(57)【要約】【課題】本発明は、効率の高いテラヘルツ帯の周波数可変単一周波数コヒーレント波発生装置を提供する。【解決手段】ＧａＰ結晶と波長が１．０μｍ以上である２つのポンプ光源、ポンプ光源のなす角度を平行方向から微小に変化させる手段とからなり、その差周波に等しい周波数のテラヘルツ波出力を得る。本発明によれば微小な角度整合を行うことにより、０．５ＴＨｚから７ＴＨｚの範囲で単一周波数を持つ効率の高い波長可変テラヘルツ波発生装置が得られる。また、安価なテラヘルツ波発生装置が得られる。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長１．０μｍより長波長のレーザ光を発生する、第１のポンプ光源および波長可変の第２のポンプ光源、前記ポンプ光源の二つのビームが互いに微小な角度で入射しフォノンポラリトンを結晶中に励起する手段を有し、第２のポンプ光の周波数と前記微小角度を同時に変えることにより、前記第１、第２のポンプ光の周波数の差周波数が０．１５ＴＨｚから７ＴＨｚの範囲において、前記結晶から波長可変高出力広帯域のテラヘルツ波を発生させることを特徴とするテラヘルツ波発生装置。
【請求項２】
前記結晶がＧａＰ結晶であることを特徴とするテラヘルツ波発生装置。
【請求項３】
前記第１のポンプ光源が波長１．０６４μｍのＹＡＧレーザであり、第２のポンプ光源が第１のポンプ光源の第３高調波によって励起され、インジェクションシーディング手段を備えたオプティカルパラメトリックオシレータ（ＯＰＯ）であることにより線幅が狭いことを特徴とする請求項１および２に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項４】
前記第１及び第２のポンプ光源の少なくとも一方が、波長１．０６４μｍのＹＡＧレーザによって励起され波長可変のレーザ光を発生するＣｒ：ＦＯＲＳＴＥＲＩＴＥレーザであることを特徴とする請求項１および２に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項５】
第１及び第２のポンプ光源の少くなくとも一方が、波長１．０６４μｍのＹＡＧレーザによって励起され波長可変のレーザ光を発生するＣｒ：ＦＯＲＳＴＥＲＩＴＥレーザであり、半導体あるいは誘電体結晶に前記二つのポンプ光を入射し差周波として広帯域高出力のコヒーレントテラヘルツ波を発生することを特徴とするテラヘルツ波発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はコヒーレントテラヘルツ波発生装置に関わる。
【０００２】
【従来の技術】
生体物質、がん細胞など、大きな分子や高分子を識別するための波長可変テラヘルツ波を用いた分光光源として利用するため、誘電体ＬｉＮｂＯ３結晶内のポラリトンモードを利用したテラヘルツ波発生装置が知られている。すなわち、ＬｉＮｂＯ３結晶に一つまたは二つのポンプ光（後者をシグナル光あるいはアイドラ光と呼ぶこともある）を入射し、差周波発生やパラメトリックオッシレーションによりテラヘルツ波を発生する。こうして得られるテラヘルツ波の周波数はおよそ０．７ＴＨｚから２．５ＴＨｚの範囲のコヒーレント光である。しかし、テラヘルツ波分光スペクトルの違いを使って多様な生体物質などを識別するにはスペクトル可変範囲として上記周波数範囲は狭すぎるのである。より高周波まで測定することによって、スペクトルパターンの違いが明確となり分子の識別が可能となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ＬｉＮｂＯ３結晶のテラヘルツ波帯での吸収係数は３ＴＨｚを超えると極めて大きくなるため出力が著しく低下し、周波数帯が制限される一因となっている。また、二つのポンプ光ビームの平行方向における位相不整合度が大きいため、図１に示すようにポンプ光のなす角度及びテラヘルツ波の取り出し角度を大きくした角度整合法をとらざるを得ず、そのためテラヘルツ波とポンプ光のビームの重なりが悪く、周波数帯域・効率とも低下する原因となっている。
【０００４】
一方、発生したテラヘルツ波の線幅は、パラメトリック発振型のＬｉＮｂＯ３テラヘルツ発生装置においては連続波（ＣＷ）レーザダイオードによるインジェクションシーディングを行うことにより、１００ＭＨｚ程度まで狭線幅にできるが、ＣＷレーザダイオードのモードホッピングのため、逆に、広い範囲で連続的に周波数掃引することが困難となる。一方、インジェクションシーディングを行わないと線幅は極めて大きく１００ＧＨｚ（０．１ＴＨｚ）を越えるため、分解能が著しく低下し、周波数帯域が狭いことと合わせて物質同定の性能が十分でない。
【０００５】
本発明の目的は述上の欠点を克服した、広周波数帯域、高出力、高分解能、且つモードホップのない周波数可変テラヘルツ発生装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の代表的な例として、テラヘルツ波（ＴＨｚ波）を発生する結晶としてＧａＰを使う。ＧａＰはＬｉＮｂＯ３よりラマン効率が高いことを我々は明らかにしている。更に、フォノンポラリトンを構成する横波の純粋な振動周波数が１１ＴＨｚと極めて高いので広周波数帯域のポラリトンモードが得られる。更にＬｉＮｂＯ３結晶よりテラヘルツ帯吸収係数が小さいことは既に知られている。二つのポンプ光の波長がおよそ１．０μｍより小さい範囲においては、平行方向配置（コリニア）にて差周波光と非線形分極との位相整合関係が得られる。しかし本発明ではコリニア位相整合条件を満たす波長範囲とは逆に、二つのポンプ光の波長を１．０μｍよりわずかに大きくする。その結果、平行方向では位相整合は得られないが、ポンプ光間に微小な角度を持たせることにより、角度位相整合が得られる。ＬｉＮｂＯ３結晶においても角度位相整合が行われているが、大きな角度を与えなければならず、ポンプ光、テラヘルツ光の重なりが悪く、効率が低い。ＧａＰにおいてポンプ光が１．０μｍよりわずかに長波長であれば位相整合角度が微小であるためこのような欠点を克服でき、周波数帯域を広げる効果が大きい。テラヘルツ波周波数を掃引するにはＧａＰ結晶に接近したミラやビームスプリッタの回転角を微小に変化し、同時に第２のポンプ光源の周波数を掃引する。角度の微小変化の精密制御は回転ステージにより容易に達成できるのでテラヘルツ周波数の精密制御が可能となる。
【０００７】
テラヘルツ波の線幅を狭くかつ、広い周波数にわたってモードホップなしで動作させるための第１の方法として、第１のポンプ光源に波長１．０６４μｍのＹＡＧレーザを用い、第二のポンプ光源すなわち波長可変ポンプ光源に、インジェクションシーディング装置を具備したオプティカルパラメトリックオッシレータ（ＯＰＯ）を用いる。このようなＯＰＯはＹＡＧレーザの第３高調波すなわち波長３５５ｎｍ光で励起されることにより線幅を広げる原因となる波長縮退を避け、さらにＯＰＯ内にマスターオシレータを具備しこれを使ってインジェクションシーディングを行うことにより、ＯＰＯの線幅を狭くできるので差周波として発生するＴＨｚ波の線幅も同様に狭くなる。なお、ＹＡＧレーザもインジェクションシーディングされた狭線幅のものを用いる。
【０００８】
第二の方法として、ポンプ光源としてＣｒ：ＦＯＲＳＴＥＲＩＴＥ（Ｃｒ添加カンラン石）レーザを用いる。このレーザはＣｒの準位を用いているためインジェクションシーディングなしのＯＰＯに比べて線幅が極めて狭い。波長１．０６４μｍのＹＡＧレーザを用いて励起され、ＯＰＯのようにＹＡＧ第３高調波を用いないので効率が高い。Ｃｒ：ＦＯＲＳＴＥＲＩＴＥの波長可変範囲は、１．１５μｍから１．３５μｍまでの範囲である。二つのＣｒ：ＦＯＲＳＴＥＲＩＴＥレーザをポンプ光源として用い、一方を固定波長で、他方を波長可変ポンプ光源とし、インジェクションシーディングなしで差周波としてのテラヘルツ波の線幅を狭くすることができる。
【０００９】
【作用】
テラヘルツ波を発生する結晶がＧａＰの場合についてフォノンポラリトンの微小角度整合の原理を、図２を使って説明する。ｋＬ，ｋＳ，ｑは第１、第２ポンプ光およびテラヘルツ波の源となるフォノンポラリトンの波数ベクトルであり、ｖＬ，ｖＳ，ｖはそれぞれの周波数である。ＧａＰにおいてはポンプ光の波長が１．０μｍ以下で平行方向での位相整合（Δｑ＝０）が得られるが１．０μｍより長波長では位相不整合Δｑを発生する。二つのポンプ光が結晶内で成す角θｉｎが十分に小さいときは図の波数ベクトルの幾何学的な関係から、次の式が得られる。
【００１０】
【数１】
θｉｎ＝（２Δｑ／ｑ）１／２（ｎＩ／ｎＬ）（ｖ／ｖＬ）
【００１１】
ただし、Δｑはポンプ光の周波数を１．０μｍより長波長にしたため平行方向では位相整合が得られなくなったため生じた波数の不一致の大きさであり、Δｑ＝ｋＬ−ｋＳ−ｑである。平行方向の位相整合はおよそ１．０μｍが限界波長であると計算され、実験的にもほぼこれに近いことが知られている。ポンプ光波長をＹＡＧレーザ波長１．０６４μｍとした場合、限界波長より６．４％長波長であるが、ＴＨｚ波の分散関係からは位相不整合度Δｑ／ｑは約３％と計算される。従って〔数１〕式から、角θｉｎは，ｖ＝１ＴＨｚでは３．２分という小さな値を有することが求められる。
一方、ＴＨｚ波の進行方向θＩは図２から次の式が得られる。
【００１２】
【数２】
ｓｉｎθＩ＝ｋｓ／ｑｓｉｎθｉｎ
したがって〔数１〕、〔数２〕式から次の式が得られる。
【００１３】
【数３】
ｓｉｎθＩ＝（２Δｑ／ｑ）１／２
【００１４】
すなわち、角θＩはｋｓ／ｑ倍されるため、角θｉｎよりは相当大きいが０．５ＴＨｚから４ＴＨｚにおいて、θＩは約１０度から１４度である。Ｔａｎ１４°＝０．２５であるため、ＴＨｚ波とポプ光のビームの重なりは図３のようにおよそ８０％以上となり、実効的な相互作用距離は結晶長に近くなり高出力を広い範囲の周波数にわたって得ることができる。
【００１５】
テラヘルツ波の周波数を７ＴＨｚに増大させるとＴＨｚ波の分散が大きくなるため２Δｑ／ｑが増大し、分散特性の計算によれば７ＴＨｚではΔｑ／ｑ＝１２％まで増大するが、この場合でも、Δｑは未だ小さいといってよい範囲にある。すなわち〔数１〕式よりθｉｎ＝４６分と計算され１度以下である。結晶外においては約１４２分、すなわち、２．４度となる。このときテラヘルツ波の方向、θＩは〔数３〕式から約３０度であり、図４のようにビーム径３ｍｍ、結晶長５ｍｍの場合、約５０％以上のビーム重なりを得ることができる。このため７ＴＨｚにおいても効率低下は著しくない。しかし、θＩは結晶内の全反射臨界角１７度を超えているため図３のように垂直入射に近い場合は全反射のため出力面から外部に取り出せなくなる。その場合は、図４のようにポンプ光の入射角αｅｘｔを０ではなく、１３度以上にかたむければ臨界角１７度以下にすることができる。
【００１６】
出力テラヘルツ波をモードホップなしの狭線幅にするには適当なポンプ光源の選択が必要であり、それについては既に前節で述べた。
【００１７】
【実施例】
（実施例１）
図４示すように第１のポンプ光源１６として波長１．０６４μｍのパルスＹＡＧレーザを使用する。第２のポンプ光源として第１のポンプ光の基本波を３逓倍した３５５ｎｍの光で励起される、インジェクションシーディングされた波長可変パラメトリックオッシレータ（ＯＰＯ）１７を用いる。ＯＰＯの出力光波長を１．０３８μｍから１．０６３５μｍの範囲に選べば差周波数は０．１５ＴＨｚから７ＴＨｚの範囲になる。また、ＯＰＯの波長を１．０６４６μｍから１．０９１μｍの範囲に選んでもよい。第１のポンプ光と第２のポンプ光は直交した偏波方向を持ち、偏光ビームスプリッタ１８よってビームを平行に近く重ねる。ビームスプリッタ１８、または、ミラ１８’を微小回転させ、テラヘルツ波周波数ｖに応じて極く小さい角θｉｎｅｘｔとなるように第１あるいは第２ポンプ光のビーム方向を調整する。なお、角θｉｎｅｘｔは結晶外の角度であってほぼθｉｎｅｘｔ＝ｎＬθｉｎ，なる関係を有し、ｎＬはポンプ光周波数での屈折率であり、ｎＬ＝３．１０５である。たとえばｖが１ＴＨｚの時は結晶外で、θｉｎｅｘｔが１０分（結晶内で３．２分）となる。
【００１８】
ＧａＰ結晶１９の光軸方向は１１０方向であり、入力面、出力面を有し、出力面からＴＨｚ波２２、ポンプ光２０，２１ともに取り出される。０．１５ＴＨｚから５ＴＨｚにおいてはθＩが約１０−１７度、７ＴＨｚにおいても３０度以下と小さいのでポンプ光とテラヘルツ光の重なりが大きく、長距離の相互作用が行われる。その結果、０．１５−７ＴＨｚの広い周波数にわたって１００ｍＷ以上のテラヘルツパルス出力が得られる。
【００１９】
第１のポンプ光であるＹＡＧレーザの線幅は十分狭いので、差周波であるテラヘルツ波の線幅はＯＰＯの線幅で決まることになる。ＯＰＯはインジェクションシーディングされているため線幅約４ＧＨｚであり、差周波であるテラヘルツ波の線幅もほぼ４ＧＨｚである。テラヘルツ帯における固体、液体状物質のスペクトル線幅は一般的に５０ＧＨｚ以上なので本実施例は十分に高分解能の分光測定を可能にする。
【００２０】
（実施例２）
図５に示すように、テラヘルツ波を発生するのは実施例１と同様ＧａＰ結晶２７である。第１及び第２のポンプ光源、２４，２５として共に、ＹＡＧレーザ２３で励起されるＣｒ：ＦＯＲＳＴＥＲＩＴＥ（Ｃｒ添加カンラン石）レーザを使う。Ｃｒ：ＦＯＲＳＴＥＲＩＴＥは波長１．０６４μｍのＹＡＧレーザで励起することにより波長１．１５μｍから１．３５μｍまでの範囲の波長が得られる波長可変レーザであり、ＦＯＲＳＴＥＲＩＴＥ内のＣｒの準位を使うことによりインジェクションシーディングなしで線幅値１０ＧＨｚから１５ＧＨｚを得ることができる。更に、ＯＰＯのようにＹＡＧの高調波を使う必要がないため、基本波１．０６４ｍｍによって励起でき、高出力且つ安価であることが特徴である。
【００２１】
第１のポンプ光レーザの波長を例えば、１．２０μｍに固定する。第１のポンプ光源は内部にエタロンを設置することにより、固定波長で線幅を１ＧＨｚ程度に狭くすることができる。第二のポンプ光源は同種のＣｒ：ＦＯＲＳＴＥＲＩＴＥレーザを使い、波長を掃引する。後者は連続波長掃引のため、エタロンを挿入しないので線幅は１０ＧＨｚから１５ＧＨｚである。この結果、差周波として発生するＴＨｚ波の線幅はほぼ１０ＧＨｚから１５ＧＨｚを得ることができる。第２のポンプ光源の波長を１．２０２４μｍから１．２３４６μｍまで変えることにより、テラヘルツ波の発生する周波数範囲は実施例１と同様０．５ＴＨｚから７ＴＨｚの間である。出力も実施例１と同様である。
【００２２】
ポンプ光としてのＣｒ：ＦＯＲＳＴＥＲＩＴＥレーザは、ＹＡＧレーザの第３高調波を使わずに基本波で励起することが可能であり、更にインジェクションシーディングなしで比較的狭線幅を得られる。そのため極めて安価であることが利点である。テラヘルツ波発生用結晶としてＧａＰのように角度による位相整合を行う場合のみならず、結晶異方性を利用したコリニアな位相整合を行う結晶に対しても適用することにより極めて安価な波長可変テラヘルツ波発生装置を得ることができる。このような光学異方性結晶としてはＺｎＧｅＰ２やＧａＳｅがある。
【００２３】
（実施例３）
実施例１、２においてＴＨｚ波周波数が６ＴＨｚを超える場合、図６のようにＧａＰ結晶３１の形状を約３０度、６０度の直角３角形となし、最長辺の入力面３５からポンプ光３２，３３を入射する。たとえば７ＴＨｚの場合、ＴＨｚ波のθＩはほぼ３０度となるが出力端面３６からほぼ垂直に３４のように取り出されるのでＴＨｚ波の検出光学系の配置が容易になり、また、結晶配置が１−２度ずれても問題を生じない。一方、ポンプ光は面３６では全反射されるが、面３７から外部に放出される。さらに本実施例は実施例１と違ってＴＨｚ波の周波数が７ＴＨｚ以上になってもＴＨｚ波は全反射せずに出力を取り出せる。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、０．５ＴＨｚから７ＴＨｚまでの周波数可変ＴＨｚ波単一周波数コヒーレントテラヘルツ光源が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のテラヘルツ波発生法を示す図である。
【図２】本発明におけるポンプ光およびテラヘルツ波の波数ベクトルの方向を示す図である。
【図３】実施例１におけるポンプ光およびテラヘルツ波の結晶内伝播光路を示す図である。
【図４】実施例１におけるテラヘルツ波発生装置の構成を示す図である。
【図５】実施例２におけるテラヘルツ波発生装置の構成を示す図である。
【図６】実施例３におけるＧａＰ結晶の形状とビーム方向を示す図である。
【符号の説明】
１…ＬｉＮｂＯ３結晶
２…第１のポンプ光
３…第２のポンプ光（アイドラ光、あるいは信号光とも呼ぶ）
４…テラヘルツ波
５…シリコンプリズム
６…第１のポンプ光の波数ベクトル
７…第２のポンプ光の波数ベクトル
８…テラヘルツ波の波数ベクトル
９…ポンプ光が結晶内でのなす角度θｉｎ
１０…テラヘルツ波の結晶内角度θＩ
１１…ＧａＰ結晶
１２…第１のポンプ光の光路
１３…第２のポンプ光の光路
１４…テラヘルツ波の光路
１５…テラヘルツ波とポンプ光のビームの重なり
１６…ＹＡＧレーザ
１７…オプティカルパラメトリックオシレータ（ＯＰＯ）
１８…偏光ビームスプリッタ
１８’…ミラ
１９…ＧａＰ結晶
２０…第１のポンプ光進行方向
２１…第２のポンプ光進行方向
２２…テラヘルツ波の進行方向
２３…ＹＡＧレーザ
２４…第１のＣｒ：ＦＯＲＳＴＥＲＩＴＥレーザ
２５…第２のＣｒ：ＦＯＲＳＴＥＲＩＴＥレーザ
２６…偏光ビームスプリッタ
２６’…ミラ
２７…ＧａＰ結晶
２８…第１のポンプ光ビーム
２９…第２のポンプ光ビーム
３０…テラヘルツ波出力
３１…ＧａＰ結晶
３２…第１のポンプ光
３３…第２のポンプ光
３４…テラヘルツ波
３５…ポンプ光入射面
３６…テラヘルツ波出力面
３７…ポンプ光出射面
３８…角度３０度
３９…角度６０度
【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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