特開 2022-86841 長波長光検出器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022086841

(43)【公開日】2022-06-09

(54)【発明の名称】長波長光検出器

(51)【国際特許分類】

   G01J 1/58 20060101AFI20220602BHJP

   H01L 31/0232 20140101ALI20220602BHJP

   G02B 5/20 20060101ALI20220602BHJP

   G01J 1/02 20060101ALI20220602BHJP

【ＦＩ】

G01J1/58

H01L31/02 D

G02B5/20

G01J1/02 C

G01J1/02 Q

【審査請求】未請求

【請求項の数】17

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020199090

(22)【出願日】2020-11-30

(71)【出願人】

【識別番号】504176911

【氏名又は名称】国立大学法人大阪大学

(71)【出願人】

【識別番号】504157024

【氏名又は名称】国立大学法人東北大学

(71)【出願人】

【識別番号】503359821

【氏名又は名称】国立研究開発法人理化学研究所

(74)【代理人】

【識別番号】110000338

【氏名又は名称】特許業務法人ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ

(72)【発明者】

【氏名】山ノ井 航平

(72)【発明者】

【氏名】猿倉 信彦

(72)【発明者】

【氏名】清水 俊彦

(72)【発明者】

【氏名】篠原 敬人

(72)【発明者】

【氏名】麻野 大造

(72)【発明者】

【氏名】ラヅバン マリルー カダタル

(72)【発明者】

【氏名】横田 有為

(72)【発明者】

【氏名】吉川 彰

(72)【発明者】

【氏名】吉野 将生

(72)【発明者】

【氏名】早澤 紀彦

【テーマコード（参考）】

2G065

2H148

5F849

【Ｆターム（参考）】

2G065AA11

2G065AB02

2G065BA05

2G065BA14

2G065BA30

2G065BA34

2G065BB02

2G065DA18

2H148AA01

2H148AA07

2H148AA18

2H148AA23

5F849BA01

5F849BA30

5F849BB03

5F849JA18

5F849JA20

5F849LA01

5F849XB05

(57)【要約】

【課題】赤外光を可視光に変換して赤外光により表される画像を検出することができる赤外光検出器を実現する。
【解決手段】赤外光検出器（１）は、赤外光（１０）を可視光（１１）に変換する、アレイ状に配列された複数の柱状晶（２）と、複数の柱状晶（２）により変換された可視光（１１）を受光する受光器（３）とを備え、柱状晶（２）が希土類元素を含む。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

長波長光を短波長光に変換する、アレイ状に配列された複数の結晶と、
前記複数の結晶により変換された短波長光を受光する受光器とを備え、
前記結晶が希土類元素を含むことを特徴とする長波長光検出器。

【請求項2】

前記長波長光が赤外光を含み、
前記短波長光が可視光を含む請求項１に記載の長波長光検出器。

【請求項3】

前記結晶が、一方向性を有する柱状晶である請求項１に記載の長波長光検出器。

【請求項4】

前記希土類元素が、Ｎｄ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｔｍ、及びＳｍのうちの少なくとも一つを含む請求項１に記載の長波長光検出器。

【請求項5】

前記複数の結晶のピッチが、前記長波長光の波長よりも短い請求項３に記載の長波長光検出器。

【請求項6】

前記長波長光が、前記柱状晶の一方の端面に入射し、
前記短波長光が、前記柱状晶の他方の端面から出射する請求項３に記載の長波長光検出器。

【請求項7】

前記結晶は、第１準位と、前記第１準位より高い第２準位との間に中間準位を有し、
前記長波長光により、前記結晶のエネルギー準位が、前記第１準位から前記中間準位に遷移し、または、前記中間準位から前記第２準位に遷移し、
前記結晶は、前記第２準位から前記第１準位への遷移によって前記短波長光を放出する請求項１に記載の長波長光検出器。

【請求項8】

前記結晶による前記長波長光から前記短波長光への変換効率を向上させるためのポンプ光を前記結晶に照射する照射器をさらに備える請求項１に記載の長波長光検出器。

【請求項9】

前記受光器により受光された可視光に基づいて画像データを生成する画像データ生成器をさらに備える請求項２に記載の長波長光検出器。

【請求項10】

長波長光を短波長光に変換する結晶と、
前記結晶による前記長波長光から前記短波長光への変換効率を向上させるためのポンプ光を前記結晶に照射する照射器と、
前記結晶により変換された短波長光を受光する受光器とを備え、
前記結晶が希土類元素を含むことを特徴とする長波長光検出器。

【請求項11】

前記ポンプ光が、前記結晶のエネルギー準位を第１準位から中間準位に励起し、
前記長波長光が、前記ポンプ光により前記中間準位に遷移した前記結晶のエネルギー準位を第２準位に励起し、
前記結晶は、前記短波長光を放出することにより、前記エネルギー準位が前記第２準位から前記第１準位に遷移する請求項１０に記載の長波長光検出器。

【請求項12】

前記長波長光が、前記結晶のエネルギー準位を第１準位から中間準位に励起し、
前記ポンプ光が、前記長波長光により前記中間準位に遷移した前記結晶のエネルギー準位を第２準位に励起し、
前記結晶は、前記短波長光を放出することにより、前記エネルギー準位が前記第２準位から前記第１準位に遷移する請求項１０に記載の長波長光検出器。

【請求項13】

前記ポンプ光がレーザ光である請求項１０に記載の長波長光検出器。

【請求項14】

前記ポンプ光が、前記結晶の前記長波長光の入射側に照射される請求項１０に記載の長波長光検出器。

【請求項15】

前記結晶が、一方向性を有する柱状晶であり、
前記ポンプ光が、前記柱状晶の前記長波長光の入射側の端面に照射される請求項１０に記載の長波長光検出器。

【請求項16】

前記照射器が、複数方向から前記ポンプ光を前記結晶に照射する請求項１０に記載の長波長光検出器。

【請求項17】

前記結晶が、アレイ状に配列された複数の結晶であり、
前記結晶が、一方向性を有する柱状晶である請求項１０に記載の長波長光検出器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、長波長光を短波長光にアップコンバージョンして長波長光を検出する長波長光検出器に関する。

【背景技術】

【0002】

放射線を検出する方法として、一方向性を有する複数の柱状晶を有する第一の結晶相と、この第一の結晶相の側面を覆う第二の結晶相とを備え、第一の結晶相はアルカリ土類金属フッ化物を含み、第一の結晶相が放射線で励起されて発光するシンチレータが知られている（特許文献１、特許文献２）。

【0003】

そして、赤外光を検出する方法として、ＩｎＧａＡｓやＩｎＳｂからなる量子型赤外光センサを用いた検出法が実用化されている。この量子型赤外光センサは高感度であることから人工衛星からの環境計測や気象観測用といった宇宙分野で実用化している。

【0004】

しかしながら、量子型赤外光センサは、物質内のブラウン運動の影響を受けやすく、撮像素子自体が発する熱も同時に検出してしまうため、撮像素子を被写体に比べ十分に低温に保つ必要がある。したがって、量子型赤外光センサを検出器として用いるためには撮像素子を極低温に冷却する必要があり、量子型赤外光センサの作動に時間がかかるという問題がある。

【0005】

この問題は、量子型赤外光センサの薄膜構造に工夫を加えることで、室温動作を可能にし、小型・薄型で樹脂パッケージされた量子型赤外光センサの実用化に成功することにより解決された。

【0006】

しかしながら、この量子型赤外光センサのＩｎやＧａは、レアメタルのためコストが抑えられず、高額であるという問題がある。

【0007】

強度の二乗に比例して発生する非線形現象である二光子吸収を用いた検出方法も赤外光検出方法として知られている。二光子吸収とは二個の光子を同時に吸収する励起過程である。

【0008】

例えば、赤外光レーザ（１５５０ｎｍ）と、Ｎｄ^３＋：ＹＶＯ_４レーザ（１０６４ｎｍ）との和周波光混合（sum frequency mixing:ＳＦＭ）を利用して、赤外光ＱＲコード（登録商標）のパターンを保ちつつ、変換材料により赤外光レーザを可視光に二光子吸収でアップコンバージョンする技術が知られている（非特許文献１）。このアップコンバージョンのための材料としては、バルク状の非線形光学結晶（ＫＴＰ結晶）が用いられている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】特開2015-111107号公報

【特許文献2】特開2017-149883号公報

【非特許文献】

【0010】

【非特許文献1】Adrian J. Torregrosa et. al.，「Up-Conversion Sensing of 2D Spatially-Modulated Infrared Information-Carrying Beams with Si-Based Cameras」，Sensors 2020, 20, 3610; doi:10.3390/s20123610

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

しかしながら、上述の特許文献１及び２が開示しているものは、放射線を検出するシンチレータであり、赤外光の検出に係る知見は示唆されていない。

【0012】

上記非線形現象である二光子吸収は遷移エネルギーの半分のエネルギーの光子を用いるため、近赤外光で励起することが可能である。しかしながら、中赤外光や遠赤外光ではエネルギーが小さいため光子が励起せず、実用化に至っていないという問題がある。

【0013】

上述の非特許文献１は、赤外光を可視光にアップコンバージョンするに際して、強度の二乗に比例する非線形光学結晶の非線形動作を利用しているため、強度の弱い赤外光を可視光に変換する変換効率が低いという問題がある。

【0014】

また、非特許文献１においては、赤外光を可視光にアップコンバージョンする非線形光学結晶がバルク状に構成されているので、赤外光により表される画像を検出することはできないという問題がある。

【0015】

本発明の一態様は、長波長光を短波長光に変換して長波長光により表される画像を検出することができる長波長光検出器を実現することを目的とする。

【0016】

本発明の他の一態様は、長波長光を短波長光に変換する変換効率に優れた長波長光検出器を実現することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0017】

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る長波長光検出器は、長波長光を短波長光に変換する、アレイ状に配列された複数の結晶と、前記複数の結晶により変換された短波長光を受光する受光器とを備え、前記結晶が希土類元素を含むことを特徴とする。

【0018】

この特徴によれば、アレイ状に配列された複数の結晶に含まれる希土類元素が、長波長光を短波長光に変換し、このアレイ状に配列された複数の結晶の希土類元素が長波長光から変換した短波長光を受光器が受光する。従って、長波長光が、アレイ状に配列された複数の結晶の希土類元素により短波長光に変換される。この結果、長波長光を短波長光に変換して長波長光により表される画像を検出することができる長波長光検出器を実現することができる。

【0019】

本発明の一態様に係る長波長光検出器は、前記長波長光が赤外光を含み、前記短波長光が可視光を含むことが好ましい。

【0020】

上記構成によれば、赤外光を可視光に変換して赤外光により表される画像を検出することができる。

【0021】

本発明の一態様に係る長波長光検出器は、前記結晶が、一方向性を有する柱状晶であることが好ましい。

【0022】

上記構成によれば、長波長光を短波長光に変換する、アレイ状に配列された複数の結晶の構成が簡素且つコンパクトになる。

【0023】

本発明の一態様に係る長波長光検出器は、前記希土類元素が、Ｎｄ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｔｍ、及びＳｍのうちの少なくとも一つを含むことが好ましい。

【0024】

上記構成によれば、Ｎｄ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｔｍ、及びＳｍのうちの少なくとも一つを含む結晶により、長波長光で表される画像を検出することができる。

【0025】

本発明の一態様に係る長波長光検出器は、前記複数の結晶のピッチが、前記長波長光の波長よりも短いことが好ましい。

【0026】

上記構成によれば、アレイ状に配列された複数の結晶の空間分解能が向上し、当該結晶により長波長光から変換された短波長光に基づく画像データの解像度を向上させることができる。

【0027】

本発明の一態様に係る長波長光検出器は、前記長波長光が、前記柱状晶の一方の端面に入射し、前記短波長光が、前記柱状晶の他方の端面から出射することが好ましい。

【0028】

上記構成によれば、柱状晶の一方の端面で長波長光から変換された短波長光を、柱状晶の内部を全反射しながら進行させて、柱状晶の他方の端面から受光器に向かって出射させることができる。

【0029】

本発明の一態様に係る長波長光検出器は、前記結晶は、第１準位と、前記第１準位より高い第２準位との間に中間準位を有し、前記長波長光により、前記結晶のエネルギー準位が、前記第１準位から前記中間準位に遷移し、または、前記中間準位から前記第２準位に遷移し、前記結晶は、前記第２準位から前記第１準位への遷移によって前記短波長光を放出することが好ましい。

【0030】

上記構成によれば、希土類元素のエネルギー準位を第１準位から中間準位を経て第２準位に段階的に励起する線形動作を実現することができる。

【0031】

本発明の一態様に係る長波長光検出器は、前記結晶による前記長波長光から前記短波長光への変換効率を向上させるためのポンプ光を前記結晶に照射する照射器をさらに備えることが好ましい。

【0032】

上記構成によれば、希土類元素のエネルギー準位をポンプ光により段階的に励起することができる。

【0033】

本発明の一態様に係る長波長光検出器は、前記受光器により受光された可視光に基づいて画像データを生成する画像データ生成器をさらに備えることが好ましい。

【0034】

上記構成によれば、赤外光を可視光に変換して赤外光の画像を表す画像データを得ることができる。

【0035】

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る他の長波長光検出器は、長波長光を短波長光に変換する結晶と、前記結晶による前記長波長光から前記短波長光への変換効率を向上させるためのポンプ光を前記結晶に照射する照射器と、前記結晶により変換された短波長光を受光する受光器とを備え、前記結晶が希土類元素を含むことを特徴とする。

【0036】

この特徴によれば、結晶に含まれる希土類元素のエネルギー準位がポンプ光と長波長光とにより段階的に励起される線形動作により、当該希土類元素が短波長光を放出する。このため、非線形現象である二光子吸収を用いることなく、長波長光を短波長光に変換することができる。この結果、長波長光を短波長光に変換する変換効率に優れた長波長光検出器を実現することができる。

【0037】

本発明の一態様に係る長波長光検出器は、前記ポンプ光が、前記結晶のエネルギー準位を第１準位から中間準位に励起し、前記長波長光が、前記ポンプ光により前記中間準位に遷移した前記結晶のエネルギー準位を第２準位に励起し、前記結晶は、前記短波長光を放出することにより、前記エネルギー準位が前記第２準位から前記第１準位に遷移することが好ましい。

【0038】

上記構成によれば、希土類元素のエネルギー準位を第１準位から中間準位を経て第２準位に段階的に励起する線形動作をポンプ光及び長波長光により実現することができる。

【0039】

本発明の一態様に係る長波長光検出器は、前記長波長光が、前記結晶のエネルギー準位を第１準位から中間準位に励起し、前記ポンプ光が、前記長波長光により前記中間準位に遷移した前記結晶のエネルギー準位を第２準位に励起し、前記結晶は、前記短波長光を放出することにより、前記エネルギー準位が前記第２準位から前記第１準位に遷移することが好ましい。

【0040】

上記構成によれば、希土類元素のエネルギー準位を第１準位から中間準位を経て第２準位に段階的に励起する線形動作を長波長光及びポンプ光により実現することができる。

【0041】

本発明の一態様に係る長波長光検出器は、前記ポンプ光がレーザ光であることが好ましい。

【0042】

上記構成によれば、結晶に含まれる希土類元素のエネルギー準位をレーザ光と長波長光とにより段階的に励起することができる。

【0043】

本発明の一態様に係る長波長光検出器は、前記ポンプ光が、前記結晶の前記長波長光の入射側に照射されることが好ましい。

【0044】

上記構成によれば、結晶の長波長光の入射側において、希土類元素のエネルギー準位を段階的に励起して長波長光を短波長光に変換することができる。

【0045】

本発明の一態様に係る長波長光検出器は、前記結晶が、一方向性を有する柱状晶であり、前記ポンプ光が、前記柱状晶の前記長波長光の入射側の端面に照射されることが好ましい。

【0046】

上記構成によれば、柱状晶の長波長光の入射側の端面において、希土類元素のエネルギー準位を段階的に励起して長波長光を短波長光に変換することができる。

【0047】

本発明の一態様に係る長波長光検出器は、前記照射器が、複数方向から前記ポンプ光を前記結晶に照射することが好ましい。

【0048】

上記構成によれば、結晶の複数の箇所において、希土類元素のエネルギー準位をポンプ光と長波長光とにより段階的に励起することができる。

【0049】

本発明の一態様に係る長波長光検出器は、前記結晶が、アレイ状に配列された複数の結晶であり、前記結晶が、一方向性を有する柱状晶であることが好ましい。

【0050】

上記構成によれば、長波長光が、アレイ状に配列された複数の結晶の希土類元素により短波長光に変換される。この結果、長波長光を短波長光に変換して長波長光により表される画像を検出することができる。

【発明の効果】

【0051】

本発明の一態様によれば、長波長光を短波長光に変換して長波長光により表される画像を検出することができる長波長光検出器を提供することができる。

【0052】

本発明の他の態様によれば、長波長光を短波長光に変換する変換効率に優れた長波長光検出器を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0053】

【図1】実施形態に係る赤外光検出器の原理を示す図である。

【図2】上記赤外光検出器の構成を示す斜視図である。

【図3】上記赤外光検出器に設けられた柱状晶のエネルギー準位の遷移を示す図である。

【図4】上記赤外光検出器に設けられたファイバーアレイの外観を示す画像である。

【図5】上記ファイバーアレイの端面及び側面の拡大画像である。

【図6】図５に示されるＡ部の拡大画像である。

【図7】上記柱状晶がＮｄを含む場合のエネルギー準位の遷移を示す図である。

【図8】上記柱状晶がＮｄを含む場合のエネルギー準位の遷移を示す図である。

【図9】上記柱状晶がＥｒを含む場合のエネルギー準位の遷移を示す図である。

【図10】上記柱状晶がＨｏを含む場合のエネルギー準位の遷移を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0054】

以下、本発明の一実施形態について、詳細に説明する。

【0055】

（概要）
本実施形態は、希土類元素イオンがドープされたマイクロメートルスケールのファイバーアレイ結晶にレーザ光を照射し、線形的なアップコンバージョン発光により赤外光を可視光に変換し、赤外光を検出するシステム方法である。ファイバーアレイ結晶を用いることで、変換後の可視光の伝送ロスを低減し、検出感度を向上させることができる。また、材料に使用する希土類元素の構成を適切に選ぶことによって、アップコンバージョン現象を効率よく誘起させ、検出感度を向上させることができる。本実施形態により、高価でハイエンドである赤外光カメラおよび赤外光検出器を安価にすることができるという経済的効果も得られる。

【0056】

（赤外光検出器１の構成）
図１は実施形態に係る赤外光検出器１（長波長光検出器）の原理を示す図である。図２は赤外光検出器１の構成を示す斜視図である。図３は赤外光検出器１に設けられた柱状晶２（結晶）のエネルギー準位の遷移を示す図である。

【0057】

赤外光検出器１は、赤外光１０（長波長光）を可視光１１（短波長光）に変換する、アレイ状に配列された複数の一方向性を有する柱状晶２（結晶）を含むファイバーアレイ６と、複数の柱状晶２により変換された可視光１１を受光する受光器３とを備える。柱状晶２は希土類元素を含む。赤外光検出器１は、赤外光に限らず、長波長光を長波長光よりも波長の短い短波長光に変換してもよい。受光器３は、複数の画素を有する。

【0058】

この柱状晶２の希土類元素は、Ｎｄ（ネオジム）、Ｅｒ（エルビウム）、Ｈｏ（ホルミウム）、Ｄｙ（ジスプロシウム）、Ｔｍ（ツリウム）、及びＳｍ（サマリウム）のうちの少なくとも一つを含む。

【0059】

赤外光検出器１は、柱状晶２による赤外光１０から可視光１１への変換効率を向上させるためのレーザ光１２（ポンプ光）を柱状晶２に照射する照射器４をさらに備える。受光器３は、赤外光１０、レーザ光１２を受光しないように、赤外光１０、レーザ光１２をカットするカットフィルタを備えてもよい。また、照射器４を設けることなく、アレイ状に配列された複数の柱状晶２の多光子吸収により赤外光１０を可視光１１に変換してもよい。

【0060】

赤外光１０の波長λ_ＭＩＲは例えば１５５０ｎｍ、２７００ｎｍである。柱状晶２により赤外光１０から変換された可視光１１の波長λ_σは例えば５００－７００ｎｍである。チタン－サファイヤレーザ又はＬＤ（laser diode、レーザダイオード）から発生するレーザ光１２の波長λ_ｐｕｍｐは例えば６９０－９９０ｎｍである。

【0061】

レーザ光１２は、柱状晶２のエネルギー準位を第１準位ＥＬ１から中間準位ＥＬＭに励起する。そして、赤外光１０は、レーザ光１２により中間準位ＥＬＭに遷移した柱状晶２のエネルギー準位を第２準位ＥＬ２に励起する。柱状晶２は、可視光１１を放出することにより、エネルギー準位が第２準位ＥＬ２から第１準位ＥＬ１に遷移する。

【0062】

また、赤外光１０が柱状晶２のエネルギー準位を第１準位ＥＬ１から中間準位ＥＬＭに励起し、レーザ光１２が赤外光１０により中間準位ＥＬＭに遷移した柱状晶２のエネルギー準位を第２準位ＥＬ２に励起し、柱状晶２が可視光１１を放出することにより、柱状晶２のエネルギー準位が第２準位ＥＬ２から第１準位ＥＬ１に遷移してもよい。

【0063】

レーザ光１２は、柱状晶２の赤外光１０の入射側に照射されることが好ましく、柱状晶２の端面８に照射されることがより好ましい。レーザ光１２は、柱状晶２のレンズ１３側から照射してもよいし、レンズ１４側から照射してもよい。側面１５に向かってレーザ光１２を照射してもよい。

【0064】

レーザ光１２は、複数方向から柱状晶２に照射されてもよい。例えば、レーザ光１２を照射する照射器４を、ファイバーアレイ６を囲むように又は包むように構成すると、レーザ光１２を複数方向から柱状晶２に均一に照射することができる。

【0065】

レーザ光１２に替えて、ライト、ＬＥＤ（Light Emitting Diode、発光ダイオード）による光を使用してもよい。

【0066】

複数の柱状晶２のピッチは、赤外光１０の波長よりも短いことが好ましい。但し、赤外光１０の波長よりも長いピッチでも短いピッチでも、赤外光１０の画像検出は成立する。

【0067】

赤外光１０はレンズ１３を通って柱状晶２の一方の端面８に入射する。柱状晶２により赤外光１０から変換された可視光１１は、柱状晶２の他方の端面９からレンズ１４を通って受光器３に向かって出射する。

【0068】

赤外光検出器１は、受光器３により受光された可視光１１に基づいて画像データを生成する画像データ生成器５をさらに備える。

【0069】

本実施形態に係る赤外光検出器１は、前述した非特許文献１のようにＳＦＧ（和周波混合）や二光子吸収のような非線形現象に基づくのではなく、希土類元素の遷移準位を使った２ステップの線形現象に基づいている。そのため、赤外光検出器１は、観測しにくい弱い赤外光でも可視光に変換することができる。

【0070】

ファイバーアレイ６の柱状晶２にドープする希土類元素は、Ｎｄ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｔｍ、及びＳｍを含み、それぞれの希土類元素毎に、レーザ光１２の波長、観測したい赤外光１０の波長、変換先の可視光１１の波長が異なる。

【0071】

図４は赤外光検出器１に設けられたファイバーアレイ６の外観を示す画像である。図５はファイバーアレイ６の表面及び側面の拡大画像である。図６は図５に示されるＡ部の拡大画像である。

【0072】

ファイバーアレイ６は、図４に示すように、数ミリメートルオーダーの寸法を有している。そして、ファイバーアレイ６は、互いに平行にアレイ状に配列された直径１μｍ程度で長さ１ｍｍ程度の複数の円柱状の柱状晶２を有している。

【0073】

（Ｎｄ^３＋のエネルギー準位の遷移）
図７及び図８は柱状晶２がＮｄを含む場合のエネルギー準位の遷移を示す図である。

【0074】

図７の左側の遷移図に示すように、まず、波長７４０ｎｍのレーザ光１２がＮｄのエネルギー準位を^４Ｉ_９／２から^４Ｆ_５／２に励起する。そして、波長１．３μｍの赤外光１０がＮｄのエネルギー準位を^４Ｆ_５／２から^４Ｇ_５／２に励起する。

【0075】

又は、波長７５０ｎｍのレーザ光１２がＮｄのエネルギー準位を^４Ｉ_９／２から^４Ｆ_７／２に励起する。そして、波長１．９μｍの赤外光１０がＮｄのエネルギー準位を^４Ｆ_７／２から^４Ｇ_５／２に励起する。

【0076】

又は、波長６９０ｎｍのレーザ光１２がＮｄのエネルギー準位を^４Ｉ_９／２から^４Ｆ_９／２に励起する。そして、波長２．５μｍの赤外光１０がＮｄのエネルギー準位を^４Ｆ_９／２から^４Ｇ_５／２に励起する。

【0077】

次に、Ｎｄは、波長５６８－５７８ｎｍの可視光１１を放出することにより、エネルギー準位が^４Ｇ_５／２から^４Ｉ_９／２に遷移する。

【0078】

このように、レーザ光１２が、柱状晶２のエネルギー準位を第１準位から中間準位に励起し、赤外光１０が、レーザ光１２により中間準位に遷移した柱状晶２のエネルギー準位を第２準位に励起し、柱状晶２は、可視光１１を放出することにより、エネルギー準位が第２準位から第１準位に遷移する。

【0079】

また、図７の右側の遷移図に示すように、波長２．５μｍの赤外光１０が柱状晶２のエネルギー準位を^４Ｉ_９／２から^４Ｉ_１３／２に励起する。そして、波長１．０６μｍのレーザ光１２が、柱状晶２のエネルギー準位を^４Ｉ_１３／２から^４Ｆ_７／２に励起する。柱状晶２は、波長７５０ｎｍの可視光を放出することにより、エネルギー準位が^４Ｆ_７／２から^４Ｉ_９／２に遷移する。

【0080】

また、波長５．１μｍの赤外光１０が柱状晶２のエネルギー準位を^４Ｉ_９／２から^４Ｉ_１１／２に励起する。そして、波長１．０６μｍのレーザ光１２が、柱状晶２のエネルギー準位を^４Ｉ_１１／２から^４Ｆ_３／２に励起する。柱状晶２は、波長８８０ｎｍの可視光を放出することにより、エネルギー準位が^４Ｆ_３／２から^４Ｉ_９／２に遷移する。

【0081】

このように、赤外光１０が、柱状晶２のエネルギー準位を第１準位から中間準位に励起し、レーザ光１２が、赤外光１０により中間準位に遷移した柱状晶２のエネルギー準位を第２準位に励起し、柱状晶２は、可視光１１を放出することにより、エネルギー準位が第２準位から第１準位に遷移する。

【0082】

図８に示すように、波長７９４－８６２ｎｍのレーザ光１２が、柱状晶２のエネルギー準位を^４Ｉ_９／２から^４Ｆ_３／２に励起する。そして、波長１５５０ｎｍの赤外光１０が柱状晶２のエネルギー準位を^４Ｆ_３／２から^４Ｇ_５／２に励起する。次に、柱状晶２は、波長５６８－５７８ｎｍの可視光を放出することにより、エネルギー準位が^４Ｇ_５／２から^４Ｉ_９／２に遷移する。

【0083】

また、波長７４１－７９３ｎｍのレーザ光１２が、柱状晶２のエネルギー準位を^４Ｉ_９／２から^２Ｈ_９／２に励起する。そして、波長１５５０ｎｍの赤外光１０が柱状晶２のエネルギー準位を^２Ｈ_９／２から^４Ｇ_５／２に励起する。次に、柱状晶２は、波長５６８－５７８ｎｍの可視光を放出することにより、エネルギー準位が^４Ｇ_５／２から^４Ｉ_９／２に遷移する。

【0084】

柱状晶２のＮｄは、レーザ光１２を吸収することにより、基底状態（^４Ｉ_９／２）から中間準位（^２Ｈ_９／２）に励起される（ＧＳＡ（基底状態吸収））。そして、Ｎｄは、中間準位（^２Ｈ_９／２）から他の中間準位（^４Ｆ_３／２）に、発光を伴うこと無くゆっくりと緩く遷移する（ＮＲ）。次に、Ｎｄは、赤外光１０を照射されることにより、他の中間準位（^４Ｆ_３／２）から励起状態（^４Ｇ_７／２）に励起される（ＲＥＴ（共鳴エネルギー移動、Resonant Energy Transfer））。

【0085】

両プロセスとも、同じ波長の可視光１１が放出されるのはＮｄのエネルギー準位が、^４Ｆ_５／２、^２Ｈ_９／２から^４Ｆ_３／２に緩く遷移するからである。

【0086】

レーザ光１２が励起するＮｄのエネルギー準位と、Ｎｄにより検出しようとする赤外光１０のエネルギー（ｃｍ^－１）と、上記赤外光１０の波長（ｎｍ）との関係を下記（表１）、（表２）、及び（表３）に示す。

【0087】

【表1】

【0088】

【表2】

【0089】

【表3】

【0090】

（Ｅｒ^３＋のエネルギー準位の遷移）
図９は柱状晶２がＥｒを含む場合のエネルギー準位の遷移を示す図である。

【0091】

図９に示すように、波長８０６－９７０ｎｍのレーザ光１２が、柱状晶２のＥｒのエネルギー準位を^４Ｉ_１５／２から^４Ｉ_１１／２に励起する。そして、波長１５５０ｎｍの赤外光１０がＥｒのエネルギー準位を^４Ｉ_１１／２から^４Ｆ_９／２に励起する。次に、Ｅｒは、波長６４４－６５０ｎｍの可視光を放出することにより、エネルギー準位が^４Ｆ_９／２から^４Ｉ_１５／２に遷移する。

【0092】

また、波長６９０－８０５ｎｍのレーザ光１２が、Ｅｒのエネルギー準位を^４Ｉ_１５／２から^４Ｉ_９／２に励起する。そして、波長１５５０ｎｍの赤外光１０がＥｒのエネルギー準位を^４Ｉ_９／２から^４Ｓ_３／２に励起する。次に、Ｅｒは、波長５３８－５３９ｎｍの可視光を放出することにより、エネルギー準位が^４Ｓ_３／２から^４Ｉ_１５／２に遷移する。

【0093】

このように、レーザ光１２が、Ｅｒのエネルギー準位を第１準位から中間準位に励起し、赤外光１０が、レーザ光１２により中間準位に遷移したＥｒのエネルギー準位を第２準位に励起し、Ｅｒは、可視光１１を放出することにより、エネルギー準位が第２準位から第１準位に遷移する。

【0094】

レーザ光１２により励起されるＥｒのエネルギー準位と、Ｅｒにより検出しようとする赤外光１０のエネルギー（ｃｍ^－１）と、上記赤外光１０の波長（ｎｍ）との関係を下記（表４）に示す。

【0095】

【表4】

【0096】

（Ｈｏ^３＋のエネルギー準位の遷移）
図１０は柱状晶２がＨｏを含む場合のエネルギー準位の遷移を示す図である。

【0097】

図１０に示すように、波長７５７－８９９ｎｍのレーザ光１２が、柱状晶２のＨｏのエネルギー準位を^５Ｉ_８から^５Ｉ_５に励起する。そして、波長１５５０ｎｍの赤外光１０がＨｏのエネルギー準位を^５Ｉ_５から^５Ｆ_５に励起する。次に、Ｈｏは、波長６４９ｎｍの可視光を放出することにより、エネルギー準位が^５Ｆ_５から^５Ｉ_８に遷移する。

【0098】

また、波長６９０－７５６ｎｍのレーザ光１２が、Ｈｏのエネルギー準位を^５Ｉ_８から^５Ｉ_４に励起する。そして、波長１５５０ｎｍの赤外光１０がＨｏのエネルギー準位を^５Ｉ_４から^５Ｆ_４に励起する。次に、Ｈｏは、波長５４０－５４４ｎｍの可視光１１を放出することにより、エネルギー準位が^５Ｆ_４から^５Ｉ_８に遷移する。

【0099】

このように、レーザ光１２が、Ｈｏのエネルギー準位を第１準位から中間準位に励起し、赤外光１０が、レーザ光１２により中間準位に遷移したＨｏのエネルギー準位を第２準位に励起し、Ｈｏは、可視光１１を放出することにより、エネルギー準位が第２準位から第１準位に遷移する。

【0100】

本発明者らは、Ｈｏ^３＋が単一でドープされて９８０ｎｍ未満の波長で励起する機構に初めて着目した。

【0101】

レーザ光１２により励起されるＨｏのエネルギー準位と、Ｈｏにより検出しようとする赤外光１０のエネルギー（ｃｍ^－１）と、上記赤外光１０の波長（ｎｍ）との関係を下記（表５）に示す。

【0102】

【表5】

【0103】

（Ｄｙ、Ｔｍ、及び、Ｓｍのエネルギー準位）
柱状晶２は、Ｄｙ、Ｔｍ、又は、Ｓｍを含んでもよい。

【0104】

レーザ光１２により励起されるＤｙのエネルギー準位と、Ｄｙにより検出しようとする赤外光１０のエネルギー（ｃｍ^－１）と、上記赤外光１０の波長（ｎｍ）との関係を下記（表６）に示す。

【0105】

【表6】

【0106】

レーザ光１２により励起されるＴｍのエネルギー準位と、Ｔｍにより検出しようとする赤外光１０のエネルギー（ｃｍ^－１）と、上記赤外光１０の波長（ｎｍ）との関係を下記（表７）に示す。

【0107】

【表7】

【0108】

レーザ光１２により励起されるＳｍのエネルギー準位と、Ｓｍにより検出しようとする赤外光１０のエネルギー（ｃｍ^－１）と、上記赤外光１０の波長（ｎｍ）との関係を下記（表８）に示す。

【0109】

【表8】

【0110】

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0111】

１ 赤外光検出器（長波長光検出器）
２ 柱状晶（結晶）
３ 受光器
４ 照射器
５ 画像データ生成器
６ ファイバーアレイ
８ 端面
９ 端面
１０ 赤外光（長波長光）
１１ 可視光（短波長光）
１２ レーザ光（ポンプ光）
ＥＬ１ 第１準位
ＥＬ２ 第２準位
ＥＬＭ 中間準位

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】