(57)【要約】【課題】テラヘルツ波発生素子におけるキャリアの飽和をより効果的に回避することができるテラヘルツ波発生装置を提供する。【解決手段】テラヘルツ波発生装置１Ａは、シングル光パルスＰ１を出力する光源３と、光源３と光学的に結合され、シングル光パルスＰ１から、互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる複数の光パルスＰ２１〜Ｐ２３を生成し、光パルスＰ２１〜Ｐ２３それぞれを、波長に応じて異なる光路Ｌ１〜Ｌ３上に出力するマルチパルス生成部１０Ａと、マルチパルス生成部１０Ａと光学的に結合され、マルチパルス生成部１０Ａから出力された光パルスＰ２１〜Ｐ２３を受けてテラヘルツ波パルスを発生するテラヘルツ波発生素子３０と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１光パルスを出力する光源と、
前記光源と光学的に結合され、前記第１光パルスから、互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる複数の第２光パルスを生成し、前記複数の第２光パルスそれぞれを、波長に応じて異なる光路上に出力するマルチパルス生成部と、
前記マルチパルス生成部と光学的に結合され、前記マルチパルス生成部から出力された前記複数の第２光パルスを受けてテラヘルツ波パルスを発生するテラヘルツ波発生素子と、
を備える、テラヘルツ波発生装置。
【請求項２】
前記マルチパルス生成部は、
互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる前記複数の第２光パルスを共通の光路上に出力する時間波形整形器と、
前記時間波形整形器から出力された前記複数の第２光パルスそれぞれを、波長に応じて異なる光路に分離する光分散素子と、
を有する、請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項３】
前記時間波形整形器は、
前記第１光パルスを分光する分光素子と、
分光後の前記第１光パルスの位相変調を波長毎に行うことにより、互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる前記複数の第２光パルスを生成する空間光変調器と、
前記複数の第２光パルスを集光する光学系と、
を含む、請求項２に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項４】
前記光分散素子は回折格子若しくはプリズムである、請求項２または３に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項５】
前記マルチパルス生成部は、
前記第１光パルスを分光する分光素子と、
分光後の前記第１光パルスの位相変調を波長毎に行うことにより、互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる前記複数の第２光パルスを生成するとともに、該複数の第２光パルスの光路を波長に応じて分光方向と交差する方向に分離する空間光変調器と、
前記分光方向において前記複数の第２光パルスを集光する光学系と、
を有する、請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項６】
前記空間光変調器は、少なくとも回折格子パターンに基づいて前記分光後の第１光パルスを位相変調する、請求項５に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項７】
各第２光パルスの時間幅が１００フェムト秒以下である、請求項１〜６のいずれか一項に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項８】
第１光パルスから、互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる複数の第２光パルスを生成し、前記複数の第２光パルスそれぞれを、波長に応じて異なる光路上に出力するマルチパルス光生成ステップと、
前記複数の第２光パルスをテラヘルツ波発生素子に入力してテラヘルツ波パルスを発生させるテラヘルツ波生成ステップと、
を含む、テラヘルツ波発生方法。
【請求項９】
前記マルチパルス光生成ステップは、
互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる前記複数の第２光パルスを共通の光路上に出力する時間波形整形ステップと、
前記複数の第２光パルスそれぞれを、波長に応じて異なる光路に分離する光分散ステップと、
を含む、請求項８に記載のテラヘルツ波発生方法。
【請求項１０】
前記時間波形整形ステップは、
前記第１光パルスを分光する分光ステップと、
分光後の前記第１光パルスの位相変調を波長毎に行うことにより、互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる前記複数の第２光パルスを生成する光変調ステップと、
前記複数の第２光パルスを集光する集光ステップと、
を含む、請求項９に記載のテラヘルツ波発生方法。
【請求項１１】
前記マルチパルス光生成ステップは、
前記第１光パルスを分光する分光ステップと、
分光後の前記第１光パルスの位相変調を波長毎に行うことにより、互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる前記複数の第２光パルスを生成するとともに、該複数の第２光パルスの光路を波長に応じて分光方向と交差する方向に分離する光変調ステップと、
前記分光方向において前記複数の第２光パルスを集光する集光ステップと、
を含む、請求項８に記載のテラヘルツ波発生方法。
【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発生方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１には、光伝導アンテナから放射される狭帯域のテラヘルツ波を、光パルス整形によって増強する技術が記載されている。また、非特許文献２には、マルチ光パルスと大口径光伝導アンテナを組み合わせて、狭帯域のテラヘルツ波を増強する技術が記載されている。この非特許文献２には、光伝導アンテナにおけるキャリアの飽和及び緩和時間について記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Yongqian Liu et. al., “Enhancement of narrow-band terahertzradiation from photoconducting antennas by optical pulse shaping”, OpticsLetters, Vol.21, No.21, pp.1762-1764 (1996)
【非特許文献２】Sang-Gyu Park et.al., “High-Power Narrow-Band Terahertz Generation UsingLarge-Aperture Photoconductors”, IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol.35,No.8, pp.1257-1268 (1999)
【非特許文献３】Marc M. Wefers et. al., “Space-Time Profiles of Shaped UltrafastOptical Waveforms”, IEEE Journal of Quantum electronics, vol.32, No.1,pp.161-172 (1996)
【非特許文献４】Tingting Qi et. al., “Collective Coherent Control: Synchronizationof Polarization in Ferroelectric PbTiO3by Shaped THz Fields”, Physical ReviewLetters 102, 247603 (2009)
【非特許文献５】K. Yamaguchi et. al., “Terahertz Time-Domain Observation of SpinReorientation in Orthoferrite ErFeO3 through Magnetic Free InductionDecay”, Physical Review Letters, 110, 137204 (2013)
【非特許文献６】Shayne M. Harrel et. al., “Influence of free-carrier absorption onterahertz generation from ZnTe(110)”, Journal of applied physics, 107, 033526(2010)
【非特許文献７】T. Kampfrath et. al., “Coherent terahertz control ofantiferromagnetic spin waves”, Nature Photonics, Vol.5, pp.31-34 (2011)
【非特許文献８】M. Hacker, G. Stobrawa, T. Feurer, “Iterative Fourier transformalgorithm for phase-only pulse shaping”, Optics Express, Vol. 9, No. 4, pp.191-199,13 August 2001
【非特許文献９】Olivier Ripoll, Ville Kettunen, Hans Peter Herzig, “Review ofiterative Fouriertransform algorithms for beam shaping applications”, OpticalEngineering, Vol. 43, No. 11, pp.2549-2556, November 2004
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来より、例えば光伝導アンテナといったテラヘルツ波発生素子にシングル光パルスを照射し、広帯域のテラヘルツ波を発生させる技術が知られている。光伝導アンテナに対して光パルスが照射されると、発生したキャリアがアンテナ間を伝搬することによって瞬時電流が流れ、テラヘルツ波が発生する。しかし、光パルスのエネルギーが高くなりすぎると、発生するキャリアの数が多くなり、空間電荷効果によってキャリアの反発が生じ（以下、このような現象をキャリアの飽和と称する）、テラヘルツ波の発生効率が下がってしまう。このような問題点に対し、光パルスを時間的に分割することが考えられる。テラヘルツ波発生素子におけるキャリアの飽和状態は時間経過と共に緩和されるので、複数の光パルスを時間間隔をおいて順次照射すれば、キャリアの飽和を回避しつつテラヘルツ波を発生させることができ、更に強いテラヘルツ波を出力することが可能になる（例えば非特許文献１，２を参照）。しかしながら、本発明者の実験によれば、光パルスを時間的に分割するだけでは、キャリアの飽和を十分に回避することが難しいことがわかった。
【０００５】
本発明は、テラヘルツ波発生素子におけるキャリアの飽和をより効果的に回避することができるテラヘルツ波発生装置及びテラヘルツ波発生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】
【０００６】
上述した課題を解決するために、一形態によるテラヘルツ波発生装置は、第１光パルスを出力する光源と、光源と光学的に結合され、第１光パルスから、互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる複数の第２光パルスを生成し、複数の第２光パルスそれぞれを、波長に応じて異なる光路上に出力するマルチパルス生成部と、マルチパルス生成部と光学的に結合され、マルチパルス生成部から出力された複数の第２光パルスを受けてテラヘルツ波パルスを発生するテラヘルツ波発生素子と、を備える。
【０００７】
また、一形態によるテラヘルツ波発生方法は、第１光パルスから、互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる複数の第２光パルスを生成し、複数の第２光パルスそれぞれを、波長に応じて異なる光路上に出力するステップ（マルチパルス光生成ステップ）と、複数の第２光パルスをテラヘルツ波発生素子に入力してテラヘルツ波パルスを発生させるステップ（テラヘルツ波生成ステップ）と、を含む。
【０００８】
これらのテラヘルツ波発生装置及びテラヘルツ波発生方法では、光源から出力された第１光パルスが時間分割され、互いに時間差を有する複数の第２光パルスが生成される。これらの第２光パルスの中心波長は互いに異なり、波長に応じて異なる光路上に出力される。これにより、テラヘルツ波発生素子において複数の第２光パルスは互いに異なる位置に照射されることとなる。従って、複数の第２光パルスが同じ位置に照射される場合と比較して、第２光パルスの照射により発生するキャリアが他の第２光パルスの照射の際のキャリアの飽和に影響する度合いは小さい。すなわち、上記のテラヘルツ波発生装置及びテラヘルツ波発生方法によれば、テラヘルツ波発生素子におけるキャリアの飽和をより効果的に回避することができる。
【０００９】
上記のテラヘルツ波発生装置において、マルチパルス生成部は、互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる複数の第２光パルスを共通の光路上に出力する時間波形整形器と、時間波形整形器から出力された複数の第２光パルスそれぞれを、波長に応じて異なる光路に分離する光分散素子と、を有してもよい。同様に、上記のテラヘルツ波発生方法において、マルチパルス生成ステップは、互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる複数の第２光パルスを共通の光路上に出力する時間波形整形ステップと、複数の第２光パルスそれぞれを、波長に応じて異なる光路に分離する光分散ステップと、を含んでもよい。これらにより、上述したマルチパルス生成部及びマルチパルス生成ステップを好適に実現することができる。この場合、時間波形整形器（時間波形整形ステップ）は、第１光パルスを分光する分光素子（分光ステップ）と、分光後の第１光パルスの位相変調を波長毎に行うことにより、互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる複数の第２光パルスを生成する空間光変調器（光変調ステップ）と、複数の第２光パルスを集光する光学系（集光ステップ）と、を含んでもよい。これにより、複数の第２光パルスを生成するための構成を小型且つ簡易な構成により実現することができる。また、光分散素子は回折格子若しくはプリズムであってもよい。これにより、中心波長が互いに異なる複数の第２光パルスそれぞれを、波長に応じて好適に分離することができる。
【００１０】
上記のテラヘルツ波発生装置において、マルチパルス生成部は、第１光パルスを分光する分光素子と、分光後の第１光パルスの位相変調を波長毎に行うことにより、互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる複数の第２光パルスを生成するとともに、該複数の第２光パルスの光路を波長に応じて分光方向と交差する方向に分離する空間光変調器と、分光方向において複数の第２光パルスを集光する光学系と、を有してもよい。同様に、上記のテラヘルツ波発生方法において、マルチパルス生成ステップは、第１光パルスを分光する分光ステップと、分光後の第１光パルスの位相変調を波長毎に行うことにより、互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる複数の第２光パルスを生成するとともに、該複数の第２光パルスの光路を波長に応じて分光方向と交差する方向に分離する光変調ステップと、分光方向において複数の第２光パルスを集光する集光ステップと、を含んでもよい。これらのような構成であっても、上述したマルチパルス生成部（マルチパルス生成ステップ）を好適に実現することができる。この場合、空間光変調器は、少なくとも回折格子パターンに基づいて分光後の第１光パルスを位相変調してもよい。これにより、空間光変調器において複数の第２光パルスの光路を波長に応じて好適に分離することができる。
【００１１】
上記のテラヘルツ波発生装置及びテラヘルツ波発生方法において、各第２光パルスの時間幅は１００フェムト秒以下であってもよい。このような超短光パルスによって、テラヘルツ波を効率的に発生させることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によるテラヘルツ波発生装置及びテラヘルツ波発生方法によれば、テラヘルツ波発生素子におけるキャリアの飽和をより効果的に回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態に係るテラヘルツ波発生装置の構成を概略的に示す図である。
【図２】時間波形整形器の構成例を示す図である。
【図３】空間光変調素子の変調面を示す図である。
【図４】（ａ）単パルス状のシングル光パルスのスペクトル波形を示す。（ｂ）該シングル光パルスの時間強度波形を示す。
【図５】（ａ）空間光変調素子において矩形波状の位相スペクトル変調を与えたときの変調光のスペクトル波形を示す。（ｂ）得られる光パルスの時間強度波形を示す。
【図６】中心波長が８００ｎｍ、帯域幅が±５０ｎｍであるシングル光パルスから生成される、３つの光パルスの波長帯域の例を示すグラフである。
【図７】回折格子及びレンズ付近の光パルスの光路を示す図である。
【図８】テラヘルツ波発生素子の例として、光伝導アンテナ素子を示す平面図である。
【図９】図８の部分拡大図である。
【図１０】図９のＸ−Ｘ線に沿った側断面図である。
【図１１】図９のXI−XI線に沿った側断面図である。
【図１２】テラヘルツ波発生素子の別の例として、光伝導アンテナ素子を示す平面図である。
【図１３】図１２の部分拡大図である。
【図１４】第１実施形態に係るテラヘルツ波発生方法を示すフローチャートである。
【図１５】データ作成部の構成を概略的に示す図である。
【図１６】位相スペクトル設計部及び強度スペクトル設計部の内部構成を示すブロック図である。
【図１７】反復フーリエ変換法による位相スペクトルの計算手順を示す図である。
【図１８】位相スペクトル設計部における位相スペクトル関数の計算手順を示す図である。
【図１９】強度スペクトル設計部におけるスペクトル強度の計算手順を示す図である。
【図２０】ターゲット生成部におけるターゲットスペクトログラムの生成手順の一例を示す図である。
【図２１】強度スペクトル関数を算出する手順の一例を示す図である。
【図２２】（ａ）（ｂ）ターゲットスペクトログラムの作成過程を示す図である。
【図２３】対応する各ターゲットスペクトログラムに対して評価値が所定の条件を満足した各スペクトログラムに含まれる２つのドメインの中心波長と、ドメイン間の中心波長間隔とを示すグラフである。
【図２４】（ａ）ターゲットスペクトログラムの２つのドメインの中心波長の組み合わせが（８００ｎｍ，８００ｎｍ）であるときのスペクトル波形を示すグラフである。（ｂ）（ａ）のスペクトル波形をフーリエ変換して得られた出力光の時間強度波形を示すグラフである。
【図２５】（ａ）ターゲットスペクトログラムの２つのドメインの中心波長の組み合わせが（８０２ｎｍ，７９８ｎｍ）であるときのスペクトル波形を示すグラフである。（ｂ）（ａ）のスペクトル波形をフーリエ変換して得られた出力光の時間強度波形を示すグラフである。
【図２６】（ａ）第２実施例にて用いられたターゲットスペクトログラムを示す図である。（ｂ）（ａ）のターゲットスペクトログラムに基づいて算出されたスペクトログラムである。
【図２７】（ａ）第２実施例にて用いられたターゲットスペクトログラムを示す図である。（ｂ）（ａ）のターゲットスペクトログラムに基づいて算出されたスペクトログラムである。
【図２８】（ａ）図２６（ｂ）のスペクトログラムから算出されたスペクトル波形を示すグラフである。（ｂ）（ａ）のスペクトル波形をフーリエ変換して得られた出力光の時間強度波形を示すグラフである。
【図２９】（ａ）図２７（ｂ）のスペクトログラムから算出されたスペクトル波形を示すグラフである。（ｂ）（ａ）のスペクトル波形をフーリエ変換して得られた出力光の時間強度波形を示すグラフである。
【図３０】第１変形例を示す図である。
【図３１】第２変形例を示す図である。
【図３２】第３変形例における４つの光パルスの集光位置を示す図である。
【図３３】第４変形例に係るテラヘルツ波発生装置の構成の一部分を概略的に示す図である。
【図３４】パルスストレッチャの具体的な構成例として、グレーティングペア型の構成を示す図である。
【図３５】（ａ）〜（ｃ）第５変形例を説明するための図である。
【図３６】（ａ），（ｂ）第６変形例を説明するための図である。
【図３７】（ａ），（ｂ）第６変形例を説明するための図である。
【図３８】（ａ），（ｂ）第７変形例を説明するための図である。
【図３９】（ａ）第２実施形態に係るテラヘルツ波発生装置の構成の一部を示す側面図である。（ｂ）第２実施形態に係るテラヘルツ波発生装置の構成の一部を示す上面図である。
【図４０】第２実施形態に係るテラヘルツ波発生装置の構成の一部を示す斜視図である。
【図４１】第２実施形態における空間光変調素子の変調パターンの一例を示す図である。
【図４２】第２実施形態に係るテラヘルツ波発生方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照しながら本発明によるテラヘルツ波発生装置及びテラヘルツ波発生方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１５】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係るテラヘルツ波発生装置１Ａの構成を概略的に示す図である。図１に示されるように、本実施形態のテラヘルツ波発生装置１Ａは、光源３と、マルチパルス生成部１０Ａと、テラヘルツ波発生素子３０とを備える。
【００１６】
光源３は、コヒーレントなシングル（単一）光パルスＰ１を出力する。このシングル光パルスＰ１は、時間的に他の光パルスとは連続しない独立した光パルスであって、本実施形態における第１光パルスである。また、シングル光パルスＰ１は、複数の波長の光を含んでいる。光源３は、例えば超短パルスレーザといった固体レーザによって構成される。シングル光パルスＰ１の波長は、後述するテラヘルツ波発生素子３０の構成材料に応じて選択される。例えば、テラヘルツ波発生素子３０が低温成長ＧａＡｓを用いた光伝導アンテナである場合、キャリアを効率よく励起するため、シングル光パルスＰ１の中心波長は例えば８００ｎｍとされる。また、シングル光パルスＰ１のスペクトル幅は、後述するマルチ光パルスＰ２として１００フェムト秒以下のフーリエ限界パルスが得られるように設定される。例えば、シングル光パルスＰ１の中心波長が８００ｎｍである場合、１００フェムト秒のフーリエ限界パルスを得るためには、スペクトルの半値全幅（ＦＷＨＭ）は１０ｎｍより広いことが必要である。
【００１７】
マルチパルス生成部１０Ａは、光源３と光学的に結合されている。マルチパルス生成部１０Ａは、シングル光パルスＰ１から、複数の光パルスＰ２１，Ｐ２２及びＰ２３からなるマルチ光パルスＰ２を生成する。これらの光パルスＰ２１〜Ｐ２３は、本実施形態における第２光パルスである。光パルスＰ２１〜Ｐ２３の中心波長は互いに異なる。光パルスＰ２１の中心波長が最も長く、光パルスＰ２３の中心波長が最も短い。また、光パルスＰ２１〜Ｐ２３は、互いに時間差を有している。図１に示される例では、光パルスＰ２１が最も早く出力され、光パルスＰ２３が最も遅く出力されているが、光パルスＰ２１〜Ｐ２３の出力順序は任意である。各光パルスＰ２１〜Ｐ２３の時間幅は、例えば１００フェムト秒以下であることが好ましい。
【００１８】
マルチパルス生成部１０Ａは、光パルスＰ２１〜Ｐ２３それぞれを空間的に分割し、波長に応じてそれぞれ異なる光路Ｌ１〜Ｌ３上に出力する。一例では、光路Ｌ１〜Ｌ３は互いに平行に並んでいる。なお、マルチパルス生成部１０Ａから出力される光パルスの個数に制約はなく、様々な個数とすることができる。但し、テラヘルツ波発生素子３０において分子振動を効果的に励起するために、適切なパルス数がある。例えば、分子振動のオン／オフを切り替える場合、必要なパルス数はスイッチングの回数と等しい。
【００１９】
本実施形態のマルチパルス生成部１０Ａは、時間波形整形器１１、回折格子１８（光分散素子）、及びレンズ１９を有する。時間波形整形器１１は、光源３と光学的に結合されており、互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる光パルスＰ２１〜Ｐ２３を共通の（単一の）光路Ｌ０上に出力する。ここで、図２は、時間波形整形器１１の構成例を示す図である。図２に示されるように、時間波形整形器１１は、回折格子１２、レンズ１３、空間光変調器（Spatial Light Modulator：ＳＬＭ）１４、レンズ１５、回折格子１６、及びデータ作成部１７を有する。
【００２０】
回折格子１２は本実施形態における分光素子であり、光源３と光学的に結合されている。ＳＬＭ１４はレンズ１３を介して回折格子１２と光学的に結合されている。回折格子１２は、シングル光パルスＰ１を波長成分毎に分光する。なお、分光素子として、回折格子１２に代えてプリズム等の他の光学部品が用いられてもよい。また、図２には反射型の回折格子１２が示されているが、回折格子１２は透過型であってもよい。シングル光パルスＰ１は、回折格子１２に対して斜めに入射し、複数の波長成分に分光される。この複数の波長成分を含む光Ｌｂは、レンズ１３によって各波長成分毎に集光され、ＳＬＭ１４の変調面に結像される。レンズ１３は、光透過部材からなる凸レンズであってもよく、凹状の光反射面を有する凹面鏡であってもよい。
【００２１】
ＳＬＭ１４は、位相マスクの一例であり、互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる光パルスＰ２１〜Ｐ２３をシングル光パルスＰ１から生成するために、光Ｌｂの位相変調と強度変調とを同時に行う。また、光Ｌｂの位相変調のみを行ってもよいし、光Ｌｂの強度変調のみを行ってもよい。ＳＬＭ１４は、例えば位相変調型である。一実施例では、ＳＬＭ１４はＬＣＯＳ（Liquid crystal on silicon）型である。図３は、ＳＬＭ１４の変調面１４ａを示す図である。図３に示されるように、変調面１４ａには、複数の変調領域１４ｂが或る方向Ｂ１に沿って並んでおり、各変調領域１４ｂは方向Ｂ１と交差する（例えば、直交する）方向Ｂ２に延びている。方向Ｂ１は、回折格子１２による分光方向である。この変調面１４ａはフーリエ変換面として働き、複数の変調領域１４ｂのそれぞれには、分光後の対応する各波長成分が入射する。ＳＬＭ１４は、各変調領域１４ｂにおいて、入射した各波長成分の位相及び強度を他の波長成分から独立して変調する。なお、本実施形態のＳＬＭ１４は位相変調型であるため、強度変調は、変調面１４ａに呈示される変調パターンによって実現される。
【００２２】
ＳＬＭ１４は、データ作成部１７によって作成された位相パターンに基づく制御信号を受ける。変調パターンは、ＳＬＭ１４を制御するためのデータであり、複素振幅分布の強度あるいは位相分布の強度を含むデータである。変調パターンは、例えば、計算機合成ホログラム（Computer-Generated Holograms(CGH)）である。なお、データ作成部１７の詳細については後述する。
【００２３】
ＳＬＭ１４によって変調された変調光Ｌｃの各波長成分は、レンズ１５によって回折格子１６上の一点に集められる。このときのレンズ１５は、変調光Ｌｃを集光する集光光学系として機能する。レンズ１５は、光透過部材からなる凸レンズであってもよく、凹状の光反射面を有する凹面鏡であってもよい。また、回折格子１６は合波光学系として機能し、変調後の各波長成分を合波する。すなわち、これらのレンズ１５及び回折格子１６により、変調光Ｌｃの複数の波長成分は互いに集光・合波され、同じ光路上を伝搬する光パルスＰ２１〜Ｐ２３となる。
【００２４】
レンズ１５よりも前の領域（スペクトル領域）と、回折格子１６よりも後ろの領域（時間領域）とは、互いにフーリエ変換の関係にあり、スペクトル領域における位相変調は、時間領域における時間強度波形に影響する。従って、光パルスＰ２１〜Ｐ２３は、ＳＬＭ１４の変調パターンに応じた、所望の時間強度波形を有することとなる。ここで、図４（ａ）は、一例として、単パルス状のシングル光パルスＰ１のスペクトル波形（スペクトル位相Ｇ１１及びスペクトル強度Ｇ１２）を示し、図４（ｂ）は、該シングル光パルスＰ１の時間強度波形を示す。また、図５（ａ）は、一例として、ＳＬＭ１４において矩形波状の位相スペクトル変調を与えたときの変調光Ｌｃのスペクトル波形（スペクトル位相Ｇ２１及びスペクトル強度Ｇ２２）を示し、図５（ｂ）は、得られる光パルスの時間強度波形を示す。図４（ａ）及び図５（ａ）において、横軸は波長（ｎｍ）を示し、左の縦軸は強度スペクトルの強度値（任意単位）を示し、右の縦軸は位相スペクトルの位相値（ｒａｄ）を示す。また、図４（ｂ）及び図５（ｂ）において、横軸は時間（フェムト秒）を表し、縦軸は光強度（任意単位）を表す。この例では、矩形波状の位相スペクトル波形を変調光Ｌｃに与えることにより、シングル光パルスＰ１のシングルパルスが、高次光を伴うダブルパルスに変換されている。なお、図５に示されるスペクトル及び波形は一つの例であって、様々な位相スペクトル及び強度スペクトルの組み合わせにより、光パルスの個数及び時間強度波形を様々に変更することができる。
【００２５】
図６は、中心波長が８００ｎｍ、帯域幅が±５０ｎｍであるシングル光パルスＰ１から生成される、３つの光パルスＰ２１〜Ｐ２３の波長帯域の例を示すグラフである。図６の横軸は波長（単位：ｎｍ）を表し、縦軸は強度（任意単位）を表す。図６に示されるように、各光パルスＰ２１〜Ｐ２３の帯域幅は例えば２０ｎｍであり、その半値全幅（ＦＷＨＭ）は例えば１０ｎｍである。また、各光パルスＰ２１〜Ｐ２３の中心波長は例えばそれぞれ８４０ｎｍ、８００ｎｍ、及び７６０ｎｍである。この例では、各光パルスＰ２１〜Ｐ２３の最短パルス幅はおよそ９４フェムト秒となる。
【００２６】
なお、時間波形整形器１１が有する位相マスクとしては、ＳＬＭ１４に限られず、他の様々な位相マスクを用いることができる。例えば、位相マスクは音響光学変調器であってもよい。また、位相マスクとしては、電気的に制御可能なＳＬＭや音響光学変調器以外にも、例えば固定式のものを用いることができる。また、図２には透過型のＳＬＭ１４が示されているが、光利用効率を高めるため、ＳＬＭ１４は反射型であってもよい（例えば浜松ホトニクス社製Ｘ１３１３８−０２）。
【００２７】
また、回折格子１２、レンズ１３、及びＳＬＭ１４は、シングル光パルスＰ１のスペクトルに適した構成を有する。例えば、シングル光パルスＰ１のスペクトルの半値全幅が１００ｎｍである場合、回折格子１２のライン数は３００ライン／ｍｍ、レンズ１３の焦点距離は１８１．５ｍｍ、ＳＬＭ１４の画素数は１２８０×１０２４、ＳＬＭ１４の画素ピッチは１２．５μｍとされる。また、テラヘルツ波発生効率を高める為、光パルスＰ２１〜Ｐ２３のパルス幅がテラヘルツ波発生素子３０において最も短くなるように、時間波形整形器１１において分散補償がなされてもよい。例えば、レンズ１５、レンズ１９の各分散をβ1，β2とすると、時間波形整形器１１において、各光パルスＰ２１〜Ｐ２３に対して補償分散β＝−（β1＋β2）を付加してもよい。
【００２８】
再び図１を参照する。時間波形整形器１１から出力された光パルスＰ２１〜Ｐ２３は、回折格子１８に入力される。図７は、回折格子１８及びレンズ１９付近の光パルスＰ２１〜Ｐ２３の光路を示す図である。回折格子１８は、時間波形整形器１１から出力されて共通の光路Ｌ０上を伝搬する光パルスＰ２１〜Ｐ２３それぞれを、波長に応じて光路Ｌ１〜Ｌ３に分離することにより、空間的に分割する。回折格子１８は、反射型でもよく、透過型でもよい。光パルスＰ２１〜Ｐ２３の光径Ｄは例えば４ｍｍであり、回折格子１８の格子数ｄは例えば２０ライン／ｍｍである。回折格子１８における回折角θは、θ＝ｓｉｎ-1（λ／ｄ）として表される。λは各光パルスＰ２１〜Ｐ２３の中心波長である。
【００２９】
回折格子１８を通過した光パルスＰ２１〜Ｐ２３は、レンズ１９によって、集光スポットＱ１〜Ｑ３にそれぞれ集光される。レンズ１９は、例えば一又は複数のレンズによって構成される集光光学系である。或いは、レンズ１９は、シリンドリカルミラーによって構成されてもよい。回折格子１８とレンズ１９との光学距離は、レンズ１９の焦点距離ｆと等しい。このとき、集光スポットＱ１〜Ｑ３の間隔Δｈは、Δｈ＝ｆ・ｔａｎ（θ）として表される。焦点距離ｆが５０ｍｍである場合、間隔Δｈは４０μｍである。一方、集光スポットＱ１〜Ｑ３の直径（ビームの直径であり、ガウス近似したときの１／ｅ2の範囲内。ｅは自然対数）φは、φ＝４λｆ／πＤとして表され、この場合およそ１３μｍである。従って、集光スポットＱ１〜Ｑ３の間隔Δｄが集光スポットＱ１〜Ｑ３の直径φよりも広くなり、集光スポットＱ１〜Ｑ３は互いに確実に分離する。
【００３０】
再び図１を参照する。テラヘルツ波発生素子３０は、マルチパルス生成部１０Ａと光学的に結合され、マルチパルス生成部１０Ａから出力された光パルスＰ２１〜Ｐ２３を受けてテラヘルツ波パルスを発生する。ここで、図８は、テラヘルツ波発生素子３０の例として、光伝導アンテナ素子３０Ａを示す平面図である。図９は図８の部分拡大図であり、図１０は図９のＸ−Ｘ線に沿った側断面図であり、図１１は図９のXI−XI線に沿った側断面図である。
【００３１】
図１０及び図１１に示されるように、光伝導アンテナ素子３０Ａは、基板３１と、基板３１上に設けられた第１半導体層３２と、第１半導体層３２上に設けられた絶縁層３３と、絶縁層３３上に設けられた一対の電極３４と、絶縁層３３及び電極３４を覆う保護膜３７とを有する。基板３１と第１半導体層３２との間には、第１半導体層よりもバンドギャップの大きい絶縁性を有する第２半導体層３５が設けられている。基板３１は、例えば略矩形状を呈する半絶縁性ＧａＡｓ基板である。第１半導体層３２は、例えば分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）によって低温（２００℃〜３００℃）でエピタキシャル成長させたＧａＡｓ層である。絶縁層３３は、例えばＳｉＮ層である。第２半導体層３５は、例えばＡｌＧａＡｓ層である。電極３４は、オーミック電極であって、例えばＡｕＧｅ，Ａｕ等によって形成されている。
【００３２】
図８に示されるように、絶縁層３３は、開口部３３ａを有している。開口部３３ａは、絶縁層３３の中央部に形成され、光伝導アンテナ素子３０Ａの表面の法線方向から見て長方形状を呈している。また、各電極３４は、配線部３４ａ、複数（本実施形態では３つ）のアンテナ部３４ｂ、及び一対のパッド部３４ｃを有する。配線部３４ａは、複数のアンテナ部３４ｂとパッド部３４ｃとを相互に接続している。複数のアンテナ部３４ｂは、所定方向Ｂ３に沿ってアレイ状に並んでおり、配線部３４ａと一体に形成されている。複数のアンテナ部３４ｂは、開口部３３ａの内部に位置し、第１半導体層３２と接触している（図１０を参照）。一方の電極３４の複数のアンテナ部３４ｂと、他方の電極３４の複数のアンテナ部３４ｂとは、所定の間隔をあけて対向配置されている。一方の電極３４の一対のパッド部３４ｃは、絶縁層３３上の一辺に沿った２つの角部にそれぞれ位置する。他方の電極３４の一対のパッド部３４ｃは、絶縁層３３上の他辺に沿った２つの角部にそれぞれ位置する。これらのパッド部３４ｃは、外部配線と電気的に接続される。
【００３３】
図９に示されるように、アンテナ部３４ｂは、配線部３４ａから他方のアンテナ部３４ｂに向かって突出している。より具体的には、アンテナ部３４ｂは、配線部３４ａの延在方向の中央部から、当該延在方向と略直交する方向に突出している。一方の電極３４のアンテナ部３４ｂの先端と、他方の電極３４のアンテナ部３４ｂの先端とは、互いに対向している。これらの先端間の領域（アンテナギャップ、幅５μｍ）には、前述した光パルスＰ２１〜Ｐ２３が入射して集光スポットＱ１〜Ｑ３が形成される。アンテナ部３４ｂのパターンは、光伝導アンテナ素子３０Ａの表面の法線方向から見て長方形状を呈するダイポールパターンであり、光伝導アンテナ素子３０Ａは、このようなダイポールパターンが複数並んだダイポールアンテナアレイである。
【００３４】
この光伝導アンテナ素子３０Ａに対して光パルスＰ２１〜Ｐ２３が照射されると、発生したキャリアが一対の電極３４間を伝搬することによって瞬時電流が流れ、テラヘルツ波が発生する。例えば、光パルスＰ２１〜Ｐ２３の時間間隔が１ピコ秒である場合、パルス時間間隔の逆数である１ＴＨｚの共鳴を持つ分子やスピン振動を励起することができる。そして、キャリアの生成位置が各光パルスＰ２１〜Ｐ２３毎に分割されているので、キャリアの飽和を十分に回避しつつ、効率よくテラヘルツ波を発生させることができる。隣り合うアンテナ部３４ｂ同士の間隔は、例えば数十μｍ以下である必要がある。すなわち、全てのキャリアの生成位置の領域の大きさは、テラヘルツ波の波長以下（例えば、テラヘルツ波の周波数が１ＴＨｚであれば３００μｍ以下）である。そのような間隔であれば、各集光スポットＱ１〜Ｑ３から出力されるテラヘルツ波はひとつの点光源からの出力とみなされる。
【００３５】
なお、図８及び図９では全てのアンテナ部３４ｂがダイポールアンテナを構成する例を説明したが、少なくとも一つのアンテナ部の種類が他のアンテナ部と異なってもよい。例えば、少なくとも一つのアンテナ部が、ボウタイアンテナ、スパイラルアンテナ、或いは櫛形アンテナであってもよい。或いは、これらのアンテナ種類のうち少なくとも２つが混在していてもよい。得られるテラヘルツ波スペクトルはアンテナ種類によって異なるので、各アンテナ部のアンテナ種類を必要に応じて選択することにより、テラヘルツ波スペクトルを任意の形状に制御することができる。
【００３６】
図１２は、テラヘルツ波発生素子３０の別の例として、光伝導アンテナ素子３０Ｂを示す平面図である。また、図１３は図１２の部分拡大図である。なお、光伝導アンテナ素子３０Ｂの構成は、電極形状を除いて、上述した光伝導アンテナ素子３０Ａと同様である。
【００３７】
光伝導アンテナ素子３０Ｂが有する一対の電極３６は、それぞれ、配線部３６ａ、アンテナ部３６ｂ、及び一対のパッド部３６ｃを有する。なお、配線部３６ａ及び一対のパッド部３６ｃの形状は、上述した光伝導アンテナ素子３０Ａの配線部３４ａ及び一対のパッド部３４ｃと同様である。アンテナ部３６ｂは、一定の幅でもって所定方向Ｂ３に延びており、配線部３６ａと一体に形成されている。アンテナ部３６ｂは、開口部３３ａの内部に位置し、第１半導体層３２と接触している。一方の電極３６のアンテナ部３６ｂと、他方の電極３６のアンテナ部３６ｂとは、互いに平行に、所定の間隔をあけて対向配置されている。
【００３８】
図９に示されるように、アンテナ部３６ｂ間の領域には、前述した光パルスＰ２１〜Ｐ２３が入射して、上記所定方向Ｂ３に並ぶ集光スポットＱ１〜Ｑ３が形成される。そして、一対の電極３６間にバイアス電圧（例えば振幅±１０Ｖ、変調周波数１ｋＨｚ）を印加することによって、各集光スポットＱ１〜Ｑ３からテラヘルツ波が発生する。各集光スポットＱ１〜Ｑ３の領域の大きさは、テラヘルツ波の波長以下である。そのため、各集光スポットＱ１〜Ｑ３から出力されるテラヘルツ波は点光源からの出力とみなせるので、効率よくテラヘルツ波を発生させることができる。なお、このようなアンテナ部３６ｂのパターンを有する光伝導アンテナ素子３０Ｂは、ストリップラインアンテナと称される。
【００３９】
上述したテラヘルツ波発生素子３０の例では第１半導体層３２の半導体材料として低温成長ＧａＡｓを例示したが、例えばＳｅｍｉ−ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ（ＳＩ）ＧａＡｓやＩｎＧａＡｓなど、テラヘルツ波の発生効率が高い半導体材料であればよい。
【００４０】
また、テラヘルツ波発生素子３０に到達した光パルスＰ２１〜Ｐ２３の光強度は互いに等しくてもよく、互いに異なってもよい。特に、コヒーレント制御などのテラヘルツ波の応用によっては、光パルスＰ２１〜Ｐ２３の光強度は互いに異なってもよい。また、時間的に最初にテラヘルツ波発生素子３０に到達する光パルスの光強度を最大にするなど、各光パルスＰ２１〜Ｐ２３の光強度を任意に制御してもよい。
【００４１】
ここで、本実施形態によるテラヘルツ波発生方法について説明する。このテラヘルツ波発生方法は、本実施形態のテラヘルツ波発生装置１Ａを用いて実現可能である。図１４は、本実施形態のテラヘルツ波発生方法を示すフローチャートである。
【００４２】
まず、第１ステップ（パルス光生成ステップ）Ｓ１において、光源３からシングル光パルスＰ１を出力する。次に、第２ステップ（マルチパルス光生成ステップ）Ｓ２において、シングル光パルスＰ１から、互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる複数の光パルスＰ２１〜Ｐ２３を生成し、光パルスＰ２１〜Ｐ２３それぞれを、波長に応じて異なる光路上に出力する。この第２ステップＳ２は、時間波形整形ステップＳ３を含む。時間波形整形ステップＳ３では、光パルスＰ２１〜Ｐ２３を共通の光路Ｌ０上に出力する。時間波形整形ステップＳ３は、分光ステップＳ４、光変調ステップＳ５、及び集光ステップＳ６を含む。分光ステップＳ４では、シングル光パルスＰ１を分光する。光変調ステップＳ５では、分光後のシングル光パルスＰ１の位相変調を波長毎に行うことにより、互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる複数の光パルスＰ２１〜Ｐ２３を生成する。集光ステップＳ６では、光パルスＰ２１〜Ｐ２３を集光する。
【００４３】
第２ステップＳ２は、光分散ステップＳ７を更に含む。光分散ステップＳ７では、光パルスＰ２１〜Ｐ２３それぞれを、波長に応じて異なる光路Ｌ１〜Ｌ３に分離する。最後に、第３ステップ（テラヘルツ波生成ステップ）Ｓ８において、光パルスＰ２１〜Ｐ２３をテラヘルツ波発生素子３０に入力して、テラヘルツ波パルスを発生させる。
【００４４】
以上に説明した本実施形態によるテラヘルツ波発生装置１Ａ及びテラヘルツ波発生方法によって得られる効果について説明する。例えば非特許文献２に記載されたテラヘルツ波発生装置では、テラヘルツ波発生素子におけるキャリアの飽和を抑えるため、集光スポット径を例えば４ｍｍ程度と大きくしているので、テラヘルツ波の発生効率が抑えられてしまう。また、複数の光パルスの発生方式として多重マイケルソン干渉系を用いているので、光パルスの個数及び時間間隔を変更することが容易ではなく、また装置が大規模になるという問題がある。更に、光パルスのエネルギーが高い場合、テラヘルツ波のパワーが飽和することが報告されている。この理由は、キャリアの飽和が十分に回避されていないためと推測される。
【００４５】
これに対し、本実施形態のテラヘルツ波発生装置１Ａ及びテラヘルツ波発生方法では、光源３から出力されたシングル光パルスＰ１が時間分割され、互いに時間差を有する複数の光パルスＰ２１〜Ｐ２３が生成される。これらの光パルスＰ２１〜Ｐ２３の中心波長は互いに異なり、波長に応じて異なる光路Ｌ１〜Ｌ３上に出力される。これにより、テラヘルツ波発生素子３０において光パルスＰ２１〜Ｐ２３は互いに異なる位置に照射されることとなる。従って、光パルスＰ２１〜Ｐ２３が同じ位置に照射される場合と比較して、各光パルスの照射により発生するキャリアが他の光パルスの照射の際のキャリアの飽和に影響する度合いは小さい。すなわち、本実施形態のテラヘルツ波発生装置１Ａによれば、テラヘルツ波発生素子３０におけるキャリアの飽和をより効果的に回避し、テラヘルツ波の発生効率を向上できる。
【００４６】
また、本実施形態によれば、光パルスＰ２１〜Ｐ２３の時間間隔を自在に制御できるので、スペクトル選択の自由度及び効率を更に高めることができる。更に、光パルスＰ２１〜Ｐ２３の時間間隔を制御することにより、テラヘルツ波発生素子３０に固有のキャリアの緩和時間によらず飽和を回避できるので、テラヘルツ波発生素子３０の選択自由度を高めることができる。例えば、緩和時間が１００ピコ秒程度と長いＳＩ−ＧａＡｓを用いたテラヘルツ波発生素子を採用することも可能になる。
【００４７】
また、本実施形態によれば、光伝導アンテナの形状の自由度を高めることができる。例えば複数の光パルスを一点に集光させる場合には、テラヘルツ波を効率的に発生させるためにダイポールアンテナが使用され、ダイポールアンテナのアンテナギャップに集光スポットが形成される。これに対し、本実施形態においては、光パルスＰ２１〜Ｐ２３を時間的かつ空間的に分離して集光するので、複数箇所にアンテナギャップを有するアンテナを使用することができ、例えば櫛型アンテナといった複雑な形状の光伝導アンテナを用いることができる。
【００４８】
また、本実施形態によれば、テラヘルツ波の発生効率が高まるので、スピン制御などのコヒーレント制御に応用することが可能になる。近年、テラヘルツ波をＮｉＯなどの物質に照射し、スピンを制御する実験が注目を集めている（例えば非特許文献７）。例えば、２つのテラヘルツ波パルスを照射し、そのパルス間隔によってスピンのオフ／オフを制御することができる。本実施形態によってテラヘルツ波の発生効率が向上すれば、効率よくスピンを励起させることができる。さらに、時間波形整形器１１によって容易にパルス間隔を制御できるので、量子演算などへの応用も可能となる。
【００４９】
また、本実施形態のように、マルチパルス生成部１０Ａ（第２ステップＳ２）は、互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる光パルスＰ２１〜Ｐ２３を共通の光路Ｌ０上に出力する時間波形整形器１１（時間波形整形ステップＳ３）と、時間波形整形器１１から出力された光パルスＰ２１〜Ｐ２３それぞれを、波長に応じて異なる光路に分離する回折格子１８（光分散ステップＳ７）とを有してもよい。これにより、マルチパルス生成部１０Ａを好適に実現することができる。この場合、時間波形整形器１１（時間波形整形ステップＳ３）は、シングル光パルスＰ１を分光する回折格子１２（分光ステップＳ４）と、分光後のシングル光パルスＰ１の位相変調を波長毎に行うことにより、互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる光パルスＰ２１〜Ｐ２３を生成するＳＬＭ１４（光変調ステップＳ５）と、光パルスＰ２１〜Ｐ２３を集光する光学系（集光ステップＳ６）と、を含んでもよい。これにより、光パルスＰ２１〜Ｐ２３を生成するための構成を小型且つ簡易な構成により実現することができる。また、光分散素子として回折格子１８を用いることにより、中心波長が互いに異なる光パルスＰ２１〜Ｐ２３それぞれを、波長に応じて好適に分離することができる。
【００５０】
また、本実施形態のように、光パルスＰ２１〜Ｐ２３の時間幅は１００フェムト秒以下であってもよい。このような超短光パルスによって、テラヘルツ波を効率的に発生させることができる。
【００５１】
なお、本実施形態ではシングル光パルスＰ１をＳＬＭ１４へ導く光学系（回折格子１２及びレンズ１３）と、複数の光パルスＰ２１〜Ｐ２３を生成する光学系（レンズ１５及び回折格子１６）とが別個に設けられているが、これらの光学系は共通であってもよい。その場合、ＳＬＭ１４は反射型であることが好ましい。
【００５２】
ここで、時間波形整形器１１のデータ作成部１７について詳細に説明する。前述したように、時間波形整形器１１は、互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる複数の光パルスを出力する。データ作成部１７は、そのような複数の光パルスを生成するためにＳＬＭ１４に表示される変調パターンを算出し、該変調パターンに関するデータをＳＬＭ１４に提供する。
【００５３】
図１５は、データ作成部１７の構成を概略的に示す図である。本実施形態のデータ作成部１７は、例えば、パーソナルコンピュータ；スマートフォン、タブレット端末などのスマートデバイス；あるいはクラウドサーバなどのプロセッサを有するコンピュータである。データ作成部１７は、ＳＬＭ１４と電気的に接続されており、光パルスのパルス数及び時間強度波形を制御するための位相変調パターンを算出し、該位相変調パターンを含む制御信号ＳＣをＳＬＭ１４に提供する。本実施形態のデータ作成部１７は、複数の光パルスを含む所望の波形を得る為の位相スペクトルを出力光に与える位相変調用の位相パターンと、所望の波形を得る為の強度スペクトルを出力光に与える強度変調用の位相パターンとを含む位相パターンをＳＬＭ１４に呈示させる。そのために、データ作成部１７は、任意波形入力部２１と、位相スペクトル設計部２２と、強度スペクトル設計部２３と、変調パターン生成部２４とを有する。すなわち、データ作成部１７に設けられたコンピュータのプロセッサは、任意波形入力部２１の機能と、位相スペクトル設計部２２の機能と、強度スペクトル設計部２３の機能と、変調パターン生成部２４の機能とを実現する。それぞれの機能は、同じプロセッサにより実現されてもよいし、異なるプロセッサにより実現されてもよい。
【００５４】
コンピュータのプロセッサは、変調パターン算出プログラムによって、上記の各機能を実現することができる。故に、変調パターン算出プログラムは、コンピュータのプロセッサを、データ作成部１７における任意波形入力部２１、位相スペクトル設計部２２、強度スペクトル設計部２３、及び変調パターン生成部２４として動作させる。変調パターン算出プログラムは、コンピュータの内部または外部の記憶装置（記憶媒体）に記憶される。記憶装置は、非一時的記録媒体であってもよい。記録媒体としては、フレキシブルディスク、ＣＤ、ＤＶＤ等の記録媒体、ＲＯＭ等の記録媒体、半導体メモリ、クラウドサーバ等が例示される。
【００５５】
任意波形入力部２１は、操作者からの所望の時間強度波形の入力を受け付ける。操作者は、所望の時間強度波形に関する情報（例えばパルス数、パルス幅など）を任意波形入力部２１に入力する。所望の時間強度波形に関する情報は、位相スペクトル設計部２２及び強度スペクトル設計部２３に与えられる。位相スペクトル設計部２２は、その時間強度波形に基づいて、対応する位相スペクトルを算出する。強度スペクトル設計部２３は、その時間強度波形に基づいて、対応する強度スペクトルを算出する。変調パターン生成部２４は、位相スペクトル設計部２２において求められた位相スペクトルと、強度スペクトル設計部２３において求められた強度スペクトルとを出力光に与えるための位相変調パターン（例えば、計算機合成ホログラム）を算出する。そして、算出された位相変調パターンを含む制御信号ＳＣが、ＳＬＭ１４に提供され、ＳＬＭ１４は、制御信号ＳＣに基づいて制御される。
【００５６】
図１６は、位相スペクトル設計部２２及び強度スペクトル設計部２３の内部構成を示すブロック図である。図１６に示されるように、位相スペクトル設計部２２及び強度スペクトル設計部２３は、フーリエ変換部２５、関数置換部２６、波形関数修正部２７、逆フーリエ変換部２８、及びターゲット生成部２９を有する。ターゲット生成部２９は、フーリエ変換部２９ａ及びスペクトログラム修正部２９ｂを含む。これらの各構成要素の機能については、後に詳述する。
【００５７】
ここで、所望の時間強度波形は時間領域の関数として表され、位相スペクトルは周波数領域の関数として表される。従って、所望の時間強度波形に対応する位相スペクトルは、例えば、所望の時間強度波形に基づく反復フーリエ変換によって得られる。図１７は、反復フーリエ変換法による位相スペクトルの計算手順を示す図である。まず、周波数ωの関数である初期の強度スペクトル関数Ａ0（ω）及び位相スペクトル関数Ψ0（ω）を用意する（図中の処理番号（１））。一例では、これらの強度スペクトル関数Ａ0（ω）及び位相スペクトル関数Ψ0（ω）はそれぞれシングル光パルスＰ１のスペクトル強度及びスペクトル位相を表す。次に、強度スペクトル関数Ａ0（ω）及び位相スペクトル関数Ψn（ω）を含む周波数領域の波形関数（ａ）を用意する（図中の処理番号（２））。
【数１】
2018036484.tif 000003
添え字ｎは、第ｎ回目のフーリエ変換処理後を表す。最初（第１回目）のフーリエ変換処理の前においては、位相スペクトル関数Ψn（ω）として上述した初期の位相スペクトル関数Ψ0（ω）が用いられる。ｉは虚数である。
【００５８】
続いて、上記関数（ａ）に対して周波数領域から時間領域へのフーリエ変換を行う（図中の矢印Ａ１）。これにより、時間強度波形関数ｂn（ｔ）及び時間位相波形関数Θn（ｔ）を含む周波数領域の波形関数（ｂ）が得られる（図中の処理番号（３））。
【数２】
2018036484.tif 000004
続いて、上記関数（ｂ）に含まれる時間強度波形関数ｂn（ｔ）を、所望の波形に基づく時間強度波形関数Ｔａｒｇｅｔ0（ｔ）に置き換える（図中の処理番号（４）、（５））。
【数３】
2018036484.tif 000005
【数４】
2018036484.tif 000006
続いて、上記関数（ｄ）に対して時間領域から周波数領域への逆フーリエ変換を行う（図中の矢印Ａ２）。これにより、強度スペクトル関数Ｂn（ω）及び位相スペクトル関数Ψn（ω）を含む周波数領域の波形関数（ｅ）が得られる（図中の処理番号（６））。
【数５】
2018036484.tif 000007
【００５９】
続いて、上記関数（ｅ）に含まれる強度スペクトル関数Ｂn（ω）を拘束するため、初期の強度スペクトル関数Ａ0（ω）に置き換える（図中の処理番号（７））。
【数６】
2018036484.tif 000008
以降、上記の処理（１）〜（７）を複数回繰り返し行うことにより、波形関数中の位相スペクトル関数Ψn（ω）が表す位相スペクトル形状を、所望の時間強度波形に対応する位相スペクトル形状に近づけることができる。最終的に得られる位相スペクトル関数ΨIFTA（ω）が、所望の時間強度波形を得るための変調パターンの基になる。
【００６０】
しかしながら、上述したような反復フーリエ法では、時間強度波形を制御することはできるが、時間強度波形を構成する周波数成分（帯域波長）を制御することはできないという問題がある。そこで、本実施形態のデータ作成部１７は、以下に説明する算出方法を用いて、変調パターンの基になる位相スペクトル関数及び強度スペクトル関数を算出する。図１８は、位相スペクトル設計部２２における位相スペクトル関数の計算手順を示す図である。まず、周波数ωの関数である初期の強度スペクトル関数Ａ0（ω）及び位相スペクトル関数Φ0（ω）を用意する（図中の処理番号（１））。一例では、これらの強度スペクトル関数Ａ0（ω）及び位相スペクトル関数Φ0（ω）はそれぞれシングル光パルスＰ１のスペクトル強度及びスペクトル位相を表す。次に、強度スペクトル関数Ａ0（ω）及び位相スペクトル関数Φ0（ω）を含む周波数領域の第１波形関数（ｇ）を用意する（処理番号（２−ａ））。但し、ｉは虚数である。
【数７】
2018036484.tif 000009
【００６１】
続いて、位相スペクトル設計部２２のフーリエ変換部２５は、上記関数（ｇ）に対して周波数領域から時間領域へのフーリエ変換を行う（図中の矢印Ａ３）。これにより、時間強度波形関数ａ0（ｔ）及び時間位相波形関数φ0（ｔ）を含む時間領域の第２波形関数（ｈ）が得られる（フーリエ変換ステップ、処理番号（３））。
【数８】
2018036484.tif 000010
【００６２】
続いて、位相スペクトル設計部２２の関数置換部２６は、次の数式（ｉ）に示されるように、時間強度波形関数ｂ0（ｔ）に、任意波形入力部２１において入力された所望の波形に基づく時間強度波形関数Ｔａｒｇｅｔ0（ｔ）を代入する（処理番号（４−ａ））。
【数９】
2018036484.tif 000011
【００６３】
続いて、位相スペクトル設計部２２の関数置換部２６は、次の数式（ｊ）に示されるように、時間強度波形関数ａ0（ｔ）を時間強度波形関数ｂ0（ｔ）で置き換える。すなわち、上記関数（ｈ）に含まれる時間強度波形関数ａ0（ｔ）を、所望の波形に基づく時間強度波形関数Ｔａｒｇｅｔ0（ｔ）に置き換える（関数置換ステップ、処理番号（５））。
【数１０】
2018036484.tif 000012
【００６４】
続いて、位相スペクトル設計部２２の波形関数修正部２７は、置き換え後の第２波形関数（ｊ）のスペクトログラムが、所望の波長帯域に従って予め生成されたターゲットスペクトログラムに近づくように第２波形関数を修正する。まず、置き換え後の第２波形関数（ｊ）に対して時間−周波数変換を施すことにより、第２波形関数（ｊ）をスペクトログラムＳＧ0,k（ω，ｔ）に変換する（図中の処理番号（５−ａ））。添え字ｋは、第ｋ回目の変換処理を表す。
【００６５】
ここで、時間−周波数変換とは、時間波形のような複合信号に対して、周波数フィルタ処理または数値演算処理（窓関数をずらしながら乗算して、各々の時間に対してスペクトルを導出する処理）を施し、時間、周波数、信号成分の強さ（スペクトル強度）からなる３次元情報に変換することをいう。また、本実施形態では、その変換結果（時間、周波数、スペクトル強度）を「スペクトログラム」と定義する。
【００６６】
時間−周波数変換としては、例えば、短時間フーリエ変換（Short-Time Fourier Transform；ＳＴＦＴ）やウェーブレット変換（ハールウェーブレット変換、ガボールウェーブレット変換、メキシカンハットウェーブレット変換、モルレーウェーブレット変換）などがある。
【００６７】
また、所望の波長帯域に従って予め生成されたターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ0（ω，ｔ）をターゲット生成部２９から読み出す。このターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ0（ω，ｔ）は、目標とする時間波形（時間強度波形とそれを構成する周波数成分）と概ね同値であり、処理番号（５−ｂ）のターゲットスペクトログラム関数において生成される。
【００６８】
次に、位相スペクトル設計部２２の波形関数修正部２７は、スペクトログラムＳＧ0,k（ω，ｔ）とターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ0（ω，ｔ）とのパターンマッチングを行い、類似度（どの程度一致しているか）を調べる。本実施形態では、類似度を表す指標として、評価値を算出する。そして、続く処理番号（５−ｃ）では、得られた評価値が、所定の終了条件を満たすか否かの判定を行う。条件を満たせば処理番号（６）へ進み、満たさなければ処理番号（５−ｄ）へ進む。処理番号（５−ｄ）では、第２波形関数に含まれる時間位相波形関数φ0（ｔ）を任意の時間位相波形関数φ0,k（ｔ）に変更する。時間位相波形関数を変更した後の第２波形関数は、ＳＴＦＴなどの時間−周波数変換により再びスペクトログラムに変換される。以降、上述した処理番号（５−ａ）〜（５−ｃ）が繰り返し行われる。こうして、スペクトログラムＳＧ0,k（ω，ｔ）がターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ0（ω，ｔ）に次第に近づくように、第２波形関数が修正される（波形関数修正ステップ）。
【００６９】
その後、位相スペクトル設計部２２の逆フーリエ変換部２８は、修正後の第２波形関数に対して逆フーリエ変換を行い（図中の矢印Ａ４）、周波数領域の第３波形関数（ｋ）を生成する（逆フーリエ変換ステップ、処理番号（６））。
【数１１】
2018036484.tif 000013
この第３波形関数（ｋ）に含まれる位相スペクトル関数Φ0,k（ω）が、最終的に得られる所望の位相スペクトル関数ΦTWC-TFD（ω）となる。この位相スペクトル関数ΦTWC-TFD（ω）が、変調パターン生成部２４に提供される。
【００７０】
図１９は、強度スペクトル設計部２３におけるスペクトル強度の計算手順を示す図である。なお、処理番号（１）から処理番号（５−ｃ）までは、上述した位相スペクトル設計部２２におけるスペクトル位相の計算手順と同様なので説明を省略する。強度スペクトル設計部２３の波形関数修正部２７は、スペクトログラムＳＧ0,k（ω，ｔ）とターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ0（ω，ｔ）との類似度を示す評価値が所定の終了条件を満たさない場合、第２波形関数に含まれる時間位相波形関数φ0（ｔ）は初期値で拘束しつつ、時間強度波形関数ｂ0（ｔ）を任意の時間強度波形関数ｂ0,k（ｔ）に変更する（処理番号（５−ｅ））。時間強度波形関数を変更した後の第２波形関数は、ＳＴＦＴなどの時間−周波数変換により再びスペクトログラムに変換される。以降、処理番号（５−ａ）〜（５−ｃ）が繰り返し行われる。こうして、スペクトログラムＳＧ0,k（ω，ｔ）がターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ0（ω，ｔ）に次第に近づくように、第２波形関数が修正される（波形関数修正ステップ）。
【００７１】
その後、強度スペクトル設計部２３の逆フーリエ変換部２８は、修正後の第２波形関数に対して逆フーリエ変換を行い（図中の矢印Ａ４）、周波数領域の第３波形関数（ｍ）を生成する（逆フーリエ変換ステップ、処理番号（６））。
【数１２】
2018036484.tif 000014
【００７２】
続いて、処理番号（７−ｂ）では、強度スペクトル設計部２３のフィルタ処理部が、第３波形関数（ｍ）に含まれる強度スペクトル関数Ｂ0,k（ω）に対し、シングル光パルスＰ１の強度スペクトルに基づくフィルタ処理を行う（フィルタ処理ステップ）。具体的には、強度スペクトル関数Ｂ0,k（ω）に係数αを乗じた強度スペクトルのうち、シングル光パルスＰ１の強度スペクトルに基づいて定められる各波長毎のカットオフ強度を超える部分をカットする。全ての波長域において、強度スペクトル関数αＢ0,k（ω）がシングル光パルスＰ１のスペクトル強度を超えないようにするためである。一例では、波長毎のカットオフ強度は、シングル光パルスＰ１の強度スペクトル（本実施形態では初期の強度スペクトル関数Ａ0（ω））と一致するように設定される。その場合、次の数式（ｎ）に示されるように、強度スペクトル関数αＢ0,k（ω）が強度スペクトル関数Ａ0（ω）よりも大きい周波数では、強度スペクトル関数ＡTWC-TFD（ω）の値として強度スペクトル関数Ａ0（ω）の値が取り入れられる。また、強度スペクトル関数αＢ0,k（ω）が強度スペクトル関数Ａ0（ω）以下である周波数では、強度スペクトル関数ＡTWC-TFD（ω）の値として強度スペクトル関数αＢ0,k（ω）の値が取り入れられる（図中の処理番号（７−ｂ））。
【数１３】
2018036484.tif 000015
この強度スペクトル関数ＡTWC-TFD（ω）が、最終的に得られる所望のスペクトル強度として変調パターン生成部２４に提供される。
【００７３】
変調パターン生成部２４は、位相スペクトル設計部２２において算出された位相スペクトル関数ΦTWC-TFD（ω）により示されるスペクトル位相と、強度スペクトル設計部２３において算出された強度スペクトル関数ＡTWC-TFD（ω）により示されるスペクトル強度とを光パルスＰ２１〜Ｐ２３に与えるための位相変調パターン（例えば、計算機合成ホログラム）を算出する（データ生成ステップ）。
【００７４】
ここで、図２０は、ターゲット生成部２９におけるターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ0（ω，ｔ）の生成手順の一例を示す図である。ターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ0（ω，ｔ）は、目標とする時間波形（時間強度波形とそれを構成する周波数成分（波長帯域成分））を示すので、ターゲットスペクトログラムの作成は、周波数成分（波長帯域成分）を制御するために極めて重要な工程である。図２０に示されるように、ターゲット生成部２９は、まずスペクトル波形（初期の強度スペクトル関数Ａ0（ω）及び初期の位相スペクトル関数Φ0（ω））、並びに所望の時間強度波形関数Ｔａｒｇｅｔ0（ｔ）を入力する。また、所望の周波数（波長）帯域情報を含む時間関数ｐ0（ｔ）を入力する（処理番号（１））。
【００７５】
次に、ターゲット生成部２９は、例えば図１７に示された反復フーリエ変換法、或いは非特許文献８または９に記載された方法を用いて、時間強度波形関数Ｔａｒｇｅｔ0（ｔ）を実現するための位相スペクトル関数ΦIFTA（ω）を算出する（処理番号（２））。
【００７６】
続いて、ターゲット生成部２９は、先に得られた位相スペクトル関数ΦIFTA（ω）を利用した反復フーリエ変換法により、時間強度波形関数Ｔａｒｇｅｔ0（ｔ）を実現するための強度スペクトル関数ＡIFTA（ω）を算出する（処理番号（３））。ここで、図２１は、強度スペクトル関数ＡIFTA（ω）を算出する手順の一例を示す図である。
【００７７】
まず、初期の強度スペクトル関数Ａk=0（ω）及び位相スペクトル関数Ψ0（ω）を用意する（図中の処理番号（１））。次に、強度スペクトル関数Ａk（ω）及び位相スペクトル関数Ψ0（ω）を含む周波数領域の波形関数（ｏ）を用意する（図中の処理番号（２））。
【数１４】
2018036484.tif 000016
添え字ｋは、第ｋ回目のフーリエ変換処理後を表す。最初（第１回目）のフーリエ変換処理の前においては、強度スペクトル関数Ａk（ω）として上記の初期強度スペクトル関数Ａk=0（ω）が用いられる。ｉは虚数である。
【００７８】
続いて、上記関数（ｏ）に対して周波数領域から時間領域へのフーリエ変換を行う（図中の矢印Ａ５）。これにより、時間強度波形関数ｂk（ｔ）を含む周波数領域の波形関数（ｐ）が得られる（図中の処理番号（３））。
【数１５】
2018036484.tif 000017
【００７９】
続いて、上記関数（ｐ）に含まれる時間強度波形関数ｂk（ｔ）を、所望の波形に基づく時間強度波形関数Ｔａｒｇｅｔ0（ｔ）に置き換える（図中の処理番号（４）、（５））。
【数１６】
2018036484.tif 000018
【数１７】
2018036484.tif 000019
【００８０】
続いて、上記関数（ｒ）に対して時間領域から周波数領域への逆フーリエ変換を行う（図中の矢印Ａ６）。これにより、強度スペクトル関数Ｃk（ω）及び位相スペクトル関数Ψk（ω）を含む周波数領域の波形関数（ｓ）が得られる（図中の処理番号（６））。
【数１８】
2018036484.tif 000020
続いて、上記関数（ｓ）に含まれる位相スペクトル関数Ψk（ω）を拘束するため、初期の位相スペクトル関数Ψ0（ω）に置き換える（図中の処理番号（７−ａ））。
【数１９】
2018036484.tif 000021
【００８１】
また、逆フーリエ変換後の周波数領域における強度スペクトル関数Ｃk（ω）に対し、シングル光パルスＰ１の強度スペクトルに基づくフィルタ処理を行う。具体的には、強度スペクトル関数Ｃk（ω）により表される強度スペクトルのうち、シングル光パルスＰ１の強度スペクトルに基づいて定められる各波長毎のカットオフ強度を超える部分をカットする。一例では、波長毎のカットオフ強度は、シングル光パルスＰ１の強度スペクトル（例えば初期の強度スペクトル関数Ａk=0（ω））と一致するように設定される。その場合、次の数式（ｕ）に示されるように、強度スペクトル関数Ｃk（ω）が強度スペクトル関数Ａk=0（ω）よりも大きい周波数では、強度スペクトル関数Ａk（ω）の値として強度スペクトル関数Ａk=0（ω）の値が取り入れられる。また、強度スペクトル関数Ｃk（ω）が強度スペクトル関数Ａk=0（ω）以下である周波数では、強度スペクトル関数Ａk（ω）の値として強度スペクトル関数Ｃk（ω）の値が取り入れられる（図中の処理番号（７−ｂ））。
【数２０】
2018036484.tif 000022
上記関数（ｓ）に含まれる強度スペクトル関数Ｃk（ω）を、上記数式（ｕ）によるフィルタ処理後の強度スペクトル関数Ａk（ω）に置き換える。
【００８２】
以降、上記の処理（１）〜（７−ｂ）を繰り返し行うことにより、波形関数中の強度スペクトル関数Ａk（ω）が表す強度スペクトル形状を、所望の時間強度波形に対応する強度スペクトル形状に近づけることができる。最終的に、強度スペクトル関数ＡIFTA（ω）が得られる。
【００８３】
再び図２０を参照する。以上に説明した処理番号（２）、（３）における位相スペクトル関数ΦIFTA（ω）及び強度スペクトル関数ＡIFTA（ω）の算出によって、これらの関数を含む周波数領域の第３波形関数（ｖ）が得られる（処理番号（４））。
【数２１】
2018036484.tif 000023
ターゲット生成部２９のフーリエ変換部２９ａは、上の波形関数（ｖ）をフーリエ変換する。これにより、時間領域の第４波形関数（ｗ）が得られる（処理番号（５））。
【数２２】
2018036484.tif 000024
【００８４】
ターゲット生成部２９のスペクトログラム修正部２９ｂは、時間−周波数変換により第４波形関数（ｗ）をスペクトログラムＳＧIFTA（ω，ｔ）に変換する（処理番号（６））。そして、処理番号（７）では、所望の周波数（波長）帯域情報を含む時間関数ｐ0（ｔ）を基にスペクトログラムＳＧIFTA（ω，ｔ）を修正することにより、ターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ0（ω，ｔ）を生成する。例えば、２次元データにより構成されるスペクトログラムＳＧIFTA（ω，ｔ）に現れる特徴的パターンを部分的に切り出し、時間関数ｐ0（ｔ）を基に当該部分の周波数成分の操作を行う。以下、その具体例について詳細に説明する。
【００８５】
例えば、所望の時間強度波形関数Ｔａｒｇｅｔ0（ｔ）として時間間隔が２ピコ秒であるトリプルパルスを設定した場合について考える。このとき、スペクトログラムＳＧIFTA（ω，ｔ）は、図２２（ａ）に示されるような結果となる。なお、図２２（ａ）において横軸は時間（単位：フェムト秒）を示し、縦軸は波長（単位：ｎｍ）を示す。また、スペクトログラムの値は、図の明暗によって示されており、明るいほどスペクトログラムの値が大きい。このスペクトログラムＳＧIFTA（ω，ｔ）において、トリプルパルスは２ピコ秒間隔で時間軸上に分かれたドメインＤ1、Ｄ2、及びＤ3として現れる。ドメインＤ1、Ｄ2、及びＤ3の中心（ピーク）波長は８００ｎｍである。
【００８６】
仮に光パルスＰ２１〜Ｐ２３の時間強度波形のみを制御したい（単にトリプルパルスを得たい）場合には、これらのドメインＤ1、Ｄ2、及びＤ3を操作する必要はない。しかし、各パルスの周波数（波長）帯域を制御したい場合には、これらのドメインＤ1、Ｄ2、及びＤ3の操作が必要となる。すなわち、図２２（ｂ）に示されるように、波長軸（縦軸）に沿った方向に各ドメインＤ1、Ｄ2、及びＤ3を互いに独立して移動させることは、それぞれのパルスの構成周波数（波長帯域）を変更することを意味する。このような各パルスの構成周波数（波長帯域）の変更は、時間関数ｐ0（ｔ）を基に行われる。
【００８７】
例えば、ドメインＤ2のピーク波長を８００ｎｍで据え置き、ドメインＤ1及びＤ3のピーク波長がそれぞれ−２ｎｍ、＋２ｎｍだけ平行移動するように時間関数ｐ0（ｔ）を記述するとき、スペクトログラムＳＧIFTA（ω，ｔ）は、図２２（ｂ）に示されるターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ0（ω，ｔ）に変化する。例えばスペクトログラムにこのような処理を施すことによって、時間強度波形の形状を変えずに、各パルスの構成周波数（波長帯域）が任意に制御されたターゲットスペクトログラムを作成することができる。
【００８８】
以上に説明したように、本実施形態のデータ作成部１７では、周波数領域の第１波形関数（ｇ）に対してフーリエ変換を行うことにより時間領域の第２波形関数（ｈ）を生成したのち、第２波形関数（ｈ）に対し、所望の波形に基づく時間強度波形関数Ｔａｒｇｅｔ0（ｔ）の置き換えを行う。その後、第２波形関数に対して逆フーリエ変換を行い、周波数領域の第３波形関数（ｋ）及び（ｍ）を生成する。そして、第３波形関数（ｋ）の位相スペクトル関数Φ0,k（ω）、及び第３波形関数（ｍ）の強度スペクトル関数Ｂ0,k（ω）に基づいて変調パターンを生成する。これにより、複数の光パルスを含む所望の波形を実現するための変調パターンを好適に生成することができる。
【００８９】
加えて、本実施形態のデータ作成部１７では、時間強度波形関数Ｔａｒｇｅｔ0（ｔ）の置き換えののち、逆フーリエ変換の前に、ターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ0（ω，ｔ）に第２波形関数のスペクトログラムＳＧ0,k（ω，ｔ）が近づくように第２波形関数を修正する。このターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ0（ω，ｔ）は所望の波長帯域に従って予め生成されたものであり、この処理によって、第２波形関数の波長帯域は、所望の波長帯域に修正される。従って、第２波形関数を逆フーリエ変換して得られる第３波形関数（ｋ）及び（ｍ）もまた、所望の波長帯域内の関数となる。そして、上述したように変調パターンは、第３波形関数（ｋ）の位相スペクトル関数Φ0,k（ω）、及び第３波形関数（ｍ）の強度スペクトル関数Ｂ0,k（ω）に基づいて生成される。以上より、本実施形態のデータ作成部１７によれば、複数の光パルスの波長成分（周波数成分）を個別に制御することが可能となる。
【００９０】
また、本実施形態のように、波形関数修正部２７は、第２波形関数のスペクトログラムＳＧIFTA（ω，ｔ）とターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ0（ω，ｔ）との類似度を表す評価値を算出し、評価値が所定の条件を満たすように第２波形関数を修正してもよい。例えばこのような方式によって、第２波形関数のスペクトログラムＳＧIFTA（ω，ｔ）がターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ0（ω，ｔ）に近づくように第２波形関数を精度良く修正することができる。
【００９１】
また、本実施形態のように、波形関数修正部２７は、第２波形関数を修正するために、時間強度波形関数ｂ0,k（ｔ）又は時間位相波形関数φ0,k（ｔ）を変更してもよい。例えばこのような方式によって、第２波形関数のスペクトログラムＳＧIFTA（ω，ｔ）がターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ0（ω，ｔ）に近づくように第２波形関数を好適に修正することができる。
【００９２】
なお、データ作成部１７は、本実施形態に限られるものではなく、様々な変更が可能である。例えば、本実施形態では、位相スペクトル設計部２２が位相スペクトル関数ΦTWC-TFD（ω）を算出し、強度スペクトル設計部２３が強度スペクトル関数ＡTWC-TFD（ω）を算出し、変調パターン生成部２４が、双方の関数に基づいて変調パターンを生成しているが、変調パターン生成部は、位相スペクトル関数ΦTWC-TFD（ω）及び強度スペクトル関数ＡTWC-TFD（ω）のうち一方に基づいて変調パターンを生成してもよい。
【００９３】
また、波形関数修正部２７が第２波形関数をスペクトログラムＳＧ0,k（ω，ｔ）に変換する際（図１８及び図１９の処理番号（５−ａ））の時間−周波数変換として、本実施形態では短時間フーリエ変換（ＳＴＦＴ）及びウェーブレット変換を例示している。時間−周波数変換処理において重要なことは、時間波形を「時間−周波数情報」であるスペクトログラムＳＧ0,k（ω，ｔ）へ変換することにある。本実施形態では、時間波形のうち時間強度波形のみを制御する手法（例えば非特許文献８，９）と異なり、その時間波形を構成する周波数成分（帯域成分）を制御することを主な目的としており、時間波形から時間強度情報と周波数（帯域）情報とを抽出することに意味があるからである。つまり、時間−周波数変換としては、ＳＴＦＴ及びウェーブレット変換に限らず、時間波形から周波数情報を抽出し得る様々な変換処理を適用することができる。
【００９４】
また、本実施形態では、波形関数修正部２７が、第２波形関数のスペクトログラムＳＧIFTA（ω，ｔ）とターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ0（ω，ｔ）との類似度を示す評価値を用いて、これらが互いにどの程度近いかを判定している（図１８及び図１９の処理番号（５−ｃ））。ターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ0（ω，ｔ）は、所望の時間波形が、どのような時間強度形状及び周波数（帯域）情報を含むかを表すものであり、いわば目標値（設計図）の役割を果たす。従って、本実施形態の評価値は、波形制御精度を示す指標の一つとなり得る。
【００９５】
一方、スペクトログラムＳＧIFTA（ω，ｔ）は、周波数ω及び時間tといった２つの変数を含むので、画像としても扱うことができる。従って、スペクトログラムＳＧIFTA（ω，ｔ）とターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ0（ω，ｔ）とがどの程度一致しているかを調べることは、画像解析における各種のパターンマッチング手法を用いた差違抽出作業であると考えることができる。故に、類似度を示す評価値を利用する方法の他にも、例えば、画像の特徴量（周波数や時間軸方向に限定した輪郭・形状など）を抽出してパターンのマッチング度合いを評価する方法や、画像を複数の部分に分割して部分毎に評価する方法などを適用することもできる。
【００９６】
また、本実施形態では、波形関数修正部２７が、評価値が所定の条件を満たさない（スペクトログラムＳＧIFTA（ω，ｔ）とターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ0（ω，ｔ）とが乖離している）場合に、時間位相波形関数φ0,k（ｔ）または時間強度波形関数ｂ0,k（ｔ）を他の任意のものへ変更する（図１８の処理番号（５−ｄ）、図１９の処理番号（５−ｅ））。これらの関数φ0,k（ｔ）、ｂ0,k（ｔ）を変更する方法としては、様々な方法がある。最も簡易な方法としては、関数φ0,k（ｔ）、ｂ0,k（ｔ）をランダムに変化させる方法がある。また、例えばシミュレーテッドアニーリング法などにより、一定のルールに従い（確率過程に伴い）関数φ0,k（ｔ）、ｂ0,k（ｔ）の解を探索する方法も適用可能である。或いは、どのような関数φ0,k（ｔ）、ｂ0,k（ｔ）を用いると評価値が良くなるかの指標が得られる場合には、その指標を活用してもよい。例えば、処理番号（５−ａ）にて算出される評価値の大きさや処理番号（５−ｃ）における判定結果を、関数φ0,k（ｔ）、ｂ0,k（ｔ）の変更の際にフィードバックしてもよい。具体的には、スペクトログラムＳＧIFTA（ω，ｔ）とターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ0（ω，ｔ）との差分値を基に、新たなスペクトログラムNewＳＧ0（ω，ｔ）を作成し、そのNewＳＧ0（ω，ｔ）を逆スペクトログラム変換することで、時間波形の形に変形する。このようなスペクトログラム上での演算を経て得られたNewＳＧ0（ω，ｔ）を逆スペクトログラム変換することで得られる時間波形の時間位相や時間強度関数には、例えば、どのような関数φ0,k（ｔ）、ｂ0,k（ｔ）を用いると評価値が良くなるかに関する（スペクトログラム上での演算に基づく）指標が含まれる。従って、適宜この指標を時間位相波形関数φ0,k（ｔ）または時間強度波形関数ｂ0,k（ｔ）の修正にフィードバック利用する手法が考えられる。
【００９７】
また、ターゲット生成部２９がターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ0（ω，ｔ）を生成する際、図２０に示される処理番号（２）において、時間強度波形関数Ｔａｒｇｅｔ0（ｔ）を実現するための位相スペクトル関数ΦIFTA（ω）を算出する。このとき、図１７に示された反復フーリエ変換法、或いは非特許文献８または９に記載された方法を用い得ることを先に述べたが、位相スペクトル関数ΦIFTA（ω）の算出方法はこれらに限られず、時間強度波形関数Ｔａｒｇｅｔ0（ｔ）の生成を実現し得るような、解析的若しくは近似的に求められる位相スペクトル関数ΦIFTA（ω）を用いても良い。
【００９８】
また、ターゲット生成部２９がターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ0（ω，ｔ）を生成する際、図２０に示される処理番号（３）において、時間強度波形関数Ｔａｒｇｅｔ0（ｔ）を実現するための強度スペクトル関数ＡIFTA（ω）を算出する。このとき、図１９に示された、改良された反復フーリエ変換法を用いて強度スペクトル関数ＡIFTA（ω）を算出する例を先に述べたが、強度スペクトル関数ＡIFTA（ω）の算出方法はこれに限られず、時間強度波形関数Ｔａｒｇｅｔ0（ｔ）の生成を実現し得るような、解析的若しくは近似的に求められる強度スペクトル関数ＡIFTA（ω）を用いても良い。
【００９９】
なお、クラウドサーバなどの遠隔地に存在するコンピュータを用いて、本実施形態のデータ作成方法に基づいて変調パターン（例えば、計算機合成ホログラム）を作成し、作成された変調パターンに関するデータをユーザーに送信してもよい。その場合、本実施形態のデータ作成部１７は不要となる。
【０１００】
（第１実施例）
上記実施形態のデータ作成方法に基づく計算を行って、周波数（波長）帯域の制御を含めた時間波形の制御が可能であることを確かめた。この計算においては、波長帯域が半値全幅で５ｎｍであるシングルパルスをシングル光パルスＰ１として設定し、２ピコ秒間隔のダブルパルスを複数の光パルスとして設定した。この場合、ターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ（ω，ｔ）は、２つのドメインを含む。本実施例では、図２２（ｂ）に示された方法により、この２つのドメインを波長軸方向に平行移動した（すなわち各パルスを構成する周波数（波長）帯域を変更した）５つのターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ（ω，ｔ）を用意した。具体的には、２つのドメインの中心波長（ピーク波長）の組み合わせがそれぞれ（８００ｎｍ，８００ｎｍ）、（８０１ｎｍ，７９９ｎｍ）、（８０２ｎｍ，７９８ｎｍ）、（８０３ｎｍ，７９７ｎｍ）、及び（８０４ｎｍ，７９６ｎｍ）である５種類のターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ0（ω，ｔ）を用意した。そして、図１８に示された方法を用いて位相スペクトル関数ΦTWC-TFD（ω）を、図１９に示された方法を用いて強度スペクトル関数ＡTWC-TFD（ω）を、それぞれ算出した。
【０１０１】
図２３は、対応する各ターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ0（ω，ｔ）に対して評価値が所定の条件を満足した各スペクトログラムＳＧ0,k（ω，ｔ）に含まれる２つのドメインの中心波長と、ドメイン間の中心波長間隔とを示すグラフである。縦軸は各ドメインの中心波長を示し、横軸はドメイン間の中心波長間隔を示している。また、グラフＧ３１及びＧ３２は、ターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ0（ω，ｔ）に含まれる一方及び他方のドメインの中心波長をそれぞれ結ぶ直線であり、グラフＧ３３及びＧ３４は、スペクトログラムＳＧ0,k（ω，ｔ）に含まれる一方及び他方のドメインの中心波長をそれぞれ結ぶ近似曲線である。この結果から、隣接するパルスの波長帯域差が例えば４ｎｍ以内であるときに、周波数（波長）帯域を含めた時間波形の制御が可能であることが示された。すなわち、シングル光パルスＰ１の波長帯域の半値全幅（５ｎｍ）の範囲内において、任意の波長帯域への変更が概ね可能であることが示された。言い換えれば、ターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ（ω，ｔ）のドメインを波長軸方向に移動する際、シングル光パルスＰ１の波長帯域内で移動することが望ましい。
【０１０２】
図２４（ａ）は、ターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ（ω，ｔ）の２つのドメインの中心波長の組み合わせを（８００ｎｍ，８００ｎｍ）と設定し、図１８、図１９に示された方法を用いて得られたスペクトル波形（スペクトル位相Ｇ４１及びスペクトル強度Ｇ４２）を示すグラフである。図２４（ｂ）は、図２４（ａ）のスペクトル波形をフーリエ変換して得られた複数の光パルスの時間強度波形を示すグラフである。また、図２５（ａ）は、ターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ（ω，ｔ）の２つのドメインの中心波長の組み合わせを（８０２ｎｍ，７９８ｎｍ）と設定し、図１８、図１９に示された方法を用いて得られたスペクトル波形（スペクトル位相Ｇ５１及びスペクトル強度Ｇ５２）を示すグラフである。図２５（ｂ）は、図２５（ａ）のスペクトル波形をフーリエ変換して得られた複数の光パルスの時間強度波形を示すグラフである。
【０１０３】
図２４（ａ）と図２５（ａ）とを比較すると、各ドメインの中心波長が８００ｎｍ，８００ｎｍである場合（図２４（ａ））、位相スペクトル（Ｇ４１）はステップ状であり、且つ、強度スペクトル（Ｇ４２）の裾付近の波長において位相スペクトル（Ｇ４１）に折り返しが生じている。これに対し、各ドメインの中心波長が８０２ｎｍ，７９８ｎｍである場合（図２５（ａ））、スペクトル強度（Ｇ５２）の裾付近の波長に近づくに従って位相スペクトル（Ｇ５１）のステップが滑らかになり、且つ、位相スペクトル（Ｇ５１）の折り返しが生じていない。このことから、複数の光パルスの周波数（波長）帯域を制御するために、位相スペクトルに明確な違いが生じることがわかる。
【０１０４】
また、図２４（ｂ）と図２５（ｂ）とを比較すると、複数の光パルスの周波数（波長）帯域の制御の違いにかかわらず、同様の時間強度波形が得られることがわかる。
【０１０５】
（第２実施例）
続いて、７本の光パルスを生成し、各パルスの波長帯域を互いに異ならせる実施例について説明する。図２６（ａ）及び図２７（ａ）は、本実施例にて用いられたターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ（ω，ｔ）を示す。図２６（ａ）は各パルスの波長帯域を制御しない（等しくする）場合を示し、図２７（ａ）は各パルスの波長帯域を互いに異ならせた場合を示す。また、図２６（ｂ）及び図２７（ｂ）は、それぞれ図２６（ａ）及び図２７（ａ）のターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ（ω，ｔ）に基づいて算出されたスペクトログラムＳＧ0,k（ω，ｔ）である。なお、これらの図において、横軸は時間（単位：フェムト秒）を示し、縦軸は波長（単位：ｎｍ）を示す。また、スペクトログラムの値は、図の明暗によって示されており、明るいほどスペクトログラムの値が大きい。本実施例では、ターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ（ω，ｔ）及びスペクトログラムＳＧ0,k（ω，ｔ）が、パルスの本数と同じ数のドメインＤ１〜Ｄ７を含んでいる。
【０１０６】
図２８（ａ）は、図２６（ｂ）のスペクトログラムＳＧ0,k（ω，ｔ）に対応する時間波形（第２波形関数）から算出されたスペクトル波形（スペクトル位相Ｇ６１及びスペクトル強度Ｇ６２）を示すグラフである。図２８（ｂ）は、図２８（ａ）のスペクトル波形をフーリエ変換して得られた複数の光パルスの時間強度波形を示すグラフである。また、図２９（ａ）は、図２７（ｂ）のスペクトログラムＳＧ0,k（ω，ｔ）に対応する時間波形（第２波形関数）から算出されたスペクトル波形（スペクトル位相Ｇ７１及びスペクトル強度Ｇ７２）を示すグラフである。図２９（ｂ）は、図２９（ａ）のスペクトル波形をフーリエ変換して得られた複数の光パルスの時間強度波形を示すグラフである。
【０１０７】
図２８（ａ）と図２９（ａ）とを比較すると、各ドメインの中心波長が互いに等しい場合（図２８（ａ））と、各ドメインの中心波長が互いに異なる場合（図２９（ａ））とで、位相スペクトルに明確な違いが生じることがわかる。一方、図２８（ｂ）と図２９（ｂ）とを比較すると、複数の光パルスの周波数（波長）帯域の制御の違いにかかわらず、同様の時間強度波形が得られることがわかる。
【０１０８】
（第１変形例）
上記第１実施形態においては、光パルスＰ２１〜Ｐ２３の光路Ｌ１〜Ｌ３を揃えるためにマルチパルス生成部１０Ａがレンズ１９を有するが、図３０に示されるように、回折格子１８とレンズ１９との間に、シリンドリカルミラー４１及びペリスコープアレイ４２が更に設けられてもよい。その場合、回折格子１８によって波長毎に分割された複数の光パルスＰ２１〜Ｐ２３は、シリンドリカルミラー４１を介してペリスコープアレイ４２に入射する。そして、ペリスコープアレイ４２によって光パルスＰ２１〜Ｐ２３の光路の間隔が調整されたのち、光パルスＰ２１〜Ｐ２３がレンズ１９によって集光される。このような構成においては、ペリスコープアレイ４２の反射角度を制御することにより、図７と同様に各光パルスＰ２１〜Ｐ２３の集光位置を好適に制御することができる。なお、本変形例においても、回折格子１８は反射型及び透過型の何れであってもよく、シリンドリカルミラー４１はレンズであってもよい。また、レンズ１９はシリンドリカルミラーであってもよい。
【０１０９】
（第２変形例）
上記第１実施形態では、時間波形整形器１１から出力された光パルスＰ２１〜Ｐ２３それぞれを異なる光路Ｌ１〜Ｌ３に分離するための光分散素子として回折格子１８が用いられているが、図３１に示されるように、回折格子１８に代えてプリズム４３が用いられてもよい。このような形態であっても、中心波長が互いに異なる光パルスＰ２１〜Ｐ２３それぞれを、波長に応じて好適に分離することができる。但し、プリズム４３の波長毎の分散角度は回折格子１８よりも小さいので、テラヘルツ波発生装置の小型化を要する場合には回折格子１８が選択される。
【０１１０】
（第３変形例）
図７に示す上記第１実施形態では、中心波長が最も長い光パルスＰ２１が最も早く出力され、中心波長が最も短い光パルスＰ２３が最も遅く出力される。従って、図７及び図９に示されるように、光パルスＰ２１〜Ｐ２３にそれぞれ対応する集光スポットＱ１〜Ｑ３は、時間的にこの順序で形成される。すなわち、集光位置において空間的に隣り合う光パルスは、時間的にも隣り合っている。
【０１１１】
しかしながら、キャリアの飽和を避ける観点から、時間的に隣り合う光パルスは可能な限り空間的に離れて集光されることがより望ましい。図３２は、一変形例における４つの光パルスＰ２１〜Ｐ２４の集光位置を示す図である。この変形例では、時間的に隣り合う光パルスの集光位置が隣り合わないように、光パルスＰ２１〜Ｐ２４の出力タイミングが工夫されている。すなわち、光パルスＰ２１の中心波長をλ１、光パルスＰ２２の中心波長をλ２、光パルスＰ２３の中心波長をλ３、光パルスＰ２４の中心波長をλ４としたとき、λ１＞λ２＞λ３＞λ４の関係を満たすものとする。そして、光パルスＰ２３を最初に出力し、次に光パルスＰ２１を出力し、その次に光パルスＰ２４を出力し、最後に光パルスＰ２２を出力する。この場合、所定方向に並ぶ集光スポットＱ１〜Ｑ４のうち、集光スポットＱ３が最初に形成され、集光スポットＱ１が次に形成され、集光スポットＱ４がその次に形成され、最後に集光スポットＱ２が形成される。このように、時間的に隣り合う光パルスの集光位置が隣り合わないので、テラヘルツ波発生素子３０におけるキャリアの飽和をより効果的に回避でき、更に効率良くテラヘルツ波を発生させることができる。
【０１１２】
（第４変形例）
図３３は、上記実施形態の第４変形例に係るテラヘルツ波発生装置１Ｂの構成の一部分を概略的に示す図である。図３３に示されるように、本変形例に係るテラヘルツ波発生装置１Ｂは、光源３と時間波形整形器１１との間の光路上に配置されたパルスストレッチャ（パルス拡張器）４４を更に備える。パルスストレッチャ４４は、光源３と光学的に結合され、シングル光パルスＰ１の波長成分毎に異なる遅延を与えることによってパルス時間幅を拡張する。具体的には、パルスストレッチャ４４は、シングル光パルスＰ１に線形分散を与えることにより、時間的に異なる波長成分を有するチャープ光パルスＰ１１を生成する。
【０１１３】
その後、チャープ光パルスＰ１１は時間波形整形器１１に入力される。時間波形整形器１１は、チャープ光パルスＰ１１の各波長成分同士を分断することにより、互いに中心波長が異なる複数の光パルスを生成する。同時に、時間波形整形器１１は、複数の光パルス毎に異なる遅延時間を与え、且つ各光パルスの時間幅を圧縮する。結果として、互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる複数の光パルスＰ２１〜Ｐ２３が生成される。
【０１１４】
図３４は、パルスストレッチャ４４の具体的な構成例として、グレーティングペア型の構成を示す図である。このパルスストレッチャ４４は、一対の回折格子４４ａ，４４ｂと、ミラー４４ｃとを含む。回折格子４４ａには、シングル光パルスＰ１が入力される。シングル光パルスＰ１は、回折格子４４ａにおいて各波長成分に分光される。分光された各波長成分は、回折格子４４ｂに入力され、互いの光路が平行に揃えられる。その後、これらの波長成分はミラー４４ｃにおいて反射し、再び回折格子４４ｂ，４４ａを経て互いに結合される。この過程において、各波長成分の光路長がそれぞれ異なる（長波長側が短く、短波長側が長い）ので、結果的に、合波後の光パルスでは波長成分毎に異なる遅延が与えられ、パルス時間幅が拡張される。なお、パルスストレッチャ４４としてはこのような構成に限られず、例えばプリズムペアが用いられてもよく、適当な長さを有するガラスロッドが用いられてもよい。
【０１１５】
（第５変形例）
図３５（ａ）〜図３５（ｃ）は、上記実施形態の第５変形例を説明するための図である。本変形例では、テラヘルツ波発生素子３０のアンテナ構造を工夫することにより、マルチテラヘルツ波パルスの偏光方向を制御する。図３５（ａ）に示されるダイポールアンテナの３組のアンテナ部のうち１組では、一対のアンテナ部３４ｂ１の対向方向が他組のアンテナ部３４ｂ２とは相違している。すなわち、他組においては一対のアンテナ部３４ｂ２の所定方向Ｂ３における位置が互いに一致しているので、一対のアンテナ部３４ｂ２は所定方向Ｂ３と直交する方向Ｂ４において対向している。これに対し、１組においては一対のアンテナ部３４ｂ１の所定方向Ｂ３における位置が互いにずれており、且つ突出長さが他組よりも長い。これにより、一対のアンテナ部３４ｂ１は所定方向Ｂ３において対向している。そして、所定方向Ｂ３において対向する一組のアンテナ部３４ｂ１のアンテナギャップに光パルスＰ２３の集光スポットＱ３が形成され、他組のアンテナ部３４ｂ２のアンテナギャップに、光パルスＰ２１，Ｐ２２の集光スポットＱ１，Ｑ２が形成されるとする。
【０１１６】
この場合、図３５（ｃ）に示されるように、光パルスＰ２１，Ｐ２２により生じるテラヘルツ波Ｔ１，Ｔ２の偏光方向ＴＰ１，ＴＰ２は方向Ｂ４に沿い、光パルスＰ２３により生じるテラヘルツ波Ｔ３の偏光方向ＴＰ３は所定方向Ｂ３に沿うこととなる。そして、時間波形整形器１１が光パルスＰ２１を最初に出力し、次に光パルスＰ２２を出力し、最後に光パルスＰ２３を出力するとき、最初に出力されるテラヘルツ波Ｔ１、及び次に出力されるテラヘルツ波Ｔ２の偏光方向は方向Ｂ４に沿い、最後に出力されるテラヘルツ波Ｔ３の偏光方向は所定方向Ｂ３に沿うこととなる。また、時間波形整形器１１が光パルスＰ２３を最初に出力し、次に光パルスＰ２２を出力し、最後に光パルスＰ２１を出力するとき、最初に出力されるテラヘルツ波Ｔ３の偏光方向は所定方向Ｂ３に沿い、次に出力されるテラヘルツ波Ｔ２、及び最後に出力されるテラヘルツ波Ｔ１の偏光方向は方向Ｂ４に沿うこととなる。このように、本変形例によれば、各光パルスＰ２１〜Ｐ２３の遅延時間を制御することにより、テラヘルツ波発生素子３０から順に出力される複数のテラヘルツ波の偏光方向を、それぞれ独立して制御することができる。
【０１１７】
（第６変形例）
図３６及び図３７は、上記実施形態の第６変形例を説明するための図である。本変形例では、テラヘルツ波発生素子３０のアンテナ構造を更に工夫するとともに、光パルスＰ２１〜Ｐ２３の光路とテラヘルツ波発生素子３０との相対位置を移動可能とする移動ステージを更に設けることにより、テラヘルツ波の偏光方向の制御の自由度をより高める。
【０１１８】
図３６（ａ）及び図３７（ａ）に示されるダイポールアンテナは、６組のアンテナ部を有する。そのうちの３組では、一対のアンテナ部３４ｂ１の所定方向Ｂ３における位置が互いにずれており、且つ突出長さが他組よりも長い。これにより、一対のアンテナ部３４ｂ１は所定方向Ｂ３において対向している。また、残りの３組では、一対のアンテナ部３４ｂ２の所定方向Ｂ３における位置が互いに一致しており、一対のアンテナ部３４ｂ２は所定方向Ｂ３と直交する方向Ｂ４において対向している。
【０１１９】
図３６（ａ）に示されるように、３つの光パルスＰ２１〜Ｐ２３の集光スポットＱ１〜Ｑ３が、最初の３組のアンテナ部３４ｂ１のアンテナギャップに形成されるとする。この場合、図３６（ｂ）に示されるように、光パルスＰ２１〜Ｐ２３により生じるテラヘルツ波Ｔ１〜Ｔ３の偏光方向ＴＰ１〜ＴＰ３は全て所定方向Ｂ３に沿うこととなる。一方、光パルスＰ２１〜Ｐ２３の光路とテラヘルツ波発生素子３０との相対位置を移動することにより、図３７（ａ）に示されるように、集光スポットＱ１がアンテナ部３４ｂ１のアンテナギャップに形成され、集光スポットＱ２，Ｑ３がアンテナ部３４ｂ２のアンテナギャップに形成されるとする。この場合、図３７（ｂ）に示されるように、光パルスＰ２１により生じるテラヘルツ波Ｔ１の偏光方向ＴＰ１は所定方向Ｂ３に沿い、光パルスＰ２２，Ｐ２３により生じるテラヘルツ波Ｔ２，Ｔ３の偏光方向ＴＰ２，ＴＰ３は方向Ｂ４に沿うこととなる。このように、本変形例では、光パルスＰ２１〜Ｐ２３の光路とテラヘルツ波発生素子３０との相対位置を変更することにより、テラヘルツ波発生素子３０から順に出力される複数のテラヘルツ波の偏光方向を制御することができる。
【０１２０】
なお、本変形例においては、各光パルスＰ２１〜Ｐ２３の時間遅延を制御することによって、マルチテラヘルツ波パルスの偏光の順序を制御することもできる。また、光パルスＰ２１〜Ｐ２３の集光スポットＱ１〜Ｑ３の位置を変更することによって、マルチテラヘルツ波パルスの偏光の組み合わせを制御することができる。例えば、非特許文献４には、ＰｂＴｉＯ3のコヒーレント制御において、複数のテラヘルツ波パルスのうち最後のテラヘルツ波パルスの偏光を９０°回転させることによって、効率よく結晶振動を励起できることが示されている。そのため、本変形例は、特に結晶などのコヒーレント制御に有効である。
【０１２１】
（第７変形例）
図３８は、上記実施形態の第７変形例を説明するための図である。本変形例では、テラヘルツ波発生素子３０のアンテナ構造を工夫することにより、マルチテラヘルツ波パルスの電場の符号を制御する。図３８（ａ）に示されるダイポールアンテナでは、一方の電極の２つのアンテナ部３４ｂ３と、他方の電極の２つのアンテナ部３４ｂ３とが、所定方向Ｂ３において交互に配置されている。そして、一方の電極の第１のアンテナ部３４ｂ３と他方の電極の第１のアンテナ部３４ｂ３とによって第１のアンテナギャップが形成され、一方の電極の第２のアンテナ部３４ｂ３と他方の電極の第１のアンテナ部３４ｂ３とによって第２のアンテナギャップが形成され、一方の電極の第２のアンテナ部３４ｂ３と他方の電極の第２のアンテナ部３４ｂ３とによって第３のアンテナギャップが形成されている。第１のアンテナギャップには集光スポットＱ１が形成され、第２のアンテナギャップには集光スポットＱ２が形成され、第３のアンテナギャップには集光スポットＱ３が形成される。
【０１２２】
光パルスをダイポールアンテナに照射すると、キャリアによる電流の流れる方向によって、発生するテラヘルツ波の電場の符号が変化する。ここで、図３８（ａ）において、電流が所定方向Ｂ３の一方の向き（図中の矢印Ｂ３１）に流れる場合に、テラヘルツ波の電場がプラス方向に振動するものとする。このとき、テラヘルツ波パルスＴ１，Ｔ３の電場は主にプラスの方向に振動する。一方、テラヘルツ波パルスＴ２は主にマイナスの方向に振動する。このように、本変形例によれば、マルチテラヘルツ波パルスの各電場における振動方向を自在に制御することができる。さらに、上述した第５変形例及び第６変形例のように、ダイポールアンテナの対向方向を併せて工夫することにより、マルチテラヘルツ波パルスの偏光方向を同時に制御することができる。
【０１２３】
非特許文献５では、テラヘルツ波パルスを用いて、反強磁性体であるＥｒＦｅＯ3のスピンを制御できることが報告されている。この非特許文献５には、ハーフサイクル（プラスまたはマイナスのどちらか片方にしか振動しない電場、つまり単峰を意味する）のテラヘルツ波を用いることによって、スピンに対してインパルス的な撃力を与えて、励起されたＦモード（０．３７７ＴＨｚ）およびＡＦモード（０．６７３ＴＨｚ）の共鳴を区別できることが示されている。また、ハードディスクドライブなどの磁化制御においては、スピンの向きも重要であることが知られている。そのため、スピン制御においては、テラヘルツ波の電場の振動方向を制御することが望まれる。本変形例は、このようなスピンのコヒーレント制御に対して有用である。
【０１２４】
（第２実施形態）
図３９及び図４０は、本発明の第２実施形態に係るテラヘルツ波発生装置１Ｃの構成の一部を示す図である。図３９（ａ）は側面図であり、図３９（ｂ）は上面図であり、図４０は斜視図である。本実施形態のテラヘルツ波発生装置１Ｃは、第１実施形態と異なり、回折格子１８を備えていない。すなわち、時間波形整形器１１とレンズ１９とが、回折格子１８を介さずに光結合されている。
【０１２５】
具体的には、本実施形態のＳＬＭ１４は、第１実施形態と同様に、回折格子１２による分光後のシングル光パルスＰ１の位相変調を波長毎に行うことにより、互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる複数の光パルスＰ２１〜Ｐ２３を生成する。加えて、本実施形態のＳＬＭ１４は、複数の光パルスＰ２１〜Ｐ２３の光路を、波長に応じて分光方向（図中の矢印Ｂ４）と交差する方向（図中の矢印Ｂ３）に分離する。このようなＳＬＭ１４の機能は、ＳＬＭ１４に表示される変調パターンが、方向Ｂ３に沿って格子が並ぶ回折格子パターンを含むことにより好適に実現される。すなわち、光パルスＰ２１〜Ｐ２３は、回折格子パターンの作用により、それらの中心波長に応じた互いに異なる角度で出力される。レンズ１５は、分光方向Ｂ４において複数の光パルスＰ２１〜Ｐ２３を集光する。回折格子１６では、光パルスＰ２１〜Ｐ２３の光路が、方向Ｂ４においては回折作用により互いに一致するが、方向Ｂ３においては回折作用が生じないので互いに異なったままとなる。その後、光パルスＰ２１〜Ｐ２３は、レンズ１９により集光され、テラヘルツ波発生素子３０において、方向Ｂ３に沿って並ぶ３つの集光スポットＱ１〜Ｑ３を形成する。なお、一例では、ＳＬＭ１４からレンズ１９までの距離、及びレンズ１９からテラヘルツ波発生素子３０までの距離は、共にレンズ１９の焦点距離ｆと等しい。
【０１２６】
図４１は、本実施形態におけるＳＬＭ１４の変調パターンの一例を示す図である。本実施形態では、ＳＬＭ１４の変調パターンを、方向Ｂ４において３つの領域１４ｃ〜１４ｅに分割する。領域１４ｃは、中心波長８４０ｎｍの長波長域（すなわち光パルスＰ２１の帯域）に対応する領域であり、領域１４ｄは、中心波長８００ｎｍの中波長域（すなわち光パルスＰ２２の帯域）に対応する領域であり、領域１４ｅは、中心波長７６０ｎｍの短波長域（すなわち光パルスＰ２３の帯域）に対応する領域である。領域１４ｃ，１４ｅでは、位相が０（ｒａｄ）からπ（ｒａｄ）まで滑らかに変化するブレーズド回折格子の位相パターンが含まれる。
【０１２７】
そして、このブレーズド回折格子により、領域１４ｃでは、方向Ｂ４における一方の向きに傾斜した光路へ光パルスＰ２１を出力し、領域１４ｅでは、方向Ｂ４における他方の向きに傾斜した光路へ光パルスＰ２３を出力する。なお、領域１４ｄにはブレーズド回折格子が含まれておらず、光パルスＰ２２はこれらの光路の中間の向きに出力される。
【０１２８】
一実施例では、回折格子１２，１６のライン数は３００ライン／ｍｍであり、レンズ１３，１５の焦点距離は１８１．５ｍｍである。そして、ＳＬＭ１４のブレーズド回折格子の位相パターンのライン数は例えば３．３３ライン／ｍｍであり、シングル光パルスＰ１の光径は１６ｍｍであり、レンズ１９の焦点距離はｆ＝５００ｍｍである。この場合、集光スポットＱ１〜Ｑ３の直径は３０μｍとなり、集光スポットＱ１〜Ｑ３の間隔は６６μｍとなる。従って、本実施形態においても第１実施形態と同様に、集光スポットＱ１〜Ｑ３の直径よりも集光スポットＱ１〜Ｑ３の間隔が広くなり、集光スポットＱ１〜Ｑ３は互いに確実に分離することができる。その結果、キャリア飽和を抑圧し、テラヘルツ波の発生効率を向上させることができる。なお、本実施形態においても、前述した第３変形例と同様に、時間的に隣り合う光パルスは可能な限り空間的に離れて集光されることが望ましい。
【０１２９】
ここで、本実施形態によるテラヘルツ波発生方法について説明する。このテラヘルツ波発生方法は、本実施形態のテラヘルツ波発生装置１Ｃを用いて実現可能である。図４２は、本実施形態のテラヘルツ波発生方法を示すフローチャートである。
【０１３０】
まず、第１ステップ（パルス光生成ステップ）Ｓ１１において、光源３からシングル光パルスＰ１を出力する。次に、第２ステップ（マルチパルス光生成ステップ）Ｓ１２において、シングル光パルスＰ１から、互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる複数の光パルスＰ２１〜Ｐ２３を生成し、光パルスＰ２１〜Ｐ２３それぞれを、波長に応じて異なる光路上に出力する。この第２ステップＳ１２は、分光ステップＳ１３、光変調ステップＳ１４、及び集光ステップＳ１５を含む。分光ステップＳ１３では、シングル光パルスＰ１を分光する。光変調ステップＳ１４では、分光後のシングル光パルスＰ１の位相変調を波長毎に行うことにより、互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる複数の光パルスＰ２１〜Ｐ２３を生成するとともに、光パルスＰ２１〜Ｐ２３の光路を、波長に応じて、分光方向Ｂ４と交差する方向Ｂ３に分離する。集光ステップＳ１５では、分光方向Ｂ４において光パルスＰ２１〜Ｐ２３を集光する。最後に、第３ステップ（テラヘルツ波生成ステップ）Ｓ１６において、光パルスＰ２１〜Ｐ２３をテラヘルツ波発生素子３０に入力して、テラヘルツ波パルスを発生させる。
【０１３１】
本実施形態のテラヘルツ波発生装置１Ｃ及びテラヘルツ波発生方法によれば、前述したテラヘルツ波発生装置１Ａと同様に、テラヘルツ波発生素子３０におけるキャリアの飽和をより効果的に回避し、テラヘルツ波の発生効率を向上できる。
【０１３２】
本発明によるテラヘルツ波発生装置及びテラヘルツ波発生方法は、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上述した各実施形態及び各変形例を、必要な目的及び効果に応じて互いに組み合わせてもよい。また、上記各実施形態では、テラヘルツ波発生媒質として半導体を用いたテラヘルツ波発生素子を例示したが、非線形結晶を用いたテラヘルツ波発生素子においても、本発明は有効である。すなわち、半導体においてはレーザーパワー増大に伴うキャリアの飽和が問題となるが、非線形結晶においても、レーザーパワーが増大すると、結晶自身の二光子吸収によるテラヘルツ波出力の飽和が問題となる（例えば非特許文献６）。従って、テラヘルツ波発生素子が非線形結晶を有する場合であっても、本発明を適用できる。非線形結晶は、例えばＺｎＴｅ，ＧａＳｅ，ＧａＰ，ＤＡＳＴ，ＤＳＴＭＳなどである。
【符号の説明】
【０１３３】
１Ａ〜１Ｃ…テラヘルツ波発生装置、３…光源、１０Ａ…マルチパルス生成部、１１…時間波形整形器、１２，１６…回折格子、１３，１５…レンズ、１４ａ…変調面、１４ｂ…変調領域、１７…データ作成部、１８…回折格子、１９…レンズ、２１…任意波形入力部、２２…位相スペクトル設計部、２３…強度スペクトル設計部、２４…変調パターン生成部、２５…フーリエ変換部、２６…関数置換部、２７…波形関数修正部、２８…逆フーリエ変換部、２９…ターゲット生成部、２９ａ…フーリエ変換部、２９ｂ…スペクトログラム修正部、３０…テラヘルツ波発生素子、３０Ａ，３０Ｂ…光伝導アンテナ素子、３１…基板、３２…第１半導体層、３３…絶縁層、３３ａ…開口部、３４，３６…電極、３４ａ，３６ａ…配線部、３４ｂ，３６ｂ…アンテナ部、３４ｃ，３６ｃ…パッド部、３５…第２半導体層、３７…保護膜、４１…シリンドリカルミラー、４２…ペリスコープアレイ、４３…プリズム、４４…パルスストレッチャ、４４ａ，４４ｂ…回折格子、４４ｃ…ミラー、Ｂ３…所定方向、Ｂ４…分光方向、Ｄ…光径、ｆ…焦点距離、Ｌ０〜Ｌ３…光路、Ｐ１…シングル光パルス、Ｐ２…マルチ光パルス、Ｐ２１〜Ｐ２４…光パルス、Ｑ１〜Ｑ４…集光スポット、ＳＣ…制御信号、Ｔ１〜Ｔ３…テラヘルツ波、ＴＰ１〜ＴＰ３…偏光方向。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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