DE10217826A1

DE10217826A1 - Festkörper-Lichtquellenanordnung

Info

Publication number: DE10217826A1
Application number: DE10217826A
Authority: DE
Inventors: Shuhei Yamamoto; Yoshihito Hirano; Ichiro Shoji; Takunori Taira; Sunao Kurimura
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2001-04-27
Filing date: 2002-04-15
Publication date: 2002-10-31
Also published as: JP2003015175A; US6738397B2; US20020158260A1

Abstract

Eine Festkörper-Lichtquellenanordnung enthält eine erste Erregungslaser-Lichtquelle (3) zur Ausgabe eines Laserstrahls (3a) mit einer ersten Wellenlänge, eine zweite Erregungslaser-Lichtquelle (4) zur Ausgabe eines Laserstrahls (4a) mit einer zweiten Wellenlänge, wobei eine Differenzfrequenz zwischen dem Laserstrahl mit der ersten Wellenlänge und dem Laserstrahl mit der zweiten Wellenlänge in einem Terahertzband ist, und eine Halbleiter-Pseudophasen-Anpassungsvorrichtung (2), die sich an einer Stelle befindet, an der die erste optische Achse des Laserstrahls mit der ersten Wellenlänge mit einer zweiten optischen Achse des Laserstrahls mit der zweiten Wellenlänge überlappt, und die einen Terahertzstrahl in einer Richtung erzeugt, die koaxial mit der ersten und der zweiten optischen Achse ist, auf der Grundlage der Bestrahlung mit den Laserstrahlen mit der ersten und zweiten Wellenlänge. Somit kann eine Terahertz-Wellenerzeugung mit hoher Ausgangsleistung und hohem Wirkungsgrad leicht und sicher realisiert werden, während eine enge Leitungsbreitencharakteristik aufrechterhalten wird.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Fest körper-Lichtquellenanordnung und insbesondere auf ei ne Festkörper-Lichtquellenanordnung, die für eine spektroskopische Terahertzband-Lichtquelle, eine Ab bildungslichtquelle, eine Lichtquelle für die Kommu nikation und eine Lichtquelle für die Messung verwen det wird.

Als eine Lichtquelle zum Erzeugen eines Strahls in Terahertzband haben eine fotoleitende GaAs- Vorrichtung, eine Halbleitervorrichtung von Magnet feld-Anwendungstyp, ein optischer parametrischer Os zillator unter Verwendung von LiNbO₃, eine Differenz frequenz-Erzeugungsvorrichtung unter Verwendung eines organischen nichtlinearen optischen Kristalls oder dergleichen einen geringen Wirkungsgrad und eine niedrige Ausgangsleistung.

Da eine herkömmliche Halbleiter-Pseudophasen- Anpassungsvorrichtung, welche einen eindiffundierten Übergang verwendet, eine hohe Zerstreuung an einer Übergangs-Schnittstelle hat, ist sie für eine prakti sche Verwendung nicht geeignet, und demgemäß gab es keine Terahertz-Lichtquelle, welche diese Technik verwendet.

Eine herkömmliche Festkörper-Lichtquellenanordnung wird mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben. Fig. 5 ist eine Ansicht, die die Struktur einer herkömmli chen Festkörper-Lichtquellenanordnung zeigt, die bei spielsweise in "Laser Research, Band 26, Nr. 7, Sei ten 515-521, Juli 1998" offenbart ist. Fig. 5 ist die strukturelle Ansicht eines Beispiels einer foto leitenden Vorrichtung, die für eine Terahertz- Wellenerzeugung verwendet wird.

In Fig. 5 bezeichnet die Bezugszahl: 100 eine fotolei tende Vorrichtung; 101 ein Halbleitersubstrat; 102 einen fotoleitenden Dünnfilm; 103 parallele Übertra gungsleitungen; 104 eine Dipolantenne; 105 einen Spalt; 106 eine Gleichstrom-Leistungsquelle; 110 ei nen optischen Impuls; und 111 eine elektromagnetische Terahertzwelle.

Bei dieser fotoleitenden Vorrichtung 100 sind die pa rallelen Übertragungsleitungen 103 aus den Übertra gungsleitungen 103a und 103b auf dem Substrat 101 ei nes Hochgeschwindigkeitsansprech-Halbleiters wie GaAs und dem fotoleitenden Dünnfilm 102 aus GaAs mit Nied rigtemperaturwachstum oder dergleichen gebildet, und ein einzelner optischer Schalter aus einer winzigen Dipolantenne 104 ist in dem Mittenbereich vorgesehen.

Der winzige Spalt 105 mit beispielsweise mehreren µm befindet sich in der Mitte des optischen Schalters 104, und eine geeignete Spannung wird von der Gleich strom-Leistungsquelle 106 an den Spalt 105 angelegt.

Wenn ein Laserstrahl mit einer Energie, die höher ist als der Bandabstand des Halbleiters, als optischer Impuls 110 auf den Spalt 105 trifft, werden freie Träger in dem Halbleiter erzeugt, es fließt ein im pulsartiger Strom, und die elektromagnetische Tera hertzwelle 111 wird im Verhältnis zu dem Zeitdiffe rential des impulsartigen Stroms erzeugt.

Somit wird die elektromagnetische Terahertzwelle 111 erzeugt, wenn der impulsartige Strom beispielsweise auf einem Pikosekundenpegel oder weniger ist, und weiterhin wird sie erzeugt, wenn ein kurzer Impulsla serstrahl, bei welchem der optische Impuls 110 auf einen Pikosekundenpegel oder weniger ist, aufge strahlt wird.

Wie in "Laser Society Scientific lecture Meeting, 17th Annual Conference, 23aII4, Seiten 194 bis 197" offenbart ist, werden zwei Laserstrahl mit einer kon tinuierlichen Welle auf einer fotoleitenden Vorrich tung optisch miteinander gemischt, so daß eine Tera hertzwelle kontinuierlich erzeugt werden kann. Wenn zwei monochromatische Strahlen mit unterschiedlichen Frequenzen gemischt werden, wird eins resultierende Amplitude durch eine Differenzfrequenz moduliert. Wenn die gemischte Welle (Lichtschwebung) auf die fo toleitende Vorrichtung gestrahlt wird, wird ein Foto strom moduliert und eine elektromagnetische Welle entsprechend der Differenzfrequenz wird von einer An tenne abgestrahlt. Somit wird, wenn die Frequenzen der beiden Laserstrahlen mit kontinuierlicher Welle so angenommen werden, daß die Differenzfrequenz im Terahertzbereich liegt, die Terahertzwelle erzeugt.

Wie in "Laser Research, Band 26, Nr. 7, Seiten 527 bis 530, Juli 1998" offenbart ist, kann, wenn ein Lichtimpuls im Pikosekundenbereich oder weniger als ein Laserstrahl auf einen Halbleiter wie InAs oder GaAs, der sich in einem magnetischen Feld befindet, gestrahlt wird, eine Terahertzwelle erzeugt werden.

Weiterhin wird, wie in "Laser Research, Band 26, Nr. 7, Seiten 522 bis 526, Juli 1998" offenbart ist, LiNbO₃ als ein Kristall mit einem sekundären nichtli nearen optischen Effekt verwendet, und Lichtwellen werden bewirkt, um in den Kristall einzutreten, und ein optischer parametrischer Oszillator wird unter Phasenanpassungsbedingungen ausgebildet, so daß ein Terahertzstrahl erzeugt werden kann.

Wie in "OPTICS LETTERS, Band 25, Nr. 23, Seiten 1714-1716, 2000" offenbart ist, wird ein organischer Kristall mit einer hohen Nichtlinearität als ein Kri stall mit einem sekundären nichtlinearen optischen Effekt verwendet, zwei Laserstrahlen mit einer Diffe renzfrequenz im Terahertzbereich treten in den Kri stall ein, und die Erzeugung der Differenzfrequenz wird unter Phasenanpassungsbedingungen durchgeführt, so daß ein Terahertzstrahl erzeugt werden kann.

Weiterhin wird, wie in "61th Applied Physics Society Scientific Lecture Meeting, Collection of Lecture Preparatory Papers, Nr. 3, 4a - L-8, S. 957, 2000" offenbart ist, ein Halbleitermaterial mit großer Sperre verwendet als ein Material mit einem sekundä ren nichtlinearen optischen Effekt, zwei Laserstrah len mit einer Differenzfrequenz im Terahertzbereich treten in das nichtlineare Material ein, und die Er zeugung der Differenzfrequenz wird unter Phasenanpas sungsbedingungen durchgeführt, so daß ein Terahertz strahl erzeugt werden kann.

Jedoch hat der vorgenannte Stand der Technik die fol genden Probleme:
Bei der Erzeugung des Terahertzstrahls durch die fo toleitende Vorrichtung unter Verwendung der Erregung durch den Kurzimpuls-Laserstrahl war der Wirkungsgrad niedrig und die Ausgangsleistung war gering. Da wei terhin die Leitungsbreite groß war, konnte auch eine Lichtquelle mit einem Monolängsmode nicht erhalten werden.

Bei der Erzeugung des Terahertzstrahls durch die fo toleitende Vorrichtung unter Verwendung der Erregung durch die beiden Laserstrahlen mit kontinuierlicher Welle war der Wirkungsgrad gering und die Ausgangs leistung war niedrig.

Bei der Erzeugung des Terahertzstrahls durch die in dem magnetischen Feld befindliche Halbleitervorrich tung, welche die Erregung durch den Kurzimpuls- Laserstrahl verwendete, war der Wirkungsgrad niedrig und die Ausgangsleistung war gering. Zusätzlich wurde auch, da die Leitungsbreite groß war, eine Lichtquel le vom Monolängsmode nicht erhalten.

Bei der Erzeugung des Terahertzstrahls durch den op tischen parametrischen Oszillator unter Verwendung von LiNbO₃ als der nichtlinearen optischen Vorrich tung war die Absorption des Terahertzstrahls in LiN bO₃ groß, der Extraktionswirkungsgrad des erzeugten Terahertzstrahls war gering und die Ausgangsleistung war niedrig. Da weiterhin der Ausgangswinkel des Terahertzstrahls nicht mit der optischen Achse des Erregungsstrahls in dem optischen parametrischen Os zillator zusammenfiel, war es schwierig, eine große Wechselwirkungslänge zwischen dem Erregungsstrahl und dem durch Wellenlängenumwandlung erhaltenen Tera hertzstrahl zu erzielen, und die Wellenlängenumwand lung hatte einen niedrigen Wirkungsgrad und die Aus gangsleistung war gering.

Bei der Erzeugung des Terahertzstrahls mittels der Differenzfrequenz unter Verwendung des organischen Kristalls als der nichtlinearen optischen Vorrichtung war der Wirkungsgrad gering und die Ausgangsleistung war niedrig.

Weiterhin war bei der Erzeugung des Terahertzstrahls mittels der Differenzfrequenz unter Verwendung des Halbleitermaterials mit großer Sperre als der linea ren optischen Vorrichtung, da es schwierig war, einen großen Abstand in den Phasenanpassungsbedingungen zu erhalten, der Wirkungsgrad gering und die Ausgangs leistung war niedrig.

Darüber hinaus traten bei der herkömmlichen Halblei ter-Pseudophasen-Anpassungsvorrichtung, welche einen eindiffundierten Übergang verwendet, auch Probleme dahingehend auf, daß, da die Zerstreuung an der Über gangs-Schnittstelle hoch war, eine praktische Anwen dung nicht möglich war, und natürlich gab es keine Terahertz-Strahlenquelle, welche diese Technik anwen det.

Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die vor genannten Probleme zu lösen, und es wird eine Pseudo phasenanpassungs-Differenzfrequenz- Erzeugungsvorrichtung durch den eindiffundierten Übergang von Halbleitern verwendet, um eine Terahertz welle zu erzeugen. Da der Halbleiter wie GaP oder GaAs eine große nichtlineare optische Konstante hat, ist er geeignet für eine Wellenlängenumwandlung mit hohem Wirkungsgrad und transparent in einem Tera hertzbereich. Weiterhin hat der Halbleiter eine große thermische Leitfähigkeit und ist auch für Hochlei stungsbetrieb geeignet. Wenn weiterhin ein abstimmba rer Laser mit einem Band von 1 µm als Differenzfre quenz-Lichtquelle verwendet wird, ist die Periode des eindiffundierten Übergangs zum Erzeugen der Tera hertzwelle durch Pseudophasenanpassungs- Differenzfrequenzerzeugung sehr lang, z. B. mehrere Millimeter, und die Anzahl von Übergangs- Schnittstellen kann auf das Minimum unterdrückt wer den, so daß eine Vorrichtung mit geringem Verlust hergestellt werden kann. Weiterhin besteht eine Auf gabe der Erfindung darin, eine Terahertzwellen- Lichtquelle zu schaffen, welche eine Terahertz- Erzeugungswellenlänge über mehrere 100 µm abstimmen kann durch bloße Einstellung der Temperatur der Vor richtung und geringe Änderung der Wellenlänge von ei ner der Differenzfrequenz-Lichtquellen in der Größen ordnung von nm.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung enthält eine Festkörper-Lichtquellenanordnung eine erste Erre gungslaser-Lichtquelle zur Ausgabe eines Laserstrahls mit einer ersten Wellenlänge, eine zweite Erregungs laser-Lichtquelle zur Ausgabe eines Laserstrahls mit einer zweiten Wellenlänge, wobei die Differenzfre quenz zwischen dem Laserstrahl mit der ersten Wellen länge und dem Laserstrahl mit der zweiten Wellenlänge in einem Terahertzband ist, und eine nichtlineare Wellenlängen-Umwandlungsvorrichtung, die sich an ei ner Stelle befindet, an der eine erste optische Achse des Laserstrahls mit der ersten Wellenlänge mit einer zweiten optischen Achse des Laserstrahls mit der zweiten Wellenlänge überlappt, und einen Terahertz strahl in einer Richtung erzeugt, die koaxial mit der ersten und der zweiten optischen Achse ist, auf der Grundlage der Bestrahlung durch die Laserstrahlen mit der ersten und der zweiten Wellenlände.

Eine Festkörper-Lichtquellenanordnung gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist derart, daß die er ste Erregungslaser-Lichtquelle ein Laser mit fester Wellenlänge ist, und daß die zweite Erregungslaser- Lichtquelle ein Laser mit abstimmbarer Wellenlänge ist.

Eine Festkörper-Lichtquellenanordnung gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung ist derart, daß die er ste Erregungslaser-Lichtquelle ein Nd : YAG-Laser ist und die zweite Erregungslaser-Lichtquelle ein Yb-YAG-Laser ist.

Eine Festkörper-Lichtquellenanordnung gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung ist derart, daß die er ste Erregungslaser-Lichtquelle einen monochromati schen Strahl mit der ersten Wellenlänge von 1,064 µm ausgibt und die zweite Erregungslaser-Lichtquelle ei nen monochromatischen Strahl mit der zweiten Wellen länge in einem Band von 1 µm ausgibt.

Eine Festkörper-Lichtquellenanordnung gemäß einem fünften Aspekt der Erfindung ist derart, daß die er ste und die zweite Erregungslaser-Lichtquelle Yb : YAG-Laser sind.

Eine Festkörper-Lichtquellenanordnung gemäß einem sechsten Aspekt der Erfindung ist derart, daß die er ste Erregungslaser-Lichtquelle ein Nd : YLF-Laser ist und die zweite Erregungslaser-Lichtquelle ein Yb : YAG-Laser ist.

Eine Festkörper-Lichtquellenanordnung gemäß einem siebenten Aspekt der Erfindung ist derart, daß die nichtlineare Wellenlängen-Umwandlungsvorrichtung eine Halbleiter-Pseudophasen-Anpassungsvorrichtung ist, bei der mehrere von ersten Halbleitermaterialien, welche jeweils eine Länge von Λ/2 in einer Richtung koaxial mit der ersten und der zweiten optischen Ach se haben, und mehrere von zweiten Halbleitermateria lien, die jeweils eine Länge von Λ/2 haben, durch einen eindiffundierten Übergang miteinander vereinigt sind, und das erste und das zweite Halbleitermaterial sind so angeordnet, daß die Richtungen vertikal zu der ersten und der zweiten optischen Achse [001]-Achsen sind, die Richtung der jeweiligen [001]-Achsen parallel zueinander sind und die Richtungen der [001]-Achsen abwechselnd invertiert sind.

Eine Festkörper-Lichtquellenanordnung gemäß einem achten Aspekt der Erfindung ist derart, daß das erste und das zweite Halbleitermaterial der Halbleiter- Pseudophasen-Anpassungsvorrichtung in einem Tera hertzbereich transparente Materialien sind.

Eine Festkörper-Lichtquellenanordnung gemäß einem neunten Aspekt der Erfindung ist derart, daß das er ste und das zweite Halbleitermaterial der Halbleiter- Pseudophasen-Anpassungsvorrichtung aus GaP bestehen.

Eine Festkörper-Lichtquellenanordnung gemäß einem zehnten Aspekt der Erfindung ist derart, daß das er ste und das zweite Halbleitermaterial der Halbleiter- Pseudophasen-Anpassungsvorrichtung aus GaAs bestehen.

Eine Festkörper-Lichtquellenanordnung gemäß einem elften Aspekt der vorliegenden Erfindung ist derart, daß die nichtlineare Wellenlängen- Umwandlungsvorrichtung eine Halbleiter-Pseudophasen- Anpassungsvorrichtung ist, in welcher mehrere von er sten Halbleitermaterialien, die jeweils eine Länge von Λ/2 in einer Richtung koaxial mit der ersten und der zweiten optischen Achse haben, und mehrere von zweiten Halbleitermaterialien, die jeweils eine Länge von Λ/2 haben, durch eindiffundiertem Übergang mit einander vereint sind, und das erste und das zweite Halbleitermaterial sind so angeordnet, daß der Azimut des ersten und des zweiten Halbleitermaterials der selbe ist in einer Richtung senkrecht zu der ersten und der zweiten optischen Achse, und die Richtungen hiervon sind abwechselnd invertiert.

Eine Festkörper-Lichtquellenanordnung gemäß einem zwölften Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der art, daß das erste und das zweite Halbleitermaterial der Halbleiter-Pseudophasen-Anpassungsvorrichtung in einem Terahertzbereich transparente Materialien sind.

Eine Festkörper-Lichtquellenanordnung gemäß einem dreizehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist derart, daß das erste und das zweite Halbleitermate rial der Halbleiter-Pseudophasen- Anpassungsvorrichtung GaP ist.

Eine Festkörper-Lichtquellenanordnung gemäß einem vierzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist derart, daß das erste und das zweite Halbleitermate rial der Halbleiter-Pseudophasen- Anpassungsvorrichtung GaAs ist.

Die Erfindung wir im Folgenden anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher er läutert. Es zeigen

Fig. 1 die Struktur einer Festkörper- Lichtquellenanordnung gemäß dem Ausführungs beispiel 1 vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Wellenlän gen-Umwandlungslichtintensität in einer nichtlinearen Wellenlängen- Umwandlungsvorrichtung;

Fig. 3 die Abhängigkeit der Wellenlänge von dem spe zifischen Lichtbrechungsvermögen von GaP;

Fig. 4 das Berechnungsergebnis der Kohärenzlänge; und

Fig. 5 die Struktur einer herkömmlichen Festkörper- Lichtquellenanordnung.

Ausführungsbeispiel 1

Eine Festkörper-Lichtquellenanordnung gemäß dem Aus führungsbeispiel 1 nach der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Fig. 1 zeigt die Struktur der Festkörper- Lichtquellenanordnung gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 der Erfindung. Fig. 1 zeigt ein strukturelles Bei spiel der Festkörper-Lichtquellenanordnung als einer Terahertzwellen-Lichtquelle, die eine nichtlineare Pseudophasenanpassungs-Wellenlängenumwandlung anwen det.

In Fig. 1 bezeichnet das Bezugssymbol 1 eine Festkör per-Lichtquellenanordnung als eine Terahertzwellen- Lichtquelle, die eine nichtlineare Pseudophasenanpas sungs-Wellenlängenumwandlung anwendet; 2 eine Halb leiter-Pseudophasen-Anpassungsvorrichtung als eine nichtlineare Wellenlängen-Umwandlungsvorrichtung; 3 eine erste Erregungslaser-Lichtquelle; 3a einen La serstrahl mit der Wellenlänge Λ1; 4 eine zweite Er regungslaser-Lichtquelle; 4a einen Laserstrahl mit der Wellenlänge Λ2; und 5 einen Terahertzstrahl mit der Wellenlänge Λ3.

Als Nächstes wird die Arbeitsweise der Festkörper- Lichtquellenanordnung nach dem Ausführungsbeispiel 1 mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.

Die erste Erregungslaser-Lichtquelle 3 gibt den La serstrahl 3a mit der Wellenlänge Λ1 aus, und die zweite Erregungslaser-Lichtquelle 4 gibt den Laser strahl 4a mit der Wellenlänge Λ2 aus. Die erste La serlichtquelle 3 kann ein Nd : YAG-Laser sein, und die zweite Laserlichtquelle 4 kann ein Yb : YAG-Laser sein.

Somit ist die erste Erregungslaser-Lichtquelle 3 ein Laser mit fester Wellenlänge zur Ausgabe eines derar tigen monochromatischen Lichts, das die Wellenlänge Λ1 des Laserstrahls 3a gleich 1,064 um ist. Da der Yb : YAG-Laser eine weite Bandverstärkung in dem 1 µm- Band hat, kann er als ein Laser mit abstimmbarer Wel lenlänge ausgebildet sein, und die zweite Erregungs laser-Lichtquelle 4 ist ein Laser mit abstimmbarer Wellenlänge zur Ausgabe eines derartigen monochroma tischen Lichts, das die Wellenlänge Λ2 des Laser strahls 4a in dem 1 µm-Band ist. Da die erste Laser lichtquelle 3 den Übergang von R2 nach Y3 aus den Übergängen von 4F3/2 nach 4I11/2 verwendet, wird sie ein Laser mit fester Wellenlänge von 1,064 µm. Jedoch kann die erste Laserlichtquelle zu einem Laser mit fester Wellenlänge für die Ausgabe eines Laserstrahls mit einer anderen Oszillationswellenlänge unter Ver wendung eines anderen Übergangs gemacht werden.

Sowohl der Laserstrahl 3a von der ersten Erregungsla ser-Lichtquelle 3 als auch der Laserstrahl 4a von der zweiten Erregungslaser-Lichtquelle 4 werden auf die Halbleiter-Pseudophasen-Anpassungsvorrichtung 2 ge strahlt. Obgleich es wünschenswert ist, die optischen Achsen des Laserstrahls 3a und des Laserstrahls 4a koaxial anzuordnen, können sie einen kleinen Winkel haben von der Beziehung zwischen der Größe der ersten Erregungslaser-Lichtquelle 3 und der Größe der zwei ten Erregungslaser-Lichtquelle 4. Jedoch fallen in diesem Fall die optischen Achsen des Laserstrahls 3a und des Laserstrahls 4a auf der Halbleiter- Pseudophasen-Anpassungsvorrichtung 2 nahezu zusammen. Die optischen Achsen des Laserstrahls 3a und des La serstrahls 4a können vorher durch geeignete optische Teile einander übereinstimmend gemacht werden.

In der Halbleiter-Pseudophasen-Anpassungsvorrichtung 2 werden mehrere Halbleitermaterialien 1an (n = 1, 2, . . . , n) und 2bn (n = 1, 2, . . ., n), die jeweils eine Länge von Λ/2 in einer zu der optischen Achse des Erregungsstrahls koaxialen Richtung haben, durch ein diffundierten Übergang miteinander vereint. Das erste und das zweite Halbleitermaterial sind so angeordnet, daß der Azimut des ersten und des zweiten Halbleiter materials derselbe ist als eine Richtung senkrecht zu der ersten und der zweiten optischen Achse, und die Richtungen hiervon sind abwechselnd invertiert. Hier sind hinsichtlich des Azimuts des ersten und des zweiten Halbleitermaterials in dem Fall, in welchem die Richtungen senkrecht zu der ersten und der zwei ten optischen Achse die [001]-Achsen sind, die Rich tungen der jeweiligen [001]-Achsen so angeordnet, daß sie einander parallel gerichtet und abwechselnd in vertiert sind, so daß es möglich ist, die größte nichtlineare optische Konstante in den Halbleiterma terialien zu erhalten. Daher ist bei diesem Ausfüh rungsbeispiel ein Fall gezeigt, bei welchem die Rich tungen senkrecht zu der ersten und der zweiten opti schen Achse die [001]-Achsen sind.

Sowohl der Laserstrahl 3a von der ersten Erregungsla ser-Lichtquelle 3 als auch der Laserstrahl 4a von der zweiten Erregungslaser-Lichtquelle 4 sind linear po larisiertes Licht. In dem Fall, in welchem die Wel lenlänge des Laserstrahls 3a kürzer als die Wellen länge des Laserstrahls 4a ist, ist die Polarisations richtung des Laserstrahls 3a parallel zu den Richtun gen der [001]-Achsen der Halbleitermaterialien, und die Polarisationsrichtung des Laserstrahls 4a ist senkrecht zu den Richtungen der [001]-Achsen. Auch ist in dem Fall, in welchem die Wellenlänge des La serstrahls 3a länger als die Wellenlänge des Laser strahls 4a ist, die Polarisationsrichtung des Laser strahls 3a senkrecht zu den Richtungen der [001]-Achsen, und die Polarisationsrichtung des Laser strahls 4a ist parallel zu den Richtungen der [001]-Achsen.

In dem Fall, in welchem die Differenzfrequenzerzeu gung unter Verwendung von Erregungslaserstrahlen mit zwei Wellenlängen und einer nichtlinearen Wellenlän gen-Umwandlungsvorrichtung durchgeführt wird, gilt der folgende beziehungsmäßige Ausdruck.

ω1 - ω2 = ω3, ω = c/λ (1)

Hierin ist ω eine Frequenz, c ist die Lichtgeschwin digkeit und λ ist eine Wellenlänge.

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung, welche die Wellenlängen-Umwandlungsstrahlintensztät mit Bezug auf die Fortpflanzungslänge eines Laserstrahls in ei ner nichtlinearen Wellenlängen-Umwandlungsvorrichtung zeigt.

Wenn die Differenz der Wellenzahlen zwischen dem Er regungslaserstrahl mit doppelter Wellenlänge und dem Differenzfrequenzstrahl als Δk bezeichnet wird, die Kohärenzlänge als 1c bezeichnet wird und die Inver sionsperiode als Λ bezeichnet wird, gilt die folgen de Beziehung.

Δk = k1 - k2 - k3, k = 2πn/λ (2)

1c = 2π/Δk (3)

Λ = 21c = 2π/Δk

Hierin ist n das spezifische Lichtbrechungsvermögen einer nichtlinearen Wellenlängen- Umwandlungsvorrichtung mit Bezug auf eine Wellenlänge λ.

In dem Fall, in welchem eine nichtlineare Wellenlän gen-Umwandlungsvorrichtung einer Vorrichtung vom Vo lumentyp verwendet wird, ist die Wellenlängen- Umwandlungsstrahlintensität gesättigt und wird ein Maximum, wenn die Fortpflanzungslänge gleich 1c ist und sie wird dann verringert. Wenn die Fortpflan zungslänge gleich 21c ist, nimmt sie, obgleich die Wellenlängen-Umwandlungsstrahlintensität 0 wird, wie der zu, bis die Fortpflanzungslänge gleich 31c wird. Gleichermaßen ist es schwierig, da der Wellenlängen- Umwandlungsstrahl sich durch die nichtlinearen Wel lenlängen-Umwandlungsvorrichtung fortpflanzt, während die Intensität hiervon wiederholt zu- und abnimmt, einen hohen Ausgangsstrahl zu erhalten.

Andererseits kann in dem Fall der Pseudophasen- Anpassungsvorrichtung 2, in welcher die Polarisati onsrichtung der nichtlinearen Wellenlängen- Umwandlungsvorrichtung nach jeder Kohärenzlänge 1c invertiert wird, die Wellenlängen- Umwandlungsstrahlintensität erhöht werden, ohne daß die Zu- und Abnahme der Fortpflanzungslänge 1c wie derholt wird.

Z. B. kann in dem Fall von LiNbO₃ und in dem Fall, in welchem die Pseudophasenanpassungs-Wellenlängen- Umwandlungsvorrichtung gebildet ist, in welcher die Polarisationsrichtung bei jeder Kohärenzlänge 1c in vertiert ist, sie auch durch die Anwendung eines ho hen elektrischen Feldes auf LiNbO₃ gebildet werden. Andererseits werden in dem Fall eines Halbleitermate rials wie GaP oder GaAs, da es schwierig ist, die Pseudophasenanpassungs-Wellenlängen- Umwandlungsvorrichtung durch Verwendung eines hohen elektrischen Feldes zu bilden, mehrere Halbleiterma terialien, die bei jeder Kohärenzlänge 1c geschnitten und geteilt werden, verwendet und durch eindiffun dierten Übergang miteinander vereinigt, so daß die Vorrichtung gebildet werden kann. Da es jedoch schwierig ist, die Grenzflächen durch den eindiffun dierten Übergang vollständig zu vereinigen, insbeson dere in dem Fall, in welchem die Anzahl von Grenzflä chen groß ist, wird der Verlust aufgrund des Über gangs groß, und es ist schwierig, einen Wellenlängen- Umwandlungsstrahl mit hoher Ausgangsleistung zu er halten.

Fig. 3 ist eine charakteristische Darstellung, welche die Wellenlängenabhängigkeit des spezifischen Licht brechungsvermögens von GaP zeigt.

Das spezifische Lichtbrechungsvermögen von GaP nimmt in der Nähe des 1 µm-Bandes gleichförmig ab. Weiter hin existiert eine anomale Infrarotdispersion in dem 25 µm-Band. Wegen einer derartigen anomalen Disper sionscharakteristik wird ein langweiliges Licht tie fer gebrochen als ein kurzwelliges Licht, und weiter hin wird das spezifische Lichtbrechungsvermögen all mählich angenähert in der Nähe von Terahertz und wird nahezu konstant.

In dem Fall des Halbleitermaterials GaP oder GaAs wird bei Erregungsstrahlen mit zwei Wellenlängen des 1 µm-Bandes, bei welchen die Differenzfrequenz in die Größenordnung von Terahertz gelangt, die Wellenzahl differenz nahezu übereinstimmend mit der Wellenzahl eines Terahertzstrahls.

Fig. 4 ist eine Darstellung, die das Berechnungser gebnis der Kohärenzlänge 1c zeigt, wenn die Wellen länge des Differenzfrequenzstrahls λ3 = 300 µm ist.

Hier zeigt die horizontale Achse die Wellenlänge λ1 des Erregungsstrahls 1 an und die vertikale Achse zeigt die Kohärenzlänge 1c an. Δk wird klein und da her wird es möglich, die Kohärenzlänge 1c so lang zu machen, daß sie in der Größenordnung von mm in dem Fall ist, in welchem ein Laser mit doppelter Wellen länge in einem 1 µm-Band als eine Erregungslichtquel le verwendet wird, ein Halbleitermaterial wie GaP als eine Wellenlängen-Umwandlungsvorrichtung verwendet wird, und eine Differenzfrequenzerzeugung in einem Terahertz-Wellenband durchgeführt wird. Demgemäß wird es möglich, die Anzahl von Übergangsschnittstellen der Halbleiter-Pseudophasen-Anpassungsvorrichtung auf einen minimalen Pegel zu drücken. Dies macht es mög lich, eine Vorrichtung mit geringem Verlust zu erzeu gen und einen Terahertzstrahl mit hoher Ausgangsleis tung mit einem hohen Grad an Wirksamkeit zu erhalten.

Da der Halbleiter GaP oder GaAs eine große nichtli neare optische Konstante hat, ist er geeignet für ei ne Wellenlängenumwandlung mit hohem Wirkungsgrad. Weiterhin hat die Pseudophasenanpassungs- Wellenlängen-Umwandlungsvorrichtung eine Ausbildung, bei der der Übergang so gebildet ist, daß die [001]-Achsen abwechselnd von einer Kohärenzlänge zu einer anderen Kohärenzlänge invertiert werden. Daher ist es nicht erforderlich Δk als Null zu setzen, so daß es möglich wird, die optische Achse des Erregungsstrahls mit doppelter Wellenlänge übereinstimmend mit der op tischen Achse des Differenzfrequenzstrahls zu machen. Daher wird es möglich, lange Wechselwirkungslängen des Erregungsstrahls mit doppelter Wellenlänge und des Differenzfrequenzstrahls zu erhalten, was bedeu tet, daß diese Technik besonders für die Wellenlän genumwandlung mit hohem Wirkungsgrad geeignet ist.

Bei der Differenzfrequenzerzeugung unter Verwendung der Halbleiter-Pseudophasen-Anpassungsvorrichtung 2 und der Erregungsstrahlen mit den beiden Wellenlängen kann, da die Wellenlängenumwandlung mit hohem Wir kungsgrad besonders ermöglicht ist, die Erzeugung des Terahertzstrahls mit hohem Wirkungsgrad und hoher Ausgangsleistung erhalten werden, selbst wenn ver schiedene Impulslängen von einer kontinuierlichen Welle bis zu einem kurzen Impuls im Pikosekundenbe reich oder weniger für die Erregungsstrahlen mit den beiden Wellenlängen verwendet werden. Somit ist es durch Auswahl der Impulslängen der Erregungsstrahlen mit den beiden Wellenlängen möglich, den Terahertz strahl der Differenzfrequenz von der kontinuierlichen Welle bis zum kurzen Impuls im Pikosekundenbereich oder weniger zu erhalten. Somit ist es nicht erfor derlich, daß der Terahertzstrahl besonders in dem kurzen Impuls im Pikosekundenbereich oder weniger er zeugt wird, die Wellenlängenverbreiterung des Tera hertzstrahls, die durch die Fourier-Grenze bestimmt ist, kann eng gemacht werden, und der Terahertzstrahl der Monolängsmode kann erhalten werden, während die enge Leitungsbreitencharakteristik aufrecht erhalten wird.

Da der Halbleiter wie GaP oder GaAs im Terahertzbe reich transparent ist, wird der durch die Differenz frequenzerzeugung erhaltene Terahertzstrahl nicht durch Absorption gedämpft und kann als ein Ausgangs strahl mit hohem Wirkungsgrad herausgezogen werden. Da weiterhin der Halbleiter wie GaP oder GaAs eine große thermische Leitfähigkeit hat, ist er auch für eine hohe Ausgangsoperation geeignet.

Weiterhin ist es möglich, eine Terahertzwellen- Lichtquelle vorzusehen, welche eine Terahertzerzeu gungs-Wellenlänge über mehrere hundert µm abstimmen kann durch bloße Einstellung der Temperatur der Vor richtung und Änderung der Wellenlänge von einer der Differenzfrequenz-Lichtquellen geringfügig um die Größenordnung von nm.

Während bei dem obigen Ausführungsbeispiel, obgleich GaP als das nichtlineare Material verwendet wird, ein anderer Halbleiter wie GaAs verwendet werden kann, da er eine ähnliche anomale Dispersionscharakteristik hat.

Weiterhin kann, während bei dem obigen Ausführungs beispiel als die Erregungslaser-Lichtquellen der Nd : YAG-Laser als der Laser mit fester Wellenlänge und der Yb : YAG-Laser als der Laser mit abstimmbarer Wel lenlänge verwendet werden, die Erfindung realisiert werden, selbst wenn zwei Yb : YAG-Laser verwendet wer den, und sie kann auch auf einen Fall angewendet wer den, bei dem ein anderer Nd-hinzugefügter Laser oder Ybhinzugefügter Laser verwendet wird.

Weiterhin kann bei dem obigen Ausführungsbeispiel, bei dem Erregungslichtquellen der Nd : YAG-Laser als der Laser mit fester Wellenlänge und der Yb : YAG-Laser als der Laser mit abstimmbarer Wellenlänge verwendet werden, die Erfindung realisiert werden, selbst wenn ein Nd : YLF-Laser als der Laser mit fester Wellenlänge und ein Yb-YAG-Laser als der Laser mit abstimmbarer Wellenlänge verwendet werden, und weiterhin kann die Erfindung auch auf einen Fall angewendet werden, bei welchem ein anderer Nd-hinzugefügter Laser oder Yb hinzugefügter Laser verwendet wird.

Wie vorstehend beschrieben, können, da die vorliegen de Erfindung für die Erzeugung einer Terahertzwelle eine Technik zur Ausbildung eines Übergangsintervalls für die Pseudophasenanpassungs- Differenzfrequenzgeneration mit einer langen Periode von mehreren mm vorschlägt, indem der Laser mit ab stimmbarer Wellenlänge des 1 µm-Bandes und die anoma le Dispersionscharakteristik des Halbleiters mit ei ner großen nichtlinearen optischen Konstante und thermischer Leitfähigkeit verwendet werden, die Tera hertz-Wellenerzeugung mit hoher Ausgangsleistung und hohem Wirkungsgrad leicht und sicher realisiert wer den, während die enge Leitungsbreitencharakteristik aufrecht erhalten wird.

Claims

1. Festkörper-Lichtquellenanordnung, welche auf weist:
eine erste Erregungslaser-Lichtduelle (3) zur Ausgabe eines Laserstrahls mit einer ersten Wel lenlänge;
eine zweite Erregungslaser-Lichtquelle (4) zur Ausgabe eines Laserstrahls mit einer zweiten Wellenlänge, wobei eine Differenzfrequenz zwi schen dem Laserstrahl mit der ersten Wellenlänge und dem Laserstrahl mit der zweiten Wellenlänge in einem Terahertzband ist; und
eine nichtlineare Wellenlängen- Umwandlungsvorrichtung (2), die sich an einer Stelle befindet, an der eine erste optische Ach se des Laserstrahls mit der ersten Wellenlänge mit einer zweiten optischen Achse des Laser strahls mit der zweiten Wellenlänge überlappt, und die einen Terahertzstrahl in einer Richtung erzeugt, die koaxial mit der ersten und der zweiten optischen Achse ist, auf der Grundlage der Bestrahlung mit den Laserstrahlen mit der ersten und der zweiten Wellenlänge.

2. Festkörper-Lichtquellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Erre gungslaser-Lichtquelle ein Laser mit fester Wel lenlänge und die zweite Erregungslaser- Lichtquelle ein Laser mit abstimmbarer Wellen länge sind.

3. Festkörper-Lichtquellenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Erre gungslaser-Lichtquelle ein Nd : YAG-Laser und die zweite Erregungslaser-Lichtquelle ein Yb-YAG-Laser sind.

4. Festkörper-Lichtquellenanordnung; nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Erre gungslaser-Lichtquelle einen monochromatischen Strahl mit der ersten Wellenlänge von 0,164 µm ausgibt, und daß die zweite Erregungslaser-Lichtduelle einen mo nochromatischen Strahl mit der zweiten Wellen länge in einem Band von 1 µm ausgibt.

5. Festkörper-Lichtquellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Erregungslaser-Lichtquelle Yb : YAG-Laser sind.

6. Festkörper-Lichtquellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Erre gungslaser-Lichtquelle ein Nd : YLF-Laser und die zweite Erregungslaser-Lichtquelle ein Yb-YAG-Laser sind.

7. Festkörper-Lichtquellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtlineare Wellenlängen-Umwandlungsvorrichtung eine Halb leiter-Pseudophasen-Anpassungsvorrichtung ist, in der mehrere erste Halbleitermaterialien, die jeweils eine Länge von Λ/2 in einer Richtung, die koaxial mit der ersten und der zweiten opti schen Achse ist, haben, und mehrere zweite Halb leitermaterialien, die jeweils eine Länge von Λ/2 haben, miteinander durch eindiffundierten Übergang vereinigt sind, und die ersten und zweiten Halbleitermaterialien so angeordnet sind, daß Richtungen vertikal zu der ersten und der zweiten optischen Achse [001]-Achsen sind, Richtungen der jeweiligen [001]-Achsen parallel zueinander sind und die Richtungen der [001]-Achsen abwechselnd invertiert sind.

8. Festkörper-Lichtquellenanordnung; nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und die zweiten Halbleitermaterialien der Halblei ter-Pseudophasen-Anpassungsvorrichtung in einem Terahertzbereich transparente Materialien sind.

9. Festkörper-Lichtquellenanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und die zweiten Halbleitermaterialien der Halblei ter-Pseudophasen-Anpassungsvorrichtung aus GaP bestehen.

10. Festkörper-Lichtquellenanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und die zweiten Halbleitermaterialien der Halblei ter-Pseudophasen-Anpassungsvorrichtung aus GaAs bestehen.

11. Festkörper-Lichtquellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtlinearen Wellenlängen-Umwandlungsvorrichtung eine Halb leiter-Pseudophasen-Anpassungsvorrichtung ist, in der mehrere von ersten Halbleitermaterialien, die jeweils eine Länge von Λ/2 in einer Rich tung, die koaxial mit der ersten und der zweiten optischen Achse ist, haben, und mehrere zweite Halbleitermaterialien, die jeweils eine Länge von Λ/2 haben, durch eindiffundierten Übergang miteinander vereinigt sind, und die ersten und zweiten Halbleitermaterialien so angeordnet sind, daß der Azimut der ersten und der zweiten Halbleitermaterialien derselbe ist als eine Richtung senkrecht zu der ersten und der zweiten optischen Achse, und die Richtungen hiervon ab wechselnd invertiert sind.

12. Festkörper-Lichtquellenanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Halbleitermaterial der Halbleiter- Pseudophasen-Anpassungsvorrichtung in einem Terahertzbereich transparente Materialien sind.

13. Festkörper-Lichtquellenanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Halbleitermaterial der Halbleiter- Pseudophasen-Anpassungsvorrichtung aus GaP be stehen.

14. Festkörper-Lichtquellenanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Halbleitermaterial der Halbleiter- Pseudophasen-Anpassungsvorrichtung aus GaAs be stehen.