JP2011139011A - Planar waveguide laser device, and method of manufacturing the same - Google Patents

Planar waveguide laser device, and method of manufacturing the same Download PDF

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Hidenori Fukabori
秀則 深堀
Yoshihito Hirano
嘉仁 平野
Toshiyuki Ando
俊行 安藤
Shuhei Yamamoto
修平 山本
Tsuneo Hamaguchi
恒夫 濱口
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a planar waveguide laser device facilitating adjustment and simplifying assembling work, and to provide a method of manufacturing the same. <P>SOLUTION: The device includes a waveguide solid laser element (3) including a laser medium (3c) having a waveguide structure, a waveguide optical element (4) including a non-linear material (4c) having a waveguide structure, and a heat sink (1) integrally structured to mount the both elements (3, 4). The method includes the step of forming a first abutment surface and a second abutment surface defining an end surface direction on the exciting light incidence side of the waveguide solid laser element (3), and a third abutment surface and a fourth abutment surface defining an end surface direction on the laser light outgoing side of the waveguide optical element (4) so as to be parallel to the end surface direction on the exciting light incidence side of the waveguide solid laser element on the heat sink (1), and the step of disposing the waveguide solid laser element and the waveguide optical element using the abutment surfaces. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、プリンタやプロジェクションテレビなどの光源に好適な平面導波路構造を有する、平面導波路型レーザ装置および平面導波路型レーザ装置の製造方法に関するものである。   The present invention relates to a planar waveguide laser device having a planar waveguide structure suitable for a light source such as a printer or a projection television, and a method for manufacturing the planar waveguide laser device.

平面導波路型レーザ装置の一例として、導波路型波長変換レーザ装置がある。この導波路型波長変換レーザ装置は、半導体レーザ素子、導波路型固体レーザ素子、および導波路型波長変換素子で構成されている(例えば、特許文献1参照)。半導体レーザ素子により、励起光を発生させ、導波路型固体レーザ素子が、その励起光を吸収し、基本波を発生させる。さらに、導波路型波長変換素子は、基本波の2倍高調波を発生させる。   An example of a planar waveguide laser device is a waveguide wavelength conversion laser device. This waveguide type wavelength conversion laser device is composed of a semiconductor laser element, a waveguide type solid state laser element, and a waveguide type wavelength conversion element (for example, see Patent Document 1). The semiconductor laser element generates excitation light, and the waveguide type solid-state laser element absorbs the excitation light and generates a fundamental wave. Furthermore, the waveguide type wavelength conversion element generates a second harmonic of the fundamental wave.

ここで、半導体レーザおよび光導波路等に代表される2つの光学素子間の光軸位置を調整して光接続する方法としては、次のようなアクティブアライメントが一般的である。このアクティブアライメントでは、半導体レーザから出射され、その半導体レーザに光接続される光導波路を伝搬して出射される光の出射光量を、パワーメータ等で測定しながら、その光量が最大となるように位置調整することとなる(例えば、特許文献2、3参照)。   Here, as an optical connection method by adjusting the optical axis position between two optical elements typified by a semiconductor laser and an optical waveguide, the following active alignment is generally used. In this active alignment, the amount of light emitted from a semiconductor laser and propagated through an optical waveguide optically connected to the semiconductor laser is measured with a power meter or the like so that the amount of light is maximized. The position will be adjusted (see, for example, Patent Documents 2 and 3).

図12は、従来の導波路型波長変換レーザ装置の構成図である。この図12を用いて、従来の導波路型波長変換レーザ装置の製造方法について説明する。従来の導波路型波長変換レーザ装置は、ヒートシンク301a、301b、半導体レーザ素子2、導波路型固体レーザ素子3、および導波路型波長変換素子4で構成されている。   FIG. 12 is a configuration diagram of a conventional waveguide type wavelength conversion laser device. A manufacturing method of a conventional waveguide type wavelength conversion laser device will be described with reference to FIG. The conventional waveguide type wavelength conversion laser device includes heat sinks 301 a and 301 b, a semiconductor laser element 2, a waveguide type solid laser element 3, and a waveguide type wavelength conversion element 4.

ここで、導波路型固体レーザ素子3は、基板3a、クラッド3b、レーザ媒質3c、クラッド3d、端面3e、および端面3fの各部で構成されている。また、導波路型波長変換素子4は、基板4a、クラッド4b、非線形材料4c、クラッド4d、端面4e、および端面4fの各部で構成されている。   Here, the waveguide type solid-state laser element 3 is composed of the substrate 3a, the clad 3b, the laser medium 3c, the clad 3d, the end face 3e, and the end face 3f. The waveguide type wavelength conversion element 4 is composed of the substrate 4a, the clad 4b, the nonlinear material 4c, the clad 4d, the end face 4e, and the end face 4f.

導波路型固体レーザ素子3の端面3eおよび導波路型波長変換素子4の端面4fにおいてレーザ装置の共振器を構成するためには、端面3eと端面4fが光学的に平行になるように各素子を配置する必要がある。そこで、従来の導波路型波長変換レーザ装置の組立においては、各素子をそれぞれ別個のヒートシンク301a、301bに接合した後、レーザ出力を光検出器20で検出しながら各素子の位置合わせを行う、アクティブアライメントが用いられている。   In order to form a resonator of the laser device at the end face 3e of the waveguide type solid-state laser element 3 and the end face 4f of the waveguide type wavelength conversion element 4, each element is arranged so that the end face 3e and the end face 4f are optically parallel to each other. Need to be placed. Therefore, in the assembly of the conventional waveguide type wavelength conversion laser device, after each element is joined to the separate heat sinks 301a and 301b, each element is aligned while the laser output is detected by the photodetector 20. Active alignment is used.

WO2006/103767号パンフレットWO2006 / 103767 pamphlet 特開平1−18057号公報JP-A-1-18057 特開2004−109256号公報JP 2004-109256 A

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。従来の組立方法では、レーザ出力を検出しながら各素子の位置合わせを行う際に、非常に高い精度が要求され、調整点数も多く、組立作業に時間がかかるという問題点があった。   However, the prior art has the following problems. In the conventional assembling method, when aligning each element while detecting the laser output, a very high accuracy is required, the number of adjustment points is large, and the assembling work takes time.

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、調整の容易化、組立作業の簡略化を図ることのできる平面導波路型レーザ装置および平面導波路型レーザ装置の製造方法を得ることを目的する。   The present invention has been made to solve the above problems, and provides a planar waveguide laser device and a planar waveguide laser device manufacturing method capable of facilitating adjustment and simplifying assembly work. Aim to get.

本発明に係る平面導波路型レーザ装置の製造方法は、平板状をなし、光軸に対する垂直断面の厚さ方向に導波路構造を有するレーザ媒質を含む導波路型固体レーザ素子と、平板状をなし、光軸に対する垂直断面の厚さ方向に導波路構造を有する非線形材料を含む導波路型光学素子と、導波路型固体レーザ素子と導波路型光学素子とを実装するために一体構成されたヒートシンクとを備えた平面導波路型レーザ装置の製造方法であって、導波路型固体レーザ素子の励起光入射側の端面方向を規定するための第1の当て面および第2の当て面と、導波路型固体レーザ素子の励起光入射側の端面方向と平行になるように導波路型光学素子のレーザ光出射側の端面方向を規定するための第3の当て面および第4の当て面とを、ヒートシンク上の四隅に形成するステップと、ヒートシンク上に形成された第1の当て面および第2の当て面に対して導波路型固体レーザ素子の励起光入射側の端面を当てて配置し、ヒートシンク上に形成された第3の当て面および第4の当て面に対して導波路型光学素子のレーザ光出射側の端面を当てて配置するステップとを備えるものである。   The planar waveguide laser device manufacturing method according to the present invention has a flat plate shape, a waveguide solid state laser element including a laser medium having a waveguide structure in a thickness direction of a cross section perpendicular to the optical axis, and a flat plate shape. None, integrated for mounting a waveguide type optical element including a nonlinear material having a waveguide structure in the thickness direction of a cross section perpendicular to the optical axis, a waveguide type solid state laser element, and a waveguide type optical element A method of manufacturing a planar waveguide laser device including a heat sink, wherein the first contact surface and the second contact surface for defining the end face direction on the excitation light incident side of the waveguide solid laser element; A third contact surface and a fourth contact surface for defining the end surface direction on the laser light emission side of the waveguide type optical element so as to be parallel to the end surface direction on the excitation light incident side of the waveguide type solid state laser device; In the four corners of the heat sink The step of forming and placing the end face on the excitation light incident side of the waveguide type solid-state laser element against the first contact surface and the second contact surface formed on the heat sink, And a step of placing the end face on the laser beam emission side of the waveguide type optical element against the third contact surface and the fourth contact surface.

また、本発明に係る平面導波路型レーザ装置は、平板状をなし、光軸に対する垂直断面の厚さ方向に導波路構造を有するレーザ媒質を含む導波路型固体レーザ素子と、平板状をなし、光軸に対する垂直断面の厚さ方向に導波路構造を有する非線形材料を含む導波路型光学素子と、導波路型固体レーザ素子と導波路型光学素子とを実装するヒートシンクとを備えた平面導波路型レーザ装置であって、導波路型固体レーザ素子と導波路型光学素子は、一体で構成されたヒートシンク上に実装されているものである。   The planar waveguide laser device according to the present invention has a flat plate shape, a waveguide solid state laser element including a laser medium having a waveguide structure in a thickness direction of a vertical cross section with respect to the optical axis, and a flat plate shape. A planar optical device including a waveguide type optical element including a nonlinear material having a waveguide structure in a thickness direction perpendicular to the optical axis, and a heat sink for mounting the waveguide type solid state laser element and the waveguide type optical element. In the waveguide type laser apparatus, the waveguide type solid state laser element and the waveguide type optical element are mounted on a heat sink that is integrally formed.

本発明に係る平面導波路型レーザ装置および平面導波路型レーザ装置の製造方法によれば、導波路型固体レーザ素子と導波路型波長変換素子を、一体構成された同一ヒートシンク上で組立調整することにより、調整の容易化、組立作業の簡略化を図ることのできる平面導波路型レーザ装置および平面導波路型レーザ装置の製造方法を得ることができる。   According to the planar waveguide laser device and the method for manufacturing the planar waveguide laser device according to the present invention, the waveguide solid-state laser element and the waveguide wavelength conversion element are assembled and adjusted on the same integrally constructed heat sink. As a result, it is possible to obtain a planar waveguide laser device and a method of manufacturing the planar waveguide laser device that can facilitate adjustment and simplify assembly work.

本発明の実施の形態1における導波路型波長変換レーザ装置の構成図である。It is a block diagram of the waveguide type wavelength conversion laser apparatus in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1の平面導波路型レーザ装置における切断前の導波路型固体レーザ素子−導波路型波長変換素子一体型素子の上面図である。It is a top view of the waveguide type solid-state laser element-waveguide type | mold wavelength conversion element integrated element before the cutting | disconnection in the planar waveguide type laser apparatus of Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1の平面導波路型レーザ装置における切断前の導波路型固体レーザ素子−導波路型波長変換素子一体型素子の側面図である。It is a side view of the waveguide type solid-state laser element-waveguide type wavelength conversion element integrated element before cutting in the planar waveguide laser apparatus of Embodiment 1 of the present invention. 導波路型固体レーザ素子−導波路型波長変換素子一体型素子の切断位置を示す図である。It is a figure which shows the cutting position of a waveguide type solid state laser element-waveguide type wavelength conversion element integrated element. 本発明の実施の形態1における溶融物が発生しない平面導波路型レーザ装置の加工方法の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the processing method of the planar waveguide type laser apparatus in which the molten material does not generate | occur | produce in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態2における導波路型波長変換素子の構成図である。It is a block diagram of the waveguide type wavelength conversion element in Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態3の平面導波路型レーザ装置における導波路型固体レーザ素子−導波路型波長変換素子一体型素子の上面図である。It is a top view of the waveguide type solid-state laser element-waveguide type wavelength conversion element integrated element in the planar waveguide type laser apparatus of Embodiment 3 of the present invention. 本発明の実施の形態3の平面導波路型レーザ装置における導波路型固体レーザ素子−導波路型波長変換素子一体型素子の側面図である。It is a side view of the waveguide type solid-state laser element-waveguide type wavelength conversion element integrated element in the planar waveguide laser apparatus of Embodiment 3 of the present invention. 本発明の実施の形態4における導波路型固体レーザ素子−導波路型波長変換素子一体型素子用ヒートシンクの構造図である。It is a structure figure of the heat sink for waveguide type solid-state laser elements-waveguide type wavelength conversion element integrated elements in Embodiment 4 of the present invention. 本発明の実施の形態4における導波路型固体レーザ素子−導波路型波長変換素子の導波路型波長変換素子接合部の光軸に垂直な面での断面図である。It is sectional drawing in the surface perpendicular | vertical to the optical axis of the waveguide type wavelength conversion element junction part of the waveguide type solid state laser element-waveguide type wavelength conversion element in Embodiment 4 of this invention. 本発明の実施の形態4の櫛状構造を有するヒートシンクにおける櫛歯のDuty(櫛幅/櫛歯間距離)に対する波長変換素子にかかる熱応力、および櫛歯にかかるせん断応力のそれぞれの関係を示した図である。FIG. 7 shows the relationship between the thermal stress applied to the wavelength conversion element and the shear stress applied to the comb teeth with respect to the duty (comb width / inter-comb distance) of the comb teeth in the heat sink having the comb-like structure according to the fourth embodiment of the present invention. It is a figure. 本発明の実施の形態4において、図7B中のヒートシンク〜非線形材料の断面図の一部を拡大した図である。In Embodiment 4 of this invention, it is the figure which expanded a part of sectional drawing of the heat sink-nonlinear material in FIG. 7B. 本発明の実施の形態4における導波路型固体レーザ素子−導波路型波長変換素子一体型素子用ヒートシンクで、x方向に櫛歯を設けた場合の構造図である。It is a structural diagram at the time of providing a comb-tooth in the x direction in the heat sink for a waveguide type solid state laser element-waveguide type wavelength conversion element integrated element in Embodiment 4 of the present invention. 本発明の実施の形態4における導波路型固体レーザ素子−導波路型波長変換素子一体型素子用ヒートシンクで、x方向、y方向ともに櫛歯を設けた場合の構造図である。FIG. 10 is a structural diagram in the case where a comb-type solid-state laser element-waveguide type wavelength conversion element integrated element heat sink according to Embodiment 4 of the present invention is provided with comb teeth in both the x and y directions. 従来の導波路型波長変換レーザ装置の構成図である。It is a block diagram of the conventional waveguide type wavelength conversion laser apparatus.

以下、本発明の平面導波路型レーザ装置および平面導波路型レーザ装置の製造方法の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。   Preferred embodiments of a planar waveguide laser device and a planar waveguide laser device manufacturing method of the present invention will be described below with reference to the drawings.

実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1における導波路型波長変換レーザ装置の構成図である。この導波路型波長変換レーザ装置は、ヒートシンク1、半導体レーザ素子2、導波路型固体レーザ素子3および導波路型波長変換素子4から構成されている。本発明における導波路型波長変換レーザ装置は、先の図12に示した従来の導波路型波長変換レーザ装置と比較すると、同一のヒートシンク1の上に導波路型固体レーザ素子3および導波路型波長変換素子4が実装されている点が異なっている。ここで、導波路型固体レーザ素子3および導波路型波長変換素子4は、レーザ発振方向を表す光軸6に垂直な断面の厚さ方向に平面導波路構造を有する。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a configuration diagram of a waveguide type wavelength conversion laser device according to Embodiment 1 of the present invention. The waveguide type wavelength conversion laser device includes a heat sink 1, a semiconductor laser element 2, a waveguide type solid state laser element 3, and a waveguide type wavelength conversion element 4. Compared with the conventional waveguide type wavelength conversion laser device shown in FIG. 12, the waveguide type wavelength conversion laser device in the present invention has a waveguide type solid state laser element 3 and a waveguide type on the same heat sink 1. The difference is that the wavelength conversion element 4 is mounted. Here, the waveguide type solid-state laser element 3 and the waveguide type wavelength conversion element 4 have a planar waveguide structure in the thickness direction of the cross section perpendicular to the optical axis 6 representing the laser oscillation direction.

レーザ媒質3cの形状は、典型的には、導波路厚方向(後述するz方向に相当)に数〜数十μm、光軸6方向(後述するx方向に相当)に数百μm〜数mm、導波路厚方向および光軸6方向に垂直な方向(後述するy方向に相当)に数百μm〜数mmの直方体である。そして、レーザ媒質3cは、光軸6に垂直な端面3e、3fを有する。また、クラッド3bおよびクラッド3dは、レーザ媒質3cより屈折率の小さい材料を用いる。なお、クラッド3bとクラッド3dは、同一の材料用いてもよい。また、基板3aの材質は、問わない。ただし、典型的には、レーザ媒質3cと同一の材料もしくはガラス板などを用いる。   The shape of the laser medium 3c is typically several to several tens of μm in the waveguide thickness direction (corresponding to the z direction described later), and several hundred μm to several mm in the optical axis 6 direction (corresponding to the x direction described later). A rectangular parallelepiped of several hundred μm to several mm in a direction perpendicular to the waveguide thickness direction and the optical axis 6 direction (corresponding to a y direction described later). The laser medium 3 c has end faces 3 e and 3 f perpendicular to the optical axis 6. The clad 3b and the clad 3d are made of a material having a refractive index smaller than that of the laser medium 3c. The clad 3b and the clad 3d may be made of the same material. Moreover, the material of the board | substrate 3a is not ask | required. However, typically, the same material as the laser medium 3c or a glass plate is used.

レーザ媒質3cとしては、一般的な固体レーザ材料を使用することができる。例えば、Nd:YAG、Nd:YLF、Nd:Glass、Nd:YVO、Nd:GdVO、Yb:YAG、Yb:YLF、Yb:KGW、Er:Glass、Er:YAG、Tm:YAG、Tm:YLF、Ho:YAG、Ho:YLF、Ti:Sapphire、Cr:LiSAFなどを用いる。 A general solid-state laser material can be used as the laser medium 3c. For example, Nd: YAG, Nd: YLF, Nd: Glass, Nd: YVO 4 , Nd: GdVO 4 , Yb: YAG, Yb: YLF, Yb: KGW, Er: Glass, Er: YAG, Tm: YAG, Tm: YLF, Ho: YAG, Ho: YLF, Ti: Sapphire, Cr: LiSAF, etc. are used.

非線形材料4cは、光軸6に垂直な断面がレーザ媒質3cとほぼ同じ形状を有し、光軸6に垂直な端面4e、4fを有している。また、端面4eは、図1に示すように、導波路型固体レーザ素子3の端面3fに近接して配置される。   The non-linear material 4 c has a cross section perpendicular to the optical axis 6 having substantially the same shape as the laser medium 3 c, and has end faces 4 e and 4 f perpendicular to the optical axis 6. Further, the end face 4e is disposed close to the end face 3f of the waveguide type solid laser element 3 as shown in FIG.

クラッド4b、クラッド4dは、非線形材料4cより屈折率の小さい材料を用いる。なお、クラッド4bとクラッド4dは、同一の材料を用いてもよい。また、基板4aの材質は、問わない。ただし、典型的には、非線形材料4cと同一の材料を用いる。   For the clad 4b and the clad 4d, a material having a refractive index smaller than that of the nonlinear material 4c is used. The clad 4b and the clad 4d may use the same material. Moreover, the material of the board | substrate 4a is not ask | required. However, typically, the same material as the nonlinear material 4c is used.

非線形材料4cとしては、一般的な波長変換用材料を用いることができる。例えば、KTP、KN、BBO、LBO、CLBO、LiNbO、LiTaOなどを用いる。また、光損傷に強いMgO添加LiNbO、MgO添加LiTaO、定比LiTAOを用いれば、入射する基本波レーザ光のパワー密度を上げることができる。このため、高効率な波長変換が可能となる。さらに、周期反転分極構造を持つMgO添加LiNbO、MgO添加LiTaO、定比LiNbO、定比LiTaO、KTPを用いれば、非線形定数を大きくすることができ、さらに高効率な波長変換が可能となる。 As the nonlinear material 4c, a general wavelength conversion material can be used. For example, KTP, KN, BBO, LBO, CLBO, LiNbO 3 , LiTaO 3 or the like is used. Further, if MgO-added LiNbO 3 , MgO-added LiTaO 3 , and specific ratio LiTAO 3 that are resistant to optical damage are used, the power density of the incident fundamental wave laser beam can be increased. For this reason, highly efficient wavelength conversion becomes possible. Furthermore, the use of MgO-added LiNbO 3 with periodic reversal polarization structure, MgO-added LiTaO 3 , specific ratio LiNbO 3 , specific ratio LiTaO 3 , and KTP can increase the nonlinear constant and enable more efficient wavelength conversion. It becomes.

半導体レーザ素子2は、レーザ媒質3cの端面3eに近接して配置されており、必要に応じて、冷却用のヒートシンク(図示せず)が接合される。半導体レーザ素子2の導波路厚方向および光軸6方向に垂直な方向の大きさは、レーザ媒質3cの導波路厚方向および光軸6方向に垂直な方向の大きさとほぼ同じである。そして、半導体レーザ素子2は、導波路厚方向および光軸6方向に垂直な方向の大きさにほぼ一様に励起光を出力する。半導体レーザ素子2から出力された励起光は、端面3eからレーザ媒質3cへ入射して、レーザ媒質3cに吸収される。   The semiconductor laser element 2 is disposed in the vicinity of the end surface 3e of the laser medium 3c, and a cooling heat sink (not shown) is joined as necessary. The size in the direction perpendicular to the waveguide thickness direction and the optical axis 6 direction of the semiconductor laser element 2 is substantially the same as the size in the waveguide thickness direction of the laser medium 3c and the direction perpendicular to the optical axis 6 direction. Then, the semiconductor laser element 2 outputs the excitation light substantially uniformly in the size in the direction perpendicular to the waveguide thickness direction and the optical axis 6 direction. The excitation light output from the semiconductor laser element 2 enters the laser medium 3c from the end face 3e and is absorbed by the laser medium 3c.

ここで、レーザ媒質3cの端面3eは、基本波レーザ光を反射する全反射膜を有し、端面3fは、基本波レーザ光を透過する反射防止膜を有する。一方、非線形材料4cの端面4eは、基本波レーザ光を透過して第二高調波レーザ光を反射する光学膜を有し、端面4fは、基本波レーザ光を反射し第二高調波レーザ光を透過する光学膜を有する。   Here, the end surface 3e of the laser medium 3c has a total reflection film that reflects the fundamental laser beam, and the end surface 3f has an antireflection film that transmits the fundamental laser beam. On the other hand, the end face 4e of the nonlinear material 4c has an optical film that transmits the fundamental laser light and reflects the second harmonic laser light, and the end face 4f reflects the fundamental laser light and reflects the second harmonic laser light. The optical film which permeate | transmits.

これらの全反射膜、反射防止膜および光学膜は、例えば、誘電体薄膜を積層して構成される。なお、半導体レーザ素子2より出力される励起光をレーザ媒質3cの端面3eから入射させる場合には、端面3eの全反射膜は、励起光を透過し、基本波レーザ光を反射する光学膜となる。また、ヒートシンク1は、熱伝導度の大きな材料で構成される。例えば、Siなどが用いられる。   These total reflection film, antireflection film, and optical film are configured, for example, by laminating dielectric thin films. When the excitation light output from the semiconductor laser element 2 is incident from the end face 3e of the laser medium 3c, the total reflection film on the end face 3e is an optical film that transmits the excitation light and reflects the fundamental laser light. Become. The heat sink 1 is made of a material having a high thermal conductivity. For example, Si or the like is used.

次に、本実施の形態1の特徴である、導波路型固体レーザ素子−導波路型波長変換素子一体型素子の製造方法について、図2A、図2B、および図3を用いて説明する。図2Aは、本発明の実施の形態1の平面導波路型レーザ装置における切断前の導波路型固体レーザ素子−導波路型波長変換素子一体型素子の上面図である。また、図2Bは、本発明の実施の形態1の平面導波路型レーザ装置における切断前の導波路型固体レーザ素子−導波路型波長変換素子一体型素子の側面図である。さらに、図3は、導波路型固体レーザ素子−導波路型波長変換素子一体型素子の切断位置を示す図である。   Next, a manufacturing method of the waveguide type solid-state laser element-waveguide type wavelength conversion element integrated element, which is a feature of the first embodiment, will be described with reference to FIGS. 2A, 2B, and 3. FIG. FIG. 2A is a top view of a waveguide solid-state laser element-waveguide wavelength conversion element integrated element before cutting in the planar waveguide laser apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 2B is a side view of the waveguide solid-state laser element-waveguide wavelength conversion element integrated element before cutting in the planar waveguide laser apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. Further, FIG. 3 is a diagram showing a cutting position of the waveguide type solid-state laser element-waveguide type wavelength conversion element integrated element.

なお、図2A、図2B、および図3の各図中に示したx方向、y方向、z方向は、それぞれ以下の方向を意味している。
x方向:光軸6の方向
y方向:光軸6に対する垂直断面における、導波路型固体レーザ素子3および導波路型波長変換素子4の幅方向(長手方向)を意味している。
z方向:光軸6に対する垂直断面における、導波路型固体レーザ素子3および導波路型波長変換素子4の厚さ方向を意味している。
なお、これらの方向は、後述する図6A、図6Bにおいても同様である。
In addition, the x direction, y direction, and z direction shown in each figure of FIG. 2A, FIG. 2B, and FIG. 3 mean the following directions, respectively.
x direction: direction of the optical axis 6 y direction: means the width direction (longitudinal direction) of the waveguide type solid-state laser element 3 and the waveguide type wavelength conversion element 4 in a cross section perpendicular to the optical axis 6.
z direction: means the thickness direction of the waveguide type solid-state laser element 3 and the waveguide type wavelength conversion element 4 in a cross section perpendicular to the optical axis 6.
These directions are the same in FIGS. 6A and 6B described later.

レーザ媒質3cの端面3eと非線形材料4cの端面4fとでレーザ装置の共振器を構成するために、端面3eと端面4fは、平行に配置する必要がある。そのため、本願発明の平面導波路型レーザ装置では、ヒートシンク1の四隅に当て面5を設けている。この当て面5に当たるように、導波路型固体レーザ素子3と導波路型波長変換素子4を配置することで、端面3eと端面4fを容易に平行になるようにすることができる。   In order to form a resonator of the laser device with the end face 3e of the laser medium 3c and the end face 4f of the nonlinear material 4c, the end face 3e and the end face 4f need to be arranged in parallel. Therefore, in the planar waveguide laser device of the present invention, the contact surfaces 5 are provided at the four corners of the heat sink 1. By disposing the waveguide type solid-state laser element 3 and the waveguide type wavelength conversion element 4 so as to contact the contact surface 5, the end face 3e and the end face 4f can be easily made parallel.

当て面5は、金属めっき(例えば、金メッキなど)で作られ、形状は、典型的には、xy方向が百μm〜数mmの長方形、z方向の厚さが数百μm〜数mmの直方体とする。当て面5は、5a〜5dの4つで構成され、当て面5aと5bの端面3eが当たる面を結ぶ線と、当て面5cと5dの端面4fが当たる面を結ぶ線とが平行になるように、ヒートシンク1の四隅に、配置されている。   The contact surface 5 is made of metal plating (for example, gold plating), and the shape thereof is typically a rectangular shape having a xy direction of 100 μm to several mm, and a z-direction thickness of several hundred μm to several mm. And The contact surface 5 is composed of four parts 5a to 5d, and a line connecting the surfaces that contact the end surfaces 3e of the contact surfaces 5a and 5b and a line connecting the surfaces that contact the end surfaces 4f of the contact surfaces 5c and 5d are parallel to each other. As shown, the heat sinks 1 are arranged at the four corners.

図2A中の点線領域1a、1bにヒートシンク1が有ってもよいが、エッチング等で加工して、無いほうが望ましい。端面3eは、半導体レーザ素子2の端面に近接して配置するため、点線領域にヒートシンクが存在する場合には、点線領域1aのx方向の大きさを100μm以下とする。   The heat sink 1 may be provided in the dotted line areas 1a and 1b in FIG. 2A, but it is preferable that the heat sink 1 is not processed by etching or the like. Since the end face 3e is disposed close to the end face of the semiconductor laser element 2, when the heat sink is present in the dotted line area, the size of the dotted line area 1a in the x direction is set to 100 μm or less.

レーザ媒質3cの端面3eと非線形材料4cの端面4fとの平行度をより精度よく出すために、導波路型固体レーザ素子3と導波路型波長変換素子4は、y方向に長いバー状の形状とし、当て面5aと5bの距離および当て面5cと5dの距離をなるべく長くする。バー状の導波路型固体レーザ素子3と導波路型波長変換素子4のy方向の大きさは、典型的には、数〜数十mmとする。   In order to obtain the parallelism between the end face 3e of the laser medium 3c and the end face 4f of the nonlinear material 4c with higher accuracy, the waveguide type solid-state laser element 3 and the waveguide type wavelength conversion element 4 have a bar shape that is long in the y direction. And the distance between the contact surfaces 5a and 5b and the distance between the contact surfaces 5c and 5d are made as long as possible. The sizes in the y direction of the bar-shaped waveguide type solid-state laser element 3 and the waveguide type wavelength conversion element 4 are typically several to several tens of mm.

バー状の導波路型固体レーザ素子3と導波路型波長変換素子4をヒートシンク1上に接合した後、y方向に、所望の長さに切断する(図3参照)。切断方法としては、切粉などが発生しないレーザ加工を用いる。しかしながら、レーザ加工は、加工物をレーザ光によって溶融させて切断するため、溶融物がレーザ媒質3cの端面3fと非線形材料4cの端面4eとの間に入り込まないようにする必要がある。   After joining the bar-shaped waveguide type solid-state laser element 3 and the waveguide type wavelength conversion element 4 on the heat sink 1, it is cut into a desired length in the y direction (see FIG. 3). As a cutting method, laser processing that does not generate chips is used. However, since laser processing melts and cuts the workpiece with laser light, it is necessary to prevent the melt from entering between the end surface 3f of the laser medium 3c and the end surface 4e of the nonlinear material 4c.

図4は、本発明の実施の形態1における溶融物が発生しない平面導波路型レーザ装置の加工方法の一例を示す図である。レーザ光10をレンズ9により集光して加工物に照射する際に、集光点が加工物内部になるようにし、表面を溶融させずに内部のみ溶融させ、加工物内部に改質領域11を形成する。具体的には、図3における切断ラインに沿って、導波路型固体レーザ素子3の内部および導波路型波長変換素子4の内部に、改質領域11aおよび11bを形成することとなる。   FIG. 4 is a diagram showing an example of a processing method of the planar waveguide laser device that does not generate a melt in the first embodiment of the present invention. When the laser beam 10 is condensed by the lens 9 and irradiated onto the workpiece, the focused point is set inside the workpiece, the surface is not melted, only the inside is melted, and the modified region 11 is formed inside the workpiece. Form. Specifically, the modified regions 11a and 11b are formed inside the waveguide type solid-state laser element 3 and inside the waveguide type wavelength conversion element 4 along the cutting line in FIG.

また、必要に応じて、ヒートシンク1の内部にも改質領域11cを形成してもよい。この改質領域11a、11bおよび11cを形成した後、ヒートシンク1の下面より応力を加えることにより、この改質領域11a、11bおよび11cを起点に素子が切断される。   Moreover, you may form the modification | reformation area | region 11c also in the inside of the heat sink 1 as needed. After the modified regions 11a, 11b, and 11c are formed, a stress is applied from the lower surface of the heat sink 1, whereby the element is cut starting from the modified regions 11a, 11b, and 11c.

レーザ媒質3cの端面3fから出射された基本波レーザ光が非線形材料4cの端面4eから入射するためには、レーザ媒質3cと非線形材料4cのz方向の位置(高さ)を合わせて、導波路型固体レーザ素子3と導波路型波長変換素子4を配置する必要がある。そのためには、導波路型固体レーザ素子3および導波路型波長変換素子4と、ヒートシンク1との接合に用いる接合剤7a、7b(図2B参照)としては、厚さ制御が容易な蒸着はんだ(例えば、AuSnはんだなど)を用いるのが望ましい。   In order for the fundamental laser beam emitted from the end face 3f of the laser medium 3c to enter the end face 4e of the nonlinear material 4c, the waveguide medium is formed by matching the positions (heights) of the laser medium 3c and the nonlinear material 4c in the z direction. The type solid laser element 3 and the waveguide type wavelength conversion element 4 need to be arranged. For this purpose, as the bonding agents 7a and 7b (see FIG. 2B) used for bonding the waveguide type solid-state laser element 3 and the waveguide type wavelength conversion element 4 to the heat sink 1, vapor-deposited solder (see FIG. 2B) can be easily controlled. For example, it is desirable to use AuSn solder.

なお、導波路型固体レーザ素子3の接合に用いる接合剤7aと、導波路型波長変換素子4の接合に用いる接合剤7bは同一の材料である必要はない。また、はんだ接合するために、ヒートシンク1と、導波路型固体レーザ素子3および導波路型波長変換素子4との接合面には、金属膜(例えば、Cr/Ni/Auなど)を設けていてもよい。   The bonding agent 7a used for bonding the waveguide type solid-state laser element 3 and the bonding agent 7b used for bonding the waveguide type wavelength conversion element 4 do not need to be the same material. In order to perform solder bonding, a metal film (for example, Cr / Ni / Au) is provided on the bonding surface of the heat sink 1, the waveguide type solid-state laser element 3, and the waveguide type wavelength conversion element 4. Also good.

以上のように、実施の形態1によれば、導波路型固体レーザ素子と導波路型波長変換素子を、同一ヒートシンク上に配置している。特に、導波路型固体レーザ素子と導波路型波長変換素子との平行度の位置出しを行うための当て面を、ヒートシンク上に設けておくことで、調整の容易化、組立作業の簡略化を図ることができる。   As described above, according to the first embodiment, the waveguide type solid-state laser element and the waveguide type wavelength conversion element are arranged on the same heat sink. In particular, a contact surface for positioning the parallelism between the waveguide type solid-state laser element and the waveguide type wavelength conversion element is provided on the heat sink to facilitate adjustment and simplify assembly work. Can be planned.

なお、本実施の形態1では、導波路型光学素子として、波長変換素子を用いた場合の例を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。本発明は、導波路型光学素子として、他の光学素子を用いた場合にも適用できる。例えば、導波路型波長変換素子4の代わりに、導波路型偏光子、導波路型Qスイッチ素子などを用いることができる。   In the first embodiment, an example in which a wavelength conversion element is used as the waveguide type optical element has been described. However, the present invention is not limited to this. The present invention can also be applied to the case where another optical element is used as the waveguide type optical element. For example, instead of the waveguide type wavelength conversion element 4, a waveguide type polarizer, a waveguide type Q switch element or the like can be used.

実施の形態2.
先の実施の形態1において、非線形材料4cとして周期反転分極構造を持つMgO添加LiNbOを用いる場合には、基板4aとしては、通常、非線形材料4cと同一の材質であるLiNbOを用いる。しかしながら、LiNbOの熱膨張係数は、14.8×10−6−1であり、Siの熱膨張係数は、2.6×10−6−1である。従って、ヒートシンク1として、一般的なSiヒートシンクを用いる場合には、熱膨張係数の差が大きく、ヒートシンク1と導波路型波長変換素子4の接合において、高温での接合が困難となる。
Embodiment 2. FIG.
In the first embodiment, when the MgO-added LiNbO 3 having a periodically inverted polarization structure is used as the nonlinear material 4c, LiNbO 3 which is the same material as the nonlinear material 4c is usually used as the substrate 4a. However, LiNbO 3 has a thermal expansion coefficient of 14.8 × 10 −6 K −1 and Si has a thermal expansion coefficient of 2.6 × 10 −6 K −1 . Therefore, when a general Si heat sink is used as the heat sink 1, the difference in thermal expansion coefficient is large, and it is difficult to join the heat sink 1 and the waveguide type wavelength conversion element 4 at a high temperature.

一方、ヒートシンク1と導波路型波長変換素子4の接合における接合剤としては、蒸着可能なAuSnはんだなどを用いることが望ましい。しかしながら、AuSnはんだの融点は、280℃であり、高温での接合が必要になる。   On the other hand, as a bonding agent for bonding the heat sink 1 and the waveguide type wavelength conversion element 4, it is desirable to use vapor-deposited AuSn solder or the like. However, the melting point of AuSn solder is 280 ° C., and bonding at a high temperature is required.

そこで、本実施の形態2では、このような高温の問題を解決するために、基板として、ヒートシンク1と同等な熱膨張係数を持つ材料を用いる場合について説明する。図5は、本発明の実施の形態2における導波路型波長変換素子の構成図である。本実施の形態2における導波路型波長変換素子104の基板104aとして、ヒートシンク1と同一の材質であるSiを用いる。なお、熱膨張係数がSiとほぼ同じ材料であれば、基板104aとして他の材料を用いてもよい。その他の導波路型波長変換素子104の構造は、先の実施の形態1で示した導波路型波長変換素子4と同一の構造である。また、導波路型波長変換素子104以外の構造および製造方法は、先の実施の形態1と同様である。   Therefore, in the second embodiment, a case will be described in which a material having a thermal expansion coefficient equivalent to that of the heat sink 1 is used as the substrate in order to solve such a high temperature problem. FIG. 5 is a configuration diagram of a waveguide type wavelength conversion element according to the second embodiment of the present invention. Si, which is the same material as the heat sink 1, is used as the substrate 104a of the waveguide type wavelength conversion element 104 in the second embodiment. Note that other materials may be used for the substrate 104a as long as the thermal expansion coefficient is substantially the same as that of Si. The other structures of the waveguide type wavelength conversion element 104 are the same as those of the waveguide type wavelength conversion element 4 shown in the first embodiment. The structure and manufacturing method other than the waveguide type wavelength conversion element 104 are the same as those in the first embodiment.

基板104aとして、ヒートシンク1と同等な熱膨張係数を持つ材料を用いることで、高温接合後冷却時に導波路型波長変換素子104およびヒートシンク1にかかる応力を緩和することができる。この結果、高融点を持つAuSnはんだによる接合が可能となる。   By using a material having a thermal expansion coefficient equivalent to that of the heat sink 1 as the substrate 104a, stress applied to the waveguide type wavelength conversion element 104 and the heat sink 1 during cooling after high-temperature bonding can be relaxed. As a result, bonding with AuSn solder having a high melting point becomes possible.

以上のように、実施の形態2によれば、先の実施の形態1における構成に加え、導波路型波長変換素子の基板として、ヒートシンクと同等な熱膨張係数を持つ材料を用いている。この結果、先の実施の形態1における効果に加え、高温接合後冷却時に導波路型波長変換素子およびヒートシンクにかかる応力を緩和することができ、高融点を持つAuSnはんだによる接合が可能となる。   As described above, according to the second embodiment, in addition to the configuration in the first embodiment, a material having a thermal expansion coefficient equivalent to that of a heat sink is used as the substrate of the waveguide type wavelength conversion element. As a result, in addition to the effects in the first embodiment, stress applied to the waveguide type wavelength conversion element and the heat sink during cooling after high-temperature bonding can be relieved, and bonding with AuSn solder having a high melting point becomes possible.

実施の形態3.
先の実施の形態2では、接合剤として高融点のものを用いる場合について説明した。これに対して、本実施の形態3では、接着剤として低融点のものを用いる場合について説明する。
Embodiment 3 FIG.
In the second embodiment, the case where a high melting point material is used as the bonding agent has been described. On the other hand, in this Embodiment 3, the case where a low melting-point thing is used as an adhesive agent is demonstrated.

本実施の形態3の特徴である、導波路型固体レーザ素子−導波路型波長変換素子一体型素子の製造方法について、図6A、図6Bを用いて説明する。図6Aは、本発明の実施の形態3の平面導波路型レーザ装置における導波路型固体レーザ素子−導波路型波長変換素子一体型素子の上面図である。また、図6Bは、本発明の実施の形態3の平面導波路型レーザ装置における導波路型固体レーザ素子−導波路型波長変換素子一体型素子の側面図である。   A method for manufacturing a waveguide solid-state laser element-waveguide wavelength conversion element integrated element, which is a feature of the third embodiment, will be described with reference to FIGS. 6A and 6B. FIG. 6A is a top view of a waveguide solid-state laser element-waveguide wavelength conversion element integrated element in the planar waveguide laser apparatus according to Embodiment 3 of the present invention. FIG. 6B is a side view of a waveguide solid-state laser element-waveguide wavelength conversion element integrated element in the planar waveguide laser apparatus according to Embodiment 3 of the present invention.

本実施の形態3の場合、ヒートシンク101と導波路型波長変換素子4との接合における接合剤107bとして、低融点であるSnBi系(例えば、Bi−57Bi−1Agはんだ、融点:137℃)のはんだを用いる。はんだの供給方法としては、蒸着が望ましいが、SnBi系はんだのように蒸着が困難なはんだを用いる場合は、一般的なはんだペーストを用いてもよい。   In the case of the third embodiment, SnBi-based solder (for example, Bi-57Bi-1Ag solder, melting point: 137 ° C.) having a low melting point is used as the bonding agent 107b in the bonding between the heat sink 101 and the waveguide type wavelength conversion element 4. Is used. As a method for supplying the solder, vapor deposition is desirable, but when using a solder that is difficult to deposit such as SnBi solder, a general solder paste may be used.

また、この接合剤107bとしては、融点が150℃以下のはんだであれば、他のはんだを用いてもよい。これにより、150℃以下の低温で、ヒートシンク101と導波路型波長変換素子4とを確実に接合することができ、両者の熱膨張係数の差が大きい場合にも、その影響を受けにくい状態での接合が可能となる。   As the bonding agent 107b, other solder may be used as long as it has a melting point of 150 ° C. or lower. As a result, the heat sink 101 and the waveguide wavelength conversion element 4 can be reliably bonded at a low temperature of 150 ° C. or less, and even when the difference in thermal expansion coefficient between the two is large, the heat sink 101 and the waveguide type wavelength conversion element 4 are not easily affected. Can be joined.

なお、ヒートシンク101と導波路型固体レーザ素子3の接合における接合剤107aとしては、先の実施の形態1と同様に、蒸着可能なはんだ(例えば、AuSnはんだ)を用いてよい。   Note that as the bonding agent 107a in the bonding of the heat sink 101 and the waveguide type solid-state laser element 3, a solder capable of vapor deposition (for example, AuSn solder) may be used as in the first embodiment.

一般的に、はんだペーストを用いて接合する場合には、はんだ表面に形成する酸化膜を除去するために、スクラブという作業が必要である。このスクラブとは、接合時にはんだが溶融している状態で、接合する素子を前後左右に動かし、溶融しているはんだをかき混ぜる作業のことである。導波路型波長変換素子4をスクラブする場合には、x方向に動かすと導波路型固体レーザ素子3と接触してしまうため、y方向のみでスクラブを行う。   In general, when joining using a solder paste, a scrubbing operation is required to remove an oxide film formed on the solder surface. This scrubbing is an operation of moving the elements to be joined back and forth and left and right to stir the melted solder while the solder is melted at the time of joining. When scrubbing the waveguide type wavelength conversion element 4, if it is moved in the x direction, it will come into contact with the waveguide type solid state laser element 3, so that scrubbing is performed only in the y direction.

また、はんだペーストは、蒸着ではんだを供給するよりもはんだ量が多くなる。そこで、スクラブや、接合時に導波路型波長変換素子4にかける荷重により、はんだが導波路型波長変換素子4の接合面からはみ出して、導波路型固体レーザ素子3の端面3fに接触することを避ける必要がある。このため、本実施の形態3におけるヒートシンク101は、溝101aが設けられており、はみ出てきたはんだを逃がすようにしている。溝101aの寸法は、典型的には、x方向が100μm程度、深さ方向(z方向)が100〜数百μmとする。   Also, the solder paste has a larger amount of solder than the solder supplied by vapor deposition. Therefore, the solder protrudes from the joint surface of the waveguide type wavelength conversion element 4 due to scrubbing or a load applied to the waveguide type wavelength conversion element 4 at the time of joining, and contacts the end face 3f of the waveguide type solid laser element 3. It is necessary to avoid it. For this reason, the heat sink 101 in the third embodiment is provided with a groove 101a so as to release the protruding solder. The dimensions of the groove 101a are typically about 100 μm in the x direction and 100 to several hundred μm in the depth direction (z direction).

接着剤107bの材質、およびヒートシンク101の構造を除いて、本実施の形態3における平面導波路型レーザ装置の構造およびその製造方法は、先の実施の形態1と同様である。   Except for the material of the adhesive 107b and the structure of the heat sink 101, the structure of the planar waveguide laser device and the manufacturing method thereof in the third embodiment are the same as those in the first embodiment.

以上のように、実施の形態3によれば、ヒートシンクと導波路型波長変換素子との接合における接合剤として、融点が150℃以下の低融点のものを用いている。この結果、150℃以下の低温で、ヒートシンク101と導波路型波長変換素子4とを確実に接合することができ、両者の熱膨張係数の差が大きい場合にも、その影響を受けにくい状態での接合が可能となる。   As described above, according to the third embodiment, a low melting point having a melting point of 150 ° C. or lower is used as the bonding agent in the bonding between the heat sink and the waveguide type wavelength conversion element. As a result, the heat sink 101 and the waveguide type wavelength conversion element 4 can be reliably bonded at a low temperature of 150 ° C. or less, and even when the difference in thermal expansion coefficient between the two is large, the heat sink 101 and the waveguide type wavelength conversion element 4 are not easily affected. Can be joined.

さらに、本実施の形態3のヒートシンクは、導波路型固体レーザ素子と導波路型光学素子との間に位置する未接合領域に溝が形成されている。これにより、はんだが導波路型波長変換素子の接合面からはみ出して、導波路型固体レーザ素子の端面に接触することを回避することができる。   Furthermore, in the heat sink of the third embodiment, a groove is formed in an unjoined region located between the waveguide type solid laser element and the waveguide type optical element. Thereby, it can avoid that solder protrudes from the joint surface of a waveguide type wavelength conversion element, and contacts the end surface of a waveguide type solid laser element.

実施の形態4.
先の実施の形態2では、導波路型波長変換素子の基板をヒートシンクと同等の熱膨張係数を有する材料を使用する方法について説明した。これに対して、本実施の形態4では、ヒートシンクに櫛型構造を設け、導波路型波長変換素子にかかる熱応力を緩和する方法について説明する。
Embodiment 4 FIG.
In the second embodiment, the method of using a material having a thermal expansion coefficient equivalent to that of the heat sink as the substrate of the waveguide type wavelength conversion element has been described. On the other hand, in the fourth embodiment, a method of reducing the thermal stress applied to the waveguide type wavelength conversion element by providing a comb structure on the heat sink will be described.

図7Aは、本発明の実施の形態4における導波路型固体レーザ素子−導波路型波長変換素子一体型素子用ヒートシンクの構造図である。ここで、ヒートシンク201の接合面には、櫛歯202が設けられている。   FIG. 7A is a structural diagram of a heat sink for a waveguide type solid-state laser element-waveguide type wavelength conversion element integrated element according to Embodiment 4 of the present invention. Here, comb teeth 202 are provided on the joint surface of the heat sink 201.

また、図7Bは、本発明の実施の形態4における導波路型固体レーザ素子−導波路型波長変換素子の導波路型波長変換素子接合部の光軸に垂直な面での断面図である。ヒートシンク201の光軸に垂直な断面は、櫛状の構造をしており、この櫛の先端部が接合剤203を介して波長変換素子4の接合面と接合される。   FIG. 7B is a cross-sectional view taken along a plane perpendicular to the optical axis of the waveguide-type wavelength conversion element junction of the waveguide-type solid-state laser element-waveguide-type wavelength conversion element in Embodiment 4 of the present invention. The cross section perpendicular to the optical axis of the heat sink 201 has a comb-like structure, and the tip of the comb is bonded to the bonding surface of the wavelength conversion element 4 via the bonding agent 203.

この櫛歯202は、金属めっき(例えば、CuやNiなど)により作成され、接合剤203としては、蒸着やめっきが可能なはんだ(例えば、AuSnはんだ)が用いられる。めっきで櫛歯202を作成することにより、マスクパターンの変更のみで、容易に櫛幅や櫛歯間距離を変更することができる。   The comb teeth 202 are formed by metal plating (for example, Cu, Ni, etc.), and solder (for example, AuSn solder) capable of vapor deposition or plating is used as the bonding agent 203. By creating the comb teeth 202 by plating, the comb width and the inter-comb distance can be easily changed only by changing the mask pattern.

基板4aにLiNbOを用いる場合、Siヒートシンクとは熱膨張係数が異なるため、AuSnはんだで高温接合すれば、波長変換素子に熱応力が発生する。そこで、Siヒートシンクの接合面を、図7A、図7Bに示したように、櫛型構造にすることにより、波長変換素子の熱応力が各櫛歯に対してせん断応力として働く。そのため、各櫛歯にせん断歪が生じ、その歪の分だけ波長変換素子の熱応力が緩和される。 When LiNbO 3 is used for the substrate 4a, the coefficient of thermal expansion is different from that of the Si heat sink. Therefore, thermal bonding is generated in the wavelength conversion element if it is bonded at a high temperature with AuSn solder. Therefore, the bonding surface of the Si heat sink has a comb structure as shown in FIGS. 7A and 7B, so that the thermal stress of the wavelength conversion element acts as a shear stress on each comb tooth. Therefore, a shear strain is generated in each comb tooth, and the thermal stress of the wavelength conversion element is relaxed by the amount of the strain.

ここで、各櫛歯にかかるせん断応力は、櫛幅(接合面積)に反比例する。このため、櫛幅を狭くする方が、櫛歯のせん断歪が大きくなり、波長変換素子の応力もより緩和される(図7B参照)。   Here, the shear stress applied to each comb tooth is inversely proportional to the comb width (joint area). For this reason, when the comb width is narrowed, the shear distortion of the comb teeth increases and the stress of the wavelength conversion element is further relaxed (see FIG. 7B).

しかしながら、櫛幅を狭くすると、櫛歯にかかるせん断応力の増大により櫛歯が破断する可能性がある。図8は、本発明の実施の形態4の櫛状構造を有するヒートシンク201における櫛歯のDuty(櫛幅/櫛歯間距離)に対する波長変換素子にかかる熱応力、および櫛歯にかかるせん断応力のそれぞれの関係を示した図である。この関係は、用いる材料の物理特性(熱膨張係数や弾性率など)によって決まる。このため、用いる材料に応じて、最適なDutyを設定することとなる。基板4aにLiNbOを用い、ヒートシンク201にSiを用いる場合には、Dutyを80%以下に設定することが望ましい。 However, when the comb width is narrowed, there is a possibility that the comb teeth break due to an increase in shear stress applied to the comb teeth. FIG. 8 shows the thermal stress applied to the wavelength conversion element and the shear stress applied to the comb teeth with respect to the duty (comb width / inter-comb distance) of the comb teeth in the heat sink 201 having the comb-like structure according to the fourth embodiment of the present invention. It is the figure which showed each relationship. This relationship is determined by the physical properties (thermal expansion coefficient, elastic modulus, etc.) of the material used. For this reason, the optimum duty is set according to the material to be used. When LiNbO 3 is used for the substrate 4a and Si is used for the heat sink 201, it is desirable to set the duty to 80% or less.

次に、非線形材料4cの中で発生する温度分布について用いて説明する。図9は、本発明の実施の形態4において、図7B中のヒートシンク201〜非線形材料4cの断面図の一部を拡大した図である。非線形材料4c内で発生した熱は、クラッド4dおよび接合剤203を介して、ヒートシンク201に排熱される。   Next, the temperature distribution generated in the nonlinear material 4c will be described. FIG. 9 is an enlarged view of a part of a cross-sectional view of heat sink 201 to nonlinear material 4c in FIG. 7B in Embodiment 4 of the present invention. The heat generated in the nonlinear material 4 c is exhausted to the heat sink 201 through the clad 4 d and the bonding agent 203.

このとき、本実施の形態4におけるヒートシンク201は、櫛形をしており、接合剤203により接合されている範囲が櫛歯の先端部のみである。このため、2つの櫛歯間の中間部には、2つの櫛歯のほぼ中心からy軸方向の両側に、熱の流れが発生する。従って、2つの櫛歯のほぼ中心の温度が最大となり、櫛歯の部分に近づくに従い、温度が低下する。   At this time, the heat sink 201 in the fourth embodiment has a comb shape, and the range bonded by the bonding agent 203 is only the tip portion of the comb teeth. For this reason, in the intermediate part between two comb teeth, a heat flow is generated on both sides in the y-axis direction from the approximate center of the two comb teeth. Therefore, the temperature at the approximate center of the two comb teeth is maximized, and the temperature decreases as the portion approaches the comb tooth portion.

非線形材料4cなどの光学材料は、温度差にほぼ比例して屈折率が変化する。非線形材料4cの光学材料として、単位温度あたりの屈折率変化dn/dTが正の材料を用いた場合には、温度の高い2つの櫛歯の中心部の屈折率が大きくなり、櫛歯の部分に近づくに従い、屈折率が小さくなる。その結果、y軸方向には、2つの櫛歯の中心部を光軸とした熱レンズ効果が発生し、y軸方向のレーザ発振モードを安定化させることができる。なお、この櫛歯の間隔は、半導体レーザ素子2の発光点に対応するものとする。   The refractive index of the optical material such as the nonlinear material 4c changes almost in proportion to the temperature difference. When a material having a positive refractive index change dn / dT per unit temperature is used as the optical material of the nonlinear material 4c, the refractive index at the center of the two comb teeth having a high temperature increases, and the comb tooth portion As the value approaches, the refractive index decreases. As a result, in the y-axis direction, a thermal lens effect is generated with the center portion of the two comb teeth as the optical axis, and the laser oscillation mode in the y-axis direction can be stabilized. The interval between the comb teeth corresponds to the light emitting point of the semiconductor laser element 2.

この櫛歯は、導波路型固体レーザ素子の接合面も含むヒートシンクの接合面全面に施す。このように、導波路型固体レーザ素子との接合面も櫛歯構造にすることにより、温度分布による発振モード安定化の効果を、さらに大きくすることができる。   The comb teeth are applied to the entire bonding surface of the heat sink including the bonding surface of the waveguide type solid laser element. Thus, the effect of stabilizing the oscillation mode by the temperature distribution can be further increased by adopting a comb-teeth structure on the joint surface with the waveguide type solid-state laser element.

なお、ヒートシンク201において、導波路型固体レーザ素子と導波路型光学素子との間に位置する未接合領域は、櫛パターンを抜いておく。これにより、接合面からはみ出したはんだが、導波路型固体レーザ素子の端面および導波路型光学素子の端面へ接触することを回避することができる。   In the heat sink 201, a comb pattern is removed from an unjoined region located between the waveguide type solid-state laser element and the waveguide type optical element. Thereby, it is possible to avoid the solder protruding from the joint surface from coming into contact with the end face of the waveguide type solid laser element and the end face of the waveguide type optical element.

以上のように、実施の形態4によれば、ヒートシンクに櫛型構造を設けることで、導波路型波長変換素子にかかる熱応力を緩和することができ、高融点を持つAuSnはんだによる接合が可能となる。さらに、めっきで櫛歯を作成することにより、マスクパターンの変更のみで、容易に櫛幅や櫛歯間距離を変更することができ、熱応力の緩和に関し、所望の特性を持たせることが容易となる。   As described above, according to the fourth embodiment, by providing the comb-like structure on the heat sink, the thermal stress applied to the waveguide type wavelength conversion element can be relieved, and joining with AuSn solder having a high melting point is possible. It becomes. Furthermore, by creating comb teeth by plating, it is possible to easily change the comb width and the inter-comb distance by simply changing the mask pattern, and it is easy to have the desired characteristics regarding thermal stress relaxation. It becomes.

なお、上述した本実施の形態4では、y方向の応力緩和について説明してきたが、x方向の応力についても同様に考えられるため、x方向に櫛歯を設けてもよい。図10は、本発明の実施の形態4における導波路型固体レーザ素子−導波路型波長変換素子一体型素子用ヒートシンクで、x方向に櫛歯を設けた場合の構造図である。x方向に櫛歯を設ける場合は、熱レンズによるビーム安定化の効果は得られないが、櫛歯の間隔等は、自由に設定できる。   In the fourth embodiment described above, stress relaxation in the y direction has been described. However, since stress in the x direction can be considered similarly, comb teeth may be provided in the x direction. FIG. 10 is a structural diagram in the case where comb-tooth is provided in the x direction in the waveguide type solid-state laser element-waveguide type wavelength conversion element integrated element heat sink according to the fourth embodiment of the present invention. When the comb teeth are provided in the x direction, the effect of beam stabilization by the thermal lens cannot be obtained, but the interval between the comb teeth can be freely set.

また、x方向、y方向ともに櫛歯を設けたほうがより効果的である。図11は、本発明の実施の形態4における導波路型固体レーザ素子−導波路型波長変換素子一体型素子用ヒートシンクで、x方向、y方向ともに櫛歯を設けた場合の構造図である。この場合には、接合面がドット状になり、xy平面内の全方向の応力を緩和することが可能となる。なお、この場合のx方向の櫛歯の間隔は、特に等間隔である必要はない。   It is more effective to provide comb teeth in both the x and y directions. FIG. 11 is a structural diagram when a comb-type solid-state laser element-waveguide-type wavelength conversion element integrated heat sink according to Embodiment 4 of the present invention is provided with comb teeth in both the x and y directions. In this case, the joint surface becomes a dot shape, and stress in all directions in the xy plane can be relaxed. In this case, the intervals between the comb teeth in the x direction need not be equal.

なお、先の実施の形態2で説明した導波路型波長変換素子104を用いると、応力緩和に関して、より効果的である。   Note that the use of the waveguide type wavelength conversion element 104 described in the second embodiment is more effective in terms of stress relaxation.

1 ヒートシンク、2 半導体レーザ素子、3 導波路型固体レーザ素子、3a 基板、3b クラッド、3c レーザ媒質、3d クラッド、3e 端面、3f 端面、4 導波路型波長変換素子(導波路型光学素子)、4a 基板、4b クラッド、4c 非線形材料、4d クラッド、4e 端面、4f 端面、5、5a〜5d 当て面、6 光軸、7a、7b 接合剤、8 切断ライン、9 レンズ、10 レーザ光、11、11a〜11c 改質領域、101 ヒートシンク、101a 溝、104 導波路型波長変換素子、104a 基板、107a、107b 接合剤、201 ヒートシンク、202 櫛歯、203 接合剤。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Heat sink, 2 Semiconductor laser element, 3 Waveguide type solid state laser element, 3a board | substrate, 3b clad, 3c laser medium, 3d clad, 3e end surface, 3f end surface, 4 Waveguide type | mold wavelength conversion element (waveguide type optical element), 4a substrate, 4b cladding, 4c nonlinear material, 4d cladding, 4e end surface, 4f end surface, 5, 5a to 5d contact surface, 6 optical axes, 7a, 7b bonding agent, 8 cutting line, 9 lens, 10 laser beam, 11, 11a to 11c Modified region, 101 heat sink, 101a groove, 104 waveguide type wavelength conversion element, 104a substrate, 107a, 107b bonding agent, 201 heat sink, 202 comb teeth, 203 bonding agent.

Claims (14)

平板状をなし、光軸に対する垂直断面の厚さ方向に導波路構造を有するレーザ媒質を含む導波路型固体レーザ素子と、
平板状をなし、光軸に対する垂直断面の厚さ方向に導波路構造を有する非線形材料を含む導波路型光学素子と、
前記導波路型固体レーザ素子と前記導波路型光学素子とを実装するために一体構成されたヒートシンクと
を備えた平面導波路型レーザ装置の製造方法であって、
前記導波路型固体レーザ素子の励起光入射側の端面方向を規定するための第1の当て面および第2の当て面と、前記導波路型固体レーザ素子の前記励起光入射側の端面方向と平行になるように前記導波路型光学素子のレーザ光出射側の端面方向を規定するための第3の当て面および第4の当て面とを、前記ヒートシンク上の四隅に形成するステップと、
前記ヒートシンク上に形成された前記第1の当て面および前記第2の当て面に対して前記導波路型固体レーザ素子の前記励起光入射側の端面を当てて配置し、前記ヒートシンク上に形成された前記第3の当て面および前記第4の当て面に対して前記導波路型光学素子の前記レーザ光出射側の端面を当てて配置するステップと
を備えることを特徴とする平面導波路型レーザ装置の製造方法。
A waveguide type solid-state laser element including a laser medium having a plate shape and having a waveguide structure in a thickness direction of a vertical cross section with respect to an optical axis;
A waveguide-type optical element including a nonlinear material having a planar shape and having a waveguide structure in a thickness direction of a cross section perpendicular to the optical axis;
A method of manufacturing a planar waveguide laser device comprising: a heat sink integrally configured to mount the waveguide solid-state laser element and the waveguide optical element;
A first contact surface and a second contact surface for defining an end face direction on the excitation light incident side of the waveguide type solid laser element; and an end face direction on the excitation light incident side of the waveguide type solid laser element; Forming a third contact surface and a fourth contact surface for defining the end face direction on the laser light emission side of the waveguide type optical element so as to be parallel to the four corners on the heat sink;
An end face on the excitation light incident side of the waveguide type solid-state laser element is placed in contact with the first contact surface and the second contact surface formed on the heat sink, and is formed on the heat sink. And a step of placing the end face on the laser light emitting side of the waveguide type optical element against the third contact surface and the fourth contact surface. Device manufacturing method.
請求項1に記載の平面導波路型レーザ装置の製造方法において、
前記形成するステップは、前記第1の当て面と前記第2の当て面との距離、および前記第3の当て面と前記第4の当て面との距離を所定距離以上離して形成し、
前記配置するステップは、導波路厚方向および光軸方向の両方向に対して垂直な方向において、前記所定距離以上の長いバー状の形状を有する前記導波路型固体レーザ素子および前記導波路型光学素子を配置する
ことを特徴とする平面導波路型レーザ装置の製造方法。
In the manufacturing method of the planar waveguide type laser device according to claim 1,
The forming step includes forming a distance between the first contact surface and the second contact surface, and a distance between the third contact surface and the fourth contact surface apart from each other by a predetermined distance,
The arranging step includes the waveguide solid-state laser element and the waveguide optical element having a bar-like shape longer than the predetermined distance in a direction perpendicular to both the waveguide thickness direction and the optical axis direction. A method of manufacturing a planar waveguide laser device, characterized by comprising:
請求項2に記載の平面導波路型レーザ装置の製造方法において、
前記配置するステップの後に、前記ヒートシンク上に配置された前記導波路型固体レーザ素子および前記導波路型光学素子を、レーザ加工により前記光軸方向に切断するステップ
をさらに備えることを特徴とする平面導波路型レーザ装置の製造方法。
In the manufacturing method of the planar waveguide type laser device according to claim 2,
After the step of arranging, the plane further comprising the step of cutting the waveguide type solid laser element and the waveguide type optical element arranged on the heat sink in the optical axis direction by laser processing. A method for manufacturing a waveguide laser device.
請求項1ないし3のいずれか1項に記載の平面導波路型レーザ装置の製造方法において、
前記形成するステップは、金属めっきを用いて前記第1の当て面〜前記第4の当て面を形成する
ことを特徴とする平面導波路型レーザ装置の製造方法。
In the manufacturing method of the planar waveguide type laser device according to any one of claims 1 to 3,
The forming step includes forming the first contact surface to the fourth contact surface using metal plating. A method of manufacturing a planar waveguide laser device, wherein:
請求項1ないし4のいずれか1項に記載の平面導波路型レーザ装置の製造方法において、
前記配置するステップは、前記導波路型固体レーザ素子および前記導波路型光学素子を前記ヒートシンク上に配置する際に、蒸着可能なはんだを接合剤として用いて接合する
ことを特徴とする平面導波路型レーザ装置の製造方法。
In the manufacturing method of the planar waveguide type laser device according to any one of claims 1 to 4,
The placing step includes joining the waveguide type solid-state laser element and the waveguide type optical element on the heat sink by using vapor-depositable solder as a joining agent. Type laser device manufacturing method.
請求項1ないし4のいずれか1項に記載の平面導波路型レーザ装置の製造方法において、
前記配置するステップは、前記導波路型光学素子を前記ヒートシンク上に配置する際に、融点が150℃以下の低融点の接合剤を用いて接合する
ことを特徴とする平面導波路型レーザ装置の製造方法。
In the manufacturing method of the planar waveguide type laser device according to any one of claims 1 to 4,
In the planar waveguide laser device, the step of arranging includes using a bonding agent having a low melting point of 150 ° C. or lower when the waveguide type optical element is arranged on the heat sink. Production method.
平板状をなし、光軸に対する垂直断面の厚さ方向に導波路構造を有するレーザ媒質を含む導波路型固体レーザ素子と、
平板状をなし、光軸に対する垂直断面の厚さ方向に導波路構造を有する非線形材料を含む導波路型光学素子と、
前記導波路型固体レーザ素子と前記導波路型光学素子とを実装するヒートシンクと
を備えた平面導波路型レーザ装置であって、
前記導波路型固体レーザ素子と前記導波路型光学素子は、一体で構成された前記ヒートシンク上に実装されている
ことを特徴とする平面導波路型レーザ装置。
A waveguide type solid-state laser element including a laser medium having a plate shape and having a waveguide structure in a thickness direction of a vertical cross section with respect to an optical axis;
A waveguide-type optical element including a nonlinear material having a planar shape and having a waveguide structure in a thickness direction of a cross section perpendicular to the optical axis;
A planar waveguide laser device comprising: a heat sink for mounting the waveguide solid-state laser element and the waveguide optical element;
The planar waveguide laser device, wherein the waveguide solid-state laser element and the waveguide optical element are mounted on the heat sink formed integrally.
請求項7に記載の平面導波路型レーザ装置において、
前記導波路型光学素子は、前記ヒートシンクと同等の熱膨張係数である基板を有する
ことを特徴とする平面導波路型レーザ装置。
The planar waveguide laser device according to claim 7, wherein
The waveguide type optical element has a substrate having a thermal expansion coefficient equivalent to that of the heat sink.
請求項8に記載の平面導波路型レーザ装置において、
前記導波路型固体レーザ素子は、前記ヒートシンクと同等の熱膨張係数である基板を有する
ことを特徴とする平面導波路型レーザ装置。
The planar waveguide laser device according to claim 8, wherein
The waveguide-type solid-state laser element includes a substrate having a thermal expansion coefficient equivalent to that of the heat sink.
請求項7に記載の平面導波路型レーザ装置において、
前記ヒートシンクは、前記導波路型固体レーザ素子と前記導波路型光学素子との間に位置する未接合領域において溝が形成されている
ことを特徴とする平面導波路型レーザ装置。
The planar waveguide laser device according to claim 7, wherein
A planar waveguide laser device, wherein the heat sink has a groove formed in an unbonded region located between the waveguide solid-state laser element and the waveguide optical element.
請求項7に記載の平面導波路型レーザ装置において、
前記ヒートシンクの接合面は、光軸に垂直な断面内で櫛構造を有する
ことを特徴とする平面導波路型レーザ装置。
The planar waveguide laser device according to claim 7, wherein
A planar waveguide laser device, wherein the bonding surface of the heat sink has a comb structure in a cross section perpendicular to the optical axis.
請求項7に記載の平面導波路型レーザ装置において、
前記ヒートシンクの接合面は、光軸に平行かつ導波路に垂直な断面内で櫛構造を有する
ことを特徴とする平面導波路型レーザ装置。
The planar waveguide laser device according to claim 7, wherein
A planar waveguide laser device, wherein the bonding surface of the heat sink has a comb structure in a cross section parallel to the optical axis and perpendicular to the waveguide.
請求項7に記載の平面導波路型レーザ装置において、
前記ヒートシンクの接合面は、光軸に垂直な断面内、および光軸に平行かつ導波路に垂直な断面内で櫛構造を有する
ことを特徴とする平面導波路型レーザ装置。
The planar waveguide laser device according to claim 7, wherein
The planar waveguide laser device, wherein the bonding surface of the heat sink has a comb structure in a cross section perpendicular to the optical axis and in a cross section parallel to the optical axis and perpendicular to the waveguide.
請求項7ないし13のいずれか1項に記載の平面導波路型レーザ装置において、
導波路型固体レーザ素子に対して励起光を発生させるレーザとして、半導体レーザを用いる
ことを特徴とする平面導波路型レーザ装置。
The planar waveguide laser device according to any one of claims 7 to 13,
A planar waveguide laser device characterized in that a semiconductor laser is used as a laser for generating excitation light for a waveguide solid laser element.
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