(57)【要約】レーザ利得材料の製造およびそのような媒体の利用の方法は、パルスレーザ堆積またはプラズマスパッタリングによって、制御可能な厚さの遷移金属好ましくはＣｒ２＋の薄膜を結晶成長後のＺｎＳ結晶ファセットに導入するステップと、散乱および濃度発光抑制でレーザ性能を劣化させることなくドーパントの最高濃度を体積中に実現する温度および暴露時間で、ドーパントを結晶体積中に有効に熱拡散するために結晶を熱アニールするステップと、薄いＣｒ：ＺｎＳウェーハの平らで平行な研磨ファセットにミラーを直接堆積するかまたはそのようなファセットの内部反射率に依拠するかどちらかでマイクロチップレーザを形成するステップとを含む。利得材料は、レーザ材料中の閾値反転分布はもちろんのこと正レンズの形成および対応するキャビティ安定化を実現するパワー密度のレベルの直接ダイオードレーザポンピングまたはファイバレーザポンピングの使用を受けやすい。レーザ材料の多数適用が本発明で企図される。
2005504437.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
遷移金属がドープされたレーザ媒体を製造し、使用する方法であって、
ａ．  マイクロチップレーザ発光材料として使用するのに十分な厚さの結晶を形成するステップであって、前記結晶がＭｅＸ２Ｚ４およびＭｅＺの構造から選択され、ＭｅがＺｎ、Ｃｄ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｂａ、ＨｇおよびＰｂから成るグループから選択され、ＺがＳ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｏおよびそれらの混合物から成るグループから選択され、さらにＸがＧａ、Ｉｎ、およびＡｌから成るグループから選択される、ステップと、
ｂ．  パルスレーザ堆積、陰極アーク堆積、およびプラズマスパッタリングのグループから選択された方法によって、前記結晶の相対する面に遷移金属の薄膜層を堆積するステップと、
ｃ．  前記結晶の選ばれた領域で遷移金属の拡散および置換による結晶ドーピングを可能にするために十分な期間および温度で、前記結晶を炉でアニールするステップと、
を特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、さらに、前記遷移金属の拡散を促進するように、前記アニールのステップ中に前記結晶を横切る電界を設けることを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の方法であって、さらに、ドーピング後に前記結晶の面を研磨することを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項３に記載の方法であって、Ｍｅが、ＺｎおよびＣｄのグループから選択される、方法。
【請求項５】
請求項４に記載の方法であって、Ｚが、Ｓ、Ｓｅ、およびＴｅのグループから選択される、方法。
【請求項６】
請求項３に記載の方法であって、前記結晶がＺｎＳであり、かつ前記遷移金属がＣｒ＋＋である、方法。
【請求項７】
請求項３に記載の方法であって、前記結晶の厚さが、約３．０ミリメートルよりも小さい、方法。
【請求項８】
請求項３に記載の方法であって、前記期間が、３日から２０日までの範囲にあり、かつ前記温度が、ほぼ８３０℃から１１００℃までである、方法。
【請求項９】
請求項３に記載の方法であって、前記ドーピングが、前記結晶の面に近い画定された領域でだけ行われる、方法。
【請求項１０】
請求項３に記載の方法であって、前記ドーピングが、前記拡散勾配を変えることによって前記結晶の幅にわたって変えられ、その結果、遷移金属置換の様々な濃度が、前記結晶中に生成される、方法。
【請求項１１】
請求項３に記載の方法であって、さらに、前記アニールのステップの後で前記結晶の前記面にミラーを堆積することを含む方法。
【請求項１２】
請求項８に記載の方法であって、さらに、相対する面にミラーの付いたＴＭ：ＭｅＺウェーハを有する複数のマイクロチップサイズユニットに、前記結晶を分割することを含む方法。
【請求項１３】
請求項９に記載の方法であって、各マイクロチップサイズユニットが、ドーピング濃度勾配を前記ＴＭ：ＭｅＺウェーハ内に画定する、方法。
【請求項１４】
請求項３に記載の方法であって、さらに、高度に研磨された実質的に平行な相対する面が内部反射率を与える状態にあるＴＭ：ＭｅＺウェーハを有する複数のマイクロチップサイズユニットに、前記結晶を分割することを含む方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の方法であって、さらに、前記マイクロチップサイズユニットの少なくとも１つを、励起ダイオードを含む半導体に取り付けることを含む方法。
【請求項１６】
請求項１４に記載の方法であって、さらに、連続波レーザ出力を励起するように連続波励起エネルギーを前記結晶に供給するステップを備える方法。
【請求項１７】
請求項１４に記載の方法であって、さらに、パルスレーザ出力を励起するようにパルス励起エネルギーを前記結晶に供給することを備える方法。
【請求項１８】
請求項３に記載のように製造されたレーザ媒体であって、出力ミラーを含んだ、各面に位置付けされたダイクロイックミラーを有するレーザ媒体と、
連続波励起エネルギーを前記レーザ媒体に供給して連続レーザ出力を励起するように位置付けされた連続励起源と、
を特徴とするレーザ。
【請求項１９】
請求項１８に記載のように製造されたレーザ媒体を特徴とするレーザであって、前記レーザ媒体が、マイクロチップである、レーザ。
【請求項２０】
請求項３に記載のように製造されたレーザ媒体を特徴とするレーザであって、ポンプ励起エネルギーを前記レーザ媒体に供給してポンプレーザ出力を励起するように位置付けされたポンプ励起源を含むレーザ。
【請求項２１】
請求項２０に記載のように製造されたレーザ媒体を特徴とするレーザであって、さらに、前記結晶の相対する面に位置付けされた一組のダイクロイックミラーを備えるレーザ。
【請求項２２】
請求項３に記載のように製造されたレーザ媒体を特徴とするレーザであって、前記レーザ媒体が、半導体に取り付けられたマイクロチップであって、さらに励起エネルギーを前記レーザ媒体に供給する励起源を備えるマイクロチップである、レーザ。
【請求項２３】
請求項２２に記載のレーザであって、前記レーザ媒体が、約１０１８ｃｍ−３から約１０２０ｃｍ−３までのＣｒ＋＋濃度を含む、レーザ。
【請求項２４】
請求項２２に記載のレーザであって、前記レーザ媒体が、Ｅｒ：ガラスファイバレーザの出力で励起され、かつ約２１１０ｎｍから約２８４０ｎｍまでの範囲にわたって同調可能な出力を有する、レーザ。
【請求項２５】
請求項２２に記載のレーザであって、約２１１０ｎｍと約２８４０ｎｍの間で同調可能な出力を有するレーザ。
【請求項２６】
請求項２２に記載のレーザであって、前記レーザ媒体が、狭帯域出力カップラと組み合わせた外部エタロンキャビティに結合されている、レーザ。
【請求項２７】
請求項２２に記載のレーザであって、前記レーザ媒体が、ファイバ回折格子に突合せ結合されている、レーザ。
【請求項２８】
請求項２２に記載のレーザであって、前記レーザ媒体が、外部回折格子に結合されている、レーザ。
【請求項２９】
請求項２２に記載のレーザであって、前記レーザ媒体が、位相アレイデマルチプレクサにハイブリッド結合されている、レーザ。
【請求項３０】
請求項２２に記載のレーザであって、前記レーザ媒体が、導波路回折格子ミラーに結合されている、レーザ。
【請求項３１】
請求項２２に記載のレーザであって、前記レーザ媒体が、多周波数または超広帯域出力放射を生成するように空間分散キャビティに結合されている、レーザ。
【請求項３２】
請求項２２に記載のレーザであって、前記レーザ媒体が、前記キャビティの他の受動部品とともにＩＩ−ＶＩ導波路にチップサイズで集積化されている、レーザ。
【請求項３３】
請求項３２に記載のレーザであって、前記レーザ媒体が、さらに、電気光学変調器とともにＩＩ−ＶＩ導波路にチップサイズで集積化されている、レーザ。
【請求項３４】
請求項３に記載のように製造された媒体を使用する飽和可能な吸収体材料であって、さらに、前記結晶の相対する面に位置付けされた一組のダイクロイックミラーを備える飽和可能な吸収体材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
中間赤外マイクロチップレーザおよびマイクロチップレーザ媒体を生成するための方法
本特許出願は、２００１年９月２０日に出願された仮特許出願番号第６０／３２３，５５１号に基づいて優先権を主張する。
【０００２】
本発明は、量子エレクトロニクスの分野に関し、より詳細には、レーザ技術の基本原理に関し、同調可能な中間赤外（ｍｉｄ−ｉｎｆｒａｒｅｄ）固体レーザの開発するために使用することができる。
【０００３】
特にレーザ分光学、微量ガス成分分析、光化学、光生物学、医学、および特定波長軍事用途のような様々な科学技術分野において、問題を解決するために、中間赤外スペクトル領域で同調可能な単色レーザ発光が必要とされる場合に、主に本発明を使用することができる。
【背景技術】
【０００４】
大気探知（広域風探知および低高度ウィンドシアー検出）、非侵襲的な医学診断を行うための眼安全医療用レーザ源、眼安全レーザレーダおよび大気成分の遠隔探査、光通信、および、目標指定、障害物回避および赤外計数測定器などの数多くの軍事用途を含んだ様々な用途で使用するための手頃な中間赤外源に対する需要が高まっている。これらの用途は、中間赤外範囲に非常に多くの有機分子の「分光学的指紋」が存在することに依拠している。
【０００５】
最近の研究の進歩によって、実用的な中間赤外源の開発において相当な努力が刺激された。この仕事には、ＩｎＡｓＳｂＰ／ＩｎＡｓＳｂ／ＩｎＡｓ１を使用した半導体での直接生成および量子カスケードレーザ２が含まれる。また、光パラメトリック発振器３および差周波発生器４、５で非直線性を使用して、中間赤外波長が生成された。これらの方法の全ては中間赤外の同調可能な供給源をもたらし、そして、全てにいくつかの基本的な問題があり、この問題が頑丈で低コストの中間赤外源としての使用を制限していた。さらに、今日まで、これらの供給源全ては出力パワーが制限されており、このために、遠隔探査のような比較的高出力の用途でこれらの供給源が使用できなくなっていた。
【０００６】
上述の方法を使用する比較的多量の仕事とは対照的に、広いバンドギャップの二成分ＩＩ−ＶＩ半導体結晶および混合三成分ＩＩ−ＶＩ半導体結晶の非対称（Ｔｄ）格子位置に配置された二価の遷移金属イオン（ＴＭ２＋）に基づいた直接発振の可能性についての研究は比較的少ない。クロムがドープされた（または、他の遷移金属がドープされた）中間赤外の供給源の直接発光について研究が不足しているのには、１つの主な原因がある。酸化物結晶およびフッ化物結晶のような従来のレーザ母体媒体では、長波長ＴＭ発光が多光子過程で発光抑制され、結果として蛍光発光の室温量子効率が極端に低くなる。
【０００７】
最近、Ｃｒ：ＺｎＳ６、７、８、９、１０、Ｃｒ：ＺｎＳｅ６、７、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、Ｃｒ：Ｃｄ１−ｘＭｎｘＴｅ１９、Ｃｒ：ＣｄＳｅ２０、およびＦｅ２＋：ＺｎＳｅ２１の結晶について、２〜４μｍ近くの中間赤外レーザ作用が報告された。これらのＴＭドープＩＩ−ＶＩ化合物は広いバンドギャップを有し、かつ他の酸化物およびフッ化物レーザ結晶と区別されるいくつかの重要な特徴を持つ。第１は、化学的に安定な二価ＴＭドーパントイオンの存在であり、このドーパントイオンは、電荷補償の必要なくＺｎ２＋またはＣｄ２＋母体イオンと置換する。ＩＩ−ＶＩ化合物の他の特徴は、四面体配位構造で結晶化する傾向である。ドーパント位置での一般的な八面体配位に対して、四面体配位はより小さな結晶場分裂を生じ、さらにドーパント遷移を赤外にする。最後に、この材料の重要な特徴はフォノンスペクトルが乏しいことであり、これによって、この材料は広いスペクトル領域で透明になり、非発光性消滅の効率が減少し、さらに室温での高い蛍光発光収率が約束される。
【０００８】
高平均出力用途の場合の利点の点で、知られていることであるが、いくつかのカルコゲニド（例えば、ＺｎＳおよびＺｎＳｅ）は、優れた熱機械特性を特徴とし、ＹＡＧ結晶のような熱機械的に高耐性な材料と同等な耐熱衝撃性とその材料よりも優れた熱伝導度係数とを有する。ＴＭ２＋の魅力的な熱機械特性および分光特性と、ステイン層ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰおよび、理論的に、ＩｎＧａＮＡｓ／ＧａＡｓダイオードレーザはもちろんのこと、Ｃｒ２＋吸収と発光ＥｒおよびＴｍファイバレーザの正確な重なりとを考慮すると、直接にファイバまたはダイオードでポンピングされるＴＭイオンドープワイドバンド半導体結晶は、医学、遠隔探査、微量ガス成分分析、および高出力特定波長軍事用途にとって非常に有望で有効なシステムと考えられる。
【０００９】
ＴＭ２＋ドープＩＩ−ＶＩ材料の研究で、分光特性およびレーザ特性の点で、この媒体は、チタンドープサファイヤ（Ｔｉ−Ｓ）の非常によく似た中間赤外類似化合物であることが明らかになった。Ｔｉ−Ｓレーザと同様に、ＴＭ２＋ドープカルコゲニドは、様々な可能な型の発振で近い将来レーザ発光すると予想されているが、ＩｎＧａＡｓＰまたはＩｎＧａＮＡｓのダイオードアレイの放射で直接ポンピング可能であるという追加の重要な利点が得られる。
【００１０】
過去２〜７年の間、本発明者等を含んだいくつかのグループは、ＣＷ、自走長パルス、Ｑスイッチ型およびモードロック型の動作で、同調可能なレーザ発光を行う類似化合物ＴＭ２＋結晶母体を積極的に探究した。今までのところでは、最も印象的な結果、すなわち、室温動作、＞６０％レーザ発光効率、３．７Ｗの出力パワー、１０００ｎｍより広い範囲の同調能力が、Ｃｒ２＋：ＺｎＳｅ結晶を使用して得られた。この結果に基づいて、ＣｒドープＺｎＳおよびＺｎＳｅ結晶には、これらの結晶を潜在的に低コストで手頃な中間赤外レーザ源にする技術的特性、熱機械的特性、分光学的特性、およびレーザ特性の特有の組合せがあるように思える。
【００１１】
しかし、ＴＭ２＋：ＩＩ−ＶＩ材料についてのこれらの分光学的研究およびレーザ研究では、マイクロチップレーザおよびチップスケール集積レーザを、ＴＭドープＩＩ−ＶＩ母体に基づいて設計できるかもしれないという指摘はなかった。マイクロチップレーザ発光には、どのレーザ媒体にも必要とされる標準的な要素に加えていくつかの固有の要素が必要とされる。この追加の要素は、活性材料の薄い層（通常、＜１〜２ｍｍ）の高光密度および高利得であり、これは言い換えると、蛍光発光の濃度発光抑制と母体材料の光学的品質の劣化とが依然として少しもない高ドーピングレベルの活性イオンを兼ね備えた、大きな吸収および発光断面積である。
【００１２】
また、従来技術で知られていないことに、単色型から超広帯域多スペクトル線型の動作に容易に再プログラム可能な順応性のあるレーザモジュールを実現する「空間分散」キャビティの設計がある。
【００１３】
米国特許第５，４６１，６３５号および第６，２３６，６６６号は、単一レーザキャビティで異なる波長を空間的に分離することに基づいた超広帯域（ＳＢＬ）または多波長システム２２、２３、２４、２５の方法を教示している。キャビティの光学部品は、半導体チップの活性ゾーンに別個の利得チャネルを維持し、クロストークを減少させ、モード競合を抑制し、各チャネルを固有の安定した波長でレーザ発光させる。このキャビティ構造を適切に設計することで、システムは、それぞれ活性材料の全利得スペクトルにわたって異なる波長でレーザ発光するそれ自体の微小キャビティを作る。このシステムは、共通レーザキャビティで生成されるレーザ波長の制御の観点から理想的であり、さらに非常に小さな制御可能な波長間隔を得ることを可能にする。この方法によって、複数の狭いスペクトル線を放射するレーザを製造することができるようになり、このスペクトル線は、利得媒体の増幅スペクトルの範囲内の予め割り当てられたスペクトル成分組成に容易に調整することができる。この方法は、研究所状態で３０本のスペクトル線の発光で実証され、安定性およびスペクトル線幅測定値は非常に有望である。遠隔探査に使用される従来の同調可能なレーザシステムは、単一成分分析のためにだけ適切である。提案された簡単で、順応性があり、かつ容易に再プログラム可能なレーザモジュールは、同時多成分ガス追跡分析に新しい可能性を開く。ＴＭドープＩＩ−ＶＩ母体および具体的には広い増幅スペクトルを特徴とするクロムドープＺｎＳおよびＺｎＳｅ結晶は、超広帯域多スペクトル線レーザ発光にとって理想的な活性媒体であると思われる。
【００１４】
最後に、従来技術は、活性媒体、音響光学または電気光学変調器、フィルタ、導波路回折格子のようなキャビティの他の受動部品、または複屈折フィルタを組み合わせた１つの集積マイクロチップシステムで、ＩＩ−ＶＩ結晶の音響光学特性、電気光学特性、光屈折特性および複屈折特性を使用することを教示していない。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１５】
（発明の概要）
本発明は、遷移金属（ＴＭ２＋＝Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、およびＣｕ）がドープされたＭｅＺの式を有する二成分ＩＩ−ＶＩ結晶に基づいた、新しい種類の中間赤外マイクロチップレーザを意図する。ここで、ＭｅはＺｎ，Ｃｄ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｈｇ、Ｐｂであり、ＺはＳ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｏであり、混合三成分カルコゲニドマトリックスはもちろんのことそれらの混合物は、ＭｅＸ２Ｚ４の式を有する。ここで、ＸはＧａ、Ｉｎ、Ａｌである。本発明の特定の実施例は、Ｃｒ２＋ドープＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳ、およびＣｄＳｅ結晶に基づいたマイクロチップレーザである。マイクロチップレーザは、０．５〜１ｍｍ３の一般的な寸法の最も小型で最も単純なダイオードレーザまたはファイバレーザでポンピングされる固体レーザである。提案されたマイクロチップレーザの主な利点は、簡単なだけでなく優れた再現性および信頼性を有する低コスト大量生産を可能にする集合的な製造プロセスで製造することができること、光学的な位置合せおよび保守のない使用を可能にする。
【００１６】
次のステップが、本発明の実施に適切である。ＩＩ−ＶＩ母体結晶の成長（化学的、物理的気相輸送、または他の方法）または商業供給者からの購入に続いて、これを厚さ０．１〜３ｍｍの研磨ウェーハに切断すること。
【００１７】
結晶成長後の段階で、パルスレーザ堆積、プラズマスパッタリング、陰極アーク堆積、または他の方法によって、制御可能な厚さの遷移金属（例えば、Ｃｒ）薄膜を結晶ファセットに形成し、
散乱および濃度発光抑制によってレーザ性能を劣化させることのない最高濃度のドーパントを体積中に実現する温度および暴露時間で、ドーパントを結晶体積中に有効に熱拡散するために、電界の同時作用の下で結晶を熱アニールし、
マイクロチップファセットを研磨し、
薄いＴＭ：ＩＩ−ＶＩウェーハの平らで平行な研磨されたファセットにミラーを直接堆積してマイクロチップレーザを形成する。
【００１８】
このようにして製造されたマイクロチップレーザは、レーザ材料中の閾値反転分布はもちろんのこと正レンズの形成および対応するキャビティ安定化を実現するパワー密度のレベルでの直接的なダイオードレーザポンピングまたはファイバレーザポンピングを使用することができる。
【００１９】
また、ＩＩ−ＶＩ結晶の音響光学特性、電気光学特性、光屈折特性および複屈折特性を利用することによる本発明は、活性媒体、音響光学または電気光学変調器、フィルタ、例えば導波路回折格子のようなキャビティの他の受動部品、または複屈折フィルタを組み合わせた集積マイクロチップシステムを意図する。
【００２０】
本発明は、さらに、単色型から超広帯域多スペクトル線型の動作に容易に再プログラム可能な順応性のあるレーザモジュールを実現する「空間分散」キャビティに集積化されたマイクロチップレーザを意図する。
本発明の利点は、以下に与えられる図面および詳細な説明からさらに理解されるであろう。
【００２１】
なお、本発明のここで説明する特徴、並びに明らかになる他の特徴は、以下の説明および本明細書の一部を形成する添付の図面を参照して、達成され、またより詳細に理解することができる。しかし、留意すべきことであるが、添付の図面は、単に本発明の例示の実施例を示すだけであり、したがって、本発明の範囲を制限するものと考えてはならない。というのは、本発明は他の同様に有効な実施態様の余地を残す可能性があるからである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
好ましい実施例では、Ｃｒ２＋：ＺｎＳ結晶は、図１に示す流れ図に従って３段階法で製造される。第１の段階で、好ましくは２加熱ゾーン炉に配置された直径２０ｍｍ長さ２００ｍｍの石英チューブ中で、ヨウ素ガス輸送方法を使用する気相の化学的輸送反応によって、ドープされない単結晶が合成される。接合部発火で得られる初期成分の粉末が原材料となる。原材料および結晶化のゾーンの温度は、それぞれ、ほぼ１２００℃および１１００℃である。Ｉ２濃度は、２〜５ｍｇ／ｃｍ３の範囲である。高光学的品質の無方向性インゴット、好ましくはΦ２ｘｃｍ３を切断し、大きさ５×５×３ｍｍの平板に研削する。
【００２３】
第２の段階および第３の段階で、好ましくはパルスレーザ堆積法で堆積された薄膜（第２段階）からの熱拡散（第３段階）によって、結晶母体中へのクロム（または、他の遷移金属）の導入を行う。プラズマスパッタリングまたは他の薄膜堆積方法も使用されるかもしれない。熱アニールは、好ましくはほぼ１０−５トルの圧力およびほぼ８３０℃からほぼ１１００℃までの温度の下で、３日から２０日にわたって、密封アンプル中で行うことができる。いくつかの場合には、いっそう有効な熱拡散を実現するために、正端子をＣｒ膜に付けウェーハの反対側の面に堆積されたＡｇ電極に負端子を付けた状態で、大きさ１〜３０ｋＶ／ｃｍの電界が同時に作用する下で熱拡散を行った。そして、１〜３ｍｍ厚さで最高５ｍｍ口径の研磨された試料を作ることができる。
【００２４】
研究されたＣｒ２＋：ＺｎＳおよびＣｒ２＋：ＺｎＳｅ結晶の室温吸収スペクトルおよび蛍光スペクトルを、それぞれ図２Ａおよび２Ｃに断面積の単位で示す。吸収スペクトルは、（島津ＵＶ−ＶＩＳ−ＮＩＲ−３１０１ＰＣ）分光光度計を使用して測定した。蛍光スペクトルは、（Ａｃｔｏｎ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  ＡＲＣ−３００ｉ）分光計および増幅器（Ｐｅｒｒｙ  ＰＡ０５０）に結合された液体窒素冷却（ＥＧＧ  Ｊｕｄｓｏｎ  Ｊ１０Ｄ−Ｍ２０４−Ｒ０４Ｍ−６０）ＩｎＳｂ検出器を使用して測定した。このＩｎＳｂ検出器−増幅器結合は、０．４μｓの時間分解能を特徴とした。タングステンハロゲン較正ランプ（Ｏｒｉｅｌ９−２０５０）を使用して、記録システムのスペクトル感度に対して蛍光スペクトルを補正した。励起源として、８００Ｈｚで変調されたＣＷエルビウムドープファイバレーザ（ＩＰＧ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ、ＥＬＤ−２）を使用した。注目すべきことであるが、Ｃｒ２＋：ＺｎＳｅ結晶は、吸収の偏光依存性を全く示さなかったし、またＣｒ：ＺｎＳの吸収スペクトルと蛍光スペクトルの偏光依存性による差は、室温で１０％を越えなかった。このために、研究された結晶を第１近似で光学的に等方性であるとして扱うことができた。
【００２５】
１５６０および１９０７ｎｍでのＤ２およびＨ２ラマンシフトＮｄ：ＹＡＧレーザ励起を使用して、広い温度範囲にわたって１９５０、２１００、２４００、および２６００ｎｍで、結晶のルミネセンス動力学を測定した。０．４μｓの測定精度内で、励起および位置合せの異なる波長についてルミネセンスの寿命に差は無かった。図２Ｂは、ＺｎＳでは１４から３００°Ｋの間で発光寿命がほんの僅かだけ、すなわち５．７から４．３μｓに落ちるが、ＺｎＳｅでは実際的に変化しないことを示す（図２Ｄ）。このことは、発光抑制は３００°Ｋより下では重要でないことを示している。
【００２６】
自然放出断面積σｅｍ（λ）（図２Ａおよび２Ｃ）は、次のＦｕｃｈｔｂａｕｅｒ−Ｌａｄｅｎｂｕｒｇの式を使用して蛍光強度信号Ｉ（λ）から得た。
【００２７】
【数１】
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【００２８】
ここで、Ａはより上のレーザレベルからの自然放出確率であり、ｎは屈折率である。
「吸収スペクトル」から吸収断面積の大きさを得るために、Ｃｒ２＋の濃度を知る必要がある。残念ながら、絶対ドーパント濃度は、拡散ドーピングの場合、一様でもないしまた正確に知られてもいない。したがって、広帯域遷移に次式の相反性の方法を使用し、
【００２９】
【数２】
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【００３０】
図２Ａ、Ｃの吸収断面積を計算するために測定された吸収スペクトルとともに、知られている基底レベルおよび上のレベルの縮退それぞれｇ１＝３およびｇ２＝２を利用する。ここで、ＥＺＦＬは、対応する遷移のゼロフォノンスペクトル線のエネルギーであり、ｋはボルツマン定数、そしてＴは温度である。上のレベルと下のレベルの両方のヤーンテラー分離（Ｊａｈｎ−Ｔｅｌｌｅｒ  ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ）は、室温でｋＴより小さいかまたは同等であるので、無視できるものと仮定した。Ｃｒ２＋：ＺｎＳについてλ＝１６９０ｎｍにおけるσａ＝１．６×１０−１８ｃｍ２というピーク吸収断面積の我々の値は、従来技術で知られている、吸収係数とＣｒ２＋の知られている濃度とを使用して得られたσａ＝１．０×１０−１８ｃｍ２の値とかなりよく一致している。
【００３１】
本発明に従って製造し、３００Ｋで測定し、断面積単位でプロッタしたＣｒ２＋：ＣｄＳ（Ａ）およびＣｒ２＋：ＣｄＳｅ（Ｃ）結晶の室温吸収スペクトルおよび発光スペクトルの同様なグラフ、および対応する発光寿命の温度依存性（Ｂ、Ｄ）を図３に示す。
【００３２】
ＴＭ：ＩＩ−ＶＩ結晶の重要な可能性のある用途の１つは、固体レーザの共振器の受動Ｑスイッチングである（例えば、Ｅｒ：ガラスレーザの受動Ｑスイッチング用のＣｒ２＋：ＺｎＳ結晶）。Ｃｒ２＋：ＺｎＳ吸収の飽和についての実験は、１．５６μｍ励起の下で行った。５ｎｓのパルス継続時間および最高２０ｍＪのパルスエネルギーおよび１０Ｈｚの繰返し速度でのＤ２ラマンシフトＹＡＧ：Ｎｄレーザの放射を使用した。飽和実験には、１．５６μｍでＴ＝０．４３の初期透過率を有する厚さ２．５ｍｍのＣｒ２＋：ＺｎＳ結晶を使用した。ポンプ放射は、２６．５ｃｍレンズで試料に集束し、ポンピングエネルギー密度の関数としての結晶透過率の依存性を、試料のＺ走査を用いて測定した。ポンプ放射の空間エネルギー分布は、標準的なナイフエッジ方法で求めた。ポンピングビームの実効半径は、放射の最大ポンプ強度の０．５レベルで測定した。
【００３３】
図４から理解することができるように、Ｗ＝０．８×１０１８から６．７×１０１８光子／ｃｍ２までのポンプエネルギーフルエンスの増加で、活性吸収は１．４倍以上変化する。ポンプパルス継続時間（５ｎｓ）は、Ｃｒ２＋：ＺｎＳ飽和可能吸収体の緩和時間（４．５μｓ）よりも遥かに短いので、飽和作用は、４レベルの遅い吸収体についての修正されたＦｒａｎｔｚ−Ｎｏｄｖｉｋの式を用いてエネルギーフルエンスの点で解析した。この式に従って、結晶透過率は、次式のように、ポンプエネルギーフルエンス「Ｗ」および吸収断面積に依存する。
【００３４】
【数３】
2005504437.tif 000005
【００３５】
ここで、ｚ＝Ｗσａｂ、Ｔ０はＷ＝０での初期結晶遷移、およびσａｂｓは吸収断面積（ｃｍ２）である。式（３）は、数値的に、かつ実験結果との最適適合（図４、実線）に基づいて解き、σａｂｓの値（λ＝１．５６μｍ）は０．７×１０１８ｃｍ２と推定された。１．５６μｍと吸収帯域の最大（λ＝１．７μｍ、図２を参照されたい）との吸収の比を考慮して、ピーク吸収断面積は１．４×１０１８ｃｍ２と求められた。この値は、分光器による測定から本研究で推定された断面積の値と非常によく一致している。
【００３６】
結晶中のＣｒ２＋濃度は、３．５×１０１８ｃｍ−３であった。分光器による測定と飽和測定から求められたσａｂｓ値のこの申し分のない一致は、１．５６μｍおよびＥｒ：ガラスレーザ発振の波長（λ＝１．５４μｍ）でのＣｒ２＋：ＺｎＳの励起状態吸収損が無視できることを示している。したがって、Ｃｒ２＋：ＺｎＳ結晶は、Ｅｒ：ガラスの７×１０−２１ｃｍ２と比較して、１．５６μｍで比較的大きな吸収断面積０．７×１０−１８ｃｍ２を特徴とする。この値は、従来技術で知られているＣｒ２＋：ＺｎＳｅの０．２７×１０−１８ｃｍ２の断面積値の実際に２倍であり、さらに、無視できる励起状態吸収損とともに、Ｅｒ：ガラスレーザの共振器用の有望な飽和可能吸収体としてのＣｒ２＋：ＺｎＳ結晶の可能な用途を明らかにする。これに加えて、ダイクロイックミラーがその面に堆積されているＣｒ２＋：ＺｎＳ結晶を、固体レーザＱスイッチングおよびモードロッキングに使用することが有利である。このミラーは、固体レーザ（例えば、Ｅｒ−ガラスレーザ）発振の波長で透明であり、Ｃｒ２＋：ＺｎＳレーザ発光の領域で反射的であると考えられる。この結合キャビティ構成で、Ｃｒ２＋：ＺｎＳ要素は、受動Ｑスイッチまたはモードロッカーとして、固体レーザの負荷として、および活性要素として同時に作用する。Ｃｒ２＋：ＺｎＳでの誘導過程のために、Ｃｒ２＋：ＺｎＳ励起レベルのデポピュレーション（ｄｅｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ）の実効時間は、結合キャビティのない通常構成の場合よりも遥かに短くなる。これによって、Ｑスイッチ型のより短いパルス継続時間がもたらされ、さらにモードロック動作の可能性さえももたらされる。
【００３７】
Ｃｒ２＋：ＺｎＳ利得スイッチレーザ発光に使用された実験的な非選択的半球キャビティのブロック図を図５に示す。Ｎｄ：ＹＡＧレーザの１．０６４μｍ放射によって後方散乱の形状寸法内でポンピングされたＤ２ラマンセルからの１．５６０７μｍ出力を使用して、レーザ実験を行った。ラマンセルの前に光ダイオードを配置して、増幅され後方散乱された１．０６μｍ放射によるＮｄ：ＹＡＧレーザ光学系の可能性のある損傷を防止した。ラマンセルからのポンプパルスは、ＦＷＨＭで５ｎｓのパルス継続時間を有し、出力エネルギーは１００ｍＪに達し、二分の一波長板とＧｌａｎプリズムの組合せで連続的に減衰させた。ポンプパルスの振幅安定性は約５％であった。半球キャビティは、ＺｎＳ結晶のファセットに堆積された入力ミラーおよび２０ｃｍの曲率半径を有する出力ミラーから成った。出力ミラーは、スペクトル領域２．０５〜２．５μｍで１０〜２０％透過率であるか、またはスペクトル領域１．９５〜２．５μｍで２０〜３０％透過率であるかどちらかであった。両方のミラーは、２．３６０μｍにピーク反射率を有した。キャビティの長さは１８．５ｃｍであった。ポンプ放射は、ポンプ火線およびキャビティモードサイズ（２００μｍ）のための良好な整合を実現する結晶の２２．５ｃｍ前に配置された２６．５ｃｍレンズによって、結晶に集束させた。１．７ｍｍ厚さの低濃度ドープ試料（１．７μｍで３〜４ｃｍ−１）を使用した。結晶の第２のファセットは、レーザ発光領域で反射防止（ＡＲ）コーティングされ、また、ポンピング波長では完全に反射的であり、往復通過ポンピング方式を実現した。Ｇｅフィルタを使用して、残留ポンプ光をＣｒ２＋：ＺｎＳレーザビームから分離した。
【００３８】
室温レーザ動作は、出力カップラＲ２．３６０μｍ＝９０％を使用したとき、１７０μＪの閾値およびポンプエネルギーに対して９．５％の傾き効率で実現された。レーザは、２．２４μｍを中心にしたほぼ９０ｎｍの出力スペクトル線幅（ＦＷＨＭ）および１００μＪに達した最大出力エネルギーを有した。半球キャビティのＣｒ２＋：ＺｎＳ利得スイッチレーザの出力−入力エネルギーのグラフを図６に示す。ポンプエネルギーのさらなる増加は、入力ミラーの光学的損傷をもたらした。拡散ドープＣｒ２＋：ＺｎＳ結晶のレーザ性能は、結晶品質、ドーピング技術の最適化および出力カップラの最適化で改善されると予想される。
【００３９】
Ｒ２．３６０μｍ＝８０％ミラーを用いて、２５０μＪの閾値でレーザ動作が得られた。これによって、キャビティ内の損失についてＦｉｎｄｌａｙ−Ｃｌａｙの計算が可能になった２９。１．７ｍｍの結晶長さおよびσａｂｓ＝０．８×１０−１８ｃｍ２で、キャビティ内の損失は１４．７％と計算された。これもまた結晶製造技術の最適化で改善されると思われる。
【００４０】
図７に示す波長同調実験では、長さ１９．７ｃｍの半球キャビティを使用した。波長同調は、出力カップラから５ｃｍのところに配置された分散要素としてＣａＦ２ブルースター（Ｂｒｅｗｓｔｅｒ）プリズムを使用して実現した。集束レンズおよび結晶は、非選択的キャビティで使用した位置のままである。出力カップラは、非選択的キャビティで使用した２０ｃｍ、Ｒ２．３６０μｍ＝９０％ミラーであった。この構成は、キャビティウェストと結晶中のポンプビームスポット（≒２００μｍ）のすばらしい整合を実現した。
【００４１】
ポンプ源は、ＴＥＭ００モードで、約６００μＪのパルスエネルギーおよび５ｎｓパルス継続時間で１．５６０７μｍで動作した。このポンプエネルギーは、閾値ポンプエネルギーレベルの約３倍であった。Ｃｒ２＋：ＺｎＳレーザ出力は、ＣａＦ２レンズを通して、波長測定のためのＰｂＳ検出器の付いた０．３ｍ「ＳｐｅｃｔｒａＰｒｏ」モノクロメータに送られた。図８は２．０５〜２．４０μｍスペクトル領域にわたって実現した連続波長同調を例証する。
【００４２】
クロムレーザ発振の出力は、ほぼ３０ｎｍのスペクトル線幅（ＦＷＨＭ）を有した。同調可能出力のピーク効率は、２．２５μｍに中心があった。同調の制限は、キャビティ光学系のコーティングに起因し、Ｃｒ２＋：ＺｎＳ結晶の発光スペクトルによらない。適切な広帯域コーティングを使用することで、ことによると同調範囲は１．８５〜２．７μｍに広がるかもしれない。
【００４３】
レーザ出力スペクトル線幅は、ＬｉｔｔｒｏｗまたはＬｉｔｔｍａｎ構成回折格子同調キャビティを用いることでさらに狭くなるかもしれない。
【００４４】
外部半球キャビティ中でＥｒファイバレーザ励起の下でＣｒ２＋：ＺｎＳのＣＷレーザ発光を行うための実験構成のブロック図を図９に示す。ポンプ源は、エルビウムドープファイバレーザ（ＥＬＤ−２、ＩＰＧ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ）であった。このレーザは、１５５０ｎｍで２Ｗの単一モードＣＷ非偏光放射を出力し、さらにＺｎＳおよびＺｎＳｅレーザシステムからの可能な帰還を防ぐための光アイソレータを備えていた。ファイバコアは直径が５μｍであった。外部非選択的共振器レーザの実験では、半球キャビティは平らな入力ミラーおよび半径２０ｃｍの出力ミラーから成った。入力ミラー結晶は、２．２から２．５μｍまでのスペクトル領域で９９．５％の反射率であった。出力ミラーは、２．２〜２．２５μｍのスペクトル領域で２〜２０％透過率であるか、または１．９５〜２．５μｍのスペクトル領域で２０〜３０％透過率であるかどちらかであった。両方の出力ミラーは、２．３６０μｍにピーク反射率を有した。厚さ１．１ｍｍでポンプ波長での吸収係数が５ｃｍ−１である反射防止コーティングされたクロムドープＺｎＳ結晶を使用した。この結晶は、有効な熱散逸のために、ＹＡＧ結晶でできた平坦な入力ダイクロイックミラーに光学コンタクトで取り付けた。Ｅｒファイバレーザのポンプ放射は、最初に、顕微鏡対物レンズで直径が１ｍｍの平行光束にし、それから第２の焦点距離１５ｍｍの対物レンズを用いて入力ミラーを通して結晶中に集束させた。キャビティを最小閾値および最大出力パワーに調整したとき、出力レーザパラメータは異なっていた。２つの異なる出力カップラの場合および最小閾値および最大出力パワーに合わせた異なるキャビティ調整の場合について、Ｅｒファイバポンピングを受けるＺｎＳ：Ｃｒ２＋連続波レーザ発光の出力−入力依存性を図１０に示す。
【００４５】
最小閾値は、２％および２０％透過率の出力カップラの場合、それぞれ１００ｍＷおよび２００ｍＷの吸収ポンプパワーと測定された。最大出力パワー調整の場合に、２％透過率の出力カップラを用いて、０．６Ｗの吸収ポンプパワーで２３７０ｎｍ近くで６３ｍＷの出力パワーが実証された。吸収ポンプパワーに対する最大傾き効率「η」は、この実験で１８％であった。キャビティ内の往復受動的損失「Ｌｄ」は、Ｆｉｎｄｌｅｙ−Ｃｌａｙの解析から３．７％であると推定された。研究された結晶の限界傾き効率は、次式を使用して逆傾き効率対逆出力結合についてのＣａｉｒｄ解析から５１％と推定された。
【００４６】
【数４】
2005504437.tif 000006
【００４７】
ここで、ηは傾き効率であり、η０は限界傾き効率であり、およびＴはミラー透過率である。この値は、研究された結晶の６５％の量子欠陥に近い。
【００４８】
結晶ファセットにミラーが堆積されていないＣｒ２＋：ＺｎＳおよびＣｒ２＋：ＺｎＳｅ利得スイッチマイクロチップレーザのブロック図を図１１に示す。利得スイッチマイクロチップレーザの実験は、Ｃｒ２＋ドープＺｎＳｅおよびＺｎＳを用いて行った。使用された結晶は、研磨されているがコーティングされていない平行な面の状態で厚さが０．５〜３ｍｍであり、１．７７μｍでｋ≒６ｃｍ−１の吸収係数を有した。ポンピングは、約５ｎｓのパルス継続時間および１．５ｍｍのビーム直径を有し１０Ｈｚで動作するＤ２ラマンシフトＮｄ：ＹＡＧの１．５６μｍ出力によった。異なるレーザ発光点についてのパルスＺｎＳｅマイクロチップレーザ発光の出力−入力エネルギーを図１２に示す。閾値入力エネルギーは、７ｍＪであることが分かった。正帰還がフレネル反射だけによるとき、ミラーのないマイクロチップで、６．５％の最大傾き効率および１ｍＪの最大出力パワーが得られた。自走レーザ出力のスペクトル範囲は２２７０から２２９０ｎｍまでであった。
【００４９】
マイクロチップ構成でＥｒファイバレーザ励起の下でＣｒ２＋：ＺｎＳおよびＣｒ２＋：ＺｎＳｅのＣＷレーザ発光を行うための実験構成のブロック図を図１３に示す。マイクロチップレーザ実験では、Ｃｒ２＋：ＺｎＳおよびＣｒ２＋：ＺｎＳｅ結晶の両方を研究した。結晶は、それぞれ１．１および２．５ｍｍ厚さに平らにかつ平行（≒１０”の平行度）に研磨した。ミラーは、レーザ材料の薄いウェーハの平行な研磨ファセットに直接堆積した。入力および出力ダイクロニックミラーは、２３００〜２５００ｎｍのスペクトル領域にわたって、それぞれ０．０１および３．５％の透過率であり、１５５０ｎｍのポンピング波長でのそれらの透過率は７５％であった。２つの異なるポンプ構成を使用した。Ｅｒファイバレーザのポンプ放射が最初に顕微鏡対物レンズで直径１ｍｍの平行光束にされ、それから第２の焦点距離１５ｍｍの対物レンズで入力ミラーを通して結晶中に集束されるときの、半球キャビティのＣｒ２＋：ＺｎＳＣＷレーザ発光のためのポンプ条件と、第１の構成は全く同じであった。第２のポンプ構成は、ポンプＥｒファイバレーザの先端部から近い（≒２０μｍ）距離のマイクロチップレーザ取付けによって、追加の光学系なしで実現された。両方の場合に、ＺｎＳおよびＺｎＳｅ結晶の屈折率の温度微係数の比較的大きな値（ＹＡＧ結晶の≒５倍）は、強い正レンズをつくりかつマイクロチップキャビティの有効な安定化を実現することによって建設的な役割を果たした。図１４は、吸収されたポンプパワーの関数としてプロットされたＣｒ２＋：ＺｎＳおよびＣｒ２＋：ＺｎＳｅマイクロチップレーザの出力パワーを示す。
【００５０】
集束ポンプビーム構成において、１２０ｍＷのレーザ閾値、および吸収ポンプパワーに対して５３％の傾き効率が、Ｃｒ２＋：ＺｎＳマイクロチップレーザで実現された。マイクロチップレーザの６５％の理論的限界に近い高い傾き効率は、使用された結晶の優れた品質を示している。最適化されたＣｒ２＋：ＺｎＳマイクロチップレーザの最大出力パワーは、図１５に実証されるように１５０ｍＷに達した。
【００５１】
集束ポンプビーム構成でのＺｎＳｅマイクロチップレーザ発光の場合には、１９０ｍＷのレーザ閾値、および吸収ポンプパワーに対して２０％の傾き効率が実証された。最大出力パワーは１００ｍＷに達した。
【００５２】
マイクロチップレーザがファイバ先端部に直接結合された第２のポンプ構成では、１５０ｍＷおよび２４０ｍＷのレーザ閾値、および吸収ポンプパワーに対して３６％および１４％の傾き効率が、それぞれＣｒ２＋：ＺｎＳおよびＣｒ２＋：ＺｎＳｅマイクロチップレーザについて実現された。Ｃｒ２＋：ＺｎＳマイクロチップレーザの最大出力パワーは実際的に変化しないが、一方で、Ｃｒ２＋：ＺｎＳｅでは、集束ポンプ構成と比較して１．６分の１に下がる。このことは、ＺｎＳｅマイクロチップの長すぎる長さおよび対応するモードサイズの不整合およびポンプビームプロフィルで説明することができる。
【００５３】
自走レーザ動作での出力スペクトルは、ＺｎＳおよびＺｎＳｅマイクロチップレーザについて、それぞれ、２２８０から２３６０まで、および２４８０から２５９０までのスペクトル範囲に及んだ。最大ポンプパワーで、Ｃｒ２＋：ＺｎＳｅレーザの出力スペクトルは、自由スペクトル領域Δν＝０．８ｃｍ−１を有する１００よりも多い軸モードから成った。マイクロチップレーザの一般的な出力スペクトルを、図１６の「Ａ」図面に示す。結晶厚さが比較的小さいために、Ｃｒ２＋：ＺｎＳマイクロチップレーザの自由スペクトル領域は、Δν＝２ｃｍ−１であり、出力スペクトルは約５０の軸モードから成った。追加の外部ミラーを有する結合キャビティ構成を用いてマイクロチップレーザのモード制御を整えることを試みた。結合されたマイクロチップおよびミラーによって、図１６の「Ｂ」図面に示すスペクトル構造が生成された。この実験で、両方のレーザにつて、軸モードの数は１８〜２４のモードに減少した（図１６Ｂの各スペクトル線は３つの縦モードから成る）。これは、狭帯域出力カップラを使用する二キャビティ構成で単一縦モード発振に減少させることができる。この実験は、外部エタロンと組み合わせた選択的出力カップラを使用してマイクロチップ単一縦モードレーザ発光を実現できることを実証している。
【００５４】
図１７は、出力レーザ面からＬ＝３３０ｍｍの距離でのＣｒ２＋：ＺｎＳ（赤）およびＣｒ２＋：ＺｎＳｅ（緑）レーザの出力放射の空間分布のグラフと組み合わせた、マイクロチップ出力ビーム発散の測定を行うための実験構成のブロック図を示す。理解できるように、Ｃｒ２＋：ＺｎＳレーザについて１８ｍｒａｄＦＷＨＭの強度プロフィルが測定された。これは、Ｃｒ２＋：ＺｎＳｅレーザのそれ（２５ｍｒａｄ）よりも僅かに小さい。キャビティ安定化の要因である熱効果を考慮に入れると、発散差は、Ｃｒ２＋：ＺｎＳ結晶のｄｎ／ｄＴの方が低いことで説明することができる（ＺｎＳｅの＋７０×１０−６Ｋ−１に対してＺｎＳの＋４６×１０−６Ｋ−１）。
【００５５】
提案された方法の超広帯域／多波長（ＳＢＭＬ）システムは、単一レーザキャビティ内で異なる波長を空間的に分離することに基づいている。その点で、米国特許第５，４６１，６３５号および第６，２３６，６６６号の教示を参照して本明細書に組み込む。レーザ送信機の基本的な光学方式を図１８に示す。
【００５６】
レーザは以下のように動作する。活性媒体の空間的に分離されたチャネルからの発光は、キャビティ内のレンズを通過して軸外れモード抑制要素すなわち開口Ａに入り、この開口Ａは、空間フィルタ処理されたポンプ放射とともに、利得導波路の活性ゾーンをいくつかのチャネルに分割し、さらに個々のチャネルの増幅された発光から、共振器軸に対して平行に延びているその発光の一部だけを分離する。この分離された放射は、回折格子で回折される。リトローマウント回折格子は、第１次の回折でオートコリメーション型の再帰反射鏡として機能し、放射の一部を開口に戻す。軸外れモード抑制要素すなわち開口は、今度は、回折された放射から主レーザモードの放射だけを抜き取る。光軸からそれる第２のレーザモードは、発生プロセスから追い出される。したがって、開口は、同時に、キャビティ中に存在するチャネル全ての基本横モードを選択するかもしれない。それぞれ別個の波長を有する主レーザモードの放射は、集束レンズで平行にされ、さらに活性媒体に送り返される。図１８が示すように、キャビティの光学部品は、活性要素の活性ゾーンに別個の利得チャネルを維持し、クロストークを減少させ、モード競合を抑制し、さらに各チャネルを固有の安定した波長でレーザ発光させる。この方法によって、利得媒体の増幅スペクトルの範囲内の前以て割り当てたスペクトル成分に容易に合わせることができる複数の狭いスペクトル線を放射するレーザを組み立てることが可能になる。広い増幅スペクトルを特徴とするＴＭドープＩＩ−ＶＩ母体および具体的にはクロムドープＺｎＳおよびＺｎＳｅ結晶は、超広帯域および多スペクトル線レーザ発光にとって理想的な活性媒体であると考える。
【００５７】
狭帯域出力カップラ、ファイバ回折格子突合せ結合、外部回折格子、ハイブリッド結合位相アレイデマルチプレクサ、および導波路回折格子ミラーと組み合わせた外部エタロンキャビティに結合されたＩＩ−ＶＩマイクロチップレーザの単一縦モード動作を可能にする異なる方式がある。
【００５８】
図１９は、多スペクトル線ＴＭ：ＩＩ−ＶＩレーザのさらに他のチップスケール集積化を示す。この集積光チップは、ＩＩ−ＶＩ基板に作られる。チップは、いくつかの部分からなる。右部分は、ＩＩ−ＶＩ基板にエッチングされた多数のＶ溝を有し、ファイバレーザまたはファイバ結合ダイオードレーザとの接続を可能にする。中央部分は、多数の導波路（例えば、イオン交換またはリッジ技術で作られた）から成り、活性部分へのポンプ放射の供給を実現する。活性部分は、ＴＭ２＋をドープされた多数のＩＩ−ＶＩ導波路から成り、さらに、テーパ回折格子のような分散要素と組み合わせることができる。テーパ回折格子は、例えば、ＵＶ干渉パターンで活性導波路を露光して実現することができる。テーパ回折格子を使用することで、個々の活性導波路ごとに異なる波長のオートコリメーション型の再帰反射が実現されて、多周波数型の発振が起こる。ＩＩ−ＶＩ材料の電気光学特性によって、マッハ−ツェンダ（Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ）または電気反射内部変調器を同じ導波路の活性部分と一体化することができる（図示しない）。出力多周波数放射は出力ファイバに結合することができる。
【００５９】
活性媒体、音響または電気光学変調器、フィルタ、キャビティの他の受動部品を組み合わせて、ＩＩ−ＶＩ結晶の音響光学特性、電気光学特性、光屈折特性および複屈折特性を１つの集積マイクロチップシステムで使用する多くの他の可能な方式がある。
【００６０】
本発明は様々な形態で開示されたが、この開示は、本発明をこれらの形態に制限するものとして解釈すべきでなく、それどころか、本発明は、ここに添付された特許請求の範囲の広さによってのみ制限される。
【００６１】
【表１】
2005504437.tif 000007
【００６２】
【表２】
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【００６３】
【表３】
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【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明に従って遷移金属ドープウェーハを作るための３段階法の実施例を示す流れ図であり、このウェーハはさらに多数のマイクロチップ能動素子にダイシングされる。
【図２】本発明に従って製造され、３００Ｋで測定され、断面積単位でプロットされたＣｒ２＋：ＺｎＳ（Ａ）およびＣｒ２＋：ＺｎＳｅ（Ｃ）結晶の室温での吸収スペクトルおよび発光スペクトル、および対応する発光寿命の温度依存性（Ｂ、Ｄ）を示すグラフである。
【図３】本発明に従って製造され、３００Ｋで測定され、断面積単位でプロットされたＣｒ２＋：ＣｄＳ（Ａ）およびＣｒ２＋：ＣｄＳｅ（Ｃ）結晶の室温の吸収スペクトルおよび発光スペクトル、および対応する発光寿命の温度依存性（Ｂ、Ｄ）を示すグラフである。
【図４】Ｃｒ２＋：ＺｎＳ結晶の基底状態吸収の飽和を示すグラフである。実線の曲線は、Ｆｒａｎｚ−Ｎｏｄｖｉｃの式による計算の結果である。
【図５】Ｃｒ２＋：ＺｎＳ利得スイッチレーザ発光に使用された実験用の非選択的半球キャビティを示すブロック図である。
【図６】１０％出力カップラを有する半球キャビティのＣｒ２＋：ＺｎＳ利得スイッチレーザの出力−入力エネルギーを示すグラフである。測定された傾き効率は９．５％である。
【図７】Ｃｒ２＋：ＺｎＳ同調可能利得スイッチレーザ発光に使用された、ＣａＦ２プリズム分散要素を有する実験用の選択的半球キャビティを示すブロック図である。
【図８】ＣａＦ２プリズムセレクタのＣｒ２＋：ＺｎＳ同調曲線を示すグラフである。同調は、利用可能なキャビティ光学系のコーティングで制限される。現在、２０５０から２８００ｎｍまでの同調能力が達成された。
【図９】外部半球キャビティでＥｒファイバレーザ励起の下でＣｒ２＋：ＺｎＳのＣＷレーザ発光を行うための実験構成を示すブロック図である。
【図１０】異なる出力カップラで１．５５μｍＥｒファイバレーザポンピングを受ける半球キャビティのＣｒ２＋：ＺｎＳ連続波レーザの出力−入力特性を示すグラフである。（●）Ｔ＝２０％および（■）Ｔ＝２％は、最小閾値調整に対応する。（▲）Ｔ＝２％は、最大出力パワーに合わせた調整に対応する。
【図１１】結晶ファセットに堆積されたミラーのないＣｒ２＋：ＺｎＳおよびＣｒ２＋：ＺｎＳｅ利得スイッチマイクロチップレーザを示すブロック図である。
【図１２】結晶ファセットに堆積されたミラーのない利得スイッチＺｎＳｅマイクロチップレーザの出力−入力エネルギーを示すブロック図である。（▲および●は、結晶の異なる励起点を表す）
【図１３】マイクロチップ構成でＥｒファイバレーザ励起の下でＣｒ２＋：ＺｎＳおよびＣｒ２＋：ＺｎＳｅのＣＷレーザ発光を行うための実験構成を示すブロック図である。
【図１４】１．５５μｍＥｒファイバレーザポンピングを受けるＣｒ２＋：ＺｎＳおよびＣｒ２＋：ＺｎＳｅ連続波マイクロチップレーザの出力−入力特性を示すグラフである。
【図１５】１．５５μｍＥｒファイバレーザポンピングを受ける最適化されたＣｒ２＋：ＺｎＳ連続波マイクロチップレーザの出力−入力曲線を示すグラフである。
【図１６】Ｃｒ２＋：ＺｎＳおよびＣｒ２＋：ＺｎＳｅ結晶のマイクロチップレーザ（Ａ）およびキャビティ結合（Ｂ）マイクロチップレーザ（外部エタロンを有する）のモード構造を示すグラフである。
【図１７】出力レーザ表面からＬ＝３３０ｍｍの距離でのＣｒ２＋：ＺｎＳ（赤）およびＣｒ２＋：ＺｎＳｅ（緑）レーザの出力放射の空間分布を示すグラフと組み合わせた、マイクロチップ出力ビーム分散測定を行うための実験構成を示すブロック図である。
【図１８】単色型から超広帯域多スペクトル線型の動作に容易に再プログラム可能な順応性のあるレーザモジュールを実現するための、独立部品で作られた「空間分散」キャビティを示すブロック図である。
【図１９】チップスケール集積多スペクトル線ＴＭ：ＩＩ−ＶＩレーザを示すブロック図である。
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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