JP2018040980A - 波長変換素子及び波長変換光パルス波形整形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光パルスの波形整形に好適に適用することが可能な波長変換素子、及び波長変換光パルス波形整形装置を提供する。【解決手段】 光パルスの入力軸となるｚ軸に沿って反転周期Λで分極が反転する周期分極反転構造を有する結晶によって、波長変換素子２０を構成する。波長変換素子２０は、反転周期Λが位置ｘによって変化することで、各位置ｘで反転周期Λ（ｘ）に対応する出力周波数ｆ（ｘ）に変換された出力光パルスを生成するように構成されているとともに、位置ｘに対して直線的に変化する目標周波数をｆＴ（ｘ）＝ｂ＋ａｘ、出力周波数の周波数幅をδｆ（ｘ）とし、出力周波数をｆ（ｘ）＝ｆＴ（ｘ）＋α（ｘ）としたときに、出力周波数は、条件｜α（ｘ）｜≦δｆ（ｘ）を満たす範囲で目標周波数と一致するように設定されている。【選択図】 図６

Description

本発明は、入力光パルスを出力光パルスへと波長変換する波長変換素子、及び波長変換素子を用いた波長変換光パルス波形整形装置に関するものである。

テラヘルツ（ＴＨｚ）波は、一般的に周波数０．１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚの電磁波と定義されており、その応用として、スピン波の制御や量子演算などのコヒーレント制御が考えられている。ＴＨｚ波は、そのエネルギーが分子の振動、回転、スピンなどのエネルギーに相当する。このため、ＴＨｚ波は、分子構造の解明や分子解離などのコヒーレント制御における重要なツールとして期待されている。

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上記したコヒーレント制御などのＴＨｚ波の応用においては、ＴＨｚ波の波形整形が必要とされている。例えば、分子振動を段階的に励起するladder climbingでは、ラビ振動に対応するチャープＴＨｚ波パルスが必要とされている（非特許文献１）。また、非特許文献２では、ＴＨｚ波パルスを用いたスピン波の制御において、ハーフサイクルのＴＨｚ波が要求されている。しかしながら、可視光などの波長領域では光パルス波形整形器（光パルスシェーパ）による光の位相、振幅の制御技術が知られているのに対し、ＴＨｚ波の波長領域では、ＴＨｚ波の位相、振幅を充分に制御できる技術が確立していない。

本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、ＴＨｚ波パルスなどの光パルスの波形整形に好適に適用することが可能な波長変換素子、及び波長変換光パルス波形整形装置を提供することを目的とする。

このような目的を達成するために、本発明による波長変換素子は、（１）第１軸、及び第１軸と直交して波長変換（周波数変換）の対象となる入力光パルスの入力軸となる第２軸について、第２軸に沿って所定の反転周期Λで分極が反転する周期分極反転構造を有する結晶からなり、（２）反転周期Λが第１軸に沿った位置ｘによって変化することで、各位置ｘにおいて反転周期Λ（ｘ）に対応する出力周波数ｆ（ｘ）に変換された出力光パルスを生成するように構成されているとともに、（３）位置ｘに対して直線的に変化する目標周波数を
ｆ_Ｔ（ｘ）＝ｂ＋ａｘ（ａ、ｂはそれぞれ定数）
とし、位置ｘでの出力周波数の周波数幅をδｆ（ｘ）とし、出力周波数を
ｆ（ｘ）＝ｆ_Ｔ（ｘ）＋α（ｘ）
としたときに、出力周波数ｆ（ｘ）は、条件｜α（ｘ）｜≦δｆ（ｘ）を満たす範囲で、目標周波数ｆ_Ｔ（ｘ）と一致するように設定されている。

上記した波長変換素子では、入力光パルスの入力軸である第２軸に沿った周期分極反転構造を有する結晶を波長変換媒体として用いるとともに、結晶における分極の反転周期Λを、第１軸に沿った位置ｘによってΛ（ｘ）として変化するように構成している。このような構成では、波長変換後の出力光パルスにおいて、位置ｘによって出力周波数ｆ（ｘ）が変化する光パルスを得ることができる。

さらに、このような構成において、第１軸に沿った位置ｘによる反転周期Λ（ｘ）の変化について、位置ｘに対して直線的に変化する目標周波数ｆ_Ｔ（ｘ）を設定し、この目標周波数と所定範囲で一致するように、実際の出力周波数ｆ（ｘ）を設定している。このような構成によれば、ＴＨｚ波パルスなどの出力光パルスの波形整形に好適に適用することが可能な波長変換素子を実現することができる。なお、波長変換によって得られる出力光パルスは、例えば、入力光パルスよりも長波長に変換された光パルスである。

ここで、上記の波長変換素子において、目標周波数の設定については、具体的には、目標周波数ｆ_Ｔ（ｘ）は、第１軸に沿った位置ｘの原点となる結晶の第１端での目標周波数をｆ_１、第１端とは反対側の第２端での目標周波数をｆ_２、結晶の第１軸に沿った第１端から第２端までの幅をｄとしたときに、目標周波数の定数ａ、ｂをａ＝（ｆ_２−ｆ_１）／ｄ、ｂ＝ｆ_１として、下記式
ｆ_Ｔ（ｘ）＝ｆ_１＋（（ｆ_２−ｆ_１）／ｄ）×ｘ
によって設定されている構成とすることができる。

また、目標周波数に対する出力周波数の設定範囲を決める周波数幅については、出力周波数ｆ（ｘ）の周波数幅δｆ（ｘ）は、出力光パルスの周波数スペクトルにおける強度がピーク強度に対して１／ｅ^２となるときの幅である構成とすることができる。また、この周波数幅δｆ（ｘ）については、出力光パルスの周波数スペクトルにおける強度の半値全幅である構成としても良い。

また、出力周波数ｆ（ｘ）は、目標周波数ｆ_Ｔ（ｘ）と略一致するように設定されている構成としても良い。また、目標周波数に対する出力周波数の設定については、実際に波長変換素子の結晶を製造する際の周期分極反転構造の製造精度、製造誤差等の影響を考慮することが好ましい。

また、周期分極反転構造における各位置ｘでの出力周波数ｆに対応する反転周期Λについては、結晶での分極の反転周期Λ（ｘ）は、入力光パルスの入力方向と出力光パルスの出力方向とが同方向である場合に、光速をｃ、入力光パルスに対する結晶の屈折率をｎ_ｉｎ、出力光パルスに対する結晶の屈折率をｎ_ｏｕｔ、それらの屈折率の差をΔｎ＝ｎ_ｏｕｔ−ｎ_ｉｎとして、出力周波数ｆ（ｘ）に基づいて下記式
Λ（ｘ）＝ｃ／（ｆ（ｘ）Δｎ）
によって決定される構成とすることができる。この場合、逆に、出力周波数ｆ（ｘ）は、反転周期Λ（ｘ）に基づいて下記式
ｆ（ｘ）＝ｃ／（Λ（ｘ）Δｎ）
によって決定される。なお、入力光パルスの入力方向と出力光パルスの出力方向とは、互いに逆方向であっても良い。この場合、結晶での分極の反転周期Λ（ｘ）は、入力光パルスの入力方向と出力光パルスの出力方向とが逆方向である場合に、光速をｃ、入力光パルスに対する結晶の屈折率をｎ_ｉｎ、出力光パルスに対する結晶の屈折率をｎ_ｏｕｔ、それらの屈折率の和をΔｎ＝ｎ_ｏｕｔ＋ｎ_ｉｎとして、出力周波数ｆ（ｘ）に基づいて下記式
Λ（ｘ）＝ｃ／（ｆ（ｘ）Δｎ）
によって決定される構成とすることができる。

また、入力光パルスを波長変換して生成される出力光パルスについては、具体的には例えば、出力光パルスは、出力周波数が０．１ＴＨｚ以上１０ＴＨｚ以下のテラヘルツ波パルスである構成とすることができる。また、出力光パルスについては、ＴＨｚ波パルス以外の光パルス、例えば入力光パルスよりも長波長の任意の光パルスとしても良い。

また、波長変換素子を構成する結晶の材料については、例えば、ニオブ酸リチウムＬｉＮｂＯ_３、またはタンタル酸リチウムＬｉＴａＯ_３である構成とすることができる。このような結晶材料は、例えば、波長変換によるＴＨｚ波パルスの生成において好適に用いることができる。

また、上記の波長変換素子において、結晶は、第１軸に沿って、目標周波数が
ｆ_Ｔ１（ｘ）＝ｂ_１＋ａ_１ｘ（ａ_１、ｂ_１はそれぞれ定数）
に設定されている第１結晶領域、及び目標周波数が
ｆ_Ｔ２（ｘ）＝ｂ_２＋ａ_２ｘ（ａ_２、ｂ_２はそれぞれ定数）
に設定されている第２結晶領域を少なくとも有する構成としても良い。また、波長変換素子における互いに目標周波数が異なる複数の結晶領域については、必要に応じて、３個以上の結晶領域を有する構成としても良い。

また、上記の波長変換素子は、周期分極反転構造を有する結晶を複数スタックして構成されても良い。また、上記の波長変換素子は、第１軸に沿った各位置ｘでの周期分極反転構造について、その第２軸の方向での中心位置を、位置ｘでの出力周波数ｆ（ｘ）に応じて、結晶の中心位置からシフトさせて構成されても良い。

本発明による波長変換光パルス波形整形装置は、（１）パルス光源から供給された初期光パルスの少なくとも位相を制御して、第１軸に沿った各位置ｘで所定の波形を有する入力光パルスを生成する光パルス波形整形器と、（２）光パルス波形整形器からの入力光パルスを入力して、波長変換された出力光パルスを生成、出力する上記構成の波長変換素子と、（３）波長変換素子からの出力光パルスに含まれる、第１軸に沿った位置ｘによって変化する出力周波数ｆ（ｘ）を有する光パルス成分を合波して、最終的な波長変換光パルスを生成、出力する出力光学系とを備える。

このように、初期光パルスに対する光パルス波形整形器と、上記構成の波長変換素子とを組み合わせた波長変換光パルス波形整形装置によれば、波長変換されたＴＨｚ波パルスなどの出力光パルスの生成、及びその波長変換光パルスの波形整形を好適に実現することができる。

また、上記構成の波長変換光パルス波形整形装置において、入力光パルスの波形整形に用いられる光パルス波形整形器については、初期光パルスの少なくとも位相を制御する空間光変調器を含む構成としても良い。このような構成によれば、波形整形パターンを制御可能な空間光変調器を用いて、入力光パルスの波形整形、及びそれによる波長変換後の出力光パルスの波形整形を好適に実行することができる。

また、上記構成の波長変換光パルス波形整形装置において、光パルス波形整形器と、波長変換素子との間に結像光学系が設けられている構成としても良い。また、波形整形装置における光学系の構成については、必要に応じて様々な構成に設定して良い。

本発明の波長変換素子、及び波長変換光パルス波形整形装置によれば、第２軸に沿った周期分極反転構造を有する結晶を波長変換媒体として用い、結晶における分極の反転周期Λを、第１軸に沿った位置ｘによって変化するように構成するとともに、第１軸に沿った位置ｘによる反転周期Λ（ｘ）の変化について、位置ｘに対して直線的に変化する目標周波数ｆ_Ｔ（ｘ）を設定し、この目標周波数ｆ_Ｔ（ｘ）と所定範囲で一致するように出力周波数ｆ（ｘ）を設定することにより、ＴＨｚ波パルスなどの出力光パルスの生成、及びその波形整形を好適に実現することが可能となる。

光パルス波形整形器の構成の一例を示す図である。 空間光変調器における光パルスの変調について示す図である。 波長変換素子における光パルスの波長変換について示す図である。 光パルス波形整形器及び波長変換素子を用いた波長変換光パルス波形整形装置の構成の一例を示す図である。 波長変換素子における分極の反転周期、及び出力光パルスの周波数の結晶での位置による変化について示すグラフである。 波長変換素子の一実施形態の構成を示す平面図である。 波長変換素子における分極の反転周期、及び出力光パルスの周波数の結晶での位置による変化について示すグラフである。 波長変換素子における（ａ）出力光パルスの周波数の結晶での位置による変化、及び（ｂ）出力光パルスの周波数幅について示すグラフである。 波長変換素子の構成、及び光パルスの波長変換の一例を示す図である。 波長変換素子の構成、及び光パルスの波長変換の他の例を示す図である。 （ａ）、（ｂ）波長変換素子の構成のさらに他の例を示す図である。 複数の結晶をスタックした波長変換素子の構成の一例を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）波長変換素子の構成のさらに他の例を示す図である。 波長変換素子を用いた波長変換光パルス波形整形装置の一実施形態の構成を示す図である。

以下、図面とともに本発明による波長変換素子、及び波長変換光パルス波形整形装置の実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。

最初に、可視光などの波長領域で従来、用いられている光パルス波形整形器（光パルスシェーパ）の構成について説明する。図１は、光パルス波形整形器の構成、及び波形整形の原理の一例を示す図である。図１に示す光パルス波形整形器１０は、可視光パルスなどの入力光パルスの少なくとも位相、好ましくは位相及び振幅（強度）を、光パルスの波長成分（周波数成分）毎に制御することが可能に構成された光学系である。

なお、以下の光パルス波形整形器、波長変換素子、及び波長変換光パルス波形整形装置の各図においては、説明の容易のため、ｘｙｚ直交座標系を合わせて図示している。直交座標系において、ｚ軸は、波形整形器または波長変換素子への入力光パルスの入力軸、及び出力光パルスの出力軸となる光パルスの光軸（第２軸）を示している。また、ｘ軸は、ｚ軸と直交する軸であり、波形整形器の空間光変調器での空間軸、及び波長変換素子での周波数軸（第１軸）を示している。また、ｙ軸は、ｚ軸及びｘ軸と直交する軸であり、波形整形器の空間光変調器での波長軸を示している。

本構成例の光パルス波形整形器１０は、波形整形の対象となる入力光パルスの入力側から順に、回折格子１１、レンズ１２、位相マスク１３、レンズ１４、及び回折格子１５を備えて構成されている。波形整形器１０に入射した入力光パルスは、回折格子１１によってｙ軸方向に波長毎に分光され、レンズ１２を通過して、位相マスク１３へと入射する。光パルスは、位相マスク１３により、各波長成分が異なる位相シフトを受ける。その後、位相変調された各波長成分は、レンズ１４、及び回折格子１５を経て合波され、波形整形された出力光パルスとして波形整形器１０から出射される。

位相マスク１３としては、例えば、固定パターンの位相マスクを用いることができる。この場合、位相マスクを交換することで、出力光パルスの波形整形条件を制御、変更することができる。また、位相マスク１３として、変調パターンを電子的に制御可能な空間光変調器（ＳＬＭ：Spatial Light Modulator）を用いることが好ましい。この場合、空間光変調器に呈示される変調パターンを制御することで、出力光パルスの波形整形条件を制御、変更することができる。

図２は、位相マスク１３として空間光変調器１３ａを用いた場合における光パルスの変調について示す図である。ここでは、空間光変調器１３ａとして、光軸に直交するｘｙ平面に２次元配列された複数の変調画素を有する変調器を想定している。また、空間光変調器１３ａの変調面において、回折格子１１での分光方向となるｙ軸を波長軸、波長軸に直交するｘ軸を空間軸としている。

このような構成において、光パルスに波長軸方向で変調を与えることにより、光パルスの波形を制御することができる。例えば、光パルスに波長軸方向で２次分散を与えることにより、光パルスの時間幅を制御することができる。また、光パルスに空間軸方向で変調を与えることにより、光パルスの強度を制御することができる。例えば、空間光変調器１３ａにおいて、空間軸方向に回折格子パターンを呈示すると、光パルスの一部が通常とは異なる方向に反射され、結果として、光パルスの強度を制御することができる。

なお、図２においては、空間光変調器１３ａの変調面を、空間軸方向について複数の領域Ｒ_１〜Ｒ_Ｎに区分して示している。また、空間光変調器１３ａの変調面において、波形整形の対象となる光パルスが入射する領域を、領域Ｒ_０として示している。

次に、入力光パルスを波長変換して、ＴＨｚ波パルスなどの出力光パルスを生成する波長変換素子について説明する。後述するように、このような波長変換素子と、図１に示したような光パルス波形整形器とを組み合わせることにより、ＴＨｚ波パルスなどの光パルスの波形整形が可能となる。なお、以下の説明においては、波長変換で得られる出力光パルスとして、主にＴＨｚ波パルスを想定しているが、出力光パルスは、ＴＨｚ波パルスに限定されるものではなく、波長変換素子において生成することが可能な光パルス、例えば入力光パルスよりも長波長に変換された光パルスであれば良い。

ＴＨｚ波パルスを生成可能な波長変換素子として、周期分極反転構造を有する結晶であるファンアウト型の周期分極反転ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ：Periodically Poled Lithium Niobate, Periodically Poled ＬｉＮｂＯ_３）を用いたＴＨｚ波のスペクトル制御が報告されている（非特許文献３）。非特許文献３記載の構成では、その図１（ａ）に示されているように、入力光パルスをファンアウトＰＰＬＮに入力し、ＰＰＬＮでの波長変換（周波数変換）によって、出力ＴＨｚ波パルスを生成する。

また、ＰＰＬＮでの波長変換によって生成された全てのＴＨｚ波成分を、軸外し放物面鏡（ＯＡＰ：Off-Axis Parabolic Mirror）によって合波し、ＴＨｚ波検出器においてＴＨｚ波パルスとして検出している。また、このとき、ファンアウトＰＰＬＮの直前にシャドウマスクを挿入し、特定の光パルス成分をマスクでブロックすることによって、ＰＰＬＮで生成されるＴＨｚ波の周波数成分をフィルタリングしている。

ここで、周期分極反転結晶を用いた光パルスの波長変換、及びそれによるＴＨｚ波の生成について、図３を参照して具体的に説明する。図３は、波長変換素子における光パルスの波長変換について模式的に示す図である。なお、図３においては、説明の簡単のため、波長変換素子５０として、ファンアウト型ではない通常の周期分極反転結晶を用いた構成を示している。また、図３の波長変換素子５０の結晶においては、周期分極反転構造を構成する個々の分極領域を、分極領域５５によって示している。この分極領域５５は、分極の方向が互いに逆である分極領域５５Ａ及び分極領域５５Ｂが一対になって構成されている。ここで、分極領域５５の長さを、反転周期Λとして定義する。なお、領域５５Ａ、５５Ｂの長さの和は反転周期Λと等しいが、領域５５Ａ、５５Ｂそれぞれの長さはΛ／２であることが好ましい。

周期分極反転結晶とは、２次の非線形光学効果を有する強誘電体結晶において、分極を周期的に反転させることによって、入力光パルス（ポンプ光パルス）と、波長変換後の出力光パルス（波長変換光パルス、例えばＴＨｚ波パルス）との位相速度の不整合を補償するように構成された結晶である。図３は、周期分極反転結晶を用いた波長変換素子５０におけるＴＨｚ波生成の概念図を示している（非特許文献４参照）。

強誘電体結晶に高強度の光パルスが入射した場合、光パルスに含まれる複数の周波数成分の差周波が発生する。この現象は、光整流として知られている。この差周波がＴＨｚ波に相当し、また、そのスペクトル帯域は、例えば１ＴＨｚを超える。しかしながら、このような構成では、入力ポンプ光と、出力ＴＨｚ波との結晶での屈折率が異なるため、ウォークオフが生じる。この場合、ポンプ光とＴＨｚ波とが、結晶内を伝搬するほど離れてしまうため、ＴＨｚ波を効率的に生成することができない。

これに対して、周期分極反転結晶では、図３に模式的に示すように、ウォークオフ距離の周期において結晶の分極を反転させる。このとき、各分極領域５５Ａ、５５Ｂからは、それぞれハーフサイクルのＴＨｚ波パルスが発生する。また、一定の反転周期Λで分極が反転されるので、振幅が正負逆のＴＨｚ波パルスが連なって発生することになる。したがって、このような波長変換素子５０では、分極の反転周期Λに対応する周波数のＴＨｚ波成分のみが残り、単色性が高い出力ＴＨｚ波パルスを得ることができる。

このような周期分極反転結晶において、上記のファンアウト構造のように、互いに反転周期Λが異なる複数の周期分極領域を１個の結晶に作りこむことによって、結晶での位置ｘによって異なる周波数ｆのＴＨｚ波を生成することができる。例えば、非特許文献５には、分極の反転周期Λを直線的に変化させた扇（ファンアウト）構造を有する周期分極反転結晶が報告されている。

この文献に記載されている技術の目的は、ファンアウトＰＰＬＮを用いた光パラメトリック発振（ＯＰＯ：Optical Parametric Oscillation）による分光であり、ＰＰＬＮに対するポンプ光パルスの入射位置を制御することにより、ＯＰＯの発振波長をチューニングしている。また、ＰＰＬＮにおいて、反転周期Λは、２９．３μｍ〜３０．１μｍの範囲で、位置ｘに対して直線的に変化する構成となっており、周期分極反転構造での変化角度は２°である。

また、非特許文献６では、チャープドメイン構造を有する周期分極反転結晶が報告されている。この文献に記載されている技術では、レーザ光の進行方向に対し、反転周期Λを線形に変化させることで、広いスペクトルを有するＴＨｚ波を生成している。

図４は、図１に示した光パルス波形整形器と、上記したファンアウト型の周期分極反転結晶からなる波長変換素子とを用いた波長変換光パルス波形整形装置の構成の一例を示す図である。

本構成例の波長変換光パルス波形整形装置１Ｂは、光パルス波形整形器１０と、ファンアウト型の周期分極反転結晶からなる波長変換素子５０と、出力光学系３０である軸外し放物面鏡３１とを備えて構成されている。光パルス波形整形器１０から出力された波形整形後のポンプ光パルスは、波長変換の対象となる入力光パルスとして波長変換素子５０に入射する。波長変換素子５０を構成する周期分極反転結晶での反転周期Λ（ｘ）は、上記したように位置ｘに対して直線的に変化しており、したがって、この波長変換素子５０での各分極領域５５の境界は、直線となっている。

ここで、波形整形器１０で用いられる空間光変調器において、図２に関して上述したように、ｘ軸を空間軸、ｙ軸を波長軸とする。空間軸方向にポンプ光ビームを分割するとともに、空間光変調器の変調面において、波長軸に沿って所定の時間遅延を与える位相変調パターンを呈示する。これにより、図４に波長変換素子５０の第１端５１側に入射する入力光パルス成分Ｐ_１、中心部に入射する入力光パルス成分Ｐ_２、及び第２端５２側に入射する入力光パルス成分Ｐ_３を模式的に示すように、分割されたポンプ光の各光パルス成分に対して、任意の時間遅延を与えることができる。

波長変換素子５０を構成する結晶の各位置ｘで生成される出力ＴＨｚ波パルスは、図４に波長変換素子５０の第１端５１側から出射する出力光パルス成分Ｐ_６、中心部から出射する出力光パルス成分Ｐ_７、及び第２端５２側から出射する出力光パルス成分Ｐ_８を模式的に示すように、位置ｘによって異なる周波数成分を有する。例えば、波長変換素子５０の第１端５１側では反転周期Λ（ｘ）が大きく、得られる出力光パルス成分Ｐ_６の周波数ｆ（ｘ）は小さくなる。一方、波長変換素子５０の第２端５２側では反転周期Λ（ｘ）が小さく、得られる出力光パルス成分Ｐ_８の周波数ｆ（ｘ）は大きくなる。

そして、このような波長変換素子５０の各位置ｘからの出力光パルス成分を、軸外し放物面鏡３１等の出力光学系３０を用いて合波させることにより、出力光学系３０の集光点において、最終的な波長変換ＴＨｚ波パルスが得られる。このような構成では、入力光パルスの各成分の時間遅延及び強度を制御することによって、それらに対応する周波数成分を含むＴＨｚ波パルスの位相、及び振幅を制御することができる。

しかしながら、図４に示す構成の波長変換光パルス波形整形装置１Ｂでは、例えば波長変換素子５０の前段の光パルス波形整形器１０で空間光変調器を用いた場合等において、空間光変調器の各画素に対する周波数割当について、以下の問題がある。

図５は、図４に示したファンアウト型の波長変換素子における分極の反転周期、及び出力光パルスの周波数の結晶での位置による変化について示すグラフである。図５のグラフにおいて、横軸は、波長変換素子５０を構成する周期分極反転結晶でのｘ軸に沿った位置ｘ（ｍｍ）を示し、縦軸は、結晶での分極の反転周期Λ（μｍ）、または出力光パルスの周波数ｆ（ＴＨｚ）を示している。また、図５において、グラフＧ１は、分極の反転周期Λの位置ｘへの依存性を示し、グラフＧ２は、出力光パルスの周波数ｆの位置ｘへの依存性を示している。また、ここでは、波長変換素子の結晶として、周期分極反転タンタル酸リチウム（ＰＰＬＴ：Periodically Poled Lithium Tantalate, Periodically Poled ＬｉＴａＯ_３）を想定している。

周期分極反転結晶での分極の反転周期Λと、結晶での波長変換によって得られる出力光パルスの周波数ｆとは、下記式（１）

で表される関係を有する（非特許文献７参照）。ここで、式（１）において、ｃは光速を示し、Δｎは入力光パルスに対する結晶の屈折率ｎ_ｉｎ、及び出力光パルスに対する結晶の屈折率ｎ_ｏｕｔの屈折率の差Δｎ＝Δｎ₋＝ｎ_ｏｕｔ−ｎ_ｉｎを示している。このとき、波長変換素子５０の結晶に対する入力光パルスの入力方向と出力光パルスの出力方向とは、同方向である。また、出力光パルスがＴＨｚ波パルスである場合、ｎ_ｏｕｔ＝ｎ_ＴＨｚである。なお、結晶に対する入力光パルスの入力方向と出力光パルスの出力方向とは、互いに逆方向であっても良い。この場合、上記式（１）におけるΔｎは、屈折率の和Δｎ＝Δｎ_＋＝ｎ_ｏｕｔ＋ｎ_ｉｎとなる。

図４に示すファンアウト型の波長変換素子５０では、結晶での分極の反転周期Λ（ｘ）は、図５のグラフＧ１に示すように、位置ｘに対して直線的に変化する。また、出力光パルスの周波数ｆ（ｘ）は、図５のグラフＧ２に示すように、反転周期Λ（ｘ）の変化に対応して、上記式（１）に基づいて曲線的に変化する。このような構成では、図５においてグラフ中に示すように、波長変換素子５０の第１端５１側では、位置ｘの変化Δｘに対する周波数の変化Δｆは小さくなる。一方、第２端５２側では、位置ｘの変化Δｘに対する周波数の変化Δｆは大きくなる。

具体的な構成として、波長変換素子の結晶として上述したＰＰＬＴ結晶を用いる場合、入力ポンプ光パルスの波長は、例えば８００ｎｍであり、入力、出力光パルスに対する結晶の屈折率は、それぞれｎ_ｉｎ＝２．２、ｎ_ｏｕｔ＝ｎ_ＴＨｚ＝６．４である。なお、ＴＨｚ波生成のポンプ光となる入力光パルスを供給するパルス光源としては、ｆｓオーダーの超短パルスレーザ光源を用いることが好ましい。そのようなパルスレーザ光源としては、例えば、モード同期チタンサファイアレーザ（中心波長８００ｎｍ）、イットリビウムファイバレーザ（中心波長１０３０ｎｍ）、エルビウムファイバレーザ（中心波長１５５０ｎｍ）等がある。

ここで、図４に示す波長変換素子５０において生成したいＴＨｚ波パルスの周波数範囲をｆ_１〜ｆ_２とする。周波数ｆ_１は、波長変換素子５０の第１端５１で生成されるＴＨｚ波の最小周波数であり、周波数ｆ_２は、第２端５２で生成されるＴＨｚ波の最大周波数である。また、これらの周波数ｆ_１、ｆ_２を、具体的にｆ_１＝０．５ＴＨｚ、ｆ_２＝１．５ＴＨｚとし、このときの空間光変調器の各画素に対する周波数割当を考える。

具体的に例えば、前段の波形整形器１０に用いられる空間光変調器での２次元の画素配列における１６画素を考える。変調器での画素ピッチを１２．５μｍとすると、１６画素の長さは０．２ｍｍである。また、波長変換素子５０に用いられる結晶の大きさを、例えば幅１５ｍｍ、長さ４．５ｍｍ、厚さ１ｍｍとする。

この場合、空間光変調器での１６画素当たりの周波数割当は、出力光パルスの周波数が最小のｆ_１＝０．５ＴＨｚとなる波長変換素子５０の第１端５１に対応する領域で、Δｆ＝０．００５ＴＨｚとなる。また、出力光パルスの周波数が最大のｆ_２＝１．５ＴＨｚとなる第２端５２に対応する領域で、Δｆ＝０．０５ＴＨｚとなる。このように、反転周期Λと周波数ｆとは逆数の関係にあるため、高周波数側ではΔｆは大きくなり、低周波数側では逆にΔｆは小さくなる。ただし、図５においては、各周波数でのΔｆの差をわかりやすくするため、Δｘの大きさは強調してある。

すなわち、上記構成では、空間光変調器の画素への周波数割当Δｆが、周波数ｆに対して非線形に変化するため、波形整形の制御が複雑になってしまう。また、Δｆ＝０．０５ＴＨｚとした場合を考えると、周波数の分割数は（１．５−０．５）／０．０５＝２０ととなり、分割数が少なくなってしまう。このように周波数の分割数が少ないと、波形整形の自由度が低くなる。

このような問題は、周波数での割当を考えているために生じるものである。図４に示す構成において、波長での割当Δλを考えた場合、これは結晶方向に対して均一である。しかしながら、コヒーレント制御の場合には、エネルギー準位を考慮した量子状態を制御するため、波長ではなく周波数においてＴＨｚ波の波形整形を制御することが好ましい。また、周波数に関して精密な制御が必要となることから、周波数割当Δｆは細かく、かつ均一であることが好ましい。また、このような周波数割当の問題は、波形整形器１０において空間光変調器以外の変調素子を用いた場合にも同様に生じる。本発明による波長変換素子、及び波長変換光パルス波形整形装置は、このような問題を解決するものである。

図６は、本発明による波長変換素子の一実施形態の構成を示す平面図である。本実施形態による波長変換素子２０は、ｘ軸（第１軸）、及びｘ軸と直交して波長変換の対象となる入力光パルスの入力軸となるｚ軸（第２軸）について、ｚ軸に沿って所定の反転周期Λで分極が反転する周期分極反転構造を有する結晶からなる。

また、波長変換素子２０の周期分極反転結晶は、反転周期Λが、ｘ軸に沿った位置ｘによってΛ（ｘ）として変化することで、各位置ｘにおいて反転周期Λ（ｘ）に対応する出力周波数ｆ（ｘ）で、入力光パルスから波長変換された出力光パルスを生成するように構成されている。なお、図６の波長変換素子２０の結晶では、周期分極反転構造を構成する個々の分極領域を、領域２５によって示している。

ここで、上述した波長変換素子での周波数割当の問題は、従来の波長変換素子におけるファンアウト構造の周期分極反転結晶において、分極の反転周期Λが位置ｘに対して直線的に変化していることに起因している。これに対して、本発明による波長変換素子２０では、反転周期Λではなく、出力周波数ｆが位置ｘに対して直線的に変化する構成とすることで、周波数割当の問題を解決している。

すなわち、図６に示す構成において、位置ｘによる分極の反転周期Λ（ｘ）、及び出力光パルスの出力周波数ｆ（ｘ）の変化について、位置ｘに対して直線的に変化する目標周波数ｆ_Ｔ（ｘ）を、下記式（２）

によって設定する。ここで、ａ、ｂはそれぞれ定数である。

また、位置ｘでの出力周波数の周波数幅をδｆ（ｘ）とし、目標周波数ｆ_Ｔ（ｘ）に対する実際の出力周波数ｆ（ｘ）を、下記式（３）

としたときに、出力周波数ｆ（ｘ）を、下記式（４）の条件

を満たす範囲で目標周波数ｆ_Ｔ（ｘ）と一致するように設定する。

このとき、波長変換素子２０を構成する周期分極反転結晶の位置ｘでの分極の反転周期Λ（ｘ）は、光速をｃ、入力光パルスに対する結晶の屈折率をｎ_ｉｎ、出力光パルスに対する結晶の屈折率をｎ_ｏｕｔ、それらの屈折率の差をΔｎ＝ｎ_ｏｕｔ−ｎ_ｉｎとして、出力周波数ｆ（ｘ）に基づいて下記式（５）

によって求めることができる（式（１）参照）。なお、入力光パルスの入力方向と出力光パルスの出力方向とが互いに逆方向である場合には、上記したように、式（５）におけるΔｎは、屈折率の和Δｎ＝ｎ_ｏｕｔ＋ｎ_ｉｎとなる。

図７は、図６に示した構造の波長変換素子における分極の反転周期、及び出力光パルスの周波数の結晶での位置による変化について示すグラフである。図７のグラフにおいて、横軸は、波長変換素子２０を構成する周期分極反転結晶での位置ｘ（ｍｍ）を示し、縦軸は、結晶での分極の反転周期Λ（μｍ）、または出力光パルスの周波数ｆ（ＴＨｚ）を示している。また、図７において、グラフＧ３は、分極の反転周期Λの位置ｘへの依存性を示し、グラフＧ４は、出力光パルスの周波数ｆの位置ｘへの依存性を示している。

上記した構成では、出力周波数が目標周波数と略一致していると考えると、出力周波数ｆ（ｘ）は、グラフＧ４に示すように、位置ｘに対して直線的に変化する。また、このとき、周期分極反転結晶での反転周期Λ（ｘ）は、グラフＧ３に示すように、位置ｘに対して曲線的に変化しており、したがって、この波長変換素子２０での各分極領域２５の境界は、図６に示すように曲線となっている。

また、目標周波数ｆ_Ｔ（ｘ）については、具体的には、ｘ軸に沿った位置ｘの原点となる結晶の第１端２１での目標周波数をｆ_１、第１端２１とは反対側の第２端２２での目標周波数をｆ_２とし、結晶のｘ軸に沿った第１端２１から第２端２２までの幅をｄとしたときに、定数ａ、ｂをａ＝（ｆ_２−ｆ_１）／ｄ、ｂ＝ｆ_１として、下記式（６）

によって設定することができる。

ここで、図６に示した構成では、反転周期Λ（ｘ）については、波長変換素子２０の第１端２１（ｘ_１＝０）での反転周期Λ_１＝Λ（０）が最大周期、第２端２２（ｘ_２＝ｄ）での反転周期Λ_２＝Λ（ｄ）が最小周期となっている。また、出力周波数ｆ（ｘ）については、第１端２１での出力周波数ｆ_１＝ｆ（０）が最小周波数、第２端２２での出力周波数ｆ_２＝ｆ（ｄ）が最大周波数となっている。ただし、反転周期Λ、及び出力周波数ｆの最大、最小の設定については、このような構成に限定されない。

例えば、波長変換素子２０の結晶として、上記したＰＰＬＴ結晶を用いた場合、入力ポンプ光パルスの波長を８００ｎｍ、出力ＴＨｚ波パルスの周波数を１ＴＨｚ（波長３００μｍ）とすると、屈折率差はΔｎ＝４．３である。このとき、出力周波数をｆ_１＝０．５ＴＨｚ、ｆ_２＝１．５ＴＨｚ、結晶幅をｄ＝１５ｍｍとすると、反転周期Λ及び出力周波数ｆの関係は、図７のグラフとなる。

上記実施形態による波長変換素子２０の効果について説明する。

図６に示した波長変換素子２０では、入力光パルスの入力軸であるｚ軸（第２軸）に沿った周期分極反転構造を有する結晶を波長変換媒体として用いるとともに、結晶における分極の反転周期Λを、ｘ軸（第１軸）に沿った位置ｘによってΛ（ｘ）として変化するように構成している。このような構成では、波長変換後の出力光パルスにおいて、位置ｘによって出力周波数ｆ（ｘ）が変化する光パルスを得ることができる。

さらに、このような構成において、ｘ軸に沿った位置ｘによる反転周期Λ（ｘ）の変化について、位置ｘに対して直線的に変化する目標周波数ｆ_Ｔ（ｘ）を設定し、この目標周波数と所定範囲で一致するように、実際の出力周波数ｆ（ｘ）を設定している。このような構成によれば、ＴＨｚ波パルスなどの出力光パルスの波形整形に好適に適用することが可能な波長変換素子を実現することができる。例えば、上記構成の波長変換素子２０を空間光変調器を含む波形整形器と組み合わせて用いた場合、空間光変調器の画素への周波数割当が均一となり、波形整形の制御が容易となる。また、周波数割当が細かく、かつ均一であることから、周波数の分割数を充分に確保することができる。

ここで、上記の波長変換素子において、目標周波数ｆ_Ｔ（ｘ）の設定については、具体的には上記したように、下記式
ｆ_Ｔ（ｘ）＝ｆ_１＋（（ｆ_２−ｆ_１）／ｄ）×ｘ
によって設定されている構成とすることができる。また、各位置ｘでの出力周波数ｆに対応する反転周期Λについては、上記したように、分極の反転周期Λ（ｘ）は、出力周波数ｆ（ｘ）に基づいて下記式
Λ（ｘ）＝ｃ／（ｆ（ｘ）Δｎ）
によって決定される構成とすることができる。

また、出力周波数ｆ（ｘ）は、目標周波数ｆ_Ｔ（ｘ）と略一致するように設定されている構成としても良い。また、目標周波数に対する出力周波数の設定については、実際に波長変換素子の結晶を製造する際の周期分極反転構造の製造精度、製造誤差等の影響を考慮することが好ましい。

また、入力光パルスを波長変換して生成される出力光パルスについては、具体的には例えば、出力周波数が０．１ＴＨｚ以上１０ＴＨｚ以下のテラヘルツ（ＴＨｚ）波パルスである構成とすることができる。また、出力光パルスについては、ＴＨｚ波パルス以外の光パルス、例えば入力光パルスよりも長波長の任意の光パルスとしても良い。

また、波長変換素子を構成する周期分極反転結晶の材料については、例えば、ニオブ酸リチウムＬｉＮｂＯ_３、またはタンタル酸リチウムＬｉＴａＯ_３である構成とすることができる。このような結晶材料は、例えば、波長変換によるＴＨｚ波パルスの生成において好適に用いることができる。ただし、周期分極反転結晶の材料については、上記材料に限られるものではなく、周期分極反転構造を作製可能なものであれば、様々な材料を用いて良い。ただし、材料に応じて、分極の反転周期Λを適切に設定する必要がある。

また、波長変換素子において、結晶は、ｘ軸に沿って、目標周波数が
ｆ_Ｔ１（ｘ）＝ｂ_１＋ａ_１ｘ（ａ_１、ｂ_１はそれぞれ定数）
に設定されている第１結晶領域、及び目標周波数が
ｆ_Ｔ２（ｘ）＝ｂ_２＋ａ_２ｘ（ａ_２、ｂ_２はそれぞれ定数）
に設定されている第２結晶領域を少なくとも有する構成としても良い。また、波長変換素子は、周期分極反転構造を有する結晶を複数スタックして構成されても良い。また、波長変換素子は、ｘ軸に沿った各位置ｘでの周期分極反転構造について、そのｚ軸（光軸）方向での中心位置を、位置ｘでの出力周波数ｆ（ｘ）に応じて、結晶の中心位置からシフトさせて構成されても良い。なお、これらの複数の結晶領域を有する構成、複数の結晶をスタックする構成、及び周期分極反転構造の中心位置をシフトさせる構成については、具体的には後述する。

上記実施形態による波長変換素子２０の構成について、さらに説明する。まず、目標周波数ｆ_Ｔ（ｘ）に対する出力周波数ｆ（ｘ）の設定範囲を決める周波数幅δｆ（ｘ）について説明する。波長変換素子２０で得られる出力光パルスの周波数ｆ（ｘ）は、位置ｘに対して直線的に変化する目標周波数ｆ_Ｔ（ｘ）と略一致することが好ましい。ただし、実際には、波長変換素子２０を構成する結晶には製造誤差があり、それを考慮して反転周期Λ（ｘ）、及び出力周波数ｆ（ｘ）の許容範囲を設定する必要がある。

上記したように、目標周波数ｆ_Ｔ（ｘ）に対する出力周波数ｆ（ｘ）を
ｆ（ｘ）＝ｆ_Ｔ（ｘ）＋α（ｘ）
とした場合、α（ｘ）は、結晶の製造誤差等に起因する出力周波数の誤差に相当する。ここで、図８（ａ）は、波長変換素子２０における出力光パルスの周波数ｆの結晶での位置ｘによる変化を示すグラフであり、目標周波数ｆ_Ｔ（ｘ）、出力周波数ｆ（ｘ）、及び周波数誤差α（ｘ）の関係を示している。

このような誤差α（ｘ）がある場合、任意の位置ｘにおいて、α（ｘ）の絶対値が出力周波数の周波数幅δｆ（ｘ）以下であれば、波長変換及び波形整形の制御において問題は生じない。したがって、周波数誤差α（ｘ）は、上記したように条件
｜α（ｘ）｜≦δｆ（ｘ）
を満たすことが好ましい。

図８（ｂ）は、出力光パルスの周波数幅δｆ（ｘ）について示すグラフである。一般的に、波長変換素子２０によって得られる出力ＴＨｚ波パルスの周波数スペクトルは、ガウス関数の形状となる。このような場合、出力周波数の許容範囲となる周波数幅δｆ（ｘ）は、図８（ｂ）のグラフにδ_１によって示すように、出力光パルスの周波数スペクトルにおける強度がピーク強度に対して１／ｅ^２となるときの幅とすることができる。

また、この周波数幅δｆ（ｘ）については、実際の結晶の製造誤差等の条件に応じて、図８（ｂ）のグラフにδ_２によって示すように、出力光パルスの周波数スペクトルにおける強度の半値全幅としても良い。なお、出力ＴＨｚ波パルスの周波数スペクトルについては、上記したガウス関数の形状に限られるものではなく、例えばｓｅｃｈ関数の形状、あるいはローレンツ関数の形状として定義しても良い。また、周波数幅δｆ（ｘ）の具体的な値の例として、非特許文献８においては、室温３００Ｋにおいて、ＴＨｚ波スペクトルの半値全幅としてδｆ〜０．０５ＴＨｚが得られている。

次に、周期分極反転結晶におけるｘ軸に沿った反転周期Λ（ｘ）の変化プロファイルについて説明する。波長変換素子を構成する周期分極反転結晶での反転周期の変化プロファイルを適切に設定、制御することによって、得られる出力ＴＨｚ波パルスの周波数スペクトルを制御することができる。

図９は、波長変換素子２０の構成、及び波長変換素子２０による光パルスの波長変換の一例を示す図である。図９に示す構成例では、図６に示した構成の波長変換素子２０を用いている。このような波長変換素子２０による光パルスの波長変換では、図９に模式的に示すように、入力光パルスの位置ｘによる強度プロファイルが出力光パルスの周波数スペクトルに転写される。

このような構成において、入力光パルスの強度分布がガウス分布であるとすると、波長変換素子２０の結晶の中心部において入力光パルスの強度が大きくなる。この場合、得られる出力光パルスでは、第１端２１での周波数ｆ_１と第２端２２での周波数ｆ_２との間の周波数ｆ_３、例えば周波数ｆ_１、ｆ_２の中心の周波数（ｆ_１＋ｆ_２）／２の成分が大きくなり、両端での周波数ｆ_１、ｆ_２の成分が小さくなる。

このような点を考慮すると、出力光パルスの周波数スペクトルを制御する場合、入力光パルスの強度分布を任意に変化させる必要があるが、そのような強度の制御は困難である場合が多い。このような場合には、波長変換素子２０の周期分極反転結晶における反転周期Λ（ｘ）の変化プロファイルを制御することによって、出力光パルスのスペクトルを制御することができる。

図１０は、波長変換素子２０の構成、及び波長変換素子２０による光パルスの波長変換の他の例を示す図である。図１０に示す構成例では、図９に示した構成の結晶を、出力周波数ｆ_３に対応する第１端２１と第２端２２との中心位置で分割し、図９で第２端２２側にあった結晶領域を第１端２１側として第１結晶領域２６とし、また、図９で第１端２１側にあった結晶領域を第２端２２側として第２結晶領域２７としている。

このような構成において、結晶領域２６、２７の境界位置をｘ＝ｄ_１とすると、第１結晶領域２６での出力周波数に対応する目標周波数ｆ_Ｔ１（ｘ）は、０≦ｘ≦ｄ_１の範囲において、下記式（７）

によって設定される。また、同様に、第２結晶領域２７での出力周波数に対応する目標周波数ｆ_Ｔ２（ｘ）は、ｄ_１≦ｘ≦ｄの範囲において、下記式（８）

によって設定される。

このように、波長変換素子２０の周期分極反転結晶において、結晶構造を左右で入れ替えた構成では、入力光パルスの強度が大きい結晶の中心部において周波数ｆ_１、ｆ_２の成分が生成される。これにより、出力光パルスのスペクトルを制御することができる。

なお、このように、波長変換素子２０の結晶を互いに目標周波数の設定が異なる複数の結晶領域に分割する構成では、必要に応じて、３個以上の結晶領域を有する構成としても良い。図１１は、波長変換素子２０の構成のさらに他の例を示す図である。ここでは、図１１（ａ）に示す図６と同様の構造の波長変換素子２０を３個に分割し、図１１（ｂ）に示すように、それらの分割された結晶領域の順番を入れ替えて、第１端２１側から第１結晶領域２６、第２結晶領域２７、及び第３結晶領域２８とした構成としている。

次に、波長変換素子２０において、複数の周期分極反転結晶をスタックする構成について説明する。周期分極反転結晶は、製造上、その厚さを１ｍｍ以上とすることが難しい。一方、入力光パルスとしてハイパワーのレーザ光パルスを用いる場合、そのような光パルスを周期分極反転結晶に集光すると、結晶にダメージが生じる可能性がある。

そのような結晶のダメージを避けるためには、入力光パルスを集光せずに大面積の光ビームのままで結晶に入射させる必要がある。しかしながら、周期分極反転結晶は上記したように厚さが１ｍｍ程度であるため、光ビームの大部分が結晶に入射せず、波長変換の効率が低下する。これに対して、図１２に、複数の結晶をスタックした波長変換素子の構成の一例を示すように、複数の周期分極反転結晶をスタックして波長変換素子を構成することで、大面積の光ビームの全体を結晶に入射させることができる。図１２に示す構成例では、５個の周期分極反転結晶２０１〜２０５をスタックすることで、波長変換素子２００を構成している。

次に、波長変換素子２０において、周期分極反転構造の中心位置をシフトさせる構成について説明する。上記構成の波長変換素子２０では、結晶での周期分極反転構造を、光軸方向であるｚ軸方向（第２軸方向）にシフトさせても良い。例えば、周期分極反転結晶を用いたＴＨｚ波生成を考えた場合、出力ＴＨｚ波の周波数が１ＴＨｚを超えると、ＴＨｚ波は結晶を伝搬する間に吸収されてしまう。

特に、出力ＴＨｚ波が高周波数になると、結晶内での吸収係数が急激に増大する。この場合、出力ＴＨｚ波の全ての周波数成分を光軸方向で同じ位置で発生させると、高周波数のＴＨｚ波成分ほど結晶に吸収されてしまい、ＴＨｚ波生成の効率が低下する。このような点を考慮すると、周期分極反転結晶での出力ＴＨｚ波パルスの生成において、高周波数のＴＨｚ波成分ほど、結晶の後方側（出力側）で生成させることが好ましい。また、一般的には、波長変換素子２０において、ｘ軸（第１軸）に沿った各位置ｘでの周期分極反転構造について、そのｚ軸（第２軸）方向での中心位置を、位置ｘでの出力周波数ｆ（ｘ）に応じて、結晶の中心位置からシフトさせる構成とすることが好ましい。

図１３は、波長変換素子２０の構成のさらに他の例を示す図である。図１３（ａ）は、図６と同様の構造の波長変換素子２０を示している。この波長変換素子２０では、ｚ軸方向での周期分極反転構造の中心位置は、全ての位置ｘにおいて、ｚ軸方向での結晶の中心位置と略一致している。

これに対して、図１３（ｂ）に示す構成例では、周期分極反転構造の中心位置を、全ての位置ｘにおいて、ｚ軸方向にΔｚだけ中心位置から後方側へシフトさせた構成となっている。このような構成とすることにより、高周波数のＴＨｚ波成分の結晶での吸収を抑制することができる。ただし、この構成例では、結晶の第１端２１側で反転周期Λが大きい領域において、周期分極反転構造での周期数が減少する。

一方、図１３（ｃ）に示す構成例では、結晶の第１端２１側から第２端２２側に向かって、周期分極反転構造の中心位置の後方側へのシフト量が増大する構成となっている。このような構成によれば、高周波数のＴＨｚ波成分を結晶の後方側で生成させ、結晶でのＴＨｚ波成分の吸収を抑制してＴＨｚ波生成の効率を向上するとともに、位置ｘでの出力周波数ｆ（ｘ）に応じて中心位置のシフト量を変化させることで、全ての位置ｘにおいて、周期分極反転構造での周期数を維持することができる。

次に、上記構成の波長変換素子２０を用いた波長変換光パルス波形整形装置について説明する。図１４は、波長変換素子２０を用いた波長変換光パルス波形整形装置の一実施形態の構成を示す図である。本実施形態による波長変換光パルス波形整形装置１Ａは、パルス光源３５と、光パルス波形整形器１０と、結像レンズ系３６と、波長変換素子２０と、出力光学系３０と、光検出器６０と、ロックインアンプ６１と、制御装置６２とを備えて構成されている。このような波形整形装置１Ａは、例えば、ＴＨｚ波パルス波形整形装置（ＴＨｚ波パルスシェーパ）として用いることができる。

パルス光源３５は、光パルス波形整形器１０での波形整形、及び波長変換素子２０での波長変換の初期光パルスとなる、所定波長、所定波形の光パルスを供給する。パルス光源３５としては、上述したように、好ましくはパルスレーザ光源、例えば、ｆｓオーダーの超短パルスレーザ光源が用いられる。そのようなレーザ光源としては、例えば、モード同期チタンサファイアレーザ、モード同期ファイバレーザ等がある。また、パルス光源３５から供給される光パルスの最短パルス幅は、ＴＨｚ波を効率的に発生させるため、１００ｆｓ以下であることが好ましい。

パルス光源３５から供給された初期光パルスは、波形整形の対象となる光パルスとして光パルス波形整形器１０へと入射される。波形整形器１０は、初期光パルスの少なくとも位相、あるいは位相及び振幅（強度）を制御して、ｘ軸に沿った各位置ｘで所定の波形を有する入力光パルスを生成し、波長変換素子２０へと出力する。図１４においては、図４と同様に、入力光パルス成分Ｐ_１、Ｐ_２、Ｐ_３を模式的に示している。

光パルス波形整形器１０の具体的な構成については、例えば、図１に示した回折格子、レンズ、及び空間光変調器（ＳＬＭ）等の位相マスクを含む構成を用いることができる。また、波形整形器１０として、回折格子、凹面鏡、及びＳＬＭを含む構成を用いることができる（例えば、非特許文献９参照）。また、波形整形器１０として、固定パターンの位相マスク等を用いても良い。ただし、波形整形の制御の自由度を高めるため、ＳＬＭ等を用いたプログラマブルな構成の波形整形器１０を用いることが好ましい。波形整形器１０が、初期光パルスの少なくとも位相を制御するＳＬＭを含む構成によれば、波形整形パターンを制御可能なＳＬＭを用いて、入力光パルスの波形整形、及びそれによる波長変換後の出力光パルスの波形整形を好適に実行することができる。

ここで、波形整形器１０の構成例として、回折格子、凹面鏡、及びＳＬＭを含み、パルス幅１０ｆｓの光パルスに対応し、波長スペクトル帯域７００ｎｍ〜９５０ｎｍを有する光パルス波形整形器を考える。このとき、回折格子のライン数を３００ｇ／ｍｍ、凹面鏡の焦点距離を１８１．５ｍｍ、ＳＬＭの画素数を１２７２×１０２０、光パルスビームの入射面の大きさを１５．９ｍｍ×１２ｍｍに設定することができる。

また、光パルスの位置毎に時間遅延を与える場合には、例えば波形整形器１０として、エシェロン、マルチ光ファイバ等を用いても良い。エシェロンは、階段状の反射素子であり、ビーム位置毎に光パルスの遅延を制御することができる。また、マルチ光ファイバでは、ファイバ長を変えることによって、同様に光パルスの遅延を制御することができる。ただし、これらの光学素子を用いた場合には、光学系が大きくなり、また、光パルス幅の広がりが生じてしまうことから、波形整形器１０としてＳＬＭを含む構成を用いて、光パルスの時間遅延を制御することが好ましい。

光パルス波形整形器１０において、図４に関して上述したように、空間軸方向にＳＬＭの画素を分割するとともに、ＳＬＭの変調面において、波長軸方向に位相変化を与える変調パターンを呈示することによって、分割された画素毎に光パルスを遅延させる。波形整形器１０で波形整形された光パルスは、波長変換の対象となる入力光パルスとして、上記構成を有する波長変換素子２０へと入力される。

また、このような構成では、波形整形器１０の回折格子における波面を、波長変換素子２０の結晶に結像させることが好ましい。この場合、光パルス波形整形器１０と、波長変換素子２０との間に、結像光学系が設けられている構成とすることが好ましい。図１４に示す構成では、波形整形器１０と、波長変換素子２０との間に、結像レンズ系３６を挿入している。例えば、上記の具体的構成の波形整形器１０を用いた場合、結像レンズ系３６の焦点距離はｆ＝７００ｍｍである。なお、図１４において、結像レンズ系３６における拡大率は１となっているが、波長変換素子２０での結晶の大きさに合わせて、結像レンズ系３６で光パルスビームを拡大、または縮小する構成としても良い。

波長変換素子２０は、例えば図６に示した構成を有し、波形整形器１０からの入力光パルスを入力して、図１４に出力光パルス成分Ｐ_６、Ｐ_７、Ｐ_８を模式的に示すように、各位置ｘで波長変換された出力周波数ｆ（ｘ）の出力光パルスを生成、出力する。

ここで、任意の結晶位置ｘにおいて生成される出力ＴＨｚ波パルスの周波数をｆ、光パルスの遅延量をΔｔとすると、ＴＨｚ波の位相シフトΔφは、Δφ＝２πｆΔｔと表される。したがって、入力光パルスの遅延制御により、出力ＴＨｚ波パルスの位相を制御することができる。また、入力光パルスの強度を制御することで、出力ＴＨｚ波パルスの振幅も制御することができる。

波長変換素子２０において生成された出力ＴＨｚ波パルスは、出力光学系３０へと入力される。図１４に示す構成では、具体的な出力光学系３０の一例として、軸外し放物面鏡３１を示している。出力光学系３０は、波長変換素子２０からの出力ＴＨｚ波パルスに含まれる、ｘ軸に沿った位置ｘによって異なる出力周波数ｆ（ｘ）を有するＴＨｚ波パルス成分を合波し、最終的な波長変換光パルスとしてＴＨｚ波パルスを生成する。なお、出力光学系３０としては、具体的には、軸外し放物面鏡に限らず、例えばＴＨｚ波用の回折格子など、様々な光学素子を用いることが可能である。

図１４に示す構成では、上記したパルス光源３５、光パルス波形整形器１０、結像レンズ系３６、波長変換素子２０、及び出力光学系３０に加えてさらに、光検出器６０、ロックインアンプ６１、及び制御装置６２が設けられている。出力光学系３０で合波、出力されたＴＨｚ波パルスは、光検出器６０へと集光される。光検出器６０は、ＴＨｚ波パルスを検出して、検出信号を出力する。出力光パルスがＴＨｚ波パルスである場合、光検出器６０としては、例えば光伝導アンテナ、電気光学結晶等を用いることができる。

光検出器６０から出力されたＴＨｚ波の検出信号は、ロックインアンプ６１へと入力され、パソコン等を用いた制御装置６２によって検出データが収集される。また、制御装置６２は、必要に応じて、波形整形器１０に含まれるＳＬＭを制御する。この場合、ＳＬＭには、所望のＴＨｚ波の波形が得られるように、制御装置６２からのフィードバック信号を与える構成としても良い。

以上のように、初期光パルスに対する光パルス波形整形器１０と、上記構成の波長変換素子２０とを組み合わせた波長変換光パルス波形整形装置１Ａによれば、波長変換によるＴＨｚ波パルスなどの出力光パルスの生成、及びその波長変換光パルスの波形整形を好適に実現することができる。

本発明による波長変換素子、及び波長変換光パルス波形整形装置は、上記した実施形態及び構成例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では、出力光パルスとして主にＴＨｚ波パルスを想定しているが、そのようなＴＨｚ波パルスに限らず、波長変換素子に用いる結晶の材料、周期分極反転構造等を適切に選択、設定することで、例えばＴＨｚ波から可視光までの広い周波数帯域に対し、上記構成を適用することが可能である。また、波長変換光パルス波形整形装置の光学系の構成については、図１４に示した構成に限らず、具体的には様々な構成を用いて良い。

本発明は、ＴＨｚ波パルスなどの光パルスの波形整形に好適に適用することが可能な波長変換素子、及び波長変換光パルス波形整形装置として利用可能である。

１Ａ、１Ｂ…波長変換光パルス波形整形装置、１０…光パルス波形整形器、１１、１５…回折格子、１２、１４…レンズ、１３…位相マスク、１３ａ…空間光変調器、２０…波長変換素子、２１…第１端、２２…第２端、２５…分極領域、２６…第１結晶領域、２７…第２結晶領域、２８…第３結晶領域、２００…波長変換素子、２０１〜２０５…結晶、５０…波長変換素子、５１…第１端、５２…第２端、５５…分極領域、
３０…出力光学系、３１…軸外し放物面鏡、３５…パルス光源、３６…結像レンズ系、６０…光検出器、６１…ロックインアンプ、６２…制御装置。

Claims (14)

1. 第１軸、及び前記第１軸と直交して波長変換の対象となる入力光パルスの入力軸となる第２軸について、前記第２軸に沿って所定の反転周期Λで分極が反転する周期分極反転構造を有する結晶からなり、
   前記反転周期Λが前記第１軸に沿った位置ｘによって変化することで、各位置ｘにおいて前記反転周期Λ（ｘ）に対応する出力周波数ｆ（ｘ）に変換された出力光パルスを生成するように構成されているとともに、
   位置ｘに対して直線的に変化する目標周波数をｆ_Ｔ（ｘ）＝ｂ＋ａｘ（ただし、ａ、ｂはそれぞれ定数）、位置ｘでの前記出力周波数の周波数幅をδｆ（ｘ）とし、前記出力周波数をｆ（ｘ）＝ｆ_Ｔ（ｘ）＋α（ｘ）としたときに、前記出力周波数ｆ（ｘ）は、条件｜α（ｘ）｜≦δｆ（ｘ）を満たす範囲で前記目標周波数ｆ_Ｔ（ｘ）と一致するように設定されている、波長変換素子。
2. 前記目標周波数ｆ_Ｔ（ｘ）は、前記第１軸に沿った位置ｘの原点となる前記結晶の第１端での目標周波数をｆ_１、前記第１端とは反対側の第２端での目標周波数をｆ_２、前記結晶の前記第１軸に沿った前記第１端から前記第２端までの幅をｄとしたときに、定数ａ、ｂをａ＝（ｆ_２−ｆ_１）／ｄ、ｂ＝ｆ_１として、下記式
   ｆ_Ｔ（ｘ）＝ｆ_１＋（（ｆ_２−ｆ_１）／ｄ）×ｘ
   によって設定されている、請求項１記載の波長変換素子。
3. 前記出力周波数の前記周波数幅δｆ（ｘ）は、前記出力光パルスの周波数スペクトルにおける強度がピーク強度に対して１／ｅ^２となるときの幅である、請求項１または２記載の波長変換素子。
4. 前記出力周波数ｆ（ｘ）は、前記目標周波数ｆ_Ｔ（ｘ）と略一致するように設定されている、請求項１〜３のいずれか一項記載の波長変換素子。
5. 前記結晶での前記反転周期Λ（ｘ）は、前記入力光パルスの入力方向と前記出力光パルスの出力方向とが同方向である場合に、光速をｃ、前記入力光パルスに対する前記結晶の屈折率をｎ_ｉｎ、前記出力光パルスに対する前記結晶の屈折率をｎ_ｏｕｔ、それらの屈折率の差をΔｎ＝ｎ_ｏｕｔ−ｎ_ｉｎとして、前記出力周波数ｆ（ｘ）に基づいて下記式
   Λ（ｘ）＝ｃ／（ｆ（ｘ）Δｎ）
   によって決定される、請求項１〜４のいずれか一項記載の波長変換素子。
6. 前記結晶での前記反転周期Λ（ｘ）は、前記入力光パルスの入力方向と前記出力光パルスの出力方向とが逆方向である場合に、光速をｃ、前記入力光パルスに対する前記結晶の屈折率をｎ_ｉｎ、前記出力光パルスに対する前記結晶の屈折率をｎ_ｏｕｔ、それらの屈折率の和をΔｎ＝ｎ_ｏｕｔ＋ｎ_ｉｎとして、前記出力周波数ｆ（ｘ）に基づいて下記式
   Λ（ｘ）＝ｃ／（ｆ（ｘ）Δｎ）
   によって決定される、請求項１〜４のいずれか一項記載の波長変換素子。
7. 前記出力光パルスは、前記出力周波数が０．１ＴＨｚ以上１０ＴＨｚ以下のテラヘルツ波パルスである、請求項１〜６のいずれか一項記載の波長変換素子。
8. 前記結晶の材料は、ニオブ酸リチウムＬｉＮｂＯ_３、またはタンタル酸リチウムＬｉＴａＯ_３である、請求項１〜７のいずれか一項記載の波長変換素子。
9. 前記結晶は、前記第１軸に沿って、前記目標周波数がｆ_Ｔ１（ｘ）＝ｂ_１＋ａ_１ｘ（ただし、ａ_１、ｂ_１はそれぞれ定数）に設定されている第１結晶領域、及び前記目標周波数がｆ_Ｔ２（ｘ）＝ｂ_２＋ａ_２ｘ（ただし、ａ_２、ｂ_２はそれぞれ定数）に設定されている第２結晶領域を少なくとも有する、請求項１〜８のいずれか一項記載の波長変換素子。
10. 前記周期分極反転構造を有する前記結晶を複数スタックして構成される、請求項１〜９のいずれか一項記載の波長変換素子。
11. 前記第１軸に沿った各位置ｘでの前記周期分極反転構造について、その前記第２軸方向での中心位置を、位置ｘでの前記出力周波数ｆ（ｘ）に応じて、前記結晶の中心位置からシフトさせて構成されている、請求項１〜１０のいずれか一項記載の波長変換素子。
12. パルス光源から供給された初期光パルスの少なくとも位相を制御して、前記第１軸に沿った各位置ｘで所定の波形を有する前記入力光パルスを生成する光パルス波形整形器と、
    前記光パルス波形整形器からの前記入力光パルスを入力して、波長変換された前記出力光パルスを生成する請求項１〜１１のいずれか一項記載の前記波長変換素子と、
    前記波長変換素子からの前記出力光パルスに含まれる、前記第１軸に沿った位置ｘによって変化する前記出力周波数ｆ（ｘ）を有する光パルス成分を合波して、波長変換光パルスを生成、出力する出力光学系と
    を備える、波長変換光パルス波形整形装置。
13. 前記光パルス波形整形器は、前記初期光パルスの少なくとも位相を制御する空間光変調器を含む、請求項１２記載の波長変換光パルス波形整形装置。
14. 前記光パルス波形整形器と、前記波長変換素子との間に結像光学系が設けられている、請求項１２または１３記載の波長変換光パルス波形整形装置。

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