JP2001251001A - 電子線励起レーザー装置 - Google Patents

電子線励起レーザー装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の電子線励起レーザー装置は発光効率が
低い、発振閾値が高い、多モード発振が起こる、レーザ
ー発振が広い波長領域で起こる等の問題があり、実用化
の妨げになっている。 【解決手段】 電子を放出する電子源２と、発光部４と
光反射部５，６から成るレーザー構造体３とを含み、電
子源２から放出された電子を加速し、レーザー構造体３
に照射することにより、レーザー構造体３からレーザー
光を発生する電子線励起レーザー装置において、レーザ
ー構造体３の光反射部５，６を多次元方向に誘電率の異
なる誘電体が周期的に配列された多次元フォトニック結
晶構造によって形成する。また、発光部４、発光部４と
光反射部５，６の両方を多次元フォトニック結晶構造と
する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電子線励起レーザ
ー装置、特に可視から紫外域の発光を示す電子線励起レ
ーザー装置に関するものである。本発明の電子線励起レ
ーザー装置はレーザービームプリンタ、光記録装置、光
通信、ポインタ、表示装置等の光源として用いることが
できる。
【０００２】
【従来の技術】一般に、レーザーはレーザー媒質、反射
鏡からなる共振器及び励起源から構成され、レーザー媒
質は励起源からエネルギーを得る事により固有の波長の
光を誘導放出し、ゲインを持って増幅できる状態となっ
てレーザー発振を行う。この際、光共振器はレーザー媒
質から放出された光を反射し、レーザー媒質に戻し多数
回往復させることで、次々に増幅させてレーザー発振さ
せるものである。このレーザーは、レーザー媒質として
Ｈｅ−Ｎｅ，Ａｒ等の気体を用いたガスレーザー、Ｎ
ｄ：ＹＡＧ，Ｔｉ：サファイア等を用いた固体レーザ
ー、色素を用いた色素レーザー、ＧａＡｌＡｓ等の半導
体を用いた半導体レーザー等に分類される。また、励起
源としては、光を用いた光励起レーザー、電流を用いた
電流注入レーザー、電子線を用いた電子線励起レーザー
等が知られている。共振器としては、反射鏡やプリズ
ム、回折格子を用いたファブリ・ペロー型共振器やリン
グ型共振器が挙げられる。また、半導体レーザーとして
は反射面としてへき界面や多層膜を用いる場合や、分布
帰還（ＤＦＢ）型や分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）型等の
構成が挙げられる。
【０００３】半導体レーザーは、小型、軽量であり、動
作電力が小さい、電気−光変換効率が高い等の利点があ
る。一方、光記録装置の高密度化やレーザービームプリ
ンタの感光特性上の理由及び表示装置におけるカラー化
（特開平６−８９０７５号公報参照）に向けて、短波
長、特に青から紫外域の小型レーザが望まれているが、
広バンドギャップの半導体は、電気的な特性、特にドー
ピングを自由に行うことができない等の理由により、電
流注入によるレーザー発振は困難である。一方、電子線
励起レーザーは、すべてのダイレクトギャップ半導体を
使用することが可能であり、特に電流注入レーザーの構
成が困難であるすべてのダイレクトギャップ半導体に適
用することができる。これにより、紫外から赤外域に渡
ってレーザー発振を期待できる。
【０００４】一般的な電子線励起半導体レーザーについ
て説明する。図１７は従来の電子線励起レーザーを示す
構成図である。図１７において、１０１は基板、１０２
は発光部（活性層）、１０３，１０４は反射部である。
図示しない電子源から電子が放出されると、発光部１０
２が励起され、反射部１０３，１０４が共振器として働
き、レーザー発振が起こってレーザー光を放出する。活
性層には、ＺｎＳ、ＣｄＴｅ、ＺｎＳｅ等のII−VI族化
合物半導体等が主に用いられる。共振器を構成する光反
射部としては、基板へき開面やＡｌ等の金属反射鏡、あ
るいはＳｉＯ2とＴｉＯ2 等の誘電体多層膜や屈折率の
異なる２種類の化合物半導体等の組合せの多層膜反射鏡
等が用いられる。
【０００５】また、スピント型の電子放出素子と、Ｃｄ
Ｔｅ／ＣｄＭｎＴｅ系のレーザー構造体を用いて小型の
電子線励起レーザーを構成したレーザーの報告がある(A
pplied Physics Letters,Vol.62,p-796(1993))。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の電子線励起レーザーには以下に示すような問題点が
有り、実用化の妨げになっていた。 （１）従来の電子線励起レーザーは、発光効率が低く発
振閾値が高いこと、多モードのレーザー発振が起こり、
レーザー発振が広い波長領域で起こる。 （２）電子線照射側に十分な光反射能を有するように光
学反射層を厚くすると、電子線が活性層に到達するまで
に減衰することで発光効率が低下し、電子線加速電圧を
高くしなければならない。 （３）レーザー構造体（半導体層）はＭＢＥやＣＢＥの
気相成長で作製するため製造コストが高く、安価にレー
ザー装置を提供することが難しい。
【０００７】本発明は、上記従来の問題点に鑑み、発光
効率の向上、発振閾値の低下、レーザー発振波長幅の狭
帯域化、レーザー発振のモード数の低減等高性能化を実
現でき、しかも、容易に且つ安価に作製することが可能
な電子線励起レーザー装置を提供することを目的とす
る。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の目的は、電子を
放出する電子源と、発光部と光反射部から成るレーザー
構造体とを含み、前記電子源から放出された電子を加速
し、前記レーザー構造体に照射することにより、前記レ
ーザー構造体からレーザー光を発生する電子線励起レー
ザー装置において、前記レーザー構造体の光反射部を多
次元方向に誘電率の異なる誘電体が周期的に配列された
多次元フォトニック結晶構造によって形成したことを特
徴とする電子線励起レーザー装置によって達成される。
【０００９】また、本発明の目的は、電子を放出する電
子源と、発光部と光反射部から成るレーザー構造体とを
含み、前記電子源から放出された電子を加速し、前記レ
ーザー構造体に照射することにより、前記レーザー構造
体からレーザー光を発生する電子線励起レーザー装置に
おいて、前記レーザー構造体の発光部を多次元方向に誘
電率の異なる誘電体が周期的に配列された多次元フォト
ニック結晶構造によって形成し、且つ、前記誘電率の異
なる誘電体のうち一方の誘電体を発光材料によって形成
したことを特徴とする電子線励起レーザー装置によって
達成される。
【００１０】更に、本発明の目的は、電子を放出する電
子源と、発光部と光反射部から成るレーザー構造体とを
含み、前記電子源から放出された電子を加速し、前記レ
ーザー構造体に照射することにより、前記レーザー構造
体からレーザー光を発生する電子線励起レーザー装置に
おいて、前記レーザー構造体の発光部及び光反射部をそ
れぞれ多次元方向に誘電率の異なる誘電体が周期的に配
列された多次元フォトニック結晶構造によって形成し、
且つ、前記発光部を形成する多次元フォトニック結晶構
造の誘電率の異なる誘電体のうち一方の誘電体を発光材
料によって形成したことを特徴とする電子線励起レーザ
ー装置によって達成される。
【００１１】
【作用】本発明は、レーザー構造体の光反射部に多次元
フォトニック結晶構造を用いることにより、光の閉じ込
めが有効に働き、レーザーの高効率化、レーザー発振波
長幅の狭帯域化、単一モードでのレーザー発振の確率向
上が可能である。特に、電子線照射側の光反射部の一部
を真空で構成することにより、十分な反射能と電子線透
過率を併せ持つ光反射部を実現でき、低閾値（低加速電
圧での）のレーザー発振が可能となる。
【００１２】また、本発明は、レーザー構造体の発光部
に多次元フォトニック結晶構造を用いることにより、フ
ォトニックバンドの群速度が小さいモードや、欠陥構造
に伴う局在モードを利用する事で、レーザーの高効率
化、レーザー発振波長幅の狭帯域化、単一モードでのレ
ーザー発振の確率向上が可能である。更に、レーザー構
造体の光反射部及び発光部の両方に多次元フォトニック
結晶構造を用いることにより、光反射部と発光部のいず
れか一方に多次元フォトニック結晶構造を用いた場合に
比べて効果が倍増し、更に性能を向上できる。また、多
次元フォトニック結晶に陽極酸化アルミナナノホール構
造を用いることにより、簡易な製法で安価に電子線励起
レーザー装置を作製できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の電子
線励起レーザー装置の一実施形態の構成を示す図であ
る。図１において、１は内部が真空の真空容器である。
真空容器１内には、下面に電子を放出する電子源２が配
置され、上面には電子源２と対向してレーザー光を発す
るレーザー構造体３が配置されている。レーザー構造体
３は、発光部（発光層）４とその両側に発光部４を挟む
ように光反射部（光反射層）５，６が積層された構造と
なっている。光反射部５，６は発光部４の光を多重反射
する共振器として機能するものである。また、電子加速
手段７は電子源２とレーザー構造体３の間に所定の電圧
を印加することにより、電子源２から放出された電子を
加速するための電源である。
【００１４】電子源２としては、熱電子放出素子、電界
放出素子、ＭＩＭ型電子放出素子、表面伝導型電子放出
素子等の電子放出素子を用いる事ができる。特に、レー
ザーを小型化するためには、基板上に形成可能で、小
型、高効率の電子放出素子が望ましく、スピント型の電
界放出素子やＭＩＭ型電子放出素子、表面伝導型電子放
出素子等が好ましい。また、電子放出能に優れているダ
イヤモンドやカーボンナノチューブ等の電子放出材料を
基板上に配して電子源とし、レーザー構造体に対向して
配置してもよい。更に、電子源２として、光電子放出素
子を用いることができる。この場合、入力光により光電
子放出素子から放出された電子を電子加速手段で加速
し、レーザー構造体３に照射することで、レーザー構造
体から出力光が得られ、光増幅器、光−光変換器を構成
できる。この際、電子加速手段を制御する事で増幅器を
変調可能である。
【００１５】電子加速手段７としては、電圧１０Ｖ〜１
００ｋＶの範囲の電源を用いる事ができる。この際、直
流電源、パルス電源を用いる事ができ、それぞれレーザ
ー光の連続発振、パルス発振を得ることができる。ま
た、電子線のビーム径を制御できる様に真空容器１内に
電子線集束用電極を配することもできる。
【００１６】レーザー構造体３は前述のように発光部４
と共振器として働く光反射部５，６から成っている。図
１の実施形態では、このレーザー構造体３は図２に示す
ように発光部４の上下の面を光反射部５，６で挟んだ構
造となっている。レーザー構造体３としては、これ以外
にも様々な形態がある。例えば、図３に示すように発光
部４の側面を光反射部５，６で挟んだ構造、図４に示す
ように発光部４を光反射部６に埋め込み、発光部４の上
下及び側面に光反射部を配した構造、図５に示すように
発光部４全体を光反射部６に埋め込んだ構造等がある。
【００１７】電子加速手段７から所定の電圧を印加する
と、電子源２から放出された電子は加速され、レーザー
構造体３に照射される。この電子の照射により、レーザ
ー構造体３において発光部４が励起され、光反射部５，
６が共振器として働くため、レーザー発振が起こり、レ
ーザー光が発せられる。レーザー光の放出方向は図２〜
図５のレーザー構造体それぞれにおいて光反射部の反射
率を適宜設定することにより、図６に示すように電子入
射方向と平行方向（矢印Ａ方向）、電子入射方向と逆平
行方向（矢印Ｂ方向）、電子入射方向と垂直方向（矢印
Ｃ方向）と任意に設定することができる。
【００１８】また、図７に示すように真空容器１内に電
子源２を複数配置し、各々の電子源２に対向してレーザ
ー構造体３を複数配置することも可能である。このよう
に電子源２とレーザー構造体３を複数配置することによ
り、同時に複数のレーザー光を得ることが可能なマルチ
電子線励起レーザー装置を実現できる。また、図７にお
いて、１３は制御電極、１４は電子量制御手段である。
このように制御電極１３を設けて、電子量制御手段１４
から電子源２と制御電極１３の間に所定の電圧を印加す
ることにより、電子源２からの電子の量を制御すること
が可能である。これは、図１の装置にも適用可能であ
る。
【００１９】次に、レーザー構造体３の材料について説
明する。まず、レーザー構造体３のうち発光部４を構成
するレーザー媒質、即ち、発光材料としては、紫外から
可視、赤外域に発光を示す材料であれば何でもよく、半
導体、蛍光体、色素、発光ガラス等を用いる事ができ
る。半導体としては、直接遷移半導体が望ましく、Ｚｎ
Ｏ、ＺｎＳ、ＣｄＳ等のII−VI族化合物半導体、ＡｌＡ
ｓ、ＧａＰ等のIIIb−Ｖ族化合物半導体、あるいはＧａ
Ｎ、ＡｌＮ等のIII −Ｖ族化合物半導体、あるいはＭｇ
Ｓ、ＭｎＳ等のカルコゲナイド化合物、もしくはこれら
の混晶等を用いることができる。
【００２０】また、蛍光体としては、ＣＲＴ用の蛍光体
である赤色のＺｎ3 （ＰＯ4 ）2 ：Ｍｎ2+、（Ｚｎ，Ｃ
ｄ）Ｓ：Ａｇ、ＹＶＯ4 ：Ｅｕ3+、Ｙ2 Ｏ3 ：Ｅｕ3+、
Ｙ2Ｏ2 Ｓ：Ｅｕ3+を用いることができる。また、緑色
のＹ3 Ａｌ5 Ｏ12：Ｔｂ3+、青色のＺｎＳ：Ａｇや（Ｌ
ａ，Ｙ）ＯＢｒ：Ｃｅ3+、（Ｌａ，Ｇｄ）ＯＢｒ：Ｃｅ
3+等を用いる事ができる。更に、１０〜１００Ｖの低電
圧電子線励起の発光表示板に用いられるＺｎＯ：Ｚｎ、
ＳｎＯ2 ：Ｅｕ3+、Ｙ2 Ｏ3 ：Ｅｕ3+＋Ｉｎ2Ｏ3 等を
用いてもよい。
【００２１】光反射部には、後述する多次元フォトニッ
ク結晶や、基板へき界面、Ａｌ、Ａｇ等の金属反射鏡、
あるいはＳｉＯ2 とＴｉＯ2 の多層膜反射鏡や屈折率の
異なる２種類の化合物半導体等を組み合せた多層膜反射
鏡等を用いることができる。本実施形態では、特に、レ
ーザー構造体３に多次元フォトニック結晶構造を用いて
いる。具体的には、図８（ａ）に示すようにレーザー構
造体３の光反射部５，６に多次元フォトニック結晶構造
を用い、あるいは図８（ｂ）に示すようにレーザー構造
体３の発光部４に多次元フォトニック結晶構造を用いて
いる。また、図８（ｃ）に示すように発光部４と光反射
部５，６の両方に多次元フォトニック結晶構造を用いて
いる。
【００２２】フォトニック結晶については、J.D.Joannn
opoulous et al."Photonic Crystals "Princeton Unive
rsity Press に詳しいが、以下に簡単に説明する。フォ
トニック結晶とは人工的な多次元周期構造であり、２種
類以上の屈折率（誘電率）の異なる誘電体を周期的に配
列させた構造である。この様な媒質は、半導体のバンド
形成理論において電子波がブラッグ反射されてエネルギ
ーＥと波数ｋとの分散関係がバンドを形成するのに類推
されるように光においても波長程度の屈折率の周期性が
フォトニックバンドを生み出す。また、その周期構造に
よっては、光が存在できない波長領域、即ち、フォトニ
ックバンドギャップが形成される。このようなフォトニ
ックバンドを制御するためには、その構造周期として光
の波長程度から光の波長の数分の１のサイズを必要とす
る。
【００２３】フォトニック結晶は、その周期性の次元数
によって１次元（１Ｄ）、２次元（２Ｄ）、３次元（３
Ｄ）に分類される。１Ｄフォトニック結晶は１次元方向
に周期性を有する構造であり、例えば積層膜やＤＦＢ構
造が挙げられる。２Ｄフォトニック結晶は２次元方向
（ｘ，ｙ方向）に周期性を有する構造であり、例えば、
図９に示すように第１の誘電体２１の中に誘電率の異な
る柱状形状の第２の誘電体２２を規則的に２次元に配列
した構造である。第２の誘電体２２は発光波長より小さ
い短軸長を有し、これが第１の誘電体２１の中に発光波
長より小さい周期で規則的に２次元に配列されている。
ここで、図９（ａ）は２Ｄフォトニック結晶構造を模式
的に斜視図として示す図、図９（ｂ）は平面図として示
している。この例では、第２の誘電体２２は正方配列と
なっている。また、図９（ｃ）に示すように第２の誘電
体２２を三方配列としてもよい。
【００２４】３Ｄフォトニック結晶は、３次元方向に周
期性を有する構造である。例えば、図１０（ａ）に示す
ように２Ｄフォトニック結晶（図９（ａ））に更にＺ方
向に周期性を付与する構造とすることで実現できる。即
ち、柱状形状の第２の誘電体の中途に第３の誘電体２３
を設けてＺ方向に周期性を持たせている。第１〜第３の
誘電体２１〜２３はそれぞれ誘電率が異なっている。ま
た、図１０（ｂ）に示すように誘電体ロッド２４をＸ方
向とＹ方向に交互に周期的に配列することにより、誘電
体ロッド２４をＺ方向に積み上げた構造がある。更に、
図１０（ｃ）に示すように誘電体球２５を積み上げるこ
とによっても３Ｄフォトニック結晶構造を実現できる。
図１０（ｂ）の例では、誘電体ロッド２４を第１の誘電
体とすると、誘電体ロッド２４間の空気が第２の誘電体
となる。図１０（ｃ）の場合も同様である。
【００２５】以上多次元フォトニック結晶構造を具体例
を挙げて説明したが、このフォトニック結晶をレーザー
構造体の光反射部や発光部に用いる場合、誘電率の異な
る誘電体として任意の材料（空気、真空を含む）を適用
可能である。例えば、図９（ａ）を例にとると、第１の
誘電体２１をガラス、第２の誘電体２２をシリコン、あ
るいは第１の誘電体２１をガラス、第２の誘電体２１を
空気というように誘電率の異なる誘電体を用いればよ
い。更に、フォトニック結晶においては、次元を多次元
化する事で、そのバンド構造の制御性が広がり、特に有
効なフォトニックバンドギャップを得ることができるこ
とから、多次元フォトニック結晶を用いるのが好まし
い。
【００２６】また、フォトニック結晶においては、周期
構造により生じるフォトニックバンド構造によって発光
波長における状態密度の減少や分散関係の異方性等で発
光効率が向上するという効果が現われるが、フォトニッ
クバンドギャップが開いていることがより好ましい。２
Ｄフォトニック結晶としてはフォトニックバンドギャッ
プが開くという観点から、図９（ｃ）に示すように第１
の誘電体２１の中に、円柱状形状の第２の誘電体２２を
６方向対称でハニカム状に規則的に配列した構造が好ま
しい。
【００２７】更に、フォトニック結晶の一部に欠陥を配
置することも可能である。例えば、図１１に示すように
第１の誘電体２１の中に規則的に配列された柱状形状の
第２の誘電体２２の一部に径の小さい欠陥２６を配置す
る。このように欠陥を配置すると、フォトニック結晶に
局所的な乱れが生じ、詳しく後述するように発振閾値が
低く、単一モードのレーザー発振が容易に得られる。な
お、欠陥２６としては、第２の誘電体２２と径が異なっ
ていればよく、第２の誘電体２２よりも径の大きなもの
を用いてもよい。
【００２８】図１２は２Ｄフォトニック結晶をレーザー
構造体３の光反射部に用いた例を示す断面図である。図
１２では２次元的に配列された構造の周期方向は一方向
のみとして描いている。図１２（ａ）はフォトニック結
晶の非周期方向が電子線入射方向と平行な場合、図１２
（ｂ）は垂直な場合の例を示している。ここで、特に電
子線入射側の光反射部６にフォトニック結晶を用いる場
合は、その電子到達距離を長くするために、その構造部
位の一部を真空とするのが望ましい。これにより、十分
な反射能と電子線透過率を併せ持つ光反射層を実現で
き、低閾値（低加速電圧での）のレーザー発振が可能と
なる。このようにフォトニック結晶を構成する誘電体の
一部に真空を用いる場合、例えば、図９（ａ）の２Ｄフ
ォトニック結晶を例にとると、第２の誘電体２２を真空
とする。また、図１２（ａ）の２Ｄフォトニック結晶に
おいて第２の誘電体を真空にする場合は、その周期方向
に対し垂直方向から電子を照射することが電子エネルギ
ーを損失しにくく、効果的な励起方法として望ましい。
【００２９】図１３はレーザー構造体３の発光部４に２
Ｄフォトニック結晶を用いた例を示す断面図である。図
１３（ａ）、（ｂ）は２Ｄフォトニック結晶の非周期方
向が電子線入射方向と平行な場合、図１３（ｃ）は垂直
な場合の例を示している。図１３（ａ）は図９の第２の
誘電体２２として発光材料を用い、この発光材料のロッ
ドを第１の誘電体２１の中に周期的に配列している。図
１３（ｂ）は図９の第１の誘電体２１として発光材料を
用い、第２の誘電体２２を空孔として周期的に配置して
いる。図１３（ｃ）は図１３（ａ）と同様に第２の誘電
体２２として発光材料を用い、これを周期的に配列して
いる。
【００３０】図１４は２Ｄフォトニック結晶を発光部と
光反射部の両方に用いた場合の例を示す断面図である。
図１４（ａ）の例では、２Ｄフォトニック結晶の非周期
方向を電子線入射方向と平行方向とし、この２Ｄフォト
ニック結晶の一部に図１３（ａ）で説明したように第２
の誘電体２２として発光材料を用いることによって２Ｄ
フォトニック結晶の発光部４を形成している。この場
合、発光部４の両側にもフォトニック結晶の光反射部１
１が形成される。
【００３１】また、図１４（ｂ）の例では、２Ｄフォト
ニック結晶の非周期方向を電子線入射方向と垂直方向と
し、２Ｄフォトニック結晶の一部に図１４（ａ）と同様
に発光材料を用いて発光部４を形成している。この場合
は、発光部４の上面のフォトニック結晶が光反射部５、
下面のフォトニック結晶が光反射部６として形成され
る。図１４（ｃ）の例では、光反射部５，６として周期
的に空孔を有する２次元フォトニック結晶、発光部４と
して発光材料の中に周期的に空孔を有する２次元フォト
ニック結晶を用いている。光反射部、発光部における２
次元フォトニック結晶の非周期方向は電子線入射方向と
平行方向である。
【００３２】なお、３Ｄフォトニック結晶構造をレーザ
ー構造体３の発光部４に用いる場合は、例えば、図１０
（ａ）の例では、第１〜第３の誘電体２１〜２３のうち
少なくとも１つの誘電体を発光材料とする。また、図１
０（ｂ）の例では、例えば、誘電体ロッド２４の全部又
は特定の一部を発光材料とし、図１０（ｃ）の例では、
誘電体球２５を発光材料、もしくは誘電体球２５の隙間
に発光材料を埋め込む構造とすればよい。
【００３３】このようにレーザー構造体３の光反射部、
発光部、もしくはその両方に多次元のフォトニック結晶
を用いることにより以下のような効果がある。 （１）多次元フォトニック結晶のフォトニックバンドギ
ャップを光反射部として用いることで、高度な光反射、
光閉じ込めが可能となる。これにより、周波数幅の狭い
発振が可能となり、単一モードの発振を得る事が容易に
なる。更にはフォトニック結晶の多次元性により発光の
異方性を制御できる。 （２）多次元フォトニック結晶における周期的に配置す
る材料として発光材料を用いることにより、発光効率を
高め、発振閾値を低下することができる。何故なら、フ
ォトニック結晶においては、群速度が小さい光モードを
つくることができるが、物質系と輻射場の相互作用時間
が群速度に反比例するので、この群速度低下を利用して
増幅率の増強を引き起こすからである（O Plus E Vol 2
1 1533(1999)) 。 （３）フォトニック結晶に局所的な乱れ、即ち欠陥を導
入する事で、フォトニックバンドギャップ中に光の局在
モードを作り出す事ができる。発光周波数がフォトニッ
クバンドギャップに含まれる場合、この局在モード以外
の周波数では、発光を担う光モードが存在しないため光
の自然放出や誘導放出が抑制される。このような欠陥を
有する多次元フォトニック結晶を発光部もしくは光反射
部に適用する事で、この局在モードを利用し、発光、レ
ーザー発振は周波数幅が狭く、時間的・空間的コヒーレ
ンスも高いものとすることができる。これにより、低閾
値で単一モードのレーザー発振を得る事が容易になる。
【００３４】一方、多次元フォトニック結晶はこのよう
な特徴を有する一方で、その作製方法が困難である事か
ら十分な応用がなされていない。特に、可視域のフォト
ニック結晶の作製には数１００ｎｍ程度のサイズで周期
的構造を作製する必要があるため、作製が困難となって
いる。フォトニック結晶を作製するには、まず、電子線
露光とドライエッチングや選択成長の技術を適用した手
法を用いることが挙げられる。しかし、このような手法
は、歩留まりの悪さや装置のコストが高い等の問題があ
るため、以下のように自然に形成される規則的なナノ構
造を用いることが好ましい。
【００３５】即ち、自己組織的に形成されるナノ構造と
しては、ポリスチレン等の微小球を配列させる方法や微
細ファイバーを束ねる方法、その他に陽極酸化アルミナ
皮膜等が挙げられる。これらの方法の中でも、陽極酸化
アルミナは陽極酸化という簡易な手法で大面積にわたる
アスペクトの高い２次元周期構造、即ち、２Ｄフォトニ
ック結晶を作製できるため最も好ましい。また、その周
期サイズは作製条件により数１０から５００ｎｍの範囲
で制御できるため、可視から紫外域においてフォトニッ
ク結晶を構成することができる。以下、陽極酸化アルミ
ナナノホールについて説明する。
【００３６】陽極酸化アルミナナノホールはＡｌ膜やア
ルミ箔、アルミ板等をある特定の酸化溶液中で陽極酸化
することにより作製することができる（例えば、R.C.Fu
rneaux,W.R.Rigby & A.P.Davidson NATURE Vol.337 P14
7(1989) 等を参照）。図１５は陽極酸化アルミナナノホ
ールの概略図を示す。この陽極酸化アルミナ５２はＡｌ
と酸素を主成分とし、多数の円柱状のナノホール５３を
有し、そのナノホール５３は基体の表面にほぼ垂直に形
成され、それぞれのナノホール５３は互いに平行且つほ
ぼ等間隔に配置されている。
【００３７】即ち、陽極酸化アルミナ５２（図９の第１
の誘電体２１に対応する）の中に中空のナノホール５３
（図９の柱状形状の第２の誘電体２２に対応する）が、
ハニカム状に規則的に２次元に配列された構造（２次元
フォトニック結晶としての構造）から成っている。アル
ミナナノホールの直径２ｒは数ｎｍ〜数１００ｎｍ、間
隔２Ｒは数１０ｎｍ〜数１００ｎｍ程度であり、陽極酸
化条件により制御可能である。また、陽極酸化アルミナ
５２の厚さ、ナノホール５３の深さは、陽極酸化時間等
で制御することができる。これは、例えば１０ｎｍ〜５
００μｍの間である。アルミナナノホールの細孔径２ｒ
はエッチングにより広げることが可能である。これに
は、りん酸溶液等が利用可能である。
【００３８】また、２段陽極酸化法やＡｌ表面にハニカ
ム状の凹凸（細孔開始点）を形成してから陽極酸化する
方法により細孔配列を規則化する事ができる。（益田：
OPTRONICS No.8 (1998)211参照）。更に、陽極酸化アル
ミナナノホールの細孔内に誘電体や発光材料等を埋め込
む事で、２Ｄフォトニック結晶としての高機能化が可能
である。また、ナノホール内に内包物を埋め込むには電
着による方法が簡易で制御性も良いが、電着以外には電
気泳動法や塗布、浸透法の他、ＣＶＤ法等の成膜法を利
用できる。このように陽極酸化アルミナを用いることに
より、図９で説明した２Ｄフォトニック結晶を容易に作
製でき、これを図１２〜図１４で説明したようにレーザ
ー構造体３の光反射部５，６や発光部４に用いること
で、電子線励起レーザー装置を容易且つ安価に作製する
ことが可能である。
【００３９】次に、本発明の電子線励起レーザー装置を
実施例を挙げて詳細に説明する。まず、本願発明者は、
図１５で説明した陽極酸化アルミナ（２次元フォトニッ
ク結晶）からなるレーザー構造体の光反射部を作製し、
評価実験を試みた。これを実施例１〜６として説明す
る。この場合、レーザー構造体３としては、図１２
（ａ）、（ｂ）の構造としている。レーザー構造体３の
発光部４にはＣｄＳ単結晶を用い、このＣｄＳ単結晶を
１５μｍ程度の厚さに研磨した後、Ａｒ雰囲気で５５０
℃、１時間のアニールを行い、その後、ＣｄＳ単結晶の
両面に陽極酸化アルミナからなる２Ｄフォトニック結晶
からなる光反射部を形成する事でレーザー構造体を作製
した。このフォトニック結晶による光反射部として６種
類のものを作製し、実施例１〜６としている。また、比
較例として光反射部がアルミ膜のものを作製した。
【００４０】次に、陽極酸化アルミナを用いた光反射部
の作製方法について説明する。まずＣｄＳ単結晶上に蒸
着によりアルミ膜を１μｍ成膜した。成膜にはスパッタ
法、ＣＶＤ法、真空蒸発法等任意の成膜方法が適用可能
である。次に、陽極酸化の前工程としてアルミの表面に
陽極酸化のナノホール開始点となるように凹凸を作製し
ておく。この表面加工により、アルミナの細孔配列を規
則的なものとする事ができる。この凹凸は陽極酸化アル
ミナの細孔配列に対向してハニカム状に形成することが
アスペクト比の大きいナノホールを作製する上で好まし
い。この細孔開始点（凹部）の形成方法としては、集束
イオンビーム（ＦＩＢ）を照射する手法、ＡＦＭを始め
とするＳＰＭを用いて行う手法、特開平１０−１２１２
９２号公報で開示されたプレスパターニングを用いて凹
みを作成する手法、レジストパターン作成後エッチング
により凹みを作る手法等を用いることができる。
【００４１】これらの手法の中でも、集束イオンビーム
照射を用いる手法はレジスト塗布、電子ビーム露光、レ
ジスト除去というような手間のかかる工程は不必要であ
り、直接描画で所望の位置に短時間で細孔開始点を形成
することが可能であることや、被加工物に圧力をかける
必要がないので、機械的強度が強くない被加工物に対し
ても適用可能である等の観点から特に好ましい。この場
合は、Ｇａの集束イオンビームを照射する手法を用い、
１９０ｎｍ間隔のハニカム配列にドット状の開始点を形
成した。ここで、集束イオンビーム加工のイオン種はＧ
ａ、加速電圧は３０ｋＶ、イオンビーム径は１００ｎ
ｍ、イオン電流は３００ｐＡ、各ドットの照射時間は１
０ｍｓｅｃとしている。
【００４２】次に、上記アルミ膜を陽極酸化することに
よりナノホールを作製した。図１６はこの陽極酸化アル
ミナナノホール構造を作製する装置を示す図である。図
１６において、４０は恒温槽、４１は試料、４２はＰｔ
板のカソード（白金電極）、４３は電解質、４４は反応
容器である。４５は陽極酸化電圧を印加する電源、４６
は陽極酸化電流を測定する電流計である。なお、図１６
では省略しているが、この他に電圧、電流を自動制御、
測定するコンピュータ等が組み込まれている。試料４１
及びカソード４２は恒温水槽により温度を一定に保たれ
た電解質中に浸漬され、電源４５から試料４１、カソー
ド４２間に電圧を印加することで陽極酸化を行う。陽極
酸化に用いる電解質は、例えば、シュウ酸、りん酸、硫
酸、クロム酸溶液等が挙げられる。
【００４３】アルミナナノホールの細孔間隔、即ち、構
造周期は陽極酸化電圧とほぼ次式の相関を有するため、
開始点配列（間隔）に対応して陽極酸化電圧を設定する
事が望ましい。
【００４４】２Ｒ＝２．５×Ｖａ ２Ｒ（ｎｍ）：細孔周期、Ｖａ（ｖｏｌｔ）：陽極酸化
電圧である。
【００４５】アルミナナノホールの厚さは、アルミ膜の
膜厚や陽極酸化の時間によって制御する事ができる。例
えば、全膜厚をすべてアルミナナノホールに置換する事
や、所望のアルミ膜を残す事もできる。更に、アルミナ
ナノホール層を酸溶液（例えば、りん酸溶液）中に浸す
処理（ポアワイド処理）を行うことにより、適宜ナノホ
ール径を広げることができ、酸濃度、処理時間、温度を
制御することにより所望のナノホール径を有するアルミ
ナナノホールを形成することができる。本実施例では、
陽極酸化の電解液として０．３Ｍリン酸浴を用い、７５
Ｖの陽極酸化を行った。また、ポアワイド処理を行い、
２５℃のりん酸溶液５ｗｔ％中に７０分浸すことでナノ
ホール径を約１５０ｎｍに広げている。
【００４６】次に、実施例１〜６のレーザー構造体につ
いて説明する。まず、実施例１においては、ほとんどの
Ａｌ膜を陽極酸化アルミナに変換する事で、図１２
（ａ）のように発光部４がアルミナ膜（２Ｄフォトニッ
ク結晶）に挟まれたレーザー構造体としている。実施例
２においては、Ａｌ膜の厚さ１００ｎｍを残して陽極酸
化を終了した。即ち、発光部はアルミ膜に挟まれ、それ
を更にアルミナナノホール（２Ｄフォトニック結晶）で
挟んだ構造である。
【００４７】実施例３においては、実施例１の陽極酸化
アルミナの上に更に反射膜と帯電防止膜として働くＡｇ
膜を１００ｎｍ相当の厚さ成膜した。実施例４において
は、実施例２と同様であるが、片面のアルミ膜のみを陽
極酸化することで陽極酸化アルミナとし、陽極酸化アル
ミナ側から電子線を入射した。実施例５においては、実
施例２と同様であるが、片面のアルミ膜のみを陽極酸化
することで陽極酸化アルミナとし、アルミ側から電子線
を入射した。実施例６においては、アルミ膜上に更にニ
オブ膜を形成し、陽極酸化する事で図１２（ｂ）のよう
に横（膜面方向）に細孔が形成された陽極酸化アルミナ
を作製した。即ち、実施例６においては電子線入射方向
と２Ｄフォトニック結晶の周期方向が同一である。比較
例１においては、陽極酸化を行わず１００ｎｍ厚さのＡ
ｌ膜をそのまま光反射部として用いている。
【００４８】次に、このようにして作製した実施例１〜
６のレーザー構造体、比較例１のレーザー構造体を用い
て評価実験を行った。即ち、ＣｄＳ単結晶からなる発光
部と２Ｄフォトニック結晶からなる光反射部を用いたレ
ーザー構造体を、真空装置内に設置し、１０-6Ｐａまで
排気後、液体窒素温度まで冷却し、対向するＬａＢ6か
らなる電子銃より電子を放出させ、加速電圧１０〜５０
ｋｅＶに加速された電子ビームを照射したところ、５２
０ｎｍ付近の緑色光のレーザー発振をさせることができ
た。具体的には、実施例１のレーザー構造体ではレーザ
ー発振閾値として１５〜２０Ａ／ｃｍ2 程度であった。
一方、比較例１のものでは２０〜５０Ａ／ｃｍ2 であっ
た。
【００４９】実施例２、３においては、実施例１に比べ
て若干高い加速電圧を必要としたが、低電流励起での発
振が可能であり、発振の経時安定性に優れている。実施
例４においては、実施例２に比べレーザー発振波長幅が
やや広いものの、実施例２と同様に低閾値で発振が可能
であった。実施例５のものは、比較例１と同様に発振閾
値は高かったが、レーザー発振波長幅がやや狭かった。
実施例６のレーザー構造体においては、レーザー発振閾
値が１０〜１５Ａ／ｃｍ2 程度と低かった。更に、実施
例１、２、３及び６において、その中でも特に実施例６
のものはレーザー発振波長幅が狭く、レーザー発振モー
ド数が低減されていた。実施例１〜６の結果から明らか
なように、レーザー構造体の光反射部に陽極酸化アルミ
ナからなる２Ｄフォトニック結晶を用いることにより、
レーザー発振閾値電流を低減できることを確認できた。
【００５０】次に、陽極酸化アルミナ（２次元フォトニ
ック結晶）に発光材料を充填することで発光部を有する
レーザー構造体を作製し、評価実験を試みた。この時の
レーザー構造体は図１３（ａ）、図１４（ａ）の構造と
している。また、４種類のレーザー構造体を作製し、こ
れを実施例７〜１０として説明する。発光部４には陽極
酸化アルミナにＺｎＯを充填したもの、即ち、アルミナ
中にＺｎＯロッドが２次元配列形成されたフォトニック
結晶を用いている。
【００５１】具体的な作製方法としては、石英基板上に
厚さ１００ｎｍのＮｂ膜、更にＤＣスパッタによりアル
ミ膜を１μｍ成膜した後、実施例１と同様にアルミ膜を
陽極酸化することでアルミナナノホールに変換した。こ
の時は、開始点は１４０ｎｍ間隔のハニカム配列に形成
し、０．３Ｍリン酸浴を用いて５６Ｖの陽極酸化を行っ
た。ポアワイド処理として、２５℃のりん酸溶液５ｗｔ
％中に５０分浸すことでナノホール径を約１１０ｎｍに
広げた。
【００５２】更に、細孔内に電着によりＺｎＯを充填し
て発光部を作製し、６０℃に保持した硝酸亜鉛０．１Ｍ
の水溶液中で、白金の対向電極と共に浸して約５Ｖの負
の電圧を印加することでナノホール内にＺｎＯの結晶を
形成した。ここで、実施例７においては、この硝酸をナ
ノホールから溢れるまで成長させた後、表面を研磨し
た。実施例８においてはナノホールの深さの途中約３０
０ｎｍの深さまでＺｎＯを堆積した（実施例７、８は図
１３（ａ）のレーザー構造体に対応）。引き続いて、Ｈ
ｅ雰囲気中で４００℃１時間の熱処理を行い、更に１０
０ｎｍ厚さ相当量のＡｇを蒸着する事で光反射部を形成
した。
【００５３】更に、実施例９（図１４（ａ）に対応）と
して、予めフォトリソグラフィーにより、下地Ｎｂ膜を
５μｍの幅でライン状にパターニングしておき、その上
にＡｌ膜を形成、陽極酸化、ＺｎＯ充填を行った。下地
にＮｂ膜を有する部分（５μｍ幅）のライン状にのみＺ
ｎＯを堆積した。即ち、図１４（ａ）のように陽極酸化
アルミナ（２Ｄフォトニック結晶）の一部に部分的に発
光材料を充填させた。実施例１０においては、陽極酸化
アルミナの作製工程において局所的にイオンビーム照射
量を多くする事で、深い開始点を形成した。これによ
り、図１１に示すように局所的に細孔径の小さい部分を
有する陽極酸化アルミナナノホールを形成した（実施例
１０は図１３（ａ）に欠陥を配置）。
【００５４】このようにして作製した実施例７〜１０の
レーザー構造体を真空装置内に設置し、１０-6Ｐａまで
排気後、液体窒素温度まで冷却し、対向するＬａＢ6 か
らなる電子銃より電子を放出させ、加速電圧１０〜５０
ｋｅＶに加速された電子ビームを照射したところ、３９
０ｎｍ付近の紫外域においてレーザー発振をさせること
ができた。レーザー発振閾値として１０〜１５Ａ／ｃｍ
2 程度であった。一方、比較例２としてＮｂ膜上にＺｎ
Ｏ、Ａｇを積層した試料ものでは発振閾値として２０〜
５０Ａ／ｃｍ2 程度であった。
【００５５】このように発光部に陽極酸化アルミナから
なる２Ｄフォトニック結晶を有するレーザー構造体を用
いることにより、閾値電流密度を低減できることを確認
できた。更に、レーザー発振波長幅が狭くレーザー発振
モード数が低減されており、特に実施例８、９において
は発振波長幅が狭かった。実施例１０においては欠陥に
起因したと思われるモードが見られた。この実施例７〜
１０においてはフォトニック結晶に発光体を導入する事
で、群速度低下に伴う発振閾値の低下を実現できたと考
えられる。
【００５６】更に、実施例８においては、ＺｎＯが未充
填の高さ約７００ｎｍのアルミナナノホールの部位が、
フォトニック結晶（反射部）として作用したと考えられ
る。実施例９においては、フォトニック結晶からなる発
光部の側部に非充填陽極酸化アルミナがフォトニック結
晶の反射部として光の閉じ込めに有効に作用したと考え
られる。実施例１０では２Ｄフォトニック結晶（陽極酸
化アルミナ）における欠陥がレーザー発振に寄与したと
考えられる。
【００５７】次に、ＭＢＥ法により作製したＧＲＩＮＳ
Ｈ（graded index, separrate confonement)型のＺｎＣ
ｄＳｅ／ＺｎＳｅヘテロ構造を発光部として用いたレー
ザー構造体を作製し、評価実験を試みた。これを実施例
１１として説明する。この時のレーザー構造体は図１２
（ａ）に対応し、発光部をヘテロ構造としている。ヘテ
ロ構造はＩｎＧａＡｓ（１００）基板上に厚さ１μｍの
ＺｎＳｅのバッファー層を介し、更にその上にＺｎ１−
ｘＣｄｘＳｅ（ｘ＝０〜０．０５）の屈折率変化層に挟
まれたＺｎ0.75Ｃｄ0.25Ｓｅからなる量子井戸構造を有
してなる。屈折率変化層の厚さは５００ｎｍである。
【００５８】このヘテロ構造の上に実施例２と同様の手
法により陽極酸化アルミナからなる光反射部を形成し、
レーザー構造体を作製した。本実施例においては、開始
点は１７０ｎｍ間隔のハニカム配列に形成し、０．３Ｍ
リン酸浴を用いて６８Ｖの陽極酸化を行った。ポアワイ
ド処理として２５℃のりん酸溶液５ｗｔ％中に７０分浸
すことでナノホール径を約１４０ｎｍに広げている。
【００５９】次に、電子源として１ｍｍ2 当たり１０4
−１０5 個のＭｏチップを有するスピント型の電子源を
用意し、ガラスからなる容器内にスピント型電子源と対
向して以上のようにして作製したレーザー構造体を設置
し、真空容器内を排気後、ガラス容器を封着した。そし
て、電子加速手段として高圧電源を電子源とレーザー構
造体に接続し、加速電圧１０〜５０ｋｅＶに加速された
電子ビームを照射したところ、４８０ｎｍ付近の青色光
のレーザー発振をさせることができた。本実施例におい
ては、レーザー発振閾値として０．３〜０．５ｍＡ／ｃ
ｍ2 程度であった。一方、陽極酸化アルミナを配置しな
かった比較例のものでは０．５〜１ｍＡ／ｃｍ2 であっ
た。更に、レーザー発振波長幅が狭く、レーザー発振モ
ード数が低減されていることを確認できた。
【００６０】次に、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ多重量子井
戸活性層を持つウエハーを電子線リソグラフィーの技術
により２Ｄフォトニック結晶構造に加工する事でレーザ
ー構造を作製し、評価実験を試みた。これを実施例１２
として説明する。なお、この時は、レーザー構造体は図
１４（ｃ）の構造としている。まず、ＩｎＰ基板上に、
２００ｎｍ厚ｌｎＧａＡｓエッチングストップ層、１０
０ｎｍ厚ＩｎＰ層、ＳＣＨ（separate confinement het
erostructure) 多重量子井戸活性層、更に１００ｎｍ厚
ＩｎＰ層１５が成長したウエハーを用意した。活性層は
５０ｎｍ厚のＩｎＧａＡｓＰからなるＳＣＨ層（バンド
ギャップエネルギー波長λｇ＝１．１μｍ）、７ｎｍ厚
のＩｎＧａＡｓＰ井戸（λｇ＝１．３６μｍ）、１５ｎ
ｍ厚ＩｎＧａＡｓＰバリアー層（λｇ＝１．１μｍ）か
らなる。
【００６１】次いで、ウエハー表面にＳｉＯ2 を成膜し
た後、フォトレジスタを塗布し、電子ビームリソグラフ
ィーにより半径２５０ｎｍの円形開口パターンが間隔４
６０ｎｍの六方格子状に配列されたレジストマスクを形
成した。更に、レジストマスクをもとに、ＳｉＯ2 膜に
反応性イオンエッチングで転写し、更にこのＳｉＯ2マ
スクをもとに反応性イオンビームエッチングを行うこと
により、ウエハーに二次元ホール列を形成し、最後にＳ
ｉＯ2 マスクを除去してレーザー構造体を作製した。
【００６２】電子源としてはシリコン基板上にホットフ
ィラメントＣＶＤ法で窒素ドープダイヤモンド膜を成膜
する事で作成し、成膜条件としては、タングステンフィ
ラメントの温度を２３００℃、基板温度を８００℃、反
応圧力は１００ｔｏｒｒであり、反応ガスと水素の比率
は０．６％である。反応ガスとしては、（ＮＨ2 ）2Ｃ
Ｏとメタノールの飽和溶液をアセトンで１／１０に希釈
したものを気化させて用いている。
【００６３】このようにして発光部及びその上下の光反
射部に２Ｄフォトニック結晶が配置されたレーザー構造
体を作製した。これを真空装置内に設置し、ダイヤモン
ド膜を配した電子源と２ｍｍ対向してレーザー構造体を
配置した。そして、電子源からり電子を放出させ、加速
電圧１０〜５０ｋｅＶに加速された電子ビームを照射し
たところ、１．３μｍ付近でレーザー発振をさせること
ができた。レーザー発振閾値としては０．２〜０．５ｍ
Ａ／ｃｍ2 程度であった。一方、二次元ホール列を配置
しなかった比較例では０．５〜０．８ｍＡ／ｃｍ2 であ
った。本実施例では、光反射部に２Ｄフォトニック結晶
を有するレーザー構造体を用いることにより、発振閾値
を低減できることを確認できた。更に、レーザー発振波
長幅が狭く、レーザー発振モード数が低減されていた。
【００６４】次に、誘電体球による３Ｄフォトニック結
晶構造の光反射部を有するレーザー構造体を作製し、評
価実験を試みた。これを実施例１３として説明する。な
お、この時は、光反射部６として図１０（ｃ）に示す３
Ｄフォトニック結晶構造、光反射部５として金属反射
膜、発光部４としてＺｎＯ膜を用いている。まず、サフ
ァイア（０００１）基板上にレーザーＭＢＥの手法でＺ
ｎＯの成膜を行い、ＺｎＯの発光部を作製した。成膜時
は酸素分圧１×１０-6ｔｏｒｒ、基板温度は５５０℃と
し、ＺｎＯ焼結ターゲットにＫｒＦエキシマレーザーを
照射、蒸発させることで行った。膜厚は約６０ｎｍであ
る。
【００６５】更に、１７０ｎｍ径（標準偏差３％）のポ
リスチレンからなる微小球が分散した水溶液（４ｗｔ
％）を滴下させ、水を蒸発させる事によりポリスチレン
球が図１０（ｃ）に示すように３次元的に自己組織化
し、配列された光反射部を作製した。また、帯電防止及
び反射膜としてＡｇを１００ｎｍ成膜し、基板の裏面に
も反射膜としてＡｇを２００ｎｍ成膜した。
【００６６】このようにしてＺｎＯからなる発光部の上
面に誘電体球が配列された３Ｄフォトニック結晶からな
る光反射部を有するレーザー構造体を作製した。これを
真空装置内に設置し、対向するＬａＢ6 電子銃から電子
を放出させ、加速電圧１０〜５０ｋｅＶに加速された電
子ビームを照射したところ、３９０ｎｍ付近の紫外光の
レーザー発振をさせることができた。レーザー発振閾値
としては０．１〜０．４Ａ／ｃｍ2 程度であった。一
方、ポリスチレン球を配置しなかった比較例３では０．
５〜１Ａ／ｃｍ2 であった。本実施例では、光反射部に
ポリスチレン球配列による３Ｄフォトニック結晶を有す
るレーザー構造体を用いる事で、閾値電流を低減できる
ことを確認できた。更に、レーザー発振波長幅が狭く、
レーザー発振モード数が低減されていた。
【００６７】次に、３Ｄフォトニック結晶構造の発光部
を有するレーザー構造体を作製し、評価実験を試みた。
これを実施例１４として説明する。この際、発光部４と
して図１０（ｃ）の構造を用い、誘電体球２５の隙間に
発光体（ＣｄＳ）を埋め込んだ構造としている。光反射
部５、６としては、金属反射膜を用いている。具体的に
は、以下のプロセスを繰り返すことにより、誘電体球２
５の隙間に発光体が埋め込まれた３Ｄフォトニック結晶
構造を作製した。即ち、実施例１３と同様にして石英基
板上に３８０ｎｍ径のポリスチレンから成る微小球を分
散し、配列して形成後、０．０２５ＭＣｄＳ０４へ浸す
こと、Ｓ＝Ｃ（ＮＨ２）２溶液に浸すことを繰り返し行
う。この際、両方の溶液は６０℃に保持し、触媒として
アンモニアを溶解させた。次に、反射膜として表面及び
基板の裏面にＡｇを１００ｎｍ成膜した。
【００６８】このようにして誘電体球２５の隙間に発光
体が埋め込まれた３Ｄフォトニック結晶構造の発光部を
有するレーザー構造体を作製し、これを真空装置内に設
置して、対向するＬａＢ6 電子銃から電子を放出させ、
加速電圧３０〜８０ｋｅＶに加速された電子ビームを照
射したところ、５２０ｎｍ付近の緑色光のレーザー発振
をさせることができた。また、ポリスチレン球を配置し
なかった比較例４と比べてレーザー発振閾値が低かっ
た。即ち、本実施例では、誘電体球配列の隙間に発光体
を配した３Ｄフォトニック結晶構造の発光部を有するレ
ーザー構造体を用いることで、閾値電流密度の低減が図
られ、更にレーザー発振波長幅が狭く、レーザー発振モ
ード数が低減されていた。
【００６９】
【発明の効果】以上説明したように本発明は、次の効果
がある。 （１）光反射部に多次元フォトニック結晶を有するレー
ザー構造体を用いることにより、共振器特性が向上し、
レーザー発光効率を向上できるばかりでなく、レーザー
発振波長幅を狭帯域化でき、レーザー発振モード数の低
減された電子線励起レーザーを実現できる。特に、フォ
トニック結晶を構成する誘電体の一部を真空とすること
により、発光部に到達する実質的な電子ビームの強度が
増加するため、レーザー発振の閾値電流密度、閾値電圧
を低下できる。 （２）レーザー構造体の発光部に多次元フォトニック結
晶を用いることにより、レーザー発光効率の向上、及び
レーザー発振波長幅の狭帯域化、レーザー発振モード数
の低減された電子線励起のレーザーを実現できる。 （３）レーザー構造体の光反射部及び発光部に多次元フ
ォトニック結晶構造を用いることにより、光反射部と発
光部のいずれか一方に多次元フォトニック結晶を用いた
場合に比べて更に性能を向上できる。 （４）多次元フォトニック結晶に陽極酸化アルミナを用
いることにより、簡易な製法で安価に電子線励起レーザ
ーを作製できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電子線励起レーザー装置の一実施形態
の構成を示す図である。
【図２】図１のレーザー構造体の斜視図である。
【図３】レーザー構造体の他の例を示す斜視図である。
【図４】レーザー構造体の他の例を示す斜視図である。
【図５】レーザー構造体の更に他の例を示す斜視図であ
る。
【図６】レーザー光の放出方向を示す図である。
【図７】マルチ電子線レーザー装置の例を示す図であ
る。
【図８】レーザー構造体の光反射部、発光部、光反射部
と発光部の両方をフォトニック結晶で構成した場合の例
を示す図である。
【図９】２次元フォトニック結晶の例を示す図である。
【図１０】３次元フォトニック結晶の例を示す図であ
る。
【図１１】フォトニック結晶の一部に欠陥を配置した例
を示す図である。
【図１２】２次元フォトニック結晶を光反射部に用いた
場合の例を示す図である。
【図１３】２次元フォトニック結晶を発光部に用いた場
合の例を示す図である。
【図１４】２次元フォトニック結晶を光反射部と発光部
の両方に用いた場合の例を示す図である。
【図１５】陽極酸化アルミナによる２次元フォトニック
結晶を示す図である。
【図１６】陽極酸化アルミナによる２次元フォトニック
結晶を作製する装置を示す図である。
【図１７】従来例の電子線励起レーザー装置を示す図で
ある。
【符号の説明】
１ 真空容器 ２ 電子源 ３ レーザー構造体 ４ 発光部 ５，６，１１ 光反射部 ７ 電子加速手段 １３ 制御電極 １４ 電子量制御手段 ２１ 第１の誘電体 ２２ 第２の誘電体 ２３ 第３の誘電体 ２４ 誘電体ロッド ２５ 誘電体球 ２６ 欠陥 ４０ 恒温槽 ４１ 試料 ４２ 白金電極 ４３ 電解質 ４４ 反応容器 ４５ 電源 ４６ 電流計 ５１ Ａｌ板 ５２ 陽極酸化アルミナ ５３ ナノホール
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2H049 AA06 AA44 AA57 AA59 AA65 5F072 AB13 AB20 AK03 FF08 KK02 KK30 PP02 5F073 AA62 AB25 CA01 CA22

Claims (23)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電子を放出する電子源と、発光部と光反
    射部から成るレーザー構造体とを含み、前記電子源から
    放出された電子を加速し、前記レーザー構造体に照射す
    ることにより、前記レーザー構造体からレーザー光を発
    生する電子線励起レーザー装置において、前記レーザー
    構造体の光反射部を多次元方向に誘電率の異なる誘電体
    が周期的に配列された多次元フォトニック結晶構造によ
    って形成したことを特徴とする電子線励起レーザー装
    置。
  2. 【請求項２】 前記多次元フォトニック結晶構造の誘電
    率の異なる誘電体のうち一方の誘電体が真空であること
    を特徴とする請求項１に記載の電子線励起レーザー装
    置。
  3. 【請求項３】 前記多次元フォトニック結晶構造は、第
    １の誘電体の中に発光波長より小さい短軸長を有する柱
    状形状の第２の誘電体が、発光波長より小さい周期で規
    則的に２次元に配列された構造から成ることを特徴とす
    る請求項１に記載の電子線励起レーザー装置。
  4. 【請求項４】 前記多次元フォトニック結晶構造の一部
    に欠陥を有することを特徴とする請求項１に記載の電子
    線励起レーザー装置。
  5. 【請求項５】 前記欠陥は、誘電体の大きさが他の誘電
    体と異なることを特徴とする請求項４に記載の電子線励
    起レーザー装置。
  6. 【請求項６】 前記多次元フォトニック結晶構造は、ア
    ルミ材を陽極酸化することにより作製され、陽極酸化ア
    ルミナ層に円柱状のナノホールが２次元方向に規則的に
    配列された陽極酸化アルミナナノホール構造から成るこ
    とを特徴とする請求項１に記載の電子線励起レーザー装
    置。
  7. 【請求項７】 電子を放出する電子源と、発光部と光反
    射部から成るレーザー構造体とを含み、前記電子源から
    放出された電子を加速し、前記レーザー構造体に照射す
    ることにより、前記レーザー構造体からレーザー光を発
    生する電子線励起レーザー装置において、前記レーザー
    構造体の発光部を多次元方向に誘電率の異なる誘電体が
    周期的に配列された多次元フォトニック結晶構造によっ
    て形成し、且つ、前記誘電率の異なる誘電体のうち一方
    の誘電体を発光材料によって形成したことを特徴とする
    電子線励起レーザー装置。
  8. 【請求項８】 前記多次元フォトニック結晶構造は、第
    １の誘電体の中に発光波長より小さい短軸長を有する柱
    状形状の第２の誘電体が、発光波長より小さい周期で規
    則的に２次元に配列された構造から成ることを特徴とす
    る請求項７に記載の電子線励起レーザー装置。
  9. 【請求項９】 前記多次元フォトニック結晶構造の一部
    に欠陥を有することを特徴とする請求項７に記載の電子
    線励起レーザー装置。
  10. 【請求項１０】 前記欠陥は、誘電体の大きさが他の誘
    電体と異なることを特徴とする請求項９に記載の電子線
    励起レーザー装置。
  11. 【請求項１１】 前記多次元フォトニック結晶構造は、
    アルミ材を陽極酸化することにより作製され、陽極酸化
    アルミナ層に円柱状のナノホールが２次元方向に規則的
    に配列された陽極酸化アルミナナノホール構造から成る
    ことを特徴とする請求項７に記載の電子線励起レーザー
    装置。
  12. 【請求項１２】 前記第２の誘電体を発光材料によって
    構成したことを特徴とする請求項８に記載の電子線励起
    レーザー装置。
  13. 【請求項１３】 前記第１の誘電体を発光材料によって
    構成し、前記第２の誘電体を空孔として配列したことを
    特徴とする請求項８に記載の電子線励起レーザー装置。
  14. 【請求項１４】 前記発光材料は、II−VI半導体又は、
    酸化亜鉛から成ることを特徴とする請求項７，１２，１
    ３のいずれかに記載の電子線励起レーザー装置。
  15. 【請求項１５】 電子を放出する電子源と、発光部と光
    反射部から成るレーザー構造体とを含み、前記電子源か
    ら放出された電子を加速し、前記レーザー構造体に照射
    することにより、前記レーザー構造体からレーザー光を
    発生する電子線励起レーザー装置において、前記レーザ
    ー構造体の発光部及び光反射部をそれぞれ多次元方向に
    誘電率の異なる誘電体が周期的に配列された多次元フォ
    トニック結晶構造によって形成し、且つ、前記発光部を
    形成する多次元フォトニック結晶構造の誘電率の異なる
    誘電体のうち一方の誘電体を発光材料によって形成した
    ことを特徴とする電子線励起レーザー装置。
  16. 【請求項１６】 前記光反射部を形成する多次元フォト
    ニック結晶構造の誘電率の異なる誘電体のうち一方の誘
    電体が真空であることを特徴とする請求項１５に記載の
    電子励起レーザー装置。
  17. 【請求項１７】 前記多次元フォトニック結晶構造は、
    第１の誘電体の中に発光波長より小さい短軸長を有する
    柱状形状の第２の誘電体が、発光波長より小さい周期で
    規則的に２次元に配列された構造から成ることを特徴と
    する請求項１５に記載の電子線励起レーザー装置。
  18. 【請求項１８】 前記多次元フォトニック結晶構造の一
    部に欠陥を有することを特徴とする請求項１５に記載の
    電子線励起レーザー装置。
  19. 【請求項１９】 前記欠陥は、誘電体の大きさが他の誘
    電体と異なることを特徴とする請求項１８に記載の電子
    線励起レーザー装置。
  20. 【請求項２０】 前記多次元フォトニック結晶構造は、
    アルミ材を陽極酸化することにより作製され、陽極酸化
    アルミナ層に円柱状のナノホールが２次元方向に規則的
    に配列された陽極酸化アルミナナノホール構造から成る
    ことを特徴とする請求項１５に記載の電子線励起レーザ
    ー装置。
  21. 【請求項２１】 前記発光部を形成する多次元フォトニ
    ック結晶の前記第２の誘電体を発光材料によって構成し
    たことを特徴とする請求項１５，１７に記載の電子線励
    起レーザー装置。
  22. 【請求項２２】 前記発光部を形成する多次元フォトニ
    ック結晶の前記第１の誘電体を発光材料によって構成
    し、前記第２の誘電体を空孔として配列したことを特徴
    とする請求項１５，１７に記載の電子線励起レーザー装
    置。
  23. 【請求項２３】 前記発光材料は、II−VI半導体又は、
    酸化亜鉛から成ることを特徴とする請求項１５，２１，
    ２２のいずれかに記載の電子線励起レーザー装置。
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