JP3782847B2 - スイッチング型一体式マイクロレーザーおよびキャビティ内非線形材料 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スイッチ型固体マイクロレーザーの分野に関するものである。
【０００２】
マイクロレーザーの主な利点は、本質的な特性を構成する多層積層構造にある。活性レーザー媒質は、１５０〜１０００μｍの限られた厚さの材料から構成され、上面に誘電性キャビティミラーが直接的に成膜される小さな寸法領域（数ｍｍ2 ）からなるものである。この活性媒質は、マイクロレーザー上に直接的に集積化されているかあるいは光ファイバによりマイクロレーザーに接続されているかのどちらかであるIII−Vレーザーダイオードにより、ポンピングされることができる。マイクロエレクトロニック手段を使用することにより、大量生産が可能とされることで、非常に限られたコストでマイクロレーザーを製造することが可能とされる。
【０００３】
マイクロレーザーは、自動車、環境、科学的手段、および遠隔計測と同じくらい幅広い分野で多数の応用を有している。
【０００４】
【従来の技術】
連続発光型で、周波数多倍型または二倍型のマイクロレーザーは、既に製造されており、Optics Communications, vol.105, pp183-187 における N.MacKinnon氏他による”A laser diode array pumped, Nd:YVO4/KTP, composite material microchip laser” と題する文献中に記載されている。記載されているマイクロレーザー（図１に図示）は、厚さが０．５ｍｍのＮｄ：ＹＶＯ4 結晶２により形成されており、Ｎｄ：ＹＶＯ4 結晶２には、２ｍｍ厚さのＫＴＰ結晶４が結合されている。キャビティのミラー６、８は、入力面および出力面において、１．０６４μｍに対しては高い反射を示し、５３２ｎｍに対しては高い透過を示す。デバイスは、約８００ｎｍにおいて、レーザーダイオードにより光学的にポンピングされる。２つのミラーは、１．６４μｍに対しては約９９．８％の反射を示すので、１．０６４μｍでキャビティ内に流入するパワーは、大きい（数ワットないし数十ワットの範囲）。１．０６４μｍの放射は、非線形ＫＴＰ結晶により５３２ｎｍの放射に変換される。８０８ｎｍのポンピングダイオードと５３２ｎｍの放射との間の変換効率は、約４％である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記文献中に記載されている上記マイクロレーザーデバイスは、以下の問題点を有している。第１に、マイクロレーザーキャビティ内に流入するパワーが小さいことにより、変換効率が低いことである。１．０６４μｍにおいて高い反射を示すミラーは、高い過電圧係数Ｑを有するマイクロレーザーキャビティを得るために、高級な質の材料から構成されなければならない。そのようなミラーを製造することが困難であり、また高価であって、マイクロレーザーの大量生産の可能性という見地からは不適当である。しかも、得られたマイクロレーザーは、一体式であるが、前もって切削されたフラグメントの固着または接着工程を含む手動プロセスにより製造される。このプロセスは、低コストでのマイクロレーザーの大量生産に対する要求には不適当である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ビームの周波数が多倍化（二倍化、三倍化、等）されるマイクロレーザーキャビティを提案している。二倍化、三倍化、および、同様の操作の効率は高い。さらに、マイクロレーザーキャビティの構造は、マイクロエレクトロニクスを利用した大量生産プロセスが適用可能でなければならない。最後に、得られた構造は、一体化されていなければならない。
【０００７】
さらに詳細には、本発明は、活性固体媒質と、キャビティをスイッチングするための手段とを具備し、マイクロレーザーキャビティの基本周波数を整数ｎ（ｎ≧２）だけ多倍化することができる第２光学非線形材料からなる少なくとも１つのエレメントを、キャビティの内部に具備することを特徴とするマイクロレーザーキャビティに関するものである。
【０００８】
スイッチング式の動作においては、マイクロレーザーは、高ピークパワー、かつ、低時間幅パルスで発光する。その場合、キャビティ内レーザー放射のパワーは、連続動作において得られるキャビティ内パワーの強度に対して、数オーダーを超える非常に大きな値に達する。光学的非線形材料内におけるレーザー周波数の二倍または三倍周波数への変換の効率は、結果的に非常に良好である。というのは、前記効率は、レーザーパワーに依存するからである。よって、マイクロレーザーキャビティの基本周波数において極端に高い反射係数を有するキャビティの入力および出力ミラーの存在から解放されることができる。約９９．９％の反射率が、正しい連続動作のためには必要であり、一方、”スイッチング式の”動作においては、より低い反射率でも適切であることが指摘される。
【０００９】
本発明のある実施形態においては、マイクロレーザーキャビティは、可飽和吸収体（saturable absorber）により受動的にスイッチングされる。
【００１０】
本発明の他の形態は、マイクロレーザーキャビティ内における可飽和吸収体および活性媒質の相対配置に関するものである。
【００１１】
一般的に言えば、可飽和吸収体を利用して受動的にスイッチングされる公知のレーザーにおいては、レーザーキャビティの内部に関して、以下の構成が提案されてきた。
【００１２】
１．第１の構成は、図２（ａ）に示されている。ここで、参照符号１０は、レーザーキャビティを示している。参照符号１２、１３、１４、１５は、それぞれ、活性レーザー材料、可飽和吸収体、キャビティの入力ミラー、および出力ミラーを示している。この場合、可飽和吸収体１３とキャビティ１０内の他のエレメントとは、一切接触していない。
【００１３】
このようなデバイスにおいては、キャビティのエレメントを光学的に軸合わせする必要がある。さらに、レーザーの使用時において、光学的なセッティングが必要とされるかも知れない。
【００１４】
２．図２（ｂ）および図２（ｃ）に示されている構成においては、光学的接着剤１９を利用して、可飽和吸収体１６と、ミラー１７（図２（ｂ））との間あるいは活性レーザー材料１８（図２（ｂ））との間の接触が確保されている。
【００１５】
しかしながら、接着剤は、除去できない吸収因子、例えば、接着剤により接着された材料の境界面におけるインデックスの差をもたらす。さらに、接着されたエレメント間における類似欠陥が、また、レーザーキャビティにおける損失の原因となり得る。
【００１６】
３．図２（ｄ）および図２（ｅ）には、第３の可能な構成を示す。ここで、参照符号２３および２５は、レーザーキャビティの入力ミラーおよび出力ミラーを示している。参照符号２０は、活性レーザー材料を表している。活性レーザー材料には、活性レーザーイオンと可飽和吸収体イオンとが共にドーピング（codoped ）されている。その場合、その媒質は、活性媒質および可飽和吸収体媒質として機能する。それゆえ、レーザー材料の性質と、可飽和吸収体の性質とを独立に制御することは不可能である。
【００１７】
しかしながら、媒質の厚さは、可飽和吸収体の吸収と、活性レーザーイオンの吸収との両方に影響を与え、同様に、レーザーモード構造に影響を与える。活性レーザーイオンおよび可飽和吸収体の吸収係数は、前記イオンの濃度に直接結びついている。イオンの濃度は、結晶成長時において決定的に固定され、その後変わることはない。したがって、各々のレーザー構成に対して、新しい結晶が作られなければならない。最後に、同じイオン（例えば、Ｅｒ）がレーザー動作および可飽和吸収体の両方のために使用されている受動的にスイッチングされるレーザーの場合には、この共ドーピング（codoping）法を使用することができる。よって、同じイオンは、活性イオンとして、あるいは、可飽和吸収体イオンとして機能することができ、濃度を非常に違うものとして与えることができる。可飽和吸収体に対しては、濃度は、活性レーザー材料に対してよりもずっと高濃度としなければならない。
【００１８】
上記課題を除去するために、本発明の実施形態においては、可飽和吸収体を、マイクロレーザーキャビティの活性材料上に直接薄膜の形態で成膜することを提案している。
【００１９】
この実施形態における本発明の主な利点の１つは、スイッチング形式とされたマイクロレーザーキャビティ（あるいは、マイクロオプティクスと関連するマイクロレーザーを構成するレーザーマイクロシステム）の構造であって、この構造は、フィルムの積層から構成され、低コスト大量生産の可能性を維持し得るものである。この多層構造は、単純であり、低コストであり、また、連続型マイクロレーザーのために開発されてきたようなマイクロレーザーの大量生産プロセスが適用できないわけではない。そして、極めて容易に作製でき、自己軸合わせ型であり（光学系のセッティングが不要）、一体式であり、受動的にスイッチングされるマイクロレーザーを作製することができる。この構造は、接着操作が不要であって、複雑な軸合わせ操作も不要である。
【００２０】
”共ドーピング型”レーザーと比較した場合の本発明のマイクロレーザーの他の利点は、活性媒質が可飽和吸収体から隔離されていることであり、そして、これら２つの媒質の結合あるいは接着が避けられているものの、一体式構造は、維持していることである。したがって、前記分離の結果として、（フィルムの成膜時において、あるいは、フィルム成膜後の機械的薄膜化により）厚さを独立に制御することができ、また、２つの媒質内におけるイオンの濃度を独立に制御することができる。そして、１つのイオン（例えば、Ｅｒ）が活性イオンとして、および、異なる濃度の可飽和吸収体イオンとして使用されているスイッチング式のレーザーを得ることができる。
【００２１】
本発明の他の形態においては、フィルムは、ポリマー溶媒中に溶解された有機色素により形成されることができる。変形形態として、フィルムは、液相エピタキシーにより成膜されることができる。
【００２２】
参考例においては、マイクロレーザーキャビティは、また、能動的にスイッチングされることができる。
【００２３】
マイクロレーザーの分野においては、能動的なスイッチング方法は、J.J. Zayhowski 氏他によるOptics Letters, vol.17, No.17, pp1201-1203, 1992における”Diode-pumped microchip lasers electro-optically Q-switched at high pulse repetition rates”と題する文献中に記載されている。
【００２４】
この文献においては、スイッチングは、２つの結合されたＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティの構成において実現されている。そのような集合体は、図３に示されており、参照符号２２は、活性レーザー媒質を示している。参照符号２４は、電気光学スイッチング材料（ＬｉＴａＯ3） を示している。長さがＬ1 である活性レーザー媒質２２は、入力ミラー２６および中間ミラー２８と共に、第１Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティを形成している。長さがＬ2 であるスイッチング材料は、中間ミラー２８および出力ミラー２１と共に、第２Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティを形成している。スイッチングは、外部からの操作により、スイッチング材料２４の光学長さを変化させることによりなされている。スイッチング電極３２、３４は、レーザービーム３６の軸に直交するように、材料２４の両側に配置されている。これら電極間に電圧Ｖが印加されたときには、電界Ｅは、ｅを電極間の距離（電極間の距離は、電気光学材料の厚さに対応している）とすると、Ｅ＝Ｖ／ｅで表され、電極から発生する。光学的インデックスｎ2 、および、結果としての電気光学材料の光学長さｎ2Ｌ2は、電界Ｅの作用により変化する。このことは、キャビティの結合に影響を与え、レーザー媒質から見た中間ミラー２８の反射率を変化させる。
【００２５】
１．０６μｍで発光するとともに、スイッチング材料が約１ｍｍ厚さのＬｉＴａＯ3 により構成されているＹＡＧ：Ｎｄマイクロレーザーに対しては、典型的には、ｎ1 ＝１．８、ｎ2 ＝２、Ｌ1 ＝５００μｍ、Ｌ2 ＝９００μｍである。第２キャビティの最大の反射率変化は、約ｄλ／λ＝ｄＬ2／Ｌ2＝ｄｎ2／ｎ2＝１０-4において得られる。このインデックス変化は、スイッチング材料中において、約１０4 Ｖ／ｃｍの電界を印加することにより得られる。第２キャビティ（電気光学材料）を、レーザー材料により構成されている第１キャビティの出力ミラーとみなすことができる。出力ミラーの反射率は、可変であり、電極３２、３４に対して印加される外部制御電圧により制御される。図４には、第２キャビティの反射率Ｒの変化を、印加される電圧Ｖの関数として示す。３つのミラー２６、２８、２１の反射率が、それぞれ９９、９５、５０％である場合には、第２キャビティの反射率は、７５〜９９％の範囲で変化することになる。よって、活性媒質に対しては、これは、出力ミラーの反射率を外部電圧制御により７５〜９９％の範囲で変化させることに等しい。ここで、図４のグラフは、１ｍｍの電極間距離に対しては、９０％に近い反射率を得るためには、数百ボルトを印加する必要があることを示しており、約９９％の反射率を得るためには、約１０００ボルトを印加しなければならないことを示している。そのようなマイクロレーザーは、問題を発生する。
【００２６】
まず、最初に、マイクロレーザーは、（予めカットされたフラグメントの結合を利用して）手動プロセスにより作製される。これは、幾何寸法に対して、特に電極間隔に対して、下限を与えることになり、最小値は、１ｍｍ近辺である。他の問題は、スイッチングに関する適切な電界Ｅに達する必要があることである。よって、２つの電極間に、１ナノ秒よりも短いような非常に短い時間において、約１ｍｍ3 の体積であるレーザーチップに対して、約１０００Ｖの電圧を印加する必要がある。これは、実用的な手段の観点からは非常に困難であり、マイクロレーザーの単純化および低製造コストには適さない複雑なエレクトロニクスを必要とする。
【００２７】
上記課題に関連し、参考例においては、活性レーザー媒質が、入力ミラーと中間ミラーとの間に第１共鳴キャビティを形成し、第２材料が、中間ミラーと出力ミラーとの間に第２共鳴キャビティを形成し、前記材料の光学的インデックスは、外部擾乱により緩和可能であり、レーザービームサイズ縮小手段が、第１共鳴キャビティの入力部分に配置され、２つのキャビティの集合体およびレーザービームサイズ縮小手段は、一体化されている。
【００２８】
よって、この参考例においては、電極間に印加される電圧が高いという問題を解決する。また、マイクロレーザーキャビティのしきい値を下げることができる。よって、この構造に基づいて、第２材料の厚さを約１００μｍとすることができる。これにより、電気光学材料の場合には、必要な電圧を５０〜１００Ｖの範囲の値にまで制限することができる。マイクロレーザーのスイッチングのしきい値もまた、数ミリワットの程度にまで低減される。最後に、この構造は、大量生産プロセスに適しており、小さな試料を製造し得るとともに、製造コストを低減することができる。
【００２９】
レーザービームサイズ縮小手段は、ポンピングビームが通過することになる活性レーザー媒質の面上にマイクロミラーを備えて作製された凹面ミラーにより構成されることができる。出力ミラーは、第２材料の出力面上にマイクロミラーを備えて作製された凹面ミラーとすることができる。２つのキャビティは、光学的に安定であるように作ることができる。
【００３０】
能動モードで機能しかつより単純な構造さえも有しているマイクロレーザーを得ることができる参考例は、光学的な安定限界にあるとともに、光学的な不安定状態から光学的な安定状態へと遷移させるためにキャビティの光学長さを変化させる手段が設けられているマイクロレーザーキャビティに関連するものである。
【００３１】
したがって、新しい能動スイッチング機構が設けられる。というのは、光学的な不安定状態は、光学的な安定状態とは違って、キャビティ損失の大きな状態であるからである。
【００３２】
さらに、得られた構造は、例えばJ.J.Zayhowski 氏による文献（前出）から公知であるような構造とは、Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティがただ１つであることにより、根本的に異なっている。
【００３３】
キャビティは、同中心または球状、あるいは、共焦または半球状キャビティとすることができる。この場合、キャビティ内におけるビームのサイズは、より小さいものであり、使用する材料の厚さを低減することができる。したがって、マイクロレーザーのサイズは、さらに低減される。これにより、結果的に、上記問題点の１つを解決することができる。それは、特に、第２材料が電気光学材料である場合には、印加すべき電圧が高電圧となってしまうという問題点である。すなわち、電気光学材料の厚さが減少した場合には、ｅを電極間厚さとしたときに電界Ｅが次式で表されることからわかるように、より小さな電圧で、同じ電界を得ることができる。
【数１】
【００３４】
ある参考例においては、キャビティは、光学長さが可変である第３の材料を有している。しかしながら、従来のように２つではなく、Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティがただ１つであることは、なお要求されている。これは、非常にコンパクトであって、一体化された構造につながるものである。
【００３５】
キャビティの光学長さを変化させる手段は、第３材料の前記長さを変化させるための手段とすることができる。
【００３６】
他の参考例においては、活性レーザー媒質および第３材料は、異なる光学的インデックスを有しており、キャビティの光学長さを変化させる手段は、第２材料の光学的インデックスを変化させる手段を備えている。
【００３７】
よって、高損失かつ不安定な領域から低損失かつ安定な領域へとキャビティを変位させるために光学長さを変化させ、キャビティのスイッチングを可能とするただ１つのマイクロレーザーキャビティが作製される。ただ１つのＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティを有していることのみが必須である。たとえ、そのただ１つのＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティが、複数の材料、すなわち、１つは活性レーザー材料、２つめは周波数の多倍化を可能とするエレメントを形成する材料、３つめは光学的な長さが可変である材料を含有していてもである。
【００３８】
複数の材料が並置または結合されたとき、あるいは、分子接着により互いに接着されたときには、システムのコンパクトさは、向上する。このことは、マイクロレーザーの場合には非常に重要なことである。
【００３９】
最後に、さらなる参考例は、また、上述のマイクロレーザーキャビティと、このキャビティをポンピングするための光学的手段とを具備するマイクロレーザーに関するものである。
【００４０】
【発明の実施の形態】
本発明は、以下において、本発明を何ら制限するものではない実施形態に関して、添付図面を参照して、より詳細に説明される。
【００４１】
図１は、従来の周波数二倍式の連続発光型のマイクロレーザーを示す図である。図２（ａ）〜図２（ｅ）は、既に公知のものであって、可飽和吸収体を備える従来のレーザーキャビティの様々な可能な構成を概略的に示す図である。図３は、既に公知のものであって、従来の能動的にスイッチングされるスイッチ型マイクロレーザーを概略的に示す図である。図４は、従来の能動的にスイッチされるスイッチ型マイクロレーザーにおける第１キャビティの活性レーザー媒質から見た第２キャビティの反射率を示す図である。図５は、本発明の一実施形態を示す図である。図６（ａ）および図６（ｂ）は、可飽和吸収体フィルムの形態とされたスイッチ型デバイスを備える本発明の２つの実施形態を示す図である。図７ないし図９は、マイクロレーザーの参考例を示す図であって、二重Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティ内に能動スイッチングデバイスを備えている。図１０および図１１は、マイクロレーザーの２つの参考例を示す図であって、能動モードにおいてスイッチングがなされ、単一のＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティを備えている。図１２（ａ）〜図１２（ｅ）は、参考例をなすマイクロレーザーのための活性固体レーザー媒質上へのマイクロレンズの形成における各工程を示す図である。図１３（ａ）〜図１３（ｃ）は、参考例をなすマイクロレーザーの製造における他の工程を示す図である。図１４は、さらなる参考例を示す図である。
【００４２】
さて、本発明は、マイクロレーザーのキャビティに関するものであり、また、そのようなキャビティを有するマイクロレーザーに関するものである。キャビティは、活性レーザー媒質３８を必須要件として構成され、また、入力ミラー４０および出力ミラー４２により閉塞されている（図５を参照されたい）。キャビティ内には、また、２つの他のエレメントがある。すなわち、キャビティスイッチングエレメント４４と、非線形材料４６とである。キャビティスイッチングエレメント４４は、能動モードあるいは受動モードにあり、非線形材料４６は、活性レーザー媒質３８の基本周波数をファクターｎ（ｎ≧２）だけ掛け算することができる。
【００４３】
以下においては、異なるスイッチングモードについて、より詳細に説明する。非線形材料は、例えば、非線形ＫＴＰ結晶とすることができる。非線形ＫＴＰ結晶は、マイクロレーザーの基本周波数を２倍にすることができる。例えば、ＹＡＧ：Ｎｄ活性レーザー媒質から得られた１０６４ｎｍの放射は、前記結晶により５３２ｎｍの放射へと変換される。周波数を４倍とする効果は、同じマイクロレーザーキャビティ内に非線形ＫＴＰ結晶および非線形ＢＢＯ結晶を組み込むことにより得ることができる。本発明は、また、マイクロキャビティ内の活性レーザー媒質の周波数を２倍とし得るどのようなタイプの非線形単結晶に対しても適用可能である。また、本発明は、マイクロキャビティ内のレーザー媒質の周波数をファクターｎ（ｎ≧２、例えばｎ＝３、４、等）だけ多倍化し得るどのようなタイプの非線形単結晶に対しても適用可能である。例えば、ＢＢＯ、ＬＢＯ、ＫＮｂＯ3 、ＬｉＮｂＯ3 を使用することができる。
【００４４】
マイクロキャビティ内に、スイッチングのための手段４４と、活性レーザー媒質の基本周波数を多倍化するための手段４６とが同時に存在することは、周波数多倍化手段の操作効率を大きく意義深く向上させるという結果をもたらす。よって、二倍型結晶に対しては、８０％という効率が前記構造に関して得られている。
【００４５】
図５に示すように、キャビティ内には他の付加的なエレメントを備えることができる。それは、例えば、固着層４８あるいは媒質のコーティング層５０である。固着層４８は、可飽和吸収体４４を活性レーザー媒質３８に対して接続し得るものであり、媒質のコーティング層５０は、媒質４６、４４の界面におけるインデックスの調和を図り得るものである。
【００４６】
よって、入力ミラー４０および出力ミラー４２が平面状である平面−平面キャビティを作ることが可能である。他の実施形態によれば、マイクロレーザーキャビティの入力側および／または出力側が凹んだマイクロミラーとされている安定キャビティを得ることが可能である。少なくとも１つのミラーが凹んでいることにより、キャビティを安定させることができ、その場合、安定キャビティは、より低いスイッチングのしきい値を有するものであるとともに、より良好な効率を有するものである。さらに、凹面のマイクロミラーがあることにより、異なるキャビティ媒質内におけるレーザービームのサイズを調節することができ、可飽和吸収体４４および多倍化結晶４６に対してのパワー密度をさらに向上させることができる。マイクロミラーは、以下において説明するように、活性レーザー材料上に直接作ることができる。レーザー材料３８の表面上、あるいは、キャビティに最後に配置されたエレメント例えば多倍化結晶４６の表面上には、透明材料例えばシリカからなるマイクロレンズのアレイを、付加的に作ることができる。典型的なマイクロレンズの寸法は、直径が１００〜数百ミクロンであり、曲率半径が数百ミクロン〜数ミリメートルである。
【００４７】
マイクロレンズの製造プロセスは、A.EDA氏他による CLEO'92, paper CWG33, p282（Conf. on Laser and Electro-optics, Anaheim, USA, May 1992） の文献中に記載されている。
【００４８】
図５に示す実施形態においては、マイクロレーザーキャビティは、受動的にスイッチングされる。この場合、スイッチングエレメント４４は、可飽和吸収体エレメントである。
【００４９】
特に有利な実施形態においては、可飽和吸収体は、薄膜の形態である。図６（ａ）および（ｂ）に示すように、可飽和吸収体フィルムをレーザー増幅媒質上に直接成膜することが特に有利である。図６（ａ）および（ｂ）において、参照符号５２は、マイクロレーザーキャビティの活性レーザー媒質を示している。参照符号５４は、基本周波数を多倍化し得る、基本周波数を二倍とし得る光学的非線形媒質を示している。参照符号５６および５８は、マイクロレーザーキャビティの入力および出力ミラーを示している。そして、参照符号６０は、活性媒質５２上に直接成膜されたフィルムの形態の可飽和吸収体を示している。
【００５０】
２つのタイプの薄膜を使用することが可能である。１つは、ポリマーを含有する可飽和吸収分子である。１．０６μｍのマイクロレーザーに対しては典型的には、可飽和吸収体として、有機色素を使用することができる。有機色素は、例えば、クロロベンゼン中に６％重量のポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）を含有する溶液中のビス（４−ジエチルアミノジチオベンジル）ニッケル（bis(4- diethylaminodithiobenzyl) nickel, BDN, KODAK, CAS No. 51449-18-4）のようなものを使用することができる。代替物は、作製プロセスと関連して以下において説明される。このタイプの溶液は、トラメル（trammmel）を利用してレーザー材料上に直接成膜される（以下の作製プロセスの記載を参照されたい）。この結果、フィルムの厚さは、約１〜５μｍ、例えば、２、３、４μｍとなる。
【００５１】
他の薄膜のタイプは、液相エピタキシー（liquid phase epitaxy、ＬＰＥ）により、レーザー材料上に直接的に得ることができる。あるいは、同じ成膜（同じ材料、同じドーピング、同じ特性）の製作を可能とする他の任意のプロセスにより得ることができる。よって、フィルムは、一般的には、ＬＰＥにより得ることができる。ＬＰＥ作製プロセスは、以下において記載され、活性固体媒質から構成される基体５２上に、１〜５００μｍ（例えば、１００、２００、３００、４００μｍ）のフィルム厚さでもって得ることができる。フィルムは、活性固体媒質（例えば、ＹＡＧ）の基本材料と同一の基本材料により構成される。しかし、フィルムは、フィルムに可飽和吸収特性を与えるイオン、例えば、１．０６μｍのレーザーに対してはＣｒ4+、あるいは、１．５μｍのレーザーに対してはＥｒ3+がドーピングされている。
【００５２】
よって、スイッチングされるべきレーザーに対しては、レーザーの発光波長においてエピタキシャル層が可飽和吸収を示すようなタイプのドーパントが適用されている。
【００５３】
それゆえ、この場合、活性レーザー材料および可飽和吸収体フィルムは、同じ結晶構造を有しており、結晶に影響を与えかつこれら２つの媒質の光学特性に影響を与えるドーピングにおいてのみ異なっている。フィルムの性質は、双方において大きく異なっている。
【００５４】
よって、ダメージのしきい値は、各々のフィルムのタイプによって決まる。レーザーキャビティ内においてパワー密度があるパワー密度を超えると、可飽和吸収体フィルムを破壊し得るようになる。この限界パワー密度は、ダメージしきい値として知られており、有機色素含有ポリマーの場合には、ＬＰＥ成膜フィルムの場合よりも、より低いものである。よって、有機色素含有ポリマーの場合には、ＬＰＥ成膜フィルムの場合よりも、キャビティ内に成膜されたエネルギーよりもより小さいエネルギーで動作させる必要がある。
【００５５】
さらに、ある場合には、レーザー材料５２とポリマー６０との間のインデックスの違いは、これら２つの媒質間の光学的境界面において現れる。他の場合には、ＬＰＥは、同じ材料（ＹＡＧ上にはＹＡＧであって、ドーピングだけが異なる）に対してのみ行うことができる。このことは、応用の度合いを制限することになる。しかし、エピタキシャルフィルムのインデックスを活性レーザー媒質のインデックスに合わせることが可能とされる。この場合、活性レーザー媒質は、エピタキシャルの基体として機能し、したがって、２つの媒質間における光学的境界面の形成を阻止する。
【００５６】
最後に、フィルムの性質は、レーザーパルスのパルス形状に影響を与えることになる。ポリマー中に溶解された有機色素の場合には、色素の立ち下がり時間は、非常に短く（〜１ｎｓ）、一方、イオンが不純物（Ｃｒ4+、Ｅｒ3+）を構成しているエピタキシャルされたフィルムの場合には、立ち下がり時間は、約１マイクロセカンドとずっと長いものである。これらの性質は、意図した使用に応じて、フィルムの選択に明瞭に条件をつけることになる。
【００５７】
上述の構造（活性レーザー媒質上にフィルムの形態で可飽和吸収体が直接成膜されている構造）により、軸合わせを必要とすることがなく、光学的接着剤のような付随的なエレメントの導入を必要とすることがなく、また、同じ基本媒質から活性レーザー媒質および受動スイッチングデバイスを形成するに際して同じ基本材料のコドーピング（codoping）の使用を避けることができるコンパクトなマイクロレーザーキャビティを得ることができる。
【００５８】
次に、本発明の受動的にスイッチングされる形態のマイクロレーザーの製造プロセスについて説明する。以下、各工程ごとに説明する。
【００５９】
１）活性レーザー材料が選択され、調製される。すなわち、配向され、０．５〜５ｍｍの厚さのプレートにカットされる。その後、プレートは、丸められ、また研磨される。その結果、所望の最終厚さｅが得られる。
【００６０】
２）この工程は、可飽和吸収体の作製工程である。
【００６１】
２ａ）従来の可飽和吸収体の場合には、スイッチ型マイクロレーザーキャビティを得ることができる様々なプロセスが公知である。特に、活性レーザー媒質の基本材料のコドーピングを行うことができ、これにより、活性レーザー媒質および可飽和吸収体の性質を与えることができる（例えば、ＹＡＧに対して、ネオジウムイオンＮｄ3+およびクロミウムイオンＣｒ4+をドーピングする）。
【００６２】
２ｂ）フィルムの形態で成膜された可飽和吸収体の場合には、２つの成膜のタイプで達成することができる。
【００６３】
２ｂ１）第１の成膜のタイプ：ポリマー中に溶解された可飽和吸収体有機色素の成膜。
【００６４】
典型的には、１．０６μｍのマイクロレーザーに対しては、可飽和吸収体として、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）溶液中のビス（４−ジエチルアミノジチオベンジル）ニッケル（BDN, KODAK, CAS No. 51449-18-4）有機色素を使用することができる。
【００６５】
この目的のために、クロロベンゼン（Prolabo） 中に、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）を６ｗｔ．％（ポリマーにおける平均分子量）を含有させて、２４時間攪拌した溶液を調製する。この溶液に、０．２ｗｔ．％のＢＤＮを加え、その後、２時間攪拌する。そして溶液は、濾過された後、液滴を滴下して基体を回転させ遠心分離により広げる方法で、基体の出力面または出口面（ダイクロイックミラーを有する入力面または入口面と反対側の面）上に成膜される。このトラメル成膜のためには、マイクロエレクトロニクスの分野において、リソグラフ操作時に使用される樹脂の成膜のための装置のような標準装置を使用することができる。基体は、前もって、研磨操作に起因する不純物のすべてのトレースに関してクリーニングされる。基体は、２０００ｒ．ｐ．ｍ．で２０秒間回転（トラメル）され、その後、５０００ｒ．ｐ．ｍ．で３０秒間回転（トラメル）される。その後、フィルムは、オーブン中において、７０℃で２時間乾燥される。
【００６６】
これにより、１μｍ厚さであり、３％の活性分子（ＢＤＮ）を含有し、また、飽和前の光学密度が１．０６μｍ（７４％透過）において０．１３であるフィルムが得られる。そのような可飽和吸収体は、１０ｎｓに近い緩和時間を有し、１ＭＷ／ｃｍ2 に近い強度で飽和する。
【００６７】
ポリマーの濃度パラメータ、ポリマーの分子量またはポリマーの溶媒、色素の比率、トラメルの回転速度を比較することにより、可飽和吸収体の達成特性を調節することができる。得られた典型的な特性は、以下のようである。
−フィルム厚さ ： １〜５μｍ（例えば、２、３、４μｍ）
−分子の濃度 ： ５〜１０ｗｔ．％
−色素 ： ＢＤＮ、ｍｍ＝６８５ｇ
−ガラス転移点 ： Ｔg＝７８℃
−１．０６μｍにおける吸収 ： １０〜７０％
−飽和レベル ： ９０％
−有効断面積 ： １０-16ｃｍ2
−緩和時間 ： ２〜１５ｎｓ
−飽和強度 ： ０．１〜１ＭＷ／ｃｍ2
−フィルムの非一様性 ： ＜５％（１ｃｍ2あたり）
−減極率（depolarization rate）： ＜１０-5
−８００ｎｍにおける損失 ： ＜１％
−反復周波数 ： １０〜１０，０００Ｈｚ
−光安定性 ： １０8ストローク
−成膜方法 ： トラメル
【００６８】
ポリビニルアルコール、ポリビニルアセテート、あるいは、ポリスチレンのような他のポリマーは、ＰＭＭＡに代えて、それぞれに対して適切な溶媒を使用して使用することができる。また、色素として、ビス（４−ジメチルアミノジチオベンジル）ニッケル（bis(4-dimethylaminodithiobenzyl)nickel, BDN, KODAK, CAS No. 38465-55-3）を使用することもできる。
【００６９】
色素は、また、シリカゲル内に組み込むこともできるし、あるいは、ポリマーチェインにぶら下げることもできる。
【００７０】
他の様々なジチエン（dithiene）系金属錯体を、他の波長に対する染料として使用することができる。これに関しては、K.H.Drexhage氏他による Optics Com-munications 10(1), 19, 1974 、および、Mueller-Westerhoff氏による Mol. Cryst. Liq. Cryst. 183, 291, 1990による文献中に記載がある。
【００７１】
この方法は、また、１．０６μｍ以外の波長で動作するスイッチ型レーザーに対しても使用することができる。例えば、テトラエチルオクタハイドロテトラアザペンタフェン−ジチオルアト−ニッケル（tetraethyloctahydrotetraaza- pentaphene-dithiolat-nickel,上記Mueller-Westerhoff氏による文献を参照されたい）を備えて１．５μｍ付近で発光するＥｒまたはＥｒ＋Ｙｂレーザー（ＥｒまたはＥｒ＋Ｙｂがドーピングされた材料であって、活性イオンはＥｒである）においてスイッチングが起こっても良い。
【００７２】
２ｂ２）第２の成膜のタイプ：液相エピタキシー（ＬＰＥ）によるフィルムの成膜。
【００７３】
可飽和吸収体（Ｓ．Ａ．）フィルムは、基体の成膜される面が適切に選択された過飽和溶液に浸漬される。この溶液またはエピタキシーバスは、溶媒と、最終材料を形成するものとは異なるエレメントにより構成されている溶質との混合体である。基体およびフィルムは、同じ結晶構造を有しており、フィルムの結晶性、および、光学的性質に影響を与えるドーパントにおいてのみ異なっている。Ｎｄ、Ｅｒ、Ｙｂのような活性イオンは、材料を増幅することができ、他のイオン（Ｃｒ、Ｅｒ）は、Ｓ．Ａ．特性を材料に与える。そして、さらに他のイオン（例えば、Ｇａ、Ｇｅ、Ｌｕ、等）は、屈折率を変化させるために、あるいは、結晶格子を変化させるために使用することができる。よって、得られるフィルムの性質を制御することが可能となる。
【００７４】
このプロセスは、（基体をなすために）単結晶の形態をなすいかなる実在の材料に対しても適用することができ、また液相エピタキシーにより作製することができる。これは、上述のＹ3Ａ15Ｏ12（ＹＡＧ） 、Ｙ2ＳｉＯ5（ＹＳＯ）、ＹＶＯ4 、ＹＬｉＦ4（ＹＬＦ） 、あるいは、ＧｄＶＯ4 のような活性レーザー媒質の基本材料のような材料である。バスの組成（溶媒および置換基の選択）、異なる酸化物の溶質内における濃度、実験的成長条件（温度範囲、操作手続、等）は、可能な限り最良の結晶性を有するフィルムを得るために、各材料に応じて調節することができる。
【００７５】
ガーネット（ＹＡＧ）の場合には、選択された溶媒は、ＰｂＯ／Ｂ2Ｏ3混合体であり、溶質は、ガーネット相を安定化させる目的で、Ａｌ2Ｏ3を過剰に含有している。溶質／溶媒比が、その後、１０００℃で成長させるために計算される。
【００７６】
バスの組成、温度、および、成膜時間の関数として、厚さ（１≦ｅ≦２００μｍ、例えば、２５μｍ、５０μｍ、７５μｍ、１００μｍ、１２５μｍ、１５０μｍ、１７５μｍであって、ｅ≧２００μｍとすることも可能）、および、フィルム中のドーパント濃度を調節することができる。フィルムは、一定温度で成長し、これにより、フィルム厚さ全体にわたってのドーパント濃度の均一性を得ることができる。基体は、等速運動され、あるいは等速運動に代えて回転運動され、これにより、良好な厚さの一様性が得られる。
【００７７】
１つあるいは２つのＳ．Ａ．フィルムを備えた基体は、活性レーザー媒質の１つの面がその表面においてバス中に浸漬されるか、あるいは、活性レーザー媒質が完全にバス中に浸漬されて両面に対してそれが起こるかのどちらを選択するかによって、製作することができる。
【００７８】
得られた１つあるいは複数のエピタキシー面は、エピタキシープロセスにより発生した可能性のある表面粗さを除去するために、また、１つあるいは複数のエピタキシーフィルムの厚さをマイクロレーザーの操作にとって所望の厚さとするために研磨することができる。
【００７９】
３）この工程は、非線形材料を成膜する工程、あるいは、取り付ける工程である。ここでいう非線形材料は、レーザー材料の基本周波数をファクターｎ（ｎ≧２）だけ多倍化し得るものであって、例えば、非線形ＫＴＰ結晶である。結晶は、相マッチング角度（phase matching angle）に応じて配向され、これにより、レーザー周波数の多倍化が可能とされる。
【００８０】
４）この工程は、入力ミラーおよび出力ミラーを成膜する工程である。これら入力ミラーおよび出力ミラーは、誘電性積層の成膜により得られたダイクロイックミラーとすることができ、プロセスは、公知プロセスおよび商業的に利用可能なプロセスである。
【００８１】
５）この工程は、マイクロレーザーのチップを得るために、プレートをカットする工程である。
【００８２】
複数のミラー、可飽和吸収体、活性レーザー媒質、そして付加的にマイクロレンズを有する小さなプレートは、（マイクロエレクトロニクスの分野において、Ｓｉチップをカットするために使用されるタイプの）ダイヤモンドソーを用いて、断面積が数ｍｍ2 のレーザーチップを得る目的でカットされる。
【００８３】
参考例においては、マイクロレーザーキャビティおよびマイクロレーザーは、能動的にスイッチングされる。そのような構造の例が図７に示されており、図において、参照符号６２は、入力ミラー６６と中間ミラー６８との間において、第１共鳴キャビティを形成している活性レーザー媒質を示している。第２共鳴キャビティは、中間ミラー６８と出力ミラー７０との間において形成されている。第２共鳴キャビティは、エレメント７４を有しており、エレメント７４の光学的インデックスは、外部からの擾乱により変調されるようになっている。特に、この材料は、電気光学材料とすることができ、例えば、ＬｉＴａＯ3により構成することができる。外部制御電圧は、電極７２、７３に印加することができ、そして、そのように印加された電圧により、材料７４中に電界が発生し、材料のインデックスの緩和がもたらされる。この緩和は、２つのキャビティの結合に影響を及ぼし、活性レーザー媒質から見た中間ミラー６８の反射率を緩和する。本発明においては、活性レーザー媒質の基本周波数をファクターｎ（ｎ≧２）だけ多倍化し得る光学的非線形材料７８が、例えば、第２Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティ内に、光学的インデックスが外部擾乱により緩和され得る材料７４と共に、組み込まれている。この場合、材料７４、７８間には、無反射処理が施されることができ、第２共鳴キャビティの操作を妨げないようにすることができる。これに代えて、材料７８は、第１Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティ内に、活性レーザー媒質６２と共に組み込まれることもできる。この場合には、無反射処理は、材料６２、７８間に施されることになる。この場合にも、能動スイッチングデバイス、および、周波数をファクターｎだけ多倍化し得る材料の結合により、極度に意義深い周波数を多倍化し得る材料の操作効率の向上がもたらされ、操作効率は、８０％近くにまで達する。
【００８４】
この参考例は、レーザービームサイズ縮小手段を付加することにより、さらに改良することができる。レーザービームサイズ縮小手段は、第１共鳴キャビティの入力部分に配置され、２つのキャビティの集合体およびレーザービームサイズ縮小手段は、一体化される。この改良は、図８および図９に示されており、図８、９においては、図７におけるものと同一または対応するエレメントには、同じ参照符号が付されている。レーザービームサイズ縮小手段９０は、これら図８、９の各々において、参照符号８８により示されている。図においては、レーザービームサイズ縮小手段は、ポンピングビーム８０がまず最初に通過することになる活性レーザー材料８２の表面上に形成されたマイクロミラー８８により形成されている。
【００８５】
この構成に基づいて、マイクロレーザーの全体的な厚さ、特に、材料７４の厚さを約１００μｍにすることができる。電気光学材料７４においては、これにより、電極７２、７３間に印加するのに必要な電圧を５０〜１００Ｖの値に制限することができる。しかしながら、すべてのミラーが平面状である図７の参考例においては、キャビティのスイッチングのために適切なインデックスの変化を起こさせるに際して、電極７２、７３間に高電圧を印加しなければならない。したがって、J.J.Zayhowski 氏による文献において記載されている従来技術に関連して上述したように、これらの高電圧は、数百ボルト、特に１０００Ｖ（図４参照）に達する可能性がある。さらに、図８、９に示す参考例、すなわち、第１キャビティの入力部分に配置されたレーザービームサイズ縮小手段を備える参考例においては、マイクロレーザーのスイッチングのしきい値を数ミリワットにまで下げることができる。
【００８６】
マイクロミラー８８の曲率半径は、マイクロレーザーの全体長さ（活性媒質８２の長さＬ1 ＋媒質７４の長さＬ2 ＋媒質７８の長さＬ3 ）を超えることが好ましい。典型的には、曲率半径は、約１．５〜２ｍｍを超えることになる。この状況のもとでは、光学的に安定なキャビティが得られ、レーザービーム９０の媒質７４内における直径φは、相対的に小さなサイズであり、（従来技術および図７の参考例における約１２０μｍに対して）典型的には数十マイクロメートルである。
【００８７】
図９に示すように、凹状のマイクロミラー８９が第２キャビティの出力部分に設けられている構造を得ることもまた可能である。さらに、２つのマイクロミラー８８、８９の各々の半径Ｒ1、Ｒ2は、２つの光学的に安定なキャビティを得るために選択することができる。この条件は、実際、Ｒ1≧Ｌ1かつＲ2≧Ｌ2＋Ｌ3 により満たされる。媒質７８が第１キャビティ内に組み込まれるような場合には、この条件は、Ｒ1≧Ｌ1＋Ｌ3かつＲ2≧Ｌ2 と記述される。図８の平凹キャビティの場合には、Ｒ2＝（無限大）である。
【００８８】
インデックス可変媒質ｎ2 として電気光学エレメント７４を使用することもまた可能である。このようなエレメントは、
−例えば近傍に配置された電磁石を利用することによる外部磁界に対応してインデックスｎ2 が緩和されるような磁気光学材料であるか、あるいは、
−インデックスが外部から印加された温度変化または圧力変化の関数であるような材料であるかのいずれかである。
【００８９】
次に、他の能動的にスイッチングされるレーザーマイクロキャビティの構造について説明する。これは、本発明に組み合わせて使用することができ、すなわち、マイクロレーザーキャビティの基本周波数をファクターｎ（ｎ≧２、例えば周波数の二倍化結晶あるいは三倍化結晶）だけ多倍化し得るキャビティ内材料に組み合わせて使用することができる。
【００９０】
上記構造（図７〜図９に示す二重Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティ）と比較して、また、上記において言及したJ.J.Zayhowski 氏による文献において記載されている構造と比較して、得られたレーザーマイクロキャビティの構造は、ずっと単純であり、能動モードで動作する公知のマイクロレーザー構造の複雑さの問題を解決するものである。加えて、得られた構造は、図７〜図９に関連して説明した参考例と同様に、電気光学材料が適用される際に使用されるべき制御電圧を低減することができる。
【００９１】
この参考例においては、マイクロレーザーキャビティは、Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティを形成する活性レーザー媒質および２つのマイクロミラーを組み込んでいる。前記キャビティは、光学的安定限界にあり、キャビティには、マイクロレーザーキャビティを光学的不安定状態から光学的安定状態へと変化させるために、マイクロレーザーキャビティの光学的長さを変化させるための手段が設けられている。
【００９２】
したがって、新しい能動スイッチングが導入される。というのは、光学的に不安定な状態は、光学的に安定な状態に対して、キャビティ損失が多い状態であるからである。この構造は、公知の構造、特にJ.J.Zayhowski 氏他により記載された構造（既述のように、ただ１つのＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティを有している点を参照されたい）とは、根本的に異なっている。
【００９３】
この参考例は、図１０および図１１に図示されている。ここで、参照符号７２、７３、７４、７８、８０は、図７〜図９において同じ参照符号が与えられているものと、同一のエレメントを示している。参照符号９２は、活性レーザー媒質を示している。参照符号９４、９８は、レーザーのマイクロキャビティの入力ミラーを示している。参照符号９６、１００は、レーザーのマイクロキャビティの出力ミラーを示している。媒質９２および７４は、互いに接触した状態とすることができ、無反射コーティングを、９２−７４間の境界面、および、７４−７８間の境界面に成膜することができる。図１０に示すマイクロレーザーキャビティは、安定限界にある半球状のキャビティである。ただ１つのキャビティが存在し、そのキャビティは、１つのレーザー材料、外部制御電圧により光学的インデックスを変化させ得る他の材料、および、周波数を多倍化し得る材料から構成されている。従来の２つの結合されたキャビティの場合とは違って、これらの材料は、ただ１つのＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティを形成している。２つの材料９２および７４は、固着（bonding） によりあるいは分子接着（molecular ad-hesion）により、接触されることができる。これら２つの材料の接合部分においては、これら２つの材料の光学的インデックスの違いにより、数パーセントの低い反射が起こり得る。しかし、この低い反射により、従来技術において説明したようなシステムの場合には、２つのキャビティを共鳴状態に結合させる目的で、適切な共鳴を得ることはできない。
【００９４】
図１１に示す参考例は、図１０に示す参考例に対して、出力ミラー１００が曲率半径Ｒ２ を有する凹面ミラーである点において相違している。
【００９５】
例えば共焦（confocal）キャビティ（図５に示すように２つの凹面ミラーを備えたキャビティ）、あるいは、半球状キャビティ（図４に示すように平凹面ミラーを備えたキャビティ）を安定限界で作るように、ミラーの特性を決定する必要がある。
【００９６】
半球状キャビティの場合には、安定性は、次式により得られる。
【数２】
ここで、Ｌ＝Ｌ1＋Ｌ2＋Ｌ3である。
【００９７】
共焦キャビティの場合には、安定性は、次式により得られる。
【数３】
【数４】
【００９８】
最後に、同中心の、あるいは、球形キャビティに対しては、安定性に関する条件は、次式となる。
【数５】
【数６】
【００９９】
各場合においては、キャビティを安定状態にする目的で、対応する不等式を満足させるために、インデックスｎ2 、インデックスｎ1 、インデックスｎ3 、あるいは、長さＬ1、Ｌ2、Ｌ3 のうちの１つのいずれかを変化させることができる。これらパラメータのうちの１つの変化は、外部制御手段により得ることができる。キャビティの光学的安定状態は、低損失状態に対応しており、また、キャビティの光学的不安定状態は、高損失状態に対応しているので、キャビティを能動的にスイッチングするための新規な手段が設けられる。
【０１００】
図１０および図１１に示す参考例の場合には、電気光学媒質のインデックスｎ２ は、電界を印加することにより変化させられる。
【０１０１】
これに代えて、キャビティの光学長さを変化させるために、電気光学材料７４を以下のものに置き換えることができる。すなわち、
−例えば近傍に配置された電磁石を利用することによる外部磁界に対応してインデックスが変化するような磁気光学材料。
−インデックスｎ2 が圧力に依存し、インデックスの変化が圧力変化により得られるような材料。
【０１０２】
出力ミラーを圧電手段上に設けることにより、キャビティの全体幾何長さを変化させることもまた可能である。これにより、マイクロレーザーキャビティの光学長さの制御された変化を得ることができ、そして、マイクロレーザーキャビティの光学的不安定状態から光学的安定状態への変化が可能とされる。
【０１０３】
半球状、共焦、同中心、あるいは、球状キャビティを使用することにより、電気光学材料７４が使用されたときに、電気光学材料７４の内部において、マイクロレーザービームを集中させることができる。マイクロレーザービームの断面積が低減されることにより、インデックスがｎ2 である材料の厚さを低減させることができる。レーザー材料と共に単一キャビティを形成する電気光学材料が使用されたときには、よって、インデックスｎ2 の緩和のために必要な電界Ｅを得るための接触電極７２、７３間の所要距離を低減させることができる。同じ電界Ｅを得るために電極に印加される電圧は、同じだけ低減される。
【０１０４】
図１０および図１１においては、材料７８は、マイクロキャビティの出力側に設けられている。材料７８は、また、電気光学材料７４と活性レーザー媒質９２との間に組み込むこともでき、その場合には、電気光学材料７４は、マイクロキャビティの出力部分に位置することになる。
【０１０５】
参考例をなすマイクロレーザーは、能動的にスイッチングされるとともに２つの接合されたＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティを有し、かつ、２番目のＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティは電気光学材料を有しているものである。次に、そのような参考例をなすマイクロレーザーを製造するためのプロセスについて説明する。プロセスは、以下の工程を有している。
【０１０６】
１）第１工程においては、１つあるいはそれ以上のキャビティの安定性が満足されるかどうかについて、曲率半径Ｒ1、Ｒ2が計算される。
【０１０７】
２）第２工程においては、レーザー材料プレート、および、電気光学材料（例えば、ＬｉＴａＯ3 ）のようなインデックス可変第２材料プレートの切削および両面同時研磨を行う。
【０１０８】
３）その後、光リソグラフィおよび機械加工により、マイクロミラー（典型的な直径は１００〜５００μｍであって、曲率半径Ｒ1 は１〜２ｍｍ）がレーザービームの入力面上に作られる。この工程は、図１２（ａ）〜図１２（ｅ）に図示されている。第１サブ工程においては（図１２（ａ））、レーザー材料１０５の入力面上に光感応性樹脂コーティング１０３の成膜が行われる。引き続いて、マスク１０４を通してのＵＶ放射による樹脂の照射が行われる（図１２（ｂ））。次なるサブ工程においては（図１２（ｃ））、マイクロミラーを形成するためのエレメント１０６、１０８だけを残して、樹脂の化学的除去が行われる。その後、樹脂のマイクロミラー１１０、１１２を形成するための樹脂のヒートフロー（ heat flow）が行われ（図１２（ｄ））、そして、イオンビーム１１４を使用したレーザー材料１０５の機械加工が行われる（図１２（ｅ））。
【０１０９】
工程４）〜工程９）については、図１３（ａ）を参照して説明する。
【０１１０】
４）この工程では、入力ミラー１０７が、レーザー材料１０５の入力面上に成膜される。
【０１１１】
５）この工程では、レーザー材料の基本周波数をファクターｎ（ｎ≧２）だけ多倍化し得る非線形材料、例えば、非線形ＫＴＰ結晶の成膜を行う。材料は、周波数の多倍化に適用される位相マッチング角度にに合うように配向される。
【０１１２】
６）光リソグラフィおよび機械加工により、マイクロボス１０９（典型的な直径は１００〜５００μｍであって、曲率半径Ｒ2 は１〜２ｍｍ）が、電気光学材料の出力表面上に、あるいは、場合によっては、周波数を多倍化し得る材料上に作られる。出力ミラーが平面状ミラーであるような場合には、電気光学材料の出力表面上に、マイクロボスは形成されない。さらに、出力ミラー（マイクロレンズ）の直径は、入力マイクロミラーの直径よりも小さいものとすることができる。
【０１１３】
７）引き続くこの工程においては、出力マイクロミラー１１３が、電気光学材料または周波数を多倍化し得る材料の出力面上に成膜される。
【０１１４】
８）この第８工程においては、中間ミラー１１５が、レーザー材料−電気光学材料間の境界面、または、レーザー材料−周波数多倍化材料の間の境界面に成膜される。
【０１１５】
９）この工程においては、出力面を樹脂膜１１７により保護する。
【０１１６】
１０）この工程においては、マイクロエレクトロニクスにおいて使用されるダイヤモンドソーを利用して、電気光学材料内に溝１０９（図１３（ｂ））を作ることができ、その結果、所望の間隔で電極を得ることができる。
【０１１７】
１１）引き続くこの工程においては、蒸着による電気接点の成膜（例えば、樹脂１１６および電気光学材料を覆うＣｒ−Ａｕコーティング１２１の成膜）が行われる。
【０１１８】
１２）引き続くこの工程においては、保護樹脂の化学的エッチング（図１３（ｃ））が行われる。
【０１１９】
図１３（ｂ）および図１３（ｃ）は、レーザーマイクロキャビティの出力側に位置しているものが電気光学材料である場合を示している。当業者は、他の構成に対しては、異なる工程の順序を適用することができるであろう。
【０１２０】
１３）サイズが実質的に１ｍｍ2 に等しい基本チップ１２３は、その後、図１３（ｃ）に示したようにカットされる。ここで、参照符号１２５、１２７は、電気光学材料の制御電極を示している。
【０１２１】
１４）チップは、その後、メタライズされたプリント回路基板上に取り付けられる。この場合、メタライズされたプリント回路基板は、インピーダンスマッチングされるとともに、電気コンタクトされたものである。その後、シールドされた筐体内に収容される。
【０１２２】
１５）筐体内に収容された後に、レーザーポンピングダイオード、および、スイッチングのための電気コネクタに接続される。
【０１２３】
次に、ただ１つのＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティを有している参考例としての能動的にスイッチングされるマイクロレーザーの製造方法について説明する。この製造方法は、以下の工程を有している。
【０１２４】
１）第１工程においては、キャビティの安定性限界にあるように、キャビティ内の異なる媒質について、曲率半径および長さが計算される。
【０１２５】
２）〜６）上記プロセスにおける第２工程〜第６工程を参照されたい。
【０１２６】
７）第７工程においては、無反射コーティングが、レーザー材料−電気光学材料間の境界面、または、レーザー材料−周波数多倍化材料の間の境界面に成膜される。このコーティングは、レーザー材料の平面状をなす出力面上に、あるいは、用途に応じて、電気光学材料または多倍化材料の平面状をなす入力面上に成膜することができる。なお、この成膜は、システムの操作に関して、絶対的に不可欠なものではない。
【０１２７】
８）その後、２枚のプレートが、光学的固着、あるいは、例えば分子接着のような他の任意手段を利用して接着される。
【０１２８】
９）〜１５）上記プロセスにおける第９工程〜第１５工程を参照されたい。
【０１２９】
上記のような２つの能動スイッチングの場合（二重キャビティ、あるいは、単一キャビティ）、および、その変形形態の場合においては、密度可変マスクを備えるマイクロミラーを製造することができる。さらに図１４に示すように、マイクロミラー１２９、１３１は、レーザーの波長に対して透明なガラスあるいはシリカのような材料１３３上に作ることができる。マイクロミラーが設けられるこれらの基体は、その後、レーザー媒質１３６の入力面１３５、および、二倍化または三倍化結晶１３８（あるいは、これらのエレメントが入れ替わっている場合には、電気光学材料１３９）の出力面１３７に取り付けることができる。得られた構造は、図１４に示されている。
【０１３０】
なお、すべての公知の種類のレーザー材料（結晶あるいはガラス）を使用することができる。とりわけ、基本波長は、活性イオンの関数として決定されることになり、ＮｄおよびＹｂに対しては１μｍ付近であり、ＥｒおよびＥｒ＋Ｙｂに対しては１．５５μｍ付近であり、そして、ＴｍおよびＨｏに対しては２μｍ付近である。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の周波数二倍式の連続発光型のマイクロレーザーを示す図である。
【図２】既に公知のものであって、可飽和吸収体を備える従来のレーザーキャビティの様々な可能な構成を、それぞれ概略的に示す図である。
【図３】既に公知のものであって、従来の能動的にスイッチングされるスイッチ型マイクロレーザーを概略的に示す図である。
【図４】従来の能動的にスイッチされるスイッチ型マイクロレーザーにおける第１キャビティの活性レーザー媒質から見た第２キャビティの反射率を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態を示す図である。
【図６】可飽和吸収体フィルムの形態とされたスイッチ型デバイスを備える本発明の２つの実施形態をそれぞれ示す図である。
【図７】マイクロレーザーの参考例を示す図であって、二重Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティ内に能動スイッチングデバイスを備えている。
【図８】マイクロレーザーの参考例を示す図であって、二重Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティ内に能動スイッチングデバイスを備えている。
【図９】マイクロレーザーの参考例を示す図であって、二重Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティ内に能動スイッチングデバイスを備えている。
【図１０】マイクロレーザーの２つの参考例を示す図であって、能動モードにおいてスイッチングがなされ、単一のＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティを備えている。
【図１１】マイクロレーザーの２つの参考例を示す図であって、能動モードにおいてスイッチングがなされ、単一のＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティを備えている。
【図１２】参考例をなすマイクロレーザーのための活性固体レーザー媒質上へのマイクロレンズの形成における各工程を示す図である。
【図１３】参考例をなすマイクロレーザーの製造における他の工程を示す図である。
【図１４】さらなる参考例を示す図である。
【符号の説明】
３８ 活性レーザー媒質（媒質または第１活性固体材料）
４４ 可飽和吸収体、キャビティスイッチング手段
４６ 第２光学非線形材料
５２ 活性レーザー媒質（媒質または第１活性固体材料）
５４ 第２光学非線形材料
６０ 可飽和吸収材料フィルム、キャビティスイッチング手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、スイッチ型固体マイクロレーザーの分野に関するものである。
【０００２】
マイクロレーザーの主な利点は、本質的な特性を構成する多層積層構造にある。活性レーザー媒質は、１５０〜１０００μｍの限られた厚さの材料から構成され、上面に誘電性キャビティミラーが直接的に成膜される小さな寸法領域（数ｍｍ2 ）からなるものである。この活性媒質は、マイクロレーザー上に直接的に集積化されているかあるいは光ファイバによりマイクロレーザーに接続されているかのどちらかであるIII−Vレーザーダイオードにより、ポンピングされることができる。マイクロエレクトロニック手段を使用することにより、大量生産が可能とされることで、非常に限られたコストでマイクロレーザーを製造することが可能とされる。
【０００３】
マイクロレーザーは、自動車、環境、科学的手段、および遠隔計測と同じくらい幅広い分野で多数の応用を有している。
【０００４】
【従来の技術】
連続発光型で、周波数多倍型または二倍型のマイクロレーザーは、既に製造されており、Optics Communications, vol.105, pp183-187 における N.MacKinnon氏他による”A laser diode array pumped, Nd:YVO4/KTP, composite material microchip laser” と題する文献中に記載されている。記載されているマイクロレーザー（図１に図示）は、厚さが０．５ｍｍのＮｄ：ＹＶＯ4 結晶２により形成されており、Ｎｄ：ＹＶＯ4 結晶２には、２ｍｍ厚さのＫＴＰ結晶４が結合されている。キャビティのミラー６、８は、入力面および出力面において、１．０６４μｍに対しては高い反射を示し、５３２ｎｍに対しては高い透過を示す。デバイスは、約８００ｎｍにおいて、レーザーダイオードにより光学的にポンピングされる。２つのミラーは、１．６４μｍに対しては約９９．８％の反射を示すので、１．０６４μｍでキャビティ内に流入するパワーは、大きい（数ワットないし数十ワットの範囲）。１．０６４μｍの放射は、非線形ＫＴＰ結晶により５３２ｎｍの放射に変換される。８０８ｎｍのポンピングダイオードと５３２ｎｍの放射との間の変換効率は、約４％である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記文献中に記載されている上記マイクロレーザーデバイスは、以下の問題点を有している。第１に、マイクロレーザーキャビティ内に流入するパワーが小さいことにより、変換効率が低いことである。１．０６４μｍにおいて高い反射を示すミラーは、高い過電圧係数Ｑを有するマイクロレーザーキャビティを得るために、高級な質の材料から構成されなければならない。そのようなミラーを製造することが困難であり、また高価であって、マイクロレーザーの大量生産の可能性という見地からは不適当である。しかも、得られたマイクロレーザーは、一体式であるが、前もって切削されたフラグメントの固着または接着工程を含む手動プロセスにより製造される。このプロセスは、低コストでのマイクロレーザーの大量生産に対する要求には不適当である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ビームの周波数が多倍化（二倍化、三倍化、等）されるマイクロレーザーキャビティを提案している。二倍化、三倍化、および、同様の操作の効率は高い。さらに、マイクロレーザーキャビティの構造は、マイクロエレクトロニクスを利用した大量生産プロセスが適用可能でなければならない。最後に、得られた構造は、一体化されていなければならない。
【０００７】
さらに詳細には、本発明は、活性固体媒質と、キャビティをスイッチングするための手段とを具備し、マイクロレーザーキャビティの基本周波数を整数ｎ（ｎ≧２）だけ多倍化することができる第２光学非線形材料からなる少なくとも１つのエレメントを、キャビティの内部に具備することを特徴とするマイクロレーザーキャビティに関するものである。
【０００８】
スイッチング式の動作においては、マイクロレーザーは、高ピークパワー、かつ、低時間幅パルスで発光する。その場合、キャビティ内レーザー放射のパワーは、連続動作において得られるキャビティ内パワーの強度に対して、数オーダーを超える非常に大きな値に達する。光学的非線形材料内におけるレーザー周波数の二倍または三倍周波数への変換の効率は、結果的に非常に良好である。というのは、前記効率は、レーザーパワーに依存するからである。よって、マイクロレーザーキャビティの基本周波数において極端に高い反射係数を有するキャビティの入力および出力ミラーの存在から解放されることができる。約９９．９％の反射率が、正しい連続動作のためには必要であり、一方、”スイッチング式の”動作においては、より低い反射率でも適切であることが指摘される。
【０００９】
本発明のある実施形態においては、マイクロレーザーキャビティは、可飽和吸収体（saturable absorber）により受動的にスイッチングされる。
【００１０】
本発明の他の形態は、マイクロレーザーキャビティ内における可飽和吸収体および活性媒質の相対配置に関するものである。
【００１１】
一般的に言えば、可飽和吸収体を利用して受動的にスイッチングされる公知のレーザーにおいては、レーザーキャビティの内部に関して、以下の構成が提案されてきた。
【００１２】
１．第１の構成は、図２（ａ）に示されている。ここで、参照符号１０は、レーザーキャビティを示している。参照符号１２、１３、１４、１５は、それぞれ、活性レーザー材料、可飽和吸収体、キャビティの入力ミラー、および出力ミラーを示している。この場合、可飽和吸収体１３とキャビティ１０内の他のエレメントとは、一切接触していない。
【００１３】
このようなデバイスにおいては、キャビティのエレメントを光学的に軸合わせする必要がある。さらに、レーザーの使用時において、光学的なセッティングが必要とされるかも知れない。
【００１４】
２．図２（ｂ）および図２（ｃ）に示されている構成においては、光学的接着剤１９を利用して、可飽和吸収体１６と、ミラー１７（図２（ｂ））との間あるいは活性レーザー材料１８（図２（ｂ））との間の接触が確保されている。
【００１５】
しかしながら、接着剤は、除去できない吸収因子、例えば、接着剤により接着された材料の境界面におけるインデックスの差をもたらす。さらに、接着されたエレメント間における類似欠陥が、また、レーザーキャビティにおける損失の原因となり得る。
【００１６】
３．図２（ｄ）および図２（ｅ）には、第３の可能な構成を示す。ここで、参照符号２３および２５は、レーザーキャビティの入力ミラーおよび出力ミラーを示している。参照符号２０は、活性レーザー材料を表している。活性レーザー材料には、活性レーザーイオンと可飽和吸収体イオンとが共にドーピング（codoped ）されている。その場合、その媒質は、活性媒質および可飽和吸収体媒質として機能する。それゆえ、レーザー材料の性質と、可飽和吸収体の性質とを独立に制御することは不可能である。
【００１７】
しかしながら、媒質の厚さは、可飽和吸収体の吸収と、活性レーザーイオンの吸収との両方に影響を与え、同様に、レーザーモード構造に影響を与える。活性レーザーイオンおよび可飽和吸収体の吸収係数は、前記イオンの濃度に直接結びついている。イオンの濃度は、結晶成長時において決定的に固定され、その後変わることはない。したがって、各々のレーザー構成に対して、新しい結晶が作られなければならない。最後に、同じイオン（例えば、Ｅｒ）がレーザー動作および可飽和吸収体の両方のために使用されている受動的にスイッチングされるレーザーの場合には、この共ドーピング（codoping）法を使用することができる。よって、同じイオンは、活性イオンとして、あるいは、可飽和吸収体イオンとして機能することができ、濃度を非常に違うものとして与えることができる。可飽和吸収体に対しては、濃度は、活性レーザー材料に対してよりもずっと高濃度としなければならない。
【００１８】
上記課題を除去するために、本発明の実施形態においては、可飽和吸収体を、マイクロレーザーキャビティの活性材料上に直接薄膜の形態で成膜することを提案している。
【００１９】
この実施形態における本発明の主な利点の１つは、スイッチング形式とされたマイクロレーザーキャビティ（あるいは、マイクロオプティクスと関連するマイクロレーザーを構成するレーザーマイクロシステム）の構造であって、この構造は、フィルムの積層から構成され、低コスト大量生産の可能性を維持し得るものである。この多層構造は、単純であり、低コストであり、また、連続型マイクロレーザーのために開発されてきたようなマイクロレーザーの大量生産プロセスが適用できないわけではない。そして、極めて容易に作製でき、自己軸合わせ型であり（光学系のセッティングが不要）、一体式であり、受動的にスイッチングされるマイクロレーザーを作製することができる。この構造は、接着操作が不要であって、複雑な軸合わせ操作も不要である。
【００２０】
”共ドーピング型”レーザーと比較した場合の本発明のマイクロレーザーの他の利点は、活性媒質が可飽和吸収体から隔離されていることであり、そして、これら２つの媒質の結合あるいは接着が避けられているものの、一体式構造は、維持していることである。したがって、前記分離の結果として、（フィルムの成膜時において、あるいは、フィルム成膜後の機械的薄膜化により）厚さを独立に制御することができ、また、２つの媒質内におけるイオンの濃度を独立に制御することができる。そして、１つのイオン（例えば、Ｅｒ）が活性イオンとして、および、異なる濃度の可飽和吸収体イオンとして使用されているスイッチング式のレーザーを得ることができる。
【００２１】
本発明の他の形態においては、フィルムは、ポリマー溶媒中に溶解された有機色素により形成されることができる。変形形態として、フィルムは、液相エピタキシーにより成膜されることができる。
【００２２】
参考例においては、マイクロレーザーキャビティは、また、能動的にスイッチングされることができる。
【００２３】
マイクロレーザーの分野においては、能動的なスイッチング方法は、J.J. Zayhowski 氏他によるOptics Letters, vol.17, No.17, pp1201-1203, 1992における”Diode-pumped microchip lasers electro-optically Q-switched at high pulse repetition rates”と題する文献中に記載されている。
【００２４】
この文献においては、スイッチングは、２つの結合されたＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティの構成において実現されている。そのような集合体は、図３に示されており、参照符号２２は、活性レーザー媒質を示している。参照符号２４は、電気光学スイッチング材料（ＬｉＴａＯ3） を示している。長さがＬ1 である活性レーザー媒質２２は、入力ミラー２６および中間ミラー２８と共に、第１Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティを形成している。長さがＬ2 であるスイッチング材料は、中間ミラー２８および出力ミラー２１と共に、第２Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティを形成している。スイッチングは、外部からの操作により、スイッチング材料２４の光学長さを変化させることによりなされている。スイッチング電極３２、３４は、レーザービーム３６の軸に直交するように、材料２４の両側に配置されている。これら電極間に電圧Ｖが印加されたときには、電界Ｅは、ｅを電極間の距離（電極間の距離は、電気光学材料の厚さに対応している）とすると、Ｅ＝Ｖ／ｅで表され、電極から発生する。光学的インデックスｎ2 、および、結果としての電気光学材料の光学長さｎ2Ｌ2は、電界Ｅの作用により変化する。このことは、キャビティの結合に影響を与え、レーザー媒質から見た中間ミラー２８の反射率を変化させる。
【００２５】
１．０６μｍで発光するとともに、スイッチング材料が約１ｍｍ厚さのＬｉＴａＯ3 により構成されているＹＡＧ：Ｎｄマイクロレーザーに対しては、典型的には、ｎ1 ＝１．８、ｎ2 ＝２、Ｌ1 ＝５００μｍ、Ｌ2 ＝９００μｍである。第２キャビティの最大の反射率変化は、約ｄλ／λ＝ｄＬ2／Ｌ2＝ｄｎ2／ｎ2＝１０-4において得られる。このインデックス変化は、スイッチング材料中において、約１０4 Ｖ／ｃｍの電界を印加することにより得られる。第２キャビティ（電気光学材料）を、レーザー材料により構成されている第１キャビティの出力ミラーとみなすことができる。出力ミラーの反射率は、可変であり、電極３２、３４に対して印加される外部制御電圧により制御される。図４には、第２キャビティの反射率Ｒの変化を、印加される電圧Ｖの関数として示す。３つのミラー２６、２８、２１の反射率が、それぞれ９９、９５、５０％である場合には、第２キャビティの反射率は、７５〜９９％の範囲で変化することになる。よって、活性媒質に対しては、これは、出力ミラーの反射率を外部電圧制御により７５〜９９％の範囲で変化させることに等しい。ここで、図４のグラフは、１ｍｍの電極間距離に対しては、９０％に近い反射率を得るためには、数百ボルトを印加する必要があることを示しており、約９９％の反射率を得るためには、約１０００ボルトを印加しなければならないことを示している。そのようなマイクロレーザーは、問題を発生する。
【００２６】
まず、最初に、マイクロレーザーは、（予めカットされたフラグメントの結合を利用して）手動プロセスにより作製される。これは、幾何寸法に対して、特に電極間隔に対して、下限を与えることになり、最小値は、１ｍｍ近辺である。他の問題は、スイッチングに関する適切な電界Ｅに達する必要があることである。よって、２つの電極間に、１ナノ秒よりも短いような非常に短い時間において、約１ｍｍ3 の体積であるレーザーチップに対して、約１０００Ｖの電圧を印加する必要がある。これは、実用的な手段の観点からは非常に困難であり、マイクロレーザーの単純化および低製造コストには適さない複雑なエレクトロニクスを必要とする。
【００２７】
上記課題に関連し、参考例においては、活性レーザー媒質が、入力ミラーと中間ミラーとの間に第１共鳴キャビティを形成し、第２材料が、中間ミラーと出力ミラーとの間に第２共鳴キャビティを形成し、前記材料の光学的インデックスは、外部擾乱により緩和可能であり、レーザービームサイズ縮小手段が、第１共鳴キャビティの入力部分に配置され、２つのキャビティの集合体およびレーザービームサイズ縮小手段は、一体化されている。
【００２８】
よって、この参考例においては、電極間に印加される電圧が高いという問題を解決する。また、マイクロレーザーキャビティのしきい値を下げることができる。よって、この構造に基づいて、第２材料の厚さを約１００μｍとすることができる。これにより、電気光学材料の場合には、必要な電圧を５０〜１００Ｖの範囲の値にまで制限することができる。マイクロレーザーのスイッチングのしきい値もまた、数ミリワットの程度にまで低減される。最後に、この構造は、大量生産プロセスに適しており、小さな試料を製造し得るとともに、製造コストを低減することができる。
【００２９】
レーザービームサイズ縮小手段は、ポンピングビームが通過することになる活性レーザー媒質の面上にマイクロミラーを備えて作製された凹面ミラーにより構成されることができる。出力ミラーは、第２材料の出力面上にマイクロミラーを備えて作製された凹面ミラーとすることができる。２つのキャビティは、光学的に安定であるように作ることができる。
【００３０】
能動モードで機能しかつより単純な構造さえも有しているマイクロレーザーを得ることができる参考例は、光学的な安定限界にあるとともに、光学的な不安定状態から光学的な安定状態へと遷移させるためにキャビティの光学長さを変化させる手段が設けられているマイクロレーザーキャビティに関連するものである。
【００３１】
したがって、新しい能動スイッチング機構が設けられる。というのは、光学的な不安定状態は、光学的な安定状態とは違って、キャビティ損失の大きな状態であるからである。
【００３２】
さらに、得られた構造は、例えばJ.J.Zayhowski 氏による文献（前出）から公知であるような構造とは、Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティがただ１つであることにより、根本的に異なっている。
【００３３】
キャビティは、同中心または球状、あるいは、共焦または半球状キャビティとすることができる。この場合、キャビティ内におけるビームのサイズは、より小さいものであり、使用する材料の厚さを低減することができる。したがって、マイクロレーザーのサイズは、さらに低減される。これにより、結果的に、上記問題点の１つを解決することができる。それは、特に、第２材料が電気光学材料である場合には、印加すべき電圧が高電圧となってしまうという問題点である。すなわち、電気光学材料の厚さが減少した場合には、ｅを電極間厚さとしたときに電界Ｅが次式で表されることからわかるように、より小さな電圧で、同じ電界を得ることができる。
【数１】
ある参考例においては、キャビティは、光学長さが可変である第３の材料を有している。しかしながら、従来のように２つではなく、Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティがただ１つであることは、なお要求されている。これは、非常にコンパクトであって、一体化された構造につながるものである。
【００３５】
キャビティの光学長さを変化させる手段は、第３材料の前記長さを変化させるための手段とすることができる。
【００３６】
他の参考例においては、活性レーザー媒質および第３材料は、異なる光学的インデックスを有しており、キャビティの光学長さを変化させる手段は、第２材料の光学的インデックスを変化させる手段を備えている。
【００３７】
よって、高損失かつ不安定な領域から低損失かつ安定な領域へとキャビティを変位させるために光学長さを変化させ、キャビティのスイッチングを可能とするただ１つのマイクロレーザーキャビティが作製される。ただ１つのＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティを有していることのみが必須である。たとえ、そのただ１つのＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティが、複数の材料、すなわち、１つは活性レーザー材料、２つめは周波数の多倍化を可能とするエレメントを形成する材料、３つめは光学的な長さが可変である材料を含有していてもである。
【００３８】
複数の材料が並置または結合されたとき、あるいは、分子接着により互いに接着されたときには、システムのコンパクトさは、向上する。このことは、マイクロレーザーの場合には非常に重要なことである。
【００３９】
最後に、さらなる参考例は、また、上述のマイクロレーザーキャビティと、このキャビティをポンピングするための光学的手段とを具備するマイクロレーザーに関するものである。
【００４０】
【発明の実施の形態】
本発明は、以下において、本発明を何ら制限するものではない実施形態に関して、添付図面を参照して、より詳細に説明される。
【００４１】
図１は、従来の周波数二倍式の連続発光型のマイクロレーザーを示す図である。図２（ａ）〜図２（ｅ）は、既に公知のものであって、可飽和吸収体を備える従来のレーザーキャビティの様々な可能な構成を概略的に示す図である。図３は、既に公知のものであって、従来の能動的にスイッチングされるスイッチ型マイクロレーザーを概略的に示す図である。図４は、従来の能動的にスイッチされるスイッチ型マイクロレーザーにおける第１キャビティの活性レーザー媒質から見た第２キャビティの反射率を示す図である。図５は、本発明の一実施形態を示す図である。図６（ａ）および図６（ｂ）は、可飽和吸収体フィルムの形態とされたスイッチ型デバイスを備える本発明の２つの実施形態を示す図である。図７ないし図９は、マイクロレーザーの参考例を示す図であって、二重Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティ内に能動スイッチングデバイスを備えている。図１０および図１１は、マイクロレーザーの２つの参考例を示す図であって、能動モードにおいてスイッチングがなされ、単一のＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティを備えている。図１２（ａ）〜図１２（ｅ）は、参考例をなすマイクロレーザーのための活性固体レーザー媒質上へのマイクロレンズの形成における各工程を示す図である。図１３（ａ）〜図１３（ｃ）は、参考例をなすマイクロレーザーの製造における他の工程を示す図である。図１４は、さらなる参考例を示す図である。
【００４２】
さて、本発明は、マイクロレーザーのキャビティに関するものであり、また、そのようなキャビティを有するマイクロレーザーに関するものである。キャビティは、活性レーザー媒質３８を必須要件として構成され、また、入力ミラー４０および出力ミラー４２により閉塞されている（図５を参照されたい）。キャビティ内には、また、２つの他のエレメントがある。すなわち、キャビティスイッチングエレメント４４と、非線形材料４６とである。キャビティスイッチングエレメント４４は、能動モードあるいは受動モードにあり、非線形材料４６は、活性レーザー媒質３８の基本周波数をファクターｎ（ｎ≧２）だけ掛け算することができる。
【００４３】
以下においては、異なるスイッチングモードについて、より詳細に説明する。非線形材料は、例えば、非線形ＫＴＰ結晶とすることができる。非線形ＫＴＰ結晶は、マイクロレーザーの基本周波数を２倍にすることができる。例えば、ＹＡＧ：Ｎｄ活性レーザー媒質から得られた１０６４ｎｍの放射は、前記結晶により５３２ｎｍの放射へと変換される。周波数を４倍とする効果は、同じマイクロレーザーキャビティ内に非線形ＫＴＰ結晶および非線形ＢＢＯ結晶を組み込むことにより得ることができる。本発明は、また、マイクロキャビティ内の活性レーザー媒質の周波数を２倍とし得るどのようなタイプの非線形単結晶に対しても適用可能である。また、本発明は、マイクロキャビティ内のレーザー媒質の周波数をファクターｎ（ｎ≧２、例えばｎ＝３、４、等）だけ多倍化し得るどのようなタイプの非線形単結晶に対しても適用可能である。例えば、ＢＢＯ、ＬＢＯ、ＫＮｂＯ3 、ＬｉＮｂＯ3 を使用することができる。
【００４４】
マイクロキャビティ内に、スイッチングのための手段４４と、活性レーザー媒質の基本周波数を多倍化するための手段４６とが同時に存在することは、周波数多倍化手段の操作効率を大きく意義深く向上させるという結果をもたらす。よって、二倍型結晶に対しては、８０％という効率が前記構造に関して得られている。
【００４５】
図５に示すように、キャビティ内には他の付加的なエレメントを備えることができる。それは、例えば、固着層４８あるいは媒質のコーティング層５０である。固着層４８は、可飽和吸収体４４を活性レーザー媒質３８に対して接続し得るものであり、媒質のコーティング層５０は、媒質４６、４４の界面におけるインデックスの調和を図り得るものである。
【００４６】
よって、入力ミラー４０および出力ミラー４２が平面状である平面−平面キャビティを作ることが可能である。他の実施形態によれば、マイクロレーザーキャビティの入力側および／または出力側が凹んだマイクロミラーとされている安定キャビティを得ることが可能である。少なくとも１つのミラーが凹んでいることにより、キャビティを安定させることができ、その場合、安定キャビティは、より低いスイッチングのしきい値を有するものであるとともに、より良好な効率を有するものである。さらに、凹面のマイクロミラーがあることにより、異なるキャビティ媒質内におけるレーザービームのサイズを調節することができ、可飽和吸収体４４および多倍化結晶４６に対してのパワー密度をさらに向上させることができる。マイクロミラーは、以下において説明するように、活性レーザー材料上に直接作ることができる。レーザー材料３８の表面上、あるいは、キャビティに最後に配置されたエレメント例えば多倍化結晶４６の表面上には、透明材料例えばシリカからなるマイクロレンズのアレイを、付加的に作ることができる。典型的なマイクロレンズの寸法は、直径が１００〜数百ミクロンであり、曲率半径が数百ミクロン〜数ミリメートルである。
【００４７】
マイクロレンズの製造プロセスは、A.EDA氏他による CLEO'92, paper CWG33, p282（Conf. on Laser and Electro-optics, Anaheim, USA, May 1992） の文献中に記載されている。
【００４８】
図５に示す実施形態においては、マイクロレーザーキャビティは、受動的にスイッチングされる。この場合、スイッチングエレメント４４は、可飽和吸収体エレメントである。
【００４９】
特に有利な実施形態においては、可飽和吸収体は、薄膜の形態である。図６（ａ）および（ｂ）に示すように、可飽和吸収体フィルムをレーザー増幅媒質上に直接成膜することが特に有利である。図６（ａ）および（ｂ）において、参照符号５２は、マイクロレーザーキャビティの活性レーザー媒質を示している。参照符号５４は、基本周波数を多倍化し得る、基本周波数を二倍とし得る光学的非線形媒質を示している。参照符号５６および５８は、マイクロレーザーキャビティの入力および出力ミラーを示している。そして、参照符号６０は、活性媒質５２上に直接成膜されたフィルムの形態の可飽和吸収体を示している。
【００５０】
２つのタイプの薄膜を使用することが可能である。１つは、ポリマーを含有する可飽和吸収分子である。１．０６μｍのマイクロレーザーに対しては典型的には、可飽和吸収体として、有機色素を使用することができる。有機色素は、例えば、クロロベンゼン中に６％重量のポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）を含有する溶液中のビス（４−ジエチルアミノジチオベンジル）ニッケル（bis(4- diethylaminodithiobenzyl) nickel, BDN, KODAK, CAS No. 51449-18-4）のようなものを使用することができる。代替物は、作製プロセスと関連して以下において説明される。このタイプの溶液は、トラメル（trammmel）を利用してレーザー材料上に直接成膜される（以下の作製プロセスの記載を参照されたい）。この結果、フィルムの厚さは、約１〜５μｍ、例えば、２、３、４μｍとなる。
【００５１】
他の薄膜のタイプは、液相エピタキシー（liquid phase epitaxy、ＬＰＥ）により、レーザー材料上に直接的に得ることができる。あるいは、同じ成膜（同じ材料、同じドーピング、同じ特性）の製作を可能とする他の任意のプロセスにより得ることができる。よって、フィルムは、一般的には、ＬＰＥにより得ることができる。ＬＰＥ作製プロセスは、以下において記載され、活性固体媒質から構成される基体５２上に、１〜５００μｍ（例えば、１００、２００、３００、４００μｍ）のフィルム厚さでもって得ることができる。フィルムは、活性固体媒質（例えば、ＹＡＧ）の基本材料と同一の基本材料により構成される。しかし、フィルムは、フィルムに可飽和吸収特性を与えるイオン、例えば、１．０６μｍのレーザーに対してはＣｒ4+、あるいは、１．５μｍのレーザーに対してはＥｒ3+がドーピングされている。
【００５２】
よって、スイッチングされるべきレーザーに対しては、レーザーの発光波長においてエピタキシャル層が可飽和吸収を示すようなタイプのドーパントが適用されている。
【００５３】
それゆえ、この場合、活性レーザー材料および可飽和吸収体フィルムは、同じ結晶構造を有しており、結晶に影響を与えかつこれら２つの媒質の光学特性に影響を与えるドーピングにおいてのみ異なっている。フィルムの性質は、双方において大きく異なっている。
【００５４】
よって、ダメージのしきい値は、各々のフィルムのタイプによって決まる。レーザーキャビティ内においてパワー密度があるパワー密度を超えると、可飽和吸収体フィルムを破壊し得るようになる。この限界パワー密度は、ダメージしきい値として知られており、有機色素含有ポリマーの場合には、ＬＰＥ成膜フィルムの場合よりも、より低いものである。よって、有機色素含有ポリマーの場合には、ＬＰＥ成膜フィルムの場合よりも、キャビティ内に成膜されたエネルギーよりもより小さいエネルギーで動作させる必要がある。
【００５５】
さらに、ある場合には、レーザー材料５２とポリマー６０との間のインデックスの違いは、これら２つの媒質間の光学的境界面において現れる。他の場合には、ＬＰＥは、同じ材料（ＹＡＧ上にはＹＡＧであって、ドーピングだけが異なる）に対してのみ行うことができる。このことは、応用の度合いを制限することになる。しかし、エピタキシャルフィルムのインデックスを活性レーザー媒質のインデックスに合わせることが可能とされる。この場合、活性レーザー媒質は、エピタキシャルの基体として機能し、したがって、２つの媒質間における光学的境界面の形成を阻止する。
【００５６】
最後に、フィルムの性質は、レーザーパルスのパルス形状に影響を与えることになる。ポリマー中に溶解された有機色素の場合には、色素の立ち下がり時間は、非常に短く（〜１ｎｓ）、一方、イオンが不純物（Ｃｒ4+、Ｅｒ3+）を構成しているエピタキシャルされたフィルムの場合には、立ち下がり時間は、約１マイクロセカンドとずっと長いものである。これらの性質は、意図した使用に応じて、フィルムの選択に明瞭に条件をつけることになる。
【００５７】
上述の構造（活性レーザー媒質上にフィルムの形態で可飽和吸収体が直接成膜されている構造）により、軸合わせを必要とすることがなく、光学的接着剤のような付随的なエレメントの導入を必要とすることがなく、また、同じ基本媒質から活性レーザー媒質および受動スイッチングデバイスを形成するに際して同じ基本材料のコドーピング（codoping）の使用を避けることができるコンパクトなマイクロレーザーキャビティを得ることができる。
【００５８】
次に、本発明の受動的にスイッチングされる形態のマイクロレーザーの製造プロセスについて説明する。以下、各工程ごとに説明する。
【００５９】
１）活性レーザー材料が選択され、調製される。すなわち、配向され、０．５〜５ｍｍの厚さのプレートにカットされる。その後、プレートは、丸められ、また研磨される。その結果、所望の最終厚さｅが得られる。
【００６０】
２）この工程は、可飽和吸収体の作製工程である。
【００６１】
２ａ）従来の可飽和吸収体の場合には、スイッチ型マイクロレーザーキャビティを得ることができる様々なプロセスが公知である。特に、活性レーザー媒質の基本材料のコドーピングを行うことができ、これにより、活性レーザー媒質および可飽和吸収体の性質を与えることができる（例えば、ＹＡＧに対して、ネオジウムイオンＮｄ3+およびクロミウムイオンＣｒ4+をドーピングする）。
【００６２】
２ｂ）フィルムの形態で成膜された可飽和吸収体の場合には、２つの成膜のタイプで達成することができる。
【００６３】
２ｂ１）第１の成膜のタイプ：ポリマー中に溶解された可飽和吸収体有機色素の成膜。
【００６４】
典型的には、１．０６μｍのマイクロレーザーに対しては、可飽和吸収体として、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）溶液中のビス（４−ジエチルアミノジチオベンジル）ニッケル（BDN, KODAK, CAS No. 51449-18-4）有機色素を使用することができる。
【００６５】
この目的のために、クロロベンゼン（Prolabo） 中に、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）を６ｗｔ．％（ポリマーにおける平均分子量）を含有させて、２４時間攪拌した溶液を調製する。この溶液に、０．２ｗｔ．％のＢＤＮを加え、その後、２時間攪拌する。そして溶液は、濾過された後、液滴を滴下して基体を回転させ遠心分離により広げる方法で、基体の出力面または出口面（ダイクロイックミラーを有する入力面または入口面と反対側の面）上に成膜される。このトラメル成膜のためには、マイクロエレクトロニクスの分野において、リソグラフ操作時に使用される樹脂の成膜のための装置のような標準装置を使用することができる。基体は、前もって、研磨操作に起因する不純物のすべてのトレースに関してクリーニングされる。基体は、２０００ｒ．ｐ．ｍ．で２０秒間回転（トラメル）され、その後、５０００ｒ．ｐ．ｍ．で３０秒間回転（トラメル）される。その後、フィルムは、オーブン中において、７０℃で２時間乾燥される。
【００６６】
これにより、１μｍ厚さであり、３％の活性分子（ＢＤＮ）を含有し、また、飽和前の光学密度が１．０６μｍ（７４％透過）において０．１３であるフィルムが得られる。そのような可飽和吸収体は、１０ｎｓに近い緩和時間を有し、１ＭＷ／ｃｍ2 に近い強度で飽和する。
【００６７】
ポリマーの濃度パラメータ、ポリマーの分子量またはポリマーの溶媒、色素の比率、トラメルの回転速度を比較することにより、可飽和吸収体の達成特性を調節することができる。得られた典型的な特性は、以下のようである。
−フィルム厚さ ： １〜５μｍ（例えば、２、３、４μｍ）
−分子の濃度 ： ５〜１０ｗｔ．％
−色素 ： ＢＤＮ、ｍｍ＝６８５ｇ
−ガラス転移点 ： Ｔg＝７８℃
−１．０６μｍにおける吸収 ： １０〜７０％
−飽和レベル ： ９０％
−有効断面積 ： １０-16ｃｍ2
−緩和時間 ： ２〜１５ｎｓ
−飽和強度 ： ０．１〜１ＭＷ／ｃｍ2
−フィルムの非一様性 ： ＜５％（１ｃｍ2あたり）
−減極率（depolarization rate）： ＜１０-5
−８００ｎｍにおける損失 ： ＜１％
−反復周波数 ： １０〜１０，０００Ｈｚ
−光安定性 ： １０8ストローク
−成膜方法 ： トラメル
【００６８】
ポリビニルアルコール、ポリビニルアセテート、あるいは、ポリスチレンのような他のポリマーは、ＰＭＭＡに代えて、それぞれに対して適切な溶媒を使用して使用することができる。また、色素として、ビス（４−ジメチルアミノジチオベンジル）ニッケル（bis(4-dimethylaminodithiobenzyl)nickel, BDN, KODAK, CAS No. 38465-55-3）を使用することもできる。
【００６９】
色素は、また、シリカゲル内に組み込むこともできるし、あるいは、ポリマーチェインにぶら下げることもできる。
【００７０】
他の様々なジチエン（dithiene）系金属錯体を、他の波長に対する染料として使用することができる。これに関しては、K.H.Drexhage氏他による Optics Com-munications 10(1), 19, 1974 、および、Mueller-Westerhoff氏による Mol. Cryst. Liq. Cryst. 183, 291, 1990による文献中に記載がある。
【００７１】
この方法は、また、１．０６μｍ以外の波長で動作するスイッチ型レーザーに対しても使用することができる。例えば、テトラエチルオクタハイドロテトラアザペンタフェン−ジチオルアト−ニッケル（tetraethyloctahydrotetraaza- pentaphene-dithiolat-nickel,上記Mueller-Westerhoff氏による文献を参照されたい）を備えて１．５μｍ付近で発光するＥｒまたはＥｒ＋Ｙｂレーザー（ＥｒまたはＥｒ＋Ｙｂがドーピングされた材料であって、活性イオンはＥｒである）においてスイッチングが起こっても良い。
【００７２】
２ｂ２）第２の成膜のタイプ：液相エピタキシー（ＬＰＥ）によるフィルムの成膜。
【００７３】
可飽和吸収体（Ｓ．Ａ．）フィルムは、基体の成膜される面が適切に選択された過飽和溶液に浸漬される。この溶液またはエピタキシーバスは、溶媒と、最終材料を形成するものとは異なるエレメントにより構成されている溶質との混合体である。基体およびフィルムは、同じ結晶構造を有しており、フィルムの結晶性、および、光学的性質に影響を与えるドーパントにおいてのみ異なっている。Ｎｄ、Ｅｒ、Ｙｂのような活性イオンは、材料を増幅することができ、他のイオン（Ｃｒ、Ｅｒ）は、Ｓ．Ａ．特性を材料に与える。そして、さらに他のイオン（例えば、Ｇａ、Ｇｅ、Ｌｕ、等）は、屈折率を変化させるために、あるいは、結晶格子を変化させるために使用することができる。よって、得られるフィルムの性質を制御することが可能となる。
【００７４】
このプロセスは、（基体をなすために）単結晶の形態をなすいかなる実在の材料に対しても適用することができ、また液相エピタキシーにより作製することができる。これは、上述のＹ3Ａ15Ｏ12（ＹＡＧ） 、Ｙ2ＳｉＯ5（ＹＳＯ）、ＹＶＯ4 、ＹＬｉＦ4（ＹＬＦ） 、あるいは、ＧｄＶＯ4 のような活性レーザー媒質の基本材料のような材料である。バスの組成（溶媒および置換基の選択）、異なる酸化物の溶質内における濃度、実験的成長条件（温度範囲、操作手続、等）は、可能な限り最良の結晶性を有するフィルムを得るために、各材料に応じて調節することができる。
【００７５】
ガーネット（ＹＡＧ）の場合には、選択された溶媒は、ＰｂＯ／Ｂ2Ｏ3混合体であり、溶質は、ガーネット相を安定化させる目的で、Ａｌ2Ｏ3を過剰に含有している。溶質／溶媒比が、その後、１０００℃で成長させるために計算される。
【００７６】
バスの組成、温度、および、成膜時間の関数として、厚さ（１≦ｅ≦２００μｍ、例えば、２５μｍ、５０μｍ、７５μｍ、１００μｍ、１２５μｍ、１５０μｍ、１７５μｍであって、ｅ≧２００μｍとすることも可能）、および、フィルム中のドーパント濃度を調節することができる。フィルムは、一定温度で成長し、これにより、フィルム厚さ全体にわたってのドーパント濃度の均一性を得ることができる。基体は、等速運動され、あるいは等速運動に代えて回転運動され、これにより、良好な厚さの一様性が得られる。
【００７７】
１つあるいは２つのＳ．Ａ．フィルムを備えた基体は、活性レーザー媒質の１つの面がその表面においてバス中に浸漬されるか、あるいは、活性レーザー媒質が完全にバス中に浸漬されて両面に対してそれが起こるかのどちらを選択するかによって、製作することができる。
【００７８】
得られた１つあるいは複数のエピタキシー面は、エピタキシープロセスにより発生した可能性のある表面粗さを除去するために、また、１つあるいは複数のエピタキシーフィルムの厚さをマイクロレーザーの操作にとって所望の厚さとするために研磨することができる。
【００７９】
３）この工程は、非線形材料を成膜する工程、あるいは、取り付ける工程である。ここでいう非線形材料は、レーザー材料の基本周波数をファクターｎ（ｎ≧２）だけ多倍化し得るものであって、例えば、非線形ＫＴＰ結晶である。結晶は、相マッチング角度（phase matching angle）に応じて配向され、これにより、レーザー周波数の多倍化が可能とされる。
【００８０】
４）この工程は、入力ミラーおよび出力ミラーを成膜する工程である。これら入力ミラーおよび出力ミラーは、誘電性積層の成膜により得られたダイクロイックミラーとすることができ、プロセスは、公知プロセスおよび商業的に利用可能なプロセスである。
【００８１】
５）この工程は、マイクロレーザーのチップを得るために、プレートをカットする工程である。
【００８２】
複数のミラー、可飽和吸収体、活性レーザー媒質、そして付加的にマイクロレンズを有する小さなプレートは、（マイクロエレクトロニクスの分野において、Ｓｉチップをカットするために使用されるタイプの）ダイヤモンドソーを用いて、断面積が数ｍｍ2 のレーザーチップを得る目的でカットされる。
【００８３】
参考例においては、マイクロレーザーキャビティおよびマイクロレーザーは、能動的にスイッチングされる。そのような構造の例が図７に示されており、図において、参照符号６２は、入力ミラー６６と中間ミラー６８との間において、第１共鳴キャビティを形成している活性レーザー媒質を示している。第２共鳴キャビティは、中間ミラー６８と出力ミラー７０との間において形成されている。第２共鳴キャビティは、エレメント７４を有しており、エレメント７４の光学的インデックスは、外部からの擾乱により変調されるようになっている。特に、この材料は、電気光学材料とすることができ、例えば、ＬｉＴａＯ3により構成することができる。外部制御電圧は、電極７２、７３に印加することができ、そして、そのように印加された電圧により、材料７４中に電界が発生し、材料のインデックスの緩和がもたらされる。この緩和は、２つのキャビティの結合に影響を及ぼし、活性レーザー媒質から見た中間ミラー６８の反射率を緩和する。本発明においては、活性レーザー媒質の基本周波数をファクターｎ（ｎ≧２）だけ多倍化し得る光学的非線形材料７８が、例えば、第２Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティ内に、光学的インデックスが外部擾乱により緩和され得る材料７４と共に、組み込まれている。この場合、材料７４、７８間には、無反射処理が施されることができ、第２共鳴キャビティの操作を妨げないようにすることができる。これに代えて、材料７８は、第１Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティ内に、活性レーザー媒質６２と共に組み込まれることもできる。この場合には、無反射処理は、材料６２、７８間に施されることになる。この場合にも、能動スイッチングデバイス、および、周波数をファクターｎだけ多倍化し得る材料の結合により、極度に意義深い周波数を多倍化し得る材料の操作効率の向上がもたらされ、操作効率は、８０％近くにまで達する。
【００８４】
この参考例は、レーザービームサイズ縮小手段を付加することにより、さらに改良することができる。レーザービームサイズ縮小手段は、第１共鳴キャビティの入力部分に配置され、２つのキャビティの集合体およびレーザービームサイズ縮小手段は、一体化される。この改良は、図８および図９に示されており、図８、９においては、図７におけるものと同一または対応するエレメントには、同じ参照符号が付されている。レーザービームサイズ縮小手段９０は、これら図８、９の各々において、参照符号８８により示されている。図においては、レーザービームサイズ縮小手段は、ポンピングビーム８０がまず最初に通過することになる活性レーザー材料８２の表面上に形成されたマイクロミラー８８により形成されている。
【００８５】
この構成に基づいて、マイクロレーザーの全体的な厚さ、特に、材料７４の厚さを約１００μｍにすることができる。電気光学材料７４においては、これにより、電極７２、７３間に印加するのに必要な電圧を５０〜１００Ｖの値に制限することができる。しかしながら、すべてのミラーが平面状である図７の参考例においては、キャビティのスイッチングのために適切なインデックスの変化を起こさせるに際して、電極７２、７３間に高電圧を印加しなければならない。したがって、J.J.Zayhowski 氏による文献において記載されている従来技術に関連して上述したように、これらの高電圧は、数百ボルト、特に１０００Ｖ（図４参照）に達する可能性がある。さらに、図８、９に示す参考例、すなわち、第１キャビティの入力部分に配置されたレーザービームサイズ縮小手段を備える参考例においては、マイクロレーザーのスイッチングのしきい値を数ミリワットにまで下げることができる。
【００８６】
マイクロミラー８８の曲率半径は、マイクロレーザーの全体長さ（活性媒質８２の長さＬ1 ＋媒質７４の長さＬ2 ＋媒質７８の長さＬ3 ）を超えることが好ましい。典型的には、曲率半径は、約１．５〜２ｍｍを超えることになる。この状況のもとでは、光学的に安定なキャビティが得られ、レーザービーム９０の媒質７４内における直径φは、相対的に小さなサイズであり、（従来技術および図７の参考例における約１２０μｍに対して）典型的には数十マイクロメートルである。
【００８７】
図９に示すように、凹状のマイクロミラー８９が第２キャビティの出力部分に設けられている構造を得ることもまた可能である。さらに、２つのマイクロミラー８８、８９の各々の半径Ｒ1、Ｒ2は、２つの光学的に安定なキャビティを得るために選択することができる。この条件は、実際、Ｒ1≧Ｌ1かつＲ2≧Ｌ2＋Ｌ3 により満たされる。媒質７８が第１キャビティ内に組み込まれるような場合には、この条件は、Ｒ1≧Ｌ1＋Ｌ3かつＲ2≧Ｌ2 と記述される。図８の平凹キャビティの場合には、Ｒ2＝（無限大）である。
【００８８】
インデックス可変媒質ｎ2 として電気光学エレメント７４を使用することもまた可能である。このようなエレメントは、
−例えば近傍に配置された電磁石を利用することによる外部磁界に対応してインデックスｎ2 が緩和されるような磁気光学材料であるか、あるいは、
−インデックスが外部から印加された温度変化または圧力変化の関数であるような材料であるかのいずれかである。
【００８９】
次に、他の能動的にスイッチングされるレーザーマイクロキャビティの構造について説明する。これは、本発明に組み合わせて使用することができ、すなわち、マイクロレーザーキャビティの基本周波数をファクターｎ（ｎ≧２、例えば周波数の二倍化結晶あるいは三倍化結晶）だけ多倍化し得るキャビティ内材料に組み合わせて使用することができる。
【００９０】
上記構造（図７〜図９に示す二重Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティ）と比較して、また、上記において言及したJ.J.Zayhowski 氏による文献において記載されている構造と比較して、得られたレーザーマイクロキャビティの構造は、ずっと単純であり、能動モードで動作する公知のマイクロレーザー構造の複雑さの問題を解決するものである。加えて、得られた構造は、図７〜図９に関連して説明した参考例と同様に、電気光学材料が適用される際に使用されるべき制御電圧を低減することができる。
【００９１】
この参考例においては、マイクロレーザーキャビティは、Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティを形成する活性レーザー媒質および２つのマイクロミラーを組み込んでいる。前記キャビティは、光学的安定限界にあり、キャビティには、マイクロレーザーキャビティを光学的不安定状態から光学的安定状態へと変化させるために、マイクロレーザーキャビティの光学的長さを変化させるための手段が設けられている。
【００９２】
したがって、新しい能動スイッチングが導入される。というのは、光学的に不安定な状態は、光学的に安定な状態に対して、キャビティ損失が多い状態であるからである。この構造は、公知の構造、特にJ.J.Zayhowski 氏他により記載された構造（既述のように、ただ１つのＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティを有している点を参照されたい）とは、根本的に異なっている。
【００９３】
この参考例は、図１０および図１１に図示されている。ここで、参照符号７２、７３、７４、７８、８０は、図７〜図９において同じ参照符号が与えられているものと、同一のエレメントを示している。参照符号９２は、活性レーザー媒質を示している。参照符号９４、９８は、レーザーのマイクロキャビティの入力ミラーを示している。参照符号９６、１００は、レーザーのマイクロキャビティの出力ミラーを示している。媒質９２および７４は、互いに接触した状態とすることができ、無反射コーティングを、９２−７４間の境界面、および、７４−７８間の境界面に成膜することができる。図１０に示すマイクロレーザーキャビティは、安定限界にある半球状のキャビティである。ただ１つのキャビティが存在し、そのキャビティは、１つのレーザー材料、外部制御電圧により光学的インデックスを変化させ得る他の材料、および、周波数を多倍化し得る材料から構成されている。従来の２つの結合されたキャビティの場合とは違って、これらの材料は、ただ１つのＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティを形成している。２つの材料９２および７４は、固着（bonding） によりあるいは分子接着（molecular ad-hesion）により、接触されることができる。これら２つの材料の接合部分においては、これら２つの材料の光学的インデックスの違いにより、数パーセントの低い反射が起こり得る。しかし、この低い反射により、従来技術において説明したようなシステムの場合には、２つのキャビティを共鳴状態に結合させる目的で、適切な共鳴を得ることはできない。
【００９４】
図１１に示す参考例は、図１０に示す参考例に対して、出力ミラー１００が曲率半径Ｒ２ を有する凹面ミラーである点において相違している。
【００９５】
例えば共焦（confocal）キャビティ（図５に示すように２つの凹面ミラーを備えたキャビティ）、あるいは、半球状キャビティ（図４に示すように平凹面ミラーを備えたキャビティ）を安定限界で作るように、ミラーの特性を決定する必要がある。
【００９６】
半球状キャビティの場合には、安定性は、次式により得られる。
【数２】
【００９７】
共焦キャビティの場合には、安定性は、次式により得られる。
【数３】
最後に、同中心の、あるいは、球形キャビティに対しては、安定性に関する条件は、次式となる。
【数５】
各場合においては、キャビティを安定状態にする目的で、対応する不等式を満足させるために、インデックスｎ2 、インデックスｎ1 、インデックスｎ3 、あるいは、長さＬ1、Ｌ2、Ｌ3 のうちの１つのいずれかを変化させることができる。これらパラメータのうちの１つの変化は、外部制御手段により得ることができる。キャビティの光学的安定状態は、低損失状態に対応しており、また、キャビティの光学的不安定状態は、高損失状態に対応しているので、キャビティを能動的にスイッチングするための新規な手段が設けられる。
【０１００】
図１０および図１１に示す参考例の場合には、電気光学媒質のインデックスｎ２ は、電界を印加することにより変化させられる。
【０１０１】
これに代えて、キャビティの光学長さを変化させるために、電気光学材料７４を以下のものに置き換えることができる。すなわち、
−例えば近傍に配置された電磁石を利用することによる外部磁界に対応してインデックスが変化するような磁気光学材料。
−インデックスｎ2 が圧力に依存し、インデックスの変化が圧力変化により得られるような材料。
【０１０２】
出力ミラーを圧電手段上に設けることにより、キャビティの全体幾何長さを変化させることもまた可能である。これにより、マイクロレーザーキャビティの光学長さの制御された変化を得ることができ、そして、マイクロレーザーキャビティの光学的不安定状態から光学的安定状態への変化が可能とされる。
【０１０３】
半球状、共焦、同中心、あるいは、球状キャビティを使用することにより、電気光学材料７４が使用されたときに、電気光学材料７４の内部において、マイクロレーザービームを集中させることができる。マイクロレーザービームの断面積が低減されることにより、インデックスがｎ2 である材料の厚さを低減させることができる。レーザー材料と共に単一キャビティを形成する電気光学材料が使用されたときには、よって、インデックスｎ2 の緩和のために必要な電界Ｅを得るための接触電極７２、７３間の所要距離を低減させることができる。同じ電界Ｅを得るために電極に印加される電圧は、同じだけ低減される。
【０１０４】
図１０および図１１においては、材料７８は、マイクロキャビティの出力側に設けられている。材料７８は、また、電気光学材料７４と活性レーザー媒質９２との間に組み込むこともでき、その場合には、電気光学材料７４は、マイクロキャビティの出力部分に位置することになる。
【０１０５】
参考例をなすマイクロレーザーは、能動的にスイッチングされるとともに２つの接合されたＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティを有し、かつ、２番目のＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティは電気光学材料を有しているものである。次に、そのような参考例をなすマイクロレーザーを製造するためのプロセスについて説明する。プロセスは、以下の工程を有している。
【０１０６】
１）第１工程においては、１つあるいはそれ以上のキャビティの安定性が満足されるかどうかについて、曲率半径Ｒ1、Ｒ2が計算される。
【０１０７】
２）第２工程においては、レーザー材料プレート、および、電気光学材料（例えば、ＬｉＴａＯ3 ）のようなインデックス可変第２材料プレートの切削および両面同時研磨を行う。
【０１０８】
３）その後、光リソグラフィおよび機械加工により、マイクロミラー（典型的な直径は１００〜５００μｍであって、曲率半径Ｒ1 は１〜２ｍｍ）がレーザービームの入力面上に作られる。この工程は、図１２（ａ）〜図１２（ｅ）に図示されている。第１サブ工程においては（図１２（ａ））、レーザー材料１０５の入力面上に光感応性樹脂コーティング１０３の成膜が行われる。引き続いて、マスク１０４を通してのＵＶ放射による樹脂の照射が行われる（図１２（ｂ））。次なるサブ工程においては（図１２（ｃ））、マイクロミラーを形成するためのエレメント１０６、１０８だけを残して、樹脂の化学的除去が行われる。その後、樹脂のマイクロミラー１１０、１１２を形成するための樹脂のヒートフロー（ heat flow）が行われ（図１２（ｄ））、そして、イオンビーム１１４を使用したレーザー材料１０５の機械加工が行われる（図１２（ｅ））。
【０１０９】
工程４）〜工程９）については、図１３（ａ）を参照して説明する。
【０１１０】
４）この工程では、入力ミラー１０７が、レーザー材料１０５の入力面上に成膜される。
【０１１１】
５）この工程では、レーザー材料の基本周波数をファクターｎ（ｎ≧２）だけ多倍化し得る非線形材料、例えば、非線形ＫＴＰ結晶の成膜を行う。材料は、周波数の多倍化に適用される位相マッチング角度にに合うように配向される。
【０１１２】
６）光リソグラフィおよび機械加工により、マイクロボス１０９（典型的な直径は１００〜５００μｍであって、曲率半径Ｒ2 は１〜２ｍｍ）が、電気光学材料の出力表面上に、あるいは、場合によっては、周波数を多倍化し得る材料上に作られる。出力ミラーが平面状ミラーであるような場合には、電気光学材料の出力表面上に、マイクロボスは形成されない。さらに、出力ミラー（マイクロレンズ）の直径は、入力マイクロミラーの直径よりも小さいものとすることができる。
【０１１３】
７）引き続くこの工程においては、出力マイクロミラー１１３が、電気光学材料または周波数を多倍化し得る材料の出力面上に成膜される。
【０１１４】
８）この第８工程においては、中間ミラー１１５が、レーザー材料−電気光学材料間の境界面、または、レーザー材料−周波数多倍化材料の間の境界面に成膜される。
【０１１５】
９）この工程においては、出力面を樹脂膜１１７により保護する。
【０１１６】
１０）この工程においては、マイクロエレクトロニクスにおいて使用されるダイヤモンドソーを利用して、電気光学材料内に溝１０９（図１３（ｂ））を作ることができ、その結果、所望の間隔で電極を得ることができる。
【０１１７】
１１）引き続くこの工程においては、蒸着による電気接点の成膜（例えば、樹脂１１６および電気光学材料を覆うＣｒ−Ａｕコーティング１２１の成膜）が行われる。
【０１１８】
１２）引き続くこの工程においては、保護樹脂の化学的エッチング（図１３（ｃ））が行われる。
【０１１９】
図１３（ｂ）および図１３（ｃ）は、レーザーマイクロキャビティの出力側に位置しているものが電気光学材料である場合を示している。当業者は、他の構成に対しては、異なる工程の順序を適用することができるであろう。
【０１２０】
１３）サイズが実質的に１ｍｍ2 に等しい基本チップ１２３は、その後、図１３（ｃ）に示したようにカットされる。ここで、参照符号１２５、１２７は、電気光学材料の制御電極を示している。
【０１２１】
１４）チップは、その後、メタライズされたプリント回路基板上に取り付けられる。この場合、メタライズされたプリント回路基板は、インピーダンスマッチングされるとともに、電気コンタクトされたものである。その後、シールドされた筐体内に収容される。
【０１２２】
１５）筐体内に収容された後に、レーザーポンピングダイオード、および、スイッチングのための電気コネクタに接続される。
【０１２３】
次に、ただ１つのＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティを有している参考例としての能動的にスイッチングされるマイクロレーザーの製造方法について説明する。この製造方法は、以下の工程を有している。
【０１２４】
１）第１工程においては、キャビティの安定性限界にあるように、キャビティ内の異なる媒質について、曲率半径および長さが計算される。
【０１２５】
２）〜６）上記プロセスにおける第２工程〜第６工程を参照されたい。
【０１２６】
７）第７工程においては、無反射コーティングが、レーザー材料−電気光学材料間の境界面、または、レーザー材料−周波数多倍化材料の間の境界面に成膜される。このコーティングは、レーザー材料の平面状をなす出力面上に、あるいは、用途に応じて、電気光学材料または多倍化材料の平面状をなす入力面上に成膜することができる。なお、この成膜は、システムの操作に関して、絶対的に不可欠なものではない。
【０１２７】
８）その後、２枚のプレートが、光学的固着、あるいは、例えば分子接着のような他の任意手段を利用して接着される。
【０１２８】
９）〜１５）上記プロセスにおける第９工程〜第１５工程を参照されたい。
【０１２９】
上記のような２つの能動スイッチングの場合（二重キャビティ、あるいは、単一キャビティ）、および、その変形形態の場合においては、密度可変マスクを備えるマイクロミラーを製造することができる。さらに図１４に示すように、マイクロミラー１２９、１３１は、レーザーの波長に対して透明なガラスあるいはシリカのような材料１３３上に作ることができる。マイクロミラーが設けられるこれらの基体は、その後、レーザー媒質１３６の入力面１３５、および、二倍化または三倍化結晶１３８（あるいは、これらのエレメントが入れ替わっている場合には、電気光学材料１３９）の出力面１３７に取り付けることができる。得られた構造は、図１４に示されている。
【０１３０】
なお、すべての公知の種類のレーザー材料（結晶あるいはガラス）を使用することができる。とりわけ、基本波長は、活性イオンの関数として決定されることになり、ＮｄおよびＹｂに対しては１μｍ付近であり、ＥｒおよびＥｒ＋Ｙｂに対しては１．５５μｍ付近であり、そして、ＴｍおよびＨｏに対しては２μｍ付近である。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の周波数二倍式の連続発光型のマイクロレーザーを示す図である。
【図２】既に公知のものであって、可飽和吸収体を備える従来のレーザーキャビティの様々な可能な構成を、それぞれ概略的に示す図である。
【図３】既に公知のものであって、従来の能動的にスイッチングされるスイッチ型マイクロレーザーを概略的に示す図である。
【図４】従来の能動的にスイッチされるスイッチ型マイクロレーザーにおける第１キャビティの活性レーザー媒質から見た第２キャビティの反射率を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態を示す図である。
【図６】可飽和吸収体フィルムの形態とされたスイッチ型デバイスを備える本発明の２つの実施形態をそれぞれ示す図である。
【図７】マイクロレーザーの参考例を示す図であって、二重Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティ内に能動スイッチングデバイスを備えている。
【図８】マイクロレーザーの参考例を示す図であって、二重Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティ内に能動スイッチングデバイスを備えている。
【図９】マイクロレーザーの参考例を示す図であって、二重Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティ内に能動スイッチングデバイスを備えている。
【図１０】マイクロレーザーの２つの参考例を示す図であって、能動モードにおいてスイッチングがなされ、単一のＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティを備えている。
【図１１】マイクロレーザーの２つの参考例を示す図であって、能動モードにおいてスイッチングがなされ、単一のＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティを備えている。
【図１２】参考例をなすマイクロレーザーのための活性固体レーザー媒質上へのマイクロレンズの形成における各工程を示す図である。
【図１３】参考例をなすマイクロレーザーの製造における他の工程を示す図である。
【図１４】さらなる参考例を示す図である。
【符号の説明】
３８ 活性レーザー媒質（媒質または第１活性固体材料）
４４ 可飽和吸収体、キャビティスイッチング手段
４６ 第２光学非線形材料
５２ 活性レーザー媒質（媒質または第１活性固体材料）
５４ 第２光学非線形材料
６０ 可飽和吸収材料フィルム、キャビティスイッチング手段
Claims (5)
- 媒質または第１活性固体材料（３８、５２）と、キャビティスイッチング手段（４４、６０）とを具備してなり、
マイクロレーザーキャビティの基本周波数を整数ｎ（ｎ≧２）だけ多倍化することができる第２光学非線形材料（４６、５４）からなる少なくとも１つのエレメントを、前記キャビティの内部に具備し、
前記キャビティは、可飽和吸収体により受動的にスイッチングされ、
前記可飽和吸収体は、前記固体活性媒質（５２）上に直接的に成膜された可飽和吸収材料フィルム（６０）であることを特徴とするマイクロレーザーキャビティ。 - 前記フィルム（６０）は、ポリマー溶媒中に溶解された有機色素により形成されていることを特徴とする請求項１記載のマイクロレーザーキャビティ。
- 前記有機色素は、ビス（４−ジエチルアミノジチオベンジル）ニッケル、または、ビス（４−ジメチルアミノジチオベンジル）ニッケルの中から選択され、前記溶媒は、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリビニルアルコール、ポリビニルアセテート、あるいは、ポリスチレンの溶液であることを特徴とする請求項２記載のマイクロレーザーキャビティ。
- 前記フィルム（６０）は、液相エピタキシーにより成膜可能であることを特徴とする請求項１記載のマイクロレーザーキャビティ。
- 前記フィルムは、前記固体活性媒質の基本材料と同一の基本材料から形成され、Ｃｒ４＋あるいはＥｒ３＋イオンでドーピングされていることを特徴とする請求項４記載のマイクロレーザーキャビティ。
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