(57)【要約】【課題】従来の光パルス発生装置は大型かつ高製造コストであった。【解決手段】BK-7プリズム１に入射された可視レーザ光Vは金層２に入射角θで入射する。金層２において可視レーザ光Vによって表面プラズモン共鳴光を励起し、光パルス発生器７から光パルスP7を照射して有機色素層３を励起して時間的変化する反転分布状態にし、反転分布状態の時間的変化に応じて有機色素層３の消衰係数k3を負とする。入射角θは、全反射領域において可視レーザ光Vの金層２の光入射面での反射率Rが最小となる光吸収（プラズモン）ディップ角である。パルス幅の大きい光パルスP7からパルス幅の小さい光パルスP1を金層２の反射波として得る。【選択図】        図１
2010025966.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を入射しその反射光を光パルスとして発生するための光入射／反射面を有する金属層と、
該金属層の光入射／反射面の反対面に被覆された誘電体層と、
該誘電体層を時間的変化する励起状態にする誘電体層励起手段と
を具備し、
前記金属層において前記入射光により表面プラズモン共鳴光を励起すると共に、前記誘電体層の励起状態の時間的変化に応じて前記誘電体層の消衰係数を負にするようにした光パルス発生装置。
【請求項２】
前記誘電体層励起手段は前記光パルスのパルス幅より大きいパルス幅を有する第２の光パルスを発生する光パルス発生器を具備し、該第２の光パルスを前記誘電体層に照射する請求項１に記載の光パルス発生装置。
【請求項３】
前記誘電体層励起手段は前記光パルスのパルス幅より大きいパルス幅を有するパルス電流を発生するパルス電流発生器を具備し、該パルス電流を前記誘電体層に注入する請求項１に記載の光パルス発生装置。
【請求項４】
前記入射光の前記金属層の光入射／反射面での入射角は、前記誘電体層が非励起状態のときに、全反射領域において前記入射光の前記金属層の光入射／反射面での反射率が最小となる光吸収ディップ角度である請求項１に記載の光パルス発生装置。
【請求項５】
前記金属層の厚さは、前記誘電体層が非励起状態のときに、前記光吸収ディップ角度で入射した前記入射光の前記金属層の光入射／反射面での反射率が最小となるように、選択された請求項１に記載の光パルス発生装置。
【請求項６】
さらに、前記金属層の前記光入射／反射面に付着された透明基材を具備する請求項１に記載の光パルス発生装置。
【請求項７】
前記透明基材はプリズムである請求項６に記載の光パルス発生装置。
【請求項８】
前記金属層は金、銀、銅、Al、Ir、Mo、Ni、Pt、Rh、W、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Nb、Pd、Irまたはそれらの合金よりなる請求項１に記載の光パルス発生装置。
【請求項９】
前記誘電体層は半導体層である請求項１に記載の光パルス発生装置。
【請求項１０】
前記金属層に前記入射光の波長より小さい径を有する複数の孔部を設けた請求項１に記載の光パルス発生装置。
【請求項１１】
前記複数の孔部が規則性を有する請求項１０に記載の光パルス発生装置。
【請求項１２】
入射光を入射しその反射光を光パルスとして発生するための光入射／反射面を有する金属層と、
該金属層の光入射／反射面の反対面に被覆された誘電体層と、
該誘電体層を時間的変化する励起状態にする誘電体層励起手段と
を具備し、
前記金属層において前記入射光により表面プラズモン共鳴光を励起すると共に、前記誘電体層の励起状態の時間的変化に応じて前記誘電体層の消衰係数を負にするようにした光パルス発生装置の設計方法であって、
前記誘電体層が非励起状態のときに、全反射領域において入射光の前記金属層の光入射／反射面での反射率が最小となるように前記金属層の厚さを選択する工程と、
前記誘電体層が非励起状態のときに、前記選択された金属層の厚さを維持しつつ全反射領域において入射光の前記金属層の光入射／反射面での反射率が最小となるように、前記入射光の前記金属層の光入射／反射面での入射角及び前記誘電体層の厚さの組合せを選択する工程と、
前記入射光の前記入射角での反射率が所定値より大きくなるように前記入射光の前記金属層の光入射／反射面での入射角及び前記誘電体層の厚さの組合せの１つを決定する工程と
を具備する光パルス発生装置の設計方法。
【請求項１３】
入射光を入射しその反射光を光パルスとして発生するための光入射／反射面を有する金属層と、
該金属層の光入射／反射面の反対面に被覆された誘電体層と、
該誘電体層を時間的変化する励起状態にする誘電体層励起手段と
を具備し、
前記金属層において前記入射光により表面プラズモン共鳴光を励起すると共に、前記誘電体層の励起状態の時間的変化に応じて前記誘電体層の消衰係数を負にするようにした光パルス発生装置の設計方法であって、
前記共振器層の透過率に応じて該共振器層の厚さを選択する工程と、
前記誘電体層の厚さを選択する工程と、
前記誘電体層が非励起状態のときに、全反射領域において入射光の前記金属層の光入射／反射面での反射率が最小となるように、前記入射光の前記金属層の光入射／反射面での入射角及び前記金属層の厚さを選択する工程と
前記入射光の前記入射角での反射率が所定値より大きくなるように前記入射光の前記金属層の光入射／反射面での入射角及び前記誘電体層の厚さを決定する工程と
を具備する光パルス発生装置の設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光通信等においてフェムト秒領域の超短光パルス光を発生するための光パルス発生装置及びその設計方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のフェムト秒領域（10-15s）の超短光パルス発生装置としては、その利得媒質の広帯域性を生かしたチタンサファイアレーザ発生装置がある（参照：特許文献１）。
【０００３】
チタンサファイアレーザ発生装置の動作原理は、チタンサファイアレーザ結晶自体に存在する光カー効果による自己位相変調効果を利用する。尚、光カー効果とは、レーザ光強度が弱いときには屈折率が低く、逆に、レーザ光強度が強いときには屈折率が高くなる効果である。
【特許文献１】特表２００３−５００８６１号公報
【非特許文献１】福井萬壽夫他，“光ナノテクノロジーの基礎”，オーム社，p.39-41，2003年11月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述のチタンサファイアレーザ発生装置においては、装置が大型化し、かつ製造コストが高いという課題があった。
【０００５】
従って、本発明の目的は、小型化できかつ低製造コストの光パルス発生装置及びその設計方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述の課題を解決するために、本発明に係る光パルス発生装置は、入射光を入射しその反射光を光パルスとして発生するための光入射／反射面を有する金属層と、金属層の光入射／反射面の反対面に被覆された誘電体層と、誘電体層を時間的変化する励起状態にする誘電体層励起手段とを具備し、金属層において入射光により表面プラズモン共鳴光を励起すると共に、誘電体層の励起状態の時間的変化に応じて誘電体層の消衰係数を負にするようにしたものである。これにより、光パルスのパルス幅は励起状態のパルス幅より小さくなる。
【０００７】
誘電体層励起手段は光パルスのパルス幅より大きいパルス幅を有する第２の光パルスを発生する光パルス発生器を具備し、第２の光パルスを誘電体層に照射する。
【０００８】
あるいは誘電体層励起手段は光パルスのパルス幅より大きいパルス幅を有するパルス電流を発生するパルス電流発生器を具備し、パルス電流を前記誘電体層に注入する。
【０００９】
入射光の金属層の光入射／反射面での入射角は、誘電体層が非励起状態のときに、全反射領域において入射光の金属層の光入射／反射面での反射率が最小となる光吸収ディップ角度である。これにより、表面プラズモン共鳴光の励起量は大きくなる。
【００１０】
金属層の厚さは、誘電体層が非励起状態のときに、光吸収ディップ角度で入射した入射光の金属層の光入射／反射面での反射率が最小となるように選択されたものである。これにより、表面プラズモン共鳴光の励起量は大きくなる。
【００１１】
誘電体層は有機色素層あるいは半導体層である。
【００１２】
さらに、誘電体層の金属層と反対側に被覆された共振器層を具備する。この共振器層は銀（Ag）層あるいは誘電体多層鏡構造である。
【００１３】
また、本発明は、入射光を入射しその反射光を光パルスとして発生するための光入射／反射面を有する金属層と、金属層の光入射／反射面の反対面に被覆された誘電体層と、誘電体層を時間的変化する励起状態にする誘電体層励起手段とを具備し、金属層において入射光により表面プラズモン共鳴光を励起すると共に、誘電体層の励起状態の時間的変化に応じて前記誘電体層の消衰係数を負にするようにした光パルス発生装置の設計方法であって、誘電体層が非励起状態のときに、全反射領域において入射光の金属層の光入射／反射面での反射率が最小となるように金属層の厚さを選択する工程と、誘電体層が非励起状態のときに、選択された金属層の厚さを維持しつつ全反射領域において入射光の金属層の光入射／反射面での反射率が最小となるように、入射光の前記金属層の光入射／反射面での入射角及び誘電体層の厚さの組合せを選択する工程と、入射光の前記入射角での反射率が所定値より大きくなるように入射光の前記金属層の光入射／反射面での入射角及び誘電体層の厚さの組合せの１つを決定する工程とを具備するものである。
【００１４】
また、本発明は、入射光を入射しその反射光を光パルスとして発生するための光入射／反射面を有する金属層と、金属層の光入射／反射面の反対面に被覆された誘電体層と、誘電体層を時間的変化する励起状態にする誘電体層励起手段とを具備し、金属層において入射光により表面プラズモン共鳴光を励起すると共に、誘電体層の励起状態の時間的変化に応じて誘電体層の消衰係数を負にするようにした光パルス発生装置の設計方法であって、共振器層の透過率に応じて共振器層の厚さを選択する工程と、誘電体層の厚さを選択する工程と、誘電体層が非励起状態のときに、全反射領域において入射光の金属層の光入射／反射面での反射率が最小となるように、入射光の金属層の光入射／反射面での入射角及び金属層の厚さを選択する工程と入射光の入射角での反射率が所定値より大きくなるように入射光の金属層の光入射／反射面での入射角及び誘電体層の厚さを決定する工程とを具備するものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、小型化でき、また、低製造コストとすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は本発明に係る光パルス発生装置の第１の実施の形態を示す断面図である。
【００１７】
図１において、光パルス発生装置は、透明基材としての屈折率n1=1.535、頂角90°の三角柱形状のBK-7プリズム１、BK-7プリズム１の稜部１１に対向する面１２に蒸着等により被覆された金属層として金（Au）層２、及び金層２の光入射／反射面の反対面に被覆された誘電体層としてたとえばローダミンB（rhodamine B）の有機色素層３を備えている。金層２の長さはたとえば1cm程度であり、また、厚さは10nm〜10μmの範囲である。金層２の厚さ（断面における底辺の長さ）が10nm未満では、金層２で発生するエバネッセント光を金層２が十分に吸収できないことがあり、また、金層２の厚さが10μmを超えると、金層２で発生するエバネッセント光の減衰が大きくなり金層２の表面プラズモン共鳴光を励起できないことがある。尚、金層２とBK-7プリズム１との密着性を高めるために、BK-7プリズム１の表面に1〜2nm程度のCr等の金属を蒸着してもよい。また、金層２の代りに、金、銀、銅、Al、Ir、Mo、Ni、Pt、Rh、W、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Nb、Pd、Irまたはそれらの合金よりなる金属層を用いてもよい。
【００１８】
また、BK-7プリズム１の稜部１１を挟む２つの面１３、１４の一方の面１３には無反射（AR）コート４が被覆されている。尚、BK-7プリズム１の反射率たとえば８％による入射損失が無視できれば、無反射コート４は省略できる。
【００１９】
さらに、He-Neレーザ源５及び波長板６が設けられ、これによりHe-Neレーザ源５から発生した可視レーザ光Vが波長板６、無反射コート４及びBK-7プリズム１を介して金層２に入射する。この場合、金層２にエバネッセント光を発生させ、このエバネッセント光により表面プラズモン共鳴光を励起させるためには、可視レーザ光Vの金層２の光入射／反射面に水平な偏光いわゆるTM偏光もしくはP偏光をBK-7プリズム１に入射させる必要があり、このために、波長板６を回転調整する。尚、He-Neレーザ源５の可視レーザ光Vの偏光は直線偏光を有しているので、波長板６を設けずに、He-Neレーザ源５の筐体を回転させて上記のP偏光を形成してもよい。
【００２０】
金層２において入射光により表面プラズモン共鳴光を励起すると共に、有機色素層３において光パルス発生器７からの光パルスP7の照射により励起して反転分布状態にし、これにより、有機色素層３の消衰係数k3を負にする。この結果、消衰係数k3の負の値に応じて金層２の光入射／反射面の出力光、つまり、パルスP1の強度Ioutは入力光強度Iinの107倍程度となる。これは表面プラズモン共鳴光と有機色素層３の励起状態つまり反転分布状態とが共振状態となるからと考えられる。尚、光パルス発生器７はYAGレーザまたは半導体レーザ等であり、比較的低製造コストである。
【００２１】
ここで、有機色素層３はたとえばレーザ発振をするローダミンB（rhodamine B）と呼ばれる有機系材料をドープしたBN-POF[binaphthyl-poly(9,9-dioctylfluorene)]と呼ばれるホスト材料を、スピンコーティング技術等により被覆したものである。
【００２２】
図１の光パルス発生装置の動作原理は、可視レーザ光Vによって金層２にエバネッセント光を発生し、このエバネッセント光により金層２の光入射／反射面と反対面に表面プラズモン共鳴光を励起させる。この場合、可視レーザ光VはP偏光なので金層２の表面に平行な電界成分及び垂直な電界成分を有し、それぞれの電界成分が増大する。たとえば、この表面プラズモン共鳴光により金層２の上記反対面での入射光の電界強度は２０倍程度となり、従って、金層２の入射光の光強度はその電界成分の２乗なので400（=20×20）倍程度となる。表面プラズモン共鳴光については非特許文献１を参照されたし。
【００２３】
尚、図１の光パルス発生装置において、He-Neレーザ源５の可視レーザ光Vの波長はλ=632.8nmとすれば、金の表面プラズモン共鳴波長は600〜1000nmであるので、表面プラズモン共鳴光が励起される。
【００２４】
図２は図１の光パルス発生装置の設計フローを示すフローチャートである。
【００２５】
始めに、ステップ２０１にて金層２の最適の厚さt2を選択する。図１の金層２の光入射／反射面の反対面における表面プラズモン共鳴光の励起量を最大とする可視レーザ光Vの入射角θは、臨界角θcより大きい範囲で、金層２の光入射／反射面での反射率Rが最小となる光吸収（プラズモン）ディップ角度である。つまり、BK-7プリズム１に対して可視レーザ光Vを相対的に角度スキャンして金層２からの反射光を利用してシミュレーションした結果である全反射減衰（ATR）信号スペクトルを図３に示してある。尚、このシミュレーションソフトとしてはマックスプランク研究所開発のWinSpall（商標名）もしくはトランスファマトリクス法を利用した解析を用いる。波長λ=632.8nmのレーザ光Vの基における条件は次のごとくである。
BK-7プリズム１について、
屈折率n1=1.535
消衰係数k1=0
である。金層２について、
厚さt2=可変
屈折率n2=0.18
消衰係数k2=3
である。有機色素層３について、
厚さt3=0
である。つまり、有機色素層３が形成されていない状態である。
【００２６】
図３においては、金層２の厚さt2に応じた複数のATR信号スペクトルのうち、金層２の厚さt2=53nmのATR信号スペクトルのみを図示してある。金層２の厚さt2が10nm未満では、金層２で発生するエバネッセント光を金層２が十分に吸収できないことからプラズモンディップが発生しない。また、金層２の厚さt2が60nmを超えると、金層２で発生するエバネッセント光の減衰が大きくなり、金層２の表面プラズモン共鳴光の励起ができなくなり、プラズモンディップにおける反射率Rは大きくなる。図３においては、金層２の厚さt2≒53nmでのATR信号スペクトルが反射率R=0の鋭いプラズモンディップを有することが分かる。従って、金層２の厚さt2を53±1nmの範囲で選択することにより表面プラズモン共鳴光の励起量は最大となる。
【００２７】
次に、ステップ２０２に進み、組合せ（入射角θ、有機色素層３の厚さt3）の検出をする。この組合せの検出は有機色素層３の非励起状態（k3=0）で行う。金層２の厚さt2を53nmに維持すると共に、有機色素層３の厚さt3を0〜50nmの範囲で変化させた場合のそれぞれの全反射減衰（ATR）信号スペクトルを図４に示してある。尚、図４においては、代表として、有機色素層３の厚さt3=25, 50nmの場合のみを図示してある。波長λ=632.8nmの可視レーザ光Vの基における条件は次のごとくである。
BK-7プリズム１について、
屈折率n1=1.535
消衰係数k1=0
である。金層２について、
厚さt2=53nm
屈折率n2=0.18
消衰係数k2=3
である。有機色素層３について、
厚さt3=可変
屈折率n3=1.4
消衰係数k3=0
である。
【００２８】
図４に示すように、有機色素層３は吸収損失（k3=0）を生じないので、有機色素層３の厚さt3が増大すると、プラズモンディップ角度は高角側にシフトするが、プラズモンディップの深さは反射率R=0点と同一である。つまり、非励起状態の有機色素層３の厚さt3に関係なく、効率のよい表面プラズモン共鳴光を励起できる。説明を簡単にするために、ここでは、次の２つの組合せ（θ，t3）を検出したものと仮定する。
（49.5°，25nm）
（59.5°，50nm）
【００２９】
次に、ステップ２０３、２０４において、（θ，t3）候補のうち１つの検出された組合せ（θ，t3）を１つ選択する。
【００３０】
次に、ステップ２０５〜２０９のフローに進み、選択された組合せ（θ，t3）を維持した状態で、所望の反射率Rが得られるように有機色素層３の消衰係数k3を決定する。つまり、組合せ（θ，t3，k3）を決定する。尚、有機色素層３の消衰係数k3は有機色素層３に光パルス発生器７の光パルスP7の代りに第２のレーザ光（ポンプ光）を当てることによって励起状態つまり反転分布状態の強度によって一義的に定まる。つまり、k3=η1I、但し、Iはポンプ光のエネルギー等、η1は定数、である。以下、ステップ２０５〜２０９について詳述する。
【００３１】
ステップ２０５において、消衰係数k3を-kmin(kminは正の値たとえば0.001)とし、ステップ２０６にて、ATR信号スペクトルをシミュレーションソフトを用いて演算し、ATR信号スペクトルから選択入射角での反射率Rmaxを求める。尚、ATR信号スペクトルを求めず、反射率Rmaxを直接求めてもよい。次いで、ステップ２０７にて、選択入射角での反射率Rmaxが所定値Rth(たとえば6E4)より大きいか否かを判別する。この結果、Rmax>Rthの場合のときのみステップ２１０に進み、他方、Rmax≦Rthの場合には、ステップ２０８、２０９により消衰係数k3をΔk（たとえば0.001）だけ小さくしてステップ２０６、２０７のフローを繰返す。つまり、消衰係数k3を-kminから-kmax(kmaxは正の値たとえば1.0)まで変化させ,その間に、選択入射角での反射率Rmaxが所定値Rthに到達したときの消衰係数k3を選択する。尚、ステップ２０３にて検出された組合せ（θ，t3）がすべて選択済であれば、ステップ２１１に進み、エラーとなる。
【００３２】
たとえば、ステップ２０４にて（θ，t3）=（49.5°，25nm）を選択し、k3=-0.05の場合にステップ２０６にて演算されたATR信号スペクトルが図５の（Ａ）に図示され、k3=-0.077の場合にステップ２０６にて演算されたATR信号スペクトルが図５の（Ｂ）に図示されている。いずれの場合も、選択入射角での反射率RmaxはRthに到達していないので、ステップ２０８、２０９にて消衰係数k3は更新され、ステップ２０６に戻る。
【００３３】
また、ステップ２０４にて（θ，t3）=（59.5°，50nm）を選択し、k3=-0.05の場合にステップ２０６にて演算されたATR信号スペクトルが図６の（Ａ）に図示され、k3=-0.077の場合にステップ２０６にて演算されたATR信号スペクトルが図６の（Ｂ）に図示されている。k3=-0.05の場合は、選択入射角での反射率RmaxはRthに到達していないので、ステップ２０８、２０９にて消衰係数k3は更新されてステップ２０６に戻るが、k3=-0.077の場合には、選択入射角での反射率RmaxはRthに到達しているので、ステップ２０７からステップ２０８に進み、k3=-0.077が選択されることになる。つまり、（θ，t3，k3）として（59.5°，50nm，-0.077）が選択されることになる。
【００３４】
図６においては、波長λ=632.8nmの可視レーザ光Vの基における条件は次のごとくである。
BK-7プリズム１について、
屈折率n1=1.535
消衰係数k1=0
である。金層２について、
厚さt2=53nm
屈折率n2=0.18
消衰係数k2=3
である。有機色素層３について、
厚さt3=50nm
屈折率n3=1.4
消衰係数k3=-0.05, -0.077
である。
【００３５】
図６に示すように、有機色素層３の厚さt3が50nmにおいては、消衰係数k3=-0.05である場合には、選択入射角での反射率は大きくなるも所定値Rthに到達せず、消衰係数k3=-0.077である場合には、選択入射角での反射率は非常に大きくなって所定値を超える。従って、組合せ（θ，t3）=（59.5°，50nm）を決定することになる。
【００３６】
他方、有機色素層３の消衰係数k3は、上述のごとく、有機色素層３の励起状態の強度Iで変化できる（k3=η1I）。従って、光パルス発生器７の光パルスP7は時間的変化を有するので、図７に示すごとく、有機色素層３の消衰係数k3をたとえば0〜-0.1の範囲で変化でき、この結果、k3=-0.077のときのみ大きい強度Ioutの反射光つまり光パルスP1を発生することができる。尚、図７の（Ａ）は消衰係数k3を0〜-0.1に変化させた場合のグラフ、図７の（Ｂ）は（Ａ）のk3=-0.077の近傍の拡大図であり、半値全幅（FWHM）Δk3は0.0001である。
【００３７】
図８の（Ａ）に示すごとく、光パルス発生器７の光パルスP7の光強度が三角パルスで変化して消衰係数k3が0〜-0.1の範囲で変化すると仮定し、その周期Tを2nsとし、消衰係数k3の変化量K=0.1とすれば、光パルスP1の半値全幅（FWHM）Δtは次のごとくなる。
K : T/2 = Δk3 : Δt
∴  Δt = Δk3・(T/2)/K 
= 0.0001・1ns/0.1
= 0.001ns
= 1ps
つまり、図８の（Ａ）に示す周期2nsの光パルスP7を利用して図８の（Ｂ）に示すFWHM=1psの光パルスP1を得ることができる。このとき、He-Neレーザ源５の入射光強度Iinを10mWとすれば、約107倍増強されるので、光パルスP1の尖頭値Ioutは100kW程度となる。
【００３８】
尚、上述の第１の実施の形態では、光パルス発生器７の光パルスP7の光強度が三角パルスで変化すると仮定したが、これに限定されるものでなく、正弦波パルスで時間的変化させてもよい。
【００３９】
図９は本発明に係る光パルス発生装置の第２の実施の形態を示す断面図である。
【００４０】
図９において、図１の有機色素層３の代りに、高い利得係数αを有する半導体層たとえばGaAs層３ａを設け、また、図１のHe-Neレーザ源５の代りに、GaAsのバンドギャップに合せて900nmの赤外レーザ光IRを発生する赤外レーザ源５ａを設けてある。
【００４１】
金層２において入射光により表面プラズモン共鳴光を励起すると共に、GaAs層３ａにおいて光パルス発生器７からの光パルスP7の照射により励起して反転分布状態にし、これにより、GaAs層３ａの消衰係数k3を負にする。この結果、消衰係数k3の負の値に応じて金層２の光入射／反射面の反射光強度Ioutは入射光強度Iinの1012倍程度となる。これは表面プラズモン共鳴光とGaAs層３ａの励起状態つまり反転分布状態とが共振状態となるからと考えられる。また、後述のごとく、小さなビーム発散角を有する。
【００４２】
図９の光パルス発生装置の動作原理も、図１の光パルス発生装置の動作原理と同一である。
【００４３】
尚、図９の光パルス発生装置において、赤外レーザ光IRはλ=900nmとすれば、金の表面プラズモン共鳴波長は600〜1000nmであるので、表面プラズモン共鳴光を励起する。
【００４４】
図１０は図９の光パルス発生装置の設計フローを示すフローチャートである。
【００４５】
始めに、ステップ１００１にて金層２の最適の厚さt2を選択する。図１０の金層２の光電面における表面プラズモン共鳴光の励起量を最大とするレーザ光IRの入射角θは臨界角θcより大きい範囲で、金層２の光入射／反射面での反射率Rが最小となる光吸収（プラズモン）ディップ角度である。つまり、BK-7プリズム１に対して赤外レーザ光IRを相対的に角度スキャンして金層２からの反射光を利用してシミュレーションした結果である全反射減衰（ATR）信号スペクトル（図示せず）により最適の厚さt2を選択する。この場合、波長λ=900nmの赤外レーザ光IRの基における条件は次のごとくである。
BK-7プリズム１について、
屈折率n1=1.535
消衰係数k1=0
である。金層２について、
厚さt2=可変
屈折率n2=0.22
消衰係数k2=6
である。GaAs層３ａについて、
厚さt3=0
である。つまり、GaAs層３ａが形成されていない状態である。この結果、金層２の厚さt2≒39nmで反射率R=0の鋭いプラズモンディップを有し、金層２の厚さt2を39±1nmの範囲で選択することにより表面プラズモン共鳴光の励起量は最大となる。
【００４６】
次に、ステップ１００２に進み、組合せ（入射角θ、GaAs層３ａの厚さt3）を検出する。この組合せの検出はGaAs層３ａの非励起状態（k3=0）で行う。金層２の厚さt2を39nmとすると共に、GaAs層３ａの厚さt3を0〜50nmの範囲で変化させた場合のそれぞれの全反射減衰（ATR）信号スペクトルを図１１に示してある。尚、図１１においては、代表として、GaAs層３ａの厚さt3=10nmの場合のみを図示してある。波長λ=900nmの赤外レーザ光IRの基における条件は次のごとくである。
BK-7プリズム１について、
屈折率n1=1.535
消衰係数k1=0
である。金層２について、
厚さt2=39nm
屈折率n2=0.22
消衰係数k2=6
である。GaAs層３ａについて、
厚さt3=可変
屈折率n3=3.57
消衰係数k3=0.00013
である。
【００４７】
図１１に示すように、GaAs層３ａは少し吸収損失（k3=0.00013）を生じるが、t3=10nmで効率のよい表面プラズモン共鳴光を励起できる。説明を簡単にするために、ここでは、次の１つの組合せ（θ，t3）を検出したものと仮定する。
（41.5°，10nm）
【００４８】
次に、ステップ１００３、１００４において、（θ，t3）候補のうち１つの検出された組合せ（θ，t3）を１つ選択する。
【００４９】
次に、ステップ１００５〜１００９のフローに進み、選択された組合せ（θ，t3）を維持した状態で、所望の反射率Rが得られるようにGaAs層３ａの消衰係数k3を決定する。つまり、組合せ（θ，t3，k3）を決定する。尚、GaAs層３ａの消衰係数k3はGaAs層３ａに光パルス発生器７の光パルスP7の代りに第２のレーザ光（ポンプ光）を当てることによって励起状態つまり反転分布状態の強度によって一義的に定まる。つまり、k3=η2I、但し、Iはポンプ光のエネルギー等、η2は定数、である。以下、ステップ１００５〜１００９について詳述する。
【００５０】
ステップ１００５において、消衰係数k3を-kmin(kminは正の値たとえば0.001)とし、ステップ１００６にて、ATR信号スペクトルをシミュレーションソフトを用いて演算し、ATR信号スペクトルから選択入射角での反射率Rmaxを求める。尚、ATR信号スペクトルを求めず、反射率Rmaxを直接求めてもよい。次いで、ステップ１００７にて、選択入射角での反射率Rmaxが所定値Rth(たとえば6E4)より大きいか否かを判別する。この結果、Rmax>Rthの場合のときのみステップ１０１０に進み、他方、Rmax≦Rthの場合には、ステップ１００８、１００９により消衰係数k3をΔk（たとえば0.001）だけ小さくしてステップ１００６、１００７のフローを繰返す。つまり、消衰係数k3を-kminから-kmax(kmaxは正の値たとえば1.0)まで変化させ,その間に、選択入射角での反射率Rmaxが所定値Rthに到達したときの消衰係数k3を選択する。尚、ステップ１００３にて検出された組合せ（θ，t3）がすべて選択済であれば、ステップ１０１１に進み、エラーとなる。
【００５１】
たとえば、ステップ１００４にて（θ，t3）=（41.5°，10nm）を選択し、k3=-0.636の場合にステップ１００６にて演算されたATR信号スペクトルが図１２に図示されている。この場合には、選択入射角での反射率RmaxはRthに到達しているので、ステップ１００７からステップ１０１０に進み、k3=-0.636が選択されることになる。つまり、（θ，t3，k3）として（41.5°，10nm，-0.636）が選択されることになる。
【００５２】
図１２においては、波長λ=900nmの赤外レーザ光IRの基における条件は次のごとくである。
BK-7プリズム１について、
屈折率n1=1.535
消衰係数k1=0
である。金層２について、
厚さt2=39nm
屈折率n2=0.22
消衰係数k2=6
である。GaAs層３ａについて、
厚さt3=10nm
屈折率n3=3.57
消衰係数k3=-0.64587
である。
【００５３】
尚、図１２の反射スペクトルは、図１３に示すごとく、非常に鋭いデルタ関数スペクトルである。このように、図１２、図１３に示すように、GaAs層３ａの厚さt3が10nmにおいては、図１１のプラズモンディップ角度θ=41.5°（実際には少しずれた角度41.45°）で消衰係数k3が負の値-0.636のときに、金層２の光入射／出射面における反射光強度Ioutは入射光強度Iinの1012倍程度となる。このようにして、組合せ（θ，t3）=（41.5°，10nm）を決定する。
【００５４】
他方、GaAs層３ａの消衰係数k3は、上述のごとく、GaAs層３ａの励起状態の強度Iで変化できる（k3=η2I）。従って、光パルス発生器７の光パルスP7は時間的変化を有するので、図１４に示すごとく、GaAs層３ａの消衰係数k3をたとえば0〜-1.0の範囲で変化でき、この結果、k3=-0.636のときのみ大きい強度Ioutの反射光つまり光パルスP1を発生することができる。尚、図１４の（Ａ）は消衰係数k3を0〜-1.0に変化させた場合のグラフ、図１４の（Ｂ）は（Ａ）のk3=-0.636の近傍の拡大図であり、半値全幅（FWHM）Δk3は0.00002である。
【００５５】
図１５の（Ａ）に示すごとく、光パルス発生器７の光パルスP7の光強度が三角パルスで変化して消衰係数k3が0〜-1.0の範囲で変化すると仮定し、その周期Tを2nsとし、消衰係数k3の変化量K=1.0とすれば、光パルスP1の半値全幅（FWHM）Δtは次のごとくなる。
K : T/2 = Δk3 : Δt
∴  Δt = Δk3・(T/2)/K 
= 0.00002・1ns/1.0
= 0.00002ns
= 20fs
つまり、図１５の（Ａ）に示す周期2nsの光パルスP7を利用して図１５の（Ｂ）に示すFWHM=20fsの光パルスP1を得ることができる。このとき、赤外レーザ源５ａの入射光強度Iinを10mWとすれば、約1010倍増強されるので、光パルスP1の尖頭値Ioutは100MW程度となる。
【００５６】
尚、上述の第２の実施の形態においても、光パルス発生器７の光パルスP7の光強度が三角パルスで変化すると仮定したが、これに限定されるものでなく、正弦波パルスで時間的変化させてもよい。
【００５７】
また、上述の消衰係数k3=-0.636における反射光強度Iout／入射光強度Iinが1012倍程度というのは、最大値ではなく、理論的には、レーザ発振における自励発振状態に相当し、反射光強度は無限大である。しかし、実際には、反射光強度Ioutが増大するに従って誘導吸収、誘導散乱等の非線形損失のために反射光強度は無限大とならない。
【００５８】
さらにまた、小さなビーム発散角を有している。通常、小さなビーム発散角を達成するためには、非常に長い共振器構造を必要とするが、100nmと非常に短い共振器構造においても小さなビーム発散角が可能となる。
【００５９】
図１６は本発明に係る光パルス発生装置の第３の実施の形態を示す断面図である。
【００６０】
図１６においては、図１の光パルス発生装置に共振器層としての銀（Ag）層４を付加してある。銀層４は有機色素層３の金層４と反対側面に被覆されている。
【００６１】
有機色素層３をλ=320nmの紫外レーザ光（ポンプ光）で励起すると仮定すると、銀層４はHe-Neレーザ源５の可視レーザ光V（λ=623.8nm）に対しては高い反射率を有し、他方、紫外レーザ光（λ=320nm）に対しては低い反射率つまり、高い透過率を有する。従って、このような反射率選択性を有する銀層４は共振器層として作用することになる。
【００６２】
図１６の光パルス発生装置の動作原理は、可視レーザ光Vは金層２に入射し、有機色素層３を通過しても銀層４によって反射される。他方、有機色素層３は銀層４を通過したポンプ光によって励起される。この結果、入射及び反射された可視レーザ光Vによって金層２にエバネッセント光を発生し、このエバネッセント光により金層２の光入射／反射面と反対面に表面プラズモン共鳴光を励起させる。この場合、可視レーザ光VはP偏光なので金層２の表面に平行な電界成分及び垂直な電界成分を有し、それぞれの電界成分が増大する。たとえば、この表面プラズモン共鳴光により金層２の上記反対面での入射光の電界強度は２０倍程度となり、従って、金層２の入射光の光強度はその電界成分の２乗なので400（=20×20）倍程度となる。
【００６３】
尚、図１６の光パルス発生装置においても、He-Neレーザ源５の可視レーザ光Vの波長はλ=632.8nmとすれば、金の表面プラズモン共鳴波長は600〜1000nmであるので、表面プラズモン共鳴光が励起される。
【００６４】
図１７は図１６の光パルス発生装置の設計フローを示すフローチャートである。
【００６５】
始めに、ステップ１７０１にて銀層４の厚さt4を選択する。たとえば、銀層４の厚さt4を10nmとすれば、紫外レーザ光（λ=320nm）に対して銀層４の透過率は７０〜８０％となる。従って、t4=10nmとする。
【００６６】
次に、ステップ１７０２にて有機色素層３の厚さt3を選択する。たとえば、第１の実施の形態を参照してt3=50nmとする。つまり、有機色素層３は吸収損失（k3=0）を生じないので、有機色素層３の厚さt3が増大すると、プラズモンディップ角度は高角側にシフトするが、プラズモンディップの深さは反射率R=0点と同一である。従って、プラズモンディップ角度が90°以内であればよい。尚、t3＞200nmとなると、プラズモンディップ角度は90°を超える。
【００６７】
次に、ステップ１７０３にて組合せ（入射角θ，金層２の最適の厚さt2）を選択する。図１５の金層２の光入射／反射面の反対面における表面プラズモン共鳴光の励起量を最大とする可視レーザ光Vの入射角θは、臨界角θcより大きい範囲で、金層２の光入射／反射面での反射率Rが最小となる光吸収（プラズモン）ディップ角度である。つまり、BK-7プリズム１に対して可視レーザ光Vを相対的に角度スキャンして金層２からの反射光を利用してシミュレーションした結果である図１８に示す全反射減衰（ATR）信号スペクトルにより最適の厚さt2を選択する。この場合、波長λ=632.8nmのレーザ光Vの基における条件は次のごとくである。
BK-7プリズム１について、
屈折率n1=1.535
消衰係数k1=0
である。金層２について、
厚さt2=可変
屈折率n2=0.18
消衰係数k2=3
である。有機色素層３について、
厚さt3=50nm
屈折率n3=1.4
消衰係数k3=0
である。銀層４について、
厚さt4=10nm
屈折率n4=0.135
消衰係数k4=4
である。
【００６８】
次に、ステップ１７０４〜１７１０のフローに進み、所望の反射率Rが得られるように有機色素層３の消衰係数k3を決定する。尚、この場合も、有機色素層３の消衰係数k3は銀層４に第２のレーザ光（ポンプ光）を当てることによって励起状態つまり反転分布状態の強度によって一義的に定まる。つまり、k3=η3I、但し、Iはポンプ光のエネルギー等、η3は定数、である。共振器構造の場合、η3は前述のη1、η2より大きい。
【００６９】
以下、ステップ１７０５〜１７１０について詳述する。
【００７０】
ステップ１７０４において、消衰係数k3を-kmin(kminは正の値たとえば0.001)とし、ステップ１７０５にて、ATR信号スペクトルをシミュレーションソフトを用いて演算し、ATR信号スペクトルから選択入射角での反射率Rmaxを求める。尚、ATR信号スペクトルを求めず、反射率Rmaxを直接求めてもよい。次いで、ステップ１７０６にて、選択入射角での反射率Rmaxが所定値Rth(たとえば6E4)より大きいか否かを判別する。この結果、Rmax>Rthの場合のときのみステップ１７０９に進み、他方、Rmax≦Rthの場合には、ステップ１７０７、１７０８により消衰係数k3をΔk（たとえば0.001）だけ小さくしてステップ１７０５、１７０６のフローを繰返す。つまり、消衰係数k3を-kminから-kmax(kmaxは正の値たとえば1.0)まで変化させ,その間に、選択入射角での反射率Rmaxが所定値Rthに到達したときの消衰係数k3を選択する。尚、ステップ１７０８にてk3＜-kmaxであれば、ステップ１７１０に進み、エラーとなる。
【００７１】
たとえば、k3=-0.211の場合にステップ１７０５にて演算されたATR信号スペクトルが図１９に図示されている。この場合には、選択入射角での反射率RmaxはRthに到達しているので、ステップ１７０６からステップ１７０９に進み、k3=-0.211が決定されることになる。
【００７２】
図１９においては、波長λ=632.8nmの可視レーザ光Vの基における条件は次のごとくである。
BK-7プリズム１について、
屈折率n1=1.535
消衰係数k1=0
である。金層２について、
厚さt2=39nm
屈折率n2=0.18
消衰係数k2=3
である。有機色素層３について、
厚さt3=50nm
屈折率n3=1.4
消衰係数k3=-0.211
である。銀層４について、
厚さt4=10nm
屈折率n4=0.135
消衰係数k4=4
である。
【００７３】
図１９に示すように、図１８のプラズモンディップ角度θ=46.5°（実際には少しずれた角度46.3°）で消衰係数k3が負の値-0.211のときに、金層２の光入射／出射面における反射光強度Ioutは入射光強度Iinの106倍程度となる。
【００７４】
他方、有機色素層３の消衰係数k3は、上述のごとく、有機色素層３の励起状態の強度Iで変化できる（k3=η3I）。従って、光パルス発生器７の光パルスP7は時間的変化を有するので、図２０に示すごとく、有機色素層３の消衰係数k3をたとえば0〜-0.4の範囲で変化でき、この結果、k3=-0.211のときのみ大きい強度Ioutの反射光つまり光パルスP1を発生することができる。尚、図２０の（Ａ）は消衰係数k3を0〜-0.4に変化させた場合のグラフ、図２０の（Ｂ）は（Ａ）のk3=-0.211の近傍の拡大図であり、半値全幅（FWHM）Δk3は0.0001である。
【００７５】
図２１の（Ａ）に示すごとく、光パルス発生器７の光パルスP7の光強度が三角パルスで変化して消衰係数k3が0〜-0.4の範囲で変化すると仮定し、その周期Tを2nsとし、消衰係数k3の変化量K=0.4とすれば、光パルスP1の半値全幅（FWHM）Δtは次のごとくなる。
K : T/2 = Δk3 : Δt
∴  Δt = Δk3・(T/2)/K 
= 0.0001・1ns/0.4
= 0.00025ns
= 250fs
つまり、図２１の（Ａ）に示す周期2nsの光パルスP7を利用して図２１の（Ｂ）に示すFWHM=250fsの光パルスP1を得ることができる。このとき、He-Neレーザ源５の入射光強度Iinを10mWとすれば、約106倍増強されるので、光パルスP1の尖頭値Ioutは10kW程度となる。
【００７６】
尚、上述の第３の実施の形態においても、光パルス発生器７の光パルスP7の光強度が三角パルスで変化すると仮定したが、これに限定されるものでなく、正弦波パルスで時間的変化させてもよい。
【００７７】
尚、共振器層としては反射率選択性を有するSiO2／TiO2等の誘電体多層鏡構造を設けることができる。
【００７８】
図２２は本発明に係る光パルス発生装置の第４の実施の形態を示す断面図である。
【００７９】
図２２において、図９のGaAs層３ａの代りに、半導体レーザ素子、つまり、正孔注入層（p-Al0.25Ga0.75As）３１、活性層（p-GaAs）３２、電子注入層（n-Al0.25Ga0.75As）３３、n型GaAs基板３４及び電極（Au）３５を設ける。また、図９の光パルス発生器７の代りに、電流パルス発生器７ａを設けてある。電流パルス発生器７ａはAu層２と電極３５との間に接続され、電流パルスP7’を発生して活性層３２に注入する。尚、電流パルス発生器７ａは三角波電流発生回路等であり、比較的低製造コストである。
【００８０】
金層２において入射光により表面プラズモン共鳴光を励起すると共に、活性層３２において電流パルス発生器７ａからの電流パルスP7’の注入により励起して反転分布状態にし、これにより、活性層３２の消衰係数k3を負にする。この結果、消衰係数k3の負の値に応じて金層２の光入射／反射面の反射光強度Ioutは入射光強度Iinの105倍程度となる。これは表面プラズモン共鳴光と活性層３２の励起状態つまり反転分布状態とが共振状態となるからと考えられる。
【００８１】
図２２の光パルス発生装置の動作原理も、図１の光パルス発生装置の動作原理と同一である。
【００８２】
図１０は図２２の光パルス発生装置の設計フローをも示すフローチャートである。ここでは話を簡単にするために、正孔注入層３１、電子注入層３３、GaAs基板３４の厚みについては、各々、50nm、50nm、950nmと固定し、フローチャートにおけるステップ１００２は活性層３２の厚さt3を考察することにする。
【００８３】
始めに、ステップ１００１にて金層２の最適の厚さt2を選択する。図１０の金層２の光電面における表面プラズモン共鳴光の励起量を最大とするレーザ光IRの入射角θは臨界角θcより大きい範囲で、金層２の光入射／反射面での反射率Rが最小となる光吸収（プラズモン）ディップ角度である。つまり、BK-7プリズム１に対して赤外レーザ光IRを相対的に角度スキャンして金層２からの反射光を利用してシミュレーションした結果である全反射減衰（ATR）信号スペクトル（図示せず）により最適の厚さt2を選択する。この場合、波長λ=900nmの赤外レーザ光IRの基における条件は次のごとくである。
BK-7プリズム１について、
屈折率n1=1.535
消衰係数k1=0
である。金層２について、
厚さt2=可変
屈折率n2=0.22
消衰係数k2=6
である。活性層３２について、
厚さt3=0
である。つまり、活性層３２が形成されていない状態である。正孔注入層３１、電子注入層３３、GaAs基板３４及び電極３５も存在しないものとする。この結果、金層２の厚さt2≒39nmで反射率R=0の鋭いプラズモンディップを有し、金層２の厚さt2を39±1nmの範囲で選択することにより表面プラズモン共鳴光の励起量は最大となる。
【００８４】
次に、ステップ１００２に進み、組合せ（入射角θ、活性層３２の厚さt3）を検出する。この組合せの検出は活性層３２の非励起状態（k3=0）で行う。金層２の厚さt2を39nmとすると共に、活性層３２の厚さt3を0〜50nmの範囲で変化させた場合のそれぞれの全反射減衰（ATR）信号スペクトルを図２３に示してある。尚、図２３においては、代表として、活性層３２の厚さt3=25nmの場合のみを図示してある。波長λ=900nmの赤外レーザ光IRの基における条件は次のごとくである。
BK-7プリズム１について、
屈折率n1=1.535
消衰係数k1=0
である。金層２について、
厚さt2=39nm
屈折率n2=0.22
消衰係数k2=6
である。活性層３２について、
厚さt3=可変
屈折率n3=3.57
消衰係数k3=0.00013
である。正孔注入層３１について、
厚さ=50nm
屈折率=3.4
消衰係数=0
である。電子注入層３３について、
厚さ=50nm
屈折率=3.4
消衰係数=0
である。GaAs基板３４について、
厚さ=950nm
屈折率=3.57
消衰係数=0.00013
である。尚、正孔注入層３１、電子注入層３３の消衰係数は0であるので、理論上は吸収損失は生じないが、実際は少し生じる。従って、ここでは、正孔注入層３１、電子注入層３３の厚さは50nmとする。
【００８５】
図２３に示すように、活性層３２並びにGaAs基板３４は少し吸収損失（k3=0.00013）を生じるが、t3=25nmで効率のよい表面プラズモン共鳴光を励起できる。説明を簡単にするために、ここでは、次の１つの組合せ（θ，t3）を検出したものと仮定する。
（43.0°，25nm）
【００８６】
次に、ステップ１００３、１００４において、（θ，t3）候補のうち１つの検出された組合せ（θ，t3）を１つ選択する。
【００８７】
次に、ステップ１００５〜１００９のフローに進み、選択された組合せ（θ，t3）を維持した状態で、所望の反射率Rが得られるように活性層３２の消衰係数k3を決定する。つまり、組合せ（θ，t3，k3）を決定する。尚、活性層３２の消衰係数k3は活性層３２に電流パルス発生器７ａの電流パルスP7’の代りに一定電流を注入することによって励起状態つまり反転分布状態の強度によって一義的に定まる。つまり、k3=η4I、但し、Iは注入電流のエネルギー等、η4は定数、である。以下、ステップ１００５〜１００９について詳述する。
【００８８】
ステップ１００５において、消衰係数k3を-kmin(kminは正の値たとえば0.001)とし、ステップ１００６にて、ATR信号スペクトルをシミュレーションソフトを用いて演算し、ATR信号スペクトルから選択入射角での反射率Rmaxを求める。尚、ATR信号スペクトルを求めず、反射率Rmaxを直接求めてもよい。次いで、ステップ１００７にて、選択入射角での反射率Rmaxが所定値Rth(たとえば12E3)より大きいか否かを判別する。この結果、Rmax>Rthの場合のときのみステップ１０１０に進み、他方、Rmax≦Rthの場合には、ステップ１００８、１００９により消衰係数k3をΔk（たとえば0.001）だけ小さくしてステップ１００６、１００７のフローを繰返す。つまり、消衰係数k3を-kminから-kmax(kmaxは正の値たとえば1.0)まで変化させ,その間に、選択入射角での反射率Rmaxが所定値Rthに到達したときの消衰係数k3を選択する。尚、ステップ１００３にて検出された組合せ（θ，t3）がすべて選択済であれば、ステップ１０１１に進み、エラーとなる。
【００８９】
たとえば、ステップ１００４にて（θ，t3）=（43.0°，25nm）を選択し、k3=-0.636の場合にステップ１００６にて演算されたATR信号スペクトルが図１２に図示されている。この場合には、選択入射角での反射率RmaxはRthに到達しているので、ステップ１００７からステップ１０１０に進み、k3=-0.147187が選択されることになる。つまり、（θ，t3，k3）として（43.0°，25nm，-0.147187）が選択されることになる。
【００９０】
図１２においては、波長λ=900nmの赤外レーザ光IRの基における条件は次のごとくである。
BK-7プリズム１について、
屈折率n1=1.535
消衰係数k1=0
である。金層２について、
厚さt2=39nm
屈折率n2=0.22
消衰係数k2=6
である。活性層３２について、
厚さt3=25nm
屈折率n3=3.57
消衰係数k3=-0.147187
である。正孔注入層３１について、
厚さ=50nm
屈折率=3.4
消衰係数=0
である。電子注入層３３について、
厚さ=50nm
屈折率=3.4
消衰係数=0
である。GaAs基板３４について、
厚さ=950nm
屈折率=3.57
消衰係数=0.00013
である。
【００９１】
尚、図２４の反射スペクトルは、非常に鋭いデルタ関数スペクトルである。このように、図２４に示すように、活性層３２の厚さt3が25nmにおいては、図２３のプラズモンディップ角度θ=42.9°で消衰係数k3が負の値-0.147187のときに、金層２の光入射／出射面における反射光強度Ioutは入射光強度Iinの104倍程度となる。このようにして、組合せ（θ，t3）=（42.9°，25nm）を決定する。
【００９２】
他方、活性層３２の消衰係数k3は、上述のごとく、活性層３２の励起状態の強度Iで変化できる（k3=η4I）。従って、電流パルス発生器７ａの電流パルスP7’は時間的変化を有するので、図２５に示すごとく、活性層３２の消衰係数k3をたとえば0〜-0.3の範囲で変化でき、この結果、k3=-0. 147187のときのみ大きい強度Ioutの反射光つまり光パルスP1を発生することができる。尚、図２５の（Ａ）は消衰係数k3を0〜-0.3に変化させた場合のグラフ、図２５の（Ｂ）は（Ａ）のk3=-0.147187の近傍の拡大図であり、半値全幅（FWHM）Δk3は0.0001である。
【００９３】
図２６の（Ａ）に示すごとく、電流パルス発生器７ａの電流パルスP7’の強度が三角パルスで変化して消衰係数k3が0〜-0.3の範囲で変化すると仮定し、その周期Tを2nsとし、消衰係数k3の変化量K=0.3とすれば、光パルスP1の半値全幅（FWHM）Δtは次のごとくなる。
K : T/2 = Δk3 : Δt
∴  Δt = Δk3・(T/2)/K 
= 0.0001・1ns/0.3
= 0.00033ns
= 330fs
つまり、図２５の（Ａ）に示す周期2nsの電流パルスP7’を利用して図２５の（Ｂ）に示すFWHM=1psの光パルスP1を得ることができる。このとき、赤外レーザ源５ａの入射光強度Iinを10mWとすれば、約105倍増強されるので、光パルスP1の尖頭値Ioutは1kW程度となる。
【００９４】
尚、上述の第４の実施の形態では、電流パルス発生器７ａの電流パルスP7’の光強度が三角パルスで変化すると仮定したが、これに限定されるものでなく、正弦波パルスで時間的変化させてもよい。
【００９５】
次に、図２２の光パルス発生装置の製造方法を説明する。
【００９６】
始めに、300〜500μm厚さのn型GaAs基板（n=3.57, k=0.00013）３４上に、50nm厚さの電子注入層（n-Al0.25Ga0.75As, n=3.4, k=0）３３、25nm厚さの活性層（p-GaAs, n=3.57, k=0.00013）３２、及び50nm厚さの正孔注入層（p-Al0.25Ga0.75As, n=3.4, k=0）３１を有機金属化学的気相成長（MOCVD）法を用いて順次エピタキシャル成長させる。この場合、n層の形成にはn型不純物たとえばSiの添加を行い、また、及びp層の形成にはp型不純物たとえばZnの添加を行い、導電率調整を行う。
【００９７】
次に、正孔注入層３１上に、20nm厚さの金（Au）層を形成する。このとき、正孔注入層３１とAu層との密着性を上げるために、Ti、Pt等の金属をいずれかに予め薄く蒸着することもできる。
【００９８】
他方、プリズム１の面１２に30nm厚さの金（Au）層を予め蒸着させておく。
【００９９】
次に、直角プリズム１の金属とGaAs基板３４上に形成された金属を拡散接合によって接合させる。この拡散接合の結果、２つの金属は互いに完全に接合し、その圧力により厚さが減少して39nm厚さの金層２が得られる。
【０１００】
次に、GaAs基板３４において、表面プラズモンを利用した光増幅及び光パルスを発生するために、化学機械加工（CMP）法等に、GaAs基板３４を薄膜化させる。たとえば950nm厚さとする。
【０１０１】
最後に、GaAs基板３４側にn型Au電極３５を中央を囲むように形成する。このとき、電極３５とGaAs基板３４との密着性を上げるために、Ge、Ni等の金属を予め薄く蒸着させることもできる。
【０１０２】
上述の実施の形態における光パルス発生装置においては、表面プラズモンを発生させるための金属薄膜として、特別な構造を有しない２次元の金属薄膜を考察した。しかしながら、表面プラズモンを効率良く発生させるための金属構造として、単純な２次元の金属薄膜に限定されるものではなく、以下に述べるような種々の形態を利用可能である。例えば、図２７に示すように、金属層としての金層２にHe-Neレーザ源５の可視レーザ光Vあるいは赤外レーザ源５ａの赤外レーザ光IRの波長λより小さい直径の孔部２１を形成する。これにより、可視レーザ光Vもしくは赤外レーザ光IRの一部は金層２の孔部２１に入射する。このとき、孔部２１の直径は波長λより小さいので、孔部２１に入射した光は孔部２１の外部に放射されることはなく、その一方でエバネッセント光を発生する。この現象は、微小開口によるエバネッセント光の発生として知られている。そして、孔部２１の１つに発生したエバネッセント光は、図２７の（Ｂ）に矢示するように、孔部２１の配列に従って縦横斜めに、次々に隣接する孔部２１に伝播することによって強度が増大される。この結果、強度が増大されたエバネッセント光により金層２の光入射／反射面の反対面に表面プラズモン共鳴光がさらに容易に励起される。
【０１０３】
また、上述の第１、第２及び第３の実施の形態においても、表面プラズモン共鳴光を形成するための金層２を電極とすることができるので、誘電体層を励起させるためのパルス電流注入を容易に行うことができる。特に、図１２の光パルス発生装置のAu／誘電体／Agの共振器構造は電流注入を行う構造と同一である。
【０１０４】
上述の図２、図１０、図１７のルーチンはプログラムとして記憶媒体に記憶される。例えば、記憶媒体がROM等の不揮発性メモリであれば予め組込まれ、記憶媒体がRAM等の揮発性メモリであれば必要に応じて書込まれる。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】本発明に係る光パルス発生装置の第１の実施の形態を示す断面図である。
【図２】図１の光パルス発生装置の設計フローを示すフローチャートである。
【図３】図２の金層の厚さt2を選択するステップ２０１を説明するための全反射減衰（ATR）信号スペクトル図である。
【図４】図２の組合せ（入射角θ、有機色素層の厚さt3）の選択をするステップ２０２を説明するためのATR信号スペクトル図である。
【図５】図２の選択入射角での反射率Rmaxを演算するステップ２０６を説明するためのATR信号スペクトル図である。
【図６】図２の選択入射角での反射率Rmaxを演算するステップ２０６を説明するためのATR信号スペクトル図である。
【図７】図１における有機色素層の消衰係数k3と光パルスP1の強度Ioutとの関係を示すグラフであって、（Ｂ）は（Ａ）の拡大図である。
【図８】図１における有機色素層の消衰係数k3及び光パルスP1の強度Ioutの時間的変化を示すタイミング図である。
【図９】本発明に係る光パルス発生装置の第２の実施の形態を示す断面図である。
【図１０】図９の光パルス発生装置の設計フローを示すフローチャートである。
【図１１】図１０の組合せ（入射角θ、GaAs層の厚さt3）の選択をするステップ１００２を説明するためのATR信号スペクトル図である。
【図１２】図１０の選択入射角での反射率Rmaxを演算するステップ１００６を説明するためのATR信号スペクトル図である。
【図１３】図１２の拡大図である。
【図１４】図９におけるGaAs層の消衰係数k3と光パルスP1の強度Ioutとの関係を示すグラフであって、（Ｂ）は（Ａ）の拡大図である。
【図１５】図９におけるGaAs層の消衰係数k3及び光パルスP1の強度Ioutの時間的変化を示すタイミング図である。
【図１６】本発明に係る光パルス発生装置の第３の実施の形態を示す断面図である。
【図１７】図１６の光パルス発生装置の設計フローを示すフローチャートである。
【図１８】図１４の（入射角θ、GaAs層の厚さt2）の選択をするステップ１７０３を説明するためのATR信号スペクトル図である。
【図１９】図１７の選択入射角での反射率Rmaxを演算するステップ１７０５を説明するためのATR信号スペクトル図である。
【図２０】図１６における有機色素層の消衰係数k3と光パルスP1の強度Ioutとの関係を示すグラフであって、（Ｂ）は（Ａ）の拡大図である。
【図２１】図１６における有機色素層の消衰係数k3及び光パルスP1の強度Ioutの時間的変化を示すタイミング図である。
【図２２】本発明に係る光パルス発生装置の第４の実施の形態を示す断面図である。
【図２３】図１０の組合せ（入射角θ、GaAs層の厚さt3）の選択をするステップ１００２を説明するためのATR信号スペクトル図である。
【図２４】図１０の選択入射角での反射率Rmaxを演算するステップ１００６を説明するためのATR信号スペクトル図である。
【図２５】図２２における活性層の消衰係数k3と光パルスP1の強度Ioutとの関係を示すグラフであって、（Ｂ）は（Ａ）の拡大図である。
【図２６】図２２における活性層の消衰係数k3及び光パルスP1の強度Ioutの時間的変化を示すタイミング図である。
【図２７】図１、図９、図１６、図２２の金層の変更例を示し、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は平面図である。
【符号の説明】
【０１０６】
１：BK-7プリズム
２：金層
３：有機色素層
３ａ：GaAs層
４：無反射コート
５：He-Neレーザ源
５ａ：赤外レーザ源
６：波長板
７：光パルス発生器
７ａ：電流パルス発生器
３１：正孔注入層
３２：活性層
３３：電子注入層
３４：GaAs基板
３５：電極
【図１】
2010025966.tif 000003
【図２】
2010025966.tif 000004
【図３】
2010025966.tif 000005
【図４】
2010025966.tif 000006
【図５】
2010025966.tif 000007
【図６】
2010025966.tif 000008
【図７】
2010025966.tif 000009
【図８】
2010025966.tif 000010
【図９】
2010025966.tif 000011
【図１０】
2010025966.tif 000012
【図１１】
2010025966.tif 000013
【図１２】
2010025966.tif 000014
【図１３】
2010025966.tif 000015
【図１４】
2010025966.tif 000016
【図１５】
2010025966.tif 000017
【図１６】
2010025966.tif 000018
【図１７】
2010025966.tif 000019
【図１８】
2010025966.tif 000020
【図１９】
2010025966.tif 000021
【図２０】
2010025966.tif 000022
【図２１】
2010025966.tif 000023
【図２２】
2010025966.tif 000024
【図２３】
2010025966.tif 000025
【図２４】
2010025966.tif 000026
【図２５】
2010025966.tif 000027
【図２６】
2010025966.tif 000028
【図２７】
2010025966.tif 000029
【手続補正書】
【提出日】平成21年7月14日(2009.7.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項８】
前記金属層は金、銀、銅、Al、Ir、Mo、Ni、Pt、Rh、W、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Nb、Pdまたはそれらの合金よりなる請求項１に記載の光パルス発生装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項９】
前記誘電体層は有機色素層及び半導体層の１つである請求項１に記載の光パルス発生装置。
【手続補正３】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１３】
入射光を入射しその反射光を光パルスとして発生するための光入射／反射面を有する金属層と、
該金属層の光入射／反射面の反対面に被覆された誘電体層と、
該誘電体層を時間的変化する励起状態にする誘電体層励起手段と、
該誘電体層の前記金属層と反対側面に被覆された共振器層と
を具備し、
前記金属層において前記入射光により表面プラズモン共鳴光を励起すると共に、前記誘電体層の励起状態の時間的変化に応じて前記誘電体層の消衰係数を負にするようにした光パルス発生装置の設計方法であって、
前記共振器層の透過率に応じて該共振器層の厚さを選択する工程と、
前記誘電体層の厚さを選択する工程と、
前記誘電体層が非励起状態のときに、全反射領域において入射光の前記金属層の光入射／反射面での反射率が最小となるように、前記入射光の前記金属層の光入射／反射面での入射角及び前記金属層の厚さを選択する工程と
前記入射光の前記入射角での反射率が所定値より大きくなるように前記入射光の前記金属層の光入射／反射面での入射角及び前記誘電体層の厚さを決定する工程と
を具備する光パルス発生装置の設計方法。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
また、本発明は、入射光を入射しその反射光を光パルスとして発生するための光入射／反射面を有する金属層と、金属層の光入射／反射面の反対面に被覆された誘電体層と、誘電体層を時間的変化する励起状態にする誘電体層励起手段と、誘電体層の金属層と反対側面に被覆された共振器層とを具備し、金属層において入射光により表面プラズモン共鳴光を励起すると共に、誘電体層の励起状態の時間的変化に応じて誘電体層の消衰係数を負にするようにした光パルス発生装置の設計方法であって、共振器層の透過率に応じて共振器層の厚さを選択する工程と、誘電体層の厚さを選択する工程と、誘電体層が非励起状態のときに、全反射領域において入射光の金属層の光入射／反射面での反射率が最小となるように、入射光の金属層の光入射／反射面での入射角及び金属層の厚さを選択する工程と入射光の入射角での反射率が所定値より大きくなるように入射光の金属層の光入射／反射面での入射角及び誘電体層の厚さを決定する工程とを具備するものである。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
図１において、光パルス発生装置は、透明基材としての屈折率n1=1.535、頂角90°の三角柱形状のBK-7プリズム１、BK-7プリズム１の稜部１１に対向する面１２に蒸着等により被覆された金属層として金（Au）層２、及び金層２の光入射／反射面の反対面に被覆された誘電体層としてたとえばローダミンB（rhodamine B）の有機色素層３を備えている。金層２の長さはたとえば1cm程度であり、また、厚さは10nm〜10μmの範囲である。金層２の厚さ（断面における底辺の長さ）が10nm未満では、金層２で発生するエバネッセント光を金層２が十分に吸収できないことがあり、また、金層２の厚さが10μmを超えると、金層２で発生するエバネッセント光の減衰が大きくなり金層２の表面プラズモン共鳴光を励起できないことがある。尚、金層２とBK-7プリズム１との密着性を高めるために、BK-7プリズム１の表面に1〜2nm程度のCr等の金属を蒸着してもよい。また、金層２の代りに、金、銀、銅、Al、Ir、Mo、Ni、Pt、Rh、W、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Nb、Pdまたはそれらの合金よりなる金属層を用いてもよい。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８９】
たとえば、ステップ１００４にて（θ，t3）=（43.0°，25nm）を選択し、k3=-0.147187の場合にステップ１００６にて演算されたATR信号スペクトルが図２４に図示されている。この場合には、選択入射角での反射率RmaxはRthに到達しているので、ステップ１００７からステップ１０１０に進み、k3=-0.147187が選択されることになる。つまり、（θ，t3，k3）として（43.0°，25nm，-0.147187）が選択されることになる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００９０】
図２４においては、波長λ=900nmの赤外レーザ光IRの基における条件は次のごとくである。
BK-7プリズム１について、
屈折率n1=1.535
消衰係数k1=0
である。金層２について、
厚さt2=39nm
屈折率n2=0.22
消衰係数k2=6
である。活性層３２について、
厚さt3=25nm
屈折率n3=3.57
消衰係数k3=-0.147187
である。正孔注入層３１について、
厚さ=50nm
屈折率=3.4
消衰係数=0
である。電子注入層３３について、
厚さ=50nm
屈折率=3.4
消衰係数=0
である。GaAs基板３４について、
厚さ=950nm
屈折率=3.57
消衰係数=0.00013
である。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１０３】
また、上述の第１、第２及び第３の実施の形態においても、表面プラズモン共鳴光を形成するための金層２を電極とすることができるので、誘電体層を励起させるためのパルス電流注入を容易に行うことができる。特に、図１６の光パルス発生装置のAu／誘電体／Agの共振器構造は電流注入を行う構造と同一である。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１０５】
【図１】本発明に係る光パルス発生装置の第１の実施の形態を示す断面図である。
【図２】図１の光パルス発生装置の設計フローを示すフローチャートである。
【図３】図２の金層の厚さt2を選択するステップ２０１を説明するための全反射減衰（ATR）信号スペクトル図である。
【図４】図２の組合せ（入射角θ、有機色素層の厚さt3）の選択をするステップ２０２を説明するためのATR信号スペクトル図である。
【図５】図２の選択入射角での反射率Rmaxを演算するステップ２０６を説明するためのATR信号スペクトル図である。
【図６】図２の選択入射角での反射率Rmaxを演算するステップ２０６を説明するためのATR信号スペクトル図である。
【図７】図１における有機色素層の消衰係数k3と光パルスP1の強度Ioutとの関係を示すグラフであって、（Ｂ）は（Ａ）の拡大図である。
【図８】図１における有機色素層の消衰係数k3及び光パルスP1の強度Ioutの時間的変化を示すタイミング図である。
【図９】本発明に係る光パルス発生装置の第２の実施の形態を示す断面図である。
【図１０】図９の光パルス発生装置の設計フローを示すフローチャートである。
【図１１】図１０の組合せ（入射角θ、GaAs層の厚さt3）の選択をするステップ１００２を説明するためのATR信号スペクトル図である。
【図１２】図１０の選択入射角での反射率Rmaxを演算するステップ１００６を説明するためのATR信号スペクトル図である。
【図１３】図１２の拡大図である。
【図１４】図９におけるGaAs層の消衰係数k3と光パルスP1の強度Ioutとの関係を示すグラフであって、（Ｂ）は（Ａ）の拡大図である。
【図１５】図９におけるGaAs層の消衰係数k3及び光パルスP1の強度Ioutの時間的変化を示すタイミング図である。
【図１６】本発明に係る光パルス発生装置の第３の実施の形態を示す断面図である。
【図１７】図１６の光パルス発生装置の設計フローを示すフローチャートである。
【図１８】図１４の（入射角θ、GaAs層の厚さt2）の選択をするステップ１７０３を説明するためのATR信号スペクトル図である。
【図１９】図１７の選択入射角での反射率Rmaxを演算するステップ１７０５を説明するためのATR信号スペクトル図である。
【図２０】図１６における有機色素層の消衰係数k3と光パルスP1の強度Ioutとの関係を示すグラフであって、（Ｂ）は（Ａ）の拡大図である。
【図２１】図１６における有機色素層の消衰係数k3及び光パルスP1の強度Ioutの時間的変化を示すタイミング図である。
【図２２】本発明に係る光パルス発生装置の第４の実施の形態を示す断面図である。
【図２３】図１０の組合せ（入射角θ、活性層の厚さt3）の選択をするステップ１００２を説明するためのATR信号スペクトル図である。
【図２４】図１０の選択入射角での反射率Rmaxを演算するステップ１００６を説明するためのATR信号スペクトル図である。
【図２５】図２２における活性層の消衰係数k3と光パルスP1の強度Ioutとの関係を示すグラフであって、（Ｂ）は（Ａ）の拡大図である。
【図２６】図２２における活性層の消衰係数k3及び光パルスP1の強度Ioutの時間的変化を示すタイミング図である。
【図２７】図１、図９、図１６、図２２の金層の変更例を示し、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は平面図である。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
2010025966.tif 000030
【手続補正１１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１０】
2010025966.tif 000031