特許 7446323 高エネルギテラヘルツパルスを発生させるための反射及び／又は回折ベースの方法及び装置

(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】2024-02-29

(45)【発行日】2024-03-08

(54)【発明の名称】高エネルギテラヘルツパルスを発生させるための反射及び／又は回折ベースの方法及び装置

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/39 20060101AFI20240301BHJP

【ＦＩ】

G02F1/39

【請求項の数】 28

(21)【出願番号】P 2021547958

(86)(22)【出願日】2019-10-31

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2022-01-20

(86)【国際出願番号】 HU2019050048

(87)【国際公開番号】W WO2020188307

(87)【国際公開日】2020-09-24

【審査請求日】2022-10-31

(31)【優先権主張番号】18203893.5

(32)【優先日】2018-10-31

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(31)【優先権主張番号】19169363.9

(32)【優先日】2019-04-15

(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】トス ジョルジュ

【審査官】林 祥恵

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－０５４９５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１８０８０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１８－５３００１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１８／０１０１０８５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２００８／０２６５１６５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】M． I. BAKUNOV et al.，“Terahertz generation with tilted-front laser pulses in a contact-grating scheme”，Journal of the Optical Society of America B，2014年10月06日，Vol. 31, No. 11，pp. 2549-2557，DOI: 10.1364/JOSAB.31.002549

【文献】J． A. FULOP et al.，“Semiconductor THz source scalable to mJ energy”，2016 41st International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz waves (IRMMW-THz)，2016年09月，pp.1-2，DOI: 10.1109/IRMMW-THz.2016.7758390

【文献】J． A. FULOP et al.，“Highly efficient scalable monolithic semiconductor terahertz pulse source”，Optica，2016年09月21日，Vol. 3, No. 10，pp.1075-1078，DOI: 10.1364/OPTICA.3.001075v

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｆ １／００－１／１２５

Ｇ０２Ｆ １／２１－１／３９

Ｇ０２Ｂ ６／１２－６／１４

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

テラヘルツ放射（６０）を発生させる方法であって、前記方法は、
平面入口面（５１）及び前記入口面（５１）に平行な後部境界面（５２）を有する、非線形光学特性を有する非線形光学媒質から形成された平面平行光学要素（５０）を提供するステップと、
ポンプビーム（１２）を前記入口面（５１）に垂直に前記入口面（５１）を通して前記光学要素（５０）内へと結合するステップと、
前記ポンプビーム（１２）を第１伝搬方向に沿って、前記光学要素（５０）の前記後部境界面（５２）に形成された周期的レリーフ構造（５３）、及び、付加要素（１５０）の表面（１５１）に形成された周期的レリーフ構造（１５３）のうちの１つまで導くステップであって、前記表面（１５１）は、前記後部境界面（５２）に面し、前記後部境界面（５２）に平行に延在して、前記光学要素（５０）の前記後部境界面（５２）に光結合されている、ステップと、
前記ポンプビーム（１２）に反射及び回折のうちの少なくとも１つを受けさせるステップと、
それによって前記ポンプビーム（１２）を部分ビーム（１２１）へと分割するステップであって、前記部分ビーム（１２１）は、共通の平面包絡線（２１２）を有する、ステップと、
ポンプビームとしての前記部分ビーム（１２１）によって、非線形光学相互作用を介して前記非線形光学媒質内にテラヘルツ放射（６０）を発生させるステップと、
前記光学要素（５０）から前記入口面（５１）を通して前記テラヘルツ放射（６０）を分離するステップと、
を含み、
前記周期的レリーフ構造（５３、１５３）は、前記第１伝搬方向に垂直で互いに平行である第１区域を少なくとも備え、前記第１区域のそれぞれは、前記第１伝搬方向に沿った平面断面内に対称形Ｖ形状を有し、前記Ｖ形状の脚部と前記後部境界面（５２）とによって形成された角の大きさが、光学媒質内部で次式（１）の速度整合条件を満たすことが必要なパルス面傾斜の角（γ）の半分であり、
ｖ_ｐ，ｃｓｃоｓ（γ）＝ｖ_{ＴＨｚ，ｆ} （１）
関係（１）において、ｖ_ｐ，ｃｓは、前記ポンプビーム（１２）の群速度であり、ｖ_{ＴＨｚ，ｆ}は、前記テラヘルツ放射（６０）の位相速度であり、γは、パルスと前記ポンプビーム（１２）の位相面との間に形成された角、すなわち前記パルス面傾斜の角そのものであり、
前記反射及び／又は回折後に、前記部分ビーム（１２１）は、前記第１伝搬方向に対して角γで伝搬し、前記平面包絡線（２１２）は、前記光学要素（５０）の前記入口面（５１）に向かって速度ｖ_{ＴＨｚ，ｆ}で進行する、
ことを特徴とする方法。

【請求項2】

前記ポンプビーム（１２）を前記第１伝搬方向に沿って前記周期的レリーフ構造（５３、１５３）まで導くステップと、
前記ポンプビーム（１２）に反射を受けさせるステップと、
を更に含み、
前記周期的レリーフ構造（５３、１５３）は、前記第１伝搬方向に垂直で、互いに平行で、前記第１区域の前記対称形Ｖ形状を構成する各斜面の間に設けられた第２区域を更に備え、
前記第２区域のそれぞれは、パルス面傾斜につき前記ポンプビーム（１２）をもたらす前記後部境界面（５２）と角を形成し、
前記パルス面傾斜の範囲は、関係（１）の前記速度整合条件を満たすには不十分である、
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記第２区域は、前記後部境界面（５２）に実質的に平行である、
ことを特徴とする請求項２に記載の方法。

【請求項4】

前記第２区域の幅（ｕ）は、前記第１区域の全幅の半分（ｗ）の大きくても５％である、
ことを特徴とする請求項２又は３に記載の方法。

【請求項5】

前記光学媒質から切り離された後の更なる使用のために、前記ポンプビーム（１２）から前記テラヘルツ放射（６０）を分離するステップを更に含む、
ことを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の方法。

【請求項6】

前記テラヘルツ放射（６０）の経路内にダイクロイックミラーを配列することによって、前記ポンプビーム（１２）から前記テラヘルツ放射（６０）を分離するステップを更に含む、
ことを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載の方法。

【請求項7】

前記第１伝搬方向に垂直な軸線周りに前記光学要素（５０）をわずかに回転させることによって、前記ポンプビーム（１２）から前記テラヘルツ放射（６０）を分離するステップを更に含む、
ことを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載の方法。

【請求項8】

前記非線形光学媒質は、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）又はタンタル酸リチウム（ＬＴ）である、
ことを特徴とする請求項１～７のいずれか１項に記載の方法。

【請求項9】

前記非線形光学媒質は、半導体であり、好ましくは、ＧａＰ、ＺｎＴｅ、ＧａＡｓからなる群から選ばれた半導体である、
ことを特徴とする請求項１～７のいずれか１項に記載の方法。

【請求項10】

前記ポンプビーム（１２）は、少なくとも５フェムト秒から多くとも数ピコ秒までの範囲に及ぶパルス長を有する、可視、近赤外線、又は中赤外線範囲内のレーザパルスである、請求項１～９のうちの１項に記載の方法。

【請求項11】

ポンプビーム（１２）によってテラヘルツ放射（６０）を発生させる光学要素であって、互いに平行な前部境界面と後部境界面（５１、５２）によって長手方向に囲まれた非線形光学特性を有する媒質から形成されている前記光学要素であって、
周期的レリーフ構造（５３）が、前記後部境界面（５２）に形成され、
前記レリーフ構造（５３）は、前記長手方向に垂直で互いに平行な第１区域を少なくとも備え、
前記第１区域のそれぞれは、前記長手方向に沿った平面断面内に対称形Ｖ形状を有し、
前記Ｖ形状の脚部と前記後部境界面（５２）とによって形成された角の大きさは、光学媒質内部で次式（１）の速度整合条件を満たすのに必要なパルス面傾斜の角（γ）の半分であり、
ｖ_ｐ，ｃｓｃоｓ（γ）＝ｖ_{ＴＨｚ，ｆ} （１）
関係（１）において、ｖ_ｐ，ｃｓは、前記ポンプビーム（１２）の群速度であり、ｖ_{ＴＨｚ，ｆ}は、前記テラヘルツ放射（６０）の位相速度であり、γは、パルスと前記ポンプビーム（１２）の位相面との間に形成された角、すなわち前記パルス面傾斜の角そのものである、
ことを特徴とする光学要素。

【請求項12】

ポンプビーム（１２）によってテラヘルツ放射（６０）を発生させる光学要素であって、互いに平行な前部境界面と後部境界面（５１、５２）によって長手方向に囲まれた非線形光学特性を有する媒質から形成されている前記光学要素であって、
前記光学要素（５０）の前記後部境界面（５２）は、付加要素（１５０）の表面（１５１）に光結合され、
前記表面（１５１）は、前記後部境界面（５２）に面して前記後部境界面（５２）に平行に延在し、
周期的レリーフ構造（１５３）が、前記表面（１５１）に形成され、
前記レリーフ構造（１５３）は、前記長手方向に垂直で互いに平行な第１区域を少なくとも備え、
前記第１区域のそれぞれは、前記長手方向に沿った平面断面内に対称形Ｖ形状を有し、
前記Ｖ形状の脚部と前記後部境界面（５２）とによって形成された角の大きさは、光学媒質内部で次式（１）の速度整合条件を満たすのに必要なパルス面傾斜の角（γ）の半分であり、
ｖ_ｐ，ｃｓｃоｓ（γ）＝ｖ_{ＴＨｚ，ｆ} （１）
関係（１）において、ｖ_ｐ，ｃｓは、前記ポンプビーム（１２）の群速度であり、ｖ_{ＴＨｚ，ｆ}は、前記テラヘルツ放射（６０）の位相速度であり、γは、パルスと前記ポンプビーム（１２）の位相面との間に形成された角、すなわち前記パルス面傾斜の角そのものである、
ことを特徴とする光学要素。

【請求項13】

前記付加要素（１５０）は、金属、好ましくは、ステンレス鋼、又はアルミニウムでできている、
ことを特徴とする請求項１２に記載の光学要素。

【請求項14】

金属被覆、好ましくは金層が、前記後部境界面（５２）に面する前記付加要素（１５０）の前記表面（１５１）に形成された前記周期的レリーフ構造（１５３）に適用され、
前記金層は、最大数ミクロンの層厚を有する、
ことを特徴とする請求項１２又は１３に記載の光学要素。

【請求項15】

屈折率整合媒質（１５５）は、前記後部境界面（５２）と前記後部境界面（５２）に面する前記付加要素（１５０）の前記表面（１５１）との間に配列されて、前記光結合を提供する、
ことを特徴とする請求項１２～１４のいずれか１項に記載の光学要素。

【請求項16】

前記屈折率整合媒質（１５５）は、半導体ナノ結晶エマルジョンである、
ことを特徴とする請求項１５に記載の光学要素。

【請求項17】

前記周期的レリーフ構造（５３、１５３）は、ブレーズドレリーフ構造である、
ことを特徴とする請求項１１～１６のいずれか１項に記載の光学要素。

【請求項18】

前記周期的レリーフ構造（５３、１５３）は、前記長手方向に垂直で、互いに平行で、前記第１区域の前記対称形Ｖ形状を構成する各斜面の間に設けられた第２区域を更に含み、
前記第２区域のそれぞれは、パルス面傾斜につき前記ポンプビーム（１２）をもたらす前記後部境界面（５２）と角を形成し、
前記パルス面傾斜の範囲は、関係（１）の前記速度整合条件を満たすのに不十分である、
ことを特徴とする請求項１１～１７のいずれか１項に記載の光学要素。

【請求項19】

前記第２区域は、前記後部境界面（５２）に実質的に平行である、
ことを特徴とする請求項１８に記載の光学要素。

【請求項20】

前記第２区域の幅（ｕ）は、前記第１区域の全幅の半分（ｗ）の大きくても５％である、
ことを特徴とする請求項１８又は１９に記載の光学要素。

【請求項21】

非線形光学特性を有する前記媒質は、非常に高い非線形光学係数を有する物質でできており、
テラヘルツ領域と可視領域とにおける前記物質の屈折率は、実質的に互いに異なる、
ことを特徴とする請求項１１～２０のいずれか１項に記載の光学要素。

【請求項22】

非線形光学特性を有する前記媒質は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）又はタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）である、
ことを特徴とする請求項１１～２１のいずれか１項に記載の光学要素。

【請求項23】

非線形光学特性を有する前記媒質は、半導体であり、好ましくはＧａＰ、ＺｎＴｅ、及びＧａＡｓからなる群から選択される、
ことを特徴とする請求項１１～２２のいずれか１項に記載の光学要素。

【請求項24】

ポンプビーム（１２）を放出して、それを光路内へと結合するためのポンプ源（１０）と、
前記前部及び後部境界面（５１、５２）が前記テラヘルツ放射（６０）を発生させるために前記光路に実質的に垂直であるように前記光路内に配列されている、請求項１１～２３のいずれか１項に記載の光学要素（５０）と、
前記光学要素（５０）から出る前記テラヘルツ放射（６０）と前記光路内へと結合される前記ポンプビーム（１２）とを分離する分離機構と、
を備えることを特徴とするテラヘルツ放射線源（１００、１００’）。

【請求項25】

前記分離機構は、前記発生させられたテラヘルツ放射（６０）の経路内に配列されたダイクロイックミラー（７０）の形式で提供されている、
ことを特徴とする請求項２４に記載のテラヘルツ放射線源（１００、１００’）。

【請求項26】

前記分離機構は、傾斜機構の形式で提供され、
前記傾斜機構は、前記前部境界面（５１）上に実質的に垂直に衝突する前記ポンプビーム（１２）に対して、前記光路内で前記光学要素（５０）の前記前部境界面（５１）をわずかに傾斜させる、
ことを特徴とする請求項２４に記載のテラヘルツ放射線源（１００、１００’）。

【請求項27】

前記ポンプ源（１０）は、少なくとも５フェムト秒から多くとも数ピコ秒までの範囲に及ぶパルス長を有する、可視、近赤外線、又は中赤外線範囲内のレーザパルスを放出するように構成されたポンプ源である、
ことを特徴とする請求項２４～２６のいずれか１項に従うテラヘルツ放射線源（１００、１００’）。

【請求項28】

帯電粒子を単色化し、同期して加速するために、請求項１～１０のいずれか１項に記載の方法によって、又は請求項２４～２７のいずれか１項に記載の放射線源（１００、１００’）によって発生させられたテラヘルツ放射（６０）の使用。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、テラヘルツ放射を発生させるための方法及び装置に関する。具体的には、本発明は、反射及び／又は回折ベースの方法及び装置に関し、該方法及び装置は、得られたテラヘルツパルスについてのビーム特性、効率、及びエネルギースケーラビリティの改善を有するテラヘルツパルスを発生させるように別個に調節されるべき結像手段も光学格子もともに備えていない。

【背景技術】

【0002】

現在、帯電粒子、例えば電子又は陽子の加速は、約０．１ＴＨｚから約１０ＴＨｚまでに及ぶ周波数（契約書のとおり）を有する強いテラヘルツ（ＴＨｚ）パルスについての新たな有望な適用分野である。テラヘルツパルスは、従来、超短光パルス、すなわち数フェムト秒（ｆｓ）から数ピコ秒（ｐｓ）までの範囲のパルス長を有する光パルスを、一般に結晶内部での光整流によって非線形光学特性を有する結晶内に結合させることによって発生させられた。このために、数百フェムト秒のパルス長を有する可視又は近赤外線領域内のポンプパルスが、典型的に用いられる。

【0003】

効率的なテラヘルツ放射発生を達成するためには、いわゆる速度整合条件が満たされなければならない。したがって、テラヘルツ放射発生に用いられるポンプパルスの群速度は、このように発生させられたＴＨｚパルスの位相速度と等しくなければならない。

【0004】

効率的なテラヘルツ放射発生を達成するには、また、非線形光学特性を有する結晶が大きい２次非線形光学係数を示すことが必要条件である。この条件を満たす（つまり、２次非線形光学係数が、典型的に数十ｐｍ／Ｖよりも大きい）多くの材料について、赤外線及びＴＨｚ範囲で測定される材料の屈折率同士の間の差もまた大きい。このことは、リン化ガリウム（ＧａＰ）、テルル化亜鉛（ＺｎＴｅ）、及びガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、並びにニオブ酸リチウム（ＬＮ）、及びタンタル酸リチウム（ＬＴ）等のいくつかの半導体であって、非常に高い（約１６０～１７０ｐｍ／Ｖ）非線形光学係数を有するものに当てはまる。最後の２つの材料については、赤外線領域内の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よりも大きい。このことは、条件としての、ポンピングとテラヘルツパルスとの間の上記速度整合を従来技術によるのでは達成不可能にする。それにもかかわらず、傾斜パルス面技術（非特許文献１の論文を参照）がこの問題についての解決策を提供する。これに従うと、テラヘルツ放射の発生が、光パルスによって達成され、該光パルスのパルス面（強度面）が波面に対して所望の角（γ）のところにある。速度整合の条件を満たすために、発生させられたＴＨｚビームが傾斜パルス面に対して垂直に伝搬するとき、テラヘルツ放射伝搬の方向に沿ったポンピング群速度ｖ_ｐ，ｃｓの射影は、ＴＨｚビームの位相速度ｖ_{ＴＨｚ，ｆ}と等しくなければならない、つまり、（１）の関係が満たされなければならない。
ｖ_ｐ，ｃｓｃоｓ（γ）＝ｖ_{ＴＨｚ，ｆ} （１）
特に、近赤外線領域でのポンプ波長について、上記関係が、ＬＮについてはγ≒６２°～６３°、ＬＴについてはγ≒６８°～６９°、ＺｎＴｅについてはγ≒２２°～２９°において満たされる。

【0005】

今日では、粒子加速度に適した周波数（すなわち、約０．２～２．０ＴＨｚの）を有する最高エネルギーＴＨｚパルスは、ＬＮ結晶によって及び傾斜パルス面技術（非特許文献２の論文を参照）によって発生させられてもよい。０．４３ｍＪのパルスエネルギーを生成する、この発行物に記載された高エネルギーＴＨｚ放射源は、常に、非線形光学結晶としてのプリズム形状ＬＮ結晶を利用する。一方、これについて理由は、反射損を最小化するためには、ポンプパルスが直角に結晶に入らなければならず、そして、発生させられたＴＨｚパルスが直角にそれからまた出なければならないことである。直角でＴＨｚビームを結合解除することは、また、このようにして発生させられたＴＨｚビームが、更なる利用の観点からの非常に重要な条件である角分散がないことを確実にする。したがって、上記の関係（１）の速度整合条件を満たすために、ＴＨｚ放射源内で用いられるＬＮ結晶の出口面が、その角γにちょうど等しいＬＮ結晶の入口面との明確な楔角を形成しなければならない。以下において、用語「出口面」とは、テラヘルツ源に用いられる非線形光学媒質の実質的に平坦な表面を指し、発生させられたＴＨｚビームがそれを通って媒質を出、一方、用語「入口面」とは、光学媒質の実質的に平坦な表面を指し、ポンプビームがそれを通って上記光学媒質に入ることになる。

【0006】

ＬＮ結晶についての楔角の値が大きいので（室温でγ≒６３°、１００Ｋでγ≒６２°）、高エネルギーを有するテラヘルツ波を発生させるためのプリズム形状媒質の適用は、発生させられたＴＨｚビームの品質に対して非常に有害であり、広範囲ポンプビームについては高エネルギーＴＨｚパルスを発生させることが必要であり、断面内のポンプビームの両側に形成されているＴＨｚパルスが、有意に異なる空間長にわたって発生させられ、それで、ＬＮ結晶内で異なる程度にまで吸収及び分散を受け、更に、非線形効果もまた結晶内の上記発生場所で異なる。そのため、ポンプパルスの対称形の対向する空間部分で発生させられたＴＨｚパルスの強度と時間的な電界プロファイルの両方は、有意に異なる、すなわち、低品質で非常に非対称形のＴＨｚビームが得られる。その結果として、ＴＨｚビームは、強い集束に受け得ず（それの範囲が、回折によって限定された集束の範囲にいずれにしろ対応することになり）、そのため、２つ点で有効な粒子加速の実現を大いに制限する。一方では、大きいサイズの集束ビームに起因して、電界強さ、したがって十分に高い加速度場勾配が、有効な粒子加速について達成され得ず、他方では、大きいサイズの集束スポットが、上記パルスによって加速されるべき粒子とＴＨｚパルスを正確に同期させることを不可能にするが、それは、また、有効な粒子加速についての必要条件である。

【0007】

特許文献１が、いわゆる従来の傾斜パルス面励起方式を開示する。この場合、ポンプビームのパルス面傾斜は、ビーム経路内に配列された（反射又は透過）光学格子上で上記ポンプビームを回折させることによって概して得られる。そのとき、ビームは、結像手段、好ましくはレンズ又はテレスコープを通して、テラヘルツ放射発生についての非線形光学特性を有する結晶内への結像によって案内され、格子の表面上に落ちるビームスポットの像が、結晶内側に生成される。従来の傾斜パルス面ＴＨｚ放射源の結像誤差は、ポンプパルスの歪みを誘発させる、すなわち、上記誤差が、ポンプパルス長の局所的な増大をもたらす。大断面を有するポンプビームの場合（すなわち、広範囲ポンプビームについて）、これは、テラヘルツ放射発生の有効性について非常に有害である。これを改善するために、科学的出版物である非特許文献３が、なんらかの結像光学素子が存在しない、したがって結像光学素子に起因する結像誤差が存在しない、ＴＨｚ放射を発生させるためのいわゆる接触格子方式を提案する。この方式では、パルス面の傾斜が、非線形結晶の表面に（例えば、エッチングによって）直接形成された透過型光学格子上でポンプビームを回折させることによって得られる。（概して、マイクロメートル又はサブマイクロメートル領域において）形成されるべき格子の周期の大きさが、非線形結晶の材料及びポンピングの波長によって決定される。例えば、ＬＮについて、及び典型的に～１μｍのポンプ波長を仮定すると、接触格子は、典型的に少なくとも２５００～３０００（１／ｍｍ）の線密度を備えていなければならない（非特許文献４の論文及び非特許文献５の修正論文、並びに非特許文献６の論文を参照）。当面、かかる線密度を有する光学格子の調整が、実際に全く明らかであるというわけではなく、例えば、関係する処理実験が、格子の線密度が閾値（これは、ＬＮについて約２０００（１／ｍｍ）である）を上回る場合、得られた格子のプロファイルがぼやけることを示している。その結果、得られた格子の回折効率が、理論予測値の背後に大きく外れており、これは、ポンプパルスの大きく低減された結合効率に起因して、テラヘルツ放射発生の効率の大幅な低下をもたらす。

【0008】

接触格子方式の更なる有意な不利益は、平面平行構造によって効率的にテラヘルツ放射を発生させることが不可能であるという事実にあり、それで、入口及び出口面を互いに対して（ＬＮについては、約３０度の角で）傾斜させて、プリズム形状要素の形式でテラヘルツ放射発生のための媒質を利用すること（前出の非特許文献６を参照）が避けられない。

【0009】

非特許論文献７の論文は、接触格子によってテラヘルツパルスを発生させるための方法を開示する。平面平行要素によって提供された非線形光学特性を有する結晶への結合効率を増加させるために、ファブリペロー共振器として作用する二重被覆層が結晶の表面と回折格子との間に形成される。出口面のところで上記平面平行要素から得られたＴＨｚビームを結合解除することは、垂線以外の方向に沿って生じる。数サイクルだけからなり、広帯域幅を有するＴＨｚパルスの場合、このことは非常に不利であり、個々のスペクトル成分の分離は、このようにして得られたＴＨｚパルスの実用的な利用を不可能にする。

【0010】

非特許文献８の論文は、テラヘルツ放射発生のための傾斜パルス面技術を開示し、ポンプビームのパルス面傾斜は、マイクロメートル領域にある周期を有する回折格子の代わりに、大きさが約百マイクロメートルの周期を有する非線形光学特性を有する結晶から所定の距離のところに配列された段階状構造（これは、いわゆる反射エシェル格子に基づく発生のための方式である）での反射を介して達成される。反射されるとき、ポンプビームのパルス面は、平均的傾斜を受け、その範囲は、上記段階状構造のステップの高さと幅の比によって決定される。パルス面は、ステップ状である微細構造を示すであろう。速度整合の条件を満たすことを必要とするパルス面傾斜の範囲は、ポンプパルスの伝搬経路内に配列された結像光学素子によって設定される。このようにして発生させられたテラヘルツ放射は、段階状パルス面の包絡線に垂直な方向に沿って結晶内部を伝搬する。したがって、結晶からのＴＨｚ放射の結合解除は、従来の方式におけるのと同じ（例えば、ＬＮ結晶について、６３°の）楔角を有するプリズムを必要とする（上記を参照）。その結果として、特に高エネルギーテラヘルツ放射発生に必要とされる広範囲ポンプビームを用いるときに、得られたＴＨｚ放射は、例えば、粒子加速に対して、非対称であり、したがって、とりわけ不適当である。

【0011】

非特許文献９の論文は、平面平行構造のテラヘルツパルス源（ＬＮ又はＬＴのうちのいずれか、あるいは、それよりも好ましくはない非線形光学特性を有する更なる媒質に本質的に基づいている）を提案する。上記源は、広範囲ポンプビームによってさえ対称形のテラヘルツパルスプロファイルを発生させる。関係（１）に従う速度整合条件を満たすことに基づき、そして高いテラヘルツ発生効率を有する方式において、角分散誘導特性を有する第１光学要素、結像光学素子、及びテラヘルツ放射を発生させるための非線形光学特性を有する媒質が、ポンプビーム源によって放出されるポンプビームの伝搬経路内に配列されている。非線形光学特性を有する媒質は、互いに平行な入口面と出口面とによって画定された（すなわち、結晶は平面平行な形状である）非線形光学特性を有する光透過（すなわち、ポンプビームに透明な）結晶の形式で提供され、入口面は階段構造として形成されている。階段構造の周期は、上記構造に衝突するポンプビームの波長の少なくとも数十倍又は数百倍の大きさである。以降において、構造は、「平面平行エシュロン（又は階段状物／階段）接触格子」と呼ばれる。

【0012】

階段構造を通過するとき、ポンプビームのパルス面は、平均傾斜角によって記述されてもよい区画化構造を達成する。最大効率のものであり、また速度整合条件を満たすかかるテラヘルツ放射発生を達成するために、特定の幾何学的条件が満たされなければならない。一方では、平面平行エシュロン接触格子がポンプビームの伝搬経路内に配列されることにより、個々の階段の長手方向の縁における仮想面（つまり、上記平面平行エシュロン接触格子の包絡線）と、伝搬方向に垂直な平面との間に形成された角γ_ＮＭは、関係（１）の速度整合条件の角に等しい。他方では、非線形光学特性を有する媒質に入る直前に、上記ポンプビームのパルス面は、平面平行エシュロン接触格子の上記包絡線に平行である。

【0013】

平面平行エシュロン接触格子に基づく方式において発生させられたテラヘルツビームが、前の既知の技術的解決策によって発生させられたテラヘルツビームと比較してより高い対称性によって特徴付けられる。しかし、平面平行エシュロン接触格子に基づく方式が、また、従来のパルス面傾斜（すなわち、角分散要素及び結像光学要素）に基づく光学要素を含むとき、それによって達成されるテラヘルツエネルギーが限定される。更に、傾斜パルス面ＴＨｚ放射源に生じる結像誤差は、ポンプビームの歪み、特に、ポンプビーム長の局所的増加をもたらす。平面平行エシュロン接触格子に基づく方式においては、従来の傾斜パルス面方式のものと比較して、より小さいパルス面（プレ）傾斜が誘導され、それゆえに、ポンプビーム歪の範囲がより小さいけれども、大きいビームサイズの場合には、多くの現実的適用に対して許容できない上記歪みが、有意に増加することがある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0014】

【文献】国際公開第２０１７／０８１５０１号

【非特許文献】

【0015】

【文献】Ｊ．Ｈｅｂｌｉｎｇ ｅｔ ａｌ．，“Ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｂｙ ｐｕｌｓｅ ｆｒｏｎｔ ｔｉｌｔｉｎｇ ｆｏｒ ｌａｒｇｅ－ａｒｅａ ＴＨｚ－ｐｕｌｓｅ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ”；Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ；Ｖｏｌ．１０，ｉｓｓｕｅ ２１，ｐｐ．１１６１－１１６６．（２００２）

【文献】Ｊ．Ａ．Ｆuｌoｐ ｅｔ ａｌ．，“Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ＴＨｚ ｐｕｌｓｅｓ ｗｉｔｈ ０．４ｍＪ ｅｎｅｒｇｙ”；Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ；Ｖｏｌ．２２，ｉｓｓｕｅ １７，ｐｐ．２０１５５－２０１６３（２０１４）

【文献】Ｌ．Ｐaｌｆａｌｖｉ ｅｔ ａｌ．，“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）

【文献】Ｎａｇａｓｈｉｍａ ｅｔ ａｌ．，“Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｇｒａｔｉｎｇｓ Ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｉｎ ＬｉＮｂＯ３ ｆｏｒ Ｈｉｇｈ－Ｐｏｗｅｒ Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ－Ｗａｖｅ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ”，Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，ｖｏｌ．４９，ｐｐ．１２２５０４－１ ｔｏ １２２５０４－５（２０１０）

【文献】Ｎａｇａｓｈｉｍａ ｅｔ ａｌ．，“Ｅｒｒａｔｕｍ：Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｇｒａｔｉｎｇｓ Ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｉｎ ＬｉＮｂＯ３ ｆｏｒ Ｈｉｇｈ－Ｐｏｗｅｒ Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ－Ｗａｖｅ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ”，Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，ｖｏｌ．５１，ｐ．１２２５０４－１（２０１２）

【文献】Ｏｌｌｍａｎｎ ｅｔ ａｌ．，“Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ ｃｏｎｔａｃｔ ｇｒａｔｉｎｇ ｓｅｔｕｐ ｆｏｒ ｍＪ－ｅｎｅｒｇｙ ＴＨｚ ｐｕｌｓｅ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｂｙ ｏｐｔｉｃａｌ ｒｅｃｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ”，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｂ，ｖｏｌ．１０８，ｉｓｓｕｅ ４，ｐｐ．８２１－８２６（２０１２）

【文献】Ｔｓｕｂｏｕｃｈｉ ｅｔ ａｌ．，“Ｃｏｍｐａｃｔ ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ ｉｎｔｅｎｓｅ ＴＨｚ ｌｉｇｈｔ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ： Ｃｏｎｔａｃｔ ｇｒａｔｉｎｇ ｗｉｔｈ Ｆａｂｒｙ－Ｐｅｒｏｔ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ”，Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ “４１ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｉｎｆｒａｒｅｄ，Ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ ａｎｄ Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ Ｗａｖｅｓ（ＩＲＭＭＷ－ＴＨｚ）”，２５－３０，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ ２０１６

【文献】Ｏｆｏｒｉ－Ｏｋａｉ ｅｔ ａｌ．，“ＴＨｚ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ａ ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ ｓｔａｉｒ－ｓｔｅｐ ｅｃｈｅｌｏｎ”，Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ，ｖｏｌ．２４，ｉｓｓｕｅ ５，ｐｐ．５０５７－５０６７（２０１６）

【文献】Ｌ．Ｐaｌｆａｌｖｉ ｅｔ ａｌ．，“Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｓｃａｌａｂｌｅ ｓｅｔｕｐ ｆｏｒ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｔｅｒａｈｅｒｔｚ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ａ ｓｅｇｍｅｎｔｅｄ ｔｉｌｔｅｄ－ｐｕｌｓｅ－ｆｒｏｎｔ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ”，Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ，ｖｏｌ．２５，ｉｓｓｕｅ ２４，ｐｐ．２９５６０－２９５７３（２０１７）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0016】

上記を考慮すると、本発明の目的は、実用的分野に適用可能なテラヘルツ放射を発生させるための方法及び装置－以降、技術という－を提供することであり、それらは、（特に、最も重要なビーム特性が関係する限り、対称形ビームプロファイルを有する）優れたビーム特性のテラヘルツパルスの発生を拡大縮小可能な態様で可能にする。本明細書において、以降は、用語「拡大縮小可能な」とは、本発明に従うテラヘルツ放射源に適用されたポンプビームの断面のビームスポットの半径－これは、取得されるべきテラヘルツパルスエネルギーの平方根に比例する－が、発生させられたテラヘルツ放射の優れたビーム特性を維持しながら任意の限度の間で本質的に変化させられてもよいということを指す。好ましくは、ビームスポットの上記半径は、ｍｍ領域の値から少なくとも数センチメートルまでで変化させられてもよく、数センチメートルのサイズは、今では生成されてもよい非線形光学特性を有する結晶の寸法に基本的に対応する。

【0017】

本発明の更なる目的は、テラヘルツ放射発生のための技術を提供することであり、該技術によって、今では達成可能なＴＨｚパルスのパルスエネルギーが、更に増加させられ得る。

【0018】

本発明のなお更なる目的は、コンパクトであるＴＨｚ放射源を提供することである。このために、基本的には、上記ＴＨｚ放射源内部で用いられる光学要素の数を減少させることが必要である。したがって、本発明の目的は、テラヘルツ放射発生技術に関して用いられる必要がある光学要素の数を最小化することである。

【0019】

本発明のなお更なる目的は、エネルギー内で単色の帯電粒子を生成し、同期された態様で効率的にこの粒子を加速するためのテラヘルツ放射を発生させる技術を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0020】

上記の目的は、請求項１に記載のテラヘルツ放射を発生させるための方法を作成すること、請求項１１及び請求項１２に記載の光学要素を提供すること、及びかかる光学要素を利用することによって請求項２４に記載のテラヘルツ放射源を構成することによって達成される。本発明に従う方法の更なる好ましい変形が、請求項２～１０に記載されている。上記光学要素の更なる好ましい実施形態が、請求項１３～２３に記載されている。本発明に従うテラヘルツ放射源の好ましい実施形態が、請求項２５～２７に記載されている。

【0021】

更に、請求項２８と調和して、本発明に従う方法によって発生させられたテラヘルツ放射又は本発明に従うテラヘルツ放射源が優先的に用いられて、帯電粒子を単色化して、同時に加速してもよい。

【0022】

特に、我々の研究は、上記の目的が、速度整合条件を満たすことに基づくテラヘルツ放射発生のための新規な装置によって達成されてもよく、テラヘルツ放射発生に適した非線形光学特性を有する媒質が、ポンプビーム源によって放出されたポンプビームの伝搬経路内に配列され、媒質は、互いに平行な前部境界面と後部境界面とによって（ポンプビームの第１伝搬方向に沿って）画定され、上記前部境界面は平面であり、上記後部境界面は、（ｉ）周期的レリーフ構造を備えているか、又は（ｉｉ）非線形光学特性を有する媒質から離れて配列された別個の更なる要素の部分を形成する周期的レリーフと光結合しているかのいずれかであるという結論に我々を導いた。周期的レリーフ構造は、少なくとも、幅ｗを有する第１区域を備え、随意に、この第１区域を互いに分離する幅ｕを有する第２区域を備える。ここで、第１区域は、後部境界面に対して傾斜した平面の形式で提供され、平面は、対になって、ポンプビームの第１伝搬方向に沿った長手方向断面図内でＶ形状である。第２区域は、前部境界面に平行な平面の形式で提供される。幅ｕの値は、幅ｗのゼロから、多くても数％まで、好ましくは幅ｗの多くても５％までの範囲に及ぶ。テラヘルツ発生中に、ポンプビーム源によって放出されたポンプビームは、前部境界面を通って非線形光学特性を有する媒質に入り、第１伝搬方向に沿って上記媒質を通って進行し、そして、光学媒質の構造化後部境界面、又はこの光学媒質の後部境界面と光結合している別個の更なる要素の構造化表面に到着する。幅ｗを有するこの第１区域は、入射ポンプビームを（少なくとも反射及び回折のうちの１つによって）複数の部分ポンプビームに分割し、それぞれの部分ポンプビームの伝搬方向は、入射ポンプビームと、又はむしろ上記第１伝搬方向と角γを形成する（本明細書で以降は、入射ポンプビームと形成された角は、常に鋭角である）。角の値γは、関係（１）によって決定される。周期的レリーフ構造の幾何形状及び／又は上記幅ｗとｕの大きさのオーダーは、本発明に従うテラヘルツ放射発生のための装置の様々な実施形態を規定する。これらの実施形態の共通の特徴は、幅ｗを有する第１区域を形成する平面が、後部境界面の平均（又は、中央）平面とγ／２の角を形成することである。言い換えると、第１区域に起因する部分ポンプビームが、関係（１）に従う適合条件を常に満たし、同時に、第２区域に起因する部分ポンプビームが、関係（１）の適合条件を満たさない。本明細書で以降は、非線形光学特性を有する媒質についての用語後部「平均（又は、中央の）表面／平面」とは、上記光学媒質の平面後部境界面を指し、それは、光学媒質に機械加工を受けさせてこの光学媒質内に上記レリーフ構造を生成する前に、光学媒質内にポンプビームの伝搬方向に沿って光学媒質の（レリーフ構造を有しない）後部境界面を形成する。

【0023】

本発明の解決策の好ましい実施形態は、幅２ｗの空間周期を有する周期的レリーフ構造によって、随意にｕ＝０の選択に対して特徴付けられ、該空間周期は、ポンプビームの波長の少なくとも数十倍、好ましくは数百倍であり、そして非線形光学特性を有する媒質内に発生させられるべきテラヘルツ放射の波長の多くとも半分である。テラヘルツ発生について、ポンプビーム源によって放出されたポンプビームは、媒質の前部境界面を通って非線形光学特性を有する媒質に入り、この媒質を通って進行し、次いで、レリーフ構造を有する媒質の構造化後部境界面か、又は別個の要素内に形成され、この後部境界面と光結合している表面レリーフのいずれかにおいて反射される。反射の結果として、レリーフ構造に入射するポンプビームは、複数の部分ポンプビームへと分割する。レリーフ構造の固有の幾何形状に起因して、部分ポンプビームの１つの群が、入来するポンプビームに対して関係（１）の速度整合条件に対応する角γで進行し、そして、部分ポンプビームの別の群が、入来するポンプビームに対して角－γで進行する（この場合、入来するポンプビームに対する角は、鋭角である）。

【0024】

それぞれの部分ポンプビームの強度面は、それぞれの部分ポンプビームの位相面に対して傾斜していない。部分ポンプビームの強度面の組が、非線形光学媒質の前部境界面と後部平均（又は、中央）面の両方に平行である平面付近に位置し、媒質の前部境界面の方向に関係（１）に対応する速度ｖ_{ＴＨｚ，ｆ}で進行する。速度ｖ_{ＴＨｚ，ｆ}で動くこの平均強度面は、速度整合と調和する態様において非線形光学媒質内でテラヘルツ放射を発生させる。このようにして発生させられたテラヘルツ放射は、非線形光学媒質の前部境界面に向かってそれに垂直に進行し、次いで、この前部境界面に到達すると、それの伝搬方向を変えずに非線形光学媒質から出て、それで、入来するポンプビームから適切に分離された後に、それは、更なる用途に用いられてもよい。本発明に従う本テラヘルツ発生装置における速度整合に必要なパルス面傾斜が、非線形光学媒質の後部境界面に、又はレリーフ構造上に形成された周期的レリーフ構造上での反射の結果であり、該レリーフ構造は、分離要素上に配列され、そしてこの非線形光学媒質の後部境界面と光結合しており、以降において、提案された発明装置は、「後側反射」アセンブリと呼ばれ、一方、かかるアセンブリを組み込むテラヘルツ源は、「後側反射」テラヘルツ源と呼ばれる。

【0025】

γの値が、「後側反射」テラヘルツ源について６０°よりも大きい場合、すなわち、例えば、ＬＮ－及びＬＴ－ベースの「後側反射」テラヘルツ源の場合、幅ｗの特定の第１区域から反射された部分ポンプビームの断面の一部分は、幅ｗの隣接する第１区域へと衝突する。これを回避するために、幅２ｗの第１区域の対は、好ましくは、幅ｕの第２区域（この場合、ｕはゼロでない）によって分離され、該第２区域は、非線形光学媒質の前部境界面に好ましくは平行である。幅ｕの値は、幅ｗの値の多くとも数％であり、好ましくは、それの多くとも５％である。

【0026】

本発明の解決策についての別の好ましい実施形態は、ポンプビームの波長の大きさのオーダーにある幅ｗの空間周期を有する周期的レリーフ構造によって、ｕ＝０の選択に対して随意に特徴付けられる。テラヘルツ発生について、ポンプビーム源によって放出されたポンプビームは、媒質の前部境界面を通って非線形光学特性を有する媒質に入り、この媒質を通って進行し、次いで、レリーフ構造を有する媒質の構造化後部境界面、又は別個の要素内に形成されて、この後部境界面と光結合している表面レリーフのいずれかにおいて回析される。このレリーフ構造は、回折において、入来するポンプビームに対して部分ポンプビームが角γで進行する（この場合、入来するポンプビームに対する角は、鋭角である）ように形成される。適用された回折次数において回折効率が大きい値であることが、なお更に必要である。それに対応して、レリーフ構造は、「ブレーズド」構造であり、ブレージングの空間周期は、０．２５μｍから２．５μｍまで、より好ましくは０．５μｍから１．５μｍまでの範囲に及ぶ。レリーフ構造の幅ｗの正確な値は、角の値γ、ポンプビームの波長、及び周知の格子式と調和した媒質の光学屈折率によって決定され、ｄ＝２ｗ又はｄ＝２ｗ＋ｕが、格子面間隔に対して有効である。

【0027】

回析されたビームの強度面は、その位相面に対して角γで傾斜している。この傾斜強度面は、前部境界面と非線形光学媒質の後部平均（又は、中央）面の両方に平行である平面を形成し、媒質の前部境界面の方向の関係（１）に対応する速度ｖ_{ＴＨｚ，ｆ}で進行する。速度ｖ_{ＴＨｚ，ｆ}で動く強度面は、速度整合と調和する態様において非線形光学媒質内でテラヘルツ放射を発生させる。このように発生させられたテラヘルツ放射は、非線形光学媒質の前部境界面に向かってそれに垂直に進行し、次いで、この前部境界面に到達すると、それの伝搬方向を変えずに非線形光学媒質から出る、－したがって、入来するポンプビームから適切に分離された後に、それは更なる用途に用いられてもよい。本発明に従う本テラヘルツ発生装置内での速度整合に必要なパルス面傾斜が、非線形光学媒質の後部境界面に形成された周期的レリーフ構造、又は分離要素上に配列され、この非線形光学媒質の後部境界面と光結合しているレリーフ構造のいずれかにおける回折の結果であるので、以降において、提案された発明装置は、「後側回折」アセンブリと呼ばれ、一方、かかるアセンブリを組み込むテラヘルツ源は、「後側回折」テラヘルツ源と呼ばれる。

【0028】

本発明に従う「後側反射」及び「後側回折」テラヘルツ源の場合、周期的レリーフ構造を形成することの可能な方法は、所望の構造を、ポンプビーム伝搬方向のテラヘルツ放射発生に用いられる非線形光学材料の後部境界面へとフライス削りすることである。金属のマイクロ機械加工が誘電体のそれよりもずっと正確に実行され得るので、所望のレリーフ構造は、また、周期的に機械加工された別個の金属要素として形成されてもよく、該金属要素は、テラヘルツ放射発生に用いられる非線形光学特性を有する材料の完全に平坦な後部境界面に光結合される。かかる場合、この光結合は、屈折率整合媒質を適用することによって実現されてもよい。テラヘルツ放射発生に用いられる非線形光学特性を有する材料がニオブ酸リチウムである場合、好ましくは、金属要素内に形成されたステップの高さに実質的に等しいか、又はそれよりもわずかに大きい層厚を有する半導体ナノ結晶エマルジョンが、屈折率整合媒質として用いられてもよい。

【0029】

発生させられたテラヘルツ放射がポンプビーム源に入ることを防止し、その容易な使用を確実にするために、次の２つの単純な解決策、（ｉ）非線形光学特性を有する媒質の前部境界面が、ポンプビームの第１伝搬方向に正確に垂直に配列されていないことと、（ｉｉ）ダイクロイックミラーが、ポンプビームの第１伝搬方向に対してある角で、ポンプビーム源と非線形光学特性を有する媒質との間に置かれ、それによって発生させられたテラヘルツ放射の伝搬方向を修正することと、が用いられてもよい。場合（ｉ）において、非線形光学特性を有する媒質の前部境界面の法線とポンプビームの第１伝搬方向とは、好ましくは、互いに１°と１０°との間の角度にある。

【0030】

本発明に従う解決策は、上記の先行技術のテラヘルツ放射発生方式よりも大きい利点を有し、該方式においては、テラヘルツ発生に用いられるＬＮ（又はＬＴ）結晶が、大角プリズムとして設計されている。本発明に従う解決策においては、非線形光学特性を有する（ＬＮ、ＬＴ、又は半導体）結晶が、平面平行光学要素の形式で用いられてもよく、それで、良好なビーム品質の高効率のテラヘルツ放射発生が達成されてもよい。本発明に従う解決策は、また、先行技術の平面平行エシュロン接触格子よりも有利であり、その理由は、それがパルス面プレ傾斜を必要とせず、それで光学格子及び結像を用いる必要がないからである。その結果として、本発明に従う装置は、より少ない構造要素を含み、したがって、より小さいスペースを占める、すなわちコンパクトである。従来の既知の実用上の及び概念上の解決策と比較した、本発明に従う解決策の更なる大いに有意な長所は、光学結像なしで高エネルギー及び高品質のテラヘルツビーム／パルスを発生させることに適していることである。このことは、結像誤差によって生じるテラヘルツ発生効率の損失を除去する。更に、プレ傾斜に対する必要性が存在せず、非線形光学媒質が平面平行幾何形状と一緒に用いられるので、本発明に従うテラヘルツ発生装置によって得られるテラヘルツビームのスポットサイズ、したがって、本発明に従う方法によって発生させられたテラヘルツパルスのエネルギーは、実際において恣意的に増加させられてもよい。

【0031】

以下において、本発明が次の添付図面を参照して詳述される。

【図面の簡単な説明】

【0032】

【図1】非線形光学特性を有する結晶によって実装された、本発明に従う、テラヘルツ放射を発生させるための後側反射／回折アセンブリの実施形態についての長手方向断面図であり、この図は、また、ポンプビームと、周期的レリーフ構造における反射及び回折のうちの少なくとも１つの後に形成する部分ポンプビームと、所定の瞬間におけるそれぞれの部分ポンプビームのパルス面と、このパルス面の包絡線と、発生させられたテラヘルツ放射と、を表す。

【図2A】ポンプビームと発生させられたテラヘルツビームとを分離するための配列の可能な例示的実施形態を概略的に表す図である。

【図2B】ポンプビームと発生させられたテラヘルツビームとを分離するための配列の可能な例示的実施形態を概略的に表す図である。

【図3】ポンプビームと発生させられたテラヘルツビームとを分離するための可能な代替的な配列を概略的に表す図である。

【図4】図１及び２に示す後側反射／回折アセンブリの実施形態に用いられる非線形光学媒質の別の可能な実施形態を概略的に表す別の図であり、ここに、反射／回折構造は、非線形光学媒質の後部境界面に面し、それと光結合している別個の要素の表面内／上に形成されている。

【図5】比較として、本発明に従う後側反射アセンブリ及びハイブリッドエシュロン配列について、８００ｎｍの波長を有する、１００フェムト秒及び１ピコ秒のポンプパルスに対する非線形光学媒質の厚さ（Ｌ）の関数としてのテラヘルツ放射発生の効率（η）を表す図であり、この場合、２つのポンプパルスに対するポンプビーム強度は、それぞれ、２００ＧＷ／ｃｍ^２及び４０ＧＷ／ｃｍ^２であり、一方、温度、ステップ幅、及び半周期は、両ケースにおいて、Ｔ＝１００Ｋ及びｗ＝１００μｍである。

【図6A】１００フェムト秒のレーザパルスを送出するための、本発明に従う後側反射テラヘルツビーム源によって生成されたテラヘルツパルスの電界強さの時間経過を表す図である。

【図6B】１．０ピコ秒のレーザパルスを送出するための、本発明に従う後側反射テラヘルツビーム源によって生成されたテラヘルツパルスの電界強さの時間経過を表す図である。

【発明を実施するための形態】

【0033】

図１は、本発明に従ってテラヘルツ放射を発生させるためのいわゆる後側反射／回折型テラヘルツビーム発生装置及び放射源１００の好ましい実施形態を表す。ビーム源１００は、ポンプビーム１２を供給するポンプ源１０と、テラヘルツ放射が実際にその中で発生させられる非線形光学特性を有する媒質でできている光学要素５０と、を備える。光透過光学要素５０は、入口面５１を形成する前部境界面と、周期的構造５３を有する平行反射／回折後部境界面５２とによって囲まれており、その結果、光学要素５０は、好ましくは平面平行要素として形成されている。ポンプビーム１２が光学要素５０を通過するとき、ポンプビーム１２と光学要素５０との材料の非線形光学相互作用の結果として、好ましくは第２高調波発生又は光整流によって、ポンプビーム１２の周波数よりも高い周波数を有する第２高調波放射、及びポンプビーム１２の周波数のおよそ数百分の一の周波数を有するテラヘルツ放射が生じる。しかし、位相整合（又は、関係（１）に従う光整流、速度整合に関する）がない場合、２次高調波発生と光整流の両方によって発生させられた放射が、無視可能な強度のものであり、そして、ポンプビーム１２は、実質的に不変状態で光学要素５０の後部境界面５２に到着する。この場合、上記ポンプビーム１２は、ポンプビーム１２の波長及び周期的レリーフ構造５３の周期の大きさに基づいて反射及び／又は回折を受ける。高度な反射を達成するために、随意に、後部境界面５２が層５４（例えば、金属又は多層誘電体層）によって被覆され、該層は、ポンプビームに関して高反射を提供する。後部境界面５２が、２ｗの空間周期を有する周期的レリーフ構造５３を含むとき、図１の平面内で傾斜した方向に沿ったサイズｗの複数のポンピング部分ビーム１２１が、反射及び／又は回折を介してポンプビーム１２から発生させられる。この場合、周期的レリーフ構造５３は、それの１つの周期が２つの平坦部分から構成されるような態様で、後部境界面５２に形成される。上記平坦部分のうちの一方が、時計回りに回転させられ、他方が、後部境界面５２の平均平面からγ／２の角度だけ反時計回りに回転させられる。この場合、γは、関係（１）の速度適合条件の角に対応する。反射及び／又は回折された部分ビーム１２１は、幅ｗのものであり、該部分ビームにおいて、ポンプビームのパルス長Ｔｉに対応する、幅ｗ及び長さＴｉ×ｖ_ｐ，ｃｓのパルス面２１１（いわゆるパルス面区画）が、それの反射及び／又は回折の前のポンプビームの伝搬方向（すなわち、第１伝搬方向）に対して角γの方向に沿って速度ｖ_ｐ，ｃｓで進行する。したがって、パルス面２１１は、関係（１）の速度整合条件を個別には満たさない。同時に、パルス面２１１区画の組によって形成された区画化パルス面の平面包絡線２１２が、速度ｖ_ｐ，ｃｓ×ｃｏｓγで入口面５１に向かって（入口面５１に垂直に）進行する、すなわち、それは関係（１）の速度整合条件を満たす。したがって、非線形光学相互作用（好ましくは、光学整流又は差周波発生）を介して、区画化パルス面が、かかるテラヘルツ放射６０を有効に発生させ、該テラヘルツ放射は、区画化パルス面の伝搬方向に一致する（すなわち、入力面５１に垂直である）方向に進行し、そして、それの波長は、光学要素５０の個々のパルス面２１１区画の伝搬方向のサイズｗ×ｓｉｎγの少なくとも２倍である。

【0034】

光学要素５０内で発生させられたテラヘルツ放射６０は、入口面５１を通って光学要素５０から出て、更なる用途に対して使用可能になる。

【0035】

光学要素５０の材料は、高い非線形光学係数を有し、ポンプビームの波長で透明である。かかる材料の例として、ＬＮ及びＬＴ、並びにＺｎＴｅ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｅ等のいくつかの半導体がある。

【0036】

ポンプ源１０は、好ましくは、レーザパルスを放出できるレーザ源、すなわち、少なくとも５フェムト秒のパルス長だが、可視、近赤外線、又は中赤外線範囲内の多くとも数百フェムト秒を有するポンプビーム１２、例えば、１０３０ｎｍの中央波長で放出するダイオード励起Ｙｂレーザ、８００ｎｍの中央波長で放出するチタンサファイヤレーザ、又は２０５０ｎｍの中央波長で放出するＨоレーザである。別のレーザ及び光学パラメトリック増幅器が、また、ポンプ源１０として用いられてもよい。

【0037】

周期的レリーフ構造５３は、図１の拡大部分Ａ及びＢに従う、当業者に公知の機械加工プロセス（例えば、マイクロフライス）によって形成される。光学要素５０が、ポンプビーム１２の波長にかかる屈折率値を有するか、又は関係（１）の速度整合条件が６０°未満の角度で満たされている（かかる材料は、ほとんどが半導体である）発生させられたテラヘルツ放射６０を有するならば、図１の拡大部分Ａに示されるように、単一の周期が、後部境界面５２の平均（又は、中心）平面を有する、角度γ／２を交互に時計回りに又は反時計回りに形成する２つの平坦部分によって形成された第１区域から構成される。γが６０°よりも大きいならば、部分ビーム１２１の断面の一部分が、反射後に光学要素５０の後部境界面５２に衝突するであろう。これを避けるために、反射された部分ビーム１２１の幅が、図１の拡大部分Ｂに示されているように、幅ｕの第２区域が、入口面５１に平行である幅ｗの２つの斜方区域の間にそれぞれのケースで形成されるような態様で限定される。ＬＮについては、例えば、γ＝６２°であるとき、ｕ／２ｗは６％にすぎない。

【0038】

ポンプビーム１２は、入射角度γ／２を有する光学要素５０の後部境界面５２に形成されたレリーフ構造５３の幅ｗの要素に到着する。この角度は、ＬＮとＬＴの両方及びほとんどの半導体（例えば、ＧａＰ、ＺｎＴｅ）についての全反射の限界よりも大きい。したがって、反射効率は、反射効率向上層５４を用いなくても高い。そうではなく、反射効率向上層５４を用いることが必要であろう。

【0039】

ポンプビーム１２に対するＬＮ及びＬＴの屈折率は、一般に２よりも大きく、ほとんどの半導体の屈折率は、３の値に近づくか、又はそれを上回りさえする。そのため、反射損を低減するために、光学要素５０の入口面５１上に当業者に周知の無反射被覆を適用することが好ましい（しかし、必要ではない）。

【0040】

光学要素５０は、ある材料からできており、該材料は、非常に高い非線形光学係数を有する、すなわちそれの大きさは、好ましくは実際には少なくとも１ｐｍ／Ｖであり、典型的には数十ｐｍ／Ｖよりも大きい。光学要素５０は、好ましくはＬＮ又はＬＴ、並びにＧａＰ又はＺｎＴｅ等の半導体材料であり、これらは、好ましくは、非線形光学プロセス、例えば、光整流によるテラヘルツ放射発生の発生効率に関して最も有利である結晶軸方位を有する。

【0041】

テラヘルツビーム源１００に用いられる光学要素５０は、平面平行前部及び後部境界面を有し、ポンプビーム１２と発生させられたテラヘルツ放射６０の両方は、これらの表面に垂直に（反対方向に）伝搬するので、ポンプビーム１２とテラヘルツビーム６０とを分離する必要が存在する。このことは、周知技術によって実行されてもよい。図２Ａ及び２Ｂ、並びに図３は、例として、いくつかの好適な技術及び分離機構を示す。

【0042】

図２Ａは、ビームが、ポンプ源１０と光学要素５０との間に挿入されたダイクロイックミラー７０によって分離されるという技術的解決策を表す。図２Ａに示される場合には、ダイクロイックミラー７０は、ポンプビーム１２の波長で高い透過を示し、テラヘルツ放射６０の波長で高い反射を示す。例えば、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）層によって被覆された石英のシートは、このように挙動する。図２Ｂは、ダイクロイックミラー７０が、ポンプビーム１０の波長で高い反射を示し、テラヘルツ放射６０の波長で高い透過を示す配列を表す。例えば、その上に好適な誘電体層構造が適用された石英のシートが、このように挙動する。当業者に知られているように、これらの配列で用いられるダイクロイックミラー７０は、発生させられたテラヘルツ放射６０とポンプビーム１２とをそれらの波長の差に基づいて異なる方向に分離して透過させる。

【0043】

図３は、ポンプビーム１２とテラヘルツ放射６０とを互いに分離するための単純な更なる技術的解決策を表す。この場合、光学要素５０は、図１又は図２の平面に垂直な平面内で、ポンプビーム１２の第１伝搬方向に対するそれの垂直位置からわずかに（典型的には数度だけ、好ましくは１°～１０°だけ、より好ましくは５°～１０°だけ）傾斜しており、これは、好ましくは、好適な傾斜装置（例えば、光学要素５０をポンプビーム１２の第１伝搬方向に垂直である軸線周りに小角だけ回転させる装置）によって達成される。このようにして、そしてポンプ源１０と光学要素５０とを互いから好適な距離のところに配列することによって、ポンプビーム１２とテラヘルツ放射６０との空間分離が実現される。

【0044】

高効率を有する本発明に従ってテラヘルツ源１００を操作するために、光学要素５０の周期構造５３の半周期ｗが、光学要素５０内部でのテラヘルツ放射６０の波長の２分の１未満、好ましくは３分の１未満、より好ましくは４分の１未満であるように選択される。この選択は、パルス面２１１区画の異なる部分で発生させられたテラヘルツ放射の位相が、互いに有意に異なることがなく、それで、建設的干渉がそれらの間で生じることを確実にする。テラヘルツ発生の長さＬは、好ましくはｃｍのオーダーであり、より好ましくは５～１５ｍｍであり、最も好ましくは５～１０ｍｍであり、そして、光学媒質自体の材料品質に依存する。

【0045】

図４は、本発明に従うテラヘルツ源内で用いられる、非線形光学特性を有する後側反射型光学要素５０についての可能な更なる実施形態を示す。図４に表すテラヘルツ源１００’の部分を形成する光学要素５０について、周期的レリーフ構造が、別個の（付加）要素１５０の表面１５１に形成されたレリーフ構造１５３として提供され、表面１５１は、光学要素５０の後部境界面５２に面し、これに平行に延在し、そして、非線形光学特性を有する上記光学要素５０の後部境界面５２と光結合している。要素１５０に形成されたレリーフ構造１５３の設計（すなわち、パラメータｕ、ｗ）は、光学要素５０の後部境界面５２に形成された、上記に詳述されたレリーフ構造５３のものと一致する。光学要素５０の後部境界面５２と、要素１５０又はむしろ要素１５０上／内に形成されたレリーフ構造１５３との間の光学結合が、ポンプビーム及び／又は部分的ポンプビームの円滑な伝搬を確実にするのに役立ち、そして、これらの要素同士の間に配列された屈折率整合媒質１５５によって提供される。上記媒質１５５は、好ましくは半導体ナノ結晶エマルジョンであり、半導体ナノ結晶は、好ましくは、例えばＧａＮ及び／又はＺｎＯナノ結晶であり、一方、溶媒は、好ましくは、例えばブタノールであり、本発明に有用な半導体ナノ結晶エマルジョン及びそれらの調整は、当業者に公知であり、ここでは詳述されない。要素１５０は、概して金属、好ましくはステンレス鋼、又はアルミニウムでできている。レリーフ構造１５３は、例えば、金金属被覆によって提供され、該金金属被覆は、好適な機械式機械加工手順（好ましくは、マイクロフライス）によって要素１５０の表面１５１に前もって形成された所望の表面構造上に蒸着される。被覆の層厚は、好ましくは数ミクロンである。光結合の品質を改善するために、光学要素１５０のレリーフ構造１５３の突出部分が、好ましくは、光学要素５０の後部境界面５２と接触しているか、又は最大数ミクロンの距離のところのすぐ近くに位置している。

【0046】

図５は、理論計算に従うテラヘルツ放射発生の効率が、本発明及び以前に提案された平面平行ハイブリッドエシュロンアセンブリ（Ｌ．Ｐａｅｌｆａｌｖｉらによる、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ，ｖｏｌ．２５，ｉｓｓｕｅ ２４，ｐｐ．２９５６０－２９５７３（２０１７）を参照）に従って構成されたテラヘルツ源についての１００フェムト秒と１．０ピコ秒のポンピングパルス長での結晶長に依存する態様を表す。１００フェムト秒のポンピングの場合（中実の四角形印、丸印を参照）、ｗ＝８０μｍであり、これは、以前に提案された平面平行テラヘルツ放射源について、最大テラヘルツ発生効率がこのｗの値と関係しているという事実によって正当化される。１．０ピコ秒（中空の四角形印、丸印を参照）でのポンピングの場合、ｗ＝１００μｍである。見て取れるように、１００フェムト秒及び１．０ピコ秒での効率に関して、従来の配列（四角形印を参照）は、本発明に従う（丸印を参照）装置よりも、それぞれ、約３．６倍及び約２．５倍だけより好ましい。しかし、注記すべきは、図６Ａを考慮すると明らかであるように、ワイドビームを用いるとき、２つの構成についての発生効率の比が、より短いポンピング長については２未満まで減少することであり、その理由は、従来の配列において、理論的に得られた効率が、ビームの中央においてだけ達成可能であり、ビーム縁では有意に減少するからである。

【0047】

本発明に従う装置に属するより低い発生効率は、それの設計／構成が、従来のテラヘルツ発生方式のものよりも有意により単純であり、そして、装置自体が、有意により少数の要素を含むことにより、よりコンパクトな設計が可能であるという事実によって完全に補償される。更に、本発明に従う装置は、結像要素を全く含まず、したがって、使用時には、当然、結像誤差がなく、それゆえに、関連するポンプパルス伸長が現れない。

【0048】

図６Ａ及び６Ｂは、本発明の後側反射アセンブリとともに実装されたビーム源１００によって発生させられたテラヘルツ放射における、及び以前提案された平面平行構造（更なる詳細については、Ｌ．Ｐａｅｌｆａｌｖｉらの、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ，ｖｏｌ．２５，ｉｓｓｕｅ ２４，ｐｐ．２９５６０－２９５７３（２０１７）を参照）によって発生させられたテラヘルツ放射における電界強さの時間経過を表し、これらは、それぞれ、モデル計算によって得られた８００ｎｍの中心波長を有する、２００ＧＷ／ｃｍ^２及び４０ＧＷ／ｃｍ^２の強度での１００フェムト秒及び１．０ピコ秒パルスからなるポンプビーム１２についてのものである。例によると、ｗの値は、それぞれ８０μｍ及び１００μｍであり、光学要素５０は、ＬＮでできており、テラヘルツ発生中にＴ＝１００Ｋの温度まで冷却される。１００フェムト秒のポンプパルスについて、従来の配列は、ビームの中央（図６Ａ及びそれの挿入図（ｂ）での点線を参照）におけるよりも、ビームの縁（図６Ａ及びそれの挿入図（ｂ）での破線を参照）においてより小さい振幅及びより小さい周波数のテラヘルツパルスを発生させる。対照的に、本発明に従う放射線源１００においては、同じ時間経過を有する電界が、ポンプビーム１２の断面内のあらゆる所に発生させられている（図６Ａでの実線を参照）。このことは、テラヘルツパルスの多くの用途に対して、特にテラヘルツビームの強い集束が必要とされるときに、非常に有利である。この場合、用語「強い集束」とは、文献と一致して、１に近い値の開口数による集束を指す。

【0049】

図５及び６に示す曲線のそれぞれからの派生物に基づくモデルについての詳細な説明は、本出願の範囲を越えており、それは、発明者によって近い将来に出版される科学的出版物の部分である。しかし、本発明に従う装置を備える放射線源１００が、後振動が無い単一サイクルのテラヘルツパルスを発生させるのに適していることが図６Ｂから明らかである。かかるパルスが、例えば、帯電粒子を加速させるのに有利に用いられてもよい。

【0050】

本発明に従う装置を備える放射線源１００が、また、－好適なポンプレーザと一緒に用いるときに－、高効率で多くのマルチサイクルテラヘルツパルスを生成することができることに留意することがまた重要である。

【0051】

（概要）平面前側（入口）及び後側表面によって囲まれた非線形光学媒質の後側表面に形成された周期構造を用いて高エネルギーテラヘルツ放射を発生させるのに適した新規なテラヘルツ発生装置が精巧に作成されてきた。得られた装置の最大の長所は、非線形光学結晶が平行表面を有するユニットとして装置内に用いられてもよいということである。その結果として、優れたビーム品質及び物理的性質を有するテラヘルツビームが、高い発生効率で発生させられてもよい。装置が、結像光学素子又は個々に調節可能な光学格子を含まないので、ポンプビームのサイズ、したがって装置内で発生させられたテラヘルツパルスのエネルギーは、実際には恣意的であってもよい。本発明の装置に基づく本発明に従うテラヘルツ放射源及び方法は、広範囲ポンプビームの使用を必要とする高エネルギーテラヘルツ放射の生成に特に有利である。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】