(57)【要約】【課題】本発明は、操作自由度の高いテラヘルツ電磁波発生用または検出用プローブを有する光ファイバ伝送型THz-TDSシステムにおいて、高出力で広帯域なテラヘルツ電磁波の発生ならびに検出が可能な装置を提供するものである。【解決手段】テラヘルツ電磁波発生ならびに検出用として用いる超短光パルスを伝送する光ファイバとして、非線形光学効果を抑えることが可能なシングルモード動作を行うフォトニック結晶ファイバを用いる。さらに、前置分散補償装置として、一組の回折格子対を用いる。【選択図】図1
2007248100.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超短パルスを発生するレーザ光源から放射された光が２つに分光され、該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電磁波検出用プローブヘッドと、を有し、
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の光ファイバとに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装置。
【請求項２】
超短パルスを発生するレーザ光源と、
前記レーザ光源から発するレーザ光を受光し分散補償用プリチャープを行う前置分散補償装置と、
前記前置分散補償装置から出力されたレーザ光を２つの光路に分岐するビームスプリッターと、
前記ビームスプリッターで分岐されたレーザ光の一つを集光する第１の集光ユニットと、
前記ビームスプリッターで分岐されたレーザ光の他の一つを光学遅延装置を介して集光する第２の集光ユニットと、
0.1〜100THzの周波数範囲を有するテラヘルツ電磁波を発生し、被測定体に向けて前記テラヘルツ電磁波を放出する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、前記被測定体を透過また前記被測定体の表面で反射した前記テラヘルツ電磁波とに基づき電流信号を生成する電磁波検出用プローブヘッドと、
前記第１の集光ユニットと電磁波発生用プローブヘッドとを光学的に接続する第１の光ファイバと、
前記第２の集光ユニットと電磁波検出用プローブヘッドとを光学的に接続する第２の光ファイバと、を有し、
前記第１及び第２の光ファイバに、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装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記フォトニック結晶ファイバは、横モードがシングルモードで伝搬可能なフォトニック結晶ファイバであることを特徴とするテラヘルツ装置。
【請求項４】
請求項２において、
前記フォトニック結晶ファイバは、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、実効モード面積が50μm2以上で3850μm2以下であることを特徴とするテラヘルツ装置。
【請求項５】
請求項４において、
前記フォトニック結晶ファイバは、クラッド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テラヘルツ装置。
【請求項６】
請求項４において、
前記フォトニック結晶ファイバは、エアホールが配列したクラッド領域とホールからなるコア領域を有し、フォトニックバンドギャップに起因する光閉じ込めにより光導波路伝搬が可能なフォトニックバンドギャップ型フォトニック結晶ファイバであることを特徴とするテラヘルツ装置。
【請求項７】
請求項６において、
前記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構造または蜂巣構造であることを特徴とするテラヘルツ装置。
【請求項８】
請求項２において、
前記前置分散補償装置が一対の回折格子からなる可変分散補償器であって、前記可変分散補償器で歪んだビームスポート形を整形するための光学レンズと、前記可変分散補償器で変動したビーム伝搬位置を補正するための可動式ミラーとを有することを特徴とするテラヘルツ装置。
【請求項９】
超短パルスを発生するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出力されたレーザ光を２つの光路に分岐するビームスプリッターと、
前記ビームスプリッターで分岐されたレーザ光の一つを第１の分散補償装置を介して集光する第１の集光ユニットと、
前記ビームスプリッターで分岐されたレーザ光の他の一つを光学遅延装置および第２の分散補償装置を介して集光する第２の集光ユニットと、
0.1〜100THzの周波数範囲を有するテラヘルツ電磁波を発生し、被測定体に向けて前記テラヘルツ電磁波を放出する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、前記被測定体を透過また前記被測定体の表面で反射した前記テラヘルツ電磁波とに基づき電流信号を生成する電磁波検出用プローブヘッドと、
前記第１の集光ユニットと電磁波発生用プローブヘッドとを光学的に接続する第１の光ファイバと、
前記第２の集光ユニットと電磁波検出用プローブヘッドとを光学的に接続する第２の光ファイバと、を有し、
前記第１及び第２の光ファイバに、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装置。
【請求項１０】
請求項９において、
前記フォトニック結晶ファイバは、横モードがシングルモードで伝搬可能なフォトニック結晶ファイバであることを特徴とするテラヘルツ装置。
【請求項１１】
請求項９において、
前記フォトニック結晶ファイバは、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型であって、実効モード面積が50μm2 以上で3850μm2以下であることを特徴とするテラヘルツ装置。
【請求項１２】
請求項１１において、
前記フォトニック結晶ファイバは、クラッド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テラヘルツ装置。
【請求項１３】
請求項１１において、
前記フォトニック結晶ファイバは、エアホールが配列したクラッド領域とホールからなるコア領域を有し、フォトニックバンドギャップに起因する光閉じ込めにより光導波路伝搬が可能なフォトニックバンドギャップ型フォトニック結晶ファイバを有することを特徴とするテラヘルツ装置。
【請求項１４】
請求項１３において、
前記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構造または蜂巣構造であることを特徴とするテラヘルツ装置。
【請求項１５】
請求項２において、
前記電磁波発生用プローブヘッド、前記電磁波検出用プローブヘッドおよび内視鏡用ガイドを含むテラヘルツ内視鏡複合ヘッドと、
前記第１の集光ユニットと前記テラヘルツ内視鏡複合ヘッドとを光学的に接続する第３の光ファイバと、
前記第２の集光ユニットと前記テラヘルツ内視鏡複合ヘッドとを光学的に接続する第４の光ファイバと、を有し、
前記第３及び第４の光ファイバに、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装置。
【請求項１６】
請求項１５において、
前記フォトニック結晶ファイバは、横モードがシングルモードで伝搬可能なフォトニック結晶ファイバであることを特徴とするテラヘルツ装置。
【請求項１７】
請求項１５において、
前記フォトニック結晶ファイバは、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型であって、実効モード面積が50μm2 以上で3850μm2以下であることを特徴とするテラヘルツ装置。
【請求項１８】
請求項１７において、
前記フォトニック結晶ファイバは、クラッド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テラヘルツ装置。
【請求項１９】
請求項１７において、
前記フォトニック結晶ファイバは、エアホールが配列したクラッド領域とホールからなるコア領域を有し、フォトニックバンドギャップに起因する光閉じ込めにより光導波路伝搬が可能なフォトニックバンドギャップ型フォトニック結晶ファイバを有することを特徴とするテラヘルツ装置。
【請求項２０】
請求項１９において、
前記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構造または蜂巣構造であることを特徴とするテラヘルツ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、短パルス光源を用いたテラヘルツ帯電磁波発生並びに検出方法を行なうテラヘルツ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光とマイクロ波の間には、これまで利用が困難であった未開拓領域である“テラヘルツギャップ”と呼ばれる周波数帯域（0.1-100THz、ここで1THz=1012Hz）が存在する。これまで、良質な光源および検出素子がなく、水の吸収が大きいなどの課題があるため、電波天文、フーリエならびにラマン分光など、特殊な計測ならびに分析分野に応用が限られていた。しかし、近年、レーザを励起光源とするテラヘルツ電磁波発生技術の発展などによる、光源ならびに検出技術の進歩とともに、さまざまな分野に対してのテラヘルツ帯利用への道が開かれつつある。その中で、テラヘルツ技術は、新しい分光、イメージング、計測機能を提供するものとして、工業、医療、バイオ、農業、セキュリティなどの産業分野への応用が期待されている（非特許文献１）。
【０００３】
テラヘルツ電磁波発生法として、超短パルスレーザによる半導体光導電スイッチを利用したもの、光パラメトリック発振を用いたもの、半導体の価電子帯または伝導帯のバンド内遷移を利用したp-Geレーザ、量子カスケードレーザなどがある。この中で、超短パルスレーザによる光導電スイッチを利用したものは、超短パルスのテラヘルツ電磁波を発生するため、広帯域であり、分光測定に適している。この超短パルスレーザによるテラヘルツ電磁波発生ならびに検出方法を用いた分光法は、テラヘルツ時間領域分光（Terahertz Time-Domain Spectroscopy:THz-TDS）と呼ばれており、従来の遠赤外のフーリエ分光法と比較して、１）S/N比が高い、2）振幅、位相情報を同時に得られる、3）超短パルスの電磁波を利用して、ポンプ・プローブ測定が可能になり、時間分解の分光計測ができる、などの利点を有する。本THz-TDS方式は、画像の取得も可能であり、THz-TDS装置はイメージング装置としても機能する（非特許文献２）。
【０００４】
簡単にTHz-TDSについて説明する。THz-TDSの原理は次のようになる。超短パルスレーザを半導体などの素子に照射することで、サブピコ秒の電流または電気分極を引き起こし、その双極子放射により、サブピコ秒程度の超短パルスの電磁波を発生させる。この電磁波は、発生に用いた素子と同様の素子に、励起用超短パルスレーザパルスから分離したレーザパルスを、ゲートパルスとして用いてトリガーをかけることで、発生した電磁波をコヒーレントにサンプリング検出される。発生した電磁波の周波数スペクトルは、DC付近から数THzにわたる広帯域なものになる。
【０００５】
典型的なTHz-TDSの測定系では、超短パルスレーザから出射された超短光パルス（パルス幅：10-100fs）は、まずビームスプリッターで、ポンプ光とプローブ光に分けられる。ポンプ光は、テラヘルツ電磁波発生素子（半導体光導電スイッチ素子または半導体基板など）に集光され、サブピコ秒程度の電流または電気分極が生成され、それらの時間微分に比例した電界振幅を有する電磁波が発生する。この発生したテラヘルツ電磁波は、Siレンズ、放物面鏡などの光学素子を経て、検出用の光導電スイッチ素子のアンテナのギャップに集光される。同時に、このギャップにプローブ光が照射されると、キャリアが生成され、テラヘルツ電磁波の電場によって加速されて電流信号となる。プローブ光が検出素子に到達するタイミングを、光学遅延回路でずらせることにより、テラヘルツ電磁波の振幅電場の時間変化を測定することができる。スペクトルは、この時間変化をフーリエ変換することによって得られる。以上の説明から明らかなように、THz-TDS法を用いて、高出力かつ広帯域なテラヘルツ電磁波を発生ならびに検出するためには、高出力でかつ、よりパルス幅の短い光パルスが必要になる。
【０００６】
従来型のTHz-TDS装置は、テラヘルツ電磁波発生ならびに検出に用いる光パルスならびにテラヘルツ電磁波用光学系が空間伝送方式であるため、大型で据え置き型である。その結果、操作の自由度が低く、用途が限られていることが現状の問題であった。そこで、近年、可搬性ならびに汎用性を高めるため、装置の配置や操作の自由度が高い、光ファイバ伝送型THz-TDS装置の研究が進められている。ここで、光ファイバは、テラヘルツ電磁波発生ならびに検出に必要な光パルスを光ファイバに接続している小型のテラヘルツ電磁発生ならびに検出プローブヘッドに伝送する。光ファイバに接続したテラヘルツ電磁波発生ならびに検出プローブヘッドは、自由に可動できるため、被測定体に近づけた測定が可能となる。また、他の装置との組み合わせが容易になるため、テラヘルツ装置と他の装置を組み合わせた複合機の実現が可能になる。
【０００７】
【非特許文献１】「未来を拓くテラヘルツ技術」、テラヘルツテクノロジー動向調査報告(第１章)、2005年3月、テラヘルツテクノロジー動向調査委員会、p. 1-5
【非特許文献２】「超高速光エレクトロニクス技術ハンドブック（第４章）」、リアライズ社、ｐ.159-213
【非特許文献３】「超高速光エレクトロニクス（第２章）」、培風館、p.15-54
【非特許文献４】井上ら、「信学技報」、電子情報通信学会、2005年、THz-05-10
【非特許文献５】「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、2002年、第99号、p.1-9
【非特許文献６】「ニューポート社カタログ」、p.287
【非特許文献７】H.Y. Ryuら、「ジャーナル  オブ  アプライド  フィジックス（Journal of Applied Physics）」、2003年、Vol. 93、No. 2、p.831-837
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
光ファイバ伝送型THz-TDSシステムにおける課題の一つについて説明する。光ファイバの持つ波長分散（各波長で伝送速度が異なること）の影響を受けて、光パルスのパルス幅が増加する。この拡がった光パルスを用いてテラヘルツデバイスを励起してテラヘルツ電磁波を発生させた場合、ピークパワーの低い、かつ狭帯域のテラヘルツ電磁波が発生する。そこで、通常、光パルス拡がりを抑制するため、予め、光ファイバの波長分散と大きさが同じで逆符号の波長分散媒質に光パルスを伝送させ（プリチャープ法）、実効的に光パルス伝送路の波長分散がゼロになるようにする（分散補償法）。このプリチャープ法には、回折格子、プリズム、GTエタロンなどが用いられる(非特許文献３)。
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【０００９】
【数１】
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【００１０】
ncoとnclはシリカ材料にGeなどの不純物をドープして屈折率を変化させるため、1.45近傍の値でほぼ決まっており、大きな変化は望めない。したがって、シングルモード動作の条件を満たすためには、主にコア半径を変化させる。例えば、波長0.8μmの光に対して、コア半径は約2.5μm、実効モード面積：aeffは約20μm2である。ここで、実効モード面積の定義は、電場の強度がピーク値の1/e2（eは指数関数）までの電場の拡がり部分の面積であり、ほぼπa2(a:コア半径)に等しい。
【００１１】
プリチャープ法による分散補償を行い、SMFに光パルスを伝送した場合の問題点は、図８に示すように、分散補償をしているにもかかわらず、光パルスの平均パワーを増加させると、パルス幅が増加することである。したがって、テラヘルツ電磁波の高出力化を図るために、光パルスのパワーを増加させると、光パルス幅が増加し、テラヘルツ電磁波の狭帯域化が起こるという問題が生じる。
【００１２】
高出力な光パルスをSMFに伝送した場合、パルス幅が拡がる現象は、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、回折格子対によるプリチャープでは、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９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９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、回折格子対を用いたプリチャープによって生じる波長変化をキャンセルする向きに働くため、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８参照）。このスペクトル幅の減少は、パルス幅の増大をもたらす。
【００１３】
光ファイバ伝送型THz-TDSシステムにおけるもう一つの課題は、前置分散補償装置での伝送損失が大きいことである。一般に用いられる二組の回折格子対からなる前置分散補償装置の場合（非特許文献３）、一枚の回折格子の回折効率は約70%であるため、四度の反射により伝送損失は約75％となる。伝送損失が大きいことより、より高出力の超短パルスレーザが必要となる。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記第一の課題を解決する手段を詳細に説明する。高出力光パルスのファイバ伝送において、パルス幅増大を軽減する手段は、光パルス伝送用光ファイバとして、フォトニック結晶ファイバを用いることである。フォトニック結晶ファイバには、屈折率導波型とフォトニックバンドギャップ型の２種類がある（非特許文献５）。
【００１５】
まず、屈折率導波型フォトニック結晶ファイバの場合について述べる。本光ファイバを用いる場合、実効モード面精が大きく、かつシングルモードのみで伝送する屈折率導波型フォトニック結晶ファイバを用いることである。以下、本手段の正当性について述べる。
【００１６】
パルス幅増大の原因であるスペクトル減少効果を軽減するためには、自己位相変調効果を抑圧する必要がある。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（２）で記述できる。
【００１７】
【数２】
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【００１８】
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、実効モード面積の大きな光ファイバを用いればよいことが分かる。
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【００１９】
【数３】
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【００２０】
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（３）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５）。
【００２１】
図１０(a)、(b)は、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である。比較のために、SMFの場合の結果（図８）も同時に示してある。ここで用いた大口径PCF(コア径が大きく、実効モード面積が大きいPCFを大口径PCFと呼ぶ)の実効モード面積は150μm2である。これらの結果より、大口径PCFの場合、SMFと比較して、スペクトル幅の減少が抑圧され、その結果パルス幅の増大が軽減されている。図１１(a)、(b)は、SMF伝送THz-TDS装置と大口径PCF伝送THz-TDS装置によって測定されたテラヘルツ電磁波の時間波形とスペクトルである。大口径PCF伝送THz-TDSは、一般的なSMF伝送THz-TDSと比較して、従来の空間伝送THz-TDSとほぼ同程度の、高出力で広帯域なテラヘルツ電磁波の発生ならびに検出が可能である。
【００２２】
次に、フォトニックバンドギャップ型PCFの場合について述べる。本光ファイバを用いる場合、シングルモード動作のみが条件となる。本光ファイバでは、フォトニックバンドギャップ効果により光閉じ込めを行うため、コア領域は中空となる（非特許文献５）。このため、光パルスのパワーが大きくなっても、前記自己位相変調効果のような光非線形効果は生じず、よって、スペクトル幅減少によるパルス幅拡がりはほとんど生じないと考えられる。以上より、シングルモード動作のフォトニックバンドギャップ型PCFを用いることが解決手段である。
【００２３】
前記第２の課題を解決する手段を詳細に説明する。前置分散補償装置を、一組の平行に向かい合う回折格子対のみから構成する。この場合、一枚あたりの回折効率が70％程度であるため、二枚の回折格子を反射すると、全体として損失約50％となり、四度回折格子に反射する従来型の分散補償装置の伝送損失約75%より改善される。
【００２４】
しかし、一組の回折格子対を用いた場合、新たに次のような問題が生じる。一つは、回折格子対の間隔を変えて、分散補償量を可変にする場合、光パルスの伝搬経路が変化してしまうことである。光パルスの伝搬経路が変化してしまうと、THz-TDSシステムの光学系の配置も変化させなければならなくなる。もう一つの問題は、一組の回折格子対を透過した光パルスのビーム形状が楕円形になることである。ビーム形状が楕円形だと、光ファイバへの結合効率が悪くなる。
【００２５】
そこで、まず、一つ目の問題を解決する手段は、可動式ミラーを用いて、光パルスの伝搬経路を補正することである。二つ目の問題を解決する手段は、光ファイバに集光するために用いる集光レンズに、シリンドリカルレンズなどを用いて、ビーム整形機能を持たせ、結合効率のよい円形状ビームにすることである。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、光ファイバ伝送型THz-TDS装置において、高出力かつ広帯域なテラヘルツ電磁波の発生ならびに検出が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下に、本発明の実施例を、図を用いて詳細に述べる。
【実施例１】
【００２８】
図1は、本発明の光ファイバ伝送型THz-TDSシステムの一実施形態を示す図である。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を出射することができる超短パルスレーザ１、分散補償用プリチャープを行うための前置分散補償装置２、超短パルスレーザをポンプ用光パルス３とプローブ用光パルス４に分岐するための光学ビームスプリッター５、光学用メカニカルチョッパー６、ポンプ用光パルスを伝送するためのフォトニック結晶ファイバ７、ポンプ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９、ポンプ用光パルス伝送用フォトニック結晶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１１、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１２、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１３、プローブ用光パルスを伝送するためのフォトニック結晶ファイバ８、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１０、プローブ用光パルス伝送用フォトニック結晶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１４、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１５、光学用メカニカルチョッパー６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１６、光学遅延装置１３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１７から構成される。本実施例では、テラヘルツ電磁波パルス２１を被測定体２２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２２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。
【００２９】
超短パルスレーザとして、例えば、チタンサファイバレーザ、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。
【００３０】
前置分散補償装置２は、可変分散補償装置である、例えば、１枚または複数の回折格子を用いたもの、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。
【００３１】
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１２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６は不要となる。
【００３２】
光学遅延装置１３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フォトニック結晶ファイバ(PCF)７，８として、屈折率導波型PCFとフォトニックバンドギャップ型PCFがある。
【００３３】
まず、本発明に適した屈折率型導波型PCFの構造について詳述する。屈折率型導波型PCF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(図６参照)。構造パラメーターとして、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１２は、種々の平均パワーに対する出力パルス幅の実効モード面積：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１２の結果からPCF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。屈折率導波型PCF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。図１３に示すように、ファイバ外径を、現存するPCFで最大の280μｍ程度（非特許文献６：ニューポート社カタログp.287）とすると、屈折率型導波型PCFの特性を保持するために、最低３周期のエアホールの配列が必要であるので（非特許文献７：H.Y. Ryuら、Jounal of Applied Physics Vol. 93, No. 2, pp.831-837 (2003)）、acore,Λ≒35μｍとなる 。 aeffをπa2coreとほぼ等しいとすると、aeff の上限値は3850μｍ2となる。
その他、シングルモード動作を満足するために、構造パラメーター、Λ、ｄは、Veff≦4.0（式（３）参照）を満たさなければならない。
【００３４】
フォトニックバンドギャップ型PCF(図７参照)に関しては、中空コアであるため、本発明の課題の原因となる自己位相変調効果を抑制するために、実効モード面積を特に大きくする必要はない。このファイバの場合は、シングルモード動作条件を満足すればよい。
【００３５】
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。
【００３６】
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】
【００３７】
実施例１で述べた光ファイバ伝送型THz-TDSシステムにおいて、前置分散補償装置を二つ使う場合について図２を用いて説明する。本実施例では、前置分散補償装置２３、２４を集光光学系ユニット９，１０に入力する前に配置している。この方法の場合、ポンプ用光パルス伝送用フォトニック結晶ファイバ７とプローブ用光パルス伝送用光ファイバ８０の波長分散が異なる場合でも、各々精度の高い分散補償ができ、ポンプ用光パルスとプローブ用光パルスの短パルス化が可能である。プローブ用光パルスの平均パワーは、例えば10mW以下と比較的低パワーでもよい場合があり、この場合、プローブ用光パルス伝送用光ファイバ８０は、フォトニック結晶ファイバでも通常のシングルモードファイバでもよい。
【実施例３】
【００３８】
実施例１において、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THz-TDSシステムについて、図３と図４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を含む。その他は、実施例１と同じである。
【００３９】
テラヘルツ内視鏡複合ガイド２５は、ポンプ用光パルス伝送用フォトニック結晶ファイバ７、プローブ用光パルス伝送用フォトニック結晶ファイバ８、内視鏡用ガイド２７、電圧印加用電線ケーブル４６、電流用電線ケーブル４７を含む。テラヘルツ内視鏡複合ヘッド２６は、ポンプ用光パルス伝送用フォトニック結晶ファイバ７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１１、プローブ用光パルス伝送用フォトニック結晶ファイバ８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１４、内視鏡用ガイド２７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３０、ミラー３１、ミラー可動ステージ３２を含む。
【００４０】
内視鏡ヘッドから出射した光が被測定体２２に反射して、その反射光を結像レンズ３３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３２上のミラーを動かすことで、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】
【００４１】
図５を用いて、実施例１で述べた光ファイバ伝送型THz-TDSシステムにおいて、前置分散補償装置２として一組の回折格子対からなる分散補償装置を用いる場合について説明する。
【００４２】
本システムでは、一組の平行に向かい合う回折格子対３４から構成される前置分散補償装置２と位置を変えることができる可動式ミラー３５、ビーム形状が楕円状の光ビームを円形にして集光(図示はしてない)するポンプ用光パルス用ビーム整形集光光学系ユニット３６、プローブ用光パルス用ビーム整形集光光学系ユニット３７を含む。その他は実施例１で説明したシステムと同じである。
【００４３】
回折格子対の分散補償量を変えるためには、回折格子間隔を変える。この際、一組の回折格子対からなる分散補償装置の場合、チャープパルス１９の伝搬経路が変化する。そこで、可動式ミラー３５の位置を変えて、光学ビームスプリッター５へ入射する光パルスの伝搬経路が変わらないようにする。それによって、チャープパルス１９の伝搬経路が変化させる際、光学ビームスプリッター５以後の光学アライメントを変える必要はなくなる。
【００４４】
また、一組の回折格子対からなる分散補償装置を伝搬した光パルスのビーム形状は楕円形状となる。したがって、集光系ユニット３６，３７には、光ファイバとの結合効率が高い円形状ビームに整形する機能が必要になる。ビームを円形状に整形する手段として、一方向のみを集光するシリンドリカルレンズを用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明に係る第１実施例が適用される光ファイバ伝送型THz-TDSシステムの構成図である。
【図２】本発明に係る第２実施例が適用される光ファイバ伝送型THz-TDSシステムの構成図である。
【図３】本発明に係る第３実施例が適用される光ファイバ伝送型THz-TDSシステムの構成図である。
【図４】本発明に係る第３実施例が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。
【００４６】
【図５】本発明に係る第４実施例が適用される光ファイバ伝送型THz-TDSシステムの構成図である。
【図６】三角格子のクラッド領域を有する屈折率導波型フォトニック結晶ファイバの構造図である。
【図７】三角格子のクラッド領域を有するフォトニックバンドギャップ型フォトニック結晶ファイバの構造図である。
【図８】超短光パルスをシングルモードファイバに伝送させた時の、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９】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１０】超短光パルスをシングルモードファイバ(SMF）と大口径フォトニック結晶ファイバ(PCF)に伝送させた際の、(a)出力パルス幅と(b)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１１】空間伝送THz-TDSシステム、シングルモードファイバ(SMF）伝送THz-TDSシステム、大口径フォトニック結晶ファイバ(PCF) 伝送THz-TDSシステムにより発生ならびに検出されたテラヘルツ電磁波の(a)時間波形と(b)スペクトルを示す図である。
【図１２】種々の平均パワーに対する出力パルス幅の実効モード面積：aeff依存性の計算結果を示す図である。
【図１３】実効モード面積（aeff）とコア直径（acore）とファイバ外径と関係を説明する図である。
【符号の説明】
【００４７】
1…超短パルスレーザ、
2…前置分散補償装置、
3…ポンプ用光パルス、
4…プローブ用光パルス、
5…光学ビームスプリッター、
6…光学用メカニカルチョッパー、
7…ポンプ用光パルス伝送用フォトニック結晶ファイバ、
8…プローブ用光パルス伝送用フォトニック結晶ファイバ、
9…ポンプ用光パルス用集光光学系ユニット、
10…プローブ用光パルス用集光光学系ユニット、
11…テラヘルツ電磁波発生用プローブヘッド、
12…直流電圧電源、
13…光学遅延装置、
14…テラヘルツ電磁波検出用プローブヘッド、
15…電流増幅装置、
16…ロックイン増幅装置、
17…制御用コンピューター、
18…光パルス、
19…プリチャープ光パルス、
20…ミラー、
21…テラヘルツ電磁波パルス、
22…被測定体、
23…ポンプ用光パルス用前置分散補償装置、
24…プローブ用光パルス用前置分散補償装置、
25…テラヘルツ内視鏡複合ガイド、
26…テラヘルツ内視鏡複合ヘッド、
27…内視鏡用ガイド、
28…モニター、
29…内視鏡用光源、
30…内視鏡ヘッド、
31…ミラー
32…ミラー可動ステージ、
33…結像レンズ、
34…回折格子対、
35…可動式ミラー、
36…ポンプ用光パルス用ビーム整形集光光学系ユニット、
37…プローブ用光パルス用ビーム整形集光光学系ユニット、
38…三角格子屈折率導波型フォトニック結晶ファイバ、
39…コア領域、
40…クラッド領域、
41…エアホール、
42…エアホール直径、
43…格子間隔、
44…三角格子フォトニックバンドギャップ型フォトニック結晶ファイバ、
45…中空コア領域、
46…電圧印加用電線ケーブル、
47…電流用電線ケーブル、
80…プローブ用光パルス伝送用光ファイバ。
【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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【図１３】
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