JP6330317B2 - Saturable absorption element, saturable absorption element generation method, and laser apparatus - Google Patents

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本発明は、光分野で利用される可飽和吸収素子、可飽和吸収素子の生成方法及びレーザ装置に関する。   The present invention relates to a saturable absorption element used in the optical field, a method for generating a saturable absorption element, and a laser apparatus.

可飽和吸収素子は、光分野で広く利用されている。可飽和吸収素子は、例えば、受動Ｑスイッチレーザや受動モード同期レーザのような短パルス光を発生させるレーザ発振器に利用されている。従来、このような発振器には、半導体を用いた可飽和吸収素子や光非線形効果を用いた可飽和吸収素子が用いられていた。   Saturable absorbers are widely used in the optical field. The saturable absorber is used in a laser oscillator that generates short pulse light such as a passive Q-switched laser or a passive mode-locked laser. Conventionally, a saturable absorber using a semiconductor or a saturable absorber using an optical nonlinear effect has been used for such an oscillator.

半導体を用いた可飽和吸収素子は、応答速度がピコ秒程度と遅く、パルス幅が１００フェムト秒を切るような短いパルスを生成することが難しい。また、半導体を用いた可飽和吸収素子は、レーザ装置の発振波長に合わせて吸収帯を人工的に生成させるための量子井戸構造を作成する、複雑な構造であるため、容易に製造することができない。   A saturable absorber using a semiconductor has a slow response speed of about picoseconds, and it is difficult to generate a short pulse with a pulse width of less than 100 femtoseconds. In addition, a saturable absorption element using a semiconductor is a complicated structure that creates a quantum well structure for artificially generating an absorption band in accordance with the oscillation wavelength of a laser device, and thus can be easily manufactured. Can not.

非線形効果を用いた可飽和吸収素子は、半導体を用いた可飽和吸収素子と比較して応答速度が速く、短いパルスを生成することが可能である。一方、非線形効果を用いた可飽和吸収素子は、温度や振動等の環境の影響を受けやすく、環境によって自己始動ができない場合がある。   A saturable absorber using a nonlinear effect has a faster response speed than a saturable absorber using a semiconductor, and can generate a short pulse. On the other hand, saturable absorbers using nonlinear effects are susceptible to environmental influences such as temperature and vibration, and may not be able to self-start depending on the environment.

これに対し、近年は、可飽和吸収素子の新たな材料として、カーボンナノチューブやグラフェン等の炭素系材料が着目されている（例えば、特許文献１、非特許文献１及び２参照）。   On the other hand, in recent years, carbon-based materials such as carbon nanotubes and graphene have attracted attention as new materials for saturable absorber elements (see, for example, Patent Document 1, Non-Patent Documents 1 and 2).

非特許文献１では、図２を用いてカーボンナノチューブを使用する可飽和吸収素子の光の波長に対する吸光度（吸収特性）について説明されている。カーボンナノチューブを使用する可飽和吸収素子では、カーボンナノチューブ径で決定されるバンド構造に起因した吸収特性を持つため、吸収する光の波長が限定される特徴がある。   Non-Patent Document 1 describes the absorbance (absorption characteristics) with respect to the wavelength of light of a saturable absorber using carbon nanotubes with reference to FIG. A saturable absorption element using carbon nanotubes has an absorption characteristic due to a band structure determined by the diameter of the carbon nanotubes, and thus has a feature that the wavelength of light to be absorbed is limited.

これに対し、グラフェンを使用する可飽和吸収素子の吸収特性は、波長に依存する問題はない。しかしながら、グラフェンの可飽和吸収素子の吸光度は低い（例えば、１層あたり２．３％程度）という問題がある。そのため、グラフェンを複数層に重ねて使用することも検討されるが、非特許文献２では、図３ｃ）を用いてグラフェンの層数が増える程、可飽和吸収素子の変調深度が低下することが説明されている。   On the other hand, the absorption characteristic of the saturable absorber using graphene has no problem depending on the wavelength. However, there is a problem that the saturable absorption element of graphene has low absorbance (for example, about 2.3% per layer). Therefore, it is also considered to use graphene in multiple layers. However, in Non-Patent Document 2, the modulation depth of the saturable absorbing element may decrease as the number of graphene layers increases using FIG. 3c). Explained.

特開２００７−９４０６５号公報JP 2007-94065 A

西澤典彦、「高機能受動モード同期超短パルスファイバレーザ光源の開発と応用展開」、電子情報通信学会誌、Vol94(9)、2011年9月1日、p.801-806Norihiko Nishizawa, “Development and application of highly functional passively mode-locked ultrashort pulse fiber laser light source”, IEICE Journal, Vol94 (9), September 1, 2011, p.801-806 Qiaoliang Bao 他7名、”Atomic-Layer Graphene as a Saturable Absorber for Ultrafast Pulsed Lasers”、Advanced Functional Materials Volume 19 Issue 19、2009年10月9日、p.3077-3083Qiaoliang Bao and 7 others, “Atomic-Layer Graphene as a Saturable Absorber for Ultrafast Pulsed Lasers”, Advanced Functional Materials Volume 19 Issue 19, October 9, 2009, p.3077-3083

上述したように、カーボンナノチューブやグラフェンを利用する可飽和吸収素子であっても、幅広い吸収帯域、高い吸光度及び高い変調深度を得ることは困難である。   As described above, it is difficult to obtain a wide absorption band, high absorbance, and high modulation depth even in a saturable absorber using carbon nanotubes or graphene.

上記課題に鑑み、本発明は、広い吸収帯域、高い吸光度及び高い変調深度を有する可飽和吸収素子、可飽和吸収素子の生成方法及びレーザ装置を提供することを目的とする。   In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a saturable absorber having a wide absorption band, high absorbance, and high modulation depth, a method for generating a saturable absorber, and a laser apparatus.

上記目的を達成するために、第１の発明によれば、可飽和吸収素子がカーボンナノウォールを含むことを特徴とする。   In order to achieve the above object, according to the first invention, the saturable absorbing element includes carbon nanowalls.

第２の発明によれば、価電子の数が炭素と異なる不純物が前記カーボンナノウォールにドーピングされたことを特徴とする。   According to the second invention, the carbon nanowall is doped with an impurity having a different number of valence electrons from carbon.

第３の発明によれば、カーボンナノウォールは同一の向きに並列された複数のグラファイト片またはグラフェンを有することを特徴とする。   According to the third invention, the carbon nanowall has a plurality of graphite pieces or graphene arranged in parallel in the same direction.

第４の発明によれば、可飽和吸収素子の生成方法において、基板上にカーボンナノウォールを形成する工程と、カーボンナノウォールが形成された前記基板を樹脂又はガラスで包埋する工程と、前記基板上のカーボンナノウォールが包埋された後、前記基板を包埋された樹脂又はガラスから剥離する工程と、前記基板上にカーボンナノウォールを形成する際に形成された底面のグラファイトを除去する工程とを有することを特徴とする。   According to a fourth invention, in the method for producing a saturable absorber, a step of forming a carbon nanowall on a substrate, a step of embedding the substrate on which the carbon nanowall has been formed with a resin or glass, After the carbon nanowall on the substrate is embedded, the step of peeling the substrate from the embedded resin or glass, and removing the graphite on the bottom formed when the carbon nanowall is formed on the substrate. And a process.

第５の発明によれば、底面のグラファイトを除去する工程では、研磨により底面のグラファイトを除去することを特徴とする。   According to the fifth invention, in the step of removing the graphite on the bottom surface, the graphite on the bottom surface is removed by polishing.

第６の発明によれば、底面のグラファイトを除去する工程では、イオンエッチング又はプラズマエッチングにより底面のグラファイトを除去することを特徴とする。   According to the sixth invention, in the step of removing the graphite on the bottom surface, the graphite on the bottom surface is removed by ion etching or plasma etching.

第７の発明によれば、励起光を出力する光源と、光利得媒体及び可飽和吸収素子を有し、前記励起光から出力された光を利用してレーザ光を発振する発振器とを備え、前記可飽和吸収素子は、カーボンナノウォールを含むことを特徴とする。   According to a seventh aspect of the present invention, the apparatus includes: a light source that outputs pumping light; an oscillator that includes an optical gain medium and a saturable absorbing element, and that oscillates laser light using light output from the pumping light; The saturable absorber element includes carbon nanowalls.

本発明によれば、広い吸収帯域で高い吸光度及び高い変調深度を得ることができる。   According to the present invention, high absorbance and high modulation depth can be obtained in a wide absorption band.

実施形態に係る可飽和吸収素子の生成方法を説明する図である。It is a figure explaining the production | generation method of the saturable absorber which concerns on embodiment. 実施形態に係る可飽和吸収素子の他の例を説明する図である。It is a figure explaining the other example of the saturable absorption element which concerns on embodiment. カーボンナノウォールの吸光度の波長依存性を表すグラフである。It is a graph showing the wavelength dependence of the light absorbency of carbon nanowall. 実施形態に係るレーザ装置を説明する図である。It is a figure explaining the laser apparatus which concerns on embodiment. 実施形態に係るレーザ装置の実験結果を表すグラフである。It is a graph showing the experimental result of the laser apparatus which concerns on embodiment. 変形例に係る可飽和吸収素子の使用例を説明する図である。It is a figure explaining the usage example of the saturable absorption element which concerns on a modification.

以下に、実施形態に係る可飽和吸収素子、可飽和吸収素子の生成方法及びレーザ装置について説明する。可飽和吸収素子は、強度の低い光を吸収し、強度の高い光を透過する素子である。実施形態に係る可飽和吸収素子は、カーボンナノウォールを含む。具体的には、実施形態に係る可飽和吸収素子は、樹脂又はガラスに包埋されたカーボンナノウォールを含む。ここでは、複数のグラファイト片またはグラフェンが一の面に対して垂直に配列されたものをカーボンナノウォールとする。なお、グラファイト片またはグラフェンは一の面に垂直であるが、完全に垂直である必要はない。以下の説明では、グラファイト片を有するカーボンナノウォールを用いて説明する。また、一の面と垂直の方向をグラファイト片及びカーボンナノウォールの高さとする。   Hereinafter, a saturable absorber, a method for generating a saturable absorber, and a laser device according to embodiments will be described. The saturable absorbing element is an element that absorbs light with low intensity and transmits light with high intensity. The saturable absorber according to the embodiment includes carbon nanowalls. Specifically, the saturable absorber according to the embodiment includes carbon nanowalls embedded in resin or glass. Here, a plurality of graphite pieces or graphene arranged perpendicular to one surface is defined as a carbon nanowall. Note that the graphite piece or graphene is perpendicular to one surface but need not be completely perpendicular. In the following description, a carbon nanowall having a graphite piece will be used. Further, the direction perpendicular to the one surface is defined as the height of the graphite piece and the carbon nanowall.

〈可飽和吸収素子の生成方法〉
図１を用いて、実施形態に係る可飽和吸収素子の生成方法について説明する。第１の工程において、図１（ａ）に示すように、スパッタリングやプラズマＣＶＤ等により基板１０上にカーボンナノウォール１２を形成する。 <Method for generating saturable absorber element>
A method for generating the saturable absorber according to the embodiment will be described with reference to FIG. In the first step, as shown in FIG. 1A, carbon nanowalls 12 are formed on the substrate 10 by sputtering, plasma CVD, or the like.

具体的には、まず、基板１０上に薄いグラファイト面１１が形成される。その後、このグラファイト面１１上に垂直な複数のグラファイト片１２ａを有するカーボンナノウォール１２が形成される。このとき、複数のグラファイト片１２ａは、グラファイト面１１上に略均一に分散された状態で形成される。   Specifically, first, a thin graphite surface 11 is formed on the substrate 10. Thereafter, carbon nanowalls 12 having a plurality of perpendicular graphite pieces 12 a are formed on the graphite surface 11. At this time, the plurality of graphite pieces 12a are formed on the graphite surface 11 in a substantially uniformly dispersed state.

第２の工程において、図１（ｂ）に示すように、基板１０に形成されたカーボンナノウォール１２を樹脂で包埋する。具体的には、カーボンナノウォール１２を構成する各グラファイト片１２ａの間隙を樹脂で埋める。ここでは、樹脂として、ポリイミド前駆体１３を包埋する例で説明するが、カーボンナノウォールを包埋する樹脂は、レーザ光に対する透過性及び耐熱性を有し、使用の際に破壊されない強度の素材であれば、種類は限定されない。また、樹脂の他、ガラスでカーボンナノウォール１２を包埋しても同様である。なお、ここでいうレーザ光は、可視光に限定されず、非可視光も含む。   In the second step, as shown in FIG. 1B, the carbon nanowalls 12 formed on the substrate 10 are embedded with a resin. Specifically, the gap between the graphite pieces 12a constituting the carbon nanowall 12 is filled with resin. Here, an example in which the polyimide precursor 13 is embedded as the resin will be described. However, the resin that embeds the carbon nanowall has transparency and heat resistance to laser light, and has a strength that is not destroyed during use. If it is a material, a kind will not be limited. Moreover, it is the same even if the carbon nanowall 12 is embedded with glass in addition to the resin. Note that the laser light here is not limited to visible light, but also includes invisible light.

第３の工程において、図１（ｃ）に示すように、ポリイミド前駆体１３で包埋されたカーボンナノウォール１２を有する基板１０を固化処理してポリイミド１４とする。   In the third step, as shown in FIG. 1C, the substrate 10 having the carbon nanowalls 12 embedded with the polyimide precursor 13 is solidified to form a polyimide 14.

第４の工程において、図１（ｄ）に示すように、カーボンナノウォール１２を包埋するポリイミド１４から基板１０を剥離する。例えば、機械的剥離により基板１０をポリイミド１４から剥離する。   In the fourth step, as shown in FIG. 1 (d), the substrate 10 is peeled from the polyimide 14 embedding the carbon nanowalls 12. For example, the substrate 10 is peeled from the polyimide 14 by mechanical peeling.

第５の工程において、図１（ｅ）に示すように、カーボンナノウォール１２を包埋するポリイミド１４からグラファイト面１１を除去する。例えば、アルゴンイオンエッチング又はプラズマエッチングによりグラファイト面１１を研磨してもよいし、研磨装置等を利用してグラファイト面１１を研磨してもよい。   In the fifth step, the graphite surface 11 is removed from the polyimide 14 embedding the carbon nanowall 12 as shown in FIG. For example, the graphite surface 11 may be polished by argon ion etching or plasma etching, or the graphite surface 11 may be polished using a polishing apparatus or the like.

第６の工程において、図１（ｆ）に示すように、カーボンナノウォール１２を包埋するポリイミド１４を適切なサイズにカッティングして、可飽和吸収素子１とする。カッティングの方法は限定されないが、例えば、レーザ光を利用することができる１０マイクロメートル四方以上の大きさであることが望ましい。なお、図１に示す基板１０、グラファイト片１２ａ及び可飽和吸収素子１の大きさの比率は実際とは異なる。実際には、カッティングされた可飽和吸収素子１には、複数のグラファイト片１２ａを含むカーボンナノウォール１２を有している。   In the sixth step, as shown in FIG. 1 (f), the polyimide 14 embedding the carbon nanowalls 12 is cut to an appropriate size to obtain the saturable absorber 1. Although the cutting method is not limited, for example, it is desirable that the size is 10 micrometers or more in which laser light can be used. In addition, the ratio of the magnitude | size of the board | substrate 10, the graphite piece 12a, and the saturable absorption element 1 which are shown in FIG. 1 differs from actual. Actually, the saturable absorber 1 that has been cut has carbon nanowalls 12 including a plurality of graphite pieces 12a.

上述したように、基板１０上に形成したカーボンナノウォール１２を利用して可飽和吸収素子１を形成することで、グラファイト片１２ａが均一に分散した可飽和吸収素子１を容易に形成することができる。すなわち、カーボンナノチューブを利用した可飽和吸収素子の場合、カーボンナノチューブを粉末にして基板上にコーティングする際、カーボンナノチューブの粉末を基板上で均一に分散させることが困難であった。これに対し、カーボンナノウォール１２は、基板１０上にグラファイト片１２ａが分散されて形成されるため、これを粉末にして基板上にコーティングする必要がない。したがって、上述した可飽和吸収素子１は、カーボンナノチューブを利用する可飽和吸収素子と比較して、容易に生成することができる。   As described above, by forming the saturable absorber 1 using the carbon nanowall 12 formed on the substrate 10, the saturable absorber 1 in which the graphite pieces 12a are uniformly dispersed can be easily formed. it can. That is, in the case of a saturable absorption element using carbon nanotubes, it is difficult to uniformly disperse the carbon nanotube powder on the substrate when the carbon nanotubes are coated on the substrate. On the other hand, since the carbon nanowall 12 is formed by dispersing the graphite pieces 12a on the substrate 10, it is not necessary to use this as a powder to coat the substrate. Therefore, the saturable absorber 1 described above can be easily generated as compared with the saturable absorber using carbon nanotubes.

可飽和吸収素子１は、カーボンナノウォール１２の高さに応じて、吸光度が異なる。例えば、カーボンナノウォール１２の高さが高くなると、生成される可飽和吸収素子の吸光度が高くなる。また、カーボンナノウォール１２の高さが低くなると、生成される可飽和吸収素子の吸光度が低くなる。したがって、可飽和吸収素子１生成の際に、カーボンナノウォール１２の高さを調整し、吸光度を調整することができる。   The saturable absorbing element 1 has different absorbance depending on the height of the carbon nanowall 12. For example, when the height of the carbon nanowall 12 is increased, the absorbance of the saturable absorbing element to be generated is increased. Moreover, when the height of the carbon nanowall 12 is lowered, the absorbance of the saturable absorbing element to be produced is lowered. Therefore, when the saturable absorption element 1 is produced, the height of the carbon nanowall 12 can be adjusted to adjust the absorbance.

具体的には、吸光度を最適にするため、可飽和吸収素子１のカーボンナノウォール１２の高さは、１μｍ程度であることが好ましい。   Specifically, in order to optimize the absorbance, the height of the carbon nanowall 12 of the saturable absorber 1 is preferably about 1 μm.

例えば、図１（ａ）を用いて上述した第１の工程でカーボンナノウォール１２を形成する際、形成時間（例えば、スパッタリング時間）の調整により、形成されるグラファイト片１２ａの厚さやグラファイト面１１からの高さ等を調整することができる。または、例えば、図１（ｅ）を用いて上述した第５の工程でグラファイト面１１を研磨する際、グラファイト面１１とともにカーボンナノウォール１２の一部も研磨することで、カーボンナノウォール１２の高さを調節することができる。   For example, when the carbon nanowall 12 is formed in the first step described above with reference to FIG. 1A, the thickness of the graphite piece 12a and the graphite surface 11 are adjusted by adjusting the formation time (for example, sputtering time). The height etc. from can be adjusted. Alternatively, for example, when the graphite surface 11 is polished in the fifth step described above with reference to FIG. 1E, a part of the carbon nanowall 12 is also polished together with the graphite surface 11, thereby increasing the height of the carbon nanowall 12. Can be adjusted.

また、可飽和吸収素子１のカーボンナノウォール１２に不純物をドーピングし、変調深度や応答速度を調整することができる。このとき、カーボンナノウォール１２にドーピングする不純物には、価電子数が炭素（価電子数：４）と異なる物質を用いる。例えば、不純物として、ホウ素（価電子数：３）、窒素（価電子数：５）、リン（電子数：５）等をドーピングすることが考えられる。価電子数が炭素と異なる物質をドーピングすることで、可飽和吸収素子１の吸光度、変調深度、応答速度等を調整することもできる。   Moreover, the carbon nanowall 12 of the saturable absorber 1 can be doped with impurities to adjust the modulation depth and response speed. At this time, a substance having a valence electron number different from that of carbon (valence electron number: 4) is used as an impurity doped into the carbon nanowall 12. For example, doping with boron (number of valence electrons: 3), nitrogen (number of valence electrons: 5), phosphorus (number of electrons: 5), or the like as an impurity can be considered. By doping a substance having a valence electron number different from that of carbon, the absorbance, modulation depth, response speed, and the like of the saturable absorber 1 can be adjusted.

例えば、図１（ａ）を用いて上述した第１の工程で、不純物をドーピングしながらカーボンナノウォール１２を形成することができる。または、図１を用いて上述したカーボンナノウォール１２を形成する第１の工程と、カーボンナノウォール１２を樹脂やガラスで包埋する第２の工程の間に、不純物をドーピングする工程を追加してもよい。   For example, the carbon nanowall 12 can be formed while doping impurities in the first step described above with reference to FIG. Alternatively, an impurity doping step is added between the first step of forming the carbon nanowall 12 described above with reference to FIG. 1 and the second step of embedding the carbon nanowall 12 with resin or glass. May be.

さらに、図２に示すように、複数のグラファイト片１２ａを同一の向きに並列し、これを樹脂やガラスで包埋してカッティングし、可飽和吸収素子１としてもよい。このように生成される可飽和吸収素子１では、全てのグラファイト片１２ａに対して同一の偏光方向を有する光を照射するように調整が可能であり、可飽和吸収の性能を向上することができる。   Furthermore, as shown in FIG. 2, a plurality of graphite pieces 12 a may be arranged in parallel in the same direction, embedded in resin or glass, and cut to form the saturable absorber 1. In the saturable absorber 1 generated in this way, it is possible to adjust so that all the graphite pieces 12a are irradiated with light having the same polarization direction, and the saturable absorption performance can be improved. .

上述した実施形態に係る可飽和吸収素子１は、カーボンナノチューブやグラフェンで形成された可飽和吸収素子と比較して、性能を向上することができる。具体的には、カーボンナノチューブは、バンド構造に起因した吸光度を有し、広範囲の波長の光に対応していなかった。これに対し、図３に示すように、可飽和吸収素子１は、波長に対する吸光度が略一定であり、広範囲の波長に対応させることができる。   The saturable absorber 1 according to the above-described embodiment can improve performance as compared with the saturable absorber formed of carbon nanotubes or graphene. Specifically, the carbon nanotube has absorbance due to the band structure and does not correspond to light in a wide range of wavelengths. On the other hand, as shown in FIG. 3, the saturable absorption element 1 has a substantially constant absorbance with respect to the wavelength, and can correspond to a wide range of wavelengths.

また、グラフェンは、１層で使用する場合には吸光度が低く、層を増やすと変調深度が低下していた。これに対し、可飽和吸収素子１は、十分な吸光度を有するとともに、入射光に対して、高い変調深度を有する。   In addition, graphene has low absorbance when used in one layer, and the modulation depth decreases as the number of layers increases. On the other hand, the saturable absorber 1 has a sufficient absorbance and a high modulation depth with respect to incident light.

例えば、可飽和吸収素子１は、可飽和吸収素子１を用いた超短パルスレーザによる非熱加工の装置、透明材料の加工装置及び難加工材料の加工装置等、テラヘルツ光の発生に利用することができる。また例えば、可飽和吸収素子１は、超短パルスを用いた大容量光ファイバ通信に利用することができる。   For example, the saturable absorption element 1 is used for generation of terahertz light, such as a non-thermal processing apparatus using an ultrashort pulse laser using the saturable absorption element 1, a processing apparatus for transparent materials, and a processing apparatus for difficult-to-process materials. Can do. In addition, for example, the saturable absorption element 1 can be used for large-capacity optical fiber communication using ultrashort pulses.

〈レーザ装置〉
以下に、上述した可飽和吸収素子１を有する実施形態に係るレーザ装置について説明する。図４（ａ）に示すように、実施形態に係るレーザ装置２は、励起光を出力する光源２０と、励起光から出力された光を利用してレーザ光を発振する発振器２１とを備えている。また、発振器２１は、光利得媒体２２及び可飽和吸収素子１を有している。このレーザ装置２は、パルス光を出力するレーザ装置であって、出力するパルス光のパルス幅がフェムト秒やピコ秒レベルである超短パルスレーザ装置である。 <Laser device>
Below, the laser apparatus which concerns on embodiment which has the saturable absorption element 1 mentioned above is demonstrated. As shown in FIG. 4A, the laser apparatus 2 according to the embodiment includes a light source 20 that outputs excitation light, and an oscillator 21 that oscillates laser light using light output from the excitation light. Yes. The oscillator 21 includes an optical gain medium 22 and a saturable absorber 1. This laser apparatus 2 is a laser apparatus that outputs pulsed light, and is an ultrashort pulse laser apparatus in which the pulse width of the output pulsed light is at a femtosecond or picosecond level.

光利得媒体２２は、光ファイバケーブル２２１と、光ファイバケーブル２２１の光と光源２０の光を結合する光カプラー２２２と、光を増幅する光利得媒質２２３と、光を平行光に調整するコリメータレンズ２２４と、光の偏光を調整する波長板２２５ａ，２２５ｂと、光の一部を超短パルスとして出力し、一部を光ファイバケーブル２２１に戻すビームスプリッター２２６とを有している。ここで、波長板２２５ａは１/４波長板であって、波長板２２５ｂは１/２波長板である。   The optical gain medium 22 includes an optical fiber cable 221, an optical coupler 222 that couples the light of the optical fiber cable 221 and the light of the light source 20, an optical gain medium 223 that amplifies the light, and a collimator lens that adjusts the light to parallel light. 224, wave plates 225 a and 225 b that adjust the polarization of light, and a beam splitter 226 that outputs a part of the light as an ultrashort pulse and returns a part to the optical fiber cable 221. Here, the wave plate 225a is a 1/4 wave plate, and the wave plate 225b is a 1/2 wave plate.

また、可飽和吸収素子１は、上述したカーボンナノウォール１２を有する可飽和吸収素子であって、図４（ｂ）に示すように、コネクタ２３によって光ファイバケーブル２２１内に接続されている。なお、図４（ｂ）では、可飽和吸収素子１は、光ファイバケーブル２２１に対して垂直ではなく、傾斜されて配置されているが可飽和吸収素子１の光ファイバケーブル２２１に対する角度は限定されない。   Further, the saturable absorbing element 1 is a saturable absorbing element having the carbon nanowall 12 described above, and is connected in the optical fiber cable 221 by a connector 23 as shown in FIG. In FIG. 4B, the saturable absorbing element 1 is not perpendicular to the optical fiber cable 221 but is inclined, but the angle of the saturable absorbing element 1 with respect to the optical fiber cable 221 is not limited. .

発振器２１は、可飽和吸収素子１によって光ファイバケーブル２２１から入力する光を透過及び吸収することで、モード同期を実現し、超短パルスを出力することができる。   The oscillator 21 transmits and absorbs light input from the optical fiber cable 221 by the saturable absorption element 1, thereby realizing mode locking and outputting an ultrashort pulse.

なお、図４（ａ）は、１つの可飽和吸収素子１を有する例であるが、異なるコネクタ２３を介して接続される複数の可飽和吸収素子１を並列して有していてもよい。これにより、１つの可飽和吸収素子１のみでは十分な吸光度が得られない場合であっても、吸光度を調整し、超短パルスを出力することが可能となる。   FIG. 4A shows an example having one saturable absorber element 1, but a plurality of saturable absorber elements 1 connected via different connectors 23 may be provided in parallel. As a result, even when only one saturable absorbing element 1 cannot obtain sufficient absorbance, it is possible to adjust the absorbance and output an ultrashort pulse.

また、図４を用いて上述したレーザ装置２は、光ファイバケーブル２２１を利用するファイバーレーザーを例に説明しているが、固体レーザ等他のレーザ装置であっても可飽和吸収素子１の使用により、モード同期発振を得ることができる。   Further, the laser device 2 described above with reference to FIG. 4 has been described by taking a fiber laser using the optical fiber cable 221 as an example. Thus, mode-locked oscillation can be obtained.

〈実験結果〉
図５は、実施形態に係るレーザ装置２の実験結果を表している。 <Experimental result>
FIG. 5 shows an experimental result of the laser apparatus 2 according to the embodiment.

図５（ａ）は、レーザ装置２の出力をオシロスコープによって測定したパルス列波形である。この結果、レーザ装置２の出力の繰り返し周波数が４５ＭＨｚであることが分かる。   FIG. 5A shows a pulse train waveform obtained by measuring the output of the laser device 2 with an oscilloscope. As a result, it can be seen that the repetition frequency of the output of the laser device 2 is 45 MHz.

また、図５（ｂ）は、レーザ装置２の出力を自己相関計で測定した自己相関波形と、双曲線正割関数へフィッティングされた波形（sechフィット）である。この結果、パルス幅が３２１フェムト秒（ｆｓ）であることが分かる。したがって、レーザ装置２が超短パルスレーザであることが分かる。   FIG. 5B shows an autocorrelation waveform obtained by measuring the output of the laser device 2 with an autocorrelator and a waveform (sech fit) fitted to a hyperbolic secant function. As a result, it can be seen that the pulse width is 321 femtoseconds (fs). Therefore, it can be seen that the laser device 2 is an ultrashort pulse laser.

さらに、図５（ｃ）は、レーザ装置２の出力の波長を光スペクトルアナライザで分析したスペクトルである。この結果、レーザ装置２の出力のスペクトル幅は１２ｎｍであって、中心波長が１５６４ｎｍであることが分かる。   Further, FIG. 5C is a spectrum obtained by analyzing the wavelength of the output of the laser device 2 with an optical spectrum analyzer. As a result, it can be seen that the spectral width of the output of the laser device 2 is 12 nm and the center wavelength is 1564 nm.

また、レーザ装置２の出力をパワーメータで測定したとき、出力は８ｍＷであった。このように、レーザ装置２の性能として、出力８ｍＷ、繰り返し周波数４５ＭＨｚ、パルス幅３２１ｆｓ、スペクトル幅１２ｎｍ、中心波長１５６４ｎｍが得られた。   Moreover, when the output of the laser apparatus 2 was measured with the power meter, the output was 8 mW. Thus, as the performance of the laser apparatus 2, an output of 8 mW, a repetition frequency of 45 MHz, a pulse width of 321 fs, a spectrum width of 12 nm, and a center wavelength of 1564 nm were obtained.

〈変形例〉
なお、上述した実施形態では、カーボンナノウォール１２が樹脂又はガラスに包埋される可飽和吸収素子１について説明した。これに対し、変形例に係る可飽和吸収素子１Ａが含むカーボンナノウォール１２は、樹脂又はガラスに包埋されない。 <Modification>
In the above-described embodiment, the saturable absorption element 1 in which the carbon nanowall 12 is embedded in resin or glass has been described. On the other hand, the carbon nanowall 12 included in the saturable absorbing element 1A according to the modification is not embedded in resin or glass.

変形例に係る可飽和吸収素子１Ａを生成する際には、カーボンナノウォール１２を樹脂又はガラスで包埋する工程、すなわち、図１を用いて上述した第２工程及び第３工程が行われない。そのため、第４工程でカーボンナノウォール１２を基板１０から剥離することができない。したがって、変形例に係る可飽和吸収素子１Ａを生成する際には、剥離する必要のない基板１０Ａ上にカーボンナノウォール１２を形成する。具体的には、光を透過する石英基板や光を反射するミラーを基板１０Ａとし、この基板１０Ａ上にカーボンナノウォール１２を形成して可飽和吸収素子１Ａを生成する。   When the saturable absorber element 1A according to the modification is generated, the step of embedding the carbon nanowall 12 with resin or glass, that is, the second step and the third step described above with reference to FIG. 1 are not performed. . Therefore, the carbon nanowall 12 cannot be peeled from the substrate 10 in the fourth step. Therefore, when producing the saturable absorber 1A according to the modification, the carbon nanowall 12 is formed on the substrate 10A that does not need to be peeled off. Specifically, a quartz substrate that transmits light or a mirror that reflects light is used as the substrate 10A, and a carbon nanowall 12 is formed on the substrate 10A to generate the saturable absorber 1A.

また、変形例に係る可飽和吸収素子１Ａは、樹脂やガラスで包埋されないため、接触による強度が弱い。したがって、図４を用いて上述したように、光ファイバケーブル２２１と接触させることができない。そのため、可飽和吸収素子１Ａは、例えば、図６に示すように、レンズ２５を使用して空間光学系で使用される。   Moreover, since the saturable absorbing element 1A according to the modification is not embedded with resin or glass, the strength by contact is weak. Therefore, as described above with reference to FIG. 4, the optical fiber cable 221 cannot be contacted. Therefore, the saturable absorbing element 1A is used in a spatial optical system using a lens 25, for example, as shown in FIG.

具体的には、図６（ａ）は、石英基板を基板１０Ａとして使用し、レンズ２５により可飽和吸収素子１Ａに光を集光し、透過させる一例である。また、図６（ｂ）は、ミラーを基板１０Ａとして使用し、レンズ２５により可飽和吸収素子１Ａに光を集光し、反射させる一例である。このように使用される可飽和吸収素子１Ａは、樹脂又はガラスに包埋される必要がない。   Specifically, FIG. 6A is an example in which a quartz substrate is used as the substrate 10A, and light is condensed and transmitted to the saturable absorber 1A by the lens 25. FIG. 6B is an example in which a mirror is used as the substrate 10 </ b> A, and light is collected and reflected by the lens 25 onto the saturable absorber 1 </ b> A. The saturable absorber element 1A used in this way does not need to be embedded in resin or glass.

以上、実施形態及び変形例を用いて本発明を詳細に説明したが、本発明は本明細書中に説明した実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載及び特許請求の範囲の記載と均等の範囲により決定されるものである。   As mentioned above, although this invention was demonstrated in detail using embodiment and a modification, this invention is not limited to embodiment described in this specification. The scope of the present invention is determined by the description of the claims and the scope equivalent to the description of the claims.

１ 可飽和吸収素子
１０ 基板
１１ グラファイト面
１２ カーボンナノウォール
１２ａ グラファイト片
１３ ポリイミド前駆体
１４ ポリイミド
２ レーザ装置
２０ 光源
２１ 発振器
２２ 光利得媒体
２２１ 光ファイバケーブル
２２２ 光カプラー
２２３ 光利得媒質
２２４ コリメータレンズ
２２５ａ，２２５ｂ 偏光板
２２６ ビームスプリッター
２３ コネクタ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Saturable absorption element 10 Board | substrate 11 Graphite surface 12 Carbon nanowall 12a Graphite piece 13 Polyimide precursor 14 Polyimide 2 Laser apparatus 20 Light source 21 Oscillator 22 Optical gain medium 221 Optical fiber cable 222 Optical coupler 223 Optical gain medium 224 Collimator lens 225a, 225b Polarizing plate 226 Beam splitter 23 Connector

Claims (6)

カーボンナノウォールを含む可飽和吸収素子であって、
前記カーボンナノウォールは同一の向きに並列された複数のグラファイト片またはグラフェンを有することを特徴とする可飽和吸収素子。 A saturable absorber element including a carbon nanowall ,
The saturable absorption element, wherein the carbon nanowall has a plurality of graphite pieces or graphene arranged in parallel in the same direction . 価電子の数が炭素と異なる物質が前記カーボンナノウォールにドーピングされたことを特徴とする請求項１に記載の可飽和吸収素子。   The saturable absorber according to claim 1, wherein the carbon nanowall is doped with a substance having a different number of valence electrons from carbon. 基板上にカーボンナノウォールを形成する工程と、
カーボンナノウォールが形成された前記基板を樹脂又はガラスで包埋する工程と、
前記基板上のカーボンナノウォールが包埋された後、前記基板を包埋された樹脂又はガラスから剥離する工程と、
前記基板上にカーボンナノウォールを形成する際に形成された底面のグラファイトを除去する工程と、
を有することを特徴とする可飽和吸収素子の生成方法。 Forming a carbon nanowall on the substrate;
Embedding the substrate on which carbon nanowalls are formed with resin or glass;
After the carbon nanowall on the substrate is embedded, peeling the substrate from the embedded resin or glass;
Removing the graphite on the bottom formed when forming the carbon nanowall on the substrate;
A method for producing a saturable absorbing element, comprising: 前記底面のグラファイトを除去する工程では、研磨により前記底面のグラファイトを除去することを特徴とする請求項３に記載の可飽和吸収素子の生成方法。 The method for generating a saturable absorber element according to claim 3 , wherein, in the step of removing the graphite on the bottom surface, the graphite on the bottom surface is removed by polishing. 前記底面のグラファイトを除去する工程では、イオンエッチング又はプラズマエッチングにより前記底面のグラファイトを除去することを特徴とする請求項３に記載の可飽和吸収素子の生成方法。 4. The method for producing a saturable absorber according to claim 3 , wherein in the step of removing the graphite on the bottom surface, the graphite on the bottom surface is removed by ion etching or plasma etching. 励起光を出力する光源と、
光利得媒体及び可飽和吸収素子を有し、前記励起光から出力された光を利用してレーザ光を発振する発振器とを備え、
前記可飽和吸収素子は、カーボンナノウォールを含み、
前記カーボンナノウォールは同一の向きに並列された複数のグラファイト片またはグラフェンを有する
ことを特徴とするレーザ装置。 A light source that outputs excitation light;
An optical gain medium and a saturable absorber, and an oscillator that oscillates laser light using light output from the pumping light,
The saturable absorber element includes a carbon nanowall ,
The carbon nanowall has a plurality of graphite pieces or graphene arranged in parallel in the same direction .
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