JP6638757B2 - 可飽和吸収素子、及びレーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、光分野で利用される可飽和吸収素子、及びレーザ装置に関する。

可飽和吸収素子は、光分野で広く利用されている。可飽和吸収素子は、例えば、受動Ｑスイッチレーザや受動モード同期レーザのような短パルス光を発生させるレーザ発振器に利用されている。従来、このような発振器には、半導体を用いた可飽和吸収素子や光非線形効果を用いた可飽和吸収素子が用いられていた。

半導体を用いた可飽和吸収素子は、応答速度がピコ秒程度と遅く、パルス幅が１００フェムト秒を切るような短いパルスを生成することが難しい。また、半導体を用いた可飽和吸収素子は、レーザ装置の発振波長に合わせて吸収帯を人工的に生成させるための量子井戸構造を作成する、複雑な構造であるため、容易に製造することができない。

非線形効果を用いた可飽和吸収素子は、半導体を用いた可飽和吸収素子と比較して応答速度が速く、短いパルスを生成することが可能である。一方、非線形効果を用いた可飽和吸収素子は、温度や振動等の環境の影響を受けやすく、環境によって自己始動ができない場合がある。

これに対し、近年は、可飽和吸収素子の新たな材料として、カーボンナノチューブやグラフェン等の炭素系材料が着目されている（例えば、特許文献１、非特許文献１及び２参照）。

非特許文献１では、図２を用いてカーボンナノチューブを使用する可飽和吸収素子の光の波長に対する吸光度（吸収特性）について説明されている。カーボンナノチューブを使用する可飽和吸収素子では、カーボンナノチューブ径で決定されるバンド構造に起因した吸収特性を持つため、吸収する光の波長が限定される特徴がある。

これに対し、グラフェンを使用する可飽和吸収素子の吸収特性は、波長に依存する問題はない。しかしながら、グラフェンの可飽和吸収素子の吸光度は低い（例えば、１層あたり２．３％程度）という問題がある。そのため、グラフェンを複数層に重ねて使用することも検討されるが、非特許文献２では、図３ｃ）を用いてグラフェンの層数が増える程、可飽和吸収素子の変調深度が低下することが説明されている。

特開２００７−９４０６５号公報

西澤典彦、「高機能受動モード同期超短パルスファイバレーザ光源の開発と応用展開」、電子情報通信学会誌、Vol94(9)、2011年9月1日、p.801-806 Qiaoliang Bao 他7名、"Atomic-Layer Graphene as a Saturable Absorber for Ultrafast Pulsed Lasers"、Advanced Functional Materials Volume 19 Issue 19、2009年10月9日、p.3077-3083

上述したように、カーボンナノチューブやグラフェンを利用する可飽和吸収素子であっても、幅広い吸収帯域、高い吸光度及び高い変調深度を得ることは困難である。

上記課題に鑑み、本発明は、広い吸収帯域、高い吸光度及び高い変調深度を有する可飽和吸収素子、及びレーザ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、第１の発明によれば、可飽和吸収素子がカーボンナノウォールを含むことを特徴とする。

第２の発明によれば、価電子の数が炭素と異なる不純物が前記カーボンナノウォールにドーピングされたことを特徴とする。

第３の発明によれば、カーボンナノウォールは同一の向きに並列された複数のグラファイト片またはグラフェンを有することを特徴とする。

第４の発明によれば、可飽和吸収素子の生成方法において、基板上にカーボンナノウォールを形成する工程と、カーボンナノウォールが形成された前記基板を樹脂又はガラスで包埋する工程と、前記基板上のカーボンナノウォールが包埋された後、前記基板を包埋された樹脂又はガラスから剥離する工程と、前記基板上にカーボンナノウォールを形成する際に形成された底面のグラファイトを除去する工程とを有することを特徴とする。

第５の発明によれば、底面のグラファイトを除去する工程では、研磨により底面のグラファイトを除去することを特徴とする。

第６の発明によれば、底面のグラファイトを除去する工程では、イオンエッチング又はプラズマエッチングにより底面のグラファイトを除去することを特徴とする。

第７の発明によれば、励起光を出力する光源と、光利得媒体及び可飽和吸収素子を有し、前記励起光から出力された光を利用してレーザ光を発振する発振器とを備え、前記可飽和吸収素子は、カーボンナノウォールを含むことを特徴とする。

本発明によれば、広い吸収帯域で高い吸光度及び高い変調深度を得ることができる。

実施形態に係る可飽和吸収素子の生成方法を説明する図である。 実施形態に係る可飽和吸収素子の他の例を説明する図である。 カーボンナノウォールの吸光度の波長依存性を表すグラフである。 実施形態に係るレーザ装置を説明する図である。 実施形態に係るレーザ装置の実験結果を表すグラフである。 変形例に係る可飽和吸収素子の使用例を説明する図である。

以下に、実施形態に係る可飽和吸収素子、可飽和吸収素子の生成方法及びレーザ装置について説明する。可飽和吸収素子は、強度の低い光を吸収し、強度の高い光を透過する素子である。実施形態に係る可飽和吸収素子は、カーボンナノウォールを含む。具体的には、実施形態に係る可飽和吸収素子は、樹脂又はガラスに包埋されたカーボンナノウォールを含む。ここでは、複数のグラファイト片またはグラフェンが一の面に対して垂直に配列されたものをカーボンナノウォールとする。なお、グラファイト片またはグラフェンは一の面に垂直であるが、完全に垂直である必要はない。以下の説明では、グラファイト片を有するカーボンナノウォールを用いて説明する。また、一の面と垂直の方向をグラファイト片及びカーボンナノウォールの高さとする。

〈可飽和吸収素子の生成方法〉
図１を用いて、実施形態に係る可飽和吸収素子の生成方法について説明する。第１の工程において、図１（ａ）に示すように、スパッタリングやプラズマＣＶＤ等により基板１０上にカーボンナノウォール１２を形成する。

具体的には、まず、基板１０上に薄いグラファイト面１１が形成される。その後、このグラファイト面１１上に垂直な複数のグラファイト片１２ａを有するカーボンナノウォール１２が形成される。このとき、複数のグラファイト片１２ａは、グラファイト面１１上に略均一に分散された状態で形成される。

第２の工程において、図１（ｂ）に示すように、基板１０に形成されたカーボンナノウォール１２を樹脂で包埋する。具体的には、カーボンナノウォール１２を構成する各グラファイト片１２ａの間隙を樹脂で埋める。ここでは、樹脂として、ポリイミド前駆体１３を包埋する例で説明するが、カーボンナノウォールを包埋する樹脂は、レーザ光に対する透過性及び耐熱性を有し、使用の際に破壊されない強度の素材であれば、種類は限定されない。また、樹脂の他、ガラスでカーボンナノウォール１２を包埋しても同様である。なお、ここでいうレーザ光は、可視光に限定されず、非可視光も含む。

第３の工程において、図１（ｃ）に示すように、ポリイミド前駆体１３で包埋されたカーボンナノウォール１２を有する基板１０を固化処理してポリイミド１４とする。

第４の工程において、図１（ｄ）に示すように、カーボンナノウォール１２を包埋するポリイミド１４から基板１０を剥離する。例えば、機械的剥離により基板１０をポリイミド１４から剥離する。

第５の工程において、図１（ｅ）に示すように、カーボンナノウォール１２を包埋するポリイミド１４からグラファイト面１１を除去する。例えば、アルゴンイオンエッチング又はプラズマエッチングによりグラファイト面１１を研磨してもよいし、研磨装置等を利用してグラファイト面１１を研磨してもよい。

第６の工程において、図１（ｆ）に示すように、カーボンナノウォール１２を包埋するポリイミド１４を適切なサイズにカッティングして、可飽和吸収素子１とする。カッティングの方法は限定されないが、例えば、レーザ光を利用することができる１０マイクロメートル四方以上の大きさであることが望ましい。なお、図１に示す基板１０、グラファイト片１２ａ及び可飽和吸収素子１の大きさの比率は実際とは異なる。実際には、カッティングされた可飽和吸収素子１には、複数のグラファイト片１２ａを含むカーボンナノウォール１２を有している。

上述したように、基板１０上に形成したカーボンナノウォール１２を利用して可飽和吸収素子１を形成することで、グラファイト片１２ａが均一に分散した可飽和吸収素子１を容易に形成することができる。すなわち、カーボンナノチューブを利用した可飽和吸収素子の場合、カーボンナノチューブを粉末にして基板上にコーティングする際、カーボンナノチューブの粉末を基板上で均一に分散させることが困難であった。これに対し、カーボンナノウォール１２は、基板１０上にグラファイト片１２ａが分散されて形成されるため、これを粉末にして基板上にコーティングする必要がない。したがって、上述した可飽和吸収素子１は、カーボンナノチューブを利用する可飽和吸収素子と比較して、容易に生成することができる。

可飽和吸収素子１は、カーボンナノウォール１２の高さに応じて、吸光度が異なる。例えば、カーボンナノウォール１２の高さが高くなると、生成される可飽和吸収素子の吸光度が高くなる。また、カーボンナノウォール１２の高さが低くなると、生成される可飽和吸収素子の吸光度が低くなる。したがって、可飽和吸収素子１生成の際に、カーボンナノウォール１２の高さを調整し、吸光度を調整することができる。

具体的には、吸光度を最適にするため、可飽和吸収素子１のカーボンナノウォール１２の高さは、１μｍ程度であることが好ましい。

例えば、図１（ａ）を用いて上述した第１の工程でカーボンナノウォール１２を形成する際、形成時間（例えば、スパッタリング時間）の調整により、形成されるグラファイト片１２ａの厚さやグラファイト面１１からの高さ等を調整することができる。または、例えば、図１（ｅ）を用いて上述した第５の工程でグラファイト面１１を研磨する際、グラファイト面１１とともにカーボンナノウォール１２の一部も研磨することで、カーボンナノウォール１２の高さを調節することができる。

また、可飽和吸収素子１のカーボンナノウォール１２に不純物をドーピングし、変調深度や応答速度を調整することができる。このとき、カーボンナノウォール１２にドーピングする不純物には、価電子数が炭素（価電子数：４）と異なる物質を用いる。例えば、不純物として、ホウ素（価電子数：３）、窒素（価電子数：５）、リン（電子数：５）等をドーピングすることが考えられる。価電子数が炭素と異なる物質をドーピングすることで、可飽和吸収素子１の吸光度、変調深度、応答速度等を調整することもできる。

例えば、図１（ａ）を用いて上述した第１の工程で、不純物をドーピングしながらカーボンナノウォール１２を形成することができる。または、図１を用いて上述したカーボンナノウォール１２を形成する第１の工程と、カーボンナノウォール１２を樹脂やガラスで包埋する第２の工程の間に、不純物をドーピングする工程を追加してもよい。

さらに、図２に示すように、複数のグラファイト片１２ａを同一の向きに並列し、これを樹脂やガラスで包埋してカッティングし、可飽和吸収素子１としてもよい。このように生成される可飽和吸収素子１では、全てのグラファイト片１２ａに対して同一の偏光方向を有する光を照射するように調整が可能であり、可飽和吸収の性能を向上することができる。

上述した実施形態に係る可飽和吸収素子１は、カーボンナノチューブやグラフェンで形成された可飽和吸収素子と比較して、性能を向上することができる。具体的には、カーボンナノチューブは、バンド構造に起因した吸光度を有し、広範囲の波長の光に対応していなかった。これに対し、図３に示すように、可飽和吸収素子１は、波長に対する吸光度が略一定であり、広範囲の波長に対応させることができる。

また、グラフェンは、１層で使用する場合には吸光度が低く、層を増やすと変調深度が低下していた。これに対し、可飽和吸収素子１は、十分な吸光度を有するとともに、入射光に対して、高い変調深度を有する。

例えば、可飽和吸収素子１は、可飽和吸収素子１を用いた超短パルスレーザによる非熱加工の装置、透明材料の加工装置及び難加工材料の加工装置等、テラヘルツ光の発生に利用することができる。また例えば、可飽和吸収素子１は、超短パルスを用いた大容量光ファイバ通信に利用することができる。

〈レーザ装置〉
以下に、上述した可飽和吸収素子１を有する実施形態に係るレーザ装置について説明する。図４（ａ）に示すように、実施形態に係るレーザ装置２は、励起光を出力する光源２０と、励起光から出力された光を利用してレーザ光を発振する発振器２１とを備えている。また、発振器２１は、光利得媒体２２及び可飽和吸収素子１を有している。このレーザ装置２は、パルス光を出力するレーザ装置であって、出力するパルス光のパルス幅がフェムト秒やピコ秒レベルである超短パルスレーザ装置である。

光利得媒体２２は、光ファイバケーブル２２１と、光ファイバケーブル２２１の光と光源２０の光を結合する光カプラー２２２と、光を増幅する光利得媒質２２３と、光を平行光に調整するコリメータレンズ２２４と、光の偏光を調整する波長板２２５ａ，２２５ｂと、光の一部を超短パルスとして出力し、一部を光ファイバケーブル２２１に戻すビームスプリッター２２６とを有している。ここで、波長板２２５ａは１／４波長板であって、波長板２２５ｂは１／２波長板である。

また、可飽和吸収素子１は、上述したカーボンナノウォール１２を有する可飽和吸収素子であって、図４（ｂ）に示すように、コネクタ２３によって光ファイバケーブル２２１内に接続されている。なお、図４（ｂ）では、可飽和吸収素子１は、光ファイバケーブル２２１に対して垂直ではなく、傾斜されて配置されているが可飽和吸収素子１の光ファイバケーブル２２１に対する角度は限定されない。

発振器２１は、可飽和吸収素子１によって光ファイバケーブル２２１から入力する光を透過及び吸収することで、モード同期を実現し、超短パルスを出力することができる。

なお、図４（ａ）は、１つの可飽和吸収素子１を有する例であるが、異なるコネクタ２３を介して接続される複数の可飽和吸収素子１を並列して有していてもよい。これにより、１つの可飽和吸収素子１のみでは十分な吸光度が得られない場合であっても、吸光度を調整し、超短パルスを出力することが可能となる。

また、図４を用いて上述したレーザ装置２は、光ファイバケーブル２２１を利用するファイバーレーザーを例に説明しているが、固体レーザ等他のレーザ装置であっても可飽和吸収素子１の使用により、モード同期発振を得ることができる。

〈実験結果〉
図５は、実施形態に係るレーザ装置２の実験結果を表している。

図５（ａ）は、レーザ装置２の出力をオシロスコープによって測定したパルス列波形である。この結果、レーザ装置２の出力の繰り返し周波数が４５ＭＨｚであることが分かる。

また、図５（ｂ）は、レーザ装置２の出力を自己相関計で測定した自己相関波形と、双曲線正割関数へフィッティングされた波形（sechフィット）である。この結果、パルス幅が３２１フェムト秒（ｆｓ）であることが分かる。したがって、レーザ装置２が超短パルスレーザであることが分かる。

さらに、図５（ｃ）は、レーザ装置２の出力の波長を光スペクトルアナライザで分析したスペクトルである。この結果、レーザ装置２の出力のスペクトル幅は１２ｎｍであって、中心波長が１５６４ｎｍであることが分かる。

また、レーザ装置２の出力をパワーメータで測定したとき、出力は８ｍＷであった。このように、レーザ装置２の性能として、出力８ｍＷ、繰り返し周波数４５ＭＨｚ、パルス幅３２１ｆｓ、スペクトル幅１２ｎｍ、中心波長１５６４ｎｍが得られた。

〈変形例〉
なお、上述した実施形態では、カーボンナノウォール１２が樹脂又はガラスに包埋される可飽和吸収素子１について説明した。これに対し、変形例に係る可飽和吸収素子１Ａが含むカーボンナノウォール１２は、樹脂又はガラスに包埋されない。

変形例に係る可飽和吸収素子１Ａを生成する際には、カーボンナノウォール１２を樹脂又はガラスで包埋する工程、すなわち、図１を用いて上述した第２工程及び第３工程が行われない。そのため、第４工程でカーボンナノウォール１２を基板１０から剥離することができない。したがって、変形例に係る可飽和吸収素子１Ａを生成する際には、剥離する必要のない基板１０Ａ上にカーボンナノウォール１２を形成する。具体的には、光を透過する石英基板や光を反射するミラーを基板１０Ａとし、この基板１０Ａ上にカーボンナノウォール１２を形成して可飽和吸収素子１Ａを生成する。

また、変形例に係る可飽和吸収素子１Ａは、樹脂やガラスで包埋されないため、接触による強度が弱い。したがって、図４を用いて上述したように、光ファイバケーブル２２１と接触させることができない。そのため、可飽和吸収素子１Ａは、例えば、図６に示すように、レンズ２５を使用して空間光学系で使用される。

具体的には、図６（ａ）は、石英基板を基板１０Ａとして使用し、レンズ２５により可飽和吸収素子１Ａに光を集光し、透過させる一例である。また、図６（ｂ）は、ミラーを基板１０Ａとして使用し、レンズ２５により可飽和吸収素子１Ａに光を集光し、反射させる一例である。このように使用される可飽和吸収素子１Ａは、樹脂又はガラスに包埋される必要がない。

以上、実施形態及び変形例を用いて本発明を詳細に説明したが、本発明は本明細書中に説明した実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載及び特許請求の範囲の記載と均等の範囲により決定されるものである。

１ 可飽和吸収素子
１０ 基板
１１ グラファイト面
１２ カーボンナノウォール
１２ａ グラファイト片
１３ ポリイミド前駆体
１４ ポリイミド
２ レーザ装置
２０ 光源
２１ 発振器
２２ 光利得媒体
２２１ 光ファイバケーブル
２２２ 光カプラー
２２３ 光利得媒質
２２４ コリメータレンズ
２２５ａ，２２５ｂ 偏光板
２２６ ビームスプリッター
２３ コネクタ

Claims (2)

1. カーボンナノウォールと、
   前記カーボンナノウォールを包埋する樹脂またはガラスと
   を含み、
   前記カーボンナノウォールは、複数のグラファイト片またはグラフェンが一の面に対してほぼ垂直に配列されたものであり、
   価電子の数が炭素と異なる物質が前記カーボンナノウォールにドーピングされている可飽和吸収素子。
2. 励起光を出力する光源と、
   光利得媒体及び可飽和吸収素子を有し、前記励起光から出力された光を利用してレーザ光を発振する発振器とを備え、
   前記可飽和吸収素子は、
   カーボンナノウォールと、
   前記カーボンナノウォールを包埋する樹脂またはガラスとを含み、
   前記カーボンナノウォールは、複数のグラファイト片またはグラフェンが一の面に対してほぼ垂直に配列されたものであり、
   価電子の数が炭素と異なる物質が前記カーボンナノウォールにドーピングされているレーザ装置。

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