JP2003515958A - 導波路レーザー装置 - Google Patents

導波路レーザー装置

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JP2003515958A JP2001542428A JP2001542428A JP2003515958A JP 2003515958 A JP2003515958 A JP 2003515958A JP 2001542428 A JP2001542428 A JP 2001542428A JP 2001542428 A JP2001542428 A JP 2001542428A JP 2003515958 A JP2003515958 A JP 2003515958A
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Abstract

(57)【要約】 連続波レーザー装置（４０）は、基板上にマイクロ加工されたラマンレーザー材料の回旋状の経路すなわちファイバー（４３）を備えており、レーザー材料ファイバーは保護クラッディング（３０）により被覆されている。直径１ｃｍの基板はその上に数十メートルのファイバーが製作され、レーザー材料については好適な選択肢があり、例えば、ダイアモンドは数千ワットのレーザーパワーを出力することができる。見込まれる１つの可能な用途としては、例えば、飛び出すテレビシステム用の多重色レーザーダイオードがある。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザーと、レーザーを備えている装置およびレーザーを備えている
光学系に関するものである。本発明は特に、連続波ラマンレーザーのような連続
波レーザーに関連しているが、これに限定されない。
【０００２】
【従来の技術】
適切な波長の光で大型のレーザー単結晶をポンピングすることによりレーザー
光を発生させることは周知である。固体ラマンレーザーは、これもラマンレーザ
ー材料である大型単結晶を利用することで周知である。数キロメートル長の繊維
になるとラマンレーザー光を発生させる（光学的にポンピングされれば）ガラス
から構成された光ファイバーの企図も周知である。
【０００３】
【発明が解決するべき課題】
本発明の目的は、従来とは別なレーザー装置を提供することである。
【０００４】
【課題を解決する手段】
第１の局面によれば、本発明は、レーザー材料から製作されたファイバーまた
は導波路を保有している基板を備えたレーザー装置をその一例とする。 従って、レーザー材料の大型単結晶は必要ではなく、レーザー材料からなるフ
ァイバーが基板上に製作される。ファイバーは基板上の本来あるべき場所に製作
される。
【０００５】 レーザー材料は基板上に堆積され、或いは、基板に接着されるのが好ましい。
レーザー材料のファイバーまたは導波路は２次元層から機械加工されるのが好ま
しい。ファイバーまたは導波路は曲折形状の経路を有しているのが好ましい。基
板の比較的小さい面積上に比較的長いファイバーが存在しているのが好ましい。
ファイバーまたは導波路は曲がりくねった経路を規定し、少なくともその一部が
実質的に共平面に存在しているのが好ましい。この結果としてファイバーの配列
からなる大きな表面領域が生じ、これにより良好な熱抜きが可能となる。基板は
平面を占有する平坦面を有しており、ファイバーまたは導波路が実質的にこの平
面附近の、または、この平面上の面に存在しているのが好ましい。ファイバーま
たは導波路は、実質的に同一経路を辿りはするが間隔を置いて離れている複数の
線区分を有しているのが好ましい。これらの線区分は実質的に真直ぐな線として
延びていてもよいし、或いは、略螺旋状、円形、または、弓状の経路で延びてい
てもよい。ファイバーまたは導波路は線の配列を形成していてもよい。ファイバ
ーまたは導波路は約１メートルの長さを有していてもよいし、それよりも長くて
もよい。
【０００６】 レーザー装置は基板とファイバーまたは導波路とを備えている本体部を有して
いるのが好ましく、本体部はその実質的な表面領域の外表面が冷却されるような
構成となっており、ファイバーまたは導波路の少なくとも幾つかの部分は、使用
中に効果的に冷却されるのに十分なだけ該表面に近い位置にある。装置は、表面
を冷却するために設けられた冷却手段を有していてもよい。表面は実質的に平坦
であってもよいし、或いは、湾曲していてもよい。本体部は、互いに間隔を設け
て概ね平行な表面を有していてもよく、この時、ファイバーまたは導波路は両表
面の間に設けられる。装置はプレート状の本体部を備えていてもよい。 装置は約100ミクロンまたはそれより短い直径を有しているファイバーまたは
導波路を有しているようにしてもよく、１ミクロンから10ミクロンの間のような
約数ミクロンの直径であるのが好ましく、約５ミクロンであるのが最も好ましい
。
【０００７】 ファイバーまたは導波路の、その長さに沿った異なる幾つかの点に位置する部
分は互いに隣接して配置されており、各々の間には約数ミクロンの間隔か、約数
十ミクロンの間隔か、或いは、約数百ミクロンの間隔を設けるのが好ましい。線
部分は約数ミクロン（またはそれ以下）の距離か、約数十ミクロンの距離か、或
いは、約数百ミクロンの距離か、または、それより長い距離だけ互いに間隔を設
けられていてもよい。 装置は、本来あるべき場所または基板上に設けられた組込みダイオードを備え
ていてもよい。ダイオードは、そのレーザー光をファイバーまたは導波路に出力
するようにされた固体レーザーダイオードであってもよい。ダイオードは半導体
レーザーを備えていてもよい。 レーザー材料はラマンレーザー材料か、または、半導体レーザー材料から構成
されていてもよい。レーザー材料層中またはファイバー中には、２種以上のレー
ザー材料（例えばラマンレーザー材料）が存在していてもよい。代替例として、
或いは、上記内容に加えて、第１の組成のファイバーがこれとは異なる第２の組
成のファイバーと結合されてもよい。これは、使用中に生成されるラマン線の数
を増大させることができる。
【０００８】 ファイバーまたは導波路上に保護被膜、クラッディング、または被覆物が延在
しているのが好ましい。保護被膜はガラスまたはポリマーであるのが好ましい。
基板もガラスであってもよい。保護被膜はレーザー材料とは異なる屈折率を有し
ている。保護被膜または被覆物は基板と同一材料から作成されていてもよいし、
或いは、装置の動作の波長で基板の屈折率と実質的に類似する屈折率を有してい
てもよい。ファイバーまたは導波路の屈折率と、クラッディングの屈折率とは約
0.1かそれ以上（または、それ以下）の差がある場合もあれば、約0.01かそれ以
上（または、それ以下）の差がある場合もあれば、約0.001かそれ以上（または
、それ以下）の差がある場合もある。 装置は３次元本体部を備えていてもよい。ファイバーまたは導波路は、本体部
の少なくとも幾らかの外表面の上、その内部、または、その近辺に設けられても
よいし、或いは、該外表面の少なくとも幾らかの部分を辿るようにしてもよい。 装置は複数の本体部を備えており、各々の本体部は基板中または基板上にファ
イバーまたは導波路が形成されているようにしてもよいが、この場合、本体部の
ファイバーまたは導波路は動作可能に連結されている。
【０００９】 装置は、第１のレーザー材料が第１の種類から構成されている場合には第１本
体部または第１領域を有しており、レーザー材料がこれとは異なる第２の種類か
ら構成されている場合には第２本体部または第２領域を有しているようにするこ
ともできる。 装置はポンピングレーザーを有していてもよい。装置は、光が入るファイバー
の領域においてはファイバーの細長い方向に概ね平行の方向に、或いは、光がフ
ァイバーまたは導波路に出会う位置においてはファイバーまたは導波路の細長い
方向を横断する方向に（例えば、実質的に垂直な方向に）、ファイバーまたは導
波路の細長い長さに出会う光によりポンピングされるように設計されていてもよ
く、または、配列の平面を横断する方向でファイバーまたは導波路の平坦な配列
に出会う光によりポンピングされるようになっていてもよいし、或いは、概ね配
列の平面内でファイバーまたは導波路の平坦な配列に出会う光によりポンピング
されるように設計されていてもよい。 装置は入力レンズおよび／または出力レンズを有していてもよい。装置は連続
波レーザー装置であるのが好ましいが、パルス式レーザー装置であってもよい。
【００１０】 第２の局面によると、本発明は、基板上または基板内にレーザー材料の細長い
ファイバーまたは導波路を形成する工程を含んでいるレーザー装置の製造方法を
一例としている。 従って、レーザー材料の長い光ファイバーまたは結晶に延伸加工を施す代わり
に、ファイバーが基板により支持された状態で形成されるように図っている。
【００１１】 ファイバーまたは導波路は、細長いファイバーまたは導波路として直接基板上
に堆積されればよい。代替例として、ファイバーまたは導波路は、レーザー材料
の領域をレーザー材料の層から除去することにより、このレーザー材料の層から
製作するようにしてもよい。従って、本発明の一部を考察する１つの方法は、レ
ーザー材料の実質的に２次元シートまたは２次元層から実質的に１次元のファイ
バーを形成することである。 この方法は、レーザー材料の層を基板に接着する工程を含んでいてもよい。層
は、その厚さが、研磨加工のような厚さを減じる作業により低減されてもよい。
スパッタリング、イオンプランティング、エピタキシャル堆積技術（例えば、気
相または液相）、または、前述以外の好適な技術により、所望の厚さの層を堆積
させてもよい。層（粒子として堆積され、或いは、予備形成層として大量に付着
される）は、ファイバーの直径になるように選択された厚さを有するようにして
もよい。層は約５μmの厚さを有していてもよいし、また、１μmから10μmまた
は20μmの範囲に入るのが好ましいが、これより薄くてもよいし、或いは、厚く
てもよい。
【００１２】 レーザー材料の層はパターン化されて、細長いファイバーまたは導波路を生成
することができる。パターン化は、エッチングプロセス、すなわち、イオンビー
ムエッチング、レーザーエッチング、写真平版化学エッチング、または、これら
以外のエッチングによる材料除去技術などの公知のマイクロ加工技術を利用した
マイクロ加工工程を含んでいてもよい。 パターン化は、折重なった形状のレーザー材料の経路／ファイバーを設ける工
程を含んでいてもよいが、この形状はレーザー材料の線のパターンであるのが好
ましく、線のパターンは線の配列であるかもしれない。これらの線は同じファイ
バーまたは導波路の部分を含んでいてもよく、互いに隣接する線は概ね同じ方向
に延びているように形成されていてもよい。 保護クラッディングまたは保護被膜は、形成されたファイバーまたは導波路の
上に付与されればよい。クラッディングの具体例としては、ガラス材料またはポ
リマー材料の層がある。
【００１３】 本発明の方法は、基板上にレーザーダイオードを搭載する工程、または、基板
内または基板附近にレーザーダイオードを設ける工程と、ファイバーまたは導波
路をダイオードに連結する工程とを含んでいればよい。基板がシリコンのような
半導体材料である場合には、基板を適切にドーピング処理することによりレーザ
ーダイオードおよび／またはファイバーを設けることが可能となり得るものと理
解するべきである。 この方法は、３次元本体部の１つ以上の表面の上に延在するレーザー材料の線
を設ける工程を含んでいてもよい。 この方法は、複数のより小型の本体部からなるファイバーまたは導波路を一緒
に連結することによりレーザー本体を作成する工程を含んでいてもよい。連結さ
れたより小型の本体部から１つのより大型の本体部を形成するようにしてもよい
が、大型の本体部はその主要体積の範囲内にファイバーが延在している。複数の
本体部が同一のレーザー材料または異なるレーザー材料を含んでいるようにして
もよい。代替例として、または、前述の内容に加えて、レーザー本体のレーザー
材料は２種類以上のレーザー材料から構成されることにより、異なるラマン発光
線／ラマン放射線を有するような能力を示すようにしてもよい。 この方法は、レーザー材料の表面フィルムを堆積する工程と、フィルムの幾ら
かの部分を除去して後にファイバーを残存させる工程とを含んでいるのが好まし
く、残存ファイバーは表面上で曲折形状を呈しているのが好ましい。
【００１４】 第３の局面によれば、本発明は、レーザー装置を製造するために、パターン化
技術を利用して、レーザー材料のフィルムまたは層からレーザー材料の細長いフ
ァイバーまたは導波路を製作する工程を含んでいる。 この方法は、マイクロ加工技術を利用してファイバーを製作する工程を含んで
いるのが好ましい。
【００１５】 第４の局面によれば、本発明は、基板材料から構成して、該基板材料の一部の
屈折率を変えることでレーザーファイバーまたは導波路の経路を設ける工程を含
んでいる。 基板材料がその屈折率を変動させられるやり方として、 （i） 或る領域の基板材料を除去して、基板材料のファイバーまたは導波路を残
存させ、材料自体を元の基板材料から非線形性材料など（例えば、レーザー基板
材料除去後に付与された保護被膜）に変えることにより、ファイバーまたは導波
路に隣接している各領域のそれぞれの屈折率を変動させるか、または、 （ii）レーザー材料を基板上に堆積させて、異なる材料をレーザー経路として供
与する（すなわち、基板材料を変えて、その上にファイバー材料を重畳させる）
か、或いは、 （iii）物質を基板の各部の中に拡散させたり、基板の各部から浮動させたりし
て基板の一部の材料組成を変化させ、基板の材料中にレーザーファイバーまたは
導波路の経路を設ける方法が挙げられる。
【００１６】 オプション（iii）は、パターンを利用して、これと対応するパターンの基板
の性質を変化させる工程を含み得る。パターンはマスクを用いて付与される。物
質の浮動は基板内に物質（イオンなど）が選択的に拡散導入されるか、浮動導入
されるか、いずれであってもよい（例えば、ファイバーまたは導波路の経路を規
定している選択領域中にイオンが拡散して導入される）。これに代わる例として
は、浮動は物質が選択領域の基板から選択的に拡散放出される態様であってもよ
い。 拡散技術は熱拡散であってもよい。イオンはメタルイオン（チタニウムなど）
か、半金属イオンか、または、転移金属イオンのいずれであってもよい。 この方法は、基板に屈折率を変動させる材料の被膜またはパターンを付与する
工程を含んでいてもよく、該被膜またはパターンがその下に在る基板の屈折率を
変化させるが、これを実現するやり方として好ましいのは、屈折率を変動させる
材料から物質（イオンなど）を浮動させて基板に導入する方法と、その逆の方法
である。
【００１７】 屈折率を変動させる材料が基板上に滞留している時間の長さを制御し、かつ／
または、該材料が基板に接触している期間のそれぞれの温度を制御することによ
り、屈折率を変動させる材料の浮動率を或る割合から別な割合に変化させること
ができるようになり、また、屈折率が変化させられる該当体積分の物質の透過深
さを制御することができる。屈折率を変動させる材料は、所定条件で所定時間滞
留させられた後、基板から除去されればよい。 基板の表面に屈折率を変動させる材料の分離パターンを適用して、イオン（ま
たは他の物質）を基板内への拡散導入し、レーザーファイバーまたは導波路とな
るべき基板の屈折率を変化させることにより、このパターンと対応するファイバ
ーまたは導波路を設けるのが好ましい。しかしながら、これとは逆の態様を思量
して、レーザーファイバーまたは導波路となるべき部分を包囲している基板の屈
折率を変化させる物質を基板内へ拡散するのであれ基板外へ拡散するのであれ、
包囲媒体を変化させて、レーザーファイバーまたは導波路は未変化のままにして
おくことも可能である。
【００１８】 第５の局面によれば、本発明は、本発明の第１の局面に従ったレーザー材料の
ファイバーまたは導波路を備えており、或いは、本発明の第２の局面、第３の局
面、第４の局面のいずれかに従って製造されたレーザー材料のファイバーまたは
導波路を備えている。
【００１９】 本発明に着手して以来、調査を実施した結果、以下のような事実を見つけた。
すなわち、欧州特許EP 0 325 251号はスラブ導波路用のコリメータとしてチャネ
ル導波路を利用する方法を開示しており、米国特許US 5 888 700号は、光ファイ
バーが取付けられたラマン単結晶レーザーを教示して、グラスファイバーにおけ
るラマン発光を向上させるブラッグ反射器技術を目標としており、米国特許 US
5 726 796号は円形に湾曲して横断する導波路を備えた光増幅装置を開示してお
り、米国特許 US 5 080 503号は、希土類材料にマスクを透過させて拡散させる
ことにより、平坦なガラス表面上に堆積した希土類要素から構成された光導波路
を開示している。 ここで、添付の図面を参照しながら、本発明の実施形態を具体例としてのみ説
明してゆく。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は、レーザー材料１４の層１２が重畳された、ガラス基板などの基板１０
を例示している。この具体例では、レーザー材料は、ダイアモンドまたは硝酸バ
リウムなどのラマンレーザー材料である。レーザー材料の層は、約２ミクロンか
ら10ミクロンの深さ１６を有している。 層１２はパターン化処理により基板１２からレーザー材料１４を除去した後に
、レーザー材料の曲折回旋形状の経路またはファイバー１８を残留させ、レーザ
ー材料が存在しない（または、少なくとも、レーザーとして適切に作動するのに
十分なだけの材料が存在していない）パターン化ファイバー１８の横方向に互い
に隣接する部分同士の間に空隙すなわち溝２０を設けて構成される。従って、切
れ目のない曲がりくねったファイバー１８が基板１０により支持されている状態
で形成される。ファイバー１８は約４μmから８μmの幅を有しており、第１端２
２および第２端２４を有している。図３は基板すなわち担体１０の端面図を例示
しており、また、端部２２の一部が頂面２６を有しているとともに、互いに間隔
を設けた面すなわち壁２７、２８が基板１０の上面２９から離れる方向の延び出
ているのを例示している。
【００２１】 図２の構造は図２に示された状態どおりのレーザーとして使用されるが、保護
層をファイバー１８の上に付与するのが好ましい。図６は、ガラス層３０が蛇行
形状のファイバー１８の上に付与されているのを例示している。図６の層３０は
層１０と実質的に同一の屈折率を有しており、実際には、全く同一の材料であっ
てもよいし、或いは、実質的に同一の材料であってもよい。他の実施形態では、
上層３０と下層１０のそれぞれの屈折率は不一致であってもよい。図１から図３
の実施形態では、ファイバー１８の屈折率は基板１０およびクラッディグ３０の
屈折率とは約0.1だけ異なっている。 図４は、連続波ラマンレーザー装置４０がポンプレーザー４１、入力レンズ４
２、ガラスのレーザー本体部４４に埋設されたラマンレーザー材料（この場合は
Ba(NO3)2）、出力／コリメートレンズ４５を有しているのを例示している。 レーザー本体部４４は大きな表面領域（上部平坦面と下部平坦面）を有してい
る。これは冷却を容易にする。或る実施形態では、冷却装置すなわち熱交換器は
一方または両方の平坦面に作動可能に連結された状態で設けられていればよい。
ファイバー４３は、冷却を促進するように本体部４４の表面に十分に近接して設
けられてもよい。
【００２２】 図５Aは、レーザー装置５０が基板５２により保持された製作された回旋形状
のレーザーファイバー５１２と、ファイバー５１の端部に接続されたレーザーダ
イオード５３とを備えているのを例示している。レーザーダイオードは電源（図
示せず）を有している。このように、集積型レーザーダイオードとレーザー光フ
ァイバーとを設けることが可能になる。レーザーファイバー５１はダイオード５
３の波長との異なる波長のレーザー放射線を発射することができ、レーザーファ
イバー５１の長さを適切に選択することにより、装置５０は２種以上の波長のレ
ーザー光を発射することができる（例えば、ポンピング光から第１のストークス
発光までの間の伝送波長か、または、互いに異なるストークス発光の間の伝送波
長か、かつ／または、反ストークス発光を伴う伝送波長で）と認識すべきである
。 図５Bは、装置５０のレーザー出力に光結合することのできる波長変動装置、
または、色変動装置５５を例示している。装置５５は別な長さのレーザーファイ
バー５６を有しており、また、その長さのおかげで、使用にあたり、異なる、次
数の高いストークス発光および／または反ストークス発光が光出力を支配するこ
とができるようになる（ラマン材料のレーザーファイバーの長さの或る一点にお
けるレーザー光の主波長λはその点に至るまでのファイバーの長さで決まる）。
例えば、ダイオード５３は青色レーザーダイオードであってもよい。装置５０に
より発射されるレーザー光は緑色のレーザー光であってもよい。装置５５が連結
された状態の装置５０により発射される光は赤色レーザー光であってもよい。従
って、わずか３つの構成要素を用いて、青色光、赤色光、および、緑色光を生成
することは可能であり、よって、構成要素を適切に組み合わせれば、どのような
色の光を生成することもできる。
【００２３】 図７は、複数のプレートまたは本体部７１、７２、７３、７４の各々が蛇行形
状または回旋形状のファイバー７５を有するように構成することにより、また、
光カプラー７６、７７、７８を各プレートのファイバーの端部に接続させること
により、レーザーファイバーの長さが増大されたレーザー装置７０を例示してい
る。 異なる本体部７１、７２、７３、７４は異なる材料のレーザーファイバーを有
していてもよい（よって、異なる波長のレーザー光を発射する）ものと認識する
べきである。同様の配慮が図５Bの構成にも当てはまるが、この場合、装置５５
のファイバー５６は装置５０のファイバー５１の材料とは異なる材料から構成さ
れていてもよい。
【００２４】 図８Aおよび図８Bは、基板８１上に形成されたレーザーファイバー８０が保護
被覆層８２をその上に重畳したままで、ｄ1、ｄ2、または、ｄ3に関して直径よ
り長短のあるクラッディングを備えたファイバーコアクラッドとなると見なされ
るという事実を概念的に例示している。ファイバーの互いに隣接する部分同士の
間の横方向の間隔、保護層ｄ2の深さ、および、基板ｄ3の深さは有効なクラッデ
ィング半径を決定する。最小クラッド厚さが有効クラッディング半径を左右する
。 基板および保護被膜または保護層は、通常は、同一屈折率を有するようになり
、レーザーファイバー材料の屈折率（興味の対象であるλの値において）と基板
の屈折率との間にはほぼ常に不一致が存在することになる。（顕著な屈折率の不
一致が存在しない或る極めて尋常でない状況としては、所望されれば、ファイバ
ーに沿って例えば部分的に光を漏出させることが挙げられる（この場合、伝達媒
質と粒子との間に不一致が無いファイバーの領域が存在している可能性が高い）
）。屈折率の不一致が非常に大きい場合は（例えば、約0.1の不一致）、クラッ
ディング径は２ミクロンまたは３ミクロンなどのように小さくして、レーザーフ
ァイバーの互いに隣接する線は４ミクロンから５ミクロンだけ隔離させるように
していもよい。このような大きな不一致がミクロン単位で存在している場合には
、装置はより小型にすることができるが、光透過は多重モードとなる可能性が高
い。屈折率の不一致がもっと小さい場合（例えば、0.01）には、約100ミクロン
のファイバー隔離幅を有している必要がある場合もあるが、伝達波形がガウス分
布となる可能性が高い。基板および保護層材料（１種または複数種）は、図１か
ら図８の具体例では低域ガラスまたは低域ポリマーである。
【００２５】 図９は、レーザーダイオード９０の半導体レーザー材料ファイバー９１が基板
９２上に製作されているのを例示している。半導体レーザーファイバー装置はバ
イアス電極９３に接続されている。電源９３は装置に電力を供給し、ファイバー
９３を電気的に刺激することで、レーザー放射を発射させる。基板９２はシリコ
ン基板であってもよい。ファイバー９１は基板のドーピング処理された領域であ
ってもよい。
【００２６】 図１０Aおよび図１０Bは、ファイバーを保持している本体部の表面１００また
は表面１０３を照射することによりレーザーファイバーが光学的にポンピングさ
れている状態を例示している。放射線は平面１００に入射するようにしてもよい
し（図１０Aに例示されているように）、或いは、放射線は本体部の側面または
端面１０２に付与されてもよい（図１０Bに例示されているように）。放射線は
、放射線がぶつかる面に対して実質的に垂直に付与されるのが好ましい。放射線
はもちろん、ファイバーの端部に入ってファイバーの細長い方向に沿って進むよ
うにすることもできる。ポンピングは「レーザー」版として単独で使用されても
よいし、或いは、ラマン増幅装置として付与信号と併用されてもよい。この動作
モードは初期ラマン出力を生成することはない。
【００２７】 図１１Aおよび図１１Bは、レーザーファイバーがそれぞれの表面上に製作され
た、３次元本体部１１０（角柱）および３次元本体部１１２（円柱）を例示して
いる。これらは保護被膜／クラッディングで被膜されるのが好ましい。 レーザー本体部にはそれぞれの外表面のみならず内部にも、製作またはパター
ン化されたレーザー材料ファイバーが設けられてよもいものと認識するべきであ
る。例えば、また別な基板材料が堆積されてレーザーファイバーの１つの層を埋
設し、新たな基板表面を設けてレーザー材料ファイバーの別な層を得るようにす
ることもできる。本体部は２層ないし３層またはそれ以上か、もっと多数のファ
イバーの層を有していてもよい。
【００２８】 図１の薄い平坦な被膜または層がエピタキシャル成長により生成されてから、
表面層１２にマイクロ加工が施されて、図２の具体例ではイオンビームエッチン
グであるが、従来からのマイクロ加工技術により曲折パターンを形成していた。 レーザー材料の概ね２次元の層を設ける技術としては以下のものがある。すな
わち、気相エピタキシャル成長、液相エピタキシャル成長、化学蒸着法、各種蒸
着技術、または、結晶成長技術、または、半導体産業で利用される技術などの、
前述以外の材料堆積技術である。レーザー材料の層または本体部を基板に接着さ
せることにより、レーザー材料の層が形成されるようにしてもかまわない。例え
ば、レーザー材料な嵩高い材料層が基板に粘着されてもよいし、所望されるよう
ならば、レーザー材料の層の深さは、機械研磨処理か、それ以外の好適な技術で
低減される。
【００２９】 レーザー材料の層１２は好適な技術で所望の曲折状のファイバー構造にパター
ン化されるが、よく理解されており、機材があるという理由で、半導体ウエーハ
のマイクロ加工術で利用される技術が好ましい。従って、化学エッチングまたは
光学エッチング（レーザーエッチングなど）を利用することができる。写真平版
技術を利用してもよいが、この場合、マスクまたはレジストを利用することが可
能であり、或いは、マスクを利用しても利用しなくても、レーザーエッチングを
利用することもできる。 勿論、レーザー材料の２次元領域を堆積してから１次元レーザーファイバーを
マイクロ加工する代わりに、最初の場所に実質的に１次元のレーザーファイバー
を作成または堆積することができる。これは、分子ビームエピキシを利用するか
、または、レーザー材料が堆積される前にレジスト層またはパターン化された層
を付与することで（恐らく、レーザー材料の堆積後に、レジスト層とその上に重
畳されるレーザー材料とを除去する工程を伴う）達成することができる。半導体
産業で採用される技術は、レーザー材料の曲折状パターンを堆積するために利用
される。
【００３０】 各図面の装置は、通例は、断面が数ミクロンで、長さが数メートルか、または
何メートルにも及ぶが、直径が１ｃｍぐらいの基板上にぴったりと嵌まるレーザ
ーファイバーを有している。ファイバー用の曲折状経路は小型の導波路編成を可
能にし、レーザーファイバーを、その直線の長さよりも短く纏められた長さにす
る方がずっと容易であるかもしれない。製造後の扱いも簡単である。図２または
図４に示された種類のダイアモンドのレーザー材料装置は数十ワットまたは数百
ワットもの電力の連続波レーザー出力を生成しながらも、親指の爪ほどの寸法で
あり、ポンプレーザーからラマン波長へのほぼ完璧な変換能力を備えている。 レーザーファイバーの小さく纏められた線の形状はどのような好適な形状でも
よいが、螺旋状や蛇腹状であるのが望ましいかもしれない。図４の構成は、螺旋
編成の中央部が自由端の無いファイバーのループによって形成されているが、こ
の形状の外周部に２つの自由端が位置することが可能となる。回旋状ファイバー
の領域の外側にファイバーの自由端がくる構成が好ましい。少なくとも同一平面
でファイバーが自らと交差するのは回避するのが好ましい。 製作ファイバーレーザー材料装置についての１つの可能な用途としては、例え
ば、飛び出すテレビシステムのような多重色レーザーダイオード装置を作成する
方法である。このような装置では、ダイオードレーザーはその内部に組み込まれ
るのが好ましい。これは、レーザーカラーテレビを提供する経済的方法となり得
る。このような装置の保護が探求されている。
【００３１】 本発明は主として有効な光ポンピング式の連続波ラマンレーザーとして使用さ
れるが、この同じ技術は、適切なレーザー材料を用いれば、効率よい従来型の固
体レーザーを製造するのに利用することができる。ラマン固体レーザーまたは従
来型の固体レーザーはパルスモードまたは連続波モードで作動される。或るレー
ザーの別形（例えば、半導体）は刺激物質に適切な電極を付加することにより、
電気注入される。ファイバーの長さは、相互作用長さが、CWレーザーの有効なラ
マン変換を達成するような長さとなるように（100ｍWから数キロワットが好まし
い）選択されるのが好ましい。
【００３２】 本文は「光学」に言及しているが、可視光波長に対する保護について制約を加
えることは全く意図しておらず、原則として、どのような電磁（e.m.）放射が採
用されてもよい。しかし、本発明は可視波長に対する特殊な適用例を有している
とは思われない。 図１２および図１３は興味の対象となる幾つかのレーザー材料を同定している
。特定の興味ある材料として、ダイアモンド、バリウム、硝酸塩、タングステン
酸カリウムガドリニウムがあるかもしれない。 本発明は、或る意味で、レーザー材料の２次元層をレーザー材料の１次元線ま
たはファイバーに転換したと見ることができるものと認識するべきである。勿論
、１次元線を堆積することも、本発明の一部であるが、実質的に均一なフィルム
を堆積し、不所望な材料を除去することの方がずっと容易かもしれない。
【００３３】 レーザーファイバーを製造する代替の技術としては、ラマン基板にイオンを拡
散導入してファイバー光ガイド経路を形成することがある。チタニウムイオンな
どの或るイオンは、ある種の非線形光結晶の屈折率を上昇させることで公知であ
る（例えば、「ニオブ酸リチウムへの拡散導入の考察分析（Review Analysis of
Diffusion in Lithium Niobate）」と題するディー・ピー・バーニー三世（D.P
. Birnie III）著の材料化学誌（Journal of Material Science1）の第28巻、30
3頁から304頁掲載論文（1993年刊）、「チタニウムが拡散導入されたLiNbO3の光
導波路製造（Titanium In-diffused LiNbO3 Optical Waveguide Fabrication）
」と題するエル・ダブリュー・シュトゥルツ（L.W. Stulz）著の応用光学誌（Ap
plied Optics）の第18巻12号、2041頁から2044頁掲載論文（1979年刊）、「LiNb
O3組成の金属が拡散導入された光導波路（Metal-indiffused Optical Waveguide
s in LiNbO3）」と題する応用物理の学識誌（Applied Physics Letters）の第25
巻８号、458頁から460頁掲載論文（1974年刊）を参照のこと）。イオンは通常は
熱拡散により組み込まれるが、チタンの場合は、この技術はチタン拡散導入と呼
ばれる。この方法では、まず、表面をチタン（または、それ以外の物質）イオン
保有媒体で被膜する。加熱時に、金属イオンの幾らかが表面に拡散して入り、下
に位置する材料の屈折率を上昇させる。このようにして、イオン保有被膜が或る
パターンで与えられ（すなわち、螺旋状、迷宮状、曲折状、回旋状、行き戻り状
、または、蛇行状の経路）、次いで、これと対応する誘導領域が被膜層の直ぐ下
に形成される。この方法がこれ以外の前述の方法と異なっている点としては、整
合、エッチング、材料の除去が不必要であることである。
【００３４】 金属の拡散導入は屈折率を上昇させて誘導領域を形成するが、先に論じた他の
方法も誘導領域を包囲している材料の屈折率を効率良く低減する。金属拡散導入
はまた、ラマン材料を研磨して非常に薄い層に戻したり、ラマン材料を非常に薄
い層として堆積する必要が無く、また、拡散導入温度と時間で金属イオンの全体
的な透過の深さを制御している。このように、誘導層を深さを短くする処理が比
較的厚い基板の頂面で行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 レーザー材料の層が基板上に堆積されているのを例示する図。
【図２】 図１の層がパターン化されて曲折形状のレーザーファイバーを生成し
ているのを例示する図。
【図３】 図２の一部を破断した断面図。
【図４】 レーザー装置がパターン化したレーザーファイバーを備えているのを
例示した図。
【図５】 図５Aは本発明に従った別なレーザー装置を例示する図であり、図５B
は図５Aの装置と併用する増設装置を例示する図。
【図６】 レーザーファイバー上にクラッディング層が付与された後の図１の実
施形態を例示する図。
【図７】 レーザー装置が蛇行配置のレーザーファイバー要素を設けた基板の積
層体を備えているのを例示する図。
【図８】 図８Aおよび図８Bはクラッドがパターン化されたレーザーファイバー
のクラディングの有効半径を例示する図。
【図９】 別なレーザーファイバー装置を例示する図。
【図１０】 図１０Aおよび図１０Bは本発明によるレーザー装置を光ポンピング
する方法を例示する図。
【図１１】 図１１Aおよび図１１Bは本発明によるパターン化されたレーザーフ
ァイバー本体部を例示する図。
【図１２】 好適なラマンレーザー材料とそれぞれの特性をリスト化した表。
【図１３】 好適なラマンレーザー材料とそれぞれの特性をリスト化した表。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ， ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ， ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｂ Ｚ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ， ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，Ｊ Ｐ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ， ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，Ｒ Ｏ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ， ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ Ｆターム(参考） 2H047 KA03 KA12 MA03 MA07 QA02 QA04 RA08 TA43 2K002 AB27 AB30 BA01 CA02 CA03 CA04 DA06 HA23 5F072 AB13 AB20 AK06 FF09 PP07 QQ07

Claims (24)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基板を備えたレーザー装置であって、基板は、使用時にスト
    ークス発光および／または反ストークス発光を生じるようにされたラマン材料の
    製作ファイバーまたは導波路を保有している、レーザー装置。
  2. 【請求項２】 ファイバーまたは導波路が約１ミクロンから10ミクロンの直
    径を有しており、ファイバーまたは導波路の長さが約１メートルか、それよりも
    長い、請求項１に記載の装置。
  3. 【請求項３】 複数の導波路でレーザー光を生成するようにされた、請求項
    １または請求項２に記載の装置。
  4. 【請求項４】 可視スペクトルの複数の異なる色の光を生成するようにされ
    た、請求項３に記載の装置。
  5. 【請求項５】 ラマン材料のファイバーまたは導波路はラマン材料の層から
    機械加工されたものである、請求項１から請求項４のいずれかに記載の装置。
  6. 【請求項６】 ラマン材料のファイバーまたは導波路は、基板の少なくとも
    一部の屈折率を変更して、ファイバーまたは導波路に沿って基板とは異なる屈折
    率を有するファイバーまたは導波路を画定することにより形成されたものである
    、請求項１から請求項５のいずれかに記載の装置。
  7. 【請求項７】 ファイバーまたは導波路は曲折状の経路を有している、請求
    項１から請求項６のいずれかに記載の装置。
  8. 【請求項８】 基板はその平坦面が一平面を占有しており、ファイバーまた
    は導波路はその面の実質的に平面附近または平面内に存在しており、ファイバー
    または導波路は、実質的に同一経路を辿るが互いに間隔を設けられた線の複数の
    部分を有して線の配列を形成している、請求項１から請求項７のいずれかに記載
    の装置。
  9. 【請求項９】 組込み型のレーザーダイオードが本来あるべき場所、または
    、基板上に設けられている、請求項１から請求項８のいずれかに記載の装置。
  10. 【請求項１０】 互いに異なるレーザー線を生成する能力を与えるように、
    ２種以上のラマン材料が存在している、請求項１から請求項９のいずれかに記載
    の装置。
  11. 【請求項１１】 ファイバーまたは導波路の上に保護被膜、クラッディング
    、または、被覆材が延在している、請求項１から請求項１０のいずれかに記載の
    装置。
  12. 【請求項１２】 ３次元本体部を備えており、ファイバーまたは導波路は該
    本体部の外表面の少なくとも１面または複数面の上、内側、または、その附近に
    設けられており、また、外表面のうち少なくとも幾つかを辿っている、請求項１
    から請求項１１のいずれかに記載の装置。
  13. 【請求項１３】 複数の本体部を備えており、本体部は各々はファイバーま
    たは導波路が基板内または基板上に形成されており、本体部のファイバーまたは
    導波路は動作可能に互いに連結されている、請求項１から請求項１２のいずれか
    に記載の装置。
  14. 【請求項１４】 レーザー装置を製造する方法であって、基板上または基板
    内にラマン材料の細長いファイバーまたは導波路を形成する工程を含んでおり、
    ラマン材料はストークス発光および／または反ストークス発光を生じるようにさ
    れている、方法。
  15. 【請求項１５】 ラマン材料の層は基板と関連しており、該層からラマン材
    料の領域を除去することにより、ラマン材料の層からファイバーまたは導波路が
    製作される、請求項１４に記載の方法。
  16. 【請求項１６】 ラマンレーザー材料の層は基板の上に重畳するように設け
    られ、ラマンレーザー材料の層は細長いファイバーまたは導波路を生成するよう
    にパターン化される、請求項１４または請求項１５のいずれかに記載の方法。
  17. 【請求項１７】 前記パターン化工程は、ラマンレーザー材料からなる曲折
    状、回旋状、または、略同心状の経路すなわちファイバーを設ける工程を含んで
    いる、請求項１６に記載の方法。
  18. 【請求項１８】 基板の少なくとも一部の屈折率を変動させて、隣接する基
    板の屈折率とは異なる屈折率のファイバーまたは導波路を画定する工程を含んで
    いる、請求項１４に記載の方法。
  19. 【請求項１９】 保護クラッディングまたは保護被膜が成形されたラマンフ
    ァイバーまたはラマン導波路の上に付与される、請求項１４から請求項１８のい
    ずれかに記載の方法。
  20. 【請求項２０】 基板上にレーザーダイオードを搭載する工程、または、基
    板内または基板附近にレーザーダイオードを作成する工程と、ファイバーまたは
    導波路をダイオードに連結する工程とを含んでいる、請求項１４から請求項１９
    のいずれかに記載の方法。
  21. 【請求項２１】 複数のより小型の本体部のファイバーまたは導波路を一緒
    に連結することにより、より大型のラマンレーザー本体部を作成する工程を含ん
    でいる、請求項１４から請求項２０に記載の方法。
  22. 【請求項２２】 （i）互いに異なるラマンレーザー材料を含んでいる異な
    るファイバーまたは導波路を一緒に連結する工程、および／または、（ii）ファ
    イバーまたは導波路に少なくとも第１のラマンレーザー材料と、これとは異なる
    第２のラマンレーザー材料とを供与して、互いに異なるラマン線発光をもたらす
    能力を備えるようにする工程を含んでいる、請求項１４から請求項２１のいずれ
    かに記載の方法。
  23. 【請求項２３】 基板上にラマンレーザー材料の表面フィルムを堆積し、フ
    ィルムの各部を除去して、表面に曲がりくねるファイバーを残存させ、小さい表
    面領域に比較的長いファイバーを有するようにする工程を含んでいる、請求項１
    ４から請求項２２のいずれかに記載の方法。
  24. 【請求項２４】 ラマンレーザー装置を製造するために、ラマンレーザー材
    料のフィルムまたは層からラマンレーザー材料の細長いファイバーまたは導波路
    を生成する、マイクロ加工パターン化技術またはイオン拡散技術の用途。
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