JP2016534548A - グラフェンをベースとした光学サブシステム - Google Patents
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Abstract
Description
最近の研究はZ. Sun, T. Hasan, A. C. Ferrariによる「ナノチューブとグラフェンによってモード同期した超高速度のレーザー」," Physica E: 低次元システム及びナノ構造44, 1082-1091 (2012)にて与えられる。
光学的要素の提供は、良質の短い光学のパルス、又は高エネルギーのチャープ(chirped)パルスの生成を可能にする。分散特性の制御は分散の補償又は修正を意味する。
有利なことに、特許請求の範囲に記載された光学的サブシステム(それは分散補償機能を備えたオールインワンの飽和可能なアブソーバーミラーとして同時に働く)により、更にコンパクトなレーザシステム(又は単体システムさえも)が提供され得る。
更に又はこれに代えて、グラフェンをベースとした飽和可能なアブソーバは、電圧が制御される。例えば、グラフェンをベースとした飽和可能なアブソーバは、グラフェンをベースとしたコンデンサ又はグラフェンをベースとしたスーパーコンデンサであり、バイアス電圧はコンデンサ又はスーパーコンデンサに付与されて、動作条件を変更する。従って、グラフェンをベースとしたコンデンサ及びスーパーコンデンサは、電圧が制御されるグラフェンをベースとした飽和可能なアブソーバの例である。
ここで「グラフェンをベースとした」は、グラフェン、グラフェン酸化物、グラフェン派生体、機能化されたグラフェン又はカーボンナノチューブ(CNT)を含む意味である。
この場合、重要なレーザー発射パラメータ(例えば、出力波長および他のパルス特性)は、一定の値のセットに予め定められる。
蒸着工程は、ミラーコーティング及び他のデバイスコーティング工程のような大規模生産アプローチと容易に結合される。
好ましい実施形態では、支持機構はグラフェンをベースとした飽和可能なアブソーバと光学的デバイスとの間の距離が可変であるように、調整可能である。有利なことに、これにより、レーザーパラメーター(例えば、波長及び他のパルス特性の出力)の調整が可能となる。
光学的デバイスは、所望程度の分散を付与するように特に構成された誘電体コーティングを含むあらゆる数の物理的形式で実行される。
蒸着されたグラフェンの飽和可能なアブソーバを備えた光学的基材の出力結合ミラーは、例えば誘電体又は半導体結晶(例えばコランダム、ZnS、ZnSe、YAG、Si、SiC、GaAsなどのレーザー波長に依存する)などの高い熱伝導性、好ましくは低い熱光学係数とレーザ放射に対する透明性を備えた材料から作られる。
光学的デバイスは、サファイア、イットリウム・アルミニウム・ガーネット、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、又は対象の波長において透明な他の材料の板を含む分散制御型バルク要素である。板厚さは約0.1〜10mmの間にあるのが好ましい。
光学的システムはまた、遷移金属イオンドーパントでドープされたレーザゲイン媒体を含む。レーザゲイン媒体は、単結晶か多結晶が好ましい。
レーザゲイン媒体は、硫化物、セレン化物、混合したセレン化硫化物、テルル化物及びコランダムからなる群から選択されるホスト材を含み、特にホスト材はZnS、ZnSe、ZnTe、CdS、CdSe及びCdTeから選択される。
レーザゲイン媒体は、化学式MXを有するII-VI化合物であり、MはMg、Zn及びCd又はそれらの組み合わせから成る群から選択される二価のカチオン(陽イオン)であり、XはS、Se及びTe又はそれらの組み合わせから成る群から選択される二価のアニオN(陰イオン)である。
レーザクリスタルは、結晶学的に特定の方向に向けられて、レーザ放射の二次調和成分を抑え又は増加させる。
クリスタルが立方体構造を有すれば、光パルスの伝搬ベクトルがクリスタルの[100]、[010]又は[001]の結晶学的軸の1つに沿って主に向けられるような方法で結晶学的に向けられるのが好ましい。これにより、レーザ放射の二次調和成分が減じられる、
これにより、Ti:Saphire、Cr: YAG、Crフォルステライト、Yb:YAG又は他の広帯域のレーザ放射材のようなクリスタルと同様に、上記の化合物と共に、レーザ媒体として多結晶の材料に適用することができる。
空胴モードは、ROC=150mmを備えたチャープ(chirped)凹面ミラー24によってグラフェンの飽和可能なアブソーバ26に焦点を合わせる。
グラフェンの飽和可能なアブソーバ26は、水平な高反射ミラー(銅の基板上の化学蒸着法による)の表面に蒸着され、グラフェンベースの飽和可能なアブソーバミラーをこのように形成する。グラフェンの飽和可能なアブソーバ26は、チャープミラー24に接続される、支持要素25に取り付けられる。
図2は、チャープ高反射率ミラー32からの1つの単一反射によって群遅延分散の補償が達成されること以外は図1に似ている。出力カプラ28はチャープミラー32からたった1つの反射を確実にするために折り重なる位置に設定される。レーザはこのように2本のビーム30、34を放射し、測定された出力パワーは両方のビームの合計である。
図4は、光学的サブシステムが、電圧が制御される飽和可能なアブソーバとして作動するグラフェンをベースとしたコンデンサ又はスーパーコンデンサを備えることを示し、分散制御能力を有して光学的デバイス上に蒸着される。
図4(a)に示すように、コンデンサ又はスーパコンデンサは、2枚の磨き上げたバルク基板1、2を含み、該基板は例えばYAG、サファイア、BaF2又はCaF2から作ることができ、それはレーザ作動波長で透明になり得て、1ミリから数ミリメートル(あるいはレーザー共鳴装置の内部の分散管理を提供するのに必要な任意の長さ)の厚さを有する。基板はレーザ作動波長にて所望量の分散を導入する。
以下の節は、本願で特許請求されていないが、将来の補正や分割出願の基礎を形成する発明の特徴を提示している。
励起ビームが供給されて共振器レーザビームを引き起こす空洞を形成するミラーのセット及び分散要素と、光学的カー要素を含む遷移金属がドープされたレーザクリスタルと、分散補償機能を用いて飽和可能なアブソーバミラーとして同時に作用して、自己開始モードのロッキングに達し、パルスを一時的にスペクトル的に制御し、位相特性を制御するグラフェンをベースとするデバイスを備える受動モード同期短パルスレーザ共振器を備え、
遷移金属ドーパントは、能動的なレーザ光発射の光学的センタとして作用し、
ゲイン媒体を励起するゲイン媒体に関連する励起ビーム手段と、
レーザクリスタルの内側でカーレンズ生成効果と関連し、又はレーザ共振器の内側で
レーザクリスタル光学的カー要素から分離した光学的カー要素を含み、ゲイン媒体を囲んで共振レーザ空洞を形成する空洞形成手段と、
グラフェン、グラフェン派生物、カーボンナノチューブ及び機能化されたグラフェンの少なくとも1つを備えるグラフェンをベースとする手段と、
励起ビームの切換時に、外部の力無くして形成するように短いパルスが開始する自己開始手段と、
大部分又は部分的に反射的多層のジル・トレノア又はチャープミラーのタイプのブラッグ反射器ミラーをベースとする誘電体又は半導体である多層分散ミラーとを備える光学的システム。
[節2] 前記レーザクリスタルは、クロムでドープされた硫化亜鉛(Cr:ZnS)クリスタルである、節1の光学的システム。
[節3] 前記レーザクリスタルは、クロムでドープされたセレン化亜鉛(Cr:ZnSe)クリスタルである、節1の光学的システム。
[節4] 前記レーザクリスタルは、硫化物、セレン化物、混合したセレン化硫化物、テルル化物及びコランダムホスト材からなる群から選択される、節1の光学的システム。
[節5] 遷移金属イオンドーパントは、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni及びCuからなる群から選択される、節4の光学的システム。
[節6] レーザクリスタルは、化学式MXを有するII-VI化合物であり、MはMg、Zn及びCd又はそれらの組み合わせから成る群から選択される二価のカチオン(陽イオン)であり、XはS、Se及びTe又はそれらの組み合わせから成る群から選択される二価のアニオN(陰イオン)であり、節5の光学的システム。
[節7] ホスト材は、ZnS、ZnSe、ZnTe、CdS、CdSe及びCdTeから選択される、節6の光学的システム。
[節8] 遷移金属イオンは、Cr2+かFe2+からなる群から選択される、節7の光学的システム。
[節9] レーザクリスタルは、Ti:サファイアである、節5の光学的システム。
[節10] ゲイン媒体は多結晶材である、節1乃至9の何れかの光学的システム。
[節11] ゲイン媒体は、単一のクリスタル材である、節1乃至10の何れかの光学的システム。
[節12] グラフェンをベースとするミラーと前記デバイスの分散型ミラーの間の距離は調整可能である、節1の光学的システム。
[節13] 前記デバイス上の分散型ミラー上の内部空洞信号レーザビームの入射角は調整可能である、節1の光学的システム。
[節14] 出力連結ミラーを形成するレーザ共振器は、グラフェンをベースとして、飽和可能で部分的に分散補償機能を有する、節1の光学的システム。
[節15] グラフェンをベースとするデバイスは、1又は1以上のグラフェンからなるグラフェンをベースとする飽和可能なアブソーバミラーを備え、又はグラフェンをベースとする層は分散制御型ミラーの面(facet)上に支持される、節1の光学的システム。
[節16] グラフェンをベースとするデバイスは、1又は1以上のグラフェンからなるグラフェンをベースとする飽和可能なアブソーバミラーを備え、又はグラフェンをベースとする層は出力分散制御型ミラーの面(facet)上に支持される、節1の光学的システム。
[節17] 分散要素は、対象の波長を透過し、空洞に実質的な分散補償機能を付与するサファイア、イットリウムアルミニウムガーネット、フッ化カルシウム、フッ化バリウム又は他の材料の板(数十ミリメータの厚み)を含む、節1の光学的システム。
[節18] 分散要素は、焦点型分散制御型ミラーを備えたグラフェンをベースとする飽和可能なアブソーバを備え、デバイスは最終的な組立の前に単一のユニットとして製造され整列されるのが好ましい、節1の光学的システム。
[節19] 分散要素は、調整可能な入射角を有する一対のジル・トレノア(Gires-Tournoi)ミラーを備えたグラフェンをベースとしたアブソーバミラーを備えて、所望の動作波長及び分散を達成し、デバイスは最終的な組立の前に単一のユニットとして製造され整列されるのが好ましい、節1の光学的システム。
[節20] レーザクリスタルは、光パルスの伝搬ベクトルがクリスタルの結晶学的軸[100]、[010]又は[001]の1つに沿って向けられるように、結晶学的に向けられた、節2の光学的システム。
[節21] レーザクリスタルは、光パルスの伝搬ベクトルがクリスタルの結晶学的軸[100]、[010]又は[001]の1つに沿って向けられるように、結晶学的に向けられた
、節3の光学的システム。
[節22] レーザクリスタルは、ウルツ鉱構造のクロムでドープされた硫化亜鉛(Cr:ZnS)クリスタルである、節1の光学的システム。
[節23] レーザクリスタルは、光パルスの伝搬ベクトルがクリスタルの光学軸(結晶学上の軸[001])に沿って向けられるように、結晶学的に向けられた、節22の光学的システム。
[節24] 立方体レーザクリスタルは、光パルスの伝搬ベクトルがクリスタルの結晶学的軸[100]、[010]又は[001]の1つに沿って向けられるように、結晶学的に向けられた、節5の光学的システム。
[節25] ウルツ鉱レーザクリスタルは、光パルスの伝搬ベクトルがクリスタルの光学軸(結晶学上の軸[001])に沿って向けられるように、結晶学的に向けられた、節5の光学的システム。
[節26] 立方体レーザクリスタルは、光パルスの伝搬ベクトルがクリスタルの結晶学的軸[100]、[010]又は[001]の1つに沿って向けられるように、結晶学的に向けられた、節6の光学的システム。
[節27] ウルツ鉱レーザクリスタルは、光パルスの伝搬ベクトルがクリスタルの光学軸(結晶学上の軸[001])に沿って向けられるように、結晶学的に向けられた、節6の光学的システム。
[節28] 受動モード同期レーザ光学システム用の光学的サブシステムであって、
グラフェンをベースとした飽和可能なアブソーバと、
部分的に透明な出力連結ミラーとを備え、
該グラフェンをベースとした飽和可能なアブソーバは光学的デバイスによって支持される光学的サブシステム。
[節29] グラフェンをベースとした飽和可能なアブソーバは、出力連結ミラーの表面上に蒸着される、節28の光学的システム。
[節30] グラフェンをベースとした飽和可能なアブソーバは、出力連結ミラーに接続された支持機構によって、出力連結ミラーから空間的に分離されて支持される、節28の光学的システム。
[節31] グラフェンをベースとした飽和可能なアブソーバは、ミラー上に蒸着される、節28の光学的システム。
[節32] 支持機構は、グラフェンをベースとした飽和可能なアブソーバと出力連結ミラー間の距離が可変であるように調整可能である、節30又は31の光学的システム。
[節33] 出力連結ミラーは取付け具上に取り付けられて、軸回りの出力連結ミラーの回転を許す、節28乃至32の何れかの光学的システム。
[節34] グラフェンをベースとした飽和可能なアブソーバは、グラフェン、グラフェン派生物、カーボンナノチューブ及び機能化されたグラフェンの少なくとも1つを備える、節28乃至32の何れかの光学的システム。
[節35] 更に、能動的なゲイン媒体を備え、光学的サブシステムは能動的レーザゲイン媒体に一体に設けられ、又は能動的レーザゲイン媒体に接続される、節28乃至34の何れかの光学的システム。
Claims (28)
- 受動モード同期レーザ光学システム用の光学的サブシステムであって、
グラフェンをベースとした飽和可能なアブソーバと、
前記レーザ光学システムの分散特性を制御するように構成された光学的デバイスとを備え、
該グラフェンをベースとした飽和可能なアブソーバは、前記光学的デバイスによって支持される光学的サブシステム。 - 前記グラフェンをベースとした飽和可能なアブソーバは、前記光学的デバイスの表面に蒸着された、請求項1に記載の光学的サブシステム。
- 前記グラフェンをベースとした飽和可能なアブソーバは、前記光学的システムに接続された支持機構によって、前記光学的デバイスから空間的に分離されて支持される、請求項1に記載の光学的サブシステム。
- 前記グラフェンをベースとした飽和可能なアブソーバは、ミラー上に蒸着される、請求項3に記載の光学的サブシステム。
- 前記支持機構は、前記グラフェンをベースとした飽和可能なアブソーバと光学的デバイスの間の距離が可変であるように調整可能である、請求項3又は4に記載の光学的サブシステム。
- 前記光学的デバイスは、取付け具上に取り付けられて、軸回りの出力連結ミラーの回転を許す、請求項1乃至5の何れかに記載の光学的サブシステム。
- 前記グラフェンをベースとする飽和可能なアブソーバは、グラフェン、グラフェン派生物、カーボンナノチューブ及び機能化されたグラフェンの少なくとも1つを備え、
及び/又は
前記グラフェンをベースとする飽和可能なアブソーバは、電圧制御されて、グラフェンをベースとするコンデンサ又はスーパコンデンサである、請求項1乃至6の何れかに記載の光学的サブシステム。 - 前記光学的デバイスは、チャープミラーである、請求項1乃至7の何れかに記載の光学的サブシステム。
- 前記光学的デバイスは、分散制御型ミラーである、請求項1乃至7の何れかに記載の光学的サブシステム。
- 前記光学的デバイスは、焦点型分散制御型ミラーである、請求項1乃至7の何れかに記載の光学的サブシステム。
- 前記光学的デバイスは、一対のジル・トレノアミラーである、請求項1乃至7の何れかに記載の光学的サブシステム。
- 前記光学的デバイスは、レーザ共振器を形成する出力連結ミラーであり、該出力連結ミラーは部分的に分散補償機能を有し、該出力連結ミラーは部分的に透明である、請求項1乃至7の何れかに記載の光学的サブシステム。
- 前記光学的デバイスは、サファイア、イットリウム・アルミニウム・ガーネット、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、又は対象の波長において透明な他の材料の板を含む分散制御型バルク要素である、請求項1乃至7の何れかに記載の光学的サブシステム。
- 前記光学的デバイスは、
多層の分散型ミラー、
大凡調和した面平行な板、
薄い楔、
プリズム、
短く分布したファイバブラッググレーティングを含む組込み型分散制御要素を備えた光学ファイバ部分
その上にグラフェンをベースとするコンデンサ又はスーパコンデンサのグラフェン層が蒸着される一対の基材層からなる群から選択される、請求項1乃至7の何れかに記載の光学的サブシステム。 - 請求項1乃至14の何れかの光学的サブシステムと、
遷移金属イオンドーパントでドープされたレーザゲイン媒体を備える、光学的システム。 - 前記レーザゲイン媒体は、単一のクリスタルである、請求項15に記載の光学的システム。
- 前記レーザゲイン媒体は、多結晶体である、請求項15に記載の光学的システム。
- 前記遷移金属イオンドーパントは、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni及びCuからなる群から選択される、請求項15乃至17の何れかに記載の光学的システム。
- 前記遷移金属イオンドーパントは、Cr2+かFe2+からなる群から選択される、請求項15乃至18の何れかに記載の光学的システム。
- 前記レーザゲイン媒体は、硫化物、セレン化物、混合したセレン化硫化物、テルル化物及びコランダムからなる群から選択されるホスト材を含む、請求項15乃至19の何れかに記載の光学的システム。
- 前記ホスト材は、ZnS、ZnSe、ZnTe、CdS、CdSe及びCdTeから選択される、請求項15乃至19の何れかに記載の光学的システム。
- 前記レーザゲイン媒体は、化学式MXを有するII-VI化合物であり、MはMg、Zn及びCd又はそれらの組み合わせから成る群から選択される二価のカチオンであり、XはS、Se及びTe又はそれらの組み合わせから成る群から選択される二価のアニオNである、請求項15乃至17の何れかに記載の光学的システム。
- 前記レーザゲイン媒体は、Ti:サファイアである、請求項15乃至17の何れかに記載の光学的システム。
- 前記レーザゲイン媒体は、クロムでドープされた硫化亜鉛(Cr:ZnS)クリスタル、又はクロムでドープされたセレン化物(Cr:ZnSe)クリスタルである、請求項15乃至17の何れかに記載の光学的システム。
- 前記クリスタルが立方体構造を有すれば、光パルスの伝搬ベクトルがクリスタルの[100]、[010]又は[001]の結晶学的軸の1つに沿って主に向けられるような方法で結晶学的に向けられる、請求項15乃至24の何れかに記載の光学的システム。
- 前記クリスタルがウルツ鉱構造を有すれば、光パルスの伝搬ベクトルがクリスタルの光学的軸に沿って主に向けられるような方法で結晶学的に向けられ、光学的軸は[0001]の結晶学的軸である、請求項15乃至24の何れかに記載の光学的システム。
- 請求項15乃至26の何れかに記載の光学的システムを備えた受動モード同期レーザ共振器であって、
レーザゲイン媒体がその中に付与される空洞を形成する一組のミラー、
複数の分散要素、
光学的カー要素を備え、該光学的カー要素はレーザゲイン媒体であり又は別個の構造として付与される、受動モード同期レーザ共振器。 - 前記光学的デバイスの内部空洞信号レーザビームの入射角は調整可能である、請求項27に記載の受動モード同期レーザ共振器。
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