JP2023175081A - Crystal solid-state laser medium composite and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、結晶型固体レーザー媒質複合体及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a crystalline solid-state laser medium composite and a method for manufacturing the same.
レーザー技術は、固体レーザーを中心に発展してきた。一方、レーザーの応用技術はレーザーレーダー、大型インフラストラクチャーの非破壊検査、空中ドローン・水中ドローン・ＥＶ（電動車両）の遠隔給電等のように、レーザーの持つ高速性（光速度：３０万kｍ／ｓ：マッハ８８万）と直進性を利用した遠隔作用・遠隔計測の開発が進んでいる。この場合、レーザーには、遠方で精度良くレーザーを集束・照射できるビーム品質が良い特性が求められる。このようなことから、近年では、ビーム品質が良いファイバーレーザーが注目されている。 Laser technology has developed around solid-state lasers. On the other hand, laser application technologies include laser radar, non-destructive inspection of large infrastructure, remote power supply of aerial drones, underwater drones, and EVs (electric vehicles), etc. s: Mach 880,000) and the ability to travel in a straight line.The development of remote action and remote measurement is progressing. In this case, the laser is required to have good beam quality characteristics that allow it to be focused and irradiated accurately over long distances. For this reason, fiber lasers with good beam quality have been attracting attention in recent years.
ファイバーレーザーの特徴は、細径コア（２～４０μｍ）に起因するレーザー発振ビームの（Ｍ2値・ＢＰＰ値に代表される）ビーム品質の良さにある。他方、ファイバーコアは、主として素材を石英（ガラス質・非晶質）とするものであり、固体レーザーの結晶素材と比較すると、熱伝導率・耐光強度・単位長レーザー利得という観点では劣るものであり、特に高出力パルス発振では難点がある。換言すれば、熱伝導率・耐光強度・単位長レーザー利得の点では、固体レーザーが有利であるものの、固体レーザーには、ビーム品質に難点が存在することになる。特許文献１には、Ｎｄ：ＹＡＧを媒質とする固体レーザーが開示されている。
A feature of fiber lasers is the good beam quality of the laser oscillation beam (represented by the M 2 value and BPP value) due to the small diameter core (2 to 40 μm). On the other hand, fiber cores are mainly made of quartz (glassy/amorphous), which is inferior in terms of thermal conductivity, light resistance, and unit length laser gain compared to the crystalline materials of solid-state lasers. However, there are difficulties, especially in high-output pulse oscillation. In other words, although solid-state lasers are advantageous in terms of thermal conductivity, light resistance, and unit-length laser gain, solid-state lasers have drawbacks in beam quality.
結晶素材を細化すれば、固体レーザーでもビーム品質を向上させることが理屈の上では可能であるが、実際のところ、そう簡単にはいかない。固体レーザーの製作に際しては、単結晶レーザー媒質であれば、図５（ａ）に示されるように、単結晶育成法により引き上げられたブールＢから、セラミックレーザー媒質であれば、図５（ｂ）に示されるように、柱状ロッドＲから、実際に使用するレーザー媒質を切り出すことになるところ、切り出し工程、両端面光学研磨工程で発生する割れやチップ防止の観点から、直径ないし辺長ｄを小さくするには限界があるからである。特許文献１の固体レーザー媒質が直径３ｍｍであることからも理解されるように、加工可能な直径ないし辺長ｄの限界は数ｍｍといったところである。
Although it is theoretically possible to improve the beam quality of solid-state lasers by making the crystal material thinner, in reality, it is not so easy. When manufacturing a solid-state laser, if a single crystal laser medium is used, as shown in FIG. 5(a), from a boule B raised by the single crystal growth method, and if a ceramic laser medium is used, as shown in FIG. 5(b). As shown in , when the laser medium to be actually used is cut out from the columnar rod R, the diameter or side length d is made smaller in order to prevent cracks and chips that occur during the cutting process and the optical polishing process on both end faces. This is because there are limits to what can be done. As can be understood from the fact that the solid-state laser medium of
このような状況に鑑み、本発明は、ファイバーレーザー並みのビーム品質を得ながら、固体レーザーならではの熱伝導率・耐光強度・単位長レーザー利得を得ることのできる、固体レーザー結晶の細化構造、及びその製造方法を提供することを課題とするものである。 In view of this situation, the present invention aims to provide a thin structure of a solid-state laser crystal that can obtain the thermal conductivity, light resistance strength, and unit length laser gain unique to a solid-state laser, while obtaining beam quality comparable to that of a fiber laser. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing the same.
本発明の結晶型固体レーザー媒質複合体は、少なくとも以下の構成を具備するものである。
結晶型固体レーザー媒質と、前記結晶型固体レーザー媒質と熱膨張係数が近似した高熱伝導材とから成り、前記結晶型固体レーザー媒質と前記高熱伝導材とが接合していることを特徴とする。
The crystalline solid state laser medium composite of the present invention has at least the following configuration.
It consists of a crystalline solid-state laser medium and a highly thermally conductive material having a thermal expansion coefficient similar to that of the crystalline solid-state laser medium, and is characterized in that the crystalline solid-state laser medium and the highly thermally conductive material are bonded.
また、本発明の結晶型固体レーザー媒質複合体の製造方法は、少なくとも以下の構成を具備するものである。
１ｍｍ以下の直径又は辺長を有する結晶型固体レーザー媒質複合体の製造方法であって、結晶型固体レーザー媒質に補強材を接合する接合工程、接合された結晶型固体レーザー媒質と補強材を共に研磨する研磨工程、を少なくとも含むことを特徴とする。
Further, the method for manufacturing a crystalline solid-state laser medium composite of the present invention includes at least the following configuration.
A method for producing a crystalline solid-state laser medium composite having a diameter or side length of 1 mm or less, the bonding step of bonding a reinforcing material to the crystalline solid-state laser medium, and the step of bonding the bonded crystalline solid-state laser medium and the reinforcing material together. It is characterized by including at least a polishing step of polishing.
以下、本発明に係る結晶型固体レーザー媒質複合体の実施の形態の一例を図面に基づいて説明するが、以下の図面は説明を目的に作成されたもので、分かりやすくするため、説明に不要な部材を意図的に図示していない場合がある。また、説明のため、部材を意図的に大きくまたは小さく図示している場合があり、正確な縮尺を示す図面ではない。なお、以下の説明で、異なる図における同一符号は同一機能の部位を示しており、各図における重複説明は適宜省略する。 Hereinafter, an example of an embodiment of a crystalline solid-state laser medium composite according to the present invention will be described based on drawings. In some cases, some members may not be intentionally shown. Further, for the sake of explanation, members may be intentionally shown large or small, and the drawings are not drawn to exact scale. In the following description, the same reference numerals in different figures indicate parts with the same function, and redundant explanation in each figure will be omitted as appropriate.
（結晶型固体レーザー媒質複合体の構造）
図１は、本発明の実施形態に係る結晶型固体レーザー媒質複合体の構造を示す斜視図である。複合体は、結晶型固体レーザー媒質１と、後述するように製造に際して補強材となる高熱伝導材２とから成る。
(Structure of crystalline solid-state laser medium composite)
FIG. 1 is a perspective view showing the structure of a crystalline solid-state laser medium composite according to an embodiment of the present invention. The composite body consists of a crystalline solid
本発明の実施形態において、結晶型固体レーザー媒質１は、Ｎｄ：ＹＡＧである。また、Ｃｒ：Ａｌ2Ｏ3（ルビー）を採用しても良い。この他、ドーピングされるレーザー活性物質としては、Ｎｄ（ネオジウム）やＨｏ（ホルミウム）、Ｔｍ（ツリウム）、Ｅｒ（エルビウム）、Ｙｂ（イッテルビウム）、Ｃｅ（セリウム）、Ｐｒ（プラセオディウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｃｒ（クロム）、Ｖ（バナジウム）、Ｎｉ（ニッケル）から選択され、酸化物結晶としては、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）、ＹＡＰ（イットリウム・アルミニウム・ペロブスカイト）、ＹＶＯ4（イットリウム・バナデート）、ＧＧＧ（ガリウム・ガドリニウム・ガーネット）、Ａｌ2Ｏ3（サファイア）、アレキサンドライト、ＧｄＶＯ4（ガドリニウム・バナデート）、Ｙ2Ｏ3、Ｓｃ2Ｏ3、Ｌｕ2Ｏ3、ＧＳＧＧ（ガリウム・スカンジウム・ガドリニウム・ガーネット）、等から選択することができる。
In an embodiment of the invention, the crystalline solid
高熱伝導材２は、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）、Ａｌ2Ｏ3（サファイア）、Ｙ2Ｏ3、Ｓｃ2Ｏ3、Ｌｕ2Ｏ3等の酸化物結晶から、採用した結晶型固体レーザー媒質１と熱膨張係数が近似したものが選択される。本実施形態においては、ＹＡＧが採用されている。レーザー活性物質のドーピングの有無によって、熱膨張係数は然程変わらないからである。また、Ａｌ2Ｏ3（サファイア）も、Ｎｄ：ＹＡＧに対して熱膨張係数が近似している範囲といえるため、本実施形態において採用し得るものである。
The high
結晶型固体レーザー媒質１と高熱伝導材２とは、後述するように、光学的透過性を持った化学的接着剤による接合、低融点金属による接合、拡散接合方法等の適宜の接合方法により接合される。
The crystalline solid
図１から理解されるように、レーザー活性物質がドーピングされている増幅媒質は、図１の中央の結晶型固体レーザー媒質１である。一方、図中において、結晶型固体レーザー媒質１の左右に位置している高熱伝導材２はドーピングされていないため、増幅媒質としては機能しない。
As understood from FIG. 1, the amplification medium doped with a laser active substance is the crystalline solid
ところで、遠方に精度良くレーザーを照射できる性能に関係するビーム品質を示すＭ2値は、次の式で表される。
Ｍ2＝πω0θ／λ （式１）
式１において、ω0はビームウエスト、θはレーザーの発散角、λは発信波長である。Ｍ2がビームウエストと発散角との積であることから、結晶型固体レーザー媒質１の開口断面積が小さい程、レーザー発振モードが改善される。先述したように、これまで、高いビーム品質を得るためには、ファイバーコアを用いるより他なかった。固体レーザーでは細化に限界があったためである。しかし、本発明の実施形態に係る結晶型固体レーザー媒質複合体は、１ｍｍ、０．５ｍｍ、０．１ｍｍ、或いは、それよりも小さいサイズの結晶型固体レーザー媒質１を用いることができることから、ファイバーレーザー並みのビーム品質を得ることが可能である。
By the way, the M 2 value, which indicates beam quality related to the ability to accurately irradiate a laser beam to a long distance, is expressed by the following formula.
M 2 = πω 0 θ/λ (Formula 1)
In
本発明の実施形態に係る結晶型固体レーザー媒質複合体によれば、図１に示されるように、結晶型固体レーザー媒質１の左右両側に高熱伝導材２がフラップの如く配置されており、かつ、結晶型固体レーザー媒質１と高熱伝導材２の熱膨張率は相互に近似した値となるものが選択されている。このことから、放熱面積が拡大して、放熱効率が向上する。結晶はファイバー母材であるガラス非晶質と比較すると約１０倍、熱伝導率が良い。このように、結晶型固体レーザー媒質１の中心部を効率的に冷却する事が可能になり、結晶型固体レーザー媒質１の平均温度が低下してレーザー発振効率が上昇する。また、レーザー媒質の熱平衡に達する時間が縮小し、レーザーパルス発振時にはパルス幅が減少することになる。
According to the crystalline solid-state laser medium composite according to the embodiment of the present invention, as shown in FIG. The coefficients of thermal expansion of the crystalline solid-
（結晶型固体レーザー媒質複合体の構造の製造工程）
本発明の実施形態に係る結晶型固体レーザー媒質複合体の製造方法の各工程について説明する。図２は、本発明の実施形態に係る結晶型固体レーザー媒質複合体の製造方法の製造工程の前半の段階を示す図であり、図３は、本発明の実施形態に係る結晶型固体レーザー媒質複合体の製造方法の製造工程の後半の段階を示す図である。
(Manufacturing process for the structure of crystalline solid-state laser medium composite)
Each step of the method for manufacturing a crystalline solid-state laser medium composite according to an embodiment of the present invention will be explained. FIG. 2 is a diagram showing the first half of the manufacturing process of the method for manufacturing a crystalline solid-state laser medium composite according to an embodiment of the present invention, and FIG. It is a figure which shows the latter half stage of the manufacturing process of the manufacturing method of a composite body.
図２（a）において、高熱伝導材２として、Ａｌ2Ｏ3（サファイア）、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）、Ｙ2Ｏ3、Ｓｃ2Ｏ3、Ｌｕ2Ｏ3の中から、結晶型固体レーザー媒質１と熱膨張係数が近似したものを用意するのが望ましい。ただし、接合方法として適宜のものを選択することによって、熱膨張係数が異なる場合の組み合わせが排除されるものではない。次いで、基準面となる面（図中の左側面）を研磨する。
In FIG. 2(a), the high
図２（ｂ）において、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）、ＹＶＯ4（イットリウム・バナデート）、ＹＬＦ（イットリウムリチウムフロライド）、ＧＧＧ（ガリウム・ガドリニウム・ガーネット）、Ａｌ2Ｏ3（サファイア）、アレキサンドライト、ＧｄＶＯ4（ガドリニウム・バナデート）、Ｙ2Ｏ3、Ｓｃ2Ｏ3、Ｌｕ2Ｏ3、ＧＳＧＧ、等から選択される酸化物結晶に対して、Ｎｄ（ネオジウム）、Ｈｏ（ホルミウム）、Ｔｍ（ツリウム）、Ｅｒ（エルビウム）、Ｃｅ（セリウム）、Ｐｒ（プラセオディウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｃｒ（クロム）、Ｖ（バナジウム）、Ｎｉ（ニッケル）の中から選択されるレーザー活性物質がドーピングされた結晶型固体レーザー媒質１を用意し、高熱伝導材２と接合される面（図中の左側面）を研磨する。一方、高熱伝導材２についても、結晶型固体レーザー媒質１と接合される面（図中の右側面）を研磨する。
In FIG. 2(b), YAG (yttrium aluminum garnet), YVO 4 (yttrium vanadate), YLF (yttrium lithium fluoride), GGG (gallium gadolinium garnet), Al 2 O 3 (sapphire), alexandrite , GdVO 4 (gadolinium vanadate), Y 2 O 3 , Sc 2 O 3 , Lu 2 O 3 , GSGG, etc., Nd (neodymium), Ho (holmium), Tm ( Doped with a laser active material selected from among thulium), Er (erbium), Ce (cerium), Pr (praseodymium), Ti (titanium), Cr (chromium), V (vanadium), and Ni (nickel). A crystal-type solid-
図２（ｃ）において、光学的透過性を持った化学的接着剤による接合、低融点金属による接合、拡散接合方法等の適宜の接合方法により、結晶型固体レーザー媒質１と高熱伝導材２とを接合する。例えば、サファイアとＮｄ：ＹＡＧの組み合わせ等、熱膨張係数の近似したもの同士の組み合わせの接合であれば、真空雰囲気で高温度で圧縮させて、接合界面の原子が拡散されることによって接合がなされる拡散接合が望ましい。熱膨張係数が異なるもの同士の組み合わせの接合であれば、接合部の歪を逃がすために、低融点金属（例えば、インジウム）による接合が望ましい。
In FIG. 2(c), the crystalline solid-
図２（ｄ）において、高熱伝導材２として、Ａｌ2Ｏ3（サファイア）、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）、Ｙ2Ｏ3、Ｓｃ2Ｏ3、Ｌｕ2Ｏ3の中から、結晶型固体レーザー媒質１と熱膨張係数が近似したものを用意する。この際、図２（ａ）において用意した高熱伝導材２と同じ素材を用意するが、必ずしも、同じ素材でなくともよい。そして、結晶型固体レーザー媒質１の高熱伝導材２と接合される面（図中の右側面）を研磨する。この際の研磨は、単に、接合面を平滑にすることのみを目的とするものではなく、結晶型固体レーザー媒質１を細化することをも目的として行われる。図２（ｄ）から見て取れるように、研磨が終了した時点で、図中の左右方向の厚さについての細化が施されたことになる。一方、高熱伝導材２についても、結晶型固体レーザー媒質１と接合される面（図中の左側面）を研磨する。
In FIG. 2(d), the high
図３（ｅ）において、光学的透過性を持った化学的接着剤による接合、低融点金属による接合、拡散接合方法等の適宜の接合方法により、結晶型固体レーザー媒質１と高熱伝導材２とを接合する。例えば、サファイアとＮｄ：ＹＡＧの組み合わせ等、熱膨張係数の近似したもの同士の組み合わせの接合であれば、真空雰囲気で高温度で圧縮させて、接合界面の原子が拡散されることによって接合がなされる拡散接合が望ましい。熱膨張係数が異なるもの同士の組み合わせの接合であれば、接合部の歪を逃がすために、低融点金属（例えば、インジウム）による接合が望ましい。
In FIG. 3(e), the crystalline solid-
結晶型固体レーザー媒質１に対して、フラップの如く高熱伝導材２が接合された後に、図面における上下方向の厚さについての細化工程が行われる。先ず、図３（ｆ）に示すように、基準面となる図中下面についての研磨が行われる。
After the highly thermally
最後に、図３（ｇ）に示すように、結晶型固体レーザー媒質１を細化するための研磨が行われる。この際、結晶型固体レーザー媒質１の両側に位置する高熱伝導材２は、割れやチップを防止するための補強材としての機能を果たすことになる。そして、最終的に、辺長をｄとする結晶型固体レーザー媒質１と高熱伝導材２とから成る複合体が完成する。このｄの値は、従前の製造方法に依る固体レーザーでは実現が困難ないし不可能であった、１ｍｍ、０．５ｍｍ、０．１ｍｍ或いはそれよりも小さい値となる。
Finally, as shown in FIG. 3(g), polishing is performed to make the crystalline solid-
以上のようにして得られた結晶型固体レーザー媒質複合体は、ファイバーレーザー並みのビーム品質を得ることが可能でありつつも、結晶型固体レーザー媒質１の中心部を効率的に冷却する事が可能になり、結晶型固体レーザー媒質１の平均温度が低下してレーザー発振効率が上昇し、また、レーザー媒質の熱平衡に達する時間が縮小し、レーザーパルス発振時にはパルス幅が減少することになる。
The crystalline solid-state laser medium composite obtained as described above is capable of obtaining beam quality comparable to that of a fiber laser, but it is also difficult to efficiently cool the center of the crystalline solid-
しかし、本発明は、ビーム品質を向上させるために、細化した結晶型固体レーザー媒質を得る製造方法について発明したものに止まるものでないことは、明確に理解される必要がある。フラップの如き高熱伝導材２は、製造過程の途中で研磨のための補強材として用いられるだけでなく、最終生成物においても残されるものであり、新規な構造によって、熱伝導率の向上に寄与するものだからである。本出願は、新規構造の結晶型固体レーザー媒質複合体についての物の発明とともに、その製造方法の発明を開示するものである。
However, it must be clearly understood that the present invention is not limited to a manufacturing method for obtaining a thin crystalline solid-state laser medium in order to improve beam quality. The highly thermally
参考までに、本発明の実施形態が採用し得るレーザー媒質の物性につき、図４に示しておく。表より、ファイバーレーザーのレーザー媒質であるアクティブ・ファイバーの母材は石英（Ｑｕａｒｔｚ）であり、その熱伝導率は結晶質固体レーザー媒質の１０分の１程度、高熱伝導補強材として想定しているサファイアの３０分の１とレーザー媒質としての特性は良くない。そのため、レーザー媒質温度が上昇し、レーザー利得が低い。また、熱による断面方向の屈折率分布が均一ではなく、発振するレーザービーム品質が低下する。 For reference, the physical properties of a laser medium that can be used in the embodiment of the present invention are shown in FIG. From the table, the base material of the active fiber, which is the laser medium of the fiber laser, is quartz, and its thermal conductivity is about one-tenth that of the crystalline solid laser medium, and it is assumed to be a high thermal conductive reinforcing material. It is 1/30th that of sapphire, and its properties as a laser medium are not good. Therefore, the laser medium temperature increases and the laser gain is low. Furthermore, the refractive index distribution in the cross-sectional direction due to heat is not uniform, and the quality of the oscillated laser beam is degraded.
以上、本発明の実施形態に係る結晶型固体レーザー媒質複合体及びその製造方法について、図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成は、これらの実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。本明細書において、辺長のサイズについても示したが、本発明については、数値に臨海的意義を見出す数値限定発明として整理されるものではなく、従前には、想定されていなかった、ファイバーレーザーに引けを取らないビーム品質を固体レーザーで得るという新たな着眼点の下で、それを実現するための構造及び製造方法を提案したものであるということは明確に理解されるべきである。 The crystalline solid-state laser medium composite and the manufacturing method thereof according to the embodiments of the present invention have been described above in detail with reference to the drawings, but the specific configuration is not limited to these examples. Even if there are changes in the design within the scope of the invention, they are included in the invention. In this specification, the size of the side length is also shown, but the present invention is not organized as a numerically limited invention that finds critical significance in numerical values, but is a fiber laser that has not been previously envisioned. It should be clearly understood that this paper proposes a structure and manufacturing method to achieve this new goal of obtaining beam quality comparable to solid-state lasers.
１ 結晶型固体レーザー媒質
２ 高熱伝導材
Ｂ 単結晶育成法により引き上げられたブール
Ｒ レーザー媒質の柱状ロッド
1 Crystalline solid
Claims (7)
前記結晶型固体レーザー媒質と熱膨張係数が近似した高熱伝導材とから成り、
前記結晶型固体レーザー媒質と前記高熱伝導材とが接合している
ことを特徴とする結晶型固体レーザー媒質複合体。 a crystalline solid-state laser medium;
consisting of the crystalline solid-state laser medium and a highly thermally conductive material with a thermal expansion coefficient similar to that of the crystalline solid-state laser medium;
A crystalline solid-state laser medium composite, characterized in that the crystalline solid-state laser medium and the high thermal conductive material are bonded to each other.
ことを特徴とする請求項１に記載の結晶型固体レーザー媒質複合体。 The crystalline solid-state laser medium composite according to claim 1, wherein the diameter or side length of the crystalline solid-state laser medium is 1 mm or less.
ことを特徴とする請求項１に記載の結晶型固体レーザー媒質複合体。 The crystalline solid-state laser medium composite according to claim 1, wherein the diameter or side length of the crystalline solid-state laser medium is 0.5 mm or less.
ことを特徴とする請求項１に記載の結晶型固体レーザー媒質複合体。 The crystalline solid-state laser medium composite according to claim 1, wherein the diameter or side length of the crystalline solid-state laser medium is 0.1 mm or less.
結晶型固体レーザー媒質に補強材を接合する接合工程、
接合された結晶型固体レーザー媒質と補強材を共に研磨する研磨工程、
を少なくとも含むことを特徴とする結晶型固体レーザー媒質複合体の製造方法。 A method for producing a crystalline solid state laser medium composite having a diameter or side length of 1 mm or less, the method comprising:
A joining process of joining a reinforcing material to a crystalline solid-state laser medium,
A polishing process in which the bonded crystalline solid-state laser medium and reinforcing material are polished together;
A method for producing a crystalline solid-state laser medium composite comprising at least the following.
ことを特徴とする請求項５に記載の結晶型固体レーザー媒質複合体の製造方法。 6. The method for manufacturing a crystalline solid-state laser medium composite according to claim 5, wherein the reinforcing material has a coefficient of thermal expansion similar to that of the crystalline solid-state laser medium.
ことを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の結晶型固体レーザー媒質複合体の製造方法。 7. The method for manufacturing a crystalline solid-state laser medium composite according to claim 5, wherein the bonding step is performed by any one of bonding using an optically transparent chemical adhesive, metal bonding, and diffusion bonding.
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