(57)【要約】【課題】複雑な光学系を必要としない、ＴＨｚ光等の長波長帯域の光または電磁波を発生する小型かつ簡便で高効率の波長変換装置を提供する。【解決手段】本波長変換装置は、基板１０上に配置された第１のフォトニック結晶１１と、第１のフォトニック結晶の両側に配置された第２のフォトニック結晶１２とを備える。第１のフォトニック結晶１１は、石英基板の上にＺｎＯとＳｉＯ２の積層薄膜構造を作成して得られる。ＺｎＯとＳｉＯ２は例えば交互に５０層ずつ計１００層着膜される。第２のフォトニック結晶１２は、石英基板１３にＬｉＮｂＯ３１４を着膜したものを第１のフォトニック結晶１１の両側に例えば１０層ずつ積み重ねて作成する。【選択図】      図１
2004279604.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非線形光学媒質により構成されるフォトニック結晶を備えた波長変換装置であって、前記フォトニック結晶は周波数の異なる２つのレーザー光の照射を受けてその差周波光を発生することを特徴とする波長変換装置。
【請求項２】
非線形光学媒質により構成されるフォトニック結晶を備えた波長変換装置であって、前記フォトニック結晶は周波数の異なる３つ以上のレーザー光の照射を受けてその差周波光を発生することを特徴とする波長変換装置。
【請求項３】
前記フォトニック結晶によって発生する前記差周波光の周波数が１０１０〜１０１３Ｈｚであることを特徴とする請求項１又は２記載の波長変換装置。
【請求項４】
さらに前記差周波光を共振させる光共振器を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の波長変換装置。
【請求項５】
非線形光学媒質により構成される第１のフォトニック結晶を備えた波長変換装置であって、前記第１のフォトニック結晶は周波数の異なる複数のレーザー光の照射を受けてその差周波光を発生するものであり、さらに前記差周波光に対して共鳴する第２のフォトニック結晶を備えることを特徴とする波長変換装置。
【請求項６】
前記差周波光の周波数が前記第２のフォトニック結晶の伝播モードに相当することを特徴とする請求項５記載の波長変換装置。
【請求項７】
前記第１のフォトニック結晶が前記第２のフォトニック結晶の欠陥として働き、その欠陥のエネルギー準位が前記第２のフォトニック結晶のバンドギャップ内にあり、前記差周波光の周波数がその欠陥のエネルギー準位に相当することを特徴とする請求項５記載の波長変換装置。
【請求項８】
非線形光学媒質により構成されるフォトニック結晶に周波数の異なる２つのレーザー光を照射し、前記２つのレーザー光の差周波光を発生させることにより、前記２つのレーザ光を波長変換することを特徴とする波長変換方法。
【請求項９】
非線形光学媒質により構成されるフォトニック結晶に周波数の異なる３つ以上のレーザー光を照射し、前記３つ以上のレーザ光の差周波光を発生させることにより、前記３つ以上のレーザ光を波長変換することを特徴とする波長変換方法。
【請求項１０】
前記２つのレーザー光が近接した周波数を有することを特徴とする請求項８記載の波長変換方法。
【請求項１１】
前記３つ以上のレーザー光が近接した周波数を有することを特徴とする請求項９記載の波長変換方法。
【請求項１２】
前記差周波光の周波数が１０１０〜１０１３Ｈｚであることを特徴とする請求項８〜１１のいずれかに記載の波長変換方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入射レーザー光の波長を所望の波長に変換する波長変換装置及び波長変換方法に関するものである。この波長変換装置は、入射波長よりも長波長の光を発生させることにより、これまで困難であった新しい波長領域の光源を提供しようとするものであり、特に医療応用、透視技術、画像イメージング等の分野の発展に有用なものである。
【０００２】
【従来の技術】
これまでレーザーの出現により種々のコヒーレント光源が研究、開発され、市販されてきたが、振動数（周波数）１０１０〜１０１３Ｈｚの領域の光または電磁波（以下、ＴＨｚ光という）を発生する有効なコヒーレント光源はほとんど存在しないのが現状である。このＴＨｚ（テラヘルツ）光は、サブミリ波や遠赤外光線と呼ばれることもある。従来から、ＴＨｚ光の発生用光源としては、自由電子レーザーを用いて電子ビームを周期磁場の中で蛇行させることによりレーザー発振させる方法が知られているが、この方法は超大型の自由電子レーザーを用いなくてはならず実用的でない。
【０００３】
また、次の特許文献１には、簡単な構造により、制御性がよく高速で波長変調制御できる波長変換装置が提案されている。
【特許文献１】
特開２００２−２２９０８６号公報
この装置は、２種類以上の光の媒質が周期構造を形成してなる周期構造体と、周期構造体に変調をかける周期構造体変調手段とを備え、周期構造体は、当該周期構造体においてパラメトリック変換または４光波混合を生起させるために、２次または３次の非線形光学効果を有する媒質を含んでおり、周期構造体変調手段は、パラメトリック変換における信号光およびアイドラ光の波長、または４光波混合における出射光波長を変化させるものである。この構成により、周期構造体において、同一の励起レーザ光に対応して、光パラメトリック効果または４光波混合が異なる光学定数条件で起こるようになり、周期構造体変調手段により波長を所望の波長に変えることができるというものであるが、いわゆる差周波を用いるものではない。
【０００４】
また近赤外のフェムト秒レーザーを光伝導アンテナ素子に照射して、ＴＨｚ光を発生させる方法が次の非特許文献１に開示されている。
【非特許文献１】
分光研究、第５０巻、第６号、２００１年、ｐｐ．２６１−２７３、「テラヘルツ時間領域分光法」
この方法は、広い波長領域に渡ってＴＨｚ光を発生することが可能であるが、レーザーのような単一波長での発振は難しい。
【０００５】
また、波長の近接した２種のレーザー光をＬｉＮｂＯ３などの非線形光学結晶に照射し、パラメトリック発振により波長変換を行って、ＴＨｚ光を発生させる方法が次の非特許文献２に開示されている。
【非特許文献２】
応用物理、第７１巻、第２号、２００２年、ｐｐ．１６７−１７２、「テラフォトニクス光源」
この方法は、ＹＡＧレーザーおよび波長可変半導体レーザーを用いて、ＬｉＮｂＯ３結晶中において２種の入射光に特定の角度を持たせてパラメトリック発振させＴＨｚ光との間で位相整合を実現させるものであり、複雑で大型の光学系が必要である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従って本発明の目的は、複雑な光学系を必要としない、ＴＨｚ光等の長波長帯域の光または電磁波を発生する小型かつ簡便で高効率の波長変換装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、非線形光学媒質により構成されるフォトニック結晶を備え、前記フォトニック結晶が周波数の異なる２つのレーザー光または３つ以上のレーザー光の照射を受けてその差周波光を発生するようにした波長変換装置により、達成される。ここで、本発明をいくつかの場合に分けて説明する。
一つ目の方法としては、前記フォトニック結晶に、差周波光に対して共振する光共振器を配置することによって差周波を効率的に取り出す方式である。共振器によって差周波光は定在波状態になるため、取り出し効率が上昇する。
また二つ目の方法としては、前記フォトニック結晶（第１のフォトニック結晶）に、差周波光に対して共鳴する第２のフォトニック結晶を配置することにより差周波光を効率的に発生させる構成のものである。ここで差周波に対して共鳴するとは、第２のフォトニック結晶において差周波光の伝播モードが存在することを意味している。通常、第１のフォトニック結晶の周りを第２のフォトニック結晶が囲むように配置したり、第１のフォトニック結晶を第２のフォトニック結晶により両側からはさむように配置する。
さらに３つ目の方式として、構成は上記２つ目の構成と同様であるが、第１，第２のフォトニック結晶の格子定数、すなわち周期を適切に決めることにより、第１のフォトニック結晶を第２のフォトニック結晶の欠陥として機能させる。その欠陥のエネルギー準位は第２のフォトニック結晶のバンドギャップ内にあり、差周波光の周波数はその欠陥のエネルギー準位に相当するものである。欠陥モードは状態密度が非常に高いため、効率的にパラメトリック発振を起こすことが出来る。
【０００８】
また、本発明に係る波長変換方法は、非線形光学媒質により構成されるフォトニック結晶に周波数の異なる２つのレーザー光または３つ以上のレーザー光を照射しその差周波光を発生させることにより波長変換を行うものである。ここで、合い隣り合う２つのレーザー光は近接した周波数を有する。発生する差周波光の周波数は１０１０〜１０１３Ｈｚ（０．０１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚ）とすることができる。ここで２つのレーザの周波数が近接する（合い隣り合う）とはそのエネルギー差が所望のＴＨｚ光のエネルギーに等しいことを指す。このような近接するレーザー光の発生にはλ／４位相シフトをさせない分布帰還形レーザー（ＤＦＢ）を用いて２波長を同時発振させることで得ることも出来る。
またレーザーの共振器長を適当に選択することにより、複数の縦モードを発振させ、縦モード間のエネルギーが一定であることを利用して所望のＴＨｚ光を発生させることも可能である。
このように構成することにより、複雑な光学系を必要としない、小型で簡便かつ高効率でＴＨｚ光等の長波長帯域の光または電磁波を発生させることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について述べるが、その前に本発明の原理について説明する。
本発明では、非線形光学効果をもつフォトニック結晶と２種以上の波長を持つレーザー光をもちいて差周波光を発生させる。フォトニック結晶は、屈折率の異なる２種の物質を波長のオーダーで交互に周期的に配置して構成され、それにより光に対する分散関係を変化させることができる人工的な光学素子である。フォトニック結晶は固体中の電子のバンド構造に類似したフォトニックバンドをもち、結晶周期構造中の電子状態を特徴付けるブロッホ（Ｂｌｏｃｈ）関数と同様な電磁界の状態をとることが知られている。また、フォトニック結晶の特徴である光のバンドギャップを利用して、光を微小な領域に閉じ込め、低閾値のレーザー発振を実現したり、フォトニック結晶内に導波路を形成して急峻に光の進行方向を変化させたりする研究などが進められている。
【００１０】
一方、フォトニック結晶のもうひとつの特徴は非線形光学現象が顕著に現れることである。フォトニック結晶では周期的な屈折率の変化を人工的に制御しているので、フォトニック結晶の周期と屈折率差により実現される光のバンド構造を任意に変化させることが可能である。このように、フォトニック結晶中を伝播する光の周波数（振動数）と波数ベクトルは、フォトニック結晶のバンド構造により決定される。つまりフォトニックバンドは光の分散関係すなわちフォトニック結晶中を伝播する光波の性質を決める。図７は可視光領域および近赤外光のフォトニック結晶のバンド図の一例を示すものである。ここに示したフォトニックバンドは、誘電体多層膜などで実現される１次元のフォトニック結晶の例であり、ＺｎＯの膜厚を２００ｎｍ、ＳｉＯ２の膜厚を３０ｎｍとして交互に多層に積層した時のものである。
【００１１】
つぎにフォトニック結晶を非線形光学係数を持った材料で作成することを考える。以下ではこのようなフォトニック結晶を非線形フォトニック結晶とよぶことにする。非線形現象を説明するために、はじめに第２高調波発生について簡単に説明する。いま周波数（振動数）ωの入射光が非線形フォトニック結晶内を伝播するとき、バンド構造によりきめられる伝播ベクトルｋ（ω）を持つ。このときフォトニック結晶内で第２高調波２ωを効率よく発生させるためには、非線形光学係数を介して第２高調波の振動が電子により誘起されるだけでなく、次式の位相整合条件を満たすことが必要であることが知られている。（Ｓａｋｏｄａ    Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃ  Ｃｒｙｓｔａｌｓ  （Ｓｐｒｉｎｇｅｒ  Ｓｅｒｉｅｓ  ｉｎ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，  ８０  ｐ１１１）
【００１２】
【数１】
2004279604.tif 000003
【００１３】
ここで、ｋ（２ω）は第２高調波がフォトニック結晶中で持つ波数、Ｇはフォトニック結晶の逆格子ベクトル、ｍは整数である。
フォトニック結晶内の光は、屈折率が真空に比べて大きいため、フォトニック結晶中を伝播する群速度が小さい。そのためフォトニック結晶内の電界が圧縮されて単位長さあたりの電界強度が非常に高くなる。このように電界強度が増すため、第２高調波の発生（ＳＨＧ）など非線形光学効果が顕著になると考えられる。さらにｋ（ω）を始状態と考えると、終状態であるｋ（２ω）における状態密度が高いほど上式の光変換過程が効率よく起こると考えられる。
【００１４】
本発明は上で詳しく述べたフォトニック結晶のもつ顕著な非線形光学効果を用いて、２種以上の入射光のエネルギー差に相当する光すなわち差周波光を効率よく発生させようとするものである。これにより入射光に比べてエネルギー的に小さい光（または電磁波）の発生が可能になる。
【００１５】
さらに本発明を詳細に述べる。ここでは入射光として周波数（振動数）の近接した角振動数がω１およびω２の２つの光がフォトニック結晶に入射する場合を考える。ω１−ω２＝Δωを満たして光が分解する過程を光パラメトリック過程と呼んでいる。
本発明は、入射光であるω１、ω２の光の照射を受けてその差周波光を発生する第１のフォトニック結晶を備えるものであり、この場合、差周波光Δω＝ω１−ω２に対して共鳴する第２のフォトニック結晶を配置すること、または第１のフォトニック結晶の外側に光共振器を配置することが好ましい。第１のフォトニック結晶のみによっても差周波Δωを発生させることは可能であるが、好適には、入射光ω１、ω２とにより差周波（電磁波）Δωを発生しうる第１のフォトニック結晶と、差周波（電磁波）Δωに共鳴する共振器から構成され、または差周波Δωに対して高い状態密度を与える長周期の第２のフォトニック結晶から構成される。ω１、ω２の光は第１のフォトニック結晶を構成する材料のもつ非線形光学係数を通じて互いに相互作用を行い、その結果、差周波であるΔω＝ω１−ω２の電子的振動がフォトニック結晶を構成する非線形媒質内に誘起される。この誘起された光（または電磁波）を有効に取り出すために共振器や第２のフォトニック結晶が用いられる。
【００１６】
図５は光パラメトリック過程と位相整合条件を説明するための図であり、（ａ）はＧ＝０のとき、（ｂ）はＧ＝１のときをそれぞれ示している。いま入射光のフォトニック結晶内での波数ベクトルをｋ（ω１）とｋ（ω２）とする。この時発生するΔωの光がもつ波数をｋ（Δω）とすると、位相整合条件として次式
【００１７】
【数２】
2004279604.tif 000004
【００１８】
が満たされるとき、Δωの光の発生効率が最も高い。従って、フォトニック結晶自体をこの差周波にたいする位相整合条件を満足するように設計すればよい。
またこのときエネルギーの保存法則と量子力学的な状態遷移の立場からは、ω１＞ω２とすると、始状態はｋ（ω１）、終状態はｋ（ω２）とｋ（Δω）であると考えることが出来る。そのため次式
【００１９】
【数３】
2004279604.tif 000005
【００２０】
のように書くと、始状態ｋ（ω１）における群速度が小さいことおよび終状態ｋ（ω２）とｋ（Δω）の状態密度が高いことが効率のよい差周波発生のために必要であることがわかる。ここにＧは逆格子ベクトル、ｍは整数を表わすが、以下では説明を簡単にするためｍ＝０として説明する。
【００２１】
ω１とω２が近接しているときｋ（ω１）−ｋ（ω２）すなわちｋ（Δω）は小さくなるため、短周期の第１のフォトニック結晶においては無視できる。たとえば入射光ω１を２×１０１４Ｈｚ（１．５μｍ）とし、ω２を１．９９×１０１４Ｈｚとすると、その差周波として１ＴＨｚ（１×１０１２Ｈｚ）の光が観測される。このときｋ（Δω）／ｋ（ω１）＝５×１０−３であり、ｋベクトルの差は小さく無視できる。
【００２２】
このように入射光のエネルギーが接近していて、さらに差周波光の波長が第１のフォトニック結晶の大きさより大きな時は、位相整合条件はほぼ満たされていると考えることが出来る。このとき長周期の第２のフォトニック結晶をもちいてΔω光に対して共振または共鳴するような構造体を設けることにより差周波光を有効に取り出すことが出来る。
【００２３】
すなわち上記第１のフォトニック結晶を挟持するように第２のフォトニック結晶を上記第１のフォトニック結晶の周囲に設け、差周波Δωが長周期構造をもつ第２のフォトニック結晶に共鳴し、第２のフォトニック結晶内の波数ｋ２（Δω）の状態密度を大きく設計することによってΔωの発生効率を高めることが出来る。このように第２のフォトニック結晶を設計することで光パラメトリック発振の遷移確率が上昇する。第２のフォトニック結晶は非線形媒質である必要はかならずしも無い。図６はテラヘルツ領域のフォトニック結晶のバンド図の一例を示すものである。このフォトニックバンドは、１次元のフォトニック結晶の例であり、ＳｉＯ２（α）の膜厚を０．３ｍｍ、ＬｉＮｂＯ３の膜厚を０．０１ｍｍとして交互に多層に積層した時のものである。
【００２４】
また非線形フォトニック結晶内において発生した差周波Δωはその波長に対して共振する光共振器を、第１のフォトニック結晶の周囲に配置しても効率よく差周波Δωを取り出すことが出来る。このとき光共振器の長さは差周波光の波長の半整数倍または整数倍になるようにミラー（反射鏡）を配置する。第１のフォトニック結晶の両側にミラーを設け、片方のミラーの反射率はこの差周波光に対して１００％反射させ、他方のミラーの反射率は低めに設定して差周波光を取り出すことが出来るようにする。
【００２５】
さらに第１のフォトニック結晶を長周期を持つ第２のフォトニック結晶の欠陥ととらえて設計することも可能である。長周期の第２のフォトニック結晶の中に第１のフォトニック結晶が挿入されるので、第２のフォトニック結晶から見ると、第１のフォトニック結晶は欠陥としての働きをする。差周波のエネルギーは低く、長い波長を持つため、差周波光Δωの波長は第１のフォトニック結晶の厚みより長くなり、第１のフォトニック結晶は差周波光Δωにとっては一様な媒質であるとみなせる。
【００２６】
そのような場合には第２のフォトニック結晶のバンドギャップ内に差周波Δωのエネルギーが位置するよう設計できる。欠陥モードの状態密度は高い。このようにすると差周波光Δωは第１のフォトニック結晶内に閉じ込められ、高いＱ値を得ることが出来る。すなわち欠陥内の電界強度が高まることになる。
従ってレーザー光であるω１、ω２の強度が高いのは言うまでも無く、差周波の電界強度も上昇するため、相乗的に次式
【００２７】
【数４】
2004279604.tif 000006
【００２８】
の光パラメトリック発振が有効に起こる。従って、差周波光Δωを有効に取り出すことが可能である。
【００２９】
これまでの説明では、２種類のレーザ光を用いて差周波光を出力させる場合について主に述べた。一方、３以上のそれぞれ異なる近接した波長を有するレーザ光を用いる場合においても、差周波光を出力させて波長変換を行なわせることが可能である。３以上のレーザ光を用いる場合には、それぞれ周波数の差はすでに述べたように縦モード間では同一であるので差周波光が有効に取り出せる。すなわち隣り合う縦モード間の光の周波数は、Δω＝ωｉ  − ωｉ−１ （ｉはモードをあらわす）となり、モードによらず一定である。したがって所望のＴＨｚ光の周波数をΔωとしておけば、３種以上の隣り合う縦モード周波数をすべて所望のＴＨｚ発生に寄与させることが出来る。
（実施例）
以下、実施例に基づいて、本発明を具体的に説明する。
実施例１
図１は、本発明に係る波長変換装置の一実施例を示す図である。本実施例は、図示のように、基板１０上に配置された第１のフォトニック結晶１１と、第１のフォトニック結晶の両側に配置された第２のフォトニック結晶１２とを備える。第１のフォトニック結晶１１は、０．３ｍｍの石英基板の上にスパッタによりＺｎＯとＳｉＯ２の積層薄膜構造を作成して得られる。ここでＺｎＯは３３０ｎｍ、ＳｉＯ２は９０ｎｍとして交互に５０層ずつ計１００層着膜した。ＺｎＯは非線形感受率を持ち、光パラメトリック効果をもつ。このフォトニック結晶によりＺｎＯのパラメトリック発振が効率的に起こる。次に、０．３ｍｍの石英基板（α型）１３にＬｉＮｂＯ３１４を１０μｍ着膜したものを第１のフォトニック結晶１１の両側に１０層ずつ積み重ね、ＴＨｚ光に対する第２のフォトニック結晶１２を作成する。石英基板１３のＴＨｚ帯における屈折率は約２であり、ＬｉＮｂＯ３のこの領域での屈折率は約５である。このときＴＨｚ光は第２のフォトニック結晶１２内を伝播できる。
【００３０】
このように構成された波長変換装置に、８００ｎｍの赤外波長を持つＴｉサファイアレーザー光１５と波長８０２ｎｍで発振させたＴｉサファイアレーザー光１６を同時にパルス発振にて照射する。これらのレーザービームは１００層の多層膜構造をもつ第１のフォトニック結晶１１に照射され、その内部でパラメトリック発振が起こり、約１ＴＨｚの電磁波が生成される。この光は第２のフォトニック結晶１２内を状態密度分だけ増強されて、ＴＨｚ光１７として外部へと射出される。
【００３１】
実施例２
図２は、本発明に係る波長変換装置の他の実施例を示す図である。本実施例は、図示のように、基板２０上に配置されたフォトニック結晶２１と、フォトニック結晶の両側に配置されたミラー２２、２３を有する光共振器２９とを備える。フォトニック結晶２１は、厚さを０．３ｍｍの石英基板２４の上にスパッタによりＺｎＯとＳｉＯ２の積層薄膜構造を作成して得られる。ここでＺｎＯは３３０ｎｍ、ＳｉＯ２は９０ｎｍとして交互に５０層ずつ計１００層着膜した。ＺｎＯは非線形感受率を持ち、光パラメトリック効果をもつ。このフォトニック結晶２１によりＺｎＯのパラメトリック発振が効率的に起こる。次に、積層された１００層の多層膜と反対側の石英基板２４にミラー２２を作製するためＡｕを蒸着する。ミラー２２は近赤外光を１００％反射させるように構成される。また多層膜の上に同様に０．３ｍｍの石英基板２５を密着させて、その反対側にミラー２３を作製するためＡｕを蒸着する。ミラー２３は近赤外光での透過率が７０％となるように構成される。
【００３２】
このように構成された波長変換装置に、８００ｎｍの赤外波長を持つＴｉサファイアレーザー光２６と波長８０２ｎｍで発振させたＴｉサファイアレーザー光２７をパルス発振にて同時に７０％透過ミラー２３側から照射する。これらのレーザービームは１００層の多層膜構造をもつフォトニック結晶に照射され、その内部でパラメトリック発振が起こり、約１ＴＨｚの電磁波が生成される。この光は外側に形成された光共振器２９により共振が起こるため、パラメトリック発振が促進されて、ＴＨｚ光２８として効率よく外部へ取り出すことが出来る。
【００３３】
実施例３
図３は、本発明に係る波長変換装置の他の実施例を示す図である。本実施例は、図示のように、基板３０上に配置された第１のフォトニック結晶３１と、第１のフォトニック結晶の両側に配置された第２のフォトニック結晶３２とを備える。第１のフォトニック結晶３１は、０．３ｍｍの石英基板の上にスパッタによりＺｎＯとＳｉＯ２の積層薄膜構造を作成して得られる。ここでＺｎＯは３３０ｎｍ、ＳｉＯ２は９０ｎｍとして交互に５０層ずつ計１００層着膜した。ＺｎＯは非線形感受率を持ち、光パラメトリック効果をもつ。このフォトニック結晶によりＺｎＯのパラメトリック発振が効率的に起こる。次に、０．３ｍｍの石英基板（α型）３３にＬｉＮｂＯ３３４を１０μｍ着膜した基板を第１のフォトニック結晶３１の両側に１０層ずつ積み重ね、ＴＨｚ光に対する第２のフォトニック結晶３２を作成する。石英基板のＴＨｚ帯における屈折率は約２であり、ＬｉＮｂＯ３のこの領域での屈折率は約５である。
【００３４】
このように構成された波長変換装置に、８００ｎｍの赤外波長を持つＴｉサファイアレーザー光３５と波長８００．７９ｎｍで発振させたＴｉサファイアレーザー光３６を同時にパルス発振にて照射する。（このとき差周波の波長は０．８０７ｍｍ、周波数では０．３７１ＴＨｚとなる。）これらのレーザービームは１００層の多層膜構造をもつフォトニック結晶に照射されて、内部でパラメトリック発振が起こり、約０．４ＴＨｚの電磁波が生成される。この光は第２のフォトニック結晶３２のバンドギャップに相当している。しかし第１のフォトニック結晶３１が第２のフォトニック結晶３２の不純物としての役割をはたすために第２のフォトニック結晶３２のバンドギャップ内に不純物による欠陥準位を形成することが出来る。実際本実施例においては第１のフォトニック結晶３１の全体の厚みと第２のフォトニック結晶３２の結晶周期の比率により、不純物準位が約０．８０７ｍｍ（８０７μｍ）に現れるため、上記２種のレーザー光の差周波に相当する波長がこの不純物準位のエネルギーに一致する。図４は波長と透過率の関係を表すグラフであり、上述のことが示されている。
不純物準位の状態密度は非常に大きいので、
【００３５】
【数５】
2004279604.tif 000007
【００３６】
という素過程のおこる確率が上昇する。差周波光はこの不純物準位に捕捉されて高い電界強度が得られる。このように本発明では、小型かつ簡便な装置によって差周波の発振を効率的に起こさせることができ、ＴＨｚ領域の光または電磁波（テラヘルツ波）を効率よく発生させることができる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、複雑な光学系を必要としない、ＴＨｚ光等の長波長帯域の光または電磁波を発生する小型かつ簡便で高効率の波長変換装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る波長変換装置の一実施例を示す図である。
【図２】本発明に係る波長変換装置の他の実施例を示す図である。
【図３】本発明に係る波長変換装置の他の実施例を示す図である。
【図４】波長と透過率の関係を表すグラフである。
【図５】光パラメトリック過程と位相整合条件を説明するための図であり、（ａ）はＧ＝０のとき、（ｂ）はＧ＝１のときを示す図である。
【図６】テラヘルツ領域のフォトニック結晶のバンド図の一例を示すものである。
【図７】可視光領域のフォトニック結晶のバンド図の一例を示すものである。
【符号の説明】
１０  基板
１１  第１のフォトニック結晶
１２  第２のフォトニック結晶
１３  石英基板
１４  ＬｉＮｂＯ３
１５、１６  Ｔｉサファイアレーザー光
１７  ＴＨｚ光
【図１】
2004279604.tif 000008
【図２】
2004279604.tif 000009
【図３】
2004279604.tif 000010
【図４】
2004279604.tif 000011
【図５】
2004279604.tif 000012
【図６】
2004279604.tif 000013
【図７】
2004279604.tif 000014