JP2009147205A - 導波路型固体レーザ媒質および導波路型レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 レーザ媒質とヒートシンクとの接合部分を適切に制御し、所望の熱レンズ効果により、安定したレーザ発振が可能なモード制御導波路型レーザ装置を得ることを目的とする。
【解決手段】 一面側にレーザの光軸Ｃ方向に平行に延びる複数の第１突起４が所定の周期で配置されたレーザ媒質１と、第１突起４のそれぞれとはんだによって接合される複数の第２突起３が形成されたヒートシンク２と、を備え、複数の第２突起３のそれぞれは、側面部３ｓにはんだに濡れにくい第１の表面を露出する第１の層３２を有するとともに、第１突起４と対向する上面部３ｔにはんだに濡れやすい第２の層３１を有し、はんだに濡れやすい第２の層３１は、その端部３ｃが側面部３ｓに近づくほど第１突起４との間隔が広がるような曲線状に形成されるとともに、はんだに濡れにくい第１の表面を露出する第１の層３２の上端部まで延在するように構成した。
【選択図】 図４

Description

本発明は、プリンタやプロジェクションテレビの光源に好適な導波路型レーザ装置および該レーザ装置に用いられる導波路型固体レーザ媒質に関するものである。

プリンタやプロジェクションテレビでは、光源としてＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３色の光源が要求される。これら光源として、900ｎｍ帯、1μｍ帯、1.3μｍ帯のレーザ光を基本波レーザ光として、非線形材料を用いて第２高調波を発生する波長変換レーザ装置が開発されている。波長変換レーザ装置において、基本波レーザから第２高調波レーザ光への高い変換効率を実現するためには、非線形材料上の基本波レーザ光のパワー密度を高くすること、および、波面収差の少ない高輝度なレーザ光が要求される。

このような波長変換レーザ装置を実現する方法として、半導体レーザと、光軸に垂直な方向に周期的なレンズ効果を発現する導波路型固体レーザ媒質と、非線形材料とを備えたモード制御導波路型レーザ装置が開発されている（例えば、特許文献１参照）。

上記のような導波路型固体レーザ媒質では、レーザ媒質に周期的な熱レンズ効果を発現させるために、レーザ媒質を所定間隔の線状部分から冷却できるようにヒートシンクに接合している。具体的には、前記ヒートシンクの表面には光軸方向に平行で等間隔に配置された線状の金属突起（以下第２突起と称する）が形成され、レーザ媒質表面にも前記各第２突起に対応して線状の金属突起（以下第１突起と称する）が形成され、前記各第２突起と対応する第１突起とをはんだで接合している。

そして、半導体レーザで励起された光がレーザ媒質にはいると熱が発生し、発生した熱は、はんだで接合された第１突起と第２突起と（両者を接合したものを金属突起部と称する）を通してヒートシンクに排熱される。このとき、金属突起部はレーザ媒質の平面上で等間隔に設けられており、金属突起部間の中心は温度が最も高く、ヒートシンクと直接接合されている金属突起部の温度が最も低くなる。このようにレーザ媒質内に温度差が発生することにより、光軸に垂直な方向のレーザ媒質内の屈折率が変化して熱レンズ効果が発揮される。このレーザ媒質内の温度差で発生する熱レンズ効果により、レーザ媒質の端面と非線形材料の端面の間で反射して発生するレーザ発振を安定させることができる。

熱レンズ効果によるレーザ発振を安定させるためには、レーザ媒質内に所望の温度差を発生させる必要がある。所望の温度差を実現するには、金属突起部を介した排熱量を適切に制御することが必要である。排熱量は伝熱の法則から、レーザ媒質とヒートシンク間を接続する金属突起部の熱伝導係数と、レーザ媒質とヒートシンク間の温度差と金属突起部の幅（長さが一定として断面積）と高さおよび材料で決まる。したがって、金属突起部を熱伝導のよい材料で構成することと、金属突起部の幅と高さを設計値とおりに制御することが重要である。

ここで、金属突起部は上述したようにヒートシンク上に形成された第２突起とレーザ媒質上に形成された第１突起とをはんだで接合したものであり、はんだ接合を安定させることが実質的に金属突起部の排熱量を制御することになる。そこで、従来から半導体素子において、はんだ接合を安定させるために考案された構成を適用することが考えられる。例えば、はんだの接合面をＮｉ合金、Ｐｄ合金、Ａｕ膜等のはんだに濡れる材料で覆い、接合強度を安定させる構成（例えば、特許文献２参照）が提案されている。しかし、このような構成を導波路型レーザ装置に適用すると、はんだが金属突起部の側面に濡れ広がり、金属突起部の実質断面積が大きくなる、あるいは、接合部分に留まるはんだの量が不足して金属突起表面の凹凸を吸収できなくなることがある。そのため、金属突起部の熱伝達係数を制御することができず、所望の熱レンズ効果を得ることが困難となる問題がある。

そこで、例えば、突起部分をはんだに濡れる上面とはんだに濡れにくい側面で形成することにより、側面へのはんだの濡れ広がりを防止する構成（例えば、特許文献３参照）が提案されている。

ＷＯ２００６／１０３７６７号公報（段落００１７、図１） 特開２００４−５５６２４号公報（段落００２２、図１） 特開２００７−７３６１７号公報（段落００３０、図１）

しかしながら、上記のような構成を適用した場合、第２突起上に付着させたはんだのうち、余剰なはんだが接合時に金属突起部周辺にはみ出す。その場合、第２突起の側面がはんだに濡れにくい金属で形成されているため、はみ出たはんだは第２突起の端面ではんだボールになる。はんだボールがレーザ媒質上のクラッド層に接触すると、はんだボールがヒートシンクとして作用し、金属突起部間中央での温度上昇を妨げる。そのため、所望の熱レンズが得られなくなる問題があった。あるいは、はんだボールが金属突起部から剥離して、金属突起部間の空間内を移動し、レーザ媒質の端面に付着して、レーザ媒体と半導体レーザまたは非線形材料との光軸合せを阻害する要因になるという問題があった。

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、レーザ媒質とヒートシンクとの接合部分を適切に制御し、所望の熱レンズ効果により、安定したレーザ発振が可能な導波路型固体レーザ媒質およびそれを用いた導波路型レーザ装置を得ることを目的とする。

本発明にかかる導波路型固体レーザ媒質は、一面側にレーザの光軸と平行に延びる複数の第１突起が前記光軸に垂直な方向に所定の周期で配置されたレーザ媒質と、前記第１突起のそれぞれとはんだによって接合される複数の第２突起が、前記レーザ媒質の面と対向する面側に形成されたヒートシンクと、を備え、前記複数の第２突起のそれぞれは、前記レーザの光軸と平行に延び、前記光軸に垂直な断面形状において、少なくとも側面部にはんだに濡れにくい第１の表面を露出する第１の層を有するとともに、前記第１突起と対向する上面部にはんだに濡れやすい第２の層を有し、前記はんだに濡れやすい第２の層は、前記光軸に垂直な断面形状において、その端部が前記側面部に近づくほど前記第１突起との間隔が広がるような曲線状に形成されるとともに、前記はんだに濡れにくい第１の表面を露出する第１の層の上端部まで延在するものである。

また、本発明にかかる導波路型レーザ装置は、基本波レーザ光を発振する半導体レーザと、前記半導体レーザからの基本波レーザ光が前記光軸方向における一方の端面から入射し、入射した基本波レーザ光に対して利得を発生させて他方の端面から発振する上記導波路型固体レーザ媒質と、前記導波路型固体レーザ媒質から発振された基本波レーザ光が前記光軸方向における一方の端面から入射し、第２高調波レーザ光に変換して他方の端面から出力する非線形材料と、を備えたものである。

本発明によれば、ヒートシンクの表面には、光軸方向に延び、光軸に垂直な断面において側面部にはんだに濡れにくい表面を露出しており、レーザ媒質と対向する上面部は端部が側面部に近づくほどレーザ媒質との間隔が広がるような曲線状で形成され、はんだに濡れにくい表面部分の上端部まで覆うはんだに濡れる第２の層と、を有する突起を備えたことにより、レーザ媒質とヒートシンクとの接合部分との断面積を適切に制御でき、所望の熱レンズ効果により、安定したレーザ発振が可能な導波路型固体レーザ媒質、および導波路型レーザ装置を得ることができる。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１にかかるモード制御導波路型レーザ装置の導波路型固体レーザ媒質を示す斜視図である。また、図２は導波路型固体レーザ媒質の図１におけるII−II線における断面図である。図において、レーザ媒質１は平板状をなし、一方の面（図中上）には支持板６が接着され、他方の面（図中下側）にはクラッド層７が形成されている。そして、クラッド層７の表面にはレーザ（図示せず）の発振方向（光軸C方向）と平行に延びる線状の第１突起４である金属突起が光軸Ｃ方向に対して垂直な方向に一定間隔で複数並ぶように形成されている。また、レーザ媒質１と後述する方法で接合されて一体となるヒートシンク２の表面（図中下側であって、レーザ媒質１に対向する面）には、金属膜２１が形成され、さらに金属膜２１上にはレーザ媒質１に接合されたクラッド７上に形成された複数の第１突起４のそれぞれに対応するように第２突起３である金属突起が形成されている。そして各第２突起３と第１突起４間はあらかじめ各第２突起３の表面に形成させたはんだ５を用いて接合している。なお、本実施の形態の説明では簡略化のため、図では第１突起４および第２突起３をそれぞれ４つずつ有する場合について記載しているが、この記載に限定されないことは言うまでも無い。

本発明にかかる実施の形態１における導波路型固体レーザ媒質は、第２突起３の第１突起４との接合部分の構造に特徴があるが、その部分の説明の前に、レーザ媒質１とヒートシンク２との接合について説明する。

図２に示すように、レーザ媒質１とヒートシンク２は光軸Ｃに対して垂直な方向において一定間隔で配置された各第２突起３と第１突起４とをはんだ５で接合することにより、隣接した金属突起部（第２突起３と第１突起とをはんだで接合したものをいう）間に空間が形成される。レーザ媒質１で発生した熱は金属突起部を経由して、ヒートシンク２に排熱される。このとき、上述したようにレーザ媒質１内において、金属突起部間の中心で温度が最も高く、ヒートシンク２と直接接合されている金属突起部の温度が最も低くなるように温度差が発生する。これにより、光軸に垂直な方向のレーザ媒質１内の屈折率が変化して周期的な熱レンズ効果が発揮される。したがって、金属突起部を通じての排熱量を所望の値に設定することは、効率のよい熱レンズを形成する上で重要である。

所望の排熱量をうるためには、第２突起３と第１突起４とが接合して形成される金属突起部内の排熱方向に垂直な断面積を設計とおりに制御することが不可欠である。そのためには、第２突起３と第１突起４との接合の際に、溶融するはんだ５によって金属突起部の断面積を変化させないことが重要であり、とくにはんだのはみ出しによって断面積を大きくさせないようにする必要がある。

第１突起４と第２突起３をはんだにより簡便に低コストで接合する方法としては、予め第２突起３上にはんだ５を形成しておき、熱圧着することにより第２突起３／第１突起４間を直接はんだ５で接合する方法がある。図３はその接合方法によるレーザ媒質１（厳密にはレーザ媒質の一面に接合されたクラッド７）とヒートシンク２の接合方法を示す。レーザ媒質１の表面に形成されたタンタル酸化物からなるクラッド層７の全面にはＣｒ層（図示せず）が形成され、第２突起３と接合する位置に第１突起４が形成されている。なお、第１突起４ははんだ５により接合できる金属材料であればよく、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｃｕ、などを用いる。また第１突起４の表面には接合前に酸化しないように数十ｎｍの薄いＡｕを形成しておいてもよい。第１突起４の厚さは数百ｎｍである。レーザ媒質１としては、ＧｄＶＯ₄、ＹＶＯ₄などが用いられる。

つぎに、金属突起部の詳細構造について図４を用いて説明する。図４はヒートシンク２とレーザ媒質１とを接合するときの金属突起部の状態を示すために導波路型固体レーザ媒質の一部分を拡大表示したもので、図４（ａ）は図３における接合前の第２突起３の構造を示す断面図、図４（ｂ）は図３における接合前の第１突起４の構造を示す断面図、図４（ｃ）は図３における接合時の金属突起部の構造を示す断面図である。

図４（ａ）に示すように、ヒートシンク２の表面には、レーザの光軸Ｃと平行に延びる線状で、光軸Ｃに垂直な断面においてレーザ媒質１と対向する上面部３ｔは、端部３ｃ（側面部３ｓとの境界に当たる部分）がそれぞれ隣接する側面部３ｓに近づくにつれ下がっていくような曲線状で形成された第２突起３が形成されている。第２突起３は、少なくとも側面がはんだに濡れにくい金属層３２とはんだに濡れやすい層３１が積層された構成となっており、光軸Ｃに垂直な断面形状において側面３ｓの下側（ヒートシンク側）に少なくとも表面がはんだに濡れにくい金属層３２が露出し、左右の端部３ｃを含む上面部３ｔ全体が、つまり、はんだに濡れにくい金属層３２の幅よりも広い上面部３ｔ全体がはんだに濡れやすい層３１で覆わるようになっている。そして、はんだに濡れやすい層３１の表面には、はんだ５が形成されている。

また、第２突起３の光軸Ｃに垂直な断面形状は、ほぼ方形であるが、後述する形成方法により、厳密には下側が狭く上側（レーザ媒質１と対向する側）が広い逆台形となっている。したがって、曲線状の端部３ｃは厳密には幅（光軸Ｃに垂直でレーザ媒質１と対向する面方向での長さ）が最大となる部分から上側を指すことになる。しかし、本実施の形態１においては、はんだに濡れやすい層３１は、はんだに濡れやすい層３１の厚み以下の範囲で、幅が最大となる部分よりやや下側の部分も覆っている。なお、はんだに濡れやすい層３１は、幅が最大となる部分より上側全体を覆うようにする、つまり、はんだに濡れやすい層３１の幅を、はんだに濡れにくい金属層３２の幅と同一になるように構成してもよい。

ヒートシンク２には、Ａ：表面平坦性がよい、Ｂ：レーザ媒質１と熱膨張がほぼ同じ、Ｃ：熱伝導がよい、の３つの性能を満足する材料としてＳｉウエハを用いているが、ＡｌＮなどのセラミック基板を用いてもよい。また、側面がはんだに濡れにくい層３２の材料としては、ＣｕとＮｉの積層材とし、ヒートシンク２の表面に設けた金属膜２１を電極として、電気めっきによって形成した。形成したＣｕとＮｉの積層材は、表面が酸化されることにより、少なくとも露出した側面部分ははんだに濡れにくいものとなる。なお、はんだに濡れにくい材料としては、例えば熱伝導のよいＳｉなどの無機物を用いてもよい。はんだに濡れやすい層３１は、酸化物を形成せず熱伝導のよい材料としてＡｕを用いているが、Ｐｔなどを用いてもよい。はんだ５には、ＡｕＳｎまたはＳｎＣｕ、ＳｎＡｇＣｕなどのＳｎ系のはんだを用いた。

レーザ媒質１としては、平板状のＧｄＶＯ₄、ＹＶＯ₄などが用いられ、その一面（図中下側でヒートシンク２に対向する面）は、図４（ｂ）に示すようにクラッド層７で覆われている。そして、クラッド層７上には、第２突起３の配置に対応し、厚さ数百ｎｍで、第２突起３と同じ幅（光軸Ｃおよび厚さ方向に対して垂直な方向）で、表面が平坦な第１突起４が形成されている。なお、図示しないが、第１突起４の表面には接合前に酸化しないように数十ｎｍの薄いＡｕを形成しておいてもよい。なお、図では簡略化のため支持板６の記載を省略している。

上記のような構成のレーザ媒質１とヒートシンク２とを、レーザ媒質１の第１突起４とヒートシンク２の第２突起３との位置を合わせるようにセッティングして加熱圧着する。加熱圧着すると、図４（ｃ）に示すように第２突起３上のはんだ５が溶融し、第１突起４とが接合される。

上述したように、第２突起３の光軸Ｃに垂直な断面において、側面部に近づくほど下がるような曲線状の端部３ｃを含む上面部３ｔ全体がはんだに濡れやすい層３１によって覆われており、この曲線は接合の際には側面部に近づくほど第１突起との間隔が広がるようになる。接合時の加熱によって、第２突起３上のはんだ５が溶融すると、加圧によって第２突起３と第１突起４間の空間面積が小さくなり、余剰となったはんだ５ｒは第１突起４の表面とはんだに濡れやすい層３１との間を流動し、第２突起３の境界部３ｃと平坦な第１突起４とをつきあわせた時にできる隙間３４（光軸Ｃに垂直な断面形状において第２突起３の幅が最大となる部分より上側となる曲線状の端部３ｃと第１突起４の第２突起３に対向する面との間の隙間）を埋めるように溜まる。また、余剰のはんだ５ｒは、第２突起３の幅が最大となる部分より下側の少なくとも側面がはんだに濡れにくい層３２が露出する部分（側面３ｓ）まで広がることはない。そのため、第２突起３の側面３ｓの全面にはんだ５が濡れ広がることがなく、しかも、余剰なはんだ５ｒは隙間３４内、あるいは、第１突起４とはんだに濡れやすい層３２の厚み方向の寸法を合わせた部分を直径とする半円内にほぼ収まることになるので、接合した金属突起部の平面方向の断面積が元の第２突起３や第１突起４の断面積と比べて大きくずれることがない。さらに、接合面に多少の凹凸があっても、はんだ５に濡れやすい材料間（第１突起４の表面とはんだに濡れやすい層３１の表面）をはんだ５が埋めてくれるので、金属突起部内の排熱方向において材料が抜けるような欠損部分が生ずることを防止し、断面積を設計値とおりに制御することができ、熱設計とおりの排熱を実現することができる。

このように、本実施の形態にかかる第２突起３を用いてヒートシンク２と接合することにより、レーザの発振方向を示す光軸Ｃおよび厚さ方向に垂直な方向に周期的な熱レンズ効果を有する導波路型固体レーザ媒質を構成することができる。そして、図５に示すように基本波レーザ光を発振する半導体レーザ１０の発振口１０ａをレーザ媒質１の端面１ａに配置し、第２高調波を発生させる非線形材料１１をその端面１１ａがレーザ媒質１の端面１ｂと近接するように配置する。これにより、半導体レーザ１０からの基本波レーザ光が導波路型固体レーザ媒質のレーザ媒質の端面１ａから入射する。入射した基本波レーザ光に対して導波路型固体レーザ媒質は利得を発生させてレーザ媒質の他方の端面１ｂから発振する。そして利得を得た基本波レーザ光が非線形材料７に入射すると、基本波レーザ光は、第２高調波レーザ光に変換され非線形材料７の他方の端面から出力する。このようにして、導波路型レーザ装置を構成することができる。なお、図５における切断面は、図２におけるV−V線による切断断面に相当する。

上記レーザ媒質１は、ヒートシンク２との間に施された周期的な排熱経路（金属突起部）が設計値どおりの断面積を有しているので、熱設計とおりにレーザ媒質１およびクラッド層７内に温度差が形成され、熱レンズ効果により、レーザ媒質１の端面１ａと非線形材料１１の端面の間で反射して発生するレーザ発振を安定させることができる。

つぎに、はんだに濡れやすい層３２と少なくとも側面がはんだに濡れにくい層３１からなる第２突起３の形成方法について説明する。
図６は、ヒートシンク２上に第２突起３を形成する際の各工程における状態を示した断面図である。ヒートシンク２の材料としては、熱伝導がよく、高平坦なシリコンウエハの基板を用いる。はじめに、図６（ａ）に示すようにヒートシンク２上の全面に電気めっきの電極となる金属膜２１を形成し、その上に光軸Ｃに平行で等間隔をおいた所定幅の開口部８１を複数形成するようにレジスト８を形成する。各開口部８１はヒートシンク２側（図中下）よりも外側（図中上）の方が大きく開口するように形成する。その形成法として、例えば、光があたったところが溶解するレジスト材を用いている。

次に、図６（ｂ）に示すように、電気めっきにて少なくとも側面がはんだに濡れにくい層３２を形成する。開口部８１を上部に進むにしたがって広がるように形成しているので、少なくとも側面がはんだに濡れにくい層３２が成長する際、両端の成長速度が他の部分より遅くなるため、角部が丸みを帯びて形成される。そして、両端部が丸みを帯びた少なくとも側面がはんだに濡れにくい層３２上に、はんだに濡れやすい層３１を形成する。これにより、光軸Ｃ方向に伸び、光軸Ｃに垂直な断面が略方形（下側が狭い逆台形）で、レーザ媒質１（厳密にはクラッド層７上に形成された各第２突起３）と対向する上面部３ｔの端部３ｃが側面部３ｃに近づくほど第１突起との隙間が広がるような曲線状で形成され、側面部３ｓに酸化されることによってはんだに濡れにくくなる表面を露出する層３２と、側面がはんだに濡れにくい層３２上に形成され、端部３ｃを含む上面部３ｔ全体を覆うはんだに濡れやすい層３１と、を有する第２突起３を形成することができる。さらに、その上にはんだ５を形成させる。最後に、レジスト８を溶剤にて剥離すると図６（ｃ）に示すように第２突起３を形成できる。

以上のように本実施の形態１にかかる導波路型固体レーザ媒質は、一面側に形成されたクラッド層７が接合され、クラッド層７の面上にレーザの光軸Ｃと平行に延びる複数の第１突起４が光軸Ｃに垂直な方向に所定の周期で配置されたレーザ媒質１と、第１突起４のそれぞれとはんだによって接合される複数の第２突起３が、レーザ媒質１のクラッド層７の面と対向する面側に形成されたヒートシンク２と、を備え、複数の第２突起３のそれぞれは、光軸Ｃと平行に延び、光軸Ｃに垂直な断面形状において、側面部３ｓにはんだに濡れにくい第１の表面を露出する第１の層３２を有するとともに、第１突起４と対向する上面部３ｔにはんだに濡れやすい第２の層３１を有し、はんだに濡れやすい第２の層３１は、光軸Ｃに垂直な断面形状において、その端部３ｃが側面部３ｓに近づくほど第１突起４との間隔が広がるような曲線状に形成されるとともに、はんだに濡れにくい第１の表面を露出する第１の層３２の上端部まで延在するように構成したので、ヒートシンク２とレーザ媒質１とを接合する際に溶融したはんだ５が第２突起３と第１突起４との隙間３４を満たすとともに、第２突起３の上面部３ｔの曲線状の端部３ｃと第１突起４間に形成される隙間３４内に留まることになるので、レーザ媒質１とヒートシンク２との接合部分との断面積（光軸Ｃに垂直で厚み方向に垂直な方向の長さ）を一定にして排熱量を適切に制御でき、所望の熱レンズ効果により、安定したレーザ発振が可能なモード制御導波路型レーザ装置を得ることができる。

また、本実施の形態１にかかる導波路型固体レーザ媒質は、一面側にクラッド層７が形成され、クラッド層７の面上にレーザの光軸Ｃと平行に延びる複数の第１突起４が光軸Ｃに垂直な方向に所定の周期で配置されたレーザ媒質１と、第１突起４のそれぞれとはんだによって接合される複数の第２突起３が、レーザ媒質１のクラッド層７の面と対向する面側に形成されたヒートシンク２と、を備え、複数の第２突起３のそれぞれは、光軸Ｃと平行に延び、光軸Ｃに垂直な断面形状において、第１突起４と対向する上面部３ｔにおける端部３ｃが隣接する側面部３ｓに近づくほど第１突起４との間隔が広がるような曲線状に形成されるとともに、側面部３ｓに少なくともはんだに濡れにくい第１の表面を露出する第１の層３２と、第１の層３２上に形成され、第１の層３２の幅と同一または第１の層３２の幅よりも広い上面部３ｔ全体を覆うはんだに濡れやすい第２の層３１と、を有するように構成したので、ヒートシンク２とレーザ媒質１とを接合する際に溶融したはんだ５が第２突起３と第１突起４との隙間３４を満たすとともに、第２突起３の上面部３ｔの曲線状の端部３ｃと第１突起４間に形成される隙間３４内に留まることになるので、レーザ媒質１とヒートシンク２との接合部分との断面積（光軸Ｃに垂直で厚み方向に垂直な方向の長さ）を一定にして排熱量を適切に制御でき、所望の熱レンズ効果により、安定したレーザ発振が可能なモード制御導波路型レーザ装置を得ることができる。

とくに、はんだに濡れやすい第２の層３１は、光軸Ｃに垂直な断面形状において、第１の層３２よりも外側に突出するので、面方向にはみ出たはんだ５によるはんだボールの形成を効果的に抑制できる。

また、本実施の形態１にかかる導波路型レーザ装置は、基本波レーザ光を発振する半導体レーザ１０と、半導体レーザ１０からの基本波レーザ光が光軸Ｃ方向における一方の端面１ａから入射し、入射した基本波レーザ光に対して利得を発生させて他方の端面１ｂから発振する上記導波路型固体レーザ媒質と、前記導波路型固体レーザ媒質から発振された基本波レーザ光が光軸Ｃ方向における一方の端面１１ａから入射し、第２高調波レーザ光に変換して他方の端面から出力する非線形材料１１と、を備えたので、安定したレーザ発振が可能となる。
なお、本実施の形態１において、レーザ媒質１の一面側にクラッド層７を形成したものを用いたが、レーザ媒質１の表面に直接第１突起４を形成してもよい。

実施の形態２．
図７に本発明の実施の形態２にかかる導波路型固体レーザ媒質の光軸Ｃと厚み方向（図２におけるV-V線による切断面に相当）での断面構造を示す。図において、ヒートシンク２Ｓｔの第２突起３Ｓｔの光軸Ｃ方向における長さは、端面３ｅがレーザ媒質１の端面１ａ、１ｂからそれぞれ５０μｍづつ内側の位置に入るように、第１突起４より短くしている。その他の構成においては、実施の形態１と同様であり、説明を省略する。

レーザ媒質１とヒートシンク２Ｓｔを接合する際、接合時の加熱で溶融したはんだ５は、はんだに濡れやすい層３１Ｓｔを伝って光軸Ｃ方向にも流れ、線状の第２突起３Ｓｔの光軸Ｃ方向の端面３ｅからもはみ出てくる。はみ出たはんだ５は第２突起３Ｓｔより長く、はんだに濡れやすい第１突起４の方向に流れ、図に示すように端面３ｅから端面１ａにかけて滑らかな曲線を描くはんだフィレット５ｆを形成し、レーザ媒質１の端面１ａから外側へ突き出ることはなくなる。

つまり、本実施の形態２によれば、第２突起３Ｓｔの光軸Ｃ方向における端面３ｅがレーザ媒質１の光軸Ｃ方向における端面１ａおよび１ｂ内側に入るように第２突起３Ｓｔの光軸Ｃ方向の長さが第１突起４よりも短くなるように構成したので、ヒートシンク２とレーザ媒質１とを接合する際に溶融したはんだ５がレーザ媒質１の端面１ａおよび１ｂから飛び出すことがなく、レーザ媒質１へのレーザ１０からの励起光の入射や非材料線形材料１１への射出を阻害することがなく、安定したレーザ出力が可能となる。

なお、本実施の形態では、第２突起３Ｓｔの長さを片側で５０μｍ程度短くしたが、長さははんだ５の量とレーザ媒質１の搭載精度に依存して任意に調整してよい。また、搭載精度や他の部材との取り合いによって、どちらか一方の端面３ｅをレーザ媒質１の端面１ａまたは１ｂより内側に入るように設定してもよい。

実施の形態３．
図８に本発明の実施の形態３にかかる導波路型固体レーザ媒質の光軸Ｃ方向および厚み方向（図２におけるV-V線による切断面に相当）での断面構造を示す。図において、ヒートシンク２Ｌｒには、比抵抗が０．０１Ωｃｍ以下の低抵抗シリコンウエハを用いた。そのため、第２突起３Ｓｔを電気めっきで形成する時に必要な金属膜２１Ｔｎを薄くすることができ、通常１μｍ必要な膜厚に対し、本実施の形態の場合、金属膜２１Ｔｎの厚みを数十ｎｍにまで薄くすることができた。他の構成については上記実施の形態１または２と同様であるので説明を省略する。

本実施の形態のように、ヒートシンク２Ｌｒに低抵抗シリコンウエハを用いると、ヒートシンク２Ｌｒを切り出す時に金属膜２１Ｔｎからの金属のばり２１ｂの発生を防止できる効果があり、以下、説明する。
シリコンウエハのヒートシンク基板上に線状の第２突起３Ｓｔを作製する方法は、図６における説明と同様に、基板２Ｓｔの全面に金属膜２１Ｓｔを形成した後、写真製版によりレジスト８をパターニングし、金属膜２１Ｓｔを電極として少なくとも側面がはんだに濡れにくい層３２Ｓｔとはんだに濡れやすい層３１Ｓｔを電気めっきで形成し、上面部３ｔのみにはんだ５を付着する。その後レジスト８を剥離してから、線状の第２突起３Ｓｔ間をダイシングして、個片に分離する。

このダイシングの際、本実施の形態３と異なり、比抵抗が０．０１Ωｃｍを超えるウエハを用いた場合、厚い金属膜２１を使用する必要があるので、切断時に金属のばり２１ｂが発生する。図９は、従来の厚い金属膜２１Ｔｋを用いたヒートシンク２Ｐの光軸Ｃ方向および厚み方向（図２のV−Ｖ線による切断面に相当）での断面図である。図に示すように切断によって生じた金属ばり２１ｂが光軸Ｃ方向における両端部に現れている。さらに図１０には、図９に示すような金属ばり２１ｂが発生したヒートシンク２Ｐをレーザ媒質１と接合した際の導波路型固体レーザ媒質の断面図を示す。金属ばり２１ｂが発生すると、第２突起３Ｓｔの光軸Ｃ方向の端面３ｅからはみ出たはんだ５が金属ばり２１ｂにそって濡れ広がる。その結果、光軸Ｃに垂直な方向に間隔をあけて配置された金属突起部が光軸Ｃ方向の端部ではみ出たはんだ５によりつながってしまい、周期的な熱レンズが形成できなくなる。

一方、本実施の形態によれば、低抵抗シリコンウエハを使用することにより、薄い金属膜２１Ｔｎを用いることができたので、ばりの発生を抑えてはんだ５による第２突起３間がつながることを防止することができる。

つまり、本実施の形態３によれば、ヒートシンク２Ｌｒに比抵抗が０．０１Ωｃｍ以下のシリコンウエハを用いたので、金属膜２１Ｔｎの厚みを薄くすることができ、ばりの発生を抑えて、熱設計とおりの排熱を実現し、所望の熱レンズ効果を得ることができる。

とくに、ヒートシンク２Ｌｒ上には、厚みが１００ｎｍ以下の金属膜２１Ｔｎを形成したので、ばりの発生を効果的に抑制することができる。

なお、上記各実施の形態２、３にかかる導波路型固体レーザ媒質も実施の形態１と同様に半導体レーザや非線形材料と組み合わせて導波路型レーザ装置を構成することができる。

本発明の実施の形態１にかかる導波路型固体レーザ媒質の斜視図である。 本発明の実施の形態１にかかる導波路型固体レーザ媒質の構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる導波路型固体レーザ媒質の接合方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる導波路型固体レーザ媒質の金属突起部の接合工程における状態を示す断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる導波路型レーザ装置の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる導波路型固体レーザ媒質の製造方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態２にかかる導波路型固体レーザ媒質の断面図である。 本発明の実施の形態３にかかる導波路型固体レーザ媒質の断面図である。 従来の厚い金属膜を用いた導波路型固体レーザ媒質のヒートシンク部分の断面図である。 従来の厚い金属膜を用いた導波路型固体レーザ媒質の断面図である。

符号の説明

１ レーザ媒質 、１ａ、１ｂ レーザ媒質の端面、 ２、２Ｌｒ、２Ｓｔ ヒートシンク、 ３、３Ｓｔ 第２突起、３ｔ 第２突起の上面部、３ｓ 第２突起の側面部、３ｃ 第２突起の上面部の端部、３ｅ 第２突起の端面、 ４ 第１突起、 ５ はんだ、５ｆ はんだフィレット、５ｒ 余剰のはんだ、 ６ 支持板、 ７ クラッド層 、 ８ レジスト 、 １０ 半導体レーザ、 １０ａ 半導体レーザの発振口、 １１ 非線形材料、 １１ａ 非線形材料の端面、 ２１、２１Ｓｔ、２１Ｔｎ 金属膜、 ３１ はんだに濡れやすい層、 ３２少なくとも側面がはんだに濡れにくい層、 ３４ 隙間、 ８１ レジスト開口部、 Ｃ レーザの光軸

Claims (7)

1. 一面側にレーザの光軸と平行に延びる複数の第１突起が前記光軸に垂直な方向に所定の周期で配置されたレーザ媒質と、
   前記第１突起のそれぞれとはんだによって接合される複数の第２突起が、前記レーザ媒質の面と対向する面側に形成されたヒートシンクと、を備え、
   前記複数の第２突起のそれぞれは、前記レーザの光軸と平行に延び、前記光軸に垂直な断面形状において、側面部にはんだに濡れにくい第１の表面を露出する第１の層を有するとともに、前記第１突起と対向する上面部にはんだに濡れやすい第２の層を有し、
   前記はんだに濡れやすい第２の層は、前記光軸に垂直な断面形状において、その端部が前記側面部に近づくほど前記第１突起との間隔が広がるような曲線状に形成されるとともに、前記はんだに濡れにくい第１の表面を露出する第１の層の上端部まで延在する導波路型固体レーザ媒質。
2. 一面側にレーザの光軸と平行に延びる複数の第１突起が前記光軸に垂直な方向に所定の周期で配置されたレーザ媒質と、
   前記第１突起のそれぞれとはんだによって接合される複数の第２突起が、前記レーザ媒質の面と対向する面側に形成されたヒートシンクと、を備え、
   前記複数の第２突起のそれぞれは、前記レーザの光軸と平行に延び、前記光軸に垂直な断面形状において、前記第１突起と対向する上面部における端部が隣接する側面部に近づくほど前記第１突起との間隔が広がるような曲線状に形成されるとともに、
   前記側面部に少なくともはんだに濡れにくい第１の表面を露出する第１の層と、
   前記第１の層上に形成され、前記第１の層の幅と同一または前記幅よりも広い前記上面部全体を覆うはんだに濡れやすい第２の層と、
   を有してなる導波路型固体レーザ媒質。
3. 前記はんだに濡れやすい第２の層は、前記光軸に垂直な断面形状において、前記第１の層よりも外側に突出することを特徴とする請求項１または２に記載の導波路型固体レーザ媒質。
4. 前記第２突起の前記光軸方向における少なくとも一方の端面は、前記レーザ媒質の前記光軸方向における端面より内側に入ることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の導波路型固体レーザ媒質。
5. 前記ヒートシンクは、比抵抗が０．０１Ωｃｍ以下のシリコンウエハで構成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の導波路型固体レーザ媒質。
6. 前記ヒートシンクは、前記シリコンウエハの表面に厚さ１００ｎｍ以下の金属膜が形成されたものであることを特徴とする請求項５に記載の導波路型固体レーザ媒質。
7. 基本波レーザ光を発振する半導体レーザと、
   前記半導体レーザからの基本波レーザ光が前記光軸方向における一方の端面から入射し、入射した基本波レーザ光に対して利得を発生させて他方の端面から発振する請求項１ないし６のいずれかに記載の導波路型固体レーザ媒質と、
   前記導波路型固体レーザ媒質から発振された基本波レーザ光が前記光軸方向における一方の端面から入射し、第２高調波レーザ光に変換して他方の端面から出力する非線形材料と、
   を備えた導波路型レーザ装置。

Images