(57)【要約】【課題】本発明は、高出力な超短光パルスを波形の劣化なしに光ファイバ伝送することが可能な、超短光パルス伝送装置を提供するものである。【解決手段】大口径フォトニック結晶ファイバからなる光パルスのスペクトル拡大用光ファイバと、分散補償素子と、信号発生・検出用プローブヘッドに結合可能な光ファイバとから構成する。【選択図】図６
2008122278.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス幅がピコ秒またはフェムト秒クラスの超短パルスを発生する超短パルスレーザと、
前記超短パルスレーザから放射された光を２つの光路に分光するビームスプリッターと、
前記ビームスプリッターにより分光された光の一方を集光する第１の集光ユニットと、
前記分光された光の他方を集光する第２の集光ユニットと、
前記ビームスプリッターと前記第２の集光ユニットとの光路上を伝搬する分光された前記他方の光の伝送時間を可変にするための光学遅延装置と、
前記第１の集光ユニットから送られた光を受光して0.1〜100THzの周波数範囲を有するテラヘルツ電磁波を発生するテラヘルツ電磁波発生用プローブヘッドと、
前記第２の集光ユニットから送られた光と、被測定体に照射され前記被測定体より放射された前記テラヘルツ電磁波を入力し電流信号を生成するテラヘルツ電磁波検出用プローブヘッドと、
前記第１の集光ユニットと前記電磁波発生用プローブヘッドとを結ぶ第１の光ファイバと、
前記第２の集光ユニットと前記電磁波検出用プローブヘッドとを結ぶ第２の光ファイバとを有し、
前記第１および第２の光ファイバにフォトニック結晶ファイバが用いられ、
前記超短光パルスレーザと前記ビームスプリッターとの間の光路上に前記フォトニック結晶ファイバの分散を補償するための分散補償素子が設けられ、前記分散補償素子の入力側に前記超短光パルスレーザのスペクトル幅を拡大するフォトニック結晶ファイバを用いることを特徴とするテラヘルツ分光・イメージング装置。
【請求項２】
前記第１および第２の光ファイバに用いられるフォトニック結晶ファイバと、前記超短光パルスレーザのスペクトル幅を拡大するフォトニック結晶ファイバのそれぞれは、エアホールが配列したクラッド領域を有する屈折率導波路型であって、横モードがシングルモードで伝搬可能であり、その実効モード面積が50μm2以上で3000μm2以下であることを特徴とする請求項１記載のテラヘルツ分光・イメージング装置。
【請求項３】
前記第１および第２の光ファイバに用いられるフォトニック結晶ファイバと、前記超短光パルスレーザのスペクトル幅を拡大するフォトニック結晶ファイバのそれぞれは、エアホールが配列したクラッド領域を有する屈折率導波路型であって、横モードがシングルモードで伝搬可能であり、その実効モード面積が50μm2以上で2500μm2以下であることを特徴とする請求項１記載のテラヘルツ分光・イメージング装置。
【請求項４】
前記第１および第２の光ファイバに用いられるフォトニック結晶ファイバと、前記超短光パルスレーザのスペクトル幅を拡大するフォトニック結晶ファイバのそれぞれは、エアホールが配列したクラッド領域を有する屈折率導波路型であって、横モードがシングルモードで伝搬可能であり、その実効モード面積が50μm2以上で2000μm2以下であることを特徴とする請求項１記載のテラヘルツ分光・イメージング装置。
【請求項５】
前記超短光パルスレーザのスペクトル幅を拡大するフォトニック結晶ファイバは、前記第１および第２の光ファイバに用いられるフォトニック結晶ファイバより短いことを特徴とする請求項１記載のテラヘルツ分光・イメージング装置。
【請求項６】
前記超短光パルスレーザのスペクトル幅を拡大するフォトニック結晶ファイバと前記第１および第２の光ファイバに用いられるフォトニック結晶ファイバは、クラッド領域を形成するエアホールの配列が三角格子配列または蜂巣格子配列であることを特徴とする請求項１記載のテラヘルツ分光・イメージング装置。
【請求項７】
前記テラヘルツ電磁波発生プローブヘッドから出射されたテラヘルツ電磁波パルスが、前記被測定体を透過し、透過した前記テラヘルツ電磁波パルスを前記テラヘルツ電磁波検出プローブヘッドで検出する透過型検知配置を特徴とする請求項１記載のテラヘルツ分光・イメージング装置。
【請求項８】
前記テラヘルツ電磁波発生プローブヘッドから出射されたテラヘルツ電磁波パルスが、前記被測定体から反射または散乱し、反射または散乱した前記テラヘルツ電磁波パルスを前記テラヘルツ電磁波検出プローブヘッドで検出する反射型検知配置を特徴とする請求項１記載のテラヘルツ分光・イメージング装置。
【請求項９】
パルス幅がピコ秒またはフェムト秒クラスの超短パルスを発生する超短パルスレーザと、
前記超短パルスレーザから放射された光を２つの光路に分光するビームスプリッターと、
前記ビームスプリッターにより分光された光の一方を集光する第１の集光ユニットと、
前記分光された光の他方を集光する第２の集光ユニットと、
前記ビームスプリッターと前記第２の集光ユニットとの光路上を伝搬する分光された前記他方の光の伝送時間を可変にするための光学遅延装置と、
前記第１の集光ユニットから送られた光を受光して0.1〜100THzの周波数範囲を有するテラヘルツ電磁波を発生するテラヘルツ電磁波発生用プローブヘッドと、
前記第２の集光ユニットから送られた光と、被測定体に照射され前記被測定体より放射された前記テラヘルツ電磁波を入力し電流信号を生成するテラヘルツ電磁波検出用プローブヘッドと、
前記第１の集光ユニットと前記電磁波発生用プローブヘッドとを結ぶ第１の光ファイバと、
前記第２の集光ユニットと前記電磁波検出用プローブヘッドとを結ぶ第２の光ファイバとを有し、
前記第１および第２の光ファイバにフォトニック結晶ファイバが用いられ、
前記ビームスプリッターと前記第１の集光ユニットとの間の光路上に前記フォトニック結晶ファイバの分散を補償するための第１の分散補償素子と、前記光学遅延装置と前記第２の集光ユニットとの間の光路上に前記フォトニック結晶ファイバの分散を補償するための第２の分散補償素子が設けられ、
前記第１および第２の分散補償素子の入力側に前記超短光パルスレーザのスペクトル幅を拡大するフォトニック結晶ファイバを用いることを特徴とするテラヘルツ分光・イメージング装置。
【請求項１０】
前記第１および第２の光ファイバに用いられるフォトニック結晶ファイバと、前記超短光パルスレーザのスペクトル幅を拡大するフォトニック結晶ファイバのそれぞれは、エアホールが配列したクラッド領域を有する屈折率導波路型であって、横モードがシングルモードで伝搬可能であり、その実効モード面積が50μm2以上で3000μm2以下であることを特徴とする請求項９記載のテラヘルツ分光・イメージング装置。
【請求項１１】
前記第１および第２の光ファイバに用いられるフォトニック結晶ファイバと、前記超短光パルスレーザのスペクトル幅を拡大するフォトニック結晶ファイバのそれぞれは、エアホールが配列したクラッド領域を有する屈折率導波路型であって、横モードがシングルモードで伝搬可能であり、その実効モード面積が50μm2以上で2500μm2以下であることを特徴とする請求項９記載のテラヘルツ分光・イメージング装置。
【請求項１２】
前記第１および第２の光ファイバに用いられるフォトニック結晶ファイバと、前記超短光パルスレーザのスペクトル幅を拡大するフォトニック結晶ファイバのそれぞれは、エアホールが配列したクラッド領域を有する屈折率導波路型であって、横モードがシングルモードで伝搬可能であり、その実効モード面積が50μm2以上で2000μm2以下であることを特徴とする請求項９記載のテラヘルツ分光・イメージング装置。
【請求項１３】
前記超短光パルスレーザのスペクトル幅を拡大するフォトニック結晶ファイバは、前記第１および第２の光ファイバに用いられるフォトニック結晶ファイバより短いことを特徴とする請求項９記載のテラヘルツ分光・イメージング装置。
【請求項１４】
前記超短光パルスレーザのスペクトル幅を拡大するフォトニック結晶ファイバと前記第１および第２の光ファイバに用いられるフォトニック結晶ファイバは、クラッド領域を形成するエアホールの配列が三角格子配列または蜂巣格子配列であることを特徴とする請求項９記載のテラヘルツ分光・イメージング装置。
【請求項１５】
前記テラヘルツ電磁波発生プローブヘッドから出射されたテラヘルツ電磁波パルスが、前記被測定体を透過し、透過した前記テラヘルツ電磁波パルスを前記テラヘルツ電磁波検出プローブヘッドで検出する透過型検知配置を特徴とする請求項９記載のテラヘルツ分光・イメージング装置。
【請求項１６】
前記テラヘルツ電磁波発生プローブヘッドから出射されたテラヘルツ電磁波パルスが、前記被測定体から反射または散乱し、反射または散乱した前記テラヘルツ電磁波パルスを前記テラヘルツ電磁波検出プローブヘッドで検出する反射型検知配置を特徴とする請求項９記載のテラヘルツ分光・イメージング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ分光・イメージ装置に係り、例えば、短パルス光源を用いた計測・イメージング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超短光パルスを用いた計測・イメージング装置として、テラヘルツ分光・イメージング装置、多光子顕微鏡装置、非線形顕微鏡装置などがある。これら装置では、測定のフレキシビリティーを向上させるため、超短光パルスを光ファイバで伝送し、その光ファイバに結合した計測用プローブヘッドを走査する方法が開発されている。
光パルスを光ファイバで伝送する場合、光ファイバの材料分散ならびに光導波路分散により、光パルス幅の拡がり並びに光パルス波形の歪みが生じる。光パルス幅の拡がりは、主に、二次の分散にあたる波長分散（各波長の群速度が異なること）によって生じる。光パルス波形の歪みは、三次以上の高次の分散によって生じる。入力光パルスのパルス幅が小さければ小さいほど、または、入力光パルスのスペクトル幅が大きければ大きいほど、光パルス幅の拡がりと光パルス波形の歪みは大きくなる。
【０００３】
一般的に、光ファイバ伝送に伴って生じる光パルス波形の劣化（パルス幅の増大と波形の歪み）を修正するために、前置分散補償法が使われる。この方法は、光パルスを伝送させる前に、予め、伝送させる光ファイバの分散を補償する量の分散を光パルスに与えておくことである。この方法を用いると、光ファイバ出力時の光パルスの幅は入力パルスと同等になる。しかし、光パルスが高出力になると、光ファイバ内で非線形効果である自己位相変調効果が生じ、これによって光パルスのスペクトルの減少（圧縮）が起こる。スペクトルの減少が生じると、前置分散補償によって、光ファイバの分散を完全に補償したとしても、光ファイバ出力後の光パルスの幅は、入力パルスのパルス幅と比べて拡がることがわかっている（非特許文献１）。
【０００４】
上述の自己位相変調効果によるスペクトル圧縮は、定性的に次のように説明できる。光ファイバの波長分散は、正常分散（短波長成分は遅く、長波長成分は速い）のため、分散補償（例えば回折格子対）による前置分散補償では、逆分散の異常分散（短波長成分は速く、長波長成分は遅い）でチャープされる（図２の左図の実線）。次に、光ファイバに入力された後、自己位相変調効果（屈折率が光の強度に依存するため、波長が時間とともに変化する効果。図１の左図の破線参照）のため、波長が時間とともに減少する。この自己位相変調効果による波長変化は、前置分散補償によって生じる波長変化をキャンセルする方向に働くため、光パルスのスペクトル幅は減少する（Δλ=Δλ1―Δλ2）。光パルスのパワーが大きければ大きいほど、自己位相変調によるスペクトル幅の減少は大きくなり、光パルスのスペクトル幅は減少する（図２参照）。このスペクトル幅の減少は、パルス幅の増大をもたらす（図３参照）。
【０００５】
このような光ファイバ伝送時の超短光パルスの劣化は、超短光パルスを光ファイバ伝送して用いる、テラヘルツ分光・イメージング装置、多光子顕微鏡装置、非線形顕微鏡装置などの性能の劣化をもたらす。テラヘルツ分光・イメージング装置の場合、テラヘルツ電磁波発生・検出用光パルスが劣化すると、テラヘルツ電磁波の出力と周波数帯域の減少が生じ、テラヘルツ分光・イメージング装置の信号雑音比(S/N比)を劣化させる。多光子顕微鏡装置と非線形顕微鏡装置の場合は、S/N比の劣化と伴に、空間分解能が大きくなる。
上述した前置分散補償法を用いた超短光パルス伝送における自己位相変調効果によるスペクトル圧縮を抑制する方法として、伝送用光ファイバに大口径フォトニック結晶ファイバを用いる方法がある（非特許文献２）。大口径フォトニック結晶ファイバのコア径は、通常のシングルモードファイバより大きいため、コア領域における光の電界強度が低減され、自己位相変調効果が抑圧される。従って、スペクトル圧縮効果も低減される。
【０００６】
その他の方法として、前置分散補償の前に、入力パルスのスペクトル幅を増加させるための光ファイバを用いる方法がある（非特許文献３）。この場合は、超短パルスレーザからの光パルスを、まずスペクトル拡大用光ファイバに伝送させ、次に、分散補償素子に入力し、最後に、計測用プローブヘッドに結合する光ファイバに伝送させる。ここで、分散補償素子は、分散補償素子前後の光ファイバの分散補償を行う。この方法では、スペクトル拡大用光ファイバによって、分散補償素子後の光ファイバで生じるスペクトルの圧縮分を補うまたはそれ以上のスペクトル拡大を行えば、出力パルスとして、入力パルスと同等またはそれより幅の狭い光パルスが得られる。
【０００７】
【非特許文献１】M. Oberthaler and R. A. Hopfel, 「アプライド・フィッジクス・レターズ（Applied Physics Letters）」、1993年、 vol. 63、N0. 8、pp.1017-1019
【非特許文献２】李  他、第５３回応用物理学関係連合講演会、23-a-M-4、 2006年、p.1168
【非特許文献３】S. W. Clark他、「オプテックス・レターズ（Optics Letters）」、2001年、vol.26、 No.17、 pp.1320-1322
【非特許文献４】「フォトニック結晶ファイバ（１）−光学特性−」三菱電線工業時報  第99号、2002年、pp.1-9
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
非特許文献２では、分散補償後の光ファイバ伝送で生じるスペクトル圧縮効果を抑圧するために、コア径の大きな大口径フォトニック結晶ファイバを用いている。コア径を大きくすることで、光パルスの電界強度を小さくし、スペクトル圧縮の原因である自己位相変調効果を抑制している。大口径フォトニック結晶ファイバは、大口径にも拘らず、シングルモード動作する特徴を有し、これは分散補償を簡素化するためには必要な条件である。因みに、大口径ファイバとして、他に、マルチモード動作の光ファイバ（マルチモードファイバ）があるが、この場合、各モードに対する分散補償をする必要があり、複雑な分散補償になる。非特許文献２記載の方法の問題点は、大口径になればなるほど、伝搬損失（特に曲げ損失）が大きくなることである。
【０００９】
例えば、超短パルスチタンサファイアレーザ（中心波長：0.8 μm）の場合、最大コア径は15 μm程度であり、それより大きなコア径のフォトニック結晶ファイバを用いた場合、伝搬損失が大きくなる。従って、この伝送損失によるコア径の上限値の制限により、スペクトル圧縮を完全に抑圧することは困難になる。例えば、長さ2 m、コア径15 μmの大口径フォトニック結晶ファイバを用いた場合、入力パルス幅：100 fsec、平均出力：30 mWに対して、出力パルス幅は200 fsec程度となり、出力パルス幅は、入力パルスの幅の約２倍程度となる（図３）。
【００１０】
非特許文献３記載の超短光パルス伝送装置は、スペクトル拡大用光ファイバと、分散補償素子と、計測用プローブヘッドに結合するための光ファイバとから構成されている。この装置では、非特許文献２記載の装置と異なり、スペクトル拡大用光ファイバによって、分散補償素子後の光ファイバで生じるスペクトル圧縮を補償できるため、伝送損失によるコア径の上限値の制限があっても、非特許文献２で生じた問題は起こらない。非特許文献３では、入力パルス幅：75 fsecに対して、パルス幅:70 fsec、平均出力:32 mWの光パルスを伝送することが可能であることが示されている。
【００１１】
上述のように、非特許文献３では、非特許文献２と比較して、より幅の狭いパルスの伝送に適している。しかし、平均出力に関しては、それほど差がない。非特許文献３の手法において、パワーを大きくできない理由として以下のことがあげられる。非特許文献３では、分散補償素子前に配置されているスペクトル拡大用光ファイバとして、コア径の小さい、従来のシングルモードファイバが用いられている。従って、コア径が小さいため、光強度が増加し、非線形効果である自己位相変調効果が効率よく起こる。従って、光パルスのパワーを大きくすると、スペクトル幅が非常に大きくなる。スペクトル幅が非常に大きくなると、高次（３次以上）の分散補償が必要になり、分散補償素子が複雑になるという問題が生じる。２次分散補償のみだと、図４のように裾引きが現れる。スペクトル拡大用シングルモードファイバに高出力の光パルスを入力しても、スペクトル拡大を、ある程度まで抑制する方法として、光ファイバ長を短くすることが考えられる。しかし、数百mW以上のパワーを入力する場合、高次の分散補償が必要ない程度までスペクトル拡大を抑制するためには、ミリメートルオーダーまたはそれ以下の非常に短い長さのファイバが必要となる。ミリメートルオーダーの光ファイバに、光パルスの空間入出力を行うのは容易ではない。以上より、非特許文献３記載の方法では、伝送平均パワーが数十mW程度と制限されている。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、この伝送パワーの制限の上限を引き上げることにより、より高出力で、よりパルス幅の狭い光パルスの伝送を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の課題で述べたように、非特許文献３記載の方法では、スペクトル拡大用光ファイバとして、コア径の小さいシングルモードファイバを用いている。そのため、自己位相変調効果によるスペクトル拡大効果が大きくなるため、伝送パワーが制限される。これを解決する方法として、スペクトル拡大用光ファイバとして、大口径フォトニック結晶ファイバを用いることである。
【００１４】
フォトニック結晶ファイバには、屈折率導波路型とフォトニックバンドギャップ型の２種類があり、大口径フォトニック結晶ファイバは前者である。本光ファイバを用いた場合、実効モード面精（コア面積とほぼ同じ）が大きく、かつシングルモードのみで伝送することが可能である。スペクトル幅増大の原因である自己位相変調効果は、光の電場強度の空間的密度が高くなっていることから生じる。自己位相変調効果による波長変化：Δλ2は、簡単に式（１）で記述できる。
【００１５】
【数１】
2008122278.tif 000003
ここで、n2はカー定数、Pavは平均パワー、Δtはパルス幅、aeffは実効モード面積である。この式から、自己位相変調効果を軽減するために、実効モード面積（コア面積）の大きな光ファイバを用いればよいことが分かる。
【００１６】
従来の光ファイバにおいて、実効モード面積を大きくするために、コア径を大きくすると、シングルモード動作条件を満たさなくなる。マルチモード動作の場合、各モードにおいて異なる分散補償をしなければならないため、複雑な分散補償になると伴に最適な分散補償が困難になる。
【００１７】
したがって、シングルモード動作は必須である。シングルモード動作を保持しながら、コア径を大きくできる光ファイバとして、大口径フォトニック結晶ファイバがある。本ファイバのシングルモード動作条件は、式（２）で記述されるVeffが４以下を満たすことである。
【００１８】
【数２】
2008122278.tif 000004
ここで、Λは格子間隔(ほぼコア領域の直径に対応)、n0は材料シリカの屈折率、neffはクラッド領域の実効屈折率である。従来のステップ型光ファイバと異なり、コア領域を大きくする（Λが大きくなることに相当）と、コア領域とクラッド領域の実効屈折率差が小さくなるため（式（２）の√の値が小さくなることに相当）、Λの増加に伴うVeffの増加を軽減するため、広い範囲のΛでシングルモード動作条件を満足する（非特許文献４）。
【００１９】
上記説明した大口径フォトニック結晶を用いれば、自己位相変調効果の抑圧とシングルモード動作を同時に実現できる。この光ファイバを、非特許文献３記載の装置のスペクトル拡大用光ファイバとして用いれば、伝送パワーの制限が緩和され、より高出力の超短光パルスの伝送が可能となる。さらに、分散補償素子後の計測用プローブヘッドに結合させる光ファイバにも、大口径フォトニック結晶ファイバを用いれば、単位長さあたりのスペクトル圧縮量が減り、光ファイバをより長くできる利点がある（プローブヘッドの可動範囲拡大）。分散補償素子前後の光ファイバとして、大口径フォトニック結晶ファイバを用いた場合、パルス幅：100 fsecの入力パルスに対して、パルス幅:77 fsec、平均出力：170 mWの光パルスを伝送することが可能であることが、計算機シミュレーションによって確認された（図５参照）。ここで用いた大口径フォトニック結晶ファイバのコア径は約15 μm、長さは、スペクトル拡大用ファイバが10 cm、プローブヘッド結合用ファイバが2 mである。入力パルスの平均パワーは1.2 W、スペクトル拡大用ファイバの結合効率が50 %, 一組の回折格子対からなる分散補償素子の透過率は80 %、プローブヘッド結合用ファイの結合効率は36 %とした。各光ファイバの伝搬損失はゼロとした。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、超短光パルス伝送装置において、高出力で超短光パルスを波形の劣化なしに光ファイバ伝送が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下に、本発明の実施例を、図を用いて詳細に説明する。
【実施例１】
【００２２】
図６を用いて、本発明の超短光パルス伝送装置を用いた光ファイバ伝送型テラヘルツ時間領域分光・イメージングシステムの一実施形態について説明する。ここで、テラヘルツ波発生・検出用プローブヘッドに共通した一つの超短光パルス伝送装置を用いる。
このシステムは、パルス幅がピコ秒またはフェムト秒クラスの光パルス４を出射することができる超短パルスレーザ５と、スペクトル拡大用大口径フォトニック結晶ファイバ１と、分散補償素子２と、超短パルスレーザパルスをポンプ用光パルス６とプローブ用光パルス７に分岐するための光学ビームスプリッター８と、光学用メカニカルチョッパー９と、ポンプ用光パルスを伝送するための光ファイバ１０と、ポンプ用光パルスを光ファイバ１０に入力するための集光光学系ユニット１２と、ポンプ用光パルス伝送用光ファイバが接続可能なテラヘルツ電磁波発生用プローブヘッド１４と、テラヘルツ電磁波発生用プローブヘッド内のテラヘルツ電磁波発生デバイスに電圧を印加するための直流電圧電源１５と、プローブ用光パルスの伝送時間を可変にするための光学遅延装置１６と、プローブ用光パルスを伝送するための光ファイバ１１と、プローブ用光パルスをフォトニック結晶ファイバに入力するための集光光学系ユニット１３と、プローブ用光パルス伝送用光ファイバが接続可能なテラヘルツ電磁波検出用プローブヘッド１７と、テラヘルツ電磁波検出用プローブヘッドからの電流信号を増幅する電流増幅装置１８と、光学用メカニカルチョッパーと同期した電流信号を増幅するためのロックイン増幅装置１９と、光学遅延装置の制御ならびに出力信号データの取り込みかつデータ解析を行うコンピューター２０から構成される。本実施例では、テラヘルツ電磁波パルス２２を被測定体２３に透過させ、透過テラヘルツ電磁波パルスを検出する配置であるが、被測定体２３からの反射または散乱したテラヘルツ電磁波を検出する配置でもよい。
【００２３】
超短パルスレーザ５として、例えば、モード同期チタンサファイアレーザ、Cr:LiSAFレーザ、Cr:LiSGAFレーザ、Cr:LiSCAFレーザ、Erでドープしたファイバモード同期レーザ、Ybでドープしたファイバモード同期レーザ、モード同期半導体レーザダイオード、利得スイッチ型半導体レーザダイオード、モード同期半導体レーザまたは利得スイッチ型半導体レーザダイオードとパルス圧縮装置を組み合わせた超短パルスレーザなどが適している。
【００２４】
本発明に適した屈折率導波路型フォトニック結晶ファイバの構造について詳述する。屈折率導波路型フォトニック結晶ファイバは、エアホールが周期的に配列したクラッド領域と、エアホールが一つ欠乏したコア領域からなる。構造パラメータとして、エアホールの直径：ｄと格子間隔：Λがある。一般的なクラッド領域の周期的配列として、三角格子配列、蜂巣格子配列などがある。図７は、種々の平均パワーに対する出力パルス幅の有効モード面積：ａeff依存性の計算結果である。最大２ＴＨＺの周波数を有し、数μＷのテラヘルツ電磁波発生のためには、励起用光パルスのパルス幅は２００ｆｓ以下で、平均パワーは３０ｍＷ以上必要である。このことを考慮すると、図７の結果から屈折率導波路型フォトニック結晶ファイバのａeffは５０μｍ２以上必要である。ａeffの上限値は以下のように決定する。屈折率導波路型フォトニック結晶ファイバ結晶ファイバの場合のコア直径２acoreを２Λ-ｄと定義する。ａeffの大きな大口径ファイバの場合、ｄ／Λ<<１より、acore≒Λである。ファイバ外径を従来のシングルモードファイバと同程度（シングルモードファイバの場合１２５μｍ）とし、屈折率導波路型フォトニック結晶ファイバの特性を保持するために、最低２から３周期のエアホールの配列を必要とすると、acoreΛ≒３０μｍとなる。ａeffをπａ2coreとほぼ等しいとすると、ａeffの上限値は約３０００μｍ２となる。
【００２５】
分散補償素子は、一組または複数組の回折格子対を用いたもの、１個また複数個のプリズムを用いたもの、１個または複数のGTエタロンを用いたもの、これら３種類を組み合わせたものが適している。  テラヘルツ電磁波発生デバイスに電圧を印加するための直流電圧電源１５の替わりに交流電圧電源を用いてもよい。この場合、光学用メカニカルチョッパー９は不要となる。
光学遅延装置１６として、リトロリフレクターミラーユニットと外部制御可能な微動ステージから構成されるものが適している。代替光学遅延装置として、回転ミラーを用いたもの、ポリゴンミラーを用いたもの、リトロリフレクターミラーをピエゾ制御アクチュエーターに交流電圧を印加して高速スキャンするものなどがある。
ポンプ用ならびにプローブ用光パルスを伝送するための光ファイバ１０，１１として、大口径フォトニック結晶ファイバが適している。
テラヘルツ電磁波発生用プローブヘッド内のテラヘルツ電磁波発生用デバイスとしては、低温成長GaAs光導電アンテナデバイス、半絶縁GaAs光導電アンテナデバイス、InGaAs光導電アンテナデバイスなどがある。各々アンテナの形状として、ダイポール形、ボウタイ形、ストリップライン形などがある。さらに、GaAs基板、InP基板、InAs基板、InSb基板などでもよい。
テラヘルツ電磁波検出用プローブヘッド内のテラヘルツ電磁波発生用デバイスとしては、低温成長GaAs光導電アンテナデバイスが適している。
【実施例２】
【００２６】
図８は、本発明の超短光パルス伝送装置を用いた光ファイバ伝送型テラヘルツ時間領域分光・イメージングシステムの一実施形態について説明する。ここで、テラヘルツ電磁波発生・検出用プローブヘッドの二つの各ヘッド用に二つの超短光パルス伝送装置を用いる。本実施例では、実施例１において超短パルスレーザ５の後に配置した、大口径フォトニック結晶ファイバ１と分散補償素子２を、ポンプ用光パルス用集光光学系ユニット１２と、プローブ用光パルス用集光光学系ユニット１３の前に配置する。他の構成部品ならびに配置は、実施例１と同じである。
この方法の場合、実施例１と比較して、構成部品の増加、測定系の複雑化などの欠点が生じるが、ポンプ用光パルス伝送用光ファイバ１０とプローブ用光パルス伝送用光ファイバ１１の波長分散が異なる場合でも、精度の高い分散補償ができる利点がある。
【実施例３】
【００２７】
光ファイバに接続しているテラヘルツ電磁波発生プローブヘッドとテラヘルツ電磁波検出用プローブヘッドと内視鏡スコープから構成される複合ヘッドを有することを特徴とするテラヘルツ時間領域分光・イメージングシステムについて、図９と図１０を用いて説明する。本装置は、テラヘルツ内視鏡複合ガイド２４と、テラヘルツ内視鏡複合ヘッド２５と、内視鏡用ガイド２６と、モニター２７と、内視鏡用光源２８を含む。その他は、実施例１と同じである。
【００２８】
テラヘルツ内視鏡複合ガイド２４は、ポンプ用光パルス伝送用光ファイバ１０と、プローブ用光パルス伝送用光ファイバ１１と、電圧印加用ワイヤー３８と、電流用ワイヤー３９と、内視鏡用ガイド２６を含む。テラヘルツ内視鏡複合ヘッド２５は、ポンプ用光パルス伝送用光ファイバ１０に接続しているテラヘルツ電磁波発生用プローブヘッド１４と、プローブ用光パルス伝送用フォトニック結晶ファイバ１１に接続しているテラヘルツ電磁波検出用プローブヘッド１７と、内視鏡用ガイド２６に接続している、対物レンズ、ライトガイド、小型CCDカメラからなる内視鏡ヘッド２９と、ミラー３０と、ミラー可動ステージ３１を含む。
【００２９】
内視鏡ヘッドから出射した光が被測定体２３に反射して、その反射光を結像レンズ３２でCCDカメラの撮像面に結像し、撮像信号を伝送して画像をモニターに映し出す。ミラー可動ステージ３１上のミラー３０を動かすことで、内視鏡用光源からの光とテラヘルツ電磁波の照射位置の微調整が可能である。ミラー可動ステージ３１は、ピエゾ制御のアクチュエーターなどで実現できる。
【実施例４】
【００３０】
図１１を用いて、本発明の超短光パルス伝送装置を用いた多光子顕微鏡装置に関する実施例について説明する。多光子顕微鏡は、生体イメージングなどに用いられる。本装置は、パルス幅がピコ秒またはフェムト秒クラスの光パルスを出射することができる超短パルスレーザ５と、スペクトル拡大用大口径フォトニック結晶ファイバ１と、分散補償素子２と、光パルス４を光ファイバ３に集光するための光パルス用集光光学系ユニット３３と、光パルス４を伝送する光ファイバ３と、光ファイバ３から出射した光パルス４を、蛍光物質添付被測定体３４に集光するための光パルス用集光光学系ユニット３３と、光学フィルター３５と、光検出器３６と、画像処理装置３７から構成される。被測定体３４には、予め蛍光物質が添付されており、超短光パルスにより、多光子吸収が生じる。多光子吸収によって励起された電子が基底レベルへ遷移する時に蛍光を放射する。光学フィルター３５により、励起光をカットし、蛍光のみを透過させ、光検出器で受光し、画像化する。
【００３１】
ここで、光ファイバ３は、大口径フォトニック結晶ファイバが適している。また、超短パルスレーザ５として、例えば、モード同期チタンサファイアレーザ、Cr:LiSAFレーザ、Cr:LiSGAFレーザ、Cr:LiSCAFレーザ、Erでドープしたファイバモード同期レーザ、Ybでドープしたファイバモード同期レーザ、モード同期半導体レーザダイオード、利得スイッチ型半導体レーザダイオード、モード同期半導体レーザまたは利得スイッチ型半導体レーザダイオードとパルス圧縮装置を組み合わせた超短パルスレーザなどが適している。
【実施例５】
【００３２】
図１２を用いて、本発明の超短光パルス伝送装置を用いた非線形顕微鏡装置に関する実施例について説明する。非線形顕微鏡は、生体イメージングなどに用いられる。本装置は、パルス幅がピコ秒またはフェムト秒クラスの光パルスを出射することができる超短パルスレーザ５と、スペクトル拡大用大口径フォトニック結晶ファイバ１と、分散補償素子２と、光パルス４を光ファイバ３に集光するための光パルス用集光光学系ユニット３３と、光パルス４を伝送する光ファイバ３と、光ファイバ３から出射した光パルス４を、被測定体２３に集光するための光パルス用集光光学系ユニット３３と、光学フィルター３５と、光検出器３６と、画像処理装置３７から構成される。超短光パルスが被測定体２３に照射されることにより、被測定体内部で生じる非線形効果により、光パルス４は、半分の波長の光（２倍高調波）に変換される。この２倍高調波を、光学フィルター３５により、選択的に透過させ、光検出器で受光し、画像化する。ここで、光ファイバ３は、大口径フォトニック結晶ファイバが適している。また、超短パルスレーザ５として、例えば、モード同期チタンサファイアレーザ、Cr:LiSAFレーザ、Cr:LiSGAFレーザ、Cr:LiSCAFレーザ、Erでドープしたファイバモード同期レーザ、Ybでドープしたファイバモード同期レーザ、モード同期半導体レーザダイオード、利得スイッチ型半導体レーザダイオード、モード同期半導体レーザまたは利得スイッチ型半導体レーザダイオードとパルス圧縮装置を組み合わせた超短パルスレーザなどが適している。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】プリチャープされた超短光パルスが光ファイバを伝送する際に生じる、自己位相変調効果によるスペクトル幅減少を定性的に説明した図である。
【図２】超短光パルスのシングルモードファイバ伝送させた際の、出力パルス幅とスペクトル幅の平均パワー依存性の測定結果を示す図である。
【図３】超短光パルスをシングルモードファイバと大口径フォトニック結晶ファイバに伝送させた際の、出力パルス幅とスペクトル幅の平均パワー依存性の測定結果を示す図である。
【図４】スペクトル幅が広いチャープ光パルスの２次分散補償後の光パルス波形の計算結果を示す図である。
【図５】本発明に係る、分散補償素子前後に大口径フォトニック結晶ファイバを用いた超短光パルス伝送装置の場合における入力パルス波形と出力パルス波形の計算結果を示す図である。
【図６】本発明に係る実施例１で適用される超短光パルス伝送装置を一組用いた光ファイバ伝送型テラヘルツ分光・イメージング装置の構成図である。
【図７】種々の平均パワーに対する出力パルス幅の有効モード面積：aeff依存性の計算結果を示す図である。
【図８】本発明に係る実施例２で適用される超短光パルス伝送装置を二組用いた光ファイバ伝送型テラヘルツ分光・イメージング装置の構成図である。
【図９】本発明に係る実施例３で適用される超短光パルス伝送装置を一組用いた、テラヘルツ内視鏡複合ヘッドを用いた光ファイバ伝送型テラヘルツ分光・イメージング装置の構成図である。
【図１０】本発明に係る実施例３で適用されるテラヘルツ内視鏡複合ヘッドの構成図である。
【図１１】本発明に係る実施例４で適用される多光子顕微鏡装置の構成図である。
【図１２】本発明に係る実施例５で適用される非線形顕微鏡装置の構成図である。
【符号の説明】
【００３４】
1…スペクトル拡大用大口径フォトニック結晶ファイバ、
2…分散補償素子、
3…光ファイバ、
4…光パルス、
5…超短パルスレーザ、
6…ポンプ用光パルス、
7…プローブ用光パルス、
8…光学ビームスプリッター、
9…光学用メカニカルチョッパー、
10…ポンプ用光パルス伝送用光ファイバ、
11…プローブ用光パルス伝送用光ファイバ、
12…ポンプ用光パルス用集光光学系ユニット、
13…プローブ用光パルス用集光光学系ユニット、
14…テラヘルツ電磁波発生用プローブヘッド、
15…直流電圧電源、
16…光学遅延装置、
17…テラヘルツ電磁波検出用プローブヘッド、
18…電流増幅装置、
19…ロックイン増幅装置、
20…制御用コンピューター、
21…ミラー、
22…テラヘルツ電磁波パルス、
23…被測定体、
24…テラヘルツ内視鏡複合ガイド、
25…テラヘルツ内視鏡複合ヘッド、
26…内視鏡用ガイド、
27…モニター、
28…内視鏡用光源、
29…内視鏡ヘッド、
30…ミラー
31…ミラー可動ステージ
32…結像レンズ、
33…光パルス用集光光学系ユニット、
34…蛍光物質添付被測定体、
35…光学フィルター、
36…光検出器、
37…画像処理装置、
38…電圧印加用ワイヤー、
39…電流用ワイヤー。
【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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