(57)【要約】【課題】広い領域で電場振幅分布がほぼ一様なテラヘルツ波を効率良く発生できるテラヘルツ波発生装置を提供する。【解決手段】第１の電磁波Ｌ１を射出する電磁波源１と、第１の電磁波Ｌ１の照射により第２の電磁波Ｌ２を発生する非線形光学結晶６と、第１の電磁波Ｌ１を非線形光学結晶６に照射する光学系(2,3,4,5)と、を備え、第２の電磁波Ｌ２は、パルス状のテラヘルツ波であり、第１の電磁波Ｌ１は、テラヘルツ波よりも波長が短いパルス状の電磁波であり、光学系(2,3,4,5)は、非線形光学結晶６内で非線形光学効果によって第２の電磁波Ｌ２を発生するための位相整合条件を満たすように、非線形光学結晶６内で第１の電磁波Ｌ１のパルスフロントを傾斜させるように構成され、非線形光学結晶６は、第２の電磁波Ｌ２の射出方向に対する厚さがほぼ均一な平行平板形状からなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電磁波を射出する電磁波源と、
前記第１の電磁波の照射により第２の電磁波を発生する非線形光学結晶と、
前記第１の電磁波を前記非線形光学結晶に照射する光学系と、を備え、
前記第２の電磁波は、パルス状のテラヘルツ波であり、
前記第１の電磁波は、前記テラヘルツ波よりも波長が短いパルス状の電磁波であり、
前記光学系は、前記非線形光学結晶内で非線形光学効果によって前記第２の電磁波を発生するための位相整合条件を満たすように、前記非線形光学結晶内で前記第１の電磁波のパルスフロントを傾斜させるように構成され、
前記非線形光学結晶は、前記第２の電磁波の射出方向に対する厚さがほぼ均一な平行平板形状からなる、
ことを特徴とするテラヘルツ波発生装置。
【請求項２】
前記非線形光学結晶は、ＬｉＮｂＯ３結晶またはＬｉＴａＯ３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波発生装置。
【請求項３】
前記非線形光学結晶は、前記第２の電磁波の射出方向に対する厚さが０．３〜３．５ｍｍである、ことを特徴とする請求項１または２に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項４】
前記非線形光学結晶は、前記第２の電磁波の射出面に、前記第２の電磁波に対する反射防止構造を有する、ことを特徴とする請求項１、２または３に記載のテラヘルツ波発生装置。
【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に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、テラヘルツ波技術の開発が盛んになってきている。テラヘルツ波は、波長が数百μｍ程度（１ＴＨｚの場合、波長３００μｍ）の赤外光であり、その周波数帯に半導体材料や生体材料、超伝導材料、薬物などの様々な材料に特異な吸収スペクトルを有することから、これらのセンシング、検査等への応用が期待されている。また、テラヘルツ波は、紙や衣服などを透過する性質を有しており、郵便物検査や持ち物検査などのセキュリティ分野への応用も期待されている。
【０００３】
テラヘルツ波の発生技術として、非線形光学効果の一種である差周波混合法を利用した手法が知られている。この手法は、フェムト秒レーザパルスを非線形光学結晶に照射し、そのスペクトルの中の２つの異なる周波数ν１、ν２の成分で差周波混合を行い、その差の周波数ν３（ν３＝ν１−ν２）の光（テラヘルツ波）を放射させるものである。非線形光学結晶としては、例えば、ＬｉＮｂＯ３結晶（以下、適宜、ＬＮ結晶と称する）の使用が想定される。ＬＮ結晶は、非線形感受率が大きいことから、高強度なテラヘルツ波の発生が期待される。しかしながら、ＬＮ結晶は、テラヘルツ波発生の差周波混合に必要な位相整合条件を満たすことが難しいため、テラヘルツ波の発生に使用するのは困難であった。
【０００４】
この問題を解決する方法として、近年、フェムト秒レーザパルスのパルス面（パルスのエネルギーのピーク位置をつないだ面）を傾斜させることによって、ＬＮ結晶においても差周波混合の位相整合条件を満足し、高強度のテラヘルツ波を発生させる技術が確立されている。この手法では、ある角度を有したプリズム型のＬＮ結晶を用い、パルス面を傾斜させたフェムト秒レーザパルスを入射させている。
【０００５】
また、近年では、比較的大きいスポット径のレーザパルスを非線形光学結晶に照射させてテラヘルツ波を発生させ、そのテラヘルツ波を効率よく集光することで非常に強いテラヘルツ波電場を作り出すことが可能となってきている（非特許文献1参照）。このような高強度のテラヘルツ波発生技術は、テラヘルツ波による非線形分光などの新規分野を開拓できる可能性があるだけではなく、大面積テラヘルツ波イメージングや複数同時並行のテラヘルツ波検査など、様々な技術に応用することができる。
【０００６】
しかしながら、本発明者による鋭意検討によると、非特許文献１に開示のようなプリズム型のＬＮ結晶を利用する構成では、フェムト秒レーザパルスが結晶中を伝播する距離が一様でないため、テラヘルツ波発生の条件が空間位置によって異なることとなる。そのため、 特に、大面積でテラヘルツ波を発生させる場合に、その面積内でのテラヘルツ波の発生条件の違いが大きくなって、テラヘルツ波の発生効率が低下するという改良すべき点があることが判明した。以下、この点について、さらに詳細に説明する。
【０００７】
一般に、非線形光学効果を利用してテラヘルツ波を発生させるには、以下の式（１）の位相整合条件を満たす必要がある。
【数１】
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【０００８】
ところが、ＬＮ結晶は、次式（２）のようになる。そのため、位相整合条件を満たすことができず、そのままでは高強度のテラヘルツ波を発生させことができない。
【数２】
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【０００９】
非線形感受率は、結晶の各位置で非線形光学効果が生じる強さを表すものであり、位相整合条件は、結晶内の各位置で生じた非線形光が位相を合わせて結晶外に射出するための条件であると言える。よって、ＬＮ結晶では、高い非線形感受率によって結晶内の各位置で発生するテラヘルツ波の強度が強いにも関わらず、その位相を揃えて結晶外に射出させることができず、結果的に高強度のテラヘルツ波を発生させることが難しいと言える。
【００１０】
そこで、非特許文献１では、図５に示すように、非線形光学効果を生じさせるフェムト秒レーザパルスＬＰのパルスフロントＰＦ（パルスのエネルギーのピーク位置をつないだ面）を傾斜させて、ＬＮ結晶１００内のレーザパルスの特定方向への群速度と、テラヘルツ波の位相速度とが式（１）の位相整合条件を満足するようにしている。より詳細に述べると、図５において、パルスフロントＰＦがチルトしたフェムト秒レーザパルスＬＰをz方向に伝播させて台形柱状のＬＮ結晶１００に入射させると、レーザパルスＬＰはＬＮ結晶１００内のハッチングを施して示す領域Ｒを伝播し、この領域Ｒからテラヘルツ波パルスＴＰが発生する。
【００１１】
この場合、結晶内におけるフェムト秒レーザパルスＬＰのパルスフロントＰＦのチルト角（パルスフロントの法線と伝播方向ｚとがなす角度）がγであるとすると、レーザの伝播方向ｚから角度γだけ回転した座標ｚ’におけるレーザの実効的な群速度の位相整合条件は、次式（３）で表すことができる。
【数３】
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【００１２】
これにより、位相整合条件を満たすことができ、結晶内でテラヘルツ波の位相を合わせて、ｚ’方向に高強度のテラヘルツ波を発生させることができる。なお、図５では、ＬＮ結晶１００のカット角をγとしているが、これはテラヘルツ波が発生する結晶面がテラヘルツ波発生方向に垂直になるようにして、アライメントを簡単にするためである。また、この位相整合の度合いを表す指標として、以下のΔｋが用いられる。
【数４】
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【００１３】
ここで、ｋ（ν）は、各周波数νにおける結晶の波数を示しており、νvis１およびνvis2は、差周波混合に関わるレーザパルスの周波数、νTHzは、差周波混合で発生するテラヘルツ波の周波数である（νTHz＝νvis1−νvis2）。このΔｋが小さいほど、非線形光学効果は大きくなり、式（１）もしくは式（３）を満足する場合は、Δｋ＝０となる。
【００１４】
結晶によるテラヘルツ波の吸収が無視でき、Δｋ＝０である場合、結晶内の各位置で発生したテラヘルツ波は位相が完全に揃って強め合い、結晶が厚ければ厚いほど、高い強度のテラヘルツ波が射出されることとなる。しかし、実際には、ＬＮ結晶はテラヘルツ波の吸収を有しており、式（３）も特定の周波数でしか満足できないため、テラヘルツ波の射出方向におけるＬＮ結晶の厚さによって射出されるテラヘルツ波の強度が変化する。
【００１５】
次式（５）は、結晶によるテラヘルツ波の吸収や位相不整合Δｋを含めたテラヘルツ波の振幅強度を示すものである（非特許文献２参照）。
【数５】
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【００１６】
式（５）において、μは真空の透磁率、ｄeffは差周波混合に関与する非線形感受率のテンソル成分、ｃは光速、ｎ(νTHz)はテラヘルツ波に対するＬＮ結晶の屈折率、Ｅvis(νvis)はレーザパルスの電場振幅、αvisおよびαTHzはＬＮ結晶でのレーザパルスおよびテラヘルツ波に対する線形吸収係数である。また、ｚ’はＬＮ結晶におけるテラヘルツ波の射出方向の座標であり、レーザパルスが入射した結晶端面位置をｚ’＝０とする。式（５）のＥTHz(ｚ’, νTHz)は、結晶厚さｚ’の非線形光学結晶から発生する周波数νTHzのテラヘルツ波電場振幅を示している。
【００１７】
また、上記のパルス面傾斜法における位相不整合ΔｋTHzは、次式（６）のように表すことができる（非特許文献３参照）。ここで、ｎgr(νvis0)は、レーザパルスの中心波長に対するＬＮ結晶の群屈折率であり、例えば波長８００ｎｍに対してその値は２．２３である（非特許文献４参照）。また、式（７）〜（９）にテラヘルツ波周波数帯におけるＬＮ結晶の線形吸収係数と位相屈折率、非線形感受率のテンソル成分をそれぞれ示す（非特許文献５参照）。ＬＮ結晶の場合、テラヘルツ波発生に寄与する非線形感受率テンソル成分はｄeff＝ｄ33であり、ωTO/(２π)＝７．６８ＴＨｚ、γ/(２π)＝０．１ＴＨｚである。式（６）において、角度γの値によってΔｋTHz＝０となる周波数が異なる。例えば、式（８）を考慮すると、γ＝６３．３°では、１ＴＨｚにおいてΔｋTHz＝０となる。
【００１８】
【数６】
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【００１９】
図６は、式（５）に従って、幾つかの結晶厚さｚ’に対してＥTHz(ｚ’, νTHz)を計算し、フーリエ変換によって時間領域での電場振幅ＥTHz (ｚ’,ｔ)を求めた結果を示す図である。この際、レーザパルスの電場振幅Ｅvis(νvis)には、一般的なチタンサファイアレーザの出力であるパルス幅１００ｆｓ、中心波長８００ｎｍのガウス型フーリエ限界パルスのものを使用した。また、８００ｎｍの波長では、ＬＮ結晶は透明であることから、αvis＝０とした。また、ＬＮ結晶は、２ＴＨｚより高い周波数に対しては吸収が大きく、効果的にテラヘルツ波を発生できないことから、 １ＴＨｚの周波数においてΔｋTHz＝０となるように、γ＝６３．３°とした。
【００２０】
図６から、ｚ’によって振幅および周波数が変化している様子がわかる。これは、結晶内でのテラヘルツ波の吸収および位相不整合によるものである。なお、ｚ’が１０ｍｍのときの波形で、２ｐｓ以内の時間においても小さい振動が観測されているのは、計算精度によるものである。図７は、ｚ’に対するＥTHz(ｚ’, ｔ)のピーク振幅を示す図である。図７から、ｚ’が約１ｍｍのときに、テラヘルツ波の振幅が最大となり、結晶の厚さがそれ以上になると、逆に振幅が小さくなることがわかる。
【００２１】
非特許文献１においては、台形柱状のプリズム型ＬＮ結晶にレーザパルスを照射してテラヘルツ波を発生させている。ここで、図５に示したように、レーザパルスを結晶の端に照射してテラヘルツ波を発生させる場合を考える。大口径テラヘルツ波照射を行うことを想定し、レーザパルスのビーム直径は、２０ｍｍであるとする。また、プリズムの角度γは６３．３°であるとする。
【００２２】
図５においては、領域Ｒにおいてテラヘルツ波が発生することになるが、各ｘ’位置においてテラヘルツ波が発生するための結晶の厚さ（ｚ’方向）が異なることがわかる。図８は、図５のｘ’方向すなわちテラヘルツ波の射出面の各位置における結晶厚さを示す図である。また、図９は、図７および図８から導出した各ｘ’位置において発生するテラヘルツ波電場のピーク振幅を示す図である。
【００２３】
図８および図９から明らかなように、プリズム型ＬＮ結晶を用いた場合は、ｚ’方向の結晶の厚さが位置ｘ’によって異なり、それによりテラヘルツ波電場振幅の分布が一様ではなくなる。このように、図５の構成では、テラヘルツ波電場振幅が最大となる領域が限られており、テラヘルツ波の発生効率が最適であるとは言えない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００２４】
【非特許文献１】H.Hirori, A.Doi, F.Blanchard, and K.Tanaka, Appl. Phys. Lett. 98, 091106 (2011).
【非特許文献２】Toshiaki Hattori and Kousuke Takeuchi, Opt. Express 15, 8076 (2007).
【非特許文献３】J. A. Fulop, L. Palfalvi, G. Almasi, and J. Hebling, Opt. Express 18, 12311 (2010).
【非特許文献４】J. Hebling, A. G. Stepanov, G. Almasi, B. Bartal, and J. Kuhl, Appl. Phys. B: Lasers Opt. 78, 593 (2004).
【非特許文献５】M. I. Bakunov, R. V. Mikhaylovskiy, S. B. Bodrov, and B. S. Luk'yanchuk, Opt. Express 18, 1684 (2010).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
本発明は、上述した点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、広い領域で電場振幅分布がほぼ一様なテラヘルツ波を効率良く発生できるテラヘルツ波発生装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
上記目的を達成する本発明に係るテラヘルツ波発生装置の発明は、
第１の電磁波を射出する電磁波源と、
前記第１の電磁波の照射により第２の電磁波を発生する非線形光学結晶と、
前記第１の電磁波を前記非線形光学結晶に照射する光学系と、を備え、
前記第２の電磁波は、パルス状のテラヘルツ波であり、
前記第１の電磁波は、前記テラヘルツ波よりも波長が短いパルス状の電磁波であり、
前記光学系は、前記非線形光学結晶内で非線形光学効果によって前記第２の電磁波を発生するための位相整合条件を満たすように、前記非線形光学結晶内で前記第１の電磁波のパルスフロントを傾斜させるように構成され、
前記非線形光学結晶は、前記第２の電磁波の射出方向に対する厚さがほぼ均一な平行平板形状からなる、
ことを特徴とするものである。
【００２７】
本発明の一実施の形態において、前記非線形光学結晶は、ＬｉＮｂＯ３結晶またはＬｉＴａＯ３結晶とする。
【００２８】
本発明の一実施の形態において、前記非線形光学結晶は、前記第２の電磁波の射出方向に対する厚さが０．３〜３．５ｍｍとする。
【００２９】
本発明の一実施の形態において、前記非線形光学結晶は、前記第２の電磁波の射出面に、前記第２の電磁波に対する反射防止構造を有する。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、広い領域で電場振幅分布がほぼ一様なテラヘルツ波を効率良く発生できるテラヘルツ波発生装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施の形態に係るテラヘルツ波発生装置の概略構成を示す図である。
【図２】図１の部分拡大図である。
【図３】図２に示したテラヘルツ波発生領域の各位置におけるＬＮ結晶の厚さを示す図である。
【図４】図２に示したテラヘルツ波発生領域の各位置でのテラヘルツ波電場のピーク振幅を示す図である。
【図５】非特許文献１に開示されたテラヘルツ波発生原理を説明するための図である。
【図６】ＬＮ結晶厚さに対するテラヘルツ波の時間領域での電場振幅の一例を示す図である。
【図７】ＬＮ結晶厚さに対するテラヘルツ波のピーク振幅の一例を示す図である。
【図８】図５に示したテラヘルツ波の射出面の各位置における結晶厚さを示す図である。
【図９】図５に示したテラヘルツ波の射出面の各位置におけるテラヘルツ波電場のピーク振幅を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００３３】
図１は、本発明の一実施の形態に係るテラヘルツ波発生装置の概略構成を示す図である。このテラヘルツ波発生装置は、電磁波源であるフェムト秒パルス光源１、回折格子２、レンズ３、１／２波長板４、レンズ５および非線形光学結晶であるＬＮ結晶６を有する。ここで、回折格子２、レンズ３、１／２波長板４、レンズ５は、フェムト秒パルス光源１から射出される第１の電磁波をＬＮ結晶６に照射する光学系を構成している。
【００３４】
フェムト秒パルス光源１は、第１の電磁波として、パルス状の近赤外光Ｌ１を発生する光源であり、例えば、波長７５０〜８５０ｎｍの広帯域の赤外線パルスを発振するチタンサファイアレーザを用いることができる。
【００３５】
回折格子２は、フェムト秒パルス光源１から出射した近赤外光Ｌ１の光軸に対して傾斜して配置され、入射した近赤外光Ｌ１を回折面Ｓ０で反射させて回折する。この際、近赤外光Ｌ１のパルスフロントがチルトする。回折格子２の回折面Ｓ０は、レンズ３およびレンズ５の光軸ＡＸに対しても傾斜して配置されており、その傾斜角度は、後述するように、式（３）の位相整合条件に応じて、レンズ３およびレンズ５を含む光学系の構成により決定される。
【００３６】
レンズ３およびレンズ５は、正の屈折力を有するレンズであり、回折格子２で回折された近赤外光Ｌ１を、非線形光学結晶６の内部へ伝播させる。すなわち、レンズ３は、回折格子２での回折光を平行光に変換し、レンズ５は、レンズ３からの平行光をＬＮ結晶６内の結像点に集光させるように構成されている。これらレンズ３，５は、回折格子２の回折面Ｓ０に対して光学的に共役な面Ｓ０’が、ＬＮ結晶６の近傍、好ましくはＬＮ結晶６内に形成されるように、例えば、両側テレセントリック光学系を構成する。なお、図１は、光軸ＡＸと交差する回折格子２の一点で回折される光線の軌跡のみを示している。
【００３７】
１／２波長板４は、レンズ３とレンズ５との間に配置され、回折格子２で回折された近赤外光Ｌ１の偏光方向を、ＬＮ結晶６で差周波混合の効果が強くなるように調整する。ここで、回折格子２の回折面Ｓ０の傾斜角度は、ＬＮ結晶６内において、回折面Ｓ０に共役な面Ｓ０’の法線方向と、近赤外光Ｌ１のパルスのパルスフロントの法線方向とが互いに一致するように決定される。このＬＮ結晶６内におけるパルスフロントのチルト角は、回折格子２の傾きやレンズ３，５の倍率によって決定される。
【００３８】
ＬＮ結晶６は、近赤外光の照射により第２の電磁波であるテラヘルツ波を発生する非線形光学結晶で、平行平板状に形成されている。つまり、ＬＮ結晶６は、テラヘルツ波の射出方向に対する厚さがほぼ均一に構成されている。本実施の形態において、ＬＮ結晶６は、図２に部分拡大図を示すように、台形柱状の支持部材７に支持されている。支持部材７は、近赤外光Ｌ１に対して透明な部材、例えばガラスで構成され、レンズ３，５の光軸ＡＸに垂直な入射面Ｓ１と、該入射面Ｓ１と角度γをなす射出面Ｓ２とを有している。ＬＮ結晶６は、平行平板状の一面（入射面）Ｓ３が、支持部材７の射出面Ｓ２に接着等により支持されている。
【００３９】
これにより、近赤外光Ｌ１がＬＮ結晶６に入射する際の屈折による偏向およびフレネル反射が軽減され、ＬＮ結晶６への近赤外光Ｌ１の入射方向とＬＮ結晶６からのテラヘルツ波Ｌ２の射出方向とを、屈折を考慮せずに把握することができ、装置を構成する際のアライメントが簡単になる。なお、角度γは上述の式（３）を満足する角度であり、発生するテラヘルツ波と近赤外光Ｌ１の周波数とによって最適な角度が決定される。
【００４０】
なお、支持部材７の入射面Ｓ１は、必要に応じて、近赤外光Ｌ１に対する反射防止膜の成膜や微細加工等による反射防止構造を有して構成される。同様に、ＬＮ結晶６の面Ｓ３と対向してテラヘルツ波Ｌ２を射出する面（射出面）Ｓ４は、必要に応じて、テラヘルツ波Ｌ２に対する反射防止膜の成膜や微細加工等による反射防止構造を有して構成される。
【００４１】
図１に示した構成において、フェムト秒パルス光源１から射出された近赤外光Ｌ１は、回折格子２によって回折され、レンズ３、１／２波長板４、レンズ５を経て、ＬＮ結晶６に照射される。ここで、回折格子２に入射する近赤外光Ｌ１のパルスのパルスフロントＰＦ０は、近赤外光Ｌ１の進行方向に対して垂直な方向を向いている。
【００４２】
一方、回折格子２によって偏向された近赤外光Ｌ１のパルスのパルスフロントＰＦ１は、近赤外光Ｌ１の進行方向に対してある傾斜角度を有するようになる。そして、レンズ３およびレンズ５を伝搬した近赤外光Ｌ１は、進行方向に対してパルスのパルスフロントＰＦ２が傾斜した状態で、支持部材７を経てＬＮ結晶６に集光される。
【００４３】
ここで、ＬＮ結晶６内で集光される近赤外光Ｌ１のパルスのパルスフロントＰＦ２の傾斜角度は、回折格子２の回折面Ｓ０に対する近赤外光Ｌ１の入射角および回折角と、レンズ３およびレンズ５の合成倍率とによって決定される。すなわち、近赤外光Ｌ１は、回折格子２で回折された際にパルスのパルスフロントが傾斜され、レンズ３およびレンズ５を伝搬した際に、その合成倍率によって傾斜角度がさらに変化する。
【００４４】
一方、回折格子２による近赤外光Ｌ１の回折角は、波長によって異なるため、任意の点で回折された近赤外光Ｌ１は、波長毎に異なる方向に放射状に射出される。そして、回折格子２の任意の点から回折された近赤外光Ｌ１の各波長成分の光は、レンズ３と１／２波長板４を経た後、レンズ５によって支持部材７を経てＬＮ結晶６内の回折面Ｓ０と共役な面Ｓ０’に再び集光される。つまり、共役な面Ｓ０’では、近赤外光Ｌ１の各波長が高い密度で集光するので、差周波混合が効率よく起こる。よって、ＬＮ結晶６内において、近赤外光の結像状態を良くすることによって、差周波発生の効率を高め、発生するテラヘルツ波強度を大きくすることが可能である。
【００４５】
ここで、ＬＮ結晶６内では、パルスのパルスフロントが傾斜した近赤外光Ｌ１によって異なる波長成分間で差周波混合が起き、テラヘルツ波Ｌ２が発生する。よって、近赤外光Ｌ１の結像面がパルスのパルスフロント傾斜と同じ角度で傾斜している場合に効率良くテラヘルツ波の発生を行うことができる。また、各像高の主光線が光軸ＡＸと平行になるテレセントリック光学系を用いると、ＬＮ結晶６内の回折格子２の共役面Ｓ０’上に結像する光の伝播方向が各像高で互いに平行となるため、共役面Ｓ０’上の全域で同一の位相整合条件が成り立ち、テラヘルツ波Ｌ２の発生効率が高くなる。すなわち、パルスのパルスフロント傾斜が特定の角度を満たし、かつ、ＬＮ結晶６内において回折格子２の回折面Ｓ０と光学的に共役な面Ｓ０’がパルスのパルスフロント傾斜と同じ角度で傾斜して存在し、かつ、近赤外光Ｌ１がテレセントリックな状態でＬＮ結晶６に入射される場合が、最もテラヘルツ波発生効率が高くなる条件であると言える。
【００４６】
また、ＬＮ結晶６内における回折格子２の回折面Ｓ０と光学的に共役な面Ｓ０’の傾斜角度は、回折格子２の角度だけではなく、レンズ３およびレンズ５の合成倍率にも依存する（シャイン・プルーフの原理）。すなわち、パルスのパルスフロント傾斜角度と、回折格子２の回折面Ｓ０と光学的に共役な面Ｓ０’の傾斜角度は、双方とも回折格子２およびレンズ３，５の合成倍率とに依存する。したがって、図１の構成において回折格子２およびレンズ３，５を適切に構成することにより、パルスのパルスフロント傾斜が特定の角度を満たし、かつ、ＬＮ結晶６内における回折格子２の回折面Ｓ０と光学的に共役な面Ｓ０’がパルスのパルスフロント傾斜と同じ角度で傾斜し、かつ、近赤外光Ｌ１がテレセントリックな状態でＬＮ結晶６に入射される条件を満たすことが可能となる。このようにすることで、非常に高出力なテラヘルツ波Ｌ２を発生することができる。
【００４７】
さらに、テラヘルツ波Ｌ２は、ＬＮ結晶６の平行な面Ｓ３，Ｓ４に垂直方向に射出するので、図２のｘ’１−ｘ’４の幅において、ＬＮ結晶６からテラヘルツ波Ｌ２が射出される。その際、領域Ｒでは、近赤外光Ｌ１が伝搬する際に領域Ｒ内の各位置で発生したテラヘルツ波Ｌ２が同位相で強め合うことにより、高出力なテラヘルツ波Ｌ２が射出される。しかも、ＬＮ結晶６は、面Ｓ３と面Ｓ４とが平行な平行平板形状となっているので、テラヘルツ波Ｌ２が同位相で強め合う距離がほぼ等しくなる幅ｘ’２−ｘ’３の間では発生するテラヘルツ波Ｌ２の強度がほぼ均一となる。したがって、この幅ｘ’２−ｘ’３の間で発生したテラヘルツ波Ｌ２を用いることで、高出力で、かつ空間的に強度が均一なテラヘルツ波光源を実現することができ、イメージング測定など照明光が空間的に均一であることが望ましい測定に適用することができる。
【００４８】
図３は、図２に示したテラヘルツ波発生領域Ｒの各位置ｘ’におけるＬＮ結晶厚さを示す図である。また、図４は、同じく図２に示したテラヘルツ波発生領域Ｒの各位置ｘ’でのテラヘルツ波電場のピーク振幅を、図９と同様に計算によって求めたものである。なお、ここでは、レーザパルスのスポット直径を２０ｍｍ、平行平板状のＬＮ結晶６の厚さ（ｚ’方向）を１ｍｍとした。図４から明らかなように、テラヘルツ波電場の最大振幅は、図９に示した最大値と等しいが、本実施の形態において幅ｘ’２−ｘ’３の領域で振幅が最大値となっている。つまり、大面積で、かつ高効率でテラヘルツ波Ｌ２を発生することができる。なお、図２のＬＮ結晶６の厚さは、振幅が最大近くなる厚さが好ましく、例えば、図７より、振幅が最大値の８０％以上になる範囲として、０．３ｍｍ〜３．５ｍｍの範囲となることが望ましい。
【００４９】
以上説明したように、本実施の形態においては、ＬＮ結晶６内において回折格子２の回折面Ｓ０に光学的に共役な面Ｓ０’を、パルスのパルスフロントの傾斜と同じ角度で傾斜させるようにしている。すなわち、共役な面Ｓ０’の法線方向とパルスフロントの法線方向とを一致させている。したがって、テラヘルツ波Ｌ２を発生させる位相整合条件を満たすとともに、光学系の収差を抑制することができ、これにより高出力なテラヘルツ波Ｌ２を発生することができる。さらに、レンズ３，５を有する光学系は、両側テレセントリックとしたので、ＬＮ結晶６内の広い範囲でテラヘルツ波Ｌ２を効率良く発生させることができる。
【００５０】
しかも、ＬＮ結晶６は、平行平板形状からなり、テラヘルツ波Ｌ２の射出方向に対する厚さがほぼ均一となっている。したがって、広い領域で電場振幅分布がほぼ一様なテラヘルツ波Ｌ２を効率良く発生することができる。また、支持部材７の入射面Ｓ１およびＬＮ結晶６の射出面Ｓ４は、反射防止構造を有して構成されているので、光の利用効率を向上できる。特に、テラヘルツ波周波数でのＬＮ結晶６の屈折率は５程度であるため、そのエネルギー反射率は約４４％となる。したがって、ＬＮ結晶６の射出面Ｓ４を反射防止構造とすることにより、より高い効率でテラヘルツ波を発生することが可能となる。
【００５１】
なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。例えば、上記実施の形態では、２次の非線形光学定数が大きい非線形光学結晶としてＬＮ結晶を用いていたが、これに代えてＬｉＴａＯ３結晶などの他の非線形光学結晶を使用しても良い。ＬｉＴａＯ３結晶もＬＮ結晶と同様に２次の非線形光学定数が大きく、高出力なテラヘルツ波発生が期待できる。
【００５２】
電磁波源は、フェムト秒パルス光源を用いたがこれに限られない。また、複数の電磁波源からのレーザ光で差周波混合を生じさせる構成としても良い。発生させるテラヘルツ波の波長等に応じて適切な電磁波源を選択すれば良い。また、上記実施の形態では回折格子２から射出した近赤外光Ｌ１をＬＮ結晶６に伝搬させる光学系としてレンズ３とレンズ５との２枚のレンズを使用したが、レンズの枚数はこれに限られない。レンズ枚数を増やすことで収差をより改善し、差周波混合の効率をより高めることも可能である。
【００５３】
さらに、回折格子２は、反射型に限らず、透過型のものを使用することも可能である。この場合、図１の構成と比較して、電磁波源が透過型の回折格子に関して、レンズ３とは反対側に配置されるので、レンズ３として焦点距離が短いものを使用しても、回折格子２に入射する近赤外光Ｌ１がレンズ３で遮られることがなくなるなど、光学系の構成の自由度が拡がる。
【００５４】
また、支持部材７は、レーザパルスがＬＮ結晶６に入射する際の屈折による偏向とフレネル反射を軽減するものであり、その材料や形状は適宜変更可能である。例えば、図１において、支持部材７をＬＮ結晶で形成することもできる。この場合、支持部材７のＬＮ結晶の方位は、テラヘルツ波の発生効率が低い向きに配置する。このように構成すれば、支持部材７を構成するＬＮ結晶ではテラヘルツ波がほとんど発生せず、平行平板状のＬＮ結晶６においてのみ効率的にテラヘルツ波が発生する。しかも、ＬＮ結晶は、複屈折を有しており、方位によって屈折率が異なるが、その差は小さい。そのため、支持部材７を構成するＬＮ結晶と、テラヘルツ波を発生させるためのＬＮ結晶とが密着している界面では、レーザの屈折は非常に小さくなる。したがって、この場合においても、屈折を考慮せずに光路を設計できるので、アライメントが簡単になる。また、このような支持部材７を用いることなく、ＬＮ結晶６を配置することも可能である。
【符号の説明】
【００５５】
１  フェムト秒パルス光源
２  回折格子
３，５  レンズ
４  １／２波長板
６  ＬＮ結晶（非線形光学結晶）
７  支持部材
【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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