JP2010021224A - レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ結晶から熱を効率よく放散させることができるレーザ装置を提供する。
【解決手段】レーザ装置１０に、励起光の照射により特定波長の光を発生させるレーザ結晶２１と、レーザ結晶２１の励起光入射側の面の一部に形成されており、励起光を透過させ且つ特定波長の光を反射させる反射膜２１１と、反射膜２１１との間で特定波長の光を共振させる共振器を構成する出力ミラー２２と、レーザ結晶２１の励起光入射側の面における、反射膜２１１が形成された範囲以外の領域に形成された金属膜２１２と、金属膜２１２に接触するように配置されたヒートシンク２３とを設ける。これにより、レーザ結晶２１とヒートシンク２３が反射膜２１１を介さずに金属膜２１２を介してのみ接するため、レーザ結晶２１で発生する熱をヒートシンク２３に効率よく逃がすことができ、ビーム形状の歪みや熱によるレーザ結晶の破損等を防止することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ発振にレーザ結晶を用いるレーザ装置に関し、更に詳しくはレーザ結晶で生じる熱を放散させる技術に関する。

従来より、Ｎｄ：ＹＶＯ_４やＮｄ：ＹＡＧなどのレーザ結晶を誘導放出の媒体として用いるレーザ装置が知られている。図１０は、従来のレーザ装置４０の基本構成を示す縦断面図である。レーザ装置４０は、励起光を発生させる励起光源４１と、その励起光によりレーザ光を発生させるレーザ発振部４２を備える。励起光源４１とレーザ発振部４２の間には、励起光源４１から出射された励起光をレーザ発振部４２内のレーザ結晶４４に集光させるレンズ４３が設けられている。

レーザ発振部４２は、平板状のレーザ結晶４４と、レーザ結晶４４と対向しレーザ結晶４４側の面が凹面である出力ミラー４５を備える。レーザ結晶４４の励起光源４１側の面には、第１反射膜４４１が設けられ、出力ミラー４５の凹面には第２反射膜４５１が設けられている。この第１反射膜４４１と、第２反射膜４５１を有する出力ミラー４５とが光共振器を構成する。

第１反射膜４４１と第２反射膜４５１は、いずれもＳｉＯ_２やＴａ_２Ｏ_５等から成る誘電体多層膜であるが、それぞれの光学特性は異なる。第１反射膜４４１は、励起光に対しては高透過率を有し、励起光によりレーザ発振部４２で発生するレーザ光に対しては高反射率を有する。第２反射膜４５１は、レーザ発振部４２で発生するレーザ光の多くを反射させるとともに、そのレーザ光の一部（例えば1%）を透過させる性質をもつ。

励起光源４１から出射された励起光はレンズ４３により集光され、レーザ結晶４４に入射する。その励起光によりレーザ結晶４４中の原子に反転分布が生じ、誘導放出によって特定波長の光が発生する。その光は、第１反射膜４４１と第２反射膜４５１で反射されながらレーザ結晶４４の内部を繰り返し通過することにより増幅される。増幅された光（レーザ光）の一部は第２反射膜４５１及び出力ミラー４５を透過し、外部に出力される。

レーザ結晶４４に入射した励起光のエネルギーのうち、出力されるレーザ光のエネルギーに変換されなかったものの多くは、レーザ結晶４４の内部で熱に変換される。レーザ結晶４４の熱伝導率が低いため、発生した熱はレーザ結晶４４の内部に滞りやすく、レーザ結晶４４の温度は上昇する。特に、励起光源４１に高出力の半導体レーザを用いると、励起光の入射領域付近の温度が局所的に上昇しやすく、その領域を中心に屈折率分布が生じてレーザ光のビーム形状が歪んだり、レーザ結晶４４自体に亀裂が生じたりすることがある。

そこで従来より、ヒートシンク等の放熱部材にレーザ結晶を固定し、レーザ結晶で生じる熱を放散させることが行われている。このとき、熱の放散は、励起光によって温度が上昇しやすい励起光の入射面から行うことが一般的である。例えば図１０では、第１反射膜４４１が設けられたレーザ結晶４４の励起光入射側の面の外縁部、及びレーザ結晶４４の端面にヒートシンク４６が接触している。また、図１１に示す特許文献１に記載のレーザ装置では、レーザ結晶５４の両面に反射膜５４１が形成されており、その外縁部及びレーザ結晶５４の端面に金属膜５１が設けられている。その金属膜５１はハンダ層５３を介して放熱部材５２に接合している。

特開2007-81233号公報

通常、レーザ結晶に設けられる反射膜はレーザ結晶よりも更に熱伝導率が低い。例えば、レーザ結晶であるＮｄ：ＹＶＯ_４とＮｄ：ＹＡＧの熱伝導率がそれぞれ５Ｗ／ｍ／Ｋ、１４Ｗ／ｍ／Ｋであるのに対し、反射膜の材料であるＳｉＯ_２の熱伝導率は１〜２Ｗ／ｍ／Ｋである。そのため、図１０、図１１に示したレーザ結晶のように、レーザ結晶と放熱部材又は金属膜の間に反射膜が介在すると、レーザ結晶で生じる熱が外部へ逃げにくくなり、その内部に滞りやすくなる。

本発明は以上のような課題を解決するために成されたものであり、その目的は、レーザ結晶から熱を効率よく放散させることができるレーザ装置を提供することである。

上記課題を解決するために成された第１発明に係るレーザ装置は、
a)励起光の照射により特定波長の光を発生させるレーザ結晶と、
b)前記レーザ結晶の前記励起光入射側の面の一部に形成されており、前記励起光を透過させ且つ前記特定波長の光を反射させる反射膜と、
c)前記反射膜との間で少なくとも前記特定波長の光を共振させる共振器を構成する出力ミラーと、
d)前記レーザ結晶の前記励起光入射側の面における、前記反射膜が形成された領域以外の領域に形成された金属膜と、
e)前記金属膜に接触するように配置された放熱部材と、
を備えることを特徴とする。

上記課題を解決するために成された第２発明に係るレーザ装置は、
a)励起光の照射により特定波長の光を発生させるレーザ結晶と、
b)前記レーザ結晶の前記励起光入射側の面に接合されている、前記励起光及び前記特定波長の光を透過させる透明基板と、
c)前記透明基板の前記励起光入射側の面の一部に形成されており、前記励起光を透過させ且つ前記特定波長の光を反射させる反射膜と、
d)前記反射膜との間で少なくとも前記特定波長の光を共振させる共振器を構成する出力ミラーと、
e)前記透明基板の前記励起光入射側の面における、前記反射膜が形成された領域以外の領域に形成された金属膜と、
f)前記金属膜に接触するように配置された放熱部材と、
を備えることを特徴とする。

上記構成から成る第１発明に係るレーザ装置によれば、レーザ結晶と放熱部材が反射膜を介さずに金属膜を介してのみ接しているため、レーザ結晶で発生する熱を放熱部材に効率よく逃がすことができる。従って、励起光源に高出力の半導体レーザを用いてもレーザ結晶の温度上昇が抑えられ、レーザ結晶から発振されるレーザ光のビーム形状の歪みや熱によるレーザ結晶の破損等を防止することができる。

上記構成から成る第２発明に係るレーザ装置によれば、レーザ結晶の励起光入射側の面に透明基板が接合しているため、レーザ結晶における励起光の照射領域近傍で発生する熱がそこから励起光入射側に拡散しやすくなり、レーザ結晶をより効率よく冷却させることができる。

以下、図面に基づき、本発明に係るレーザ装置の実施例について説明する。

図１は、本発明の第１の実施例に係るレーザ装置の縦断面図である。レーザ装置１０は励起光を発生させるための半導体レーザ光源１１と、その励起光により所定波長のレーザ光を出力するレーザ発振部２０を備える。半導体レーザ光源１１とレーザ発振部２０の間には、半導体レーザ光源１１から出射された励起光を集光させるレンズ１２が設けられている。

レーザ発振部２０は、Ｎｄ：ＹＶＯ_４やＮｄ：ＹＡＧなどから成る平板状のレーザ結晶２１と、レーザ結晶２１と対向しレーザ結晶２１側の面が凹面となっている出力ミラー２２を備える。レーザ結晶２１は、中央に開口部を有するヒートシンク２３に取り付けられている。ヒートシンク２３の材料には、アルミニウム等の高熱伝導率の金属を用いることが好ましい。また、ヒートシンク２３にペルチェ素子等を取り付け、放熱効果を更に向上させてもよい。

レーザ結晶２１における半導体レーザ光源１１側の面（即ち、励起光入射側の面）の中央部には第１反射膜２１１が設けられ、出力ミラー２２の凹面には第２反射膜２２１が設けられている。この第１反射膜２１１と、第２反射膜２２１を有する出力ミラー２２とが光共振器を構成する。第１反射膜２１１及び第２反射膜２２１はいずれもＳｉＯ_２やＴａ_２Ｏ_５等から成る誘電体多層膜である。第１反射膜２１１は、レーザ結晶２１における励起光の入射領域と、光共振器内で繰り返し往復するレーザ光の反射領域を含む範囲に形成されている。この第１反射膜２１１は、励起光に対しては高透過率を有し、レーザ発振部２０で発生するレーザ光に対しては高反射率を有する。第２反射膜２２１は、レーザ発振部２０で発生するレーザ光の多くを反射させるとともに、そのレーザ光の一部（例えば1%）を透過させる性質を有する。

図２（ａ）は、レーザ結晶２１を半導体レーザ光源１１側から見た正面図である。本実施例のレーザ結晶２１は正方形の板状であり、中央部に形成された第１反射膜２１１を囲うように金属膜２１２が形成されている。金属膜２１２は、図２（ａ）では４つの領域に分割されているが、図２（ｂ）に示す金属膜２１３のように分割されていなくてもよい。金属膜２１２、２１３は、高熱伝導率を有する軟質金属から成ることが好ましい。ここで軟質金属とは展延性に富む金属のことであり、例えば、インジウム、アルミニウム、金、銀、銅等やそれらを含む合金である。

次に、レーザ結晶２１への金属膜２１２及び第１反射膜２１１の成膜方法について説明する。図３は、金属膜２１２の成膜に用いられるマスク３１の平面図である。マスク３１には、金属膜２１２のパターン形状に対応する開口部３１１が４箇所に設けられている。図４は、マスク３１及びレーザ結晶２１の縦断面図である。このように、マスク３１には、レーザ結晶２１を収容するための凹部３１２が設けられている。

図５は、金属膜２１２の成膜に用いられる真空蒸着装置３３の概略縦断面図である。真空蒸着装置３３は抵抗加熱蒸着装置であり、蒸着させる金属３２を載せた蒸着ボート等の蒸発源３４に電流を流し、真空中で蒸発源３４を加熱して、金属３２を蒸発させる。このとき、蒸発源３４の上方に設けられた固定台３５に、凹部３１２にレーザ結晶２１を収容したマスク３１の外縁部を固定しておく。これにより、マスク３１の開口部３１１に対応するレーザ結晶２１の表面に、蒸発した金属３２が付着し、所定パターンの金属膜２１２が形成される。なお、成膜の際に、図６に示すような、マスク３１の開口部３１１と同じ形状の開口部が複数組設けられた大型のマスク３７と、そのマスク３７に対応する大型のレーザ結晶を用いてもよい。これらを用いれば、金属膜２１２と同じ形状の金属膜を１バッチで多数成膜し、その後、この大型のレーザ結晶を切断して分割することで、金属膜２１２が設けられたレーザ結晶２１を効率よく製造することができる。

図７は、金属膜２１２を成膜したレーザ結晶２１とヒートシンク２３の接合方法を説明する図であり、（ａ）は接合前の側面図、（ｂ）は接合後の側面図である。レーザ結晶２１とヒートシンク２３の接合時には、ヒータ３６の上に、レーザ結晶２１を金属膜２１２を上に向けて載せ、その上にヒートシンク２３を置く。このとき、ヒートシンク２３の中央の開口部と、レーザ結晶２１において金属膜２１２が設けられていない中央部の位置を合わせる。その後、ヒータ３６により、金属膜２１２の温度を、その膜の金属の融点よりも高くし（例えばインジウムであれば約160℃以上にし）、金属膜２１２を融解させる。ヒータ３６の温度を下げ、金属膜２１２の温度を前記融点より低くすることにより、金属膜２１２が凝固し、レーザ結晶２１とヒートシンク２３が接合する。

その後、レーザ結晶２１のヒートシンク２３側の中央部に第１反射膜２１１を成膜する。この成膜では、スパッタリングや電子ビーム蒸着等により、ＳｉＯ_２やＴａ_２Ｏ_５等を正確な膜厚で積層し、第１反射膜２１１に所定の光学特性を持たせる。このとき、レーザ結晶２１の中央部は、ヒートシンク２３の中央の開口部に対応する領域が露出しているため、マスクを用いなくてもよい。

次に、レーザ装置１０によりレーザ光が出力される様子を説明する。図１に示すように、レーザ装置１０には、上記のようにして製造されたレーザ結晶２１及びヒートシンク２３が取り付けられている。半導体レーザ光源１１から出射された励起光はレンズ１２で集光され、レーザ結晶２１に入射する。その励起光によりレーザ結晶２１中の原子に反転分布が生じ、誘導放出によって特定波長の光が発生する。その光は、第１反射膜２１１と第２反射膜２２１で反射されながらレーザ結晶２１の内部を繰り返し通過することにより増幅される。その光（レーザ光）の一部が第２反射膜２２１及び出力ミラー２２を透過し、外部に出力される。

図８は、励起光がレーザ結晶２１に照射されているときのレーザ結晶２１及びヒートシンク２３の縦断面図である。励起光は第１反射膜２１１を透過し、レーザ結晶２１表面の入射点Ａに入射する。レーザ結晶２１に入射した励起光のエネルギーのうち、出力レーザ光のエネルギーに変換されなかったものの多くは、入射点Ａ近傍で熱に変換される。そこで発生した熱は、図８に示す実線の矢印のように、レーザ結晶２１の内部に広がり、金属膜２１２を介してヒートシンク２３へ移動する。このとき、レーザ結晶２１とヒートシンク２３が反射膜２１１を介さずに金属膜２１２を介してのみ接しているため、レーザ結晶２１で発生する熱をヒートシンク２３に効率よく逃がすことができる。

図２（ａ）に示したとおり、金属膜２１２は、レーザ結晶２１の表面で第１反射膜２１１を囲うように形成されているため、第１反射膜２１１の中心付近に対応する入射点Ａで発生しそこから放射状に拡散する熱を捕らえやすい。これにより、レーザ結晶２１は効率よく冷却される。

金属膜２１２に軟質金属を用いれば、金属膜２１２とレーザ結晶２１の間に熱膨張係数の差が顕著にみられる場合であっても、温度上昇中に金属膜２１２が柔軟に変形するため、金属膜２１２の歪みや剥がれ等の発生を抑えることができる。

図９は、本発明の第２の実施例に係るレーザ装置におけるレーザ結晶２１及びヒートシンク２３の縦断面図である。本実施例のレーザ結晶２１における励起光入射側の面には、励起光及びレーザ発振部で発生するレーザ光のいずれも透過させる透明基板２５が接合されている。レーザ結晶２１と透明基板２５の接合方法としては、精密に研磨された接合面を近接させて接着剤を使用せず分子間の引力により各部材を接合させるオプティカルコンタクトや、各部材を加熱しながら加圧して接合面で原子を拡散させて各部材を接合させる拡散接合等を用いる。透明基板２５の熱膨張係数はレーザ結晶２１と同じであることが好ましい。透明基板２５としては、例えばレーザ結晶２１がＮｄ：ＹＡＧであれば、ＮｄをドープしていないＹＡＧが好適である。透明基板２５の励起光入射側の面には、実施例１と同様の第１反射膜２１１及び金属膜２１２が設けられている。

レーザ発振時には、励起光は第１反射膜２１１及び透明基板２５を透過し、レーザ結晶２１表面の入射点Ａに入射する。入射点Ａの近傍で発生する熱は、図９に示す実線の矢印のように、レーザ結晶２１の内部に広がるだけでなく、透明基板２５の内部にも拡散する。それらの熱は透明基板２５を通過して金属膜２１２からヒートシンク２３へ移動する。このように、本実施例に係るレーザ装置では、入射点Ａの近傍で発生した熱を励起光源側（図９の左側）にも逃がすため、レーザ結晶２１をより効率よく放熱させることができる。

本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲で適宜変更が許容される。例えば、レーザ結晶と出力ミラーの間に非線形光学結晶等の波長変換素子を配置し、第２高調波光等を出力してもよい。また、励起光源を励起用ランプ等としたり、レーザ結晶の形状をブロック状等にしてもよい。金属膜をレーザ結晶の励起光源側の面だけでなく、出力ミラー側の面や外周部にも設けてもよい。金属膜と第１反射膜を成膜する順序を入れ替えてもよい。

本発明の実施例１に係るレーザ装置の基本構成を示す縦断面図。 前記レーザ装置に設けられているレーザ結晶の正面図であり、（ａ）は金属膜が４つの領域に分割されているもの、（ｂ）は金属膜が分割されていないものを示す。 前記レーザ結晶への金属膜の成膜に用いられるマスクの平面図。 前記マスク及びレーザ結晶の縦断面図。 前記レーザ結晶への金属膜の成膜に用いられる真空蒸着装置の概略縦断面図。 大型のレーザ結晶への金属膜の成膜に用いられるマスクの平面図。 前記レーザ結晶とヒートシンクの接合方法を説明する図であり、（ａ）は接合前の側面図であり、（ｂ）は接合後の側面図である。 該レーザ結晶及びヒートシンクの縦断面図。 本発明の実施例２に係るレーザ装置におけるレーザ結晶及びヒートシンクの縦断面図。 従来のレーザ装置の基本構成を示す縦断面図。 従来のレーザ装置におけるレーザ結晶の縦断面図。

符号の説明

１０、４０…レーザ装置
１１…半導体レーザ光源
１２、４３…レンズ
２０、４２…レーザ発振部
２１、４４、５４…レーザ結晶
２１１、４４１、５４１…第１反射膜
２１２、２１３、５１…金属膜
２２、４５…出力ミラー
２２１、４５１…第２反射膜
２３…ヒートシンク
２５…透明基板
３１、３７…マスク
３１１、３７１…開口部
３１２…凹部
３２…金属
３３…真空蒸着装置
３４…蒸発源
３５…固定台
３６…ヒータ
４１…励起光源
４６…保持具
５２…放熱部材
５３…ハンダ層

Claims (4)

1. a)励起光の照射により特定波長の光を発生させるレーザ結晶と、
   b)前記レーザ結晶の前記励起光入射側の面の一部に形成されており、前記励起光を透過させ且つ前記特定波長の光を反射させる反射膜と、
   c)前記反射膜との間で少なくとも前記特定波長の光を共振させる共振器を構成する出力ミラーと、
   d)前記レーザ結晶の前記励起光入射側の面における、前記反射膜が形成された領域以外の領域に形成された金属膜と、
   e)前記金属膜に接触するように配置された放熱部材と、
   を備えることを特徴とするレーザ装置。
2. a)励起光の照射により特定波長の光を発生させるレーザ結晶と、
   b)前記レーザ結晶の前記励起光入射側の面に接合されている、前記励起光及び前記特定波長の光を透過させる透明基板と、
   c)前記透明基板の前記励起光入射側の面の一部に形成されており、前記励起光を透過させ且つ前記特定波長の光を反射させる反射膜と、
   d)前記反射膜との間で少なくとも前記特定波長の光を共振させる共振器を構成する出力ミラーと、
   e)前記透明基板の前記励起光入射側の面における、前記反射膜が形成された領域以外の領域に形成された金属膜と、
   f)前記金属膜に接触するように配置された放熱部材と、
   を備えることを特徴とするレーザ装置。
3. 前記反射膜が、前記レーザ結晶又は前記透明基板の前記励起光入射側の面の中央部に形成されており、前記金属膜が、該レーザ結晶又は該透明基板の前記励起光入射側の面において該反射膜を囲うように形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ装置。
4. 前記金属膜が軟質金属から成ることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ装置。

Images