JPH0697540A - 固体レーザ - Google Patents
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Abstract
起子発光によって、波長225nm以上300nm以下
のレ−ザ光を発生する。 【効果】 本発明の紫外線固体レーザは、高密度光記録
装置用などの用途に好適である。
Description
体レーザに関するものである。
以下)の短波長域で小型、高効率で安定性の良いレーザ
光が、高密度光記録装置用などとして求められている。
なる光源は各種あったが、このような短波長域で発振が
可能なレーザはごく限られていた。それらのレーザの方
式の一つは窒素レーザ、エキシマレーザなどのガスレー
ザで、大型で効率が悪く、非常に短時間のパルスとして
しか発振させることができないので、とても光記録など
には使用することができなかった。他の方式として50
0nm以上の長波長のレ−ザ光を1/2や1/3の波長
の高調波に変換するものがあるが、これはレーザの効率
を2〜3桁低下させるので元の波長のレーザに大型のも
のを使わざるを得ず実用化に至っていない。
及させるためには、小型で安定に発振でき効率の高いも
のが必要である。そのためにはレーザ発振媒質が固体結
晶であるものが望ましい。
可視光から紫外光にかけて発光を示すことは既に示され
ている。(例えば「ダイヤモンドの励起子発光」川原田
洋平木昭夫,NEW DIAMOND,Vol.6 No.3(1990)p2、「Ca
thodoluminescence and electroluminescence of undop
ed and boron-doped diamond formed by plasma chemic
al vapor deposition」H.Kawarada Y.Yokota Y.Mori K.
Nishimura A.Hiraki, J.Appl.Phys.,67(1990) p983 、
「Blue and greeen cathodoluminescence ofsynthesize
d diamond films formed by plasma-assisted chemical
vapour deposition,」H.Kawarada K.Nishimura T.Ito
J.Suzuki K.Mar Y.Yokota, Jap.J.Appl.Phys. 27(4)
(1988)pL683 など)
を導入することによって、カラーセンターを作成し、可
視光域の固体レーザを作成する方法も示されている。
(例えば特開昭63−246885、特開昭64−20
689)
に安定で、透明度が高く、熱伝導率が大きいので、紫外
線固体レーザ発振の媒質として優れているためその実現
が望まれていたが、これまで紫外域でレーザ発振を行っ
た例はなかった。
有量が適度に制御されたダイヤモンド結晶は電子線やキ
ャリア注入による励起によって、励起子発光と呼ばれる
発光を起こす。励起によって発生した電子と正孔が対を
成して存在するものを励起子というが、この励起子を構
成する電子と正孔が再結合するときに発光を生じるもの
である。ダイヤモンド結晶は励起によって各種の発光を
示すが、励起子発光とはこの中で225〜300nmの
波長範囲の光を放出する発光である。
子発光を利用して、ダイヤモンド結晶を用いた紫外光レ
ーザ発振に成功した。
照射、紫外線照射または電気的接合によるキャリア注入
を用いダイヤモンドの単位面積あたり0.1W/cm2
以上の強力な励起を行う。 (2)ダイヤモンド結晶は強力な励起手段によってエネル
ギーを供給しても温度が室温以下に保たれるように冷却
装置によって冷却する。 (3)向い合った反射ミラーによって光共振器を形成す
る。
内に大量の励起子を発生させ、これらの励起子が再結合
するときに発生する紫外光が、光共振器によって波長・
位相の揃ったレ−ザ光として一斉に放出される。
が、天然ダイヤモンドは不純物の少ない品質の揃ったも
のを入手するのが困難であるので、高圧合成法または気
相合成法で合成された人工ダイヤモンドが好ましい。
ド以外の黒鉛などの構造を有する炭素を含むことがある
が、このような非ダイヤモンド状炭素は励起子発光にと
って極めて有害である。ダイヤモンドの合成法によらず
ダイヤモンド中の非ダイヤモンド炭素の許容できる目安
として、ラマン散乱スペクトル法で観察して、1330
cm-1から1340cm-1にピークを有するダイヤモンド特
有の散乱ピークの半値幅が10cm-1以下で、かつ、15
00cm-1から1600cm-1に現れる非ダイヤモンド炭素
の散乱のピーク高さが先のダイヤモンド特有の散乱のピ
ーク高さの20%以下であることが必要である。
素としては少量の窒素およびホウ素が含まれていてもよ
い。これらの励起子固体レーザ用ダイヤモンド結晶中の
許容濃度はそれぞれ500ppmである。500ppm
を超えると窒素がダイヤモンド中で偏析しが励起子を発
光させない再結合中心となって好ましくない。また、ダ
イヤモンド結晶中の窒素とホウ素を含む不純物の総量は
2000ppm以下であることが好ましい。2000p
pmを超えると窒素のみの場合と同様に不純物が非発光
性の再結合中心となって好ましくない。
種類や量によって、225nmから300nmの範囲で
波長の異なるレ−ザ光が発振される。
する方法としては、高圧合成時に原料に不純物を混入す
る方法、気相合成時に不純物を混入する方法、不純物を
イオン注入する方法、粒子線(電子線、X線、中性子線
など)で欠陥を生じさせる方法、低圧下または高圧下で
加熱処理する方法、およびそれらの組み合せで可能であ
る。
の端が励起子を失活させる再結合中心となるのでダイヤ
モンド結晶は単結晶であることが好ましく、多結晶であ
ってもなるべく一つ一つの結晶粒が大きいことが重要で
ある。単結晶の大きさ、多結晶における結晶粒の大きさ
は少なくとも1μm以上であることが必要である。1μ
m未満であると粒界で失活する励起子が多くなり不都合
である。
は、電子線、X線、紫外光、イオンビームなどを外部か
ら照射して励起する方法と、PN接合、ショットキー接
合、MIS接合、ヘテロ接合などのダイヤモンドに設け
た電気的接合に電界を印加してダイヤモンド中にキャリ
アを注入する方法がある。
方法が、ダイヤモンド中に大量に励起子を発生するのに
適している。電子線は1KeV以上の加速エネルギーで
照射することが好ましい。紫外光源はダイヤモンドの吸
収端である225nmより短い波長の成分を多く含むエ
キシマレーザ、水銀ランプ、(重)水素放電ランプ、フ
ラッシュランプ、SOR光などが望ましい。
ホウ素や炭化珪素などとのヘテロ接合によってキャリア
を注入する方法も小型化のために効果的である。このよ
うな電気的な接合を作るためには、ダイヤモンドに半導
体性をもたせることが必要であるが、その際にはリチウ
ム、ベリリウム、ホウ素、窒素、アルミニウム、珪素、
リン、硫黄、塩素、ガリウム、ヒ素、セレン、などの元
素を上に述べた方法でダイヤモンド結晶中に導入する必
要がある。
金属電極に交流電界を印加して励起する方法がある。こ
の場合にはダイヤモンドは絶縁性でもよい。
て効率が低下するので、ダイヤモンド結晶を液体窒素温
度(77K)以下の低温にした方が好ましいが、ダイヤ
モンドにおいては励起子の結合エネルギーが大きいので
室温においてもレーザ発振が可能である。
ても、ダイヤモンド結晶の温度を上昇させるので、強力
かつ効果的な冷却手段を用意しなければならない。ま
た、連続的にレーザを発振させる必要がなければ、パル
ス状に間欠的な励起を行うことが好ましい。
モンド結晶の研磨面に金属を蒸着して構成することが、
レーザ発振の効率を高めるために好ましいが、ダイヤモ
ンド結晶の加工精度が光共振器に必要な平行度を得るレ
ベルに達していない場合は、少なくとも一方の反射ミラ
ーを、ダイヤモンド結晶の外部に設置することもでき
る。
−ザ光が同時に発振することがあるが、単一の波長のみ
を効率的に発振させるためには、光共振器の内部にプリ
ズムや回折格子などの波長選択素子をおくことにより、
一つの波長のレ−ザ光が効率よく発振し、波長帯域幅も
狭くなる効果がある。本発明のレーザは光増幅器として
も使用できる。
m程度の窒素およびホウ素を含むIb型ダイヤモンド単
結晶を7×3×1mm3の直方体に加工した。このダイ
ヤモンド直方体の全ての面は面粗さRmax500nm以
下に研磨し、直方体の3×1mm2の大きさの片方の面
に金を蒸着して全反射ミラーとした。このダイヤモンド
1を図1に示すように液体窒素で冷却された銅製の冷却
支持台2上に設置し、周囲を約10-7Torrの真空に
排気した。
らダイヤモンド1の7×3mm2の大きさの面に向け
て、加速電圧25KV、電流0.6mAの電子ビームを
約0.02秒間照射することを1秒間隔で繰り返した。
電子ビームの照射を繰り返しながら、全反射ミラー3の
反対側に設置した半透過ミラー4の角度を微調整すると
237.6nmのレ−ザ光の発振が確認された。
レーザ発振の様子を観察すると、図2に示すようにレー
ザ発振のしきい値は電子ビーム電流が0.54mAのと
ころであることがわかった。
レーザを得ることができる。本発明の固体レーザは、高
密度光記録装置用などの用途に好適である。
を示すグラフ。
Claims (3)
- 【請求項1】 ダイヤモンド結晶をレーザ発光の媒質と
し励起子発光によって、波長225nm以上300nm
以下のレ−ザ光を発生する固体レーザ。 - 【請求項2】 少なくともレーザ発光媒質としてのダイ
ヤモンド結晶とダイヤモンド結晶を励起するための電子
線または紫外線またはX線発生装置とダイヤモンド結晶
を一定温度に保つための冷却装置または放熱装置とを有
し、 ダイヤモンド結晶の励起子発光によって、波長225n
m以上300nm以下のレ−ザ光を発生する固体レーザ
装置。 - 【請求項3】少なくともレーザ発光媒質としての1ヶ以
上の電極を設けたダイヤモンド結晶とダイヤモンド結晶
に直流または交流の電界を印加するための電源装置とダ
イヤモンド結晶を一定温度に保つための冷却装置または
放熱装置とを有し、 ダイヤモンド結晶の励起子発光によって、波長225n
m以上300nm以下のレ−ザ光を発生する固体レーザ
装置。
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