WO2021024457A1 - レーザ増幅器 - Google Patents

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WO2021024457A1
WO2021024457A1 PCT/JP2019/031386 JP2019031386W WO2021024457A1 WO 2021024457 A1 WO2021024457 A1 WO 2021024457A1 JP 2019031386 W JP2019031386 W JP 2019031386W WO 2021024457 A1 WO2021024457 A1 WO 2021024457A1
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WO
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laser
laser medium
solder
copper
laser amplifier
Prior art date
Application number
PCT/JP2019/031386
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English (en)
French (fr)
Inventor
純平 荻野
茂樹 時田
準二 河仲
Original Assignee
国立大学法人大阪大学
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Priority to PCT/JP2020/030168 priority patent/WO2021025109A1/ja
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/02—Constructional details
    • H01S3/04—Arrangements for thermal management
    • H01S3/042—Arrangements for thermal management for solid state lasers

Definitions

  • the present invention relates to a laser amplifier.
  • Non-Patent Document 1 discloses a laser amplifier capable of generating a laser having an energy of 100 J and a repetition rate of 10 Hz.
  • the laser medium heat is generated in the process of amplifying the laser, and the temperature of the laser medium rises.
  • the temperature rise of the laser medium increases as the energy of the laser increases and as the number of times the laser repeats increases.
  • the quality of the laser deteriorates. Therefore, in order to obtain a laser with higher energy, higher number of repetitions, and higher quality, it is necessary to efficiently cool the laser medium.
  • Patent Document 1 discloses a solid-state laser module that operates in an active mirror system.
  • the laser medium is pressure-mounted on a hard, cooled substrate.
  • One aspect of the present invention is to realize a laser amplifier capable of obtaining a high-energy, high-repetition-time, high-quality laser.
  • the laser amplifier according to one aspect of the present invention is joined to a laser medium having a front surface on which a laser is incident and a back surface on which the laser is reflected, and a refrigerant. Is arranged between the laser medium and the heat radiation member, is bonded to the back surface of the laser medium, and exerts a force applied to the laser medium due to deformation of the heat radiation member.
  • the cushioning member comprises a cushioning member for relaxation, which includes molybdenum, tungsten, graphite, molybdenum-copper alloy, tungsten-copper alloy, aluminum-diamond composite material, copper-diamond composite material, or silver-diamond composite material.
  • the laser amplifier According to the laser amplifier according to one aspect of the present invention, it is possible to obtain a laser having high energy, high number of repetitions and high quality.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a laser amplifier 1 according to the present embodiment.
  • a side view of the laser amplifier 1 is indicated by reference numeral 1001, and a perspective view is indicated by reference numeral 1002.
  • the laser amplifier 1 is used, for example, for laser amplification in an active mirror system.
  • the laser amplifier 1 includes a laser medium 10, a heat sink 20 (heat dissipation member), and a buffer member 50.
  • the laser medium 10 is a medium that amplifies and emits an incident laser.
  • the laser medium 10 is formed of Yb: YAG (yttrium aluminum garnet).
  • the material forming the laser medium 10 is not necessarily limited to Yb: YAG.
  • the material forming the laser medium 10 is GGG (gadolinium gallium garnet), GSGG (gadolinium scandium gallium garnet), YLF (lithium yttrium fluoride), YVO 4 (yttrium vanadate). , Phosphate glass, silicate glass, or sapphire.
  • the material forming the laser medium 10 may be YAG to which a dopant other than Yb is added. Examples of the dopant in this case include Ti, Cu, Co, Ni, Cr, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm and the like.
  • the laser medium 10 has a front surface 11 on which the laser is incident and emitted, and a back surface 12 on which the laser is reflected.
  • the excitation laser L0 is incident on the laser medium 10 from a direction perpendicular to the front surface 11, and the input laser L1 is incident from an oblique direction.
  • the laser medium 10 absorbs the excitation laser L0, amplifies the input laser L1 and emits it as the output laser L2.
  • the surface on which the input laser L1 is incident and the surface on which the output laser L2 is emitted may be different from each other.
  • a dielectric multilayer film 13 (see FIG. 2) is formed on the back surface 12.
  • the dielectric multilayer film 13 is a film for improving the reflectance of the laser.
  • the dielectric multilayer film 13 has a structure in which low refractive index materials and high refractive index materials are alternately formed.
  • the dielectric multilayer film 13 is formed by alternately forming films of SiO 2 as a low refractive index material and HfO 2 as a high refractive index material.
  • the thickness and number of each film may be appropriately determined according to the wavelength of the input laser L1 and the desired reflectance.
  • the high refractive index material may be titanium oxide, tantalum, zirconium, hafnium, scandium, niobium or the like.
  • the heat sink 20 is a member that is joined to the laser medium 10 and allows the refrigerant to flow inside.
  • the heat sink 20 has a refrigerant flow path 21 through which the refrigerant flows.
  • the heat sink 20 improves the efficiency of releasing the heat generated in the laser medium 10 to the outside.
  • the heat sink 20 is arranged on the back surface 12 side of the laser medium 10.
  • the heat sink 20 is preferably made of a metal having high thermal conductivity.
  • the heat sink 20 is made of copper. Since the thermal conductivity of copper is higher than that of many other materials, the heat conducted from the laser medium 10 and reaching the heat sink 20 is rapidly conducted to the refrigerant.
  • the heat sink 20 may be made of aluminum or the like in addition to copper.
  • the refrigerant flowing inside the heat sink 20 (that is, the refrigerant flow path 21) is, for example, liquid nitrogen or gaseous helium. Further, the refrigerant may be liquid helium.
  • the laser medium 10 can be sufficiently cooled and the laser can be amplified with high efficiency.
  • the cushioning member 50 is joined to the back surface 12 of the laser medium 10 and relaxes the force applied to the laser medium 10 due to the deformation of the heat sink 20.
  • the buffer member 50 is arranged between the laser medium 10 and the heat sink 20.
  • the heat sink 20 is joined to the laser medium 10 via the buffer member 50.
  • the cushioning member 50 is made of a single molybdenum.
  • the cushioning member 50 and the heat sink 20 are joined by using, for example, an indium sheet.
  • the cushioning member 50 and the heat sink 20 can be joined by sandwiching the indium sheet between the cushioning member 50 and the heat sink 20, heating the indium sheet, melting the indium sheet, and then cooling the indium sheet.
  • the cushioning member 50 and the heat sink 20 may be joined by using screws or the like.
  • the indium sheet may or may not be arranged between the cushioning member 50 and the heat sink 20.
  • solder 40 means a metal wax having a melting point of 450 ° C. or lower.
  • solder 40 is a simple substance of indium. Indium has a lower melting point, higher thermal conductivity, and lower Young's modulus than other metals commonly used as solders. Specifically, indium has a melting point of 157 ° C., a thermal conductivity of 78.5 W / m ⁇ K, and a Young's modulus of 10.8 GPa.
  • the melting point is 232 ° C.
  • the thermal conductivity is 67 W / m ⁇ K
  • the Young's modulus is 42.0 GPa.
  • indium is superior to tin in terms of melting point, thermal conductivity, and Young's modulus.
  • tin-silver solder 3.5% by mass of silver
  • the melting point is 217 to 220 ° C.
  • the thermal conductivity is 78.2 W / m ⁇ K
  • the Young's modulus is 53.7 GPa.
  • the solder 40 does not necessarily have to be a simple substance of indium.
  • Another example of the solder 40 is a silver wax-based solder composed of 35% by mass of silver, 36% by mass of copper, 27% by mass of zinc, and 2% by mass of tin.
  • a gold-based solder composed of 75-80% by mass of gold and 20-25% by mass of tin can be mentioned.
  • germanium or copper is mixed with gold.
  • Yet another example of the solder 40 is a mixture of gallium and tin, which are low melting point metals.
  • the solder 40 contains indium. Specifically, the solder 40 preferably contains 50% by mass or more of indium. For example, as the solder 40, a solder composed of 50% by mass of indium and 50% by mass of tin can be used. Further, the solder 40 preferably contains indium in an amount of more than 50% by mass (containing indium as a main component). For example, as the solder 40, a solder composed of 52% by mass of indium and 48% by mass of tin can be used. Further, it is more preferable that the solder 40 contains more than 95% by mass of indium.
  • solder 40 a solder composed of 97% by mass of indium and 3% by mass of silver can be used.
  • the solder 40 is a simple substance indium.
  • the melting point of the solder 40 is lower in the alloy of indium and other metals than in indium alone.
  • a solder composed of 52% by mass of indium and 48% by mass of tin has a melting point of 117 ° C.
  • the solder 40 may be an alloy of indium and another metal.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a bonding structure of the laser medium 10 and the buffer member 50.
  • the titanium film 31 (bonded layer), the copper film 32 (bonded layer), and the nickel film 33 are formed on both the back surface 12 of the laser medium 10 and the surface of the buffer member 50. (The layer to be joined) is formed.
  • the laser medium 10 in this embodiment is Yb: YAG
  • the buffer member 50 is a simple substance of molybdenum. Indium is difficult to be directly bonded to either Yb: YAG or molybdenum. Therefore, it is preferable to form one or more layers to be bonded on at least one of the back surface 12 of the laser medium 10 and the surface of the heat sink 20. Further, it is more preferable to form the bonded layer on both the back surface 12 of the laser medium 10 and the surface of the heat sink 20.
  • the layer to be bonded is a layer bonded by solder 40 between the back surface 12 and the surface of the cushioning member 50.
  • the bonded layer includes a nickel film 33.
  • the nickel film 33 is formed by a plating method.
  • Nickel is a material that can be well bonded to indium. Therefore, by forming a layer to be bonded containing the nickel film 33 on one or both of the back surface 12 and the surface of the cushioning member 50, the laser medium 10 and the cushioning member 50 can be satisfactorily bonded by the solder 40. ..
  • the bonded layer further includes a titanium film 31 (bonded layer) and a copper film 32 (bonded layer).
  • the titanium film 31 and the copper film 32 formed by sputtering on both the back surface 12 of the laser medium 10 and the surface of the buffer member 50 are intended to improve the adhesion between the buffer member 50 and the nickel film 33. It is provided as.
  • the combination of SiO 2 or Hf and titanium, the combination of molybdenum and titanium, the combination of titanium and copper, and the combination of copper and nickel are combinations of materials that can be well bonded to each other.
  • the titanium film 31, the copper film 32, and the nickel film 33 can be satisfactorily formed in this order on both the back surface 12 of the laser medium 10 and the surface of the buffer member 50. Further, by joining the nickel films 33 to each other with the solder 40, the laser medium 10 and the buffer member 50 can be satisfactorily joined with the solder 40.
  • the titanium film 31, the copper film 32, and the nickel film 33 are examples of the bonded layer, and the necessity and type of forming the bonded layer are appropriately changed according to the type of the buffer member 50 and the solder 40 and the like. Good.
  • film materials formed by sputtering include nickel, silver, platinum, gold, nickel-chromium alloys, SiO 2 and the like.
  • examples of the film formed by plating include copper, chromium, tin, zinc, gold, silver, brass and the like.
  • the cushioning member 50 when the cushioning member 50 is made of a material that can be bonded well to the solder 40, it is not necessary to form a layer to be bonded on the side of the cushioning member 50.
  • the cushioning member 50 when the cushioning member 50 is made of a material that can be well bonded to nickel, the nickel film 33 may be formed directly on the surface of the cushioning member 50 without forming the titanium film 31 and the copper film 32. ..
  • the bonded layer is formed of a material different from titanium, or if possible, a copper film 32 is formed on the surface of the cushioning member 50. May be formed.
  • the laser medium 10 is formed of Yb: YAG.
  • Yb: YAG has a property that the absorption rate of the excitation laser L0 is dramatically improved by cooling to an extremely low temperature of 100 K or less. Therefore, the laser amplifier 1 is used in a cryogenic state. Therefore, in the laser amplifier 1, the difference between the temperature at the time of manufacture and the temperature at the time of use becomes large. When the difference between the manufacturing temperature and the operating temperature becomes large, the difference in the amount of thermal displacement between the laser medium 10 and the heat sink 20 due to the difference in the coefficient of thermal expansion tends to be large.
  • the buffer member 50 relaxes the force applied to the laser medium 10 due to the deformation of the heat sink 20. Therefore, even if the input laser has high energy and a high number of repetitions, the distortion of the laser medium 10 and the deterioration of the quality of the output laser due to the distortion are suppressed. Therefore, a high-energy, high-repetition, high-quality laser can be obtained.
  • FIG. 3 is a graph showing the temperature dependence of the coefficient of thermal expansion of YAG, molybdenum, tungsten, sapphire and copper.
  • FIG. 4 is a graph showing the temperature dependence of the amount of thermal displacement of YAG, molybdenum, tungsten, sapphire and copper.
  • the horizontal axis represents the temperature and the vertical axis represents the coefficient of thermal expansion.
  • the horizontal axis represents the temperature and the vertical axis represents the amount of thermal displacement.
  • the amount of thermal displacement on the vertical axis in FIG. 4 is the amount of thermal displacement ( ⁇ m) when the temperature of the 50 mm square substrate is changed from 300 K.
  • molybdenum has a thermal expansion coefficient and a thermal displacement amount closest to those of Yb: YAG at an extremely low temperature of 100 K or less.
  • the coefficient of thermal expansion and the amount of thermal displacement of molybdenum are extremely close to those of Yb: YAG even when compared with those of various materials other than those shown in FIGS. 3 and 4. Therefore, by forming the buffer member 50 with molybdenum, the difference in the amount of thermal displacement between the laser medium 10 and the buffer member 50 when cooled from room temperature (300 K) to the temperature of liquid nitrogen (near 100 K) It becomes smaller. As a result, the force applied from the heat sink 20 to the laser medium 10 is relaxed.
  • the material constituting the buffer member 50 is not limited to the molybdenum described above.
  • the cushioning member 50 is made of, for example, a material containing molybdenum, tungsten, molybdenum-copper alloy, tungsten-copper alloy, graphite, aluminum-diamond composite material, copper-diamond composite material, or silver-diamond composite material.
  • molybdenum, tungsten, molybdenum-copper alloy, and tungsten-copper alloy have a coefficient of thermal expansion relatively close to the coefficient of thermal expansion of Yb: YAG, and therefore, heat between the laser medium 10 and the buffer member 50. The difference in the amount of displacement is small.
  • the force applied from the buffer member 50 to the laser medium 10 is small.
  • molybdenum and tungsten are more preferable because they have a coefficient of thermal expansion relatively close to the coefficient of thermal expansion of Yb: YAG even at a cryogenic temperature close to the temperature of liquid nitrogen, as shown in FIG.
  • graphite since graphite has a low Young's modulus, it deforms itself when a force is applied from the heat sink 20, thereby relaxing the force applied to the laser medium 10.
  • the aluminum-diamond composite material, the copper-diamond composite material, and the silver-diamond composite material have different coefficients of thermal expansion, the same or similar heat as Yb: YAG as the composite material can be obtained by blending them in an appropriate ratio. It can be an expansion coefficient. Therefore, when the cushioning member 50 contains such a material, the force applied from the heat sink 20 to the laser medium 10 can be effectively relaxed.
  • the buffer member 50 is preferably formed of molybdenum, tungsten, molybdenum-copper alloy, tungsten-copper alloy, graphite, aluminum-diamond composite material, copper-diamond composite material, or silver-diamond composite material.
  • the cushioning member 50 is made of such a material, the force applied from the heat sink 20 to the laser medium 10 can be more effectively relaxed.
  • the thermal conductivity of molybdenum is 138.0 W / m ⁇ K at 300 K and 232.0 W / m ⁇ K at 77 K.
  • the coefficient of thermal expansion of molybdenum is 5.2 ⁇ 10-6 / K at 300K and 1.7 ⁇ 10-6 / K at 77K.
  • the thermal conductivity of tungsten is 169.0 W / m ⁇ K at 300 K and 211.0 W / m ⁇ K at 77 K.
  • the coefficient of thermal expansion of tungsten is 4.5 ⁇ 10-6 / K at 300K and 1.9 ⁇ 10-6 / K at 77K.
  • the thermal conductivity and the coefficient of thermal expansion at 300K are shown below.
  • the molybdenum-copper alloy containing 70% by mass of molybdenum and 30% by mass of copper has a thermal conductivity of 195.0 W / m ⁇ K and a coefficient of thermal expansion of 7.5 ⁇ 10-6 / K.
  • the molybdenum-copper alloy containing 60% by mass of molybdenum and 40% by mass of copper has a thermal conductivity of 220.0 W / m ⁇ K and a coefficient of thermal expansion of 8.2 ⁇ 10-6 / K.
  • the thermal conductivity of the tungsten-copper alloy containing 89% by mass of tungsten and 11% by mass of copper is 174.0 W / m ⁇ K, and the coefficient of thermal expansion is 7.9 ⁇ 10-6 / K.
  • the thermal conductivity of a tungsten-copper alloy containing 80% by mass of tungsten and 20% by mass of copper is 200.0 W / m ⁇ K, and the coefficient of thermal expansion is 9.8 ⁇ 10-6 / K.
  • the thermal conductivity and coefficient of thermal expansion of graphite vary greatly depending on the orientation with respect to the crystal structure.
  • Graphite has a structure in which planar crystals are laminated.
  • the stacking direction of the crystals that is, the direction perpendicular to the plane of the crystal
  • the Y direction the direction perpendicular to the stacking direction of the crystals
  • the thermal conductivity of graphite is 7 W / m ⁇ K in the X direction and 1700 W / m ⁇ K or more in the Y direction.
  • the coefficient of thermal expansion of graphite is 25 ⁇ 10 -6 / K in the X direction and ⁇ 0.6 ⁇ 10 -6 / K in the Y direction.
  • graphite has a large difference in thermal conductivity and coefficient of thermal expansion depending on the direction. Therefore, a graphite material having high thermal conductivity and a small amount of thermal displacement has been developed by alternately laminating graphite materials having different crystal stacking directions.
  • the aluminum-diamond composite has a thermal conductivity of 500 W / m ⁇ K and a coefficient of thermal expansion of 7.5 ⁇ 10-6 / K.
  • the copper-diamond composite has a thermal conductivity of 500 W / m ⁇ K and a coefficient of thermal expansion of 6.5 ⁇ 10-6 / K.
  • the silver-diamond composite has a thermal conductivity of 600 W / m ⁇ K and a coefficient of thermal expansion of 10.5 ⁇ 10-6 / K.
  • the material forming the laser medium 10 is not limited to Yb: YAG.
  • the material of the buffer member 50 may be appropriately selected according to the coefficient of thermal expansion of the material of the laser medium 10.
  • FIG. 5 is a flowchart showing an example of a method of joining the laser medium 10 and the buffer member 50.
  • the laser medium 10 formed by Yb: YAG is prepared (S1).
  • the cushioning member 50 made of molybdenum is prepared (S2).
  • the dielectric multilayer film 13 is formed on the back surface of the laser medium 10 (S3).
  • a titanium film 31, a copper film 32, and a nickel film 33 are formed on the back surface of the laser medium 10 and the surface of the buffer member 50 (S4, step of forming the bonded layer).
  • the cushioning member 50 is joined to the back surface 12 via the titanium film 31, the copper film 32, the nickel film 33, and the solder 40 (S5, joining step).
  • FIG. 6 is a diagram for explaining an example of a film forming method for the titanium film 31, the copper film 32, and the nickel film 33.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining an example of a method of joining the laser medium 10 and the buffer member 50. A method of joining the laser medium 10 and the buffer member 50 will be described with reference to FIGS. 6 and 7.
  • a dielectric multilayer film 13 for improving the reflectance of laser light is formed on the back surface 12 of the laser medium 10.
  • a dielectric multilayer film for reducing the reflectance of the laser light may be formed on the front surface 11 of the laser medium 10.
  • the titanium film 31, the copper film 32, and the nickel film 33 are formed on the laser medium 10 (step of forming the bonded layer).
  • a titanium film 31 and a copper film 32 are sequentially formed on the dielectric multilayer film 13 by a sputtering method as shown by reference numeral 6002 in FIG.
  • the titanium film 31 is formed by depositing titanium on the dielectric multilayer film 13 by several tens of nm using a sputtering method.
  • a copper film 32 is formed by depositing copper on the titanium film 31 by several hundred nm using a sputtering method.
  • a nickel film 33 is formed on the copper film 32. Specifically, first, dirt on the surface of the copper film 32 is removed. After that, at least a portion of the copper film 32 of the laser medium 10 is immersed in a nickel plating solution containing nickel ions for several hours to cause an oxidation-reduction reaction between the nickel plating solution and the copper film 32 to obtain a thickness. A nickel film 33 having a thickness of several ⁇ m is formed. The temperature of the nickel plating solution is preferably about 100 ° C.
  • the buffer member 50 is joined to the back surface 12 of the laser medium 10 via the solder 40. More specifically, the buffer member 50 is bonded to the back surface 12 of the laser medium 10 via the solder 40, the titanium film 31, the copper film 32, and the nickel film 33.
  • a titanium film 31, a copper film 32, and a nickel film 33 are formed on the surface of the buffer member 50 in the same manner as the laser medium 10.
  • an indium sheet 41 that matches the size and shape of the laser medium 10 is prepared. Flux is applied to the indium sheet 41 and arranged on the nickel film 33 on the buffer member 50 side as shown by reference numeral 7001 in FIG. In FIG. 7, for the sake of simplicity, it is assumed that the indium sheet 41 is arranged on the cushioning member 50.
  • a zinc chloride-based flux can be used.
  • the zinc chloride-based flux include those containing 35 to 45% by mass of zinc chloride, 4 to 6% by mass of ammonium chloride, 3 to 4% by mass of hydrogen chloride, and 45 to 57% by mass of water. ..
  • sulfuric acid, isopropyl alcohol + rosin type, rosin type or nitric acid type may be used.
  • the above flux is also applied to the nickel film 33 on the laser medium 10 side and arranged on the indium sheet 41.
  • the indium sheet 41 is melted by placing the buffer member 50, the indium sheet 41, and the laser medium 10 on a hot plate and heating them at 180 ° C. to 250 ° C. for several minutes to several tens of minutes. After that, by cooling the cushioning member 50, the indium sheet 41, and the laser medium 10, the indium sheet 41 is solidified and the buffer member 50 is joined to the back surface 12 of the laser medium 10, as shown by reference numeral 7002 in FIG. ..
  • the method of measuring the change in wave surface is as follows.
  • a laser amplifier 1 was arranged in the vacuum chamber, and an input laser was incident on the laser amplifier 1.
  • the obtained output laser was incident on the wavefront sensor, and the change in the wavefront (spatial change) was measured. Further, the temperature of the side surface of the heat sink 20 was measured by a thermocouple.
  • sapphire was used as the material of the laser medium 10 instead of the above-mentioned Yb: YAG.
  • the difference in properties such as Young's modulus and coefficient of thermal expansion of sapphire from the property of molybdenum is large as compared with the difference in the property between Yb: YAG and molybdenum. Therefore, when the material of the laser medium 10 is sapphire, the strain when the laser medium 10 is cooled becomes larger than when the material of the laser medium 10 is Yb: YAG, and the quality of the output laser deteriorates. To do. In other words, when the material of the laser medium 10 is Yb: YAG, a higher quality laser can be obtained than when the material of the laser medium 10 is sapphire.
  • a laser amplifier of a comparative example was prepared, and the same measurement was performed.
  • the laser amplifier of the comparative example is different from the laser amplifier 1 in that (i) the buffer member 50 is not provided and (ii) the laser medium 10 and the heat sink 20 are bonded by a resin adhesive.
  • FIG. 8 is a diagram showing a measurement result of a change in the wave surface of the output laser L2 due to cooling of the laser medium 10.
  • FIG. 8 shows the measurement results of the wave surface at five different temperatures of 300K, 276K, 208K, 184K and 123K.
  • a place where the difference from the lowest point of the wave surface at each position is smaller is shown in a color closer to black, and a place where the difference is larger is shown in a color closer to white.
  • the axis of wavefront in FIG. 8 is in units of the wavelength ⁇ of the laser.
  • the measurement result of the laser amplifier of the comparative example is indicated by reference numeral 8001
  • the measurement result of the laser amplifier 1 of the present embodiment is indicated by reference numeral 8002.
  • the laser medium 10 is not Yb: YAG but sapphire as described above.
  • the difference between the highest point and the lowest point of the wave surface (hereinafter referred to as PV (Peak-Valley) difference) becomes remarkably large at 208K.
  • the PV difference becomes larger as the temperature decreases.
  • the PV difference at the time of 123K is about 5 times the wavelength of the output laser L2.
  • the PV difference up to 184K is almost the same as that in the case of 300K.
  • the PV difference becomes larger than that at the time of 300K, but the value is about 1.4 times the wavelength of the output laser L2.
  • the change in the wave surface of the output laser L2 due to the cooling of the laser medium 10 is suppressed as compared with the laser amplifier of the comparative example.
  • FIG. 9 is a diagram showing an example of how to use the laser amplifier 1 of the present embodiment.
  • the excitation laser is omitted.
  • the laser amplifier 1 is used for laser amplification in the active mirror system.
  • the amplified output laser L3 is obtained by repeatedly reflecting the input laser L1 by a plurality of (but not limited to four in FIG. 9) laser amplifiers 1.
  • the laser amplifier 1 since the laser medium 10 and the cushioning member 50 are bonded via the solder 40, heat can be dissipated from the laser medium 10 with higher efficiency as compared with a conventional laser amplifier or the like. ..
  • the solder 40 since the solder 40 has a low Young's modulus and the amount of thermal displacement of the buffer member 50 is close to the amount of thermal displacement of the laser medium 10, the thermal stress between the laser medium 10 and the buffer member 50 is small. The change in the wave surface of the laser is suppressed. Therefore, according to the laser amplifier 1, it is possible to obtain a high-energy output laser of several tens to several hundreds of J at a high repetition rate of 100 Hz by repeatedly reflecting the laser in an active mirror system as shown in FIG.
  • the laser amplifier according to the first aspect of the present invention includes a laser medium having a front surface on which a laser is incident and a back surface on which the laser is reflected, a heat radiating member joined to the laser medium and a refrigerant flowing inside, and the above. It is provided with a cushioning member which is arranged between the laser medium and the heat radiating member, is bonded to the back surface of the laser medium, and relaxes a force applied to the laser medium due to deformation of the heat radiating member.
  • the cushioning member includes molybdenum, tungsten, graphite, molybdenum-copper alloy, tungsten-copper alloy, aluminum-diamond composite material, copper-diamond composite material, or silver-diamond composite material.
  • the laser medium is joined to the heat radiating member via the buffer member.
  • the cushioning member relaxes the force applied to the laser medium due to the deformation of the heat radiating member. Therefore, even if the input laser has high energy and a high number of repetitions, the distortion of the laser medium and the deterioration of the quality of the output laser due to the distortion can be suppressed. Therefore, a high-energy, high-repetition, high-quality laser can be obtained.
  • the laser medium and the buffer member are joined to each other via solder in the first aspect.
  • the laser medium and the cushioning member are joined to the back surface of the laser medium via solder having a higher thermal conductivity than, for example, a resin adhesive. Therefore, heat can be efficiently dissipated from the laser medium to the buffer member.
  • the solder preferably contains indium.
  • the solder contains indium, which has a lower melting point, a higher thermal conductivity, and a lower Young's modulus than a metal generally used as a solder. Therefore, the heat of the laser medium can be efficiently radiated, and the force applied to the laser medium from the heat radiating member due to the deformation of the heat radiating member can be relaxed.
  • the solder in the laser amplifier according to the fourth aspect of the present invention, preferably contains more than 50% by mass of indium.
  • the heat of the laser medium is radiated more efficiently, and the force applied to the laser medium from the heat radiating member due to the deformation of the heat radiating member is further relaxed. can do.
  • the solder in the laser amplifier according to the fifth aspect of the present invention, preferably contains more than 95% by mass of indium.
  • the heat of the laser medium is radiated more efficiently, and the force applied from the heat radiating member to the laser medium due to the deformation of the heat radiating member is further increased. It can be relaxed.
  • the laser amplifier according to the sixth aspect of the present invention is joined to at least one of the back surface and the surface of the cushioning member by the solder between the back surface and the surface of the heat radiating member. It is preferable that one or more layers to be bonded are formed.
  • one of the laser medium and the cushioning member is made of a material that is difficult to be directly bonded by solder, it can be satisfactorily bonded via the layer to be bonded.
  • one or more layers to be bonded are formed on both the back surface and the surface of the cushioning member in the sixth aspect.
  • both the laser medium and the cushioning member are made of a material that is difficult to be directly bonded by solder, they can be satisfactorily bonded via the layer to be bonded.
  • the one or more bonded layers include a nickel film.
  • the bonded layer contains a nickel film that can be bonded well to indium, the laser medium and the buffer member can be satisfactorily bonded via the layer to be bonded.
  • the heat radiating member is made of copper in any one of the above aspects 1 to 8.
  • the heat radiating member is formed of copper, which is a material having high thermal conductivity, the heat reached from the laser medium via the buffer member is quickly conducted to the refrigerant.
  • the refrigerant is liquid nitrogen or gaseous helium in any one of the above aspects 1 to 9.
  • the laser medium can be sufficiently cooled.

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Abstract

レーザ媒質から高い効率で放熱することが可能なレーザ増幅器を実現する。レーザ増幅器（１）は、レーザ媒質（１０）とヒートシンク（２０）との間に配置され、ヒートシンクの変形に起因してレーザ媒質に加わる力を緩和する緩衝部材（５０）を備え、緩衝部材は、モリブデン、タングステン、グラファイト、モリブデン－銅合金、タングステン－銅合金、アルミニウム－ダイヤモンド複合材、銅－ダイヤモンド複合材、または銀－ダイヤモンド複合材を含む。

Description

レーザ増幅器
　本発明はレーザ増幅器に関する。
　非特許文献１には、１００Ｊのエネルギー、かつ１０Ｈｚの繰り返し回数のレーザを生成可能なレーザ増幅器が開示されている。レーザ媒質においては、レーザを増幅する過程において熱が生じ、レーザ媒質の温度が上昇する。レーザ媒質の温度の上昇は、レーザのエネルギーが高くなるほど、またレーザの繰り返し回数が多くなるほど大きくなる。レーザ媒質の温度が上昇すると、レーザの品質が低下する。このため、より高エネルギー、高繰り返し回数かつ高品質のレーザを得るためには、レーザ媒質を効率よく冷却する必要がある。
　特許文献１には、アクティブミラー方式で動作する固体レーザモジュールが開示されている。当該モジュールにおいては、レーザ媒質が圧力によって、硬質の冷却された基板に取付けられる。
日本国公表特許公報「特表２００４－５２１４９０号公報」
　しかしながら、特許文献１に開示されているモジュールにおいては、入力レーザを高エネルギーかつ高繰り返しとした場合、レーザ媒質と基板との熱変位量の差によってレーザ媒質に歪みが生じ、出力レーザの品質が低下する虞がある。このため、特許文献１に開示されているモジュールによっては、高エネルギー、高繰り返し回数かつ高品質のレーザを得ることは難しいという問題がある。
　本発明の一態様は、高エネルギー、高繰り返し回数かつ高品質のレーザを得ることが可能なレーザ増幅器を実現することを目的とする。
　上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係るレーザ増幅器は、レーザが入射される前面と、前記レーザが反射される背面とを有するレーザ媒質と、前記レーザ媒質と接合され、冷媒が内部を流れる放熱部材と、前記レーザ媒質と前記放熱部材との間に配置され、前記レーザ媒質の前記背面に接合され、かつ、前記放熱部材の変形に起因して前記レーザ媒質に加わる力を緩和する緩衝部材とを備え、前記緩衝部材は、モリブデン、タングステン、グラファイト、モリブデン－銅合金、タングステン－銅合金、アルミニウム－ダイヤモンド複合材、銅－ダイヤモンド複合材、または銀－ダイヤモンド複合材を含む。
　本発明の一態様に係るレーザ増幅器によれば、高エネルギー、高繰り返し回数かつ高品質のレーザを得ることができる。
本発明の実施形態に係るレーザ増幅器の構成を示す図である。 レーザ媒質と緩衝部材との接合構造を示す断面図である。 ＹＡＧ、モリブデン、タングステン、サファイアおよび銅の熱膨張係数の温度依存性を示すグラフである。 ＹＡＧ、モリブデン、タングステン、サファイアおよび銅の熱変位量の温度依存性を示すグラフである。 レーザ媒質と緩衝部材との接合方法の一例を示すフローチャートである。 チタン膜、銅膜およびニッケル膜の成膜方法の一例について説明するための図である。 レーザ媒質と緩衝部材との接合方法の一例について説明するための図である。 レーザ媒質の冷却による出力レーザの波面の変化の測定結果を示す図である。 本発明の実施形態に係るレーザ増幅器の使用方法の例を示す図である。
　以下、本発明の一実施形態について、詳細に説明する。
　（レーザ増幅器１の構成）
　図１は、本実施形態に係るレーザ増幅器１の構成を示す図である。図１においては、レーザ増幅器１の側面図が符号１００１で示され、斜視図が符号１００２で示されている。レーザ増幅器１は、例えばアクティブミラー方式でのレーザ増幅に用いられる。図１に示すように、レーザ増幅器１は、レーザ媒質１０、ヒートシンク２０（放熱部材）および緩衝部材５０を備える。
　レーザ媒質１０は、入射されたレーザを増幅して出射させる媒質である。本実施形態では、レーザ媒質１０は、Ｙｂ：ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）で形成される。ただし、レーザ媒質１０を形成する材料は、必ずしもＹｂ：ＹＡＧには限定されない。
　レーザ媒質１０を形成する材料の別の例としては、ＧＧＧ（ガドリニウム・ガリウム・ガーネット）、ＧＳＧＧ（ガドリニウム・スカンジウム・ガリウム・ガーネット）、ＹＬＦ（リチウム・イットリウム・フルオリド）、ＹＶＯ４（イットリウム・バナデート）、ホスフェートガラス、シリケートガラス、またはサファイアなどが挙げられる。また、レーザ媒質１０を形成する材料は、Ｙｂ以外のドーパントが添加されたＹＡＧであってもよい。この場合におけるドーパントの例としては、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、またはＴｍなどが挙げられる。
　レーザ媒質１０は、レーザが入射および出射する前面１１と、レーザが反射される背面１２とを有する。レーザ媒質１０には、前面１１に対して垂直な方向から励起レーザＬ０が入射し、斜めの方向から入力レーザＬ１が入射する。レーザ媒質１０は、励起レーザＬ０を吸収し、入力レーザＬ１を増幅して出力レーザＬ２として出射させる。なお、レーザ媒質１０において、入力レーザＬ１が入射される面と出力レーザＬ２が出射される面とが互いに異なっていてもよい。
　背面１２には、誘電体多層膜１３（図２参照）が形成されている。誘電体多層膜１３は、レーザの反射率を向上させるための膜である。誘電体多層膜１３は、低屈折率材料と高屈折率材料とが交互に成膜された構成を有する。本実施形態では、誘電体多層膜１３は、低屈折率材料としてのＳｉＯ２および高屈折率材料としてのＨｆＯ２の膜が交互に成膜されることで形成されている。それぞれの膜の厚さおよび数については、入力レーザＬ１の波長および所望の反射率などに応じて適宜決定されてよい。また、高屈折率材料は、チタン酸化物、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、スカンジウム、またはニオビウムなどであってもよい。
　ヒートシンク２０は、レーザ媒質１０と接合され、冷媒が内部を流れる部材である。ヒートシンク２０は、冷媒が流れる冷媒流路２１を有する。ヒートシンク２０は、レーザ媒質１０において生じた熱を外部へ放出する効率を向上させる。ヒートシンク２０は、レーザ媒質１０の背面１２側に配されている。ヒートシンク２０は、熱伝導性の高い金属で構成されることが好ましい。本実施形態では、ヒートシンク２０は銅で構成されている。銅の熱伝導率は他の多くの材料と比較して高いため、レーザ媒質１０から伝導されてヒートシンク２０に到達した熱が、速やかに冷媒へ伝導される。なお、ヒートシンク２０は、銅の他、アルミニウムなどで構成されていてもよい。
　本実施形態では、ヒートシンク２０の内部（すなわち冷媒流路２１）を流れる冷媒は、例えば液体窒素または気体ヘリウムである。また、冷媒は、液体ヘリウムであってもよい。このような冷媒を用いることで、レーザ媒質１０を十分に冷却し、高い効率でレーザを増幅することができる。
　緩衝部材５０は、レーザ媒質１０の背面１２に接合され、かつ、ヒートシンク２０の変形に起因してレーザ媒質１０に加わる力を緩和する。緩衝部材５０は、レーザ媒質１０とヒートシンク２０との間に配置される。換言すれば、ヒートシンク２０は、緩衝部材５０を介してレーザ媒質１０と接合される。本実施形態では、緩衝部材５０は、単体のモリブデンにより形成されている。
　緩衝部材５０とヒートシンク２０とは、例えばインジウムシートを用いて接合される。具体的には、緩衝部材５０とヒートシンク２０との間にインジウムシートを挟み込み、インジウムシートを加熱し溶融させた後に冷却することで、緩衝部材５０とヒートシンク２０とを接合できる。また、緩衝部材５０とヒートシンク２０とは、ネジなどを用いて接合されていてもよい。この場合には、緩衝部材５０とヒートシンク２０との間にインジウムシートが配されていても配されていなくてもよい。
　レーザ媒質１０と緩衝部材５０とは、はんだ４０を介して接合されている。ここでいう「はんだ」とは、融点が４５０℃以下である金属ろうを意味する。本実施形態では、はんだ４０は、単体のインジウムである。インジウムは、はんだとして一般的に使用される他の金属と比較して、融点が低く、熱伝導率が高く、かつヤング率が低い。具体的には、インジウムの融点は１５７℃、熱伝導率は７８．５Ｗ／ｍ・Ｋ、ヤング率は１０．８ＧＰａである。
　これに対し、例えば多くのはんだに含まれる錫の場合、融点は２３２℃、熱伝導率は６７Ｗ／ｍ・Ｋ、ヤング率は４２．０ＧＰａである。インジウムは、融点、熱伝導率、およびヤング率のいずれにおいても錫より優れているといえる。また、一般的なはんだの一例としての錫－銀はんだ（銀３．５質量％）の場合、融点は２１７～２２０℃、熱伝導率は７８．２Ｗ／ｍ・Ｋ、ヤング率は５３．７ＧＰａである。インジウムは、熱伝導率については錫－銀はんだとほぼ同等であるが、融点およびヤング率については錫－銀はんだよりも優れているといえる。
　なお、はんだ４０は、必ずしも単体のインジウムである必要はない。はんだ４０の別の例としては、銀３５質量％、銅３６質量％、亜鉛２７質量％、および錫２質量％からなる銀ろう系のものが挙げられる。また、はんだ４０の別の例として、金７５－８０質量％、および錫２０－２５質量％からなる金系のものも挙げられる。また、金に対して錫以外に、ゲルマニウムまたは銅を混合したものも挙げられる。はんだ４０のさらに別の例として、低融点金属であるガリウムおよび錫の混合材も挙げられる。このようなはんだ４０を介して緩衝部材５０をレーザ媒質１０に接合することで、レーザ媒質１０の熱を効率よく放熱することができる。
　ただし、インジウムは上述した特性を有することから、はんだ４０はインジウムを含むことが好ましい。具体的には、はんだ４０は、インジウムを５０質量％以上含むことが好ましい。例えば、はんだ４０として、インジウム５０質量％および錫５０質量％からなるはんだを用いることができる。また、はんだ４０は、インジウムを５０質量％より多く含む（インジウムを主成分として含む）ことが好ましい。例えば、はんだ４０として、インジウム５２質量％および錫４８質量％からなるはんだを用いることができる。また、はんだ４０は、インジウムを９５質量％より多く含むことがより好ましい。例えば、はんだ４０として、インジウム９７質量％および銀３質量％からなるはんだを用いることができる。ただし、はんだ４０の熱伝導率をより向上させ、ヤング率をより低下させるという観点からは、はんだ４０は単体のインジウムであることがさらに好ましい。このようなはんだ４０を用いることで、レーザ媒質１０の熱をより効率よく放熱するとともに、ヒートシンク２０の変形に起因して当該ヒートシンク２０からレーザ媒質１０に加わる力をさらに緩和することができる。
　一方で、はんだ４０の融点については、単体のインジウムよりも、インジウムと他の金属との合金の方が低くなる。例えばインジウム５２質量％および錫４８質量％からなるはんだの融点は１１７℃となる。上述したとおり、レーザ増幅器１の使用時には、レーザ媒質１０を極低温に冷却する。はんだ４０の融点が低下すると、レーザ増幅器１の製造時（すなわちレーザ媒質１０と緩衝部材５０との接合時）の温度と使用時の温度との差が小さくなるため、熱変位量が小さくなる。このため、はんだ４０の融点を低下させる目的で、はんだ４０をインジウムと他の金属との合金としてもよい。
　図２は、レーザ媒質１０と緩衝部材５０との接合構造を示す断面図である。図２に示すように、レーザ増幅器１においては、レーザ媒質１０の背面１２および緩衝部材５０の表面の両方に、チタン膜３１（被接合層）、銅膜３２（被接合層）およびニッケル膜３３（被接合層）が形成されている。
　上述したとおり、本実施形態におけるレーザ媒質１０はＹｂ：ＹＡＧであり、緩衝部材５０は単体のモリブデンである。インジウムは、Ｙｂ：ＹＡＧおよびモリブデンのいずれにも、直接は接合されにくい。このため、レーザ媒質１０の背面１２およびヒートシンク２０の表面の少なくとも一方に、１以上の被接合層を形成することが好ましい。また、レーザ媒質１０の背面１２およびヒートシンク２０の表面の両方に被接合層を形成することがより好ましい。被接合層とは、背面１２と緩衝部材５０の表面との間ではんだ４０により接合される層である。
　本実施形態では、被接合層は、ニッケル膜３３を含む。ニッケル膜３３は、めっき法により形成される。ニッケルは、インジウムと良好に接合可能な材料である。このため、背面１２および緩衝部材５０の表面の一方または両方に、ニッケル膜３３を含む被接合層を形成することで、レーザ媒質１０と緩衝部材５０とをはんだ４０により良好に接合することができる。
　ただし、ニッケル膜３３も、背面１２および緩衝部材５０の表面のいずれにも直接は形成されにくい。このため、レーザ増幅器１においては、被接合層は、チタン膜３１（被接合層）および銅膜３２（被接合層）をさらに含む。具体的には、レーザ媒質１０の背面１２および緩衝部材５０の表面の両方に、スパッタリングにより形成されたチタン膜３１および銅膜３２が、緩衝部材５０とニッケル膜３３との密着性の向上を目的として設けられる。ＳｉＯ２またはＨｆおよびチタンの組み合わせ、モリブデンおよびチタンの組み合わせ、チタンおよび銅の組み合わせ、ならびに銅およびニッケルの組み合わせはそれぞれ、互いに良好に接合可能な材料の組み合わせである。このため、レーザ媒質１０の背面１２および緩衝部材５０の表面の両方に、チタン膜３１、銅膜３２およびニッケル膜３３をこの順で良好に形成することができる。さらに、ニッケル膜３３どうしをはんだ４０により接合することで、レーザ媒質１０と緩衝部材５０とをはんだ４０により良好に接合することができる。
　なお、チタン膜３１、銅膜３２およびニッケル膜３３は被接合層の一例であり、被接合層の形成の要否および種類については緩衝部材５０およびはんだ４０の種類などに応じて適宜変更されてよい。スパッタリングにより形成される膜の材料の別の例として、ニッケル、銀、白金、金、ニッケル－クロム合金、またはＳｉＯ２などが挙げられる。また、めっきにより形成される膜の例としては、銅、クロム、錫、亜鉛、金、銀、または黄銅などが挙げられる。
　例えば緩衝部材５０がはんだ４０と良好に接合可能な材料で形成される場合には、緩衝部材５０の側には被接合層を形成しなくともよい。また例えば緩衝部材５０がニッケルと良好に接合可能な材料で形成される場合には、チタン膜３１および銅膜３２を形成せず、緩衝部材５０の表面に直接ニッケル膜３３を形成してもよい。さらに例えば緩衝部材５０がチタンと直接は接合されにくい材料で形成される場合には、チタンとは別の材料で被接合層を形成するか、可能であれば緩衝部材５０の表面に銅膜３２を形成してもよい。
　上述したとおり、レーザ媒質１０はＹｂ：ＹＡＧで形成される。Ｙｂ：ＹＡＧは、１００Ｋ以下の極低温まで冷却することで、励起レーザＬ０の吸収率が飛躍的に向上するという性質を有する。このため、レーザ増幅器１は、極低温の状態で使用される。したがって、レーザ増幅器１においては、製造時の温度と使用時の温度との差が大きくなる。製造時の温度と使用時の温度との差が大きくなると、熱膨張係数の差に起因する、レーザ媒質１０とヒートシンク２０との間での熱変位量の差が大きくなりやすい。
　レーザ媒質１０とヒートシンク２０とが直接接合されている場合において、レーザ媒質１０とヒートシンク２０との間での熱変位量の差が大きいと、ヒートシンク２０の変形に起因してレーザ媒質１０に力が加わって歪みが生じ、出力レーザＬ２の品質が低下する。レーザ増幅器１においては、ヒートシンク２０の変形に起因してレーザ媒質１０に加わる力を緩衝部材５０が緩和する。このため、入力レーザを高エネルギーかつ高繰り返し回数としても、レーザ媒質１０の歪み、および当該歪みに起因する出力レーザの品質の低下が抑制される。したがって、高エネルギー、高繰り返し回数かつ高品質のレーザを得ることができる。
　図３は、ＹＡＧ、モリブデン、タングステン、サファイアおよび銅の熱膨張係数の温度依存性を示すグラフである。図４は、ＹＡＧ、モリブデン、タングステン、サファイアおよび銅の熱変位量の温度依存性を示すグラフである。図３において、横軸は温度を示し、縦軸は熱膨張係数を示す。また、図４において、横軸は温度を示し、縦軸は熱変位量を示す。図４における縦軸の熱変位量は、５０ｍｍ四方の基板の温度を３００Ｋから変化させた場合の熱変位量（μｍ）である。
　図３および図４に示されている材料のうち、１００Ｋ以下の極低温において、熱膨張係数および熱変位量がＹｂ：ＹＡＧのものに最も近くなるのはモリブデンである。また、モリブデンの熱膨張係数および熱変位量は、図３および図４に示されている以外のさまざまな材料のものと比較しても、Ｙｂ：ＹＡＧのものに極めて近い。このため、緩衝部材５０をモリブデンにより形成することで、レーザ媒質１０と緩衝部材５０との間で、常温（３００Ｋ）から液体窒素の温度（１００Ｋ近傍）まで冷却した場合における熱変位量の差が小さくなる。その結果、ヒートシンク２０からレーザ媒質１０に加わる力が緩和される。
　緩衝部材５０を構成する材料は、上述したモリブデンに限定されない。緩衝部材５０は、例えばモリブデン、タングステン、モリブデン－銅合金、タングステン－銅合金、グラファイト、アルミニウム－ダイヤモンド複合材、銅－ダイヤモンド複合材、または銀－ダイヤモンド複合材を含む材料で構成される。このうち、モリブデン、タングステン、モリブデン－銅合金、およびタングステン－銅合金は、Ｙｂ：ＹＡＧの熱膨張係数に比較的近い熱膨張係数を有するため、レーザ媒質１０と緩衝部材５０との間での熱変位量の差が小さい。このため、緩衝部材５０からレーザ媒質１０に加わる力が小さい。特にモリブデンおよびタングステンは、図３に示した通り、液体窒素の温度に近い極低温においてもＹｂ：ＹＡＧの熱膨張係数に比較的近い熱膨張係数を有するため、より好ましい。また、グラファイトはヤング率が低いため、ヒートシンク２０から力が加わった場合に自身が変形することで、レーザ媒質１０に加わる力を緩和する。また、アルミニウム－ダイヤモンド複合材、銅－ダイヤモンド複合材、および銀－ダイヤモンド複合材は、熱膨張係数がそれぞれ異なるため、適切な比率で配合することで複合材としてＹｂ：ＹＡＧと同じまたは類似の熱膨張係数とすることが可能である。したがって、緩衝部材５０がこのような材料を含むことで、ヒートシンク２０からレーザ媒質１０に加わる力を効果的に緩和できる。
　特に、緩衝部材５０は、モリブデン、タングステン、モリブデン－銅合金、タングステン－銅合金、グラファイト、アルミニウム－ダイヤモンド複合材、銅－ダイヤモンド複合材、または銀－ダイヤモンド複合材で形成されていることが好ましい。緩衝部材５０がこのような材料で形成されている場合には、ヒートシンク２０からレーザ媒質１０に加わる力をより効果的に緩和できる。
　例えばモリブデンの熱伝導率は、３００Ｋでは１３８．０Ｗ／ｍ・Ｋであり、７７Ｋでは２３２．０Ｗ／ｍ・Ｋである。また、モリブデンの熱膨張係数は、３００Ｋでは５．２×１０－６／Ｋであり、７７Ｋでは１．７×１０－６／Ｋである。また、例えばタングステンの熱伝導率は、３００Ｋでは１６９．０Ｗ／ｍ・Ｋであり、７７Ｋでは２１１．０Ｗ／ｍ・Ｋである。また、タングステンの熱膨張係数は、３００Ｋでは４．５×１０－６／Ｋであり、７７Ｋでは１．９×１０－６／Ｋである。
　また、緩衝部材５０を構成する材料の、他の例について、３００Ｋでの熱伝導率および熱膨張係数を以下に示す。モリブデンを７０質量％、銅を３０質量％含むモリブデン－銅合金の熱伝導率は１９５．０Ｗ／ｍ・Ｋであり、熱膨張係数は７．５×１０－６／Ｋである。モリブデンを６０質量％、銅を４０質量％含むモリブデン－銅合金の熱伝導率は２２０．０Ｗ／ｍ・Ｋであり、熱膨張係数は８．２×１０－６／Ｋである。タングステンを８９質量％、銅を１１質量％含むタングステン－銅合金の熱伝導率は１７４．０Ｗ／ｍ・Ｋであり、熱膨張係数は７．９×１０－６／Ｋである。タングステンを８０質量％、銅を２０質量％含むタングステン－銅合金の熱伝導率は２００．０Ｗ／ｍ・Ｋであり、熱膨張係数は９．８×１０－６／Ｋである。
　グラファイトの熱伝導率および熱膨張係数は、結晶構造に対する方向によって大きく異なる。グラファイトは、平面状の結晶が積層した構造を有する。以下では、結晶の積層方向（すなわち結晶の平面に垂直な方向）をＸ方向と称し、結晶の積層方向に垂直な方向（すなわち結晶の平面に平行な方向）をＹ方向と称する。グラファイトの熱伝導率は、Ｘ方向においては７Ｗ／ｍ・Ｋであり、Ｙ方向においては１７００Ｗ／ｍ・Ｋ以上である。また、グラファイトの熱膨張係数は、Ｘ方向においては２５×１０－６／Ｋであり、Ｙ方向においては－０．６×１０－６／Ｋである。このようにグラファイトは、方向による熱伝導率および熱膨張係数の差が大きい。そのため、結晶の積層方向が異なるグラファイト材料を交互に積層することで、熱伝導率が高く、かつ熱変位量が小さいグラファイト材料も開発されている。
　アルミニウム－ダイヤモンド複合材の熱伝導率は５００Ｗ／ｍ・Ｋであり、熱膨張係数は７．５×１０－６／Ｋである。銅－ダイヤモンド複合材の熱伝導率は５００Ｗ／ｍ・Ｋであり、熱膨張係数は６．５×１０－６／Ｋである。銀－ダイヤモンド複合材の熱伝導率は６００Ｗ／ｍ・Ｋであり、熱膨張係数は１０．５×１０－６／Ｋである。
　また、上述したとおり、レーザ媒質１０を形成する材料はＹｂ：ＹＡＧに限定されない。レーザ媒質１０を形成する材料がＹｂ：ＹＡＧ以外である場合には、レーザ媒質１０の材料の熱膨張係数に応じて緩衝部材５０の材料も適宜選択されてよい。
　（レーザ媒質１０と緩衝部材５０との接合方法）
　図５は、レーザ媒質１０と緩衝部材５０との接合方法の一例を示すフローチャートである。レーザ媒質１０と緩衝部材５０との接合に当たっては、まず、Ｙｂ：ＹＡＧにより形成されたレーザ媒質１０を準備する（Ｓ１）。次に、モリブデンにより形成された緩衝部材５０を準備する（Ｓ２）。次に、レーザ媒質１０の背面に、誘電体多層膜１３を形成する（Ｓ３）。
　続けて、レーザ媒質１０の背面および緩衝部材５０の表面に、チタン膜３１、銅膜３２およびニッケル膜３３（被接合層）を形成する（Ｓ４、被接合層形成ステップ）。その後、緩衝部材５０を、チタン膜３１、銅膜３２およびニッケル膜３３、ならびにはんだ４０を介して背面１２に接合する（Ｓ５、接合ステップ）。以上の手順により、レーザ媒質１０と緩衝部材５０とが互いに接合される。
　図６は、チタン膜３１、銅膜３２およびニッケル膜３３の成膜方法の一例について説明するための図である。図７は、レーザ媒質１０と緩衝部材５０との接合方法の一例について説明するための図である。図６および図７を参照して、レーザ媒質１０と緩衝部材５０との接合方法について説明する。
　まず、図６に符号６００１で示すように、レーザ媒質１０の背面１２に、レーザ光の反射率を向上させるための誘電体多層膜１３を形成する。このとき、レーザ媒質１０の前面１１には、レーザ光の反射率を低減するための誘電体多層膜を形成してもよい。
　次に、レーザ媒質１０に、チタン膜３１、銅膜３２およびニッケル膜３３を形成する（被接合層形成ステップ）。まず、スパッタリング法を用いて誘電体多層膜１３上に、図６に符号６００２で示すように、チタン膜３１および銅膜３２を順に成膜する。具体的には、スパッタリング法を用いて誘電体多層膜１３上にチタンを数１０ｎｍ堆積させることでチタン膜３１を成膜する。その後、さらにスパッタリング法を用いてチタン膜３１上に銅を数１００ｎｍ堆積させることで銅膜３２を成膜する。
　さらに、図６に符号６００３で示すように、銅膜３２上にニッケル膜３３を成膜する。具体的には、まず、銅膜３２の表面の汚れを除去する。その後、レーザ媒質１０の、少なくとも銅膜３２の部分を、ニッケルイオンを含むニッケルメッキ液に数時間浸漬し、ニッケルメッキ液と銅膜３２との間で酸化還元反応を生じさせることで、厚さ数μｍのニッケル膜３３を成膜する。ニッケルメッキ液の温度は１００℃程度であることが好ましい。
　次に、緩衝部材５０を、はんだ４０を介してレーザ媒質１０の背面１２に接合する。より具体的には、緩衝部材５０を、はんだ４０と、チタン膜３１、銅膜３２およびニッケル膜３３とを介してレーザ媒質１０の背面１２に接合する。まず、緩衝部材５０の表面にも、レーザ媒質１０と同様にしてチタン膜３１、銅膜３２およびニッケル膜３３を成膜する。次に、レーザ媒質１０のサイズおよび形状に合うインジウムシート４１を用意する。インジウムシート４１にフラックスを塗布し、図７に符号７００１で示すように、緩衝部材５０側のニッケル膜３３上に配する。図７においては簡単のため、緩衝部材５０上にインジウムシート４１が配されているものとしている。フラックスとしては、例えば塩化亜鉛系のものを用いることができる。塩化亜鉛系のフラックスの具体例としては、塩化亜鉛を３５～４５質量％、塩化アンモニウムを４～６質量％、塩化水素を３～４質量％、水を４５～５７質量％含むものが挙げられる。また、フラックスとして、硫酸、イソプロピルアルコール＋ロジン系、ロジン系または硝酸系のものを用いてもよい。
　さらに、レーザ媒質１０側のニッケル膜３３にも上記フラックスを塗布し、インジウムシート４１上に配する。これらの緩衝部材５０、インジウムシート４１およびレーザ媒質１０をホットプレート上に載せ、１８０℃～２５０℃で数分～数１０分加熱することで、インジウムシート４１が溶融する。その後、緩衝部材５０、インジウムシート４１およびレーザ媒質１０を冷却することで、図７に符号７００２で示すように、インジウムシート４１が凝固して緩衝部材５０がレーザ媒質１０の背面１２に接合される。
　（波面の変化）
　レーザ増幅器１により増幅されたレーザの品質の、温度に対する変化について、測定を行った。測定では、レーザの品質を示す指標として、レーザの波面の変化を測定した。波面の変化が小さいレーザほど高品質なレーザであるといえる。
　波面の変化の測定の方法は以下のとおりである。真空チャンバー内にレーザ増幅器１を配し、当該レーザ増幅器１に入力レーザを入射させた。得られた出力レーザを波面センサに入射させ、波面の変化（空間変化）を測定した。また、ヒートシンク２０の側面の温度を熱電対により測定した。
　波面の変化の測定に用いたレーザ増幅器１においては、レーザ媒質１０の材料として、上述したＹｂ：ＹＡＧの代わりにサファイアを用いた。サファイアのヤング率および熱膨張係数といった性質の、モリブデンの当該性質との差は、Ｙｂ：ＹＡＧとモリブデンとの当該性質の差と比較して大きい。このため、レーザ媒質１０の材料をサファイアとした場合、レーザ媒質１０の材料をＹｂ：ＹＡＧとした場合と比較して、レーザ媒質１０を冷却した場合のひずみは大きくなり、出力レーザの品質は低下する。換言すれば、レーザ媒質１０の材料をＹｂ：ＹＡＧとした場合には、レーザ媒質１０の材料をサファイアとした場合よりも高品質のレーザを得ることができる。
　また、比較例のレーザ増幅器を用意し、同様の測定を行った。比較例のレーザ増幅器は、（ｉ）緩衝部材５０を備えていない点、および（ｉｉ）レーザ媒質１０とヒートシンク２０とが樹脂接着剤により接合されている点で、レーザ増幅器１と異なる。
　図８は、レーザ媒質１０の冷却による出力レーザＬ２の波面の変化の測定結果を示す図である。図８には、３００Ｋ、２７６Ｋ、２０８Ｋ、１８４Ｋおよび１２３Ｋの５種類の温度についての波面の測定結果が示されている。図８においては、それぞれの位置における波面の最低点に対する差が小さい場所ほど黒に近い色で示され、大きい場所ほど白に近い色で示されている。図８におけるwavefrontの軸は、レーザの波長λを単位としている。また、図８においては、比較例のレーザ増幅器の測定結果が符号８００１で、本実施形態のレーザ増幅器１の測定結果が符号８００２で、それぞれ示されている。ただし、ここで言う「本実施形態のレーザ増幅器１」において、レーザ媒質１０は上述したとおりＹｂ：ＹＡＧではなくサファイアである。
　図８に符号８００１で示すように、比較例の測定結果では、２０８Ｋの時点で波面の最高点と最低点との差（以下、ＰＶ（Peak-Valley）差と称する）が顕著に大きくなり、温度の低下に伴い更にＰＶ差が大きくなる。１２３Ｋの時点におけるＰＶ差は、出力レーザＬ２の波長の５倍程度になる。これに対し、図８に符号８００２で示すように、本実施形態のレーザ増幅器１では、１８４ＫまではＰＶ差は３００Ｋの場合とほぼ変わらない。１２３Ｋの時点においては３００Ｋの時点と比較してＰＶ差が大きくなるが、その値は出力レーザＬ２の波長の１．４倍程度である。このように、本実施形態のレーザ増幅器１においては、比較例のレーザ増幅器と比較して、レーザ媒質１０の冷却による出力レーザＬ２の波面の変化が抑制される。
　図９は、本実施形態のレーザ増幅器１の使用方法の例を示す図である。図９においては、励起レーザは省略されている。図９に示す例では、レーザ増幅器１をアクティブミラー方式でのレーザ増幅に使用している。具体的には、入力レーザＬ１を複数（図９では４つであるがこれに限られない）のレーザ増幅器１で繰り返し反射させることで、増幅された出力レーザＬ３を得ている。上述したとおり、レーザ増幅器１は、レーザ媒質１０と緩衝部材５０とがはんだ４０を介して接合されているため、従来のレーザ増幅器などと比較して高い効率でレーザ媒質１０から放熱することができる。また、上述したとおり、はんだ４０は低ヤング率であり、緩衝部材５０の熱変位量はレーザ媒質１０の熱変位量に近いため、レーザ媒質１０と緩衝部材５０との間の熱応力が小さく、レーザの波面の変化が抑制されている。このため、レーザ増幅器１によれば、図９に示すようにアクティブミラー方式で繰り返し反射させることで、１００Ｈｚの高繰り返しで数１０～数１００Ｊの高エネルギーの出力レーザを得ることができる。
　本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
　〔まとめ〕
　本発明の態様１に係るレーザ増幅器は、レーザが入射される前面と、前記レーザが反射される背面とを有するレーザ媒質と、前記レーザ媒質と接合され、冷媒が内部を流れる放熱部材と、前記レーザ媒質と前記放熱部材との間に配置され、前記レーザ媒質の前記背面に接合され、かつ、前記放熱部材の変形に起因して前記レーザ媒質に加わる力を緩和する緩衝部材とを備え、前記緩衝部材は、モリブデン、タングステン、グラファイト、モリブデン－銅合金、タングステン－銅合金、アルミニウム－ダイヤモンド複合材、銅－ダイヤモンド複合材、または銀－ダイヤモンド複合材を含む。
　上記の構成によれば、レーザ増幅器において、レーザ媒質は、緩衝部材を介して放熱部材に接合される。緩衝部材は、放熱部材の変形に起因してレーザ媒質に加わる力を緩和する。このため、入力レーザを高エネルギーかつ高繰り返し回数としても、レーザ媒質の歪み、および当該歪みに起因する出力レーザの品質の低下が抑制される。したがって、高エネルギー、高繰り返し回数かつ高品質のレーザを得ることができる。
　また、本発明の態様２に係るレーザ増幅器は、上記態様１において、前記レーザ媒質と前記緩衝部材とは、はんだを介して互いに接合されていることが好ましい。
　上記の構成によれば、レーザ増幅器において、レーザ媒質と緩衝部材とが、例えば樹脂接着剤などと比較して熱伝導率が高いはんだを介してレーザ媒質の背面に接合される。したがって、レーザ媒質から緩衝部材へ効率よく放熱することができる。
　また、本発明の態様３に係るレーザ増幅器は、上記態様２において、前記はんだは、インジウムを含むことが好ましい。
　上記の構成によれば、はんだは、一般的にはんだとして使用される金属と比較して融点が低く、熱伝導率が高く、かつヤング率が低いインジウムを含む。このため、レーザ媒質の熱を効率よく放熱するとともに、放熱部材の変形に起因して放熱部材からレーザ媒質に加わる力を緩和することができる。
　また、本発明の態様４に係るレーザ増幅器は、上記態様３において、前記はんだは、インジウムを５０質量％より多く含むことが好ましい。
　上記の構成によれば、はんだにおけるインジウムの含有量が増加することで、レーザ媒質の熱をより効率よく放熱するとともに、放熱部材の変形に起因して放熱部材からレーザ媒質に加わる力をさらに緩和することができる。
　また、本発明の態様５に係るレーザ増幅器は、上記態様３において、前記はんだは、インジウムを９５質量％より多く含むことが好ましい。
　上記の構成によれば、はんだにおけるインジウムの含有量がさらに増加することで、レーザ媒質の熱をより効率よく放熱するとともに、放熱部材の変形に起因して放熱部材からレーザ媒質に加わる力をさらに緩和することができる。
　また、本発明の態様６に係るレーザ増幅器は、態様１から５のいずれかにおいて、前記背面および前記緩衝部材の表面の少なくとも一方に、当該背面と当該放熱部材の表面との、前記はんだにより接合される１以上の被接合層が形成されていることが好ましい。
　上記の構成によれば、レーザ媒質および緩衝部材の一方が、はんだにより直接は接合しにくい材質であっても、被接合層を介して良好に接合することができる。
　また、本発明の態様７に係るレーザ増幅器は、上記態様６において、前記背面および前記緩衝部材の表面の両方に、前記１以上の被接合層が形成されていることが好ましい。
　上記の構成によれば、レーザ媒質および緩衝部材の両方がはんだにより直接は接合しにくい材質であっても、被接合層を介して良好に接合することができる。
　また、本発明の態様８に係るレーザ増幅器は、上記態様６または７において、前記１以上の被接合層は、ニッケル膜を含むことが好ましい。
　上記の構成によれば、被接合層は、インジウムと良好に接合可能なニッケル膜を含むため、被接合層を介してレーザ媒質および緩衝部材を良好に接合することができる。
　また、本発明の態様９に係るレーザ増幅器は、上記態様１から８のいずれかにおいて、前記放熱部材は、銅で形成されていることが好ましい。
　上記の構成によれば、熱伝導率が高い材料である銅により放熱部材が形成されるため、レーザ媒質から緩衝部材を経由して到達した熱が速やかに冷媒へ伝導される。
　また、本発明の態様１０に係るレーザ増幅器は、上記態様１から９のいずれかにおいて、前記冷媒は、液体窒素または気体ヘリウムであることが好ましい。
　上記の構成によれば、レーザ媒質を十分に冷却することができる。
　１　レーザ増幅器
　１０　レーザ媒質
　１１　前面
　１２　背面
　２０　ヒートシンク（放熱部材）
　３１　チタン膜（被接合層）
　３２　銅膜（被接合層）
　３３　ニッケル膜（被接合層）
　４０　はんだ
　５０　緩衝部材

Claims (10)

  1. 　レーザが入射される前面と、前記レーザが反射される背面とを有するレーザ媒質と、
    　前記レーザ媒質と接合され、冷媒が内部を流れる放熱部材と、
    　前記レーザ媒質と前記放熱部材との間に配置され、前記レーザ媒質の前記背面に接合され、かつ、前記放熱部材の変形に起因して前記レーザ媒質に加わる力を緩和する緩衝部材とを備え、
    　前記緩衝部材は、モリブデン、タングステン、グラファイト、モリブデン－銅合金、タングステン－銅合金、アルミニウム－ダイヤモンド複合材、銅－ダイヤモンド複合材、または銀－ダイヤモンド複合材を含むことを特徴とするレーザ増幅器。
  2. 　前記レーザ媒質と前記緩衝部材とは、はんだを介して互いに接合されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ増幅器。
  3. 　前記はんだは、インジウムを含むことを特徴とする請求項２に記載のレーザ増幅器。
  4. 　前記はんだは、インジウムを５０質量％以上含むことを特徴とする請求項３に記載のレーザ増幅器。
  5. 　前記はんだは、インジウムを９５質量％より多く含むことを特徴とする請求項３に記載のレーザ増幅器。
  6. 　前記背面および前記緩衝部材の表面の少なくとも一方に、当該背面と当該放熱部材の表面との、前記はんだにより接合される１以上の被接合層が形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のレーザ増幅器。
  7. 　前記背面および前記緩衝部材の表面の両方に、前記１以上の被接合層が形成されていることを特徴とする請求項６に記載のレーザ増幅器。
  8. 　前記１以上の被接合層は、ニッケル膜を含むことを特徴とする請求項６または７に記載のレーザ増幅器。
  9. 　前記放熱部材は、銅で形成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のレーザ増幅器。
  10. 　前記冷媒は、液体窒素または気体ヘリウムであることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載のレーザ増幅器。
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