紫外光源装置
【課題】 小型高効率で構成が単純な紫外光源装置を提供することである。
【解決手段】 励起光源と、希土類を添加した光導波路（希土類添加光導波路）と、該励起光源からの励起光を該光導波路に光学的に結合する手段と、該希土類添加光導波路から発生する光を放射する放射部を備えた光源であって、該励起光源の発光波長が３４０ｎｍ〜５００ｎｍの波長範囲から選ばれるいずれかの波長であり、かつ、該希土類添加光導波路のコア部にＮｄ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍから選ばれる少なくとも一種類の希土類元素を含有し、かつ、該希土類添加光導波路から放射される光の波長が、４０５ｎｍ以下かつ励起光波長よりも短波長であることを特徴とする、紫外光源装置。
【解決手段】 励起光源と、希土類を添加した光導波路（希土類添加光導波路）と、該励起光源からの励起光を該光導波路に光学的に結合する手段と、該希土類添加光導波路から発生する光を放射する放射部を備えた光源であって、該励起光源の発光波長が３４０ｎｍ〜５００ｎｍの波長範囲から選ばれるいずれかの波長であり、かつ、該希土類添加光導波路のコア部にＮｄ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍから選ばれる少なくとも一種類の希土類元素を含有し、かつ、該希土類添加光導波路から放射される光の波長が、４０５ｎｍ以下かつ励起光波長よりも短波長であることを特徴とする、紫外光源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、簡易な構成で紫外光を発生する紫外光源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、紫外光源としては高圧水銀ランプやハロゲン系ランプなどのランプ光源、エキシマレーザに代表されるガスレーザ、固体レーザの波長変換によるレーザなどが知られている。特に近年ではファイバレーザを用いた波長変換による紫外光発生が盛んに研究されている。また、フッ化物結晶にＮｄを添加して７７Ｋまで冷却し、赤外または５９０ｎｍの黄色レーザで励起して紫外レーザ光を得た例がある（非特許文献１）。また、Ｎｄを添加したフッ化物ファイバを５９０ｎｍの黄色レーザで励起し、室温で紫外レーザ光を得た例（非特許文献２）および紫色レーザ光を得た例（非特許文献３）がある。しかしながら、Ｎｄ添加フッ化物結晶からの紫外発光または紫外レーザ発振は、低温冷却が必要であり、実用的でない。また、Ｎｄ添加フッ化物ファイバおよびＮｄ添加フッ化物結晶の励起には、波長５９０ｎｍの黄色レーザが使用されるが、このレーザは特殊なレーザであって簡易な構成では実現できない。具体的には、波長５９０ｎｍの励起光源として、Ａｒイオンレーザ励起の色素リングレーザを用いており、大型で調整も煩雑である。
【０００３】
紫外光を発生するランプ光源の特徴は、高電圧の電源によって発生する高エネルギーの放電内で、特定の分子や原子が乖離と再結合あるいは励起と脱励起を繰り返すことで、物質固有の多数の輝線を同時に得ることができる点である。このため、比較的広い波長範囲にわたって輝線を発生させることができる。一方、放電には一定の物理的な体積が必要であるため、広い範囲を照射するには適しているが、微小範囲の照射には不向きである。また、発光効率が低く発熱が非常に多い事から、空冷の場合は冷却ファンの音や振動や熱風、水冷の場合は装置が大型化するなどの問題がある。
【０００４】
エキシマレーザは、高出力紫外光を得ることができる上に、大面積のレーザ光を得られるので、半導体製造分野で広く用いられている。しかし、エキシマレーザは発振媒質にハロゲン系のガスを使用しており、危険であるだけでなく、装置が大型であり整備も煩雑である。また、レーザ発振はパルス発振に限られるため、分光用途や検査用途では使用できない。これ以外のガスレーザとしてＡｒイオンレーザが知られているが、レーザ発振効率は極めて低い。このため冷却装置など付帯設備が必要である。
【０００５】
固体レーザの波長変換は近年著しく進歩している。従来は固体レーザの波長変換に、ＬｉＮｂＯ３（ＬＮ）やβ−ＢａＢ２Ｏ４（β−ＢＢＯ）などの強誘電性光学結晶がバルク形状で使用されているが、変換効率が極めて低い。最近は高効率波長変換材料としてこれらの強誘電性光学結晶の導波路を周期分極反転したデバイスが使用されつつあり、従来のバルク型を遙かに上回る高効率が達成されている。しかし、周期分極反転素子として加工しなければならない分極周期は出力波長と関係があり、５００ｎｍ以下の短波長では加工周期が短くなり作製が非常に困難である。また、最適な波長変換効率を維持するためには温度制御が必須であり、装置が複雑化する。
【非特許文献１】Ｒ．Ｍ．Ｍａｃｆａｒｌａｎｅ， Ｆ．Ｔｏｎｇ， Ａ．Ｊ．Ｓｉｌｖｅｒｓｍｉｔｈ， ａｎｄ Ｗ．Ｌｅｎｔｈ，”Ｖｉｏｌｅｔ ｃｗ ｎｅｏｄｙｍｉｕｍ ｕｐｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｌａｓｅｒ “， Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒ， ｖｏｌ．５２， ｐｐ．１３００−１３０２．
【非特許文献２】Ｄ．Ｓ．Ｆｕｎｋ， Ｊ．Ｗ．Ｃａｒｌｓｏｎ， ａｎｄ Ｊ．Ｇ．Ｅｄｅｎ，“Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ （３８１ｎｍ），ｒｏｏｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｌａｓｅｒ ｉｎ ｎｅｏｄｙｍｉｕｍ−ｄｏｐｅｄ ｆｌｕｏｒｏｚｉｒｃｏｎａｔｅ ｆｉｂｒｅ”， Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｄ， ｖｏｌ．３０， ｐｐ．１８５９−１８６０
【非特許文献３】Ｄ．Ｓ．Ｆｕｎｋ， Ｊ．Ｗ．Ｃａｒｌｓｏｎ， ａｎｄ Ｊ．Ｇ．Ｅｄｅｎ，“Ｒｏｏｍ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｌｕｏｒｏｚｉｒｎａｅ ｇｌａｓｓ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ ｉｎ ｔｈｅ ｖｉｏｌｅｔ （４１２ｎｍ）”，Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ， ｖｏｌ．２０ｐｐ．１４７４−１４７６．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のとおり、小型高効率で構成が単純な紫外光源装置は実現していない。
【０００７】
本発明は、このような問題を解決し、小型高効率で構成が単純な紫外光源装置の提供を目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、励起光源と、希土類を添加した光導波路（希土類添加光導波路）と、該励起光源からの励起光を該光導波路に光学的に結合する手段と、該希土類添加光導波路から発生する光を放射する放射部を備えた光源であって、該励起光源の発光波長が３４０ｎｍ〜５００ｎｍの波長範囲から選ばれるいずれかの波長であり、かつ、該希土類添加光導波路のコア部にＮｄ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍから選ばれる少なくとも一種類の希土類元素を含有し、かつ、該希土類添加光導波路から放射される光の波長が、４０５ｎｍ以下かつ励起光波長よりも短波長を有することを特徴とする紫外光源装置を提供するものである。
【０００９】
さらには、該希土類添加光導波路の少なくともコア部がフッ化物ガラス、フッ素酸化物ガラス、フツリン酸塩ガラスのいずれかからなることを特徴とする上記記載の紫外光源装置を提供するものである。
【００１０】
また、該希土類添加光導波路で発生する自然放出光のうち、波長４０５ｎｍ以下の光を反射するミラーが、該希土類添加光導波路の該放射部と反対側の端面に配置され、かつ、該放射部より放射される光が自然放出光または増幅された自然放出光であることを特徴とする紫外光源装置を提供するものである。
【００１１】
また、該希土類添加光導波路で発生する自然放出光のうち、波長が４０５ｎｍ以下の光を反射するミラーが、該希土類添加光導波路の両端に配置され、かつ、該放射部より放射される光がレーザ光であることを特徴とする紫外光源装置を提供するものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明により、希土類添加光導波路から直接紫外光を得ることができるため、構造が簡単で小型化が可能である。また、光導波路から紫外光が放射されるため、コアを小さくすることによって点光源の紫外光源を簡単な構成で提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の形態の例を、図１、２を用いて説明する。
【００１４】
まず、図１は、励起光源からの励起光を希土類添加光導波路の端面のコア部に結合する例を示す。図１の例は、励起光源１、励起光を集光するための集光レンズ２、ダイクロイックミラー３、希土類添加光導波路４、コリメートレンズ５、パワーモニタ用ミラー６、励起光カットフィルタ７、光パワーを電気信号に変換するフォトダイオード８、励起光源１の出力を制御する制御回路９、出射ウィンドウ１０、および電源プラグ１１を備えている。
【００１５】
波長３４０ｎｍから５００ｎｍの範囲から選ばれるいずれかの波長の光を放出する励起光源１からの励起光は、集光レンズ２によって集光され、さらにダイクロイックミラー３を通して希土類添加光導波路４の端面に集光され、希土類添加光導波路４のコアに光学的に結合される。結合された励起光は希土類添加光導波路４のコアで吸収され、励起光を吸収したコアは波長４０５ｎｍ以下かつ励起光波長よりも短波長で発光する。発光した光のうち、希土類添加光導波路４中をダイクロイックミラー３がある方向に進行するものは該ダイクロイックミラー３で全反射して折り返される。このとき、希土類添加光導波路４より外部へ放出された光を再度、希土類添加光導波路４の中へ結合するミラーはダイクロイックミラー３だけであるため、レーザ共振器は構成されていない。すなわち、出射ウィンドウ１０を通して外部へ出力される光は、自然放出光または増幅された自然放出光である。また、出射ウィンドウ１０側の希土類添加光導波路４の端面に波長４０５ｎｍ以下の光を反射するミラーを配置してレーザ共振器を構成することにより、出射ウィンドウ１０を通してレーザ光を外部に出力できる。希土類添加光導波路４に対し、励起光が集光される側と反対側にコリメートレンズ５が設置されており、該希土類添加光導波路４から出射される光は該コリメートレンズ５でコリメートされ、その先のパワーモニタ用ミラー６で反射光と透過光に分岐される。コリメートレンズ５でコリメートされた光のうち、パワーモニタ用ミラー６を透過する光は、さらに出射ウィンドウ１０を透過し紫外光発生装置１２から出射される。また、該パワーモニタ用ミラー６で反射され光は、励起光カットフィルタ７で励起光を除去した後フォトダイオード８に入射され、光パワーに対応した電気信号に変換される。この電気信号は制御回路９に入力され、該制御回路９は、紫外光発生装置１２の出力が一定となるように演算することにより励起光源１の出力を制御する。駆動に必要な電気は、電源プラグ１１から得る。
【００１６】
次に、図２は、励起光源からの励起光が希土類添加光導波路の側面（クラッド部）を透過してコア部に結合する例を示す。図２の例は、励起光源に平面発光体のような面状の広がりがある光源または点光源を多数アレイ状に配列した光源を用いた場合で、面状またはアレイ状の励起光源２０、透明サポート板２１、希土類添加光導波路２２、折り返し全反射ミラー２３、コリメートレンズ２４、励起光カットフィルタ２５、制御基板、励起光源の電源、および筐体を備えている。但し、図２では制御基板、励起光源の電源、筐体などを省略して表示を簡略化している。
【００１７】
波長３４０ｎｍから５００ｎｍの範囲から選ばれるいずれかの波長で発光する面状またはアレイ状の励起光源２０からの励起光は、励起光波長で透明な透明サポート板２１に固定されている希土類添加光導波路２２の側面（クラッド部）に照射される。希土類添加光導波路のコア部は、クラッド部を透過した励起光を吸収し波長４０５ｎｍ以下かつ励起光波長よりも短波長で発光する。発生した光は光導波路のコア中を伝搬する。希土類添加光導波路２２の片側の端面に波長４０５ｎｍ以下の光を反射する反射ミラー２３が設置されており、該希土類添加光導波路２２のコア部で発生した光のうち反射ミラー２３が設置されている側の端面に到達したものは、反射ミラー２３で反射されて折り返される。この結果、希土類添加光導波路２２のコア部で発生した光は全て、反射ミラー２３が設置されている端面と反対側の端面から出射され、その先のコリメートレンズ２４でコリメートされ、さらに励起光カットフィルタ２５で励起光を除去した後、紫外光源装置の出射光として出射される。このとき、希土類添加光導波路２２より外部へ放出された光を再度、希土類添加光導波路２２の中へ結合するミラーは反射ミラー２３だけであるため、レーザ共振器は構成されていない。すなわち、紫外光源装置の出射光は、自然放出光または増幅された自然放出光である。また、コリメートレンズ２４側の希土類添加光導波路２２の端面に波長４０５ｎｍ以下の光を反射するミラーを配置してレーザ共振器を構成することにより、紫外光源装置の出射光はレーザ光として外部に出力できる。
【００１８】
本発明の励起光源は、波長３４０ｎｍから５００ｎｍの範囲の波長で、励起に十分な光パワーを発生すれば特に限定されない。このような光源としては、ＧａＮ系半導体レーザ、ＧａＮ系ＬＥＤ、無機エレクトロルミネッセンス（無機ＥＬ）、有機エレクトロルミネッセンス（有機ＥＬ）、半導体レーザの出力を波長変換して得た二倍波、電子線励起蛍光体からの蛍光などが挙げられる。中でもＧａＮ系半導体レーザは高出力であり、しかも集光スポット径が小さいので、コア径が小さい希土類添加光導波路であっても光学的な結合効率が高く、輝度の高い紫外光源を実現できる。
【００１９】
一方、ＬＤアレイ、ＬＥＤアレイ、有機ＥＬ、無機ＥＬなど二次元または三次元的に配置可能な光源は、希土類添加光導波路への光学的な結合効率は低くなるものの、空間的に拡張が容易であり構造も簡単である。このため単位面積あたりの光密度は低いが、全光パワーとしては大きなパワーを放射可能であり、低い光学的な結合効率を補うことができる。このため、大きさの制約が厳しくない場合には、簡素な構造で紫外光を得られるので好ましい。
【００２０】
希土類添加光導波路は、平面光導波路でもよいしファイバでも良い。希土類添加光導波路のコア部には、Ｎｄ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍから選ばれる少なくとも一種類の希土類元素を添加する必要がある。希土類の添加濃度は、励起光の波長、励起光の出力、光導波路の損失、光学構成、導波路のコア直径、開口数など様々な要因で変化するため、一概には規定できないが、１００ｐｐｍから５００００ｐｐｍの範囲であることが好ましい。１００ｐｐｍ未満では励起光の吸収係数が低くなり単位長さあたりの発光量が低下し、光導波路の損失を上回ることが困難となることから好ましくない。一方、５００００ｐｐｍを超えるとガラス中への均一溶解が困難なだけでなく、希土類同士のエネルギー移譲による脱励起（濃度消光と呼ばれる）が生じ、発光効率が低下する。一般的には、ＧａＮ系半導体レーザ励起の場合１０００ｐｐｍから１００００ｐｐｍの範囲が、ＬＥＤアレイなど面状の励起光源を用いる場合は２００ｐｐｍから５０００ｐｐｍの範囲が適当である。
【００２１】
希土類添加光導波路の少なくともコア部は、波長４０５ｎｍ以下の紫外波長域でも透明である必要があり、かつ短波長発光効率が高い低フォノン材料である必要がある。このようなガラスとしては、フッ化物ガラス、フッ素酸化物ガラス、フツリン酸塩ガラスが適している。中でもフッ化物ガラスは、作製の容易さと光学性能の点から、最も好ましい。フッ化物ガラス組成としては、Ａｌ系ガラス、Ａｌ−Ｚｒ系ガラス、Ｚｒ系ガラスが安定であり、好ましい。
【００２２】
希土類添加光導波路中で発生した波長４０５ｎｍ以下の光は、希土類添加光導波路内に閉じこめる割合を適切に制御することで、自然放出光または増幅された自然放出光（ＡＳＥ）またはレーザ光として取り出すことができる。
【００２３】
自然放出光またはＡＳＥの場合、広帯域光が得られるため、干渉計測では可干渉長が短く、分解能が向上する。また、形状計測では裏面反射の影響を受けにくく、レンズ形状などの高精度計測が可能である。また、生物用途では特定波長にエネルギーが集中しないため、同じ光パワーを照射しても生体サンプルが受けるダメージがレーザよりも少なく、照明用途や蛍光色素／蛍光タンパクの励起に好適である。
【００２４】
レーザ光の場合、狭帯域で干渉長が長いコヒーレント光が得られるだけでなく、自然放出光やＡＳＥよりも高出力な紫外光が得られる。このため、高出力が必要な加工用途として、表面微細加工、樹脂やガラスの微細加工、生体サンプルの部分的な破壊や細胞質の部分的な破壊、遺伝子の加工、リソグラフィーやエッチングなどの半導体プロセスへの適用などが可能である。また、可干渉長が長いので精密距離計測に適している。さらに、波長変換素子を組み合わせることで、波長２００ｎｍ以下の光を得ることも可能である。この場合、２００ｎｍ以下の紫外域でも透明性の高い非線形光学結晶を使用する必要があり、ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０（ＣＬＢＯ）や、ＢａＭｇＦ４、ＢａＺｎＦ４、ＳｒＡｌＦ５、Ｎａ２ＭｇＡｌＦ７、Ｎａ２ＺｎＡｌＦ７などの強誘電性フッ化物結晶が適している。
【００２５】
発光波長と励起波長の関係は、励起条件、希土類濃度、ガラス組成、レーザ共振器条件などで変化するため一概に規定できないが、例えばＺｒ系フッ化物ガラスファイバにＮｄを添加し、波長４３０ｎｍのＧａＮ系半導体レーザで励起した場合、波長３８０ｎｍ帯で発光し、レーザ発振させることもできる。また、例えばＺｒ系フッ化物ガラスファイバにＴｂを添加し、波長４８８ｎｍのＧａＮ系半導体レーザで励起した場合、波長３８０ｎｍ帯で発光し、レーザ発振させることもできる。また、例えばＺｒ系フッ化物ガラスファイバにＤｙを添加し、波長４００ｎｍのＧａＮ系半導体レーザで励起した場合、波長３６５ｎｍ帯で発光し、レーザ発振させることもできる。また、例えばＺｒ系フッ化物ガラスファイバにＨｏを添加し、波長４７６ｎｍのＧａＮ系半導体レーザで励起した場合、波長３８５ｎｍ帯で発光し、レーザ発振させることもできる。また、例えばＡｌ系フッ化物ガラスファイバにＥｒを添加し、波長４０５ｎｍのＧａＮ系半導体レーザで励起した場合、波長３１８ｎｍ帯および４００ｎｍ帯で発光し、これらの波長でレーザ発振させることもできる。また、例えばＡｌ系フッ化物ガラスファイバにＥｒを添加し、波長４４０ｎｍのＧａＮ系半導体レーザで励起した場合、３１８ｎｍ帯と４００ｎｍ帯で発光し、レーザ発振させることもできる。また、例えばＡｌ系フッ化物ガラスファイバにＴｍを添加し、波長３５８ｎｍのＧａＮ系半導体レーザで励起した場合、波長２８３ｎｍ帯と３４４ｎｍ帯で発光し、これらの波長でレーザ発振させることもできる。また、例えばＡｌ系フッ化物ガラスファイバにＥｒとＧｄを共に添加し、波長４０７ｎｍまたは４４０ｎｍのＧａＮ系半導体レーザで励起した場合、３１０ｎｍ帯で発光し、レーザ発振させることもできる。
【００２６】
以下に、実施例により本発明を詳細に説明する。
【実施例１】
【００２７】
各種の希土類からの紫外発光を調べるために、希土類を０．３ｍｏｌ％（約３０００ｐｐｍ）添加されている希土類添加ファイバにおいて添加されている希土類がＮｄ、ＧｄとＥｒ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍそれぞれの場合について、励起した時の発光波長を調べた。
【００２８】
本実施例の構成を図３に示す。オプティカルパラメトリック発振器３０、集光レンズ３１と３５、ダイクロイックミラー３２、希土類添加ファイバ３３、出射端３４、励起光カットフィルタ３６、測定用ファイバ端３７、光スペクトラムアナライザ３８から構成されている。チタンサファイアレーザを波長変換し、波長３４０ｎｍから５００ｎｍまで調整可能で、繰り返し１００ＭＨｚのパルス光を出力するオプティカルパラメトリック発振器３０の励起光源から放出される励起光は、集光レンズ３１で希土類添加フッ化物光ファイバ３３の端面に集光され光学的に結合される。励起光が結合される側の希土類添加フッ化物光ファイバ３３の端面は平面に光学研磨されている。励起光入射端面には、励起光波長帯域を透過し紫外光波長帯域を反射するダイクロイックミラー３２が突き当てられている。したがって、該ダイクロイックミラー３２は、励起光と出力光の波長に合わせて、添加されている希土類の種類毎に交換する。励起光の結合により希土類添加ファイバ３３内で発生した光のうち、ダイクロイックミラー３２側へ伝搬する光は該ダイクロイックミラー３２で折り返されて、出射端３４から放射される。また、ダイクロイックミラー３２と反対側へ伝搬する光は、そのまま出射端３４から放射される。この出射端３４は８°斜めクリーブされており、反射減衰量は６０ｄＢ以上である。放射された光は、集光レンズ３５で集光され、その先の励起光カットフィルタ３６で励起光を除去した後、測定用ファイバ端３７に結合される。結合された光は光スペクトラムアナライザ３８に導かれ、希土類添加光ファイバの発光スペクトルが測定される。
【００２９】
使用する希土類添加フッ化物光ファイバにはＡｌ系フッ化物ファイバを用い、そのガラス組成は、コア部が３２．８ＡｌＦ３−１５ＹＦ３−４．７ＬａＦ３−９．４ＭｇＦ２−７．４ＣａＦ２−５．４ＳｒＦ２−２０ＢａＦ２−５ＢａＣｌ２−０．３ＲＥＦ３で表され、クラッドが３２．８ＡｌＦ３−１５ＹＦ３−５ＬａＦ３−９．４ＭｇＦ２−８．４ＣａＦ２−７．４ＳｒＦ２−１７ＢａＦ２−５ＢａＣｌ２で表される。組成の数字は全てモル％である。また、コア組成中のＲＥＦ３は、添加する希土類の三フッ化物を表している。コアの直径は３μm、ファイバの直径は１２５μmである。このファイバの開口数は０．１であった。また、ファイバ長は２５ｃｍである。
【００３０】
添加した希土類種がＥｒにおいて、波長４０７ｎｍで励起した場合の発光スペクトルを図４に、波長４４０ｎｍで励起した場合の発光スペクトルを図５に示す。いずれの場合も、発光中心波長が４００ｎｍおよび３１８ｎｍの放射光を確認できた。同様にその他の希土類種が添加されている場合の発光スペクトルを測定して発光中心波長を求め、励起波長とともに表１に示す。表１から判るとおり、測定した全ての希土類において、励起光波長より短波長の紫外光の発光が認められた。
【００３１】
【表１】
【実施例２】
【００３２】
本実施例は紫外レーザ発振の例である。本実施例の構成を図６に示す。ＧａＮ系半導体レーザ４０、集光レンズ４１と４６、ダイクロイックミラー４２、Ｅｒ添加フッ化物ファイバ４４、出射端４５、測定用ファイバの入射端４７、光スペクトラムアナライザ４８から構成されている。使用したＥｒ添加フッ化物ファイバ４４は実施例１で使用したＥｒが３０００ｐｐｍ添加されているフッ化物ファイバである。励起光源である波長４４７ｎｍのＧａＮ系半導体レーザ４０の出射光は、集光レンズ４１で集光された後、ダイクロイックミラー４２を透過して、該Ｅｒ添加フッ化物ファイバ４４の励起側端４３でファイバのコアに結合される。ダイクロイックミラーの設計反射波長は４００ｎｍであり、４２０ｎｍ以上の波長は透過する特性となっている。ＧａＮ系半導体レーザ４０の出射光によって励起されて発生する、Ｅｒ添加フッ化物ファイバ４４のコア内の光のうち、出射端４５側に伝搬する光は、該出射端４５から放射されて集光レンズ４６で集光され、ダイクロイックミラー４２で反射光と透過光に分岐される。該ダイクロイックミラー４２からの反射光は、再び励起側端４３のＥｒ添加フッ化物ファイバのコアに光学的に結合される。また、該ダイクロイックミラー４２からの透過光は、測定用ファイバの入射端４７に光学的に結合され、光スペクトラムアナライザ４８に導かれる。該光スペクトラムアナライザ４８では、レーザ発振スペクトルを測定した。
【００３３】
測定されたレーザ発振スペクトルを、図７に示す。波長４０１ｎｍでレーザ発振が得られていることが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明の紫外光源装置は、波長４０５ｎｍ以下の紫外光を、自然放出光、増幅された自然放出光（ＡＳＥ）、レーザの状態で放射することができることから、計測、加工、バイオ、ライフサイエンス、医療などの分野で利用できる。例えば、高精度な距離計測や表面形状などの特殊計測、干渉計測、表面改質、金属，セラミックス，ガラス，結晶，ポリマーなどの加工やマーキング、光学部品検査、半導体エッチングプロセス、半導体製造装置や光学系の検査、バイオ用蛍光色素または蛍光タンパク励起、有機化合物の分解や合成、選択的分子切断や選択的分子結合、化学薬品や中間体を含む医薬合成への応用、細胞や染色体加工、ＤＮＡなど特定分子の改変、表面洗浄、内視鏡治療、内視鏡診断、角膜治療などに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の形態の例を示す図である。
【図２】本発明の形態の例を示す図である。
【図３】本発明の実施例１の構成を示す図である。
【図４】本発明の実施例１の発光スペクトル例を示す図である。
【図５】本発明の実施例１の発光スペクトル例を示す図である。
【図６】本発明の実施例２の構成を示す図である。
【図７】本発明の実施例２のレーザ発振スペクトルを示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
１ 励起レーザ
２ 集光レンズ
３ ダイクロイックミラー
４ 希土類添加光導波路
５ コリメートレンズ
６ パワーモニタ用ミラー
７ 励起光カットフィルタ
８ フォトダイオード
９ 制御回路
１０ 出射ウィンドウ
１１ 電源プラグ
２０ 面状またはアレイ状の励起光源
２１ 透明サポート板
２２ 希土類添加光導波路
２３ 折り返し全反射ミラー
２４ コリメートレンズ
２５ 励起光カットフィルタ
３０ オプティカルパラメトリック発振器
３１ 集光レンズ
３２ ダイクロイックミラー
３３ 希土類添加フッ化物ファイバ
３４ 出射端
３５ 集光レンズ
３６ 励起光カットフィルタ
３７ 測定用ファイバ端
３８ 光スペクトラムアナライザ
４０ ＧａＮ系半導体レーザ
４１ 集光レンズ
４２ ダイクロイックミラー
４３ 励起側端
４４ Ｅｒ添加フッ化物ファイバ
４５ 出射端
４６ 集光レンズ
４７ 測定用ファイバの入射端
４８ 光スペクトラムアナライザ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、簡易な構成で紫外光を発生する紫外光源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、紫外光源としては高圧水銀ランプやハロゲン系ランプなどのランプ光源、エキシマレーザに代表されるガスレーザ、固体レーザの波長変換によるレーザなどが知られている。特に近年ではファイバレーザを用いた波長変換による紫外光発生が盛んに研究されている。また、フッ化物結晶にＮｄを添加して７７Ｋまで冷却し、赤外または５９０ｎｍの黄色レーザで励起して紫外レーザ光を得た例がある（非特許文献１）。また、Ｎｄを添加したフッ化物ファイバを５９０ｎｍの黄色レーザで励起し、室温で紫外レーザ光を得た例（非特許文献２）および紫色レーザ光を得た例（非特許文献３）がある。しかしながら、Ｎｄ添加フッ化物結晶からの紫外発光または紫外レーザ発振は、低温冷却が必要であり、実用的でない。また、Ｎｄ添加フッ化物ファイバおよびＮｄ添加フッ化物結晶の励起には、波長５９０ｎｍの黄色レーザが使用されるが、このレーザは特殊なレーザであって簡易な構成では実現できない。具体的には、波長５９０ｎｍの励起光源として、Ａｒイオンレーザ励起の色素リングレーザを用いており、大型で調整も煩雑である。
【０００３】
紫外光を発生するランプ光源の特徴は、高電圧の電源によって発生する高エネルギーの放電内で、特定の分子や原子が乖離と再結合あるいは励起と脱励起を繰り返すことで、物質固有の多数の輝線を同時に得ることができる点である。このため、比較的広い波長範囲にわたって輝線を発生させることができる。一方、放電には一定の物理的な体積が必要であるため、広い範囲を照射するには適しているが、微小範囲の照射には不向きである。また、発光効率が低く発熱が非常に多い事から、空冷の場合は冷却ファンの音や振動や熱風、水冷の場合は装置が大型化するなどの問題がある。
【０００４】
エキシマレーザは、高出力紫外光を得ることができる上に、大面積のレーザ光を得られるので、半導体製造分野で広く用いられている。しかし、エキシマレーザは発振媒質にハロゲン系のガスを使用しており、危険であるだけでなく、装置が大型であり整備も煩雑である。また、レーザ発振はパルス発振に限られるため、分光用途や検査用途では使用できない。これ以外のガスレーザとしてＡｒイオンレーザが知られているが、レーザ発振効率は極めて低い。このため冷却装置など付帯設備が必要である。
【０００５】
固体レーザの波長変換は近年著しく進歩している。従来は固体レーザの波長変換に、ＬｉＮｂＯ３（ＬＮ）やβ−ＢａＢ２Ｏ４（β−ＢＢＯ）などの強誘電性光学結晶がバルク形状で使用されているが、変換効率が極めて低い。最近は高効率波長変換材料としてこれらの強誘電性光学結晶の導波路を周期分極反転したデバイスが使用されつつあり、従来のバルク型を遙かに上回る高効率が達成されている。しかし、周期分極反転素子として加工しなければならない分極周期は出力波長と関係があり、５００ｎｍ以下の短波長では加工周期が短くなり作製が非常に困難である。また、最適な波長変換効率を維持するためには温度制御が必須であり、装置が複雑化する。
【非特許文献１】Ｒ．Ｍ．Ｍａｃｆａｒｌａｎｅ， Ｆ．Ｔｏｎｇ， Ａ．Ｊ．Ｓｉｌｖｅｒｓｍｉｔｈ， ａｎｄ Ｗ．Ｌｅｎｔｈ，”Ｖｉｏｌｅｔ ｃｗ ｎｅｏｄｙｍｉｕｍ ｕｐｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｌａｓｅｒ “， Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒ， ｖｏｌ．５２， ｐｐ．１３００−１３０２．
【非特許文献２】Ｄ．Ｓ．Ｆｕｎｋ， Ｊ．Ｗ．Ｃａｒｌｓｏｎ， ａｎｄ Ｊ．Ｇ．Ｅｄｅｎ，“Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ （３８１ｎｍ），ｒｏｏｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｌａｓｅｒ ｉｎ ｎｅｏｄｙｍｉｕｍ−ｄｏｐｅｄ ｆｌｕｏｒｏｚｉｒｃｏｎａｔｅ ｆｉｂｒｅ”， Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｄ， ｖｏｌ．３０， ｐｐ．１８５９−１８６０
【非特許文献３】Ｄ．Ｓ．Ｆｕｎｋ， Ｊ．Ｗ．Ｃａｒｌｓｏｎ， ａｎｄ Ｊ．Ｇ．Ｅｄｅｎ，“Ｒｏｏｍ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｌｕｏｒｏｚｉｒｎａｅ ｇｌａｓｓ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ ｉｎ ｔｈｅ ｖｉｏｌｅｔ （４１２ｎｍ）”，Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ， ｖｏｌ．２０ｐｐ．１４７４−１４７６．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のとおり、小型高効率で構成が単純な紫外光源装置は実現していない。
【０００７】
本発明は、このような問題を解決し、小型高効率で構成が単純な紫外光源装置の提供を目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、励起光源と、希土類を添加した光導波路（希土類添加光導波路）と、該励起光源からの励起光を該光導波路に光学的に結合する手段と、該希土類添加光導波路から発生する光を放射する放射部を備えた光源であって、該励起光源の発光波長が３４０ｎｍ〜５００ｎｍの波長範囲から選ばれるいずれかの波長であり、かつ、該希土類添加光導波路のコア部にＮｄ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍから選ばれる少なくとも一種類の希土類元素を含有し、かつ、該希土類添加光導波路から放射される光の波長が、４０５ｎｍ以下かつ励起光波長よりも短波長を有することを特徴とする紫外光源装置を提供するものである。
【０００９】
さらには、該希土類添加光導波路の少なくともコア部がフッ化物ガラス、フッ素酸化物ガラス、フツリン酸塩ガラスのいずれかからなることを特徴とする上記記載の紫外光源装置を提供するものである。
【００１０】
また、該希土類添加光導波路で発生する自然放出光のうち、波長４０５ｎｍ以下の光を反射するミラーが、該希土類添加光導波路の該放射部と反対側の端面に配置され、かつ、該放射部より放射される光が自然放出光または増幅された自然放出光であることを特徴とする紫外光源装置を提供するものである。
【００１１】
また、該希土類添加光導波路で発生する自然放出光のうち、波長が４０５ｎｍ以下の光を反射するミラーが、該希土類添加光導波路の両端に配置され、かつ、該放射部より放射される光がレーザ光であることを特徴とする紫外光源装置を提供するものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明により、希土類添加光導波路から直接紫外光を得ることができるため、構造が簡単で小型化が可能である。また、光導波路から紫外光が放射されるため、コアを小さくすることによって点光源の紫外光源を簡単な構成で提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の形態の例を、図１、２を用いて説明する。
【００１４】
まず、図１は、励起光源からの励起光を希土類添加光導波路の端面のコア部に結合する例を示す。図１の例は、励起光源１、励起光を集光するための集光レンズ２、ダイクロイックミラー３、希土類添加光導波路４、コリメートレンズ５、パワーモニタ用ミラー６、励起光カットフィルタ７、光パワーを電気信号に変換するフォトダイオード８、励起光源１の出力を制御する制御回路９、出射ウィンドウ１０、および電源プラグ１１を備えている。
【００１５】
波長３４０ｎｍから５００ｎｍの範囲から選ばれるいずれかの波長の光を放出する励起光源１からの励起光は、集光レンズ２によって集光され、さらにダイクロイックミラー３を通して希土類添加光導波路４の端面に集光され、希土類添加光導波路４のコアに光学的に結合される。結合された励起光は希土類添加光導波路４のコアで吸収され、励起光を吸収したコアは波長４０５ｎｍ以下かつ励起光波長よりも短波長で発光する。発光した光のうち、希土類添加光導波路４中をダイクロイックミラー３がある方向に進行するものは該ダイクロイックミラー３で全反射して折り返される。このとき、希土類添加光導波路４より外部へ放出された光を再度、希土類添加光導波路４の中へ結合するミラーはダイクロイックミラー３だけであるため、レーザ共振器は構成されていない。すなわち、出射ウィンドウ１０を通して外部へ出力される光は、自然放出光または増幅された自然放出光である。また、出射ウィンドウ１０側の希土類添加光導波路４の端面に波長４０５ｎｍ以下の光を反射するミラーを配置してレーザ共振器を構成することにより、出射ウィンドウ１０を通してレーザ光を外部に出力できる。希土類添加光導波路４に対し、励起光が集光される側と反対側にコリメートレンズ５が設置されており、該希土類添加光導波路４から出射される光は該コリメートレンズ５でコリメートされ、その先のパワーモニタ用ミラー６で反射光と透過光に分岐される。コリメートレンズ５でコリメートされた光のうち、パワーモニタ用ミラー６を透過する光は、さらに出射ウィンドウ１０を透過し紫外光発生装置１２から出射される。また、該パワーモニタ用ミラー６で反射され光は、励起光カットフィルタ７で励起光を除去した後フォトダイオード８に入射され、光パワーに対応した電気信号に変換される。この電気信号は制御回路９に入力され、該制御回路９は、紫外光発生装置１２の出力が一定となるように演算することにより励起光源１の出力を制御する。駆動に必要な電気は、電源プラグ１１から得る。
【００１６】
次に、図２は、励起光源からの励起光が希土類添加光導波路の側面（クラッド部）を透過してコア部に結合する例を示す。図２の例は、励起光源に平面発光体のような面状の広がりがある光源または点光源を多数アレイ状に配列した光源を用いた場合で、面状またはアレイ状の励起光源２０、透明サポート板２１、希土類添加光導波路２２、折り返し全反射ミラー２３、コリメートレンズ２４、励起光カットフィルタ２５、制御基板、励起光源の電源、および筐体を備えている。但し、図２では制御基板、励起光源の電源、筐体などを省略して表示を簡略化している。
【００１７】
波長３４０ｎｍから５００ｎｍの範囲から選ばれるいずれかの波長で発光する面状またはアレイ状の励起光源２０からの励起光は、励起光波長で透明な透明サポート板２１に固定されている希土類添加光導波路２２の側面（クラッド部）に照射される。希土類添加光導波路のコア部は、クラッド部を透過した励起光を吸収し波長４０５ｎｍ以下かつ励起光波長よりも短波長で発光する。発生した光は光導波路のコア中を伝搬する。希土類添加光導波路２２の片側の端面に波長４０５ｎｍ以下の光を反射する反射ミラー２３が設置されており、該希土類添加光導波路２２のコア部で発生した光のうち反射ミラー２３が設置されている側の端面に到達したものは、反射ミラー２３で反射されて折り返される。この結果、希土類添加光導波路２２のコア部で発生した光は全て、反射ミラー２３が設置されている端面と反対側の端面から出射され、その先のコリメートレンズ２４でコリメートされ、さらに励起光カットフィルタ２５で励起光を除去した後、紫外光源装置の出射光として出射される。このとき、希土類添加光導波路２２より外部へ放出された光を再度、希土類添加光導波路２２の中へ結合するミラーは反射ミラー２３だけであるため、レーザ共振器は構成されていない。すなわち、紫外光源装置の出射光は、自然放出光または増幅された自然放出光である。また、コリメートレンズ２４側の希土類添加光導波路２２の端面に波長４０５ｎｍ以下の光を反射するミラーを配置してレーザ共振器を構成することにより、紫外光源装置の出射光はレーザ光として外部に出力できる。
【００１８】
本発明の励起光源は、波長３４０ｎｍから５００ｎｍの範囲の波長で、励起に十分な光パワーを発生すれば特に限定されない。このような光源としては、ＧａＮ系半導体レーザ、ＧａＮ系ＬＥＤ、無機エレクトロルミネッセンス（無機ＥＬ）、有機エレクトロルミネッセンス（有機ＥＬ）、半導体レーザの出力を波長変換して得た二倍波、電子線励起蛍光体からの蛍光などが挙げられる。中でもＧａＮ系半導体レーザは高出力であり、しかも集光スポット径が小さいので、コア径が小さい希土類添加光導波路であっても光学的な結合効率が高く、輝度の高い紫外光源を実現できる。
【００１９】
一方、ＬＤアレイ、ＬＥＤアレイ、有機ＥＬ、無機ＥＬなど二次元または三次元的に配置可能な光源は、希土類添加光導波路への光学的な結合効率は低くなるものの、空間的に拡張が容易であり構造も簡単である。このため単位面積あたりの光密度は低いが、全光パワーとしては大きなパワーを放射可能であり、低い光学的な結合効率を補うことができる。このため、大きさの制約が厳しくない場合には、簡素な構造で紫外光を得られるので好ましい。
【００２０】
希土類添加光導波路は、平面光導波路でもよいしファイバでも良い。希土類添加光導波路のコア部には、Ｎｄ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍから選ばれる少なくとも一種類の希土類元素を添加する必要がある。希土類の添加濃度は、励起光の波長、励起光の出力、光導波路の損失、光学構成、導波路のコア直径、開口数など様々な要因で変化するため、一概には規定できないが、１００ｐｐｍから５００００ｐｐｍの範囲であることが好ましい。１００ｐｐｍ未満では励起光の吸収係数が低くなり単位長さあたりの発光量が低下し、光導波路の損失を上回ることが困難となることから好ましくない。一方、５００００ｐｐｍを超えるとガラス中への均一溶解が困難なだけでなく、希土類同士のエネルギー移譲による脱励起（濃度消光と呼ばれる）が生じ、発光効率が低下する。一般的には、ＧａＮ系半導体レーザ励起の場合１０００ｐｐｍから１００００ｐｐｍの範囲が、ＬＥＤアレイなど面状の励起光源を用いる場合は２００ｐｐｍから５０００ｐｐｍの範囲が適当である。
【００２１】
希土類添加光導波路の少なくともコア部は、波長４０５ｎｍ以下の紫外波長域でも透明である必要があり、かつ短波長発光効率が高い低フォノン材料である必要がある。このようなガラスとしては、フッ化物ガラス、フッ素酸化物ガラス、フツリン酸塩ガラスが適している。中でもフッ化物ガラスは、作製の容易さと光学性能の点から、最も好ましい。フッ化物ガラス組成としては、Ａｌ系ガラス、Ａｌ−Ｚｒ系ガラス、Ｚｒ系ガラスが安定であり、好ましい。
【００２２】
希土類添加光導波路中で発生した波長４０５ｎｍ以下の光は、希土類添加光導波路内に閉じこめる割合を適切に制御することで、自然放出光または増幅された自然放出光（ＡＳＥ）またはレーザ光として取り出すことができる。
【００２３】
自然放出光またはＡＳＥの場合、広帯域光が得られるため、干渉計測では可干渉長が短く、分解能が向上する。また、形状計測では裏面反射の影響を受けにくく、レンズ形状などの高精度計測が可能である。また、生物用途では特定波長にエネルギーが集中しないため、同じ光パワーを照射しても生体サンプルが受けるダメージがレーザよりも少なく、照明用途や蛍光色素／蛍光タンパクの励起に好適である。
【００２４】
レーザ光の場合、狭帯域で干渉長が長いコヒーレント光が得られるだけでなく、自然放出光やＡＳＥよりも高出力な紫外光が得られる。このため、高出力が必要な加工用途として、表面微細加工、樹脂やガラスの微細加工、生体サンプルの部分的な破壊や細胞質の部分的な破壊、遺伝子の加工、リソグラフィーやエッチングなどの半導体プロセスへの適用などが可能である。また、可干渉長が長いので精密距離計測に適している。さらに、波長変換素子を組み合わせることで、波長２００ｎｍ以下の光を得ることも可能である。この場合、２００ｎｍ以下の紫外域でも透明性の高い非線形光学結晶を使用する必要があり、ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０（ＣＬＢＯ）や、ＢａＭｇＦ４、ＢａＺｎＦ４、ＳｒＡｌＦ５、Ｎａ２ＭｇＡｌＦ７、Ｎａ２ＺｎＡｌＦ７などの強誘電性フッ化物結晶が適している。
【００２５】
発光波長と励起波長の関係は、励起条件、希土類濃度、ガラス組成、レーザ共振器条件などで変化するため一概に規定できないが、例えばＺｒ系フッ化物ガラスファイバにＮｄを添加し、波長４３０ｎｍのＧａＮ系半導体レーザで励起した場合、波長３８０ｎｍ帯で発光し、レーザ発振させることもできる。また、例えばＺｒ系フッ化物ガラスファイバにＴｂを添加し、波長４８８ｎｍのＧａＮ系半導体レーザで励起した場合、波長３８０ｎｍ帯で発光し、レーザ発振させることもできる。また、例えばＺｒ系フッ化物ガラスファイバにＤｙを添加し、波長４００ｎｍのＧａＮ系半導体レーザで励起した場合、波長３６５ｎｍ帯で発光し、レーザ発振させることもできる。また、例えばＺｒ系フッ化物ガラスファイバにＨｏを添加し、波長４７６ｎｍのＧａＮ系半導体レーザで励起した場合、波長３８５ｎｍ帯で発光し、レーザ発振させることもできる。また、例えばＡｌ系フッ化物ガラスファイバにＥｒを添加し、波長４０５ｎｍのＧａＮ系半導体レーザで励起した場合、波長３１８ｎｍ帯および４００ｎｍ帯で発光し、これらの波長でレーザ発振させることもできる。また、例えばＡｌ系フッ化物ガラスファイバにＥｒを添加し、波長４４０ｎｍのＧａＮ系半導体レーザで励起した場合、３１８ｎｍ帯と４００ｎｍ帯で発光し、レーザ発振させることもできる。また、例えばＡｌ系フッ化物ガラスファイバにＴｍを添加し、波長３５８ｎｍのＧａＮ系半導体レーザで励起した場合、波長２８３ｎｍ帯と３４４ｎｍ帯で発光し、これらの波長でレーザ発振させることもできる。また、例えばＡｌ系フッ化物ガラスファイバにＥｒとＧｄを共に添加し、波長４０７ｎｍまたは４４０ｎｍのＧａＮ系半導体レーザで励起した場合、３１０ｎｍ帯で発光し、レーザ発振させることもできる。
【００２６】
以下に、実施例により本発明を詳細に説明する。
【実施例１】
【００２７】
各種の希土類からの紫外発光を調べるために、希土類を０．３ｍｏｌ％（約３０００ｐｐｍ）添加されている希土類添加ファイバにおいて添加されている希土類がＮｄ、ＧｄとＥｒ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍそれぞれの場合について、励起した時の発光波長を調べた。
【００２８】
本実施例の構成を図３に示す。オプティカルパラメトリック発振器３０、集光レンズ３１と３５、ダイクロイックミラー３２、希土類添加ファイバ３３、出射端３４、励起光カットフィルタ３６、測定用ファイバ端３７、光スペクトラムアナライザ３８から構成されている。チタンサファイアレーザを波長変換し、波長３４０ｎｍから５００ｎｍまで調整可能で、繰り返し１００ＭＨｚのパルス光を出力するオプティカルパラメトリック発振器３０の励起光源から放出される励起光は、集光レンズ３１で希土類添加フッ化物光ファイバ３３の端面に集光され光学的に結合される。励起光が結合される側の希土類添加フッ化物光ファイバ３３の端面は平面に光学研磨されている。励起光入射端面には、励起光波長帯域を透過し紫外光波長帯域を反射するダイクロイックミラー３２が突き当てられている。したがって、該ダイクロイックミラー３２は、励起光と出力光の波長に合わせて、添加されている希土類の種類毎に交換する。励起光の結合により希土類添加ファイバ３３内で発生した光のうち、ダイクロイックミラー３２側へ伝搬する光は該ダイクロイックミラー３２で折り返されて、出射端３４から放射される。また、ダイクロイックミラー３２と反対側へ伝搬する光は、そのまま出射端３４から放射される。この出射端３４は８°斜めクリーブされており、反射減衰量は６０ｄＢ以上である。放射された光は、集光レンズ３５で集光され、その先の励起光カットフィルタ３６で励起光を除去した後、測定用ファイバ端３７に結合される。結合された光は光スペクトラムアナライザ３８に導かれ、希土類添加光ファイバの発光スペクトルが測定される。
【００２９】
使用する希土類添加フッ化物光ファイバにはＡｌ系フッ化物ファイバを用い、そのガラス組成は、コア部が３２．８ＡｌＦ３−１５ＹＦ３−４．７ＬａＦ３−９．４ＭｇＦ２−７．４ＣａＦ２−５．４ＳｒＦ２−２０ＢａＦ２−５ＢａＣｌ２−０．３ＲＥＦ３で表され、クラッドが３２．８ＡｌＦ３−１５ＹＦ３−５ＬａＦ３−９．４ＭｇＦ２−８．４ＣａＦ２−７．４ＳｒＦ２−１７ＢａＦ２−５ＢａＣｌ２で表される。組成の数字は全てモル％である。また、コア組成中のＲＥＦ３は、添加する希土類の三フッ化物を表している。コアの直径は３μm、ファイバの直径は１２５μmである。このファイバの開口数は０．１であった。また、ファイバ長は２５ｃｍである。
【００３０】
添加した希土類種がＥｒにおいて、波長４０７ｎｍで励起した場合の発光スペクトルを図４に、波長４４０ｎｍで励起した場合の発光スペクトルを図５に示す。いずれの場合も、発光中心波長が４００ｎｍおよび３１８ｎｍの放射光を確認できた。同様にその他の希土類種が添加されている場合の発光スペクトルを測定して発光中心波長を求め、励起波長とともに表１に示す。表１から判るとおり、測定した全ての希土類において、励起光波長より短波長の紫外光の発光が認められた。
【００３１】
【表１】
【実施例２】
【００３２】
本実施例は紫外レーザ発振の例である。本実施例の構成を図６に示す。ＧａＮ系半導体レーザ４０、集光レンズ４１と４６、ダイクロイックミラー４２、Ｅｒ添加フッ化物ファイバ４４、出射端４５、測定用ファイバの入射端４７、光スペクトラムアナライザ４８から構成されている。使用したＥｒ添加フッ化物ファイバ４４は実施例１で使用したＥｒが３０００ｐｐｍ添加されているフッ化物ファイバである。励起光源である波長４４７ｎｍのＧａＮ系半導体レーザ４０の出射光は、集光レンズ４１で集光された後、ダイクロイックミラー４２を透過して、該Ｅｒ添加フッ化物ファイバ４４の励起側端４３でファイバのコアに結合される。ダイクロイックミラーの設計反射波長は４００ｎｍであり、４２０ｎｍ以上の波長は透過する特性となっている。ＧａＮ系半導体レーザ４０の出射光によって励起されて発生する、Ｅｒ添加フッ化物ファイバ４４のコア内の光のうち、出射端４５側に伝搬する光は、該出射端４５から放射されて集光レンズ４６で集光され、ダイクロイックミラー４２で反射光と透過光に分岐される。該ダイクロイックミラー４２からの反射光は、再び励起側端４３のＥｒ添加フッ化物ファイバのコアに光学的に結合される。また、該ダイクロイックミラー４２からの透過光は、測定用ファイバの入射端４７に光学的に結合され、光スペクトラムアナライザ４８に導かれる。該光スペクトラムアナライザ４８では、レーザ発振スペクトルを測定した。
【００３３】
測定されたレーザ発振スペクトルを、図７に示す。波長４０１ｎｍでレーザ発振が得られていることが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明の紫外光源装置は、波長４０５ｎｍ以下の紫外光を、自然放出光、増幅された自然放出光（ＡＳＥ）、レーザの状態で放射することができることから、計測、加工、バイオ、ライフサイエンス、医療などの分野で利用できる。例えば、高精度な距離計測や表面形状などの特殊計測、干渉計測、表面改質、金属，セラミックス，ガラス，結晶，ポリマーなどの加工やマーキング、光学部品検査、半導体エッチングプロセス、半導体製造装置や光学系の検査、バイオ用蛍光色素または蛍光タンパク励起、有機化合物の分解や合成、選択的分子切断や選択的分子結合、化学薬品や中間体を含む医薬合成への応用、細胞や染色体加工、ＤＮＡなど特定分子の改変、表面洗浄、内視鏡治療、内視鏡診断、角膜治療などに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の形態の例を示す図である。
【図２】本発明の形態の例を示す図である。
【図３】本発明の実施例１の構成を示す図である。
【図４】本発明の実施例１の発光スペクトル例を示す図である。
【図５】本発明の実施例１の発光スペクトル例を示す図である。
【図６】本発明の実施例２の構成を示す図である。
【図７】本発明の実施例２のレーザ発振スペクトルを示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
１ 励起レーザ
２ 集光レンズ
３ ダイクロイックミラー
４ 希土類添加光導波路
５ コリメートレンズ
６ パワーモニタ用ミラー
７ 励起光カットフィルタ
８ フォトダイオード
９ 制御回路
１０ 出射ウィンドウ
１１ 電源プラグ
２０ 面状またはアレイ状の励起光源
２１ 透明サポート板
２２ 希土類添加光導波路
２３ 折り返し全反射ミラー
２４ コリメートレンズ
２５ 励起光カットフィルタ
３０ オプティカルパラメトリック発振器
３１ 集光レンズ
３２ ダイクロイックミラー
３３ 希土類添加フッ化物ファイバ
３４ 出射端
３５ 集光レンズ
３６ 励起光カットフィルタ
３７ 測定用ファイバ端
３８ 光スペクトラムアナライザ
４０ ＧａＮ系半導体レーザ
４１ 集光レンズ
４２ ダイクロイックミラー
４３ 励起側端
４４ Ｅｒ添加フッ化物ファイバ
４５ 出射端
４６ 集光レンズ
４７ 測定用ファイバの入射端
４８ 光スペクトラムアナライザ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光源と、希土類を添加した光導波路（希土類添加光導波路）と、該励起光源からの励起光を該光導波路に光学的に結合する手段と、該希土類添加光導波路から発生する光を放射する放射部を備えた光源であって、
該励起光源の発光波長が３４０ｎｍ〜５００ｎｍの波長範囲から選ばれるいずれかの波長であり、かつ、該希土類添加光導波路のコア部にＮｄ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍから選ばれる少なくとも一種類の希土類元素を含有し、
かつ、該希土類添加光導波路から放射される光の波長が、４０５ｎｍ以下かつ励起光波長よりも短波長を有することを特徴とする、紫外光源装置。
【請求項２】
該希土類添加光導波路の少なくともコア部が、フッ化物ガラス、フッ素酸化物ガラス、フツリン酸塩ガラスのいずれかからなることを特徴とする、請求項１記載の紫外光源装置。
【請求項３】
該希土類添加光導波路で発生する自然放出光のうち、波長４０５ｎｍ以下の光を反射するミラーが、該希土類添加光導波路の該放射部と反対側の端面に配置され、かつ、該放射部より放射される光が自然放出光または増幅された自然放出光であることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の紫外光源装置。
【請求項４】
該希土類添加光導波路で発生する自然放出光のうち、波長４０５ｎｍ以下の光を反射するミラーが、該希土類添加光導波路の両端に配置され、かつ、該放射部より放射される光がレーザ光であることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の紫外光源装置。
【請求項１】
励起光源と、希土類を添加した光導波路（希土類添加光導波路）と、該励起光源からの励起光を該光導波路に光学的に結合する手段と、該希土類添加光導波路から発生する光を放射する放射部を備えた光源であって、
該励起光源の発光波長が３４０ｎｍ〜５００ｎｍの波長範囲から選ばれるいずれかの波長であり、かつ、該希土類添加光導波路のコア部にＮｄ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍから選ばれる少なくとも一種類の希土類元素を含有し、
かつ、該希土類添加光導波路から放射される光の波長が、４０５ｎｍ以下かつ励起光波長よりも短波長を有することを特徴とする、紫外光源装置。
【請求項２】
該希土類添加光導波路の少なくともコア部が、フッ化物ガラス、フッ素酸化物ガラス、フツリン酸塩ガラスのいずれかからなることを特徴とする、請求項１記載の紫外光源装置。
【請求項３】
該希土類添加光導波路で発生する自然放出光のうち、波長４０５ｎｍ以下の光を反射するミラーが、該希土類添加光導波路の該放射部と反対側の端面に配置され、かつ、該放射部より放射される光が自然放出光または増幅された自然放出光であることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の紫外光源装置。
【請求項４】
該希土類添加光導波路で発生する自然放出光のうち、波長４０５ｎｍ以下の光を反射するミラーが、該希土類添加光導波路の両端に配置され、かつ、該放射部より放射される光がレーザ光であることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の紫外光源装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−１０８９５６（Ｐ２０１０−１０８９５６Ａ）
【公開日】平成２２年５月１３日（２０１０．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２７６２８５（Ｐ２００８−２７６２８５）
【出願日】平成２０年１０月２８日（２００８．１０．２８）
【出願人】（０００００２２００）セントラル硝子株式会社 (1,198)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年５月１３日（２０１０．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月２８日（２００８．１０．２８）
【出願人】（０００００２２００）セントラル硝子株式会社 (1,198)
【Ｆターム（参考）】
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