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特開2023-144445テラヘルツ波発生装置、テラヘルツ波イメージング装置およびテラヘルツ波発生方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023144445
(43)【公開日】2023-10-11
(54)【発明の名称】テラヘルツ波発生装置、テラヘルツ波イメージング装置およびテラヘルツ波発生方法
(51)【国際特許分類】
G02F 1/35 20060101AFI20231003BHJP
G01N 21/3581 20140101ALI20231003BHJP
【ＦＩ】
G02F1/35
G01N21/3581
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022051418
(22)【出願日】2022-03-28
(71)【出願人】
【識別番号】000236436
【氏名又は名称】浜松ホトニクス株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100088155
【弁理士】
【氏名又は名称】長谷川 芳樹
(74)【代理人】
【識別番号】100113435
【弁理士】
【氏名又は名称】黒木 義樹
(74)【代理人】
【識別番号】100140442
【弁理士】
【氏名又は名称】柴山 健一
(74)【代理人】
【識別番号】100174399
【弁理士】
【氏名又は名称】寺澤 正太郎
(72)【発明者】
【氏名】高橋 永斉
(72)【発明者】
【氏名】河合 直弥
(72)【発明者】
【氏名】里園 浩
(72)【発明者】
【氏名】渡辺 向陽
【テーマコード（参考）】
2G059
2K102
【Ｆターム（参考）】
2G059GG01
2G059GG08
2G059HH05
2G059JJ05
2G059JJ13
2G059JJ30
2G059KK01
2G059KK04
2G059MM09
2G059MM10
2K102AA07
2K102AA21
2K102AA36
2K102BA05
2K102BA18
2K102BA21
2K102BB01
2K102BB02
2K102BB04
2K102BC02
2K102BC04
2K102BD09
2K102DA01
2K102DA10
2K102DA20
2K102DD01
2K102DD02
2K102DD03
2K102DD05
2K102DD10
2K102EA21
2K102EB01
2K102EB08
2K102EB10
2K102EB20
(57)【要約】
【課題】周波数が互いに異なる複数の光パルス列それぞれの光密度を小さく抑えつつ、テラヘルツ波を効率良く発生させることができる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、パルス間隔が互いに異なる第１光パルス列ＰＴ１および第２光パルス列ＰＴ２を、空間的に並べて同時に出力する光パルス列生成部１０と、光パルス列生成部１０と光学的に結合され、第１光パルス列ＰＴ１を受けて第１テラヘルツ波ＴＷ１を発生させ、第２光パルス列ＰＴ２を受けて第１テラヘルツ波ＴＷ１とは周波数が異なる第２テラヘルツ波ＴＷ２を発生させるテラヘルツ波生成部２０と、光パルス列生成部１０とテラヘルツ波生成部２０との間の光路上に配置され、光パルス列生成部１０から出力された第１光パルス列ＰＴ１および第２光パルス列ＰＴ２を、テラヘルツ波生成部２０内の同じ一つのスポット２１に集光させる集光光学系３０と、を備える。
【選択図】図１
【解決手段】テラヘルツ波発生装置１は、パルス間隔が互いに異なる第１光パルス列ＰＴ１および第２光パルス列ＰＴ２を、空間的に並べて同時に出力する光パルス列生成部１０と、光パルス列生成部１０と光学的に結合され、第１光パルス列ＰＴ１を受けて第１テラヘルツ波ＴＷ１を発生させ、第２光パルス列ＰＴ２を受けて第１テラヘルツ波ＴＷ１とは周波数が異なる第２テラヘルツ波ＴＷ２を発生させるテラヘルツ波生成部２０と、光パルス列生成部１０とテラヘルツ波生成部２０との間の光路上に配置され、光パルス列生成部１０から出力された第１光パルス列ＰＴ１および第２光パルス列ＰＴ２を、テラヘルツ波生成部２０内の同じ一つのスポット２１に集光させる集光光学系３０と、を備える。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
パルス間隔が互いに異なる第１光パルス列および第２光パルス列を、空間的に並べて同時に出力する光パルス列生成部と、
前記光パルス列生成部と光学的に結合され、前記第１光パルス列を受けて第１テラヘルツ波を発生させ、前記第２光パルス列を受けて前記第１テラヘルツ波とは周波数が異なる第２テラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波生成部と、
前記光パルス列生成部と前記テラヘルツ波生成部との間の光路上に配置され、前記光パルス列生成部から出力された前記第１光パルス列および前記第２光パルス列を、前記テラヘルツ波生成部内の同じ一つのスポットに集光させる集光光学系と、
を備える、テラヘルツ波発生装置。
前記光パルス列生成部と光学的に結合され、前記第１光パルス列を受けて第１テラヘルツ波を発生させ、前記第２光パルス列を受けて前記第１テラヘルツ波とは周波数が異なる第２テラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波生成部と、
前記光パルス列生成部と前記テラヘルツ波生成部との間の光路上に配置され、前記光パルス列生成部から出力された前記第１光パルス列および前記第２光パルス列を、前記テラヘルツ波生成部内の同じ一つのスポットに集光させる集光光学系と、
を備える、テラヘルツ波発生装置。
【請求項2】
前記テラヘルツ波生成部は、ＺｎＴｅ結晶、ＰＰＬＮ結晶、ＰＰＬＴ結晶、ＧａＳｅ結晶、ＧａＰ結晶、ＤＡＳＴ結晶、ＤＡＳＣ結晶、ＤＳＴＭＳ結晶、光伝導アンテナ、およびＨＭＱ－ＴＭＳからなる群から選択される一又は複数のものを含む、請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項3】
前記光パルス列生成部は、
初期光パルスを出力するパルス光源と、
前記パルス光源と光学的に結合され、前記初期光パルスから前記第１光パルス列および第２光パルス列を並行して生成する波形整形器と、
を有し、
前記波形整形器は、前記初期光パルスのスペクトル位相を変調して前記第１光パルス列及び前記第２光パルス列を生成する空間光変調器を含む、請求項１または２に記載のテラヘルツ波発生装置。
初期光パルスを出力するパルス光源と、
前記パルス光源と光学的に結合され、前記初期光パルスから前記第１光パルス列および第２光パルス列を並行して生成する波形整形器と、
を有し、
前記波形整形器は、前記初期光パルスのスペクトル位相を変調して前記第１光パルス列及び前記第２光パルス列を生成する空間光変調器を含む、請求項１または２に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項4】
前記テラヘルツ波生成部から出力された前記第１テラヘルツ波および前記第２テラヘルツ波を合波する合波部を更に備える、請求項１～３のいずれか１項に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項5】
前記第１光パルス列と前記第２光パルス列との間の時間遅延を制御する時間遅延制御部を更に備える、請求項４に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項6】
請求項１～５のいずれか１項に記載のテラヘルツ波発生装置と、
前記テラヘルツ波発生装置から対象物に照射され、前記対象物から出力された前記第１テラヘルツ波および前記第２テラヘルツ波を撮像する撮像部と、
を備える、テラヘルツ波イメージング装置。
前記テラヘルツ波発生装置から対象物に照射され、前記対象物から出力された前記第１テラヘルツ波および前記第２テラヘルツ波を撮像する撮像部と、
を備える、テラヘルツ波イメージング装置。
【請求項7】
パルス間隔が互いに異なる第１光パルス列および第２光パルス列を、空間的に並べて同時に出力するステップと、
前記第１光パルス列を受けて第１テラヘルツ波を発生させ、前記第２光パルス列を受けて前記第１テラヘルツ波とは周波数が異なる第２テラヘルツ波を発生させるステップと、
を含み、
前記発生させるステップにおいて、前記第１光パルス列および前記第２光パルス列を同じ一つのスポットに集光させ、該一つのスポットにおいて前記第１テラヘルツ波および前記第２テラヘルツ波を発生させる、テラヘルツ波発生方法。
前記第１光パルス列を受けて第１テラヘルツ波を発生させ、前記第２光パルス列を受けて前記第１テラヘルツ波とは周波数が異なる第２テラヘルツ波を発生させるステップと、
を含み、
前記発生させるステップにおいて、前記第１光パルス列および前記第２光パルス列を同じ一つのスポットに集光させ、該一つのスポットにおいて前記第１テラヘルツ波および前記第２テラヘルツ波を発生させる、テラヘルツ波発生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、テラヘルツ波発生装置、テラヘルツ波イメージング装置およびテラヘルツ波発生方法に関する。
【背景技術】
【0002】
非特許文献１には、非線形光学結晶に光パルス列を照射することによってテラヘルツ波を生成する技術が開示されている。非特許文献２には、強度変調可能な擬似正弦波状の光を用いて、μＪオーダーのエネルギーを有する周波数可変のテラヘルツ波を発生させる技術が開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0003】
【非特許文献1】J. Ahn, A. V. Efimov, R. D. Averitt, and A. J. Taylor, "Terahertzwaveform synthesis via optical rectification of shaped ultrafast laserpulses", Optics Express, Vol. 11, No. 20, 2486 (2003)
【非特許文献2】Zhao Chen, Xibin Zhou, Christopher A. Werley, and Keith A. Nelson, "Generationof high power tunable multicycle teraherz pulses", Applied Physics Letters,Vol.99, 071102 (2011)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
従来、例えばフェムト秒オーダーのパルス幅を有する光パルス列を励起光として非線形光学結晶に照射し、非線形光学結晶の差周波発生によってテラヘルツ波を生成する技術が知られている（非特許文献１）。周波数がそれぞれ異なる複数のテラヘルツ波を得たい場合、パルス間隔がそれぞれ異なる複数の光パルス列を、各々に対応する個別の非線形光学結晶に（或いは、非線形光学結晶におけるそれぞれ異なる位置に）照射することが考えられる。しかしながら、テラヘルツ波を効率良く発生させるためには、励起光の光密度を大きくすることが望まれる。複数の光パルス列を各々に対応する個別の非線形光学結晶に（或いは、非線形光学結晶におけるそれぞれ異なる位置に）照射する場合、複数の光パルス列の光密度を光パルス列毎に大きくする必要があり、全体的に見て大きなエネルギーが必要となる。
【0005】
本開示の一実施形態は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、パルス間隔がそれぞれ異なる複数の光パルス列それぞれの光密度を小さく抑えつつ、テラヘルツ波を効率良く発生させることができるテラヘルツ波発生装置、テラヘルツ波イメージング装置およびテラヘルツ波発生方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上述した課題を解決するために、本開示の一実施形態によるテラヘルツ波発生装置は、パルス間隔が互いに異なる第１光パルス列および第２光パルス列を、空間的に並べて同時に出力する光パルス列生成部と、光パルス列生成部と光学的に結合され、第１光パルス列を受けて第１テラヘルツ波を発生させ、第２光パルス列を受けて第１テラヘルツ波とは周波数が異なる第２テラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波生成部と、光パルス列生成部とテラヘルツ波生成部との間の光路上に配置され、光パルス列生成部から出力された第１光パルス列および第２光パルス列を、テラヘルツ波生成部内の同じ一つのスポットに集光させる集光光学系と、を備える。
【0007】
本開示の一実施形態によるテラヘルツ波発生方法は、パルス間隔が互いに異なる第１光パルス列および第２光パルス列を、空間的に並べて同時に出力するステップと、第１光パルス列を受けて第１テラヘルツ波を発生させ、第２光パルス列を受けて第１テラヘルツ波とは周波数が異なる第２テラヘルツ波を発生させるステップと、を含み、発生させるステップにおいて、第１光パルス列および第２光パルス列を同じ一つのスポットに集光させ、該一つのスポットにおいて第１テラヘルツ波および第２テラヘルツ波を発生させる。
【0008】
これらのテラヘルツ波発生装置およびテラヘルツ波発生方法では、パルス間隔が互いに異なり、空間的に並んで同時に出力された第１光パルス列および第２光パルス列が、同じ一つのスポットに集光され、該一つのスポットにおいて第１テラヘルツ波および第２テラヘルツ波が発生する。これにより、第１光パルス列および第２光パルス列それぞれの光密度を小さく抑えつつ、一つのスポットにおける光密度を大きくして、テラヘルツ波を効率良く発生させることができる。
【0009】
上記のテラヘルツ波発生装置において、テラヘルツ波生成部は、ＺｎＴｅ結晶、ＰＰＬＮ結晶、ＰＰＬＴ結晶、ＧａＳｅ結晶、ＧａＰ結晶、ＤＡＳＴ結晶、ＤＡＳＣ結晶、ＤＳＴＭＳ結晶、光伝導アンテナ、およびＨＭＱ－ＴＭＳからなる群から選択される一又は複数のものを含んでもよい。この場合、第１光パルス列および第２光パルス列を受けて第１テラヘルツ波および第２テラヘルツ波を好適に発生させることができる。
【0010】
上記のテラヘルツ波発生装置において、光パルス列生成部は、初期光パルスを出力するパルス光源と、パルス光源と光学的に結合され、初期光パルスから第１光パルス列および第２光パルス列を並行して生成する波形整形器と、を有してもよい。波形整形器は、初期光パルスのスペクトル位相を変調して第１光パルス列及び第２光パルス列を生成する空間光変調器を含んでもよい。この場合、空間光変調器に呈示される変調パターンを制御することによって、第１光パルス列および第２光パルス列を好適に生成することができる。
【0011】
上記のテラヘルツ波発生装置は、テラヘルツ波生成部から出力された第１テラヘルツ波および第２テラヘルツ波を合波する合波部を更に備えてもよい。第１テラヘルツ波および第２テラヘルツ波は互いに異なる周波数を有するので、これらを合成することによりテラヘルツ波のパルスを生成することができる。この場合、テラヘルツ波発生装置は、第１光パルス列と第２光パルス列との間の時間遅延を制御する時間遅延制御部を更に備えてもよい。この場合、テラヘルツ波のパルスの波形を変更することが容易にできる。
【0012】
本開示の一実施形態によるテラヘルツ波イメージング装置は、上記いずれかのテラヘルツ波発生装置と、テラヘルツ波発生装置から対象物に照射され、対象物から出力された第１テラヘルツ波および第２テラヘルツ波を撮像する撮像部と、を備える。このテラヘルツ波イメージング装置によれば、第１光パルス列および第２光パルス列それぞれの光密度を小さく抑えつつ、テラヘルツ波生成部のスポットにおける光密度を大きくして、テラヘルツ波を効率良く発生させることができる。また、テラヘルツ波による分光イメージングを好適に行うことができる。
【発明の効果】
【0013】
本開示の一実施形態によるテラヘルツ波発生装置、テラヘルツ波イメージング装置およびテラヘルツ波発生方法によれば、パルス間隔がそれぞれ異なる複数の光パルス列それぞれの光密度を小さく抑えつつ、テラヘルツ波を効率良く発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図7】図７は、光パルス列の例を示す図である。図７の（ａ）部は、スペクトログラムであって、横軸に時間、縦軸に波長を示しており、光強度を色の濃淡で表している。図７の（ｂ）部は、光パルス列の時間波形を表している。図７の（ｃ）部は、３つの光パルスを合成したスペクトルを表している。
【図15】図１５の（ａ）部は、初期スペクトル関数の例として、強度スペクトル関数及び位相スペクトル関数を模式的に示すグラフである。図１５の（ｂ）部は、図１５の（ａ）部に示される第１波形関数からフーリエ変換された、１周目における第２波形関数の時間強度波形関数及び時間位相波形関数を模式的に示すグラフである。
【図17】図１７の（ａ）部は、図１６の（ｃ）部および（ｄ）部に示される強度スペクトログラム及び位相スペクトログラムから逆ＳＴＦＴされた、１周目における第３波形関数の時間強度波形関数及び時間位相波形関数を模式的に示すグラフである。図１７の（ｂ）部は、図１７の（ａ）部に示される第３波形関数から逆フーリエ変換された、１周目における第４波形関数の強度スペクトル関数及び位相スペクトル関数を模式的に示すグラフである。
【図18】図１８の（ａ）部は、図１７の（ｂ）部ののちの３周目（ｎ＝３）における、第１波形関数の強度スペクトル関数及び位相スペクトル関数を模式的に示すグラフである。図１８の（ｂ）部は、図１８の（ａ）部に示される第１波形関数からフーリエ変換された、３周目における第２波形関数の時間強度波形関数及び時間位相波形関数を模式的に示すグラフである。
【図19】図１９の（ａ）部及び（ｂ）部は、図１８の（ｂ）部に示される第２波形関数から変換された、３周目における強度スペクトログラム及び位相スペクトログラムをそれぞれ示す図である。図１９の（ｃ）部は、３周目における強度スペクトログラムを示す図である。図１９の（ｄ）部は、３周目における拘束された位相スペクトログラムを示す図である。
【図20】図２０の（ａ）部は、図１９の（ｃ）部および（ｄ）部に示される強度スペクトログラム及び位相スペクトログラムから逆ＳＴＦＴされた、３周目における第３波形関数の時間強度波形関数及び時間位相波形関数を模式的に示すグラフである。図２０の（ｂ）部は、図２０の（ａ）部に示される第３波形関数から逆フーリエ変換された、３周目における第４波形関数の強度スペクトル関数及び位相スペクトル関数を模式的に示すグラフである。
【図22】図２２の（ａ）部は、ターゲット波形関数の例として、強度スペクトル関数及び位相スペクトル関数を示すグラフである。図２２の（ｂ）部は、時間領域の波形関数の例として、図２２の（ａ）部に示されるターゲット波形関数から生成された時間強度波形関数及び時間位相波形関数を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下、添付図面を参照しながら本開示によるテラヘルツ波発生装置、テラヘルツ波イメージング装置およびテラヘルツ波発生方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、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。
［第１実施形態］
［第１実施形態］
【0016】
図１は、本開示の第１実施形態に係るテラヘルツ波発生装置１の構成を模式的に示す図である。本実施形態のテラヘルツ波発生装置１は、第１テラヘルツ波ＴＷ１および第２テラヘルツ波ＴＷ２を含む複数のテラヘルツ波ＴＷを、空間的に並べて出力する装置である。図１に示されるように、テラヘルツ波発生装置１は、光パルス列生成部１０と、テラヘルツ波生成部２０と、集光光学系３０と、コリメート光学系４０とを備えている。
【0017】
光パルス列生成部１０は、第１光パルス列ＰＴ１および第２光パルス列ＰＴ２を含む複数の光パルス列ＰＴを出力する。図２の（ａ）部および（ｂ）部は、第１光パルス列ＰＴ１および第２光パルス列ＰＴ２の時間強度波形の例をそれぞれ示す。これらの図において、横軸は時間を表し、縦軸は光強度を表す。複数の光パルス列ＰＴそれぞれは、一定の時間間隔ΔＴをあけて生成された複数の光パルスＰＬを含む。複数の光パルス列ＰＴのパルス間隔、すなわち時間的に隣り合う光パルスＰＬの強度ピーク間の時間間隔ΔＴは、光パルス列ＰＴ毎に設定され、光パルス列ＰＴ間で互いに異なる。言い換えると、複数の光パルス列ＰＴの周期は、光パルス列ＰＴ毎に設定され、光パルス列ＰＴ間で互いに異なる。光パルス列生成部１０は、複数の光パルスＰＬを、光軸と交差する面内において空間的に並べて同時に出力する。
【0018】
光パルス列生成部１０は、パルス光源１１と、波形整形器１２とを有する。パルス光源１１は、初期光パルスＬａを出力する。パルス光源１１は、例えば固体レーザ光源等のレーザ光源であり、初期光パルスＬａは、例えばコヒーレントなシングル光パルスである。パルス光源１１は、例えばフェムト秒レーザであり、一実施例ではＬＤ直接励起型Ｙｂ：ＹＡＧパルスレーザである。初期光パルスＬａの時間強度波形は例えばガウス関数状である。初期光パルスＬａの半値全幅（ＦＷＨＭ）は、例えば１０ｆｓ～１００００ｆｓの範囲内であり、一例では１００ｆｓである。初期光パルスＬａは、或る程度の帯域幅を有し、連続する複数の波長成分を含む。一実施例では、初期光パルスＬａの帯域幅は１０ｎｍであり、初期光パルスＬａの中心波長は８００ｎｍである。
【0019】
波形整形器１２は、パルス光源１１と光学的に結合されている。波形整形器１２は、初期光パルスＬａから、複数の光パルス列ＰＴを並行して生成する。波形整形器１２は、複数の光パルスＰＬを、光軸と交差する面内において空間的に並べて同時に出力する。波形整形器１２は、空間光変調器（ＳＬＭ）１３を有しており、制御部１８からの制御信号ＳＣをＳＬＭ１３に受ける。ＳＬＭ１３は、初期光パルスＬａのスペクトル位相を変調して複数の光パルス列ＰＴを生成する。制御信号ＳＣは、ＳＬＭ１３を制御するためのデータ、すなわち複素振幅分布の強度あるいは位相分布の強度を含むデータに基づいて生成される。データは、例えば、計算機合成ホログラム（Computer-Generated Holograms(CGH)）である。
【0020】
図３は、波形整形器１２の構成例を示す図である。波形整形器１２は、回折格子１２１、レンズ１２２、ＳＬＭ１３、レンズ１２３、及び回折格子１２４を有する。回折格子１２１は分光素子であり、パルス光源１１と光学的に結合されている。ＳＬＭ１３はレンズ１２２を介して回折格子１２１と光学的に結合されている。回折格子１２１は、初期光パルスＬａに含まれる複数の波長成分を、波長毎に空間的に分離する。なお、分光素子として、回折格子１２１に代えてプリズム等の他の光学部品を用いてもよい。
【0021】
初期光パルスＬａは、回折格子１２１に対して斜めに入射し、複数の波長成分に分光される。この複数の波長成分を含む光Ｌｂは、レンズ１２２によって各波長成分毎に集光され、ＳＬＭ１３の変調面に結像される。レンズ１２２は、光透過部材からなる凸レンズであってもよく、凹状の光反射面を有する凹面鏡であってもよい。
【0022】
ＳＬＭ１３は、初期光パルスＬａを複数の光パルス列ＰＴに変換するために、回折格子１２１から出力された複数の波長成分の位相を相互にずらす。そのために、ＳＬＭ１３は、制御部１８から制御信号ＳＣを受けて、光Ｌｂの位相変調と強度変調とを同時に行う。なお、ＳＬＭ１３は、位相変調のみ、または強度変調のみを行ってもよい。ＳＬＭ１３は、例えば位相変調型である。一実施例では、ＳＬＭ１３はＬＣＯＳ（Liquid crystal on silicon）型である。なお、図には透過型のＳＬＭ１３が示されているが、ＳＬＭ１３は反射型であってもよい。また、ＳＬＭ１３は、位相変調型の空間光変調器に限らず、ＤＭＤ（Digital Micro Mirror Device）などの強度変調型の空間光変調器、或いは位相－強度変調型の空間光変調器であってもよい。
【0023】
図４は、ＳＬＭ１３の変調面１７を示す図である。図４に示すように、変調面１７には、複数の変調領域１７ａが或る方向ＡＡに沿って並んでおり、各変調領域１７ａは方向ＡＡと交差する方向ＡＢに延びている。方向ＡＡは、回折格子１２１による分光方向である。この変調面１７はフーリエ変換面として働き、複数の変調領域１７ａのそれぞれには、分光後の対応する各波長成分が入射する。ＳＬＭ１３は、各変調領域１７ａにおいて、入射した各波長成分の位相及び強度を他の波長成分から独立して変調する。なお、本実施形態のＳＬＭ１３は位相変調型であるため、強度変調は、変調面１７に呈示される位相パターン（位相画像）によって実現される。
【0024】
ＳＬＭ１３によって変調された変調光Ｌｃの各波長成分は、レンズ１２３によって回折格子１２４上の一点に集められる。レンズ１２３及び回折格子１２４は、変調光Ｌｃを集光する光学系として機能する。レンズ１２３は、光透過部材からなる凸レンズであってもよく、凹状の光反射面を有する凹面鏡であってもよい。また、回折格子１２４は合波光学系として機能し、変調後の各波長成分を合波する。すなわち、これらのレンズ１２３及び回折格子１２４により、変調光Ｌｃの複数の波長成分は互いに集光・合波されて、複数の光パルス列ＰＴとなる。ＳＬＭ１３が反射型である場合、レンズ１２２及び１５は共通のレンズによって構成されてもよく、回折格子１２１及び１６は共通の回折格子によって構成されてもよい。
【0025】
レンズ１２３よりも前の領域（スペクトル領域）と、回折格子１２４よりも後ろの領域（時間領域）とは、互いにフーリエ変換の関係にあり、スペクトル領域における位相変調の分布は、時間領域における時間強度波形の空間的な分布に影響する。従って、複数の光パルス列ＰＴは、ＳＬＭ１３の変調パターンに応じた、初期光パルスＬａとは異なり且つ互いに異なる所望の時間強度波形（パルス幅およびパルス間隔）を有することができる。ここで、図５の（ａ）部は、一例として、単パルス状の初期光パルスＬａのスペクトル波形（スペクトル位相Ｇ１１及びスペクトル強度Ｇ１２）を示し、図５の（ｂ）部は、該初期光パルスＬａの時間強度波形を示す。また、図６の（ａ）部は、一例として、ＳＬＭ１３において矩形波状のスペクトル位相変調を与えたときの光パルス列ＰＴのスペクトル波形（スペクトル位相Ｇ２１及びスペクトル強度Ｇ２２）を示し、図６の（ｂ）部は、該光パルス列ＰＴの時間強度波形を示す。図５の（ａ）部及び図６の（ａ）部において、横軸は波長（ｎｍ）を示し、左の縦軸は強度スペクトルの強度値（任意単位）を示し、右の縦軸はスペクトル位相の位相値（ｒａｄ）を示す。また、図５の（ｂ）部及び図６の（ｂ）部において、横軸は時間（フェムト秒）を表し、縦軸は光強度（任意単位）を表す。この例では、矩形波状の位相スペクトル波形を初期光パルスＬａに与えることにより、初期光パルスＬａのシングルパルスが、光パルス列ＰＴとして高次光を伴うダブルパルスに変換されている。なお、図６に示されるスペクトル及び波形は一つの例であって、様々なスペクトル位相及びスペクトル強度の組み合わせにより、光パルス列ＰＴのパルス幅およびパルス間隔を様々な大きさに整形することができる。
【0026】
図７は、光パルス列ＰＴの例を示す図である。この例では、３つの光パルスＰＬからなる光パルス列ＰＴが示されている。図７の（ａ）部は、スペクトログラムであって、横軸に時間、縦軸に波長を示しており、光強度を色の濃淡で表している。図７の（ｂ）部は、光パルス列ＰＴの時間波形を表している。各光パルスＰＬの時間波形は例えばガウス関数状である。
【0027】
図７の（ａ）部及び（ｂ）部に示されるように、３つの光パルスＰＬのピーク同士は時間的に互いに離れており、３つの光パルスＰＬの伝搬タイミングは互いにずれている。言い換えると、一の光パルスＰＬに対して別の光パルスＰＬが時間遅れを有しており、該別の光パルスＰＬに対して更に別の光パルスＰＬが時間遅れを有している。但し、隣り合う光パルスＰＬの裾部分同士が互いに重なっていてもよい。隣り合う光パルスＰＬの時間間隔（ピーク間隔）は、例えば１０ｆｓ～１００００ｆｓの範囲内であり、一例では２０００ｆｓである。また、各光パルスＰＬのＦＷＨＭは、例えば１０ｆｓ～５０００ｆｓの範囲内であり、一例では３００ｆｓである。
【0028】
図７の（ｃ）部は、３つの光パルスＰＬを合成したスペクトルを表している。図７の（ｃ）部に示されるように、３つの光パルスＰＬを合成したスペクトルは単一のピークを有する。図７の（ｃ）部に示す単一のピークを有するスペクトルは、ほぼ初期光パルスＬａのスペクトルと同じである。なお、図７の（ａ）部に示される例では３つの光パルスＰＬの中心波長が互いに一致しているが、３つの光パルスＰＬの中心波長は互いにずれていてもよい。
【0029】
再び図１を参照する。テラヘルツ波生成部２０は、光パルス列生成部１０と光学的に結合されている。テラヘルツ波生成部２０は、複数の光パルス列ＰＴを受けて、互いに周波数が異なる複数のテラヘルツ波ＴＷを発生させる。すなわち、テラヘルツ波生成部２０は、第１光パルス列ＰＴ１を受けて、複数のテラヘルツ波ＴＷのうちの一つである第１テラヘルツ波ＴＷ１を発生させる。また、テラヘルツ波生成部２０は、第２光パルス列ＰＴ２を受けて、複数のテラヘルツ波ＴＷのうちの一つである第２テラヘルツ波ＴＷ２を発生させる。図８の（ａ）部および（ｂ）部は、第１テラヘルツ波ＴＷ１および第２テラヘルツ波ＴＷ２の時間強度波形の例をそれぞれ示す。これらの図において、横軸は時間を表し、縦軸は強度を表す。第２テラヘルツ波ＴＷ２の周波数は、第１テラヘルツ波ＴＷ１の周波数と異なる。各テラヘルツ波ＴＷの周波数は、対応する光パルス列ＰＴのパルス間隔に応じて決定される。各テラヘルツ波ＴＷの強度は、対応する光パルス列ＰＴの光強度に応じて決定される。テラヘルツ波生成部２０は、複数のテラヘルツ波ＴＷを、光軸と交差する面内において空間的に並べて同時に出力する。このとき、光軸方向から見て、複数のテラヘルツ波ＴＷの並び順は、それぞれに対応する複数の光パルス列ＰＴの並び順と逆になる。
【0030】
テラヘルツ波生成部２０は、テラヘルツ波を生じ得る非線形光学結晶であってもよく、テラヘルツ波を生じ得る装置であってもよく、テラヘルツ波を生じ得る空間的な現象であってもよい。非線形光学結晶は、無機非線形光学結晶であってもよく、有機非線形光学結晶であってもよい。
【0031】
無機非線形光学結晶には、テルル化亜鉛（ＺｎＴｅ）結晶、周期分極反転ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）結晶、周期分極反転タンタル酸リチウム（ＰＰＬＴ）結晶、セレン化ガリウム（ＧａＳｅ）結晶、およびリン化ガリウム（ＧａＰ）結晶からなる群から選択される一又は複数の結晶が含まれる。有機非線形光学結晶には、ＤＡＳＴ（4-dimethylamino-N-methyl-4-stilbazolium tosylate）結晶、ＤＡＳＣ（4-dimethylamino-N-methyl-4-stilbazoliump-chlorobenzenesulfonate）結晶、ＤＳＴＭＳ（4-N,N-dimethylamino-4’-N’-methyl-stilbazolium2,4,6-trimethylbenzenesulfonate）結晶、およびＨＭＱ－ＴＭＳ（2-(4-hydroxy-3-methoxystyryl)-1-methylquinolinium2,4,6-trimethylbenzenesulfonate）からなる群から選択される一又は複数の結晶が含まれる。非線形光学結晶は、光パルス列ＰＴによって励起され、差周波発生によってテラヘルツ波を発生する。テラヘルツ波を生じ得る装置には、光伝導アンテナが含まれる。光伝導アンテナは、光伝導膜及び一対の電極を有する。電極構造は、例えばダイポール型、ストリップライン型、スパイラル型である。光伝導膜中の自由電子は、光パルス列ＰＴによって励起される。自由電子は、一対の電極間に印加された電圧によって加速され、これによりテラヘルツ波ＴＷが発生する。テラヘルツ波を生じ得る空間的な現象には、空気プラズマが含まれる。ネオン（Ｎｅ）などのガス又は空気において、光パルス列ＰＴとしての高強度の超短光パルスを集光してプラズマを発生させると、そのプラズマからテラヘルツ波ＴＷが発生する。
【0032】
集光光学系３０は、光パルス列生成部１０とテラヘルツ波生成部２０との間の、複数の光パルス列ＰＴを伝搬する光路上に配置されている。すなわち、集光光学系３０は、光パルス列生成部１０およびテラヘルツ波生成部２０と光学的に結合されている。集光光学系３０は、光パルス列生成部１０から出力された第１光パルス列ＰＴ１および第２光パルス列ＰＴ２を含む複数の光パルス列ＰＴを入力し、テラヘルツ波生成部２０内の同じ一つのスポット２１に複数の光パルス列ＰＴを集光させる。言い換えると、複数の光パルス列ＰＴは、集光光学系３０によって、テラヘルツ波生成部２０内の単一のスポット２１に集光される。集光光学系３０は、レンズ３１を含む。レンズ３１は、光透過型の凸レンズであってもよく、光反射型のレンズ（凹面鏡）であってもよい。レンズ３１の光軸に垂直な面内におけるスポット２１の集光径（最小径）は例えば直径１μｍ以上１０ｍｍ以下である。
【0033】
コリメート光学系４０は、テラヘルツ波生成部２０と光学的に結合され、集光光学系３０との間にテラヘルツ波生成部２０を挟む位置に設けられている。コリメート光学系４０は、テラヘルツ波生成部２０から出力された複数のテラヘルツ波ＴＷを入力し、複数のテラヘルツ波ＴＷを平行化（コリメート）して出力する。コリメート光学系４０は、レンズ４１を含む。レンズ４１は、光透過型の凸レンズであってもよく、光反射型のレンズ（凹面鏡）であってもよい。複数のテラヘルツ波ＴＷは、レンズ４１の光軸と交差する面内において空間的に並んだ状態で出力される。
【0034】
図９は、本実施形態に係るテラヘルツ波発生方法を示すフローチャートである。このテラヘルツ波発生方法は、上述したテラヘルツ波発生装置１を用いて好適に行われる。
【0035】
まず、ステップＳＴ１として、パルス間隔がそれぞれ異なる複数の光パルス列ＰＴを、光パルス列生成部１０から空間的に並べて同時に出力する。複数の光パルス列ＰＴには、パルス間隔が互いに異なる第１光パルス列ＰＴ１および第２光パルス列ＰＴ２が含まれる。次に、ステップＳＴ２として、テラヘルツ波生成部２０において複数の光パルス列ＰＴそれぞれを受けて複数のテラヘルツ波ＴＷを発生させる。例えば、テラヘルツ波生成部２０において第１光パルス列ＰＴ１を受けて第１テラヘルツ波ＴＷ１を発生させ、第２光パルス列ＰＴ２を受けて第２テラヘルツ波ＴＷ２を発生させる。このとき、集光光学系３０によって複数の光パルス列ＰＴを同じ一つのスポット２１に集光させ、該一つのスポット２１において複数のテラヘルツ波ＴＷを発生させる。そして、ステップＳＴ３として、テラヘルツ波生成部２０から出力された複数のテラヘルツ波ＴＷを、コリメート光学系４０によって平行化する。
【0036】
ここで、ＳＬＭ１３に呈示される位相変調パターンに関するデータを作成するための方法および装置について詳細に説明する。図１０は、データ作成装置６の構成を概略的に示す図である。データ作成装置６は、制御部１８と電気的に接続されており、複数の光パルス列ＰＴの時間強度波形、特にパルス幅およびパルス間隔を所望の値に近づけるための位相変調パターンに関するデータを作成し、該位相変調パターンを制御部１８に提供する。制御部１８は、そのデータを含む制御信号ＳＣをＳＬＭ１３に提供する。データ作成装置６は、スペクトログラム設定部６ａと、スペクトル設計部６ｂと、データ生成部６ｃとを有する。データ作成装置６は、例えば、パーソナルコンピュータ；スマートフォン、タブレット端末などのスマートデバイス；あるいはクラウドサーバなどのプロセッサを有するコンピュータであってよい。なお、データ作成装置６が制御部１８を兼ねてもよい。
【0037】
図１１は、データ作成装置６のハードウェアの構成例を概略的に示す図である。図１１に示すように、データ作成装置６は、物理的には、プロセッサ（ＣＰＵ）６１、ＲＯＭ６２及びＲＡＭ６３等の主記憶装置、キーボード、マウス及びタッチスクリーン等の入力デバイス６４、ディスプレイ（タッチスクリーン含む）等の出力デバイス６５、他の装置との間でデータの送受信を行うためのネットワークカード等の通信モジュール６６、ハードディスク等の補助記憶装置６７などを含む、通常のコンピュータとして構成され得る。
【0038】
コンピュータのプロセッサ６１は、データ作成プログラムによって、上記のデータ作成装置６の各機能を実現することができる。故に、データ作成プログラムは、コンピュータのプロセッサ６１を、データ作成装置６におけるスペクトログラム設定部６ａ、スペクトル設計部６ｂ、及びデータ生成部６ｃとして動作させる。変調パターン算出プログラムは、コンピュータの内部または外部の記憶装置（記憶媒体）に記憶される。記憶装置は、非一時的記録媒体であってもよい。記録媒体としては、フレキシブルディスク、ＣＤ、ＤＶＤ等の記録媒体、ＲＯＭ等の記録媒体、半導体メモリ、クラウドサーバ等が例示される。
【0039】
スペクトログラム設定部６ａは、操作者からの所望の強度スペクトログラム（ターゲット強度スペクトログラム）に関するデータの入力を受け付ける。操作者は、予め用意したターゲット強度スペクトログラムに関するデータをスペクトログラム設定部６ａに入力する。或いは、スペクトログラム設定部６ａは、ターゲット強度スペクトログラムを予め保持していてもよい。ターゲット強度スペクトログラムに関するデータは、スペクトル設計部６ｂに与えられる。スペクトル設計部６ｂは、与えられたターゲット強度スペクトログラムの実現に適した位相スペクトル関数を算出する。
【0040】
データ生成部６ｃは、スペクトル設計部６ｂにおいて求められた位相スペクトル関数に基づいて、ＳＬＭ１３において初期光パルスＬａに与えるための位相変調パターン（例えば、計算機合成ホログラム）を算出し、位相変調パターンに関するデータを生成する。そして、このデータは制御部１８に提供され、位相変調パターンを含む制御信号ＳＣが、制御部１８からＳＬＭ１３に提供される。ＳＬＭ１３は、制御信号ＳＣに基づいて制御される。
【0041】
図１２は、スペクトル設計部６ｂの内部構成を示すブロック図である。図１２に示されるように、スペクトル設計部６ｂは、フーリエ変換部６ｂ１、スペクトログラム変換部６ｂ２、スペクトログラム置換部６ｂ３、スペクトログラム逆変換部６ｂ４、及び逆フーリエ変換部６ｂ５を有する。スペクトル設計部６ｂは、以下に説明する算出方法を用いて、変調パターンの基になる位相スペクトル関数を算出する。図１３は、スペクトル設計部６ｂにおける位相スペクトル関数の計算手順を示すブロック図である。図１４は、スペクトル設計部６ｂにおける位相スペクトル関数の計算手順を数式により示す図である。
【0042】
まず、初期スペクトル関数Ａ１、すなわち周波数ωの関数である初期の強度スペクトル関数Ａ0（ω）及び位相スペクトル関数Φ0（ω）を用意する。一例では、これらの強度スペクトル関数Ａ0（ω）及び位相スペクトル関数Φ0（ω）はそれぞれ初期光パルスＬａの強度スペクトル及びスペクトル位相を表すが、これに限られない。図１５の（ａ）部は、初期スペクトル関数Ａ１の一例として、強度スペクトル関数Ａ0（ω）及び位相スペクトル関数Φ0（ω）を模式的に示すグラフである。図１５の（ａ）部において、グラフＧ３１は強度スペクトル関数Ａ0（ω）を表し、グラフＧ３２は位相スペクトル関数Φ0（ω）を表す。横軸は波長を示し、縦軸は強度スペクトル関数の強度値または位相スペクトル関数の位相値を示す。
【0043】
第１波形関数Ａ２は、下記の数式（１）によって示される。但し、ｎは繰り返し番号（ｎ＝１，２，・・・，Ｎ）であり、ｉは虚数である。第１周目（ｎ＝１）においては、初期スペクトル関数Ａ１を、第１波形関数Ａ２とする。すなわち、繰り返し第１周目の第１波形関数Ａ２のΦ1（ω）＝Φ0（ω）とする。
スペクトル設計部６ｂのフーリエ変換部６ｂ１は、第１波形関数Ａ２に対して周波数領域から時間領域へのフーリエ変換を行う（図中の矢印Ｂ１）。これにより、下記の数式（２）によって示される、時間強度波形関数ａn（ｔ）及び時間位相波形関数φn（ｔ）を含む、時間領域の第２波形関数Ａ３が得られる。
図１５の（ｂ）部は、図１５の（ａ）部に示される第１波形関数Ａ２からフーリエ変換された、１周目における第２波形関数Ａ３の時間強度波形関数ａ1（ｔ）及び時間位相波形関数φ1（ｔ）を模式的に示すグラフである。図１５の（ｂ）部において、グラフＧ４１は時間強度波形関数ａ1（ｔ）を表し、グラフＧ４２は時間位相波形関数φ1（ｔ）を表す。横軸は時間を示し、縦軸は時間強度波形関数の強度値または時間位相波形関数の位相値を示す。
【数1】
スペクトル設計部６ｂのフーリエ変換部６ｂ１は、第１波形関数Ａ２に対して周波数領域から時間領域へのフーリエ変換を行う（図中の矢印Ｂ１）。これにより、下記の数式（２）によって示される、時間強度波形関数ａn（ｔ）及び時間位相波形関数φn（ｔ）を含む、時間領域の第２波形関数Ａ３が得られる。
【数2】
図１５の（ｂ）部は、図１５の（ａ）部に示される第１波形関数Ａ２からフーリエ変換された、１周目における第２波形関数Ａ３の時間強度波形関数ａ1（ｔ）及び時間位相波形関数φ1（ｔ）を模式的に示すグラフである。図１５の（ｂ）部において、グラフＧ４１は時間強度波形関数ａ1（ｔ）を表し、グラフＧ４２は時間位相波形関数φ1（ｔ）を表す。横軸は時間を示し、縦軸は時間強度波形関数の強度値または時間位相波形関数の位相値を示す。
【0044】
続いて、スペクトル設計部６ｂのスペクトログラム変換部６ｂ２は、第２波形関数Ａ３に対して短時間フーリエ変換（Short-Time Fourier Transform；ＳＴＦＴ）を行う（図中の矢印Ｂ２）。これにより、下記の数式（３）によって示される強度スペクトログラムＡ４１及び位相スペクトログラムＡ４２が得られる。
図１６の（ａ）部及び（ｂ）部それぞれは、図１５の（ｂ）部に示される第２波形関数Ａ３から変換された強度スペクトログラムＡ４１及び位相スペクトログラムＡ４２それぞれを示す図である。なお、図１６の（ａ）部および（ｂ）部において横軸は時間を示し、縦軸は波長を示す。また、スペクトログラムの値は、図の明暗によって示されており、明るいほどスペクトログラムの値が大きい。この例では、強度スペクトログラムＡ４１において単一の光パルスＰＬが現れている。
【数3】
図１６の（ａ）部及び（ｂ）部それぞれは、図１５の（ｂ）部に示される第２波形関数Ａ３から変換された強度スペクトログラムＡ４１及び位相スペクトログラムＡ４２それぞれを示す図である。なお、図１６の（ａ）部および（ｂ）部において横軸は時間を示し、縦軸は波長を示す。また、スペクトログラムの値は、図の明暗によって示されており、明るいほどスペクトログラムの値が大きい。この例では、強度スペクトログラムＡ４１において単一の光パルスＰＬが現れている。
【0045】
なお、第２波形関数Ａ３を強度スペクトログラムＡ４１及び位相スペクトログラムＡ４２に変換するためのスペクトログラム変換部６ｂ２における処理は、ＳＴＦＴに限られず、他の処理であってもよい。時間強度波形をスペクトログラムに変換する処理は、ＳＴＦＴを含めて時間－周波数変換と呼ばれる。時間－周波数変換では、時間強度波形のような複合信号に対して、周波数フィルタ処理または数値演算処理（窓関数をずらしながら乗算して、各々の時間に対してスペクトルを導出する処理）を施し、時間、周波数、信号成分の強さ（強度スペクトル）からなる３次元情報を生成する。本実施形態では、その変換結果（時間、周波数、強度スペクトル）を「スペクトログラム」と定義する。時間－周波数変換としては、ＳＴＦＴのほか、ウェーブレット変換（ハールウェーブレット変換、ガボールウェーブレット変換、メキシカンハットウェーブレット変換、またはモルレーウェーブレット変換）などがある。
【0046】
続いて、スペクトル設計部６ｂのスペクトログラム置換部６ｂ３は、強度スペクトログラムＡ４１を予め作成された強度スペクトログラムＡ４３（ターゲット強度スペクトログラム）に置き換えるとともに、位相スペクトログラムＡ４２を拘束する（図中の矢印Ｂ３）。強度スペクトログラムＡ４３は、スペクトログラム設定部６ａ（図１を参照）から提供される。位相スペクトログラムＡ４２を拘束するとは、位相スペクトログラムＡ４２を変化させない（そのまま残す）ことを意味する。これにより、上記の数式（３）は、下記の数式（４）に置き換えられる。ＴＳＧ（ω，ｔ）はターゲット強度スペクトログラム関数である。
図１６の（ｃ）部は、強度スペクトログラムＡ４３の一例を示す図である。図１６の（ｄ）部は、拘束された位相スペクトログラムＡ４２を示す図である。なお、図１６の（ｃ）部および（ｄ）部においても、横軸は時間を示し、縦軸は波長を示す。スペクトログラムの値は、図の明暗によって示されており、明るいほどスペクトログラムの値が大きい。この例では、強度スペクトログラムＡ４３に、互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる３つの光パルスＰＬを含む光パルス列ＰＴが含まれている。拘束された位相スペクトログラムＡ４２は、図１６の（ｂ）部と全く同一である。
【数4】
図１６の（ｃ）部は、強度スペクトログラムＡ４３の一例を示す図である。図１６の（ｄ）部は、拘束された位相スペクトログラムＡ４２を示す図である。なお、図１６の（ｃ）部および（ｄ）部においても、横軸は時間を示し、縦軸は波長を示す。スペクトログラムの値は、図の明暗によって示されており、明るいほどスペクトログラムの値が大きい。この例では、強度スペクトログラムＡ４３に、互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる３つの光パルスＰＬを含む光パルス列ＰＴが含まれている。拘束された位相スペクトログラムＡ４２は、図１６の（ｂ）部と全く同一である。
【0047】
続いて、スペクトル設計部６ｂのスペクトログラム逆変換部６ｂ４は、強度スペクトログラムＡ４３及び位相スペクトログラムＡ４２に対して逆ＳＴＦＴを行う（図中の矢印Ｂ４）。なお、ここでもスペクトログラム変換部６ｂ２と同様に、ＳＴＦＴ以外の時間－周波数変換を用いてもよい。これにより、下記の数式（５）によって示される、時間強度波形関数ａ'n（ｔ）及び時間位相波形関数φ'n（ｔ）を含む時間領域の第３波形関数Ａ５が得られる。但し、１周目ではｎ＝１である。
図１７の（ａ）部は、図１６の（ｃ）部および（ｄ）部に示される強度スペクトログラムＡ４３及び位相スペクトログラムＡ４２から逆ＳＴＦＴされた、１周目における第３波形関数Ａ５の時間強度波形関数ａ'1（ｔ）及び時間位相波形関数φ'1（ｔ）を模式的に示すグラフである。図１７の（ａ）部において、グラフＧ５１は時間強度波形関数ａ'1（ｔ）を表し、グラフＧ５２は時間位相波形関数φ'1（ｔ）を表す。横軸は時間を示し、縦軸は時間強度波形関数の強度値または時間位相波形関数の位相値を示す。
【数5】
図１７の（ａ）部は、図１６の（ｃ）部および（ｄ）部に示される強度スペクトログラムＡ４３及び位相スペクトログラムＡ４２から逆ＳＴＦＴされた、１周目における第３波形関数Ａ５の時間強度波形関数ａ'1（ｔ）及び時間位相波形関数φ'1（ｔ）を模式的に示すグラフである。図１７の（ａ）部において、グラフＧ５１は時間強度波形関数ａ'1（ｔ）を表し、グラフＧ５２は時間位相波形関数φ'1（ｔ）を表す。横軸は時間を示し、縦軸は時間強度波形関数の強度値または時間位相波形関数の位相値を示す。
【0048】
続いて、スペクトル設計部６ｂの逆フーリエ変換部６ｂ５は、第３波形関数Ａ５に対して時間領域から周波数領域への逆フーリエ変換を行う（図中の矢印Ｂ５）。これにより、下記の数式（６）によって示される、強度スペクトル関数Ａn（ω）及び位相スペクトル関数Φ'n（ω）を含む周波数領域の第４波形関数Ａ６が得られる。但し、１周目ではｎ＝１である。
図１７の（ｂ）部は、図１７の（ａ）部に示される第３波形関数Ａ５から逆フーリエ変換された、１周目における第４波形関数Ａ６の強度スペクトル関数Ａ1（ω）及び位相スペクトル関数Φ'1（ω）を模式的に示すグラフである。図１７の（ｂ）部において、グラフＧ６１は強度スペクトル関数Ａ1（ω）を表し、グラフＧ６２は位相スペクトル関数Φ'1（ω）を表す。横軸は波長を示し、縦軸は強度スペクトル関数の強度値または位相スペクトル関数の位相値を示す。
【数6】
図１７の（ｂ）部は、図１７の（ａ）部に示される第３波形関数Ａ５から逆フーリエ変換された、１周目における第４波形関数Ａ６の強度スペクトル関数Ａ1（ω）及び位相スペクトル関数Φ'1（ω）を模式的に示すグラフである。図１７の（ｂ）部において、グラフＧ６１は強度スペクトル関数Ａ1（ω）を表し、グラフＧ６２は位相スペクトル関数Φ'1（ω）を表す。横軸は波長を示し、縦軸は強度スペクトル関数の強度値または位相スペクトル関数の位相値を示す。
【0049】
その後、スペクトル設計部６ｂは、第１波形関数Ａ２の強度スペクトル関数Ａ0（ω）を拘束しつつ、第１波形関数Ａ２の位相スペクトル関数Φ1（ω）を第４波形関数の位相スペクトル関数Φ'1（ω）に置き換える（すなわち第１波形関数Ａ２のΦ2（ω）＝Φ'1（ω）とする。図中の矢印Ｂ６を参照）。そして、上述したフーリエ変換部６ｂ１、スペクトログラム変換部６ｂ２、スペクトログラム置換部６ｂ３、スペクトログラム逆変換部６ｂ４、及び逆フーリエ変換部６ｂ５の動作を、位相スペクトル関数が収束するまでＮ回にわたって繰り返す。このように、スペクトル設計部６ｂでは、第１波形関数Ａ２の強度スペクトル関数Ａ0（ω）を拘束しつつ、（ｎ＋１）周目の第１波形関数Ａ２の位相スペクトル関数Φn+1（ω）をｎ周目の第４波形関数の位相スペクトル関数Φ'n（ω）に置き換えながら、フーリエ変換部６ｂ１、スペクトログラム変換部６ｂ２、スペクトログラム置換部６ｂ３、スペクトログラム逆変換部６ｂ４、及び逆フーリエ変換部６ｂ５がこの順で繰り返し動作する。
【0050】
図１８の（ａ）部は、図１７の（ｂ）部ののちの３周目（ｎ＝３）における、第１波形関数Ａ２の強度スペクトル関数Ａ0（ω）（グラフＧ７１）及び位相スペクトル関数Φ3（ω）（グラフＧ７２）を模式的に示すグラフである。位相スペクトル関数Φ3（ω）の波形が１周目から変化していることがわかる。図１８の（ｂ）部は、図１８の（ａ）部に示される第１波形関数Ａ２からフーリエ変換された、３周目における第２波形関数Ａ３の時間強度波形関数ａ3（ｔ）（グラフＧ８１）及び時間位相波形関数φ3（ｔ）（グラフＧ８２）を模式的に示すグラフである。図１９の（ａ）部及び（ｂ）部それぞれは、図１８の（ｂ）部に示される第２波形関数Ａ３から変換された、３周目における強度スペクトログラムＡ４１及び位相スペクトログラムＡ４２それぞれを示す図である。互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる３つの光パルスＰＬが生成され始めていることがわかる。図１９の（ｃ）部は、３周目における強度スペクトログラムＡ４３を示す図であって、これは図１６の（ｃ）部に示される１週目の強度スペクトログラムＡ４３と同一である。図１９の（ｄ）部は、３周目における拘束された位相スペクトログラムＡ４２を示す図であって、これは図１９の（ｂ）部の位相スペクトログラムＡ４２と同一である。図２０の（ａ）部は、図１９の（ｃ）部および（ｄ）部に示される強度スペクトログラムＡ４３及び位相スペクトログラムＡ４２から逆ＳＴＦＴされた、３周目における第３波形関数Ａ５の時間強度波形関数ａ'3（ｔ）（グラフＧ９１）及び時間位相波形関数φ'3（ｔ）（グラフＧ９２）を模式的に示すグラフである。図２０の（ｂ）部は、図２０の（ａ）部に示される第３波形関数Ａ５から逆フーリエ変換された、３周目における第４波形関数Ａ６の強度スペクトル関数Ａ3（ω）（グラフＧ１０１）及び位相スペクトル関数Φ'3（ω）（グラフＧ１０２）を模式的に示すグラフである。
【0051】
上記のような繰り返し動作によって、強度スペクトログラムＡ４１が強度スペクトログラムＡ４３に次第に近づくように、位相スペクトル関数Φ'n（ω）が修正される。最終的に、第４波形関数Ａ６に含まれる位相スペクトル関数Φ'Ｎ（ω）が、所望のスペクトル位相解Φresult（ω）となる。このスペクトル位相解Φresult（ω）が、データ生成部６ｃに提供される。
【0052】
データ生成部６ｃは、スペクトル設計部６ｂにおいて算出されたスペクトル位相解Φresult（ω）に基づくスペクトル位相及び／又はスペクトル強度を初期光パルスＬａに与えるための位相変調パターン（例えば、計算機合成ホログラム）に関するデータを算出する。
【0053】
続いて、ＳＬＭ１３を制御するデータの作成に用いられるターゲット強度スペクトログラムＡ４３を作成するための装置について説明する。図２１は、強度スペクトログラムＡ４３を作成するための装置１００の機能的構成を示すブロック図である。装置１００は、互いに時間差を有する複数の光パルス（例えば上述した光パルスＰＬ）を含む光パルス列ＰＴに関するターゲット強度スペクトログラムＡ４３を作成する。図２１に示されるように、装置１００は、波形関数設定部１０１と、フーリエ変換部１０２と、スペクトログラム変換部１０３と、ターゲット生成部１０４と、を備える。なお、装置１００は、前述したデータ作成装置６と同様のハードウェア構成（図１１を参照）を有してよい。この場合、コンピュータのプロセッサ６１は、ターゲット強度スペクトログラム作成プログラムによって、上記の装置１００の各機能を実現することができる。故に、ターゲット強度スペクトログラム作成プログラムは、コンピュータのプロセッサ６１を、波形関数設定部１０１、フーリエ変換部１０２、スペクトログラム変換部１０３、及びターゲット生成部１０４として動作させる。
【0054】
波形関数設定部１０１は、強度スペクトル関数及び位相スペクトル関数を含む周波数領域のターゲット波形関数を、光パルス毎に設定する。例えば、波形関数設定部１０１は、光パルスＰＬについてターゲット波形関数を設定し、別の光パルスＰＬについて別のターゲット波形関数を設定し、更に別の光パルスＰＬについて更に別のターゲット波形関数を設定する。ターゲット波形関数のパラメータとしては、例えば下記のものが挙げられる。
ａ）各光パルスの強度スペクトル関数の形状（例えばガウシアン）
ｂ）各光パルスの強度スペクトル関数のスペクトルエネルギー量
ｃ）各光パルスの強度スペクトル関数の帯域幅（半値全幅）
ｄ）各光パルスの強度スペクトル関数の中心波長
ｅ）各光パルスの位相スペクトル関数
なお、各光パルスのスペクトル位相が周波数に対して線形である場合、その線形関数の傾きは、各光パルスの時間シフト量に相当する。図２２の（ａ）部は、ターゲット波形関数の一例として、強度スペクトル関数Ｇ１３１及び位相スペクトル関数Ｇ１３２を示すグラフである。図２２の（ａ）部において、横軸は波長（ｎｍ）を示し、縦軸は強度スペクトル関数Ｇ１３１の強度値（任意単位）及び位相スペクトル関数Ｇ１３２の位相値（ｒａｄ）を示す。この例は、時間的に等間隔である３つの光パルスＰＬのうち中央に位置する光パルスＰＬについてのターゲット波形関数であるので、位相スペクトル関数Ｇ１３２の傾き（すなわち時間シフト量）はゼロとされている。
ａ）各光パルスの強度スペクトル関数の形状（例えばガウシアン）
ｂ）各光パルスの強度スペクトル関数のスペクトルエネルギー量
ｃ）各光パルスの強度スペクトル関数の帯域幅（半値全幅）
ｄ）各光パルスの強度スペクトル関数の中心波長
ｅ）各光パルスの位相スペクトル関数
なお、各光パルスのスペクトル位相が周波数に対して線形である場合、その線形関数の傾きは、各光パルスの時間シフト量に相当する。図２２の（ａ）部は、ターゲット波形関数の一例として、強度スペクトル関数Ｇ１３１及び位相スペクトル関数Ｇ１３２を示すグラフである。図２２の（ａ）部において、横軸は波長（ｎｍ）を示し、縦軸は強度スペクトル関数Ｇ１３１の強度値（任意単位）及び位相スペクトル関数Ｇ１３２の位相値（ｒａｄ）を示す。この例は、時間的に等間隔である３つの光パルスＰＬのうち中央に位置する光パルスＰＬについてのターゲット波形関数であるので、位相スペクトル関数Ｇ１３２の傾き（すなわち時間シフト量）はゼロとされている。
【0055】
フーリエ変換部１０２は、複数の光パルスそれぞれのターゲット波形関数を、時間強度波形関数及び時間位相波形関数を含む時間領域の波形関数に変換する。図２２の（ｂ）部は、時間領域の波形関数の一例として、図２２の（ａ）部に示されるターゲット波形関数から生成された時間強度波形関数Ｇ１４１及び時間位相波形関数Ｇ１４２を示すグラフである。図２２の（ｂ）部において、横軸は時間（ｆｓ）を示し、縦軸は時間強度波形関数Ｇ１４１の強度値（任意単位）及び時間位相波形関数Ｇ１４２の位相値（ｒａｄ）を示す。
【0056】
スペクトログラム変換部１０３は、複数の光パルスそれぞれの時間領域の波形関数から強度スペクトログラムを生成する。図２３の（ａ）部は、強度スペクトログラムの一例として、図２２の（ｂ）部に示される波形関数から生成された強度スペクトログラムを示す図である。なお、強度スペクトログラムの作成方法及びスペクトログラムの定義は、前述したスペクトル設計部６ｂのスペクトログラム変換部６ｂ２における説明と同様である。また、スペクトログラム変換部１０３においても、ＳＴＦＴに限らず、他の時間－周波数変換（例えばウェーブレット変換）を用いてよい。
【0057】
ターゲット生成部１０４は、複数の光パルスそれぞれの強度スペクトログラムを互いに重畳して強度スペクトログラムＡ４３を生成する。図２３の（ｂ）部は、一例として、３つの光パルスＰＬについての強度スペクトログラムを互いに重畳して得られる強度スペクトログラムＡ４３を示す図である。なお、ターゲット生成部１０４は、複数の光パルスそれぞれの強度スペクトログラムを重畳したものに対して、補正のための係数を乗算してもよい。補正のための係数は、例えば、作成したターゲット強度スペクトログラムＡ４３のスペクトル強度分布を、初期光パルスＬａの光パルスのスペクトル強度分布に近づけるための係数である。
【0058】
以上に説明した本実施形態のテラヘルツ波発生装置１およびテラヘルツ波発生方法によって得られる効果について説明する。周波数が互いに異なる複数のテラヘルツ波ＴＷを得たい場合、図２４に示されるように、複数のテラヘルツ波生成部２０を用意し、そのそれぞれに光パルス列ＰＴを集光することが考えられる。或いは、図２５に示されるように、単一のテラヘルツ波生成部２０内の異なる位置に、光パルス列ＰＴを集光することが考えられる。しかしながら、これらの方式では、テラヘルツ波を効率良く発生させるために、複数の光パルス列ＰＴの光密度を光パルス列ＰＴ毎に大きくする必要があり、全体的に見て大きなエネルギーが必要となる。これに対し、本実施形態のテラヘルツ波発生装置１およびテラヘルツ波発生方法では、パルス間隔ΔＴが互いに異なり、空間的に並んで同時に出力された複数の光パルス列ＰＴが、テラヘルツ波生成部２０内の同じ一つのスポット２１に集光される。これにより、スポット２１における光密度は、複数の光パルス列ＰＴの光密度の総和となる。したがって、各光パルス列ＰＴの光密度を小さく抑えつつ、スポット２１における光密度を大きくして、テラヘルツ波を効率良く発生させることができる。
【0059】
また、図２４に示される方式では、テラヘルツ波ＴＷの個数に応じた数のテラヘルツ波生成部２０が必要となり、部品点数が多くなるという問題がある。また、図２５に示される方式では、例えば直径が１０ｍｍ程度といった大きな結晶を用意する必要があるが、純度の高い大きな結晶を作製することは極めて難しいという問題がある。また、大きな結晶も市販されているが、非常に高価であるという問題もある。本実施形態のテラヘルツ波発生装置１およびテラヘルツ波発生方法によれば、テラヘルツ波生成部２０の数を削減することができ、また小さな結晶で済むので作製も容易である。
【0060】
なお、パルス間隔ΔＴがそれぞれ異なる複数の光パルス列ＰＴをテラヘルツ波生成部２０内の一点（スポット２１）に集光した場合であっても、複数の光パルス列ＰＴにそれぞれ対応する周波数を有する複数のテラヘルツ波ＴＷが発生することは、従来知られていない知見である。図２６～図２８は、周波数１ＴＨｚのテラヘルツ波に対応する時間間隔を有する光パルス列と、周波数２ＴＨｚのテラヘルツ波に対応する時間間隔を有する光パルス列とを、非線形光学結晶の一点に集光することにより実際に得られたテラヘルツ波のスペクトルを示すグラフである。図２６は、テラヘルツ波の全体のスペクトルを示す。図２７は、空間の一部のテラヘルツ波のスペクトルを示す。図２８は、空間の別の一部のテラヘルツ波のスペクトルを示す。図２６に示されるように、テラヘルツ波の全体のスペクトルには、１ＴＨｚの周波数成分と、２ＴＨｚの周波数成分とが主に含まれる。また、図２７に示されるように、空間の一部のテラヘルツ波のスペクトルには２ＴＨｚの周波数成分が含まれ、図２８に示されるように、空間の別の一部のテラヘルツ波のスペクトルには１ＴＨｚの周波数成分が含まれる。このことから、時間間隔が異なる複数の光パルス列をテラヘルツ波生成部の一点に集光した場合であっても、各光パルス列に対応する周波数を有する各テラヘルツ波が発生することがわかる。
【0061】
本実施形態のように、テラヘルツ波生成部２０は、ＺｎＴｅ結晶、ＰＰＬＮ結晶、ＰＰＬＴ結晶、ＧａＳｅ結晶、ＧａＰ結晶、ＤＡＳＴ結晶、ＤＡＳＣ結晶、ＤＳＴＭＳ結晶、光伝導アンテナ、およびＨＭＱ－ＴＭＳからなる群から選択される一又は複数のものを含んでもよい。この場合、複数の光パルス列ＰＴを受けて複数のテラヘルツ波ＴＷを好適に発生させることができる。
【0062】
本実施形態のように、光パルス列生成部１０は、初期光パルスＬａを出力するパルス光源１１と、パルス光源１１と光学的に結合され、初期光パルスＬａから複数の光パルス列ＰＴを並行して生成する波形整形器１２と、を有してもよい。波形整形器１２は、初期光パルスＬａのスペクトル位相を変調して複数の光パルス列ＰＴを生成するＳＬＭ１３を含んでもよい。この場合、ＳＬＭ１３に呈示される変調パターンを制御することによって、複数の光パルス列ＰＴを好適に生成することができる。
［第２実施形態］
［第２実施形態］
【0063】
図２９は、本開示の第２実施形態に係るテラヘルツ波発生装置２の構成を模式的に示す図である。テラヘルツ波発生装置２は、第１実施形態に係るテラヘルツ波発生装置１の構成に加えて、合波部７０を備えている。合波部７０は、コリメート光学系４０の後段、すなわちテラヘルツ波生成部２０の後段に配置され、コリメート光学系４０を間に挟んでテラヘルツ波生成部２０と光学的に結合されている。合波部７０は、テラヘルツ波生成部２０から出力された第１テラヘルツ波ＴＷ１および第２テラヘルツ波ＴＷ２を含む複数のテラヘルツ波ＴＷを合波する。一例では、合波部７０は、集光レンズ７１を含む。集光レンズ７１は、複数のテラヘルツ波ＴＷを一つのスポット７２に集光する。スポット７２では、複数のテラヘルツ波ＴＷが合波されることにより単一のテラヘルツ波が発生する。
【0064】
また、本実施形態では、制御部１８が、ＳＬＭ１３に提供する位相パターンを選択することにより、複数の光パルス列ＰＴ間の時間遅延量（例えば第１光パルス列ＰＴ１と第２光パルス列ＰＴ２との間の時間遅延量）を制御する。すなわち、制御部１８は、本実施形態における時間遅延制御部を構成する。このように、複数の光パルス列ＰＴ間の時間遅延量、言い換えると各光パルス列ＰＴの位相は、制御部１８によって可変とされている。図３０の（ａ）部、（ｂ）部および（ｃ）部は、スポット７２において生じるテラヘルツ波の時間強度波形の例を示す。複数の光パルス列ＰＴ間の時間遅延量を様々な大きさに変化させることにより、図３０に示されるようにテラヘルツ波の様々な時間強度波形を実現することができる。
【0065】
本実施形態のように、テラヘルツ波発生装置は、テラヘルツ波生成部２０から出力された複数のテラヘルツ波ＴＷを合波する合波部７０を更に備えてもよい。複数のテラヘルツ波ＴＷはそれぞれ異なる周波数を有するので、これらを合成することによりテラヘルツ波のパルスを生成することができる。この場合、テラヘルツ波発生装置が、複数の光パルス列ＰＴの間の時間遅延を制御する時間遅延制御部（制御部１８）を備えることによって、テラヘルツ波のパルスの波形を変更することが容易にできる。
【0066】
なお、任意の結晶位置において生成されるテラヘルツ波パルスの周波数をｆ、光パルス列ＰＴの時間遅延量をΔｔとすると、テラヘルツ波パルスの位相シフトΔφは、Δφ＝２πｆΔｔと表される。したがって、光パルス列ＰＴの時間遅延量を制御することにより、テラヘルツ波パルスの位相を制御することができる。また、光パルス列ＰＴの強度を制御することにより、テラヘルツ波パルスの振幅も制御することができる。
［第３実施形態］
［第３実施形態］
【0067】
図３１は、本開示の第３実施形態に係るテラヘルツ波イメージング装置３の構成を模式的に示す図である。テラヘルツ波イメージング装置３は、第１実施形態に係るテラヘルツ波発生装置１の構成に加えて、撮像部５０を備えている。撮像部５０は、テラヘルツ波発生装置１から対象物Ｂに照射されて対象物Ｂから出力された複数のテラヘルツ波ＴＷを撮像する。一例では、撮像部５０は、イメージインテンシファイア５１および二次元撮像素子５２を有する。イメージインテンシファイア５１は、複数のテラヘルツ波ＴＷを光電子に変換する光電面と、光電面から出力された光電子を増倍して二次電子を出力するマイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）と、増倍後の二次電子を光に変換する蛍光面とを有する。イメージインテンシファイア５１は、このような構成を有することにより、入射した複数のテラヘルツ波ＴＷを光に変換して出力する。二次元撮像素子５２は、イメージインテンシファイア５１から出力された光の像を電気的な画像データに変換する。
【0068】
本実施形態のテラヘルツ波イメージング装置３によれば、複数の光パルス列ＰＴそれぞれの光密度を小さく抑えつつ、テラヘルツ波生成部２０のスポット２１における光密度を大きくして、テラヘルツ波を効率良く発生させることができる。また、テラヘルツ波による分光イメージングを好適に行うことができる。
【0069】
本開示によるテラヘルツ波発生装置、テラヘルツ波イメージング装置およびテラヘルツ波発生方法は、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態においてテラヘルツ波生成部の具体例を幾つか示したが、テラヘルツ波生成部はこれらに限られるものではなく、光パルス列を受けてテラヘルツ波を発生可能な種々のものを採用できる。また、上記実施形態では光パルス列生成部の例としてパルス光源および波形整形器を有するものを示したが、光パルス列生成部の構成はこれに限られない。例えば、光パルス列生成部は、パルス間隔がそれぞれ異なる複数の光パルス列をそれぞれ出力する複数のパルス光源を有してもよい。
【符号の説明】
【0070】
１，２…テラヘルツ波発生装置、３…テラヘルツ波イメージング装置、６…データ作成装置、６ａ…スペクトログラム設定部、６ｂ…スペクトル設計部、６ｂ１…フーリエ変換部、６ｂ２…スペクトログラム変換部、６ｂ３…スペクトログラム置換部、６ｂ４…スペクトログラム逆変換部、６ｂ５…逆フーリエ変換部、６ｃ…データ生成部、１０…光パルス列生成部、１１…パルス光源、１２…波形整形器、１３…空間光変調器（ＳＬＭ）、１７…変調面、１７ａ…変調領域、１８…制御部、２０…テラヘルツ波生成部、２１…スポット、３０…集光光学系、３１，４１…レンズ、４０…コリメート光学系、５０…撮像部、５１…イメージインテンシファイア、５２…二次元撮像素子、６１…プロセッサ（ＣＰＵ）、６２…ＲＯＭ、６４…入力デバイス、６５…出力デバイス、６６…通信モジュール、６７…補助記憶装置、７０…合波部、７１…集光レンズ、７２…スポット、１００…装置、１０１…波形関数設定部、１０２…フーリエ変換部、１０３…スペクトログラム変換部、１０４…ターゲット生成部、１２１…回折格子、１２２，１２３…レンズ、１２４…回折格子、Ａ１…初期スペクトル関数、Ａ２…第１波形関数、Ａ３…第２波形関数、Ａ５…第３波形関数、Ａ６…第４波形関数、Ａ４１…強度スペクトログラム、Ａ４２…位相スペクトログラム、Ａ４３…ターゲット強度スペクトログラム、ＡＡ，ＡＢ…方向、Ｂ…対象物、Ｌａ…初期光パルス、Ｌｂ…光、Ｌｃ…変調光、ＰＬ…光パルス、ＰＴ…光パルス列、ＰＴ１…第１光パルス列、ＰＴ２…第２光パルス列、ＳＣ…制御信号、ＴＷ…テラヘルツ波、ＴＷ１…第１テラヘルツ波、ＴＷ２…第２テラヘルツ波。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】