JP6717056B2 - Saturable absorption element manufacturing method and member - Google Patents
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Description
本発明は、光分野で使用される可飽和吸収素子の製造方法及び可飽和吸収素子を製造するための部材に関する。 The present invention relates to a member for manufacturing a manufacturing method and a saturable absorption element of the saturable absorber element used in the optical field.
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。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カーボンナノウォール等の炭素系材料が着目されている（例えば、特許文献１、２を参照）。 Saturable absorption elements are widely used in the optical field. Saturable absorption elements are used in laser oscillators that generate short-pulse light, such as passive Q-switched lasers and passive mode-locked lasers. In recent years, carbon-based materials such as carbon nanotubes and carbon nanowalls have attracted attention as new materials for saturable absorbers (see, for example, Patent Documents 1 and 2).
図１は、特許文献２に示されたカーボンナノウォールを用いた可飽和吸収素子の製造方法を説明する図である。図１（ａ）ではプラズマＣＶＤ法により基板１１０上にカーボンナノウォール１１２が形成され、このとき基板１１０上に薄いグラファイト層１１１も形成される。図２は、可飽和吸収素子１０１を製造するための部材であり、図１（ａ）の工程で形成された構造の断面図である。この部材において、基板１１０の表面にグラファイト層１１１を介してカーボンナノウォール１１２が形成されている。 FIG. 1 is a diagram illustrating a method of manufacturing a saturable absorber using the carbon nanowalls disclosed in Patent Document 2. In FIG. 1A, the carbon nanowalls 112 are formed on the substrate 110 by the plasma CVD method, and the thin graphite layer 111 is also formed on the substrate 110 at this time. FIG. 2 is a cross-sectional view of a member for manufacturing the saturable absorber element 101, which is a structure formed in the step of FIG. In this member, carbon nanowalls 112 are formed on the surface of the substrate 110 via a graphite layer 111.
図１（ｂ）ではカーボンナノウォール１２がポリイミド１４で包埋され、図１（ｃ）ではカーボンナノウォール１１２及びポリイミド１１４が基板１１０から剥離される。図１（ｄ）ではカーボンナノウォール１１２及びポリイミド１１４が酸素プラズマによるスパッタを用いて研削され、グラファイト層１１１が除去され、さらに透過率を調整するためにポリイミド１１４も研削される。図１（ｅ）ではカッティングされて可飽和吸収素子１０１が得られる。 In FIG. 1B, the carbon nanowalls 12 are embedded with the polyimide 14, and in FIG. 1C, the carbon nanowalls 112 and the polyimide 114 are separated from the substrate 110. In FIG. 1D, the carbon nanowalls 112 and the polyimide 114 are ground by sputtering using oxygen plasma, the graphite layer 111 is removed, and the polyimide 114 is also ground to adjust the transmittance. In FIG. 1E, the saturable absorber element 101 is obtained by cutting.
カーボンナノウォールを用いた可飽和吸収素子の製造工程において、可飽和吸収素子の特性を改善するため、カーボンナノウォールに鉄等を不純物として添加することが求められている。このような不純物の添加により、可飽和吸収によって励起したキャリアの緩和時間が短くなり、高い繰り返し周波数のパルスについても可飽和吸収特性をあらわすことができる。 In the process of manufacturing a saturable absorber using carbon nanowalls, it is required to add iron or the like as an impurity to the carbon nanowalls in order to improve the characteristics of the saturable absorber. The addition of such impurities shortens the relaxation time of carriers excited by saturable absorption, and the saturable absorption characteristic can be expressed even for a pulse having a high repetition frequency.
しかしながら、鉄を不純物として添加してカーボンナノウォールを形成すると、図２に示したグラファイト層１１１及びカーボンナノウォール１１２には鉄が含まれる。このため、図１（ｃ）に示した基板１１０から剥離されたポリイミド１１４からグラファイト層１１１を酸素プラズマによるスパッタで研削しようとすると、不純物の鉄が酸化鉄を形成して研削を進めることができず、可飽和吸収素子を製造することが難しかった。 However, when iron is added as an impurity to form a carbon nanowall, the graphite layer 111 and the carbon nanowall 112 shown in FIG. 2 contain iron. Therefore, when attempting to grind the graphite layer 111 from the polyimide 114 separated from the substrate 110 shown in FIG. 1C by sputtering with oxygen plasma, iron as an impurity forms iron oxide and the grinding can proceed. Therefore, it is difficult to manufacture a saturable absorber element.
この発明は、上述の実情に鑑みて提案されるものであって、カーボンナノウォールに鉄等の酸化物を形成する不純物を添加しても製造することができるような可飽和吸収素子の製造方法及び可飽和吸収素子を製造するための部材を提供することを目的とする。 The present invention is proposed in view of the above circumstances, and is a method for manufacturing a saturable absorber that can be manufactured even by adding impurities such as iron forming oxides to carbon nanowalls. Another object of the invention is to provide a member for producing a saturable absorber element.
上述の課題を解決するため、この出願に係る可飽和吸収素子の製造方法は、基板上に所定の高さまで不純物が添加されていないカーボンナノウォールを形成する工程と、前記所定の高さを超えて不純物が添加された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包埋材で包埋する工程と、前記基板を包埋材から剥離する工程と、不純物が添加されていないカーボンナノウォールを形成する際に前記基板上に形成されたグラファイト層を除去する工程と、前記所定の高さまでカーボンナノウォール及び包埋材を除去する工程とを含み、前記所定の高さは前記グラファイト層の高さより大きい。前記不純物は、金属であってもよい。前記金属は、鉄、マグネシウム、カルシウム、アルミニウム、白金、亜鉛及びマンガンの少なくとも一つを含んでもよい。 In order to solve the above-mentioned problems, a method for manufacturing a saturable absorber according to this application is a step of forming carbon nanowalls in which impurities are not added to a predetermined height on a substrate, and exceeding the predetermined height. A step of forming carbon nanowalls with impurities added thereto, a step of embedding the substrate with the carbon nanowalls formed therein with an embedding material, a step of separating the substrate from the embedding material, and a step of adding impurities The step of removing the graphite layer formed on the substrate when forming the carbon nanowalls that have not been formed, and the step of removing the carbon nanowalls and the embedding material to the predetermined height. Is greater than the height of the graphite layer. The impurities may be metals. The metal may include at least one of iron, magnesium, calcium, aluminum, platinum, zinc and manganese.
この出願に係る可飽和吸収素子は、不純物が添加されたカーボンナノウォールを含んでいる。この出願に係るレーザ装置は、励起光を出力する光源と、光利得媒体及び前記可飽和吸収素子を含み、前記光利得媒体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含む。 The saturable absorption element according to this application contains carbon nanowalls to which impurities are added. A laser device according to this application includes a light source that outputs pumping light, an optical gain medium and the saturable absorption element, and an oscillator that oscillates laser light using light output from the optical gain medium. ..
この出願に係る部材は、基板と、前記基板上に形成されたカーボンナノウォールと、カーボンナノウォールが形成された前記基板を包埋する包埋材とを含み、カーボンナノウォールは、前記基板の表面から所定の高さを超えた部分にのみ不純物が添加されている。 A member according to this application includes a substrate, carbon nanowalls formed on the substrate, and an embedding material that embeds the substrate on which the carbon nanowalls are formed. Impurities are added only to a portion exceeding a predetermined height from the surface.
この発明によると、酸化物を形成する不純物を添加したカーボンナノウォールを用いた可飽和吸収素子を製造することができる。また、このような可飽和吸収素子及びこの可飽和吸収素子を用いたレーザ装置、並びにこのような可飽和吸収素子を製造するための部材を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to manufacture a saturable absorption element using carbon nanowalls to which impurities forming an oxide are added. Further, it is possible to provide such a saturable absorber element, a laser device using the saturable absorber element, and a member for manufacturing such a saturable absorber element.
以下に、実施形態に係る可飽和吸収素子の製造方法、可飽和吸収素子、レーザ装置及び部材について説明する。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、鉄等の不純物が添加された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、樹脂又はガラスのような包埋材に包埋された不純物が添加されたカーボンナノウォールを含む。 Hereinafter, a method for manufacturing a saturable absorber, a saturable absorber, a laser device, and a member according to the embodiment will be described. The saturable absorber element is an element that absorbs low intensity light and transmits high intensity light. The saturable absorber according to the embodiment includes carbon nanowalls to which impurities such as iron are added. Specifically, the saturable absorber according to the embodiment includes impurity-added carbon nanowalls embedded in an embedding material such as resin or glass.
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、一の面と垂直の高さ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。 Here, a plurality of graphite pieces or one in which graphene is arranged perpendicularly to one surface is a carbon nanowall. Note that the graphite piece or graphene is perpendicular to the one surface, but it does not have to be completely perpendicular. In the following description, carbon nanowalls having graphite pieces will be used. Further, the height direction perpendicular to the one surface is the height of the graphite pieces and the carbon nanowalls.
〈可飽和吸収素子の製造方法〉
図３から図５を用いて、実施形態に係る可飽和吸収素子の製造方法について説明する。図３（ａ）に示すように、平坦な表面を有する基板１０を用意する。この基板１０をプラズマＣＶＤを実施できるような適切なチャンバに格納する。
<Manufacturing method of saturable absorber>
A method of manufacturing the saturable absorber according to the embodiment will be described with reference to FIGS. 3 to 5. As shown in FIG. 3A, a substrate 10 having a flat surface is prepared. The substrate 10 is stored in a suitable chamber so that plasma CVD can be performed.
実施形態の基板１０は、ガラスのような絶縁体材料であるが、その表面にカーボンナノウォールを形成できるものであれば他の材料によっても形成することができる。例えば、石英のような絶縁体材料、シリコンのような半導体材料、ニッケル、コバルト、チタン又はこれらの合金等の金属材料であってもよい。 The substrate 10 of the embodiment is an insulating material such as glass, but it can be formed of any other material as long as it can form carbon nanowalls on its surface. For example, it may be an insulating material such as quartz, a semiconductor material such as silicon, or a metal material such as nickel, cobalt, titanium, or an alloy thereof.
図３（ｂ）に示すように、プラズマＣＶＤにより基板１０の表面にカーボンの堆積を開始する。基板１０の表面から高さｈ０までは、カーボンナノウォールは形成されずに、薄いグラファイト層１１が形成される。 As shown in FIG. 3B, carbon deposition is started on the surface of the substrate 10 by plasma CVD. From the surface of the substrate 10 to the height h0, the carbon nanowalls are not formed and the thin graphite layer 11 is formed.
実施形態では、カーボンを堆積させるためのカーボン源にメタンを使用し、メタン及び水素の混合ガスを原料ガスとしてチャンバ内に供給している。原料ガスは、カーボンナノウォールの成長速度等を調整するために、メタン及び水素の流量比を調整することができる。なお、カーボン源はメタンに限らず、エタン、エチレン、アセチレン、又はこれらの混合物を含む炭化水素系ガスであってもよい。 In the embodiment, methane is used as a carbon source for depositing carbon, and a mixed gas of methane and hydrogen is supplied as a source gas into the chamber. The raw material gas can adjust the flow rate ratio of methane and hydrogen in order to adjust the growth rate of the carbon nanowalls and the like. The carbon source is not limited to methane, but may be a hydrocarbon-based gas containing ethane, ethylene, acetylene, or a mixture thereof.
チャンバにはこのような原料ガスとともに、アルゴンガスで生成したプラズマも供給する。原料ガスは、プラズマ中のラジカルによって励起され、イオン化される。イオン化された原料ガスに含まれるカーボンは、基板１０の表面に徐々に堆積する。なお、プラズマを生成するガスは、アルゴンガスに限らず、他の不活性ガスであってもよい。 In addition to such raw material gas, plasma generated by argon gas is also supplied to the chamber. The source gas is excited by the radicals in the plasma and ionized. Carbon contained in the ionized source gas is gradually deposited on the surface of the substrate 10. The gas that generates plasma is not limited to argon gas, and may be another inert gas.
図３（ｃ）に示すように、グラファイト層１１が高さｈ０に達すると、グラファイト層１１の表面上に垂直な複数のグラファイト片を有するカーボンナノウォール１２ａの成長が開始される。このとき、複数のグラファイト片は、グラファイト層１１上に略均一に分散された状態で形成される。 As shown in FIG. 3C, when the graphite layer 11 reaches the height h0, growth of carbon nanowalls 12a having a plurality of vertical graphite pieces on the surface of the graphite layer 11 is started. At this time, the plurality of graphite pieces are formed on the graphite layer 11 in a substantially uniformly dispersed state.
カーボンナノウォール１２ａは、グラファイト層の高さｈ０より大きい所定の高さｈ１まで成長を継続させる。所定の高さｈ１までのカーボンナノウォール１２ａの成長は、含量ガスの流量比等により所定の成長速度に設定されたカーボンナノウォール１２ａを所定の時間にわたり成長させることにより達成される。 The carbon nanowalls 12a continue to grow to a predetermined height h1 which is greater than the height h0 of the graphite layer. The growth of the carbon nanowalls 12a up to the predetermined height h1 is achieved by growing the carbon nanowalls 12a set to a predetermined growth rate by the flow rate ratio of the content gas or the like for a predetermined time.
図３（ｄ）に示すように、カーボンナノウォール１２ａが高さｈ１に達すると、高さｈ１を超えて不純物の鉄を添加したカーボンナノウォール１２ｂの成長を開始させる。実施形態では、ターゲットの鉄をスパッタすることにより不純物の鉄を添加している。ターゲットのスパッタは、チャンバ内のターゲットを基板１０に近づけ、ターゲットに所定の電圧を印加してプラズマのイオン粒子をターゲットに衝突させることで開始している。 As shown in FIG. 3D, when the height of the carbon nanowalls 12a reaches the height h1, the growth of the carbon nanowalls 12b to which the impurity iron is added beyond the height h1 is started. In the embodiment, the target iron is sputtered to add the impurity iron. The sputtering of the target is started by bringing the target in the chamber close to the substrate 10 and applying a predetermined voltage to the target to cause the ion particles of plasma to collide with the target.
なお、ターゲットのスパッタは、予め基板１０に近づけて配置されたターゲットに電圧を印加することにより開始してもよい。また、予め基板に近づけて配置されるとともに電圧が印加されたターゲットをプラズマと壁を隔てて配置しておき、壁を取り除くことによりスパッタを開始してもよい。 The sputtering of the target may be started by applying a voltage to the target that is placed close to the substrate 10 in advance. Alternatively, sputtering may be started by previously disposing the target, which is placed close to the substrate and to which a voltage is applied, with the wall separated from the plasma, and removing the wall.
実施形態では、不純物として鉄が添加されるが、不純物はマグネシウム、カルシウム、アルミニウム、白金、亜鉛及びマンガン等の金属であってもよく、他の酸化物を形成する物質であってもよい。ここで、不純物を添加することにより、カーボンナノウォールの準位に不純物の準位が生成される。不純物の準位により、カーボンナノウォールのキャリアの緩和時間を短縮することができ、ひいては可飽和吸収素子の特性を改善することができる。 Although iron is added as an impurity in the embodiment, the impurity may be a metal such as magnesium, calcium, aluminum, platinum, zinc and manganese, or a substance that forms another oxide. Here, by adding the impurity, the level of the impurity is generated in the level of the carbon nanowall. Due to the level of impurities, the relaxation time of the carriers of the carbon nanowalls can be shortened, and the characteristics of the saturable absorption element can be improved.
なお、不純物が添加されたカーボンナノウォール１２ｂと対比するために、以下では図３（ｃ）で示された高さｈ０を超えて高さｈ１に達するカーボンナノウォール１２ａについて、不純物が添加されていないカーボンナノウォールと称することもある。 Note that, in order to compare with the carbon nanowalls 12b to which impurities have been added, in the following, the carbon nanowalls 12a that reach the height h1 exceeding the height h0 shown in FIG. It may also be referred to as a carbon nanowall that does not exist.
不純物が添加されたカーボンナノウォール１２ｂは、不純物が添加されていないカーボンナノウォール１２ａの高さより大きい高さｈ２まで成長を継続させる。所定の高さｈ１を超えて高さｈ２までの不純物が添加されたカーボンナノウォール１２ｂの成長は、含量ガスの流量比等により所定の成長速度に設定された不純物が添加されたカーボンナノウォール１２ｂを所定の時間にわたり成長させることにより達成される。 The carbon nanowalls 12b added with impurities continue to grow to a height h2 which is larger than the height of the carbon nanowalls 12a not added with impurities. The growth of the impurity-added carbon nanowalls 12b exceeding the predetermined height h1 to the height h2 is performed by adding the impurity-added carbon nanowalls 12b set to a predetermined growth rate by the flow rate ratio of the content gas or the like. Is grown for a predetermined time.
高さｈ１を超え高さｈ２に達する不純物が添加されたカーボンナノウォール１２ｂは、高さｈ０を超え高さｈ１に達する不純物が添加されていないカーボンナノウォール１２ａとともに、高さｈ０から高さｈ２に達するカーボンナノウォール１２を一体として構成している。 The carbon nanowalls 12b added with impurities exceeding the height h1 and reaching the height h2 together with the carbon nanowalls 12a containing no impurities exceeding the height h0 and reaching the height h1 have a height h0 to a height h2. The carbon nanowalls 12 reaching the above are integrally formed.
図４（ｅ）に示すように、基板１０の表面にグラファイト層１１に形成されたカーボンナノウォール１２を包埋材の樹脂として用いられるポリイミド前駆体１３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の間隙を樹脂で埋める。 As shown in FIG. 4E, the carbon nanowalls 12 formed on the graphite layer 11 are embedded on the surface of the substrate 10 with a polyimide precursor 13 used as a resin for an embedding material. Specifically, the gap between the graphite pieces forming the carbon nanowall 12 is filled with resin.
実施形態では、包埋材として、ポリイミド前駆体１３のような樹脂を使用するものとするが、包埋材は、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。包埋材として、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。 In the embodiment, a resin such as the polyimide precursor 13 is used as the embedding material. However, the embedding material has transparency to laser light and heat resistance, and has a strength that is not destroyed during use. The type is not limited as long as it is a material. The same applies when the carbon nanowalls 12 are embedded with glass as the embedding material in addition to resin. The laser light referred to here is not limited to visible light and includes invisible light.
図４（ｆ）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を硬化処理してポリイミド１４とする。ポリイミド前駆体１３の硬化処理は、所定温度まで昇温させる熱処理によるものでもよい。 As shown in FIG. 4F, the substrate 10 having the carbon nanowalls 12 embedded with the polyimide precursor 13 is subjected to a curing treatment to obtain a polyimide 14. The hardening treatment of the polyimide precursor 13 may be a heat treatment for raising the temperature to a predetermined temperature.
図４（ｇ）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。このとき、カーボンナノウォール１２を包埋するポリイミドとともに、グラファイト層１１も一体として剥離される。 As shown in FIG. 4G, the substrate 10 is peeled off from the polyimide 14 in which the carbon nanowalls 12 are embedded. For example, the substrate 10 is peeled from the polyimide 14 by mechanical peeling. At this time, the graphite layer 11 is peeled off together with the polyimide that embeds the carbon nanowalls 12.
図５（ｈ）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からグラファイト層１１を除去する。実施形態では、酸素プラズマによりグラファイト層１１をスパッタして研削している。グラファイト層１１には、不純物の鉄が添加されていないため、酸素プラズマによるスパッタは酸化鉄の形成による阻害を受けることなく進めることができる。 As shown in FIG. 5H, the graphite layer 11 is removed from the polyimide 14 that embeds the carbon nanowalls 12. In the embodiment, the graphite layer 11 is sputtered and ground by oxygen plasma. Since the impurity iron is not added to the graphite layer 11, sputtering by oxygen plasma can proceed without being hindered by the formation of iron oxide.
続いて、図５（ｉ）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、不純物が添加されていないカーボンナノウォール１２ａを包埋するポリイミド１４を除去する。不純物が添加されていないカーボンナノウォール１２ａを包埋するポリイミド１４には、不純物の鉄が添加されていないため、酸素プラズマによるスパッタは酸化鉄の形成による阻害を受けることなく進めることができる。 Subsequently, as shown in FIG. 5I, the polyimide 14 that embeds the carbon nanowalls 12a to which no impurities have been added is removed from the polyimide 14 that embeds the carbon nanowalls 12. Since the impurity iron is not added to the polyimide 14 that embeds the carbon nanowall 12a to which the impurity is not added, the sputtering by oxygen plasma can proceed without being hindered by the formation of iron oxide.
実施形態では、不純物を添加したカーボンナノウォール１２ｂに不純物として鉄を添加している。不純物の鉄はスパッタに用いられる酸素プラズマの酸素と反応して酸化鉄を形成し、スパッタによる研削を阻害する。図５（ｉ）に示すように、研削が次第に進められて不純物が添加されたカーボンナノウォール１２ｂを包埋するポリイミド１４に達すると、酸化鉄が形成されて研削を進めることができなくなり、研削の進行は自動的に停止する。 In the embodiment, iron is added as an impurity to the carbon nanowall 12b to which the impurity is added. Impurity iron reacts with oxygen in oxygen plasma used for sputtering to form iron oxide, which hinders grinding by sputtering. As shown in FIG. 5( i ), when the grinding is gradually advanced to reach the polyimide 14 that embeds the carbon nanowalls 12 b to which the impurities are added, iron oxide is formed and the grinding cannot be progressed. Will stop automatically.
図５（ｊ）に示すように、不純物が添加されたカーボンナノウォール１２ｂを包埋するポリイミド１４を所定の切断面１５により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。 As shown in FIG. 5(j), the saturable absorber element 1 is obtained by cutting the polyimide 14 embedding the carbon nanowalls 12b to which impurities have been added into an appropriate size by a predetermined cut surface 15. The cutting method is not limited, but for example, it is desirable that the size is 10 μm square or more so that laser light can be used.
なお、図３から図５に示す基板１０、不純物を含むカーボンナノウォール１２ｂ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は、多数のグラファイト片を含む不純物を含むカーボンナノウォール１２ｂを有している。 The size ratios of the substrate 10, the carbon nanowalls 12b containing impurities, and the saturable absorber 1 shown in FIGS. 3 to 5 are different from the actual ratios. In fact, the cut saturable absorber element 1 has carbon nanowalls 12b containing impurities containing a large number of graphite pieces.
図６は、実施形態に係る可飽和吸収素子を製造するための部材を示している。部材は、可飽和吸収素子の製造方法の図３（ｄ）の工程で加工された半製品に対応するものである。部材は、さらに図４（ｅ）から図５（ｊ）の工程を経て可飽和吸収素子に加工される。 FIG. 6 shows members for manufacturing the saturable absorber according to the embodiment. The member corresponds to the semi-finished product processed in the step of FIG. 3D of the method for manufacturing a saturable absorber. The member is further processed into the saturable absorber element through the steps of FIG. 4(e) to FIG. 5(j).
部材には、基板１０上に所定の高さｈ１まで不純物が添加されていないカーボンナノウォール１２ａが形成され、所定の高さｈ１を超えて高さｈ２まで不純物の鉄が添加されたカーボンナノウォール１２ｂが形成されている。不純物が添加されていないカーボンナノウォール１２ａ及び不純物が添加されたカーボンナノウォール１２ｂは、カーボンナノウォール１２を一体として形成している。カーボンナノウォール１２は、ポリイミド１４によって包埋されている。 The member is formed with carbon nanowalls 12a which are not added with impurities to a predetermined height h1 on the substrate 10 and carbon nanowalls which are added with impurities of iron to a height h2 exceeding the predetermined height h1. 12b is formed. The carbon nanowalls 12a to which no impurities are added and the carbon nanowalls 12b to which impurities are added form the carbon nanowalls 12 integrally. The carbon nanowalls 12 are embedded in the polyimide 14.
基板１０上の高さｈ０まで形成されたグラファイト層１１は、不純物が添加されていないカーボンナノウォール１２ａが形成される際に形成されたものであり、不純物は添加されていない。また、不純物が添加されていないカーボンナノウォール１２ａの所定の高さｈ１は、グラファイト層１１の高さｈ０よりも大きい。 The graphite layer 11 formed up to the height h0 on the substrate 10 was formed when the carbon nanowalls 12a to which no impurities were added were formed, and no impurities were added. Further, the predetermined height h1 of the carbon nanowall 12a to which no impurities are added is larger than the height h0 of the graphite layer 11.
実施形態の可飽和吸収素子の製造方法、可飽和吸収素子を製造するための部材は、基板１０上に酸化物を形成する鉄等の不純物を添加しないカーボンナノウォール１２ａを所定の高さｈ１まで形成している。また、不純物を添加しないカーボンナノウォール１２を形成される際に形成されるグラファイト層１１にも不純物は添加されていない。ここで、所定の高さｈ１はグラファイト層１１の高さｈ０より大きい。 The saturable absorber manufacturing method and the member for manufacturing the saturable absorber according to the embodiment have carbon nanowalls 12a that do not add impurities such as iron forming oxides on the substrate 10 up to a predetermined height h1. Is forming. Further, no impurities are added to the graphite layer 11 formed when the carbon nanowalls 12 to which no impurities are added are formed. Here, the predetermined height h1 is larger than the height h0 of the graphite layer 11.
したがって、実施形態によると、グラファイト層１１及び不純物が添加されていないカーボンナノウォール１２ａは、酸化鉄のような酸化物の形成による阻害を受けることをなく、酸素プラズマによるスパッタで研削して除去することができる。また、研削は、所定の高さｈ１を超える鉄等の不純物を含むカーボンナノウォール１２ｂに達すると酸化物の形成により進行を阻害され、自動的に停止する。 Therefore, according to the embodiment, the graphite layer 11 and the carbon nanowalls 12a to which no impurities are added are removed by being sputtered by oxygen plasma without being hindered by the formation of oxides such as iron oxide. be able to. When the grinding reaches the carbon nanowalls 12b containing impurities such as iron exceeding the predetermined height h1, the progress of the grinding is hindered by the formation of oxides, and the grinding is automatically stopped.
このように、実施形態では、カーボンナノウォール１２ｂに酸化物を形成する不純物を添加するとともに、グラファイト層１１及び不純物の添加されていないカーボンナノウォール１２ａを酸素プラズマによるスパッタで研削することを可能としている。したがって、鉄等の不純物を含むカーボンナノウォール１２ｂを含む可飽和吸収素子を実現することができる。また、研削を進める部分を不純物に由来する酸化物により自動的に停止させることができ、可飽和吸収素子１の厚みなどの寸法や透過率を正確に制御することができる。 As described above, in the embodiment, it is possible to add an impurity that forms an oxide to the carbon nanowalls 12b and grind the graphite layer 11 and the carbon nanowalls 12a to which no impurities are added by sputtering using oxygen plasma. There is. Therefore, a saturable absorber including the carbon nanowalls 12b containing impurities such as iron can be realized. Further, the portion where the grinding is advanced can be automatically stopped by the oxide derived from impurities, and the dimensions such as the thickness of the saturable absorber 1 and the transmittance can be accurately controlled.
実施形態では、鉄等の不純物を添加したカーボンナノウォール１２ｂを含む可飽和吸収素子１を提供することができる。可飽和吸収素子１は、不純物の添加により励起したキャリアの緩和時間を短くすることができる。これによって高い繰り返し周波数のパルスに対しても可飽和吸収を起こし続けることができ、より高い性能のレーザ発振を狙うことができる。 In the embodiment, the saturable absorber element 1 including the carbon nanowall 12b doped with impurities such as iron can be provided. The saturable absorber element 1 can shorten the relaxation time of carriers excited by addition of impurities. As a result, saturable absorption can be continued even for a pulse with a high repetition frequency, and laser oscillation with higher performance can be aimed at.
実施形態の可飽和吸収素子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。 The saturable absorber element 1 of the embodiment is used for generation of terahertz light, such as a non-thermal processing device using an ultrashort pulse laser using the saturable absorber device 1, a transparent material processing device, and a difficult-to-process material processing device. be able to. Further, for example, the saturable absorber element 1 can be used for large-capacity optical fiber communication using ultrashort pulses.
〈実験結果〉
実施形態の可飽和吸収素子の製造方法において、カーボンナノウォールを形成する工程を実験した。図７は、カーボンナノウォールの形成を示す顕微鏡写真である。
<Experimental result>
In the method for manufacturing the saturable absorber according to the embodiment, the step of forming carbon nanowalls was tested. FIG. 7 is a micrograph showing the formation of carbon nanowalls.
図７（ａ）は、基板上に不純物を添加しないカーボンを３分程度にわたり堆積させた状態の高さ方向から見た顕微鏡写真を示している。この状態は可飽和吸収素子の製造方法の図３（ｂ）の工程に相当するものであり、基板１０上にはグラファイト層１１が形成され、カーボンナノウォールはまだ成長していない。 FIG. 7A shows a photomicrograph viewed from the height direction in a state where carbon without addition of impurities is deposited on the substrate for about 3 minutes. This state corresponds to the step of FIG. 3B of the method for manufacturing the saturable absorber, in which the graphite layer 11 is formed on the substrate 10 and the carbon nanowalls have not grown yet.
図７（ｂ）は、その後２分程度にわたりカーボンナノウォールを成長させた状態の高さ方向から見た顕微鏡写真を示している。この状態は可飽和吸収素子の製造方法の図３（ｃ）の工程に相当するものであり、グラファイト層１１上にカーボンナノウォール１２ａの成長が開始されている。 FIG. 7( b) shows a micrograph viewed from the height direction in the state where the carbon nanowalls were grown for about 2 minutes thereafter. This state corresponds to the step of FIG. 3C of the method for manufacturing the saturable absorber, and the growth of the carbon nanowalls 12 a has started on the graphite layer 11.
なお、カーボンナノウォール１２ａが所定の高さｈ１にまで達すると、可飽和吸収素子の製造方法の図３（ｄ）で示したように所定の高さｈ１を超えた部分から不純物の鉄の添加が開始される。 When the carbon nanowalls 12a reach a predetermined height h1, as shown in FIG. 3D of the method for manufacturing a saturable absorber, the addition of iron as an impurity from a portion exceeding the predetermined height h1. Is started.
〈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の一例について説明する。図８（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。
<Laser device>
Hereinafter, an example of the laser device according to the embodiment having the saturable absorber 1 will be described. As shown in FIG. 8A, the laser device 2 according to the embodiment includes a light source 20 that outputs excitation light, and an oscillator 21 that oscillates laser light using the light output from the excitation light. There is. Further, the oscillator 21 has an optical gain medium 22 and the saturable absorber element 1. The laser device 2 is a laser device that outputs pulsed light, and is an ultrashort pulse laser device in which the pulse width of the output pulsed light is a femtosecond or picosecond level.
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。 The optical gain medium 22 includes an optical fiber cable 221, an optical coupler 222 that couples the light of the optical fiber cable 221 and the light of the light source 20, an optical gain medium 223 that amplifies the light, and a collimator lens that adjusts the light into parallel light. 224, wave plates 225a and 225b that adjust the polarization of light, and a beam splitter 226 that outputs a part of the light as an ultrashort pulse and returns a part of the light to the optical fiber cable 221. Here, the wave plate 225a is a quarter wave plate, and the wave plate 225b is a half wave plate.
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８（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８（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。実施形態の可飽和吸収素子１は、カーボンナノウォールに不純物の鉄を添加し、高い繰り返し周波数のパルスに対しても可飽和吸収を起こし続けることを可能にし、より高い性能のレーザ発振を実現している。 The saturable absorber 1 is a saturable absorber having the carbon nanowalls 12 described above, and is connected to the inside of the optical fiber cable 221 by the connector 23 as shown in FIG. 8B. In FIG. 8B, the saturable absorber element 1 is arranged not at right angles to the optical fiber cable 221 but at an angle, but the angle of the saturable absorber element 1 with respect to the optical fiber cable 221 is not limited. .. The saturable absorber element 1 of the embodiment adds iron as an impurity to the carbon nanowalls, makes it possible to continue saturable absorption even for a pulse having a high repetition frequency, and realizes laser oscillation of higher performance. ing.
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。 The oscillator 21 transmits and absorbs the light input from the optical fiber cable 221 by the saturable absorber element 1, thereby realizing mode locking and outputting an ultrashort pulse.
なお、図８（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。 Although FIG. 8A shows an example having one saturable absorber element 1, a plurality of saturable absorber elements 1 connected via different connectors 23 may be provided in parallel. This makes it possible to adjust the absorbance and output an ultrashort pulse even when sufficient absorbance cannot be obtained with only one saturable absorber element 1.
図９は、実施形態のレーザ装置の他の例を示している。このレーザ装置２は、図８（ａ）に示した実施形態のレーザ装置の一例が波長板を用いて共振器から光を取り出しているのに対し、波長板を用いずに全て光ファイバで構築した点において相違している。他の構成は、図８（ａ）に示した実施形態のレーザ装置の一例と同様であるので、対応する部材には同一の符号を付して対応関係を明らかにする。 FIG. 9 shows another example of the laser device of the embodiment. This laser device 2 is constructed entirely of optical fibers without using a wave plate, whereas the example of the laser device of the embodiment shown in FIG. 8A uses a wave plate to extract light from the resonator. The difference is that Other configurations are similar to those of the example of the laser device of the embodiment shown in FIG. 8A, and therefore corresponding members are designated by the same reference numerals to clarify the corresponding relationship.
このレーザ装置２では、通常の光ファイバでは内部の光の変更が回転してしまい発振しないため、光ファイバ２２１、２２３の全体を偏波面保持ファイバで構築している。発振した光はアウトプットカプラ２３１から共振器外に取り出す。 In this laser device 2, since the change of the light inside the ordinary optical fiber is rotated and does not oscillate, the entire optical fibers 221 and 223 are constructed by the polarization maintaining fiber. The oscillated light is taken out of the resonator from the output coupler 231.
なお、図８、図９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。 The laser device 2 described above with reference to FIGS. 8 and 9 is described by taking a fiber laser that uses the optical fiber cable 221 as an example. By using 1, it is possible to obtain mode-locked oscillation.
以上、実施形態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。 Although the present invention has been described in detail above using the embodiments, the present invention is not limited to the embodiments described in the present specification. The scope of the present invention is determined by the description of the claims and the scope equivalent to the description of the claims.
１ 可飽和吸収素子
１０ 基板
１１ グラファイト層
１２ カーボンナノウォール
１２ａ 不純物が添加されていないカーボンナノウォール
１２ｂ 不純物が添加されたカーボンナノウォール
１３ ポリイミド前駆体
１４ ポリイミド
1 Saturable Absorption Element 10 Substrate 11 Graphite Layer 12 Carbon Nanowall 12a Carbon Nanowall Without Impurity Addition 12b Carbon Nanowall With Impurity Addition 13 Polyimide Precursor 14 Polyimide
Claims (4)
前記所定の高さを超えて不純物が添加された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包埋材で包埋する工程と、
前記基板を包埋材から剥離する工程と、
不純物が添加されていないカーボンナノウォールを形成する際に前記基板上に形成されたグラファイト層を除去する工程と、
前記所定の高さまでカーボンナノウォール及び包埋材を除去する工程と
を含み、前記所定の高さは前記グラファイト層の高さより大きい可飽和吸収素子の製造方法。 A step of forming carbon nanowalls on which impurities are not added to a predetermined height,
Forming a carbon nanowall doped with impurities to exceed the predetermined height,
Embedding the substrate on which the carbon nanowalls are formed with an embedding material,
Peeling the substrate from the embedding material,
Removing the graphite layer formed on the substrate when forming carbon nanowalls to which impurities have not been added,
Removing the carbon nanowalls and the embedding material up to the predetermined height, the predetermined height being greater than the height of the graphite layer.
前記基板上に形成されたカーボンナノウォールと、
カーボンナノウォールが形成された前記基板を包埋する包埋材と
を含み、カーボンナノウォールは、前記基板の表面から所定の高さを超えた部分にのみ不純物が添加された部材。 Board,
Carbon nanowalls formed on the substrate,
An embedding material that embeds the substrate on which carbon nanowalls are formed. The carbon nanowalls are members in which impurities are added only to a portion exceeding a predetermined height from the surface of the substrate.
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