(57)【要約】スペクトルの中間赤外線領域において動作する体積ブラッググレーティングデバイス、およびそのようなデバイスを作り出す方法が記載されている。中間赤外スペクトル域においてハロゲン化アルカリ結晶の屈折率における変動を作り出すために、且つそれによって中間赤外スペクトル域において動作する体積ブラッググレーティングを作り出すために、そのような体積ブラッググレーティングデバイスは、ハロゲン化アルカリ結晶内で複数の色中心を形成することによって、且つ複数の色中心の１つのサブセットを選択的に除去することによって作り出されることができる。  【選択図】  図９
2015511324.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中間赤外スペクトル域において動作するための体積ブラッググレーティングデバイスであって、
中間赤外スペクトル域において広域スペクトルの透過性を有した複数の色中心を含むハロゲン化アルカリ結晶、
を備え、
前記ハロゲン化アルカリ結晶は、前記中間赤外スペクトル域において動作する体積ブラッググレーティングを形成するために、前記複数の色中心の少なくとも１つのサブセットの選択的な除去を通して前記中間赤外スペクトル域において前記ハロゲン化アルカリ結晶の屈折率における変動を示すように構成されている、
前記デバイス。
【請求項２】
前記ハロゲン化アルカリ結晶は、フッ化リチウム（ＬｉＦ）結晶である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記ハロゲン化アルカリ結晶は、前記サブセットの色中心の光誘起漂白によって構成されている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
屈折率における前記変動は、ほぼ１から６マイクロメータにわたるスペクトル域において少なくとも１０−４である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
前記体積ブラッググレーティングは、ほぼ１から６マイクロメータにわたるスペクトル域内で、ほぼ１０から１００パーセントの範囲における効率を示す、請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
前記体積ブラッググレーティングは、前記複数の色中心の選択的な除去の結果として、前記屈折率における空間的変動として形成される溝を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項７】
前記選択的な除去は、前記複数の色中心の前記サブセットの光誘起漂白を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項８】
前記複数の色中心は、電離放射線および／または付加的なあるいは電界による採色によって前記ハロゲン化アルカリ結晶内に形成される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項９】
レーザ空洞の反射器あるいは出力カプラとして動作するようにさらに構成されている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１０】
中間赤外スペクトル域において動作するための体積ブラッググレーティングデバイスを作り出す方法であって、
複数の色中心を備えるハロゲン化アルカリ結晶を得ることと、
前記中間赤外スペクトル域において動作する体積ブラッググレーティングを実現するため、前記中間赤外スペクトル域において前記ハロゲン化アルカリ結晶の屈折率における空間的変動を作り出すために前記複数の色中心の１つのサブセットを選択的に除去することと、
を備える方法。
【請求項１１】
前記ハロゲン化アルカリ結晶は、フッ化リチウム（ＬｉＦ）結晶である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記複数の色中心を備える前記ハロゲン化アルカリ結晶を得ることは、
前記複数の色中心を形成するために、前記ハロゲン化アルカリ結晶を、電離放射線および／または付加的なあるいは電界による採色に露出すること、
を備える、
請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記複数の色中心の前記サブセットを選択的に除去することは、色中心の前記サブセットの光誘起漂白を備える、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記光誘起漂白は、
（ａ）第１の溝を形成するために、前記複数の色中心を備えている前記ハロゲン化アルカリ結晶を、レーザビームに露出することと、
（ｂ）前記ハロゲン化アルカリ結晶の位置をシフトすることと、
（ｃ）前記のシフトの後に、第２の溝を形成するために、前記ハロゲン化アルカリ結晶を前記レーザビームに露出することと、
（ｄ）更なる溝を形成するために、予め決められた回数、ステップ（ｂ）および（ｃ）を繰り返すことと、
を備える、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記複数の色中心の前記サブセットを選択的に除去することは、２以上のコヒーレントな光ビームを、前記２以上のビームの干渉縞を使用して前記体積ブラッググレーティングの形成を引き起こすために、前記ハロゲン化アルカリ結晶に向けること、を備える、請求項１０に記載の方法。
【請求項１６】
前記複数の色中心の前記サブセットを選択的に除去することは、電子またはイオンビームリソグラフィを通して実行される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１７】
屈折率における前記変動が、ほぼ１から６マイクロメータにわたるスペクトル域において少なくとも１０−４である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１８】
前記複数の色中心を選択的に除去することは、前記体積ブラッググレーティングの複数の溝を形成する前記屈折率における空間的変動を作り出す、請求項１０に記載の方法。
【請求項１９】
前記体積ブラッググレーティングは、ほぼ１から６マイクロメータにわたるスペクトル域内でほぼ１０パーセントから１００パーセントまでの前記範囲における効率を示す、請求項１０に記載の方法。
【請求項２０】
請求項１に記載の前記体積ブラッググレーティングデバイスを備えているレーザシステムであって、
前記体積ブラッググレーティングデバイスは、前記レーザシステムのレーザ空洞の反射器あるいは出力カプラとして動作するように構成されている、
レーザシステム。
【請求項２１】
光の反射を作り出すために中間ＩＲスペクトル域において光を回折するために色中心を有するハロゲン化アルカリ結晶から形成された体積ブラッググレーティングを使用するための方法であって、
中間赤外スペクトル域において光透過性を、そして可視的なあるいは近赤外スペクトル域において光吸収を示す、ハロゲン化アルカリ色中心結晶を、前記中間赤外スペクトル域において入射光ビームに露出することと、なお、前記ハロゲン化アルカリ色中心結晶は、位相ブラッググレーティングを実現するために前記中間赤外スペクトル域において前記ハロゲン化アルカリ色中心結晶における屈折率において十分な空間的周期的変調を有する色中心の永続的な空間的周期的グレーティングパターンを含むように構成されている；
前記中間赤外スペクトル域において光の反射を作り出すために、ブラッグ条件の下で、前記入力光ビームの回折光に対する、前記入射光ビームに関して前記永続的な空間的周期的グレーティングパターンのオリエンテーションを制御することと；
を備える方法。
【請求項２２】
前記ハロゲン化アルカリ色中心結晶は、電離放射線および／または付加的なあるいは電界による採色にハロゲン化アルカリ結晶を露出することによって形成される、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記ハロゲン化アルカリ色中心結晶における色中心の前記永続的な空間的周期的グレーティングパターンは、光漂白によって形成される、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記ハロゲン化アルカリ色中心結晶における色中心の前記永続的な空間的周期的グレーティングパターンは、電子またはイオンビームリソグラフィによって形成される、請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
前記入射光ビームは、入射２μｍから６μｍまでの範囲の中の波長にある、請求項２１に記載の方法。
【請求項２６】
前記ハロゲン化アルカリ色中心結晶を室温下で動作させること、を備える請求項２１に記載の方法。
【請求項２７】
前記レーザ空洞において光の反射を提供するため、前記位相ブラッググレーティングを使用するレーザ空洞の一部として前記ハロゲン化アルカリ色中心結晶を含むこと、を備える請求項２１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【優先権主張および関連特許出願】
【０００１】
本願は、参照により本願に組み込まれている「ＬＩＦ色中心結晶に基づいた中間赤外体積ブラッググレーティング(MIDDLE-INFRARED VOLUMETRIC BRAGG GRATING BASED ON LIF COLOR CENTER CRYSTALS)」と題され、２０１２年１月１２日に出願された米国仮特許出願６１/５８６,０８６号の優先権および利益を主張する。
【技術分野】
【０００２】
本願は、概して、中間赤外スペクトル域(the middle-infrared spectral range)においての体積ブラッググレーティング(volumetric Bragg gratings)におけるアプリケーションのための色中心結晶(color center crystals)に関係する。
【背景】
【０００３】
体積ブラッググレーティング(ＶＢＧs)は、ブラッグ条件(Bragg condition)を満たす１つ以上のブラッグ波長において大きな反射率を作り出す(produce)ために入射光と相互に作用する屈折率の周期的変動(periodic variation)の形で、バルク透過性材料においてブラッググレーティングとしてインプリメントされる(implemented)ことができる。ＶＢＧｓは、様々な光学的デバイスおよびシステムにおいて使用されることができ、コンパクトな幅の狭いラインのレーザシステム(compact narrow line laser systems)の開発のための重要な要素である。現在、多くのＶＢＧｓが、０.３μmと２.７μmの間の送信スペクトル範囲を有した光屈折グラス(photorefractive glasses)を使用する。
【発明の概要】
【０００４】
開示された実施形態は、体積ブラッググレーティングデバイス、およびそのようなデバイスを製造するための方法に関係し、これらは、中間ＩＲ域で動作する色中心を有したハロゲン化アルカリ結晶に基づいている。そのようなデバイスは、それらが光学的に安定で、熱的に安定であるような方法で、インプリメントされることができ、比較的低電力レーザを使用して大量生産されることがでる。
【０００５】
開示された実施形態の１つの態様は、中間赤外スペクトル域における広域スペクトルの透過性を備えた複数の色中心を含んでいるハロゲン化アルカリ結晶を備える体積ブラッググレーティングデバイスに関係する。ハロゲン化アルカリ結晶は、中間赤外スペクトル域において動作する体積ブラッググレーティングを形成するために複数の色中心の少なくとも１つのサブセットの選択的な除去を通して、中間赤外スペクトル域でハロゲン化アルカリ結晶の屈折率における変動を示すように構成されている。
【０００６】
１つの典型的な実施形態においては、ハロゲン化アルカリ結晶は、フッ化リチウム(ＬｉＦ)結晶である。別の典型的な実施形態では、ハロゲン化アルカリ結晶は、色中心のサブセットの光誘起漂白(photo-induced bleaching)によって構成されている。さらに別の典型的な実施形態では、体積ブラッググレーティングは、ほぼ１から６マイクロメータにわたるスペクトル域内でほぼ１０パーセントより上で１００パーセント近くまでの範囲における効率を示すことができる。なおさらに別の典型的な実施形態によれば、体積ブラッググレーティングは、複数の色中心の選択的な除去の結果として屈折率における空間的変動として形成される溝あるいは領域を含んでいる。
【０００７】
１つの典型的な実施形態においては、選択的な除去は、複数の色中心のサブセットの光誘起漂白を含んでいる。別の典型的な実施形態では、屈折率における変動はほぼ１から６マイクロメータにわたるスペクトル域において少なくとも１０−４である。別の典型的な実施形態によれば、複数の色中心は、電離放射線、および／または付加的なあるいは電界による採色によって、ハロゲン化アルカリ結晶内に形成される。別の典型的な実施形態では、体積ブラッググレーティングは、レーザ空洞の出力カプラあるいは反射器(a reflector or an output coupler of a laser cavity)として動作するように構成されている。別の典型的な実施形態は、上記において言及された体積ブラッググレーティングを備えるレーザシステムに関連しており、体積ブラッググレーティングがレーザシステムのレーザ空洞の高い反射器として動作するように構成されている。
【０００８】
開示された実施形態の別の態様は、体積ブラッググレーティングデバイスを作り出すための方法に関係し、該方法は、中間赤外スペクトル域においてハロゲン化アルカリ結晶の屈折率における変動を作り出すために、且つそれによって中間赤外スペクトル域において動作する体積ブラッググレーティングを作り出すために、複数の色中心を備えているハロゲン化アルカリ結晶を得ることと、複数の色中心のサブセットを選択的に除去することと、を備える。
【０００９】
１つの典型的な実施形態では、ハロゲン化アルカリ結晶は、フッ化リチウム(Lithium Flouride)（ＬｉＦ）結晶である。別の典型的な実施形態によれば、複数の色中心を備えているハロゲン化アルカリ結晶を得ることは、複数の色中心を形成するために、ハロゲン化アルカリ結晶を、電離放射線に、および／または添加的なあるいは電界による採色を通して露出することを備える。１つの典型的な実施形態では、複数の色中心のサブセットを選択的に除去することは、色中心のサブセットの光誘起漂白を備える。
【００１０】
例えば、光誘起漂白は、（ａ）第１の溝あるいは領域を形成するために、複数の色中心を備えるハロゲン化アルカリ結晶を、レーザビームに露出すること、（ｂ）ハロゲン化アルカリ結晶の位置をシフトすること(shifting)、（ｃ）シフトの後で、第２の溝あるいは領域を形成するために、ハロゲン化アルカリ結晶をレーザビームに露出すること、および、（ｄ）更なる溝あるいは領域を形成するために、予め決められた回数、ステップ（ｂ）および（ｃ）を繰り返すこと、を備える。形成された溝あるいは領域は、空間的周期的グレーティングパターン(spatial periodic grating pattern)を形成する。１つの典型的な実施形態では、複数の色中心のサブセットを選択的に除去することは、２つ以上のビームの干渉縞を使用して体積ブラッググレーティングの形成を引き起こすように、２つ以上のコヒーレントな光ビーム(coherent optical beams)をハロゲン化アルカリ結晶に向けること(directing)を備える。
【００１１】
１つの典型的な実施形態によれば、複数の色中心のサブセットを選択的に除去することは、電子またはイオンビームリソグラフィ(electron or ion beam lithography)を通して実行される。別の典型的な実施形態では、屈折率における変動は、ほぼ１から６マイクロメータにわたるスペクトル域において少なくとも１０−４である。さらに別の典型的な実施形態では、複数の色中心を選択的に除去することは、体積ブラッググレーティングの複数の溝あるいは領域を形成する屈折率における空間的変動を作り出す(produces)。さらに別の典型的な実施形態では、体積ブラッググレーティングは、ほぼ１から６マイクロメータにわたるスペクトル域内でほぼ１０パーセントから１００パーセント近くの範囲において効率(efficiency)を示すことができる。別の典型的な実施形態では、体積ブラッググレーティングは、少なくとも１.５６マイクロメータにおいて光の回析を実現する位相格子(phase grating)である。
【００１２】
さらに、ブラッグ条件下において特定の波長で光の反射を作り出すために中間ＩＲスペクトル域(mid-IR spectral range)において光を回折する、色中心を有したハロゲン化アルカリ結晶から形成された容積測定ブラッググレーティングを使用するための方法が提供される。この方法では、室温の下で、中間赤外スペクトル域において光透過性を、そして可視的なあるいは近赤外スペクトル域(visible or a near-infrared spectral range)において光吸収を示すハロゲン化アルカリ色中心結晶が、中間赤外スペクトル域において、入射光ビームに露出される(is exposed)。ハロゲン化アルカリ色中心結晶は、位相ブラッググレーティング(phase Bragg grating)を実現するために、中間赤外スペクトル域におけるハロゲン化アルカリ色中心結晶における屈折率において十分な空間的周期的変調(sufficient spatial periodic modulation)を有する色中心の永続的な空間的周期的グレーティングパターン(permanent spatial periodic grating pattern)を含むように、構成される。入射光ビーム(incident optical beam)に関しての永続的な空間的周期的グレーティングパターンのオリエンテーション(orientation)が、中間赤外スペクトル域において光の反射を作り出すためにブラッグ条件の下で入力光ビーム(input optical beam)の光を回折するように、制御される。
【００１３】
これら及び他の態様と実施形態が、図面、明細書の説明、および特許請求の範囲において、もっと詳細に記載されている。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１（ａ）】図１（ａ）は、色中心を有したＬｉＦ結晶サンプルの典型的な吸収スペクトルのＵＶ可視部分(UV-visible part)である。
【図１（ｂ）】図１（ｂ）は、色中心を有したＬｉＦ結晶サンプルの典型的な吸収スペクトルの可視近ＩＲ部分(visible-near-IR part)である。
【図２（ａ）】図２（ａ）は、ＬｉＦ結晶の波長の関数として屈折率における変動の理論的に計算された（式（４）によって）プロットのＵＶ近ＩＲ部分(UV-near-IR part)の例である。黒い破線カーブは、サンプルにおいて全ての色中心を考慮に入れる。実線のカーブは、２つの主な帯域（ＦとＦ２及びＦ３）の吸収のみを考慮に入れる。
【図２（ｂ）】図２（ｂ）は、ＬｉＦ結晶の波長の関数として屈折率における変動の理論上計算された（式（４）によって）プロットの近中間ＩＲ部分の例である。実線のカーブは、２つの主な帯域（ＦとＦ２及びＦ３）の吸収のみを考慮に入れる。
【図３】図３は、典型的な実施形態に従ってＶＢＧの製造のための配置を例示する。
【図４】図４は、典型的な実施形態に従ってチタンサファイアレーザ（７９０ｎｍ、４００ｍＷ、１ｋＨｚ、３５ｆｓ、５秒の露出）を用いた照射前後の５１４ｎｍのアルゴンレーザ励起の下で測定されたＬｉＦＣＣ結晶(LiF CC crystal)の光ルミネセンス(photoluminescence)（ＰＬ）スペクトル(spectra)を例示する。プロット（ａ）は、照射前のＰＬスペクトル(spectrum)に対応し、プロット（ｂ）は、漂白されたストライプ(bleached stripe)に隣接している結晶の領域(area)から取られた照射直後の(immediately after)ＰＬスペクトルに対応し、プロット（ｃ）は、結晶の漂白されたストライプ領域から取られた照射直後のＰＬスペクトルに対応し、そしてプロット（ｄ）は、レーザ照射ほぼ１２時間後の漂白されたストライプのＰＬスペクトルに対応する。
【図５（ａ）】図５（ａ）は、典型的な実施形態に従った製造後まもなく(shortly after)の１２μｍ溝間隔を有した格子(grating)の始まりからの距離(distance)の関数として測定された積分６５０−７００ｎｍ光ルミネセンス強度(measured integral 650-700 nm photoluminescence intensity)における変動を例示する。
【図５（ｂ）】図５（ｂ）は、格子の始まりから５００から６００μｍの間の距離における光ルミネセンス強度変動を例示するためにズームインされた図５（ａ）の一部である。
【図５（ｃ）】図５（ｃ）は、典型的な実施形態に従った製造約１２時間後の図５（ａ）において特徴付けられた格子の始まりからの距離の関数として測定された積分６５０−７００ｎｍ光ルミネセンス強度における変動を例示する。
【図５（ｄ）】図５（ｄ）は、格子の始まりから５００から６００μｍの間の距離における光ルミネセンス強度変動を例示するためにズームインされた図５（ｃ）の一部である。
【図６（ａ）】図６（ａ）は、典型的な実施形態に従った製造後まもなくの２４μｍ溝間隔を有した格子の始まりからの距離の関数として測定された積分６５０−７００ｎｍ光ルミネセンス強度における変動を例示する。
【図６（ｂ）】図６（ｂ）は、格子の始まりから５００から６００μｍの間の距離における光ルミネセンス強度変動を例示するためにズームインされた図６（ａ）の一部である。
【図６（ｃ）】図６（ｃ）は、典型的な実施形態に従った製造後約１２時間の図６（ａ）において特徴付けられた格子の始まりからの距離の関数として測定された積分６５０−７００ｎｍ光ルミネセンス強度における変動を例示する。
【図６（ｄ）】図６（ｄ）は、格子の始まりからの５００から６００μｍの間の距離における光ルミネセンス強度変動を例示するためにズームインされた図６（ｃ）の一部である。
【図７】図７は、典型的な実施形態に従って格子を特徴づけるための配置を例示する。
【図８】図８は、典型的な実施形態に従って体積ブラッググレーティングを作り出すために実行されることができる一連のオペレーション(a set of operations)を例示する。
【図９】図９は、典型的な実施形態に従って光の反射を作り出すために、中間ＩＲのスペクトル域における光を回折するために色中心を有したハロゲン化アルカリ結晶から形成された体積ブラッググレーティングを使用するために実行されることができる一連のオペレーションを例示する。
【実施形態の詳細な説明】
【００１５】
色中心(color center)（ＣＣ）は、結晶内の点格子欠陥(point lattice defect)であり、そのほかの点では透明な結晶において光吸収帯を作り出す。色中心(color centers)（ＣＣｓ）を有したハロゲン化アルカリ結晶は、長年の間、調整可能な固体レーザのための活性媒体(active media)として、また、受動Ｑスイッチとして知られている。様々なハロゲン化アルカリ結晶の中でフッ化リチウム（ＬｉＦ）は、ひとつにはそれが吸湿性でなく、室温でさえＣＣｓの高安定を特徴としているので、一般に用いられる材料である。最近の研究の関心は、これらの光屈折の特性(properties)に基づくこれらの材料の可能なフォトニクス(photonics)のアプリケーションへとシフトした。これらのアプリケーションのうちのいくつかは、色中心を有した結晶における光誘起格子(photo-induced gratings)および導光路(waveguides)の製造に基づく。
【００１６】
２−６μｍ上で動作する室温の中間ＩＲレーザにおける最近の進歩は、光屈折ガラスを使用して製造されるＶＢＧｓが中間ＩＲ域において動作することができないので、これらのレーザの新しい光屈折材料の開発を促進させる。
【００１７】
中間赤外（中間ＩＲ）(middle-infrared (mid-IR))スペクトル域において動作する光屈折材料は、多くの潜在的なアプリケーションを有する新しいコンパクトな中間ＩＲレーザシステムの開発にとって重要である。そのようなアプリケーションの例には、これらに制限されないが、分子分光学(molecular spectroscopy)、非侵入性の医学の診断法(non-invasive medical diagnostics)、工業プロセス制御(industrial process control)、環境モニタリング(environmental monitoring)、大気のセンシング(atmospheric sensing)、フリースペースコミュニケーション(free space communication)、油層探鉱(oil prospecting)、および多くの防衛関連アプリケーション、例えば、赤外線対抗手段(infrared countermeasures)、軍需品処分のモニタリング(monitoring of munitions disposal)および爆発ハザードのスタンドオフ型検知(stand-off detection of explosion hazards)など、が含まれる。
【００１８】
例えばフッ化リチウム（ＬｉＦ）結晶等のハロゲン化アルカリ結晶は、中間ＩＲ域において幅の広い透過性を持っている。しかしながら、そのようなハロゲン化アルカリ結晶からＶＢＧｓを製造する試みは、商業上実現可能ではない。これは、結晶の屈折率における変動を引き起こすように結晶構造に永続的な修正(permanent modification)を刻むために、高強度フェムト秒Ｘ線パルスレーザ放射(high intensity femstosecond laser radiation)を用いて結晶を照射するための必要性に、部分的に起因する。
【００１９】
分布帰還型(distributed feedback)（ＤＦＢ）の色中心レーザは、いくつかの研究グループによって研究されてきた。Ｆ２＋ＣＣｓを有するＬｉＦのチューナブルレーザ発振(Tunable laser oscillation)は、近ＩＲ域(near-IR region)８８２−９６２ｎｍにおいて達成されてきており、また、結晶におけるダイナミックゲイン格子(dynamic gain grating)は、２つのポンプビーム(pump beams)の干渉を使用して実現されてきている。いくつかのシステムでは、ＤＦＢレーザのチューニングは、ポンプビームの入射角を変更することにより得られてきている。いくつかのシステムでは、永続的な格子(permanent grating)を用いてＤＦＢＣＣがレーザ発信すること(DFB CC lasing)は、ＵＶレーザによって形成された干渉縞に基づいた色中心の光漂白により開発されている利得エレメント(a gain element)を通して得られる。１つのシステムでは、７０９ｎｍにおいてＬｉＦ：Ｆ２ＣＣ結晶の分布帰還型レーザ発振を作り出す、２つのフェムト秒Ｔｉ：サファイアレーザビームの利用に基づいたホログラフィの技術によって、永続的な格子が製造される（a permanent grating is fabricated by a holographic technique based on utilization of two femtosecond Ti: sapphire laser beams, producing distributed feedback laser oscillation of LiF:F2 CC crystal at 709 nm）。
【００２０】
いままでのころ行なわれた様々な調査は、可視および近ＩＲスペクトル域においてのＣＣ結晶（ＣＣＣ）における光屈折の特性に重点が置かれて、そこでは、屈折率の変更は、顕著であり、ある場合は、屈折率の変更について最大のあるいはそれに近い値であった。ＬｉＦは広い伝送帯域を持っており、６μｍまでの中間ＩＲ波長において潜在的に動作することができる。イオン化照射(ionizing irradiation)あるいは付加的／電解の採色により準備された様々なＬｉＦ：ＣＣ結晶は、可視および近ＩＲスペクトル域において強い吸収帯を示す。そのような結晶においては、色中心の空間的に選択的な色中心光漂白が、ＬｉＦ結晶の屈折率における空間的パターン(spatial pattern)または変調を作り出すために使用されることができる。色中心が光漂白された各位置において、該位置がもはや、光漂白された特定の色中心の光吸収を示さないように、色中心が除去される。ＬｉＦ：ＣＣ結晶は、中間ＩＲスペクトル域おいて、強い吸収帯を有さない傾向がある。強い吸収帯は、一般に、屈折率の値の著しい変動に関連づけられているので、ＬｉＦ：ＣＣ結晶における中間ＩＲスペクトル域においての強い吸収帯のこの欠乏は、中間ＩＲスペクトル域において使用可能な格子回折効率(grating diffraction efficiency)を有した体積ブラッググレーティング（ＶＢＧ）構造を形成するための著しいインデックス変動(significant index changes)を、ＬｉＦ：ＣＣ結晶が提供できないこととして理解されてきた。さらに、ＬｉＦ：ＣＣ結晶は、熱的および光誘起の不安定性を有するとして理解されてきているので、従って、アプリケーションに適さず、日中の光および周辺または室内温度において使用する。
【００２１】
しかしながら、ＬｉＦ：ＣＣ結晶および他のハロゲン化アルカリ結晶は、中間ＩＲスペクトル域における動作に魅力的で望ましい特有の特性を有するように開発され得る(can be engineered)。例えば、水酸基のないＬｉＦ結晶から作られたＬｉＦＣＣＣｓは、大きな（１４ｅｖまでの）バンドギャップを特徴とし、浅いドナーおよびアクセプタＣＣｓを示さず、従って、中間ＩＲスペクトル域において光の吸収を有さない。結果的に、結晶が中間ＩＲスペクトル域において光の照明の下にあるときは、色中心の光の漂白が無い傾向がある。したがって、ＬｉＦ：ＣＣの体積ブラッググレーティング（ＶＢＧ）構造は、高い光学的密度の中間ＩＲ照射の下で安定している。別の例の場合は、ＬｉＦ結晶は、広い透過性帯域（例えば、６μmまでの中間ＩＲスペクトル域を含んでいる）を示す傾向があり、１．５μｍから６μｍまでのスペクトル域上で動作するＥｒ３＋、Ｈｏ３＋、Ｔｍ３＋Ｃｒ２＋、Ｆｅ２＋レーザの分散素子(dispersive element)として使用されることができる。とりわけ、下記に記載される典型的な実施形態によって説明されるように、ＬｉＦ：ＣＣ結晶における中間ＩＲスペクトル域においての吸収帯の欠乏にもかかわらず、それらは、様々なアプリケーションについて中間ＩＲスペクトル域において安定して効率的な体積ブラッググレーティング（ＶＢＧ）構造を提供するために屈折率における十分な変動を示すように構成されることができる。ブラッグ波長における、あるいはブラッグ波長のまわりの入射光のＶＢＧについてのブラッグ条件の下では、結晶における弱いインデックス変調でさえ、逆反射のような比較的大きな光反射を達成するために十分であり得る。したがって、ＬｉＦに基づいた格子(LiF-based gratings)は、必要とされる欠如を埋めるのに(filling a needed void)魅力的であり、この理由の１つは、様々な一般に用いられる、ガラス材料から製造されたＶＢＧｓは、様々な中間波長において、例えば３μｍより長い波長においては、効率的に動作することができないからである。
【００２２】
開示された実施形態は、中間ＩＲスペクトル域において動作するＶＢＧデバイスのための媒体(media)としてＣＣＣｓの実現可能性を示す。ＬｉＦ：ＣＣ結晶における色中心は、ＬｉＦ：ＣＣ結晶が光学的に透明で、強い光吸収を示さない中間ＩＲスペクトル域についてＶＢＧｓを実現するのに十分である結晶の屈折率における空間的周期的変調を作り出すために色漂白または他の漂白技術により、選択された空間的位置で漂白されるか除去されることができる。いくつかの実施形態によれば、回折格子(diffractive grating)は、ＣＣｓの光誘起漂白によって、ＬｉＦ：ＣＣ結晶において製造され、０．５３２μｍ、０．６３２μｍ、および１．５６μｍにおいて特徴づけられる。さらに、色中心漂白に基づいた光屈折効果に関連する、開示された実施形態の方法は、様々なフォトニック応用(photonic application)に、例えばレーザ空洞の光カプラあるいは高い反射器を動作させることなどに十分である約１０％から１００％近くまでの範囲において、ＶＢＧ効率を提供することができる。１つの典型的な実施形態では、ほぼ６０％の効率が、中間ＩＲスペクトル域をカバーする少なくとも１−６μｍスペクトル域において、１−３ｃｍの長い結晶について達成されることができる。回折効率は、回折要素上へ入射するパワーと比較して、どれだけの光パワー(optical power)が指定された方向へ回折されるかの尺度(measure)である。
【００２３】
開示された実施形態の原理を説明するために、このドキュメントにおいては、ＬｉＦ結晶およびＬｉＦ：ＣＣＣｓが例として使用されていることに、注意すべきである。このドキュメントにおいて記載された技術的な特徴は、色中心を有した他のハロゲン化アルカリ結晶に適用可能であり、且つ関連する。
【００２４】
最初の事項として、ＣＣｓによって誘起されたＬｉＦにおける屈折率の変動が考慮される。吸収性のメディアにおける放射の伝播(Propagation of radiation)は、複素屈折率
【数１】
2015511324.tif 000003
【００２５】
によって特徴付けられ、式（１）によって定義される：
【数２】
2015511324.tif 000004
【００２６】
式（１）において、ｎおよびκは、それぞれ、複素屈折率の実数部分および虚数部分である。屈折率の虚数部分は、メディアにおける伝播中の放射強度の減衰に寄与しており、次のとおり吸収係数（α）を使用して表現されることができるであろう：
【数３】
2015511324.tif 000005
【００２７】
式（２）において、λは自由空間波長(free space wavelength)である。式（３ａ）および（３ｂ）によって提供されるように、屈折率の実部分および虚数部分は、クラマース−クローニヒの関係式(Kramers-Kronig relation)によって関連づけられることができる：
【数４】
2015511324.tif 000006
【００２８】
【数５】
2015511324.tif 000007
【００２９】
式（３ａ）および（３ｂ）において、Δｎは、複素変数ωの関数として吸収κ(ω)によって誘起された屈折率変動であり、また、Ｐはコーシー主値(the Cauchy principal value)である。ＣＣ吸収に起因するハロゲン化アルカリ結晶の屈折率の変動が研究されてきているが、そのような研究は、近ＩＲおよび可視のスペクトル域に集中している。ＣＣｓ吸収帯によって誘起された屈折率変動を定量化するために、数値計算は、開示された実施形態に従って行なわれている。これらの計算に基づいて、ＣＣｓ結晶の最も強い吸収線はＦ中心(F-center)に属する。Ｆ中心は単一の電子によって満たされている陰イオンの空格子点(anionic vacancy)である。それは他の可能性のあるＣＣｓと比較して、最も高い濃度(high concentration)を有した結晶における最も単純なＣＣである。ＬｉＦ結晶において、ＦＣＣｓの吸収帯は２４８ｎｍに位置し、また、吸収係数は、高線量照射された結晶(highly irradiated crystal)において１０００ｃｍ−１に達し得る。α（ω）およびクラマース−クローニヒの関係式についてこの値を使用して、式（３ａ）は、次式を使用し屈折率変動を推定する(estimates)：
【数６】
2015511324.tif 000008
【００３０】
式（４）において、
【数７】
2015511324.tif 000009
【００３１】
は、最大の吸収係数であり、Δωは、吸収線の全幅半値(Full-Width-Half-Maximum)（ＦＷＨＭ）であり、Δｎｍａｘの最大値は、ω＝ω０±ω/２においてΔｎｍａｘ＝１／２κ０
であり、低周波限界ω＜Δω＜ω０の場合、屈折率の変動は次式のとおりである：
【数８】
2015511324.tif 000010
【００３２】
ＬｉＦ色中心結晶(すなわち、λ０＝２４８ｎｍ、ΔｆＦＷＨＭ／ｆ０＝０．１５５）およびα０＝５００ｃｍ−１の吸収係数における最も基本のＦ帯域の場合は、推定Δｎｍaｘ＝５ｘ１０−４およびΔｎ（０）＝０．８ｘ１０−４である。
【００３３】
強い電子フォノンカップリング(electron-phonon coupling)に起因するガウスの形(Gaussian shape)によってＣＣ吸収帯がより良く推定される、ということに注意すべきである。これは、式（３ａ）におけるコーシーの積分(Cauchy's integral)の数値計算を必要とする。開示された実施形態に基づいて実行されるこれらの計算については、異なる厚さ（何百ものミクロンから数ｍｍまで）有する準備されたサンプルの吸収係数が、異なるＣＣｓの吸収係数の測定の正確度を増やすために測定される。吸収スペクトルの実験データが、太い実線として図１（ａ）および１（ｂ）に示されている。図１（ａ）は、ＵＶ可視領域における吸収スペクトルを図示しており、一方、図１（ｂ）は、可視近ＩＲ領域における吸収スペクトルを図示している。比較的高い吸収係数のために、Ｆ帯域の最大限(the maximum of the F-band)の直接的な測定は、測定されることができなかった。しかしながら、Ｆ帯域の最大限もまた、低照射されたサンプル(low irradiated samples)から測定された最大のバンド形状および位置から、推定されることができる。屈折率計算については、周波数領域において測定された吸収スペクトルは、Ｆ中心および１０個の他の集合ＣＣｓ(10 other aggregate CCs)のガウスの吸収帯を使用して適合された。適合の結果（すなわち、ガウスのバンドによる吸収スペクトル解析(absorption spectrum deconvolution)）は、図１（ａ）および１（ｂ）において薄いカーブとして示され、テーブル１において要約される。テーブル１において、αは吸収係数であり、λ０は吸収帯域の最大限であり、Ｃ／Ｆ０は帯域の最大限の位置であり、そして、Ｗ／Ｆ０は、Ｆ帯域の位置の周波数に正規化された(normalized)ＦＷＨＭである。
【表１】
2015511324.tif 000011
【００３４】
最も支配的な帯域は、吸収係数６７５ｃｍ−１を有する２４８ｎｍにおけるＦ吸収帯と、３１４ｃｍ−１に等しいトータルの吸収係数を有したＦ２およびＦ３＋帯域のオーバーラップの結果生じた４５０ｎｍにおける帯域である。
【００３５】
式（３ａ）を使用する屈折率変動の計算は、カスタム設計された、および／または、商業的に入手可能なソフトウェア、例えばＭＡＰＬＥ４ソフトウェアなど、によって実行されることができ、ローレンツ帯域(Lorentz bands)についての分析的なソリューション(analytical solution)と比較されることができる。色中心によって誘起された吸収係数の変動は、図２（ａ）および２（ｂ）に示されている。破線カーブは、サンプルにおけるすべての色中心によって誘起されたΔｎについての結果を表わし、実線カーブは、２つの主な帯域（ＦおよびＦ２／Ｆ３＋の組合せ）のみによる吸収についてのみの結果を表わす。プロットから明らかなように、Δｎ≧１０−４は、近中間ＩＲスペクトル域において（すなわち、少なくとも、１０００−３０００ｎｍおよび６０００ｎｍまでの範囲において）得られることができる。２４８および４５０ｎｍ（ＦおよびＦ２／Ｆ３＋の組合せ）における２つの主な吸収帯のみの検討が、Δｎの計算された値を３０％だけ減らす。
【００３６】
したがって、ＬｉＦＣＣｓが中間ＩＲスペクトル域において吸収を有していないが、色中心の選択的な除去あるいは漂白は、結果的に、中間ＩＲスペクトル域の近傍上の(over near- to mid-IR spectral range)少なくとも１０−４の屈折率変動Δをもたらす。結果として、ＬｉＦＣＣＣｓは、狭帯域の中間ＩＲブラッグ反射器のための光屈折メディアとして使用されることができる。
【００３７】
光体積ブラッググレーティング（ＶＢＧ）は、屈折率の周期的な変動を有したデバイスである。反射された波長、λは、次式のとおり、ブラッグ条件の下、決定されることができる：
λ＝２ｎΛ                                  （６）
式（６）において、ｎは格子の実効屈折率であり、Λは、周期(period)である。反射効率は次の式を使用して推定されることができる：
【数９】
2015511324.tif 000012
【００３８】
式（７）において、Ｌは周期構造(periodic structure)の長さ(length)である。式（７）は、特定のフォトニックシステムあるいはアプリケーションの必要性に適合するための、屈折率における変動および格子の長さの関数として、所望の格子効率を得るために使用されることが出来る。例えば、Ｒ＝６０％を有する周期構造の必要な長さは、次の式を使用して見つけられることができる：
【数１０】
2015511324.tif 000013
【００３９】
Δｎ〜１０−４を使用すると、回折格子(diffraction grating)の必要とされる長さＬは、１．５から６μｍまでのλ０に対し、０．５から１ｃｍである。現在の技術は、１０ｃｍよりも大きい典型的なサイズを有した均質的に着色された(homogeneously colored)ＬｉＦ結晶の製造を可能にする。開示された実施形態に従って、約１０％から１００％近くまでの範囲における効率は、達成されることができ、これは、全てではないがほとんどの実用的な光アプリケーションに十分である。０．５から３μｍの周期(period)および１ｃｍの長さを有する格子は、様々な方法、例えば、ホログラフィの方法あるいは直接のｅ−ビーム書込みなど、を使って製造されることができる。
【００４０】
典型的な実施形態に従って、ＣＣｓを作り出すために、ＬｉＦ結晶（例えば５ｘ５ｘ５ｍｍ３結晶）が、６０Ｃｏソースを使用する２ｘ１０８ラドの照射線量(a dose of 2x108 rad using a 60Co source)を用いて３００Ｋにおいてγ照射された(γ-irradiated)。照射後、吸収測定のために異なる厚さを有した結晶を準備するために、１つのサンプルが、劈開され(cleaved)、磨かれた(polished)。吸収スペクトルは、Shimadzu  ＵＶ３１０１−ＰＣ分光測光器(spectrophotometer)を使用して得られた。使用された、増幅Ｔｉ：サファイアレーザ(amplified Ti:sapphire laser)は、色中心のサブセットを選択的に除去するために、１ｋＨｚの繰返レート(repetition rate)で、〜３５ｆｓ持続時間を有した３．５Ｗの平均電力(3.5 W of average power with a ~35 fs duration at a repetition rate of 1 kHz)を作り出す再生増幅器(Coherent Legend Elite)であった。
【００４１】
図３は、典型的な実施形態に従って、ＶＢＧの製造のための配置(configuration)を図示する。選択的に色中心を除去し、格子を製造するために、レーザからの照射が、第１のＭ１および第２のＭ２に入射し、バンドまたはストリップ(band or strip)の形式で焦点を合わされた光ビームを形成するためにターゲット結晶(target crystal)、例えば、ＬｉＦ結晶に、レンズＬによって焦点を合わせられる。この焦点を合わせられた光のバンドまたはストリップは、色中心の光学上の漂白あるいは除去を起こさせるのに十分なローカルな光強度(local optical intensity)を作り出す。焦点を合わせられた光ビームおよび結晶は、所望のグレーティングパターンを形成するために、一連のそのようなバンドまたはストリップを光学的に漂白するように、互いに対して動かされる。図３の典型的な配置から明らかなように、開口Ａ１およびＡ２のような１つ以上の開口(apertures)が、レーザビームの光学経路(optical path)に設置されることができる。１つの典型的な実施形態においては、平均電力４００ｍＷおよび１ｃｍのビーム直径を有したＴｉ：サファイアレーザは、ＬｉＦ結晶表面上で１５ｍｍの焦点距離を有した円柱レンズ(cylindrical lens)によって焦点を合わせられる。周期的な間隔(periodic spacing)を得るために入射レーザビームに対して結晶の移動を可能とするように、結晶はコンピュータ制御並行移動ステージにマウントされることができる。移動は、例えば、Ｔｈｏｒｌａｂｓ  ＡＰＴシステムソフトウェア(Thorlabs APT System software)を使用して、プログラムされることができる。１つの典型的な実施形態においては、１つの溝あるいは領域（すなわち、漂白されたストライプ(bleached stripe)）を作り出すために、ターゲット結晶上の１つの位置(site)が５秒間照射される。そのあと、第２の溝あるいは領域を作り出すために、ターゲット結晶の別のセクションをレーザ放射に露出するための電動並行移動ステージを使用することによって、ターゲット結晶は、１２μｍあるいは２４μｍシフトする。この手順は、所望の間隔で望まれる数の溝あるいはストリップ領域を作り出すために
、必要に応じて何度も繰り返されることができる。１つの例実施形態では、この手順は、各格子において１００の溝を作り出すために１００回繰り返された。１つの実験では、２つの格子が作られ(created)、それぞれ、一方は１２μｍ周期(period)（あるいは間隔(spacing)）を有し、他方は２４μｍ周期（あるいは間隔）を有する。したがって、開示された技術に基づいて作り出されるＶＢＧｓは、経済的にも実用的にも実現可能なそのようなＶＢＧｓの大量生産を可能とする簡単な配置において比較的低いパワーレーザ放射を使用して製造されることができる。
【００４２】
１つの典型的な実施形態においては、回折格子は、８００ｍｍの焦点距離分光計（ＨＲ８００ＵＶ）が装備され、２００−１６００ｎｍのスペクトル域について最適化された共焦点マイクロ−ラマンシステム(Confocal Micro-Raman System)（Ｈｏｒｉｂａ  Ｊｏｂｉｎ  Ｙｖｏｎ，  ＬａｂＲａｍ  ＨＲ）、熱電気的に結合されたＣＣＤカメラ、および、１００ｎｍの精度を有するアＸ−Ｙ並行移動ステージ、によって特徴付けられた。サンプルにおいて放射電力(incident power)のほぼ１００μＷを有したλ＝５１４ｎｍのアルゴンイオンレーザ(Argon-Ion laser)が、光ルミネセンス実験のために使用された。マイクロ−ラマンシステムの方位分解能(lateral resolution)は〜１μｍであった。サンプルは、１μｍステップサイズで並行移動ステージを使用して、格子全体にわたってスキャンされ(scanned)、それぞれの位置において、信号は０．５ｓの間、蓄積された。６５０−７００ｎｍのスペクトルウィンドウ(650-700 nm spectral window)においてＦ２ＣＣの光ルミネセンス積分強度(photoluminescence integral intensity of F2 CC)が、ＣＣ濃度および格子品質(gratings quality)を評価する方法として使用された。格子が作り出された直後に、及び各格子について１２時間後に、光ルミネセンスマッピング(Photoluminescence mapping)が実行された。回折格子効率は、Ｎｄ：ＹＡＧ（０．５３２μｍ）、Ｈｅ−Ｎｅ（０．６３２μｍ）、およびＥｒファイバ（１．５６μｍ）レーザの第二高調波(second harmonic)のＣＷ放射線を使用する垂直入射(normal incidence)において、特徴づけられた。ＬｉＦＣＣＣｓにおける体積ブラッググレーティングの製造手順はまた、吸収係数および屈折率の修正の他の方法に基づくことができる。これらの方法の中で、光ビームの干渉縞に基づいたホログラフィック格子書き込み(holographic grating writing)が、体積ブラッググレーティングのための空間的パターンを作り出すために使用されることができる。該方法は、短い光パルスを有した照射にさらされた純粋なＬｉＦ結晶(pure LiF crystal)における屈折率の修正を利用する。別のアプローチは、干渉縞のノードにおけるＣＣｓ低下(CCs degradation)を使用する。ＬｉＦＣＣＣｓにおけるブラッググレーティングもまた、電子またはイオンビームリソグラフィによって直接的に書き込まれることができ、あるいは熱の脱色によって行なわれることができる。
【００４３】
図４は、Ｔｉ：サファイアレーザ照射前後のＬｉＦＣＣ結晶の光ルミネセンス（ＰＬ）スペクトル(spectra)を示す。図４に示されるＰＬスペクトルは、５１４ｎｍにおいてアルゴンレーザによる励起の下で測定された。ｆｓ−照射（すなわち、プロットラベル表示された「ａ」）の前のサンプルのＰＬスペクトル(spectrum)は、それぞれ、６７０ｎｍおよび５３０ｎｍで最大限を有するＦ２とＦ３＋帯域から成る。ｆｓレーザ放射への露出は、目にはっきり見える漂白されたエリア（すなわち、回折格子のストライプあるいは溝）を作り出した。図４において、プロットラベル表示された「ｂ」は、漂白されたエリアに隣接している結晶のエリアに関連したＰＬスペクトルを表わす。漂白されたエリアの色は、茶色(brown)からＦ２色中心のイオン化を示すライトグリーン(light green)に変った。図４において、プロットラベル表示された「ｃ」は、漂白されたエリアのＰＬスペクトルに対応する。プロット「ｃ」は、Ｆ２ＣＣのＰＬに対応する６００−８００ｎｍスペクトル域における信号強度の実質的な減少、及び、Ｆ２＋ＣＣのＰＬに対応する新しい帯域約９００ｎｍの出現を示す。Ｆ２＋ＣＣは、室温で不安定であり、ほぼ１２−２４時間後に消失する。図４において、プロットラベル表示された「ｄ」は、１２時間後の漂白されたエリアのＰＬスペクトルに対応する。プロット「ｄ」は、９００ｎｍにおけるＰＬ帯域の強度が減少し、Ｆ２ＣＣのＰＬ帯域強度がほぼ１２時間後にわずかに回復すること、を示す。
【００４４】
実験を行なうために使用されたＬｉＦ：ＣＣ結晶は、１５年よりも古い(more than 15 years)ものであったということに注目されるべきである。さらに、示されている典型的な測定は、Ｔｉ：サファイアレーザを用いたＬｉＦ：ＣＣ結晶の照射の、直後の測定に、および、ほぼ１２時間後の測定に対応するが、作り出されたＶＢＧｓは、１２時間の期間(12-hour period)を越えて安定性をよく示しており、その後何年にもわたって安定したままであると予想される。したがって、開示された実施形態に従って作り出されるＶＢＧｓは、低電力放射線フェムト秒レーザパルスを使用して製造し大量生産されることができることは勿論、それらは又、光安定性(photo stability)、および熱的安定性を示すことができる。
【００４５】
８４個の溝／ｍｍ回折格子（ほぼ１２μｍ周期(12 μｍ period)に対応する）を有する、典型的な実施形態に従って製造されたＬｉＦＣＣ結晶の光ルミネセンスのイメージング(imaging)が、図５（ａ）から図５（ｄ）に示されている。図５（ａ）から図５（ｄ）において強度プロットを作り出すために、格子のスキャン(scanning)は、共焦点マイクロ−ラマンシステムの１μｍ方位分解能(lateral resolution)、および１００ｎｍの精度を有するＸ−Ｙ並行移動ステージを使用して行われた。図５（ａ）から図５（ｄ）は、８４個の溝／ｍｍ格子について、１５ｍｍ円柱レンズによる焦点合わせ後のＴｉ：サファイアレーザビームの腐食剤(caustic)は、十分なコントラスト(contrast)を有する格子を作り出すのに十分である、ことを示す。特に、図５（ａ）は、格子の製造後まもなくの波長の関数として、測定された強度における変動を示す。図５（ｂ）は、スペクトル域５００−６００μｍにおける測定された強度についてのより良いビュー(better view)を提供するための、図５（ａ）のズームインバージョン(zoomed-in version)である。図５（ｃ）は、格子の製造１２時間後の波長の関数として測定された強度における変動を示す。図５（ｄ）は、スペクトル域５００−６００μｍにおける測定された強度のより良いビューを提供するための図５（ｃ）のズームインバージョンである。図５（ａ）および５（ｃ）におけるプロットは、波長の関数として、結晶表面の質の悪い並行処理(poor parallelism)に起因する強度の減少を示しており、これは、結果的に、横方向距離１．２ｍｍにわたってスキャンしている間にマイクロスコープの焦点がぼける(defocus)こととなる。ＰＬ信号の強度は、初期の観察結果と比較して、１２時間後にわずかに増加した。
【００４６】
図６（ａ）から６（ｄ）までは、４２個の溝／ｍｍ回折格子（それらはほぼ２４μｍ周期に対応する）を有した典型的な実施形態に従って製造されたＬｉＦＣＣ結晶についての光ルミネセンスイメージング結果を示す。特に、図６（ａ）は、格子の製造後まもなくの波長の関数として測定された強度における変動を示す。図６（ｂ）は、格子の始まりからの空間範囲５００−６００μｍにおける測定された強度についてのより良いビューを提供するための図６（ａ）のズームインバージョンである。図６（ｃ）は、格子の製造１２時間後の波長の関数として測定された強度における変動を示す。図６（ｄ）は、格子の始まりからの空間範囲５００−６００μｍにおける測定された強度についてのより良いビューを提供するための図６（ｃ）のズームインバージョンである。図５（ａ）および５（ｃ）におけるプロットと似たように、図６（ａ）および６（ｃ）は、予想されたように、改良された格子コントラストを備え、波長の関数として漸進的な強度減少から明らかなように、４２個の溝／ｍｍ格子についての焦点ぼけを示している。
【００４７】
回折格子効率は、３つの異なるＣＷレーザを使用する垂直入射で特徴づけられた。これらの実験では、ラマン−ナス回折(Raman-Nath diffraction)の効率が、垂直入射で一次まで(to the first order)測定された。格子サイズよりも小さなビームサイズを確実にするために、レーザビームは、格子表面上にわずかに焦点を合わせられた。１つ以上の調整された中性フィルタ(calibrated neutral filters)もまた、光検知器のダイナミックレンジを増加させるために使用された。図７は、典型的な実施形態に従って格子を特徴づけるための配置を示す。レーザからの光は、ミラーＭ１上で反射し、第１のレンズＬ１、光学的チョッパ(optical chopper)、および第２のレンズＬ２を通って伝播することによって、格子を含んでいる結晶に導かれる(directed)。結晶をとおって伝播する回折光は、検知器によって取り込まれる(captured)。
【００４８】
図７における配置を使用して、Ｈｅ−Ｎｅ（０．６３２μｍ）レーザと同様に、Ｎｄ：ＹＡＧ（０．５３２μｍ）の第２高調波の回折パターンは、検知器においてイメージされる(imaged)ことができる。例えば、少なくとも３つの回析次数(diffraction orders)が垂直入射でイメージされた。回折次数の位置は、回折格子の式および前の実験から測定された格子周期(grating periods)に一致していた。０．５３２μｍにおける回折効率は、１２および２４μｍの周期を有する両方の格子について、ほぼ２−３％に等しかった。０．６３２μｍ波長において、２４および１２μｍ格子について測定された効率は、それぞれ、５％および１％にほぼ等しかった。可視スペクトル域の場合、誘起された振幅格子効率(induced amplitude grating efficiency)が位相格子効率(phase grating efficiency)に勝っていることは、注目に値する。ＣＣｓを有したＬｉＦ結晶における位相格子の中間ＩＲのアプリケーションの実現可能性を実証するために、回折効率は１．５６μｍにおいて動作するＥｒファイバレーザを使用して測定された。測定された効率は、可視スペクトル域においてよりも少ない、ほぼ２オーダの大きさ(two-orders of magnitude)であり、２４−μｍおよび１２−μｍ格子について、それぞれ、２×１０−４および５×１０−４に等しかった。
【００４９】
これらの測定は、１．５６μｍにおける誘起されたΔｎの推定を可能にする。特に、一次ラマン−ナス回折は、次式を使用して計算されることができる：
【数１１】
2015511324.tif 000014
【００５０】
式（９）において、Ｊ１は、次数１のベッセル関数(Bessel function of order 1)であり。ｌＧは回折格子の厚さである。格子の厚さは、結晶中で伝播する書込ビームの重なり(overlapping)から推定されることができる。１つの典型的な実施形態では、１２−μｍ周期を有する格子は、ほぼＷｂ≒７μｍの結晶表面の近くの推定されたポンプビーム幅で製造される。光誘起格子の深さを制限している２つの主な要因がある。第１の要因はビーム広がり(beam divergence)であり、これは放射フラックス(radiation flux)の減少をもたらす。第２の要因は隣接線(adjacent lines)の空間的オーバーラップ(spatial overlap)である。ＷＧ距離によって分離された書込ビームの発散(divergence)（θｂ）は、距離ｌＧ〜（ＷＧ／２θｂ）≒（ＷＧＷｂ／２λ）でオーバーラップする。ＷＧ＝１２μｍを有する格子については、回折格子の厚さはほぼｌＧ＝５０μｍである。２４μｍ周期の格子を備えた典型的な実施形態では、ビームは、距離の２倍でオーバーラップし、この結果、より大きな回折効率をもたらし、このことは、開示された実施形態に従って行なわれた実験において観察された。実験結果から計算された屈折率の変動はΔｎ≒１０−４であったが、これは推定に近い。１つの典型的な実施形態では、中間ＩＲレーザデバイスにおけるＬｉＦＣＣ結晶のアプリケーションについてこれらの回折格子の実現可能性を直接的に示すために、ＬｉＦ結晶は、１５Ｗまでの平均電力でファイバレーザの中間ＩＲ放射に露出された。
【００５１】
開示された実施形態に従って作り出されたＬｉＦ色中心結晶は、中間ＩＲスペクトル域において動作するＶＢＧのために使用されることができ、約１０％から１００％近くの範囲において、効率の良さ(efficiencies)を提供することができる。１つの例では、色中心脱色に基づいた光屈折効果(photorefractive effect)は、０．５−２ｃｍ長さのＶＢＧについて１−６μｍスペクトル域においてほぼ６０％のＶＢＧ効率を提供することができる。行なわれたテスト結果に基づいて、ＬｉＦ：ＣＣｓにおいて２４および１２μｍ周期を有した周期構造は、フェムト秒Ｔｉ：サファイアレーザを使用して製造され、０．５３２、０．６３２、および１．５６μｍにおいてラマン−ナス回折を使用することによって特徴づけられた。１．５６μｍにおける回析は、位相格子の製造、および中間ＩＲのＶＢＧアプリケーションのこれらの材料の実現可能性の明確な実証(demonstration)である。屈折率（Δｎ）の測定された誘起変動は、ほぼ１０−４であったが、これは、推定された値に近く、ＶＢＧアプリケーションに十分である。
【００５２】
図８は、典型的な実施形態に従って、体積ブラッググレーティングを作り出すために実行されることができる一連の動作８００を示す。８０２において、ハロゲン化アルカリ結晶内で複数の色中心が形成される。そのような色中心を形成することは、例えば、電離放射線に、および／または付加的なあるいは電界による採色を通して、ハロゲン化アルカリ結晶を露出することによって実行されることができる。８０４において、中間ＩＲスペクトル域においてハロゲン化アルカリ結晶の屈折率における変動を作り出すために、そしてそれによって中間ＩＲスペクトル域において動作する体積ブラッググレーティングを作り出すために、複数の色中心のうちの１つのサブセットが除去される。色中心の選択的な除去は、例えば、光誘起漂白、結晶に向けられた２つのコヒーレントな光干渉縞、あるいは電子またはイオンビームリソグラフィによる直接的な書き込みを通して、行われることができる。
【００５３】
したがって、記載された技術に基づいて、中間赤外スペクトル域において動作するための体積ブラッググレーティングデバイスは、中間赤外スペクトル域において広域スペクトルの透過性を有した複数の色中心を含んでいるハロゲン化アルカリ結晶を使用することによって、形成されることができる。ハロゲン化アルカリ結晶は、中間赤外スペクトル域において動作する体積ブラッググレーティングを形成するために、複数の色中心の少なくとも１つのサブセットの選択的な除去を通して中間赤外スペクトル域においてハロゲン化アルカリ結晶の屈折率における変動を示すように構成されている。いくつかのアプリケーションでは、中間ＩＲスペクトル域の光を回折するための体積ブラッググレーティングデバイスは、位相ブラッググレーティングが、中間ＩＲスペクトル域において光の回析を実現するハロゲン化アルカリ色中心結晶において形成される場合、中間ＩＲスペクトル域において吸収帯を有さず、可視および近ＩＲスペクトル域おいて強い吸収帯を有しているハロゲン化アルカリ色中心結晶を含むことができる。中間ＩＲスペクトル域において光を回折するための体積ブラッググレーティングデバイスを製造するための方法もまた、中間ＩＲスペクトル域において吸収帯を有さず可視および近ＩＲスペクトル域おいて強い吸収帯を有している結晶において色中心を作り出すためにハロゲン化アルカリ結晶を放射に露出すること、および、中間ＩＲスペクトル域において光の回折を実現する中間ＩＲにおけるハロゲン化アルカリ色中心結晶において回折率に十分な変動を有するハロゲン化アルカリ色中心結晶において位相ブラッググレーティングを書き込むこと、を含むようにインプリメントされることができる。この方法の１つのインプリメンテーション(implementation)では、ハロゲン化アルカリ色中心結晶において位相ブラッググレーティングの形成を引き起こすために、光ビームがハロゲン化アルカリ色中心結晶に向けられる。別のインプリメンテーションでは、ハロゲン化アルカリ色中心結晶において位相ブラッググレーティングの形成を引き起こす光の干渉縞を形成するために、２つのコヒーレントな光ビームが、ハロゲン化アルカリ色中心結晶に向けられる。さらに別のインプリメンテーションでは、ハロゲン化アルカリ色中心結晶において位相ブラッググレーティングを書き込むために、電子またはイオンビームリソグラフィが、ハロゲン化アルカリ色中心結晶上で実行される。
【００５４】
色中心を有したハロゲン化アルカリ結晶から形成された体積ブラッググレーティングを使用するための１つの方法は、光の反射、例えば逆反射(retro-reflection)など、を作り出すために中間ＩＲスペクトル域において光を回折することである。図９において示されるこの方法においては、９０２において、中間赤外スペクトル域において光透過性を、そして可視あるいは近赤外線スペクトル域において光吸収を示すハロゲン化アルカリ色中心結晶が、中間赤外スペクトル域において入射光ビームに露出される。ハロゲン化アルカリ色中心結晶は、位相ブラッググレーティングを実現するために中間赤外スペクトル域においてハロゲン化アルカリ色中心結晶における屈折率に十分な空間的周期的変調を有する色中心の永続的な空間的周期的グレーティングパターンを含むように、構成されている。格子の空間的周期は、中間ＩＲスペクトル域における光波長のためのブラッグ条件によって設定され、可視および近ＩＲスペクトル域のために設計された格子の格子周期よりも長い。図９に戻って、９０４において、入射光ビームに関しての永続的な空間的周期的グレーティングパターンのオリエンテーションは、中間赤外スペクトル域において光の反射を作り出すために、ブラッグ条件下で入力光ビームの光を回折するように制御される。例えば、商業上の色中心結晶をベースにしたＶＢＧｓが利用可能でなかった、２μｍから６μｍまでの範囲における波長において、入射光ビームは有りえる。
【００５５】
この特許書類は、多くの詳細な内容を含んでいるが、これらは、いずれの発明の範囲に関しても、制限するものとして解釈されるべきものではなく、あるいは特許請求の範囲における請求項の内容を制限するものとして解釈されるべきものではなく、寧ろ、特定の発明の特定の実施形態に特有で有りえる特徴の記載として解釈されるべきである。別々の実施形態のコンテキストにおいて、本特許書類において記載されている特定の特徴もまた、単一の実施形態において組合せでインプリメントされることができる。逆に、単一の実施形態のコンテキストにおいて記載されている様々な特徴もまた、別々に複数の実施形態において、あるいは任意の適切なサブコンビネーションにおいてインプリメントされることができる。さらに、特徴が、ある特定の組み合わせにおいて動作するものとして上記に記載され得るが、また、そのようなものとして、当初、特許請求の範囲にさえ記載され得るが、特許請求の範囲において請求された組み合わせから１以上の特徴が、あるケースにおいては、組み合わせから削除され得る、また、特許請求の範囲において請求された組合せは、サブコンビネーションあるいはサブコンビネーションの変形に向けられることができる。
【００５６】
同様に、動作が図面において特定の順番で描かれているが、このことは、望ましい結果を達成するために、そのような動作が示された特定の順序で、あるいは連続した順序で実行されることを要求しているものとして、あるいはすべての図示された動作が実行されることを要求しているものとして理解されるべきではない。さらに、上記に記載された実施形態における、様々なシステムコンポーネントの分離(separation)は、すべての実施形態においてそのような分離を要求するものとして理解されるべきではない。
【００５７】
単にわずかなインプリメンテーションおよび例が記載されているが、この特許書類において記載され、図示されていることに基づいて、他のインプリメンテーション、拡張、および変形が行なわれることができる。
【図１（ａ）】
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【図１（ｂ）】
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【図２（ａ）】
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【図２（ｂ）】
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【図３】
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【図４】
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【図５（ａ）】
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【図５（ｂ）】
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【図５（ｃ）】
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【図５（ｄ）】
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【図６（ａ）】
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【図６（ｂ）】
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【図６（ｃ）】
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【図６（ｄ）】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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