JPH1093183A - 機能素子 - Google Patents
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- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/35—Non-linear optics
- G02F1/3515—All-optical modulation, gating, switching, e.g. control of a light beam by another light beam
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/35—Non-linear optics
- G02F1/3523—Non-linear absorption changing by light, e.g. bleaching
Abstract
(57)【要約】
【課題】ＥＩＴに立脚したＬＷＩ固体レーザーを実現す
ること。 【解決手段】ＥＩＴ層１と、このＥＩＴ層１内の不純物
のエネルギー準位の中から３準位を選び上から順に準位
１、準位２、準位３とし、準位１・２間、準位１・３間
各々の準位間エネルギーに対応する２つのコヒーレント
な光をＥＩＴ層１に照射する制御光源４およびポンプ光
源５と、ＥＩＴ層１に設けられた１対のミラー２，３か
らなる共振器を有し、準位１・２間の光学遷移および準
位１・３間の光学遷移は共振器の共鳴モードとそれぞれ
一致し、これら２つの準位間の遷移確率は共振器を設け
ないときよりも高く、かつ準位２・３間の光学遷移は共
振器の共鳴モードから外れ、この準位間の遷移確率は共
振器を設けないときよりも低くいことを特徴とする。
ること。 【解決手段】ＥＩＴ層１と、このＥＩＴ層１内の不純物
のエネルギー準位の中から３準位を選び上から順に準位
１、準位２、準位３とし、準位１・２間、準位１・３間
各々の準位間エネルギーに対応する２つのコヒーレント
な光をＥＩＴ層１に照射する制御光源４およびポンプ光
源５と、ＥＩＴ層１に設けられた１対のミラー２，３か
らなる共振器を有し、準位１・２間の光学遷移および準
位１・３間の光学遷移は共振器の共鳴モードとそれぞれ
一致し、これら２つの準位間の遷移確率は共振器を設け
ないときよりも高く、かつ準位２・３間の光学遷移は共
振器の共鳴モードから外れ、この準位間の遷移確率は共
振器を設けないときよりも低くいことを特徴とする。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、固体などの媒体におけ
るＥＩＴ（electromagnetically induced transparenc
y）に立脚した、反転分布無しでも動作するＬＷＩ（las
ing without inversion）レーザー素子などの機能素子
に関する。
るＥＩＴ（electromagnetically induced transparenc
y）に立脚した、反転分布無しでも動作するＬＷＩ（las
ing without inversion）レーザー素子などの機能素子
に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、吸収や発光スペクトルなど物質固
有の性質と考えられていた光学的性質に関して、非線形
光学過程を一切利用せず、量子力学的なコヒーレントだ
けを用いてそれを変調する研究が盛んに行なわれてい
る。
有の性質と考えられていた光学的性質に関して、非線形
光学過程を一切利用せず、量子力学的なコヒーレントだ
けを用いてそれを変調する研究が盛んに行なわれてい
る。
【０００３】例えば、強い吸収を示すはずの波長領域に
おいても物質中を光が吸収させずに透過してしまうelec
tromagnetically induced transparency（略してＥＩ
Ｔ：K.-J. Boller et al., Phys.Rev.Lett.66.2593 (19
91))、反転分布無しでもレーザー発振が可能なため特に
反転分布を形成することが困難な紫外線〜Ｘ線領域にか
けての短波長レーザーの実現に期待がかかるlasing wit
hout inversion（略してＬＷＩ：S.E.Harris,Phys.Rev.
Lett.62, 1033 (1989)) 、物質の屈折率を非常に大きく
することが可能なenhancement of index of refraction
（M.O.Scully.Hhys.Rev.Lett.67,1855 (1991))、励起光
が照射しているにも拘らずある特定準位に電子を閉じ込
めてしまうpopulation trapping (E.Arimondo et al.,
Lett.NuovoCimento 17,333 (1976)) などの研究が活発
化している。これに伴い、量子コヒーレンスを応用した
光変調素子やＬＷＩレーザーなど各種光素子の研究開発
が積極的に進められている。
おいても物質中を光が吸収させずに透過してしまうelec
tromagnetically induced transparency（略してＥＩ
Ｔ：K.-J. Boller et al., Phys.Rev.Lett.66.2593 (19
91))、反転分布無しでもレーザー発振が可能なため特に
反転分布を形成することが困難な紫外線〜Ｘ線領域にか
けての短波長レーザーの実現に期待がかかるlasing wit
hout inversion（略してＬＷＩ：S.E.Harris,Phys.Rev.
Lett.62, 1033 (1989)) 、物質の屈折率を非常に大きく
することが可能なenhancement of index of refraction
（M.O.Scully.Hhys.Rev.Lett.67,1855 (1991))、励起光
が照射しているにも拘らずある特定準位に電子を閉じ込
めてしまうpopulation trapping (E.Arimondo et al.,
Lett.NuovoCimento 17,333 (1976)) などの研究が活発
化している。これに伴い、量子コヒーレンスを応用した
光変調素子やＬＷＩレーザーなど各種光素子の研究開発
が積極的に進められている。
【０００４】量子コヒーレントに基づく物質の光学的性
質の変調現象の中でも、特にＥＩＴは上述した現象すべ
ての基礎であり、例えばＬＷＩレーザーなどではそれを
実現する上で必要不可欠な基本アイテムと考えられてい
る。
質の変調現象の中でも、特にＥＩＴは上述した現象すべ
ての基礎であり、例えばＬＷＩレーザーなどではそれを
実現する上で必要不可欠な基本アイテムと考えられてい
る。
【０００５】ＥＩＴはもともと原子ガスにレーザー光を
２本照射した際に見出だされた現象で、１９７６年の発
見以来様々な原子ガスで同様な現象が確認されている。
例えば、Ｈ．Ｒ．Ｇｒａｙ ｅｔ ａｌ．，Ｏｐｔ．Ｌ
ｅｔｔ．３，２１８（１９７８）；Ｍ．Ｋａｉｖｏｌａ
ｅｔ ａｌ．，Ｏｐｔ Ｃｏｍｍｕｎ．４９，４１８
（１９８４）；Ａ．Ａｓｐｅｃｔ ｅｔ ａｌ．，Ｐｈ
ｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．６１，８２６（１９８８）；
Ｓ．Ａｄａｃｈｉ ｅｔ ａｌ．，Ｏｐｔ Ｃｏｍｍｕ
ｎ．８１，３６４（１９９１）；Ａ．Ｍ．Ａｋｕｌｓｉ
ｎ ｅｔ．ａｌ．，Ｏｐｔ Ｃｏｍｍｕｎ．８４，１３
９（１９９１）；Ｙ．−Ｑ．Ｌｉ ｅｔａｌ．，Ｐｈｙ
ｓ．Ｒｅｖ．Ａ５１，Ｒ１７５４（１９９５）；Ａ．Ｋ
ａｓａｐｉ ｅｔ ａｌ．，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔ
ｔ．７４，２４４７（１９９５）に報告されている。
２本照射した際に見出だされた現象で、１９７６年の発
見以来様々な原子ガスで同様な現象が確認されている。
例えば、Ｈ．Ｒ．Ｇｒａｙ ｅｔ ａｌ．，Ｏｐｔ．Ｌ
ｅｔｔ．３，２１８（１９７８）；Ｍ．Ｋａｉｖｏｌａ
ｅｔ ａｌ．，Ｏｐｔ Ｃｏｍｍｕｎ．４９，４１８
（１９８４）；Ａ．Ａｓｐｅｃｔ ｅｔ ａｌ．，Ｐｈ
ｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．６１，８２６（１９８８）；
Ｓ．Ａｄａｃｈｉ ｅｔ ａｌ．，Ｏｐｔ Ｃｏｍｍｕ
ｎ．８１，３６４（１９９１）；Ａ．Ｍ．Ａｋｕｌｓｉ
ｎ ｅｔ．ａｌ．，Ｏｐｔ Ｃｏｍｍｕｎ．８４，１３
９（１９９１）；Ｙ．−Ｑ．Ｌｉ ｅｔａｌ．，Ｐｈｙ
ｓ．Ｒｅｖ．Ａ５１，Ｒ１７５４（１９９５）；Ａ．Ｋ
ａｓａｐｉ ｅｔ ａｌ．，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔ
ｔ．７４，２４４７（１９９５）に報告されている。
【０００６】なお、発見当時はまだＥＩＴとは言わず、
ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ ｔｒａｐｐｉｎｇと呼ばれてい
た。ＥＩＴはスペクトルに着目した場合、ｐｏｐｕｌａ
ｔｉｏｎ ｔｒａｐｐｉｎｇは電子分布に着目した場合
の名称で、もともとは同じ現象をさしていた（（Ｇ．Ａ
ｌｚｅｔｔａ ｅｔ ａｌ．，Ｎｕｏｖｏ Ｃｉｍｅｎ
ｔｏ Ｂ３６，５（１９７６））。
ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ ｔｒａｐｐｉｎｇと呼ばれてい
た。ＥＩＴはスペクトルに着目した場合、ｐｏｐｕｌａ
ｔｉｏｎ ｔｒａｐｐｉｎｇは電子分布に着目した場合
の名称で、もともとは同じ現象をさしていた（（Ｇ．Ａ
ｌｚｅｔｔａ ｅｔ ａｌ．，Ｎｕｏｖｏ Ｃｉｍｅｎ
ｔｏ Ｂ３６，５（１９７６））。
【０００７】図１は、原子ガスのエネルギー準位と入射
光を模式的に示したものである。この図を用いてＥＩＴ
の基本原理を説明する。
光を模式的に示したものである。この図を用いてＥＩＴ
の基本原理を説明する。
【０００８】対象となる系は、基本的に３つの準位と２
本のコヒーレント光１，２とから構成される。準位１，
２と光の組み合わせに関係して３通りのスキームが存在
し、図１（ａ）のように一番上の準位１を共通準位とし
て２本の光１，２で励起する場合をΛ型励起、図１
（ｂ）のように基底準位３が共通準位となる場合をＶ型
励起、そして図１（ｃ）のように真ん中の準位２が共通
準位となる場合をΞ型励起とする。
本のコヒーレント光１，２とから構成される。準位１，
２と光の組み合わせに関係して３通りのスキームが存在
し、図１（ａ）のように一番上の準位１を共通準位とし
て２本の光１，２で励起する場合をΛ型励起、図１
（ｂ）のように基底準位３が共通準位となる場合をＶ型
励起、そして図１（ｃ）のように真ん中の準位２が共通
準位となる場合をΞ型励起とする。
【０００９】まず、３準位をΛ型励起する場合に着目す
る。この系でＥＩＴを引き起こすには、光励起を行なわ
ない準位２・３間は光学的に禁制で、さらに緩和速度は
許容遷移である準位１・２間、準位１・３間の緩和速度
と比べて極めて小さいことが求められる。ＥＩＴを引き
起こすには２つの条件を満足する必要があるが、これは
そのうち１つで遷移確率・緩和に関するＥＩＴ条件とし
て知られている。
る。この系でＥＩＴを引き起こすには、光励起を行なわ
ない準位２・３間は光学的に禁制で、さらに緩和速度は
許容遷移である準位１・２間、準位１・３間の緩和速度
と比べて極めて小さいことが求められる。ＥＩＴを引き
起こすには２つの条件を満足する必要があるが、これは
そのうち１つで遷移確率・緩和に関するＥＩＴ条件とし
て知られている。
【００１０】次に、光１の光エネルギーω1 が準位１・
２間のエネルギーω12に一致する条件；Δω1 ＝ω1 −
ω12＝０において、光２の光子エネルギーω2 を変化さ
せながらその光吸収スペクトルを調べた場合を考える。
２間のエネルギーω12に一致する条件；Δω1 ＝ω1 −
ω12＝０において、光２の光子エネルギーω2 を変化さ
せながらその光吸収スペクトルを調べた場合を考える。
【００１１】図２（ａ）に、この条件下における光２の
吸収スペクトルを示す。なお、横軸のΔω2 は、光２の
光子エネルギーω2 と準位１・３間のエネルギーとの離
調；Δω2 ＝ω2 −ω13で整理し直している。
吸収スペクトルを示す。なお、横軸のΔω2 は、光２の
光子エネルギーω2 と準位１・３間のエネルギーとの離
調；Δω2 ＝ω2 −ω13で整理し直している。
【００１２】図に示すように、本来単一の吸収ピークを
示すはずのスペクトルには、Δω2＝０（＝Δω1 ）で
吸収の孔、すなわち透明領域が生ずる。Δω1 ＝Δω2
が２つ目のＥＩＴ条件、すなわち離調に関するＥＩＴ条
件である。
示すはずのスペクトルには、Δω2＝０（＝Δω1 ）で
吸収の孔、すなわち透明領域が生ずる。Δω1 ＝Δω2
が２つ目のＥＩＴ条件、すなわち離調に関するＥＩＴ条
件である。
【００１３】このときの孔の幅Ωは、光１，２のラビ周
波数をそれぞれΩ12，Ω13とすると、Ω〜（Ω12 2 ＋Ω
13 2 ）1/2 となる。なお、光のラビ周波数Ω12，Ω
13は、準位１・２間、準位１・３間の電気双極子モーメ
ントμ12，μ13、光１，２の電場強度Ｅ12，Ｅ13、プラ
ンク定数ｈを用いると、それぞれΩ12＝２πμ12Ｅ12／
ｈ，Ω13＝２πμ13Ｅ13／ｈで定義される光の強さを表
す量である。
波数をそれぞれΩ12，Ω13とすると、Ω〜（Ω12 2 ＋Ω
13 2 ）1/2 となる。なお、光のラビ周波数Ω12，Ω
13は、準位１・２間、準位１・３間の電気双極子モーメ
ントμ12，μ13、光１，２の電場強度Ｅ12，Ｅ13、プラ
ンク定数ｈを用いると、それぞれΩ12＝２πμ12Ｅ12／
ｈ，Ω13＝２πμ13Ｅ13／ｈで定義される光の強さを表
す量である。
【００１４】図２（ｂ）に、Δω1 ≠０の状態に光１の
光子エネルギーを固定した場合の光２の光吸収スペクト
ルを示す。Δω1 ＝Δω2 となる吸収の裾の領域には、
やはり光２が吸収されない透明領域が形成される。この
場合の孔の幅Ωも、Ω〜（Ω12 2 ＋Ω13 2 ）1/2 とな
る。
光子エネルギーを固定した場合の光２の光吸収スペクト
ルを示す。Δω1 ＝Δω2 となる吸収の裾の領域には、
やはり光２が吸収されない透明領域が形成される。この
場合の孔の幅Ωも、Ω〜（Ω12 2 ＋Ω13 2 ）1/2 とな
る。
【００１５】以上のように３つの準位に２本の光１，２
が入射すると、Δω1 ＝Δω2 を満たす光子エネルギー
では、本来強い吸収を示す領域であっても光が吸収され
なくなるＥＩＴが起きる。
が入射すると、Δω1 ＝Δω2 を満たす光子エネルギー
では、本来強い吸収を示す領域であっても光が吸収され
なくなるＥＩＴが起きる。
【００１６】この吸収が消える物理的起源は、直感的に
は準位３から準位１への光学遷移と準位２と準位１への
遷移が干渉効果により互いに打ち消し合うことによる。
起源に関するよう詳細な説明は、量子力学、特に密度行
列を解析することで行なうことができ、実際に吸収が無
くなることが示されている。
は準位３から準位１への光学遷移と準位２と準位１への
遷移が干渉効果により互いに打ち消し合うことによる。
起源に関するよう詳細な説明は、量子力学、特に密度行
列を解析することで行なうことができ、実際に吸収が無
くなることが示されている。
【００１７】Ｖ型、Ξ型励起でＥＩＴを引き起こすに
は、やはりΛ型励起の場合と同様、系は光で結ばれない
準位間は禁制遷移で、緩和が極めて遅いことが要求され
る。このような系をＶ型励起した場合２本の光１，２が
Δω1 ＝Δω2 を満たすとき、またΞ型励起した場合Δ
ω1 ＝−Δω2 を満たすとき、それぞれ光吸収は弱まり
吸収スペクトルは２本のピークに分裂することが、原子
ガスを用いた実験と理論計算の両面から確認されてい
る。
は、やはりΛ型励起の場合と同様、系は光で結ばれない
準位間は禁制遷移で、緩和が極めて遅いことが要求され
る。このような系をＶ型励起した場合２本の光１，２が
Δω1 ＝Δω2 を満たすとき、またΞ型励起した場合Δ
ω1 ＝−Δω2 を満たすとき、それぞれ光吸収は弱まり
吸収スペクトルは２本のピークに分裂することが、原子
ガスを用いた実験と理論計算の両面から確認されてい
る。
【００１８】なお、密度行列の解析結果より、光吸収が
厳密にゼロになるのはΛ型励起の場合だけであるが、Ｖ
型励起、Ξ型励起においても２本の光を用いることで光
吸収を限りなくゼロに近い値まで低減できることが示さ
れている。
厳密にゼロになるのはΛ型励起の場合だけであるが、Ｖ
型励起、Ξ型励起においても２本の光を用いることで光
吸収を限りなくゼロに近い値まで低減できることが示さ
れている。
【００１９】次に、このＥＩＴを基盤とするＬＷＩの原
理について説明する。
理について説明する。
【００２０】図３に示すように、ＬＷＩも準位と光の組
み合わせに関係してΛ型、Ｖ型、Ξ型励起のスキームが
あるが、ここではΛ型励起の場合に注目する。
み合わせに関係してΛ型、Ｖ型、Ξ型励起のスキームが
あるが、ここではΛ型励起の場合に注目する。
【００２１】図４（ａ）は、原子ガスのエネルギー準位
と入射光を模式的に示したものである。図中、新たに付
け加えられた光３は、基底状態から励起状態へ電子をイ
ンコヒーレントにポンピングするインコヒーレント光で
ある。
と入射光を模式的に示したものである。図中、新たに付
け加えられた光３は、基底状態から励起状態へ電子をイ
ンコヒーレントにポンピングするインコヒーレント光で
ある。
【００２２】いま、系に入射するコヒーレントな光１，
２がＥＩＴ条件；Δω1 ＝Δω2 を満たし、準位３から
準位１への吸収スペクトルに透明領域が形成されている
状況を考える。
２がＥＩＴ条件；Δω1 ＝Δω2 を満たし、準位３から
準位１への吸収スペクトルに透明領域が形成されている
状況を考える。
【００２３】ここで、準位１・３間の遷移エネルギーを
含むようなインコヒーレントな光３を照射した場合、こ
の光３は系により吸収される。これは、直観的にはイン
コヒーレント光に対してはＥＩＴによる干渉効果が働か
ず、準位３から準位１は透明にならないためである。光
３により準位３から準位１に励起された電子は、誘導放
射によりコヒーレント光として再び準位３に落ちる。
含むようなインコヒーレントな光３を照射した場合、こ
の光３は系により吸収される。これは、直観的にはイン
コヒーレント光に対してはＥＩＴによる干渉効果が働か
ず、準位３から準位１は透明にならないためである。光
３により準位３から準位１に励起された電子は、誘導放
射によりコヒーレント光として再び準位３に落ちる。
【００２４】すなわち、準位１・３間の遷移の中でもＥ
ＩＴにより生じた吸収の透明領域では、インコヒーレン
ト光は吸収される。発光するコヒーレント光は吸収され
ないという吸収・発光の非対称性が生じる。
ＩＴにより生じた吸収の透明領域では、インコヒーレン
ト光は吸収される。発光するコヒーレント光は吸収され
ないという吸収・発光の非対称性が生じる。
【００２５】このため、インコヒーレントな光３により
コヒーレントな光２が増幅される訳である。このような
現象は、励起状態である準位１，２のポピュレーション
の和が、基底状態である準位３のポピレーションより小
さい場合、つまり、反転分布無しでも起きることから、
新しいレーザー発振の原理として注目されている。
コヒーレントな光２が増幅される訳である。このような
現象は、励起状態である準位１，２のポピュレーション
の和が、基底状態である準位３のポピレーションより小
さい場合、つまり、反転分布無しでも起きることから、
新しいレーザー発振の原理として注目されている。
【００２６】反転分布無しで光２を増幅するためには、
基底状態である準位３から励起状態である準位１あるい
は準位２あるいはその両方に電子をインコヒーレントに
ポンピングする手段が必須である。
基底状態である準位３から励起状態である準位１あるい
は準位２あるいはその両方に電子をインコヒーレントに
ポンピングする手段が必須である。
【００２７】図４（ｂ）は、準位１と準位２の間に存在
する新たな準位４を用い、この準位４を経由して準位２
に電子をポンピングするスキームを示すが、この場合も
反転分布無しで光２を増幅することができる。
する新たな準位４を用い、この準位４を経由して準位２
に電子をポンピングするスキームを示すが、この場合も
反転分布無しで光２を増幅することができる。
【００２８】なお、ポンピング光にはコヒーレント光、
インコヒーレント光どちらを用いても良い。また、光以
外のポンピング手段として、図４（ｃ）に示すように、
電子線を用いることが可能であり、この場合も反転分布
無しで光２を増幅することができる。
インコヒーレント光どちらを用いても良い。また、光以
外のポンピング手段として、図４（ｃ）に示すように、
電子線を用いることが可能であり、この場合も反転分布
無しで光２を増幅することができる。
【００２９】ＬＷＩレーザーを構成するには、図５に示
すように系を共振器中に置き、コヒーレント光として光
１のみを照射し、さらに基底状態から励起状態へ電子を
インコヒーレントにポンピングすればよい。
すように系を共振器中に置き、コヒーレント光として光
１のみを照射し、さらに基底状態から励起状態へ電子を
インコヒーレントにポンピングすればよい。
【００３０】ここで、準位１・２間を励起する光１の光
子エネルギーをω1 、準位２・３間の準位間のエネルギ
ーをω23とすると、光子エネルギー（ω1 ＋ω23）を中
心にその近辺ではレーザー発振の利得が生じるため、コ
ヒーレント光が発生する。
子エネルギーをω1 、準位２・３間の準位間のエネルギ
ーをω23とすると、光子エネルギー（ω1 ＋ω23）を中
心にその近辺ではレーザー発振の利得が生じるため、コ
ヒーレント光が発生する。
【００３１】反転分布無しでもレーザー発振が起きる物
理的起源に関するより詳細な説明は、ＥＩＴ同様、密度
行列を解析することで示すことができる。
理的起源に関するより詳細な説明は、ＥＩＴ同様、密度
行列を解析することで示すことができる。
【００３２】以上の結果は全てΛ型励起に関するもので
あるが、Ｖ型、Ξ型励起の場合についても、ＥＩＴによ
って吸収スペクトルに孔があいた透明領域においてレー
ザー発振の利得が生じ、やはりＬＷＩが可能であること
が、密度行列の計算結果から示されている。
あるが、Ｖ型、Ξ型励起の場合についても、ＥＩＴによ
って吸収スペクトルに孔があいた透明領域においてレー
ザー発振の利得が生じ、やはりＬＷＩが可能であること
が、密度行列の計算結果から示されている。
【００３３】先にも述べたが、ＬＷＩはＥＩＴを基盤と
するため、やはり離散的なエネルギー準位を持つ系が対
象になる。このことから、ＥＩＴと同様に原子ガス系を
用いて、様々な波長領域の中でも特に反転分布を形成す
ることが困難な紫外線〜Ｘ線領域の短波長レーザーを実
現する研究が活発化している。
するため、やはり離散的なエネルギー準位を持つ系が対
象になる。このことから、ＥＩＴと同様に原子ガス系を
用いて、様々な波長領域の中でも特に反転分布を形成す
ることが困難な紫外線〜Ｘ線領域の短波長レーザーを実
現する研究が活発化している。
【００３４】また、最近、ＬＷＩを検証する目的でＲｂ
原子ガスを用いた実験が行なわれ、実際にそれに由来す
る近赤外領域でのレーザー発振が観測されたことから、
ますます短波長ＬＷＩレーザーに対する期待が高まって
いる（A.S.Zibrov et al., Phys.Rev.Lett.75,1499 (19
95))。
原子ガスを用いた実験が行なわれ、実際にそれに由来す
る近赤外領域でのレーザー発振が観測されたことから、
ますます短波長ＬＷＩレーザーに対する期待が高まって
いる（A.S.Zibrov et al., Phys.Rev.Lett.75,1499 (19
95))。
【００３５】ところで、原子ガス系でレーザーを構成す
る場合には、装置の巨大化や原子ガスを取り扱うことの
繁雑さといった問題が常に付きまとう。これは、原子ガ
ス系に特有な避けることのできない致命的な欠点と考え
られている。
る場合には、装置の巨大化や原子ガスを取り扱うことの
繁雑さといった問題が常に付きまとう。これは、原子ガ
ス系に特有な避けることのできない致命的な欠点と考え
られている。
【００３６】このことから、取扱いがより容易で、かつ
小型素子の形成にも繋がる固体系を用いて、ＬＷＩレー
ザーを構築することが望まれている。
小型素子の形成にも繋がる固体系を用いて、ＬＷＩレー
ザーを構築することが望まれている。
【００３７】ただし、固体系へのＬＷＩ，ＥＩＴの適用
には以下のような制約がある。それは、ＬＷＩの基礎と
なるＥＩＴが特定準位間の光学遷移の干渉を利用するた
め、バンドを形成するような準位を用いることが困難な
点である。
には以下のような制約がある。それは、ＬＷＩの基礎と
なるＥＩＴが特定準位間の光学遷移の干渉を利用するた
め、バンドを形成するような準位を用いることが困難な
点である。
【００３８】そのため、種々の固体系の中でもエネルギ
ー準位が比較的離散的な半導体量子井戸、不純物などを
利用して、まずＥＩＴの実現を目指した研究が活発に行
なわれ始めている（例えば、A.Imamoglu et al., Opt.L
ett.19,1744 (1994) ; P.J.Harshman et al., IEEE j.Q
uantum Electronics 30,2297 (1994) ; D.Huang et a
l., J.Opt.Soc.Am.B11,2297 (1994) ; Y.Zhu et al., P
hys.Rev.A49,4016 (1994))。
ー準位が比較的離散的な半導体量子井戸、不純物などを
利用して、まずＥＩＴの実現を目指した研究が活発に行
なわれ始めている（例えば、A.Imamoglu et al., Opt.L
ett.19,1744 (1994) ; P.J.Harshman et al., IEEE j.Q
uantum Electronics 30,2297 (1994) ; D.Huang et a
l., J.Opt.Soc.Am.B11,2297 (1994) ; Y.Zhu et al., P
hys.Rev.A49,4016 (1994))。
【００３９】しかし、現在までのところでは固体系にお
いて原子ガス系で見られたような顕著なＥＩＴ特性は得
られていない。その原因は、半導体量子井戸の場合には
現状の素子作成技術では量子構造を均一に作ることがで
きず、エネルギー準位に非常に大きなバラつきが生じて
しまうことになる。
いて原子ガス系で見られたような顕著なＥＩＴ特性は得
られていない。その原因は、半導体量子井戸の場合には
現状の素子作成技術では量子構造を均一に作ることがで
きず、エネルギー準位に非常に大きなバラつきが生じて
しまうことになる。
【００４０】このようなエネルギー準位のバラつきに由
来して、離調に関するＥＩＴ条件；Δω1 ＝Δω2 （Λ
型とＶ型励起）、またはΔω1 ＝−Δω2 （Ξ型励起）
を満足する量子構造の数は減少し、原子ガス系と比較す
ると光学遷移のＥＩＴ特性も小さくなる。このことか
ら、半導体量子井戸ではＬＷＩレーザーなどの光素子に
必要不可欠な、ＥＩＴに由来する大きな光変調特性が得
られていない。
来して、離調に関するＥＩＴ条件；Δω1 ＝Δω2 （Λ
型とＶ型励起）、またはΔω1 ＝−Δω2 （Ξ型励起）
を満足する量子構造の数は減少し、原子ガス系と比較す
ると光学遷移のＥＩＴ特性も小さくなる。このことか
ら、半導体量子井戸ではＬＷＩレーザーなどの光素子に
必要不可欠な、ＥＩＴに由来する大きな光変調特性が得
られていない。
【００４１】これに対して、不純物の場合、特に希土類
イオンや遷移金属イオンの場合には、エネルギー準位の
バラつきが非常に小さな遷移も存在するため、このよう
な遷移を選べば離調に関するＥＩＴ条件は比較的容易に
クリアすることができる。
イオンや遷移金属イオンの場合には、エネルギー準位の
バラつきが非常に小さな遷移も存在するため、このよう
な遷移を選べば離調に関するＥＩＴ条件は比較的容易に
クリアすることができる。
【００４２】しかし、希土類イオンのｆ−ｆ遷移や遷移
金属イオンのｄ−ｄ遷移では、許容遷移といえども遷移
確率は極めて小さい（通常の許容遷移での振動子強度を
〜１とすると、希土類イオンや遷移金属イオンのそれは
〜１０-5程度）。
金属イオンのｄ−ｄ遷移では、許容遷移といえども遷移
確率は極めて小さい（通常の許容遷移での振動子強度を
〜１とすると、希土類イオンや遷移金属イオンのそれは
〜１０-5程度）。
【００４３】また、このような不純物における禁制遷移
の振動子強度の値は理想的なゼロにはならず、１０-5〜
１０-8程度の値を持つような遷移も存在することが知ら
れている。
の振動子強度の値は理想的なゼロにはならず、１０-5〜
１０-8程度の値を持つような遷移も存在することが知ら
れている。
【００４４】このため、仮にこれら不純物のエネルギー
準位でΛ型３準位を設定しても許容遷移と禁制遷移との
間で遷移確率の値にコントラストをつけることが難し
く、さらに、緩和速度も両者であまり大きくは変わらな
いため、遷移確率・緩和に関するＥＩＴ条件を満足させ
ることが困難になる。このことから、固体中の不純物に
ついても、やはり半導体量子井戸と同様、ＥＩＴに由来
する大きな光変調特性は得られていない。
準位でΛ型３準位を設定しても許容遷移と禁制遷移との
間で遷移確率の値にコントラストをつけることが難し
く、さらに、緩和速度も両者であまり大きくは変わらな
いため、遷移確率・緩和に関するＥＩＴ条件を満足させ
ることが困難になる。このことから、固体中の不純物に
ついても、やはり半導体量子井戸と同様、ＥＩＴに由来
する大きな光変調特性は得られていない。
【００４５】
【発明が解決しようとする課題】上述の如く、固体を用
いたＥＩＴに立脚したＬＷＩレーザーや光変調素子など
の機能素子は、固体の遷移確率や緩和速度の値がＥＩＴ
条件と合致しないため、その実現が困難であるという問
題があった。
いたＥＩＴに立脚したＬＷＩレーザーや光変調素子など
の機能素子は、固体の遷移確率や緩和速度の値がＥＩＴ
条件と合致しないため、その実現が困難であるという問
題があった。
【００４６】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、媒体を用いたＥＩＴに立脚した実用可能な機能素
子を提供することを目的とする。
ので、媒体を用いたＥＩＴに立脚した実用可能な機能素
子を提供することを目的とする。
【００４７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本願第１の発明（請求項１）に係る機能素子は、不
純物を含む媒体と、前記不純物のエネルギー準位の中か
ら３つ準位を選び上から順に第１の準位、第２の準位、
第３の準位としたときに、第１の準位と第２の準位との
間のエネルギー差に対応する波長を有する第１のコヒー
レント光、および第１の準位と第３の準位との間のエネ
ルギー差に対応する波長を有する第２のコヒーレント光
を前記媒体中で共存させる励起手段と、前記媒体に設け
られた１対のミラーからなる共振器とを備えており、前
記第１の準位と前記第２の準位との間の光学遷移および
前記第１の準位と前記第３の準位との間の光学遷移は前
記共振器の共鳴モードとそれぞれ一致し、これら２つの
準位間の遷移確率は前記共振器を設けないときよりも高
く、かつ前記第２の準位と前記第３の準位との間の光学
遷移は前記共振器の共鳴モードから外れ、この準位間の
遷移確率は前記共振器を設けないときよりも低くいこと
を特徴とする。
に、本願第１の発明（請求項１）に係る機能素子は、不
純物を含む媒体と、前記不純物のエネルギー準位の中か
ら３つ準位を選び上から順に第１の準位、第２の準位、
第３の準位としたときに、第１の準位と第２の準位との
間のエネルギー差に対応する波長を有する第１のコヒー
レント光、および第１の準位と第３の準位との間のエネ
ルギー差に対応する波長を有する第２のコヒーレント光
を前記媒体中で共存させる励起手段と、前記媒体に設け
られた１対のミラーからなる共振器とを備えており、前
記第１の準位と前記第２の準位との間の光学遷移および
前記第１の準位と前記第３の準位との間の光学遷移は前
記共振器の共鳴モードとそれぞれ一致し、これら２つの
準位間の遷移確率は前記共振器を設けないときよりも高
く、かつ前記第２の準位と前記第３の準位との間の光学
遷移は前記共振器の共鳴モードから外れ、この準位間の
遷移確率は前記共振器を設けないときよりも低くいこと
を特徴とする。
【００４８】また、本願第２の発明に係る機能素子（請
求項２）は、不純物を含む媒体と、前記不純物のエネル
ギー準位の中から３つ準位を選び上から順に第１の準
位、第２の準位、第３の準位としたときに、第１の準位
と第３の準位との間のエネルギー差に対応する波長を有
する第１のコヒーレント光、および第２の準位と第３の
準位との間のエネルギー差に対応する波長を有する第２
のコヒーレント光を前記媒体中で共存させる励起手段
と、前記媒体に設けられた１対のミラーからなる共振器
とを備えており、前記第１の準位と前記第３の準位との
間の光学遷移および前記第２の準位と前記第３の準位と
の間の光学遷移は前記共振器の共鳴モードとそれぞれ一
致し、これら２つの準位間の遷移確率は前記共振器を設
けないときよりも高く、かつ前記第１の準位と前記第２
の準位との間の光学遷移は前記共振器の共鳴モードから
外れ、この準位間の遷移確率は前記共振器を設けないと
きよりも低くいことを特徴とする。
求項２）は、不純物を含む媒体と、前記不純物のエネル
ギー準位の中から３つ準位を選び上から順に第１の準
位、第２の準位、第３の準位としたときに、第１の準位
と第３の準位との間のエネルギー差に対応する波長を有
する第１のコヒーレント光、および第２の準位と第３の
準位との間のエネルギー差に対応する波長を有する第２
のコヒーレント光を前記媒体中で共存させる励起手段
と、前記媒体に設けられた１対のミラーからなる共振器
とを備えており、前記第１の準位と前記第３の準位との
間の光学遷移および前記第２の準位と前記第３の準位と
の間の光学遷移は前記共振器の共鳴モードとそれぞれ一
致し、これら２つの準位間の遷移確率は前記共振器を設
けないときよりも高く、かつ前記第１の準位と前記第２
の準位との間の光学遷移は前記共振器の共鳴モードから
外れ、この準位間の遷移確率は前記共振器を設けないと
きよりも低くいことを特徴とする。
【００４９】また、本願第３の発明に係る機能素子（請
求項３）は、不純物を含む媒体と、前記不純物のエネル
ギー準位の中から３つ準位を選び上から順に第１の準
位、第２の準位、第３の準位としたときに、第１の準位
と第２の準位との間のエネルギー差に対応する波長を有
する第１のコヒーレント光、および第２の準位と第３の
準位との間のエネルギー差に対応する波長を有する第２
のコヒーレント光を前記媒体中で共存させる励起手段
と、前記媒体に設けられた１対のミラーからなる共振器
とを備えてなり、前記第１の準位と前記第２の準位との
間の光学遷移および前記第２の準位と前記第３の準位と
の間の光学遷移は前記共振器の共鳴モードとそれぞれ一
致し、これら２つの準位間の遷移確率は前記共振器を設
けないときよりも高く、かつ前記第１の準位と前記第３
の準位との間の光学遷移は前記共振器の共鳴モードから
外れ、この準位間の遷移確率は前記共振器を設けないと
きよりも低くいことを特徴とする。
求項３）は、不純物を含む媒体と、前記不純物のエネル
ギー準位の中から３つ準位を選び上から順に第１の準
位、第２の準位、第３の準位としたときに、第１の準位
と第２の準位との間のエネルギー差に対応する波長を有
する第１のコヒーレント光、および第２の準位と第３の
準位との間のエネルギー差に対応する波長を有する第２
のコヒーレント光を前記媒体中で共存させる励起手段
と、前記媒体に設けられた１対のミラーからなる共振器
とを備えてなり、前記第１の準位と前記第２の準位との
間の光学遷移および前記第２の準位と前記第３の準位と
の間の光学遷移は前記共振器の共鳴モードとそれぞれ一
致し、これら２つの準位間の遷移確率は前記共振器を設
けないときよりも高く、かつ前記第１の準位と前記第３
の準位との間の光学遷移は前記共振器の共鳴モードから
外れ、この準位間の遷移確率は前記共振器を設けないと
きよりも低くいことを特徴とする。
【００５０】また、本願第４の発明に係る機能素子（請
求項４）は、上記本願第１の発明に係る機能素子におい
て、前記不純物を含む媒体が結晶であり、前記第１の準
位と前記第２の準位との間の光学遷移および前記第１の
準位と前記第３の準位との間の光学確率がσ遷移または
π遷移であり、σ遷移である場合には前記媒体は前記共
振器のミラー面に垂直な方向で遷移確率が最大となるよ
うに配置され、π遷移である場合には前記媒体は前記共
振器のミラー面に平行な方向で遷移確率が最小となるよ
うに配置されていることを特徴とする。
求項４）は、上記本願第１の発明に係る機能素子におい
て、前記不純物を含む媒体が結晶であり、前記第１の準
位と前記第２の準位との間の光学遷移および前記第１の
準位と前記第３の準位との間の光学確率がσ遷移または
π遷移であり、σ遷移である場合には前記媒体は前記共
振器のミラー面に垂直な方向で遷移確率が最大となるよ
うに配置され、π遷移である場合には前記媒体は前記共
振器のミラー面に平行な方向で遷移確率が最小となるよ
うに配置されていることを特徴とする。
【００５１】また、本願第５の発明に係る機能素子（請
求項５）は、上記本願第２の発明に係る機能素子におい
て、前記不純物を含む媒体が結晶であり、前記第１の準
位と前記第３の準位との間の光学遷移および前記第２の
準位と前記第３の準位との間の光学確率がσ遷移または
π遷移であり、σ遷移である場合には前記媒体は前記共
振器のミラー面に垂直な方向で遷移確率が最大となるよ
うに配置され、π遷移である場合には前記媒体は前記共
振器のミラー面に平行な方向で遷移確率が最小となるよ
うに配置されていることを特徴とする。
求項５）は、上記本願第２の発明に係る機能素子におい
て、前記不純物を含む媒体が結晶であり、前記第１の準
位と前記第３の準位との間の光学遷移および前記第２の
準位と前記第３の準位との間の光学確率がσ遷移または
π遷移であり、σ遷移である場合には前記媒体は前記共
振器のミラー面に垂直な方向で遷移確率が最大となるよ
うに配置され、π遷移である場合には前記媒体は前記共
振器のミラー面に平行な方向で遷移確率が最小となるよ
うに配置されていることを特徴とする。
【００５２】また、本願第６の発明に係る機能素子（請
求項６）は、上記本願第２の発明に係る機能素子におい
て、前記不純物を含む媒体が結晶であり、前記第１の準
位と前記第２の準位との間の光学遷移および前記第２の
準位と前記第３の準位との間の光学確率がσ遷移または
π遷移であり、σ遷移である場合には前記媒体は前記共
振器のミラー面に垂直な方向で遷移確率が最大となるよ
うに配置され、π遷移である場合には前記媒体は前記共
振器のミラー面に平行な方向で遷移確率が最小となるよ
うに配置されていることを特徴とするまた、本願第７の
発明に係る機能素子（請求項７）は、上記本願第１〜第
６の発明に係る機能素子において、前記第１の準位と前
記第２の準位との間のエネルギーに対応した角周波数を
有する光に対する前記媒体の屈折率をｎ12、前記第１の
準位と前記第３の準位との間のエネルギーに対応した角
周波数を有する光に対する前記媒体の屈折率をｎ13、前
記第２の準位と前記第３の準位との間のエネルギーに対
応した角周波数を有する光に対する前記媒体の屈折率を
ｎ23としたときに、ｎ23／ｎ12およびｎ23／ｎ13の少な
くとも一方が非整数であることを特徴とする。
求項６）は、上記本願第２の発明に係る機能素子におい
て、前記不純物を含む媒体が結晶であり、前記第１の準
位と前記第２の準位との間の光学遷移および前記第２の
準位と前記第３の準位との間の光学確率がσ遷移または
π遷移であり、σ遷移である場合には前記媒体は前記共
振器のミラー面に垂直な方向で遷移確率が最大となるよ
うに配置され、π遷移である場合には前記媒体は前記共
振器のミラー面に平行な方向で遷移確率が最小となるよ
うに配置されていることを特徴とするまた、本願第７の
発明に係る機能素子（請求項７）は、上記本願第１〜第
６の発明に係る機能素子において、前記第１の準位と前
記第２の準位との間のエネルギーに対応した角周波数を
有する光に対する前記媒体の屈折率をｎ12、前記第１の
準位と前記第３の準位との間のエネルギーに対応した角
周波数を有する光に対する前記媒体の屈折率をｎ13、前
記第２の準位と前記第３の準位との間のエネルギーに対
応した角周波数を有する光に対する前記媒体の屈折率を
ｎ23としたときに、ｎ23／ｎ12およびｎ23／ｎ13の少な
くとも一方が非整数であることを特徴とする。
【００５３】本発明において、媒体とは、原子ガス系以
外で原理的にＥＩＴを誘起できる系を意味しており、例
えば、固体や液体をいう。以下、媒体として固体を用い
た場合について説明するが液体の場合も同様である。
外で原理的にＥＩＴを誘起できる系を意味しており、例
えば、固体や液体をいう。以下、媒体として固体を用い
た場合について説明するが液体の場合も同様である。
【００５４】本発明に係る機能素子は、固体中の３つの
不純物準位からなる３つの電子遷移に関して、共振器を
組んだ場合と組まない場合とを比較して、各電子遷移ご
とに光学遷移の遷移確率の大小関係を規定したことを骨
子としている。
不純物準位からなる３つの電子遷移に関して、共振器を
組んだ場合と組まない場合とを比較して、各電子遷移ご
とに光学遷移の遷移確率の大小関係を規定したことを骨
子としている。
【００５５】共振器による物質中の電子系の遷移確率制
御は、物質との間で光子のやり取りを行なう幅射場のモ
ードを変化させることを基本原理としている。ＥＩＴで
は２つの光学遷移間の干渉効果を利用して電気双極子モ
ーメントの値を変化させて遷移確率を制御するのに対
し、共振器による遷移確率制御では双極子モーメントの
値自体は変化させずに、共振器中で許される輻射場モー
ドの状態数が真空中と比較して増減することを利用する
点が特徴である。
御は、物質との間で光子のやり取りを行なう幅射場のモ
ードを変化させることを基本原理としている。ＥＩＴで
は２つの光学遷移間の干渉効果を利用して電気双極子モ
ーメントの値を変化させて遷移確率を制御するのに対
し、共振器による遷移確率制御では双極子モーメントの
値自体は変化させずに、共振器中で許される輻射場モー
ドの状態数が真空中と比較して増減することを利用する
点が特徴である。
【００５６】従来、物質中における光学遷移の遷移確
率、例えば真空中に置かれた励起原子の自然放出速度な
どは、その原子が元来備え持つ定数であると思われてき
た。しかし、最近の輻射場の量子電磁力学の進歩によ
り、自然放出は真空中での自由な物質それ自体の性質で
はなく、物質と真空場とが結合した系が示す性質である
ことがわかってきた。以下に、共振器による遷移確率の
制御原理を説明する。
率、例えば真空中に置かれた励起原子の自然放出速度な
どは、その原子が元来備え持つ定数であると思われてき
た。しかし、最近の輻射場の量子電磁力学の進歩によ
り、自然放出は真空中での自由な物質それ自体の性質で
はなく、物質と真空場とが結合した系が示す性質である
ことがわかってきた。以下に、共振器による遷移確率の
制御原理を説明する。
【００５７】今、真空中に置かれた物質中で、励起準位
｜ｅ＞から基底準位｜ｇ＞に電子が遷移する際、光子を
放出するような状況を想定する。
｜ｅ＞から基底準位｜ｇ＞に電子が遷移する際、光子を
放出するような状況を想定する。
【００５８】この場合、体積Ｖ中の単一モードの光子を
放出する遷移確率Ｗe は、Ｆｅｒｍｉの黄金律を用いて
次のように書ける。
放出する遷移確率Ｗe は、Ｆｅｒｍｉの黄金律を用いて
次のように書ける。
【００５９】 Ｗe ＝（８π3 ／ｈ2 ）｜＜ｇ，ｓ＋１｜Ｈint ｜ｅ，ｓ＞｜2 ρ（１） ここで、Ｈint は物質と輻射場との間の相互作用ハミル
トニアン、ｓは単一モードの光子数、ρは単位周波数当
たりのモードの状態数、ｈはプランク定数をそれぞれ表
している。
トニアン、ｓは単一モードの光子数、ρは単位周波数当
たりのモードの状態数、ｈはプランク定数をそれぞれ表
している。
【００６０】遷移の行列要素は、次式のように表され
る。
る。
【００６１】 ｜＜ｇ，ｓ＋１｜Ｈint ｜ｅ，ｓ＞｜2 ＝（μ2 ｈω／４πε0 Ｖ）1/2 （ｓ＋１） （２） ここで、μは遷移の電気双極子モーメント、ωは光の角
周波数である。これを上の式（１）に代入すると、 Ｗe ＝（２πμ／ｈ）2 （ｈω／２ε0 Ｖ）ｓρ ＋（２πμ／ｈ）2 （ｈω／２ε0 Ｖ）ρ （３） が得られる。
周波数である。これを上の式（１）に代入すると、 Ｗe ＝（２πμ／ｈ）2 （ｈω／２ε0 Ｖ）ｓρ ＋（２πμ／ｈ）2 （ｈω／２ε0 Ｖ）ρ （３） が得られる。
【００６２】なお、式（３）の第一項はｓに比例するこ
とからわかるように誘導放出による遷移確率を表し、第
二項は自然放出による遷移確率を表している。
とからわかるように誘導放出による遷移確率を表し、第
二項は自然放出による遷移確率を表している。
【００６３】真空中では、物質から放出された光子を受
け入れる真空場の輻射モードの状態数は無限に近く存在
する。
け入れる真空場の輻射モードの状態数は無限に近く存在
する。
【００６４】ここで、物質を共振器内に置いた場合を考
えると、輻射モードの状態数は大幅に変化し、結果とし
て物質と真空場との結合様式も大幅に変更を受ける。
えると、輻射モードの状態数は大幅に変化し、結果とし
て物質と真空場との結合様式も大幅に変更を受ける。
【００６５】一般に、共振器内でのモードの状態数は、
共鳴角周波数領域において真空中に比べて大きく増加
し、また共鳴から外れた角周波数領域において真空中と
比べて大きく減少する。
共鳴角周波数領域において真空中に比べて大きく増加
し、また共鳴から外れた角周波数領域において真空中と
比べて大きく減少する。
【００６６】このため、物質の遷移エネルギーに対して
共振器の共鳴角周波数を一致させればその物質の遷移確
率を著しく増強でき、逆にこれを一致させなければ著し
く抑制することが可能になる。
共振器の共鳴角周波数を一致させればその物質の遷移確
率を著しく増強でき、逆にこれを一致させなければ著し
く抑制することが可能になる。
【００６７】なお、上の議論は全て発光の遷移確率に関
するものであるが、吸収の遷移確率についても同様な議
論が成り立つ。
するものであるが、吸収の遷移確率についても同様な議
論が成り立つ。
【００６８】以上の点から、本願第１の発明では、準位
１・２間と準位１・３間の遷移については共振器の共鳴
モードと一致させて準位２・３間の遷移だけは共鳴モー
ドから外し、本願第２の発明では、準位１・３間と準位
２・３間の遷移については共鳴モードと一致させて準位
１・２幅の遷移だけは共鳴モードから外し、本願第３の
発明では、準位１・２間と準位２・３間の遷移について
は共鳴モードと一致させて準位１・３間の遷移だけは共
鳴モードから外すことにより、先の遷移確率に関する条
件を実現することが可能になる。
１・２間と準位１・３間の遷移については共振器の共鳴
モードと一致させて準位２・３間の遷移だけは共鳴モー
ドから外し、本願第２の発明では、準位１・３間と準位
２・３間の遷移については共鳴モードと一致させて準位
１・２幅の遷移だけは共鳴モードから外し、本願第３の
発明では、準位１・２間と準位２・３間の遷移について
は共鳴モードと一致させて準位１・３間の遷移だけは共
鳴モードから外すことにより、先の遷移確率に関する条
件を実現することが可能になる。
【００６９】また、本願第４〜６の発明では、不純物を
含む固体が結晶であるときに、コヒーレントな光で結ば
れた２つの不純物の光学遷移がともにσ遷移、あいるは
ともにπ遷移それぞれの場合について、共振器軸に対す
る結晶の幾何学的な配置関係を規定した。
含む固体が結晶であるときに、コヒーレントな光で結ば
れた２つの不純物の光学遷移がともにσ遷移、あいるは
ともにπ遷移それぞれの場合について、共振器軸に対す
る結晶の幾何学的な配置関係を規定した。
【００７０】このような共振器構造では、コヒーレント
な光で結ばれた２つの不純物の光学遷移が選択的に共振
器の共鳴モードとは強く結合することが可能になるが、
これは以下に述べるような理由による。
な光で結ばれた２つの不純物の光学遷移が選択的に共振
器の共鳴モードとは強く結合することが可能になるが、
これは以下に述べるような理由による。
【００７１】図６は、固体中の結晶軸と、不純物の光学
遷移の遷移確率（吸収・蛍光の強度）とを模式的に表し
たものである。図６（ａ）は不純物の光学遷移がこの結
晶軸に対してσ遷移である場合、図６（ｂ）はπ遷移で
ある場合をそれぞれ示す。
遷移の遷移確率（吸収・蛍光の強度）とを模式的に表し
たものである。図６（ａ）は不純物の光学遷移がこの結
晶軸に対してσ遷移である場合、図６（ｂ）はπ遷移で
ある場合をそれぞれ示す。
【００７２】まず、図６（ａ）のσ遷移の場合には、光
励起により不純物に誘起される電気双極子モーメントは
結晶軸に対して垂直になる。このため、光学遷移は結晶
軸に沿った方向に強く偏り、結晶軸とちょうど平行な方
向で遷移確率が最大となる。これに対し、図６（ｂ）の
π遷移の場合には、誘起双極子モーメントの向きは結晶
軸に対して平行になる。このため、光学遷移は結晶軸以
外の方向に強く偏り、結晶軸にちょうど垂直な方向で遷
移確率が最大となる。
励起により不純物に誘起される電気双極子モーメントは
結晶軸に対して垂直になる。このため、光学遷移は結晶
軸に沿った方向に強く偏り、結晶軸とちょうど平行な方
向で遷移確率が最大となる。これに対し、図６（ｂ）の
π遷移の場合には、誘起双極子モーメントの向きは結晶
軸に対して平行になる。このため、光学遷移は結晶軸以
外の方向に強く偏り、結晶軸にちょうど垂直な方向で遷
移確率が最大となる。
【００７３】このことから、図７（ａ）にすように２つ
の不純物の光学遷移がともにσ遷移の場合には結晶軸を
共振器のミラー面に垂直な軸（共振器軸）に対して平行
になるように配置し、また図７（ｂ）に示すように２つ
の光学遷移がともにπ遷移の場合には結晶軸を共振器軸
に対して垂直になるように配置すると、共振器軸に沿う
方向で最も効率良く光学遷移を引き起こすことが可能に
なる。
の不純物の光学遷移がともにσ遷移の場合には結晶軸を
共振器のミラー面に垂直な軸（共振器軸）に対して平行
になるように配置し、また図７（ｂ）に示すように２つ
の光学遷移がともにπ遷移の場合には結晶軸を共振器軸
に対して垂直になるように配置すると、共振器軸に沿う
方向で最も効率良く光学遷移を引き起こすことが可能に
なる。
【００７４】ここで、共振器軸上を伝播する光の角周波
数が共振器の共鳴モードに一致する場合には、２つの光
学遷移と共振器の共鳴モードは強く結合するため、先に
も述べたように、この２つの光学遷移については遷移確
率が著しく増強される。
数が共振器の共鳴モードに一致する場合には、２つの光
学遷移と共振器の共鳴モードは強く結合するため、先に
も述べたように、この２つの光学遷移については遷移確
率が著しく増強される。
【００７５】以上の点から、不純物を含む固体が結晶で
ある場合に、本願第４の発明では、準位１・２間、準位
１・３間両方の光学遷移がともにσ遷移の場合には共振
器軸と平行方向（言い換えれば、ミラー面に垂直な方
向）で遷移確率が最大になるように、また両方の光学遷
移がともにπ遷移の場合には共振軸と垂直方向（言い換
えれば、ミラー面に平行な方向）で遷移確率が最小にな
るように結晶を配置することにより、本発明（請求項
１）での遷移確率に関する条件を実現するようにしてい
る。
ある場合に、本願第４の発明では、準位１・２間、準位
１・３間両方の光学遷移がともにσ遷移の場合には共振
器軸と平行方向（言い換えれば、ミラー面に垂直な方
向）で遷移確率が最大になるように、また両方の光学遷
移がともにπ遷移の場合には共振軸と垂直方向（言い換
えれば、ミラー面に平行な方向）で遷移確率が最小にな
るように結晶を配置することにより、本発明（請求項
１）での遷移確率に関する条件を実現するようにしてい
る。
【００７６】また、不純物を含む固体が結晶である場合
に、本願第５の発明では、準位１・３間、準位２・３間
両方の光学遷移がともにσ遷移の場合には共振器軸と平
行方向（言い換えれば、ミラー面に垂直な方向）で遷移
確率が最大になるように、また両方の光学遷移がともに
π遷移の場合には共振器軸と垂直方向（言い換えれば、
ミラー面に平行な方向）で遷移確率が最小になるように
結晶を配置することにより、本発明（請求項２）での遷
移確率に関する条件を実現するようにしている。
に、本願第５の発明では、準位１・３間、準位２・３間
両方の光学遷移がともにσ遷移の場合には共振器軸と平
行方向（言い換えれば、ミラー面に垂直な方向）で遷移
確率が最大になるように、また両方の光学遷移がともに
π遷移の場合には共振器軸と垂直方向（言い換えれば、
ミラー面に平行な方向）で遷移確率が最小になるように
結晶を配置することにより、本発明（請求項２）での遷
移確率に関する条件を実現するようにしている。
【００７７】また、不純物を含む固体が結晶である場合
に、本願第６の発明では、準位１・２間、準位２・３間
両方の光学遷移がともにσ遷移の場合には共振器軸と平
行方向（言い換えれば、ミラー面に垂直な方向）で遷移
確率が最大になるように、また両方の光学遷移がともに
π遷移の場合には共振器軸と垂直方向（言い換えれば、
ミラー面に平行は方向）で遷移確率が最小になるように
結晶を配置することにより本発明（請求項３）での遷移
確率に関する条件を実現するようにしている。後述する
固体材料中の不純物に関して、２つの不純物の光学遷移
がともにσ遷移、あるいはともにπ遷移になるように３
準位を設定する方法としては、不純物の各エネルギー準
位の結晶場に対する対称性から予測することが可能であ
る。
に、本願第６の発明では、準位１・２間、準位２・３間
両方の光学遷移がともにσ遷移の場合には共振器軸と平
行方向（言い換えれば、ミラー面に垂直な方向）で遷移
確率が最大になるように、また両方の光学遷移がともに
π遷移の場合には共振器軸と垂直方向（言い換えれば、
ミラー面に平行は方向）で遷移確率が最小になるように
結晶を配置することにより本発明（請求項３）での遷移
確率に関する条件を実現するようにしている。後述する
固体材料中の不純物に関して、２つの不純物の光学遷移
がともにσ遷移、あるいはともにπ遷移になるように３
準位を設定する方法としては、不純物の各エネルギー準
位の結晶場に対する対称性から予測することが可能であ
る。
【００７８】一般的には、固体中に分散された希土類不
純物や遷移金属不純物のエネルギー準位は、自由原子・
イオンの場合とは大きく異なり、不純物周りの微視的な
電場環境（結晶場）で決まる。
純物や遷移金属不純物のエネルギー準位は、自由原子・
イオンの場合とは大きく異なり、不純物周りの微視的な
電場環境（結晶場）で決まる。
【００７９】この結晶場で特徴づけられるエネルギー準
位の量子状態は、その結晶場が属する点群の既約表現
（対称性の既約表現）で表現されることが知られてい
る。光学遷移の選択則はこの結晶場に対する対称性の既
約表現に基づいて一義的に決まるため、光学遷移のタイ
プがσ遷移か、あるいはπ遷移かという点も、既約表現
から一義的に決まる。
位の量子状態は、その結晶場が属する点群の既約表現
（対称性の既約表現）で表現されることが知られてい
る。光学遷移の選択則はこの結晶場に対する対称性の既
約表現に基づいて一義的に決まるため、光学遷移のタイ
プがσ遷移か、あるいはπ遷移かという点も、既約表現
から一義的に決まる。
【００８０】このため、本願第４の発明では、準位２、
準位３には結晶場に対する対称性の既約表現が等しい材
料系を選択することで、準位１・２間と準位１・３間各
々の光学遷移のタイプをσ遷移、あるいはπ遷移のいず
れか一方に揃えることができ、本願第１の発明における
遷移確率に関する条件を実現できるようになる。
準位３には結晶場に対する対称性の既約表現が等しい材
料系を選択することで、準位１・２間と準位１・３間各
々の光学遷移のタイプをσ遷移、あるいはπ遷移のいず
れか一方に揃えることができ、本願第１の発明における
遷移確率に関する条件を実現できるようになる。
【００８１】同様に、本願第５の発明では、準位１、準
位２に結晶場に対する対称性の既約表現が等しい材料系
を選択し、本願第６の発明では、準位１、準位３に結晶
場に対する対称性の既約表現が等しい材料系を選択する
ことにより、やはり本願第２，３の発明での遷移確率に
関する条件を実現できるようになる。
位２に結晶場に対する対称性の既約表現が等しい材料系
を選択し、本願第６の発明では、準位１、準位３に結晶
場に対する対称性の既約表現が等しい材料系を選択する
ことにより、やはり本願第２，３の発明での遷移確率に
関する条件を実現できるようになる。
【００８２】また、本願第７の発明では、不純物の準位
１・２間、準位１・３間、準位２・３間各々の準位間エ
ネルギーに対応する角周波数ω12，ω13，ω23におい
て、不純物を含む固体の屈折率がそれぞれｎ12，ｎ13，
ｎ23であるときに、屈折率の比（ｎ23／ｎ12），（ｎ23
／ｎ13）のどちらかが整数でないことを規定した。これ
は、次に述べるような理由による。
１・２間、準位１・３間、準位２・３間各々の準位間エ
ネルギーに対応する角周波数ω12，ω13，ω23におい
て、不純物を含む固体の屈折率がそれぞれｎ12，ｎ13，
ｎ23であるときに、屈折率の比（ｎ23／ｎ12），（ｎ23
／ｎ13）のどちらかが整数でないことを規定した。これ
は、次に述べるような理由による。
【００８３】今、不純物を含む固体材料の屈折率を仮に
ｎ12＝ｎ13＝ｎ23＝ｎ0 として、本願第１の発明にある
ように、不純物の準位１・２間と準位１・３間の光学遷
移は共振器の共鳴モードに一致させて準位２・３間はこ
の共鳴モードから外すような状況を想定する。共振器ミ
ラーが固体材料に直接接しており、このときの共振器長
をＬとすると、準位１・２間、準位１・３間の準位間エ
ネルギーに対応する角周波数ω12，ω13はＬと次のよう
に結び付けられる。
ｎ12＝ｎ13＝ｎ23＝ｎ0 として、本願第１の発明にある
ように、不純物の準位１・２間と準位１・３間の光学遷
移は共振器の共鳴モードに一致させて準位２・３間はこ
の共鳴モードから外すような状況を想定する。共振器ミ
ラーが固体材料に直接接しており、このときの共振器長
をＬとすると、準位１・２間、準位１・３間の準位間エ
ネルギーに対応する角周波数ω12，ω13はＬと次のよう
に結び付けられる。
【００８４】 Ｌ＝α（πｃ／ｎ0 ω12） （４ａ） Ｌ＝β（πｃ／ｎ0 ω13） （４ｂ） ( ただし、β＞α） ここで、ｃは光速である。
【００８５】先の条件より、準位１・２間、準位１・３
間両方の光学遷移は共振器の共鳴モードと一致すること
から、式（４）中のαとβはいずれも正の整数である。
間両方の光学遷移は共振器の共鳴モードと一致すること
から、式（４）中のαとβはいずれも正の整数である。
【００８６】次に、準位２・３間について、やはり準位
間エネルギーに対応する角周波数ω23とＬとの関係を調
べると、 Ｌ＝γ（πｃ／ｎ0 ω23） （５） が得られる。
間エネルギーに対応する角周波数ω23とＬとの関係を調
べると、 Ｌ＝γ（πｃ／ｎ0 ω23） （５） が得られる。
【００８７】ここで、準位間エネルギーの関係式；ω12
＋ω23＝ω13に式（４ａ），（４ｂ），（５）を代入し
て、式（５）中のγをα，βで表現すると、 γ＝β−α （６） になる。
＋ω23＝ω13に式（４ａ），（４ｂ），（５）を代入し
て、式（５）中のγをα，βで表現すると、 γ＝β−α （６） になる。
【００８８】式（６）より、γもまた正の整数であるこ
とがわかる。これは、固体材料の各角周波数における屈
折率ｎ12，ｎ13，ｎ23が全て等しい場合、準位１・２
間、準位１・３間両方の光学遷移を共振器の共鳴モード
に一致させると、準位２・３間の光学遷移についても必
然的に共鳴モードと一致してしまうことを表している。
今度は、固体材料の屈折率がｎ12≠ｎ13，ｎ12≠ｎ23，
ｎ13≠ｎ23の場合について、再び不純物の準位１・２間
と準位１・３間の光学遷移は共振器の共鳴モードに一致
させて準位２・３間はこの共鳴モードから外す状況を想
定する。
とがわかる。これは、固体材料の各角周波数における屈
折率ｎ12，ｎ13，ｎ23が全て等しい場合、準位１・２
間、準位１・３間両方の光学遷移を共振器の共鳴モード
に一致させると、準位２・３間の光学遷移についても必
然的に共鳴モードと一致してしまうことを表している。
今度は、固体材料の屈折率がｎ12≠ｎ13，ｎ12≠ｎ23，
ｎ13≠ｎ23の場合について、再び不純物の準位１・２間
と準位１・３間の光学遷移は共振器の共鳴モードに一致
させて準位２・３間はこの共鳴モードから外す状況を想
定する。
【００８９】共振器構造や共振器長は先程と同じにする
と、角周波数ω12，ω13はＬと次のように結び付けられ
る。
と、角周波数ω12，ω13はＬと次のように結び付けられ
る。
【００９０】 Ｌ＝ζ（πｃ／ｎ12ω12） （７ａ） Ｌ＝η（πｃ／ｎ13ω13） （７ｂ） （ただし、η＞ζ）この場合についても、式（４）の中
のηとξはいずれも正の整数である。準位２・３間につ
いて、やはり準位間エネルギーに対応する角周波数ω23
とＬとの関係を調べると、 Ｌ＝ξ（πｃ／ｎ23ω23） （８） が得られる。
のηとξはいずれも正の整数である。準位２・３間につ
いて、やはり準位間エネルギーに対応する角周波数ω23
とＬとの関係を調べると、 Ｌ＝ξ（πｃ／ｎ23ω23） （８） が得られる。
【００９１】先と同様にξをζとηで表すと、 ξ＝η（ｎ23／ｎ13）−ζ（ｎ23／ｎ12） （９） になる。
【００９２】式（９）は、２つの係数（ｎ23／ｎ12），
（ｎ23／ｎ13）のどちらかが整数でなければ、ξも整数
にはならず、結果として準位２・３間の光学遷移だけは
共鳴モードから外せることを示している。
（ｎ23／ｎ13）のどちらかが整数でなければ、ξも整数
にはならず、結果として準位２・３間の光学遷移だけは
共鳴モードから外せることを示している。
【００９３】以上の点から、固体材料の屈折率の比（ｎ
23／ｎ12），（ｎ23／ｎ13）が整数にはならない材料系
を選択することにより、やはり本願第１〜３の発明での
遷移確率に関する条件を実現することが可能になる。
23／ｎ12），（ｎ23／ｎ13）が整数にはならない材料系
を選択することにより、やはり本願第１〜３の発明での
遷移確率に関する条件を実現することが可能になる。
【００９４】ここで、上述の条件を満足する固体材料に
は、不純物としてＴｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，
Ｎｉ，Ｃｕなどの第１次遷移金属元素、Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍ
ｏ，Ｔｃ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ａｇなどの第２次遷移金
属元素、Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ｉｒ，Ｐｔ，Ａ
ｕなどの第３次遷移金属元素、Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓ
ｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ
などのランタノイド系希土類元素、そしてＴｈ，Ｐａ，
Ｕなどのアクチノイド系希土類元素を少なくとも一種類
以上は含む、ＬｉＦ，ＮａＦ，ＫＦ，ＲｂＦ，ＣｓＦ，
ＭｇＦ2 ，ＣａＦ2 ，ＳｒＦ2 ，ＢａＦ2 ，ＭｎＦ2 ，
ＺｎＦ2 ，ＣｄＦ2 ，ＡｌＦ3 ，ＹＦ3 ，ＬａＦ3 ，Ｃ
ｅＦ3 ，ＰｒＦ3 ，ＮｄＦ3 ，ＳｍＦ3 ，ＥｕＦ3 ，Ｇ
ｄＦ3 ，ＴｂＦ3 ，ＤｙＦ3 ，ＨｏＦ3 ，ＥｒＦ3 ，Ｔ
ｍＦ3 ，ＹｂＦ3 ，ＬｕＦ3 ，ＬｉＢａＦ3 ，ＫＭｇＦ
3 ，ＫＭｎＦ3 ，ＫＺｎＦ3 ，ＫＮｉＦ3 ，ＲｂＮｉＦ
3 ，ＺｒＦ4 ，ＬｉＹＦ4 ，ＮａＹＦ4 ，ＫＹＦ4 ，Ｌ
ｉＬａＦ4 ，ＬｉＧｄＦ4 ，ＬｉＬｕＦ4 ，ＢａＡｌＦ
5 ，ＳｒＡｌＦ5 ，Ｋ3 ＹＦ6 ，Ｋ3 ＣｏＦ6 ，Ｃｓ3
ＮｄＦ7 ，Ｃｓ3 ＧｄＦ7 ，ＬｉＣｌ，ＮａＣｌ，ＫＣ
ｌ，ＲｂＣｌ，ＣｓＣｌ，ＹＣｌ3 ，ＬａＣｌ3 ，Ｃｅ
Ｃｌ3 ，ＰｒＣｌ3 ，ＮｄＣｌ3 ，ＳｍＣｌ3，ＥｕＣ
ｌ3 ，ＧｄＣｌ3 ，ＴｂＣｌ3 ，ＤｙＣｌ3 ，ＨｏＣｌ
3 ，ＥｒＣｌ3，ＴｍＣｌ3 ，ＹｂＣｌ3 ，ＬｕＣ
ｌ3 ，ＣｓＭｇＣｌ3 ，ＣｓＣｄＣｌ3 ，ＬｉＢｒ，Ｎ
ａＢｒ，ＫＢｒ，ＲｂＢｒ，ＣｓＢｒ，ＹＢｒ3 ，Ｌａ
Ｂｒ3 ，ＣｅＢｒ3 ，ＰｒＢｒ3 ，ＮｄＢｒ3 ，ＳｍＢ
ｒ3 ，ＥｕＢｒ3 ，ＧｄＢｒ3 ，ＴｂＢｒ3 ，ＤｙＢｒ
3 ，ＨｏＢｒ3 ，ＥｒＢｒ3 ，ＴｍＢｒ3 ，ＹｂＢ
ｒ3 ，ＬｕＢｒ3 ，ＣｓＭｇＢｒ3 ，ＬｉＩ，ＮａＩ，
ＫＩ，ＲｂＩ，ＣｓＩ，ＣｕＣｌ，ＣｕＢｒ，ＣｕＩ，
ＡｇＦ，ＡｇＣｌ，ＡｇＢｒ，ＡｇＩ，ＹＯＣｌ，Ｌａ
ＯＣｌ，ＬａＯＢｒ，ＴｌＣｌ，ＴｌＢｒ，ＴｌＩ，Ｉ
ｎＢｒ，ＩｎＩ，Ｌｉ2 Ｏ，ＢｅＯ，Ｎ2 Ｏ5 ，Ｎａ2
Ｏ，Ｐ2 Ｏ3 ，Ｓ2 Ｏ3 ，Ｋ2 Ｏ，ＣａＯ，Ｃｒ
2 Ｏ3 ，ＭｎＯ2 ，ＣｏＯ，ＮｉＯ，ＳｒＯ，Ｚｒ
Ｏ2 ，Ｎｂ2 Ｏ5 ，ＭｏＯ3 ，ＡｇＯ，Ｓｂ2 Ｏ3 ，Ｔ
ｅＯ2 ，ＢａＯ，ＷＯ3 ，Ｒｅ2 Ｏ7 ，ＰｂＯ，ＰｕＯ
2，Ｙ2 Ｏ3 ，Ｌａ2 Ｏ3 ，Ｃｅ2 Ｏ3 ，Ｐｒ2 Ｏ3 ，
Ｎｄ2 Ｏ3 ，Ｓｍ2 Ｏ3 ，Ｅｕ2 Ｏ3 ，Ｇｄ2 Ｏ3 ，Ｔ
ｂ2 Ｏ3 ，Ｄｙ2 Ｏ3 ，Ｈｏ2 Ｏ3 ，Ｅｒ2 Ｏ3 ，Ｔｍ
2 Ｏ3 ，Ｙｂ2 Ｏ3 ，Ｌｕ2 Ｏ3 ，ＴｈＯ2 ，ＵＯ2 ，
ＵＯ3 ，Ｂａ2 ＧｄＮｂＯ5 ，ＳｒＧｄＧａ3 Ｏ7 ，Ｓ
ｃ2 Ｇｄ3 Ｇａ3 Ｏ12，ＮａＬｕＯ12，ＬｉＩＯ3 ，Ｌ
ｉＮｂＯ3 ，ＬｉＴａＯ3 ，Ｂａ2 ＮａＮｂ5 Ｏ15，Ｙ
2 Ｏ2 Ｓ，Ｌａ2 Ｏ2 Ｓ，Ｃｅ2 Ｏ2 Ｓ，Ｐｒ2 Ｏ
2 Ｓ，Ｎｄ2 Ｏ2 Ｓ，Ｓｍ2 Ｏ2 Ｓ，Ｅｕ2 Ｏ2 Ｓ，Ｇ
ｄ2 Ｏ2 Ｓ，Ｔｂ2 Ｏ2 Ｓ，Ｄｙ2 Ｏ2 Ｓ，Ｈｏ2 Ｏ2
Ｓ，Ｅｒ2Ｏ2 Ｓ，Ｔｍ2 Ｏ2 Ｓ，Ｙｂ2 Ｏ2 Ｓ，Ｌｕ
2 Ｏ2 Ｓ，Ｙ2 Ｓ3 ，Ｌａ2 Ｓ3 ，Ｃｅ2 Ｓ3 ，Ｐｒ2
Ｓ3 ，Ｎｄ2 Ｓ3 ，Ｓｍ2 Ｓ3 ，Ｅｕ2 Ｓ3 ，Ｇｄ2 Ｓ
3 ，Ｔｂ2 Ｓ3 ，Ｄｙ2 Ｓ3 ，Ｈｏ2 Ｓ3 ，Ｅｒ
2 Ｓ3 ，Ｔｍ2 Ｓ3 ，Ｙｂ2 Ｓ3 ，Ｌｕ2 Ｓ3 ，Ｂ2 Ｏ
3 ，ＧａＢＯ3 ，ＩｎＢＯ3 ，ＴｌＢＯ3 ，ＳｃＢ
Ｏ3 ，ＹＢＯ3 ，ＬａＢＯ3 ，ＣｅＢＯ3 ，ＰｒＢ
Ｏ3 ，ＮｄＢＯ3 ，ＳｍＢＯ3 ，ＥｕＢＯ3 ，ＧｄＢＯ
3 ，ＴｂＢＯ3 ，ＤｙＢＯ3 ，ＨｏＢＯ3 ，ＥｒＢ
Ｏ3 ，ＴｍＢＯ3 ，ＹｂＢＯ3 ，ＬｕＢＯ3 ，ＣａＹＢ
Ｏ4 ，ＢａＢ2 Ｏ4 ，Ｃｄ2 Ｂ2 Ｏ5 ，ＬｉＢ3 Ｏ5 ，
ＣｓＢ3 Ｏ5 ，ＳｒＢ4 Ｏ7 ，Ａｌ3 ＴｂＢ4 Ｏ12，Ｚ
ｎＯ，ＺｎＧａ2 Ｏ4 ，ＭｇＯ，ＭｇＧａ2 Ｏ4 ，Ｍｇ
2 ＴｉＯ4 ，Ｍｇ4 Ｔａ2 Ｏ9 ，ＴｉＯ2 ，ＣａＴｉＯ
3 ，ＳｒＴｉＯ3 ，ＢａＴｉＯ3 ，ＰｂＴｉＯ3 ，ＫＴ
ｉＰＯ5 ，Ａｌ2 Ｏ3 ，ＬｉＡｌＯ2 ，ＹＡｌＯ3 ，Ｂ
ｅＡｌ2 Ｏ4 ，ＭｇＡｌ2 Ｏ4 ，ＺｎＡｌ2 Ｏ4 ，Ｌｉ
Ａｌ5 Ｏ8 ，Ｙ4 Ａｌ2 Ｏ9 ，ＹＡｌ3 Ｂ4 Ｏ12，Ｙ3
Ａｌ5 Ｏ12，Ｌａ3 Ａｌ5 Ｏ12，Ｃｅ5 Ａｌ5 Ｏ12，Ｐ
ｒ3 Ａｌ5 Ｏ12，Ｎｄ3 Ａｌ5 Ｏ12，Ｓｍ3 Ａｌ
5 Ｏ12，Ｅｕ3 Ａｌ5 Ｏ12，Ｇｄ3 Ａｌ5 Ｏ12，Ｔｂ3
Ａｌ5 Ｏ12，Ｄｙ3 Ａｌ5 Ｏ12，Ｈｏ3 Ａｌ5 Ｏ12，Ｅ
ｒ3 Ａｌ5 Ｏ12，Ｔｍ3 Ａｌ5 Ｏ12，Ｙｂ3 Ａｌ
5 Ｏ12，Ｌｕ3 Ａｌ5 Ｏ12，ＬａＡｌ11Ｏ18，ＣｅＭｇ
Ａｌ11Ｏ19，ＴｂＭｇＡｌ11Ｏ19，ＢａＡｌ12Ｏ19，Ｂ
ａＭｇ2 Ａｌ16Ｏ27，Ｆｅ2 Ｏ3 ，Ｙ3 Ｆｅ5 Ｏ12，Ｌ
ａ3 Ｆｅ5 Ｏ12，Ｃｅ3 Ｆｅ5 Ｏ12，Ｐｒ3 Ｆｅ
5 Ｏ12，Ｎｄ3 Ｆｅ5 Ｏ12，Ｓｍ3 Ｆｅ5 Ｏ12，Ｅｕ3
Ｆｅ5 Ｏ12，Ｇｄ3 Ｆｅ5 Ｏ12，Ｔｂ3 Ｆｅ5 Ｏ12，Ｄ
ｙ3 Ｆｅ5 Ｏ12，Ｈｏ3 Ｆｅ5 Ｏ12，Ｅｒ3 Ｆｅ
5 Ｏ12，Ｔｍ3 Ｆｅ5 Ｏ12，Ｙｂ3 Ｆｅ5 Ｏ12，Ｌｕ3
Ｆｅ5 Ｏ12，Ｙ3 Ｇａ5 Ｏ12，Ｌａ3 Ｇａ5 Ｏ12，Ｃｅ
3 Ｇａ5 Ｏ12，Ｐｒ3 Ｇａ5 Ｏ12，Ｎｄ3 Ｇａ5 Ｏ12，
Ｓｍ3 Ｇａ5 Ｏ12，Ｅｕ3 Ｇａ5 Ｏ12，Ｇｄ3 Ｇａ5 Ｏ
12，Ｔｂ3 Ｇａ5 Ｏ12、Ｄｙ3 Ｇａ5 Ｏ12，Ｈｏ3 Ｇａ
5 Ｏ12，Ｅｒ3 Ｇａ5 Ｏ12，Ｔｍ3 Ｇａ5 Ｏ12，Ｙｂ3
Ｇａ5 Ｏ12，Ｌｕ3 Ｇａ5 Ｏ12，Ｙ3 Ｓｃ2 Ｇａ
5 Ｏ12，ＣａＰＯ3 ，ＳｃＰＯ4 ，ＹＰＯ4 ，ＬａＰＯ
4 ，ＣｅＰＯ4 ，ＰｒＰＯ4 , ＮｄＰＯ4 ，ＥｕＰ
Ｏ4 ，ＧｄＰＯ4 ，ＴｂＯＰ4 ，ＤｙＰＯ4 ，ＨｏＰＯ
4 ，ＥｒＰＯ4 ，ＴｍＰＯ4 ，ＹｂＰＯ4 ，ＬｕＰ
Ｏ4 ，Ｃａ2 ＰＯ4 Ｃｌ，Ｍｇ3 （ＰＯ4 ）2 ，Ｃａ3
（ＰＯ4 ）2 ，Ｓｒ3 （ＰＯ4 ）2 ，Ｂａ3 （ＰＯ4 ）
2 ，Ｚｎ3 （ＰＯ4 ）2 ，Ｃｄ3 （ＰＯ4 ）2 ，Ｍｇ5
（ＰＯ4 ）3 Ｆ，Ｍｇ5 （ＰＯ4 ）3 Ｃｌ，Ｃａ5 （Ｐ
Ｏ4 ）3 Ｆ，Ｃａ5 （ＰＯ4 ）3 Ｃｌ，Ｓｒ5 （Ｐ
Ｏ4 ）3 Ｆ，Ｓｒ5 （ＰＯ4 ）3 Ｃｌ，Ｂａ5 （Ｐ
Ｏ4 ）3 Ｆ，Ｂａ5 （ＰＯ4 ）3 Ｃｌ，Ｓｒ2 Ｐ
2 Ｏ7 ，ＮｄＰ5 Ｏ14，ＳｉＯ2 ，ＢｅＳｉＯ3 ，Ｍｇ
ＳｉＯ3 ，ＣａＳｉＯ3 ，ＳｒＳｉＯ3 ，ＢａＳｉ
Ｏ3 ，ＺｎＳｉＯ3 ，ＣｄＳｉＯ3，Ｚｎ2 ＳｉＯ4 ，
ＮａＹＳｉＯ4 ，Ｙ2 ＳｉＯ5 ，Ｌａ2 ＳｉＯ5 ，Ｌｕ
2 ＳｉＯ5 ，ＢｅＳｉ2 Ｏ5 ，ＭｇＳｉ2 Ｏ5 ，ＣａＳ
ｉ2 Ｏ5 ，ＳｒＳｉ2 Ｏ5 ，ＢａＳｉ2 Ｏ5 ，Ｓｃ2 Ｓ
ｉ2 Ｏ7 ，Ｂｅ2 ＳｒＳｉ2 Ｏ7 ，Ｃａ2 ＭｇＳｉ2Ｏ
7 ，Ｓｉ3 Ｎ4 ，ＧｅＯ2 ，Ｚｎ2 ＧｅＯ4 ，Ｃｓ2 Ｕ
Ｏ2 Ｆ4 ，Ｃｓ2 ＵＯ2 Ｃｌ4 ，Ｃｓ2 ＵＯ2 Ｂｒ4 ，
Ｃｓ3 ＵＯ2 Ｆ5 ，Ｃｓ3 ＵＯ2 Ｃｌ5 ，Ｃｓ3 ＵＯ2
Ｂｒ5 ，ＭｇＷＯ4 ，ＣａＷＯ4 ，ＳｒＷＯ4 ，ＢａＷ
Ｏ4 ，ＡｌＷＯ4 ，ＣｄＷＯ4 ，ＰｂＷＯ4 ，Ｙ2 ＷＯ
6 ，ＭｇＭｏＯ4 ，ＣａＭｏＯ4 ，ＳｒＭｏＯ4 ，Ｂａ
ＭｏＯ4 ，Ｌｉ2 ＭｏＯ4 ，Ｙ2 Ｍｏ3 Ｏ12，Ｌａ2 Ｍ
ｏ3 Ｏ12，Ｃｅ2 Ｍｏ3 Ｏ12，Ｐｒ2 Ｍｏ3 Ｏ12，Ｎｄ
2 Ｍｏ3 Ｏ12，Ｓｍ2 Ｍｏ3 Ｏ12，Ｅｕ2 Ｍｏ3 Ｏ12，
Ｇｄ2 Ｍｏ3 Ｏ12，Ｔｂ2 Ｍｏ3 Ｏ12，Ｄｙ2 Ｍｏ3 Ｏ
12，Ｈｏ2 Ｍｏ3 Ｏ12，Ｅｒ2 Ｍｏ3 Ｏ12，Ｔｍ2 Ｍｏ
3 Ｏ12，Ｙｂ2 Ｍｏ3 Ｏ12，Ｌｕ2 Ｍｏ3 Ｏ12，ＮａＣ
ａＶＯ4 ，ＳｃＶＯ4 ，ＹＶＯ4 ，Ｍｇ3 （Ｖ
Ｏ4）2 ，Ｃａ3 （ＶＯ4 ）2 ，Ｓｒ3 （ＶＯ4 ）2 ，
Ｂａ3 （ＶＯ4 ）2 ，Ｚｎ3（ＶＯ4 ）2 ，Ｃｄ3 （Ｖ
Ｏ4 ）2 ，Ｍｇ5 （ＶＯ4 ）3 Ｆ，Ｍｇ5 （ＶＯ4 ）3
Ｃｌ，Ｃａ5 （ＶＯ4 ）3 Ｆ，Ｃａ5 （ＶＯ4 ）3 Ｃ
ｌ，Ｓｒ5 （ＶＯ4 ）3Ｆ，Ｓｒ5 （ＶＯ4 ）3 Ｃｌ，
Ｂａ5 （ＶＯ4 ）3 Ｆ，Ｂａ5 （ＶＯ4 ）3 Ｃｌ，Ｃａ
Ｓ，ＳｒＳ，ＢａＳ，ＣａＳｅ，ＢａＳｅや、その他フ
ッ化物・ハロゲン化物・臭化物・ヨウ化物・ハロゲン化
銅・ハロゲン化銀・酸ハロゲン化物・タリウム化合物・
インジウム化合物、ホウ酸塩・亜鉛酸化物・マグネシウ
ム酸化物・チタニウム酸化物・アルミン酸塩・ガーネッ
ト・ケイ酸塩・ゲルマニウム酸塩・イットニウム化合物
・ランタン化合物・セリウム化合物・プラセオジウム化
合物・ネオジウム化合物・サマリウム化合物・ユーロピ
ウム化合物・ガドリウム化合物・テルビウム化合物・ジ
スプロシウム化合物・ホルミウム化合物・エルビウム化
合物・ツリウム化合物・イッテルビウム化合物・ルテチ
ウム化合物・ウライ化合物・リン酸塩・シェーレ化合物
・硫化物・セレン化物などの絶縁性無機材料を用いるこ
とができる。 これに加えて、上記の遷移金属元素や希
土類元素を不純物として少なくとも一種類以上含む、ダ
イアモンド、Ｓｉ，ＳｉＣ，ＳｉＧｅ，Ｇｅ，ＧａＡ
ｓ，Ｇａ４，ＧａＮ，ＧａＳｂ，ＡｌＡｓ，ＡｌＰ，Ａ
ｌＮ，ＡｌＳｂ，ＩｎＡｓ，ＩｎＰ，ＩｎＳｂ，Ｈｇ
Ｓ，ＨｇＳｅ，ＨｇＴｅ，ＢＡｓ，ＢＰ，ＢＮ，Ｚｎ
Ｓ，ＺｎＳｅ，ＺｎＴｅ，ＣｄＳ，ＣｄＳｅ，ＣｄＴ
ｅ，Ｃｕ2Ｏ，ＳｎＯ2 ，Ｉｎ2 Ｏ3 などの半導体ある
いは半絶縁性材料を用いることもできる。
は、不純物としてＴｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，
Ｎｉ，Ｃｕなどの第１次遷移金属元素、Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍ
ｏ，Ｔｃ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ａｇなどの第２次遷移金
属元素、Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ｉｒ，Ｐｔ，Ａ
ｕなどの第３次遷移金属元素、Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓ
ｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ
などのランタノイド系希土類元素、そしてＴｈ，Ｐａ，
Ｕなどのアクチノイド系希土類元素を少なくとも一種類
以上は含む、ＬｉＦ，ＮａＦ，ＫＦ，ＲｂＦ，ＣｓＦ，
ＭｇＦ2 ，ＣａＦ2 ，ＳｒＦ2 ，ＢａＦ2 ，ＭｎＦ2 ，
ＺｎＦ2 ，ＣｄＦ2 ，ＡｌＦ3 ，ＹＦ3 ，ＬａＦ3 ，Ｃ
ｅＦ3 ，ＰｒＦ3 ，ＮｄＦ3 ，ＳｍＦ3 ，ＥｕＦ3 ，Ｇ
ｄＦ3 ，ＴｂＦ3 ，ＤｙＦ3 ，ＨｏＦ3 ，ＥｒＦ3 ，Ｔ
ｍＦ3 ，ＹｂＦ3 ，ＬｕＦ3 ，ＬｉＢａＦ3 ，ＫＭｇＦ
3 ，ＫＭｎＦ3 ，ＫＺｎＦ3 ，ＫＮｉＦ3 ，ＲｂＮｉＦ
3 ，ＺｒＦ4 ，ＬｉＹＦ4 ，ＮａＹＦ4 ，ＫＹＦ4 ，Ｌ
ｉＬａＦ4 ，ＬｉＧｄＦ4 ，ＬｉＬｕＦ4 ，ＢａＡｌＦ
5 ，ＳｒＡｌＦ5 ，Ｋ3 ＹＦ6 ，Ｋ3 ＣｏＦ6 ，Ｃｓ3
ＮｄＦ7 ，Ｃｓ3 ＧｄＦ7 ，ＬｉＣｌ，ＮａＣｌ，ＫＣ
ｌ，ＲｂＣｌ，ＣｓＣｌ，ＹＣｌ3 ，ＬａＣｌ3 ，Ｃｅ
Ｃｌ3 ，ＰｒＣｌ3 ，ＮｄＣｌ3 ，ＳｍＣｌ3，ＥｕＣ
ｌ3 ，ＧｄＣｌ3 ，ＴｂＣｌ3 ，ＤｙＣｌ3 ，ＨｏＣｌ
3 ，ＥｒＣｌ3，ＴｍＣｌ3 ，ＹｂＣｌ3 ，ＬｕＣ
ｌ3 ，ＣｓＭｇＣｌ3 ，ＣｓＣｄＣｌ3 ，ＬｉＢｒ，Ｎ
ａＢｒ，ＫＢｒ，ＲｂＢｒ，ＣｓＢｒ，ＹＢｒ3 ，Ｌａ
Ｂｒ3 ，ＣｅＢｒ3 ，ＰｒＢｒ3 ，ＮｄＢｒ3 ，ＳｍＢ
ｒ3 ，ＥｕＢｒ3 ，ＧｄＢｒ3 ，ＴｂＢｒ3 ，ＤｙＢｒ
3 ，ＨｏＢｒ3 ，ＥｒＢｒ3 ，ＴｍＢｒ3 ，ＹｂＢ
ｒ3 ，ＬｕＢｒ3 ，ＣｓＭｇＢｒ3 ，ＬｉＩ，ＮａＩ，
ＫＩ，ＲｂＩ，ＣｓＩ，ＣｕＣｌ，ＣｕＢｒ，ＣｕＩ，
ＡｇＦ，ＡｇＣｌ，ＡｇＢｒ，ＡｇＩ，ＹＯＣｌ，Ｌａ
ＯＣｌ，ＬａＯＢｒ，ＴｌＣｌ，ＴｌＢｒ，ＴｌＩ，Ｉ
ｎＢｒ，ＩｎＩ，Ｌｉ2 Ｏ，ＢｅＯ，Ｎ2 Ｏ5 ，Ｎａ2
Ｏ，Ｐ2 Ｏ3 ，Ｓ2 Ｏ3 ，Ｋ2 Ｏ，ＣａＯ，Ｃｒ
2 Ｏ3 ，ＭｎＯ2 ，ＣｏＯ，ＮｉＯ，ＳｒＯ，Ｚｒ
Ｏ2 ，Ｎｂ2 Ｏ5 ，ＭｏＯ3 ，ＡｇＯ，Ｓｂ2 Ｏ3 ，Ｔ
ｅＯ2 ，ＢａＯ，ＷＯ3 ，Ｒｅ2 Ｏ7 ，ＰｂＯ，ＰｕＯ
2，Ｙ2 Ｏ3 ，Ｌａ2 Ｏ3 ，Ｃｅ2 Ｏ3 ，Ｐｒ2 Ｏ3 ，
Ｎｄ2 Ｏ3 ，Ｓｍ2 Ｏ3 ，Ｅｕ2 Ｏ3 ，Ｇｄ2 Ｏ3 ，Ｔ
ｂ2 Ｏ3 ，Ｄｙ2 Ｏ3 ，Ｈｏ2 Ｏ3 ，Ｅｒ2 Ｏ3 ，Ｔｍ
2 Ｏ3 ，Ｙｂ2 Ｏ3 ，Ｌｕ2 Ｏ3 ，ＴｈＯ2 ，ＵＯ2 ，
ＵＯ3 ，Ｂａ2 ＧｄＮｂＯ5 ，ＳｒＧｄＧａ3 Ｏ7 ，Ｓ
ｃ2 Ｇｄ3 Ｇａ3 Ｏ12，ＮａＬｕＯ12，ＬｉＩＯ3 ，Ｌ
ｉＮｂＯ3 ，ＬｉＴａＯ3 ，Ｂａ2 ＮａＮｂ5 Ｏ15，Ｙ
2 Ｏ2 Ｓ，Ｌａ2 Ｏ2 Ｓ，Ｃｅ2 Ｏ2 Ｓ，Ｐｒ2 Ｏ
2 Ｓ，Ｎｄ2 Ｏ2 Ｓ，Ｓｍ2 Ｏ2 Ｓ，Ｅｕ2 Ｏ2 Ｓ，Ｇ
ｄ2 Ｏ2 Ｓ，Ｔｂ2 Ｏ2 Ｓ，Ｄｙ2 Ｏ2 Ｓ，Ｈｏ2 Ｏ2
Ｓ，Ｅｒ2Ｏ2 Ｓ，Ｔｍ2 Ｏ2 Ｓ，Ｙｂ2 Ｏ2 Ｓ，Ｌｕ
2 Ｏ2 Ｓ，Ｙ2 Ｓ3 ，Ｌａ2 Ｓ3 ，Ｃｅ2 Ｓ3 ，Ｐｒ2
Ｓ3 ，Ｎｄ2 Ｓ3 ，Ｓｍ2 Ｓ3 ，Ｅｕ2 Ｓ3 ，Ｇｄ2 Ｓ
3 ，Ｔｂ2 Ｓ3 ，Ｄｙ2 Ｓ3 ，Ｈｏ2 Ｓ3 ，Ｅｒ
2 Ｓ3 ，Ｔｍ2 Ｓ3 ，Ｙｂ2 Ｓ3 ，Ｌｕ2 Ｓ3 ，Ｂ2 Ｏ
3 ，ＧａＢＯ3 ，ＩｎＢＯ3 ，ＴｌＢＯ3 ，ＳｃＢ
Ｏ3 ，ＹＢＯ3 ，ＬａＢＯ3 ，ＣｅＢＯ3 ，ＰｒＢ
Ｏ3 ，ＮｄＢＯ3 ，ＳｍＢＯ3 ，ＥｕＢＯ3 ，ＧｄＢＯ
3 ，ＴｂＢＯ3 ，ＤｙＢＯ3 ，ＨｏＢＯ3 ，ＥｒＢ
Ｏ3 ，ＴｍＢＯ3 ，ＹｂＢＯ3 ，ＬｕＢＯ3 ，ＣａＹＢ
Ｏ4 ，ＢａＢ2 Ｏ4 ，Ｃｄ2 Ｂ2 Ｏ5 ，ＬｉＢ3 Ｏ5 ，
ＣｓＢ3 Ｏ5 ，ＳｒＢ4 Ｏ7 ，Ａｌ3 ＴｂＢ4 Ｏ12，Ｚ
ｎＯ，ＺｎＧａ2 Ｏ4 ，ＭｇＯ，ＭｇＧａ2 Ｏ4 ，Ｍｇ
2 ＴｉＯ4 ，Ｍｇ4 Ｔａ2 Ｏ9 ，ＴｉＯ2 ，ＣａＴｉＯ
3 ，ＳｒＴｉＯ3 ，ＢａＴｉＯ3 ，ＰｂＴｉＯ3 ，ＫＴ
ｉＰＯ5 ，Ａｌ2 Ｏ3 ，ＬｉＡｌＯ2 ，ＹＡｌＯ3 ，Ｂ
ｅＡｌ2 Ｏ4 ，ＭｇＡｌ2 Ｏ4 ，ＺｎＡｌ2 Ｏ4 ，Ｌｉ
Ａｌ5 Ｏ8 ，Ｙ4 Ａｌ2 Ｏ9 ，ＹＡｌ3 Ｂ4 Ｏ12，Ｙ3
Ａｌ5 Ｏ12，Ｌａ3 Ａｌ5 Ｏ12，Ｃｅ5 Ａｌ5 Ｏ12，Ｐ
ｒ3 Ａｌ5 Ｏ12，Ｎｄ3 Ａｌ5 Ｏ12，Ｓｍ3 Ａｌ
5 Ｏ12，Ｅｕ3 Ａｌ5 Ｏ12，Ｇｄ3 Ａｌ5 Ｏ12，Ｔｂ3
Ａｌ5 Ｏ12，Ｄｙ3 Ａｌ5 Ｏ12，Ｈｏ3 Ａｌ5 Ｏ12，Ｅ
ｒ3 Ａｌ5 Ｏ12，Ｔｍ3 Ａｌ5 Ｏ12，Ｙｂ3 Ａｌ
5 Ｏ12，Ｌｕ3 Ａｌ5 Ｏ12，ＬａＡｌ11Ｏ18，ＣｅＭｇ
Ａｌ11Ｏ19，ＴｂＭｇＡｌ11Ｏ19，ＢａＡｌ12Ｏ19，Ｂ
ａＭｇ2 Ａｌ16Ｏ27，Ｆｅ2 Ｏ3 ，Ｙ3 Ｆｅ5 Ｏ12，Ｌ
ａ3 Ｆｅ5 Ｏ12，Ｃｅ3 Ｆｅ5 Ｏ12，Ｐｒ3 Ｆｅ
5 Ｏ12，Ｎｄ3 Ｆｅ5 Ｏ12，Ｓｍ3 Ｆｅ5 Ｏ12，Ｅｕ3
Ｆｅ5 Ｏ12，Ｇｄ3 Ｆｅ5 Ｏ12，Ｔｂ3 Ｆｅ5 Ｏ12，Ｄ
ｙ3 Ｆｅ5 Ｏ12，Ｈｏ3 Ｆｅ5 Ｏ12，Ｅｒ3 Ｆｅ
5 Ｏ12，Ｔｍ3 Ｆｅ5 Ｏ12，Ｙｂ3 Ｆｅ5 Ｏ12，Ｌｕ3
Ｆｅ5 Ｏ12，Ｙ3 Ｇａ5 Ｏ12，Ｌａ3 Ｇａ5 Ｏ12，Ｃｅ
3 Ｇａ5 Ｏ12，Ｐｒ3 Ｇａ5 Ｏ12，Ｎｄ3 Ｇａ5 Ｏ12，
Ｓｍ3 Ｇａ5 Ｏ12，Ｅｕ3 Ｇａ5 Ｏ12，Ｇｄ3 Ｇａ5 Ｏ
12，Ｔｂ3 Ｇａ5 Ｏ12、Ｄｙ3 Ｇａ5 Ｏ12，Ｈｏ3 Ｇａ
5 Ｏ12，Ｅｒ3 Ｇａ5 Ｏ12，Ｔｍ3 Ｇａ5 Ｏ12，Ｙｂ3
Ｇａ5 Ｏ12，Ｌｕ3 Ｇａ5 Ｏ12，Ｙ3 Ｓｃ2 Ｇａ
5 Ｏ12，ＣａＰＯ3 ，ＳｃＰＯ4 ，ＹＰＯ4 ，ＬａＰＯ
4 ，ＣｅＰＯ4 ，ＰｒＰＯ4 , ＮｄＰＯ4 ，ＥｕＰ
Ｏ4 ，ＧｄＰＯ4 ，ＴｂＯＰ4 ，ＤｙＰＯ4 ，ＨｏＰＯ
4 ，ＥｒＰＯ4 ，ＴｍＰＯ4 ，ＹｂＰＯ4 ，ＬｕＰ
Ｏ4 ，Ｃａ2 ＰＯ4 Ｃｌ，Ｍｇ3 （ＰＯ4 ）2 ，Ｃａ3
（ＰＯ4 ）2 ，Ｓｒ3 （ＰＯ4 ）2 ，Ｂａ3 （ＰＯ4 ）
2 ，Ｚｎ3 （ＰＯ4 ）2 ，Ｃｄ3 （ＰＯ4 ）2 ，Ｍｇ5
（ＰＯ4 ）3 Ｆ，Ｍｇ5 （ＰＯ4 ）3 Ｃｌ，Ｃａ5 （Ｐ
Ｏ4 ）3 Ｆ，Ｃａ5 （ＰＯ4 ）3 Ｃｌ，Ｓｒ5 （Ｐ
Ｏ4 ）3 Ｆ，Ｓｒ5 （ＰＯ4 ）3 Ｃｌ，Ｂａ5 （Ｐ
Ｏ4 ）3 Ｆ，Ｂａ5 （ＰＯ4 ）3 Ｃｌ，Ｓｒ2 Ｐ
2 Ｏ7 ，ＮｄＰ5 Ｏ14，ＳｉＯ2 ，ＢｅＳｉＯ3 ，Ｍｇ
ＳｉＯ3 ，ＣａＳｉＯ3 ，ＳｒＳｉＯ3 ，ＢａＳｉ
Ｏ3 ，ＺｎＳｉＯ3 ，ＣｄＳｉＯ3，Ｚｎ2 ＳｉＯ4 ，
ＮａＹＳｉＯ4 ，Ｙ2 ＳｉＯ5 ，Ｌａ2 ＳｉＯ5 ，Ｌｕ
2 ＳｉＯ5 ，ＢｅＳｉ2 Ｏ5 ，ＭｇＳｉ2 Ｏ5 ，ＣａＳ
ｉ2 Ｏ5 ，ＳｒＳｉ2 Ｏ5 ，ＢａＳｉ2 Ｏ5 ，Ｓｃ2 Ｓ
ｉ2 Ｏ7 ，Ｂｅ2 ＳｒＳｉ2 Ｏ7 ，Ｃａ2 ＭｇＳｉ2Ｏ
7 ，Ｓｉ3 Ｎ4 ，ＧｅＯ2 ，Ｚｎ2 ＧｅＯ4 ，Ｃｓ2 Ｕ
Ｏ2 Ｆ4 ，Ｃｓ2 ＵＯ2 Ｃｌ4 ，Ｃｓ2 ＵＯ2 Ｂｒ4 ，
Ｃｓ3 ＵＯ2 Ｆ5 ，Ｃｓ3 ＵＯ2 Ｃｌ5 ，Ｃｓ3 ＵＯ2
Ｂｒ5 ，ＭｇＷＯ4 ，ＣａＷＯ4 ，ＳｒＷＯ4 ，ＢａＷ
Ｏ4 ，ＡｌＷＯ4 ，ＣｄＷＯ4 ，ＰｂＷＯ4 ，Ｙ2 ＷＯ
6 ，ＭｇＭｏＯ4 ，ＣａＭｏＯ4 ，ＳｒＭｏＯ4 ，Ｂａ
ＭｏＯ4 ，Ｌｉ2 ＭｏＯ4 ，Ｙ2 Ｍｏ3 Ｏ12，Ｌａ2 Ｍ
ｏ3 Ｏ12，Ｃｅ2 Ｍｏ3 Ｏ12，Ｐｒ2 Ｍｏ3 Ｏ12，Ｎｄ
2 Ｍｏ3 Ｏ12，Ｓｍ2 Ｍｏ3 Ｏ12，Ｅｕ2 Ｍｏ3 Ｏ12，
Ｇｄ2 Ｍｏ3 Ｏ12，Ｔｂ2 Ｍｏ3 Ｏ12，Ｄｙ2 Ｍｏ3 Ｏ
12，Ｈｏ2 Ｍｏ3 Ｏ12，Ｅｒ2 Ｍｏ3 Ｏ12，Ｔｍ2 Ｍｏ
3 Ｏ12，Ｙｂ2 Ｍｏ3 Ｏ12，Ｌｕ2 Ｍｏ3 Ｏ12，ＮａＣ
ａＶＯ4 ，ＳｃＶＯ4 ，ＹＶＯ4 ，Ｍｇ3 （Ｖ
Ｏ4）2 ，Ｃａ3 （ＶＯ4 ）2 ，Ｓｒ3 （ＶＯ4 ）2 ，
Ｂａ3 （ＶＯ4 ）2 ，Ｚｎ3（ＶＯ4 ）2 ，Ｃｄ3 （Ｖ
Ｏ4 ）2 ，Ｍｇ5 （ＶＯ4 ）3 Ｆ，Ｍｇ5 （ＶＯ4 ）3
Ｃｌ，Ｃａ5 （ＶＯ4 ）3 Ｆ，Ｃａ5 （ＶＯ4 ）3 Ｃ
ｌ，Ｓｒ5 （ＶＯ4 ）3Ｆ，Ｓｒ5 （ＶＯ4 ）3 Ｃｌ，
Ｂａ5 （ＶＯ4 ）3 Ｆ，Ｂａ5 （ＶＯ4 ）3 Ｃｌ，Ｃａ
Ｓ，ＳｒＳ，ＢａＳ，ＣａＳｅ，ＢａＳｅや、その他フ
ッ化物・ハロゲン化物・臭化物・ヨウ化物・ハロゲン化
銅・ハロゲン化銀・酸ハロゲン化物・タリウム化合物・
インジウム化合物、ホウ酸塩・亜鉛酸化物・マグネシウ
ム酸化物・チタニウム酸化物・アルミン酸塩・ガーネッ
ト・ケイ酸塩・ゲルマニウム酸塩・イットニウム化合物
・ランタン化合物・セリウム化合物・プラセオジウム化
合物・ネオジウム化合物・サマリウム化合物・ユーロピ
ウム化合物・ガドリウム化合物・テルビウム化合物・ジ
スプロシウム化合物・ホルミウム化合物・エルビウム化
合物・ツリウム化合物・イッテルビウム化合物・ルテチ
ウム化合物・ウライ化合物・リン酸塩・シェーレ化合物
・硫化物・セレン化物などの絶縁性無機材料を用いるこ
とができる。 これに加えて、上記の遷移金属元素や希
土類元素を不純物として少なくとも一種類以上含む、ダ
イアモンド、Ｓｉ，ＳｉＣ，ＳｉＧｅ，Ｇｅ，ＧａＡ
ｓ，Ｇａ４，ＧａＮ，ＧａＳｂ，ＡｌＡｓ，ＡｌＰ，Ａ
ｌＮ，ＡｌＳｂ，ＩｎＡｓ，ＩｎＰ，ＩｎＳｂ，Ｈｇ
Ｓ，ＨｇＳｅ，ＨｇＴｅ，ＢＡｓ，ＢＰ，ＢＮ，Ｚｎ
Ｓ，ＺｎＳｅ，ＺｎＴｅ，ＣｄＳ，ＣｄＳｅ，ＣｄＴ
ｅ，Ｃｕ2Ｏ，ＳｎＯ2 ，Ｉｎ2 Ｏ3 などの半導体ある
いは半絶縁性材料を用いることもできる。
【００９５】なお、上記材料中において遷移金属元素や
希土類元素は通常イオンの状態で存在するが、その価数
は特に限定されない。
希土類元素は通常イオンの状態で存在するが、その価数
は特に限定されない。
【００９６】さらに、半導体素子作製技術が向上し、エ
ネルギー準位の不均一さが原子ガスのそれと同程度のレ
ベルにまで低減した場合には、超格子や量子細線、量子
ドットなどの半導体量子構造を用いることも可能であ
る。
ネルギー準位の不均一さが原子ガスのそれと同程度のレ
ベルにまで低減した場合には、超格子や量子細線、量子
ドットなどの半導体量子構造を用いることも可能であ
る。
【００９７】また、本発明において光励起される電子遷
移としては、第１次遷移金属イオンを励起する場合には
このイオンの３ｄ準位が関与するｄ→ｄ遷移、第２次遷
移金属イオンを励起する場合には４ｄ準位が関与するｄ
→ｄ遷移、第２次遷移金属イオンを励起する場合には５
ｄ準位が関与するｄ→ｄ遷移、ランタノイド系希土類イ
オンを励起する場合には４ｆ，５ｄ準位が関与するｆ→
ｆ遷移やｆ→ｄ遷移、アクチノイド系希土類イオンを励
起する場合には５ｆ準位が関与するｆ→ｆ遷移がそれぞ
れ用いられる。
移としては、第１次遷移金属イオンを励起する場合には
このイオンの３ｄ準位が関与するｄ→ｄ遷移、第２次遷
移金属イオンを励起する場合には４ｄ準位が関与するｄ
→ｄ遷移、第２次遷移金属イオンを励起する場合には５
ｄ準位が関与するｄ→ｄ遷移、ランタノイド系希土類イ
オンを励起する場合には４ｆ，５ｄ準位が関与するｆ→
ｆ遷移やｆ→ｄ遷移、アクチノイド系希土類イオンを励
起する場合には５ｆ準位が関与するｆ→ｆ遷移がそれぞ
れ用いられる。
【００９８】さらに、光源にはコヒーレント光、すなわ
ちレーザー光が用いられる。上述の電子遷移と波長が合
えばレーザーの種類は特に限定されないが、小型素子の
形成に有利な半導体レーザーを用いることが望ましい。
ちレーザー光が用いられる。上述の電子遷移と波長が合
えばレーザーの種類は特に限定されないが、小型素子の
形成に有利な半導体レーザーを用いることが望ましい。
【００９９】［作用］上述のように構成したことによ
り、本発明に係る機能素子では、固体中の不純物の各光
学遷移の遷移確率や緩和速度の値がＥＩＴ条件と合致し
ない場合においても、量子コヒーレントを背景とした大
きな光変調特性を反転分布無しでのレーザー発振を得る
ことが可能になる。以下、図面を参照してこの点を詳細
に説明する。
り、本発明に係る機能素子では、固体中の不純物の各光
学遷移の遷移確率や緩和速度の値がＥＩＴ条件と合致し
ない場合においても、量子コヒーレントを背景とした大
きな光変調特性を反転分布無しでのレーザー発振を得る
ことが可能になる。以下、図面を参照してこの点を詳細
に説明する。
【０１００】ＥＩＴを希土類や遷移金属不純物を引き起
こす際のポイントは、遷移確率・緩和に関するＥＩＴ条
件を満足する系を選択することである。例えば、Λ型励
起の場合には、光励起を行なわない準位２・３間が禁制
遷移（遷移確率はゼロ）であり、励起準位２から基底準
位３へは自然放出などの緩和過程が無いこと、すなわち
励起準位２は無限に長い寿命を持った準安定状態である
ことが求められる。このため、現実の系ではΛ型３準位
を選ぶときには、準位２の選択がポイントになる。
こす際のポイントは、遷移確率・緩和に関するＥＩＴ条
件を満足する系を選択することである。例えば、Λ型励
起の場合には、光励起を行なわない準位２・３間が禁制
遷移（遷移確率はゼロ）であり、励起準位２から基底準
位３へは自然放出などの緩和過程が無いこと、すなわち
励起準位２は無限に長い寿命を持った準安定状態である
ことが求められる。このため、現実の系ではΛ型３準位
を選ぶときには、準位２の選択がポイントになる。
【０１０１】同様に、Ξ型励起では光励起を行なわない
準位１・３間が禁止で、励起準位１から基底準位３へは
自然放出などの緩和は無いことが求められる。基底準位
３から見た場合に、励起準位１は準安定状態として振る
舞うような準位を選択することがポイントになる。
準位１・３間が禁止で、励起準位１から基底準位３へは
自然放出などの緩和は無いことが求められる。基底準位
３から見た場合に、励起準位１は準安定状態として振る
舞うような準位を選択することがポイントになる。
【０１０２】また、Ｖ型励起でもやはり光励起を行なわ
ない準位１・２間が禁制で、励起準位１から励起準位２
へは自然放出などの緩和は無いことが求められる。励起
準位２から見た場合に、励起準位１は準安定状態として
振る舞うような準位を選択しなければならない。
ない準位１・２間が禁制で、励起準位１から励起準位２
へは自然放出などの緩和は無いことが求められる。励起
準位２から見た場合に、励起準位１は準安定状態として
振る舞うような準位を選択しなければならない。
【０１０３】今、不純物の中でも特にランタノイド系希
土類イオンに注目して、そのエネルギー準位を利用して
ＥＩＴを引き起こす場合を考える。希土類イオンの吸収
や発光は、主として不完全殻である４ｆ電子によるもの
である。４ｆ電子はその外側の５Ｓ，５Ｐ殻の８個の電
子にシールドされているため、あまり外界の影響を受け
ない。したがって、吸収や発光スペクトルは結晶中にお
いても鋭い線スペクトルとして観測される。このことか
ら、先にも述べたように、スペクトル中のシャープな光
学遷移を選ぶことで離調に関するＥＩＴ条件はクリアす
ることが可能である。
土類イオンに注目して、そのエネルギー準位を利用して
ＥＩＴを引き起こす場合を考える。希土類イオンの吸収
や発光は、主として不完全殻である４ｆ電子によるもの
である。４ｆ電子はその外側の５Ｓ，５Ｐ殻の８個の電
子にシールドされているため、あまり外界の影響を受け
ない。したがって、吸収や発光スペクトルは結晶中にお
いても鋭い線スペクトルとして観測される。このことか
ら、先にも述べたように、スペクトル中のシャープな光
学遷移を選ぶことで離調に関するＥＩＴ条件はクリアす
ることが可能である。
【０１０４】図８は、ＬａＣｌ3 結晶中に不純物として
分散された１３種の希土類イオン（＋３価）のエネルギ
ー準位を示す。なお、この準位図はＤｉｅＫｅダイアフ
ラムとして良く知られたものである。図に示した各イオ
ンのエネルギー準位は、大まかには自由イオン（ガス）
と同様、軌道角運動量Ｌ、スピン角運動量Ｓ、全角運動
量Ｊで決まり、記号2S+1ＬJ で表される。自由イオンの
2S+1ＬJ 準位は（２Ｊ＋１）重に縮退しているが、結晶
中のイオンではそのイオンが置かれた位置での微視的な
電場環境（結晶場）のためにさらに細かく分裂する。
分散された１３種の希土類イオン（＋３価）のエネルギ
ー準位を示す。なお、この準位図はＤｉｅＫｅダイアフ
ラムとして良く知られたものである。図に示した各イオ
ンのエネルギー準位は、大まかには自由イオン（ガス）
と同様、軌道角運動量Ｌ、スピン角運動量Ｓ、全角運動
量Ｊで決まり、記号2S+1ＬJ で表される。自由イオンの
2S+1ＬJ 準位は（２Ｊ＋１）重に縮退しているが、結晶
中のイオンではそのイオンが置かれた位置での微視的な
電場環境（結晶場）のためにさらに細かく分裂する。
【０１０５】結晶場で分裂した準位は、結晶場が属する
点群の既約表現（対称性の既約表現）で表される。異な
る2S+1ＬJ 準位でも同じ既約表現のものがあれば、結晶
場を介して相互作用をする。すなわち、結晶場は異なっ
た2S+1ＬJ 準位間の混合を引き起こす。このため、結晶
中のイオンではＪは“良い量子数”ではなく、既約表現
が“良い量子数”になる。
点群の既約表現（対称性の既約表現）で表される。異な
る2S+1ＬJ 準位でも同じ既約表現のものがあれば、結晶
場を介して相互作用をする。すなわち、結晶場は異なっ
た2S+1ＬJ 準位間の混合を引き起こす。このため、結晶
中のイオンではＪは“良い量子数”ではなく、既約表現
が“良い量子数”になる。
【０１０６】自由イオンでは同一殻内の光学遷移はパリ
ティーにより禁止されるが、結晶中のイオンでは結晶場
の奇の対称性を持つ成分によって僅かに光学遷移が許さ
れるようになる。光学遷移の選択則は既約表現により決
まり、準位間の既約表現の組み合わせに応じて許容遷移
や禁制遷移が現れる。
ティーにより禁止されるが、結晶中のイオンでは結晶場
の奇の対称性を持つ成分によって僅かに光学遷移が許さ
れるようになる。光学遷移の選択則は既約表現により決
まり、準位間の既約表現の組み合わせに応じて許容遷移
や禁制遷移が現れる。
【０１０７】しかし、遷移確率は結晶場によって辛うじ
て生じたものであるため、許容遷移といえども振動子強
度は〜１０-5程度の値しか持たない。また、選択則から
は本来禁制遷移と予測される光学遷移でも、しばしば１
０-8〜１０-5程度の振動子強度を示すことが知られてい
る。
て生じたものであるため、許容遷移といえども振動子強
度は〜１０-5程度の値しか持たない。また、選択則から
は本来禁制遷移と予測される光学遷移でも、しばしば１
０-8〜１０-5程度の振動子強度を示すことが知られてい
る。
【０１０８】２準位間の緩和速度については、大まかに
上準位の寿命から見積もることができる。寿命の値は、
温度や光学遷移の種類によっても異なるが、一般には遷
移確率で決まるような値を持つことが知られている。
上準位の寿命から見積もることができる。寿命の値は、
温度や光学遷移の種類によっても異なるが、一般には遷
移確率で決まるような値を持つことが知られている。
【０１０９】寿命から予測される緩和速度の値について
も、上の遷移確率の場合と同様、許容遷移と禁制遷移と
の間であまり大きなコントラストがつかない場合がしば
しば見受けられる。
も、上の遷移確率の場合と同様、許容遷移と禁制遷移と
の間であまり大きなコントラストがつかない場合がしば
しば見受けられる。
【０１１０】したがって、既約表現と選択則を考慮する
ことで、結晶中の不純物準位の中から遷移確率・緩和に
関するＥＩＴ条件を満足するΛ，Ｖ，Ξ型３準位を見出
だすことは必ずしも容易なことではない。
ことで、結晶中の不純物準位の中から遷移確率・緩和に
関するＥＩＴ条件を満足するΛ，Ｖ，Ξ型３準位を見出
だすことは必ずしも容易なことではない。
【０１１１】このため、既約表現と選択則を考慮する方
法とは別に、上のＥＩＴ条件を満たすような３準位の選
択・作成方法が望まれている。共振器による遷移確率の
制御は、このうちの３準位の作成方法に関係したもの
で、遷移確率や緩和速度の値が必ずしもＥＩＴ条件と一
致しない一般的な３準位においても、ＥＩＴに適したよ
り理想的な準位構成に近づけることが可能になる。
法とは別に、上のＥＩＴ条件を満たすような３準位の選
択・作成方法が望まれている。共振器による遷移確率の
制御は、このうちの３準位の作成方法に関係したもの
で、遷移確率や緩和速度の値が必ずしもＥＩＴ条件と一
致しない一般的な３準位においても、ＥＩＴに適したよ
り理想的な準位構成に近づけることが可能になる。
【０１１２】以下では、Λ型３準位を例にとって、光励
起を行わない下２準位間の自然放出確率がゼロの場合、
すなわち下２準位間が完全に禁制遷移になる理想的な場
合と、下２準位間の自然放出確率がゼロでない場合、す
なわち現実の材料系において最も頻繁に見受けられる下
２準位間が完全な禁制遷移にならない場合とを比較し
て、まず下２準位間の緩和がＥＩＴ特性やＬＷＩ特性に
どの様な影響を及ぼすかを調べていく。
起を行わない下２準位間の自然放出確率がゼロの場合、
すなわち下２準位間が完全に禁制遷移になる理想的な場
合と、下２準位間の自然放出確率がゼロでない場合、す
なわち現実の材料系において最も頻繁に見受けられる下
２準位間が完全な禁制遷移にならない場合とを比較し
て、まず下２準位間の緩和がＥＩＴ特性やＬＷＩ特性に
どの様な影響を及ぼすかを調べていく。
【０１１３】次いで、遷移確率の増強・抑制が可能な共
振器効果を適用した場合についてのＥＩＴ特性やＬＷＩ
特性を議論していく。
振器効果を適用した場合についてのＥＩＴ特性やＬＷＩ
特性を議論していく。
【０１１４】（Ａ）下２準位間の自然放出確率がゼロの
場合（理想的なΛ型３準位） （Ａ−１）ＥＩＴ特性 図９（ａ）に示す理想的なΛ型３準位において、ＥＩＴ
が起きているときの準位３から準位１への吸収係数の値
を、密度行列σから求めていく。まず、３準位系の密度
行列σを示す。
場合（理想的なΛ型３準位） （Ａ−１）ＥＩＴ特性 図９（ａ）に示す理想的なΛ型３準位において、ＥＩＴ
が起きているときの準位３から準位１への吸収係数の値
を、密度行列σから求めていく。まず、３準位系の密度
行列σを示す。
【０１１５】
【数１】
【０１１６】ここで、各行列要素σijの添字ｉ，ｊ
（ｉ，ｊ＝１，２，３）はそれぞれ準位１、準位２、準
位３に対応する。この行列要素について簡単に説明する
と、対角要素σiiは各準位のポピュレーションを表し、
非対角要素σijは準位ｉ，ｊ間の量子力学的なコヒーレ
ントを表している。物質の光吸収、光増幅、そしてスペ
クトル形状などはこの非対角要素から求めることができ
る。
（ｉ，ｊ＝１，２，３）はそれぞれ準位１、準位２、準
位３に対応する。この行列要素について簡単に説明する
と、対角要素σiiは各準位のポピュレーションを表し、
非対角要素σijは準位ｉ，ｊ間の量子力学的なコヒーレ
ントを表している。物質の光吸収、光増幅、そしてスペ
クトル形状などはこの非対角要素から求めることができ
る。
【０１１７】今、Λ型３準位に関して光１ならびに光２
に対する物質の吸収係数を、それぞれα1 ，α2 とする
と、 α1 ＝Ｃ1 ×Ｉｍ｛σ12｝／Ω1 （１１ａ） α2 ＝Ｃ2 ×Ｉｍ｛σ13｝／Ω2 （１１ｂ） （Ｃ1 とＣ2 は正の実数、Ω1 とΩ2 は光１と光２のラ
ビ周波数）が成立する。
に対する物質の吸収係数を、それぞれα1 ，α2 とする
と、 α1 ＝Ｃ1 ×Ｉｍ｛σ12｝／Ω1 （１１ａ） α2 ＝Ｃ2 ×Ｉｍ｛σ13｝／Ω2 （１１ｂ） （Ｃ1 とＣ2 は正の実数、Ω1 とΩ2 は光１と光２のラ
ビ周波数）が成立する。
【０１１８】これより、準位１・２間を結ぶ光１の離調
Δω1 は固定した状態で、光２の離調Δω2 に対するσ
13の挙動を調べれば、ＥＩＴが起きているときの準位３
から準位１への吸収スペクトルを得ることができる。
Δω1 は固定した状態で、光２の離調Δω2 に対するσ
13の挙動を調べれば、ＥＩＴが起きているときの準位３
から準位１への吸収スペクトルを得ることができる。
【０１１９】なお、以後の計算では光１、光２いずれの
離調についてもΔω1 ＝Δω2 ＝０として進める。
離調についてもΔω1 ＝Δω2 ＝０として進める。
【０１２０】実際の密度行列σの計算には、次のような
Ｌｉｏｕｖｉｌｌｅの運動方程式を用いる。
Ｌｉｏｕｖｉｌｌｅの運動方程式を用いる。
【０１２１】 （ｄ／ｄｔ）σij＝［Ｈ′，σ］ij／（ｊｈ／２π） （１２） （Ｈ′＝ＨI ＋ＨR ） ここで、ＨI は物質と光との間の相互作用ハミルトニア
ン（回転波近似）、ＨR は緩和のハミルトニアンであ
る。
ン（回転波近似）、ＨR は緩和のハミルトニアンであ
る。
【０１２２】
【数２】
【０１２３】 ［ＨR ，σ］11／（ｊｈ／２π）＝−（Г＋γ）σ11 （１４ａ） ［ＨR ，σ］22／（ｊｈ／２π）＝Гσ11 （１４ｂ） ［ＨR ，σ］33／（ｊｈ／２π）＝Гσ11 （１４ｃ） ［ＨR ，σ］12／（ｊｈ／２π）＝−（Г＋γ）σ12／２ （１４ｄ） ［ＨR ，σ］13／（ｊｈ／２π）＝−（Г＋γ）σ13／２ （１４ｅ） ［ＨR ，σ］23／（ｊｈ／２π）＝０ （１４ｆ） （Гは準位１から準位２への自然放出速度、γは準位１
から準位３への自然放出速度を表す） なお、光２の強度は光１に比べて非常に弱く（Ω2 《Ω
1 ）、さらにΩ2 ＜＜Γ，γであるものとする。式（１
２），（１３），（１４）より、各行列要素σijの運動
方程式は以下のようになる。
から準位３への自然放出速度を表す） なお、光２の強度は光１に比べて非常に弱く（Ω2 《Ω
1 ）、さらにΩ2 ＜＜Γ，γであるものとする。式（１
２），（１３），（１４）より、各行列要素σijの運動
方程式は以下のようになる。
【０１２４】 ２（ｄ／ｄｔ）σ11＝ｊΩ1 （σ21−σ12）＋ｊΩ2 （σ31−σ13） −２（Г＋γ）σ11 （１５ａ） ２（ｄ／ｄｔ）σ22＝−ｊΩ1 （σ21−σ12）＋２Гσ11 （１５ｂ） ２（ｄ／ｄｔ）σ33＝−ｊΩ2 （σ31−σ13）＋２γσ11 （１５ｃ） ２（ｄ／ｄｔ）σ12＝ｊΩ1 （σ22−σ11）＋ｊΩ2 σ32 −（Г＋γ）σ12 （１５ｄ） ２（ｄ／ｄｔ）σ13＝ｊΩ2 （σ33−σ11）＋ｊΩ1 σ23 −（Г＋γ）σ13 （１５ｅ） ２（ｄ／ｄｔ）σ23＝−ｊΩ2 σ21＋ｊΩ1 σ13 （１５ｆ） （１＝σ11＋σ22＋σ33，σij * ＝σji） 定常状態における各行列要素の値を求めるには、式（１
５）の左辺を全てゼロと置けば良い。これを解くと、Ｉ
ｍ｛σ13｝は、 Ｉｍ｛σ13｝＝０ （１６） になる。
５）の左辺を全てゼロと置けば良い。これを解くと、Ｉ
ｍ｛σ13｝は、 Ｉｍ｛σ13｝＝０ （１６） になる。
【０１２５】結局、Δω1 ＝Δω2 （ここでは、Δω1
＝Δω2 ＝０となる角周波数において光２の吸収係数α
2 は、 α2 ＝０ （１７） になることがわかる。
＝Δω2 ＝０となる角周波数において光２の吸収係数α
2 は、 α2 ＝０ （１７） になることがわかる。
【０１２６】すなわち、本来強い吸収があるべき角周波
数において、光２は完全に透過することがわかる。
数において、光２は完全に透過することがわかる。
【０１２７】（Ａ−２）ＬＷＩ特性 図９（ｂ）の構成において、光２が増幅される様子を密
度行列の非対角要素σ13から調べていく。ＬＷＩでは基
底準位３から励起準位１，２のどちらか一方へ電子を励
起する必要がある。
度行列の非対角要素σ13から調べていく。ＬＷＩでは基
底準位３から励起準位１，２のどちらか一方へ電子を励
起する必要がある。
【０１２８】ここでは、図９（ｂ）に示したように、電
子励起は準位３から準位２に行なうものとする。ただ
し、準位２・３間は禁制遷移であるため、まず準位３か
ら準位４へ光励起を行い、次いで準位４からの緩和を利
用して準位２に電子をポンピングするものとする。
子励起は準位３から準位２に行なうものとする。ただ
し、準位２・３間は禁制遷移であるため、まず準位３か
ら準位４へ光励起を行い、次いで準位４からの緩和を利
用して準位２に電子をポンピングするものとする。
【０１２９】このような励起方法では、長波長の光を用
いて短波長の光のレーザー発振を行なうことが可能にな
る。なお、準位３から準位２へのポンピング速度はλと
する。また、前節同様、Δω1 ＝Δω2 ＝０の場合につ
いて計算を行なう。
いて短波長の光のレーザー発振を行なうことが可能にな
る。なお、準位３から準位２へのポンピング速度はλと
する。また、前節同様、Δω1 ＝Δω2 ＝０の場合につ
いて計算を行なう。
【０１３０】まず、前節の式（１１ｂ）を再度見る。Ｉ
ｍ｛σ13｝の符号に注目すると、これが正ならばα2 も
正となり、光２は吸収される。
ｍ｛σ13｝の符号に注目すると、これが正ならばα2 も
正となり、光２は吸収される。
【０１３１】これに対して、Ｉｍ｛σ13｝が負ならばα
2 は負となる。この負の吸収係数は、まさに光増幅が起
きることを表している。これより、光２が吸収、あるい
は増幅されるかはＩｍ｛σ13｝の符号から判別すること
ができる。
2 は負となる。この負の吸収係数は、まさに光増幅が起
きることを表している。これより、光２が吸収、あるい
は増幅されるかはＩｍ｛σ13｝の符号から判別すること
ができる。
【０１３２】相互作用ハミルトニアンＨI の形は前節と
同様である。ただし、緩和のハミルトニアンＨR は多少
変化し、新たに準位３から準位２へのインコヒーレント
なポンピングの項λが加わる。
同様である。ただし、緩和のハミルトニアンＨR は多少
変化し、新たに準位３から準位２へのインコヒーレント
なポンピングの項λが加わる。
【０１３３】 ［ＨR ，σ］11／（ｊｈ／２π）＝−（Г＋γ）σ11 （１８ａ） ［ＨR ，σ］22／（ｊｈ／２π）＝Гσ11＋λσ33 （１８ｂ） ［ＨR ，σ］33／（ｊｈ／２π）＝γσ11＋λσ33 （１８ｃ） ［ＨR ，σ］12／（ｊｈ／２π）＝−（Г＋γ）σ12／２ （１８ｄ） ［ＨR ，σ］13／（ｊｈ／２π）＝−（Г＋γ＋λ）σ13／２（１８ｅ） ［ＨR ，σ］23／（ｊｈ／２π）＝−λσ23／２ （１８ｆ） この式を先の式（１２）代入して各行列要素σijの運動
方程式を解き、Ｉｍ｛σ13｝から光２の吸収係数α2 を
求めると、 α2 ＝−Ｃ2 λ（Г＋λ）／［２Ω1 2 （γ＋２λ）］ （１９） となる。
方程式を解き、Ｉｍ｛σ13｝から光２の吸収係数α2 を
求めると、 α2 ＝−Ｃ2 λ（Г＋λ）／［２Ω1 2 （γ＋２λ）］ （１９） となる。
【０１３４】式（１９）は、吸収係数α2 はλには依存
せずに常に負になり、光２は増幅されることを示してい
る。
せずに常に負になり、光２は増幅されることを示してい
る。
【０１３５】（Ｂ）下２準位間の自然放出確率がゼロで
ない場合（現実の材料系でのΛ型３準位） （Ｂ−１）ＥＩＴ特性 図９（ｃ）に示す下２準位間に自然放出速度Ｒの緩和過
程が存在するΛ型３準位について、ＥＩＴが起きている
ときの準位３から準位１への吸収係数を求める。なお、
これまで同様、Δω1 ＝Δω2 ＝０の場合について計算
する。
ない場合（現実の材料系でのΛ型３準位） （Ｂ−１）ＥＩＴ特性 図９（ｃ）に示す下２準位間に自然放出速度Ｒの緩和過
程が存在するΛ型３準位について、ＥＩＴが起きている
ときの準位３から準位１への吸収係数を求める。なお、
これまで同様、Δω1 ＝Δω2 ＝０の場合について計算
する。
【０１３６】相互作用ハミルトニアンＨI の形は（Ａ−
１）節のそれと同様である。だたし、緩和のハミルトニ
アンＨR は変化し、準位２から準位３への自然放出項Ｒ
が加わる。
１）節のそれと同様である。だたし、緩和のハミルトニ
アンＨR は変化し、準位２から準位３への自然放出項Ｒ
が加わる。
【０１３７】 ［ＨR ，σ］11／（ｊｈ／２π）＝−（Г＋γ）σ11 （２０ａ） ［ＨR ，σ］22／（ｊｈ／２π）＝Гσ11＋λσ22 （２０ｂ） ［ＨR ，σ］33／（ｊｈ／２π）＝γσ11＋λσ22 （２０ｃ） ［ＨR ，σ］12／（ｊｈ／２π）＝−（Г＋γ＋Ｒ）σ12／２ （２０ｄ） ［ＨR ，σ］13／（ｊｈ／２π）＝−（Г＋γ）σ13／２ （２０ｅ） ［ＨR ，σ］23／（ｊｈ／２π）＝−Ｒσ23／２ （２０ｆ） この式を先の式（１２）に代入して各行列要素σijの運
動方程式を解き、Ｉｍ｛σ13｝から光２の吸収係数はα
2 を求めると次のような式になる。
動方程式を解き、Ｉｍ｛σ13｝から光２の吸収係数はα
2 を求めると次のような式になる。
【０１３８】 α2 ＝Ｃ2 Ｒ／２Ω1 2 （２１） 式（２１）より、下２準位間に緩和がある場合には、こ
の緩和速度が増加するに従い吸収係数の値も増加するこ
とがわかる。これは、緩和に由来して、ＥＩＴが徐々に
起こりづらくなることを表している。
の緩和速度が増加するに従い吸収係数の値も増加するこ
とがわかる。これは、緩和に由来して、ＥＩＴが徐々に
起こりづらくなることを表している。
【０１３９】（Ｂ−２）ＬＷＩ特性 図９（ｄ）に示す、下２準位間に自然放出速度Ｒの緩和
過程が存在する構成において、光２が増幅される様子を
吸収係数の値から調べていく。なお、準位３から準位２
へのポンピング速度はλとし、準位２から準位３への自
然放出速度はＲとする。また、これまで同様、Δω1 ＝
Δω2 ＝０の場合について計算する。
過程が存在する構成において、光２が増幅される様子を
吸収係数の値から調べていく。なお、準位３から準位２
へのポンピング速度はλとし、準位２から準位３への自
然放出速度はＲとする。また、これまで同様、Δω1 ＝
Δω2 ＝０の場合について計算する。
【０１４０】相互作用ハミルトニアンＨI の形は（Ａ−
１）節のそれと同様である。ただし、緩和のハミルトニ
アンＨR は変化し、準位２・３間のポンピング項λと自
然放出項Ｒが加わる。
１）節のそれと同様である。ただし、緩和のハミルトニ
アンＨR は変化し、準位２・３間のポンピング項λと自
然放出項Ｒが加わる。
【０１４１】 ［ＨR ，σ］11／（ｊｈ／２π）＝−（Г＋γ）σ11 （２２ａ） ［ＨR ，σ］22／（ｊｈ／２π）＝Гσ11−Ｒσ22＋λσ33 （２２ｂ） ［ＨR ，σ］33／（ｊｈ／２π）＝γσ11＋Ｒσ22−λσ33 （２２ｃ） ［ＨR ，σ］12／（ｊｈ／２π）＝−（Г＋γ＋Ｒ）σ12／２ （２２ｄ） ［ＨR ，σ］13／（ｊｈ／２π）＝−（Г＋γ＋λ）σ13／２ （２２ｅ） ［ＨR ，σ］23／（ｊｈ／２π）＝−（Ｒ＋λ）σ23／２ （２２ｆ） この式を先の式（１２）に代入して各行列要素σijの運
動方程式を解き、Ｉｍ｛σ13｝から光２の吸収係数はα
2 を求めると次のような式になる。
動方程式を解き、Ｉｍ｛σ13｝から光２の吸収係数はα
2 を求めると次のような式になる。
【０１４２】 α2 ＝Ｃ2 ［Ｒ（γ＋Ｒ）−λ（Г＋λ）］ ／［２Ω1 2 （γ＋Ｒ＋２λ）］ （２３） 下２準位間に緩和が無い場合には無しきい値でレーザー
発振が可能であったが、この場合にはλがある値を越え
ないレーザー発振が起きないことがわかる。
発振が可能であったが、この場合にはλがある値を越え
ないレーザー発振が起きないことがわかる。
【０１４３】（Ｃ）ＥＩＴ，ＬＷＩへの共振器効果の応
用 これまでの結果を整理する。なお、議論の見通しを良く
するために、γ＝ψГ，λ＝φГ，Ｒ＝θГ（ψ，φ，
θ＞０）を用いる。
用 これまでの結果を整理する。なお、議論の見通しを良く
するために、γ＝ψГ，λ＝φГ，Ｒ＝θГ（ψ，φ，
θ＞０）を用いる。
【０１４４】下２準位間に緩和が無い場合の光２の吸収
係数α2 は、 ＥＩＴ；α2 ＝０ （２４ａ） ＬＷＩ；α2 ＝−Ｃ2 Гφ（１＋φ） （２４ｂ） ／［２Ω1 2 （ψ＋２φ）］ であった。
係数α2 は、 ＥＩＴ；α2 ＝０ （２４ａ） ＬＷＩ；α2 ＝−Ｃ2 Гφ（１＋φ） （２４ｂ） ／［２Ω1 2 （ψ＋２φ）］ であった。
【０１４５】また、下２準位間に緩和がある場合のα2
は、 ＥＩＴ；α2 ＝Ｃ2 θГ／２Ω1 2 （２５ａ） ＬＷＩ；α2 ＝−Ｃ2 Г［φ（１＋φ）−θ（ψ＋θ）］ ／［２Ω1 2 （ψ＋２φ＋θ）］ （２５ｂ） であった。
は、 ＥＩＴ；α2 ＝Ｃ2 θГ／２Ω1 2 （２５ａ） ＬＷＩ；α2 ＝−Ｃ2 Г［φ（１＋φ）−θ（ψ＋θ）］ ／［２Ω1 2 （ψ＋２φ＋θ）］ （２５ｂ） であった。
【０１４６】下２準位間に緩和がある場合のθは、光
１，２で結ばれた準位間の自然放出速度に対する、光で
結ばれない下２準位間の自然放出速度の比を表す。この
θを小さくしていくと、式（２５ａ），（２５ｂ）の状
態は、それぞれＥＩＴ，ＬＷＩ状態に漸近していく。
１，２で結ばれた準位間の自然放出速度に対する、光で
結ばれない下２準位間の自然放出速度の比を表す。この
θを小さくしていくと、式（２５ａ），（２５ｂ）の状
態は、それぞれＥＩＴ，ＬＷＩ状態に漸近していく。
【０１４７】以上の点から、下２準位間の遷移確率がゼ
ロにならない一般の系でＥＩＴ，ＬＷＩを行なう場合に
は、光１，２で結ばれた準位間と下２準位間の遷移確率
にコントラストをつければ、量子コヒーレントを背景と
する光学遷移の変調が可能になる。
ロにならない一般の系でＥＩＴ，ＬＷＩを行なう場合に
は、光１，２で結ばれた準位間と下２準位間の遷移確率
にコントラストをつければ、量子コヒーレントを背景と
する光学遷移の変調が可能になる。
【０１４８】共振器による遷移確率の制御では、共振器
を構成する２枚のミラーの反射率で自然放出確率の増強
ならびに抑制の強さが決定される。
を構成する２枚のミラーの反射率で自然放出確率の増強
ならびに抑制の強さが決定される。
【０１４９】ここで、共振器効果による自然放出確率の
増強の割合をＦENH 、また抑制の割合をＦINH とする
と、ＦENH ，ＦINH はそれぞれ次のように表される。
増強の割合をＦENH 、また抑制の割合をＦINH とする
と、ＦENH ，ＦINH はそれぞれ次のように表される。
【０１５０】 ＦENH 〜−［ｌｎ（Ｒ１・Ｒ２）］-1 （２６ａ） ＦINH 〜−ｌｎ（Ｒ１・Ｒ２） （２６ｂ） Ｒ１，Ｒ２は２枚のミラーの反射率である。
【０１５１】式（２６）を用いて自然放出確率の増強な
らびに抑制の強さを見積もる。今、Ｒ1 ＝１００％、Ｒ
2 ＝９８％とすると、ＦENH としては〜５０、ＦINH と
しては〜０．０２程度の値が得られる。
らびに抑制の強さを見積もる。今、Ｒ1 ＝１００％、Ｒ
2 ＝９８％とすると、ＦENH としては〜５０、ＦINH と
しては〜０．０２程度の値が得られる。
【０１５２】これは、共鳴モードの角周波数を遷移エネ
ルギーに一致させたときには自然放出確率を５０倍に増
強し、また共鳴モードから外したときには５０分の１に
抑制できることを示している。
ルギーに一致させたときには自然放出確率を５０倍に増
強し、また共鳴モードから外したときには５０分の１に
抑制できることを示している。
【０１５３】このことから、上の式（２５）において自
然放出確率の比θが仮にθ〜１としても、共振器を組む
ことでθ〜ＦINH ／ＦENH ＝０．０００４程度の値を持
つΛ型３準位を構成することが可能になり、ＥＩＴ特性
やＬＷＩ特性が劇的に向上することがわかる。
然放出確率の比θが仮にθ〜１としても、共振器を組む
ことでθ〜ＦINH ／ＦENH ＝０．０００４程度の値を持
つΛ型３準位を構成することが可能になり、ＥＩＴ特性
やＬＷＩ特性が劇的に向上することがわかる。
【０１５４】以上、Λ型３準位を例にとり、下２準位間
の遷移確率や緩和速度がゼロでない場合には、ＥＩＴ，
ＬＷＩ特性ともに発現しづらくなることを述べた。そし
て、この様な物質においても、共振器を構成することで
良好なＥＩＴ，ＬＷＩ特性が得られることを説明した。
の遷移確率や緩和速度がゼロでない場合には、ＥＩＴ，
ＬＷＩ特性ともに発現しづらくなることを述べた。そし
て、この様な物質においても、共振器を構成することで
良好なＥＩＴ，ＬＷＩ特性が得られることを説明した。
【０１５５】このような手法により、ＥＩＴが適用可能
な物質系の範囲が広がり、固体でもＬＷＩレーザーの構
築が可能になるが、それだけに止まらず、例えば光変調
素子など量子コヒーレンスを背景とする多様な光素子を
実現することも可能になる。
な物質系の範囲が広がり、固体でもＬＷＩレーザーの構
築が可能になるが、それだけに止まらず、例えば光変調
素子など量子コヒーレンスを背景とする多様な光素子を
実現することも可能になる。
【０１５６】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施の形態（以下、実施形態という）を説明する。
の実施の形態（以下、実施形態という）を説明する。
【０１５７】（第１の実施形態）図１０は、本発明の第
１の実施形態に係るＬＷＩレーザーの概略構成を示す模
式図である。
１の実施形態に係るＬＷＩレーザーの概略構成を示す模
式図である。
【０１５８】Λ，Ｖ，Ξ型３準位ともに制御光とポンプ
光の２種類の光を用いる。制御光とポンプ光の役割は、
Λ型３準位の場合では制御光は準位１・２間を仮想的に
励起し、ポンプ光は準位４を経由して準位３から準位２
へ電子をポンピングするために用いる。
光の２種類の光を用いる。制御光とポンプ光の役割は、
Λ型３準位の場合では制御光は準位１・２間を仮想的に
励起し、ポンプ光は準位４を経由して準位３から準位２
へ電子をポンピングするために用いる。
【０１５９】また、Ｖ型３準位では、制御光は準位２・
３間を励起し、ポンプ光は準位４を経由して準位２から
準位１へ電子をポンピングするために用いる。
３間を励起し、ポンプ光は準位４を経由して準位２から
準位１へ電子をポンピングするために用いる。
【０１６０】また、Ξ型３準位では、制御光は準位１・
２間を仮想的に励起し、ポンプ光は準位４を経由して準
位３から準位２へ電子をポンピングするために用いる。
２間を仮想的に励起し、ポンプ光は準位４を経由して準
位３から準位２へ電子をポンピングするために用いる。
【０１６１】本実施形態のＬＷＩレーザーは、不純物を
含む固体であるＥＩＴ層１と、このＥＩＴ層１を挟み、
共振器を構成する互いに向かい合う２枚のミラー２，３
と、制御光をＥＩＴ層１に入射する制御光源４と、ポン
プ光をＥＩＴ層１に入射するポンプ光源５と、ミラー３
から外に向けて出射されるＬＷＩレーザー光（ＥＩＴ層
から出力されるシグナル光）の強度を検出するためのフ
ォトダイオード６と、このフォトダイオード６とミラー
３との間に設けられ、制御光をカットするフィルタ７と
から構成されている。
含む固体であるＥＩＴ層１と、このＥＩＴ層１を挟み、
共振器を構成する互いに向かい合う２枚のミラー２，３
と、制御光をＥＩＴ層１に入射する制御光源４と、ポン
プ光をＥＩＴ層１に入射するポンプ光源５と、ミラー３
から外に向けて出射されるＬＷＩレーザー光（ＥＩＴ層
から出力されるシグナル光）の強度を検出するためのフ
ォトダイオード６と、このフォトダイオード６とミラー
３との間に設けられ、制御光をカットするフィルタ７と
から構成されている。
【０１６２】図１１は、ＥＩＴ層中のエネルギー準位と
制御光、ポンプ光、ならびにＬＷＩにより発生したレー
ザー光とを模式的に示したものである。
制御光、ポンプ光、ならびにＬＷＩにより発生したレー
ザー光とを模式的に示したものである。
【０１６３】図１１（ａ）に示すΛ型励起の場合、ＥＩ
Ｔ層に用いる材料としては、準位２、準位３の対称性が
等しく、準位１のそれが異なる系を選択する。また、制
御光は準位１・２間を仮想的に励起し、ポンプ光は準位
４から準位２への緩和を利用して準位３から準位２に電
子をポンピングする。
Ｔ層に用いる材料としては、準位２、準位３の対称性が
等しく、準位１のそれが異なる系を選択する。また、制
御光は準位１・２間を仮想的に励起し、ポンプ光は準位
４から準位２への緩和を利用して準位３から準位２に電
子をポンピングする。
【０１６４】このように構成したとき、ＬＷＩに由来し
た反転分布無しでのレーザー発振が起きる。このレーザ
光の光子エネルギーω2 は、制御光の光子エネルギーを
ω1、準位２・３間のエネルギー差の中心値をω23とす
ると、ω2 ＝ω1 ＋ω23である。
た反転分布無しでのレーザー発振が起きる。このレーザ
光の光子エネルギーω2 は、制御光の光子エネルギーを
ω1、準位２・３間のエネルギー差の中心値をω23とす
ると、ω2 ＝ω1 ＋ω23である。
【０１６５】図１１（ｂ）に示すＶ型励起の場合、ＥＩ
Ｔ層に用いる材料としては、準位１、準位２の対称性が
等しく、準位３のそれが異なる系を選択する。また、制
御光は準位２・３間を実励起し、ポンプ光は準位４から
準位１への緩和を利用して準位２から準位１に電子をポ
ンピングする。
Ｔ層に用いる材料としては、準位１、準位２の対称性が
等しく、準位３のそれが異なる系を選択する。また、制
御光は準位２・３間を実励起し、ポンプ光は準位４から
準位１への緩和を利用して準位２から準位１に電子をポ
ンピングする。
【０１６６】このように構成したとき、ＬＷＩに由来し
た反転分布無しでのレーザー発振が起きる。その光子エ
ネルギーω2 は、制御光のエネルギーをω1 、準位１・
２間のエネルギー差の中心値をω12とすると、ω2 ＝ω
1 ＋ω12である。
た反転分布無しでのレーザー発振が起きる。その光子エ
ネルギーω2 は、制御光のエネルギーをω1 、準位１・
２間のエネルギー差の中心値をω12とすると、ω2 ＝ω
1 ＋ω12である。
【０１６７】図１１（ｃ）に示すΞ型励起の場合、ＥＩ
Ｔ層に用いる材料としては、準位１、準位３の対称性が
等しく、準位２のそれが異なる系を選択する。また、制
御光は準位１・２間を仮想的に励起し、ポンプ光は準位
４から準位２への緩和を利用して準位３から準位２に電
子をポンピングする。
Ｔ層に用いる材料としては、準位１、準位３の対称性が
等しく、準位２のそれが異なる系を選択する。また、制
御光は準位１・２間を仮想的に励起し、ポンプ光は準位
４から準位２への緩和を利用して準位３から準位２に電
子をポンピングする。
【０１６８】このように構成したとき、ＬＷＩに由来し
た反転分布無しでのレーザー発振が起きる。その光子エ
ネルギーω2 は、制御光のエネルギーをω1 、準位１・
３間のエネルギー差の中心値をω13とすると、ω2 ＝ω
13−ω1 である。
た反転分布無しでのレーザー発振が起きる。その光子エ
ネルギーω2 は、制御光のエネルギーをω1 、準位１・
３間のエネルギー差の中心値をω13とすると、ω2 ＝ω
13−ω1 である。
【０１６９】（第２の実施形態）本実施形態は、図１０
に示したＬＷＩレーザーをより具体化した例である。す
なわち、本実施形態では、ＥＩＴ層としてＰｒ3+が不純
物として分散しているＹ3 Ａｌ5 Ｏ12（ＹＡＧ）を用
い、制御光源４およびポンプ光源５としてともに半導体
レーザーを用い、フォトダイオード６としてＳｉフォト
ダイオードを用いた構成とした。
に示したＬＷＩレーザーをより具体化した例である。す
なわち、本実施形態では、ＥＩＴ層としてＰｒ3+が不純
物として分散しているＹ3 Ａｌ5 Ｏ12（ＹＡＧ）を用
い、制御光源４およびポンプ光源５としてともに半導体
レーザーを用い、フォトダイオード６としてＳｉフォト
ダイオードを用いた構成とした。
【０１７０】３つのエネルギー準位としてはＹＡＧ中の
Ｐｒ3+の不純物準位を用い、図１２に示すように、一番
上の準位１には電子配置（ｆ）2 の 3Ｐ0 準位、真ん中
の準位２には電子配置（ｆ）2 の 3Ｆ3 準位のうち結晶
場で分裂したＢ１準位、一番下の準位３には基底準位で
ある電子配置（ｆ）2 の 3Ｈ4 準位のうち同じく結晶場
で分烈したＡ１準位をそれぞれ選択した。各準位の対称
性は 3Ｐ0 準位がГ1で、 3Ｆ3 （Ｂ１）準位と、 3Ｈ
4 （Ａ１）準位がともにГ3 である。
Ｐｒ3+の不純物準位を用い、図１２に示すように、一番
上の準位１には電子配置（ｆ）2 の 3Ｐ0 準位、真ん中
の準位２には電子配置（ｆ）2 の 3Ｆ3 準位のうち結晶
場で分裂したＢ１準位、一番下の準位３には基底準位で
ある電子配置（ｆ）2 の 3Ｈ4 準位のうち同じく結晶場
で分烈したＡ１準位をそれぞれ選択した。各準位の対称
性は 3Ｐ0 準位がГ1で、 3Ｆ3 （Ｂ１）準位と、 3Ｈ
4 （Ａ１）準位がともにГ3 である。
【０１７１】これより、準位１・２間の 3Ｆ3 （Ｂ１）
→ 3Ｐ0 遷移はГ3 →Г1 、準位１・３間の 3Ｈ4 （Ａ
１）→ 3Ｐ0 遷移もГ3 →Г1 の遷移から構成され、準
位２・３間の 3Ｈ4 （Ａ１）→ 3Ｆ3 （Ｂ１）遷移がГ
3 →Г3 の遷移から構成されている。また、電気双極子
遷移に関する光学遷移の選択則からは、準位１・２間と
準位１・３間の遷移が許容で、準位２・３間の遷移が禁
制となる。
→ 3Ｐ0 遷移はГ3 →Г1 、準位１・３間の 3Ｈ4 （Ａ
１）→ 3Ｐ0 遷移もГ3 →Г1 の遷移から構成され、準
位２・３間の 3Ｈ4 （Ａ１）→ 3Ｆ3 （Ｂ１）遷移がГ
3 →Г3 の遷移から構成されている。また、電気双極子
遷移に関する光学遷移の選択則からは、準位１・２間と
準位１・３間の遷移が許容で、準位２・３間の遷移が禁
制となる。
【０１７２】準位３から準位２へ電子をポンピングする
ための準位４としては、 3Ｆ3 （Ｂ２）準位を選んだ。
3Ｆ3 （Ｂ２）準位の対称性はГ1 であるため、選択則
から3Ｈ4 （Ａ１）→ 3Ｆ3 （Ｂ２）遷移は許容とな
る。
ための準位４としては、 3Ｆ3 （Ｂ２）準位を選んだ。
3Ｆ3 （Ｂ２）準位の対称性はГ1 であるため、選択則
から3Ｈ4 （Ａ１）→ 3Ｆ3 （Ｂ２）遷移は許容とな
る。
【０１７３】3Ｆ3 （Ｂ２）準位に励起された電子はフ
ォノンを放出して 3Ｆ3 （Ｂ１）準位へ素早く緩和す
る。したがって、 3Ｆ3 （Ｂ２）準位に電子励起を行な
えば 3Ｆ3 （Ｂ１）単位にポピュレーションを形成する
ことが可能になる。
ォノンを放出して 3Ｆ3 （Ｂ１）準位へ素早く緩和す
る。したがって、 3Ｆ3 （Ｂ２）準位に電子励起を行な
えば 3Ｆ3 （Ｂ１）単位にポピュレーションを形成する
ことが可能になる。
【０１７４】次に、共振器の構成に関しては、準位１・
２間と準位１・３間の 3Ｆ3 （Ｂ１）→ 3Ｐ0 遷移と 3
Ｈ4 （Ａ１）→ 3Ｐ0 遷移が共鳴モードと一致するよう
に２枚のミラー間の距離を調節した。共鳴モードと一致
しているかどうかは、 3Ｐ0準位から 3Ｆ3 （Ｂ１）準
位と 3Ｈ4 （Ａ１）準位への発光寿命を調べることで判
別した。
２間と準位１・３間の 3Ｆ3 （Ｂ１）→ 3Ｐ0 遷移と 3
Ｈ4 （Ａ１）→ 3Ｐ0 遷移が共鳴モードと一致するよう
に２枚のミラー間の距離を調節した。共鳴モードと一致
しているかどうかは、 3Ｐ0準位から 3Ｆ3 （Ｂ１）準
位と 3Ｈ4 （Ａ１）準位への発光寿命を調べることで判
別した。
【０１７５】共鳴モードと一致する場合には、共振器を
構成しない場合と比較して発光寿命が短くなるため、比
較的容易に判別可能である。なお、このとき準位２・３
間の3Ｈ4 （Ａ１）→ 3Ｆ3 （Ｂ１）遷移は共鳴モード
から外れていた。
構成しない場合と比較して発光寿命が短くなるため、比
較的容易に判別可能である。なお、このとき準位２・３
間の3Ｈ4 （Ａ１）→ 3Ｆ3 （Ｂ１）遷移は共鳴モード
から外れていた。
【０１７６】また、共振器内でのＹＡＧ結晶の配置に関
しては、以下のように構成した。
しては、以下のように構成した。
【０１７７】ＹＡＧ中のＰｒ3+の対称性は点群Ｄ2 に属
する。点群Ｄ2 において、最も対称性の高い軸は２回軸
である。結晶中の２回軸としては、［１１０］軸、［１
０１］軸、［０１１］軸などが挙げられる。選択則よ
り、準位１・２間と準位１・３間の 3Ｆ3 （Ｂ１）→ 3
Ｐ0 遷移と 3Ｈ4 （Ａ１）→ 3Ｐ0 遷移は、いずれもこ
れら２回軸に対してσ遷移として振り舞う。このため、
ここではＹＡＧ結晶の［１１０］軸が共振器軸に対して
平行になるように配置した。
する。点群Ｄ2 において、最も対称性の高い軸は２回軸
である。結晶中の２回軸としては、［１１０］軸、［１
０１］軸、［０１１］軸などが挙げられる。選択則よ
り、準位１・２間と準位１・３間の 3Ｆ3 （Ｂ１）→ 3
Ｐ0 遷移と 3Ｈ4 （Ａ１）→ 3Ｐ0 遷移は、いずれもこ
れら２回軸に対してσ遷移として振り舞う。このため、
ここではＹＡＧ結晶の［１１０］軸が共振器軸に対して
平行になるように配置した。
【０１７８】これより、本ＬＷＩレーザーでは 3Ｆ
3 （Ｂ１）・3 Ｐ0 準位間を光励起しながら、 3Ｈ
4 （Ａ１）準位から 3Ｆ3 （Ｂ１）準位へ電子を光ポン
ピングした。制御光の光エネルギーω1 は準位１・２間
の 3Ｆ3 （Ｂ１）→ 3Ｐ0 遷移に対応するものを選び、
ポンプ光の光子エネルギーは準位３・４間の 3Ｈ4 （Ａ
１）→ 3Ｆ3 （Ｂ２）遷移に対応するものを選択した。
なお、制御光の強度は０．１Ｗ、またＥＩＴ層に入力す
るポンプ光の強度は１Ｗとした。
3 （Ｂ１）・3 Ｐ0 準位間を光励起しながら、 3Ｈ
4 （Ａ１）準位から 3Ｆ3 （Ｂ１）準位へ電子を光ポン
ピングした。制御光の光エネルギーω1 は準位１・２間
の 3Ｆ3 （Ｂ１）→ 3Ｐ0 遷移に対応するものを選び、
ポンプ光の光子エネルギーは準位３・４間の 3Ｈ4 （Ａ
１）→ 3Ｆ3 （Ｂ２）遷移に対応するものを選択した。
なお、制御光の強度は０．１Ｗ、またＥＩＴ層に入力す
るポンプ光の強度は１Ｗとした。
【０１７９】以上の素子構成に基づいて、 3Ｐ0 準位か
ら 3Ｈ4 （Ａ１）準位へのレーザー発振の有無を調べ
た。
ら 3Ｈ4 （Ａ１）準位へのレーザー発振の有無を調べ
た。
【０１８０】その結果、図１３に示すように、 3、Ｐ0
→ 3Ｈ4 （Ａ１）遷移に対応する角周波数２０５３４ｃ
ｍ-1付近においてレーザー光の連続発振を観測した。そ
のときの強度はおよそ０．５ｍＷであった。
→ 3Ｈ4 （Ａ１）遷移に対応する角周波数２０５３４ｃ
ｍ-1付近においてレーザー光の連続発振を観測した。そ
のときの強度はおよそ０．５ｍＷであった。
【０１８１】（比較例１）共振器の構成に関して、ミラ
ー間の距離を変化させて準位１・２間の 3Ｆ3 （Ｂ１）
→ 3Ｐ0 遷移を共鳴モードから外した以外は、第１の実
施形態と全く同様の構成のＬＷＩレーザーを用いて 3Ｐ
0 準位から 3Ｈ4 （Ａ１）準位へのレーザー発振の有無
を調べた。
ー間の距離を変化させて準位１・２間の 3Ｆ3 （Ｂ１）
→ 3Ｐ0 遷移を共鳴モードから外した以外は、第１の実
施形態と全く同様の構成のＬＷＩレーザーを用いて 3Ｐ
0 準位から 3Ｈ4 （Ａ１）準位へのレーザー発振の有無
を調べた。
【０１８２】その結果、本比較例ではレーザー発振を観
測することはできなかった。以上のことから、固体中の
不純物を用いてＬＷＩを得るには、共鳴モードの角周波
数と遷移エネルギーの大きさを十分に考慮した上で、共
振器を構成する必要があることが理解される。
測することはできなかった。以上のことから、固体中の
不純物を用いてＬＷＩを得るには、共鳴モードの角周波
数と遷移エネルギーの大きさを十分に考慮した上で、共
振器を構成する必要があることが理解される。
【０１８３】（第３の実施形態）本実施形態は、図１０
に示したＬＷＩレーザーをより具体化した例である。す
なわち、本実施形態では、ＥＩＴ層としてＰｒ3+が不純
物として分散しているＹＡＧを用い、制御光源４として
導体レーザーの第２高調波を用い、ポンプ光源５として
半導体レーザーの基本波を用い、フォトダイオード６と
してＳｉフォトダイオードを用いた構成とした。
に示したＬＷＩレーザーをより具体化した例である。す
なわち、本実施形態では、ＥＩＴ層としてＰｒ3+が不純
物として分散しているＹＡＧを用い、制御光源４として
導体レーザーの第２高調波を用い、ポンプ光源５として
半導体レーザーの基本波を用い、フォトダイオード６と
してＳｉフォトダイオードを用いた構成とした。
【０１８４】３つのエネルギー準位としてはＹＡＧの中
のＰｒ3+の不純物準位を用い、図１３に示すように一番
上の準位１には電子配置（ｆ）2 の 3Ｐ0 準位、真ん中
の準位２には電子配置（ｆ）2 の 1Ｄ2 準位のうち結晶
場で分散したＣ１準位、一番下の準位３には基底準位で
ある電子配置（ｆ）2 の 3Ｈ4 準位のうちやはり結晶場
で分裂したＡ１準位をそれぞれ選択した。各準位の対称
性は 3Ｐ0 準位と 1Ｄ2 （Ｃ１）準位がともにГ1 で、
3Ｈ4 （Ａ１）準位がГ3 である。
のＰｒ3+の不純物準位を用い、図１３に示すように一番
上の準位１には電子配置（ｆ）2 の 3Ｐ0 準位、真ん中
の準位２には電子配置（ｆ）2 の 1Ｄ2 準位のうち結晶
場で分散したＣ１準位、一番下の準位３には基底準位で
ある電子配置（ｆ）2 の 3Ｈ4 準位のうちやはり結晶場
で分裂したＡ１準位をそれぞれ選択した。各準位の対称
性は 3Ｐ0 準位と 1Ｄ2 （Ｃ１）準位がともにГ1 で、
3Ｈ4 （Ａ１）準位がГ3 である。
【０１８５】これより、準位１・２間の 1Ｄ2 （Ｃ１）
→ 3Ｐ0 遷移はГ1 →Г1 、準位１・３間の 3Ｈ4 （Ａ
１） 3Ｐ0 遷移と準位２・３間の 3Ｈ4 （Ａ１）→ 1Ｄ
2 （Ｃ１）遷移がГ3 →Г1 の遷移から構成されてい
る。
→ 3Ｐ0 遷移はГ1 →Г1 、準位１・３間の 3Ｈ4 （Ａ
１） 3Ｐ0 遷移と準位２・３間の 3Ｈ4 （Ａ１）→ 1Ｄ
2 （Ｃ１）遷移がГ3 →Г1 の遷移から構成されてい
る。
【０１８６】電気双極子遷移に関する光学遷移の選択則
からは、準位１・２間の遷移は禁制で、準位１・３間と
準位２・３間の遷移が許容となる。
からは、準位１・２間の遷移は禁制で、準位１・３間と
準位２・３間の遷移が許容となる。
【０１８７】準位２から準位１へ電子をポンピングする
ための準位４としては、 1Ｉ6 （Ｄ２）準位を選んだ。
1Ｉ6 （Ｄ２）準位の対称性はГ3 であるため、選択則
から、 1Ｄ2 （Ｃ１）→ 1Ｉ6 （Ｄ２）遷移は許容とな
る。
ための準位４としては、 1Ｉ6 （Ｄ２）準位を選んだ。
1Ｉ6 （Ｄ２）準位の対称性はГ3 であるため、選択則
から、 1Ｄ2 （Ｃ１）→ 1Ｉ6 （Ｄ２）遷移は許容とな
る。
【０１８８】1Ｉ6 （Ｄ２）準位に励起された電子はフ
ォノンを放出して 3Ｐ0 準位へ素早く緩和する。従っ
て、 1Ｉ6 （Ｄ２）準位に電子励起を行えば 3Ｐ0 準位
にポピュレーションを形成することが可能になる。
ォノンを放出して 3Ｐ0 準位へ素早く緩和する。従っ
て、 1Ｉ6 （Ｄ２）準位に電子励起を行えば 3Ｐ0 準位
にポピュレーションを形成することが可能になる。
【０１８９】次に、共振器の構成に関しては、準位１・
３間と準位２・３間の 3Ｈ4 （Ａ１）→ 3Ｐ0 遷移と 3
Ｈ4 （Ａ１）→ 1Ｄ2 （Ｃ１）遷移が共鳴モードと一致
するように２枚のミラー間の距離を調節した。
３間と準位２・３間の 3Ｈ4 （Ａ１）→ 3Ｐ0 遷移と 3
Ｈ4 （Ａ１）→ 1Ｄ2 （Ｃ１）遷移が共鳴モードと一致
するように２枚のミラー間の距離を調節した。
【０１９０】共鳴モードと一致しているかどうかは、 3
Ｐ0 準位から 3Ｈ4 （Ａ１）準位と、 1Ｄ2 （Ｃ１）準
位から 3Ｈ4 （Ａ１）準位への発光寿命を調べることで
判別した。なお、このとき準位１・２間の 1Ｄ2 （Ｃ
１）→ 3Ｐ0 遷移は共鳴モードから外れていた。
Ｐ0 準位から 3Ｈ4 （Ａ１）準位と、 1Ｄ2 （Ｃ１）準
位から 3Ｈ4 （Ａ１）準位への発光寿命を調べることで
判別した。なお、このとき準位１・２間の 1Ｄ2 （Ｃ
１）→ 3Ｐ0 遷移は共鳴モードから外れていた。
【０１９１】また、共振器内でのＹＡＧ結晶の配置に関
しては、以下のように構成した。
しては、以下のように構成した。
【０１９２】選択則より、準位１・２間と準位１・３間
の 3Ｆ3 （Ｂ１）→ 3Ｐ0 遷移と 3Ｈ4 （Ａ１）→ 3Ｐ
0 遷移は、いずれも結晶中の２回軸（［１１０］軸、
［１０１］軸、［０１１］軸など）に対してσ遷移とし
て振る舞う。このため、ＹＡＧ結晶は［１１０］軸が共
振器軸に対して平行になるように配置した。
の 3Ｆ3 （Ｂ１）→ 3Ｐ0 遷移と 3Ｈ4 （Ａ１）→ 3Ｐ
0 遷移は、いずれも結晶中の２回軸（［１１０］軸、
［１０１］軸、［０１１］軸など）に対してσ遷移とし
て振る舞う。このため、ＹＡＧ結晶は［１１０］軸が共
振器軸に対して平行になるように配置した。
【０１９３】これより、本ＬＷＩレーザーでは 3Ｈ
4 （Ａ１）・ 1Ｄ2 （Ｃ１）準位間を光励起しながら、
1Ｄ2 （Ｃ１）準位から、 3Ｐ0 準位へ電子を光ポンピ
ングした。制御光の光子エネルギーω1 は準位２・３間
の 3Ｈ4 （Ａ１）→ 1Ｄ2 （Ｃ１）遷移に対応するもの
を選び、ポンプ光の光子エネルギーは準位２・４間の 1
Ｄ2 （Ｃ１）→ 1Ｉ6 （Ｄ２）遷移に対応するものを選
択した。
4 （Ａ１）・ 1Ｄ2 （Ｃ１）準位間を光励起しながら、
1Ｄ2 （Ｃ１）準位から、 3Ｐ0 準位へ電子を光ポンピ
ングした。制御光の光子エネルギーω1 は準位２・３間
の 3Ｈ4 （Ａ１）→ 1Ｄ2 （Ｃ１）遷移に対応するもの
を選び、ポンプ光の光子エネルギーは準位２・４間の 1
Ｄ2 （Ｃ１）→ 1Ｉ6 （Ｄ２）遷移に対応するものを選
択した。
【０１９４】なお、制御光の強度は０．１Ｗ、またＥＩ
Ｔ層に入力するポン光の強度は１Ｗとした。
Ｔ層に入力するポン光の強度は１Ｗとした。
【０１９５】以上の素子構成に基づいて、 3Ｐ0 準位か
ら 3Ｈ4 （Ａ１）準位へのレーザー発振の有無を調べ
た。その結果、 3Ｐ0 → 3Ｈ4 （Ａ１）遷移に対応する
角周波数２０５３４ｃｍ-1付近においてレーザー光の連
続発振を観測した。そのときの強度はおよそ１．２ｍＷ
であった。
ら 3Ｈ4 （Ａ１）準位へのレーザー発振の有無を調べ
た。その結果、 3Ｐ0 → 3Ｈ4 （Ａ１）遷移に対応する
角周波数２０５３４ｃｍ-1付近においてレーザー光の連
続発振を観測した。そのときの強度はおよそ１．２ｍＷ
であった。
【０１９６】（比較例２）共振器の構成に関して、ミラ
ー間の距離を変化させて準位２・３間の 3Ｈ4 （Ａ１）
→ 1Ｄ2 （Ｃ１）遷移を共鳴モードから外した以外は、
本実施形態と全く同様の構成のＬＷＩレーザーを用いて
3Ｐ0 準位から 3Ｈ4 （Ａ１）準位へのレーザー発振の
有無を調べた。その結果、本比較例ではレーザー発振を
観測することはできなかった。
ー間の距離を変化させて準位２・３間の 3Ｈ4 （Ａ１）
→ 1Ｄ2 （Ｃ１）遷移を共鳴モードから外した以外は、
本実施形態と全く同様の構成のＬＷＩレーザーを用いて
3Ｐ0 準位から 3Ｈ4 （Ａ１）準位へのレーザー発振の
有無を調べた。その結果、本比較例ではレーザー発振を
観測することはできなかった。
【０１９７】（第４の実施形態）本実施形態は、図１０
に示したＬＷＩレーザーをより具体化した例である。す
なわち、本実施形態では、ＥＩＴ層としてＨｏ3+が不純
物として分散しているＹＡＧを用い、制御光源４および
ポンプ光源５として半導体レーザーを用い、フォトダイ
オード６としてＳｉフォトダイオードを用いた構成とし
た。
に示したＬＷＩレーザーをより具体化した例である。す
なわち、本実施形態では、ＥＩＴ層としてＨｏ3+が不純
物として分散しているＹＡＧを用い、制御光源４および
ポンプ光源５として半導体レーザーを用い、フォトダイ
オード６としてＳｉフォトダイオードを用いた構成とし
た。
【０１９８】３つのエネルギー準位としてはＹＡＧ中の
Ｈｏ3+の不純物準位を用い、図１４に示すように、一番
上の準位１には電子配置（ｆ）10の 3Ｄ3 （１）準位の
うち結晶場で分散したＺ１準位、真ん中の準位２には電
子配置（ｆ）10の 5Ｓ2 準位のうち同じく結晶場で分裂
したＹ１準位、一番下の準位３には基底準位である電子
配置（ｆ）10の 5Ｉ8 準位のうちやはり結晶場で分裂し
たＸ１準位をそれぞれ選択した。各準位の対称性は 3Ｄ
3 （１）（Ｚ１）準位と 5Ｉ8 （Ｘ１）準位がともにГ
2 で、 5Ｓ2 （Ｙ１）準位がГ1 である。
Ｈｏ3+の不純物準位を用い、図１４に示すように、一番
上の準位１には電子配置（ｆ）10の 3Ｄ3 （１）準位の
うち結晶場で分散したＺ１準位、真ん中の準位２には電
子配置（ｆ）10の 5Ｓ2 準位のうち同じく結晶場で分裂
したＹ１準位、一番下の準位３には基底準位である電子
配置（ｆ）10の 5Ｉ8 準位のうちやはり結晶場で分裂し
たＸ１準位をそれぞれ選択した。各準位の対称性は 3Ｄ
3 （１）（Ｚ１）準位と 5Ｉ8 （Ｘ１）準位がともにГ
2 で、 5Ｓ2 （Ｙ１）準位がГ1 である。
【０１９９】これより、準位１・２間の 5Ｓ2 （Ｙ１）
3Ｄ3 （１）（Ｚ１）遷移と準位２・３間の 5Ｉ8 （Ｘ
１）→ 5Ｓ2 （Ｙ１）遷移がともにГ1 →Г2 の遷移、
準位１・３間の 5Ｉ8 （Ｘ１）→ 3Ｄ3 （１）（Ｚ１）
遷移がГ2 →Г2 の遷移から構成されている。また、電
気双極子遷移に関する光学遷移の選択則からは、準位１
・３間の遷移は禁制で、準位１・２間と準位２・３間の
遷移が許容となる。
3Ｄ3 （１）（Ｚ１）遷移と準位２・３間の 5Ｉ8 （Ｘ
１）→ 5Ｓ2 （Ｙ１）遷移がともにГ1 →Г2 の遷移、
準位１・３間の 5Ｉ8 （Ｘ１）→ 3Ｄ3 （１）（Ｚ１）
遷移がГ2 →Г2 の遷移から構成されている。また、電
気双極子遷移に関する光学遷移の選択則からは、準位１
・３間の遷移は禁制で、準位１・２間と準位２・３間の
遷移が許容となる。
【０２００】準位３から準位２へ電子をポンピングする
ための準位４としては、 5Ｓ2 （Ｙ３）準位を選んだ。
5Ｓ2 （Ｙ３）準位の対称性はГ1 であるため、選択則
から5Ｉ8 （Ｘ１）→ 5Ｓ2 （Ｙ３）遷移は許容とな
る。 5Ｓ2 （Ｙ３）準位に励起された電子はフォノンを
放出して 5Ｓ2 （Ｙ１）準位へ素早く緩和する。
ための準位４としては、 5Ｓ2 （Ｙ３）準位を選んだ。
5Ｓ2 （Ｙ３）準位の対称性はГ1 であるため、選択則
から5Ｉ8 （Ｘ１）→ 5Ｓ2 （Ｙ３）遷移は許容とな
る。 5Ｓ2 （Ｙ３）準位に励起された電子はフォノンを
放出して 5Ｓ2 （Ｙ１）準位へ素早く緩和する。
【０２０１】したがって、 5Ｓ2 （Ｙ３）準位に電子励
起を行なえば 5Ｓ2 （Ｙ１）準位にポピュレーションを
形成することが可能になる。
起を行なえば 5Ｓ2 （Ｙ１）準位にポピュレーションを
形成することが可能になる。
【０２０２】次に、共振器の構成に関しては、準位１・
２間と準位２・３間の 5Ｓ2 （Ｙ１）→ 3Ｄ3 （１）
（Ｚ１）遷移と 5Ｉ8 （Ｘ１）→ 5Ｓ2 （Ｙ１）遷移が
共鳴モードと一致するように２枚のミラー間の距離を調
節した。
２間と準位２・３間の 5Ｓ2 （Ｙ１）→ 3Ｄ3 （１）
（Ｚ１）遷移と 5Ｉ8 （Ｘ１）→ 5Ｓ2 （Ｙ１）遷移が
共鳴モードと一致するように２枚のミラー間の距離を調
節した。
【０２０３】共鳴モードと一致しているかどうかは、 3
Ｄ3 （１）（Ｚ１）準位から 5Ｓ2（Ｙ１）準位と、 5
Ｓ2 （Ｙ１）準位から 5Ｉ8 （Ｘ１）準位への発光寿命
を調べることで判別した。なお、このとき準位１・３間
の 5Ｉ8 （Ｘ１）→ 3Ｄ3 （１）（Ｚ）遷移は共鳴モー
ドから外れていた。
Ｄ3 （１）（Ｚ１）準位から 5Ｓ2（Ｙ１）準位と、 5
Ｓ2 （Ｙ１）準位から 5Ｉ8 （Ｘ１）準位への発光寿命
を調べることで判別した。なお、このとき準位１・３間
の 5Ｉ8 （Ｘ１）→ 3Ｄ3 （１）（Ｚ）遷移は共鳴モー
ドから外れていた。
【０２０４】また、共振器内でのＹＡＧ結晶の配置に関
しては、以下のように構成した。
しては、以下のように構成した。
【０２０５】選択則より、準位１・２間と準位２・３間
の 5Ｓ2 （Ｙ１）→ 3Ｄ3 （１）（Ｚ１）遷移と 5Ｉ8
（Ｘ１）→ 5Ｓ2 （Ｙ１）遷移は、いずれも結晶中の２
回軸［１１０］軸、［１０１］軸、［０１１］軸など）
に対してπ遷移として振る舞う。このため、ＹＡＧ結晶
は［１１０］軸が共振器軸に対して垂直になるように配
置した。
の 5Ｓ2 （Ｙ１）→ 3Ｄ3 （１）（Ｚ１）遷移と 5Ｉ8
（Ｘ１）→ 5Ｓ2 （Ｙ１）遷移は、いずれも結晶中の２
回軸［１１０］軸、［１０１］軸、［０１１］軸など）
に対してπ遷移として振る舞う。このため、ＹＡＧ結晶
は［１１０］軸が共振器軸に対して垂直になるように配
置した。
【０２０６】これより、本ＬＷＩレーザーでは、 5Ｓ2
（Ｙ１）・ 3Ｄ3 （１）（Ｚ１）準位間を光励起しなが
ら、 5Ｉ8 （Ｘ１）から 5Ｓ2 （Ｙ１）準位へ電子を光
ポンピングした。
（Ｙ１）・ 3Ｄ3 （１）（Ｚ１）準位間を光励起しなが
ら、 5Ｉ8 （Ｘ１）から 5Ｓ2 （Ｙ１）準位へ電子を光
ポンピングした。
【０２０７】制御光の光子エネルギーω1 は準位２・３
間の 5Ｓ2 （Ｙ１）→ 3Ｄ3 （１）（Ｚ１）遷移に対応
するものを選び、ポンプ光の光子エネルギーは準位２・
４間の 5Ｉ8 （Ｘ１）→ 5Ｓ2 （Ｙ３）遷移に対応する
ものを選択した。なお、制御光の強度は０．１Ｗ、また
ＥＩＴ層に入力するポンプ光の強度は１Ｗとした。
間の 5Ｓ2 （Ｙ１）→ 3Ｄ3 （１）（Ｚ１）遷移に対応
するものを選び、ポンプ光の光子エネルギーは準位２・
４間の 5Ｉ8 （Ｘ１）→ 5Ｓ2 （Ｙ３）遷移に対応する
ものを選択した。なお、制御光の強度は０．１Ｗ、また
ＥＩＴ層に入力するポンプ光の強度は１Ｗとした。
【０２０８】以上の素子構成に基づいて、 5Ｓ2 （Ｙ
１）準位から 5Ｉ8 （Ｘ１）準位へのレーザー発振の有
無を調べた。その結果、 5Ｓ2 （Ｙ１）→ 5Ｉ8 （Ｘ
１）遷移に対応する角周波数１８４５０ｃｍ-1付近にお
いてレーザー光の連続発振を観測した。そのときの強度
はおよそ０．４ｍＷであった。
１）準位から 5Ｉ8 （Ｘ１）準位へのレーザー発振の有
無を調べた。その結果、 5Ｓ2 （Ｙ１）→ 5Ｉ8 （Ｘ
１）遷移に対応する角周波数１８４５０ｃｍ-1付近にお
いてレーザー光の連続発振を観測した。そのときの強度
はおよそ０．４ｍＷであった。
【０２０９】（比較例３）共振器の構成に関して、ミラ
ー間の距離を変化させて準位１・２間の 5Ｓ2 （Ｙ１）
→ 3Ｄ3 （１）（Ｚ１）遷移を共鳴モードから外した以
外は、本実施形態と全く同様の構成のＬＷＩレーザーを
用いて 5Ｓ2 （Ｙ１）準位から 5Ｉ8 （Ｘ１）準位への
レーザー発振の有無を調べた。その結果、本比較例では
レーザー発振を観測することはできなかった。
ー間の距離を変化させて準位１・２間の 5Ｓ2 （Ｙ１）
→ 3Ｄ3 （１）（Ｚ１）遷移を共鳴モードから外した以
外は、本実施形態と全く同様の構成のＬＷＩレーザーを
用いて 5Ｓ2 （Ｙ１）準位から 5Ｉ8 （Ｘ１）準位への
レーザー発振の有無を調べた。その結果、本比較例では
レーザー発振を観測することはできなかった。
【０２１０】（第５の実施形態）本実施形態は、図１０
に示したＬＷＩレーザーをより具体化した例である。す
なわち、本実施形態では、ＥＩＴ層としてＳｍ2+が不純
物として分散しているＣａＦ2 を用い、制御光源４およ
びポンプ光源５として半導体レーザーを用い、フォトダ
イオード６としてＳｉフォトダイオードを用いた構成と
した。
に示したＬＷＩレーザーをより具体化した例である。す
なわち、本実施形態では、ＥＩＴ層としてＳｍ2+が不純
物として分散しているＣａＦ2 を用い、制御光源４およ
びポンプ光源５として半導体レーザーを用い、フォトダ
イオード６としてＳｉフォトダイオードを用いた構成と
した。
【０２１１】３つのエネルギー準位としてはＣａＦ2 中
のＳｍ2+の不純物準位を用い、図１５に示すように、一
番上の準位１には電子配置（ｆ）5 （ｄ）のＴ1u準位、
真ん中の準位２には電子配置（ｆ）6 の 7Ｆ1 準位、一
番下の準位３には基底準位である電子配置（ｆ）6 の 7
Ｆ0 準位をそれぞれ選択した。各準位の対称性はＴ1u準
位がＴ1u、また、 7Ｆ1 準位がＴ1g、そして 7Ｆ0 準位
がＡ1gである。
のＳｍ2+の不純物準位を用い、図１５に示すように、一
番上の準位１には電子配置（ｆ）5 （ｄ）のＴ1u準位、
真ん中の準位２には電子配置（ｆ）6 の 7Ｆ1 準位、一
番下の準位３には基底準位である電子配置（ｆ）6 の 7
Ｆ0 準位をそれぞれ選択した。各準位の対称性はＴ1u準
位がＴ1u、また、 7Ｆ1 準位がＴ1g、そして 7Ｆ0 準位
がＡ1gである。
【０２１２】これより、準位１・２間の 7Ｆ1 →Ｔ1u遷
移はＴ1g→Ｔ1uの遷移、準位１・３間の 7Ｆ0 →Ｔ1u遷
移はＡ1g→Ｔ1uの遷移、準位２・３間の 7Ｆ0 → 7Ｆ1
遷移がＡ1g→Ｔ1gの遷移から構成されている。また、電
気双極子遷移に関する光学遷移の選択則からは、準位１
・２間と準位１・３間の遷移が許容で、準位２・３間の
遷移が禁制となる。
移はＴ1g→Ｔ1uの遷移、準位１・３間の 7Ｆ0 →Ｔ1u遷
移はＡ1g→Ｔ1uの遷移、準位２・３間の 7Ｆ0 → 7Ｆ1
遷移がＡ1g→Ｔ1gの遷移から構成されている。また、電
気双極子遷移に関する光学遷移の選択則からは、準位１
・２間と準位１・３間の遷移が許容で、準位２・３間の
遷移が禁制となる。
【０２１３】準位３から準位２へ電子をポンピングする
ための準位４としては、電子配置（ｆ）5 （ｄ）のＡ1u
遷移を選んだ。Ａ1u準位に励起された電子は 7Ｆ1 準位
へ素早く緩和する。
ための準位４としては、電子配置（ｆ）5 （ｄ）のＡ1u
遷移を選んだ。Ａ1u準位に励起された電子は 7Ｆ1 準位
へ素早く緩和する。
【０２１４】したがって、 7Ｆ0 準位からＡ1u準位に電
子励起を行えば 7Ｆ1 準位にポピュレーションを形成す
ることが可能になる。
子励起を行えば 7Ｆ1 準位にポピュレーションを形成す
ることが可能になる。
【０２１５】共振器の構成に関しては、準位１・２間と
準位１・３間の 7Ｆ1 →Ｔ1u遷移と7Ｆ0 →Ｔ1u遷移が
共鳴モードと一致するように２枚のミラー間の距離を調
節した。なお、このとき準位２・３間の 7Ｆ0 → 7Ｆ1
遷移は共鳴モードから外れていた。
準位１・３間の 7Ｆ1 →Ｔ1u遷移と7Ｆ0 →Ｔ1u遷移が
共鳴モードと一致するように２枚のミラー間の距離を調
節した。なお、このとき準位２・３間の 7Ｆ0 → 7Ｆ1
遷移は共鳴モードから外れていた。
【０２１６】これより、本ＬＷＩレーザーでは 7Ｆ1 ・
Ｔ1u準位間を光励起しながら、 7Ｆ0 準位から 7Ｆ1 準
位へ電子を光ポンピングした。制御光の光子エネルギー
ω1は準位１・２間の 7Ｆ1 →Ｔ1u遷移に対応するもの
を選び、ポンプ光の光子エネルギーは準位３・４間の 7
Ｆ0 →Ａ1u遷移に対応するものを選択した。なお、制御
光の強度は０．１Ｗ、またＥＩＴ層に入力するポンプ光
の強度は１Ｗとした。以上の素子構成に基づいて、Ｔ1u
準位から 7Ｆ0 準位へのレーザー発振の有無を調べた。
その結果、Ｔ1u→ 7Ｆ0 遷移に対応する角周波数１４４
８３ｃｍ-1付近においてレーザー光の連続発振を観測し
た。そのときの強度はおよそ０．０９ｍＷであった。
Ｔ1u準位間を光励起しながら、 7Ｆ0 準位から 7Ｆ1 準
位へ電子を光ポンピングした。制御光の光子エネルギー
ω1は準位１・２間の 7Ｆ1 →Ｔ1u遷移に対応するもの
を選び、ポンプ光の光子エネルギーは準位３・４間の 7
Ｆ0 →Ａ1u遷移に対応するものを選択した。なお、制御
光の強度は０．１Ｗ、またＥＩＴ層に入力するポンプ光
の強度は１Ｗとした。以上の素子構成に基づいて、Ｔ1u
準位から 7Ｆ0 準位へのレーザー発振の有無を調べた。
その結果、Ｔ1u→ 7Ｆ0 遷移に対応する角周波数１４４
８３ｃｍ-1付近においてレーザー光の連続発振を観測し
た。そのときの強度はおよそ０．０９ｍＷであった。
【０２１７】（第６の実施形態）本実施形態は、図１０
に示したＬＷＩレーザーをより具体化した例である。す
なわち、本実施形態では、ＥＩＴ層としてＴｍ2+が不純
物として分散しているＣａＦ2 を用い、制御光源４およ
びポンプ光源５として半導体レーザーを用い、フォトダ
イオード６としてＳｉフォトダイオードを用いた構成と
した。
に示したＬＷＩレーザーをより具体化した例である。す
なわち、本実施形態では、ＥＩＴ層としてＴｍ2+が不純
物として分散しているＣａＦ2 を用い、制御光源４およ
びポンプ光源５として半導体レーザーを用い、フォトダ
イオード６としてＳｉフォトダイオードを用いた構成と
した。
【０２１８】３つのエネルギー準位としてはＣａＦ2 中
のＴｍ2+の不純物準位を用い、図１６に示すように、一
番上の準位１には電子配置（ｆ）12（ｄ）のＧ3/2g準
位、真ん中の準位２には電子配置（ｆ）13の 2Ｆ5/2 準
位のうち結晶場で分裂したＢ１準位、一番下の準位３に
は基底準位である電子配置（ｆ）13の 2Ｆ7/2 準位のう
ち同じく結晶場で分烈したＡ１準位をそれぞれ選択し
た。各準位の対称性はＧ3/ 2g準位がＧ3/2g、また 2Ｆ
5/2 （Ｂ１）準位がＥ5/2u、そして、 2Ｆ7/2 （Ａ１）
準位がＥ5/2uである。
のＴｍ2+の不純物準位を用い、図１６に示すように、一
番上の準位１には電子配置（ｆ）12（ｄ）のＧ3/2g準
位、真ん中の準位２には電子配置（ｆ）13の 2Ｆ5/2 準
位のうち結晶場で分裂したＢ１準位、一番下の準位３に
は基底準位である電子配置（ｆ）13の 2Ｆ7/2 準位のう
ち同じく結晶場で分烈したＡ１準位をそれぞれ選択し
た。各準位の対称性はＧ3/ 2g準位がＧ3/2g、また 2Ｆ
5/2 （Ｂ１）準位がＥ5/2u、そして、 2Ｆ7/2 （Ａ１）
準位がＥ5/2uである。
【０２１９】これより、準位１・２間の 2Ｆ5/2 （Ｂ
１）→Ｇ3/2g遷移と準位１・３間の 2Ｆ7/2 （Ａ１）→
Ｇ3/2g遷移はともにＥ5/2u→Ｇ3/2gの遷移、準位２・３
間の 2Ｆ7/2 （Ａ１）→ 2Ｆ5/2 （Ｂ１）遷移がＥ5/2u
→Ｅ5/2uの遷移から構成されている。また、電気双極子
遷移に関する光学遷移の選択則からは、準位１・２間と
準位１・３間の遷移が許容で、準位２・３間の遷移が禁
制となる。
１）→Ｇ3/2g遷移と準位１・３間の 2Ｆ7/2 （Ａ１）→
Ｇ3/2g遷移はともにＥ5/2u→Ｇ3/2gの遷移、準位２・３
間の 2Ｆ7/2 （Ａ１）→ 2Ｆ5/2 （Ｂ１）遷移がＥ5/2u
→Ｅ5/2uの遷移から構成されている。また、電気双極子
遷移に関する光学遷移の選択則からは、準位１・２間と
準位１・３間の遷移が許容で、準位２・３間の遷移が禁
制となる。
【０２２０】準位３から準位２へ電子をポンピングする
ための準位４としては、電子配置（ｆ）13の 2Ｆ
5/2 （Ｂ２）準位を選んだ。 2Ｆ5/2 （Ｂ２）準位に励
起された電子は 2Ｆ5/2 （Ｂ１）準位へ素早く緩和す
る。
ための準位４としては、電子配置（ｆ）13の 2Ｆ
5/2 （Ｂ２）準位を選んだ。 2Ｆ5/2 （Ｂ２）準位に励
起された電子は 2Ｆ5/2 （Ｂ１）準位へ素早く緩和す
る。
【０２２１】したがって、 2Ｆ7/2 （Ａ１）準位から 2
Ｆ5/2 （Ｂ２）準位に電子励起を行えば 2Ｆ5/2 （Ｂ
１）準位にポピュレーションを形成することが可能にな
る。
Ｆ5/2 （Ｂ２）準位に電子励起を行えば 2Ｆ5/2 （Ｂ
１）準位にポピュレーションを形成することが可能にな
る。
【０２２２】共振器の構成に関しては、準位１・２間と
準位１・３間の 2Ｆ5/2 （Ｂ１）→Ｇ3/2g遷移と 2Ｆ
7/2 （Ａ１）→Ｇ3/2g遷移が共鳴モードと一致するよう
に２枚のミラー間の距離を調節した。なお、このとき準
位２・３間の 2Ｆ7/2 （Ａ１）→ 2Ｆ5/2 （Ｂ１）遷移
は共鳴モードから外れていた。
準位１・３間の 2Ｆ5/2 （Ｂ１）→Ｇ3/2g遷移と 2Ｆ
7/2 （Ａ１）→Ｇ3/2g遷移が共鳴モードと一致するよう
に２枚のミラー間の距離を調節した。なお、このとき準
位２・３間の 2Ｆ7/2 （Ａ１）→ 2Ｆ5/2 （Ｂ１）遷移
は共鳴モードから外れていた。
【０２２３】これより、本ＬＷＩレーザーでは 2Ｆ5/2
（Ｂ１）・Ｇ3/2g準位間を光励起しながら、 2Ｆ
7/2 （Ａ１）準位から 2Ｆ5/2 （Ｂ２）準位へ電子を光
ポンピングした。
（Ｂ１）・Ｇ3/2g準位間を光励起しながら、 2Ｆ
7/2 （Ａ１）準位から 2Ｆ5/2 （Ｂ２）準位へ電子を光
ポンピングした。
【０２２４】制御光の光子エネルギーω1 は準位１・２
間の 2Ｆ5/2 （Ｂ１）→Ｇ3/2g遷移に対応するものを選
び、ポンプ光の光子エネルギーは準位３・４間の 2Ｆ
7/2 （Ａ１）→ 2Ｆ5/2 （Ｂ２）遷移に対応するものを
選択した。なお、制御光の強度は０．１Ｗ、またＥＩＴ
層に入力するポンプ光の強度は１Ｗとした。
間の 2Ｆ5/2 （Ｂ１）→Ｇ3/2g遷移に対応するものを選
び、ポンプ光の光子エネルギーは準位３・４間の 2Ｆ
7/2 （Ａ１）→ 2Ｆ5/2 （Ｂ２）遷移に対応するものを
選択した。なお、制御光の強度は０．１Ｗ、またＥＩＴ
層に入力するポンプ光の強度は１Ｗとした。
【０２２５】以上の素子構成に基づいて、Ｇ3/2g準位か
ら、 2Ｆ7/2 （Ａ１）準位へのレーザー発振の有無を調
べた。その結果、Ｇ3/2g→ 2Ｆ7/2 （Ａ１）遷移に対応
する１６６７５ｃｍ-1付近においてレーザー光の連続発
振を観測した。そのときの強度はおよそ０．０５ｍＷで
あった。
ら、 2Ｆ7/2 （Ａ１）準位へのレーザー発振の有無を調
べた。その結果、Ｇ3/2g→ 2Ｆ7/2 （Ａ１）遷移に対応
する１６６７５ｃｍ-1付近においてレーザー光の連続発
振を観測した。そのときの強度はおよそ０．０５ｍＷで
あった。
【０２２６】（第７の実施形態）図１８は、本発明の第
７の実施形態に係るＬＷＩレーザーの概略構成を示す模
式図である。
７の実施形態に係るＬＷＩレーザーの概略構成を示す模
式図である。
【０２２７】本実施形態は、ＥＩＴ媒体としてＰｒＣｌ
3 を極性溶媒に溶した液体を用いた例である。図１８に
示したＬＷＩレーザでは、先の図１０のそれとは異な
り、ＥＩＴ媒体に圧力を加えてノズル９からジェット状
に噴出させることで、液体の形状を板状に整える機構が
付加されている。他の構成要件（制御光源４、ポンプ光
源５、フォトダイオード６など）については先の実施形
態と同様である。
3 を極性溶媒に溶した液体を用いた例である。図１８に
示したＬＷＩレーザでは、先の図１０のそれとは異な
り、ＥＩＴ媒体に圧力を加えてノズル９からジェット状
に噴出させることで、液体の形状を板状に整える機構が
付加されている。他の構成要件（制御光源４、ポンプ光
源５、フォトダイオード６など）については先の実施形
態と同様である。
【０２２８】３つのエネルギー準位としてはＰｒ3+の４
ｆ準位を用い、図１９に示すように一番上の準位１には
3 Ｐ0 準位、真ん中の準位２には3 Ｈ6 準位、一番下の
準位３には基底準位である3 Ｈ4 準位をそれぞれ選択し
た。
ｆ準位を用い、図１９に示すように一番上の準位１には
3 Ｐ0 準位、真ん中の準位２には3 Ｈ6 準位、一番下の
準位３には基底準位である3 Ｈ4 準位をそれぞれ選択し
た。
【０２２９】準位３から準位２へ電子をポンピングする
ための準位４としては、1 Ｄ2 準位を選んだ。1 Ｄ2 準
位に励起された電子は3 Ｈ6 準位へ素早く緩和する。し
たがって、3 Ｈ4 準位から1 Ｄ2 準位に電子励起を行え
ば3 Ｈ6 準位にポピュレーションを形成することが可能
となる。
ための準位４としては、1 Ｄ2 準位を選んだ。1 Ｄ2 準
位に励起された電子は3 Ｈ6 準位へ素早く緩和する。し
たがって、3 Ｈ4 準位から1 Ｄ2 準位に電子励起を行え
ば3 Ｈ6 準位にポピュレーションを形成することが可能
となる。
【０２３０】共振器の構成に関しては、準位１・２間と
準位１・３間の3 Ｈ4 →3 Ｐ0 遷移と3 Ｈ6 →3 Ｐ0 遷
移が共鳴モードと一致するように２枚のミラー間の距離
を調節した。なお、このとき準位２・３間の3 Ｈ4 から
3 Ｈ6 への遷移は共鳴モードから外れていた。
準位１・３間の3 Ｈ4 →3 Ｐ0 遷移と3 Ｈ6 →3 Ｐ0 遷
移が共鳴モードと一致するように２枚のミラー間の距離
を調節した。なお、このとき準位２・３間の3 Ｈ4 から
3 Ｈ6 への遷移は共鳴モードから外れていた。
【０２３１】これより、本ＬＷＩレーザでは3 Ｈ6 ・3
Ｐ0 準位間を光励起しながら、3 Ｈ4 準位から1 Ｄ2 準
位へ電子を光ポンピングした。制御光の光子エネルギー
ω1は準位１・２間の3 Ｈ6 から3 Ｐ0 への遷移に対応
するものを選び、ポンプ光の光子エネルギーは準位３・
４間の3 Ｈ4 から1 Ｄ2 への遷移に対応するものを選択
した。なお、制御光の強度は０．１Ｗ、また、ＥＩＴ層
に入力するポンプ光の強度は１Ｗとした。
Ｐ0 準位間を光励起しながら、3 Ｈ4 準位から1 Ｄ2 準
位へ電子を光ポンピングした。制御光の光子エネルギー
ω1は準位１・２間の3 Ｈ6 から3 Ｐ0 への遷移に対応
するものを選び、ポンプ光の光子エネルギーは準位３・
４間の3 Ｈ4 から1 Ｄ2 への遷移に対応するものを選択
した。なお、制御光の強度は０．１Ｗ、また、ＥＩＴ層
に入力するポンプ光の強度は１Ｗとした。
【０２３２】以上の素子構成に基づいて、3 Ｐ0 準位か
ら3 Ｈ4 準位へのレーザ発振の有無を調べた。その結
果、3 Ｐ0 →3 Ｈ4 遷移に対応する２０５５１ｃｍ-1付
近においてレーザ光の連続発振を観測した。そのときの
強度はおよそ０．０３ｍＷであった。
ら3 Ｈ4 準位へのレーザ発振の有無を調べた。その結
果、3 Ｐ0 →3 Ｈ4 遷移に対応する２０５５１ｃｍ-1付
近においてレーザ光の連続発振を観測した。そのときの
強度はおよそ０．０３ｍＷであった。
【０２３３】
【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、媒体
中の不純物の光学遷移の遷移確率や緩和速度の値がＥＩ
Ｔ条件と合致しない場合でも、光で結ばれる準位間のエ
ネルギーを共振器の共鳴モードに一致させ、光で結ばれ
ない準位間をこの共鳴モードから外すように系を構成す
ることにより、ほぼ全ての不純物においてＥＩＴを誘起
でき、これにより固体などの媒体においてＥＩＴに立脚
した実用可能なＬＷＩレーザーなどの機能素子を実現で
きるようになる。
中の不純物の光学遷移の遷移確率や緩和速度の値がＥＩ
Ｔ条件と合致しない場合でも、光で結ばれる準位間のエ
ネルギーを共振器の共鳴モードに一致させ、光で結ばれ
ない準位間をこの共鳴モードから外すように系を構成す
ることにより、ほぼ全ての不純物においてＥＩＴを誘起
でき、これにより固体などの媒体においてＥＩＴに立脚
した実用可能なＬＷＩレーザーなどの機能素子を実現で
きるようになる。
【図１】ＥＩＴの基本原理を示す図
【図２】原子ガスのＥＩＴのよる光吸収スペクトルを示
す図
す図
【図３】ＥＩＴに基づくＬＷＩレーザーの基本原理を示
す図
す図
【図４】ＥＩＴに基づく他のＬＷＩレーザーの基本原理
を示す図
を示す図
【図５】従来のＥＩＴに基づくＬＷＩレーザーの概略構
成を示す模式図
成を示す模式図
【図６】固体中の結晶軸に対する、不純物の遷移確率の
空間的な強度分布を定性的に示す図
空間的な強度分布を定性的に示す図
【図７】共振器内でのＥＩＴ結晶の幾何学的な配置関係
を定性的に示す図
を定性的に示す図
【図８】ＬａＣｌ3 結晶中の不純物として分散された１
３種の希土類イオンのエネルギー図
３種の希土類イオンのエネルギー図
【図９】本発明に係るＥＩＴ，ＬＷＩに関して、Λ型励
起の場合のエネルギー準位と励起光と緩和過程を示す定
性的なエネルギー図
起の場合のエネルギー準位と励起光と緩和過程を示す定
性的なエネルギー図
【図１０】本発明の第１の実施形態に係るＬＷＩレーザ
ーの概略構成を示す模式図
ーの概略構成を示す模式図
【図１１】第１の実施形態のＬＷＩレーザーで用いたＥ
ＩＴ層中のエネルギー準位と制御光、ポンプ光との関係
を示す定性的なエネルギー図
ＩＴ層中のエネルギー準位と制御光、ポンプ光との関係
を示す定性的なエネルギー図
【図１２】本発明の第２の実施形態に係るＬＷＩレーザ
ーにおいて、ＥＩＴ層として用いたＰｒ3+；Ｙ3 Ａｌ5
Ｏ12中のＰｒ3+のエネルギー準位を示す図
ーにおいて、ＥＩＴ層として用いたＰｒ3+；Ｙ3 Ａｌ5
Ｏ12中のＰｒ3+のエネルギー準位を示す図
【図１３】本発明の第２の実施形態に係るＬＷＩレーザ
ーにおいて、制御光とポンプ光を照射した際のＬＷＩ発
振のスペクトルを調べた結果を示す図
ーにおいて、制御光とポンプ光を照射した際のＬＷＩ発
振のスペクトルを調べた結果を示す図
【図１４】本発明の第３の実施形態に係るＬＷＩレーザ
ーにおいて、ＥＩＴ層として用いたＰｒ3+；Ｙ3 Ａｌ5
Ｏ12中のＰｒ3+のエネルギー準位を示す図
ーにおいて、ＥＩＴ層として用いたＰｒ3+；Ｙ3 Ａｌ5
Ｏ12中のＰｒ3+のエネルギー準位を示す図
【図１５】本発明の第４の実施形態に係るＬＷＩレーザ
ーにおいて、ＥＩＴ層として用いたＨｏ3+；Ｙ3 Ａｌ5
Ｏ12中のＨｏ3+のエネルギー準位を示す図
ーにおいて、ＥＩＴ層として用いたＨｏ3+；Ｙ3 Ａｌ5
Ｏ12中のＨｏ3+のエネルギー準位を示す図
【図１６】本発明の第５の実施形態に係るＬＷＩレーザ
ーにおいて、ＥＩＴ層として用いたＳｍ2+；ＣａＦ2 中
のＳｍ2+のエネルギー準位を示す図
ーにおいて、ＥＩＴ層として用いたＳｍ2+；ＣａＦ2 中
のＳｍ2+のエネルギー準位を示す図
【図１７】本発明の第６の実施形態に係るＬＷＩレーザ
ーにおいて、ＥＩＴ層として用いたＴｍ2+；ＣａＦ2 中
のＴｍ2+のエネルギー準位を示す図
ーにおいて、ＥＩＴ層として用いたＴｍ2+；ＣａＦ2 中
のＴｍ2+のエネルギー準位を示す図
【図１８】本発明の第７の実施形態に係るＬＷＩレーザ
ーの概略構成を示す模式図
ーの概略構成を示す模式図
【図１９】本発明の第７の実施形態に係るＬＷＩレーザ
ーにおいて、ＥＩＴ媒質として用いたＰｒＣｌ3 のエネ
ルギー準位を示す図
ーにおいて、ＥＩＴ媒質として用いたＰｒＣｌ3 のエネ
ルギー準位を示す図
１…ＥＩＴ層（不純物を含む固体） ２…ミラー ３…ミラー ４…制御光源（励起手段） ５…ポンプ光源（励起手段） ６…フォトダイオード ７…フィルタ
Claims (7)
- 【請求項１】不純物を含む媒体と、 前記不純物のエネルギー準位の中から３つ準位を選び上
から順に第１の準位、第２の準位、第３の準位としたと
きに、第１の準位と第２の準位との間のエネルギー差に
対応する波長を有する第１のコヒーレント光、および第
１の準位と第３の準位との間のエネルギー差に対応する
波長を有する第２のコヒーレント光を前記媒体中で共存
させる励起手段と、 前記媒体に設けられた１対のミラーからなる共振器とを
具備してなり、 前記第１の準位と前記第２の準位との間の光学遷移およ
び前記第１の準位と前記第３の準位との間の光学遷移は
前記共振器の共鳴モードとそれぞれ一致し、これら２つ
の準位間の遷移確率は前記共振器を設けないときよりも
高く、 かつ前記第２の準位と前記第３の準位との間の光学遷移
は前記共振器の共鳴モードから外れ、この準位間の遷移
確率は前記共振器を設けないときよりも低くいことを特
徴とする機能素子。 - 【請求項２】不純物を含む媒体と、 前記不純物のエネルギー準位の中から３つ準位を選び上
から順に第１の準位、第２の準位、第３の準位としたと
きに、第１の準位と第３の準位との間のエネルギー差に
対応する波長を有する第１のコヒーレント光、および第
２の準位と第３の準位との間のエネルギー差に対応する
波長を有する第２のコヒーレント光を前記媒体中で共存
させる励起手段と、 前記媒体に設けられた１対のミラーからなる共振器とを
具備してなり、 前記第１の準位と前記第３の準位との間の光学遷移およ
び前記第２の準位と前記第３の準位との間の光学遷移は
前記共振器の共鳴モードとそれぞれ一致し、これら２つ
の準位間の遷移確率は前記共振器を設けないときよりも
高く、 かつ前記第１の準位と前記第２の準位との間の光学遷移
は前記共振器の共鳴モードから外れ、この準位間の遷移
確率は前記共振器を設けないときよりも低くいことを特
徴とする機能素子。 - 【請求項３】不純物を含む媒体と、 前記不純物のエネルギー準位の中から３つ準位を選び上
から順に第１の準位、第２の準位、第３の準位としたと
きに、第１の準位と第２の準位との間のエネルギー差に
対応する波長を有する第１のコヒーレント光、および第
２の準位と第３の準位との間のエネルギー差に対応する
波長を有する第２のコヒーレント光を前記媒体中で共存
させる励起手段と、 前記媒体に設けられた１対のミラーからなる共振器とを
具備してなり、 前記第１の準位と前記第２の準位との間の光学遷移およ
び前記第２の準位と前記第３の準位との間の光学遷移は
前記共振器の共鳴モードとそれぞれ一致し、これら２つ
の準位間の遷移確率は前記共振器を設けないときよりも
高く、 かつ前記第１の準位と前記第３の準位との間の光学遷移
は前記共振器の共鳴モードから外れ、この準位間の遷移
確率は前記共振器を設けないときよりも低くいことを特
徴とする機能素子。 - 【請求項４】前記不純物を含む媒体は結晶であり、前記
第１の準位と前記第２の準位との間の光学遷移および前
記第１の準位と前記第３の準位との間の光学確率はσ遷
移またはπ遷移であり、σ遷移である場合には前記媒体
は前記共振器のミラー面に垂直な方向で遷移確率が最大
となるように配置され、π遷移である場合には前記媒体
は前記共振器のミラー面に平行な方向で遷移確率が最小
となるように配置されていることを特徴とする請求項１
に記載の機能素子。 - 【請求項５】前記不純物を含む媒体は結晶であり、前記
第１の準位と前記第３の準位との間の光学遷移および前
記第２の準位と前記第３の準位との間の光学確率はσ遷
移またはπ遷移であり、σ遷移である場合には前記媒体
は前記共振器のミラー面に垂直な方向で遷移確率が最大
となるように配置され、π遷移である場合には前記媒体
は前記共振器のミラー面に平行な方向で遷移確率が最小
となるように配置されていることを特徴とする請求項２
に記載の機能素子。 - 【請求項６】前記不純物を含む媒体は結晶であり、前記
第１の準位と前記第２の準位との間の光学遷移および前
記第２の準位と前記第３の準位との間の光学確率はσ遷
移またはπ遷移であり、σ遷移である場合には前記媒体
は前記共振器のミラー面に垂直な方向で遷移確率が最大
となるように配置され、π遷移である場合には前記媒体
は前記共振器のミラー面に平行な方向で遷移確率が最小
となるように配置されていることを特徴とする請求項３
に記載の機能素子。 - 【請求項７】前記第１の準位と前記第２の準位との間の
エネルギーに対応した角周波数を有する光に対する前記
媒体の屈折率をｎ12、前記第１の準位と前記第３の準位
との間のエネルギーに対応した角周波数を有する光に対
する前記媒体の屈折率をｎ13、前記第２の準位と前記第
３の準位との間のエネルギーに対応した角周波数を有す
る光に対する前記媒体の屈折率をｎ23としたときに、ｎ
23／ｎ12およびｎ23／ｎ13の少なくとも一方が非整数で
あることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか
１項に記載の機能素子。
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| JP24536596A JP3333400B2 (ja) | 1996-09-17 | 1996-09-17 | 光素子 |
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-
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- 1996-09-17 JP JP24536596A patent/JP3333400B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
1997
- 1997-09-16 US US08/931,846 patent/US6028873A/en not_active Expired - Fee Related
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Also Published As
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