JPWO2005073795A1 - 電磁波発生装置 - Google Patents

Abstract

１．０μｍより長波長の第１のポンプ光（ｈν１）を出射する第１のポンプ光出射部（２）と、１．０μｍより長波長で、第１のポンプ光（ｈν１）とは異なる波長の第２のポンプ光（ｈν２）を、波長可変で出射する第２のポンプ光出射部（２５）と、第１のポンプ光（ｈν１）と第２のポンプ光（ｈν２）との差周波数の電磁波（ｈν３）を生成する非線形光学結晶（１９）と、第１のポンプ光（ｈν１）と第２のポンプ光（ｈν２）との差周波数１ＴＨｚにおける外部交叉角度を０．５°以内に調整し、第１のポンプ光及び第２のポンプ光を非線形光学結晶（１９）に入射させる光学系（Ｍ１，Ｍ２，１８）とを備える。そして、第２のポンプ光（ｈν２）の周波数と外部交叉角度を連動して変えることにより、非線形光学結晶（１９）から可変波長のテラヘルツ電磁波（ｈν３）を発生させる電磁波発生装置である。

Description

本発明は、周波数可変のテラヘルツ帯の電磁波発生装置に関する。

波長可変テラヘルツ電磁波の発生装置として、図１に示すような、誘電体であるニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）結晶内のポラリトンモードを利用したテラヘルツ電磁波発生装置が知られている。即ち、図１において、ＬｉＮｂＯ_３結晶１に第１のポンプ光（第１のポンプ光を、単に「ポンプ光」と呼ぶこともある。）ｈν_１及び第２のポンプ光（第２のポンプ光を「信号光」或いは「アイドラ光」と呼ぶこともある。）ｈν_２を入射し、差周波発生によりテラヘルツ電磁波ｈν_３＝ｈν_１−ｈν_２を発生する。

こうして得られるテラヘルツ電磁波ｈν_３の周波数帯域は、およそ０．７ＴＨｚから２．５ＴＨｚの範囲のコヒーレント光である。しかし、テラヘルツ電磁波分光スペクトルの違いを使って多様な生体物質などを識別するにはスペクトル可変範囲として上記周波数帯域は狭すぎるのである。より高周波の周波数帯域のスペクトルを測定することによって、スペクトルパターンの違いが明確となり多様な分子の識別が可能となる。

ＬｉＮｂＯ_３結晶１のテラヘルツ帯での吸収係数は、３ＴＨｚを超えると極めて大きくなるため、出力が著しく低下し、周波数帯が制限される一因となっている。又、２つのポンプ光ｈν_１及びｈν_２のビームの平行方向における位相不整合度が大きいため、図１に示すようにポンプ光ｈν_１及びｈν_２のなす交叉角度及びテラヘルツ電磁波ｈν_３の取り出し角度を大きくした角度整合法をとらざるを得ない。図１においては、テラヘルツ電磁波ｈν_３は、ＬｉＮｂＯ_３結晶１の表面に配置された複数のシリコン（Ｓｉ）プリズム５からなるプリズムアレイを介して取り出し、テラヘルツ電磁波ｈν_３の取り出し角度を大きくしている。そのためテラヘルツ電磁波ｈν_３とポンプ光ｈν_１及びｈν_２のビームの重なりが悪く、周波数帯域・効率とも低下する原因となっている。

一方、ＬｉＮｂＯ_３結晶に一つのポンプ光を入射し、パラメトリック発振によりテラヘルツ電磁波ｈν_３を発生することも可能である。このようなパラメトリック発振型のＬｉＮｂＯ_３テラヘルツ発生装置においては、発生したテラヘルツ電磁波ｈν_３のスペクトル線幅は、連続波（ＣＷ）レーザダイオード（半導体レーザ）によるインジェクションシーディングを行うことにより、１００ＭＨｚ程度まで狭線幅にできる。

即ち、ＬｉＮｂＯ_３テラヘルツ発生装置をスレーブレーザ（ホストレーザ）とし、スペクトル幅の狭いＣＷレーザダイオードをシードレーザ（マスター発振器）として、この２つのレーザを組み合わせ、スレーブレーザ（ホストレーザ）とシードレーザ（マスター発振器）の両方の性質を兼ね備えさせることにより、スペクトル幅の狭いテラヘルツ電磁波ｈν_３を発生することができる。シードレーザには高安定レーザ、スレーブレーザには高出力のレーザを用い、高安定且つ高出力のレーザを発振することができる。しかしながら、ＣＷレーザダイオードのモードホッピングのため、逆に、広い範囲で連続的に周波数掃引することが困難となる。一方、インジェクションシーディングを行わないと、スペクトル線幅は極めて大きく１００ＧＨｚ（０．１ＴＨｚ）を越えるため、分解能が著しく低下し、周波数帯域が狭いことと合わせて物質同定の性能が十分でない。

本発明の目的は述上の欠点を克服した、広周波数帯域、高出力、高分解能、且つモードホップのない周波数可変のテラヘルツ帯の電磁波発生装置を提供することである。

上記目的を鑑み、本発明の第１の特徴は、（ａ）１．０μｍより長波長の第１のポンプ光を出射する第１のポンプ光出射部と、（ｂ）１．０μｍより長波長で、第１のポンプ光とは異なる波長の第２のポンプ光を、波長可変で出射する第２のポンプ光出射部と、（ｃ）第１のポンプ光と第２のポンプ光との差周波数の電磁波を生成する非線形光学結晶と、（ｄ）第１のポンプ光と第２のポンプ光との外部交叉角度を、差周波数１ＴＨｚにおいて０．５°以内に調整し、第１のポンプ光及び第２のポンプ光を非線形光学結晶に入射させる光学系とを備え、第２のポンプ光の周波数と外部交叉角度を連動して変えることにより、非線形光学結晶から可変波長のテラヘルツ電磁波を発生させる電磁波発生装置であることを要旨とする。

本発明の第２の特徴は、（ａ）第１のポンプ光を出射する第１のポンプ光出射部と、（ｂ）第１のポンプ光とは異なる波長の第２のポンプ光を、波長可変で出射する第２のポンプ光出射部と、（ｃ）第１のポンプ光と第２のポンプ光との差周波数の電磁波を生成する光学異方性結晶とを備え、第２のポンプ光の周波数を変えることにより、光学異方性結晶から可変波長のテラヘルツ電磁波を発生させる電磁波発生装置であることを要旨とする。

本発明の第３の特徴は、（ａ）第１のポンプ光を出射する第１のポンプ光出射部と、（ｂ）第１のポンプ光とは異なる波長の第２のポンプ光を、波長可変で出射する第２のポンプ光出射部と、（ｃ）第１のポンプ光と第２のポンプ光との差周波数の電磁波を生成する非線形光学結晶と、（ｄ）第１のポンプ光と第２のポンプ光との外部交叉角度を調整し、第１のポンプ光及び第２のポンプ光を非線形光学結晶に入射させる光学系と、（ｅ）第１のポンプ光のパルス及び第２のポンプ光のパルスの非線形光学結晶に到達するタイミングを制御するタイミング制御機構とを備え、第２のポンプ光の周波数と外部交叉角度を連動して変えることにより、非線形光学結晶から可変波長のテラヘルツ電磁波を発生させる電磁波発生装置であることを要旨とする。

本発明の第４の特徴は、（ａ）第１のポンプ光を出射する第１のポンプ光出射部と、（ｂ）第１のポンプ光とは異なる波長の第２のポンプ光を、波長可変で出射する第２のポンプ光出射部と、（ｃ）第１のポンプ光と第２のポンプ光との差周波数の電磁波を生成し、この電磁波を電磁波出射面から出射する非線形光学結晶と、（ｄ）第１のポンプ光と第２のポンプ光との外部交叉角度を調整し、第１のポンプ光及び第２のポンプ光を非線形光学結晶に入射させる光学系と、（ｅ）第１のポンプ光の光軸に対する電磁波出射面の角度を制御する角度制御機構とを備え、第２のポンプ光の周波数、外部交叉角度及び電磁波出射面の角度を連動して変えることにより、電磁波出射面から可変波長のテラヘルツ電磁波を出射させる電磁波発生装置であることを要旨とする。

図１は、従来のテラヘルツ帯の電磁波発生装置を示す図である。 図２は、本発明の第１実施例〜第８実施例に係る電磁波発生装置における第１、第２のポンプ光及びテラヘルツ電磁波の波数ベクトルの方向を示す図である。 図３は、本発明の第１実施例に係る電磁波発生装置における第１、第２のポンプ光及びテラヘルツ電磁波の結晶内伝播光路を示す図である。 図４は、本発明の第１実施例に係る電磁波発生装置の構成を示す図である。 図５は、非線形光学結晶としてＧａＰ結晶を用いた場合の外部交叉角度の周波数依存性を示す図である。 図６は、本発明の第２実施例に係る電磁波発生装置の構成を示す図である。 図７は、本発明の第３実施例に係る電磁波発生装置における非線形光学結晶の形状とビーム方向を示す図である。 図８は、本発明の第４実施例に係る電磁波発生装置の構成を示す図である。 図９は、本発明の第４実施例に係る電磁波発生装置におけるポンプ光間の外部交叉角度制御法を示す図である。 図１０は、本発明の第４実施例に係る電磁波発生装置におけるポンプ光間の外部交叉角度制御法の他の例を示す図である。 図１１は、本発明の第４実施例に係る電磁波発生装置における発生テラヘルツ電磁波の出射方向の制御法を示す図である。 図１２は、本発明の第４実施例に係る電磁波発生装置による、テラヘルツ電磁波出力特性の１例である。 図１３は、本発明の第５実施例に係る電磁波発生装置の構成を示す図である。 図１４は、本発明の第５実施例に係る電磁波発生装置における非線形光学結晶の回転角制御法を示す図である。 図１５は、本発明の第６実施例に係る電磁波発生装置における発生テラヘルツ電磁波の出射方向の制御法を示す図である。 図１６は、本発明の第７実施例に係る電磁波発生装置の構成を示す図である。 図１７は、本発明の第８実施例に係る電磁波発生装置の構成を示す図である。

次に、図面を参照して、本発明の第１〜第８実施例を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

又、以下に示す第１〜第８実施例は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

本発明の第１〜第８実施例に係る電磁波発生装置においては、テラヘルツ電磁波（テラヘルツ光）を発生する非線形光学結晶としてＧａＰ結晶を使う場合に付いて、主に例示する。ＧａＰ結晶はＬｉＮｂＯ_３結晶よりラマン効率が高いことを我々は明らかにしている。更に、ＧａＰ結晶では、フォノンポラリトンを構成する横波の純粋な振動周波数が１１ＴＨｚと極めて高いので広周波数帯域のポラリトンモードが得られる。更にＬｉＮｂＯ_３結晶よりテラヘルツ帯吸収係数が小さいことは既に知られている。２つのポンプ光ｈν_１，ｈν_２の波長がおよそ１．０μｍより小さい範囲においては、平行方向配置（コリニア）にて差周波光と非線形分極との位相整合関係が得られる。但し、非線形光学結晶は、ＧａＰ結晶に限定されるものではなく、ＺｎＧｅＰ_２結晶やＧａＳｅ結晶等のように、テラヘルツ帯で透明で、且つラマン効率が高い半導体結晶や誘電体結晶であれば、非線形光学結晶として使用可能である。非線形光学結晶として、ＧａＰ結晶の場合は、角度による位相整合を行うが、ＺｎＧｅＰ_２結晶やＧａＳｅ結晶のような光学異方性結晶では、結晶異方性を利用したコリニアな位相整合を行うことが可能で、極めて安価な波長可変テラヘルツ電磁波発生装置を得ることができる。

光学異方性結晶を用いる場合は例外であるが、以下に示す第１〜第８実施例に係る電磁波発生装置では、コリニア位相整合条件を満たす波長範囲とは逆に、２つのポンプ光ｈν_１，ｈν_２の波長を１．０μｍより僅かに大きくする。その結果、平行方向では位相整合は得られないが、２つのポンプ光ｈν_１，ｈν_２間に微小な交叉角度を持たせることにより、角度位相整合が得られる。ＬｉＮｂＯ_３結晶においても角度位相整合が行われているが、大きな交叉角度を与えなければならず、２つのポンプ光ｈν_１，ｈν_２、テラヘルツ電磁波ｈν_３の重なりが悪く、効率が低い。非線形光学結晶としてＧａＰ結晶を用いた場合においては、ポンプ光が１．０μｍより僅かに長波長であれば位相整合角度が微小であるためこのような欠点を克服でき、周波数帯域を広げる効果が大きい。テラヘルツ電磁波の周波数を掃引するには非線形光学結晶に接近したミラーやビームスプリッタの回転角を微小に変化し、同時に第２のポンプ光（信号光）の周波数を掃引する。微小な交叉角度の精密制御は回転ステージにより容易に達成できるのでテラヘルツ周波数の精密制御が可能となる。

非線形光学結晶がＧａＰ結晶の場合について、フォノンポラリトンの微小角度整合の原理を、図２を使って説明する。以下の式の展開では、第１のポンプ光ｈν_１の源となるフォノンポラリトンの波数ベクトルｋ_Ｌ，第２のポンプ光ｈν_２の源となるフォノンポラリトンの波数ベクトルｋ_Ｓ及びテラヘルツ電磁波ｈν_３の源となるフォノンポラリトンの波数ベクトルｑとし、ν_１，ν_２及びν_３はそれぞれの周波数とする。

非線形光学結晶においてはポンプ光ｈν_１，ｈν_２の波長が１．０μｍ以下で平行方向での位相整合（Δｑ＝０）が得られるが、１．０μｍより長波長では位相不整合Δｑを発生する。ｎ_Ｉをテラヘルツ電磁波ｈν_３の周波数での非線形光学結晶の屈折率、ｎ_Ｌをポンプ光ｈν_１，ｈν_２の周波数での非線形光学結晶の屈折率とすると、２つのポンプ光ｈν_１，ｈν_２が結晶内でなす内部交叉角度θ_ｉｎが十分に小さいときは、図２の波数ベクトルの幾何学的な関係から、次の式が得られる。

θ_ｉｎ＝（２Δｑ／ｑ）^１／２（ｎ_Ｉ／ｎ_Ｌ）（ν_３／ν_１） ・・・・・（１）
但し、Δｑはポンプ光ｈν_１，ｈν_２の波長を１．０μｍより長波長にしたため平行方向では位相整合が得られなくなったため生じた波数の不一致の大きさであり、
Δｑ＝ｋ_Ｌ−ｋ_Ｓ−ｑ ・・・・・（２）
である。平行方向の位相整合はおよそ１．０μｍが限界波長であると計算され、実験的にもほぼこれに近いことが確認できている。ポンプ光ｈν_１，ｈν_２の波長をＹＡＧレーザの波長１．０６４μｍとした場合、限界波長より６．４％長波長であるが、テラヘルツ電磁波の分散関係からは位相不整合度Δｑ／ｑは約３％と計算される。したがって、式（１）から、内部交叉角度θ_ｉｎは，ν_３＝１ＴＨｚでは３．２’（分）＝０．０５４°という小さな値を有することが計算できる。

一方、テラヘルツ電磁波の進行方向（出射角）θ_Ｉは、図２から次の式が得られる。

ｓｉｎθ_Ｉ＝ｋ_ｓ／ｑ ｓｉｎθ_ｉｎ ・・・・・（３）
更に、式（１）及び（３）から次の式が得られる。
ｓｉｎθ_Ｉ＝（２Δｑ／ｑ）^１／２ ・・・・・（４）
即ち、出射角θ_Ｉはｋ／ｑ倍されるため、内部交叉角度θ_ｉｎよりは相当大きいが０．５ＴＨｚから４ＴＨｚにおいて、出射角θ_Ｉは約１０°から１４°である。ｔａｎ１４°＝０．２５であるため、テラヘルツ電磁波ｈν_３の光路Φ_３とポンプ光ｈν_１，ｈν_２の光路Φ_１，Φ_２の重なりは、図３に示すように、およそ８０％以上となり、実効的な相互作用距離は結晶長に近くなり高出力を広い範囲の周波数にわたって得ることができる。

テラヘルツ電磁波ｈν_３の周波数ν_３を７ＴＨｚに増大させると、テラヘルツ電磁波ｈν_３の分散が大きくなるため２Δｑ／ｑが増大する。分散特性の計算によれば７ＴＨｚではΔｑ／ｑ＝１２％まで増大するが、この場合でも、Δｑは未だ小さいといってよい範囲にある。即ち式（１）より内部交叉角度θ_ｉｎ＝４６’（分）と計算され１°以下の微少角度である。結晶外においては約１４２’、即ち、２．４°となる。このときテラヘルツ電磁波ｈν_３の方向、出射角θ_Ｉは式（４）から約３０°であり、図３のようにビーム径３ｍｍ、結晶長５ｍｍの場合、約５０％以上のビーム重なりを得ることができる。このため７ＴＨｚにおいても効率低下は著しくない。しかし、出射角θ_Ｉは結晶内の全反射臨界角１７°を超えているため図３のように垂直入射に近い場合は全反射のため出力面から外部に取り出せなくなる。その場合は、ポンプ光の入射角を０°ではなく、１３°以上にかたむければ臨界角１７°以下にすることができる。

尚、非線形光学結晶として、ＺｎＧｅＰ_２結晶やＧａＳｅ結晶のような光学異方性結晶を用いる場合は、結晶異方性を利用したコリニアな位相整合を行うことが可能であるので、式（１）で示す内部交叉角度θ_ｉｎの制約を考慮する必要がない。即ち、非線形光学結晶として、光学異方性結晶を用いる場合は、ポンプ光ｈν_１，ｈν_２を互いに平行に入射させ（内部交叉角度θ_ｉｎ＝０°）、光学異方性結晶の結晶方位を回転させることにより、位相整合を行うことが可能である。

（第１実施例）
図４に示すように、本発明の第１実施例に係る電磁波発生装置は、１．０μｍより長波長の第１のポンプ光ｈν_１を出射する第１のポンプ光出射部２と、１．０μｍより長波長で、第１のポンプ光ｈν_１とは異なる波長の第２のポンプ光ｈν_２を、波長可変で出射する第２のポンプ光出射部２５と、第１のポンプ光ｈν_１と第２のポンプ光ｈν_２との差周波数の電磁波ｈν_３を生成する非線形光学結晶１９と、第１のポンプ光ｈν_１と第２のポンプ光ｈν_２との差周波数ν_３＝１ＴＨｚにおける外部交叉角度θ_ｉｎ ^ｅｘｔを０．５°以内に調整し、第１のポンプ光及び第２のポンプ光を非線形光学結晶１９に入射させる光学系（Ｍ_１，Ｍ_２，１８）とを備える。ここで、外部交叉角度θ_ｉｎ ^ｅｘｔは結晶外における第１のポンプ光ｈν_１と第２のポンプ光ｈν_２との交叉角度であって内部交叉角度θ_ｉｎとは、ほぼ：
θ_ｉｎ ^ｅｘｔ＝ｎ_Ｌθ_ｉｎ ・・・・・（５）
なる関係を有する。ｎ_Ｌはポンプ光周波数での非線形光学結晶１９の屈折率であるから、非線形光学結晶１９が、ＧａＰの場合は、屈折率ｎ_Ｌ＝３．１程度である。

式（１）からは、外部交叉角度θ_ｉｎ ^ｅｘｔは、非線形光学結晶１９の横波格子振動周波数より十分小さい領域では、差周波数ν_３に比例して増大する。差周波数ν_３が横波格子振動周波数に近くなると、外部交叉角度θ_ｉｎ ^ｅｘｔは式（１）が示す比例関係からずれ初め、図５に示すような周波数分散を示す曲線（カーブ）に沿って変化する。

図５は、非線形光学結晶としてＧａＰ結晶を用いた場合の外部交叉角度θ_ｉｎ ^ｅｘｔの差周波数ν_３依存性を示す図であるが、黒マルで示した実測値は式（１）で計算される値よりも、低周波側では小さな外部交叉角度θ_ｉｎ ^ｅｘｔとなる。例えば差周波数ν_３が１ＴＨｚのときは外部交叉角度θ_ｉｎ ^ｅｘｔ＝５’＝０．０８３°、内部交叉角度θ_ｉｎ＝１．６’＝０．０２７°の微少角度となる。差周波数ν_３が２ＴＨｚのときは外部交叉角度θ_ｉｎ ^ｅｘｔ＝１７’＝０．２８°、内部交叉角度θ_ｉｎ＝５．５’＝０．０９°の微少角度となる。差周波数ν_３が６ＴＨｚのときは外部交叉角度θ_ｉｎ ^ｅｘｔ＝１００’＝１．７°、内部交叉角度θ_ｉｎ＝３２’＝０．５５°の微少角度となる。差周波数ν_３が７ＴＨｚのときは外部交叉角度θ_ｉｎ ^ｅｘｔ＝１８０’＝３°、内部交叉角度θ_ｉｎ＝５７．８’＝０．９６°の微少角度となる。

これに対して、冒頭で図１を用いて説明したＬｉＮｂＯ_３結晶の場合は、差周波数ν_３が１ＴＨｚのときは外部交叉角度θ_ｉｎ ^ｅｘｔ＝０．９５°（内部交叉角度θ_ｉｎ＝０．４４°）、差周波数ν_３が２ＴＨｚのときは外部交叉角度θ_ｉｎ ^ｅｘｔ＝１．８５°（内部交叉角度θ_ｉｎ＝０．８６°）となり、ＧａＰの場合に比してかなり大きな角度となる。以後の説明では、主に、直接制御の対象となる外部交叉角度θ_ｉｎ ^ｅｘｔを用いて説明するが、式（５）から等価な内部交叉角度θ_ｉｎに容易に換算可能なことは勿論である。

外部交叉角度θ_ｉｎ ^ｅｘｔを調整し、第１及び第２のポンプ光を非線形光学結晶１９に入射させる光学系（Ｍ_１，Ｍ_２，１８）は、第１ミラーＭ_１、第２ミラーＭ_２及び偏光ビームスプリッタ１８からなる。第１ミラーＭ_１は、第１のポンプ光出射部２から出射した第１のポンプ光ｈν_１を反射し、第１のポンプ光ｈν_１を第２のポンプ光出射部２５に入射させるミラーである。第２ミラーＭ_２は、第１のポンプ光出射部２から出射した第１のポンプ光ｈν_１を反射し、第１のポンプ光ｈν_１を偏光ビームスプリッタ１８に入射する角度を調整するように回転可能なミラーである。図４に示す光学系（Ｍ_１，Ｍ_２，１８）の配置により、第２のポンプ光出射部２５から出射した信号光（第２のポンプ光）ｈν_２を偏光ビームスプリッタ１８を透過させる。又、第１のポンプ光出射部２から出射したポンプ光（第１のポンプ光）ｈν_１は、第２ミラーＭ_２を介して垂直方向から入射させて偏光ビームスプリッタ１８の偏光面で反射させ、平行に近い微小な外部交叉角度θ_ｉｎ ^ｅｘｔで、ポンプ光（第１のポンプ光）ｈν_１及び信号光（第２のポンプ光）ｈν_２を非線形光学結晶１９内で結合させる光学系を構成している。

但し、ポンプ光（第１のポンプ光）ｈν_１と信号光（第２のポンプ光）ｈν_２は、偏光ビームスプリッタ１８よってビームを平行に近く重ねれば良いので、第４実施例の図９に示すように、ポンプ光（第１のポンプ光）ｈν_１を偏光ビームスプリッタ１８を透過させ、ポンプ光（第１のポンプ光）ｈν_１に対し偏波面の直交する信号光（第２のポンプ光）ｈν_２を垂直方向から入射させて偏光ビームスプリッタ１８の偏光面で反射させ、平行に近い微小な外部交叉角度θ_ｉｎ ^ｅｘｔで、第１のポンプ光及び第２のポンプ光を非線形光学結晶１９内で結合させる光学系を構成しても良い。そして、第２のポンプ光ｈν_２の周波数の変化とともに、光学系（Ｍ_１，Ｍ_２，１８）を駆動し、第１のポンプ光ｈν_１と第２のポンプ光ｈν_２の外部交叉角度θ_ｉｎ ^ｅｘｔを連動して変えることにより、非線形光学結晶１９から可変波長のテラヘルツ電磁波ｈν_３を発生させる。

尚、図４に示した光学系（Ｍ_１，Ｍ_２，１８）は、例示であり、第１ミラーＭ_１、第２ミラーＭ_２及び偏光ビームスプリッタ１８の他に、他のミラー等の光学素子を加えても良く、第１ミラーＭ_１、第２ミラーＭ_２の代わりに、プリズム等の第１ミラーＭ_１や第２ミラーＭ_２と等価な機能を有する光学素子に置き換えても、外部交叉角度θ_ｉｎ ^ｅｘｔを調整して、第１及び第２のポンプ光を非線形光学結晶１９に入射させることができることは勿論である。

具体的には、第１のポンプ光出射部２として波長１．０６４μｍのパルスを発振するＹＡＧレーザ１６を使用する。第２のポンプ光出射部２５として、波長可変パラメトリックオッシレータ（ＯＰＯ）１７を用いる。波長可変ＯＰＯ１７は、励起光源１６としてのＹＡＧレーザからのポンプ光（第１のポンプ光）ｈν_１の基本波を３逓倍した３５５ｎｍの光で励起される。

テラヘルツ電磁波ｈν_３のスペクトル線幅を狭くかつ、広い周波数にわたってモードホップなしで動作させるために、波長可変ＯＰＯ１７は、インジェクションシーディング機構（手段）を備える。インジェクションシーディング機構（手段）として、波長可変ＯＰＯ１７内にシードレーザ（マスター発振器）を具備する。シードレーザ（マスター発振器）としては、例えば、Ｑ値の高い共振器を硼酸バリウム（ＢａＢ_２Ｏ_４）結晶に用い、スペクトル幅を狭くすれば良い。即ち、シードレーザ（マスター発振器）及びスレーブレーザ（ホストレーザ）共に、ＢａＢ_２Ｏ_４結晶のパラメトリック効果を用いる。そして、スレーブレーザ（ホストレーザ）である波長可変ＯＰＯ１７の共振器長を、シードレーザとスレーブレーザの縦モードが一致するように制御すれば良い。スレーブレーザの共振器長を制御する共振器ロックには、少なくとも（波長）／（共振器のフィネス）オーダー以上の正確な制御が必要になるので、例えば、ピエゾドライバで共振器長を制御することが好ましい。即ち、波長可変ＯＰＯ１７の出力をフォトディテクターで検出し、その信号をブランキング回路を経てロックインアンプに入力する。更に、このロックインアンプの出力信号を、ピエゾドライバでファンクションジェネレーターからの変調信号と加算し、ピエゾ駆動電圧に変換し、変調ミラーを動かすようにすれば良い。このとき、ファンクションジェネレーターの同調信号をロックインアンプの参照信号とするようにしても良い。このような波長可変ＯＰＯ１７は励起光源（ＹＡＧレーザ）１６の第３高調波即ち波長３５５ｎｍ光で励起されることによりスペクトル線幅を広げる原因となる波長縮退を避け、更にインジェクションシーディングを行うことにより、波長可変ＯＰＯ１７のスペクトル線幅を狭くできるので、差周波として発生するテラヘルツ電磁波ｈν_３のスペクトル線幅も同様に狭くなる。

波長可変ＯＰＯ１７の出力光波長を１．０３８μｍから１．０６３５μｍの範囲に選べば差周波数ν_３は０．１５ＴＨｚから７ＴＨｚの範囲になる。又、波長可変ＯＰＯ１７の波長を１．０６４６μｍから１．０９１μｍの範囲に選んでも良い。

尚、励起光源（ＹＡＧレーザ）１６も、同様に、Ｑ値の高い共振器のＹＡＧレーザをシードレーザ（マスター発振器）として用い、スペクトル幅を狭くし、インジェクションシーディングすることにより、狭線幅の励起光源とすることが好ましい。

ポンプ光（第１のポンプ光）ｈν_１と信号光（第２のポンプ光）ｈν_２は直交した偏波方向を持ち、偏光ビームスプリッタ１８よってビームを平行に近い微小な外部交叉角度θ_ｉｎ ^ｅｘｔに重ねる。ビームスプリッタ１８、又は、第２ミラーＭ_２を微小回転させ、テラヘルツ電磁波ｈν_３の周波数ν_３に応じて極く小さい外部交叉角度θ_ｉｎ ^ｅｘｔとなるようにポンプ光（第１のポンプ光）ｈν_１或いは信号光（第２のポンプ光）ｈν_２のビーム方向を調整する。

非線形光学結晶１９としてＧａＰ結晶を用いる場合は、ＧａＰ結晶の光軸方向を［１１０］方向にすれば、非線形光学結晶１９の出力面からテラヘルツ電磁波ｈν_３、ポンプ光（第１のポンプ光）ｈν_１と信号光（第２のポンプ光）ｈν_２共に取り出される。テラヘルツ電磁波ｈν_３が０．１５ＴＨｚから５ＴＨｚにおいてはθ_１が約１０−１７°、７ＴＨｚにおいても３０°以下と小さいのでポンプ光（第１のポンプ光）ｈν_１、信号光（第２のポンプ光）ｈν_２とテラヘルツ電磁波ｈν_３の重なりが大きく、長距離の相互作用が行われる。その結果、０．１５−７ＴＨｚの広い周波数にわたって１００ｍＷ以上のテラヘルツ電磁波ｈν_３のパルス出力が得られる。

尚、第４及び第５実施例で後述するように、偏光ビームスプリッタ１８を搭載した回転ステージの回転、ビームスプリッタ用線形ステージの位置を、コンピュータ制御するようにし、波長可変ＯＰＯ１７の波長を波長コントローラ等を用いて自動で掃引し、波長コントローラと連動して、２つのポンプ光ｈν_１，ｈν_２間の外部交叉角度θ_ｉｎ ^ｅｘｔを自動的に制御するように自動位相制御装置（コンピュータシステム）を構成すれば、それぞれの周波数ν_３で最高出力を非線形光学結晶１９から発生させることができる。

第１のポンプ光出射部２である励起光源（ＹＡＧレーザ）１６のスペクトル線幅は十分狭いので、差周波であるテラヘルツ電磁波ｈν_３のスペクトル線幅は第２のポンプ光出射部２５のＯＰＯ１７のスペクトル線幅で決まることになる。ＯＰＯ１７はインジェクションシーディングされているためスペクトル線幅約４ＧＨｚであり、差周波であるテラヘルツ電磁波ｈν_３のスペクトル線幅もほぼ４ＧＨｚである。テラヘルツ帯における固体、液体状物質のスペクトル線幅は一般的に５０ＧＨｚ以上なので第１実施例に係る電磁波発生装置は十分に高分解能の分光測定を可能にする。

（第２実施例）
図６に示すように、本発明の第２実施例に係る電磁波発生装置は、１．０μｍより長波長の第１のポンプ光ｈν_１を出射する第１のポンプ光出射部２４と、１．０μｍより長波長で、第１のポンプ光ｈν_１とは異なる波長の第２のポンプ光ｈν_２を、波長可変で出射する第２のポンプ光出射部２５と、第１のポンプ光ｈν_１と第２のポンプ光ｈν_２との差周波数の電磁波ｈν_３を生成する非線形光学結晶１９と、第１のポンプ光ｈν_１と第２のポンプ光ｈν_２との差周波数１ＴＨｚにおける外部交叉角度θ_ｉｎ ^ｅｘｔを０．５°以内に調整し、第１のポンプ光及び第２のポンプ光を非線形光学結晶１９に入射させる光学系（Ｍ_３，Ｍ_４，Ｍ_５，１８）とを備える。

光学系（Ｍ_３，Ｍ_４，Ｍ_５，１８）は、ハーフミラーＭ_３、第１ミラーＭ_５、第２ミラーＭ_４及び偏光ビームスプリッタ１８からなる。ハーフミラーＭ_３は、励起光源１６としてのＹＡＧレーザから出射した励起光の一部を透過し第１のポンプ光出射部２４に入射させ、励起光源（ＹＡＧレーザ）１６から出射した励起光の他の一部を反射し、第２のポンプ光出射部２５に入射させるミラーである。第１ミラーＭ_５は、ハーフミラーＭ_３で反射した励起光を更に反射し、励起光源（ＹＡＧレーザ）１６から出射した励起光の他の一部を第２のポンプ光出射部２５に入射させるミラーである。第２ミラーＭ_４は、第１のポンプ光出射部２４から出射した第１のポンプ光ｈν_１を反射し、第１のポンプ光ｈν_１を偏光ビームスプリッタ１８に入射する角度を調整するように回転可能なミラーである。図６に示す光学系（Ｍ_３，Ｍ_４，Ｍ_５，１８）の配置により、第２のポンプ光出射部２５から出射した信号光（第２のポンプ光）ｈν_２を偏光ビームスプリッタ１８を透過させる。又、第１のポンプ光出射部２４から出射したポンプ光（第１のポンプ光）ｈν_１は、第２ミラーＭ_４を用いて、垂直方向から入射させて偏光ビームスプリッタ１８の偏光面で反射させ、平行に近い微小な外部交叉角度θ_ｉｎ ^ｅｘｔで、ポンプ光（第１のポンプ光）ｈν_１及び信号光（第２のポンプ光）ｈν_２を、非線形光学結晶１９内で結合させる光学系を構成している。

但し、ポンプ光（第１のポンプ光）ｈν_１と信号光（第２のポンプ光）ｈν_２は、偏光ビームスプリッタ１８よってビームを平行に近く重ねれば良いので、第４実施例の図９に示すように、ポンプ光（第１のポンプ光）ｈν_１を偏光ビームスプリッタ１８を透過させ、ポンプ光（第１のポンプ光）ｈν_１に対し偏波面の直交する信号光（第２のポンプ光）ｈν_２を垂直方向から入射させて偏光ビームスプリッタ１８の偏光面で反射させ、平行に近い微小な外部交叉角度θ_ｉｎ ^ｅｘｔで、第１のポンプ光及び第２のポンプ光を非線形光学結晶１９内で結合させる光学系を構成しても良い。そして、第２のポンプ光ｈν_２の周波数の変化とともに、光学系（Ｍ_３，Ｍ_４，Ｍ_５，１８）を駆動し、第１のポンプ光ｈν_１と第２のポンプ光ｈν_２の外部交叉角度θ_ｉｎ ^ｅｘｔを連動して変えることにより、非線形光学結晶１９から可変波長のテラヘルツ電磁波ｈν_３を発生させる。

尚、図６に示した光学系（Ｍ_３，Ｍ_４，Ｍ_５，１８）は、例示であり、ハーフミラーＭ_３、第１ミラーＭ_５、第２ミラーＭ_４及び偏光ビームスプリッタ１８の他に、他のミラー等の光学素子を加えても良く、第１ミラーＭ_５、第２ミラーＭ_４等の代わりに、プリズム等の第１ミラーＭ_５や第２ミラーＭ_４等と等価な機能を有する光学素子に置き換えても良いことは勿論である。

第１のポンプ光出射部２４及び第２のポンプ光出射部２５にそれぞれ備えられる第１及び第２のポンプ光源として、励起光源（ＹＡＧレーザ）１６で励起されるクロム（Ｃｒ）添加フォルステライトレーザを使う。このＣｒ添加フォルステライトレーザは、かんらん石の主成分であるフォルステライト（ＳｉＯ_２・２ＭｇＯ＝Ｍｇ_２ＳｉＯ_４）中のＣｒの準位を用いているため、インジェクションシーディングなしのＯＰＯに比べてスペクトル線幅が極めて狭い。Ｃｒ添加フォルステライトレーザは、波長１．０６４μｍの励起光源（ＹＡＧレーザ）１６を用いて励起され、ＯＰＯのようにＹＡＧ第３高調波を用いないので効率が高い。

即ち、第２実施例に係る電磁波発生装置では、２つのＣｒ添加フォルステライトレーザを第１のポンプ光出射部２４及び第２のポンプ光出射部２５にそれぞれ備えられる第１及び第２のポンプ光源として用い、第１のポンプ光出射部２４を固定波長で、第２のポンプ光出射部２５を波長可変ポンプ光源とし、インジェクションシーディングなしで差周波としてのテラヘルツ電磁波ｈν_３のスペクトル線幅を狭くすることができる。

ポンプ光（第１のポンプ光）ｈν_１の波長を、例えば、１．２０μｍに固定する。第１のポンプ光出射部２４に備えられる第１のポンプ光源は、内部にエタロンを設置することにより、固定波長でスペクトル線幅を１ＧＨｚ程度に狭くすることができる。第２のポンプ光出射部２５に備えられる第２のポンプ光源には同種のＣｒ添加フォルステライトレーザを使い、波長を掃引する。第２のポンプ光出射部２５は連続波長掃引のため、エタロンを挿入しないのでスペクトル線幅は１０ＧＨｚから１５ＧＨｚである。更に、Ｃｒ添加フォルステライトレーザは、ＯＰＯのようにＹＡＧの高調波を使う必要がないため、基本波１．０６４μｍによって励起でき、高出力且つ安価であることが特徴である。

この結果、差周波として発生するテラヘルツ電磁波ｈν_３のスペクトル線幅はほぼ１０ＧＨｚから１５ＧＨｚを得ることができる。第２のポンプ光出射部２５のＣｒ添加フォルステライトレーザ（第２のポンプ光源）から出射する信号光（第２のポンプ光）ｈν_２の波長を、１．２０２４μｍから１．２３４６μｍまで変えることにより、発生するテラヘルツ電磁波ｈν_３の周波数範囲は第１実施例に係る電磁波発生装置と同様、０．５ＴＨｚから７ＴＨｚの間である。出力も第１実施例に係る電磁波発生装置と同様である。

このとき、第４及び第５実施例で後述するように、偏光ビームスプリッタ１８を搭載した回転ステージの回転やビームスプリッタ用線形ステージの位置を、コンピュータ制御するようにし、第２のポンプ光出射部２５のＣｒ添加フォルステライトレーザ（第２のポンプ光源）の波長を波長コントローラ等を用いて自動で掃引し、この波長コントローラと連動して、２つのポンプ光ｈν_１，ｈν_２間の外部交叉角度θ_ｉｎ ^ｅｘｔを自動的に制御するように自動位相制御装置（コンピュータシステム）を構成すれば、それぞれの周波数ν_３で最高出力を非線形光学結晶１９から発生させることができる。

外部交叉角度θ_ｉｎ ^ｅｘｔは、図５に示すように差周波数ν_３に依存するが、ポンプ光ｈν_１，ｈν_２が波長１．２５ｍｍ帯のＣｒ添加フォルステライトレーザであるときは、１ＴＨｚ、２ＴＨｚにおいて外部交叉角度θ_ｉｎ ^ｅｘｔは、式（１）からそれぞれおよそ１２’、２４’と計算される。

尚、第１のポンプ光出射部２４及び第２のポンプ光出射部２５に用いる第１及び第２のポンプ光源としてのＣｒ添加フォルステライトレーザを、イッテルビウム（Ｙｂ）を添加したＹＬＦ（イットリウム・リチウム・フルオライド）レーザやＹｂを添加したファイバレーザで置き換えることもできる。Ｙｂ添加ＹＬＦレーザやＹｂ添加ファイバレーザを用いる場合も、インジェクションシーディングなしで比較的狭線幅を得られるので、極めて安価である利点を有する。但し、Ｙｂ添加ＹＬＦレーザやＹｂ添加ファイバレーザの場合は、ＹＡＧレーザ１６の波長１．０６４μｍより、僅かに波長が短いので、ＹＡＧレーザ１６の２倍波（波長５３０ｎｍ）で励起する必要がある。

（第３実施例）
第３実施例に係る電磁波発生装置は、第１実施例及び第２実施例に係る電磁波発生装置とほぼ同様な構成であるが、非線形光学結晶１９の形状が、図６に示すような断面が直角３角形となる３角柱構造である点が異なる。図６のように非線形光学結晶１９の断面形状を約３０°、６０°の直角３角形となし、最長辺の入力面Ｓ_１からポンプ光ｈν_１，ｈν_２を入射するようにすれば、テラヘルツ電磁波ｈν_３は、電磁波出射面（出力端面）Ｓ_３からほぼ垂直に取り出すことができる。

例えば、テラヘルツ電磁波ｈν_３の周波数ν_３が７ＴＨｚの場合、テラヘルツ電磁波ｈν_３の進行方向θ_Ｉはほぼ３０°となるが、テラヘルツ電磁波ｈν_３は、電磁波出射面（出力端面）Ｓ_３からほぼ垂直に取り出されるので、テラヘルツ電磁波ｈν_３の検出光学系の配置が容易になり、又、結晶配置が１−２°ずれても問題を生じない。一方、ポンプ光は電磁波出射面（出力端面）Ｓ_３では全反射されるが、端面Ｓ_２から外部に放出される。

このように、第３実施例に係る電磁波発生装置は第１及び第２実施例に係る電磁波発生装置と違って、テラヘルツ電磁波ｈν_３の周波数が７ＴＨｚ以上になってもテラヘルツ電磁波ｈν_３は全反射せずに出力を取り出せる。

（第４実施例）
第４実施例に係る電磁波発生装置は、図８に示すように、第１のポンプ光ｈν_１を出射する第１のポンプ光出射部２４と、第１のポンプ光ｈν_１とは異なる波長の第２のポンプ光ｈν_２を、波長可変で出射する第２のポンプ光出射部２５と、第１のポンプ光ｈν_１と第２のポンプ光ｈν_２との差周波数の電磁波ｈν_３を生成する非線形光学結晶１９と、第１のポンプ光ｈν_１と第２のポンプ光ｈν_２との外部交叉角度θ_ｉｎ ^ｅｘｔを調整し、第１のポンプ光及び第２のポンプ光を非線形光学結晶１９に入射させる光学系１８とを備える。そして、第２のポンプ光ｈν_２の周波数と外部交叉角度θ_ｉｎ ^ｅｘｔを連動して変えることにより、非線形光学結晶１９から可変波長のテラヘルツ電磁波ｈν_３を発生させる。第１実施例に係る電磁波発生装置と同様に、第１のポンプ光出射部２４を機能させるための励起光源１６として、１．０６４μｍのパルスを発振するＹＡＧレーザを用い、第２のポンプ光出射部２５を機能させる光源として、励起光源（ＹＡＧレーザ）１６の３倍波で励起する可変波長ＯＰＯ５４を用いる。即ち、図８に示す第４実施例に係る電磁波発生装置においては、第１アッテネータ５２とにより第１のポンプ光出射部２４が構成され、可変波長ＯＰＯ５４と第２アッテネータ５３とにより、第２のポンプ光出射部２５が構成されている。

更に、図８に示すように、第４実施例に係る電磁波発生装置は励起光源（ＹＡＧレーザ）１６と第１のポンプ光出射部２４との間に、タイミング制御機構（手段）２６を挿入している。タイミング制御機構（手段）２６は、ポンプ光（第１のポンプ光）ｈν_１のパルス及び信号光（第２のポンプ光）ｈν_２のパルスの非線形光学結晶１９に到達するタイミングを制御する機能を有する。

既に述べたように、非線形光学結晶１９としてＧａＰ結晶を用いた場合においては、２つのポンプ光ｈν_１，ｈν_２の波長を１．０μｍより大きい波長にして、ポンプ光ｈν_１，ｈν_２間に微小な角度を持たせることにより角度位相整合が達成されるので、非線形光学結晶１９内でポンプ光ｈν_１，ｈν_２、テラヘルツ電磁波ｈν_３の重なりが大きくなり、効率良く広い周波数帯域でテラヘルツ電磁波ｈν_３が得られる。微小な外部交叉角度θ_ｉｎ ^ｅｘｔでテラヘルツ電磁波ｈν_３を発生する非線形光学結晶である非線形光学結晶１９に導入するために、２つのポンプ光ｈν_１，ｈν_２は、偏光ビームスプリッタ１８を用いて結合される。

図９に示すように、ポンプ光（第１のポンプ光）ｈν_１は偏光ビームスプリッタ１８を透過させ、ポンプ光（第１のポンプ光）ｈν_１に対し偏波面の直交する信号光（第２のポンプ光）ｈν_２は垂直方向から入射させて偏光ビームスプリッタ１８の偏光面で反射させ、平行に近い微小な外部交叉角度θ_ｉｎ ^ｅｘｔで結合させる。ポンプ光（第１のポンプ光）ｈν_１と信号光（第２のポンプ光）ｈν_２は、偏光ビームスプリッタ１８よってビームを平行に近く重ねれば良いので、図１０に示すように、信号光（第２のポンプ光）ｈν_２を偏光ビームスプリッタ１８を透過させ、ポンプ光（第１のポンプ光）ｈν_１は垂直方向から入射させて偏光ビームスプリッタ１８の偏光面で反射させ、平行に近い微小な外部交叉角度θ_ｉｎ ^ｅｘｔで結合させるような光学系でも構わない。図９の光学系であろうと、図１０の光学系であろうと、２つのポンプ光ｈν_１，ｈν_２が同時に非線形光学結晶１９に到達するように、第１のポンプ光出射部２４側の光路には、タイミング制御機構（手段）２６として、遅延線路５１を挿入させている。励起光源（ＹＡＧレーザ）１６の出力光を遅延線路５１を経由した後、第１のポンプ光出射部２４に到達するように光路を構成することにより、ポンプ光（第１のポンプ光）ｈν_１のパルス及び信号光（第２のポンプ光）ｈν_２のパルスが非線形光学結晶１９に同時に到達するように、タイミングを制御することができる。

遅延線路５１は、反射鏡を複数枚用いて構成すれば良い。例えば、複数枚の反射鏡で１ｍずつ折り返し、２〜３ｍ程度の光路を形成すれば良い。そして、遅延時間を変えるには、いずれか反射鏡を光路上で移動させ、光路長を変えれば良い。可変波長ＯＰＯ５４を用いる場合は、可変波長ＯＰＯ５４の光出力パルスの励起光源（ＹＡＧレーザ）１６に対する遅れは、数ナノ秒（ｎｓ）程度である。光路長１ｍに付き、３．３ナノ秒の遅れであるから、複数枚の反射鏡で２〜３ｍ程度の光路を形成すれば、十分な遅延時間を得ることができる。

第２のポンプ光出射部２５において、可変波長ＯＰＯ５４の波長を１．０３８〜１．０６３５μｍの範囲、或いは１．０６４６〜１．０９１μｍの範囲で選べば、差周波数ν_３は０．１５〜７ＴＨｚとなる。ポンプ光（第１のポンプ光）ｈν_１及び信号光（第２のポンプ光）ｈν_２の強度は、第１アッテネータ５２及び第２アッテネータ５３により、それぞれ０．１〜５０ｍＪの範囲で調節される。第１アッテネータ５２及び第２アッテネータ５３は、それぞれ１／２波長板と偏光子からなる。

非線形光学結晶としてＧａＰ結晶を用いた場合は、外部交叉角度θ_ｉｎ ^ｅｘｔは、図５に示すような周波数依存性を示すので、差周波数ν_３の増加に伴い、２つのポンプ光ｈν_１，ｈν_２間で０°から４°程度の任意の微小な外部交叉角度θ_ｉｎ ^ｅｘｔを得るために、図９及び図１０に示すように偏光ビームスプリッタ１８は回転ステージ５５により外部交叉角度θ_ｉｎ ^ｅｘｔを制御する。２つのポンプ光ｈν_１，ｈν_２を、偏光ビームスプリッタ１８と約６０ｍｍ離れて配置されている非線形光学結晶１９の表面で任意の微小な外部交叉角度θ_ｉｎ ^ｅｘｔにおいて常に同じ点で重ね合わせるために、偏光ビームスプリッタ１８は更に、回転ステージ５５による回転に連動してビームスプリッタ用線形ステージ５６上を動く。このビームスプリッタ用線形ステージ５６の移動量は０から６．３ｍｍ程度である。

任意の周波数を即時に得る、或いは任意の速度で周波数掃引することは、２つのポンプ光ｈν_１，ｈν_２の少なくとも一方の波長を任意に制御するとともに、連動して非線形光学結晶１９に近接したミラーやビームスプリッタの回転角度を瞬時に設定することにより可能となる。例えば第２のポンプ光出射部２５として、可変波長ＯＰＯ５４を用いた場合、可変波長ＯＰＯ５４の波長は波長コントローラ３ａを用い、ＧＰＩＢ通信等によってパーソナルコンピュータ１１から高速に設定可能となる。第２のポンプ光出射部２５に用いる波長可変レーザとしての可変波長ＯＰＯ５４は、例えば、Ｓｐｅｃｔｒａ Ｐｈｙｓｉｃｓ社可変波長ＭＯＰＯ５４−ＳＬが使用可能である。

図２を用いて既に説明したように、非線形光学結晶１９より出射されるテラヘルツ電磁波ｈν_３はその周波数ν_３により出射角度（ポンプ光ｈν_１，ｈν_２とテラヘルツ電磁波ｈν_３のなす角）θ_Ｉが変化する。周波数ν_３＝０．４〜６ＴＨｚでこの出射角度θ_Ｉは３０〜６０°となる。出射角度θ_Ｉを周波数ν_３によらず、一定位置或いは一定線上を通過するようにするには、図１１のように一対の非軸放物面鏡７ａ，７ｂを用いる。第１の非軸放物面鏡７ａは非線形光学結晶１９直近において、上記周波数範囲のテラヘルツ電磁波ｈν_３を捕獲できるよう配置する。この際、第１の非軸放物面鏡７ａの焦点の位置に非線形光学結晶１９のテラヘルツ電磁波ｈν_３の出射点が来るような光学配置にすれば、テラヘルツ電磁波ｈν_３の出射方向に関わらず、テラヘルツ電磁波ｈν_３のビームを同一光路にすることができる。即ち、第１の非軸放物面鏡７ａの反射光は、周波数ν_３によらず必ず特定の平行線上を通過する。

第２の非軸放物面鏡７ｂは第１の非軸放物面鏡７ａに相対して配置し、第１の非軸放物面鏡７ａで反射されるテラヘルツ電磁波ｈν_３の光軸に垂直な軸に沿って、放物面鏡用線形ステージ（図示省略）上を移動する。第１の非軸放物面鏡７ａの位置を固定し、第２の非軸放物面鏡７ｂが必ず鏡上の同じ点でテラヘルツ電磁波ｈν_３を受け、垂直方向に反射するようにすれば、いずれの周波数ν_３においても、テラヘルツ電磁波ｈν_３は同一線上を通過することになる。結局テラヘルツ電磁波ｈν_３の焦点はこの線上を移動することになるが、シリコンボロメータやＤＴＧＳ赤外光検出器のようなテラヘルツ帯の電磁波検出器では、直前にホーン形状の集光系を用いれば、焦点が移動しても問題にならない。

入射ポンプ光ｈν_１，ｈν_２の微小な外部交叉角度θ_ｉｎ ^ｅｘｔを制御するための偏光ビームスプリッタ１８を搭載した回転ステージ５５、ビームスプリッタ用線形ステージ５６は、例えばステッピングモータとこのステッピングモータ用のモータコントローラ４を用いれば、ＧＰＩＢ通信やＵＳＢ通信、ＲＳ−２３２Ｃ通信等によりパーソナルコンピュータ１１から容易に高速に制御可能である。即ち、波長コントローラ３ａを用いて自動で連続的に周波数ν_３を掃引し、更に、モータコントローラ４を波長コントローラ３ａと連動して駆動し、２つのポンプ光ｈν_１，ｈν_２間の外部交叉角度θ_ｉｎ ^ｅｘｔを自動的に制御するように自動位相制御装置を構成すれば、それぞれの周波数ν_３で最高出力を非線形光学結晶１９から発生させることができる。

同様に、図示を省略した放物面鏡用線形ステージを、モータコントローラ４を用いて、例えばステッピングモータを駆動すれば、ＧＰＩＢ通信やＵＳＢ通信、ＲＳ−２３２Ｃ通信等によりパーソナルコンピュータ１１から容易に高速に、第２の非軸放物面鏡７ｂの位置を制御することが可能である。こうすれば、自動で連続的に周波数ν_３を掃引し、且つそれぞれの周波数ν_３で最高出力を得るために、可変波長ＯＰＯ５４の波長、２つのポンプ光ｈν_１，ｈν_２間の外部交叉角度θ_ｉｎ ^ｅｘｔ、第２の非軸放物面鏡７ｂの位置を同時に制御できる。図１２に、このシステムを用いたテラヘルツ電磁波発生装置の出力特性例を示す。

尚、図示を省略しているが、図８の構成で、波長コントローラ３ａを用いて自動で可変波長ＯＰＯ５４の周波数ν_３を掃引し、モータコントローラ４により遅延線路５１を波長コントローラ３ａと連動して駆動し、可変波長ＯＰＯ５４の発振遅れ時間を、可変波長ＯＰＯ５４の波長と連動して制御することができる。即ち、複数枚の反射鏡で折り返した光路を構成し、ステップモータやピエゾドライバ等を用いて、いずれか反射鏡を光路上で移動させれば、発振遅れ時間の自動調整が可能になる。

（第５実施例）
第５実施例に係る電磁波発生装置は、図１３に示すように、第１のポンプ光ｈν_１を出射する第１のポンプ光出射部２４と、第１のポンプ光ｈν_１とは異なる波長の第２のポンプ光ｈν_２を、波長可変で出射する第２のポンプ光出射部２５と、第１のポンプ光ｈν_１と第２のポンプ光ｈν_２との差周波数の電磁波ｈν_３を生成する非線形光学結晶１９と、第１のポンプ光ｈν_１と第２のポンプ光ｈν_２との外部交叉角度θ_ｉｎ ^ｅｘｔを調整し、第１のポンプ光及び第２のポンプ光を非線形光学結晶１９に入射させる光学系１８とを備える。そして、第２のポンプ光ｈν_２の周波数と外部交叉角度θ_ｉｎ ^ｅｘｔを連動して変えることにより、非線形光学結晶１９から可変波長のテラヘルツ電磁波ｈν_３を発生させる。更に、図１３に示すように、第４実施例に係る電磁波発生装置は第２のポンプ光出射部２５と光学系１８との間に、タイミング制御機構（手段）２７を挿入している。タイミング制御機構（手段）２７は、ポンプ光（第１のポンプ光）ｈν_１のパルス及び信号光（第２のポンプ光）ｈν_２のパルスの非線形光学結晶１９に到達するタイミングを制御する機能を有する。

第１のポンプ光出射部２４及び第２のポンプ光出射部２５には、それぞれ第１及び第２のポンプ光源として、１．１５〜１．３５μｍの範囲で波長可変なＣｒ添加フォルステライトレーザ５５ａ及びＣｒ添加フォルステライトレーザ５５ｂが用いられている。

２つのポンプ光ｈν_１，ｈν_２が同時に非線形光学結晶１９に到達するように、第２のポンプ光出射部２５側の光路には、タイミング制御機構（手段）２７として、可変遅延線路５６を挿入させている。第２のポンプ光出射部２５の出力光を可変遅延線路５６を経由した後、非線形光学結晶１９に到達するように光路を構成することにより、ポンプ光（第１のポンプ光）ｈν_１のパルス及び信号光（第２のポンプ光）ｈν_２のパルスが非線形光学結晶１９に同時に到達するように、タイミングを制御することができる。可変遅延線路５６は、第４実施例の遅延線路５１と同様に、反射鏡を複数枚用いて構成すれば良い。例えば、そして、遅延時間を変えるには、ステップモータやピエゾドライバ等で、いずれか反射鏡を光路上で移動させ、光路長を変えれば良い。

２つのポンプ光ｈν_１，ｈν_２は第４実施例に係る電磁波発生装置と同様に、互いに直交する偏波面を持って、微小な外部交叉角度θ_ｉｎ ^ｅｘｔで非線形光学結晶１９に入射される。例えば第１のポンプ光出射部２４に備えられる第１のポンプ光源から出射されるポンプ光ｈν_１の波長を１．２０μｍに固定し、第２のポンプ光出射部２５に備えられる第２のポンプ光源から出射されるポンプ光ｈν_２の波長を１．２０２４〜１．２３４６μｍの範囲で選べば、差周波数ν_３は０．５〜７ＴＨｚとなる。第１のポンプ光出射部２４或いは第２のポンプ光出射部２５に用いる第１及び第２のポンプ光源としてのＣｒ添加フォルステライトレーザ５５ａ，５５ｂを、Ｙｂ添加したＹＬＦレーザやＹｂ添加ファイバレーザで置き換えることもできることは、第２実施例と同様である。

既に第２実施例に係る電磁波発生装置で説明したように、Ｃｒ添加フォルステライトレーザ５５ａ，５５ｂは、フォルステライト結晶内のＣｒ準位エネルギーを利用しているので高出力が得られ、且つインジェクションシーディング等の特別の機構（手段）なしでスペクトル線幅を１０〜１５ＧＨｚとすることが可能である。又、ＯＰＯレーザと同様に励起光源１６としてのＹＡＧレーザで励起できるが、ＯＰＯレーザのようにＹＡＧレーザの高調波を用いる必要がないので、簡易且つ安価にすることができる。但し、Ｃｒ添加フォルステライトレーザ５５ａ，５５ｂは発振波長により、発振開始までの遅れ時間が異なることがあるので、２つのポンプ光ｈν_１，ｈν_２が同時に非線形光学結晶１９に照射されるようにタイミング制御機構（手段）２７により、遅延時間を調節している。

図１３においては、第２のポンプ光出射部２５の出力側にタイミング制御機構（手段）２７としての可変遅延線路５６を挿入し、その線路長を可変させる場合を例示したが、逆に、第１のポンプ光出射部２４側にタイミング制御機構（手段）として機能する可変遅延線路を挿入しても良い。或いは、タイミング制御機構（手段）として、第１のポンプ光出射部２４及び第２のポンプ光出射部２５がそれぞれ有する２台のＣｒ添加フォルステライトレーザ５５ａ，５５ｂをそれぞれ独立に励起する励起光源（ＹＡＧレーザ）を１台ずつ用意し、２台の励起光源間の発振開始時間を調節しても良い。２台のＣｒ添加フォルステライトレーザ５５ａ，５５ｂは発振波長により、発振開始までの遅れ時間が１０ナノ秒以上になることがある。このような場合、反射鏡を複数枚用いて構成した可変遅延線路５６では、光路が長くなり、装置の構成が大きくなりすぎる場合がある。したがって、調整すべき遅延時間が長くなる場合は、独立に励起する２台の励起光源を用いる方法が、電磁波発生装置の小型化に有効である。

第５実施例に係る電磁波発生装置においても、第４実施例に係る電磁波発生装置とほぼ同様の非線形光学結晶１９に対する入射ビーム光学系が可能である。しかしながら入射光の波長、つまりエネルギーが異なるために入射ポンプ光ｈν_１，ｈν_２間の微小な外部交叉角度θ_ｉｎ ^ｅｘｔは、本発明の第４実施例に係る電磁波発生装置と若干異なる。２つのポンプ光ｈν_１，ｈν_２間の微小な外部交叉角度θ_ｉｎ ^ｅｘｔ＝０〜３°に伴い、出射するテラヘルツ電磁波ｈν_３も周波数ν_３＝０．４〜３ＴＨｚで出射角度θ_Ｉ＝５０〜８０°と第４実施例に係る電磁波発生装置より大きな出射角度θ_Ｉとなる。出射テラヘルツ電磁波ｈν_３の周波数ν_３が３〜４ＴＨｚ程度を超えて、更に高周波になると非線形光学結晶１９の裏面つまり電磁波出射面で全反射する可能性がある。これを避けるためには、図１４に示すように非線形光学結晶１９を結晶用回転ステージ５７上に載せ、必要に応じて回転させれば、より高周波でも電磁波出射面での全反射が防げる。結晶用回転ステージ５７は、第１のポンプ光ｈν_１の光軸に対する電磁波出射面の角度を制御する「角度制御機構（手段）」として機能する。第１のポンプ光ｈν_１の光軸に対し角度を定義するか、第２のポンプ光ｈν_２の光軸に対する角度を定義するかは任意であり、第５実施例に係る角度制御機構（手段）は、第２のポンプ光ｈν_２の光軸に対する非線形光学結晶１９の裏面（電磁波出射面）の角度を制御しても構わない。非線形光学結晶１９から出射されたテラヘルツ電磁波ｈν_３の集光系は、本発明の第４実施例に係る電磁波発生装置とほぼ同様な設計が可能である。

第４実施例に係る電磁波発生装置で説明したように、偏光ビームスプリッタ１８を搭載した回転ステージ５５、ビームスプリッタ用線形ステージ５６を、例えばステッピングモータとこのステッピングモータ用のモータコントローラ４を駆動するように、ＧＰＩＢ通信やＵＳＢ通信、ＲＳ−２３２Ｃ通信等によりパーソナルコンピュータ１１制御すれば、入射ポンプ光ｈν_１，ｈν_２の微小な外部交叉角度θ_ｉｎ ^ｅｘｔを自動的に制御可能である。２台のＣｒ添加フォルステライトレーザ５５ａ，５５ｂの内、例えば第１のＣｒ添加フォルステライトレーザ５５ａのレーザ波長を固定し、第２のＣｒ添加フォルステライトレーザ５５ｂのレーザ波長を、波長コントローラ３ａを用いて自動で連続的に周波数ν_３を掃引し、更に、モータコントローラ４を波長コントローラ３ａと連動して駆動し、２つのポンプ光ｈν_１，ｈν_２間の外部交叉角度θ_ｉｎ ^ｅｘｔを自動的に制御するように自動位相制御装置を構成すれば、それぞれの周波数ν_３で最高出力を非線形光学結晶１９から発生させることができる。

更に、波長コントローラ３ａを用いて自動で第２のＣｒ添加フォルステライトレーザ５５ｂの周波数ν_３を掃引し、モータコントローラ４により可変遅延線路５６を波長コントローラ３ａと連動して駆動し、第２のＣｒ添加フォルステライトレーザ５５ｂの発振遅れ時間を、第２のＣｒ添加フォルステライトレーザ５５ｂの波長と連動して制御することができる。即ち、可変遅延線路５６を複数枚の反射鏡で光路を折り返した構造にしておき、モータコントローラ４によりステップモータを駆動し、いずれか反射鏡を光路上で移動させれば、発振遅れ時間の自動調整が可能になる。

更に、波長コントローラ３ａを用いて自動で第２のＣｒ添加フォルステライトレーザ５５ｂの周波数ν_３を掃引し、モータコントローラ４を波長コントローラ３ａと連動して駆動し、角度制御機構（手段）を構成する結晶用回転ステージ５７の回転を制御すれば、非線形光学結晶１９の裏面（電磁波出射面）の光軸に対する角度を、第２のＣｒ添加フォルステライトレーザ５５ｂの波長と連動して制御することができる。同様に、図示を省略した放物面鏡用線形ステージを、モータコントローラ４を用いて、例えばステッピングモータを駆動すれば、第２のＣｒ添加フォルステライトレーザ５５ｂの波長と連動して制御することができる。

このように、波長コントローラ３ａを用いて、第２のＣｒ添加フォルステライトレーザ５５ｂのレーザ波長を掃引すると同時に、モータコントローラ４を用いて、発振遅れ時間、２つのポンプ光ｈν_１，ｈν_２間の外部交叉角度θ_ｉｎ ^ｅｘｔ、非線形光学結晶１９の裏面（電磁波出射面）の光軸に対する角度、第２の非軸放物面鏡７ｂの位置を連動して自動的に制御し、それぞれの周波数で最高出力を得ることができる。

図９に示した波長コントローラ３ａやステッピングモータ用のモータコントローラ４は、ＧＰＩＢ通信やＵＳＢ通信、ＲＳ−２３２Ｃ通信等によりパーソナルコンピュータ１１を用いて、容易に高速に制御可能である。

（第６実施例）
第１実施例〜第５実施例に係る電磁波発生装置と同様に、第６実施例に係る電磁波発生装置においても、差周波発生のために２つのポンプ光ｈν_１，ｈν_２を非線形光学結晶１９に入射する。但し、第６実施例に係る電磁波発生装置は、図１５のように、非線形光学結晶１９とともに、第１入射ミラーＭ_２１と，第２入射ミラーＭ_２２とを搭載するテラヘルツ発生部回転ステージ５８を備える。第１入射ミラーＭ_２１は、第１のポンプ光ｈν_１を反射し、第１のポンプ光ｈν_１を非線形光学結晶１９に入射する角度を調整するように回転可能なミラーである。第２入射ミラーＭ_２２は、第２のポンプ光ｈν_２を反射し、第２のポンプ光ｈν_２を非線形光学結晶１９に入射する角度を調整するように回転可能なミラーである。このテラヘルツ発生部回転ステージ５８は、図１５に示すように、非線形光学結晶１９の電磁波出射面上の出射点３３を中心軸として回転する。このテラヘルツ発生部回転ステージ５８の回転角を制御することにより、電磁波出射面に対してある出射角度を持って出射したテラヘルツ電磁波ｈν_３を、任意の周波数において、その出射角度によらず任意の点に集光することが可能である。

第１入射ミラーＭ_２１には、第１中間ミラーＭ_１１を介して、第１のポンプ光ｈν_１が入射する。第１中間ミラーＭ_１１は、第１のポンプ光ｈν_１を反射し第１のポンプ光ｈν_１を第１入射ミラーＭ_２１に入射する角度を調整するように回転可能である。第２入射ミラーＭ_２２には、第２中間ミラーＭ_１２を介して、第２のポンプ光ｈν_１が入射する。第２中間ミラーＭ_１２は、第２のポンプ光ｈν_１を反射し第２のポンプ光ｈν_１を第２入射ミラーＭ_２２に入射する角度を調整するように回転可能である。即ち、第６実施例に係る電磁波発生装置は、ポンプ光入射角度を制御するためにミラーＭ_１１，Ｍ_１２の回転角度を調整すると同時に、テラヘルツ発生部回転ステージ５８を回転し、ミラーＭ_２１，Ｍ_２２の位置の移動をすると同時に、ミラーＭ_２１，Ｍ_２２の回転角度も制御する。

図１５に示すように、テラヘルツ電磁波出射方向にスリット３５を開口した遮蔽板３６を用意しておけば、テラヘルツ周波数によらず、常にスリット３５を介して、テラヘルツ電磁波ｈν_３が出射（供給）できる。

同様の構成は、ミラーＭ_２１，Ｍ_２２の代わりにプリズムを用い、非線形光学結晶１９とプリズムとをテラヘルツ発生部回転ステージ５８上に搭載しても得られる。

（第７実施例）
第２実施例に係る電磁波発生装置等で説明した第１及び第２のポンプ光源としてのＣｒ添加フォルステライトは、Ｃｒの励起準位の寿命が長いため、励起光源１６としてのＹＡＧレーザのパルスで励起されてから出力パルスを発生するまで相当の遅れ時間を生じる。この遅れ時間は各種の要因によって異なるので２つのＣｒ添加フォルステライトレーザを図６のように同時に励起光源（ＹＡＧレーザ）１６で励起しても同時に出力を発生しない場合がある。このタイミングのずれは出力光のパルス幅、数ナノ秒よりも大きくなりえるので、その場合はポンプ光（第１のポンプ光）ｈν_１と信号光（第２のポンプ光）ｈν_２の時間的重なりがないからテラヘルツ電磁波ｈν_３を得ることができない。少しタイミングがずれていればテラヘルツ電磁波出力が小さくなる。このため、第５実施例に係る電磁波発生装置では、図１３に示すように、第２のポンプ光出射部２５側にタイミング制御機構（手段）２７として可変遅延線路５６を挿入し、その線路長を可変させ、タイミングを調整した。

第７実施例に係る電磁波発生装置においては、第１及び第２のポンプ光源としての２つのＣｒ添加フォルステライトレーザから、信号光（第２のポンプ光）のパルスとポンプ光（第１のポンプ光）のパルスとをほぼ同時に非線形光学結晶１９に到達させるタイミングを制御するタイミング制御機構（手段）（６，１０）を備えることによって、効率の高い周波数可変テラヘルツ電磁波を発生する。第５実施例に係る電磁波発生装置において説明した、第１のポンプ光出射部２４及び第２のポンプ光出射部２５がそれぞれ有する２台のＣｒ添加フォルステライトレーザ５５ａ，５５ｂをそれぞれ独立に励起する励起光源を１台ずつ用意し、２台の励起光源間の発振開始時間を調節する構成も、タイミング制御機構（手段）として機能するが、第７実施例に係るタイミング制御機構（手段）は、ダブルパルスＹＡＧレーザ６を用いることにより、第１及び第２のポンプ光源としての２つのＣｒ添加フォルステライトレーザをそれぞれ励起する励起光パルスの間の時間差を調整する。

即ち、第２実施例の図６のような１個の励起光源（ＹＡＧレーザ）１６の出力をビームスプリッタによって２つのビームに分ける方式に代わり、第７実施例に係る電磁波発生装置においては、図１６に示すように、１個のフラッシュランプ６１で第１ＹＡＧロッド６２及び第２ＹＡＧロッド６３を励起するＹＡＧレーザ６即ち「ダブルパルスＹＡＧレーザ６」を励起光源として用い、ダブルパルスＹＡＧレーザ６をタイミング制御機構（手段）として機能させることによって２つのＣｒ添加フォルステライトレーザを励起する。ダブルパルスＹＡＧレーザ６は、一つのフラッシュランプ６１で第１ＹＡＧロッド６２及び第２ＹＡＧロッド６３を励起し、２つの１０６４ｎｍの波長の出力パルス光ｈν_１，ｈν_２を得る。

フラッシュランプ６１で第１ＹＡＧロッド６２及び第２ＹＡＧロッド６３を励起してから相当遅れてＱ−スイッチパルスによってＹＡＧレーザの発振を生じるので、第１ＹＡＧロッド６２及び第２ＹＡＧロッド６３のＱスイッチパルスのタイミングを１ナノ秒の精度でそれぞれ変えることができる。この結果、第７実施例に係るタイミング制御機構（手段）では、第１ＹＡＧロッド６２からの励起光パルスが第１のポンプ光源（Ｃｒ添加フォルステライトレーザ）を励起する時間と、第２ＹＡＧロッド６３からの励起光パルスが第２のポンプ光源（Ｃｒ添加フォルステライトレーザ）を励起する時間との間の時間差を調整することにより、第１のポンプ光源からのポンプ光（第１のポンプ光）のパルスと第２のポンプ光源からの信号光（第２のポンプ光）のパルスとが、ほぼ同時に非線形光学結晶１９に到達するようにタイミングを制御する。「ほぼ同時に」とは、「Ｃｒ添加フォルステライトレーザの出力光のパルス幅よりも、十分に短い時間で」という意味であり、例えば、Ｃｒ添加フォルステライトレーザのパルス幅は、一般に２０〜３０ナノ秒程度であり、このような場合は、１ナノ秒或いはそれ以下の時間差にすれば良い。

本発明の第２実施例に係る電磁波発生装置と同様に、図１６に示す本発明の第７実施例に係る電磁波発生装置は、第１のポンプ光ｈν_１と第２のポンプ光ｈν_２との外部交叉角度θ_ｉｎ ^ｅｘｔを調整し、第１のポンプ光及び第２のポンプ光を非線形光学結晶１９に入射させる光学系（Ｍ_６，１８）を備える。光学系（Ｍ_６，１８）は、反射鏡（ミラー）Ｍ_６及び偏光ビームスプリッタ１８からなる。反射鏡（ミラー）Ｍ_６は、第１のポンプ光出射部２４から出射した第１のポンプ光ｈν_１を反射し、第１のポンプ光ｈν_１を偏光ビームスプリッタ１８に入射する角度を調整するように回転可能なミラーである。図１６に示す光学系（Ｍ_６，１８）の配置により、第２のポンプ光出射部２５から出射した信号光（第２のポンプ光）ｈν_２を偏光ビームスプリッタ１８を透過させる。又、第１のポンプ光出射部２４から出射したポンプ光（第１のポンプ光）ｈν_１は、反射鏡（ミラー）Ｍ_６を用いて、垂直方向から入射させて偏光ビームスプリッタ１８の偏光面で反射させ、平行に近い微小な外部交叉角度θ_ｉｎ ^ｅｘｔで、ポンプ光（第１のポンプ光）ｈν_１及び信号光（第２のポンプ光）ｈν_２を、非線形光学結晶１９結合させる光学系を構成している。但し、ポンプ光（第１のポンプ光）ｈν_１と信号光（第２のポンプ光）ｈν_２は、偏光ビームスプリッタ１８よってビームを平行に近く重ねれば良いので、第４実施例の図９に示すように、ポンプ光（第１のポンプ光）ｈν_１を偏光ビームスプリッタ１８を透過させ、ポンプ光（第１のポンプ光）ｈν_１に対し偏波面の直交する信号光（第２のポンプ光）ｈν_２を垂直方向から入射させて偏光ビームスプリッタ１８の偏光面で反射させ、平行に近い微小な外部交叉角度θ_ｉｎ ^ｅｘｔで、第１のポンプ光及び第２のポンプ光を非線形光学結晶１９内で結合させる光学系を構成しても良い。そして、第２のポンプ光ｈν_２の周波数の変化とともに、光学系（Ｍ_６，１８）を駆動し、外部交叉角度θ_ｉｎ ^ｅｘｔを連動して変えることにより、非線形光学結晶１９から可変波長のテラヘルツ電磁波ｈν_３を発生させる。

尚、図１６に示した光学系（Ｍ_６，１８）は、例示であり、反射鏡（ミラー）Ｍ_６及び偏光ビームスプリッタ１８の他に、他のミラー等の光学素子を加えても良く、反射鏡（ミラー）Ｍ_６の代わりに、プリズム等の反射鏡（ミラー）Ｍ_６と等価な機能を有する光学素子に置き換えても良いことは勿論である。

第１のポンプ光源からのポンプ光（第１のポンプ光）のパルスと第２のポンプ光源からの信号光（第２のポンプ光）のパルスとが、ほぼ同時に非線形光学結晶１９に到達するということは、第１及び第２のポンプ光源からの出力（パルス）をほぼ同時にすることである。第１及び第２のポンプ光源としての２つのＣｒ添加フォルステライトレーザの出力（パルス）がほぼ同時になるようにするには、ダブルパルスＹＡＧレーザ６のＱスイッチパルスのタイミングを変化させるようにあらかじめプログラムしておけば良い。或いは、テラヘルツ電磁波出力が最大になるようにＱスイッチパルス発生のタイミングをフィードバック制御するループを形成することにより、第１のポンプ光源からのポンプ光（第１のポンプ光）と第２のポンプ光源からの信号光（第２のポンプ光）のタイミングを一致させることができる。

ダブルパルスＹＡＧレーザ６は、図１６に示すトリガパルス発生回路１０により駆動される。即ち、トリガパルス発生回路１０は、フラッシュランプ励起用パルスＰ_１、ＹＡＧレーザＱ−スイッチパルスＰ_２，Ｐ_３を発生し、トリガパルス発生回路１０とダブルパルスＹＡＧレーザ６とによって、信号光（第２のポンプ光）のパルスとポンプ光（第１のポンプ光）のパルスとをほぼ同時に非線形光学結晶１９に到達させるタイミング制御機構（手段）（６，１０）を構成している。

図１６において、第１のポンプ光出射部２４の第１のポンプ光源、第２のポンプ光出射部２５の第２のポンプ光源として、それぞれＣｒ添加フォルステライトレーザを用いる。Ｃｒ添加フォルステライトレーザの遅れ時間は、主に、ダブルパルスＹＡＧレーザ６からの励起光強度とＣｒ添加フォルステライトレーザの出力波長によって決まるので、第１及び第２のポンプ光源としての２つのＣｒ添加フォルステライトレーザは、必ずしも同一のタイミングで出力を発生しない。テラヘルツ電磁波ｈν_３の周波数ν_３を掃引するには、例えば、第１のポンプ光出射部２４を構成する一方のＣｒ添加フォルステライトレーザ（第１のポンプ光源）の波長を固定し、第２のポンプ光出射部２５を構成する他方のＣｒ添加フォルステライトレーザ（第２のポンプ光源）の波長を掃引する（逆に、第２のポンプ光出射部２５を構成するＣｒ添加フォルステライトレーザ（第２のポンプ光源）の波長を固定し、第１のポンプ光出射部２４を構成するＣｒ添加フォルステライトレーザ（第１のポンプ光源）の波長を掃引するようにしても良い。）。

第２のポンプ光出射部２５を構成するＣｒ添加フォルステライトレーザ（第２のポンプ光源）の波長と強度が掃引に伴って変化するから、この２つのパラメータの関数として、２つのＣｒ添加フォルステライトレーザの出力が同時となるための２つのＱ−スイッチパルスＰ_２，Ｐ_３のタイミング差ｔをあらかじめプログラムしておき、プログラムに従って２つのＱ−スイッチパルスＰ_２，Ｐ_３を発生すれば良い。Ｃｒ添加フォルステライトレーザの出力パルス幅は約１０ナノ秒であるからＱ−スイッチパルスＰ_２，Ｐ_３のタイミング差ｔは、１ナノ秒の精度で制御すれば十分である。

第１のポンプ光出射部２４と第２のポンプ光出射部２５からそれぞれ出射したポンプ光（第１のポンプ光）ｈν_１と信号光（第２のポンプ光）ｈν_２は、偏光ビームスプリッタ１８よってビームを平行に近い微小な外部交叉角度θ_ｉｎ ^ｅｘｔで重ねられ、非線形光学結晶１９に入射する。非線形光学結晶１９から、ポンプ光（第１のポンプ光）ｈν_１と信号光（第２のポンプ光）ｈν_２の差の周波数を有するテラヘルツ電磁波ｈν_３が出力する。

第５実施例で説明したように、２台のＣｒ添加フォルステライトレーザ５５ａ，５５ｂを用いる場合は、発振波長により遅れ時間が１０ナノ秒以上になることがある。このような場合、反射鏡を複数枚用いて構成した可変遅延線路５６では、光路が長くなり、装置の構成が大きくなりすぎる場合がある。したがって、調整すべき遅延時間が長くなる場合は、第７実施例に係る電磁波発生装置のように、ダブルパルスＹＡＧレーザ６を用いる方法が、電磁波発生装置の小型化に有効である。尚、第１のポンプ光出射部２４或いは第２のポンプ光出射部２５に用いる第１及び第２のポンプ光源としてのＣｒ添加フォルステライトレーザを、Ｙｂ添加したＹＬＦレーザやＹｂ添加ファイバレーザで置き換えても良いこともできることは、第２実施例や第５実施例と同様である。

（第８実施例）
第８実施例に係る電磁波発生装置においては、図１７に示すようにテラヘルツ電磁波出力をビームスプリッタ９で分割し、検知器８でテラヘルツ強度を検知する。検知器８が出力する検知出力Ｄ_ｏｕｔをトリガパルス発生回路１０とダブルパルスＹＡＧレーザ６とから構成されるタイミング制御機構（手段）（６，１０）に、フィードバックしている。即ち、検知出力Ｄ_ｏｕｔを、トリガパルス発生回路１０に入力することによりフィードバックループが構成され、最大のテラヘルツ出力が得られるＱ−スイッチパルスＰ_２，Ｐ_３のタイミング差ｔの最適値を自動的に見出すことができる。他は、第７実施例に係る電磁波発生装置と実質的に同様であるので、重複した説明を省略する。

尚、フィードバックの初期設定値として第７実施例に係る電磁波発生装置で述べたプログラム値を使えば高速で最適値に達することができる。

（その他の実施例）
上記のように、本発明は第１〜第８実施例によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施例、実施例及び運用技術が明らかとなろう。即ち、本発明はここでは記載していない様々な実施例等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

本発明のテラヘルツ電磁波発生装置によれば、０．５ＴＨｚから７ＴＨｚ程度の範囲で、任意の周波数のテラヘルツ電磁波を瞬時に、一定の場所に大出力で発生できるので、テラヘルツ電磁波照射装置やテラヘルツ分光計測装置などの産業の分野に利用できる。更に、本発明のテラヘルツ電磁波発生装置によれば、小型で安定度の高い、周波数可変テラヘルツ電磁波源が得られので、生体分子のテラヘルツ共振スペクトルの測定や医療用テラヘルツ画像スペクトルなどの産業の分野に、幅広い応用が可能となる。特に、生体物質、癌細胞など、大きな分子や高分子を識別するための波長可変テラヘルツ電磁波を用いた分光光源として利用可能である。

Claims (20)

1. １．０μｍより長波長の第１のポンプ光を出射する第１のポンプ光出射部と、
   １．０μｍより長波長で、前記第１のポンプ光とは異なる波長の第２のポンプ光を、波長可変で出射する第２のポンプ光出射部と、
   前記第１のポンプ光と前記第２のポンプ光との差周波数の電磁波を生成する非線形光学結晶と、
   前記第１のポンプ光と前記第２のポンプ光との外部交叉角度を、差周波数１ＴＨｚにおいて０．５°以内に調整し、前記第１のポンプ光及び前記第２のポンプ光を前記非線形光学結晶に入射させる光学系
   とを備え、前記第２のポンプ光の周波数と前記外部交叉角度を連動して変えることにより、前記非線形光学結晶から可変波長のテラヘルツ電磁波を発生させることを特徴とする電磁波発生装置。
2. 前記非線形光学結晶は、ＧａＰ結晶、ＺｎＧｅＰ_２結晶及びＧａＳｅ結晶のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の電磁波発生装置。
3. 前記第１のポンプ光出射部から波長１．０６４μｍのＹＡＧレーザの出力を前記第１のポンプ光として出射し、
   前記第２のポンプ光出射部は、インジェクションシーディング機構を有するオプティカルパラメトリックオシレータを備え、前記オプティカルパラメトリックオシレータを前記ＹＡＧレーザの出力で励起することにより、前記第２のポンプ光出射部から前記オプティカルパラメトリックオシレータの出力を前記第２のポンプ光として出射する
   ことを特徴とする請求項１に記載の電磁波発生装置。
4. 前記第１のポンプ光出射部は、前記第１のポンプ光を出射するクロム添加フォルステライトレーザ、イッテルビウム添加イットリウム・リチウム・フルオライドレーザ、イッテルビウム添加ファイバレーザのいずれかからなる第１のポンプ光源を備え、
   前記第２のポンプ光出射部は、前記第２のポンプ光を出射するクロム添加フォルステライトレーザ、イッテルビウム添加イットリウム・リチウム・フルオライドレーザ、イッテルビウム添加ファイバレーザのいずれかからなる第２のポンプ光源を備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の電磁波発生装置。
5. 前記第１及び第２のポンプ光源をそれぞれ励起し、前記第１及び第２のポンプ光源から前記第１及び第２のポンプ光を出射させる励起光源を更に備えることを特徴とする請求項４に記載の電磁波発生装置。
6. 前記第１のポンプ光のパルス及び前記第２のポンプ光のパルスの前記非線形光学結晶に到達するタイミングを制御するタイミング制御機構を更に備えることを特徴とする請求項４に記載の電磁波発生装置。
7. 第１のポンプ光を出射する第１のポンプ光出射部と、
   前記第１のポンプ光とは異なる波長の第２のポンプ光を、波長可変で出射する第２のポンプ光出射部と、
   前記第１のポンプ光と前記第２のポンプ光との差周波数の電磁波を生成する光学異方性結晶
   とを備え、前記第２のポンプ光の周波数を変えることにより、前記光学異方性結晶から可変波長のテラヘルツ電磁波を発生させることを特徴とする電磁波発生装置。
8. 前記第１のポンプ光出射部は、前記第１のポンプ光を出射するクロム添加フォルステライトレーザ、イッテルビウム添加イットリウム・リチウム・フルオライドレーザ、イッテルビウム添加ファイバレーザのいずれかからなる第１のポンプ光源を備え、
   前記第２のポンプ光出射部は、前記第２のポンプ光を出射するクロム添加フォルステライトレーザ、イッテルビウム添加イットリウム・リチウム・フルオライドレーザ、イッテルビウム添加ファイバレーザのいずれかからなる第２のポンプ光源を備える
   ことを特徴とする請求項７に記載の電磁波発生装置。
9. 前記非線形光学結晶は、ＺｎＧｅＰ_２結晶及びＧａＳｅ結晶のいずれかであることを特徴とする請求項７に記載の電磁波発生装置。
10. 第１のポンプ光を出射する第１のポンプ光出射部と、
    前記第１のポンプ光とは異なる波長の第２のポンプ光を、波長可変で出射する第２のポンプ光出射部と、
    前記第１のポンプ光と前記第２のポンプ光との差周波数の電磁波を生成する非線形光学結晶と、
    前記第１のポンプ光と前記第２のポンプ光との外部交叉角度を調整し、前記第１のポンプ光及び前記第２のポンプ光を前記非線形光学結晶に入射させる光学系と、
    前記第１のポンプ光のパルス及び前記第２のポンプ光のパルスの前記非線形光学結晶に到達するタイミングを制御するタイミング制御機構
    とを備え、前記第２のポンプ光の周波数と前記外部交叉角度を連動して変えることにより、前記非線形光学結晶から可変波長のテラヘルツ電磁波を発生させることを特徴とする電磁波発生装置。
11. 前記第１のポンプ光出射部は、前記第１のポンプ光を出射するクロム添加フォルステライトレーザ、イッテルビウム添加イットリウム・リチウム・フルオライドレーザ、イッテルビウム添加ファイバレーザのいずれかからなる第１のポンプ光源を備え、
    前記第２のポンプ光出射部は、前記第２のポンプ光を出射するクロム添加フォルステライトレーザ、イッテルビウム添加イットリウム・リチウム・フルオライドレーザ、イッテルビウム添加ファイバレーザのいずれかからなる第２のポンプ光源を備える
    ことを特徴とする請求項１０に記載の電磁波発生装置。
12. 前記タイミング制御機構は、前記第１及び第２のポンプ光源をそれぞれ励起する励起光パルスの間の時間差を調整することによりタイミングを制御することを特徴とする請求項１１に記載の電磁波発生装置。
13. 前記タイミング制御機構は、前記第１のポンプ光源を励起する第１ＹＡＧロッドと、前記第２のポンプ光源を励起する第２ＹＡＧロッドとを有するダブルパルスＹＡＧレーザを備え、前記第１ＹＡＧロッドからの励起光パルスと、前記第２ＹＡＧロッドからの励起光パルスとの間の時間差を調整することによりタイミングを制御することを特徴とする請求項１１に記載の電磁波発生装置。
14. 前記非線形光学結晶から出射した前記テラヘルツ電磁波のビームを分割するビームスプリッタと、
    分割された前記ビームの強度を検知し、検知出力を前記タイミング制御機構にフィードバックする検知器
    とを更に有し、前記タイミング制御機構は、前記検知出力が最大となるように前記タイミングを制御することを特徴とする請求項１０に記載の電磁波発生装置。
15. 第１のポンプ光を出射する第１のポンプ光出射部と、
    前記第１のポンプ光とは異なる波長の第２のポンプ光を、波長可変で出射する第２のポンプ光出射部と、
    前記第１のポンプ光と前記第２のポンプ光との差周波数の電磁波を生成し、該電磁波を電磁波出射面から出射する非線形光学結晶と、
    前記第１のポンプ光と前記第２のポンプ光との外部交叉角度を調整し、前記第１のポンプ光及び前記第２のポンプ光を前記非線形光学結晶に入射させる光学系と、
    前記第１のポンプ光の光軸に対する前記電磁波出射面の角度を制御する角度制御機構
    とを備え、前記第２のポンプ光の周波数、前記外部交叉角度及び前記電磁波出射面の角度を連動して変えることにより、前記電磁波出射面から可変波長のテラヘルツ電磁波を出射させることを特徴とする電磁波発生装置。
16. 前記電磁波出射面から出射した前記電磁波を反射する第１の非軸放物面鏡と、
    該第１の非軸放物面鏡で反射した前記電磁波を反射し、前記第１の非軸放物面鏡に対して線形ステージ上を移動する第２の非軸放物面鏡と、
    前記電磁波出射面に対してある出射角度を持って出射した前記電磁波を、その出射角度によらず任意の点に集光するように前記第２の非軸放物面鏡の位置を制御する位置制御装置
    とを更に備えることを特徴とする請求項１５に記載の電磁波発生装置。
17. 前記第１のポンプ光を反射し前記第１のポンプ光を前記非線形光学結晶に入射する角度を調整するように回転可能な第１入射ミラーと、前記第２のポンプ光を反射し前記第２のポンプ光を前記非線形光学結晶に入射する角度を調整するように回転可能な第２入射ミラーとを、前記非線形光学結晶とともに搭載し、前記電磁波出射面上の出射点を中心軸として回転するテラヘルツ発生部回転ステージを備え、
    該テラヘルツ発生部回転ステージを回転することにより、前記電磁波出射面に対してある出射角度を持って出射した前記電磁波を、その出射角度によらず任意の点に集光することを特徴とする請求項１５に記載の電磁波発生装置。
18. 前記非線形光学結晶は、ＧａＰ結晶、ＺｎＧｅＰ_２結晶及びＧａＳｅ結晶のいずれかであることを特徴とする請求項１５に記載の電磁波発生装置。
19. 前記第１のポンプ光出射部から波長１．０６４μｍのＹＡＧレーザの出力を前記第１のポンプ光として出射し、
    前記第２のポンプ光出射部は、インジェクションシーディング機構を有するオプティカルパラメトリックオシレータを備え、前記オプティカルパラメトリックオシレータを前記ＹＡＧレーザの出力で励起することにより、前記第２のポンプ光出射部から前記オプティカルパラメトリックオシレータの出力を前記第２のポンプ光として出射する
    ことを特徴とする請求項１５に記載の電磁波発生装置。
20. 前記第１のポンプ光出射部は、前記第１のポンプ光を出射するクロム添加フォルステライトレーザ、イッテルビウム添加イットリウム・リチウム・フルオライドレーザ、イッテルビウム添加ファイバレーザのいずれかからなる第１のポンプ光源を備え、
    前記第２のポンプ光出射部は、前記第２のポンプ光を出射するクロム添加フォルステライトレーザ、イッテルビウム添加イットリウム・リチウム・フルオライドレーザ、イッテルビウム添加ファイバレーザのいずれかからなる第２のポンプ光源を備える
    ことを特徴とする請求項１５に記載の電磁波発生装置。

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