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JP2019035789A - テラヘルツ波発生方法、及びテラヘルツ波発生装置 - Google Patents

テラヘルツ波発生方法、及びテラヘルツ波発生装置 Download PDF

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Abstract

【課題】非線形光学結晶の光損傷を回避しつつ、室温で繰り返し周波数が高く単色性の高いテラヘルツ波を発生することが可能なテラヘルツ波発生方法、及びテラヘルツ波発生装置を提供する。【解決手段】光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にポンプ光を入射することにより、ノンコリニア位相整合条件を満たす方向にテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生方法は、ピーク励起パワー密度が所定のテラヘルツ波発振閾値以上であり、且つ所定のレーザー損傷閾値以下になり、平均励起パワー密度が所定のフォトリフラクティブ効果発生閾値以下になるように、１０ｐｓ以上であり、且つ１ｎｓ以下のパルス幅を有し１ｋＨｚ以上の繰り返し周波数を有するポンプ光を非線形光学結晶に入射させる。【選択図】図４

Description

本発明は、テラヘルツ波発生方法、及びテラヘルツ波発生装置に関する。
テラヘルツ波領域（遠赤外領域）は、光波と電波の接点に位置する周波数領域であり、オプティクスとエレクトロニクスの境界に位置する領域である。このようなテラヘルツ波領域は光波のような直進性や電波のような物質透過性を併せ持ち、イメージングや分光計測への応用が期待されている。ところが、テラヘルツ波領域は、光波帯や電波帯と異なり技術面や応用面で未開拓の領域であり、光源や検出器におけるキラーデバイスの開発が強く望まれている。特に、０．３〜５ＴＨｚの周波数領域は、テラヘルツギャップと呼ばれている。
近年、光整流（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｒｅｃｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）を利用した高強度のテラヘルツ波光源が開発され、注目を集めている。このテラヘルツ波光源は、フェムト秒レーザーの波面を傾斜させて非線形光学結晶（ＬｉＮｂＯ３）の表面を高強度励起することで、広帯域（ブロードバンド）に高ピーク強度のテラヘルツ波を発生させる。
一方で、狭線幅（ナローバンド）のテラヘルツ波光源へのニーズも数多く存在する。テラヘルツ波領域は、結晶のフォノンモード、分子の低周波振動モード、気体の回転モードなどのエネルギーレベルに対応する領域である。例えば、テラヘルツ波領域における大気の吸収スペクトルでは、空気中の低分子量の気体分子、特に水蒸気による吸収線（ロス）が多く存在していることが知られている。従って、大気環境下における計測においては、狭線幅のテラヘルツ波光源を使い、吸収線を避けて周波数を選択することが望ましい。また、テラヘルツ分光計測により対象の分子種を特定する場合には、吸収線幅以下の線幅を有する光源を使うことが有効である。
上記のようなニーズを背景に、近年、光注入型テラヘルツパラメトリック発生（ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ−ｓｅｅｄｅｄ Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ：以下、ｉｓ−ＴＰＧ）方式のテラヘルツ波光源が開発され、注目を集めている（例えば、特許文献１を参照）。
ラマン活性、且つ遠赤外活性を有する非線形光学結晶にポンプ光（励起光）を入射すると、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）を介してアイドラ光とテラヘルツ波が発生する。
非線形光学結晶にポンプ光だけが注入される場合、アイドラ光とテラヘルツ波はパラメトリックノイズから発生する自然放出光として発生するため、スペクトル線幅が広くなり、且つテラヘルツ波は非常に微弱である。
そこで、光パラメトリック効果により発生するテラヘルツ波に対し、狭線幅のシード光を光注入することで、ゲイン集中によるスペクトル狭窄化を行い、単色性の高い（＜４ＧＨｚ）テラヘルツ波を発生する手法が知られている（例えば、特許文献２を参照）。このようなシード光を用いることによりフェムト秒レーザーのような超短パルス光源が不要となり、装置のコンパクト化や低コスト化を図ることができる。
ｉｓ−ＴＰＧ方式のテラヘルツ波光源において、繰り返し周波数が１００Ｈｚ以下でピーク強度（尖頭値）の高いサブナノ秒マイクロチップレーザーを励起光源として用いることで、非線形光学結晶を励起光で高強度励起し、室温で、高変換効率（〜１０−４）にピーク強度が高いコヒーレントテラヘルツ波を発生する手法が提案されている（例えば、非特許文献１を参照）。サブナノ秒の励起光を用いることにより誘導ラマン散乱と利得競合する誘導ブリルアン散乱の寄与を抑制し、高い変換効率が実現されている。
また、ｉｓ−ＴＰＧ方式のテラヘルツ波光源において、広帯域（０．４〜４．７ＴＨｚ）でテラヘルツ波を発生する手法も提案されている（例えば、非特許文献２を参照）。
特開２００２−７２２６９号公報 特許第３７４７３１９号明細書
Ｓ． Ｈａｙａｓｈｉ， Ｋ． Ｎａｗａｔａ， Ｔ． Ｔａｉｒａ， Ｊ． Ｓｈｉｋａｔａ， Ｋ． Ｋａｗａｓｅ， ａｎｄ Ｈ． Ｍｉｎａｍｉｄｅ， "Ｕｌｔｒａｂｒｉｇｈｔ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ ｔｕｎａｂｌｅ ｔｅｒａｈｅｒｔｚ−ｗａｖｅ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ａｔ ｒｏｏｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ"， Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｒｅｐｏｒｔｓ， ２０１４年６月５日発行， ｖｏｌ．４， ｐｐ．５０４５ Ｙ． Ｔａｋｉｄａ ａｎｄ Ｈ． Ｍｉｎａｍｉｄｅ， "Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−ｄｏｍａｉｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ｕｓｉｎｇ ｈｉｇｈ−ｐｏｗｅｒ ｔｕｎａｂｌｅ ＴＨｚ−ｗａｖｅ ｓｏｕｒｃｅｓ ： ｔｏｗａｒｄｓ ＴＨｚ ｓｅｎｓｉｎｇ ａｎｄ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ"， Ｐｒｏｃ ｏｆ ＳＰＩＥ， ｖｏｌ．１０２１０， １０２１００Ｗ−１〜１０２１００Ｗ−６
しかしながら、従来の技術では、発生可能なテラヘルツ波の繰り返し周波数が１００Ｈｚ以下に限定されており、適用可能な応用範囲が制限されてしまうという問題がある。
繰り返し周波数が高いテラヘルツ波を発生するためには、高い（有効）非線形感受率を有する非線形光学結晶を繰り返し周波数が高い高強度なレーザーにより高強度励起する必要がある。ところが、繰り返し周波数が高いポンプ光による高強度励起条件下では、しばしば、結晶の光損傷が問題となる。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、非線形光学結晶の光損傷を回避しつつ、室温で繰り返し周波数が高く単色性の高いテラヘルツ波を発生することが可能なテラヘルツ波発生方法、及びテラヘルツ波発生装置を提供することにある。
実施形態の第１態様は、光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にポンプ光を入射することにより、ノンコリニア位相整合条件を満たす方向に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、ピーク励起パワー密度が所定のテラヘルツ波発振閾値以上であり、且つ所定のレーザー損傷閾値以下になり、平均励起パワー密度が所定のフォトリフラクティブ効果発生閾値以下になるように、１０ｐｓ以上であり、且つ１ｎｓ以下のパルス幅を有し１ｋＨｚ以上の繰り返し周波数を有する前記ポンプ光を前記非線形光学結晶に入射させるテラヘルツ波発生方法である。
また、実施形態の第２態様は、第１態様において、前記ポンプ光のパワーを変更することにより前記ピーク励起パワー密度及び前記平均励起パワー密度の少なくとも一方を変更してもよい。
また、実施形態の第３態様は、第１態様又は第２態様において、前記非線形光学結晶の入射面における前記ポンプ光の光束径を変更することにより前記ピーク励起パワー密度及び前記平均励起パワー密度の少なくとも一方を変更してもよい。
また、実施形態の第４態様では、第１態様〜第３態様のいずれかにおいて、前記テラヘルツ波発振閾値は、５００ＭＷ／ｃｍ２であってよい。
また、実施形態の第５態様では、第１態様〜第４態様のいずれかにおいて、前記非線形光学結晶は、酸化マグネシウムが添加されたコングルエント組成のニオブ酸リチウム結晶であってよい。
また、実施形態の第６態様では、第５態様において、前記レーザー損傷閾値は、５．６ＧＷ／ｃｍ２であってよい。
また、実施形態の第７態様では、第５態様又は第６態様において、前記フォトリフラクティブ効果発生閾値は、５２ｋＷ／ｃｍ２であってよい。
また、実施形態の第８態様では、第１態様〜第４態様のいずれかにおいて、前記非線形光学結晶は、ストイキオメトリック組成のニオブ酸リチウム結晶であってよい。
また、実施形態の第９態様では、第８態様において、前記レーザー損傷閾値は、１４ＧＷ／ｃｍ２であってよい。
また、実施形態の第１０態様では、第８態様又は第９態様において、前記フォトリフラクティブ効果発生閾値は、２ＭＷ／ｃｍ２であってよい。
また、実施形態の第１１態様は、１０ｐｓ以上であり、且つ１ｎｓ以下のパルス幅を有し１ｋＨｚ以上の繰り返し周波数を有するポンプ光を出力するポンプ光源と、光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、前記ポンプ光源により出力された前記ポンプ光を前記非線形光学結晶に導く第１光学系と、ピーク励起パワー密度が所定のテラヘルツ波発振閾値以上であり、且つ所定のレーザー損傷閾値以下になり、平均励起パワー密度が所定のフォトリフラクティブ効果発生閾値以下になるように、前記ポンプ光源及び前記第１光学系の少なくとも一方を制御する制御部と、を含み、前記非線形光学結晶に前記ポンプ光を入射することにより、ノンコリニア位相整合条件を満たす方向にテラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生装置である。
また、実施形態の第１２態様では、第１１態様において、前記制御部は、前記ポンプ光源を制御して前記ポンプ光のパワーを変更することにより前記ピーク励起パワー密度及び前記平均励起パワー密度の少なくとも一方を制御してもよい。
また、実施形態の第１３態様では、第１１態様又は第１２態様において、前記第１光学系は、前記ポンプ光を増幅するポンプ光増幅系を含み、前記制御部は、前記ポンプ光増幅系による前記ポンプ光の増幅率を変更することにより前記ピーク励起パワー密度及び前記平均励起パワー密度の少なくとも一方を制御してもよい。
また、実施形態の第１４態様では、第１１態様〜第１３態様のいずれかにおいて、前記第１光学系は、焦点位置が変更可能なレンズ系を含み、前記制御部は、前記レンズ系を制御することにより前記ピーク励起パワー密度及び前記平均励起パワー密度の少なくとも一方を制御してもよい。
また、実施形態の第１５態様は、第１１態様〜第１４態様のいずれかにおいて、前記ポンプ光を前記非線形光学結晶に入射することにより発生するアイドラ光の発生方向にシード光を注入する第２光学系を含み、前記制御部は、前記シード光のパワーを変更することにより前記ピーク励起パワー密度及び前記平均励起パワー密度の少なくとも一方を制御してもよい。
また、実施形態の第１６態様では、第１１態様〜第１５態様のいずれかにおいて、前記テラヘルツ波発振閾値は、５００ＭＷ／ｃｍ２であってよい。
また、実施形態の第１７態様では、第１１態様〜第１６態様のいずれかにおいて、前記非線形光学結晶は、酸化マグネシウムが添加されたコングルエント組成のニオブ酸リチウム結晶であってよい。
また、実施形態の第１８態様では、第１７態様において、前記レーザー損傷閾値は、５．６ＧＷ／ｃｍ２であってよい。
また、実施形態の第１９態様では、第１７態様又は第１８態様において、前記フォトリフラクティブ効果発生閾値は、５２ｋＷ／ｃｍ２であってよい。
また、実施形態の第２０態様では、第１１態様〜第１６態様のいずれかにおいて、前記非線形光学結晶は、ストイキオメトリック組成のニオブ酸リチウム結晶であってよい。
また、実施形態の第２１態様では、第２０態様において、前記レーザー損傷閾値は、１４ＧＷ／ｃｍ２であってよい。
また、実施形態の第２２態様では、第２０態様又は第２１態様において、前記フォトリフラクティブ効果発生閾値は、２ＭＷ／ｃｍ２であってよい。
なお、上記した複数の態様に係る構成を任意に組み合わせることが可能である。
本発明によれば、非線形光学結晶の光損傷を回避しつつ、室温で繰り返し周波数が高く単色性の高いテラヘルツ波を発生することが可能なテラヘルツ波発生方法、及びテラヘルツ波発生装置を提供することができるようになる。
実施形態に係るテラヘルツ波発生装置の光学系の構成の一例を表す概略図である。 実施形態に係るテラヘルツ波発生装置の動作を説明するための概略図である。 実施形態に係るテラヘルツ波発生装置の動作を説明するための概略図である。 実施形態に係る眼科装置の制御系の構成の一例を表す概略図である。 実施形態に係るテラヘルツ波発生装置の制御内容を説明するための概略図である。 実施形態に係るテラヘルツ波発生装置における励起条件の決定フローを説明するための概略図である。
この発明に係るテラヘルツ波発生方法、及びテラヘルツ波発生装置の実施形態の一例について、図面を参照しながら詳細に説明する。この発明に係るテラヘルツ波発生方法は、光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にポンプ光を入射することにより、ノンコリニア位相整合条件を満たす方向にテラヘルツ波を発生する。以下、主に、このテラヘルツ波発生方法を実現するテラヘルツ波発生装置について説明する。以下では、説明の便宜上、励起光をポンプ光と表記する。
［光学系の構成例］
図１に、実施形態に係るテラヘルツ波発生装置の光学系の構成例を示す。実施形態に係るテラヘルツ波発生装置１は、光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にポンプ光を入射することにより、ノンコリニア位相整合条件を満たす方向にテラヘルツ波を発生することが可能である。
テラヘルツ波発生装置１は、ポンプ光生成系１０と、ポンプ光導光系２０と、ポンプ光増幅系３０と、シード光生成系５０と、テラヘルツ波生成系７０とを含む。
（ポンプ光生成系１０）
ポンプ光生成系１０は、後述の非線形光学結晶７１に入射するポンプ光を生成する。ポンプ光生成系１０は、ポンプ光源１１と、アイソレーター１２とを含む。
ポンプ光源１１は、ポンプ光を出力する。ポンプ光源１１には、例えば、半導体可飽和ミラー（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｓａｔｕｒａｂｌｅ Ａｂｏｓｏｒｂｅｒ Ｍｉｒｒｏｒ：ＳＥＳＡＭ）を備えた受動Ｑスイッチ型のマイクロチップレーザーが用いられる。このマイクロチップレーザーは、図２に示すように繰り返し周波数が１００ｋＨｚで、中心波長が１０６４ｎｍであり、パルス幅が１４０ｐｓであるポンプ光（例えば、５ｍＷ）を出力する。
ポンプ光源１１は、１０ｐｓ以上であり、且つ１ｎｓ以下のパルス幅を有し、１ｋＨ以上の繰り返し周波数を有するポンプ光を出力するものであればよい。なお、ポンプ光源１１は、出力パワー、繰り返し周波数、中心波長及びパルス幅の少なくとも１つが可変の光源であってよい。
アイソレーター１２は、出力されたポンプ光のポンプ光源１１への戻り光を遮断する。
（ポンプ光導光系２０）
ポンプ光導光系２０は、ポンプ光生成系１０から出力されたポンプ光を非線形光学結晶７１に導く。このとき、ポンプ光導光系２０は、ポンプ光生成系１０から出力されたポンプ光をポンプ光増幅系３０に導き、このポンプ光増幅系３０により増幅されたポンプ光を非線形光学結晶７１に導く。ポンプ光導光系２０は、反射ミラー２１と、偏光ビームスプリッター２２と、レンズ系２３とを含む。
反射ミラー２１は、ポンプ光生成系１０から出力されたポンプ光を反射し、偏光ビームスプリッター２２に導く。
偏光ビームスプリッター２２は、ポンプ光生成系１０から出力されたポンプ光の第１偏光成分（例えば、垂直偏光成分）を透過してポンプ光増幅系３０に導き、ポンプ光増幅系３０により増幅されたポンプ光の第２偏光成分（例えば、水平偏光成分）を反射してレンズ系２３に導く。
レンズ系２３は、１以上のレンズを含み、入射光の焦点位置を変更可能である。レンズ系２３は、光軸方向に移動可能な少なくとも１つのレンズを含んでもよい。この場合、レンズ系２３は、レンズを光軸方向に移動する移動機構を含み、後述の制御部１００からの制御により移動機構がレンズを光軸方向に移動することにより焦点位置を変更することが可能である。
また、レンズ系２３は、可変焦点レンズを含んでもよい。この場合、後述の制御部１００からの制御により可変焦点レンズが焦点位置を変更することが可能である。
また、レンズ系２３に対して非線形光学結晶７１の相対位置が変更可能であってもよい。この場合、レンズ系２３及び非線形光学結晶７１の少なくとも一方を光軸方向に移動する移動機構を含み、後述の制御部１００からの制御により移動機構がレンズ系２３及び非線形光学結晶７１の少なくとも一方を光軸方向に移動することによりレンズ系２３に対する非線形光学結晶７１の相対位置を変更することが可能である。それにより、非線形光学結晶７１の内部におけるレンズ系２３の焦点位置が変更される。
（ポンプ光増幅系３０）
ポンプ光増幅系３０は、偏光ビームスプリッター２２を透過したポンプ光を増幅する。ポンプ光増幅系３０は、ダブルパス型のデュアルエンドポンプ式光増幅器を含む。
ポンプ光増幅系３０は、ファラデーローテーター３１と、半波長板３２と、リレーレンズ３３と、ダイクロイックミラー３４と、レーザー結晶３５と、ダイクロイックミラー３６と、リレーレンズ３７と、反射ミラー３８とを含む。ポンプ光増幅系３０は、偏光ビームスプリッター２２を含んでもよい。レーザー結晶３５は、ネオジウム：イットリウム・四酸化バナジューム（Ｎｄ：ＹＶＯ４）結晶であってよい。
リレーレンズ３７は、入射光の焦点位置を変更可能である。例えば、ポンプ光増幅系３０がリレーレンズ３７を光軸方向に移動する移動機構を含み、後述の制御部１００からの制御により移動機構がリレーレンズ３７を光軸方向に移動することにより焦点位置を変更することが可能である。また、リレーレンズ３７は、可変焦点レンズであってもよい。この場合、後述の制御部１００からの制御により可変焦点レンズが焦点位置を変更することが可能である。
更に、ポンプ光増幅系３０は、第１レーザーダイオード４０と、光ファイバー４１と、コリメートレンズ４２と、集光レンズ４３と、第２レーザーダイオード４４と、光ファイバー４５と、コリメートレンズ４６と、集光レンズ４７とを含む。
第１レーザーダイオード４０及び第２レーザーダイオード４４は、ＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）発振で中心波長が８０８ｎｍのポンプレーザーを出力する。第１レーザーダイオード４０及び第２レーザーダイオード４４の出力パワーは同一でなくてもよい。ダイクロイックミラー３４、３６は、８０８ｎｍの光を透過し、１０６４ｎｍの光を反射する特性を有する。
偏光ビームスプリッター２２を透過したポンプ光は、ファラデーローテーター３１と半波長板３２とにより偏光面が回転される。偏光面が回転されたポンプ光は、リレーレンズ３３を通過し、ダイクロイックミラー３４により反射され、レーザー結晶３５の第１端面に入射する。レーザー結晶３５の第１端面に入射したポンプ光は、レーザー結晶３５の第１端面に対向する第２端面から出射し、ダイクロイックミラー３６により反射され、リレーレンズ３７を通過し、反射ミラー３８により反射される。反射ミラー３８により反射されたポンプ光は、同じ経路を逆方向に進行して、レーザー結晶３５の第２端面に入射して第１端面から出射し、偏光ビームスプリッター２２に導かれる。
第１レーザーダイオード４０から出力されたポンプレーザーは、光ファイバー４１により導光され、光ファイバー４１の端部から出射される。光ファイバー４１の端部から出射されたポンプレーザーは、コリメートレンズ４２により平行光束とされ、ダイクロイックミラー３４を介して集光レンズ４３によりレーザー結晶３５の第１端面に入射する。第１端面は、ダイクロイックミラー３４により反射されたポンプ光が入射される端面である。それにより、第１レーザーダイオード４０からのポンプレーザーは、レーザー結晶３５の第１端面又はその内部の焦点位置に集光される。
同様に、第２レーザーダイオード４４から出力されたポンプレーザーは、光ファイバー４５により導光され、光ファイバー４５の端部から出射される。光ファイバー４５の端部から出射されたポンプレーザーは、コリメートレンズ４６により平行光束とされ、ダイクロイックミラー３６を介して集光レンズ４７によりレーザー結晶３５の第２端面に入射する。第２端面は、第１端面に対向する端面であり、且つダイクロイックミラー３６により反射されたポンプ光が入射される端面である。それにより、第２レーザーダイオード４４からのポンプレーザーは、レーザー結晶３５の第２端面又はその内部の焦点位置に集光される。
ポンプ光増幅系３０においてレーザー結晶３５を経由して偏光ビームスプリッター２２に導かれてきたポンプ光は、レーザー結晶３５内を往復することにより増幅される（例えば、平均パワーで４．４Ｗ）。偏光ビームスプリッター２２に導かれてきたポンプ光は、半波長板３２とファラデーローテーター３１とにより偏光面が回転される。従って、このポンプ光の偏光方向は、増幅前のポンプ光の偏光方向に直交する。偏光ビームスプリッター２２に導かれてきたポンプ光は、偏光ビームスプリッター２２により反射され、レンズ系２３を通過し、非線形光学結晶６１の端面に入射する。
（シード光生成系５０）
シード光生成系５０は、非線形光学結晶７１において光パラメトリック効果により発生するテラヘルツ波に対し、狭線幅のシード光を光注入する。シード光生成系５０は、シード光源５１と、光ファイバー５２と、光増幅器５３と、アイソレーター５４と、回折格子５５と、リレーレンズ５６と、反射ミラー５７と、反射ミラー５８と、リレーレンズ５９と、反射ミラー６０とを含む。
シード光源５１は、例えば、ＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）発振で中心波長が１０６８〜１０７５ｎｍの間で可変なシード光を出力する。シード光源５１により出力されたシード光は、光ファイバー５２により光増幅器５３に導光される。
光増幅器５３は、シード光源５１により出力されたシード光を増幅する。光増幅器５３には、例えば、イッテルビウム（Ｙｂ）添加ファイバーを利得媒質に用いた光アンプ（Ｙｔｔｅｒｂｉｕｍ Ｄｏｐｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：ＹＤＦＡ）が用いられる。光増幅器５３によるシード光の増幅率は可変であってよい。
アイソレーター５４は、増幅されたシード光の光増幅器５３やシード光源５１への戻り光を遮断する。
回折格子５５の回折面は、非線形光学結晶７１におけるポンプ光の入射端面（又は、非線形光学結晶６１内のポンプ光の焦点位置）と光学的に略共役な位置に配置されている。リレーレンズ５６の焦点距離とリレーレンズ５９の焦点距離の比は、３：１である。リレーレンズ５６の一方の焦点位置は回折格子５５の回折面又はその近傍に配置される。リレーレンズ５６の他方の焦点位置は、リレーレンズ５６とリレーレンズ５９との間に配置される。リレーレンズ５９の一方の焦点位置は、リレーレンズ５６の焦点位置又はその近傍に配置される。リレーレンズ５９の他方の焦点位置は、非線形光学結晶７１におけるポンプ光の入射端面（又は、非線形光学結晶６１内のポンプ光の焦点位置）又はその近傍に配置される。シード光生成系５０により生成されたシード光は、アイドラ光の発生方向に非線形光学結晶７１に注入される。
このような構成は、アクロマティック位相整合（Ａｃｈｒｏｍａｔｉｃ ｐｈａｓｅ ｍａｔｃｈｉｎｇ）を実質的に実現する構成である（例えば、特許文献２を参照）。すなわち、回折格子５５と、リレーレンズ５６及びリレーレンズ５９により構成された共焦点光学系とにより、シード光の非線形光学結晶７１の入射角が波長によらず所望のノンコリニア位相整合条件に実質的に一致するようになる。従って、シード光の波長を変更するたびに光軸調整する必要がなく、狭線幅のシード光を用いて、ゲイン集中によるスペクトル狭窄化を行い、単色性の高い（＜４ＧＨｚ）テラヘルツ波を発生することが可能になる。
（テラヘルツ波生成系７０）
テラヘルツ波生成系７０は、光パラメトリック効果によりテラヘルツ波を発生する。テラヘルツ波生成系７０は、非線形光学結晶７１と、シリコンプリズム７２と、コリメートレンズ７３とを含む。
非線形光学結晶７１は、光パラメトリック効果によりテラヘルツ波の発生が可能である。非線形光学結晶７１には、ストイキオメトリック組成のニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）やコングルエント組成のニオブ酸リチウムなどが用いられる。この実施形態において、ストイキオメトリック組成のニオブ酸リチウムは、ニオブ酸リチウムにマグネシウム（Ｍｇ）等の不純物が極めて低い濃度で添加されたものを含む。例えば、ストイキオメトリック組成のニオブ酸リチウムのＬｉ２Ｏ／（Ｎｂ２Ｏ５＋Ｌｉ２Ｏ）のモル分率が０．４９０以上であり、且つ０．５００未満であってよい。コングルエント組成のニオブ酸リチウムには、ニオブ酸リチウムにマグネシウム（Ｍｇ）や酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等の不純物が添加されたものがある。
また、非線形光学結晶７１には、マグネシウムが添加されたタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）結晶、リン酸チタン酸カリウム（ＫＴｉＯＰＯ４、ＫＴＰ）結晶、チタン酸ヒ酸カリウム（ＫＴｉＯＡｓＯ４、ＫＴＡ）結晶、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）結晶、アンチモン化インジウム（ＩｎＳｂ）結晶、リン化ガリウム（ＧａＰ）結晶、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）結晶、テルル化亜鉛（ＺｎＴｅ）結晶などが用いられてもよい。以下、実施形態に係る非線形光学結晶７１には、５ｍｏｌ％で酸化マグネシウム（ＭｇＯ）が添加されたコングルエント組成のニオブ酸リチウムが用いられるものとする。
シリコンプリズム７２は、光パラメトリック効果により発生したテラヘルツ波を非線形光学結晶７１の外部に取り出すためのプリズムである。コリメートレンズ７３は、シリコンプリズム７２により取り出されたテラヘルツ波を平行光束にする。
このような非線形光学結晶７１は、ラマン活性、且つ遠赤外活性を有する。非線形光学結晶７１にポンプ光を入射すると、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）を介してアイドラ光とテラヘルツ波が発生する。ポンプ光（周波数ωｐ、波数ベクトルｋｐ）、テラヘルツ波（周波数ωＴ、波数ベクトルｋＴ）、及びアイドラ光（周波数ωｉ、波数ベクトルｋｉ）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）はベクトル式であり、ノンコリニア位相整合条件は、図３に示すように表現できる。
ωｐ＝ωＴ＋ωｉ ・・・（１）
ｋｐ＝ｋＴ＋ｋｉ ・・・（２）
アイドラ光及びテラヘルツ波は空間的な広がりを持ち、その出射角に応じてそれらの波長は連続的に変化する。このようなブロードなアイドラ光及びテラヘルツ波の発生は、ＴＰＧ（ＴＨｚ−ｗａｖｅ Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ Ｇｅｎｅｒａｉｏｎ）と呼ばれている。
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個のアイドラ光子及び１個のシグナル光子の同時生成によって定義される。アイドラ光又はシグナル光が共振する場合、ポンプ光強度が一定の閾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個のアイドラ光子及び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。
ポンプ光導光系２０及びポンプ光増幅系３０は、実施形態に係る「第１光学系」の一例である。シード光生成系５０は、実施形態に係る「第２光学系」の一例である。
［制御系の構成例］
図４に、実施形態に係るテラヘルツ波発生装置１の制御系の構成例を示す。図４において、図１と同様の部分には同一符号を付し、適宜説明を省略する。
テラヘルツ波発生装置１の制御系は、制御部１００を中心に構成される。制御部１００は、テラヘルツ波発生装置１の各部の制御を実行する。特に、制御部１００は、ポンプ光生成系１０、ポンプ光導光系２０、ポンプ光増幅系３０、シード光生成系５０を制御する。
ポンプ光生成系１０に対する制御には、ポンプ光の出力パワー、繰り返し周波数、中心波長及びパルス幅の少なくとも１つを変更する制御が含まれる。制御部１００は、ポンプ光源１１を制御することにより、ポンプ光の出力パワー、繰り返し周波数、中心波長及びパルス幅の少なくとも１つを変更することが可能である。
ポンプ光導光系２０に対する制御には、レンズ系２３の入射光の焦点位置を変更する制御が含まれる。制御部１００は、レンズ系２３の少なくとも１つのレンズを光軸方向に移動する移動機構を制御することにより、焦点位置を変更することが可能である。また、制御部１００は、レンズ系２３に含まれる可変焦点レンズを制御することにより、レンズ系２３の焦点位置を変更することが可能である。或いは、制御部１００は、レンズ系２３と非線形光学結晶７１との相対位置を変更してもよい。
ポンプ光導光系２０に対する制御には、ポンプ光の増幅率を変更する制御が含まれる。制御部１００は、第１レーザーダイオード４０及び第２レーザーダイオード４４の少なくとも一方を制御することによりポンプ光の増幅率を変更することが可能である。制御部１００は、リレーレンズ３７を光軸方向に移動する移動機構３７Ａを制御することによりポンプ光の増幅率を変更することが可能である。また、制御部１００は、コリメートレンズ４２及び集光レンズ４３の少なくとも一方を光軸方向に移動することによりレーザー結晶３５に注入されるポンプレーザーの焦点位置を変更することで、ポンプ光の増幅率を変更してもよい。同様に、制御部１００は、コリメートレンズ４６及び集光レンズ４７の少なくとも一方を光軸方向に移動することによりレーザー結晶３５に注入されるポンプレーザーの焦点位置を変更することで、ポンプ光の増幅率を変更してもよい。
シード光生成系５０に対する制御には、非線形光学結晶７１に注入されるシード光のパワーを変更する制御が含まれる。制御部１００は、シード光源５１を制御することにより、非線形光学結晶７１に注入されるシード光のパワーを変更することが可能である。制御部１００は、光増幅器５３の増幅率を変更することにより、非線形光学結晶７１に注入されるシード光のパワーを変更することが可能である。
以上のような制御部１００の機能は、プロセッサにより実現されてよい。本明細書において「プロセッサ」は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、プログラマブル論理デバイス（例えば、ＳＰＬＤ（Ｓｉｍｐｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ）、ＣＰＬＤ（Ｃｏｍｐｌｅｘ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ））等の回路を意味する。
プロセッサは、例えば、記憶回路や記憶装置に格納されているプログラムを読み出して実行することで、実施形態に係る機能を実現する。記憶回路や記憶装置の少なくとも一部がプロセッサに含まれていてよい。また、記憶回路や記憶装置の少なくとも一部がプロセッサの外部に設けられていてよい。
上記のように、繰り返し周波数が高いテラヘルツ波の発生には、繰り返し周波数が高く高強度なポンプ光により非線形光学結晶７１を高強度に励起する必要がある。しかしながら、ポンプ光の繰り返し周波数や強度を単純に変更するだけでは、非線形光学結晶７１の光損傷を招く場合がある。
そこで、実施形態に係るテラヘルツ波発生装置１は、ポンプ光のピーク励起パワー密度と平均励起パワー密度とに着目して非線形光学結晶７１に入射するポンプ光を制御する。それにより、非線形光学結晶７１の光損傷を確実に回避することができるようになる。
ピーク励起パワー密度は、単位面積あたりのポンプ光のパワーのピーク値である。平均励起パワー密度は、単位面積あたりのポンプ光のパワーの平均値である。
ピーク励起パワー密度ＰＷと平均励起パワー密度ＡＷは、ポンプ光の繰り返し周波数ｆとパルス幅ｄとを用いて、以下の式（３）に示すように関係づけられる。
ＰＷ＝ＡＷ／（ｆ×ｄ） ・・・（３）
非線形光学結晶７１の光損傷には、大別して、非熱的な損傷と、熱的な損傷とがある。非熱的な損傷は、レーザー損傷に相当する。熱的な損傷は、時間経過とともに変化するエネルギーの蓄積による損傷（又はフォトリフラクティブ損傷）に相当する。
非熱的な損傷は、主に、繰り返し周波数が低いパルス光源を用いた計測により非線形光学結晶の種類毎に損傷閾値が決定される。これに対して、熱的な損傷は、主に、ＣＷ光源を用いた計測によって非線形光学結晶の種類毎に損傷閾値が決定される。従って、非線形光学結晶の非熱的な損傷及び熱的な損傷を回避するには、それぞれの損傷閾値以下の励起条件でポンプ光を入射すればよい。ただし、繰り返し周波数が高いパルス光源による励起条件下においては、非線形光学結晶に非熱的な損傷メカニズムと熱的な損傷メカニズムが競合することが考えられ、このような条件下における光損傷回避策はこれまで明らかではなかった。
そこで、実施形態では、光損傷閾値をピーク励起パワー密度や平均励起パワー密度により規定し、これらに基づいてポンプ光を制御することにより非線形光学結晶７１の光損傷を確実に回避する。
非線形光学結晶を用いた光波長変換においては非線形光学結晶の高強度励起が必須である。非線形光学結晶の高強度励起の閾値は、テラヘルツ波発生閾値としてピーク励起パワー密度により規定される。
従って、非熱的な損傷閾値の上限と下限について、ピーク励起パワー密度を用いて規定することが可能である。具体的には、非熱的な損傷を回避するため、ピーク励起パワー密度が、所定のテラヘルツ波発生閾値以上であり、且つ所定のレーザー損傷閾値以下であることが要求される。
これに対して、非線形光学結晶の熱的な損傷であるフォトリフラクティブ損傷は、フォトリフラクティブ効果による屈折率変化である。フォトリフラクティブ損傷は、非線形光学結晶の内部に屈折率格子を形成するため、結晶を透過した光の結晶ｃ軸方向へのビームファニング/歪みをもたらすことが知られており、波長変換効率の低下を引き起こす。
フォトリフラクティブ効果のメカニズムは、下記の（ａ）〜（ｄ）のプロセスで説明される（バンド輸送モデル）。
（ａ）バンド間の浅いドナー準位のキャリア（電子）の伝導体への光励起
（ｂ）光励起されたキャリアの拡散（マイグレーション）、及び深いアクセプター準位での捕捉（再結合）
（ｃ）結晶内での空間電場形成
（ｄ）電気光学効果を介した空間電場による結晶の屈折率変調
フォトリフラクティブ効果の発生閾値は、フォトリフラクティブ効果発生閾値として平均励起パワー密度により規定される。
従って、熱的な損傷閾値の上限について、平均励起パワー密度を用いて規定することが可能である。具体的には、熱的な損傷を回避するため、平均励起パワー密度が所定のフォトリフラクティブ効果発生閾値以下であることが要求される。
図５に、実施形態に係るテラヘルツ波発生装置１におけるポンプ光の制御内容の説明図を示す。図５において、縦軸はピーク励起パワー密度（単位：ＭＷ／ｃｍ２）を表す対数軸であり、横軸は平均励起パワー密度（単位：ｋＷ／ｃｍ２）を表す線形軸である。図５は、５ｍｏｌ％で酸化マグネシウム（ＭｇＯ）が添加されたコングルエント組成のニオブ酸リチウムに入射するポンプ光の制御内容を表す。
図５において、「○」は本発明者らの実験によりテラヘルツ波の発生が確認された励起条件を示し、「×」は本発明者らの実験によりテラヘルツ波の発生が確認されなかった励起条件を示す。この実施形態において、１０ｐｓ以上で、且つ１ｎｓ以下のパルス幅を有し、１ｋＨｚ以上の繰り返し周波数を有するパルス光は、式（３）から閾値ＴＨ４以下で励起される。
上記のように、制御部１００は、テラヘルツ波発振が可能で、且つ非線形光学結晶７１の非熱的な損傷及び熱的な損傷を回避するように、図１に示す光学系を制御する。具体的には、制御部１００は、ピーク励起パワー密度が所定のテラヘルツ波発振閾値ＴＨ１以上であり、且つ所定のレーザー損傷閾値ＴＨ２以下になり、平均励起パワー密度が所定のフォトリフラクティブ効果発生閾値ＴＨ３以下になるように、非線形光学結晶７１に入射するポンプ光が制御される。
テラヘルツ波発振閾値ＴＨ１は、本発明者らの実験結果により５００ＭＷ／ｃｍ２であることが望ましい。レーザー損傷閾値ＴＨ２は、参考文献（Ｍ． Ｈ． Ｗｕ ｅｔ ａｌ．， “Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｐｏｔａｓｓｉｕｍ ｔｉｔａｎｙｌ ｐｈｏｓｐｈａｔｅ ｉｎ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｗｉｔｈ ｌｉｔｈｉｕｍ ｎｉｏｂａｔｅ ａｎｄ ｌｉｔｈｉｕｍ ｔａｎｔａｌｉｔｅ” Ｏｐｔ． Ｅｘｐｒｅｓｓ ２４， ２３ （２０１６））から５．６ＧＷ／ｃｍ２であることが望ましい。フォトリフラクティブ効果発生閾値ＴＨ３は、本発明者らの実験結果により５３ｋＷ／ｃｍ２であることが望ましい。
非線形光学結晶７１が、ストイキオメトリック組成のニオブ酸リチウム結晶である場合も、同様に、各閾値は以下の通りである。テラヘルツ波発振閾値ＴＨ１は、本発明者らの実験結果により５００ＭＷ／ｃｍ２であることが望ましい。レーザー損傷閾値ＴＨ２は、株式会社オキサイド社で公表された上記のストイキオメトリック組成のニオブ酸リチウム結晶の製品仕様から１４ＧＷ／ｃｍ２であることが望ましい。フォトリフラクティブ効果発生閾値ＴＨ３は、上記の製品仕様から２ＭＷ／ｃｍ２であることが望ましい。
なお、図５において、特性Ｔ１は、１４０ｐｓのパルス幅を有し、７６ｋＨｚの繰り返し周波数を有するポンプ光によりテラヘルツ波の発生を確認したときの特性図を表す。特性Ｔ２は、１ｎｓのパルス幅を有し、１００ｋＨｚの繰り返し周波数を有するポンプ光によりテラヘルツ波発生を確認できなかったときの特性図を表す。閾値ＴＨ１〜ＴＨ３の近傍では、光学素子の性能や計測条件のばらつきに起因してテラヘルツ波が発生したり、発生しなかったりするものと考えられる。
［制御例］
制御部１００は、以下の第１制御〜第８制御のいずれか１つ、又は２以上を組み合わせることにより、図５に示すピーク励起パワー密度と平均励起パワー密度とにより規定された範囲内でポンプ光を非線形光学結晶７１に入射させることが可能である。
（第１制御）
制御部１００は、ポンプ光源１１の出力パワーを変更することにより、非線形光学結晶７１に入射するポンプ光のパワーを変更することができる。それにより、ピーク励起パワー密度と平均励起パワー密度とで規定される励起条件を変更することができる。従って、制御部１００は、図５に示す所望の範囲内でポンプ光を非線形光学結晶７１に入射させることができる。
（第２制御）
制御部１００は、レンズ系２３の焦点位置を変更することにより、非線形光学結晶７１に入射するポンプ光の照射面積（入射面におけるポンプ光の光束径）を変更することができる。それにより、ピーク励起パワー密度と平均励起パワー密度とで規定される励起条件を変更することができる。従って、制御部１００は、図５に示す所望の範囲内でポンプ光を非線形光学結晶７１に入射させることができる。
（第３制御）
制御部１００は、レンズ系２３に対する非線形光学結晶７１の相対位置を変更することにより、非線形光学結晶７１に入射するポンプ光の照射面積（入射面におけるポンプ光の光束径）を変更することができる。非線形光学結晶７１が移動する場合、シード光生成系５０もまた連動するように構成されていることが望ましい。それにより、ピーク励起パワー密度と平均励起パワー密度とで規定される励起条件を変更することができる。従って、制御部１００は、図５に示す所望の範囲内でポンプ光を非線形光学結晶７１に入射させることができる。
（第４制御）
制御部１００は、第１レーザーダイオード４０及び第２レーザーダイオード４４の少なくとも一方を制御することによりポンプ光の増幅率を変更して、非線形光学結晶７１に入射するポンプ光のパワーを変更することができる。それにより、ピーク励起パワー密度と平均励起パワー密度とで規定される励起条件を変更することができる。従って、制御部１００は、図５に示す所望の範囲内でポンプ光を非線形光学結晶７１に入射させることができる。
（第５制御）
制御部１００は、レーザー結晶３５に入射するポンプレーザー又はポンプ光の絞りを変更することによりポンプ光の増幅率を変更して、非線形光学結晶７１に入射するポンプ光のパワーを変更することができる。それにより、ピーク励起パワー密度と平均励起パワー密度とで規定される励起条件を変更することができる。従って、制御部１００は、図５に示す所望の範囲内でポンプ光を非線形光学結晶７１に入射させることができる。
（第６制御）
制御部１００は、シード光源５１の出力パワーを変更することによりシード光のパワーを変更して、非線形光学結晶７１に入射するポンプ光のパワーを変更することができる。それにより、ピーク励起パワー密度と平均励起パワー密度とで規定される励起条件を変更することができる。従って、制御部１００は、図５に示す所望の範囲内でポンプ光を非線形光学結晶７１に入射させることができる。
（第７制御）
制御部１００は、光増幅器５３の増幅率を変更することによりシード光のパワーを変更して、非線形光学結晶７１に入射するポンプ光のパワーを変更することができる。それにより、ピーク励起パワー密度と平均励起パワー密度とで規定される励起条件を変更することができる。従って、制御部１００は、図５に示す所望の範囲内でポンプ光を非線形光学結晶７１に入射させることができる。
（第８制御）
制御部１００は、互いの焦点距離の比を維持したままリレーレンズ５６、５９のｆ値を変更することにより、シード光のパワー密度を変更して、非線形光学結晶７１に入射するポンプ光のパワーを変更することができる。それにより、ピーク励起パワー密度と平均励起パワー密度とで規定される励起条件を変更することができる。従って、制御部１００は、図５に示す所望の範囲内でポンプ光を非線形光学結晶７１に入射させることができる。
［励起条件の決定方法の例］
以上のようにポンプ光の制御範囲が画定されると、実施形態に係るテラヘルツ波発生装置１における励起条件を次のように決定することが可能である。
図６に、実施形態に係るテラヘルツ波発生装置１における励起条件の決定フローを示す。
（ステップＳ１）
まず、発生させるテラヘルツ波のスペクトル線幅が決定される。例えば、テラヘルツ波領域における大気の吸収スペクトルを考慮し、スペクトル線幅が決定される。
（ステップＳ２）
ステップＳ１においてスペクトル線幅が決定されると、公知のフーリエ限界の式から、ポンプ光のパルス幅が一意に決定される。
（ステップＳ３）
次に、テラヘルツ波の繰り返し周波数が決定される。例えば、ポンプ光源１１の性能等を考慮して、繰り返し周波数が決定される。
（ステップＳ４）
ステップＳ２におけるパルス幅の決定と、ステップＳ３における繰り返し周波数の決定が終了すると、図５における特性マップ上に制御可能な直線が特定される。そこで、図５に示す制御範囲内に収まるように、ポンプ光のパワー又は照射面積が決定される。
（ステップＳ５）
制御部１００は、ステップＳ４において決定された制御内容に従って光学系等を制御することにより、所望の励起条件でポンプ光を非線形光学結晶７１に入射させ、所望のテラヘルツ波を発生させることができる（エンド）。
以上のように、ピーク励起パワー密度と平均励起パワー密度の２つのパラメータに着目し、ポンプ光の繰り返し周波数とパルス幅を適切に選択することで、単色性の高い所望のテラヘルツ波を発生することが可能になる。また、ポンプ光源として安価な光源を採用することができるようになる。
特に、繰り返し周波数が高いテラヘルツ波を発生することができるので、エネルギーが低いテラヘルツ波であっても繰り返し光受光器で受光させることにより、受光感度を向上させることができる。それにより、室温で低コストの光受光器を採用することができる。
実施形態に係るテラヘルツ波発生方法は、光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（７１）にポンプ光を入射することにより、ノンコリニア位相整合条件を満たす方向にテラヘルツ波を発生させる。テラヘルツ波発生方法は、ピーク励起パワー密度が所定のテラヘルツ波発振閾値（ＴＨ１）以上であり、且つ所定のレーザー損傷閾値（ＴＨ２）以下になり、平均励起パワー密度が所定のフォトリフラクティブ効果発生閾値（Ｔ３）以下になるように、１０ｐｓ以上であり、且つ１ｎｓ以下のパルス幅を有し１ｋＨｚ以上の繰り返し周波数を有するポンプ光を非線形光学結晶に入射させる。
このような構成によれば、非線形光学結晶の熱的な損傷と非熱的な損傷とを与えることなく、室温で繰り返し周波数が高く単色性の高いテラヘルツ波を確実に発生することができるようになる。
また、実施形態に係るテラヘルツ波発生方法は、ポンプ光のパワーを変更することによりピーク励起パワー密度及び平均励起パワー密度の少なくとも一方を変更してもよい。
このような構成によれば、ポンプ光のパワーを変更するようにしたので、簡素な制御でピーク励起パワー密度や平均励起パワー密度を変更し、非線形光学結晶の光損傷を確実に回避することができるようになる。
また、実施形態に係るテラヘルツ波発生方法は、非線形光学結晶の入射面におけるポンプ光の光束径を変更することによりピーク励起パワー密度及び平均励起パワー密度の少なくとも一方を変更してもよい。
このような構成によれば、非線形光学結晶の入射面におけるポンプ光の光束径を変更するようにしたので、簡素な制御でピーク励起パワー密度や平均励起パワー密度を変更し、非線形光学結晶の光損傷を確実に回避することができるようになる。
また、実施形態に係るテラヘルツ波発生方法では、テラヘルツ波発振閾値は、５００ＭＷ／ｃｍ２であってよい。
また、実施形態に係るテラヘルツ波発生方法では、非線形光学結晶は、酸化マグネシウムが添加されたコングルエント組成のニオブ酸リチウム結晶であってよい。
また、実施形態に係るテラヘルツ波発生方法では、レーザー損傷閾値は、５．６ＧＷ／ｃｍ２であってよい。
また、実施形態に係るテラヘルツ波発生方法では、フォトリフラクティブ効果発生閾値は、５２ｋＷ／ｃｍ２であってよい。
上記のいずれかの構成によれば、酸化マグネシウムが添加されたコングルエント組成のニオブ酸リチウム結晶の光損傷を確実に回避しつつ、室温で繰り返し周波数が高く単色性の高いテラヘルツ波を発生させることが可能になる。
また、実施形態に係るテラヘルツ波発生方法では、非線形光学結晶は、ストイキオメトリック組成のニオブ酸リチウム結晶であってよい。
また、実施形態に係るテラヘルツ波発生方法では、レーザー損傷閾値は、１４ＧＷ／ｃｍ２であってよい。
また、実施形態に係るテラヘルツ波発生方法では、フォトリフラクティブ効果発生閾値は、２ＭＷ／ｃｍ２であってよい。
上記のいずれかの構成によれば、ストイキオメトリック組成のニオブ酸リチウム結晶の光損傷を確実に回避しつつ、室温で繰り返し周波数が高く単色性の高いテラヘルツ波を発生させることが可能になる。
また、実施形態に係るテラヘルツ波発生装置（１）は、ポンプ光源（１１）と、非線形光学結晶（７１）と、第１光学系（ポンプ光導光系２０、ポンプ光増幅系３０）と、制御部（１００）とを含む。ポンプ光源は、１０ｐｓ以上であり、且つ１ｎｓ以下のパルス幅を有し１ｋＨｚ以上の繰り返し周波数を有するポンプ光を出力する。非線形光学結晶は、光パラメトリック効果によってテラヘルツ波発生が可能である。第１光学系は、ポンプ光源により出力されたポンプ光を非線形光学結晶に導く。制御部は、ピーク励起パワー密度が所定のテラヘルツ波発振閾値（ＴＨ１）以上であり、且つ所定のレーザー損傷閾値（ＴＨ２）以下になり、平均励起パワー密度が所定のフォトリフラクティブ効果発生閾値（ＴＨ３）以下になるように、ポンプ光源及び第１光学系の少なくとも一方を制御する。テラヘルツ波発生装置は、非線形光学結晶にポンプ光を入射することにより、ノンコリニア位相整合条件を満たす方向にテラヘルツ波を発生する。
このような構成によれば、非線形光学結晶の熱的な損傷と非熱的な損傷とを与えることなく、室温で繰り返し周波数が高く単色性の高いテラヘルツ波を確実に発生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ができるようになる。
また、実施形態に係るテラヘルツ波発生装置では、制御部は、ポンプ光源を制御してポンプ光のパワーを変更することによりピーク励起パワー密度及び平均励起パワー密度の少なくとも一方を制御してもよい。
このような構成によれば、ポンプ光のパワーを変更するようにしたので、簡素な制御でピーク励起パワー密度や平均励起パワー密度を変更し、非線形光学結晶の光損傷を確実に回避することができるようになる。
また、実施形態に係るテラヘルツ波発生装置では、第１光学系は、ポンプ光を増幅するポンプ光増幅系（３０）を含み、制御部は、ポンプ光増幅系によるポンプ光の増幅率を変更することによりピーク励起パワー密度及び平均励起パワー密度の少なくとも一方を制御してもよい。
このような構成によれば、ポンプ光の増幅率を変更するようにしたので、簡素な制御でピーク励起パワー密度や平均励起パワー密度を変更し、非線形光学結晶の光損傷を確実に回避することができるようになる。
また、実施形態に係るテラヘルツ波発生装置では、第１光学系は、焦点位置が変更可能なレンズ系（２３）を含み、制御部は、レンズ系を制御することによりピーク励起パワー密度及び平均励起パワー密度の少なくとも一方を制御してもよい。
このような構成によれば、非線形光学結晶の入射面におけるポンプ光の光束径を変更するようにしたので、簡素な制御でピーク励起パワー密度や平均励起パワー密度を変更し、非線形光学結晶の光損傷を確実に回避することができるようになる。
また、実施形態に係るテラヘルツ波発生装置は、ポンプ光を非線形光学結晶に入射することにより発生するアイドラ光の発生方向にシード光を注入する第２光学系（シード光生成系５０）を含み、制御部は、シード光のパワーを変更することによりピーク励起パワー密度及び平均励起パワー密度の少なくとも一方を制御してもよい。
このような構成によれば、シード光のパワーを変更するようにしたので、簡素な制御でピーク励起パワー密度や平均励起パワー密度を変更し、非線形光学結晶の光損傷を確実に回避することができるようになる。
また、実施形態に係るテラヘルツ波発生装置では、テラヘルツ波発振閾値は、５００ＭＷ／ｃｍ２であってよい。
また、実施形態に係るテラヘルツ波発生装置では、非線形光学結晶は、酸化マグネシウムが添加されたコングルエント組成のニオブ酸リチウム結晶であってよい。
また、実施形態に係るテラヘルツ波発生装置では、レーザー損傷閾値は、５．６ＧＷ／ｃｍ２であってよい。
また、実施形態に係るテラヘルツ波発生装置では、フォトリフラクティブ効果発生閾値は、５２ｋＷ／ｃｍ２であってよい。
上記のいずれかの構成によれば、酸化マグネシウムが添加されたコングルエント組成のニオブ酸リチウム結晶の光損傷を確実に回避しつつ、室温で繰り返し周波数が高く単色性の高いテラヘルツ波を発生させることが可能になる。
また、実施形態に係るテラヘルツ波発生装置では、非線形光学結晶は、ストイキオメトリック組成のニオブ酸リチウム結晶であってよい。
また、実施形態に係るテラヘルツ波発生装置では、レーザー損傷閾値は、１４ＧＷ／ｃｍ２であってよい。
また、実施形態に係るテラヘルツ波発生装置では、フォトリフラクティブ効果発生閾値は、２ＭＷ／ｃｍ２であってよい。
上記のいずれかの構成によれば、ストイキオメトリック組成のニオブ酸リチウム結晶の光損傷を確実に回避しつつ、室温で繰り返し周波数が高く単色性の高いテラヘルツ波を発生させることが可能になる。
以上に示された実施形態は、この発明を実施するための一例に過ぎない。この発明を実施しようとする者は、この発明の要旨の範囲内において任意の変形、省略、追加等を施すことが可能である。
１ テラヘルツ波発生装置
１０ ポンプ光生成系
１１ ポンプ光源
１２、５４ アイソレーター
２０ ポンプ光導光系
２１、３８、５７、５８、６０ 反射ミラー
２２ 偏光ビームスプリッター
２３ レンズ系
３０ ポンプ光増幅系
３１ ファラデーローテーター
３２ 半波長板
３３、３７、５６、５９ リレーレンズ
３４、３６ ダイクロイックミラー
３５ レーザー結晶
４０ 第１レーザーダイオード
４１、４５、５２ 光ファイバー
４２、４６ コリメートレンズ
４３、４７ 集光レンズ
４４ 第２レーザーダイオード
５０ シード光生成系
５１ シード光源
５３ 光増幅器
５５ 回折格子
７０ テラヘルツ波生成系
７１ 非線形光学結晶
７２ シリコンプリズム
７３ レンズ
１００ 制御部

Claims (22)

  1. 光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にポンプ光を入射することにより、ノンコリニア位相整合条件を満たす方向に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、
    ピーク励起パワー密度が所定のテラヘルツ波発振閾値以上であり、且つ所定のレーザー損傷閾値以下になり、平均励起パワー密度が所定のフォトリフラクティブ効果発生閾値以下になるように、１０ｐｓ以上であり、且つ１ｎｓ以下のパルス幅を有し１ｋＨｚ以上の繰り返し周波数を有する前記ポンプ光を前記非線形光学結晶に入射させる
    ことを特徴とするテラヘルツ波発生方法。
  2. 前記ポンプ光のパワーを変更することにより前記ピーク励起パワー密度及び前記平均励起パワー密度の少なくとも一方を変更する
    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。
  3. 前記非線形光学結晶の入射面における前記ポンプ光の光束径を変更することにより前記ピーク励起パワー密度及び前記平均励起パワー密度の少なくとも一方を変更する
    ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のテラヘルツ波発生方法。
  4. 前記テラヘルツ波発振閾値は、５００ＭＷ／ｃｍ２である
    ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載のテラヘルツ波発生方法。
  5. 前記非線形光学結晶は、酸化マグネシウムが添加されたコングルエント組成のニオブ酸リチウム結晶である
    ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載のテラヘルツ波発生方法。
  6. 前記レーザー損傷閾値は、５．６ＧＷ／ｃｍ２である
    ことを特徴とする請求項５に記載のテラヘルツ波発生方法。
  7. 前記フォトリフラクティブ効果発生閾値は、５２ｋＷ／ｃｍ２である
    ことを特徴とする請求項５又は請求項６に記載のテラヘルツ波発生方法。
  8. 前記非線形光学結晶は、ストイキオメトリック組成のニオブ酸リチウム結晶である
    ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載のテラヘルツ波発生方法。
  9. 前記レーザー損傷閾値は、１４ＧＷ／ｃｍ２である
    ことを特徴とする請求項８に記載のテラヘルツ波発生方法。
  10. 前記フォトリフラクティブ効果発生閾値は、２ＭＷ／ｃｍ２である
    ことを特徴とする請求項８又は請求項９に記載のテラヘルツ波発生方法。
  11. １０ｐｓ以上であり、且つ１ｎｓ以下のパルス幅を有し１ｋＨｚ以上の繰り返し周波数を有するポンプ光を出力するポンプ光源と、
    光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、
    前記ポンプ光源により出力された前記ポンプ光を前記非線形光学結晶に導く第１光学系と、
    ピーク励起パワー密度が所定のテラヘルツ波発振閾値以上であり、且つ所定のレーザー損傷閾値以下になり、平均励起パワー密度が所定のフォトリフラクティブ効果発生閾値以下になるように、前記ポンプ光源及び前記第１光学系の少なくとも一方を制御する制御部と、
    を含み、
    前記非線形光学結晶に前記ポンプ光を入射することにより、ノンコリニア位相整合条件を満たす方向にテラヘルツ波を発生する
    ことを特徴とするテラヘルツ波発生装置。
  12. 前記制御部は、前記ポンプ光源を制御して前記ポンプ光のパワーを変更することにより前記ピーク励起パワー密度及び前記平均励起パワー密度の少なくとも一方を制御する
    ことを特徴とする請求項１１に記載のテラヘルツ波発生装置。
  13. 前記第１光学系は、前記ポンプ光を増幅するポンプ光増幅系を含み、
    前記制御部は、前記ポンプ光増幅系による前記ポンプ光の増幅率を変更することにより前記ピーク励起パワー密度及び前記平均励起パワー密度の少なくとも一方を制御する
    ことを特徴とする請求項１１又は請求項１２に記載のテラヘルツ波発生装置。
  14. 前記第１光学系は、焦点位置が変更可能なレンズ系を含み、
    前記制御部は、前記レンズ系を制御することにより前記ピーク励起パワー密度及び前記平均励起パワー密度の少なくとも一方を制御する
    ことを特徴とする請求項１１〜請求項１３のいずれか一項に記載のテラヘルツ波発生装置。
  15. 前記ポンプ光を前記非線形光学結晶に入射することにより発生するアイドラ光の発生方向にシード光を注入する第２光学系を含み、
    前記制御部は、前記シード光のパワーを変更することにより前記ピーク励起パワー密度及び前記平均励起パワー密度の少なくとも一方を制御する
    ことを特徴とする請求項１１〜請求項１４のいずれか一項に記載のテラヘルツ波発生装置。
  16. 前記テラヘルツ波発振閾値は、５００ＭＷ／ｃｍ２である
    ことを特徴とする請求項１１〜請求項１５のいずれか一項に記載のテラヘルツ波発生装置。
  17. 前記非線形光学結晶は、酸化マグネシウムが添加されたコングルエント組成のニオブ酸リチウム結晶である
    ことを特徴とする請求項１１〜請求項１６のいずれか一項に記載のテラヘルツ波発生装置。
  18. 前記レーザー損傷閾値は、５．６ＧＷ／ｃｍ２である
    ことを特徴とする請求項１７に記載のテラヘルツ波発生装置。
  19. 前記フォトリフラクティブ効果発生閾値は、５２ｋＷ／ｃｍ２である
    ことを特徴とする請求項１７又は請求項１８に記載のテラヘルツ波発生装置。
  20. 前記非線形光学結晶は、ストイキオメトリック組成のニオブ酸リチウム結晶である
    ことを特徴とする請求項１１〜請求項１６のいずれか一項に記載のテラヘルツ波発生装置。
  21. 前記レーザー損傷閾値は、１４ＧＷ／ｃｍ２である
    ことを特徴とする請求項２０に記載のテラヘルツ波発生装置。
  22. 前記フォトリフラクティブ効果発生閾値は、２ＭＷ／ｃｍ２である
    ことを特徴とする請求項２０又は請求項２１に記載のテラヘルツ波発生装置。
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