JP2015062234A

JP2015062234A - 小型固体レーザ素子の製造方法

Info

Publication number: JP2015062234A
Application number: JP2014217673A
Authority: JP
Inventors: 守久光; Mamoru Hisamitsu; 一智門倉; Kazutomo Kadokura; 徳田　勝彦; Katsuhiko Tokuda; 勝彦徳田
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2014-10-24
Filing date: 2014-10-24
Publication date: 2015-04-02

Abstract

【課題】レーザ結晶と波長変換結晶を光学接着剤にて接着してなる小型固体レーザ素子において、レーザのノイズを小さくする。【解決手段】基本波光の波長をλとするとき、前記レーザ結晶と前記光学接着剤の界面にＡｌ２Ｏ３のλ／４膜を形成し、前記光学接着剤と前記波長変換結晶の界面にＡｌ２Ｏ３のλ／４膜およびＳｉＯ２のλ／４膜の対を１対形成した。【効果】基本波光をほとんど反射しない場合に比べてモード間の損失の差が大きくなり、複数のモードの発振に差ができて、レーザのノイズを小さくすることが出来る。また、基本波光に対する界面反射率が光学接着剤の厚さに依存しなくなり、光学接着剤の厚さによる特性のばらつきをなくすことが出来る。【選択図】図１

Description

本発明は、小型固体レーザ素子の製造方法に関し、さらに詳しくは、レーザ結晶と波長変換結晶とを光学接着剤にて一体に接着してなる小型固体レーザ素子において、レーザのノイズを小さくしうる小型固体レーザ素子の製造方法に関する。

従来、レーザ結晶と波長変換結晶とを光学接着剤にて一体に接着すると共に、レーザ結晶の出射端面または波長変換結晶の入射端面に、２次高調波光を反射する反射膜を形成し、２次高調波光がレーザ結晶内を通過しないように構成したレーザ発振装置が知られている（特許文献１参照。）。
また、レーザ結晶と波長変換結晶とを光学接着剤またはオプティカルコンタクトにて一体に接着した光学素子が知られている（特許文献２参照。）。

特開２００６−３１０７４３号公報特開２００７−２２５７８６号公報

上記従来のレーザ発振装置では、レーザ結晶の出射端面に形成した反射膜における基本波光の透過率が９９％以上であり、波長変換結晶の入射端面に形成した反射膜における基本波光の透過率が９９％以上であった。すなわち、レーザ結晶の出射端面に形成した反射膜や波長変換結晶の入射端面に形成した反射膜では、基本波光をほとんど反射しないようにしていた。
ところが、基本波光をほとんど反射しない場合、モード間の損失の差が小さくなり、複数のモードが同じように発振し、レーザのノイズが大きくなってしまう問題があった。

また、上記従来の光学素子では、レーザ結晶と波長変換結晶の屈折率が近接している場合、光学接着剤の光学的膜厚がλ／４の偶数倍の近傍になると接着部での界面反射率が小さくなり、基本波光をほとんど反射せず、モード間の損失の差がなくなり、複数のモードで同じように発振し、レーザのノイズが大きくなる問題点があった。さらに、レーザ結晶の屈折率をｎ１とし波長変換結晶の屈折率をｎ２とし、光学接着剤の屈折率が√（ｎ１×ｎ２）に近い場合、光学接着剤の光学的膜厚がλ／４の奇数倍の近傍になると接着部での界面反射率が小さくなり、基本波光をほとんど反射せず、モード間の損失の差がなくなり、複数のモードで同じように発振し、レーザのノイズが大きくなる問題点があった。

そこで、本発明の目的は、レーザ結晶と波長変換結晶とを光学接着剤にて一体に接着する小型固体レーザ素子の製造方法において、レーザのノイズを小さくしうる小型固体レーザ素子の製造方法を提供することにある。

第１の観点では、本発明は、基本波光を出射するレーザ結晶と波長変換光を出射する波長変換結晶とを光学接着剤にて一体に接着する小型固体レーザ素子の製造方法において、基本波光の波長をλとするとき、前記レーザ結晶と前記光学接着剤の界面にＡｌ２Ｏ３のλ／４膜を形成し、前記光学接着剤と前記波長変換結晶の界面にＡｌ２Ｏ３のλ／４膜およびＳｉＯ２のλ／４膜の対を１対形成する小型固体レーザ素子の製造方法を提供する。
上記第１の観点による製造方法で製造された小型固体レーザ素子では、基本波光に対する界面反射率が１０％以上となる。このため、基本波光をほとんど反射しない場合に比べてモード間の損失の差が大きくなり、複数のモードの発振に差ができて、レーザのノイズを小さくすることが出来る。また、基本波光に対する界面反射率が光学接着剤の厚さに依存しなくなり、光学接着剤の厚さによる特性のばらつきをなくすことが出来る。

本発明の小型固体レーザ素子によれば、レーザのノイズを小さくすることが出来る。

実施例１に係る小型固体レーザ素子を示す斜視図である。実施例１に係るレーザ結晶と波長変換結晶の接着部における界面反射率を示すグラフである。参考例１に係る小型固体レーザ素子を示す斜視図である。参考例１に係るレーザ結晶と波長変換結晶の接着部における界面反射率を示すグラフである。公知の小型固体レーザ素子を示す斜視図である。公知の小型固体レーザ素子（光学接着剤の光学的膜厚＝０）の界面反射率を示すグラフである。公知の小型固体レーザ素子（光学接着剤の光学的膜厚＝λ／８）の界面反射率を示すグラフである。公知の小型固体レーザ素子（光学接着剤の光学的膜厚＝λ／４）の界面反射率を示すグラフである。公知の小型固体レーザ素子（光学接着剤の光学的膜厚＝３λ／８）の界面反射率を示すグラフである。公知の小型固体レーザ素子（光学接着剤の光学的膜厚＝λ／２）の界面反射率を示すグラフである。公知の小型固体レーザ素子（光学接着剤の光学的膜厚＝λ／４）の１つのモードに着目し、温度を変化させて、透過率を計算したグラフである。公知の小型固体レーザ素子（光学接着剤の光学的膜厚＝λ／４）の１つのモードに着目し、温度を変化させて、波長を計算したグラフである。公知の小型固体レーザ素子における光学接着剤の光学的膜厚に対する透過率を示すグラフである。公知の小型固体レーザ素子における光学接着剤の光学的膜厚に対する界面反射率を示すグラフである。実施例１や参考例１で光学接着剤の光学的膜厚をλ／２としたものに対して界面反射率を計算し、その結果と図１３，図１４を統合して得られたグラフである。

以下、図に示す実施例により本発明をさらに詳細に説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。

−実施例１−
図１は、実施例１に係る小型固体レーザ素子１０を示す断面図である。
この小型固体レーザ素子１０は、半導体レーザからの励起レーザ光Ｌｉにより励起されて基本波光を出射するレーザ結晶１と、基本波光の高調波である波長変換レーザ光Ｌｏを出射する波長変換結晶２と、波長変換結晶２をサンドイッチ状に挟むダミー材３とを具備している。

Ａｌ２Ｏ３のλ／４膜５が形成されたレーザ結晶１の出射端面と、Ａｌ２Ｏ３のλ／４膜６およびＳｉＯ２のλ／４膜７の対が形成された波長変換結晶２の入射端面とは、任意の厚さの光学接着剤４により接着されている。なお、λ＝１．０６４４μｍとする。

小型固体レーザ素子１０の両端面には、ＨＲ薄膜１ａ，２ａをコーティングしている。これらＨＲ薄膜１ａ，２ａは、それぞれ屈折率１．５／２．５のλ／４膜の対を１０対積層したものである。

レーザ結晶１は、ＮｄドープＹＶＯ４である。長さは５００μｍである。
波長変換結晶２は、ＬＴを周期的に分極反転したＱＰＭである。長さは１０００μｍである。

図２に示す実線は、レーザ結晶１と波長変換結晶２の接着部における界面反射率（波長λでの反射率）を示すグラフである。なお、Ａｌ２Ｏ３の屈折率を１．８とし、ＳｉＯ２屈折率を１．５とし、光学接着剤の屈折率を１．５とした。
光学接着剤４の光学的膜厚に対して、界面反射率は約１２％で一定である。このため、基本波光をほとんど反射しない場合に比べてモード間の損失の差が大きくなり、複数のモードの発振に差ができて、レーザのノイズを小さくすることが出来る。
また、基本波光に対する界面反射率が光学接着剤４の厚さに依存しなくなり、光学接着剤４の厚さによる特性のばらつきをなくすことが出来る。

一方、図２に示す破線は、レーザ結晶１の出射端面および波長変換結晶２の入射端面に
誘電体薄膜が無い場合のレーザ結晶１と波長変換結晶２の接着部における界面反射率を示
すグラフである。
レーザ結晶１と波長変換結晶２の屈折率が近接している場合、光学接着剤４の光学的膜
厚がλ／４の偶数倍の近傍になると界面反射率が小さくなり、基本波光をほとんど反射せ
ず、モード間の損失の差がなくなり、複数のモードで同じように発振し、レーザのノイズ
が大きくなる。
また、基本波光に対する界面反射率が光学接着剤４の厚さに依存し、光学接着剤４の厚
さによる特性のばらつきを生じる。

−参考例１−
図３は、参考例１に係る小型固体レーザ素子２０を示す断面図である。
この小型固体レーザ素子２０は、半導体レーザからの励起レーザ光Ｌｉにより励起されて基本波光を出射するレーザ結晶１と、基本波光の高調波である波長変換レーザ光Ｌｏを出射する波長変換結晶２と、波長変換結晶２をサンドイッチ状に挟むダミー材３とを具備している。

レーザ結晶１の出射端面と、Ａｌ２Ｏ３のλ／４膜５およびＳｉＯ２のλ／４膜６の対並びにＡｌ２Ｏ３のλ／４膜７およびＳｉＯ２のλ／４膜８の対が形成された波長変換結晶２の入射端面とは、任意の厚さの光学接着剤４により接着されている。なお、λ＝１．０６４４μｍとする。

小型固体レーザ素子２０の両端面には、ＨＲ薄膜１ａ，２ａをコーティングしている。これらＨＲ薄膜１ａ，２ａは、それぞれ屈折率１．５／２．５のλ／４膜の対を１０対積層したものである。

図４に示す実線は、レーザ結晶１と波長変換結晶２の接着部における界面反射率（波長λでの反射率）を示すグラフである。なお、Ａｌ２Ｏ３の屈折率を１．８とし、ＳｉＯ２の屈折率を１．５とし、光学接着剤の屈折率を１．５とした。
光学接着剤４の光学的膜厚に対して、界面反射率は２．５％以上である。このため、基本波光をほとんど反射しない場合に比べてモード間の損失の差が大きくなり、複数のモードの発振に差ができて、レーザのノイズを小さくすることが出来る。

一方、図４に示す破線は、レーザ結晶１の出射端面および波長変換結晶２の入射端面に誘電体薄膜が無い場合のレーザ結晶１と波長変換結晶２の接着部における界面反射率を示すグラフである。
レーザ結晶１と波長変換結晶２の屈折率が近接している場合、光学接着剤４の光学的膜厚がλ／４の偶数倍の近傍になると界面反射率が小さくなり、基本波光をほとんど反射せず、モード間の損失の差がなくなり、複数のモードで同じように発振し、レーザのノイズが大きくなる。

−光学接着剤の光学的膜厚と界面反射率の関係−
図５に示すように、レーザ結晶１の出射端面および波長変換結晶２の入射端面に誘電体薄膜が無い以外は実施例１と同様の小型固体レーザ素子５０について、波長に対する接着部の透過率を調べた。

図６は、光学接着剤の光学的膜厚＝０の場合である。
モード間の損失の差がない。

図７は、光学接着剤の光学的膜厚＝λ／８の場合である。
モード間にやや損失の差がある。

図８は、光学接着剤の光学的膜厚＝λ／４の場合である。
モード間の損失の差がある。

図９は、光学接着剤の光学的膜厚＝３λ／８の場合である。
モード間にやや損失の差がある。

図１０は、光学接着剤の光学的膜厚＝λ／２の場合である。
モード間の損失の差がない。

図６〜図１０において、共振器の縦モードが立つ波長に透過率のピークがあり、透過率の高いもの程、増幅の度合いが大きいと考えられる。
光学接着剤４の光学的膜厚が０およびλ／２のときは各モード間の透過率に差が無いが、これはレーザ結晶１のＹＶＯ４と波長変換結晶２のＬＴ4の屈折率がほぼ等しいためである。
一方、光学接着剤４の光学的膜厚がλ／４のときは各モード間の透過率の差は最大になり、ほぼモード３つごとに透過率がピークになっている。これはレーザ結晶１がエタロンとして機能しており、かつ、全共振器の光学的長さ：レーザ結晶１の光学的長さが３：１となっているためである。

図１１は、１つのモードに着目し、温度を変化させて、透過率を計算したグラフである。また、図１２は、１つのモードに着目し、温度を変化させて、波長を計算したグラフである。
光学接着剤４の光学的膜厚はλ／４とした。なお、レーザ結晶１の線膨張係数α＝４．４３Ｅ−６，屈折率温度係数ｄｎ／ｄｔ＝２．９Ｅ−６とし、波長変換結晶２の線膨張係数α＝１．６２Ｅ−５，屈折率温度係数ｄｎ／ｄｔ＝５．０Ｅ−６とし、これらに対する温度の影響は無視した。また、ＨＲ薄膜１ａ，２ａおよび光学接着剤４は、膜厚が薄いため、温度の影響は無視した。
透過率は、「１」と「浅い方のボトム（矢印ａ）」の間および「１」と「深い方のボトム（矢印ｂ）」の間を往復する。
波長は、直線的に変化する。

図１３は、光学接着剤４の光学的膜厚を横軸に取り、「浅い方のボトム」の透過率を計算したグラフである。また、図１４は、光学接着剤４の光学的膜厚を横軸に取り、界面反射率を計算したグラフである。

実施例１や参考例１で光学接着剤４の光学的膜厚をλ／２としたものに対しても、図１１，図１２と類似の結果が得られる。

図１５は、実施例１や参考例１で光学接着剤４の光学的膜厚をλ／２としたものに対して界面反射率を計算し、その結果と図１３，図１４を統合して得られたグラフである。黒四角は、図５に示す小型固体レーザ素子５０の場合である。
ｃは、実施例１で光学接着剤４の光学的膜厚をλ／２とした場合である。
ｄは、実施例２で光学接着剤４の光学的膜厚をλ／２とした場合である。
図１５から判るように、界面反射率と透過率には一貫した関係がある。換言すれば、界面反射率によりモード間の透過率差の大小（モード選択性）が決まることが判る。これは、レーザ結晶１がエタロンとして機能し、接着部での界面反射率が決まればエタロンのフィネスが決まるため、各モードの透過率が決定されるからと考えられる。

本発明の小型固体レーザ素子の製造方法は、レーザ光源に使用する小型固体レーザ素子に利用できる。

１レーザ結晶
１ａＨＲ薄膜
２波長変換結晶
２ａＨＲ薄膜
３ダミー材
４光学接着剤
５，７Ａｌ２Ｏ３のλ／４膜
６，８ＳｉＯ２のλ／４膜
１０，２０，５０小型固体レーザ素子

Claims

基本波光を出射するレーザ結晶と波長変換光を出射する波長変換結晶とを光学接着剤にて一体に接着してなる小型固体レーザ素子の製造方法において、基本波光の波長をλとするとき、前記レーザ結晶と前記光学接着剤の界面であって且つ基本波光が透過する領域にＡｌ２Ｏ３のλ／４膜を形成し、前記光学接着剤と前記波長変換結晶の界面であって且つ基本波光が透過する領域にＡｌ２Ｏ３のλ／４膜およびＳｉＯ２のλ／４膜の対を１対形成することを特徴とする小型固体レーザ素子の製造方法。