【手続補正書】
【提出日】平成26年7月14日(2014.7.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光の波長域における屈折率がｎ1,光の非線形光学媒質で構成されたコアと、光の波長域における屈折率ｎ2,光がｎ1,光より小さい材料で構成され前記コアを被覆して配置されたクラッドとを含む導波路と、
テラヘルツ波の波長域における屈折率ｎ3, ＴＨｚがｎ1,光より大きい材料で構成され、前記クラッドと接して配置され、テラヘルツ波の波長域において前記導波路と空間とを結合する為の結合部と、
を備え、
前記結合部は前記クラッドを被覆していることを特徴とする光周波数変換素子。
【請求項２】
前記クラッドの厚さが、前記クラッドと前記結合部との界面における光の強度が前記コアを伝播する光の強度の１／ｅ２（eは自然対数の底）以下となる厚さ以上で、前記クラッドにおけるテラヘルツ波の等価波長の１／１０となる厚さ以下の範囲に設定されることを特徴とする請求項１に記載の光周波数変換素子。
【請求項３】
光の波長域における屈折率がｎ1,光の非線形光学結晶で構成されたコアと、光の波長域における屈折率ｎ2,光がｎ1,光より小さい材料で構成され前記コアと接して配置されたクラッドとを含む導波路と、
テラヘルツ波の波長域における屈折率ｎ3, ＴＨｚがｎ1,光より大きい材料で構成され、前記クラッドと接して配置され、テラヘルツ波の波長域において前記導波路と空間とを結合する為の結合部と、
を備え、
前記クラッドの厚さが、前記クラッドと前記結合部との界面における光の強度が前記コアを伝播する光の強度の１／ｅ２（eは自然対数の底）以下となる厚さ以上で、前記クラッドにおけるテラヘルツ波の等価波長の１／１０となる厚さ以下の範囲に設定されることを特徴とする光周波数変換素子。
【請求項４】
前記結合部が、前記結合部と空間との界面において、前記光の伝播方向を軸とした回転面を有する構造を少なくとも備えることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の光周波数変換素子。
【請求項５】
前記結合部により空間または前記導波路に結合されるテラヘルツ波の方向と位相を揃える為の、前記光の伝播方向を軸とした回転面を有する集光部を備えることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の光周波数変換素子。
【請求項６】
前記導波路はファイバ構造を有することを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の光周波数変換素子。
【請求項７】
前記導波路の断面が環状であることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の光周波数変換素子。
【請求項８】
非線形光学効果により電気光学的チェレンコフ放射がもたらされる様に構成されたことを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の光周波数変換素子。
【請求項９】
テラヘルツ波を発生する為の発生手段と、
前記発生手段から放射されたテラヘルツ波を検出する為の検出手段と、
前記発生手段におけるテラヘルツ波発生時と前記検出手段におけるテラヘルツ波検出時との間の遅延時間を調整する為の遅延部と、
を備えたテラヘルツ時間領域分光装置であって、
前記発生手段、又は、前記検出手段の少なくともどちらかが、請求項１乃至８の何れか１項に記載の光周波数変換素子を含むことを特徴とする装置。
【請求項１０】
サンプルからの反射光を分析することでサンプルの内部構造をイメージングするトモグラフィ装置として構成されていることを特徴とする請求項９に記載の装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
また、上記課題に鑑み、本発明の光周波数変換素子は、導波路と結合部を備える。前記導波路は、光の波長域における屈折率がｎ1,光の非線形光学結晶で構成されたコアと、光の波長域における屈折率ｎ2,光がｎ1,光より小さい材料で構成され前記コアと接して配置されたクラッドとを含む。前記結合部は、テラヘルツ波の波長域における屈折率ｎ3, ＴＨｚがｎ1,光より大きい材料で構成され、前記クラッドと接して配置され、前記導波路を伝播する前記光の非線形光学効果により放射される前記テラヘルツ波を空間に取り出す。そして、前記クラッドの厚さが、前記クラッドと前記結合部との界面における光の強度が前記コアを伝播する光の強度の１／ｅ２（eは自然対数の底）以下となる厚さ以上で、前記クラッドにおけるテラヘルツ波の等価波長の１／１０となる厚さ以下の範囲に設定される。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
クラッド１０２は、励起光の波長領域でコアより低屈折率の材料、即ちｎ1,光＞ｎ2, 光を満たす材料、で少なくとも構成される。ここで、ｎ1,光は励起光の波長領域におけるコア１０１の屈折率、ｎ2, 光は励起光の波長領域におけるクラッド１０２の屈折率である。例えば、コア１０１がＭｇをドーピングしたＬＮである場合には、クラッド１０２は、ＬＮ単結晶や、Ｍｇイオン拡散処理又はプロトン交換処理をしたＬＮ、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）やエポキシなどの樹脂材料が好適である。クラッド１０２は、コア１０１を被覆している。ここで、被覆するとは、素子１００の或る断面を見た時に、クラッド１０２がコア１０１の外周を略覆っている状態を指す。この低屈折率のクラッド１０２により、コア１０１内に励起光が閉じ込められる。また、コア１０１内の非線形光学効果で、位相整合条件を満たし円錐状に放射されるテラヘルツ波を、ほぼ余すことなく導波路１０３の外部、即ちクラッド１０２を被覆する結合部１０４、に取り出すことができる。クラッド１０２の厚さｄ（導波路１０３の径ｒを用いるとｄ＝（ｒ−ａ）／２と表せる）は、クラッド１０２と結合部１０４との界面における、放射されたテラヘルツ波の多重反射や損失の影響が無視できる程度の厚さ以下に設定されることが望ましい。この為、厚さｄは、クラッド１０２内におけるテラヘルツ波の等価波長の１／２以下の薄さであることが望ましい。より好ましくは、厚さｄは、空間に放射する最も高い周波数のテラヘルツ波成分のクラッド１０２における等価波長の１／１０程度以下の厚さであるとよい。これは、波長の１／１０程度以下のサイズの構造体は、一般的にその波長の電磁波に対して反射、散乱、屈折などの影響が無視できると看做されるからである。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
上記の様な構成のとき、ファイバ構造の導波路１０３に入射した励起光は低損失で伝播し、コア１０１における非線形光学効果の位相整合条件が満たされることで、放射角θcの円錐状にテラヘルツ波がチェレンコフ放射される。コア１０１から全方位に放射されたテラヘルツ波は、コア１０１を被覆した薄い低屈折率のクラッド１０２と、クラッド１０２を被覆した結合部１０４により、導波路１０３の外部、即ち結合部１０４に取り出される。結合部１０４に取り出されたテラヘルツ波は、結合部１０４の備えた円錐面と集光部１０６などにより、方向と位相の揃ったビームとして空間に取り出すことができる。従って、本実施形態の光周波数変換素子では、円錐状にチェレンコフ放射されたテラヘルツ波の集光や取り回しについての従来の懸案が解決される。特に本実施形態では、テラヘルツ波をほぼ全方位に亘って余すことなく取り出すことが可能なので、従来に比べて変換効率の更なる向上が見込まれる。例えば、背景技術のスラブ導波路とシリコンプリズムを用いた構成では、図１（ｂ）、（ｃ）のｙ方向には、全反射の為、２×臨界角＝２×Ｓｉｎ−１（１／ｎ3, ＴＨｚ）＝３５°以上の放射成分は空間に取り出すことができない。一方、本実施形態の様にクラッド１０２を結合部１０４で被覆した構成であれば、テラヘルツ波をほぼ全方位から取り出すことができるので、一桁程度の出力向上が見込まれる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２５】
以上の説明において、コアを構成する非線形光学媒質として、非線形光学結晶であるＬＮ結晶を用いた例を説明してきた。しかし、その他の例として、背景技術のところで述べたLiTaOx、NbTaOx、ZnTe、GaSe、GaP、CdTeなどを用いることもできる。また、KTP、DAST、ＭＮＡ（２−メチルー４−ニトロアニリン）や、ｍＮＡ（メタニトロアニリン）、ＰＯＭ（３−メチルー４−ニトロピリジン−１−オキサイド）などの有機非線形光学材料を用いてもよい。ＬＮではテラヘルツ波と励起光に対して背景技術で説明した屈折率差がありノンコリニアで発生するテラヘルツ波が取り出せるが、他の結晶では必ずしも差が大きくないので、取り出しが難しい場合もあり得る。しかし、非線形光学結晶よりも大きい屈折率を持つプリズム（たとえばＳｉ）を用いれば、チェレンコフ放射の条件（vＴＨｚ＜vg）を満たし、テラヘルツ波を外部に取り出すことができる。また、本発明は、コアが一般的な非線形光学結晶である場合以外に、コアが二次の非線形光学効果が生じる構造のような非線形光学媒質である場合においても適用出来る。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３２】
ここで、光周波数変換素子はファイバ構造の導波路を備える為、比較的整合性良く光ファイバに実装することが可能である。例えば、図５（ａ）の様に、コア１１１とクラッド１１２からなる光ファイバ１１０のコアの一部をくり貫いた凹部に、発生素子１００の導波路１０３を凸部として嵌合させてもよい。この場合、コア１１１の先端を研磨により凸形状とし、屈折率整合剤１１３を注入することで、反射ロスが低減される。特に、光ファイバとしてコア径が数μｍ程度の単一モードファイバを用いた場合に有効である。また、図５（ｂ）の様に、コア１２１とクラッド１２２の先端がテーパー状の構造となった光ファイバ１２０の先端に発生素子１００を嵌合する様にして接続してもよい。この場合、コア径の違いによるインピーダンス不整合が緩和され易い。また、図５（ｃ）の様に、クラッド１３２で覆われたコア１３１の先端が凹状となった光ファイバ１３０に、屈折率整合剤１３３とともに、発生素子１００を嵌合する様な構成であってもよい。なお、前段のファイバ２２やファイバレーザ２０で、偏波保持でないファイバ部分が含まれる場合、インライン型の偏波コントローラにより素子１００への入射光の偏波を安定化させることが望ましい。ただし、励起光源はファイバレーザに限るものではなく、その場合には、偏波の安定化などの為の対策は軽減される。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４１】
この様な構成をとることで、光ファイバ１１０からの光を、カプラ５００である本発明の光周波数変換素子１００を介してテラヘルツ波に変換し、テラヘルツ波ファイバに導波することが可能となる。図７（ｃ）は、カプラ５００を用いたファイバプローブの一例を示す。光ファイバからの励起光をカプラ５００でテラヘルツ波に変換し、テラヘルツ波ファイバで導波して試料５３０に照射する。そして、テラヘルツ波と試料５３０との相互作用などを反射波などを使ってセンシングする。本装置は、ファイバ形態である為、生体内や微小な構造体などの狭い場所や隙間などに対するテラヘルツ波を用いた検査や分光に適しており、例えば、内視鏡システムなどへ応用することが可能である。また、中空ファイバ５０６にガス、液体を詰めたガスセンサや液体センサなどとして用いることもできる。
【手続補正８】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図５】
2012053452.tif 000001
【手続補正９】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図９】
2012053452.tif 000002
【手続補正１０】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１０】
2012053452.tif 000003