JPH06169128A - 固体非半導体レーザの製造方法 - Google Patents
固体非半導体レーザの製造方法Info
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- JPH06169128A JPH06169128A JP3354522A JP35452291A JPH06169128A JP H06169128 A JPH06169128 A JP H06169128A JP 3354522 A JP3354522 A JP 3354522A JP 35452291 A JP35452291 A JP 35452291A JP H06169128 A JPH06169128 A JP H06169128A
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Classifications
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
-
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 大きい光エネルギーを加えることが可能な、
光散乱欠陥サイトの密度の小さい固体非半導体レーザ媒
質を結晶成長する。 【構成】 本発明によれば、希土類オルトケイ酸塩結晶
は、チョクラルスキー技術によって、酸素を含む不活性
雰囲気中で成分酸化物の溶融混合物から成長される。約
３００〜約９０００ｐｐｍの濃度の酸素が不活性雰囲気
中に含まれることによって、光散乱欠陥サイトの密度が
非常に減少し、それによって、３００ｐｐｍより少ない
酸素を含む不活性雰囲気中で成長された結晶と比較し
て、結晶に大きな障害を与えることなく加えることがで
きる光エネルギーが非常に増大する。
光散乱欠陥サイトの密度の小さい固体非半導体レーザ媒
質を結晶成長する。 【構成】 本発明によれば、希土類オルトケイ酸塩結晶
は、チョクラルスキー技術によって、酸素を含む不活性
雰囲気中で成分酸化物の溶融混合物から成長される。約
３００〜約９０００ｐｐｍの濃度の酸素が不活性雰囲気
中に含まれることによって、光散乱欠陥サイトの密度が
非常に減少し、それによって、３００ｐｐｍより少ない
酸素を含む不活性雰囲気中で成長された結晶と比較し
て、結晶に大きな障害を与えることなく加えることがで
きる光エネルギーが非常に増大する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、固体非半導体レーザに
おける使用に適する希土類をドープした希土類オルトケ
イ酸塩結晶に関する。「希土類オルトケイ酸塩」という
語は、イットリウムおよび原子番号５８〜７１（Ｃｅ〜
Ｌｕ）をもつランタノイド系列希土類元素のオルトケイ
酸塩を包含する。
おける使用に適する希土類をドープした希土類オルトケ
イ酸塩結晶に関する。「希土類オルトケイ酸塩」という
語は、イットリウムおよび原子番号５８〜７１（Ｃｅ〜
Ｌｕ）をもつランタノイド系列希土類元素のオルトケイ
酸塩を包含する。
【０００２】
【従来の技術】固体非半導体レーザは、電気・電子産
業、光ファイバ通信、精密機械および航空宇宙分野にお
いて広く使用され、また、高い光出力レーザが利用され
る切削、溶接、穿孔、表面処理およびその他の製造技術
における多くの工業的使用がある。従って、レーザ性能
を改善し、その動作波長範囲を拡張することに向けて、
新たなレーザ材料を発見するための努力が続けられてい
る。
業、光ファイバ通信、精密機械および航空宇宙分野にお
いて広く使用され、また、高い光出力レーザが利用され
る切削、溶接、穿孔、表面処理およびその他の製造技術
における多くの工業的使用がある。従って、レーザ性能
を改善し、その動作波長範囲を拡張することに向けて、
新たなレーザ材料を発見するための努力が続けられてい
る。
【０００３】有望と考えられる材料のうちに、希土類を
ドープした希土類オルトケイ酸塩Ｌｎ2-xＲＥxＳｉＯ5
がある。ただし、Ｌｎは、イットリウム（Ｙ）および原
子番号５８〜７１（Ｃｅ〜Ｌｕ）をもつランタノイド系
列希土類元素から選択され、ＲＥは、原子番号５８〜７
１（Ｃｅ〜Ｌｕ）をもつランタノイド系列のうちの少な
くとも１つの希土類元素であり、前記ＲＥは前記化学式
のＬｎイオンとは異なるイオンであり、ｘは０．３以下
（化学式中のＬｎおよびＲＥイオンの総数の１５原子％
以下）である。レーザ媒質として特に興味のあるこれら
の材料のうちの１つはＮｄをドープしたイットリウムオ
ルトケイ酸塩（Ｙ2-xＮｄxＳｉＯ5）である。
ドープした希土類オルトケイ酸塩Ｌｎ2-xＲＥxＳｉＯ5
がある。ただし、Ｌｎは、イットリウム（Ｙ）および原
子番号５８〜７１（Ｃｅ〜Ｌｕ）をもつランタノイド系
列希土類元素から選択され、ＲＥは、原子番号５８〜７
１（Ｃｅ〜Ｌｕ）をもつランタノイド系列のうちの少な
くとも１つの希土類元素であり、前記ＲＥは前記化学式
のＬｎイオンとは異なるイオンであり、ｘは０．３以下
（化学式中のＬｎおよびＲＥイオンの総数の１５原子％
以下）である。レーザ媒質として特に興味のあるこれら
の材料のうちの１つはＮｄをドープしたイットリウムオ
ルトケイ酸塩（Ｙ2-xＮｄxＳｉＯ5）である。
【０００４】イットリウムオルトケイ酸塩は、（4Ｆ3/2
−4Ｉ9/2遷移）、（4Ｆ3/2−4Ｉ11/ 2遷移）および（4Ｆ
3/2−4Ｉ13/2遷移）で照射された結晶中で誘導放出を発
生する活動媒質としての使用が有望である。（例えば、
Ｋｈ．Ｓ．バグダサロフ(Kh.S. Bagdassarov)他「4Ｆ
3/2−4Ｉ11/2および4Ｆ3/2−4Ｉ13/2遷移で照射された
Ｙ2ＳｉＯ5−Ｎｄ+3結晶のレーザ性質」（Sov. Phys. D
okl. 第１８巻第１０号、１９７４年４月、６６４ペー
ジ）；Ａ．Ｍ．モロゾフ(A. M. Morozov)他「イットリ
ウム−およびエルビウム−オキシオルトケイ酸塩単結晶
中のホルミウムのルミネセンスおよび誘導放出」（Opt.
Spectrosc. (USSR) 第４１巻第６号、１９７６年１２
月、６４１〜６４２ページ）；Ａ．Ｍ．トカチュク(A.
M. Tkachuk)他「ルテチウム、イットリウムおよびスカ
ンジウムケイ酸塩結晶におけるＮｄ+3光中心とそれらの
自発および誘導放出」（Opt. Spectrosc. (USSR) 第６
０巻第２号、１９８６年２月、１７６〜１８１ペー
ジ）；Ｒ．ビーチ(R. Beach)他「ネオジムをドープした
イットリウムオルトケイ酸塩における基底状態空乏レー
ザ」（１９９０年１月１６日にＳＰＩＥ／ＯＥ／ＬＡＳ
Ｅ １９９０で発表）参照。）
−4Ｉ9/2遷移）、（4Ｆ3/2−4Ｉ11/ 2遷移）および（4Ｆ
3/2−4Ｉ13/2遷移）で照射された結晶中で誘導放出を発
生する活動媒質としての使用が有望である。（例えば、
Ｋｈ．Ｓ．バグダサロフ(Kh.S. Bagdassarov)他「4Ｆ
3/2−4Ｉ11/2および4Ｆ3/2−4Ｉ13/2遷移で照射された
Ｙ2ＳｉＯ5−Ｎｄ+3結晶のレーザ性質」（Sov. Phys. D
okl. 第１８巻第１０号、１９７４年４月、６６４ペー
ジ）；Ａ．Ｍ．モロゾフ(A. M. Morozov)他「イットリ
ウム−およびエルビウム−オキシオルトケイ酸塩単結晶
中のホルミウムのルミネセンスおよび誘導放出」（Opt.
Spectrosc. (USSR) 第４１巻第６号、１９７６年１２
月、６４１〜６４２ページ）；Ａ．Ｍ．トカチュク(A.
M. Tkachuk)他「ルテチウム、イットリウムおよびスカ
ンジウムケイ酸塩結晶におけるＮｄ+3光中心とそれらの
自発および誘導放出」（Opt. Spectrosc. (USSR) 第６
０巻第２号、１９８６年２月、１７６〜１８１ペー
ジ）；Ｒ．ビーチ(R. Beach)他「ネオジムをドープした
イットリウムオルトケイ酸塩における基底状態空乏レー
ザ」（１９９０年１月１６日にＳＰＩＥ／ＯＥ／ＬＡＳ
Ｅ １９９０で発表）参照。）
【０００５】希土類オルトケイ酸塩（Ｌｎ2-xＲＥxＳｉ
Ｏ5）結晶は、一般的に、チョクラルスキー法によっ
て、ＳｉＯ2および（希土類（ＲＥ）ドーパントが１５
原子％以下のＬｎ2Ｏ3）を、ＳｉＯ2対（Ｌｎ2Ｏ3およ
びＲＥ2Ｏ3）が１：１の化学量論比で含む溶融物から結
晶を引き上げることによって成長される。チョクラルス
キー法は、所望される組成を有する溶融物から結晶の核
を引き上げることによって結晶を成長する周知の技術で
ある。
Ｏ5）結晶は、一般的に、チョクラルスキー法によっ
て、ＳｉＯ2および（希土類（ＲＥ）ドーパントが１５
原子％以下のＬｎ2Ｏ3）を、ＳｉＯ2対（Ｌｎ2Ｏ3およ
びＲＥ2Ｏ3）が１：１の化学量論比で含む溶融物から結
晶を引き上げることによって成長される。チョクラルス
キー法は、所望される組成を有する溶融物から結晶の核
を引き上げることによって結晶を成長する周知の技術で
ある。
【０００６】チョクラルスキー法は、Ｒ．Ａ．ローディ
ス(R. A. Laudise)著「単結晶の成長」（１９７０年、P
rentice-Hall社、Englewood Cliffs, N.J.、第５章１７
４〜１９６ページ）；およびＣ．Ｄ．ブランドル(C. D.
Brandle)他「希土類オルトケイ酸塩（Ｌｎ2ＳｉＯ5）
のチョクラルスキー成長」（ジャーナル・オヴ・クリス
タル・グロウス、第７９巻、１９８６年、３０８〜３１
５ページ、North Holland, Amsterdam）に説明されてい
る。
ス(R. A. Laudise)著「単結晶の成長」（１９７０年、P
rentice-Hall社、Englewood Cliffs, N.J.、第５章１７
４〜１９６ページ）；およびＣ．Ｄ．ブランドル(C. D.
Brandle)他「希土類オルトケイ酸塩（Ｌｎ2ＳｉＯ5）
のチョクラルスキー成長」（ジャーナル・オヴ・クリス
タル・グロウス、第７９巻、１９８６年、３０８〜３１
５ページ、North Holland, Amsterdam）に説明されてい
る。
【０００７】オルトケイ酸塩は、厚い壁のイリジウム坩
堝から引き上げることによって成長される。このとき、
坩堝および成長中の結晶は、誘導加熱を有する装置で不
活性雰囲気中で注意深く熱遮蔽される。残念ながら、こ
の結晶は著しい光散乱欠陥を示すことが発見されてい
る。本発明の目的は、光散乱欠陥がほとんど存在しない
ような、希土類をドープされた希土類オルトケイ酸塩を
成長することである。
堝から引き上げることによって成長される。このとき、
坩堝および成長中の結晶は、誘導加熱を有する装置で不
活性雰囲気中で注意深く熱遮蔽される。残念ながら、こ
の結晶は著しい光散乱欠陥を示すことが発見されてい
る。本発明の目的は、光散乱欠陥がほとんど存在しない
ような、希土類をドープされた希土類オルトケイ酸塩を
成長することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、固体非半導体
レーザのレーザ媒質として使用可能な、希土類をドープ
された希土類オルトケイ酸塩結晶の単結晶の成長のため
の技術である。この種のレーザは、高い光出力レーザが
利用されるエレクトロニクス、通信、航空宇宙システ
ム、および製造技術における応用を有する。特に興味が
あるのは、Ｙ2-xＮｄxＳｉＯ5結晶（ｘは０．３以下）
であり、これは半導体レーザ、固体非半導体レーザ、フ
ラッシュランプまたは他の光放射源によって有効にポン
ピングされ、非常に高い光出力で動作可能であることが
分かっている。
レーザのレーザ媒質として使用可能な、希土類をドープ
された希土類オルトケイ酸塩結晶の単結晶の成長のため
の技術である。この種のレーザは、高い光出力レーザが
利用されるエレクトロニクス、通信、航空宇宙システ
ム、および製造技術における応用を有する。特に興味が
あるのは、Ｙ2-xＮｄxＳｉＯ5結晶（ｘは０．３以下）
であり、これは半導体レーザ、固体非半導体レーザ、フ
ラッシュランプまたは他の光放射源によって有効にポン
ピングされ、非常に高い光出力で動作可能であることが
分かっている。
【０００９】本発明によれば、希土類オルトケイ酸塩結
晶は、チョクラルスキー技術によって、酸素を含む不活
性雰囲気中で成分酸化物の溶融混合物から成長される。
約３００〜約９０００ｐｐｍの濃度の酸素が不活性雰囲
気中に含まれることによって、光散乱欠陥サイトの密度
が非常に減少し、それによって、３００ｐｐｍより少な
い（例えば２００ｐｐｍ以下）の酸素を含む不活性雰囲
気中で成長された結晶と比較して、結晶に大きな障害を
与えることなく加えることができる光エネルギーが非常
に増大する。
晶は、チョクラルスキー技術によって、酸素を含む不活
性雰囲気中で成分酸化物の溶融混合物から成長される。
約３００〜約９０００ｐｐｍの濃度の酸素が不活性雰囲
気中に含まれることによって、光散乱欠陥サイトの密度
が非常に減少し、それによって、３００ｐｐｍより少な
い（例えば２００ｐｐｍ以下）の酸素を含む不活性雰囲
気中で成長された結晶と比較して、結晶に大きな障害を
与えることなく加えることができる光エネルギーが非常
に増大する。
【００１０】これらの欠陥サイトにおける、レーザ動作
中に存在する高い光束からのエネルギーの吸収は、レー
ザ結晶をさらに劣化させる。結晶成長が実行される雰囲
気中のＯ2濃度の選択によって、光散乱を生成する欠陥
の密度が非常に減少する。成長雰囲気組成制御の適用に
よって、光障害しきい値は１桁より大きく増大されてい
る。
中に存在する高い光束からのエネルギーの吸収は、レー
ザ結晶をさらに劣化させる。結晶成長が実行される雰囲
気中のＯ2濃度の選択によって、光散乱を生成する欠陥
の密度が非常に減少する。成長雰囲気組成制御の適用に
よって、光障害しきい値は１桁より大きく増大されてい
る。
【００１１】
【実施例】本発明は、固体非半導体レーザで使用され
る、希土類をドープされた希土類オルトケイ酸塩の結晶
を成長する方法である。興味のあるオルトケイ酸塩は一
般式Ｌｎ2-xＲＥxＳｉＯ5を有する。ただし、Ｌｎは、
イットリウム（Ｙ）および原子番号５８〜７１（Ｃｅ〜
Ｌｕ）をもつランタノイド系列希土類元素から選択され
た少なくとも１つの元素であり、ＲＥは、原子番号５８
〜７１（Ｃｅ〜Ｌｕ）をもつランタノイド系列のうちの
少なくとも１つの希土類元素であってＲＥイオンは化学
式中のＬｎイオンとは異なるものであり、ｘは０．３以
下である。本発明によれば、チョクラルスキー法によっ
て、成長された結晶中の光散乱欠陥サイトを除去するか
または少なくとも減少させるような条件下で溶融物から
成長される。
る、希土類をドープされた希土類オルトケイ酸塩の結晶
を成長する方法である。興味のあるオルトケイ酸塩は一
般式Ｌｎ2-xＲＥxＳｉＯ5を有する。ただし、Ｌｎは、
イットリウム（Ｙ）および原子番号５８〜７１（Ｃｅ〜
Ｌｕ）をもつランタノイド系列希土類元素から選択され
た少なくとも１つの元素であり、ＲＥは、原子番号５８
〜７１（Ｃｅ〜Ｌｕ）をもつランタノイド系列のうちの
少なくとも１つの希土類元素であってＲＥイオンは化学
式中のＬｎイオンとは異なるものであり、ｘは０．３以
下である。本発明によれば、チョクラルスキー法によっ
て、成長された結晶中の光散乱欠陥サイトを除去するか
または少なくとも減少させるような条件下で溶融物から
成長される。
【００１２】Ｌｎ2-xＲＥxＳｉＯ5結晶を成長するため
に使用される炉の例が図１に模式的に図示されている。
炉１はイリジウム坩堝２を含み、坩堝２はＺｒＯ2台３
上にあり、さらにこの台３はＺｒＯ2台座４上に位置す
る。坩堝は、内部ＺｒＯ2管５内に囲まれ、さらに、内
部管よりも大きい直径の外部水晶管６に囲まれる。これ
らの管もまたＺｒＯ2台座４上にある。
に使用される炉の例が図１に模式的に図示されている。
炉１はイリジウム坩堝２を含み、坩堝２はＺｒＯ2台３
上にあり、さらにこの台３はＺｒＯ2台座４上に位置す
る。坩堝は、内部ＺｒＯ2管５内に囲まれ、さらに、内
部管よりも大きい直径の外部水晶管６に囲まれる。これ
らの管もまたＺｒＯ2台座４上にある。
【００１３】管の間の空間、および、台３と台座の間の
空間は、適当な断熱材、例えば、粒状ＺｒＯ2断熱材７
で満たされる。さらに、ＺｒＯ2フェルト８が、外部管
に面する内部管の壁上に位置する。小さいセラミック環
９が、坩堝の熱損失を縮小し、それによって坩堝の破損
の危険性を縮小するために、坩堝２の上部に位置する。
ドーナツ型の蓋１１は、結晶引き上げ軸１３を通すため
に中央に位置する孔１２を有し、炉の上部に位置する。
軸１３には、イリジウム棒１５を軸に固定するためのコ
レット１４が取り付けられる。初期結晶成長はイリジウ
ム棒上で開始され、結晶材料は成長の開始後急速に単結
晶となる。また、所望される組成および配向の核結晶が
軸またはイリジウム棒上に固定されることも可能であ
る。
空間は、適当な断熱材、例えば、粒状ＺｒＯ2断熱材７
で満たされる。さらに、ＺｒＯ2フェルト８が、外部管
に面する内部管の壁上に位置する。小さいセラミック環
９が、坩堝の熱損失を縮小し、それによって坩堝の破損
の危険性を縮小するために、坩堝２の上部に位置する。
ドーナツ型の蓋１１は、結晶引き上げ軸１３を通すため
に中央に位置する孔１２を有し、炉の上部に位置する。
軸１３には、イリジウム棒１５を軸に固定するためのコ
レット１４が取り付けられる。初期結晶成長はイリジウ
ム棒上で開始され、結晶材料は成長の開始後急速に単結
晶となる。また、所望される組成および配向の核結晶が
軸またはイリジウム棒上に固定されることも可能であ
る。
【００１４】炉１は、エンクロージャ１６に囲まれ、エ
ンクロージャ１６はジャケット管１７からなり、ジャケ
ット管１７は床板１８上に位置する。軸１３を通すため
中央に位置する孔２０をもつドーナツ型の蓋１９が、ジ
ャケット管１７の上部に位置する。入口２１が、エンク
ロージャ１６および炉１内の適切な雰囲気を維持するた
めに必要な気体を通すために形成される。
ンクロージャ１６はジャケット管１７からなり、ジャケ
ット管１７は床板１８上に位置する。軸１３を通すため
中央に位置する孔２０をもつドーナツ型の蓋１９が、ジ
ャケット管１７の上部に位置する。入口２１が、エンク
ロージャ１６および炉１内の適切な雰囲気を維持するた
めに必要な気体を通すために形成される。
【００１５】結晶成長のためには、最低純度９９．９９
９％以上の酸化物粉末が希土類酸化物（Ｌｎ2Ｏ3および
ＲＥ2Ｏ3）とＳｉＯ2の両方に使用される。Ｃｅ，Ｐ
ｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｅｒ，ＴｍおよびＹｂか
ら選択される希土類ドーパント（ＲＥ）が、Ｌｎおよび
ＲＥ酸化物の総量の１５原子％以下の濃度で粉末中に導
入される。レーザが高い束密度のコヒーレント光でポン
ピングされるようなアプリケーションに対しては、ＲＥ
ドーパントは、０．０００１〜０．２モル（Ｌｎおよび
ＲＥ成分中０．００５〜１０原子％）の範囲で含まれる
のが望ましい。
９％以上の酸化物粉末が希土類酸化物（Ｌｎ2Ｏ3および
ＲＥ2Ｏ3）とＳｉＯ2の両方に使用される。Ｃｅ，Ｐ
ｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｅｒ，ＴｍおよびＹｂか
ら選択される希土類ドーパント（ＲＥ）が、Ｌｎおよび
ＲＥ酸化物の総量の１５原子％以下の濃度で粉末中に導
入される。レーザが高い束密度のコヒーレント光でポン
ピングされるようなアプリケーションに対しては、ＲＥ
ドーパントは、０．０００１〜０．２モル（Ｌｎおよび
ＲＥ成分中０．００５〜１０原子％）の範囲で含まれる
のが望ましい。
【００１６】酸化物粉末は、粉末に湿気およびＣＯ2が
ないことを保証するために、結晶成長工程で使用される
前に１１００℃で２〜８時間焼成される。次に、焼成さ
れた酸化物粉末は秤量され、（Ｌｎ2-xＲＥxＯ3）：Ｓ
ｉＯ2が１：１の化学量論比になるように混合され、均
一に円柱形に加圧成形され、坩堝に装填される。粉末は
坩堝内にゆるく装填されることも可能であるが、きつく
装填することによってより多量の粉末を坩堝内に入れる
ことが可能となる。ＲＥ成分は、酸化物よりはオルトケ
イ酸塩の形で酸化粒粉末またはその溶融物のいずれかに
加えられることも可能である。
ないことを保証するために、結晶成長工程で使用される
前に１１００℃で２〜８時間焼成される。次に、焼成さ
れた酸化物粉末は秤量され、（Ｌｎ2-xＲＥxＯ3）：Ｓ
ｉＯ2が１：１の化学量論比になるように混合され、均
一に円柱形に加圧成形され、坩堝に装填される。粉末は
坩堝内にゆるく装填されることも可能であるが、きつく
装填することによってより多量の粉末を坩堝内に入れる
ことが可能となる。ＲＥ成分は、酸化物よりはオルトケ
イ酸塩の形で酸化粒粉末またはその溶融物のいずれかに
加えられることも可能である。
【００１７】実施例では、例えばＹ2-xＮｄxＳｉＯ5結
晶を成長するために使用された坩堝１１は、直径５ｃｍ
×高さ５ｃｍのイリジウム坩堝で、上端から７ｍｍ以内
まで（一般的投入量２８０ｇ）満たされた。結晶は、液
体表面温度約２０７０℃の溶融物から成長され、そのと
き軸の回転速度は１０〜６０ＲＰＭであり、引き上げ速
度は０．２５〜４．０ｍｍ／時であった。一般的に、結
晶は大気圧の不活性雰囲気中で成長された。
晶を成長するために使用された坩堝１１は、直径５ｃｍ
×高さ５ｃｍのイリジウム坩堝で、上端から７ｍｍ以内
まで（一般的投入量２８０ｇ）満たされた。結晶は、液
体表面温度約２０７０℃の溶融物から成長され、そのと
き軸の回転速度は１０〜６０ＲＰＭであり、引き上げ速
度は０．２５〜４．０ｍｍ／時であった。一般的に、結
晶は大気圧の不活性雰囲気中で成長された。
【００１８】５×５ｃｍ坩堝から成長された一般的なＹ
2-xＮｄxＳｉＯ5結晶の重量は１００〜１２０ｇであ
り、直径はおよそ１．５〜２．５ｃｍ（一般的には２ｃ
ｍ）、長さは８〜１２ｃｍ（一般的には約１０ｃｍ）で
あった。結晶は、最初の核の配向から「ふらつく」傾向
は示さず、いずれの方向に沿っても成長可能である。実
施例では結晶は＜０１０＞方向から２０゜で成長され
た。
2-xＮｄxＳｉＯ5結晶の重量は１００〜１２０ｇであ
り、直径はおよそ１．５〜２．５ｃｍ（一般的には２ｃ
ｍ）、長さは８〜１２ｃｍ（一般的には約１０ｃｍ）で
あった。結晶は、最初の核の配向から「ふらつく」傾向
は示さず、いずれの方向に沿っても成長可能である。実
施例では結晶は＜０１０＞方向から２０゜で成長され
た。
【００１９】不活性雰囲気中で成長された結晶は、高い
束密度をもつエネルギーによって、最も便利には縦軸に
沿って照射される際に、著しい光散乱特性を示すことが
発見されている。この特性はレーザ媒質中では非常に望
ましくない。光散乱サイトを含む結晶が、コヒーレント
放射のような高い強度のポンピング光を受けると、光散
乱は、こうした散乱サイトにおけるエネルギー吸収によ
って、結晶内に物理的障害を生じる。さらに、この吸収
による急速加熱が、散乱サイトの領域にさらに障害を生
じる。こうした欠陥のサイズおよび密度が増大すると、
レーザ媒質からのレーザ光の出力が減少するか、また
は、レーザ放出に必要な条件が達成されなくなる。これ
によってレーザ媒質は内部散乱を有し、放出光中の放射
のコヒーレンスは減少するか、またはなくなる。
束密度をもつエネルギーによって、最も便利には縦軸に
沿って照射される際に、著しい光散乱特性を示すことが
発見されている。この特性はレーザ媒質中では非常に望
ましくない。光散乱サイトを含む結晶が、コヒーレント
放射のような高い強度のポンピング光を受けると、光散
乱は、こうした散乱サイトにおけるエネルギー吸収によ
って、結晶内に物理的障害を生じる。さらに、この吸収
による急速加熱が、散乱サイトの領域にさらに障害を生
じる。こうした欠陥のサイズおよび密度が増大すると、
レーザ媒質からのレーザ光の出力が減少するか、また
は、レーザ放出に必要な条件が達成されなくなる。これ
によってレーザ媒質は内部散乱を有し、放出光中の放射
のコヒーレンスは減少するか、またはなくなる。
【００２０】この問題は、本発明によれば、溶融物上に
維持され、溶融物から引き上げられている結晶を包囲す
る不活性雰囲気中に酸素を含めることによって解決され
る。不活性雰囲気とは、一般的に、結晶、その成分およ
び坩堝ならびに炉の材料と反応しないアルゴン、ヘリウ
ム、窒素およびその他のガスのうちの少なくとも１つで
ある。二酸化炭素（ＣＯ2）もまた不活性雰囲気の少な
くとも一部を形成する。二酸化炭素は最初に一酸化炭素
（ＣＯ）と酸素（Ｏ2）に分解する。平衡に達すると、
雰囲気はＣＯ2，ＣＯおよびＯ2を含む。こうして、二酸
化炭素は、不活性雰囲気中の酸素の濃度を調節するため
に使用される。
維持され、溶融物から引き上げられている結晶を包囲す
る不活性雰囲気中に酸素を含めることによって解決され
る。不活性雰囲気とは、一般的に、結晶、その成分およ
び坩堝ならびに炉の材料と反応しないアルゴン、ヘリウ
ム、窒素およびその他のガスのうちの少なくとも１つで
ある。二酸化炭素（ＣＯ2）もまた不活性雰囲気の少な
くとも一部を形成する。二酸化炭素は最初に一酸化炭素
（ＣＯ）と酸素（Ｏ2）に分解する。平衡に達すると、
雰囲気はＣＯ2，ＣＯおよびＯ2を含む。こうして、二酸
化炭素は、不活性雰囲気中の酸素の濃度を調節するため
に使用される。
【００２１】酸素は、不活性雰囲気中に、３００〜９０
００ｐｐｍ（望ましくは４００〜７０００ｐｐｍ、最も
望ましくは５００〜５０００ｐｐｍ）の濃度範囲で酸素
分圧を生じるのに十分な量が含められる。５００〜５０
００ｐｐｍの濃度範囲で酸素を含んだ雰囲気中で成長さ
れた結晶には、散乱は観測されない。雰囲気中のＯ2の
濃度が３００ｐｐｍより小さい場合、光散乱がＹ2-xＲ
ＥxＳｉＯ5結晶中に観測され、光散乱は酸素の濃度が減
少するとともに増大する。
００ｐｐｍ（望ましくは４００〜７０００ｐｐｍ、最も
望ましくは５００〜５０００ｐｐｍ）の濃度範囲で酸素
分圧を生じるのに十分な量が含められる。５００〜５０
００ｐｐｍの濃度範囲で酸素を含んだ雰囲気中で成長さ
れた結晶には、散乱は観測されない。雰囲気中のＯ2の
濃度が３００ｐｐｍより小さい場合、光散乱がＹ2-xＲ
ＥxＳｉＯ5結晶中に観測され、光散乱は酸素の濃度が減
少するとともに増大する。
【００２２】約９０００ｐｐｍより高い濃度（たとえば
１０，０００ｐｐｍ以上）では、多少の光散乱が再び認
められる。後者の散乱は、こうした高いＯ2濃度でＩｒ
坩堝がＯ2と反応したために結晶中にＩｒが含まれた結
果と考えられる。これは、１０，０００ｐｐｍ以上の酸
素濃度の雰囲気中で成長後、結晶の外表面上にＩｒ粒子
の存在が観測されることと一貫性がある。
１０，０００ｐｐｍ以上）では、多少の光散乱が再び認
められる。後者の散乱は、こうした高いＯ2濃度でＩｒ
坩堝がＯ2と反応したために結晶中にＩｒが含まれた結
果と考えられる。これは、１０，０００ｐｐｍ以上の酸
素濃度の雰囲気中で成長後、結晶の外表面上にＩｒ粒子
の存在が観測されることと一貫性がある。
【００２３】結晶は、上記の装置および上記の条件下
で、不活性気体中の酸素のさまざまな分圧を有する大気
圧で成長された。一般的に、窒素が不活性気体として使
用された。このような条件下で成長された結晶棒２５が
図２に図示されている。結晶棒の少なくとも一部分（例
えば切片２６）が、レーザ・デバイスで使用されるため
に切り取られる。
で、不活性気体中の酸素のさまざまな分圧を有する大気
圧で成長された。一般的に、窒素が不活性気体として使
用された。このような条件下で成長された結晶棒２５が
図２に図示されている。結晶棒の少なくとも一部分（例
えば切片２６）が、レーザ・デバイスで使用されるため
に切り取られる。
【００２４】Ｏ2の相異なる濃度をもつ不活性雰囲気中
で成長された結晶棒の部分（例えば図２の結晶２５の切
片２６）が切り取られて、図３に関して以下で説明され
る型の発振レーザ・キャビティでコヒーレント放射を受
けた。これらの試験に基づいて、３００ｐｐｍより小さ
い（例えば、２００ｐｐｍよりも小さい）酸素成分をも
つ不活性雰囲気中で成長された結晶は、少量の光エネル
ギーを受けると内部障害を生じ、より高い濃度の酸素を
もつ不活性雰囲気中で成長された結晶は、同様の障害を
生じるためにはずっと大量の光エネルギーを必要とし
た。これは、次の表１のように表される。
で成長された結晶棒の部分（例えば図２の結晶２５の切
片２６）が切り取られて、図３に関して以下で説明され
る型の発振レーザ・キャビティでコヒーレント放射を受
けた。これらの試験に基づいて、３００ｐｐｍより小さ
い（例えば、２００ｐｐｍよりも小さい）酸素成分をも
つ不活性雰囲気中で成長された結晶は、少量の光エネル
ギーを受けると内部障害を生じ、より高い濃度の酸素を
もつ不活性雰囲気中で成長された結晶は、同様の障害を
生じるためにはずっと大量の光エネルギーを必要とし
た。これは、次の表１のように表される。
【００２５】
【表１】
【００２６】所望される実施例では、結晶は、ネオジム
をドープされたイットリウムオルトケイ酸塩であり、化
学式Ｙ2-xＮｄxＳｉＯ5を有する。ただし、ｘは０．０
００１〜０．２モル（望ましくは、０．００７〜０．０
２モル）である。平均ｘ＝０．０１１（すなわち、１．
１×１０20Ｎｄ原子／ｃｍ3）のＹ2-xＮｄxＳｉＯ5結晶
の成長は、２１７．２６ｇｍのＹ2Ｏ3、４．１８ｇｍの
Ｎｄ2Ｏ3、および５８．５６ｇｍのＳｉＯ2からなる溶
融物から実行された。チョクラルスキー成長条件は、液
体表面温度が２０７０℃、回転速度が４０ＲＰＭ、引き
上げ速度が０．７５ｍｍ／時、および［Ｏ2］が窒素中
１２００ｐｐｍであった。この結晶は、４０Ｊ／ｃｍ2
より大きい光エネルギーで照射されたときにも障害を生
じなかった。
をドープされたイットリウムオルトケイ酸塩であり、化
学式Ｙ2-xＮｄxＳｉＯ5を有する。ただし、ｘは０．０
００１〜０．２モル（望ましくは、０．００７〜０．０
２モル）である。平均ｘ＝０．０１１（すなわち、１．
１×１０20Ｎｄ原子／ｃｍ3）のＹ2-xＮｄxＳｉＯ5結晶
の成長は、２１７．２６ｇｍのＹ2Ｏ3、４．１８ｇｍの
Ｎｄ2Ｏ3、および５８．５６ｇｍのＳｉＯ2からなる溶
融物から実行された。チョクラルスキー成長条件は、液
体表面温度が２０７０℃、回転速度が４０ＲＰＭ、引き
上げ速度が０．７５ｍｍ／時、および［Ｏ2］が窒素中
１２００ｐｐｍであった。この結晶は、４０Ｊ／ｃｍ2
より大きい光エネルギーで照射されたときにも障害を生
じなかった。
【００２７】発振非半導体レーザ・キャビティの例が図
３に図示されている。このキャビティは、１波長が７０
０〜８５０ｎｍの範囲（例えば、７４５ｎｍ）のコヒー
レント光によってポンピングされると、それとは異なる
より高い波長（９１１〜９１９ｎｍ、例えば９１２ｎ
ｍ）で動作する。模式的には、発振レーザ・キャビティ
は、Ｎｄ3：Ｙ2ＳｉＯ5の結晶レーザ棒３１、１対の誘
電体鏡３２ならびに３３、周波数修正器３４、および選
択的吸収体３５からなる。
３に図示されている。このキャビティは、１波長が７０
０〜８５０ｎｍの範囲（例えば、７４５ｎｍ）のコヒー
レント光によってポンピングされると、それとは異なる
より高い波長（９１１〜９１９ｎｍ、例えば９１２ｎ
ｍ）で動作する。模式的には、発振レーザ・キャビティ
は、Ｎｄ3：Ｙ2ＳｉＯ5の結晶レーザ棒３１、１対の誘
電体鏡３２ならびに３３、周波数修正器３４、および選
択的吸収体３５からなる。
【００２８】この例では、発振キャビティは長さ１００
ｃｍであり、レーザ棒は、Ｎｄ3を０．９×１０19ｃｍ
-3でドープした長さ７．１ｃｍのＮｄ3：Ｙ2ＳｉＯ5結
晶である。平面誘電体鏡３２は、９１２ｎｍのレーザ波
長に対しては９９％より大きいという高い反射率をも
ち、７４５ｎｍのレーザ波長に対しては約７０％の透過
率をもつ。鏡３２は、７４５ｎｍでポンピングをする高
い強度のコヒーレント光（矢印で図示、３６）の透過に
良く適合している。
ｃｍであり、レーザ棒は、Ｎｄ3を０．９×１０19ｃｍ
-3でドープした長さ７．１ｃｍのＮｄ3：Ｙ2ＳｉＯ5結
晶である。平面誘電体鏡３２は、９１２ｎｍのレーザ波
長に対しては９９％より大きいという高い反射率をも
ち、７４５ｎｍのレーザ波長に対しては約７０％の透過
率をもつ。鏡３２は、７４５ｎｍでポンピングをする高
い強度のコヒーレント光（矢印で図示、３６）の透過に
良く適合している。
【００２９】凹面誘電体鏡３３は、９１２ｎｍで７０〜
８０％の反射率をもち、反射鏡として使用される。吸収
体３５と鏡３３の間に位置するＫＤＰロッシェル・セル
は、周波数修正器３４として作用する（例えば、適当な
コヒーレント光源（図示せず）からキャビティ内に７４
５ｎｍでポンピングされたポンピング光の周波数を２倍
にする）。吸収体３５は、キャビティ内にブリュースタ
ー角で挿入されたサマリウム・スカンジウム・ガリウム
・ガーネットであり、かなりの量のＮｄ3+の4Ｆ3 /2−4
Ｉ11/12遷移利得を抑制するために使用される。基底状
態空乏レーザに関するさらに詳細な説明は、前記Ｒ．ビ
ーチ他の論文にある。
８０％の反射率をもち、反射鏡として使用される。吸収
体３５と鏡３３の間に位置するＫＤＰロッシェル・セル
は、周波数修正器３４として作用する（例えば、適当な
コヒーレント光源（図示せず）からキャビティ内に７４
５ｎｍでポンピングされたポンピング光の周波数を２倍
にする）。吸収体３５は、キャビティ内にブリュースタ
ー角で挿入されたサマリウム・スカンジウム・ガリウム
・ガーネットであり、かなりの量のＮｄ3+の4Ｆ3 /2−4
Ｉ11/12遷移利得を抑制するために使用される。基底状
態空乏レーザに関するさらに詳細な説明は、前記Ｒ．ビ
ーチ他の論文にある。
【００３０】図４は、選択されたＲＥをドープされたＬ
ｎオルトケイ酸塩のレーザのもう１つの実施例を図示し
ている。模式的には、レーザ（一般的に４０と表す）
は、結晶レーザ棒４１、レーザ棒の両端の誘電体鏡４２
ならびに４３、および矢印で表されたポンピング光４４
の適当な光源（図示せず）からなる。コヒーレント放出
は、鏡４２および４３のいずれか一方または両方を通し
て、各鏡の反射率および透過率に従って、発生する。
ｎオルトケイ酸塩のレーザのもう１つの実施例を図示し
ている。模式的には、レーザ（一般的に４０と表す）
は、結晶レーザ棒４１、レーザ棒の両端の誘電体鏡４２
ならびに４３、および矢印で表されたポンピング光４４
の適当な光源（図示せず）からなる。コヒーレント放出
は、鏡４２および４３のいずれか一方または両方を通し
て、各鏡の反射率および透過率に従って、発生する。
【００３１】ポンピング光の光源は、０．７０〜０．８
５μｍの範囲内（例えば、０．７５および０．８１μ
ｍ）の波長をもつポンピング光を発生するような他のレ
ーザ、閃光またはＬＥＤ（またはＬＥＤのアレイ）であ
る。または、ポンピング光は、一方の鏡を通して注入さ
れることも可能である。このような場合は、適当な透明
結合材料（図示せず）がポンピング光源（図示せず）と
鏡の間に挿入される。
５μｍの範囲内（例えば、０．７５および０．８１μ
ｍ）の波長をもつポンピング光を発生するような他のレ
ーザ、閃光またはＬＥＤ（またはＬＥＤのアレイ）であ
る。または、ポンピング光は、一方の鏡を通して注入さ
れることも可能である。このような場合は、適当な透明
結合材料（図示せず）がポンピング光源（図示せず）と
鏡の間に挿入される。
【００３２】
【発明の効果】以上述べたごとく、本発明は、固体非半
導体レーザのレーザ媒質として使用可能な、希土類をド
ープされた希土類オルトケイ酸塩結晶の単結晶の成長の
ための技術である。この種のレーザは、高い光出力レー
ザが利用されるエレクトロニクス、通信、航空宇宙シス
テム、および製造技術における応用を有する。本発明に
よれば、希土類オルトケイ酸塩結晶は、チョクラルスキ
ー技術によって、酸素を含む不活性雰囲気中で成分酸化
物の溶融混合物から成長される。約３００〜約９０００
ｐｐｍの濃度の酸素が不活性雰囲気中に含まれることに
よって、光散乱欠陥サイトの密度が非常に減少し、それ
によって、３００ｐｐｍより少ない（例えば２００ｐｐ
ｍ以下）の酸素を含む不活性雰囲気中で成長された結晶
と比較して、結晶に大きな障害を与えることなく加える
ことができる光エネルギーが非常に増大する。これらの
欠陥サイトにおける、レーザ動作中に存在する高い光束
からのエネルギーの吸収は、レーザ結晶をさらに劣化さ
せる。結晶成長が実行される雰囲気中のＯ２濃度の選択
によって、光散乱を生成する欠陥の密度が非常に減少す
る。成長雰囲気組成制御の適用によって、光障害しきい
値は１桁より大きく増大されている。
導体レーザのレーザ媒質として使用可能な、希土類をド
ープされた希土類オルトケイ酸塩結晶の単結晶の成長の
ための技術である。この種のレーザは、高い光出力レー
ザが利用されるエレクトロニクス、通信、航空宇宙シス
テム、および製造技術における応用を有する。本発明に
よれば、希土類オルトケイ酸塩結晶は、チョクラルスキ
ー技術によって、酸素を含む不活性雰囲気中で成分酸化
物の溶融混合物から成長される。約３００〜約９０００
ｐｐｍの濃度の酸素が不活性雰囲気中に含まれることに
よって、光散乱欠陥サイトの密度が非常に減少し、それ
によって、３００ｐｐｍより少ない（例えば２００ｐｐ
ｍ以下）の酸素を含む不活性雰囲気中で成長された結晶
と比較して、結晶に大きな障害を与えることなく加える
ことができる光エネルギーが非常に増大する。これらの
欠陥サイトにおける、レーザ動作中に存在する高い光束
からのエネルギーの吸収は、レーザ結晶をさらに劣化さ
せる。結晶成長が実行される雰囲気中のＯ２濃度の選択
によって、光散乱を生成する欠陥の密度が非常に減少す
る。成長雰囲気組成制御の適用によって、光障害しきい
値は１桁より大きく増大されている。
【図１】本発明に従って、希土類をドープしたオルトケ
イ酸塩の結晶を成長するための装置の模式図である。
イ酸塩の結晶を成長するための装置の模式図である。
【図２】図１の装置で成長される結晶棒の模式図であ
る。
る。
【図３】図２の結晶棒から切り取られた結晶の切片を使
用した、基底状態空乏発振レーザ・キャビティの模式図
である。
用した、基底状態空乏発振レーザ・キャビティの模式図
である。
【図４】光ファイバ通信における光源としての使用に適
した、図２の結晶棒の切片を使用したレーザの模式図で
ある。
した、図２の結晶棒の切片を使用したレーザの模式図で
ある。
１ 炉 ２ イリジウム坩堝 ３ ＺｒＯ2台 ４ ＺｒＯ2台座 ５ 内部ＺｒＯ2管 ６ 外部水晶管 ７ 粒状ＺｒＯ2断熱材 ８ ＺｒＯ2フェルト ９ セラミック環 １１ ドーナツ型蓋 １２ 孔 １３ 結晶引き上げ軸 １４ コレット １５ イリジウム棒 １６ エンクロージャ １７ ジャケット管 １８ 床板 １９ ドーナツ型蓋 ２０ 孔 ２１ 入口 ２５ 結晶棒 ２６ 切片 ３０ 発振非半導体レーザ・キャビティ ３１ 結晶レーザ棒 ３２ 平面誘電体鏡 ３３ 凹面誘電体鏡 ３４ 周波数修正器 ３５ 選択的吸収体 ３６ ポンピング光 ４０ レーザ ４１ 結晶レーザ棒 ４２ 誘電体鏡 ４３ 誘電体鏡 ４４ ポンピング光
フロントページの続き (72)発明者 ジョージ ウェイン バークストレッサー アメリカ合衆国 08807 ニュージャージ ー ブリッジウォーター、パーペン ロー ド 1022 (72)発明者 チャールズ デビッド ブランドル ジュ ニア アメリカ合衆国 07920 ニュージャージ ー バスキング リッジ、コッパーゲート ドライブ 20
Claims (14)
- 【請求項１】 一般式Ｌｎ2-xＲＥxＳｉＯ5（ただし、
ＬｎはＹおよび原子番号５８〜７１（Ｃｅ〜Ｌｕ）をも
つランタノイド系列希土類元素のうちの少なくとも１
つ、ＲＥは原子番号５８〜７１（Ｃｅ〜Ｌｕ）をもつラ
ンタノイド系列のうちの少なくとも１つの希土類イオ
ン）を有する、希土類をドープした希土類オルトケイ酸
塩から本質的に構成される結晶材料からなる固体非半導
体レーザの製造方法において、前記ＲＥイオンは化学式
中の前記Ｌｎイオンと異なり、ｘは０．３モル以下であ
り、前記方法が、 ａ）イットリウムおよび原子番号５８〜７１（Ｃｅ〜Ｌ
ｕ）をもつランタノイド系列希土類元素のうちの少なく
とも１つの酸化物、原子番号５８〜７１（Ｃｅ〜Ｌｕ）
をもつランタノイド系列希土類元素のうちの少なくとも
１つの酸化物、およびＳｉＯ2から本質的に構成される
溶融物を加熱するステップ（その結果が前記一般式Ｌｎ
2-xＲＥxＳｉＯ5（ただしＲＥイオンは化学式中のＬｎ
イオンとは異なる）となる）と、 ｂ）前記溶融物から結晶を引き上げることによって前記
溶融物から結晶を成長するステップと、 ｃ）３００〜９０００ｐｐｍの酸素を含む不活性気体か
ら本質的に構成される、溶融物上および成長中の結晶を
包囲する雰囲気を維持するステップからなることを特徴
とする固体非半導体レーザの製造方法。 - 【請求項２】 前記雰囲気が４００〜７０００ｐｐｍの
酸素を含むことを特徴とする請求項１の方法。 - 【請求項３】 前記雰囲気が５００〜５０００ｐｐｍの
酸素を含むことを特徴とする請求項１の方法。 - 【請求項４】 前記ＲＥがＣｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｇ
ｄ，Ｔｂ，Ｅｒ，ＴｍおよびＹｂから選択されることを
特徴とする請求項１の方法。 - 【請求項５】 前記結晶がＹ2-xＲＥxＳｉＯ5であるこ
とを特徴とする請求項１の方法。 - 【請求項６】 前記ＲＥがＣｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｇ
ｄ，Ｔｂ，Ｅｒ，ＴｍおよびＹｂから選択されることを
特徴とする請求項５の方法。 - 【請求項７】 前記ＲＥがＮｄであることを特徴とする
請求項５の方法。 - 【請求項８】 前記ｘが０．０００１〜０．２モルであ
ることを特徴とする請求項７の方法。 - 【請求項９】 ＬｎがＹであり、ＲＥがＮｄであり、ｘ
が０．０００１〜０．２であることを特徴とする請求項
１の方法。 - 【請求項１０】 前記成長が大気圧で実行されることを
特徴とする請求項１の方法。 - 【請求項１１】 前記不活性気体がアルゴン、ヘリウム
および窒素からなる群から選択されることを特徴とする
請求項１の方法。 - 【請求項１２】 前記不活性気体が窒素であることを特
徴とする請求項１１の方法。 - 【請求項１３】 前記不活性気体がＣＯ2を含むことを
特徴とする請求項１１の方法。 - 【請求項１４】 成長された結晶の切片が、レーザでの
使用のために、中心軸に対して垂直に切り取られること
を特徴とする請求項１の方法。
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