JP2001330793A

JP2001330793A - パルス光生成装置

Info

Publication number: JP2001330793A
Application number: JP2000152609A
Authority: JP
Inventors: Tomoko Tanaka; 智子田中; Susumu Noda; 進野田; Aronkaan Chuteinan; アロンカーンチュティナン; Taku Asano; 卓浅野; Munetsugu Yamamoto; 宗継山本
Original assignee: Kansai Technology Licensing Organization Co Ltd; ATR Adaptive Communications Research Laboratories
Current assignee: Kansai Technology Licensing Organization Co Ltd; ATR Adaptive Communications Research Laboratories
Priority date: 2000-05-24
Filing date: 2000-05-24
Publication date: 2001-11-30

Abstract

(57)【要約】【課題】パルス幅を変えられるパルス光生成装置を提
供する。【解決手段】パルス光生成装置１０は、光源１と、フ
ォトニック結晶体２とを備える。フォトニック結晶体２
は、棒状のＧａＡｓを一定間隔で２次元的もしくは３次
元的に配列した面心立方格子構造から成り、フォトニッ
クバンドを有する。光源１から出射された単一のパルス
成分を有するパルス光ＰＨ１は、フォトニックバンドの
上位バンドにエネルギー分布を有する。フォトニック結
晶体２に入射したパルス光ＰＨ１は、密に詰まったフォ
トニックバンドの上位バンドを伝搬し、各エネルギー値
を有する成分間に位相差が生じる。そして、位相差を生
じた成分間で干渉が生じ、フォトニック結晶体２からフ
ェムト秒オーダーのパルス幅を有するパルス光ＰＨ２が
出射される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、フォトニック結
晶を用いたパルス光生成装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】植物が光を用いて二酸化炭素と水とによ
り炭水化物を生成する光合成、および生体内での情報伝
達等に関する化学反応は１００フェムト秒（ｆｓ）程度
の極めて速い速度で起こる。そして、かかる反応の機構
を調べるためにフェムト秒の極短パルス光が用いられて
いる。

【０００３】フェムト秒オーダーの極短パルス光は、衝
突モード同期（ＣＰＭ：ＣｏｌｌｉｄｉｎｇＰｕｌｓ
ｅＭｏｄｅ−ｌｏｃｋｉｎｇ）リング色素レーザやチ
タン・サファイア（Ｔｉ：Ａｌ₂Ｏ₃）レーザによって発
生させられる。衝突モード同期リング色素レーザは、可
飽和色素とレーザ色素とをリング共振器長Ｌの４分の１
の位置に設置した構成から成る。そして、時間ｔ＝０に
おいて、互いに逆方向に進行する２つのパルスを可飽和
色素に吸収させて可飽和色素中で衝突させる。その結
果、可飽和色素中で飽和効果を増強された２つのパルス
は、時間ｔ＝Ｌ／４ｃ（ｃ：光速度）の後、順次、レー
ザ色素により増幅されて外部へ取り出される。衝突モー
ド同期リング色素レーザは、５０〜１００ｆｓのパルス
光を安定して発生する。

【０００４】また、モード同期のチタン・サファイア
（Ｔｉ：Ａｌ₂Ｏ₃）レーザは、サファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）
結晶中にドープされたＴｉ³⁺イオンの励起準位（²Ｔ₂）
と基底準位（²Ｅ）間遷移によってレーザ発振が起こ
る。²Ｔ₂−²Ｅ遷移の吸収スペクトルは、波長４９０ｎ
ｍにピークを有し、およそ波長４００〜６００ｎｍの範
囲の光を吸収するものである。また、²Ｔ₂−²Ｅ遷移の
発光スペクトルは、波長７６０ｎｍにピークを有し、波
長６００〜１１００ｎｍの範囲の光を発光するものであ
る。このレーザは、励起準位でのエネルギー緩和時間
（３．２μｓ）が共振器長往復時間（〜ｎｓ）に比べて
十分に長いことから、緩和発振が起り易い。そして、安
定なフェムト秒パルス（〜１００ｆｓ）が定常的に得ら
れる。また、波長６００〜１１００ｎｍの範囲の光を発
光するため、波長可変性も有する。

【０００５】衝突モード同期リング色素レーザやサファ
イアレーザからは、パルス幅が一定のパルス光が出射さ
れる。

【０００６】また、衝突モード同期リング色素レーザや
サファイアレーザによる極短パルス光を対象物に照射す
るために空気中または個体中を伝搬させると、パルス光
が伝搬する媒質の群速度の分散に起因してパルス幅が変
化してしまうという問題があるため、出射直後のパルス
幅を有するパルス光を対象物に照射するために、レーザ
からの光をグレーティングを用いて回折させ、群速度を
補正した後に回折した２つのパルス光を合成して所望の
パルス幅を実現した後に対象物に照射することが行われ
ている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、パルス幅が数
１００フェムト秒の極短パルス光を用いて光合成や人体
内での有機物の反応を解析するには、パルス幅を変化さ
せられる方が便利であるが、従来の極短パルス光の発生
方法ではパルス幅を自由に変えられないという問題があ
った。

【０００８】また、従来の方法では、光源から出射され
た直後のパルス幅を再合成して対象物に照射するには、
全長十数ｃｍという大きな光学系が必要となり、不便で
あるという問題もあった。

【０００９】そこで、本発明は、かかる問題を解決する
ためになされたものであり、その目的はパルス幅を変え
られるパルス光生成装置を提供することにある。

【００１０】また、本発明の別の目的は、小さい光学系
により出射直後のパルス幅を変えずに対象物にパルス光
を照射できるパルス光生成装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明によるパルス光
生成装置は、短パルス幅を有する単一のパルス成分から
成る第１のパルス光を出射する光源と、光源から出射さ
れた第１のパルス光を入射し、複数のパルス成分から成
る第２のパルス光を出射するフォトニック結晶体とを含
み、第１のパルス光は、フォトニック結晶体のフォトニ
ックバンドの上位バンドにエネルギー分布を有し、第２
のパルス光は、第１のパルス光の波長、もしくは第１の
パルス光がフォトニック結晶体に入射する方向に基づい
て決定されるパルス幅を有する。

【００１２】光源から出射されたフェムト秒オーダーの
短パルス幅を有する単一のパルス成分から成る第１のパ
ルス光がフォトニック結晶体に入射すると、第１のパル
ス光はフォトニック結晶体の密に詰まった上位バンドに
エネルギー分布を有するため、各エネルギーによって異
なるフォトニックバンドを伝搬する。その結果、伝搬す
るフォトニックバンドによって光の伝搬速度が異なり、
速度差が生じた光が相互に干渉するため、速度差に応じ
て決定されるパルス幅を有する複数のパルス成分から成
る第２のパルス光がフォトニック結晶体から出射され
る。また、第１のパルス光の波長もしくはフォトニック
結晶体への入射方向を変えることによっても、入射光は
異なるフォトニックバンドを伝搬し、その伝搬速度差に
応じて決定されるパルス幅を有する第２のパルス光がフ
ォトニック結晶体から出射される。

【００１３】従って、フォトニック結晶体に入射する第
１のパルス光の波長もしくは入射方向を変えることによ
りパルス幅の異なるパルス光を発生させることができ
る。

【００１４】好ましくは、パルス光生成装置を構成する
フォトニック結晶体は、第１の屈折率を有する第１の物
質と、第１の屈折率より大きい第２の屈折率を有する第
２の物質とを２次元的もしくは３次元的に交互、且つ、
周期的に配列して成る。

【００１５】屈折率の異なる２つの物質を２次元的もし
くは３次元的に交互、且つ、周期的に配列してフォトニ
ック結晶体が作製されるため、入射光は、その方向が変
化してもフォトニックバンドを伝搬する。つまり、いず
れの方向からフォトニック結晶体に入射しても、入射光
はフォトニックバンドを伝搬する。

【００１６】従って、光源とフォトニック結晶体との相
対位置は限定されず、パルス光生成装置を容易に作製で
きる。

【００１７】好ましくは、第２の物質は棒状形状から成
り、フォトニック結晶体は、第１の方向に第１および第
２の物質を交互、且つ、周期的に配列して成る第１の層
と、第１の方向と同一平面内における第１の方向に垂直
な第２の方向に第１および第２の物質を交互、且つ、周
期的に配列して成る第２の層とを第１および第２の方向
に垂直な第３の方向に交互に積層して成る。そして、第
１の層における棒状形状の長手方向は第２の方向であ
り、第２の層における棒状形状の長手方向は第１の方向
である。

【００１８】棒状形状の第１および第２の物質を交互、
且つ、周期的に配列して層を構成し、隣接する層間で棒
状形状の長手方向が直交するように層を積層することに
よってフォトニック結晶体を作製する。

【００１９】従って、簡単な形状の物質を用いてフォト
ニック結晶体を作製することができる。

【００２０】特に、好ましくは、第１の物質は空気であ
り、第２の物質はＧａＡｓである。隣接する層間におい
て、棒状形状の長手方向が直交するように棒状形状のＧ
ａＡｓを周期的に配列してフォトニック結晶体が作製さ
れる。

【００２１】従って、屈折率比が２．０以上のフォトニ
ック結晶体を容易に作製できる。好ましくは、パルス光
生成装置は、フォトニック結晶体に対する第１のパルス
光の入射方向を変更する変更手段をさらに含む。

【００２２】変更手段は、第１のパルス光のフォトニッ
ク結晶体への入射方向を変更する。その結果、フォトニ
ック結晶体への入射方向に基づいて決定されるパルス幅
を有する第２のパルス光がフォトニック結晶体から出射
される。

【００２３】従って、パルス幅の異なるパルス光を、適
宜、発生させることができる。特に、好ましくは、変更
手段は、フォトニック結晶体に含まれる基板に垂直な軸
の回りにフォトニック結晶体を回転させる回転手段から
成る。

【００２４】フォトニック結晶体を回転させることによ
って第１のパルス光のフォトニック結晶体への入射方向
が変更する。その結果、フォトニック結晶体への入射方
向に基づいて決定されるパルス幅を有する第２のパルス
光がフォトニック結晶体から出射する。

【００２５】従って、フォトニック結晶体を回転させる
ことによって容易にパルス幅の異なるパルス光が発生さ
れる。

【００２６】特に、好ましくは、変更手段は、フォトニ
ック結晶体に含まれる基板に垂直な軸の回りにフォトニ
ック結晶体を回転させる回転手段と、基板に垂直、且
つ、第１のパルス光の光軸に並行な平面内においてフォ
トニック結晶体を中心にした円周に沿って光源を移動さ
せる移動手段とから成る。

【００２７】回転手段によってフォトニック結晶体を回
転させ、移動手段によって光源をフォトニック結晶体の
回りに移動させる。その結果、第１のパルス光のフォト
ニック結晶体に対する相対位置が変更され、第１のパル
ス光のフォトニック結晶体への入射方向が変わる。そし
て、入射方向に基づいて決定されるパルス幅を有する第
２のパルス光がフォトニック結晶体から出射される。

【００２８】従って、フォトニック結晶体の回転と、光
源の移動とによってパルス幅の異なるパルス光を、容易
に、発生させることができる。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一
または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さ
ない。

【００３０】［実施の形態１］図１は、この発明による
パルス光生成装置の実施の形態１を示し、パルス光生成
装置１０は、光源１と、フォトニック結晶体２とを備え
る。光源１は、同期モード型チタン・サファイア（Ｔ
ｉ：Ａｌ₂Ｏ₃）レーザからの０．７〜１．０μｍの波長
を有する光をパラメトリック光発生装置により１．２〜
２．０μｍの波長を有する光に増幅し、さらに差周波発
生装置により５．０〜８．０μｍの波長を有する光に増
幅して、パルス幅２００フェムト秒（ｆｓ）の単一のパ
ルス成分から成るパルス光ＰＨ１を出射する。パルス光
ＰＨ１のエネルギーは１μＪである。

【００３１】フォトニック結晶体２は、後述するように
パルス光ＰＨ１を入射し、パルス光ＰＨ１の波長もしく
は入射方向に基づいて決定されるパルス幅を有する複数
のパルス成分から成るパルス光ＰＨ２を出射する。光源
１とフォトニック結晶体２との距離は、２ｍであり、究
極的には光源１とフォトニック結晶体２とを接触させて
パルス光生成装置１０を作製しても良い。

【００３２】従って、パルス光生成装置１０は、単一の
パルス成分から成るパルス光ＰＨ１を、その波長または
入射方向に基づいて決定されるパルス幅を有する複数の
パルス成分から成るパルス光ＰＨ２に変換して対象物３
に照射するものである。

【００３３】図２は、図１に示した光学素子１０を構成
するフォトニック結晶体２の構造を示したものであり、
フォトニック結晶体１は、幅ｄ１の棒状のＧａＡｓ２０
Ｘを基板２２に垂直な方向ＤＲ１に間隔ｄ２で配置し、
幅ｄ１の棒状のＧａＡｓ２０Ｙを前記方向ＤＲ１に垂直
な方向ＤＲ２に間隔ｄ３で配置し、幅ｄ１の棒状のＧａ
Ａｓ２０Ｚを前記方向ＤＲ１および前記方向ＤＲ２に垂
直な方向ＤＲ３に間隔ｄ３で配置した構造を有する。棒
状のＧａＡｓ２０Ｘ，２０Ｙ，２０Ｚは、辺の長さがｄ
１，ｄ２の長方形の断面形状を有し、長手方向の長さは
ｄ４である。その結果、フォトニック結晶体１は、前記
方向ＤＲ１に幅ｄ１のＧａＡｓ２０Ｘと幅ｄ１の空気の
領域２１Ｘとを交互、且つ、周期的に配列し、前記方向
ＤＲ２に幅ｄ１のＧａＡｓ２０Ｙと幅ｄ３の空気の領域
２１Ｙとを交互、且つ、周期的に配列し、前記方向ＤＲ
３に幅ｄ１のＧａＡｓ２０Ｚと幅ｄ３の空気の領域２１
Ｚとを交互、且つ、周期的に配列した構造を有する。な
お、フォトニック結晶体２に入射する光の波長が５〜８
μｍの場合、ｄ１は約1．２μｍであり、ｄ２は約１．
２μｍであり、ｄ３は約２．８μｍであり、ｄ４は約１
００μｍである。

【００３４】また、本発明においては、ｄ１＝ｄ２＝ｄ
３であってもよい。すなわち、フォトニック結晶体２
は、屈折率３．３のＧａＡｓと屈折率１．０の空気の領
域とが２次元的もしくは３次元的に交互、且つ、周期的
に配列された構造を有する。そして、配列の周期は、前
記ＤＲ１方向には４ｄ２であり、前記ＤＲ２およびＤＲ
３方向にはｄ１＋ｄ３である。そして、ｄ１＝ｄ２＝ｄ
３の場合、周期は前記ＤＲ１，ＤＲ２，ＤＲ３において
２ｄ１である。

【００３５】１つのＧａＡｓ２０Ｘと、それに隣接する
空気の領域２１Ｘとでフォトニック結晶体２における１
周期を構成するが、この１周期は、フォトニック結晶体
２に入射する光の波長に基づいて決定される。従って、
１周期がｄ１＋ｄ３である場合、入射する光の波長は、
５〜１０μｍである。

【００３６】また、フォトニック結晶体２は、棒状のＧ
ａＡｓと空気の領域とを交互、且つ、周期的に配列して
成る層を、それに隣接する層間において棒状のＧａＡｓ
の長手方向が直交するように、基板１３と垂直な方向Ｄ
Ｒ１に積層した構造を有するものとして把握することも
できる。そして、基板に垂直な方向ＤＲ１における積層
数は５〜８である。

【００３７】フォトニック結晶体２においては、棒状の
ＧａＡｓの長手方向が基板１３に並行な１つの方向ＤＲ
３を向いている２つの層１４，１５間においてＧａＡｓ
の配置位置が前記方向ＤＲ３に垂直な方向ＤＲ２に半周
期ずれ、棒状のＧａＡｓの長手方向が前記方向ＤＲ３に
垂直な方向ＤＲ２を向いている２つの層１６，１７間に
おいてＧａＡｓの配置位置が前記方向ＤＲ３に半周期ず
れている。すなわち、フォトニック結晶体２は、ダイヤ
モンド構造を有する。

【００３８】図３を参照して、図２に示す構造を有する
フォトニック結晶体２のフォトニックバンドについて説
明する。横軸はｋベクトルであり、縦軸はエネルギー準
位と考えられる。フォトニックバンドにおいては、エネ
ルギー的に下位のバンド２７と上位のバンド２８とが存
在し、下位のバンド２７の最上位置と、上位のバンド２
８の最下位の位置との差がフォトニックバンドギャップ
Ｅｐｈｇである。そして、フォトニックバンドギャップ
Ｅｐｈｇの大きさは波数（横軸のｋの値）によって異な
る。フォトニック結晶体２は、屈折率３．３のＧａＡｓ
と屈折率１．０の空気とで構成されるため、下位のバン
ド２７と上位のバンド２８との間に開きがあるが、フォ
トニックバンドにおいて下位のバンドと上位のバンドと
の間に開きを生じさせるためには、２．０以上の屈折率
比がある２つの物質でフォトニック結晶体２を構成する
ことが必要である。また、図３に示すようなフォトニッ
クバンドが現れるためには、図２に示したＧａＡｓと空
気の領域とを交互、且つ、周期的に配列した層を少なく
とも５層以上積層することが必要である。

【００３９】フォトニックバンドギャップＥｐｈｇ内に
は準位は存在せず、フォトニックバンドギャップＥｐｈ
ｇのエネルギーに相当するエネルギーを有する光はフォ
トニック結晶体２を透過することができない。

【００４０】フォトニック結晶体２は、図２に示すよう
な周期構造を有する結果、フォトニック結晶体２に入射
した光は屈折率の異なる２つの物質の界面で反射され、
その反射光と入射光とが相互に干渉することにより屈折
率の大きい物質中に光を局在化させる。つまり、フォト
ニック結晶は、屈折率を周期的に変化させることによ
り、入射した光を屈折率の大きい物質中に局在化させ、
光が伝搬する準位を形成するものである。その結果、図
３に示すフォトニックバンドが構成される。

【００４１】フォトニック結晶体では、フォトニックバ
ンドギャップＥｐｈｇより小さいエネルギーを有する光
が入射しても、その光はフォトニック結晶体を透過しな
い。フォトニック結晶体においては、計算されたフォト
ニックバンドにおいて準位の存在するエネルギーに相当
するエネルギーを有する光のみを透過する。すなわち、
図３に示すフォトニックバンドは、入射した光がフォト
ニック結晶体を伝搬する光路のようなものである。この
点が類似のバンド構造を有する結晶性半導体と異なる点
である。

【００４２】図３に示すようなフォトニックバンドを有
するフォトニック結晶体２においては、フェムト秒オー
ダーの極短パルス幅を有する１つのパルス成分から成る
パルス光ＰＨ１を、複数のパルス成分から成るパルス光
ＰＨ２に変換することが期待される。そこで、透過方向
に対するミュアーの吸収境界条件および伝搬方向に対す
る周期境界条件を設定した３次元ＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔ
ｅＤｉｆｆｅｒｅｎｃｅＴｉｍｅＤｏｍａｉｎ）
法により３次元フォトニック結晶における極短パルス光
の透過の振る舞いを解析した。中心周波数ｆ、パルス幅
２００ｆｓのガウシャン分布を有するパルス光が３次元
フォトニック結晶を透過すると仮定し、中心周波数ｆ
を、＜Γ−Ｘ’＞方向におけるフォトニックバンドギャ
ップより下の準位からフォトニックバンドギャップの上
の準位まで変化させた。また、入射光はフォトニック結
晶を構成する物質と何ら干渉しないと仮定した。その結
果、図４に示すような計算結果が得られた。図４におい
て、横軸は時間を示し、縦軸はパルス光の強度を示す。
フォトニックバンドギャップより上の周波数を有するパ
ルス光の形状は、その周波数に依存して劇的に変化す
る。これは、フォトニックバンドギャップより上のバン
ドの分散関係が非常にユニークであり、図３に示すよう
に複雑であるからである。一方、フォトニックバンドギ
ャップより長い波長を有するパルス光は、フォトニック
結晶を透過した後、その形状は殆ど変化しない。これ
は、低いバンドの群速度の分散関係は単純であり、電磁
波の透過に対して殆ど影響しないためである。

【００４３】周波数ｆ＝０．８のパルス光に対しては、
テラ（Ｔ）Ｈｚの周波数を有するパルス列が観測され得
る。パルス列のフーリエ成分は、数学的にテラ（Ｔ）Ｈ
ｚの周期を有するスペクトルの変調として表現可能であ
る。このことは、結晶における多重反射の結果でもな
く、結晶の全ての層からの反射の結果によるものでもな
い。これは、周波数０．８のパルス光だけに観測される
ことである。

【００４４】そこで、上記の理論予測に基づいて、中赤
外周波数領域での３次元フォトニック結晶における極短
パルス光の透過について実験を行った。光源は、モード
同期型のチタン・サファイアレーザにより発生した光を
再生増幅光パラメトリック増幅差周波発生により得られ
たフェムト秒パルス光である。

【００４５】実験に用いた光学系を図５に示す。出射さ
れたパルス光は、ＺｎＳｅビームスプリッタ３２により
２つのビームに分割され、１つのビームは周波数ｆ₁の
チョッパ３５でチョップされた後、反射ミラー３６，３
７を介してフォトニック結晶３８を通過する。そして、
もう１つのビームは、周波数ｆ₀のチョッパ３３でチョ
ップされた後、反射ミラー３４を介してＭａｃｈ−Ｚｅ
ｈｎｄｅｒ干渉計３９に入射し、この干渉計３９により
フォトニック結晶３８を通過した光と合成される。合成
された２つのビームは、ＨｇＣｄＴｅ検出器４０で検出
される。反射ミラー３６，３７は、チョッパ３５を通過
したビームがフォトニック結晶３７に入射するようにコ
ンピュータ４２によりその角度が制御され、チョッパ３
３，３５はロックインアンプ４１により同期がとられて
いる。

【００４６】図６は、図５に示す光学系を用いた実験結
果を示しており、図６においては、縦軸がパルス光の強
度、横軸が遅延時間であり、曲線ｋ１が実験結果、曲線
ｋ２が計算結果である。定性的には実験結果は計算結果
と良い一致を示す。Γ−Ｘ’方向における上位のバンド
端のバンド構造は平坦であり、そのような領域において
は、電磁波の速度、つまり、群速度は非常に小さく、ダ
イナミックに変化する。極短パルス光は、非常に広いス
ペクトル（中心周波数０．８に対して周波数の変動幅が
０．０８）を持つので、上位のバンド端（周波数０．８
に相当）に適合する周波数を有するパルスは、いくつか
の上位バンドを活性化する。その結果、周波数０．８の
極短パルスは結晶中のいくつかのモードに沿って透過
し、モード間の干渉によって出力パルスは発振的な振る
舞いを示す。そして、出力パルスは、約３００ｆｓのパ
ルス幅を有する。一方、周波数０．９４のパルスはフォ
トニック結晶中の１つのバンドだけを活性化するため、
フォトニック結晶を通過した後の光は発振的な振る舞い
を示さない。

【００４７】すなわち、図２に示す結晶構造において、
基板２２に垂直な方向ＤＲ１から光が入射すると、図３
に示すフォトニックバンドにおいて、Γ−Ｘ’領域３０
のバンドに光が入射する。そして、光源１から出射され
るパルス幅２００ｆｓのパルス光ＰＨ１は、分布幅０．
０８の周波数０．８を有するので、領域２９で示される
広いエネルギー分布を有する。つまり、パルス光ＰＨ１
はフォトニックバンドの上位のバンドにエネルギー分布
を有する。その結果、パルス光ＰＨ１の各エネルギー値
を持った成分は、Γ−Ｘ’領域３０に存在する複数のバ
ンド３１のうち、エネルギー準位的に適合したバンドを
活性化し、その活性化したバンドに沿ってフォトニック
結晶体２を伝搬する。

【００４８】その結果、エネルギー的に高い準位に存在
するバンドを伝搬する光は速く伝搬し、エネルギー的に
低い準位に存在するバンドを伝搬する光は遅く伝搬する
ため、位相差を有する複数の光が生成され、その位相差
を有する複数の光が相互に干渉する結果、複数のパルス
成分から成るパルス光ＰＨ２がフォトニック結晶体２か
ら出射される。そして、パルス光ＰＨ２のパルス幅は、
エネルギー分布を有する入射光ＰＨ１の各成分がどの程
度の位相差を有する光として相互に干渉するか、つま
り、フォトニックバンドのうち、どのバンドに沿ってフ
ォトニック結晶体２を伝搬するかによって決定される。
そして、位相差が大きい場合はパルス幅の広いパルス光
ＰＨ２がフォトニック結晶体２から出射され、位相差が
小さい場合はパルス幅の狭いパルス光ＰＨ２がフォトニ
ック結晶体２から出射される。

【００４９】従って、パルス光生成装置１０は、２００
ｆｓの極短パルス幅を有する単一のパルス成分から成る
パルス光ＰＨ１をフォトニック結晶体２のΓ−Ｘ’方向
から入射させることにより約３００ｆｓのパルス幅を有
する複数のパルス成分から成るパルス光ＰＨ２に変換す
ることができる。また、フォトニック結晶体２の寸法は
非常に小さいので、小さい光学系により所望のパルス幅
を有するパルス光を発生させることができる。

【００５０】［フォトニック結晶体の作製］図７および
図８を参照して、フォトニック結晶体２の作製方法につ
いて説明する。ＧａＡｓウェハから成る基板２２上にＧ
ａＡｓ４３を結晶成長させる（図７の（ａ）参照）。こ
の場合、ＧａＡｓ４３の膜厚はフォトニック結晶体２の
基板２２に垂直な方向ＤＲ１におけるＧａＡｓ２０Ｘ，
２０Ｙ，２０Ｚの長さｄ２に相当する膜厚であり、結晶
成長の方法は、液相成長法（ＬＰＥ：ＬｉｑｕｉｄＰｈ
ａｓｅＥｐｉｔａｘｙ）、分子線結晶成長法（ＭＢ
Ｅ：ＭｏｌｅｃｕｌａｒＢｅａｍＥｐｉｔａｘｙ）
等の一般的な方法である。ＧａＡｓを結晶成長させた
後、電子ビームＥＢを矢印４４の方向にスキャンさせて
膜状のＧａＡｓを間隔ｄ３でカッティングし（図７の
（ｂ）参照）、幅ｄ１、および長手方向の長さｄ４を有
する棒状のＧａＡｓ４５，４５，４５，・・・を基板２
２上に作製する（図７の（ｃ）参照）。棒状のＧａＡｓ
４５，４５，４５，・・・を基板２２上に作製したもの
を２個作り、棒状のＧａＡｓ４５，４５，４５，・・・
の長手方向が直交するように棒状のＧａＡｓ４５，４
５，４５，・・・同士を重ねる（図８の（ｄ）参照）。
この場合、棒状のＧａＡｓ４５，４５，４５，・・・の
表面は洗浄されており、未結合手が存在するため、棒状
のＧａＡｓ４５，４５，４５，・・・と棒状のＧａＡｓ
４５，４５，４５，・・・とを接触させるだけＧａＡｓ
同士は結合する。その後、上側の基板を半導体プロセス
におけるウエットエッチングにより取除く（図８の
（ｅ）参照）。

【００５１】図７の（ａ）〜図８の（ｅ）までの工程を
繰り返すことによって、図２に示すように棒状のＧａＡ
ｓと空気とから成る層を基板２２に垂直な方向ＤＲ１に
積層したフォトニック結晶体２が作製される。

【００５２】図９を参照して、棒状のＧａＡｓの各層に
おける配置について説明する。基板２２上に第１層２３
の棒状のＧａＡｓが形成され、その上に第２層２４の棒
状のＧａＡｓが第１層２３の棒状のＧａＡｓと直交する
ように形成される。そして、第３層２５の棒状のＧａＡ
ｓは、第１層２３の棒状のＧａＡｓと同じ方向に配置さ
れるが、第３層２５の棒状のＧａＡｓの配置位置は、第
１層２３の棒状のＧａＡｓの配置位置から半周期ずれた
位置である。第４層２６の棒状のＧａＡｓは第２層２４
の棒状のＧａＡｓと同じ方向に配置されるが、第４層２
６の棒状のＧａＡｓの配置位置は、第２層２４の棒状の
ＧａＡｓの配置位置から半周期ずれた位置である。すな
わち、フォトニック結晶体２は、棒状のＧａＡｓを面心
立方格子になるように配置することによって作製され
る。従って、フォトニック結晶体２の作製においては、
第１層２３と第３層２５との位置合わせ、および第２層
２４と第４層２６との位置合わせが重要である。この位
置合わせは、第３層２５の棒状のＧａＡｓを第２層２４
上に載せた後、レーザ光を照射して観測される回折スポ
ットのうち、±１次光の回折光強度が最小になるように
行う。これにより面心立方格子構造のフォトニック結晶
体２を正確に作製できる。

【００５３】［パルス光生成装置の応用例］図１に示す
パルス光生成装置１０を用いると、単一のパルス成分か
ら成るパルス光から３００ｆｓ程度のパルス幅を有する
パルス光を発生させることができるが、このパルス光を
図１０に示す２つの準位間を移動して生成物が得られる
反応系に照射すると、新しい生成物を生成できることが
できる。すなわち、下位の準位４６から上位の準位４７
へ励起されて再び下位の準位４６へ遷移することにより
反応が進行する反応系においては、通常は、下位の準位
４６のエネルギー状態Ａから光により上位の準位４７の
エネルギー状態Ｂに励起され、上位の準位４７において
エネルギー状態Ｅに移行した後に下位のエネルギー状態
Ｆに遷移することにより反応が進行する。

【００５４】この反応系にパルス光生成装置１０により
生成されたパルス光ＰＨ２を照射すると、最初のパルス
成分により下位の準位４６のエネルギー状態Ａから上位
の準位４７のエネルギー状態Ｂに励起され、エネルギー
状態Ｂからの遷移時間が約３００ｆｓに相当するエネル
ギー状態Ｃに到達した時点で２つ目のパルス成分を照射
すると、照射されたパルス光はエネルギー状態Ｃとエネ
ルギー状態Ｄとのエネルギー差に相当するエネルギーを
有するため上位の準位４７のエネルギー状態Ｃから下位
の準位４６のエネルギー状態Ｄへの遷移が促進される。
これは、半導体レーザが発振する際に、半導体にバンド
ギャップに相当するエネルギーを有する光を照射すると
導電帯に励起された電子が照射された光に誘導されて価
電子帯への遷移が促進されて半導体のバンドギャップに
相当するエネルギーの光を放出する誘導放出に類似の現
象である。その結果、エネルギー状態Ｆとは異なるエネ
ルギー状態Ｄで反応を終了させることができ、従来とは
異なる新規な生成物を得ることができる。

【００５５】実施の形態１によれば、パルス光生成装置
１０は、パルス幅２００ｆｓの単一のパルス成分から成
るパルス光を入射してパルス幅３００ｆｓ程度の複数の
パルス成分から成るパルス光を発生することができる。
また、フォトニック結晶体２の寸法は１００〜２００μ
ｍと小さいので、寸法の小さい光学系により極短パルス
幅を有するパルス光を発生させることができる。

【００５６】［実施の形態２］図１１は、この発明によ
る実施の形態２を示し、この実施の形態２によるパルス
光生成装置５０は、図１に示すパルス光生成装置１０に
回転手段５００を追加したものである。回転手段５００
は、軸４と、回転体５と、コイル５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５
Ｄ（図１２参照）と、磁石６Ａ，６Ｂ，６Ｃ，６Ｄ（図
１２参照）とから成る。軸４はフォトニック結晶体２の
基板２２に垂直に取り付けられている。回転体５は、軸
４の一方端に取り付けられている。

【００５７】図１２を参照して、コイル５Ａ，５Ｂ，５
Ｃ，５Ｄは回転体５の側面に９０度間隔で取り付けられ
ており、磁石６Ａ，６Ｂ，６Ｃ，６Ｄは、それぞれ、コ
イル５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄに対向するように配置され
ている。また、磁石６Ａ，６Ｂ，６Ｃ，６Ｄは、全て同
じ極性の磁石であり、例えばＮ極側がコイル側になるよ
うに設置される。コイル５Ａ，５Ｃに紙面裏側から表側
に向かう電流を流し、コイル５Ｂ，５Ｄに紙面表側から
裏面側に向かう電流を流すと、コイル５Ａ，５Ｃにはロ
ーレンツ力１２０が作用し、コイル５Ｂ，５Ｄにはロー
レンツ力１２１が作用する。そして、ローレンツ力１２
０がローレンツ力１２１と釣り合った位置で回転体５の
回転が停止する。コイル５Ａ，５Ｃに流す電流とコイル
５Ｂ，５Ｄに流す電流とを制御することにより、それぞ
れ、ローレンツ力１２０、およびローレンツ力１２１を
制御することができ、回転体５を矢印７の方向に任意の
角度だけ回転することができる。

【００５８】図１１は、回転体５が矢印７の方向に回転
することにより軸４も矢印７の方向に回転し、軸４に固
定されたフォトニック結晶体２が矢印７の方向に回転す
るパルス光生成装置５０を示す。この図１１において、
光源１から出射されたパルス光ＰＨ１が、面１１０から
フォトニック結晶体２に入射すると、すなわち、図２に
おいて層１６，１７を構成する棒状のＧａＡｓの長手方
向からパルス光ＰＨ１がフォトニック結晶体２に入射す
ると、入射したパルス光ＰＨ１は図３のΓ−Ｋ領域また
はΓ−Ｌ領域のバンドに沿ってフォトニック結晶体２を
伝搬する。また、回転体５を回転させてパルス光ＰＨ１
が面１１１からフォトニック結晶体２に入射すると、す
なわち、図２において層１４，１５を構成する棒状のＧ
ａＡｓの長手方向からパルス光ＰＨ１がフォトニック結
晶体２に入射すると、入射したパルス光ＰＨ１は図３の
Ｋ−Ｘ’領域のバンドに沿ってフォトニック結晶体２を
伝搬する。その結果、Γ−Ｋ領域またはΓ−Ｌ領域のバ
ンドと、Ｋ−Ｘ’領域のバンドとでは、異なるバンド構
造を有するため実施の形態１において説明したのと同じ
機構によりパルス幅の異なるパルス光ＰＨ３，ＰＨ４が
フォトニック結晶体２から出射される。また、パルス光
生成装置５０を用いれば、図１０で説明した反応経路を
変えることによる新規物質の生成を幅広く行うことがで
きる。

【００５９】従って、実施の形態２によれば、パルス光
生成装置５０は、フォトニック結晶体２に入射するパル
ス光ＰＨ１の方向に基づいて決定されるパルス幅を有す
るパルス光ＰＨ３，ＰＨ４を発生させることができる。

【００６０】また、フォトニック結晶体２のサイズは小
さいので、任意のパルス幅を有するパルス光を小さい寸
法の光学系によって実現できる。

【００６１】［実施の形態３］図１３は、この発明によ
る実施の形態３を示し、この実施の形態３によるパルス
光生成装置７０は、図１１に示すパルス光生成装置５０
に移動手段６０を追加したものである。移動手段６０
は、ガイド６１と、歯車６３（図１４参照）と、モータ
（図示せず）とを含む。移動手段６０は、フォトニック
結晶体２の基板２２に垂直、且つ、光源１から出射され
るパルス光ＰＨ１の光軸Ｌ０に並行な平面（方向ＤＲ１
と方向ＤＲ２とで形成される平面）内においてガイド６
１に沿って光源１を移動させるものである。

【００６２】図１４を参照して、ガイド６１は、光源１
とフォトニック結晶体２との距離Ｒを半径とする円周１
４０に沿って配置されており、歯車６３と噛み合う凹凸
６１０を有する。モータが歯車６３をガイド６１に沿っ
て矢印６４の方向に回転させると歯車６３と接続された
光源１は、矢印６２の方向に移動し、光源１とフォトニ
ック結晶体２との相対位置が変化する。

【００６３】移動手段６０が光源１を位置Ｐ１から位置
Ｐ２に移動させると、光源１から出射されたパルス光Ｐ
Ｈ１は、面１１２からフォトニック結晶体２に入射す
る。位置Ｐ２は、位置Ｐ１における光源１とフォトニッ
ク結晶体２とを結ぶ線に対して４５度の角度を成す線上
に存在するため、移動手段６０は、フォトニック結晶体
２を中心として光源１を位置Ｐ１から矢印６２の方向に
中心角が４５度になるように移動させれば、パルス光Ｐ
Ｈ１が面１１２から４５度の角度を成してフォトニック
結晶体２に入射する。

【００６４】パルス光ＰＨ１が４５度の角度を成して面
１１２からフォトニック結晶体２に入射することは、図
２において、層１４を構成する棒状のＧａＡｓと、層１
５を構成する半周期ずれた棒状のＧａＡｓとを結ぶ方向
からフォトニック結晶体２に入射することに相当し、図
３のＸ−Ｋ領域のバンドを伝搬する。従って、フォトニ
ック結晶体２からは実施の形態１，２におけるパルス光
ＰＨ２，３，４とは異なるパルス幅を有するパルス光Ｐ
Ｈ５が出射される。この場合、光源１からのパルス光Ｐ
Ｈ１がフォトニック結晶体２に入射する方向が変わって
も、パルス光ＰＨ５が対象物３の方向へ出射されるよう
にできる。

【００６５】位置Ｐ３は位置Ｐ２に対して対称の位置で
あるため、光源１を位置Ｐ３に移動させることは、光源
１を位置Ｐ２に移動させることと同じである。

【００６６】移動手段６０は、上述した距離（角度）に
限らず、任意の距離（角度）だけ光源１を移動させるこ
とができる。また、移動手段６０により光源１を回転さ
せつつ回転手段５００によりフォトニック結晶体２を回
転させれば、面１１０，１１１に入射するパルス光ＰＨ
１の角度も変化させることができる。その結果、さらに
異なったバンドに沿ってパルス光ＰＨ１を伝搬させるこ
とができ、パルス光生成装置７０は、異なったパルス幅
を有する多くのパルス光を発生させることができる。

【００６７】また、パルス光生成装置７０を用いれば、
図１０で説明した反応経路を変えることによる新規物質
の生成をさらに幅広く行うことができる。

【００６８】移動手段６０の代わりに、フォトニック結
晶体２を方向ＤＲ１と方向ＤＲ２とで構成される平面内
で回転させる回転手段を用いても、パルス光生成装置７
０を作製することができる。

【００６９】実施の形態３によれば、フォトニック結晶
体２を回転させる平面（方向ＤＲ２と方向ＤＲ３とによ
り形成される平面）と垂直な平面内で光源１を移動させ
ることによりフォトニック結晶体２に入射するパルス光
ＰＨ１の方向をさらに変化させることができ、パルス光
生成装置７０は、パルス幅の異なるパルス光を発生させ
ることができる。

【００７０】実施の形態１，２，３においては、ＧａＡ
ｓと空気の領域とから構成されるフォトニック結晶体に
ついて説明したが、本発明は、これに限らず、ＧａＡｓ
と空気以外の物質から構成されるフォトニック結晶体を
用いてもパルス光生成装置１０，５０，７０を作製でき
る。ＧａＡｓと空気以外の物質からフォトニック結晶体
を構成する例としては、シリコン（Ｓｉ）と二酸化珪素
（ＳｉＯ₂）とから構成したフォトニック結晶体が考え
られる。Ｓｉの屈折率は３．３、ＳｉＯ₂の屈折率は
１．５であり、ＳｉとＳｉＯ₂との屈折率比は２．２
と、フォトニック結晶体においてフォトニックバンドが
開くに十分な屈折率比２．０より大きいので、ＳｉとＳ
ｉＯ₂とから構成したフォトニック結晶体のフォトニッ
クバンドにおいてフォトニックバンドギャップは十分に
開く。ＳｉとＳｉＯ₂とから成るフォトニック結晶体
は、結晶成長させたＳｉ基板中に酸素をイオン注入等に
より導入してＳｉを部分的に酸化させることにより２次
元または３次元的に作製することができる。

【００７１】また、ＧａＡｓの代わりに金属、有機ポリ
マー、およびエルビウム，鉄等の希土類金属を導入した
ガラスまたはプラスチックを用いてもフォトニック結晶
体を作製することができる。

【００７２】実施の形態１，２，３においては、１つの
波長を有するパルス光ＰＨ１からパルス光ＰＨ２，３，
４，５を生成する場合について説明したが、本発明は、
フォトニック結晶体２に入射するパルス光ＰＨ１の波長
を変えることによってパルス幅の異なるパルス光を発生
させることも含む。パルス光ＰＨ１の波長を変える１つ
の方法は、光源１を構成するチタン・サファイアレーザ
は波長６００〜１１００ｎｍの範囲の光を出射するの
で、レーザ発振の条件を変えることによりチタン・サフ
ァイアレーザから出射されるレーザの波長を変えること
である。これにより波長の異なるパルス光ＰＨ１をフォ
トニック結晶体２に入射させることができる。フォトニ
ック結晶体２に入射するパルス光ＰＨ１の波長が変われ
ば、フォトニック結晶体２への入射光のエネルギーが変
わり、フォトニック結晶体２中を伝搬するバンドが異な
る。その結果、上述した機構によりパルス幅の異なるパ
ルス光がフォトニック結晶体２から出射される。

【００７３】今回開示された実施の形態はすべての点で
例示であって制限的なものではないと考えられるべきで
ある。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求
の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味お
よび範囲内でのすべての変更が含まれることが意図され
る。

【００７４】

【発明の効果】本発明によるパルス光生成装置は、短パ
ルス幅を有する単一のパルス成分から成る第１のパルス
光を出射する光源と、光源から出射された第１のパルス
光を入射し、複数のパルス成分から成る第２のパルス光
を出射するフォトニック結晶体とを含み、第１のパルス
光は、フォトニック結晶体のフォトニックバンドの上位
バンドにエネルギー分布を有し、第２のパルス光は、第
１のパルス光の波長、もしくは第１のパルス光がフォト
ニック結晶体に入射する方向に基づいて決定されるパル
ス幅を有するので、単一のパルス成分を有するパルス光
から所望のパルス幅を有するパルス光を生成することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１によるパルス光生成装
置の斜視図である。

【図２】フォトニック結晶体の斜視図である。

【図３】フォトニック結晶体のフォトニックバンド図
である。

【図４】フォトニック結晶体におけるパルス透過のＦ
ＤＴＤ計算の計算結果である。

【図５】フォトニック結晶体におけるパルス透過の実
験を行う光学系を示す構成図である。

【図６】フォトニック結晶体におけるパルス透過のＦ
ＤＴＤ計算の計算結果と実験結果である。

【図７】フォトニック結晶体の作製方法を示す工程図
である。

【図８】フォトニック結晶体の作製方法を示す工程図
である。

【図９】フォトニック結晶体における各層の位置合わ
せを説明するための斜視図である。

【図１０】エネルギー状態図である。

【図１１】本発明の実施の形態２によるパルス光生成
装置の斜視図である。

【図１２】図１１の回転手段を説明するための平面図
である。

【図１３】本発明の実施の形態３によるパルス光生成
装置の斜視図である。

【図１４】図１３の移動手段を説明するための平面図
である。

【符号の説明】

１光源、２フォトニック結晶体、３対象物、４
軸、５回転体、５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄコイル、６
Ａ，６Ｂ，６Ｃ，６Ｄ磁石、７矢印、１０，５０，
７０パルス光生成装置、１４，１５，１６，１７
層、２０Ｘ，２０Ｙ，２０ＺＧａＡｓ、２１Ｘ，２１
Ｙ，２１Ｚ空気、２２基板、２３第１層、２４
第２層、２５第３層、２６第４層、２７，２８，３
１フォトニックバンド、２９エネルギー分布帯、３
０領域、３２ビームスプリッタ、３３，３５チョ
ッパ、３４，３６，３７反射ミラー、３８フォトニ
ック結晶、３９Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ干渉計、４
０ＨｇＣｄＴｅ検出器、４１ロックインアンプ、４
２コンピュータ、４３ＧａＡｓ膜、４４矢印、４
５棒状ＧａＡｓ、４６，４７準位、６０移動手
段、６１ガイド、６２，６４矢印、６３歯車、１
１０，１１１，１１２面、１２０，１２１ローレン
ツ力、１４０円周、５００回転手段、６１０凹
凸。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｓ 3/10 Ｇ０２Ｂ 6/12 ＺＮ (72)発明者野田進京都市左京区吉田本町京都大学工学研究科内 (72)発明者チュティナンアロンカーン京都市左京区吉田本町京都大学工学研究科内 (72)発明者浅野卓京都市左京区吉田本町京都大学工学研究科内 (72)発明者山本宗継京都市左京区吉田本町京都大学工学研究科内Ｆターム(参考） 2G065 AB02 AB14 BA02 BB37 BC04 DA05 2H041 AA21 AB14 AC04 AZ05 AZ08 2H047 KA03 QA02 RA00 5F072 AB20 FF09 KK30 QQ03 RR01 SS08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】短パルス幅を有する単一のパルス成分か
ら成る第１のパルス光を出射する光源と、前記光源から出射された前記第１のパルス光を入射し、
複数のパルス成分から成る第２のパルス光を出射するフ
ォトニック結晶体とを含み、前記第１のパルス光は、前記フォトニック結晶体のフォ
トニックバンドの上位バンドにエネルギー分布を有し、前記第２のパルス光は、前記第１のパルス光の波長、も
しくは前記第１のパルス光が前記フォトニック結晶体に
入射する方向に基づいて決定されるパルス幅を有する、
パルス光生成装置。
【請求項２】前記フォトニック結晶体は、第１の屈折率を有する第１の物質と、前記第１の屈折率より大きい第２の屈折率を有する第２
の物質とを２次元的もしくは３次元的に交互、且つ、周
期的に配列して成る、請求項１に記載のパルス光生成装
置。
【請求項３】前記第２の物質は棒状形状から成り、前記フォトニック結晶体は、第１の方向に前記第１およ
び第２の物質を交互、且つ、周期的に配列して成る第１
の層と、前記第１の方向と同一平面内における前記第１の方向に
垂直な第２の方向に前記第１および第２の物質を交互、
且つ、周期的に配列して成る第２の層とを前記第１およ
び第２の方向に垂直な第３の方向に交互に積層して成
り、前記第１の層における前記棒状形状の長手方向は前記第
２の方向であり、前記第２の層における前記棒状形状の
長手方向は前記第１の方向である、請求項２に記載のパ
ルス光生成装置。
【請求項４】前記第１の物質は空気であり、前記第２の物質はＧａＡｓである、請求項３に記載のパ
ルス光生成装置。
【請求項５】前記フォトニック結晶体に対する前記第
１のパルス光の入射方向を変更する変更手段をさらに含
む、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のパル
ス光生成装置。
【請求項６】前記変更手段は、前記フォトニック結晶
体に含まれる基板に垂直な軸の回りに前記フォトニック
結晶体を回転させる回転手段から成る、請求項５に記載
のパルス光生成装置。
【請求項７】前記変更手段は、前記フォトニック結晶
体に含まれる基板に垂直な軸の回りに前記フォトニック
結晶体を回転させる回転手段と、前記基板に垂直、且つ、前記第１のパルス光の光軸に並
行な平面内において前記フォトニック結晶体を中心にし
た円周に沿って前記光源を移動させる移動手段とから成
る、請求項５に記載のパルス光生成装置。