(57)【要約】      （修正有）【課題】光学系を大きく崩すことなく、励起波長とテラヘルツ放射周波数を自由に変えることのできるテラヘルツ光発生装置及びこれを用いたテラヘルツ分光装置の提供。【解決手段】励起パルス光を発生させる励起パルス光源２１、励起パルス光を反射させる機能を有するとともに反射角の調整が可能な第一の可動ミラー２２、第一の可動ミラーによって反射した励起パルス光を回折させる回折格子２３、回折した励起パルス光を反射させる機能を有するとともに反射角の調整が可能な第二の可動ミラー２４、第二の可動ミラーによって反射した励起パルス光に基づきテラヘルツパルス光を発生させる非線形結晶２５、測定対象試料Ｍを設置可能であるとともに測定対象試料に対し発生したテラヘルツパルス光を照射させるための試料設置部材３１、試料を透過した光の入射を受ける偏光プリズム３２、偏光プリズムを透過したテラヘルツパルス光を検出する検出器３３、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起パルス光を発生させる励起パルス光源と、
前記励起パルス光を反射させる機能を有するとともに反射角の調整が可能な第一の可動ミラーと、
前記第一の可動ミラーによって反射した前記励起パルス光を回折させる回折格子と、
回折した前記励起パルス光を反射させる機能を有するとともに反射角の調整が可能な第二の可動ミラーと、
前記第二の可動ミラーによって反射した前記励起パルス光に基づきテラヘルツパルス光を発生させる非線形結晶と、を有するテラヘルツ光発生装置。
【請求項２】
前記回折格子は、回転可能である請求項１記載のテラヘルツ光発生装置。
【請求項３】
前記第一の可動ミラー及び前記第二の可動ミラーの少なくともいずれかは位置も移動可能である請求項１記載のテラヘルツ光発生装置。
【請求項４】
励起パルス光を発生させる励起パルス光源と、
前記励起パルス光を反射させる機能を有するとともに反射角の調整が可能な第一の可動ミラーと、
前記第一の可動ミラーによって反射した前記励起パルス光を回折させる回折格子と、
回折した前記励起パルス光を反射させる機能を有するとともに反射角の調整が可能な第二の可動ミラーと、
前記第二の可動ミラーによって反射した前記励起パルス光に基づきテラヘルツパルス光を発生させる非線形結晶と、
測定対象試料を設置可能であるとともに、前記測定対象試料に対し発生した前記テラヘルツパルス光を照射させるための試料設置部材と、
前記試料を透過した光の入射を受ける偏光プリズムと、
前記偏光プリズムを透過した前記テラヘルツパルス光を検出する検出器と、を有するテラヘルツ分光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ光発生装置及びテラヘルツ分光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
非線形光学定数の大きな非線形光学結晶に可視や赤外の強いレーザーパルスを照射し、周波数の低いテラヘルツ光を発生させる方法は、非線形光学効果の中の光整流として知られている。
【０００３】
そして、この非線形光学効果を効率的に得るためには、非線形結晶内の入射パルス光とテラヘルツ放射光の波の速度が同じである必要があり、これは位相整合条件として知られている。
【０００４】
ところで、結晶内の光の速度は屈折率に逆比例するところ、多くの非線形結晶ではその屈折率が可視・赤外の領域とテラヘルツ帯域で大きく異なるため、波の速度が異なり、位相整合条件を満たすことができず、テラヘルツ放射光の発生効率に限界があった。
【０００５】
これに対し、Ｈｅｂｌｉｎｇらは、下記非特許文献１において、非線形結晶内部で入射パルス光のパルス面を光の伝搬方向に対して適切に傾けることで入射パルス光とテラヘルツ光の屈折率が異なっていても位相整合条件を満たす技術を提案した。なおこの技術は「パルス面傾斜法」と呼ばれる。
【０００６】
また、パルス面傾斜法に関する他の技術として、例えば下記非特許文献２では、回折格子で光を回折し、パルス面を傾斜させ、傾斜したパルス面の角度と非線形結晶のカット角度を一致させ、大きな電場振幅を生じさせる技術が開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｈｅｂｌｉｎｇ  ｅｔ  ａｌ．，Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ  １０，１１６１（２００２）
【非特許文献２】Ｈ．Ｈｉｒｏｒｉ  ｅｔ  ａｌ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．９８，０９１１０６（２０１１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記パルス面傾斜法による高強度テラヘルツパルス発生法は、位相不整合から開放された極めて有効な方法であるが、限られた条件の中でしか行うことができない。具体的に説明すると、一度入射パルスの波長と出力周波数を定めてしまうとこれに対応したパルス面傾斜角、さらには結晶のプリズム角度、テラヘルツパルスの放射方向までも定まってしまうことになる。この結果、機械的な制約が厳しくなり、入射波長やテラヘルツ放射周波数を変えるのは容易ではない。特に、テラヘルツパルスの放射方向を変えることは放物面鏡も含めた検出光学系をそれに応じて移動することに等しく不可能である。そして励起波長やテラヘルツ放射周波数を制限することはテラヘルツ分光装置への応用ができないことを意味し、起訴物性評価等一部の研究目的以外では利用できない。
【０００９】
そこで、本発明は、上記課題に鑑み、光学系を大きく崩すことなく、励起波長とテラヘルツ放射周波数を自由に変えることのできるテラヘルツ光発生装置、さらにはこれを用いたテラヘルツ分光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】
そこで、上記課題を解決する一の観点に係るテラヘルツ光発生装置は、励起パルス光を発生させる励起パルス光源と、励起パルス光を反射させる機能を有するとともに反射角の調整が可能な第一の可動ミラーと、第一の可動ミラーによって反射した前記励起パルス光を回折させる回折格子と、回折した励起パルス光を反射させる機能を有するとともに反射角の調整が可能な第二の可動ミラーと、第二の可動ミラーによって反射した前記励起パルス光に基づきテラヘルツパルス光を発生させる非線形結晶と、を有することを特徴とする。
【００１１】
また、本観点において、限定されるわけではないが、回折格子は、回転可能であることが好ましい。
【００１２】
また、本観点において、限定されるわけではないが、第一の可動ミラー及び第二の可動ミラーの少なくともいずれかは位置も移動可能であることが好ましい。
【００１３】
また、上記課題を解決する他の観点に係るテラヘルツ分光装置は、励起パルス光を発生させる励起パルス光源と、励起パルス光を反射させる機能を有するとともに反射角の調整が可能な第一の可動ミラーと、第一の可動ミラーによって反射した励起パルス光を回折させる回折格子と、回折した励起パルス光を反射させる機能を有するとともに反射角の調整が可能な第二の可動ミラーと、第二の可動ミラーによって反射した励起パルス光に基づきテラヘルツパルス光を発生させる非線形結晶と、測定対象試料を設置可能であるとともに、測定対象試料に対し発生したテラヘルツパルス光を照射させるための試料設置部材と、試料を透過した光の入射を受ける偏光プリズムと、偏光プリズムを透過した前記テラヘルツパルス光を検出する検出器と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
以上、本発明により、光学系を大きく崩すことなく、励起波長とテラヘルツ放射周波数を自由に変えることのできるテラヘルツ光発生装置、さらにはこれを用いたテラヘルツ分光装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施形態に係るテラヘルツ分光装置の概略を示す図である。
【図２】実施形態に係るテラヘルツ光発生装置の光学系の概略を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は多くの異なる形態による実施が可能であり、以下に示す実施形態において言及する例示に限定されるものではない。
【００１７】
図１は、本実施形態に係るテラヘルツテラヘルツ分光装置（以下「本分光装置」という。）１の概略を示す図であり、図２は、このうちの一部であるテラヘルツ光発生装置（以下「本光発生装置」という。）２の光学系及び光路の概略を示す図である。これらの図で示すように、本分光装置１は、本光発生装置２と、分光部３と、を備えて構成されている。
【００１８】
また本光発生装置２は、励起パルス光を発生させる励起パルス光源２１と、励起パルス光を反射させる機能を有するとともに反射角の調整が可能な第一の可動ミラー２２と、第一の可動ミラー２２によって反射した励起パルス光を回折させる回折格子２３と、回折した励起パルス光を反射させる機能を有するとともに反射角の調整が可能な第二の可動ミラー２４と、第二の可動ミラー２４によって反射した励起パルス光に基づきテラヘルツパルス光を発生させる非線形結晶２５と、を備えている。
【００１９】
また本分光装置１における分光部３は、測定対象試料Ｍを設置可能であるとともに、測定対象試料Ｍに対し発生したテラヘルツパルス光を照射させるための試料設置部材３１と、測定対象試料を透過した光の入射を受ける偏光プリズム３２と、偏光プリズム３２を透過した前記テラヘルツパルス光を検出する検出器３３と、を備えている。
【００２０】
また本光発生装置２における励起パルス光源２１は、文字通り励起パルス光を発生させるものである。この励起パルス光は、本光発生装置２の他の構成部材とあいまってテラヘルツパルス光を発生させることができる限りにおいて限定されるわけではないが、例えば可視領域から赤外領域の光、より具体的には３００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下の波長の光、好ましくは４００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の波長の光を放出することのできる光源であることは好ましい一例である。特に、本実施形態によると、テラヘルツパルス発声のために通常良く用いられる８００ｎｍ近傍の光とは大きく異なる通信波長帯で励起しても光学系を殆ど変えることなくテラヘルツパルス発生が実現できる。
【００２１】
また本光発生装置２における第一の可動ミラー２２は、励起パルス光を反射させる機能を有するとともに反射角の調整が可能となっている。この結果、励起パルス光の反射角度を変えるとともに、回折格子２３の回転と相まって、回折格子２３への入射角α、出射角βを制御することが可能となる。第一の可動ミラー２２の構成は、上記の機能を有する限りにおいて限定されず、一般に市販されているミラーを採用することができる。
【００２２】
また本光発生装置２における第一の可動ミラー２２は、反射角の調整が可能であるとともに、その位置の移動、具体的には励起パルス光の進行方向に対する移動が可能となっていることが好ましい。この結果、第一の可動ミラー２２は、反射位置を回折格子に対して移動可能とすることが可能となり、回折格子の回転可能な範囲内で回折格子の所定の位置に反射させることができるようになる。
【００２３】
また本光発生装置２における回折格子２３は、上記のとおり第一の可動ミラー２２によって反射した励起パルス光を回折させるものである。具体的には、入射角αで入射した励起パルス光を、出射角βで回折させるとともに、そのパルス面を傾斜角γだけ傾斜させることができる。
【００２４】
また本実施形態において、回折格子２３は、回転可能となっていることが好ましい。このようにすることで、回折された励起パルス光のパルス面の傾斜角γを調整するだけでなく、光の進行方向自体も調整することができるようになる。
【００２５】
また本実施形態における回折格子２３の構造としては、上記機能を有する限りにおいて限定されるわけではなく一般に市販されているものを用いることができる。例えば直線状の微小な凹凸（溝）が形成され断面が鋸歯状となっているものであることは好ましい一例である。
【００２６】
また本実施形態において、回折格子２３は、励起パルス光の進行方向に対して平行に移動可能であることが好ましい。このようにすることで回折格子の所望の位置において光を回折することができるようになる。
【００２７】
また本光発生装置２における第二の可動ミラー２４は、上記のとおり、回折した励起パルス光を反射させる機能を有するとともに反射角の調整が可能となっているものである。この結果、本実施形態では、非線形結晶２５において光が出射する面とパルス面の傾斜角γとの整合を精度良くあわせることができる。なお第二の可動ミラー２４の構成については、上記第一のミラー２２と同様であり、一般に市販されているミラーを採用することができる。
【００２８】
また本光発生装置２における第二の可動ミラー２４は、さらに、位置を調整することができる、より具体的には、入射光の進行方向に対して平行な方向に移動させることができる構成となっていることが好ましい。このようにすることで、非線形結晶２５の位置を動かさずとも、光を反射させ、非戦結晶の所望の位置に入射させることができるようになる。
【００２９】
また本光発生装置２における非線形結晶２５は、第二の可動ミラー２４によって反射した励起パルス光に基づきテラヘルツパルス光を発生させるものである。本実施形態の非線形結晶２５は、励起パルス光が入射される位置及び出射する位置において平面を備えており、特に、励起パルス光が入射される位置においては、励起パルス光の進行方向と面の法線とが略平行（例えば１度以内の誤差）であること、励起パルス光が出射される位置においては、励起パルス光のパルス面の傾斜角γと面とが略平行（例えば１度以内の誤差）であることが好ましい。このようにすることで位相整合条件を満たすことが可能となり、非線形結晶２５から出射する光はテラヘルツパルスとなっている。なお、非線形結晶の材料例としては、例えばＬｉＮｂＯ３、ＧａＰ、ＺｎＴｅ等を用いることができるがこれに限定はされない。
【００３０】
以上、上記の構成によって、本光発生装置２は、光学系を大きく崩すことなく、励起波長とテラヘルツ放射周波数を自由に変えることのできるテラヘルツ光発生装置となる。より具体的に説明すると、本実施形態では、励起パルス光を発生させる光源と回折格子の間に第一の可動ミラーを、回折格子と非線形結晶の間に第二の可動ミラーを設けることでそれぞれ反射させ、光学系をＭ字型とする。この結果、励起パルス光源の位置を動かさずに入射光の回折格子への入射角を変化させることができ、光学系を大きく崩すことなくパルス面傾斜角を制御することができる。さらに、テラヘルツ放射角を維持するためには非線形結晶に入射する光の角度をパルス面傾斜角とは独立に制御する必要があるところ、第二の可動ミラーを設けることで、これを実現できる。
【００３１】
また、本光発生装置２では、非線形結晶にダメージが入らない限り強いパルスレーザーで励起可能である。従来用いられている光伝導スイッチを組み込んだテラヘルツ分光では強い励起レーザーを使用することはできないが、本光発生装置ではその制約がなく、強いテラヘルツ光源による高感度なテラヘルツ分光が可能となる。
【００３２】
また本実施形態において、分光部３の試料設置部材３１は、測定対象試料Ｍを設置可能であり、発生したテラヘルツパルス光を照射させる位置に測定対象試料Ｍを設置することができるものである。
【００３３】
本実施形態において、測定対象試料Ｍは、特に限定されず、液体であっても、固体であっても、さらには気体であっても良い。測定対象試料Ｍが液体、気体の場合は、液体又は気体を収容する容器となっているとともに、テラヘルツパルス光によって吸収されにくい部材で構成されていることが好ましい。また、測定対象試料Ｍが固体の場合は、上記容器のほか、この固体を設置するための台又は試料を挟持するための挟み部材であることが好ましい。このようにすることで測定対象試料Ｍを安定的に保持することができる。もちろん、試料設置部材３１には、光を透過させるための窓を備えていることが好ましい。
【００３４】
また本実施形態において、試料設置部材３１は、一対の放物面鏡３４、３５に挟まれている。そして、本光発生装置２により発生したテラヘルツパルスは、一方の放物面鏡３４によって平行光の状態から一度焦点に集められて測定対象試料Ｍに入射し、その後、他方の放物面鏡３５によって再び平行光の状態となる。なお、この光はさらに、放物面鏡３６により再度焦点に集められ、下記に示すプローブパルスとともに検出用素子３７に入射され、後述の偏光プリズム３２及び検出器３３に入射される。
【００３５】
このため、本分光装置１において、励起パルス光は、まず、第一の可動ミラー２１に入射されるが、ビームスプリッタＢＳにより予め分離され、一方は上記のとおり第一の可動ミラー２１に入射されていくポンプパルスとなり、他方はプローブパルスとなる。なお、ビームスプリッタからのポンプパルス及びプローブパルスの光路長さは等しい必要があるため、プローブパルスの光路上には行路を変更するためのミラー及びレトロリフレクター３８が設けられており、光路の調整がなされる。
【００３６】
また分光部３の偏光プリズム３２は、測定対象試料を透過した光の入射（及びプローブパルス）を受け、偏光状態に応じて光を分離するものである。偏光プリズム３２の例としては、上記の機能を有する限りにおいて限定されず、例えば複屈折を利用して直行する偏光面を有する二つの光に分離するウォラストンプリズムであることが好ましい。
【００３７】
また分光部３の検出器３３は、偏光プリズム３２を透過したテラヘルツパルス光を検出するためのものである。また本分光部３において検出器３３は、偏光プリズム３２によって分離された光それぞれを検出し、所定の処理を行うことで、分光分析を行うことができるようになる。この構成としては特に限定されず、通常のＴＨｚ−ＴＤＳの解析手法を用いることができる。
【００３８】
以上、本実施形態により、光学系を大きく崩すことなく、励起波長とテラヘルツ放射周波数を自由に変えることのできるテラヘルツ光発生装置、さらにはこれを用いたテラヘルツ分光装置を提供することができる。特に、本実施形態によると、構成が簡便であり、小型で安価な装置となる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は、テラヘルツ光発生装置、さらにはこれを用いたテラヘルツ分光装置として産業上の利用可能性がある。
【図１】
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【図２】
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