JPH08316551A - マイクロレーザーキャビティおよび外部制御式受動スイッチ型固体パルス型マイクロレーザー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光学的にポンピングされかつ受動スイッチン
グシステムの利点（相補的で複雑なエレクトロニクスに
より供給されるものではない）を備える固体マイクロレ
ーザー源であって、かつ、能動スイッチングシステム
（発光周波数における時間制御および秩序）をなす固体
マイクロレーザー源を如何にして構成するか。 【解決手段】 固体活性媒質４６と、入力ミラー５０
と、出力ミラー５２とを具備してなり、可飽和吸収体４
８と、この可飽和吸収体４８の飽和を開始させるための
開始ビーム５６の導入を可能とする開始ビーム導入手段
６０、６２とを具備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【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の形態とされたその構造にあ
る。活性レーザー媒質は、限られた厚さ（１５０〜１０
００μｍ）の材料から構成され、面上に誘電性キャビテ
ィミラーが直接的に成膜される小さな寸法領域（数ｍｍ
² ）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、非常に低コストでの大量生産が
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】公知のマイクロレーザーは、通常、数十
ｍＷのパワーで連続発光する。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。

【０００５】固体レーザーにおいては、そのような高ピ
ークパワーは、キャビティスイッチングプロセスを適用
して、固体レーザーを１０〜１０⁴ Ｈｚの周波数のパル
スモードで機能させることにより得ることができる。キ
ャビティは、能動的に、あるいは、受動的にスイッチン
グすることが可能である。

【０００６】能動スイッチングの場合には、損失の値
は、使用者により、例えば、ビームのパスか分極状態か
のどちらかを変え得る、回転キャビティミラー手段、ま
たは、キャビティ内電気光学手段、または、音響光学手
段により、外部から制御される。キャビティの貯蔵持続
（storage duration）時間、キャビティの開始時間、お
よび、繰返し率（repetirion rate）は、個別に選択す
ることができる。

【０００７】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Op
tics Letters, vol.17, No.17, pp1201-1203, 1992にお
ける”Diode-pumped microchip lasers electro-optica
lly Q-switched at highpulse repetition rates” と
題する文献中に記載されている。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−Ｐｅｒ
ｏｔ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１に示されており、参照符号２は、活
性レーザー媒質を示している。参照符号４は、電気光学
スイッチング材料（ＬｉＴａＯ₃） を示している。活性
レーザー媒質２は、入力ミラー６および中間ミラー８と
共に、第１Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティを形成し
ている。スイッチング材料は、中間ミラー８および出力
ミラー１０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４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１２、１４
は、レーザービーム１６の軸に直交するように、材料４
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、ミラー８、１０およびスイッチング材料４に
より形成されているＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティ
の反射率を変化させる。

【０００８】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 ＝５００μ
ｍ、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、すなわ
ち、電気光学的キャビティを、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１
２、１４に対して印加される外部制御電圧により制御さ
れる。図２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６、
８、１０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。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。図４のグラフ
によれば、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。

【０００９】このタイプのマイクロレーザーは、実用を
阻害するような問題から逃れることはできない。

【００１０】まず、最初に、マイクロレーザーは、手動
により作製される（予めカットされたフラグメントの結
合工程を含む）。それゆえ、幾何寸法に対して、特に電
極間隔に対して、下限が存在し、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、非常に短い時間（１ナノ秒よりも短い）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。

【００１１】受動スイッチングの場合には、様々な損失
が、可飽和吸収体（saturable ab-sorber）、略して
Ｓ．Ａ．と称される材料の形態でキャビティ内に導入さ
れる。可飽和吸収体は、レーザーの波長においてかつ低
パワー密度において、高い吸収を示し、また、パワー密
度が可飽和吸収体の飽和強度と称されるあるしきい値を
超えたときには、実質的には透明になる。

【００１２】能動的にスイッチングされるマイクロレー
ザーと比較して、受動的にスイッチングされるマイクロ
レーザーは、何ら問題を起こさない自己スイッチ型デバ
イスである。高電圧も、また、高電流も存在せず、その
結果、受動的にスイッチングされるマイクロレーザー
は、ずっと容易に作製することができる。しかしなが
ら、レーザー発光の時間制御は、実際にはずっと困難で
ある。したがって、ある特性が、すべての製造に対し
て、制御される、あるいは、固定される。特に、可飽和
吸収体の損失レベルが、その特性（組成、厚さ、スペク
トル特性）によって固定される。よって、２つのタイプ
の時間ドリフトが、受動的にスイッチングされるマイク
ロレーザーにおいてこれまでに観測されている。−１つ
は、時間的な操作周波数のドリフトである。これは、数
分で５０％に達することもある（約１０分後での１６ｋ
Ｈｚに対する７ｋＨｚのドリフト）。この周波数ドリフ
トは、しばしば、振幅の同様に伴って発生する。−２つ
めは、開始遅れの変動、すなわちジッター（jitter）で
ある。これは、１０ナノ秒よりも大きいことができる。

【００１３】したがって、問題は、光学的にポンピング
されかつ受動スイッチングシステムの利点（相補的で複
雑なエレクトロニクスにより供給されるものではない）
を備える固体マイクロレーザー源であって、かつ、能動
スイッチングシステム（発光周波数における時間制御お
よび秩序）をなす固体マイクロレーザー源を如何にして
構成するかということにある。

【００１４】

【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、固体活性媒質を具備してなるマイクロレ
ーザーキャビティに関するものであり、可飽和吸収体
と、可飽和吸収体の飽和を開始させるための開始ビーム
の導入を可能とする開始ビーム導入手段とを具備するこ
とを特徴としている。

【００１５】よって、能動的にスイッチングされるマイ
クロレーザーの場合に使用されていたエレメントより
も、より複雑さの低いエレメントだけを使用して、キャ
ビティスイッチング時間の制御を行うことができる。

【００１６】システムは、以下のようにして機能する。
まず最初は、損失が、マイクロレーザーキャビティ内に
おいて高レベルにある。というのは、可飽和吸収体が吸
収状態にあり、かつ、ゲインが増幅媒体中において増加
するからである。次に、マイクロレーザーのスイッチン
グが意図されている時間に、制御信号が、開始ビームま
たは引き起こしビームにより可飽和吸収体に供給され
る。吸収体の飽和が、開始または引き起こされ、キャビ
ティの損失は、わずかに減少して、キャビティゲインの
ところまで減少する。これは、スイッチ型マイクロレー
ザーパルスの生成につながる。

【００１７】時間の観点から、本発明の新規なデバイス
は、能動的にスイッチングされるデバイスに関連した利
点のすべて、すなわち、繰返し率の決定、レーザーパル
ス開始時間の制御、およびシステム内における同期可能
性（synchronization possi-bility）を有している。

【００１８】レーザーパルス制御信号は、低パワーのも
のである。それは、単に、可飽和吸収体内にスイッチン
グビーム光パルスを導入することが必要である。そし
て、レーザー媒質のゲインは、可飽和吸収体を完全に飽
和させるために、休止する。したがって、スイッチング
を開始させるために導入されるべきパワーは、低いもの
であり、特に、能動的にスイッチングされるマイクロレ
ーザーの場合において数百ボルト（１０００Ｖまで）の
電圧が必要とされることに比べると低いものである。さ
らに、小さな媒質に対して高電圧電源を準備しなければ
ならないことに比べると、補助的な開始源を有すること
は、ずっと経済的である。

【００１９】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。

【００２０】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。

【００２１】１．第１の構成は、図３（ａ）に示されて
いる。ここで、参照符号２０は、レーザーキャビティを
示している。参照符号２２、２３、２４、２５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。

【００２２】この場合、可飽和吸収体２３と、キャビテ
ィ２０内の他のエレメントとは、一切接触していない。

【００２３】このようなタイプの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。

【００２４】２．図３（ｂ）および図３（ｃ）に示され
ている構成においては、光学的接着剤２９を利用して、
可飽和吸収体２６と、ミラー２７（図３（ｂ））との間
あるいは活性レーザー材料２８（図３（ｃ））との間の
接触が確保されている。

【００２５】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。

【００２６】３．図３（ｄ）および図３（ｅ）には、第
３の可能な構成を示す。ここで、参照符号３０および３
１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３２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（codope
d）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。

【００２７】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。

【００２８】さらに、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。

【００２９】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
できない。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、濃度を幅広く変化させることができる。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。

【００３０】上記課題を除去するために、本発明におい
ては、可飽和吸収体を、マイクロキャビティの活性材料
上に直接的に薄膜の形態で成膜することを提案してい
る。

【００３１】特にこの実施形態に関する本発明の主な利
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）の構造にあって、この構造は、層の積み重ねから
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、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、単純であり、低コストのマ
イクロレーザーの大量生産プロセスに対して、問題を起
こすことはない。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、接着または
固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。

【００３２】”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つの媒質のいかなる接着も避けられている
ことであり、しかし一方で、一体式構造は、維持されて
いることである。したがって、一方においては、（層の
成膜時において、あるいは、層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、他方においては、前記分離の結果とし
て、１つのイオン（例えば、Ｅｒ）が活性イオン、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。

【００３３】さらに詳細な本発明の実施形態において
は、開始ビーム導入手段が、可飽和吸収体フィルムの平
面内における開始ビームの案内された伝搬を可能とする
ように、設けられている。

【００３４】よって、可飽和吸収体は、エッチングされ
た微小表面を有することができ、マイクロレーザー内に
開始ビームが導入されたときには、微小表面において開
始ビームが反射することにより、可飽和吸収体フィルム
の平面内における開始ビームの案内された伝搬が可能と
されている。

【００３５】さらに、活性レーザー媒質のポンピングビ
ームのマイクロキャビティ内への導入方向と平行に、開
始ビームをキャビティ内に導入し得る手段を具備してい
る。

【００３６】変形形態においては、凹所を、可飽和吸収
体フィルムの少なくとも一部に形成することができ、こ
の凹所は、可飽和吸収体フィルムの平面内に光ファイバ
の端部を配置することを可能としている。

【００３７】本発明の他の実施形態においては、開始ビ
ーム導入手段は、可飽和吸収体フィルムの平面内には含
まれない方向に、開始ビームがマイクロキャビティ内を
伝搬し得るように、設けられている。

【００３８】さらに詳細には、この実施形態において
は、開始ビーム導入手段は、マイクロレーザーキャビテ
ィの入力ミラー側に配置された軸が偏位したマイクロレ
ンズ部分を有している。

【００３９】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。

【００４０】最後に、本発明は、また、上述のようなマ
イクロレーザーキャビティと、キャビティポンピング手
段と、可飽和吸収体の飽和を開始させるためのビームを
生成するための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。

【００４１】

【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。

【００４２】図１は、既に説明済みのものであって、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２は、従来の能動ス
イッチ型マイクロレーザーにおいて、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３（ａ）〜図３（ｅ）は、既に説明済み
のものであって、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４（ａ）および図
４（ｂ）は、平面−平面モードあるいは平面−凹面モー
ドにおいて可飽和吸収体フィルムを備えるマイクロレー
ザーキャビティを示す図である。図５および図６は、本
発明のマイクロレーザーの実施形態を示す図である。図
７（ａ）および図７（ｂ）は、本発明のマイクロレーザ
ーの他の実施形態を示す図であって、光ファイバによる
開始ビームの注入を備えている。図８（ａ）および図８
（ｂ）は、能動的にスイッチングされるレーザーキャビ
ティの動作を示す図であって、一方（図８（ａ））は、
従来技術によるものであって、他方（図８（ｂ））は、
本発明によるものである。

【００４３】一般的に言えば、本発明は、第１に、入力
ミラーと出力ミラーとの間に固体活性媒質を有するマイ
クロレーザーのキャビティに関するものであり、また、
マイクロレーザーの受動スイッチングを可能とする可飽
和吸収体を有するマイクロレーザーキャビティに関する
ものである。また、可飽和吸収体の飽和を開始させるた
めの、あるいは引き起こすためのビームの導入を可能と
する手段が設けられている。

【００４４】開始ビームは、例えば、レーザーダイオー
ドにより得ることができる。このタイプのレーザー源
は、コンパクトであり、マイクロレーザーの小さなサイ
ズと完全に適合する。さらに、レーザーダイオードから
放出されるパワーは、ダイオードに対する供給電流によ
り、非常に容易に制御することができる。予定されてい
る応用（可飽和吸収体の開始）に対しては、ダイオード
が、波長条件およびパワー条件を確実に満足することが
好ましいことである。

【００４５】波長の観点からは、開始源は、レーザービ
ームと同じ遷移において、可飽和吸収体を励起させるこ
とが好ましい。レーザービームの吸収は、前記遷移に起
因するものであり、結果的に飽和されるべきものであ
る。それゆえ、レーザーの波長と同じ波長を使用するこ
とができる、あるいは、よりエネルギーの高いフォトン
に対応してより短い波長を使用することができる。より
短い波長を使用する場合には、（エネルギーレベルの分
布が離散的である場合においては）励起中心が正しいエ
ネルギーレベルへと落ちるように緩和され、あるいは、
（可飽和吸収体媒質が吸収バンドを有している場合にお
いては）選択された波長が吸収バンド限界内に留まって
いるように励起中心が緩和されることが保証されている
ことが好ましい。不純物がＣｒ⁴⁺イオンにより構成され
ている可飽和吸収体に対しては、９８０ナノメートルで
発光するダイオードが、開始ビームを得るためには好適
である。

【００４６】放出されるパワーの観点からは、可飽和吸
収体の吸収を引き起こすためには、パワーの量として
は、小さなパワーを要するだけである。レーザー媒質中
および可飽和吸収体中のパスが短いことを考慮すれば、
また、開始ビームのパワーにおける損失が限られている
ことを考慮すれば、開始または引き起こし源としては、
数十ミリワット（およそ１０〜１００ｍＷの範囲）のパ
ワーを有しているだけで十分である。この大きさのオー
ダーは、III−V半導体ダイオードのような市販されてい
て低パワーのダイオードに適合している。III−V半導体
ダイオードは、また、低コストのものである。そのよう
なダイオードを使用したときには、波長の調整は、レー
ザーダイオードにおいて使用されているIII−V半導体材
料を調整することにより可能である。これらの調整プロ
セスは、公知なものであるので、ここでは詳細には説明
しない。Pocholle氏による文献、すなわちSPECTRA 200
0, No.164, April 1992, p27 を参照することができ
る。

【００４７】次に、本発明において、可飽和吸収体がフ
ィルムの形態である場合について説明する。特に、図４
（ａ）および図４（ｂ）に示すように、可飽和吸収体フ
ィルムを増幅媒質上に直接的に成膜することが有利であ
る。図中、参照符号３６は、活性レーザー媒質を示して
いる。参照符号３８は、可飽和吸収体フィルムを示して
いる。そして、これら２つのエレメントは、レーザーキ
ャビティを閉塞している２つのミラー４２、４４の間に
位置している。参照符号４０は、キャビティ全体を示し
ている。

【００４８】図４（ｂ）に示すように、付加的に、従来
方法（A.EDA氏他による CLEO'92,paper CWG33, p282
（Conf. on Laser and Electro-optics, Anaheim, USA,
May1992））により、レーザー媒質３６の表面上に透明
材料（例えば、シリカ）からなるマイクロレンズアレイ
を作ることが可能である。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。

【００４９】このようなマイクロレンズは、”安定な”
キャビティ（平面−平面キャビティは安定ではない）を
得るために使用され、安定なキャビティは、平面−凹面
タイプからなるものである。光学的ポンピングの場合に
は、マイクロレンズは、また、ポンピングビームに焦点
を合わすことができる。

【００５０】活性媒質３６の原材料をなす材料は、１．
０６μｍ付近のレーザー発光に対しては、例えば、ネオ
ジウム（Ｎｄ）をドーピングすることができる。原材料
をなす材料は、例えば、以下の材料の中から１つを選択
することができる。すなわち、ＹＡＧ（Ｙ₃Ａｌ
₅Ｏ₁₂）、ＬＭＡ（ＬａＭｇＡｌ₁₁Ｏ₁₉）、ＹＶＯ₄ 、
ＹＳＯ（Ｙ₂ＳｉＯ₅）、ＹＬＦ（ＹＬｉＦ₄） 、ＧｄＶ
Ｏ₄ 、あるいはＳＹＳ（ＳｒＹ₄（ＳｉＯ₄）₃Ｏ） 等の
中から選択することができる。この選択は、以下の制限
により条件付けられるが、特別の応用に依存することは
明らかである。

【００５１】レーザーキャビティが光学的にポンピング
される場合には、好ましくは、１つあるいは複数のレー
ザーダイオードによりポンピングされる場合には、材料
は、厚さを小さく（＜１ｍｍ）維持したまま、ポンピン
グ効率を向上させるために、ポンピング波長（例えば、
III−Vレーザーダイオードの発光波長である約８００ｎ
ｍ）において高い吸収係数を有していなければならな
い。

【００５２】ポンピング用レーザー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、レーザーダイオー
ドの波長安定性という問題を満足させることを目的とし
て、例えば８００ｎｍといったようなポンピング波長に
おける広い吸収バンドが要求される。

【００５３】高い効率および高い出力パワーを得るため
の考えられる実効的な誘導放出断面積が要求される。

【００５４】容易に単一周波数レーザーを得るために、
あるいは逆に、周波数が可変であるチューナブル（freq
uency-tunable laser）レーザー発光をもたらすための
広い発光バンドを得るために、制限された発光バンド幅
が要求される。

【００５５】材料の機械加工を単純化するために、ま
た、ポンピング光の吸収により発生する熱を良好に放散
して不利な熱効果を制限するために、良好な熱化学的性
質が要求される。

【００５６】高エネルギー貯蔵のための励起状態におけ
る寿命の長さ、あるいは、速いスイッチングレートのた
めの寿命の短さが要求される。

【００５７】レーザー単結晶を備えるマイクロレーザー
の可能な最大数が同時に生成され得るための（すなわ
ち、大量生産がなされるための）大きな寸法が要求され
る。

【００５８】公知の材料のうちで、マイクロレーザーの
動作にとって（数百マイクロ秒の寿命と比較して）最も
適切なものは、以下のものである。 −１つは、ＹＶＯ₄ である。これは、良好な係数、広い
吸収バンドを有しており、良好な実効断面積も兼備して
いる。 −また、ＹＡＧである。これの吸収係数および実効誘導
放出断面積は、平均的なものであり、これの吸収および
発光バンド幅は、狭いものであり、そして、大きな寸法
の形態とすることができ、熱伝導率が良好である。 −また、ＬＭＡである。これは、小さな吸収係数および
実効断面積を呈し、吸収および発光バンド幅は、広いも
のであり、そして、これもまた大きな寸法の形態とする
ことができる。

【００５９】活性イオン（ドーパント）に関しては、通
常、次のものの中から選択される。 −１．０６μｍ付近の発光に対しては、Ｎｄ。 −１．５μｍ付近の発光に対しては、Ｅｒ。あるいは、
エルビウムおよびイッテルビウム（Ｅｒ＋Ｙｂ）のコド
ーピング（codoping）。 −２μｍ付近の発光に対しては、Ｔｍ。あるいは、Ｈ
ｏ。あるいは、タリウムおよびホルミウムのコドーピン
グ。

【００６０】他の重要なパラメータは、活性媒質３６の
厚さｅである。厚さｅは、マイクロレーザーの特性を左
右する。すなわち、 −一方においては、厚さｅが増加するにつれて、ポンピ
ングビームの吸収がより大きくなることになる。 −他方においては、Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティ
の長さ方向のモード数は、厚さとともに増加する。そし
て、長さ方向に単一モードであるレーザーを得たい場合
には、この厚さは、薄くなければならない。

【００６１】ｄｇを材料のゲインバンド（レーザー発
光）の幅とすると、モード数Ｎは、次式により与えられ
る。 Ｎ＝ｄｇ／ｄｖ、そしてｄｖ＝Ｃ／（２ｎＬ） ここで、Ｃは光の速度、ｎは材料の屈折率である。

【００６２】単一周波数レーザーに関しては、通常、最
小厚さは、Ｎ＝１に対して選ばれ、厚さは、＞１００μ
ｍとされる。単一モードを得るための典型的な厚さは、 −ＹＡＧ では、Ｌ＝７５０μｍである。 −ＹＶＯ₄では、Ｌ＝５００μｍである。 −ＬＭＡ では、Ｌ＝１５０μｍである。

【００６３】実用的には、厚さｅは、１００μｍ〜５ｍ
ｍの範囲で可変とされる。

【００６４】図４（ａ）および図４（ｂ）に示す実施形
態においては、可飽和吸収体３８は、フィルムの形態で
ある。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, BD
N, KODAK, CAS No. 51449-18-4）のようなものを使用す
ることができる。

【００６５】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。

【００６６】このタイプの溶液は、トラメル（tramme
l） を利用してレーザー材料上に直接的に成膜されるこ
とになる（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。

【００６７】他のタイプのフィルムは、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こととなる。あるい
は、同じ成膜（同じ材料、同じドーピング、同じ特性）
の得ること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、ＬＰ
Ｅにより得られることになる。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３６上に、１μｍ〜５００μｍ（例えば、１００、２
００、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付近のレーザーに対
してはＥｒ³⁺、あるいは、２μｍ付近のレーザーに対し
てはＨｏ³⁺がドーピングされている。

【００６８】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
ルフィルム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。

【００６９】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パントにおいてのみ異なっている。

【００７０】２つの場合におけるフィルムの性質は、大
きく異なっている。よって、各々のフィルムのタイプに
対して、ダメージのしきい値を定義する。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、キャビティ内においてより低いエネルギー
レベルで動作させる必要がある。

【００７１】さらに、第１の場合には、レーザー材料８
とポリマー１２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。第２の場
合には、同じ材料（例えば、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、ＬＰＥを
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材料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、活性レーザー材料は、
２つの媒質間における光学的境界面の形成を阻止するた
めに、エピタキシャルの基体として機能する。

【００７２】最後に、フィルムの性質は、レーザーパル
ス列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、色素の緩和時間
は、非常に短く（〜１ｎｓ）、一方、イオンが不純物
（Ｃｒ⁴⁺、Ｅｒ³⁺、Ｈｏ³⁺）を構成しているエピタキシ
ャルフィルムの場合には、緩和時間は、約１マイクロ秒
あるいはそれ以上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、フィルムの選択を明瞭に
左右することになる。

【００７３】完成のレーザキャビティを得るために、１
つあるいは複数の可飽和吸収体フィルムを備えた活性媒
質は、２つのミラー４２、４４間に配置されることにな
る。公知方法により成膜された入力ミラーは、レーザー
波長において（できる限り１００％に近い）最大反射を
示し、かつ、ポンピングの波長（一般的には、Ｎｄがド
ーピングされた材料に対しては８００ｎｍ、Ｅｒがドー
ピングされた材料に対しては９８０ｎｍ、そして、Ｔｍ
がドーピングされた材料に対しては７８０ｎｍ）におい
て可能な限り高い透過（＞８０％）を示すようなダイク
ロイックミラーであることが好ましい。この場合、出力
ミラーは、同様にダイクロイックタイプであるが、レー
ザービームの数％の透過は許容する。これにより、図４
（ａ）および図４（ｂ）に示すような構造のレーザーキ
ャビティが得られる。

【００７４】そのような構造の利点は、非常に明瞭であ
る。というのは、異なる構成要素間における光学的軸合
わせに全く時間を要さないことであり、また、一切の光
学的接着剤を導入しないことである。一方、活性レーザ
ーイオンと可飽和吸収体イオンとがコドーピングされて
いる活性媒質における構造に関連する問題を避けてい
る。

【００７５】そのようなキャビティのポンピングは、光
学的ポンピングであることが好ましい。よって、III−V
レーザーダイオードが、マイクロレーザーキャビティの
ポンピングに特に適している。

【００７６】本発明においては、上記タイプのマイクロ
レーザーは、開始の目的のために設けられた開始ビーム
を利用して可飽和吸収体の飽和を開始することにより、
制御した状態でのスイッチングを行うことができる。次
に、変形形態について、図５、図６、図７（ａ）および
図７（ｂ）を参照して説明する。

【００７７】図５において、参照符号４６は、活性レー
ザー媒質を示している。参照符号４８は、可飽和吸収体
フィルムを示している。参照符号５０、５２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。活性レーザー媒質ポンピングビームは、概略的に
矢印５４で示されている。これに対して、矢印５６は、
可飽和吸収体４８の飽和を開始させるためのビームを示
している。図５に示す構成は、いわゆる横断型構成（tr
ansverse configuration）である。すなわち、開始ビー
ム５６は、レーザーキャビティのポンピングビーム５４
およびマイクロレーザーにより放出されるレーザービー
ム５８の軸に対して、可飽和吸収体フィルム内を垂直に
伝搬している。よって、薄膜の形態とされた可飽和吸収
体の場合には、そのような横断型構成は、フィルムが開
始ビームの案内路として機能している程度までは、特に
有利である。したがって、開始ビームは、図５において
記号Ａで示された領域のレベル、すなわち、キャビティ
のレーザービームが可飽和吸収体と出会う領域のレベル
まで伝搬することになる。好ましい実施形態において
は、可飽和吸収体フィルム内において、開始ビームの伝
搬が、可能な最短距離ｄよりも遠くまで達することが望
ましい。というのは、開始ビームは、フィルム内での伝
搬中にわたって吸収されるからである。しかしながら、
距離ｄは、マイクロレーザーキャビティ内へのポンピン
グビームおよび開始ビームの注入に使用されている微小
光学要素のサイズによって決まる。

【００７８】さらに、可飽和吸収体フィルムのインデッ
クスは、案内されている伝搬モードに合わせることがで
きる（ガドリニウム（Ｇｄ）およびルテチウム（Ｌｕ）
のコドーピングの場合には、Ｇｄがインデックスを合わ
せる機能を果たし、ＬｕがＧｄの導入による結晶格子の
広がりを補償することができる）。

【００７９】この実施形態においては、マイクロレーザ
ーキャビティ内に開始ビーム５６を注入するために、微
小光学的方法を使用することができる。すなわち、開始
波を反射することができる平面状表面または非平面状表
面６０を得るように、フィルム４８をエッチングするこ
とができる。このエッチング表面６０の傾斜は、開始波
を全反射するようになっていることが好ましい。全反射
になっていない場合には、さらに、表面６０に反射処理
を施すこともできる。

【００８０】限られた厚さ（約１０μｍ以下）の可飽和
吸収体フィルムに対しては、エッチング表面は、フォト
リソグラフィーおよび可変密度マスクにより得ることが
できる。より大きな厚さ（１０μｍ以上）に対しては、
表面６０を得るために傾斜研磨を使用することができ
る。

【００８１】開始ビーム５６は、入口部分からレーザー
媒質中に向けて絞り込まれることができる。それは、例
えば、マイクロレーザーの入射面上においてポンピング
ビーム軸の近傍の領域にエッチングされたマイクロレン
ズ６２を利用して行うことができる。図５に示す構成に
おいては、レーザー媒質ポンピングビーム５４および可
飽和吸収体開始ビーム５６は、マイクロレーザーの同じ
側面上に位置している。

【００８２】開始ビーム５６の絞り込み機能は、また、
他の手段により、例えば、回折性レンズ、フレネルレン
ズ、等により得ることができる。

【００８３】図６に示す実施形態においては、参照符号
６４、６６、６８、７０は、それぞれ、レーザー増幅媒
質、可飽和吸収体フィルム、マイクロレーザーキャビテ
ィの出力および入力ミラーを示している。ポンピングビ
ーム、開始ビーム、およびレーザービームは、図５と同
じ符号で表されている。

【００８４】図６に示す実施形態は、準長さ方向型（qu
asi-longitudinal）である。すなわち、開始ビーム５６
は、可飽和吸収体フィルムに向けて、フィルムの平面内
に含まれない方向に伝搬する。この実施形態において
は、図５に関連して説明した実施形態とは違って、可飽
和吸収体フィルムのエッチングを行う必要がない。この
実施形態においても図５の実施形態と同様に、開始ビー
ムは、マイクロレーザーキャビティの入力面に向かう方
向については、ポンピングビーム５４と平行に供給され
ることができる。入力面のところにおいて、開始ビーム
は、ポンピングビームが可飽和吸収体フィルムの面上に
入射している可飽和吸収体フィルムの領域Ａに向けて偏
向させられる。ビームの偏向は、軸が偏位変位した（of
f-axis）マイクロレンズ部分７２により得ることができ
る。この場合、軸が偏位したマイクロレンズ部分７２
は、ポンピングビーム軸の近傍領域における密度可変マ
スクを利用した活性レーザー媒質６４のエッチングによ
り得られる。

【００８５】上記の場合においては、開始ビーム５６お
よびポンピングビーム５４は、マイクロレーザーキャビ
ティの出力部分において得られるレーザービーム５８に
対して平行である。

【００８６】次に、図７（ａ）および図７（ｂ）を参照
して、他の実施形態について説明する。図において、薄
膜状の可飽和吸収体フィルムは、参照符号８０で示され
ており、増幅媒質７４上に成膜されている。可飽和吸収
体の飽和を開始させるための手段は、そのようにして得
られたマイクロレーザーキャビティの入力ミラー７８
と、出力ミラー７６との間に配置されている。グルーブ
またはノッチ（grooveor notch）８２が、可飽和吸収体
の少なくとも一部内に形成されており、そして、図７
（ａ）および図７（ｂ）に示すように、付加的に、出力
ミラー内に、および、増幅媒質の一部内に形成されてい
る。グルーブ８２が形成されているのは、開始ビームを
増幅媒質内を通過させることなく可飽和吸収体内に直接
的に注入し得る光ファイバ８４の端部を配置させること
ができるためである。この場合、構成は、横断型構成で
あり、開始ビームは、開始ビームのための案内路として
機能するフィルム内を伝搬する。この構成の利点は、距
離ｄを低減し得る点にある。この場合、距離ｄは、光フ
ァイバ８４の出力端８６と、ポンピングビーム９４が可
飽和吸収体８０上に入射してくる可飽和吸収体８０の領
域との間に対応しており、開始ビームは、フィルム８０
内において、距離ｄを超えて伝搬する。

【００８７】グルーブ８２のサイズは、マルチモードフ
ァイバとすることができる開始用ファイバ８４の直径に
依存する。それは、また単一モードファイバとすること
ができる。というのは、上述のように、可飽和吸収体内
を伝達されなければならないパワーは、数十ミリワット
であって、比較的小さいからである。単一モードファイ
バを選択することは、また、マルチモードファイバより
もより小さな直径であることから、全体寸法を最小とす
ることができる。さらに、数マイクロメートルの厚さの
可飽和吸収体フィルムの場合には、単一モードファイバ
は、それの小さなコア直径のために、また好適である。

【００８８】上記において、開始ビーム５６の供給源の
選択に関して説明したすべての実施形態に対しては、波
長およびパワーに関して注意されるべき条件は、上記に
おいて説明したものと同じであることが好ましい。よっ
て、スペクトル発光特性が半導体材料の選択により調節
されるIII−V半導体ダイオードが、また、上記の異なる
実施形態に対して好適である。

【００８９】さらに、上記において説明したすべての実
施形態に対しては、可飽和吸収体の飽和を開始させるた
めの手段が存在しても、マイクロレーザー構造のコンパ
クトさは阻害されないことは、明らかである。さらに、
各エレメントは、マイクロレーザーの光学的セッティン
グを要する形態では、マイクロレーザー内に導入されて
はいない。最後に、光学的接着剤のようなタイプの寄生
的なエレメントは、一切必要とされていない。特に、活
性レーザー媒質上に直接的に成膜されたフィルムの形態
とされた可飽和吸収体の構造の利点が、維持されてい
る。

【００９０】さて、本発明のデバイスの動作について、
図８（ａ）および図８（ｂ）を参照して説明する。これ
らの図は、損失レベル、マイクロレーザーキャビティの
ゲイン、キャビティのスイッチングにより得られるレー
ザーパルスに関して、異なる動作条件での時間変化を示
すものである。

【００９１】図８（ａ）は、マイクロレーザーキャビテ
ィが従来のタイプのものからなる場合に対応している。
すなわち、可飽和吸収体の飽和を引き起こす、または、
開始させるためのいかなる手段も使用されていない。ま
ず、フェイズI においては、可飽和吸収体がマイクロキ
ャビティ内において、ポンピングにより得られたゲイン
Ｇよりも大きな損失レベルＰにあることから、システム
にはレーザー効果は発生していないことがわかる。しか
しながら、（蛍光によるエネルギーの再放出による飽和
効果を伴って）固体増幅媒質がポンピングビームのエネ
ルギーを貯蔵することにより、前記ゲインは、増加す
る。ある貯蔵されたポンピングパワー値から、ゲインＧ
は、キャビティの全損失レベル（残留損失＋出力伝達＋
大きな可飽和吸収体の損失）に到達し、そして超える。
すなわち、フェイズII（図８（ａ）を参照されたい）に
移行する。フェイズIIにおいては、レーザー波長におい
て蛍光により放出される数個のフォトンが、なお高い損
失にもかかわらず、高度にポンピングされたレーザー媒
質により増幅され始める。その後、フェイズIII の開始
時点において、吸収体は、透明になるまで飽和し、レー
ザーパルスＩが放出される。この現象は、非常に速く、
吸収体は、レーザー増幅媒質内において増幅されたフォ
トンのなだれのもとで急激に飽和する。損失は、最低限
のレベルに移行し、一方、ゲインは、高レベルのままで
ある。結果的に、レーザーパルスが放出される。よっ
て、ゲインは、損失レベルＰにより決まるしきい値以下
に落ち込むまで、急激に減少することになる。そして
（フェイズIVにおいて）、可飽和吸収体は、活性中心が
様々な経路で（フォトン、フォノン等の自然放出によ
り）緩和されることにより、初期状態に戻る。そして、
可飽和吸収体により構成された変調手段（modulator）
は、再度閉塞する。

【００９２】本発明のマイクロレーザーキャビティの場
合においては、これらの量（損失Ｐ、ゲインＧ、レーザ
ーパルスＩ）の時間変化は、図８（ｂ）のようになる。
まず、フェイズI ’において、損失レベルＰは、マイク
ロキャビティ内におけるゲインＧよりも大きい。ここ
で、ゲインレベルは、時間の関数として増加する。最大
損失レベルＰは、可飽和吸収体（組成、厚さ、スペクト
ル特性）により固定されている。一方、ゲインレベルＧ
は、マイクロレーザーキャビティのポンピングビームの
強度により決定される。よって、このポンピングレベル
は、ゲインが損失レベルＰに達しないように制御される
ことになる（そうでないと、図８（ａ）に示す標準的な
場合のフェイズIIに移行してしまうことになる）。時間
ｔ₀ における開始ビームまたは引き起こしビームの導入
（例えば、レーザーキャビティポンピング源および開始
ビーム源に対する同期化手段の利用による導入）は、光
の形態でのパワーＰa の可飽和吸収体内への導入に対応
しており、前記パワーＰa は、キャビティ内における損
失レベルＰをゲインレベルよりも低くすることが適切で
ある。このようにして、可飽和吸収体の飽和が引き起こ
されるとすぐに、急速に損失レベルが低下する（図８
（ｂ）におけるフェイズIII ’）。よって、損失レベル
は、ゲインレベルよりもずっと小さくなり、レーザーパ
ルスＩが放出される。最後に、フェイズIV’において、
ゲインレベルは、損失により決められるしきい値以下に
まで急速に減少する。そして、可飽和吸収体は、初期状
態に戻り、可飽和吸収体の活性中心は、緩和される。結
果的に、サイクルは再出発する。開始ビームが導入され
る時間は、例えば、図８（ｂ）において、ｔ₁ 、ｔ₂ 、
あるいはｔ₀ で示すように、使用者によって選択するこ
とができる。

【００９３】これら２つの図を比較すると、制御された
損失変調手段として、可飽和吸収体をとらえることがで
きる。 −従来の図（図８（ａ））においては、レーザーマイク
ロキャビティ内の光源により、レーザーマイクロキャビ
ティは、非常にノイズが多い。そして、この高ノイズレ
ベルにより、マイクロキャビティのスイッチング時間の
不確定さがもたらされる。 −本発明の図（図８（ｂ））においては、外部開始源に
よりスイッチングがなされ、外部開始源は、従来の動作
特性における固有のランダムさから解放し得るものであ
る。

【００９４】次に、本発明のマイクロレーザーの製造プ
ロセスについて説明する。このプロセスにおいては、以
下の工程が実施される。

【００９５】１）第１工程は、活性レーザー材料の選択
と、選択されたレーザー結晶の調製とからなる。レーザ
ー結晶は、配向され、０．５〜５ｍｍの厚さのプレート
にカットされる。

【００９６】２）引き続くこの工程は、プレートの研磨
（grinding）および仕上げ加工（polishing） からな
る。この工程は、切削による表面コールドワーキングコ
ーティング（surface cold working coating）を除去す
るために機能している。そして、プレートの厚さは、マ
イクロレーザーの仕様をわずかに超える程度とされる。
最終厚さｅの近くまで研磨されたプレートは、光学的な
質にまで両面が仕上げ加工される。切削、研磨、仕上げ
加工は、公知のプロセスおよび公知の装置を利用して行
われる。

【００９７】３）この工程は、可飽和吸収体の作製工程
である。

【００９８】３ａ）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）。

【００９９】３ｂ）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。

【０１００】３ｂ１）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。

【０１０１】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）のような有機色素を使用することができ
る。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、０．２ｗ
ｔ．％のＢＤＮを加え、その後、さらに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
（ダイクロイックミラーを有する入力面と反対側の面）
上に成膜される。この目的のためには、トラメルを使用
することができる。すなわち、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
ための成膜用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、仕上げ加工操作に起因する不
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秒間回転され、そ
の後、５０００ｒ．ｐ．ｍ．で３０秒間回転される。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。

【０１０２】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、１０ｎ
ｓに近い緩和時間を有し、１ＭＷ／ｃｍ² に近い強度で
飽和する。

【０１０３】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
転速度を変化させることにより、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 ： Ｔ_g＝７８℃ −１．０６μｍにおける吸収 ： １０〜７０％ −飽和レート ： ９０％ −実効断面積 ： 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

【０１０４】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（bi
s(4-dimethylaminodithiobenzyl)nickel, BDN, KODAK,C
AS No. 38465-55-3）を使用することもできる。

【０１０５】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。

【０１０６】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, 29
1, 1990による文献中に記載がある。

【０１０７】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（tetrae
thyloctahydrotetraaza-pentaphene-dithiolat-nickel,
上記Mueller-Westerhoff氏による文献を参照されたい）
を利用して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。

【０１０８】３ｂ２）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。

【０１０９】可飽和吸収体フィルムは、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とに
より得られる。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、材料に増幅特性を与えることができ、一
方、他のイオン（Ｃｒ、Ｅｒ）は、可飽和吸収体特性を
材料に与える。そして、さらに他のイオン（例えば、Ｇ
ａ、Ｇｅ、Ｌｕ、等）は、材料の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。

【０１１０】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材料に対しても使用すること
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、Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂（ＹＡＧ）、Ｙ₂ＳｉＯ
₅（ＹＳＯ）、ＹＶＯ₄ 、ＹＬｉＦ₄（ＹＬＦ） 、Ｇｄ
ＶＯ₄ 、あるいは ＳｒＹ₄（ＳｉＯ₄）₃（ＳＹ）のよう
な活性レーザー媒質の基本材料のための上述の材料であ
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、各材料に応じて調整される。

【０１１１】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、約１０００℃で
成長させるために計算される。

【０１１２】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、２５μ
ｍ、５０μｍ、７５μｍ、１００μｍ、１２５μｍ、１
５０μｍ、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、フィルム厚さ内におけるドーパント濃
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。

【０１１３】１つあるいは２つの可飽和吸収体フィルム
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かの方法により、得ることができ
る。

【０１１４】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、再度研磨すること
ができる。

【０１１５】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。

【０１１６】入力ミラーの成膜は、可飽和吸収体ポリマ
ー成膜の場合には、上記工程の前後どちらにおいても行
うことができる。しかし、液相エピタキシーの場合に
は、上記工程の後に行わなければならない。それは、液
相エピタキシー工程において高温にさらされ、ミラーを
破壊する可能性があるからである。

【０１１７】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。

【０１１８】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。

【０１１９】６）この工程は、図５および図６に示す実
施形態のための特別の工程であって、既に説明した通り
である（反射面６０を形成するためのフィルム８０のエ
ッチング、および、マイクロレンズ６２、７２の形
成）。さらに、図７（ａ）および図７（ｂ）に示す実施
形態におけるグルーブ８２の形成は、通常のエッチング
操作により得られる。

【０１２０】本発明のマイクロレーザー源は、マイクロ
レーザーの利点のすべて、能動的にスイッチングされる
パルス型レーザーの特徴のすべて、および、受動的にス
イッチングされるパルス型レーザーの利点のすべてを有
している。

【０１２１】本発明においては、また、大量生産が可能
であり、その結果、製造コストを低減することができ
る。というのは、試料は、バッチで製造されるからであ
る。また、バッチ内における各レーザーの信頼性が良好
な状態で製造され、そして、セッティングの不要な状態
で製造され、レーザーのメンテナンスが大幅に軽減され
るからである。

【０１２２】製造プロセスは、受動的にスイッチングさ
れるマイクロレーザーのプロセスから大きな利益を得
る。加えて、マイクロレーザーの構造は、非常に単純な
ままであり、非常に信頼性の高いままであり、そして、
非常に頑丈なままである。

【０１２３】時間動作は、能動的なスイッチングの時間
動作と同じである。すなわち、繰返し率の決定、パルス
開始時間の制御、および、システム内における同調可能
性を含んでいる。

【０１２４】レーザーパルスの制御信号は、低パワーの
ものであり、吸収体の飽和を開始させるだけで十分であ
る。そして、レーザー媒質のゲインは、吸収体を完全に
飽和させるために、休止する。

【０１２５】最後に、制御信号を大きくするほど、開始
時におけるノイズが小さくなる。よって、吸収体の飽和
が進めば進むほど、吸収体は、ノイズ源となるレーザー
内のフォトンではなく、外部からより制御されやすくな
る。このスイッチングシステムにより、発光時間特性の
決定とスイッチングシステムのエネルギー消費との間に
妥協点を見い出すことができる。

【０１２６】マイクロレーザーの可能な工業的応用の中
から、レーザー遠隔計測、レーザー機械加工および指
示、汚染物質の検出、そして、３次元イメージングを参
照することができる。さらに、スイッチングデバイス
は、非常に幅広い波長領域にわたって適用することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】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２】従来の能動スイッチ型マイクロレーザーにおい
て、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３】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４】平面−平面モードあるいは平面−凹面モードに
おいて可飽和吸収体フィルムを備えるマイクロレーザー
キャビティを、それぞれ示す図である。

【図５】本発明のマイクロレーザーの実施形態を示す図
である。

【図６】本発明のマイクロレーザーの他の実施形態を示
す図である。

【図７】本発明のマイクロレーザーのさらに他の実施形
態を示す図であって、光ファイバによる開始ビームの注
入を備えている。

【図８】能動的にスイッチングされるレーザーキャビテ
ィの動作を、それぞれ示す図であって、一方（図８
（ａ））は、従来技術によるものであって、他方（図８
（ｂ））は、本発明によるものである。

【符号の説明】

４６ 活性レーザー媒質、固体活性媒質 ４８ 可飽和吸収体、可飽和吸収体材料フィルム ５０ 入力ミラー ５２ 出力ミラー ５４ ポンピングビーム ５６ 開始ビーム ６０ 微小表面（開始ビーム導入手段） ６２ マイクロレンズ（開始ビーム導入手段） ６４ 活性レーザー媒質、固体活性媒質 ６６ 可飽和吸収体、可飽和吸収体材料フィルム ６８ 出力ミラー ７０ 入力ミラー ７２ マイクロレンズ（開始ビーム導入手段） ７４ 活性レーザー媒質、固体活性媒質 ７６ 出力ミラー ７８ 入力ミラー ８０ 可飽和吸収体、可飽和吸収体材料フィルム ８２ 凹所（開始ビーム導入手段） ８４ 光ファイバ（開始ビーム導入手段） ８６ 端部

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固体活性媒質（４６、６４、７４）と、
   入力ミラー（５０、７０、７８）と、出力ミラー（５
   ２、６８、７６）とを具備してなり、 可飽和吸収体（４８、６６、８０）と、該可飽和吸収体
   の飽和を開始させるための開始ビームの導入を可能とす
   る開始ビーム導入手段（６０、６２；７２；８２、８
   ４）とを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。
2. 【請求項２】 前記可飽和吸収体は、前記活性媒質（４
   ６、６４、７４）上に直接的に成膜された薄膜状の可飽
   和吸収体材料フィルム（４８、６６、８０）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。
3. 【請求項３】 前記開始ビーム導入手段（６０、６２；
   ８２、８４）は、前記可飽和吸収体フィルムの平面内に
   おける前記開始ビームの案内された伝搬を可能とするよ
   うに、設けられてい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。
4. 【請求項４】 前記可飽和吸収体は、エッチングされた
   微小表面（６０）を有しており、 前記マイクロレーザー内に前記開始ビームが導入された
   ときには、前記微小表面（６０）において前記開始ビー
   ムが反射することにより、前記可飽和吸収体フィルム
   （４８）の平面内における前記開始ビームの案内された
   伝搬が可能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. 【請求項５】 さらに、前記活性媒質のポンピングビー
   ム（５４）の前記固体活性媒質内への導入方向と平行
   に、開始ビーム（５６）を前記キャビティ内に導入し得
   る手段（６０、６２）を具備することを特徴とする請求
   項１ないし４のいずれかに記載のマイクロレーザーキャ
   ビティ。
6. 【請求項６】 前記可飽和吸収体フィルムの少なくとも
   一部には、凹所（８２）が形成され、 該凹所（８２）は、前記可飽和吸収体フィルムの平面内
   に光ファイバ（８４）の端部（８６）を配置することを
   可能とし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。
7. 【請求項７】 前記開始ビーム導入手段（７２）は、前
   記可飽和吸収体フィルムの平面内には含まれない方向の
   前記開始ビームの伝搬を可能とするように、設けられて
   い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。
8. 【請求項８】 前記開始ビーム導入手段（７２）は、前
   記マイクロレーザーキャビティ入力ミラー（７０）側に
   配置されたマイクロレンズ部分を有していることを特徴
   とする請求項７記載のマイクロレーザーキャビティ。
9. 【請求項９】 前記フィルム（４８、６６、８０）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２記載のマイクロレーザー
   キャビティ。
10. 【請求項１０】 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（ＰＭＭ
    Ａ）、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９記載のマイクロレーザーキャビティ。
11. 【請求項１１】 前記フィルム（４８、６６、８０）
    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２記載のマイクロレーザーキャビティ。
12. 【請求項１２】 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⁺あるいはＨｏ³⁺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１１記載のマイクロレーザーキ
    ャビティ。
13. 【請求項１３】 請求項１ないし１２のいずれかに記載
    のマイクロレーザーキャビティと、キャビティポンピン
    グ手段と、前記可飽和吸収体の飽和を開始させるための
    ビーム（５６）を生成する手段とを具備することを特徴
    とするマイクロレーザー。