コヒーレント加算型ダイヤモンドテラヘルツ放射源の開発
電子工学科

米田研究室

長谷川和哉（9912101）

1 はじめにこれまで KrF レーザー（248.5nm）をダイヤモンドに照射しスイッチング動作をさせ、THｚ光源を得るという研究が行われてきた。その電磁波は光の波長と電波の波長の中間にあり、これまで強い光源が得られない周波数帯の物理解明に大きな役割をはたしている。
THz 電磁波の電界はダイヤモンドの印加電界を超えることはできないため、印加電界を大きくとることで高出力な THz 電磁波を取り出すことができる。ダイヤモンドは他の素子と比べ 1 桁以上大きい 106V／cm 程度の電界を印加することができ、本研究室では 1~2mJ、300fs の KrF レーザーを用い、10mm2 から 10nJ の集光エネルギーを得てきた。
一方で、コヒーレント加算により THz 波の高出力化を行うという方法が提案されてきた。
過去の研究によると、2 本のビームをダイヤモンドの別々の領域に照射し、方向、位相（ピコ秒単位）をあわせることで、その領域より放射された THｚの別々の波はコヒーレント加算され 1 つの波になるという結果が得られていた（図 1.1 参照）。2 つの波が 1 つの波になるということは、電界が 2 倍になれば、単純計算ではあるが出力は 4 倍になる。そこで本研究では、6 本のビームを別々の領域に照射し、さらなる THz 電磁波の高出力化を最終的な目標としている。

図 1.1 THｚ電磁波のコヒーレント加算

2

全体概念

2.1

2.2

KrF レーザー増幅器

ダイヤモンド THz のコヒーレント加算

単ビームでセグメント化されたダイヤモンド

以前の研究において別々の領域から発生した全体（3cm×3cm）を照射してスイッチング動作

THz 電磁波のコヒーレント加算が確認されていさせるには、今までの数 100 倍のエネルギーが必る。
（図 2.1、図 2.2 参照）これは、セグメント化要になる。しかし、KrF は 2mJ/cm2 と低い飽和されたダイヤモンド光伝導素子の area1 と area2フルエンスのために、大口径のビーム径にしなけを別々のレーザーで照射し、そこからの THz 波ればならない。そのためには大規模な増幅システが加算された結果である。また、このコヒーレンムが必要となってしまう。また、ダイヤモンドのト加算には二つのパルスの時間を数ピコ秒の単必要のない部分も照射することになり、単ビーム位で制御しなければならないことが分かる。この照射は得策といえない。

方法を参考にし、6 本のビームで同じようにコヒ2.3ーレント加算が行われれば、さらに高出力な THz
電磁波が期待できる。
しかし、一本のビームで領域全体を照射した方エキシマー寿命KrF のエキシマー寿命は約 2ns と短い。フェムト秒のパルスを一本だけ入れた場合には、そのパルスが通過した後も反転分布が形成されることがパルスのタイミングを合わせる必要がなく、になり、エネルギーが無駄となってしまう。しかコヒーレント加算を容易に行うことができるはし、時間的にパルスを連続に入れた場合には、一ずである。この後で何故 6 本のビームで別々に照つのパルスが放電管を通過した 2ns 後にまた反転射する方法を選択したのかを述べる。

分布が形成され、その後通過するパルスを再び増幅させることができる。このように効率良くエネルギーを引き抜くことができるということも、マルチビーム方式を選択した理由のひとつである。
本研究では、エキシマー寿命の 2ns を考慮し、時間間隔 2ns のパルス列にして 6 本のビームを増幅させる。

図 2.1 セグメント化されたダイヤモンド

図 2.2 THz 波のコヒーレント加算

図 2.3 本研究の全体像

2.4

全体像しやすくなった。（図 3.3）

本研究の全体像を図 2.3 に示す。Ti：Sapphire
レーザー（744nm）の第 3 高調波を KrF Amplifierで増幅させ、そのビームを 6 分割して 2ns のパルス列にし、また別の KrF Amplifier で増幅させる。
その後時間遅れを元に戻すデコーダ光学系を組み、ダイヤモンドに照射して THz 波のコヒーレント加算を行うという方針である。以降、このKrF を KrF①、本研究で用いる KrF を KrF②と区別する。
３光学系
本研究には、ダイヤモンドに KrF レーザーを別々の領域に照射し、それらの領域より放射され図 3.1 KrF 増幅システム

る THz 電磁波をコヒーレント加算する、という最終的な目的がある。そのために、ビームを 6 本にわけ、そのビームをそれぞれ増幅する必要がある。もちろん、集光性を保持するためにビームパターンもきれいにし、また、1 パルス当たりのエネルギーも引き出さなければならない。図 3.1 に、実験で使用された KrF レーザーシステム②の概図をのせる。OSC と AMP の 2 つの放電管から構成されており、ビームを往復させて増幅させる。

図 3.2 放電管窓改造後

一般に、入力パルスのビーム径が小さいと高い出力を得ることができない。そのため、放電管内ではレーザーのビーム径を大きくしたほうが、高利得を得ることができるため、このことを考慮に入れる必要があった。
3.1

レーザーシステムの改造

細長い放電管を少しでもビームが通りやすくなるように放電管の出入り口を加工した。このことにより、放電管の端にビームが当たってしまう
図 3.3 6 面ミラーという事を防ぐことが可能となった。（図 3.2 参3.3照）
3.2

6 面ミラー設計

50φのミラーを切り、ミラーとミラーをぴったりくっつけることで 6 本のビームの相対的な角度を小さくした。このことで、ビームを放電管に通ASE 対策

ASE を抑制するため、入力フルエンスによって透過率の変化する可飽和吸収体をもちいて、ASEを抑制した。

3.4

光線追跡起こり得ない。このために、OSC の ASE（自然OSC 放電管にビームを通すのは 3.1、3.2 によ放出光）とパルスの通過とのタイミングを Delayり容易になったのだが、折り返し AMP 放電管を用 Pulse Generator を用いて合わせた。AMP と通すのが困難であった。そこで、シミュレーショ

OSC の放電タイミングは、AMP のガス圧を変化ンによる光線追跡を行った。その結果を図 3.4 にさせることでずらした。AMP を抜けたところで示す。OSC 放電管の出口で 6 本のビームがオーの最終的なエネルギーは、5.5mJ／pulse、ASEバーラップし、その後にまた AMP の出口でオーは 0.5mJ であった。パルス幅は pulse~500fs、ASEバーラップしている。そして、その後デコーダー〜20ns のため、ASE は応用上問題とならないと光学系を組むためにビームが離れていく。また、考えられる。

大きい利得を得るために AMP 内ではビーム径が大きくなるようにした。今現在は、実際にこの光5集光性能学系に沿って光学系を組んでいる。しかし、デコビームパターンをみるために、AMP からビーーダー光学系に関しては、空間的な理由から苦戦ムが出てきたところに f＝3322 のレンズを置き、しているところである。

ビームの最小径の位置にカバーガラスをおきガラスの蛍光を観測した。結果、最小ビーム径は回折限界の約 4 倍程度に抑えられていることが分かった。

図 3.4 シミュレーション結果
4増幅
本研究で用いられた KrF②は 10Hz までしか駆動させることができないため、KrF①を駆動させている信号（10Hz）を 1／4 に分周して用いた。
図 5.1 観測したビーム径
6まとめ空間フィルターによる光学系を組み、5.5mJ／pulse、ASE〜0.5mJ という増幅結果、回折限界
図 4.1 同期系
入力パルスが、KrF エキシマーが存在している間に放電管内を通過しなければパルスの増幅はの 4 倍程度の集光性能が得られた。今後は、実際の使用に向けてビームパターンの改善が課題となってくる。