(57)【要約】【課題】  テラヘルツ帯域内の中心周波数を有するコヒーレント光源を生成する電磁波生成方法を提供する。【解決手段】異なる周波数を持つ２つのコヒーレント光源（１５、２０）が非線形結晶（５０）内で混合され、テラヘルツ周波数範囲にある第３の別個の周波数を持つ光源を発生させることができる。第３の周波数は、アイドラー周波数であり、結晶に入射したポンピング波と信号波との周波数差に等しい。ポンピング波及び信号波の周波数は、それらの周波数差がテラヘルツ範囲内にあり、且つ、ポンピング波、信号波及びアイドラー波の周波数間の相互作用が、交差残留線帯域の分散補償された位相マッチング技術を使用して位相マッチングされるように選択される。第１及び第２のコヒーレント電磁波の各々の波長帯域を狭くする程、第３のアイドラー波の帯域が狭くなり、第１及び第２のコヒーレント電磁波の少なくとも一方の帯域を広くすると、第３のアイドラー波の帯域が広くなる。【選択図】図１
2011034098.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基本残留線波長を含む残留線の波長帯域を有する等方性非線形結晶を使用してテラヘルツ帯域の電磁波を生成するための電磁波生成方法であって、
前記基本残留線波長より短い第１の中心波長を有する第１のコヒーレント電磁波を生成し、
前記基本残留線波長より短い第２の中心波長を有する第２のコヒーレント電磁波を生成し、
前記等方性非線形結晶内で前記第１のコヒーレント電磁波を前記第２のコヒーレント電磁波と混合し、テラヘルツ帯域にある第３の中心波長を有し且つ前記基本残留線波長より長い第３のコヒーレント電磁波を生成し、
前記等方性非線形結晶が、前記第１の中心波長（λ１）で第１の屈折率（ｎ１）、前記第２の中心波長（λ２）で第２の屈折率（ｎ２）、前記第３の中心波長（λ３）で第３の屈折率（ｎ３）を持ち、前記方法は、
（ｎ１／λ１）−（ｎ２／λ２）＝（ｎ３／λ３）
を満足するように前記第１、第２及び第３の中心波長を選択し、これにより前記第１及び第２のコヒーレント電磁波の間で前記等方性非線形結晶により引き起こされた負の分散が、前記第１及び第３のコヒーレント電磁波の間で前記等方性非線形結晶により引き起こされた正の分散と釣り合うようにする工程を有し、
前記第１及び第２のコヒーレント電磁波の各々の波長帯域を狭くする程、前記第３のアイドラー波の帯域が狭くなり、前記第１及び第２のコヒーレント電磁波の少なくとも一方の帯域を広くすると、前記第３のアイドラー波の帯域が広くなることを特徴とする方法。
【請求項２】
基本残留線波長を含む残留線波長帯域を有する等方性非線形結晶を使用してテラヘルツ帯域の電磁波を生成するための電磁波生成装置であって、
前記基本残留線波長より短い第１の中心波長で第１のコヒーレント電磁波を生成する第１の波源と、
前記基本残留線波長より短い第２の中心波長で第２のコヒーレント電磁波を生成する第２の波源と、
前記第１及び第２のコヒーレント電磁波が入射され、前記第１及び第２のコヒーレント電磁波を混合し、テラヘルツ帯域にある第３の中心波長を有し且つ前記基本残留線波長より長い第３のコヒーレント電磁波を生成する、等方性非線形結晶とを含み、
前記等方性非線形結晶が、前記第１の中心波長（λ１）で第１の屈折率（ｎ１）、前記第２の中心波長（λ２）で第２の屈折率（ｎ２）、前記第３の中心波長（λ３）で第３の屈折率（ｎ３）を持ち、次式、
（ｎ１／λ１）−（ｎ２／λ２）＝（ｎ３／λ３）
が満足され、これにより前記第１及び第２のコヒーレント電磁波の間で前記等方性非線形結晶により引き起こされた負の分散が、前記第１及び第３のコヒーレント電磁波の間で前記等方性非線形結晶により引き起こされた正の分散と釣り合うようにする装置であって、
前記第１及び第２のコヒーレント電磁波の各々の波長帯域を狭くする程、前記第３のアイドラー波の帯域が狭くなり、前記第１及び第２のコヒーレント電磁波の少なくとも一方の帯域を広くすると、前記第３のアイドラー波の帯域が広くなることを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁波生成方法及び装置に関し、概して、中心周波数がテラヘルツ帯域（即ち遠赤外領域）にあるコヒーレント光源の生成に関する。より詳しくは、本発明は、交差残留線帯域（cross-Restsrahlen-band）の分散補償位相マッチングを使用して非線形結晶において３波光混合によりコヒーレントなテラヘルツ波源を提供することに関する。
【背景技術】
【０００２】
今後１０年以内に、例えば医療、セキュリティ、品質制御などの用途の分野でテラヘルツ周波数源及び該周波数帯の検出器を使用した画像形成システムが、Ｘ線画像形成システムに取って代わることになろう。テラヘルツ周波数波即ちｔ線は、Ｘ線と同様に、最も硬い物質を貫通することができる。Ｘ線とは対照的に、ｔ線は、イオン化を引き起こさず、かくして、画像形成用途に対して致命的にならずに、より安全である。更には、ｔ線システムは、Ｘ線システムにより形成される影のような画像と比較して本当に高い解像度の画像を形成する。
【０００３】
テラヘルツ技術に対する非常な要求が、通信産業においても現存する。テラヘルツ周波数のヘテロダイン受信器にとって必要な構成部品の開発は、波長分割多重通信ネットワークにおいて利用可能な帯域幅の劇的な増加を生じさせる。
【０００４】
電磁（Ｅ−Ｍ）スペクトルのテラヘルツ帯域は、中間赤外帯域とマイクロ波帯域との間に存在する。大まかに定義すると、テラヘルツ帯域は、約０．３〜１０．０テラヘルツ（ＴＨｚ）の範囲に亘る周波数、即ち、等価的に約１．０〜０．０３ｍｍの範囲に亘る波長を備える周波数スペクトルの一部分を包含する。当該技術分野では、テラヘルツ帯域は、遠赤外線帯域即ちサブミリメートル帯域としても知られている。
【０００５】
テラヘルツ帯域は、入手可能なコンパクトで強力なコヒーレント源を持つ最後のスペクトル領域の一つである。コンパクトで高性能なｔ線システム、例えば画像形成及び通信システムなどは、強力なソリッドステートの、パルス化された波及び／又は連続波のｔ線源を必要としている。また、調整可能な狭い帯域の連続波ｔ線源は、高性能のテラヘルツ周波数ヘテロダイン受信器を作ることが必要である。
【０００６】
最近まで、熱的インコヒーレント光源のみが、周波数スペクトルのうち遠赤外（ＦＩＲ）即ちテラヘルツ帯域でかなりの量の光を放出していた。この数年以内に、幾つかの型式のＦＩＲコヒーレント光源が、パルス化及び連続波の用途のため開発された。これらのＦＩＲコヒーレント光源は、直接コヒーレント源（ＤＣＳ）、電子的に混合される電子オッシレータ（ＥＭＥＯ）、電子的に混合される光学オッシレータ（ＥＭＯＯ）、及び、光学的に混合される光学オッシレータ（ＯＭＯＯ）を備えている。これらの従来技術の光源を用いる方法の各々は欠点を有する。
【０００７】
ＤＣＳは、きわめて接近した間隔の２つのエネルギーレベルの間の共鳴相互作用を維持しなければならない。ＦＩＲ帯域が、電磁スペクトルの近赤外帯域及び可視帯域と比較してきわめて低いエネルギーであるからである。上述した共鳴相互作用を維持する直接レーザー源は、蒸気レーザー（vapor laser）及び極低温に冷却されたソリッドステートデバイスのいずれかである。２つの型式のＤＣＳは、メタノールレーザーと、重い正孔及び軽い正孔を備えたレーザー（heavy-hole light-hole）とである。
【０００８】
メタノールレーザーは、別のガス（ＣＯ２）レーザーによってポンピングされるガスレーザーであり、適度なパワーレベルを提供する。しかし、類似の出力パワーを有するソリッドステートデバイスと比較すると、メタノールレーザーは、非効率で嵩張り、信頼性が低く、維持するのが困難である。これらの欠点にも拘わらず、メタノールレーザーは、依然として存続している。類似の出力パワーを有する連続波のソリッドステートデバイスが、まだ存在していないからである。
【０００９】
重い正孔及び軽い正孔を備えたレーザーは、ソリッドステートレーザーであり、該レーザーでは、エネルギーレベル間の支配的な遷移が、半導体の重い正孔バンドと軽い正孔バンドとの間で発生している。エネルギーレベル間の遷移が、そのような低いエネルギーになるので、熱電子が出力信号に擬似光を追加することを防止するため、レーザー結晶体は、極低温にまで冷却されなければならない。また、重い正孔及び軽い正孔を備えたレーザーの出力パワーは非常に低く、更なる開発によっても、あまり大きく増加させることはできそうもない。
【００１０】
コヒーレント光源を作り出す別の方法は、電子的混合型式の電子オッシレータ（ＥＭＥＯ）を使用する。ガンオッシレータ（Gunn oscillator）／乗算機を用いると、ＥＭＥＯは、電子ミキサーを使用して、安定した電子オッシレータの周波数を乗算する。典型的には、入力周波数は、単一段階で２又は３の因子で乗算される。基本オッシレータ周波数から所望のテラヘルツ周波数を得るため、多段階が要求される。しかし、そのような多段階は、非効率的であり、今日まで、ＥＭＥＯは３００ＧＨｚより低い周波数に制限されてきた。
【００１１】
電子的に混合される光学オッシレータ（ＥＭＯＯ）は、光伝導体内でレーザーオッシレータを混合することによって生成されるコヒーレントなテラヘルツ波源の一種である。レーザー源の光エネルギーは、光伝導体のバンドギャップエネルギーより大きくなければならないので、レーザーが、レーザーが光伝導体内に入射したとき伝導帯内に電子を励起させる。伝導帯内の電子（即ち自由キャリア）は、テラヘルツの数百倍のオーダーにある入射レーザーの基本周波数に直接応答することができない。しかし、自由キャリアは、テラヘルツの数十倍以下のオーダーの周波数に応答することができる。その結果、２つの際立った可能性、即ち狭帯域のテラヘルツ波源に対して一つ、広帯域のテラヘルツ波源に対して一つの可能性が現れる。
【００１２】
狭帯域のテラヘルツ波源は、２つの狭帯域のレーザーを備える。各レーザーは、光伝導体のバンドギャップエネルギーを超える光子エネルギー、及び、生成されたテラヘルツ周波数としてうなり周波数即ち周波数差を有する。入射光子は、２つの入射レーザーのうなり周波数に応答する光電子を生成する。
【００１３】
広帯域のテラヘルツ波源は、光伝導体のバンドギャップエネルギーを超えるその光子エネルギーを有する一つのレーザー源を備え、入射時に光電子を生成する。２つの狭帯域レーザーが必要となるテラヘルツうなり周波数を提供させるというというより、一つのレーザー源が、テラヘルツ周波数を直接生成するため必要となるテラヘルツ帯域幅を有し、この周波数に対して光電子は応答することができるし、また応答するであろう。この作動能力を達成するため、広帯域源は、準ピコ秒のパルス長のレーザーを利用する。
【００１４】
現在、広帯域源は、短パルス（例えば、準ピコ秒のパルス長）のレーザーを光伝導体内で混合することによって、任意の狭帯域の連続波源より遥かに発展されている。この条件は、テラヘルツ出力パワーが入射レーザーのピークパワーに強く依存し、現在では準ピコ秒のレーザーのピークパワーが連続波レーザーのピークパワーより遥かに大きいので、存在している。最も一般的に使用されるＥＭＯＯ用の光伝導体は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体、特にＧａＡｓである。
【００１５】
広帯域源の方法は、準ピコ秒のレーザーパルスの電子的整流作用を含んでいる。極端に短いレーザーパルスは、光伝導体に入射し、設計によっては、光伝導体のバンドギャップエネルギーは、入射レーザーパルス内の平均光子エネルギーより小さい。入射レーザーパルスの光子エネルギーは、光伝導体の価電子帯からその伝導帯まで電子を励起させる。自由キャリアが瞬間的に生成され、生成された電子ホール対の寿命は、光学（即ちレーザーの）パルス長より遥かに長くなる。従って、自由キャリアは、一旦生成されると、入射光学パルスに起因した残りの電場に応答する。電場は粒子を加速して当該粒子を再放射させ、テラヘルツ帯域幅パルスを整流させる。これは、テラヘルツ領域で適度な量の出力パワーを生成する。出力ビームは、整流された光学パルスの周波数成分を全て含み、単にテラヘルツ成分のみを含むのではない。ＥＭＯＯに独自なものとして、自由空間テラヘルツビームが生成される。これに対して、他の方法では、自由空間ビームを得るため放射アンテナに結合する工程が必要である。
【００１６】
広帯域源を用いる方法の欠点は、それが本質的に自己制御方式であるということである。半導体内の相互作用は、遠赤外線の吸収長のオーダーの長さに限定される。この遠赤外線の吸収長は、全モード体積を制限し、これは、得ることが可能な出力パワーに直接影響を及ぼす。しかしながら、ドーピングは、遠赤外線吸収を増加させ、かくして、遠赤外吸収長、相互作用長、モード体積、及び、究極的には出力パワーを減少させる。このことは、光学パルスが入射するとき、半導体が十分な数の自由キャリアを生成するように不純物でドーピングしなければならないので問題となる。
【００１７】
２つの狭帯域源の方法が存在する。これらの方法は、連続波ダイオードレーザの差周波数の混合工程を備える。一つの方法によれば、低温成長（ＬＴＧ）ＧａＡｓ光伝導体内で混合し、又は、他の方法によれば、微細構造のＧａＡｓ光伝導体内で混合する。
【００１８】
ＬＴＧのＧａＡｓ光伝導体は、不純物と関連する電子トラップを多数含む。光場が入射したとき、トラップは、光生成電子が光伝導体の電極から小距離以内にあることを確保する。その結果として、自由キャリアが生成されるところの位置から収集電極に至る遷移時間は短く、これによって当該装置がテラヘルツ周波数に応答することを可能にする。しかし、この方法は、自己制御的である。それは、高度な抵抗性非線形デバイス、即ち、電子をトラップするＬＴＧのＧａＡｓ光伝導体を通して光生成電子から生成される大電流を流そうとするからである。当該装置が約１００ミリワットのダイオードレーザーポンピングパワーにおいて熱で焼き切れることが経験的に判っているとき、出力パワーは０．５マイクロワットより小さい。また、結合ビームが、自由空間ビームに対して必要とされる。
【００１９】
金属−半導体−金属の微細構造ＧａＡｓ光伝導体を使用する方法は、不純物の無いＧａＡｓを使用して金属−半導体−金属の微細構造光伝導体（ＭＳＭＭＰ）内部に２つの連続波レーザーを混合する工程を含んでいる。ＬＴＧのＧａＡｓを使用する方法とは対照的に、光キャリアが生成される、２電子間の小さな隙間は、光伝導体材料内にトラップを生成するというよりも光キャリアにとって小さな通過時間を確保し、光キャリア生成の中心として機能する。ＭＳＭＭＰ法は、上述した光学整流法と類似しているが、２つの主要な相違点を有する。ＭＳＭＭＰ法では、入射レーザーが狭帯域の連続波ダイオードレーザーであるが、これは整流法で用いられるピコ秒レーザーより遥かに強度が小さい。また、ＭＳＭＭＰ法は、自由空間ビームを生成せず、かくして、自由空間テラヘルツビームを生成するため結合工程を必要とする。ＭＳＭＭＰ法は、これから実証されなければならず、ＬＴＧのＧａＡｓと同じ熱焼き切れ問題を被るおそれがある。両方法は、短い距離に亘って大きい光電流を生成するからである。しかし、ＭＳＭＭＰ装置は、ＬＴＧのＧａＡｓ装置に伴うトラップを備えておらず、熱での焼き切れの影響をより受けにくいかもしれない。もしそうであるならば、出力パワーは、入射レーザーが光学的損傷閾値に達するまで高くなり続けることができる。
【００２０】
コヒーレント光源生成のための別のシリーズの方法は、光学的に混合された光オッシレータ（ＯＭＯＯ）を用いる。この分野は、非線形光周波数変換の名が付与されてきており、任意の周波数を上下に変換することに当てはまる。たいていのソリッドステートレーザーの元々の振動周波数は、１０．０ＴＨｚより遥かに大きい。かくして、テラヘルツ用途に対しては、ソリッドステートレーザー振動周波数の下方変換が、主要な関心事となる。この非線形効果は、当該技術分野では、差周波数の混合と称される。
【００２１】
一つのＯＭＯＯ法は、非線形光学結晶で準ピコ秒のレーザーパルスの整流を含んでおり、これは上述したＥＭＯＯ整流法と類似している。この方法は、ポンプと同じ型式の短パルスレーザーを用い、非線形要素が半導体結晶であるが、この整流方法は、平均の光子エネルギーが光伝導体のバンドギャップエネルギーより小さいという点で異なっている。かくして、入射レーザーエネルギーは、光伝導体の価電子帯からその伝導帯まで電子を励起せず、むしろ本方法は、結晶の非線形光学特性を利用する。非線形光学特性として、効率的な相互作用は、パルスの位相及び生成されたテラヘルツ波の位相との間に速度マッチングを必要としている。速度マッチングは、相互作用のコヒーレンス長を長くさせる。パルスのテラヘルツ波へのグループ速度マッチングは、単独のＴｉを使用したＺｎＴｅ、即ちポンピング源として約０．８００μｍで作動するサファイアピコ秒パルスレーザーで達成された。電気的に混合された整流化短レーザーパルスに関しては、出力ビームは、整流光パルスの全ての周波数成分を含み、単にテラヘルツのみを含むわけではない。また、本方法は、自由空間テラヘルツビームを生成する。
【００２２】
この整流法の欠点の一つは、それがポンピング源に対して一つのレーザーのみを使用するということである。広帯域テラヘルツ波源に対して、単一の源を用いる整流法は、僅かに周波数が分離した２つの入力源を備える３波混合システムほど広い帯域に亘っては大きなコヒーレンス長を維持することができない。理論的には、パルス帯域は、実質的に広げることができ、即ち、パルスは更に短くすることができる。しかし、そのような変更に付随して多数の問題が生じる。例えば、より短いパルスポンピングレーザーを構成することは、きわめて困難であり、高価である。また、ポンピングパルスが時間的により短くなるとき、パルスの物理的長さは、より小さくなり、光学システム全体を同期させることがきわめて困難となる。これは、光学的な整合及びタイミングにおいて許容範囲が非常に小さくなることに導く。更には、この方法は、全ての周波数成分を生成するので、テラヘルツ波のみを生成する２つの入力源システムより非効率的である。また、整流法は、狭帯域のテラヘルツ波源を生成することができない。
【００２３】
別の型式のＯＭＯＯは、非線形光学結晶内で３波混合する工程を含む。３波非線形相互作用では、相互作用の効率を牽引する抗し難い考察は、位相マッチングに対する必要性である。従来型式の位相マッチング技術は、複屈折（birefingent）位相マッチング、非直線的(noncollinear)位相マッチング及び擬似位相マッチング(quasi-phasematching)である。
【００２４】
複屈折性を有する結晶中で複屈折位相マッチングを使用してテラヘルツ波を生成しようとする試みは、ＣＯ２、ルビーレーザー及び様々な複屈折性を有する結晶を使用して１９７０年代に開始され、最近になって捨て去られた。最近では、テラヘルツ波は、パルス化Ｎｄ、例えばＹＡＧレーザーを用いて複屈折性を有する結晶を使用して生成された。テラヘルツ波を生成するための周波数変換要素として、複屈折性を有する結晶は、２つの主要な欠点を持っている。
【００２５】
最も重要な複屈折性を有する結晶は、「ウォークオフ（walk off）」から不利益を被る。「ウォークオフ」は、線形光学における複屈折の現象に関連し、線形及び非線形光学の両方において、結晶の複屈折性は二重屈折を引き起こす。噛み砕いて云えば、相互作用するポンピングビーム及び信号ビームは空間的に分離し始め、２つのビームの重なり合いの領域を縮小させる。これらのビームが分離し始めるので、相互作用の変換効率は、ビームが結晶の長さを通って移動するとき、減少する。分析の目的のために、ウォークオフの角度が定義され、計算され、効果的な相互作用長の計算へと導く。効果的な相互作用長は、有限であり、結晶の複屈折性及び所望の位相マッチング角度で配位されるときの結晶の配位に応じて（即ち、どのくらいの量の結晶の複屈折性が相互作用に対する位相マッチング条件を得るため必要となるかに応じて）非常に小さくすることができる。
【００２６】
非直線的位相マッチング法は、入射ポンピング波源及び信号波源を、非線形結晶中で僅かに異なる伝播方向を持たせることによって、位相マッチング条件を得る。その結果、位相マッチング方向に沿った波ベクトルの投影角度を変えることによって、特定方向に、ある一定の波長に対して波ベクトルの長さを変化させることができる。典型的には、非直線的位相マッチングは、複屈折性を有する結晶が利用できない非線形相互作用のために確保されている。また、非直線的位相マッチングは、非直線角度の分別のある選択によって非線形結晶の角度を許容可能に増加させるように使用することができる。非直線的位相マッチングの欠点は、ビームが非直線的であるという条件から抑えることができる。その結果、ビームは、結晶を通って移動するとき分離し、かくして相互作用長が有限となる。
【００２７】
擬似位相マッチング法は、非線形材料を用いて、相互作用波間に結果として生じる位相不一致を補償するように周期的構造を作ることによって、位相マッチング条件を得る。鉄電子の非線形結晶では、周期的構造は、結晶の両面上に大きな電磁波パルス及び一連の周期的電極を用いて生成することができる。他の全ての非線形結晶では、周期的構造は、文字通り、「切断及び貼り付け（cutting and pasting）」により形成することができる。
【００２８】
詳細には、非線形結晶は、等しい長さの部品に切断され、各部品の両側は、光学的に光沢仕上げされる。次に、他のあらゆる部品は、伝播軸の回りを１８０度ひっくり返される（再配位）。光沢仕上げ及び再配位の後、全ての部品は、新しい界面が、相互作用波にとって透明に見えるような正確さで散乱密着（diffusion bond）される。擬似位相マッチング法の欠点は、周期的構造を作るのに、過度の製造コストがかかることである。
【００２９】
非線形光学混合技術では、一旦、相互作用の周波数が選択されると、入力（赤外）周波数から出力周波数（テラヘルツ）までパワーを移送する効率が、３つの主要な寄与因子を用いて換算される。これらの因子は、（１）周波数変換プロセスを実行する非線形結晶に固有の光学特性、（２）入射（赤外）光源の光強度（結晶の光学損傷閾値を共に考慮する）、及び、（３）非線形結晶内の長さに亘って周波数変換が生じるところの当該長さである。上述したＥＭＥＯ及びＥＭＯＯ法と比較すると、ＯＭＯＯ法は、強力なテラヘルツ波源を生成する上で最大のポテンシャルを秘めている。上記した最初の２つの因子に関する大型非線形結晶の性能は、ＥＭＥＯ及びＥＭＯＯ法で使用される非線形要素の性能を遥かに超えているからである。しかし、結晶の十分な長さに亘って効率的な変換プロセスを維持する上での困難さは、ＥＭＥＯ及びＥＭＯＯ法と比較すると、ＣＭＯＯ法の魅力を減少させる。ＯＭＯＯ法では、非線形結晶は、テラヘルツ放射を吸収しないので、結晶の長さは、効率的な周波数変換プロセスを達成する上で満足しなければならない必要な位相マッチング条件により、かなり影響を及ぼされる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３０】
コヒーレント光学テラヘルツ波源を提供するための上述した方法の各々は、上記欠点を有する。かくして、該欠点を被らないコンパクトで強力なコヒーレントテラヘルツ波源に対する必要性、より詳しくは、従来の位相マッチング技術の欠点を被らない位相マッチング技術に対する必要性が存在している。
【課題を解決するための手段】
【００３１】
上記目的を達成するため、本発明の電磁波生成方法は、基本残留線波長を含む残留線の波長帯域を有する等方性非線形結晶を使用してテラヘルツ帯域の電磁波を生成するための電磁波生成方法であって、前記基本残留線波長より短い第１の中心波長を有する第１のコヒーレント電磁波を生成し、前記基本残留線波長より短い第２の中心波長を有する第２のコヒーレント電磁波を生成し、前記等方性非線形結晶内で前記第１のコヒーレント電磁波を前記第２のコヒーレント電磁波と混合し、テラヘルツ帯域にある第３の中心波長を有し且つ前記基本残留線波長より長い第３のコヒーレント電磁波を生成し、前記等方性非線形結晶が、前記第１の中心波長（λ１）で第１の屈折率（ｎ１）、前記第２の中心波長（λ２）で第２の屈折率（ｎ２）、前記第３の中心波長（λ３）で第３の屈折率（ｎ３）を持ち、前記方法は、
（ｎ１／λ１）−（ｎ２／λ２）＝（ｎ３／λ３）を満足するように前記第１、第２及び第３の中心波長を選択し、これにより前記第１及び第２のコヒーレント電磁波の間で前記等方性非線形結晶により引き起こされた負の分散が、前記第１及び第３のコヒーレント電磁波の間で前記等方性非線形結晶により引き起こされた正の分散と釣り合うようにする工程を有し、前記第１及び第２のコヒーレント電磁波の各々の波長帯域を狭くする程、前記第３のアイドラー波の帯域が狭くなり、前記第１及び第２のコヒーレント電磁波の少なくとも一方の帯域を広くすると、前記第３のアイドラー波の帯域が広くなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、テラヘルツアイドラー波の帯域を広狭自在に設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】図１は、本発明に係るパルスレーザー源を使用してテラヘルツ波源を発生するための実例システムを示している。
【図２】図２は、本発明に係る連続波レーザー源を使用してテラヘルツ波源を発生するための実例システムを示している。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の実施形態に係る、０．９６５μｍのポンピング波長のＧａＰ結晶における、コヒーレンス長さ対アイドラー長さのグラフを示す。
【図３Ｂ】図３Ｂは、本発明の実施形態に係る、０．９８５μｍのポンピング波長のＧａＰ結晶における、コヒーレンス長さ対アイドラー長さのグラフを示す。
【図３Ｃ】図３Ｃは、本発明の実施形態に係る、１．０００μｍのポンピング波長のＧａＰ結晶における、コヒーレンス長さ対アイドラー長さのグラフを示す。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の実施形態に係る、１．３４５μｍのポンピング波長のＧａＡｓ結晶における、コヒーレンス長さ対アイドラー長さのグラフを示す。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本発明の実施形態に係る、１．３８０μｍのポンピング波長のＧａＡｓ結晶における、コヒーレンス長さ対アイドラー長さのグラフを示す。
【図４Ｃ】図４Ｃは、本発明の実施形態に係る、１．３９５μｍのポンピング波長のＧａＡｓ結晶における、コヒーレンス長さ対アイドラー長さのグラフを示す。
【図５】図５は、本発明の実施形態に係る、幾つかの入射ポンピング波強度に及び１．０００μｍのポンピング波長に対する、ＧａＰの差周波数生成用のゲイン係数を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、例によってのみ与えられる本発明の好ましい実施形態を添付図面を参照して更に詳しく説明する。
【００３５】
本発明は、０．３及び１０テラヘルツの間の中心周波数、即ち、これと等価的に１及び０．００３ｍｍの間の波長を有するコヒーレント光源の生成を参照して以下に説明される。生成された源は、パルス波又は連続波、及び、広帯域又は狭帯域とすることができる。更には、本発明の態様は、ｔ線画像形成システム内の主要光源、又は、テラヘルツ周波数ヘテロダイン受信器内の局所オッシレーターとして使用することができる。本発明は、多数の用途で使用することができる。これらの用途には、セキュリティ（例えば、プラスティック、ボール紙又は繊維内に包まれたパッケージの遠隔検査）、地雷探知（例えば、陸地表面の金属検知／f不毛領域内の画像処理者）、半導体ロジックチップの品質制御（例えば金属含有物の遠隔視察）及び農業生産物の品質制御が含まれるが、これらの例に限定するものではない。本発明は、テラヘルツ周波数帯域に関して説明されるが、本発明の全ての態様がそれに限定されるものではなく、適切に修正すれば、他の周波数帯域にも適用することができる。
【００３６】
図１は、本発明の実施形態に係るパルステラヘルツ生成システムを示している。遅延パルス生成器１０がパルス信号を生成し、該パルス信号は２つのレーザー、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザー１５、２０に供給される。遅延パルス生成器は、レーザー１５、２０の適切なタイミングを取る。レーザー１５、２０は、同じ波長又は異なる波長を持つコヒーレントビームを生成する。なお、単一高出力レーザーをビームスプリッターと組み合わせて２つのレーザーを提供するため使用してもよい。一例としての実施形態によれば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーは、Ｑスイッチ（Q-switched）型式のダイオードポンピングのソリッドステートレーザーである。レーザー１５、２０は、３ｎｓのパルス長を持つ５００ｍＪまでの赤外エネルギーを提供するように増幅される。１，０６４ｎｍの波長を持つレーザーの周波数出力は、例えば、出力ビームが３５５ｎｍの波長を持つように三倍にされてもよい。
【００３７】
次に、各々の３５５ｎｍビームは、夫々の周波数コンバータを通過する。この実施形態の例では、夫々の３５５ｎｍ波長ビームは、ＢＢＯベースの光パワーパラメトリックオッシレータ（ＯＰＰＯ）２５、３０をポンピングする。これらのＯＰＰＯは、４００乃至２１００ｎｍの範囲に亘る波長に対して各々調整可能である。ＯＰＰＯ２５は、入力されたその３５５ｎｍ波長を、第１の中心波長λ1及び中心周波数（ポンピング波周波数（ω1））のポンピング波に周波数変換する。他方のＯＰＰＯ３０は、入力されたその３５５ｎｍ波長を、第２の中心波長λ2及び中心周波数（信号波周波数（ω1））の信号波に周波数変換する。ポンピング波及び信号波の周波数は、それらが、テラヘルツ周波数帯域内の周波数差を持つようにほとんど等しくなるように選択される。図１の実施形態の例では、３５５ｎｍの入力ビームに対して、ＯＰＰＯ２５は、波長λ1（λ1＝９８０ｎｍ）を生成し、ＯＰＰＯ３０は波長λ2（λ2＝９８６ｎｍ）を生成する。かくして、ポンピング波周波数は、信号波周波数にほとんど等しいが、僅かに大きくなっている。周波数変換するＯＰＰＯ２５、３０は、ポンピング波及び信号波の波長の様々に異なる多数の組み合わせを生成するように設けられる。しかし、一対のレーザーが所望の特定のポンピング波及び信号波の波長のみを生成するように使用された場合、周波数変換するＯＰＰＯは必要でなくなることを理解されたい。
【００３８】
ミラー３５は、波長λ２の波をビーム結合／部分ビームスプリッター４０に逸らす。ビーム結合器４０は、偏光ビームスプリッターとすることができ、ポンピング波及び信号波を受波、結合する。次に、結合されたポンピング波及び信号波は、非線形結晶５０に入射される。好ましくは、本発明によれば、非線形結晶５０は、等方性非線形結晶、例えばＧａＰ又はＧａＡｓ結晶であるのがよい。複屈折性を有する結晶を使用してもよいが、複屈折性を有する結晶は、テラヘルツ放射を吸収する傾向にあり、かくして、等方性結晶と同様の性能を発揮しない。オプションで、ポンピング波及び信号波は、それらのビームスポットサイズを最適化するため例えばレンズ４２、４４などの光学部品を通過してもよい。レンズ４２、４４は、望遠鏡として機能するように構成されてもよい。ポンピング波及び信号波は、非線形結晶５０内で混合する。非線形結晶５０の出力は、３つの別個の波、即ちポンピング波、信号波、及び、中心周波数λ３及び中心周波数（アイドラー波周波数（ω３））を持つアイドラー波を含んでいる。かくして、非線形結晶５０は、周波数変換構成要素として機能する。
【００３９】
アイドラー周波数は、ポンピング波周波数と、信号波周波数との周波数差を表しており、テラヘルツ周波数の範囲にある値を持っている。本発明は、最大コヒーレンス長に亘って位相マッチングを確実にするため、交差残留線の帯域補償された位相マッチングを使用する。当該技術によれば、ポンピング波、信号波及びアイドラー波の各周波数は、非線形結晶５０の、吸収及び分散特性並びに残留線帯域に関して各々綿密に選択される。詳しくは、ポンピング波周波数と信号波周波数とは、非線形結晶の基本残留線即ち光子周波数より高くなるように選択され、アイドラー波周波数（即ち、ポンピング波周波数と信号波周波数との差）は、基本残留線周波数より低くなるように選択される。更に加えて、ポンピング波、信号波及びアイドラー波の各周波数は、ほとんど等しいポンピング波周波数と信号波周波数との間の負の分散が、ポンピング波周波数とアイドラー波周波数との間の残留線帯域を横切る正の分散と釣り合うように選択される。
【００４０】
図１の実施形態の例によれば、テラヘルツアイドラー波は、テラヘルツ波源として分離され、使用されてもよい。アイドラー波は、例えば、非線形結晶５０から出力されたポンピング波、信号波及びアイドラー波を受波するフィルター５５によって分離されてもよい。フィルター５５は、例えば、ポンピング波及び信号波に対応する波長を含む近赤外領域の波長に対して高い反射性を持ち、λ3に対応する波長を含むテラヘルツ領域では高い透過性を持つように選択されたビームスプリッターとすることができる。かくして、フィルター５５は、λ1及びλ2を通過させないがλ3を通過させることができる。オプションで、λ3がテラヘルツ波であることを確証するため、例えばＩｎＳｂボロメーターなどの熱検出器が、当該波長を検出し、該波長をオッシロスコープに通すことができる。
【００４１】
本発明によれば、ポンピング波及び／又は信号波は、代替例として連続波であってもよい。図２を参照すると、図１と共通の構成要素の全てが同じ参照番号が付与されており、図１のＮｄ：ＹＡＧレーザー１５、２０の一つ又は両方が、レーザーダイオード１００、１１０に置き換えられている。しかし、任意の適切な連続波源を使用してもよい。レーザーダイオード１００は、連続信号波を生成し、例えばλ2＝９８６ｎｍで連続波を出力するように選択されてもよい。レーザーダイオード１１０は、連続ポンピング波を生成し、例えばλ1＝９８０ｎｍで連続波を出力するように選択されてもよい（適切な周波数が本発明に従って選択されるべきであるが）。レーザーダイオード１００、１１０は、連続電源１２０によってパワー供給される。レーザーダイオード１００、１１０により出力されたときのポンピング波及び信号波のパワーは、典型的に、図１のパルス波システムにおいてよりも連続波システムにおいて低いので、非線形結晶５０内で結合されたポンピング波及び信号波の強度を増加させる必要がある。その強度を増加させるために、一対の湾曲ミラー１３０、１４０を、非線形結晶のいずれかの側に配置することができる。これによって一対のミラー１３０、１４０の間の空間により画成された非線形結晶５０内の反射性キャビティを効果的に形成する。湾曲されたミラー１３０、１４０は、間隔を隔てられ、そうでなければ、非線形結晶５０に容易に入ることができるように構成される。この非線形結晶５０では、ポンピング波及び信号波が非線形結晶５０から出てフィルター５５に向かう前に結晶内で繰り返し反射される。かくして、連続波源は、ポンピング波及び信号波の二重共振を達成するため周波数固定された非線形結晶５０を取り囲む外部キャビティを有するシステム内で連続波ポンピング波及び信号波を使用して生成することができる。連続波テラヘルツ帯域の出力を生成する本発明の実施形態によれば、出力パワーは、１ｍＷ以上のオーダーであり得る。更には、２つの連続波レーザー源は、ポンド−ドレバー−ホール（Pound-Drever-Hall）周波数固定機能を使用した技術で周知されているように、周波数固定されてもよく、かくして、源１００、１１０の間の周波数差がきわめて安定している２つのレーザー源を提供する。
【００４２】
本発明の更なる実施形態では、テラヘルツアイドラー波は、狭帯域波又は広帯域波であってもよい。狭帯域アイドラー波出力に対しては、２つの狭帯域減を、ポンピング波及び信号波を生成するため使用することができる。広帯域アイドラー波出力に対しては、狭帯域ポンピング波源及び広帯域信号波源、又は、広帯域ポンピング波源及び狭帯域信号波源を使用してもよい。広帯域アイドラー波を生成するときは、狭帯域ポンピング波及び／又は広帯域ポンピング波及び／又は信号波における、中心波長及び帯域幅は、非線形結晶５０内の相互作用がアイドラー波の所望の中心周波数および帯域幅に対して位相マッチングされるように本発明に従って選択される。
【００４３】
ポンピング、信号及びアイドラー波の各周波数の選択を数学的に理解するため、以下の３波非線形相互作用は、ポンピング波中心周波数ω1におけるポンピング波、信号波中心周波数ω2における信号波、及び、アイドル波中心周波数ω3におけるアイドル波を包含して分析される。ポンピング波及び信号波は、長さＬ及びω1＞ω2＞＞ω3の非線形結晶に入射される。
【００４４】
この相互作用に対するエネルギー保存則は周知されており、次式によって与えられる。
【００４５】
【数１】
2011034098.tif 000003
【００４６】
運動量保存則も周知されており、次式によって与えられる。
【００４７】
【数２】
2011034098.tif 000004
【００４８】
ここで、ηiは波長λiにおける屈折率である。３波非線形相互作用は、（１）式及び（２）式が同時に解かれるとき位相マッチングされているのが好ましい。かくして、ポンピング波、信号波及びアイドラー波の各中心周波数を適切に選択するためには、（１）式及び（２）式により表される関係が合致していなければならない。
（２）式より、究極的にはゼロに等しくセットされるのが望まれる、位相の不一致Δｋを次式のように定義する。
【００４９】
【数３】
2011034098.tif 000005
【００５０】
【数４】
2011034098.tif 000006
【００５１】
である差周波数生成の場合に対して、ｎ1及びｎ2の領域における分散のテーラー級数の１次近似に対応する代替式を作ることができる。
【００５２】
【数５】
2011034098.tif 000007
【００５３】
（４）式を（３）式に代入すると、位相不一致に対して次式を得る。
【００５４】
【数６】
2011034098.tif 000008
【００５５】
エネルギー保存則（２）式を（５）式と組み合わせると、位相不一致として次式を得る。
【００５６】
【数７】
2011034098.tif 000009
【００５７】
（６）式は、この相互作用の位相不一致の正確な推定式である。位相不一致は、一旦、アイドラー波長（又は周波数）が選択されるとポンピング波長及び該ポンピング波長における結晶の特性に専ら依存する因子によって乗じられるアイドラー真空波数に比例することが示される。この理解を用いて、結晶の分散特性に関する我々の知識を考慮して（６）式を試験することができる。実用上の理由のために、弱く吸収する非線形結晶の領域のみを考察する。更に加えて、生成されたアイドラー周波数ω3は非線形結晶の基本残留線周波数より低く、これに対してポンピング周波数ω1及び信号周波数ω2は、基本残留線周波数より遥かに高く、残留線帯域の反対他方の側にある。従って、分散は、残留線帯域を横切って、ポンピング波及びアイドラー波の間で正となることが判る。即ち、 
【００５８】
【数８】
2011034098.tif 000010
【００５９】
となる。
分散は、残留線帯域より上で、ポンピング波及び信号波の間で負となることが判る。即ち、
【００６０】
【数９】
2011034098.tif 000011
【００６１】
である。
（６）式乃至（８）式から、差周波数生成（ＤＦＧ）相互作用の場合に対して、各々波長λ1、λ2、λ3を持つポンピング波、信号波及びアイドラー波、並びに、本発明の交差残留線帯域の位相マッチング技術を使用して、 
【００６２】
【数１０】
2011034098.tif 000012
【００６３】
が導き出される。かくして、残留線帯域を横切る分散は、ポンピング波及び信号波の周波数の間の分散と釣り合うことが可能となる。従って、アイドラー波長をセットし、位相不一致をゼロにセットするポンピング波長を探し出すことができる。位相マッチング条件は、 
【００６４】
【数１１】
2011034098.tif 000013
【００６５】
となる。或いは、上式と等価な式は、
【００６６】
【数１２】
2011034098.tif 000014
【００６７】
となる。
物理的な観点では、（１０）式は、アイドラー波周波数における結晶のインピーダンスが、ポンピング波及び信号波のうなりノート即ち包絡線により見られる実効インピーダンスと合致する条件を記述する。かくして、アイドラー波及びうなりノート包絡線の位相は、結晶内で速度合致される。これについての物理的説明は、（５）式の最後の工程の視察によって最も明らかとなる。位相マッチング条件は、ポンピング波波長λ1及びアイドラー波波長λ3の独自の組に対してのみ真となること、並びに、これらの波長は、各々の非線形結晶に対してその分散特性に応じて一意に定まることが明記されるべきである。
真空中では、
【００６８】
【数１３】
2011034098.tif 000015
【００６９】
となることが判っている。ここで、λbは、ポンピング波波長λ1及び信号波波長λ2の間のうなりノート包絡線の真空中の波長を表している。（５）式から、うなりノート包絡線の「波」は、
【００７０】
【数１４】
2011034098.tif 000016
【００７１】
に等しい実効屈折率を持つと理解できる。
従って、３波非線形相互作用に対する位相不一致は、次式によって表すことができる。
【００７２】
【数１５】
2011034098.tif 000017
【００７３】
相互作用は、うなりノート波及びアイドル波が非線形結晶内で同じインピーダンスであり、従って同じ速度で結晶を通って移動するとみなすとき、位相マッチングするのが好ましい。
コヒーレンス長（即ち、波がその源から発った後、コヒーレントのままである距離）、ｌc＝π／Δｋは、（６）式から代入することによって得られ、幾つかの異なる近赤外ポンピング波長のため以下の図３Ａ〜図３Ｃにプロットされている。本発明では、コヒーレンス長は、うなりノート波及びアイドル波が非線形結晶内で同じ速度で移動する距離に等しい。
【００７４】
【数１６】
2011034098.tif 000018
【００７５】
ＧａＡｓ結晶の屈折率は、以下の形式のセルマイアー（Sellmeier）分散式を使用して計算された。当該式の係数は表１に掲げられている。これらの係数は、残留線帯域の各々両側にある近赤外領域及び遠赤外領域で有効となる測定屈折率データをセルマイアー分散式に当てはめることによって得られる。屈折率データを曲線近似することによって得られた赤外線吸収ピークは、測定された吸収ピークと非常に良く一致している。
【００７６】
【数１７】
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【００７７】
【表１】
2011034098.tif 000020
【００７８】
表１：ＧａＰ及びＧａＡｓのセルマイアー係数 特定のアイドラー波周波数を生成するため、位相マッチングするポンピング波の周波数が選択され、信号波が適切に同調を外される。ＧａＰでは、これらの計算は、１００〜５００μｍのアイドラー波長、又はこれと等価な３．０〜０．６ＴＨｚのアイドラー波周波数を生成するためには０．９６５〜１．０００μｍのポンピング波長を使用して完全に位相マッチングすることを予測する。加えて、１００ｍｍの最大実用結晶長を仮定するとき、該計算は、与えられたポンピング波長に対して非常に大きな調整領域を予測する。
【００７９】
図３Ａ〜図３Ｃに示されるように、ＧａＰが０．９６５μｍの源波長でポンピングされるとき、±２５ＧＨｚより大きい調整領域が完全に位相マッチングされた３．０ＴＨｚ周波数付近で実現可能となる。ＧａＰが１．００μｍの源波長でポンピングされるとき、コヒーレンス長は、完全に位相マッチングされた６３０ＧＨｚ周波数付近で±３００ＧＨｚより大きい周波数範囲に対して少なくとも１００ｍｍである。
【００８０】
同様に、図４Ａ〜図４Ｃに示されたＧａＡｓでは、完全位相マッチングは、５０ＧＨｚ〜１．０ＴＨｚの調整範囲で各々２．５〜０．９ＴＨｚからのアイドラー波周波数を生成するためには１．３４５〜１．３９５μｍのポンピング波長を使用したときと予測される。図４Ａ〜図４Ｃでは、ポンピング波長は、夫々１．３４５μｍ、１．３８０μｍ、１．３９５μｍである。図３Ａ〜図３Ｃ及び図４Ａ〜図４Ｃでは、ポンピング波長は、実際に、最近傍のピコメートル（ｐｍ）まで分解され、信号波長は、１００ｐｍのステップで増分された。図３Ａ〜図３Ｃ及び図４Ａ〜図４Ｃにおけるポンピング波長は、ピークコヒーレンス長が無限であるように調整することができるが、無限のコヒーレンス長は図３Ａ〜図３Ｃ及び図４Ａ〜図４Ｃでは図示されていない。１００ｐｍのステップサイズは、この完全位相マッチングされた特徴を示すには十分な解像度を提供しないからである。
【００８１】
（差周波数生成）
差周波数生成（ＤＦＧ）のため、ポンピングが使い果たされていない光パラメトリック増幅器の分析と類似した分析を使用することができ、該分析では、その代わりに増幅信号波というより新しく生成されたアイドラー波に専念する。位相マッチングされた相互作用では、長さＬの結晶を横切った後、信号波及びアイドラー波の強度は次式により与えられる。
【００８２】
【数１８】
2011034098.tif 000021
【００８３】
ゲインΓを次式のように定義する。
【００８４】
【数１９】
2011034098.tif 000022
【００８５】
ここで、ｃは光速度、ε0は自由空間の誘電率、ｄeffは、有効非線形係数ｄeff＝ｄ14＝３７ｐｍ／Ｖ、ηiはωiにおける非線形結晶の屈折率、λiはωiに相当する自由空間波長、Ｉ10は非線形結晶に入射したポンピング波強度、Ｉ20は非線形結晶に入射した信号波強度である。ΓＬ＜＜１に対して、（１６）式は次式により近似することができる。
【００８６】
【数２０】
2011034098.tif 000023
【００８７】
ゲイン因子は、１．０００μｍのポンピング波長に対する幾つかの入射ポンピング波強度に対して計算され、図５にプロットされている。
【００８８】
（ＧａＰ光学特性）
ＮＩＲ及びＦＩＲ帯域の両方を含むＤＦＧ相互作用における高ＮＩＲポンピングパワー条件の下で機能する非線形結晶は、重要な順に次の材料特性を持っていなければならない。
【００８９】
相互作用の全波長（ＮＩＲ、ＦＩＲ）における高い透過性 高い損傷閾値 高い光学品質 大きい非線形誘電分極率（ｄeff ＞１ｐｍ／Ｖ）
大きいサイズ（ｈ、ｗ、ｌ＞１０ｍｍ）
小さい空間ウォークオフ 広い角度アクセプタンス帯域幅 非臨界的（noncritical）な位相マッチング 広い空間アクセプタンス帯域幅 ＧａＰは大きい非線形誘電分極率（ｄ14＝３７ｐｍ／Ｖ）を持つ等軸晶系ＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶である。ＧａＰのバンドギャップは、可視光部分のスペクトル（λcutoff＝０．５５μｍ）内にあり、従って、良好な光学特性を備えたＧａＰ結晶は、ＮＩＲにおいて高い透過性を持つ。ＧａＰは、直径５０ｍｍ、長さ７５ｍｍより大きい円柱ブールで入手可能である。ＧａＰは等方系であるので、ＧａＰは空間ウォークオフがゼロであり、非臨界的な位相マッチングの利益の全てを享受する。
【００９０】
上述した方法及び装置は、ポンピング波及び信号波の周波数差がテラヘルツ範囲にあり、且つ、ポンピング波、信号波及びアイドル波の各周波数間の相互作用が、交差残留線帯域の分散補償位相マッチング技術を使用して位相一致されるようにポンピング波及び信号波の各周波数を選択することができることを示した。本発明の特定の実施形態が説明され、図示されたが、当業者により様々な変更をなすことができるので本発明は、上記例に限定されるものではないことが理解されるべきである。本出願は、開示され且つ本文中で請求された基礎をなす発明の精神及び範囲内に包含される任意の変更を全て考慮している。
【符号の説明】
【００９１】
３５  ミラー
４０  ビーム結合器
４２，４４  レンズ
５０  非線形結晶
５５  フィルター
【図１】
2011034098.tif 000024
【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
2011034098.tif 000030
【図４Ｃ】
2011034098.tif 000031
【図５】
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