JP2015012142A - レーザ結晶 - Google Patents
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Abstract
【課題】 製造コストを低減させる。【解決手段】 レーザ発振で用いられるレーザ結晶であって、Ｎｄ又はＴｉ若しくはＣｒのいずれかの接合金属膜が設けられているＹＶＯ４又はＹＡＧ若しくはＡｌ２Ｏ３のいずれかの２つ一対の母結晶と、この母結晶の間に設けられる接合金属膜が設けられているＮｄ：ＹＶＯ４結晶，Ｎｄ：ＹＡＧ結晶，Ｔｉ：Ａｌ２Ｏ３結晶又はＣｒ：Ａｌ２Ｏ３結晶のいずれかの中間結晶とを備え、母結晶と中間結晶とが原子拡散接合により接合されて構成されていることを特徴とする。【選択図】 図１
Description
本発明は、レーザの発生に用いられるレーザ結晶に関する。
従来より、レーザを発生させる場合は、レーザ結晶が用いられる。近年より、高強度のパルスレーザを発生させることができる大型固体レーザ装置が求められている。このような大型固体レーザ装置には、大型高品質のレーザ結晶や、レーザの励起による熱に耐えられるレーザ結晶が必要となる。また、このようなレーザ結晶は、いくつかの結晶を接合することにより得ることができる。
例えば、特許文献１では、ＬｉＬｕＦ２単結晶２枚を熱接合することでレーザ結晶を得ることが開示されている。
また、例えば、特許文献２では、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）、フォルステライト（Ｍｇ2ＳｉＯ4）、クリソベリル（ＢｅＡｌ2Ｏ4）、イットリウムバナデート（ＹＶＯ4）、リチウムナイオベイト（ＬｉＮｂＯ3）、バリウムチタネイト（ＢａＴｉＯ3）、リチウムタンタレイト（ＬｉＴａＯ3）等からなるレーザ光学結晶を直接接合して得ることが開示されている。
例えば、特許文献１では、ＬｉＬｕＦ２単結晶２枚を熱接合することでレーザ結晶を得ることが開示されている。
また、例えば、特許文献２では、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）、フォルステライト（Ｍｇ2ＳｉＯ4）、クリソベリル（ＢｅＡｌ2Ｏ4）、イットリウムバナデート（ＹＶＯ4）、リチウムナイオベイト（ＬｉＮｂＯ3）、バリウムチタネイト（ＢａＴｉＯ3）、リチウムタンタレイト（ＬｉＴａＯ3）等からなるレーザ光学結晶を直接接合して得ることが開示されている。
しかしながら、従来のようなレーザ結晶は、接合の際に加熱を行うため、熱の管理が厳重に行われないと結晶の接合面に均一な熱分布なるような加熱ができなくなる恐れがある。このような不均一な加熱の状態では、結晶の熱膨張による変化が不均一となり、良好な接合が得られなくなる恐れがある。
そこで、本発明は、前記課題を解決し、接合状態を向上させたレーザ結晶を提供することを課題とする。
そこで、本発明は、前記課題を解決し、接合状態を向上させたレーザ結晶を提供することを課題とする。
前記課題を解決するため、本発明は、レーザ発振で用いられるレーザ結晶であって、接合金属膜が設けられている２つ一対の母結晶と、前記母結晶の間に設けられ接合金属膜が設けられている中間結晶とを備え、前記母結晶と前記中間結晶とが原子拡散接合により接合されて構成されていることを特徴とする。
また、本発明は、前記母結晶がＹＶＯ4又はＹＡＧであり、前記母結晶がＹＶＯ4のときは前記中間結晶がＮｄ：ＹＶＯ4結晶であり、前記母結晶がＹＡＧのときは前記中間結晶がＮｄ：ＹＡＧ結晶であり、前記接合金属膜がＮｄであることを特徴とする。
また、本発明は、前記母結晶がＡｌ２Ｏ３であり、前記中間結晶がＴｉ：Ａｌ２Ｏ３結晶又はＣｒ：Ａｌ２Ｏ３結晶であり、前記中間結晶がＴｉ：Ａｌ２Ｏ３結晶のときは前記接合金属膜がＴｉであり、前記中間結晶がＣｒ：Ａｌ２Ｏ３結晶のときは前記接合金属膜がＣｒであることを特徴とする。
このようなレーザ結晶によれば、接合金属膜が設けられている２つ一対の母結晶と、母結晶の間に設けられる接合金属膜が設けられている中間結晶とを備え、母結晶と中間結晶とが原子拡散接合により接合されているので、原子拡散接合が常温雰囲気中で接合されることにより不均一な加熱の状態がなくなるため、熱膨張の不均一で生じる接合状態の不具合をなくすことができる。
また、このようなレーザ結晶によれば、母結晶がＹＶＯ4又はＹＡＧであり、母結晶がＹＶＯ4のときは中間結晶がＮｄ：ＹＶＯ4結晶であり、母結晶がＹＡＧのときは中間結晶がＮｄ：ＹＡＧ結晶であり、接合金属膜がＮｄであるので、接合金属膜のＮｄがドーパントとして機能するため、熱膨張に配慮することなく母結晶と中間結晶との接合状態を維持することができる。
また、このようなレーザ結晶によれば、母結晶がＡｌ２Ｏ３であり、中間結晶がＴｉ：Ａｌ２Ｏ３結晶又はＣｒ：Ａｌ２Ｏ３結晶であり、中間結晶がＴｉ：Ａｌ２Ｏ３結晶のときは接合金属膜がＴｉであり、中間結晶がＣｒ：Ａｌ２Ｏ３結晶のときは接合金属膜がＣｒであるので、接合金属膜のＴｉ又はＣｒがドーパントとして機能するため、熱膨張に配慮することなく母結晶と中間結晶との接合状態を維持することができる。
次に、本発明を実施するための最良の形態（以下、「実施形態」という。）について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各構成要素について、状態をわかりやすくするために、誇張して図示している。
（第一の実施形態）
図１に示すように、本発明の第一の実施形態に係るレーザ結晶１１は、２つ一対の母結晶２１と中間結晶３１とから主に構成されている。
図１に示すように、本発明の第一の実施形態に係るレーザ結晶１１は、２つ一対の母結晶２１と中間結晶３１とから主に構成されている。
母結晶２１は、ＹＶＯ4が用いられる。母結晶２１の形状は、例えば、所定の厚さを有する円柱形状となっている。なお、母結晶の形状は円柱形状に限定されず、平面が四角形状であっても良い。
また、母結晶２１は、２つ一対で用いられ、円柱面が向かい合うように配置される。この向かい合った母結晶２１のそれぞれの面には接合金属膜Ｋ１が設けられている。
接合金属膜Ｋ１は、Ｎｄが用いられる。この接合金属膜Ｋ１は、例えば、スパッタや蒸着技術により母結晶２１の前記面に設けることができる。
また、母結晶２１は、２つ一対で用いられ、円柱面が向かい合うように配置される。この向かい合った母結晶２１のそれぞれの面には接合金属膜Ｋ１が設けられている。
接合金属膜Ｋ１は、Ｎｄが用いられる。この接合金属膜Ｋ１は、例えば、スパッタや蒸着技術により母結晶２１の前記面に設けることができる。
中間結晶３１は、Ｎｄ：ＹＶＯ4結晶が用いられる。
この中間結晶３１は、例えば、母結晶２１よりも小さく所定の厚さを有する円柱形状となっている。なお、中間結晶３１の形状は円柱形状に限定されず、四角柱形状に形成されていても良い。
中間結晶３１の両端面には、母結晶２１に設けられた接合金属膜Ｋ１と同一の接合金属膜Ｋ１が用いられている。この接合金属膜Ｋ１も、例えば、スパッタや蒸着技術により中間結晶３１の両端面に設けることができる。
この中間結晶３１は、例えば、母結晶２１よりも小さく所定の厚さを有する円柱形状となっている。なお、中間結晶３１の形状は円柱形状に限定されず、四角柱形状に形成されていても良い。
中間結晶３１の両端面には、母結晶２１に設けられた接合金属膜Ｋ１と同一の接合金属膜Ｋ１が用いられている。この接合金属膜Ｋ１も、例えば、スパッタや蒸着技術により中間結晶３１の両端面に設けることができる。
２つ一対の母結晶２１と中間結晶３１とは原子拡散接合により接合されている。
例えば、２つ一対の母結晶２１と中間結晶３１とは、２つ一対の母結晶２１の間に中間結晶３１が配置され、それぞれに設けられた接合用金属膜Ｋ１を重ね合わせた状態で原子拡散接合により接合されている。
例えば、２つ一対の母結晶２１と中間結晶３１とは、２つ一対の母結晶２１の間に中間結晶３１が配置され、それぞれに設けられた接合用金属膜Ｋ１を重ね合わせた状態で原子拡散接合により接合されている。
原子拡散接合は、真空雰囲気中であって、かつ、常温雰囲気中、例えば、室温雰囲気中で行う接合であって、母結晶２１にスパッタや蒸着技術により設けた接合用金属膜Ｋ１と中間結晶３１にスパッタや蒸着技術により設けた接合用金属膜Ｋ１とを重ね合わせることで、膜同士に拡散を引き起こさせて接合させている。
このとき、接合金属膜Ｋ１のＮｄは、ドーパントとしての役割があり、母結晶２１内にＮｄのイオンが内殻遷移するため、母結晶２１と中間結晶３１との接合状態を維持することができる。
このとき、接合金属膜Ｋ１のＮｄは、ドーパントとしての役割があり、母結晶２１内にＮｄのイオンが内殻遷移するため、母結晶２１と中間結晶３１との接合状態を維持することができる。
このように本発明の第一の実施形態に係るレーザ結晶１１を構成したので、原子拡散接合が常温雰囲気中で接合されることにより不均一な加熱の状態がなくなるため、熱膨張の不均一で生じる接合状態の不具合をなくすことができる。
また、このような本発明の第一の実施形態に係るレーザ結晶１１によれば、母結晶２１がＹＶＯ4であり、中間結晶３１がＮｄ：ＹＶＯ4結晶であり、接合金属膜Ｋ１がＮｄであるので、この接合金属膜Ｋ１のＮｄがドーパントとして機能するため、熱膨張に配慮することなく母結晶２１と中間結晶３１との接合状態を維持することができる。
また、このような本発明の第一の実施形態に係るレーザ結晶１１によれば、母結晶２１がＹＶＯ4であり、中間結晶３１がＮｄ：ＹＶＯ4結晶であり、接合金属膜Ｋ１がＮｄであるので、この接合金属膜Ｋ１のＮｄがドーパントとして機能するため、熱膨張に配慮することなく母結晶２１と中間結晶３１との接合状態を維持することができる。
（第二の実施形態）
本発明の第四の実施形態に係るレーザ結晶１２は、第一の実施の形態と同様に、母結晶２２と、中間結晶３２とから主に構成されている（図１参照）。
本発明の第二の実施形態に係るレーザ結晶１２は、母結晶２２にＹＡＧが用いられ、中間結晶３２にＮｄ：ＹＡＧ結晶が用いられる点で第一の実施形態と異なる。
本発明の第四の実施形態に係るレーザ結晶１２は、第一の実施の形態と同様に、母結晶２２と、中間結晶３２とから主に構成されている（図１参照）。
本発明の第二の実施形態に係るレーザ結晶１２は、母結晶２２にＹＡＧが用いられ、中間結晶３２にＮｄ：ＹＡＧ結晶が用いられる点で第一の実施形態と異なる。
このような本発明の第二の実施形態に係るレーザ結晶１１によれば、母結晶２２がＹＡＧであり、中間結晶３２がＮｄ：ＹＡＧ結晶であり、接合金属膜Ｋ１がＮｄであるので、接合金属膜Ｋ１のＮｄがドーパントとして機能するため、第一の実施形態と同様に、熱膨張に配慮することなく母結晶２２と中間結晶３２との接合状態を維持することができる。
（第三の実施形態）
本発明の第三の実施形態に係るレーザ結晶１３は、第一の実施の形態と同様に、母結晶２３と、中間結晶３３とから主に構成されている（図１参照）。
本発明の第三の実施形態に係るレーザ結晶１３は、第一の実施の形態と同様に、母結晶２３と、中間結晶３３とから主に構成されている（図１参照）。
母結晶２３は、Ａｌ２Ｏ３が用いられ、第一の実施形態と同様に所定の厚さを有する円柱形状に形成されている。なお、母結晶の形状は円柱形状に限定されず、平面が四角形状であっても良い。
また、母結晶２３は、２つ一対で用いられ、円柱面が向かい合うように配置される。この向かい合った母結晶２３のそれぞれの面には接合金属膜Ｋ２が設けられている。
接合金属膜Ｋ２は、Ｔｉが用いられる。この接合金属膜Ｋ２は、例えば、スパッタや蒸着技術により母結晶２３の向かい合う面に設けることができる。
また、母結晶２３は、２つ一対で用いられ、円柱面が向かい合うように配置される。この向かい合った母結晶２３のそれぞれの面には接合金属膜Ｋ２が設けられている。
接合金属膜Ｋ２は、Ｔｉが用いられる。この接合金属膜Ｋ２は、例えば、スパッタや蒸着技術により母結晶２３の向かい合う面に設けることができる。
中間結晶３３は、Ｔｉ：Ａｌ２Ｏ３結晶が用いられる。
この中間結晶３３は、例えば、母結晶２３よりも小さく所定の厚さを有する円柱形状となっている。なお、中間結晶３３の形状は円柱形状に限定されず、四角柱形状に形成されていても良い。
中間結晶３３の両端面には、母結晶２３に設けられた接合金属膜Ｋ２と同一の接合金属膜Ｋ２が用いられている。
この接合金属膜Ｋ２も、例えば、スパッタや蒸着技術により中間結晶３３の両端面に設けることができる。
この中間結晶３３は、例えば、母結晶２３よりも小さく所定の厚さを有する円柱形状となっている。なお、中間結晶３３の形状は円柱形状に限定されず、四角柱形状に形成されていても良い。
中間結晶３３の両端面には、母結晶２３に設けられた接合金属膜Ｋ２と同一の接合金属膜Ｋ２が用いられている。
この接合金属膜Ｋ２も、例えば、スパッタや蒸着技術により中間結晶３３の両端面に設けることができる。
２つ一対の母結晶２３と中間結晶３３とは原子拡散接合により接合されている。
例えば、２つ一対の母結晶２３と中間結晶３３とは、２つ一対の母結晶２３の間に中間結晶３３が配置され、それぞれに設けられた接合用金属膜Ｋ２を重ね合わせた状態で原子拡散接合により接合されている。
例えば、２つ一対の母結晶２３と中間結晶３３とは、２つ一対の母結晶２３の間に中間結晶３３が配置され、それぞれに設けられた接合用金属膜Ｋ２を重ね合わせた状態で原子拡散接合により接合されている。
原子拡散接合は、真空雰囲気中であって、かつ、常温雰囲気中、例えば、室温雰囲気中で行う接合であって、母結晶２３にスパッタや蒸着技術により設けた接合用金属膜Ｋ２と中間結晶３３にスパッタや蒸着技術により設けた接合用金属膜Ｋ２とを重ね合わせることで、膜同士に拡散を引き起こさせて接合させている。
このとき、接合金属膜Ｋ２のＴｉは、ドーパントとしての役割があり、母結晶２３内にＴｉのイオンが内殻遷移するため、母結晶２３と中間結晶３３との接合状態を維持することができる。
このとき、接合金属膜Ｋ２のＴｉは、ドーパントとしての役割があり、母結晶２３内にＴｉのイオンが内殻遷移するため、母結晶２３と中間結晶３３との接合状態を維持することができる。
このように本発明の第三の実施形態に係るレーザ結晶１３を構成したので、原子拡散接合が常温雰囲気中で接合されることにより不均一な加熱の状態がなくなるため、熱膨張の不均一で生じる接合状態の不具合をなくすことができる。
また、このように本発明の第三の実施形態に係るレーザ結晶１３を構成したことにより、母結晶２３がＡｌ２Ｏ３であり、中間結晶がＴｉ：Ａｌ２Ｏ３結晶であり、接合金属膜がＴｉであるので、この接合金属膜Ｋ２のＴｉがドーパントとして機能するため、熱膨張に配慮することなく母結晶２３と中間結晶３３との接合状態を維持することができる。
（第四の実施形態）
本発明の第四の実施形態に係るレーザ結晶１４は、第一の実施の形態と同様に、母結晶２３と、中間結晶３４とから主に構成されている（図１参照）。
この本発明の第四の実施形態に係るレーザ結晶１４は、中間結晶３４がＣｒ：Ａｌ２Ｏ３結晶であり、接合金属膜Ｋ３がＣｒである点で第三の実施形態と異なる。
本発明の第四の実施形態に係るレーザ結晶１４は、第一の実施の形態と同様に、母結晶２３と、中間結晶３４とから主に構成されている（図１参照）。
この本発明の第四の実施形態に係るレーザ結晶１４は、中間結晶３４がＣｒ：Ａｌ２Ｏ３結晶であり、接合金属膜Ｋ３がＣｒである点で第三の実施形態と異なる。
母結晶２３は、第三の実施形態と同様であってＡｌ２Ｏ３が用いられる。
また、母結晶２３は、２つ一対で用いられ、円柱面が向かい合うように配置される。この向かい合った母結晶２３のそれぞれの面には接合金属膜Ｋ３が設けられている。
接合金属膜Ｋ３は、Ｃｒが用いられる。この接合金属膜Ｋ３は、例えば、スパッタや蒸着技術により母結晶２３の向かい合う面に設けることができる。
また、母結晶２３は、２つ一対で用いられ、円柱面が向かい合うように配置される。この向かい合った母結晶２３のそれぞれの面には接合金属膜Ｋ３が設けられている。
接合金属膜Ｋ３は、Ｃｒが用いられる。この接合金属膜Ｋ３は、例えば、スパッタや蒸着技術により母結晶２３の向かい合う面に設けることができる。
中間結晶３４は、Ｃｒ：Ａｌ２Ｏ３結晶が用いられる。
この中間結晶３４は、例えば、母結晶２３よりも小さく所定の厚さを有する円柱形状となっている。なお、中間結晶３４の形状は円柱形状に限定されず、四角柱形状に形成されていても良い。
中間結晶３４の両端面には、母結晶２３に設けられた接合金属膜Ｋ３と同一の接合金属膜Ｋ３が用いられている。
この接合金属膜Ｋ３も、例えば、スパッタや蒸着技術により中間結晶３４の両端面に設けることができる。
この中間結晶３４は、例えば、母結晶２３よりも小さく所定の厚さを有する円柱形状となっている。なお、中間結晶３４の形状は円柱形状に限定されず、四角柱形状に形成されていても良い。
中間結晶３４の両端面には、母結晶２３に設けられた接合金属膜Ｋ３と同一の接合金属膜Ｋ３が用いられている。
この接合金属膜Ｋ３も、例えば、スパッタや蒸着技術により中間結晶３４の両端面に設けることができる。
２つ一対の母結晶２３と中間結晶３４とは原子拡散接合により接合されている。
例えば、２つ一対の母結晶２３と中間結晶３４とは、２つ一対の母結晶２３の間に中間結晶３４が配置され、それぞれに設けられた接合用金属膜Ｋ３を重ね合わせた状態で原子拡散接合により接合されている。
例えば、２つ一対の母結晶２３と中間結晶３４とは、２つ一対の母結晶２３の間に中間結晶３４が配置され、それぞれに設けられた接合用金属膜Ｋ３を重ね合わせた状態で原子拡散接合により接合されている。
原子拡散接合は、真空雰囲気中であって、かつ、常温雰囲気中、例えば、室温雰囲気中で行う接合であって、母結晶２３にスパッタや蒸着技術により設けた接合用金属膜Ｋ３と中間結晶３４にスパッタや蒸着技術により設けた接合用金属膜Ｋ３とを重ね合わせることで、膜同士に拡散を引き起こさせて接合させている。
このとき、接合金属膜Ｋ３のＣｒは、ドーパントとしての役割があり、母結晶２３内にＣｒのイオンが内殻遷移するため、母結晶２３と中間結晶３４との接合状態を維持することができる。
このとき、接合金属膜Ｋ３のＣｒは、ドーパントとしての役割があり、母結晶２３内にＣｒのイオンが内殻遷移するため、母結晶２３と中間結晶３４との接合状態を維持することができる。
このように本発明の第四の実施形態に係るレーザ結晶１４を構成したので、原子拡散接合が常温雰囲気中で接合されることにより不均一な加熱の状態がなくなるため、熱膨張の不均一で生じる接合状態の不具合をなくすことができる。
また、このように本発明の第四の実施形態に係るレーザ結晶１４を構成したことにより、母結晶２３がＡｌ２Ｏ３であり、中間結晶がＣｒ：Ａｌ２Ｏ３結晶であり、接合金属膜がＣｒであるので、この接合金属膜Ｋ３のＣｒがドーパントとして機能するため、熱膨張に配慮することなく母結晶２３と中間結晶３４との接合状態を維持することができる。
（変形例）
このように、本発明の第一の実施形態に係るレーザ結晶から第四の実施形態に係るレーザ結晶を用いて、中間結晶３１，３２，３３，３４を覆いつつ２つの母結晶２１，２２，２３の周囲で気密封止したカバーＣＶを設けたレーザ結晶モジュールを構成することもできる（図２参照）。このとき、気密封止した内部に冷却水を充填してレーザ発振させると、発生する熱を冷却水で冷却することができる。
このように、本発明の第一の実施形態に係るレーザ結晶から第四の実施形態に係るレーザ結晶を用いて、中間結晶３１，３２，３３，３４を覆いつつ２つの母結晶２１，２２，２３の周囲で気密封止したカバーＣＶを設けたレーザ結晶モジュールを構成することもできる（図２参照）。このとき、気密封止した内部に冷却水を充填してレーザ発振させると、発生する熱を冷却水で冷却することができる。
このような本発明の実施形態に係るレーザ結晶は、適宜変更が可能である。
例えば、接合用金属膜には、各実施形態で用いた接合用金属膜のほかに、ドーパントとなる金属元素を用いることができる。また、接合用金属膜Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３は、膜厚が１ｎｍ以下とするのが望ましい。
例えば、接合用金属膜には、各実施形態で用いた接合用金属膜のほかに、ドーパントとなる金属元素を用いることができる。また、接合用金属膜Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３は、膜厚が１ｎｍ以下とするのが望ましい。
１１，１２，１３，１４ レーザ結晶
２１，２２，２３ 母結晶
３１，３２，３３，３４ 中間結晶
Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３ 接合用金属膜
２１，２２，２３ 母結晶
３１，３２，３３，３４ 中間結晶
Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３ 接合用金属膜
Claims (3)
- レーザ発振で用いられるレーザ結晶であって、
接合金属膜が設けられている２つ一対の母結晶と、
前記母結晶の間に設けられ接合金属膜が設けられている中間結晶とを備え、
前記母結晶と前記中間結晶とが原子拡散接合により接合されて構成されていることを特徴とするレーザ結晶。 - 前記母結晶がＹＶＯ４又はＹＡＧであり、
前記母結晶がＹＶＯ４のときは前記中間結晶がＮｄ：ＹＶＯ４結晶であり、
前記母結晶がＹＡＧのときは前記中間結晶がＮｄ：ＹＡＧ結晶であり、
前記接合金属膜がＮｄであることを特徴とする請求項１に記載のレーザ結晶。 - 前記母結晶がＡｌ２Ｏ３であり、
前記中間結晶がＴｉ：Ａｌ２Ｏ３結晶又はＣｒ：Ａｌ２Ｏ３結晶であり、
前記中間結晶がＴｉ：Ａｌ２Ｏ３結晶のときは前記接合金属膜がＴｉであり、
前記中間結晶がＣｒ：Ａｌ２Ｏ３結晶のときは前記接合金属膜がＣｒであることを特徴とする請求項１に記載のレーザ結晶。
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- 2013-06-28 JP JP2013136597A patent/JP2015012142A/ja active Pending
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