JP2015050368A - Laser module, solid-state laser device, and manufacturing method of laser module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザ結晶と波長変換素子とが接合されたレーザモジュール、固体レーザ装置及びレーザモジュールの製造方法に関する。 The present invention relates to a laser module in which a laser crystal and a wavelength conversion element are bonded, a solid-state laser device, and a method for manufacturing the laser module.
レーザ結晶と波長変換素子を結合して一体化したレーザモジュールや、このレーザモジュールを搭載した固体レーザ装置が知られている。半導体レーザの出力光に励起されて発振光を出力するレーザ結晶と、この発振光の高調波光を出力する波長変換素子とが、光学軸を所定の角度に合わせて接合されてレーザモジュールが形成される。なお、レーザ結晶と波長変換素子とを接合するには、双方の接合面を液滴を挟んで重ね合わせて、液滴の表面張力を利用した自律的アライメントを行う方法がある(例えば特許文献1参照。)。 A laser module in which a laser crystal and a wavelength conversion element are combined and integrated, and a solid-state laser device equipped with this laser module are known. The laser crystal that is excited by the output light of the semiconductor laser and outputs oscillation light and the wavelength conversion element that outputs the harmonic light of this oscillation light are joined with the optical axis aligned at a predetermined angle to form a laser module. The In addition, in order to join the laser crystal and the wavelength conversion element, there is a method of performing autonomous alignment using the surface tension of the droplets by superimposing both joint surfaces with the droplets sandwiched therebetween (for example, Patent Document 1). reference.).
レーザ結晶で発生する熱を放熱するために、ヒートシンクをレーザ結晶の側面に固定する方法などが提案されている(例えば特許文献2参照。)。 In order to dissipate the heat generated in the laser crystal, a method of fixing a heat sink to the side surface of the laser crystal has been proposed (for example, see Patent Document 2).
レーザ結晶や波長変換素子などの異種の光学結晶をオプティカルコンタクトで接合する場合には、各光学結晶の線膨張係数の違いを考慮して、結晶サイズを小さくする必要がある。また、光ノイズの低減化のために、レーザ結晶は薄いことが好ましい。したがって、レーザ結晶の側面からの放熱には限界がある。 When different types of optical crystals such as laser crystals and wavelength conversion elements are bonded by optical contact, it is necessary to reduce the crystal size in consideration of the difference in linear expansion coefficient of each optical crystal. In order to reduce optical noise, the laser crystal is preferably thin. Therefore, there is a limit to heat radiation from the side surface of the laser crystal.
このため、固体レーザ装置の高出力化に伴い、レーザ結晶で発生する熱が素子温度上昇や発振波長シフトの原因となる。その結果、出力効率の低下や波長安定性が低下するなどの問題があった。 For this reason, as the output of the solid-state laser device increases, the heat generated in the laser crystal causes an increase in element temperature and a shift in oscillation wavelength. As a result, there are problems such as a decrease in output efficiency and a decrease in wavelength stability.
上記問題点に鑑み、本発明は、レーザ結晶で発生する熱に起因する特性や信頼性の低下が抑制されたレーザモジュール、固体レーザ装置及びレーザモジュールの製造方法を提供することを目的とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a laser module, a solid-state laser device, and a method for manufacturing a laser module, in which deterioration in characteristics and reliability due to heat generated in a laser crystal is suppressed.
本発明の一態様によれば、(イ)レーザ結晶と、(ロ)レーザ結晶の接合面上に配置された放熱金属膜と、(ハ)放熱金属膜に設けられた開口部で接合面に接合され、レーザ結晶と共に光共振器を形成する波長変換素子と、(ニ)放熱金属膜に接触するヒートシンクとを備え、接合面の波長変換素子が配置された領域の残余の領域上に少なくとも放熱金属膜が配置されているレーザモジュールが提供される。 According to one aspect of the present invention, (b) a laser crystal, (b) a heat dissipating metal film disposed on the bonding surface of the laser crystal, and (c) an opening provided in the heat dissipating metal film on the bonding surface. A wavelength conversion element that is bonded and forms an optical resonator together with the laser crystal; and (d) a heat sink that contacts the heat dissipation metal film, and at least radiates heat on the remaining area of the area where the wavelength conversion element is disposed on the bonding surface. A laser module in which a metal film is disposed is provided.
本発明の他の態様によれば、(イ)励起光を出射する半導体レーザと、(ロ)励起光によって励起されて発振光を出力するレーザ結晶、レーザ結晶の接合面上に配置された放熱金属膜、放熱金属膜に設けられた開口部で接合面に接合されてレーザ結晶と共に光共振器を形成し、発振光の高調波光を発生する波長変換素子、及び放熱金属膜に接触するヒートシンクを備え、接合面の波長変換素子が配置された領域の残余の領域上に少なくとも放熱金属膜が配置されたレーザモジュールとを備える固体レーザ装置が提供される。 According to another aspect of the present invention, (b) a semiconductor laser that emits excitation light, (b) a laser crystal that is excited by the excitation light and outputs oscillation light, and a heat dissipation disposed on the bonding surface of the laser crystal. A metal film, a wavelength conversion element that generates an optical resonator together with a laser crystal by being bonded to a bonding surface through an opening provided in the heat dissipation metal film, and a heat sink that contacts the heat dissipation metal film. And a solid state laser device comprising: a laser module having at least a heat dissipating metal film on a remaining region of the region where the wavelength conversion element on the bonding surface is disposed.
本発明の更に他の態様によれば、(イ)レーザ結晶の接合面上に放熱金属膜を形成するステップと、(ロ)放熱金属膜に、波長変換素子の接合端面の外縁形状に沿った開口部を形成するステップと、(ハ)開口部内に液滴を充填するステップと、(ニ)開口部においてレーザ結晶の接合面と波長変換素子の接合端面とを液滴を介して重ね合わせ、液滴の表面張力によってレーザ結晶と波長変換素子とを自律的にアライメントさせるステップと、(ホ)レーザ結晶と波長変換素子とを接合するステップと、(ヘ)放熱金属膜に接触するようにヒートシンクを配置するステップとを含むレーザモジュールの製造方法が提供される。 According to still another aspect of the present invention, (b) a step of forming a heat dissipation metal film on the bonding surface of the laser crystal, and (b) the heat dissipation metal film along the outer edge shape of the bonding end surface of the wavelength conversion element. A step of forming an opening; (c) a step of filling a droplet in the opening; and (d) superimposing the bonding surface of the laser crystal and the bonding end surface of the wavelength conversion element through the droplet in the opening, A step of autonomously aligning the laser crystal and the wavelength conversion element by the surface tension of the liquid droplet, a step of (e) bonding the laser crystal and the wavelength conversion element, and (f) a heat sink so as to be in contact with the heat dissipation metal film. A method for manufacturing a laser module is provided.
本発明によれば、レーザ結晶で発生する熱に起因する特性や信頼性の低下が抑制されたレーザモジュール、固体レーザ装置及びレーザモジュールの製造方法を提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing method of the laser module, the solid state laser apparatus, and laser module by which the fall resulting from the characteristic and reliability resulting from the heat which generate | occur | produces in a laser crystal was suppressed can be provided.
図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであることに留意すべきである。又、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic. Further, the embodiments described below exemplify apparatuses and methods for embodying the technical idea of the present invention, and the embodiments of the present invention include the material, shape, structure, arrangement, etc. of components. Is not specified as follows. The embodiment of the present invention can be variously modified within the scope of the claims.
本発明の実施形態に係るレーザモジュール1は、図1に示すように、接合面11を有するレーザ結晶10と、レーザ結晶10の接合面11上に配置された放熱金属膜20と、放熱金属膜20に設けられた開口部で接合面11に接合され、レーザ結晶10と共に光共振器を形成する波長変換素子30と、放熱金属膜20に接触するヒートシンク40とを備える。レーザモジュール1は、レーザ結晶10と波長変換素子30とをオプティカルコンタクト法などにより一体化した構造である。
As shown in FIG. 1, a laser module 1 according to an embodiment of the present invention includes a
波長変換素子30が接合されるレーザ結晶10の接合面11の面積は、波長変換素子30のレーザ結晶10に接合する端面(以下において、「接合端面31」という。)の面積よりも広い。放熱金属膜20は、接合面11の波長変換素子30が配置された領域の残余の領域上に配置される。
The area of the
レーザモジュール1では、外部から入射される励起光L1によって励起されてレーザ結晶10が発振光を出力する。そして、波長変換素子30が発振光の高調波光を発生し、この高調波光を出力光L2として出力する。なお、接合面11に対向する、励起光L1が入射されるレーザ結晶10の入射面12には、第1の反射膜15が配置されている。また、接合端面31に対向する、出力光L2が出力される波長変換素子30の出力面32には、第2の反射膜35が配置されている。第1の反射膜15及び第2の反射膜35の詳細は後述する。
In the laser module 1, the
ヒートシンク40は、例えば図1に示すように、レーザ結晶10の側面13と波長変換素子30の側面33、及びレーザ結晶10の接合面11の一部を覆って配置されている。レーザ結晶10の接合面11では、波長変換素子30の配置されていない領域において放熱金属膜20とヒートシンク40とが接触している。レーザモジュール1では、レーザ結晶10で発生した熱が、放熱金属膜20を介して、ヒートシンク40から放熱される。即ち、レーザ結晶10の側面13以外からの放熱性が向上され、ヒートシンク40に効率良く熱が放散される。このため、接合面11を広くするほど放熱性が向上する。
For example, as shown in FIG. 1, the
放熱金属膜20の材料には、レーザ結晶10との密着性がよく、熱伝導率の高い金属などが使用される。例えば、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)、金(Au)、アルミニウム(Al)、インジウム(In)、タンタル(Ta)などを採用する。放熱金属膜20の膜厚は、例えば0.1μm〜1μm程度である。
As a material for the heat
ヒートシンク40は、熱伝導性の高い接着剤、若しくは銀ペースト、インジウムシートなどを併用して、レーザ結晶10や波長変換素子30に接着・固定される。ヒートシンク40には熱伝導率が高く、且つ加工しやすい材料が好ましい。例えば、熱伝導率がガラス以上の銅(Cu)材、アルミニウム(Al)材、シリコン(Si)材などがヒートシンク40に採用される。
The
放熱金属膜20を介してヒートシンク40から放熱されるため、レーザ結晶10の側面13からの放熱性が高くなくてもよい。したがって、レーザ結晶10の厚みを薄くできる。レーザ結晶10が薄いほど、光ノイズを低減できる。例えば、厚みが0.3mm程度のレーザ結晶10を使用可能である。レーザ結晶10の厚みを0.3mm以下とすることによって、光ノイズが低減されることが知られている。更に、レーザ結晶10を小型化できるために、レーザ結晶10と波長変換素子30をオプティカルコンタクト法で接合する場合に、レーザ結晶10と波長変換素子30の線膨張係数の違いによる影響が抑制される。
Since heat is radiated from the
レーザ結晶10は、例えばネオジウム(Nd)イオンがドープされたイットリウム・バナデート(Nd:YVO4)結晶である。Nd:YVO4結晶は、緑色の出力光L2を得るために好適に使用される。また、Ndイオンがドープされたイットリウム・アルミニウム・ガーネット(Nd:YAG)結晶やガドリニウム・バナデート(Nd:GdV04)結晶、リチウム・イットリウム・フロライド(Nd:YLF)結晶なども、レーザ結晶10に採用可能である。
The
レーザ結晶10の入射面12に配置された第1の反射膜15は、励起光L1や出力光L2の波長に応じたレーザコーティング膜である。例えば、波長が809nmの励起光L1に対応する反射防止膜(ARコート)や、波長1064nmの基本波と波長532nmの第2高調波発生光(SHG光)に対応する高反射膜(HRコート)などである。
The first
波長変換素子30は、強誘電体結晶に周期的分極反転構造が形成された擬似位相整合結晶などを使用可能である。例えば、タンタル酸リチウム(LT)結晶やニオブ酸リチウム(LN)結晶、或いは、酸化マグネシウム(MgO)がドープされたLT結晶やLN結晶が使用される(MgLT、MgSLT、MgLN、MgSLN)。
As the
波長変換素子30に採用するLT結晶やLN結晶は、コングルエント組成(一致溶融組成)又はストイキオメトリ組成(化学量論的組成)のものを使用可能である。例えば、LT結晶の場合、ストイキオメトリ組成にすることによって、抗電界が10分の1程度になる。つまり、印加電圧を10分の1にすることができる。
The LT crystal or LN crystal employed in the
また、LT結晶やLN結晶に、マグネシウム(Mg)や亜鉛(Zn)、スカンジウム(Sc)、インジウム(In)などを添加することにより、耐光損傷性を高めることができる。また、LN結晶の場合、Mgを5モル%程度添加することにより、抗電界を4分の1程度に減少することができる。これにより、印加電圧を4分の1程度にすることができる。 In addition, light damage resistance can be improved by adding magnesium (Mg), zinc (Zn), scandium (Sc), indium (In), or the like to the LT crystal or the LN crystal. In the case of an LN crystal, the coercive electric field can be reduced to about a quarter by adding about 5 mol% of Mg. Thereby, the applied voltage can be reduced to about a quarter.
例えば、MgSLT結晶に所望の位相整合温度が得られる周期(例えば、8μm周期)で分極反転構造を形成した波長変換結晶(PPMgSLT結晶)を、波長変換素子30に使用する。この場合、基本波発振スペクトル幅を十分にカバーできる結晶長であることが好ましく、波長変換結晶の長さを1mm程度とする。
For example, a wavelength conversion crystal (PPMgSLT crystal) in which a domain-inverted structure is formed in a period (for example, a period of 8 μm) in which a desired phase matching temperature is obtained in the MgSLT crystal is used for the
なお、レーザモジュール1を、特開2007−225786号公報に記載された製造方法によって製造される、波長変換結晶301をダミー材302で挟んだ波長変換素子30とレーザ結晶10とを一体化した構造にしてもよい。波長変換結晶301をダミー材302で挟んだ構造とすることで、波長変換素子30のレーザ結晶10との接合領域が増加する。これにより、波長変換結晶301のみをレーザ結晶10と接合する場合に比べて、波長変換素子30とレーザ結晶10とを容易に接合できる。
The laser module 1 is manufactured by the manufacturing method described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-225786, and the
波長変換素子30の出力面32に配置された第2の反射膜35は、励起光L1や出力光L2の波長に応じたレーザコーティング膜である。例えば、波長が1064nmの基本波に対応する高反射膜(HRコート)や、波長532nmのSHG光に対応する反射防止膜(ARコート)などである。
The second
レーザモジュール1において、例えばレーザ結晶10にNd:YVO4結晶を採用して、励起光L1によって波長が1064nm程度の発振光を励起する。このとき、励起光L1の波長は、レーザ結晶10における吸収効率の高い波長、例えば809nm程度に設定される。レーザ結晶10に生じた発振光が波長変換素子30によって波長532nm程度のSHG光に波長変換され、緑色の出力光L2がレーザモジュール1から出力される。
In the laser module 1, for example, an Nd: YVO 4 crystal is used as the
図2に、入射面12側からレーザモジュール1を見た図を示す。本発明者らの調査によれば、レーザ結晶10の接合面11のサイズが1.4mm×1.4mm以上であるときに、接合面11の波長変換素子30が接合されていない領域である放熱領域Sの面積を1.2mm2以上にすると、SHG光を高い効率で安定的に得られた。また、出力光L2のパワーが100mWを超える場合には、放熱領域Sの面積が2mm2程度以上あれば、安定してSHG光が得られることが、本発明者らによって確認された。
FIG. 2 shows a view of the laser module 1 viewed from the
ところで、Nd:YVO4結晶は、c軸方向はa軸方向に比べて熱伝導率が大きいという熱伝導率の異方性を有する。このため、Nd:YVO4結晶を用いたレーザ結晶10から出力される発振光の楕円化を抑制するために、接合面11はc軸方向を長辺とする長方形状であることが好ましい。例えば接合面11を、c軸方向の長辺が1.7mmでありc軸方向と直交する短辺が1.2mmである長方形とする。
By the way, the Nd: YVO 4 crystal has anisotropy in thermal conductivity such that the c-axis direction has a higher thermal conductivity than the a-axis direction. For this reason, in order to suppress the ovalization of the oscillation light output from the
レーザモジュール1は、以下に説明するように、自律的アライメントを利用して製造できる。「自律的アライメント」とは、2つの光学素子の互いの接合面を液滴を介して重ね合わせ、液滴の表面張力によって2つの光学素子を自律的にアライメントする方法である。レーザモジュール1の製造法の例を、図3のフローチャートを参照して説明する。 The laser module 1 can be manufactured using autonomous alignment, as will be described below. The “autonomous alignment” is a method in which two optical elements are autonomously aligned by superimposing the joint surfaces of the two optical elements with each other through the droplets and using the surface tension of the droplets. An example of the manufacturing method of the laser module 1 will be described with reference to the flowchart of FIG.
まず、ステップS1において、波長変換素子30が接合されるレーザ結晶10の接合面11上に、放熱金属膜20を形成する。次に、ステップS2において、放熱金属膜20に、レーザ結晶10に接合する波長変換素子30の接合端面31の外縁形状に沿った開口部を形成する。
First, in step S1, the heat radiating
ステップS3において、開口部内に液滴を充填する。液滴には、純水などが使用される。次いで、ステップS4において、放熱金属膜20の開口部において、レーザ結晶10の接合面11と波長変換素子30の接合端面31とを液滴を介して重ね合わせ、液滴の表面張力によってレーザ結晶10と波長変換素子30とを自律的にアライメントさせる。そして、レーザ結晶10と波長変換素子30とを、例えばオプティカルコンタクト法によって接合する。或いは、接着剤を用いてレーザ結晶10と波長変換素子30とを接合してもよい。ただし、レーザ結晶10と波長変換素子30との間に接着剤が介在することによるレーザ結晶10と波長変換素子30の光軸のずれや、接着剤を透過することによる光の減衰などを考慮すると、オプティカルコンタクト法によってレーザ結晶10と波長変換素子30とを接合することが好ましい。
In step S3, the opening is filled with droplets. Pure water or the like is used for the droplets. Next, in step S4, the
更に、ステップS5において、放熱金属膜20に接触するようにヒートシンク40を配置する。そして、接着剤などによってヒートシンク40をレーザ結晶10や波長変換素子30に固定する。以上により、レーザモジュール1が完成する。
Further, in step S5, the
上記では、レーザ結晶10と波長変換素子30とを接合した後に、ヒートシンク40をレーザ結晶10や波長変換素子30に固定する例を示した。しかし、ヒートシンク40をレーザ結晶10に固定した後に、レーザ結晶10と波長変換素子30とを接合してもよい。
In the above, the example in which the
また、放熱金属膜20の開口部内に充填する液滴には、純水の他に、例えば粘性が水に近い接着剤などを使用してもよい。
In addition to pure water, for example, an adhesive having a viscosity close to that of water may be used for the droplet filled in the opening of the heat
上記に説明した製造方法によれば、放熱金属膜20に形成された開口部において、レーザ結晶10の開口部に露出した領域と波長変換素子30とが表面張力によって自律的にアライメントされる。その結果、レーザ結晶10と波長変換素子30とを高い精度で所定の角度で接合することが容易である。例えば、レーザ結晶10と波長変換素子30のc軸方向を同一にすることができる。
According to the manufacturing method described above, in the opening formed in the heat
図4(a)及び図4(b)に、自律的アライメントによってレーザ結晶10と波長変換素子30とがc軸角度が調整されて接合される工程の一部を示す。図4(a)及び図4(b)は、放熱金属膜20に形成した開口部21に液滴50が充填された状態の例である。
4A and 4B show a part of a process in which the
図4(a)及び図4(b)に示した例では、レーザ結晶10上に配置された放熱金属膜20に、4つの開口部21が形成されている。開口部21は、例えば以下のように形成される。即ち、レーザ結晶10の接合面11の全面に放熱金属膜20を形成した後、放熱金属膜20上に感光性レジスト膜を塗布する。感光性レジスト膜の膜厚は例えば数μm程度である。そして、フォトリソグラフィ技術によって感光性レジスト膜をパターニングした後、感光性レジスト膜をマスクにして放熱金属膜20に開口部21を形成する。
In the example shown in FIGS. 4A and 4B, four
図4(a)に示したように1つのレーザ結晶10に複数の開口部21を形成した後に、各開口部21に露出したレーザ結晶10の接合面11にそれぞれ波長変換素子30を接合する。その後、レーザ結晶10を分割する。このように、放熱金属膜20に複数の開口部21を同時に形成することにより、複数の接合を一度の作業で実施できる。これにより、生産性を著しく向上することができる。
As shown in FIG. 4A, after forming a plurality of
図4(a)に示すように、レーザ結晶10のc軸方向が長辺であるように、レーザ結晶10の接合面11が設定される。これは、既に述べように、レーザ結晶10の熱伝導率の異方性に起因する発振光の楕円化を抑制するためである。そして、波長変換素子30のc軸方向をレーザ結晶10のc軸方向に合わせて、レーザ結晶10と波長変換素子30を接合する。
As shown in FIG. 4A, the
自律的アライメントでは、2つの光学素子のc軸方向を所望の角度に合わせて接合するために、図5に示すように光学素子の接合面Pの形状が長辺Aと短辺Bの比が5:4〜5:3の長方形状であることが好ましい。5:4よりも長辺Aに対する短辺Bの比が大きい場合には、90度異なる向きで光学素子がアライメントされる可能性がある。5:3よりも長辺Aに対する短辺Bの比が小さい場合には、放熱性が低下するという結果が得られている。 In the autonomous alignment, in order to join the c-axis directions of the two optical elements at a desired angle, the shape of the joining surface P of the optical element has a ratio of the long side A to the short side B as shown in FIG. A rectangular shape of 5: 4 to 5: 3 is preferable. When the ratio of the short side B to the long side A is larger than 5: 4, the optical elements may be aligned in a direction different by 90 degrees. When the ratio of the short side B to the long side A is smaller than 5: 3, the result is that the heat dissipation is reduced.
なお、自律的アライメントに必要な液滴50の表面張力を得るためには、放熱金属膜20に開口部21を形成するために用いた感光性レジストとレーザ結晶10との濡れ性の差を利用することが有効である。つまり、感光性レジストが放熱金属膜20上に形成された状態で、自律的アライメントを行う。これにより、開口部21の深さが、放熱金属膜20の膜厚と感光性レジストの膜厚とを合わせた深さになり、放熱金属膜20の膜厚のみの深さの場合よりも液滴50の表面張力が大きくなる。その結果、自律的アライメントをより良好に行うことができる。この方法を採用する場合には、開口部21を形成した後も放熱金属膜20上の感光性レジストを除去せず、レーザ結晶10と波長変換素子30とを接続した後に、感光性レジストを除去する。
In order to obtain the surface tension of the
既に説明したように、波長変換素子30の接合端面31の形状は、長辺と短辺の比が5:4〜5:3の長方形状であることが好ましく、この場合、接合端面31の外縁形状に沿って形成される開口部21の形状も、長辺と短辺の比が5:4〜5:3の長方形状である。
As already described, the shape of the
なお、波長変換素子30のレーザ結晶10に接合する接合端面31と放熱金属膜20の開口部21との間隙は、0.2mm〜0.5mm程度であることが好ましい。即ち、接合端面31及び開口部21が矩形状である場合には、各辺の長さの差を0.2mm〜0.5mm程度とする。
In addition, it is preferable that the gap | interval of the joining
例えば、波長変換素子30の接合端面31が、c軸方向が1mmでありc軸方向と直交する方向が0.8mmの長方形状とする。間隙が0.5mmである場合に、開口部21は、c軸方向が1.5mmでありc軸方向と直交する方向が1.3mmの長方形状である。レーザ結晶10の接合面11が2mm×2mmである場合、放熱金属膜20が配置された放熱領域の面積は、(2×2−1.5×1.3)mm2であり、約2mm2である。既に述べたように、放熱領域の面積が2mm2程度以上あれば、100mWを超えるSHG光が安定して得られる。
For example, the
また、波長変換素子30の接合端面31が1mm×0.6mmであり、間隙が0.2mmである場合に、開口部21は、c軸方向が1.2mmでありc軸方向と直交する方向が0.8mmである。このとき、レーザ結晶10の接合面11が1.4mm×1.4mmであると、放熱金属膜20が配置された放熱領域の面積は1mm2である。
Further, when the
波長変換素子30の接合端面31と放熱金属膜20の開口部21との間隙が0.2mmよりも短いと、接合端面31と開口部21との位置合わせが困難である。一方、この間隙が0.5mmよりも長いと液滴の表面張力が不十分になり、自律的アライメントを適切に行うことが難しい場合がある。
If the gap between the
以上に説明したように、本発明の実施形態に係るレーザモジュール1では、レーザ結晶10の接合面11に配置された放熱金属膜20を介してヒートシンク40から熱が放散される。したがって、レーザモジュール1では、効率的に放熱が行われる。その結果、レーザ結晶10で発生する熱に起因する特性や信頼性の低下が抑制される。
As described above, in the laser module 1 according to the embodiment of the present invention, heat is dissipated from the
レーザモジュール1との比較のため、例えば図6に示すようなレーザモジュール1Aの場合を検討する。レーザモジュール1Aでは、接合面においてレーザ結晶10Aよりも波長変換素子30Aの方が大きい。なお、レーザ結晶10Aには第1の反射膜15Aが配置され、波長変換素子30Aには第2の反射膜35Aが配置されている。
For comparison with the laser module 1, for example, consider the case of a
図6に示すように、レーザモジュール1Aではレーザ結晶10Aの側面13Aのみがヒートシンク40Aに接している。したがって、図1に示したレーザモジュール1と比べて、図6に示したレーザモジュール1Aでは、レーザ結晶10Aからの熱が放熱されにくい。その結果、特性や信頼性の低下が生じる。
As shown in FIG. 6, in the
レーザモジュール1は、例えば図7に示すように、固体レーザ装置100に搭載可能である。固体レーザ装置100は、半導体レーザ101と、本発明の実施形態に係るレーザモジュール1とを備える。
The laser module 1 can be mounted on a solid-
半導体レーザ101は、レーザ駆動装置102によって駆動されて励起光L1を出射する。半導体レーザ101から出射された励起光L1は集光レンズ103によって集光され、集光された励起光L1がレーザモジュール1に入射される。
The
レーザモジュール1は励起光L1によって励起されて出力光L2を発生する。即ち、レーザ結晶10が励起光L1によって励起されて発振光を出力し、波長変換素子30が発振光の高調波光を発生する。この高調波光が、出力光L2として固体レーザ装置100から出力される。
The laser module 1 is excited by the excitation light L1 and generates output light L2. That is, the
また、温度調整装置104が、半導体レーザ101の温度とレーザモジュール1の温度を調整する。例えば、モードホップを生じることなく一定の波長の単一縦モードの励起光L1を特定の設定出力値で出射するように、半導体レーザ101の温度が設定される。また、出力効率が最大で、且つ光ノイズが一定値以下の出力光L2を出射するように、レーザモジュール1の温度が設定される。このとき、励起光L1の出力値が設定出力値である場合に、出力光L2は所定の出力値である。
The
半導体レーザ101、レーザモジュール1及び温度調整装置104は、支持台110に搭載されている。温度調整装置104によって支持台110の温度を調整することにより、半導体レーザ101の温度と共にレーザモジュール1の温度が調整される。支持台110には、熱伝導率の高い材料、例えばアルミニウム材やインバー材などを採用可能である。温度調整装置104は、例えばペルチェ素子などを使用した構成を採用可能である。温度調整装置104は、温調駆動装置105によって駆動される。
The
支持台110に取り付けられた温度検出装置106によって、半導体レーザ101とレーザモジュール1の温度が検出される。温度検出装置106は、検出した温度を電気的な温度信号STとして制御装置107に送信する。温度検出装置106には、例えばサーミスタなどを採用可能である。
The temperatures of the
温度信号STを受信することにより、制御装置107は、半導体レーザ101とレーザモジュール1の温度をリアルタイムでモニタできる。制御装置107は、半導体レーザ101及びレーザモジュール1の温度が所定の設定温度であるように、温調駆動装置105を制御する。
By receiving a temperature signal S T, the
レーザモジュール1から出射された出力光L2は、ビームスプリッタ108によって分光される。分光された出力光L2の一部は、受光素子109に入射され、電気信号に変換される。受光素子109は、出力光L2の出力値に応じた電気的な出力信号Spを制御装置107に送信する。受光素子109には、例えばフォトダイオードなどを採用可能である。
The output light L2 emitted from the laser module 1 is split by the
出力信号Spを受信することにより、制御装置107は、出力光L2の出力値をリアルタイムでモニタできる。制御装置107は、出力光L2の出力値が所定の範囲内であるように半導体レーザ101の励起光L1の出力を調整するために、レーザ駆動装置102を制御する。
By receiving the output signal S p, the
上記のように、固体レーザ装置100においては、制御装置107が、出力光L2が所定の出力値であるようにレーザ駆動装置102を制御し、且つ、半導体レーザ101及びレーザモジュール1の温度が所定の設定温度であるように温調駆動装置105を制御する。
As described above, in the solid-
レーザモジュール1を搭載した固体レーザ装置100によれば、レーザ結晶10で発生する熱に起因する特性や信頼性の低下が抑制される。例えば、レーザ結晶10を薄くすることができるため、光ノイズの低減した出力光L2が得られる。具体的には、100mWの高出力領域で0.2%rms以下の低ノイズのグリーンレーザ出力光を、効率よく安定的に取り出すことが可能である。
According to the solid-
(その他の実施形態)
上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
(Other embodiments)
As mentioned above, although this invention was described by embodiment, it should not be understood that the description and drawing which form a part of this indication limit this invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art.
例えば、図8に示すように、励起光L1や出力光L2の進行を妨げない範囲で、レーザ結晶10及び波長変換素子30の周囲を広い範囲でヒートシンク40で覆ってもよい。図8に示したレーザモジュール1では、レーザ結晶10の入射面12上にも放熱金属膜20が配置され、放熱金属膜20を介して入射面12上にヒートシンク40の一部が配置されている。更に、波長変換素子30の出力面32上にもヒートシンク40の一部が配置されている。ただし、入射面12の励起光L1が入射する領域には放熱金属膜20とヒートシンク40は配置されておらず、出力面32の出力光L2が出力する領域にはヒートシンク40は配置されていない。
For example, as shown in FIG. 8, the periphery of the
図8に示した構成の場合には、入射面12からもヒートシンク40に熱が放出されるため、放熱性が向上する。更に、レーザ結晶10とヒートシンク40とを熱伝導性のよい半田などを用いて接着した後に、レーザ結晶10と波長変換素子30とを接合できる。このため、レーザ結晶10との接合後に波長変換素子30にかかる高温負荷を回避できる。
In the case of the configuration shown in FIG. 8, heat is also released from the
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。 As described above, the present invention naturally includes various embodiments not described herein. Therefore, the technical scope of the present invention is defined only by the invention specifying matters according to the scope of claims reasonable from the above description.
1…レーザモジュール
10…レーザ結晶
11…接合面
15…第1の反射膜
20…放熱金属膜
21…開口部
30…波長変換素子
31…接合端面
35…第2の反射膜
40…ヒートシンク
50…液滴
100…固体レーザ装置
101…半導体レーザ
301…波長変換結晶
302…ダミー材
L1…励起光
L2…出力光
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
Claims (20)
前記レーザ結晶の接合面上に配置された放熱金属膜と、
前記放熱金属膜に設けられた開口部で前記接合面に接合され、前記レーザ結晶と共に光共振器を形成する波長変換素子と、
前記放熱金属膜に接触するヒートシンクと
を備え、前記接合面の前記波長変換素子が配置された領域の残余の領域上に少なくとも前記放熱金属膜が配置されていることを特徴とするレーザモジュール。 A laser crystal;
A heat dissipating metal film disposed on the bonding surface of the laser crystal;
A wavelength conversion element that is bonded to the bonding surface at an opening provided in the heat dissipation metal film and forms an optical resonator together with the laser crystal;
And a heat sink in contact with the heat radiating metal film, wherein at least the heat radiating metal film is disposed on a remaining region of the bonding surface where the wavelength conversion element is disposed.
前記励起光によって励起されて発振光を出力するレーザ結晶、前記レーザ結晶の接合面上に配置された放熱金属膜、前記放熱金属膜に設けられた開口部で前記接合面に接合されて前記レーザ結晶と共に光共振器を形成し、前記発振光の高調波光を発生する波長変換素子、及び前記放熱金属膜に接触するヒートシンクを備え、前記接合面の前記波長変換素子が配置された領域の残余の領域上に少なくとも前記放熱金属膜が配置されたレーザモジュールと
を備えることを特徴とする固体レーザ装置。 A semiconductor laser that emits excitation light; and
A laser crystal that is excited by the excitation light and outputs oscillation light, a radiating metal film disposed on the bonding surface of the laser crystal, and the laser that is bonded to the bonding surface at an opening provided in the radiating metal film An optical resonator is formed together with the crystal, and includes a wavelength conversion element that generates harmonic light of the oscillation light, and a heat sink that is in contact with the heat dissipation metal film, and the remainder of the region where the wavelength conversion element is disposed on the joint surface A solid state laser device comprising: a laser module having at least the heat dissipating metal film disposed on the region.
前記レーザ結晶の接合面上に放熱金属膜を形成するステップと、
前記放熱金属膜に、前記波長変換素子の接合端面の外縁形状に沿った開口部を形成するステップと、
前記開口部内に液滴を充填するステップと、
前記開口部において前記レーザ結晶の前記接合面と前記波長変換素子の前記接合端面とを前記液滴を介して重ね合わせ、前記液滴の表面張力によって前記レーザ結晶と前記波長変換素子とを自律的にアライメントさせるステップと、
前記レーザ結晶と前記波長変換素子とを接合するステップと、
前記放熱金属膜に接触するようにヒートシンクを配置するステップと
を含むことを特徴とするレーザモジュールの製造方法。 In a method for manufacturing a laser module for joining a laser crystal and a wavelength conversion element,
Forming a heat dissipating metal film on the bonding surface of the laser crystal;
Forming an opening along the outer edge shape of the joint end face of the wavelength conversion element in the heat dissipation metal film;
Filling the opening with droplets;
In the opening, the bonding surface of the laser crystal and the bonding end surface of the wavelength conversion element are overlapped via the droplet, and the laser crystal and the wavelength conversion element are autonomously combined by the surface tension of the droplet. Aligning with:
Bonding the laser crystal and the wavelength conversion element;
And disposing a heat sink so as to be in contact with the heat dissipating metal film.
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