(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
可視波長領域の光を透過する基板と、波長変換層を含む干渉フィルターと、吸収型の短波長カットフィルターとを積層構造とすることにより構成され、前記基板に対して外部から照射入力される励起光を受けて、前記短波長カットフィルターの側より、該励起光の波長よりも長波長の光を外部に出力し、
前記干渉フィルターは、前記基板に隣接して積層される入力ミラーと、前記短波長カットフィルターに隣接して積層される出力ミラーと、前記入力ミラーと出力ミラーとの間に挿入されてサンドイッチ構造として積層される波長変換層とにより形成され、
前記波長変換層は、ポーラスシリコン、シリコン超微粒子またはシリコン系多層膜（Si/SiO2 ）のうちの何れか一つのSi系発光素子でなり、
前記出力ミラーは、前記励起光を極力反射することにより、前記励起光を透過させない透過特性を有する
ことを特徴とする波長変換素子。
【請求項２】
前記励起光がレーザー光または紫外線の何れか一つであることを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は波長変換素子に関し、特にレーザー等の励起光の入射を受けて、該励起光の波長を変換して長波長の単色光を発光出力する可視領域の波長変換素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の波長変換素子の例としては、半導体素子に対して、禁制帯幅よりもエネルギーの高い光（波長の短い光）を照射することにより、前記禁制帯幅に依存していた光を発生するもの、即ちフォトルミネッセンス発光を用いるものであり、一般に、半導体素子の物性評価手法などにおいて利用されている。しかしながら、この従来例においては、発光強度が弱いために、上記の半導体素子の評価用としての利用以外には余り用いられていない。
【０００３】
また、可視領域において、フォトルミネッセンス発光を生成する材料としては、SiＣ、GaＮおよびGaＰなどの半導体結晶があり、これらの材料を用いた波長変換素子の断面図が図７に示される。図７においては、波長変換素子８を形成する波長変換層３が、上記の何れかの半導体結晶により形成されており、レーザーなどの励起光６の入射を受けて、該波長変換層３からは、出力光７がフォトルミネッセンス発光として出力される。この波長変換素子８においては、何れの半導体結晶を用いる場合においても、出力光７の発光波長の単色性の点において良好ではあるが、各波長に対応して材料の選択を行うことが必要となり、これにより、該発光波長に対する選択性に関しては制約があり自由度に欠ける。また、波長変換素子８の波長変換層３として、ポーラスシリコン、シリコン超微粒子およびシリコン系多層膜(Si/SiO2）などのSi系発光材料を用いる場合には、これらの発光材料は、可視領域においてフォトルミネッセンス発光するという特性を有しており、この内、ポーラスシリコンまたはシリコン超微粒子を用いる場合には、その粒径を変えることにより発光波長を変化させることが可能であり、またシリコン系多層膜を用いる場合には、多層膜の膜厚を変えることにより、発光波長を変化させることができる。しかしながら、これらのSi系の発光材料においては、波長変換層３からの出力光７の発光スペクトルが広く拡散して単色性に乏しく、その上に発光効率が低いために、発光素子としての実用性に欠けるという問題が介在している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の波長変換素子においては、図７に示されるように、波長変換層３のみによる単純な構造により形成されており、波長変換層３を形成する発光材料の特性に関連して、該発光材料として、半導体結晶を用いる場合には、前述のように発光波長の選択性に制約があり、またSi系発光材料を用いる場合には、出力光の単色性に欠けるとともに、発光効率が低く実用に適応し難いという欠点がある。
【０００５】
本発明の目的は、上記の欠点を除去し、発光強度の増大を図り、出力光の単色性を向上させるとともに、発光波長の選択性の自由度をも向上させることのできる波長変換素子を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の波長変換素子は、
可視波長領域の光を透過する基板と、波長変換層を含む干渉フィルターと、吸収型の短波長カットフィルターとを積層構造とすることにより構成され、前記基板に対して外部から照射入力される励起光を受けて、前記短波長カットフィルターの側より、該励起光の波長よりも長波長の光を外部に出力し、
前記干渉フィルターは、前記基板に隣接して積層される入力ミラーと、前記短波長カットフィルターに隣接して積層される出力ミラーと、前記入力ミラーと出力ミラーとの間に挿入されてサンドイッチ構造として積層される波長変換層とにより形成され、
前記波長変換層は、ポーラスシリコン、シリコン超微粒子またはシリコン系多層膜（Si/SiO2 ）のうちの何れか一つのSi系発光素子でなり、
前記出力ミラーは、前記励起光を極力反射することにより、前記励起光を透過させない透過特性を有する
ことを特徴とする。
【０００７】
また、前記励起光としてはレーザー光または紫外線の何れか一つを用いてもよい。
【０００８】
【作用】
上記の構成によれば、波長変換素子に対して、基板の側より励起光が照射されると、波長変換層をサンドイッチしている干渉フィルターを含む共振器構造により励起光密度が増大され、波長変換素子の発光効率が高められる。更に、波長変換層がSi系発光材料により形成されるために、発光波長の選択性の自由度が得られるとともに、スペクトル幅の広いフォトルミネッセンス光が得られるために、干渉フィルターにより出力光の単色化特性を改善することができる。その際に干渉フィルターから漏れて出力される短波長光は、短波長カットフィルター５によりカットされて、出力光の波長純度が高められる。即ち、波長変換素子の出力光強度が増大され、且つ発光波長の選択性についての自由度が得られるとともに、出力光の単色化の改善を図ることが可能となり、従来の問題点に対する顕著な改善効果が実現される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明について図面を参照して説明する。
【００１０】
本発明の実施形態は、可視波長領域の光を透過する基板と、該基板に隣接して積層される入力ミラーと、該入力ミラーに隣接して積層される波長変換層と、該波長変換層に隣接して積層され、前記入力ミラーとともに干渉フィルターを形成する出力ミラーと、該出力ミラーに隣接して積層される短波長カットフィルターとを積層構造とすることにより構成され、前記基板に対して外部から照射入力される励起光を受けて、前記短波長カットフィルターの側からは、該励起光の波長よりも長波長の出力光が出力される。以下においては、本実施形態の一実施例について説明するものとする。
【００１１】
図１は本実施形態の１実施例の構成を示す断面図である。図１に示されるように、本実施例の波長変換素子８は、基板１の上面に対応して、該基板１と、入力ミラー２と、Si系発光材料により形成される波長変換層３と、出力ミラー４と、短波長カットフィルター５とが積層化されて構成されている。以下においては、４８８ｎｍの波長のＡr イオンレーザーを励起光として用い、７５０ｎｍの波長の出力光が得られる場合において、本実施例の波長変換素子としての動作について説明する。
【００１２】
本実施例において、基板１は、石英ガラス基板として形成されており、入力ミラー２は、Ta2O5 とSiO2の多層膜より成り、図２に示されるような透過特性を有しており、４８８ｎｍの波長の励起光６を５０％透過させ、７５０ｎｍの波長の光を約１００％反射させる特性を持ったミラーである。また出力ミラー４は、図３に示されるような透過特性を有しており、４８８ｎｍの波長の光を約１００％反射させ、７５０ｎｍ近傍の波長の光を１００％程度透過させるとともに、８００ｎｍから９５０ｎｍの波長の光を可能な限り反射させる特性を持ったミラーである。そして、波長変換層３は、図４に示されるようなフォトルミネッセンス発光特性（出力光強度特性）を有するSi系発光材料により形成されており、ポーラスシリコン、シリコン微粒子またはシリコン系多層膜等の何れかの素材が用いられている。また、短波長カットフィルター５の透過特性は図５に示されるとうりである。
【００１３】
図１において、基板１の背後から、Ａr イオンレーザーによる波長４８８ｎｍの励起光６が入射されると、該励起光６の５０％の光は入力ミラー２を透過して波長変換層３に入り、該透過光により波長変換層３においてフォトルミネッセンス光が発生される。この波長変換層３を透過した励起光６は、出力ミラー４により反射されて波長変換層３に戻り、前記フォトルミネッセンス発光に対して寄与するように作用する。この段階において波長変換層３を透過した励起光６は、入力ミラー２において５０％反射されて再度波長変換層３に戻る。以下、同様の励起光６の反射過程において、波長変換層３において吸収され得ない励起光６は、入力ミラー２と出力ミラー４の相互の間において、波長変換層３を介して繰返しミラー反射され、これにより波長変換層３におけるルミネッセンス発光のレベルがより一層助長されて、波長変換素子８の波長変換効率が向上される。
【００１４】
また、波長変換層３において発生して基板１の背面方向に向うフォトルミネッセンス発光は、入力ミラー２において、７５０ｎｍ近傍の必要とする波長成分の光が出力方向に向って反射され、該反射光と波長変換層３において発生したフォトルミネッセンス光の内、長波長側の光は出力ミラー４において反射されて波長変換層３に戻り、７５０ｎｍ近傍の波長の光は出力ミラー４を透過し、短波長カットフィルター５を介して出力光７として外部に出力される。なお、その際に、必要な光成分以外の短波長光も出力ミラー４を透過するが、該短波長光は短波長カットフィルター５においてカットされ、外部に出力されることはない。また、波長変換層３を透過して出力方向に向い、出力ミラー４に入射される励起光６が、極力出力ミラー４において反射され、出力ミラー４を透過しないようにする透過特性が、出力ミラー４に求められる。これは、短波長カットフィルター５が吸収型のフィルターであるために、励起光６の照射入力を受けると蛍光が発生し、出力光７の単色性が損われるのを防止するためである。また、出力ミラー４の透過特性としては、更に波長変換層３において発生するルミネッセンス発光の長波長側の光成分をも十分にカットすることができる特性とすることも必要である。
【００１５】
このように波長変換素子８を構成することにより、本実施例においては、図６に示されるような出力光強度特性を実現することができる。また、入力ミラー２、出力ミラー４または波長変換層３などの、それぞれの固有の特性を変えることにより、出力光７の波長を種々に変えることが可能であり、且つそれぞれの波長に対応する単色性の良い可視領域における光出力を得ることができる。
【００１６】
図１の本実施例の構成によれば、波長変換素子８に対して、基板１の側より励起光６が照射されると、波長変換層３をサンドイッチしている干渉フィルターを含む共振器構造により励起光密度が増大され、波長変換素子８の発光効率が高められる。更に、波長変換層３がSi系発光材料により形成されるために、発光波長の選択性の自由度が得られるとともに、スペクトル幅の広いフォトルミネッセンス光が得られるために、前記干渉フィルターにより出力光７の単色化特性を改善することが可能となる。なお、その際に該干渉フィルターから漏れて出力される短波長光に対しては、短波長カットフィルター５が設けられているために、これにより該短波長光がカットされて、出力光７の波長純度を更に高めることができる。また、出力光７として得られるフォトルミネッセンス光は、本来スペクトル幅が広い光であるために、前記干渉フィルターの反射波長または透過波長、或はその双方を変えることにより、出力光７の波長を容易に選択することができる。即ち、本発明の実施形態においては、波長変換素子８の出力光７の発光強度の増大、単色化の改善および発光波長の選択性の自由度等を含めて、これらの全ての点について顕著な改善効果が実現される。
【００１７】
なお、上記の実施例においては、励起光としてＡｒイオンレーザーによる波長４８８ｎｍの励起光を用いている例について説明しているが、本発明は、当該励起光に限定されるものではなく、他の波長帯のレーザーによる励起光に対しても適用可能であり、且つまた紫外線等を励起光として用いる場合においても有効に適用できることは云うまでもない。
【００１８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、可視波長領域の光を透過する基板と、波長変換層を含む干渉フィルターと、短波長カットフィルターとを積層して波長変換素子として構成することにより、該基板に対して入射される励起光を受けて、波長変換されて出力される出力光の強度の増大を図り、且つ発光波長の選択性についての自由度を得ることが可能になるとともに、該出力光の単色化を改善することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す断面図である。
【図２】前記一実施例を構成する入力ミラーの透過特性を示す図である。
【図３】前記一実施例を構成する出力ミラーの透過特性を示す図である。
【図４】前記一実施例を構成する波長変換層の発光特性（出力光強度特性）を示す図である。
【図５】前記一実施例を構成する短波長カットフィルターの透過特性を示す図である。
【図６】前記一実施例の出力光強度特性を示す図である。
【図７】従来例を示す断面図である。
【符号の説明】
１    基板
２    入力ミラー
３    波長変換層
４    出力ミラー
５    短波長カットフィルター
６    励起光
７    出力光
８    波長変換素子
【図１】
0003969866.tif 000002
【図２】
0003969866.tif 000003
【図３】
0003969866.tif 000004
【図４】
0003969866.tif 000005
【図５】
0003969866.tif 000006
【図６】
0003969866.tif 000007
【図７】
0003969866.tif 000008