WO2021020475A1

WO2021020475A1 - レーザ装置およびその製造方法

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Publication number: WO2021020475A1
Application number: PCT/JP2020/029151
Authority: WO
Inventors: 和田　智之; 貴代小川
Original assignee: 国立研究開発法人理化学研究所
Priority date: 2019-07-31
Filing date: 2020-07-29
Publication date: 2021-02-04
Also published as: JPWO2021020475A1

Abstract

レーザ装置は、レーザ媒質を含む板状のレーザ媒質体の表面および裏面に反射膜が形成された共振器と、出射面から出射される光が、前記共振器の前記レーザ媒質体に入射するように配置された半導体レーザ素子と、前記共振器および前記半導体レーザ素子で発生する熱を冷却する冷却部材と、を一体として備える。レーザ媒質体は複数の媒質および透明材料を含み、レーザ装置は出射面と反対側の面に光検出素子を備えてもよい。レーザ装置は、レーザ媒質体の端面に半導体レーザ素子の出射面が接触あるいは光学素子または雰囲気を介して隣接するように、前記半導体レーザ素子と前記レーザ媒質体を配置した後に、反射膜形成および冷却部材配置を行うことにより製造できる。

Description

レーザ装置およびその製造方法

　本発明は、レーザ装置およびその製造方法に関する。

　固体レーザは通常、機械機構を利用して２枚の鏡を厳密に平行に配置した共振器の中にレーザ媒質を配置し、半導体光源やレーザ光源を励起源として組み合わせることで構成していた（特許文献１等）。そのため、装置は大型になり、さらに大型の電源も必要であった。

特開２０１６－１５４７６号公報

　従来の固体レーザは小型電子デバイスと同等に利用できる程度の小型化は達成されていない。固体レーザの小型化が進めば、ウェアラブル端末への搭載やスマートフォン端末への搭載が行え、これまで固体レーザを使えなかったデバイスでの利用が可能となる。

　本発明は、従来よりも小型化が可能なレーザ装置を提供することを目的とする。

　本発明の第一態様に係るレーザ装置は、
　レーザ媒質を含む板状のレーザ媒質体の表面および裏面に反射膜が形成された共振器と、
　出射面から出射される光が、前記共振器の前記レーザ媒質体に入射するように配置された半導体レーザ素子と、
　前記共振器および前記半導体レーザ素子で発生する熱を冷却する冷却部材と、
　を一体として備える、ことを特徴とする。

　半導体レーザ素子は、出射面から出射される光が、前記共振器の前記レーザ媒質体の端面に入射するように配置されていてもよい。この場合、半導体レーザ素子の出射面とレーザ媒質体の端面は、接触していてもよいし、さらに接着されていてもよい。また、半導体レーザ素子の出射面とレーザ媒質体の端面は、その間に光学素子あるいは雰囲気を介して隣接して配置されてもよい。なお、半導体レーザ素子は、出射面から出射される光が、前記レーザ媒質対の表面または裏面に形成された反射面を介して前記レーザ媒質体に入射するように配置されてもよい。

　このような構成を採用することでレーザ装置の小型化が可能となる。

　また、レーザ媒質体は、第１媒質からなる複数の領域と第２媒質からなる複数の領域を有してもよい。また、媒質は３種類以上であってもよい。このような構成により、各媒質に対応した多波長のレーザ光を出力可能な、小型のレーザ装置が実現できる。

　また、本態様において、レーザ媒質体が波長可変なレーザ媒質を含み、共振器がレーザ媒質と反射膜の間に波長選択素子をさらに有してもよい。このような構成により、波長可変なレーザ装置が実現できる。

　また、本態様において、レーザ媒質体が透明材料からなる透明領域を有し、レーザ媒質体の出射側と反対の面に形成された反射膜は、共振器によって発振される波長（周波数）の光を反射し、それ以外の波長の少なくとも一部を透過する波長選択反射膜であってもよい。さらに、レーザ装置は、波長選択反射膜に接して配置された、前記波長選択反射膜を透過した光を検出するため光検出器を備えてもよい。

　このような構成のレーザ装置によれば、レーザ光の照射と入射光の測定を同時に行える。したがって、ラマン測定のように照射するレーザ光と異なる波長の光を検出する測定に好適に利用できる。

　本発明の第二の態様は、レーザ装置の製造方法であり、
　板状のレーザ媒質体に半導体レーザ素子の出射面が接触あるいは光学素子または雰囲気を介して隣接するように、前記半導体レーザ素子と前記レーザ媒質体を配置する第１工程と、
　前記レーザ媒質体の第１面および前記第１面と反対の第２面に反射膜を形成する第２工程と、
　前記第１工程と前記第２工程の後に、前記レーザ媒質体および前記半導体レーザ素子で発生する熱を冷却する冷却部材を前記反射面の少なくとも一方および前記半導体レーザ素子に設ける第３工程と、
　を含むことを特徴とする。

　本態様において、
　前記レーザ媒質体を用意する工程をさらに含み、当該工程は、
　レーザ媒質と透明材料とを交互に積層して第１積層体を生成する工程と、
　前記第１積層体を積層方向と平行な面で複数の部分に切断する工程と、
　前記切断された複数の部分を並び替えて第２積層体を生成する工程と、
　前記第２積層体を積層方向と平行な面で切断して複数の前記レーザ媒質体を得る工程と、
　を含んでもよい。

　本発明によれば、小型のレーザ装置を提供可能である。

第１実施形態のレーザ装置を示す図。第２実施形態のレーザ装置を示す図。第２実施形態のレーザ結晶体の製造方法を説明する図。第２実施形態のレーザ結晶体の製造方法を説明する図。第３実施形態のレーザ装置を示す図。第４実施形態のレーザセンサを示す図。第１実施例に係るラマン測定装置の構成を示す図。第１実施例に係るラマン測定装置による測定結果を示す図。

　以下では、図面を参照しながら、この発明を実施するための形態を説明するが、本発明はこれに限定されない。以下で説明する各実施形態の構成要素は、適宜組み合わせることができる。

＜実施形態１＞
　本実施形態は、ウェアラブル用途にも利用可能な小型の固体レーザ装置１である。図１Ａおよび図１Ｂは、本実施形態に係るレーザ装置１の側面図および平面図である。

　図に示すように、本実施形態にかかるレーザ装置１は半導体レーザ素子（ＬＤ素子）１０、共振器２０、およびヒートシンク４０を含んで構成される。共振器２０は、レーザ媒質２１とその上下面に形成された反射膜３１，３２を含んで構成される。

　ＬＤ素子１０は、Ｎ型半導体層、発光層（Ｐ－Ｎ接合活性層）、Ｐ型半導体層が積層された構成を有する。活性層の材料は、用途に応じてＡｌＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓＰ，ＡｌＧａＩｎＰ，ＧａＮなどの任意の材料から選択できる。ＬＤ素子１０の出射面は、レーザ媒質２１の端面に接着されている。本開示において、レーザ媒質２１の端面とは、レーザ媒質２１の表面のうち反射膜３１，３２が形成されていない表面を意味する。レーザ媒質２１の端面は、レーザ媒質２１の表面のうち反射膜３１，３２と直交する表面ともいえる。なお、ＬＤ素子１０の出射面はレーザ媒質２１の反射膜３１または３２に接着されていても構わない。

　レーザ媒質（利得媒質）２１は、母体（結晶またはガラス）にレーザ作用する活性種がドープされたものである。結晶の例として、ＹＡＧ、サファイヤ、ルビー、アレキサンドライトが挙げられる。レーザ作用活性種の例として、３価イオン（Ｃｒ^３＋，Ｎｄ^３＋、Ｔｉ^３＋など）が挙げられる。

　レーザ媒質２１の出射面（透過面）および後端面（反射面）には反射膜３１，３２が形成されており、レーザ媒質２１および反射膜３１，３２は、ＬＤ素子１０からの入射光のうち特定波長の光をレーザ発振する共振器２０として機能する。すなわち、ＬＤ素子１０からのレーザ光により励起されたレーザ媒質２１から発せられた光が反射膜３１，３２の間で往復し、特定の波長の光がレーザ発振して出射面から出射される。

　ヒートシンク４０は、ＬＤ素子１０および共振器２０で発生する熱を放熱して、ＬＤ素子１０および共振器２０を冷却する冷却部材である。

　本実施形態にかかるレーザ装置１の製造方法について説明する。まず、板状のレーザ媒質２１とＬＤ素子１０を用意して、ＬＤ素子１０の出射面をレーザ媒質２１の端面に接着する。その後、レーザ媒質２１の両面に対して、例えば誘電体膜形成技術により反射膜３１，３２を形成して共振器２０を得る。その後、ＬＤ素子１０および共振器２０の全体をヒートシンク４０と接着することでレーザ装置１が得られる。

　このように、ＬＤ素子１０、共振器２０およびヒートシンク４０を一体型としてレーザ装置１を構成することで、レーザ装置１を小型化できる。ＬＤ素子１０をレーザ媒質２１に接着することにより、小型のレーザ装置１が得られる。また、ＬＤ素子１０と共振器２０の冷却を１つのヒートシンク４０によって同時に行うことでも小型化が達成できる。ＬＤ素子１０は１０～１００μｍ×１００μｍ程度の大きさであり、レーザ媒質２１は１ｍｍ×１ｍｍ×数１００μｍ程度の大きさなので、レーザ装置１全体としての大きさを１ｍｍ四方程度の大きさである。このように小型化が達成されると、携帯情報端末や腕時計（腕時計型携帯情報端末を含む）などへの搭載が可能となる。

　なお、本実施形態では、ＬＤ素子１０の出射面とレーザ媒質２１の端面を接着しているが、ＬＤ素子１０の出射面から出射される光がレーザ媒質２１の端面に入射される配置であればその他の構成であってもよい。例えば、ＬＤ素子１０の出射面とレーザ媒質２１の端面は、接着せずに単に接触するように配置されてもよい。また、ＬＤ素子１０の出射面とレーザ媒質２１の端面は、その間に光学素子や雰囲気を介して隣接して配置されてもよい。このようなレーザ装置１を製造する場合は、ＬＤ素子１０の出射面をレーザ媒質２１の端面に接着する代わりに、ＬＤ素子１０の出射面をレーザ媒質２１の端面が接触あるいは光学素子または雰囲気を介して隣接するようにＬＤ素子１０とレーザ媒質２１を配置すればよい。上記の光学素子の例として、サファイヤや石英などの基板、レンズ、非線形光学結晶、過飽和吸収体が挙げられる。雰囲気は、空気であっても真空であってもよい。

＜実施形態２＞
　本実施形態は、多波長のレーザ光を出力するレーザ装置２である。図２Ａおよび図２Ｂは、本実施形態にかかるレーザ装置２の側面図および平面図である。図に示すように、本実施形態のレーザ媒質体２１は、第１レーザ媒質２２、第２レーザ媒質２３、および透明材料２４を含んで構成される。第１レーザ媒質２２と第２レーザ媒質２３は、それぞれ異なる波長に利得を有する。なお、図２においてはヒートシンク４０の記載を省略している。

　本実施形態にかかるレーザ装置２は、第１レーザ媒質２２からなる領域から第１波長のレーザ光が出力し、第２レーザ媒質２３からなる領域から第２波長のレーザ光が出力することが可能である。

　本実施形態にかかるレーザ結晶の製造方法について図３および図４を参照して説明する。図３Ａに示すように、第１レーザ媒質２２と第２レーザ媒質２３の間に透明材料２４を挟んで、複数の第１レーザ媒質２２と第２レーザ媒質２３を交互に積層および融着することにより、積層体２６を得る。図３Ｂに示すように、積層体２６を積層方向と平行な断面２５で平板状の複数の部分に切断する。図３Ｃに示すように、切断された部分を並び替えて再度積層および融着して、積層体２８を得る。図４Ａに示すように積層体２８を積層方向と平行な断面２７で平板状の複数の部分に切断する。これにより、図４Ｂに示すような、第１レーザ媒質２２と第２レーザ媒質２３と透明材料２４の複数の局所領域を有するレーザ結晶体２１が得られる。

　なお、ここではレーザ媒質を２種類用いる例を示しているが、３種類以上のレーザ媒質を用いてもよい。また、ここでは透明材料２４を用いているが、透明材料２４は用いなくてもよい。図２Ｂ等に示した各領域の配置は一例に過ぎず配置方法は任意であってよい。

＜実施形態３＞
　本実施形態は、出力するレーザ光の波長を可変なレーザ装置３である。図５は、本実施形態にかかるレーザ装置３の側面図である。基本的な構成は実施形態１と同様であるが、レーザ媒質２１の出射面と反射膜３１の間に、波長選択素子２９が設けられている点が異なる。波長選択素子２９は、例えば、液晶波長可変フィルタを用いることができる。液晶波長可変フィルタに印加する電圧を調整することにより、出力するレーザ光の波長を制御可能である。なお、レーザ媒質には、波長可変固体レーザ媒質または広い波長範囲で発振する固体レーザ媒質を用いる。

　本実施形態によれば、出力するレーザ光の波長を変更可能な、小型のレーザ装置を実現できる。

＜実施形態４＞
　本実施形態はレーザ光の出力と検出を行うレーザセンサである。ここでは、ＣＡＲＳ光（コヒーレント反ストークスマラン散乱光）を測定するためのレーザセンサを説明する。

　血糖値（血中グルコース濃度）を非侵襲に計測する方法として、２波長のレーザ光を人体に入射させて血中のグルコースの分子振動により発生するＣＡＲＳ光を計測する方法が知られている。

　健康管理のため血糖値を終日モニタリングできるウェアラブルな生体センサが求められているが、現状では終日装着可能な程度に小型な生体センサは得られていない。

　図６は、本実施形態にかかるレーザセンサ（生体センサ）４の構成を示す側面図である。本実施形態にかかるレーザセンサ４はＬＤ素子１０と、レーザ媒質体２１、レーザ媒質体２１の上下面に形成された反射膜３１，３２、ヒートシンク４０、および光検出素子５０から構成される。なお、図６では、ヒートシンク４０の記載を省略している。

　レーザ媒質体２１は、実施形態２と同様に、第１レーザ媒質２２と第２レーザ媒質２３と透明材料２４を含んで構成される。第１レーザ媒質２２と第２レーザ媒質２３の発振波長は、ＣＡＲＳ光の励起波長に等しい。

　本実施形態において、後端面に設けられる反射膜３２は２波長コーティングにより形成された波長選択反射膜であり、レーザセンサ４が出力するレーザ光の波長（励起波長）の光は反射し、被写体から生じるＣＡＲＳ光は透過する。ＬＤ素子１０からのレーザ光により励起された第１レーザ媒質２２および第２レーザ媒質２３から発せられた光が反射膜３１，３２の間で往復し、ＣＡＲＳ光を励起するための２波長の光がレーザ発振して出射面から出射される。

　光検出素子５０は波長選択反射膜３２に接して設けられており、波長選択反射膜３２を透過したＣＡＲＳ光を検出する。光検出素子５０としてフォトダイオードやフォトトランジスタを利用できる。

　本実施形態にかかるレーザセンサ４を生体センサとして用いる場合には、以下のようにして使用する。まず、出射面を人体（被検体）に接触させて、出射面から照射される２波長の励起レーザ光を人体に入射させる。励起レーザ光の照射によって生じたＣＡＲＳ光（散乱光）は、レーザ媒質体２１の透明材料２４および波長選択反射膜３２を透過して、光検出素子５０によって検出される。

　このように、レーザ媒質体２１に２つのレーザ媒質を用いることで、２つの波長のレーザ光を人体に入射することができる。また、レーザ媒質体２１に透明材料を含ませることで、血中グルコースの分子振動により発生するＣＡＲＳ光を、レンズ（光学系）等を用いることなく光検出素子５０で検出可能である。

　レーザセンサ４は小型（１辺１ｍｍ程度）であるので、腕時計型デバイスのようなウェアラブルデバイスに搭載可能であり、２４時間の計測が可能となる。このように、本実施形態によれば、レーザを使った非侵襲かつ即時計測可能な血糖値計測ウェアラブルデバイスが実現可能である。また、波長と計算法を整えれば、脂質や酸素飽和度などその他の生体情報も測定可能である。

＜実施例１＞
　図を参照して、ラマンスペクトルを測定するためのラマン測定装置の実施例を説明する。

　図７は、本実施例に係るラマン測定装置１００の構成を示す図である。ラマン測定装置１００は、半導体レーザ素子（ＬＤ素子）１０１、共振器１０２、非線形光学結晶１０５、分離ミラー１０６、検出器１０７が、ヒートシンクを兼ねる基板１０８に搭載されて構成される。共振器１０２は、レーザ結晶１０３が２つのミラー膜１０４で挟まれた構造を有する。レーザ結晶１０３は、本実施例ではＹＡＧである。ＬＤ素子１０１からは波長８０８ｎｍのレーザ光が出射され、このレーザ光はミラー膜１０４を介して共振器１０２に入力される。共振器１０２は波長１０６４ｎｍのレーザ光を発振して出射する。非線形光学結晶１０５は、本実施例ではＫＴＰ（ＫＴｉＰＯ_４）結晶であり、２次高調波（波長５３２ｎｍ）を発生させる。分離ミラー１０６は波長５３２ｎｍの２次高調波のみを透過する。

　生体センサから出力されるレーザ光１１０は、直径１００μｍの光ファイバー１０９を介してサンプルＳ（生体）に照射される。サンプルＳで発生したラマン散乱光１１１は光ファイバー１０９を介して検出器１０７に入力される。検出器１０７は、波長選択フィルタ、分光器、ＣＣＤ検出器を備え、所定の波数範囲のラマンシフト信号を検出する。

　図８は、本実施例に係るラマン測定装置１００を用いてエタノール溶液のラマンシフトを測定した結果を示す図である。図示されるように、半径約１００μｍの微小領域から出射されるレーザーと、同様に約１００μｍの微小領域から得られる信号を取得することにより、本実施例に係るラマン測定装置１００によりエタノール溶液に特徴的なラマンスペクトルを得ることができる。本発明はこの微小領域の積層を目的としている。

１，２，３：レーザ出力装置　　４：レーザセンサ（生体センサ）
１０：半導体レーザ素子（ＬＤ素子）　２０：共振器　２１：レーザ媒質体
２２：第１媒質　２３：第２媒質　２４：透明材料　３１，３２：反射膜
４０：ヒートシンク　５０：光検出素子

Claims

　レーザ媒質を含む板状のレーザ媒質体の表面および裏面に反射膜が形成された共振器と、
　出射面から出射される光が、前記共振器の前記レーザ媒質体に入射するように配置された半導体レーザ素子と、
　前記共振器および前記半導体レーザ素子で発生する熱を冷却する冷却部材と、
　を一体として備える、レーザ装置。
　前記半導体レーザ素子は、出射面から出射される光が、前記共振器の前記レーザ媒質体の端面に入射するように配置されている、
　請求項１に記載のレーザ装置。
　前記半導体レーザ素子の前記出射面は、前記レーザ媒質体の端面と接触しているか、あるいは光学素子または雰囲気を介して隣接している、
　請求項２に記載のレーザ装置。
　前記レーザ媒質体は第１媒質からなる複数の領域と第２媒質からなる複数の領域を有し、前記第１媒質および前記第２媒質に対する２波長のレーザ光を出力する、
　ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のレーザ装置。
　前記レーザ媒質体は波長可変なレーザ媒質を含み、
　前記共振器は、前記レーザ媒質と前記反射膜の間に波長選択素子をさらに有する、
　ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のレーザ装置。
　前記レーザ媒質体は透明材料からなる透明領域を有し、
　前記レーザ媒質体の出射側と反対の面に形成された反射膜は、前記共振器によって発振される波長の光を反射し、それ以外の波長の少なくとも一部を透過する波長選択反射膜であり、
　前記波長選択反射膜に接して配置された、前記波長選択反射膜を透過した光を検出するため光検出器を更に備える、
　ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のレーザ装置。
　板状のレーザ媒質体に半導体レーザ素子の出射面が接触あるいは光学素子または雰囲気を介して隣接するように、前記半導体レーザ素子と前記レーザ媒質体を配置する第１工程と、
　前記レーザ媒質体の第１面および前記第１面と反対の第２面に反射膜を形成する第２工程と、
　前記第１工程と前記第２工程の後に、前記レーザ媒質体および前記半導体レーザ素子で発生する熱を冷却する冷却部材を前記反射膜の少なくとも一方および前記半導体レーザ素子に設ける第３工程と、
　を含むレーザ装置の製造方法。
　前記レーザ媒質体を用意する工程をさらに含み、当該工程は、
　レーザ媒質と透明材料とを交互に積層して第１積層体を生成する工程と、
　前記第１積層体を積層方向と平行な面で複数の部分に切断する工程と、
　前記切断された複数の部分を並び替えて第２積層体を生成する工程と、
　前記第２積層体を積層方向と平行な面で切断して複数の前記レーザ媒質体を得る工程と、
　を含む、
　ことを特徴とする請求項７に記載のレーザ装置の製造方法。