[发明专利]脉冲激光装置、太赫兹测量装置和太赫兹层析装置

说明书

技术领域

本发明涉及使用光纤的超短脉冲激光装置，并涉及使用从超短脉冲激光装置发射的激光束作为激励光源的太赫兹测量装置。

背景技术

最近，已开发了使用范围从毫米波到太赫兹(THz)波的电磁波(30GHz到30THz；以下简称为“THz”波)的无损感测技术。作为这种频带中的电磁波的一个应用领域，已开发了实现安全的透视装置替代X射线荧光镜的成像技术。作为其它的应用领域，还开发了测量物质内的吸收谱和复介电常数以检查耦合状态等的谱分析技术(spectroscopic technique)、分析生物分子的技术和评价载流子浓度和迁移率的技术。

鉴于在工厂的生产线中无损地执行质量检查的重要性，例如，还研究了对于检查成型品中的缺陷和/或外来物和检查化学物质中的成分、外来物和/或缺陷等的应用。在这些应用中，可通过利用THz波的透射率取得层析图像。化学物质包含例如诸如颜料和染料的墨水、调色剂、药品、化妆品和涂料。作为检查装置的例子，日本专利公开(PCT申请的翻译)No.2006-526774公开了通过使用THz-TDS(时域谱分析)应用于药品的检查的装置。通过该公开的装置，可基于THz波区域中的谱信息分析例如药品内的材料的种类。

在THz-TDS中，如日本专利公开(PCT申请的翻译)No.2006-526774公开的那样，需要用于产生和检测THz波的激励光源，该激励光源具有约100飞秒(fs)或更小的脉冲宽度。优选使用利用钛-蓝宝石晶体的脉冲激光器作为激励光源。

这种使用固态晶体的激光器在增加输出方面是有利的，但是它在输出稳定性和生产率方面是不令人满意的。并且，该激光器是十分昂贵的。因此，作为实际的光源，研究了光纤激光器的使用。

光纤激光器的优点在于，可以使用非常稳定的光纤放大器作为增益介质，并且，由于不必构建空间光学系统，因此尺寸可减小。另外，由于需要调整光轴的部分的数量大大减少，因此稳定性可增加，并且，由于生产率增加，因此成本可降低。

用于THz-TDS的激励光源需要具有不小于几十mW、希望不小于100mW的平均光学输出。难以仅仅通过使用光纤振荡器来构建具有这种高输出和超短脉冲的光纤激光器。因此，通常通过将发射种子光(seed light)的振荡器的输出连接到外部光纤放大器和外部光纤压缩器，实现这种类型的光纤激光器。作为现有技术的例子，日本专利No.2711778说明了在通过具有正常色散的掺杂稀土的光纤放大器放大种子光之后，通过使用异常色散光纤进行色散补偿，缩短脉冲的装置。此外，日本专利No.3811564说明了在基于利用拉曼孤子压缩的非线性效应缩短脉冲的同时，通过具有异常色散的掺杂稀土的光纤放大器，放大种子光的装置。

但是，不能说当前使用的光纤激光器具有足以增加THz波的输出并加宽傅立叶频带以提高THz-TDS测量装置的分析能力的输出。换句话说，当THz谱带被扩展为10THz或更大时，作为光学域中的激光脉冲的宽度，需要约10fs的超短脉冲。但是，到目前为止，难以实现具有不小于100mW的输出并输出这种超短脉冲的光纤激光器。

利用在上面引用的日本专利No.2711778中说明的装置，当放大的脉冲具有大的峰值时，用作色散补偿光纤的异常色散光纤由于非线性效应会使脉冲波长畸变，由此导致相位噪声和拉曼散射。换句话说，在实际的THz-TDS的激励光源中存在进一步改进的余地。为了这种改进，如在上面引用的日本专利No.2711778中说明的那样，通过用衰减器抑制光学输出，或者通过使用掺杂氟化Er的光纤以提供更大的正常色散来增加啁啾(chirp)量，降低脉冲的峰值。这是由于不被氟化的普通石英光纤在色散偏移量方面有限制。但是，当使用氟化光纤时，在稳定地使这些光纤相互熔合以在它们之间进行耦合方面出现困难。这种困难抵消了光纤激光器特有的减少空间点、降低成本并增加稳定性的优点。

另一方面，在上面引用的日本专利No.3811564中说明的装置在相对容易实现的异常色散区域中使用掺杂铒的光纤放大器作为石英光纤，并且利用拉曼孤子非线性压缩。但是，根据这种配置，随着输出增加，基于拉曼偏移的波长偏移增加，并且变得更加难以抑制依赖于时间的波形中的旁瓣，即基座(pedestal)。当通过使用光电导器件或非线性晶体产生THz波时，从设计值出现中心波长的偏移导致降低转换效率的问题，并且，由于因基座的存在产生的THz波，导致对于使用TDS的测量不希望有的噪声。