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METHOD AND DEVICE FOR GENERATING TERAHERTZ WAVE achieved

Patent code P08A013639
File No. 10891
Posted date Aug 22, 2008
Application number P2004-355182
Publication number P2006-163026A
Patent number P4609993
Date of filing Dec 8, 2004
Date of publication of application Jun 22, 2006
Date of registration Oct 22, 2010
Inventor
  • (In Japanese)碇 智文
  • (In Japanese)南出 泰亜
  • (In Japanese)伊藤 弘昌
Applicant
  • (In Japanese)国立研究開発法人理化学研究所
Title METHOD AND DEVICE FOR GENERATING TERAHERTZ WAVE achieved
Abstract PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method and a device for generating a terahertz wave that can greatly reduce absorption in crystal, increase efficiency of output from an interface to an outer side, and obtain an output distribution of terahertz waves nearly in a rotational symmetry shape facilitating application of a Gaussian optical system.
SOLUTION: One end surface 12a of a nonlinear optical crystal 12 is made nearly orthogonal to the generation direction of the terehertz wave 4, pump light 2 and idler light 3 are totally reflected nearly at one point 13 on the end surface, and the generated terehertz wave 4 is projected nearly vertically.
Outline of related art and contending technology (In Japanese)


1THz前後の周波数を有する電磁波、すなわちこの領域の遠赤外線及びサブミリ波を「テラヘルツ波」と呼ぶ。テラヘルツ波は、光波と電波の境界に位置しており、光波と電波の両方の特性を有する。
テラヘルツ波の特徴の1つは、電波の物質透過性を有する最短波長域であり、かつ光波の直進性を備えた最長波長であるという点である。すなわち、電波のように様々な物質を透過することができ、波長が短い(1mm前後~30μm前後)ことから、電波帯では最も高い空間分解能が得られ、かつ光波のようにレンズやミラーによる引き回しが可能である。



図10(A)は、このテラヘルツ波の発生原理図である。この図において、1は非線形光学結晶(例えばLiNbO3)、2はポンプ光(又は励起光と呼ぶ)、3はアイドラー光、4はテラヘルツ波である。なおポンプ光2とアイドラー光3は波長1μm前後の赤外光である。
ラマン活性かつ遠赤外活性を有する非線形光学結晶1にポンプ光2を一定方向に入射すると、誘導ラマン効果(又はパラメトリック相互作用)により物質の素励起波(ポラリトン)を介してアイドラー光3とテラヘルツ波4が発生する。この場合、ポンプ光2(ωp)、テラヘルツ波4(ωT)、アイドラー光3(ωi)の間には、式(1)で示すエネルギー保存則と式(2)で示す運動量保存則(位相整合条件)が成り立つ。なお、式(2)はベクトルであり、ノンコリニアな位相整合条件は、この図10(B)に示すように表現できる。



ωp=ωT+ωi...(1)
κp=κT+κi...(2)



このとき発生するアイドラー光3とテラヘルツ波4は空間的な広がりを持ち、その出射角度に応じてそれらの波長は連続的に変化する。このシングルパス配置におけるブロードなアイドラー波及びテラヘルツ波の発生をTPG(THz-wave Parametric Generation)と呼ぶ。
なお、基本的な光パラメトリック過程は、1個のポンプ光子の消滅と、1個のアイドラー光子および1個のシグナル光子の同時生成によって定義される。アイドラー光あるいはシグナル光が共振する場合、ポンプ光強度が一定のしきい値を超えるとパラメトリック発振が生じる。また、1個のポンプ光子の消滅と、1個のアイドラー光子および1個のポラリトンの同時生成が誘導ラマン散乱であり、広義のパラメトリック相互作用に含まれる。



しかし、上述したシングルパス配置のテラヘルツ波発生装置で発生したテラヘルツ波は非常に微弱であり、しかもその大部分は、非線形光学結晶中を数百μm進む間に吸収されてしまうという問題があった。例えば、LiNbO3結晶の吸収によって、長さ3mmを進む間にテラヘルツ波は約0.1%程度の小さい値となる。



この問題を解決するために、特許文献1、2が開示されている。また特許文献3(非公開)及び非特許文献1、2等が本発明に関連する。



図11は特許文献1に開示されたサブミリ波発生装置の模式図である。この図に示すように、上述したブロードなアイドラー光3に対して特定方向(角度θ)に共振器M1、M2を構成することで、特定方向のアイドラー光3の強度を高めることができる。なお、この図で5は、レーザー光をポンプ光2として照射するレーザ装置、6はテラヘルツ波4を外部に取り出すためのプリズムである。またプリズム6は、テラヘルツ波に対して吸収係数の小さい材質からなる。



図12は特許文献2に開示されたテラヘルツ波発生装置の模式図である。この図に示すように、ポンプ光2として単一周波数の第1レーザー光7を使用し、かつアイドラー光3の発生方向に単一周波数の別の第2レーザー光8を光注入することによって、発生するテラヘルツ波の出力を大幅に増大することができる。またこの図で9は、上述したプリズム6を複数並べたプリズムアレイである。



【特許文献1】
特開平09-146131号公報、「サブミリ波発生装置」
【特許文献2】
特開2002-072269号公報、「テラヘルツ波発生方法及び装置」
【特許文献3】
特願2003-107885号、未公開



【非特許文献1】
K.Kawase et.al,”Arrayed silicon prism coupler for a THz-wave parametric oscillator”,Applied Optics,vol.40,No.9,pp.1423-1426,2001
【非特許文献2】
K.Kawase et.al,”Terahertz wave parametric source”,Journal of Physics D; Applied Physics,vol.35,No.3,pp.R1-R14,2002

Field of industrial application (In Japanese)


本発明はノンコリニア型のテラヘルツ波発生方法及び装置に係わり、更に詳しくは、結晶内部で発生したテラヘルツ波を結晶外に取り出す方法及び装置に関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
パラメトリック効果によってテラヘルツ波発生が可能な非線形光学結晶内にポンプ光を入射し、ノンコリニア位相整合条件を満たす方向にアイドラー光とテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生方法であって、
非線形光学結晶の一端面をテラヘルツ波の発生方向にほぼ直交させ、該端面上のほぼ同一点においてポンプ光とアイドラー光を全反射させ、かつ発生したテラヘルツ波をほぼ垂直に出射する、ことを特徴とするテラヘルツ波発生方法。

【請求項2】
 
非線形光学結晶の前記端面に対するポンプ光とアイドラー光の入射角θp、θiはそれぞれの全反射角より大きく、テラヘルツ波の入射角はその全反射角より小さい、ことを特徴とする請求項1に記載のテラヘルツ波発生方法。

【請求項3】
 
前記ポンプ光として第1レーザー光を入射し、非線形光学結晶内で発生するアイドラー光を該全反射点で全反射させかつ増幅する登頂型の共振器を構成する、ことを特徴とする請求項1に記載のテラヘルツ波発生方法。

【請求項4】
 
前記ポンプ光として単一周波数の第1レーザー光を使用し、かつ、非線形光学結晶内で発生するアイドラー光の発生方向に単一周波数の別の第2レーザー光を光注入する、ことを特徴とする請求項1に記載のテラヘルツ波発生方法。

【請求項5】
 
前記ポンプ光の波長又はその入射角を変化させて、テラヘルツ波の波長を変化させる、ことを特徴とする請求項1に記載のテラヘルツ波発生方法。

【請求項6】
 
パラメトリック効果によってテラヘルツ波発生が可能な非線形光学結晶と、該非線形光学結晶内にポンプ光を入射するレーザー装置とを備え、ノンコリニア位相整合条件を満たす方向にアイドラー光とテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生装置であって、
前記非線形光学結晶の一端面がテラヘルツ波の発生方向にほぼ直交し、該端面上のほぼ同一点においてポンプ光とアイドラー光が全反射し、これにより発生したテラヘルツ波がほぼ垂直に出射するように位置決めされている、ことを特徴とするテラヘルツ波発生装置。

【請求項7】
 
非線形光学結晶の前記端面に対するポンプ光とアイドラー光の入射角θp、θiはそれぞれの全反射角より大きく、テラヘルツ波の入射角はその全反射角より小さい、ことを特徴とする請求項6に記載のテラヘルツ波発生装置。

【請求項8】
 
前記ポンプ光として第1レーザー光を出力する第1レーザー装置と、非線形光学結晶内で発生するアイドラー光を該全反射点で全反射させかつ増幅する登頂型の共振器とを備える、ことを特徴とする請求項6に記載のテラヘルツ波発生装置。

【請求項9】
 
前記ポンプ光として単一周波数の第1レーザー光を出力する第1レーザー装置と、かつ、非線形光学結晶内で発生するアイドラー光の発生方向に単一周波数の別の第2レーザー光を光注入する第2レーザー装置とを備える、ことを特徴とする請求項6に記載のテラヘルツ波発生装置。

【請求項10】
 
前記第1レーザー装置は、ポンプ光の波長を変えることができる可変波長レーザー装置である、ことを特徴とする請求項8又は9に記載のテラヘルツ波発生装置。

【請求項11】
 
前記非線形光学結晶の一端面にテラヘルツ波の反射率を低減する反射低減部材を備える、ことを特徴とする請求項6に記載のテラヘルツ波発生装置。

【請求項12】
 
前記非線形光学結晶の一端面にテラヘルツ波を集光する集光レンズを備える、ことを特徴とする請求項6に記載のテラヘルツ波発生装置。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2004355182thum.jpg
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