(57)【要約】      （修正有）【課題】光メモリ，表示装置，照明，加工，医療診断，治療，分析などに用いられる可視光源において、可視光を効率よく発光する希土類添加材料、可視光発光材料を利用した可視光発光装置を提供する。【解決手段】希土類元素を活性元素とする可視光発光材料において、発光材料の母材料が、ガラス、非晶質薄膜、結晶含有ガラス、結晶含有非晶質薄膜のうちから選ばれる少なくとも一種類の材料から成り、希土類元素としてプラセオジウム(Ｐｒ)と共に、テルビウム(Ｔｂ)またはユーロピウム(Ｅｕ)あるいはその両方を含有することを特徴とする、可視光発光材料。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
希土類元素を活性元素とする可視光発光材料において、希土類元素としてプラセオジウム(Ｐｒ)と共に、テルビウム(Ｔｂ)またはユーロピウム(Ｅｕ)あるいはその両方を含有することを特徴とする、可視光発光材料。
【請求項２】
希土類元素としてイッテルビウム(Ｙｂ)をも含有することを特徴とする、請求項１記載の可視光発光材料。
【請求項３】
発光材料の母材料が、光学単結晶、光学多結晶、ガラス、非晶質薄膜、結晶含有ガラス、結晶含有非晶質薄膜のうちから選ばれる少なくとも一種類の材料から成ることを特徴とする、請求項１または２記載の可視光発光材料。
【請求項４】
発光材料の母材料が、フッ化物ガラス，カルコゲナイドガラス，重金属酸化物ガラス，フツリン酸塩ガラス，リン酸塩ガラス，ハロゲン化物結晶含有酸化物ガラスから選ばれる少なくとも一種類の材料から成ることを特徴とする、請求項１乃至３に記載の可視光発光材料。
【請求項５】
Ｐｒの含有量が０．０１ｗｔ％以上１．０ｗｔ％以下であり、かつ、
ＴｂまたはＥｕのどちらかを含有する場合はその含有量が０．０１ｗｔ％以上３．０ｗｔ％以下でありＴｂとＥｕの両方を添加する場合はＴｂとＥｕの合計量が０．０１ｗｔ％以上３．０ｗｔ％以下であることを特徴とする請求項１乃至４記載の可視光発光材料。
【請求項６】
Ｙｂの含有量が０．０１ｗｔ％以上４．０ｗｔ％以下である、請求項２乃至５記載の可視光発光材料。
【請求項７】
増幅用媒体として請求項１乃至６記載の可視光発光材料を備え、
少なくとも１個以上の励起光源と、該励起光源からの励起光を該可視発光材料に結合する結合光学系と、該可視発光材料からの発光を取り出す光学系を備え、
励起光源として、可視の発光波長より長波長の光を発生する半導体レーザ，発光ダイオード，ファイバレーザ，半導体励起固体レーザから選ばれる、少なくとも１個以上の励起源を使用し、
その励起光のピーク波長が７７０nm以上１１００ｎｍ以下であることを特徴とする、可視光発光装置。
【請求項８】
請求項７記載の増幅用媒体が実質的に光導波路として機能する形状を備えており、発光する光がレーザ光または増幅された自然放出光(ＡＳＥ)であることを特徴とする、請求項７記載の可視光発光装置。
【請求項９】
請求項７または８記載の可視光発光装置の出力の中心波長が、少なくとも４８０〜５００ｎｍ，５１０〜５４０ｎｍ，５９５〜６２０ｎｍ，６２５〜６５０ｎｍ，６５５〜７２０ｎｍの範囲から選ばれる１波長を含むことを特徴とする、可視光発光装置。
【請求項１０】
請求項８または請求項９記載の光導波路がファイバであり、該ファイバの少なくとも一端に石英系ガラスファイバが融着されており、少なくとも該ファイバと融着部分が耐湿または防湿の容器内に収容されているとことを特徴とする、可視光発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光メモリ，表示装置，照明，加工，医療診断，治療，分析などに用いられる可視光源において、可視光を効率よく発光する希土類添加材料およびそれを用いた発光光源、レーザ光源、ＡＳＥ光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、可視光を得る方法としては蛍光が用いられており、電子線励起の蛍光体は非常に広範囲の用途で利用されている。しかし、電子線励起方法はブラウン管や蛍光灯のように小型化が困難であり、光メモリ，薄型表示装置，医療機器などへの適用が妨げられてきた。
【０００３】
このため、最近ではアップコンバージョン発光や可視光発光ダイオード(ＬＥＤ)の研究が盛んに行われており、中でも青、緑、赤の３原色(ＲＧＢ)を発光可能なプラセオジウム(Ｐｒ)が注目されている。
【０００４】
Ｐｒの励起には二波長励起方法(例えば非特許文献１参照)やＹｂを共添加した８４０ｎｍ帯励起方法(例えば特許文献１〜４参照)が知られている。
【非特許文献１】R.G.Smart, et al., “CW room temperature upconversion lasing at blue, green and red wavelengths in infrared-pumped Pr3+-doped fluoride fiber,” Electron.Lett., 27, 1991, pp.1307-1309.
【特許文献１】特開平９−１０７１４３号公報
【特許文献２】特開２００２−１１１１０８号公報
【特許文献３】特開２００４−１６５３９６号公報
【特許文献４】特開２００４−２５３５９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来のＰｒ添加材料は、既知の一般的な励起波長での励起効率が低い上に、可視波長域での発光効率も低い。これは、可視光の発光に関わる準位で、発光上準位寿命よりも下準位寿命の方が長い自己停止(Self Termination)型の準位構造であることや、多数の励起状態吸収線が存在するためである。
【０００６】
Ｐｒの準位構造(図１(a))を用いてこの現象を説明する。Ｐｒからの可視光発光は、以下の準位間で生じる。
４９０ｎｍ帯の青色発光は、３Ｐ０→３Ｈ４(基底)の遷移で発光する。
５２０ｎｍ帯の緑色発光は、［１Ｉ６，３Ｐ１］→３Ｈ５の遷移で発光する。
６０５ｎｍ帯の橙色発光は、３Ｐ０→３Ｈ６の遷移で発光する
６３５ｎｍ帯の赤色発光は、３Ｐ０→３Ｆ２の遷移で発光する
６５５〜７２０ｎｍ帯の赤色発光は、［３Ｐ０，１Ｉ６，３Ｐ１］→［３Ｆ３，３Ｆ４］の遷移で発光する。
【０００７】
これらの遷移に対し、励起状態吸収(ＥＳＡ)または基底状態吸収(ＧＳＡ)が存在し、それぞれ以下のようになっている。
【０００８】
４９０ｎｍ帯：３Ｈ４→３Ｐ０(ＧＳＡ)、３Ｈ５→３Ｐ２
５２０ｎｍ帯：３Ｈ５→［１Ｉ６，３Ｐ１］、３Ｈ６→３Ｐ２
６０５ｎｍ帯：３Ｈ６→３Ｐ０、３Ｆ２→［１Ｉ６，３Ｐ１］
６３５ｎｍ帯：３Ｆ２→３Ｐ０、３Ｆ４→３Ｐ２
６５５〜７２０ｎｍ帯：３Ｈ５→１Ｄ２
【０００９】
また、共通の上準位である［１Ｉ６，３Ｐ１］または３Ｐ０の蛍光寿命は５０μｓ程度であり、下準位の３Ｈ５、３Ｈ６、３Ｆ２などの１〜１．５ｍｓ程度よりも相当に短い。このため、反転分布形成が妨げられ、可視光を効率よく得ることができない問題がある。また、下準位の存在確率が高まると前記のＥＳＡが高効率で発生し、可視光の発光強度が著しく低下する。さらに、ＲＧＢの３原色を同時に得ようとしても、特定の波長で光強度が高まると下準位の存在確率が高まり、他の波長でのＥＳＡを助長する結果となって、バランスの良い３原色の発光を得ることが非常に困難であった。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、希土類元素を活性元素とする可視光発光材料において、希土類元素としてプラセオジウム(Ｐｒ)と共に、テルビウム(Ｔｂ)またはユーロピウム(Ｅｕ)あるいはその両方を含有することを特徴とする、可視光発光材料である。
【００１１】
また、希土類元素としてイッテルビウム(Ｙｂ)をも含有することを特徴とする、上記の可視光発光材料である。
【００１２】
また、発光材料の母材料が、光学単結晶、光学多結晶、ガラス、非晶質薄膜、結晶含有ガラス、結晶含有非晶質薄膜のうちから選ばれる少なくとも一種類の材料から成ることを特徴とする、上記の可視光発光材料である。
【００１３】
また、発光材料の母材料が、フッ化物ガラス，カルコゲナイドガラス，重金属酸化物ガラス，フツリン酸塩ガラス，リン酸塩ガラス，ハロゲン化物結晶含有酸化物ガラスから選ばれる少なくとも一種類の材料から成ることを特徴とする、上記の可視光発光材料である。
【００１４】
また、Ｐｒの含有量が０．０１ｗｔ％以上１．０ｗｔ％以下であり、かつ、
ＴｂまたはＥｕのどちらかを含有する場合はその含有量が０．０１ｗｔ％以上３．０ｗｔ％以下でありＴｂとＥｕの両方を添加する場合はＴｂとＥｕの合計量が０．０１ｗｔ％以上３．０ｗｔ％以下であることを特徴とする上記の可視光発光材料である。
【００１５】
また、Ｙｂの含有量が０．０１ｗｔ％以上４．０ｗｔ％以下である、上記の可視光発光材料である。
【００１６】
また、増幅用媒体として上記可視光発光材料を備え、
少なくとも１個以上の励起光源と、該励起光源からの励起光を該可視発光材料に結合する結合光学系と、該可視発光材料からの発光を取り出す光学系を備え、
励起光源として、可視の発光波長より長波長の光を発生する半導体レーザ，発光ダイオード，ファイバレーザ，半導体励起固体レーザから選ばれる、少なくとも１個以上の励起源を使用し、
その励起光のピーク波長が７７０nm以上１１００ｎｍ以下であることを特徴とする、可視光発光装置である。
【００１７】
また、上記増幅用媒体が実質的に光導波路として機能する形状を備えており、発光する光がレーザ光または増幅された自然放出光(ＡＳＥ)であることを特徴とする、上記の可視光発光装置である。
【００１８】
また、上記可視光発光装置の出力の中心波長が、少なくとも４８０〜５００ｎｍ，５１０〜５４０ｎｍ，５９５〜６２０ｎｍ，６２５〜６５０ｎｍ，６５５〜７２０ｎｍの範囲から選ばれる１波長を含むことを特徴とする、可視光発光装置である。
【００１９】
さらに、上記光導波路がファイバであり、該ファイバの少なくとも一端に石英系ガラスファイバが融着されており、少なくとも該ファイバと融着部分が耐湿または防湿の容器内に収容されているとことを特徴とする、可視光発光装置である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の可視発光材料を用いることにより、Ｐｒ添加材料からの可視発光効率を向上させ、１波長または多波長同時に出力光を得ることができる。また、本発明の可視発光装置を用いることにより、高効率な可視レーザやＡＳＥ光を得ることができる。また、多波長発振レーザや多波長ＡＳＥ光を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の第一は、希土類元素としてプラセオジウム(Ｐｒ)と共に、テルビウム(Ｔｂ)またはユーロピウム(Ｅｕ)あるいはその両方を含有することを特徴とする、可視光発光材料である。
【００２２】
具体的なＴｂ共添加効果について、図１(b)を用いて説明する。Ｐｒの可視発光過程は前述の通りであり、下準位寿命が上準位寿命よりも長い点が本質的な問題となっている。ＰｒとＴｂのエネルギー準位を比較すると、Ｐｒの３Ｈ５，３Ｈ６，３Ｆ２，３Ｆ３，３Ｆ４の各準位(以下、下準位群という)に対応して、ほとんど同じエネルギーレベルにＴｂの７Ｆ５〜７Ｆ０準位が存在する。このため、Ｐｒの下準位群から高効率でエネルギーを受け取り、脱励起することが可能となる。
【００２３】
具体的なＥｕ共添加効果について、図１(c)を用いて説明する。ＰｒとＥｕのエネルギー準位を比較すると、Ｐｒの下準位群に対応してほとんど同じエネルギーレベルにＥｕの７Ｆ２〜７Ｆ６準位が存在する。このため、Ｐｒの下準位群から高効率でエネルギーを受け取り、脱励起することが可能となる。
【００２４】
また、Ｐｒと同時にＴｂとＥｕを両方とも含む場合も、上記の説明と同様にＰｒの下準位群を脱励起することができる。
【００２５】
また、希土類元素として上記の可視発光材料に、増感剤としてイッテルビウム(Ｙｂ)も含有させることを特徴とする、可視発光材料である。
【００２６】
Ｐｒ添加材料にＹｂを共添加することで、８４０ｎｍ帯の１波長で励起できることが報告されている。ＰｒとＴｂ，Ｅｕを共添加した材料では、Ｙｂを増感剤として添加することにより、通常よりも励起効率が改善されるだけでなく、発光効率も改善されるために、簡単な構成で高効率な発光が可能である。
また、この発光材料の母材料として、ガラス、非晶質薄膜、結晶含有ガラス、結晶含有非晶質薄膜のうちから選ばれる少なくとも一種類の材料からを選んで使用することを特徴とする、可視光発光材料である。
【００２７】
Ｐｒ、Ｙｂ、Ｔｂ、Ｅｕのような希土類は、種々の母材料中に添加可能であることが知られており、励起波長と発光波長の両方で十分な透明性を備えており、発光部位のフォノンエネルギーが１０００cm-1程度以下であれば、母材料の種類や形態を選ばない。
また、添加濃度としてＰｒの含有量が０．０１ｗｔ％以上１．０ｗｔ％以下であり、かつ、ＴｂまたはＥｕのどちらかを含有する場合はその含有量が０．０１ｗｔ％以上３．０ｗｔ％以下でありＴｂとＥｕの両方を添加する場合はＴｂとＥｕの合計量が０．０１ｗｔ％以上３．０ｗｔ％以下であり、かつ、母材料がフッ化物ガラス，カルコゲナイドガラス，重金属酸化物ガラス，フツリン酸塩ガラス，リン酸塩ガラス，ハロゲン化物結晶含有酸化物ガラスから選ばれる少なくとも１種類の材料であることを特徴とする可視光発光材料である。
【００２８】
Ｐｒの添加濃度は微量であるほど濃度消光やエネルギー移動を起こしにくく、効率面で有利となるが、０．０１ｗｔ％未満では必要な増幅媒質が長くなりすぎ、実用的でない。一方、Ｐｒの添加濃度が１．０ｗｔ％を越えると、発光効率が著しく低下するため好ましくない。特に好ましいＰｒ添加濃度としては、媒質長が０．１〜１０ｍ程度で十分な発光強度が得られる０．０５〜０．５ｗｔ％の範囲である。
【００２９】
ＴｂまたはＥｕまたはその両方の合計の添加濃度は、０．０１ｗｔ％未満ではＰｒとのイオン間距離が遠くなり、十分な脱励起効果が得られないので好ましくない。一方、３．０ｗｔ％を越えると、母材料中で均一な分散が困難となり、ガラスでは結晶化、結晶含有ガラスでは結晶粒子径の増大などが生じるため、好ましくない。特に好ましい添加濃度としては、母材料に悪影響を与えずに十分な脱励起効果が得られる０．１〜２．０ｗｔ％の範囲である。
【００３０】
母材料としては、前述のように希土類周辺構造のフォノンエネルギーが１０００cm-1程度以下の低フォノン材料が好ましい。このような材料としては、フッ化物ガラス，カルコゲナイドガラス，重金属酸化物ガラス，フツリン酸塩ガラス，リン酸塩ガラス，ハロゲン化物結晶含有酸化物ガラスが挙げられる。これらの材料の中でも、特にフォノンエネルギーが３００〜７００cm-1の範囲にある材料が好ましく、Ｉｎ−Ｆ系、Ａｌ−Ｆ系、Ａｌ−Ｚｒ−Ｆ系、Ｚｒ−Ｆ系の各フッ化物ガラス、亜テルル酸塩ガラス、酸化ビスマス系ガラス、タングステン酸塩ガラス、モリブデン酸塩ガラス、酸化アンチモン系ガラス、重金属含有フツリン酸塩ガラス、重金属含有リン酸塩ガラス、フッ化物結晶含有酸化物ガラス、塩化物結晶含有酸化物ガラスなどが好ましい。
また、Ｙｂの含有量が０．０１ｗｔ％以上４．０ｗｔ％以下であることを特徴とする、前述の可視発光材料である。
【００３１】
Ｙｂの添加濃度として０．０１ｗｔ％未満では、励起光の吸収効率改善効果がほとんど得られず、実用的でない。一方、４．０ｗｔ％を越えると、母材料中で均一な分散が困難となり、ガラスでは結晶化、結晶含有ガラスでは結晶粒子径の増大などが生じるため、好ましくない。特に好ましいＹｂ添加濃度としては、母材料に悪影響を与えずに十分な吸収効率改善効果が得られる０．１〜３．５ｗｔ％の範囲である。
【００３２】
本発明の第二は、増幅用媒体として前記の可視光発光材料を備え、少なくとも１個以上の励起光源と、該励起光源からの励起光を該可視発光材料に結合する結合光学系と、該可視発光材料からの発光を取り出す光学系を備え、励起光源として、可視の発光波長より長波長の光を発生する半導体レーザ，発光ダイオード，ファイバレーザ，半導体励起固体レーザから選ばれる、少なくとも１個以上の励起源を使用し、その励起光のピーク波長が７７０nm以上１１００ｎｍ以下であることを特徴とする、可視光発光装置である。
【００３３】
ＰｒとＴｂ，Ｅｕを共添加した材料を増幅用媒体として用いた場合、一般的に用いられる１０１０ｎｍ帯と８３５ｎｍ帯の二波長励起で、可視光波長域の発光を得ることができる。最適な励起光パワーや各励起波長でのパワー比は、希土類添加濃度や増幅媒体の構成によって異なるので、一概には規定できないが、例えば増幅媒体がシングルモードファイバの場合は１００〜５００ｍＷ、マルチモードファイバやロッド状やディスク状の場合は１Ｗ〜１００Ｗ程度の励起パワーで使用される。
【００３４】
ＰｒとＴｂ，Ｅｕに加えてＹｂを共添加した場合、８４０ｎｍ帯での一波長励起が可能となる。最適な励起光パワーや波長は、希土類添加濃度や増幅媒体の構成によって異なるので、一概には規定できないが、例えば増幅媒体がシングルモードファイバの場合は１００〜５００ｍＷ、マルチモードファイバやロッド状やディスク状の場合は１Ｗ〜１００Ｗ程度の励起パワーで使用される。
【００３５】
発光効率を維持するためには増幅媒体を冷却することが好ましい。冷却方法としては空冷、水冷、電子冷却などを用いることができる。また、増幅媒体の冷却効率を高めるために、励起光源をパルス駆動することも効果的である。
【００３６】
励起光源としては、半導体レーザ、ファイバピグテール付き半導体レーザ、Ｙｂファイバレーザ、Ｎｄファイバレーザ、半導体レーザ励起Ｙｂ：ＹＡＧ、半導体レーザ励起Ｎｄ：ＹＡＧ、半導体レーザ励起Ｙｂ：ＹＶＯ４、半導体レーザ励起Ｎｄ：ＹＶＯ４、発光ダイオード、ファイバピグテール付き発光ダイオードなどを利用することができる。
【００３７】
また、補助励起光として中心波長が３００nm以上４７０ｎｍ以下の励起光源を用いることができる。補助励起光源としては半導体レーザまたは発光ダイオードを用いることができる。特に４５０ｎｍ付近を中心波長に持つ半導体レーザや発光ダイオードは、Ｐｒの吸収線と一致するので吸収効率が高く、特に好ましい。
また、この増幅用媒体が実質的に光導波路として機能する形状を備えており、発光する光がレーザ光または増幅された自然放出光(ＡＳＥ)であることを特徴とする、可視光発光装置である。
【００３８】
レーザ光を得たい場合、増幅媒体からなる光導波路の両端に共振器構造を備えることによって、レーザ発振を実現できる。共振器としては、リング共振器、ファブリペロー共振器、複合リング共振器など、内部利得よりも損失の小さい光帰還回路であれば何でも良い。共振器用の反射媒体としてファイバブラッググレーティング(ＦＢＧ)を用いると、光導波路の閉じ込め効果を最大限に利用できるので特に好ましい。リング共振器の場合は、共振器中から一定の割合で出力光を取り出す出力カプラが必要であり、誘電体多層膜や、ファイバを溶融延伸したものや、マハツェンダ方式などの平面導波路の干渉構造を用いることができる。また、リング共振器では、周回方向を一定に保つためのアイソレータを備えることができる。
【００３９】
ＡＳＥ光を出射する場合は、増幅媒体からなる光導波路の両端から取り出しても良いし、一方を全反射または高反射の光学部品で終端して折り返しても良い。折り返した場合には出力ＡＳＥ光強度を高めることができるだけでなく、長波長側に帯域を広げることができるので、光源として好ましい。
また、この可視光発光装置の出力の中心波長が、少なくとも４８０〜５００ｎｍ(青)，５１０〜５４０ｎｍ(緑)，５９５〜６２０ｎｍ(橙)，６２５〜６５０ｎｍ(赤)，６５５〜７２０ｎｍ(赤から深紅)の範囲から選ばれる１波長を含むことを特徴とする、可視光発光装置である。
【００４０】
レーザ光を得る場合には、必要とする波長域で低損失であり、他の波長域で損失が大きくなるような共振器を用意する事が必要である。
【００４１】
共振器がファブリペロー型の場合、共振器用光学部品として誘電体多層膜鏡やＦＢＧを用いることができる。ＦＢＧでは狭帯域反射特性を実現できるため、要求される波長帯域幅が狭い場合には特に有効である。
【００４２】
共振器がリング型の場合、共振器の特性は大部分出力カプラの分岐比に依存する。出力側への分岐比が大きいと利得帯域内の長波長側で発振し、出力側への分岐比が小さいと、利得帯域内の単波長側で発振する。このため、出力カプラの調整である程度所望の波長に制御することが可能である。
【００４３】
また、共振器内に波長を掃引できる光学部品を挿入したり、外部共振器と回折格子などを組み合わせることで、利得帯域内で波長可変レーザを構築することができる。共振器内で波長を掃引する光学部品としては、ウェッジ状の平面ガラス部品を組み合わせた波長可変エタロンが良く用いられており、市販のＴｉ：サファイアレーザなどに盛んに用いられている。また、プリズムや回折格子の分散を利用した波長可変機構も利用することができる。
【００４４】
また、増幅媒体に使用している光導波路がファイバ(増幅用ファイバと言う)であり、増幅用ファイバの少なくとも一端に石英系ガラスファイバが融着されており、少なくとも増幅用ファイバと融着部分が耐湿または防湿の容器内に収容されているとことを特徴とする、可視光発光装置である。
【００４５】
本発明に好適な低フォノンエネルギーの母材料の一部には、耐水性や耐化学性が低いものがある。これらの母材料はファイバ被覆で保護する方法もあるが、長期信頼性を維持することは困難である。そこで、このような母材料を使いこなすには、耐湿または防湿容器(保護容器と言う)に格納する必要があり、また、使用上の便利さからは石英ファイバピグテールがこれらの保護容器外に出ていて、自由に融着あるいは加工できることが重要である。
【００４６】
励起光源との結合は、このピグテール石英ファイバに対して接続しても良いし、保護容器内に励起光源も設置して増幅用ファイバと直接結合しても良い。なお、結合とは光学的な結合でも良いし、物理的に結合することで光学的な結合を果たす方法でも良い。光学的な結合には、コリメータや集光などのためにレンズ作用のある光学部品を用いることができる。
【００４７】
また、放物面鏡など、反射系の光学部品を用いることもできるし、反射系の光学部品とレンズ作用のある光学部品を組み合わせて使用することもできる。波長の異なる励起光と可視の発光を合波するためには、波長依存性のある透過光学材料や反射光学材料を用いることができる。このような光学材料としては、誘電体多層膜フィルタ，溶融延伸ファイバカプラ，ＦＢＧ，回折格子，プリズムなどを用いることができる。これらの光学部品は、前記のレンズ作用のある光学部品や反射系の光学部品と組み合わせて使用することができる。
【００４８】
また、これらの部品を組み合わせて一つの容器内に収納したモジュールの形で利用することもできる。モジュールの形で使用する場合は、無限共役光学系に適合した型式か、ファイバ型デバイスであることが特に好ましい。
【００４９】
出力光を取り出すための光学部品も、励起光源と同様にピグテール石英ファイバに対して接続しても良いし、保護容器内に光学部品を設置して増幅用ファイバに直接結合して取り出しても良い。なお、結合とは光学的な結合でも良いし、物理的に結合することで光学的な結合を果たす方法でも良い。光学的な結合には、コリメータや集光などのためにレンズ作用のある光学部品を用いることができる。
【００５０】
また、放物面鏡など、反射系の光学部品を用いることもできるし、反射系の光学部品とレンズ作用のある光学部品を組み合わせて使用することもできる。可視発光の一部を出力とする場合には、部分反射特性のある透過光学材料や反射光学材料を用いることができる。このような光学材料としては、誘電体多層膜フィルタ，溶融延伸ファイバカプラ，ＦＢＧなどを用いることができる。
これらの光学部品は、前記のレンズ作用のある光学部品や反射系の光学部品と組み合わせて使用することができる。また、これらの部品を組み合わせて一つの容器内に収納したモジュールの形で利用することもできる。モジュールの形で使用する場合は、無限共役光学系に適合した型式か、ファイバ型デバイスであることが特に好ましい。
【実施例１】
【００５１】
以下、実施例により説明する。
【００５２】
母材料として、ガラス組成系がＺｒＦ４−ＢａＦ２−ＬｎＦ３−ＡｌＦ３−ＮａＦ(Ｌｎは希土類)で表されるＺＢＬＡＮフッ化物ガラスを用い、希土類元素としてプラセオジウム(Ｐｒ)を０．１ｗｔ％、テルビウム(Ｔｂ)を１．０ｗｔ％添加した。ガラス組成は５３ＺｒＦ４−２０ＢａＦ２−３．０ＬｎＦ３−４．０ＡｌＦ３−２０ＮａＦ(数字は各フッ化物原料のｍｏｌ％)である。Ｐｒ、ＴｂはＰｒＦ３、ＴｂＦ３でＬｎＦ３の一部として添加し、ＬｎＦ３部分の残りはＬａＦ３で補っている。
【００５３】
実験配置を図２に示す。厚み５ｍｍに平行平板研磨したガラス１１中の同一点に、倍率１０倍の対物レンズ１２でＮｄ：ＹＡＧレーザ１３とＴｉ：サファイアレーザ１４を集光した。赤外光除去フィルタ１５を通して可視光だけを倍率１０倍の対物レンズ１６でコリメートし、さらに倍率１０倍の対物レンズ１７でマルチモード石英ファイバ１８に集光した。このファイバ１８からの出射光を光スペクトラムアナライザ１９で蛍光スペクトル測定した。
【００５４】
測定の結果を図３に示す。スペクトルの強度は最大強度で規格化した。４９０ｎｍ帯(青)、５２０ｎｍ帯(緑)、６０５ｎｍ帯(橙)、６３５ｎｍ帯(赤)、６５５〜７２０ｎｍ帯(赤から深紅)の強い発光スペクトルを同時に観測した。
【実施例２】
【００５５】
実施例１と同様の構成で、希土類元素としてプラセオジウム(Ｐｒ)を０．１ｗｔ％、ユーロピウム(Ｅｕ)を１．０ｗｔ％添加した。
【００５６】
蛍光測定の結果を図４に示す。スペクトルの強度は最大強度で規格化した。４９０ｎｍ帯(青)、５２０ｎｍ帯(緑)、６０５ｎｍ帯(橙)、６３５ｎｍ帯(赤)、６５５〜７２０ｎｍ帯(赤から深紅)の強い発光スペクトルを同時に観測した。
【実施例３】
【００５７】
実施例１と同様の構成で、希土類元素としてプラセオジウム(Ｐｒ)を０．１ｗｔ％、テルビウム(Ｔｂ)を０．３ｗｔ％、ユーロピウム(Ｅｕ)を０．５ｗｔ％添加した。
【００５８】
蛍光測定の結果を図５に示す。スペクトルの強度は最大強度で規格化した。４９０ｎｍ帯(青)、５２０ｎｍ帯(緑)、６０５ｎｍ帯(橙)、６３５ｎｍ帯(赤)、６５５〜７２０ｎｍ帯(赤から深紅)の強い発光スペクトルを同時に観測した。
(比較例１)
母材料として実施例１と同じＺＢＬＡＮフッ化物ガラスを用い、希土類元素としてプラセオジウム(Ｐｒ)を０．１ｗｔ％添加した。その他の希土類原料は全てＬａＦ３を用いた。実験配置は実施例１と同様である。
【００５９】
蛍光測定の結果を図６に示す。４９０ｎｍ帯(青)、５２０ｎｍ帯(緑)はほとんど発光が認められない。６０５ｎｍ帯(橙)、６３５ｎｍ帯(赤)、６５５〜７２０ｎｍ帯(赤から深紅)の発光が認められるものの、実施例１、２、３と比較すると、強度は１／３以下で非常に弱いことがわかった。
【実施例４】
【００６０】
母材料としてＩｎ系フッ化物ガラス、Ａｌ系フッ化物ガラス、Ａｌ−Ｚｒ系フッ化物ガラスを用い、ＰｒとＴｂ，Ｅｕの添加濃度や実験配置は実施例１〜３と同様にして発光スペクトルを測定した。スペクトルは比較例１の各波長のピークスペクトル強度で規格化した。各ガラスの組成を表１に示す。
【００６１】
【表１】
2007165762.tif 000002
【００６２】
測定の結果を、表２に示す。スペクトル比の比較から、Ｔｂ，Ｅｕの共添加によって各波長の発光効率が改善していることがわかる。
【００６３】
【表２】
2007165762.tif 000003
【実施例５】
【００６４】
実施例１と同じＺＢＬＡＮを用い、実施例１と同じＰｒ、Ｔｂ添加濃度に加えてＹｂを３ｗｔ％添加した。ＹｂはＹｂＦ３の形で添加している。励起波長として波長８４０ｎｍの半導体レーザを用い、実施例１と同様の光学系で蛍光スペクトルを測定した。励起光強度は、励起密度が実施例１と同じになるように調整した。各波長の発光強度を、比較例１の発光強度で規格化した。
【００６５】
結果を表３に示す。１波長励起にも関わらず、発光強度の増大が認められ、吸収効率改善と発光効率改善の相乗効果が確認できた。
【００６６】
【表３】
2007165762.tif 000004
【実施例６】
【００６７】
実施例５のＰｒ、Ｔｂ、Ｙｂ共添加ＺＢＬＡＮガラスをコアに用い、ＮＡ＝０．２２に調整したＨｆＺＢＬＡＮクラッドを用いてフッ化物ファイバを作成した。このフッ化物ファイバを０．７ｍ使用した。
【００６８】
実験配置を図７に示す。波長８４０ｎｍのＴｉ：サファイアレーザ２０を、ＺＢＬＡＮファイバ２１に対して４５度傾けて設置したホットミラー２２と倍率１０倍の対物レンズ２３を通してＺＢＬＡＮファイバに結合した。励起側と反対のファイバ端には、６２０〜６５０ｎｍと８００〜１０００ｎｍを選択的に反射する誘電体多層膜鏡２４を接触させ、折り返し構成とした。ホットミラーを通過した可視出力光は倍率１０倍の対物レンズ２５でマルチモード石英ファイバ２６に集光され、光スペクトラムアナライザ２７でスペクトルを測定した。
【００６９】
結果を図８に示す。スペクトルの強度は最大強度で規格化した。折り返しミラーの反射帯域に合わせて、６２０〜６５０ｎｍの広帯域赤色ＡＳＥ光が得られた。
【実施例７】
【００７０】
実施例６の配置に対し、ＬＤ補助光源を設置した。実験配置を図９に示す。波長８４０ｎｍのＴｉ：サファイアレーザ３０を、ＺＢＬＡＮファイバ３１に対して４５度傾けて設置したホットミラー３２と倍率１０倍の対物レンズ３３を通してＺＢＬＡＮファイバに結合した。励起側と反対のファイバ端には、６２０〜６５０ｎｍと８００〜１０００ｎｍを選択的に反射する誘電体多層膜鏡３４を接触させ、折り返し構成とした。折り返しミラー側に、波長４０８ｎｍのコリメートレンズ付き半導体レーザ３５を配置し、倍率１０倍の対物レンズ３６で折り返しミラーを通してＺＢＬＡＮファイバに結合した。ホットミラーを通過した可視出力光は倍率１０倍の対物レンズ３７でマルチモード石英ファイバ３８に集光され、光スペクトラムアナライザ３９でスペクトルを測定した。
【００７１】
結果を図１０に示す。スペクトルは、実施例６のピーク値で規格化した。補助励起光の導入によって、６２０〜６５０ｎｍの広帯域赤色ＡＳＥ光の強度が増大した。
【実施例８】
【００７２】
実施例５のＰｒ、Ｔｂ、Ｙｂ共添加ＺＢＬＡＮガラスをコアに用い、ＮＡ＝０．２２に調整したＨｆＺＢＬＡＮクラッドを用いてフッ化物ファイバを作成した。このフッ化物ファイバを０．７ｍ使用した。実験配置を図１１に示す。
【００７３】
波長８４０ｎｍのコリメートレンズ付き半導体レーザ４０を、ＺＢＬＡＮファイバ４１に対して４５度傾けて設置したホットミラー４２と倍率１０倍の対物レンズ４３および、ＺＢＬＡＮファイバに接触させた波長６３５ｎｍの光を４０％透過する誘電体多層膜部分反射鏡４４を通してＺＢＬＡＮファイバに結合した。励起側と反対のファイバ端には、６２０〜６５０ｎｍと８００〜１０００ｎｍを選択的に反射する誘電体多層膜鏡４５を接触させ、部分反射鏡との間で共振器を構成している。ホットミラーを通過した可視レーザ光は倍率１０倍の対物レンズ４６でマルチモード石英ファイバ４７に集光され、光スペクトラムアナライザ４８でスペクトルを測定した。
【００７４】
結果を図１２に示す。発振波長６３５ｎｍでレーザ光が得られた。
【実施例９】
【００７５】
実施例５のＰｒ、Ｔｂ、Ｙｂ共添加ＺＢＬＡＮガラスをコアに用い、ＮＡ＝０．２２に調整したＨｆＺＢＬＡＮクラッドを用いてフッ化物ファイバを作成した。このフッ化物ファイバを０．７ｍ使用し、リングレーザを構成した。実験配置を図１３に示す。
【００７６】
石英ファイバピグテール５０とＺＢＬＡＮファイバ５１を融着したＺＢＬＡＮファイバモジュール５２には、誘電体多層膜鏡とコリメート光学系を用いたファイバ型合波デバイス５３が取り付けられている。ＺＢＬＡＮファイバモジュールは、金属製容器をハーメチックシールしたものであり、防湿性に優れている。波長８４０ｎｍのファイバピグテール付き半導体レーザ５４はファイバ型合波デバイスに結合している。
【００７７】
ファイバ型合波デバイスの出射側には、誘電体多層膜とコリメート光学系を用いたファイバ型波長弁別フィルタモジュール５５を取り付け、ＲＧＢの各色に対応した４９０ｎｍ帯と５２０ｎｍ帯と６３５ｎｍ帯を選択的に透過するようにした。波長弁別フィルタモジュールの出射側には、出力への分岐比が４０％の出力カプラ５６が取り付けられている。出力カプラは広帯域部分反射誘電体多層膜とコリメート光学系を用いたファイバ型でバイスである。出力カプラの下流側には、光の進行方向を１方向に限定するために、光アイソレータとコリメート光学系を用いたファイバ型光アイソレータモジュール５７が取り付けてあり、このアイソレータモジュールはＺＢＬＡＮファイバモジュールに接続してリング共振器を構成している。
【００７８】
リングレーザは、励起光源も含め全てファイバ型デバイスで構成されている。波長弁別フィルタモジュールのＲ、Ｇ、Ｂ各色の透過率は、出力カプラからのＲ、Ｇ、Ｂ出力がほぼ均一となるように調整されている。出力カプラからのレーザ出力は、光スペクトラムアナライザ５８でスペクトルを測定した。
【００７９】
測定結果を図１４に示す。６３５，５２０，４９０ｎｍのＲ、Ｇ、Ｂ波長で出力がほぼ揃っており、バランスの良い３原色同時発振の多波長レーザが得られた。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明は、光メモリ，表示装置，照明，加工，医療診断，治療，分析などに用いられる可視光源に関し、可視光を効率よく発光する希土類添加材料およびそれを用いた発光光源、レーザ光源、ＡＳＥ光源を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】Ｐｒ及び、ＰｒとＴｂまたはＥｕを共添加した場合のエネルギー準位図である。
【図２】実施例１の実験配置図である。
【図３】実施例１の測定結果を示す図である。
【図４】実施例２の測定結果を示す図である。
【図５】実施例３の測定結果を示す図である。
【図６】比較例１の測定結果を示す図である。
【図７】実施例６の実験配置図である。
【図８】実施例６の測定結果を示す図である
【図９】実施例７の実験配置図である。
【図１０】実施例７の測定結果を示す図である。
【図１１】実施例８の実験配置図である。
【図１２】実施例８の測定結果を示す図である。
【図１３】実施例９の実験配置図である。
【図１４】実施例９の測定結果を示す図である。
【符号の説明】
【００８２】
１  ４９０ｎｍ帯の蛍光遷移
２  ５２０ｎｍ帯の蛍光遷移
３  ６０５ｎｍ帯の蛍光遷移
４  ６３５ｎｍ帯の蛍光遷移
５  ６５５〜７２０ｎｍ帯の蛍光遷移
６  ４９０ｎｍ帯のＥＳＡ遷移
７  ５２０ｎｍ帯のＥＳＡ遷移
８  ６０５ｎｍ帯のＥＳＡ遷移
９  ６３５ｎｍ帯のＥＳＡ遷移
１０  ６５５〜７２０ｎｍ帯のＥＳＡ遷移
１１  ＺＢＬＡＮガラス
１２  １０倍対物レンズ
１３  Ｎｄ：ＹＡＧレーザ
１４  Ｔｉ：サファイアレーザ
１５  赤外光除去フィルタ
１６  １０倍対物レンズ
１７  １０倍対物レンズ
１８  マルチモード石英ファイバ
１９  光スペクトラムアナライザ
２０  Ｔｉ：サファイアレーザ
２１  ＺＢＬＡＮファイバ
２２  ホットミラー
２３  １０倍対物レンズ
２４  誘電体多層膜鏡
２５  １０倍対物レンズ
２６  マルチモード石英ファイバ
２７  光スペクトラムアナライザ
３０  Ｔｉ：サファイアレーザ
３１  ＺＢＬＡＮファイバ
３２  ホットミラー
３３  １０倍対物レンズ
３４  誘電体多層膜鏡
３５  コリメートレンズ付き半導体レーザ
３６  １０倍対物レンズ
３７  １０倍対物レンズ
３８  マルチモード石英ファイバ
３９  光スペクトラムアナライザ
４０  コリメートレンズ付き半導体レーザ
４１  ＺＢＬＡＮファイバ
４２  ホットミラー
４３  １０倍対物レンズ
４４  部分反射誘電体多層膜鏡
４５  誘電体多層膜鏡
４６  １０倍対物レンズ
４７  マルチモード石英ファイバ
４８  光スペクトラムアナライザ
５０  石英ファイバピグテール
５１  ＺＢＬＡＮファイバ
５２  防湿ファイバモジュール
５３  ファイバ型合波デバイス
５４  ファイバピグテール付き半導体レーザ
５５  ファイバ型波長弁別フィルタモジュール
５６  ファイバ型出力カプラ
５７  ファイバ型光アイソレータモジュール
５８  光スペクトラムアナライザ
【図１】
2007165762.tif 000005
【図２】
2007165762.tif 000006
【図３】
2007165762.tif 000007
【図４】
2007165762.tif 000008
【図５】
2007165762.tif 000009
【図６】
2007165762.tif 000010
【図７】
2007165762.tif 000011
【図８】
2007165762.tif 000012
【図９】
2007165762.tif 000013
【図１０】
2007165762.tif 000014
【図１１】
2007165762.tif 000015
【図１２】
2007165762.tif 000016
【図１３】
2007165762.tif 000017
【図１４】
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