(57)【要約】【課題】  ポンプ光と信号光をテラヘルツ電磁波発生用結晶に照射して両者の差周波数に対応する周波数可変テラヘルツ電磁波を発生する方法及び装置においてポンプ光と信号光を同じ光軸上にビームを合成して照射することにより、位相整合のための光学系を簡単化し同時に出力テラヘルツ電磁波の光軸をテラヘルツ周波数にかかわらず常に一定の軸となるような位置精度の高いテラヘルツ電磁波発生方法及び装置を提供する。【解決手段】  テラヘルツ電磁波発生用結晶としてＧａＳｅ結晶を用い、ポンプ光と信号光をキューブ型偏光素子を用いてほぼ同一のビーム路となるよう合成して入射し、結晶と前記光軸の成す角度の変化に応じて出力テラヘルツ波の光軸を所定距離だけ平行に変位させ、常に同一の光路を維持する。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプレーザ及び信号レーザと、前記レーザの二つのビームをほぼ同一の光軸上に合成する手段と、合成されたビームが入射するテラヘルツ電磁波発生用結晶と、前記結晶を光軸に対して、各テラヘルツ周波数において位相整合となる所定の角度になす手段と、出力テラヘルツ電磁波の光軸を所定の距離だけ平行に変位させる可動ステージ上に配置されたミラとを有し、前記テラヘルツ電磁波発生用結晶が屈折率異方性結晶であることを特徴とするテラヘルツ電磁波発生方法及び装置。
【請求項２】
前記屈折率異方性結晶がＧａＳｅ結晶であることを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ電磁波発生方法及び装置。
【請求項３】
前記ポンプレーザ及び信号レーザがＣｒ：Ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅレーザであることを特徴とする請求項１又は２に記載のテラヘルツ電磁波発生方法及び装置。
【請求項４】
前記出力テラヘルツ電磁波を細く集光しあるいは所定の位置に導く導波路を有することを特徴とする請求項１ないし３に記載のテラヘルツ電磁波発生方法及び装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明はレーザを使った周波数可変テラヘルツ電磁波発生方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】  ポンプレーザ、信号レーザと呼ぶ二つのレーザのパルス光を誘電体ＬｉＮｂＯ３や半導体ＧａＰ、ＧａＳｅ結晶などのテラヘルツ電磁波発生用結晶に照射し、二つのレーザの周波数の差に相当する周波数可変単一周波数のコヒーレントテラヘルツ電磁波を発生させることが可能となり、これらをテラヘルツ光源として、生体分子の分光スペクトル測定による分子の同定、食品や医薬品の検査、ガン細胞の検出、ＩＣ部品検査、分子化学反応の促進効果によるガン治療などに役立てることができる。【０００３】  ポンプレーザ（または信号レーザ）として波長１０６４ｎｍのＹＡＧレーザ、信号レーザ（またはポンプレーザ）として波長可変のオプティカルパラメトリックオッシレータ（ＯＰＯ）が利用されている。テラヘルツ電磁波発生用結晶としてＧａＰやＬｉＮｂＯ３結晶を使う場合はポンプ光と信号光、テラヘルツ波を位相整合させるには二つのビームが所定の角度を有する必要がある。この整合角度はテラヘルツ周波数によって変化するので、周波数掃引するにつれてポンプ光と信号光の相対角度を変化させなければならないため周波数可変テラヘルツ発生装置の構成が複雑になる。【０００４】  一方、テラヘルツ電磁波発生用結晶として屈折率の結晶異方性を有するＧａＳｅやＺｎＧｅＰ２、ＣｄＳｅなどを使う場合はポンプ光と信号光とを同一の光軸とし、位相整合は結晶軸を光軸に対して所定の角度にすることによって達成できる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】  テラヘルツ電磁波発生用結晶として屈折率の結晶異方性を有するＧａＳｅ結晶を例にとると、ポンプ光及び信号光の光軸と、結晶の屈折率主軸（ｃ軸）とのなす角度αはテラヘルツ電磁波周波数を０ＴＨｚから５ＴＨｚまで掃引させるにつれて約６°から４５°まで増大させる必要がある。このため出力テラヘルツ波の光軸は図１に説明するように次第に平行移動することになる。その結果、各種検体のテラヘルツ透過スペクトルや反射スペクトルを測定する位置が変化し同一部分の測定を行うことができなくなる。【０００６】  本発明はこのような欠点の無い、精度が高く制御性の優れた周波数可変テラヘルツ電磁波発生照射方法および装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】  屈折率の結晶異方性を有するＧａＳｅ結晶をテラヘルツ電磁波発生用結晶として採用する。ポンプレーザと信号レーザは同一の光軸上に合成して結晶に入射する。結晶をＴＨｚ波の周波数掃引に合わせて回転させ結晶のｃ軸方向と入射ビームの光軸の成す角度αがＴＨｚ波周波数で決まる所定の値になるようにに自動的に回転角を変化させる。その結果、結晶から出て行くＴＨｚ波及びポンプ光、信号光の光軸はαの増大とともに図１に示すように平行な変位を生じるが、その値はｄ＝ｌ｛ｓｉｎα｝｛１＋（ｃｏｓα）（ｎ２−ｓｉｎ２α）−１／２｝で与えられる。ただし、ｌは、結晶の長さ、ｎは屈折率である。この変位ｄを補正し、常に一定の光軸上に出力ＴＨｚビームがあるようにするため、結晶１の出力側に４５°の角度で反射平面ミラ４を配置し、この反射平面ミラを図のｘ方向にｄだけ移動させ４’の位置にミラを移動させる。【０００８】  ミラは自動ｘ軸ステージの上に配置されており、コンピュータ制御信号に従って所定の値ｄだけ移動させる。その結果、テラヘルツ波の光軸は周波数掃引にかかわらず常に一定に保たれ、検体の同一箇所のスペクトルを取得できる。周波数掃引は波長可変のポンプ光または信号光の波長掃引によって行われ、これに連動して角度α、変位ｄを同時に自動的に変化させることにより変位の無い安定なＴＨｚビームが得られる。
【発明の効果】
【０００９】  本発明によれば、非常に簡単な機構を用いて位置精度の高い、かつ操作が容易で、安定度の高い周波数可変テラヘルツ電磁波発生方法および装置が得られる。テラヘルツ計測が容易になり、生体分子のテラヘルツ分光、食品・医薬品・毒物検査、ガン組織へのテラヘルツ波照射による診断・治療など広範に利用することができる。
【発明を実施するための最良の形態、実施例１】
【００１０】  図２において、ポンプ光源５と信号光源６からのビームは偏光方向が直交しているのでキューブ型偏光素子７によって同一光軸となるよう合成され、ＧａＳｅ結晶１のｃ軸方向に垂直な入射面に対して角度αで入射する。角度αはテラヘルツ周波数に応じて変化するように自動回転ステージ８の上に置かれている。ポンプ光源、信号光源として、それぞれＣｒ：Ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅレーザを用いる。
【００１１】  Ｃｒ：Ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅレーザの励起光源としてはダブルパルスＹＡＧレーザ９を用いる。Ｃｒ：Ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅレーザは波長１１５０ｎｍから１３５０ｎｍまで波長可変である。ポンプ光源となる第１のＣｒ：Ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅレーザは１２５０ｎｍに固定し第２のＣｒ：Ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅレーザの波長を１２５０．５ｎｍから１２７６ｎｍまで、或いは１２４９．５ｎｍから１２３４ｎｍまで掃引すれば０．１ＴＨｚから５ＴＨｚまでテラヘルツ周波数を掃引することができる。これに応じて角度αは位相整合が達成される所定の角度に自動的に設定される。αは０．１ＴＨｚで６°から５ＴＨｚで４５°まで変化する。
【００１２】  ＧａＳｅから出射するテラヘルツ波、ポンプ光、信号光はすべてほぼ同一光軸上にあるが、入射ビームの光軸からはｄ＝ｌ｛ｓｉｎα｝｛１＋（ｃｏｓα）（ｎ２−ｓｉｎ２α）−１／２｝で計算される距離だけ変位している。これを補正するため４５°の角度で配置された平面ミラ４が自動ｘ軸移動ステージ１０上に置かれており、これをテラヘルツ周波数変化に合わせてｄだけ移動させれば、反射後のビームの光軸はαの変化にかかわらず同一となる。反射ビームは４５°非軸方物面鏡１１により検体の位置に集光される。結晶から出たテラヘルツ波は広がり角が２°程度あるがほぼ平行ビームと近似してよく、従ってｄの違いにかかわらず、非軸方物面鏡の焦点１２近くでビームは最小径となる。
【００１３】  １３は測定サンプルである。一例としてポンプ光と信号光のビーム径を１ｍｍ、非軸方物面鏡の焦点距離を７０ｍｍに選べば焦点におけるビーム径は２ｍｍ程度になる。一方ｄの最大値はαが４５°のときであり、結晶の長さは典型的には２ｍｍである。このときｄ＝１．８ｍｍである。ビーム径２ｍｍより充分高い精度でｄを補正すればよいので０．１ｍｍの精度で補正すれば充分であり、これは機械的精度としては容易に達成することができる。テラヘルツ周波数掃引と連動してα及びｄを所定値となるようにコンピュータ１４により自動的に制御する。
【００１４】  上記の例では検体位置でのビーム径は１ｍｍから２ｍｍであるが、１ｍｍ以下の高い解像度でテラヘルツイメージングを行う場合は図３に示すようにテーパ型中空金属導波路やテーパ型ポリエチレン導波路１５を用いて、更にビーム径を細くすることができる。
【００１５】  たとえば、導波路寸法は、入射側径、出射側径をそれぞれ、２ｍｍ、０．３ｍｍ、長さ２０ｍｍとし、０．３ｍｍ程度のスポット系を得ることができる。導波路を１ｍ程度まで長くすれば、人の歯の透過或いは反射像を得るなど離れた位置での画像を得ることが可能である。このような場合も導波路の先端をテーパ型にすれば歯やその他の人体各部の精細なテラヘルツ波画像を得ることができる。導波路としてポリエチレンなどの高分子を使えば屈曲性を有するので人体各部や複雑な構造を有する物体のテラヘルツ波画像を得ることができる。ポリエチレンのテラヘルツ帯での吸収損失のため導波路長１０ｃｍにおいておよそ３％まで減衰するが本発明のテラヘルツ電磁波発生装置は１００ｍＷから１Ｗの高出力なので導波路透過後も計測に必要な出力を得ることができる。先端近くなど屈曲に必要な箇所のみポリエチレンなど高分子導波路とし、他の部分を中空金属導波路とすれば、テラヘルツ電磁波の伝送距離を大きくすることができる。
【実施例２】
【００１６】  ポンプ光と信号光として、波長１０６４ｎｍのＹＡＧレーザ、ＹＡＧレーザの逓倍波で励起される波長可変のオプティカルパラメトリックオシレータ（ＯＰＯ）を使う。他の構成は実施例１と同様である。ＯＰＯの波長掃引範囲を１０６４．４ｎｍから１０８３ｎｍ、あるいは１０６３．６ｎｍから１０４５ｎｍとすることにより、０．１ＴＨｚから５ＴＨｚのテラヘルツ周波数掃引範囲を得ることができる。【００１７】  ＧａＳｅの近赤外線領域の透過率は実施例１の１２００ｎｍ帯の方が１０６４ｎｍ帯より高いため、長い結晶を使うことが可能であり、高出力となる。一方、テラヘルツ波の線幅は実施例１では１０ＧＨｚ、実施例２では３ＧＨｚであり、後者が優れている。したがって本実施例２は高分解能を得るに適している。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】  結晶の角度αによるテラヘルツ波光軸の変位を示す図である。
【図２】  実施例１の構成を示す図である。
【図３】  実施例１におけるテラヘルツビーム集光法を示す図である。
【符号の説明】
【００１９】  １…ＧａＳｅ結晶
２…入射ポンプ光及び信号光
３…テラヘルツ波出力
４…平面反射ミラ
５…ポンプ光レーザ
６…信号光レーザ
７…キューブ型偏光素子
８…自動回転ステージ
９…ダブルパルスＹＡＧレーザ
１０…ｘ軸自動ステージ
１１…非軸方物面鏡
１２…焦点
１３…検体
１４…コンピュータ
１５…テーパ型導波路
【図１】
2005215665.tif 000003
【図２】
2005215665.tif 000004
【図３】
2005215665.tif 000005