特許 7416561 テラヘルツ放射線を生成するための方法およびテラヘルツ放射線源

(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】2024-01-09

(45)【発行日】2024-01-17

(54)【発明の名称】テラヘルツ放射線を生成するための方法およびテラヘルツ放射線源

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/35 20060101AFI20240110BHJP

   H01S 3/00 20060101ALI20240110BHJP

【ＦＩ】

G02F1/35

H01S3/00 A

【請求項の数】 20

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2018119936

(22)【出願日】2018-06-25

(65)【公開番号】P2019049691

(43)【公開日】2019-03-28

【審査請求日】2021-06-21

(31)【優先権主張番号】17177757.6

(32)【優先日】2017-06-25

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(73)【特許権者】

【識別番号】518110741

【氏名又は名称】ペーチ チュードマニゲエテム

(74)【代理人】

【識別番号】110001210

【氏名又は名称】弁理士法人ＹＫＩ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】エブリン ヤノス

(72)【発明者】

【氏名】アルマシ ガボル

(72)【発明者】

【氏名】パールファルヴィ ラスロ

(72)【発明者】

【氏名】トコディ レヴェンテ

(72)【発明者】

【氏名】フュレプ ヨーゼフ アンドラス

(72)【発明者】

【氏名】ロムボシ チァバ マーリオー

【審査官】奥村 政人

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１７／０８１５０１（ＷＯ，Ａ２）

【文献】国際公開第２０１０／１１９６４６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１６－１４２９９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１８－５３００１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０２４３６１１５（ＣＮ，Ａ）

【文献】ABGARYAN et al.，Investigation of parameters of terahertz pulses generated in singe-domain LiNbO3 crystal by step-wise phase mask，Journal of Contemporary Physics，Armenian Academy of Sciences，2016年04月21日，vol.51, No.1，p.35-p.40

【文献】PALFALVI et al.，Scalable setup for efficient terahertz generation using a segmented tilted-pulse-front excitation，Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO)，米国，IEEE，2018年05月13日，p.1-p.2

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｆ １／００－ １／１２５

Ｇ０２Ｆ １／２１－ ７／００

Ｇ０２Ｂ ５／１８

Ｇ０２Ｂ ５／３２

Ｈ０１Ｓ ３／００－ ４／００

ＩＥＥＥ Ｘｐｌｏｒｅ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

非線形光学媒体（５０）内にテラヘルツ放射線（６０）を生成するための方法であって、ポンプビーム（１２）がパルスフロント傾斜され、パルスフロント傾斜を有するこのようにして得られた前記ポンプビーム（１２）は、撮像光学系（３０）を通って誘導され、次いで前記非線形光学媒体（５０）内へとカップリングされ、前記テラヘルツ放射線（６０）が、前記ポンプビームを用いて、非線形光学プロセスによって、前記非線形光学媒体（５０）内に生成され、Ｖ_ｐ，ｃｓｃｏｓ（γ）＝Ｖ_{ＴＨｚ，ｆ}の速度整合条件を満足するために必要とされる前記ポンプビーム（１２）の前記パルスフロント傾斜が、複数のパルスフロント傾斜の合計として誘起され、各パルスフロント傾斜は、少なくとも初段を有し少なくとも最終段を有する後続の段において前記ポンプビーム（１２）の部分的なパルスフロント傾斜として別個に誘起され、式中ｖ_ｐ，ｃｓは、前記ポンプビームの群速度であり、ｖ_{ＴＨｚ，ｆ}は、テラヘルツパルスの位相速度であり、γは、前記ポンプビーム（１２）のパルスフロントと位相フロントとの間に形成される角度であり、前記ポンプビーム（１２）のパルスフロント傾斜の最後の段は、前記ポンプビーム（１２）を、階段状構造（４０）を通って、前記ポンプビーム（１２）に対して透明な材料による前記非線形光学媒体内へカップリングすることによって実施され、
前記非線形光学媒体（５０）は、互いに本質的に平行である入射表面（５１）および出射表面（５２）によって画定され、前記非線形光学媒体（５０）の前記入射表面（５１）は、前記階段状構造（４０）として形成され、
前記入射表面（５１）に入射する前記ポンプビーム（１２）のパルスフロントは、前記階段状構造（４０）の包絡線に実質的に平行であることを特徴とする方法。

【請求項2】

請求項１に記載の方法であって、前記ポンプビーム（１２）が、最大で数百フェムト秒のパルス長を有する可視、近赤外、または中赤外領域内のレーザパルスであることを特徴とする方法。

【請求項3】

請求項１または２に記載の方法であって、前記ポンプビーム（１２）のパルスフロント傾斜の最初の段が、前記ポンプビーム（１２）を、角分散誘起特性を有する光学素子（２０）を通して誘導することによって実施され、前記角分散誘起特性を有する光学素子が、回折型光学素子、屈折型光学素子、ならびに、回折型光学素子および屈折型光学素子の組み合わせとして提供される光学素子の群から選択されることを特徴とする方法。

【請求項4】

請求項１に記載の方法であって、前記撮像光学系（３０）が、撮像光学系を用いた本質的に知られているパルスフロント傾斜テラヘルツ放射線生成スキームにおいて使用されることが可能である撮像光学系として提供されることを特徴とする方法。

【請求項5】

ポンプビーム（１２）を照射するためのポンプ源（１０）と、テラヘルツパルスを生成するための、前記ポンプビーム（１２）に対して透明な材料による非線形光学媒体とを備える、テラヘルツ放射線源（１００）であって、前記ポンプ源（１０）および前記非線形光学媒体（５０）が、光経路を一緒に画定し、角分散誘起特性を有する光学素子（２０）および撮像光学系（３０）が、前記光経路内に前記ポンプビームの伝搬方向に順に配置され、これによって前記ポンプ源（１０）から前記非線形光学媒体（５０）に前記ポンプビーム（１２）を案内し、
前記非線形光学媒体（５０）は、互いに本質的に平行である入射表面（５１）および出射表面（５２）によって画定され、
階段状構造（４０）が、前記非線形光学媒体（５０）の入射表面（５１）に形成され、
前記入射表面（５１）に入射する前記ポンプビーム（１２）のパルスフロントは、前記階段状構造（４０）の包絡線に実質的に平行であることを特徴とするテラヘルツ放射線源（１００）。

【請求項6】

請求項５に記載のテラヘルツ放射線源であって、
前記角分散誘起特性を有する光学素子が、回折型光学素子、屈折型光学素子、ならびに、回折型光学素子および屈折型光学素子の組み合わせとして提供される光学素子の群から選択されることを特徴とするテラヘルツ放射線源。

【請求項7】

請求項５または６に記載のテラヘルツ放射線源であって、
前記撮像光学系（３０）が、レンズ、屈折望遠鏡、ミラー、反射望遠鏡、および凹面鏡のうちのいずれか１つを有する撮像光学系を含む群から選択されることを特徴とするテラヘルツ放射線源。

【請求項8】

請求項５から７のいずれか１項に記載のテラヘルツ放射線源であって、前記階段状構造（４０）が、前記非線形光学媒体の材料からできており、前記階段状構造の表面上に第１の方向に順に周期的に配置される段（４１）によって形成され、前記段（４１）の各々が第１および第２の端（４１ｂ、４１ｃ）および、各段（４１）の同一の角から始まる第３の端（４１ａ）を有し、前記第３の端は、前記第１および第２の端の両方に垂直に延在することを特徴とするテラヘルツ放射線源。

【請求項9】

請求項８に記載のテラヘルツ放射線源であって、前記角分散誘起特性を有する光学素子が、光学格子であることを特徴とするテラヘルツ放射線源。

【請求項10】

請求項８または９に記載のテラヘルツ放射線源であって、前記階段状構造を形成する前記段（４１）の限界面が互いに対して垂直であり、前記限界面が前記第１および第２の端の一方（４１ｂ）および前記第３の端（４１ａ）によって、ならびに前記第１および第２の端の他方（４１ｃ）および前記第３の端（４１ａ）によって画定されることを特徴とするテラヘルツ放射線源。

【請求項11】

請求項８～１０のいずれか１項に記載のテラヘルツ放射線源であって、前記階段状構造を形成する前記段（４１）の前記第１および第２の端（４１ｂ、４１ｃ）の寸法（ｗ、ｈ）が、前記ポンプビーム（１２）の波長より大きいことを特徴とするテラヘルツ放射線源。

【請求項12】

請求項１１に記載のテラヘルツ放射線源であって、
前記寸法（ｗ、ｈ）は、前記ポンプビーム（１２）の波長より、最大限２桁大きいことを特徴とするテラヘルツ放射線源。

【請求項13】

請求項１１または１２に記載のテラヘルツ放射線源であって、各段（４１）の前記第１および第２の端（４１ｂ、４１ｃ）の前記寸法（ｗ、ｈ）が、少なくとも数十マイクロメートル、および最大で数百マイクロメートルの範囲にあることを特徴とするテラヘルツ放射線源。

【請求項14】

請求項５～１３のいずれか１項に記載のテラヘルツ放射線源であって、前記非線形光学媒体が、少なくとも１ｐｍ／Ｖの非線形光学係数の材料を含み、そのテラヘルツでの屈折率および可視領域が著しく異なることを特徴とするテラヘルツ放射線源。

【請求項15】

請求項５～１４のいずれか１項に記載のテラヘルツ放射線源であって、前記非線形光学媒体が、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）またはタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）結晶を含むことを特徴とするテラヘルツ放射線源。

【請求項16】

請求項５～１５のいずれか１項に記載のテラヘルツ放射線源であって、前記ポンプビームが、最大数百フェムト秒のパルス長を有する可視、近赤外、または中赤外領域内のレーザパルスによって提供されることを特徴とするテラヘルツ放射線源。

【請求項17】

請求項５～１６のいずれか１項に記載のテラヘルツ放射線源であって、前記非線形光学媒体が、平行平面構造を含むことを特徴とするテラヘルツ放射線源。

【請求項18】

請求項５～１７のいずれか１項に記載のテラヘルツ放射線源であって、
テラヘルツ放射線（６０）が、前記出射表面（５２）に対して垂直に出射されることを特徴とするテラヘルツ放射線源。

【請求項19】

請求項１に記載の方法であって、前記テラヘルツ放射線（６０）が、光整流によって前記非線形光学媒体内（５０）に生成されることを特徴とする方法。

【請求項20】

請求項１～４および１９のうちいずれか１項に記載の方法であって、
前記テラヘルツ放射線（６０）が、前記出射表面（５２）に対して垂直に出射されることを特徴とする方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、テラヘルツ放射線を生成するための方法および対応するテラヘルツ放射線源に関する。特に、本発明は、改善されたビーム特性を有するテラヘルツパルスを生成するための新規の方法および設定に関する。

【背景技術】

【0002】

現今では、例えば電子または陽子などの荷電粒子の加速は、実質的に０．１～１０ＴＨｚの範囲内の（取り決めのとおりに）周波数を有する非常に強いテラヘルツ（ＴＨｚ）パルスの応用の新たな前途有望な分野である。テラヘルツパルスは、従来、超短光パルス、即ち、フェムト秒（ｆｓ）からピコ秒（ｐｓ）領域内にパルス幅を有する光パルスを、非線形光学特性を有する結晶内へ、一般には結晶内の光整流を用いてカップリングすることによって、生成される。この目的のため、典型的には、数百フェムト秒のパルス幅を有する、可視のパルスまたは近赤外ポンプパルスが使用される。

【0003】

効率的なテラヘルツ放射線生成を達成するには、いわゆる速度整合条件が満たされなければならない。これは、生成に使用されるポンプパルスの群速度が、こうして生成されるＴＨｚパルスの位相速度に等しくなければならないことを意味する。前記速度が互いに近い場合、即ち、ポンピングの周波数における非線形結晶の群屈折率がＴＨｚ領域内の屈折率とほんのわずかに異なるだけの場合、この条件の充足は知られている手段により達成され得る。

【0004】

（結晶）材料の二次非線形光学係数は、テラヘルツ放射線生成の効率に決定的に影響を与える。前記係数が高く（典型的には数十ｐｍ／Ｖを超える）かつ前述の屈折率差も高い一部の材料の場合、速度整合を用いたテラヘルツ放射線生成は達成不可能になる。これは、いくつかの材料、即ち、非常に高い（１６０～１７０ｐｍ／Ｖ）非線形光学係数を有する、例えば、リン化ガリウム（ＧａＰ）、テルル化亜鉛（ＺｎＴｅ）、ならびにさらにニオブ酸リチウム（ＬＮ）およびタンタル酸リチウム（ＬＴ）などの一部の半導体に当てはまり、ここではポンプ周波数での群屈折率とＴＨｚ領域内の位相屈折率との比が２より大きい。この問題の解決策は、傾斜パルスフロント技術である（Ｊ．ヘブリング（Ｊ．Ｈｅｂｌｉｎｇ）らによる論文、表題「Ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｂｙ ｐｕｌｓｅ ｆｒｏｎｔ ｔｉｌｔｉｎｇ ｆｏｒ ｌａｒｇｅ－ａｒｅａ ＴＨｚ－ｐｕｌｓｅ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、Ｖｏｌ．１０、ｉｓｓｕｅ ２１、ｐｐ．１１６１－１１６６（２００２）を参照のこと）。したがって、テラヘルツ放射線の生成は、光パルスによって実行され、そのパルスフロント（強度フロント）は、波面に対する所望の角度（γ）にある。生成されたＴＨｚビームが傾斜パルスフロントへ垂直に伝搬するとき、前記速度整合条件に起因して、ＴＨｚ放射線伝搬の方向へのポンピングの群速度ｖ_ｐ，ｃｓの射影は、ＴＨｚビームの位相速度ｖ_{ＴＨｚ，ｆ}に等しくなければならず、即ち、
Ｖ_ｐ，ｃｓｃｏｓ（γ）＝Ｖ_{ＴＨｚ，ｆ} （１）
の関係が満たされなければならない。特に、近赤外領域内のポンプ波長の場合、この関係は、ＬＮではγ≒６３°、ＬＴではγ≒６９°、およびＺｎＴｅではγ≒２２°～２９°でそれぞれ満たされる。

【0005】

現在、粒子加速に好適な周波数を有する最高エネルギーＴＨｚパルス（即ち、約０．２～１．０ＴＨｚ）は、ＬＮ結晶を用いて、および傾斜パルスフロント技術を使用して生成することができる（Ｊ．Ａ．フュレプ（Ｊ．Ａ．Ｆｕｌｏｐ）らによる論文、表題「Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ＴＨｚ ｐｕｌｓｅｓ ｗｉｔｈ ０．４ｍＪ ｅｎｅｒｇｙ」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、Ｖｏｌ．２２、ｉｓｓｕｅ １７、ｐｐ．２０１５５－２０１６３（２０１４）を参照のこと）。０．４３ｍＪのパルスエネルギーを発生させる、この刊行物において説明される高エネルギーＴＨｚ放射線源は、いずれの場合にも非線形光学結晶としてプリズム状のＬＮ結晶を使用する。これの理由として、一方では、反射損失を最小限にするに、ポンプパルスは、結晶に垂直に入射しければならず、生成されたＴＨｚパルスもそこから垂直に出射しなければならないことがある。他方では、ＴＨｚビームを直角でカップリングアウトすることにより、ビームに、さらなる利用の観点からは非常に重要な要件である角分散がないことが確実になる。したがって、速度整合条件（１）を満たすには、ＬＮ結晶の出射面が、角度γに等しい、ＬＮ結晶の入射面とのくさび角を形成しなければならない。

【0006】

ＬＮ結晶の場合くさび角が大きい（γ≒６３°）ため、高エネルギーＴＨｚ生成では、プリズムの形態にあるＴＨｚ放射線を生成するための媒体を利用することは、このように生成されるＴＨｚビームの品質に非常に有害である。なぜなら、高エネルギーＴＨｚ生成に必要な幅広のポンプビームの場合、ポンプビームの断面的に対向する２つの側面に表われるＴＨｚパルスが著しく異なる長さにわたって生成され、故に、異なる程度で吸収および分散され、さらには、非線形効果もまた、生成の前記場所においてＬＮ結晶内で異なるためである。したがって、ポンプパルスの２つの側面に対称に位置する部分で生成されたＴＨｚパルスの強度、ならびに該ＴＨｚパルス内の経時的電界プロファイルは著しく異なり、即ち、低品質でかなり非対称のＴＨｚビームが得られる。粒子加速を効率的に実行するための重要な基準は、加速される粒子と、加速のために使用される制御可能な経時的プロファイルの場の強さを有するパルスとの正確な同期である。故に、このようにして取得可能な低ビーム品質の非対称のＴＨｚビームは、同期、ひいては効率的な粒子加速には不適当である。

【0007】

従来の傾斜パルスフロント技術の場合、ポンプビームのパルスフロント傾斜は、ビーム経路内に配置される（反射または透過型）光学格子上の回折によって得られる。次いで、ビームは、撮像によりレンズまたは望遠鏡を介して、テラヘルツ放射線生成のために非線形結晶内へと誘導され、格子の表面上のビームスポットの画像が、結晶内で作成される。従来の傾斜パルスフロントＴＨｚ放射線源の撮像誤差は、ポンプパルスの変形を引き起こし、具体的には、それらは、ポンプパルス長の局所的な伸びをもたらす（Ｌ．パルファルビ（Ｌ．Ｐａｌｆａｌｖｉ）らによる論文、表題「Ｎｏｖｅｌ ｓｅｔｕｐｓ ｆｏｒ ｅｘｔｒｅｍｅｌｙ ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｓｉｎｇｌｅ－ｃｙｃｌｅ ｔｅｒａｈｅｒｔｚ ｐｕｌｓｅ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｂｙ ｏｐｔｉｃａｌ ｒｅｃｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ」、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ．９２、ｉｓｓｕｅ １、ｐｐ．１７１１０７－１７１１０９（２００８）を参照のこと）。大断面を有するポンプビーム（即ち、幅広ビーム）の場合、この効果は、テラヘルツ放射線生成の効率に非常に有害である。これを改善するため、上に引用した刊行物は、いかなる撮像光学系も、ひいては撮像光学系により発生する撮像誤差もない、いわゆる接触型回折格子スキームの使用を提案している。このスキームでは、パルスフロントの傾斜は、非線形結晶の表面内に（例えばエッチングによって）直接的に形成される透過型光学格子上の回折によって得られる。（一般的には、マイクロメートルまたはサブマイクロメートル領域内に）形成される格子の周期の大きさは、非線形結晶の材料およびポンピングの波長によって決定される。ＬＮの場合、および典型的には約１μｍのポンプ波長を仮定すると、接触型回折格子は、典型的には少なくとも２５００～３０００ １／ｍｍの線密度が提供されなければならない（ナガシマ（Ｎａｇａｓｈｉｍａ）らによる論文、表題「Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｇｒａｔｉｎｇｓ Ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｉｎ ＬｉＮｂＯ _３ ｆｏｒ Ｈｉｇｈ－Ｐｏｗｅｒ Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ－Ｗａｖｅ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ」、Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ、ｖｏｌ．４９、ｐｐ．１２２５０４－１－１２２５０４－５（２０１０）、および修正論文、表題「Ｅｒｒａｔｕｍ：Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｇｒａｔｉｎｇｓ Ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｉｎ ＬｉＮｂＯ _３ ｆｏｒ Ｈｉｇｈ－Ｐｏｗｅｒ Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ－Ｗａｖｅ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ」、Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ、ｖｏｌ．５１、ｐ．１２２５０４－１（２０１２）、ならびにオルマン（Ｏｌｌｍａｎｎ）らによる論文、表題「Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ ｃｏｎｔａｃｔ ｇｒａｔｉｎｇ ｓｅｔｕｐ ｆｏｒ ｍＪ－ｅｎｅｒｙｇｙ ＴＨｚ ｐｕｌｓｅ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｂｙ ｏｐｔｉｃａｌ ｒｅｃｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ」、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｂ、ｖｏｌ． １０８、ｉｓｓｕｅ ４、ｐｐ．８２１－８２６（２０１２）を参照のこと）。現在のところ、この線密度を有する光学格子の作成は、可能であるとしても、技術的には明白ではない。加えて、テスト実験により、格子の線密度がしきい値（ＬＮの場合は約２０００ １／ｍｍ）を超える場合、得られた格子のプロファイルがぼやけることが示されている。結果として、得られた格子の回折効率は、理論的に予測された値を大きく下回り、ポンプパルス内のカップリングのかなり低減した効率に起因してテラヘルツ放射線生成の効率の劇的な低減を結果としてもたらす。

【0008】

接触型回折格子スキームのさらに著しい欠点は、平行平面構造が使用されるとき（２００８年のＰａｌｆａｌｖｉらによる前述の論文の記述に反して）テラヘルツ放射線を効果的に生成することができないということ、入射面および出射面を互いに対して傾斜し、ひいてはプリズム状素子の形態にあるテラヘルツ放射線生成のための媒体を提供することが回避不可能であることにある（２０１２年のＯｌｌｍａｎｎらによる上に引用した論文を参照のこと）。

【0009】

「第４１回赤外ミリ波とテラヘルツ波に関する国際会議（ＩＲＭＭＷ－ＴＨｚ）」（２０１６年９月２５～３０日）において表題「Ｃｏｍｐａｃｔ ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ ｉｎｔｅｎｓｅ ＴＨｚ ｌｉｇｈｔ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ：Ｃｏｎｔａｃｔ ｇｒａｔｉｎｇ ｗｉｔｈ Ｆａｂｒｙ－Ｐｅｒｏｔ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ」の下で公開されたツボウチ（Ｔｓｕｂｏｕｃｈｉ）らによる論文は、接触型回折格子によってテラヘルツパルスを生成するための方法を開示している。平行平面素子の形態で提供される非線形結晶内へのカップリングの効率を増大させるために、Ｆａｂｒｙ－Ｐｅｒｏｔ共振器として機能するダブルコーティング層が結晶の表面と回折格子との間に形成される。得られたＴＨｚビームを出射面上で前記平行平面構造からカップリングアウトすることは、垂直とは異なる方向で起こる。これは、数サイクルのみからなりかつ幅広の帯域幅を有するＴＨｚパルスの場合にはかなり不都合であり、個々のスペクトル成分の分離が、このようにして得られるＴＨｚパルスの実用的利用を不可能にする。

【0010】

Ｇ．Ｋ．アブガルヤン（Ｇ．Ｋ．Ａｂｇａｒｙａｎ）らによる論文、表題「Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ Ｐｕｌｓｅｓ Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｉｎ Ｓｉｎｇｌｅ－Ｄｏｍａｉｎ ＬｉＮｂＯ３ Ｃｒｙｓｔａｌ ｂｙ Ｓｔｅｐ－Ｗｉｓｅ Ｐｈａｓｅ Ｍａｓｋ」（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｏｎｔｅｍｐｏｒａｒｙ Ｐｈｙｓｉｃｓ（Ａｒｍｅｎｉａｎ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｉｅｎｃｅｓ）、ｖｏｌ．５１、ｉｓｓｕｅ １、ｐｐ．３５－４０（２０１６）を参照のこと）は、別個の段階的なプリズム様の位相マスクを備えたＬＮ結晶内で広帯域のＴＨｚ放射線を生成するためのスキームを教示している。ここでは、ＬＮ結晶は、ＬＮとは異なる材料でできた段階的位相マスクを備える三角柱形のプリズムとして提供される。広帯域のＴＨｚ放射線を得るために、初期パルスフロント傾斜のないポンピングビームが、段階的な位相マスクを通して向けられて、ビームの振幅フロントを傾斜し、傾斜した強度フロントを有する得られたポンピングビームが、次いで、ＬＮ結晶内へとカップリングされて、ＴＨｚ生成を実施する。ポンピングビームの励起レーザパルスによって引き起こされる回折歪みを回避するため、位相マスクの段に対応するマスク層を、薄いミラーコーティングにより互いから分離することができる。

【0011】

オフォリ－オカイ（Ｏｆｏｒｉ－Ｏｋａｉ）らによる論文、表題「ＴＨｚ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ａ ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ ｓｔａｉｒ－ｓｔｅｐ ｅｃｈｅｌｏｎ」（Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、ｖｏｌ．２４、ｉｓｓｕｅ ５、ｐｐ．５０５７－５０６７（２０１６）を参照のこと）は、テラヘルツ放射線生成のための傾斜パルスフロント技術を開示しており、ここではポンプビームのパルスフロント傾斜は、マイクロメートル領域内に入る周期での回折格子の代わりに、大きさが約１００マイクロメートルの周期を有する段階的構造上の反射（反射型エシェル格子を使用したスキーム）によって達成される。反射されるとき、パルスフロントは平均傾斜され、その程度は、階段状構造の段の高さおよび幅によって決定される。パルスフロントの微細構造も段階化され、この微細構造の幅は、段階的格子の幅の２倍であるが、その高さは、段階的格子の高さに等しい。速度整合により必要とされるパルスフロント傾斜は、ポンプパルスの伝搬経路内に配置された撮像光学系によって設定される。このように生成されたＴＨｚ放射線は、結晶内の段階的パルスフロントの包絡線に垂直の方向に沿って伝搬する。このように、ＴＨｚ放射線を結晶からカップリングアウトすることは、従来のスキーム（上記を参照のこと）のものと同じくさび角を有するプリズムを必要とする。結果として、高エネルギーテラヘルツ放射線生成に必要とされる幅広のポンプビームを使用するときは特に、得られたＴＨｚ放射線は、非対称であり、したがって、例えば粒子加速には不適当である。

【0012】

国際公開パンフレット第ＷＯ２０１７／０８１５０１Ａ２号（L. Palfalvi et al.）は、テラヘルツ放射線を生成するための方法および放射線源を開示している。開示される解決策は、従来の傾斜パルスフロントスキーム（上記を参照のこと）を接触型回折格子と組み合わせることによって得られる。パルスフロント傾斜は、ポンプビームのパルスフロント傾斜が従来の設定と接触型回折格子との間で分割されるようなやり方で２つの（またはそれ以上の）別個の段で起こることが好ましい。したがって、ここで発生する撮像誤差は、従来のスキームの撮像誤差に対して大いに低減される。さらには、ＬＮ結晶について実施されるモデル計算によると、有利には、単純な接触型回折格子スキームに必要とされる線密度より低い（即ち、約２０００ １／ｍｍ未満）線密度でさえ効率の良いテラヘルツ放射線生成を達成することができる。本方法を達成するための放射線源は、ポンプパルスを照射するためのポンプ源およびＴＨｚパルスを生成するための非線形光学媒体を備え、ポンプ源および非線形光学媒体が、光経路を一緒に画定し、前記ポンプパルスは、この光経路に沿ってポンプ源から非線形光学媒体まで進む。角分散誘起特性を有する第１の光学素子と撮像光学系とが前記光経路内にポンプパルスの伝搬方向に沿って順に配置される。さらには、ポンプパルスのパルスフロント傾斜を２つ以上の段において誘起するために、角分散誘起特性を有する少なくとも１つのさらなる素子も、光経路内に、角分散誘起特性を有する第１の素子と撮像光学系との後ろに配置される。テラヘルツ放射線を生成するための媒体は、プリズム状の素子の形態で提供される。ポンプビームのパルスフロント傾斜を分割した結果、適用されるプリズムのくさび角は、以前の解決策により必要とされるくさび角よりも小さくなる（ＬＮではγ≒３０°、ＬＴではγ≒４５°）が、依然として十分大きくて、得られたテラヘルツ放射線の利用の側面からは不都合である非対称のビームの生成を結果としてもたらす。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0013】

上述の観点から、本発明の目的は、優れたビーム特性のテラヘルツパルス（特に、対称ビームプロファイルを有する）の生成をスケーラブルな様式で可能にする、実用的用途に使用されるテラヘルツ放射線を生成するための方法および設定（これ以後、技術）を提供することである。本明細書内では、「スケーラブル」という用語は、本発明に従うテラヘルツ放射線源に適用されるポンプビームの断面ビームスポットの半径（所望のテラヘルツパルスエネルギーに比例する）は、生成されるテラヘルツ放射線の優れたビーム特性を維持しながら比較的幅広い限界の間で調整され得る。特に、ビームスポットの前記半径は、ｍｍ領域の値から数センチメートルの範囲内の値まで変化され得る。

【0014】

本発明のさらなる目的は、テラヘルツ放射線生成のための技術を提供し、それによりパルスエネルギーおよび今日利用可能なＴＨｚパルスの生成効率が増大されることである。

【0015】

本発明のまだその上にさらなる目的は、テラヘルツ放射線生成のための技術を提供し、それによりビーム断面において空間的な非対称が実質的にないテラヘルツビームの生成が、幅広のポンプビームの場合にさえ利用可能になることである。

【0016】

本発明のまだその上にさらなる目的は、エネルギーが単色である荷電粒子を発生させて前記粒子を効率的に加速するのに好適なテラヘルツ放射線を生成するための技術を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0017】

本発明者らの研究により、前述の目的は、速度整合条件を充足することに基づいているテラヘルツ放射線生成のための新規の設定によって達成することができるという結論が導かれ、ここでは、角分散誘起特性を有する第１の光学素子と、撮像光学系と、テラヘルツ放射線を生成するのに好適な非線形光学特性を有する媒体が、ポンプビーム源によって照射されるポンプビームの伝搬経路内に、前記ポンプビーム源の後ろ（即ちその下流）に配置され、非線形光学特性を有する媒体が、互いと本質的に平行である入射面および出射面によって画定される光透過（即ち、ポンプビームに対して透明の）平行平面結晶として提供され、入射面自体が、階段状構造として形成される。階段状構造の周期は、ポンプビーム源のポンプ波長より、何桁か、好ましくは少なくとも１または２桁大きい。これ以後、本発明者らは、非線形光学特性を有する媒体内へのポンプビームのカップラ手段として機能する前記断面的階段状構造を「段階的接触型回折格子」と呼ぶ。前記段階的接触型回折格子は、階段状構造の表面にわたる仮想の第１の方向に順に周期的に形成される段からなり、各段は、第１および第２の端（２つの短い方の端）および第１および第２の端の各々に垂直である１つの第３の端（長手方向の端）を含み、前記第３の端は、仮想の第１の方向に直角に延在する階段状構造の表面にわたる仮想の第２の方向に実質的に平行である。

【0018】

さらには、階段状接触型回折格子は、階段の第３の端（長手方向の端）に置かれた仮想平面（即ち、階段状接触型回折格子の包絡線）が、伝搬方向に平行の平面と所定の傾斜角（γ_ＮＭ）を形成するようなやり方で、伝搬方向に横方向に延在するように配置される。この傾斜角は、階段状接触型回折格子の個々の段の幾何学的パラメータによって決定される（即ち、各段の第１および第２の端の一方の幅ｗ、および前記段の第１および第２の端の他方の高さｈ、ならびに前記段の傾斜を特徴付ける段角度αであり、前記段の角度は、段の第１および第２の端の一方および第３の端によって画定される第１の平面と、前記段の第１および第２の端の他方の端および第３の端によって画定される第２の平面との間の傾斜の角度である）。直角の段の場合、即ちα＝９０°では、γ_ＮＭ＝ａｒｃｔａｎ（ｈ／ｗ）の関係が成り立つ。非線形光学媒体内で速度整合条件を充足するために、前記傾斜の角度は、適切な幾何学的基準を満たす。具体的には、非線形光学特性を有する媒体内へカップリングされ、前記インカップリング中にポンプビームのパルスフロントに関してセグメント化される、ポンプビームのパルスフロントの平均傾斜（γ）は、階段状接触型回折格子の包絡線の傾斜角に実質的に等しい（即ち、γ＝γ_ＮＭが成り立つ）。第二に、本発明に従うテラヘルツ放射線を生成するための設定において、ポンプビームのパルスフロント（傾斜角γ_０によって特徴付けられる）は、非線形光学特性を有する媒体内へのポンプビームの入射の直前、非線形光学特性を有するポンプパルスのセグメント化されたパルスフロント（平均傾斜によって特徴付けられる）の包絡線に実質的に平行であり、即ち、γ_ＮＭ＝γ_０が成り立つ。これ以後、前述の幾何学的特性を用いた生成設定は、ハイブリッドスキーム／設定／配置と呼ばれる。

【0019】

実用的用途に使用されるテラヘルツ放射線を生成するための方法を提供する目的は、請求項１に記載の方法を詳しく述べることによって達成される。本発明に従う方法のさらなる好ましい変形は、請求項２～５に明記される。実用的用途に使用されるテラヘルツ放射線を生成するためにテラヘルツパルス源を提供する目的は、請求項６に記載のテラヘルツ放射線源によって達成される。本発明に従う放射線源の好ましい実施形態は、請求項７～１７に明記される。

【0020】

本発明に従うテラヘルツ放射線を生成するための技術は、撮像光学系を使用した従来のスキームおよび階段状接触型格子の非自明な組み合わせによって（前述したことに従って）得られるハイブリッド技術である。本新規技術は、撮像光学系および従来の接触型回折格子を含む、国際公開パンフレット第ＷＯ２０１７／０８１５０１Ａ２号に開示されるテラヘルツ放射線生成技術に代わるものである。本発明に従うハイブリッド技術は、ポンプビーム内に撮像誤差が存在するが、そのような撮像誤差の程度が従来のスキームのものと比較して著しく低いという見地で、この以前のハイブリッドスキームに類似している。それにもかかわらず、本発明に従う技術は、テラヘルツ放射線生成の観点からスケーラブルである技術を提供する。特に、本発明に従う技術は、国際公開パンフレット第ＷＯ２０１７／０８１５０１Ａ２号の技術およびさらなる傾斜パルスフロント技術の両方に勝る大きな利点を有し、それは、ＴＨｚビームの完璧なビーム品質を達成するために必須である平行平面形状を有する結晶の形態にあるテラヘルツ放射線生成のための媒体を利用する。

【0021】

本発明の解決策のさらなる利点は、高線密度の従来の接触型回折格子のものより、何桁か、好ましくは少なくとも１または２桁大きい階段状接触型回折格子の周期の結果として、本発明に従って使用される階段状接触型回折格子が、製造に関する限りははるかにより簡単および確実に実施され得るということである。まだその上にさらなる利点は、ポンプビームを高効率で光学媒体内へカップリングすることができるということである。階段状構造の個々の段が当業者に知られている好適な反射防止コーティングで被覆される場合、前記インカップリングをさらに効率的にすることができる。

【0022】

以下では、本発明は、添付の図面を参照して詳細に説明される。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】本質的に平行平面構造を有する非線形光学結晶を用いて実施される、本発明に従ってテラヘルツ放射線を生成するためのハイブリッドスキームの縦断面図である。

【図2】図１に示される発明に従う設定において使用されるような、その入射表面において階段状接触型回折格子を備えた平行平面構造を有する非線形光学結晶に入射しているポンプビームのパルスフロント傾斜を例証する図である。

【図3a】従来のスキーム、および本発明に従うハイブリッドスキームにおける異なる初期パルス長（図３ａでは２００ｆｓ、図３ｂでは５００ｆｓ）について、パルスフロント（方向ｘ’）に沿って、即ちポンプパルスの伝搬方向に垂直の横断方向に沿ってλ_０＝１０３０ｎｍのポンプ波長を有する変換制限されたポンプパルスの局所ポンプパルス長（パルス広がり）を示す図である。

【図3b】従来のスキーム、および本発明に従うハイブリッドスキームにおける異なる初期パルス長（図３ａでは２００ｆｓ、図３ｂでは５００ｆｓ）について、パルスフロント（方向ｘ’）に沿って、即ちポンプパルスの伝搬方向に垂直の横断方向に沿ってλ_０＝１０３０のポンプ波長を有する変換制限されたポンプパルスの局所ポンプパルス長（パルス広がり）を示す図である。

【図4】反射型エシェル格子および階段状接触型回折格子の自由幾何学的パラメータ（ここでは、段の幅ｗ）を変化させることと併せて、様々なテラヘルツ放射線生成スキーム［グラフ（ａ）および（ｃ）：反射型エシェル格子を使用したスキーム（さらなる詳細については、Ｏｆｏｒｉ－Ｏｋａｉらによる論文を参照のこと）、グラフ（ｂ）および（ｄ）：階段状接触型回折格子を用いて実施される本発明に従うハイブリッドスキーム］に対応するモデル計算においてポンプパルスを使用した、λ_０＝１０３０ｎｍのポンプ波長を有する変換制限されたポンプパルスの光学媒体の厚さ（Ｌ）の関数としての、ならびに異なるパルス長［グラフ（ａ）および（ｂ）では２００ｆｓ、グラフ（ｃ）および（ｄ）では５００ｆｓ］についての、テラヘルツ放射線生成の効率（η）を例証する図であり、グラフ内の様々な曲線は、それぞれ、ｗ＝４０μｍ（正方形）、ｗ＝６０μｍ（円）、ｗ＝８０μｍ（三角形）、およびｗ＝１００μｍ（逆三角形）についてのものである。

【発明を実施するための形態】

【0024】

図１は、いわゆるハイブリッドテラヘルツビーム生成設定／スキームの好ましい実施形態例、すなわち本発明に従ってテラヘルツ放射線を生成するための放射線源１００を示す。放射線源１００は、ポンプビーム１２を提供するためのポンプ源１０、ならびにテラヘルツ放射線６０を生成するために非線形光学特性を有する媒体によって提供される光学素子５０を備える。光透過光学素子５０は、出射表面を形成する出射面５２と入射表面の役割を果たす入射面５１とによって画定され、出射面は本質的に（即ち、最大約２°の公差内）入射面と平行であり、したがって光学素子５０は、好ましくは平行平面構造を有する素子として形成される。テラヘルツ放射線６０は、好ましくは光整流を用いて、光学素子５０の厚さＬ内で、ポンプビーム１２と光学素子５０の材料との非線形光学相互作用の結果として発生させられ、次いで、光学素子５０の出射面５２を通って光学素子５０から出射し、次いでそれが使用され得る。所定の幾何学的パラメータによって特徴付けられる個々の段４１の周期的な段階的構造の形態において、階段状接触型回折格子４０は、入射面５１上に前記入射面５１との完璧な光学カップリングにおいて配置されるか、または入射面５１自体の中に形成される。

【0025】

ポンプ源１０および光学素子５０（それぞれ、開始素子および終了素子として）は、ポンプ源１０の照射点と入射面５１との間に延在する連続的な光経路を画定する。放射線源１００は、前記ポンプビームの伝搬の方向に沿った前記光経路内に、角分散誘起特性を有する第１の光学素子２０と、次いで好適な幾何学的配置にある撮像光学系３０とを備え、光学素子２０および撮像光学系３０、ならびに撮像光学系３０および階段状接触型回折格子４０は、光経路に沿って互いから所定の距離のところに配置される。

【0026】

ポンプ源１０は、好ましくは、最大で数百ｆｓのパルス長を有する可視、近赤外、または中赤外領域内のレーザパルス（ポンプビーム１２）を照射することができるレーザ源であり、それは、例えば、１０３０ｎｍの中心値照射波長を有するダイオードポンピングされたＹｂレーザによって提供される。他のレーザもまた、ポンプ源１０として使用することができる。

【0027】

光学素子２０は、光学素子に入射しそこを通って透過されるポンプビーム１２の角分散を誘起し、ひいてはポンプビーム１２のパルスフロントの所望の傾斜（以下を参照のこと）を（好ましくは、最初はゼロ傾斜で）作成する光学素子によって提供される。したがって、光学素子２０は、例えば透過型もしくは反射型光学格子、屈折型光学素子（好ましくは、１つ以上のプリズム）、またはそれらの組み合わせ（例えば、回折格子と組み合わせたプリズム、即ち、いわゆるグリズム）によって形成される。図１に例証される放射線源１００の実施形態例において、光学素子２０は、好ましくは、所定の格子定数を有する透過型格子であるが、当業者には明らかであるように、それは、他の角分散光学素子、例えば、反射型格子、あまり好ましくはないがプリズムなどとしても形成され得る。

【0028】

撮像光学系３０は、撮像光学系を含むテラヘルツ放射線を生成するために使用される従来の傾斜パルスフロント技術において知られている撮像光学系のうちのいずれかによって形成され得る。したがって、撮像光学系３０は、例えば、レンズ、レンズ望遠鏡、ミラー、ミラー望遠鏡、もしくは凹面鏡として使用することによって形成され得るか、またはミラー望遠鏡を使用するとき、凹面鏡によって形成される望遠鏡は、球状もしくは円筒状のいずれかの変形で実施され得る。撮像光学系３０を形成するために使用される光学素子のいずれかは、球状、円筒状、またはベストフォーム形状（撮像誤差に関して最小限にされる形状）のいずれかで実施され得る。図２に例証される放射線源１００の実施形態において、撮像光学系３０は、ポンプビーム１２の全断面ビームスポットを受容し透過する所定の直径を有する凸レンズの形態で提供される。撮像光学系３０は、図２に見られるように、階段状接触型回折格子４０を通って光学素子５０内へと、所望の程度まで事前に傾斜されたパルスフロントを有するポンプビーム１２を撮像する。特に、ビーム１２は、放射線源１００の光軸ｚに沿って、撮像光学系３０を通って、ｚ軸を横断して位置しそれとともに所定の角度を形成する光学素子５０と関連付けられた階段状接触型回折格子４０上へ入射し、接触型回折格子を通って、それは、平均パルスフロント傾斜によって特徴付けられるセグメント化されたパルスフロント４６を有する光学素子５０の容積内へと透過される。セグメント化されたパルスフロント４６のパルスフロント傾斜は、速度整合条件によって必要とされる傾斜に等しい。テラヘルツ放射線６０は、セグメント化されたパルスフロント４６の平均パルスフロント傾斜を有する包絡線４７と平行である位相フロントを有する光学素子５０内で生成され、したがって、テラヘルツ放射線６０の伝搬方向は、光学素子の入射面５１および出射面５２の両方に必ず垂直である。

【0029】

階段状接触型回折格子４０は、好ましくは、当業者に知られている機械加工法によって（例えば、エッチングによって）周期的な階段状構造として形成される。階段状構造４０の各段４１は、第１の短い方の端４１ｂ、第２の短い方の端４１ｃ、および両方の端４１ｂ、４１ｃに垂直に延在する第３の長い方の端４１ａを含む。段４１は各々、図１の拡大部分Ａによって示される、端４１ｂの高さｈ、端４１ｃの幅ｗ、ならびに端４１ｂおよび４１ａによって画定される限界面と端４１ｃおよび４１ａによって画定される限界面との間に形成される段角度αによって特徴付けられる。階段状接触型回折格子４０の段４１の長い方の端４１ａは、これ以後包絡線４２と呼ばれる、同じ共通平面内にある。図１に示される放射線源１００の実施形態において、段角度αは、実質的に（即ち、階段状接触型回折格子４０を製造するために使用される製造プロセスの公差内で）９０°であり、したがってこの場合、各段４１の２つの限界面は、互いに対して垂直であり、即ち、段４１は、直角の段として形成される。異なる実施形態において、段角度αは、９０°よりわずかに（最大で約１５°、好ましくは最大で約１０°、より好ましくは最大で数度のみ）大きい場合があり、即ち、それは鈍角であり得、各段は、得られた周期的な構造、即ち、階段状接触型回折格子４０の光透過特性、またはテラヘルツ放射線生成の効率が著しく低減されるまで、「傾斜」され得る。直角の段４１の場合、前記包絡線４２は、各段４１の幅ｗを有する各端４１ｂと角度γ_ＮＭを形成し、それは、γ_ＮＭ＝ａｒｃｔａｎ（ｈ／ｗ）の関係を使用して基本的な幾何学的原則を活用することによって計算され得る。段の方向にある階段状接触型回折格子４０の周期長、即ち、個々の段４１の幅ｗは、テラヘルツ放射線を生成するために使用されるポンプビーム１２の波長より数桁、好ましくは少なくとも１または２桁大きい。より好ましくは、階段状接触型回折格子４０の前記周期、即ち、幅ｗは、ポンプビーム１２の波長の少なくとも数十倍から最大で数百倍の間である。そのような周期長に対応する微細構造を有する光学構造を製造することは、２０００～３０００ １／ｍｍの線密度を有する光学格子を製造するよりもはるかに簡単である。光をカップリングインする効率を改善するために、階段状接触型回折格子４０の段４１の外側限界面は、任意選択的に、反射防止コーティングで被覆され得る。

【0030】

光学素子５０は、際立って高い非線形光学係数、即ち、実際には少なくとも１ｐｍ／Ｖ、典型的には１０ｐｍ／Ｖの数倍を超える非線形光学係数、ならびにテラヘルツおよび可視領域において互いから著しく異なる屈折率（即ち、２つの領域における屈折率の比は、実際のところは、１超、好ましくは１．１超、より好ましくは１．２である）を有する材料でできている。光学素子５０は、好ましくは、非線形光学相互作用の効率にとって、したがって例えば、光整流を用いたテラヘルツ放射線生成にとって最も有利である結晶軸配向で、ニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウム、および半導体材料、例えばＧａＰまたはＺｎＴｅでできている。さらには、反射損失を低減するため、および生成されたテラヘルツ放射線６０の角分散を回避するため、光学素子５０内の出射表面を形成する出射面５２は、放射線を光学素子５０から直角で出射面５２を通って照射するように構成される。

【0031】

図２およびその拡大部分Ｂは、ポンプビーム１２が階段状接触型回折格子４０に到達する前にテラヘルツ放射線を生成するためのポンプビーム１２のパルスフロント１５、およびテラヘルツ放射線生成プロセスにおいてポンプビーム１２が階段状接触型回折格子４０を通って透過された直後のポンプビーム１２のパルスフロント４６を概略的に例証する。パルスフロント１５は、ポンプビーム１２の位相フロントに対して傾斜γ_０を有し、即ち、ポンプビーム１２は、そのパルスフロントに関してある程度まで事前に傾斜されるビームである。パルスフロント１５の事前傾斜および事前傾斜の好適な程度（γ_０の値）により、本発明に従うテラヘルツ放射線源１００の光学素子５０が、実質的に平行平面の結晶として形成されること、ひいてはその物理特性が実質的に対称であるＴＨｚビームの生成が可能になる。本発明に従う放射線源１００の場合、ポンプビーム１２のパルスフロント１５の（所望の程度までの）事前傾斜は、好ましくは、角分散特性を有する光学素子２０およびそれに続いて配置される撮像光学系３０によって実行される。光学素子５０内にカップリングされるポンプビーム１２のパルスフロント４６は、結晶内でポンプビーム１２の位相フロントに対して傾斜される。カップリングインに使用される階段状接触型回折格子４０の階段状構成の結果として、パルスフロント４６はセグメント化され、その傾斜は、パルスフロント４６に沿って次から次へと（また周期的に）変化する。したがって、パルスフロント４６の傾斜は、平均傾斜角度γによって特徴付けることができる。傾斜角度γは、部分Ｂに示される、結晶内のポンプビーム１２の位相フロントとパルスフロント４６の包絡線４７との間の角度として規定される。

【0032】

光学素子５０内でテラヘルツ放射線を生成するときにテラヘルツ放射線６０の良好なビーム品質を達成するために、
－ ポンプビーム１２は、階段状接触型回折格子４０の段４１の幅ｗの限界面に対して垂直に階段状接触型回折格子４０内へカップリングされ、
－ 速度整合条件は、平行平面構造を有する光学素子５０内で満足され、即ちＶ_ｐ，ｃｓｃｏｓ（γ）＝Ｖ_{ＴＨｚ，ｆ}であり、式中ｖ_ｐ；ｃｓは、ポンプビーム１２の群速度であり、ｖ_{ＴＨｚ；ｆ}は、テラヘルツパルスの位相速度であり、γは、ポンプビーム１２の位相フロントに対するポンプビーム１２のパルスフロントの傾斜であり、
－ 生成されたテラヘルツ放射線６０は、光学素子５０の出射面５２に垂直に光学素子５０から出射し（図１を参照のこと）、したがって反射損失は、最小限に低減され、テラヘルツ放射線６０は角分散がない。
上記条件は、対応する幾何学的条件の充足を必要とし、即ち
（ｉ）階段状接触型回折格子４０の包絡線４２は、セグメント化されたパルスフロント４６の包絡線４７と平行でなければならず、即ち、γ＝γ_ＮＭ＝ａｔａｎ（ｈ／ｗ）であり、
（ｉｉ）セグメント化されたパルスフロント４６の平均傾斜は、光学素子５０内にカップリングされる前にポンプビーム１２の事前傾斜に等しくなければならず、即ち、γ＝γ_０である。

【0033】

上記の幾何学的条件が満足されると、テラヘルツ放射線生成は、高テラヘルツ生成効率および完璧なテラヘルツビーム品質を有する（テラヘルツパルスが得られ、そのパラメータは非対称がない）非線形光学特性の平行平面結晶を使用することによって起こる。このようにして得られたＴＨｚ放射線は、角分散がない。

【0034】

明らかなように、非線形光学媒体の材料およびポンプ源１０を選択することによって、前述の幾何学的パラメータは固有に固定化する。光学素子５０がＬＮ結晶であることが選択される場合、γ≒６３°が当てはまり、したがって階段状接触型回折格子４０の段４１のパラメータは、関係ｈ／ｗ＝１．９６２６１を満足することになる。ここでポンプ源のポンプ波長が約１μｍであることを選択することにより、幅ｗの絶対長は約３０～１００μｍに設定することができる。故に、必要とされる寸法を有する階段状接触型回折格子４０を製造することができる。

【0035】

ポンプビームのパルスフロント傾斜は、非線形光学特性を有する光学媒体内へ入射する前と光学媒体自体の中で同じであるということに基づいて、本発明に従うハイブリッドスキームに使用される階段状構造がパルスフロントを傾斜することに何の役割も果たさないと結論付けることは誤りであるということに留意されたい。具体的には、ポンプビームが平坦表面を通って直角で光学媒体に入射した場合、パルスフロントの傾斜は減少し、光学媒体内の傾斜の接線は、光学媒体内へ入射する前の傾斜の接線よりｎ_ｐ，ｃｓ倍低く、ここでｎ_ｐ，ｃｓは、ポンプ波長における非線形光学特性を有する光学媒体の群屈折率である。特に、例えば、ＬＮ結晶が非線形特性を有する光学媒体として使用される場合、角分散誘起特性を有する従来の第１の光学素子および階段状接触型回折格子自体が、ＬＮの場合ｎ_ｐ，ｃｓ≒２が当てはまることが理由で、速度整合条件によって必要とされるパルスフロント傾斜に対してほぼ同じだけ貢献する。

【0036】

これを別の言い方をすると、本発明に従うハイブリッドスキームに使用される階段状接触型回折格子は、段の幾何学的パラメータが好適に選択される場合にはポンプビームのパルスフロント傾斜を一定値に保ち、ここではテラヘルツ放射線を生成するための光学媒体内で高効率での最適なＴＨｚ放射線生成に必要とされる速度整合条件を満たすために、前記傾斜は以前に設定されており（好ましくは、角分散誘起特性を有する第１の光学素子および／または撮像光学系によって）、傾斜の前記一定値は、使用される光学媒体の材料によって固有に決定される。

【0037】

図３は、従来のスキーム、および本発明に従うテラヘルツビーム生成のためのハイブリッドスキームにおける異なる初期パルス長（図３ａでは２００ｆｓ、図３ｂでは５００ｆｓ）について、パルスフロント（方向ｘ’、図１を参照のこと）に沿って、即ちポンプパルスの伝搬方向に垂直の横断方向に沿ってλ_０＝１０３０のポンプ波長を有する変換制限されたポンプパルスの局所ポンプパルス長（パルス広がり）を示す。図３ａおよび図３ｂがどのように派生したかの理論的詳細、数学的概算および考察は、例えば、Ｊ．Ａ．フュレプ（Ｊ．Ａ．Ｆｕｌｏｐ）らによる論文、表題「Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｈｉｇｈ－ｅｎｅｒｇｙ ｔｅｒａｈｅｒｔｚ ｓｏｕｒｃｅｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｒｅｃｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ」（Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、ｖｏｌ．１８、ｐｐ．１２３１１－１２３２７（２０１０））において見ることができる。図３は、ポンプビームがＬＮ光学結晶に入射する直前のポンプビームの計算されたポンプパルス広がりを示す。図３はまた、本発明に従うハイブリッドスキームを使用することによって、特により大きなスポットサイズ（および高エネルギーテラヘルツ放射線生成に必須の高パルスエネルギーの）ポンプパルス内で発生し、テラヘルツ生成において非対称特性を有するＴＨｚビームをもたらす撮像誤差に起因するポンプパルス広がりが、大幅に低減され得ることを示す。

【0038】

図４は、反射型エシェル格子および階段状接触型回折格子の自由幾何学的パラメータ（ここでは、個々の段の幅ｗ）を変化させることと併せて、ＬＮ結晶を使用する場合に、異なるテラヘルツ放射線生成スキーム［グラフ（ａ）および（ｃ）：反射型エシェル格子を使用したスキーム（Ｏｆｏｒｉ－Ｏｋａｉらによる論文を参照のこと）、グラフ（ｂ）および（ｄ）：階段状接触型回折格子を用いて実施される本発明に従うハイブリッドスキーム］に対応するモデル計算においてポンプパルスを使用した、λ_０＝１０３０ｎｍのポンプ波長を有する変換制限されたポンプパルスの光学媒体の厚さ（Ｌ）の関数としての、ならびに異なるパルス長［グラフ（ａ）および（ｂ）では２００ｆｓ、グラフ（ｃ）および（ｄ）では５００ｆｓ］についての、テラヘルツ放射線生成の効率ηのいくつかの例を示し、グラフ内の様々な曲線は、それぞれ、ｗ＝４０μｍ（正方形）、ｗ＝６０μｍ（円）、ｗ＝８０μｍ（三角形）、およびｗ＝１００μｍ（逆三角形）についてのものである。各曲線の導出に関するバックグラウンドを形成する数学的モデルの詳細な説明は、今後公開される本発明者らの別個の科学刊行物において見ることができ、それは本出願の限界を超えるものである。しかしながら、図４において明白に分かるように、理論的計算では、実際的に存在しテラヘルツ放射線生成に使用されるある特定の構成におけるテラヘルツ生成効率ηが、本発明によるハイブリッドスキームの場合、従来の生成スキーム、この場合はＯｆｏｒｉ－Ｏｋａｉらによる論文において説明されるものに対して約１桁増加することが予測されている。さらには、単に例として、計算に従って、５０ｍＪパルスエネルギー、５００ｆｓパルス長、および８ｍｍビームスポット半径を有するポンプパルスを利用し、ＬＮ結晶内でのテラヘルツ放射線生成を実施することによって、０．５ｍＪのパルスエネルギーを有するＴＨｚパルスを、約１％の生成効率で生成することができる。

【0039】

要旨：高エネルギーテラヘルツ放射線を生成するための新規の生成スキームが、従来のパルスフロント傾斜ベースの技術を、ポンプパルスを非線形光学結晶内へカップリングするための透過型の階段状接触型回折格子と組み合わせることによって発展され、ここでは階段状構造の周期は、ポンプビームの波長の数十倍から数百倍の間に及ぶ。新規スキームの最大の利点は、ある特定の簡単な幾何学的基準が満たされる場合に、光学結晶を、平行平面形状のユニットの形態でスキーム内で使用することができるということである。結果として、優れたビーム品質を有しかつ物理的特性が対称であるＴＨｚビームを、改善された生成効率で生成することができる。前記新規スキームに基づく本発明に従うテラヘルツ放射線源および方法は、幅広のポンプビームの適用を必要とする高エネルギーＴＨｚ放射線の生成に特に有利である。

【符号の説明】

【0040】

１０ ポンプ源、１２ ポンプビーム、１５ パルスフロント、２０ 第１の光学素子、３０ 撮像光学系、４０ 階段状接触型回折格子、４１ 段、４１ａ 長手方向の端、４１ｂ 第１の短い方の端、４１ｃ 第２の短い方の端、４２ 包絡線、４６ セグメント化されたパルスフロント、４７ 包絡線、５０ 光学素子、５１ 入射面、５２ 出射面、６０ テラヘルツ放射線、１００ 放射線源。

【図1】

【図2】

【図3a】

【図3b】

【図4】