(57)【要約】【課題】２波長光パラメトリック発振器と有機ＤＡＳＴ結晶の非線形光学効果を用いたテラヘルツ波発生において，安定した広帯域テラヘルツ波発生が困難であるという課題がある。【解決手段】本発明は，２波長発振する光パラメトリック発振器として異なる波長を発振する第１の発振部と第２の発振部を共通の反射ミラーを用いて縦続接続構成をとることにより，一方の波長を変化させても他方の波長の発振状態に変化を与えない安定した２波長発振を実現し，安定した広帯域テラヘルツ波発生装置を提供するものである。また，本発明にかかるテラヘルツ波発生装置と室温動作の検出器を備えたテラヘルツ波計測装置を提供する。【選択図】  図３
2004219967.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２波長発振する光パラメトリック発振器と有機ＤＡＳＴ結晶を備えたテラヘルツ波発生装置において，前記光パラメトリック発振器が異なる波長を発生する第一の発振部と第二の発振部が共通のミラーを用いて縦続構成されていることを特徴とするテラヘルツ波発生装置
【請求項２】
特許請求の範囲第１項における光パラメトリック発振器が，０．５２〜０．５４μｍ，あるいは１．０４〜１．０７μｍの波長範囲にあるパルスレーザーで励起し，前記光パラメトリック発振器の発振部にＫＴｉＯＰＯ４結晶を用い，少なくとも１ケのＫＴｉＯＰＯ４結晶をＹ軸を中心軸にＸＺ面内で回転させることを特徴とするテラヘルツ波発生装置
【請求項３】
特許請求の範囲第１項におけるＤＡＳＴ結晶をポリ弗化ビニリデンを成分として含有する有機材料からなる防湿膜により両面を覆い，ポリエチレンを成分に含むポリマーレンズに接合することを特徴とするテラヘルツ波発生装置
【請求項４】
特許請求の範囲第１項のテラヘルツ波発生装置と焦電素子を用いたテラヘルツ波検出器を備えたことを特徴とするテラヘルツ波計測装置
【請求項５】
特許請求の範囲第４項のテラヘルツ波検出器が，ＤＴＧＳ結晶を焦電素子として用いたテラヘルツ波検出器であることを特徴とするテラヘルツ波計測装置
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，理化学計測分野における分光計測等に使用するテラヘルツ波発生装置およびテラヘルツ波計測装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
非線形光学効果である差周波発生（以下ＤＦＧと略す）現象を利用することにより，テラヘルツ（以下ＴＨｚと略す）波の発生が可能である。２つの波長（周波数ｆ１，ｆ２）が異なる光波をＤＦＧ結晶に入射するとそれらの差周波に対応するｆ３＝ｆ１−ｆ２の電磁波が発生し，ｆ３としてＴＨｚ波周波数になるようにｆ１，ｆ２を設定するとＴＨｚ波が発生する。ＤＦＧ結晶としてこれまでＬｉＮｂＯ３，ＺｎＴｅ，ＧａＰ，ＧａＡｓ結晶等の無機結晶の他，図１に示す分子構造を有する有機イオン性結晶であるＤＡＳＴ（４−Ｎ，Ｎ−ｄｉｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｏ−４′−Ｎ′−ｍｅｔｈｙｌ−ｓｔｉｌｂａｚｏｌｉｕｍ  ｔｏｓｙｌａｔｅ）結晶は大きな非線形光学効果を有するためにＴＨｚ波発生に有望であり，本発明でも採用する。また，２波長光源としては光パラメトリック発振器やＴｉサファイアレーザーが報告されている。
【０００３】
従来のＴＨｚ波発生装置としては，例えば図２はレーザー学会誌「レーザー研究」，Ｖｏｌ．３０，Ｎｏ．７（２００２）ｐｐ．３６５−３６８に示されている２波長光パラメトリック発振器とＤＡＳＴ結晶を組合せたＴＨｚ波発生装置の構成図であり，１は励起レーザー，２，３はＫＴｉＯＰＯ４（以下ＫＴＰと略す）結晶，４，５はミラー，６は２波長光，７はレンズ，８はＤＡＳＴ結晶，９はＴＨｚ波である。以上のように構成された従来のＴＨｚ波発生装置の原理を説明する。ミラー４，５とわずかに異なる結晶角度をなす２ケのＫＴＰ結晶２，３から構成される光パラメトリック発振器から発生する２波長光６をレンズ７により集光してＤＡＳＴ結晶８に入射すると非線形光学効果によりＴＨｚ波９が発生する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，図２に示すようにミラー４，５による同一の共振器の中に２ケのＫＴＰ結晶を置く構成では，ＴＨｚ波周波数を変化させるために一方のＫＴＰ結晶を回転させ波長を変化すると他方の波長の共振条件もわずかに変化するために２波長発振に変動が生じ，発生するＴＨｚ波が不安定となる問題点があった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる点を鑑み，安定した広帯域テラヘルツ波発生装置及び計測装置を提供することを目的とする。
【０００６】
第１の発明は，２波長発振する光パラメトリック発振器として，異なる波長を発生する第１の発振部と第２の発振部を共通の反射ミラーを用いて縦続接続構成をとることにより一方の波長を変化させても他方の波長の発振状態に変化を与えない安定した２波長発振を実現するための有効な手段である。
【０００７】
第２の発明は，実用化されていて安定性の良い０．５２〜０．５４μｍ，あるいは１．０４〜１．０７μｍの波長範囲にあるパルスレーザーを励起レーザーとし，非線形光学結晶として用いる２ヶのＫＴＰ結晶の内少なくとも１ケのＫＴＰ結晶をＹ軸を中心軸としてＸＺ面内で回転させることにより波長制御が容易で安定性の優れた光パラメトリック発振器を実現することができる。
【０００８】
第３の発明は，ＤＡＳＴ結晶をポリ弗化ビニリデンを成分として含む有機材料を用いた防湿膜により覆い，ポリエチレンを成分として含むポリマーレンズを接合する構成であり，ＤＡＳＴ結晶を防湿化すると共にＴＨｚ波の出射広がりを低減するために有効な手段である。
【０００９】
第４の発明は，第１の発明のテラヘルツ波発生装置と焦電素子を用いた検出器を備えたテラヘルツ波計測器であり，室温で安定に動作するために実用上有利である。
【００１０】
第５の発明は，焦電素子にＤＴＧＳ結晶を用いた検出器であり，広帯域で高感度なテラヘルツ波計測装置の実現に有利である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図３は本発明の第１実施例であり，１は励起レーザー，２，３はＫＴＰ結晶，４，５，１０はミラー，６は２波長光波，７は集光レンズ，８はＤＡＳＴ結晶，９はＴＨｚ波，１１はフィルター，１２はＴＨｚ波検出器である。励起レーザー１は波長５３２ｎｍ，パルス幅１０ｎｓ，繰返し２０Ｈｚの半導体レーザー励起の小型Ｎｄ：ＹＡＧ／ＳＨＧレーザーであり，２，３のＫＴＰ結晶は長さ１５ｍｍ，θ＝６５°，φ＝９０°でカットされたものである。またＤＡＳＴ結晶８は結晶のｃ軸方向厚み０．４ｍｍの結晶を用いた。ＤＡＳＴ結晶と入射光の偏光の関係は，最大の非線形光学効果を利用するために入射光の偏光はＤＡＳＴ結晶のａ軸方向とし，入射光の伝搬方向はｃ軸あるいはｂ軸とする構成が有効である。
【００１２】
本実施例の動作原理を以下に説明する。励起レーザー１により励起されたＫＴＰ結晶２はミラー４とミラー１０を共振器として第１の波長を発振し，またＫＴＰ結晶３はミラー１０とミラー５により共振し第２の波長を発振する。発振波長は，ＫＴＰ結晶３を結晶のＹ軸を中心軸としてＸＺ面内で回転することにより，ＤＡＳＴ結晶において５ＴＨｚ以上の広帯域ＴＨｚ波発生に有効である１．３〜１．７μｍの範囲を波長制御した。実験ではＫＴＰ結晶２の角度は固定し，ＫＴＰ結晶３を回転することにより波長λ１＝１．４５μｍ，波長λ２＝１．４５〜１．６１μｍの範囲で２波長間隔を変え発生するＴＨｚ波周波数を変化させた。２波長光６は焦点距離２００ｍｍのレンズ７で集光しＤＡＳＴ結晶８に入射した。発生したＴＨｚ波９は光波をカットするフィルター１１を通した後，室温動作のＤＴＧＳ焦電素子を用いた検出器１２によりＴＨｚ波パワーを測定した結果，２〜２０ＴＨｚの広い範囲にわたりＴＨｚ波が発生し，ピークパワーとして，１００ｍＷ以上のＴＨｚ波が得られることを確認した。実験によると１．３μｍ以下の２波長域では１０ＴＨｚ以上が出にくく，また１．７μｍ以上では逆に１０ＴＨｚ以下が出にくい。これらの実験結果から１．３〜１．７μｍの波長範囲にある２波長光が２〜２０ＴＨｚの周波数域を広くカバーするためにきわめて有効であることを確認した。ＴＨｚ波検出に使用したＤＴＧＳ結晶とは，Ｄｅｕｔｅｒａｔｅｄ  Ｔｒｉｇｌｙｃｉｎｅ  Ｓｕｌｆａｔｅ（重水素置換硫化トリグリシン）結晶のことであり，広帯域・高感度でＴＨｚ波検出が可能である。
【００１３】
本発明にかかる光パラメトリック発振においては，ＫＴＰ結晶２，３から各々シグナル光（０．８４〜０．８９μｍ）とアイドラ光（１．４５〜１．６１μｍ）の２つの波長が発生するが，ミラー４，５，１０はシグナル光に対して高反射でアイドラ光および励起光に対しては高透過となる特性を有するものを使用し，第１の発振部で発生した共振しないアイドラ光はミラー１０，５およびＫＴＰ結晶３からなる第２の発振部を透過し，第２の発振部で発生したアイドラ光と合わせて２波長光６としてＴＨｚ波発生に利用した。なお，同様にミラー４，５，１０をアイドラ光に対して高反射，シグナル光に対して高透過として２波長シグナル光をＴＨｚ波発生に利用することも可能である。
【００１４】
なお，０．３〜５ＴＨｚ域をＤＡＳＴ結晶で発生するためには，０．９６〜１．０２μｍ域の２波長光が効率の良いＴＨｚ波発生に有効であり，本発明と同様な構成のＫＴＰ結晶を用いた光パラメトリック発振器と０．５〜１ｍｍ厚のＤＡＳＴ結晶の組合せにより実現できる。また，光パラメトリック発振は，１．０４〜１．０７μｍの波長範囲にある励起レーザーを用いることも可能であり，ＫＴＰ結晶は同様な結晶構造を有する（ＫＲｂ）ＴｉＯ（ＰＡｓ）Ｏ４組成の結晶等を光パラメトリック発振器に用いることも可能である。
【００１５】
図４は本発明の第２実施例であり，同図（ａ）はＤＡＳＴ結晶８の周囲をポリ塩化ビニリデンを含む有機材料を用いた防湿膜１３，１４で密閉し，ポリエチレンを主成分とするポリマーレンズ１５を接合した構成である。本構造は，ＤＡＳＴ結晶の有する吸湿性による特性劣化を防ぐと同時にポリマーレンズ１５により発生するＴＨｚ波ビーム１６の出射拡がりを低減しビーム径の小さなＴＨｚ波ビームを発生させたものであり，ＴＨｚ波分光装置の小型化に有利である。また，図４（ｂ）に示すように，ポリマーレンズ１５の内部に防湿膜で覆ったＤＡＳＴ結晶を組み込む構成も有効である。なお，ＤＡＳＴ結晶８の表面は光反射防止のためにＳｉＯ２等の材料を用いた反射防止薄膜を形成したものをさらにポリ弗化ビニリデンを成分として含有する防湿膜により覆うことも特性向上のために有効である。
【００１６】
図５は本発明の第３実施例であり，本発明にかかる光パラメトリック発振器１７とＤＡＳＴ結晶を用いたＴＨｚ波発生部１８を備えたＴＨｚ波発生装置と，室温動作が可能で広帯域・高感度特性を有するＤＴＧＳ結晶を用いたＴＨｚ波検出器１２を組合せたＴＨｚ波計測装置の構成図である。このようなＴＨｚ波計測装置は，２０ＴＨｚにおよぶ広帯域性を有しており，様々な物質の分光特性の他，ＴＨｚ波を用いた透過・反射画像等の計測に有利である。
【００１７】
【発明の効果】
以上説明したように，広帯域で安定して動作するＴＨｚ波発生装置およびＴＨｚ波計測装置として，ＫＴＰ結晶を用いて２つの発振部を有する光パラメトリック発振器とＤＡＳＴ結晶を組合せることにより，２〜２０ＴＨｚをカバーできる安定で広帯域のＴＨｚ波発生装置を実現した。このようなＴＨｚ波発生装置は，生体タンパク物質や機能性セラミクス等の分光計測装置としてその実用的効果はきわめて大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】有機ＤＡＳＴ結晶の分子構造図，
【図２】従来例の構成図，
【図３】本発明の第１実施例の構成図，
【図４】本発明の第２実施例の構成図，
【図５】本発明の第３実施例の構成図である。
【符号の説明】
１：励起レーザー
２，３：ＫＴＰ結晶
４，５，１０：ミラー
６：２波長光波
７：レンズ
８：ＤＡＳＴ結晶
９：ＴＨｚ波
１１：フィルター
１２：ＴＨｚ波検出器
１３，１４：防湿膜
１５：ポリマーレンズ
１６：ＴＨｚ波ビーム
１７：光パラメトリック発振器
１８：ＴＨｚ波発生部
１９：被計測物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2004219967.tif 000006
【図５】
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