JP2008016833A - Joining method of opttical components, optical component integrated structure, and laser oscillator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光学部材の接合方法、及び該光学部材により構成されたレーザ発振装置に関するものである。 The present invention relates to a method for joining optical members and a laser oscillation device constituted by the optical members.
近年では、レーザ発振装置の小型化、高出力化が要求されている。小型で簡便にレーザを発振するレーザ発振装置として、固体レーザ発振装置があり、斯かる固体レーザ発振装置は複数の光学部材(固体レーザ媒質)から構成されている。又、該光学部材は小型化に伴い、光学部材間は接合により一体化される様になっている。 In recent years, there has been a demand for miniaturization and high output of laser oscillation devices. There is a solid-state laser oscillation device as a compact and simple laser oscillation device that oscillates a laser, and the solid-state laser oscillation device is composed of a plurality of optical members (solid-state laser medium). Further, as the optical member is downsized, the optical members are integrated by bonding.
従来、複数の光学部材の一体化は、光学部材同士を接着剤で接合することで一体化している。又、小型化の一方でレーザ発振装置の高出力化が推進され、高出力化に伴い光学部材により高エネルギのレーザ光線が入射され、光学部材も高温化している。 Conventionally, a plurality of optical members are integrated by joining the optical members with an adhesive. In addition, the laser oscillator has been increased in output while being downsized, and along with the increase in output, a high-energy laser beam is incident on the optical member, and the optical member is also heated.
一般的に、接着剤は光学部材に比べ、レーザ光線に対して、又高温に対して劣化し易い。低出力のレーザ発振装置では、光学部材の一体化に接着剤が用いられていても、レーザ光線のエネルギが低く、又光学部材の温度も低かったので、接着剤の劣化は特に問題とならなかったが、高出力のレーザ発振装置では接着剤の劣化に伴う光学部材の短寿命化が問題となっていた。 In general, the adhesive is more likely to deteriorate with respect to a laser beam and with respect to a high temperature than an optical member. In a low-power laser oscillation device, even if an adhesive is used to integrate the optical members, the energy of the laser beam is low and the temperature of the optical members is low, so the deterioration of the adhesive is not a problem. However, in the high-power laser oscillation device, there has been a problem of shortening the life of the optical member due to deterioration of the adhesive.
尚、光学部材を用い、高出力のレーザ光線を発生する様にしたレーザ発振装置の例としては、特許文献1に示されるものがある。 An example of a laser oscillation apparatus that uses an optical member and generates a high-power laser beam is disclosed in Patent Document 1.
本発明は斯かる実情に鑑み、高出力レーザ光線、或は高温に対しても劣化のない光学部材一体化方法、及び複数の光学部材を一体化したレーザ発振装置を提供するものである。 In view of such circumstances, the present invention provides an optical member integration method that does not deteriorate even with a high-power laser beam or a high temperature, and a laser oscillation device in which a plurality of optical members are integrated.
本発明は、一方の光学部材の接合面に一方の誘電体薄膜を形成するステップと、他方の光学部材の接合面に他方の誘電体薄膜を形成するステップと、前記一方の誘電体薄膜と前記他方の誘電体薄膜とを光の散乱のない接合をさせるステップとを具備し、前記他方の誘電体薄膜と前記一方の誘電体薄膜とを接合することで所定の光学波長特性が得られる光学部材の接合方法に係り、又前記一方の誘電体薄膜と前記他方の誘電体薄膜との接合で形成される誘電体膜は多層膜である光学部材の接合方法に係り、又前記光の散乱のない接合は、オプティカルコンタクトであり、又前記光の散乱のない接合は、拡散接合であり、又前記光の散乱のない接合は、超音波接合である光学部材の接合方法に係るものである。 The present invention includes a step of forming one dielectric thin film on the bonding surface of one optical member, a step of forming the other dielectric thin film on the bonding surface of the other optical member, the one dielectric thin film, An optical member capable of obtaining a predetermined optical wavelength characteristic by bonding the other dielectric thin film and the one dielectric thin film to each other. In addition, the dielectric film formed by joining the one dielectric thin film and the other dielectric thin film relates to the joining method of the optical member which is a multilayer film, and does not scatter the light. The bonding is an optical contact, the bonding without light scattering is diffusion bonding, and the bonding without light scattering relates to a method for bonding optical members that is ultrasonic bonding.
又本発明は、一方の光学部材の接合面に形成された一方の誘電体薄膜と、他方の光学部材の接合面に形成された他方の誘電体薄膜を具備し、前記両光学部材を前記一方の誘電体薄膜と前記他方の誘電体薄膜とを光の散乱のない接合により接合し、前記一方の誘電体薄膜と前記他方の誘電体薄膜とが接合することで、所要の光学波長特性を有する誘電体膜が形成される光学部材一体構造に係り、又前記誘電体膜は多層の誘電体薄膜から構成され、前記一方の誘電体薄膜と前記他方の誘電体薄膜が光の散乱のない接合により接合することで、多層膜の内の1層が形成される光学部材一体構造に係り、又前記誘電体膜は多層の誘電体薄膜から構成され、前記一方の誘電体薄膜と前記他方の誘電体薄膜を光の散乱のない接合により接合し、前記一方の誘電体薄膜と前記他方の誘電体薄膜により多層膜の内の隣接する2層が形成される光学部材一体構造に係り、又前記一方の光学部材は、光源からの励起光により基本光を発するレーザ結晶であり、前記他方の光学部材は前記基本光を波長変換する波長変換結晶であり、前記誘電体薄膜は基本光を透過し、波長変換光を反射する光学部材一体構造に係り、又前記光の散乱のない接合は、オプティカルコンタクトであり、又前記光の散乱のない接合は、拡散接合であり、又前記光の散乱のない接合は、超音波接合である光学部材一体構造に係るものである。 The present invention also includes one dielectric thin film formed on the joint surface of one optical member and the other dielectric thin film formed on the joint surface of the other optical member, wherein the two optical members are connected to the one optical member. The dielectric thin film and the other dielectric thin film are joined together by a joint that does not scatter light, and the one dielectric thin film and the other dielectric thin film are joined to each other, thereby having a required optical wavelength characteristic. The present invention relates to an optical member integrated structure in which a dielectric film is formed, and the dielectric film is composed of a multilayer dielectric thin film, and the one dielectric thin film and the other dielectric thin film are joined by a light scattering-free joint. The present invention relates to an optical member integrated structure in which one of the multilayer films is formed by bonding, and the dielectric film is composed of a multilayer dielectric thin film, the one dielectric thin film and the other dielectric Bonding the thin film by bonding without light scattering, The present invention relates to an optical member integrated structure in which two adjacent layers of a multilayer film are formed by an electric thin film and the other dielectric thin film, and the one optical member emits basic light by excitation light from a light source. The other optical member is a wavelength conversion crystal that converts the wavelength of the fundamental light, and the dielectric thin film is an optical member integrated structure that transmits the fundamental light and reflects the wavelength-converted light. Bonding without scattering is an optical contact, bonding without light scattering is diffusion bonding, and bonding without light scattering relates to an optical member integrated structure that is ultrasonic bonding. is there.
更に又本発明は、光源からの励起光により基本光を発するレーザ結晶と、第3の誘電体膜を介在して前記レーザ結晶に一体化され基本光を波長変換する波長変換結晶と、前記レーザ結晶の入射面に形成された第1の誘電体膜と、前記波長変換結晶の射出面に形成された第2の誘電体膜とを具備し、前記第1の誘電体膜は励起光を透過し、基本光を反射し、前記第3の誘電体膜はレーザ結晶側膜と波長変換結晶側膜とが光の散乱のない接合により接合されて形成され、前記第3の誘電体膜は基本光を透過し、波長変換光を反射し、前記第2の誘電体膜は基本光を反射し、波長変換光を透過する様構成したレーザ発振装置に係り、又前記光の散乱のない接合は、オプティカルコンタクトであり、又前記光の散乱のない接合は、拡散接合であり、又前記光の散乱のない接合は、超音波接合であるレーザ発振装置に係るものである。 Furthermore, the present invention provides a laser crystal that emits fundamental light by excitation light from a light source, a wavelength conversion crystal that is integrated with the laser crystal via a third dielectric film and converts the wavelength of the fundamental light, and the laser. A first dielectric film formed on an incident surface of the crystal, and a second dielectric film formed on an emission surface of the wavelength conversion crystal, wherein the first dielectric film transmits excitation light. The third dielectric film is formed by joining the laser crystal side film and the wavelength conversion crystal side film by a joint that does not scatter light, and the third dielectric film is a basic film. The present invention relates to a laser oscillation device configured to transmit light, reflect wavelength-converted light, and the second dielectric film reflects basic light and transmits wavelength-converted light. The optical contact and the non-scattering junction are diffusion junctions, and Scattered without joining the serial light is according to a laser oscillation apparatus is an ultrasonic bonding.
本発明によれば、一方の光学部材の接合面に一方の誘電体薄膜を形成するステップと、他方の光学部材の接合面に他方の誘電体薄膜を形成するステップと、前記一方の誘電体薄膜と前記他方の誘電体薄膜とを光の散乱のない接合をさせるステップとを具備し、前記他方の誘電体薄膜と前記一方の誘電体薄膜とを接合することで所定の光学波長特性が得られるので、光学部材の接合に接着剤を排除でき、接着剤の劣化に起因する短寿命化を防止できる。 According to the present invention, the step of forming one dielectric thin film on the bonding surface of one optical member, the step of forming the other dielectric thin film on the bonding surface of the other optical member, and the one dielectric thin film And joining the other dielectric thin film without scattering of light, and joining the other dielectric thin film and the one dielectric thin film provides a predetermined optical wavelength characteristic. Therefore, it is possible to eliminate the adhesive for joining the optical members, and it is possible to prevent the shortening of the life due to the deterioration of the adhesive.
又本発明によれば、一方の光学部材の接合面に形成された一方の誘電体薄膜と、他方の光学部材の接合面に形成された他方の誘電体薄膜を具備し、前記両光学部材を前記一方の誘電体薄膜と前記他方の誘電体薄膜とを光の散乱のない接合により接合し、前記一方の誘電体薄膜と前記他方の誘電体薄膜とが接合することで、所要の光学波長特性を有する誘電体膜が形成されるので、光学部材の接合に接着剤を排除でき、接着剤の劣化に起因する短寿命化を防止できる。 According to the invention, there is provided one dielectric thin film formed on the joint surface of one optical member and the other dielectric thin film formed on the joint surface of the other optical member, The one dielectric thin film and the other dielectric thin film are joined by a joint that does not scatter light, and the one dielectric thin film and the other dielectric thin film are joined together to obtain a required optical wavelength characteristic. Therefore, the adhesive can be eliminated for joining the optical members, and the shortening of the life due to the deterioration of the adhesive can be prevented.
又本発明によれば、前記誘電体膜は多層の誘電体薄膜から構成され、前記一方の誘電体薄膜と前記他方の誘電体薄膜が光の散乱のない接合により接合することで、多層膜の内の1層が形成されるので、オプティカルコンタクトは同質の膜同士で行われ、良質の接合状態が得られる。 According to the present invention, the dielectric film is composed of a multilayer dielectric thin film, and the one dielectric thin film and the other dielectric thin film are joined by a joint that does not scatter light. Since one of the inner layers is formed, the optical contact is performed between films of the same quality, and a high-quality bonded state is obtained.
更に又本発明によれば、光源からの励起光により基本光を発するレーザ結晶と、第3の誘電体膜を介在して前記レーザ結晶に一体化され基本光を波長変換する波長変換結晶と、前記レーザ結晶の入射面に形成された第1の誘電体膜と、前記波長変換結晶の射出面に形成された第2の誘電体膜とを具備し、前記第1の誘電体膜は励起光を透過し、基本光を反射し、前記第3の誘電体膜はレーザ結晶側膜と波長変換結晶側膜とが光の散乱のない接合により接合されて形成され、前記第3の誘電体膜は基本光を透過し、波長変換光を反射し、前記第2の誘電体膜は基本光を反射し、波長変換光を透過する様構成したので、光学部材の接合に接着剤を排除でき、高出力レーザ光線による接着剤の劣化を防止でき、安定したレーザ光線の出力が得られると共にレーザ発振装置に長寿命化が図れる等の優れた効果を発揮する。 Furthermore, according to the present invention, a laser crystal that emits basic light by excitation light from a light source, a wavelength conversion crystal that is integrated with the laser crystal through a third dielectric film and converts the wavelength of the basic light, A first dielectric film formed on an incident surface of the laser crystal; and a second dielectric film formed on an emission surface of the wavelength conversion crystal, wherein the first dielectric film is an excitation light. The third dielectric film is formed by joining the laser crystal side film and the wavelength conversion crystal side film by a joint that does not scatter light, and the third dielectric film. Transmits the fundamental light, reflects the wavelength-converted light, and the second dielectric film is configured to reflect the fundamental light and transmit the wavelength-converted light. Adhesive deterioration due to high-power laser beam can be prevented, and stable laser beam output can be obtained. Both exhibit excellent effects such as attained an extended service life to the laser oscillator.
以下、図面を参照しつつ本発明を実施する為の最良の形態を説明する。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
先ず、図1に於いて、本発明が実施されるレーザ発振装置の概略を説明する。 First, referring to FIG. 1, an outline of a laser oscillation apparatus in which the present invention is implemented will be described.
図1はレーザ発振装置1の一例である、1波長発振型のLD励起固体レーザ装置を示している。 FIG. 1 shows an example of a laser oscillation apparatus 1 which is a one-wavelength oscillation type LD-pumped solid-state laser apparatus.
図1中、2は発光部、3は光共振部である。前記発光部2はLD発光器4、集光レンズ5を具備し、更に前記光共振部3は第1の誘電体反射膜7が形成された第1光学結晶(レーザ結晶8)、第2光学結晶(非線形光学結晶(NLO)(2次高調波用波長変換結晶9))、第2の誘電体反射膜11が形成された凹面鏡12であり、前記光共振部3に於いてレーザ光線をポンピングし、共振、増幅して出力している。尚、前記レーザ結晶8としては、Nd:YVO4 等が用いられ、前記2次高調波用波長変換結晶9としてはKTP(KTiOPO4 リン酸チタニルカリウム)等が用いられる。
In FIG. 1, 2 is a light emission part, 3 is an optical resonance part. The
前記発光部2は、例えば波長809nmのレーザ光線を射出する為のものであり、半導体レーザである前記LD発光器4が使用されている。又、該LD発光器4は励起光17を発生させるポンプ光発生装置としての機能を有する。尚、前記発光部2は半導体レーザに限ることなく、レーザ光線を生じさせることができれば、何れの光源手段をも採用することができる。
The
前記レーザ結晶8は励起光17から所定の波長の基本波18を発生させる為のものである。前記レーザ結晶8には、発振線が1064nmのNd:YVO4 が使用される。その他、Nd3+イオンをドープしたYAG(イットリウム アルミニウム ガーネット)等が採用され、YAGは、946nm、1064nm、1319nm等の発振線を有している。又、発振線が700〜900nmのTi(Sapphire)等を使用することができる。
The
前記レーザ結晶8の前記LD発光器4側の端面(入射面)には、前記第1の誘電体反射膜7が形成され、前記レーザ結晶8の射出面には第3の誘電体反射膜13が形成され、前記凹面鏡12には前記第2の誘電体反射膜11が形成されている。
The first
前記第1の誘電体反射膜7は、前記LD発光器4からのレーザ光線(励起光17)に対して高透過であり、且つ前記レーザ結晶8の発振波長(基本波18)に対して高反射となっている。
The first dielectric reflecting
又、前記第3の誘電体反射膜13は、前記基本波18に対して高透過であり、前記2次高調波用波長変換結晶9が変換する2次高調波19(SHG:SECOND HARMONIC GENERATION)に対して高反射となっている。
The third
前記凹面鏡12は、前記レーザ結晶8に対向する様に構成されており、前記凹面鏡12の前記レーザ結晶8側は、適宜の半径を有する凹面球面鏡の形状に加工されており、前記第2の誘電体反射膜11が形成されている。該第2の誘電体反射膜11は、前記基本波18に対して高反射であり、前記2次高調波19に対して高透過となっている。
The
尚、反射膜を構成する誘電材料としては、高屈折材料としてTiO2 (n=2.3〜2.55)等、低屈折材料としてMgF2 (n=1.32〜1.39)等の交互多層膜となっている。 The dielectric material constituting the reflective film includes alternating multilayers such as TiO2 (n = 2.3 to 2.55) as a high refractive material and MgF2 (n = 1.32 to 1.39) as a low refractive material. It is a film.
前記発光部2から直線偏光の励起光17が射出され、該励起光17が前記第1の誘電体反射膜7を透過し前記レーザ結晶8に入射することで前記基本波18が発振され、前記第1の誘電体反射膜7と前記第2の誘電体反射膜11間で前記基本波18がポンピングされ、更に該基本波18が前記2次高調波用波長変換結晶9に入射することで前記2次高調波19が発生する。
The linearly polarized
該2次高調波19は、前記第2の誘電体反射膜11を透過して射出され、又前記第3の誘電体反射膜13で反射され、前記第2の誘電体反射膜11を透過して射出される。尚、前記レーザ結晶8をレーザ光線が透過することで、偏光状態が変るが、前記第3の誘電体反射膜13で反射される前記2次高調波19は、前記レーザ結晶8を通過しないので、偏光状態が維持され、前記光共振部3から直線偏光の2次高調波(レーザ光線)が射出される。
The second harmonic 19 is transmitted through the second dielectric
以上の様に、前記レーザ結晶8の前記第1の誘電体反射膜7と、前記凹面鏡12の前記第2の誘電体反射膜11とを組合せ、前記LD発光器4からのレーザ光線を前記集光レンズ5を介して前記レーザ結晶8にポンピングさせると、該レーザ結晶8の前記第1の誘電体反射膜7と、前記凹面鏡12の前記第2の誘電体反射膜11との間で光が往復し、光を長時間閉込めることができるので、光を共振させて増幅させることができる。
As described above, the first
前記レーザ結晶8の前記第1の誘電体反射膜7と、前記凹面鏡12の前記第2の誘電体反射膜11とから構成された前記光共振部3内に前記2次高調波用波長変換結晶9が挿入されている。該2次高調波用波長変換結晶9にレーザ光線の様に強力なコヒーレント光が入射すると、光周波数を2倍にする2次高調波が発生する。該2次高調波の発生は、SECOND HARMONIC GENERATIONと呼ばれている。従って、前記レーザ結晶8にレーザ光線が入射され、1064nmの基本波18が発振されると、前記レーザ発振装置1からは波長532nmのレーザ光線(グリーンレーザ光線)が射出される。
The wavelength conversion crystal for second-order harmonics is formed in the
図2は、光学部材である前記レーザ結晶8と前記2次高調波用波長変換結晶9とを一体化した光共振部3を示している。図2、図3中、図1中で示したものと同等のものには同符号を付してある。
FIG. 2 shows an
前記レーザ結晶8と前記2次高調波用波長変換結晶9とは第3の誘電体反射膜13を介して光の散乱のない接合による接合法により一体化されている。尚、光の散乱のない接合としては、オプティカルコンタクト(光の散乱のない光学界面の接合)、拡散接合、超音波接合等が含まれる。
The
又、前記レーザ結晶8の入射面には前記第1の誘電体反射膜7が形成され、前記2次高調波用波長変換結晶9の射出面には前記第2の誘電体反射膜11が形成されている。尚、該第2の誘電体反射膜11が前記2次高調波用波長変換結晶9の射出面に形成されたことで、前記凹面鏡12は省略される。
The first
前記レーザ結晶8に入射した前記励起光17は、前記第1の誘電体反射膜7と前記第2の誘電体反射膜11間でポンピングされ、更に前記2次高調波用波長変換結晶9で2次高調波19に発振され、該2次高調波19が前記第2の誘電体反射膜11を透過して射出される。
The
次に、図3を参照して前記レーザ結晶8と前記2次高調波用波長変換結晶9との一体化について説明する。
Next, the integration of the
前記第1の誘電体反射膜7、前記第3の誘電体反射膜13、前記第2の誘電体反射膜11等の誘電膜は、それぞれ所要材質の薄膜が所要の光学波長特性を得る様に多層に成膜され、所要の光学性能が発揮される様になっている。
As for the dielectric films such as the first
例えば、Ta2 O5 とSiO2 とを交互に数十層成膜することで、前記第1の誘電体反射膜7が形成される。尚、図3では該第1の誘電体反射膜7、前記第3の誘電体反射膜13、前記第2の誘電体反射膜11を便宜的に各4層で示している。
For example, the first
仮に前記第3の誘電体反射膜13は薄膜13a,13b,13c,13dによって構成されるとし、前記薄膜13a,13b,13c,13dのいずれか1つの薄膜に境界面が存在し、前記レーザ結晶8と前記2次高調波用波長変換結晶9とは境界面のオプティカルコンタクトにより接合している。
The third
例えば、境界14が前記薄膜13bの中間にあるとすると、前記レーザ結晶8の射出面には前記薄膜13a及び前記薄膜13bの一部である薄膜13b′が成膜され、前記2次高調波用波長変換結晶9の入射面には前記薄膜13bの残りの一部である薄膜13b′′及び前記薄膜13c,13dが成膜される。
For example, if the
前記レーザ結晶8の射出面、前記2次高調波用波長変換結晶9の入射面はオプティカルコンタクト可能な平面度、平面荒さに仕上げられており、更に前記薄膜13b′、前記薄膜13b′′が成膜された後も、オプティカルコンタクト可能な平面度、平面荒さが維持される様にする。
The exit surface of the
前記薄膜13b′の接合面、前記薄膜13b′′の接合面を清浄にし、両薄膜13b′,13b′′を密着させて前記レーザ結晶8と前記2次高調波用波長変換結晶9とを押圧する。
The bonding surface of the
両薄膜13b′,13b′′間のオプティカルコンタクトにより、前記レーザ結晶8と前記2次高調波用波長変換結晶9とが接合される。又、接合した状態では、両薄膜13b′,13b′′によって前記薄膜13bが構成される。尚、両薄膜13b′,13b′′間の接合は、同質材料による接合であり、親和性がよく、又両薄膜13b′,13b′′間の熱膨張差等による剪断も生じない。
The
而して、接合後の両薄膜13b′,13b′′は前記薄膜13bとして機能し、更に前記薄膜13a,13b,13c,13dは前記第3の誘電体反射膜13として機能する。
Thus, the
尚、上記実施の形態では、一層の薄膜の間で接合したが、薄膜と薄膜の境界でオプティカルコンタクトによる接合をしてもよい。例えば、前記薄膜13bと前記薄膜13cとの間で接合してもよい。
In the above-described embodiment, the bonding is performed between the single thin films. However, bonding by optical contact may be performed at the boundary between the thin films. For example, the
又、光を散乱しない接合方法としては、接合面を加熱した状態で押圧する。或は、両薄膜13b′,13b′′間に所要の液体、例えば純水を介在させて両薄膜13b′,13b′′を押圧し、更に加熱することで液体を除去し、オプティカルコンタクトを得る等がある。更に光を散乱しない接合方法としては、拡散接合、或は超音波接合であってもよい。
As a bonding method that does not scatter light, the bonding surface is pressed in a heated state. Alternatively, a required liquid such as pure water is interposed between the
又、前記薄膜13b′の接合面、前記薄膜13b′′の接合面を清浄とする為の洗浄、加えて活性化する為の洗浄方法としては、HF或はOH基を利用した洗浄、超音波振動を利用した洗浄、イオンスパッタを利用した洗浄、プラズマを利用した洗浄等が挙げられる。
As a cleaning method for cleaning the bonding surface of the
1 レーザ発振装置
2 発光部
3 光共振部
4 LD発光器
7 第1の誘電体反射膜
8 レーザ結晶
9 2次高調波用波長変換結晶
11 第2の誘電体反射膜
13 第3の誘電体反射膜
17 励起光
18 基本波
19 2次高調波
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