DE102017125099A1

DE102017125099A1 - Laserkomponente

Info

Publication number: DE102017125099A1
Application number: DE102017125099.9A
Authority: DE
Inventors: Takunori Taira; Arvydas KAUSAS; Lihe ZHENG
Original assignee: Inter University Research Institute Corp National Institute of Natural Sciences
Current assignee: Inter University Research Institute Corp National Institute of Natural Sciences
Priority date: 2016-10-28
Filing date: 2017-10-26
Publication date: 2018-05-03
Anticipated expiration: 2037-10-27
Also published as: US10367324B2; DE102017125099B4; GB2553719B; US20180123309A1; JP2018073984A; FR3058584B1; FR3058584A1; GB2553719A; GB201717631D0; JP6245587B1

Abstract

Es wird eine Laserkomponente mit einem Lasermedium und einem transparenten Wärmeübertragungsbauteil, von denen mindestens eines ein Oxid ist, bereitgestellt. Verbindungsflächen des Lasermediums und des transparenten Wärmeübertragungsbauteils werden einem Sauerstoffplasma ausgesetzt, und danach werden die Verbindungsflächen ohne Erwärmen miteinander in Kontakt gebracht. Das Lasermedium und das transparente Wärmeübertragungsbauteil werden auf atomarer Ebene miteinander verbunden, ihr thermischer Widerstand ist niedrig, und aufgrund der Verbindung bei Normaltemperatur wird keine große Restspannung erzeugt. Der Prozess des Aussetzens gegenüber dem Sauerstoffplasma stellt eine Transparenz ihrer Verbindungsfläche sicher. Das Lasermedium und das transparente Wärmeübertragungsbauteil sind über eine amorphe Schicht stabil miteinander verbunden.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Beschreibung offenbart eine Laserkomponente, bei der ein Lasermedium und ein transparentes Wärmeübertragungsbauteil miteinander verbunden sind, ein Verfahren zum Herstellen der Laserkomponente und eine Laservorrichtung, die die Laserkomponente verwendet.
Technischer Hintergrund
Es ist ein Festkörper bekannt, der Licht emittiert, wenn ein Anregungsstrahl eingestrahlt wird. Beispielsweise emittiert ein mit einem Seltenerdelement dotierter Festkörper wie Nd:YAG, Yb:YAG, Tm:YAG, Nd:YVO₄, Yb:YVO₄, Nd:(s-)FAP, Yb:(s-)FAP, Nd:Glas und Yb:Glas oder ein mit einem Übergangselement dotierter Festkörper wie Cr:YAG und Ti:Al₂O3 bei einer Einstrahlung dieses Anregungsstrahls ein starkes Licht. Diese Typen von Festkörpern können in einem Resonator angeordnet sein, der eine Resonanz bei einer bestimmten Wellenlänge aufweist, so dass ein Laserresonator erhalten wird.
Es ist ferner ein Festkörper bekannt, der bei einer Einstrahlung eines Anregungsstrahls und eines Eingangslaserstrahls einen Ausgangslaserstrahl emittiert, wobei der Ausgangslaserstrahl bezüglich des Eingangslaserstrahls verstärkt ist. Wenn dieser Typ eines Festkörpers verwendet wird, wird so ein Laserverstärker erhalten. In der vorliegenden Beschreibung werden diese zwei Typen von Festkörpern als optische Verstärkungsmaterialien bezeichnet.
Es ist ferner ein Festkörper bekannt, der einen Ausgangslaserstrahl mit einer zu der Wellenlänge eines Eingangslaserstrahls unterschiedlichen Wellenlänge emittiert, wenn der Eingangslaserstrahl eingestrahlt wird. Bei einer Verwendung dieses Typs eines Festkörpers wird auf diese Weise ein Wellenlängenwandler erhalten. In der vorliegenden Beschreibung wird dieser Typ eines Festkörpers als nichtlineares optisches Material bezeichnet.
In der vorliegenden Beschreibung werden das optische Verstärkungsmaterial und das nichtlineare optische Material gemeinsam als ein Lasermedium bezeichnet.
Das Lasermedium erzeugt während eines Betriebs Wärme. Insbesondere erzeugt das optische Verstärkungsmaterial aufgrund seiner Quantendefekte, die mit der Anregung einhergehen, eine große Wärmemenge. Wenn das Lasermedium überhitzt, verschlechtert sich eine Resonatoreffizienz aufgrund einer ungleichmäßigen Verteilung von Brechungsindizes innerhalb des Lasermediums, von thermischen Linseneffekten, die durch eine thermisehe Ausdehnung bewirkt werden, und ferner von Problemen im Hinblick auf eine thermische Doppelbrechung, die durch den photoelastischen Effekt bewirkt wird, und schließlich wird das Lasermedium aufgrund einer Spannung an demselben beschädigt. Aus den obigen Gründen ist bei einer Festkörperlaservorrichtung oder dergleichen, die das Festkörpermaterial verwendet, eine Kühlung essentiell. Ferner muss zum Verhindern einer Verschlechterung der Strahlqualität des Laserstrahls das Lasermedium nicht nur gekühlt werden, sondern es muss ebenfalls verhindert werden, dass in dem Lasermedium eine Verformung und dergleichen auftreten, und dazu muss das Kühlen so durchgeführt werden, dass eine Temperaturverteilung innerhalb des Lasermediums gleichmäßig ist. Eine Kühltechnik ist essentiell zum Ermöglichen einer hohen Laserstrahlausgangsleistung, und es wird eine Technik benötigt, die dazu ausgebildet ist, das Lasermedium effektiv und mit einer gleichmäßigen Temperaturverteilung zu kühlen.
Das US-Patent Nr. 5,796,766 beschreibt eine Laserkomponente, die mit einer Funktion zum Kühlen eines Lasermediums versehen ist. Gemäß dieser Technik weist das Lasermedium eine Form einer kreisförmigen Scheibe auf, und es überträgt Wärme auf ein transparentes Wärmeübertragungsbauteil, das eine ähnliche kreisförmige Scheibenform aufweist. In der vorliegenden Beschreibung wird eine flache Oberfläche des kreisscheibenförmigen Lasermediums als eine erste Endfläche bezeichnet, und eine andere flache Oberfläche desselben wird als eine zweite Endfläche bezeichnet. Gemäß der Technik des US-Patents Nr. 5,796,766 wird ein kreisscheibenförmiges erstes Wärmeübertragungsbauteil in Kontakt mit der ersten Endfläche des kreisscheibenförmigen Lasermediums gebracht, ein kreisscheibenförmiges zweites Wärmeübertragungsbauteil wird in Kontakt mit der zweiten Endfläche des kreisscheibenförmigen Lasermediums gebracht, und das Lasermedium wird von sowohl der ersten als auch der zweiten Endfläche aus gekühlt.
Das US-Patent Nr. 5,796,766 beschreibt Verfahren zum Bewirken, dass das Lasermedium und das Wärmeübertragungsbauteil einander kontaktieren, einschließlich: (1) eines Verfahrens zum Kontaktieren beider Bauteile durch eine mechanische Kraft (in dem US-Patent Nr. 5,796,766 als „optischer Kontakt“ beschrieben), (2) eines Verfahrens zum Verbinden beider Bauteile mittels eines Haftmittels, (3) eines Verfahrens zum Fixieren beider Bauteile mittels Epoxidharz und (4) eines Verfahrens zum Herstellen eines Kontakts durch Diffusionsverbindung.
Studien der vorliegenden Erfinder haben ergeben, dass die zuvor erwähnten Verfahren (1) bis (3) aufgrund eines hohen thermischen Widerstands zwischen dem Lasermedium und dem transparenten Wärmeübertragungsbauteil das Lasermedium nicht ausreichend kühlen können. Das heißt, es wurde festgestellt, dass die Laserstrahlintensität aufgrund einer Überhitzung des Lasermediums nicht auf ein Niveau erhöht werden kann, das von Benutzern der Laservorrichtung benötigt wird. Im Fall (1) werden aufgrund einer Diskontinuität von Stoffen an einer Grenzfläche Phononen durch diese diskontinuierliche Grenzfläche gestreut. Das heißt, dadurch tritt eine Zunahme des thermischen Widerstands auf, und dies verhindert eine essentielle Lösung. Ferner erzeugen das Haftmittel und die Epoxidharzschicht in (2) und (3) einen thermischen Widerstand. Darüber hinaus stellt eine Beschädigung aufgrund einer Verschlechterung des Harzes bei einem Betrieb mit hoher Leistung ein großes Problem dar. Gemäß dem Verfahren (4) bewirkt, auch wenn der thermische Widerstand zwischen dem Lasermedium und dem Wärmeübertragungsbauteil ausreichend verringert werden kann, da sie unter hoher Temperatur miteinander verbunden werden, ein Unterschied von thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Lasermediums und des wärmeübertragenden Bauteils, dass bei einem Betrieb unter Zimmertemperatur an dem Lasermedium eine stake Restspannung wirkt. Die Restspannung bewirkt eine optische Verzerrung des Lasermediums, was eine Strahlqualität verschlechtert.
In Anbetracht dessen wurde eine Technik zum oberflächenaktiven Bonden bzw. Verbinden des Lasermediums und des transparenten Wärmeübertragungsbauteils entwickelt, die in Hiroki TOGASHI, „Creation and Evaluation of Yb:YAG/Diamond Composite Structured Laser Using Normal Temperature Bonding“, Master's Thesis, Chuo University (2013) (im Folgenden „TOGASHI“) beschrieben ist. In TOGASHI werden YAG, das ein Typ eines Lasermediums ist, und Diamant, das ein Typ eines transparenten Wärmeübertragungsbauteils ist, oberflächenaktiv verbunden. Die oberflächenaktive Verbindung kann als Verbindung bei Zimmertemperatur oder Verbindung bei normaler Temperatur bezeichnet werden, da die Bauteile ohne Erwärmung in Kontakt miteinander gebracht werden.
In dieser Beschreibung bezeichnet „oberflächenaktives Verbinden“ Einstrahlen eines Inertgasatomstrahls auf Verbindungsflächen beider Bauteile, die zu verbinden sind, so dass die Verbindungsflächen aktiviert werden, Bringen der aktivierten Verbindungsflächen in Kontakt miteinander und Bewirken, dass die zwei Bauteile auf atomarer Ebene durch atomare Bindungen, die an den aktivierten Verbindungsflächen auftreten, verbunden werden. Gemäß dieses oberflächenaktiven Verbindungsverfahrens kann eine Verbindung unter normaler Temperatur durchgeführt werden, und die Probleme hinsichtlich einer Restspannung treten nicht auf. Ferner kann die Verbindung auf atomarer Ebene den thermischen Widerstand zwisehen den zwei Bauteilen ausreichend verringern. Andere Dokumente, Eiji HIGURASHI, Ken OKUMURA, Kaori NAKASUJI und Tadatomo SUGA, „Surface activated bonding of GaS and SiC wafers at room temperature for improved heat dissipation in high power semiconductor lasers", Japanese Journal of Applied Physics, 54 030207 (2015) (im Folgenden „HIGURASHI et al.") und Yoichi SATO, Akio IKESUE und Takunori TAIRA, „Tailored Spectral Designing of Layer-by-Layer Type Composite Nd:Y3ScAl4O12/Nd: Y3Al5O12 Ceramics", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 13, No. 3 May/June (2007) (im Folgenden „SATO et al.") werden im Folgenden beschrieben.
ZUSAMMENFASSUNG
Gemäß der Technik von TOGASHI könnte, wenn YAG und Diamant durch herkömmliches oberflächenaktives Verbinden ausreichend verbunden werden könnten, das Lasermedium effizient und gleichmäßig gekühlt werden, und dies könnte eine bahnbrechende Technik darstellen, die eine hohe Ausgangsleistung der Laservorrichtung ermöglicht. In der Realität wird jedoch an einer Grenzfläche von YAG und Diamant, die unter Verwendung der herkömmlichen oberflächenaktiven Verbindung verbunden werden, eine optisch verschlechterte Schicht wie eine eingefärbte Schicht oder dergleichen erzeugt. Ferner ist eine Zuverlässigkeit der Verbindung von YAG und Diamant niedrig, und eine längere Verwendung verschlechtert die Verbindungsgrenzfläche. Diese Probleme sind nicht auf den Fall beschränkt, in dem das Lasermedium YAG ist. Wenn das Lasermedium ein Oxid ist, tritt bei einem Oberflächenaktivierungsprozess aufgrund von leichten Elementen wie Sauerstoff, die entfernt werden, ein Sauerstoffdefekt auf, und es wird davon ausgegangen, dass die optisch verschlechterte Schicht, beispielsweise die eingefärbte Schicht oder dergleichen, aufgrund dieses Sauerstoffdefekts erzeugt wird. Die optisch verschlechterte Schicht, beispielsweise die eingefärbte Schicht, tritt ferner an der Verbindungsgrenzfläche auf, wenn das transparente Wärmeübertragungsbauteil aus Oxiden besteht. Wenn eines oder beide von dem Lasermedium und dem transparenten Wärmeübertragungsbauteil Oxide sind, ist eine Verbindung derselben möglicherweise nicht dauerhaft, oder bei dem herkömmlichen oberflächenaktiven Verbinden kann ein Phänomen auftreten, bei dem die Verbindungsflächen derselben eingefärbt werden, und es ist somit schwierig, diese zu verbinden, während sie weiterhin transparent bleiben.
Studien der vorliegenden Erfinder haben eine hohe Ausgangsleistung, mit einem Spitzenwert in einem Resonator, der mehrere zehn MW (Megawatt) erreicht, unter Verwendung einer Mikrochiplaservorrichtung mit einer Länge von wenigen mm ermöglicht. In allgemeinen optischen Systemen wird ein Verlust von etwa 1% erlaubt. Wenn jedoch die Leistung desselben mehrere 10 MW erreicht, würde ein Verlust von 1% einer Absorptionsleistung von mehreren hundert kW gleichkommen; daher können optische Komponenten in dem System beschädigt werden. Ein trivialer Verlust führt zu schwerwiegenden Unfällen bei einem Laser mit hoher Intensität, und daher ist ein Verlust oder eine Absorption in einem Ausmaß, das im Allgemeinen erlaubt wäre, für eine Laservorrichtung mit hoher Intensität nicht akzeptabel. Die eingefärbte Schicht, die an der Verbindungsgrenzfläche von YAG und Diamant gemäß dem Verfahren von TOGASHI auftritt, ist dünn, jedoch ruft solch eine triviale eingefärbte Fläche einen Verlust in dem Laserstrahl mit hoher Intensität hervor, der verhindert, dass die Mikrochiplaservorrichtung eine hohe Ausgangsleistung erzielen kann. Das herkömmliche oberflächenaktive Verbinden kann die Transparenz an der Grenzfläche in einem Ausmaß, das für Laserkomponenten für eine Laservorrichtung mit hoher Intensität benötigt wird, nicht erzielen.
Ferner wird, wenn das Lasermedium und das transparente Wärmeübertragungsbauteil oberflächenaktiv verbunden werden, eine oberflächenaktive Verbindung zwischen heterogenen Materialien durchgeführt. Wenn eines oder beide der Bauteile ein Oxid ist, wird es schwierig, die heterogenen Materialien oberflächenaktiv zu verbinden. HIGURASHI et al. berichtet von einem Fall einer heterogenen oberflächenaktiven Verbindung, bei der GaAs, das ein Typ eines Lasermediums ist, und SiC, das ein Typ eines wärmeübertragenden Bauteils ist, verbunden werden. Gemäß HIGURASHI et al. werden GaAs und SiC in einem Zustand, in dem eine amorphe Schicht zwischen GaAs und SiC vorgesehen ist, oberflächenaktiv verbunden. Wenn die amorphe Schicht zwischen den zwei Bauteilen vorgesehen ist, kann eine Zuverlässigkeit einer Verbindung erhalten werden. Wenn jedoch eines oder beide der Bauteile ein Oxid ist/sind, wird es schwierig, die oberflächenaktive Verbindung der heterogenen Materialien über die amorphe Schicht durchzuführen, auch wenn das in HIGURASHI et al. beschriebene oberflächenaktive Verbindungsverfahren eingesetzt wird.
Die vorliegende Beschreibung offenbart eine Technik, die ein Oxid für mindestens eines von einem Lasermedium und einem transparenten Wärmeübertragungsbauteil verwendet und eine Lösung für ein mit der herkömmlichen oberflächenaktiven Verbindungstechnik verbundenes Problem liefert. Die offenbarte Technik realisiert eine transparente Verbindungsgrenzfläche, die für eine Laservorrichtung mit hoher Intensität verwendet werden kann.
Ferner offenbart die vorliegende Beschreibung eine Laserkomponente: mit einem niedrigen thermischen Widerstand zwischen einem Lasermedium und einem transparenten Wärmeübertragungsbauteil, von denen mindestens eines ein Oxid ist; bei der keine starke Restspannung an dem Lasermedium nach einer Verbindung wirkt; und mit einer hohen Transparenz an einer Grenzfläche zwischen dem Lasermedium und dem transparenten Wärmeübertragungsbauteil, d.h., eine Laserkomponente mit einem niedrigen Verlust, die für eine Laservorrichtung mit hoher Intensität geeignet ist, ist hierin offenbart. Ferner sind ein Verfahren zum Herstellen dieser Laserkomponente und eine Laservorrichtung mit dieser Laserkomponente offenbart.
Darüber hinaus offenbart die vorliegende Beschreibung eine Laserkomponente: mit einem niedrigen thermischen Widerstand zwischen einem Lasermedium und einem transparenten Wärmeübertragungsbauteil, von denen mindestens eines ein Oxid ist; bei dem nach einem Verbinden keine starke Restspannung an dem Lasermedium wirkt; und bei dem das Lasermedium und das transparente Wärmeübertragungsbauteil über eine amorphe Schicht stabil verbunden werden, d.h., eine Laserkomponente, die lange Zeit mit einer Laservorrichtung mit hoher Intensität verwendet werden kann, ist hierin offenbart. Ferner sind ein Verfahren zum Herstellen dieser Laserkomponente und eine Laservorrichtung mit dieser Laserkomponente offenbart.
(Verfahren zum Herstellen der Laserkomponente)
Die vorliegende Beschreibung offenbart ein neues Verfahren zum Herstellen einer Laserkomponente, bei der ein Lasermedium und ein transparentes Wärmeübertragungsbauteil miteinander verbunden werden und mindestens eines von dem Lasermedium und dem transparenten Wärmeübertragungsbauteil ein Oxid ist. Das Verfahren beinhaltet: Aussetzen sowohl einer Verbindungsfläche des Lasermediums als auch einer Verbindungsfläche des transparenten Wärmeübertragungsbauteils gegenüber einem Sauerstoffplasma; Einstrahlen eines Inertgasatomstrahls auf beide der Verbindungsflächen des Lasermediums und des transparenten Wärmeübertragungsbauteils unter Vakuum nach dem Aussetzen; und oberflächenaktives Verbinden der Verbindungsflächen des Lasermediums und des transparenten Wärmeübertragungsbauteils durch Inkontaktbringen der Verbindungsflächen nach dem Einstrahlen.
Bei einem herkömmlichen oberflächenaktiven Verbinden war es bisher schwierig, das Lasermedium und das transparente Wärmeübertragungsbauteil oberflächenaktiv zu verbinden, wenn mindestens eines von dem Lasermedium und dem transparenten Wärmeübertragungsbauteil ein Oxid ist. Bei dem zuvor erwähnten Herstellungsverfahren werden beide der Verbindungsflächen dem Sauerstoffplasma ausgesetzt, bevor das oberflächenaktive Verbinden durchgeführt wird. Durch diesen Vorbearbeitungsschritt können das Lasermedium und das transparente Wärmeübertragungsbauteil geeignet und stabil oberflächenaktiv verbunden werden, auch wenn mindestens eines von dem Lasermedium und dem transparenten Wärmeübertragungsbauteil ein Oxid ist (beispielsweise, wenn mindestens eines von diesen YAG ist). Das heißt, durch Ausführen dieses Vorbearbeitungsschritts kann eine Verschlechterung einer Transparenz einer Verbindungsgrenzfläche des Lasermediums und des transparenten Wärmeübertragungsbauteils verhindert werden. Ferner werden durch diesen Vorbearbeitungsschritt das Lasermedium und das transparente Wärmeübertragungsbauteil stabil über eine amorphe Schicht verbunden, und eine Zuverlässigkeit der Verbindung wird dadurch verbessert.
(Laserkomponente, bei der keine eingefärbte Schicht festgestellt wird)
Gemäß dem hierin offenbarten Verfahren kann, da die oberflächenaktive Verbindung geeignet ausgeführt werden kann, auch wenn mindestens eines von dem Lasermedium und dem transparenten Wärmeübertragungsbauteil ein Oxid ist, eine Laserkomponente erhalten werden, bei der keine eingetrübte Schicht oder eingefärbte Schicht an der Grenzfläche beobachtet wird. Die hierin offenbarte Laserkomponente weist an der Grenzfläche des Lasermediums und des transparenten Wärmeübertragungsbauteils eine reine oder klare Transparenz auf, d.h., an der Grenzfläche wird keine eingetrübte Schicht oder eingefärbte Schicht beobachtet. Die vorliegende Beschreibung beschreibt eine Eintrübung und eine Einfärbung zusammengenommen als „Einfärbung“.
Gemäß dieser Laserkomponente kann eine Beschädigung der Laserkomponente aufgrund eines optischen Verlusts an der Grenzfläche verhindert werden, auch wenn die Laserkomponente für eine Laservorrichtung mit hoher Intensität verwendet wird.
(Laserkomponente mit amorpher Schicht)
Gemäß der hierin offenbarten Technik kann eine Laserkomponente, die ein Lasermedium und ein transparentes Wärmeübertragungsbauteil durch das oberflächenaktive Verbinden verbindet, bei der mindestens eines von dem Lasermedium und dem transparenten Wärmeübertragungsbauteil ein Oxid ist und bei dem das Lasermedium und das transparente Wärmeübertragungsbauteil über eine amorphe Schicht stabil verbunden sind, erhalten werden. Ein Laserstrahl mit hoher Intensität kann ohne wesentlichen Energieverlust durch das Lasermedium, die amorphe Schicht und das transparente Wärmeübertragungsbauteil gehen. Gemäß dieser Laserkomponente wird die Zuverlässigkeit der Verbindung sichergestellt, auch wenn sie für die Laservorrichtung mit hoher Intensität verwendet wird, und es ist möglich, diese langfristig zu verwenden.
Da festgestellt wurde, dass die „Laserkomponente, in der keine eingefärbte Schicht beobachtet wird“ und die „Laserkomponente, bei der heterogene Materialien über eine amorphe Schicht verbunden sind“ wie zuvor erläutert durch Aussetzen gegenüber dem Sauerstoffplasma realisiert werden kann, wurden ebenfalls andere Verfahren untersucht. Demzufolge wurde festgestellt, dass ein Verfahren, das das oberflächenaktive Verbinden nach Säubern der Verbindungsflächen unter Verwendung eines Gels durchführt, ebenfalls effektiv ist und die zuvor erwähnten Laserkomponenten auch durch dieses Verfahren erhalten werden können.
Das Lasermedium und das transparente Wärmeübertragungsbauteil können direkt oberflächenaktiv verbunden werden. Heterogene Materialien können oberflächenaktiv verbunden werden. Die oberflächenaktive Verbindung kann nach Vorsehen eines dielektrischen Mehrschichtfilms an einem oder beiden von dem Lasermedium und dem transparenten Wärmeübertragungsbauteil ausgeführt werden. Wenn der dielektrische Mehrschichtfilm verwendet wird, kann eine Reflexionseigenschaft an der Grenzfläche des Lasermediums und des transparenten Wärmeübertragungsbauteils angepasst werden. Beispielsweise kann eine Eigenschaft, gemäß der für eine spezifische Wellenlänge ein hoher Reflexionsgrad vorliegt und für andere Wellenlängen ein niedriger Reflexionsgrad vorliegt, eingestellt werden. Wenn der dielektrische Mehrschichtfilm vorgesehen werden soll, kann ein Film, der aus einem homogenen Material besteht, als die entsprechende Verbindungsfläche (der homogene Film) an einer äußersten Fläche des dielektrischen Mehrschichtfilms vorgesehen werden. In dem Fall können der dielektrische Mehrschichtfilm, der mit dem homogenen Film bedeckt ist, und die Verbindungsfläche seines Gegenstücks durch homogenes oberflächenaktives Verbinden verbunden werden. Der dielektrische Mehrschichtfilm und die Verbindungsfläche seines Gegenstücks können ohne den homogenen Film durch heterogenes oberflächenaktives Verbinden verbunden werden.
Wenn ein Unterschied von Brechungsindizes des transparenten Wärmeübertragungsbauteils größer oder gleich 9% ist, wird ein Reflexionsverlust an der Grenzfläche größer als 0,3%, und dadurch wird eine Verwendung der Laserkomponente begrenzt. In solch einem Fall ist es bevorzugt, eine Zwischenschicht mit einem Brechungsindex, der nahe an einem Mittelwert der Brechungsindizes des Lasermediums und des transparenten Wärmeübertragungsbauteils liegt, zu verwenden. Das heißt, eine Zwischenschicht, die Beziehungen herstellt, bei denen ein Unterschied der Brechungsindizes des Lasermediums und der Zwischenschicht weniger als 9% beträgt und ein Unterschied der Brechungsindizes der Zwischenschicht und des transparenten Wärmeübertragungsbauteils ebenfalls weniger als 9% beträgt, wird verwendet.
Dadurch kann eine Laserkomponente erhalten werden, bei der ein Verlust an der Grenzfläche kleiner als 0,3% ist. Insbesondere in Fällen, in denen das Lasermedium YVO₄ ist und das transparente Wärmeübertragungsbauteil Diamant ist, ist dieses Verfahren unter Verwendung der Zwischenschicht effektiv.
Im Falle einer Verwendung der Zwischenschicht können das Lasermedium und das transparente Wärmeübertragungsbauteil durch homogenes oberflächenaktives Verbinden verbunden werden, indem Zwischenschichten auf beiden Verbindungsflächen des Lasermediums und des transparenten Wärmeübertragungsbauteils vorgesehen werden. Zwei Niveaus von Zwischenschichten können durch Ausbilden der Zwischenschicht auf einer Seite des Lasermediums und der Zwischenschicht auf einer Seite des transparenten Wärmeübertragungsbauteils auf unterschiedliche Weise vorgesehen werden. Wenn der Unterschied der Brechungsindizes des Lasermediums und des transparenten Wärmeübertragungsbauteils groß ist, können zwei Niveaus von Zwischenschichten, nämlich eine Zwischenschicht mit dem Brechungsindex, der nahe bei dem des Lasermediums ist, und eine Zwischenschicht mit dem Brechungsindex, der nahe bei dem des transparenten Wärmeübertragungsbauteils ist, zusammen verwendet werden. Alternativ dazu kann eine Zwischenschicht oder können Zwischenschichten auf einer der Verbindungsflächen des Lasermediums und des transparenten Wärmeübertragungsbauteils vorgesehen werden, und diese Bauteile können durch heterogenes oberflächenaktives Verbinden verbunden werden. Vor einer Ausbildung der Zwischenschicht kann ein dielektrischer Mehrschichtfilm vorgesehen werden. Wenn einer oder mehrere Filme an einem der Bauteile vorgesehen werden und danach die Verbindung durchgeführt wird, können die einen oder mehreren Filme an dem transparenten Wärmeübertragungsbauteil vorgesehen werden, und das Lasermedium wird damit verbunden, oder die einen oder mehreren Filme können an dem Lasermedium vorgesehen werden, und das transparente Wärmeübertragungsbauteil wird damit verbunden. In beiden Fällen können durch Vorbearbeitung der Verbindungsflächen, indem sie dem Sauerstoffplasma ausgesetzt werden, und anschließendes Verbinden derselben Verbindungsflächen mit exzellenter Qualität erhalten werden. Das Aussetzen gegenüber dem Sauerstoffplasma kann nach Vorsehen der Zwischenschicht(en) durchgeführt werden, oder die Zwischenschicht(en) kann (können) ausgebildet werden, nachdem das Aussetzen gegenüber dem Sauerstoffplasma stattgefunden hat.
Gemäß der hierin offenbarten Technik kann eine Laserkomponente bereitgestellt werden, bei der mehrere Lasermedien und mehrere transparente Wärmeübertragungsbauteile vorgesehen sind, und die mehreren Lasermedien und die mehreren Wärmeübertragungsbauteile werden mit einer Reihenfolge, bei der das Lasermedium und das transparente Wärmeübertragungsbauteil abwechselnd auftreten, der Reihe nach angeordnet. Dieser Typ einer Laserkomponente ist nützlich für Laserresonatoren, Laserverstärker und Wellenlängenwandler.
Im Falle einer Anordnung der mehreren Lasermedien der Reihe nach können dieselben Lasermedien angeordnet werden, oder die Lasermedien können unterschiedlich ausgebildet sein. Beispielsweise kann eine Konzentration von Dotierungen eines Lasermediums auf einer Einfallsseite eines Anregungsstrahls niedrig eingestellt werden, und eine Konzentration von Dotierungen eines Lasermediums auf einer gegenüberliegenden Seite kann hoch eingestellt werden. Wenn eine Beziehung, bei der eine Konzentration von Dotierungen an einer Position, an der eine Anregungsstrahlintensität hoch ist, niedrig ist, und eine Konzentration von Dotierungen an einer Position, an der die Anregungsstrahlintensität niedrig ist, hoch ist, erfüllt ist, kann ein Unterschied einer Wärmeemission in Abhängigkeit von der Position unterdrückt werden, und ein Auftreten einer lokalen Überhitzung kann unterdrückt werden. Diese Struktur ist effektiv für Laserverstärker. Wenn Anregungsstrahlen von beiden Endflächen aus in einen Stapel der mehreren Lasermedien eingegeben werden, sollte eine Dotierungskonzentration an Positionen in der Nähe der Endflächen niedrig sein, und eine Dotierungskonzentration an Positionen, die von den Endflächen weit entfernt sind, sollte hoch sein. Bei dieser Anordnung ist eine Dotierungskonzentration an einer Position, an der die Anregungsstrahlintensität hoch ist, niedrig, und eine Dotierungskonzentration an einer Position, an der die Anregungsstrahlintensität niedrig ist, ist hoch, so dass ein Unterschied einer Wärmeerzeugung in Abhängigkeit von der Position unterdrückt werden kann.
Ein Wellenlängenwandler, bei dem nichtlineare optische Materialien mit unterschiedlichen Dicken der Reihe nach angeordnet sind, ist ebenfalls von Nutzen. Ein Wellenlängenwandler, der mit mehreren Eingangslaserstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen verwendet werden kann, kann realisiert werden.
Ein Laserresonator oder ein Laserverstärker, bei dem Lasermedien unterschiedlichen Typs der Reihe nach angeordnet sind, ist ebenfalls von Nutzen. Beispielsweise kann, wenn optische Verstärkungsmaterialien unterschiedlicher Art, die eine gemeinsame Lumineszenzzentrumssubstanz in unterschiedlichen Arten von Basismaterialien aufweisen, der Reihe nach angeordnet werden, eine Resonanzwellenlänge des Laserresonators wie in SATO et al. beschrieben breitbandig ausgebildet sein. Die Technik von SATO et al. ist auf eine Kombination von zwei Arten von keramischen optischen Verstärkungsmaterialien begrenzt, die hierin offenbarte Technik ist jedoch nicht auf keramische Materialien begrenzt, und eine Anzahl von Arten ist nicht begrenzt, so dass eine Struktur, bei der transparente Wärmeübertragungsbauteile zwischen optischen Verstärkungsmaterialien zum Durchführen einer Kühlung angeordnet sind, erhalten werden kann.
Wenn die mehreren Lasermedien und die mehreren transparenten Wärmeübertragungsbauteile der Reihe nach angeordnet werden, ist in einigen Fällen bevorzugt, die transparenten Wärmeübertragungsbauteile an jeweiligen Enden einer solchen Reihenanordnung anzuordnen. Bei einer Laservorrichtung tritt eine Konzentration eines elektrischen Felds leicht aufgrund einer Diskontinuität in einer Nähe einer Grenzfläche zwischen einem Lasermedium und einem Raum auf. Wenn die Intensität des Laserstrahls zunimmt, wird ein Grad der Konzentration des elektrischen Felds größer, und das Lasermedium kann durch die Konzentration des elektrischen Felds, die in der Nähe der Grenzfläche zwischen dem Lasermedium und dem Raum erzeugt wird, beschädigt werden. Dieses Problem spielt dann eine Rolle, wenn die Lasermedien amorph oder eine Keramik sind. Dies liegt daran, dass ein Vorhandensein von Korngrenzen Regionen erzeugt, die inhärent eine ungleichmäßige Verteilung in einer Ebene eines elektrischen Felds in einer Nähe solcher Grenzen aufweist. Ferner weisen, auch wenn Endflächen durch Polieren oder dergleichen gleichmäßig gemacht werden, Kristallkörner und Korngrenzen unterschiedliche Poliergeschwindigkeiten auf, und ferner werden Härten ebenfalls in Abhängigkeit von Orientierungen sogar für denselben Typ von Kristallkörnern unterschiedlich. Somit ist im Vergleich zu einem Material, das als Ganzes eine gleichmäßige Region bildet, insbesondere einem Einkristall, eine Oberflächenpräzision der keramischen Materialien geringer. Dadurch bewirkt, auch wenn eine Beschichtung zum Abmildern der Konzentration des elektrischen Felds, die an den Endflächen auftreten kann, durchgeführt wird, die schlechtere Oberflächenpräzision von Basisschichten derselben, dass eine Oberflächenpräzision der beschichteten Flächen ebenfalls niedriger ist. Dadurch ist eine Schwelle für eine optische Beschädigung von keramischen Lasermedien im Vergleich zu der eines Einkristalls um etwa eine Größenordnung verringert. In Fällen, in denen ein Spitzenwert mehrere Megawatt überschreitet, beispielsweise bei einem Riesenpulslaser, ist ein Versagen desselben schwerwiegend und kann sich erheblich auf die Laserleistung auswirken. Somit kann ein Widerstand gegenüber einer optischen Beschädigung durch oberflächenaktives Verbinden eines gleichmäßigen Materials, insbesondere eines transparenten Monokristalls oder eines transparenten Einkristalls, mit den Endflächen der keramischen Lasermedien erhöht werden. Das Vorsehen einer Beschichtung an den Endflächen der transparenten Monokristalle oder des transparenten Einkristalls erhöht einen Widerstand gegenüber einer Beschädigung weiter. Ein Wärmeabführeffekt kann ebenfalls erhöht werden, indem transparente Wärmeübertragungsbauteile mit den Endflächen der Reihenanordnung verbunden werden, und als Ganzes kann eine Laservorrichtung mit hoher Leistung erhalten werden.
Wenn das Lasermedium aus einer Keramik besteht, ist das Verbinden des transparenten Materials aus Monokristallen oder einem Einkristall mit beiden Endflächen des keramischen Lasermediums wirksam, um einen Widerstand gegenüber einer Beschädigung zu erhöhen. Wen das Lasermedium und das transparente Material wiederholt und aufeinanderfolgend gestapelt werden, ist das Verbinden der transparenten Materialien mit beiden Endflächen des Stapels wirksam, um einen Widerstand gegenüber einer Beschädigung zu erhöhen. Es ist ebenfalls von Vorteil, dass das transparente Material aus Monokristallen oder einem Einkristall besteht und das transparente Material eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Figurenliste

1 (a1) bis 1(a3) - 1(j1) bis 1(j3) zeigen schematisch verschiedene Ausführungsformen;
FIG. 2(1)-2(5) zeigen eine Laserkomponente einer ersten Ausführungsform und ein Herstellungsverfahren derselben;
3(a) und 3(b) erläutern Laserkomponenten einer zweiten und einer dritten Ausführungsform;
FIG. 4(1)-4(5) zeigen eine Laserkomponente einer vierten Ausführungsform und ein Herstellungsverfahren derselben;
5(a) und 5(b) erläutern Laserkomponenten einer fünften und einer sechsten Ausführungsform;
FIG. 6(1)-6(5) erläutern eine Laserkomponente einer siebten Ausführungsform und ein Herstellungsverfahren derselben;
7 zeigt eine Laservorrichtung einer ersten Ausführungsform;
8 zeigt eine Laservorrichtung einer zweiten Ausführungsform;
9 zeigt eine Laservorrichtung einer dritten Ausführungsform;
10 zeigt eine Laservorrichtung einer vierten Ausführungsform;
11 zeigt eine Laservorrichtung einer fünften Ausführungsform;
12 zeigt eine Laservorrichtung einer sechsten Ausführungsform;
13 zeigt eine Laservorrichtung einer siebten Ausführungsform;
14 zeigt eine Laservorrichtung einer achten Ausführungsform; und
15 zeigt eine Laservorrichtung einer neunten Ausführungsform.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
1 (a1) bis (a3) - (j1) bis (j3) zeigen verschiedene Ausführungsformen. Buchstaben in 1 zeigen unterschiedliche Arten von Ausführungsformen an, und Zahlen zeigen Prozessreihenfolgen eines Herstellungsverfahrens an. 1 (a1) bis (a3) zeigt eine Kombination aus einem Lasermedium 10 und einem transparenten Wärmeübertragungsbauteil 20, die durch heterogenes oberflächenaktives Verbinden verbunden sind, und zeigt einen Fall, in dem ein Unterschied zwischen Brechungsindizes dieser Bauteile weniger als 9% beträgt. In diesem Fall können das Lasermedium 10 und das transparente Wärmeübertragungsbauteil 20 direkt durch heterogenes Oberflächenverbinden verbunden werden. Ein Bezugszeichen 30 in 1 (a1) bis (j1) zeigt an, dass Verbindungsflächen dieser Bauteile einem Sauerstoffplasma ausgesetzt werden. Durch diese zusätzliche Vorbearbeitung kann eine Transparenz einer Grenzfläche nach einer Verbindung derselben hoch gehalten werden. Ferner können Materialkombinationen, die ohne Durchführen dieser Vorbearbeitung nicht oberflächenaktiv verbunden werden können, oberflächenaktiv verbunden werden. Beispielsweise können, auch wenn es schwierig ist, YAG und Saphir stabil oberflächenaktiv zu verbinden, YAG und Saphir durch Durchführen der Vorbearbeitung stabil durch heterogenes oberflächenaktives Verbinden verbunden werden. Wenn das heterogene oberflächenaktive Verbinden durchgeführt wird, wird an der Grenzfläche eine amorphe Schicht ausgebildet. Eine amorphe Schicht ist sehr dünn, und diese ist in den Zeichnungen nicht gezeigt.
Eine Einstrahlung von Sauerstoffplasma dient zum Säubern der Verbindungsflächen und zielt darauf ab, denselben Effekt wie eine im Folgenden beschriebene Einstrahlung eines Inertgasatomstrahls zu erzielen. Dadurch wurden bei einer herkömmlichen oberflächenaktiven Verbindung die Einstrahlung von Sauerstoffplasma und die Einstrahlung des Inertgasatomstrahls nicht in Kombination durchgeführt. Ferner muss bei einem Oberflächenaktivierungsprozess Sauerstoff von einer äußersten Oberflächenschicht einer Verbindungsfläche, die durch Verbinden mit dem Sauerstoff stabilisiert ist, entfernt werden. Es ist eine naheliegende Annahme, dass der Sauerstoff unter Verwendung des Sauerstoffplasmas nicht entfernt wird, und daher wurde ein Aussetzen gegenüber Sauerstoffplasma nie in Betracht gezogen. Gemäß den hierin beschriebenen Studien wurde festgestellt, dass eine Verschlechterung einer Transparenz an der Grenzfläche verhindert und eine Anzahl von oberflächenaktiv verbindbaren Materialien erhöht werden kann, indem die Einstrahlung von Sauerstoffplasma vor dem herkömmlichen oberflächenaktiven Verbinden durchgeführt wird. Ferner werden im Falle eines heterogenen Verbindens des Lasermediums und des transparenten Wärmeübertragungsbauteils diese über die amorphe Schicht fest verbunden.
Es sei bemerkt, dass ein Bezugszeichen 40 in 1 (a2) bis (j2) zeigt, dass ein Argonionenstrahl auf die Verbindungsfläche des Lasermediums 10 und die Verbindungsfläche des transparenten Wärmeübertragungsbauteils 20 eingestrahlt wird, und 1 (a3) bis (j3) eine Schichtstruktur einer Laserkomponente, bei der das Lasermedium 10 und das transparente Wärmeübertragungsbauteil 20 oberflächenaktiv verbunden sind, zeigen. Wie zuvor erwähnt, ist die Darstellung der amorphen Schicht weggelassen. Es kann ein anderes Inertgas als Argon verwendet werden.
1 (bl) bis (b3) zeigen eine Ausführungsform, bei der ein dielektrischer Mehrschichtfilm 22 auf einer Oberfläche des transparenten Wärmeübertragungsbauteils 20 ausgebildet wird, danach die Aussetzung gegenüber dem Sauerstoffplasma durchgeführt wird, und im Anschluss die heterogene oberflächenaktive Verbindung durchgeführt wird. Unter Verwendung des dielektrischen Mehrschichtfilms 22 kann eine Reflexionseigenschaft an der Verbindungsgrenzfläche angepasst werden. Auch in diesem Fall wird zwischen einer oberen Fläche des dielektrischen Mehrschichtfilms 22 und einer unteren Fläche des Lasermediums 10 eine nicht gezeigte amorphe Schicht ausgebildet.
1 (c1) bis (c3) zeigen eine Ausführungsform, bei der eine Zwischenschicht 24 an der Oberfläche des transparenten Wärmeübertragungsbauteils 20 ausgebildet wird, danach das Aussetzen gegenüber dem Sauerstoffplasma durchgeführt wird, und im Anschluss die heterogene oberflächenaktive Verbindung durchgeführt wird. In einem Fall, in dem der Unterschied zwischen den Brechungsindizes des Lasermediums 10 und des transparenten Wärmeübertragungsbauteils 20 größer oder gleich 9% ist, wird ein Verlust an der Grenzfläche problematisch. In solch einem Fall ist bevorzugt, die Zwischenschicht 24 mit einem Material mit einem Brechungsindex, der nahe bei einem Mittelwert der Brechungsindizes des Lasermediums 10 und des transparenten Wärmeübertragungsbauteils 20 liegt, herzustellen, bei der ein Unterschied zu dem Brechungsindex des Lasermediums 10 weniger als 9% (bevorzugt weniger als 6%) ist und ein Unterschied zu dem Brechungsindex des transparenten Wärmeübertragungsbauteils 20 ebenfalls weniger als 9% (bevorzugt weniger als 6%) ist. Durch Begrenzen des Unterschieds der Brechungsindizes auf weniger als 6% kann der Verlust an der Grenzfläche auf weniger als 0,1% begrenzt werden. Wenn der Unterschied zwischen den Brechungsindizes des Lasermediums 10 und des transparenten Wärmeübertragungsbauteils 20 weniger als 9% beträgt, ist der Verlust an der Grenzfläche weniger als 0,3%, und wie in 1(a), 1(b), 1(d) gezeigt, muss die Zwischenschicht 24 nicht vorgesehen werden. Wenn der Unterschied zwischen den Brechungsindizes des Lasermediums 10 und des transparenten Wärmeübertragungsbauteils 20 6 bis 9% beträgt, ist eine Verwendung der Zwischenschicht 24 mit dem Brechungsindex, dessen Unterschied zu den jeweiligen Brechungsindizes des Lasermediums 10 und des transparenten Wärmeübertragungsbauteils 20 weniger als 6% beträgt, von Bedeutung. Wenn solch eine Zwischenschicht 24 verwendet wird, kann der Verlust an der Grenzfläche auf weniger als 0,1% begrenzt werden. Auch in diesem Fall wird eine nicht gezeigte amorphe Schicht zwischen einer oberen Fläche der Zwischenschicht 24 und der unteren Fläche des Lasermediums 10 ausgebildet.
Die Zwischenschicht 24 kann nach dem Aussetzen des Lasermediums 10 und des transparenten Wärmeübertragungsbauteils 20 gegenüber dem Sauerstoffplasma und ferner nach dem Aussetzen derselben gegenüber dem Inertgasatomstrahl ausgebildet werden. Die oberflächenaktive Verbindung derselben kann durch Einstrahlen des Inertgasions, Ausbilden der Zwischenschicht 24 und Inkontaktbringen des Lasermediums 10 und des transparenten Wärmeübertragungsbauteils 20 und Aufbringen von Druck auf dieselben in dieser Reihenfolge durchgeführt werden.
1 (dl) bis (d3) zeigen eine Ausführungsform, bei der ein Film 26 mit derselben Zusammensetzung wie das Lasermedium 10 (im Folgenden als homogener Film 26 bezeichnet) auf der Oberfläche des transparenten Wärmeübertragungsbauteils 20 ausgebildet wird, wonach das Aussetzen gegenüber dem Sauerstoffplasma durchgeführt wird und anschließend das homogene oberflächenaktive Verbinden durchgeführt wird.
1(e1) bis (e3) zeigen eine Ausführungsform, bei der der dielektrische Mehrschichtfilm 22, die Zwischenschicht 24 und der homogene Film 26 in dieser Reihenfolge auf der Oberfläche des transparenten Wärmeübertragungsbauteils 20 ausgebildet werden, wonach das Aussetzen gegenüber dem Sauerstoffplasma durchgeführt wird und anschließend die homogene oberflächenaktive Verbindung durchgeführt wird. Der dielektrische Mehrschichtfilm 22 kann weggelassen werden, wenn die Reflexionseigenschaft an der Grenzfläche kein Problem darstellt. Wenn der Unterschied zwischen den Brechungsindizes des Lasermediums 10 und des transparenten Wärmeübertragungsbauteils 20 weniger als 9% beträgt, kann die Zwischenschicht 24 weggelassen werden. Wenn das heterogene Verbinden durchgeführt werden kann, kann der homogene Film 26 weggelassen werden.
1 (f1) bis (f3), 1(gl) bis (g3), (h1) bis (h3) und (i1) bis (i3) zeigen Fälle, in denen ein dielektrischer Mehrschichtfilm 12, eine Zwischenschicht 14, ein homogener Film 16 oder eine Kombination aus diesen Schichten auf dem Lasermedium 10 ausgebildet ist. Eine Komponente, die wie in 1(b3) ausgebildet ist, kann erhalten werden, wenn der dielektrische Mehrschichtfilm 12 ausgebildet wird, eine Komponente, wie sie in 1(c3) gezeigt ist, kann erhalten werden, wenn die Zwischenschicht 14 ausgebildet wird, eine Komponente, wie sie in 1(d3) gezeigt ist, kann erhalten werden, wenn der homogene Film 16 ausgebildet wird, und eine Komponente, die in 1(e3) gezeigt ist, kann erhalten werden, wenn der dielektrische Mehrschichtfilm 12, die Zwischenschicht 14 und der homogene Film 16 alle ausgebildet werden.
1 (j1) bis (j3) zeigen eine Ausführungsform, bei der die Zwischenschichten 14, 24 jeweils an dem Lasermedium 10 und dem transparenten Wärmeübertragungsbauteil 20 ausgebildet sind. Die Zwischenschichten 14 und 24 können dieselbe Zusammensetzung haben. In diesem Fall haben die Zwischenschichten 14, 24 dieselbe Funktion wie die homogenen Filme 16, 26, und die homogene oberflächenaktive Verbindung kann durchgeführt werden. Die Zwischenschichten 14, 24 können unterschiedliche Zusammensetzungen haben. In diesem Fall wird ein Reflexionsverlust weniger als 0,3%, wenn Brechungsindizes zwischen dem Lasermedium 10, der ersten Zwischenschicht 14, der zweiten Zwischenschicht 24 und dem transparenten Wärmeübertragungsbauteil 20 der Reihe nach variieren und Unterschiede zwischen den Brechungsindizes an jeweiligen Grenzflächen weniger als 9% betragen. Der Reflexionsverlust von weniger als 0,1% wird erhalten, wenn die Unterschiede zwischen den Brechungsindizes an den jeweiligen Grenzflächen jeweils 6% betragen. In diesem Fall wird eine nicht gezeigte amorphe Schicht zwischen einer unteren Fläche der ersten Zwischenschicht 14 und einer oberen Fläche der zweiten Zwischenschicht 24 ausgebildet.
Wenn die Zwischenschichten 14, 24 nicht die Funktion der homogenen Filme übernehmen, kann ein homogener Film an einer oder beiden der Zwischenschichten 14, 24 ausgebildet werden. Ferner kann bzw. können zusätzlich zu den Zwischenschichten 14, 24 einer oder beide der dielektrischen Mehrschichtfilme 12, 22 ausgebildet werden.
Die hierin offenbarte Technik kann auf Laserkomponenten mit einer Kombination aus YAG und Saphir oder einer Kombination aus YVO₄, einer Zwischenschicht und Diamant oder dergleichen angewandt werden.
AUSFÜHRUNGSFORMEN
(Erste Ausführungsform)
FIG. 2(1) bis 2(5) zeigen eine Ausführungsform, die 1(b) und 1(d) kombiniert und bei der die Zwischenschicht 24 in 1(e) weggelassen ist. Das Lasermedium 10 ist YAG (Brechungsindex = 1,82), und das transparente Wärmeübertragungsbauteil 20 ist Saphir (Brechungsindex = 1,75). Ein Unterschied zwischen den Brechungsindizes dieser Bauteile ist 3,8% (weniger als 6%), und dies entspricht einem Fall, in dem die Zwischenschicht 24 nicht notwendig ist. Dabei wird der Unterschied der Brechungsindizes durch eine Formel (Unterschied zwischen dem höheren Brechungsindex und dem niedrigeren Brechungsindex) geteilt durch (höherer Brechungsindex) berechnet.
Bei dieser Ausführungsform ist der dielektrische Mehrschichtfilm 22 auf einer Oberfläche eines Saphirsubstrats ausgebildet, das das transparente Wärmeübertragungsbauteil 20 sein soll, und ein dünner YAG-Film, der der homogene Film 26 sein soll, ist auf einer Oberfläche des dielektrischen Mehrschichtfilms 22 ausgebildet. Diese Filme werden beide durch Sputtern ausgebildet. Diese Proben werden einem Sauerstoffplasma 30 ausgesetzt (FIG. 2(2)), und eine Umgebung, in der diese Proben angeordnet sind, befindet sich unter Vakuum, ein Hochgeschwindigkeitsargonionenstrahl 40 wird auf die Verbindungsflächen dieser Proben eingestrahlt (FIG. 2(3)), und die Verbindungsflächen werden nach der zuvor erwähnten Einstrahlung in Kontakt gebracht und mit Druck beaufschlagt (FIG. 2(5)). Das Inkontaktbringen der Oberflächen kann ohne Erwärmen stattfinden, d.h. unter Zimmertemperatur. Dadurch werden der homogene Film 26 und das Lasermedium 10 durch das homogene oberflächenaktive Verbinden verbunden, und zwar in einem Zustand, in dem ein thermischer Widerstand zwischen dem Lasermedium 10 und dem transparenten Wärmeübertragungsbauteil 20 niedrig ist. In FIG. 2(1) zeigen Bezugszeichen 17 und 27 Probenoberflächen, die sich in einer Atmosphärenumgebung befinden und Oberflächen sind, die durch Verbinden mit Sauerstoff und dergleichen stabilisiert werden. Ein Bezugszeichen 30 zeigt die Sauerstoffplasmaeinstrahlung, und ein Bezugszeichen 40 zeigt eine Hochgeschwindigkeitsargonionenstrahleinstrahlung. Wenn diese Prozesse ausgeführt werden, treten, wie in FIG. 2(4) gezeigt, aktivierte atomare Bindungen 19, 29 an den Verbindungsflächen der Materialien auf, und die Materialien werden durch diese atomaren Bindungen, die miteinander verbunden werden, auf atomarer Ebene verbunden. Da die Vorbearbeitung durch Aussetzen gegenüber dem Sauerstoffplasma ausgeführt wird, ändert sich die Verbindungsfläche von YAG (dem Lasermedium 10), das aus Oxid besteht, durch das oberflächenaktive Verbinden nicht im Hinblick auf seine Qualität, so dass sich eine Transparenz einer Grenzfläche zwischen YAG und dem Saphirsubstrat nicht verschlechtert. Ferner wirkt, da das oberflächenaktive Verbinden unter einer normalen Temperatur ausgeführt wird, an dem YAG (Lasermedium 10) keine große Restspannung.
(Zweite Ausführungsform)
3(a) zeigt ein Diagramm einer zweiten Ausführungsform in Entsprechung zu FIG. 2(1). Das Lasermedium 10 ist YAG (Brechungsindex = 1,82), das transparente Wärmeübertragungsbauteil 20 ist Diamant (Brechungsindex = 2,42), und ein Unterschied der Brechungsindizes ist 24,8% (mehr als 9%), was einem Fall entspricht, in dem die Zwischenschicht 24 benötigt wird. Die Zwischenschicht ist nicht auf eine Schicht begrenzt, und sie kann aus mehreren Schichten bestehen. Wenn zwei Schichten verwendet werden, können ein Unterschied der Brechungsindizes des Lasermediums 10 und der ersten Zwischenschicht, ein Unterschied der Brechungsindizes der ersten Zwischenschicht und der zweiten Zwischenschicht und ein Unterschied der Brechungsindizes der zweiten Zwischenschicht und des transparenten Wärmeübertragungsbauteils alle auf weniger als 9% begrenzt werden. Wenn beispielsweise Schwefel für die erste Zwischenschicht verwendet wird und TiO₂ für die zweite Zwischenschicht verwendet wird, kann der Unterschied der Brechungsindizes der benachbarten Bauteile auf im Wesentlichen unter 9% verringert werden, und dadurch kann ein optischer Verlust unterdrückt werden. In diesem Fall wird eine nicht gezeigte amorphe Schicht zwischen einer oberen Fläche der Zwischenschicht 24 und einer unteren Fläche des YAG 10 ausgebildet, und somit wird eine stabile Verbindung zwischen denselben hergestellt. Der dielektrische Mehrschichtfilm 22 kann weggelassen werden.
(Dritte Ausführungsform)
Wie in 3(b) gezeigt, können der dielektrische Mehrschichtfilm 22, die Zwischenschicht 24 und der homogene Film 26 alle verwendet werden.
(Vierte Ausführungsform)
FIG. 4(1) bis 4(5) zeigen eine Ausführungsform, bei der der dielektrische Mehrschichtfilm 12 und der homogene Film 16 auf der Seite des Lasermediums 10 vorgesehen sind. Der dielektrische Mehrschichtfilm 12 entspricht dem dielektrischen Mehrschichtfilm 22 in 2, und der homogene Film 16 entspricht dem homogenen Film 26 in 2. Es kann dieselbe Wirkung wie in dem Fall der FIG. 2(1) bis (5) erzielt werden.
(Fünfte Ausführungsform)
5(a) zeigt eine Ausführungsform, bei der die Zwischenschicht 14, die der Zwischenschicht 24 in 3(a) entspricht, auf der Seite des Lasermediums 10 vorgesehen ist. Es kann dieselbe Wirkung wie in dem Fall der 3(a) erzielt werden. In diesem Fall wird eine nicht gezeigte amorphe Schicht zwischen einer unteren Fläche der Zwischenschicht 14 und einer oberen Fläche des transparenten Wärmeübertragungsbauteils 20 ausgebildet, und somit wird die Verbindung zwischen denselben stabil hergestellt.
(Sechste Ausführungsform)
5(b) zeigt eine Ausführungsform, bei der der dielektrische Mehrschichtfilm 12, der dem dielektrischen Mehrschichtfilm 22 in 3(b) entspricht, die Zwischenschicht 14, die der Zwischenschicht 24 in 3(b) entspricht, und der homogene Film 16, der dem homogenen Film 26 in 3(b) entspricht, auf der Seite des Lasermediums 10 vorgesehen sind. Es kann dieselbe Wirkung wie im Falle der 3(b) erzielt werden.
(Siebte Ausführungsform)
FIG. 6(1) bis 6(5) zeigen eine Ausführungsform, bei der die Zwischenschicht 14 auf der Verbindungsfläche des Lasermediums 10 vorgesehen ist und die Zwischenschicht 24 auf der Verbindungsfläche des transparenten Wärmeübertragungsbauteils 20 vorgesehen ist.
Die Zwischenschicht 14 und die Zwischenschicht 24 können ebenfalls als homogene Filme dienen. Alternativ dazu können die Zwischenschichten 14 und 24 eine zweilagige Zwischenschicht ausbilden, die den Unterschied der Brechungsindizes in zwei Stufen abmildert. In diesem Fall wird eine nicht gezeigte amorphe Schicht zwischen der Zwischenschicht 14 und der Zwischenschicht 24 ausgebildet, und somit wird die Verbindung zwischen denselben stabil hergestellt.
Es können verschiedene Arten von bekannten Lasermedien verwendet werden. Beispielsweise können ein Oxid mit einer Seltenerddotierung, ein Oxid mit einer Übergangsmetalldotierung und ein Oxid, das als ein Farbzentrum wirkt, und dergleichen als ein optisches Verstärkungsmaterial verwendet werden. Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm und Yb können als die Seltenerddotierung, die ein Lumineszenzzentrum bildet, verwendet werden. Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni und Cu können Beispiele für die Übergangsmetalldotierung sein, die das Lumineszenzzentrum ist. Granatbasierte Materialien wie YAG, YSAG, YGAG, YSGG, GGG, GSGG und LuAG, Fluormaterialien wie YLF, LiSAF, LiCAF, MgF2 und CaF2, vanadiumbasierte Materialien wie YVO₄, GdVO₄ und LuVO₄, apatitbasierte Materialien wie FAP, sFAP, VAP und sVAP, aluminiumbasierte Materialien wie Al₂O₃ und BeAl₂O₃, dioxid- oder trioxidbasierte Materialien wie Y₂O₃, SC₂O₃ und Lu₂O₃ und wolframbasierte Materialien wie KGW, KYW sind Beispiele für ein Basismaterial. Das Basismaterial kann ein Monokristall oder ein Einkristall oder ein amorphes oder ein keramisches Material sein. Ferner kann es aus verschiedenen Typen von nichtkristallinem Glas bestehen. LN, LT, KTP, KTA, RTP, RTA, LBO, CLBO, CBO, BBO, BiBO, KBBF, BABF, Kristallquarz, COB, YCOB, GdCOB, GdYCOB, YAB, KDP, KD*P und ZGP können Beispiele für ein nichtlineares optisches Material sein.
Saphir, Diamant und undotierter YAG können Beispiele für das transparente Wärmeübertragungsbauteil sein. Sic kann ebenfalls als das transparente Wärmeübertragungsbauteil verwendet werden, die Transparenz desselben ist jedoch bisher nicht ausreichend, so dass eine Verwendung wie beispielsweise das Anordnen außerhalb eines Resonators begrenzt ist. PbCl₂, Ta₂O₅, TiO₂, HfO₂, ZnS, ZnSe, NdO₂ und ZrO₂ können Beispiele für die Zwischenschicht für Diamant sein. Al₂O₃, Y₂O₃, La₂O₃, MgO, PbF2, Sc₂O₃ und YAG können Beispiele für die Zwischenschicht für Saphir sein.
Als Nächstes werden Laservorrichtungen, die Laserkomponenten verwenden, beschrieben.
(Laservorrichtung der ersten Ausführungsform)
7 zeigt einen sogenannten Mikrochiplaserresonator. Ein transparentes Wärmeübertragungsbauteil 20A ist oberflächenaktiv mit einer linken Endfläche des Lasermediums 10 verbunden, und ein transparentes Wärmeübertragungsbauteil 20B ist oberflächenaktiv mit einer rechten Endfläche des Lasermediums 10 verbunden. Wenngleich dies nicht gezeigt ist, sind dielektrische Mehrschichtfilme an einer linken Endfläche des transparenten Wärmeübertragungsbauteils 20A und einer rechten Endfläche des transparenten Wärmeübertragungsbauteils 20B ausgebildet, und Reflexionseigenschaften an Grenzflächen derselben sind wie folgt eingestellt:

die linke Endfläche des transparenten Wärmeübertragungsbauteils 20A reflektiert eine Anregungsstrahlwellenlänge nicht, ist jedoch hochreflektierend für eine Laserstrahlwellenlänge;
die rechte Endfläche des transparenten Wärmeübertragungsbauteils 20A reflektiert die Anregungsstrahlwellenlänge nicht und reflektiert ferner die Laserstrahlwellenlänge nicht;
die linke Endfläche des transparenten Wärmeübertragungsbauteils 20B reflektiert die Anregungsstrahlwellenlänge nicht und reflektiert ebenfalls die Laserstrahlwellenlänge nicht; und
die rechte Endfläche des transparenten Wärmeübertragungsbauteils 20B ist hochreflektiv bei der Anregungsstrahlwellenlänge und reflektiert die Laserstrahlwellenlänge teilweise.

Bei dieser Ausführungsform ist ein Resonatorsystem zwischen der linken Endfläche des transparenten Wärmeübertragungsbauteils 20A und der rechten Endfläche des transparenten Wärmeübertragungsbauteils 20B eingeschlossen, und das transparente Wärmeübertragungsbauteil 20A und das transparente Wärmeübertragungsbauteil 20B sind in einem Resonator in diesem System angeordnet.
Wenn das Lasermedium 10 aus einer Keramik besteht und die transparenten Wärmeübertragungsbauteile 20A, 20B aus einem Einkristall bestehen oder amorph sind, wird ein Widerstand des Mikrochiplaserresonators gegenüber einer Beschädigung verbessert.
Beispielsweise kann YAG, YVO₄ oder (s-)FAP mit zusätzlichen Lumineszenzzentrumselementen als das Lasermedium 10 verwendet werden, YAG ohne Zusätze, Saphir oder Diamant können als die transparenten Wärmeübertragungsbauteile 20A, 20B verwendet werden. Wenn Unterschiede der Brechungsindizes zwischen dem Lasermedium 10 und den transparenten Wärmeübertragungsbauteilen 20A, 20B weniger als 9% betragen, wird keine Zwischenschicht benötigt. Wenn das Lasermedium 10 beispielsweise YAG oder (s-)FAP mit den zusätzlichen Lumineszenzzentrumselementen ist und die transparenten Wärmeübertragungsbauteile 20A, 20B YAG ohne Zusätze oder Saphir sind, werden keine Zwischenschichten benötigt.
Wenn ein Lasermedium YVO₄ mit der zugesetzten Lumineszenzzentrumssubstanz ist und die transparenten Wärmeübertragungsbauteile Saphir sind, wird ein Unterschied der Brechungsindizes 19%, wobei dann die Verwendung einer oder mehrerer Zwischenschichten bevorzugt ist. Es ist bevorzugt, eines oder mehrere von Schwefel, Si02 und HfO mit Brechungsindizes, die Mittelwerte der Brechungsindizes der zuvor erwähnten Bauteile sind, als die Zwischenschichten zu verwenden.
Wenn das Lasermedium YVO₄ mit der zugesetzten Lumineszenzzentrumssubstanz ist und die transparenten Wärmeübertragungsbauteile Diamant sind, ist bevorzugt, eines oder mehrere von TiO₂, ZnS und Ta₂O₃ mit Brechungsindizes, die Mittelwerte der Brechungsindizes der zuvor erwähnten Bauteile sind, als die Zwischenschicht(en) zu verwenden.
Der dielektrische Mehrschichtfilm kann zwischen dem transparenten Wärmeübertragungsbauteil 20A und dem Lasermedium 10 und zwischen dem transparenten Wärmeübertragungsbauteil 20B und dem Lasermedium 10 ausgebildet sein. In diesem Fall kann auf der äußersten Oberfläche des dielektrischen Mehrschichtfilms zum Durchführen der homogenen oberflächenaktiven Verbindung ein homogener Film mit demselben Material wie eine entsprechende Verbindungsfläche ausgebildet werden, oder der homogene Film kann nicht zum Durchführen der heterogenen oberflächenaktiven Verbindung ausgebildet werden. In letzterem Fall wird an den Verbindungsflächen eine amorphe Schicht ausgebildet und erleichtert so die Verbindung.
Wenn der Anregungsstrahl auf die linke Endfläche des transparenten Wärmeübertragungsbauteils 20A eingestrahlt wird, gibt der Mikrochiplaserresonator den Laserstrahl aus der rechten Endfläche des transparenten Wärmeübertragungsbauteils 20B aus. Es sei bemerkt, dass in einigen Fällen das transparente Wärmeübertragungsbauteil 20B auf einer Seite, die den Laserstrahl ausgibt, weggelassen werden kann.
(Laservorrichtung der zweiten Ausführungsform)
Wie in 8 gezeigt, kann ein Q-Schalter 10B zwischen das Lasermedium 10A und das transparente Wärmeübertragungsbauteil 20B eingesetzt werden, und diese Bauteile können oberflächenaktiv verbunden werden. In diesem Fall wird das oberflächenaktive Verbinden durch Vorsehen eines dielektrischen Mehrschichtfilms zwischen dem Q-Schalter 10B und dem transparenten Wärmeübertragungsbauteil 20B durchgeführt, und dieser dielektrische Mehrschichtfilm ist so angepasst, dass er eine Reflexionseigenschaft aufweist, dass er bei der Anregungsstrahlwellenlänge hochreflektierend ist und die Laserstrahlwellenlänge teilweise reflektiert. Ferner wird das oberflächenaktive Verbinden durch Vorsehen eines dielektrischen Mehrschichtfilms zwischen dem Lasermedium 10A und dem transparenten Wärmeübertragungsbauteil 20A durchgeführt, und dieser dielektrische Mehrschichtfilm ist so angepasst, dass er eine Reflexionseigenschaft aufweist, dass er die Anregungsstrahlwellenlänge nicht reflektiert, jedoch die Laserstrahlwellenlänge reflektiert. In diesem Fall befinden sich die transparenten Wärmeübertragungsbauteile 20A, 20B außerhalb des Laserresonatorsystems. Die transparenten Wärmeübertragungsbauteile 20A, 20B können wie in 7 gezeigt im Inneren des Laserresonatorsystems angeordnet sein, oder die transparenten Wärmeübertragungsbauteile 20A, 20B können wie in 8 gezeigt außerhalb des Laserresonatorsystems angeordnet sein. Gemäß der hierin offenbarten Technik behält eine Verbindungsfläche ihre Transparenz in einem Ausmaß, bei dem eine Hochleistungslaserresonanz erzielt werden kann, auch wenn die transparenten Wärmeübertragungsbauteile innerhalb des Resonatorsystems angeordnet sind.
(Laservorrichtung der dritten Ausführungsform)
Wie in 9 gezeigt, kann das transparente Wärmeübertragungsbauteil 20C zwischen das Lasermedium 10A und den Q-Schalter 10B eingesetzt sein, und diese Bauteile können oberflächenaktiv verbunden sein.
Es ist bevorzugt, einen Durchmesser der transparenten Wärmeübertragungsbauteile 20A, 20B, 20C so zu vergrößern, dass er größer ist als der Durchmesser des Lasermediums 10A und des Q-Schalters 10B. In diesem Fall wird eine Beziehung erhalten, gemäß der diese der Reihe nach verbundenen Laserkomponenten in einem Zylinder mit einem hohen thermischen Transmissionsgrad aufgenommen sind und Außenumfangsflächen der transparenten Wärmeübertragungsbauteile 20A, 20B, 20C eine Innenumfangsfläche des Zylinders kontaktieren. Wärme von dem Lasermedium 10A wird durch die transparenten Wärmeübertragungsbauteile 20A, 20C auf den Zylinder übertragen. Wärme von dem Q-Schalter 10B wird durch die transparenten Wärmeübertragungsbauteile 20C, 20B auf den Zylinder übertragen. Wenn der Zylinder gekühlt wird, werden das Lasermedium 10A und der Q-Schalter 10B ebenfalls gekühlt.
(Laservorrichtung der vierten Ausführungsform)
10 zeigt einen Laserresonator, der eine Hochleistungsausgabe ermöglicht, indem mehrere Gruppen des Mikrochiplaserresonators in 7 in Reihe angeordnet und verbunden werden. In der vorliegenden Beschreibung werden, wenn Phänomene, die in den Lasermedien 10A, 10B, ... auftreten, beschrieben werden, die Lasermedien 10 ohne die Buchstaben in den Bezugszeichen beschrieben. Dasselbe gilt für die transparenten Wärmeübertragungsbauteile 20. Im Falle von 10 ist ein dielektrischer Mehrschichtfilm, der die Anregungsstrahlwellenlänge nicht reflektiert, jedoch hochreflektierend für den Laserstrahl ist, auf der linken oder rechten Endfläche des transparenten Wärmeübertragungsbauteils 20 ausgebildet, das sich ganz links befindet. Ein dielektrischer Mehrschichtfilm, der bei der Anregungsstrahlwellenlänge hochreflektierend ist und den Laserstrahl teilweise reflektiert, ist auf der linken oder der rechten Endfläche des transparenten Wärmeübertragungsbauteils, das sich ganz rechts befindet, ausgebildet. Das transparente Wärmeübertragungsbauteil 20 auf der äußersten linken Seite und das transparente Wärmeübertragungsbauteil 20 auf der äußersten rechten Seite können innerhalb oder außerhalb des Resonatorsystems angeordnet sein, verbleibende transparente Wärmeübertragungsbauteile 20 dazwischen sind jedoch innerhalb des Resonatorsystems angeordnet.
Eine Dicke jedes Lasermediums 10 ist bevorzugt kleiner oder gleich einem Fünftel (1/5) des Durchmessers des Lasermediums. Wenn die Lasermedien so dünn ausgebildet sind, wird eine Temperaturverteilung entlang eines optischen Pfads in dem Lasermedium einheitlich, und eine Strahlqualität wird erheblich verbessert.
Lasermedien unterschiedlicher Typen können in Reihe angeordnet werden. Beispielsweise kann, wenn mehrere Arten von optischen Verstärkungsmaterialien, die eine gemeinsame Lumineszenzzentrumssubstanz in unterschiedlichen Typen von Basismaterialien enthalten, der Reihe nach angeordnet sind, eine Resonanzwellenlänge des Laserresonators, wie in SATO et al. beschrieben, breitbandig ausgebildet sein. Mehrere Arten von optischen Verstärkungsmaterialien mit unterschiedlichen Lumineszenzzentrumssubstanzen können der Reihe nach angeordnet sein. Beispielsweise kann „Tm:YAG, transparentes Wärmeübertragungsbauteil, Ho:YAG und transparentes Wärmeübertragungsbauteil“ eine Einheit bilden, und die mehreren Einheiten können wiederholt der Reihe nach angeordnet sein. Dadurch kann ein Phänomen erhalten werden, bei dem eine Lichtemission von Tm Ho anregt.
(Laservorrichtung der fünften Ausführungsform)
11 zeigt eine Ausführungsform, bei der ein räumliches Modulationselement 60 in den Mehrstufenmikrochiplaserresonator in 10 eingesetzt ist. Das räumliche Modulationselement 60 steuert einen räumlichen Modus des Laserstrahls. Eine harte Apertur oder eine weiche Apertur kann anstelle des räumlichen Modulationselements 60 eingesetzt sein. Das räumliche Modulationselement 60 und dergleichen können mit dem benachbarten Material oberflächenaktiv verbunden sein.
(Laservorrichtung der sechsten Ausführungsform)
12 zeigt einen Pulslaserresonator, der einen Q-Schalter 62 in den Mehrstufenmikrochiplaserresonator in 10 eingesetzt hat. Ein sättigbares Element, EO, AO, MO, oder ein nichtlineares optisches Element kann anstelle des Q-Schalters 62 verwendet werden. Der Q-Schalter 62 und dergleichen können mit dem benachbarten Material oberflächenaktiv verbunden sein. Ferner kann ein sättigbares absorbierendes Element in mehrere Teile unterteilt sein, um eine erzeugte Wärmekonzentration zu verteilen, und diese können in einem Zustand, in dem ein transparentes Wärmeübertragungsbauteil zwischen den geteilten sättigbaren absorbierenden Elementen angeordnet ist, verbunden sein.
(Laservorrichtung der siebten Ausführungsform)
13 zeigt einen Pulslaserresonator, der eine Kombination aus 11 und 12 darstellt.
(Laservorrichtung der achten Ausführungsform)
14 zeigt einen Laserverstärker, bei dem optische Verstärkungsmedien 10 und transparente Wärmeübertragungsbauteile 20 gemäß einer Reihenfolge, in der sie abwechselnd auftreten, der Reihe nach angeordnet sind. Benachbarte Bauteile sind jeweils oberflächenaktiv verbunden. Die jeweiligen Grenzflächen sind so angepasst, dass sie eine der folgenden Reflexionseigenschaften aufweisen:

1) alle der Grenzflächen reflektieren weder die Anregungsstrahlwellenlänge noch die Laserstrahlwellenlänge. Wenn YAG als die optischen Verstärkungsmedien 10 verwendet wird und Saphir als die transparenten Wärmeübertragungsbauteile 20 verwendet wird, können sie durch heterogenes oberflächenaktives Verbinden verbunden werden. Wenn YAG und Saphir oberflächenaktiv verbunden werden, wird der Reflexionsgrad an ihren Verbindungsflächen 0,1% oder weniger, und es ist nicht notwendig, eine nicht reflektierende Beschichtung durch den dielektrischen Mehrschichtfilm oder die Zwischenschicht vorzusehen. Ferner enthalten YAG und Saphir beide Al₂O₃, weshalb der homogene Film ebenfalls nicht benötigt wird;
2) eine von einer linken und einer rechten Grenzfläche des transparenten Wärmeübertragungsbauteils 20, das sich ganz rechts befindet, ist hochreflektierend für den Anregungsstrahl, reflektiert jedoch die Laserstrahlwellenlänge nicht, und alle anderen Grenzflächen reflektieren weder den Anregungsstrahl noch die Laserstrahlwellenlänge; und
3) bei 1) und 2) reflektiert eine von einer linken und einer rechten Grenzfläche des transparenten Wärmeübertragungsbauteils 20, das sich ganz links befindet, den Anregungsstrahl nicht, ist jedoch hochreflektierend für die Laserstrahlwellenlänge.

Bei dieser Vorrichtung wird der Anregungsstrahl in die linke Endfläche eingestrahlt, und der eingegebene Laserstrahl wird von der rechten Endfläche aus eingegeben. Dadurch wird ein Laserstrahl von der rechten Endfläche ausgegeben. Der ausgegebene Laserstrahl weist eine höhere oder verstärkte Intensität auf als die des eingegebenen Laserstrahls.
Bei dieser Ausführungsform ist die Dotierungskonzentration des Lumineszenzzentrumselements in den optischen Verstärkungsmedien 10 auf der linken Seite, bei der die starke Einstrahlung des Anregungsstrahls erfolgt, niedrig, und die Dotierungskonzentration des Lumineszenzzentrumselements in den optischen Verstärkungsmedien 10 auf der rechten Seite, auf der der Anregungsstrahl abgeschwächt ist, ist hoch. Dadurch wird der Anregungsstrahl in lokalisierten Bereichen nicht drastisch absorbiert, und es kann eine Anpassung zum Vereinheitlichen einer Absorption über einem gesamten Anregungsbereich vorgenommen werden. Temperaturen im Inneren der Laservorrichtung können gleichmäßig gemacht werden, und eine lokale Überhitzung kann verhindert werden. Alternativ dazu können Abschnitte in der Nähe der jeweiligen Enden und ein mittlerer Abschnitt einer Reihenverbindung unterschieden werden, und eine Dotierungskonzentration des Lumineszenzzentrumselements in den Abschnitten in der Nähe der jeweiligen Enden kann niedrig eingestellt sein, und eine Dotierungskonzentration des Lumineszenzzentrumselements in dem mittleren Abschnitt kann hoch eingestellt sein. Diese Anordnung ist nützlich, wenn Anregungsstrahlen in beide Endflächen der Reihenverbindung eingestrahlt werden.
Ein Mikrochiplaser, ein Faserlaser, ein Stablaser und ein Scheibenlaser können Beispiele für die Lichtquelle für den Verstärker darstellen.
Bei einer Vorrichtung, die mehrere homogene Lasermedien der Reihe nach anordnet und diese für eine Verstärkung verwendet, kann eine Verstärkungsrate erhöht werden. Alternativ dazu kann ein Laserverstärker mit unterschiedlichen Typen von Lasermedien, die der Reihe nach in diesem angeordnet sind, ebenfalls benutzt werden. Wenn ein Wellenlängenbereich eines eingegebenen Laserstrahls breit ist, ermöglicht die Verwendung der mehreren Typen von Lasermedien eine Verstärkung des gesamten Wellenlängenbereichs des eingegebenen Laserstrahls. In allen der oben genannten Fälle kann dadurch, dass jedes Lasermedium von seinen beiden Seitenflächen aus gekühlt wird, eine Überhitzung der Lasermedien verhindert werden.
(Laservorrichtung der neunten Ausführungsform)
Wie in 15 gezeigt, kann ein Wellenlängenwandler die Struktur in 14 aufweisen. In diesem Fall werden nichtlineare optische Elemente anstelle der optischen Verstärkungsmedien als die Lasermedien 10 verwendet. In diesem Fall kann eine Dicke der nichtlinearen optischen Verstärkungselemente variiert werden, und solche nichtlineare optische Elemente können der Reihe nach angeordnet werden. Dadurch kann der eingegebene Laserstrahl zu einem Laserstrahl mit einem breiten Wellenlängenspektrum umgewandelt werden. Alternativ dazu kann eine Umwandlung in einen Laserstrahl mit mehreren unabhängigen Wellenlängen ermöglicht werden.
Ein Wellenlängenwandler kann unter Verwendung des Aufbaus in 7 realisiert werden. Eine Reihenverbindung, die mehrere nichtlineare optische Materialien mit unterschiedlichen Dicken verbindet, kann als das Lasermedium 10 in 7 verwendet werden.
Ferner kann die Verbindung so durchgeführt werden, dass Richtungen einer nichtlinearen Polarisation gemäß einer Kohärenzlänge einer Zielwellenlänge umgekehrt werden oder dass ein Quasiphasenabgleich realisiert wird, bei dem zeitliche Halte wiederholt werden. Bei dem Quasiphasenabgleich kann eine Chirp-Struktur zum Vergrößern des Bereichs oder Steuern einer Phasenbeziehung eingebaut sein.
Als ein Resonatorprofil ist ein Resonator mit parallelen Platten geeigneter für eine hohe Leistungsausgabe als ein stabiler Resonator. 7 bis 13 zeigen Resonatoren mit parallelen Platten. Der Anregungsbereich muss für eine weitere Erhöhung der Ausgangsleistung vergrößert werden, bei der herkömmlichen Technik war es jedoch aufgrund einer nicht ausreichenden Verstärkung schwierig, den Anregungsbereich zu vergrößern. Der hierin offenbarte Laserresonator kann den Anregungsbereich vergrößern, da seine Transparenz hoch ist und eine Überhitzung weniger wahrscheinlich auftritt. Ein instabiler Hohlraumresonator kann unter Verwendung dieses Merkmals konstruiert werden. Die hierin offenbarte Technik ermöglicht die Verwendung des instabilen Hohlraumresonators.
Die Technik, die das Aussetzen gegenüber dem Sauerstoffplasma vor dem oberflächenaktiven Verbinden verwendet, ist besonders effektiv zum Verbinden des Lasermediums und des transparenten Wärmeübertragungsbauteils, jedoch nicht darauf begrenzt. Beispielsweise ist sie ebenfalls effektiv beim Verbinden eines Lasermediums, das aus einem Oxid besteht, mit einem nichttransparenten Wärmeübertragungsbauteil (einer Metallwärmesenke wie Cu oder CuW). In diesem Fall wird der dielektrische Mehrschichtfilm auf der Oberfläche des Lasermediums zum Anpassen, so dass es eine Totalreflexionseigenschaft aufweist, ausgebildet. Ein Aluminiumfilm oder ein Metallfilm wie Au, AuSn wird auf einer äußersten Oberfläche des dielektrischen Mehrschichtfilms ausgebildet. Dieses Lasermedium und diese Metallwärmesenke werden dem Sauerstoffplasma ausgesetzt und danach oberflächenaktiv verbunden. Dadurch wird ein thermischer Widerstand zwischen dem Lasermedium und der Metallwärmesenke niedrig gehalten, und eine Zuverlässigkeit der Verbindung wird verbessert.
Ferner kann die Vorbearbeitung durch das Sauerstoffplasma durch einen anderen Reinigungsprozess ersetzt werden, der ein Reinigungsprozess mit einer geringeren Beschädigung ist.
Die hierin offenbarte Technik ist besonders effektiv in Fällen, in denen mindestens eines von dem Lasermedium und dem transparenten Wärmeübertragungsbauteil in Oxid ist, jedoch nicht darauf beschränkt, und sie ist ebenfalls effektiv in Fällen, in denen mindestens eines von dem Lasermedium und dem transparenten Wärmeübertragungsbauteil ein leichtes Element enthält. Insbesondere in Fällen, in denen das leichte Element in der ersten bis dritten Periode der Periodentabelle enthalten ist, können die Transparenz und die Stabilität der Verbindungsfläche dadurch verbessert werden, dass das Bauteil mit demselben zum Vorwaschen dem Sauerstoffplasma ausgesetzt wird.
Spezifische Beispiele der vorliegenden Erfindung wurden im Einzelnen beschrieben, diese sind jedoch lediglich Beispiele und schränken den Schutzbereich der Ansprüche nicht ein. Beispielsweise treten bei den Ausführungsformen die Lasermedien und die transparenten Wärmeübertragungsbauteile abwechselnd auf, es gibt jedoch auf Fälle, in denen die Lasermedien in Teilen der Reihenanordnung nacheinander auftreten. In solch einem Fall können die nacheinander auftretenden Lasermedien zusammen als ein Lasermedium betrachtet werden. Somit ist ebenfalls die Regel erfüllt, dass die Lasermedien und die transparenten Wärmeübertragungsbauteile der Reihe nach auftreten.
Die in den Ansprüchen beschriebene Technik beinhaltet Modifikationen und Variationen der spezifischen Beispiele, die oben vorgestellt wurden. Technische Merkmale, die in der Beschreibung und den Zeichnungen beschrieben sind, können für sich genommen oder in unterschiedlichen Kombinationen technisch nützlich sein und sind nicht auf die ursprünglich beanspruchten Kombinationen beschränkt. Ferner ist die in der Beschreibung und den Zeichnungen beschriebene Technik dazu in der Lage, gleichzeitig mehrere Ziele zu erreichen, und ein technischer Nutzen derselben besteht bereits in dem Erreichen eines dieser Ziele.
Es wird explizit betont, dass alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale als getrennt und unabhängig voneinander zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung unabhängig von den Merkmalskombinationen in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen angesehen werden sollen. Es wird explizit festgehalten, dass alle Bereichsangaben oder Angaben von Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder Untergruppe von Einheiten zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung offenbaren, insbesondere auch als Grenze einer Bereichsangabe.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5796766 [0007, 0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Eiji HIGURASHI, Ken OKUMURA, Kaori NAKASUJI und Tadatomo SUGA, „Surface activated bonding of GaS and SiC wafers at room temperature for improved heat dissipation in high power semiconductor lasers“, Japanese Journal of Applied Physics, 54 030207 (2015) (im Folgenden „HIGURASHI et al.“) und Yoichi SATO, Akio IKESUE und Takunori TAIRA, „Tailored Spectral Designing of Layer-by-Layer Type Composite Nd:Y₃ScAl₄O₁₂/Nd: Y₃Al₅O₁₂ Ceramics“, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 13, No. 3 May/June (2007) (im Folgenden „SATO et al.“) [0011]

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Laserkomponente, bei dem ein Lasermedium (10) und ein transparentes Wärmeübertragungsbauteil (20) verbunden werden, wobei mindestens eines von dem Lasermedium und dem transparenten Wärmeübertragungsbauteil ein Oxid ist, mit folgenden Schritten: Aussetzen von Verbindungsflächen sowohl des Lasermediums als auch des transparenten Wärmeübertragungsbauteils gegenüber Sauerstoffplasma; Einstahlen eines Inertgasatomstrahls auf beide der Verbindungsflächen unter Vakuum nach dem Aussetzen; und Inkontaktbringen der Verbindungsflächen nach dem Einstrahlen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Verbindungsflächen ohne Erwärmung in Kontakt gebracht werden.
Laserkomponente mit einem Lasermedium (10) und einem transparenten Wärmeübertragungsbauteil (20), bei der mindestens eines von dem Lasermedium (10) und dem transparenten Wärmeübertragungsbauteil (20) ein Oxid ist, das Lasermedium (10) und das transparente Wärmeübertragungsbauteil (20) über eine amorphe Schicht verbunden sind, und die amorphe Schicht für einen Anregungsstrahl transparent ist.
Laserkomponente nach Anspruch 3, bei der das Lasermedium (10) ein optisches Verstärkungsmaterial ist.
Laserkomponente nach Anspruch 3, bei der das Lasermedium (10) ein nichtlineares optisches Material ist.
Laserkomponente nach einem der Ansprüche 3 bis 5, ferner mit: einem dielektrischen Mehrschichtfilm (22), der zwischen dem Lasermedium (10) und dem transparenten Wärmeübertragungsbauteil (20) vorgesehen ist.
Laserkomponente nach einem der Ansprüche 3 bis 6, ferner mit: einer Zwischenschicht (24), die zwischen dem Lasermedium (10) und dem transparenten Wärmeübertragungsbauteil (20) vorgesehen ist, bei der ein Unterschied der Brechungsindizes des Lasermediums (10) und der Zwischenschicht (24) weniger als 9% beträgt, ein Unterschied der Brechungsindizes der Zwischenschicht (24) und des transparenten Wärmeübertragungsbauteils (20) weniger als 9% beträgt, und ein Unterschied der Brechungsindizes des Lasermediums (10) und des transparenten Wärmeübertragungsbauteils (20) größer oder gleich 9% ist.
Laserkomponente nach einem der Ansprüche 3 bis 7, bei der mehrere Lasermedien (10) und mehrere transparente Wärmeübertragungsbauteile (20) vorgesehen sind, und die mehreren Lasermedien (10) und die mehreren Wärmeübertragungsbauteile (20) in einer Reihenfolge, bei der die Lasermedien und die transparenten Wärmeübertragungsbauteile abwechselnd auftreten, in Reihe angeordnet sind.
Laserkomponente nach Anspruch 8, bei der eine Dicke jedes Lasermediums (10) in einer Stapelrichtung kleiner oder gleich einem Fünftel (1/5) eines Durchmessers des Lasermediums ist.
Laserkomponente nach Anspruch 8 oder 9, bei der die Lasermedien (10) unterschiedliche Typen von Lasermedien aufweisen, und die Lasermedien (10) unterschiedlichen Typs in Reihe angeordnet sind.
Laserkomponente nach Anspruch 10, bei der die Lasermedien (10) eine Gruppe von Lasermedien mit einem selben Lumineszenzzentrumselement und unterschiedlichen Basismaterialien aufweisen, und die Gruppe von Lasermedien (10) in Reihe angeordnet sind.
Laserkomponente nach Anspruch 10, bei der die Lasermedien (10) eine Gruppe von Lasermedien mit einem selben Basismaterial und unterschiedlichen Lumineszenzzentrumselementen aufweisen, und die Gruppe von Lasermedien (10) in Reihe angeordnet sind.
Laserkomponente nach Anspruch 10, bei der die Lasermedien (10) eine Gruppe von Lasermedien mit unterschiedlichen Lumineszenzzentrumselementen und unterschiedlichen Basismaterialien aufweisen, und die Gruppe von Lasermedien in Reihe angeordnet sind.
Laserkomponente nach einem der Ansprüche 8 bis 13, bei der die Lasermedien (10) unterschiedliche Dotierungskonzentrationen aufweisen, wobei die Dotierungskonzentration des Lasermediums (10), das in einer Nähe einer Endfläche, die dem Anregungsstrahl ausgesetzt wird, angeordnet ist, niedriger ist als die Dotierungskonzentration des Lasermediums (10), das weit von der Endfläche entfernt angeordnet ist.
Laserkomponente nach einem der Ansprüche 8 bis 14, bei der jedes der Lasermedien (10) ein nichtlineares optisches Material ist, die Lasermedien (10) eine Gruppe von Lasermedien mit unterschiedlichen Dicken aufweisen, und die Gruppe von Lasermedien (10) in Reihe angeordnet sind.
Laserkomponente nach einem der Ansprüche 8 bis 15, bei der die transparenten Wärmeübertragungsbauteile (20) an jeweiligen Enden einer Reihenanordnung angeordnet sind.
Laserkomponente nach Anspruch 16, bei der jedes der transparenten Wärmeübertragungsbauteile (20) an Enden der Reihenanordnung aus einem Einkristall besteht und die Lasermedien (10) aus Keramik hergestellt sind.
Laserkomponente nach Anspruch 16 oder 17, bei der Endflächen der transparenten Wärmeübertragungsbauteile (20), die an Enden der Reihenanordnung angeordnet sind, beschichtet sind.
Laserkomponente nach einem der Ansprüche 3 bis 18, bei der das Lasermedium (10) aus Keramik besteht und das transparente Wärmeübertragungsbauteil (20) aus einem Einkristall besteht.
Laserkomponente nach einem der Ansprüche 3 bis 19, bei der die transparenten Wärmeübertragungsbauteile (20) an beiden Endflächen des Lasermediums angeordnet sind.
Laserkomponente nach Anspruch 20, bei der Endflächen der transparenten Wärmeübertragungsbauteile, die an den Endflächen des Lasermediums angeordnet sind, beschichtet sind.