JPH11500577A - レーザ及び能動スイッチマイクロレーザ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 光学的安定限界にあるファブリー・ペローキャビティを形成するレーザ媒体及び二つのミラーを備えたキャビティ共振器であって、光学的不安定状態から光学的安定状態へ移行させるためにキャビティの光学長さを変化させる手段を備えている。

Description

【発明の詳細な説明】 レーザ及び能動スイッチマイクロレーザ 説明 技術分野 本発明は、レーザ、特に能動スイッチ固体マイクロレーザの分野に関する。 マイクロレーザの主な利点は、積層形状の構造にあり、これがその実質的な特 徴を構成している。能動レーザ媒体は、１５０〜１０００μｍの限定された厚さ の小形（数ｍｍ²）の素材で構成され、その上に誘電キャビティミラーが直接付 着されている。この能動媒体は、ＩＩＩ−Ｖレーザダイオードによってポンピン グすることが可能であり、このダイオードはマイクロレーザに直接的に混成され るか、光ファイバでそれに結合される。マイクロ電子機器手段を用いた集合的製 造が可能であることから、このようなマイクロレーザを非常に低コストで大量生 産することができる。 マイクロレーザには、自動車産業、環境、科学設備及び遠隔計測等の様々な分 野で多くの用途がある。従来の技術 公知のマイクロレーザは一般的に、数＋ｍＷのパワーを連続発光する。しかし 、上記用途のほとんどは、数＋ｍＷの平均パワーであるが数ｋＷのピークパワー （瞬時パワー）を１０^-8〜１０^-9秒間供給することを必要とする。 固体レーザでは、１０〜１０⁴Ｈｚの周波数のパルスモードで作動させること によってそのような高いピークパワーを得ることができる。このため、Ｑスイッ チング等のキャビティスイッチング方法が利用される。一般的なレーザに適用で きるこのような方法が、ケヒナー(Ｋｏｅｃｈｎｅｒ)の「Ｓｏｌｉｄ ｓｔａｔｅ ｌａｓｅｒ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ」（１９８８年、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ Ｖ ｅｒｌａｇ）に記載されている。 キャビティは、能動または受動スイッチングが可能である。受動スイッチング の場合、可飽和吸収材の形のキャビティ内に可変損失が導入される。能動スイッ チングの場合、ビーム経路またはその偏光状態を変化させる音響光学的または電 気光学的キャビティ内部の手段によって、ユーザが例えば回転キャビティミラー により外部から損失値を制御する。貯蔵時間、キャビティの開放時間及び繰り返 し速度は独立して選択することがで きる。 米国特許第５，１３２，９７７号及び第４，９８２，４０５号は、能動スイッ チレーザを記載している。これらの文献では、二つの結合されたファブリー・ペ ローキャビティからなる構造でのスイッチングが行われる。このようなアセンブ リが第１図に示されており、参照番号２は能動レーザ媒体を、４はスイッチング 素材、例えばＬｉＴａＯ₃等の電気光学材料を示している。レーザの能動媒体２ は、入力ミラー６及び中間ミラー８と共に第一ファブリー・ペローキャビティを 形成している。スイッチング素材は、中間ミラー８及び出力ミラー１０と共に第 二ファブリー・ペローキャビティを形成している。スイッチング素材４は、例え ば中間ミラー８の表面に接着させることができる。二つのキャビティは結合され ている。スイッチング素材４の光学長さを外部操作によって変更することによっ てスイッチングを行うことができる。第一キャビティの長さ、光学屈折率（opti cal index）及び光学共振波長（第二キャビティのそれぞれ）をＬ₁、ｎ₁、λ₁ （それぞれＬ₂、ｎ₂、λ₂）で表すと、次の関係が存在する。 ｍ₁λ₁＝２ｎ₁Ｌ₁及びｍ₂λ₂＝２ｎ₂Ｌ₂。ｍ₁及びｍ₂は整 数である。 材料４が電気光学材料である場合、スイッチング材４の両側にスイッチング電 極１２、１４がレーザビーム１６の軸線に直交して設けられている。これらの電 極間に電圧Ｖを印加すると、電極間の距離（電気光学材料の厚さに対応する）を ｅとした時に電界Ｅ＝Ｖ／ｅが生じる。電気光学材料の光学屈折率ｎ₂、更には 光学長さｎ₂Ｌ₂が電界Ｅの作用で変化する。これは、二つのキャビティの結合に 影響し、レーザ媒体から見た中間ミラー８の反射率を変化させる。このため、二 つのキャビティの共振波長が一致している（λ₁＝λ₂すなわちｎ₁Ｌ₁／ｎ₂Ｌ₂＝ ｍ₁／ｍ₂）場合、第一キャビティ（レーザ材料）から見た第二キャビティ（電気 光学材料）の反射率が最小になり、レーザ作用がまったくなくなる。このように 、電界Ｅに作用することによって、レーザの共振状態を、従って第二キャビティ の反射率を変更することができ、能動スイッチングを実行することができる。 第二キャビティの最小及び最大反射率に対応した二状態が第２ａ図及び第２ｂ 図に示されている。後者の場合、上側の曲線は第二キャビティの反射率を波長の 関数として示すものであり、 レーザのラインが下側に示されている。第２ａ図は、第二キャビティの反射率が 第一キャビティの共振波長λ₁において最小値Ｒ_minになる場合に対応している。 第２ｂ図は、二つのキャビティの共振波長が同一ではなく（λ₁≠λ₂）、第二キ ャビティが波長λ₁で最大反射率Ｒ_maxになる場合に対応している。 一般的なレーザの場合、上記の二重キャビティ構造及びその動作原理は複雑で あり、解決すべき一つの問題は、構造を簡単にした新型の能動スイッチレーザを 提供することである。 これはすべて特にマイクロレーザに応用される。この構造を備えたマイクロレ ーザが、Ｊ．Ｊ．ザイホウスキー（Ｚａｙｈｏｗｓｋｉ）他の「Ｄｉｏｄｅ−ｐ ｕｍｐｅｄ ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ ｌａｓｅｒｓ ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃ ａｌｌｙＱ−ｓｗｉｔｃｈｅｄ ａｔ ｈｉｇｈ ｐｕｌｓｅ ｒｅｐｅｔｉｔ ｉｏｎ ｒａｔｅｓ」と題する論文（Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ， 第１７ 巻、第１７号、１９９２年：第１２０１〜１２０３頁）に記載されている。１． ０６μｍで発光し、第二素材４を厚さ約１ｍｍのＬｉＴａＯ₃で構成したＹＡＧ ：Ｎｄマイクロレーザの場合、例えばｎ₁＝１．８、ｎ₂＝２、Ｌ₁＝５００μｍ 、Ｌ₂＝９００μｍになる。第二キャビティの 最大反射率変化は、ほぼｄλ／λ＝ｄＬ₂／Ｌ₂＝ｄｎ₂／ｎ₂＝１０^-4の際に得ら れる。この屈折率変化は、スイッチング材料に約１０⁴Ｖ／ｃｍの電界を加える ことによって得ることができる。 第二電気光学キャビティは、レーザ材料によって構成された第一キャビティの 出力ミラーにたとえることができる。この出力ミラーの反射率は可変であり、電 極１２、１４に加えられる外部制御電圧によって制御される。第３図は、マイク ロレーザの場合の第二キャビティの反射率Ｒの変化を印加電圧Ｖの関数として示 している。三つのミラー６、８、１０の反射率がそれぞれ９９％、９５％及び５ ０％である場合、第二キャビティの反射率は７５〜９９％で変化する。このため 、能動媒体の場合、外部電圧制御によって出力ミラーの反射率が７５〜９９％の 範囲で変化する。このため、第３図のグラフに従って、１ｍｍの電極間距離の場 合に９０％に近い反射率を得るためには数百ボルトを印加し、９９％に近い反射 率を得るためには約１０００ボルトを印加する必要がある。電圧印加時間も非常 に短く（＜１ｎｓ）しなければならないので、高性能な電子機器が必要であり、 これはマイクロレーザに必要な単純性及び低コストと両 立できない。発明の説明 本発明は第一に、公知の能動スイッチレーザよりもはるかに簡単な構造の能動 スイッチレーザキャビティに関するものである。このため、本発明によるレーザ キャビティは、能動モードで動作する公知のレーザ構造が複雑であるという問題 を解決する。 具体的に言えば、本発明は、ファブリー・ペローキャビティを形成する能動レ ーザ素材及び二つのミラーを備えたレーザキャビティであって、キャビティは光 学的安定限界にあり、また光学的不安定状態から光学的安定状態へ移行するため にキャビティの光学長さを変化させる手段を備えていることを特徴とするレーザ キャビティに関する。 このように、光学的不安定状態は、光学的安定状態とは逆にキャビティ損失が 大きい状態であるため、新しい能動スイッチングが実行される。 さらに、ファブリー・ペローキャビティが一つだけであるため、本発明の構造 は米国特許第４，９８２，４０５号及び第５，１３２，９７７号に従ったものと は大きく異なっている。 キャビティは半球形、焦点共有形、同心形または球形にすることができる。 特定の実施例によれば、能動素材とは別に、キャビティは第二の可変光学長さ 素材を備えている。しかし、これによっても、従来のように二つではなく一つの ファブリー・ペローキャビティを必要とするだけである。二つの素材は並置する か、互いに接着させることができるが、分子凝着によって互いに接触させること もできる。二素材の接合面に反射防止層を付着させることもできる。これによっ て非常にコンパクトなモノリシック構造が得られる。 キャビティの光学長さを変化させる手段は、第二素材の長さを変化させる手段 を含むことができる。 別の実施例によれば、二素材の光学屈折率が異なっており、その場合にはキャ ビティの光学長さを変化させる手段は、第二素材の光学屈折率を変化させる手段 にすることができる。 第二素材は電気光学材料か、屈折率が温度または圧力の関数として変化する材 料か、磁気光学材料か、光学的非線形材料にすることができる。 レーザキャビティの光学長さを変化させるため、ミラーの一 方を圧電素子にはめ込み、そのミラーを光学キャビティが不安定になる位置と光 学キャビティが安定する位置との間で振動できるようにすることによってその長 さを変化させることができる。 上記のようなレーザキャビティはマイクロレーザキャビティにすることもでき る。 このように、単一のマイクロレーザキャビティが形成され、その光学長さを変 化させることによって、キャビティを高損失不安定範囲から低損失安定範囲に変 位させ、それによってそのスイッチングを行うことができる。一方が能動レーザ 素材であり、他方が光学的可変長さの素材である二つの素材を含む場合でも、単 一のファブリー・ペローキャビティを備えるだけでよい。 二つの素材を並置するか、互いに接着するか、分子凝着によって付着させた時 、システムの小型化が向上する。これはマイクロレーザの場合に非常に重要であ る。キャビティが半球形、焦点共有形、同心形または球形である場合、キャビテ ィ内のビームの寸法が小さくなり、そのため使用材料の厚さを減少させることが できる。従って、マイクロレーザの寸法がさらに小さ くなる。これによって、上記問題、すなわち第二素材が電気光学材料である場合 に高電圧を加えなければならないという問題を解決することができる。このよう に、後者の厚さが減少するので、低電圧で同じ電界が得られる（ｅが電極間の厚 さである 最後に、レーザまたはマイクロレーザは、上記のようなキャビティ及び光学キ ャビティポンピング手段を備えることができる。図面の簡単な説明 添付の図面を参照しながら、本発明を実施例に関して以下にさらに詳細に説明 する。 第１図は、従来技術に従ったオプトオプティカル材料によってスイッチされる レーザを示している。 第２ａ及び第２ｂ図は、従来装置において、レーザラインとスイッチング材料 で構成されたキャビティのモードの相対的位置を示している。 第３図は、従来技術に従ってスイッチされるマイクロレーザの第一キャビティ の能動レーザ媒体から見た第二キャビティの反射率を示している。 第４図は、本発明に従ってスイッチされるレーザまたはマイクロレーザのキャ ビティを示している。 第５図は、本発明に従ってスイッチされるレーザまたはマイクロレーザのキャ ビティの別の実施例を示している。 第６ａ及び第６ｂ図は、二つのミラーによって形成された光学キャビティを示 している。 第７図は、本発明に従ってスイッチされるレーザキャビティ及びキャビティ内 の光ビームの伝播を示している。 第８図から第１０図は、本発明に従ったレーザの他の実施例を示している。 第１１ａ図から第１１ｅ図は、本発明に従ったマイクロレーザの固体能動レー ザ媒体上にマイクロレンズを形成する段階を示している。 第１２ａ図から第１２ｃ図は、本発明に従ったマイクロレーザを形成する他の 段階を示している。 第１３図は、本発明に従ったマイクロレーザキャビティの別の実施例を示して いる。発明の実施例の詳細な説明 まず、特別な実施例及び第４図に関連して本発明を説明する。 第４図は、入力ミラー２０及び出力ミラー２２で構成されたレーザまたはマイク ロレーザキャビティを示しており、それらの間に能動レーザ媒体２４（例えばＹ ＡＧ：Ｎｄ）及び電気光学媒体２６（例えばＬｉＴａＯ₃）がある。電気光学媒 体２６は二つの電極２８及び３０間に配置されている。これらの二つの電極は、 その間に電圧差ΔＶを生じる図示しない手段に接続されており、この電圧差によ って媒体２６内に電界Ｅ＝ΔＶ／ｅ（ｅはこの媒体の厚さを表す）が生成される 。媒体２４及び２６は互いに接触しており、その接合面２４−２６に反射防止層 を配置することができる。能動レーザ媒体２４には、レーザダイオードのビーム 等の８０８ｎｍのポンピングビーム３２によってポンピングされる。入力及び出 力ミラーは、入力ミラーの場合、レーザビームの波長（媒体２４がＹＡＧ：Ｎｄ 形式である場合は１．０６μｍ）で最大反射率となり、ポンピングビームの波長 で最大可能透過率（例えば１．０６μｍではＲ＝９９．５％、８０８ｎｍでＴ＞ ８０％）になるように選択することができる。出力ミラーは、レーザビームの波 長で高い反射率を持つ（例えば媒体２４がＹＡＧ：Ｎｄ形式である場合、１．０ ６μｍでＲ＝８５〜９９％）と共に、ポンピングビーム の波長で高い反射率（例えば８０８ｎｍでＲ＞８０％）を持つように選択するこ とができる。 第４図に示されているキャビティは、安定限界にある半球形キャビティである 。二種類の素材、すなわちレーザ素材と、外部制御電圧によって光学屈折率（op tical index）を変化させることができる別の素材とで形成された単一キャビテ ィだけが設けられている。従来技術で説明した二つの結合キャビティの場合とは 異なって、二つの素材が単一のファブリー・ペローキャビティを形成している。 このため、二素材の接合面にレーザの波長で反射防止層を設けることができ、中 間ミラーがない。二素材２４及び２６は、接着または分子凝着で接触させること ができる。これらの二素材の接合面では、二素材の光学屈折率差のために数％の 低反射率になり得るが、この低反射率では上記の従来システムのように二つのキ ャビティを共振状態で結合するための十分な共振を得ることはできない。 第５図は、本発明によるレーザまたはマイクロレーザキャビティの別の実施例 を示している。媒体３４及び３６は、第４図の媒体２４及び２６と同じ機能を備 えており、媒体３４は屈折率がｎ₁、長さがＬ₁のレーザ素材であり、素材３６は 屈折率が ｎ₂、長さがＬ₂の電気光学素材である。この素材３６は、二つの接触電極３８及 び４０間に配置されている。キャビティは焦点共有形であり、入力ミラー４２（ 曲率半径がＲ₁、直径がΦ₁）と出力ミラー４４（曲率半径がＲ₂、直径がΦ₂）と によって密封されている。レーザ素材にはポンピングビーム４６でポンピングさ れる。この場合も、二素材３６及び３４は、第４図の素材２６及び２４と同様に 互いに接触している。 その場合、安定限界で焦点共有形（第５図のように二つの凹ミラーを備えてい る）または半球形（第４図のような平凹形）のキャビティを形成できるようにミ ラーの特徴を決定することが必要である。 一般的に、第６ａ図で考えると、それぞれ曲率半径Ｒ₁、Ｒ₂の二つのミラー４ ８、５０を距離Ｌだけ離し、キャビティを空にするか、屈折率ｎの単一の光学媒 体で充たした時、二つの固有キャビティパラメータが次のように定められる。 ｇ₁＝１−Ｌ／Ｒ₁及びｇ₂＝１−Ｌ／Ｒ₂ キャビティの安定範囲は０＜ｇ₁ｇ₂＜１（ｇ₁及びｇ₂は同一符号）の関係で与 えられる。 さらに、第６ｂ図において、入力及び出力ビーム及びキャビ ティ内レーザビームの大きさをそれぞれｗ₁、ｗ₂及びｗ₀とすると、λが波長を 表す時、次の関係が得られる。 ｗ₁ ²＝(λ・Ｌ)/(π・ｇ₁)・(ｇ₁ｇ₂)^1/2(１−ｇ₁ｇ₂)^-1/2 ｗ₂ ²＝(λ・Ｌ)/(π・ｇ₂)・(ｇ₁ｇ₂)^1/2(１−ｇ¹ｇ²)^-1/2 ｗ₀ ²＝(λ・Ｌ)/(π)・(ｇ₁ｇ₂)^1/2(１−ｇ₁ｇ₂)^1/2・(ｇ₁＋ｇ₂−２ｇ₁ｇ₂)^{- 1/2} キャビティの共振波長は次の方程式で与えられる。 ２ｎＬ＝λ・(ｑ＋(Ｓ＋１)/π・ａｒｃｃｏｓ(ｇ₁ｇ₂)^1/2) 但し、ｑ及びＳは整数である。 安定限界の場合は、ｇ₁ｇ₂＝１またはｇ₁ｇ₂＝０で与えられる。 ｇ₁及びｇ₂の変動のキャビティ感度は次式で与えられる。 ｄｗ₁/ｗ₁＝(ｄｇ₁/４ｇ₁)・(２ｇ₁ｇ₂−１)/(１−ｇ₁ｇ₂) ｄｗ₂/ｗ₂＝(ｄｇ₂/４ｇ₂)・(２ｇ₁ｇ₂−１)/(１−ｇ₁ｇ₂) 最小感度はｇ₁ｇ₂＝１／２で得られ、その場合にはｄｗが０に向かう（これは 、例えば平凹キャビティの場合であり、Ｒ₂＝∞、ｇ₂＝１；Ｒ₁＝２Ｌ、ｇ₁＝１ ／２）。 最大感度は、（平行平面、同心形または球形構造では）ｇ₁ｇ₂＝１で得られる が、（半球形または焦点共有形構造では） ｇ₁＝０及びｇ₂＝０の両方またはいずれか一方、すなわち安定範囲の限界で得ら れ、その場合にはｄｗが無限大に向かう。 本発明によるキャビティの場合、キャビティは二種類の光学屈折率ｎ₁及びｎ₂ を備えた二部構成である。安定限界にある平凹キャビティ（半球形キャビティ） の場合が第７図に示されている。キャビティは二つのミラー５１、５２によって 密封されている。ミラー５１は曲率半径がＲ₁である。屈折率がｎ₁、長さがＬ₁ の媒体５３は能動レーザ媒体である。媒体５４は、屈折率がｎ₂＝ｎ₁、長さがＬ₂ であり、接着または分子凝着等によって媒体５３と並置されている。 第７図に示されている記号を用いた非常に簡単な計算により、以下を証明する ことができる。 −ｎ₁ｓｉｎｉ₁＝ｎ₂ｓｉｎｉ₂（小さい角度の場合、ｎ₁ｉ₁＝ｎ₂ｉ₂） −Ｌ₂ｔａｎｉ₂＝（Ｒ₁−Ｌ₁）ｔａｎｉ₁（小さい角度の場合、Ｌ₂ｉ₂＝（Ｒ₁− Ｌ₁）ｉ₁） 従って、小さい角度の場合、ｎ₁Ｌ₂＝ｎ₂（Ｒ₁−Ｌ₁）が得られる。 従って、このような平凹キャビティの安定は次式で表される。 ｎ₂Ｒ₁≧ｎ₂Ｌ₁＋ｎ₁Ｌ₂、またはＲ₁≧Ｌ₁＋（ｎ₁／ｎ₂）Ｌ₂または Ｒ₁≧Ｌ＋（ｎ₁／ｎ₂−１）Ｌ₂ 従って、パラメータを定めることができる。 ｇ₁＝１−（ｎ₁Ｌ₂＋ｎ₂Ｌ₁）／（ｎ₂Ｒ₁）＝１−Ｌ／Ｒ₁−（ｎ₁／ｎ₂−１） Ｌ₂／Ｒ₁ 同様に、各々の曲率半径がＲ₁、Ｒ₂である二つのミラーの場合、パラメータｇ₂ も次のように定められる。 ｇ₂＝１−（ｎ₁Ｌ₂＋ｎ₂Ｌ₁）／（ｎ₁Ｒ₂）＝１−Ｌ／Ｒ₂−（ｎ₂／ｎ₁−１） Ｌ₁／Ｒ₂ このため、すべてのキャビティを、キャビティ感度が最大になる安定限界で設 計された平面−球面（すなわち半球形）及び球面−球面（すなわち焦点共有形、 同心形または球形）と考えることができ、これには以下の場合がある。 −半球形キャビティ（ｇ₁＝０、ｇ₂＝１）の場合、 Ｒ₂＝∞、Ｒ₁＝Ｌ₁＋（ｎ₁／ｎ₂）Ｌ₂ −焦点共有形キャビティ（ｇ₁＝ｇ₂＝０）の場合、 Ｒ₁＝Ｌ₁＋（ｎ₁／ｎ₂）Ｌ₂、Ｒ₂＝Ｌ₂＋（ｎ₂／ｎ₁）Ｌ₁、これから、 Ｒ₂／Ｒ₁＝ｎ₂／ｎ₁ −同心形または球形キャビティ（ｇ₁ｇ₁＝１）の場合、 ｎ₁Ｒ₂＋ｎ₂Ｒ₁＝ｎ₁Ｌ₂＋ｎ₂Ｌ₁ 半球形キャビティの場合、Ｌ＝Ｌ₁＋Ｌ₂として、Ｒ₁≧Ｌ＋（ｎ₁／ｎ₂−１） Ｌ₂で安定が得られる。 焦点共有形キャビティの場合、 Ｒ₁≧Ｌ＋（ｎ₁／ｎ₂−１）Ｌ₂、 Ｒ₂≧Ｌ＋（ｎ₂／ｎ₁−１）Ｌ₁ で安定が得られる。 最後に、同心形または球形キャビティの場合、安定が得られる条件は以下の通 りである。 いずれの場合も、キャビティを安定状態にするために対応の不等式を満足させ るように屈折率ｎ₂または屈折率ｎ₁、あるいは長さＬ₁またはＬ₂の一方を変更す ることができる。これらのパラメータの変化は、外部制御手段によって行われる 。また、 キャビティの光学的安定状態は低損失状態に、光学的不安定状態は高損失状態に 対応するので、これはキャビティの能動スイッチングを行うための新しい手段に なる。 従って、例えば出力ミラーを圧電素子にはめ込み、その位置を、従って屈折率 ｎ₂の媒体の長さＬ₂を変更することができる。これが第８図に示されており、こ こでは参照番号５５が屈折率ｎ₁の能動レーザ素材を示し、参照番号５６が（ｎ₁ とは異なった）屈折率ｎ₂の固定媒体を示しており、半球形キャビティの出力ミ ラー５７の位置をキャビティが光学的に安定した位置Ａからキャビティが光学的 に不安定な位置Ｂへ変更させる。 あるいは、屈折率ｎ₂の媒体として、磁界を加えることによって屈折率が変化 する電気光学媒体を使用することもでき、これは第４図及び第５図に関連して説 明されている。 第９図に示されているように、屈折率ｎ₂の媒体として、第二レーザビーム５ ８を照射することによってポンピングされる非線形素材５７を用いることもでき る。屈折率ｎ₂の値はポンピングによって変化する。そのような非線形素材は、 「Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ｔｅｃｈｎ ｏｌｏｇｙ」第３巻、第１部、第１節（１９８６年、 ＣＲＣ Ｐｒｅｓｓ）に記載されている。屈折率ｎ₂の媒体の屈折率の変化によ って、入力４７及び出力４９ミラー間の単一キャビティの光学長さが変化するた め、不安定状態から光学的安定状態への、またはその逆の移動時にキャビティの スイッチングが生じる。 また、屈折率ｎ₂の媒体として、屈折率ｎ₂が外部磁界に応答して変化する磁気 光学媒体６０（第１０図を参照）を使用することができる。例えば、屈折率ｎ₂ を変化させるために屈折率ｎ₂の素材の近くで電磁石６１を用いることができる 。この特性を備えた素材が、「Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｓｃｉｅ ｎｃｅ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」第４巻、第２部、第２節（１９８６年 、ＣＲＣ Ｐｒｅｓｓ）に記載されている。 さらに、レーザキャビティの光学長さを変更するために温度を利用することも できる。このように、多くの素材の長さが温度変化で変化する。 別の実施例によれば、圧力もキャビティ内の光学長さを変更することができ、 一定の素材は圧力によって決まる屈折率ｎ₂を備えている。 別の変更例によれば、能動レーザ素材のパラメータ（ｎ₁、Ｌ₁）を電気的、温 度的または機械的手段によって変化させることができる。例えば、圧電手段には め込まれた入力ミラーの位置を変化させることによって長さＬ₁を変化させるこ とができる。レーザ素材（能動レーザ媒体のマトリックスとして使用された一定 の素材、例えばＹＡＧは電気光学特性を備えている）の屈折率ｎ₁だけに作用す る場合、いずれの屈折率変化も光学長さ変化に影響を与えるように、屈折率ｎ₁ とは異なった屈折率ｎ₂の第二媒体をキャビティ内に保持することが必要である 。 屈折率ではなく光学キャビティの合計長さだけを変化させる場合、キャビティ 内にｎ₁のレーザ媒体だけを備え、屈折率ｎ₂の第二媒体を用いなくてもよい。そ のような場合、能動モードキャビティスイッチングシステムが、従来のシステム に較べて非常に簡単になる。従って、電気光学素材等の第二素材を用いる必要が なくなる。 半球形、焦点共有形、同心形または球形キャビティを用いることによって、第 ７図に示されているように、電気光学素材内でレーザビームを集束させることが できる。レーザビーム断面 積が減少するので、屈折率ｎ₂の素材を薄くすることができる。従って、レーザ 素材と共に単一キャビティを形成する電気光学材料を使用する場合、屈折率ｎ₂ の調整に必要な電界Ｅを得るために接触電極（第４図の２８、３０、及び第５図 の３８、４０）間に必要とされる距離を減少させることができる。その結果、同 じ電界Ｅを得るために電極に印加すべき電圧が小さくなる。さらに、レーザのス イッチングが外部制御電圧によるｎ₂の調整によって得られ、ｗ、ｇ及びｎの関 係が線形であり、且つキャビティが最大感度領域に定められている場合、キャビ ティを安定限界付近に調整するには、約１０^-4というｎ₂の小さな相対変化で十 分である。 Ｌ₁及びＬ₂の厚さを１０^-4の精度（すなわち、マイクロレーザの場合、０．１ μｍの厚さの制御）で調整することが困難である場合、連続電界を加えるか、キ ャビティ温度を調整することによって、または他の機械的手段（例えば圧電効果 ）によってこれらの長さをスイッチング前に調整することが必要である。この長 さ調整によって、例えばキャビティを不安定状態に調節することによりレーザの オフ状態を定めることができる。この初期状態から、第二素材が電気光学形式で ある場合には、 キャビティを安定させてレーザパルスを発生するように、ｎ₂を急速に変化させ るために高速電界パルスを加えれば十分である。 以上に説明したものはすべて、マイクロレーザキャビティの場合及び安定限界 に設置されており、不安定状態から安定状態へ移動させるために光学長さが調節 されるレーザキャビティの一般的場合にも適用できる。 また、能動レーザ媒体と屈折率ｎの第二媒体の位置を反対にして、後者が入力 ミラー側になるようにすることも可能である。やはりキャビティは一つだけであ り、二つの媒体の各々は同じ機能をする。 （マイクロレーザの逆の）「マクロ」寸法のレーザの場合、例えば第４図、第 ５図、第７図〜第１０図に関連して説明したようなキャビティの製造段階は当業 者には知られている。屈折率ｎ₁及びｎ₂の二つの媒体は、接着または分子凝着に よって生じる。二素材の接合面に反射防止層を付着させることは、キャビティを 安定限界に定めることを可能にする所望のタイプの幾何構造（曲率半径）を備え た入力及び出力ミラーの形成のための反射層の付着と同様に公知である。例えば 、ポンピングビー ムが最初に通過する素材（第４図及び第５図内の能動レーザ媒体）の入力面を所 望の曲率半径で研摩することができる。キャビティ内に収容されている素材にミ ラーを直接的に付着させることによって、素材をコンパクトにし、従って使用中 の調節不調の問題を解決することができる。 次に、能動レーザ媒体及び電気光学素材を備えた本発明によるマイクロレーザ の製造方法を説明する。この方法には第一〜第十五段階が含まれる。 １）第一段階で、キャビティ安定限界になるように、屈折率ｎ₁及びｎ₂の異なっ た媒体の曲率半径及び長さを計算する。 ２）第二段階で、レーザ素材プレートと、オプションとして屈折率ｎ₂の素材、 例えばＬｉＴａＯ₃等の電気光学素材のプレートの切断及び両面研摩を行う。 ３）レーザ素材の入力面上にマイクロレンズ（一般的に、直径が１００〜５００ μｍ、曲率半径Ｒ₁が１〜２ｍｍ）を写真製版及び機械加工によって形成する。 この段階が第１１ａ図〜第１１ｅ図に示されている。第一サブ段階（第１１ａ図 ）で、感光樹脂層６３をレーザ素材６５の入力面上に付着させてから、マスク６ ４を介して樹脂に紫外線を照射する（第１１ｂ図）。 次の段階（第１１ｃ図）では、樹脂を化学現像することによって、マイクロレン ズを形成するためのブロック６６、６８だけを残す。次に、樹脂マイクロレンズ ７０、７２を形成するために樹脂を高温流動または接着させた（第１１ｄ図）後 、レーザ素材６５をイオンビーム７４で加工する（第１１ｅ図）。 次に、第１２ａ図を参照しながら第四〜第九段階を説明する。 ４）入力ミラー６７をレーザ素材６５の入力面上に付着させる（例えばダイクロ イックミラーの場合、レーザビームの波長で反射率が９９．５％以上、ポンピン グビームの波長で透過率が８０％以上）。 ５）次に、電気光学素材７１の出力面上にマイクロレンズ６９（一般的に、直径 が１００〜５００μｍ、曲率半径Ｒ₂が１〜２ｍｍ）を写真製版及び機械加工に よって形成する。出力ミラーが平面ミラーである場合には、電気光学素材の出力 面上にマイクロレンズを形成しない。さらに、出力ミラー（マイクロレンズ）の 直径は入力ミラー（マイクロレンズ）の直径より小さくすることができる。 ６）次に、電気光学素材７１の出力面に出力ミラー７３を付着させる（出力ミラ ーはレーザビームの波長で一般的に、反射率 が８５〜９９％であり、オプションとして第一通過時に完全には吸収されなかっ たポンピングビームを反射するためにポンピングビームの波長を越える反射率を 備えてもよい）。 ７）第七段階で、レーザ素材６５と電気光学素材７１との間の接合面に反射防止 層７５を付着させる。この層は、レーザ素材６５の平面的な出力面又は、電気光 学素材７１の平面的な入力面に付着させることができる。この付着は、装置の作 動に不可欠なものではない。 ８）次に、二枚のプレートを光学接着、または他の方法、例えば分子凝着等によ る組み付けで付着させる。 ９）樹脂付着物７７によって出力面を保護する。 １０）マイクロ電子工学で使用されるダイヤモンドブレードのこによって電気光 学素材に溝７９を付ける（第１２ｂ図）ことにより、続いて（従来技術では電極 間距離が１ｍｍであるのに対して）約１００μｍの所望間隔で電極を形成するこ とができる。 １１）次に、蒸着によって電気接点を付着させる（例えば、樹脂７７及び電気光 学素材７１の周囲にＣｒ−Ａｕ層８１を付着させる）。 １２）次に、保護樹脂をエッチングする（第１２ｃ図）。 １３）次に、約１ｍｍ²寸法の基本チップ８３を第１２ｃ図に示されているよう に切断し、この図面では参照番号８５及び８７が電気光学素材７１の制御電極を 示している。 １４）チップを金属化印刷回路板上にはめ込みインピーダンス整合を行い、電気 接続をして金属被覆ボックスにはめ込む。 １５）ボックスへのはめ込みは、レーザポンピングダイオード及びスイッチング 用の電気コネクタとの接続と共に行われる。 変形例によれば、可変密度マスクでマイクロレンズを形成することができる。 さらに、第１３図に示されているように、レーザの波長で透過性があるガラスま たはシリカ等の素材９３上にマイクロレンズ８９、９１を形成することもできる 。マイクロレンズを備えたこれらの基材を次にマイクロレーザの入力９５及び出 力９７面に結合することができる。これによって得られる構造が第１３図に示さ れている。 また、公知のすべての形式の固体レーザ材料（水晶またはガラス）を使用する ことができる。特に、波長は能動イオンの関数として決定され、Ｎｄ及びＹｄで は約１μｍ、Ｅｒ及びＥｒ＋Ｙｂでは１．５５μｍ、Ｔｍ及びＨｏでは２μｍで ある。ミ ラーのスペクトル特性は、波長の関数として、また同時にマイクロレーザスイッ チング特性の関数として選択される。屈折率ｎ₂の第二素材が電気光学材料であ る場合、制御電圧によって光学長さを変化させることができるようにするすべて の公知の電気光学または半導体材料を第二キャビティの形成に使用することがで きる。これらの材料は、波長の関数として、また同時にそれらの電気光学特性の 関数として選択される。前述したように、屈折率が磁界の関数として、または入 射レーザビームに応答して、または圧力または温度変化に応答して変化する材料 を選択することも可能である。 本発明によるレーザまたはマイクロレーザから得られる利点を以上に記載し、 より簡単なレーザ装置を開発することを可能にする新規な能動スイッチング形式 を提案した。 さらに、マイクロレーザの場合には、本発明は可変屈折率媒体ｎ₂の寸法を小 さくすることができるので、マイクロレーザの寸法を小さくできるか、もしくは 不要とする。電気光学材料の場合、電極間距離を、従来技術では約１ｍｍであっ たのに対して、１００μｍにすることができる。従って、はるかに低いスイッチ ング電圧を使用する。さらに、マイクロレーザはモノ リシックであり、マイクロ電子工学に使用されている形式の集合的方法によって 製造でき、低コストのマイクロレーザ手段の製造が可能になる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．光学的安定限界にある半球形、焦点共有、同心形または球形のファブリー・ ペローキャビティを形成する能動レーザ素材（２４、３４、５３、５５）及び二 つのミラー（２０、２２；４２、４４；５１、５２）と、光学長さが可変の第二 素材（２６、３６、５４、５６、５７、６０）と、光学的不安定状態から光学的 安定状態へ移行させるための光学長さを変化させる手段とを備えているマイクロ レーザキャビティ。 ２．前記二つの素材は並置させるか、互いに接着させるか、分子凝着によって互 いに接触させる請求の範囲第１項に記載のマイクロレーザキャビティ。 ３．前記二つの素材の接合面に反射防止層を付着させる請求の範囲第２項に記載 のマイクロレーザキャビティ。 ４．キャビティの光学長さを変化させる手段は、第二素材の長さを変化させる手 段を含む請求の範囲第１項から第３項のいずれか一項に記載のマイクロレーザキ ャビティ。 ５．前記二つの素材の光学屈折率が異なっており、キャビティの光学長さを変化 させる手段は、第二素材の光学屈折率を変化 させる手段を備えている請求の範囲第１項から第４項のいずれか一項に記載のマ イクロレーザキャビティ。 ６．第二素材は電気光学材料（２６、３６）である請求の範囲第１項に記載のマ イクロレーザキャビティ。 ７．第二素材の屈折率が温度変化に伴って変化する請求の範囲第１項に記載のマ イクロレーザキャビティ。 ８．第二素材の屈折率が圧力変化に伴って変化する請求の範囲第１項に記載のマ イクロレーザキャビティ。 ９．第二素材は磁気光学材料（６０）である請求の範囲第１項に記載のマイクロ レーザキャビティ。 １０．第二素材は光学的非線形材料（５７）である請求の範囲第１項に記載のマ イクロレーザキャビティ。 １１．光学的安定限界にある半球形、焦点共有形、同心形または球形のファブリ ー・ペローキャビティを形成する能動レーザ素材（２４、３４、５３、５５）及 び二つのミラー（２０、２２；４２、４４；５１、５２）を含むマイクロレーザ キャビティであって、光学的不安定状態から光学的安定状態へ移行させるために キャビティの二つのミラーの少なくとも一方の位置を変化させることを可能にす る圧電手段によってキャビティの 長さを調節可能にしたマイクロレーザキャビティ。 １２．請求の範囲第１項から第１１項のいずれか一項に記載のキャビティと光学 キャビティポンピング手段とを備えたマイクロレーザ。