JP4276323B2

JP4276323B2 - テラヘルツ波発生装置

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Publication number: JP4276323B2
Application number: JP03741799A
Authority: JP
Inventors: 宏典高橋
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1999-02-16
Filing date: 1999-02-16
Publication date: 2009-06-10
Anticipated expiration: 2019-02-16
Also published as: JP2000235203A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、周波数１ＴＨｚ（テラヘルツ）周辺の電磁波であるテラヘルツ波発生装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
周波数１ＴＨｚ（テラヘルツ）周辺の電磁波領域（テラヘルツ波領域、例えばおよそ１００ＧＨｚ〜１０ＴＨｚ、あるいはさらにその周辺領域を含んだ広い周波数領域を指す）は、光波と電波の境界に位置する周波数領域であり、テラヘルツ波は、例えば赤外の分光やイメージングへの応用等に有効である。このような周波数領域は光源や検出器などの開発が比較的遅れており、技術面でも応用面でも未開拓の部分が多い。特に、産業上の応用という点から言えば、小型かつ簡便な光源であるテラヘルツ波発生装置が不可欠であるが、近年、光スイッチ素子を用いたそのような光源の開発が進められつつある。電気回路の発振器による方法ではテラヘルツ波領域の電磁波発生は難しいが、パルス状の光を用いて電流を変調することによって、この領域の電磁波発生の光源を実現することができる（文献として、例えば、「レーザー研究２６巻７号 pp.515−521 (1998)」がある）。
【０００３】
図５に、テラヘルツ波発生に従来用いられている光スイッチ素子１の一例の構成図を示す。この光スイッチ素子１では、GaAsなど高速応答する半導体の基板１５と低温成長GaAsなどの光伝導薄膜１６上に伝送線路１２ａ及び１２ｂからなる平行伝送線路１２が形成され、その中央部分に微小ダイポールアンテナからなる単一の光スイッチ１０が設けられている。光スイッチ１０の中央には、例えば数μm程度の微小なギャップ１１があり、ギャップ１１には直流電源１７によって適当な電圧が印加される。
【０００４】
このギャップ１１間に半導体のバンドギャップよりも高いエネルギーのレーザ光を例えば光パルスとして入射すると、半導体中に自由キャリアが生成されてパルス状の電流が流れ、このパルス状の電流によってパルス状にテラヘルツ波が発生される。また、２波長のレーザ光を光スイッチ１０に入射し、その差周波を利用することによって連続テラヘルツ波を発生することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記したような連続テラヘルツ波の発生装置としては、例えば「Appl. Phys. Lett. 70 (5), pp.559−561 (1997)」に開示されているものがある（図６）。この装置においては、２波長のレーザ光の光源としてそれぞれ異なる波長成分のレーザ光を供給する２台の半導体レーザ９ａ、９ｂを用いている。半導体レーザ９ａ、９ｂからのレーザ光は、それぞれレンズ９１及びアイソレータ９２を含む光学系を介して光ファイバ９３ａ、９３ｂに入射され結合器９４で合成されて、光ファイバ９５ａ、及びチョッパ９６等を含む光学系を介して光スイッチ素子１に入射される。
【０００６】
ここで、光スイッチ素子１の光スイッチは光混合器として機能する。このとき、光スイッチはレーザ光の２波長成分の差周波数に対して応答し、差周波数による電磁波として連続テラヘルツ波が発生される。なお、図６に示した装置においては、光スイッチ素子１で発生したテラヘルツ波は出射レンズ１ａを介して出力され、２つの放物面鏡１ｃによってボロメータ１ｄに入射されて検出・測定される。また、結合器９４からの光は光ファイバ９５ｂを介してスペクトルアナライザー９７にも入射されて、その波長分布等が測定されている。
【０００７】
テラヘルツ波発生装置を分光用等の光源として応用する場合、分光測定のＳＮ比及び測定精度を向上するためには、得られるテラヘルツ波の出力強度を大きくすることが必要である。ここで、上記した装置において励起光源として用いられている半導体レーザは、温度や駆動電流で発振波長を可変できるなどの利点があるが、得られるテラヘルツ波の出力を大きくすることができない。例えば、上記した装置においては、半導体レーザ９ａ、９ｂの波長可変範囲は８１０〜８３０ｎｍ、最大合計パワーは５０ｍＷであって、このとき得られるテラヘルツ波は、その周波数については約９ＴＨｚを上限とし、また、最大出力強度は約１０ｎＷである。
【０００８】
本発明は、以上の問題点に鑑みてなされたものであり、大強度のテラヘルツ波を出力することが可能なテラヘルツ波発生装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明によるテラヘルツ波発生装置は、励起光源と、少なくとも１つの光スイッチを有する光スイッチ素子とを備え、励起光源からの励起光が光スイッチ素子に入射されることによってテラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生装置であって、励起光源は、レーザ媒質励起手段と、主共振器と、２波長設定手段とを含み、異なる２つの波長成分を有するレーザ光を励起光として供給する２波長発振レーザを備えて構成され、主共振器は、レーザ媒質励起手段により励起されるレーザ媒質と、少なくとも２つの共振器鏡と、２波長設定手段への光の入出力を行う光入出力手段とを有し、いずれか１つの共振器鏡が光入出力手段として機能するように構成され、２波長設定手段は、第１の波長成分の光を選択的に主共振器へ戻す第１の副共振器と、第１の波長成分とは異なる第２の波長成分の光を選択的に主共振器へ戻す第２の副共振器と、光入出力手段と第１の副共振器及び第２の副共振器との間に設置される光分岐器とを有するとともに、第１の副共振器及び第２の副共振器は、光入出力手段からの光のうち、それぞれ第１の波長成分及び第２の波長成分を選択する波長選択手段と、波長選択された光を光入出力手段を介して主共振器へ戻すための光フィードバック手段とを有し、レーザ媒質励起手段、主共振器、または２波長設定手段のいずれかに、励起光となるレーザ光を２波長発振レーザから出力する光出力手段が設けられており、第１の副共振器及び第２の副共振器の波長選択手段の少なくとも一方は、その選択波長が可変であるように構成された可変波長選択手段であることを特徴とする。
【００１０】
上記した装置では、２波長成分の光を光スイッチに入射し、その差周波から連続テラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生装置において、励起光として用いられる２波長成分の光を２波長発振レーザによって供給している。この２波長発振レーザは、固体レーザ媒質などのレーザ媒質を有する主共振器に、２つの副共振器を併設して構成されており、２波長設定手段におけるこれら２つの副共振器は、主共振器からの光のうちそれぞれ異なる波長成分を選択して主共振器内に戻す。これによって、テラヘルツ波の発生に利用可能な２波長成分のレーザ光を効率的に生成・供給することができ、したがって、大出力強度のテラヘルツ波を得ることが可能となる。
【００１１】
ここで、２波長発振レーザのレーザ媒質は、チタンサファイアであることが好ましい。これによって、得られるテラヘルツ波の出力強度を特に高めることができる。また、例えば上述した半導体レーザを用いた従来装置では、半導体レーザの波長可変範囲（ゲインバンド幅）が狭いため、その差周波数によって得られるテラヘルツ波の周波数の選択範囲が狭くなってしまう。これに対して、波長可変範囲の広いチタンサファイアレーザを用いることによって、広い周波数範囲でテラヘルツ波の周波数を設定することが可能となる。
【００１２】
また、第１の副共振器及び第２の副共振器の波長選択手段の少なくとも一方は、その選択波長が可変であるように構成された可変波長選択手段であることを特徴としても良い。
【００１３】
さらに、第１の副共振器及び第２の副共振器の少なくとも一方は、主共振器へ戻す波長選択された光の光量を調整するための光量調整手段を有することを特徴としても良い。
【００１４】
このように、２波長成分の光について、その一方または両方の対応する副共振器に選択波長または光量を可変とする手段を設置することによって、２波長成分の差周波数・光量比等を可変として、得られるテラヘルツ波の周波数や、その発生効率等を変更することができる構成とすることができる。
【００１５】
また、２波長発振レーザは、レーザ光の波長・強度分布を測定するレーザ光測定手段と、レーザ光測定手段による測定結果に基づいて得られるテラヘルツ波のモニターまたは装置各部の制御を行う制御手段とを有することを特徴とする。
【００１６】
周波数分布等の測定が困難なテラヘルツ波に対して、テラヘルツ波を直接測定するのではなく励起光であるレーザ光の２波長成分を測定し、その差周波数を制御手段によって求めることによってテラヘルツ波の波長等をモニターすることができる。また、その測定結果に基づいて装置各部を制御することも可能となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面と共に本発明によるテラヘルツ波発生装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００１８】
図１は、本発明に係るテラヘルツ波発生装置の第１の実施形態を示す構成図である。このテラヘルツ波発生装置においては、光スイッチ（図示していない）が形成されている光スイッチ素子１に入射される励起光を出力する励起光源として２波長発振レーザ２が用いられている。２波長発振レーザ２から出力された２つの異なる波長成分を有するレーザ光は、集光レンズ１ｂを介して励起光として光スイッチ素子１に入射される。光スイッチ素子１の微小ダイポールアンテナからなる光スイッチには微小なギャップ（例えば５μｍ）が形成されており、このギャップにはバイアス電源１７によって所定の電圧が印加されている。
【００１９】
このとき、光スイッチ素子１の光スイッチは光混合器として機能するが、この２波長成分を有するレーザ光に対する光スイッチの応答は、２波長成分の和周波数には追従できず、その差周波数に応答し差周波数による電磁波が放射される。この差周波数は例えば０〜数ＴＨｚ程度に相当し、これによって連続テラヘルツ波が得られる。なお、励起される光電流は励起光である２波長発振レーザ２からのレーザ光強度に比例し、したがって、入射電界の２乗に比例する。
【００２０】
発生された連続テラヘルツ波は、出射レンズ１ａを介して外部の測定系等に向けて出射される。なお、光スイッチ素子１については、単一の光スイッチを有する構成のみでなく、例えば複数の光スイッチからなる１次元または２次元の光スイッチアレイを有する構成など、様々な光スイッチ素子を用いることができる。このとき、励起光の光スイッチ素子への入射光学系については、図１に示した単一の集光レンズ１ｂに限られず、各光スイッチに対応させるなどして様々な構成による光学系を用いることができる。また、例えば光ファイバを入射光学系に用いても良い。
【００２１】
本実施形態によるテラヘルツ波発生装置に用いられる２波長発振レーザ２は、レーザ媒質励起手段である励起用レーザ３と、レーザ光を発生させる主共振器４と、第１副共振器６及び第２副共振器７を有する２波長設定手段５と、を有して構成されている。
【００２２】
レーザ媒質励起手段としては、ここでは励起用レーザ３が用いられる。なお、レーザ媒質励起手段としては例えば電流、放電、Ａｒレーザなどの気体レーザ光、半導体レーザ、フラッシュランプ光、色素レーザ等を用いることができる。励起用レーザ３から出力された励起用レーザ光は、主共振器４へと入力される。
【００２３】
主共振器４は、レーザ媒質４０、２つの共振器鏡４１、４２、及び凹面反射鏡からなる反射鏡４３、４４を有して構成されている。反射鏡４３としては、励起用レーザ光に相当する波長成分の光を高率で透過するとともに、主共振器４内において形成されるレーザ光に相当する波長成分の光を高率で反射するものが用いられる。反射鏡４４についても、同様に主共振器４内において形成されるレーザ光に相当する波長成分の光を高率で反射するものが用いられている。このような構成によって、励起用レーザ３からの励起用レーザ光が効率的にレーザ媒質４０へと入射されて、レーザ媒質４０の励起が行われる。
【００２４】
ここで、レーザ媒質４０としては例えばチタンサファイアを用いることが好ましい。代表的な固体レーザの１つであるチタンサファイアレーザは、波長帯域が６８０〜１１００ｎｍ程度と最も広く、波長可変レーザやフェムト秒レーザとして広く利用されている。なお、使用する波長帯域等の条件によって、様々な媒質をレーザ媒質４０として用いることが可能である。例えば、Ｔｉ³⁺ドープ結晶であるチタンサファイア以外の固体レーザ媒質としては、クロムフォルステライトやＣｒ：ＹＡＧなどのＣｒ⁴⁺ドープ結晶、アレキサンドライトやエメラルドなどのＣｒ³⁺ドープ結晶、またＶ²⁺ドープ結晶などがある。
【００２５】
共振器鏡４１は、励起されたレーザ媒質４０からの誘導放出光によって形成されるレーザ光の大部分を反射（例えば９９．２％）してレーザ光を閉じ込める。また、この共振器鏡４１は、そのレーザ光の一部を所定の割合で透過させて２波長設定手段５へと出力し、また２波長設定手段５によって波長選択された光を主共振器４へと入力させる光入出力手段としても機能する。
【００２６】
一方、共振器鏡４２は、共振器鏡４１と同様にレーザ光の大部分を反射（例えば９９．２％）してレーザ光を閉じ込めるとともに、そのレーザ光の一部を所定の割合で透過させて２波長発振レーザ２の外部、本装置においては光スイッチ素子１の方向、へと出力させる光出力手段としても機能している。なお、この主共振器４は、２波長設定手段５を設置しない場合においてもレーザ発振する構成とされている。
【００２７】
光入出力手段として機能する共振器鏡４１を介して２波長設定手段５へと入射された光は、ハーフミラーまたはビームスプリッター等からなる光分岐器５１によって分岐されて、それぞれ対称に構成された第１副共振器６及び第２副共振器７へと入射される。
【００２８】
第１副共振器６は、入射した光のうち第１の波長成分（波長λ₁とする）を選択して主共振器４へと戻すものであって、プリズム６１、及び光フィードバック手段である全反射鏡６２を有して構成されている。また、第２副共振器７は、入射した光のうち第１の波長成分と異なる第２の波長成分（波長λ₂とする）を選択して主共振器４へと戻すものであって、プリズム７１、及び光フィードバック手段である全反射鏡７２を有して構成されている。なお、それぞれの選択波長λ₁、λ₂は、プリズム６１、７１、及び全反射鏡６２、７２の構成・配置によって決定されるので、第１副共振器６においてはプリズム６１及び全反射鏡６２、第２副共振器７においてはプリズム７１及び全反射鏡７２がそれぞれの波長選択手段となる。
【００２９】
本実施形態においては、第１副共振器６のプリズム６１及び全反射鏡６２は固定されており、したがって、選択波長λ₁は固定される。これに対して、第２副共振器７では全反射鏡７２が図中に矢印で示した方向に回転ステージ等によって回転可能なように構成されている。このとき、全反射鏡７２の角度によって主共振器４へと戻るレーザ光成分の波長が変化するので、したがって選択波長λ₂は可変とされている。
【００３０】
さらに、第２副共振器７においては、主共振器４へと戻される光量を調整するための光量調整手段である可変減衰フィルター７３が設けられている。可変減衰フィルター７３としては、例えば、濃度を徐々に変化させたクロム等の蒸着膜が形成された円盤状のガラスを回転させることによって減衰量を調整・変更する回転駆動式の可変ＮＤフィルターなどを用いることができる。
【００３１】
以上の構成によって、主共振器４から２波長設定手段５に入射された光は、第１副共振器６または第２副共振器７に入射され、波長λ₁またはλ₂の２波長成分が選択されて、主共振器４へと再び入力される。このような動作によって、最終的に主共振器４内に波長λ₁及びλ₂の２波長成分を有するレーザ光が形成されて、光出力手段として機能する共振器鏡４２から光スイッチ素子１へと出射される。
【００３２】
上記した構成の２波長発振レーザ２においては、形成されるレーザ光における２波長成分のそれぞれの波長及び強度比等について測定・モニターするため、レーザ光測定手段であるスペクトラムアナライザー２３が設置されている。すなわち、レーザ光の一部が２波長設定手段５中に設置された光分岐器５１によって分岐されて入射レンズ２１を介して光ファイバ２２に入射され、スペクトラムアナライザー２３に導光される。
【００３３】
このスペクトラムアナライザー２３はさらに制御装置２４に接続されており、制御装置２４によってスペクトラムアナライザー２３の動作が制御されるとともに、スペクトラムアナライザー２３による測定結果が制御装置２４に送られる。制御装置２４は、この測定結果に基づいて、本実施形態においては第２副共振器７の全反射鏡７２及び可変減衰フィルター７３を駆動制御して、これによって、レーザ光の波長、強度比等の特性のモニターと、その測定結果に基づいた２波長発振レーザ２から得られるレーザ光の制御・調整が実現される。
【００３４】
なお、第１副共振器６及び第２副共振器７における波長選択手段については、上記したプリズムを用いる方法に限らず、様々な方法を用いることができる。図２は、図１に示した実施形態についての第１副共振器６の変形例を示す。この第１副共振器６はＡＯＴＦ（acousto-optical tunable filter、音響光学波長可変フィルター）６４を有して構成されている。
【００３５】
このＡＯＴＦ６４にはＲＦドライバー６４ａから所定の周波数ｆ₁の駆動信号が供給されており、これによりＡＯＴＦ６４内に生じた音響波によって波長λ₁のレーザ光成分のみが偏向される。この波長成分は補償プリズム６５の通過時に角度が変えられて、全反射鏡６２に垂直に入射して、選択波長λ₁の光成分が選択される。第２副共振器７についても、同様にＡＯＴＦを用いた構成としても良い。このとき、ＲＦドライバーから供給される周波数を変化させることによって、選択波長を可変とすることができる。この場合、制御装置２４はＲＦドライバー等を制御する構成とされる。
【００３６】
以下に、本実施形態によるテラヘルツ波発生装置の効果を説明する。
【００３７】
上記したテラヘルツ波発生装置では、励起光源として、２つの副共振器６、７によって２波長成分を選択する２波長発振レーザ２を用いている。主共振器と副共振器とを備えたレーザ装置については、特開平５−２２６７４９号公報及び「光学２５巻９号 pp.505−511 (1996)」に示された波長選択自己注入同期法を用いた波長可変レーザがある。この波長可変レーザにおいては、例えば８２２〜９２２ｎｍの広い波長範囲に対して大きな出力が得られている。
【００３８】
ただし、このレーザ装置は単一の副共振器によってレーザ光を波長可変とするものである。これに対して、本実施形態によるテラヘルツ波発生装置に用いられる２波長発振レーザ２は、選択波長の可変性ではなく、２波長の選択波長の併存・同時供給とそれによる差周波数でのテラヘルツ波の発生を目的とし、これを２つの副共振器を併設することによって実現するものである。
【００３９】
また、従来の２波長発振レーザとしては、「第５９回応用物理学会学術講演会（1998秋）, 17p−P2−19」に示されたＡＯＴＦを用いた電子制御２波長発振レーザがある。上記の装置においては、副共振器は設けられておらず、主共振器内に設置されたＡＯＴＦにＲＦドライバーから２つの異なる周波数ｆ₁、ｆ₂からなる駆動信号が供給され、これによって２つの異なる波長λ₁、λ₂の波長成分が選択される。なお、ＡＯＴＦによるレーザでの波長選択については、例えば「Optics Lett., Vol.21, No.10, pp.731-733 (1996)」に記載されている。
【００４０】
このような装置においては、主共振器内に２波長を選択する手段であるＡＯＴＦを設置するために、ＡＯＴＦに２つの周波数の信号を同時に供給している。この場合、特に２つの選択波長が近いときにＡＯＴＦ内で異常な共振ビートが生じるなど動作が不安定となる。これに対して、本実施形態における２波長発振レーザ２では主共振器４とは別に２波長設定手段５を設け、この２波長設定手段５内に２つの副共振器６、７を設置して波長選択を行っている。これによって、２波長での発振を安定に行うことが可能となるとともに、波長選択手段についても様々な手段を適用することができる。
【００４１】
また、２つの選択波長λ₁、λ₂に対してそれぞれ別個に副共振器６、７を設けているので、それぞれの波長及び強度比等をそれぞれ別個・独立に設定可能である。このことは、テラヘルツ波の発生・制御を効率的に行う上で特に重要である。さらに、例えば一方または両方の副共振器に可動の全反射鏡や可変ＮＤフィルターなどを設置することによって、２波長成分の差周波数や強度比等の相関を可変に制御することが可能である。
【００４２】
なお、２波長発振レーザをテラヘルツ波発生装置に用いる場合には、２波長成分の差周波数のみが重要となるので、一方の副共振器に可変波長選択手段等を設置することによって、テラヘルツ波の制御が可能である。
【００４３】
上記した実施形態では、第２副共振器は、全反射鏡７２が回転可能に設置されることによって、選択波長λ₂が可変である波長選択手段の構成とされている。これによって、選択波長λ₁の光の周波数と、選択波長λ₂の光の周波数との差周波数によって生成されるテラヘルツ波の周波数を可変とすることができる。なお、得られるテラヘルツ波の波長をλとすると、１／λ＝｜１／λ₁−１／λ₂｜が成り立つ。例えば、λ₁＝８００ｎｍ、λ₂＝８１０ｎｍとすると得られるテラヘルツ波はλ＝６５μｍ（周波数４．６ＴＨｚ）、また、λ₁＝８００ｎｍ、λ₂＝８８０ｎｍとすると得られるテラヘルツ波はλ＝８．８μｍ（周波数３４ＴＨｚ）である。
【００４４】
ここで、チタンサファイアレーザは例えば半導体レーザと比べてその出力パワーが非常に大きく、したがって、大出力強度のテラヘルツ波を得ることが可能となる。また、チタンサファイアレーザはその波長帯域が広く、したがって取りうる２波長成分の差周波数の範囲が広い。すなわち、様々な波長（周波数）のテラヘルツ波を発生させる装置構成を実現することが可能であり、特に従来の装置に比べて差周波数を大きくして、短波長（高周波数）のテラヘルツ波を得ることが可能である。
【００４５】
例えば波長帯域幅が７５０〜９５０ｎｍの２００ｎｍであるとすると、λ＝３．６μｍ（周波数８３ＴＨｚ）程度までのテラヘルツ波を発生させることが可能である。ただし、光スイッチ素子１に形成される光スイッチの応答速度によって、得られるテラヘルツ波の周波数の上限は一般には数１０ＴＨｚ程度に制限される。なお、チタンサファイア以外の媒質を用いた場合においても、同様に出力の大強度化、波長帯域の広範囲化が可能である。
【００４６】
さらに、上記のように励起光である２波長成分のレーザ光のうち、一方の選択波長を上記のように可変とすることによって、広い波長（周波数）範囲についてその周波数分布等の特性が可変なテラヘルツ波発生装置とすることができる。なお、得られるテラヘルツ波の周波数分布を変更する必要がない場合には、第１副共振器６及び第２副共振器７の波長選択手段をともに固定した構成としても良い。また、可変減衰フィルター７３については、２波長成分の光量比を変更する必要がない場合には、その減衰率が固定されたＮＤフィルターなどの減衰フィルターとしても良い。また、減衰フィルターを設けない構成とすることも可能である。
【００４７】
また、得られるテラヘルツ波の周波数等の特性及びその制御について、本実施形態においてはスペクトラムアナライザー２３を用いて２波長発振レーザ２から得られるレーザ光を測定し、その測定結果から制御装置２４で差周波数を計算して、発生される赤外光であるテラヘルツ波の波長を決定する。赤外波長領域においては、効率的な分光器や光検出器がなく、したがって、テラヘルツ波の波長等をモニターすることは困難である。これに対して、波長８００ｎｍ前後のレーザ光の測定によってテラヘルツ波の波長を決定する方法を用いることによって、高感度での検出が可能となる。また、このモニターの結果に基づいて２波長発振レーザ２を制御しているので、外部環境等が変動してもテラヘルツ波の波長を安定に保つことができる。
【００４８】
図３は、本発明に係るテラヘルツ波発生装置の第２の実施形態を示す構成図である。
【００４９】
本実施形態における主共振器４は、レーザ媒質４０、レーザ媒質４０の一方の端面にコーティングによって形成された共振器鏡面４１ａ、及び凹面反射鏡である共振器鏡４２を有して構成されている。共振器鏡面４１ａは、励起用レーザ３からの励起用レーザ光を透過し、形成されるレーザ光を全反射するように形成される。また、共振器鏡４２は、レーザ光の一部を所定の割合で２波長設定手段５へと透過させる光入出力手段としても機能している。この場合、主共振器４の構成は第１の実施形態に比べて簡単化されている。
【００５０】
２波長設定手段５へと入射された光は、コリメートレンズ５２を通過した後、光分岐器５１によって分岐される。第１副共振器６及び第２副共振器７は同一の構成とされており、それぞれプリズム６１、７１、全反射鏡６２、７２、及び可変減衰フィルター６３、７３を有して構成されている。また、全反射鏡６２、７２はいずれも回転可能とされており、したがって、本実施形態においては２つの選択波長λ₁及びλ₂、及びそれらの光量がいずれも可変な構成となっている。これによって、より細かい条件調整が可能となる。特に、２つの選択波長が大きく異なった構成とした場合、最も高いレーザ出力強度が得られる波長を中心とし、その両側に２つの選択波長を設定することによって、常に大出力でのテラヘルツ波を得ることが可能となる。
【００５１】
また、光分岐器５１がレーザ光を光スイッチ素子１の方向へと出力する光出力手段として機能している。このように、２波長設定手段５内からレーザ光を出力する構成とすることによって、主共振器４中のレーザパワーをより高く保つことができる。
【００５２】
このとき、出力光の一部がハーフミラーなどの光分岐器２５によって分岐され、入射レンズ２１及び光ファイバ２２を介してスペクトラムアナライザー２３に入力されてレーザ光についての測定が行われる。また、制御装置２４は、第１副共振器６に設置された全反射鏡６２及び可変減衰フィルター６３と、第２副共振器７に設置された全反射鏡７２及び可変減衰フィルター７３とを制御して、レーザ光の２波長成分の波長及び強度比制御を行っている。
【００５３】
図４は、本発明に係るテラヘルツ波発生装置の第３の実施形態を示す構成図である。
【００５４】
本実施形態においては、主共振器４については第２の実施形態と同様の構成とされている。一方、２波長設定手段５については、第１副共振器６及び第２副共振器７に減衰フィルターが設置されておらず、全反射鏡６２、７２が回転可能であるとともに、移動ステージ上に設置されるなどして光路軸方向について可動に設置されている。
【００５５】
このとき、プリズム６１、７１からの距離が大きくなるように全反射鏡６２、７２を移動すると、プリズムでの分光のときにより狭い波長範囲の光が主共振器４へと戻るようになり、光量が減少されるので、これによって減衰フィルターと同様に光量調整手段として機能させることができる。この場合、副共振器６、７の構成がより簡単化される。また、制御装置２４は全反射鏡６２、７２を制御して、レーザ光の２波長成分の波長及び強度比制御を行っている。
【００５６】
また、コリメートレンズ５２と光分岐器５１との間に、さらに光スイッチ素子１への光出力手段として光分岐器５３が設置されている。また、光スイッチ素子１とは反対の方向へと出射された光は、反射鏡５４によって全反射されて、共振器内に戻るか、または光スイッチ素子１へと出力される。
【００５７】
本発明によるテラヘルツ波発生装置は、上記した実施形態に限られるものではなく、様々な構成とすることが可能である。２波長発振レーザ２については、主共振器４、副共振器６、７ともに、エタロン、グレーティング、複屈折フィルター、干渉フィルターなどの他の光学要素を使用するなどして、様々に変形することができる。
【００５８】
また、光出力手段についても、上記した実施形態に示したもの以外に様々な構成とすることができる。例えば、形成されたレーザ光の一部を励起用レーザ３側に出力して、そこから外部に出力する構成とすることも可能である。また、主共振器４内にハーフミラーを設置することもできる。
【００５９】
また、制御手段２４は、例えばさらに表示装置及び入力装置に接続して、表示された測定結果に基づいて操作者が入力装置を介して制御条件を指定する構成とするなど、様々な構成が可能である。
【００６０】
【発明の効果】
本発明によるテラヘルツ波発生装置は、以上詳細に説明したように、次のような効果を得る。すなわち、連続テラヘルツ波の発生に用いる２波長成分を有するレーザ光を、２台の半導体レーザ等を用いるのではなく、２つの副共振器を有する２波長発振レーザとすることによって、２波長のレーザ光の生成を効率化して得られるテラヘルツ波の出力を大強度化することができる。
【００６１】
特に、２波長発振レーザを、主共振器内において２波長成分を選択するのではなく、各波長成分に対して別個に副共振器を設けて波長選択を行う構成とすることによって、それぞれの波長成分を安定的に発生させてテラヘルツ波の発生を良好な条件によって行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るテラヘルツ波発生装置の第１の実施形態を示す構成図である。
【図２】第１副共振器の変形例を示す構成図である。
【図３】本発明に係るテラヘルツ波発生装置の第２の実施形態を示す構成図である。
【図４】本発明に係るテラヘルツ波発生装置の第３の実施形態を示す構成図である。
【図５】光スイッチを用いたテラヘルツ波の発生方法を説明する図である。
【図６】従来のテラヘルツ波発生装置の一例を示す構成図である。
【符号の説明】
１…光スイッチ素子、１ａ…出射レンズ、１ｂ…集光レンズ、
２…２波長発振レーザ、２１…入射レンズ、２２…光ファイバ、２３…スペクトラムアナライザー、２４…制御装置、２５…光分岐器、
３…励起用レーザ、４…主共振器、４０…レーザ媒質、４１、４２…共振器鏡、４１ａ…共振器鏡面、４３、４４…反射鏡、
５…２波長設定手段、５１…光分岐器、５２…コリメートレンズ、５３…光分岐器、５４…反射鏡、６…第１副共振器、６１…プリズム、６２…全反射鏡、６３…可変減衰フィルター、６４…ＡＯＴＦ、６４ａ…ＲＦドライバー、６５…補償プリズム、７…第２副共振器、７１…プリズム、７２…全反射鏡、７３…可変減衰フィルター。

Claims

励起光源と、少なくとも１つの光スイッチを有する光スイッチ素子とを備え、前記励起光源からの励起光が前記光スイッチ素子に入射されることによってテラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生装置であって、
前記励起光源は、レーザ媒質励起手段と、主共振器と、２波長設定手段とを含み、異なる２つの波長成分を有するレーザ光を前記励起光として供給する２波長発振レーザを備えて構成され、
前記主共振器は、前記レーザ媒質励起手段により励起されるレーザ媒質と、少なくとも２つの共振器鏡と、前記２波長設定手段への光の入出力を行う光入出力手段とを有し、いずれか１つの前記共振器鏡が前記光入出力手段として機能するように構成され、
前記２波長設定手段は、第１の波長成分の光を選択的に前記主共振器へ戻す第１の副共振器と、前記第１の波長成分とは異なる第２の波長成分の光を選択的に前記主共振器へ戻す第２の副共振器と、前記光入出力手段と前記第１の副共振器及び前記第２の副共振器との間に設置される光分岐器とを有するとともに、
前記第１の副共振器及び前記第２の副共振器は、前記光入出力手段からの光のうち、それぞれ前記第１の波長成分及び前記第２の波長成分を選択する波長選択手段と、波長選択された光を前記光入出力手段を介して前記主共振器へ戻すための光フィードバック手段とを有し、
前記レーザ媒質励起手段、前記主共振器、または前記２波長設定手段のいずれかに、前記励起光となる前記レーザ光を前記２波長発振レーザから出力する光出力手段が設けられており、
前記第１の副共振器及び前記第２の副共振器の前記波長選択手段の少なくとも一方は、その選択波長が可変であるように構成された可変波長選択手段であることを特徴とするテラヘルツ波発生装置。
前記レーザ媒質は、チタンサファイアであることを特徴とする請求項１記載のテラヘルツ波発生装置。
前記第１の副共振器及び前記第２の副共振器の少なくとも一方は、前記主共振器へ戻す波長選択された光の光量を調整するための光量調整手段を有することを特徴とする請求項１または２記載のテラヘルツ波発生装置。
前記２波長発振レーザは、前記レーザ光の波長・強度分布を測定するレーザ光測定手段と、前記レーザ光測定手段による測定結果に基づいて、前記光スイッチ素子において得られるテラヘルツ波のモニターまたは装置各部の制御を行う制御手段とを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のテラヘルツ波発生装置。