(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チタンをドープしたＬａＡｌＯ3結晶を主材料とするｐ型結晶と前記チタンをドープしたＬａＡｌＯ3結晶を主材料とするｎ型結晶を少なくとも結合させてなる発光媒質と、
前記発光媒質に電流を供給して前記発光媒質を励起する励起手段と、
を備えた光源。
【請求項２】
前記発光媒質は、前記ｐ型結晶体と前記ｎ型結晶体を単結晶薄膜成長法により結合してなるものであること、
を特徴とする請求項１に記載の光源。
【請求項３】
前記発光媒質は、半導体ウェハ上に前記ｐ型結晶及び前記ｎ型結晶を結合させ形成されていること、
を特徴とする請求項１又は２に記載の光源。
【請求項４】
複数の光の発振モードの位相を同期させるモード同期手段を備えたこと、
を特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光源。
【請求項５】
前記発光媒質は、前記ＬａＡｌＯ3結晶にドープされるチタンの濃度を０．５モル％以下としたこと、
を特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光源。
【請求項６】
前記発光媒質から生じた光を前記発光媒質に向けて反射させ共振させる共振器を備えたこと、
を特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光源。
【請求項７】
前記共振器は、前記発光媒質の前記ｐ型結晶及び前記ｎ型結晶を有する結晶体における相対向する壁面を反射コーティングを施して構成されていること、
を特徴とする請求項６に記載の光源。
【請求項８】
前記共振器は、前記発光媒質の前記ｐ型結晶及び前記ｎ型結晶を有する結晶体を挟んだ位置に相対向して配置される二つのミラーにより構成されていること、
を特徴とする請求項６に記載の光源。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可視領域波長の光を発光する光源に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、可視領域の光を発する光源として、蛍光色素を用いたものが知られている。この色素を用いた光源は、エチレン・グリコールなどの溶媒に色素を溶かしたものを励起して発光するものであり、３００〜１０００ｎｍ程度の波長領域の光を得ることができる。しかしながら、このような光源は、次のような問題がある。光学的又は化学的に変質を起こしやすく、光源の特性が劣化しやすい。色素を溶かし込む溶媒が必要である。また、エチレン・グリコールなどの溶液の循環や冷却のために大きな装置が必要となる。更に、色素そのものや溶媒が強励起による発熱などに弱い。
【０００３】
このため、半導体レーザなどを用いて、可視領域の光を直接発光する光源の開発が期待されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、半導体レーザなどを用いた光源にあっても、次のような問題点がある。
【０００５】
ガリウム・ヒ素を材料として半導体レーザでは、その材料のもつバンド構造特性から黄色やオレンジ色といった波長の短い光を得ることが困難である。また、窒素ガリウム又はＩＩ−ＶＩ族の材料を用いた半導体レーザでは、青から緑にかけての波長の光を得ることができるが、安定したレーザ発振が達成されておらず、動作の寿命も短いものとなっている。
【０００６】
そこで、本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、可視領域の光を安定して出力する光源を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明に係る光源は、チタンをドープしたＬａＡｌＯ3結晶を主材料とするｐ型結晶とチタンをドープしたＬａＡｌＯ3結晶を主材料とするｎ型結晶を少なくとも結合させてなる発光媒質と、発光媒質に電流を供給して発光媒質を励起する励起手段とを備えたものである。
【０００８】
また本発明に係る光源は、前述の発光媒質が、ｐ型結晶体とｎ型結晶体を単結晶薄膜成長法により結合してなるものであることを特徴とするものである。また本発明に係る光源は、前述の発光媒質が、半導体ウェハ上にｐ型結晶及びｎ型結晶を結合させ形成されていることを特徴とするものである。
【０００９】
また本発明に係る光源は、複数の光の発振モードの位相を同期させるモード同期手段を備えたことを特徴とするものである。また本発明に係る光源は、前述の発光媒質が、ＬａＡｌＯ3結晶にドープされるチタンの濃度を０．５モル％以下としたことを特徴とするものである。
【００１０】
また本発明に係る光源は、発光媒質から生じた光を発光媒質に向けて反射させ共振させる共振器を備えたことを特徴とするものである。また本発明に係る光源は、前述の共振器が、発光媒質のｐ型結晶及びｎ型結晶を有する結晶体における相対向する壁面を反射コーティングを施して構成されていることを特徴とするものである。また本発明に係る光源は、前述の共振器が、発光媒質のｐ型結晶及びｎ型結晶を有する結晶体を挟んだ位置に相対向して配置される二つのミラーにより構成されていることを特徴とするものである。
【００１１】
これらの発明によれば、チタンをドープしたＬａＡｌＯ3結晶を主材料とするｐ型結晶及びｎ型結晶を発光媒質として用いることにより、安定した可視領域の光を得ることができる。また、バンド幅の広い発光スペクトルの光が得られ、モード同期により極短いパルス幅の光を得ることができる。また、発光媒質が熱伝導性に優れるため、冷却が容易に行える。このため、強励起による発光が可能であり、大きな出力で安定した光が得られる。また、励起手段として他の光源を必要とせず、直接に必要な光を発光することができる。更に、出力される光が可視光であるから、取り扱い性が容易である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づき、本発明の実施形態について説明する。尚、各図において同一要素には同一符号を付して説明を省略する。また、図面の寸法比率は説明のものと必ずしも一致していない。
【００１３】
（第一実施形態）
図１に本実施形態に係る光源の概略図を示す。図２に光源の結晶体の説明図を示す。
【００１４】
図１に示すように、光源１は、レーザ発振器に適用したものであり、レーザ媒質となる結晶体２を備えている。また、光源１には、共振器３が設けられている。共振器３は、結晶体２から出射される光を往復させるものであり、二つのミラー３１、３２により構成されている。ミラー３１、３２は、結晶体２を挟むように対向して配置されている。ミラー３１、３２には、互いに対向する面に反射面を有している。
【００１５】
ミラー３１の反射面は、ミラー３２の反射面より反射率の高いものとされ、高反射ミラーとして機能する。一方、ミラー３２は、ミラー３１、３２の反射面の間で往復して増幅されたレーザ光を出力する出力ミラーとして機能する。
【００１６】
また、光源１には、励起手段として定電流電源４が設けられている。定電流電源４は、結晶体２に所定の電流を供給し結晶体２を励起状態とするものである。
【００１７】
図２に示すように、結晶体２は、チタンをドープしたＬａＡｌＯ3結晶を主材料とするｐ型結晶２１とチタンをドープしたＬａＡｌＯ3結晶を主材料とするｎ型結晶２２とを結合させた結合構造を有している。ｐ型結晶２１及びｎ型結晶２２のチタンの添加濃度としては、例えば、０．５モル％以下とするのが望ましい。
【００１８】
ｐ型結晶２１は、例えば、チタンをドープしたＬａＡｌＯ3結晶にさらにストロンチウム（Ｓｒ）、イットリウム（Ｙ）、ルビジウム（Ｒｂ）、スカンジウム（Ｓｃ）、ネオジム（Ｎｄ）、セリウム（Ｃｅ）、ガリウム（Ｇａ）、チタン（Ｔｉ）、スズ（Ｓｎ）、バリウム（Ｂａ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ビスマス（Ｂｉ）、タンタル（Ｔａ）の元素のうち一又は二以上を添加してｐ型の結晶とされる。
【００１９】
また、ｎ型結晶２２は、例えば、チタンをドープしたＬａＡｌＯ3結晶にさらにストロンチウム（Ｓｒ）、イットリウム（Ｙ）、ルビジウム（Ｒｂ）、スカンジウム（Ｓｃ）、ネオジム（Ｎｄ）、セリウム（Ｃｅ）、ガリウム（Ｇａ）、チタン（Ｔｉ）、スズ（Ｓｎ）、バリウム（Ｂａ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ビスマス（Ｂｉ）、タンタル（Ｔａ）の元素のうち一又は二以上を添加してｎ型の結晶とされる。
【００２０】
結晶体２の製造方法は、例えば、シリコン又はガリウム・ヒ素などの半導体ウェハを基板として、その基板上にｐ型結晶２１、ｎ型結晶２２をエピタキシャル成長、レーザアブレーション又はＣＶＤ法などの単結晶薄膜成長法を用いて接合して行われる。
【００２１】
次に、光源１の動作について説明する。
【００２２】
定電流電源４により結晶体２に所定の電圧を印加して電流を供給すると、図２に示すように、ｐ型結晶２１に正孔が注入され、ｎ型結晶２２に電子が注入される。ｐ型結晶２１の正孔及びｎ型結晶２２の電子は、それぞれｐ型結晶２１とｎ型結晶２２の接合部分に向けて流れて結合する。
【００２３】
このような電流の供給により、結晶体２が励起状態となり、自然放出光６が派生する。この自然放出光６は、結晶体２内で誘導放出を引き起こして誘導放出光と共に進行し、ミラー３１、３２の間を繰り返し往復し増幅されていく。そして、増幅された光は出力光７としてミラー３２から出力されていく。
【００２４】
出力光７を出力する際に、結晶体２は発熱する。しかし、結晶体２はＬａＡｌＯ3結晶を主材料としたものであり熱伝導性に優れるため、結晶体２の冷却を効率良く行え、その結晶体２の冷却を容易に行うことができる。従って、定電流電源４からの電流の供給量を大きくして強励起とし、出力光７の出力を大きなものとすることができる。
【００２５】
また、出力光７は、波長が５００〜６５０ｎｍ程度の可視領域の光として出力される。このため、レーザーショウなどのエンターテイメント用の光源として用いることができる。また、ヘマトポリフェリン誘導体を用いたガン治療装置などにも用いることができる。
【００２６】
また、可視領域の光が出力されるため、出力の有無が肉眼で確認でき、その取り扱いが容易なものとなる。このため、不慮な事故の防止が図れる。更に、光源１は、色素レーザのように大きな冷却装置が不要であるため、小型化が図れる。
【００２７】
図３にチタンをドープしたＬａＡｌＯ3結晶を用いた光源の発光スペクトルを示す。
【００２８】
図３中の各発光スペクトルは、アルゴンレーザから出力される紫外光を励起光としてチタンをドープしたＬａＡｌＯ3結晶に入射させた場合の発光スペクトルである。図３中の実線は、ＬａＡｌＯ3結晶を成長させた後、そのままの状態のものを用いて発光させた場合の発光スペクトルである。また、図３中の破線は、ＬａＡｌＯ3結晶を成長させた後、水素で還元処理をしたものを用いて発光させた場合の発光スペクトルである。
【００２９】
これらの発光スペクトルによれば、バンド幅が少なくとも７０ｎｍ以上であり大きなバンド幅を有している。このため、このようなバンド幅を有する光をモード同期させることにより、１０フェムト秒程度の極短いパルス幅の光を得ることが可能となる。
【００３０】
以上のように、本実施形態に係る光源１によれば、励起光源が不要であり、電流の供給により直接に所望の光を得ることができる。このため、光源の小型化が図れる。
【００３１】
また、波長が５００〜６５０ｎｍ程度の可視領域の光を得ることができる。このため、レーザーショウなどのエンターテイメント用の光源、ヘマトポリフェリン誘導体を用いたガン治療装置における光源などとして用いれば有用である。また、可視領域の光を発光できるため、従来の色素レーザなどの色素光源の代替えとして用いることできる。
【００３２】
結晶体２が熱伝導性に優れるため、結晶体２の冷却が効率良く行え、その結晶体２の冷却を容易に行うことができる。従って、定電流電源４の電流供給量を増やして強励起とし、出力光７の出力を大きなものとすることができる。
【００３３】
更に、可視領域の光が出力されるため、出力の有無が肉眼で確認でき、その取り扱いが容易である。このため、不慮の事故を未然に防ぐことができる。
【００３４】
（第二実施形態）
図４に本実施形態に係る光源１ａを示す。
【００３５】
図４に示すように、光源１ａには、第一実施形態に係る光源１にモード同期構造体８を付加したものである。モード同期構造体８は、同時に発振している多数の縦モードの位相を同期させるものであり、共振器３のミラー３１とミラー３２の間に配置される。このモード同期構造体８としては、例えば、可飽和吸収体、結晶の非線形効果を用いたカー・レンズ・モード同期のためのスリットを有するもの又は分散を補正するプリズムなどが用いられる。
【００３６】
このような光源１ａによれば、第一実施形態に係る光源１と同様な作用効果が得られると共に、それに加え、モード同期を行うことにより１０フェムト秒程度の極短いパルス幅の光を得ることが可能となる。
【００３７】
（第三実施形態）
図５に本実施形態に係る光源の説明図を示す。
【００３８】
第一実施形態及び第二実施形態に係る光源にあっては、二つのミラー３１、３２からなる共振器３を有するものであったが、その他の構造を有するものであってもよい。すなわち、本実施形態に係る光源は、結晶体２の相対向する壁面２３、２４をそれぞれ反射面として共振器を構成するものである。
【００３９】
壁面２３、２４は、反射コーティングにより高い反射率を有する反射面となっている。壁面２３は、壁面２４より反射率の高いものとされ、高反射ミラーとして機能する。一方、壁面２４は、壁面２３、２４の間で往復して増幅されたレーザ光７を出力する出力ミラーとして機能する。
【００４０】
このような光源であっても、第一実施形態に係る光源１と同様な作用効果が得られると共に、それに加え、結晶体２と別個に共振器を設ける必要がなく、光源を小型なものとすることができる。
【００４１】
（第四実施形態）
第一実施形態から第三実施形態までに係る光源はレーザ発振器に適用した場合について説明したが、本発明に係る光源はそのようなものに限られるものではない。例えば、共振器３を設けず、結晶体２を発光媒質として励起手段により励起して可視領域の光を発光するものであってもよい。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、次のような効果が得られる。
【００４３】
すなわち、チタンをドープしたＬａＡｌＯ3結晶を主材料とするｐ型結晶及びｎ型結晶を発光媒質として用いることにより、安定した可視領域の光を得ることができる。
【００４４】
また、バンド幅の広い発光スペクトルの光が得られ、モード同期により極短いパルス幅の光を得ることが可能である。
【００４５】
また、発光媒質が熱伝導性に優れるため、冷却が容易に行える。このため、強励起による発光が可能であり、大きな出力で安定した光が得られる。
【００４６】
また、大型の冷却装置が不要であり、励起手段として他の光源を必要とせず直接に光を発光することができる。このため、光源全体を小型化することができる。
【００４７】
更に、出力の有無が肉眼で容易に確認できるため、その取り扱いが容易であり、不慮の事故を未然に防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第一実施形態に係る光源の説明図である。
【図２】光源の励起手段の説明図である。
【図３】光源の発光スペクトルの説明図である。
【図４】第二実施形態に係る光源の説明図である。
【図５】第三実施形態に係る光源の説明図である。
【符号の説明】
１…光源、２…結晶体（発光媒質）、２１…ｐ型結晶、２２…ｎ型結晶、３…共振器、４…定電流電源（励起手段）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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