JPH01119082A - レーザ媒体の保護膜形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、レーザ媒体の保護膜形成方法に係り、特に、
スラブ型レーザ媒体の全反射面に形成される保護膜の形
成方法に関する。

［従来の技術］ 固体レーザ媒体の中で、相対向する平行な２つの面を全
反射面とし、共振光線がこれら各面で交互に全反射を繰
り返してジグザグ状の共振光路を形成することによって
レーザ発振を得るようにし、これにより、レーザ媒体内
における温度分布による共振光線の位相ずれ等を平均化
することで、歪みが少なく、かつ、比較的高出力のし゛
−ザ光を得られるようにしたものとして、スラブ型レー
ザ媒体がある（例えば、特公昭４８−１５５９９号公報
参照）。

このズラブ型レーザ媒体を用いたスラブ型レーザ装置は
、励起エネルギーに対する発振レーザ光の比、すなわち
、エネルギー効率が通常２％程度と低いため、励起エネ
ルギーのほとんどはレーザ媒体を温度上昇させる熱に変
換されてしまう。このため、このレーザ媒体を効率良く
冷却する必要があり、熱効率、取扱の容易性、励起光に
対する吸収特性等の諸条件を満たすものとして、例えば
、純水等による液冷が望ましいとされている。

このような液冷を行う場合、例えば第３図にその縦断面
図が示されるように、冷媒をレーザ媒体１における冷却
面たる全反射面２及び３に導くために、０リング４等が
前記各全反射面と図示しない冷媒導入ｔｉ構との間に介
在されてシールがなされる。この場合、このシール用０
リング４を設けるにあったっては、レーザ発振の際に全
反射面近傍に発生するエバネッセント波による損傷に対
する考慮がなされていなければならない。ここで、エバ
ネッセント波とは、高屈折率の物質と低屈折率の物質と
の境界面（全反射面）で高屈折率物質側から進行してき
た光が全反射されたときにこの境界面で発生し、前記全
反射光とは逆に低屈折率物質側に伝搬する電磁波であっ
て、前記境界面に垂直な方向に核部から遠ざかるにした
がって指数関数的に振幅が小さくなっていく電磁波をい
い、これが、該境界面に接する０リング４等を損傷させ
る作用をなす。

このエバネッセント波に対する対策としては、前記第３
図に示されるように、前記０リング４が配置される部分
でレーザ光が全反射しないように、前記レーザ媒体１に
おける共振光線の入・出射面５及び６の前記全反射面２
及び３に対する角度を選定し、該レーザ媒体１内にレー
ザ共振光不通過部７を形成する方法がある。

しかし、この方法では、前記エバネツント波による損傷
は防止できるが、レーザ媒体１内にレーザ光不通過部７
ができてしまい、この部分はレーザ発振に寄与すること
ができないから、その分発振効率の低下につながるとと
もに、この不通過部７を適切な部位に形成させるために
前記レーザ媒体１の設計に種々の制約が生じてしまう、
さらには、この方法では、冷媒が前記レーザ媒体１に直
接接触することになるので、冷媒がレーザ媒体１を浸蝕
するものであってならないという条件も必要となり、冷
媒として採用できる液体が極めて限られてしまう６例え
ば、レーザ媒体として一般的に採用されるＮｄ：　リン
酸ガラスは水に浸蝕されるため、これをレーザ媒体とし
た場合、冷却能力及び取扱の容易性等に極めて優れてい
る純水を冷媒とすることができないという不都合があっ
た。

そこで、このような欠点を一挙に解決できる方法として
、第４図にその縦断面図が示されるように、前記レーザ
媒体１の全反射面２及び３にエバネッセント波保護膜８
を形成させる方法が提案されている（米国ローレンス・
リバモア研究所発行のローレンス・リバモア年報・１９
８５参照）。

この方法は、前記全反射面２及び３に以下の条件を満た
す薄膜を形成し、これをエバネッセント波保護膜８とす
るものである。

すなわち、このエバネッセント波保護膜８は、前記レー
ザ媒体１、保護膜８の前記レーザ媒体１で発振されるレ
ーザ光に対する屈折率をそれぞれｎｓ及びｎｆとし、か
つ、前記全反射面での全反射角をψとしたとき、 ｎｆ　＜ｎｓ−ｓｉｎψ　・・・・・・（１）が成立す
ると同時に、前記レーザ媒体１の臨界屈折率をｎＣとし
たときに、 ｎｆ　＜ｎｃ　　　・・・・・・・・・・・・・・・（
２）の関係が成立するような透明薄膜である。

ここにおいて、臨界屈折率ｎｃは、 ｎＣ＝　［（１，５ｎｓ　　’　　！　１＋　　（１＋
ｎｓ　　２　）−Ｊ−（λ　（２πｘ　　）　　　Ｉｎ
　　　（０，００１）　　）　　’　　コ　１／２十０
．１５ｎＳ　２（１−ｆ　）　　・−・・−（３）で表
される定数である。なお、この場合、前記（３）式にお
いて、 ｆ＝文−１（又−０，５３） とし、かつ１ 、λ：レーザ光の波長（μｍ） ×：保護膜８の膜厚（μｍ）　（第４図参照） ｆｌ：レーザ媒体内を進行するレーザ光が一方の全反射
面で反射してから 他方の全反射面に至るまでの進行 方向の距！（第４図参照） Ｓ：レーザ媒体の全反射面におけるレーザ光不通過部（
レーザ光の反射の ない領域）のレーザ媒体軸方向距 離（第４図参照） とするものとする。

このような条件を満たし、エバネッセント波の膜外への
漏洩を防ぐとともに、媒体を冷媒から保護することので
き、屈折率が低く耐水性に優れた材料としては、ポリフ
ロロウレタン（ＦＰＵ）もしくは、フロロシロキサン等
の含フツ素樹脂が有望視されており、上記提案に係る例
では、ＦＰｕを採用し、以下の方法によりエバネッセン
ト保護膜を形成している。

すなわち、まず０．５μｍのフィルターを通したフレオ
ン１１３をＦＰｕに５０％含浸させてＦＰＵ５０％固溶
体を作成する。次に、こうして作成した固溶体を前記第
４図におけるレーザ媒体１の全反射面２及び３にエアー
ブラシを用いて数度にわけて重ねて吹き付ける。そして
、これを真空室の中において７０°Ｃで１０時間ベーキ
ングを行なうことによってエバネッセント波保護膜８を
形成している。

［発明が解決しようとする問題点］ ところが、上述の方法によって形成されたエバネッセン
ト波保護膜８は、エアーブラシで吹き付けを行っている
ことから多孔性の膜となり易く、このため、冷却中に冷
媒を膜中に収り込んで膜全体の屈折率が変化したり、場
合によっては、冷媒が膜を浸透してレーザ媒体に達して
これを浸蝕する等して発振効率を低下させるおそれが強
かった。

さらに、膜自体の機械的強度や膜のレーザ媒体への接着
強度が弱いため、これにシール用０リング等のシール材
を圧接すると、この圧接力によってこの膜が剥離したり
、あるいは、膜自体に亀裂が入ったりしてｃｊＡｌ膜と
しての用をなさなくなるおそれもあった。

本発明の目的は、前記レーザ媒体の全反射面に上述のよ
うな欠点のない保護膜を形成することができるレーザ媒
体の保護膜形成方法を提供することにある。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、保護膜を構成する材料で形成された薄膜を真
空中において全反射面に均等に押圧しながら加熱融着す
ることによって、緻密で強固な膜を全反射面にしっかり
と接着するようにしたもので、 具体的には、 相対向する平行な２つの面を全反射面とし、共振光線が
これら各面で交互に全反射を繰り返してジグザグ状の共
振光路を形成することによってレーザ発振を得るように
したスラブ型レーザ媒体の前記各全反射面に保護膜を形
成するレーザ媒体の保護膜形成方法において、 前記保護膜を構成する材料で形成された薄膜を真空中に
おいて前記全反射面に均等に押圧しながら加熱融着する
ことによって該全反射面に保護膜を形成することを特徴
とした構成を有する。

［作用］ 上記構成によれば、保護膜を構成する材料で形成された
薄膜が真空中において前記全反射面に均等に押圧しなが
ら加熱融着されるから、これによって形成される保護膜
中に気泡等を生ずる余地がなく、前記従来例のように膜
が多孔性をおびることがないばかりでなく、極めて緻密
で機械的強度の強い膜が形成される。加えて、前記全反
射面への接着は、押圧力を加えながらの加熱融着によっ
て極めて堅固に行なわれるから前記従来例のように単に
塗布した場合に比較して剥離に対する耐性も極めて大で
ある。

［実施例］ 第１図は本発明の一実施例に係るレーザ媒体の保護膜形
成方法を実施するための装置例を示す図である。以下、
第１図を参照にしながら本発明の一実施例を説明する。

第１図において、スラブ型レーザ媒体１０はその相対向
する２つの全反射面１２及び１３が図中それぞれ上・下
面となるように配置され、これら各面にそれぞれ含フツ
素樹脂フィルム１８ａ及び１８ｂが当接され、次に、こ
れらフィルム１８ａ及び１８ｂを添着した状態で、その
表面に離型フィルム２０ａ及び２０ｂがそれぞれ添着さ
れた石英ガラス板２１ａ及び２１ｂによって前記各々の
離型フィルムが前記含フツ素樹脂フィルム１８ａ及び１
８ｂに当接するように挾持し、しかるのち、これらを定
盤２２上に載置する。この定盤２２は、基台２３上に固
定され、その上面部には前記レーザ媒体１０を囲むよう
に複数のガイドバー２４が垂直に植設されており、さら
に、このカイトバー２４にはスライド板２５が、前記上
方に配置される石英ガラス板２１ａ上にあって該ガイド
バー２４に沿って上下に摺動自在なように取り付けられ
ているとともに、このスライド板２５上には錘２６が載
置できるようになっている。そして、これら装置全体は
遮光性を有するステンレス等からなるカバー２７で覆わ
れ、複数のハロゲンランプ２８等で構成される加熱源に
よって全体が均一に加熱できるようになっており、さら
に、これらハロゲンランプ２８を含む装置全体が真空チ
ャンバー２９に収容されているものである。すなわち、
これにより、保護膜を構成する含フツ素樹脂フィルム１
８ａ及び１８ｂを真空中において前記レーザ媒体１０の
全反射面１２及び１３に、錘２６の武力により均等に押
圧しながら加熱融着することができ、これら全反射面に
緻密で強固な膜をしっかりと接着することができる。

なお、前記石英ガラス板２１ａ及び２１ｂの表面は前記
含フツ素樹脂フィルム１８ａ及び１８ｂの表面が光学的
に平滑に形成されるように平滑化されている。また、前
記離型フィルム２０ａ及び２０ｂは含フツ素樹脂フィル
ム１８ａ及び１８ｂが前記石英ガラス２０ａ及び２０ｂ
に融着するのを防止するものである。

さて、次に、上述の装置を用いた方法によって、実際に
保護膜を形成した例について述べる。

この例における各部材の材質等の具体的構成は以下の通
りである。

スラブ型レーザ媒体１０ 材質・・・・・・Ｎｄニリン酸ガラス 屈折率・・・１．５４５ （３）式でのｆｉ・・・ｆ＝０．８５ 発振波長・・・１．０６μｍ 含フツ素樹脂フィルム 材質・・・・・・テトラフルオロエチレン・ヘキサフル
オロプロピレン共重合体樹脂 （ＦＥＰ）フィルム 膜厚・・・・・・５０μｍ 製法・・・・・・無触媒で高温溶融されたＦＥＰをフィ
ルム状に押しだし成形して形成 したもの 真空融着条件 真空度・・・・・・１０−’Ｔｏｒｒ 押圧力・・・・・・０．５にｏｆ／ｃｎ　２融着温度・
・・３８０’に のような条件下で形成された保護ｖ！ｉｓａ及び１８ｂ
は屈折率が１．３４、膜厚が４８μｍであって、前記（
１）〜（３）式で示される条件を全て満足するものであ
った。

第２図は、こうして保護ＪＩｆｉ１８ａ及び１８ｂを′
　形成したレーザ媒体１０を用いて構成したレーザ発振
装置の概略を示す断面図である。

第２図において、この装置は、前記レーザ媒体１０にお
ける前記保護膜１８ａ及び１８ｂが形成された全反射面
を冷媒たる純水で冷却するように各々冷却層３０ａ及び
３０ｂが設けられ、さらに、前記冷却層３０ａ及び３０
１）の外側に励起用ランプ３１ａ、３１ｂ及びこれら励
起用ランプの励起光を集光して前記レーザ媒体１０に照
射する励起光りフレフタ−３２ａ、３２ｂがそれぞれ設
けられているとともに、前記レーザ媒体１０と共振光路
を形成する全反射ミラー３３及び半透過ミラー３４が設
けられているものである。この場合、前記各冷却層３０
ａ及び３０ｂとレーザ媒体１０との間には液体シール用
０リング１４ａ　、１４ｂ　。

１４Ｃ，１４（Ｉが介在されて、前記各冷却層３０ａ及
び３０ｂの各冷媒導入口３０ｃ及び３０ｄ並びに排出口
３０１３及び３０ｆを通じて図中矢印ｐ。

ｑで示されるように流通される冷媒のシールが施されて
いる。

これにより、前記レーザ媒体１０は保護膜１８ａ及び１
８ｂを介して冷媒たる純水によって冷却され、純水が直
接前記レーザ媒体１０に触れてこれを浸蝕するおそれが
除去されている。

上述のレーザ発振装置によって、レーザ発振テストを行
なったところ、レーザ光のビームパターン及び発振効率
については保護膜を形成しない場合とほぼ同じあって保
護膜を形成したことによる悪影響はほとんど認められな
いとともに、長期的なパルス発振に対しては、前記保護
膜を形成しない場合は次第に発振効率が低下していくが
、上記装置では全くそのような傾向が認められなかった
。

さらに、単位時間内の繰返発振については、前記保護膜
を形成しない場合に比較して約３倍程度までアップでき
ることが確認された。熱論、この場合、前記保護膜１８
ａ及び１８ｂ並びにシール用Ｏリング１４ａ、・・・、
１４ｄにレーザ損傷は全く認められなかった。さらに、
前記保護膜１８ａ及び１８ｂは前記Ｏリング１４ａ、・
・・、１４ｄを装着する際の締め付けによる応力に対し
ても十分耐える強度を持っており、種々の締め付はテス
トににおいて、亀裂や剥離等が生ずることはなかった。

なお、本発明者等は、上述のような構成のレーザ発振装
置において、レーザ媒体物質及び保護膜の材質を別表に
示す組み合わせにしてそれぞれ実験確認を行なったが、
それによっても上記の場合とほぼ同じ良好な結果が得ら
れている。

この場合、別表で示される保護膜をレーザ媒体（Ｎｄニ
リン酸ガラス）に形成する際の融着温度は以下の通りで
ある。

保護膜の材質　　　　　融着温度（°Ｃ）ＦＥＰ　　　
　　　　　　　３７０〜３９０ＣＴＦＥ　　　　　　　
　　　３１０〜３３０ＥＣＴＦＥ　　　　　　　　　３
３０〜３５０またこの際に各々のレーザ媒体に保護膜材
質としてＦＥＰを用い、融着温度３８０℃で融着する場
合の押圧力は以下の通りである。

レーザ媒体物質　　　　　押圧力（にｇｆ／ｃｎ２）Ｎ
ｄニリン酸ガラス　　　　０，５〜１５Ｎｄニジリケー
ドガラス　　０，５〜１５Ｎｄ：ＹＡＧ　　　　　　　
　ｏ、ｓ〜２０．０さらに、本発明に係る方法は、その
真空度、融着温度もしくは押圧力等が上記各実繕例で掲
げた値に限られるものでなく、レーザ媒体物質の種類及
び１″Ｉ：、ｉｄ膜の材質に応じて適切な値が選定され
るべきことは勿論である。この場合において、例えば１
．融着の際の温度は、保護膜を構成する物質のガラス転
移温度より５０℃以上高くかつ該物質の熱分解温度より
低い温度であって、さらに、レーザ媒体物質のカラス転
移温度より８０℃以上低い温度であることが望ましい。

これは、例えば、融着の際の温度が低すぎると、保護膜
の接着力が不十分となって剥離するおそれが高くなり、
一方、融着温度が高すぎると保護膜を構成する物質の一
部が熱分解を起こしたりして変質し、所期の特性が得ら
れなくなるおそれがでてくるからである。また、融着の
温度が、レーザ媒体物質のガラス転移温度に近い場合、
あるいはそれ以上の場合には、レーザ媒体が変質し、も
しくは変形する等のおそれがある。さらに、融着の際の
押圧力については、保Ｍｖを構成する物質の粘度その他
の性質を考慮し、十分な接着力が得られる値以上であっ
て、かつ、レーザ媒体等を変質もしくは変形させないよ
うな値を選定すべきであり、このような条件を満たす値
としては、通常、０．１にｇｆ／ｃｎ　２〜２０にｇｆ
／ｃｎ２の値が好ましいと考えられる。

［発明の効果］ 以上、詳述したように、本発明は、保護膜を構成する材
料で形成された薄膜を真空中においてレーザ媒体の全反
射面に均等に押圧しながら加熱融着することによって、
緻密で強固な膜を全反射面に堅固に接着できるようにし
たものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係るレーザ媒体の保護膜形
成方法を実施するための装置例を示す図、第２図は、第
１図に示されるレーザ媒体１０を用いて構成したレーザ
発振装置の概略を示す断面図、第３図は保護膜を設けな
いスラブ型レーザ媒体を示す図、第４図は従来の保護膜
形成方法を説明するための図である。 １０・・・スラブ型レーザ媒体、 １２．１３・・・全反射面、 １８ａ、１８ｂ−・・保護膜、 ２６・・・押圧力を加える錘、 ２８・・・加熱源なるハロゲンランプ、２９・・・真空
チャンバー。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 相対向する平行な２つの面を全反射面とし、共振光線が
   これら各面で交互に全反射を繰り返してジグザグ状の共
   振光路を形成することによつてレーザ発振を得るように
   したスラブ型レーザ媒体の前記各全反射面に保護膜を形
   成するレーザ媒体の保護膜形成方法において、 前記保護膜を構成する材料で形成された薄膜を真空中に
   おいて前記全反射面に均等に押圧しながら加熱融着する
   ことによって該全反射面に保護膜を形成することを特徴
   としたレーザ媒体の保護膜形成方法。