JP2004031683A - 光学素子、光出射装置及び光学素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】互いに対向するそれぞれの面の線膨張係数が5ppm以上異なる第1の結晶部材20と第2の結晶部材21とを、互いに対向する面が結晶軸を含むように光学研磨し、ガラス転移点が75℃以下のアクリル系の接着剤を第1の結晶部材20又は上記第2の結晶部材21の接着面に塗布して第1の結晶部材20及び上記第2の結晶部材21を接着し、接着剤に光を照射してこの接着剤を硬化させて、屈折率が1.52以下の接着剤層22を形成し、所望のサイズに切断する。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、非線形光学現象を用いて光の波長変換を行う光学素子と、このような光学素子を用いて波長変換された光を出射する光出射装置と、このような光学素子の製造方法とに関する。
【0002】
【従来の技術】
小型の短波長レーザや波長変換レーザとして、非線形光学結晶を用いたSHG(Second Harmonic Generation:第2高調波発生)レーザを代表としたOPO(Optical Parametric Oscillator:光パラメトリック発振)レーザがある。このようなレーザは、所定の波長のレーザ光を基本光として、この基本光を基本光とは異なる波長のレーザ光に変換して変換光として出射するようにされており、光ディスク装置や光通信モジュール等の各種光源として用いられる。
【0003】
このようなレーザは、非線形光学結晶を共振器内部に配設した内部共振器型のOPOレーザに固体レーザ結晶が設けられ、この固体レーザ結晶側の端面から半導体レーザなどから出射したレーザ光を入射させて固体レーザ結晶を励起し基本光を発生させる方法を用いる。
【0004】
この場合に、上述のレーザは、共振器内部に配設された全ての光学素子を接触又は接着して、レーザ光の入力側の端面とレーザ光の出力側の端面とで共振器を形成することで、装置の小型化が可能であり、また光学素子の調整を不要とすることができるため、様々な用途に応用することが可能である。また、このようなレーザは、小型化が可能であるだけでなく、共振器内部で基本光を繰り返し反射させることで変換効率を向上させることも可能である。
【0005】
このようなレーザに用いる光学素子の製造方法としては、比較的大きなウエハ状の2つの結晶部材を接着剤で接着してから、その後に光学膜等を成膜して、チップに切断するようにしている。
【0006】
この方法では、光学膜の応力によるウエハの反りなどがない状態で接着できるため、均一な膜厚の接着剤層を得ることができる。従って、光学部品の各種特性を向上できるだけでなく、切断されたチップの特性ばらつきを押さえることができる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述したような光学素子の製造方法では、光学膜の成膜時に接着剤層が高温にさらされるので2つの結晶部材における線膨張係数の相異により、接着剤層の剥離や結晶部材の破壊を引き起こす場合がある。
【0008】
また、半導体レーザからのレーザ光(以下では、LD光と称する。)による励起により基本光を発生させるレーザでは、LD光により光学素子が熱せられるため、LD光の出力を上げたときに、2つの結晶部材における線膨張係数の相異により、接着剤層の剥離や結晶部材の破壊が起きる。
【0009】
特に、線膨張係数が大きく異なる2つの結晶部材を接着する場合には、接着剤層の剥離や結晶部材の破壊が顕著に起きる。
【0010】
上述したような接着剤層の剥離や結晶部材の破壊が起きる原因として、線熱膨張係数の大きく異なる2つ結晶部材が張り合わされ、接着状態で高温に曝されると、線膨張係数の相異から接着剤層に応力が生じる。接着剤層がこの応力を緩和すれば、接着剤層の剥離も基盤破壊も起きない。接着剤層が応力を緩和できない場合、最も弱い強度の部分から剥離又は破壊が発生し、接着剤層が結晶部材から剥離するか結晶部材の破壊が発生するかは、接着剤層の接着強度と結晶部材のもろさとの関係で決まる。ここで、接着剤層が応力を緩和できるかは、接着剤が硬化した接着剤層の機械的物性と接着剤層の厚みと接着面積からなる幾何学的要因とから決定される。
【0011】
本発明は、上述したような問題を鑑みてなされたものであり、線膨張係数の相異による接着剤層の剥離や結晶部材の破壊が発生しない光学素子及びこの光学素子を備える光出射装置を提供することを目的とし、また線膨張係数の相異による接着剤層の剥離や結晶部材の破壊が発生しない光学素子の製造方法を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために本発明に係る光学素子は、光源からの出射された所定の波長の光を、所定の波長に対して異なる波長に変換して出力する光学素子において、KTiOPO4又は石英からなる第1の結晶部材と、NdをドープしたYVO4からなる第2の結晶部材と、第1の結晶部材及び第2の結晶部材を接着する接着剤層とを備え、第1の結晶部材及び第2の結晶部材は、接着剤層を介して互いに対向する面の線膨張係数が5ppm以上異なり、且つ接着剤層を介して互いに対向する面が結晶軸を含むように配設され、接着剤層は、ガラス転移点が75℃以下のアクリル系の接着剤に光を照射して接着剤が硬化して形成されてなり、硬化後の屈折率が1.52以下であることを特徴とする。
【0013】
以上のように構成された本発明に係る光学素子は、互いに対向する面の線膨張係数が5ppm以上異なる第1の結晶部材及び第2の結晶部材を、これらの面が結晶軸を含むように配設し、ガラス転移点が75℃以下のアクリル系の接着剤を第1の結晶部材又は第2の結晶部材の面に塗布して第1の結晶部材及び第2の結晶部材を当接し、接着剤に光を照射して接着剤を硬化することで、第1の結晶部材及び第2の結晶部材の互いに対向する面の線膨張係数の差に起因する接着剤層の剥離や第1の結晶部材及び/又は第2の結晶部材の破壊を抑止することができる。
【0014】
また、上述の目的を達成するために本発明に係る光出射装置は、所定の波長の光を出射する光源と、KTiOPO4又は石英からなる第1の結晶部材とNdをドープしたYVO4からなる第2の結晶部材と第1の結晶部材及び第2の結晶部材を接着する接着剤層とを有して光源から出射された光の波長を所定の波長に対して異なる波長に変換して出力する光学素子とを備え、第1の結晶部材及び第2の結晶部材は、接着剤層を介して互いに対向する面の線膨張係数が5ppm以上異なり、且つ接着剤層を介して互いに対向する面が結晶軸を含むように配設され、接着剤層は、ガラス転移点が75℃以下のアクリル系の接着剤に光を照射して接着剤が硬化して形成されてなり、硬化後の屈折率が1.52以下であることを特徴とする。
【0015】
以上のように構成された本発明に係る光出射装置は、互いに対向する面の線膨張係数が5ppm以上異なる第1の結晶部材及び第2の結晶部材を、これらの面が結晶軸を含むように配設し、ガラス転移点が75℃以下のアクリル系の接着剤を第1の結晶部材又は第2の結晶部材の面に塗布して第1の結晶部材及び第2の結晶部材を当接し、接着剤に光を照射して接着剤を硬化することで、第1の結晶部材及び第2の結晶部材の互いに対向する面の線膨張係数の差に起因する接着剤層の剥離や第1の結晶部材及び/又は第2の結晶部材の破壊を抑止することができる。
【0016】
更に、上述の目的を達成するために本発明に係る光学素子の製造方法は、光源からの出射された所定の波長の光を、所定の波長に対して異なる波長に変換して出力する光学素子の製造方法において、KTiOPO4又は石英からなる第1の結晶部材とNdをドープしたYVO4からなる第2の結晶部材とを、互いに対向するそれぞれの面の線膨張係数が5ppm以上異なり、且つ上記面が結晶軸を含むように光学研磨する研磨工程と、ガラス転移点が75℃以下のアクリル系の接着剤を第1の結晶部材又は第2の結晶部材の面に塗布する塗布工程と、第1の結晶部材及び第2の結晶部材を、塗布された接着剤を介して当接し、接着剤に光を照射して接着剤を硬化させ、屈折率が1.52以下の接着剤層を形成する接着工程と、接着剤層を介して接着された第1の結晶部材及び第2の結晶部材を所望のサイズに切断する切断工程とを有することを特徴とする。
【0017】
以上のような工程により構成された本発明に係る光学素子の製造方法は、互いに対向する面の線膨張係数が5ppm以上異なる第1の結晶部材及び第2の結晶部材を、これらの面が結晶軸を含むように配設し、ガラス転移点が75℃以下のアクリル系の接着剤を第1の結晶部材又は第2の結晶部材の面に塗布して第1の結晶部材及び第2の結晶部材を当接し、接着剤に光を照射して接着剤を硬化させて接着し、所望のサイズの光学素子を切り出す。このように製造された光学素子では、第1の結晶部材及び第2の結晶部材の線膨張係数の差による接着剤層の剥離や第1の結晶部材及び/又は第2の結晶部材の破壊を抑止することができる。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、本発明が適用されたレーザポインタについて、図面を参照して説明する。
【0019】
本発明が適用されたレーザポインタは、半導体レーザから出射されたレーザ光の波長を変換してより波長の短いレーザ光を出力することができるものであり、利用者の所望の位置をレーザ光で指し示すことができるものである。
【0020】
ここで、一般的なレーザポインタは、略600nm以上の赤色の波長帯域のレーザ光を照射するものであるが、本発明を適用したレーザポインタは、赤色よりも視認性の高い略500nm程度の緑色の波長帯域のレーザ光を出射する。
【0021】
レーザポインタは、図1に示すように、レーザ光を出射する半導体レーザ10と、半導体レーザ10から出射されたレーザ光の波長を変換して出力する波長変換素子11と、波長変換素子11で変換されたレーザ光のビーム形状を成形する出射レンズ12と、半導体レーザ10を駆動する電力を供給する電池13とを備えている。
【0022】
半導体レーザ10は、例えば、波長が略808nmのレーザ光(以下では、LD光と称する。)を出射する半導体レーザである。
【0023】
波長変換素子11は、半導体レーザ10から出射されたLD光を波長変換して略532nmのレーザ光(以下では、変換光と称する。)を出力する素子である。
【0024】
出射レンズ12は、変換光のビーム形状を成形するように設けられたレンズ素子であり、例えば、ビーム径の調整等を行うことができるように、光軸方向への位置調整が可能とされている。
【0025】
電池13は、半導体レーザ10を駆動する電力を供給する電池であり、レーザポインタの装置構成を小型化するために、小型の電池を用いる。なお、電池13は、後述するレーザポインタの筐体の形状が略円筒形状とされている場合には、筐体内に収まるように円筒形状とすることが好ましい。
【0026】
以上のように構成されたレーザポインタは、半導体レーザ10と、波長変換素子11と、出射レンズ12と、電池13とが、図示しない筐体内に固定されており、例えば、略円筒形状、いわゆるペン型の形状に形成されている。
【0027】
ここで、具体的に波長変換素子11は、第1の結晶部材20と、第2の結晶部材21と、これら第1の結晶部材20と第2の結晶部材21との間に接着剤を硬化させて形成される接着剤層22と、第1の結晶部材20及び第2の結晶部材21を間に挟み込み共振器を形成する一対の光学膜である第1の選択透過膜23及び第2の選択透過膜24とを有している。
【0028】
第1の結晶部材20は、例えば、ネオジウムをドープしたYVO4(Yttrium Vanadate)であり、第1の選択透過膜23を透過したLD光が入射され、このLD光により励起されて波長が略1064nmのレーザ光(以下では、基本光と称する。)を出力する。
【0029】
第2の結晶部材21は、例えば、KTiOPO4(以下では、KTPと称する。)であり、第1の結晶部材20から出力された基本光をSHGにより波長を1/2のレーザ光、すなわち変換光に変換して、略532nmの変換光を第2の選択透過膜24側へ出力する。
【0030】
第1の結晶部材20及び第2の結晶部材21は、互いに対抗する面の線膨張係数が5ppm以上異なっており、SHGによる位相整合を行うのに最適な条件となるように、互いにC軸を含む面が対向するように配設されている。
【0031】
ここで、例えば、SHGレーザに用いる波長変換素子11の場合、KTPにYVO4を張り合わせるが、その結晶軸の関係は、KTPのc軸とYVO4のa/c合成軸が貼り合わされるので、線膨張係数の差が−0.65(KTP)−7.9(YVO4)=8.55ppmと大きくなる。
【0032】
接着剤層22は、透光性を有し、ガラス転移点Tgが略75℃以下のアクリル系の接着剤に紫外光又は可視光を照射してこの接着剤を硬化することで形成され、屈折率が略1.52以下とされている。特に、接着剤層22は、少なくとも、上述したLD光及び基本光の波長に対して高い透過率を有する性質を備えている。
【0033】
第1の選択透過膜23は、LD光を透過させ、基本光を反射するように設けられた光学膜であり、LD光及び基本光の波長に応じて透過率及び反射率が異なるように設計されている。すなわち、第1の選択透過膜23は、上述した半導体レーザ10、第1の結晶部材20及び第2の結晶部材21との関係により、波長が略808nmのレーザ光を透過させ、波長が略1064nmのレーザ光が反射する。
【0034】
第2の選択透過膜24は、変換光を透過させ、基本光を反射するように設けられた光学膜であり、変換光及び基本光の波長に応じて透過率及び反射率が異なるように設計されている。すなわち、第2の選択透過膜24は、上述した半導体レーザ10、第1の結晶部材20及び第2の結晶部材21との関係により、波長が略1064nmのレーザ光を透過させ、波長が略532nmのレーザ光が反射する。
【0035】
このような構成とされた波長変換素子11を備えるレーザポインタについて、半導体レーザ10から出射されたLD光が変換光として出射されるまでの光路を説明する。
【0036】
半導体レーザ10から出射された波長が略808nmのLD光は、第1の選択透過膜23側から波長変換素子11に入射されて第1の選択透過膜23を透過して第1の結晶部材20に入射し、第1の結晶部材20を励起させて波長が略1064nmの基本光を発生させる。
【0037】
次に、第1の結晶部材20から出力された波長が略1064nmの基本光は、接着剤層22に入射して接着剤層22を透過し、第2の結晶部材21に入射して第2の結晶部材21により所定の変換効率で波長変換されて波長が1/2の略532nmの変換光となる。
【0038】
また、第2の結晶部材21において波長変換がされなかった波長が略1064nmの残りの基本光は、第2の選択透過膜24に入射して第2の選択透過膜24で反射され、波長が略532nmの変換光に波長変換されるまで、第1の選択透過膜23と第2の選択透過膜24との間で繰り返し反射される。
【0039】
次に、第2の結晶部材21から出力された波長が略532nmの変換光は、第2の選択透過膜24に入射して第2の選択透過膜24を透過し、出射レンズ12に入射して所定のビーム形状となるようレーザポインタから出力されて所望の位置に出射される。
【0040】
このようにレーザポインタでは、半導体レーザ10から出射された波長が略808nmのLD光を、波長が略1064nmの基本光、波長が略532nmの変換光に変換して、変換光を出力する。
【0041】
ここで、接着剤層22についてさらに詳細に説明する。
【0042】
接着剤層22は、上述したようにガラス転移点Tgが略75℃以下のアクリル系の接着剤に紫外光又は可視光を照射してこの接着剤を硬化することで形成され、屈折率が略1.52以下とされている。
【0043】
ここでアクリル系の接着剤とは、アクリレート基、メタクリレート基、ウレタンアクリレート基などのアクリル酸誘導体による官能基を持った分子構造をもった接着剤分子が、そのアクリル酸誘導体に含まれる2重結合によるラジカル重合、アニオン重合、カチオン重合などで結合し硬化する接着剤である。
【0044】
接着剤層22に用いる接着剤としては、以下の表1に示す、サンプル1〜サンプル34を用いて、波長変換素子11に半導体レーザ10から所定の出力でLD光を出射した際に発生した接着剤層22の剥離及び第1の結晶部材20及び/又は第2の結晶部材21の破壊の判定を行い、判定結果が良好な接着剤を用いた。また、表1の結果を図2にグラフとして示す。なお、表1及び図2中に示す、○は、接着剤層22の剥離や、第1の結晶部材20及び/又は第2の結晶部材21の破壊がないことを示し、×は、接着剤層22の剥離や、第1の結晶部材20及び/又は第2の結晶部材21の破壊があることを示している。
【0045】
【表1】
【0046】
サンプル1〜サンプル4に示す接着剤は、アクリル系の接着剤であり、それぞれアーデル社製のUT−20(商品名),V300(商品名),HV153(商品名),HR154(商品名)である。サンプル5に示す接着剤は、アクリル系の接着剤であり、ケミテック社製のU471(商品名)である。サンプル6に示す接着剤は、アクリル系の接着剤であり、ダイキン工業社製のUV3000(商品名)である。サンプル7〜サンプル9に示す接着剤は、アクリル系の接着剤であり、それぞれ長瀬産業(DENA)社製のXNR5472F(商品名),XNR5520(商品名),T695/UR(商品名)である。サンプル10〜サンプル14に示す接着剤は、アクリル系の接着剤であり、それぞれ電気化学工業(DENKA)社製のOP1080L(商品名),OP1030K(商品名),OP1030M(商品名),OP1030MS(商品名),OP3010P(商品名)である。サンプル15に示す接着剤は、アクリル系の接着剤であり、ヘンケルジャパン社製の363(商品名)である。サンプル16,サンプル17に示す接着剤は、アクリル系の接着剤であり、それぞれサンライズMSI社製のPH150(商品名),PH300(商品名)である。サンプル18〜サンプル21に示す接着剤は、アクリル系の接着剤であり、それぞれ共立化学産業社製の801seL6(商品名),XVL90(商品名),8807L5(商品名),X8750LK5(商品名)である。
【0047】
サンプル22〜サンプル24に示す接着剤は、エポキシ系の接着剤であり、それぞれダイキン工業社製のUV3100(商品名),UV3200(商品名),UV4000(商品名)である。サンプル25に示す接着剤は、エポキシ系の接着剤であり、長瀬産業(DENA)社製のXNR5507FL(商品名)である。
【0048】
サンプル26,サンプル27に示す接着剤は、エポキシ系の接着剤であり、それぞれサンエイテック(EMI)社製の3505(商品名),3507(商品名)である。サンプル28に示す接着剤は、エポキシ系の接着剤であり、ダイゾー(EPOTEK)社製のOG146(商品名)である。サンプル29〜サンプル33に示す接着剤は、エポキシ系の接着剤であり、それぞれサンエイテック(NORLAND)社製のNOA61(商品名),NOA71(商品名),NOA73(商品名),NOA81(商品名),NOA88(商品名)である。サンプル34に示す接着剤は、エポキシ系の接着剤であり、スリーボンド社製のTB3121(商品名)である。
【0049】
表1及び図2より、アクリル系の接着剤では、接着剤層22の剥離や第1の結晶部材20及び/又は第2の結晶部材21の破壊が発生しないサンプルがあるのに対して、エポキシ系の接着剤では、接着剤層22の剥離や第1の結晶部材20及び第2の結晶部材21の破壊が全てのサンプルにおいて発生している。
【0050】
次に、表1に基づき、判定結果が良好なアクリル系の接着剤を抽出して、各サンプルのガラス転移点Tgと接着剤層22の剥離、結晶破壊との関係を示すグラフを図3に示す。なお、図3中に示す、○は、接着剤層22の剥離や、第1の結晶部材20及び/又は第2の結晶部材21の破壊がないことを示し、×は、接着剤層22の剥離や、第1の結晶部材20及び/又は第2の結晶部材21の破壊があることを示している。また、図3における各サンプルの順番は、表1に示すサンプルのうちアクリル系の接着剤のみをガラス転移点Tg順に並べ替えて示している。
【0051】
図3より、各サンプルのガラス転移点Tgに着目すると、ガラス転移点Tgが75℃以下の接着剤では、接着剤層22の剥離や、第1の結晶部材20及び/又は第2の結晶部材21の破壊が発生しないサンプルがあるのに対して、ガラス転移点Tgが75℃以上の接着剤では、接着剤層22の剥離や、第1の結晶部材20及び第2の結晶部材21の破壊が全てのサンプルにおいて発生している。
【0052】
次に、図3に示す結果より、判定結果が良好なアクリル系の接着剤で且つガラス転移点Tgが75℃以下の接着剤を抽出して、各サンプルの屈折率nDと接着剤層22の剥離、結晶破壊との関係を示すグラフを図4に示す。なお、図4中に示す、○は、接着剤層22の剥離や、第1の結晶部材20及び/又は第2の結晶部材21の破壊がないことを示し、×は、接着剤層22の剥離や、第1の結晶部材20及び/又は第2の結晶部材21の破壊があることを示している。また、図4における各サンプルの順番は、表1に示すサンプルのうちアクリル系で且つガラス転移点Tgが75℃以下のサンプルのみを屈折率nD順に並べ替えて示している。
【0053】
図4より、各サンプルの屈折率nDに着目すると、屈折率nDが1.52以下の接着剤では、接着剤層22の剥離や、第1の結晶部材20及び/又は第2の結晶部材21の破壊が全てのサンプルで発生しないのに対して、屈折率nDが1.52より上の接着剤では、接着剤層22の剥離や、第1の結晶部材20及び/又は第2の結晶部材21の破壊が全てのサンプルにおいて発生している。
【0054】
上述したように、表1及び図2乃至図4に示す結果から、接着剤層22を形成する接着剤としては、透光性を有するガラス転移点Tgが略75℃以下のアクリル系の接着剤で、紫外光又は可視光が照射されて硬化した後の屈折率が略1.52以下となる条件の接着剤が好ましいことがわかる。
【0055】
具体的に接着剤層22を形成する接着剤としては、上述の表1に示す、サンプル5,16,17,19,20が好ましく、上述の条件を全て満たしている。
【0056】
このように接着剤層22は、透光性を有しており、ガラス転移点Tgが略75℃以下のアクリル系の接着剤に紫外光又は可視光を照射することで硬化させ、硬化後の屈折率が略1.52以下となるようになっている。
【0057】
以上のように構成されたレーザポインタは、波長変換素子11に上述のように選択された接着剤を用いることにより、接着剤層22の剥離や、第1の結晶部材20及び/又は第2の結晶部材21の破壊の発生を抑止することができるため、製品寿命を向上させ、製品の信頼性が向上する。
【0058】
また、レーザポインタは、接着剤層22の剥離や、第1の結晶部材20及び/又は第2の結晶部材21の破壊の発生を抑止することができるため、より高出力のLD光を入力することが可能となり、変換光の出力を向上させることができる。
【0059】
さらに、レーザポインタは、変換光、すなわち出力するレーザ光の波長帯域を視感度特性の高い緑色の波長帯域に変換することができるので、従来の赤色の波長帯域のレーザ光に対して低い出力でも明るく見やすいレーザ光を出力することができ、使用上の安全性が向上する。
【0060】
さらにまた、レーザポインタは、上述のように各光学素子を接着して波長変換素子11を形成するため、部品点数も少なく、調整不要で簡便な装置とすることができるため、製造コストを低減することができる。
【0061】
なお、上述したレーザポインタでは、変換光を略532nmとする装置構成を説明したが、半導体レーザ10、第1の結晶部材20及び第2の結晶部材21、第1の選択透過膜23及び第2の選択透過膜24は、目的とする変換光の波長帯域に応じて、特性や材質を選択するようにしてもよい。また、第1の結晶部材20及び第2の結晶部材21には、Ndなどのドーパントを任意の濃度でドープでき、その用途に応じて設定できるようにしてもよい。さらに、第1の結晶部材20及び第2の結晶部材21は、平面、湾曲、球面であってもよく、層状に積層する事もできるが、これらに限定するものではない。
【0062】
次に、上述したレーザポインタに用いる波長変換素子11の製造方法について説明する。
【0063】
まず、互いに対向するそれぞれの面が、線膨張係数が5ppm以上異なり、結晶軸を含むように、第1の結晶部材20のウエハ及び第2の結晶部材21のウエハを光学研磨する。
【0064】
次に、上述した接着剤を上記第1の結晶部材20のウエハ又は上記第2の結晶部材21のウエハの対向する面に塗布し、第1の結晶部材20のウエハ及び第2の結晶部材21のウエハを接着し、接着剤に光を照射して接着剤を硬化させ、接着剤層22を形成する。
【0065】
次に、第1の結晶部材20のウエハ及び第2の結晶部材21のウエハの接着剤層22と反対側の面に、第1の選択透過膜23及び第2の選択透過膜24とをそれぞれ成膜して所望のサイズに切断する。
【0066】
以上のように波長変換素子11を製造するが、具体的には、以下の表2に示すように、実施例1〜実施例24と比較例1〜比較例13とに基づいて説明する。
【0067】
【表2】
【0068】
表2における150℃/100Hでは、実施例1〜24及び比較例1〜13において作製した波長変換素子11を150℃に温度管理した恒温漕内で100時間保存し、その後の接着剤層22の剥離を観察した。
【0069】
また、表2における200℃/4Hでは、実施例1〜24及び比較例1〜13において作製した波長変換素子11を200℃に温度管理した恒温漕内で4時間保存し、その後接着剤層22の剥離を観察した。
【0070】
さらに、表2における250℃/4Hでは、実施例1〜24及び比較例1〜13において作製した波長変換素子11を250℃に温度管理した恒温漕内で4時間保存し、その後の接着剤層22の剥離を観察した。
【0071】
なお、表2の中に示す、○は、接着剤層22の剥離がないことを示し、△は、接着剤層22の一部が剥離したことを示し、×は、接着剤層22の半分以上が剥離したことを示している。
【0072】
<実施例1>
実施例1では、まず、位相整合角に切り出された略1.5cm×3.0cmの略方形状とされたKTP結晶のウエハと、a軸を含む面、すなわちa面で切り出された直径が略2.5cmの略円形状とされたYVO4結晶のウエハをc軸に対して45°傾いた方向に半分にカットしたウエハとをそれぞれレーザ発振に十分な精度で光学研磨した。
【0073】
次に、光学研磨されたKTP結晶のウエハの接着面に上述したサンプル20の接着剤を塗布して、KTP結晶のc軸とYVO4結晶のc軸とが45°傾くように接着した。ここでは、接着剤層22の厚みが、6μmとなるように接着剤の塗布量を調整した。
次に、光強度が1mW/cm2の紫外光を照射して接着剤を硬化した。
【0074】
<実施例2>
実施例2では、接着剤にサンプル17を用いた以外、実施例1と同様の条件で行った。
【0075】
<実施例3>
実施例3では、接着剤の硬化に光強度が5mW/cm2の紫外光を照射した以外、実施例1と同様の条件で行った。
【0076】
<実施例4>
実施例4では、接着剤にサンプル17を用いた以外、実施例3と同様の条件で行った。
【0077】
<実施例5>
実施例5は、接着剤層22の厚みを3μmとした以外、実施例1と同様の条件で行った。
【0078】
<実施例6>
実施例6では、接着剤にサンプル17を用いた以外、実施例5と同様の条件で行った。
【0079】
<実施例7>
実施例7では、接着剤の硬化に光強度が5mW/cm2の紫外光を照射し、接着剤層22の厚みを3μmとした以外、実施例1と同様の条件で行った。
【0080】
<実施例8>
実施例8では、接着剤にサンプル17を用いた以外、実施例7と同様の条件で行った。
【0081】
<実施例9>
実施例9では、略1mm厚で略15mm×15mmの略方形状とされた石英板と、略2mm厚で略19mm×25mmの略方形状とされたBK7光学ガラスを光学研磨し接着した以外、実施例1と同様の条件で行った。
【0082】
<実施例10>
実施例10では、接着剤にサンプル17を用いた以外、実施例9と同様の条件で行った。
【0083】
<実施例11>
実施例11では、接着剤の硬化に光強度が5mW/cm2の紫外光を照射した以外には実施例9と同様にして行った。
【0084】
<実施例12>
実施例12では、接着剤にサンプル17を用いた以外、実施例11と同様の条件で行った。
【0085】
<実施例13>
実施例13では、接着剤層の厚みを3μmとした以外、実施例9と同様の条件で行った。
【0086】
<実施例14>
実施例14では、接着剤にサンプル17を用いた以外、実施例13と同様の条件で行った。
【0087】
<実施例15>
実施例15では、接着剤の硬化に光強度が5mW/cm2の紫外光を照射し、接着剤層22の厚みを3μmとした以外、実施例9と同様の条件で行った。
【0088】
<実施例16>
実施例16では、接着剤にサンプル17を用いた以外、実施例15と同様の条件で行った。
【0089】
<実施例17>
実施例17では、a面で切り出された直径が略2.5cmの略円形状のYVO4結晶のウエハを半分にカットしたウエハと、略1.5cm×3.0cmの略方形状とされた石英板とをそれぞれレーザ発振に十分な精度で光学研磨し接着した以外、実施例1と同様の条件で行った。
【0090】
なお、石英板にYVO4結晶を張り合わせる場合は、線膨張係数の差が11.37(YVO4のc軸)−0.58(石英)=9.78ppmと大きくなる。
【0091】
<実施例18>
実施例18では、接着剤にサンプル17を用いた以外、実施例17と同様の条件で行った。
【0092】
<実施例19>
実施例19では、接着剤の硬化に光強度が5mW/cm2の紫外光を照射した以外、実施例17と同様の条件で行った。
【0093】
<実施例20>
実施例20では、接着剤にサンプル17を用いた以外、実施例19と同様の条件で行った。
【0094】
<実施例21>
実施例21では、接着剤層22の厚みを3μmとした以外、実施例17と同様の条件で行った。
【0095】
<実施例22>
実施例22では、接着剤にサンプル17を用いた以外、実施例21と同様の条件で行った。
【0096】
<実施例23>
実施例23は、接着剤の硬化に光強度が5mW/cm2の紫外光を照射し、接着剤層22の厚みを3μmとした以外、実施例17と同様の条件で行った。
【0097】
<実施例24>
実施例24は、接着剤にサンプル17を用いた以外、実施例23と同様の条件で行った。
【0098】
<比較例1>
比較例1では、接着剤にサンプル1を用いた以外、実施例1と同様の条件で行った。
【0099】
<比較例2>
比較例2では、接着剤にサンプル10を用いた以外、実施例1と同様の条件で行った。
【0100】
<比較例3>
比較例3では、接着剤にサンプル28を用いた以外、実施例1と同様の条件で行った。
【0101】
<比較例4>
比較例4では、接着剤にサンプル1を用いた以外、実施例9と同様の条件で行った。
【0102】
<比較例5>
比較例5では、接着剤にサンプル10を用いた以外、実施例9と同様の条件で行った。
【0103】
<比較例6>
比較例6では、接着剤にサンプル28を用いた以外、実施例9と同様の条件で行った。
【0104】
<比較例7>
比較例7では、接着剤にサンプル1を用いた以外、実施例17と同様の条件で行った。
【0105】
<比較例8>
比較例8では、接着剤にサンプル10を用いた以外、実施例17と同様の条件で行った。
【0106】
<比較例9>
比較例9では、接着剤にサンプル28を用いた以外、実施例17と同様の条件で行った。
【0107】
<比較例10>
比較例10では、接着剤の硬化に光強度が20mW/cm2の紫外光を照射した以外、実施例1と同様の条件で行った。
【0108】
<比較例11>
比較例11では、接着剤にサンプル17を用いた以外、比較例10と同様の条件で行った。
【0109】
<比較例12>
比較例12では、接着剤層22の厚みを2μmとした以外には実施例1と同様の条件で行った。
【0110】
<比較例13>
比較例13では、接着剤にサンプル17を用いた以外、比較例12と同様の条件で行った。
【0111】
表2の結果から接着剤のガラス転移点Tgが75℃以下であり、かつ接着剤硬化物の屈折率nDが1.52以下であることを特徴とするアクリル系の接着剤を使用した場合、150℃/100H、200℃/4Hの条件下では、接着剤層22の剥離を起こすことはなかった。また、より厳しい条件である250℃/4Hでは、紫外光の光強度が5mW/cm2以下であり、膜厚が3μm以上の場合、接着剤層22の剥離等が発生しなかった。
【0112】
一方、ガラス転移点Tgが75℃より高い接着剤や、屈折率nDが1.52より高い接着剤や、エポキシ系の接着剤は、150℃/100H、200℃/4H、250℃/4Hのいずれの条件においても十分な接着維持できずに、接着剤層22の剥離等が発生した。
【0113】
表2に示す結果より、熱膨張によって接着剤層22に生じる応力を緩和できる接着剤として、ガラス転移点Tgが75℃以下のアクリル系の接着剤であることが分かったとともに、5mW/cm2以下の紫外光を照射されることにより硬化する接着剤を用いることで、熱による第1の結晶部材20及び第2の結晶部材の異方性による反りなどがなく、高精度で接着できることが分かった。また、表2に示す結果より、接着剤層22の膜厚を3μm以上となるように接着剤を塗布することで、熱による第1の結晶部材20及び第2の結晶部材の異方性による反りなどがなく、高精度で接着できることが分かった。
【0114】
以上のように本発明を適用した波長変換素子11の製造方法では、第1の選択透過膜23及び第2の選択透過膜24の応力によるウエハの反りなどがない状態で接着できるため、均一な膜厚の接着剤層22を得ることができる。これにより製造される波長変換素子11は、各種特性を向上できるだけでなく、切断された波長変換素子11の特性ばらつきを押さえることができる。また、高品質の波長変換素子11を大量に量産することが可能であり、生産性が向上し、製造コストを低減することができる。
【0115】
なお、上述したように接着剤層22の膜厚を1μmより大きく調整することができるが、膜厚が大きくなると接着剤層22の膜厚平行精度が悪くなってしまうため、接着剤層22の膜厚は、20μm以下とすることが好ましい。
【0116】
また、上述の例では、紫外光又は可視光を照射することにより硬化する接着剤を用いたが、熱を加えることで硬化する接着剤であってもかまわない。
【0117】
さらに、接着剤を硬化させるための紫外光又は可視光の照射条件は、メタルハライドランプ、ブラックライト、水銀灯、自然光など既存の光源を用いる方法を利用することができる。具体的に、照射条件は、0.1mW/cm2〜200mW/cm2までの光強度で行うことができるが、上述したように紫外光又は可視光の照射条件を0.1mW/cm2以上、5mW/cm2以下の光強度でメーカの指定する照射量で照射することが望ましい。なお、接着剤の接着強度を向上するために、紫外光又は可視光の照射後に熱硬化工程があってもよい。
【0118】
【発明の効果】
上述した様に本発明では、対向する面の線膨張係数が5ppm以上異なるKTiOPO4又は石英からなる第1の結晶部材とNdをドープしたYVO4からなる第2の結晶部材とを、ガラス転移点が75℃以下とされたアクリル系の接着剤を用いて接着して、接着剤硬化物の屈折率が1.52以下であることを特徴とする光学素子は、熱膨張率の差による応力を接着剤層が緩和するため、第1の結晶部材又は第2の結晶部材からの接着剤層の剥離や、第1の結晶部材又は第2の結晶部材の破壊を抑止することができる。
【0119】
これにより、光学素子の信頼性が向上し、また高出力の入力光に対応することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を適用したレーザポインタの構成を説明するための図である。
【図2】波長変換素子の接着剤層を形成する接着剤の各サンプルの判定結果を説明するための図である。
【図3】波長変換素子の接着剤層を形成する接着剤の各サンプルのうちアクリル系のサンプルを、ガラス転移点Tg順に並べた判定結果を示す図である。
【図4】波長変換素子の接着剤層を形成する接着剤の各サンプルのうちアクリル系のサンプル且つガラス転移点Tgが75℃以下のサンプルを、硬化後の屈折率nD順に並べた判定結果を示す図である。
【符号の説明】
10 半導体レーザ、11 波長変換素子、12 出射レンズ、13 電池、20 第1の結晶部材、21 第2の結晶部材、22 接着剤層、23 第1の選択透過膜、24 第2の選択透過膜、
Claims (13)
- 光源からの出射された所定の波長の光を、上記所定の波長に対して異なる波長に変換して出力する光学素子において、
KTiOPO4又は石英からなる第1の結晶部材と、
NdをドープしたYVO4からなる第2の結晶部材と、
上記第1の結晶部材及び上記第2の結晶部材を接着する接着剤層とを備え、
上記第1の結晶部材及び上記第2の結晶部材は、上記接着剤層を介して互いに対向する面の線膨張係数が5ppm以上異なり、且つ上記接着剤層を介して互いに対向する面が結晶軸を含むように配設され、
上記接着剤層は、ガラス転移点が75℃以下のアクリル系の接着剤に光を照射して当該接着剤が硬化して形成されてなり、硬化後の屈折率が1.52以下であることを特徴とする光学素子。 - 上記接着剤層は、上記接着剤に出力が5mW/cm2以下の紫外光又は可視光を照射することで上記接着剤が硬化して形成されてなることを特徴とする請求項1記載の光学素子。
- 上記接着剤層は、厚さが3μm以上とされていることを特徴とする請求項1記載の光学素子。
- 更に、上記所定の波長に対して異なる波長に変換された光を透過するとともに、波長が変換されなかった光を反射する一対の光学膜を備えることを特徴とする請求項1記載の光学素子。
- 所定の波長の光を出射する光源と、
KTiOPO4又は石英からなる第1の結晶部材と、NdをドープしたYVO4からなる第2の結晶部材と、上記第1の結晶部材及び上記第2の結晶部材を接着する接着剤層とを有し、上記光源から出射された光の波長を上記所定の波長に対して異なる波長に変換して出力する光学素子とを備え、
上記第1の結晶部材及び上記第2の結晶部材は、上記接着剤層を介して互いに対向する面の線膨張係数が5ppm以上異なり、且つ上記接着剤層を介して互いに対向する面が結晶軸を含むように配設され、
上記接着剤層は、ガラス転移点が75℃以下のアクリル系の接着剤に光を照射して当該接着剤が硬化して形成されてなり、硬化後の屈折率が1.52以下であることを特徴とする光出射装置。 - 上記接着剤層は、上記接着剤に出力が5mW/cm2以下の紫外光又は可視光を照射することで上記接着剤が硬化して形成されてなることを特徴とする請求項5記載の光出射装置。
- 上記接着剤層は、厚さが3μm以上とされていることを特徴とする請求項5記載の光出射装置。
- 上記光学素子は、更に、上記所定の波長に対して異なる波長に変換された光を透過するとともに、波長が変換されなかった光を反射する一対の光学膜を有することを特徴とする請求項5記載の光出射装置。
- 更に、上記所定の波長に対して異なる波長に変換されて上記光学素子から出射された光のビーム形状を調整する出射レンズを備えることを特徴とする請求項5記載の光出射装置。
- 光源からの出射された所定の波長の光を、上記所定の波長に対して異なる波長に変換して出力する光学素子の製造方法において、
KTiOPO4又は石英からなる第1の結晶部材とNdをドープしたYVO4からなる第2の結晶部材とを、互いに対向する面の線膨張係数が5ppm以上異なり、且つ上記面が結晶軸を含むように、光学研磨する研磨工程と、
ガラス転移点が75℃以下のアクリル系の接着剤を上記第1の結晶部材又は上記第2の結晶部材の上記面に塗布する塗布工程と、
上記第1の結晶部材及び上記第2の結晶部材を、上記塗布工程で塗布された上記接着剤を介して当接し、上記接着剤に光を照射して当該接着剤を硬化させ、屈折率が1.52以下の接着剤層を形成する接着工程と、
上記接着剤層を介して接着された上記第1の結晶部材及び上記第2の結晶部材を所望のサイズに切断する切断工程とを有することを特徴とする光学素子の製造方法。 - 上記接着工程では、上記接着剤に出力が5mW/cm2以下の紫外光又は可視光を照射することを特徴とする請求項10記載の光学素子の製造方法。
- 上記塗布工程では、上記接着剤層の厚さが3μm以上となるように接着剤を塗布することを特徴とする請求項10記載の光学素子の製造方法。
- 更に、上記切断工程の前段に、上記所定の波長に対して異なる波長に変換された光を透過するとともに、波長が変換されなかった光を反射する一対の光学膜を上記第1の結晶部材及び上記第2の結晶部材の上記面に対して反対側の他の面にそれぞれ成膜する成膜工程を有することを特徴とする請求項10記載の光学素子の製造方法。
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