(57)【要約】【課題】小型で環境汚染の危惧が生じない高出力レーザ光発生装置を提供する。【解決手段】レーザ媒質１４と、レーザ媒質１４を挟んで両端に対向して配置されるフォトニック結晶の第１の反射鏡１１及び第２の反射鏡１２、第１及び第２の反射鏡１１、１２の間に配置され、レーザ媒質１４を密閉するフォトニック結晶の側面反射鏡１３を有する共振器１０と、第１及び第２の反射鏡１１、１２の少なくとも一方のフォトニック結晶のフォトニックバンド構造を変化させる制御部２０とを備える。【選択図】      図１
2004221355.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ媒質と、
前記レーザ媒質を挟んで両端に対向して配置されるフォトニック結晶の第１の反射鏡及び第２の反射鏡、前記第１及び第２の反射鏡の間に配置され、前記レーザ媒質を光学的に密閉する前記フォトニック結晶の側面反射鏡を有する共振器と、
前記第１及び第２の反射鏡の少なくとも一方の前記フォトニック結晶のフォトニックバンド構造を変化させる制御部
とを備えることを特徴とするレーザ光発生装置。
【請求項２】
前記第１の反射鏡、前記第２の反射鏡、及び前記側面反射鏡の前記フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップで阻止される波長を有する光によって前記レーザ媒質の励起を行なう励起源を、更に備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ光発生装置。
【請求項３】
前記レーザ媒質が、前記フォトニック結晶とは異なるフォトニック結晶からなることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ光発生装置。
【請求項４】
前記第１の反射鏡、前記第２の反射鏡、及び前記側面反射鏡は、反射面に垂直な方向に単位層を８層以上積層されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ光発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はフォトニック結晶を用いたレーザ光発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高出力レーザ光発生は、加工技術、電力送信技術等への応用上重要な技術であり、高出力のレーザ光発生装置の開発が進められている。レーザ光発生装置には、生産現場における取り扱いや、電力送信を行なう場所への装置の移動等が容易となる、小型かつ安全な装置の開発が要求されている。
【０００３】
従来の高出力レーザ光発生装置としては、炭酸ガス（ＣＯ２）レーザやイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）レーザを光源とした多段増幅型レーザ光発生装置（例えば、非特許文献１参照）、レーザ媒質にフッ化水素（ＨＦ）等を用い、化学反応によって解放されるエネルギをレーザ光として取り出す化学レーザ（例えば、非特許文献２参照）が知られている。
【０００４】
一方、Ｑスイッチあるいはキャビティダンパーを用いた高出力レーザ発生装置が知られている。例えば、Ｑスイッチを用いたパルスレーザ発生装置は、ファブリ−ペロ（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ）型の共振器の一方の反射鏡を反射率の低い状態から高い状態へと短時間にスイッチしてレーザ光を出力することを特徴としている。Ｑスイッチ機構としては、例えばリチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ３）におけるポッケルス効果を用いたポッケルスセルが用いられる。
【０００５】
また、フォトニック結晶反射鏡を用いて、多モード発振を防ぐ事により、電子線励起によるレーザ光発振時における発光効率の低さ、発振閾値の高さ等の問題を解決するレーザ光発生装置の例がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
【非特許文献１】
石手孝、他，「レーザ研究」，２０００年，第２８巻，第１号，ｐ．１３
【０００７】
【非特許文献２】
藤岡知生、他，「応用物理」，１９７６年，第４５巻，第１０号，ｐ．８
６９
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−２５１００１号公報（第４−５頁、第１図）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
多段増幅型レーザ光発生装置は、多段増幅部が大型化することが大きな欠点であり、例えば１ＭＷクラスの加工用連続波（ＣＷ）レーザ装置においては、全長が１０ｍ  程度となるものもある。より効率的な空間の利用や、電力送信時の装置の移動等を考えると、このような大型の装置を用いることのディメリットは大きい。
【００１０】
また、化学レーザにおいては、レーザ媒質には上記ＨＦの他、塩化水素（ＨＣｌ）、臭化水素（ＨＢｒ）といった、ハロゲン元素を含む物質が用いられる。ハロゲン元素を含む物質を用いてレーザ発振を起した後は、ハロゲン化物を大量に含むガスが排出されるため、人体及び環境への影響は大きく、高出力の光源を長時間あるいは繰り返し用いることには大きな問題がある。
【００１１】
また、パルスレーザ発生装置においては、装置の大型化、廃棄物の害といった問題はないものの、用いられるファブリ−ペロ型共振器あるいは誘電体多層膜反射鏡が一次元方向の光閉じ込めのみを可能にする構造になっているため、特に長時間にわたる励起エネルギ保存及び大エネルギの取り出しを行なう場合に、閉じ込め方向以外の方向へのエネルギ洩れが無視できず、入射したエネルギの損失が大きい。
【００１２】
以上説明したように、レーザ光発生装置において高出力を実現するために、装置が大型化したり、あるいは人体や環境に有害なレーザ媒質を使用しているため、効率的な空間利用や装置移動、あるいは安全性等に問題が生じる。
【００１３】
本発明は、上記した問題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、小型で環境汚染の危惧が生じない高出力レーザ光発生装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の特徴は、（イ）レーザ媒質と、（ロ）レーザ媒質を挟んで両端に対向して配置されるフォトニック結晶の第１の反射鏡及び第２の反射鏡、第１及び第２の反射鏡の間に配置され、レーザ媒質を密閉するフォトニック結晶の側面反射鏡を有する共振器と、（ハ）第１及び第２の反射鏡の少なくとも一方のフォトニック結晶のフォトニックバンド構造を変化させる制御部とを備えるレーザ光発生装置であることを要旨とする。
【００１５】
本発明の特徴によれば、小型で廃棄物による環境汚染の危惧が生じない高出力レーザ光発生装置を提供することができる。
【００１６】
本発明の特徴において、第１の反射鏡、第２の反射鏡、及び側面反射鏡のフォトニック結晶のフォトニックバンドギャップの範囲外の波長を有する光によってレーザ媒質の励起を行なう励起源を備えることが好ましい。また、レーザ媒質にフォトニック結晶を用いると低閾値発振が可能となり、より高出力が得られる。また、第１の反射鏡、第２の反射鏡、及び側面反射鏡は、反射面に垂直な方向に単位層を８層以上積層したフォトニック結晶であることことが好ましい。
【００１７】
ここで、本発明の特徴に係るフォトニック結晶は、屈折率が異なる多種類の媒質を光の波長程度のピッチで組み合わせた人工的な多次元周期構造であり、フォトニック結晶内の光の伝搬を制御することが可能である。周期配列を有するフォトニック結晶中の光の振る舞いに対して、固体結晶中の電子の振る舞いを表わすエネルギバンドの概念を適用することができる。即ち、電子の運動量とエネルギの関係を表わすエネルギバンドが、光の波数と周波数の関係を表わす「フォトニックバンド］に置き換えられる。周期配列された媒質と背景媒質に屈折率の差があると、光がフォトニック結晶中を伝搬することが許されない周波数帯域が形成され、このような周波数帯域は、固体結晶のエネルギバンドのバンドギャップに対応して、「フォトニックバンドギャップ」と呼ばれている。フォトニックバンドギャップに相当する周波数を有する光をフォトニック結晶表面に入射すると、原理的には１００％の反射率で入射光は反射される。フォトニックバンドギャップは、周期配列された媒質と背景媒質として、半導体と空気といった屈折率の差が大きい組み合わせほど大きく開き、高い反射率を実現できる。また、高次元周期構造ほどフォトニックバンドギャップの効果は顕著になるため、フォトニック結晶としては、ロッドを積層したウッドパイル構造や、３回対称の斜孔を配列したヤブロノバイト積層構造、あるいは面心立方格子状に単位胞が配列した３次元周期構造が用いられる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、形状や寸法は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な形状や寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００１９】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係るレーザ光発生装置は、図１に示すように、レーザ媒質１４と、フォトニック結晶からなる第１の反射鏡１１、第２の反射鏡１２、及び側面反射鏡１３を有し、レーザ媒質１４を内部に配置する直方体の共振器１０と、レーザ光ＬＢを出力する第１の反射鏡１１のフォトニックバンド構造を変化させる制御部２０とを備えている。
【００２０】
レーザ媒質１４は、例えばＣＯ２等のガスであり、レーザ管１４ａに封入されている。レーザ媒質１４は、励起源１５からエネルギの供給を受けて励起され発光する。励起源１５は、例えば、電気エネルギを供給する電源であり、共振器１０の側面反射鏡１３に設けられた電源端子１６を介して電源ケーブルよりレーザ管１４ａに接続されている。レーザ媒質１４として、レーザ管１４ａに封入されたＣＯ２ガスを用いているが、ＹＡＧレーザや半導体レーザ等の固体媒質を用いてもよいことは、勿論である。第１の反射鏡１１は、共振器１０の一端でレーザ媒質１４の発光を反射する反射面部１１ａと、反射面部１１ａから共振器１０の下方に延在する外延部１１ｂとで構成されている。第１の反射鏡１１の外延部１１ｂに取り付けられる制御部２０は、例えば水等の液体を収納したタンク１７と、タンク１７にゲートバルブ１８を介して接続され、外延部１１ｂを内部に設置するコンテナ１９を有している。
【００２１】
本発明の第１の実施の形態に係る共振器１０は、例えば図２に示すように、１０ｃｍ×１０ｃｍ×４０ｃｍの直方体の構造を有し、直方体の長手方向の両端に対向して配置される第１の反射鏡１１及び第２の反射鏡１２と、第１及び第２の反射鏡１１、１２にそれぞれ直交し、第１及び第２の反射鏡１１、１２の間に位置する４面に配置される第１〜第４の側面反射鏡１３ａ〜１３ｄを備える。レーザ媒質１４としてのＣＯ２ガスが封入された、例えば直径１２ｍｍ、長さ３０ｃｍのレーザ管１４ａは、直方体の共振器１０の内部に配置されている。また、第１の反射鏡１１は、共振器１０の直方体の一端面となる反射面部１１ａから共振器１０の底面の第４の側面反射鏡１３ｄよりさらに約５ｃｍ下方に外延部１１ｂがはみ出ている。
【００２２】
第１及び第２の反射鏡１１、１２と側面反射鏡１３には、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）等の半導体ロッドによるウッドパイル型のフォトニック結晶が用いられる。ウッドパイル型のフォトニック結晶は、図３に示すように、一定のロッドピッチｐで一方向に平行に配列されたロッド幅ｗ及びロッド厚さｔのストライプ状のロッド１２１ａ〜１２１ｃ、・・・を有する第１のロッド層１２１の上に、第１のロッド層１２１のロッド１２１ａ〜１２１ｃ、・・・と同一のロッドピッチｐ、ロッド幅ｗ及びロッド厚さｔで、第１のロッド層１２１のロッド１２１ａ〜１２１ｃ、・・・と直交する方向に平行に配列されたロッド１２２ａ、１２２ｂ、・・・を有する第２のロッド層１２２が配置されている。更に、第２のロッド層１２２のロッド１２２ａ、１２２ｂ、・・・に直交する方向に平行に配列された第３のロッド層１２３のロッド１２３ａ〜１２３ｃ、・・・が配置されている。以下同様に、第３のロッド層１２３のロッド１２３ａ〜１２３ｃ、・・・と直交する方向に平行に配列された第４のロッド層１２４のロッド１２４ａ、１２４ｂ、・・・、第４のロッド層１２４のロッド１２４ａ、１２４ｂ、・・・に直交する方向に平行に配列された第５のロッド層１２５のロッド１２５ａ〜１２５ｃ、・・・、第５のロッド層１２５のロッド１２５ａ〜１２５ｃ、・・・と直交する方向に平行に配列された第６のロッド層１２６のロッド１２６ａ、１２６ｂ、・・・、第６のロッド層１２６のロッド１２６ａ、１２６ｂ、・・・に直交する方向に平行に配列された第７のロッド層１２７のロッド１２７ａ〜１２７ｃ、・・・、及び、第７のロッド層１２７のロッド１２７ａ〜１２７ｃ、・・・と直交する方向に平行に配列された第８のロッド層のロッド１２８ａ、１２８ｂ、・・・が第１及び第２のロッド層１２１、１２２のロッド１２１ａ〜１２１ｃ、・・・、１２２ａ、１２２ｂ、・・・と同一のロッドピッチｐ、ロッド幅ｗ及びロッド厚さｔで積層して配置されている。
【００２３】
ウッドパイル型のフォトニック結晶は、例えば、フォトリソグラフィによりＧａＡｓ基板をエッチング加工して形成したストライプ構造を、一層毎に９０  度ずつ回転しながらウェハ融着法によって積層して作成する（例えば、エム・シンボ（Ｍ．  Ｓｈｉｍｂｏ）、等，ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ），１９８６年，第６０巻，ｐ．２９８７、参照）。
【００２４】
本発明の第１の実施の形態に係る共振器１０に用いるフォトニック結晶は、空気等の背景媒質中に周期配列されたＧａＡｓ等の背景媒質とは異なる屈折率の媒質からなる屈折率周期構造である。フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップは、周期配列された媒質と背景媒質の屈折率の差が大きい組み合わせほど大きく開き、高い反射率を実現できる。例えば、ＧａＡｓ及び空気の屈折率はそれぞれ、約３．６６及び１．００であり、差が大きい。また、高次元周期構造ほどフォトニックバンドギャップの効果は顕著になる。更に、フォトニック結晶の単位層が８層以上積層されているときに反射効率が特によくなることが、実験およびシミュレーションによって確認されている。本発明の第１の実施の形態においては、上述したようにＧａＡｓロッド層を８層としたウッドパイル型の３次元周期構造を有するフォトニック結晶を用いている。例えば、図３に示すロッドピッチｐを６μｍ、ロッド幅ｗを１．５μｍ、及びロッド厚さｔを１．８μｍとすると、フォトニックバンドギャップが、約７．５〜１２μｍの波長領域に形成される。ＣＯ２ガスのレーザ媒質１４の発光波長は１０．２μｍであり、共振器１０のフォトニック結晶のフォトニックバンドギャップで阻止される波長に相当する。
【００２５】
本発明の第１の実施の形態に係るレーザ光発生装置においては、レーザ媒質１４の両端に配置したフォトニック結晶の第１及び第２の反射鏡１１、１２に加えて、第１及び第２の反射鏡１１、１２の間でレーザ媒質１４を囲んでフォトニック結晶の側面反射鏡１３を配置している。レーザ媒質１４の発光部から出た光は、第１及び第２の反射鏡１１、１２の間で反射されるだけでなく、側面反射鏡１３により３次元的に光閉じ込めができるため、共振器１０の外部に漏れることなく効率よく共振器１０内に蓄積される。また、フォトニック結晶の構成材料の光吸収係数が十分小さくなるような発光波長を選択することにより、共振器１０の損失を極めて小さくすることができる。したがって、励起源１５からレーザ媒質１４に対する低出力の注入エネルギを長時間にわたって蓄積して誘導放出による光の増幅が可能となり、レーザ光の高出力化が実現できる。その結果、小型のレーザ光発生装置で、高出力のレーザ光が実現可能となる。
【００２６】
また、本発明の第１の実施の形態に係るレーザ光発生装置においては、共振器１０内に閉じ込められ蓄積されたレーザ光は、上述のように、第１及び第２の反射鏡１１、１２、側面反射鏡１３のフォトニックバンドギャップに相当する周波数を有している。共振器１０内に閉じ込められ蓄積されたレーザ光の強度が十分増幅された後、制御部２０によって、第１の反射鏡１１のフォトニックバンドギャップの周波数帯域を変化させて、共振器１０内に閉じ込められ蓄積されたレーザ光が第１の反射鏡１１の反射面部１１ａを透過することができるようにして、レーザ光ＬＢを出力させる。フォトニックバンド構造の変化は、通常、構成媒質の屈折率を変化させることによって実現可能である。本発明の第１の実施の形態では、第１の反射鏡１１のフォトニック結晶の背景媒質である空気の代わりに水等の液体を注入して屈折率を変化させる。空気の屈折率が１．００であるのに対して、水の屈折率は１．３３と大きい。図１に示した制御部２０のゲートバルブ１８を開くことにより、タンク１７の水がコンテナ１９に流れ込む。第１の反射鏡１１の外延部１１ｂの下端がコンテナ１９に流れ込んだ水に浸漬され、外延部１１ｂの下端から毛細管現象により水が第１の反射鏡１１の反射面部１１ａ内の背景媒質の空気部に浸入する。その結果、空気と水との屈折率の差によってフォトニックバンド構造が変化する。そして、第１の反射鏡１１のフォトニック結晶のフォトニックバンドギャップが、１１〜１２．５μｍの波長領域に変化し、発光波長が１０．２μｍのレーザ媒質１４のレーザ光が反射面部１１ａより出力される。背景媒質の空気の代わりに注入する液体としては、水に限らず、例えばアルコール等の有機溶媒は屈折率が１．３〜１．７であり、フォトニックバンド構造の変化させる媒質として使用できる。
【００２７】
本発明の第１の実施の形態に係るレーザ光発生装置により、レーザ光ＬＢを出力させる手順を説明する。まず、制御部２０のゲートバルブ１８を閉じておき、コンテナ１９は空の状態にしておく。共振器１０のフォトニック結晶のフォトニックバンドギャップは、約７．５〜１２μｍの波長領域に形成されている。励起源１５の電源をオンにしてレーザ管のＣＯ２ガスからなるレーザ媒質１４を励起する。レーザ媒質１４からの発光波長は、１０．２μｍであり、共振器１０のフォトニックバンドギャップで阻止される波長である。したがって、第１及び第２の反射鏡１１、１２間で反射を繰り返す光は、側面反射鏡１３からも外部に漏れることなく共振器１０の内部に閉じ込められ誘導放出により増幅される。このようにしてレーザ媒質１４を、例えば３０秒間駆動した後、ゲートバルブ１８を開いてタンク１７の水をコンテナ１９に導入する。その結果、第１の反射鏡１１のフォトニックバンドギャップが、１１〜１２．５μｍの波長領域に変化する。共振器１０内で誘導放出により増幅された光は波長１０．２μｍであり、第１の反射鏡１１の変化したフォトニックバンドギャップの波長範囲外に相当する。したがって、第１の反射鏡１１の反射面部１１ａからレーザ光ＬＢが取り出される。なお、本発明の第１の実施の形態に係るレーザ光発生装置では、レーザ光ＬＢとして約１０ｋＪの出力が得られる。
【００２８】
上述のように、本発明の第１の実施の形態に係るレーザ光発生装置によれば、励起光を効率よく蓄積でき、共振器１０の損失を抑制できるため、低出力のレーザ媒質１４で高出力のレーザ光を得ることができる。レーザ媒質１４は小型にすることができるから、レーザ媒質１４を内蔵する共振器１０も小型化できる。したがって、レーザ光発生装置の重量が軽減され、レーザ光発生装置の移動も容易となる。また、レーザ媒質１４にはハロゲン元素を用いた気体を用いる必要がなく、かつ発振時には化学反応の介在も要しないため、副産物として排出される物質に対して環境汚染や人体への悪影響を考慮せずに使用することができ、廃棄物処理法あるいは廃棄物処理装置に対する負担もなく、低コストで使用できる。
【００２９】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係るレーザ光発生装置は、図４に示すように、レーザ媒質３４と、フォトニック結晶からなる第１の反射鏡３１、第２の反射鏡３２、及び側面反射鏡３３を有し、レーザ媒質３４を内部に配置する直方体の共振器３０と、レーザ光ＬＢを出力する第１の反射鏡３１のフォトニックバンド構造を変化させる制御部２０とを備えている。第１の反射鏡３１は、共振器３０の一端でレーザ媒質３４の発光を反射する反射面部３１ａと、反射面部３１ａから共振器３０の下方に延在し、制御部２０が取り付けられる外延部３１ｂとで構成されている。フォトニックバンド構造を変化させる制御部２０は第１の実施の形態と同様であるので，重複した説明は省略する。
【００３０】
本発明の第２の実施の形態に係るレーザ光発生装置に用いるレーザ媒質３４は、図５に示すように、例えばセレン化鉛（ＰｂＳｅ）等の半導体の量子点３８をリン酸ガラス（ＰＳＧ）等のガラス媒質３７に分散させた構造である。量子点３８の平均粒径は５ｎｍ、分散密度は約１０１８ｃｍ−３、であり、ガラス媒質３７のサイズは２０ｃｍ×２０ｃｍ×３０ｃｍである。レーザ媒質３４は励起源３５からエネルギの供給を受けて励起される。レーザ媒質３４の発光波長は、２μｍである。励起源３５は、例えば、ネオジム：ヤグ（Ｎｄ：ＹＡＧ）レーザ等のレーザ光源であり、共振器３０の側面反射鏡３３を透過させてレーザ媒質３４に励起光が照射される。Ｎｄ：ＹＡＧレーザの発振波長は、１．０６μｍである。
【００３１】
本発明の第２の実施の形態に係る共振器３０には、第１の実施の形態と同様に、図３で示したＧａＡｓ等の半導体ロッドによるウッドパイル型のフォトニック結晶が用いられる。フォトニック結晶は、ロッドピッチｐを１．２μｍ、ロッド幅ｗを０．３μｍ、及びロッド厚さｔを０．３６μｍとして、共振器３０の寸法は、３０ｃｍ×３０ｃｍ×３５ｃｍである。フォトニックバンドギャップは、約１．５〜２．４μｍの波長領域に形成されている。励起源３５の励起光は波長が１．０６μｍであり、フォトニックバンドギャップの範囲外であり、共振器３０の第１あるいは第２の反射鏡３１、３２や側面反射鏡３３を透過して、レーザ媒質３４を励起することができる。レーザ媒質３４の発光波長は、２μｍであり、フォトニックバンドギャップで阻止される波長に相当するので、共振器３０内に閉じ込められ蓄積される。また、制御部２０のゲートバルブ１８を開いてタンク１７の水をコンテナ１９に導入すると、第１の反射鏡３１のフォトニックバンドギャップが、２．２〜２．５μｍの波長領域に変化する。したがって、共振器３０内部に蓄積されて誘導放出により増幅された光をレーザ光ＬＢとして取り出すことができる。
【００３２】
本発明の第２の実施の形態に係るレーザ光発生装置により、レーザ光ＬＢを出力させる手順を説明する。まず、制御部２０のゲートバルブ１８を閉じておき、コンテナ１９は空の状態にしておく。励起源３５をレーザ発振させ、励起光を照射してレーザ媒質３４を励起する。励起されたレーザ媒質３４から放出された光は、側面反射鏡３３から外部に漏れることなく共振器３０の内部に閉じ込められ、第１及び第２の反射鏡３１、３２間で反射を繰り返して誘導放出により増幅される。レーザ媒質３４を、例えば１００秒間駆動した後、ゲートバルブ１８を開いてタンク１７の水をコンテナ１９に導入する。その結果、共振器３０内で誘導放出により増幅された光が、第１の反射鏡３１の反射面部３１ａからレーザ光ＬＢとして取り出される。なお、本発明の第２の実施の形態に係るレーザ光発生装置では、レーザ光ＬＢとして約５５ｋＪの出力が得られる。
【００３３】
本発明の第２の実施の形態に係るレーザ光発生装置によれば、励起光を効率よく蓄積でき、共振器３０の損失を抑制できるため、小型の装置で高出力のレーザ光を得ることができる。また、レーザ媒質にハロゲン元素等を含むガスを用いていないため、廃棄物による環境汚染の危惧が生じない。
【００３４】
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態に係るレーザ光発生装置は、図６に示すように、レーザ媒質４４と、フォトニック結晶からなる第１の反射鏡４１、第２の反射鏡４２、及び側面反射鏡４３を有し、レーザ媒質４４を内部に配置する直方体の共振器４０と、レーザ光ＬＢを出力する第１の反射鏡４１のフォトニックバンド構造を変化させる制御部２０とを備えている。第１の反射鏡４１は、共振器４０の一端でレーザ媒質４４の発光を反射する反射面部４１ａと、反射面部４１ａから共振器４０の下方に延在し、制御部２０が取り付けられる外延部４１ｂとで構成されている。レーザ媒質４４にエネルギを供給して励起する励起源３５は第２の実施の形態と同様であり，また、フォトニックバンド構造を変化させる制御部２０は第１及び第２の実施の形態と同様であるので，重複した説明は省略する。
【００３５】
本発明の第２の実施の形態に係るレーザ光発生装置に用いるレーザ媒質４４には、図７に示すように、例えばＰｂＳｅ等の半導体ロッドによるウッドパイル型のフォトニック結晶が用いられる。フォトニック結晶からの自然放出レートはバルク結晶よりも一般に大きくなるため、高効率なレーザ光出力が可能となる。フォトニック結晶は、一定のロッドピッチｐで一方向に平行に配列されたロッド幅ｗ及びロッド厚さｔのストライプ状のロッド２２１ａ〜２２１ｄ、・・・を有する第１のロッド層２２１の上に、第１のロッド層２２１のロッド２２１ａ〜２２１ｄ、・・・と同一のロッドピッチｐ、ロッド幅ｗ及びロッド厚さｔで、第１のロッド層２２１のロッド２２１ａ〜２２１ｄ、・・・と直交する方向に平行に配列されたロッド２２２ａ〜２２２ｄ、・・・を有する第２のロッド層２２２が配置されている。更に、以下同様に第２のロッド層２２２のロッド２２２ａ〜２２２ｄ、・・・に直交する方向に平行に配列された第３のロッド層２２３のロッド２２３ａ〜２２３ｄ、・・・、第３のロッド層２２３のロッド２２３ａ〜２２３ｄ、・・・と直交する方向に平行に配列された第４のロッド層２２４のロッド２２４ａ〜２２４ｄ、・・・、第４のロッド層２２４のロッド２２４ａ〜２２４ｄ、・・・に直交する方向に平行に配列された第５のロッド層２２５のロッド２２５ａ〜２２５ｄ、・・・、第５のロッド層２２５のロッド２２５ａ〜２２５ｄ、・・・と直交する方向に平行に配列された第６のロッド層２２６のロッド２２６ａ〜２２６ｄ、・・・、・・・が第１及び第２のロッド層２２１、２２２のロッド２２１ａ〜２２１ｄ、・・・、２２２ａ〜２２２ｄ、・・・と同一のロッドピッチｐ、ロッド幅ｗ及びロッド厚さｔで積層して配置されている。
【００３６】
本発明の第３の実施の形態では、レーザ媒質４４に用いるフォトニック結晶は、ロッドピッチｐが２μｍ、ロッド幅ｗが０．３μｍ及びロッド厚さｔが０．３６μｍで、ＰｂＳｅロッド層は３０層積層している。レーザ媒質４４の寸法は、１０ｃｍ×１０ｃｍ×１８μｍである。レーザ媒質４４は、例えば、励起源３５のＮｄ：ＹＡＧレーザから発振波長、１．０６μｍのレーザ光が照射されて励起され、発光波長、３．１μｍの光を放出する。
【００３７】
本発明の第３の実施の形態に係る共振器４０には、第１及び第２の実施の形態と同様、図３で示したＧａＡｓ等の半導体ロッドによるウッドパイル型のフォトニック結晶が用いられる。フォトニック結晶は、ロッドピッチｐを２μｍ、ロッド幅ｗを０．５μｍ、及びロッド厚さｔを０．６μｍとし、共振器４０の寸法は、３０ｃｍ×３０ｃｍ×３５ｃｍである。フォトニックバンドギャップは、約２．５〜４μｍの波長領域に形成されている。励起源３５の励起光は波長が１．０６μｍであり、フォトニックバンドギャップの範囲外であり、共振器４０の第１あるいは第２の反射鏡４１、４２や側面反射鏡４３を透過して、レーザ媒質４４を励起することができる。レーザ媒質４４の発光波長は、３．１μｍであり、フォトニックバンドギャップで阻止される波長に相当するので、共振器４０内に閉じ込められ蓄積される。また、制御部２０のゲートバルブ１８を開いてタンク１７の水をコンテナ１９に導入すると、第１の反射鏡４１のフォトニックバンドギャップが、３．７〜４．１μｍの波長領域に変化する。したがって、共振器４０内部に蓄積されて誘導放出により増幅された光がレーザ光ＬＢとして取り出すことができる。
【００３８】
本発明の第３の実施の形態に係るレーザ光発生装置により、レーザ光ＬＢを出力させる手順を説明する。まず、制御部２０のゲートバルブ１８を閉じておき、コンテナ１９は空の状態にしておく。励起源３５をレーザ発振させ、共振器４０の側面反射鏡４３を通して励起光を照射してレーザ媒質４４を励起する。励起されたレーザ媒質４４から放出された光は、側面反射鏡４３からも外部に漏れることなく共振器４０の内部に閉じ込められ、第１及び第２の反射鏡４１、４２間で反射を繰り返して誘導放出により増幅される。レーザ媒質４４を、例えば９０秒間駆動した後、ゲートバルブ１８を開いてタンク１７の水をコンテナ１９に導入する。その結果、共振器４０内で誘導放出により増幅された光が、第１の反射鏡４１の反射面部４１ａからレーザ光ＬＢとして取り出される。なお、本発明の第３の実施の形態に係るレーザ光発生装置では、レーザ光ＬＢとして約１１０ｋＪの出力が得られる。
【００３９】
本発明の第３の実施の形態に係るレーザ光発生装置によれば、励起光を効率よく蓄積でき、共振器４０の損失を抑制できるため、小型の装置で高出力のレーザ光を得ることができる。また、レーザ媒質４４にフォトニック結晶を用いることにより、低閾値発振を可能にしたためより高出力が得られる。また、レーザ媒質にハロゲン元素等を含むガスを用いていないため、廃棄物による環境汚染の危惧が生じない。
【００４０】
（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態に係るレーザ光発生装置は、図８に示すように、レーザ媒質４４と、フォトニック結晶からなる第１の反射鏡５１、第２の反射鏡５２、及び側面反射鏡５３を有し、レーザ媒質４４を内部に配置する直方体の共振器５０と、レーザ光ＬＢを出力する第１の反射鏡５１のフォトニックバンド構造を変化させる制御部２０とを備えている。第１の反射鏡５１は、共振器５０の一端でレーザ媒質４４の発光を反射する反射面部５１ａと、反射面部５１ａから共振器５０の下方に延在し、制御部２０が取り付けられる外延部５１ｂとで構成されている。
【００４１】
本発明の第４の実施の形態に係るレーザ光発生装置の共振器５０に用いるフォトニック結晶は、図９に示すように、二酸化チタン（ＴｉＯ２）等の誘電体膜５７の中に面心立方格子状に配列した球状の空孔５８を配置した構造である。本発明の第４の実施の形態に係るレーザ光発生装置は、使用するフォトニック結晶の構造が本発明の第３の実施の形態とは異なっているが、他は本発明の第３の実施の形態と同様であるので，重複した説明は省略する。
【００４２】
本発明の第４の実施の形態に係る共振器５０に用いるフォトニック結晶は、まず、例えば直径１．５μｍのポリスチレン球を自己組織化により面心立方格子状に配列する。面心立方格子状に配列したポリスチレン球の間隙に、例えばＴｉＯ２を埋め込んだ混合膜を形成する。形成した混合膜を焼成することにより、ポリスチレン球が分解して中空構造が形成される。このようにして、ＴｉＯ２等の誘電体膜５７の中に面心立方格子状に配列した球状の空孔５８を配置したフォトニック結晶が形成される（例えば、ジェイ・イー・ジー・ヴィヌホーヴェン（Ｊ．Ｅ．Ｇ．  Ｗｉｊｎｈｏｖｅｎ）、等，サイエンス（Ｓｃｉｅｎｃｅ），１９９８年，第２８１巻，ｐ．８０２、参照）。共振器５０の寸法は、３０ｃｍ×３０ｃｍ×３５ｃｍである。フォトニックバンドギャップは、約３〜３．２μｍの波長領域に形成されている。励起源３５の励起光は波長が１．０６μｍであり、フォトニックバンドギャップの範囲外であり、共振器５０の側面反射鏡５３を透過して、レーザ媒質４４を励起することができる。レーザ媒質４４の発光波長は、３．１μｍであり、フォトニックバンドギャップの範囲内にあるので、共振器５０内に閉じ込められ蓄積される。また、制御部２０のゲートバルブ１８を開にしてタンク１７の水をコンテナ１９に導入すると、空孔５８に水が導入され、第１の反射鏡５１のフォトニックバンドギャップが、約３．２〜３．２５μｍの波長領域に変化する。したがって、共振器５０内部に蓄積されて誘導放出により増幅された光がレーザ光ＬＢとして取り出すことができる。
【００４３】
本発明の第４の実施の形態に係るレーザ光発生装置により、レーザ光ＬＢを出力させる手順を説明する。まず、制御部２０のゲートバルブ１８を閉じておき、コンテナ１９は空の状態にしておく。励起源３５をレーザ発振させ、共振器５０の側面反射鏡５３を通して励起光を照射してレーザ媒質４４を励起する。励起されたレーザ媒質４４から放出された光は、側面反射鏡５３から外部に漏れることなく共振器５０の内部に閉じ込められ、第１及び第２の反射鏡５１、５２間で反射を繰り返して誘導放出により増幅される。レーザ媒質４４を、例えば６０秒間励起した後、ゲートバルブ１８を開にしてタンク１７の水をコンテナ１９に導入する。その結果、共振器５０内で誘導放出により増幅された光が、第１の反射鏡５１の反射面部５１ａからレーザ光ＬＢとして取り出される。なお、本発明の第４の実施の形態に係るレーザ光発生装置では、レーザ光ＬＢとして約４０ｋＪの出力が得られる。
【００４４】
本発明の第４の実施の形態に係るレーザ光発生装置によれば、励起光を効率よく蓄積でき、共振器４０の損失を抑制できるため、小型の装置で高出力のレーザ光を得ることができる。また、フォトニック結晶は、簡便な自己組織化過程によって作製されているため、低コストによる生産が可能となる。また、レーザ媒質４４にフォトニック結晶を用いることにより、低閾値発振を可能にしたためより高出力が得られる。また、レーザ媒質にハロゲン元素等を含むガスを用いていないため、廃棄物による環境汚染の危惧が生じない。
【００４５】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明の第１〜第４の実施の形態を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００４６】
例えば、本発明の第１〜第４の実施の形態に係る共振器では、フォトニック結晶の屈折率の変化方法として水等の液体を注入しているが、例えば、フォトニック結晶の構成媒質にフォトクロミック材料を用い、外部入射光をトリガーとしてフォトクロミズムを発生させ、屈折率を変化させる方法でもよいことは、勿論である。また、フォトニックバンド構造を変化させるという観点からは、第１の反射鏡のフォトニック結晶を機械的に除去、あるいは破壊することによって出力光を取りだしてもよい。
【００４７】
また、本発明の第１〜第４の実施の形態に係る共振器では、フォトニック結晶の屈折率を変化させる制御部を第１の反射鏡に取り付けているが、第２の反射鏡に取り付けてもよいことは、勿論である。更に、第１及び第２の反射鏡の両方に制御部を取り付けて、レーザ光を第１及び第２の反射鏡から取り出せるように構成してもよい。
【００４８】
また、本発明の第２〜第３の実施の形態では、レーザ媒質としてＰｂＳｅを用いているが、ＰｂＳｅに限定されるものではなく、例えば、ＰｂＳｅの代わりに硫化鉛（ＰｂＳ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、あるいは、窒化ガリウム（ＧａＮ）等を用い、それぞれの発光波長にあわせたフォトニック結晶からなる反射鏡を組み合わせてもよいことは、勿論である。
【００４９】
また、フォトニック結晶ミラーを構成する材料として、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、及び各種の化合物半導体等の半導体、あるいは酸化シリコン（ＳｉＯ２）等の誘電体を用いることができるのは，勿論である。
【００５０】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【００５１】
【発明の効果】
本発明によれば、小型で環境汚染の危惧が生じない高出力レーザ光発生装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るレーザ光発生装置の構成の一例を示す概略図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る共振器の構成の一例を示す概略図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係るフォトニック結晶の構造の一例を示す概略図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係るレーザ光発生装置の構成の一例を示す概略図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係るレーザ媒質の構造の一例を示す概略図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態に係るレーザ光発生装置の構成の一例を示す概略図である。
【図７】本発明の第３の実施の形態に係るレーザ媒質の構造の一例を示す概略図である。
【図８】本発明の第４の実施の形態に係るレーザ光発生装置の構成の一例を示す概略図である。
【図９】本発明の第４の実施の形態に係るフォトニック結晶の構造の一例を示す概略図である。
【符号の説明】
１０、３０、４０、５０  共振器
１１、３１、４１、５１  第１の反射鏡
１１ａ、３１ａ、４１ａ、５１ａ  反射面部
１１ｂ、３１ｂ、４１ｂ、５１ｂ  外延部
１２、３２、４２、５２  第２の反射鏡
１３、３３、４３、５３  側面反射鏡
１３ａ  第１の側面反射鏡
１３ｂ  第２の側面反射鏡
１３ｃ  第３の側面反射鏡
１３ｄ  第４の側面反射鏡
１４、３４、４４  レーザ媒質
１４ａ  レーザ管
１５、３５  励起源
１６  電源端子
１７  タンク
１８  ゲートバルブ
１９  コンテナ
２０  制御部
３７  ガラス媒質
３８  量子点
５７  誘電体膜
５８  空孔
１２１、２２１  第１のロッド層
１２１ａ〜１２１ｃ、１２２ａ、１２２ｂ、１２３ａ〜１２３ｃ、１２４ａ、１２４ｂ、１２５ａ〜１２５ｃ、１２６ａ、１２６ｂ、１２７ａ〜１２７ｃ、１２８ａ、１２８ｂ、２２１ａ〜２２１ｄ、２２２ａ〜２２２ｄ、２２３ａ〜２２３ｄ、２２４ａ〜２２４ｄ、２２５ａ〜２２５ｄ、２２６ａ〜２２６ｄ、２２７ａ〜２２７ｄ、２２８ａ〜２２８ｂ  ロッド
１２２、２２２  第２のロッド層
１２３、２２３  第３のロッド層
１２４、２２４  第４のロッド層
１２５、２２５  第５のロッド層
１２６、２２６  第６のロッド層
１２７  第７のロッド層
１２８  第８のロッド層
【図１】
2004221355.tif 000003
【図２】
2004221355.tif 000004
【図３】
2004221355.tif 000005
【図４】
2004221355.tif 000006
【図５】
2004221355.tif 000007
【図６】
2004221355.tif 000008
【図７】
2004221355.tif 000009
【図８】
2004221355.tif 000010
【図９】
2004221355.tif 000011