(57)【要約】【課題】固体色素レーザーの出力効率をあげ、出力を増加させることができる固体色素レーザーチップを提供する。【解決手段】基板１上に活性層３および分布帰還層４を順次積層した固体色素レーザーチップにおいて、活性層３がナノスケール微粒子２と色素分子を分散させ活性層である固体色素レーザーチップ。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に活性層および分布帰還層を順次積層した固体色素レーザーチップにおいて、
前記活性層がナノスケール微粒子と色素分子を分散させた活性層であることを特徴とする固体色素レーザーチップ。
【請求項２】
活性層に発光微粒子を分散させることを特徴とする請求項１記載の固体色素レーザーチップ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノスケール微粒子及び色素分子を分散させた活性層を有する固体色素レーザーチップに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
分布帰還（ＤＦＢ）構造をもつ導波路レーザーは、先鋭な発振スペクトルをもち、分光分析、生体計測などの分野で応用されうる候補のひとつである。特に、有機色素をプラスチックに添加した固体色素レーザーは、作製が容易、かつ低コストといった実用性をもち、ディスポーザブルレーザーとして注目されている。これまでに、ＤＦＢ型固体色素レーザーは、多様な有機色素、及びＮｄ：ＹＡＧレーザーの第二、第三高調波を励起源として、近紫外から近赤外での発振が実現されている。
【０００３】
固体色素レーザーについて、例えば、特許文献１には、色素分子をメタクリル酸メチル、もしくはメタクリル酸メチルとメタクリル酸ヒドロキシエチルの共重合に混合し、この混合物を基板に滴下し、スピンコートして基板上で薄膜化し、この薄膜を乾燥し、そしてアニーリングして固化して製造したＤＦＢ型固体色素レーザーが開示されている。
【特許文献１】特開２００３−２７３４３３号公報
【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、レーザー光源として最も重要な特性のひとつである入出力効率はｌ〜２％にとどまり、現在、その高効率化が最重要課題である。固体色素レーザーの高効率化を図るための手法として、色素濃度の増加、色素膜厚の増加、製膜・研磨技術の高精度化などが挙げられる。
【０００５】
そのうち、色素の高濃度化は励起光の吸収効率を増加させるが、有機色素の場合、濃度消光によって発光効率が極端に低下する。たとえば、ローダミン−６Ｇ色素の場合、その効果は４０ｍＭ以上から顕著に現れる。一般に固体色素レーザーでは液体色素レーザーに比べ色素濃度は高い。濃度消光が比較的顕著に現れないような色素濃度であっても、色素分子全体を一度に励起させることは困難であり、また励起されなかった色素分子は自身の発光に対して吸収体として働く。これはレーザー発振効率を著しく下げる。
【０００６】
また、色素膜厚の増加については、色素薄膜内に屈折率分布型ＤＦＢ構造を記録する導波路型ＤＦＢレーザーでは、色素膜厚は発振スペクトルに影響を与え、膜厚の増加はマルチモード発振を引き起こす。プラスチックを母材とする導波路薄膜では、色素薄膜の膜厚は２−４μｍ程度に抑えなければ、シングルモード発振が得られない。したがって、従来の導波路構造では励起光の吸収効率を上げるために、膜厚を厚くすることはできない。
【０００７】
また、製膜、研磨技術の高精度化による方法は、作製法の複雑化、高コスト化を招き、飛躍的な改善は望めない。
【０００８】
そこで、本発明は、固体色素レーザーの出力効率をあげ、出力を増加させることができる固体色素レーザーチップを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の固体色素レーザーチップは、基板上に活性層および分布帰還層を順次積層した固体色素レーザーチップにおいて、前記活性層がナノスケール微粒子と色素分子を分散させた活性層であることを特徴とする。
【００１０】
本発明において、活性層にナノスケール微粒子を分散させることにより、励起光の内部散乱による均一な励起、非励起分子（吸収体）の低減、さらにＤＦＢ層内を導波するモードが発振スペクトル特性を決定するために、活性媒質の膜厚を比較的厚くすることが可能になると考えられる。ナノスケール微粒子としては、例えば、ＳｉＯ２、ＺｎＯ、ＴｉＯ２などを使用し、その大きさはレーザーの波長以下であり、１〜１００ｎｍが適している。
【００１１】
ナノスケール微粒子を活性層に分散させる割合は、ＭＭＡモノマー１リットルに対して３〜７Ｇ、特に５ｇで高い出力がえられる。  
また、発光微粒子を使用すると、紫外から可視領域において長寿高効率な固体色素レーザーを得ることができる。    
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、ナノスケール微粒子と色素分子を活性層内に分散させてＤＦＢ層を含む二重導波路ＤＦＢレーザーとすることにより、スロープ効率の向上、発振しきい値エネルギーの低減を実現してレーザーの高効率化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の固体色素レーザーチップの一実施例について説明する。
【実施例１】
【００１４】
ナノスケール微粒子を分散させた固体色素レーザーチップの作製は、従来と同様な方法、例えば、前記特許文献１に示す方法で作製することができる。
【００１５】
図１（ａ）にナノ微粒子を分散させた固体色素レーザーチップの概略を示す模式図、（ｂ）に同断面図を示す。
【００１６】
まず、界面活性剤である炭酸プロピレンに溶解させたローダミン−６Ｇ色素溶液、蒸留済みのメタクリル酸メチル（ＭＭＡ）モノマー、重合開始剤となる２−２′アゾビスイソブチロニトリル（ＡＩＢＮ）に、ナノスケール微粒子２としてＳ１０２パウダー（サイズ：〜５０ｎｍ、屈折率：〜ｌ．４６）をＭＭＡに対して５ｇ／リットルで混合し、超音波洗浄器を利用して十分に分散させる。その後、７２℃の保温槽内で攪拌させながらラジカル重合を開始させ、適当な粘度がでたところで、ＭＭＡポリマーの基板１上にスピンコートし、活性層３を作製する。その後、７０℃の保温層内で１２時間のアニールを行い、完全に重合させる。
【００１７】
さらに、上記と同様な方法で蒸留済みＭＭＡ、メタクリル酸ヒドロキシエチル（ＨＥＭＡ）、ＡＩＢＮを混合した溶液をラジカル重合させ、スピンコートによりランダム活性層上に積層し、ＤＦＢ層４を作製した。このＤＦＢ層４には、微粒子、及び色素は添加されていない。なお、ＭＭＡにＨＥＭＡを混合し、共重合させることにより、屈折率をＰＭＭＡ単体よりも高くすることができる。最後にアニールを行い、レーザー出射側の端面を研磨する。
【００１８】
活性層３、ＤＦＢ層４の膜厚は、それぞれ１０μｍ、６μｍであった。また、図２に示されるように、ＰＭＭＡ基板、活性層、ＤＦＢ層の屈折率は、それぞれ、１．４８９３、１．４９２４、１．４９７６であり、上層のＤＦＢ層４の屈折率が最も大きくなるようにした。
【００１９】
ＤＦＢ構造はＱ−スイッチＮｄ：ＹＡＧレーザーの第四高調波（波長２６６ｎｍ）の二光束干渉により、ＤＦＢ層内に屈折率変化による回折格子を記録する。
【００２０】
なお、ＤＦＢ層４を積層させずに、活性層内に屈折率格子を記録させる場合、散乱効果によって干渉縞が形成されず、十分な回折効率をもつ屈折率回折格子を記録することが困難である。  
【００２１】
前記手順により作成した固体色素レーザーの発振スペクトル、入出力効率を測定した。励起光５にはＱ−スイッチＮｄ：ＹＡＧレーザーの第二高調波（波長５３２ｎｍ）を用いた。励起光５の繰返し周波数は１００Ｈｚ、パルス幅は０．５ｎｓｃｃである。励起光５をシート状のビームに整形し、屈折率分布型ＤＦＢ構造が記録された屈折率回折格子６を励起、レーザー発振させた。
【００２２】
測定した発振スペクトル、入出力効率を図３に示す。比較のために、ナノ微粒子を分散させず、一層の導波路構造をもつ、従来の導波路ＤＦＢ色素レーザーを作製し、その入出力効率も測定した。これは色素（ローダミン−６Ｇ）濃度３０ｍＭの二次元色素薄膜であり、シングルスペクトルの発振光（スペクトル線幅０．２３ｎｍ）を得るために膜厚４μｍとした。
【００２３】
図３に示すように、観測されたランダム活性層を含む二層導波路レーザーにおけるレーザー発振はＤＦＢ構造で設計した波長（５９４．ｌｎｍ）で発振し、スペクトル線幅０．２０ｎｍ、時間的に安定した良好なスペクトルが得られた。また、入出力特性では、図３に示すように、スロープ効率１２．０％、エネルギー発振しきい値０．３４μＪが得られた。従来のＤＦＢ色素レーザーでは、スロープ効率、発振しきい値は、それぞれ１．９％、０．４５μＪであった。したがって、本発明によりスロープ効率で６倍以上の高効率化が実現された。
【００２４】
ナノ微粒子を分散させた活性層を含む二重導波路構造をもつ導波路ＤＦＢ色素レーザーにおいて高効率化が実現された原因として、励起光の内部散乱による均一励起、非励起分子（吸収体）の低減、さらにＤＦＢ層内を導波するモードが発振スペクトル特性を決定するために、活性媒質の膜厚を比較的厚くすることが可能になったためであると考えられる。
【００２５】
ＤＦＢレーザーでは、記録する回折格子のピッチを変えることで、発振波長を制御できる。図４に同調域、及びその波長におけるスロープ効率を示す。スロープ効率は波長５４９．１ｎｍにおける効率１２．０％で規格化されている。発振波長５８９．７ｎｍ〜６０６．４ｎｍ（Δ入−１６．７ｎｍ）の範囲内において良好な発振スペクトルが得られ、従来の二次元薄膜色素導波路レーザーと同等の同調域、かつ高効率なレーザー発振を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明の二重導波路構造は、有機導波路レーザーの実用化に十分期待でき、また導波路増幅器、面発光レーザーなどに応用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】（ａ）はナノ微粒子を分散させた固体色素レーザーチップの概略を示す模式図、（ｂ）は同断面図である。
【図２】本発明の色素固体レーザーの発振スペクトルである。
【図３】本発明実施例と比較例の入出力効率を示す図である。
【図４】同調域、及びその波長におけるスロープ効率を示す
【符号の説明】
【００２８】
１：基板
２：ナノスケール微粒子
３：活性層
４：ＤＦＢ層
５：励起光
６：屈折率回折格子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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