JP2004012527A

JP2004012527A - 光波長変換素子

Info

Publication number: JP2004012527A
Application number: JP2002161834A
Authority: JP
Inventors: Chiyoji Okuyama; 奥山　千代志; Hiroshi Sakai; 酒井　博; Hirobumi Suga; 菅　博文
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2002-06-03
Filing date: 2002-06-03
Publication date: 2004-01-15
Anticipated expiration: 2022-06-03
Also published as: JP4102109B2

Abstract

【課題】非線形光学結晶を気密に維持することができ、しかも非線形光学結晶の放熱を効率よく行うことができる光波長変換素子を提供する。
【解決手段】光波長変換素子１０によれば、ホルダ１２の貫通孔１８の壁面と光透過板３０，３２の側面３０ｂ，３２ｂとの間に形成された隙間の外方側開口部分に接着剤３４が充填されているため、ホルダ１２と光透過板３０，３２と接着剤３４とによりＣＬＢＯ結晶２４を気密に維持することができる。そして、貫通孔１８を通るようにレーザ光が照射されると、このレーザ光は、光透過板３０を通ってＣＬＢＯ結晶２４に入射し、波長変換されて光透過板３２を通って出射する。このとき、レーザ光の入射によってＣＬＢＯ結晶２４が発熱するが、ＣＬＢＯ結晶２４が発した熱は金属製のホルダ１２に効率よく吸収されるため、ＣＬＢＯ結晶２４の放熱を効率よく行うことができる。
【選択図】　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＬＢＯ結晶等の非線形光学結晶を用いてレーザ光の波長を変換する光波長変換素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＣＬＢＯ結晶（セシウム・リチウム・ボレート結晶）を用いた光波長変換素子が高出力レーザ波長変換デバイスとして有望視されている。これは、ＣＬＢＯ結晶が、波長変換効率及び光損傷閾値が高く、しかも結晶育成が容易な非線形光学結晶だからである。ただし、ＣＬＢＯ結晶は潮解性を有しているため、ＣＬＢＯ結晶を用いた光波長変換素子においては、ＣＬＢＯ結晶を気密に維持する必要がある。
【０００３】
そのため、例えば特開平４−２０４９２３号公報には、次のような光波長変換素子が記載されている。この公報に記載の光波長変換素子は、非線形光学結晶の両端面に接着剤を介して透明板を接合し、非線形光学結晶の側面を接着剤を介して筒状のホルダで覆ったものである。これにより、非線形光学結晶は接着剤により被覆され外気と遮断される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報に記載の光波長変換素子にあっては、レーザ光の照射によって接着剤が劣化することが懸念され、ＣＬＢＯ結晶等、潮解性を有する非線形光学結晶を用いた場合には、外気の侵入によって非線形光学結晶が破壊されるおそれがある。また、非線形光学結晶が接着剤により被覆されているため、レーザ光が入射して非線形光学結晶が発熱した際に非線形光学結晶の放熱が妨げられ、レーザ光の波長変換効率が低下するおそれがある。更に、非線形光学結晶と接着剤とが化学反応を起こしたり、両者間の熱膨張差によって非線形光学結晶に歪みが生じたり（特にＣＬＢＯ結晶は歪みに弱い）するおそれがある。
【０００５】
そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、非線形光学結晶を気密に維持することができ、しかも非線形光学結晶の放熱を効率よく行うことができる光波長変換素子を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る光波長変換素子は、レーザ光の波長を非線形光学結晶により変換する光波長変換素子であって、非線形光学結晶が挿入された貫通孔を有する金属製のホルダと、貫通孔内で非線形光学結晶を挟持すると共に、ホルダの端面から一部が突出している一対の光透過部材とを備え、貫通孔の壁面と光透過部材の側面との間に形成された隙間の外方側の開口部分には、接着剤が充填されていることを特徴とする。
【０００７】
この光波長変換素子によれば、ホルダの貫通孔の壁面と光透過部材の側面との間に形成された隙間の外方側開口部分に接着剤が充填されているため、ホルダと一対の光透過部材と接着剤とにより非線形光学結晶を気密に維持することができる。そして、ホルダの貫通孔を通るようにレーザ光が照射されると、このレーザ光は、一方の光透過部材を通って非線形光学結晶内に入射し、非線形光学結晶により波長変換され、他方の光透過部材を通って出射する。このとき、レーザ光の入射によって非線形光学結晶が発熱するが、非線形光学結晶が金属製のホルダの貫通孔に挿入されているため、非線形光学結晶が発した熱は効率よくホルダに吸収される。したがって、非線形光学結晶の放熱を効率よく行うことができる。更に、光透過部材の一部がホルダの端面から突出しており、レーザ光が通る光透過部材の端面には接着剤が塗布されないため、接着剤へのレーザ光の照射量が低減される。したがって、レーザ光の照射によって接着剤が劣化するのを防止することができる。
【０００８】
本発明に係る光波長変換素子において、端面は、ホルダの端部に形成された凹部の底面であり、凹部には、光透過部材の突出部分の側面を覆って樹脂が充填されていることが好ましい。接着剤が樹脂で覆われるため、接着剤と樹脂との相乗効果によって非線形光学結晶をより気密に維持することができる。
【０００９】
また、本発明に係る光波長変換素子において、非線形光学結晶はＣＬＢＯ結晶であることが好ましい。ＣＬＢＯ結晶は潮解性を有しているが、この光波長変換素子においては、上述したようにＣＬＢＯ結晶を気密に維持することができる。したがって、波長変換効率及び光損傷閾値が高く、しかも結晶育成が容易というＣＬＢＯ結晶の特性を有効に発揮することが可能になる。
【００１０】
更に、本発明に係る光波長変換素子において、ホルダは、アルミニウム又はアルミニウムを主成分とする合金により、或いは銅又は銅を主成分とする合金により形成されていることが好ましい。これらの金属は熱伝導率が高い金属であるため、非線形光学結晶からホルダへの放熱をより効率よく行うことが可能になる。また、これらの金属は非線形光学結晶に比べ軟らかいため、ホルダと非線形光学結晶との接触による摩擦傷の発生を防止することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る光波長変換素子の好適な一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１２】
図１及び図２に示すように、光波長変換素子１０は、アルミニウム（アルミニウムを主成分とする合金でもよい）により形成された円柱状のホルダ１２を有している。このホルダ１２の両端面には、円形の凹部１４，１６がそれぞれ形成されており、凹部１４の底面１４ａと凹部１６の底面１６ａとの間には、断面矩形の貫通孔１８が形成されている。このホルダ１２の両端部には、ホルダ１２のエッジ部分の損傷とレーザ光の直射による樹脂の損傷を防止するための保護キャップ２０，２２がそれぞれ取り付けられている。保護キャップ２０の中央部には光通過孔２０ａが設けられており、同様に、保護キャップ２２の中央部にも光通過孔２２ａが設けられている。この保護キャップ２０の光通過孔２０ａと保護キャップ２２の光通過孔２２ａとホルダ１２の貫通孔１８とにより形成された通路をレーザ光が通ることになる。なお、レーザ光の反射を防止するため、ホルダ１２及び保護キャップ２０，２２の表面は、アルマイト処理等により黒染めされている。
【００１３】
ホルダ１２の貫通孔１８には、直方体状に切り出されたＣＬＢＯ結晶２４が挿入されている。このＣＬＢＯ結晶２４は、その側面と貫通孔１８の壁面との間において０．１〜０．２ｍｍ程度の隙間がもてるように形成されている。これにより、貫通孔１８にＣＬＢＯ結晶２４を挿入することができ、更に、ホルダ１２とＣＬＢＯ結晶２４との熱膨張差を吸収することもできる。また、ホルダ１２がＣＬＢＯ結晶２４に比べ軟らかいアルミニウムにより形成されているため、ホルダ１２とＣＬＢＯ結晶２４との接触による摩擦傷の発生を防止することができる。なお、貫通孔１８の隅部に半径が０．３〜０．５ｍｍの逃げを設けてもよい。これにより、ＣＬＢＯ結晶２４の側面と貫通孔１８の壁面との隙間を小さく維持しつつ、ＣＬＢＯ結晶２４を貫通孔１８に容易に挿入することが可能になる。更に、ＣＬＢＯ結晶２４の切り出し加工においては、ＣＬＢＯ結晶２４のエッジ部分の面取り加工を省略することも可能になる。
【００１４】
更に、ホルダ１２の貫通孔１８には、ＣＬＢＯ結晶２４の凹部１４側端面に当接するスペーサ２６と、ＣＬＢＯ結晶２４の凹部１６側端面に当接するスペーサ２８とが挿入されている。スペーサ２６，２８は、アルミニウム（アルミニウムを主成分とする合金でもよい）により厚さ０．２〜０．５ｍｍ程度の板状に形成されている。スペーサ２６の中央部には、レーザ光が通る光通過孔２６ａが設けられており、同様に、スペーサ２８の中央部にも光通過孔２８ａが設けられている。なお、レーザ光の反射を防止するため、このスペーサ２６，２８の表面も、アルマイト処理等により黒染めされている。
【００１５】
更に、ホルダ１２の貫通孔１８には、スペーサ２６の凹部１４側端面に当接する光透過板（光透過部材）３０と、スペーサ２８の凹部１６側端面に当接する光透過板（光透過部材）３２とが挿入されている。光透過板３０，３２は、石英ガラスにより直方体状に形成され、その側面と貫通孔１８の壁面との間において０．１〜０．２ｍｍ程度の隙間がもてるように形成されている。これにより、貫通孔１８に光透過板３０，３２を挿入することができ、更に、ホルダ１２と光透過板３０，３２との熱膨張差を吸収することもできる。このようにＣＬＢＯ結晶２４と光透過板３０，３２との間にスペーサ２６，２８を介在させるのは、ＣＬＢＯ結晶２４と光透過板３０，３２との直接接触による摩擦傷の発生やレーザ光の干渉歪みの発生を防止することができるからである。なお、光透過板３０，３２の材料としては、石英ガラスに限らず、入射するレーザ光に対し高い光透過性を有する材料であればよい。
【００１６】
そして、光透過板３０の外方側の端面３０ａは、凹部１４の底面１４ａから突出しており、光透過板３０の側面３０ｂの突出部分と凹部１４の底面１４ａとにより形成された隅部には接着剤３４が充填されている。一方、光透過板３２の外方側の端面３２ａは、凹部１６の底面１６ａから突出しており、光透過板３２の側面３２ｂの突出部分と凹部１６の底面１６ａとにより形成された隅部にも接着剤３４が充填されている。この接着剤３４は、接着性と気密性とを有するものであり、一例として、硬化過程においてガス放出量が極めて少ない接着剤（いわゆる真空用接着剤）がある。このような真空用接着剤は、加熱硬化すると、室温硬化した場合に比べ気密性が向上する。なお、接着剤３４の充填作業は、粘性材料の収まりがよい隅部に対して行われ、しかも、ホルダ１２の端面付近において行うことができるため、容易に且つ確実に接着剤３４を所定の位置に充填することが可能になる。
【００１７】
ホルダ１２の凹部１４，１６にはポッティングにより樹脂３６が充填され、この樹脂３６は、光透過板３０，３２の側面３０ｂ，３２ｂの突出部分を覆っている。樹脂３６の材料としては、アルミニウム製のホルダ１２と石英ガラス製の光透過板３０，３２とに対する接着性及び気密性を考慮して、粘性を有する室温硬化型のシリコーン系樹脂を用いた。そして、上述した接着剤３４と樹脂３６との充填により、図３に示すように、貫通孔１８の壁面１８ａと光透過板３０の側面３０ｂとの間に形成された隙間３８の外方側の開口部分３８ａが気密に封止される。同様に、貫通孔１８の壁面１８ａと光透過板３２の側面３２ｂとの間に形成された隙間の外方側の開口部分も気密に封止される。なお、樹脂３６の材料としては、可撓性を有する加熱硬化型のエポキシ系樹脂も好適である。
【００１８】
以上のように構成された光波長変換素子１０の防湿性を確認するため、加湿加熱試験を実施し、加湿加熱試験後更にＰ．Ｃ．Ｔ（プレッシャークッカーテスト）を実施した。なお、加湿加熱試験は、湿度８５％、温度８５℃の条件下で被試験対象を９６時間放置する試験であり、Ｐ．Ｃ．Ｔは、２気圧、湿度８５％、温度８５℃の条件下で被試験対象を４８時間放置する試験である。ここでは、吸湿すると青色から白色に変色（色抜け）するシリカゲルをＣＬＢＯ結晶２４に代えてホルダ１２内に配置し、シリカゲルの変色度合いにより防湿性の評価を行った。
【００１９】
その結果、加湿加熱試験に続けて実施したＰ．Ｃ．Ｔ終了後においてもシリカゲルの変色はまったく見られなかった。これは、ホルダ１２と一対の光透過板３０，３２と接着剤３４と樹脂３６とにより形成された空間（すなわち、ＣＬＢＯ結晶２４が配置される空間）が長期間に亘って極めて優れた気密性を維持し得ることを示している。したがって、光波長変換素子１０においては、防湿性を維持するためのメンテナンス等を特に行わなくても、ＣＬＢＯ結晶２４を気密に維持し、潮解性を有するＣＬＢＯ結晶２４が外気の侵入によって破壊されるのを防止することができる。なお、光波長変換素子１０においては、ＣＬＢＯ結晶２４の周囲に形成される隙間が極めて少ないため、ＣＬＢＯ結晶２４をパッケージする際に真空引き等を行う必要もない。ただし、ＣＬＢＯ結晶２４の防湿性を考慮すると、乾燥空気中或いは窒素雰囲気中においてＣＬＢＯ結晶２４のパッケージを行うことが好ましい。
【００２０】
ところで、樹脂３６を充填せずに接着剤３４のみを充填したものに対しても、加湿加熱試験を実施し、加湿加熱試験後更にＰ．Ｃ．Ｔを実施した。この場合は、加湿加熱試験に続けて実施したＰ．Ｃ．Ｔ終了後においてはシリカゲルの変色が見られたが、加湿加熱試験に続けて実施したＰ．Ｃ．Ｔにおいて２４時間経過後まではシリカゲルの変色は見られなかった。これは、樹脂３６を充填せずに接着剤３４のみを充填したものも優れた気密性を有しており、光波長変換素子として実用上有効に使用し得ることを示している。
【００２１】
そして、上述した光波長変換素子１０は、例えば、紫外線レーザ加工装置において、波長５３２ｎｍのレーザ光を波長２６６ｎｍのレーザ光に波長変換する高出力レーザ波長変換デバイスとして用いることができる。すなわち、波長５３２ｎｍのレーザ光が保護キャップ２０の光通過孔２０ａを通るように照射されると、波長５３２ｎｍのレーザ光は、光透過板３０を通りスペーサ２６の光通過孔２６ａを通ってＣＬＢＯ結晶２４内に入射する。このＣＬＢＯ結晶２４内に入射した波長５３２ｎｍのレーザ光は、ＣＬＢＯ結晶２４によって波長２６６ｎｍのレーザ光に波長変換される。この波長２６６ｎｍのレーザ光は、スペーサ２８の光通過孔２８ａを通り光透過板３２を通って保護キャップ２２の光通過孔２２ａから出射する。
【００２２】
このとき、レーザ光の入射によってＣＬＢＯ結晶２４が発熱するが、ＣＬＢＯ結晶２４がアルミニウム製のホルダ１２の貫通孔１８に挿入されているため、ＣＬＢＯ結晶２４が発した熱はホルダ１２に効率よく吸収される。したがって、ＣＬＢＯ結晶２４の放熱を効率よく行うことができ、ＣＬＢＯ結晶２４の温度が上昇してレーザ光の波長変換効率が低下するのを防止することができる。更に、レーザ光が通る光透過板３０の端面３０ａ及び光透過板３２の端面３２ａには接着剤３４が塗布されていないため、レーザ光が通過した際における接着剤３４へのレーザ光の照射量が低減される。したがって、レーザ光の照射によって接着剤３４が劣化するのを防止することができる。
【００２３】
ここで、波長変換特性比較実験について、図４を参照して説明する。図４において、横軸は入射光（波長５３２ｎｍのレーザ光）の１パルス当たりのエネルギであり、縦軸は出射光（波長２６６ｎｍのレーザ光）の１パルス当たりのエネルギである。なお、入射光は、ランプ励起ＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザ（Ｐｏｗｅｒｌｉｔｅ　８０００ＥＰ、パルス幅１０ｎｓ、繰返し周波数１０Ｈｚ）から出射された波長１０６４ｎｍのレーザ光をＴｙｐｅ　ＩＩＳＨＧ−ＣＬＢＯデバイスにより波長５３２ｎｍのレーザ光に波長変換したものである。
【００２４】
この波長変換特性比較実験においては、実験対象として、本実施形態に係る光波長変換素子１０ａ，１０ｂ、ＣＬＢＯ結晶を真空パッケージ内の真空空間中に配置したもの（以下「真空パッケージ」という）、及びＣＬＢＯ結晶をパッケージせず空気中に剥き出しにしたもの（以下「リファレンス」という）を用意した。その結果、図４に示すように、光波長変換素子１０ａ，１０ｂは、リファレンスに比べ良好な波長変換特性を示した。これは、ＣＬＢＯ結晶の放熱が空気中に対して行われるリファレンスに比べ、ＣＬＢＯ結晶２４の放熱がアルミニウム製のホルダ１２に対して行われる光波長変換素子１０ａ，１０ｂのほうが放熱性に優れているためである。そして、真空パッケージは、ＣＬＢＯ結晶の周囲に熱伝達媒体が存在しないため、リファレンスよりも更に悪い波長変換特性を示した。
【００２５】
このような光波長変換特性の差は、入射光の強度が高くなるに従って顕著となっている。これは、入射光の強度が高くなるとＣＬＢＯ結晶の発熱量が増加するため、ＣＬＢＯ結晶の放熱性の差が大きく影響するからである。以上のように、本実施形態に係る光波長変換素子１０は、高出力レーザ光の波長変換においてもＣＬＢＯ結晶２４の波長変換効率を良好に維持することができるため、高出力レーザ波長変換デバイスとして好適に用いることができる。
【００２６】
ところで、上記波長変換特性比較実験においては、光波長変換素子１０ａ，１０ｂのホルダ１２はアルミニウムにより形成されていたが、銅又は銅を主成分とする合金によりホルダ１２を形成してもよい。これは、銅又は銅を主成分とする合金も熱伝導率が高い金属だからである。また、ホルダ１２の貫通孔１８の壁面とＣＬＢＯ結晶２４の側面との隙間にインジウム製のホイール（箔）を挿入すれば、ＣＬＢＯ結晶２４の放熱性をより向上させることが可能になる。そして、ホルダ１２の外周側面に括れを設けたり、或いは放熱フィンを設けたりしてもよい。これにより、ホルダ１２の外周側面の表面積が増加するため、ホルダ１２からホルダ１２外部（例えば冷媒等）への放熱性を向上させることができ、ひいてはＣＬＢＯ結晶２４の放熱性をより安定化させることが可能になる。なお、ホルダ１２を他の金属により形成しても、上記波長変換特性比較実験における真空パッケージやリファレンスに比べＣＬＢＯ結晶２４の放熱を効率よく行うことができる。
【００２７】
以上、本発明の好適な一実施形態について詳細に説明したが、本発明は、ＣＬＢＯ結晶を用いた光波長変換素子に限らず、ＢＢＯやＬＢＯ等、種々の非線形光学結晶を用いた光波長変換素子に適用可能である。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る光波長変換素子は、レーザ光の波長を非線形光学結晶により変換する光波長変換素子であって、非線形光学結晶が挿入された貫通孔を有する金属製のホルダと、貫通孔内で非線形光学結晶を挟持すると共に、ホルダの端面から一部が突出している一対の光透過部材とを備え、貫通孔の壁面と光透過部材の側面との間に形成された隙間の外方側の開口部分には、接着剤が充填されていることを特徴とすることによって、非線形光学結晶を気密に維持することができ、しかも非線形光学結晶の放熱を効率よく行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係る光波長変換素子の斜視図である。
【図２】図１に示す光波長変換素子の縦断面図である。
【図３】図１に示す光波長変換素子の要部を示す拡大断面図である。
【図４】レーザ光の波長変換特性を示す図である。
【符号の説明】
１０…光波長変換素子、１２…ホルダ、１４，１６…凹部、１４ａ，１６ａ…底面（ホルダの端面）、１８…貫通孔、１８ａ…壁面、２４…ＣＬＢＯ結晶（非線形光学結晶）、３０，３２…光透過板（光透過部材）、３０ｂ，３２ｂ…側面、３４…接着剤、３６…樹脂、３８…隙間、３８ａ…開口部分。

Claims

レーザ光の波長を非線形光学結晶により変換する光波長変換素子であって、
前記非線形光学結晶が挿入された貫通孔を有する金属製のホルダと、
前記貫通孔内で前記非線形光学結晶を挟持すると共に、前記ホルダの端面から一部が突出している一対の光透過部材とを備え、
前記貫通孔の壁面と前記光透過部材の側面との間に形成された隙間の外方側の開口部分には、接着剤が充填されていることを特徴とする光波長変換素子。
前記端面は、前記ホルダの端部に形成された凹部の底面であり、前記凹部には、前記光透過部材の突出部分の側面を覆って樹脂が充填されていることを特徴とする請求項１に記載の光波長変換素子。
前記非線形光学結晶はＣＬＢＯ結晶であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光波長変換素子。
前記ホルダは、アルミニウム又はアルミニウムを主成分とする合金により形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光波長変換素子。
前記ホルダは、銅又は銅を主成分とする合金により形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光波長変換素子。