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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-01-05
(45)【発行日】2022-01-20
(54)【発明の名称】テラヘルツ放射を生成する方法および装置
(51)【国際特許分類】
G02F 1/37 20060101AFI20220113BHJP
G02F 1/39 20060101ALI20220113BHJP
【ＦＩ】
G02F1/37
G02F1/39
【請求項の数】
19
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2017055106
(22)【出願日】2017-03-21
(65)【公開番号】P2017173827
(43)【公開日】2017-09-28
【審査請求日】2019-12-13
(31)【優先権主張番号】16000684.7
(32)【優先日】2016-03-21
(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP
(73)【特許権者】
【識別番号】517099270
【氏名又は名称】ドイチェス エレクトローネン－シンクロトロン デズィ
【氏名又は名称原語表記】Ｄｅｕｔｓｃｈｅｓ Ｅｌｅｋｔｒｏｎｅｎ－Ｓｙｎｃｈｒｏｔｒｏｎ ＤＥＳＹ
【住所又は居所原語表記】Ｎｏｔｋｅｓｔｒａｓｓｅ ８５， ２２６０７ Ｈａｍｂｕｒｇ， Ｂｕｎｄｅｓｒｅｐｕｂｌｉｋ Ｄｅｕｔｓｃｈｌａｎｄ
(73)【特許権者】
【識別番号】507141044
【氏名又は名称】マサチューセッツ・インスティチュート・オブ・テクノロジー（エムアイティー）
【氏名又は名称原語表記】Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＭＩＴ）
【住所又は居所原語表記】７７ Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ Ａｖｅｎｕｅ，Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ，ＭＡ ０２１３９，Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ
(74)【代理人】
【識別番号】100105360
【弁理士】
【氏名又は名称】川上 光治
(74)【代理人】
【識別番号】100145023
【弁理士】
【氏名又は名称】川本 学
(72)【発明者】
【氏名】フランツ イクス ケルトナー
(72)【発明者】
【氏名】ダミアン エヌ バーレ
(72)【発明者】
【氏名】ミケル ヘンメル
(72)【発明者】
【氏名】ジョヴァンニ チルミ
(72)【発明者】
【氏名】オリヴァー デー ミュッケ
(72)【発明者】
【氏名】ジュリオ マリア ロッシ
(72)【発明者】
【氏名】アーヤ ファラーヒ
(72)【発明者】
【氏名】ニコラス ハー マトリス
(72)【発明者】
【氏名】ルイス イー ザパタ
(72)【発明者】
【氏名】コーストゥバン ラヴィ
(72)【発明者】
【氏名】ファビアン ライヘルト
【審査官】山本 元彦
(56)【参考文献】
【文献】米国特許第０７３４９６０９（ＵＳ，Ｂ１）
【文献】特開２００３－０１５１７５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００３－３２４２２６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００８－１７０５８２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００６－０９１８０２（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許第０７３３９７１８（ＵＳ，Ｂ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０２Ｆ １／００－１／１２５、１／２１－７／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
テラヘルツ放射を生成する方法であって、－ 入力放射源装置（１０）で光入力放射を生成する工程と、
－ 単一通過構成で配置された第１の変換結晶装置（３０）に前記光入力放射を照射する工程と、
－ 前記光入力放射に応答して、前記第１の変換結晶装置（３０）において光－テラヘルツ変換プロセスによってテラヘルツ周波数を有する前記テラヘルツ放射を生成する工程と、
を含み、
－ 多重線周波数スペクトルが、前記光入力放射によって前記第１の変換結晶装置（３０）において形成され、
－ 前記光－テラヘルツ変換プロセスは、前記多重線周波数スペクトルを用いたカスケード差周波発生を含み、
特徴として、
－ 前記入力放射源装置（１０）で生成された前記光入力放射は、生成される前記テラヘルツ放射の前記テラヘルツ周波数だけ離れた光周波数を含む第１の放射成分および第２の放射成分を含み、
前記第１の放射成分と前記第２の放射成分は、前記第１の変換結晶装置（３０）を通るビーム経路に沿って相互に空間的および時間的に重なり合って前記第１の変換結晶装置（３０）を照射し、
前記多重線周波数スペクトルは、前記第１および第２の放射成分の前記光周波数から導出されるビート周波数によって形成されるものである、
方法。
【請求項2】
前記第１の放射成分および前記第２の放射成分は、前記第１の変換結晶装置（３０）を共線的な幾何学的配置で照射するものである、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
前記入力放射線源装置（１０）は、互いに同期され前記第１の放射線成分および前記第２の放射線成分をそれぞれ生成する２つのレーザ源を有し、前記２つのレーザ源は、
－ ２つの連続波レーザ源、
－ ２つの擬似連続波レーザ源、特に１００ｐｓ乃至１０ｎｓの範囲の持続時間を有するパルスを放出する２つの疑似連続波レーザ源、
－ １つの連続波レーザ源および１つの疑似連続波レーザ源、
－ ２つのパルス・レーザ源、特に、１０ｆｓ乃至１００ｐｓの範囲の変換限界持続時間を有するパルスを放出する２つのパルス・レーザ源、
－ パルス・ストレッチャ（１１．２）と組み合わされた１つの広帯域チャープ・パルス・レーザ源（１１．１）と、相対遅延部と組み合わされた１つのパルス・レーザ源、または
－ 相対遅延部と組み合わされた２つの広帯域チャープ・パルス・レーザ源
を含むものである、
請求項１または２に記載の方法。
【請求項4】
前記２つのレーザ源は、異なる出力パワーを有する前記第１の放射成分および前記第２の放射成分を生成し、より強い出力パワーに対するより弱い出力パワーの割合は、０．０１％より大きく、特に０．１％より大きく、５０％より小さいものである、
請求項３に記載の方法。
【請求項5】
前記テラヘルツ周波数を有する前記第２の放射成分は、－ ポンプ変換結晶装置における単一の超短光パルスの光整流、
－ 前記第１および第２の放射成分を用いたカスケード型パラメトリック増幅、または
－ ポンプ第１の変換結晶装置（３０）における複数のパルスのシーケンスの光整流
によって生成されるものである、請求項２に記載の方法。
【請求項6】
テラヘルツ放射を生成する方法であって、－ 入力放射源装置（１０）で光入力放射を生成する工程と、
－ 単一通過構成で配置された第１の変換結晶装置（３０）に前記光入力放射を照射する工程と、
－ 前記光入力放射に応答して、前記第１の変換結晶装置（３０）において光－テラヘルツ変換プロセスによってテラヘルツ周波数を有する前記テラヘルツ放射を生成する工程と、
を含み、
－ 多重線周波数スペクトルが、前記光入力放射によって前記第１の変換結晶装置（３０）において形成され、
－ 前記光－テラヘルツ変換プロセスは、前記多重線周波数スペクトルを用いたカスケード差周波発生を含み、
特徴として、
前記入力放射源装置（１０）で生成された前記光入力放射は、生成される前記テラヘルツ放射の前記テラヘルツ周波数の逆数の整数倍に等しい時間間隔（Δｔ）を有する光レーザ・パルスのシーケンスを含み（Δｔ＝Ｎ・１／ｆＴＨｚ、Ｎ＝１，２，...）、
前記多重線周波数スペクトルは、前記光入力放射によって直接形成されるものである、
方法。
【請求項7】
－ 前記第１の変換結晶装置（３０）は、一連の交互に分極反転した結晶領域を含む周期的分極反転型の非線形結晶を含み、－ 前記周期的分極反転型の非線形結晶の領域周期は、Λ＝ｃ／（ｆＴＨｚΔｎ）の整数倍に等しく、
ここで、ｆＴＨｚは生成される前記テラヘルツ放射の周波数であり、Δｎは光入力の群屈折率とテラヘルツ屈折率の差の絶対値Δｎ＝｜ｎＴＨｚ－ｎｇ｜である、
請求項６に記載の方法。
【請求項8】
前記入力放射線源装置（１０）は、－ 生成される前記テラヘルツ放射の前記テラヘルツ周波数のパルス繰返しレートを有する超短パルス・レーザ発振器を含む、
－ 超高速レーザ発振器を含み、パルスのシーケンスが、マルチパルス発生器によって、特に入来光パルスを分割して積み重ねるマルチパルス発生器によって、生成される、または
－ 特に光パルスをチャープし遅延させることに基づく、光パルス・インタリーバまたはパルス整形器を含む
の中の１つである、
請求項６または７に記載の方法。
【請求項9】
前記第１の変換結晶装置（３０）は、－ 前記第１の変換結晶装置（３０）が、擬似位相整合するよう適合化され、特に、周期的に反転された結晶装置軸での複数のウェハの結合によってまたは幾つかのより小さい周期的に分極反転された結晶装置の積み重ねによって擬似位相整合するよう適合化される、
－ 前記第１の変換結晶装置（３０）が、前記第１の変換結晶装置（３０）を通るビーム経路に沿って徐々に変化する擬似位相整合周期と擬似位相整合するよう適合化される、
－ 前記第１の変換結晶装置（３０）が、生成される前記テラヘルツ放射の前記テラヘルツ周波数について位相整合される正規の位相整合に適合化される、
－ 前記第１の変換結晶装置（３０）が、前記光入力放射に対してブリュースタ角で配置された複数の結晶層を含む、
－ 前記第１の変換結晶装置（３０）が、バルク結晶または周期的分極反転型の結晶を含む、
－ 前記第１の変換結晶装置（３０）が、コングルエントなニオブ酸リチウム（ｃＬＮ）、化学量論的なニオブ酸リチウム（ｓＬＮ）、コングルエントなタンタル酸リチウム（ｃＬＴ）、化学量論的なタンタル酸リチウム（ｓＬＴ）、チタニルリン酸カリウム（ＫＴＰ）、チタニルヒ酸カリウム（ＫＴＡ）、リン化亜鉛ゲルマニウム（ＺＧＰ）、カドミウムシリコンホスフィド（ＣｄＳｉＰ２）、またはリン化ガリウム（ＧａＰ）を含む、
－ 前記第１の変換結晶装置（３０）が少なくとも１種のドーパントを含む、または
－ 前記第１の変換結晶装置（３０）が、少なくとも５ｍｍおよび／または最大１０ｃｍのビーム経路長を有する、
という特徴の中の少なくとも１つの特徴を有するものである、
請求項１乃至８のいずれかに記載の方法。
【請求項10】
－ 前記第１の変換結晶装置（３０）の出力側に配置された少なくとも１つの別の変換結晶装置に前記光入力放射および前記テラヘルツ放射の少なくとも一方を照射する工程と、－ 前記光入力放射に応答して前記少なくとも１つの別の変換結晶装置において前記光－テラヘルツ変換プロセスによってテラヘルツ放射を生成する工程と、
を含む、請求項１乃至９のいずれかに記載の方法。
【請求項11】
－ 前記第１の変換結晶装置（３０）および前記少なくとも１つの別の変換結晶装置は、擬似位相整合に適合化され、－ 前記第１の変換結晶装置（３０）および前記少なくとも１つの別の変換結晶装置は、異なる疑似位相整合周期を有するものである、
請求項１０に記載の方法。
【請求項12】
各変換結晶装置が冷却装置で冷却される、請求項１乃至１１のいずれかに記載の方法。
【請求項13】
テラヘルツ放射を生成するよう適合化されたテラヘルツ源装置であって、－ 光入力放射を生成するように配置された入力放射源装置（１０）と、
－ 前記光入力放射線が照射されるように配置された第１の変換結晶装置（３０）と、
を含み、
－ 前記第１の変換結晶装置（３０）は、前記光入力放射に応答して光－テラヘルツ変換プロセスによってテラヘルツ周波数を有する前記テラヘルツ放射を生成するようにかつ単一通過構成で配置され、
－ 前記入力放射源装置（１０）および前記第１の変換結晶装置（３０）は、多重線周波数スペクトルが、前記光入力放射によって前記第１の変換結晶装置（３０）において形成され、前記光－テラヘルツ変換プロセスが、前記多重線周波数スペクトルを用いた前記光入力放射のカスケード差周波発生を含むように、構成され、
特徴として、
前記入力放射源装置（１０）は、光周波数を含む第１の放射成分と、生成される前記テラヘルツ放射の前記テラヘルツ周波数だけ前記第１の放射成分の前記光周波数から離れた光周波数を含む第２の放射成分と、を生成するように配置され、
前記第１の放射成分と前記第２の放射成分は、前記第１の変換結晶装置（３０）を通るビーム経路に沿って相互に空間的および時間的に重なり合って前記第１の変換結晶装置（３０）を照射するものである、
テラヘルツ源装置。
【請求項14】
前記入力放射源装置（１０）は、互いに同期され前記第１の放射成分および前記第２の放射成分を生成する２つのレーザ源を有し、前記２つのレーザ源は、
－ ２つの連続波レーザ源、
－ ２つの擬似連続波レーザ源、特に１００ｐｓ乃至１０ｎｓの範囲の持続時間を有するパルスを放出する２つの擬似連続波レーザ源、
－ １つの連続波レーザ源および１つの疑似連続波レーザ源、
－ ２つのパルス・レーザ源、特に、１０ｆｓ乃至１００ｐｓの範囲の持続時間を有するパルスを放出する２つのパルス・レーザ源、
－ パルス・ストレッチャ（１１．２）と組み合わされた１つの広帯域チャープ・パルス・レーザ源（１１．１）、および相対遅延部（１１．３）と組み合わされた１つのパルス・レーザ源、または
－ 相対遅延部と組み合わされた２つの広帯域チャープ・パルス・レーザ源、
を含むものである、
請求項１３に記載のテラヘルツ源装置。
【請求項15】
前記入力放射源装置（１０）は、－ ポンプ変換結晶装置における単一の超短光パルスの光整流、
－ 前記第１および第２の放射成分を用いたカスケード型パラメトリック増幅、または
－ ポンプ第１変換結晶装置（３０）における複数のパルスのシーケンスの光整流、
によって、前記テラヘルツ周波数を有する前記第２の放射成分を生成するよう適合化されるものである、請求項１３または１４に記載のテラヘルツ源装置。
【請求項16】
テラヘルツ放射を生成するよう適合化されたテラヘルツ源装置であって、－ 光入力放射を生成するように配置された入力放射源装置（１０）と、
－ 前記光入力放射線が照射されるように配置された第１の変換結晶装置（３０）と、
を含み、
－ 前記第１の変換結晶装置（３０）は、前記光入力放射に応答して光－テラヘルツ変換プロセスによってテラヘルツ周波数を有する前記テラヘルツ放射を生成するようにかつ単一通過構成で配置され、
－ 前記入力放射源装置（１０）および前記第１の変換結晶装置（３０）は、多重線周波数スペクトルが、前記光入力放射によって前記第１の変換結晶装置（３０）において形成され、前記光－テラヘルツ変換プロセスが、前記多重線周波数スペクトルを用いた前記光入力放射のカスケード差周波発生を含むように、構成され、
特徴として、
－ 前記入力放射源装置（１０）は、生成される前記テラヘルツ放射の前記テラヘルツ周波数の逆数の整数倍に等しい時間的間隔（Δｔ）を有する光レーザ・パルスのシーケンスを生成するように配置されたものである（Δｔ＝Ｎ・１／ｆＴＨｚ、Ｎ＝１，２，...）、
テラヘルツ源装置。
【請求項17】
前記入力放射線源装置（１０）は、－ 生成される前記テラヘルツ放射の前記テラヘルツ周波数のパルス繰返しレートを有する超短パルス・レーザ発振器を含む、
－ 超高速レーザ発振器を含み、パルスのシーケンスが、マルチパルス発生器によって、特に入来光パルスを分割して積み重ねるマルチパルス発生器によって、生成される、および
－ 特に光パルスをチャープし遅延させることに基づく、光パルス・インタリーバまたはパルス整形器を含む、
の中の１つである、請求項１６に記載のテラヘルツ源装置。
【請求項18】
－ 前記光入力放射および前記テラヘルツ波放射のうちの少なくとも一方が照射される前記第１の変換結晶装置（３０）の出力側に配置された少なくとも１つの別の変換結晶装置を含み、－ 前記少なくとも１つの別の変換結晶装置は、前記光入力放射に応答して前記光－テラヘルツ変換プロセスによってテラヘルツ放射を生成するように配置されるものである、
請求項１３乃至１７のいずれかに記載のテラヘルツ源装置。
【請求項19】
－ コヒーレントＸ線発生用（薬品製造業、大学研究室、リソグラフィ、医療システム用の位相コントラスト画像化用）または画像化および医療治療用の高エネルギ・テラヘルツ銃および電子加速器の駆動、－ 画像化（例えば障害検出用）、
－ コヒーレント回折画像化、
－ 分光法、
－ 感知応用、特に爆発物検出、
－ 小角Ｘ線散乱、
－ テラヘルツまたは光ポンプおよびＸ線プローブ時間分解型分光法、
－ Ｘ線ポンプおよびＸ線プローブ時間分解型分光法、
－ 指向性無線通信、
－ レーダ技術、
－ 高い相関性の量子システムの新しい位相への駆動、
－ テラヘルツ範囲での遷移を有する量子情報装置の駆動、および
－ 前記テラヘルツ源装置の電磁アンジュレータとしての使用、
の用途の中の少なくとも１つの用途のために、請求項１３乃至１８のいずれかに記載のテラヘルツ源装置を使用する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、テラヘルツ（THz）を生成する方法に関し、特に、光入力放射を変換結晶装置（デバイス）に供給して照射し、光－テラヘルツ変換プロセスによってテラヘルツ放射を生成する方法に関する。さらに、本発明は、テラヘルツ放射を生成するよう適合化されていて、入力放射源装置と、光－テラヘルツ変換プロセスによってテラヘルツ放射を生成するための変換結晶装置とを含むテラヘルツ源装置に関する。
【0002】
本発明の適用例は、強電界プロセスおよび特に粒子の加速を駆動するのに利用可能である。本発明の好ましい適用例によれば、テラヘルツ源装置は、例えば電子のような荷電粒子のテラヘルツ加速器において使用される。
【背景技術】
【0003】
本明細書において、従来技術を説明するために、特に次に引用する刊行物を参照する。
［１］米国特許第７７６４４２２号Ｂ２、
［２］米国特許第７４００６６０号Ｂ２、
［３］米国特許第８５５４０８３号Ｂ２、
［４］S. Carbajo et al. in "Optics Letters", vol. 40, pp.5762-5765, 2015;
［５］K. Vodopyanov et al. in "Applied Physics Letters", vol.99, p.041104, 2011;
［６］欧州特許出願公開第２３０９３２５号Ａ１、
［７］米国特許第７９５３１２８号Ｂ２、
［８］C. Klieber et al. in "Applied Physics Letters", vol.98, p.211908, 2011、
［９］Z. Chen et al. in "Applied Physics Letters", vol.99, p.071102, 2011、
［１０］S. R. Tripathi et al. in "Optics Letters", vol. 39, no.6, p. 1649, 2014、
［１１］K. Kawase et al. in "Journal of Physics D: Applied Physics", vol.35, pp.R1-R13, 2002、
［１２］米国特許第８６９９１２４号Ｂ２、
［１３］米国特許第８３０５６７９号Ｂ２、
［１４］T. D. Wang et al. in "Optics Express", vol.21, no.2, p.2452, 2013、
［１５］J. R. Danielson, et al. in "Journal of Applied Physics", vol.104, p.033111, 2008、
［１６］M. Cronin-Golomb in "Optics Letters", vol.29, no.17, p.2046, 2004、
［１７］K. Vodopyanov et al. in "Optics Express", vol.14, no.6, p.2263, 2006、 および
［１８］L. Pengxiang et al. in "Journal of Lightwave Technology", vol.31, no.15, pp.2508-2514, 2013。
［１］米国特許第７７６４４２２号Ｂ２、
［２］米国特許第７４００６６０号Ｂ２、
［３］米国特許第８５５４０８３号Ｂ２、
［４］S. Carbajo et al. in "Optics Letters", vol. 40, pp.5762-5765, 2015;
［５］K. Vodopyanov et al. in "Applied Physics Letters", vol.99, p.041104, 2011;
［６］欧州特許出願公開第２３０９３２５号Ａ１、
［７］米国特許第７９５３１２８号Ｂ２、
［８］C. Klieber et al. in "Applied Physics Letters", vol.98, p.211908, 2011、
［９］Z. Chen et al. in "Applied Physics Letters", vol.99, p.071102, 2011、
［１０］S. R. Tripathi et al. in "Optics Letters", vol. 39, no.6, p. 1649, 2014、
［１１］K. Kawase et al. in "Journal of Physics D: Applied Physics", vol.35, pp.R1-R13, 2002、
［１２］米国特許第８６９９１２４号Ｂ２、
［１３］米国特許第８３０５６７９号Ｂ２、
［１４］T. D. Wang et al. in "Optics Express", vol.21, no.2, p.2452, 2013、
［１５］J. R. Danielson, et al. in "Journal of Applied Physics", vol.104, p.033111, 2008、
［１６］M. Cronin-Golomb in "Optics Letters", vol.29, no.17, p.2046, 2004、
［１７］K. Vodopyanov et al. in "Optics Express", vol.14, no.6, p.2263, 2006、 および
［１８］L. Pengxiang et al. in "Journal of Lightwave Technology", vol.31, no.15, pp.2508-2514, 2013。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】米国特許第７７６４４２２号
【文献】米国特許第７４００６６０号
【文献】米国特許第８５５４０８３号
【文献】欧州特許出願公開第２３０９３２５号
【文献】米国特許第７９５３１２８号
【文献】米国特許第８６９９１２４号
【文献】米国特許第８３０５６７９号
【非特許文献】
【0005】
【文献】S. Carbajo et al. in "Optics Letters", vol. 40, pp.5762-5765, 2015
【文献】K. Vodopyanov et al. in "Applied Physics Letters", vol.99, p.041104, 2011
【文献】C. Klieber et al. in "Applied Physics Letters", vol.98, p.211908, 2011
【文献】Z. Chen et al. in "Applied Physics Letters", vol.99, p.071102, 2011
【文献】S. R. Tripathi et al. in "Optics Letters", vol. 39, no.6, p. 1649, 2014
【文献】K. Kawase et al. in "Journal of Physics D: Applied Physics", vol.35, pp.R1-R13, 2002
【文献】T. D. Wang et al. in "Optics Express", vol.21, no.2, p.2452, 2013
【文献】J. R. Danielson, et al. in "Journal of Applied Physics", vol.104, p.033111, 2008
【文献】M. Cronin-Golomb in "Optics Letters", vol.29, no.17, p.2046, 2004
【文献】K. Vodopyanov et al. in "Optics Express", vol.14, no.6, p.2263, 2006; and
【文献】L. Pengxiang et al. in "Journal of Lightwave Technology", vol.31, no.15, pp.2508-2514, 2013
【発明の開示】
【0006】
テラヘルツ（波）放射（radiation：エネルギ、電磁波、線、光）は、自由電子レーザ、真空電子装置、例えばジャイロトロン、分子レーザまたは光伝導スイッチで生成できることが、一般的に知られている。これらの技術は、複雑性およびコスト、制限された周波数範囲、低い変換効率、制限されたテラヘルツ・パルス・エネルギ範囲、および限定されたピーク・パワーおよび／または平均パワー範囲の中の少なくとも１つに関して、欠点を有する。さらに、テラヘルツ放射はレーザ・ベースの手法で生成することができ、その手法は、入力放射源からのレーザ・パルスを使用して、非ゼロの２次非線形性を有する非線形結晶を励起し（ポンプし）、差周波発生（ＤＦＧ）または光整流を含む光－テラヘルツ変換プロセス（過程）を介してテラヘルツ放射を生成する。ＤＦＧは、テラヘルツ発生に２つの異なる狭帯域入力レーザを使用し、一方、光整流は、周期的分極反転型の結晶におけるパルス内ＤＦＧによってテラヘルツ放射を生成する単一の広帯域入力パルスに基づくものである。
属請求項に記載されている。
属請求項に記載されている。
【0007】
光－テラヘルツ変換プロセス（過程）に基づく低パワー・テラヘルツ生成システムの提案が、例えば、文献［１］、［２］および［３］に記載されている。しかし、これらのシステムは、これまで、例えば粒子加速器への適用などに必要な、１０ＭＷ乃至ＧＷのピーク・パワーおよびｍＪ乃至数ｍＪのパルス・エネルギのテラヘルツ放射を生成していない。通常のレーザ・ベースのテラヘルツ生成方法で報告された最良の光－テラヘルツ・エネルギ変換効率（またはエネルギー変換効率または変換効率）は、０．１％である［４］。変換効率をより高いレベルにスケールする（増減変化させる）限界は、主として、以下に説明するように、使用される入力放射源、非線形結晶および光－テラヘルツ変換プロセスの詳細から得られるものである。
【0008】
第一に、対象とする充分な０．１ｋＨｚ乃至数ｋＨｚの繰返しレート（周波数）およびジュール・レベルのパルス・エネルギを有する変換効率をスケールするための高エネルギ・レーザ源は、１．１μｍ未満、例えば１．１μｍ～８００ｎｍの波長のものが、最も入手可能である。しかし、レーザ・ベースのテラヘルツ発生に通常使用される非線形結晶の一般的な特徴、例えば、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、リン化ガリウム（ＧａＰ）、他の半導体材料または有機材料の一般的な特徴は、１．３μｍより長い波長の入力放射源を必要とすることである。特に、１．４２ｅＶのバンドギャップ・エネルギを有するＧａＡｓおよび２．２６ｅＶのバンドギャップ・エネルギを有するＧａＰまたはテルル化亜鉛（ＺｎＴｅ）は、１μｍ／８００ｎｍのレーザの多光子吸収を生じる傾向があるので、テラヘルツ・エネルギおよび変換効率をスケールするには非現実的な候補である。１Ｊの一部分、ましてそれより大きいポンプ・エネルギを生成する１．３μｍ以上の波長のレーザ源を工学的に設計することは、極度に困難である。
【0009】
効率的なテラヘルツ発生には、非線形結晶における位相整合または速度整合が必要である。通常用いられる位相整合技術は、例えば、傾斜パルス・フロント（パルス面）技術、擬似位相整合および導波路ベースの位相整合による、光入力とテラヘルツ放射の位相整合を含んでいる。変換効率をスケールするための制限は、特に、高エネルギ・ポンプ・パルスに対して高い複雑性を有する傾斜パルス・フロント技術、およびテラヘルツ放射の位相速度の工学的設計を用いた導波路ベースの位相整合において、存在する。特に、導波路の各寸法が、テラヘルツ波長（近似的ｍｍ）のオーダ（程度）でなければならないので、導波路構造（特に光ファイバ）は、損傷限界に起因して、ジュール・レベルの光パルス・エネルギによって励起（ポンプ）することができない。
【0010】
非線形結晶を励起（ポンプ）し、ＤＦＧの使用によってテラヘルツ波放射を生成するための通常の入力放射源は、例えば、生成されるテラヘルツ周波数だけ離れた（で分離された）各周波数を有しかつ各同期化レーザ・パルス繰返しレートおよび各位相を有する２つ以上の擬似単色（モノクロ）レーザを使用する。しかし、少なくとも２つのレーザを使用するこれらの入力放射源の適用は、低いパワーのテラヘルツ生成システムに限定されていた。
【0011】
パルス内ＤＦＧを用いる光整流の一例が、文献［４］に記載されている。図２６（従来技術）に概略的に示したように、単一通過構成（single pass configuration）が形成され、例えば、入力放射源１０’からの光入力放射、例えば単一の広帯域レーザ・パルスは、結像系２０’で非線形結晶３０’内に結像され、そこでテラヘルツ放射が光入力放射の単一（一回）の通過によって生成される。入力放射源１０’は、超短パルス型のモードロック（モード同期）型発振器を含み、それが、技術水準の固体（半導体）増幅器を用いることによって、典型的にｋＨｚの繰返しレートの数ｍＪの高エネルギに増幅される。しかし、極低温冷却およびパルス帯域幅の最適化によっても、変換効率は、周期的分極反転型のニオブ酸リチウム結晶（ＰＰＬＮ）におけるテラヘルツ生成に関して、０．１％に制限される［４］。
【0012】
（テラヘルツ周波数に対して最適化された結晶の疑似位相整合周期（quasi phase matching period）を有する）極低温に冷却されたニオブ酸リチウムにおける種々のテラヘルツ周波数用のポンプ・レーザの変換限界パルス持続時間（transform limited pulse duration）の関数としての変換効率の数値シミュレーションによって、ピーク変換効率が、より大きいテラヘルツ周波数に対してより短い変換限界パルス持続時間で生じることが示される。これは、テラヘルツ放射が基本的に光スペクトルのスペクトル成分のビート生成（うなり）によって生成されるので、当然のことである。長いパルス持続時間では、より高いテラヘルツ周波数の効率的発生に充分なスペクトル内容（コンテンツ）が存在しない。しかし、実際には、ジュール・レベルのポンプ・エネルギおよび高い繰返しレートの、５００ｆｓより短い圧縮パルスを得ることは、非常に困難であり、事実上前例がない。実際には、ピコ秒（ｐｓ）の長さのパルスが、高いパルス・エネルギで、より実現可能である。しかし、このパラメータ範囲では、変換効率は１％レベルよりはるかに低い。
【0013】
代替形態として、テラヘルツ生成は、特に縮退（degeneration）に近い光パラメトリック発振器（キャビティに基づく装置）（ＯＰＯ）を用いる通常のＤＦＧに基づくものとすることができる［６］。しかし、これは光－テラヘルツ・エネルギ変換効率にも制限を課す。文献［５］によれば、図２７（従来技術）に概略的に示したように、一連の周波数線は、１．３乃至２μｍの波長の光を用いてＧａＡｓ製の非線形結晶３０’においてテラヘルツ放射を生成するために、光パラメトリック増幅器を含む入力放射源１０’で生成された。非線形結晶３０’は、非線形結晶３０’に光入力放射の複数の通路を形成する共振キャビティ２０’内に配置される。この手法の欠点は、第一に、ｋＨｚのオーダの低い繰返しレートがＯＰＯ構成を用いて実現するのが難しいこと、である。さらに、この実証例では、平均光ポンプ・パワー２０～３０Ｗで平均テラヘルツ・パワー２００μＷしか生成されなかった。これは、０．００１％のオーダ（程度）の低い変換効率に対応する。最後に、共振キャビティ２０’は、テラヘルツ生成に使用できる光ポンプ周波数の範囲を制限する。その理由は、そのキャビティが小さい１組の周波数に対してだけ安定的だからである。これによって、そのようにして達成される光－テラヘルツ・エネルギ変換が制限される。従って、高エネルギのジュール・レベルの２μｍの光入力放射を生成する課題が解決されたとしても、その手法はその変換効率に関して基本的に制限される。
【0014】
室温（即ち３００Ｋ）で１．０６４μｍの光ポンプ源によって励起（ポンプ）されたバルクのニオブ酸リチウム結晶における非共線的位相整合型の発生プロセスにおけるシード（seed：注入光）としてテラヘルツを使用する別のパラメトリック増幅器システムが、１０ｎＪのテラヘルツ・パルスを生成すること、が実証された（［１０］、［１１］、［１２］および［１３］）。そのような構成の光－テラヘルツ・エネルギ変換効率は、ｐＪ乃至ｎＪレベルのテラヘルツ・シードに起因して、非常に低い。第二に、非共線的な構成は実験的に面倒である（tedious）。第三に、テラヘルツ・シードの使用では、高い値のテラヘルツ・シード・エネルギを得るのが困難なので、高い変換効率を達成する可能性が制限される。文献［１４］では、周期的分極反転型のニオブ酸リチウムのＯＰＡの性質（挙動）が、０．１％レベルでのまたはマンリー－ロウ限界（Manley-Rowe limit）内での生成のために大きい吸収（室温動作に対応する）の条件下で研究された（但し実証されなかった）。
【0015】
光パラメトリック発振器方式によって生成された複数のポンプ信号の中の１つの信号での差周波数発生を用いたテラヘルツ発生システムが導入された［７］。複数のテラヘルツ発生段が含まれ、複数のＤＦＧ段が複数のＯＰＯ源によって駆動された。しかし、多数のＯＰＯの構築は面倒で実用的ではない。
【0016】
最後に、チャープおよび遅延の手法を用いて、超高速広帯域光パルスがチャープされ、２つに分割され、次いで相対的な遅延で再結合（合成）されて、所望のテラヘルツ周波数に同調された干渉パターン（interferometric pattern）が生成される。この技術は、ＺｎＴｅ［１５］において、およびニオブ酸リチウムにおける傾斜パルス・フロント技術［９］についても、実証された。ＺｎＴｅについて、変換効率は約０．０００３％であった。しかし、考察されているように、ＺｎＴｅは、最も可能性ある８００ｎｍ／１μｍのレーザ技術との不適合性に起因して、非常に高い変換効率へのスケールを受け入れることができない。さらに、考察されているように、傾斜パルス・フロント技術は、高エネルギ・ビームでのその使用を妨げる基本的な制限を有する。
【0017】
ＤＦＧに基づくテラヘルツ発生の他の研究が文献［１６］および［１７］に記載されており、ＤＦＧプロセスは等しい強度の２つの線に基づいている。さらに、ωＰを、ポンプ光子の周波数とし、ωＴＨｚを、発生したテラヘルツ周波数の周波数とすると、文書［１６］によって得られるカスケード型ＤＦＧ形態（レジーム）の変換効率は次式の通りである。
ここで、最大値Ｎで、理論的に達成できる変換効率は約２のみである。
【数1】
【0018】
文献［１８］に記載されたテラヘルツ発生によれば、本来的に非共線的（non-collonear）であり発生テラヘルツ波の複数回の反射を含むチェレンコフ（Cerenkov）位相整合が用いられる。従って、文献［１８］は単一（１回）通過の装置を使用しない。これは特に正しく、その理由は、文献［１８］が、テラヘルツ波が最初に生成される非線形プロセスを使用し、それ（テラヘルツ波）が非共線的に（non-collinearly）伝播し、スラブ（平板、厚板）の各壁面で反射し、その結晶において伝播光場を再結合するからである。そのシステムを記述するのに使用されるモデルは、実際には、劇的にカスケード化された（直列の）形態では成立しないかもしれない近似である。さらに、文献［１８］で使用される導波路状の幾何学的形状は、カスケード化プロセスを制限するかなりの分散（dispersion）を誘発する。第二に、テラヘルツの吸収はカスケード化の程度を制限もするであろう。ここに記載されたスペクトルは、再び、等しい強度の２本の線を含んでいる。
【0019】
本発明の目的は、通常の技術の限界を回避することができる、テラヘルツ放射を発生するための改良された方法および改良された装置を実現することである。特に、テラヘルツ放射は、通常のレーザ・ベースのテラヘルツ発生技術と比較して、増大されたテラヘルツ出力エネルギおよび／または変換効率および／またはテラヘルツ・ピーク・パワーで、生成されることになる。
【0020】
発明の概要
これらの目的は、独立請求項に記載された、テラヘルツ放射を生成する方法およびテラヘルツ源装置によって達成（解決）される。本発明の有利な実施形態および適用例は、従属請求項に記載されている。
これらの目的は、独立請求項に記載された、テラヘルツ放射を生成する方法およびテラヘルツ源装置によって達成（解決）される。本発明の有利な実施形態および適用例は、従属請求項に記載されている。
【0021】
本発明の第１の態様または特徴によれば、上述の目的は、光入力放射を生成する工程（ステップ）と、単一通過構成で配置された第１の変換結晶装置に光入力放射を照射する工程と、光入力放射に応答して第１の変換結晶装置において光－テラヘルツ変換プロセス（過程）によってテラヘルツ周波数を有するテラヘルツ放射を生成する工程と、を含むテラヘルツ放射を生成する方法によって達成（解決）される。本発明によれば、光入力放射の生成は、第１の変換結晶装置において多重線周波数スペクトルを有する光放射場が形成されかつテラヘルツ放射のカスケード型の（cascaded：カスケード化された、カスケード）差周波発生に多重線周波数スペクトルが用いられる形態で、行われる。多重線周波数スペクトルは、生成されるテラヘルツ周波数に等しい分離（周波数間隔）を有する複数の周波数線を含んでいる。各線の線幅は、生成されるテラヘルツ周波数より小さい。
【0022】
本発明の第２の一般的な態様によれば、上述の目的は、光入力放射を生成するように配置された入力放射源装置と、任意に結像（画像化）装置と、光入力放射が照射されるように配置された少なくとも１つの変換結晶装置（第１の変換結晶装置）とを含む、テラヘルツ放射を生成するよう適合化されたテラヘルツ源装置によって達成（解決）される。入力放射源装置、任意の結像系（システム）、および第１の変換結晶装置は、光入力放射に応答して光－テラヘルツ変換プロセスによってテラヘルツ周波数を有するテラヘルツ放射を生成するように単一通過構成で配置される。本発明によれば、入力放射源装置および第１の変換結晶装置は、多重線周波数スペクトルを有する光放射場が光入力放射によって第１の変換結晶装置において形成され、光－テラヘルツ変換プロセスが多重線周波数スペクトルを用いた光入力放射のカスケード型差周波発生を含む形態で、構成される。
【0023】
利点として、生成されたテラヘルツ放射には、狭帯域（複数サイクルまたは複数周期）の、特に、均一な連続のテラヘルツ放射、または広帯域（単一サイクルまたは数サイクル）のテラヘルツ放射が含まれる。テラヘルツ放射は、特に１００ＧＨｚ（または０．１ＴＨｚ）乃至３０００ＧＨｚ（または３ＴＨｚ）の周波数範囲にわたる電磁波放射を含んでいることが好ましい。テラヘルツ放射は、ミリジュール（ｍＪ）の、少なくとも１ｍＪ乃至数ｍＪのレベルの、例えば１０乃至１００ｍＪの、テラヘルツ・パルス出力エネルギを有することが好ましい。重要な利点として、本発明によって、複雑な自由電子レーザを、高エネルギで高いパワーのテラヘルツ・パルスを達成できるコンパクトで低コストの供給源（レーザ源）で置き換えることができる。
【0024】
第１の変換結晶装置における光－テラヘルツ変換プロセス（過程）は、多重線周波数スペクトルのカスケード型の差周波発生である。カスケード化は、更なる複数の線を生成することと、更なるテラヘルツ放射が生成されるに従ってスペクトル位置がより低い周波数へ向かって変化することと、を指す。テラヘルツ放射の発生は、カスケード化のマーカ（標識、しるし）と考えられる。初期スペクトルとして形成された多重線スペクトルを用いて、追加的な複数の線が、高い変換効率で、例えば０．３Ｈｚで変換効率５％で、少なくとも５０本の線（特に図２２Ｂ参照）が、多重線スペクトルの複数の線および／または多重線スペクトルの複数の形成された線の段階的なビート生成（stepwise beating）によって、生成される。生成される線の数は、変換効率およびそのようにして生成されたテラヘルツ周波数に応じて決まる。これまでのところ、そのような劇的なカスケード化またはスペクトルの位置の変化、およびそのような多数の線の生成を可能にする実用的な設計は、考案されていない。これは、従来の手法（アプローチ）と比較して、かなりより高い変換効率を形成するのに重要である。多重線パルス・フォーマットの使用は、レーザで誘起された損傷を緩和するのにも役立つ。
【0025】
光入力放射として単一の広帯域パルスの光整流でテラヘルツを生成するために単一通過構成を使用する文献［４］の技術とは対照的に、また、複数通過構成での多重線入力放射の通常のＤＦＧを使用する文献［５］とは対照的に、本発明は、多重線周波数スペクトルに基づくカスケード型の差周波数発生を使用する。多重線周波数スペクトルからなる光入力放射は、生成されるテラヘルツ放射の周波数またはその倍数の周波数だけ離れた複数の周波数を含んでいる。線の数は、少なくとも２本、好ましくは少なくとも３本、実際的な観点では１０本未満である。但し、これらの数は単なる非限定的な例を表すにすぎない。実際には、線の数は、周波数および他の動作パラメータに応じて決めてもよく、線の数は、１０本より多く、例えば最大で２０本またはそれより多い本数、例えば最大１００本とすることができる。
【0026】
利点として、カスケード型のＤＦＧで、テラヘルツ・エネルギに変換された光ポンプ・エネルギの割合または部分は、それらの光子エネルギの比（マンリー－ロウ限界（Manley-Rowe limit））を大きく超えることができる。これは、非カスケード型のＤＦＧを用いた通常の技術では得られていない。例えば、３００ＴＨｚで励起（ポンプ）された０．３ＴＨｚ放射の発生において、光子エネルギの比は１０－３であり、これはエネルギ変換効率η＝０．１％に対応する。非カスケード型ＤＦＧは、基本的に約０．１％以下の値に制限され、一方、カスケード型ＤＦＧは、光の光子をテラヘルツ光子に繰り返しダウンコンバート（逓降）することによってこれらの値を大幅に超える。ωＰがポンプ光子の周波数であり、ωＴＨｚが生成されたテラヘルツ周波数の周波数である場合、本発明によって得られるカスケード型ＤＦＧ形態（方式、レジーム）は、次の変換効率ηを有することが好ましい。
ここで、Ｎ≧５、例えば、少なくとも５、好ましくは少なくとも１０である。変換効率について上で指定したＮの値は、以前にカスケード化として観察されまたは報告された、追加のストークスまたは反ストークスの光の線（stokes or anti-stokes optical lines）の数と区別される。理論的には、テラヘルツ放射を発生させることなく、２次的な赤／青方偏移（シフト）線の劇的な発生を得ることが、可能である。ここでは光スペクトルのカスケード化が生じる一方で、それはテラヘルツ放射の相応または同等の成長（増大）（commensurate growth）を伴わない。従って、光の線の偏移はテラヘルツ発生を伴う。従来技術では、これは当てはまらず、これは従来技術で得られる低い効率を説明し得るであろう。
【数2】
【0027】
マンレー－ロウ限界を大幅に超えるようなカスケード型ＤＦＧ態様（方式、レジーム）への移行、および上述の変換効率の実現は、（ａ）光周波数範囲における充分低い分散（dispersion）、（ｂ）光周波数およびテラヘルツ周波数に対する充分低い吸収、（ｃ）光放射およびテラヘルツ放射の充分な重なり合い（オーバラップ）、および（ｄ）変換結晶装置における適切なポンプ（励起）スペクトルおよび強度、を選択することによって、得られることが好ましい。これらの条件は、ポンプ波長、入力光スペクトル、テラヘルツ周波数、および位相整合の幾何学的配置の選択によって満たされ、その結果、正帰還効果およびカスケード型ＤＦＧが得られる。
【0028】
多重線周波数スペクトルは、カスケード型光パラメトリック増幅によって自己生成されてもよい（以下、本発明の第１の実施形態）。この場合、多重線周波数スペクトルの複数の線は、第１の変換結晶装置において、光入力放射に含まれる光周波数および／またはテラヘルツ周波数をビートすること（beating：のビート生成）によって得られる各周波数を有する追加の複数の線を生成する複数のビート工程（ステップ）のカスケードによって形成され、またはそのカスケードの先行の複数のビート工程で形成される。利点として、第１の変換結晶装置を通る光入力放射の通過の期間において、多重線周波数スペクトルは、追加的な複数の線のカスケード化された生成によって広げられ、テラヘルツ発生は、第１の変換結晶装置における多重線周波数スペクトルの複数の線の発生によって増大する。
【0029】
代替形態として、多重線周波数スペクトルは、光入力放射の時間的多重線パルス・フォーマットによって直接形成されてもよく、そのテラヘルツ周波数およびその倍数の周波数を含む多重線周波数スペクトルの複数の線のビート生成によって任意にさらに広げられてもよい（以下、本発明の第２の実施形態）。利点として、第１の変換結晶装置を通る光入力放射の通過期間において、時間的多重線パルスの全ての線がテラヘルツ発生に寄与するので、テラヘルツ発生が増大する。
【0030】
両実施形態で、テラヘルツ発生の効率を基本的に増大させ、特に５乃至１０％の範囲の光－テラヘルツ・エネルギ変換効率、および１～１００ｍＪ以上のテラヘルツ・エネルギの範囲まで、増大させることができる。これによって大幅な改善が実現される。それは、５～１０％レベルの光－テラヘルツのエネルギ変換効率を結果的に生じさせ得る技術的解決策が、特に高い光入力エネルギの、通常のレーザ・ベースの技術では利用できないからである。さらに、多重線周波数スペクトルを実現することによって、より実現可能な光ポンプ・レーザを含む入力放射源装置で光入力放射を生成することができ、より高い入力エネルギおよびパワーへ大幅にスケールする（増減変化させる）ことが可能になる。別の利点として、テラヘルツ源装置は、コンパクトな構造および経済的な動作を備えることができる。
【0031】
本発明の第１の実施形態によれば、光入力放射は、光周波数を含むスペクトル内容（コンテンツ）を有する第１の放射成分（または、ポンプ放射、ポンプ・パルス）と、生成されるテラヘルツ放射のテラヘルツ周波数または光周波数を含むスペクトル内容を有する第２の放射成分（または、シード放射、シード・パルス）とを含んでいることが好ましい。第２の放射成分の光周波数は、生成されるテラヘルツ放射のテラヘルツ周波数だけ、第１の放射成分の光周波数から離される。第１と第２の放射成分は、第１の変換結晶装置を通るビーム経路に沿った相互の空間的および時間的な重ね合わせ（オーバラップ）の形態で、第１の変換結晶装置中へ向けて結合される（結合されて第１の変換結晶装置中に供給される）。第１および第２の放射成分は、同時にまたは相対的遅延を伴って、第１の変換結晶装置中へ向けて結合されることが好ましい。その遅延は、両成分の空間的および時間的な重ね合わせが依然として可能であるように、選択される。特に、文献［１０］とは対照的に、多重線周波数スペクトルは、第１の放射成分の光周波数および第２の放射成分の光またはテラヘルツ周波数から導出されるカスケード化されたビート（うなり）周波数によって形成される。
【0032】
第１の実施形態は、幾つかの理由で通常の光パラメトリック増幅（ＯＰＡ）と区別されるカスケード型光パラメトリック増幅（ＣＯＰＡ）を用いる。通常の光パラメトリック増幅（ＯＰＡ）では、ＤＦＧプロセスに関係する三波相互作用における最高周波数の波は、残りの他の波と比較して、かなりより高い強度のもの（ポンプとして知られている）である。この初期条件の下では、ＤＦＧプロセスに関係する他のより低い２つの周波数の波の成長（増大）は、伝播長さに対して指数関数的（exponential）なものである。逆に、ＣＯＰＡでは、最高周波数の波が最高強度である必要はない。その理由は、カスケード化が開始すると、多重周波数線が生成され、初期条件が“消される”（washed out）からである。
【0033】
さらに、一般的に、ＣＯＰＡは、通常のＯＰＡにおける単なる三波混合プロセスとは対照的に、多数トライアド（triads：３つ組）波混合プロセスであり、合計Ｎ個の波について、Ｎ！／（３！（Ｎ－３）！）個（ここで！は階乗である）のトライアドが存在する。ここで、１つのトライアド（３つ組）は、ＤＦＧプロセスに関係する１組の３つの波に対応する。従って、パラメトリック増幅を用いることによって、単一の強い疑似（準）連続波（ＣＷ）光ポンプおよび弱いシード（テラヘルツまたは光のいずれか）を使用することが可能になり、ポンプのエネルギの僅か０．１％の少ないシードで、最高１０％の非常に高い効率でテラヘルツ放射を生成することができる。利点として、ジュール・レベルの単一の疑似ＣＷまたはＣＷ光ポンプ源の開発は、通常使用されるレーザ源に比べてより容易に実現可能であり、それによってこの第１の実施形態が非常に魅力的なものとなる。
【0034】
第１の実施形態の好ましい変形例では、第１の放射成分および第２の放射成分は、共線的な幾何学的配置で第１の変換結晶装置を照射する。利点として、その結果、第１の変換結晶装置の全長に沿った第１と第２の放射成分の空間的および時間的な重ね合わせ（オーバラップ）の最適化が得られる。
【0035】
第２の放射成分が光周波数を有する場合、入力放射源装置は、互いにロック（同期）されそれぞれ第１の放射成分および第２の放射成分を生成する２つのレーザ源を含んでいることが好ましい。利点として、光入力放射を生成するために使用できる複数のレーザ源の複数の組合せが利用可能である。好ましくは、それらのレーザ源には、２つの連続波レーザ源；２つの疑似連続波レーザ源（特に１００ｐｓ～１０ｎｓのパルスを生成するもの）；１つの連続波レーザ源および１つの疑似連続波レーザ源；２つのパルス・レーザ源（１０ｆｓ～１００ｐｓのパルスを生成するもの）；パルス・ストレッチャと組み合わされた１つの広帯域チャープ・パルス・レーザ源および１つのパルス・レーザ源であって、その両者（２つのレーザ源）の一方が相対遅延部（ユニット）と組み合わされているもの；または、１つの相対遅延部と組み合わされた２つの広帯域チャープ・パルス・レーザ源、が含まれる。要約すると、ポンプ成分またはシード成分（ＣＷ、疑似ＣＷ、チャープ・パルス）について、異なる変形例が存在し、従って、システムに対して合計３＊３＝９のバリエーション（変形）が許容される。
【0036】
第２の放射成分がテラヘルツ周波数を有する場合、入力放射源装置は、ポンプ変換結晶装置における単一超短光パルスの光整流、第１および第２の放射成分を用いたカスケード型パラメトリック増幅、またはポンプの第１の変換結晶装置における複数のパルスのシーケンスの光整流によって、テラヘルツ周波数を生成するよう適合化されることが好ましい。利点として、利用可能なテラヘルツ源を使用して、第２の放射のテラヘルツ周波数を生成することができる。
【0037】
第１の実施形態の特に好ましい実施形態によれば、複数のレーザ源は、異なる出力パワーを有する第１の放射成分および第２の放射成分を生成し、その際、より強い出力パワーに対するより弱い出力パワーの割合は、０．０１％より大きく、特に０．１％より大きく、かつ５０％より小さい。好ましい例では、第１の放射成分は、光周波数ｆ１の強い（第２の放射成分に対して相対的に強い）光ポンプ放射であり、第２の放射成分は、弱い（第１の放射成分に対して相対的に弱い）シード（光またはテラヘルツのいずれか）である。シードは、エネルギ的にポンプより１０００倍（１０００分の１）も小さいものとすることができる。シードおよびポンプは、最初のＤＦＧプロセスに関与して、テラヘルツ周波数ｆＴＨｚおよびｆ２＝ｆ１－ｆＴＨｚの光子を生成し、従ってｆＴＨｚとｆ２の双方を増幅する。次いでその後で、それらのプロセス・カスケード、即ちｆ３＝ｆ２－ｆＴＨｚ、ｆ４＝ｆ３－ｆＴＨｚが生成され、その間ずっと第１の変換結晶装置においてｆＴＨｚのテラヘルツ波が増幅される。その方式（レジーム）では、テラヘルツ強度の初期の成長は、通常のＤＦＧの場合のように、長さに関して４次ではなく指数関数的である。
【0038】
本発明の第２の実施形態によれば、光入力放射は、生成されるテラヘルツ放射のテラヘルツ周波数の逆数の整数倍に等しい時間的間隔または分離（Δｔ）を有する複数の光レーザ・パルスの時間的なシーケンス（一連のパルス）（パルス列）（Δｔ＝Ｎ・１／ｆＴＨｚ、Ｎ＝１，２，．．．）を含むことが好ましく、多重線周波数スペクトルは、光入力放射によって直接形成される。
【0039】
入力放射源装置は、第１の変換結晶装置を通る光レーザ・パルスのビーム経路の縦方向（長手方向）の長さと等しいかまたはそれより長い空間的長さを有する光レーザ・パルスのシーケンスを生成することが好ましい。利点として、これによって、光入力放射をテラヘルツ放射に効率的に変換することができる。代替形態として、そのパルス列は、第１変換結晶装置を通るビーム経路よりも短くすることができる。
【0040】
特に好ましくは、第１の変換結晶装置は、交互する配向を有する結晶領域（ドメイン）のシーケンスを含む周期的分極反転型の非線形結晶を含み、周期的分極反転型の非線形結晶の領域（ドメイン）周期Λは、次式に等しい。
ここで、ｃは光速であり、ｆＴＨｚは生成されたテラヘルツ周波数であり、ｎｇは光入力放射の群屈折率（群速度）であり、ｎＴＨｚはそのようにして生成されたテラヘルツ周波数でのテラヘルツ屈折率である。利点として、これによって、テラヘルツ発生の効率が増大する。
【数3】
【0041】
本発明の第２の実施形態によれば、入力放射源装置は、生成されるテラヘルツ放射のテラヘルツ周波数のパルス繰返しレートを有する超短パルス・レーザ発振器、パルスのシーケンスを生成し特に入来光パルスを分割し積み重ねるマルチパルス発生器、または、特に光パルスをチャープし遅延させることに基づく、光パルス・インタリーバ（挿間器）またはパルス整形器、を含んでいることが、好ましい。
【0042】
第１の変換結晶装置は、バルクの単結晶、周期的分極反転型の結晶層の積層体（スタック）（周期的に分極反転した結晶）、または互いに分離した複数の結晶層の配置を含んでいる。周期的分極反転型の結晶は周期的分極を有し、実効（有効）２次非線形感受率（second order nonlinear susceptibility）χ（２）の符号は周期的に、特に交互に反転する。第１の変換結晶装置は、光入力放射の進行方向に沿ったビーム経路長、少なくとも５ｍｍおよび／または最大１０ｃｍを有することが好ましい。第１の変換結晶装置は、以下の複数の特徴の中の少なくとも１つの特徴を有することが特に好ましい。
【0043】
第１の変換結晶装置は、特に、周期的分極反転型の結晶層軸を有する複数のウェハの結合（接合、接着）によって、または幾つかのより小さい周期的分極反転型の結晶層を積み重ねる（積層する）ことによって、疑似位相整合（ＱＰＭ）に適合化させることができる。ジュール級（joule-class）の光入力放射について、非線形性の反転（inversion of nonlinearity）を生じさせるのにも重要な関連性のある結晶軸を反転（invert）させる周期的に回転させた複数のウェハを結合することによって、複数の大きい開孔が形成されてもよい。ＱＰＭは、ポンプ・レーザを用いた非線形周波数発生プロセスの効率を増大させるための非線形光学系において知られている。特に、ＱＰＭは、狭帯域テラヘルツ放射を生成するための利点を有する。ＱＰＭにおいて、光入力放射は、第１の変換結晶装置に入射して、明確に定義された周波数のテラヘルツ放射を生成する。これは、特に特定のテラヘルツ周波数ｆＴＨｚが生成されることを可能にする次のＱＰＭ周期（期間）
を有する２次非線形性の交互の符号を有する領域（ドメイン）からなる結晶を用いることによって、達成される。ここで、ｎＴＨｚはテラヘルツ屈折率であり、ｎｇは光ポンプ・レーザの群屈折率であり、ｃは真空中の光の速度である。
【数4】
【0044】
特に、第１の変換結晶装置は、ビーム経路に沿って徐々に変化する擬似位相整合周期（期間）と擬似位相整合するよう適合化させることができる。利点として、これによって、変換効率を増大させることができる。
【0045】
代替形態として、第１の変換結晶装置は、生成されるテラヘルツ放射のテラヘルツ周波数に位相整合される正規の（regular：通常の、標準的な）位相整合に適合化させることができる。
【0046】
第１の変換結晶装置が、互いに分離された複数の結晶層の配列を含む場合、それらの結晶層は、光入力放射に対してブリュースタ角で配置されることが好ましい。従って、光入力放射の損失を最小化することができる。
【0047】
バルク結晶または周期的分極反転型の結晶としての第１の変換結晶装置を形成することができる複数の材料が利用可能である。非線形材料の選択は、光入力放射波長、および他の材料特性、例えば、損傷閾値、非線形特性、および充分な結晶開孔の利用可能性、に応じて決まる。好ましい材料は、コングルエントな（congruent）ニオブ酸リチウム（Lithium Niobate）（ｃＬＮ）または化学量論的な（stoichiometric）ニオブ酸リチウム（ｓＬＮ）、コングルエントなタンタル酸リチウム（Lithium Tantalate）（ｃＬＴ）または化学量論的なタンタル酸リチウム（ｓＬＴ）、チタニルリン酸カリウム（Potassium Titanyl Phosphate）（ＫＴＰ）、チタニルヒ酸カリウム（potassium titanyl arsenate）（ＫＴＡ）、リン化亜鉛ゲルマニウム（Zinc Germanium Phosphide：亜鉛ゲルマニウムホスフィド）（ＺＧＰ）、カドミウムシリコンホスフィド（Cadmium Silicon Phosphide：リン化カドミウムシリコン）（ＣｄＳｉＰ２）、およびリン化ガリウム（Gallium Phosphide）（ＧａＰ）を含んでいる。その材料には、１種またはそれより多いドーパント（不純物）、例えば、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、鉄（Ｆｅ）、水素（Ｈ）、クロム（Ｃｒ）またはルビジウム（Ｒｂ）が含ませることができ、これらは、特に、寄生非線形効果を低減するようにまたは損傷閾値を増大させるように、結晶の非線形特性に影響を与えるものである。
【0048】
上述の複数の例の中で、コングルエントなおよび化学量論的なニオブ酸リチウムおよびコングルエントなおよび化学量論的なタンタル酸リチウム（任意に、１種以上のドーパント、例えば酸化マグネシウム、鉄またはクロムを含む）が、変換効率を増大させるのに特に好ましい。４ｅＶの非常に大きいバンドギャップで、それらは、最近の１μｍレーザ技術と既製の８００ｎｍのＴｉ：サファイア技術で入手可能な比較的容易に利用可能な１Ｊレベルのパルス・エネルギと完全に適合性がある。また、それらは、優れた非線形特性を有し、特に、ＧａＡｓの３倍、ＧａＰの６倍の２次の非線形性を有する。さらに、それは、ＧａＡｓに比べて（１００倍低い）、ＧａＰに比べて（１０倍低い）、およびＺｎＴｅに比べて（１０倍低い）、はるかに小さい非線形屈折率のような付加的な有利な特性を有する。ニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムの結晶は、コングルエントなおよび化学量論的な結晶の形態で使用することができる。また、任意にルビジウムのドーパントを含むＫＴＰおよびＫＴＡは、１μｍ／８００ｎｍのレーザでも好ましく、ｃＬＮ／ＳＬＮに比べてより良好な損傷特性を有し得るが、僅かに劣った非線形特性を有し得る。
【0049】
本発明の別の好ましい特徴によれば、第１の変換結晶装置（および多段構成の任意の別の変換結晶装置）を、冷却装置で、好ましくは１５０Ｋ未満の温度まで、冷却することができる。冷却は、特にニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムの結晶にとって好ましい。他の材料、例えば、リン化ガリウム、カドミウムシリコンホスフィド（ＣｄＳｉＰ２）は、冷却なしで使用することができる。
【0050】
本発明の他の利点は、多段テラヘルツ発生で得ることができ、その際、第１の変換結晶装置の出力側に配置された少なくとも１つの別の変換結晶装置に、前の変換結晶装置からの光入力放射とテラヘルツ放射出力の少なくとも一方が照射される。テラヘルツ放射は、少なくとも１つの別の変換結晶装置において光入力放射に応答して、カスケード型差周波発生を含む光－テラヘルツ変換プロセスによって生成される。別の変換結晶装置は、第１の変換結晶装置の複数の特徴の中の少なくとも１つの特徴を有することが好ましい。利点として、多段テラヘルツ発生は、テラヘルツ放射の変換効率および／または出力パワーの更なる増大を形成する。
【0051】
その第１の変換結晶装置および少なくとも１つの別の変換結晶装置は、擬似位相整合に適合化されることが好ましく、その際、第１の変換結晶装置および少なくとも１つの別の変換結晶装置は、相異なる擬似位相整合周期（期間）を有する。
【0052】
本発明によるテラヘルツ源装置の別の利点は、その広い範囲の適用例、例えば、コヒーレントＸ線発生用（薬品製造業、大学研究室、リソグラフィ、医療システム用の位相コントラスト画像化用）または画像化および医療治療用の高エネルギ・テラヘルツ銃および電子加速器の駆動、画像化（例えば障害検出用）、コヒーレント回折画像化、分光法、感覚または感知応用例、特に爆発物検出、小角Ｘ線散乱、テラヘルツまたは光ポンプおよびＸ線プローブ時間分解型分光法、Ｘ線ポンプおよびＸ線プローブ時間分解型分光法、指向性無線通信、レーダ技術、高い相関性の量子システムの新しい位相への駆動、テラヘルツ範囲での遷移を有する量子情報装置の駆動、および／または、テラヘルツ源装置の電磁アンジュレータとしての使用、で得られる。
【0053】
さらに、本発明の他の詳細および利点を、図面を参照して以下に説明する。
【図面の簡単な説明】
【0054】
【発明を実施するための形態】
【0055】
本発明を、第１の変換結晶装置（デバイス）における光入力放射によって多重線周波数スペクトルを形成する第１および第２の実施形態を参照して説明する。多重線周波数スペクトルを使用するカスケード型の差周波発生を使用する光－テラヘルツ変換プロセスの物理的性質は、両実施形態において、等しいので、第１の実施形態に関して説明する特徴は第２の実施形態で使用することができ、またその逆の場合も同様である。
【0056】
例えば、入射放射源装置、光入力放射、結像系および第１のまたは他の変換結晶装置の各詳細は、以下で説明する実際的試験または数値シミュレーションに基づいて選択することができる。特に、数値シミュレーションの結果は、本発明によるテラヘルツ源装置を設計するのに直接使用することができる。本発明の実際の実装は、記載された例に限定されることなく、変形された特徴でも可能であることを強調しておく。
【0057】
本発明を、特に、変換結晶およびカスケード型テラヘルツ発生における多重線周波数スペクトルを有する光放射場の形成に関して説明する。本発明の詳細、例えば位相整合の詳細は、それらが従来技術で知られている場合は、説明しない
【0058】
本発明の第１の実施形態
本発明の第１の実施形態の特徴を図１乃至１３を参照して説明する。
本発明の第１の実施形態の特徴を図１乃至１３を参照して説明する。
【0059】
図１は、光入力放射を生成するための入力放射源装置１０と、結像系（システム）２０と、テラヘルツ生成用の第１の変換結晶装置３０とを含むテラヘルツ源装置１００の概略図を示している。入力放射源装置１０は、第１の放射成分を生成する光ポンプ源１１と、第２の放射成分を生成する光シード源１２とを有するポンプ・システムを含んでいる。この場合、テラヘルツ源装置１００は、タイプＯのテラヘルツ－ＣＯＰＡ（カスケード型光パラメトリック増幅）と称される。代替的事例では（図７参照）、テラヘルツ・シード源１３が使用され、テラヘルツ源装置１００はタイプＴのテラヘルツ－ＣＯＰＡと称される。光ポンプ源１１および光シード源１２に関する種々の可能な実現例を以下で説明する。
【0060】
結像系２０（詳細は図示せず）は、屈折および／または反射の光学系、およびビーム合成器（結合器、コンバイナ）装置、例えばダイクロイック（二色性）ビーム合成器に基づくもの、を含んでいる。それら（光学系、装置）は、第１と第２の放射成分を重ね合わせて、それらを第１の変換結晶装置３０内に向けてコリメートし（平行にし、視準を合わせ）、集束しまたは発散させる（diverging）よう構成されている。結像系２０は、ビームからの収差（aberrations）を除去するために、真空ベースの（真空に基づく）結像系を含んでいることが好ましい。
【0061】
第１の変換結晶装置３０は、例えば、疑似位相整合（ＱＰＭ）結晶である非線形結晶３１、例えば、必要なテラヘルツ周波数に対して位相整合された、周期的分極反転ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）または望ましい非線形パラメータを有する規則的位相整合結晶である。約８００ｎｍ／１μｍの波長領域で利用可能なジュール・レベルの光入力放射について、ドーパントを含むコングルエントな／化学量論的なタンタル酸リチウムおよびコングルエントな／化学量論的なニオブ酸リチウムが、高効率のテラヘルツ発生に適している。さらに、周期的分極反転（Periodic Poling）を有して入手可能なチタニルリン酸カリウム（Potasium Titanyl Phosphate）（ＫＴＰ）（ＰＰＫＴＰ）およびチタニルヒ酸カリウム（Potasium Titanyl Arsenate）（ＰＰＫＴＡ）であってルビジウムのドーパントを含むものは、同様に、これらの周波数範囲での実行可能な解決策である。さらに、より長い波長のジュール級のレーザが使用されるとき、非線形結晶３１は、例えばリン化亜鉛ゲルマニウム（ＺＧＰ）およびカドミウムシリコンホスフィド（ＣｄＳｉＰ２）のような他の材料で形成することができる。擬似位相整合（ＱＰＭ）結晶の製造の他の詳細を、図２３乃至２５を参照して以下で説明する。
【0062】
入力放射源装置１０の実装のための多数の方法が存在する。第１の例として、所望のテラヘルツ周波数だけ離れた（で分離された）２つの連続波レーザ１１、１２は、一方が高いパワーのレーザであり、他方がかなり低いパワーのレーザであり、互いにロックする（同期させる）ことができる。第２の例として、テラヘルツ周波数だけ離れたそれぞれの中心周波数を有する、約１００ｐｓ（強）乃至ｎｓの範囲のパルス持続時間を有する疑似ＣＷ（連続波）波が使用されてもよい。第３の例として、入力放射源装置１０は、広帯域パルス（１０ｆｓ～１００ｐｓの変換限界持続時間（transform limited durations））光ポンプおよびシード源１１、１３を含んでいる。本発明のこの変形例では、多数の手法が存在し、例えば、（ｉ）所望のテラヘルツ周波数だけ離れたそれぞれの中心周波数を有する変換限界パルスの生成；（ii）所望のテラヘルツ周波数だけ離れたそれぞれの中心周波数を有するチャープ広帯域パルスの生成であり、それは、２つの変換限界狭帯域パルス（チャープおよび無遅延の手法、ＣＡＮＤｙ）を使用する状況を模倣するように重ね合わせることもできるもの；または（iii）適切な量の相対遅延を有するチャープ広帯域パルスの生成であり、その１つまたは一方はその他のものよりはるかに弱い強度のものであるもの、（手法）を使用することもできる。これは、チャープおよび遅延の手法（図３参照）と類似しているが、それらのパルスのうちの１つまたは一方がかなり低いエネルギである点で、かなり異なる。
【0063】
テラヘルツ源装置１００は、図２に示されているような多段の構成で形成することができる。入力放射源装置１０、結像系２０および第１の変換結晶装置３０を含む第１段は、図１を参照して上で説明したように構成される。第２段は、入力放射源装置１０Ａとしての第１段と、第２の結像系２０Ａと、第２の変換結晶装置３０Ａとを含んでいる。他の各段、例えば図示のような第３段は、入力放射源装置としての前段、例えば１０Ｂと、別の結像系、例えば２０Ｂと、別の変換結晶装置、例えば３０Ｂと、を含んでいる。各結像系および各変換結晶装置は、図１を参照して上で説明したように構成することができる。各段でのテラヘルツ放射出力は、多段テラヘルツ光源装置１００のテラヘルツ出力を供給するように結合される。代替形態として、各段でのテラヘルツ放射出力を別のチャネルで使用することができる。利点として、多段階構成を使用して、変換効率を高レベルに増大させることができる。
【0064】
代替形態として、生成されたテラヘルツ放射と光ポンプ放射の双方は、互いに対してそれらを遅延させることによってリフェーズ（re-phased：再位相整合、再位相調整）することができ、第２段および別の各段に注入することができる。このプロセスは繰り返すことができ、図８に示すように、第Ｎ段でテラヘルツを抽出することができる。
【0065】
複数のカスケード・サイクルの期間において、光スペクトルはかなり下方偏移（ダウンシフト）し、材料分散に起因して、位相整合条件が変化し、それによって、カスケード・サイクルの数が制限され、従って達成可能なテラヘルツ変換効率が制限される。従って、テラヘルツ発生を分散制限することができて、非常に高い変換効率となる（分散制限されたテラヘルツ発生を生じさせることができれば非常に高い変換効率となる）。これは、伝播長さに沿って、ＱＰＭ結晶３０、３０Ａ、３０Ｂ、・・・の周期を徐々に変化させることによって、回避することができる。代替形態として、複数段が用いられるとき、各段は、異なる最適なＱＰＭ周期を有する結晶を含むことができる。
【0066】
チャープおよび遅延手法に基づいて入力放射源装置１０で光学入力放射を供給する上述の変形例が、図３における例で示されている。入力放射源装置１０は、フェムト秒レーザ源１１．１、格子伸長器（grating stretcher）１１．２、および一組の部分反射ミラー、特にエタロン１１．３を含んでいる。例えば、それぞれ非常に短いパルス持続時間、例えば３０ｆｓを有する２つのパルスは、それぞれの長い持続時間にチャープを加えることによって、最初に格子伸長器（圧縮器）１１．２で伸長することができる。これらのチャープ・パルスは、エタロン１１．３で相対的に遅延させることができ、その結果、多重周波数線を含むチャープ・パルスが形成され、それ（パルス）が非線形結晶３１に入力される。さらに、必要なテラヘルツ周波数だけ離れたそれぞれの中心周波数を有する２つのチャープ・パルスを使用してもよい。この場合、遅延（ＣＡＮＤｙ）が義務的に必要ではない。図３の設定は一例にすぎない。それは、例えばビーム・スプリッタを用いて、変形できる。
【0067】
図４乃至６は、本発明によるテラヘルツ源装置１００で得られる例示的な実際的な結果を示し、図４は実験的な光ポンプ・スペクトルおよびシード・スペクトルを示し、図５は種々の非共線的位相整合の可能性に関する位相整合図を示し、図６は、異なる位相整合条件に対応する２つの異なる周波数の各光スペクトルの増幅に起因する、進行および後退の位相整合テラヘルツ波の実験的な証拠を示している。
【0068】
図４乃至６の結果を得るのに使用されるテラヘルツ光源装置１００は、パルス持続時間０．２５～０．３ｎｓ、中心波長１０２９．５ｎｍ、エネルギ１５ｍＪおよび繰返しレート（率、周波数）０．１ｋＨｚを有するポンプ・パルス（第１の放射成分）を放出するレーザを含む光ポンプ源１１と、パルス持続時間０．２５～０．３ｎｓ、実効（有効）中心波長１０３１．２５ｎｍ、エネルギ２００μＪ、および繰返しレート０．１ｋＨｚを有するシード・パルス（第２の放射成分）を放出するレーザを含む光シード源１２とを含んでいる。光ポンプ源１１と光シード源１２の双方は、ポンプ・パルスとシード・パルスが非線形結晶３１において重ね合わせられる（オーバラップされる）ように、同期化される。非線形結晶３１は、３００Ｋで格子周期２１２μｍを有するニオブ酸リチウムの周期的分極反転に基づく長さ１ｃｍのＱＰＭ構造体である。
【0069】
第１の試験では、光シードが、ポンプ（励起）に対して角度θ＝０．４２°で発射される。非共線的位相整合テラヘルツ周波数は、図５における種々の位相整合図に示されているように、後退伝播または進行伝播のいずれかで生成することができる。２つの異なるテラヘルツ発生周波数は、条件が図５におけるクラス（級）１またはクラス２の位相整合を満たすかどうかに応じて、位相整合される。２つの可能なテラヘルツ周波数が生成できるという事実は、異なる遅延によって２つの異なる位相整合テラヘルツ発生周波数が生成される図６において、実験的に観察される。別の試験では、光学シードとポンプの双方が共線的に擬似位相整合結晶３１中に発射され、その結果として再びテラヘルツ発生が得られる。
【0070】
図７によれば、テラヘルツ源装置１００は、光入力放射を生成するための入力放射源装置１０と、結像系２０と、テラヘルツ発生用の第１の変換結晶装置３０とを含んでいる。図１と違って、入力放射源装置１０は、生成されるテラヘルツ放射の周波数に等しい周波数を有するテラヘルツ・パルスを放出するテラヘルツ・シード源１３を含んでいる。
【0071】
実際的な例では、互いにロック（同期）された光ポンプ源１１およびテラヘルツ・シード源１３は、疑似ＣＷ（連続波）ポンプ・レーザおよび疑似ＣＷテラヘルツ源を含んでいる。光ポンプ源１１は、長さ１００ｐｓ乃至数ｎｓの疑似ＣＷ光パルスを生成し、テラヘルツ・シード源１３は、複数サイクルのテラヘルツ・パルスを生成する。その光源は、ＣＷ（連続波）、変換限界（または圧縮）パルス、広帯域伸長パルス、テラヘルツ周波数の逆数の倍数だけ離れた（分離された）一連のパルス（チャープおよび遅延で得られる、多重線またはパルス列）、または疑似ＣＷ源であってもよい。テラヘルツは、ＣＷ、疑似ＣＷ、複数サイクル（超短レーザ・パルスの光整流によって得られる数十サイクル（周期））であってもよいし、第１または第２の実施形態で得られてもよい。
【0072】
また、図７のテラヘルツ源装置１００は、図８に示されているような多段構成で形成することができる。この場合、前段からの光放射とテラヘルツ放射の双方が後段に入力される。図２を参照して上述したように、入力放射源装置１０、結像系２０および第１の変換結晶装置３０を有する第１段は、第２段の入力放射源装置１０Ａを形成し、以下同様である。
【0073】
第１の実施形態の数値シミュレーション
第１の実施形態の数値シミュレーションを、以下のモデル式を用いて行った。一般的に、周波数ωｍ＝ω０＋ｍΩ０（ここで、ω０は中心光角周波数、Ω０は生成されたテラヘルツ角周波数）の光縦モードの電界は、Ｅｍ＝Ａｍｅｘｐ（－ｊｋｍｚ）で与えられる。ここで、Ａｍはｍ番目の縦モードのエンベロープ、ｋｍは非線形媒質におけるｍ番目の縦モードの波数（wave number）である。エンベロープＡｍの展開は、式（１）で与えられる。
第１の実施形態の数値シミュレーションを、以下のモデル式を用いて行った。一般的に、周波数ωｍ＝ω０＋ｍΩ０（ここで、ω０は中心光角周波数、Ω０は生成されたテラヘルツ角周波数）の光縦モードの電界は、Ｅｍ＝Ａｍｅｘｐ（－ｊｋｍｚ）で与えられる。ここで、Ａｍはｍ番目の縦モードのエンベロープ、ｋｍは非線形媒質におけるｍ番目の縦モードの波数（wave number）である。エンベロープＡｍの展開は、式（１）で与えられる。
【数5】
【0074】
式（１）の右辺の第１の項は、赤方偏移光周波数成分Ａｍ－１とテラヘルツ場（電界）の間の和（sum）周波発生である。式（１）の右辺の第２の項は、青方偏移光周波数成分Ａｍ+１とテラヘルツ場の間の差周波発生である。同様に、式（２）は、テラヘルツ場エンベロープＡTHｚの展開を記述する。
【数6】
【0075】
式（２）の右辺の第１の項はテラヘルツ吸収に対応し、第２の項は、光周波数成分相互間の全ての差周波発生プロセスの集合体に相当する。
【0076】
図１によるテラヘルツ源装置１００の変換効率の数値シミュレーションは、図９乃至１２に示すように行われ、入力放射源装置１０の中心波長約１μｍ、ＱＰＭニオブ酸リチウム結晶３１、および、連続的ポンプ、シードおよびテラヘルツ波、が仮定された。２次非線形係数をχ（２）＝（２／π）３３６ｐｍ／Ｖと仮定し、係数２／πはＱＰＭ構造の周期性から得られるものとした。テラヘルツ波および光波の全分散を考慮した材料の屈折率データは、文献データに基づくものである。
【0077】
図１の実施形態（タイプＯのテラヘルツ－ＣＯＰＡ）のシミュレーション（結果）が図９および１０に示されている。これらのシミュレーションでは、強い光ポンプ・パルスが１０３０ｎｍを中心とすると仮定され、注入光シードが所望のテラヘルツ発生周波数によって周波数が下方へ偏移（ダウンシフト）される。結晶３１は、そのテラヘルツ周波数および光ポンプ周波数に対して位相整合される。シードのエネルギの割合（百分率）は、変えられ、ポンプ・エネルギの１０％以下の大きさに制限される。従って、エネルギ１Ｊが光ポンプとして使用される場合、最大で１００ｍＪのシードが仮定される。このようなシステムは、実現可能なレーザ技術の範囲内にある。ポンプ・フルエンス（流束量）は、損傷（ダメージ）フルエンスより係数２だけ小さく（の２分の１に）なるように、即ち約１．５Ｊ／ｃｍ２に制限される。結晶３１は、１００Ｋの極低温であると仮定される。結晶の長さは５ｃｍ以下に制限される。
【0078】
図９は、種々の初期光シード・エネルギについてのテラヘルツ周波数の関数としてのピーク変換効率を示しており、シード・エネルギはポンプのエネルギの小さい割合として表される。図１０Ａは、僅か０．１％のシードのエネルギを仮定した場合の、種々のテラヘルツ周波数に対する長さの関数としての変換効率を示しており、或る長さを超える場合の変換効率の低下は、分散によって生じる位相不整合に起因する。図１０Ｂは、種々のシード・レベルについてのテラヘルツ周波数の関数としての最適な結晶長さを示している。
【0079】
図９から、初期シード値はピーク変換効率にあまり影響しないことが分かる。その理由は、その光スペクトルのカスケード化が生じると、それによって初期条件（初期周波数）がその位置からまたはその後段では（周波数成分に）もはや関係しなくなるからである。ピーク変換効率は、周波数とともに増大するが、最終的に飽和を示す。変換効率の飽和は主に分散に起因する。高い変換効率では、広がった光スペクトルは、もはや、生成されたテラヘルツ放射と充分に位相整合されることがなく、それによって、図１０Ａにおいてシード比０．１％についての長さの関数としての変換効率のプロットで示されているように、或る長さを超えて変換効率が低下する。最大の変換効率は、より高い周波数に対してより短い長さで生じ、それは通常のＯＰＡの理解と一致する。周波数および初期シード・エネルギの関数としての最適結晶長さが図１０Ｂにプロットされている。ここで、より高いシード・エネルギおよびテラヘルツ発生周波数によって、必要な結晶長さがどのように減少するか、が示されている。さらに、これらの計算を用いて、ポンプとして相対的に容易に実現可能な１Ｊの擬似ＣＷパルスを使用して、５％より高い変換効率がどのようにして達成できるか、が示される。損傷制限が緩和された場合に、フルエンスと共に近似的にスケール（増減変化）するより高い変換効率が達成される。
【0080】
図７の実施形態（タイプＴのテラヘルツ－ＣＯＰＡ）のシミュレーション（結果）が図１１および図１２に示されている。これらのシミュレーションでは、強い光ポンプ・パルスと、光シードの代わりに弱いテラヘルツ・シードとが用いられる。テラヘルツ・シードは、上で概説したように多数の方法で生成することができる。他の例では、単一超短パルスの光整流、チャープおよび遅延の手法、マルチパルス手法（本発明の第２の実施形態）、およびタイプＯのテラヘルツ－ＣＯＰＡを用いて、初期テラヘルツ放射を生成することができる。
【0081】
図１１は、種々の初期テラヘルツ・シード・エネルギについてのテラヘルツ周波数の関数としてのピーク変換効率を示している。ここで、シード・エネルギは、ポンプのエネルギの小さい割合として表される。図１２Ａは、種々のテラヘルツ周波数についての長さの関数としての変換効率を示しており、僅か０．１％のシードのエネルギを仮定している。ここで、或る長さを超える場合の変換効率の低下は、分散によって生じる位相不整合に起因する。図１２Ａにおいて、１Ｊの光ポンプについて、０．１％のシードがテラヘルツ・シードの１ｍＪに対応する。図１２Ｂは、種々のシード・レベルについてのテラヘルツ周波数の関数としての最適な結晶長さを示している。また、結晶長さは５ｃｍに制限された。
【0082】
図１１および１２に示された性質または振舞いは、図９および１０に示された光シードを使用する場合と同様である。しかし、複数ｍＪまたは数ｍＪのテラヘルツ・シードを得ることは困難な見通しなので、直に大量のテラヘルツ・エネルギのシードを形成する（seed：をシードする）ことは、実際にはより困難となり得る。従って、タイプＯのテラヘルツ－ＣＯＰＡがより好ましい。弱いシードで開始するタイプＴのＣＯＰＡは、複数段で実装されてもよい。
【0083】
図２および８に示されているように、光放射だけをリサイクル（再循環、再使用）するか（図２）または光放射とテラヘルツ放射の双方を使用する（図８）かのいずれかを含む多段テラヘルツ－ＣＯＰＡ装置を実現することができる。実験的に最も単純な手法は、図２に示されているように、テラヘルツ・ビーム輸送および操作における困難に起因して、単純に光放射をリサイクルすることである。
【0084】
多段構成のシミュレーション（結果）が図１３Ａおよび１３Ｂに示されており、図１３Ｂは２段のタイプＯのテラヘルツ－ＣＯＰＡに関する変換効率を示し、図１３Ａは約８％の変換効率が得られる３段構造を示している。これらは、例示的なシミュレーション（結果）であり、可能性の限界を反映していない。例えば、他の段を含めると、変換効率が１０％を超える可能性がある。図１３Ａによれば、第１段に関する結晶長さは、最適な長さ、例えば５ｃｍに設定され、第１段からの光放射は基本的に第２段においてリサイクルされる。最良の変換効率を達成するために、その構造のＱＰＭ周期が最適化される（図１３Ｂ参照）。図１３ＢにおけるＱＰＭ周期に対する変換効率の感度は、そのプロセスが分散制限されることを示している。その理由は、光スペクトルがカスケード化すると、群速度が変化し、その結果、異なるＱＰＭ周期がテラヘルツ放射を最適に位相整合することが必要とされるからである。同様に、単結晶内でも格子周期を徐々に変化させることが可能である。
【0085】
本発明の第２の実施形態
本発明の第２の実施形態の特徴を図１４～１７を参照して説明する。
本発明の第２の実施形態の特徴を図１４～１７を参照して説明する。
【0086】
図１４は、マルチパルス光入力放射を生成するための入力放射源装置１０と、結像系２０と、テラヘルツ発生用の第１の変換結晶装置３０と、を含むテラヘルツ源装置１００の概略図を示している。入力放射源装置１０は、生成されるテラヘルツ放射のテラヘルツ周波数の逆数の整数倍に等しい時間的間隔または分離（Δｔ）を有する超短パルスのシーケンスを生成するよう適合化される（Δｔ＝ Ｎ・１／ｆＴＨｚ、Ｎ＝１，２，...）。この実施形態では、第１の変換結晶装置３０における光入力放射によって、多重線周波数スペクトルが形成される。
【0087】
図１５には、周波数領域における光入力放射の時間的パルス・フォーマットおよび対応するスペクトルが示されている。時間的パルス・フォーマット（図１５Ｂ）は、時間的間隔または分離が、生成されたテラヘルツ放射の周期（またはその整数倍）に等しいような、超短パルスのシーケンスである。それに対応して、パルス・シーケンスは、図１５Ａに示されているように、テラヘルツ周波数だけ離れた複数の周波数線を含んでいる。
【0088】
パルス・シーケンスの各超短レーザ・パルス（図１５Ｂ）は、第１の変換結晶装置３０においてテラヘルツ波を生成する。パルス間の遅延がテラヘルツ場振動（発振）と時間的に同等な（parallel）ので、連続的な超高速パルスはコヒーレントにテラヘルツ場を増大させる。このようにして、テラヘルツ変換効率が増強され、高い度合の単色性（単色度）が確保される。単一パルスにパック（充填、詰込み）できるエネルギの量は、Ｆｄａｍａｇｅ＝４００τ１／２ｍＪ／ｃｍ２で定められる損傷フルエンスによって制限される。ここで、複数のパルスを使用して、この制限を回避でき、大量のエネルギを累積的にそのシーケンス中にパックすることができる。従って、単一パルスから複数パルスへと移行する利益または利得（gains）は、ジュール級のポンプ・レーザに関して特に明白である。
【0089】
結像系２０（詳細は図示せず）は、光入力放射を第１の変換結晶装置３０内に集束するよう構成された屈折および／または反射光学系を含んでいる。
【0090】
第１の変換結晶装置３０は、非線形結晶３１を含むことが好ましく、非線形結晶３１は疑似位相整合（ＱＰＭ）結晶であり、例えば、周期的分極反転型のニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）または周期的分極反転を有するチタニルリン酸カリウム（ＫＴＰ）（ＰＰＫＴＰ）または周期的分極反転を有するチタニルヒ酸カリウム（ＫＴＡ）（ＰＰＫＴＡ）である。
【0091】
ジュール・レベルのポンプ（励起）について、パルス・フォーマットに応じて、１０ｍｍ＊１０ｍｍより大きい非線形結晶３１の大きい各開孔を設けることができる。市販の疑似位相整合ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムの各構造は、周期的に印加される電圧を用いて周期的に領域を反転させることによって生成される。しかし、この手法によって、結果として、現在最良１．５～２ｃｍ２の大きさの開孔しか得られない可能性がある。特に繰返しレート１ｋＨｚでの、Ｆｄａｍａｇｅによるニオブ酸リチウムの損傷フルエンスが経験的にスケールする（増減変化する）ので、より大きい開孔が必要になる場合、非線形結晶３１は、図２５を参照して以下説明するように組み立てることができる。より低い繰返しレートでは、損傷閾値がより高くなる。
【0092】
図１６Ａ～１６Ｄに示されている入力放射源装置１０の実装には複数の方法が存在する。図１６Ａによれば、入力放射源装置１０は、マルチパルス・レーザ源１４およびレーザ増幅器１５を含んでいる。マルチパルス・レーザ源１４は、数ＧＨｚのパルス列を放出する特徴を有する高い繰返しレートの主（マスタ）発振器であり、それは、例えば、キャビティ長を最小化する基本的にモードロック型（モード同期）のレーザ、例えば、最高約１００ＧＨｚまでの現在のパルス繰返しレートを生成するモードロック型の集積外部キャビティ面発光レーザ（ＭＩＸＳＥＬ）であり、または繰返しレート７乃至１１００ＧＨｚを可能にするキャビティ内干渉計を用いるものであり、または、高調波モードロック型のレーザを用いるものである。その繰返しレートは、生成される所望のテラヘルツ周波数に対応する。
【0093】
図１６Ｂの変形バージョンでは、入力放射源装置１０は、マルチパルス・レーザ源１４と、パルス・ピッカ部（ユニット）（パルス選別部）１６と、レーザ増幅器１５とを含んでいる。パルス・ピッカ部１６は、例えば、マルチパルス・レーザ源１４によって生成された高い繰返しレートのパルスのシーケンスを選択する電気－光変調器または音響－光変調器を含んでいる。このパルスのバーストは、レーザ増幅器１５で超高エネルギに増幅される。このようにして、そのバーストは、パワー増幅器での増幅後に、より高いパルス・エネルギを含むことができる。バーストとバーストの間の繰返しレートは、典型的には、数ＨｚまたはｋＨｚである。また、パルス・ピッカ部１６によってバースト・エンベロープの整形が可能になる。
【0094】
図１６Ｃによれば、入力放射源装置１０は、主発振器１７と、マルチパルス発生器１８と、レーザ増幅器１５とを含んでいる。主発振器１７は、所望のテラヘルツ周波数よりはるかに低い繰返しレートのパルスを放出する超短パルス・レーザ発振器を含んでいる。特に、数μＪ乃至ｍＪのパルスを放出する超短レーザについて、繰返しレートは、典型的にはＭＨｚ乃至ｋＨｚの範囲にある。マルチパルス発生器１８は、主発振器１７のレーザ・パルスを、テラヘルツ周波数の逆数またはその複数の高調波の中の１つの逆数だけ離れた幾つかのパルスに分割するよう適合化される。例えば、マルチパルス発生器１８は、複数のオプションとして、複屈折性結晶の積層体、複数の半反射面、複数のジル・トルノア（Gires-Tournois）干渉計ミラー、フーリエ面内に位相格子を有する４ｆパルス整形器、音響－光パルス整形器、またはデススター（Death-Star）パルス整形器が存在する［８］。マルチパルス発生器１８によって形成されるパルス整形器が損失を示す場合、パルス整形器をパワー増幅器の前に配置することは有用であり得、さもなければその装置もレーザの出力に外付けすることができる。
【0095】
代替形態として、マルチパルス発生器１８は、広帯域パルスをチャープし適切な遅延の後で互いに重なり合う２つの部分に分割する装置とすることができる。その遅延およびチャープは、所望のテラヘルツ周波数を生成するように調整してもよい。
【0096】
図１６Ｄは別の変形例を示しており、入力放射源装置１０は、複数の疑似連続的な長い持続時間のパルスまたは周波数線を生成して混合する源（供給源）１９と、各周波数線を増幅するレーザ増幅器１５とを含んでいる。源１９は、例えば、位相ロック（同期）された２つのｃｗ（連続波）単一周波数レーザを含んでいる。これらのｃｗレーザからの長いパルスは、各レーザ内のレーザ・ダイオードの電流をまたは代替的に外部光変調器によって光信号出力を制御することによって生成することができる。その外部光変調器は、ポッケルス・セル（Pockels cell）、音響－光変調器または電気－光変調器とすることができる。
【0097】
本発明の第２の実施形態のテラヘルツ源装置１００は、図１７に示されているように、多段構成で形成することができる。第１段は、マルチパルス光入力放射を生成するための入力放射源装置１０と、上述のテラヘルツ生成用の第１の変換結晶装置３０とを含んでいる。第１段は、第２の変換結晶装置３０Ａを含む第２段の入力放射源装置１０Ａを形成する。さらに、他の段が続く。
【0098】
多段構成は、後続のテラヘルツ発生段用の光入力放射のリサイクルを形成する。ここで、ポンプ・レーザ・システムは、マルチパルス・レーザ・システムまたは任意の他のポンプ・レーザ・システムを指すことができる。提案された別のテラヘルツ放射を生成するようにポンプのリサイクルを使用するの［７］とは対照的に、本発明で得られる高い変換効率のニオブ酸リチウムの場合のポンプのリサイクルは特有のものである。その理由は、変換効率が百分率（％）レベルに達すると、光周波数の下方変換（ダウンコンバージョン、逓降）の繰り返しが存在するからである。この歪んだスペクトルを依然として使用してその後続の各段においてテラヘルツ放射を生成することができるという事実は、前代未聞のことである。従って、低い変換効率でのリサイクルは、大きい変換効率でのリサイクルとは全く異なる。
【0099】
第２の実施形態の数値シミュレーション
第２の実施形態の数値シミュレーションを、以下のモデル式を用いて行った。角周波数Ωの発生したテラヘルツ場は、以下で示す式に基づいて計算することができる。
ここで、Ａ（Ω，ｚ）はテラヘルツ電界であり、χ（２）は実効二次非線形性であり、ｎ（Ω）はテラヘルツ屈折率であり、αはテラヘルツ吸収係数であり、Δｋは光ポンプ・レーザと発生テラヘルツの間の位相不整合であり、ｃは真空中の光速である。
は、光ポンプ・レーザのポンプ強度のフーリエ変換である。
第２の実施形態の数値シミュレーションを、以下のモデル式を用いて行った。角周波数Ωの発生したテラヘルツ場は、以下で示す式に基づいて計算することができる。
【数7】
【数8】
【0100】
次に、光－テラヘルツ変換効率は、次のようにすぐに評価される。
【数9】
【0101】
上述の式（３）および（４）に基づいて、Ｅｏｐ（ｔ）で与えられたパルス・フォーマットについての光－テラヘルツ変換効率を計算することができる。ニオブ酸リチウムおよび光ポンプ波長１０３０ｎｍの場合について、計算が行われる。関連するパラメータのリストを下表に示す。
【0102】
【表1】
【0103】
非線形変換プロセスを数値的にモデル化するために、以下の１次元（１－Ｄ）方程式を使用した。
【数10】
【数11】
【0104】
方程式（５）は、角周波数Ωにおけるテラヘルツ電界エンベロープＡＴＨｚ（Ω）の展開を考慮している。第１項はテラヘルツ放射の吸収である。第２項は、種々の光スペクトル成分間の全ての可能な差周波発生プロセスの総和（sum）である光整流プロセスに対応する。
【0105】
方程式（６）は、角周波数ωにおける光電界エンベロープＡＩＲ（ω）の展開を考慮している。第１項は、光スペクトルのテラヘルツ誘発スペクトル広がりに対応する。第２項は自己位相変調項に対応する。
【0106】
図１８Ａは、生成されたテラヘルツ周波数に対応する時間間隔（区間）だけ離れた時間的なパルスのシーケンスを示している。図１８Ｂは、種々のテラヘルツ周波数での種々の変換限界パルス持続時間に関する、式（３）を用いた、長さにわたって最適化された変換効率を示しており、極低温冷却ニオブ酸リチウムについて、２パルス（実線）、１０パルス（破線）および３０（点線）パルスのシーケンスに関するものである。図１８Ｃは、それぞれ０．３および０．１ＴＨｚに関する１シーケンスにおけるパルス数（Ｎ）の関数としての変換効率を示している。
【0107】
理想的には、テラヘルツ場は、ポンプ・パルスの数とともに、線形に成長する。テラヘルツ・エネルギは電界の２乗に比例するので、合計の変換効率もパルス数と共に線形にスケールする（増減変化する）。しかし、光損傷が考慮されるとき、この成長は或る値Ｎを超えて線形でなくなる。図１８Ａでは、１シーケンスのパルスの特定の場合が示されており、１シーケンスにおける各パルスの強度は同一である。図１８Ｂでは、合計フルエンスはＦｄａｍａｇｅによって与えられる損傷フルエンス値の半分で一定に維持される。図１８Ｂで分かるように、単一パルスの場合と比較して、変換効率は、パルスの数が増大するにしたがって、成長し続ける。図１８Ｃに示された計算では、０．３ＴＨｚで１０％を超える変換効率が達成でき、０．１ＴＨｚで約２％の変換効率が達成できることが、明らかにされている。
【0108】
図１８の場合、１シーケンスにおける各ポンプ・パルスの強度は等しい。しかし、最初に生成されたテラヘルツ放射が最も吸収され、最後に生成されたテラヘルツは、結晶を最初に出て、その結果、１シーケンス中の後続パルスと最も少ない重ね合わせ（オーバラップ）を有するので、変換効率が増大することができるのは、１シーケンス中のポンプ・パルスの強度が以下のように変化する場合である。最大効率利得において、パルス・シーケンスは、テラヘルツ・パルスが、パルス・シーケンスからの最大のコヒーレント成長と最小の吸収の双方を経験するように、形成される。パルス・シーケンスは、ガウス形状を有するエンベロープを有することが好ましい。利点として、これによって、パルス・シーケンスにわたる平坦なエンベロープに関連して（に対して）より高い変換効率が得られる。
【0109】
ガウス外形（プロファイル、分布）を有するエンベロープを有するパルス・シーケンスは、幾つかの方法によって生成することができる。第一に、超短レーザ・パルス装置用のパルス・スプリッタおよびスタッカ（stacker）は、例えば文献［８］に記載されているように、パルス・シーケンスを整形するのに使用することができる。第二に、パルス・シーケンスは、図１９を参照して例示したように、それぞれ長い疑似連続パルスに対応する２つ以上の周波数線を混合することによって、整形することができる。
【0110】
図１９Ａは、ガウス型エンベロープを有する生成されたテラヘルツ周波数に対応する時間間隔だけ離れたパルスのシーケンスを示している。そのような強度パターンは、１対の周波数線またはそれぞれ持続時間１５０ｐｓの疑似連続波パルスで、生成される。図１９Ｃは、極低温に冷却されたニオブ酸リチウム（１００Ｋ）に関する種々のテラヘルツ周波数における種々の疑似連続パルス持続時間についての長さにわたって最適化された変換効率を示している。図１９Ｂは、極低温に冷却されたニオブ酸リチウムに関する０．３および０．１ＴＨｚについての周波数線の数Ｎの関数としての変換効率を示している。
【0111】
図１９Ｃに示された正確に１対の線についての各周波数線の変換限界パルス持続時間の関数としての変換効率の計算によって、約６％という高い変換効率が、０．３ＴＨｚだけ離れた１対の３００ｐｓのパルスを用いて達成できることが示されている。図１９Ａにおける１対の線の強度パターンでは、それらは、近似的に、ガウス型エンベロープで正確に（ｆＴＨｚ）－１＝Δｔ＝３．３３ｐｓだけ離れた複数パルスからなる一列のパルスとして現れる。留意すべきこととして、パルスのシーケンス内のフルエンスの再分配に起因して、ちょうどＮ個のパルスの場合と比較して、より高い変換効率が達成され得る。例えば、図１９Ｂに見られるように、０．３ＴＨｚについては２０％のオーダ（程度）および０．１ＴＨｚについては５％のオーダの変換効率が計算で求められる。
【0112】
第三に、代替的な変形例では、超短パルスへのパルス整形が用いられる。具体的には、超短パルスはチャープされ、分割され、そのそれぞれのコピーが、例えば図３の配置で、互いに相対的に遅延される。そのチャープ、分割および遅延の順序は変更することができる。この方法は、例えば市販の８００ｎｍのＴｉ：サファイア・パルスのような、広帯域光ポンプ・パルスに特に適用可能である。この手法では、大きい帯域幅のパルスがチャープされ、そのチャープ・パルスが２つの部分パルスに分割され、そのように互いに相対的に適切に遅延された２つの部分パルスが相互干渉され重なり合って、所望の周波数のテラヘルツが生成される。
【0113】
図２０Ａおよび２０Ｂにおいて、最適化された変換効率は、極低温に冷却されたニオブ酸リチウム（１００Ｋ）におけるそれぞれ０．３および０．１ＴＨｚのチャープ・パルス持続時間の関数として示されている。図２０Ａは、そのチャープおよび遅延の手法を用いた、種々の変換限界持続時間（３０ｆｓ、３３０ｆｓ、６００ｆｓおよび１ｐｓ）に関するチャープ・パルス持続時間τ２の関数として、長さにわたって最適化された０．３ＴＨｚでの変換効率を示している。図２０Ｂは、極低温に冷却されたニオブ酸リチウム（１００Ｋ）における、チャープおよび遅延の手法を用いた、種々の変換限界持続時間（３０ｆｓ、３３０ｆｓ、６００ｆｓおよび１ｐｓ）に関するチャープ・パルス持続時間τ２の関数として、長さにわたって最適化された０．１ＴＨｚでの変換効率を示している。
【0114】
図２１Ａは、０．１ＴＨｚについて位相整合された同じＱＰＭ周期Λを有する５つの結晶中をそれぞれが通過する５００ｆｓの一列の３２個のパルスに関する長さの関数としての変換効率を示している。毎回、効率は約１％以上である。従って、累積的効率は約５％である。これ（効率）は、他の段を追加することおよび／または各段についてのＱＰＭ周期を最適化することによって、および／または結晶長さに沿った適切に変化する値Λを有する単結晶を有することによって、さらに増大させることができる。従って、非常に高い累積的変換効率を得るために、図１７に示されているように、光ポンプ・パルスをリサイクルする幾つかの段を用いることができる。第５段の終端部における光スペクトルが図２１Ｂにプロットされている。
【0115】
図２２Ａは、各段において同じＱＰＭ周期値Λを有する、０．３ＴＨｚについて位相整合された擬似位相整合結晶を通してリサイクル（再循環）する光パルスの３段についての長さの関数としての変換効率を示している。元の入力光場は、それぞれ５００ｆｓの３２個のパルスからなる一列のパルスを含んでいる。第１段では、６％に近い変換効率が達成された。第２段では２％の変換効率が達成され、第３段では１％に近い変換効率が達成された。累積的には、これは９％のオーダ（程度）の変換効率に対応する。再び、これは、各段および／または追加の複数段においてＱＰＭ周期Λのさらなる最適化を用いることができるので、限界を表すものではいない。第３段の終端部における広がったスペクトルが図２２Ｂにプロットされている。従って、光パルスをリサイクルする手法によって、結果的に、非常に高い累積的な変換効率を得ることができる。
【0116】
変換結晶装置の構成
本発明の第１または第２の実施形態で使用することができる第１の変換結晶装置または他の変換結晶装置の好ましい構成が、図２３乃至２５に示されている。周期的分極反転型のニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）結晶について例示的に説明する。それに対応して、上述のような他の材料で形成された周期的分極反転型の非線形結晶を設けることができる。
本発明の第１または第２の実施形態で使用することができる第１の変換結晶装置または他の変換結晶装置の好ましい構成が、図２３乃至２５に示されている。周期的分極反転型のニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）結晶について例示的に説明する。それに対応して、上述のような他の材料で形成された周期的分極反転型の非線形結晶を設けることができる。
【0117】
図２３Ａによれば、最大１．５乃至２ｃｍ２までの開孔をそれぞれ有する市販の複数のＰＰＬＮ結晶を使用することができる。代替形態として、図２３Ｂおよび２５に示されているように、互いに結合（接合、接着）された複数のウェハから、大面積（大領域）の複数のＰＰＬＮ結晶を作製することができる。別の代替形態として、図２３Ｃに示されているように、幾つかのより小さいＰＰＬＮ結晶を積み重ねる（積層する）ことによって形成された複数の構造体を使用することができる。
【0118】
ＱＰＭの周期は伝播長に沿って変化するまたは一定に維持することができ、および／または異なる一様な周期を有する複数の結晶をテラヘルツ発生の相異なる各段に用いて、増大された変換効率を形成することができる。それに加えて、共線的な幾何学的配置、非共線的な幾何学的配置を採用してもよい。
【0119】
非共線的な幾何的配置は、複数の構造体の製造に関して有利であり得る。例えば、幾つかのウェハをそれぞれ適切な角度だけ回転させ、図２４に示されているようにテラヘルツ波長よりも短い距離を置いて（隔てて）配置するだけでよい。光パルスは、光ビームに対する全ての反射が回避されるように、ブリュースタ角αで入射することができる。テラヘルツ波は、波長よりもはるかに小さい界面に遭遇する（見る）ことなく、あたかも界面が存在しないかのように通過する。この実施形態は、ＱＰＭ構造体を製造するために高価なウェハ・ボンディング（結合）プロセスを採用する必要性がないという利点がある。
【0120】
図２５は、さらに、非線形結晶３１が複数のウェハで形成された図２３Ｂの構造を示している。それらのウェハは、非線形結晶３１によって適切なＱＰＭが得られるように、互いに回転される。その後、それらのウェハは互いに結合される。この構造は、ウェハ結合型のＱＰＭ（ＷＢ－ＱＰＭ）構造体と称されることがある。このようにして、大きい開孔の周期的分極反転型の結晶を製造することができる。非線形感受率は、結晶軸と入射電界の間の相対的角度の関数である。従って、各結晶軸の交互の回転によって、結果的に、交互する符号の２次感受率が得られる。ニオブ酸リチウムの場合、結晶のｚ軸に沿った電界は、最大のテラヘルツ・エネルギを生成する。実際的な例では、プロトタイプの非線形結晶３１が、交互するｚ軸が互いに拡散結合（接合）され、１５～２０ｃｍ２の開孔を有する８つの厚さ０．５ｍｍで酸化マグネシウム５％ドープ（添加）のコングルエントなニオブ酸リチウムの複数のウェハで製造される。代替的な例では、非線形結晶３１は、例えば酸化マグネシウムまたは鉄またはクロムまたはルビジウムのような種々のドーパントを含む、化学量論的なニオブ酸リチウム、コングルエントな／化学量論的なタンタル酸リチウム、リン化ガリウム、チタニルリン酸カリウムおよびチタニルヒ酸カリウムのウェハで形成することができる。
【0121】
上述の説明、図面および特許請求の範囲に開示された本発明の特徴は、その様々な実施形態における本発明の実現のために、個々にならびに組み合わせまたは部分的組合せについて重要であり得る。
【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】