(57)【要約】  ＴＨｚ周波数電磁放射生成システムであって：ＴＨｚ周波数電磁放射を生成する非線形結晶；前記非線形結晶と干渉することによりＴＨｚ周波数電磁放射を可能とする基本ビーム；前記非線形結晶と結合して前記ＴＨｚ周波数電磁放射を外部環境へ伝搬させる仲介シリコン；を備え、前記システムは、シリコンのバンドギャップエネルギー未満の光子エネルギーを有する基本ビームを利用する。【選択図】図７
2020514833.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＴＨｚ周波数電磁放射生成システムであって、
ＴＨｚ周波数電磁放射を生成する非線形結晶、
前記非線形結晶と干渉することによりＴＨｚ周波数電磁放射を可能とする基本ビーム、
前記非線形結晶と結合して前記ＴＨｚ周波数電磁放射を外部環境へ伝搬させる仲介シリコン、
を備え、
前記システムは、シリコンのバンドギャップエネルギー未満の光子エネルギーを有する基本ビームを利用する
ことを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記基本ビームの光子エネルギーは、ポンプ外部レーザ源から伝搬し、またはポンプ源によってポンプされたレーザ結晶から引き出すことができる
ことを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記システムはキャビティ内システムであり、前記基本ビームはキャビティ内レーザ結晶によって生成することができる
ことを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項４】
前記システムはキャビティ外システムであり、前記基本ビームは基本ポンプレーザによって生成することができる
ことを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項５】
前記非線形結晶がＴＨｚ周波数電磁放射を出射する手段は、前記ＴＨｚ周波数電磁放射を生成する、
誘導ポラリトン散乱、差周波数生成、パラメトリック生成、光整流、またはチェレンコフ法、
のうち少なくとも１つを含む
ことを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項６】
前記基本ビームは、
固体状態レーザ、レーザダイオード、希土類添加レーザ結晶、またはＶＥＣＳＥＬ半導体、
のうち少なくとも１つによって生成することができる
ことを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項７】
前記非線形結晶は、誘導ポラリトン散乱（ＳＰＳ）アクティブ結晶を含む
ことを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項８】
前記ＳＰＳアクティブ結晶は、
ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、よう素酸リチウム（ＬｉＩＯ３）、リン酸チタニルカリウム（ＫＴｉＯＰＯ４／ＫＴＰ）、ヒ酸チタニルカリウム（ＫＴｉＯＡｓＯ４／ＫＴＡ）、リン酸チタニルルビジウム（ＲｂＴｉＯＰＯ４／ＲＴＰ）、リン酸ガリウム（ＧａＰ）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、石英、
のうち少なくとも１つを含む
ことを特徴とする請求項７記載のシステム。
【請求項９】
前記システムは、ナノ秒期間、ピコ秒期間、マイクロ秒期間、ミリ秒期間、複数秒期間のパルス領域、または連続波（ＣＷ）で動作する
ことを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項１０】
前記仲介シリコンは、周期繰り返し断面を含むプロファイル化した表面を有する
ことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項記載のシステム。
【請求項１１】
前記プロファイル化表面は、一連のプリズムを含む
ことを特徴とする請求項１０記載のシステム。
【請求項１２】
前記基本ビームは、前記ＴＨｚ放射の出射領域近傍において、前記非線形結晶の第１表面に沿って全内部反射する
ことを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項記載のシステム。
【請求項１３】
前記システムはさらに、
前記基本ビームを共鳴させる第１共鳴キャビティ、
前記ストークスビームを共鳴させる第２共鳴キャビティ、
を備える
ことを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項記載のシステム。
【請求項１４】
前記第１および第２共鳴キャビティは、互いに角度オフセットしていることにより、前記第１および第２共鳴キャビティ内で共鳴するビームが前記非線形結晶内で交差するように構成されている
ことを特徴とする請求項１３記載のシステム。
【請求項１５】
前記基本ビームと前記ストークスビームは、前記非線形結晶の第１面において全内部反射する
ことを特徴とする請求項１４記載のシステム。
【請求項１６】
ＴＨｚ周波数電磁放射システムのテラヘルツ出力パワーを増加させる方法であって、
前記システムは、
ＴＨｚ周波数電磁放射生成源、
前記ＴＨｚ周波数電磁放射を出力環境へ仲介出力する仲介シリコン、
を備え、
前記方法は、
シリコンのバンドギャップエネルギー未満の基本ビーム光子エネルギーを利用して、前記ＴＨｚ周波数電磁放射生成源においてＴＨｚ周波数電磁放射を生成するステップを有する
ことを特徴とする方法。
【請求項１７】
非線形誘導ポラリトン散乱プロセスを介してテラヘルツ周波数電磁放射を生成するキャビティ内固体状態レーザのテラヘルツ周波数電磁放射出力パワーを増加させる方法であって、
前記テラヘルツ周波数電磁放射出力パワーは、非線形結晶内で形成され、前記非線形結晶と空気との間のシリコン仲介構造を利用することによって抽出され、
前記方法は、
前記シリコン仲介構造において自由キャリアを生成しない基本波長とストークス波長を利用するステップを有する
ことを特徴とする方法。
【請求項１８】
前記基本波長は、Ｎｄ添加レーザ結晶によって生成される
ことを特徴とする請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
前記Ｎｄ添加レーザ結晶からの任意の基本放射は、前記キャビティ内固体状態レーザによって抑制される
ことを特徴とする請求項１７記載の方法。
【請求項２０】
非線形誘導ポラリトン散乱を介してＴＨｚ周波数電磁放射を出力するキャビティ内固体状態レーザであって、
第１共鳴光キャビティをポンプする第１外部ポンプ、
光結晶と第１非線形結晶を有し、基本ビームを共鳴させることによってストークスビームを生成す、第１共鳴光キャビティ、
ストークスビームを共鳴させる第２共鳴光キャビティ、
を備え、
前記第１および第２共鳴光キャビティは、前記非線形結晶内においてある角度で前記基本ビームと前記ストークスビームが交差して、非線形ポラリトン散乱の位相整合を実現するように構成されており、
前記第１共鳴光キャビティはさらに、シリコンのバンドギャップ未満の光子エネルギーを有する基本ビームを共鳴させる
ことを特徴とするレーザ。
【請求項２１】
前記光結晶は、Ｎｄ添加レーザ結晶を含む
ことを特徴とする請求項２０記載のレーザ。
【請求項２２】
ＴＨｚ周波数電磁放射生成システムであって、
ＴＨｚ周波数電磁放射を生成する非線形結晶、
前記非線形結晶と干渉することによりＴＨｚ周波数電磁放射を可能とする第１レーザビームと第２レーザビーム、
前記非線形結晶と接続され前記ＴＨｚ周波数電磁放射を外部環境へ仲介する仲介シリコン、
を備え、
前記第１および第２レーザビームはそれぞれ、前記バンドギャップエネルギー未満の光子エネルギーを有する
ことを特徴とするシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ（ＴＨｚ）周波数電磁放射を生成する出射源に関する。具体的には１例において、本発明は、非線形誘導ポラリトン散乱（ＳＰＳ）プロセスを介したキャビティ内固体状態レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
本明細書における背景技術の議論は、その技術が広く知られているかまたは当該分野における共通知識の一部を形成することを認めたものとみなすべきではない。
【０００３】
ＴＨｚ周波数電磁放射（例えばＴＨｚレーザ源が生成するもの）は、多くの分野においてさらに重要になっている。例えば、化学検出と生体検出、分光計、爆発物や密輸品物質の検出、病気診断、薬剤の品質制御、星や銀河の生成を理解するための天文学におけるリモート測定、などが挙げられる。ＴＨｚ周波数電磁放射源の使用例として、以下が挙げられる：“The 2017 terahertz science and technology roadmap”, Journal of Physics D: Applied Physics, Volume 50, Number 4。
【０００４】
ＴＨｚ周波数電磁放射源において、放射源の出力パワーを最大化することが望ましい。
【０００５】
テラヘルツ誘導ポラリトン散乱（ＳＰＳ）レーザは、ＴＨｚ周波数電磁放射源の１形態として知られている。例えば：Lee A. J, Pask H. M. Continuous wave, frequency-tunable terahertz laser radiation generated via stimulated polariton scattering; Opt Lett. 2014 Feb 1;39(3):442-5. doi: 10.1364/OL.39.000442が挙げられる。同文献の内容は相互参照により本願に組み込まれる。その他公知文献として以下が挙げられる：Kawase K, Sato M, Taniuchi T, Ito H, Coherent tunable THz-wave generation from LiNbO3 with monolithic grating coupler; Appl. Phys. Lett. 1996 March 68:2483. doi:10.1063/1.115828、同文献は、ＳＰＳを利用したテラヘルツパラメトリック生成を記載している；Shikata J, Kawase K, Karino K, Taniuchi T, Ito H, Tunable terahertz-wave parametric oscillators using LiNbO3 and MgO:LiNbO3 crystals; IEEE Transacations on Microwave Theory and Techniques 2000 April:48(4):653、同文献は、ＳＰＳを利用したテラヘルツパラメトリック発振器を記載している。その他のレーザベースＴＨｚ生成技術として以下が挙げられる：チェレンコフ放射を用いるもの、Suizu K, Koketsu K, Shibuya T, Tsutsui T, Akiba T, Kawase K, Extreme frequency-widened terahertz wave generation using Cherenkov-type radiation; Optics Express 2009; 17(8):6676-6681. doi: 10.1364/OE.17.006676；光整流を用いるもの、Rice A, Jin Y, Ma F, Zhang X. C, Terahertz optical rectification from <110> zinc-blende crystals; Applied Physics Letters 1994: 64:1324. doi: 10.1063/1.111922；差周波数生成を用いるもの、Miyamoto K, Lee A, Saito T, Akiba T, Suizu K, Omatsu T Broadband terahertz light source pumped by a 1 μm picosecond laser; Applied Physics B 2013; 110(3):321-6. doi 10.1007/s00340-013-5359-8。
【０００６】
図１から図３は、ＳＰＳレーザ構成の概略レイアウトを示す。図１は、ＳＰＳ生成器（またはテラヘルツパラメトリック生成器（ＴＰＧ））２１を示す。図２は、キャビティ外ＳＰＳレーザ（またはテラヘルツパラメトリック発振器（ＴＰＯ））２２を示す。図３は、キャビティ内ＳＰＳレーザ（またはキャビティ内テラヘルツパラメトリック発振器））２３を示す。図面において、「ポンプ」場は、ポンプレーザから出力するレーザ場として定義される。「基本」場は、ストークス場とＴＨｚ場へのＳＰＳプロセスを介して非線形変換される場である。ＴＰＧとＴＰＯのケースにおいて、これは同じポンプ場である。キャビティ内ＳＰＳレーザのケースにおいて、これはキャビティ内レーザ結晶が生成した場である。「ストークス」場は、ＳＰＳプロセスにおいてＳＰＳ結晶内でＴＨｚによって生成される。
【０００７】
ＳＰＳプロセスは、ＴＨｚ放射を生成する非線形光プロセスである。同様のレーザ構成を用いてＴＨｚ放射を生成するために用いることができるその他非線形方法としては、差周波数生成（ＤＦＧ），光整流および非線形チェレンコフ放射が挙げられる。これら全ての非線形プロセスにおいて、位相整合を用いて、レーザ場波長／周波数を適切にチューニングする。通常の場はレーザビームの形態をとり、これはレーザキャビティ／共鳴器内で共鳴する場合としない場合がある。位相整合は、共伝搬場間において位相関係が確立するプロセスである。ＳＰＳレーザのケースにおいて重要なのは、エネルギーと運動量が保存され、「基本」場の光子エネルギーは「ストークス」場と「ＴＨｚ」場のエネルギー和である。同様に「基本」場の波ベクトルは、「ストークス」場と「ＴＨｚ」場の波ベクトルの和である。
【０００８】
図４は、キャビティ内ＳＰＳレーザ１の実験機器の概略を示す。キャビティ内レーザ１において、ＳＰＳアクティブ結晶（通常はＭｇＯ添加ニオブ酸リチウム（ＬＮ））２は、固体状態レーザ（通常はＱスイッチＮｄ：ＹＡＧシステム）のキャビティ３内に配置されている。これにより、高強度「基本」場４（１０６４ｎｍ）にアクセスする。これは非線形ＳＰＳプロセスの閾値を実現するために必要である。ＴＨｚスペクトルのその他部分にアクセスするために、その他結晶とレーザ源を用いてもよい。
【０００９】
キャビティ外構成において（例えばＴＰＧ／ＴＰＯ）ＳＰＳ−ＴＨｚレーザを動作させたが、これは大型高パワーレーザに依拠している。一方でキャビティ内システムは、より小型かつ効率的である。これらキャビティ内レーザにおいて、ＬＮ結晶近傍で別キャビティを形成して、別の場を発振させる。これを「ストークス」（この波長は通常、１０６８〜１０８０ｎｍである）と呼ぶ。ＳＰＳプロセスは、基本場４の一部をストークス場５と所望ＴＨｚ場へ変換する。
【００１０】
基本キャビティ４に対してストークスキャビティ５の角度を変更することにより（ＬＮを用いる場合は通常１．５〜３度）、非線形結晶内で位相整合角を変更し、ストークス波長とＴＨｚ場周波数を調整することができる。
【００１１】
ＴＨｚ場は、個別のＴＨｚ周波数を有するか、または約１〜１０ＴＨｚのＴＨｚ周波数内に調整することができる。ＬＮのＳＰＳケースにおいて、ＴＨｚ放射は通常、１ＴＨｚ〜４ＴＨｚである。別システムにおいては別の調整範囲が得られる。これらシステムは、十分高い（〜μＷ）レベルの平均パワーで調整可能ＴＨｚ周波数電磁放射を生成することができるわずかな例である。
【００１２】
ＬＮ結晶２内でＴＨｚ場を生成する角度に起因して、ＬＮ／空気境界７において全内部反射が生じる。この構成を図５に示す。同様の全内部反射は、非線形結晶を用いるときも生じる。
【００１３】
図６に示すように、これを回避して結晶からのＴＨｚ放射１２を効率的に外部取得するために、ＬＮ結晶１２と空気との間の中間媒体として高抵抗Ｓｉプリズム８を用いる。ＬＮ結晶とＳｉプリズムとの間に別の層（例えば空気やポリマ）を配置してもよい。
【００１４】
Ｓｉは、他材料と比較して元来より低いＴＨｚ吸収を維持しつつ、ＴＨｚ場を広範なＴＨｚ周波数範囲で外部取得するのに適した屈折率を有する材料である。高抵抗Ｓｉは通常、他のシリコン形態よりも低いＴＨｚ吸収を有する。
【００１５】
ただし１つの大きな問題は、光電効果を介して（Ｓｉのバンドギャップ超のエネルギーを有する光子がＳｉ面に衝突することによる）、電子とホールの自由キャリアがＳｉプリズム８内に誘起されることである。これら自由キャリアは、Ｓｉプリズム８を伝搬するＴＨｚ放射を吸収する。K. Kawase, J. Shikata, and I. Hiromasa, "Terahertz wave parametric sources," J. Phys. D Appl. Phys. 34, R1-R14 (2001)。
【００１６】
基本光子とストークス光子（１０６４ｎｍ＝１．１６ｅＶ；１０８０ｎｍ＝１．１５ｅＶ）の光子エネルギーは、Ｓｉのバンドギャップ（１．１１ｅＶ）超であり、したがって自由キャリアが生じる。エネルギーと波長は以下の数式によって関係することがよく知られている：Ｅ＝ｈｃ／λ。これら基本光子とストークス光子は、いくつかの手段を通じてレーザシステム内で散乱する。例えばレーザとＬＮ結晶内の不完全物または不純物、端面とミラーの不完全性、拡張または収縮共鳴器モード、などである。これら部品の製造公差に起因して、これらシステムにおいてレーザ放射の散乱を完全に防ぐのは不可能である。
【００１７】
ただし、かみそり刃や別プリズムなどのブロック素子を用いることにより、Ｓｉプリズムの表面に衝突するこの散乱レーザ放射を一部防ぐことができる。この手法は散乱レーザ放射がＳｉプリズムの外部に衝突する問題を解決する助けになるが、ＬＮ結晶内で内部散乱することと、ＬＮ結晶に接着したＳｉプリズムの表面において自由キャリアが生成されることの問題は解決しない。構成例によっては、Ｓｉプリズムにおける自由キャリア吸収効果により、ＴＨｚ場の総損失が生じる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明の目的は、望ましい形態において、ＴＨｚ周波数電磁放射源からのパワー抽出の改善した形態を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の第１側面において、ＴＨｚ周波数電磁放射生成システムを提供する。同システムは：ＴＨｚ周波数電磁放射を生成する非線形結晶；前記非線形結晶と干渉することによりＴＨｚ周波数電磁放射を可能とする基本ビーム；前記非線形結晶と結合して前記ＴＨｚ周波数電磁放射を外部環境へ伝搬させる仲介シリコン；を備え、前記システムは、シリコンのバンドギャップエネルギー未満の光子エネルギーを有する基本ビームを利用する。
【００２０】
前記基本ビームは、ポンプ外部レーザ源から伝搬し、またはポンプ源によってポンプされたレーザ結晶から引き出すことができる。
【００２１】
実施形態において前記システムはキャビティ内システムであり、前記基本ビームはキャビティ内レーザ結晶によって生成することができる。実施形態において前記システムはキャビティ外システムであり、前記基本ビームは基本ポンプレーザによって生成することができる。
【００２２】
前記非線形結晶がＴＨｚ周波数電磁放射を出射する手段は：前記ＴＨｚ周波数電磁放射を生成する誘導ポラリトン散乱、差周波数生成、パラメトリック生成、光整流、またはチェレンコフ法、のうち少なくとも１つを含む。前記基本ビームは：固体状態レーザ、レーザダイオード、希土類添加レーザ結晶、エルビウム結晶、またはＶＥＣＳＥＬ半導体、のうち少なくとも１つによって生成することができる。
【００２３】
実施形態において、前記非線形結晶は、誘導ポラリトン散乱（ＳＰＳ）アクティブ結晶を含むことが望ましい。前記ＳＰＳアクティブ結晶は：ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、よう素酸リチウム（ＬｉＩＯ３）、リン酸チタニルカリウム（ＫＴｉＯＰＯ４／ＫＴＰ）、ヒ酸チタニルカリウム（ＫＴｉＯＡｓＯ４／ＫＴＡ）、リン酸チタニルルビジウム（ＲｂＴｉＯＰＯ４／ＲＴＰ）、リン酸ガリウム（ＧａＰ）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、石英、のうち少なくとも１つを含むことが望ましい。
【００２４】
前記システムは、ナノ秒期間、ピコ秒期間、マイクロ秒期間、ミリ秒期間、複数秒期間のパルス領域、または連続波（ＣＷ）で動作する。
【００２５】
前記仲介シリコンは、周期繰り返し断面を含むプロファイル化した表面を有することが望ましい。実施形態において、前記プロファイル化表面は、一連のプリズムを含む。単一プリズムを用いることもできる。
【００２６】
実施形態において、前記基本ビームは、前記ＴＨｚ放射の出射領域近傍において、前記非線形結晶の第１表面に沿って全内部反射する。
【００２７】
前記システムはさらに：前記基本ビームを共鳴させる第１共鳴キャビティ；前記ストークスビームを共鳴させる第２共鳴キャビティ；を備えることが望ましい。前記第１および第２共鳴キャビティは、互いに角度オフセットしていることにより、対応するビームが前記非線形結晶内で交差するようにすることが望ましい。
【００２８】
実施形態において、前記基本ビームと前記ストークスビームは、前記非線形結晶の前記第１面に隣接する重畳領域において全内部反射する。
【００２９】
本発明の別側面において、ＴＨｚ周波数電磁放射システムのテラヘルツ出力パワーを増加させる方法を提供する。前記システムは：ＴＨｚ周波数電磁放射生成源；前記ＴＨｚ周波数電磁放射を出力環境へ仲介出力する仲介シリコン；を備え、前記方法は：シリコンのバンドギャップエネルギー未満の基本ビーム光子エネルギーを利用して、前記ＴＨｚ周波数電磁放射生成源においてＴＨｚ周波数電磁放射を生成するステップを有する。
【００３０】
本発明の別側面において、非線形誘導ポラリトン散乱プロセスを介してテラヘルツ周波数電磁放射を生成するキャビティ内固体状態レーザのテラヘルツ周波数電磁放射出力パワーを増加させる方法を提供する。前記テラヘルツ周波数電磁放射出力パワーは、非線形結晶内で形成され、前記非線形結晶と空気との間のシリコン仲介構造を利用することによって抽出される。前記方法は、前記シリコン仲介構造において自由キャリアを生成しない基本波長とストークス波長を利用するステップを有する。
【００３１】
本発明の別側面において、非線形誘導ポラリトン散乱を介してＴＨｚ周波数電磁放射を出力するキャビティ内固体状態レーザを提供する。前記レーザは：第１共鳴光キャビティをポンプする第１外部ポンプ；基本ビームを生成するとともに前記基本ビームを共鳴させるレーザ結晶を有し、前記基本ビームと干渉することによりストークスビームを生成する第１非線形結晶を有する、第１共鳴光キャビティ；ストークスビームを共鳴させる第２共鳴光キャビティ；備え、前記第１および第２共鳴光キャビティは、前記非線形結晶内においてある角度で前記基本ビームと前記ストークスビームが交差して、非線形ポラリトン散乱の位相整合を実現するように構成されており、前記第１共鳴光キャビティはさらに、シリコンのバンドギャップ未満の光子エネルギーを有する基本ビームを共鳴させる。
【００３２】
本発明の別側面において、ＴＨｚ周波数電磁放射生成システムを提供する。前記システムは：ＴＨｚ周波数電磁放射を生成する非線形結晶；前記非線形結晶と干渉することによりＴＨｚ周波数電磁放射を可能とする第１レーザビームと第２レーザビーム；前記非線形結晶と接続され前記ＴＨｚ周波数電磁放射を外部環境へ仲介する仲介シリコン；を備え、前記第１および第２レーザビームはそれぞれ、前記バンドギャップエネルギー未満の光子エネルギーを有する。
【００３３】
本発明の実施形態を、例示目的のみで、添付する図面を参照して説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】既知のＴＨｚ生成の様々な形態の概略を示す。
【図２】既知のＴＨｚ生成の様々な形態の概略を示す。
【図３】既知のＴＨｚ生成の様々な形態の概略を示す。
【００３５】
【図４】ＳＰＳ  ＴＨｚレーザの既知形態の概略を示す。
【００３６】
【図５】ＴＨｚ放射の内部反射プロセスの概略を示す。
【００３７】
【図６】Ｓｉプリズムを利用してＴＨｚ放射を抽出する概略を示す。
【００３８】
【図７】本発明の実施形態の変形例の概略を示す。
【００３９】
【図８】従来技術における出力パワーレベルのグラフを示す。
【００４０】
【図９】本実施形態が生成できる出力パワーレベルのグラフを示す。
【００４１】
【図１０】線形共鳴器構成の概略図である。
【００４２】
【図１１】表面出射構成の概略図である。
【００４３】
【図１２】浅反射構成の概略図である。
【００４４】
【図１３】キャビティ内浅反射構成レイアウトの概略を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
実施形態１は、ＳＰＳプロセスにおいて「通常より長い」１３４２〜１３８０ｎｍのレーザ波長を利用して、シリコン（Ｓｉ）プリズム内における自由キャリア（電子とホール）の生成を防ぐ。Ｓｉプリズムは、生成されたＴＨｚ放射を吸収し、これによりこれらシステムから通常生成される総パワーを減少させる。
【００４６】
ＳＩプリズムにおいて自由キャリアを生成しないレーザ波長を用いることにより、自由キャリア吸収問題を解決する手段を提供する。すなわち、Ｓｉのバンドギャップ未満の光子エネルギーを有する波長を用いる。
【００４７】
図７を参照する。この長い波長におけるレーザ発振は、従来の結晶配置においてＮｄ添加レーザ結晶４１を用いることによって実現できる。これら結晶は、〜１０６４ｎｍバンドに加えて１３００ｎｍレンジにおいてレーザ放射バンドを有する。Ｎｄ：ＹＶＯ４は特に、１３４２ｎｍにおいて強レーザ放射を生成するのに適している。これは、同波長レンジにおいて非常に高い放射断面積を有することによる。
【００４８】
Ｎｄ：ＹＶＯ４における１３４２ｎｍ放射ラインを用いるキャビティ内ＴＨｚ  ＳＰＳレーザを、図７の符号４０に示すように構築した。本構成は、１３４２ｎｍ（０．９２ｅＶ）において基本ビーム４２を生成し、〜１３４６ｎｍ（０．９２ｅＶ）から１３８０ｎｍ（０．９０ｅＶ）において調整可能ストークス放射４３を生成した。対応するＴＨｚ調整レンジは、ストークスと基本キャビティとの間の同じ角度で１０６４ｎｍを用いるとき実現できるものと同様のものである。この長い波長においてレーザ動作を実現するためには、結晶およびミラーコートを変更して１０６４ｎｍレーザラインを抑制するとともに１３４２ｎｍにおける強発振を促進することにより、レーザシステムを再構成することが必要であった。
【００４９】
得られたシステムは、ストークスとＴＨｚ放射を出力した。重要なのは、ＴＨｚ放射が非常に強く、ＴＨｚパワーが従来設計から大幅に増加したことである（３倍以上）。キャビティ内にブロック素子を追加してもＴＨｚ出力に対して影響がないことも確認した。これは、散乱レーザ光がＳｉプリズムに対して影響せず、自由キャリアが生成されなかったことを示唆している。
【００５０】
１０６４ｎｍで動作するシステムの性能と１３４２ｎｍで動作するシステムの性能を直接比較するのは困難である。これは、システムに対する変更数が多いことによる。ミラーコートはわずかに異なり、レーザ結晶も異なる。ただし１３４２ｎｍ基本場を利用するシステムから、１０６４ｎｍ場よりも大幅に多いＴＨｚ放射が検出された。〜１．９ＴＨｚにおいて３倍以上のパワーが検出された。
【００５１】
本実施形態は、Ｎｄ添加レーザ結晶がアクセスできる別の強レーザ波長を利用することにより、自由キャリア問題を解決することを試みる。１０６４ｎｍとブロック素子を用いるシステムにおいても、内部Ｓｉ境界においてＬＮ結晶内部のレーザ場の内部散乱が自由キャリアを生成しているのか否かについての疑問がある。望ましい実施形態の構成は、この可能性を除去する。
【００５２】
本システム設計／アプローチによって実現できるＴＨｚ出力パワーの大ゲインは、ＴＨｚパワー生成の高パワーレベルを提供する。
【００５３】
図８を参照する。既存設計における入力ダイオードポンプパワーのレベル差を表すＴＨｚ出力パワーを示す。最大出力パワー５１は約６．５μＷである。図９を参照する。Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶を利用し、基本場波長１３４２ｎｍの構成は、約２４μＷ（符号６１）であった。ダイオードレーザポンプがより高ければ、さらに高いＴＨｚパワーを実現できると想定される。
【００５４】
したがって上記実施形態は、シリコンのバンドギャップ未満のレーザ光子エネルギーを利用することを介して、ＴＨｚパワー生成における出力パワーを実質的に増やす手段を提供する。
【００５５】
本実施形態の教示内容は、仲介シリコンを用いるその他ＴＨｚ生成システムへ拡張することができる。そのようなデバイスにおいて、シリコンのバンドギャップ未満の光子エネルギーを用いて、自由キャリアの発生を回避できる。
【００５６】
本実施形態は、ＳＰＳプロセスに基づく別のレーザ構成に拡張できる。このレーザ構成は、図１〜図３に示すキャビティ内およびキャビティ外ＴＨｚ発振器（ＴＰＯ）とＴＨｚ生成器（ＴＰＧ）を備える。
【００５７】
これら実施形態は、共線および非共線位相整合であり、基本場および／またはストークスレーザ場がＳＰＳプロセス結晶内部において全内部反射（ＴＩＲ）する、共鳴器構成に拡張できる。
【００５８】
ＴＨｚ生成システムの別実施形態は、ＳＰＳベースである必要はなく、差周波数生成を用いるシステムを包含する。
【００５９】
Ｎｄ添加結晶に加えてその他レーザゲイン媒体を用いて、ＳＩのバンドギャップ未満の光子エネルギーを有するレーザを生成できることは、明らかである。例えばツリウム（Ｔｍ）やエルビウム（Ｅｒ）添加レーザ結晶が挙げられる。垂直キャビティ外表面放射レーザ（ＶＥＣＳＥＬ）チップやディスクレーザなどの半導体媒体が挙げられる。
【００６０】
ＳＰＳプロセスを介したＴＨｚ放射の生成は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）に限られるものではなく、その他ＳＰＳアクティブ結晶を含む。例えば：よう素酸リチウム（ＬｉＩＯ３）、リン酸チタニルカリウム（ＫＴｉＯＰＯ４／ＫＴＰ）、ヒ酸チタニルカリウム（ＫＴｉＯＡｓＯ４／ＫＴＡ）、リン酸チタニルルビジウム（ＲｂＴｉＯＰＯ４／ＲＴＰ）、リン酸ガリウム（ＧａＰ）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、石英、が挙げられる。各ケースにおいて、生成したＴＨｚ放射を外部結合するため、仲介シリコンを利用する。
【００６１】
これらＳＰＳレーザは、別の時間領域で動作できる。例えば以下が挙げられる：ナノ秒（上記実施形態と同様）、ピコ秒期間、マイクロ秒期間、ミリ秒期間、複数秒期間のパルス領域、または連続波（ＣＷ）領域。
【００６２】
したがって本発明は、ＴＨｚ周波数パワーの出力および／またはＴＨｚ放射源の光効率を増加させたい場合一般における用途を有する。
【００６３】
その他構成もいくつか可能である。例として、ＴＨｚ放射レーザ共鳴器構成の「浅反射」構成を説明する。これにより、ＳＰＳ結晶内におけるＴＨｚ生成をさらに効率化し、ＳＰＳ結晶からより効率的にＴＨｚ放射を抽出できる。
【００６４】
図１０〜図１２において、３つの放射構成を示す。図１０は、図７の動作関係を簡略化した形態を示す。結晶内においてストークスビームと基本ビームとの間で重なりがある（１０１）。図１１は、結晶１１２の面１１１において場が重なる別構成を示す。図１２は、さらに浅い反射構成を示す。浅反射構成１２０において、基本場１２１とストークス場１２２はともに、ＳＰＳ結晶１２４内において全内部反射（１２３）する。その結果、２つのビーム間の重なる領域１２３（すなわちＴＨｚビームが生成される領域）は、ＳＰＳ結晶の面に対して非常に近い。これは、本構成において生成するＴＨｚ放射が、線形構成のようにＳＰＳ結晶の体積部分を伝搬してＳＰＳ結晶内部における吸収損失を生じさせる必要がないことを意味する。浅反射構成１２４は、ＴＨｚ放射１２７と１２８を外部伝搬するためにシリコンプリズム１２５と１２６を使用し、したがって１３４２ｎｍ基本波長を用いることの利点を得る。表面放射構成のその他特性は、２つの空間分離したＴＨｚビーム１２７と１２８がシステムから放射されることである。これはポンププローブシステムまたは干渉計において利用できる。
【００６５】
浅反射構成において、システムは以下のいずれかで動作する：ｉ）基本場はＴＩＲ反射し、ストークス場は反射せず線形を維持する；ｉｉ）基本場は線形であり、ストークス場はＴＩＲ反射する；ｉｉｉ）基本場とストークス場ともにＴＩＲ反射する。
【００６６】
図１３は、図７の構成を変形して浅反射構成をした１形態を示す。本構成において、先述のように、初期ポンプレーザと光学部品１３６を用いて、基本場生成結晶をポンプし、基本場１３７を生成する。基本場は結晶１３１を介して投影され、全内部反射１３２してキャビティミラー１３４と１３８を介して共鳴する。基本場はストークス場１３３を駆動し、ストークス場１３３はミラー１３５と１３９との間で共鳴し、点１３２において全内部反射する。重畳場は２つのＴＨｚ周波数放射１４０と１４１を生成する。
【００６７】
＜解釈＞
本明細書における「１実施形態」「実施形態」「ある実施形態」などの語句は、その実施形態に関する特定の特徴、構造、特性などが本発明の少なくとも１つの実施形態において含まれていることを意味する。したがって本明細書の各箇所における「１実施形態において」「実施形態において」「ある実施形態において」などのフレーズは、必ずしも同じ実施形態をさしているものでないが、同じである場合もある。さらに、特定の特徴、構造、特性などは、任意の適切な態様で組み合わせることができる。このことは、当業者にとって本開示の実施形態から明らかである。
【００６８】
本明細書において、明示しない限り、共通オブジェクトを記載する通常の形容詞「第１」「第２」「第３」などは、同様のオブジェクトの別インスタンスを示すに過ぎず、そのオブジェクトが時間的、空間的、ランク的、その他の態様において所与の順序でなければならないことを意図するものではない。
【００６９】
特許請求範囲と本明細書において、備えている、からなる、備えるなどの語句は、その後の要素／特徴のうち少なくとも１つを含んでいることを意味するオープン語句であり、それ以外のものを除外するものではない。したがって、特許請求範囲において、備えるという語句を用いる場合、これはその後に続く要素やステップに限定するものと解釈すべきではない。例えば、ＡとＢを備えるデバイスは、要素ＡとＢのみを有するデバイスに限定すべきではない。本明細書における、含んでいる、含む、有する、などの語句も、その後に続く要素／特徴のうち少なくとも１つを含んでいることを意味するオープン語句であり、それ以外のものを除外するものではない。したがって、含むは備えるの同義語である。
【００７０】
本明細書において、語句「例」は、例示を提供する意味で用いており、品質を示すものではない。すなわち、「実施例」は例として提示する実施形態であり、例示する品質の実施形態でなければならないものではない。
【００７１】
本発明の上記実施例において、本開示を整理して１以上の発明要素の理解を補助するために、本発明の様々な特徴部分を１つの実施形態、図面、それらの説明にグループ化したことを、理解されたい。ただしこの開示方法は、特許請求する発明が各請求項において明示的に記載している以上の特徴部分を必要とすることを意図しているものとして解釈すべきではない。むしろ特許請求範囲は、上記実施形態に含まれる全要素よりも少ない要素のなかに発明要素が存在することを反映したものである。したがって発明の詳細な説明の後の特許請求範囲は、発明の詳細な説明に含まれるものであり、各請求項は本発明の個別の実施形態を表している。
【００７２】
さらに、本明細書が記載する実施形態は、別の実施形態に含まれている特徴部分を含んでいないものもあるが、別実施形態の特徴部分の組み合わせも本発明の範囲内であることを意図しており、その組み合わせも別実施形態を形成する。このことは当業者にとって明らかである。例えば特許請求範囲において、特許請求する実施形態は任意の組み合わせで用いることができる。
【００７３】
本明細書において、様々な詳細部分を説明した。ただし本発明の実施形態は、これら詳細部分なしでも実施できることを理解されたい。別実施例において、既知の方法、構造、技術を詳細説明しないことにより、本明細書の理解をあいまいにしないようにしている。
【００７４】
同様に、特許請求範囲において、接続されているという用語を用いるとき、直接接続のみに限定するものと解釈すべきではない。用語「連結」「接続」およびその派生語句を用いることができる。これら語句は、互いの同義語を意図していないことを理解されたい。したがって、デバイスＢに接続されたデバイスＡは、デバイスＡの出力がデバイスＢの入力に対して直接接続されているデバイスまたはシステムに限定すべきではない。これは、Ａの出力とＢの入力との間に経路が存在することを意味し、その経路は別デバイスその他の手段であってもよい。「接続されている」は、２以上の要素が物理接触または電気的接触しており、あるいは２以上の要素が直接接続はされていないが相互協調動作することを意味する。
【００７５】
したがって、本発明の望ましいと思われる実施形態を説明したが、その他の変形例も本発明の要旨を逸脱するものではなく、そのような変更や変形も本発明の範囲に含まれることを、当業者は認識するであろう。例えば任意の数式は、使用可能な手順の代表例であるに過ぎない。ブロック図に対して機能を追加または削除でき、機能ブロック間で動作を相互交換できる。本発明の範囲内において、方法に対してステップを追加または削除することができる。
【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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【国際調査報告】
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