JP2004356479A - Laser equipment - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザー装置に係り、さらに詳しくは、固体レーザー装置、半導体レーザー励起固体レーザー装置の放熱装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
レーザー装置のうち、固体レーザー装置、特に、半導体レーザー励起固体レーザーは、それまでのランプ励起固体レーザーと比較すると、効率が高く、小型化、及び放熱(排熱)問題が大きく緩和された。しかしながら、更なる高性能化を図るためには局所的に発生する放熱問題を解決する必要がある。
【0003】
図10は従来のレーザー装置の放熱部の断面図である。
【0004】
ここでは、利得媒質1にYb:YAG結晶を用いた装置について説明する。
【0005】
利得媒質(Yb:YAG結晶)101は、厚み200μm程度まで薄く研磨し、その片面に励起波長とレーザー発振波長に対し無反射(AR)のARコーティング層102を施し、もう一方の片面には、両波長に対し高反射(HR)のHRコーティング層103を施し、これを放熱のためにCu製のヒートシンク104にマウントする。その際、誘電体多層膜のHRコーティング層103面とヒートシンク104との密着を良くするためインジウム(In)層105を挟み込みに用いている。
【0006】
【非特許文献1】
STEWEN et al.,A 1−kW CW Thin Disc Laser,IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICSIN QUANTUM ELECTRONICS,Vol.6,No.4,July/August 2000
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したレーザー装置において用いるIn層105は大気中で酸化し易く、利得媒質101(Yb:YAG結晶)とヒートシンク104間のコンタクトの品質もばらつきが大きいため、実用性に欠けていた。さらに、この問題を緩和するため、Inを融点まで加熱し、接合の均一性を図ろうとする場合には、Inがマイグレートし、誘電体多層膜のHRコーティング層103を劣化させるという問題があった。
【0008】
また、従来、固体レーザーは高出力、高性能、多機能であったが、製造・調整が難しく、低価格化、量産化は不可能とされていた。
【0009】
本発明は、上記状況に鑑み、熱抵抗の低いコンタクトが安定にでき、信頼性の高い放熱を行うことができるレーザー装置を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔1〕誘導放出を促すための光共振器と、この光共振器内に誘導放出のための利得媒質を配置し、この利得媒質を励起する光源を具備するレーザー装置において、励起に付随し前記利得媒質より発生する熱を除去するために、ヒートシンクと前記利得媒質との接合部に複数の薄い金属層を含むことを特徴とする。
【0011】
〔2〕上記〔1〕記載のレーザー装置において、前記利得媒質にレーザー共振器を構成するために施した誘電体多層膜コーティング層と前記金属層間に熱伝導率の高い酸化膜を具備することを特徴とする。
【0012】
〔3〕上記〔1〕記載のレーザー装置において、前記熱伝導率の高い酸化膜がサファイア(Al2 O3 )であることを特徴とする。
【0013】
〔4〕上記〔1〕記載のレーザー装置において、前記金属層としてCr、Ni、Auの組み合わせ、またはTi、Pt、Auの組み合わせ、またはCr、Pt、Auの組み合わせを用い、AuとSn、GeまたはSiを合金化させることにより前記利得媒質とヒートシンクを融着させる融着層を有することを特徴とする。
【0014】
〔5〕上記〔4〕記載のレーザー装置において、前記金属層としてCr、Ni、Auの組み合わせ、またはTi、Pt、Auの組み合わせ、またはCr、Pt、Auの組み合わせを用い、InとAgまたはSnまたはPbまたはGeを合金化させることにより前記利得媒質とヒートシンクを融着させる融着層を有することを特徴とする。
【0015】
〔6〕上記〔4〕記載のレーザー装置において、前記金属層としてCr、Ni、Auの組み合わせ、またはTi、Pt、Auの組み合わせ、またはCr、Pt、Auの組み合わせを用い、AlとSiとを合金化させることにより前記利得媒質とヒートシンクを融着させる融着層を有することを特徴とする。
【0016】
〔7〕上記〔4〕、〔5〕又は〔6〕記載のレーザー装置において、前記ヒートシンクと利得媒質との融着層の間にカーボン系の複合材料層を配置し、前記複数の金属層で融着させることを特徴とする。
【0017】
〔8〕上記〔7〕記載のレーザー装置において、前記カーボン系の複合材料層がダイヤモンド層であることを特徴とする。
【0018】
〔9〕上記〔1〕記載のレーザー装置において、前記利得媒質は、発光中心として用いる添加希土類イオンをYbやNdさらにはEr,Tm,Ho,Ce等の希土類とし、母材として用いる結晶をYAG,YSGG,YSAG,GSGG,GGGなどのガーネット系、YVO4 ,GdVO4 などのバナデート系、KYW,KGWなどのタングステート系、YLFなどのリチウムフロライド系、及び硝子系、またはこれらを組み合わせた系であることを特徴とする。
【0019】
〔10〕上記〔1〕記載のレーザー装置において、前記利得媒質は、光励起によるGaAs,GaAsP,GaP,GaN,InGaN,AlGaNなどの半導体材料であることを特徴とする。
【0020】
〔11〕上記〔1〕記載のレーザー装置において、前記ヒートシンクとして、CuまたはCuW,CuMoなどのCu系の金属材料、またはSiCなどのカーボン系材料を用いることを特徴とする。
【0021】
〔12〕上記〔1〕記載のレーザー装置において、前記利得媒質を励起するための半導体レーザーを前記利得媒質と同一のヒートシンク上に配置することを特徴とする。
【0022】
〔13〕上記〔12〕記載のレーザー装置において、前記半導体レーザーが前記利得媒質の周囲に配置されることを特徴とする。
【0023】
〔14〕上記〔1〕記載のレーザー装置において、前記利得媒質に接続される光導波部と、この光導波部に対応した位置に配置される半導体レーザーとを前記利得媒質と同一のヒートシンク上に配置することを特徴とする。
【0024】
〔15〕上記〔1〕記載のレーザー装置において、前記利得媒質と接続される擬似位相整合による非線形波長変換素子とを同一のヒートシンク上に配置することを特徴とする。
【0025】
〔16〕上記〔1〕から〔15〕の何れか1項記載のレーザー装置において、前記ヒートシンクに冷却溶媒が流れる細かい溝を多数形成することを特徴とする。
【0026】
〔17〕上記〔16〕記載のレーザー装置において、前記細かい溝の幅を1nm以上10mm以下とすることを特徴とする。
【0027】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るレーザー装置の放熱を行う接合部の実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。
【0028】
図1は本発明に係るレーザー装置の構成図であり、図1(a)はその全体模式図、図1(b)はその断面図である。
【0029】
これらの図において、1は励起光導波素子、2はその励起光導波素子1内に誘導放出のための利得媒質、3はヒートシンク、4が本発明にかかる利得媒質2から発生する大量の熱をヒートシンク3へ放熱させる複数の薄い金属層からなる接合部、5は励起放射光、6はレーザー放射光、7は出力カプラーである。
【0030】
上記したように、励起放射光5が励起光導波素子1を介して利得媒質2に作用することにより、利得媒質2からレーザー放射光6を生成するようにしている。
【0031】
その利得媒質2の発熱量が極めて多くなるため、接合部4を介してヒートシンク3へスムーズな放熱をさせるようにしている。
【0032】
以下、その放熱を行う接合部の具体的構成について説明する。
【0033】
図2は本発明の第1実施例を示すレーザー装置の放熱を行う接合部の断面図である。
【0034】
ここでは、利得媒質11にYb:YAG結晶を用いた装置について説明する。利得媒質11(Yb:YAG結晶)は厚み200μmまで薄く研磨し(ここでは、図10に示した従来技術の結晶厚と同一にしたが、これより薄くても、もっと厚くても構わない)、その片面に励起波長とレーザー発振波長に対し無反射(AR)のARコーティング層12を施し、もう片面には両波長に対し高反射(HR)のHRコーティング層13を施し、これを放熱のためにCu製のヒートシンク17にマウントする。
【0035】
ここでは、低い熱抵抗を維持しつつ、誘電体多層膜のHRコーティング層13面とヒートシンク17との密着を良くするため、複数の金属層15,16,19を介在させる。その際、誘電体多層膜のHRコーティング層13と金属層15,16,19間に保護層としてサファイア(Al2 O3 )などの熱伝導率の高い酸化膜14を100〜9000Å程度形成することで、昇温時に金属層15,16,19がマイグレートし、誘電体多層膜のHRコーティング層13にダメージを与えることを防ぐ。
【0036】
上記した金属層15,16,19としては、熱伝導率の高い酸化膜14の次にCrまたはTi層15を10〜900Å、次にNiまたはPt層16を100〜9000Å、最後にAu層19Aを薄く形成する。
【0037】
一方、CuまたはCuW製のヒートシンク17には、先ず、Ni層18を0.1〜10μm、次にAu層19Bを薄く形成し、その上にAuとSnの層19Cを形成する。このとき、Au層19A,19BおよびAuとSnの層19Cを接触させ、融点付近まで昇温する。すると、AuとSnの合金化が行われ、Au層19A,19BとAuとSnの層19Cが融合されたAuとその合金層19が0.1〜10μm形成される。それにより、熱伝導率が高く、密着性、均一性の高い接合が可能となる。
【0038】
この実施例では、利得媒質11の発光中心として用いる添加希土類イオンをYbとしたが、この他NdさらにはEr,Tm,Ho,Ce等の希土類を添加するようにしてもよい。また、母材として用いる結晶をYAGとしたが、この他YSGG,YSAG,GSGG,GGGなどのガーネット系、YVO4 ,GdVO4 などのバナデート系、KYW,KGWなどのタングステート系、YLFなどのリチウムフロライド系、及び硝子系、またはこれらを組み合わせた系に対しても有効である。さらにはGaAs,GaAsP,GaP,GaN,InGaN,AlGaNなどの半導体材料を光励起する場合も有用である。
【0039】
また、金属層(15,16,19)として、Cr(15)、Ni(16)、Au(19)の組み合わせを例としたが、この他、Ti(15)、Pt(16)、Au(19)の組み合わせ、またはCr(15)、Pt(16)、Au(19)の組み合わせを用い、前記Au(19A,19B)に対しSn(19C)の他にGeまたはSiと合金化させることにより、利得媒質11とヒートシンク17を融着させることも有効である。
【0040】
更には、利得媒質11とヒートシンク17の融着法として、ここでは、AuとSnを合金化したが、他の組み合わせとして、InとAgまたはSnまたはPbまたはGeを合金化させることや、AlとSiとを合金化させることも有効と考えられる。
【0041】
また、レーザー共振器を構成するために施した誘電体多層膜のHRコーティング層13を保護する目的で形成したサファイア(Al2 O3 )層14であるが、この他にも熱伝導率、強度の高い酸化膜14であればサファイア(Al2 O3 )層には限らない。
【0042】
図3は本発明の第2実施例を示すレーザー装置の放熱部の断面図である。
【0043】
この図において、20,21はAuとその合金層であり、材料としては、第1実施例のAuとその合金層19と同様である。22はAuとその合金層20と21間に接合されるダイヤモンドと金属複合材料層である。
【0044】
この実施例では、図3に示すように、一般的な金属材料よりも高い熱伝導率を有するダイヤモンド(ダイヤモンドとその金属複合材料層)22を金属層であるAuとその合金層20と21間に挿入することで放熱効率をさらに高めることができる。
【0045】
図4は本発明の第3実施例を示すレーザー装置の構成図であり、図4(a)はその上面図、図4(b)はその断面図である。
【0046】
これらの図において、31は利得媒質(Yb:YAG結晶)、32は誘電体多層膜のHRコーティング層、33は利得媒質31の周囲に配置される利得媒質31を励起するための励起光源としての半導体レーザー、34はこれらの利得媒質31および半導体レーザー33に共通のヒートシンク、35はこれらの利得媒質31および半導体レーザー33を共通に接合する接合部であり、上記第1、第2実施例に示したものと同様の構成を有する。
【0047】
このように、この実施例においては、利得媒質31を励起するための半導体レーザー33を利得媒質31と共通のヒートシンク34上に接合部35により一体的に配置するようにしている。
【0048】
図5は本発明の第4実施例を示すレーザー装置の構成図であり、図5(a)はその上面図、図5(b)はその断面図である。
【0049】
これらの図において、41は利得媒質(Yb:YAG結晶)、42は励起光導波部(YAGやガラス)、43は誘電体多層膜のHRコーティング層、44は励起光導波部42に対応した位置に配置される、利得媒質41を励起するための励起光源としてのアレイ型半導体レーザー、45はこれらの利得媒質41、励起光導波部42およびアレイ型半導体レーザー44に共通のヒートシンク、46はこれらの利得媒質41、励起光導波部42およびアレイ型半導体レーザー44を共通に接合する接合部であり、上記第1、第2実施例に示したものと同様の構成を有する。
【0050】
このように、この実施例においては、利得媒質41、励起光導波部42およびアレイ型半導体レーザー44を共通のヒートシンク45上に接合部46により一体的に配置するようにしている。
【0051】
図6は本発明の第5実施例を示すレーザー装置の構成図であり、図6(a)はその上面図、図6(b)はその断面図である。
【0052】
これらの図において、51は利得媒質(Yb:YAG結晶)、52は利得媒質51に接続される擬似位相整合による非線形波長変換素子、53は誘電体多層膜のHRコーティング層、54はこれらの利得媒質51および非線形波長変換素子52に共通のヒートシンク、55はこれらの利得媒質51および非線形波長変換素子52を共通に接合する接合部であり、上記第1、第2実施例に示したものと同様の構成を有する。
【0053】
このように、この実施例においては、利得媒質51および非線形波長変換素子52を共通のヒートシンク54上に接合部55により一体的に配置するようにしている。
【0054】
また、以下に示すように、スラブレーザーにも適用可能である。
【0055】
図7は本発明の第6実施例を示すレーザー装置の接合部の断面図である。
【0056】
この実施例では、利得媒質61を中心にして、その両側に、サファイヤ(AlO3 )またはSiO2 の熱伝導率、強度の高い酸化膜14′、CrまたはTi層15、NiまたはPt層16、Auとその合金層19、Ni層18を介してヒートシンク17に接合するようにしている。
【0057】
図8は本発明の第7実施例を示すレーザー装置の接合部の断面図である。
【0058】
この実施例では、利得媒質71を中心にして、その両側に、サファイヤ(AlO3 )またはSiO2 の熱伝導率、強度の高い酸化膜14′、CrまたはTi層15、NiまたはPt層16、Auとその合金層20、ダイヤモンドと金属複合材料層22、Auとその合金層21、Ni層18を介してヒートシンク17に接合するようにしている。
【0059】
図7および図8に示したように、本発明は、スラブレーザーにも用いることができ、容易に性能改善を図ることができる。
【0060】
図9は本発明の第8実施例を示すレーザー装置のヒートシンクの斜視図である。
【0061】
この図に示すように、四角形状のヒートシンク81にはその上側にトライプ状の細かい溝82が形成される。なお、その溝82の幅は1nm以上10mm以下とする。
【0062】
そこで、利得媒質83の下部の複数の薄い金属層を有する接合部84はそのストライプ状の細かい溝82が形成される四角形状のヒートシンク81に接合され、そのストライプ状の細かい溝82に冷却溶媒を流すことにより、より放熱効果を高めることができる。
【0063】
また、上記実施例では、ヒートシンクの材料は、CuまたはCuWを示したが、これに代えて、CuMoなどのCu系の金属材料、またはSiCなどのカーボン系材料を用いるようにしてもよい。
【0064】
このように、本発明によれば、利得媒質に施した誘電体多層膜コーティング層と金属層の間に保護層を配置し、さらに密着性、強度、熱伝導率を確保するため誘電体多層膜コーティング層にダメージを与えない程度に低い融点を持つ複数の薄い金属層を形成してヒートシンクにコンタクトさせることとした。この場合、コンタクトが均一になるようヒートシンクにも、ヒートシンクよりも融点の低い薄い金属層を形成する必要がある。最後に両者を溶融接合させることで、高品質で熱抵抗の低いコンタクトが安定にできる。
【0065】
また、ダイヤモンドは非常に高い熱伝導率を有するが加工が困難である。そこで、加工の容易な金属製のヒートシンクと利得媒質間にダイヤモンドの合成物質を挟み込み、上記した方法でそれらの表面に形成した薄い金属層を溶融接合する。それにより、より高い放熱特性を有するコンタクトを可能とする。
【0066】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【0067】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【0068】
(A)薄い板状の利得媒質の放熱特性を向上させるための高性能コンタクトが可能になる。これにより簡便な方法で固体レーザーの高出力化、高ビーム品質化が可能となる。加えて、半導体レーザー素子を放熱用のヒートシンクにコンタクトする方法を基本としているため低価格化、量産化が可能になる。
【0069】
(B)熱膨張係数が利得媒質と近く、高い熱伝導率を有するダイヤモンドの複合材料を介在させることで、機械的な歪みを緩和しつつ高効率な排熱を可能とする。
【0070】
(C)半導体レーザーと共通のプロセスにより同一ヒートシンクにコンタクトすることが可能なため、小型堅牢で安定なレーザー装置が望めるだけでなく、従来の固体レーザーと同程度以上の装置が簡便、大量に製造できるため経済性も高い。
【0071】
(D)本発明はスラブレーザー等にも適用可能であり、容易に性能改善を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にかかるレーザー装置の全体構成図である。
【図2】本発明の第1実施例を示すレーザー装置の放熱部の断面図である。
【図3】本発明の第2実施例を示すレーザー装置の放熱部の断面図である。
【図4】本発明の第3実施例を示すレーザー装置の構成図である。
【図5】本発明の第4実施例を示すレーザー装置の構成図である。
【図6】本発明の第5実施例を示すレーザー装置の構成図である。
【図7】本発明の第6実施例を示すレーザー装置の接合部の断面図である。
【図8】本発明の第7実施例を示すレーザー装置の接合部の断面図である。
【図9】本発明の第8実施例を示すレーザー装置のヒートシンクに形成される冷却溶媒が流れる細かい溝を示す斜視図である。
【図10】従来のレーザー装置の放熱部の断面図である。
【符号の簡単な説明】
1 励起光導波素子
2,11,31,41,51,61,71,83 利得媒質
3,17,34,45,54 ヒートシンク
4,35,46,55,84 接合部
5 励起放射光
6 レーザー放射光
7 出力カプラー
12 無反射(AR)コーティング層
13,32,43,53 高反射(HR)コーティング層
14,14′ 熱伝導率の高い酸化膜
15 CrまたはTi層
16 NiまたはPt層
18 Ni層
19,20,21 Auとその合金層
22 ダイヤモンド(ダイヤモンドと金属複合材料層)
33 励起光源としての半導体レーザー
42 励起光導波部(YAGやガラス)
44 励起光源としてのアレイ型半導体レーザー
52 擬似位相整合による非線形波長変換素子
81 四角形状のヒートシンク
82 ストライプ状の細かい溝[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a laser device, and more particularly to a heat radiation device for a solid-state laser device and a semiconductor laser-excited solid-state laser device.
[0002]
[Prior art]
Among laser devices, solid laser devices, particularly semiconductor laser pumped solid lasers, are more efficient than conventional lamp pumped solid lasers, and the size reduction and heat dissipation (exhaust heat) problems are greatly alleviated. However, in order to achieve higher performance, it is necessary to solve the locally generated heat dissipation problem.
[0003]
FIG. 10 is a cross-sectional view of a heat radiating portion of a conventional laser device.
[0004]
Here, an apparatus using a Yb: YAG crystal as the gain medium 1 will be described.
[0005]
The gain medium (Yb: YAG crystal) 101 is thinly polished to a thickness of about 200 μm, and is provided with an AR coating layer 102 that is non-reflective (AR) with respect to the excitation wavelength and the laser oscillation wavelength on one side, and on the other side, A high reflection (HR) HR coating layer 103 is applied to both wavelengths, and this is mounted on a heat sink 104 made of Cu for heat dissipation. At that time, an indium (In) layer 105 is used for sandwiching in order to improve the adhesion between the surface of the HR coating layer 103 of the dielectric multilayer film and the heat sink 104.
[0006]
[Non-Patent Document 1]
STEWEN et al. , A 1-kW CW Thin Disc Laser, IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS QUANTUM ELECTRONICS, Vol. 6, no. 4, July / August 2000
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, the In layer 105 used in the above-described laser device is easily oxidized in the atmosphere, and the quality of the contact between the gain medium 101 (Yb: YAG crystal) and the heat sink 104 varies greatly. Furthermore, in order to alleviate this problem, when heating In to the melting point and attempting to achieve uniform bonding, In migrates, there is a problem that the HR coating layer 103 of the dielectric multilayer film is deteriorated. It was.
[0008]
In the past, solid-state lasers had high output, high performance, and multiple functions. However, they were difficult to manufacture and adjust, making it impossible to reduce the price and mass production.
[0009]
In view of the above situation, an object of the present invention is to provide a laser device capable of stably making a contact with low thermal resistance and performing heat radiation with high reliability.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides
[1] In a laser apparatus comprising an optical resonator for promoting stimulated emission and a gain medium for stimulated emission in the optical resonator, and a light source for exciting the gain medium, In order to remove heat generated from the gain medium, a plurality of thin metal layers are included at the junction between the heat sink and the gain medium.
[0011]
[2] The laser device according to [1], wherein the gain medium is provided with a dielectric multilayer coating layer applied to form a laser resonator and an oxide film having high thermal conductivity between the metal layers. Features.
[0012]
[3] The laser device according to [1], wherein the oxide film having high thermal conductivity is sapphire (Al 2 O 3 ).
[0013]
[4] In the laser apparatus according to [1], Au, Sn, Ge, or a combination of Cr, Ni, Au, Ti, Pt, Au, or Cr, Pt, Au is used as the metal layer. Or it has the fusion | melting layer which fuses the said gain medium and a heat sink by alloying Si, It is characterized by the above-mentioned.
[0014]
[5] In the laser device according to [4], a combination of Cr, Ni, and Au, a combination of Ti, Pt, and Au, or a combination of Cr, Pt, and Au is used as the metal layer, and In and Ag or Sn. Or it has a fusion layer which fuses the gain medium and a heat sink by alloying Pb or Ge.
[0015]
[6] In the laser apparatus according to [4], Al and Si are used as the metal layer by using a combination of Cr, Ni, Au, Ti, Pt, Au, or Cr, Pt, Au. It has a fusion layer that fuses the gain medium and the heat sink by alloying.
[0016]
[7] In the laser device according to [4], [5], or [6], a carbon-based composite material layer is disposed between a fusion layer between the heat sink and the gain medium, and the plurality of metal layers are used. It is characterized by being fused.
[0017]
[8] The laser device according to [7], wherein the carbon-based composite material layer is a diamond layer.
[0018]
[9] In the laser device according to [1], the gain medium may be Yb, Nd, or rare earth such as Er, Tm, Ho, Ce, or the like used as an emission center, and a crystal used as a base material may be YAG. , YSGG, YSAG, GSGG, garnet such as GGG, YVO 4, GdVO 4 vanadate systems such as, KYW, tungstate system such KGW, systems that combine lithium fluoride systems such as YLF, and glass-based, or these It is characterized by being.
[0019]
[10] The laser device according to [1], wherein the gain medium is a semiconductor material such as GaAs, GaAsP, GaP, GaN, InGaN, or AlGaN by optical excitation.
[0020]
[11] The laser device according to [1], wherein a Cu-based metal material such as Cu, CuW, or CuMo, or a carbon-based material such as SiC is used as the heat sink.
[0021]
[12] The laser device according to [1], wherein a semiconductor laser for exciting the gain medium is disposed on the same heat sink as the gain medium.
[0022]
[13] The laser device according to [12], wherein the semiconductor laser is arranged around the gain medium.
[0023]
[14] The laser device according to [1], wherein an optical waveguide connected to the gain medium and a semiconductor laser disposed at a position corresponding to the optical waveguide are disposed on the same heat sink as the gain medium. It is characterized by arranging.
[0024]
[15] The laser device according to [1], wherein a non-linear wavelength conversion element by pseudo phase matching connected to the gain medium is disposed on the same heat sink.
[0025]
[16] The laser device according to any one of [1] to [15], wherein a number of fine grooves through which a cooling solvent flows are formed in the heat sink.
[0026]
[17] The laser device according to [16], wherein a width of the fine groove is 1 nm or more and 10 mm or less.
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of a joining portion that performs heat dissipation of a laser device according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0028]
FIG. 1 is a configuration diagram of a laser apparatus according to the present invention, FIG. 1 (a) is an overall schematic view thereof, and FIG. 1 (b) is a sectional view thereof.
[0029]
In these figures, 1 is a pumping light waveguide element, 2 is a gain medium for stimulated emission in the pumping
[0030]
As described above, the
[0031]
Since the heat generation amount of the
[0032]
Hereinafter, a specific configuration of the joint that performs the heat dissipation will be described.
[0033]
FIG. 2 is a cross-sectional view of a joint portion for performing heat dissipation of the laser apparatus according to the first embodiment of the present invention.
[0034]
Here, an apparatus using a Yb: YAG crystal as the gain medium 11 will be described. The gain medium 11 (Yb: YAG crystal) is polished thinly to a thickness of 200 μm (here, it is the same as the crystal thickness of the prior art shown in FIG. 10, but it may be thinner or thicker), An AR coating layer 12 that is non-reflective (AR) with respect to the excitation wavelength and the laser oscillation wavelength is applied on one side, and a HR coating layer 13 that is highly reflective (HR) is applied to both wavelengths on the other side, which is used for heat dissipation. And mounted on a heat sink 17 made of Cu.
[0035]
Here, a plurality of metal layers 15, 16, and 19 are interposed in order to improve adhesion between the surface of the HR coating layer 13 of the dielectric multilayer film and the heat sink 17 while maintaining a low thermal resistance. At that time, the
[0036]
As the metal layers 15, 16, and 19, the Cr or Ti layer 15 is next 10 to 900 mm, the Ni or Pt layer 16 is 100 to 9000 mm, and finally the
[0037]
On the other hand, on the heat sink 17 made of Cu or CuW, first, the
[0038]
In this embodiment, the added rare earth ion used as the emission center of the gain medium 11 is Yb. However, other rare earth ions such as Nd and Er, Tm, Ho, and Ce may be added. Moreover, although the crystal used as a base material and YAG, the other YSGG, YSAG, GSGG, garnet such as GGG, YVO 4, GdVO 4 Vanadate systems such as, KYW, tungstate system such KGW, lithium such as YLF It is also effective for a fluoride system, a glass system, or a combination thereof. Furthermore, it is also useful when optically exciting semiconductor materials such as GaAs, GaAsP, GaP, GaN, InGaN, and AlGaN.
[0039]
Further, as the metal layer (15, 16, 19), a combination of Cr (15), Ni (16), and Au (19) is taken as an example, but in addition, Ti (15), Pt (16), Au ( 19) or a combination of Cr (15), Pt (16), and Au (19), and alloying Ge (Si) in addition to Sn (19C) with respect to Au (19A, 19B). It is also effective to fuse the gain medium 11 and the heat sink 17 together.
[0040]
Furthermore, as a method of fusing the gain medium 11 and the heat sink 17, here, Au and Sn are alloyed. However, as other combinations, alloying of In and Ag or Sn or Pb or Ge, or Al and It is also considered effective to alloy Si.
[0041]
Although a sapphire (
[0042]
FIG. 3 is a cross-sectional view of the heat radiating portion of the laser apparatus showing the second embodiment of the present invention.
[0043]
In this figure, 20 and 21 are Au and its alloy layer, and it is the same material as Au and its alloy layer 19 of 1st Example. Reference numeral 22 denotes a diamond-metal composite material layer bonded between Au and its alloy layers 20 and 21.
[0044]
In this embodiment, as shown in FIG. 3, diamond (diamond and its metal composite material layer) 22 having a higher thermal conductivity than a general metal material is used as a metal layer between Au and its alloy layers 20 and 21. The heat dissipation efficiency can be further increased by inserting the cable into the.
[0045]
Figure 4 is a block diagram of a laser apparatus according to the third embodiment of the present invention, FIG. 4 (a) is a top view thereof, FIG. 4 (b) is a cross-sectional view thereof.
[0046]
In these figures, 31 is a gain medium (Yb: YAG crystal), 32 is an HR coating layer of a dielectric multilayer film, 33 is an excitation light source for exciting the
[0047]
Thus, in this embodiment, the
[0048]
FIG. 5 is a block diagram of a laser apparatus showing a fourth embodiment of the present invention. FIG. 5 (a) is a top view thereof, and FIG. 5 (b) is a sectional view thereof.
[0049]
In these figures, 41 is a gain medium (Yb: YAG crystal), 42 is an excitation light waveguide (YAG or glass), 43 is an HR coating layer of a dielectric multilayer film, and 44 is a position corresponding to the
[0050]
As described above, in this embodiment, the
[0051]
6A and 6B are configuration diagrams of a laser apparatus according to a fifth embodiment of the present invention. FIG. 6A is a top view and FIG. 6B is a cross-sectional view.
[0052]
In these drawings, 51 is a gain medium (Yb: YAG crystal), 52 is a non-linear wavelength conversion element by pseudo phase matching connected to the
[0053]
Thus, in this embodiment, the
[0054]
Moreover, as shown below, it is applicable also to a slab laser.
[0055]
FIG. 7 is a cross-sectional view of a joint portion of a laser apparatus showing a sixth embodiment of the present invention.
[0056]
In this embodiment, a sapphire (AlO 3 ) or SiO 2 thermal conductivity, a strong oxide film 14 ′, a Cr or Ti layer 15, a Ni or Pt layer 16, It joins to the heat sink 17 through Au, its alloy layer 19, and the
[0057]
FIG. 8 is a cross-sectional view of a joint portion of a laser apparatus showing a seventh embodiment of the present invention.
[0058]
In this embodiment, sapphire (AlO 3 ) or SiO 2 thermal conductivity, high strength oxide film 14 ′, Cr or Ti layer 15, Ni or Pt layer 16 are formed on both sides of the gain medium 71 as a center. It joins to the heat sink 17 through Au and its alloy layer 20, diamond and metal composite material layer 22, Au and its alloy layer 21, and
[0059]
As shown in FIGS. 7 and 8, the present invention can also be used for a slab laser, and the performance can be easily improved.
[0060]
FIG. 9 is a perspective view of a heat sink of a laser apparatus showing an eighth embodiment of the present invention.
[0061]
As shown in this figure, a
[0062]
Therefore, the joint 84 having a plurality of thin metal layers below the
[0063]
Moreover, in the said Example, although the material of the heat sink showed Cu or CuW, it may replace with this and may be made to use carbon-type materials, such as Cu-type metal materials, such as CuMo, or SiC.
[0064]
As described above, according to the present invention, a protective multilayer is disposed between the dielectric multilayer coating layer applied to the gain medium and the metal layer, and in addition, in order to ensure adhesion, strength, and thermal conductivity, the dielectric multilayer film A plurality of thin metal layers having a melting point low enough not to damage the coating layer were formed and contacted with the heat sink. In this case, it is necessary to form a thin metal layer having a lower melting point than the heat sink so that the contacts are uniform. Finally, by melting and bonding the two, a high-quality contact with low thermal resistance can be stabilized.
[0065]
Diamond also has a very high thermal conductivity, but is difficult to process. Therefore, a diamond synthetic material is sandwiched between a metal heat sink and a gain medium, which are easy to process, and a thin metal layer formed on the surface thereof is melt-bonded by the above-described method. Thereby, a contact having higher heat dissipation characteristics is made possible.
[0066]
In addition, this invention is not limited to the said Example, A various deformation | transformation is possible based on the meaning of this invention, and these are not excluded from the scope of the present invention.
[0067]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, the following effects can be obtained.
[0068]
(A) A high-performance contact for improving the heat dissipation characteristics of a thin plate-like gain medium is possible. This makes it possible to increase the output and the beam quality of the solid-state laser by a simple method. In addition, since the method of contacting the semiconductor laser element with a heat sink for heat dissipation is a basic method, it is possible to reduce the price and mass production.
[0069]
(B) By interposing a diamond composite material having a thermal expansion coefficient close to that of the gain medium and having a high thermal conductivity, high-efficiency exhaust heat can be achieved while reducing mechanical distortion.
[0070]
(C) Since it is possible to contact the same heat sink with the same process as the semiconductor laser, not only can a small, robust and stable laser device be desired, but also a device that is at least as high as a conventional solid-state laser can be manufactured easily and in large quantities. Economical because it can.
[0071]
(D) The present invention can be applied to a slab laser or the like, and can easily improve performance.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a laser apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a heat radiating portion of the laser apparatus showing the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view of a heat radiating portion of a laser apparatus showing a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a configuration diagram of a laser apparatus showing a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a block diagram of a laser apparatus showing a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a block diagram of a laser apparatus showing a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view of a joint portion of a laser apparatus showing a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a sectional view of a joint portion of a laser apparatus showing a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a perspective view showing fine grooves formed in a heat sink of a laser apparatus according to an eighth embodiment of the present invention through which a cooling solvent flows.
FIG. 10 is a cross-sectional view of a heat radiation part of a conventional laser device.
[Brief description of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Excitation
33
44 Array
Claims (17)
励起に付随し前記利得媒質より発生する熱を除去するために、ヒートシンクと前記利得媒質との接合部に複数の薄い金属層を含むことを特徴とするレーザー装置。In a laser apparatus comprising an optical resonator for promoting stimulated emission, a gain medium for stimulated emission arranged in the optical resonator, and a light source for exciting the gain medium,
A laser apparatus comprising a plurality of thin metal layers at a junction between a heat sink and the gain medium in order to remove heat generated by the gain medium accompanying excitation.
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