JP2016038488A - テラヘルツ波発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化が可能なテラヘルツ波発生装置を提供する。【解決手段】テラヘルツ波発生装置１は、第１の光軸Ｌ１に沿ってシード光ＳＬを出力するシード光出力部２と、第２の光軸Ｌ２に沿ってポンプ光ＰＬを出力するポンプ光出力部３と、シード光ＳＬ及びポンプ光ＰＬが入力され、シード光ＳＬとポンプ光ＰＬとの差周波数に相当する周波数を有するテラヘルツ波Ｔを発生させる差周波発生部４と、を備えている。差周波発生部４は、シード光ＳＬが入射されるシード光入射面５ｂを有している。シード光出力部２は、シード光ＳＬを発生するＰＣＳＥＬ６と、シード光ＳＬが出射されると共にシード光入射面５ｂに当接する上端面７ｂと、を有している。【選択図】図１

Description

本発明は、テラヘルツ波発生装置に関する。

テラヘルツ波は、概ね０．５ＴＨｚ〜３．０ＴＨｚの周波数を有する電磁波の一種である。テラヘルツ波は、薬物検査、半導体の欠陥検出及び電磁波通信など広範な分野への適用が期待されている。テラヘルツ波の発生方法には、差周波発生を利用する方法、フェムト秒レーザの発振スペクトルが広範囲に存在する特徴を利用する方法、又は半導体ウエハーに微細加工を施してアンテナ素子化する方法などがある。例えば、非特許文献１には、波長可変テラヘルツ光源が記載されている。この波長可変テラヘルツ光源は、励起光と注入光とを利用して非線形光学結晶を励起することにより、テラヘルツ光を発生させる。

発振波長が異なる２種類のレーザを用いた差周波発生型のテラヘルツ波発生装置が検討されている。このテラヘルツ波発生装置では、例えば、ポンプ光の光源としてレーザダイオード（ＬＤ）励起受動Ｑスイッチ固体レーザを利用し、シード光の光源としてファブリペロー型波長可変半導体レーザを利用している。このようなテラヘルツ波発生装置では、ポンプ光の縦モードがシングルモードであっても、横モードがマルチモードであると、所定条件下でテラヘルツ波は発生するが、このテラヘルツ波の特性を精度良く評価できない場合がある。具体的には、テラヘルツ波のピーク値が波長帯域において経時的に変動するので、テラヘルツ波の平均出力やピーク値を精度良く評価することが困難である。そこで、ポンプ光として利用される受動Ｑスイッチ固体レーザでは、出射光の縦モード及び横モードにおいてシングルモードであることが要求されている。

川瀬晃道他、「高出力・小型波長可変テラヘルツ光パラメトリック光源」、第５９回応用物理学会関係連合講演会講演予稿集、社団法人応用物理学会、２０１２年、第４号、p.253。

非特許文献１の波長可変テラヘルツ光源において、非線形光学結晶には円形のビームプロファイルを有するシード光を入射している。シード光を発生させる光源には、外部共振型半導体レーザ素子が利用されている。この外部共振型半導体レーザ素子からは、楕円型のビームプロファイルを有する光が出射される。そこで、波長可変テラヘルツ光源は、シード光の光源と非線形結晶との間に配置された光学処理系を有している。この光学処理系により、半導体レーザから出射された楕円状のビームプロファイルを、円形のビームプロファイルに整形している。

このようなテラヘルツ波発生装置を利用する技術分野にあっては、テラヘルツ波発生装置の小型化が望まれている。しかし、ビームプロファイルを整形するための光学処理系を有するテラヘルツ波発生装置は、小型化し難い。

そこで、本発明は、小型化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。

本発明の一側面に係るテラヘルツ波発生装置は、第１の光軸に沿ってシード光を出力するシード光出力部と、第２の光軸に沿ってポンプ光を出力するポンプ光出力部と、シード光及びポンプ光が入力され、シード光とポンプ光との差周波数に相当する周波数を有するテラヘルツ波を発生させる差周波発生部と、を備え、差周波発生部は、シード光が入射されるシード光入射面と、ポンプ光が入射されるポンプ光入射面と、を有し、シード光出力部は、シード光を発生するフォトニック結晶型面発光レーザと、シード光が出射されると共にシード光入射面に当接する光当接面と、を有する。

このテラヘルツ波発生装置は、シード光の光源としてフォトニック結晶型面発光レーザを備えている。フォトニック結晶型面発光レーザによれば、円形なエミッタエリアにおいてガウシアン分布の光密度を有する円形のシード光を得ることができる。このようなシード光は、ビームプロファイルを整形する必要がない。このため、テラヘルツ波発生装置は、ビームプロファイルを整形するための光学処理系が不要であるので、部品点数を削減することが可能である。従って、テラヘルツ波発生装置は、小型化が可能である。更に、シード光出力部と差周波発生部との間に光学処理系を配置する必要がないので、シード光出力部の光当接面を差周波発生部のシード光入射面に当接させることができる。すなわち、シード光出力部と差周波発生部との間に空間を設ける必要がない。従って、テラヘルツ波発生装置を構成する部品間隔を小さくすることが可能になるので、一層の小型化が可能になる。

差周波発生部は、非線形光学結晶を有し、非線形光学結晶は、シード光入射面と、ポンプ光入射面と、シード光とポンプ光とが所定の交差角度をもって交差する光混合部と、を含むこととしてもよい。この構成によれば、シード光出力部及びポンプ光出力部の位置関係が、非線形光学結晶単体で規定される。従って、シード光出力部及びポンプ光出力部の位置関係を規定するための追加の部品が不要になるので、テラヘルツ波発生装置の構成を簡素化することができる。

シード光出力部は、第１の光軸が光当接面に対して直交するようにシード光を出力し、シード光入射面とポンプ光入射面とのなす角度は、交差角度に基づいて設定されていてもよい。この構成によれば、シード光出力部及びポンプ光出力部の位置関係が、シード光入射面及びポンプ光入射面により規定される。これにより、第１の光軸が光当接面に対して直交するシード光出力部を利用できるので、シード光出力部の構成が簡素化され、より小型化される。従って、テラヘルツ波発生装置を容易に小型化することができる。

シード光入射面とポンプ光入射面とは、同一平面内に含まれ、第１の光軸と光当接面とのなす角度は、交差角度に基づいて設定されていてもよい。この構成によれば、シード光入射面とポンプ光入射面とは、同一平面内に含まれているので、差周波発生部を構成する非線形光学結晶を加工して、シード光入射面とポンプ光入射面とを所定の角度の関係に形成する必要がない。従って、テラヘルツ波発生装置の構成部品を容易に準備することができる。

差周波発生部は、非線形光学結晶と、第１の光軸上に配置された光透過性光学部品と、を有し、非線形光学結晶は、ポンプ光入射面と、シード光とポンプ光とが所定の交差角度をもって交差する光混合部と、を含み、光透過性光学部品は、シード光入射面を含むこととしてもよい。この構成によれば、第１の光軸が光当接面に対して直交するシード光出力部を利用している。また、シード光入射面とポンプ光入射面とを所定の角度の関係に形成する必要もない。従って、テラヘルツ波発生装置の構成部品を容易に準備することができる。

シード光出力部は、第１の光軸が光当接面に対して直交するようにシード光を出力し、シード光入射面とポンプ光入射面とのなす角度は、交差角度に基づいて設定されていてもよい。この構成によれば、簡易な構成でシード光出射部とポンプ光出射部との位置関係を規定することができる。

交差角度は、シード光とポンプ光とが位相整合条件を満たす位相整合角度であってもよい。この角度によれば、テラヘルツ波を効率よく発生させることができる。

本発明の他の側面に係るテラヘルツ波発生装置は、第１の光軸に沿ってシード光を出力するシード光出力部と、第２の光軸に沿ってポンプ光を出力するポンプ光出力部と、シード光及びポンプ光が入力され、シード光とポンプ光との差周波数に相当する周波数を有するテラヘルツ波を発生させる差周波発生部と、を備え、差周波発生部は、シード光が入射されるシード光入射面と、ポンプ光が入射されるポンプ光入射面と、を有し、シード光出力部は、シード光を発生する外部共振型面発光レーザと、シード光が出射されると共にシード光入射面に当接する光当接面と、を有する。

このテラヘルツ波発生装置のシード光出力部は、外部共振型面発光レーザを有している。外部共振型面発光レーザから出射されたレーザ光によれば、ビームプロファイルを整形するための光学処理系が不要であるので、部品点数を削減することが可能である。従って、テラヘルツ波発生装置は、小型化が可能である。更に、シード光出力部と差周波発生部との間に光学処理系を配置する必要がないので、テラヘルツ波発生装置を構成する部品間隔を小さくすることが可能になる。従って、一層の小型化が可能になる。

本発明によれば、小型化が可能なテラヘルツ波発生装置が提供される。

第１実施形態に係るテラヘルツ波発生装置の構成を示す図である。 図１に示されたシード光出力部の構成を示す図である。 第２実施形態に係るテラヘルツ波発生装置の構成を示す図である。 第３実施形態に係るテラヘルツ波発生装置の構成を示す図である。 図４に示されたシード光出力部の構成を示す図である。 変形例１に係るテラヘルツ波発生装置の構成を示す図である。 変形例２に係るテラヘルツ波発生装置の構成を示す図である。 （ａ）は、図６に示されたシード光出力部の構成を示す図であり、（ｂ）は、図７に示されたシード光出力部の構成を示す図である。

＜第１実施形態＞
以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための形態を詳細に説明する。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１に示されるように、テラヘルツ波発生装置１は、シード光出力部２と、ポンプ光出力部３と、差周波発生部４と、を備えている。テラヘルツ波発生装置１は、差周波発生の原理を利用してテラヘルツ波を発生させる。具体的には、テラヘルツ波発生装置１は、シード光ＳＬとポンプ光ＰＬとを差周波発生部４の内部で光混合する。そうすると、シード光ＳＬの周波数ω_Ｓとポンプ光ＰＬの周波数ω_Ｐの差周波数に相当する周波数（ω_Ｔ＝｜ω_Ｓ−ω_Ｐ｜）を有するテラヘルツ波Ｔが発生する。

図２に示されるように、シード光出力部２は、第１の光軸Ｌ１に沿ってシード光ＳＬを出力する。シード光出力部２は、フォトニック結晶型面発光レーザ６と、キャップ７と、ステム８とを有している。なお、本実施形態でいう「面発光レーザ」とは、光が半導体基板に対して垂直に出射する構造を有するレーザをいう。

フォトニック結晶面発光レーザ（Photonic Crystal Surface Emitting Laser）（以下、「ＰＣＳＥＬ」ともいう）６は、フォトニック結晶を備えた垂直共振型面発光レーザである。面発光レーザにおいて、フォトニック結晶は、屈折率の異なる材料が周期的に並んだナノ構造体からなる層であって、例えばＧａＡｓ等の化合物半導体層内に複数の穴が周期的に形成され、複数の穴をそのまま利用したり、又は複数の穴にベースとなる化合物半導体材料とは屈折率の異なる別の化合物半導体が埋め込まれた構造であって、活性層とクラッド層との間に配置されている。活性層に閉じ込められた光がフォトニック結晶内の共振で発振し、２次のブラッグ（Ｂｒａｇｇ）回折により、光の一部が垂直方向に回折され、レーザ発振する。従ってフォトニック結晶は、共振するレーザ光の波長を決定すると共に、光の共振によってレーザ光を生成するものである。フォトニック結晶によれば、安定したレーザ光の発振状態を得ることができる。また、ＰＣＳＥＬ６では、レーザ発振に関与する素子構造のエミッタ形状が真円であるので、円形のビームプロファイルを有する出力光を得ることができる。また、出力光の光密度分布は、同心円状において均一である。

このＰＣＳＥＬ６は、チップキャリア９に取り付けられている。そして、チップキャリア９は、ヒートシンク１１に取り付けられている。ヒートシンク１１は、ステム８に取り付けられている。このヒートシンク１１は、チップキャリア９が取り付けられたキャリア取付面１１ａと、ステム８に固定されたステム取付面１１ｂとを有している。キャリア取付面１１ａは、ステム取付面１１ｂに対して平行である。

キャップ７は、その内部にＰＣＳＥＬ６等を収容する。キャップ７の内部は、窒素ガスが充填されて外部から封止されている。キャップ７の下端縁７ａは、ステム８に固定されている。キャップ７の上端面（光当接面）７ｂは、ステム８に対して平行である。上端面７ｂは、光出射窓７ｃを有している。光出射窓７ｃは、上端面７ｂ形成された孔がＡＲコーティングが施された透明光学部材７ｄによって塞がれて構成されている。また、上端面７ｂは、差周波発生部４に当接し、光学接着剤により接着固定されている（図１参照）。ステム８には、複数のリードピン１２が設けられている。このリードピン１２を介してＰＣＳＥＬ６に電流を供給する。

ここで、ステム８の搭載面８ａには、ヒートシンク１１のステム取付面１１ｂが固定されている。ステム取付面１１ｂに対してキャリア取付面１１ａは平行である。このキャリア取付面１１ａには、ＰＣＳＥＬ６を搭載したチップキャリア９が取り付けられている。ＰＣＳＥＬ６は、キャリア取付面１１ａに対して直交する方向にシード光ＳＬを出射する。即ち、第１の光軸Ｌ１は、搭載面８ａに対して直交している。そして、ステム８の搭載面８ａに対してキャップ７の上端面７ｂは、平行である。従って、第１の光軸Ｌ１は、上端面７ｂに対して直交している。

シード光出力部２は、基板１３に対して機械的及び電気的に接続されている。この基板１３は、ＰＣＳＥＬ６の駆動するための制御素子などを有している。また、基板１３は、ＰＣＳＥＬ６の温度を制御するためのヒータ１３ａを有している。

図１に示されるように、ポンプ光出力部３は、第２の光軸Ｌ２に沿ってポンプ光ＰＬを出力する。ポンプ光出力部３は、例えば、受動Ｑスイッチレーザ（Ｎｄ：ＹＡＧレーザ）である。このポンプ光出力部３は、縦モード及び横モードが共にシングルモードであるポンプ光を出射する。また、ポンプ光ＰＬは、パルス幅が１００ｐｓｅｃ〜１０００ｐｓｅｃ（一例として４５０ｐｓｅｃ）であり、１パルスあたりのエネルギが例えば５００μＪ／ｐｕｌｓｅである。また、ポンプ光ＰＬのビーム品質Ｍ２は、一例として１．５以下である。

差周波発生部４は、非線形光学結晶５を有している。非線形光学結晶５としては、例えば、光損傷に強い定比組成のＭｇＯドープＬｉＮｂＯ_３結晶（ＭｇＯ：ＬＮ結晶）、ＬｉＴａＯ_３結晶（ｓＬＴ結晶）、ＺｎＴｅ、ＧａＰ、ＧａＳｅなどがある。差周波発生部４は、端面５ａの一部が切り取られた略直方体状を為している。非線形光学結晶５は、シード光入射面５ｂと、ポンプ光入射面５ｃと、光混合部１７と、光出射面５ｄとを有している。

シード光入射面５ｂは、端面５ａの一部が切り取られて形成された斜面である。シード光入射面５ｂには、光学研磨処理がなされている。このシード光入射面５ｂには、シード光出力部２が接着されている。具体的には、キャップ７の上端面７ｂが接着されている。ここで、第１の光軸Ｌ１は、上端面７ｂに対して直交する。そうすると、第１の光軸Ｌ１は、上端面７ｂに当接しているシード光入射面５ｂに対しても直交する。

ポンプ光入射面５ｃは、端面５ａにおいて切り取られずに残った部分である。従って、ポンプ光入射面５ｃとシード光入射面５ｂとの間の角部Ａ２は、所定の角度φをなしている。この所定の角度φについては後に詳細に説明する。ポンプ光ＰＬは、ポンプ光入射面５ｃに対して垂直に入射される。すなわち、第２の光軸Ｌ２は、ポンプ光入射面５ｃに対して直交する。

第１の光軸Ｌ１は、シード光入射面５ｂに対して直交している。また、第２の光軸Ｌ２は、ポンプ光入射面５ｃに対して直交している。そして、ポンプ光入射面５ｃとシード光入射面５ｂの間の角部Ａ２は角度φである。従って、第１の光軸Ｌ１と第２の光軸Ｌ２の等位相面とは、それらの延長線上で交差するので、第１の光軸Ｌ１と第２の光軸Ｌ２の等位相面による相互作用領域が形成され、テラヘルツ波が発生する。この相互作用領域が、光混合部１７である。光混合部１７では、第１の光軸Ｌ１と第２の光軸Ｌ２とが所定の交差角度をもって交差している。この交差角度は、シード光ＳＬとポンプ光ＰＬとの間における位相整合条件を満たす位相整合角度θ_ＰＭである。この位相整合角度θ_ＰＭは、運動量保存の法則に基づいて決定される。第２の光軸Ｌ２に対して位相整合角度θ_ＰＭをもって第１の光軸Ｌ１を交差させるためには、シード光入射面５ｂをポンプ光入射面５ｃを含む端面５ａに対して、角度φだけ傾ける必要がある。この位相整合角度θ_ＰＭと角度φとの関係は、φ＝（１８０−θ_ＰＭ）［ｄｅｇ］である。

光出射面５ｄは、位相整合される領域において、位相整合されずに透過されてきたポンプ光並びにシード光が出射する面であり、ポンプ光入射面５ｃと反対側の端面に形成されている。すなわち、光出射面５ｄは、第２の光軸Ｌ２上にあり、第２の光軸Ｌ２に対して直交している。

テラヘルツ波発生装置１は、制御部１９を更に備えている。制御部１９は、シード光出力部２及びポンプ光出力部３の動作を制御するものである。例えば、制御部１９は、シード光ＳＬ及びポンプ光ＰＬの強度や波長を制御する。このテラヘルツ波発生装置１は、シード光ＳＬの波長を制御することにより、テラヘルツ波Ｔの波長を制御している。シード光ＳＬを発生するＰＣＳＥＬ６は、素子温度によって出力光の波長が変化する。従って、制御部１９は、ＰＣＳＥＬ６の温度を制御することにより、シード光ＳＬの波長を制御している。例えば、制御部１９とヒータ１３ａとによれば、ＰＣＳＥＬ６の温度を０．１℃刻みで制御することが可能である。

ところで、端面発光型半導体レーザではビームプロファイルのＸ方向又はＹ方向の何れか一方が他方よりも長い形状を有している。そこで、複数のレンズを有する光学系を利用してレーザ光のビームプロファイルを整形している。しかし、光学系による整形処理ではビームプロファイルを完全に真円にすることは困難である。また、レーザ光の光密度分布も同心円状に不均一な分布である。この不均一な光密度分布を改善するために、レーザ光を光ファイバに通して光混合する。

一方、このテラヘルツ波発生装置１は、シード光ＳＬの光源としてＰＣＳＥＬ６を備えている。ＰＣＳＥＬ６によれば、均一な光密度を有する円形のシード光ＳＬを得ることができる。このようなシード光ＳＬは、ビームプロファイルを整形する必要がない。従って、テラヘルツ波発生装置１は、ビームプロファイルを整形するための光学処理系が不要であるので、部品点数を削減することが可能である。従って、テラヘルツ波発生装置１は、小型化が可能である。

また、ポンプ光ＰＬとシード光ＳＬとが交差する位相整合角度θ_ＰＭは、非常に小さい。従って、シード光出力部２及びポンプ光出力部３から、光混合部１７までの距離が長くなる。そうすると、シード光出力部２がポンプ光ＰＬの光路を遮ったり、ポンプ光出力部３がシード光ＳＬの光路を遮ったりすることが生じ得る。

一方、シード光出力部２と差周波発生部４との間に光学処理系を配置する必要がないので、シード光出力部２の上端面７ｂを差周波発生部４のシード光入射面５ｂに当接させることができる。すなわち、シード光出力部２と差周波発生部４との間に空間を設ける必要がないので、シード光出力部２及びポンプ光出力部３から、光混合部１７までの距離を短くすることができる。従って、シード光ＳＬ及びポンプ光ＰＬの光路が遮られることがない。更には、テラヘルツ波発生装置１を構成する部品間隔を小さくすることが可能になるので、一層の小型化が可能になる。

また、このテラヘルツ波発生装置１では、シード光出力部２及びポンプ光出力部３の間の位置関係が、非線形光学結晶単体で規定される。具体的には、シード光出力部２及びポンプ光出力部３の位置関係が、シード光入射面５ｂ及びポンプ光入射面５ｃにより規定される。これにより、シード光出力部２及びポンプ光出力部３の位置関係を規定するための追加の部品が不要になると共に、シード光出力部２の構成が簡易になる。従って、テラヘルツ波発生装置１を更に小型化することができる。

＜実施例＞
以下、テラヘルツ波発生装置１の駆動条件の一例を説明する。テラヘルツ波発生装置１から出力されるテラヘルツ波Ｔの周波数帯域は、０．５ＴＨｚ〜３．０ＴＨｚである。また、ポンプ光ＰＬの波長は一定値（１０６４．２ｎｍ）である。そうすると、テラヘルツ波Ｔの可変波長域（０．５ＴＨｚ〜３．０ＴＨｚ）を達成するために、シード光ＳＬの波長を、１０７５．６５ｎｍ〜１０６６．１０ｎｍの範囲で変化させる。例えば、シード光ＳＬの波長を１０６８．３７ｎｍとした場合には、テラヘルツ波Ｔの周波数は１．１０ＴＨｚである。また、シード光ＳＬの波長を１０６８．４１ｎｍとした場合には、テラヘルツ波Ｔの周波数は１．１１ＴＨｚである。従って、テラヘルツ波Ｔの周波数を０．０１ＴＨｚ刻みで制御するとすれば、シード光ＳＬの波長をおよそ０．０４ｎｍ以下の刻みで制御する必要がある。

ここで、比較例に係る外部共振型のグレーティング素子を利用した半導体レーザでは、その出射光の波長を小数点以下２桁まで精度良く制御することは困難である。一方、前述したように、制御部１９によるＰＣＳＥＬ６の温度制御精度は、０．１℃である。この精度を波長に換算すると、制御部１９によるＰＣＳＥＬ６の波長制御精度は、０．００７ｎｍ／Ｋである。従って、上述した駆動条件によれば、テラヘルツ波Ｔの周波数を例えば０．０１ＴＨｚ刻みで制御することが可能である。

また、シード光ＳＬを発生させるＰＣＳＥＬ６の波長―温度特性は、例えば０．０７ｎｍ／Ｋである。従って、温度制御の範囲を４０℃に設定すると、中心波長が異なる３個のＰＣＳＥＬを備えることにより、シード光ＳＬに要求される波長帯域（１０７５．６５ｎｍ〜１０６６．１０ｎｍ）を実現できる。また、温度制御の範囲を１２０℃に設定した場合には、１個のＰＣＳＥＬで要求される波長帯域を実現できる。

＜第２実施形態＞
次に、図３に示されるように、第２実施形態に係るテラヘルツ波発生装置１Ａについて説明する。テラヘルツ波発生装置１Ａは、差周波発生部４Ａが光透過性光学部品２１を有している点で、第１実施形態に係るテラヘルツ波発生装置１と相違する。また、テラヘルツ波発生装置１Ａは、差周波発生部４Ａが有する非線形光学結晶２２が切り取り加工されていない点で第１実施形態に係るテラヘルツ波発生装置１と相違する。その他の構成は、第１実施形態に係るテラヘルツ波発生装置１と同様である。以下、差周波発生部４Ａについて詳細に説明する。

差周波発生部４Ａは、非線形光学結晶２２と、光透過性光学部品２１とを有している。非線形光学結晶２２は、第１実施形態の非線形光学結晶５と同じ材料からなる。非線形光学結晶２２は、端面２２ａの一部が切り取られる加工はなされていない。第１実施形態において切り取られた箇所に相当する部分には、光透過性光学部品２１が接着されている。すなわち、光透過性光学部品２１は、ポンプ光入射面２２ｃを含む端面２２ａに固定されている。

光透過性光学部品２１は、非線形光学結晶２２に対してシード光出力部２を固定する。具体的には、シード光出力部２の第１の光軸Ｌ１が、第２の光軸Ｌ２に対して位相整合条件を満たす位相整合角度θ_ＰＭで交差するようにシード光出力部２の姿勢を保持する。すなわち、第２実施形態に係る差周波発生部４Ａでは、光透過性光学部品２１がシード光入射面２１ａを有し、非線形光学結晶２２がポンプ光入射面２２ｃを有している。

光透過性光学部品２１は、シード光ＳＬに対して透明な材料からなる。光透過性光学部品２１は、断面が直角三角形である三角柱状をなしている。光透過性光学部品２１の斜面であるシード光入射面２１ａには、シード光出力部２が当接して接着されている。また、シード光入射面２１ａとは反対側の底面２１ｂは、非線形光学結晶２２の端面２２ａに当接して接着されている。シード光入射面２１ａと底面２１ｂとの間の角部Ａ３は、位相整合条件を満たす位相整合角度θ_ＰＭに基づいて設定されている。底面２１ｂとシード光入射面２１ａと第１の光軸Ｌ１とにより構成される三角形は、第１の光軸Ｌ１と第２の光軸Ｌ２と端面２２ａとにより構成される三角形に対して相似である。従って、光透過性光学部品２１の底面２１ｂとシード光入射面２１ａとの角部Ａ３は、第１の光軸Ｌ１と第２の光軸Ｌ２との間の角部Ａ１に対応する。従って、第１の光軸Ｌ１と第２の光軸Ｌ２との間の角部Ａ１が位相整合角度θ_ＰＭである場合、光透過性光学部品２１と非線形光学結晶２２が同じ屈折率を有する材料であれば角部Ａ３も位相整合角度θ_ＰＭである。また光透過性光学部品２１と非線形光学結晶２２が異なる屈折率を有する材料であれば、角部Ａ３はスネルの法則に従った角度となる。

テラヘルツ波発生装置１Ａは、第１実施形態に係るテラヘルツ波発生装置１と同様に、小型化が可能である。また、テラヘルツ波発生装置１Ａでは、第１の光軸Ｌ１が上端面７ｂに対して直交するシード光出力部２を利用している。また、シード光入射面２１ａとポンプ光入射面２２ｃとを所定の角度の関係に形成しさえすれば、テラヘルツ波発生装置１Ａの構成部品を容易に準備することができる。

＜第３実施形態＞
次に、図４に示されるように、第３実施形態に係るテラヘルツ波発生装置１Ｂについて説明する。テラヘルツ波発生装置１Ｂは、シード光出力部２Ａにおけるシード光ＳＬの出射方向が第１実施形態に係るテラヘルツ波発生装置１と相違する。また、テラヘルツ波発生装置１Ｂは、差周波発生部４Ｂが有する非線形光学結晶２２が切り取り加工されていない点で第１実施形態に係るテラヘルツ波発生装置１と相違する。その他の構成は、第１実施形態に係るテラヘルツ波発生装置１と同様である。以下、シード光出力部２Ａ及び差周波発生部４Ｂについて詳細に説明する。

シード光出力部２Ａは、シード光ＳＬの出射方向（即ち第１の光軸Ｌ１）がキャップ７の上端面７ｂに対して直交していない。すなわち、上端面７ｂに対して第１の光軸Ｌ１が傾いている。上端面７ｂの法線Ｌ３と第１の光軸Ｌ１との間の角部Ａ４は、第１の光軸Ｌ１と第２の光軸Ｌ２との間の角部Ａ１の錯角である。従って、第１の光軸Ｌ１と第２の光軸Ｌ２との間の角部Ａ１が位相整合角度θ_ＰＭである場合には、角部Ａ４も位相整合角度θ_ＰＭに設定される。

図５に示されるように、シード光出力部２Ａは、傾斜ベース２３を有している。傾斜ベース２３は、ステム８とヒートシンク１１との間に配置されている。傾斜ベース２３は、搭載面８ａに固定されたステム取付面２３ａと、ステム取付面２３ａの反対側のヒートシンク取付面２３ｂとを有している。このヒートシンク取付面２３ｂは、ステム取付面２３ａに対して平行ではない。

このステム取付面２３ａとヒートシンク取付面２３ｂとの間の角部Ａ５（図５（ｂ）参照）は、位相整合角度θ_ＰＭに基づいて設定されている。ステム取付面２３ａとヒートシンク取付面２３ｂとによりなる角度Ａ５は、第１の光軸Ｌ１と第２の光軸Ｌ２或いは端面２２ａとによりなる角度Ａ１に対してスネルの法則で規定される角度となっている。すなわち第１の光軸Ｌ１と第２の光軸Ｌ２との間の角部Ａ１が位相整合角度θ_ＰＭである場合には、角部Ａ５はスネルの法則に規定される角度となり位相整合角度θ_ＰＭとはならない。

図４に示されるように、非線形光学結晶２２は、端面２２ａの一部が切り取られる加工はなされていない。第１実施形態において切り取られた箇所に相当する部分には、シード光入射面２２ｂが設定されている。すなわち、本実施形態では、端面２２ａは、シード光入射面２２ｂとポンプ光入射面２２ｃとを含んでいる。そして、上述したように、シード光出力部２Ａの第１の光軸Ｌ１は、上端面７ｂに対して傾いている。従って、シード光出力部２Ａの上端面７ｂを非線形光学結晶２２の端面２２ａに当接させて固定すれば、非線形光学結晶２２の光混合部１７において、第１の光軸Ｌ１と第２の光軸Ｌ２とは、位相整合条件を満たす位相整合角度θ_ＰＭで交差する。

テラヘルツ波発生装置１Ｂは、第１実施形態に係るテラヘルツ波発生装置１と同様に、小型化が可能である。また、テラヘルツ波発生装置１Ｂでは、シード光入射面２２ｂとポンプ光入射面２２ｃとは、同一平面内に含まれているので、差周波発生部４を構成する非線形光学結晶２２を加工して、シード光入射面２２ｂとポンプ光入射面２２ｃとを所定の角度の関係に形成する必要がない。従って、テラヘルツ波発生装置１Ｂの構成部品を容易に準備することができる。

本発明は、前述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

＜変形例１＞
図６に示されるように、テラヘルツ波発生装置１Ｃのシード光出力部２Ｂは、外部共振型面発光レーザ（垂直共振器型面発光レーザとも言われ、Vertical External Cavity Surface Emitting Laser：VECSELと称す）を有していてもよい。図８（ａ）に示されるように、外部共振型面発光レーザは、一般に言われている面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）の出力ミラーに相当するブラッグ反射鏡を形成せず、別の部品として外部ミラーを設けるものである。ブラッグ反射鏡がない面発光レーザ素子（以下半導体チップとする）２６単独では発振することはできないが、ヒートシンク上に、半導体チップ２６と、半導体チップ２６とは別体の出射ミラー２７とを所定の間隔でヒートシンク上に配置し、外部ミラーにブラッグ反射鏡を代用させることで、共振器長が一般的な面発光レーザに比べれば非常に長くなり、ビームはかなり狭い広がり角で出射することができる。更に、シード光出力部２Ｂは、半導体チップ２６を支持するヒートシンク１１と、ヒートシンク１１を支持するステム８と、半導体チップ２６と出射ミラー２７とを収容するキャップ２８と、を有している。半導体チップ２６は、ヒートシンク１１を介してステム８の搭載面８ａに固定されている。キャップ２８の上端面２８ａには、レーザ光が出射される光出射窓２８ｂが形成されている。光出射窓２８ｂは、ＡＲコーティングが施された透明光学部材２８ｃによって塞がれている。出射ミラー２７は、キャップ２８の内部における上端面７ｂ側に配置されている。また、半導体チップ２６と出射ミラー２７との間には、レーザ光を偏光するブリュースター材２９が配置されている。

外部共振型面発光レーザを有するシード光出力部２Ｂでは、発光部において発生した光が出射ミラー２７と反射ミラーとの間で共振し、光出射窓２８ｂから外部へレーザ光が出射される。このようなシード光出力部２Ｂによれば、ビームプロファイルが円形であるシード光を好適に得ることができる。

＜変形例２＞
図７に示されるように、テラヘルツ波発生装置１Ｄのシード光出力部２Ｃは、変形例１とは別の外部共振型面発光レーザを有していてもよい。シード光出力部２Ｃでは、出射側の出射ミラー３４が非線形光学結晶５のシード光入射面５ｂ上に形成されている。図８（ｂ）に示されるように、外部共振型面発光レーザは、ヒートシンク３０と、ヒートシンク３０上に配置された半導体チップ３１及びスペーサ３２と、リード３３とを有している。半導体チップ３１において発生した光は、半導体チップ３１が含む反射ミラー（不図示）と、シード光入射面５ｂに形成された出射ミラー３４との間で共振し、非線形光学結晶５内に入力される。このようなシード光出力部２Ｃによれば、ビームプロファイルが円形であるシード光を好適に得ることができる。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ…テラヘルツ波発生装置、２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ…シード光出力部、３…ポンプ光出力部、４，４Ａ，４Ｂ…差周波発生部、５，２２…非線形光学結晶、５ｂ，２２ｂ…シード光入射面、５ｃ，２２ｃ…ポンプ光入射面、６…フォトニック結晶面発光レーザ、７ｂ…上端面（光当接面）、Ｌ１…第１の光軸、Ｌ２…第２の光軸、ＰＬ…ポンプ光、ＳＬ…シード光、Ｔ…テラヘルツ波、θ_ＰＭ…位相整合角度。

Claims (8)

1. 第１の光軸に沿ってシード光を出力するシード光出力部と、
   第２の光軸に沿ってポンプ光を出力するポンプ光出力部と、
   前記シード光及び前記ポンプ光が入力され、前記シード光と前記ポンプ光との差周波数に相当する周波数を有するテラヘルツ波を発生させる差周波発生部と、を備え、
   前記差周波発生部は、前記シード光が入射されるシード光入射面と、前記ポンプ光が入射されるポンプ光入射面と、を有し、
   前記シード光出力部は、前記シード光を発生するフォトニック結晶型面発光レーザと、前記シード光が出射されると共に前記シード光入射面に当接する光当接面と、を有する、テラヘルツ波発生装置。
2. 前記差周波発生部は、非線形光学結晶を有し、
   前記非線形光学結晶は、前記シード光入射面と、前記ポンプ光入射面と、前記シード光と前記ポンプ光とが所定の交差角度をもって交差する光混合部と、を含む、請求項１記載のテラヘルツ波発生装置。
3. 前記シード光出力部は、前記第１の光軸が前記光当接面に対して直交するように前記シード光を出力し、
   前記シード光入射面と前記ポンプ光入射面とのなす角度は、前記交差角度に基づいて設定されている、請求項２記載のテラヘルツ波発生装置。
4. 前記シード光入射面と前記ポンプ光入射面とは、同一平面内に含まれ、
   前記第１の光軸と前記光当接面とのなす角度は、前記交差角度に基づいて設定されている、請求項２記載のテラヘルツ波発生装置。
5. 前記差周波発生部は、非線形光学結晶と、前記第１の光軸上に配置された光透過性光学部品と、を有し、
   前記非線形光学結晶は、前記ポンプ光入射面と、前記シード光と前記ポンプ光とが所定の交差角度をもって交差する光混合部と、を含み、
   光透過性光学部品は、前記シード光入射面を含む、請求項１記載のテラヘルツ波発生装置。
6. 前記シード光出力部は、前記第１の光軸が前記光当接面に対して直交するように前記シード光を出力し、
   前記シード光入射面と前記ポンプ光入射面とのなす角度は、前記交差角度に基づいて設定されている、請求項５記載のテラヘルツ波発生装置。
7. 前記交差角度は、前記シード光と前記ポンプ光とが位相整合条件を満たす位相整合角度である、請求項２〜６の何れか一項記載のテラヘルツ波発生装置。
8. 第１の光軸に沿ってシード光を出力するシード光出力部と、
   第２の光軸に沿ってポンプ光を出力するポンプ光出力部と、
   前記シード光及び前記ポンプ光が入力され、前記シード光と前記ポンプ光との差周波数に相当する周波数を有するテラヘルツ波を発生させる差周波発生部と、を備え、
   前記差周波発生部は、前記シード光が入射されるシード光入射面と、前記ポンプ光が入射されるポンプ光入射面と、を有し、
   前記シード光出力部は、前記シード光を発生する外部共振型面発光レーザと、前記シード光が出射されると共に前記シード光入射面に当接する光当接面と、を有する、テラヘルツ波発生装置。

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