JPH0430486A - Ｓｈｇ素子付固体レーザ素子の作製方法 - 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、ＫＴＰ（ＫＴ！０ＰＯ４）の如きよりなる５
ｔ−ＩＧ素子（第２次高調波発生素子）およびＮｄ　：
　ＹＡＧ（ＮｄドープＹａＡｊ２ｓ０１２　）の如きよ
りなる固体レーザ素子の両者を光学的に反射損失のない
ように接着する方法に関するものである。

（従来の技術） ＫＴＰはＮｄ　：　ＹＡＧの固体レーザ素子（発振波長
１０６４　ｒｉｍ　）のＳＨＧ素子として大きな非線光
学定数をもち、レーザ損傷しきい値が高くしかも化学的
に安定であるため、理想的な結晶と考えられ多用されて
いる。

従来半導体レーザ励起固体レーザ発振器にＳＨＧ素子を
配置するには、−船釣には第６図に示すように半導体レ
ーザ１、集光レンズ２、固体レーザ素子３、ＳＨＧ素子
６、出力鏡９の順に所定の間隔をおいて同軸上に配置し
、固体レーザ素子３の半導体レーザ励起側端面には半導
体レーザの波長に対しては反射防止効果を有し、固体レ
ーザおよびＳＨ光（第２次高調波）の発振波長に対して
は高い反射効果をもつ誘電体光学薄膜４を、また反対側
端面、即ちＳＨＧ素子に対向する端面には固体レーザの
発振波長に対して反射防止効果を有する誘電体光学薄膜
５を施し、さらに、ＳＨＧ素子６にはその両端面に固体
レーザの発振波長に対して反射防止効果を有する誘電体
光学薄膜７．８を施して形成されていた。しかし、この
場合において固体レーザ素子３のＳＨＧ素子側端面に施
される誘電体光学薄膜５には、例えば下記する第１表に
おいて、１．２および３で示されるような三層よりなる
膜構成を持ち、その分光光学特性が第７図に示されるよ
うなものが用いられ、また、ＳＨＧ素子端面に施される
誘電体光学薄膜７．８には、例えば下記する第２表１．
２および３で示されるような三層よりなる膜構成をもち
、その分光光学特性が第８図で示されるようなものが用
いられている。

第 暦数　　物　質 媒質　　空　気 Ｉ　　　５ｌｏ２ ２　　　Ａ１２０ｓ 基板　　ＹＡＧ 註：光学的膜厚ｎｄ １表 屈折率　　光学的膜厚 １．００ １．４４　　　　１．２９ １．６０　　　　０．４２ １．４４　　　　１．２９ １．８２ ＝λ／４を１とする 第 層数　　物　質 媒質　　空　気 Ｉ　　　ＳｉＯ□ ２　　　ＡＩ！２０３ ３Ｓ１０゜ 基板　　ＫＴＰ 註：光学的膜厚ｎｄ ２表 屈折率　　光学的膜厚 １．００ １．４４　　　　１．２５ １．６０　　　　０．５０ １．４４　　　　１．２５ １．７８５ 一λ／４を１とする （発明が解決すべき課題） しかし、近年この種のレーザ発振器の小型化が求められ
ており、小型化するために固体レーザ素子とＳＨＧ素子
とを一体化することができればレーザ発振器全体をコン
パクトにすることができるし、さらにこのように各素子
を一体化すれば、各素子が数剛程度の極めて小さいもの
であるだけに、レーザ発振器自体の組立、調整が容易に
なる利点も生ずる。

本発明は、上記したような着想に基づきなされたもので
あって、固体レーザ素子とＳＨＧ素子を光学的特性を損
なうことなく、熱接着により一体化する方法を提供する
ことを目的としたものである。

（課題を解決するための手段） 上記の目的を達成するための本発明は、固体レーザ媒質
の端面に施された誘電体光学薄膜と５ｔ−ＩＧ媒質端面
に施された誘電体光学薄膜とを相互に密着させて、９３
５℃以下の温度で熱処理することによって両者を相互に
熱接着することを特徴とするＳＨＧ素子付固体レーザ素
子の作成方法である。

本発明において各素子端面に施される誘電体光学薄膜は
その膜構成が同じで、且つその表面層が５ｈｏ２膜によ
って形成されており、両者を接着した状態で固体レーザ
媒質とＳＨＧ媒質との間に反射損失が起らないように設
計されたものである。

（作用〉 発明者等は上記したような観点から固体レーザ素子とＳ
ＨＧ素子との熱接着による一体化について検討を進めて
きた。

固体レーザ媒体にＮｄ　：　ＹＡＧを用い、またＳＨＧ
媒体にＫＴＰを使用するときはこれらの媒体の屈折率が
非常に近いために、その間に反射防止膜を設けることな
く固体レーザ媒体とＳＨＧ媒体をそのまま直接接着して
も反射損失は０．０５％程度で光学的には問題はないこ
とが判かったが、実際に両者を接着した場合、その接合
強度が弱くて実用上問題があることが判明した。

またさらに、従来の固体レーザ素子およびＳＨＧ素子の
対向面に施されている誘電体光学薄膜の膜構成のままで
接着することも、光学的性能上は勿論のこと、接着操作
上においても両者の接着は極めて困難であった。

何となれば従来の誘電体光学薄膜を熱接着する場合にＳ
ＨＧ媒体を構成するＫＴＰの結晶転移点の９３５℃付近
であるために、熱接着を施すための温度をこの温度以下
に抑える必要があるためである。

発明者等はこの点を考慮してさらに検討を進めた結果、
固体レーザ媒体とＳＨＧ媒体に施す誘電体光学薄膜の表
層部分を比較的熔融点の低く、且つアモルファスで表面
のなめらかなＳｉＯ２層層で構成し、このＳｉＯ２層を
相互に接着することによって、両媒体の一体化を行なう
ことに成功した。

またこの場合において、接着の目的のみであれば、膜構
成をＳｉＯ２単層とすることで十分目的を達することが
できるが、さらに反射防止効果を高めるためには次の手
法を用いる。

即ち、まず固体レーザ媒質を構成するＮｄ　：　ＹＡＧ
とＳＨＧ媒質を構成するＫＴＰとに対する単層反射防止
膜の屈折率の算出を行なう。

単層反射防止膜の屈折率ｎＡＲは光学的膜厚ｎｄ（ｎは
単層反射防止膜の屈折率、ｄは単層反射防止膜の物理的
膜厚）がλ／４（λはレーザ発振波長を１０４６　ｎｍ
　）の場合に、下記（１）式で与えられる。

ｎＡ＊＝Ｊ（ｎｒｒｐ　　−ｎｙＡｏ　　＞−−（１）
但し、ｎｘＴｐは波長１０４６　ｎｍにおけるＫＴＰの
屈折率１．７８５、ｎｙＡｏは同波長におけるＹＡＧの
屈折率１．８２である。（１）式により、単層反射防止
膜の屈折率は１．８０になる。

従って、Ｎｄ　：　ＹＡＧ素子とにＴＰ素子の対向面に
接着後の屈折率が１．８０で、且つ相互に熱接着するこ
とが容易であるような誘電体光学薄膜を施せばよいこと
になる。

発明者等は先ず単層でこのような屈折率を持つ蒸着物質
について検討を加えた結果、このような蒸着物質にはｚ
ｒｏ２、ＨｆＯ，２等があることが判がったか、柱状成
長をした膜であり、表面がなめらかでないなめ適当でな
いことが判かった。

そこで、発明者等は接着後において屈折率１．８０の単
層膜と同等の効果を持つような三層構成膜を形成し、且
つ接着面が射熱接着性の５ｉ０２によって構成される二
層膜誘電体光学薄膜について’Ｔｈｉｎ−ｆｉ１ｍ　ｏ
ｐｔｉｃａｌ　ｆｉｌｔｅｒｓ　２ｎｄ　ｅｄｎ、”　
　（Ｈ，Ａ、Ｍａｃｌｅ−ｏｄ、　Ｂｒ１ｓｔｏｌ　Ａ
ｄａｍ旧１ｇｅｒ　Ｌｔｄ、　Ｄ、１１８−１２２．１
９８６＞に記載の三層等価膜法を用いて検討を行なった
。

この方法は２種類の屈折率の異なる膜ＡおよびＢを用い
て、Ａ−Ｂ−Ａ、またはＢ−Ａ−Ｂの三層よりなる膜を
理論式から求めた適切な膜厚で形成し、ＡとＢとの中間
的屈折率を有する三層膜を得るものである。

後に実施例１において述べる第３表１．２および３は、
上記の方法を利用して、接着後に各媒質の対向面間に形
成された三層誘電体光学薄膜の膜構成の一例を示したも
のである。この例においては、三層誘電体光学薄膜とし
てＴ　ｉ　Ｏ２−Ｓ　ｉ　Ｏ７−■ｉｏ２からなるもの
を示したが、この他に例えばＴａｚＯｓ３１０゜−Ｔａ
２０ｓ等を用いることもできる。

上記したレーザ媒質とＳＨＧ媒質問にＳｉＯ２単層誘電
体光学薄膜またはＴ　ｉ　Ｏ２−Ｓ　ｉ　０２−Ｔ　ｉ
　０２型等の三層誘電体光学薄膜を形成させた一体止接
珊物を得るなめには、ＳｉＯ２単層膜の場合には接着後
に両者間に形成されたＳｉＯ２層の光学的膜厚が光の干
渉によって位相変化を生じない厚さ、つまりλ／２とし
、その半分のλ／４宛の膜層をそれぞれ固体レーザ媒質
およびＳＨＧ媒質の対向する端面に蒸着する。

また三層膜の場合には膜構成層をＳｉＯ２層で半分に分
割した状態の誘電体光学薄膜をそれぞれＳｉＯ□面が接
着端面になるようにして面固体レーザ媒質とＳＨＧ媒質
の各対向端面に蒸着によって形成させる。

蒸着法は特に限定するものでないが、例えば電子ビーム
真空蒸着法などが用いられる。

次に上記した如く誘電体光学薄膜を形成した固体レーザ
媒質およびＳＨＧ媒質を、例えば過酸化水素とアンモニ
アと純水（１：１：１０）の混合液等の親水化処理液に
浸漬するなどして、これらを親水化処理液、次いでその
５ｈｏ２層どうしを密着させた状態で加熱炉中に設置し
て、加熱処理を施すことによって相互に融着させればよ
い。

この際の加熱処理温度は８５０℃付近が適切である。ま
た加熱後は６時間はどかけて室温までゆっくりと冷却す
る。

本発明によるときは、レーザ発振器の組立に際し、固体
レーザ素子とＳＨＧ素子が極めて薄い誘電体光学膜を介
して一体化した状態で組立を行なうことができるので、
組立調整が容易になり、また装置がコンパクト化するほ
かに大きな効果として、固体レーザ素子とＳＨＧ素子と
の間におけるレーザの損失が従来のものに較べて小さく
なって、発振効率が向上する効果も得られるなど利点が
多いことが判かった。

（実施例） 次に本発明の実施例について述べる。

実施例１ 固体レーザ媒質に両端面が光学研磨された直径３ｍｍ、
長さ５ｍｍのＮｄ　：　ＹＡＧを用い、またＳＨＧ媒質
には同じく両端面が光学研磨された直径３ｍ、長さ３膿
のにＴＰを用いてその対向する端面に、両者を接着後下
記する第３表に示される膜構成を有し、且つ第１図に示
される分光光学特性を有するようなＴｉＯ２−８ｉＯ□
−Ｔｉ０２型三層誘電体光学薄膜が形成されるように、
膜構成中のＳｉＯ２層で半分に分割した状態の誘電体光
学薄膜を電子ビーム蒸着法によって形成した。

なおＴｉ０７−８　ｉ　０２−　Ｔ　ｉ　０２膜の設計
は三層等価膜法によった。

次いでこのようにして誘電体光学薄膜を形成した固体レ
ーザ媒質とＳＨＧ　＠質を、過酸化水素とアンモニアと
純水を１：１：１０の割合で混合した溶液中に浸漬して
親水化処理を施した後、両者をＳｉＯ□層形成層形密面
させた状態で加熱炉中に設置し、大気中で３時間で８５
０℃まで加熱して同温度で３時間保持した後、６時間か
けて室温まで冷却することによって両者を一体化した。

第２図は本実施例によって一体化したＳＨＧ素子付固体
レーザ素子の接合部断面を模式的に示した図面であって
１０はＳＨＧ素子、１１および１３は旧０２層、１２は
ＳｉＯ２．１４は固体レーザ素子である。また点線は接
着面を示す。

本発明によって得られなＳＨＧ素子付固体レーザ媒質に
おける接着強度を引っ張り試験によって測定したところ
、５０ｋｇ／ｃｍ　２以上の値が得られた。

これは、レーザ発振器の組立、調整に充分に耐え得る接
着強度である。また、本発明によって一体化しなＳＨＧ
素子付固体レーザ素子にパワー密度１０００Ｗ／ｃｍ２
のＮｄ　：　ＹＡＧレーザを入射したところ、接着面に
入射レーザによるダメージは観察されなかった。

第３表 暦数　　物質　　屈折率　　光学的膜厚媒質　　にＴＰ
　　　　１．７８５ １　　　ＴｉＯ２２，０５０，３８ ２ＳｉＯ２１．４４　　　　０．２４ ３　　　Ｔｏ０２２．０５　　　　０．３８基板　　Ｙ
ＡＧ　　　　１．８２ 註：光学的膜厚ｎｄ　＝λ／４を１とする。

実施例２ 実施例１と同様の寸法形状および材質を有するレーザ媒
質およびＳＨＧ媒質のそれぞれ光学的研磨を施した対向
端面に、電子ビーム蒸着法によって光学的膜厚λ／４の
５ｉ０２層を形成した。

ついでこの両者を実施例１と同様の手順で電気炉中で接
着して一体化しな。

下記する第４表は本実施例による接着後の誘電体光学薄
膜層の膜構成を示すしのであり、決な第３図はその分光
光学特性を示すものである。またさらに第４図は本実施
例によって得られたＳＨＧ素子付固体レーザ素子の接合
部断面を模式的に示す図面である。図において１５はＳ
ＨＧ素子、１６はＳｉＯ□層、１７は固体レーザ素子で
あり、点線は接合面を示す。

本実施例によって得られたＳＨＧ素子付固体レーザ素子
の接着強度を引っ張り試験により測定したところ、５０
ｋｇ／■２以上の値を示し、充分にレーザ発振器の組立
調整操作に耐えるものであった。

また実施例１と同様のレーザ光入射を行なったところ接
着面にダメージは観察されなかった。

第４表 層数　　物質　　屈折率　　光学的膜厚媒質　　ＫＴＰ
　　　　１．７８５ １　　５ｉ０２　　１．４４　　　　２．００基板　　
ＹＡＧ　　　　２、Ｏ５ 実施例３ 実施例１および実施例２の本発明によるＳＨＧ素子付固
体レーザ素子の両端面に反射防止膜を施したものおよび
従来のそれぞれの端面に反射防止膜を施し所定の間隔を
隔てて配置した固体レーザ素子とＳＨＧ素子についての
透過率を測定した。

第５図ａは本発明のもの、第５図すは従来のものについ
ての透過率測定状況を示す概念図であって、図において
１８は固体レーザ素子、１９は固体レーザ素子の端面に
施された反射防止膜、２０はＳＨＧ素子、２１はＳＨＧ
素子の端面に施された反射防止膜、２２は本発明のｌｌ
Ｇ５付固体レーザ素子の接合面に形成された誘電体光学
薄膜を示し、また矢印はレーザ光の透過方向を示す。

この測定の結果、レーザ発振波長におる透過率の１０回
測定の平均値は測定再現性±０．１において従来のもの
が９９．７％、実施例１のものが９９．９％、実施例２
のものが９９．８％であり、本発明のものは従来のもの
よりも透過率が高いことが判かった。

このことは本発明による５ｔ−ＩＧ素子付固体レーザ素
子を用いるとレーザ発振効率が高いことを意味する。

（発明の効果） 以上述べたように本発明により固体レーザ素子とＳＨＧ
素子を一体化して得られたＳＨＧ素子付固体レーザ素子
の接着強度は高く、レーザ発振器の組立調整に充分に耐
え得るものであり、これによってレーザ発振器のコンパ
クト化、組立調整が容易になるのに加えて、固体レーザ
素子とＳＨＧ素子との間におけるレーザ損失が、従来の
ものよりも小さくなって、レーザ発振効率を高めること
ができるなどその効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は第３表の誘電体光学薄膜の分光光学特性を示す
図、第２図は第３表の誘電体光学薄膜を施した本発明の
ＨＧＳ素子付固体レーザ素子の模式的断面図、第３図は
第４表の誘電体光学薄膜の分光光学特性を示す図、第４
図は第４表の誘電体光学薄膜を施した本発明のＨＧＳ付
固体レーザ素子の模式的断面図、第５図ａおよびｂは透
過率測定概念図、第６図はＨＧＳ素子を配した従来の一
般的な半導体励起固体レーザ発振器における要素配置図
、第７図は従来のＫＴＰの反射防止膜の分光光学特性を
示す図、第８図は従来のＮｄ　：　ＹＡＧの反射防止膜
の分光光学特性を示す図である。 １・・・半導体レーザ、２・・・集光レンズ、３．１４
．１７．１８・・・固体レーザ素子、４・・・誘電体多
層膜、５．７．８．１９．２１・・・反射防止膜、６．
１０．１５．２０・・。 ＳＨＧ素子、９・・・出力鏡、１２．１６・・・ｓｈｏ
□膜、１１．１３・・・ＴｌＯ２膜。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）固体レーザ媒質の端面に誘電体光学薄膜を施した
   固体レーザ素子とＳＨＧ媒質の端面に誘電体光学薄膜を
   施したＳＨＧ素子とを密着させ、９３５℃以下の温度で
   加熱処理することによって両者を相互に接着することを
   特徴とするＳＨＧ素子付固体レーザ素子の作製方法。
2. （２）固体レーザ媒質がＮｄ：ＹＡＧである請求項１記
   載のＳＨＧ素子付固体レーザの作製方法。
3. （３）ＳＨＧ媒質がＫＴＰである請求項１記載のＳＨＧ
   素子付固体レーザの作製方法。
4. （４）固体レーザ媒質とＳＨＧ媒質に施した誘電体光学
   薄膜の膜構成が等しく、且つその表面層がＳｉＯ＿２膜
   により構成された請求項１記載のＳＨＧ素子付固体レー
   ザの作製方法。
5. （５）固体レーザ媒質とＳＨＧ媒質に施した誘電体光学
   薄膜の膜構成が両者を相互に接着した状態で固体レーザ
   媒質とＳＨＧ媒質との間に反射損失がないように設計さ
   れた請求項１記載のＳＨＧ素子付固体レーザ素子の作製
   方法。