JP2015222414A - テラヘルツ波発生装置、及びこれを用いた測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 変調の幅が大きく且つ安定的に強度変調されたテラヘルツ波を得ることができるテラヘルツ波発生装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 テラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生装置１００であって、光源からの光の偏光状態を制御する偏光制御部５と、偏光制御部からの光１０が入射することによりテラヘルツ波２６を発生する非線形光学結晶６を有する導波路２０１と、を有し、偏光制御部は、非線形光学結晶に入射する前記光の非線形光学結晶のＺ軸方向の電界強度を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、非線形光学結晶を用いてテラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生装置、及びこれを用いた測定装置に関する。

テラヘルツ波は、３０ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下のうち少なくとも一部の周波数帯域を有する電磁波である。テラヘルツ波の発生方法として、非線形光学結晶に光を入射して非線形光学過程によってテラヘルツ波を発生する方法がある。非特許文献１には、発生したテラヘルツ波を電気光学的チェレンコフ放射現象によって取り出す方法が記載されており、この方法は、光伝導素子に比べて広帯域でパルス幅の狭いテラヘルツ波を得られるため、測定装置の性能の向上が期待できる。

非線形光学結晶を用いて発生したテラヘルツ波検出する検出部から出力される信号をロックインアンプにより検出する場合には、テラヘルツ波の強度が一定の変調周波数で変化するように強度変調する必要がある。ロックインアンプで強度変調の周波数成分を検出することで、テラヘルツ波の瞬間的な電界強度に相当する信号を得ることができる。

テラヘルツ波の強度変調の方法としては、ポンプ光がテラヘルツ波発生部に到達する前に、回転式の光チョッパーによってポンプ光を強度変調する方法がある。しかし、この方法は、光チョッパーの回転速度に限界があり、測定速度や測定によって取得されるデータのダイナミックレンジの上限に制限がある。別の方法として、テラヘルツ波発生部としての光伝導素子に入射する光の偏光方向を変調する方法が特許文献１に開示されている。また、光が伝搬している導波路に電界を印加することにより、光を変調する方法が、特許文献２に開示されている。

特開２０１３−０２９４６１号公報 特開２０１１−２０３７１８号公報

ＩＥＥＥ Ｓｅｌｃｔ．Ｔｏｐｉｃ．ｉｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．ｖｏｌ．１９，ｐ．８５００２１２，２０１３．

光伝導素子によるテラヘルツ波の発生は、自由キャリアに印加される電場による電流発生を利用するものである。そのため、特許文献１に開示された方法では、光により励起された半導体層の自由キャリアの励起効率を大きく変えることはできず、発生するテラヘルツ波の強度を大きく変調することはできなかった。また、特許文献２に開示された方法は、非線形光学結晶を伝搬している過程で光の偏光状態を変化させるため、例えば、導波路の入射面側で殆どのテラヘルツ波が出力してしまっている場合には変調がかかりにくいことがあった。

上記課題に鑑み、本発明は、変調の幅が大きく且つ安定的に強度変調されたテラヘルツ波を得ることができるテラヘルツ波発生装置を提供することを目的とする。

上記課題に鑑み、本発明の一側面としてのテラヘルツ波発生装置は、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、光源からの光の偏光方向を制御する偏光制御部と、前記偏光制御部で偏光方向を制御された光が入射することによりテラヘルツ波を発生する非線形光学結晶を有する導波路と、を有し、前記偏光制御部は、前記非線形光学結晶に入射する前記光の前記非線形光学結晶のＺ軸方向の電界強度を制御することを特徴とする。

本発明の一側面としてのテラヘルツ波発生装置によれば、変調の幅が大きく且つ安定的に強度変調されたテラヘルツ波を得ることができる。

第１の実施形態のテラヘルツ波発生装置の構成図。 第１の実施形態のテラヘルツ波発生素子の構成を説明する図。 第２の実施形態のテラヘルツ波発生装置の構成及び非線形光学結晶の軸方向を説明する図。 第３の実施形態のテラヘルツ波発生装置の構成及び非線形光学結晶の軸方向を説明する図。 第４の実施形態のテラヘルツ波発生装置の構成及び非線形光学結晶の軸方向を説明する図。 第５の実施形態のテラヘルツ波発生装置の構成及び非線形光学結晶の軸方向を説明する図。 第６の実施形態の測定装置の構成図。 第７の実施形態のテラヘルツ波発生装置の構成図。 第１の実施形態のテラヘルツ波発生装置の構成及び非線形光学結晶の軸方向を説明する図。

（第１の実施形態）
第１の実施形態のテラヘルツ波発生装置１００（以下、「装置１００」と呼ぶ）の構成を、図１（ａ）を参照して説明する。図１（ａ）は、装置１００の構成図である。装置１００は、偏光制御部５（以下、「制御部５」と呼ぶ）と、導波路２０１及び結合部材２５を有するテラヘルツ波発生素子１２（以下、「素子１２」と呼ぶ）と、を有する。導波路２０１は、制御部５からの光１０が入射することによりテラヘルツ波２６を発生する非線形光学結晶６（以降、「結晶６」と呼ぶ）を有する。なお、本明細書の「非線形光学結晶」は、２次の非線形性を持つものであり、２次の非線形性を持つ電気光学結晶と等価である。また、本明細書の「偏光方向」とは、光の電場の振動方向のことである。なお、素子１２の構成の詳細については、後述する。

光源１は、光９を出力するレーザ装置である。光９は、フェムト秒パルスレーザを用いることが望ましい。本明細書における「フェムト秒パルスレーザ」は、パルス幅が１ｆｓ以上１００ｆｓ以下の超短パルスレーザである。本実施形態では、中心波長１．５５μｍ、パルス幅２０ｆｓ、繰り返し周波数５０ＭＨｚのフェムト秒パルスレーザを出力するレーザ装置を用いているが、波長は１．０６μｍ帯などでもよく、また、パルス幅及び繰り返し周波数は前述の値に限らない。

光源１が出力した光９の偏光状態７は、偏光消光比が２０ｄＢ以上の直線偏光に近いことが望ましいが、それ以下でもよい。また、制御部５での分散の影響を抑えるために光９にチャープがかけられていてもよい。周波数が異なる２つの光を結晶６に入射して、差周波発生によるテラヘルツ波発生を行う場合は、光源１に連続波を発生する２波長光源や周波数コム光源を用いればよい。

制御部５は、光源１からの光９の偏光方向を制御する。制御部５からは、偏光方向を調整された光１０が射出する。制御部５は、電極２と、電極３と、非線形光学結晶４（以下、「結晶４」と呼ぶ）とを有し、結晶４は、電極２と電極３との間に挟まれて配置されている。電極２及び電極３に所望の変調周波数を有する電圧を印加することで、光源１からの光９の偏光方向を制御して、光９に対して偏光変調を加えることができる。なお、本明細書の「偏光方向を制御する」は、直線偏光の光を楕円偏光、円偏光の光に変更すること、直線偏光の光を直線偏光のまま、その角度だけを変更すること、及び、偏光方向を一定にすることを含むと定義する。光１０の偏光状態が周期的に変化するように、制御部５によって制御されることにより、素子１２から発生するテラヘルツ波２６の強度が周期的に変化する。これを換言すると、素子１２に入射する光１０の偏光方向が周期的に変化するように制御部５が光９の偏光方向を制御することにより、素子１２から発生するテラヘルツ波２６の強度変調を行うことができる。

結晶４には、ＬｉＮｂＯ_３結晶やＫＴＰ結晶などの非線形光学係数（電気光学係数）ｒ３３が大きいものを使用すると、効率良く偏光方向を変更できる。また、光屈折損傷を防止するために、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）をドープしたＬｉＮｂＯ_３結晶も使用できる。結晶の種類の選択は、光９の強度に対する耐性、変調のために必要とする偏光方向の変化の大きさ、光９の波長領域での材料分散等の影響を考慮して選択すればよい。また、結晶４の厚さ及び光９の進行方向における長さについては、光９のビーム径、及び、変調のために必要とする偏光状態の変化の大きさ、分散による光９のパルス幅の増大等の影響を鑑みて決定すればよい。

ここで、図９を参照して結晶４、６の軸方向について説明する。図９は、装置１００の構成及び結晶４、６の軸方向を説明する図である。図９では、説明のために素子１２の詳細な構成は省略して、結晶６のみを記載している。非線形光学効果の指標である非線形光学係数が最大であるｒ３３を利用するために、電極２及び電極３は、結晶４のパイロ軸（Ｚ軸）に垂直な結晶面に設けることが望ましい。本明細書における「パイロ軸」は、非線形光学結晶の有効非線形光学定数が最も大きくなる方向の軸である。このパイロ軸と結晶６に入射する光１０の偏光方向とが一致していると、素子１２から発生するテラヘルツ波２６の強度が最大になる。すなわち、制御部５は、光９の偏光方向を制御して、光１０の偏光のパイロ軸方向の電界強度を変更することにより、テラヘルツ波２６の強度を調整する。なお、本明細書では、このパイロ軸を結晶のＺ軸として、このＺ軸（パイロ軸）と直交する軸をそれぞれＸ軸、Ｙ軸と定義する。この定義は、結晶４、結晶６、後述する結晶４４、結晶６２のいずれにも適用できる。

制御部５は、光９の偏光方向が、結晶４のパイロ軸に対して４５度になるように配置することが望ましい。この角度がずれるとテラヘルツ波の強度変調の消光比（変調深さ）が浅くなってくるため、±５度のずれに抑えることが望ましい。このように配置すると、制御部５による偏光の調整を効率良く行うことができる。また、制御部５の光９が入射又は射出する面に反射防止膜を付加して、光９、１０の減衰を防止してもよい。光９の進行方向は、結晶４のＸ軸と一致するように配置するのがよい。なお、本明細書のテラヘルツ波２６の強度変調の消光比は、テラヘルツ波２６を変調した場合のテラヘルツ波２６の強度の最大値と最小値との比である。以降、単に「消光比」と呼ぶことがある。

光９の偏光変調を行うために電極２、３に印加する電圧の変調周波数の設定には、注意が必要である。具体的には、結晶４の構造的な共振周波数を避けて設定する必要がある。結晶４を有する制御部５を用いる場合、変調周波数は、一般的にＤＣから数１００ＭＨｚ程度の範囲で調整でき、光チョッパーを使用した場合の変調周波数の上限である数ｋＨｚを大幅に超えることができる。また、装置１００によればは電気的な変調方式でテラヘルツ波２６の強度変調が可能なるため、装置１００を測定装置のテラヘルツ波発生源として用いれば、振動によるノイズの増加や光学系の位置ずれ等に起因する測定結果の経時変化等を防止できる。装置１００を用いる測定装置としては、テラヘルツ時間領域分光法（ＴＨｚ−ＴＤＳ：ＴＨｚ−Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いてテラヘルツ波の時間波形を取得するＴＨｚ−ＴＤＳ装置がある。測定装置において、光９の偏光を制御部５を用いて外部で制御する構成は、偏光方向を変調された光を出力する光源を用いる場合よりも、光９のレーザ線幅の変動、及び、パワーの長期安定性の低下等が発生しにくい。

二次高調波の発生を抑制するために、光源１と制御部５との間にレンズ（不図示）を挿入し、光９のビーム径を広げる等の調整を行ってもよい。また、制御部５を構成する結晶４の複素屈折率が温度に依存して変動することを回避するために、制御部５は恒温槽などの温度を一定に保つための手段を有していてもよい。

制御部５を通過して偏光を調整された光１０は、偏光状態８のような楕円偏光や不図示の直線偏光の状態で素子１２の結晶６に入射する。結晶６に光１０が入射すると、テラヘルツ波が発生する。結晶６から発生するテラヘルツ波の強度ηは、（１）式で表わされる。ここで、発生するテラヘルツ波の周波数をω、２次の有効非線形光学定数をｄ_ｅｆｆ、光１０の強度をＩ、真空の誘電率をε_０とする。また、結晶６中の光１０の屈折率及びテラヘルツ波の屈折率をそれぞれｎ_ＮＩＲ、ｎ_ＴＨｚ、真空中の光速をｃ、結晶６中の発生するテラヘルツ波の吸収係数をα_ＴＨｚとする。

例えば結晶６にＬｉＮｂＯ_３を使用した場合、パイロ軸（Ｚ軸）方向の有効非線形光学定数はｄ_３３＝３４．４ｐｍ／Ｖであり、他の軸方向の有効非線形光学定数ｄ_３１＝５．９５ｐｍ／Ｖ、ｄ_２２＝３．０７ｐｍ／Ｖと比較して大きい。そのため、発生するテラヘルツ波の強度ηは、パイロ軸と一致する方向の光１０の成分でほぼ決定される。よって、光１０の偏光状態を制御部５で調整して結晶６のパイロ軸と同じ方向成分を調整することにより、発生するテラヘルツ波の強度を調整できる。

テラヘルツ波の発生によく使用される光伝導素子は、非線形光学結晶と比較して、光伝導素子に入射する光の偏光方向に対する感度が低く、変調を行うためには偏光制御部と光伝導素子との間に偏光子を挿入して光の強度を調整する必要がある。そのため、偏光子での反射や吸収、分散の影響によりテラヘルツ波のパワーが減衰したり、テラヘルツ波の帯域が狭くなったりすることがある。しかし、テラヘルツ波発生部として素子１２を用いた場合は、結晶６から発生するテラヘルツ波の強度が光９の偏光方向（主にパイロ軸方向成分、すなわちＺ軸方向成分）に強く依存する。そのため、光９の偏光のＺ軸方向成分の電界強度（Ｚ軸方向の電界強度）の調整のみでテラヘルツ波の強度を調整できる。すなわち、偏光子を用いる必要がなく、偏光子によるテラヘルツ波の反射や吸収、分散の影響を避けることができる。

電極２と電極３との間に電圧を印加しない状態で発生するテラヘルツ波の出力を最大にするには、素子１２の結晶６のパイロ軸と結晶４に入射する光９の偏光方向とが一致していることが望ましい。また、電極２及び電極３に電圧を印加して発生するテラヘルツ波の出力を最大にするには、結晶６のパイロ軸と光９の偏光方向とが直交していることが望ましい。

さらに、制御部５を通過した後の光１０の偏光状態は、制御部５を通過する前の偏光状態から楕円偏光の状態８を経由して、光９の偏光方向に対して９０度の直線偏光まで調整できることが望ましい。光９の偏光方向をどの程度変更するかは、結晶４の長さ、及び、電極２と電極３と間の距離、電極２と電極３との間に印加する電圧の大きさ、で調整できる。たとえば、結晶６にＬｉＮｂＯ_３を用いた場合、偏光状態７における偏光方向から９０度変化させた偏光状態にすることにより、結晶６から発生するテラヘルツ波に１００：１程度の消光比を持った強度変調を行うことができる。

図１（ａ）では、制御部５と素子１２とを空間を隔てて配置しているが、図１（ｂ）に示すように、制御部５と素子１２とが隣接するように配置してもよい。その場合、制御部５と素子１２とを接着剤などで接着して直接一体化してもよいし、基板などに集積化してもよい。一体化することにより、制御部５と素子１２との間に経時的な位置ずれなどが発生しにくく、所望の強度に調整されたテラヘルツ波２６をより安定的に得ることができる。

本実施形態の結晶６の材料には、ＬｉＮｂＯ_３結晶を用いる。しかし、その他の非線形光学結晶であるＬｉＴａＯ_３、ＮｂＴａＯ_３、ＫＴＰ、ＤＡＳＴ、ＺｎＴｅ、ＧａＳｅ、ＧａＡｓ等を用いることができる。また、素子１２は、結晶６がバルク形状のものを使用することもできるし、光導波路形状に加工したものを使用しても良い。素子１２として光導波路形状の素子を使用する場合は、制御部５と素子１２とを精密にアライメントして一体化しても良い。本実施形態の素子１２は、導波路２１０を有する光導波路形状の素子である。

結晶６から発生したテラヘルツ波の進行方向は、差周波発生によるテラヘルツ波発生では光１０の進行方向と同じ方向となり、光整流によるテラヘルツ波発生では位相整合条件を満たす方向となる。発生したテラヘルツ波を空間へ取り出すための結合部材として、シリコンプリズムを結晶６からテラヘルツ波が射出する面（射出面）に取り付けることで、より効率良くテラヘルツ波を取り出すことができる。射出面は、結晶６のパイロ軸以外のＸ軸もしくはＹ軸に略垂直な面が選ばれることが多い。素子１２が光導波路形状の場合は、導波路２０１の寸法を調整して偏光子の機能を有する導波路を構成しても良い。具体的には、導波路２０１のサイズをＴＭモードの伝搬は抑制し、ＴＥモードのみの伝搬が起こるように調整することで、導波路２０１に偏光子としての機能を付与することができる。その場合、前述したテラヘルツ波の強度変調の消光比を増加させることができる。

図２を参照して、素子１２の構成の一例を説明する。図２（ａ）は、素子１２の導波路２０１の長手方向の断面図で、図２（ｂ）は、素子１２の斜視図である。素子１２は、基板２０と、導波路２０１と、結合部材２５と、を有する。素子１２は、結晶６から発生したテラヘルツ波が電気光学的チェレンコフ放射現象（以下、「チェレンコフ放射」と呼ぶ）によって放射され、結合部材２５を介して外部に取り出される。チェレンコフ放射は、発生したテラヘルツ波２６が衝撃波のように円錐状に放出される現象で、結晶６を伝搬する光１０の伝搬群速度Ｖ_ｇが、結晶６を伝搬するテラヘルツ波２６の伝搬位相速度Ｖ_ＴＨｚより早い場合に発生する。

基板２０は、ＹカットのＬｉＮｂＯ_３基板であり、光１０の進行方向にＬｉＮｂＯ_３のＸ軸、光１０の進行方向と直交し且つ基板２０と平行な方向にＬｉＮｂＯ_３のＺ軸となるように配置している。そのような構成にすることによって、Ｚ軸と平行な電界成分をもつ光１０を入射させれば２次非線形現象であるチェレンコフ放射によってテラヘルツ波を効率良く取り出すことができる。

基板２０上には、光１０が伝搬するための導波路２０１が形成されている。導波路２０１は、結晶６と、接着層２１と、下部クラッド層２２と、上部クラッド層２４と、を有する。結晶６は、ＭｇＯドープＬｉＮｂＯ_３を有する導波層である。下部クラッド層２２と基板２０との間には、異種基板を貼り合わせる接着層２１があるが、この接着層２１が下部クラッド層を兼ねていてもよい。なお、接着層２１は、下部クラッド層２２と基板２０とを貼り合わせて導波路２０１を作製する場合に必要であって、拡散等でドープ層を形成する場合は必ずしも必要ではない。この場合、基板２０の屈折率よりＭｇＯドープＬｉＮｂＯ_３層の屈折率が高いため基板２０が下部クラッド層として機能して導波路２０１を形成する。

上部クラッド層２４は、結晶６としてのＬｉＮｂＯ_３よりも屈折率が小さいＳｉＯｘ、ＳｉＮｘ等の薄膜や樹脂等が好適に用いられる。導波路２０１の上には発生したテラヘルツ波を外部に取り出す結合部材２５が備えられている。上部クラッド層２４は、結合部材２５と結晶６とを接着するための接着剤を兼ねていてもよい。

導波路２０１は、Ｔｉ拡散により高屈折率化して周囲の領域２９と屈折率差を設ける方法やエッチング法等により結晶６の横方向の幅を狭くした後、ＳｉＯｘ膜や樹脂等で周囲を保護する構造とすることができる。本実施形態の導波路２０１は、結晶６の横方向の幅を発生するテラヘルツ波の波長より小さくしたリッジ形状の導波路とする。なお、本実施形態では、光の閉じ込めを強くするために横方向にも導波構造を形成したが、導波層６（結晶６）が横に均一に広がり、閉じ込め領域のないスラブ導波路（不図示）でもよい。また、結晶６の周囲にそれぞれ異なるクラッド層を設けるのではなく、上下及び左右のクラッド層を一体の構成としても良い。

結晶６のＺ軸に平行な偏光成分を有する光１０を入射させて、Ｘ軸に沿って伝搬させると、光整流により発生するテラヘルツ波の発生効率が最大になる。結晶６から発生したテラヘルツ波２６は、結合部材２５を介して空間に取り出される。結合部材２５は、導波路２０１の上に配置されており、テラヘルツ波２６を外部に取り出す部材である。材料としては、プリズム、回折格子、フォトニック結晶等を用いる。

上部クラッド層２４の厚さは、光１０が結晶６を伝搬する際のクラッド層として機能するのに十分厚く、且つ、結合部材２５からテラヘルツ波２６を外部に取り出す際に多重反射や損失の影響が無視できる程度に薄いことが望ましい。

具体的には、結晶６を伝搬する光１０の一部が上部クラッド層２４に染み出した場合、上部クラッド層２４と結合部材２５との界面における光強度が結晶６における光強度の１／ｅ^２以下であれば良い。また、外部に取り出したい周波数のテラヘルツ波２６のうち最も周波数の高いテラヘルツ波の上部クラッド層２４における等価波長の１／１０程度の厚さ以下に設定することが望ましい。一般的に、構造体の厚さが電磁波の波長の１／１０程度であれば、その電磁波に対して、反射、散乱、屈折等の影響が無視できるとみなされるからである。

ただし、上述した厚さの範囲外でも、テラヘルツ波２６を発生させることは可能である。なお、上部クラッド層２４の材料としては、ＰＥＴのような樹脂やＳｉＯｘ、ＳｉＮｘなどの誘電体を用いることができる。また、下部クラッド層２２についても、光１０に対してクラッド層として機能するよう上部クラッド層２４の厚みと同様の条件を満たすことが望ましい。

テラヘルツ波２６の進行方向と結晶６を伝搬する光１０の進行方向とが成す角θ_ｃ（以降、「チェレンコフ放射角」と呼ぶ）は、（２）式で表わせる。なお、ｎ_ｇは光１０に対する結晶６の群屈折率、ｎ_ＴＨｚはテラヘルツ波２６に対する結晶６の屈折率である。
ｃｏｓθ_ｃ＝ｎ_ｇ／ｎ_ＴＨｚ （２）

本実施形態では、結晶６としてＬｉＮｂＯ_３を用い、結合部材２５に高抵抗シリコン（Ｓｉ）を用いるため、導波路２０１におけるチェレンコフ放射角はおよそ６５度である。また、テラヘルツ波２６は、導波路２０１から結合部材２５に入射する際に屈折するため、結合部材２５におけるチェレンコフ放射角θ_ｃｌａｄはおよそ４９度となる。

ＬｉＮｂＯ_３結晶等を用いる結晶６は複屈折性を有しているため、テラヘルツ波２６を発生させる光１０の偏光方向が結晶６のＺ軸方向から変化すると、光１０に対する屈折率が変化する。そのため、（２）式に示されるように、チェレンコフ放射角θ_ｃも光１０の偏光方向に応じて変化する。本実施形態のように、導波路２０１を有する構成にすることにより、チェレンコフ放射角θ_ｃの変化によりテラヘルツ波２６が到達する位置を変化させることができるようになり、テラヘルツ波２６を検出する検出部に入射するテラヘルツ波２６の量が変化する。そのため、光１０の偏波方向と結晶方位毎に異なる非線形光学定数とによる発生するテラヘルツ波２６の強度変調に加えて、テラヘルツ波２６のチェレンコフ放射角θ_ｃの変化による検出部での強度変調を加えることができる。特に、位置に敏感な光伝導素子の様な検出部を使用する場合には、検出されるテラヘルツ波２６の強度をさらに大きく変化させることができる。

導波路２０１の上部クラッド層２４の厚さがテラヘルツ波の波長と比較して充分薄い場合（テラヘルツ波長の１／２０以下）には、チェレンコフ放射角の定義が困難になる場合がある。しかしその場合でも結合部材２５の屈折率と結晶６の屈折率とから、結合部材２５におけるチェレンコフ放射角θ_ｃｌａｄを算出することができる。

本実施形態の導波路２０１はリッジ形状なため、テラヘルツ波２６は、光１０の進行方向と直交する方向では発散光となっている。一方、光１０の進行方向に平行な方向（平行方向）のテラヘルツ波２６の成分はほとんど発散しないパターンとなっている。そこで、一方向にのみ集光機能を有するように、結合部材２５は、図２（ｂ）に示すような円錐の一部をカットしたような形状にしている。

ここでは、結晶６としてＬｉＮｂＯ_３結晶を用いたが、前述した通りその他の非線形光学結晶を用いることもできる。このとき、ＬｉＮｂＯ_３ではテラヘルツ波２６と光１０に対して屈折率差があり、ノンコリニアで発生するテラヘルツ波２６が取り出せるが、他の結晶では必ずしも屈折率差が大きくないため取り出しが難しい場合がある。しかし、導波路を有するテラヘルツ波発生部とプリズムとが近接していれば、非線形光学結晶より屈折率が大きいプリズム（たとえばＳｉ）を用いることでチェレンコフ放射の条件（Ｖ_ＴＨｚ＜Ｖ_ｇ）を満たし、テラヘルツ波２６を外部に取り出すことができる。

なお、導波路２０１を作製しなくても、光９の偏光方向を制御することにより、発生するテラヘルツ波の変調を行うことができる。また、光１０のパルス面を傾斜させて位相整合を行いテラヘルツ波を発生する方法や、２つの周波数が異なる光を使用するパラメトリック発生方式などにも適用できる。

以上、装置１００の構成について説明した。装置１００によれば、制御部５を用いて、素子１２に入射する光１０の偏光を変調することにより、発生するテラヘルツ波２６の強度変調を行う。具体的には、制御部５によって、光９に数１００ＭＨｚ程度までの高速な偏光変調を加えて得られた光１０を素子１２に入射する。そのため、発生するテラヘルツ波２６は、変調の幅が強度変調の消光比で１００：１程度以上と大きく、且つ安定的に強度変調される。強度変調をより効率良く行うことができる。また、光１０の偏光状態を制御すればテラヘルツ波２６の出力を調整できるため、長時間にわたってテラヘルツ波２６を安定的に供給できるようになる。また、導波路２０１を有することにより、光１０の偏光方向に応じてチェレンコフ放射角が変化させることができ、検出の場合には検出部への入射位置による強度変調を行うこともでき、強度変調の幅をより大きくすることができる。

（第２の実施形態）
本実施形態のテラヘルツ波発生装置３００（以下、「装置３００」と呼ぶ）について、図３を参照して説明する。図３は、装置３００の構成及び結晶４、６の軸方向を説明する図である。なお、図３では、説明のために素子１２の導波路２０１及び結合部材２５等を省略して、結晶６のみを図示している。装置３００は、制御部５の結晶４のパイロ軸と光９の進行方向とが一致するように制御部５を配置し、電極２及び電極３を結晶４のＸ軸に垂直な結晶面に設けたものである。その他の構成は第１の実施形態と同様なので、説明を省略する。

装置３００では、光９の進行方向と結晶４の光学軸（屈折率がその周りで回転対称な軸）であるパイロ軸とが一致している。電極２及び電極３は、結晶４のＹ軸に垂直な結晶面に設けてもよい。すなわち、制御部５は、光９の偏光方向がＸ軸もしくはＹ軸に対して４５度±５度になるように配置する。これによって、効率良く偏光変調を行うことができる。

このとき、結晶４の有効非線形光学定数は第１の実施形態の場合よりも小さくなるため、結晶４のパイロ軸方向の長さ（結晶長）ｌを長くする。これによって、テラヘルツ波２６の強度変調を第１の実施形態と同程度行うことができる。結晶４の与える位相シフトの大きさΔΦは、（３）式で表わせる。そのため、結晶４の有効非線形光学定数ｒが減少した分だけ結晶長ｌを増加させる必要がある。なお、電極２、３に印加する電圧をＶ、光９の波長をλ、電極２と電極３との距離をｄとする。

装置３００によれば、制御部５によって、光９に数１００ＭＨｚ程度までの高速な偏光変調を加えて得られた光１０を素子１２の結晶６に入射する。そのため発生するテラヘルツ波２６は、変調の幅が強度変調の消光比で１００：１程度以上と大きく、且つ安定的に強度変調される。また、光１０の偏光状態を制御すれば、テラヘルツ波２６の出力を調整できるため、長時間にわたってテラヘルツ波２６を安定的に供給できるようになる。また、導波路２０１を有することにより、光１０の偏光方向に応じてチェレンコフ放射角が変化させることができ、検出の場合には検出部への入射位置による強度変調を行うこともでき、強度変調の幅をより大きくできる。

さらに、上述したように、光９の進行方向と結晶４のパイロ軸とが一致するように配置することで、結晶４の複屈折によって発生する光１０のパルス幅増大の影響や、温度に依存した屈折率の変化等を抑制できる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態のテラヘルツ波発生装置４００（以下、「装置４００」と呼ぶ）の構成について、図４を参照して説明する。図４は、装置４００の構成及び結晶４、６、４４の軸方向を説明する図である。なお、図４では、説明のために素子１２の導波路２０１及び結合部材２５等を省略して、結晶６のみを図示している。装置４００は、第１の実施形態の装置１００の構成に加えて、制御部５と同様の形状を有する偏光制御部４１（以下、「制御部４１」と呼ぶ）を備える。制御部４１は、電極４２、４３と非線形光学結晶４４（以下、「結晶４４」と呼ぶ）とを有し、結晶４４は、電極４２と電極４３との間に配置されている。その他の構成は、第１の実施形態と同様なため、説明を省略する。

制御部４１は、結晶４のパイロ軸と結晶４４のパイロ軸とが９０度±５度するように配置される。結晶４の光９の進行方向の長さと、結晶４４の光９の進行方向の長さとは、同じ長さである。また、制御部５、４１は、制御部５を通過する前の偏光状態７から偏光状態８のような楕円偏光の状態を経由し、素子１２に入射する光１０の偏光状態を、光９の偏光方向に対して９０度の方向を持つ直線偏光に調整できる程度のものが望ましい。

装置４００によれば、制御部５、４１によって、光９に数１００ＭＨｚ程度までの高速な偏光変調を加えて得られた光１０を素子１２に入射する。そのため、発生するテラヘルツ波２６の強度変調をより効率良く行うことができる。また、光１０の偏光状態を制御すれば、テラヘルツ波２６の出力を調整できるため、長時間にわたってテラヘルツ波２６を安定的に供給できるようになる。すなわち、発生するテラヘルツ波２６は、変調の幅が強度変調の消光比で１００：１程度以上と大きく、且つ安定的に強度変調される。また、導波路２０１を有することにより、光１０の偏光方向に応じてチェレンコフ放射角が変化させることができ、検出の場合には検出部への入射位置による強度変調を行うこともでき、強度変調の幅をより大きくできる。

結晶４のパイロ軸と結晶４４のパイロ軸とが直交するように２つの制御部５、４１を配置しているため、光９の偏光成分は、結晶４のパイロ軸方向及び結晶４４のパイロ軸方向の屈折率領域とＹ軸方向の屈折率領域とを同じ光路長で移動する。そのため、温度に依存せず、さらに複屈折性がない偏光変調が可能となる。

（第４の実施形態）
第４の実施形態のテラヘルツ波発生装置５００（以下、「装置５００」と呼ぶ）の構成について、図５を参照して説明する。図５は、装置５００の構成及び結晶４、６の軸方向を説明する図である。なお、図５では、説明のために素子１２の導波路２０１及び結合部材２５等を省略して、結晶６のみを図示している。装置５００は、第１の実施形態の構成に加えて、光検出部５１と制御部５２とを有する。第１の実施形態と同様の構成については、説明を省略する。

光検出部５１は、素子１２の結晶６から射出した光１３の強度を検出する。光検出部５１には、フォトダイオードを用いたものや、焦電型の検出器などを使うことができる。光検出部５１で検出された光１３の強度は、ＰＣ等の制御部５２でモニターされる。制御部５２は、光検出部５１の検出結果に基づいて、電源５３が発生する電極２、３に印加するための電圧を制御する。ここでは、光１３の強度が一定になるように電源５３が発生する電圧を調整する。また、光検出部５１の検出結果を用いて、強度変調されたテラヘルツ波の最大強度が一定になるように調整することもできる。

素子１２からのテラヘルツ波の強度は、前述したように素子１２の結晶６に入射する光１０の強度が大きいほど大きくなる。素子１２の光利用効率はほぼ変化しないため、光１３の強度は、素子１２からのテラヘルツ波２６の強度を反映している。すなわち、装置５００によれば、光源１及び制御部５、素子１２に発生する経時劣化や温度変化による特性変動等が発生していても、その影響を抑制してテラヘルツ波２６を安定的に得ることができる。

電源５３が発生する電圧は、素子１２で発生可能なテラヘルツ波２６の最大出力に対して若干小さい出力のテラヘルツ波２６を出力するように調整しておき、光源１及び制御部５、素子１２の変動に対応できるように調整幅を持たせてもよい。素子１２と光検出部５１との間に偏光子（不図示）を挿入してもよい。この場合、偏光子が光１３のパイロ軸方向の光束（パイロ軸方向成分）のみを抽出し、光検出部５１に結晶６のパイロ軸方向成分のみが到達する構成となる。このような構成にすることで、光源１及び制御部５、素子１２に発生する経時劣化や温度変化による特性変動だけでなく、偏光状態又はパイロ軸方向成分の特性変動についてもモニターできるようになる。

なお、結晶６から発生したテラヘルツ波２６の一部を検出し、制御部５がその検出結果を用いて光源１からの光９の偏光方向を制御してもよい。この場合、テラヘルツ波２６からその一部を取出すため、測定等に用いることができるテラヘルツ波２６の強度が低下する。また、テラヘルツ波２６の伝搬経路中に光学部品を挿入してテラヘルツ波２６の一部を取り出す必要があり、光学部品による分散や吸収などの影響でパルス波形が変化することがあるため、光１３を検出する構成の方がより望ましい。

装置５００によれば、制御部５によって、光９に数１００ＭＨｚ程度までの高速な偏光変調を加えて得られた光１０を素子１２に入射する。そのため、発生するテラヘルツ波２６の強度変調をより効率良く行うことができる。また、光１０の偏光状態を制御すれば、テラヘルツ波２６の出力を調整できるため、長時間にわたってテラヘルツ波２６を安定的に供給できるようになる。すなわち、発生するテラヘルツ波２６は、変調の幅が強度変調の消光比で１００：１程度以上と大きく、且つ安定的に強度変調される。また、導波路２０１を有することにより、光１０の偏光方向に応じてチェレンコフ放射角が変化させることができ、検出の場合には検出部への入射位置による強度変調を行うこともでき、強度変調の幅をより大きくできる。

さらに、結晶６から射出した光１３を検出して、その検出結果を用いて制御部５に印加する電圧を制御することにより、光の偏光をより高精度に制御できる。

（第５の実施形態）
第５の実施形態のテラヘルツ波発生装置６００（以下、「装置６００」と呼ぶ）の構成について、図６を参照して説明する。図６は、装置６００の構成及び結晶６の軸方向を説明する図である。なお、図６では、説明のために素子１２の導波路２０１及び結合部材２５等を省略して、結晶６のみを図示している。装置６００は、第１の実施形態の制御部５に代わって、ファラデーセルを用いた偏光制御部６１（以下、「制御部６１」と呼ぶ）を用いる。第１の実施形態と同様の構成については、説明を省略する。

ファラデーセルは、磁界によって光の偏光状態が回転する磁気光学効果（ファラデー効果）を用いて直線偏光の偏光面を回転させる。制御部６１は、磁性体６２と、磁性体６２に巻きつけられたコイル６３とを有する。コイル６３に電源６４から電圧を印加して、光９の進行方向と同じ方向に磁場を与えると、ファラデー効果によって光９の偏光方向を制御できる。すなわち、制御部６１は、直線偏光の光９が入射すると、直線偏光の状態のままその偏光方向を変更する。これにより、素子１２に入射する光１０のパイロ軸（Ｚ軸）方向の電界強度を制御する。

ファラデー効果による光の偏光状態の回転角θは、磁場の強さをＨ、偏光が通過する磁性体の長さをｌとすると（４）式で表わされる。
θ＝ＶＨｌ （４）

（４）式のＶは、物質の種類と偏光の波長、温度に依存するベルデ定数である。磁性体６２の材料には、このベルデ定数Ｖが大きい、すなわちファラデー効果が大きいものを用いることが多い。例えば、ビスマス鉄ガーネット（Ｂｉｓｍｕｔｈ Ｉｒｏｎ Ｇａｒｎｅｔ、ＢＩＧ）、イットリウム鉄ガーネット（Ｙｔｔｒｉｕｍ Ｉｒｏｎ Ｇａｒｎｅｔ、ＹＩＧ）が挙げられる。その他にも、ガドリニウムガリウムガーネット（Ｇａｄｏｌｉｎｉｕｍ Ｇａｌｌｉｕｍ Ｇａｒｎｅｔ、ＧＧＧ）等がある。

制御部６１は、素子１２に入射する光１０の偏光状態を、光９の偏光方向（偏光状態７）に対して９０度の方向を持つ直線偏光の状態へと調整できることが望ましい。偏光の制御幅は、磁性体６２の長さ及びコイル６３等で印加する磁場の強さによって調整できる。結晶６にＬｉＮｂＯ_３結晶を用いた場合には、偏光状態７の偏光方向を９０度変化させることで、第１の実施形態と同様に素子１２から発生するテラヘルツ波に、１００：１程度の消光比を持った強度変調を加えることができる。

ファラデーセルを用いた制御部６１を使った場合、変調周波数は一般的にＤＣから数１０ｋＨｚ程度の範囲で調整でき、光チョッパーを使用した変調における周波数の上限である数ｋＨｚを超えることができる。また、電気的な変調方式であるため、振動による測定データのノイズ増加や、測定系の位置ずれなどに起因するデータの経時変化等を防止できる。

本実施形態の装置６００によれば、制御部６１を用いて、素子１２に入射する光１０の偏光を変調することにより、発生するテラヘルツ波２６の強度変調を行う。具体的には、制御部６１によって、光９に数１００ＭＨｚ程度までの高速な偏光変調を加えて得られた光１０を素子１２の結晶６に入射する。そのため、発生するテラヘルツ波２６の強度変調をより効率良く行うことができる。また、光１０の偏光状態を制御すれば、テラヘルツ波２６の強度を調整できるため、長時間にわたってテラヘルツ波２６を安定的に供給できるようになる。すなわち、発生するテラヘルツ波２６は、変調の幅が強度変調の消光比で１００：１程度以上と大きく、且つ安定的に強度変調される。また、導波路２０１を有することにより、光１０の偏光方向に応じてチェレンコフ放射角が変化させることができ、検出の場合には検出部への入射位置による強度変調を行うこともでき、強度変調の幅をより大きくできる。

さらに、光源１が出力した光９の偏光を制御することで、光源１が直接変調された光を出力する場合より、発生するレーザ線幅の変動やパワーなどの長期安定性の低下などを発生することなく偏光の変調を行うことができる。

（第６の実施形態）
本実施形態は、第１の実施形態の装置１００を使用した測定装置７００（以下、「装置７００」と呼ぶ）に関するものである。装置７００の構成について、図７を参照して説明する。図７は、装置７００の構成図である。装置７００は、ＴＨｚ−ＴＤＳ法を用いてテラヘルツ波の時間波形を取得するテラヘルツ時間領域分光装置（ＴＨｚ−ＴＤＳ装置）である。

光源７０１は、パルス光７０２（以下、「光７０２」と呼ぶ）を出力する。光源７０１としては、ファイバレーザ等を使用できる。本実施形態では、光７０２は、波長１．５μｍ帯、パルス時間幅（パワー表示での半値全幅）３０ｆｓ程度の超短パルスレーザとする。光７０２は、ビームスプリッタ７０３でプローブ光７２０とポンプ光７２１とに分岐される。プローブ光７２０は第二次高調波発生部７０５へ入射し、ポンプ光７２１は発生部７０４へ入射する。

発生部７０４は、上述の各実施形態で説明したようなテラヘルツ波発生装置を使用する。ポンプ光７２１は、レンズで集光するなど発生部７０４のテラヘルツ波発生素子１２に適した形状に成型されて照射される。ポンプ光７２１が発生部７０４に照射されることによりテラヘルツ波パルス７０６（以下、「テラヘルツ波７０６」と呼ぶ）が発生する。テラヘルツ波７０６は、素子１２が有するシリコンプリズムを通して結晶６から空間へ取り出すと効率が良い。上記説明の構成とすれば、パルス時間幅（半値全幅）数１００ｆｓから数ｐｓ程度のテラヘルツ波７０６を放射させることができる。

空間に放射されたテラヘルツ波７０６は、レンズやミラー等の光学素子によって試料７０７へと照射される。試料７０７で反射したテラヘルツ波７０６は、光学素子を介して検出部７０８に入射する。

第二次高調波発生部７０５に入射したプローブ光７２０は、第二次高調波変換過程によって波長０．８μｍ帯のパルスレーザとなる。第二次高調波発生部７０５の第二次高調波発生素子としては、ＰＰＬＮ結晶（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ Ｐｏｌｅｄ Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｎｉｏｂａｔｅ）等を使用できる。他の非線形過程で生ずる波長や、波長変換されずに射出してくる１．５μｍ帯の波長の光は、ダイクロイックミラー等（不図示）によってプローブ光から取り除かれる。０．８μｍ帯の波長に変換されたプローブ光７２０は、遅延部７０９を通過して検出部７０８に入射する。

検出部７０８は、試料７０７からのテラヘルツ波７０６を検出する部分で、一般的に光伝導素子を使用するが、その他の既知のテラヘルツ波検出器も使用できる。検出部７０８は、試料７０７からのテラヘルツ波７０６とプローブ光７２０とが入射するとテラヘルツ波７０６を検出する。このとき、第二次高調波発生部７０５で波長０．８μｍ帯に変換されたプローブ光７２０が検出部７０８に入射する構成としているが、波長変換を行わない１．５ｕｍ帯のままでも検出できる。光伝導素子の光伝導層で発生した光励起キャリアは、テラヘルツ波７０６の電界によって加速され、電極間に電流を生じさせる。この電流値は、光電流が流れている時間内のテラヘルツ波７０６の電界強度を反映している。電流を電流電圧変換デバイスによって電圧に変換してもよい。可動式のレトロリフレクター等を含む遅延部７０９によってプローブ光が検出部７０８に到達するまでの伝搬時間を掃引することで、テラヘルツ波７０６の電界強度の時間波形を再構成できる。

遅延部７０９は、プローブ光７２０の光路長を変化させることにより、ポンプ光７２１の光路長とプローブ光７２０の光路長との光路長差を変化させる。これにより、プローブ光７２０の光路長に対し、ポンプ光７２１とテラヘルツ波７０６とを含めた光路長が変化するため、プローブ光７２０及びテラヘルツ波７０６が検出部７０８に到達するタイミングが変化する。なお、プローブ光７２０の光路長を変化させる構成に限らず、ポンプ光７２１の光路長を変化させてもよい。遅延部７０９は、プローブ光７２０及びテラヘルツ波７０６が検出部７０８に到達するタイミングを変化させる構成であればよい。例えば、ポンプ光を出力する光源とプローブ光を出力する光源とを設けて、２つの光源から光が出力されるタイミングを変更する方法等が挙げられる。

処理部７１０は、遅延部７０９によるプローブ光７２０の伝搬時間を制御したり、試料７０７の情報を取得したりする。試料７０７の情報は、具体的には、テラヘルツ波７０６の時間波形、時間波形から取得できるスペクトル、試料７０７の光学特性、試料７０７の層状態や形状等を指す。なお、本明細書の光学特性は、検体の複素振幅反射率、複素屈折率、複素誘電率、反射率、屈折率、吸収係数、誘電率、電気伝導率等を含むと定義する。取得した試料７０７の情報は、表示部７１１に表示する。

試料７０７の表面及び試料７０７内部の各界面で反射された各テラヘルツ波７０６の時間波形の検出時間の間隔から、それらの面間隔を評価することもできる（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ法）。さらに、試料７０７とテラヘルツ波７０６との相対位置を変更して試料７０７に対するテラヘルツ波７０６の照射位置を走査すれば、トモグラフィックイメージングを行い、検体中の所定の光学特性を有する領域の形状等を求めることも可能である。なお、装置７００は、試料７０７で反射したテラヘルツ波７０６を検出しているが、試料７０７を透過したテラヘルツ波を検出してもよい。取得した試料７０７の情報から、試料７０７の同定、イメージング等を行うことができ、これらの特徴を生かして、装置７００は、医療及び美容、工業製品検査、食品等の分野で利用できる。

本実施形態の発生部７０４は、上述の各実施形態のテラヘルツ波発生装置を用いている。そのため、発せ部７０４は、制御部５によって、ポンプ光７２１に、数１００ＭＨｚ程度までの高速な偏光変調を加えて得られた光を結晶６に入射する。その結果、発生するテラヘルツ波７０６の強度変調をより効率良く行うことができる。このような構成とすることにより、装置７００は、時間波形の取得速度の向上やダイナミックレンジの向上等によって、より精度の良い測定を行うことができる。また、長時間にわたって高出力のテラヘルツ波を安定的に供給できる測定装置を作製できる。

また、上述の各実施形態の様に素子１２を導波路構造とすることで、光１０の偏光状態に応じてチェレンコフ放射角θ_ｃが変化する。そのため、検出部７０８に対するテラヘルツ波７０６の照射位置を変更できるため、ポンプ光７２１の偏波方向を制御すれば、テラヘルツ波７０６の強度変調に加え、テラヘルツ波７０６の伝搬角度の変化による検出部７０８での強度変調が起こる。特に、本実施形態の様に、テラヘルツ波７０６の入射位置に敏感な光伝導素子を検出部７０８として使用する場合には、検出されるテラヘルツ波７０６の強度をさらに大きく変化させることができる。

（第７の実施形態）
第７の実施形態のテラヘルツ波発生装置８００（以下、「装置８００」と呼ぶ）の構成について、図８を参照して説明する。装置８００は、第１の実施形態の装置１００に、素子１２から発生したテラヘルツ波８８、８９の伝搬経路にスリット構成部８０を挿入している。スリット構成部８０は、紙面に垂直な方向に立てた２枚の板でスリット８１を形成している。第１の実施形態と同様の構成については、説明を省略する。

前述した通り素子１２を構成する結晶６が複屈折率性を持つ場合には、素子１２に入射する光１０の偏光方向と結晶６のパイロ軸との角度が変化すると、テラヘルツ波が放射される角度、すなわちチェレンコフ放射角が変化する。

例として、光１０の波長が１．５５μｍ帯、結晶６がＬｉＮｂＯ_３、結合部材２５が高抵抗Ｓｉの場合に、装置８００が発生したテラヘルツ波８８、８８の伝搬について説明する。ここでは、図８のテラヘルツ波８８、８９を１ＴＨｚのテラヘルツ波として説明する。光１０のうちのＺ軸方向と一致する偏光成分によって励起されたテラヘルツ波８８に対する結晶６の屈折率は２．１４となる。そのため、チェレンコフ放射角θ_ｃは約６５度で、結合部材２５を伝搬するテラヘルツ波８８、８９と基板２０表面とがなす角θ_ｃｌａｄは約４９度である。それに対し、光１０のうちＬｉＮｂＯ_３のＺ軸方向と直交する偏光成分によって励起されたテラヘルツ波８９は、結晶６における屈折率が２．２１となるため、チェレンコフ放射角θ_ｃは約７１度、角θ_ｃｌａｄは約５１度である。

図２の導波路２０１の上部クラッド層２４の厚さがテラヘルツ波８８、８９の波長の１／２０以下と十分に薄い場合、チェレンコフ放射角θ_ｃの定義が困難になる場合がある。しかしその場合でも結合部材２５の屈折率と結晶６の屈折率とから、テラヘルツ波８８、８９それぞれと基板表面とがなす角θ_ｃｌａｄを算出することができる。

このように、光１０の偏光方向をＬｉＮｂＯ_３のＺ軸方向と一致する角度から９０度回転させることにより、テラヘルツ波８８、８９の伝搬経路が、角度を約２度変化することができる。その結果、テラヘルツ波８８、８９が１ｍ伝搬した場合にそれぞれのテラヘルツ波８８、８９が到達する位置に約３．５ｃｍのずれが生じる。そのため、素子１２に入射する光１０を変調することによるテラヘルツ波８８、８９の強度変調に加えて、装置８００から発生したテラヘルツ波を検出するための検出部８５に対するテラヘルツ波の入射位置に変調を加えることができる。

また、本実施形態では、スリット構成部８０を用いてスリット８１を設けている。光１０の偏光方向が結晶６としてのＬｉＮｂＯ_３のＺ軸方向と一致するようにしたときに放射されるテラヘルツ波８８が遮られることがないようにスリット構成部８０を配置した。スリット８１を通過したテラヘルツ波８８は、放物面鏡８２で集光され、検出部８５等に入射することができる。しかしながら、テラヘルツ波８９の伝搬方向は、前述したようにテラヘルツ波８８の伝搬方向から２度程度変化している。そのため、テラヘルツ波８９のほとんどはスリット構成部で遮断され、スリット８１を通過しない。なお、スリット８１の形状は所望の経路以外を伝搬してきたテラヘルツ波８９等を遮蔽する機能があれば良く、円形の穴などの様々な形のものを代用することができる。またスリット構成部８０の材質にはテラヘルツ波が透過しにくい金属などを用いるのが望ましい。

その結果、テラヘルツ波８９が検出部８５に入射しにくくなるため、変調幅をより大きくすることができる。スリット８１は、素子１２から可能な限り遠くに設けることにより、変調幅をより大きくすることができる。

（実施例）
本実施例では、第１の実施形態の装置１００のより詳細な構成について図１及び図２を参照して説明する。本実施例の装置１００は、素子１２として図２に示したようなチェレンコフ放射を用いたテラヘルツ波発生素子を用いている。

光源１には、中心波長１．５５μｍでパルス幅が２０ｆｓ、繰り返し周波数が５０ＭＨｚの光９を出力は２００ｍＷで出力するレーザ装置を用いた。光９の偏光状態７は、偏光消光比が２０ｄＢ以上ある直線偏光である。

制御部５は、電極２、３と結晶４とを有し、結晶４は電極２と電極３との間に挟まれるように配置されている。結晶４には、光屈折損傷を防止するために酸化マグネシウム（ＭｇＯ）をドープしたＬｉＮｂＯ_３を使用し、電極２、３にはアルミ電極を使用した。酸化マグネシウム（ＭｇＯ）をドープしたＬｉＮｂＯ_３を含む結晶４は、光９の強度に対して光屈折損傷が発生せず充分な耐性を持つものであった。結晶４は、厚みが２ｍｍ、光９の進行方向への長さが１０ｍｍ程度のものを用いた。制御部５は、電極２と電極３との間に１００Ｖの電圧を印加することで、光９の偏光方向を制御部５に入射する前の偏光方向から９０度回転できる。光９への分散などの影響を低減する場合には、光９の進行方向の長さを短くして、電極２と電極３との間に印加する電圧を高くすればよい。

制御部５は、非線形光学効果の指標である非線形光学係数が最大であるｒ３３を利用するために、結晶４であるＬｉＮｂＯ_３結晶のパイロ軸（Ｚ軸）と垂直な結晶面に電極２、３を設けた。パイロ軸に対して光９の偏光方向が４５度±５度になるように制御部５を配置すれば、効率良く偏光を制御できる。また、制御部５は、光９の進行方向と結晶４のＸ軸とが一致するように配置した。制御部５の光９が入射する面や光１０が射出する面に反射防止膜としてＳｉＯ_２膜（不図示）を設けた。ＳｉＯ_２膜の厚さは、光９、１０の中心波長である１．５５ｕｍに対して光学長が１／４である２６３ｎｍ程度とした。ＳｉＯ_２膜はスパッタ法で形成したが、他にもＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｏｉｎ）法等でも形成できる。

上述の構成で、電極２、３に所望の変調周波数を有する電圧を印加することで、光９に偏光変調を加えることができる。変調周波数の設定に関しては、第１の実施形態で述べた通り注意が必要であり、結晶４の構造的な共振周波数を避けて設定する必要がある。この共振周波数は、結晶４の形状や圧電定数によって変化するが、１以上１０ＭＨｚ以下の範囲内に存在することが多く、検査によって割り出すことができる。

本実施例では、電極２、３に対して１００ｋＨｚ、１００Ｖの交流電圧を印加したところ、制御部５が共振することなく、光９の偏光状態７における偏光方向から９０度、１００ｋＨｚで変調できた。これは光チョッパーを使用した変調における周波数の上限である数ｋＨｚを大幅に超えるものである。制御部５によって偏光状態を制御された光１０は、素子１２の結晶６に入射される。

素子１２は、チェレンコフ放射を用いたテラヘルツ波発生素子で、図２の素子と同様の構成である。すなわち、素子１２は、光導波路２０１、結合部材２５、基板２０を有する。導波路２０１は、結晶６、接着層２１、下部クラッド層２２、上部クラッド層２４を有する。導波路２０１の結晶６に、結晶６のパイロ軸（Ｚ軸）に平行な偏波すなわち水平偏波でレーザ光を入射させてＸ軸に沿って伝搬させると、結晶６からテラヘルツ波２６が発生し、結合部材２５を介してテラヘルツ波２６を空間に取り出せる。

結晶６には、ＬｉＮｂＯ_３を使用した。そのため、結晶６のパイロ軸（Ｚ軸）方向の有効非線形光学定数はｄ_３３＝３４．４ｐｍ／Ｖであり、他の軸方向の有効非線形光学定数ｄ_３１＝５．９５ｐｍ／Ｖ、ｄ_２２＝３．０７ｐｍ／Ｖと比較して大きい。よって、素子１２から放射されるテラヘルツ波２６の強度は、光９の結晶６のパイロ軸と偏光方向が一致する成分でほぼ決定される。そのため、制御部５を用いて素子１２に入射する光１０のパイロ軸成分を調整することにより、テラヘルツ波２６の強度を調整できる。

今回使用した基板２０は、ＹカットのＬｉＮｂＯ_３基板であり、光９の進行方向に基板２０のＬｉＮｂＯ_３のＸ軸、光９の進行方向と直交し且つ基板２０と平行な方向をＺ軸としている。このような構成にすることによって、Ｚ軸と平行な電界成分をもつ偏波の光を入射させれば、２次非線形現象であるチェレンコフ放射によるテラヘルツ波２６を効率良く発生することができる。

導波路２０１は、ＭｇＯドープＬｉＮｂＯ_３結晶層から成る導波層６（結晶６）によって、入射するレーザ光を全反射で伝搬させる。結晶６の結晶軸は、基板２０と同様な方向とした。下部クラッド層２２と基板２０は、アクリル系の接着剤を含む接着層２１によって貼り合わされている。上部クラッド層２４は、材料としてＳｉＯ_２を用いてＣＶＤ法にて形成した。光導波路２０１の上部には、発生したテラヘルツ波２６を外部に取り出すために、結晶６としてのＬｉＮｂＯ_３よりも大きい屈折率を持つ結合部材２５が備えられている。結合部材２５は、テラヘルツ波２６の損失が少ない高抵抗Ｓｉプリズムを用いており、第１の実施形態と同様に、テラヘルツ波２６を一方向にのみ集光する機能を有するように円錐の一部をカットしたような形状にした。

前述したように、上部クラッド層２４の厚さは、結晶６を光１０が伝搬する際のクラッド層として機能するのに十分厚く、かつ結合部材２５でテラヘルツ波２６を外部に放射する際に多重反射や損失の影響が無視できる程度に薄いことが望ましい。本実施例では、導波層（結晶）６の厚さを３．８μｍ、幅を４μｍとし、上部クラッド層２４の厚さを１μｍとした。

本実施例において、前述の（２）式より光１０のうちＬｉＮｂＯ_３のＺ軸方向と一致する成分が励起するテラヘルツ波のチェレンコフ放射角はおよそ６５度である。結合部材２５は、導波路２０１でテラヘルツ波が全反射せずに空気中に取り出せる材料として、例えばテラヘルツ波２６の損失が少ない高抵抗Ｓｉが好適である。この場合、結合部材２５を伝搬するテラヘルツ波２６と基板表面とがなす角θ_ｃｌａｄはおよそ４９度である。

本実施例の素子１２は、結晶６のパイロ軸と光９の偏光状態７の偏向方向とが一致するように配置する。制御部５は、制御部５通過前の偏光状態７から偏光状態８のような楕円偏光の状態を通過して、光１０の偏光状態を偏光状態７の偏向方向に対して９０度の直線偏光まで調整できる。偏光状態７の偏向方向から９０度変化させた光１０を得ることで、ラヘルツ波２６に、１００：１程度の消光比を持った強度制御を加えることができる。

さらに詳細には光１０がＬｉＮｂＯ_３のＺ軸方向から９０度回転した直線偏光となった場合には、結合部材２５を伝搬するテラヘルツ波２６と基板表面とがなす角θ_ｃｌａｄがおよそ５１度程度となる。そのため光１０の偏光角度を９０度回転させることにより、テラヘルツ波２６の伝搬経路の角度をおおよそ２度程度変更することができることとなる。例えば、テラヘルツ波２６が１ｍ伝搬した後の位置におおよそ３．５ｃｍのずれを生じることとなるなど、検出部に対してテラヘルツ波２６の強度に加えてテラヘルツ波２６の到達位置の変調を加えることになり、大きな変調を与えられることとなる。

その結果、電極２、３に１００ｋＨｚ、１００Ｖの交流電圧を印加したところ、１００：１程度の消光比を持った強度変調を１００ｋＨｚで加えることができる。変調スピードに関しては制御部５のサイズを最適化することで、一般的に数１００ＭＨｚまで向上させることが可能である。

装置１００によれば、光９に数１００ＭＨｚ程度までの高速な偏光変調を加えて得られた光１０を素子１２の結晶４に入射する。そのため、発生するテラヘルツ波２６の強度変調をより効率良く行うことができる。また、光１０の偏光状態を制御すれば、テラヘルツ波２６の出力を調整できるため、長時間にわたってテラヘルツ波２６を安定的に供給できるようになる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

例えば、第６の実施形態の装置７００は、試料７０７で反射したテラヘルツ波２６を検出しているが、試料７０７を透過したテラヘルツ波２６を検出する形態にしてもよい。

また、上述の実施形態で、制御部５の配置について、制御部５を用いて効率的に光９の偏光状態を制御するのに望ましい例を述べた。また、上述の実施形態の制御部５は、２つの電極２、３は、結晶４のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のいずれかと垂直に配置されている。しかし、これに限らず、制御部５は、電極２と電極３とが対向して配置されていれば良い。また、制御部５は、電極２と電極３との間に形成される電界の方向と光９の偏光方向とがなす角の大きさが４５度±５度となるように配置されていれば良い。

また、光導波路２０１は上述の構成に限らず、非線形光学結晶１２を光が効率良く伝搬する構成であればよい。

１ 光源
５ 偏光制御部
６ 非線形光学結晶
９、１０ 光
１２ テラヘルツ波
２０１ 導波路

Claims (18)

1. 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、
   光源からの光の偏光方向を制御する偏光制御部と、
   前記偏光制御部で偏光方向を制御された光が入射することによりテラヘルツ波を発生する非線形光学結晶を有する導波路と、を有し、
   前記偏光制御部は、前記非線形光学結晶に入射する前記光の前記非線形光学結晶のＺ軸方向の電界強度を制御する
   ことを特徴とするテラヘルツ波発生装置。
2. 前記非線形光学結晶から射出した光を検出する光検出部を更に有し、
   前記偏光制御部は、前記光検出部の検出結果に基づいて前記非線形光学結晶に入射する前記光の偏光方向を制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
3. 前記非線形光学結晶から射出した前記光のうち偏光方向が前記Ｚ軸方向の光を抽出する偏光子を更に有し、
   前記光検出部は、前記偏光子からの光を検出する
   ことを特徴とする請求項２に記載のテラヘルツ波発生装置。
4. 前記偏光制御部は、前記非線形光学結晶に入射する前記光の前記Ｚ軸方向の電界強度を周期的に変化させる
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のテラヘルツ波発生装置。
5. 前記偏光制御部は、第１の電極と、第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置されている非線形光学結晶と、を有する
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のテラヘルツ波発生装置。
6. 前記偏光制御部は、前記第１の電極と前記第２の電極との間に形成される電界の方向と前記偏光制御部に入射する前記光の偏光方向とがなす角の大きさが４５度±５度となるように配置されている
   ことを特徴とする請求項５に記載のテラヘルツ波発生装置。
7. 前記偏光制御部を第１の偏光制御部とすると、前記第１の偏光制御部と異なる第２の偏光制御部を更に有し、
   前記第２の偏光制御部は、第３の電極と、第４の電極と、前記第３及び第４の電極との間に配置されている非線形光学結晶と、を有し、
   前記第３の電極と前記第４の電極との間に形成される電界の方向と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に形成される電界の方向と、がなす角の大きさが９０度±５度になるように配置されており、
   前記第３の電極と第４の電極との間に形成される電界の方向と前記第２の偏光制御部に入射する前記光の偏光方向とがなす角の大きさが４５度±５度となるように配置されている
   ことを特徴とする特徴とする請求項６に記載のテラヘルツ波発生装置。
8. 前記非線形光学結晶と接するように配置されており、前記導波路の前記非線形光学結晶から発生したテラヘルツ波を外部に取り出す結合部材を更に有する
   ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載のテラヘルツ波発生装置。
9. 前記導波路の前記非線形光学結晶から発生したテラヘルツ波は、電気光学的チェレンコフ放射現象により放射される
   ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載のテラヘルツ波発生装置。
10. 前記導波路は、前記導波路の前記非線形光学結晶と、第１のクラッド層と、第２のクラッド層と、を有し、
    前記導波路の前記非線形光学結晶は、前記第１のクラッド層と前記第２のクラッド層との間に配置されており、
    テラヘルツ波に対する前記第１のクラッド層及び前記第２のクラッド層の屈折率は、テラヘルツ波に対する前記導波路の前記非線形光学結晶の屈折率より小さい
    ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載のテラヘルツ波発生装置。
11. 前記導波路の前記非線形光学結晶の幅は、テラヘルツ波の波長より小さい
    ことを特徴とする請求項１０に記載のテラヘルツ波発生装置。
12. 前記導波路の前記非線形光学結晶は、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、ＮｂＴａＯ_３、ＫＴＰ、ＤＡＳＴ、ＺｎＴｅ、ＧａＳｅ、ＧａＡｓのいずれかを含むことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載のテラヘルツ波発生装置。
13. 前記偏光制御部の前記非線形光学結晶は、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、ＮｂＴａＯ_３、ＫＴＰ、ＤＡＳＴ、ＺｎＴｅ、ＧａＳｅ、ＧａＡｓのいずれかを含む
    ことを特徴とする請求項５又は６のいずれか一項に記載のテラヘルツ波発生装置。
14. 前記第１の偏光制御部及び前記第２の偏光制御部それぞれの前記非線形光学結晶は、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、ＮｂＴａＯ_３、ＫＴＰ、ＤＡＳＴ、ＺｎＴｅ、ＧａＳｅ、ＧａＡｓのいずれかを含む
    ことを特徴とする請求項７に記載のテラヘルツ波発生装置。
15. 前記偏光制御部は、前記光源からの前記光が入射する面又は前記光が射出する面に、反射防止膜が設けられている
    ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載のテラヘルツ波発生装置。
16. 前記偏光制御部と前記導波路とは、接している
    ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載のテラヘルツ波発生装置。
17. テラヘルツ波を測定する測定装置であって、
    請求項１乃至１６のいずれか一項に記載のテラヘルツ波発生装置と、
    テラヘルツ波を検出する検出部と、を有する
    ことを特徴とする測定装置。
18. テラヘルツ波発生方法であって、
    光源からの光の偏光方向を制御する偏光制御ステップと、
    前記偏光制御ステップで偏光方向が制御された光を非線形光学結晶に入射することによりテラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生ステップと、を有し、
    前記偏光制御ステップでは、前記非線形光学結晶に入射する前記光の前記非線形光学結晶のＺ軸方向の電界強度を制御する
    ことを特徴とするテラヘルツ波発生装置。

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