JP2005012029A - レーザ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】小型で取り扱いが容易な環境汚染の危惧が生じない高出力レーザ装置を提供する。
【解決手段】フォトニック結晶からなる平行平板状の導波路媒質１１と、発光波長がフォトニック結晶のフォトニックバンドギャップの範囲外となる平行平板状の発光媒質１２とを交互に積層し、それぞれの導波路媒質１１は、導波路媒質１１の一端面に設けた開口部から一端面に対向する他端面の近傍まで延在する主導波路と、主導波路の複数の分岐点からそれぞれ分岐して一端面及び他端面に直交する表面に達する複数の分岐導波路とを有するレーザ媒質２と、レーザ媒質２の積層方向に沿って、レーザ媒質２を挟むように互いに対向して共振器を構成するように配置された第１及び第２の反射鏡５、６と、主導波路に対しフォトニックバンドギャップの範囲内の波長を含む光を出力する励起源４とを備える。
【選択図】 図１
【解決手段】フォトニック結晶からなる平行平板状の導波路媒質１１と、発光波長がフォトニック結晶のフォトニックバンドギャップの範囲外となる平行平板状の発光媒質１２とを交互に積層し、それぞれの導波路媒質１１は、導波路媒質１１の一端面に設けた開口部から一端面に対向する他端面の近傍まで延在する主導波路と、主導波路の複数の分岐点からそれぞれ分岐して一端面及び他端面に直交する表面に達する複数の分岐導波路とを有するレーザ媒質２と、レーザ媒質２の積層方向に沿って、レーザ媒質２を挟むように互いに対向して共振器を構成するように配置された第１及び第２の反射鏡５、６と、主導波路に対しフォトニックバンドギャップの範囲内の波長を含む光を出力する励起源４とを備える。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はフォトニック結晶を用いたレーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高出力レーザ光発生は、加工技術、電力送信技術等への応用上重要な技術であり、高出力のレーザ装置の開発が進められている。レーザ装置には、生産現場における取り扱いや、電力送信を行う場所への装置の移動等が容易となる、小型かつ安全な装置の開発が要求されている。
【０００３】
従来の高出力レーザ装置としては、炭酸ガス（ＣＯ２）レーザやイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）レーザを光源とした多段増幅型レーザ装置（例えば、非特許文献１参照）、レーザ媒質にフッ化水素（ＨＦ）等を用い、化学反応によって解放されるエネルギをレーザ光として取り出す化学レーザ（例えば、非特許文献２参照）が知られている。
【０００４】
また、光励起や電子線励起を用いて、高出力レーザ光を得ることができる。例えば、ファブリ−ペロ（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ）型の共振器内にネオジム：ヤグ（Ｎｄ：ＹＡＧ）をレーザ媒質として挿入し、励起源のフラッシュランプ光を照射して大きな反転分布をレーザ媒質中に得る。Ｑスイッチ等の出力光取り出し機構を作動させることにより共振器内でレーザー発振が起こり、短時間のうちにレーザ媒質内に蓄積されたエネルギが出力光として放射される。
【０００５】
【非特許文献１】
石手孝、他，「レーザ研究」，２０００年，第２８巻，第１号，ｐ．１３
【０００６】
【非特許文献２】
藤岡知生、他，「応用物理」，１９７６年，第４５巻，第１０号，ｐ．８６９
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
多段増幅型レーザ装置は、多段増幅部が大型化することが大きな欠点であり、例えば１ＭＷクラスの加工用連続波（ＣＷ）レーザ装置においては、全長が１０ｍ 程度となるものもある。より効率的な空間の利用や、電力送信時の装置の移動等を考えると、このような大型の装置を用いることのディメリットは大きい。
【０００８】
また、化学レーザにおいては、レーザ媒質には上記ＨＦの他、塩化水素（ＨＣｌ）、臭化水素（ＨＢｒ）といった、ハロゲン元素を含む物質が用いられる。ハロゲン元素を含む物質を用いてレーザ発振した後は、ハロゲン化物を大量に含むガスが排出されるため、人体及び環境への影響は大きく、高出力の光源を長時間あるいは繰り返し用いることには大きな問題がある。
【０００９】
また、励起源に光や電子線を用いる機構では、レーザ媒質によって励起光や電子線が吸収されるため、励起源の照射方向のレーザ媒質の厚みは大きく取れないという問題がある。従って、高出力光を得るためには励起源照射方向には薄く、励起源照射方向に垂直な方向には広い面積を持ったレーザ媒質を用いる必要があり、装置形状や持ち運びの観点から取り扱いが困難である。
【００１０】
以上説明したように、レーザ装置において高出力を実現するために、装置が大型化したり、あるいは人体や環境に有害なレーザ媒質を使用しているため、効率的な空間利用や装置移動、あるいは安全性等に問題が生じる。
【００１１】
本発明は、上記した問題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、小型で取り扱いが容易な環境汚染の危惧が生じない高出力レーザ装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の態様は、（イ）フォトニック結晶からなる平行平板状の導波路媒質と、発光波長がフォトニック結晶のフォトニックバンドギャップの範囲外となる平行平板状の発光媒質とを交互に積層し、それぞれの導波路媒質は、導波路媒質の一端面に設けた開口部から一端面に対向する他端面の近傍まで延在する主導波路と、主導波路の複数の分岐点からそれぞれ分岐して一端面及び他端面に直交する表面に達する複数の分岐導波路とを有するレーザ媒質と、（ロ）レーザ媒質の積層方向に沿って、レーザ媒質を挟むように互いに対向して共振器を構成するように配置された第１及び第２の反射鏡と、（ハ）主導波路に対しフォトニックバンドギャップの範囲内の波長を含む光を出力する励起源とを備えるレーザ装置であることを要旨とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、形状や寸法は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な形状や寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００１４】
本発明の第１〜第３の実施の形態を説明する前に、先ず、レーザ媒質に使用するフォトニック結晶の概略を説明する。フォトニック結晶は、屈折率が異なる多種類の媒質を光の波長程度のピッチで組み合わせた人工的な多次元周期構造であり、フォトニック結晶内の光の伝搬を制御することが可能である。周期配列を有するフォトニック結晶中の光の振る舞いに対して、固体結晶中の電子の振る舞いを表わすエネルギバンドの概念を適用することができる。即ち、電子の運動量とエネルギの関係を表わすエネルギバンドが、光の波数と周波数の関係を表わす「フォトニックバンド］に置き換えられる。周期配列された媒質と背景媒質に屈折率の差があると、光がフォトニック結晶中を伝搬することが許されない周波数帯域が形成され、このような周波数帯域は、固体結晶のエネルギバンドのバンドギャップに対応して、「フォトニックバンドギャップ」と呼ばれている。フォトニックバンドギャップに相当する周波数を有する光をフォトニック結晶表面に入射すると、原理的には１００％の反射率で入射光は反射される。フォトニックバンドギャップは、周期配列された媒質と背景媒質として、半導体と空気といった屈折率の差が大きい組み合わせほど大きく開き、高い反射率を実現できる。また、高次元周期構造ほどフォトニックバンドギャップの効果は顕著になるため、フォトニック結晶としては、ロッドを積層したウッドパイル構造や、３回対称の斜孔を配列したヤブロノバイト積層構造、あるいは面心立方格子状に単位胞が配列した３次元周期構造が用いられる。以下の第１〜第３の実施の形態においては、このようなフォトニック結晶を用いたレーザ媒質について説明する。
【００１５】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係るレーザ装置は、図１に示すように、複数の導波路媒質１１と複数の発光媒質１２を交互に積層したレーザ媒質２と、レーザ媒質２を挟んで、図１の紙面左及び右側に対向して配置されている第１の反射鏡５及び第２の反射鏡６と、レーザ媒質２及び第２の反射鏡６の間に配置されているＱスイッチ７と、紙面でレーザ媒質２の下側の側面に対向して配置されている励起源４とを備えている。
【００１６】
レーザ媒質２、第１及び第２の反射鏡５、６は共振器を構成する。レーザ媒質２から自然放出された光は、共振器の第１及び第２の反射鏡５、６間で反射する。なお、第１及び第２の反射鏡５、６のそれぞれの反射率は１００％及び９５％であり、第２の反射鏡６側からレーザ光が出力される。励起源４は、例えば、フラッシュランプであり、出力光はレーザ媒質２の側面に入射する。Ｑスイッチ７は、誘導放出を連続的に効率よく発生させ、パルス状の高出力レーザ光を放出する。
【００１７】
レーザ媒質２は、図２に示すように、複数の導波路媒質１１ａ〜１１ｄと、複数の発光媒質１２ａ〜１２ｄとを、第１及び第２の反射鏡５、６の対向する方向に交互に配置した構造である。例えば、図２の紙面左側から導波路媒質１１ａに接して発光媒質１２ａ、発光媒質１２ａに接して導波路媒質１１ｂが順に配置される。更に、導波路媒質１１ｂに発光媒質１２ｂ、発光媒質１２ｂに導波路媒質１１ｃ、導波路媒質１１ｃに発光媒質１２ｃ、発光媒質１２ｃに導波路媒質１１ｄ、導波路媒質１１ｄに発光媒質１２ｄが順に接して配置される。第１の実施の形態では、レーザ媒質２を模式的に４層構造で説明をしたが、４層構造に限定されず、任意の数の積層構造とすることができるのは勿論である。
【００１８】
第１の実施の形態に係るレーザ媒質２の励起源４に対向する側面では、図３に示すように、導波路媒質１１の上端の近傍から下端の近傍へ等間隔で複数の主導波路１３ａ〜１３ｃ、・・・、１３ｆ、１３ｇが配置されている。
【００１９】
図３に示す導波路媒質１１のＡＡ断面には、図４に示すように、フォトニック結晶からなる導波路媒質１１内にフォトニック結晶を除去して設けられた主導波路１３ａと、主導波路１３ａから分岐する複数の分岐導波路１４ａ、１４ｂ、・・・、１４ｆ〜１４ｉが配置されている。主導波路１３ａは、励起源４に対向する導波路媒質１１の一端面に開口部が設けられ、発光媒質１２との界面の方向とほぼ平行に導波路媒質１１の他端面の近傍まで延在している。分岐導波路１４ａ、１４ｂ、・・・、１４ｆ〜１４ｉは、主導波路１３ａに沿って等間隔に配置され、主導波路１３ａから約直角に分岐して発光媒質１２に達するように設けられる。
【００２０】
第１の実施の形態に係る導波路媒質１１には、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）等の半導体ロッドによるウッドパイル型のフォトニック結晶が用いられる。ウッドパイル型のフォトニック結晶は、図５に示すように、一定のロッドピッチｐで一方向に平行に配列されたロッド幅ｗ及びロッド厚さｔのストライプ状のロッドからなるフォトニック結晶単位層を積層したものである。例えば、ロッド２１ａ〜２１ｃ、・・・を有する第１ロッド層２１の上に、第１ロッド層２１のロッド２１ａ〜２１ｃ、・・・と同一のロッドピッチｐ、ロッド幅ｗ及びロッド厚さｔで、第１ロッド層２１のロッド２１ａ〜２１ｃ、・・・と直交する方向に平行に配列されたロッド２２ａ、２２ｂ、・・・を有する第２ロッド層２２が配置されている。更に、第２ロッド層２２のロッド２２ａ、２２ｂ、・・・に直交する方向に平行に配列された第３ロッド層２３のロッド２３ａ〜２３ｃ、・・・が配置されている。以下同様に、第３ロッド層２３のロッド２３ａ〜２３ｃ、・・・と直交する方向に平行に配列された第４ロッド層２４のロッド２４ａ、２４ｂ、・・・、第４ロッド層２４のロッド２４ａ、２４ｂ、・・・に直交する方向に平行に配列された第５ロッド層２５のロッド２５ａ〜２５ｃ、・・・、第５ロッド層２５のロッド２５ａ〜２５ｃ、・・・と直交する方向に平行に配列された第６ロッド層２６のロッド２６ａ、２６ｂ、・・・、第６ロッド層２６のロッド２６ａ、２６ｂ、・・・に直交する方向に平行に配列された第７ロッド層２７のロッド２７ａ〜２７ｃ、・・・、及び、第７ロッド層２７のロッド２７ａ〜２７ｃ、・・・と直交する方向に平行に配列された第８ロッド層２８のロッド２８ａ、２８ｂ、・・・が第１及び第２ロッド層２１、２２のロッド２１ａ〜２１ｃ、・・・、２２ａ、２２ｂ、・・・と同一のロッドピッチｐ、ロッド幅ｗ及びロッド厚さｔで積層して配置されている。
【００２１】
ウッドパイル型のフォトニック結晶は、例えば、フォトリソグラフィによりＧａＡｓ基板をエッチング加工して形成したストライプ構造を、一層毎に９０ 度ずつ回転しながらウェハ融着法によって積層して作成する（例えば、新保（Ｍ． Ｓｈｉｍｂｏ）、等，ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ），１９８６年，第６０巻，ｐ．２９８７、参照）。
【００２２】
本発明の第１の実施の形態に係る導波路媒質１１に用いるフォトニック結晶は、空気等の背景媒質中に周期配列されたＧａＡｓ等の背景媒質とは異なる屈折率の媒質からなる屈折率周期構造である。フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップは、周期配列された媒質と背景媒質の屈折率の差が大きい組み合わせほど大きく開き、高い反射率を実現できる。例えば、ＧａＡｓ及び空気の屈折率はそれぞれ、約３．６６及び１．００であり、差が大きい。また、高次元周期構造ほどフォトニックバンドギャップの効果は顕著になる。更に、フォトニック結晶の単位層が５層以上、好ましくは７層以上積層されているときに反射効率が特によくなることが、実験およびシミュレーションによって確認されている。更に、フォトニック結晶においては、光路を９０度に急激に曲げても、光が導波路から放射されて損失が生じることがない（例えば、納富（Ｎｏｔｏｍｉ ｅｔ ａｌ．）、等，エレクトロニックス・レターズ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ． Ｌｅｔｔ．），２００１年，第３７巻，ｐ．２４３、参照）。したがって、第１の実施の形態によれば、レーザ媒質２の発光媒質の厚さに対する制限を解消することができる。
【００２３】
本発明の第１の実施の形態においては、導波路媒質１１として、上述したようにＧａＡｓロッド層を２０層としたウッドパイル型の３次元周期構造を有するフォトニック結晶を用いている。導波路媒質１１のフォトニック結晶の積層方向に直交する面の寸法は５０×５０ｃｍであり、フォトニック結晶の積層方向が共振器の第１及び第２の反射鏡５、６の対向する方向と平行になるように設置する。図３に示す主導波路１３ａ〜１３ｃ、・・・、１３ｆ、１３ｇは、フォトニック結晶の積層方向の１０層目に相当する部分のストライプを、励起源４に対向する導波路媒質１１の一端面に設けられた開口部から、導波路媒質１１の他端面から１０層目の所まで除去して形成されている。主導波路１３ａ〜１３ｃ、・・・、１３ｆ、１３ｇのそれぞれの間は７ロッドピッチである。また、図４に示す分岐導波路１４ａ、１４ｂ、・・・、１４ｆ〜１４ｉは、導波路媒質１１の開口部が設けられた一端面から１０層分を残して、７ロッドピッチごとに主導波路１３ａ〜１３ｃ、・・・、１３ｆ、１３ｇと発光媒質１２との間のストライプを除去して形成されている。発光媒質１２は、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ等であり、導波路媒質１１に接する面の寸法は導波路媒質１１と同じ５０×５０ｃｍで、厚さは０．１ｃｍである。第１の実施の形態では、導波路媒質１１と発光媒質１２をそれぞれ３００層交互に積層したレーザ媒質２を用いている。
【００２４】
例えば、図５に示すロッドピッチｐを１μｍ、ロッド幅ｗを０．２５μｍ、及びロッド厚さｔを０．３μｍとすると、導波路媒質１１のフォトニックバンドギャップが、約１．２５〜２．０μｍの波長領域に形成される。励起源４に用いるフラッシュランプの発光波長は０．５〜１０μｍの範囲であり、導波路媒質１１のフォトニック結晶のフォトニックバンドギャップに相当する波長を含んでいる。したがって、例えば図４においては、導波路媒質１１のフォトニックバンドギャップに相当する波長の出力光Ｂが、導波路媒質１１を透過せず主導波路１３中に導入される。出力光Ｂは、各分岐導波路１４ａ、１４ｂ、・・・、１４ｆ〜１４ｉでエネルギ分配が行われ、分岐したそれぞれの励起光Ｂｅｘが発光媒質１２を励起する。フォトニック結晶による損失が殆どないため、励起光Ｂｅｘは、発光媒質１２に対して、励起源４側の一端面から、励起源４から離れた他端面近傍まで効率よく供給される。励起光Ｂｅｘによる発光媒質１２の自然放出光は、波長が１．０６μｍであり、レーザ媒質２のフォトニック結晶で反射されず透過することができる。したがって、第１の実施の形態に係るレーザ装置においては、フラッシュランプ光の励起光Ｂｅｘで励起により自然放出された光は、共振器の第１及び第２の反射鏡５、６間で反射を繰り返す。レーザ媒質２内では、自然放出光により更に励起が進み、高いエネルギ準位にある電子数が増え、反転分布が形成される。レーザ媒質２の反転分布が最高域に達した時に、図１のＱスイッチ７を動作させると誘導放出が連続的に効率よく発生し、パルス状の高出力レーザ光が共振器の第２の反射鏡６から得られる。
【００２５】
第１の実施の形態に係るレーザ装置により、レーザ光を出力させる手順を図１及び図４を用いて説明する。まず、Ｑスイッチ７をオフの状態にして、励起源４よりフラッシュランプの出力光をレーザ媒質２に照射する。レーザ媒質２の導波路媒質１１のフォトニック結晶のフォトニックバンドギャップに相当する約１．２５〜２．０μｍの波長領域の出力光Ｂが導波路媒質１１の主導波路１３ａ〜１３ｃ、・・・、１３ｆ、１３ｇに導入される。主導波路１３ａ〜１３ｃ、・・・、１３ｆ、１３ｇに導入され出力光Ｂから、各分岐導波路１４ａ、１４ｂ、・・・、１４ｆ〜１４ｉに励起光Ｂｅｘが分配される。励起光Ｂｅｘにより発光媒質１２が励起され自然放出による発光が生じる。Ｎｄ：ＹＡＧの発光媒質１２の発光波長は、１．０６μｍであり、導波路媒質１１のフォトニックバンドギャップの波長範囲外に相当する。したがって、レーザ媒質２、第１及び第２の反射鏡５、６で構成する共振器内に自然放出光が閉じ込められ、共振器内で反射を繰り返して発生した誘導放出が増幅される。レーザ媒質２内では、高いエネルギ準位にある電子数の増加により、反転分布が形成される。レーザ媒質２の反転分布が最高域に達した時に、Ｑスイッチ７をオンにすると、誘導放出が連続的に効率よく発生し、共振器の第２の反射鏡６から出力約１０ｋＪのレーザ光を得ることができる。
【００２６】
上述のように、本発明の第１の実施の形態に係るレーザ装置によれば、励起光を効率よくレーザ媒質２の発光媒質１２の領域全面に供給できるため、高出力のレーザ光を得ることが可能となる。また、励起光は導波路媒質１１を透過することなく発光媒質１２の各部に伝搬することが可能であり、レーザ媒質２の厚さに対する制限が解消され取り扱いが容易となり、共振器も小型化できる。したがって、レーザ装置の重量が軽減され、レーザ装置の移動も容易となる。また、レーザ媒質２にはハロゲン元素を用いた気体を用いる必要がなく、かつ発振時には化学反応の介在も要しないため、副産物として排出される物質に対して環境汚染や人体への悪影響を考慮せずに使用することができ、廃棄物処理法あるいは廃棄物処理装置に対する負担もなく、低コストで使用できる。
【００２７】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係るレーザ装置は、図６に示すように、複数の導波路媒質３１と複数の発光媒質３２を交互に積層したレーザ媒質２ａと、紙面でレーザ媒質２ａの下側の側面に対向して配置されている励起源４ａを備える。他の第１及び第２の反射鏡５、６、Ｑスイッチ７は第１の実施の形態と同様であるので、重複した説明は省略する。
【００２８】
レーザ媒質２ａの発光媒質３２は、図７に示すように、例えばセレン化鉛（ＰｂＳｅ）等の半導体の量子点３８をリン酸ガラス（ＰＳＧ）等のガラス媒質３７に分散させた構造である。量子点３８の平均粒径は５ｎｍ、分散密度は約１０１８ｃｍ−３、である。また、ガラス媒質３７の第１及び第２の反射鏡５、６に対向する面のサイズは５０ｃｍ×２０ｃｍで、厚さは０．１ｃｍである。レーザ媒質２ａは励起源４ａからエネルギの供給を受けて励起される。レーザ媒質２ａの発光波長は、２μｍである。レーザ媒質２ａの導波路媒質３１には、第１の実施の形態と同様に、図５で示したＧａＡｓ等の半導体ロッドによるウッドパイル型のフォトニック結晶が用いられる。フォトニック結晶は、ロッドピッチｐを０．８μｍ、ロッド幅ｗを０．２μｍ、及びロッド厚さｔを０．２４μｍとしている。導波路媒質３１に設ける主導波路および分岐導波路の形態は、図３及び図４と同様である。レーザ媒質２ａは、フォトニックス結晶からなる導波路媒質３１と発光媒質３２とをそれぞれ交互に３００層積層している。導波路媒質３１のフォトニック結晶のフォトニックバンドギャップは、約１．０〜１．６μｍの波長領域に形成されている。
【００２９】
励起源４ａは、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ等のレーザ光源であり、発振波長は、１．０６μｍである。レーザ媒質２ａのフォトニックバンドギャップの範囲内であり、導波路媒質の主導波路及び分岐導波路を介して、発光媒質３２を励起することができる。発光媒質３２の発光波長は、２μｍであり、フォトニックバンドギャップの範囲外であり、レーザ媒質２ａから自然放出され共振器内に閉じ込められ反射を繰り返し、発生した誘導放出を増幅する。発光媒質３２の量子点３８では、誘導放出光による励起により、高いエネルギ準位にある電子数が更に増加し、反転分布が形成される。そして、Ｑスイッチ７をオンにすると、誘導放出が連続的に効率よく発生し、パルス状の高出力レーザ光が共振器の第２の反射鏡６から得られる。発光媒質３２の量子点３８は、絶縁体であるガラス媒質３７に埋め込まれているため、反転分布した電子の閉じ込めの効率が向上し、更に高出力のレーザ光を得ることが可能となる。
【００３０】
第２の実施の形態に係るレーザ装置により、レーザ光を出力させる手順を説明する。まず、Ｑスイッチ７をオフにしておき、励起源４ａのＮｄ：ＹＡＧレーザを発振させる。レーザ光をレーザ媒質２ａに照射してレーザ媒質２ａの発光媒質３２を励起する。励起された発光媒質３２から放出された光は、第１及び第２の反射鏡５、６間の共振器の内部に閉じ込められ、第１及び第２の反射鏡５、６間で反射を繰り返して誘導放出により増幅される。励起源４ａを、例えば１００秒間駆動した後、レーザ媒質２ａ内では、高いエネルギ準位にある電子数の増加により、反転分布が形成され、レーザ媒質２ａの反転分布が最高域に達した時に、Ｑスイッチ７をオンにする。その結果、誘導放出が連続的に効率よく発生し、共振器の第２の反射鏡６から出力約４５ｋＪのレーザ光を得ることができる。
【００３１】
本発明の第２の実施の形態に係るレーザ装置によれば、変転分布した電子を量子点３８に効率よく閉じ込め、励起光を効率よく蓄積できるため、小型で取り扱いが容易な装置で高出力のレーザ光を得ることができる。また、レーザ媒質にハロゲン元素等を含むガスを用いていないため、廃棄物による環境汚染の危惧が生じない。
【００３２】
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態に係るレーザ装置は、図８に示すように、複数の導波路媒質３１と複数の発光媒質４２を交互に積層したレーザ媒質２ｂを備えることが、第２の実施の形態と異なる。その他の構成は、第２の実施の形態と同様であるので，重複した説明は省略する。
【００３３】
第３の実施の形態に係るレーザ装置に用いるレーザ媒質２ｂの発光媒質４２には、図９に示すように、例えばＰｂＳｅ等の半導体ロッドによるウッドパイル型のフォトニック結晶が用いられる。フォトニック結晶からの自然放出レートはバルク結晶よりも一般に大きくなるため、低閾値発振が実現でき、高効率なレーザ光出力が可能となる。フォトニック結晶は、一定のロッドピッチｐで一方向に平行に配列されたロッド幅ｗ及びロッド厚さｔのストライプ状のロッド５１ａ〜５１ｄ、・・・を有する第１ロッド層５１の上に、第１ロッド層５１のロッド５１ａ〜５１ｄ、・・・と同一のロッドピッチｐ、ロッド幅ｗ及びロッド厚さｔで、第１ロッド層５１のロッド５１ａ〜５１ｄ、・・・と直交する方向に平行に配列されたロッド５２ａ〜５２ｄ、・・・を有する第２ロッド層５２が配置されている。更に、以下同様に第２ロッド層５２のロッド５２ａ〜５２ｄ、・・・に直交する方向に平行に配列された第３ロッド層５３のロッド５３ａ〜５３ｄ、・・・、第３ロッド層５３のロッド５３ａ〜５３ｄ、・・・と直交する方向に平行に配列された第４ロッド層５４のロッド５４ａ〜５４ｄ、・・・、第４ロッド層５４のロッド５４ａ〜５４ｄ、・・・に直交する方向に平行に配列された第５ロッド層５５のロッド５５ａ〜５５ｄ、・・・、第５ロッド層５５のロッド５５ａ〜５５ｄ、・・・と直交する方向に平行に配列された第６ロッド層５６のロッド５６ａ〜５６ｄ、・・・、・・・が第１及び第２ロッド層５１、５２のロッド５１ａ〜５１ｄ、・・・、５２ａ〜５２ｄ、・・・と同一のロッドピッチｐ、ロッド幅ｗ及びロッド厚さｔで積層して配置されている。
【００３４】
第３の実施の形態では、発光媒質４２に用いるフォトニック結晶は、ロッドピッチｐが２μｍ、ロッド幅ｗが０．５μｍ及びロッド厚さｔが０．６μｍで、ＰｂＳｅロッド層は４００層積層している。なお、レーザ媒質２ｂの導波路媒質３１には、第２の実施の形態と同様の、ＧａＡｓ等の半導体ロッドによるウッドパイル型のフォトニック結晶が用いられているので、重複した説明は省略する。
【００３５】
レーザ媒質２ｂの第１及び第２の反射鏡５、６に対向する面の寸法は、５０ｃｍ×２０ｃｍである。発光媒質４２は、例えば、励起源４ａのＮｄ：ＹＡＧレーザから発振波長が１．０６μｍのレーザ光が照射されて励起され、発光波長が３．１μｍの光を放出する。
【００３６】
第３の実施の形態では、レーザ媒質２ｂの導波路媒質３１のフォトニック結晶のフォトニックバンドギャプは、１．０〜１．６μｍの波長領域に形成されている。励起源４ａの励起光は波長が１．０６μｍであり、フォトニックバンドギャップの範囲内であり、導波路媒質３１を透過せず、主導波路及び分岐導波路を介してレーザ媒質２ｂの発光媒質４２を励起することができる。発光媒質４２の発光波長は、３．１μｍであり、フォトニックバンドギャップの範囲外であり、導波路媒質を透過する波長に相当するので、レーザ媒質２ｂから自然放出され、共振器内に閉じ込められ反射を繰り返し、発生した誘導放出を増幅する。発光媒質４２では、誘導放出光による励起により、高いエネルギ準位にある電子数が更に増加し、反転分布が形成される。そして、Ｑスイッチ７をオンにすると、誘導放出が連続的に効率よく発生し、パルス状の高出力レーザ光が共振器の第２の反射鏡６から得られる。フォトニック結晶中からの自然放出率はバルク半導体よりも一般に大きくなるため、更に高効率のレーザ光出力を得ることが可能となる。
【００３７】
第３の実施の形態に係るレーザ装置により、レーザ光を出力させる手順を説明する。まず、Ｑスイッチ７をオフにしておき、励起源４ａのＮｄ：ＹＡＧレーザを発振させる。レーザ光をレーザ媒質２ｂに照射してレーザ媒質２ｂの発光媒質４２を励起する。励起された発光媒質４２から放出された光は、第１及び第２の反射鏡５、６間の共振器の内部に閉じ込められ、第１及び第２の反射鏡５、６間で反射を繰り返して誘導放出により増幅される。励起源４ａを、例えば９０秒間駆動した後、レーザ媒質２ｂ内では、高いエネルギ準位にある電子数の増加により、反転分布が形成され、レーザ媒質２ｂの反転分布が最高域に達した時に、Ｑスイッチ７をオンにする。その結果、誘導放出が連続的に効率よく発生し、共振器の第２の反射鏡６から出力約９０ｋＪのレーザ光を得ることができる。
【００３８】
第３の実施の形態に係るレーザ装置によれば、励起光を効率よく蓄積でき、共振器の損失を抑制できるため、小型で取り扱いが容易な装置で高出力のレーザ光を得ることができる。また、発光媒質４２にフォトニック結晶を用いることにより、低閾値発振を可能にしたためより高出力が得られる。また、レーザ媒質にハロゲン元素等を含むガスを用いていないため、廃棄物による環境汚染の危惧が生じない。
【００３９】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明の第１〜第３の実施の形態を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００４０】
例えば、本発明の第１〜第３実施の形態に係るレーザ媒質としては、図４に示したように、主導波路１３ａに対して直角に分岐させた複数の分岐導波路１４ａ、１４ｂ、・・・、１４ｆ〜１４ｉを紙面左側に配置した発光媒質１２を励起するように、主導波路１３の片側だけに設けている。しかし、図１０に示すように、フォトニック結晶からなる導波路媒質６１内にフォトニック結晶を除去して設けられた主導波路６３に対して、主導波路６３の分岐点で両側に分岐する第１の分岐導波路６４ａ、６４ｂ、・・・、６４ｆ〜６４ｈ及び第２の分岐導波路６５ａ、６５ｂ、・・・、６５ｆ〜６５ｇを設けてもよい。この場合、導波路媒質６１の紙面の左右両側に配置されている発光媒質６２ａ、６２ｂを同時に励起することができる。
【００４１】
また、本発明の第２〜第３の実施の形態では、レーザ媒質としてＰｂＳｅを用いているが、ＰｂＳｅに限定されるものではなく、例えば、ＰｂＳｅの代わりに硫化鉛（ＰｂＳ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、あるいは、窒化ガリウム（ＧａＮ）等を用い、それぞれの発光波長にあわせたフォトニック結晶からなる反射鏡を組み合わせてもよいことは、勿論である。
【００４２】
また、フォトニック結晶を構成する材料として、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、及び各種の化合物半導体等の半導体、あるいは酸化シリコン（ＳｉＯ２）等の誘電体を用いることができるのは，勿論である。
【００４３】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、小型で取り扱いが容易な環境汚染の危惧が生じない高出力レーザ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るレーザ装置の構成の一例を示す概略図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るレーザ媒質の積層構造の一例を示す概略図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る同波路媒質の構造の一例を示す概略図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係るレーザ媒質の断面構造の一例を示す概略図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係るフォトニック結晶の構造の一例を示す概略図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係るレーザ媒質の構造の一例を示す概略図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係る発光媒質の構造の一例を示す概略図である。
【図８】本発明の第３の実施の形態に係るレーザ装置の構成の一例を示す概略図である。
【図９】本発明の第３の実施の形態に係るフォトニック結晶の構造の一例を示す概略図である。
【図１０】本発明のその他の実施の形態に係るレーザ媒質の断面構造の一例を示す概略図である。
【符号の説明】
２、２ａ、２ｂ レーザ媒質
４、４ａ 励起源
５ 第１の反射鏡
６ 第２の反射鏡
７ Ｑスイッチ
１１、１１ａ〜１１ｄ、３１、６１ 導波路媒質
１２、１２ａ〜１２ｄ、３２、４２、６２ａ、６２ｂ 発光媒質
１３ａ〜１３ｃ、・・・、１３ｆ、１３ｇ、６３ 主導波路
１４ａ、１４ｂ、・・・、１４ｆ〜１４ｉ 分岐導波路
２１、５１ 第１ロッド層
２１ａ〜２１ｃ、２２ａ、２２ｂ、２３ａ〜２３ｃ、２４ａ、２４ｂ、２５ａ〜２５ｃ、２６ａ、２６ｂ、２７ａ〜２７ｃ、２８ａ、２８ｂ、５１ａ〜５１ｄ、５２ａ〜５２ｄ、５３ａ〜５３ｄ、５４ａ〜５４ｄ、５５ａ〜５５ｄ、５６ａ〜５６ｄ、５７ａ〜５７ｄ、５８ａ〜５８ｂ ロッド
２２、５２ 第２ロッド層
２３、５３ 第３ロッド層
２４、５４ 第４ロッド層
２５、５５ 第５ロッド層
２６、５６ 第６ロッド層
２７ 第７ロッド層
２８ 第８ロッド層
３７ ガラス媒質
３８ 量子点
６４ａ、６４ｂ、・・・、６４ｆ〜６４ｈ 第１の分岐導波路
６５ａ、６５ｂ、・・・、６５ｆ〜６５ｈ 第２の分岐導波路
【発明の属する技術分野】
本発明はフォトニック結晶を用いたレーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高出力レーザ光発生は、加工技術、電力送信技術等への応用上重要な技術であり、高出力のレーザ装置の開発が進められている。レーザ装置には、生産現場における取り扱いや、電力送信を行う場所への装置の移動等が容易となる、小型かつ安全な装置の開発が要求されている。
【０００３】
従来の高出力レーザ装置としては、炭酸ガス（ＣＯ２）レーザやイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）レーザを光源とした多段増幅型レーザ装置（例えば、非特許文献１参照）、レーザ媒質にフッ化水素（ＨＦ）等を用い、化学反応によって解放されるエネルギをレーザ光として取り出す化学レーザ（例えば、非特許文献２参照）が知られている。
【０００４】
また、光励起や電子線励起を用いて、高出力レーザ光を得ることができる。例えば、ファブリ−ペロ（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ）型の共振器内にネオジム：ヤグ（Ｎｄ：ＹＡＧ）をレーザ媒質として挿入し、励起源のフラッシュランプ光を照射して大きな反転分布をレーザ媒質中に得る。Ｑスイッチ等の出力光取り出し機構を作動させることにより共振器内でレーザー発振が起こり、短時間のうちにレーザ媒質内に蓄積されたエネルギが出力光として放射される。
【０００５】
【非特許文献１】
石手孝、他，「レーザ研究」，２０００年，第２８巻，第１号，ｐ．１３
【０００６】
【非特許文献２】
藤岡知生、他，「応用物理」，１９７６年，第４５巻，第１０号，ｐ．８６９
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
多段増幅型レーザ装置は、多段増幅部が大型化することが大きな欠点であり、例えば１ＭＷクラスの加工用連続波（ＣＷ）レーザ装置においては、全長が１０ｍ 程度となるものもある。より効率的な空間の利用や、電力送信時の装置の移動等を考えると、このような大型の装置を用いることのディメリットは大きい。
【０００８】
また、化学レーザにおいては、レーザ媒質には上記ＨＦの他、塩化水素（ＨＣｌ）、臭化水素（ＨＢｒ）といった、ハロゲン元素を含む物質が用いられる。ハロゲン元素を含む物質を用いてレーザ発振した後は、ハロゲン化物を大量に含むガスが排出されるため、人体及び環境への影響は大きく、高出力の光源を長時間あるいは繰り返し用いることには大きな問題がある。
【０００９】
また、励起源に光や電子線を用いる機構では、レーザ媒質によって励起光や電子線が吸収されるため、励起源の照射方向のレーザ媒質の厚みは大きく取れないという問題がある。従って、高出力光を得るためには励起源照射方向には薄く、励起源照射方向に垂直な方向には広い面積を持ったレーザ媒質を用いる必要があり、装置形状や持ち運びの観点から取り扱いが困難である。
【００１０】
以上説明したように、レーザ装置において高出力を実現するために、装置が大型化したり、あるいは人体や環境に有害なレーザ媒質を使用しているため、効率的な空間利用や装置移動、あるいは安全性等に問題が生じる。
【００１１】
本発明は、上記した問題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、小型で取り扱いが容易な環境汚染の危惧が生じない高出力レーザ装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の態様は、（イ）フォトニック結晶からなる平行平板状の導波路媒質と、発光波長がフォトニック結晶のフォトニックバンドギャップの範囲外となる平行平板状の発光媒質とを交互に積層し、それぞれの導波路媒質は、導波路媒質の一端面に設けた開口部から一端面に対向する他端面の近傍まで延在する主導波路と、主導波路の複数の分岐点からそれぞれ分岐して一端面及び他端面に直交する表面に達する複数の分岐導波路とを有するレーザ媒質と、（ロ）レーザ媒質の積層方向に沿って、レーザ媒質を挟むように互いに対向して共振器を構成するように配置された第１及び第２の反射鏡と、（ハ）主導波路に対しフォトニックバンドギャップの範囲内の波長を含む光を出力する励起源とを備えるレーザ装置であることを要旨とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、形状や寸法は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な形状や寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００１４】
本発明の第１〜第３の実施の形態を説明する前に、先ず、レーザ媒質に使用するフォトニック結晶の概略を説明する。フォトニック結晶は、屈折率が異なる多種類の媒質を光の波長程度のピッチで組み合わせた人工的な多次元周期構造であり、フォトニック結晶内の光の伝搬を制御することが可能である。周期配列を有するフォトニック結晶中の光の振る舞いに対して、固体結晶中の電子の振る舞いを表わすエネルギバンドの概念を適用することができる。即ち、電子の運動量とエネルギの関係を表わすエネルギバンドが、光の波数と周波数の関係を表わす「フォトニックバンド］に置き換えられる。周期配列された媒質と背景媒質に屈折率の差があると、光がフォトニック結晶中を伝搬することが許されない周波数帯域が形成され、このような周波数帯域は、固体結晶のエネルギバンドのバンドギャップに対応して、「フォトニックバンドギャップ」と呼ばれている。フォトニックバンドギャップに相当する周波数を有する光をフォトニック結晶表面に入射すると、原理的には１００％の反射率で入射光は反射される。フォトニックバンドギャップは、周期配列された媒質と背景媒質として、半導体と空気といった屈折率の差が大きい組み合わせほど大きく開き、高い反射率を実現できる。また、高次元周期構造ほどフォトニックバンドギャップの効果は顕著になるため、フォトニック結晶としては、ロッドを積層したウッドパイル構造や、３回対称の斜孔を配列したヤブロノバイト積層構造、あるいは面心立方格子状に単位胞が配列した３次元周期構造が用いられる。以下の第１〜第３の実施の形態においては、このようなフォトニック結晶を用いたレーザ媒質について説明する。
【００１５】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係るレーザ装置は、図１に示すように、複数の導波路媒質１１と複数の発光媒質１２を交互に積層したレーザ媒質２と、レーザ媒質２を挟んで、図１の紙面左及び右側に対向して配置されている第１の反射鏡５及び第２の反射鏡６と、レーザ媒質２及び第２の反射鏡６の間に配置されているＱスイッチ７と、紙面でレーザ媒質２の下側の側面に対向して配置されている励起源４とを備えている。
【００１６】
レーザ媒質２、第１及び第２の反射鏡５、６は共振器を構成する。レーザ媒質２から自然放出された光は、共振器の第１及び第２の反射鏡５、６間で反射する。なお、第１及び第２の反射鏡５、６のそれぞれの反射率は１００％及び９５％であり、第２の反射鏡６側からレーザ光が出力される。励起源４は、例えば、フラッシュランプであり、出力光はレーザ媒質２の側面に入射する。Ｑスイッチ７は、誘導放出を連続的に効率よく発生させ、パルス状の高出力レーザ光を放出する。
【００１７】
レーザ媒質２は、図２に示すように、複数の導波路媒質１１ａ〜１１ｄと、複数の発光媒質１２ａ〜１２ｄとを、第１及び第２の反射鏡５、６の対向する方向に交互に配置した構造である。例えば、図２の紙面左側から導波路媒質１１ａに接して発光媒質１２ａ、発光媒質１２ａに接して導波路媒質１１ｂが順に配置される。更に、導波路媒質１１ｂに発光媒質１２ｂ、発光媒質１２ｂに導波路媒質１１ｃ、導波路媒質１１ｃに発光媒質１２ｃ、発光媒質１２ｃに導波路媒質１１ｄ、導波路媒質１１ｄに発光媒質１２ｄが順に接して配置される。第１の実施の形態では、レーザ媒質２を模式的に４層構造で説明をしたが、４層構造に限定されず、任意の数の積層構造とすることができるのは勿論である。
【００１８】
第１の実施の形態に係るレーザ媒質２の励起源４に対向する側面では、図３に示すように、導波路媒質１１の上端の近傍から下端の近傍へ等間隔で複数の主導波路１３ａ〜１３ｃ、・・・、１３ｆ、１３ｇが配置されている。
【００１９】
図３に示す導波路媒質１１のＡＡ断面には、図４に示すように、フォトニック結晶からなる導波路媒質１１内にフォトニック結晶を除去して設けられた主導波路１３ａと、主導波路１３ａから分岐する複数の分岐導波路１４ａ、１４ｂ、・・・、１４ｆ〜１４ｉが配置されている。主導波路１３ａは、励起源４に対向する導波路媒質１１の一端面に開口部が設けられ、発光媒質１２との界面の方向とほぼ平行に導波路媒質１１の他端面の近傍まで延在している。分岐導波路１４ａ、１４ｂ、・・・、１４ｆ〜１４ｉは、主導波路１３ａに沿って等間隔に配置され、主導波路１３ａから約直角に分岐して発光媒質１２に達するように設けられる。
【００２０】
第１の実施の形態に係る導波路媒質１１には、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）等の半導体ロッドによるウッドパイル型のフォトニック結晶が用いられる。ウッドパイル型のフォトニック結晶は、図５に示すように、一定のロッドピッチｐで一方向に平行に配列されたロッド幅ｗ及びロッド厚さｔのストライプ状のロッドからなるフォトニック結晶単位層を積層したものである。例えば、ロッド２１ａ〜２１ｃ、・・・を有する第１ロッド層２１の上に、第１ロッド層２１のロッド２１ａ〜２１ｃ、・・・と同一のロッドピッチｐ、ロッド幅ｗ及びロッド厚さｔで、第１ロッド層２１のロッド２１ａ〜２１ｃ、・・・と直交する方向に平行に配列されたロッド２２ａ、２２ｂ、・・・を有する第２ロッド層２２が配置されている。更に、第２ロッド層２２のロッド２２ａ、２２ｂ、・・・に直交する方向に平行に配列された第３ロッド層２３のロッド２３ａ〜２３ｃ、・・・が配置されている。以下同様に、第３ロッド層２３のロッド２３ａ〜２３ｃ、・・・と直交する方向に平行に配列された第４ロッド層２４のロッド２４ａ、２４ｂ、・・・、第４ロッド層２４のロッド２４ａ、２４ｂ、・・・に直交する方向に平行に配列された第５ロッド層２５のロッド２５ａ〜２５ｃ、・・・、第５ロッド層２５のロッド２５ａ〜２５ｃ、・・・と直交する方向に平行に配列された第６ロッド層２６のロッド２６ａ、２６ｂ、・・・、第６ロッド層２６のロッド２６ａ、２６ｂ、・・・に直交する方向に平行に配列された第７ロッド層２７のロッド２７ａ〜２７ｃ、・・・、及び、第７ロッド層２７のロッド２７ａ〜２７ｃ、・・・と直交する方向に平行に配列された第８ロッド層２８のロッド２８ａ、２８ｂ、・・・が第１及び第２ロッド層２１、２２のロッド２１ａ〜２１ｃ、・・・、２２ａ、２２ｂ、・・・と同一のロッドピッチｐ、ロッド幅ｗ及びロッド厚さｔで積層して配置されている。
【００２１】
ウッドパイル型のフォトニック結晶は、例えば、フォトリソグラフィによりＧａＡｓ基板をエッチング加工して形成したストライプ構造を、一層毎に９０ 度ずつ回転しながらウェハ融着法によって積層して作成する（例えば、新保（Ｍ． Ｓｈｉｍｂｏ）、等，ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ），１９８６年，第６０巻，ｐ．２９８７、参照）。
【００２２】
本発明の第１の実施の形態に係る導波路媒質１１に用いるフォトニック結晶は、空気等の背景媒質中に周期配列されたＧａＡｓ等の背景媒質とは異なる屈折率の媒質からなる屈折率周期構造である。フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップは、周期配列された媒質と背景媒質の屈折率の差が大きい組み合わせほど大きく開き、高い反射率を実現できる。例えば、ＧａＡｓ及び空気の屈折率はそれぞれ、約３．６６及び１．００であり、差が大きい。また、高次元周期構造ほどフォトニックバンドギャップの効果は顕著になる。更に、フォトニック結晶の単位層が５層以上、好ましくは７層以上積層されているときに反射効率が特によくなることが、実験およびシミュレーションによって確認されている。更に、フォトニック結晶においては、光路を９０度に急激に曲げても、光が導波路から放射されて損失が生じることがない（例えば、納富（Ｎｏｔｏｍｉ ｅｔ ａｌ．）、等，エレクトロニックス・レターズ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ． Ｌｅｔｔ．），２００１年，第３７巻，ｐ．２４３、参照）。したがって、第１の実施の形態によれば、レーザ媒質２の発光媒質の厚さに対する制限を解消することができる。
【００２３】
本発明の第１の実施の形態においては、導波路媒質１１として、上述したようにＧａＡｓロッド層を２０層としたウッドパイル型の３次元周期構造を有するフォトニック結晶を用いている。導波路媒質１１のフォトニック結晶の積層方向に直交する面の寸法は５０×５０ｃｍであり、フォトニック結晶の積層方向が共振器の第１及び第２の反射鏡５、６の対向する方向と平行になるように設置する。図３に示す主導波路１３ａ〜１３ｃ、・・・、１３ｆ、１３ｇは、フォトニック結晶の積層方向の１０層目に相当する部分のストライプを、励起源４に対向する導波路媒質１１の一端面に設けられた開口部から、導波路媒質１１の他端面から１０層目の所まで除去して形成されている。主導波路１３ａ〜１３ｃ、・・・、１３ｆ、１３ｇのそれぞれの間は７ロッドピッチである。また、図４に示す分岐導波路１４ａ、１４ｂ、・・・、１４ｆ〜１４ｉは、導波路媒質１１の開口部が設けられた一端面から１０層分を残して、７ロッドピッチごとに主導波路１３ａ〜１３ｃ、・・・、１３ｆ、１３ｇと発光媒質１２との間のストライプを除去して形成されている。発光媒質１２は、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ等であり、導波路媒質１１に接する面の寸法は導波路媒質１１と同じ５０×５０ｃｍで、厚さは０．１ｃｍである。第１の実施の形態では、導波路媒質１１と発光媒質１２をそれぞれ３００層交互に積層したレーザ媒質２を用いている。
【００２４】
例えば、図５に示すロッドピッチｐを１μｍ、ロッド幅ｗを０．２５μｍ、及びロッド厚さｔを０．３μｍとすると、導波路媒質１１のフォトニックバンドギャップが、約１．２５〜２．０μｍの波長領域に形成される。励起源４に用いるフラッシュランプの発光波長は０．５〜１０μｍの範囲であり、導波路媒質１１のフォトニック結晶のフォトニックバンドギャップに相当する波長を含んでいる。したがって、例えば図４においては、導波路媒質１１のフォトニックバンドギャップに相当する波長の出力光Ｂが、導波路媒質１１を透過せず主導波路１３中に導入される。出力光Ｂは、各分岐導波路１４ａ、１４ｂ、・・・、１４ｆ〜１４ｉでエネルギ分配が行われ、分岐したそれぞれの励起光Ｂｅｘが発光媒質１２を励起する。フォトニック結晶による損失が殆どないため、励起光Ｂｅｘは、発光媒質１２に対して、励起源４側の一端面から、励起源４から離れた他端面近傍まで効率よく供給される。励起光Ｂｅｘによる発光媒質１２の自然放出光は、波長が１．０６μｍであり、レーザ媒質２のフォトニック結晶で反射されず透過することができる。したがって、第１の実施の形態に係るレーザ装置においては、フラッシュランプ光の励起光Ｂｅｘで励起により自然放出された光は、共振器の第１及び第２の反射鏡５、６間で反射を繰り返す。レーザ媒質２内では、自然放出光により更に励起が進み、高いエネルギ準位にある電子数が増え、反転分布が形成される。レーザ媒質２の反転分布が最高域に達した時に、図１のＱスイッチ７を動作させると誘導放出が連続的に効率よく発生し、パルス状の高出力レーザ光が共振器の第２の反射鏡６から得られる。
【００２５】
第１の実施の形態に係るレーザ装置により、レーザ光を出力させる手順を図１及び図４を用いて説明する。まず、Ｑスイッチ７をオフの状態にして、励起源４よりフラッシュランプの出力光をレーザ媒質２に照射する。レーザ媒質２の導波路媒質１１のフォトニック結晶のフォトニックバンドギャップに相当する約１．２５〜２．０μｍの波長領域の出力光Ｂが導波路媒質１１の主導波路１３ａ〜１３ｃ、・・・、１３ｆ、１３ｇに導入される。主導波路１３ａ〜１３ｃ、・・・、１３ｆ、１３ｇに導入され出力光Ｂから、各分岐導波路１４ａ、１４ｂ、・・・、１４ｆ〜１４ｉに励起光Ｂｅｘが分配される。励起光Ｂｅｘにより発光媒質１２が励起され自然放出による発光が生じる。Ｎｄ：ＹＡＧの発光媒質１２の発光波長は、１．０６μｍであり、導波路媒質１１のフォトニックバンドギャップの波長範囲外に相当する。したがって、レーザ媒質２、第１及び第２の反射鏡５、６で構成する共振器内に自然放出光が閉じ込められ、共振器内で反射を繰り返して発生した誘導放出が増幅される。レーザ媒質２内では、高いエネルギ準位にある電子数の増加により、反転分布が形成される。レーザ媒質２の反転分布が最高域に達した時に、Ｑスイッチ７をオンにすると、誘導放出が連続的に効率よく発生し、共振器の第２の反射鏡６から出力約１０ｋＪのレーザ光を得ることができる。
【００２６】
上述のように、本発明の第１の実施の形態に係るレーザ装置によれば、励起光を効率よくレーザ媒質２の発光媒質１２の領域全面に供給できるため、高出力のレーザ光を得ることが可能となる。また、励起光は導波路媒質１１を透過することなく発光媒質１２の各部に伝搬することが可能であり、レーザ媒質２の厚さに対する制限が解消され取り扱いが容易となり、共振器も小型化できる。したがって、レーザ装置の重量が軽減され、レーザ装置の移動も容易となる。また、レーザ媒質２にはハロゲン元素を用いた気体を用いる必要がなく、かつ発振時には化学反応の介在も要しないため、副産物として排出される物質に対して環境汚染や人体への悪影響を考慮せずに使用することができ、廃棄物処理法あるいは廃棄物処理装置に対する負担もなく、低コストで使用できる。
【００２７】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係るレーザ装置は、図６に示すように、複数の導波路媒質３１と複数の発光媒質３２を交互に積層したレーザ媒質２ａと、紙面でレーザ媒質２ａの下側の側面に対向して配置されている励起源４ａを備える。他の第１及び第２の反射鏡５、６、Ｑスイッチ７は第１の実施の形態と同様であるので、重複した説明は省略する。
【００２８】
レーザ媒質２ａの発光媒質３２は、図７に示すように、例えばセレン化鉛（ＰｂＳｅ）等の半導体の量子点３８をリン酸ガラス（ＰＳＧ）等のガラス媒質３７に分散させた構造である。量子点３８の平均粒径は５ｎｍ、分散密度は約１０１８ｃｍ−３、である。また、ガラス媒質３７の第１及び第２の反射鏡５、６に対向する面のサイズは５０ｃｍ×２０ｃｍで、厚さは０．１ｃｍである。レーザ媒質２ａは励起源４ａからエネルギの供給を受けて励起される。レーザ媒質２ａの発光波長は、２μｍである。レーザ媒質２ａの導波路媒質３１には、第１の実施の形態と同様に、図５で示したＧａＡｓ等の半導体ロッドによるウッドパイル型のフォトニック結晶が用いられる。フォトニック結晶は、ロッドピッチｐを０．８μｍ、ロッド幅ｗを０．２μｍ、及びロッド厚さｔを０．２４μｍとしている。導波路媒質３１に設ける主導波路および分岐導波路の形態は、図３及び図４と同様である。レーザ媒質２ａは、フォトニックス結晶からなる導波路媒質３１と発光媒質３２とをそれぞれ交互に３００層積層している。導波路媒質３１のフォトニック結晶のフォトニックバンドギャップは、約１．０〜１．６μｍの波長領域に形成されている。
【００２９】
励起源４ａは、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ等のレーザ光源であり、発振波長は、１．０６μｍである。レーザ媒質２ａのフォトニックバンドギャップの範囲内であり、導波路媒質の主導波路及び分岐導波路を介して、発光媒質３２を励起することができる。発光媒質３２の発光波長は、２μｍであり、フォトニックバンドギャップの範囲外であり、レーザ媒質２ａから自然放出され共振器内に閉じ込められ反射を繰り返し、発生した誘導放出を増幅する。発光媒質３２の量子点３８では、誘導放出光による励起により、高いエネルギ準位にある電子数が更に増加し、反転分布が形成される。そして、Ｑスイッチ７をオンにすると、誘導放出が連続的に効率よく発生し、パルス状の高出力レーザ光が共振器の第２の反射鏡６から得られる。発光媒質３２の量子点３８は、絶縁体であるガラス媒質３７に埋め込まれているため、反転分布した電子の閉じ込めの効率が向上し、更に高出力のレーザ光を得ることが可能となる。
【００３０】
第２の実施の形態に係るレーザ装置により、レーザ光を出力させる手順を説明する。まず、Ｑスイッチ７をオフにしておき、励起源４ａのＮｄ：ＹＡＧレーザを発振させる。レーザ光をレーザ媒質２ａに照射してレーザ媒質２ａの発光媒質３２を励起する。励起された発光媒質３２から放出された光は、第１及び第２の反射鏡５、６間の共振器の内部に閉じ込められ、第１及び第２の反射鏡５、６間で反射を繰り返して誘導放出により増幅される。励起源４ａを、例えば１００秒間駆動した後、レーザ媒質２ａ内では、高いエネルギ準位にある電子数の増加により、反転分布が形成され、レーザ媒質２ａの反転分布が最高域に達した時に、Ｑスイッチ７をオンにする。その結果、誘導放出が連続的に効率よく発生し、共振器の第２の反射鏡６から出力約４５ｋＪのレーザ光を得ることができる。
【００３１】
本発明の第２の実施の形態に係るレーザ装置によれば、変転分布した電子を量子点３８に効率よく閉じ込め、励起光を効率よく蓄積できるため、小型で取り扱いが容易な装置で高出力のレーザ光を得ることができる。また、レーザ媒質にハロゲン元素等を含むガスを用いていないため、廃棄物による環境汚染の危惧が生じない。
【００３２】
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態に係るレーザ装置は、図８に示すように、複数の導波路媒質３１と複数の発光媒質４２を交互に積層したレーザ媒質２ｂを備えることが、第２の実施の形態と異なる。その他の構成は、第２の実施の形態と同様であるので，重複した説明は省略する。
【００３３】
第３の実施の形態に係るレーザ装置に用いるレーザ媒質２ｂの発光媒質４２には、図９に示すように、例えばＰｂＳｅ等の半導体ロッドによるウッドパイル型のフォトニック結晶が用いられる。フォトニック結晶からの自然放出レートはバルク結晶よりも一般に大きくなるため、低閾値発振が実現でき、高効率なレーザ光出力が可能となる。フォトニック結晶は、一定のロッドピッチｐで一方向に平行に配列されたロッド幅ｗ及びロッド厚さｔのストライプ状のロッド５１ａ〜５１ｄ、・・・を有する第１ロッド層５１の上に、第１ロッド層５１のロッド５１ａ〜５１ｄ、・・・と同一のロッドピッチｐ、ロッド幅ｗ及びロッド厚さｔで、第１ロッド層５１のロッド５１ａ〜５１ｄ、・・・と直交する方向に平行に配列されたロッド５２ａ〜５２ｄ、・・・を有する第２ロッド層５２が配置されている。更に、以下同様に第２ロッド層５２のロッド５２ａ〜５２ｄ、・・・に直交する方向に平行に配列された第３ロッド層５３のロッド５３ａ〜５３ｄ、・・・、第３ロッド層５３のロッド５３ａ〜５３ｄ、・・・と直交する方向に平行に配列された第４ロッド層５４のロッド５４ａ〜５４ｄ、・・・、第４ロッド層５４のロッド５４ａ〜５４ｄ、・・・に直交する方向に平行に配列された第５ロッド層５５のロッド５５ａ〜５５ｄ、・・・、第５ロッド層５５のロッド５５ａ〜５５ｄ、・・・と直交する方向に平行に配列された第６ロッド層５６のロッド５６ａ〜５６ｄ、・・・、・・・が第１及び第２ロッド層５１、５２のロッド５１ａ〜５１ｄ、・・・、５２ａ〜５２ｄ、・・・と同一のロッドピッチｐ、ロッド幅ｗ及びロッド厚さｔで積層して配置されている。
【００３４】
第３の実施の形態では、発光媒質４２に用いるフォトニック結晶は、ロッドピッチｐが２μｍ、ロッド幅ｗが０．５μｍ及びロッド厚さｔが０．６μｍで、ＰｂＳｅロッド層は４００層積層している。なお、レーザ媒質２ｂの導波路媒質３１には、第２の実施の形態と同様の、ＧａＡｓ等の半導体ロッドによるウッドパイル型のフォトニック結晶が用いられているので、重複した説明は省略する。
【００３５】
レーザ媒質２ｂの第１及び第２の反射鏡５、６に対向する面の寸法は、５０ｃｍ×２０ｃｍである。発光媒質４２は、例えば、励起源４ａのＮｄ：ＹＡＧレーザから発振波長が１．０６μｍのレーザ光が照射されて励起され、発光波長が３．１μｍの光を放出する。
【００３６】
第３の実施の形態では、レーザ媒質２ｂの導波路媒質３１のフォトニック結晶のフォトニックバンドギャプは、１．０〜１．６μｍの波長領域に形成されている。励起源４ａの励起光は波長が１．０６μｍであり、フォトニックバンドギャップの範囲内であり、導波路媒質３１を透過せず、主導波路及び分岐導波路を介してレーザ媒質２ｂの発光媒質４２を励起することができる。発光媒質４２の発光波長は、３．１μｍであり、フォトニックバンドギャップの範囲外であり、導波路媒質を透過する波長に相当するので、レーザ媒質２ｂから自然放出され、共振器内に閉じ込められ反射を繰り返し、発生した誘導放出を増幅する。発光媒質４２では、誘導放出光による励起により、高いエネルギ準位にある電子数が更に増加し、反転分布が形成される。そして、Ｑスイッチ７をオンにすると、誘導放出が連続的に効率よく発生し、パルス状の高出力レーザ光が共振器の第２の反射鏡６から得られる。フォトニック結晶中からの自然放出率はバルク半導体よりも一般に大きくなるため、更に高効率のレーザ光出力を得ることが可能となる。
【００３７】
第３の実施の形態に係るレーザ装置により、レーザ光を出力させる手順を説明する。まず、Ｑスイッチ７をオフにしておき、励起源４ａのＮｄ：ＹＡＧレーザを発振させる。レーザ光をレーザ媒質２ｂに照射してレーザ媒質２ｂの発光媒質４２を励起する。励起された発光媒質４２から放出された光は、第１及び第２の反射鏡５、６間の共振器の内部に閉じ込められ、第１及び第２の反射鏡５、６間で反射を繰り返して誘導放出により増幅される。励起源４ａを、例えば９０秒間駆動した後、レーザ媒質２ｂ内では、高いエネルギ準位にある電子数の増加により、反転分布が形成され、レーザ媒質２ｂの反転分布が最高域に達した時に、Ｑスイッチ７をオンにする。その結果、誘導放出が連続的に効率よく発生し、共振器の第２の反射鏡６から出力約９０ｋＪのレーザ光を得ることができる。
【００３８】
第３の実施の形態に係るレーザ装置によれば、励起光を効率よく蓄積でき、共振器の損失を抑制できるため、小型で取り扱いが容易な装置で高出力のレーザ光を得ることができる。また、発光媒質４２にフォトニック結晶を用いることにより、低閾値発振を可能にしたためより高出力が得られる。また、レーザ媒質にハロゲン元素等を含むガスを用いていないため、廃棄物による環境汚染の危惧が生じない。
【００３９】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明の第１〜第３の実施の形態を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００４０】
例えば、本発明の第１〜第３実施の形態に係るレーザ媒質としては、図４に示したように、主導波路１３ａに対して直角に分岐させた複数の分岐導波路１４ａ、１４ｂ、・・・、１４ｆ〜１４ｉを紙面左側に配置した発光媒質１２を励起するように、主導波路１３の片側だけに設けている。しかし、図１０に示すように、フォトニック結晶からなる導波路媒質６１内にフォトニック結晶を除去して設けられた主導波路６３に対して、主導波路６３の分岐点で両側に分岐する第１の分岐導波路６４ａ、６４ｂ、・・・、６４ｆ〜６４ｈ及び第２の分岐導波路６５ａ、６５ｂ、・・・、６５ｆ〜６５ｇを設けてもよい。この場合、導波路媒質６１の紙面の左右両側に配置されている発光媒質６２ａ、６２ｂを同時に励起することができる。
【００４１】
また、本発明の第２〜第３の実施の形態では、レーザ媒質としてＰｂＳｅを用いているが、ＰｂＳｅに限定されるものではなく、例えば、ＰｂＳｅの代わりに硫化鉛（ＰｂＳ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、あるいは、窒化ガリウム（ＧａＮ）等を用い、それぞれの発光波長にあわせたフォトニック結晶からなる反射鏡を組み合わせてもよいことは、勿論である。
【００４２】
また、フォトニック結晶を構成する材料として、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、及び各種の化合物半導体等の半導体、あるいは酸化シリコン（ＳｉＯ２）等の誘電体を用いることができるのは，勿論である。
【００４３】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、小型で取り扱いが容易な環境汚染の危惧が生じない高出力レーザ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るレーザ装置の構成の一例を示す概略図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るレーザ媒質の積層構造の一例を示す概略図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る同波路媒質の構造の一例を示す概略図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係るレーザ媒質の断面構造の一例を示す概略図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係るフォトニック結晶の構造の一例を示す概略図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係るレーザ媒質の構造の一例を示す概略図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係る発光媒質の構造の一例を示す概略図である。
【図８】本発明の第３の実施の形態に係るレーザ装置の構成の一例を示す概略図である。
【図９】本発明の第３の実施の形態に係るフォトニック結晶の構造の一例を示す概略図である。
【図１０】本発明のその他の実施の形態に係るレーザ媒質の断面構造の一例を示す概略図である。
【符号の説明】
２、２ａ、２ｂ レーザ媒質
４、４ａ 励起源
５ 第１の反射鏡
６ 第２の反射鏡
７ Ｑスイッチ
１１、１１ａ〜１１ｄ、３１、６１ 導波路媒質
１２、１２ａ〜１２ｄ、３２、４２、６２ａ、６２ｂ 発光媒質
１３ａ〜１３ｃ、・・・、１３ｆ、１３ｇ、６３ 主導波路
１４ａ、１４ｂ、・・・、１４ｆ〜１４ｉ 分岐導波路
２１、５１ 第１ロッド層
２１ａ〜２１ｃ、２２ａ、２２ｂ、２３ａ〜２３ｃ、２４ａ、２４ｂ、２５ａ〜２５ｃ、２６ａ、２６ｂ、２７ａ〜２７ｃ、２８ａ、２８ｂ、５１ａ〜５１ｄ、５２ａ〜５２ｄ、５３ａ〜５３ｄ、５４ａ〜５４ｄ、５５ａ〜５５ｄ、５６ａ〜５６ｄ、５７ａ〜５７ｄ、５８ａ〜５８ｂ ロッド
２２、５２ 第２ロッド層
２３、５３ 第３ロッド層
２４、５４ 第４ロッド層
２５、５５ 第５ロッド層
２６、５６ 第６ロッド層
２７ 第７ロッド層
２８ 第８ロッド層
３７ ガラス媒質
３８ 量子点
６４ａ、６４ｂ、・・・、６４ｆ〜６４ｈ 第１の分岐導波路
６５ａ、６５ｂ、・・・、６５ｆ〜６５ｈ 第２の分岐導波路
Claims (3)
- フォトニック結晶からなる平行平板状の導波路媒質と、発光波長が前記フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップの範囲外となる平行平板状の発光媒質とを交互に積層し、それぞれの前記導波路媒質は、前記導波路媒質の一端面に設けた開口部から前記一端面に対向する他端面の近傍まで延在する主導波路と、前記主導波路の複数の分岐点からそれぞれ分岐して前記一端面及び前記他端面に直交する表面に達する複数の分岐導波路とを有するレーザ媒質と、
前記レーザ媒質の積層方向に沿って、前記レーザ媒質を挟むように互いに対向して共振器を構成するように配置された第１及び第２の反射鏡と、
前記主導波路に対し前記フォトニックバンドギャップの範囲内の波長を含む光を出力する励起源
とを備えることを特徴とするレーザ装置。 - 前記導波路媒質が、１０層以上のフォトニック結晶単位層を有することを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
- 前記発光媒質が、前記フォトニック結晶とは異なるフォトニック結晶からなることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ装置。
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