(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学的パラメトリック発振器非線形材料と、
該非線形材料の両側部に配置されるとともに、光学的パラメトリック発振器キャビティを形成する２つのミラーと、
前記光学的パラメトリック発振器キャビティをポンピングするためのレーザービームを発生するための受動的スイッチ型マイクロレーザーとを具備し、
前記光学的パラメトリック発振器キャビティを形成する前記２つのミラーは、前記光学的パラメトリック発振器非線形材料上に直接的に成膜され、
前記マイクロレーザーのキャビティは、入力ミラーおよび出力ミラーを備え、
該出力ミラーは、また、前記光学的パラメトリック発振器キャビティの入力ミラーを構成していることを特徴とする光学的パラメトリック発振器。
【請求項２】
前記光学的パラメトリック発振器キャビティの前記入力ミラーは、前記マイクロレーザーにより放出される波長に対しては透明であり、前記光学的パラメトリック発振器非線形材料は、前記光学的パラメトリック発振器キャビティを形成する前記２つのミラーの間に配置されていることを特徴とする請求項１記載の光学的パラメトリック発振器。
【請求項３】
前記光学的パラメトリック発振器キャビティの前記複数のミラーの反射率は、ダブル共振キャビティまたはトリプル共振キャビティを形成するよう調整されていることを特徴とする請求項１記載の光学的パラメトリック発振器。
【請求項４】
前記光学的パラメトリック発振器キャビティは、安定化されていることを特徴とする請求項１記載の光学的パラメトリック発振器。
【請求項５】
前記マイクロレーザーキャビティは、固体活性媒質、および、可飽和吸収体を有し、
該可飽和吸収体は、前記固体活性媒質上に直接的に成膜された可飽和吸収体材料からなる薄膜の形態とされていることを特徴とする請求項１記載の光学的パラメトリック発振器。
【請求項６】
前記フィルムは、ポリマー溶媒中に溶解された有機色素により形成されていることを特徴とする請求項５記載の光学的パラメトリック発振器。
【請求項７】
前記有機色素は、ビス（４−ジエチルアミノジチオベンジル）ニッケル、または、ビス（４−ジメチルアミノジチオベンジル）ニッケルの中から選択され、前記溶媒は、ポリメチルメタクリレート、ポリビニルアルコール、ポリビニルアセテート、あるいは、ポリスチレンの溶液であることを特徴とする請求項６記載の光学的パラメトリック発振器。
【請求項８】
前記フィルムは、液相エピタキシーにより成膜可能であることを特徴とする請求項５記載の光学的パラメトリック発振器。
【請求項９】
前記フィルムは、前記固体活性媒質の基本材料と同一の基本材料から形成され、Ｃｒ４＋あるいはＥｒ３＋イオンでドーピングされていることを特徴とする請求項８記載の光学的パラメトリック発振器。
【請求項１０】
光学的パラメトリック発振器非線形材料と、
該非線形材料の両側部に配置されるとともに、光学的パラメトリック発振器キャビティを形成する２つのミラーと、
前記光学的パラメトリック発振器キャビティをポンピングするためのレーザービームを発生するための能動的スイッチ型マイクロレーザーとを具備し、
前記光学的パラメトリック発振器キャビティを形成する前記２つのミラーは、前記光学的パラメトリック発振器非線形材料上に直接的に成膜され、
前記マイクロレーザーのキャビティは、入力ミラーおよび出力ミラーを備え、
該出力ミラーは、また、前記光学的パラメトリック発振器キャビティの入力ミラーを構成していることを特徴とする光学的パラメトリック発振器。
【請求項１１】
前記レーザー活性媒質は、入力ミラーと中間ミラーとの間に第１共振キャビティを形成し、第２材料は、前記中間ミラーと出力ミラーとの間に第２共振キャビティを形成し、前記第２材料の光学的インデックスは、外部擾乱により変調可能であり、レーザービームサイズ縮小手段が、前記第１共振キャビティの入力部分に配置され、前記２つのキャビティおよび前記レーザービームサイズ縮小手段の集合体は、一体化されていることを特徴とする請求項１０記載の光学的パラメトリック発振器。
【請求項１２】
前記縮小手段は、前記マイクロレーザーのポンピングビームが通過することを意図された前記活性レーザー媒質の面上にマイクロミラーを備えて作製された凹面ミラーにより構成されていることを特徴とする請求項１１記載の光学的パラメトリック発振器。
【請求項１３】
前記出力ミラーは、前記第２材料の出力面上にマイクロミラーを備えて作製された凹面ミラーであることを特徴とする請求項１１または１２記載の光学的パラメトリック発振器。
【請求項１４】
前記活性レーザー媒質、および、２つのミラーは、Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティを形成し、該キャビティは、光学的安定限界にあり、前記キャビティを光学的に不安定な状態から光学的に安定な状態へと移行させるために、前記キャビティの光学長さを変化させる手段が設けられていることを特徴とする請求項１１記載の光学的パラメトリック発振器。
【請求項１５】
前記キャビティは、半球状、共焦、同中心、あるいは、球状キャビティであることを特徴とする請求項１４記載の光学的パラメトリック発振器。
【請求項１６】
前記キャビティは、第２の光学長さ可変材料を有していることを特徴とする請求項１４または１５記載の光学的パラメトリック発振器。
【請求項１７】
前記キャビティの光学長さを変化させる前記手段は、前記第２材料の前記長さを変化させるための手段を備えていることを特徴とする請求項１６記載の光学的パラメトリック発振器。
【請求項１８】
前記材料は、前記活性レーザー媒質、および、異なる光学的インデックスを有する前記第２材料から構成され、前記キャビティの光学長さを変化させる前記手段は、前記第２材料の光学的インデックスを変化させる手段を備えていることを特徴とする請求項１６記載の光学的パラメトリック発振器。
【請求項１９】
前記第２材料は、電気光学材料であることを特徴とする請求項１６または１８記載の光学的パラメトリック発振器。
【請求項２０】
前記光学的パラメトリック発振器の発光波長を変化させる手段が設けられていることを特徴とする請求項１ないし１９のいずれかに記載の光学的パラメトリック発振器。
【請求項２１】
前記波長は、前記光学的パラメトリック発振器結晶の温度を変化させることにより調整されることを特徴とする請求項２０記載の光学的パラメトリック発振器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学的パラメトリック発振器の分野に関するものである。
【０００２】
光学的パラメトリック発振器（ＯＰＯ）は、高パワー、レーザーポンピングビーム、および非線形結晶の相互作用をもたらすことにより、レーザーの波長よりも、より長い波長の放射を生成することができ、その時間および空間特性は、ポンピングビームの時間および空間特性に近いものである。結晶の回転あるいは温度変化のいずれかによって、非線形結晶相のマッチング条件を変調することにより、放出される放射波長を非常に幅広い範囲にわたって連続的に変化させることができる。よって、今までは、従来のレーザーによってはアクセスできなかった波長領域に到達することが可能である。
【０００３】
さらに詳細には、可変波長放射を生成するプロセスは、高い光学的パワー密度に関するある種の材料において現れる非線形現象に基づいている。周波数がｖp であるポンピングフォトンは、２つのフォトンに崩壊する。この２つのフォトンのうち、周波数がｖs であって周波数の高い方のフォトンは、”信号”フォトンと称される。一方、周波数がｖi であって周波数の低い方のフォトンは、”相補的”フォトン（”complimentary” photon）あるいはアイドラー（idler） と称される。エネルギー保存のために、ｖs＋ｖi＝ｖp の関係が成立している。
【０００４】
ＯＰＯを得るために、最も広く使用されている手段は、キャビティ内に非線形材料を配置することである。信号フォトンあるいはアイドラーに対して共振キャビティである場合には、それは、共振すると言われる。ポンピングパワーがあるしきい値を超えると、ゲインが損失を超え、”信号”フォトンがキャビティにより放出される。
【０００５】
ＯＰＯの動作しきい値を下げるために、ダブル共振キャビティあるいはトリプル共振キャビティ（信号、および、アイドラー、および／または、ポンピングに対して共振するキャビティ）内に非線形材料を配置することができる。その場合、しきい値は、ずっと低いものであり、ＯＰＯを連続的に動作させることができる。しかしながら、そのようなキャビティの構築およびモードの安定化は、困難を引き起こし、また、コスト的に技術課題をもたらす。
【０００６】
ＯＰＯは、レーザー遠隔計測、環境、科学的および医学的器具、等のような分野において、応用を有している。これらの応用においては、たいていの場合、高ピーク出力パワーを備えたパルスモードにおけるＯＰＯの動作が必要とされる。
【０００７】
【従来の技術】
ＯＰＯは、連続的に、あるいは、パルス式に動作することができる。
【０００８】
連続動作の場合には、非線形材料は、共振キャビティ中に配置され、ポンピングフォトンを、より長い波長のフォトンへと変換する。良好な変換効率を得るためには、高パワーレベルを有することが必要である。これは、単純さを欠く面はあるものの、非線形材料のパワー密度を増加させ得るダブル共振キャビティあるいはトリプル共振キャビティを利用して連続的に行うことができる。
【０００９】
パルス式動作の場合には、非線形材料は、短い持続時間のパルスを放出しかつ高ピークパワーであるレーザーによりポンピングされる。変換効率は、結果的に連続動作の場合よりもずっと高くなり、ただ１つの共振キャビティという単純な構成を使用することができる。
【００１０】
パルス式動作を伴うＯＰＯの例は、Journal of Optical Society of America, B, vol.11, No.5, pp758-769, 1994 における J.A.C.Terry氏他による”Low   threshold operation of an all-solid-state KTP optical parametric oscil- lator” という文献中に記載されている。
【００１１】
この文献中においては、スイッチ型レーザーによりポンピングされるシングル共振ＯＰＯの動作が記載されている。非線形材料は、２０ｍｍ長さのＫＴＰ結晶である。ポンピングは、１．０４７μｍの波長で１８ｎｓの幅のパルスを供給するＹＬＦ：Ｎｄスイッチ型レーザーにより行われる。
【００１２】
ある構成においては、ＯＰＯの動作しきい値は、２３０μｍのポンピングビーム半径において０．７ｍＪである。すなわち、非線形材料中のパワー密度は、２３ＭＷ／ｃｍ2 である。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上記文献中において記載されているＯＰＯのパワー密度のしきい値は、比較的小さいけれども、エネルギーのしきい値は、長いパルス持続時間（１８ｎｓ）および大きなビーム半径（２３０μｍ）のために比較的大きなものである。そのようなエネルギーを供給するポンピングレーザーは、コストがかさむものであり、また、大きな寸法を有するものである。しかも、ＯＰＯは、一体式ではなく、連続的に動作させるためには位相の制御およびマッチングが必要となる。よって、信頼性を欠くものである。最後に、そのような構造は、低コストである大量生産には不向きである。
【００１４】
一般的に言えば、現存のＯＰＯは、とりわけ高パワーポンピングレーザーの存在のために、高価であり、寸法の大きなデバイスである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、スイッチ型レーザーによりポンピングされる光学的パラメトリック発振器であって、この場合、スイッチ型レーザーは、ＯＰＯの動作しきい値を低減し得ることにより、また、ＯＰＯの全体寸法を低減し得ることにより、公知のデバイスを改善し得るものである。
【００１６】
ＯＰＯ寸法の低減は、非線形結晶の長さの低減につながることになり、このことは、非線形結晶における変換効率の低下を意味する。また、ＯＰＯの動作しきい値の低減は、より小さなポンピングエネルギーでの非線形結晶のポンピングにつながる。
【００１７】
ＯＰＯの出力信号は、ポンピングエネルギーによる変換効率の積に比例する。したがって、上記２つの課題を解決することを望むことは、不適当となる。なぜなら、それらを同時に解決することは、ＯＰＯの出力信号強度のかなりの低下につながるからである。しかしながら、本発明においては、このような二重の課題を解決し得る手段を提案する。
【００１８】
この目標に対して、本発明は、光学的パラメトリック発振器非線形材料と；非線形材料の両側部に配置されるとともに、キャビティを形成する２つのミラーと；キャビティをポンピングするためのレーザービームを発生するためのスイッチ型マイクロレーザーとを具備することを特徴とする光学的パラメトリック発振器に関するものである。
【００１９】
固体マイクロレーザー（あるいは、レーザーチップ）は、ダイオードによりポンピングされるものであり、また、コンパクトなものである（数ｃｍ3 ）。異なるドーパントでドーピングされた異なるレーザー媒質のポンピングに使用されるパワーを備えたIII−Vレーザーダイオードの開発により、１〜２ミクロンの間のかなり幅広い波長領域にわたってマイクロレーザーを得ることができる。
【００２０】
マイクロレーザーは、多層積層構造を有している。活性レーザー媒質は、１５０〜１０００ミクロンの限られた厚さ、および、数ｍｍ2 の小さな寸法の材料から構成される。そして、活性レーザー媒質上には、キャビティ誘電性ミラーが直接的に成膜される。
【００２１】
スイッチ型マイクロレーザーの限られたキャビティ長さのために、スイッチ型マイクロレーザーのパルス幅は短い（典型的には、１ｎｓより短く、最大でも数ｎｓ）。同様に、ビームの寸法も小さい。これにより、高いポンピングパワー密度（とりわけ、上記文献中の値と同等、あるいは、超える）を得ることができる。一方、パルスエネルギーは小さい。したがって、エネルギーのしきい値が低減される。しかも、小さな断面積のビーム内に高パワー密度を有していることにより、ＯＰＯのサイズを低減することができる。
【００２２】
上記二重の課題を解決するための手段は、したがって、ポンピング源として、スイッチ型マイクロレーザーを選択することである。
【００２３】
例えば、パルス幅が７５０ｐｓで５μＪのパルスを放出するマイクロレーザーであってビーム半径が６５μｍ（これらの数値は、現時点での典型的な数値である）の場合には、マイクロレーザー出力のパワー密度は、５０ＭＷ／ｃｍ2 であり、この値は、Terry 氏他による上記文献中におけるＯＰＯのしきい値（２３ＭＷ／ｃｍ2 ）を超えるものである。この場合、ＯＰＯ非線形材料のサイズは、数ｍｍ、例えば約５ｍｍにまで低減することができる。これは、上記文献中におけるＯＰＯのサイズ（２０ｍｍ）と比較して、全体寸法が４分の１に低減され、かなりの低減である。より大きなエネルギーのパルス（５０μＪまで）を放出するマイクロレーザーを使用することにより、ＯＰＯの非線形材料のサイズをさらに低減することができる。
【００２４】
システムのコンパクトさは、ＯＰＯキャビティを形成するミラーがＯＰＯ非線形材料上に直接的に成膜されれば、向上することになる。
【００２５】
マイクロレーザーのキャビティが、入力ミラーおよび出力ミラーを備え、この出力ミラーが、またＯＰＯキャビティの入力ミラーを形成しているような状況で、マイクロレーザーを備える光学的パラメトリック発振器を得ることもまた可能である。
【００２６】
これは、マイクロエレクトロニクスにおける方法を使用した大量生産に適合するコンパクトかつ一体型デバイスをもたらす。
【００２７】
他の実施形態においては、ＯＰＯキャビティの入力ミラーは、マイクロレーザーにより放出される波長に対しては透明であることができ、ＯＰＯ結晶は、マイクロレーザーキャビティ内に配置される。この場合には、ＯＰＯキャビティの入力エネルギー密度（ポンピングエネルギー）は、また高くなる。
【００２８】
ダブル共振型のＯＰＯキャビティが得られれば、ＯＰＯの動作しきい値は、さらに低減される。
【００２９】
マイクロレーザーおよび／または非線形材料の面上に凹面ミラーを形成して安定なキャビティを作ることもまた可能である。安定化されたキャビティは、より小さなしきい値、および、より良好な効率を有している。非線形材料中におけるレーザービームのサイズを調節することも、また可能である。
【００３０】
本発明のある実施形態においては、マイクロレーザーキャビティは、可飽和吸収体（saturable absorber）により受動的にスイッチングされる。
【００３１】
本発明の他の形態は、マイクロレーザーキャビティ内における可飽和吸収体および活性媒質の相対配置に関するものである。
【００３２】
この実施形態においては、可飽和吸収体は、マイクロレーザーキャビティの活性媒質上に薄膜の形態で直接的に成膜されることができる。
【００３３】
この実施形態における主な利点の１つは、スイッチング形式とされたマイクロレーザーキャビティ（あるいは、マイクロオプティクスと関連するマイクロレーザーを構成するレーザーマイクロシステム）の構造であって、この構造は、フィルムまたは層の積み重ねから構成され、低コスト大量生産の可能性を維持し得るものである。この多層構造は、単純であり、低コストであり、また、連続型マイクロレーザーのために開発されてきたようなマイクロレーザーの大量生産プロセスが適用できないわけではない。そして、極めて容易に作製でき、自己軸合わせ型であり（光学系のセッティングが不要）、一体式であり、受動的にスイッチングされるマイクロレーザーを作製することができる。この構造は、接着あるいは固着操作が不要であって（可飽和吸収体を他のマイクロレーザーキャビティエレメントに結合させるという手段においては必要となる）、また、複雑な軸合わせ操作も不要である（可飽和吸収体を、マイクロレーザーキャビティの他のエレメントには一切接触させないという手段においては必要となる）。
【００３４】
”共ドーピング型”レーザー（同一の媒質が、レーザー活性イオンと可飽和吸収体イオンとの両方を含んでいる）と比較した場合の本発明のマイクロレーザーの他の利点は、活性媒質が可飽和吸収体から隔離されていることであり、そして、これら２つの媒質の接着が避けられているものの、一体式構造は、維持していることである。したがって、一方においては、（フィルムの成膜時において、あるいは、フィルム成膜後の機械的薄膜化により）厚さを独立に制御することができ、また、２つの媒質内におけるイオンの濃度を独立に制御することができる。他方においては、前記分離の結果として、同一のイオン（例えば、Ｅｒ）が活性イオンとして、および、異なる濃度の可飽和吸収体イオンとして使用されているスイッチング式のレーザーを得ることができる。
【００３５】
本発明の他の形態においては、フィルムは、ポリマー溶媒中に溶解された有機色素により形成されることができる。変形形態として、フィルムは、液相エピタキシーにより成膜されることができる。
【００３６】
マイクロレーザーキャビティは、また、能動的にスイッチングされることができる。マイクロレーザーの分野においては、能動的なスイッチング方法は、J.J.Zayhowski 氏他によるOptics Letters, vol.17, No.17, pp1201-1203, 1992における”Diode-pumped microchip lasers electro-optically Q-switched at high pulse repetition rates” と題する文献中に記載されている。この方法は、本発明においても使用することができる。
【００３７】
この文献においては、スイッチングは、２つの結合されたＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティの構成において実現されている。長さがＬ1 である活性レーザー媒質は、入力ミラーおよび中間ミラーと共に、第１Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティを形成している。長さがＬ2 であるスイッチング材料（電気光学材料、  ＬｉＴａＯ3 ）は、中間ミラーおよび出力ミラーと共に、第２Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティを形成している。スイッチングは、外部からの操作により、スイッチング材料の光学長さを変化させることによりなされている。スイッチング電極は、レーザービームの軸に直交するように、材料の両側に配置されている。これら電極間に電圧Ｖが印加されたときには、電界Ｅは、ｅを電極間の距離（電極間の距離は、電気光学材料の厚さに対応している）とすると、Ｅ＝Ｖ／ｅで表され、電極から発生する。光学的インデックスｎ2 、および、結果としての電気光学材料の光学長さｎ2Ｌ2は、電界Ｅの作用により変化する。このことは、２つのＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティの結合に影響を与え、レーザー媒質から見た中間ミラーの反射率を変化させる。しかしながら、この方法は、欠点を有している。
【００３８】
まず、最初に、上記文献に記載されているマイクロレーザーは、（予めカットされたフラグメントどうしの互いの結合を利用して）手動プロセスにより作製される。これは、幾何寸法に対して、特に電極間隔に対して、下限を与えることになり、最小値は、１ｍｍ近辺である。他の問題は、スイッチングに適した電界Ｅに達する必要があることである。よって、２つの電極間に、１ナノ秒よりも短いような非常に短い時間において、約１ｍｍ3 の体積であるレーザーチップに対して、約１０００Ｖの電圧を印加する必要がある。これは、実用的な手段の観点からは非常に困難であり、マイクロレーザーの単純化および低製造コストには適さない複雑なエレクトロニクスを必要とする。
【００３９】
上記課題を解決するために、本発明の実施形態においては、活性レーザー媒質が、入力ミラーと中間ミラーとの間に第１共振キャビティを形成し、第２材料が、中間ミラーと出力ミラーとの間に第２共振キャビティを形成し、前記材料の光学的インデックスは、外部擾乱により変調可能であり、レーザービームサイズ縮小手段が、第１共振キャビティの入力部分に配置され、２つのキャビティの集合体およびレーザービームサイズ縮小手段は、一体化されている。
【００４０】
よって、この実施形態においては、本発明は、また、電極間に印加される電圧が高いという問題を解決する。また、マイクロレーザーキャビティのしきい値を下げることができる。よって、この構造に基づいて、第２材料の厚さを約１００μｍとすることができる。これにより、電気光学材料の場合には、要求される電圧を５０〜１００Ｖの範囲にまで制限することができる。マイクロレーザーのスイッチングのしきい値もまた、数ミリワットの程度にまで低減される。最後に、この構造は、大量生産プロセスに適しており、小さな試料を製造し得るとともに、必要な製造コストを低減することができる。
【００４１】
レーザービームサイズ縮小手段は、ポンピングビームが通過することになる活性レーザー媒質の面上にマイクロミラーを備えて作製された凹面ミラーにより構成されることができる。出力ミラーは、第２材料の出力面上にマイクロミラーを備えて作製された凹面ミラーとすることができる。２つのキャビティは、光学的に安定な状態に作ることができる。
【００４２】
能動モードで動作しかつより単純な構造さえも有しているマイクロレーザーを得ることができる変形形態においては、マイクロレーザーキャビティは、光学的な安定限界にある。そして、マイクロレーザーには、光学的な不安定状態から光学的な安定状態へと移行させるために、キャビティの光学長さを変化させる手段が設けられている。
【００４３】
したがって、新しい能動スイッチング機構が得られる。というのは、光学的な不安定状態は、光学的な安定状態とは違って、キャビティ損失の大きな状態であるからである。
【００４４】
さらに、得られた構造は、例えばJ.J.Zayhowski 氏による文献（前出）から公知であるような構造とは、Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティがただ１つであることにより、根本的に異なっている。
【００４５】
キャビティは、半球状、共焦、同中心、あるいは、球状キャビティとすることができる。この場合、キャビティ内におけるビームのサイズは、より小さいものであり、使用する材料の厚さを低減することができる。したがって、マイクロレーザーのサイズは、結果的に、さらに低減される。これにより、上記問題点の１つを解決する手段を得ることができる。それは、特に、第２材料が電気光学材料である場合には、印加すべき電圧が高電圧となってしまうという問題点である。すなわち、電気光学材料の厚さが減少した場合には、ｅを電極間厚さとしたときに電界Ｅが次式で表されることからわかるように、より小さな電圧で、同じ電界を得ることができる。
【数１】
0004208268.tif 000002
【００４６】
ある特別な実施形態においては、キャビティは、光学長さが可変である第２の材料を、活性レーザー媒質から離間した状態で有している。しかしながら、この場合、要求されるのは、２つのＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティではなく、ただ１つのＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティである。
【００４７】
このことは、非常にコンパクトであって、一体化された構造をもたらすものである。
【００４８】
キャビティの光学長さを変化させる手段は、第２材料の前記長さを変化させるための手段とすることができる。
【００４９】
他の実施形態においては、活性レーザー媒質および第２材料は、異なる光学的インデックスを有しており、キャビティの光学長さを変化させる手段は、第２材料の光学的インデックスを変化させる手段を備えている。第２材料は、電気光学材料とすることができる。
【００５０】
よって、高損失かつ不安定な領域から低損失かつ安定な領域へとキャビティを移行させるために光学長さを変化させ、キャビティのスイッチングを可能とするただ１つのマイクロレーザーキャビティが作製される。ただ１つのＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティを有していることのみが必須である。たとえ、そのただ１つのＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティが、複数の材料（活性レーザー材料、および、光学長さ可変材料）を含有していてもである。
【００５１】
複数の材料が並置、結合、あるいは、分子接着により互いに接着されたときには、システムのコンパクトさは、向上する。このことは、マイクロレーザーの場合には非常に重要なことである。
【００５２】
【発明の実施の形態】
本発明は、以下において、本発明を何ら制限するものではない実施形態に関して、添付図面を参照して、より詳細に説明される。
【００５３】
図１ないし図３は、本発明の異なる実施形態を示す図である。
図４（ａ）〜図４（ｆ）は、本発明のＯＰＯの製作工程を示す図である。
図５ないし図１１は、活性的にスイッチングされるマイクロレーザーを示す図である。
【００５４】
図１は、本発明の第１実施形態を示すものである。図には、マイクロレーザーキャビティの入力ミラー２、および、出力ミラー４が示されている。また、マイクロレーザーキャビティは、活性レーザー媒質６、および、マイクロレーザーを能動モードあるいは受動モードでスイッチングするためのスイッチング手段８を有している。キャビティは、図示しないポンピング手段によりポンピングされることができ、ポンピングビームが符号１０で示されている。キャビティは、レーザービーム１２を放出し、このレーザービームが、今度は、第２キャビティあるいはＯＰＯキャビティをポンピングすることになる。ＯＰＯキャビティは、２つのミラー１４、１６により画成されている。２つのミラー１４、１６の間には、光学的パラメトリック発振キャビティの実現を可能とする非線形材料１８（例えば、結晶）が配置されている。この場合、光学的パラメトリック発振キャビティが、今度は、ＯＰＯビーム２０を放出することになる。
【００５５】
媒質１８を構成する材料は、公知の非線形材料、例えば、ＫＴｉＯＰＯ4 （ＫＴＰ）、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ3 、β−ＢａＢ2Ｏ4、ＬｉＢ3Ｏ5、ＡｇＧａＳｅの中から選ぶことができる。ＫＴＰ材料の性質は、例えば、Terry 氏他による文献、すなわちJournal of Optical Society of America, B., vol.11, pp758-769, 1994に記載されている。ＯＰＯを実現し得る他の非線形材料の性質は、R.W.Boyd氏によるAcademic Press, 1992, USA, ISBN 0-12-121680-2 における”Non-    linear optics” と題する文献中に、特にその中のpp 85 ffに記載されている。ＯＰＯキャビティの入力ミラーおよび出力ミラーは、また、図１において一点鎖線で示すような配置で設けることもできる。この場合、２つのミラー２２、２４は、材料１８の入力面および出力面上に直接的に成膜されている。この構成により、より大きなコンパクト化がもたらされ、また、動作時の軸合わせが不要であることにより取扱いの容易なキャビティを得ることができる。
【００５６】
マイクロレーザーによるポンピングの結果として、ＯＰＯキャビティのエネルギーしきい値を低減し得るだけでなく、ＯＰＯの動作に必要な結晶１８の長さを低減することができる。よって、上記Terry 氏他による文献においては、結晶の長さが２０ｍｍと記載されていたけれども、本発明においては、数ｍｍ厚さ、例えば５ｍｍの厚さの材料を使用することができる。一般的に言えば、レーザーにより放出されるビーム１２の性質により、この結果（エネルギーのしきい値が低減されること、および、結晶の長さが低減されること）は、Terry 氏の文献中に記載されているＫＴＰ結晶だけではなく、ＯＰＯキャビティを作製するために使用される他の任意の結晶または非線形材料に対しても適用することができる。
【００５７】
システムのコンパクトさは、図２に示すように、ミラー４、１４を一致させることにより、さらに向上される。ここで得られた構造は、極度にコンパクトな構造である。図２においては、図１におけるエレメントと同じエレメントについては同じ符号で示している。そして、符号２６は、マイクロレーザーキャビティとＯＰＯキャビティとに共通な中間ミラーを示している。マイクロレーザーキャビティは、スイッチングエレメント８を有しているにしても非常にコンパクトであるので、したがって、ポンピング手段も含めて全体長さが断面積１ｍｍ2 に対して６ｍｍを超えないような、すなわち全体容積が６ｍｍ3 であるようなＯＰＯ発振器を得ることができる。
【００５８】
さらに、上述のすべての構造は、また、マイクロレーザーの大量生産による利点を享受する。非線形材料１８上に直接的に配置されるミラーの成膜は、また、大量生産手段に適合し得るものであり、結果的に、デバイス全体は、マイクロエレクトロニクスにおいて使用されているような方法に適合し得るものである。したがって、低コスト大量生産手段により作製することができる。
【００５９】
活性媒質６の構成材料は、１．０６μｍ付近においてレーザー発光するために、例えば、ネオジミウム（Ｎｄ）がドーピングされている。この材料は、例えば、以下の材料の中から１つを選択することができる。すなわち、ＹＡＧ（Ｙ3Ａｌ5Ｏ12）、ＬＭＡ（ＬａＭｇＡｌ11Ｏ19）、ＹＶＯ4 、ＹＳＯ（Ｙ2ＳｉＯ5）、  ＹＬＦ（ＹＬｉＦ4） 、ＧｄＶＯ4 、等の中から選択することができる。この選択は、以下の制限により条件付けられるが、特別の応用に依存することは明らかである。
【００６０】
レーザーキャビティが光学的にポンピングされる場合、好ましくは、１つあるいは複数のレーザーダイオードによりポンピングされる場合には、材料は、厚さを小さく（＜１ｍｍ）維持したまま、ポンピング効率を向上させるために、ポンピング波長（例えば、III−Vレーザーダイオードの発光波長である約８００ｎｍ）において高い吸収係数を有していなければならない。
【００６１】
レーザーダイオードの波長を安定化させるという課題を満足させることを目的として、例えば８００ｎｍといったようなポンピング波長における広い吸収バンドが要求される。
【００６２】
高い効率および高い出力パワーレベルを得るための大きな実効的な誘導放出断面積が要求される。
【００６３】
容易に単一周波数レーザーを得るためには、狭い発光バンド幅が要求される。あるいは逆に、周波数が可変であるチューナブル（frequency-tunable  laser）レーザー発光をもたらすためには、広い発光バンドが要求される。
【００６４】
材料の機械加工を単純化するために、また、ポンピング光の吸収により発生する熱を良好に放散して不利な熱効果を制限するために、良好な熱化学的性質が要求される。
【００６５】
速いスイッチングレートのために、励起状態における寿命の短さが要求される。
【００６６】
レーザー単結晶を備えるマイクロレーザーの可能な最大数が同時に生成され得るための（すなわち、大量生産がなされるための）大きな寸法が要求される。
【００６７】
公知の材料のうちで、マイクロレーザーの動作にとって（数百マイクロ秒の寿命と比較して）最も適切なものは、以下のものである。
−１つは、ＹＶＯ4 である。これは、良好な係数、広い吸収バンドを有しており、良好な実効断面積も兼備している。
−また、ＹＡＧである。これの吸収係数および実効誘導放出断面積は、平均的なものであり、これの吸収および発光バンド幅は、狭いものであり、そして、大きな寸法の形態とすることができ、熱伝導率が良好である。
−また、ＬＭＡである。これは、小さな吸収係数および実効断面積を呈し、吸収および発光バンド幅は、広いものであり、そして、これもまた大きな寸法の形態とすることができる。
【００６８】
活性イオン（ドーパント）に関しては、通常、次のものの中から選択される。−１．０６μｍ付近の発光に対しては、Ｎｄ。
−１．５μｍ付近の発光に対しては、Ｅｒ。あるいは、エルビウムおよびイッテルビウム（Ｅｒ＋Ｙｂ）のコドーピング（codoping）。
−２μｍ付近の発光に対しては、Ｔｍ。あるいは、Ｈｏ。あるいは、タリウムおよびホルミウムのコドーピング。
【００６９】
他のパラメータは、活性媒質６の厚さｅである。厚さｅは、マイクロレーザーの特性を左右する。すなわち、
−一方においては、厚さｅが増加するにつれて、ポンピングビームの吸収がより大きくなることになる。
−他方においては、Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティの縦モードの数は、厚さとともに増加する。そして、長さ方向に単一モードであるレーザーを得たい場合には、この厚さは、薄くなければならない。
【００７０】
ｄｇを材料のゲインバンド（レーザー発光）の幅とすると、モード数Ｎは、次式により与えられる。
Ｎ＝ｄｇ／ｄｖ、そしてｄｖ＝Ｃ／（２ｎＬ）
ここで、Ｃは光の速度、ｎは屈折率である。
【００７１】
単一周波数レーザーに関しては、通常、Ｎ＝１に対しての最小厚さが選ばれ、厚さは、＞１００μｍとされる。単一モードを得るための典型的な厚さは、
−ＹＡＧ では、Ｌ＝７５０μｍである。
−ＹＶＯ4では、Ｌ＝５００μｍである。
−ＬＭＡ では、Ｌ＝１５０μｍである。
【００７２】
よって、実用的には、厚さｅは、１００μｍ〜約１ｍｍの範囲で可変とされることになる。
【００７３】
完全なレーザキャビティを得るために、スイッチングエレメント８を備えた活性媒質は、２つのミラー２、４間に（図１）、あるいは２つのミラー２、２６間に（図２）位置している。公知方法により成膜された入力ミラー２は、レーザー波長において（できる限り１００％に近い）最大反射を示し、かつ、ポンピングの波長（一般的には、Ｎｄがドーピングされた材料に対しては８００ｎｍ、Ｅｒがドーピングされた材料に対しては９８０ｎｍ、そして、Ｔｍがドーピングされた材料に対しては７８０ｎｍ）において可能な限り高い透過（＞８０％）を示すようなダイクロイックミラーであることが好ましい。出力ミラー４、２６は、同様にダイクロイックミラーであることが好ましいが、レーザービームの数％の透過は許容する。
【００７４】
図２に示す場合においては、ミラー２６は、また、ＯＰＯ信号ビームの波長において反射を示さなければならない。一方、ミラー１６は、前記波長を反射する。シングル共振キャビティの場合には、ミラー２６および１６は、アイドラービームの波長に対しては、透明である。ダブル共振キャビティの場合には、ミラー２６および１６は、この波長において反射を示す。
【００７５】
マイクロレーザーキャビティのポンピングは、光学的ポンピングであることが好ましい。よって、III−Vレーザーダイオードが、マイクロレーザーキャビティのポンピングに特に適している。
【００７６】
付加的に、従来方法（A.EDA氏他による  CLEO'92, paper CWG33, p282（Conf. on Laser and Electro-optics, Anaheim, USA, May 1992））により、レーザー媒質６の表面上に透明材料（例えば、シリカ）からなるマイクロレンズアレイを作ることが可能である。典型的なそのようなマイクロレンズの寸法は、直径が１００〜数百ミクロンであり、曲率半径が数百マイクロメートル〜数ミリメートルである。
【００７７】
このようなマイクロレンズは、平面−凹面タイプからなる”安定な”キャビティ（”平面−平面”キャビティは安定ではない）を作製するために使用される。光学的ポンピングの場合には、マイクロレンズは、また、ポンピングビームを絞り込むことができ、そして、２つのキャビティ（マイクロレーザーおよびＯＰＯ）内におけるビームのサイズを低減することができる。
【００７８】
上記方法は、また、ＯＰＯキャビティの出力部分に作製することができる。これにより、両方のキャビティ内におけるビームを絞り込むこともできる。
【００７９】
これらキャビティの安定化は、キャビティ内の損失を低減することができ、キャビティの動作効率を向上させることができる。
【００８０】
ＯＰＯキャビティに関しては、非線形材料１８の周囲にダブル共振キャビティを形成するように、前記キャビティの入力および出力ミラー（図１においては、１４，１６，２２，２４；図２においては、２６，１６）の反射を調節することが可能である。入力ミラー２６は、シングル共振キャビティに対してはλsignalにおいて１００％に近い高反射を示し、ダブル共振キャビティに対してはλidler において１００％に近い高反射を示さなければならない。出力ミラー１６は、シングル共振キャビティに対してはλsignalにおいて９０％より大きい反射を示し、ダブル共振キャビティに対してはλidler において９０％より大きい反射を示す。これにより、キャビティ１８の動作しきい値をさらに低減することができる。
【００８１】
他の実施形態を図３に示す。この場合には、２つの分離したキャビティ（マイクロレーザーキャビティおよびＯＰＯキャビティ）は、もはや存在せず、代わりに、ＯＰＯキャビティを含有するただ１つのマイクロレーザーキャビティがある。マイクロレーザーキャビティは、マイクロレーザーキャビティの入力ミラー３２および出力ミラー３４により画成されている。マイクロレーザーキャビティは、活性レーザー媒質３６、キャビティスイッチングエレメント３８、非線形結晶４０を備えている。この場合、非線形結晶４０は、キャビティの中間ミラー４２および出力ミラー３４と共に、ＯＰＯ”サブキャビティ”を形成している。この目的のために、中間ミラー４２は、レーザービームの波長において透明であり、ＯＰＯキャビティの信号ビームの波長において反射を示す。一方、中間ミラー４２は、シングル共振キャビティに対してはλidler において透明であり、ダブル共振キャビティに対してはλidler において反射を示す。出力ミラー３４は、ＯＰＯキャビティの信号ビームの波長において、ある程度透明である。この実施形態においては、極度にコンパクトでありかつ一体式構造であるという利点を維持したまま、ＯＰＯキャビティ内において、より高いエネルギー密度を得ることさえも可能である。
【００８２】
ある実施形態においては、マイクロレーザーキャビティは、受動的にスイッチングされる。この場合には、スイッチングエレメント８、３８は、可飽和吸収体エレメントである。
【００８３】
特別に有利な実施形態においては、可飽和吸収体は、フィルムの形態である。特に、可飽和吸収体フィルムを、レーザー増幅媒質上に直接的に成膜することが有利である。
【００８４】
２つのタイプの薄膜を使用することが可能である。
【００８５】
１つは、可飽和吸収分子を含有するポリマーである。典型的には１．０６μｍのマイクロレーザーに対しては、可飽和吸収体として、有機色素を使用することができる。有機色素は、例えば、クロロベンゼン中に６％重量のポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）を含有する溶液中のビス（４−ジエチルアミノジチオベンジル）ニッケル（bis(4-diethylaminodithiobenzyl)nickel, BDN, KODAK, CAS No. 51449-18-4）のようなものを使用することができる。
【００８６】
代替物は、作製プロセスと関連して以下において説明される。
【００８７】
このタイプの溶液は、トラメル（trammmel）によりレーザー材料上に直接的に成膜される（以下の作製プロセスの記載を参照されたい）。この結果、フィルムの厚さは、１〜５μｍ、例えば、２、３、４μｍとなる。
【００８８】
他のタイプのフィルムは、液相エピタキシー（liquid phase epitaxy、ＬＰＥ）により、レーザー材料上に直接的に得ることができる。あるいは、同じ成膜（同じ材料、同じドーピング、同じ特性）を得ることを可能とする他の任意のプロセスにより得ることができる。よって、フィルムは、一般的に言えば、ＬＰＥにより得ることができる。ＬＰＥによる作製プロセスは、以下において記載され、固体活性媒質から構成される基体上に、１μｍ〜５００μｍ（例えば、１００、２００、３００、４００μｍ）のフィルム厚さでもって得ることができる。フィルムは、固体活性媒質（例えば、ＹＡＧ）の基本材料と同一の基本材料により構成される。しかし、フィルムは、フィルムに可飽和吸収特性を与えるイオン、例えば、１．０６μｍのレーザーに対してはＣｒ4+、あるいは、１．５μｍ付近のレーザーに対してはＥｒ3+がドーピングされている。
【００８９】
よって、スイッチングされるべきレーザーに対しては、レーザーの発光波長においてエピタキシャルフィルムが可飽和吸収を示すようなタイプのドーパントが適用されている。
【００９０】
結果的に、この場合、活性レーザー材料および可飽和吸収体フィルムは、同じ結晶構造を有しており、結晶に影響を与えかつこれら２つの媒質の光学特性に影響を与えるドーパントにおいてのみ異なっている。したがって、２つの場合におけるフィルムの性質は、大きく異なっている。
【００９１】
よって、各々のフィルムのタイプに対して、ダメージのしきい値が決められる。レーザーキャビティ内に存在するパワー密度がある値を超えると、可飽和吸収体フィルムを破壊し得るようになる。この限界パワー密度は、ダメージしきい値と称され、有機色素含有ポリマーの場合には、ＬＰＥ成膜フィルムの場合よりも、より低いものである。よって、有機色素含有ポリマーの場合には、ＬＰＥ成膜フィルムの場合よりも、キャビティ内においてより低いエネルギーレベルで動作させる必要がある。
【００９２】
さらに、ある場合には、レーザー材料とポリマーとの間のインデックスの違いは、これら２つの媒質間の光学的境界面において現れる。他の場合には、ＬＰＥだけが、同じ材料（例えば、ＹＡＧ上にはＹＡＧであって、ドーピングだけが異なる）に対して可能である。この場合には、エピタキシャルフィルムのインデックスを、エピタキシャルの基体として機能している活性レーザー媒質のインデックスに合わせることが可能である。したがって、２つの媒質間における光学的境界面の形成を阻止することができる。
【００９３】
最後に、フィルムの性質は、レーザーパルスのパルス形態またはパルス形状に影響を与えることになる。ポリマー中に溶解された有機色素の場合には、色素の緩和時間は、非常に短く（〜１ｎｓ）、一方、イオンが不純物（Ｃｒ4+、Ｅｒ3+）を構成しているエピタキシャルフィルムの場合には、緩和時間は、（数ナノ秒であって）少し長いものである。これらの性質は、意図した使用に応じて、フィルムの選択を明瞭に左右することになる。
【００９４】
上述の構造（活性レーザー媒質上にフィルムの形態で可飽和吸収体が直接成膜されている構造）により、軸合わせを必要とすることがなく、光学的接着剤のような付随的なエレメントの導入を必要とすることがなく、また、同じ基本媒質から活性レーザー媒質および受動スイッチングエレメントを形成するための同じ基本媒質のコドーピング（codoping）の必要性を避けることができるコンパクトなマイクロレーザーキャビティを得ることができる。
【００９５】
次に、受動的にスイッチングされる形態のマイクロレーザーを備えた本発明のＯＰＯの製造プロセスについて、図２に示すような構造を得る場合に対して説明する。以下、各工程ごとに説明する。
【００９６】
１）活性レーザー材料が選択され、調製される。すなわち、配向され、０．５〜５ｍｍの厚さのプレート４６にカットされる（図４（ａ））。その後、プレートは、研磨され、また仕上げ研磨される。その結果、所望の最終厚さｅが得られる。
【００９７】
２）この工程は、可飽和吸収体４８の作製工程である（図４（ｂ））。
【００９８】
２ａ）従来の可飽和吸収体の場合には、スイッチ型マイクロレーザーキャビティを得ることができる様々なプロセスが公知である。特に、活性レーザー媒質の基本材料のコドーピングを行うことができ、これにより、活性レーザー媒質および可飽和吸収体の性質を与えることができる（例えば、ＹＡＧに対して、ネオジミウムイオンＮｄ3+およびクロミウムイオンＣｒ4+をドーピングする）。
【００９９】
２ｂ）薄膜の形態で成膜された可飽和吸収体の場合には、２つの成膜のタイプで得ることができる。
【０１００】
２ｂ１）成膜の第１タイプ：ポリマー中に溶解された可飽和吸収体有機色素の成膜。
【０１０１】
典型的には、１．０６μｍのマイクロレーザーに対しては、可飽和吸収体として、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）溶液中のビス（４−ジエチルアミノジチオベンジル）ニッケル（BDN, KODAK, CAS No. 51449-18-4）のような有機色素を使用することができる。この目的のために、クロロベンゼン（Prolabo） 中に、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ、Polyscience average weights） を６ｗｔ．％含有させて、２４時間攪拌した溶液を調製する。この溶液に、０．２ｗｔ．％のＢＤＮを加え、その後、２時間攪拌する。そして溶液は、濾過された後、液滴を滴下して基体を回転させ遠心分離により広げる方法で、基体の出口面上に成膜される。この”トラメル”成膜のためには、マイクロエレクトロニクスの分野において、リソグラフ操作時に使用される樹脂の成膜のための装置のような標準装置を使用することができる。基体は、前もって、仕上げ研磨操作に起因する不純物のすべてのトレースに関してクリーニングされる。基体は、２０００ｒ．ｐ．ｍ．で２０秒間回転（トラメル）され、その後、５０００ｒ．ｐ．ｍ．で３０秒間回転（トラメル）される。その後、フィルムは、オーブン中において、７０℃で２時間乾燥される。
【０１０２】
これにより、１μｍ厚さであり、３％の活性分子（ＢＤＮ）を含有し、また、飽和前の光学密度が１．０６μｍ（７４％透過）において０．１３であるフィルムが得られる。
【０１０３】
ポリマーの濃度パラメータ、ポリマーの分子量またはポリマーの溶媒、色素の比率、トラメルの回転速度を変化させることにより、可飽和吸収体の達成特性を調節することができる。得られた典型的な特性は、以下のようである。
−フィルム厚さ                 ： １〜５μｍ（例えば、２、３、４μｍ）
−分子の濃度                   ： ５〜１０ｗｔ．％
−色素                         ： ＢＤＮ、ｍｍ＝６８５ｇ
−ガラス転移点                 ： Ｔg＝７８℃
−１．０６μｍにおける吸収     ： １０〜７０％
−飽和レベル                   ： ９０％
−有効断面積                   ： １０-16ｃｍ2
−飽和強度                     ： ０．１〜１ＭＷ／ｃｍ2
−フィルムの非一様性           ： ＜５％（１ｃｍ2あたり）
−減極レベル                   ： ＜１０-5
（depolarization level）
−８００ｎｍにおける損失       ： ＜１％
−反復レート                   ： １０〜１０，０００Ｈｚ
−光安定性                     ： １０8ストローク
−成膜方法                     ： トラメル
【０１０４】
ポリビニルアルコール、ポリビニルアセテート、あるいは、ポリスチレンのような他のポリマーは、ＰＭＭＡに代えて、それぞれに対して適切な溶媒を使用して使用することができる。また、色素として、ビス（４−ジメチルアミノジチオベンジル）ニッケル（bis(4-dimethylaminodithiobenzyl)nickel, BDN, KODAK, CAS No. 38465-55-3）を使用することもできる。
【０１０５】
色素は、また、シリカゲル内に組み込むこともできるし、あるいは、ポリマーチェインにぶら下げることもできる。
【０１０６】
他のジチエン（dithiene）系金属錯体を、他の波長に対する染料として使用することができる。これに関しては、K.H.Drexhage氏他による Optics Communicaーtions 10(1), 19, 1974 、および、Mueller-Westerhoff氏による Mol. Cryst.  Liq. Cryst. 183, 291, 1990による文献中に記載がある。
【０１０７】
この方法は、また、１．０６μｍ以外の波長で動作するスイッチ型レーザーに対しても使用することができる。例えば、テトラエチルオクタハイドロテトラアザペンタフェン−ジチオルアト−ニッケル（tetraethyloctahydrotetraaza-    pentaphene-dithiolat-nickel,上記Mueller-Westerhoff氏による文献を参照されたい）を備えて１．５μｍ付近で発光するＥｒまたはＥｒ＋Ｙｂレーザー（ＥｒまたはＥｒ＋Ｙｂがドーピングされた材料であって、活性イオンはＥｒである）においてスイッチングが起こっても良い。
【０１０８】
２ｂ２）成膜の第２タイプ：液相エピタキシー（ＬＰＥ）によるフィルムの成膜。
【０１０９】
可飽和吸収体（Ｓ．Ａ．）フィルムは、基体の成膜される面が適切に選択された過飽和溶液に浸漬される。この溶液またはエピタキシーバスは、溶媒と、最終材料を形成するものとは異なるエレメントにより構成されている溶質との混合体である。基体およびフィルムは、同じ結晶構造を有しており、フィルムの結晶性、および、光学的性質に影響を与えるドーパントにおいてのみ異なっている。Ｎｄ、Ｅｒ、Ｙｂのような活性イオンは、材料を増幅することができ、他のイオン（Ｃｒ、Ｅｒ）は、Ｓ．Ａ．特性を材料に与える。そして、さらに他のイオン（例えば、Ｇａ、Ｇｅ、Ｌｕ、等）は、屈折率を変化させるために、あるいは、結晶格子を変化させるために使用することができる。
【０１１０】
よって、得られるフィルムの性質を制御することが可能となる。このプロセスは、（基体をなすために）単結晶の形態をなすいかなる材料に対しても適用することができ、また、液相エピタキシーにより作製することができる。これは、  Ｙ3Ａｌ5Ｏ12（ＹＡＧ）、Ｙ2ＳｉＯ5（ＹＳＯ）、ＹＶＯ4 、ＹＬｉＦ4 （ＹＬＦ）、あるいは、ＧｄＶＯ4 のような活性レーザー媒質の基本材料としての上記材料の場合である。バスの組成（溶媒および置換基の選択）、異なる酸化物の溶質内における濃度、実験的成長条件（温度範囲、操作手続、等）は、最適の結晶性を有するフィルムを得るために、各材料に応じて調節することができる。
【０１１１】
ガーネット（ＹＡＧ）の場合には、選択された溶媒は、ＰｂＯ／Ｂ2Ｏ3混合体であり、溶質は、ガーネット相を安定化させる目的で、Ａｌ2Ｏ3を過剰に含有している。溶質／溶媒比が、その後、１０００℃で成長させるために計算される。
【０１１２】
バスの組成、温度、および、成膜時間の関数として、厚さ（１≦ｅ≦２００μｍ、例えば、２５μｍ、５０μｍ、７５μｍ、１００μｍ、１２５μｍ、１５０μｍ、１７５μｍであって、ｅ≧２００μｍとすることも可能）、および、フィルム中のドーパント濃度を調節することができる。フィルムの成長は、一定温度で起こり、これにより、フィルム厚さにわたってのドーパント濃度の一様性を得ることができる。基体は、等速あるいは回転運動され、これにより、良好な厚さの一様性が得られる。
【０１１３】
１つあるいは２つのＳ．Ａ．フィルムを備えた基体は、活性レーザー媒質の１つの面の表面がバス中に浸漬されるか、あるいは、活性レーザー媒質が完全にバス中に浸漬されて両面に対してそれが起こるかのどちらを選択するかによって、製作することができる。
【０１１４】
得られた１つあるいは複数のエピタキシー面は、エピタキシープロセスにより発生した可能性のある表面粗さを除去するために、また、１つあるいは複数のエピタキシーフィルムの厚さをマイクロレーザーの動作に対して所望の厚さとするために再度研磨することができる。
【０１１５】
３）この工程は、マイクロレーザーキャビティの出力ミラー５０を成膜する工程である。出力ミラー５０は、誘電体多層成膜により得られるダイクロイックミラーとすることができる。この成膜方法は、当業者に対して公知であり、また商業的に利用可能な方法である。図２に示す実施形態においては、出力ミラー５０は、レーザーキャビティの出力側結合面として、かつ、非線形材料を含む第２キャビティに対する入力ミラーとして使用されている。
【０１１６】
４）この工程は、非線形材料またはＯＰＯ結晶５２を成膜する工程である（図４（ｄ））結晶の切断方法、および、特に信号ビームに対する所望の波長の関数として結晶に与えられるべき配向は、R.W.Boyd氏による Academic Press, 1992,  USA, ISBN 0-12-1216802における”Non-linear optics” と題する文献中の pp 85-90 に記載されている。
【０１１７】
５）この工程は、集合体の２つの面上にミラーを成膜する工程である（図４（ｅ）に示すものであって、入力側ダイクロイックミラー５４および出力ミラー５６が成膜され、この場合、入力側ダイクロイックミラー５４は、レーザー周波数において高反射を示し、かつ、ポンピング用のレーザーダイオードの波長に対しては高度に透明なものであり、出力ミラー５６は、ＯＰＯキャビティの出力側結合体である）。
【０１１８】
６）この工程は、マイクロレーザーのチップを得るための、プレートをカットする工程である（図４（ｆ））。
【０１１９】
複数のミラー、可飽和吸収体、活性レーザー媒質、ＯＰＯ結晶、および付加的にマイクロレンズを有する小さなプレートは、マイクロエレクトロニクスの分野においてＳｉチップをカットするために使用されるタイプのダイヤモンドソーを用いて、面積が数ｍｍ2 のレーザーチップが得られるようカットされる。
【０１２０】
例えば図１に示すような構造を得るに際しては、当業者は、上記工程の順序を変更することができ、同様のミラーを作る必要がある。図３に関連して説明したような構造に対しては、上記において説明したように中間ミラー４２に対しては、特別の性質を付与する必要がある。
【０１２１】
本発明の他の実施形態においては、マイクロレーザーキャビティおよびマイクロレーザーは、能動的にスイッチングされる。そのような構造の例が図５に示されており（ＯＰＯキャビティは、図示において省略されている）、図において、参照符号６２は、入力ミラー６６と中間ミラー６８との間において、第１共振キャビティを形成している活性レーザー媒質を示している。第２共振キャビティは、中間ミラー６８と出力ミラー７０との間において形成されている。第２共振キャビティは、エレメント７４を有しており、エレメント７４の光学的インデックスは、外部からの擾乱により変調され得るようになっている。特に、この材料は、電気光学材料とすることができ、例えば、ＬｉＴａＯ3 により構成することができる。外部制御電圧は、電極７２、７３に印加することができ、そして、そのように印加された電圧により、材料７４中に電界が発生し、材料のインデックスの変調がもたらされる。この変調は、２つのキャビティの結合に影響を及ぼし、活性レーザー媒質から見た中間ミラー６８の反射率を変調する。
【０１２２】
この実施形態は、レーザービームサイズ縮小手段を付加することにより、さらに改良することができる。レーザービームサイズ縮小手段は、第１共振キャビティの入力部分に配置され、２つのキャビティおよびレーザービームサイズ縮小手段の集合体は、一体化されている。この改良は、図６および図７に示されており、図６、７においては、図５におけるものと同一または対応するエレメントには、同じ参照符号が付されている。レーザービームサイズ９０の縮小手段は、各々の場合において、参照符号８８により示されている。すなわち、レーザービームサイズ縮小手段は、実際、ポンピングビーム８０がまず最初に通過することになる活性レーザー材料８２の表面上に形成されたマイクロミラー８８により形成されている。
【０１２３】
この構成に基づいて、マイクロレーザーの全体的な厚さ、特に、材料７４の厚さを約１００μｍ以下にすることができる。電気光学材料７４の場合には、これにより、電極７２、７３間に印加するのに必要な電圧を５０〜１００Ｖに制限することができる。しかしながら、（すべてのミラーが平面状である）図５の実施形態においては、キャビティのスイッチングのための適切なインデックス変化を得るために、電極７２、７３間には、数百ボルトあるいは１０００Ｖといった高電圧を印加しなければならない。キャビティにレーザービームサイズ縮小手段が設けられている場合には、マイクロレーザーのスイッチングのしきい値は、数ミリワットにまで低減することができる。
【０１２４】
マイクロミラー８８の曲率半径は、マイクロレーザーの全体長さ（活性媒質８２の長さＬ1 ＋媒質７４の長さＬ2 ）を超えることが好ましい。典型的には、曲率半径は、約１．５〜２ｍｍを超えることになる。この状況のもとでは、光学的に安定なキャビティが得られ、レーザービーム９０の相対的に小さな直径φは、媒質７４内において起こり、（図５に示す実施形態においては約１２０μｍであるのに対し）典型的には数十マイクロメートルである。
【０１２５】
図７に示すように、凹状のマイクロミラー８９が第２キャビティの出力部分に設けられている構造を作ることもまた可能である。さらに、マイクロミラー８８、８９の各々の半径Ｒ1、Ｒ2は、２つの光学的に安定なキャビティを得るために選択することができる。この条件は、実際、Ｒ1≧Ｌ1かつＲ2≧Ｌ2により満たされる。図６の平凹キャビティの場合には、Ｒ2＝（無限大）である。
【０１２６】
電気光学エレメント７４に代えて、インデックスｎ2 が可変な媒質を使用することもまた可能である。このような媒質は、
−例えば近傍に配置された電磁石を利用することによる外部磁界に対応してインデックスｎ2 が変調されるような磁気光学材料であるか、あるいは、
−インデックスが外部から印加された温度変化または圧力変化の関数であるような材料であるかのいずれかである。
【０１２７】
上述のマイクロレーザーの構造は、図２、３に関連して説明したように、ＯＰＯキャビティに結合し得ることはもちろんである。
【０１２８】
次に、他の能動的にスイッチングされるレーザーマイクロキャビティの構造について説明する。
【０１２９】
上記構造（図５〜図７に示す二重Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティ）と比較して、得られたレーザーマイクロキャビティの構造は、ずっと単純であり、能動モードで動作する公知のマイクロレーザー構造の複雑さの問題を解決するものである。加えて、得られた構造は、図５、６に関連して説明した実施形態と同様に、電気光学材料が適用される際に使用されるべき制御電圧を低減することができる。
【０１３０】
この実施形態においては、マイクロレーザーキャビティは、Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティを形成する活性レーザー媒質および２つのマイクロミラーを備えている。前記キャビティは、光学的安定限界にあり、キャビティには、マイクロレーザーキャビティを光学的不安定状態から光学的安定状態へと変化させるために、マイクロレーザーキャビティの光学的長さを変化させるための手段が設けられている。
【０１３１】
したがって、新しい能動スイッチングが導入される。というのは、光学的に不安定な状態は、光学的に安定な状態に対して、キャビティの損失が多い状態であるからである。この構造は、ただ１つだけのＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティを有していることにより、公知の構造とは、根本的に異なっている。
【０１３２】
この実施形態は、図８および図９に図示されている。ここで、参照符号７２、７３、７４、８０は、図５〜図７において同じ参照符号が与えられているものと、同一のエレメントを示している。参照符号９２は、活性レーザー媒質を示している。参照符号９４、９８は、レーザーマイクロキャビティの入力ミラーを示している。参照符号９６、１００は、レーザーマイクロキャビティの出力ミラーを示している。媒質９２および７４は、互いに接触した状態とすることができ、無反射コーティングを、９２−７４間の境界面に成膜することができる。図８に示すマイクロレーザーキャビティは、安定限界にある半球状のキャビティである。レーザー材料、および、外部制御電圧により光学的インデックスを変化させ得る他の材料を備えて得られたただ１つのキャビティが構成されている。図５〜図７に関して説明したような２つの結合されたキャビティの場合とは違って、これらの材料は、ただ１つのＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティを形成している。２つの材料９２および７４は、固着（bonding） によりあるいは分子接着（molecu- lar adhesion）により、接触させることができる。これら２つの材料の接合部分においては、これら２つの材料の光学的インデックスの違いにより、数パーセントの限られた反射が起こり得る。しかし、この限られた反射により、従来技術において説明したようなシステムの場合には、２つのキャビティを共振状態に結合させるための適切な共振を得ることはできない。
【０１３３】
図９に示す実施形態は、図８に示す実施形態に対して、出力ミラー１００が曲率半径Ｒ2 を有する凹面ミラーである点において相違している。
【０１３４】
例えば共焦（confocal）キャビティ（図９に示すように２つの凹面ミラーを備えたキャビティ）、あるいは、半球状キャビティ（図８に示すように平凹面ミラーを備えたキャビティ）のようなキャビティを安定限界で作るように、ミラーの特性を決定する必要がある。
【０１３５】
半球状キャビティの場合には、安定性は、次式により得られる。
【数２】
0004208268.tif 000003
ここで、Ｌ＝Ｌ1＋Ｌ2である。
【０１３６】
共焦キャビティの場合には、安定性は、次式により得られる。
【数３】
0004208268.tif 000004
【数４】
0004208268.tif 000005
【０１３７】
最後に、同中心の、あるいは、球形キャビティに対しては、安定性に関する条件は、次式となる。
【数５】
0004208268.tif 000006
【０１３８】
各場合においては、キャビティを安定状態にする目的で、対応する不等式を満足させるために、インデックスｎ2、インデックスｎ1、あるいは、長さＬ1、Ｌ2のうちの１つのいずれかを変化させることができる。これらパラメータのうちの１つの変化は、外部制御手段により得ることができる。キャビティの光学的安定状態は、低損失状態に対応しており、また、キャビティの光学的不安定状態は、高損失状態に対応しているので、キャビティを能動的にスイッチングするための新規な手段が設けられる。
【０１３９】
図８および図９に示す実施形態の場合には、電気光学媒質のインデックスｎ2 は、電界を印加することにより変調される。
【０１４０】
これに代えて、キャビティの光学長さを変化させるために、電気光学材料７４を以下のものに置き換えることができる。すなわち、
−例えば近傍に配置された電磁石を利用することによる外部磁界に対応してインデックスが変調されるような磁気光学材料。
−インデックスｎ2 が圧力に依存し、インデックスの変化が圧力変化により得られるような材料。
【０１４１】
また、出力ミラーを圧電手段上に設けることにより、キャビティの全体幾何長さを変調することが可能である。これにより、また、マイクロレーザーキャビティの光学長さの制御された変化を得ることができ、そして、マイクロレーザーキャビティの光学的不安定状態から光学的安定状態への移行が可能とされる。
【０１４２】
半球状、共焦、同中心、あるいは、球状キャビティを使用することにより、電気光学材料７４が使用されたときに、電気光学材料７４内におけるマイクロレーザービームの集中を可能とすることができる。マイクロレーザービームの断面積が低減されることにより、インデックスがｎ2 である材料の厚さを低減させることができる。レーザー材料と共に単一キャビティを画成する電気光学材料が使用されたときには、結果的に、インデックスｎ2 の変調のために必要な電界Ｅを得るための接触電極７２、７３間の所要距離を低減させることができる。同じ電界Ｅを得るために電極に印加される電圧は、同じだけ低減される。
【０１４３】
上述のマイクロレーザーの構造は、既に図２、３に関連して説明したように、ＯＰＯキャビティに結合し得ることはもちろんである。
【０１４４】
次に、能動的にスイッチングされるマイクロレーザーを備えた図２の構造に関して、ＯＰＯの製造プロセスについて説明する。このプロセスは、可飽和吸収体を備えたＯＰＯの作製に対して図４（ａ）ないし図４（ｅ）に関連して説明した時の工程１および工程３〜６と同じ工程を有している。相違点は、この場合、マイクロレーザーにおいて能動スイッチングを得ることが必要であることにより、工程２である。
【０１４５】
２つの結合されたＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティを備えるマイクロレーザー構造（図５〜図７）の場合には、レーザー材料１６２上に中間ミラー１６８が成膜され（図１０（ａ））、その後、中間ミラー１６８上に、インデックス可変材料、例えば、電気光学材料（ＬｉＴａＯ3） が成膜される。
【０１４６】
その後、工程３の後、かつ、工程４の前において、制御電極７２、７３の形成を行う工程３’−１〜３’−４が行われる。
【０１４７】
３’−１）この工程においては、マイクロレーザーの出力面１１５が、樹脂膜１１７により保護される。
【０１４８】
３’−２）この工程においては、電気光学材料内に溝１１９の形成が行われる（図１０（ｂ））。これは、後工程において所望の間隔で電極を作ることができるようになされるもので、マイクロエレクトロニクスの分野において使用されるダイヤモンドソーが利用される。
【０１４９】
３’−３）引き続くこの工程においては、蒸着により電気的コンタクトの成膜（例えば、樹脂膜１１７および電気光学材料を覆うＣｒ−Ａｕコーティング１２１の成膜）が行われる。
【０１５０】
３’−４）引き続くこの工程においては、化学的エッチングが行われ、電気光学材料の両側に金属領域が残される。
【０１５１】
ただ１つのＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティを備えるマイクロレーザー（図８および図９）の場合には、中間ミラー１６８の成膜は、行われない。この場合、無反射コーティングが、レーザー材料プレートと電気光学材料プレートとの間の境界面に成膜されることができる。２つのプレートは、その後、光学的接着剤を利用して固着される、あるいは、例えば分子接着のような他の任意のプロセスにより一体化される。
【０１５２】
マイクロミラーを、キャビティの１つの面上に形成しなければならないときには、フォトリソグラフィー（マスクを介してのＵＶ照射を利用した感光性樹脂の露出、そして樹脂の化学的現像）、および、イオンビームによる加工が使用される。
【０１５３】
上記２つの能動スイッチングの場合（二重キャビティおよび単一キャビティ）においては、変形形態として、密度可変マスクを用いてマイクロミラーを作ることができる。また、図１１に示すように、平面または凹面マイクロミラー１２９、１３１を、レーザーの波長に対して透明なガラスまたはシリカのような材料１３３上に作ることができる。この場合、マイクロミラーを備えたこれらの基体は、レーザー媒質の入力面１３５、および、電気光学材料１３９の出力面１３７に結合することができる。
【０１５４】
上述のすべての実施形態においては、スイッチング方法、および、マイクロレーザーキャビティ−ＯＰＯキャビティの構成にかかわらず、ＯＰＯの発光波長は、非線形材料の温度を変化させることにより、連続的に調節することができる。温度を制御するためのデバイスは、D.Lee 氏他によるJ. Opt. Soc. Am. B. vol.10, No.9, Sept.93, p1659-1667 における”Stabilization and tuning of a   doubly resonant OPO” という文献中に記載されているように、Ｐｅｌｔｉｅｒ効果に基づいて操作することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す図である。
【図２】本発明の他の実施形態を示す図である。
【図３】本発明のさらに他の実施形態を示す図である。
【図４】図４（ａ）〜図４（ｆ）は、本発明のＯＰＯの製作工程を示す図である。
【図５】活性的にスイッチングされるマイクロレーザーを示す図である。
【図６】活性的にスイッチングされるマイクロレーザーを示す図である。
【図７】活性的にスイッチングされるマイクロレーザーを示す図である。
【図８】活性的にスイッチングされるマイクロレーザーを示す図である。
【図９】活性的にスイッチングされるマイクロレーザーを示す図である。
【図１０】活性的にスイッチングされるマイクロレーザーを示す図である。
【図１１】活性的にスイッチングされるマイクロレーザーを示す図である。
【符号の説明】
２  （マイクロレーザーキャビティの）入力ミラー
４  （マイクロレーザーキャビティの）出力ミラー
６  活性レーザー媒質、固体活性媒質
８  スイッチング手段
１０  （マイクロレーザーキャビティの）ポンピングビーム
１２  （ＯＰＯキャビティをポンピングするための）レーザービーム
１４  （ＯＰＯキャビティの）入力ミラー
１６  （ＯＰＯキャビティの）出力ミラー
１８  非線形材料、非線形結晶、光学的パラメトリック発振器非線形材料
２２  （ＯＰＯキャビティの）入力ミラー
２４  （ＯＰＯキャビティの）出力ミラー
２６  （マイクロレーザーキャビティの）出力ミラー、（ＯＰＯキャビティの）入力ミラー
３２  入力ミラー
３４  出力ミラー
３６  活性レーザー媒質、固体活性媒質
４０  非線形結晶
４２  中間ミラー
４６  プレート（活性レーザー媒質）
４８  可飽和吸収体
５０  （マイクロレーザーキャビティの）出力ミラー
５２  非線形材料、非線形結晶、光学的パラメトリック発振器非線形材料
５４  （マイクロレーザーキャビティの）入力ミラー
５６  （ＯＰＯキャビティの）出力ミラー
６２  活性レーザー媒質、固体活性媒質
６６  （マイクロレーザーキャビティの）入力ミラー
６８  中間ミラー
７０  （マイクロレーザーキャビティの）出力ミラー
７４  電気光学材料（第２材料）
８０  （マイクロレーザーキャビティの）ポンピングビーム
８８  マイクロミラー（レーザービームサイズ縮小手段）
９２  活性レーザー媒質、固体活性媒質
９４  （マイクロレーザーキャビティの）入力ミラー
９６  （マイクロレーザーキャビティの）出力ミラー
９８  （マイクロレーザーキャビティの）入力ミラー
１００  （マイクロレーザーキャビティの）出力ミラー
１６２  活性レーザー媒質、固体活性媒質
１７４  電気光学材料（第２材料）
【図１】
0004208268.tif 000007
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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