これらのパルスレーザは大型であり、装置全体を小型にすることが困難なため、自由に測定現場に移動させることができなかった。さらに、フラッシュランプ励起のパルスレーザはパルス出力値および時間波形がパルスごとに変動するために、ＴＨｚ波出力の変動を引き起こし、サンプルの透過や反射スペクトル測定や、イメージング測定のＳ／Ｎを低下させていた。このためｐｐｍオーダーの微量分子の計測は困難であった。【０００４】  本発明はこれらの欠点を除き、小型で出力変動が小さく、高速の測定が可能で、人の手によって移動させて測定することができ、微量分子測定にも適した可変周波数ＴＨｚ波発生装置及び方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】  ポンプ光源、及び信号光源として半導体レーザを利用する。半導体レーザは電流または光で励起されるため連続波出力（ＣＷ）を得ることができ、また連続波出力を得られるレーザダイオードに電流変調などによるモードロックを行えば、出力変動のない安定なパルスを得ることができる。あるいは、１μｓ程度の長い電流パルスや光パルスでレーザダイオードを励起すれば、安定でかつ比較的高い出力を得ることができる。フラッシュランプ励起高出力パルスレーザに比べて出力が低いという問題があるが、これを解決するためにＴＨｚ波を発生する光非線形性結晶中の光路断面積Ｓを従来の高出力レーザのビーム断面積が１０−１ｃｍ２程度であるのに対して、１０−３以下の細い光路とする。ここで光非線形性結晶とはラマン効果や屈折率の非線形性、ポッケルス効果、カー効果などの光非線形効果を示す結晶を意味する。Ｓを微小にするには光非線形性結晶を導波路構造にするのが一つの方法である。もう一つの方法としては、ポンプ光、信号光の入射レンズの焦点距離を適当に選ぶことにより、ビーム最小半径を必要な光断面積Ｓとなるようにし、かつ差周波数発生に必要な光路長ｌを得られるようにすることができる。【０００６】  一般にＴＨｚ出力強度ＩＤはポンプ光強度Ｉ１、信号光強度Ｉ２の両方に比例するから、ＩＤ＝ＡＩ１Ｉ２と表わせる。導波路の断面積をＳ、ＴＨｚ波、ポンプ光、信号光のパワーをそれぞれＰＤ、Ｐ１、Ｐ２  とすれば、それぞれの強度はＩＤ＝ＰＤ／Ｓ，Ｉ１＝Ｐ１／Ｓ，Ｉ２＝Ｐ２／Ｓである。これよりＰＤ＝（Ａ／Ｓ）Ｐ１Ｐ２となる。すなわちポンプ光、信号光のパワーが同じでも、ＴＨｚ出力パワーは断面積に反比例して大きくすることができる。【０００７】  しかし、導波路構造やレンズで絞った細い光路を使う場合、周波数可変にするためにＧａＰやＬｉＮｂＯ３で従来、行われている角度整合法を適用することができない。角度整合法においては、結晶に入射するポンプ光と信号光のなす角度を平行ではなく、ＴＨｚ周波数に依存して変えることによってＴＨｚ周波数を可変にしているのであるが、このような方法では、ビーム断面積が小さい場合、ポンプ光と信号光の空間的な重なりが得られないことになる。【０００８】  したがって、本方法においてはポンプ光、信号光、ＴＨｚ波は全て導波路の方向あるいは同一の光路方向に進行させなければならない。これをコリニア（ｃｏｌｉｎｅａｒ）と言う。コリニアな相互作用をおこさせるにはポンプ光と信号光の差周波数の非線形分極の位相速度を決める等価屈折率ｎｅｆｆと、発生したＴＨｚ波電磁波自体の位相速度を決める屈折率ｎＩとが一致させればよい。  ｎｅｆｆは波長分散の効果により、近似的に
【数１】
ｎｅｆｆ＝ｎ２＋ｖ１ｄｎ／ｄｖ
で与えられ、ポンプ光の周波数ｖ１を小さくすると（波長を長くすると）僅かづつ減少する。
【０００９】  一方、ｎＩはいわゆるポらリトンモードとなる。すなわち、
【数２】
ｎＩ２＝（εｓｖ０２−ε０２ｖ２）／（ｎ０２−ｖ２）
と与えられ、格子の共振周波数ｖ０以下では、ＴＨｚ波の周波数ｖが高くなるほど屈折率ｎＩが大きくなる。そのため、光非線形性結晶としてＧａＰバルク結晶を選んだ場合は、ＴＨｚ周波数が１ＴＨｚ以下の場合、ポンプ光波長約λ１＝９９０ｎｍにおいて、ポンプ光、信号光、ＴＨｚ波が同一方向、すなわちコリニアな相互作用が得られることが知られている。ＴＨｚ波の周波数を１ＴＨｚを超えて次第に大きくしていった場合についてコリニアな相互作用を得るには、ｎＩが大きくなる分だけｎｅｆｆを大きくするため、ポンプ光の波長を短くすればよい。したがって、周波数可変のＴＨｚ波を発生させるにはポンプ光も信号光も波長可変型の半導体レーザを使用する。
【００１０】  なお、λ１＝が９９０ｎｍより大きい場合はｎＩ＞ｎｅｆｆ、となり、バルクＧａＰ結晶の場合は、角度整合が可能となるがコリニアな相互作用は得られない。しかし、ＴＨｚ波に対して以下に述べるように、導波路効果を持たせれば導波路の実効屈折率が低下し、λ１＝が９９０ｎｍ以上であってもコリニアな相互作用を生じさせることができる。
【００１１】  ＴＨｚ波発生部が導波路構造を持っている場合は、導波路軸方向位相速度、すなわち管内位相速度を決める実効的屈折率が低下する。導波路の代表的構造は図１のように断面寸法がそれぞれａの矩形断面を有する長さｌの導波路である。バルク結晶中のＴＨｚ波の波長をλｃ、管内波長すなわち導波路軸方向の波長をλｗとすると、導波路断面の寸法がλｃに対して無視し得ないほど小さくなると導波路内をＴＨｚ波の基本モードが伝播している場合、
【数３】
λｃ−２＝λｗ−２＋（２ａ）−２＋（２ａ）−２
と近似できるから導波路の断面寸法を小さくするにつれて管内波長λｗが長くなる、すなわち導波路の実効屈折率ｎｗが小さくなる。ここで、ｎｗ＝λ０／λｗ，ｎＩ＝λ０／λｃ（λ０は真空中のＴＨｚ波の波長）、である。
【００１２】  したがって、導波路の断面寸法を適当に選べば、所定のＴＨｚ周波数における導波路の実効屈折率ｎｗがポンプ光と信号光の差周波数の分極の等価屈折率ｎｅｆｆに一致するようにポンプ光周波数を選ぶことができる。したがって、ＴＨｚ波を掃引するには、導波路効果も考慮してｎｅｆｆがｎｗに等しくなるようにポンプ光の周波数と信号光の周波数を同時に変えてやればよい。
【００１３】  一方、導波路を使わず、バルク状の光非線形性結晶にポンプ光と信号光をレンズを使って細く絞る方式においては、ＴＨｚ波の周波数が低くなり波長が長くなるにつれて、ＴＨｚビームが、ポンプ光・信号光ビームに比べて大きく広がるためＴＨｚ波発生効率が低下することになるが、ＴＨｚ周波数が高い領域では十分に利用できる。
【発明の効果】
【００１４】  本発明はＴＨｚ帯のスペクトル測定及びイメージング測定に利用される、小型で出力が安定した、高速の測定が可能で、人の手によって移動させて測定することができ、微量分子測定にも適した可変周波数ＴＨｚ波発生装置及び方法を提供する。
【発明を実施するための最良の形態実施例１】
【００１５】  ＩｎＧａＡｓＰ系半導体レーザは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、ポンプ光源としては中心波長９５５ｎｍ、信号光源としては中心波長９７５ｎｍの半導体レーザを使用する。図２において１，２はそれぞれ、ポンプ光源半導体レーザ、信号光源半導体レーザである。３は二つの半導体レーザビームをコリニアなビームに合成するためのキュービック偏光子である。４は集光レンズ、５は光非線形性結晶によるＴＨｚ波発生部、６はポンプ光及び信号光を除去するためのＧｅフィルタである。７は透過度測定用サンプル、８は光チョッパ、９はＴＨｚ波を検知するＳｉボロメータ、１０はロックイン増幅器である。
【００１６】  ＴＨｚ波発生部５はＧａＰ結晶導波路であり、図３に示すように、導波路軸方向は＜１１０＞、垂直方向は＜００１＞である。このような構造は、１００μｍの厚みに両面研磨した＜００１＞ＧａＰウェーハを＜１１０＞及び＜１−１０＞方向にへきかいすることによって製作することができる。断面寸法ａの代表的な値は１００μｍであり、断面積Ｓ＝１０−４ｃｍ２となる。ａは大きくとも３００μｍ以下、すなわち、Ｓ＜１０−３ｃｍ２であることが望ましい。導波路の長さｌは１ｍｍから１０ｍｍ程度であり、代表的な値は５ｍｍである。
【００１７】  二つの半導体レーザ１，２は図４のように、いずれも、マスタオシレータ１１とパワ増幅器１２の構成でできており、マスタオシレータの発振波長はレーザダイオードの外部に設けたグレーティング１３と共振器ミラ１４，１５によって、中心波長に対して約＋−８ｎｍ変化させることができる。パワ増幅器は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の出力を入射して増幅する。パワ増幅器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。各半導体レーザのグレーティングによってポンプ光波長を９６０ｎｍ，信号光波長を９７５ｎｍに選べば差周波数は４．８ＴＨｚとなり、かつコリニアな位相整合を得ることができる。ＴＨｚ波周波数を４．８ＴＨｚよりさらに大きくするためにはポンプ光の波長を固定しておくのではなく、先に述べた原理により、波長を短くしてコリニアな位相整合が維持されるようにしなければならない。例えば６ＴＨｚのＴＨｚ波を得るにはポンプ光波長を９５２ｎｍまで短くし，差周波数が６ＴＨｚとなるように信号光波長を９７０ｎｍに選べばよい。いずれの周波数でも、ＴＨｚ出力として１ｎＷ程度の連続波出力を得ることができる。
【実施例２】
【００１８】  光非線形性結晶としてＧａＳｅ単結晶を選ぶ。ＧａＳｅは光学異方性を有するのでＴＨｚ波周波数変化に伴って結晶方位を変化させてコリニアな相互作用を生じさせる。図５においてポンプ光源１、信号光源２は実施例１と同様に連続波出力のＩｎＧａＡｓＰ系半導体レーザである。１６は集光用レンズ、１７はＧａＳｅ結晶、１８は結晶をそのｚ軸の周りに回転させる回転機構、１９，２０はＴＨｚ波を集光する非軸法物面鏡である。その後の受光系は実施例１と同じであるから説明を省略する。【００１９】  信号光源半導体レーザは、例えば、中心波長１０６０ｎｍに固定し，出力０．５Ｗである。一方、ポンプ光源半導体レーザは実施例１と同様にグレーティングと外部共振器を有する可変波長型とし、中心波長９４０ｎｍ、波長可変範囲＋−８ｎｍ、出力は０．５Ｗである。ポンプ光を９３２ｎｍから９４８ｎｍまで掃引することにより信号光との差周波数として３８．９ＴＨｚから３３．４ＴＨｚまでのＴＨｚ波出力が得られる。これ以上の周波数幅にわたって掃引するには、組成の選択によりさらに波長の長い信号光源レーザを選べばよい。たとえば、中心波長９５６ｎｍ，可変波長範囲＋−８ｎｍを選べば、さらに３３．４ＴＨｚから２８．２ＴＨｚまで掃引することができる。ＧａＳｅの場合、このように信号光源を置換することで低周波側は約１２ＴＨｚまで発生させることができる。例えば、信号光源として中心波長１０１６ｎｍ，可変波長範囲＋−８ｎｍを選び、ポンプ光源も波長可変形にして中心波長１０６０ｎｍ，波長可変範囲＋−８ｎｍとすることによってＴＨｚ周波数の可変範囲を１７ＴＨｚから１２ＴＨｚまで掃引することができる。【００２０】  発生し得る高いＴＨｚ周波数の限界はＧａＳｅの場合、約１００ＴＨｚまでである。このような高周波数のテラヘルツ波も同様な方法で得ることができる。例えば、ＩｎＧａＡｓＰ系レーザの組成を選択することによってポンプ光として波長９００ｎｍ、信号光として波長１２８８ｎｍとすれば差周波数を１００ＴＨｚとすることができる。【００２１】  位相整合するには、ＴＨｚ周波数によって結晶方位を変化させる必要があるので導波路構造を用いることができない。そこでポンプ光、信号光ビームを焦点距離ｆの比較的長い集光用レンズを使い、焦点距離に配置されたＧａＳｅ結晶の入射面において半径３０−１５０μｍのビーム径に絞り、コリニアなビームとなるように配置すれば実施例１と同様のＴＨｚ波出力を得ることができる。ＧａＳｅの光軸方向の厚みは１ｍｍから１０ｍｍの範囲であり代表的な値は５ｍｍである。この厚みの範囲内ではビームが実質的に広がらないようにする。【００２２】  ガウスビームの理論によれば、半径ｗの平行ビームを焦点距離ｆの単レンズで絞った場合、最小ビーム半径ｗ０はおよそ、ｗ０＝（πｆ／λｗ）で与えられ、また、ビーム径が最小径ｗ０の１．４倍まで広がる距離はｌｅｆｆ＝２πｗ０２／λで与えられる。したがって、半導体レーザのビーム半径がｗ＝１ｍｍ，波長λ＝１μｍ、のとき、ＴＨｚ波発生に必要な入射ポンプ光、信号光のビーム径を実施例１と同等のｗ０＝６０μｍとすると、必要なレンズの焦点距離はｆ＝２８０ｍｍとなる。また、このとき、ｌｅｆｆ＝２���ｍｍを得る。ＴＨｚ波発生に必要なＧａＳｅの結晶長は通常１ｍｍから１０ｍｍが適当であるから、ｌｅｆｆの値より小さい。したがって、結晶内でビーム断面積は２倍までは広がらないから光路全長に渉って差周波発生に必要な強い相互作用を得ることができる。ＴＨｚ出力は実施例１と同程度である。【００２３】  ポンプ光源は上記と同じ半導体レーザであるが、信号光源として半導体レーザを直接使うのでなく、大出力半導体レーザで励起するＹＡＧレーザを使っても良い。この場合の大出力半導体レーザはスタック形に構成された複数の半導体レーザであり、波長幅は極めて広いが、１０Ｗ程度の出力を発生するので、これによってＹＡＧロッドを励起する。ＹＡＧレーザの発振波長は１０６４ｎｍ、ＣＷ出力は１Ｗから０．５Ｗ程度である。したがって、ＴＨｚ波出力は１−２ｎＷである。大出力半導体レーザをパルス電流で駆動することにより、ＹＡＧレーザをＱスイッチ発振させることができる。この場合はＹＡＧレーザパルス出力１ｋＷ、パルス幅１０−５０ｎｓ、繰り返し周波数約１ｋＨｚから１０ｋＨｚを得ることができる。その結果、ＴＨｚ波出力は１μＷ以上のパルス出力を得ることができる。
【実施例３】
【００２４】  ＩｎＧａＡｌＮ系半導体レーザ（ＧａＮ，ＩｎＧａＮを含む）は組成によって波長３５０ｎｍから５５０ｎｍの範囲の短波長出力を得ることができる。ＩｎＧａＡｌＮ系半導体レーザは極めて効率が高いので大出力を得るのに適している。ポンプ光源、信号光源として中心発振波長４０５ｎｍと４２５ｎｍの二つのレーザを選択する。これらは実施例１と同様の外部共振器構成とし、マスタオシレータとパワ増幅器で構成されておりグレーティングによって波長を変えることができる。さらにマスタオシレータに対して１００ＭＨｚ程度の電流変調を行うと、モードロック状態となり、パルス幅１００ｐｓの安定したパルス出力が得られ、その繰り返し周波数は１００ＭＨｚであり、十分に高速の繰り返し周波数となる。この出力をパワ増幅器によって増幅しパルス出力１０Ｗ以上を得ることができる。光非線形性結晶としては、ポンプ光、信号光波長において透明でかつ光学異方性を有する六方晶型結晶、ＺｎＳ，ＺｎＯ，ＧａＮなどを利用する。光学異方性を使ってコリニアな位相整合を行うにはＴＨｚ周波数に依存して結晶を光学軸の周りに回転させ、最適な方向で相互作用を行わせる必要がある。各半導体レーザの出力を焦点距離２０ｃｍから６０ｃｍのレンズを用いてビームを絞ると、最小半径５０μｍ  有効相互作用距離２０ｍｍを得ることができるので、相互作用の長さとして十分な距離となる。ポンプ光波長４０５ｎｍ，信号光波長４２０ｎｍにおいて出力ＴＨｚ波の周波数は２６．５ＴＨｚ、すなわち１１．３μｍとなる。またたとえば、信号光の波長をグレーティングを回転させて４３０ｎｍとすればＴＨｚ周波数は４３．１ＴＨｚすなわち波長６．９μｍとなる。さらにＴＨｚ周波数を大きくするには別の組成のＩｎＧａＡｌＮ系レーザを信号光として用いる。たとえば１００ＴＨｚを発生するには波長４６８ｎｍの半導体レーザをポンプ光源として用いる。モードロッキングを行わないときはＴＨｚ波出力は１０μＷ程度の連続波が得られる。またモードロッキングをおこなえばパルス幅１００ｐｓ，パルス出力１０ｍＷ，繰り返し周波数１００ＭＨｚのＴＨｚ波を得ることができる。
【実施例４】
【００２５】  波長４０５ｎｍのＩｎＧａＡｌＮ系半導体レーザのパルス出力をＢＢＯ（β−Ｂ２Ｏ４）結晶に導入し、パラメトリック発振を生じさせる。パラメトリック発振のためのポンプ光の周波数をｖｐ，信号光周波数をｖｓ，アイドラ光周波数をｖｉとすれば    ｖｐ＝ｖｓ，＋  ｖｉの関係が成り立つ限りにおいてグレーティングを使って信号光周波数およびアイドラ光周波数を大幅に変えることができる。半導体レーザは電流パルス幅１μｓ，繰り返し周波数１ｋＨｚで駆動される。すなわち、周期とパルス幅の比は１０００であるので熱発生を回避して大出力をＢＢＯ結晶に導入することができる。ＩｎＧａＡｌＮ系半導体レーザの波長を４０５ｎｍに選び、パルス出力１０Ｗにおいてパラメトリック発振器を励起する。これによってたとえば波長９６０ｎｍ、パルス出力１Ｗのアイドラ光を得る。これをＴＨｚ波発生のためのポンプ光とし、一方、ＴＨｚ波発生のための信号光としては実施例１で述べたＩｎＧａＡｓＰ系、中心波長９７５ｎｍ、外部共振型で、グレーティングによる可変波長範囲＋−８ｎｍの半導体レーザを使う。パラメトリック発振器に同期したパルス電流で励起し１ｕｓのパルス幅でパルス出力は１０Ｗを得ることができる。光非線形性結晶としては実施例１と同じくＧａＰの導波路を使用する。ポンプ光と信号光の差周波数として発生するＴＨｚ波の周波数は実施例１と同じである。ＴＨｚ波パルス出力は約１００ｎＷである。【００２６】  光非線形性結晶としてＧａＳｅを利用する場合は導波路を使わず、屈折率の結晶異方性を利用して結晶をｚ軸の周りに回転させて位相整合を行う。ＧａＳｅを利用することにより周波数可変範囲を大幅に広くすることができる。例えば、信号光半導体レーザの波長を１１００ｎｍに固定しておき、パラメトリック発振器のアイドラ周波数を９２９．７ｎｍから１０５４ｎｍの間で掃引すればＴＨｚ波出力周波数を５０ＴＨｚから１２ＴＨｚまで可変にすることができる。ＴＨｚ波出力としてはパルス当たり約１ｍＷを得ることができる。
【実施例５】
【００２７】  先の実施例１においてはポンプ光源と信号光源の２つを使う必要があった。しかし、ポンプ光源が十分大きな出力を有する場合は、ポンプ光源のみを使い、光非線形性結晶にこれを導入し、信号光の発振を生じさせることができる。図６において１はポンプ光源半導体レーザであり、３８は実施例１と同じ導波路構造を有するＧａＰ結晶である。結晶方位は図中に矢印で示してある。２１は信号光の波長選択を行うグレーティング、２２，２３は信号光（ストークス光）に対して外部共振器を構成するミラである。グレーティングで帰還される波長のみがパラメトリック効果あるいはラマン効果により増幅されて発振にいたる。同時にポンプ光と信号光のコリニアな相互作用により、それらの差周波数のＴＨｚ波が同じ方向に発生する。２５はブリュースター角に配置されたＧａＰミラであり、紙面に対して平行な偏光方向を有する信号光は無反射で通過するが、垂直な偏光方向（１−１０）を有するＴＨｚ波は反射されサンプル７を透過して検出器９に至る。ポンプ光源半導体レーザをパルス電流で励起することにより、ｃｗ出力の数倍のパルス出力が得られるのでこれによって信号光を発振にいたらせる。ポンプ光源として大出力の半導体レーザで励起されるＱスイッチＹＡＧレーザであってもよい。
【実施例６】
【００２８】  実施例５は信号光発振とＴＨｚ波発生が同一の結晶部分で行われたのであるが、これらを別々に生じさせてもよい。図７において、第一の光非線形性結晶２６として上記と同じＧａＰ導波路を使う。結晶方位は図中の矢印のように図６とは異なっている。ＴＨｚ波の発生は第二の光非線形性結晶２７によって行う。第二の光非線形性結晶としてＧａＡｓが望ましい。ＧａＡｓは光非線形性効果がＧａＰより大きいが近赤外線領域での吸収がＧａＰより大きいので信号光の発振を生じせしめることが困難である。したがって信号光の発振に必要な増幅をＧａＰ内で生じさせ、ＴＨｚ波の発生を、１００μｍから５００μｍ程度のＧａＡｓ薄板結晶内で生じさせることにより、ポンプ光強度を低く抑え、ＴＨｚ波出力を大きくすることができる。ＧａＡｓ内でＴＨｚ波はポンプ光、信号光とコリニアに進行するが、ＴＨｚ波の屈折率が近赤外線の屈折率と異なるので図２８のように、信号光とは異なる方向にＴＨｚ波が出射され、容易に外部に取り出すことができる。ポンプ光源として大出力の半導体レーザで励起されるＱスイッチＹＡＧレーザであってもよい。
【実施例７】
【００２９】  図８に説明するようにポンプ光および信号光のどちらかに１．５μｍ帯のレーザダイオード３１を用いる。もうひとつの光源としては波長を掃引できるもの３２とする。ＴＨｚ波を１００ＴＨｚまで発生させるには１μｍまで波長を掃引する。３１および３２のレーザダイオードから発生する光を増幅することにより、それぞれ１０Ｗから１００Ｗの出力を得る。増幅器３３，３４としては増幅させる波長に対応するＥｒやＴｍ、ＰｒまたＹｂなどの希土類を添加したファイバ増幅器を用いる。１．５μｍ帯の光増幅には高出力を得られるＥｒもしくはＴｍを添加した光ファイバを用いる。１．３μｍ帯の場合はＰｒ添加フッ化物光ファイバ、１μｍ帯の場合はＹｂ添加光ファイバを用いる。３５，３６は増幅器の励起光源であり、広い帯域において高出力（１０Ｗ〜１００Ｗ）に発振するレーザダイオードを用いる。ファイバ増幅器をパルス励起で駆動することにより、ｃｗ発生と比較して数倍の出力が得られる。励起のパルス幅は１０ｎｓから１μｓ、繰り返し周期は１〜１０ＫＨｚである。このように得られる２つのビームをキュービック偏光子３により同軸上に一致させてＧａＳｅ結晶１７に入射する。ポンプ光と信号光の偏光はそれぞれが垂直な関係を保っている。発生させる周波数の位相整合条件を満たすように結晶を入射ビームに対して傾ける。ＴＨｚ波は０．１から１００ＴＨｚまでの周波数領域において発生する。５．３ＴＨｚまでの発生では信号光が複屈折効果を受けるように、また７．７ＴＨｚより高周波の発生ではポンプ光が複屈折効果を受けるように結晶が回転機構１８に置かれる。例えば、２ＴＨｚのＴＨｚ波を発生させるにはＧａＳｅ結晶を入射ビームに対して１５度傾ければよい。結晶はペルチェ冷却素子３７により室温以下に冷却されている。その後の受光系は実施例１と同じとする。
【実施例８】
【００３０】  一方、ＧａＰを使ってパルス出力を得る場合はつぎのようにすればよい。ポンプ光源（あるいは信号光源）として線幅の広い高出力（５Ｗ）レーザダイオードで励起される発振波長１０６４ｎｍのＱスイッチＹＡＧレーザを用いる。代表的値としてパルス出力３ｋＷ、パルス幅３０ｎｓ、繰り返し周波数、１ｋＨｚである。一方、信号光源（あるいはポンプ光源）として波長１０４０ｎｍから１０７０ｎｍ帯の波長可変ｃｗ型ＩｎＧａＡｓＰ系レーザダイオードを用いる。これは連続出力０．５Ｗで線幅は１ＭＨｚであり、グレーティングによって波長を変える外部共振器型構造を持っている。周波数１ＴＨｚ近傍のテラヘルツ波を発生させる場合について説明する。非線形光学結晶として図１に示したような矩形導波路型ＧａＰ結晶を用いる。導波路は幅２００μｍ、導波路長５ｍｍである。３式によれば、導波路効果により実効屈折率の変化率は１ＴＨｚ近傍で−４％と計算される。一方、波長１０６４ｎｍ近傍での差周波発生における位相不整合度は＋４％と知られている。したがって、導波路効果により位相不整合が補償されてコリニアな位相整合が可能となる。ｃｗレーザダイオードの波長を１０６８ｎｍに設定すれば差周波数は１ＴＨｚとなり、ほぼコリニアな位相整合によって導波路の出力面から１ＴＨｚ電磁波が得られる。ＴＨｚ波発生・検出の光学系配置は図２と同様であるが、チョッパ８は不要である。図９に示すようにＴＨｚ波の最大出力は０．５μＷで、レーザダイオードの波長を１０６８ｎｍから変化させると５０％程度のＴＨｚ周波数範囲で出力が得られる。ｃｗレーザダイオードの周波数を１０６０．３ｎｍに設定しても同様に１ＴＨｚの出力が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】導波路構造を有するテラヘルツ波発生部を示す図である。
【図２】実施例１の構成を示す図である。
【図３】実施例１におけるＧａＰ導波路構造を示す図である。
【図４】実施例１におけるポンプ光源半導体レーザ及び信号光源半導体レーザの構成を示す図である。
【図５】実施例２の構成を示す図である。
【図６】実施例５の構成を示す図である。
【図７】実施例６の構成を示す図である。
【図８】実施例７の構成を示す図である。
【図９】実施例８におけるテラヘルツ波出力と周波数の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００３２】１…ポンプ光源半導体レーザ
２…信号光源半導体レーザ
３…キュービック偏光子
４…集光レンズ
５…テラヘルツ電磁波（ＴＨｚ波）発生部
６…Ｇｅフィルタ
７…測定サンプル
８…光チョッパー
９…シリコンボロメータ
１０…ロックイン増幅器
１１…マスタオシレータ
１２…パワ増幅器
１３…グレーティング
１４、１５…共振器ミラ
１６…集光レンズ
１７…ＧａＳｅ結晶
１８…結晶回転機構
１９、２０…非軸法物面鏡
２１…グレーティング
２２、２３…共振器ミラ
２４…コリメーティングミラ
２５…ＧａＰ結晶、
２６…第一の光非線形性結晶
２７…第二の光非線形性結晶
２８…テラヘルツ電磁波（ＴＨｚ波）
３１…１．５μｍ帯半導体レーザダイオード
３２…波長可変レーザダイオード
３３、３４…希土類添加ファイバー増幅器
３５、３６…増幅器励起用半導体レーザ光源
３７…ペルチェ冷却素子
３８…ＧａＰ導波路
【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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