JP2013544441A - 光の増幅のための素子及びその製造方法 - Google Patents

光の増幅のための素子及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

放射の誘導放出による光の増幅のための素子が、光を導くための管状構造体が内部に形成されたガラス片と、ガラス片の大部分の平均屈折率よりも低い平均屈折率の境界領域を有する管状構造体と、ガラス片内に存在して導かれた光を増幅する複数のセンタとを備え、この増幅は、センタが別の光により照射された場合の放射の誘導放出によるものである。前記素子の製造方法も企図され、この方法は、ガラス片に対して電磁放射の焦点を移動させて、光を導くための管状構造体を形成するステップを含み、この管状構造体は、ガラス片の大部分の平均屈折率よりも低く、電磁放射の焦点とガラス片との間の相互作用によって少なくとも部分的に決定される平均屈折率の境界領域を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、一般に放射の誘導放出による光の増幅のための素子及びその製造方法に関し、排他的な意味ではないが、特にこの素子を有するレーザー増幅器、及びこの素子を有するレーザー発振器に関する。
低メンテナンス、低コスト及びスペクトル選択的な短〜中赤外線波長のコヒーレント光の光源は、微量ガス分光法、プロセス制御、環境安全モニタ、リアルタイム呼気分析、通信及び赤外線対策システムの試験を含む用途に応用される可能性がある。残念ながら、一般にこれらの特性を有する実用的な光源は利用不可能である。一般に、これらの波長を提供する実用的なレーザー材料はほとんど存在しないので、これらの波長の市販の固体レーザーは非線形波長変換を使用する。一般に波長変換は、非効率的、複雑、かつ高価である。これらの波長を生成できる市販の量子カスケードダイオードレーザーは、一般に極めて高価であり、一般に不便な真空エンクロージャを必要とし、スペクトル及び空間モード品質が劣る。
本発明の第１の態様によれば、放射の誘導放出による光の増幅のための素子が提供され、この素子は、
ガラス片と、
このガラス片内に存在して光を導き、ガラス片の大部分の平均屈折率よりも低い平均屈折率の境界領域を有する管状構造体と、
ガラス片内に存在して光が増幅されるように導かれた場合に光を増幅する複数のセンタ（ｃｅｎｔｒｅｓ）と、
を備え、この増幅は、センタが別の光により照射された場合の放射の誘導放出によるものである。
出願人は、例えば、このような素子を組み込んだ驚くほど高効率の短赤外レーザーを実証した。
ある実施形態では、管状構造体の内部の屈折率が、境界領域の屈折率よりも高い。内部は、ガラス片の大部分と同じ屈折率を有することができる。内部の直径は、１マイクロメートよりも大きくすることができる。内部の直径は、４０マイクロメートルよりも小さくすることができる。内部の直径は、２０マイクロメートルと３０マイクロメートルの間とすることができる。一般的には、あらゆる好適な内部寸法を使用することができる。
ある実施形態では、管状構造体の内部が、ガラス片の大部分と実質的に同じ光学特性を有する。
いくつかの実施形態では、主に管の内部で光が導かれ、それぞれの構造体を形成するために使用するプロセスによって光が大幅に劣化することはなかった。従って、これらの実施形態の構造体内における光伝播では、いくつかの先行技術の導波路内における光伝播よりも損失を抑えることができる。これにより、これらの実施形態の性能を向上させることができる。
ある実施形態では、境界領域の厚みが、１０マイクロメートルよりも大きい。境界領域の厚みは、４０マイクロメートルよりも小さくすることができる。境界領域の厚みは、２０マイクロメートルと３０マイクロメートルの間とすることができる。境界領域の厚みは、約２５マイクロメートルとすることができる。境界領域の厚みは、約２３マイクロメートルとすることもできる。境界領域の厚みは、約３２マイクロメートルとすることもできる。しかしながら、一般にあらゆる好適な境界領域厚さを使用することができる。
ある実施形態では、境界領域が、少なくとも１つのフィラメントを含み、少なくとも１つのフィラメントの各々は、ガラス片の大部分の屈折率よりも低い屈折率を有する。少なくとも１つのフィラメントは、構造体に沿って延びることができる。
ある実施形態では、少なくとも１つのフィラメントが線形である。少なくとも１つのフィラメントは、直線状とすることができる。複数のフィラメントを、線形及び／又は直線状とすることもできる。
ある実施形態では、少なくとも１つのフィラメントがらせん形である。このらせん形フィラメントは、構造体に沿って延びることができる。少なくとも１つのフィラメントのうちの１つは、それ自体に重なることができる。しかしながら、少なくとも１つのフィラメントを、直線形状及びらせん形状に限定する必要はない。
ある実施形態では、少なくとも１つのフィラメントが、複数のフィラメントである。複数のフィラメントの少なくとも２つは重なり合うことができる。或いは、フィラメントは、重なり合わなくてもよい。
ある実施形態では、境界領域が、内側部分及び外側部分を含む。内側部分及び外側部分の各々は、ガラス片の大部分の平均屈折率よりも低い平均屈折率を有することができる。内側部分と外側部分は、重なり合うことができる。
本出願人の発明の実施形態が実証される前には、追加部分が増幅素子の性能を低下させ、従って望ましくないと一般的に考えられていた。余計な処理を行うと、ガラスに対して応力、欠陥形成、散乱、色中心形成などの望ましくない影響がもたらされると考えられていた。驚くべきことに、出願人は、このことが必ずしも当てはまらないようなパラメータを巧く見出した。実際、出願人は、追加部分を有することにより、素子の性能が著しく改善される場合もあり得ることを見出した。
ある実施形態では、外側部分が、少なくとも１つのフィラメントを含み、内側部分が、別の少なくとも１つのフィラメントを含む。この別の少なくとも１つのフィラメントの各々は、ガラス片の大部分の屈折率よりも低い屈折率を有する。
ある実施形態では、別の少なくとも１つのフィラメントを、別の複数のフィラメントとすることができる。この別の複数のフィラメントの少なくとも２つは、重なり合うことができる。複数のフィラメントの少なくとも１つは、別の複数のフィラメントの少なくとも１つと重なり合うことができる。
ある実施形態では、内側部分及び外側部分の少なくとも一方が、少なくとも５つのフィラメントを有する。内側部分及び外側部分の少なくとも一方は、少なくとも６つのフィラメントを有することもできる。内側部分及び外側部分の少なくとも一方は、少なくとも１２個のフィラメントを有することもできる。内側部分及び外側部分の少なくとも一方は、少なくとも２０個のフィラメントを有することもできる。一般的には、あらゆる好適な数のフィラメントを使用することができる。
ある実施形態では、フィラメントの各々の直径が、１マイクロメートルよりも大きい。フィラメントの各々は、４０マイクロメートルよりも小さな直径を有することができる。一般的には、あらゆる好適なフィラメント直径を使用することができる。
ある実施形態では、内側部分及び／又は外側部分の各々が、少なくとも５マイクロメートルの直径を有することができる。内側部分及び／又は外側部分の各々は、少なくとも２０マイクロメートルの直径を有することもできる。一般的には、あらゆる好適な内側部分直径及び／又は外側部分直径を使用することができる。
ある実施形態では、少なくとも１つのフィラメント及び／又は別の少なくとも１つのフィラメントが、フィラメントの長さに沿って離間した複数のフィラメント部分を含む。このフィラメント部分は、光のいくつかの波長成分を反射することができる。
ある実施形態では、構造体に沿って回折格子が配置される。この回折格子は、ブラッグ回折格子とすることができる。ブラッグ回折格子は、複数のフィラメント部分を備えることができる。ブラッグ回折格子は、少なくとも部分的に内部の中に配置される。
ある実施形態では、境界又はフィラメントのいずれか一方の平均屈折率が、ガラス片の大部分の平均屈折率よりも低い０．０００１〜０．０１である。境界又はフィラメントのいずれか一方の平均屈折率は、ガラス片の大部分の平均屈折率よりも低い０．００１〜０．００５とすることもできる。境界又はフィラメントのいずれか一方の平均屈折率は、ガラス片の大部分の平均屈折率よりも低い０．００１〜０．００２５とすることもできる。境界又はフィラメントのいずれか一方の平均屈折率は、ガラス片の大部分の平均屈折率よりも低い約０．００１６とすることもできる。一般に、境界又はフィラメントのいずれか一方の平均屈折率は、あらゆる好適な値とすることができる。
ある実施形態では、ガラス片がフッ化物ガラスである。ガラス片は、ＺｒＦ4、ＢａＦ2、ＬａＦ3、ＡｌＦ3及びＮａＦを含むことができる。ガラス片は、５０〜５４モル％のＺｒＦ4、１８〜２２モル％のＢａＦ2、２〜６モル％のＬａＦ3、１〜５モル％のＡｌＦ3、１８〜２２モル％のＮａＦ、及び約０．０１〜５モル％のセンタを含むことができる。或いは、ガラス片は、ケイ酸鉛ガラス、ゲルマネートガラス、テルライトガラス、Ｂｉ2Ｏ3が少なくとも３０モル％のビスマス含有量であるガラス、カルコゲナイドガラス、リン酸塩ガラス及びフッ化リン酸塩ガラス（例えばフルオロリン酸塩ガラスとも呼ばれる）のうちの１つであってもよい。一般的には、あらゆる好適なガラスを使用することができる。
ある実施形態では、ガラス片が、インジウム及びフッ素を含む。
ある実施形態では、センタが、希土類イオンを含む。センタは、Ｔｍイオン、Ｈｏイオン、Ｅｒイオン、Ｐｒイオン、Ｄｙイオン、Ｙｂイオン及びＮｄイオンのうちの少なくとも１つを含むことができる。一般に、必ずしもそうではないが、ガラス片は、少なくとも１つの希土類イオンでドープされる。或いは、センタは、量子ドット又は分子の少なくとも一方を含むことができる。あらゆる好適なセンタを使用することができる。
ある実施形態では、構造体が、ガラス片の表面の下方５００マイクロメートル未満に存在する。構造体は、ガラス片の表面の下方約２００マイクロメートルに存在することもできる。しかしながら、構造体は、表面の下方のあらゆる好適な深さに存在することができる。
ある実施形態では、境界領域の厚みが、境界領域の屈折率とガラス片の大部分の屈折率との差分を考慮して選択されたものである。
ある実施形態では、管状構造体が、複数の管状構造体の１つである。複数の管状構造体は、ガラス片の応力破損（ｓｔｒｅｓｓ ｆｒａｃｔｕｒｅ）を避けるように相対的に配置することができる。隣接する管状構造体間の間隔は、少なくとも３００マイクロメートルとすることができる。隣接する管状構造体間の間隔は、少なくとも４００マイクロメートルとすることもできる。隣接する管状構造体間の間隔は、少なくとも４５０マイクロメートルとすることもできる。
本発明の第２の態様によれば、本発明の第１の態様により定義される素子を備えた光の増幅器が提供される。
ある実施形態では、この光の増幅器が、構造体内に光を結合するための光カプラを備える。光の増幅器は、構造体内に他の光を結合するための別の光カプラを備えることもできる。光の増幅器は、この別の光カプラによって素子に結合された他の光の光源を備えることもできる。光カプラと別の光カプラは、同じものであってもよい。
本発明の第３の態様によれば、
本発明の第１の態様により定義される素子と、
構造体内の光を共振させるように配置された反射部分と、
を備えたレーザー発振器が提供される。
ある実施形態では、レーザー発振器が、構造体内に他の光を結合するための別の光カプラを備えることができる。レーザー発振器は、別の光カプラによって素子に結合された他の光の光源を備えることもできる。
本発明の第４の態様によれば、放射の誘導放出による光の増幅のための素子の製造方法が提供され、この方法は、電磁放射の焦点をガラス片に対して移動させて、光を導くことができる管状構造体をガラス内に形成するステップを含み、この管状構造体は、ガラス片の大部分の平均屈折率よりも低い平均屈折率の境界領域を有し、この境界領域の屈折率は、少なくとも部分的に電磁放射の焦点とガラス片との間の相互作用により決定される。
一般に、必ずしもそうではないが、この電磁放射はレーザーからの光である。
驚いたことに、出願人は、結果として得られる素子の光学性能（吸収損失及び散乱損失など）を大幅に低下させることなく、この方法を実行することができた。出願人は、光パルスを使用することにより、ガラス片内に導波路構造を書き込んで増幅素子の実施形態を形成することができた。ある実施形態では、電磁放射が一時的に変調される。電磁放射は、フェムト秒パルスを含むことができる。
ある実施形態では、ガラス片が、光が増幅されるように導かれた場合に光を増幅する複数のセンタを含み、この増幅は、センタが別の光により照射された場合の放射の誘導放出によるものである。
ある実施形態では、焦点が一連の線に沿って相対的に移動して、構造体の境界領域を少なくとも部分的に定めるフィラメントを形成する。この線は直線状とすることができる。この線は平行とすることができる。
ある実施形態では、焦点が少なくとも１つのらせん経路に沿って移動して、構造体の境界領域を少なくとも部分的に定める少なくとも１つのらせん形フィラメントを形成する。
ある実施形態では、構造を書き込むステップが、焦点における平均屈折率を０．０００１〜０．０１に低下させる。屈折率の低下は、０．００１〜０．００５とすることもできる。屈折率の低下は、ガラス片の大部分の平均屈折率よりも低い０．００１〜０．００２５とすることもできる。一般に、屈折率低下は、あらゆる好適な値とすることができる。
ある実施形態では、ガラスがフッ化物ガラスである。ガラスは、ＺｒＦ4、ＢａＦ2、ＬａＦ3、ＡｌＦ3及びＮａＦを含むことができる。ガラスは、約５２モル％のＺｒＦ4、２０モル％のＢａＦ2、４モル％のＬａＦ3、３モル％のＡｌＦ3、２０モル％のＮａＦ、及び約１モル％のセンタを含むことができる。或いは、このガラスは、ケイ酸鉛ガラス、ゲルマネートガラス、テルライトガラス、Ｂｉ2Ｏ3が少なくとも３０モル％のビスマス含有量であるガラス、カルコゲナイドガラス、リン酸塩ガラス及びフッ化リン酸塩ガラス（例えばフルオロリン酸塩ガラスとも呼ばれる）のうちの１つであってもよい。一般的には、あらゆる好適なガラスを使用することができる。
ある実施形態では、ガラスが、インジウム及びフッ素を含む。
以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態をほんの一例として説明する。
放射の誘導放出による光の増幅のための素子の実施形態の概略図である。 図１の素子の構造体例の概略横断面図である。 図１の素子に入射する光を示す概略図である。 構造体例の計算した損失のグラフである。 構造体例の概略横断面図である。 構造体例の概略横断面図である。 構造体例の概略横断面図である。 構造体例の概略横断面図である。 構造体例の概略横断面図である。 構造体例の概略横断面図である。 構造体例の概略横断面図である。 構造体例の概略横断面図である。 素子の別の実施形態における、らせん形フィラメントを有する構造体例を示す図である。 ブラッグ回折格子例の概略図である。 ブラッグ回折格子が書き込まれた構造体の画像である。 図１６の回折格子の光学的応答の測定を示す図である。 ＴｍドープしたＺＢＬＡＮガラスを含む素子例の測定した吸収スペクトル及び発光スペクトルを示す図である。 Ｔｍドープした素子を有するレーザーの実施形態の写真である。 挿入図にレーザービームの周波数パワースペクトルを示す、図１８のレーザーの出力を吸収励起パワーの関数として示す図である。 複数の構造を書き込まれたガラス片の例の概略図である。 素子のいくつかの実施形態を製造する装置の実施形態を示す図である。 図２１の素子などの素子の製造方法の１つの実施形態のフローチャートである。 構造体例の端面図の顕微鏡画像である。 構造体例の端面図の顕微鏡画像である。 構造体例の端面図の顕微鏡画像である。 図２５の構造体の測定した屈折率分布を示す図である。 ２つの構造体が形成されたガラス片の実施形態の端面図である。 Ｈｏ及びＴｍドープしたガラス片の吸収スペクトルを示す図である。 Ｈｏ及びＴｍドープした素子を有するレーザーの別の実施形態の概略図である。 あるレーザーキャビティ構成の、図２９のレーザーからのビームの周波数パワースペクトル例を示す図である。 別のレーザーキャビティ構成の、図２９のレーザーからのビームの周波数パワースペクトル例を示す図である。 異なるレーザーキャビティ構成の、図２９のレーザーの出力を吸収励起パワーの関数として示す図である。 素子の実施形態における構造体例の画像である。
図１は、放射の誘導放出による光の増幅のための素子の実施形態の概略図であり、この素子を全体的に数字１０で示している。素子１０は、ガラス片１４内に形成された細長い構造体１２を有する。この構造体は一般に管状形であり、ガラス片の表面１５の約２００マイクロメートル下方に配置されるが、一般にあらゆる好適な深さに存在することができる。
この構造体１２は、自然放出又は誘導放出により構造体自体に沿って生成された光などの光を導くことができる。この実施形態の構造体は直線形であるが、一般に、例えば曲がりくねった形又はらせん形などのあらゆる好適な任意の形をとることができる。
ガラスは、例えばフッ化物ガラスとすることができる。このガラスは、例えばＺｒＦ4、ＢａＦ2、ＬａＦ3、ＡｌＦ3及びＮａＦを含むＺＢＬＡＮガラスなどであってもよい。出願人が許容できる結果を示すと認めた１つのガラス組成は、約５２モル％のＺｒＦ4、２０モル％のＢａＦ2、４モル％のＬａＦ3、３モル％のＡｌＦ3、及び２０モル％のＮａＦを含む。しかしながら、このガラスは、一般にインジウム及びフッ素を含むガラスなどのあらゆる好適なガラスとすることもできる。或いは、このガラスは、例えば、ケイ酸鉛ガラス、ゲルマネートガラス、テルライトガラス、Ｂｉ2Ｏ3が少なくとも３０モル％のビスマス含有量であるガラス、カルコゲナイドガラス、リン酸塩ガラス及びフッ化リン酸塩ガラス（フルオロリン酸塩ガラスとも呼ばれる）のうちの１つであってもよい。
図２は、管状構造体１２の概略横断面図である。この構造体の境界領域１６の平均屈折率は、ガラス片１４の大部分１８の平均屈折率よりも低い。必ずしも全ての実施形態でそうとは限らないが、この実施形態では、ガラス１４に、２０（詳細に示す）などの複数のセンタが均一にドープされ、これらのいくつかは管状構造体の内部２２に配置される。いくつかの実施形態では、ガラスに、センタである少なくとも一種類の希土類イオンを約１％ドープすることができる。好適な希土類イオンの例としては、Ｔｍイオン、Ｈｏイオン、Ｅｒイオン、Ｐｒイオン、Ｄｙイオン、Ｙｂイオン及びＮｄイオンが挙げられる。或いは、センタを、例えば量子ドット又は分子とすることもできる。一般的には、光を増幅できるあらゆる好適なセンタを使用することができる。構造体１２内のセンタは、この構造体によって光が増幅されるように導かれた場合に光を増幅する。この増幅は、センタが別の光２４によって照射された場合に行われる放射の誘導放出によるものである。ドープはほぼ均一に行われるが、いくつかの実施形態では、ガラスが均一にドープされない。例えば、イオン注入システムを用いて、構造体１２の近傍にのみイオンを配置することができる。
出願人は、上記の特定の組成のＺＢＬＡＮガラス内にＴｍイオンを有する素子１０において増幅を実証した。この実証では、ＴｍＦ3のドープ量は約２．０モル％である。しかしながら、希土類濃度は異なってもよい。増幅を実証した素子１０は、内部２２の直径が２５μｍで開口数が０．０７の構造体を有していた。境界領域１６の屈折率は、ＺＢＬＡＮガラスの未修正の屈折率である１．５よりも低い０．００１６であった。
図３は、構造体に入射する他の光２４の概略図である。例えばファイバーピグテールダイオードレーザー２７からの他の光２４は、ＷＤＭカプラ２９を介してファイバ３０に入射し、構造体の端部２８及び光ファイバ３０の端部に隣接するレンズ２６により構造体１２内に結合される。実証したＴｍ：ＺＢＬＡＮレーザーの場合、他の光の波長は約７９０ｎｍである。
管状構造体の内部２２の屈折率は、境界領域１６の屈折率よりも高い。必ずしもそうではないが、一般に内部の屈折率は、ガラスの大部分と同じく約１．５である。必ずしもそうではないが、内部の直径は、１マイクロメートルよりも大きくすることができる。必ずしもそうではないが、内部の直径は、４０マイクロメートルよりも小さくすることができる。必ずしもそうではないが、一般に境界領域の厚みは、１０マイクロメートルよりも大きく、必ずしもそうではないが、一般に４０マイクロメートルよりも小さい。出願人は、一般に、内部の直径が２０マイクロメートル〜３０マイクロメートルであり、境界領域の厚みが２０マイクロメートル〜３０マイクロメートルであれば、許容可能な結果が得られることを見出した。境界厚さが約２５マイクロメートルの構造体を有する素子を用いたレーザーを実証した。この実施形態の境界領域の厚みは、境界領域の屈折率とガラスの大部分の屈折率との差分を考慮して選択したものである。
図４は、モデル化した素子の損失計算のグラフであり、−１×１０-3及び−１．５×１０-3という２つの代表的なクラッディング(cladding)Δｎ及び直径３０マイクロメートルのコアの、（図２のような）円形対称な「Ｗ」型の屈折率分布の正確な電磁的解決策を示すものである。図４に示すように、Δｎコントラスト及び境界領域１６（クラッディング）の幅が増加するにつれて、λ＝１．８９マイクロメートルの基本モード（ＦＭ）閉じ込め損失は大幅に減少し、２３マイクロメートルのクラッディング幅では、第１の高次モード（ＨＯＭ）の損失の方が実質的に高い（〜２５×ＦＭ損失）。これにより、このような構造体を「効果的単一モード」とすることが可能になる。この２３マイクロメートルのクラッディング幅は、例えば図２５の構造体のクラッディング幅に近い。
図５〜図１２には、様々な構造体の例の横断面を、それぞれ全体的に数字４０、５０、６０、７０、８０、９０、９３及び９６によって示している。各構造体の境界領域には、（例えば、図を示すシートから飛び出しているかのように）構造体に沿って複数のフィラメントが延びる。図５には、４２などの複数の重なったフィラメントを示している。各フィラメントの屈折率は、ガラス片の大部分の屈折率よりも低く、これらのフィラメントは、管状構造体を形成するように配置される。
図６〜図９に示す実施形態の境界領域は、５２などの内側部分及び５４などの外側部分を有する。これらの内側部分及び外側部分の平均屈折率は、いずれもガラス片の大部分の平均屈折率よりも低い。図７及び図８に示すように、内側部分と外側部分は重複していてもよく、していなくてもよい。出願人が実証した１つのレーザーは、図１２に示す構造を有していた。これらの内側部分及び外側部分は、それぞれ内側リング部分及び外側リング部分と呼ぶことができる。他の実施形態では、構造体が、以下に限定されるわけではないが、３つ、４つ又は５つのリングのうちの１つを含む２つよりも多くのリングを有する。複数の実施形態において、５つよりも多くのリングを有することができる。
内側部分及び／又は外側部分は、各々が例えば少なくとも５マイクロメートルの直径を有し、いくつかの実施形態では、例えば各々が少なくとも２０マイクロメートルの直径を有することができる。
部分５２、５４は、各々が例えば５個、６個、１２個及び２０個のフィラメントのうちの１つなどの様々な数のフィラメントを有することができる。デバイスが動作可能であれば、一般にいずれの数のフィラメントを使用してもよい。一般に、フィラメントは、各々が１マイクロメートルよりも大きな直径を有することができ、４０マイクロメートルよりも小さな直径を有することができるが、その他の値も可能である。フィラメントの少なくともいくつかは、線に沿って離間した数珠のように、フィラメントの長さに沿って離間した複数のフィラメント部分を有することができる。
図１１〜図１２の構造は、一般にそれぞれ十二角形及び二重リング十二角形と呼ぶことができる。
図１３には、別の実施形態における素子の構造の例を示しており、らせん状に配置されたフィラメント１００を有するこの構造に沿って光を導くことができる。一般に、光は、らせんの中心を下方に導かれる。らせんのピッチは、フィラメント自体が重なり合うようなものとすることができる。この構造は、例えば二重らせん、三重らせん、又は一般にあらゆる数の織り合わせた又はより継ぎしたらせんなどの複数のらせんを有することができる。
必ずしもそうではないが、複数のらせんフィラメントは重なり合うことができる。各フィラメントは、ガラス片の大部分の屈折率よりも低い屈折率を有することができる。必ずしもそうではないが、少なくとも１つのフィラメントの各々は、１マイクロメートルよりも大きな直径を有することができ、４０マイクロメートルよりも小さな直径を有することができる。らせん形に配置されたフィラメントの各々は、線に沿って離間された数珠のように、フィラメントの長さに沿って離間された複数のフィラメント部分を有することができる。この構造に沿ってブラッグ回折格子を配置することもできる。らせん自体が波長選択特性を有して、実質的に回折格子となることもできる。
様々な実施形態では、境界又はフィラメントのいずれか一方の平均屈折率を、ガラスの大部分の平均屈折率よりも低い０．０００１〜０．０１とすることができるが、０．００１〜０．００５の屈折率降下の方が、以下で詳述するレーザー直接描画法などのプロセスを使用して達成しやすい。レーザー直接描画法により形成される境界又はフィラメントのいずれか一方の平均屈折率は、一般にガラスの大部分の平均屈折率よりも低い０．００１〜０．００２５であり、これは許容可能である。
図３に全体的に数字２３によって示すデバイスは、光の増幅器として動作することができる。増幅を行うセンタ２０を励起する他の光２４に加え、構造体１２には、ＷＤＭカプラ２９及び光ファイバ３０を介して光２５が入射することができ、この光はここで増幅される。その後、この光は素子１０の表面２７から出射することができる。
構造体１２に沿って、素子１０の利得スペクトル内の光を反射するブラッグ回折格子を書き込んで光フィードバックを提供することができる。一般に、この回折格子の少なくとも一部は、内部２２に配置される。図１４に、レーザー直接描画法を用いて構造体１０４の中心（導波路コア）１０２内に１つずつ書き込まれる回折格子例１００の概略横断面図を示す。図１５は、構造体内に書き込まれた実際の回折格子（１５５０ｎｍの４次）の微分干渉コントラスト顕微鏡画像である。この回折格子の分光特性を図１６に示す。ブラッグ回折格子は、レーザー共振器を構成することができる。或いは、構造体の端部における素子の表面上に誘電体ミラーを堆積させて共振器ミラーを形成することもでき、又は構造体のいずれかの端部に外部ミラーが当接することもできる。ミラーは、例えばイオンビームスパッタリングを用いて堆積させることができる。一般的には、光フィードバックを提供するあらゆる好適な手段を使用することができる。
図１７に、素子の１つの実施形態の測定した吸収及び発光スペクトルを示す。この素子は、図１８のレーザーで使用するＴｍドープしたＺＢＬＡＮガラスを備える。図１８は、Ｔｍドープした素子２２４を有するレーザーの実証された実施形態の写真である。ｆ＝２５ｍｍの平凸レンズ２２０が、左から進む７９０ナノメートルの励起ビームを集束させる。この励起ビームは、ダイオードレーザーからのものである。ビームの開口数は、構造体の開口数である０．０７に一致するように調整される。レンズ２２０の後には、７９０ナノメートルでの伝達性が高く、１．９マイクロメートルでの反射性が高い、平面二色性入力カプラーミラー２２２が続く。構造体を有するドープされたガラスシートを２２４で示している。この後に、平面出力カプラーミラー２２６が続く。シリコン片２２８があらゆる残留励起を阻止し、パワーメータ２３０により光出力が測定される。
図１９に、構造体の端部からの様々な共振器出力カプラ（６７％〜９６％の出力結合）のＴｍレーザーの実証性能を示す。ガラスは、２．０モル％のＴｍＦ3をドープした上述の組成のＺＢＬＡＮ（αTm 3+ :ZBLAN、λ=790nm＝５．１ｄＢ／ｃｍ）である。最も良いスロープ効率は、直径３０μｍのＷＧ、及びＲ＝７７％のＯＣを用いて達成された。これにより、５０％の内部スロープ効率、２１ｍＷの閾値、及び４７ｍＷの出力が得られた。自走レーザースペクトルを測定した結果、λ＝１８８０ｎｍを中心とする広い５ｎｍの帯域幅であった（図１９の挿入図）。
市販の超高速Ｔｉ：サファイア発信器（ＦＥＭＴＯＳＯＵＲＣＥ ＸＬ ５００−Ｆｅｍｔｏｌａｓｅｒｓ ＧｍｂＨ、中心波長８００ｎｍ、繰り返し率５．１ＭＨｚ、パルスエネルギー５５０ｎＪ、パルス持続時間５０ｆｓ）を用いて構造体（又は導波路、ＷＧ）を作製し、コンピュータ制御されたＸＹＺ空気ベアリング移動ステージの組を用いてサンプルを移動させながら、ＮＡ１．２５、１００×の油浸対物レンズを用いてＺＢＬＡＮガラスの連続体に集束させた。高ＮＡ集束と高繰り返し率の組み合わせによって累積的な加熱が生じ、その後に熱拡散が生じる。この結果、最大５０マイクロメートルの直径を有する準円形断面の構造が得られる。堆積した熱により、〜１．６×１０-3というｎの相対的降下に伴ってガラス構造が変化する。構造体の作製については、以下でさらに詳細に説明する。
このＺＢＬＡＮガラスを高濃度のＴｍＦ３（２．０モル％）でドープして、７９０ｎｍで励起した時にＴｍ3+イオンの励起状態となる効率的な２対１の交差緩和を可能にする。このＺＢＬＡＮサンプルは、５０ｇのバッチサイズを用いて制御雰囲気のガラス溶解設備内で作製したものである。この作業では、ＣＮＣダイヤモンドソーを用いてＷＧ基板をダイスカットし、長さ９ｍｍ、幅８ｍｍ及び高さ２ｍｍのチップ又はピースにした。各サンプルの上面を光学等級に研磨し、これにより超音速の直接書き込みレーザーがこの面を通じて集束されるようにした。各チップには、ｆｓレーザーにより１５０μｍの深さの最大４２個のＷＧを刻み込んだ。ＷＧの書き込み後、端面を〜２５０μｍだけ逆研磨してＷＧの端部を表すようにした。
ＷＧの伝搬損失を推定するために、図１９に示すレーザデータをフィンドレイ・クレイ（Ｆｉｎｄｌａｙ−Ｃｌａｙ）解析して、０．２２±０．０６ｄＢ／ｃｍという推定損失を得た。この値は、ツリウムが１．９μｍ遷移する３準位性に起因する基底状態吸収損失を含むので、上限と考えるべきである。
アレイセンサ（Ｓｐｉｒｉｃｏｎ Ｐｙｒｏｃａｍ）上の集束ビーム幅を求めることによりビーム品質を測定し、Ｍ2＝１．７±０．２であることが測定された。基本モードに関して予想される遠視野でのガウスビームプロファイルが観察された。
図２０は、希土類イオンで均一にドープされ、内部に複数の線形導波構造を書き込まれたＺＢＬＡＮガラス片２４０の例の概略図である。この図は、ガラス片に構造を書き込む機械が読み取ることができるＣＡＤファイルのレンダリングである。これらの構造は、ガラス片の上面から少なくとも１５０マイクロメートル下方に存在する。構造間の間隔は、一般に１５０マイクロメートルである。数字２４２で示す構造は、六角形の角部に配置されたフィラメントを有する。数字２４４で示す構造は、十二角形の角部に配置されたフィラメントを有する。
素子のいくつかの実施形態を製造するための装置を図２１に示し、全体的に数字２００で示している。図２２は、図２２の装置を用いて実行できる素子の製造方法の１つの実施形態のフロー図２４６である。（８００ｎｍの中心波長、５．１ＭＨｚの繰り返し率、５０ｆｓのパルス、５５０ｎｊのパルスエネルギーを有する）フェムト秒レーザー２０２からの光２０４の形の電磁放射がミラー２０８によって向きを変え、その後対物レンズ２１２により、ＺＢＬＡＮ又は別のフッ化物ガラスなどのガラス片２１０内の焦点に集束する。対物レンズ２１２は、１００ｘ、ＮＡ１．２５の油浸対物レンズである。焦点は、ガラス片２１０に対して移動して、ガラス内に構造２１６を書き込む。この構造は、これに沿って光を導くことができる管状構造とすることができる。この実施形態では、ガラスを動かす３軸空気ベアリング精密ＣＮＣステージ２１４（Ａｅｒｏｔｅｃｈ社 空気ベアリング）上にガラス片２１０を配置することによってこの処理が行われる。一般的には、あらゆる好適なコンピュータ制御ステージを使用することができる。ステージ２１４は、有線又は無線接続を介してステージと通信するコントローラ２１５により制御され、この接続を破線で示している。ステージ２１４は、限定するわけではないが、コントローラ２１５によって読み取られるＣＡＤファイルなどのファイル内のデータに従って移動する。１つの実施形態では、このコントローラが、以下に限定されるわけではないが、Ｌａｂ Ｖｉｅｗ、Ｗｏｎｄｅｒ Ｗａｒｅ及びＬａｂｔｅｃｈ Ｎｏｔｅｂｏｏｋを含む好適なソフトウェアを実行するパーソナルコンピュータを含む。コントローラは、ソフトウェアとステージ２１４をインターフェイス接続するためのインターフェイス拡張カードを有することができる。或いは、コントローラは、シリアルポート又はその他のポートを介してステージと通信することもできる。コントローラは、一般にカスタムハードウェアとソフトウェアのあらゆる好適な組み合わせを含むことができる。コントローラは、埋込みシステム、マイクロコントローラ、デジタル信号処理、メモリ、ユーザインタフェース、及びバスを介して接続されたその他の構成要素のうちの１又はそれ以上を含むことができる。コントローラは、産業用ＰＣであってもよい。別の実施形態では、焦点が走査される。反射ミラーは、傾斜アクチュエータ２１７に結合することができ、この傾斜アクチュエータ２１７は、アクチュエータがＣＡＤ表現に従ってミラーを傾けるようにするコントローラ２１５と通信してここから命令を受け取る。例えば１００ｍｍ／分〜２０００ｍｍ／分の速度で焦点を移動させて、フィラメント又はその他の構造形態を各々書き込むことができる。形成される管状構造の平均屈折率は、ガラス片の大部分の平均屈折率よりも低く、この屈折率の低下は、電磁放射の焦点とガラスの相互作用によって少なくとも部分的に決定される。
或いは、このガラスは、例えば、ケイ酸鉛ガラス、ゲルマネートガラス、テルライトガラス、Ｂｉ2Ｏ3が少なくとも３０モル％のビスマス含有量であるガラス、カルコゲナイドガラス、リン酸塩ガラス及びフッ化リン酸塩ガラス（フルオロリン酸塩ガラスとも呼ばれる）のうちの１つであってもよい。一般的には、あらゆる好適なガラスを使用することができる。
焦点を一連の真っ直ぐな平行線に沿って移動させて、図５〜図１２に示すような構造を書き込むことも、又はらせんに沿って移動させて図１３に示すような構造を書き込むこともできる。一般的には、あらゆる好適なフィラメント形状を書き込むことができる。
ガラスの修正は焦点付近に強く制限されるので、構造の内部は、ガラスの大部分の光学特性を有することができ、光の吸収は、光の強度とともに線形的によりも早く（即ち非線形的に）増加する。これにより、構造の内部からの光の吸収及び散乱を比較的抑えることができる。
図２１の装置を用いてＺＢＬＡＮガラスに書き込んだ３つのＷＧ幾何形状の端面図の顕微鏡画像を図２３〜図２５に示す。これらの構造は、「Ｗ」型導波路の幾何形状に近似し、所与のインデックスコントラストの場合にクラッディングの陥凹領域が十分に広ければ、特定の波長の誘導電磁モードをサポートすることができる。複雑性が増した構造（図２３〜図２５）は、クラッディング内の屈折率をより均一に減少させること、及びクラッディング幅を増加させることを目的として書き込まれる。なお、これらの構造は全て光を導いたが、図２５の構造のみが、２マイクロメートルの波長のレーザー発振を達成した（このことは、図４の数値モデリング予測に一致する）。
図２３のＷＧは、未露光コアの周囲に六角形に配置された６つの円筒で構成されて６０ｎＪのパルスを用いて書き込まれ、図２４は、１２個の重なり合った円筒（６５ｎＪ）で構成され、図２５は、各々が〜３０μｍのコア直径を有する１２個の円筒からなる２つの部分的に重なり合うリングから形成された２４個の円筒（５０ｎＪのパルス）で構成される。既に修正されたガラスを介して集束するのを避けるように、全てのＷＧの陥凹クラッディングを下部から上部へ連続的に書き込みながら、サンプルを１０００ｍｍ／分で移動させた。図２３及び図２５で明らかな応力破損は、案内動作には影響を与えないと思われる。この破損はデバイスの高密度に起因するものであり、その分離はほんの１５０μｍであった。
（２つの重なり合うリングなどの）互いに非常に接近した陥凹円筒を書き込む効果を調べるために、屈折率プロフィロメータ（ＲＩＮＣＫ Ｅｌｅｋｔｒｏｎｉｋ社）を使用して、２つのリングＷＧ構造を有する構造の高解像度屈折率分布を６３７ｎｍで撮影した。図２６のメイン画像は、５０ｎＪで作製された２４個の円筒ＷＧ構造の絶対屈折率分布を示し、挿入図は、同じＷＧの光学顕微鏡像を示している。ｎ個のデータは、〜−１×１０-3から−１．５×１０-3のリング構造の正味Δｎ変化を表わす。恐らくは応力に起因してｎがわずかに増加した局所的な領域も観察された。
第１のさらなる実施例
０．２２モル％のＨｏＦ3及び１．９６モル％のＴｍＦ3でドープした５０ｇのＺＢＬＡＮガラスブロックを作製し、長方形の部分又は断片（長さ９ｍｍ、幅８ｍｍ及び高さ２．７ｍｍ）にダイスカットして、上面、下面及び端面を光学等級に研磨した。このドープしたガラスに、超高速光パルスを用いてＷＧ（導波路）を書き込んだ。２つのＷＧを含む研磨した端面の顕微鏡画像を図２７に示す。導波路の中心間距離は、４５０マイクロメートルである。各ＷＧは、２４個の部分的に重なり合う直接書き込まれた長手方向フィラメントにより形成されて「Ｗ」型の屈折率分布を示し、バルクガラス及び未修正の内部（コア）に比べて−０．００１６±０．００３の測定されたクラッディングΔｎ、及び〜３２μｍの境界領域（クラッディング）幅を有する。隣接するＷＧ間の間隔を１５０μｍから４５０μｍに増やすことにより、間隔が狭い導波路の場合には問題となり得る応力破損の兆候を示さずに単一のガラス片内に複数のＷＧが作製された。導波路間隔は、少なくとも３００マイクロメートルであれば、応力破損を回避することができる。作製されたＨｏ3+、Ｔｍ3+のＷＧデバイスは、ＷＧのコア直径が１５μｍ〜４５μｍの１５個の陥凹クラッディングＷＧを含んでいた。研磨したＨｏ、Ｔｍ：ＺＢＬＡＮサンプルの測定された吸収作用を図２８に示す（ＣＡＲＹ５０００分光光度計）。
図２９に、Ｈｏ及びＴｍでドープしたＺＢＬＡＮガラス片を有するレーザー装置例２５６の詳細を示す。〜２９μｍのスポットサイズをもたらすｆ＝５０ｍｍレンズ２６０を用いて、７９０ｎｍ（α＝５．４ｄＢ／ｃｍ）に調整されたＣＷ Ｔｉ：サファイアレーザーを、コーティングしていないＷＧスラブ２５８内に集束させた。この励起集束状態では、直径２４μｍのＷＧのスロープ効率が最も高く、従ってこの実施形態を通じてこのＷＧを使用した。スラブの両端に、平面誘電体コーティングキャビティミラー２６２、２６４を突き合わせ、この場合、入力カプラ２６２は、７９０ｎｍでの伝達性が高く、１．８μｍ〜２．１μｍでの反射性が高い。いくつかの出力カプラ２６４（ＯＣ）を試したところ、Ｒ＝７７％ＯＣのみが、７９０ｎｍの励起光を二重通過させるように設計されていた。Ｔｉ：サファイアレーザーをフィードバックから分離させるために、光アイソレータ２６６を使用した（２２ｄＢの分離）。励起レーザーへのフィードバックをさらに低減し、非吸収励起光の推定を可能にするために、λ／４板２６８により、ＷＧへの入射光を円偏光に変換し、非吸収逆伝播励起ビームをさらに垂直直線偏光に変換して、偏光板２７０を介して光路外でパワーメータに向けた。装置２５６は、λ／２板２７２も有する。
Ｈｏ、Ｔｍ：ＺＢＬＡＮレーザーのスペクトル特性（図３０及び図３１）及びパワー特性（図３２）は、使用するＯＣに依存することが分かった。これは、Ｔｍ3+ 3Ｈ4の状態とＨｏ3+ 5Ｉ7の状態の間の共有励起状態占有率の利得競合によるものである。Ｒ＝７７％のＯＣを使用した場合、レーザーは、図３０に示すようにλ＝１８８０ｎｍ及び１９７８ｎｍで同時に動作した（スペクトルは横河電機製ＡＱ６３７５ ＯＳＡで記録）。このＲ＝７７％のＯＣでは、吸収パワースロープ効率は最大２９％であった（吸収パワーは、枯渇励起パワーを測定することにより計算した）。１５０ｍＷの高レーザー閾値（図３２）が、これらの波長におけるＨｏイオン吸収（図２８を参照）による追加の内部キャビティ損失と一致した。
９５％及び９８％のＯＣを使用した場合、このレーザーは、２０５２ｎｍ付近のＨｏ３−の蛍光放出のピークにおける（図３１を参照）単一の線上で動作することが観察された。これらのＯＣの吸収パワースロープ効率を図３２に示している。９５％のＯＣがもたらした最も高い性能は、２０％のスロープ効率及び２０ｍＷの閾値（入射スロープ効率は１２％であった）であったことが分かる。９８％のＯＣのスロープ効率は、２５０ｍＷの吸収パワーに到達するまでは１６％と低く、＞２５０ｍＷの励起パワーでは効率が低下しており、これは、エネルギー伝達アップコンバージョンと励起状態吸収の組み合わせによって損失が増加したことに起因する可能性が高い。
Ｓｐｉｒｉｃｏｎ Ｐｙｒｏｃａｍ カメラを用いてレーザーのビーム品質を測定した。単一の横断モードを観察したところ、測定されたＭ2＝１．６であった。非平行ビームの近視野像を、図３１の挿入図に示す。
第２のさらなる実施例
図３３に、顕微鏡を用いて撮影した、素子２６０の実施形態における構造例２６２の端面図を示す。素子２６０は、３マイクロメートル付近の中間赤外で動作するように構成される。この素子は、（５マイクロメートルまで延びる）中間赤外波長において実質的に透明な、２モル％のＨｏでドープしたＺＢＬＡＮガラス片を含む。この素子は、３マイクロメートル付近の波長の光を導くように構成された構造を有する。この構造を、図２１の装置を使用してガラスに書き込んだ。
この素子は、１１５０ｎｍで励起した場合、３マイクロメートル付近で利得をもたらすと予想される。この素子は、図２９の素子と同様に装置に組み込んで、例えば励起波長及びレーザー（又は増幅）波長に好適に適合させることができる。
構造２６２は、３つの同心リングの形で配置された約５０個のフィラメント、直径２７マイクロメートルの内部（コア）及び４２．５マイクロメートルの境界領域（クラッディング）幅を有する。数値モデリングによれば、この比較的長い波長において＜０．０２ｄＢと予想される低い損失を実現するためには、比較的厚い境界領域幅が必要であることが示されると理解されよう。必ずしも全ての実施形態でそうとは限らないが、この実施形態では、１つ又は２つではなく３つのフィラメントリングを有することにより、この比較的厚い境界領域を達成した。
いくつかの実施形態は、以下の利点のいくつかを有することができる。
・比較的効率の高い低閾値の中赤外レーザーを実現することができる。
・固有の励起モードとレーザーモードの重なりを有する直接書き込まれた導波路が、レーザー閾値、特に３準位遷移に関するレーザー閾値を低下させることができる。
・回折が制限されたビーム品質を達成することができる。
・最小限に準備されたドープガラス内に、導波路を素早く安価に加工することができる。
・応力破損を伴わずにガラス片内に複数の導波路を形成することができる。
・赤外レーザー放射の小型光源を実現することができる。
・いくつかの実施形態の矩形平面素子が、集積回路、電子回路基板、光チップデバイス及び固有の平面形状を有するその他の構造とともに使用するのに適することができる。
・中間赤外波長で動作するレーザー及び増幅器を実現することができる。
本発明の当業者には、本発明の思想及び範囲から逸脱することなく多くの修正を行うことができると理解されるであろう。例えば、管状構造は、三角形、四角形、六角形、又は状況に応じてその他のあらゆる好適な形状などのあらゆる好適な形状の横断面を有することができる。ガラス片は、円形、球形、又は一般にあらゆる好適な形状とすることができる。
本明細書においていずれかの先行技術を引用している場合、このような引用は、この先行技術が、オーストラリア又はその他のあらゆる国において、当業における一般常識の一部を形成することを容認するものではない。
以下の特許請求の範囲及び上述した発明の詳細な説明では、明確な文言又は必要な含意によって文脈が他の表現を必要とする場合を除き、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」という用語、或いは「（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」又は「（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」などの変形を包括的な意味で使用しており、すなわち記載する特徴の存在を特定するものではあるが、本発明の様々な実施形態におけるさらなる特徴の存在又は追加を排除するものではない。
１０ 素子
１２ 構造体
１４ ガラス片
１５ ガラス片の表面
１８ ガラス片１４の大部分
２０ センタ
本発明は、一般に放射の誘導放出による光の増幅のための素子及びその製造方法に関し、排他的な意味ではないが、特にこの素子を有するレーザー増幅器、及びこの素子を有するレーザー発振器に関する。
低メンテナンス、低コスト及びスペクトル選択的な短〜中赤外線波長のコヒーレント光の光源は、微量ガス分光法、プロセス制御、環境安全モニタ、リアルタイム呼気分析、通信及び赤外線対策システムの試験を含む用途に応用される可能性がある。残念ながら、一般にこれらの特性を有する実用的な光源は利用不可能である。一般に、これらの波長を提供する実用的なレーザー材料はほとんど存在しないので、これらの波長の市販の固体レーザーは非線形波長変換を使用する。一般に波長変換は、非効率的、複雑、かつ高価である。これらの波長を生成できる市販の量子カスケードダイオードレーザーは、一般に極めて高価であり、一般に不便な真空エンクロージャを必要とし、スペクトル及び空間モード品質が劣る。
本発明の第１の態様によれば、放射の誘導放出による光の増幅のための素子が提供され、この素子は、ガラス片を備え、このガラス片は、ガラス片内に位置して使用中の光を導く管状構造体を含み、この管状構造体は、ガラス片の大部分の平均屈折率よりも低いとともに、境界領域の内部の平均屈折率よりも低い平均屈折率を持つ境界領域を有し、境界領域は、少なくとも１つのフィラメントを含み、ガラス片は、ガラス片内に存在して光が増幅されるように導かれた場合に光を増幅する複数のセンタ（ｃｅｎｔｒｅｓ）をさらに含み、この増幅は、センタが他の好適な光により照射された場合の放射の誘導放出によるものである。
出願人は、例えば、このような素子を組み込んだ驚くほど高効率の短赤外レーザーを実証した。
内部の直径は、１マイクロメートよりも大きくすることができる。内部の直径は、４０マイクロメートルよりも小さくすることができる。内部の直径は、２０マイクロメートルと３０マイクロメートルの間とすることができる。一般的には、あらゆる好適な内部寸法を使用することができる。
ある実施形態では、管状構造体の内部が、ガラス片の大部分と実質的に同じ光学特性を有する。
いくつかの実施形態では、主に管の内部で光が導かれ、それぞれの構造体を形成するために使用するプロセスによって光が大幅に劣化することはなかった。従って、これらの実施形態の構造体内における光伝播では、いくつかの先行技術の導波路内における光伝播よりも損失を抑えることができる。これにより、これらの実施形態の性能を向上させることができる。
ある実施形態では、境界領域の厚みが、１０マイクロメートルよりも大きい。境界領域の厚みは、４０マイクロメートルよりも小さくすることができる。境界領域の厚みは、２０マイクロメートルと３０マイクロメートルの間とすることができる。境界領域の厚みは、約２５マイクロメートルとすることができる。境界領域の厚みは、約２３マイクロメートルとすることもできる。境界領域の厚みは、約３２マイクロメートルとすることもできる。しかしながら、一般にあらゆる好適な境界領域厚さを使用することができる。
ある実施形態では、境界領域が、少なくとも１つのフィラメントを含み、少なくとも１つのフィラメントの各々は、ガラス片の大部分の屈折率よりも低い屈折率を有する。少なくとも１つのフィラメントは、構造体に沿って延びることができる。
ある実施形態では、少なくとも１つのフィラメントが直線状である。複数のフィラメントを、線形及び／又は直線状とすることもできる。
ある実施形態では、少なくとも１つのフィラメントがらせん形である。このらせん形フィラメントは、構造体に沿って延びることができる。少なくとも１つのフィラメントのうちの１つは、それ自体に重なることができる。しかしながら、少なくとも１つのフィラメントを、直線形状及びらせん形状に限定する必要はない。
ある実施形態では、少なくとも１つのフィラメントが、複数のフィラメントである。複数のフィラメントの少なくとも２つは重なり合うことができる。或いは、フィラメントは、重なり合わなくてもよい。
ある実施形態では、境界領域が、内側部分及び外側部分を含む。内側部分及び外側部分の各々は、ガラス片の大部分の平均屈折率よりも低い平均屈折率を有することができる。内側部分と外側部分は、重なり合うことができる。
本出願人の発明の実施形態が実証される前には、追加部分が増幅素子の性能を低下させ、従って望ましくないと一般的に考えられていた。余計な処理を行うと、ガラスに対して応力、欠陥形成、散乱、色中心形成などの望ましくない影響がもたらされると考えられていた。驚くべきことに、出願人は、このことが必ずしも当てはまらないようなパラメータを巧く見出した。実際、出願人は、追加部分を有することにより、素子の性能が著しく改善される場合もあり得ることを見出した。
ある実施形態では、外側部分が、少なくとも１つのフィラメントを含み、内側部分が、別の少なくとも１つのフィラメントを含む。この別の少なくとも１つのフィラメントの各々は、ガラス片の大部分の屈折率よりも低い屈折率を有する。
ある実施形態では、別の少なくとも１つのフィラメントを、別の複数のフィラメントとすることができる。この別の複数のフィラメントの少なくとも２つは、重なり合うことができる。複数のフィラメントの少なくとも１つは、別の複数のフィラメントの少なくとも１つと重なり合うことができる。
ある実施形態では、内側部分及び外側部分の少なくとも一方が、少なくとも５つのフィラメントを有する。内側部分及び外側部分の少なくとも一方は、少なくとも６つのフィラメントを有することもできる。内側部分及び外側部分の少なくとも一方は、少なくとも１２個のフィラメントを有することもできる。内側部分及び外側部分の少なくとも一方は、少なくとも２０個のフィラメントを有することもできる。一般的には、あらゆる好適な数のフィラメントを使用することができる。
ある実施形態では、フィラメントの各々の直径が、１マイクロメートルよりも大きい。フィラメントの各々は、４０マイクロメートルよりも小さな直径を有することができる。一般的には、あらゆる好適なフィラメント直径を使用することができる。
ある実施形態では、内側部分及び／又は外側部分の各々が、少なくとも５マイクロメートルの直径を有することができる。内側部分及び／又は外側部分の各々は、少なくとも２０マイクロメートルの直径を有することもできる。一般的には、あらゆる好適な内側部分直径及び／又は外側部分直径を使用することができる。
ある実施形態では、少なくとも１つのフィラメント及び／又は別の少なくとも１つのフィラメントが、フィラメントの長さに沿って離間した複数のフィラメント部分を含む。このフィラメント部分は、光のいくつかの波長成分を反射することができる。
ある実施形態では、構造体に沿って回折格子が配置される。この回折格子は、ブラッグ回折格子とすることができる。ブラッグ回折格子は、複数のフィラメント部分を備えることができる。ブラッグ回折格子は、少なくとも部分的に内部の中に配置される。
ある実施形態では、境界又はフィラメントのいずれか一方の平均屈折率が、ガラス片の大部分の平均屈折率よりも低い０．０００１〜０．０１である。境界又はフィラメントのいずれか一方の平均屈折率は、ガラス片の大部分の平均屈折率よりも低い０．００１〜０．００５とすることもできる。境界又はフィラメントのいずれか一方の平均屈折率は、ガラス片の大部分の平均屈折率よりも低い０．００１〜０．００２５とすることもできる。境界又はフィラメントのいずれか一方の平均屈折率は、ガラス片の大部分の平均屈折率よりも低い約０．００１６とすることもできる。一般に、境界又はフィラメントのいずれか一方の平均屈折率は、あらゆる好適な値とすることができる。
ある実施形態では、ガラス片がフッ化物ガラスである。ガラス片は、ＺｒＦ4、ＢａＦ2、ＬａＦ3、ＡｌＦ3及びＮａＦを含むことができる。ガラス片は、５０〜５４モル％のＺｒＦ4、１８〜２２モル％のＢａＦ2、２〜６モル％のＬａＦ3、１〜５モル％のＡｌＦ3、１８〜２２モル％のＮａＦ、及び約０．０１〜５モル％のセンタを含むことができる。或いは、ガラス片は、ケイ酸鉛ガラス、ゲルマネートガラス、テルライトガラス、Ｂｉ2Ｏ3が少なくとも３０モル％のビスマス含有量であるガラス、カルコゲナイドガラス、リン酸塩ガラス及びフッ化リン酸塩ガラス（例えばフルオロリン酸塩ガラスとも呼ばれる）のうちの１つであってもよい。一般的には、あらゆる好適なガラスを使用することができる。
ある実施形態では、ガラス片が、インジウム及びフッ素を含む。
ある実施形態では、センタが、希土類イオンを含む。センタは、Ｔｍイオン、Ｈｏイオン、Ｅｒイオン、Ｐｒイオン、Ｄｙイオン、Ｙｂイオン及びＮｄイオンのうちの少なくとも１つを含むことができる。一般に、必ずしもそうではないが、ガラス片は、少なくとも１つの希土類イオンでドープされる。或いは、センタは、量子ドット又は分子の少なくとも一方を含むことができる。あらゆる好適なセンタを使用することができる。
ある実施形態では、構造体が、ガラス片の表面の下方５００マイクロメートル未満に存在する。構造体は、ガラス片の表面の下方約２００マイクロメートルに存在することもできる。しかしながら、構造体は、表面の下方のあらゆる好適な深さに存在することができる。
ある実施形態では、境界領域の厚みが、境界領域の屈折率とガラス片の大部分の屈折率との差分を考慮して選択されたものである。
ある実施形態では、管状構造体が、複数の管状構造体の１つである。複数の管状構造体は、ガラス片の応力破損（ｓｔｒｅｓｓ ｆｒａｃｔｕｒｅ）を避けるように相対的に配置することができる。隣接する管状構造体間の間隔は、少なくとも３００マイクロメートルとすることができる。隣接する管状構造体間の間隔は、少なくとも４００マイクロメートルとすることもできる。隣接する管状構造体間の間隔は、少なくとも４５０マイクロメートルとすることもできる。
本発明の第２の態様によれば、本発明の第１の態様により定義される素子を備えた光の増幅器が提供される。
ある実施形態では、この光の増幅器が、構造体内に光を結合するための光カプラを備える。光の増幅器は、構造体内に他の光を結合するための別の光カプラを備えることもできる。光の増幅器は、この別の光カプラによって素子に結合された他の光の光源を備えることもできる。光カプラと別の光カプラは、同じものであってもよい。
本発明の第３の態様によれば、
本発明の第１の態様により定義される素子と、
構造体内の光を共振させるように配置された反射部分と、
を備えたレーザー発振器が提供される。
ある実施形態では、レーザー発振器が、構造体内に他の光を結合するための別の光カプラを備えることができる。レーザー発振器は、別の光カプラによって素子に結合された他の光の光源を備えることもできる。
本発明の第４の態様によれば、放射の誘導放出による光の増幅のための素子の製造方法が提供され、この方法は、電磁放射の焦点をガラス片に対して移動させて、光を導くことができる管状構造体をガラス内に形成するステップを含み、この管状構造体は、ガラス片の大部分の平均屈折率よりも低い平均屈折率の境界領域を有し、この境界領域の屈折率は、少なくとも部分的に電磁放射の焦点とガラス片との間の相互作用により決定される。
一般に、必ずしもそうではないが、この電磁放射はレーザーからの光である。
驚いたことに、出願人は、結果として得られる素子の光学性能（吸収損失及び散乱損失など）を大幅に低下させることなく、この方法を実行することができた。出願人は、光パルスを使用することにより、ガラス片内に導波路構造を書き込んで増幅素子の実施形態を形成することができた。ある実施形態では、電磁放射が一時的に変調される。電磁放射は、フェムト秒パルスを含むことができる。
ある実施形態では、ガラス片が、光が増幅されるように導かれた場合に光を増幅する複数のセンタを含み、この増幅は、センタが別の光により照射された場合の放射の誘導放出によるものである。
ある実施形態では、焦点が一連の線に沿って相対的に移動して、構造体の境界領域を少なくとも部分的に定めるフィラメントを形成する。この線は直線状とすることができる。この線は平行とすることができる。
ある実施形態では、焦点が少なくとも１つのらせん経路に沿って移動して、構造体の境界領域を少なくとも部分的に定める少なくとも１つのらせん形フィラメントを形成する。
ある実施形態では、構造を書き込むステップが、焦点における平均屈折率を０．０００１〜０．０１に低下させる。屈折率の低下は、０．００１〜０．００５とすることもできる。屈折率の低下は、ガラス片の大部分の平均屈折率よりも低い０．００１〜０．００２５とすることもできる。一般に、屈折率低下は、あらゆる好適な値とすることができる。
ある実施形態では、ガラスがフッ化物ガラスである。ガラスは、ＺｒＦ4、ＢａＦ2、ＬａＦ3、ＡｌＦ3及びＮａＦを含むことができる。ガラスは、約５２モル％のＺｒＦ4、２０モル％のＢａＦ2、４モル％のＬａＦ3、３モル％のＡｌＦ3、２０モル％のＮａＦ、及び約１モル％のセンタを含むことができる。或いは、このガラスは、ケイ酸鉛ガラス、ゲルマネートガラス、テルライトガラス、Ｂｉ2Ｏ3が少なくとも３０モル％のビスマス含有量であるガラス、カルコゲナイドガラス、リン酸塩ガラス及びフッ化リン酸塩ガラス（例えばフルオロリン酸塩ガラスとも呼ばれる）のうちの１つであってもよい。一般的には、あらゆる好適なガラスを使用することができる。
ある実施形態では、ガラスが、インジウム及びフッ素を含む。
以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態をほんの一例として説明する。
放射の誘導放出による光の増幅のための素子の実施形態の概略図である。 図１の素子の構造体例の概略横断面図である。 図１の素子に入射する光を示す概略図である。 構造体例の計算した損失のグラフである。 構造体例の概略横断面図である。 構造体例の概略横断面図である。 構造体例の概略横断面図である。 構造体例の概略横断面図である。 構造体例の概略横断面図である。 構造体例の概略横断面図である。 構造体例の概略横断面図である。 構造体例の概略横断面図である。 素子の別の実施形態における、らせん形フィラメントを有する構造体例を示す図である。 ブラッグ回折格子例の概略図である。 ブラッグ回折格子が書き込まれた構造体の画像である。 図１６の回折格子の光学的応答の測定を示す図である。 ＴｍドープしたＺＢＬＡＮガラスを含む素子例の測定した吸収スペクトル及び発光スペクトルを示す図である。 Ｔｍドープした素子を有するレーザーの実施形態の写真である。 挿入図にレーザービームの周波数パワースペクトルを示す、図１８のレーザーの出力を吸収励起パワーの関数として示す図である。 複数の構造を書き込まれたガラス片の例の概略図である。 素子のいくつかの実施形態を製造する装置の実施形態を示す図である。 図２１の素子などの素子の製造方法の１つの実施形態のフローチャートである。 構造体例の端面図の顕微鏡画像である。 構造体例の端面図の顕微鏡画像である。 構造体例の端面図の顕微鏡画像である。 図２５の構造体の測定した屈折率分布を示す図である。 ２つの構造体が形成されたガラス片の実施形態の端面図である。 Ｈｏ及びＴｍドープしたガラス片の吸収スペクトルを示す図である。 Ｈｏ及びＴｍドープした素子を有するレーザーの別の実施形態の概略図である。 あるレーザーキャビティ構成の、図２９のレーザーからのビームの周波数パワースペクトル例を示す図である。 別のレーザーキャビティ構成の、図２９のレーザーからのビームの周波数パワースペクトル例を示す図である。 異なるレーザーキャビティ構成の、図２９のレーザーの出力を吸収励起パワーの関数として示す図である。 素子の実施形態における構造体例の画像である。
図１は、放射の誘導放出による光の増幅のための素子の実施形態の概略図であり、この素子を全体的に数字１０で示している。素子１０は、ガラス片１４内に形成された細長い構造体１２を有する。この構造体は一般に管状形であり、ガラス片の表面１５の約２００マイクロメートル下方に配置されるが、一般にあらゆる好適な深さに存在することができる。
この構造体１２は、自然放出又は誘導放出により構造体自体に沿って生成された光などの光を導くことができる。この実施形態の構造体は直線形であるが、一般に、例えば曲がりくねった形又はらせん形などのあらゆる好適な任意の形をとることができる。
ガラスは、例えばフッ化物ガラスとすることができる。このガラスは、例えばＺｒＦ4、ＢａＦ2、ＬａＦ3、ＡｌＦ3及びＮａＦを含むＺＢＬＡＮガラスなどであってもよい。出願人が許容できる結果を示すと認めた１つのガラス組成は、約５２モル％のＺｒＦ4、２０モル％のＢａＦ2、４モル％のＬａＦ3、３モル％のＡｌＦ3、及び２０モル％のＮａＦを含む。しかしながら、このガラスは、一般にインジウム及びフッ素を含むガラスなどのあらゆる好適なガラスとすることもできる。或いは、このガラスは、例えば、ケイ酸鉛ガラス、ゲルマネートガラス、テルライトガラス、Ｂｉ2Ｏ3が少なくとも３０モル％のビスマス含有量であるガラス、カルコゲナイドガラス、リン酸塩ガラス及びフッ化リン酸塩ガラス（フルオロリン酸塩ガラスとも呼ばれる）のうちの１つであってもよい。
図２は、管状構造体１２の概略横断面図である。この構造体の境界領域１６の平均屈折率は、ガラス片１４の大部分１８の平均屈折率よりも低い。必ずしも全ての実施形態でそうとは限らないが、この実施形態では、ガラス１４に、２０（詳細に示す）などの複数のセンタが均一にドープされ、これらのいくつかは管状構造体の内部２２に配置される。いくつかの実施形態では、ガラスに、センタである少なくとも一種類の希土類イオンを約１％ドープすることができる。好適な希土類イオンの例としては、Ｔｍイオン、Ｈｏイオン、Ｅｒイオン、Ｐｒイオン、Ｄｙイオン、Ｙｂイオン及びＮｄイオンが挙げられる。或いは、センタを、例えば量子ドット又は分子とすることもできる。一般的には、光を増幅できるあらゆる好適なセンタを使用することができる。構造体１２内のセンタは、この構造体によって光が増幅されるように導かれた場合に光を増幅する。この増幅は、センタが別の光２４によって照射された場合に行われる放射の誘導放出によるものである。ドープはほぼ均一に行われるが、いくつかの実施形態では、ガラスが均一にドープされない。例えば、イオン注入システムを用いて、構造体１２の近傍にのみイオンを配置することができる。
出願人は、上記の特定の組成のＺＢＬＡＮガラス内にＴｍイオンを有する素子１０において増幅を実証した。この実証では、ＴｍＦ3のドープ量は約２．０モル％である。しかしながら、希土類濃度は異なってもよい。増幅を実証した素子１０は、内部２２の直径が２５μｍで開口数が０．０７の構造体を有していた。境界領域１６の屈折率は、ＺＢＬＡＮガラスの未修正の屈折率である１．５よりも低い０．００１６であった。
図３は、構造体に入射する他の光２４の概略図である。例えばファイバーピグテールダイオードレーザー２７からの他の光２４は、ＷＤＭカプラ２９を介してファイバ３０に入射し、構造体の端部２８及び光ファイバ３０の端部に隣接するレンズ２６により構造体１２内に結合される。実証したＴｍ：ＺＢＬＡＮレーザーの場合、他の光の波長は約７９０ｎｍである。
管状構造体の内部２２の屈折率は、境界領域１６の屈折率よりも高い。必ずしもそうではないが、一般に内部の屈折率は、ガラスの大部分と同じく約１．５である。必ずしもそうではないが、内部の直径は、１マイクロメートルよりも大きくすることができる。必ずしもそうではないが、内部の直径は、４０マイクロメートルよりも小さくすることができる。必ずしもそうではないが、一般に境界領域の厚みは、１０マイクロメートルよりも大きく、必ずしもそうではないが、一般に４０マイクロメートルよりも小さい。出願人は、一般に、内部の直径が２０マイクロメートル〜３０マイクロメートルであり、境界領域の厚みが２０マイクロメートル〜３０マイクロメートルであれば、許容可能な結果が得られることを見出した。境界厚さが約２５マイクロメートルの構造体を有する素子を用いたレーザーを実証した。この実施形態の境界領域の厚みは、境界領域の屈折率とガラスの大部分の屈折率との差分を考慮して選択したものである。
図４は、モデル化した素子の損失計算のグラフであり、−１×１０-3及び−１．５×１０-3という２つの代表的なクラッディング(cladding)Δｎ及び直径３０マイクロメートルのコアの、（図２のような）円形対称な「Ｗ」型の屈折率分布の正確な電磁的解決策を示すものである。図４に示すように、Δｎコントラスト及び境界領域１６（クラッディング）の幅が増加するにつれて、λ＝１．８９マイクロメートルの基本モード（ＦＭ）閉じ込め損失は大幅に減少し、２３マイクロメートルのクラッディング幅では、第１の高次モード（ＨＯＭ）の損失の方が実質的に高い（〜２５×ＦＭ損失）。これにより、このような構造体を「効果的単一モード」とすることが可能になる。この２３マイクロメートルのクラッディング幅は、例えば図２５の構造体のクラッディング幅に近い。
図５〜図１２には、様々な構造体の例の横断面を、それぞれ全体的に数字４０、５０、６０、７０、８０、９０、９３及び９６によって示している。各構造体の境界領域には、（例えば、図を示すシートから飛び出しているかのように）構造体に沿って複数のフィラメントが延びる。図５には、４２などの複数の重なったフィラメントを示している。各フィラメントの屈折率は、ガラス片の大部分の屈折率よりも低く、これらのフィラメントは、管状構造体を形成するように配置される。
図６〜図９に示す実施形態の境界領域は、５２などの内側部分及び５４などの外側部分を有する。これらの内側部分及び外側部分の平均屈折率は、いずれもガラス片の大部分の平均屈折率よりも低い。図７及び図８に示すように、内側部分と外側部分は重複していてもよく、していなくてもよい。出願人が実証した１つのレーザーは、図１２に示す構造を有していた。これらの内側部分及び外側部分は、それぞれ内側リング部分及び外側リング部分と呼ぶことができる。他の実施形態では、構造体が、以下に限定されるわけではないが、３つ、４つ又は５つのリングのうちの１つを含む２つよりも多くのリングを有する。複数の実施形態において、５つよりも多くのリングを有することができる。
内側部分及び／又は外側部分は、各々が例えば少なくとも５マイクロメートルの直径を有し、いくつかの実施形態では、例えば各々が少なくとも２０マイクロメートルの直径を有することができる。
部分５２、５４は、各々が例えば５個、６個、１２個及び２０個のフィラメントのうちの１つなどの様々な数のフィラメントを有することができる。デバイスが動作可能であれば、一般にいずれの数のフィラメントを使用してもよい。一般に、フィラメントは、各々が１マイクロメートルよりも大きな直径を有することができ、４０マイクロメートルよりも小さな直径を有することができるが、その他の値も可能である。フィラメントの少なくともいくつかは、線に沿って離間した数珠のように、フィラメントの長さに沿って離間した複数のフィラメント部分を有することができる。
図１１〜図１２の構造は、一般にそれぞれ十二角形及び二重リング十二角形と呼ぶことができる。
図１３には、別の実施形態における素子の構造の例を示しており、らせん状に配置されたフィラメント１００を有するこの構造に沿って光を導くことができる。一般に、光は、らせんの中心を下方に導かれる。らせんのピッチは、フィラメント自体が重なり合うようなものとすることができる。この構造は、例えば二重らせん、三重らせん、又は一般にあらゆる数の織り合わせた又はより継ぎしたらせんなどの複数のらせんを有することができる。
必ずしもそうではないが、複数のらせんフィラメントは重なり合うことができる。各フィラメントは、ガラス片の大部分の屈折率よりも低い屈折率を有することができる。必ずしもそうではないが、少なくとも１つのフィラメントの各々は、１マイクロメートルよりも大きな直径を有することができ、４０マイクロメートルよりも小さな直径を有することができる。らせん形に配置されたフィラメントの各々は、線に沿って離間された数珠のように、フィラメントの長さに沿って離間された複数のフィラメント部分を有することができる。この構造に沿ってブラッグ回折格子を配置することもできる。らせん自体が波長選択特性を有して、実質的に回折格子となることもできる。
様々な実施形態では、境界又はフィラメントのいずれか一方の平均屈折率を、ガラスの大部分の平均屈折率よりも低い０．０００１〜０．０１とすることができるが、０．００１〜０．００５の屈折率降下の方が、以下で詳述するレーザー直接描画法などのプロセスを使用して達成しやすい。レーザー直接描画法により形成される境界又はフィラメントのいずれか一方の平均屈折率は、一般にガラスの大部分の平均屈折率よりも低い０．００１〜０．００２５であり、これは許容可能である。
図３に全体的に数字２３によって示すデバイスは、光の増幅器として動作することができる。増幅を行うセンタ２０を励起する他の光２４に加え、構造体１２には、ＷＤＭカプラ２９及び光ファイバ３０を介して光２５が入射することができ、この光はここで増幅される。その後、この光は素子１０の表面２７から出射することができる。
構造体１２に沿って、素子１０の利得スペクトル内の光を反射するブラッグ回折格子を書き込んで光フィードバックを提供することができる。一般に、この回折格子の少なくとも一部は、内部２２に配置される。図１４に、レーザー直接描画法を用いて構造体１０４の中心（導波路コア）１０２内に１つずつ書き込まれる回折格子例１００の概略横断面図を示す。図１５は、構造体内に書き込まれた実際の回折格子（１５５０ｎｍの４次）の微分干渉コントラスト顕微鏡画像である。この回折格子の分光特性を図１６に示す。ブラッグ回折格子は、レーザー共振器を構成することができる。或いは、構造体の端部における素子の表面上に誘電体ミラーを堆積させて共振器ミラーを形成することもでき、又は構造体のいずれかの端部に外部ミラーが当接することもできる。ミラーは、例えばイオンビームスパッタリングを用いて堆積させることができる。一般的には、光フィードバックを提供するあらゆる好適な手段を使用することができる。
図１７に、素子の１つの実施形態の測定した吸収及び発光スペクトルを示す。この素子は、図１８のレーザーで使用するＴｍドープしたＺＢＬＡＮガラスを備える。図１８は、Ｔｍドープした素子２２４を有するレーザーの実証された実施形態の写真である。ｆ＝２５ｍｍの平凸レンズ２２０が、左から進む７９０ナノメートルの励起ビームを集束させる。この励起ビームは、ダイオードレーザーからのものである。ビームの開口数は、構造体の開口数である０．０７に一致するように調整される。レンズ２２０の後には、７９０ナノメートルでの伝達性が高く、１．９マイクロメートルでの反射性が高い、平面二色性入力カプラーミラー２２２が続く。構造体を有するドープされたガラスシートを２２４で示している。この後に、平面出力カプラーミラー２２６が続く。シリコン片２２８があらゆる残留励起を阻止し、パワーメータ２３０により光出力が測定される。
図１９に、構造体の端部からの様々な共振器出力カプラ（６７％〜９６％の出力結合）のＴｍレーザーの実証性能を示す。ガラスは、２．０モル％のＴｍＦ3をドープした上述の組成のＺＢＬＡＮ（αTm 3+ :ZBLAN、λ=790nm＝５．１ｄＢ／ｃｍ）である。最も良いスロープ効率は、直径３０μｍのＷＧ、及びＲ＝７７％のＯＣを用いて達成された。これにより、５０％の内部スロープ効率、２１ｍＷの閾値、及び４７ｍＷの出力が得られた。自走レーザースペクトルを測定した結果、λ＝１８８０ｎｍを中心とする広い５ｎｍの帯域幅であった（図１９の挿入図）。
市販の超高速Ｔｉ：サファイア発信器（ＦＥＭＴＯＳＯＵＲＣＥ ＸＬ ５００−Ｆｅｍｔｏｌａｓｅｒｓ ＧｍｂＨ、中心波長８００ｎｍ、繰り返し率５．１ＭＨｚ、パルスエネルギー５５０ｎＪ、パルス持続時間５０ｆｓ）を用いて構造体（又は導波路、ＷＧ）を作製し、コンピュータ制御されたＸＹＺ空気ベアリング移動ステージの組を用いてサンプルを移動させながら、ＮＡ１．２５、１００×の油浸対物レンズを用いてＺＢＬＡＮガラスの連続体に集束させた。高ＮＡ集束と高繰り返し率の組み合わせによって累積的な加熱が生じ、その後に熱拡散が生じる。この結果、最大５０マイクロメートルの直径を有する準円形断面の構造が得られる。堆積した熱により、〜１．６×１０-3というｎの相対的降下に伴ってガラス構造が変化する。構造体の作製については、以下でさらに詳細に説明する。
このＺＢＬＡＮガラスを高濃度のＴｍＦ３（２．０モル％）でドープして、７９０ｎｍで励起した時にＴｍ3+イオンの励起状態となる効率的な２対１の交差緩和を可能にする。このＺＢＬＡＮサンプルは、５０ｇのバッチサイズを用いて制御雰囲気のガラス溶解設備内で作製したものである。この作業では、ＣＮＣダイヤモンドソーを用いてＷＧ基板をダイスカットし、長さ９ｍｍ、幅８ｍｍ及び高さ２ｍｍのチップ又はピースにした。各サンプルの上面を光学等級に研磨し、これにより超音速の直接書き込みレーザーがこの面を通じて集束されるようにした。各チップには、ｆｓレーザーにより１５０μｍの深さの最大４２個のＷＧを刻み込んだ。ＷＧの書き込み後、端面を〜２５０μｍだけ逆研磨してＷＧの端部を表すようにした。
ＷＧの伝搬損失を推定するために、図１９に示すレーザデータをフィンドレイ・クレイ（Ｆｉｎｄｌａｙ−Ｃｌａｙ）解析して、０．２２±０．０６ｄＢ／ｃｍという推定損失を得た。この値は、ツリウムが１．９μｍ遷移する３準位性に起因する基底状態吸収損失を含むので、上限と考えるべきである。
アレイセンサ（Ｓｐｉｒｉｃｏｎ Ｐｙｒｏｃａｍ）上の集束ビーム幅を求めることによりビーム品質を測定し、Ｍ2＝１．７±０．２であることが測定された。基本モードに関して予想される遠視野でのガウスビームプロファイルが観察された。
図２０は、希土類イオンで均一にドープされ、内部に複数の線形導波構造を書き込まれたＺＢＬＡＮガラス片２４０の例の概略図である。この図は、ガラス片に構造を書き込む機械が読み取ることができるＣＡＤファイルのレンダリングである。これらの構造は、ガラス片の上面から少なくとも１５０マイクロメートル下方に存在する。構造間の間隔は、一般に１５０マイクロメートルである。数字２４２で示す構造は、六角形の角部に配置されたフィラメントを有する。数字２４４で示す構造は、十二角形の角部に配置されたフィラメントを有する。
素子のいくつかの実施形態を製造するための装置を図２１に示し、全体的に数字２００で示している。図２２は、図２２の装置を用いて実行できる素子の製造方法の１つの実施形態のフロー図２４６である。（８００ｎｍの中心波長、５．１ＭＨｚの繰り返し率、５０ｆｓのパルス、５５０ｎｊのパルスエネルギーを有する）フェムト秒レーザー２０２からの光２０４の形の電磁放射がミラー２０８によって向きを変え、その後対物レンズ２１２により、ＺＢＬＡＮ又は別のフッ化物ガラスなどのガラス片２１０内の焦点に集束する。対物レンズ２１２は、１００ｘ、ＮＡ１．２５の油浸対物レンズである。焦点は、ガラス片２１０に対して移動して、ガラス内に構造２１６を書き込む。この構造は、これに沿って光を導くことができる管状構造とすることができる。この実施形態では、ガラスを動かす３軸空気ベアリング精密ＣＮＣステージ２１４（Ａｅｒｏｔｅｃｈ社 空気ベアリング）上にガラス片２１０を配置することによってこの処理が行われる。一般的には、あらゆる好適なコンピュータ制御ステージを使用することができる。ステージ２１４は、有線又は無線接続を介してステージと通信するコントローラ２１５により制御され、この接続を破線で示している。ステージ２１４は、限定するわけではないが、コントローラ２１５によって読み取られるＣＡＤファイルなどのファイル内のデータに従って移動する。１つの実施形態では、このコントローラが、以下に限定されるわけではないが、Ｌａｂ Ｖｉｅｗ、Ｗｏｎｄｅｒ Ｗａｒｅ及びＬａｂｔｅｃｈ Ｎｏｔｅｂｏｏｋを含む好適なソフトウェアを実行するパーソナルコンピュータを含む。コントローラは、ソフトウェアとステージ２１４をインターフェイス接続するためのインターフェイス拡張カードを有することができる。或いは、コントローラは、シリアルポート又はその他のポートを介してステージと通信することもできる。コントローラは、一般にカスタムハードウェアとソフトウェアのあらゆる好適な組み合わせを含むことができる。コントローラは、埋込みシステム、マイクロコントローラ、デジタル信号処理、メモリ、ユーザインタフェース、及びバスを介して接続されたその他の構成要素のうちの１又はそれ以上を含むことができる。コントローラは、産業用ＰＣであってもよい。別の実施形態では、焦点が走査される。反射ミラーは、傾斜アクチュエータ２１７に結合することができ、この傾斜アクチュエータ２１７は、アクチュエータがＣＡＤ表現に従ってミラーを傾けるようにするコントローラ２１５と通信してここから命令を受け取る。例えば１００ｍｍ／分〜２０００ｍｍ／分の速度で焦点を移動させて、フィラメント又はその他の構造形態を各々書き込むことができる。形成される管状構造の平均屈折率は、ガラス片の大部分の平均屈折率よりも低く、この屈折率の低下は、電磁放射の焦点とガラスの相互作用によって少なくとも部分的に決定される。
或いは、このガラスは、例えば、ケイ酸鉛ガラス、ゲルマネートガラス、テルライトガラス、Ｂｉ2Ｏ3が少なくとも３０モル％のビスマス含有量であるガラス、カルコゲナイドガラス、リン酸塩ガラス及びフッ化リン酸塩ガラス（フルオロリン酸塩ガラスとも呼ばれる）のうちの１つであってもよい。一般的には、あらゆる好適なガラスを使用することができる。
焦点を一連の真っ直ぐな平行線に沿って移動させて、図５〜図１２に示すような構造を書き込むことも、又はらせんに沿って移動させて図１３に示すような構造を書き込むこともできる。一般的には、あらゆる好適なフィラメント形状を書き込むことができる。
ガラスの修正は焦点付近に強く制限されるので、構造の内部は、ガラスの大部分の光学特性を有することができ、光の吸収は、光の強度とともに線形的によりも早く（即ち非線形的に）増加する。これにより、構造の内部からの光の吸収及び散乱を比較的抑えることができる。
図２１の装置を用いてＺＢＬＡＮガラスに書き込んだ３つのＷＧ幾何形状の端面図の顕微鏡画像を図２３〜図２５に示す。これらの構造は、「Ｗ」型導波路の幾何形状に近似し、所与のインデックスコントラストの場合にクラッディングの陥凹領域が十分に広ければ、特定の波長の誘導電磁モードをサポートすることができる。複雑性が増した構造（図２３〜図２５）は、クラッディング内の屈折率をより均一に減少させること、及びクラッディング幅を増加させることを目的として書き込まれる。なお、これらの構造は全て光を導いたが、図２５の構造のみが、２マイクロメートルの波長のレーザー発振を達成した（このことは、図４の数値モデリング予測に一致する）。
図２３のＷＧは、未露光コアの周囲に六角形に配置された６つの円筒で構成されて６０ｎＪのパルスを用いて書き込まれ、図２４は、１２個の重なり合った円筒（６５ｎＪ）で構成され、図２５は、各々が〜３０μｍのコア直径を有する１２個の円筒からなる２つの部分的に重なり合うリングから形成された２４個の円筒（５０ｎＪのパルス）で構成される。既に修正されたガラスを介して集束するのを避けるように、全てのＷＧの陥凹クラッディングを下部から上部へ連続的に書き込みながら、サンプルを１０００ｍｍ／分で移動させた。図２３及び図２５で明らかな応力破損は、案内動作には影響を与えないと思われる。この破損はデバイスの高密度に起因するものであり、その分離はほんの１５０μｍであった。
（２つの重なり合うリングなどの）互いに非常に接近した陥凹円筒を書き込む効果を調べるために、屈折率プロフィロメータ（ＲＩＮＣＫ Ｅｌｅｋｔｒｏｎｉｋ社）を使用して、２つのリングＷＧ構造を有する構造の高解像度屈折率分布を６３７ｎｍで撮影した。図２６のメイン画像は、５０ｎＪで作製された２４個の円筒ＷＧ構造の絶対屈折率分布を示し、挿入図は、同じＷＧの光学顕微鏡像を示している。ｎ個のデータは、〜−１×１０-3から−１．５×１０-3のリング構造の正味Δｎ変化を表わす。恐らくは応力に起因してｎがわずかに増加した局所的な領域も観察された。
第１のさらなる実施例
０．２２モル％のＨｏＦ3及び１．９６モル％のＴｍＦ3でドープした５０ｇのＺＢＬＡＮガラスブロックを作製し、長方形の部分又は断片（長さ９ｍｍ、幅８ｍｍ及び高さ２．７ｍｍ）にダイスカットして、上面、下面及び端面を光学等級に研磨した。このドープしたガラスに、超高速光パルスを用いてＷＧ（導波路）を書き込んだ。２つのＷＧを含む研磨した端面の顕微鏡画像を図２７に示す。導波路の中心間距離は、４５０マイクロメートルである。各ＷＧは、２４個の部分的に重なり合う直接書き込まれた長手方向フィラメントにより形成されて「Ｗ」型の屈折率分布を示し、バルクガラス及び未修正の内部（コア）に比べて−０．００１６±０．００３の測定されたクラッディングΔｎ、及び〜３２μｍの境界領域（クラッディング）幅を有する。隣接するＷＧ間の間隔を１５０μｍから４５０μｍに増やすことにより、間隔が狭い導波路の場合には問題となり得る応力破損の兆候を示さずに単一のガラス片内に複数のＷＧが作製された。導波路間隔は、少なくとも３００マイクロメートルであれば、応力破損を回避することができる。作製されたＨｏ3+、Ｔｍ3+のＷＧデバイスは、ＷＧのコア直径が１５μｍ〜４５μｍの１５個の陥凹クラッディングＷＧを含んでいた。研磨したＨｏ、Ｔｍ：ＺＢＬＡＮサンプルの測定された吸収作用を図２８に示す（ＣＡＲＹ５０００分光光度計）。
図２９に、Ｈｏ及びＴｍでドープしたＺＢＬＡＮガラス片を有するレーザー装置例２５６の詳細を示す。〜２９μｍのスポットサイズをもたらすｆ＝５０ｍｍレンズ２６０を用いて、７９０ｎｍ（α＝５．４ｄＢ／ｃｍ）に調整されたＣＷ Ｔｉ：サファイアレーザーを、コーティングしていないＷＧスラブ２５８内に集束させた。この励起集束状態では、直径２４μｍのＷＧのスロープ効率が最も高く、従ってこの実施形態を通じてこのＷＧを使用した。スラブの両端に、平面誘電体コーティングキャビティミラー２６２、２６４を突き合わせ、この場合、入力カプラ２６２は、７９０ｎｍでの伝達性が高く、１．８μｍ〜２．１μｍでの反射性が高い。いくつかの出力カプラ２６４（ＯＣ）を試したところ、Ｒ＝７７％ＯＣのみが、７９０ｎｍの励起光を二重通過させるように設計されていた。Ｔｉ：サファイアレーザーをフィードバックから分離させるために、光アイソレータ２６６を使用した（２２ｄＢの分離）。励起レーザーへのフィードバックをさらに低減し、非吸収励起光の推定を可能にするために、λ／４板２６８により、ＷＧへの入射光を円偏光に変換し、非吸収逆伝播励起ビームをさらに垂直直線偏光に変換して、偏光板２７０を介して光路外でパワーメータに向けた。装置２５６は、λ／２板２７２も有する。
Ｈｏ、Ｔｍ：ＺＢＬＡＮレーザーのスペクトル特性（図３０及び図３１）及びパワー特性（図３２）は、使用するＯＣに依存することが分かった。これは、Ｔｍ3+ 3Ｈ4の状態とＨｏ3+ 5Ｉ7の状態の間の共有励起状態占有率の利得競合によるものである。Ｒ＝７７％のＯＣを使用した場合、レーザーは、図３０に示すようにλ＝１８８０ｎｍ及び１９７８ｎｍで同時に動作した（スペクトルは横河電機製ＡＱ６３７５ ＯＳＡで記録）。このＲ＝７７％のＯＣでは、吸収パワースロープ効率は最大２９％であった（吸収パワーは、枯渇励起パワーを測定することにより計算した）。１５０ｍＷの高レーザー閾値（図３２）が、これらの波長におけるＨｏイオン吸収（図２８を参照）による追加の内部キャビティ損失と一致した。
９５％及び９８％のＯＣを使用した場合、このレーザーは、２０５２ｎｍ付近のＨｏ３−の蛍光放出のピークにおける（図３１を参照）単一の線上で動作することが観察された。これらのＯＣの吸収パワースロープ効率を図３２に示している。９５％のＯＣがもたらした最も高い性能は、２０％のスロープ効率及び２０ｍＷの閾値（入射スロープ効率は１２％であった）であったことが分かる。９８％のＯＣのスロープ効率は、２５０ｍＷの吸収パワーに到達するまでは１６％と低く、＞２５０ｍＷの励起パワーでは効率が低下しており、これは、エネルギー伝達アップコンバージョンと励起状態吸収の組み合わせによって損失が増加したことに起因する可能性が高い。
Ｓｐｉｒｉｃｏｎ Ｐｙｒｏｃａｍ カメラを用いてレーザーのビーム品質を測定した。単一の横断モードを観察したところ、測定されたＭ2＝１．６であった。非平行ビームの近視野像を、図３１の挿入図に示す。
第２のさらなる実施例
図３３に、顕微鏡を用いて撮影した、素子２６０の実施形態における構造例２６２の端面図を示す。素子２６０は、３マイクロメートル付近の中間赤外で動作するように構成される。この素子は、（５マイクロメートルまで延びる）中間赤外波長において実質的に透明な、２モル％のＨｏでドープしたＺＢＬＡＮガラス片を含む。この素子は、３マイクロメートル付近の波長の光を導くように構成された構造を有する。この構造を、図２１の装置を使用してガラスに書き込んだ。
この素子は、１１５０ｎｍで励起した場合、３マイクロメートル付近で利得をもたらすと予想される。この素子は、図２９の素子と同様に装置に組み込んで、例えば励起波長及びレーザー（又は増幅）波長に好適に適合させることができる。
構造２６２は、３つの同心リングの形で配置された約５０個のフィラメント、直径２７マイクロメートルの内部（コア）及び４２．５マイクロメートルの境界領域（クラッディング）幅を有する。数値モデリングによれば、この比較的長い波長において＜０．０２ｄＢと予想される低い損失を実現するためには、比較的厚い境界領域幅が必要であることが示されると理解されよう。必ずしも全ての実施形態でそうとは限らないが、この実施形態では、１つ又は２つではなく３つのフィラメントリングを有することにより、この比較的厚い境界領域を達成した。
いくつかの実施形態は、以下の利点のいくつかを有することができる。
・比較的効率の高い低閾値の中赤外レーザーを実現することができる。
・固有の励起モードとレーザーモードの重なりを有する直接書き込まれた導波路が、レーザー閾値、特に３準位遷移に関するレーザー閾値を低下させることができる。
・回折が制限されたビーム品質を達成することができる。
・最小限に準備されたドープガラス内に、導波路を素早く安価に加工することができる。
・応力破損を伴わずにガラス片内に複数の導波路を形成することができる。
・赤外レーザー放射の小型光源を実現することができる。
・いくつかの実施形態の矩形平面素子が、集積回路、電子回路基板、光チップデバイス及び固有の平面形状を有するその他の構造とともに使用するのに適することができる。
・中間赤外波長で動作するレーザー及び増幅器を実現することができる。
本発明の当業者には、本発明の思想及び範囲から逸脱することなく多くの修正を行うことができると理解されるであろう。例えば、管状構造は、三角形、四角形、六角形、又は状況に応じてその他のあらゆる好適な形状などのあらゆる好適な形状の横断面を有することができる。ガラス片は、円形、球形、又は一般にあらゆる好適な形状とすることができる。
本明細書においていずれかの先行技術を引用している場合、このような引用は、この先行技術が、オーストラリア又はその他のあらゆる国において、当業における一般常識の一部を形成することを容認するものではない。
以下の特許請求の範囲及び上述した発明の詳細な説明では、明確な文言又は必要な含意によって文脈が他の表現を必要とする場合を除き、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」という用語、或いは「（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」又は「（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」などの変形を包括的な意味で使用しており、すなわち記載する特徴の存在を特定するものではあるが、本発明の様々な実施形態におけるさらなる特徴の存在又は追加を排除するものではない。
１０ 素子
１２ 構造体
１４ ガラス片
１５ ガラス片の表面
１８ ガラス片１４の大部分
２０ センタ

Claims (29)

  1. 放射の誘導放出による光の増幅のための素子であって、
    ガラス片と、
    前記ガラス片内に存在して前記光を導き、前記ガラス片の大部分の平均屈折率よりも低い平均屈折率の境界領域を有する管状構造体と、
    前記ガラス片内に存在して前記光が増幅されるように導かれた場合に前記光を増幅する複数のセンタと、
    を備え、前記増幅は、前記センタが別の光により照射された場合の放射の誘導放出によるものである、
    ことを特徴とする素子。
  2. 前記管状構造体の内部の屈折率は、前記境界領域の屈折率よりも高い、
    ことを特徴とする請求項１に記載の素子。
  3. 前記境界領域は、少なくとも１つのフィラメントを含む、
    ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の素子。
  4. 前記少なくとも１つのフィラメントは線である、
    ことを特徴とする請求項３に記載の素子。
  5. 前記少なくとも１つのフィラメントはらせん形である、
    ことを特徴とする請求項３及び請求項４のいずれか１項に記載の素子。
  6. 前記少なくとも１つのフィラメントは、複数のフィラメントである、
    ことを特徴とする請求項３から請求項５のいずれか１項に記載の素子。
  7. 前記複数のフィラメントの少なくとも２つは重なり合う、
    ことを特徴とする請求項６に記載の素子。
  8. 前記境界領域は、内側部分及び外側部分を含む、
    ことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の素子。
  9. 前記内側部分と前記外側部分は重なり合う、
    ことを特徴とする請求項８に記載の素子。
  10. 前記外側部分は、複数のフィラメントを含み、前記内側部分は、別の複数のフィラメントを含み、前記複数のフィラメントの少なくとも１つは、前記別の複数のフィラメントの少なくとも１つと重なり合う、
    ことを特徴とする請求項８及び請求項９のいずれか一方に記載の素子。
  11. 前記ガラス片は、フッ化物ガラスである、
    ことを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の素子。
  12. 前記ガラス片は、ＺｒＦ４、ＢａＦ２、ＬａＦ３、ＡｌＦ３及びＮａＦを含む、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の素子。
  13. 前記ガラス片は、インジウム及びフッ素を含む、
    ことを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の素子。
  14. 前記センタは、希土類イオンを含む、
    ことを特徴とする請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の素子。
  15. 前記境界領域の厚みは、１０マイクロメートルよりも大きい、
    ことを特徴とする請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載の素子。
  16. 前記境界領域の厚みは、４０マイクロメートルよりも小さい、
    ことを特徴とする請求項１から請求項１５のいずれか１項に記載の素子。
  17. 前記境界領域の厚みは、２０マイクロメートルと３０マイクロメートルの間である、
    ことを特徴とする請求項１から請求項１６のいずれか１項に記載の素子。
  18. 前記境界領域の厚みは、約２５マイクロメートルである、
    ことを特徴とする請求項１から請求項１７のいずれか１項に記載の素子。
  19. 前記境界又は前記フィラメントのいずれか一方の前記平均屈折率は、前記ガラス片の大部分の平均屈折率よりも低い０．０００１と０．０１の間である、
    ことを特徴とする請求項１から請求項１８のいずれか１項に記載の素子。
  20. 前記境界又は前記フィラメントのいずれか一方の前記平均屈折率は、前記ガラス片の大部分の平均屈折率よりも低い０．００１と０．００５の間である、
    ことを特徴とする請求項１から請求項１９のいずれか１項に記載の素子。
  21. 前記境界又は前記フィラメントのいずれか一方の前記平均屈折率は、前記ガラス片の大部分の平均屈折率よりも低い０．００１と０．００２５の間である、
    ことを特徴とする請求項１から請求項２０のいずれか１項に記載の素子。
  22. 前記境界又は前記フィラメントのいずれか一方の前記平均屈折率は、前記ガラス片の大部分の平均屈折率よりも低い約０．００１６である、
    ことを特徴とする請求項１から請求項２１のいずれか１項に記載の素子。
  23. 前記境界領域の厚みは、該境界領域の屈折率と前記ガラス片の大部分の屈折率との差分を考慮して選択されたものである、
    ことを特徴とする請求項１から請求項２２のいずれか１項に記載の素子。
  24. 請求項１から請求項２３のいずれか１項に記載の素子を備える、
    ことを特徴とする光の増幅器。
  25. 請求項１から請求項２３のいずれか１項に記載の素子と、
    前記構造体内の前記光を共振させるように配置された反射部分と、
    を備えることを特徴とするレーザー発振器。
  26. 放射の誘導放出による光の増幅のための素子の製造方法であって、電磁放射の焦点をガラス片に対して移動させて、光を導くことができる構造体を前記ガラス片内に形成するステップを含み、前記管状構造体は、前記ガラス片の大部分の平均屈折率よりも低い平均屈折率の境界領域を有し、該境界領域の前記屈折率は、少なくとも部分的に前記電磁放射の前記焦点と前記ガラス片との間の相互作用により決定される、
    ことを特徴とする素子の製造方法。
  27. 前記焦点は、一連の線に沿って相対的に移動して、前記構造体の前記境界領域を少なくとも部分的に定めるフィラメントを形成する、
    ことを特徴とする請求項２６に記載の方法。
  28. 前記焦点は、少なくとも１つのらせん経路に沿って移動して、前記構造体の前記境界領域を少なくとも部分的に定める少なくとも１つのらせん形フィラメントを形成する、
    ことを特徴とする請求項２６に記載の方法。
  29. 前記構造体は、管状構造体である、
    ことを特徴とする請求項１７から請求項１９のいずれか１項に記載の方法。
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