JP2008102228A - 光学素子および光学素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光学素子の製造作業効率を向上すると共に安定した特性を得る。
【解決手段】波長変換結晶（２）のレーザ光入射面（２ｉ）以外の一面（１２ａ）およびそれに対向する一面（１２ａ）に抵抗率が１０¹²Ω・ｃｍ以下のダミー材基板（３）を貼り付けた後、レーザ結晶（１）のレーザ光出射面（１ｏ）がある面に貼り付ける。
【効果】波長変換結晶（２）とダミー材（３）とを貼り合わせた物をレーザ結晶（１）に貼り合わせるので、貼り合わせ作業が容易になり、製造の作業効率を向上でき、安定した品質で貼り合わせることが出来る。ダミー材（３）に表面電荷が発生せず、表面電荷の分子間力による接着の剥がれが発生せず、表面電荷の静電界が波長変換結晶（２）に悪影響を及ぼすこともなく、安定した特性が得られる。
【選択図】図２

Description

本発明は、光学素子および光学素子の製造方法に関し、さらに詳しくは、製造作業効率を向上できると共に安定した特性が得られる光学素子およびその製造方法に関する。

レーザ結晶と波長変換結晶とを一体化した構造の光学素子およびその製造方法が知られている（特許文献１参照。）。
他方、内部に周期的分極反転構造を有する強誘電体結晶の製造方法が知られている（特許文献２参照。）。
特開２００５−５７０４３号公報 特開２００５−２０８１９７号公報

レーザ結晶と波長変換結晶とを一体化した構造の光学素子では、製造に際して、レーザ結晶のレーザ光出射面と波長変換結晶のレーザ光入射面とを貼り合わせて一体化する作業が必要になる。ここで、レーザ結晶のレーザ光出射面および波長変換結晶のレーザ光入射面の両方とも広い面積とすることが出来れば、貼り合わせる作業に困難はない。
しかし、波長変換結晶のレーザ光入射面が狭い面積となる場合がある。例えば、結晶内に周期的分極反転構造を形成する必要がある波長変換結晶では、周期的分極反転構造の分極反転の周期と分極方向の結晶厚のアスペクト比の制約により、結晶厚を大きくできないため、レーザ光入射面が狭い面積となってしまう。このような場合は、レーザ結晶のレーザ光出射面と波長変換結晶のレーザ光入射面とを貼り合わせて一体化する作業が困難になり、作業効率が悪くなる問題点がある。また、安定した品質で貼り合わせることが困難になり、貼り合わせた面内の場所によって特性が異なったり、光学素子間で特性がばらついたりする問題点がある。
そこで、本発明の目的は、製造作業効率を向上できると共に安定した特性が得られる光学素子およびその製造方法を提供することにある。

第１の観点では、本発明は、板状体であってその一面がレーザ光出射面（１ｏ）であるレーザ結晶（１）と、板状体であってその一面がレーザ光入射面（２ｉ）であり且つ該レーザ光入射面（２ｉ）が前記レーザ光出射面（１ｏ）の一部に貼り付けられた波長変換結晶（２）と、板状体であってその一面（３ｄ）が前記レーザ光出射面（１ｏ）の一部に貼り付けられ且つ別の一面（３ｅ）が前記波長変換結晶（２）の前記レーザ光入射面（２ｉ）以外の一面（２ａ）に貼り付けられ且つ抵抗率が１０¹²Ω・ｃｍ以下のダミー材（３）とを具備したことを特徴とする光学素子（１０）を提供する。

上記第１の観点による光学素子（１０）では、波長変換結晶（２）とダミー材（３）とを貼り合わせた後、レーザ結晶（１）に貼り付けるといった製造方法を採ることが出来る。ここで、周期的分極反転構造の分極反転の周期と分極方向の結晶厚のアスペクト比の制約がレーザ光入射面（２ｉ）以外の一面（２ａ）にはないため、波長変換結晶（２）とダミー材（３）の貼り合わせ面積を大きくすることができ、この貼り合わせ作業は容易である。また、波長変換結晶（２）とダミー材（３）とを貼り合わせた物をレーザ結晶（１）に貼り合わせるが、波長変換結晶（２）とダミー材（３）とを合わせた貼り合わせ面積になるため、波長変換結晶（２）だけをレーザ結晶（１）に貼り合わせる作業に比べて、ずっと貼り合わせ作業が容易になる。よって、製造の作業効率を向上することが出来る。さらに、安定した品質で貼り合わせることが出来るため、貼り合わせた面内の場所によって特性が異なったり、光学素子間で特性がばらついたりする問題点がなくなり、安定した特性が得られる。

ダミー材（３）としては、波長変換結晶（２）と同等の熱膨張係数を持つ材料を用いるのが好ましい。例えば波長変換結晶（２）が定比組成（ストイキオメトリ）または定比組成に近いタンタル酸リチウム基板（ＳＬＴ基板）である場合、ダミー材（３）としてコングルエント（一致溶融）組成のタンタル酸リチウム基板（ＣＬＴ基板）を用いれば、熱膨張係数が等しく、好ましい。
ところが、ＣＬＴ基板は、非常に焦電効果が強い上に抵抗率が１０¹⁵Ω・ｃｍと高抵抗であるため、温度が急変する環境下では大きな焦電荷が表面に発生し、分子間力による接着の剥がれが発生したり、静電界が波長変換結晶（２）に悪影響を及ぼす畏れがある。
そこで、本発明では、ダミー材（３）として抵抗率が１０¹²Ω・ｃｍ以下の材料を用いる。例えば商品名Ｂｌａｃｋ−ＬＴ（株式会社山寿セラミックス）や商品名Ｂｌａｃｋ−ＬＮ（株式会社山寿セラミックス）である。このような材料を用いれば、波長変換結晶（２）と熱膨張係数が等しく、好ましい。そして、温度が急変する環境下で焦電荷が発生しても速やかに中和され表面電荷とならない。よって、分子間力による接着の剥がれが発生せず、静電界が波長変換結晶（２）に悪影響を及ぼすこともなく、安定した特性が得られる。

第２の観点では、本発明は、前記第１の観点による光学素子（１０）において、前記波長変換結晶（２）が、内部に周期的分極反転構造を有する強誘電体結晶であることを特徴とする光学素子（１０）を提供する。
上記第２の観点による光学素子（１０）では、内部に周期的分極反転構造を有する強誘電体結晶を波長変換結晶（２）とするので、周期的分極反転構造の分極反転の周期と分極方向の結晶厚のアスペクト比の制約を受ける。従って、本発明が特に有用になる。

第３の観点では、本発明は、前記第２の観点による光学素子（１０）において、前記強誘電体結晶が、定比組成（ストイキオメトリ）または定比組成に近いタンタル酸リチウムであることを特徴とする光学素子（１０）を提供する。
上記第３の観点による光学素子（１０）では、定比組成（ストイキオメトリ）または定比組成に近いタンタル酸リチウムを用いるので、周期的分極反転構造の形成が容易になる。

第４の観点では、本発明は、前記第３の観点による光学素子（１０）において、前記タンタル酸リチウムのモル分率Ｌｉ₂Ｏ／（Ｔａ₂Ｏ₅＋Ｌｉ₂Ｏ）が０.４９０以上０.５００未満であることを特徴とする光学素子（１０）を提供する。
上記第４の観点による光学素子（１０）では、モル分率Ｌｉ₂Ｏ／（Ｔａ₂Ｏ₅＋Ｌｉ₂Ｏ）が０.４９０以上０.５００未満のタンタル酸リチウムを用いるので、周期的分極反転構造の形成が容易になる。

第５の観点では、本発明は、前記第４の観点による光学素子（１０）において、前記タンタル酸リチウムが、Ｍｇ，Ｚｎ，Ｓｃ，Ｉｎの少なくとも一種類をドープされたものであることを特徴とする光学素子（１０）を提供する。
上記第５の観点による光学素子（１０）では、耐光損傷性が向上が見込まれ、Mgをドープしたものは顕著である。

第６の観点では、本発明は、前記第３から第５のいずれかの観点による光学素子（１０）において、前記ダミー材（３）の材料が、タンタル酸リチウム結晶またはニオブ酸リチウム結晶であることを特徴とする光学素子（１０）を提供する。
上記第６の観点による光学素子（１０）では、波長変換結晶（２）と熱膨張係数が等しくなり、好ましい。

第７の観点では、本発明は、前記第１から前記第６のいずれかの観点による光学素子（１０）において、前記レーザ結晶（１）に前記波長変換結晶（２）および前記ダミー材（３）を接着剤と同じ屈折率のスペーサ（５）を挟んで前記接着剤により貼り付けたことを特徴とする光学素子（１０）を提供する。
接着剤だけであれば、接着剤の厚さがほぼ決まってしまい、エタロン効果を生じることがある。
そこで、上記第７の観点による光学素子（１０）では、スペーサ（５）を挟んで光路長を調整し、エタロン効果を抑制する。

第８の観点では、本発明は、前記第１から前記第６のいずれかの観点による光学素子（１０）において、前記レーザ結晶（１）に前記波長変換結晶（２）および前記ダミー材（３）をオプチカルコンタクトにより貼り付けたことを特徴とする光学素子（１０）を提供する。
上記第８の観点による光学素子（１０）では、オプチカルコンタクト（７）を用いるため、エタロン効果を生じなくなる。

第９の観点では、本発明は、前記第１から前記第８のいずれかの観点による光学素子（１０）において、前記波長変換結晶（２）と前記ダミー材（３）とを接着剤（７）により貼り付けたことを特徴とする光学素子（１０）を提供する。
上記第９の観点による光学素子（１０）では、接着剤を用いるため、オプチカルコンタクト（７）を用いる場合より、作業が容易になる。

第１０の観点では、本発明は、板状体であってその一面がレーザ光入射面（１２ｉ）である波長変換結晶基板（１２）の前記レーザ光入射面（１２ｉ）以外の一面（１２ａ）または該一面（１２ａ）およびそれに対向する一面（１２ａ）に抵抗率が１０¹²Ω・ｃｍ以下の板状体のダミー材基板（１３）を貼り付けて第１複合基板（２１）とし、該第１複合基板（２１）の前記レーザ光入射面（１２ｉ）がある面と板状体であってその一面がレーザ光出射面（１１ｏ）であるレーザ結晶基板（１１）の前記レーザ光出射面（１１ｏ）がある面とを貼り付けて第２複合基板（２２）とし、該第２複合基板（２２）を切断して複数の光学素子（１０）を得ることを特徴とする光学素子の製造方法を提供する。
上記第１０の観点による光学素子の製造方法では、本発明による光学素子（１０）を好適に製造できる。また、複数の光学素子（１０）をまとめて製造できる。

第１１の観点では、本発明は、前記第１０の観点による光学素子の製造方法において、前記波長変換結晶基板（１２）と前記ダミー材基板（１３）とを接着剤により貼り付けて第１複合基板（２１）とすると共に、前記レーザ結晶基板（１１）に前記第１複合基板（３）を接着剤と同じ屈折率のスペーサ（５）を挟んで前記接着剤により貼り付けたことを特徴とする光学素子の製造方法を提供する。
上記第１１の観点による光学素子の製造方法では、前記第７の観点による光学素子（１０）を好適に製造できる。

本発明の光学素子（１０）およびその製造方法によれば、製造の作業効率を向上することが出来る。さらに、安定した特性が得られる。

以下、図に示す実施例により本発明をさらに詳細に説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。

図１は、実施例１に係る光学素子１０を示す斜視図である。
この光学素子１０は、半導体レーザからの励起レーザ光Ｌｉにより励起されて基本波レーザ光を出すレーザ結晶１と、基本波レーザ光の高調波である波長変換レーザ光Ｌｏを出す波長変換結晶２と、波長変換結晶２をサンドイッチ状に挟むダミー材３とを具備している。

波長変換結晶２は、例えば、ＭｇＯをドープした、定比組成（ストイキオメトリ）または定比組成に近いタンタル酸リチウム基板（ＭｇＯドープ定比組成タンタル酸リチウムｊ基板：ＳＬＴ基板）であり、そのモル分率Ｌｉ₂Ｏ／（Ｔａ₂Ｏ₅＋Ｌｉ₂Ｏ）は０.４９以上０.５未満である。
ダミー材３は、抵抗率が１０¹²Ω・ｃｍ以下の基板、例えば商品名Ｂｌａｃｋ−ＬＴ（株式会社山寿セラミックス）基板である。

図２は、光学素子１０の分解斜視図である。
板状体のレーザ結晶１のレーザ光出射面１ｏ一部に、板状体の波長変換結晶２のレーザ光入射面２ｉが貼り付けられる。また、レーザ結晶１のレーザ光出射面１ｏの別の一部に、板状体のダミー材３の一面３ｄが貼り付けられ且つダミー材３の別の一面３ｅが波長変換結晶２のレーザ光入射面２ｉ以外の一面２ａに貼り付けられる。

図３は、光学素子１０の製造手順を示すフロー図である。
ステップＳ１では、図４に示すごとき波長変換結晶大基板３２を作成する。
波長変換結晶大基板３２は、例えば特許文献２に記載の製造方法により製造できる。すなわち、所定サイズの強誘電体結晶大基板３２ａの対向面に周期電極３２ｂとベタ電極３２ｃを形成し、電極間に電圧を印加し、強誘電体結晶大基板３２ａの内部に周期的分極反転構造を形成する。電極の対向方向が分極方向Ｄｐになり、周期電極３２ｂの形状の周期パターン方向が分極反転パターン方向Ｄｒになる。電極は、そのまま残しておいてもよいし、除去してもよい。ダミー材との接着にオプチカルコンタクトを利用する場合には除去する方が望ましい。

強誘電体結晶大基板３２ａの材料は、例えばＳＬＴ基板である。

図３に戻り、ステップＳ２では、分極反転パターン方向Ｄｒの幅が所定の作用長Ｌになるように波長変換結晶大基板３２をダイシング装置で切断し、図５に示すごとき波長変換結晶基板１２を複数得る。例えば、波長変換結晶基板１２の作用長Ｌは２ｍｍ、厚さｄは０.４ｍｍ、分極方向Ｄｐおよび分極反転パターン方向Ｄｒに交差する方向の長さＧは６ｍｍである。
そして、ステップＳ５へ進む。

ステップＳ３では、厚さＷのダミー材大基板と厚さｗのダミー材大基板とを作成する。
ステップＳ４では、波長変換結晶基板１２の作用長Ｌと長さＧに合わせたサイズにダミー材大基板を切断し、図６に示すごときダミー材基板１３−１および１３−２を複数得る。例えば、ダミー材基板１３−１の厚さＷは１ｍｍ、ダミー材基板１３−２の厚さｗは０.５ｍｍである。
そして、ステップＳ５へ進む。

ダミー材は、抵抗率が１０¹²Ω・ｃｍ以下の材料である。また、熱膨張した時の悪影響を抑制するため、熱膨張係数がレーザ結晶１や波長変換結晶２と同程度の材料とするのが好ましい。例えば、商品名Ｂｌａｃｋ−ＬＴ（株式会社山寿セラミックス）基板である。

ステップＳ５では、図７に示すように波長変換結晶基板１２とダミー材基板１３−１とを交互に貼り合わせ、両端にはダミー材基板１３−２を貼り合わせ、第１複合基板２１を作成する。貼り合わせた方向の第１複合基板２１の幅Ｚは例えば７ｍｍである。
貼り合わせの方法は、接着剤を用いてもよいし、オプチカルコンタクトを用いてもよい。

ステップＳ６では、分極反転パターン方向Ｄｒに対向する第１複合基板２１の２面に光学研磨を施し、必要なＡＲ膜あるいはＨＲ膜を成膜する。例えば、２面の一方に基本波に対するＡＲ膜を成膜し、他方にＨＲ膜を成膜する。
そして、ステップＳ１０へ進む。

ステップＳ７では、所定の厚さｈを持つレーザ結晶大基板を作成する。
ステップＳ８では、第１複合基板２１の長さＧと幅Ｚに合わせたサイズにレーザ結晶大基板を切断し、図８に示すごときレーザ結晶基板１１を得る。例えば、レーザ結晶基板１１の厚さｈは１ｍｍである。
レーザ結晶大基板は、例えばＹＡＧ結晶大基板である。

ステップＳ９では、レーザ光が入射または出射するレーザ結晶基板１１の２面に光学研磨を施し、必要なＡＲ膜あるいはＨＲ膜を成膜する。例えば、２面の一方に基本波に対するＡＲ膜を成膜し、他方にＨＲ膜を成膜する。
そして、ステップＳ１０へ進む。

ステップＳ１０では、図８に示すように第１複合基板２１のＡＲ膜を成膜した面とレーザ結晶基板１１のＡＲ膜を成膜した面すなわちレーザ光出射面１１ａとを貼り合わせて第２複合基板２２を作成する。
貼り合わせの方法は、接着剤を用いてもよいし、オプチカルコンタクトを用いてもよい。

ステップＳ１１では、図９に示すように切断線Ｃで第２複合基板２２を切断し、複数の光学素子１０を得る。

実施例１に係る光学素子１０によれば、波長変換結晶２とダミー材３とを貼り合わせた後、レーザ結晶１に貼り付けるといった製造方法を採ることが出来るので、レーザ結晶１への貼り合わせ面積が波長変換結晶２とダミー材３とを合わせた面積になるため、貼り合わせ作業が容易になる。よって、製造の作業効率を向上することが出来る。また、安定した品質で貼り合わせることが出来るため、貼り合わせた面内の場所によって特性が異なったり、光学素子間で特性がばらついたりする問題点がなくなり、安定した特性が得られる。さらに、ダミー材の抵抗率が１０¹²Ω・ｃｍ以下なので、表面電荷が発生せず、表面電荷の分子間力による接着の剥がれが発生せず、表面電荷の静電界が波長変換結晶２に悪影響を及ぼすこともなく、安定した特性が得られる。

また、実施例１に係る光学素子の製造方法によれば、複数の光学素子１０をまとめて容易に製造できる。

図１０および図１１に示すように、レーザ結晶１のレーザ出射面１ｏと、波長変換結晶２のレーザ光入射面２ｉおよびダミー材３の面３ｄとの間に、スぺーサ５を挟んでもよい。
スぺーサ５は、基本波レーザ光を通し且つレーザ結晶１と同程度の熱膨張率を持つ材料とするのが好ましい。

実施例２に係る光学素子１０によれば、スぺーサ５の厚さを適切にすることで、接着剤によるエタロン効果を緩和することが出来る。

（１）波長変換結晶大基板３２として、内部に周期的分極構造を有したＬＴ基板やＬＮ基板、ＭｇＯをドープしたＬＴ基板やＬＮ基板、ＫＴＰ基板も使用できる。
（２）波長変換結晶２がＬＴ基板やＭｇＯをドープしたＬＴ基板の場合は、ダミー材大基板として、例えば商品名Ｂｌａｃｋ−ＬＮ（株式会社山寿セラミックス）基板を用いるのが好ましい。
（３）ダミー基板３を波長変換結晶２の片面だけに貼り合わせてもよい。

実施例1では、第１複合基板21とレーザ結晶基板１１とを貼り合せる前に別々に研磨およびコーティングを行ったが、予め接合面のみを研磨およびコーティングを行い、接合させた後にレーザ結晶基板の励起レーザ入射面側と第１複合基板の波長変換レーザ光の出射面側を研磨およびHRコーティングを施して製造することも可能である。

本発明の光学素子およびその製造方法は、例えばＳＨＧ波長変換技術を用いた半導体励起固体レーザ等に利用できる。

実施例１に係る光学素子を示す斜視図である。 実施例１に係る光学素子を示す分解斜視図である。 実施例１に係る光学素子の製造手順を示すフロー図である。 波長変換結晶大基板を示す斜視図である。 波長変換結晶基板を示す斜視図である。 ダミー材基板を示す斜視図である。 第１複合基板を示す斜視図である。 第１複合基板とレーザ結晶基板の貼り合わせ工程を示す斜視図である。 第２複合基板を示す斜視図である。 実施例２に係る光学素子を示す斜視図である。 実施例２に係る光学素子を示す分解斜視図である。

符号の説明

１ レーザ結晶
１ｏ レーザ光出射面
２ 波長変換結晶
２ｉ レーザ光入射面
３ ダミー材
５ スぺーサ
１０ 光学素子
２１ 第１複合基板
２２ 第２複合基板

Claims (11)

1. 板状体であってその一面がレーザ光出射面（１ｏ）であるレーザ結晶（１）と、板状体であってその一面がレーザ光入射面（２ｉ）であり且つ該レーザ光入射面（２ｉ）が前記レーザ光出射面（１ｏ）の一部に貼り付けられた波長変換結晶（２）と、板状体であってその一面（３ｄ）が前記レーザ光出射面（１ｏ）の一部に貼り付けられ且つ別の一面（３ｅ）が前記波長変換結晶（２）の前記レーザ光入射面（２ｉ）以外の一面（２ａ）に貼り付けられ且つ抵抗率が１０¹²Ω・ｃｍ以下のダミー材（３）とを具備したことを特徴とする光学素子（１０）。
2. 請求項１に記載の光学素子（１０）において、前記波長変換結晶（２）が、内部に周期的分極反転構造を有する強誘電体結晶であることを特徴とする光学素子（１０）。
3. 請求項２に記載の光学素子（１０）において、前記強誘電体結晶が、定比組成（ストイキオメトリ）または定比組成に近いタンタル酸リチウムであることを特徴とする光学素子（１０）。
4. 請求項３に記載の光学素子（１０）において、前記タンタル酸リチウムのモル分率Ｌｉ₂Ｏ／（Ｔａ₂Ｏ₅＋Ｌｉ₂Ｏ）が０.４９０以上０.５００未満であることを特徴とする光学素子（１０）。
5. 請求項４に記載の光学素子（１０）において、前記タンタル酸リチウムが、Ｍｇ，Ｚｎ，Ｓｃ，Ｉｎの少なくとも一種類をドープされたものであることを特徴とする光学素子（１０）。
6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載の光学素子（１０）において、前記ダミー材（３）の材料が、タンタル酸リチウム結晶またはニオブ酸リチウム結晶であることを特徴とする光学素子（１０）。
7. 請求項１から請求項６のいずれかに記載の光学素子（１０）において、前記レーザ結晶（１）に前記波長変換結晶（２）および前記ダミー材（３）を接着剤と同じ屈折率のスペーサ（５）を挟んで前記接着剤により貼り付けたことを特徴とする光学素子（１０）。
8. 請求項１から請求項６のいずれかに記載の光学素子（１０）において、前記レーザ結晶（１）に前記波長変換結晶（２）および前記ダミー材（３）をオプチカルコンタクトにより貼り付けたことを特徴とする光学素子（１０）。
9. 請求項１から請求項８のいずれかに記載の光学素子（１０）において、前記波長変換結晶（２）と前記ダミー材（３）とを接着剤（７）により貼り付けたことを特徴とする光学素子（１０）。
   
10. 板状体であってその一面がレーザ光入射面（１２ｉ）である波長変換結晶基板（１２）の前記レーザ光入射面（１２ｉ）以外の一面（１２ａ）または該一面（１２ａ）およびそれに対向する一面（１２ａ）に抵抗率が１０¹²Ω・ｃｍ以下の板状体のダミー材基板（１３）を貼り付けて第１複合基板（２１）とし、該第１複合基板（２１）の前記レーザ光入射面（１２ｉ）がある面と板状体であってその一面がレーザ光出射面（１１ｏ）であるレーザ結晶基板（１１）の前記レーザ光出射面（１１ｏ）がある面とを貼り付けて第２複合基板（２２）とし、該第２複合基板（２２）を切断して複数の光学素子（１０）を得ることを特徴とする光学素子の製造方法。
11. 請求項１０に記載の光学素子の製造方法において、前記波長変換結晶基板（１２）と前記ダミー材基板（１３）とを接着剤により貼り付けて第１複合基板（２１）とすると共に、前記レーザ結晶基板（１１）に前記第１複合基板（３）を接着剤と同じ屈折率のスペーサ（５）を挟んで前記接着剤により貼り付けたことを特徴とする光学素子の製造方法。