(57)【要約】【課題】小型で簡易な構成により遠赤外線レーザー発振を実現する。【解決手段】Ａｇ製のベース部材２と、ｐ型Ｇｅを主成分として光共振器を構成するように矩形状に成形された複数の発光エレメント１とからなる発光ユニット１０、を備え、複数の発光エレメント１はベース部材２上面の凹部に埋め込まれる。そして、ｐ型Ｇｅを励起する励起光源２０を備える。ｐ型Ｇｅのヘビーマスバンドのホールが励起光によってライトマスバンドに励起され、再びヘビーバスバンドに遷移する過程で発光する。発生した様々な波長の光のうち、発光エレメントの光共振器で共鳴する波長の光のみがレーザー光として外部に出力される。【選択図】　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐ型Ｇｅを主成分として、光共振器を構成するように対向する端面が鏡面になるよう成形された発光エレメントと、
前記発光エレメントに前記ｐ型Ｇｅを励起可能な波長の光を照射する励起光源と、
を備える遠赤外線発光素子。
【請求項２】
一面に複数の凹部を有し、少なくとも前記凹部の内面はＡｇを主成分として成形されたベース部材を更に備え、
前記複数の凹部には、前記光共振器を構成する一方の端面が当該凹部の開口面側となるように複数の前記発光エレメントが設けられている、
ことを特徴とする請求項１記載の遠赤外線発光素子。
【請求項３】
前記ｐ型Ｇｅは、ｐ型ドーパントとしてＩｎを含むことを特徴とする請求項１または２記載の遠赤外線発光素子。
【請求項４】
前記ｐ型Ｇｅにおいて、ＩｎはＧｅの８重量％未満であることを特徴とする請求項３記載の遠赤外線発光素子。
【請求項５】
前記発光エレメントは矩形状であり、少なくとも一対の端面は鏡面にされて前記光共振器を構成していることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか記載の遠赤外線発光素子。
【請求項６】
前記発光エレメントは円柱形状であり、少なくとも当該円柱の両端面は鏡面にされて前記光共振器を構成していることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか記載の遠赤外線発光素子。
【請求項７】
前記発光エレメントの前記鏡面にされた端面間の距離は２０μｍ以上、２００μｍの以下であることを特徴とする請求項５または６記載の遠赤外線発光素子。
【請求項８】
ｐ型ＧｅまたはＰｂＳｎＴｅを主成分として、光共振器を構成するように対向する端面が鏡面にされた発光エレメントを成形する第１ステップと、
前記発光エレメントに励起光を照射することにより遠赤外線発光を生じさせる第２ステップと、
この第２ステップで発光した遠赤外線を前記発光エレメントで共振させる第３ステップと、
を備える遠赤外線発光素子の発振方法。
【請求項９】
前記第２ステップは、前記発光エレメントに圧縮歪を加えて励起光を照射することにより遠赤外線発光を生じさせるステップであることを特徴とする請求項８記載の遠赤外線発光素子の発振方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、波長１００μｍ程度の遠赤外線を放射する例えば遠赤外線レーザー素子のような発光素子と、その遠赤外線発振方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ｐ型Ｇｅを用いた遠赤外線レーザー発光は、１９８０年中頃から報告されている。例えば「固体物理」第３１巻第４号（１９９６年）において、小宮山は波長８０〜１２０μｍの遠赤外線レーザー発振を確認した上で、この発光原理を以下のように説明している。
【０００３】
液体ヘリウム温度のｐ型Ｇｅに電場と磁場を印加すると、ガンマ点に縮退していた大量のホールはサイクロトロン運動を始め、軽いホールの蓄積が起こり、重いホールに対して反転分布が生じる。この軽いホールは電場から運動エネルギーを得て、所定のエネルギーレベルに達すると、重いホール帯に直接に光学遷移し、波長１００μｍ程度の遠赤外線を放射する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の従来技術では、電場と磁場を印加するための大掛かりな装置が必要となり、これが実用化の妨げとなっていた。すなわち、波長１００μｍ程度の遠赤外線レーザーは、分光分析等の計測分野、野菜の生育や鮮度の保持等のバイオ分野、治療や疲労回復等の医療分野において応用が期待されるが、そのためには装置のコンパクト化が必要になっていた。
【０００５】
そこで本発明は、小型で簡易な構成により波長１００μｍ程度の遠赤外線レーザー発振を実現できる遠赤外線レーザー素子等の発光素子と、これに好適なレーザー等の発振方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る遠赤外線発光素子は、ｐ型Ｇｅを主成分として、光共振器を構成するように対向する端面が鏡面になるよう成形された発光エレメントと、発光エレメントにｐ型Ｇｅを励起するための光を照射する励起光源と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
本発明によれば、ｐ型Ｇｅのヘビーマスバンドのホールが励起光によってライトマスバンドに励起され、再びヘビーバスバンドに遷移する過程で発光する。発生した様々な波長の光のうち、発光エレメントの光共振器で共鳴する波長の光のみがレーザー光として外部に出力される。したがって、励起光源でｐ型Ｇｅの光共振器を励起するという簡単な構成で、効率の良い遠赤外線レーザー発振が可能になる。
【０００８】
本発明の遠赤外線発光素子は、一面に複数の凹部を有し、少なくとも凹部の内面はＡｇを主成分として成形されたベース部材を更に備え、複数の凹部には、光共振器を構成する一方の端面が凹部の開口面側となるように複数の発光エレメントが設けられていることが望ましく、このようにすれば小型・軽量でありながら効率よく遠赤外線レーザー発振等する発光素子を提供できる。
【０００９】
本発明の遠赤外線発光素子において、ｐ型Ｇｅはｐ型ドーパントとしてＩｎを含むことを特徴とすることが望ましく、特にｐ型ＧｅにおけるＩｎをＧｅの８重量％未満にし、ベース部材をＡｇで形成（少なくとも凹部の内面をＡｇで形成）した場合にはＩｎがＡｇに溶け込むことが少ないので、不純物制御を好適になし得る。
【００１０】
本発明の遠赤外線発光素子において、発光エレメントは矩形状であり、少なくとも一対の端面は鏡面にされて光共振器を構成していても良く、あるいは、発光エレメントは円柱形状であり、少なくとも当該円柱の両端面は鏡面にされて光共振器を構成していることを特徴としても良い。このようにすれば、光共振器における共鳴により遠赤外線レーザー発振を好適になし得る。例えば、発光エレメントの鏡面にされた端面間の距離を２０μｍ以上、２００μｍの以下とすれば、Ｇｅの屈折率は概ね４なので８０〜８００μｍの波長の遠赤外線レーザー発振が実現できる。
【００１１】
本発明に係る遠赤外線レーザー等の発振方法は、ｐ型ＧｅまたはＰｂＳｎＴｅを主成分として、光共振器を構成するように対向する端面が鏡面にされた発光エレメントを成形する第１ステップと、発光エレメントに励起光を照射することにより遠赤外線発光を生じさせる第２ステップと、この第２ステップで発光した遠赤外線を発光エレメントで共振させる第３ステップと、を備えることを特徴とする。このようなレーザー発振方法において、第２ステップは発光エレメントに圧縮歪を加えて励起光を照射することにより遠赤外線発光を生じさせるステップであることが好ましく、このようにすればベースマスバンドの曲率が増大してホールの反転分布が起こり易くなり、遠赤外線レーザー発振の効率を向上させることが可能になる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。なお、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１３】
図１は、実施形態に係る遠赤外線レーザー素子の構成を模式的に示す図である。遠赤外線レーザー素子は、それぞれが光共振器を構成する複数の発光エレメント１と、これを保持するベース部材２とからなる発光ユニット１０と、この発光ユニット１０に励起光を照射する励起光源２０により構成される。図示のように光ユニット１０に励起光が照射されると、レーザー発振が生じて遠赤外線レーザー光が出力される。
【００１４】
図２は、遠赤外線レーザー素子の主要部である複数の発光エレメント１と、これをマトリクスに配列した状態で保持するベース部材２を示す斜視図である。図中の数字は寸法を表している（単位はμｍ）。また、ハッチングの部分は、励起光源２０からの励起光が入射すると共に、発振した遠赤外線レーザー光が出射する発光エレメント１の端面を示す。
【００１５】
図示の通り、Ａｇ製のベース部材２は縦および横が各５０００μｍで厚さが１０００μｍの正方形／平板形状をなし、その上面には縦、横および深さがいずれも２５μｍで矩形状の複数の凹部が、所定とピッチでマトリクスに配列されている。なお、簡単のため図１では複数の凹部の一部のみを描いている。この複数の凹部の底面および側壁面は鏡面に仕上げられているので、ここにｐ型ドーパントとしてＩｎを添加したｐ型Ｇｅが埋め込まれ、その露出面（凹部の開口側の表面）が鏡面に仕上げられることにより、ファブリペロー型光共振器を構成する発光エレメント１が成形される。
【００１６】
ベース部材２を形成するＡｇの融点は９６２℃程度であり、発光エレメント１を構成するＧｅの融点は９３７℃程度である。そして、ｐ型Ｇｅの融点はＩｎの添加量に応じて低温となる（例えば９２０℃程度）ので、ｐ型Ｇｅを溶融してＡｇ製ベース部材２の凹部に埋め込んだ場合でも、Ａｇが溶けることはない。また、ＩｎはＧｅに溶解し易くＡｇには溶解し難いので、ｐ型Ｇｅからなる発光エレメント１の作製工程でＩｎがＧｅに溶け込む量は少ない。このため、発光エレメント１における不純物の制御が簡易である。
【００１７】
励起光源２０は、光共振器としての発光エレメント１の主成分であるＧｅのバンドギャップエネルギー（０．６６ｅＶ）を越える波長の光を出力する光源であり、例えば可視光あるいは近赤外線の発光ダイオードや半導体レーザーを用いることができる。励起光源２０からの励起光を発光ユニット１０に照射する、すなわち、Ａｇ製ベース部材２にマトリクス配列された複数のｐ型Ｇｅ発光エレメント１に一括して励起光を照射する構成を採用することにより、小型・軽量でありながら効率よく遠赤外線レーザー発振する素子を提供できる
【００１８】
次に、上記実施形態に係る遠赤外線レーザー素子の作用を説明する。まず、発光エレメント１を構成するＧｅは間接遷移の半導体であり、価電子帯の上端のガンマ点でエネルギー順位が縮退しており、ヘビーマスバンドとライトマスバンドが存在する。ＩｎをドープしたＧｅはｐ型であり、電子は簡単に価電子帯から伝導帯に励起され、その結果、価電子帯のベースマスバンドに多数のホールができる。
【００１９】
ここで、ｐ型Ｇｅからなる発光エレメント１に励起光を当てると、ヘビーホールは光のエネルギーを吸収してライトマスバンドに励起される。励起されたホールは再びヘビーマスバンドに遷移し、そのエネルギー準位の差に相当する波長の光が出る。この発光波長は複数であるが、発光エレメント１が構成する光共振器によって共鳴する波長の光（遠赤外線）のみが増幅される。
【００２０】
すなわち、発生した光は発光エレメント１の底部のＡｇ製ベース部材２との界面と、ｐ型Ｇｅと大気との界面との間で反射を繰り返し、強い遠赤外線が発生される。励起光を照射し続けると、ライトマスバンドのホール数がヘビーマスバンドのホール数よりも多くなり、いわゆる反転分布が生じて遠赤外線レーザー発振が始まる。
【００２１】
このレーザー発振光は、発光エレメント１の端面から雰囲気中（大気中）に出力されるが、その波長はｐ型Ｇｅ発光エレメント１による光共振器のサイズに依存する。本実施形態では、発光エレメント１は一辺が２５μｍでｐ型Ｇｅの屈折率は約４なので、出力波長は１００μｍである。例えば、発光エレメント１の鏡面にされた端面間の距離を２０μｍとすれば、Ｇｅの屈折率は概ね４なので８０μｍ、鏡面にされた端面間の距離を３０μｍとすれば１２０μｍの波長の遠赤外線レーザー発振が実現できる。
【００２２】
図３は、別の実施形態に係る遠赤外線レーザー素子の主要部を示す斜視図である。図２と異なる点は、発光ユニット１０の主要部を構成するｐ型Ｇｅ発光エレメント１の形状である。発光エレメントは長さが２５μｍの円柱形状をなし、鏡面仕上げされた円柱の両端面はファブリペロー型の光共振器を構成している。この場合には、高調波を発生できるという特徴がある。
【００２３】
本発明は上記実施形態に限定されず、例えばｐ型Ｇｅに代えてＰｂＳｎＴｅを主成分として光共振器を構成し、遠赤外線レーザー発振を実現しても良い。すなわち、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体であるＰｂＳｎＴｅを主成分として、光共振器を構成するように対向する端面が鏡面にされた発光エレメントを成形し、ＰｂＳｎＴｅのバンドギャップエネルギーを越える波長の励起光を照射する。これにより、遠赤外線発光を生じさせて光共振器で共鳴させ、遠赤外線レーザーとして出力することができる。
【００２４】
また、発光エレメント１に圧縮歪を加えて励起光を照射することが好ましい。このようにすれば、ベースマスバンドの曲率が増大し、歪がない場合に比べてヘビーマスバンドの状態密度がライトマスバンドの状態密度より小さくなる。つまり、ライトマスバンドのホールの状態密度がヘビーマスバンドのホールの状態密度より大きくなり、ホールの反転分布が起こり易くなる。このため、遠赤外線レーザー発振の効率を向上させることが可能になる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、電場や磁場を加える大型の装置を必要とすることなく、小型で簡易な構成により波長１００μｍ程度の遠赤外線レーザー発振を実現できる。また、この発振波長は発光エレメントのサイズの設計により、適宜に設定することが可能である。本発明はレーザー発振素子およびレーザー発振方法として適用するのが最も好適であるが、いわゆる発光ダイオード（ＬＥＤ）素子としても適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、実施形態に係る遠赤外線レーザー素子を模式的に示す図である。
【図２】図２は、図１の遠赤外線レーザー素子の主要部である発光ユニット１０の例を示す斜視図である。
【図３】図３は、図１の遠赤外線レーザー素子の主要部である発光ユニット１０の別の例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１…光共振器を成すｐ型Ｇｅ発光エレメント、２…複数の凹部を形成したＡｇ製ベース部材、１０…発光エレメント１とベース部材２から構成される発光ユニット、２０…励起光源。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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