JPH10223965A - 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

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の可飽和吸収体により受動的にスイッチ
ングされるマイクロレーザーにおいては、ドーパントを
なす２⁺ イオンの導入に際して電荷補償する必要があっ
た。 【解決手段】 マイクロレーザーキャビティ１０が、−
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２と、−ＣａＦ₂：Ｃｏ²⁺、 あるいは、Ｍｇ
Ｆ₂：Ｃｏ²⁺、あるいは、ＳｒＦ₂：Ｃｏ²⁺ 、あるい
は、ＢａＦ₂：Ｃｏ²⁺、あるいは、ＬＭＡ：Ｃｏ²⁺、等
の組成を有する可飽和吸収体４と、を具備して構成され
ている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、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、１５０〜１０
００μｍ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ｍ
Ｗ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（repetitionrat
e）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、ＹＬｉＦ
₄、 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．Ｃａｍａｒｇ
ｏ氏他による Optics Letters, vol.20, No.3, pp339-3
41, 1995における”Co²⁺:YSGG saturable absorber Q-s
witch for infrarederbium 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１．５〜１．６μ
ｍの波長範囲で発光する固体活性媒質と、−ＣａＦ₂：
Ｃｏ²⁺、あるいは、ＭｇＦ₂：Ｃｏ²⁺、あるいは、Ｓｒ
Ｆ₂：Ｃｏ²⁺ 、あるいは、ＢａＦ₂：Ｃｏ²⁺、あるい
は、 Ｌａ_0.9Ｍｇ_0.5-xＣｏ_xＡｌ_11.433Ｏ₁₉、あるい
は、ＹＡｌＯ₃：Ｃｏ²⁺、あるいは、 ＹＡｌ_5-2xＣｏ_x
Ｓｉ_xＯ₃、あるいは、Ｙ₃Ａｌ_5-x-yＧａ_xＳｃ_yＯ₁₂：Ｃ
ｏ²⁺、あるいは、Ｙ₃Ａｌ_{5-x- y-2z}Ｇａ_xＳｃ_yＣｏ_zＳｉ
_zＯ₁₂、あるいは、Ｙ_3-xＬｕ_xＡｌ₅Ｏ₁₂：Ｃｏ²⁺、 あ
るいは、 Ｙ_3-xＬｕ_xＡｌ_5-2yＣｏ_yＳｉ_yＯ₃、あるい
は、 Ｓｒ_1-xＭｇ_xＬａ_yＡｌ_12-yＯ₁₂：Ｃｏ²⁺（また
は、Ｓｒ_1-xＭｇ_x-yＣｏ_yＬａ_zＡｌ_12-zＯ₁₂、ただし、
０＜ｙ＜ｘ）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：Ｃｏ
²⁺、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５〜１５
０μｍ）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（≧１
００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）、Ｙ
ＳＯ（Ｙ₂ＳｉＯ₅）、ＹＳＧＧ（Ｙ₃Ｓｃ₂Ｇａ
₃Ｏ₁₂）、 ＧｄＶＯ₄、 ＳＹＳ（ＳｒＹ₄（ＳｉＯ₄）₃
Ｏ）、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ＣａＦ
₂（ＣａＦ₂：Ｃｏ²⁺）、あるいは、同族化合物：ＭｇＦ
₂：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. 9}Ｍｇ_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_xＡ
ｌ_11.433Ｏ₁₉ である。理論通りの組成のＬＭＡ（Ｌａ
ＭｇＡｌ₁₁Ｏ₁₉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-xＣ
ｏ_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。

【００３５】−コバルトがドーピングされたＳｒ_1-xＭ
ｇ_xＬａ_yＡｌ_12-yＯ₁₉ （すなわちＡＳＬ）。ドーピン
グにより、ＳｒＡｌ₁₂Ｏ₁₉とＬａＭｇＡｌ₁₁Ｏ₁₉との固
溶体であるこの化合物において、コバルトイオンがマグ
ネシウム（Ｍｇ）イオンと置換する（ドーピング後の材
料の組成は、０＜ｚ＜ｘとして、 Ｓｒ_1-xＭｇ_x-zＣｏ_z
Ｌａ_yＡｌ_12-yＯ₁₉）。

【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（Ｙ₃
Ａｌ_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Ｃ
ｏ²⁺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_yＣ
ｏ_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、Ｓ
ｒＦ₂、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．Ｂｏｒ
ｅｌ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１９９
４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, Integ
rated 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CL
EO'92, paper CWG33, p282(Conf.on Laser and Electro
nics, 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９８０
ｎｍ）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、９８０ｎ
ｍ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、 ＹＳ
Ｏ、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０．５〜５ｍ
ｍ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 Optic
al 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．Ｄａｒ
ａｎ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（１〜２００μ
ｍの厚さ、例えば、１０、５０、１００、１５０μ
ｍ）。

【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（４Ａ
４）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９６ ０８９
４３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_0.4985Ｃｏ_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、１００
０μｍ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、０．６〜０．８ｗ
ｔ％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 Ｌ
ａｂｓ，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 １０
０、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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ベルナール・フェラン フランス・38340・ヴォルプ・リュ・ド ュ・プラッサロー・115 (72)発明者 コリン・ボレル フランス・75015・パリ・リュ・サン・シ ャルル・155

Claims (22)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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、 −ＣａＦ₂：Ｃｏ²⁺、あるいは、ＭｇＦ₂：Ｃｏ²⁺、ある
   いは、ＳｒＦ₂：Ｃｏ²⁺、あるいは、ＢａＦ₂：Ｃｏ²⁺、
   あるいは、Ｌａ_0.9Ｍｇ_0.5-xＣｏ_xＡｌ_11.433Ｏ₁₉、
   あるいは、ＹＡｌＯ₃：Ｃｏ²⁺、 あるいは、ＹＡｌ_5-2x
   Ｃｏ_xＳｉ_xＯ₃、あるいは、Ｙ₃Ａｌ_5-x-yＧａ_xＳｃ_yＯ
   ₁₂：Ｃｏ²⁺、あるいは、Ｙ₃Ａｌ_5-x-y-2zＧａ_xＳｃ_yＣ
   ｏ_zＳｉ_zＯ₁₂、あるいは、Ｙ_3-xＬｕ_xＡｌ₅Ｏ₁₂：Ｃｏ
   ²⁺、 あるいは、Ｙ_3-xＬｕ_xＡｌ_5-2yＣｏ_yＳｉ_yＯ₁₂、
   あるいは、Ｓｒ_1-xＭｇ_xＬａ_yＡｌ_{12- y}Ｏ_{1 2}：Ｃｏ²⁺、
   あるいは、Ｓｒ_1-xＭｇ_x-yＣｏ_yＬａ_zＡｌ_12-zＯ₁₂（た
   だし、後者に限っては０＜ｙ＜ｘ）の組成を有する可飽
   和吸収体と、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。
3. 【請求項３】 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２記載のマイクロ
   レーザーキャビティ。
4. 【請求項４】 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２
   または３記載のマイクロレーザーキャビティ。
5. 【請求項５】 前記固体活性物質が、Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂（Ｙ
   ＡＧ）、ＬａＭｇＡｌ₁₁Ｏ₁₉（ＬＭＡ）、Ｙ₂ＳｉＯ
   ₅（ＹＳＯ）、ＧｄＶＯ₄、 Ｙ₃Ｓｃ₂Ｇａ₃Ｏ₁₂（ＹＳＧ
   Ｇ）、ＳｒＹ₄（ＳｉＯ₄）₃Ｏ（ＳＹＳ）、 Ｃａ₂Ａｌ₂
   ＳｉＯ₇ （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請求項１記載のマイク
   ロレーザーキャビティ。
6. 【請求項６】 前記固体活性物質が、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る請求項
   １記載のマイクロレーザーキャビティ。
7. 【請求項７】 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。
8. 【請求項８】 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７記載のマイクロレーザーキャビテ
   ィ。
9. 【請求項９】 前記レーザー材料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。
10. 【請求項１０】 マイクロレーザーキャビティの製造方
    法であって、 ＣａＦ₂：Ｃｏ²⁺、あるいは、ＭｇＦ₂：Ｃｏ²⁺、あるい
    は、ＳｒＦ₂：Ｃｏ²⁺、あるいは、ＢａＦ₂：Ｃｏ²⁺、あ
    るいは、Ｌａ_0.9Ｍｇ_0.5-xＣｏ_xＡｌ_11.433Ｏ₁₉、ある
    いは、ＹＡｌＯ₃：Ｃｏ²⁺、 あるいは、ＹＡｌ_5-2xＣｏ
    _xＳｉ_xＯ₃、 あるいは、Ｙ₃Ａｌ_5-x-yＧａ_xＳｃ_yＯ₁₂：
    Ｃｏ²⁺、あるいは、 Ｙ₃Ａｌ_5-x-y-2zＧａ_xＳｃ_yＣｏ_z
    Ｓｉ_zＯ₁₂、あるいは、Ｙ_3-xＬｕ_xＡｌ₅Ｏ₁₂：Ｃｏ²⁺、
    あるいは、Ｙ_{3 -x}Ｌｕ_xＡｌ_5-2yＣｏ_yＳｉ_yＯ₁₂、ある
    いは、 Ｓｒ_1-xＭｇ_xＬａ_yＡｌ_12-yＯ₁₂：Ｃｏ²⁺、ある
    いは、Ｓｒ_1-xＭｇ_x-yＣｏ_yＬａ_zＡｌ_12-zＯ₁₂（ただ
    し、後者に限っては０＜ｙ＜ｘ）の組成を有する可飽和
    吸収体を具備するマイクロレーザーキャビティを製造す
    ることを特徴とする方法。
11. 【請求項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１０記載の方法。
12. 【請求項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１０または１１記載の方
    法。
13. 【請求項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. 【請求項１４】 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. 【請求項１５】 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. 【請求項１６】 前記薄いストリップを、前記活性レー
    ザー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. 【請求項１７】 前記薄い可飽和吸収体ストリップ、お
    よび、前記活性レーザー媒質を、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. 【請求項１８】 前記フィルムを、前記活性レーザー媒
    質上に直接的に形成することを特徴とする請求項１２記
    載の方法。
19. 【請求項１９】 前記フィルムを、予め基板上に成膜し
    ておき、その後、前記レーザー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。
20. 【請求項２０】 その後、前記基板を除去することを特
    徴とする請求項１９記載の方法。
21. 【請求項２１】 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。
22. 【請求項２２】 請求項２１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。