JP4077546B2 - 可飽和吸収体により受動的にスイッチングされる固体マイクロレーザーおよびその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体マイクロレーザー、および、固体マイクロレーザーのためのキャビティに関するものである。さらには、そのようなキャビティの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロレーザーの利点の１つは、多層の積層構造にある。活性レーザー媒質は、１５０〜１０００μｍといった限られた厚さ、および、小さなサイズ（数ｍｍ²） の材料により構成されている。この媒質上には、直接的に、誘電性キャビティミラーが成膜される。この活性媒質は、マイクロレーザー上に直接組み付けられた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たIII−Vレーザーダイオードにより、ポンピングすることができる。マイクロエレクトロニクス的手段を使用した集中生産ができれば、そのようなマイクロレーザーを、非常に安価に大量生産することができる。
【０００３】
マイクロレーザーは、車産業、環境、科学計測、および、遠隔制御と同じくらい幅広い分野において、多数の応用を有している。
【０００４】
通常、公知のマイクロレーザーは、数十ｍＷのパワーで、連続的に発光する。しかしながら、上記応用の大部分は、１０^-8〜１０^-9秒にわたって供給される数ｋＷのピークパワー（瞬時パワー）を要求する。この場合、平均パワーは、数十ｍＷである。固体レーザーにおいては、そのような高ピークパワーは、固体レーザーを１０〜１０⁴ Ｈｚの周波数のパルスモードで動作させることにより得ることができる。この目的のために、例えばＱスイッチのような、周知のスイッチング方法が使用される。
【０００５】
さらに詳細には、レーザーキャビティのスイッチングに際しては、時間的に変化するロスが導入される。この時間的に変化するロスは、一定時間の間にわたってレーザー効果を阻止する。この間、ポンピングエネルギーは、ゲイン材料において励起レベルに貯蔵される。このようなロスは、意図した瞬間において、突然減少する。これにより、貯蔵されたエネルギーが、非常に短い時間に供給される（巨大パルス）。このようにして、高ピークパワーが得られる。
【０００６】
いわゆる能動スイッチングの場合には、ロスの値は、使用者により（例えば、光学的手段、音響光学的手段、または、回転キャビティミラーを使用して、ビームの経路またはビームの偏向状態のいずれかを変更することにより）外部から制御される。貯蔵時間、キャビティの開放時間、および、繰返し率（repetition rate）は、個別に選択することができる。しかしながら、この方法は、エレクトロニクスの適用を必要とし、レーザーシステムを複雑なものとしてしまう。能動的にスイッチングされるマイクロレーザーは、欧州特許７２４ ３１６に記載されている。
【０００７】
いわゆる受動スイッチングの場合には、キャビティ内には、可飽和吸収体（Ｓ．Ａ．）として公知の材料の形態で、様々なロスが導入される。可飽和吸収体は、レーザー波長において大いに吸収性であり、低パワー密度である。可飽和吸収体は、パワー密度がＳ．Ａ．飽和強度と称されるあるしきい値を超えたときには、実質的に透明となる。
【０００８】
受動的にスイッチングされるマイクロレーザーは、欧州特許６５３ ８２４に記載されている。
【０００９】
この文献は、
−エルビウム（Ｅｒ）がドーピングされた、または、エルビウム−イッテルビウム（Ｅｒ−Ｙｂ）がコドーピングされた、Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂、ＬａＭｇＡｌ₁₁Ｏ₁₉、ＹＶＯ₄、 Ｙ₂ＳｉＯ₅、ＹＬｉＦ₄、 あるいは、ＧｄＶＯ₄ の中から選択されたベース材料により構成することができる固体活性媒質と、
−液相エピタキシーにより固体活性媒質上に直接的に成膜されるとともに、固体活性媒質のベース材料と同じベース材料から構成されてＥｒ³⁺イオンがドーピングされた可飽和吸収体と、
を備えたマイクロレーザーについて、詳細に開示している。
【００１０】
このマイクロレーザーは、約１．５μｍの波長において発光を得ることができる。このような発光波長は、とりわけ光学的通信の分野においては、重要である。この分野における特定の応用に関しての多様性は、この波長で発光し得るあるいはこの波長に近似した波長で発光し得る他のマイクロレーザー源を要求することがある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
Ｍ．Ｂ．Ｃａｍａｒｇｏ氏他による Optics Letters, vol.20, No.3, pp339-341, 1995における”Co²⁺:YSGG saturable absorber Q-switch for infrared erbium lasers”と題する文献中には、Ｃｏ²⁺：Ｙ₃Ｓｃ₂Ｇａ₃Ｏ₁₂からなる可飽和吸収体およびＣｏ²⁺：Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂からなる可飽和吸収体を利用して受動的にスイッチングされるレーザーが開示されている。すなわち、Ｃｏ²⁺でドーピングされたＹＡＧまたはＹＳＧＧをベースとする可飽和吸収体である。しかしながら、化合物の中性を維持するために、２⁺ イオンの導入に際しては、基板を４⁺ イオン（４回正に帯電されている）で電荷補償する必要がある。この電荷補償の問題は、Ｍ．Ｂ．Ｃａｒｍａｇｏ氏他による文献に記載された結晶がまず固体で製造され、その後、部分にカットされるという点において、解決が困難である。さらに、上記文献に記載されている結晶製造方法（チョクラルスキー法）においては、安定性の問題から、マトリクス中に導入し得るドーパント濃度に制限がある。最後に、上記文献は、大きな繰返し率で動作するための具体的な構成を、何ら与えてはいない。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、１．５μｍを超える赤外範囲における少なくとも１つの波長で発光するとともに受動スイッチングプロセスによってパルスビームを供給する、一体型固体マイクロレーザーに関するものである。このようなデバイスは、好ましくは、大きな繰返し周波数で動作する。マイクロレーザーは、少なくとも２つの材料から、とりわけ、固体活性媒質と可飽和吸収体媒質とから、形成される。ここで、可飽和吸収体媒質は、可飽和吸収体として機能する、すなわち、自己変調型のロス変調器として機能する。
【００１３】
本発明は、−少なくとも１．５〜１．６μｍの波長範囲で発光する固体活性媒質と、−ＣａＦ_２：Ｃｏ^２＋、あるいは、ＭｇＦ_２：Ｃｏ^２＋、あるいは、ＳｒＦ_２：Ｃｏ^２＋ 、あるいは、ＢａＦ_２：Ｃｏ^２＋、あるいは、Ｌａ_０．９Ｍｇ_{０．５−ｘ}Ｃｏ_ｘＡｌ_{１１．４３３}Ｏ_１９、あるいは、ＹＡｌＯ_３：Ｃｏ^２＋ 、あるいは、Ｙ_３Ａｌ_{５−ｘ−ｙ}Ｇａ_ｘＳｃ_ｙＯ_１２：Ｃｏ^２＋、あるいは、Ｙ_３Ａｌ_{５−ｘ−ｙ−２ｚ} Ｇａ_ｘＳｃ_ｙＣｏ_ｚＳｉ_ｚＯ_１２、あるいは、Ｙ_３−ｘＬｕ_ｘＡｌ_５Ｏ_１２：Ｃｏ^２＋、 あるいは、Ｙ_３−ｘＬｕ_ｘＡｌ_５−２ｙＣｏ_ｙＳｉ_ｙＯ_１２ 、の組成を有する可飽和吸収体と、を具備するマイクロレーザーキャビティに関するものである。これらすべての可飽和吸収体組成であると、例えば分子ビームエピタキシーやゾル−ゲル法によって、薄膜の形態で可飽和吸収体部材を得ることができる。フィルムは、固体状の場合よりも、容易に押圧することができる。
【００１４】
さらに、ＣａＦ₂：Ｃｏ²⁺、ＭｇＦ₂：Ｃｏ²⁺、ＳｒＦ₂：Ｃｏ²⁺ 、ＢａＦ₂： Ｃｏ²⁺、あるいは、Ｌａ_0.9Ｍｇ_0.5-xＣｏ_xＡｌ_11.433Ｏ₁₉ の組成の場合には、ドーパントとしてコバルトを導入した場合であっても、電荷補償を行う必要がない。したがって、可飽和吸収体は、例えば１〜２００μｍの厚さ（例えば５〜１５０μｍ）のフィルムとして得ることができる。
【００１５】
マイクロレーザーの一面に、マイクロレンズを設けることができる。マイクロレンズは、キャビティを安定化させることができ、マイクロの動作しきい値を低下させることができる。
【００１６】
可飽和吸収体は、増幅媒質すなわち固体活性媒質に対して、次のような様々な方法で結合することができる。
−光学的接着剤または樹脂ビーズを使用した組立。
−フィルムの形態（例えば、Ｃｏ²⁺がドーピングされたゾル−ゲルフィルム、または、Ｃｏ²⁺がドーピングされたエピタキシーフィルム）での成膜。
−まず、レーザー材料ではない基板に対して成膜を行い、次に、この基板ごと増幅媒質に対して組み付け、その後、基板を除去する、といったような、上記２つの方法の組合せ。この場合、基板は、マイクロレーザーキャビティの一方のミラーを予め有していても良い。
【００１７】
よって、可飽和吸収体は、以下のような異なるタイプの材料とすることができる。
−可飽和吸収体イオンがドーピングされた結晶（例えば、Ｃｏ²⁺がドーピングされたＬＭＡ）。
−例えば、応力性が適合したマトリクスをなすレーザー結晶上に液相エピタキシーによって成膜された、可飽和吸収体イオンがドーピングされた単結晶フィルム（例えば、ＬＭＡ：Ｃｏ²⁺、あるいは、ＣａＦ₂：Ｃｏ²⁺、あるいは、ＭｇＦ₂：Ｃｏ²⁺、あるいは、ＳｒＦ₂：Ｃｏ²⁺ 、あるいは、ＢａＦ₂：Ｃｏ²⁺）。
−レーザー材料上に成膜されるとともに、Ｃｏ²⁺可飽和吸収性イオンがドーピングされた、ゾル−ゲルフィルム。
【００１８】
本発明によるマイクロレーザーまたはマイクロレーザーキャビティは、大きな繰返し周波数（≧１００または２００Ｈｚ）で動作することができる。
【００１９】
本発明は、また、上記のようなデバイスの製造方法に関するものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、添付図面を参照して、非制限的な実施形態を例にとって、詳細に説明する。
【００２１】
図１は、本発明によるマイクロレーザーを概略的に示す図である。
図２は、本発明による他のマイクロレーザー構造を概略的に示す図である。
図３および図４は、本発明によるマイクロレーザーの製造ステージにおける構造を示す図である。
【００２２】
本発明によるマイクロレーザーまたはマイクロレーザーキャビティは、図１に示されており、固体活性媒質２および可飽和吸収体４を備えている。これら２つの部材は、レーザーキャビティをシールしている２つのミラー６、８の間に配置されている。参照符号１０は、キャビティ全体を示しており、符号１２および１４は、それぞれ、マイクロレーザーキャビティのポンピングビーム、および、発光ビームを示している。
【００２３】
本発明によるマイクロレーザーは、図示されていないキャビティポンピング手段と組み合わされている。
【００２４】
活性媒質２の構成材料は、例えば、約１．５μｍのレーザー発光に対しては、エルビウム（Ｅｒ）でドーピングされている。この材料は、例えば、ＹＡＧ（Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂）、ＬＭＡ（ＬａＭｇＡｌ₁₁Ｏ₁₉）、ＹＳＯ（Ｙ₂ＳｉＯ₅）、ＹＳＧＧ（Ｙ₃Ｓｃ₂Ｇａ₃Ｏ₁₂）、 ＧｄＶＯ₄、 ＳＹＳ（ＳｒＹ₄（ＳｉＯ₄）₃Ｏ）、 ＣＡＳ（Ｃａ₂Ａｌ₂ＳｉＯ₇）、 等の中から選択することができる。この選択は、いくつかの選定基準に基づいて行われるが、想定される応用にも依存する。このような選定基準には、次のようなものを挙げることができる。
−制限された材料厚さ（＜１ｍｍ）を維持したままポンピング効率を高めるために、ポンピング波長（例えば、約９８０ｎｍで発光するIII−Vレーザーダイオード）における吸収係数が大きいこと。
−レーザーダイオードの波長安定性の問題を解決して、レーザーポンピングダイオードの選択および電気的制御を単純化するために、ポンピングビームの波長における吸収バンドが広いこと。
−高効率および高出力パワーを得るために、実効誘導発光断面積が大きいこと。
−単一周波数レーザーを容易に得るために発光バンド幅が狭いこと、あるいは逆に、周波数選択可能レーザー発光を得るために発光バンド幅が広いこと。
−材料の機械加工を単純化するために、また、ポンピングの吸収によって発生する熱を良好に排出することによる不利な熱効果を制限するために、熱的機械的特性が良好であること。
−高エネルギー貯蔵のために励起状態での寿命が長いこと、あるいは、高速スイッチングのために寿命が短いこと。
−１つのレーザー結晶でもって最大数のマイクロレーザーを同時にかつ集中的に製造し得るよう、大きなサイズの材料とし得ること。
【００２５】
一般に、上記選定基準のすべてを同時に満たす公知材料は存在しない。しかしながら、公知材料の中で、特にＮｄ³⁺ドーピングの場合に、マイクロレーザーの動作に特に適用される材料としては、次のようなものがある（数百マイクロ秒の程度の寿命をもつもの）。
−ＹＶＯ₄。 この材料は、良好な吸収係数、広い吸収バンド、良好な実効誘導発光断面積を有している。しかし、熱伝導度が小さく、小さなサイズでしか得られず、また、脆性を有している。
−ＹＡＧ。この材料は、吸収係数および実効誘導発光断面積が平均的であり、発光および吸収バンド幅が狭い。しかし、大きなサイズで利用でき、良好な熱伝導度を有している。
−ＬＭＡ。この材料は、吸収係数および実効誘導発光断面積が小さい。しかし、発光および吸収バンド幅が広く、大きなサイズで利用できる。しかし、熱伝導度が小さい。
【００２６】
他の可能な材料は、エルビウム（０．５〜０．９％の酸化物のドーピング）およびイッテルビウム（１５〜２０％の酸化物のドーピング）でドーピングされたリンガラス（phosphate glass）である。
【００２７】
１．５μｍおよびそれ以上の発光に対しては、例えば、エルビウム（Ｅｒ）またはクロム（Ｃｒ）またはエルビウム−イッテルビウムコドーピング（Ｅｒ＋Ｙｂ）またはエルビウム−イッテルビウム−セリウムコドーピング（Ｅｒ＋Ｙｂ＋Ｃｅ）といった活性イオンが選択される。エルビウムだけを使用したドーピングと比較して、Ｅｒ＋Ｙｂのコドーピングは、ポンピングエネルギーを、より多く吸収することができる。この場合、Ｙｂイオンは、ポンピングビームを吸収して、その吸収したエネルギーをＥｒイオンへと転送する。
【００２８】
エルビウムがドーピングされた材料は、１．５μｍ付近の波長に発光バンドを有している。このバンドは、幅が広く、ガラスの場合には、２５ｎｍの幅となる。このバンドは、エルビウムイオンでドーピングされたマトリクスの関数として、多少、広くしたり、変位させたりすることができる。よって、ＹＡＧの場合には、バンドは、１．６４μｍ付近を中心としている。
【００２９】
レーザーにおいては、エルビウムイオンは、正確な発光波長を有している。ただし、その発光波長は、上記バンド内において変化する。よって、Ｅｒ−Ｙｂでドーピングされたガラスの場合には、１．５３〜１．５８μｍの波長が観測されている。これは、レーザーの正味のゲインがポンピングパワーにより変化することおよびゲインの最大値が変位することによって説明される。
【００３０】
正味のゲインは、増幅媒質のゲインから、吸収によるロスを差し引くことにより、得られる。エルビウムイオンは、３準位レーザーシステムをもたらす。このことは、レーザー媒質が波長においてゲインを有していることのみならず、レーザー媒質がその同じ波長において吸収によるロスを有していることも意味している。レーザーが動作する際には、レーザー媒質の部分において、ロスもゲインも同時に存在している。しかしながら、これら２つの現象は、動作波長の関数として、強度を変化させるものである。これらは、レーザーのパラメータにも依存する。よって、ある状況下（ポンピングパワー、レーザー材料の長さおよび密度、ミラーの透過性、および、キャビティのロスにより決められる）においては、正味のゲインが、与えられた波長に対する他の状況よりも小さくなることが起こり得る。他の状況においては、最大の正味ゲインを示す波長が変化する。特に、ポンピングパワーを変化させることにより、最大ゲイン波長を変化させることができる。
【００３１】
活性媒質２の厚さｅに関する詳細については、欧州特許６５３ ８２４を参照することができる。この文献中には、単一モード動作に関してのレーザー媒質の典型的な厚さが、また、厚さとモード数との関係が、与えられている。
【００３２】
可飽和吸収体は、次のような化合物の中から選択することができる。
【００３３】
−コバルトがドーピングされたＣａＦ₂（ＣａＦ₂：Ｃｏ²⁺）、あるいは、同族化合物：ＭｇＦ₂：Ｃｏ²⁺、ＳｒＦ₂：Ｃｏ²⁺、ＢａＦ₂：Ｃｏ²⁺。
【００３４】
−例えば０．１％よりも多く（例えば０．３または０．１５％）かつ１％よりも少ない（例えば０．４％）濃度で、コバルトがドーピングされたＬＭＡ（ＬａＭｇＡｌ₁₁Ｏ₁₉）系化合物。Ｌａ_0.9Ｍｇ_0.5Ａｌ_11.433Ｏ₁₉の組成のＬＭＡに対して０．３％のＣｏ²⁺をドーピングすると、ドーピング後における組成は、Ｌａ_0.9Ｍｇ_0.4985Ｃｏ_0.0015Ａｌ_11.433Ｏ₁₉ となる。ドーピング後の材料の一般式は、Ｌａ_0.9Ｍｇ_0.5-xＣｏ_xＡｌ_11.433Ｏ₁₉ である。理論通りの組成のＬＭＡ（ＬａＭｇＡｌ₁₁Ｏ₁₉という組成）の材料から始めることもでき、この場合のドーピング後の組成は、ＬａＭｇ_1-xＣｏ_xＡｌ₁₁Ｏ₁₉となる。この付近で組成をある程度変化させることが可能である。
【００３６】
−コバルトがドーピングされた、ＹＡＰ化合物（すなわち、ＹＡｌＯ₃：Ｃｏ²⁺ ）。
【００３７】
−Ｙ₃Ａｌ_5-2xＣｏ_xＳｉ_xＯ₁₂ の組成を有する、Ｃｏ²⁺がドーピングされたＹＡＧ。Ｓｉ⁴⁺イオンは、電荷補償を行うことができる。
【００３８】
−ＹＡＧをベースとしてＣｏ²⁺がドーピングされた固溶体。このマトリクスは、ＹＡＧから派生したガーネットである（Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂）。アルミニウム（Ａｌ）イオンは、ガリウム（Ｇａ）イオンまたはスカンジウム（Ｓｃ）イオンにより、順次置換される（Ｙ₃Ａｌ_5-x-yＧａ_xＳｃ_yＯ₁₂）。他の可能な固溶体は、イットリウムを、ルテチウムで置換することにより得られ、その組成は、Ｙ_3-xＬｕ_xＡｌ₅Ｏ₃である。これもＣｏ²⁺でドーピングすることができる。ドーピング後の材料の組成は、それぞれ、Ｙ₃Ａｌ_5-x-y-2zＧａ_xＳｃ_yＣｏ_zＳｉ_zＯ₁₂ 、および、Ｙ_3-xＬｕ_xＡｌ_5-2yＣｏ_yＳｉ_yＯ₃である。
【００３９】
これらすべての材料において、コバルトは、１．５μｍ付近に広い吸収バンドを有している。このバンドの幅およびその波長位置は、マトリクスに依存する。しかし、バンドは、常に１．５μｍ付近のままであり、少なくとも１．５〜１．６μｍである。
【００４０】
すべての化合物において、Ｃｏ²⁺イオンは、選択されたマトリクスにおいて、いくぶん容易に、交換される。ＬＭＡに関しては、Ｍｇ²⁺イオンを含有するこの材料は、電荷補償なしに、コバルトイオンで置換することができる。同じ状況は、ＣａＦ₂、ＭｇＦ₂、ＳｒＦ₂、および、ＢａＦ₂においても、またＡＳＬにおいても起こる。他の化合物については、電荷補償を行う。
【００４１】
上記すべての材料は、また、例えば、液相または分子ビームエピタキシーにより、あるいは、ゾル−ゲル法により、薄膜の形態で成膜することができる。
【００４２】
これら化合物は、また、チョクラルスキー引上（これに関しては、例えば１９９０年１１月１２日のParis VI University, pp 43-48 におけるＣ．Ｂｏｒｅｌ氏の説を参照することができる）により、固体の形態で得ることができる。
【００４３】
分子ビームエピタキシーは、例えば１９９４年４月２８日のINSA Toulouse, pp 57-60,64-76におけるＥ．Ｄａｒａｎ氏の説に記載されている。
【００４４】
ゾル−ゲル法は、SPIE, vol. 1794, Integrated Optical Circuits, p 303, 1992という文献に記載されている。
【００４５】
欧州特許６５３ ８２４は、液相エピタキシーによる可飽和吸収体フィルムの製造方法に関しての詳細な情報を記載している。例えば、コバルトがドーピングされたフィルムを得るに際しては、次の化合物を備えたバスを使用することができる。すなわち、
−Ｐｂ／Ｂ：１２
−Ａｌ／Ｙ＝４（Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂相の形成）
−コバルトが容易にアルミニウムと置換することにより、出発時点においてＡｌ／Ｃｏ＝１０
【００４６】
コバルトの２価イオン（Ｃｏ²⁺）を得るために、酸化状態のシリコンＳｉＯ₂ が、バス中に導入される。シリコンは、Ｓｉ⁴⁺によってＣｏ²⁺の電荷を補償し、２個のアルミニウムイオンＡｌ³⁺と置換する。シリコンのモル濃度は、コバルトのモル濃度と同じである。
【００４７】
薄膜の形態（ゾル−ゲルフィルム、あるいは、エピタキシーフィルム）においては、可飽和吸収体フィルムの厚さは、固体状可飽和吸収体の場合よりも、ずっと薄くすることができる。よって、レーザー動作のための適正な吸収係数を得るためには、数ミクロンから約百ミクロンで十分である。したがって、このような制限された厚さのために、マイクロレーザーの全体寸法は、小さいままである。とりわけ、レーザー媒質がフィルムの成膜のための基板として機能している場合には、マイクロレーザーの全体寸法は、小さいままである。
【００４８】
付加的に、また、Ａ．Ｅｄａ氏他によるCLEO'92, paper CWG33, p282(Conf. on Laser and Electronics, Anaheim, USA, May 1992) という文献において説明されているように、レーザー媒質の表面の透明材料（シリカ、等）において、マイクロレンズのアレイを製造することができる。このようなマイクロレンズの典型的な寸法は、直径が百〜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。このようなマイクロレンズは、平面−凹面タイプからなる”安定”キャビティの製造のために使用される（”平面−平面”キャビティは、安定ではない）。光学的ポンピングの場合には、マイクロレンズは、また、ポンピングビームの焦点合わせを行うことができる。
【００４９】
レーザーキャビティの完成品を得るために、１つまたは複数の可飽和吸収体層を備えた活性媒質が、２つのミラー６、８間に配置される。公知プロセスによって成膜された入力ミラーは、好ましくは、二色性ミラー（レーザー波長において最大反射（１００％にできるだけ近い）を有するとともに、ポンピング波長（通常、Ｅｒがドーピングされた材料に対しては、約９８０ｎｍ）において最大透過（＞８０％）を有する）である。出力ミラーは、また、二色性タイプである。しかし、出力ミラーは、レーザービームを数％透過させることができる。
【００５０】
そのような構造の利点は、自明である。つまり、異なる部材どうしの光学的軸合わせが不要であるということである。また、活性媒質が活性レーザーイオンと可飽和吸収体イオンとでコドーピングされるといった構造に関連する問題点を避けることができる。すなわち、活性媒質と可飽和吸収体媒質とが分離されていることにより、これら２つの媒質の厚さやイオン濃度を、互いに独立に選択して規定することができる。よって、同じものに対して、設計の自由度が増大する。
【００５１】
そのようなキャビティのポンピングは、好ましくは、光学的ポンピングである。そこで、９８０ｎｍのレーザーダイオードが、想定される波長範囲に対しては、好適である。
【００５２】
マイクロレーザーキャビティは、ポンピング用レーザーダイオードを収容ことを意図した機械的ボックス内に配置することができる。また、一方はマイクロレーザーキャビティのためのボックス、他方はポンピング用レーザーダイオードのためのボックス、といった２つの個別のボックスを準備することもできる。この場合、両方のボックスは、各ボックスに設けられたコネクタを利用して、光ファイバによって接続される。このような構成は、欧州特許６５３ ８２４に図示されている。
【００５３】
本発明は、また、上記のようなマイクロレーザーキャビティの製造方法に関するものである。この製造は、すべてのステージが大量生産に適合した、以下のステージにより行うことができる。本方法は、可飽和吸収体のタイプに応じて、異なる。可飽和吸収体は、レーザー材料上に成膜されたフィルムの形態（ケースＡ）、薄いストリップの形態とされかつレーザー材料に連結された固体材料の形態（ケースＢ）、または、これら２つの技術の組合せすなわち中性基板（例えば、シリカ）上へのフィルム成膜およびレーザー材料への組付（ケースＣ）、とすることができる。この場合、基板は、公知のマイクロエレクトロニクス的方法（例えば、中間リフトオフ層のエッチング）を使用して除去することができる。
【００５４】
以下のステージは、上記方法において区分することができる。
【００５５】
１）第１ステージにおいては、活性レーザー材料を選択する。異なる可能な材料（ＹＶＯ₄、 ＹＳＯ、ＹＡＧ、ＬＭＡ、等）、および、これら材料の選定基準については、既に説明した通りである。
【００５６】
２）第２ステージは、選択されたレーザー結晶を調節するというステージである。レーザー結晶が配向され、例えば直径が２５ｍｍ、厚さが０．５〜５ｍｍのストリップにカットされる。異方性結晶材料の場合には、結晶軸に応じてカットされる。カットには、例えば、ダイヤモンドブレードソーを使用することができる。
【００５７】
３）第３ステージにおいては、次のような２つの目的をもって、上記ストリップを研磨する。
−１つの目的としては、カッティングに起因する表面硬化層を除去することである。
−他の目的としては、ストリップの厚さを、マイクロレーザーの仕様をわずかに超える程度とすることである。活性媒質の厚さは、ある種のマイクロレーザー特性（スペクトルの幅、および、長さ方向モードの数）を規定するパラメータである。最終厚さに近い厚さにまで研磨されたストリップは、さらに、光学的品質にまで、両面が精密研磨される。
【００５８】
４）このステージにおいては、可飽和吸収体を作製する。
【００５９】
上述のように、可飽和吸収体の異なるタイプに対応して、いくつかのタイプの作製方法を行うことができる。
【００６０】
〔４Ａ．可飽和吸収体フィルムの成膜（図１の構成）〕
４Ａ１）成膜されるべき材料の化学的処理（例えば、Ｑ．Ｈｅ氏他によるSPIE, vol. 1794, Integrated Optical Circuits II, p 303, 1992 における”Rare Earth Doped Aluminium Phosphate Sol-Gel Films” という文献に記載されている方法を使用したゾル−ゲルの前駆体形成用コロイド溶液の調製、あるいは、上記Ｅ．Ｄａｒａｎ氏の説（p.68）を参照したエピタキシーおよび分子ビームエピタキシーのための溶融バスの調製）。
【００６１】
４Ａ２）公知の特定のプロセスによるフィルムの形態での材料の成膜（例えば、ゾル−ゲル前駆体コロイド溶液からの成膜、可飽和吸収体材料の液相エピタキシーによる成膜、および、分子ジェットエピタキシーによる成膜）。
【００６２】
４Ａ３）成膜プロセスによって形成されたすべての表面粗さを除去するための、また、成膜されたフィルムの厚さを、マイクロレーザー動作に対する所望厚さとするための、ストリップの再研磨（１〜２００μｍの厚さ、例えば、１０、５０、１００、１５０μｍ）。
【００６３】
４Ａ４）微小光学部材に関する上記従来技術による、研磨済表面に対する空間的微小表面のエッチング。このステージは、付加的には、可飽和吸収体の成膜に先立って行うことができる。
【００６４】
４Ａ５）例えば冷たい状態での、プレート上への二色性入力および出力ミラーの成膜。入力および出力ミラーは、二色性複数層の成膜により得られた二色性ミラーであることが好ましい。
【００６５】
ステージ４Ａ４は、高温で行われかつ微小表面を破壊しかねない液相エピタキシーの場合を除いては、ステージ４Ａ１、４Ａ２、４Ａ３の前または後に行うことができる。空間的表面の微小エッチング（４Ａ４）は、フィルム成膜ステージの前または後に行うことができる。
【００６６】
〔４Ｂ．固体状可飽和吸収体〕
図２の構造においては、図１と同じ部材については、同じ符号が付されている。可飽和吸収体は、符号１８で示されている。
【００６７】
４Ｂ１）例えばチョクラルスキー引上によって準備された、可飽和吸収体材料のカット。
【００６８】
４Ｂ２）プレートの両面（プレーナの場合には、平行な両表面）の研磨。
【００６９】
４Ｂ３）４Ａ５に記載した方法を使用した、レーザー材料上への入力ミラーの成膜、および、可飽和吸収体上への出力ミラーの成膜。あるいは逆に、レーザー材料上への出力ミラーの成膜、および、可飽和吸収体上への入力ミラーの成膜。
【００７０】
４Ｂ４）例えば、圧力下での接着（参照符号２０は、接着フィルムを示している）による、あるいは、１９９６年７月１７日の仏国特許出願９６ ０８９４３に記載されている方法（緊密な接触または分子接着による組立）による、レーザー材料ストリップと可飽和吸収体材料ストリップとの組立。この場合、ミラーがアセンブリの外側に位置するようにする。
【００７１】
〔４Ｃ．組合せ技術〕
このケースは、図３および図４に図示されている。図３の場合には、可飽和吸収体４は、上記のタイプのフィルム成膜方法により、ミラーフィルム８上に、また、基板２６上にさえ、予め作製されている。基板２６は、レーザービームの発光波長において透明とすることができ、この場合には、基板２６を除去する必要はない。可飽和吸収体４−ミラー８−基板２６からなるアセンブリは、その後、活性レーザー媒質２に対して、接着性コーティング３０により、組み立てられる。
【００７２】
図４の場合には、可飽和吸収体４は、エッチングされるべきものであって基板２８上に形成されているリフトオフ層２４上に、作製されている。このアセンブリは、接着性コーティング２２を利用して、増幅媒質２に対して連結される。その後、層２４をエッチングする。これにより、基板２８を除去することができる。そして、上記と同様にして、ミラーを形成する。
【００７３】
以降は、以下のような共通ステージである。
【００７４】
５）ダイヤモンド円環ソー（マイクロエレクトロニクスにおいて使用されるのと同じもの）を使用して、約１ｍｍ² の個別のマイクロチップへとカットする。
【００７５】
６）マイクロレーザーに対して、ポンピング用ダイオードを接続する。
【００７６】
上述のように、これら２つの方法を混合することも可能である。可飽和吸収体部分をレーザー材料に対して組み付け、その後、成膜用基板を除去するために、従来より周知のリフトオフのような、除去方法が使用される。
【００７７】
〔性能例〕
ＬＭＡ：Ｃｏ結晶が製造され、０．３％のＣｏ²⁺でドーピングされた。Ｃｏ²⁺の量は、Ｌａ_0.9Ｍｇ_0.5Ａｌ_11.433Ｏ₁₉の組成のＬＭＡにおいて、Ｍｇ²⁺を置換するための量である。コバルトドーピングにより、組成は、Ｌａ_0.9Ｍｇ_0.4985 Ｃｏ_0.0015Ａｌ_11.433Ｏ₁₉となる。
【００７８】
結晶は、＜１００＞に配向している。この結晶が、直径５ｍｍの薄板へとカットされた。異なる厚さのもの、すなわち、５００、７５０、および、１０００μｍのものが、作製された。できるだけプレーナでありかつ平行な２つの面を得るために、薄板の両面が研磨される。これら薄板は、レーザー材料をなすＹｂ−Ｅｒがドーピングされたガラス薄板に対して機械的に組み付けられる。そして、２つのミラーが設けられて、レーザーキャビティが形成される。両ミラーは、ここでの使用波長である１．５μｍで動作するよう設計されている。使用されるガラス：Ｅｒ、Ｙｂは、Ｋｉｇｒｅ，ＵＳＡより入手した材料である。これは次のようなＥｒおよびＹｂの組成を有している。すなわち、０．６〜０．８ｗｔ％の酸化エルビウム、および、２０ｗｔ％の酸化イッテルビウムである。０．５、０．７５、１ｍｍ厚さのガラス薄板が使用され、２つのプレーナかつ平行な面を得るために、研磨された。
【００７９】
キャビティは、９８０ｎｍ付近で発光するレーザーダイオード（Ｓｐｅｃｔｒａ Ｄｉｏｄｅ Ｌａｂｓ，ＵＳＡより入手した）によりポンピングされる。
【００８０】
得られた典型的な結果は、
−繰返し周波数：１〜５０ｋＨｚ、
−パルス持続時間：５〜２０ｎｓ、
−平均パワー：１０〜２０ｍＷ、
−パルスエネルギー：５〜１０ｎＪ、
である。
【００８１】
０．３％に代えて、０．１５％のドーピング量とした他のＬＭＡ：Ｃｏ材料においては、より大きな周波数（１００ｋＨｚおよびそれ以上）を得ることさえ、できた。
【００８２】
上記製造方法であると、大きなスケールでマイクロレーザーを製造することができる。したがって、低コストで製造することができる。これは、車等の分野における応用に際しては、重要である。加えて、そのようにして得られたマイクロレーザーは、既述した利点を有している。とりわけ、一体型であって、使い勝手がよいことである。というのは、一体型のものの製造に際しては、レーザーの自己軸合わせが可能であり、光学的なセッティングや軸合わせが不要であるからである。さらに、本発明によるマイクロレーザーであると、大きな繰返し周波数（２００Ｈｚおよびそれ以上）を得ることができる。
【００８３】
マイクロレーザーの可能な産業的応用の中で、レーザー遠隔制御、レーザー微細加工およびマーキング、レーザー注入（パワーレーザーの場合）、汚染物質の検出、科学および医療計測、等、を参照することができる。
【００８４】
さらに、集中生産という利点およびそれに基づく低コスト生産という利点に加えて、マイクロレーザー技術と微小光学技術とを組み合わせることにより、
−マイクロレーザーの性能特性を向上させることができ、
−例えば、２Ｄネットワーク（付加的にはアドレス可能な）の構築、マイクロライダー（風速、汚染物質等の遠隔検出）、車のための障害物検出、レーザー遠隔計測、コンパクトで低コストなレーザーマーキング装置といった、特別の応用を意図した光学的マイクロシステムを製造することができる。
【００８５】
これら応用のうち、特に、マーキング、マイクロライダー、障害物検出、遠隔計測、等には、大きなピークパワーが要求され、そのため、スイッチング動作が必要とされる。本発明によるマイクロレーザーは、このような応用に好適に適用できる。
【００８６】
遠隔計測の製造に関しては、本発明によるマイクロレーザーは、例えば、欧州特許７０６ １００、あるいは、１９９６年３月１日の仏国特許出願９６ ０２６１６に記載されているように、時間間隔の持続時間を計測するためのデバイスと組み合わせることができる。デバイスは、また、対象物により反射された光パルスを受光するための手段、このパルスの受光時点を検出するための手段、および、マイクロレーザーからのパルスの発光時点を検出するための手段を備えている。そのような遠隔計測は、衝突を避けるために、あるいは、見通しの悪いときに車の運転性を補助するために、車に搭載することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるマイクロレーザーを概略的に示す図である。
【図２】 本発明による他のマイクロレーザー構造を概略的に示す図である。
【図３】 本発明によるマイクロレーザーの製造ステージにおける構造を示す図である。
【図４】 本発明によるマイクロレーザーの製造ステージにおける構造を示す図である。
【符号の説明】
２ 固体活性媒質
４ 可飽和吸収体
６ 入力ミラー
８ 出力ミラー
１０ マイクロレーザーキャビティ
１６ マイクロレーザーキャビティ
１８ 可飽和吸収体

Claims (21)

1. −少なくとも１．５〜１．６μｍの波長範囲で発光する固体活性媒質と、
   −ＣａＦ_２：Ｃｏ^２＋、あるいは、ＭｇＦ_２：Ｃｏ^２＋、あるいは、ＳｒＦ_２：Ｃｏ^２＋ 、あるいは、ＢａＦ_２：Ｃｏ^２＋、あるいは、Ｌａ_０．９Ｍｇ_{０．５−ｘ}Ｃｏ_ｘＡｌ_{１１．４３３}Ｏ_１９、あるいは、ＹＡｌＯ_３：Ｃｏ^２＋、 あるいは、Ｙ_３Ａｌ_{５−ｘ−ｙ}Ｇａ_ｘＳｃ_ｙＯ_１２：Ｃｏ^２＋、あるいは、Ｙ_３Ａｌ_{５−ｘ−ｙ−２ｚ} Ｇａ_ｘＳｃ_ｙＣｏ_ｚＳｉ_ｚＯ_１２、あるいは、Ｙ_３−ｘＬｕ_ｘＡｌ_５Ｏ_１２：Ｃｏ^２＋、 あるいは、Ｙ_３−ｘＬｕ_ｘＡｌ_５−２ｙＣｏ_ｙＳｉ_ｙＯ_１２、の組成を有する可飽和吸収体と、
   を具備し、
   前記固体活性媒質が、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２（ＹＡＧ）、ＬａＭｇＡｌ_１１Ｏ_１９（ＬＭＡ）、Ｙ_２ＳｉＯ_５（ＹＳＯ）、ＧｄＶＯ_４、 Ｙ_３Ｓｃ_２Ｇａ_３Ｏ_１２ （ＹＳＧＧ）、ＳｒＹ_４（ＳｉＯ_４）_３Ｏ（ＳＹＳ）、 Ｃａ_２Ａｌ_２ＳｉＯ_７ （ＣＡＳ）、の中から選択されたベース材料から構成されているとともに、エルビウムでドーピングされているまたはクロムでドーピングされているまたはエルビウム−イッテルビウムでコドーピングされているまたはエルビウム−イッテルビウム−セリウムでコドーピングされていることを特徴とするマイクロレーザーキャビティ。
2. −少なくとも１．５〜１．６μｍの波長範囲で発光する固体活性媒質と、
   −ＣａＦ_２：Ｃｏ^２＋、あるいは、ＭｇＦ_２：Ｃｏ^２＋、あるいは、ＳｒＦ_２：Ｃｏ^２＋ 、あるいは、ＢａＦ_２：Ｃｏ^２＋、あるいは、Ｌａ_０．９Ｍｇ_{０．５−ｘ}Ｃｏ_ｘＡｌ_{１１．４３３}Ｏ_１９、あるいは、ＹＡｌＯ_３：Ｃｏ^２＋、 あるいは、Ｙ_３Ａｌ_{５−ｘ−ｙ}Ｇａ_ｘＳｃ_ｙＯ_１２：Ｃｏ^２＋、あるいは、Ｙ_３Ａｌ_{５−ｘ−ｙ−２ｚ} Ｇａ_ｘＳｃ_ｙＣｏ_ｚＳｉ_ｚＯ_１２、あるいは、Ｙ_３−ｘＬｕ_ｘＡｌ_５Ｏ_１２：Ｃｏ^２＋、 あるいは、Ｙ_３−ｘＬｕ_ｘＡｌ_５−２ｙＣｏ_ｙＳｉ_ｙＯ_１２、の組成を有する可飽和吸収体と、
   を具備し、
   前記固体活性媒質が、エルビウムおよびイッテルビウムでコドーピングされたリンガラスであり、
   エルビウムおよびイッテルビウムのドーピング量は、酸化物のｗｔ％で、それぞれ、０．５〜０．９ｗｔ％、および、１５〜２０ｗｔ％であることを特徴とすマイクロレーザーキャビティ。
3. 前記可飽和吸収体が、フィルムの形態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。
4. 前記フィルムが、１〜１５０μｍの厚さとされていることを特徴とする請求項３記載のマイクロレーザーキャビティ。
5. 前記フィルムが、ゾル−ゲル法により、あるいは、分子ビームエピタキシーまたは液相エピタキシーにより、形成可能であることを特徴とする請求項３または４記載のマイクロレーザーキャビティ。
6. 前記キャビティが、安定型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。
7. 入力ミラーおよび出力ミラーを具備し、
   これら２つのミラーの少なくとも一方が凹面であることを特徴とする請求項６記載のマイクロレーザーキャビティ。
8. 前記固体活性媒質上に直接的に形成されたマイクロレンズを具備し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。
9. マイクロレーザーキャビティの製造方法であって、
   少なくとも１．５〜１．６μｍの波長範囲で発光する固体活性媒質と；
   ＣａＦ_２：Ｃｏ^２＋、あるいは、ＭｇＦ_２：Ｃｏ^２＋、あるいは、ＳｒＦ_２：Ｃｏ^２＋ 、あるいは、ＢａＦ_２：Ｃｏ^２＋、あるいは、Ｌａ_０．９Ｍｇ_{０．５−ｘ}Ｃｏ_ｘＡｌ_{１１．４３３}Ｏ_１９、あるいは、ＹＡｌＯ_３：Ｃｏ^２＋、 あるいは、Ｙ_３Ａｌ_{５−ｘ−ｙ}Ｇａ_ｘＳｃ_ｙＯ_１２：Ｃｏ^２＋、あるいは、Ｙ_３Ａｌ_{５−ｘ−ｙ−２ｚ} Ｇａ_ｘＳｃ_ｙＣｏ_ｚＳｉ_ｚＯ_１２、あるいは、Ｙ_３−ｘＬｕ_ｘＡｌ_５Ｏ_１２：Ｃｏ^２＋、 あるいは、Ｙ_３−ｘＬｕ_ｘＡｌ_５−２ｙＣｏ_ｙＳｉ_ｙＯ_１２、の組成を有する可飽和吸収体と；
   を具備するマイクロレーザーキャビティを製造し、
   その際、前記固体活性媒質を、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２（ＹＡＧ）、ＬａＭｇＡｌ_１１Ｏ_１９（ＬＭＡ）、Ｙ_２ＳｉＯ_５（ＹＳＯ）、ＧｄＶＯ_４、 Ｙ_３Ｓｃ_２Ｇａ_３Ｏ_１２ （ＹＳＧＧ）、ＳｒＹ_４（ＳｉＯ_４）_３Ｏ（ＳＹＳ）、 Ｃａ_２Ａｌ_２ＳｉＯ_７ （ＣＡＳ）、の中から選択されたベース材料から構成されているとともに、エルビウムでドーピングされているまたはクロムでドーピングされているまたはエルビウム−イッテルビウムでコドーピングされているまたはエルビウム−イッテルビウム−セリウムでコドーピングされているものとすることを特徴とする方法。
10. マイクロレーザーキャビティの製造方法であって、
    少なくとも１．５〜１．６μｍの波長範囲で発光する固体活性媒質と；
    ＣａＦ_２：Ｃｏ^２＋、あるいは、ＭｇＦ_２：Ｃｏ^２＋、あるいは、ＳｒＦ_２：Ｃｏ^２＋ 、あるいは、ＢａＦ_２：Ｃｏ^２＋、あるいは、Ｌａ_０．９Ｍｇ_{０．５−ｘ}Ｃｏ_ｘＡｌ_{１１．４３３}Ｏ_１９、あるいは、ＹＡｌＯ_３：Ｃｏ^２＋、 あるいは、Ｙ_３Ａｌ_{５−ｘ−ｙ}Ｇａ_ｘＳｃ_ｙＯ_１２：Ｃｏ^２＋、あるいは、Ｙ_３Ａｌ_{５−ｘ−ｙ−２ｚ} Ｇａ_ｘＳｃ_ｙＣｏ_ｚＳｉ_ｚＯ_１２、あるいは、Ｙ_３−ｘＬｕ_ｘＡｌ_５Ｏ_１２：Ｃｏ^２＋、 あるいは、Ｙ_３−ｘＬｕ_ｘＡｌ_５−２ｙＣｏ_ｙＳｉ_ｙＯ_１２、の組成を有する可飽和吸収体と；
    を具備するマイクロレーザーキャビティを製造し、
    その際、前記固体活性媒質を、エルビウムおよびイッテルビウムでコドーピングされたリンガラスとし、
    エルビウムおよびイッテルビウムのドーピング量を、酸化物のｗｔ％で、それぞれ、０．５〜０．９ｗｔ％、および、１５〜２０ｗｔ％とすることを特徴とする方法。
11. 固体活性媒質の構成材料を、所定の厚さとすることを特徴とする請求項９または１０記載の方法。
12. 前記可飽和吸収体を、フィルムの形態とすることを特徴とする請求項９または１０または１１記載の方法。
13. 前記フィルムを、１〜１５０μｍの厚さとすることを特徴とする請求項１２記載の方法。
14. 前記フィルムを、前記固体活性媒質上に直接的に形成し、その際、前記可飽和吸収体を、エピタキシーまたはゾル−ゲル法により製造することを特徴とする請求項１２記載の方法。
15. 前記フィルムを、前記固体活性媒質上に直接的に形成し、その際、前記可飽和吸収体を、薄いストリップの形態とされた固体材料から製造することを特徴とする請求項１２記載の方法。
16. 前記薄いストリップを、前記固体活性媒質に接着することを特徴とする請求項１５記載の方法。
17. 前記薄い可飽和吸収体ストリップ、および、前記固体活性媒質を、接着または緊密接触または分子接着により組み立てることを特徴とする請求項１５記載の方法。
18. 前記フィルムを、予め基板上に成膜しておき、その後、前記固体活性媒質に対して組み付けることを特徴とする請求項１２記載の方法。
19. その後、前記基板を除去することを特徴とする請求項１８記載の方法。
20. 光パルスの移動時間を計測するという原理で動作するレーザー遠隔計測デバイスであって、
    −請求項１または２記載のマイクロレーザーキャビティを備える受動スイッチング型マイクロレーザーと、
    −対象物により反射された光パルスを受光するための手段、および、このパルスの受光時点を検出するための手段と、
    −前記マイクロレーザーからのパルスの放出時点を検出するための手段と、
    −マイクロレーザーパルスの前記放出時点と反射ビームの前記受光時点との間の時間間隔を計測するためのデバイスと、
    を具備することを特徴とするレーザー遠隔計測デバイス。
21. 請求項２０記載の遠隔計測デバイスを備えていることを特徴とする車。

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