JP2564543B2 - 超電導装置の動作方法 - Google Patents
超電導装置の動作方法Info
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
- H01S5/062—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying the potential of the electrodes
- H01S5/06209—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying the potential of the electrodes in single-section lasers
- H01S5/0622—Controlling the frequency of the radiation
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- H—ELECTRICITY
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- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/14—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
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- H01S3/1683—Solid materials using superconductivity, e.g. provided with Josephson junctions
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Description
【発明の詳細な説明】 「発明の利用分野」 本発明は超電導材料を用いたレーザ発振装置を用いた
動作方法に関する。
動作方法に関する。
「従来の技術」 従来、超電導材料を用いたアクティブ素子としては、
ジョセフソン接合素子のみが知られる。これまでは、こ
の素子を用いて電気的な論理回路およびメモリ等への応
用のみが検討されていた。
ジョセフソン接合素子のみが知られる。これまでは、こ
の素子を用いて電気的な論理回路およびメモリ等への応
用のみが検討されていた。
「従来の問題点」 特にこのジョセフソン素子は超高速動作をするため、
電気的なスイッチング素子としての有効利用が考えられ
るのみであった。
電気的なスイッチング素子としての有効利用が考えられ
るのみであった。
本発明人はかかるジョセフソン接合型の動作を調べて
いくうち、この接合を利用してレーザ発光をさせ得るこ
とを見出した。
いくうち、この接合を利用してレーザ発光をさせ得るこ
とを見出した。
本発明はかかるレーザ光（実際には赤外線）装置を提
供するにある。
供するにある。
「問題を解決する手段」 本発明はかかる問題を解決するもので、ジョセフソン
接合素子において、一対を構成する電極の上面および下
面以外の端面に対し、鏡（ミラー）を配設する。そして
その１つの端面の鏡をハーフミラーとすることにより、
そこよりレーザ光を外部に発生させんとするレーザ発振
器の動作方法に関する。
接合素子において、一対を構成する電極の上面および下
面以外の端面に対し、鏡（ミラー）を配設する。そして
その１つの端面の鏡をハーフミラーとすることにより、
そこよりレーザ光を外部に発生させんとするレーザ発振
器の動作方法に関する。
即ち、本発明は、超電導材料、特にTcが75K以上の高
温で動作する酸化物超電導材料を用いてレーザ光を発振
させんとするものである。
温で動作する酸化物超電導材料を用いてレーザ光を発振
させんとするものである。
第１図は、本発明に用いるためのジョセフソン接合素
子を示す。即ち、下側の第１の超電導材料（１），トン
ネル電流を流し得る厚さの透光性被膜（透光性、特にレ
ーザ光の吸収損失の少ない材料が選ばれる）（２），さ
らにその上に第２の超電導材料（３）を設け、その上下
の超電導材料に一対の電気エネルギ供給手段（15），
（16）を設けている。
子を示す。即ち、下側の第１の超電導材料（１），トン
ネル電流を流し得る厚さの透光性被膜（透光性、特にレ
ーザ光の吸収損失の少ない材料が選ばれる）（２），さ
らにその上に第２の超電導材料（３）を設け、その上下
の超電導材料に一対の電気エネルギ供給手段（15），
（16）を設けている。
かかる超電導材料のエネルギバンド図を第２図に示
す。
す。
第２図（Ａ）は外部電圧の印加のない場合、または弱
い電圧の印加がある場合である。図面において、超電導
材料（１），（３），その間に介在した透光性被膜
（２）を有する。
い電圧の印加がある場合である。図面において、超電導
材料（１），（３），その間に介在した透光性被膜
（２）を有する。
これはフェルミ面（７）と通常の伝導帯（６）とを有
する。そしてレベル（４）には凝縮したクーパーペァの
レベル（５）を有する。ここで双方の超電導材料
（１），（３）に電圧を加えると、ある電圧まではそれ
ぞれの間に電位差を生ぜず、電子対は自由電子のように
流れ、量子力学の波動性により、被膜（２）中をトンネ
ル効果により通り抜ける。
する。そしてレベル（４）には凝縮したクーパーペァの
レベル（５）を有する。ここで双方の超電導材料
（１），（３）に電圧を加えると、ある電圧まではそれ
ぞれの間に電位差を生ぜず、電子対は自由電子のように
流れ、量子力学の波動性により、被膜（２）中をトンネ
ル効果により通り抜ける。
ここに、より高い交流またはパルス電圧を印加する
と、この左右の超電導体間に電位差（ΔＶ）が生ずる。
この時、例えば、第１の超電導材料（１）より第２の超
電導材料（３）に電子対が移る場合、「エネルギ保存の
法則」により光（10）を発光する。
と、この左右の超電導体間に電位差（ΔＶ）が生ずる。
この時、例えば、第１の超電導材料（１）より第２の超
電導材料（３）に電子対が移る場合、「エネルギ保存の
法則」により光（10）を発光する。
この波長は、 ｈν＝2eΔＶ で示される。
ここではh:プランクの定数 e:電気素量 ΔV:電位差 ν：光の振動数 さらにここに交流を加え、その電位差（ΔＶ）を大き
くすると、最大Ｖ（通常の金属の伝導帯の下側と凝縮し
たクーパーペァのレベル（４）との差）までの電位差を
生ぜしめ得る。そしてそれに対応した波長の光（10）を
発光し得る。酸化物超電導体はTcoが約100Kを有するた
め、波長λ（1/νでも示される）も10-6cm-1程度の波長
を得ることができる。
くすると、最大Ｖ（通常の金属の伝導帯の下側と凝縮し
たクーパーペァのレベル（４）との差）までの電位差を
生ぜしめ得る。そしてそれに対応した波長の光（10）を
発光し得る。酸化物超電導体はTcoが約100Kを有するた
め、波長λ（1/νでも示される）も10-6cm-1程度の波長
を得ることができる。
またここで外部より印加した電圧を可変すると、結果
として発光波長をも可変し得る。
として発光波長をも可変し得る。
一般にレーザ発光は、逆転分野が必要であることが知
られている。しかし本発明においては、第２図（Ｂ）に
示す如く、右側の超電導材料はクーパーペァの多い超電
導材料を用い、また左側の超電導材料中には不純物を多
くしてクーパーペァを少なくせ、容易にかかる逆転分布
を成就し得る。
られている。しかし本発明においては、第２図（Ｂ）に
示す如く、右側の超電導材料はクーパーペァの多い超電
導材料を用い、また左側の超電導材料中には不純物を多
くしてクーパーペァを少なくせ、容易にかかる逆転分布
を成就し得る。
第３図にこの原理を用いた本発明のレーザ発振器を示
す。この図面は１および第２の酸化物超電導体（１），
（３）を有する。そしてその間にはトンネル電流を流し
得る絶縁体（２）を設けている。その端部の３方はミラ
ー（鏡）（12）にて取り囲み、光が外部にもれないよう
にしている。また内部で発光した光を100％効率よく反
射するようにしている。
す。この図面は１および第２の酸化物超電導体（１），
（３）を有する。そしてその間にはトンネル電流を流し
得る絶縁体（２）を設けている。その端部の３方はミラ
ー（鏡）（12）にて取り囲み、光が外部にもれないよう
にしている。また内部で発光した光を100％効率よく反
射するようにしている。
他の一端部は光の透過が多少あるハーフミラー（11）
を設けていく。
を設けていく。
ここにおいて、電気供給端子（15），（16）に強い電
圧を印加する。するとこの超電導体の中で発光した光は
ミラー（11），（12）で反射し、外部に光をリークでき
ない。そしてこの外部より加えられた電圧によって決め
られるΔＶによって定められた波長の光をより高密度化
し、臨界状態においてハーフミラー（11）を透過して発
光をさせることができる。
圧を印加する。するとこの超電導体の中で発光した光は
ミラー（11），（12）で反射し、外部に光をリークでき
ない。そしてこの外部より加えられた電圧によって決め
られるΔＶによって定められた波長の光をより高密度化
し、臨界状態においてハーフミラー（11）を透過して発
光をさせることができる。
以下に図面に従ってその実施例を示す。
「実施例１」 第１図に本発明で用いるジョセフソン素子型レーザ発
振器を示す。
振器を示す。
酸化物超電導材料として、例えば、（A1-X Bx）yCuzO
w,x＝０〜1,y＝2.0〜4.0好ましくは2.5〜3.5,z＝１〜４
好ましくは1.5〜3.5,W＝４〜10好ましくは６〜８を有す
る。ＡはＹ（イットリウム）,Gd（ガドリニウム）,Yb
（イッテルビウム）,Eu（ユーロピウム）,Tb（テルビウ
ム）,Dy（ジスプロシウム）,Ho（ホルミウム）,Er（エ
ルビウム）,Tm（ツリウム）,Lu（ルテニウム）,Sc（ス
カンジウム）またはその他の元素周期表IIIa族の１つま
たは複数種類より選ばれる。ＢはRa（ラジウム）,Ba
（バリウム）,Sr（ストロンチウム）,Ca（カルシウムMg
（マグネシウム）,Be（ベリリウム）の元素周期表IIa族
より選ばれる。特に、その具体例として、（YBa2）Cu3O
6〜８を用いた。
w,x＝０〜1,y＝2.0〜4.0好ましくは2.5〜3.5,z＝１〜４
好ましくは1.5〜3.5,W＝４〜10好ましくは６〜８を有す
る。ＡはＹ（イットリウム）,Gd（ガドリニウム）,Yb
（イッテルビウム）,Eu（ユーロピウム）,Tb（テルビウ
ム）,Dy（ジスプロシウム）,Ho（ホルミウム）,Er（エ
ルビウム）,Tm（ツリウム）,Lu（ルテニウム）,Sc（ス
カンジウム）またはその他の元素周期表IIIa族の１つま
たは複数種類より選ばれる。ＢはRa（ラジウム）,Ba
（バリウム）,Sr（ストロンチウム）,Ca（カルシウムMg
（マグネシウム）,Be（ベリリウム）の元素周期表IIa族
より選ばれる。特に、その具体例として、（YBa2）Cu3O
6〜８を用いた。
この超電導材料は単結晶であることが好ましい。
このため、YSZ,rTiO3等の基板上にスパッタ法を用い
たエピタキシャル成長法を用いることも有効である。ま
たブリッジマン法等により単結晶のタブレットを作るこ
とも有効である。
たエピタキシャル成長法を用いることも有効である。ま
たブリッジマン法等により単結晶のタブレットを作るこ
とも有効である。
これらに対し、この後透光性被膜を構成させるため、
例えば金属のアルミニウム、タンタルまたは半導体の珪
素を真空蒸着法または光CVD法を用い、５〜50Å例えば1
0Åの厚さに形成した。さらにこれら全体を400〜1000
℃,1〜100時間、例えば600℃で５時間アニールをし、同
時に金属アルミニウム、タンタルまたは半導体の珪素を
酸化させた。
例えば金属のアルミニウム、タンタルまたは半導体の珪
素を真空蒸着法または光CVD法を用い、５〜50Å例えば1
0Åの厚さに形成した。さらにこれら全体を400〜1000
℃,1〜100時間、例えば600℃で５時間アニールをし、同
時に金属アルミニウム、タンタルまたは半導体の珪素を
酸化させた。
すると例えば、アルミニウムを用いる場合、この結果
形成された酸化アルミニウムの下側の酸化物超電導材料
の表面近傍における酸素濃度を、内部（バルク）と概略
同一とすることができ、表面においても超電導特性を有
せしめ得る。
形成された酸化アルミニウムの下側の酸化物超電導材料
の表面近傍における酸素濃度を、内部（バルク）と概略
同一とすることができ、表面においても超電導特性を有
せしめ得る。
さらにこの表面にスパッタ法、気相法、スクリーン印
刷法等により第２の超電導材料（３）を第１の超電導材
料と同一主成分材料により形成させた。
刷法等により第２の超電導材料（３）を第１の超電導材
料と同一主成分材料により形成させた。
次にこれらをフォトエッチング法により、第３図にく
示す如く、その周辺部に対し損傷を与えることなくエッ
チングし、透光性被膜の端面を露呈させた。さらにこの
表面における３方を光を完全に遮蔽し100％反射するミ
ラーを銀またはアルミニウムにより形成した。
示す如く、その周辺部に対し損傷を与えることなくエッ
チングし、透光性被膜の端面を露呈させた。さらにこの
表面における３方を光を完全に遮蔽し100％反射するミ
ラーを銀またはアルミニウムにより形成した。
この時、銀またはアルミニウムと酸化物との間の反応
を防ぐため、透光性酸化物を５〜50Åの厚さに形成して
もよい。かかる端面（１）はハーフミラーをこれら銀ま
たはアルミニウムの周りに30〜300Å例えば50Åの厚さ
に形成した。
を防ぐため、透光性酸化物を５〜50Åの厚さに形成して
もよい。かかる端面（１）はハーフミラーをこれら銀ま
たはアルミニウムの周りに30〜300Å例えば50Åの厚さ
に形成した。
かくして第３図の超電導材料を用いたレーザ発振器を
作ることができた。
作ることができた。
さらにここに電圧を印加した。そしてこのΔＶ（第２
図に示す）として数十mVを印加し、ハーフミラーにより
赤外線の反射を観察することができた。またTcoとして
室温またはそれ以上での温度を有せしめることが可能で
あるならば、可視光の発光も不可能ではない。
図に示す）として数十mVを印加し、ハーフミラーにより
赤外線の反射を観察することができた。またTcoとして
室温またはそれ以上での温度を有せしめることが可能で
あるならば、可視光の発光も不可能ではない。
この特性は酸化物セラミックスのTcoの向上ととも
に、可視光またはそれに近い波長の光を発光させ得る。
またレーザ光の発光を、透光性被膜特に酸化物または窒
化物絶縁膜の作製により、連続発振または電気エネルギ
の光エネルギへの変換効率の向上を行い得る。
に、可視光またはそれに近い波長の光を発光させ得る。
またレーザ光の発光を、透光性被膜特に酸化物または窒
化物絶縁膜の作製により、連続発振または電気エネルギ
の光エネルギへの変換効率の向上を行い得る。
本発明の第３図において、第１の酸化物超電導性材料
を基板として用いた場合を示し、発光面はこの基板と平
行方向に発光させた。しかし基板をYSZ等の絶縁物基板
とし、ここに薄膜状に選択的に第１の超電導材料を形成
し、超電導レーザの集積化構成をさせることもできる。
また光を基板と垂直方向に発光させてもよい。
を基板として用いた場合を示し、発光面はこの基板と平
行方向に発光させた。しかし基板をYSZ等の絶縁物基板
とし、ここに薄膜状に選択的に第１の超電導材料を形成
し、超電導レーザの集積化構成をさせることもできる。
また光を基板と垂直方向に発光させてもよい。
「効果」 本発明により、電圧に依存するレーザ光の発光が可能
となった。さらにこのレーザ光の発光を固体素子として
行い得る。
となった。さらにこのレーザ光の発光を固体素子として
行い得る。
このため、これまで知られていた半導体レーザにおい
ては固体電子ディバイスという特長を有しながら特定の
波長しか発光できなかったが、これとは異なる分野への
新しい応用が可能であろう。
ては固体電子ディバイスという特長を有しながら特定の
波長しか発光できなかったが、これとは異なる分野への
新しい応用が可能であろう。
また波長の可変するレーザとして色素レーザまたは色
中心レーザが知られている。しかしこれらは回析格子等
の波長可変素子を必要とし、制御が不便である。この
点、本発明は印加する電圧／電流により精密に制御し得
る。
中心レーザが知られている。しかしこれらは回析格子等
の波長可変素子を必要とし、制御が不便である。この
点、本発明は印加する電圧／電流により精密に制御し得
る。
第１図は本発明に用いるジョセフソン接合素子の縦断面
図を示す。 第２図は本発明の発光の動作原理を示す。 第３図は本発明の超電導素子を用いたレーザ発振器の斜
視図を示す。
図を示す。 第２図は本発明の発光の動作原理を示す。 第３図は本発明の超電導素子を用いたレーザ発振器の斜
視図を示す。
Claims (3)
- 【請求項１】第１の超電導材料と、 前記第１の超電導材料よりも不純物が多く含まれた第２
の超電導材料と、 前記第１及び第２の超電導材料の間に介在する絶縁膜
と、 端面に設けられたレーザ共鳴用の鏡と、 を有するジョセフソン接合素子において、 前記ジョセフソン接合素子に電圧を印加せしめることに
より、前記絶縁膜でレーザ発光をさせることを特徴とす
る超電導装置の動作方法。 - 【請求項２】特許請求の範囲第１項において、外部より
印加した交流電圧によって波長を可変させることを特徴
とする超電導装置の動作方法。 - 【請求項３】特許請求の範囲第１項において、超電導材
料はTco（抵抗が零となる温度）が75K以上を有し、レー
ザ光として赤外光または可視光を発光させることを特徴
とする超電導装置の動作方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62097976A JP2564543B2 (ja) | 1987-04-20 | 1987-04-20 | 超電導装置の動作方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62097976A JP2564543B2 (ja) | 1987-04-20 | 1987-04-20 | 超電導装置の動作方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63262882A JPS63262882A (ja) | 1988-10-31 |
| JP2564543B2 true JP2564543B2 (ja) | 1996-12-18 |
Family
ID=14206694
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62097976A Expired - Fee Related JP2564543B2 (ja) | 1987-04-20 | 1987-04-20 | 超電導装置の動作方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2564543B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS63263783A (ja) * | 1987-04-22 | 1988-10-31 | Hitachi Ltd | 超電導発光体 |
| EP0413333A3 (en) * | 1989-08-18 | 1991-07-24 | Hitachi, Ltd. | A superconductized semiconductor device |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE2832122A1 (de) * | 1978-07-21 | 1980-01-31 | Kraftwerk Union Ag | Messlanze fuer siedewasserkernreaktoren |
-
1987
- 1987-04-20 JP JP62097976A patent/JP2564543B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS63262882A (ja) | 1988-10-31 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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