DE69301801T2

DE69301801T2 - Festkörperlaser

Info

Publication number: DE69301801T2
Application number: DE69301801T
Authority: DE
Inventors: Naoji Fujimori; Takahiro Imai; Hiroshi Kawarada; Yoshiki Nishibayashi
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1992-09-16
Filing date: 1993-09-14
Publication date: 1996-08-01
Anticipated expiration: 2013-09-15
Also published as: EP0588292A1; JPH0697540A; US5420879A; JP3462514B2; EP0588292B1; DE69301801D1

Description

Technischer Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Festkörperlaser, der in einem Bereich von 225 nm bis 300 nm oszilliert.
In einem Bereich kurzer Wellenlänge, der sich von Blau in einer sichtbaren Lichtstrahlung bis zu Ultraviolettstrahlen (400 nm oder weniger) erstreckt, ist ein Laserstrahl zum Gebrauch in einem optischen Hochdichteaufzeichnungsgerät und dergleichen gefordert worden, der kompakt, hochwirksam und hochstabil ist.
Herkömmlich gibt es in dem Bereich kurzer Wellenlänge von 400 nm oder weniger verschiedene Lichtquellen, die einfach als eine Lichtquelle dienen, jedoch Laser, die in einem solchen Bereich kurzer Wellenlänge oszillieren können, sind in der Art beschränkt. Einer dieser Laser ist ein Gaslaser, wie ein Stickstofflaser und ein Excimerlaser. Der Gaslaser ist jedoch groß im Format und schlecht in der Wirksamkeit, und der Gaslaser ist meistens einfach in der Lage, nur in der Form von einem Impuls von sehr kurzer Zeit zu schwingen, so daß der Gaslaser nicht bei der optischen Aufzeichnung verwendet werden kann. Es ist auch ein anderes Lasersystem bekannt, bei dem ein Laserstrahl, der eine lange Wellenlänge von 500 nm oder mehr aufweist, in eine harmonische Komponente konvertiert wird, die eine Wellenlänge aufweist, die 1/2 oder 1/3 von der langen Wellenlänge beträgt. Dieses Lasersystem verringert jedoch die Wirksamkeit von dem Laser um 2 oder 3 Größenordnungen und somit muß ein großer Laser als Ausgangslaser verwendet werden, so daß dieses Lasersystem insoweit nicht praktisch angewendet werden kann.
Um die Kurzwellenlängenlaser weit zu verbreiten, besteht eine Notwendigkeit eines Lasers, der kompakt ist, stabil oszillieren kann und hochwirksam ist. Fur diesen Zweck ist es wünschenswert, daß ein Laser ein Laser-Oszillatormedium aus einem Festkörperkristall enthält.
Es ist bereits gezeigt worden, daß Diamant durch verschiedene Anregungsmethoden Licht in einem Bereich emittiert, der von der sichtbaren Strahlung bis zu den ultravioletten Strahlen reicht. (Zum Beispiel "Exciton Luminenscence of Diamond" H. Kawarda, A. Hiraki, NEW DIAMOND, Band 6, Nr. 3 (1990), Seite 2, "Cathodoluminescence and electroluminescence of undoped and boron-doped diamond formed by plasma chemical vapor deposition", H. Kawarda, Y. Yokota, Y. Mon, K. Nishimura, A. Hiraki, J. Appl. Phys., 67 (1990) Seite 983, "Blue and green cathodoluminescence of synthesized diamond films formed by plasma-assisted chemical vapor deposition", H. Kawarada, K. Nishimura, T. Ito, J. Suzuki, K. Mar, Y. Yokota, Jap. J. Appl. Phys. 27 (4) (1988) Seite L 683, usw.).
Es ist auch ein Verfahren vorgeschlagen worden, bei dem ein Farbzentrum durch ein Einführung von Verunreinigungen oder Defekten in einen Diamantkristall gebildet wird, um einen Festkörperlaser in einem sichtbaren Strahlungsbereich herzustellen. (Zum Beispiel JP-A-63 246885, JP-A-1020689.)
Wie oben beschrieben wurde ist der Diamant als ein Material sehr stabil, wobei er einen hohen Grad von Transparenz bereitstellt und eine große thermische Leitfähigkeit aufweist, so daß der Diamant als Medium für die Oszillation von einem Ultraviolett- Festkörperlaser hervorragend ist. Aus diesem Grunde wurde die praktische Anwendung von dem Diamant gefordert. Die Diamantlaser-Oszillation in dem ultravioletten Bereich wurde jedoch niemals praktisch erzielt.

Zusammenfassung der Erfindung

Aus Sicht des oben Gesagten, ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen kompakten und stabilen Festkörperlaser bereitzustellen, der in einem Bereich von 225 nm bis 300 nm oszillieren kann.
Diese Aufgabe wird durch einen Festkörperlaser mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen von dem Festkörperlaser gemäß der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beansprucht.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht von einer Ausführungsform von einem Festkörper gemäß der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 2 eine graphische Darstellung von Schwankungen der Intensität von einem Laserausgangssignal in bezug auf einen Elektronenstrahlfluß.

Detaillierte Beschreibung von der Erfindung

Ein Diamantkristall, der eine hohe Kristallinität aufweist und eine genau gesteuerte Menge von Verunreinigungen enthält, erzeugt eine Lichtemission, die Excitonlichtemission genannt wird, wenn es aufgrund einer Injektion von Elektronen oder Ladungsträgern in diesen angeregt wird. Ein Elektron und ein positives Loch, die aufgrund der Anregung erzeugt werden, werden miteinander gepaart, um ein Exciton zu bilden. Wenn das Elektron und das positive Loch, die das Exciton bilden, miteinander rekombiniert werden, wird Licht emittiert. Bei Anregung erzeugt der Diamantkristall verschiedene Arten von Lichtemission. Die Exciton lichtemission ist eine solche Lichtemission von dem Diamantlichtemission, wobei bei der Excitonlichtemission Licht emittiert wird, das eine Wellenlänge von 225 bis 300 nm aufweist.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben von der Excitonlichtemission Gebrauch gemacht und waren bei den Ultraviolettstrahlen-Laseroszillationen unter Verwendung des Diamantkristalls entsprechend dem folgenden Verfahren erfolgreich.
1) Als Anregungsmittel wird die Injektion von Trägern mittels Elektronenbestrahlung, Röntgenstrahlen-Bestrahlung, Ultraviolettstrahlen-Bestrahlung oder elektrischen Anschluß verwendet, um eine starke Anregung von 0,1 W/cm² oder mehr pro Einheitsfläche von dem Diamant auszuführen.
2) Der Diamantkristall wird durch ein Kühlgerät abgekühlt, so daß die Temperatur von dem Diamantkristall bei einer Raumtemperatur oder geringer gehalten werden kann, selbst wenn durch das starke Anregungsmittel Energie in den Diamantkristall gegeben wird.
3) Ein Paar von Reflektoren, die gegenseitig zueinander weisen, werden verwendet, um einen optischen Resonator zu bilden.
Das Anregungsmittel, wie ein Elektronenstrahl oder dergleichen, erzeugt eine großen Menge von Excitonen in dem Diamantkristall. Ultraviolettstrahlen, die erzeugt werden, wenn diese Excitonen zusammen rekombiniert werden, werden alle mit einem Mal durch den optischen Resonator als Laserstrahlen ausgelassen, die dieselbe Wellenlänge und -Phase aufweisen.
Der Diamantkristall kann ein natürlicher sein. Tatsächlich ist es jedoch schwer, einen solchen natürlichen Diamanten zu erhalten, der wenige Verunreinigungen enthält und hinsichtlich der Qualität gleichförmig ist. Aus diesem Grund ist der Diamantkristall vorzugsweise ein künstlicher Diamant, der entsprechend einem Hochdruck-Syntheseverfahren oder einem Dampfphasen-Syntheseverfahren synthetisiert worden ist.
Insbesondere der dampfphasen-synthetisierte Diamant kann manchmal Kohlenstoff enthalten, der eine Struktur von Graphit oder dergleichen aufweist, die anders ist als der Diamant. Solcher Nicht-Diamant-Kohlenstoff ist sehr schädlich für die Excitonlichtemission. Ungeachtet der Diamantsyntheseverfahren müssen als zulässige Standards für die Menge von dem Nicht-Diamant-Kohlenstoff, der in dem Diamanten enthalten ist, die folgenden Bedingungen erfüllt sein: das heißt, wenn es entsprechend einem Raman-Streuspektrumverfahren beobachtet wird, es ist die Halbwertbreite von dem einzelnen Streumaximum von Diamant, das ein Maximum von 1330 cm&supmin;¹ bis 1340 cm&supmin;¹ aufweist, 10 cm&supmin;¹ oder weniger, und die Streumaximumhöhe von dem Nicht-Diamant-Kohlenstoff, die in dem Bereich von 1500 cm&supmin;¹ bis 1600 cm&supmin;¹ auftritt, beträgt 20% oder weniger von der einzelnen Streumaximumhöhe von Diamant.
Bei dem Diamantkristall können als Verunreinigungselemente, die anders als der obengenannte Kohlenstoff sind, eine kleine Menge von Stickstoff und Bor enthalten sein. Die zulässigen Dichten von diesen Verunreinigungselementen in dem Diamantkristall für den Exciton-Festkörperlaser sind jeweils 500 ppm. Falls die Dichte größer als 500 ppm ist, dann sondert sich der Stickstoff in dem Diamant ab und somit wird der Stickstoff das Zentrum von der Rekombination, das verhindert, daß die Excitonen Licht emittieren. Außerdem beträgt die Gesamtmenge von den Verunreinigungen, die den Stickstoff und das Bor enthalten, in dem Diamantkristall vorzugsweise 2000 ppm oder weniger. Falls die Gesamtmenge von den Verunreinigungen 2000 ppm übersteigt, werden, ähnlich zu dem Fall, in dem die Verunreinigung nur aus Stickstoff besteht, die Verunreinigungen zu dem Zentrum von der Rekombination, das verhindert, daß die Excitonen Licht emittieren.
Entsprechend den Arten und Mengen von den Verunreinigungen in dem Diamantkristall und den Kristalldefekten, gibt es oszillierende Laserstrahlen, die in dem Wellenlängenbereich von 225 nm bis 300 nm liegen, sich jedoch voneinander unterscheiden.
Als ein Verfahren zum Einführen von Defekten und Verunreinigungen in den Diamantkristall ist ein Verfahren zum Mischen von Verunreinigungen in die Rohmaterialien, wenn der Diamantkristall unter hohem Druck synthetisiert wird, ein Verfahren zum Mischen von Verunreinigungen, wenn der Diamantkristall in einer Dampfphase synthetisiert wird, ein Verfahren zum Injizieren von Verunreinigungen wie Ionen, ein Verfahren zur Erzeugung von Defekten mit Hilfe von Teilchenstrahlen (wie ein Elektronenstrahl, R:ntgenstrahlen und ein Neutronenstrahl), ein Verfahren zum Aufheizen des Diamantkristalls unter niedrigem Druck oder hohem Druck und die Kombinationen aus diesen verfügbar.
Bei einem polykristallinen Diamanten wird die Kristallkorngrenze von diesem und die Enden von den Kristallpartikeln das Zentrum von der Rekombination, die die Excitonen deaktiviert. Daher kann der Diamantkristall vorzugsweise ein Einkristall sein, wobei, wenn der Diamantkristall ein polykristalliner ist, es wichtig ist, daß jedes der Kristallkörner so groß wie möglich ist. Die Größe von dem Einkristall und die Größe von jedem der Kristallkörner von dem polykristallinen Diamanten muß mindestens 1 µm oder mehr sein. Falls die Größe geringer als 1 µm ist, gibt es eine ungünstige Erhöhung von der Anzahl von Excitonen, die an der Korngrenze deaktiviert werden.
Als ein Anregungsverfahren zur Erzeugung der Excitonen-Lichtemission ist ein Verfahren der Anregung des Diamantkristalls durch Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl, Röntgenstrahlen, Ultraviolettstrahlen, Ionenstrahlen oder dergleichen von außen und ein Verfahren des Injizierens von Ladungsträgern in den Diamanten durch Anlegen eines elektrischen Feldes an elektrische Verbindungen verfügbar, die in dem Diamant bereitgestellt sind, wie einen pn-übergang, einen Schottky-Übergang, einen MIS-Übergang und einen Heteroübergang.
In dem gegenwärtigen Stand der Technik ist das Verfahren des Bestrahlens mit dem Elektronenstrahl, Ultraviolettstrahlen oder dergleichen geeignet, um eine große Anzahl von Excitonen in dem Diamanten zu erzeugen. Der Elektronenstrahl kann vorzugsweise mit einer Beschleunigungsenergie von 1 kev oder mehr gestrahlt werden. Als eine wünschenswerte ultraviolette Lichtstrahlenquelle ist ein Excimerlaser, eine Quecksilberlampe, eine Deuteriumentladungslampe, eine Blitzlampe, ein SOR-Lichtstrahl und dergleichen verfügbar, von denen jede eine große Menge von Wellenlängenbestandteilen enthält, die kürzer als 225 nm, d.h. dem Absorptionsende von dem Diamanten, ist.
Um den Festkörperlaser kompakt herzustellen, ist es auch wirksam, ein Verfahren zum Injizieren von Ladungsträgern in den Diamanten mittels eines Schottky-Übergangs in bezug auf Metall oder eines Heteroüberganges in bezug auf Bornitrid, Siliziumcarbid oder dergleichen zu verwenden. Um derartige elektrische Verbindungen herzustellen, ist es notwendig, den Diamanten mit einer Halbleitercharakteristik zu versehen. Für diesen Zweck müssen Elemente wie Lithium, Berylhum, Bor, Stickstoff, Aluminium, Silizium, Phosphor, Schwefel, Chlor, Galhum, Arsen, Selen durch das obengenannte Verfahren in den Diamantkristall eingeführt werden.
Zusätzlich ist ein Verfahren zur Anregung des Diamanten durch Anlegen eines elektrischen Wechselfeldes an Metallelektroden verfügbar, die jeweils an den zwei Seiten von dem Diamanten angeordnet sind. In diesem Fall kann der Diamant auch ein isolierender sein. Ein elektrisches Gleichstromfeld kann auch verwendet werden.
Die Effektivität von der Excitonlichtemission wird durch Streuung von den Excitonen aufgrund von Wärme verringert, wobei es aus diesem Grund bevorzugt ist, daß der Diamantkristall bei einer tiefen Temperatur gehalten wird, die gleich oder niedriger als eine Temperatur des flüssigen Stickstoffs (77 K) ist. Da jedoch die Bindungsenergie von den Excitonen in dem Diamanten groß ist, ist eine Laseroszillation selbst bei einer Raumtemperatur möglich.
In jedem von den Diamant-Anregungsverfahren wird die Temperatur von dem Diamanten veranlaßt, anzusteigen, wobei aus diesen Grund starke und wirksame Kühlmittel vorbereitet werden müssen. Außerdem kann, falls es nicht notwendig ist, daß der Laser ununterbrochen oszilliert, dann der Diamantkristall vorzugsweise unterbrechend in einer Impulsart angeregt werden.
Um die Wirksamkeit von der Laseroszillation zu erhöhen, wird bevorzugt, daß zwei Reflektoren, die einen optischen Resonator bilden, durch Vakuumverdampfen von Metall auf die polierte Oberfläche von dem Diamantkristall gebildet werden. Wenn die Bearbeitungsgenauigkeit von dem Diamantkristall nicht einen Level erreicht, um den Grad von Parallelität zu erzielen, die für den optischen Resonator notwendig ist, kann mindestens einer von den Reflektoren außerhalb von dem Diamantkristall angeordnet werden.
In dem Festkörperlaser gemäß der vorliegenden Erfindung können Laserstrahlen gleichzeitig angeregt werden, die eine Vielzahl von Wellenlängen aufweisen. Um nur eine einzelne Wellenlänge durch Anordnung eines wellenlängenselektiven Elements, wie eines Prismas oder eines Beugungsgitters, innerhalb des optischen Resonators anzuschwingen, kann ein Laserstrahl von einer Wellenlänge wirksam oszillieren und eine Wellenlängenbandbreite wirksam verschmälert werden. Der Festkörperlaser entsprechend der vorliegenden Erfindung kann auch als ein Lichtverstärker verwendet werden.

[Beispiel]

Ein Ib-Typ-Diamanteinkristall, der entsprechend einem Hochdurcksyntheseverfahren synthetisiert worden ist und Stickstoff und Bor jeweils im Mittel von 25 ppm enthält, wurde in einen rechtwinkligen Parallelepiped von 7 x 3 x 1 mm³ gearbeitet. Alle der Oberflächen von dem rechtwinkligen Parallelepiped-Diamanten wurden auf eine Oberflächengenauigkeit von Rmax 500 nm oder weniger poliert, und Gold wurde auf eine Oberfläche von dem rechtwinkligen Parallelepiped vakuumgedampft, die eine Größe von 3 x 1 mm² aufweist, um dadurch einen internen Totalreflektor 3 bereitzustellen. Dann wurde der Diamant, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, auf ein kühlendes Tragelement 2 aus Kupfer gesetzt, das durch flüssigen Stickstoff gekühlt worden ist, und Luft an den Rändern des Diamanten wurde zu einem Vakuum der Größenordnung von 10&supmin;&sup7; Torr abgezogen.
Ein Elektronenstrahl, der eine Beschleunigungsspannung von 25 kV und einen Strom von 0,6 mA aufweist, wurde von einem Elektronenstrahlsystem 5, das oberhalb des Diamanten 1 angeordnet ist, mit einem Abstand von 1-Sekunden-Intervallen auf die Oberfläche von dem Diamanten 1 wiederholt gestrahlt, die eine Größe von 7 x 3 mm² aufweist. Während die Bestrahlung durch den Elektronenstrahl wiederholt wurde, wenn der Winkel von einem halbdurchlässigen Spiegel 4, der an der entgegengesetzten Seite zu dem internen Totalreflektor 3 angeordnet ist, fein justiert wurde, wurden dann die Schwingungen von einem Laserstrahl von 237,6 nm bestätigt.
Übrigens bezeichnen in Fig. 1 das Bezugszeichen 6 ein Laseraustrittsfenster; 7 einen Vakuumbehälter; 8 einen optischen Detektor; 9 einen elektrischen Stromdetektor; 10 einen Laserstrahl; 11 einen Einlaß für flüssigen Stickstoff; und 12 einen Auslaß für flüssigen Stickstoff.
Wenn unter den oben erwähnten Bedingungen die Menge des Stromes von dem Elektronenstrahl verringert und der Zustand der Laseroszillationen beobachtet wurde, so wurde herausgefunden, daß der Schwellwert für die Laseroszillationen, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, bei einem Elektronenstrahlstrom von 0,54 mA erhalten werden konnte.
Wie oben beschrieben wurde, kann entsprechend der vorliegenden Erfindung ein kompakter und stabiler Ultraviolettstrahlen-Festkörperlaser erhalten werden. Der Festkörperlaser der vorliegenden Erfindung ist zum Gebrauch in einem optischen Aufzeichnungsgerät hoher Dichte und dergleichen geeignet.

Claims

1. Festkörperlaser, der umfaßt:

einen Diamantkristall (1) als ein Medium der Laseremission, welcher Diamantkristall (1) den Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 225 nm bis 300 nm durch Excitonen-Lichtemission erzeugt, und

Anregungsmittel (5) für die Injektion von Trägern mittels Elektronenbestrahlung, Röntgenstrahlen-Bestrahlung, Ultraviolettstrahlen-Bestrahlung oder elektrischem Anschluß, die in der Lage sind, eine Anregungsleistungsdichte von 0,1 W/cm² oder mehr zu dem Diamantkristall bereitzustellen, wobei

der Diamantkristall (1) durch ein Kühigerät (2) gekühlt wird, so daß die Temperatur von dem Diamantkristall (1) auf Raumtemperatur oder geringer gehalten werden kann, selbst wenn der Diamantkristall (1) durch das Anregungsmittel (5) angeregt wird,

der Diamantkristall (1) eine Gesamt-Verunreinigungskonzentration von 2000 ppm oder weniger enthält, während die Maximalkonzentrationen von Stickstoff und Bor in dem Diamantkristall (1) 500 ppm betragen, und

wenn der Diamantkristall (1) durch das Raman-Streuspektrumverfahren beobachtet wird, die Halbwertbreite von dem einzelnen Streumaximum von Diamantkohlenstoff, das ein Maximum in dem Bereich von 1330 cm&supmin;¹ bis 1340 cm&supmin;¹ aufweist, 10 cm oder weniger beträgt und die Streumaximumhöhe von Nicht-Diamant-Kohlenstoff, die in dem Bereich von 1500 cm&supmin;¹ bis 1600 cm auftritt, 20% oder weniger von der einzelnen Streumaximumhöhe von dem Diamantkohlenstoff ist.

2. Festkörperlaser gemäß Anspruch 1, der ferner einen Reflexionsspiegel (3) enthält, der aus einem Metall gebildet ist, das auf mindestens einer polierten Oberfläche von dem Diamantkristall (1) abgeschieden ist.

3. Festkörperlaser gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem das Anregungsmittel (5) ein einen Elektronenstrahl erzeugendes Gerät ist, das einen Elektronenstrahl mit einer Energie von 1 keV oder mehr erzeugt.

4. Festkörperlaser gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem das Anregungsmittel (5) ein Ultraviolettstrahlen-Erzeugungsgerät ist, das einen Ultraviolettstrahl mit einer Wellenlänge von 225 nm oder weniger erzeugt.

5. Festkörperlaser gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Diamantkristall (1) Verunreinigungen enthält, die aus einer Gruppe ausgewählt sind, die aus Lithium, Berylhum, Bor, Stickstoff, Aluminium, Silizium, Phosphor, Schwefel, Chlor, Gallium, Arsen und Selen besteht.

6. Festkörperlaser gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Anregungsmittel (5) einen elektrischen Übergang umfaßt, an den ein elektrisches Feld angelegt ist, um den Diamantkristall (1) anzuregen, welcher elektrischer Übergang aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus einem PN-Übergang, einem Schottky-Übergang, einem MIS-Übergang und einem Heteroübergang besteht.

7. Festkörperlaser gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das Anregungsmittel (5) mindestens eine Elektrode, die auf dem Diamantkristall (1) angeordnet ist, und eine Energieversorgungsvorrichtung zum Anlegen eines elektrischen Gleichstromfeldes oder eines elektrischen Wechselstromfeldes an den Diamantkristall (2) enthält.

8. Festkörperlaser gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Diamantkristall (1) ein Einkristall oder ein Polykristall ist, der Kristallkörner von einer Größe von 1 µm oder mehr aufweist.