(57)【要約】【課題】  テラヘルツ波を高出力・高効率で発生する小型なテラヘルツ波発生装置を提供する。【解決手段】  励起用のエネルギーを供給することでテラヘルツ波を発生する電磁波利得媒体を、電磁波共振器内に備え、前記テラヘルツ波を、前記電磁波共振器内で増幅させ、該電磁波共振器より取り出すテラヘルツ波発生装置であって、前記電磁波利得媒体が中空ファイバー内に配され、該中空ファイバーの内径を、前記電磁波利得媒体を配した該中空ファイバーにおける前記テラヘルツ波の伝搬モードＴＥ１１の遮断周波数を示す内径、の１倍以上１０倍以下の大きさとしたテラヘルツ波発生装置。【選択図】  図１
2012238695.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起用のエネルギーを供給することでテラヘルツ波を発生する電磁波利得媒体を、電磁波共振器内に備え、前記テラヘルツ波を、前記電磁波共振器内で増幅させ、該電磁波共振器より取り出すテラヘルツ波発生装置であって、
前記電磁波利得媒体が中空ファイバー内に配され、該中空ファイバーの内径を、前記電磁波利得媒体を配した該中空ファイバーにおける前記テラヘルツ波の伝搬モードＴＥ１１の遮断周波数を示す内径、の１倍以上１０倍以下の大きさとしたことを特徴とするテラヘルツ波発生装置。
【請求項２】
前記大きさの内径を備えた前記中空ファイバー内には、ＴＥ１１、ＴＥ０１、ＴＭ０１の何れかの伝搬モードのテラヘルツ波が生起されることを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項３】
前記中空ファイバーは、内壁が金属でコーティングされたプラスチックファイバーであることを特徴とする請求項１乃至２のいずれか１項に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項４】
前記金属は、銀であることを特徴とする請求項３に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項５】
前記励起用のエネルギーは、電磁波であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項６】
前記電磁波はレーザ装置より照射される請求項５に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項７】
前記レーザ装置は、炭酸ガスレーザであることを特徴とする請求項６に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項８】
前記励起用のエネルギーは、電気エネルギーであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項９】
前記電気エネルギーは、高周波エネルギーであることを特徴とする請求項８に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項１０】
前記励起用エネルギーは、電子線エネルギーであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項１１】
前記電磁波利得媒体は、気体からなることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項１２】
前記気体は、メタノール、エタノール、水蒸気のいずれかであることを特徴とする請求項１１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項１３】
前記電磁波利得媒体は、固体からなることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項１４】
前記固体は、グラフェンであることを特徴とする請求項１３に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項１５】
前記電磁波利得媒体は、液体からなることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項の記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項１６】
前記液体は、アルコール、水のいずれかである請求項１５に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項１７】
前記電磁波共振器内の前記テラヘルツ波の強度を変調する変調器を備え、該変調器に印加する周波数を変化させることで前記電磁波共振器より取り出すテラヘルツ波の波長を掃引することを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか１項の記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項１８】
請求項１乃至１７の何れか１項に記載のテラヘルツ波発生装置と、該テラヘルツ波発生装置で発生したテラヘルツ波を測定用の検体に照射して得られた反射または透過したテラヘルツ波を検出する検出装置と、該検出装置により検出された検出信号に基づいて前記検体に関する情報を表示する表示部と、を有することを特徴とする測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ波発生装置及びこれを備えた測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、０．０３ＴＨｚ以上３０ＴＨｚ以下の周波数帯域の電磁波（所謂、テラヘルツ電磁波であり、以下、単に「テラヘルツ波」ともいう。）を用いて、測定対象物である試料を非破壊的に計測する技術が開発されてきている。この周波数帯の電磁波は、具体的には、人体に影響を及ぼすＸ線に代わる安全な透視検査を行うイメージング技術や、物質内部の吸収スペクトルや複素誘電率を求めて結合状態やキャリヤ濃度、キャリアの移動度等を評価し得る技術、試料の膜厚測定等に適用されてきている。
【０００３】
非特許文献１には、図２に示す形態のテラヘルツ波発生装置が開示されている。図２に示すテラヘルツ波発生装置においては、ＣＯ２レーザ装置９０５を光励起源として、励起光９０４をメタノールなどのガスの利得媒体９０１に照射して、テラヘルツ波を発生させる。テラヘルツ波は利得媒体９０１を封入したガスセル９０７の外部に設けられた共振器を構成する一対の鏡９０２、９０３の間で増幅され、誘導放出により共振器よりテラヘルツ波（レーザ波）を出力する。
【０００４】
一方、特許文献１には、希ガスを内包する中空ファイバーにレーザ光を照射して、希ガスを光電界電離させて紫外光を光共振器より取り出すレーザ光源が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−８８３８４号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｅｒｉｃ  Ｒ  Ｍｕｅｌｌｅｒ  ｅｔ．ａｌ．“２．５  ＴＨＺ  ＬＡＳＥＲ  ＬＯＣＡＬ  ＯＳＣＩＬＬＡＴＯＲ  ＦＯＲ  ＴＨＥ  ＥＯＳ  ＣＨＥＭ  １  ＳＡＴＥＬＬＩＴＥ”，Ｐｒｏｃ．ｏｆ  ｔｈｅ  Ｎｉｎｔｈ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  ｏｎ  Ｓｐａｃｅ  Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｐ．５６３（１９９８）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
非特許文献１に開示されたテラヘルツ波発生装置は、利得媒体であるガスを収容するセルとして長さ１．５ｍのセルを用いるものであり、装置の占有面積がメートルクラスの大型装置で高価なものとなっている。また、ガスの容積が大きいことに加え、光を閉じ込める機構が、レーザの発振方向に配された一対のミラーのみであることから、テラヘルツレーザ波発生への電力変換効率は０．７％程度に留まり、十分ではないというのが実情である。
【０００８】
特許文献１に開示された手法によると、中空ファイバー内の限定された領域に内包された希ガスにレーザ光を照射して紫外光を発生させるので自由空間内で気体を励起する手法に比べてコンパクトな装置構成が可能としている。しかしながら特許文献１はあくまで紫外光を発生させる装置を開示するもので、テラヘルツ波発生についての着目はない。
【０００９】
本発明は、テラヘルツ波を高出力・高効率で発生する小型なテラヘルツ波発生装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明により提供されるテラヘルツ波発生装置は、励起用のエネルギーを供給することでテラヘルツ波を発生する電磁波利得媒体を、電磁波共振器内に備え、前記テラヘルツ波を、前記電磁波共振器内で増幅させ、該電磁波共振器より取り出すテラヘルツ波発生装置であって、前記電磁波利得媒体が中空ファイバー内に配され、該中空ファイバーの内径を、前記電磁波利得媒体を配した該中空ファイバーにおける前記テラヘルツ波の伝搬モードＴＥ１１の遮断周波数を示す内径、の１倍以上１０倍以下の大きさとしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の装置では、テラヘルツ波を発生する電磁波利得媒体を中空ファイバー内に配置し、中空ファイバーの内径を、伝搬モードＴＥ１１の遮断周波数を示す内径の１倍以上１０倍以下の大きさとした。電磁波利得媒体が中空ファイバーに配されることで発生するテラヘルツ波はファイバー内に閉じ込められフォトンリサイクリングにより更にテラヘルツ波の励起に利用されることから効率的にテラヘルツ波を発生し得る。また、本発明では中空ファイバーの内径を特定の大きさの範囲とすることで、中空ファイバー内を伝搬するテラヘルツ波の損失を低く抑えると共に、効率的なテラヘルツ波発生が可能となる。これによりテラヘルツ波発振のための閾値エネルギーが減少すると共に、高出力の発振が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明のテラヘルツ波発生装置の一例を示す模式図
【図２】本発明における中空ファイバーを用いた共振器を示す模式図
【図３】中空ファイバーの断面図
【図４】中空ファイバー内を伝搬するＴＥ１１モードについてのファイバー径と、損失及びファイバー内容積との関係を示すグラフ
【図５】中空ファイバー内を伝搬するＴＥ１１、ＴＥ０１、ＴＭ０１各モードの損失をプロットしたグラフ
【図６】反射ミラー（窓反射鏡）の模式図
【図７】固体利得媒体を中空ファイバー内に配して構成したテラヘルツ発生装置の一例
【図８】固体利得媒体を内部に配置した中空ファイバーの断面図
【図９】液体利得媒体を中空ファイバー内に配して構成したテラヘルツ発生装置の一例
【図１０】波長可変テラヘルツ波発生装置の一例を示す模式図
【図１１】本発明のテラヘルツ波発生装置をテラヘルツ波発生器として用いた測定装置の一例を示す模式図
【図１２】従来のテラヘルツ波発生装置を示す模式図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明は、テラヘルツ波を発生する電磁波利得媒体を中空ファイバー内に配置し、中空ファイバーの内径を、伝搬モードＴＥ１１の遮断周波数を示す内径の１倍以上１０倍以下の大きさとすることで中空ファイバー内を伝搬するテラヘルツ波の損失を低く抑えると共に、効率的なテラヘルツ波発生が可能となるという発明者が見出した知見に基づいている。
【００１４】
以下に本発明を実施するための形態について図を参照しながら説明する。
【００１５】
図１は、本発明のテラヘルツ波発生装置の一例を示す模式図である。図１（Ａ）において、１０５は利得媒体を励起するエネルギー１０４を供給するエネルギー供給源である。１０７は中空ファイバーであり、中空部に励起エネルギー１０４の供給を受けてテラヘルツ波を発生する電磁波利得媒体が配されている。１０９は、中空ファイバーを曲げて構成した巻き部を示している。１０２と１０３は電磁波共振器であり中空ファイバー１０７内で発生するテラヘルツ波をエネルギー１０４を受けながら増幅させ、共振器の損失を上回るテラヘルツ波の増幅が得られるとテラヘルツ波のレーザ発振を生じ、テラヘルツ波１０６が取り出される。つまり、本例のテラヘルツ波発生装置では、一対の共振器１０２、１０３間に内部にテラヘルツ波利得媒体を配した中空ファイバー１０７が配置され、励起エネルギー１０４を供給することによりテラヘルツ波のレーザ発振によりテラヘルツ波を出射する。ここで、中空ファイバー内で発生したテラヘルツ波を増幅させることから、本発明を、テラヘルツ波増幅装置として捉えることもできる。
【００１６】
ここで、中空ファイバーは空気を電磁波の伝搬層に用いるファイバーの総称であり、電磁波であるテラヘルツ波を伝搬させるものであれば採用することができるが、伝搬損失を低く抑えられるものを採用することが好ましい。
【００１７】
図２は中空ファイバー１０７をテラヘルツ波の伝搬方向と平行に切断した断面図である。１０８は中空部でここに電磁波利得媒体が配される。中空ファイバーを構成する円筒１１３は、ポリカーボネート等の高分子樹脂（プラスチック）で構成される。円筒を輪切りにした断面図が図３であり、図３に示すように銀、銅等の金属１１２を内面に被覆して中空ファイバーが構成されている。即ち、内壁を金属でコーティングしたプラスチックファイバーが例として挙げられている。
【００１８】
中空部分の内径（大きさ）は、一般的には１ｍｍ〜１０ｍｍ程度、ファイバーの長さは１０ｃｍから１０ｍ程度の範囲から本発明の伝搬モード条件を満足するものを採用することができる。図１では、中空ファイバー１０７を巻いた形態で配した例を示しているが、採用する長さ等に応じて直性状に配して使用することも可能である。
【００１９】
本発明のテラヘルツ波発生装置では、中空ファイバーの内径を、電磁波利得媒体を配した中空ファイバーにおけるテラヘルツ波の伝搬モードＴＥ１１の遮断周波数を示す内径、の１倍以上１０倍以下の大きさとしている。
【００２０】
電磁波の導波管（導波路）内の伝搬についてはマクスウェルの方程式より一般的に導かれる電磁界の伝搬の固有モードが存在し、本発明では中空ファイバーに固有モード（伝搬モード）の考え方を採用している。
【００２１】
導波路内の固有モード（伝搬モード）は、遮断周波数（カットオフ周波数）を有し、遮断周波数以上の周波数のみ伝搬可能であり、それ未満の周波数の電磁波は伝搬されない。
【００２２】
導波路内を電磁波が伝搬する伝搬方向の電界がゼロである電磁波をＴＥ波（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｗａｖｅ）、伝搬方向の磁界がゼロである電磁波をＴＭ波（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｗａｖｅ）といい、本発明で採用する中空ファイバーでもこれらのモードの電磁波が伝搬する。
【００２３】
中空ファイバーを円形導波管に見立て、円形導波管の低次の基本モードであるＴＥ１１モードについて、ＴＥ１１モードについての損失と周波数との関係を算出した。
【００２４】
算出結果を、横軸として周波数を規格化したファイバー内径（中空ファイバーの直径（２ａ）と波長λの関係に基づいて規格化）として表し、縦軸を損失としてプロットしたグラフを図４に示す。図４において左側の縦軸は、損出を示すが、右側の縦軸は長さ１ｍのファイバー内の容積を示している。ここで、ファイバー内容積は、ファイバー径３．３の場合を１として規格化した値を縦軸に示している。
【００２５】
図４において、遮断周波数に相当するファイバー内径が１の場合に比べてファイバー内径が１０の場合には、ファイバー内容積は凡そ１００倍となる。そのため、テラヘルツ波の発振が生ずる閾値電力も凡そ１００倍となる。レーザ発振のために投入される電力は有限であるので、本発明では規格化したファイバー内径の１倍以上１０倍以下（ＴＥ１１の遮断周波数を示す内径、の１倍以上１０倍以下）を範囲としている。尚、より好ましくはＴＥ１１の遮断周波数を示す内径、の１倍以上５倍以下を範囲である。
【００２６】
図５は、ＴＥ１１モードに加えてファイバー内で生起されるＴＥ０１モード、ＴＭ０１モードの損失についてプロットしたグラフである。ＴＥ０１モードの遮断周波数に対応するファイバー径では、ＴＥ０１モードの損失はＴＥ１１モードの損失に比べて大きいがファイバー径を大きくするとＴＥ０１モードの方が低損失となる。尚、図５のグラフは、直線状の中空ファイバーについて算出したものであって、中空ファイバーを曲げて使用する場合には、損失の度合いがこのグラフとは変化する。
【００２７】
ＴＥｍｎ、ＴＭｍｎと一般に表記される伝搬モードは、マクスウェルの方程式から導かれるＴＥ波、ＴＭ波の波動方程式から導かれる固有モードを示す。これらは偏微分方程式を境界条件のもとで解くことによって得られるが、ＴＥｍｎの添え字を簡易的に表現すると、円形ファイバーの場合には、ｍは周方向の次数、ｎは電界が０になる円筒の数と捉えることができる。また、ＴＭｍｎの添え字は、同様にｍは周方向の次数、ｎは磁界が０になる円筒の数と捉えることができる。
【００２８】
本発明においてテラヘルツ波とは、０．０３ＴＨｚ以上３０ＴＨｚ以下の周波数帯域（波長換算で１ｍｍ〜１０μｍ範囲）の電磁波をいう。
【００２９】
本発明においてテラヘルツ波を発生する電磁波利得媒体に供給する励起用のエネルギーとしては、電磁波エネルギーとしてＣＯ２レーザ等のレーザ光、電気エネルギーとしてのＲＦ等の高周波エネルギーや、電子線エネルギー等を挙げることができる。
【００３０】
図１（Ｂ）に励起用エネルギーとして、電気エネルギーとしてＲＦ電源を用いて構成したテラヘルツ波発生装置を示す。図１（Ｂ）に示した装置においては、中空ファイバー１０７内に配置した電極１５６にＲＦ電源１５５が接続され中空ファイバー内にＲＦエネルギーが供給される。
【００３１】
テラヘルツ波を発生する電磁波利得媒体としては、気体、固体、液体の中から選択することができ、気体としてはメタノール、エタノール、水蒸気等、固体としてはグラフェン等、液体としてはアルコール、水等を挙げることができる。
【００３２】
本発明のテラヘルツ波発生装置は、電磁波共振器内のテラヘルツ波の強度を変調する変調器を備え、変調器に印加する周波数を変化させることで電磁波共振器より取り出すテラヘルツ波の波長を掃引する装置として構成することも可能である。
【００３３】
また、本発明は、本発明のテラヘルツ波発生装置と、該テラヘルツ波発生装置で発生したテラヘルツ波を測定用の検体に照射して得られた反射または透過したテラヘルツ波を検出する検出装置と、該検出装置により検出された検出信号に基づいて前記検体に関する情報を表示する表示部と、を有する測定装置をも包含する。
【００３４】
以下、具体的な実施例を挙げて本発明を詳しく説明する。
【００３５】
（実施例１〜４及び比較例１）
励起エネルギー源としてＣＯ２  レーザ（炭酸ガスレーザ）を用いて構成した例について図１等を参照しながら説明する。
【００３６】
図１は本例で構成したテラヘルツ波発生装置の模式図である。
【００３７】
励起用のＣＯ２レーザ源１０５より出射された励起光１０４は、テラヘルツ帯反射鏡１０２を透過し、中空ファイバー１０７に入射する。入射された励起光１０４は、中空ファイバー１０７内に配されたメタノールからなるガス媒体により吸収され、ガス媒体を励起状態とし、ガス分子の回転準位に基づくエネルギー遷移により、ガス媒体よりテラヘルツ光を発生する。
【００３８】
発生したテラヘルツ光は、中空ファイバーを挟持した共振器１０２、１０３内に閉じ込められ、共振器の損失を上回るテラヘルツ波の増幅が起こるとレーザ発振に至り、テラヘルツ波１０６が得られる。
【００３９】
中空ファイバー１０７は、ガス媒体の体積が最小でかつ光損失が小さい伝搬モードＴＥ１１となるように設計されている。尚、伝搬モードがＴＥ１１であることは、共振器を構成する窓反射鏡１０３より出射されるテラヘルツ波の電界分布をビームプロファイラーで測定することで確認できる。
【００４０】
中空ファイバー１０７は、２μｍの銀のコーティング層を内壁に備えた厚み２００μｍ、長さ１ｍのポリカーボネートの円柱で構成し、中空部分の内径は約３ｍｍ（図４に示した規格化ファイバー径３．３に相当）とする。
【００４１】
以下、具体的な装置の組込み方について説明する。
【００４２】
テラヘルツ帯反射鏡１０２は、厚み１ｍｍポリメチルペンテンの表面に図６に示すように金薄膜１１５を０．２μｍの厚みで蒸着すると共に励起光１０４を入射するための窓１１４を設けて構成した。窓の直径は０．７ｍｍ程度とする。
【００４３】
窓１１４は周辺部から０．１μｍ程度の位置とし、反射率は８０％程度とした。テラヘルツ帯反射鏡１０５は中空ファイバー１０７の端面に封入するガスの通過する隙間が無いように樹脂を用いて固定する。
【００４４】
テラヘルツ光を取り出す窓反射鏡１０３は１ｍｍ厚のポリメチルペンテンの表面にポリプロピレンとポリメチルペンテンを相互に５２．５μｍ／５１．４μｍ厚で、１０ペア程度積層配置し、１ＴＨｚから１０ＴＨｚの光を透過するミラーとする。この構造で、１〜１０ＴＨｚ帯での反射率は７５％、透過率は２０％程度となる。中空ファイバー１０７内にメタノールガスを封入後、窓反射鏡１０３と中空ファイバー１０７との間を樹脂で隙間無く固定している。
【００４５】
共振器長を１ｍとし、レーザ反射率６０％、純度９９％程度のメタノールガスを減圧状態（６９５ｍＴｏｒｒ）で中空ファイバー内に封入してテラヘルツ波発生装置を構成する。
【００４６】
本実施例の装置では、発振波長９６．５μｍ、閾値光パワーが１００ｍＷでスロープ効率が２％となる。励起光１０４が１Ｗの場合、テラヘルツ出力１０３はおおよそ１８ｍＷとなる。ここでの電力変換効率は、１．８％である。
【００４７】
実施例２として、中空ファイバーの内径として２ｍｍ（図４に示した規格化ファイバー径２．２に相当）のものを採用した以外、実施例１と同様にしてテラヘルツ波発生装置を構成する。
【００４８】
本実施例の装置では、中空ファイバーの内径が減少することでガスの励起容積は実施例１の半分程度となり閾値光パワーの低減できるが、一方で伝播損失は１０ｄＢ／ｍに上がるため、歳出的な閾値光パワーは３２０ｍＷ程度まで上昇する。スロープ効率も１％程度となり、励起光１０４が１Ｗの場合、テラヘルツ出力は７ｍＷで、電力変換効率は０．７％となる。
【００４９】
実施例３として、中空ファイバーの内径として４．５ｍｍ（図４に示した規格化ファイバー径５に相当）のものを採用した以外、実施例１と同様にしてテラヘルツ波発生装置を構成する。
【００５０】
閾値光パワーは３００ｍＷ程度となり、励起光１０４を１Ｗ以上にあげた場合、スロープ効率は１．８％程度と同等となる。励起光１０４を１Ｗとした場合、テラヘルツ出力は４ｍＷで、電力変換効率は１．４％となる。
【００５１】
実施例４として、中空ファイバーの内径として９ｍｍ（図４に示した規格化ファイバー径１０に相当）のものを採用した以外、実施例１と同様にしてテラヘルツ波発生装置を構成する。
【００５２】
本実施例の装置では、ガスの励起容積は実施例１の１０倍程度増加し、伝播損失は７ｄＢ／ｍ程度とほぼ同等である。  その結果、閾値光パワーは１０００ｍＷ程度となり、実施例１に比べ低下する。励起光１０４を１Ｗ以上にあげた場合、スロープ効率は１．８％程度と同等となる。そして、励起光１０４を２Ｗとすると、テラヘルツ出力は７ｍＷとなる。
【００５３】
比較例１として、中空ファイバーとして内径が１０ｍｍ（図４に示した規格化ファイバー径１１に相当）のものを採用した以外、実施例１と同様にしてテラヘルツ波発生装置を構成する。
【００５４】
本比較例では、ガスの励起容積が実施例１の１０倍以上となり、伝送損失が同程度の場合、励起光１０４が１Ｗを上限とする場合テラヘルツ波の発振は得られなくなる。
【００５５】
（実施例５）
中空ファイバー内の利得媒体として固体の利得媒体を用いた装置について説明する。
【００５６】
図７に本例装置の模式図を示す。図７に示した装置においては、ＣＯ２  レーザなど励起レーザ１０５より励起光１０４をテラヘルツ帯反射鏡１０２を介して中空ファイバー１０７内に入射させる。
【００５７】
入射された励起光１０４は固体の励起媒体７１４、例えばグラフェン薄膜、グラフェン内壁層およびメタノールガス７１６により吸収され、励起状態となり、バンド内のエネルギー遷移により、テラヘルツ光を発生する。
【００５８】
発生したテラヘルツ光は中空ファイバー１０７を挟持する共振器１０２及び１０３内に閉じ込められ、共振器の光損失を超えるテラヘルツ光の増幅が起こりレーザ発振にいたる。発振周波数は共振器の長さに依存するが、１ＴＨｚから６ＴＨｚ程度となる。
【００５９】
図８を参照して詳細に説明する。中空ファイバー１０７内のグラフェン利得薄膜７１４またはグラフェン内壁層７１５の配置をそれぞれ図８（Ａ）、図８（Ｂ）に示す。厚み２００μｍ程度の中空ファイバー１０７を形作るポリカーボネート１１３内部に銀コーティング層１１２を気相めっき法により２μｍ程度の厚みで形成し、利得媒体となるメタノールガス７１６およびグラフェンの利得薄膜７１４を図８（Ａ）のように配置し固定する。
【００６０】
グラフェン利得薄膜７１４の長さは１０ｍｍから１００ｍｍとする。また、メタノールガス７１６は１２０ｍＴｏｒｒの減圧状態で中空ファーバー内を満たしている。共振器の長さは１０ｍｍから１００ｍｍとなり励起媒体としてガスを用いた場合に比べ１／１０〜１／１００程度の長さとなる。
【００６１】
銀コーティング層１１２上にグラフェン内壁膜７１５を堆積させた配置を図８（Ｂ）に示す。１層から２層程度のグラフェン層７１５が中空ファイバー内部に堆積され、内部はメタノールガス７１６で満たされた構造となる。
【００６２】
これ以外の条件は実施例１と同様にしてテラヘルツ波が得られる。
【００６３】
（実施例６）
図９を参照して、中空ファイバー内部に液体の利得媒体を配して構成した装置について説明する。本実施例の装置は、励起媒体として液体９０８が中空ファイバー１０７内に配されていることが特徴である。液体はアルコール、水等を採用することができる。
【００６４】
（実施例７）
発振波長を可変とするテラヘルツ波レーザ装置について説明する。本例の装置では波長を高速に可変とすることができる。
【００６５】
図１０に強制モード同期レーザ装置として構成した本例の装置を示す。
【００６６】
本例の装置では、共振器の導波路として機能する中空ファイバー１０１７として屈折率が波長に対して強い分散（屈折率分散）を有するものを採用し、電磁波変調器１０２７に印加する周波数をスイープすることで、波長可変を可能とする分散チューニング法を採用している。
【００６７】
ＣＯ２レーザなど励起レーザ１０４より出力される励起光１０４を、電気光学光変調器（ＥＯＭ：Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）などで構成した光変調器１０２７に入射させる。光変調器１０２７にはＲＦ信号源１０２６により、３００ＭＨｚ程度の繰り返し周波数を持つ、正弦波の強度変調信号が入力される。
【００６８】
変調信号は共振器長さに起因するフリースペクトラルレンジの整数倍程度に調整され、共振器１０２、１０３内にモード同期発振を生ずる。
【００６９】
強度変調光信号１０２８は、テラヘルツ帯反射鏡１０２を透過し、中空ファイバー１０１７に入射する。
【００７０】
入射された強度変調光信号１０２８は、中空ファイバー１０１７内のガス媒体により吸収され、励起状態となり、ガス分子の回転準位に基づくエネルギー遷移により、テラヘルツ波を発生する。
【００７１】
発生したテラヘルツ波は中空ファイバーを挟持する共振器１０２及び１０３内で閉じ込められ、共振器の光損失を上回るテラヘルツ光の増幅が起こるとレーザ発振にいたる。
【００７２】
中空ファイバー共振器は、テラヘルツ光の伝播モードがＴＥ０１となるように設計されている。
【００７３】
この中空ファイバー１０１７は、最も外側が２００μｍ程度の厚みポリカーボネートの円柱５１３からなり、その内面に厚み２μｍ程度の銀コーティングをなし、さらにその内側に２５μｍ程度のポリマー層が内装されたもので構成した。中空部分の内径は約３ｍｍである。
【００７４】
共振器５０６の長さが１ｍ、レーザ反射率６０％、純度９９％程度のメタノールガスをガス圧調整器１０２０により減圧下６９５ｍＴｏｒｒで構成した場合のレーザ特性として、発振波長９６ｕｍ、閾値光パワーが１００ｍＷでスロープ効率が０．００５％となる。強度変調信号１０２８が２００ｍＷの場合、テラヘルツ波のパルス出力１０６はおおよそ０．５ｍＷ程度で、繰り返し周波数は３００ＭＨｚとなる。
【００７５】
本例の装置では、ＲＦ信号源１０２６より印加する周波数を変化させることで、発振波長を変化させることができる。中空ファイバー１０１７での群速度分散は０．１〜１５ｐｓ／ＴＨ  ｃｍが期待できる。電磁波共振器の長さを１ｍ以上として分散チューニング動作に十分な分散が得られると、メタノールガスのレーザ発振波長である９６．０μｍから９６．４８ｕｍの範囲で波長を掃引可能となる。その場合、発振周波数は３００ＭＨｚから３０２．２９７ＭＨｚで、強度変調信号２００ｍＷの場合、出力５０３は２ｍＷ程度となる。
【００７６】
（実施例８）
本発明のテラヘルツ波発生装置を測定装置に適用した例について説明する。
【００７７】
図１１は、本発明のテラヘルツ波発生装置をテラヘルツ波発生源に適用した検体の内部情報を取得する測定装置を示す。
【００７８】
図１１において、１０５は、本発明のテラヘルツ波発生装置を用いたＴＨｚ波の発生器である。ここでは発振周波数が約３ＴＨｚで、３０ｍＷの出力を発生するものを用いた。
【００７９】
ＴＨｚ波の発生器１０５から発生したＴＨｚ波を、放物面ミラー１１５１、１１５２でビーム径が１２ｍｍ程度の平行光にコリメートし、レンズ１１５３、１１５４を用いて検体１１５９の底部に集光して照射する。ここで検体１１５９は、荷物や鞄のような物品の他、手、足等の生体部位等とすることができる。
【００８０】
このとき、支持面で支持される検体１１５９の底部に対して２次元的に符号１１６０の様に走査するために、２次元偏向器である２軸のガルバノミラー１１５６を動作させる。
【００８１】
物品底部で反射されたＴＨｚ波は、レンズ１１５５、反射ミラー１１５７を介してＴＨｚ波検出器１１５８で検出される。検出器１１５８では、検出信号に基づいて、検体１１５９の内部深さ方向の各レベル面の２次元断層イメージを合成し、検体に関する情報として得られた断層イメージをディスプレイ（液晶等の表示装置）１１７０に表示する。本実施例では、検出器として、ＤＬＡＴＧＳ（Ｄｅｕｔｅｒａｔｅｄ  Ｌ−Ａｌａｎｉｎｅ  ｄｏｐｅｄ  Ｔｒｉ  Ｇｌｙｃｅｎｅ  Ｓｕｌｐｈａｔｅ）結晶などによる焦電検出器を用いた。
【００８２】
本例では、１つの走査像情報を取得した後、ＴＨｚ波の出力パワーを１ステップ（１単位）毎に徐々に上昇させていく。ここでは、１つの走査像情報を取得する１つのサイクル毎に、１００μＷの間隔で出力パワーを上げていき、検体の検査を終える。
【００８３】
この様なビーム走査による方法では、ＴＨｚ波パワーを集光して用いるため、物質に対する透過性が向上し（すなわち、出力パワーが増加する毎に物質への浸透深さが大きくなり）、また取得イメージのＳＮ比が向上する。ここでも、各レベル面における走査像の取得は、例えば、１ステップ異なる出力パワーで得られた検出信号間の演算処理した情報を各走査箇所において取り、これを走査箇所に対応してプロットすることで行われる。本発明のテラヘルツ波発生装置は、比較的高出力が得られるので、良好なＳＮ比が得られる。
【符号の説明】
【００８４】
１０２、１０３  電磁波共振器
１０４  励起用のエネルギー
１０６  テラヘルツ波
１０９  中空ファイバー
【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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