(57)【要約】【課題】  非線形光学効果を増強して、電磁波の十分高強度な発生や検出効率向上に寄与する方法と装置を提供すること。【解決手段】  光入射に対して非線形の誘電的な応答をする非線形光学結晶を用いて、電磁波を発生または検出する方法において、非線形光学結晶に入射させる励起光または検索光の波長を、非線形光学結晶に固有な光吸収バンドギャップエネルギーに略相当する値に選定して、共鳴増大効果を組み入れ、非線形光学結晶の光学的特性が入射される光の強度に依存する非線形光学効果を増強させる。励起光或いは検索光の波長は、非線形光学結晶に固有な光吸収バンドギャップエネルギーに一致、或いは、若干長波長側にずらした値でもよい。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光入射に対して非線形の誘電的な応答をする非線形光学結晶を用いて、電磁波を発生する方法であって、
非線形光学結晶に入射させる励起光の波長を、
非線形光学結晶に固有な光吸収バンドギャップエネルギーに略相当する値に選定して、共鳴増大効果を組み入れ、
非線形光学結晶の光学的特性が入射される光の強度に依存する非線形光学効果を増強させる
ことを特徴とする非線形光学結晶を用いた電磁波の発生方法。
【請求項２】
非線形光学結晶に入射させる励起光の波長を、
非線形光学結晶に固有な光吸収バンドギャップエネルギーに一致、或いは、若干長波長側にずらした値に選定する
請求項１に記載の非線形光学結晶を用いた電磁波の発生方法。
【請求項３】
非線形光学結晶の位相整合条件を加えて、
非線形光学結晶に入射させる励起光の波長を選定する
請求項１または２に記載の非線形光学結晶を用いた電磁波の発生方法。
【請求項４】
励起光が、パルスレーザーによるものである
請求項１ないし３に記載の非線形光学結晶を用いた電磁波の発生方法。
【請求項５】
非線形光学結晶が、閃亜鉛鉱型半導体である
請求項１ないし４に記載の非線形光学結晶を用いた電磁波の発生方法。
【請求項６】
閃亜鉛鉱型半導体が、CdTeである
請求項５に記載の非線形光学結晶を用いた電磁波の発生方法。
【請求項７】
電磁波がテラヘルツ帯である
請求項１ないし６に記載の非線形光学結晶を用いた電磁波の発生方法。
【請求項８】
光入射に対して非線形の誘電的な応答をする非線形光学結晶を用いて、電磁波を検出する方法であって、
非線形光学結晶に入射させる検索光の波長を、
非線形光学結晶に固有な光吸収バンドギャップエネルギーに略相当する値に選定して、共鳴増大効果を組み入れ、
非線形光学結晶の光学的特性が入射される光の強度に依存する非線形光学効果を増強させる
ことを特徴とする非線形光学結晶を用いた電磁波の検出方法。
【請求項９】
非線形光学結晶に入射させる検索光の波長を、
非線形光学結晶に固有な光吸収バンドギャップエネルギーに一致、或いは、若干長波長側にずらした値に選定する
請求項８に記載の非線形光学結晶を用いた電磁波の検索方法。
【請求項１０】
非線形光学結晶の位相整合条件を加えて、
非線形光学結晶に入射させる検索光の波長を選定する
請求項８または９に記載の非線形光学結晶を用いた電磁波の検出方法。
【請求項１１】
検索光が、パルスレーザーによるものである
請求項８ないし１０に記載の非線形光学結晶を用いた電磁波の検出方法。
【請求項１２】
非線形光学結晶が、閃亜鉛鉱型半導体である
請求項８ないし１１に記載の非線形光学結晶を用いた電磁波の検出方法。
【請求項１３】
閃亜鉛鉱型半導体が、CdTeである
請求項１２に記載の非線形光学結晶を用いた電磁波の検出方法。
【請求項１４】
電磁波がテラヘルツ帯である
請求項８ないし１３に記載の非線形光学結晶を用いた電磁波の検出方法。
【請求項１５】
光入射に対して非線形の誘電的な応答をする非線形光学結晶を用いて、電磁波を発生する装置であって、
固有な光吸収バンドギャップエネルギーを有する非線形光学結晶と、
非線形光学結晶に励起光を入射させる励起光入射手段とを備え、
その励起光の波長を、
非線形光学結晶に固有な光吸収バンドギャップエネルギーに略相当する値に選定して、共鳴増大効果を組み入れ、
非線形光学結晶の光学的特性が入射される光の強度に依存する非線形光学効果を増強させる
ことを特徴とする非線形光学結晶を用いた電磁波の発生装置。
【請求項１６】
光入射に対して非線形の誘電的な応答をする非線形光学結晶を用いて、電磁波を検出する装置であって、
固有な光吸収バンドギャップエネルギーを有する非線形光学結晶と、
非線形光学結晶に検索光を入射させる検索光入射手段とを備え、
その検索光の波長を、
非線形光学結晶に固有な光吸収バンドギャップエネルギーに略相当する値に選定して、共鳴増大効果を組み入れ、
非線形光学結晶の光学的特性が入射される光の強度に依存する非線形光学効果を増強させる
ことを特徴とする非線形光学結晶を用いた電磁波の検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光入射に対して非線形の誘電的な応答をする非線形光学結晶を用いて、電磁波を発生または検出する方法と、その方法を実施する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
大容量で高速の情報伝送や情報処理を行う装置を実現するために、光の出力を光によって制御することのできる光制御−光スイッチング素子や光メモリ素子の実用化が求められている。
【０００３】
一般に、入力光の強度が小さい時には、反射する光のスペクトルや透過する光のスペクトルなどの光学応答は、入力される光の強度にはほとんど依存しない。このような応答は、入力される光による誘起分極の大きさが、媒質内の電場の強度に比例していることから線形応答と呼ばれる。
【０００４】
それに対し、媒質の光学的特性が、入力される光の強度に依存する効果を、一般に非線形光学効果という。非線形光学効果は、レーザーのように、ほぼ単色で指向性の強い光に対してのみ見られる光学現象であり、物質の非線形な応答を示すものである。高調波発生や誘導ラマン効果などがその一例である。非線形光学効果は、光学媒体が分散性を有し、しばしば複屈折性も有するため、強い指向特性をもっている。
【０００５】
入力される光の強度が大きくなってくると、例えば、強弱２種の光が入力した場合には、弱い光による応答は強い光の強度によって、また強い光による応答はそれ自信の強度によって変化するという現象が生じる。このような現象を利用すれば反射、透過などの光の応答を、その光自身や、他の入力光によって制御することができる。
【０００６】
従来、光によって光を制御するいわゆる光−光制御に用いる非線形光学素子や非線形光学用構造体としては、次のものが挙げられる。すなわち、ＧａＡｓ量子井戸構造などにおいて、バンド間遷移を用いてバンド充填効果による非線形光学効果を利用したもの、ＩｎＳｂなどの狭いバンドギャップ半導体において、自由キャリヤの非線形運動を利用したもの、バルク半導体の励起子準位や量子井戸微粒子などに閉じ込められた励起子準位の共鳴を用いた励起子共鳴型光学材料などがあり、これらを用いた光スイッチ素子や光双安定素子などが報告されている。
【０００７】
高速かつ大容量の光情報処理においては、光−光制御による光スイッチや光メモリが必要とされる。このような素子においては、光によって光の信号を制御し加工するために、光と光の間の相互作用の大きさが重要な問題となる。真空中ではたがいに相互作用をしない光も、物質媒質中においては、その媒質の分極を介して光と光の間に相互作用が生じる。その相互作用の大きさは、媒質固有の非線形分極の大きさで決まり、光の強さに依存する。
【０００８】
非線形光学効果を用いた光エレクトロニクス素子を作製するに当って重要な点の一つは、いかに小さな制御光強度で大きな非線形光学効果を生じさせるかということであり、この点が実用化可能か否かを分けるポイントとなっている。
そのために、従来では、低次元物質や極めて微細な構造を人工的に造形し、電子をこの中に量子的に閉じ込め、振動子強度を最低励起準位に集中させて非線形感受率を大きくするなど、電子系の量子閉じ込め効果に注目したものがあった。しかし、半導体のような原子間の相互作用の大きな物質においては、感受率と実際の応答出力の関係は単純ではなく感受率の評価だけでは非線形光学効果の大きさは評価できない。
【０００９】
近年、遠赤外線やサブミリ波の領域において新しい発生及び検出方式の研究が急速に進展しつつあり、テラヘルツ波が注目されている。この領域は、赤外とミリ波の間、換言すれば光波と電波の境界に位置する。光と電波のそれぞれの領域が重要な応用技術とともに発展してきたのとは対照的に、技術面でも応用面でも未だ開拓途上にある領域である。
しかしながら、無線通信における周波数帯の有効利用や超高速通信への対応、並びにこの周波数帯の電磁波の特徴を活用したイメージングや、環境計測、各種検査、バイオや医学への応用など、テラヘルツ領域の研究は今後ますます重要になることが予想される。 また、これまで光源・検出器の未発達のために解明されていない物理現象・生命現象・物質構造の解明、更に、宇宙、大気や生体、プラズマなどの計測・診断など幅広い基礎的な応用分野の発展につながる。
【００１０】
テラヘルツ波帯は発生も検出も困難であり、技術的に未発達な領域であるが、特に、簡便な広帯域波長可変光源はこの領域の応用研究を飛躍的に前進させるために必要不可欠な光源として多くの研究者から待ち望まれている。なかでも0.2〜3テラヘルツ（波長100〜1500μm）付近をカバーする簡便な広帯域波長可変光源の開発が特に求められている。
【００１１】
光技術を用いてテラヘルツ波を発生させる従来の方式には、次のようなものがある。すなわち、非線形光学結晶を用いた差周波光発生（DFG）、非線形光学結晶を用いたパラメトリック発振、光伝導（PC）素子を用いた光混合、PC素子を用いたフェムト秒光パルスによる超短電磁パルス発生が挙げられる。
【００１２】
非線形光学結晶を用いたDFGと非線形光学結晶を用いたパラメトリック発振は、二次の非線形光学効果を有する結晶に光波を入射し、位相整合条件下でテラヘルツ波を発生させる構成である。DFGでは二つの入射光の波長間隔（〜nm）を変化させることによって、発生させるテラヘルツ波の波長を制御する。一方、パラメトリック発振を用いる方式では、入射光は１波長でよく、またその入射角を変化させるのみで、発生させるテラヘルツ波の波長を制御できる特長がある。
【００１３】
PC素子を用いた光混合とPC素子を用いたフェムト秒光パルスによる超短電磁パルス発生は、は非線形光学効果ではなくピコ秒以下のキャリヤ寿命を有する低温成長 GaAs 薄膜における光伝導効果を用いて光混合を行うものであり、バイアス電界が必要になる点が上記方式と異なる。
微小ダイポールアンテナやスパイラル状のアンテナを一体化した PC 素子を用いて、850 nm 帯の２台の LD 出力の光混合により 0.2〜3 THz の周波数域の CW-テラヘルツ 波発生が行われている。また、同様な PC 素子にフェムト秒光パルスを照射することによってテラヘルツ波を含んだ幅広い周波数成分を有する超短電磁パルスの発生が可能である。
【００１４】
従来のテラヘルツ波の発生や検出法においては、非線形光学効果を増強するために、位相整合条件を利用したものはあったが、十分好ましい高強度発生や検出効率は必ずしも得られてはいなかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
そこで、本発明は、非線形光学効果を増強して、電磁波の十分高強度な発生や検出効率向上に寄与する方法と装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するために、本発明の非線形光学結晶を用いた電磁波の発生方法は、次の構成を備える。
すなわち、光入射に対して非線形の誘電的な応答をする非線形光学結晶を用いて、電磁波を発生する方法において、非線形光学結晶に入射させる励起光の波長を、非線形光学結晶に固有な光吸収バンドギャップエネルギーに略相当する値に選定して、共鳴増大効果を組み入れ、非線形光学結晶の光学的特性が入射される光の強度に依存する非線形光学効果を増強させることを特徴とする。
【００１７】
ここで、非線形光学結晶に入射させる励起光の波長は、非線形光学結晶に固有な光吸収バンドギャップエネルギーに一致、或いは、若干長波長側にずらした値に選定することが好ましい。
【００１８】
非線形光学結晶の位相整合条件を加えて、非線形光学結晶に入射させる励起光の波長を選定してもよい。
【００１９】
励起光を、パルスレーザーによるものとしてもよい。
【００２０】
非線形光学結晶としては、閃亜鉛鉱型半導体が利用できる。
【００２１】
閃亜鉛鉱型半導体としては、CdTeが有用である。
【００２２】
電磁波としては、テラヘルツ帯に有効である。
【００２３】
本発明の非線形光学結晶を用いた電磁波の検出方法は、次の構成を備える。
すなわち、光入射に対して非線形の誘電的な応答をする非線形光学結晶を用いて、電磁波を検出する方法において、非線形光学結晶に入射させる検索光の波長を、非線形光学結晶に固有な光吸収バンドギャップエネルギーに略相当する値に選定して、共鳴増大効果を組み入れ、非線形光学結晶の光学的特性が入射される光の強度に依存する非線形光学効果を増強させることを特徴とする。
【００２４】
ここで、非線形光学結晶に入射させる検索光の波長は、非線形光学結晶に固有な光吸収バンドギャップエネルギーに一致、或いは、若干長波長側にずらした値に選定することが好ましい。
【００２５】
非線形光学結晶の位相整合条件を加えて、非線形光学結晶に入射させる検索光の波長を選定してもよい。
【００２６】
検索光を、パルスレーザーによるものとしてもよい。
【００２７】
非線形光学結晶としては、閃亜鉛鉱型半導体が利用できる。
【００２８】
閃亜鉛鉱型半導体としては、CdTeが有用である。
【００２９】
電磁波としては、テラヘルツ帯に有効である。
【００３０】
本発明の非線形光学結晶を用いた電磁波の発生装置は、光入射に対して非線形の誘電的な応答をする非線形光学結晶を用いて、電磁波を発生する装置において、固有な光吸収バンドギャップエネルギーを有する非線形光学結晶と、非線形光学結晶に励起光を入射させる励起光入射手段とを備え、その励起光の波長を、非線形光学結晶に固有な光吸収バンドギャップエネルギーに略相当する値に選定して、共鳴増大効果を組み入れ、非線形光学結晶の光学的特性が入射される光の強度に依存する非線形光学効果を増強させることを特徴とする。
【００３１】
また、本発明の非線形光学結晶を用いた電磁波の検出装置は、光入射に対して非線形の誘電的な応答をする非線形光学結晶を用いて、電磁波を検出する装置において、固有な光吸収バンドギャップエネルギーを有する非線形光学結晶と、非線形光学結晶に検索光を入射させる検索光入射手段とを備え、その検索光の波長を、非線形光学結晶に固有な光吸収バンドギャップエネルギーに略相当する値に選定して、共鳴増大効果を組み入れ、非線形光学結晶の光学的特性が入射される光の強度に依存する非線形光学効果を増強させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によると、励起または検出光の波長と、非線形光学結晶の光吸収バンドギャップの大きさの差に関わる共鳴増大効果を組み入れるので、非線形光学効果を増強して、電磁波の十分高強度な発生や検出効率向上に寄与する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下に、図面を基に本発明の実施形態を説明する。
図１は、非線形光学結晶CdTeから得られるテラヘルツ波をフーリエ変換した結果であり、強度の周波数依存性を示すグラフである。
近赤外光領域の励起光源として、フェムト秒OPAレーザーを用い、テラヘルツ波の検出には、ゲート光として波長８００nmのパルス光を用い、厚さ１mmのZnTeの（１１０）面を利用して、ＥＯサンプリングを行った。
【００３４】
CdTeの厚みは１mmであり、CdTeの（１１０）面からのテラヘルツ波を測定した。図中の実線は１０００nmの励起光で励起した場合、波線は１１００nmの励起光で励起した場合を示す。
１０００nmの励起光で励起した場合の方が、広帯域かつ高強度のテラヘルツ波が発生していることがわかる。
【００３５】
図２は、テラヘルツ波のスペクトル成分の３THzまでの積分強度と、励起光波長との関係を示すグラフである。実験値以外に、屈折率分散から位相整合条件を考慮して計算した値もグラフ化してある。
位相整合条件の計算結果から、CdTeのコヒーレント長は、１０００nmの励起光で励起したときに長くなるので（非特許文献１）、テラヘルツ波発生強度の励起波長依存性の結果と一致する。
【非特許文献１】M.Nagai, et al. Appl.Phys.Lett., 85,3974 （2004）
【００３６】
非線形光学結晶の位相整合条件を加えて、非線形光学結晶に入射させる励起光の波長を選定するには、次のいずれかの式を利用する。
k1−k2＝k3
n1・w1 − n2・w2 ＝ n3・w3
ここで、kは波数、nは屈折率、wは振動数である。添数字の1, 2によって励起光、3によってテラヘルツ波を示ししている。
【００３７】
図３は、図２に示したグラフに、共鳴増大効果を加えて表示した結果である。
強度の増大と、長波長側へのシフトが示されている。
本発明では、非線形光学結晶に入射させる励起または検索光の波長を、非線形光学結晶に固有な光吸収バンドギャップエネルギーに略相当する値に選定することで、共鳴増大効果を組み入れることを基本にしている。これによって、非線形光学結晶の光学的特性が入射光の強度に依存する非線形光学効果を増強させて、電磁波の十分高強度な発生や検出効率向上を図る。
非線形光学結晶に入射させる励起光の波長は、非線形光学結晶の光吸収バンドギャップエネルギーに一致、或いは、若干長波長側にずらした値に選定する。
【００３８】
共鳴増大効果は次式で示せる。
1／(w−w0−iG)
ここで、wはレーザー光の振動数、w0は非線形光学結晶の共鳴周波数、iは虚数単位、Gは時間もしくは距離に関して、振動するエネルギーの熱への連続的な変換を示すダンピングの項である。
【００３９】
非線形光学結晶としては、半導体や誘電体が利用できる。
代表的な非線形光学結晶には、ADP、KDP、CdSe、Se、Te 、LiNbO3、Ba2NaNb5O15、などがある。
特には、CdTeやZnTeなどの閃亜鉛鉱型半導体が有用である。
【００４０】
光注入光源としては、補助光源からの光の電子による吸収によってトリガーされる光励起型レーザーなどが利用できる。
特には、パルスレーザーが好ましく、励起媒質に低準位の稀土類ハロゲン化物をドープした光ファイバーを使用したファイバーレーザーなどが有用である。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明によると、電磁波、特にテラヘルツ波の十分高強度な発生や検出効率向上を行えるので、テラヘルツ波の多様な用途に寄与する。
テラヘルツ波の応用分野は、物性、分子分光、生体研究などの基礎研究から、半導体など各種材料の品質評価、高感度ガス検出、超高速通信などの応用分野まで多岐にわたる。
また、半導体、プラスチック、ビニール、紙、ゴム、木材、歯、骨、乾燥食品などを透過する電磁波の中で、テラヘルツ波が最も短波長すなわち高分解能であることから、人体に危険なX線に代わる安全な非破壊検査用光源としての実用化に期待がもたれる。
更に、DNAやタンパク質、酵素など生体高分子の骨格振動周波数が、テラヘルツ波領域に存在することが明らかになりつつあり、医療応用や生体イメージングなどの分野でも有望である。
【００４２】
具体的な応用例としても、皮膚癌や乳癌の早期診断、火傷深さの診断、虫歯の断層撮影、半導体シリコン基板の検査、粉ミルク等への異物混入防止、乾燥食品の水分含有量検査、材木や紙などの水分含有量検査など多分野にわたるので、産業上利用価値が高い。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】CdTeから得られるテラヘルツ波をフーリエ変換した結果であり、強度の周波数依存性を示すグラフ
【図２】テラヘルツ波のスペクトル成分の３THzまでの積分強度と、励起光波長との関係を示すグラフ
【図３】同、共鳴増大効果を加えた結果を示すグラフ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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