JP6255805B2 - 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 - Google Patents

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。

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。）。

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。）。

特開２０１２−８８６３１号公報 特開平７−７９０３９号公報

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。

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。

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。

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接合面と接して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。

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接合面と接して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。

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接合面と接して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。

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。

本発明の実施形態に係るレーザモジュールの構成を示す模式図である。 本発明の実施形態に係るレーザモジュールの模式的な正面図ある。 本発明の実施形態に係るレーザモジュールの製造方法を説明するためのフローチャートである。 本発明の実施形態に係るレーザモジュールの製造方法を説明するための模式図であり、図４（ａ）は斜視図、図４（ｂ）は放熱金属膜の開口部の断面図である。 光学素子の接合面の形状を示す模式図である。 比較例のレーザモジュールの構成を示す模式図である。 本発明の実施形態に係るレーザモジュールを搭載した固体レーザ装置の構成例を示す模式図である。 本発明のその他の実施形態に係るレーザモジュールの構成を示す模式図である。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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Ｓ_T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。

温度信号Ｓ_T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。

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Ｓ_p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。

出力信号Ｓ_p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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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

Claims (18)

1. レーザ結晶と、
   前記レーザ結晶の接合面上に前記接合面と接して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。
2. 前記放熱金属膜の前記開口部の形状が、長辺と短辺の比率が５：４乃至５：３の長方形状であることを特徴とする請求項１に記載のレーザモジュール。
3. 前記長辺の延伸する方向が前記レーザ結晶のｃ軸方向と平行であることを特徴とする請求項２に記載のレーザモジュール。
4. 前記波長変換素子の前記レーザ結晶に接合する接合端面と前記放熱金属膜の前記開口部との間隙が０．２ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザモジュール。
5. 前記ヒートシンクが、前記レーザ結晶及び前記波長変換素子の側面を覆って配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のレーザモジュール。
6. 前記レーザ結晶の前記接合面と対向する入射面上に前記放熱金属膜が配置され、前記放熱金属膜を介して前記入射面上に前記ヒートシンクの一部が配置されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のレーザモジュール。
7. 励起光を出射する半導体レーザと、
   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前記接合面と接して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。
8. 前記放熱金属膜の前記開口部の形状が、長辺と短辺の比率が５：４乃至５：３の長方形状であることを特徴とする請求項７に記載の固体レーザ装置。
9. 前記長辺の延伸する方向が前記レーザ結晶のｃ軸方向と平行であることを特徴とする請求項８に記載の固体レーザ装置。
10. 前記波長変換素子の前記レーザ結晶に接合する接合端面と前記放熱金属膜の前記開口部との間隙が０．２ｍｍ以上であることを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１項に記載の固体レーザ装置。
11. 前記ヒートシンクが、前記レーザ結晶及び前記波長変換素子の側面を覆って配置されていることを特徴とする請求項７乃至１０のいずれか１項に記載の固体レーザ装置。
12. 前記レーザ結晶の前記接合面と対向する入射面上に前記放熱金属膜が配置され、前記放熱金属膜を介して前記入射面上に前記ヒートシンクの一部が配置されていることを特徴とする請求項７乃至１１のいずれか１項に記載の固体レーザ装置。
13. レーザ結晶と波長変換素子とを接合するレーザモジュールの製造方法において、
    前記レーザ結晶の接合面上に前記接合面と接して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。
14. 前記レーザ結晶と前記ヒートシンクとを接着させた後に、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ことを特徴とする請求項１３に記載のレーザモジュールの製造方法。
15. 前記放熱金属膜の前記開口部がフォトレジスト膜を用いたフォトリソグラフィ技術によって形成され、前記フォトレジスト膜が前記放熱金属膜上に残った状態で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ことを特徴とする請求項１３又は１４に記載のレーザモジュールの製造方法。
16. 前記放熱金属膜の前記開口部の形状が、長辺と短辺の比率が５：４乃至５：３の長方形状であることを特徴とする請求項１３乃至１５のいずれか１項に記載のレーザモジュールの製造方法。
17. 前記長辺の延伸する方向が前記レーザ結晶のｃ軸方向と平行であることを特徴とする請求項１６に記載のレーザモジュールの製造方法。
18. 前記波長変換素子の前記レーザ結晶に接合する接合端面と前記放熱金属膜の前記開口部との間隙が０．２ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１３乃至１７のいずれか１項に記載のレーザモジュールの製造方法。

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