JP3636492B2 - 可飽和吸収体により受動スイッチングする自己配列したモノリシック固体マイクロレーザー及びその製法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、固体マイクロレーザーに関し、前記マイクロレーザー用キャビティおよび前記キャビティの製法に関する。
【０００２】
このマイクロレーザーの主な利点（本明細書の最後に挙げた参考文献１及び２参照）は、多重層の積層体をなすその構造であって、その本質的な特性を構成しているものである。活性レーザー媒質は、１５０〜１０００μｍの限定された厚みを有する低次元（数ｍｍ²）の物質より構成され、その上には誘電体キャビティ鏡（dielectric cavity mirrors）が直接堆積されている。この活性媒質は、ＩＩＩ−Ｖレーザーダイオードによって励起することができるが、このダイオードは、マイクロレーザー上に直接ハイブリッド化されているか、あるいは光ファイバによって結合されている。マイクロ電子工学の手法を用いた集団生産の可能性は、前記マイクロレーザーの極めて低コストでの大量生産を保証するものである。
【０００３】
マイクロレーザーには、自動車産業、環境、科学的計測、遠隔測定法に渡る様々な分野において数多くの応用がある。
既知のマイクロレーザーは、一般的に数ダースｍＷのパワーを持つ連続放出を有する。しかしながら、前述の応用のほとんどで、平均パワーが数ダースｍＷであり、１０^-8〜１０^-9秒間に数ｋＷのピークパワー（瞬間電力）が要求されている。固体レーザーにおいては、周波数１０〜１０⁴Ｈｚのパルスモードにて作動させることによって、そのような高いピークパワーレベルを得ることが可能である。こうした目的のために、公知のスイッチングプロセス、例えば、Ｑ−スイッチによるもの（明細書の最後に挙げた参考文献３）が利用されている。
【０００４】
より具体的には、レーザーのキャビティのスイッチングは、励起エネルギーがゲイン材料の励起レベルに貯蔵される間のある一定の時間、レーザー効果を妨げる時間変動性の損失をキャビティに加えることからなる。これらの損失はある瞬間に突然減少し、したがって蓄積したエネルギーを非常に短時間のうちに放出し（ジャイアントパルス）、このため高いピークパワーが得られる。
【０００５】
いわゆる能動スイッチングの場合は、損失の値は使用者によって外部から制御される（例えば、ビームの経路あるいはその偏光状態のいずれかを変化させる、キャビティ内電気−光学的あるいは音響−光学的の型の回転キャビティ鏡）。貯蔵時間、キャビティ開放時間、及び反復速度は個別に選択することができる。しかしながら、このことが、これに合ったエレクトロニクスを要求するので、レーザーシステムをかなり複雑なものとしているのである。
【０００６】
いわゆる受動スイッチングの場合は、可変損失はキャビティに可飽和吸収（ＳＡ）として知られる物質の形で導入され、これはレーザー波長と低いパワー密度において高い吸収体であり、前記密度がある臨界値を越えると実質的に透明になるが、これはＳＡの飽和強度と呼ばれている。
特に、固体可飽和吸収体（明細書の最後に挙げた参考文献４および５）あるいは可飽和吸収体高分子（明細書の最後に挙げた参考文献７および８）を用いた受動的スイッチングは、既に実施されている。
【０００７】
既知の可飽和吸収体は、多くの場合、吸収をもたらす有機分子を含んでいる。これらの物質は一般的に液状またはプラスチックの形態であり、それゆえ光学的特性に劣り、劣化が非常に速く、レーザーフラックス(laser flux)に対する抵抗が乏しい（参考文献３）。
固体物質もまた、可飽和吸収体として用いられる。これらの固体物質は結晶成長によって得られ、Ｃｒ⁴⁺（参考文献５）あるいはＥｒ³⁺（参考文献６）のような可飽和吸収体イオンがドープされている。
ある場合には、結晶成長によって得られた同じ物質（例えば、ＹＡＧ）が、同時に活性レーザーイオン（例えば、Ｎｄ）および可飽和吸収体イオン（例えば、Ｃｒ）を含有している（参考文献４）。
【０００８】
このような可飽和吸収体の補助を受けて受動スイッチングされた既知のレーザーにおいては、レーザーキャビティ内部として下記の配置が提案されている。
【０００９】
１．第一の配置は図１（ａ）に示されており、符号１はレーザーキャビティを、２は活性レーザー材料を、３は可飽和吸収体を、４、５はキャビティの入射鏡および出射鏡を示すものである（参考文献３）。一方の端にある可飽和吸収体３と、他方にあるキャビティ１の他の要素との間には、全く接触がない。
この種の装置においては、キャビティの要素を光学的に配列することが必要である。さらにまた、レーザーが使用される際には光学的セッティングが必要であろう。
【００１０】
２．図１（ｂ）および図１（ｃ）に示される配置においては、光学的接着剤６（参考文献７）の補助を得て可飽和吸収体３と、鏡４（図１ｂ）あるいは活性レーザー物質２（図１ｃ）との間で接触を確実なものとしている。しかしながら、この接着剤は、接着剤と接着された材料との境界面において剰余吸収率および屈折率の差を導く。さらにまた、接着された要素間に起こり得る平行性の欠陥もまた、レーザーキャビティ中の損失の原因となりうる。
【００１１】
３．図１（ｄ）および１（ｅ）は、第三の可能な配置（参考文献４）を示しており、２は同じく活性レーザー物質を示すが、それは活性レーザーイオンと可飽和吸収イオンとが共ドープされている。すなわちこのとき同じ物質が活性媒質および可飽和吸収体として働くのである。よって、レーザー物質と可飽和吸収体の特性を個別に調節することは不可能である。
媒質の厚みは、レーザーモードの構造に影響を与えると同様に、可飽和吸収体の吸収および活性レーザーイオンの吸収の両方にも影響を与える。
【００１２】
さらにまた、活性レーザーイオンおよび可飽和吸収体の吸収係数は、それらのイオンの濃度と直接関連しており、これらイオンは結晶成長の間に絶対的に固定され、その後は変更することができない。すなわち、各レーザー配置各々について新たな結晶を製造せねばならない。
最後に、レーザー作用のため及び可飽和吸収体としての両方に同じイオン（例えば、Ｅｒ）を用いて受動スイッチングされるレーザーの場合、この共ドープ法を用いることは不可能である。それは、同じイオンが、活性イオンとしてあるいは可飽和吸収イオンとして働くには、その濃度が非常にかけ離れているからである。可飽和吸収体とするためには、その濃度は活性レーザー物質とするためよりも極めて高くなければならない。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はマイクロレーザー用の固体活性物質を有する新規なレーザーキャビティに関するものであり、前述の種々の問題を解決することを可能にするものである。本発明はまた、前記マイクロレーザーキャビティの製法に関するもので、同様に、それを組込んだマイクロレーザーに関するものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の問題を取り除くために、本発明は、マイクロレーザーの活性材料上に、可飽和吸収体を薄膜の形態で直接堆積することを提案するものである。
より具体的には、本発明は、固体活性媒質と、可飽和吸収体と、入射鏡あるいは入力鏡および出射鏡あるいは出力鏡とを有し、この可飽和吸収体が固体活性媒質上に直接堆積された可飽和吸収体材料の薄膜であることを特徴とするマイクロレーザー用のキャビティである。
【００１５】
本発明の主要な利点の一つは、層あるいは膜の多重体からなる、スイッチングされるマイクロレーザー（あるいはマイクロ光学と連携したマイクロレーザーから成るレーザーマイクロシステム）の構造にあり、低コストの集団的生産の実現性を保つことを可能にするものである。この多層構造は、連続マイクロレーザー用に進歩しているような簡便な集団的生産の方法、即ちマイクロレーザーの低コストを損うものではない。これは、自己配列した(self-aligned)、モノリシックの、受動スイッチングされるマイクロレーザー（何らの光学的セッティングなしの）を製造することを可能にし、また、これはデレギュレート(deregulate)され得ない。この構造は接着の操作も複雑な配列の操作も全く要求しない。
【００１６】
“共ドープ(codoped)”レーザーと比較して、本発明のマイクロレーザーの他の利点は、活性媒質が可飽和吸収体から分離されていることであるが、その２つの媒質の接着が避けられ、しかもモノリシック構造が維持されていることである。したがって、（層の堆積の間に、あるいは層の堆積に続く機械的な厚みの減縮による）厚みの調整、及び二つの媒質中のイオンの濃度とを独立に調整することが可能であり、一方前記分離の結果として、同一のイオン（例えば、Ｅｒ）が活性イオンとして、また可飽和吸収体として、異なる濃度で使用されるスイッチングされるレーザーが製造できる。
【００１７】
基本となるレーザー材料は、以下より選択することができる。
Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂（または“ＹＡＧ”）、
ＬａＭｏＡｌ₁₁Ｏ₁₂（または“ＬＭＡ”）、
Ｙ₂ＳｉＯ₅（または“ＹＳＯ”）、
ＧｄＶＯ₄、
ＹＶＯ₄、
ＹＬｉＦ₄（または“ＹＬＦ”）、あるいは他の既知の物質であって、
ネオジム（Ｎｄ）、エルビウム（Ｅｒ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ツリウム（Ｔｍ）、ホルミウム（Ｈｏ）のイオンによってドーピングされ、あるいはＥｒ＋Ｙｂ（エルビウム＋イッテルビウム）あるいはＴｍ＋Ｈｏ（ツリウム＋ホルミウム）を共ドーピングされ、あるいは他の既知のイオンによりドーピングされている。
【００１８】
本発明の第１の好ましい実施態様によれば、薄膜は高分子溶媒に溶解した有機染料によって構成されている。特に、その有機染料は、ビス（４−ジエチルアミノジチオベンジル）ニッケル、あるいは、ビス（４−ジメチルアミノジチオベンジル）ニッケルより選択され、溶媒はポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、ポリビニルアルコール、ポリ酢酸ビニル、ポリスチレン等の溶液である。
【００１９】
本発明の第２の好ましい実施態様によれば、薄膜は、液相エピタキシーによって堆積させることができる。特に、薄膜は液相エピタキシーによって堆積され可能であり、その薄膜は、Ｃｒ⁴⁺あるいはＥｒ³⁺イオンでドープされた固体活性媒質と同一の基礎材料より構成される。
【００２０】
液相エピタキシーするためには、基板と同一の基礎材料、あるいは少なくとも結晶構造（格子）が基板として用いた材料のそれに類似した材料を用いることが必要である。Ｃｒ⁴⁺ドーピングは１．０６μｍのレーザーに用いられ、Ｅｒ³⁺ドーピングは１．５μｍのレーザーに用いられる。
【００２１】
本発明の２つの可能性（高分子あるいはエピタキシー膜）の間での、利点及び欠点を以下に挙げる。
高分子に関しては、任意のレーザー材料上に堆積することが可能であるが、エピタキシー膜の場合よりも破壊障壁が低く、より低いエネルギーレベルにて操作を行なう必要がある。さらにまた、レーザー物質と高分子との屈折率の差異は、二つの媒質の間に光学的界面をもたらす。
【００２２】
エピタキシー膜に関しては、破壊障壁はレーザー材料のそれと同程度に高い。しかしながら、これまで説明したように、エピタキシーは同じ材料上に（例えば、ＹＡＧ上のＹＡＧ）、あるいは堆積された材料のそれに近い結晶構造（格子）を有する材料上でのみ実施が可能である。このことは応用の範囲を限定するものである。しかしながら、二つの媒質の間に光学的界面が形成されるのを避けるために、エピタキシー膜の屈折率を活性レーザー媒質（エピタキシー基板としてはたらく）のそれに適合させることは可能である。このエピタキシー膜もまた、基板と同等の特性を有する。
【００２３】
いずれの場合も、活性材料及び可飽和吸収体の膜の間には、接着は全くない。したがって、剰余吸収、屈折率の差異、また考えられる平行性の欠陥に関連した問題は生じない。
【００２４】
薄膜（高分子あるいはエピタキシー膜）では、可飽和吸収体の膜あるいは層の厚みは、固体可飽和吸収体の場合よりも格段に小さい。即ち、数ミクロン（１〜１０μｍ）の高分子膜あるいは百ミクロン（１〜５００μｍ）のエピタキシー膜が、レーザーの作動に適切な吸収係数を得るのに充分である。したがって、このように限定された厚み結果として、モノリシックマイクロレーザーは全体に小さな寸法となる。
【００２５】
本発明により提供される別の可能性によれば、これまでに述べたマイクロレーザーキャビティは、第２の可飽和吸収体膜を有する。
完全なレーザーキャビティを得るために、入力面上に誘電体多重層の堆積により製造される二色鏡が、出口面上の、ＳＡ層の上に同様の方法で製造される出射鏡が提供される。
また、レーザー材料上に直接エッチングされたマイクロレンズ・アレーを、レーザー材料の上、入射鏡を形成する誘電体多重層の下に提供することも可能である。
【００２６】
本発明はまた、これまで説明した型のキャビティ及び活性固体媒質に対する光学的励起手段を有するマイクロレーザーに関する。好ましくは、励起手段は少なくとも一つのレーザーダイオードからなる。
マイクロレーザーを構成する前記の要素は全て、アセンブリ箱、ケース、機械的支持体中に一体化することができる。あるいはまた、マイクロレーザーキャビティを収容した第１のケース、光学的励起手段を収容した第２のケース、及びその２つのケース間の光ファイバ型光学的接続とを有することも可能である。
【００２７】
本発明は前述のレーザーマイクロキャビティの製法にも関連する。この製法は以下の段階を含む：
固体活性媒質を構成する材料の、予め決定した厚みでの、コンディショニング段階、及び、可飽和吸収体薄膜を上記の段階により製造された材料の一方の面あるいは両方の面上に直接形成する段階。
【００２８】
上記製法の第１の好ましい実施態様によれば、薄膜はワーラー（Whirler）で堆積される。これは、高分子溶媒に溶解した有機染料より形成されるのが望ましい。
有機染料は、ビス（４−ジエチルアミノジチオベンジル）ニッケル、あるいはビス（４−ジメチルアミノジチオベンジル）ニッケルから選択され、溶媒は、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）か、ポリビニルアルコールか、ポリ酢酸ビニルか、ポリスチレンの溶液とする。
【００２９】
この製法は、単純な製造段階のみを用い、レーザーマイクロキャビティの低コストでの大量生産の可能性を提供するものである。再度、キャビティ要素の光学的配列は全く必要ない。
【００３０】
この製法の他の好ましい実施態様によれば、薄膜は液相エピタキシーにより堆積される。
薄膜は活性レーザー媒質のそれと同一の基礎材料から形成され、前記基礎材料はＣｒ⁴⁺あるいはＥｒ³⁺でドープされている。それゆえ、その上に堆積される材料に類似した結晶構造（格子）をもつ材料を用いれば充分である。
【００３１】
この実施態様は、先に述べた実施態様と同様の、簡単で、経済的で、いかなる配列も接着も必要としないという利点をもたらす。
【００３２】
好ましくは、上記の製法には、レーザー材料の表面にマイクロレンズ。アレーを直接形成する補足段階を加えることができる。特に、前記マイクロレンズはレーザー材料上で直接エッチングすることができる。
最後に、誘電体多重層を堆積することによって、キャビティの入射または入力鏡および出射または出力鏡を形成する段階を提供することも可能である。
これら二つの補足段階は、決してこの製法の簡潔さを減ずるものでなく、経済性を低下させるものでもない。
【００３３】
以下に、本発明の実施例と添付した図面を参照して本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。
【００３４】
本発明は、固体活性媒質と、前記媒質に薄膜状に直接堆積された可飽和吸収体とを有するマイクロレーザーキャビティに関する。前記構造の好適な実施態様は、図２（ａ）に示されており、活性媒質８と可飽和吸収体薄膜１２とが、レーザーキャビティを閉鎖する２枚の鏡１４および１５の間に配されている。符号１０は、キャビティ全体を示している。
【００３５】
従来の方法では、活性材料８を形成する材料が、１．０６μｍ近辺のレーザー放出のためにネオジム（Ｎｄ）を用いてドープされる。その材料は、例えば次の材料の中から選択され得る：ＹＡＧ（Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂）、ＬＭＡ（ＬａＭｇＡｌ₁₁Ｏ₁₉）、ＹＶＯ₄、ＹＳＯ（Ｙ₂ＳｉＯ₅）、ＹＬＦ（ＹＬｉＦ₄）、またはＧｄＶＯ₄。この選択は、次の基準によって調節されるが、応用によっても変わる。
【００３６】
以下に示すように、レーザーキャビティ１は光学的に励起されるが、好ましくは一つ以上のレーザーダイオードを用いて光学的に励起される。そのため第一の基準は、励起波長における吸収係数が高いことである（例えば、１ｍｍより小さい限られた材料の厚さを維持したまま、励起効率を増加させるための８００ｎｍ近辺でのＩＩＩ−Ｖレーザーダイオード放出）。
【００３７】
レーザーダイオードの波長安定性の問題を処理し、よってレーザー励起ダイオードの選択および電気的調節を簡単化するために、約８００ｎｍでの励起波長における吸収帯が広いこと。
【００３８】
高い出力レベルと効率とを得るために、誘導放出の有効断面が大きいこと。
単一周波数レーザーを簡単に得るためのに、放出帯の幅が限られていること、または逆に、周波数可変レーザー放出を得るために、放出帯が広いこと。
【００３９】
材料の加工を簡易にし、励起の吸収による発熱の良好な消費に不利になる熱効果を制限するために、加工熱的特性が良好であること（前記過剰熱はレーザーのエネルギー効率による）。
【００４０】
高度のエネルギー貯蔵のために、励起状態での寿命が長いこと、または速い切り替え速度のために寿命が短いこと。
一つのレーザー結晶で最大数のマイクロレーザーを同時に集団的に作成することが可能であるために寸法が大きいこと。
【００４１】
一般的に、既知のどの材料も、これらの基準の全てを同時に満足するものはない。しかしながら、既知の材料の中で、マイクロレーザーの操作に最も適したもの（数百マイクロ秒の匹敵する寿命期間を有する）は以下の通りである。
ＹＶＯ₄は、高い係数と、広い吸収帯と、良好で効果的な断面とを有しているが、その熱伝導性は乏しく、小さい寸法のもののみしか得られず、壊れやすい。
ＹＡＧは、平均的な吸収係数と誘導放出有効断面とを有するが、その放出および吸収帯の幅が小さい。しかし、大寸法と良好な温度伝導性とで有用であり、ネオジム（Ｎｄ）でドープされ、最も知られた固体レーザー材料であり、かつ現在最も広く用いられている。
ＬＭＡは、低い吸収係数と有効断面、広い放出および吸収帯を提供し、大きな寸法を有するが、温度伝導性が乏しい。
【００４２】
他の波長での放出のために、異なる材料とドーパントが選択される。一般に、活性イオンが以下から選択される。
１．０６μｍ近辺での放出にはＮｄ、
１．５μｍ近辺での放出にはＥｒまたはエルビウムーイッテルビウムＥｒ＋Ｙｂの共ドーピング、
２μｍ近辺での放出にはＴｍまたはＨｏまたはツリウム-ホルミウムの共ドーピング。
【００４３】
他の決定的なパラメーターは、活性媒質２の厚さｅである。さらに詳しくは、図３（ａ）と３（ｂ）とに示されており、一方は幅ｅのレーザー増幅媒質２であり、他方は増幅媒質のファブリーーペロット(Fabry-Perot)モードのスペクトル分布図を示している。このスペクトル分布図では、モードの周囲はゲインバンドを示し、ｄｇはゲインバンドの幅を、ｄｖはモードの間隔を示している。縦軸は任意の単位での強度がプロットされ、一方横軸は周波数の目盛りである。
【００４４】
厚さｅは、マイクロレーザーの特性を調節する。一方、厚さが増すほど励起ビームの吸収が強くなる。従って、Ｉ₀を入射面での投射励起の強度とし、ａを吸収係数であるとすると、厚さｅに吸収される強度は次式によって与えられる。
吸収されるＩ＝Ｉ₀（１−ｅ^-ae）
【００４５】
一方、ファブリーーペロットキャビティの縦方向モードの総数は、厚さにより増加し、もし縦方向の単一モードレーザーを製造することを望むなら、前記厚さは小さくなければならない。従って、厚さｅの平面ー平面ファブリーーペロットキャビティでは、二つのファブリーーペロットモードの間の自由なスペクトル周期ｄｖは、次式によって与えられる：
ｄｖ＝ｃ／２ｅ
但しｃは光速である。もし、ｄｇが材料の（レーザー放出の）ゲインバンドの幅であれば、モードの総数Ｎは次式によって与えられる。
Ｎ＝ｄｇ／ｄｖ
【００４６】
従って、与えられた材料（ａおよびｄｇが与えられている）にとっては、ｅが増加したときに励起吸収が増加するが、Ｎも同様に増加してしまう。単一周波数レーザーについて、一般的に、最小厚さはＮ＝１とするように選ばれ、前記厚さが１００μｍより大きいと与えられる。単一モードを与える典型的な厚さは以下の通りである。
ＹＡＧ Ｌ＝７５０μｍ、
ＹＶＯ₄ Ｌ＝５００μｍ、
ＬＭＡ Ｌ＝１５０μｍ。
実際は、厚さｅは、１００μｍと５ｍｍの間で連続的に変化する。
【００４７】
可飽和吸収体１２（図２（ａ）および２（ｂ））は、薄層または薄膜状である。二つの型の薄膜が使用され得る、すなわち可飽和吸収体の分子を含む高分子である。典型的に、１．０６μｍでのマイクロレーザーには、可飽和吸収体としてビス（４−ジエチルアミノジチオベンジル）ニッケルまたはＢＤＮ（コダック、ＣＡＳ番号51449-18-4）のような有機色素を、クロロベンゼンに６重量％のポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）を含有する溶液中に含むものを使用することができる。
【００４８】
ポリビニルアルコール、ポリ酢酸ビニルまたはポリスチレンのような他の高分子は、ＰＭＭＡの代わりにそれぞれの溶媒中で使用され得る。
また、ビス（４−ジメチルアミノジチオベンジル）ニッケルまたはＢＤＮ（コダック、ＣＡＳ番号38465-55-3）を色素として使用することも可能である。
また、その色素は、シリカゲルに取り込ませたり、高分子鎖にグラフトさせることができる。
【００４９】
ジチエンの多数の他の金属複合体が、色素として使用され得る（参考文献８と９が明細書の最後に与えられている）。
その方法は、１．０６μｍ以外の波長で作動するレーザーをスイッチングするためにも使用され得る。例えば、１．５μｍ近辺で放出するエルビウムまたはＥｒ⁺Ｙｂ複合体をドープされたレーザーは、テトラエチル-オクタヒドロテトラアザペンタペンージチオレートーニッケルを用いてスイッチングされる（参考文献９）。この型の溶液は、ワーラーを用いてレーザー材料に直接堆積される（以下の調製工程参照）。これによって、厚さが約１〜５μｍの薄膜が得られる。
【００５０】
他のタイプの薄膜は、液相エピキタシー（ＬＰＥ）によって、レーザー材料に直接、または同じ堆積（同じ材料、同じドーピング、同じ特性）、より一般的な用語では、ＬＰＥによって得られうる膜を与えることのできる他の工程によって堆積される。ＬＰＥ調製工程は、以下に記載されるが、固体活性媒質によって構成された基板１上に、厚さ１〜５００μｍの間の薄膜を得ることを可能にする。それは、固体活性媒質（例えばＹＡＧ）の基礎材料と同様の基礎材料によって構成されるが、それに可飽和吸収体特性を与えるイオンがドープされており、例えば１．０６μｍレーザーにはＣｒ⁴⁺、または１．５μｍレーザーにはＥｒ³⁺がドープされている。
【００５１】
従って、ドーパントのタイプは、スイッチングが望まれるレーザーに合わせられ、そのためエピタキシーによる膜は、前記レーザーの放出波長における可飽和吸収を有する。それゆえ、活性レーザー材料および可飽和吸収体薄膜は、同じ結晶構造を有し、前記二つの媒質の結晶および光学的特性に影響を与えるドーパントによる違いだけを有する。二つのケースにおける薄膜の特性は、非常に重要な点で異なる。
【００５２】
従って、破壊障壁は、各々の薄膜のタイプに対して決定される。レーザーキャビティにおけるあるパワー密度を越えて、可飽和吸収体薄膜を破壊することが可能である。破壊障壁と呼ばれるこの限界パワー密度は、ＬＰＥー堆積薄膜のケースより、有機色素を用いたポリマーのケースにおいてより低くなる。第１のケースでは、その結果として、第二のものに比べて、キャビティにおいてより低いエネルギーで作動する必要がある。
【００５３】
加えて、一方のケースでは、レーザー材料８とポリマー１２との屈折率差は、二つの媒質の間に光学的界面をもたらす。他のケースでは、同じ材料にＬＰＥを行なう（例えば、ＹＡＧ上にＹＡＧ、ドーピングのみが異なる）ことができるのみで、適用の範囲を制限するが、エピタキシーによる薄膜の屈折率を、エピタキシー基板として適する活性レーザー媒質のそれに調整することを可能にし、それゆえ二つの媒質の間の光学的界面の形成を避ける。
【００５４】
最後に、薄膜の性質はレーザーパルスの時間形に影響する。エピキタシーによる薄膜のケースでは、不純物を含むイオン（Ｃｒ⁴⁺、Ｅｒ³⁺）は、約１マイクロ秒のかなり長い崩壊時間を有するのに対し、ポリマーに溶かされた有機色素のケースでは、色素の崩壊時間が非常に短い（〜１ｎｓ）。これらの特性は、予定された使用により薄膜の選択を明らかに調節する。
【００５５】
発明の他の実施態様によれば、図４（ａ）に図示したように、活性レーザー材料８の両側に可飽和吸収薄膜１２、２２を堆積することが可能であり、より多くの励起ビームを吸収することが可能であるが、前記ビームが入射する側に配された薄膜は、励起ビームによるグレーターウェア(greater wear)を受けやすい。符号１４および１５は、キャビティの入射鏡および出射鏡を示している。
【００５６】
任意にそして図５（ａ）に示すように、従来の方法（明細書の最後の参考文献１０）によって、シリカのような透明な材料から作られたマイクロレンズ１６のアレーを形成すること、またはレーザー材料８の表面上に類似したものを形成することが可能である。マイクロレンズの典型的な寸法は、百〜数百ミクロンの直径、かつ数百マイクロメーター〜数ミリメーターの湾曲半径である。
【００５７】
これらのマイクロレンズは、二番目、すなわち可飽和吸収薄膜２２の入射面に存在するケースである図２（ｂ）または４（ｂ）に示された凹みのある平面型の“安定した”キャビティ（平面−平面キャビティは安定ではない）を製造するために使用される。光学的励起の場合において、それらは励起ビームの集光をも可能にする。
【００５８】
完全なレーザーキャビティを製造するために、その可飽和吸収体または薄膜または複数の薄膜を有する活性媒質が二枚の鏡１４、１５の間に配されている。既知の工程によって堆積された入射鏡は、好ましくは、レーザーの波長において最大の反射性（１００％にできるだけ近い）を有し、かつ励起波長（一般に、Ｎｄドープされた材料では約８００ｎｍ、Ｅｒドープされた材料では９８０ｎｍおよびＴｍドープされた材料には７８０ｎｍ）において最高（＞８０％）の透過を有する二色鏡がよい。出射鏡も二色型のものであるが、数パーセントのレーザービームの通過を許容する。従って、レーザーキャビティは、図２（ａ）、２（ｂ）および４（ａ）、４（ｂ）の通りの構造で得られる。
【００５９】
そのような構造の利点は、直ちに現れるものであり、その理由としては、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を共ドープした構造に関連した問題を避ける一方、異なる要素の光学的配列に時間を必要とせず、かつ光学的接着も全く取り入れないからである。
キャビティのこのタイプの励起は、好ましくは、光学的励起である。従って、ＩＩＩ−Ｖレーザーダイオードは、特にマイクロレーザーキャビティの励起に適している。
【００６０】
図６（ａ）に示すように、マイクロレーザーキャビティ１８は、励起レーザーダイオード２０を受けるために、メカニカルボックスまたはケース１７に設置され得る。符号２１は、パルスされたレーザービームを示している。図６（ｂ）に示された実施態様の通りに、二つの分離したケース１７-１と１７-２とを有することも可能であり、一方はマイクロレーザーキャビティ１８を受けるためであり、もう一方は励起レーザーダイオード２０を受けるためであって、二つのケースは、それぞれの箱（２５-１、２５-２）に備えつけられたコネクターにより光ファイバー２３によって接続されている。
【００６１】
本発明は、前述のタイプのマイクロレーザーキャビティの製造工程にも関連する。
この工程は、７つの連続する段階を含んでいる。
１）第一の段階は、活性レーザー材料の選択からなる。異なる可能な材料（ＹＶＯ₄、ＹＡＧ、ＬＭＡ等）および専門家にこれらの材料の中から選択することを可能にする異なる基準の記述は既に前述されている。
２）第二段階（図７参照）は、レーザー結晶３１の調節段階であり、方向が定められ、かつ０．５〜５ｍｍの間の厚さの薄板に切断される（３２、３３、３４、３５）。
【００６２】
３）第三段階は、薄板の研磨およびつや出しを含み、二つの目的を有している。即ち一方は、切断操作の原因による表面冷却ワーキングコーティングを除去すること、もう一方は、ラ薄板の厚さを、マイクロレーザーの設計明細書よりわずかに大きなレベルにすることであり、従って、前述したように、活性媒質の厚さは重要な基準であり、マイクロレーザーの特性を調節するものである。
最終厚近くまで研磨された薄板は、光学特性を有する両表面のつや出しが行われる。切断、研磨およびつや出しは、既知の機械を用いた既知の工程で行われる。
４）薄い可飽和吸収体薄膜を調製および堆積する段階。上述したように、本発明による製造工程の二つの好ましい実施態様に相当する、二つのタイプの堆積がなされ得る。
【００６３】
ａ）堆積の第１の型：高分子に溶解した可飽和吸収体有機色素の堆積。
典型的に、１．０６μｍで作動するマイクロレーザーの対して、可飽和吸収体として使用可能なのものは、ポリメタクリル酸メチル溶液中の、ビス（４−ジエチルアミノジチオベンジル）ニッケルまたはＢＤＮ（コダック、ＣＡＳ番号５１４４９−１８−４）のような有機色素である。
【００６４】
この目的のために、６重量％のポリメタクリル酸メチル（ポリサイエンス平均重量）を含むクロロベンゼン（プロラボ(Prolabo)）溶液を２４時間撹拌して調整した。引き続き、０．２重量％のＢＤＮを加え、さらに２時間撹拌した。次に、溶液をろ過し、基板の出射面（二色鏡を有する入射面の反対）に滴状に堆積させ、さらに遠心、円運動を使用した。この目的のために、ワーラー、即ち、リソグラフィ操作で使用される樹脂を堆積させるためのマイクロエレクトロニクスで使用されるような標準的な装置を使用することができる。研磨工程による微量不純物のすべては、予め基板から取り除かれた。それは、２０００ｒ．ｐ．ｍ．で２０秒間、次に５０００ｒ．ｐ．ｍ．で３０秒間回転された。さらに、膜を７０℃オーブン中で２時間乾燥させた。
【００６５】
これにより、３％の活性分子（ＢＤＮ）を含み、その飽和に先立つ１．０６μｍにおける光学密度が０．１３（７４％の伝達）である厚さ１μｍの膜が与えられる。そのような可飽和吸収体は１０ｎｓに近い緩和時間を持ち、１ＭＷ／ｃｍ²に近い強度で飽和する。
【００６６】
高分子の濃度パラメータ、その分子量またはその溶媒、あるいは色素比率、及びワーラーの回転速度を変えることにより、可飽和吸収体のパフォーマンス特性を調整することができる。得られた典型的な内訳は以下の通りである。
膜厚：１から５μｍ
分子の密度：５から１０重量％
色素：ＢＤＮ、ｍｍ＝６８５ｇ
ガラス転移：Ｔｇ＝７８℃
１．０６μｍでの吸収：１０から７０％
飽和速度：９０％
有効断面積：１０^-16ｃｍ²
緩和時間：２から１５ｎｓ
飽和強度：０．１から１ＭＷ／ｃｍ²
膜の不均一性：１ｃｍ²で＜５％
分極速度：＜１０^-5
８００ｎｓでの損失：＜１％
反復振動数：１０−１０，０００Ｈｚ
光安定性：１０⁸
堆積方法：ワーラー
【００６７】
ポリビニルアルコール、ポリ酢酸ビニル、またはポリスチレンのような他の高分子の、それら個々の溶媒中のものが、ＰＭＭＡの代わりに使用することができる。ビス（４−ジメチルアミノジチオベンジル）ニッケルまたはＢＤＮ（コダック、ＣＡＳ番号３８４６５−５５−３）を、色素として使用することもできる。
色素は、シリカゲルに取り込むこともできるし、高分子鎖にグラフトさせることもできる。
他の波長に対しては、他の多くのジチエン金属錯体を色素として使用することができる（参考文献８及び９）。
【００６８】
この方法は、１．０６μｍ以外の波長で作動するスイッチング・レーザーにも使用することができる。例えば、１．５μｍ周辺で放出するＥｒまたはＥｒ＋Ｙｂレーザー（ＥｒまたはＥｒ＋Ｙｂをドープした材料で、活性イオンはＥｒである）は、テトラエチルオクタヒドロテトラアザペンタフェン−ジチオレート−ニッケルでスイッチングされる（参考文献９）。
【００６９】
ｂ）堆積の第二の型：液相エピタキシー（ＬＰＥ）による膜の堆積
可飽和吸収体、即ちＳＡ膜は、堆積された基板を、適宜に選択された過飽和溶液に浸漬することにより得られる。前記溶液即ちエピタキシー・バスは、溶媒と、最終的な材料を形成する異なった要素からなる溶質の混合物である。基板と膜とは同じ結晶構造を有し、膜の結晶性と光学特性に影響を与えるドーパントのみが異なっている。Ｎｄ、ＥＲ、及びＹｂのような活性イオンは材料を増幅し、他のイオン（Ｃｒ、Ｅｒ）はＳＡ特性を与え、さらに他のイオンは材料の屈折率または結晶格子を変化させるために使用される（例えば、Ｇａ、Ｇｅ、Ｌｕ等）。従って、製造される膜の特性を制御することが可能である。
【００７０】
この方法は、単結晶の形で、液層エピタキシーによって製造可能な材料（基板の製造）にも適用できる。これは、上記の材料を活性レーザー媒質：Ｙ₃Ａ₁₅Ｏ₁₂（ＹＡＧ）、Ｙ₂ＳｉＯ₅（ＹＳＯ）、ＹＶＯ₄、ＹＬｉＦ₄（ＹＬＦ）またはＧｄＶＯ₄の基礎材料とした場合である。バスの組成（溶液及び置換体の選択）、異なった酸化物の溶質における濃度、実験的成長条件（温度範囲、作動モード等）は、各材料について、できる限り良好な結晶特性を有する膜を得るように調整される。
【００７１】
ガーネット（ＹＡＧ）の場合、選ばれた溶媒はＰｂＯ／Ｂ₂Ｏ₃混合物であり、溶質は、ガーネット相を安定させるために、過剰のＡｌ₂Ｏ₃からなる。そして、溶質／溶媒比率は、約１０００℃での成長が得られるように計算された。
【００７２】
バス組成、温度、及び堆積時間の関数として、厚さ（１＜ｅ＜２００μｍ）及び膜中のドーパント濃度が調整できる。膜の成長は一定温度で起こり、これにより膜の厚さにおいて均一なドーパント濃度を得ることが可能になる。基板は、交互のまたは一方向の回転運動をなし、良好な厚さの均一さを導く。
【００７３】
活性レーザー材料の一方の表面を、バスの表面部に浸漬させるか、あるいは、これを両方の面に適用し、レーザー材料全体をバス中に浸漬するかによって、１枚または２枚のＳＡ膜を備えた基板（図２ａ、２ｂ、４ａ、４ｂ）を製造することができる。
得られたエピタキシー成長した面は、おそらくエピタキシー工程によって生じる凸凹を取り除くため、及び、その膜の厚さを、マイクロレーザーの作動のために設定された厚さにするために再研磨することができる。
【００７４】
５）入射鏡の堆積段階。
二色鏡は、商業的に入手可能な周知の方法である誘電体多重層の堆積によって得られる。段階５（入射鏡堆積）は、ＳＡ高分子が堆積される場合は、段階４の前または後に行われてよいが、高温で行われ、鏡を破壊する可能性のある液相エピタキシーの場合は、段階４の後に行われなければならない。
【００７５】
６）膜上での出射鏡の堆積段階
段階５）でなされたものと同じ方法を使用する。
７）マイクロレーザー・チップを得るための薄板切断段階（図８参照）。
【００７６】
数ｍｍ²の断面を持つレーザー・チップを得るために、鏡、可飽和吸収体、及び活性レーザー媒質、及び任意にマイクロレンズを有するプレート３６が、（マイクロエレクトロニクスのＳｉチップ切断用に使用される型の）ダイヤモンド・ソーによって切り出される（図８の、プレート３６上のラインは切断ラインを表している）。
【００７７】
段階３）で得られた研磨された薄板の一方または他方の表面上に、マイクロレンズ・アレーを製造することが望まれるならば、段階４）の前に補足的段階を使用できる。
前記補足的段階の好ましい実施態様は、昨今マイクロエレクトロニクスにおいて使用されている方法を用いて、レーザー材料上にマイクロレンズを直接エッチングすることからなる。
この段階の他の実施態様は、第１に他の材料上に前記マイクロレンズを製造し（光官能性樹脂、シリカ等）、次にそれらをレーザー材料８の研磨面と（光学的接着剤１１でのボンディングまたはフェース・トゥ・フェース接触によって）ハイブリッド化する（図５ｂ）。
【００７８】
上述の製造方法は、自動車のような分野の応用に不可欠な、マイクロレーザーの低コストでの大量生産の可能性を提供する。
さらに、そのようにして製造されたマイクロレーザーは、上述したような利点を有する。即ち、モノリシックであり、すなわち柔軟に使用でき、光学的セッティングまたはアライメントを必要としない。なぜならば、モノリシック製造工程は、レーザーの自己配列(self-alignment)をさせるからである。
【００７９】
マイクロレーザーの工業的に可能な応用の中で、レーザー遠隔計測法、レーザー加工及びマイクロマシニング、パワー・レーザー用レーザー注入、Ｈｅマグネトメトリ(magnetometry)、不純物検出、科学及び医学装置を挙げることとができる。
【００８０】
さらに、マイクロレーザーとマイクロ光学技術（マイクロレンズ）とを組み合わせることにより、大量生産と低コストの利点は維持したままで、マイクロレンズのパフォーマンス特性（安定したキャビティ、ポンプ集中）の改善、次のような特別な応用に対する光マイクロシステムの製造を可能にする。即ち、２Ｄアレー（光学的アドレッサブルな）の製造、マイクロ−リダー(micro-lider)（風速、汚染、等の遠隔検出）、自動車用の障害物検知、レーザー遠隔計測法、低コストでコンパクトなレーザー加工機械である。
【００８１】
これらの応用のうちいのくつか、特に加工、マイクロ−リダー、障害物検地、及び遠隔計測法は、高いピーク・パワー、従って、スイッチされた操作を必要とする。本発明のマイクロレーザーは、そのような応用に非常に適している。
【００８２】
本明細書中で引用した参考文献は以下の通りである。
１．N. Mermilliod, et al., Appl. Phys. Letters 59(27), 3519 (1991).
２．J.J. Zayhowski, The Lincoln Laboratory Journal 3(3), 427 (1990).
３．W. Koechner "Solid State Laser Engineering", Springer-Verlag 1988.
４．Shouhuan Zhou, et al., Optics Letters 18(7), 511 (1993).
５．I.J. Miller, et al., Advanced Solid State Lasers conf., Santa Fe 1992.
６．K. Spariosu, et al., Appl. Phys. Letters 62(22), 2763 (1993).
７．R. Wisnieff, et al., Laser Cartridge Concept Development Study, Final report. Army electronics command, Fort Monmouth, NJ, report No: 1294-R-0018; ECOM-74-0376-F, April 1976.８．K.H. Drexhage, et al., Optics Communications 10(1), 19 (1974).
９．Mueller-Westerhoff, Mol. Cryst. Liq. Cryst. 183, 291 (1990).
１０．A. Eda, et al., CLEO'92, paper CWG33, p.282 (Conf. on Laser and Electro-optics, Anaheim, USA, May 1992).
【図面の簡単な説明】
【図１】 （ａ）から（ｅ）は、従来の技術によるレーザーマイクロキャビティの可能な変形を示す図である。
【図２】 可飽和吸収体を備えた、平板−平板・モード（ａ）及び凹み平板（ｂ）の、本発明によるマイクロレーザー・キャビティを示す図である。
【図３】 厚さｅのプレーン−プレーン・ファブリー−ペロット・キャビティにおけるモードの分布を示す図である。
【図４】 ２枚の可飽和吸収体を備えた、平板−平板・モード（ａ）及び凹み平板（ｂ）の、本発明によるマイクロレーザー・キャビティを示す図である。
【図５】 活性レーザー材料のエッチングにより直接堆積した（ａ）、または、まず他の材料上に堆積し、次いでレーザー材料の研磨面にハイブリッド化した（ｂ）マイクロレンズ・アレーを示す図である。
【図６】 光学的励起手段を備えた本発明のマイクロレーザーを示す図であり、異なる要素は各支持容器に支持されている。
【図７】 本発明のレーザー・マイクロキャビティの製造方法の段階を示す図である。
【図８】 マイクロレーザー・チップを、レーザー材料（任意にマイクロレンズを備えた）の多層膜、可飽和吸収体、及び鏡からなる薄板に切り出す工程を示す図である。
【符号の説明】
１…レーザーキャビテイ、２…活性レーザー材料、３…可飽和吸収体、８…活性媒質、１０…マイクロレーザーキャビティ、１２…可飽和吸収体、１４…入射鏡、１５…出射鏡、１７…容器、１８…マイクロレーザーキャビティ、２０…励起レーザーダイオード、２１…レーザービーム、２３…光ファイバ

Claims (20)

1. 固体活性媒質、可飽和吸収体、入射鏡及び出射鏡を有し、その可飽和吸収体が、前記固体活性媒質上に直接堆積された可飽和吸収体材料の薄膜であり、前記可飽和吸収体材料薄膜は、溶液から形成され、可飽和吸収体の分子を含んだ高分子から構成されているか、又は有機色素を含んだシリカゲルから構成されていることを特徴とするマイクロレーザー用レーザーキャビティ。
2. 前記固体活性媒質が、ネオジム（Ｎｄ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、ホルミウム（Ｈｏ）のイオンで、またはエルビウム及びイッテルビウム（Ｅｒ＋Ｙｂ）の共ドープ、あるいはツリウム及びホルミウム（Ｔｍ＋Ｈｏ）の共ドープを伴ってドープされた、Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂、ＬａＭｇＡ₁₁Ｏ₁₉、ＹＶＯ、Ｙ₂ＳｉＯ₅、ＹＬｉＦ₄またはＧｄＶＯ₄から選ばれた基礎材料からなることを特徴とする請求項１記載のレーザーキャビティ。
3. 前記薄膜が、高分子溶媒中に溶解した有機色素から形成されることを特徴とする請求項１または２記載のレーザーキャビティ。
4. 前記有機色素が、ビス（４−ジエチルアミノジチオベンジル）ニッケルまたはビス（４−ジメチルアミノジチオベンジル）ニッケルから選ばれ、前記溶媒が、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、ポリビニルアルコール、ポリ酢酸ビニルまたはポリスチレンの溶液であることを特徴とする請求項３記載のレーザーキャビティ。
5. 前記レーザーキャビティが、第２の可飽和吸収体膜を有していることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載のレーザーキャビティ。
6. 固体活性媒質上に直接形成されたマイクロレンズ・アレーを備えたことを特徴とする請求項１記載のレーザーキャビティ。
7. 前記入射鏡及び出射鏡が二色鏡であることを特徴とする請求項１記載のレーザーキャビティ。
8. 請求項１記載のレーザーキャビティと、そのキャビティを励起するための光学的手段とからなることを特徴とするマイクロレーザー。
9. 前記励起手段が、少なくともひとつのレーザーダイオードであることを特徴とする請求項８記載のマイクロレーザー。
10. 前記レーザーキャビティ及び前記光学的励起手段が、同じ容器内に取り付けられたことを特徴とする請求項８または９のいずれかに記載のマイクロレーザー。
11. 前記レーザーキャビティ及び前記光学的励起手段が、異なる容器に取り付けられ、それぞれの容器内にあり、その２つの容器が光ファイバで連結されたことを特徴とする請求項８または９のいずれかに記載のマイクロレーザー。
12. 予め決められた厚さの材料で、固体活性媒質を形成する調整段階と、その先行段階に従って調整した材料の一方の面に可飽和吸収体膜を直接形成する段階とからなり、前記可飽和吸収体材料薄膜は、溶液から形成され、可飽和吸収体の分子を含んだ高分子から構成されているか、又は有機色素を含んだシリカゲルから構成されていることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のレーザーキャビティの製法。
13. 前記薄膜がワーラーで堆積されることを特徴とする請求項１２記載の製法。
14. 前記薄膜が高分子溶媒に溶解した有機色素から形成されることを特徴とする請求項１２又は１３のいずれかに記載の製法。
15. 前記有機色素が、ビス（４−ジエチルアミノジチオベンジル）ニッケルまたはビス（４−ジメチルアミノジチオベンジル）ニッケルから選ばれ、前記溶媒が、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、ポリビニルアルコール、ポリ酢酸ビニルまたはポリスチレンの溶液であることを特徴とする請求項１４記載の製法。
16. 前記固体活性媒質が、ネオジム（Ｎｄ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、ホルミウム（Ｈｏ）のイオンで、またはエルビウム及びイッテルビウム（Ｅｒ＋Ｙｂ）の共ドープ、あるいはツリウム及びホルミウム（Ｔｍ＋Ｈｏ）の共ドープを伴ってドープされた、Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂、ＬａＭｇＡ₁₁Ｏ₁₉、ＹＶＯ、Ｙ₂ＳｉＯ₅、ＹＬｉＦ₄またはＧｄＶＯ₄から選ばれた基礎材料からなることを特徴とする請求項１２から１５のいずれかに記載の製法。
17. 第２の可飽和吸収体膜が前記活性レーザー材料の他方の面に堆積されることを特徴とする請求項１２から１６のいずれかに記載の製法。
18. 前記レーザー材料上に、微小レンズ・アレーを直接形成する補足段階を備えることを特徴とする請求項１７記載の製法。
19. 前記微小レンズ・アレーが，前記活性レーザー材料上で直接エッチングされることを特徴とする請求項１８記載の製法。
20. 誘電体多層体の堆積によりキャビティの入射鏡及び出射鏡を形成することを特徴とする請求項１２から１９のいずれかに記載の製法。

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