JP2007508682A - ダイオードポンプマイクロレーザを製造するための高密度方法 - Google Patents
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Abstract
【選択図】 図1
Description
マイクロチップを有用で大量生産可能なデバイスにパッケージするために、レーザ動作に必要な機能および大量用途に伴う低コストを提供しながらも、全レーザ体積を最小化するために役立つパッケージを有することが重要である。一つの好ましい実施態様では、図3に示すように、標準ダイオードTO(トランジスタアウトライン)パッケージを、マイクロ固体レーザを収容するように変更する。例を示すために、図3の付図3Aに「9mmパッケージ」を示すが、これは、この構成がダイオードレーザ産業で用いられる市販ダイオードレーザ製品をパッケージする標準であり、SOT148として知られているからでもある。一般に、このパッケージには、通常、Cu/W合金を用いて製造され、電気リード線6を含む最大外径9mmの台座8が含まれる。図に示した二つのリード線は、通常、金属−ガラス封止によってパッケージ本体から絶縁される。第三のリード線(付図3Aには示されていない)が、本体の接地を提供する。突起4によって台座に取り付けられた取り付けプラットホーム3によって、ダイオード2を取り付けることができる表面5が提供される。通常、突起4は、それを台座に固定する前に、カバー(またはキャップ)9の中心合わせのための円形手段を提供する。いくつかのパッケージでは、ダイオードの能動冷却が必要なら、プラットホーム3は、適当なTEC冷却器を備えてよい。ほとんどの標準パッケージで、カバー9は、ダイオードパッケージを環境から分離し、それによって、あらゆる敏感な内部構造を保護するために気密封止される。ダイオード2によって放出される出力ビーム1が透過できるように、カバーには透明な窓7が埋め込まれる。通常、窓7は、標準的なガラス−金属封止技法を用いて封止されたカバー9に取り付けられる。
本開示に記載される発明の別の最も重要な様相では、マイクロチップ結晶アセンブリおよび製造のコスト扱う。詳しくは、マイクロレーザ中に含まれる結晶アセンブリのサイズおよび製造コストを大幅に引き下げる革新的な方法を説明する。次に、「高密度」技法と総称される技法を説明する。
機械的パッケージング、ゲインモジュールアセンブリおよび製造の様相と同様に、大量生産可能なマイクロレーザ用の共振器設計は、デバイスを製造する全体コストに不可分に結びついている。特に、共振器の設計は、単純でなければならないが、その上で、良好な光学安定性、低ノイズ、許容できる寿命特性で必要な性能を信頼性高く製造することができなければならない。場合によって、マイクロレーザは、STMおよびSLM出力を発生することを期待される。他のもっとゆるやかな要求では、ビームがSTMである必要はないが、低次のモードのことがあり、一方、その他の場合には、SLMではなくSTMが要求される。
300°K近傍で動作すると思われるレーザ遷移
Claims (115)
- 少なくとも一つの活性レーザ媒体を備え、ダイオードレーザによってポンプされ、あるポンピング波長を有し、その結果、前記レーザ媒体があるレーザ発振波長の放射を放出するゲイン結晶アセンブリ、
を含み、
前記ゲイン結晶アセンブリは二つの向かい合うミラーによって定められる共振器空洞の内部に配置され、前記ミラーの少なくとも一つは、前記レーザ発振波長で高い反射率になるように、前記ポンピング波長で高い透過率になるように構成され且つ前記ダイオードレーザの近傍の前記ゲイン結晶アセンブリの表面に直接配置されたコーティングからなり、前記第二のミラーは、前記共振器の出口面を定める出力結合器であり、
前記共振器空洞は、標準TO半導体パッケージ中の前記放出用ダイオードレーザを支持する前記取り付けプラットホームの延長として構成される棚の上に取り付けられるものとする、
小型化された固体レーザパッケージ。 - 前記TOパッケージは、5.6mm、9mm、TO−3およびTO−5からなる群から選ばれる、請求項1に記載の固体レーザパッケージ。
- 前記共振器のパワー出力を安定化させるための手段をさらに含む、前記固体レーザパッケージ。
- 前記パワー安定化は、前記パワー出力を感知するためのフォトダイオードを備えるフィードバック制御ループを用いて実行される、請求項3に記載の固体パッケージ。
- 前記パワー安定化手段は、前記ゲイン結晶アセンブリの温度を制御して調整するための方法を含む、請求項3に記載の固体パッケージ。
- 前記ゲイン結晶アセンブリは、ヒートシンクの中に封入される、請求項1に記載の固体レーザパッケージ。
- 前記ダイオードレーザの前記出力波長を安定化させるための手段をさらに含む、請求項1に記載の固体レーザパッケージ。
- 前記TOパッケージは、外部冷却器の上に取り付けられる、請求項1に記載の固体レーザ。
- 前記ゲイン結晶アセンブリは、二つの素子のコンポジットを含み、そのうち少なくとも一つは、前記活性レーザ材料である、請求項1に記載の小型レーザパッケージ。
- 前記ゲイン結晶アセンブリの前記第二の素子は、非線形媒体である、請求項1に記載のレーザパッケージ。
- 前記活性レーザ素子は、ホスト中にドーピングされた希土類元素を含む、請求項1に記載のレーザパッケージ。
- 前記希土類元素はNdである、請求項11に記載の固体レーザパッケージ。
- 前記非線形素子は、前記レーザ放射の前記二次高調波を発生させるように構成される、請求項10に記載のレーザパッケージ。
- 前記非線形素子は、放射のパラメトリック発生のために構成されコーティングされた、請求項10に記載のレーザパッケージ。
- 前記コンポジットゲインアセンブリは、Nd:YVO4ゲイン結晶とKTP非線形材料との前記組み合わせを含む、請求項9に記載のレーザパッケージ。
- 前記非線形材料は、KTP、LBOまたはKNbO3からなる群の中から選ばれる、請求項10に記載のレーザパッケージ。
- 前記ゲイン結晶アセンブリは、前記活性レーザ材料と二つの非線形結晶とのコンポジットを含む、請求項1に記載の固体レーザパッケージ。
- 前記第一の非線形素子は、二次高調波発生のために構成され、前記二次高調波結晶は、前記レーザ放射の三次または四次高調波を発生させるように構成される、請求項17に記載の固体レーザパッケージ。
- 前記コンポジットゲイン結晶は、二つの活性レーザ材料を含む、請求項1に記載の固体レーザパッケージ。
- 前記ゲイン結晶アセンブリは、接着剤を用いて前記棚に固定される、請求項1に記載の固体レーザパッケージ。
- 前記ゲイン結晶アセンブリは、ハンダを用いて前記棚に固定される、請求項1に記載の固体レーザパッケージ。
- 前記出力結合器ミラーは、前記ポンピングダイオードより遠位のゲイン結晶アセンブリの前記表面の上に直接析出される、請求項1に記載のレーザパッケージ。
- 前記出力結合器ミラーは、前記ゲイン結晶アセンブリから離間され他方の共振器素子と位置合わせされた別個の光学素子を含む、請求項1に記載のレーザパッケージ。
- 前記出力結合器は曲面を有する、請求項23に記載のレーザパッケージ。
- 前記共振器空洞は、平面−平面の安定な構造として構成される、請求項1に記載のレーザパッケージ。
- 前記共振器空洞は、パルス放射を提供するようになっているQスイッチ手段をさらに含む、請求項1に記載のレーザパッケージ。
- 前記Qスイッチは、可飽和吸収体を含む、請求項26に記載のレーザパッケージ。
- 前記Qスイッチは、能動変調子を含む、請求項26に記載のレーザパッケージ。
- 前記ゲイン結晶アセンブリは、少なくとも二つの素子を含む、請求項1に記載の固体レーザパッケージ。
- 前記ゲイン結晶アセンブリの前記二つの素子は、誘電体コーティングされたプレートを含む、請求項29に記載の固体レーザパッケージ。
- 前記素子は、光接着剤を用いて接合される、請求項29に記載の固体レーザパッケージ。
- 前記結晶アセンブリの前記素子は、光接触を用いてボンディングされる、請求項29に記載の固体レーザパッケージ。
- 前記結晶ゲインアセンブリの前記素子は、拡散ボンディングの技法を用いてボンディングされる、請求項29に記載の固体レーザパッケージ。
- 前記ゲイン結晶アセンブリの前記素子は、フレネル反射に起因する損失を通過当り1%未満に低下させる方法を用いて接合される、請求項29に記載の固体レーザパッケージ。
- 前記ゲイン結晶アセンブリは、高密度技法を用いて製造される、請求項1に記載の固体レーザパッケージ。
- 前記ゲイン結晶アセンブリは、研磨されコーティングされた結晶ウエハを複数の小型結晶ゲインモジュールにダイシングすることによって製造される、請求項35に記載の固体レーザパッケージ。
- 前記ゲイン結晶アセンブリを製造するプロセスは、最初に低損失ボンディング技法を用いて前記別々の素子のウエハを接合させる工程の後、コーティングの塗布工程、それに続いて前記コンポジットウエハが、複数の小型結晶ゲインアセンブリにダイシングされる工程によって実行される、請求項1に記載の固体レーザパッケージ。
- 前記ゲイン結晶アセンブリを製造するプロセスは、最初に、接着剤を用いて前記別々の素子のウエハを一緒に接合させてコンポジットウエハにする工程の後、前記コンポジットウエハを干渉計測定レベルの平面に研磨する工程、続いて、コーティングの塗布工程、それに続いて、前記コンポジットウエハが複数の小型結晶ゲインアセンブリにダイシングされる工程によって実行される、請求項1に記載の固体レーザパッケージ。
- 前記ポンプダイオードからの前記パワー出力は、少なくとも250mWである、請求項1に記載の固体レーザパッケージ。
- 前記パワー出力は、基本レーザ放射で少なくとも100mWである、請求項36に記載の固体レーザパッケージ。
- 前記緑色パワー出力は、少なくとも1mWである、請求項14に記載の固体レーザパッケージ。
- 前記共振器空洞は、単一縦モードの出力を供給するようになっている、請求項1に記載の固体レーザパッケージ。
- 前記共振器空洞は、単一横モードの出力を供給するようになっている、請求項1に記載の固体レーザパッケージ。
- 前記パッケージ全体の体積は、1cm3未満である、請求項1に記載の固体レーザ。
- 少なくとも一つの活性レーザ媒体を備え、ダイオードレーザによってポンプされ、あるポンピング波長を有し、その結果、前記レーザ媒体があるレーザ発振波長の放射を放出するゲイン結晶アセンブリ、
を含み、
前記ゲイン結晶アセンブリは、二つの向かい合うミラーによって定められる共振器空洞の内部に配置され、前記ミラーの少なくとも一つは、前記レーザ発振波長で高い反射率になるように、前記ポンピング波長で高い透過率になるようにコーティングされ且つ前記第二のミラーは、前記共振器の出口面を定める出力結合器であり、
前記固体レーザパッケージは、約1cm3より小さい体積を有する
小型化された固体レーザパッケージ。 - 前記パッケージは、前記ゲイン結晶アセンブリを保持するように適合させて構成された半導体レーザTOパッケージである、請求項45に記載の固体レーザパッケージ。
- 前記ゲイン結晶アセンブリの温度を制御して調節するための手段を備える、請求項45に記載の固体パッケージ。
- 前記温度を制御して調節するための前記手段はTECを含む、請求項47に記載の固体パッケージ。
- 前記ゲイン結晶アセンブリは、ヒートシンクの中に封入される、請求項45に記載の固体レーザパッケージ。
- 前記ゲイン結晶アセンブリは、二つの素子のコンポジットを含み、そのうち少なくとも一つは、前記活性レーザ材料である、請求項45に記載の小型レーザパッケージ。
- 前記ゲイン結晶アセンブリの前記第二の素子は、非線形媒体である、請求項45に記載のレーザパッケージ。
- 前記活性レーザ素子は、Ndをドーピングされたレーザホストを含む、請求項45に記載のレーザパッケージ。
- 前記非線形素子は、前記レーザ放射の前記二次高調波を発生させるように構成される、請求項51に記載のレーザパッケージ。
- 前記コンポジットゲインアセンブリは、Nd:YVO4ゲイン結晶とKTP非線形材料との前記組み合わせを含む、請求項51に記載のレーザパッケージ。
- 前記非線形材料は、KTP、LBOまたはKNbO3からなる群の中から選ばれる、請求項51に記載のレーザパッケージ。
- 前記ゲイン結晶アセンブリは、前記活性レーザ材料と二つの非線形結晶とのコンポジットを含む、請求項45に記載の固体レーザパッケージ。
- 前記コンポジットゲイン結晶は、二つの活性レーザ材料を含む、請求項45に記載の固体レーザパッケージ。
- 前記出力結合器ミラーは、前記ポンピングダイオードより遠位のゲイン結晶アセンブリの前記表面の上に直接析出される、請求項45に記載のレーザパッケージ。
- 前記出力結合器ミラーは、前記ゲイン結晶アセンブリから離間され位置を合わせられた別個の光学素子を含む、請求項45に記載のレーザパッケージ。
- 前記出力結合器は曲面を有する、請求項59に記載のレーザパッケージ。
- 前記共振器空洞は、平面−平面の安定な構造として構成される、請求項45に記載のレーザパッケージ。
- 前記共振器空洞は、パルス放射を供給するようになっているQスイッチ手段をさらに含む、請求項45に記載のレーザパッケージ。
- 前記Qスイッチは、可飽和吸収体を含む、請求項62に記載のレーザパッケージ。
- 前記Qスイッチは、能動変調子を含む、請求項62に記載のレーザパッケージ。
- 前記ゲイン結晶アセンブリは、少なくとも二つの素子を含む、請求項45に記載の固体レーザパッケージ。
- 前記ゲイン結晶アセンブリの前記素子は、フレネル反射に起因する損失を通過当り1%未満に低下させる低損失方法を用いて接合される、請求項65に記載の固体レーザパッケージ。
- 前記ゲイン結晶アセンブリは、高密度技法を用いて製造される、請求項45に記載の固体レーザパッケージ。
- 前記ゲイン結晶アセンブリは、ウエハをボンディングし、続いてウエハを研磨し、コーティングし、複数の小型結晶ゲインモジュールにダイシングすることによって製造される、請求項45に記載の固体レーザパッケージ。
- 前記ポンプダイオードからの前記パワー出力は、少なくとも250mWである、請求項45に記載の固体レーザパッケージ。
- 前記パワー出力は、少なくとも100mWである、請求項45に記載の固体レーザパッケージ。
- 前記パワー出力は、少なくとも20mWの可視光である、請求項45に記載の固体レーザパッケージ。
- 前記共振器空洞は、単一縦モードの出力を供給するようになっている、請求項45に記載の固体レーザパッケージ。
- 前記共振器空洞は、単一横モードの出力を供給するようになっている、請求項45に記載の固体レーザパッケージ。
- ヒートシンクプラットホーム上に取り付けられ、第一の波長の放射を放出するダイオードレーザ、
前記第一の波長でポンプされ、第二の波長を放出するように構成された固体レーザマイクロチップアセンブリ、
を含み、
前記マイクロチップアセンブリは、第一の入力ミラーと第二の出力結合ミラーとによって定められる共振器の内部に配置され、
前記固体レーザマイクロチップアセンブリおよび周囲の共振器ミラーは、前記ダイオードレーザを支持する前記ヒートシンクプラットホーム構造体の近傍にあり、前記ヒートシンクプラットホーム構造体から突き出している棚の上に取り付けられている
改良型半導体高熱負荷(HHL)パッケージ。 - 前記共振器の前記パワー出力を安定化させるための手段をさらに含む、請求項74に記載の改良型HHLパッケージ。
- 前記パワー安定化は、前記パワー出力を感知するためのフォトダイオードを含むフィードバック制御ループを用いて実行される、請求項75に記載の改良型HHLパッケージ。
- 前記パワー安定化手段は、前記ゲイン結晶アセンブリの温度を制御して調節するための方法を含む、請求項74に記載の改良型HHLパッケージ。
- 前記マイクロチップアセンブリは、ヒートシンクの中に取り付けられる、請求項74に記載の改良型HHLパッケージ。
- 前記ゲイン結晶アセンブリを低温に冷却するための手段をさらに含む、請求項74に記載の改良型HHLパッケージ。
- 前記マイクロチップアセンブリは、少なくとも二つの素子のコンポジットを含み、そのうち少なくとも一つは、前記活性レーザ材料である、請求項74に記載の改良型HHLレーザパッケージ。
- 前記マイクロチップアセンブリの第二の素子は、非線形素子である、請求項80に記載の改良型HHLパッケージ。
- 前記マイクロチップアセンブリは、前記活性レーザ材料と二つの非線形結晶とのコンポジットを含む、請求項74に記載の改良型HHLレーザパッケージ。
- 前記第一の非線形素子は、二次高調波発生のために構成され、前記二次高調波結晶は、前記レーザ放射の三次または四次高調波を発生させるように構成される、請求項82に記載の改良型HHLパッケージ。
- 前記出力結合器ミラーは、前記ゲイン結晶アセンブリから離間され前記他方の共振器素子と位置合わせされた別個の光学素子を含む、請求項74に記載の改良型HHLパッケージ。
- 前記共振器空洞は、パルス放射を供給するようになっているQスイッチ手段をさらに含む、請求項74に記載の改良型HHLパッケージ。
- 前記Qスイッチは、能動変調子を含む、請求項25に記載の改良型HHLパッケージ。
- 前記コンポジットマイクロチップアセンブリの前記素子は、フレネル反射に起因する損失を通過当り1%未満に低下させる方法を用いて接合される、請求項80に記載の改良型HHLパッケージ。
- 前記マイクロチップアセンブリは、高密度技法を用いて製造される、請求項74に記載の改良型HHLパッケージ。
- 前記マイクロチップアセンブリは、製造されコーティングされた結晶ウエハを複数の小型マイクロチップにダイシングすることによって製造される、請求項74に記載の改良型HHLパッケージ。
- 前記ポンプダイオードの前記パワーは、少なくとも2Wである、請求項74に記載の改良型HHLパッケージ。
- 少なくとも0.5Wの基本レーザ放射のパワー出力を発生するようになっている、請求項74に記載の改良型HHLパッケージ。
- 少なくとも200mWの可視域のパワー出力を発生するようになっている、請求項74に記載の改良型HHLパッケージ。
- 少なくとも50mWの紫外域のパワー出力を発生するようになっている、請求項74に記載の改良型HHLパッケージ。
- 前記共振器空洞は、単一縦モードの出力を供給するようになっている、請求項74に記載の改良型HHLパッケージ。
- 前記共振器空洞は、単一横モードの出力を供給するようになっている、請求項74に記載の改良型HHLパッケージ。
- 固体マイクロレーザを、改良型半導体レーザパッケージの中にパッケージする方法であって、
前記半導体レーザパッケージを封止する前記キャップを取り去ること、
前記半導体レーザを支持する前記取り付けプラットホームから棚を突き出させること、
少なくとも一つのゲイン素子と二つのミラーとを含む小型ゲイン結晶共振器アセンブリを、前記棚の上に取り付けること、
前記ゲイン結晶を安定にポンプするように、前記半導体レーザを位置合わせすること、
前記ゲイン結晶共振器アセンブリを前記棚の上に接合すること、
前記ゲイン結晶共振器からの前記出力放射に対して透明な出力窓を含む変形キャップを製造すること、
なお、前記キャップ長さは、前記半導体レーザプラットホームと、前記ゲイン結晶共振器アセンブリを支持する前記突き出された棚との合計の長さを収容するように選ばれ、
前記パッケージを封止するために、前記変形キャップを戻すこと
を含む方法。 - 前記半導体レーザパッケージは、TOパッケージである、請求項96に記載の方法。
- 前記半導体レーザパッケージは、HHLパッケージである、請求項96に記載の方法。
- 前記ゲイン結晶アセンブリは、TECを用いて冷却される、請求項96に記載の方法。
- 前記半導体レーザは、ブラッグ回折格子を用いて波長安定化される、請求項96に記載の方法。
- 前記ゲイン結晶アセンブリは、少なくとも二つの素子のコンポジットを含む、請求項96に記載の方法。
- 前記共振器ミラーの少なくとも一つは、前記半導体レーザの近傍の前記ゲイン結晶アセンブリの前記表面に塗布されたコーティングを含む、請求項96に記載の方法。
- 前記レーザ結晶アセンブリを前記棚へ接合させることは、接着剤を用いて実行される、請求項96に記載の方法。
- 前記レーザ結晶アセンブリを前記棚に接合させることは、ハンダ付けすることを含む、請求項96に記載の方法。
- 前記レーザ結晶ゲインアセンブリは、大口径ウエハからダイシングすることによって製造される、請求項96に記載の方法。
- 前記出力窓は、前記出力波長でARコーティングされる、請求項96に記載の方法。
- 前記ゲイン材料の前記長さは、前記半導体レーザ放射を最大吸収するように選ばれる、請求項96に記載の方法。
- 結果として得られる固体マイクロレーザパッケージは、約1立方センチメートルより小さな体積を有する、請求項96に記載の方法。
- 少なくとも一つの出力波長を供給するように設計された小型固体レーザを大量生産するための方法であって、
少なくとも一つの活性レーザゲイン材料を含むウエハコンポジットを製造し、研磨する工程、
前記少なくとも一つの出力波長で、損失を最小化し、選ばれた反射または透過の性質を提供するように、前記ウエハにコーティングする工程、
前記ウエハを、複数の使用可能なマイクロチップ結晶ゲインアセンブリにダイシングする工程、
改良型半導体レーザパッケージ中の各結晶ゲインアセンブリを、前記半導体レーザ取り付けプラットホームから突き出ている棚の上に取り付ける工程、
前記結晶ゲインアセンブリをポンプするために、前記半導体レーザからの前記出力を用いる工程、
前記出力波長を最適化するために、前記結晶ゲインアセンブリを位置合わせする工程、および
前記結晶ゲインアセンブリを前記棚に固定する工程
を含む方法。 - 前記ウエハコンポジットは、二次非線形光学素子を含む、請求項109に記載の方法。
- 前記ウエハコンポジットは、前記出力波長に透明な接着剤を用いる接合プロセスによって製造される、請求項110に記載の方法。
- 前記ウエハコンポジットは、光接触プロセスを用いて製造される、請求項109に記載の方法。
- 前記ウエハコンポジットは、拡散ボンディングプロセスを用いて製造される、請求項109に記載の方法。
- 前記結晶ゲインアセンブリを支持する前記棚の上に、少なくとも一つの新たな光学素子が取り付けられる、請求項109に記載の方法。
- 前記光学素子は、出力結合器ミラーである、請求項114に記載の方法。
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