JP2022182829A - Ｑスイッチ構造体及びｑスイッチ構造体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 レーザー装置の小型化に寄与し、かつ高いビーム品質を有するＱスイッチ構造体を提供する。【解決手段】 固体レーザー媒体と、磁気光学材と、を備え、前記固体レーザー媒体と前記磁気光学材が接合一体化されたＱスイッチ構造体であって、前記固体レーザー媒体の一面に第１の対接着剤反射防止膜が形成されており、前記磁気光学材の一面に第２の対接着剤反射防止膜が形成されており、前記固体レーザー媒体の第１の対接着剤反射防止膜と、前記磁気光学材の第２の対接着剤反射防止膜が、前記固体レーザー媒体から発振されるレーザーのレーザー発振波長において透光性を有する透光性材料を介して接着されているものであるＱスイッチ構造体。【選択図】 図１
Description
本発明は、Ｑスイッチ構造体及びＱスイッチ構造体の製造方法に関する。
近年、光計測や光磁気記録等のレーザー応用機器において、光源であるレーザー媒体の高出力化と小型化が課題となっている。小型化且つ高出力化の観点で磁気光学材（「ＭＯ材」とも呼ばれる）を発信機構としたＱスイッチが注目を集めている。
Ｑスイッチを具備するレーザー装置として、第１共振ミラーと固体レーザー材料とＱスイッチと第２共振ミラーを、その順序で配置したレーザー装置が知られている。すなわち、第１共振ミラーと第２共振ミラーで構成される一対の共振ミラーの間に、固体レーザー材料とＱスイッチを配置したレーザー装置が知られている。
非特許文献１には、一対の共振ミラーの間に固体レーザー材料とＱスイッチを配置した小型のレーザー装置が開示されているが、そのＱスイッチは可飽和現象を利用する受動Ｑスイッチであり、Ｑスイッチを能動的に制御することができない。
非特許文献２に、電気光学効果を利用してＱスイッチを能動的に制御する技術が開示されているが、固体レーザー材料の厚みが０．５ｍｍであるのに対し、Ｑスイッチの厚みが５ｍｍもあり、Ｑスイッチがレーザー装置の小型化の障害となっている。
非特許文献３に、音響光学効果を利用してＱスイッチを能動的に制御する技術が開示されているが、Ｑスイッチの厚みが３２ｍｍもあり、Ｑスイッチがレーザー装置の小型化の障害となっている。
従来の技術では、Ｑスイッチを能動的に制御可能とすると、そのＱスイッチが大型化してしまってレーザー装置の小型化の障害となっていた。そこで、レーザー装置の小型化とＱスイッチの能動化を両立させることが求められていた。
特許文献１には、レーザー装置の小型化の障害とならないという制約の中でＱスイッチを能動化する技術として、固体レーザー材料とＱスイッチが一対の共振ミラーの間に配置されており、Ｑスイッチが磁気光学効果を呈する膜と磁束発生器の組み合わせで構成されており、固体レーザー材料に励起光を入射し、磁束発生器にパルスを加えると、パルスレーザーを発光するＱスイッチ固体レーザー装置が開示されている。
T.Taira, M.Tsunekane, K.Kanehara, S.Morishima, N.Taguchi and A. Sugiura: "7. Promise of Giant Pulse Micro-Laser for Engine Ignition", Journal of Plasma and Fusion Research, Vol. 89, No.4, pp.238-241(2013)
T.Taira, and T.Kobayashi: "Q-Switching and Frequency Doubling of Solid-State Lasers by a Single Intracavity KTP Crystal", IEEE Journal of Quantum Electronics of Vol. 30, No.3, pp.800-804(1994)
Gooch & Housego Co.Ltd., Product number 1-QS041-1, 8C10G-4-GH21
特許文献１には、上記のように、磁気光学（ＭＯ）機構を用いたＱスイッチが記載されている。レーザー装置の小型化の観点では、固体レーザー媒体と磁気光学機構との間の空間は少ない方が望ましい。特許文献１の図１３において、固体レーザー媒体と磁気光学膜等が一体化した構成が提案されている。ただし、その具体的な一体化方法は提案されていない。
また、磁気光学機構を用いたＱスイッチにおいて、磁気スイッチ（磁束変化で発生）起動に伴う振動や、磁気光学機構と固体レーザー媒体間の光共振、磁気光学材の固定差異による歪に起因した磁区模様の変化に伴う出力不安定化、スイッチング速度のバラツキ、両者の空間発生に伴う共振器長の増大とそれによるスイッチング速度の劣化が課題として挙げられる。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、レーザー装置の小型化に寄与し、かつ高いビーム品質を有するＱスイッチ構造体を提供することを目的とする。
上記問題を解決するために、本発明では、固体レーザー媒体と、磁気光学材と、を備え、前記固体レーザー媒体と前記磁気光学材が接合一体化されたＱスイッチ構造体であって、前記固体レーザー媒体の一面に第１の対接着剤反射防止膜が形成されており、前記磁気光学材の一面に第２の対接着剤反射防止膜が形成されており、前記固体レーザー媒体の第１の対接着剤反射防止膜と、前記磁気光学材の第２の対接着剤反射防止膜が、前記固体レーザー媒体から発振されるレーザーのレーザー発振波長において透光性を有する透光性材料を介して接着されているものであることを特徴とするＱスイッチ構造体を提供する。
このようなＱスイッチ構造体であれば、固体レーザー媒体と磁気光学材が接合一体化しているため、小型のＱスイッチ構造体とすることができる。また、固体レーザー媒体と磁気光学材が、透光性材料を介して接着されているため、ビーム品質の高いＱスイッチ構造体とすることができる。すなわち、接合歪による光学特性の劣化を緩和することができる。なお、本発明では、固体レーザー媒体と磁気光学材の一体化した組み合わせを、Ｑスイッチ構造体と称する。Ｑスイッチ構造体は、磁束発生器との組み合わせにより、Ｑスイッチとして機能させることができる。
また、前記透光性材料が、ショアＤ硬度８０以下である有機接着剤であるか、又は、無機透光性材料であることが好ましい。
本発明のＱスイッチ構造体では、透光性材料としてショアＤ硬度８０以下である有機接着剤を用いた場合、固体レーザー媒体と磁気光学材を接合する際の歪を低減することができ、高いビーム品質を得ることができる。また、透光性材料として、無機透光性材料を用いた場合、光作用による劣化が抑制されており、高いビーム品質を得ることができる。
また、前記有機接着剤が、シリコーン樹脂、シリコーン変性エポキシ樹脂及びエポキシ樹脂の少なくともいずれか１種であることが好ましい。
このような有機接着剤はショアＤ硬度が低く、固体レーザー媒体と磁気光学材を接合する際の歪の低減をより効果的に行うことができる。また、これらは耐候性および耐光性も優れている。
また、前記無機透光性材料が、水ガラス又はガラス転移点が５００℃以下の低融点ガラスからなるガラス材料であることが好ましい。
これらのガラス材料は、安定であるとともに無機透光性材料として比較的硬度が低いため、固体レーザー媒体と磁気光学材の接合部の歪の緩和に効果的に寄与する。また、これらは耐候性および耐光性も優れている。
また、前記透光性材料の透光性が、前記レーザー発振波長において透過率９５％以上であることが好ましい。
本発明のＱスイッチ構造体において透光性材料がこのような高い透過率を有することにより、Ｑスイッチの透光性も高くすることができる。
また、前記磁気光学材がビスマス置換希土類鉄ガーネットであることが好ましい。
また、前記固体レーザー媒体は、Ｎｄ、Ｙｂ及びＣｒからなる群から選ばれる１種をドープした、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２、Ｇｄ３Ｇａ５Ｏ１２及びＹＶＯ４からなる群から選ばれる１種のセラミックスから選択されるものであることが好ましい。
これらの材料は、本発明のＱスイッチ構造体として好ましく用いることができる。
また、本発明は、上記のＱスイッチ構造体と、磁束発生器とが、一対の共振ミラーの間に配置されていることを特徴とするＱスイッチ固体レーザー装置を提供する。
このような、本発明のＱスイッチ構造体を備えるＱスイッチ固体レーザー装置は、固体レーザー媒体と磁気光学材がレーザー発振波長において透光性を有する透光性材料で接着されて一体化しているため、小型でビーム品質の高いＱスイッチ構造体とすることができる。
また、本発明は、固体レーザー媒体と、磁気光学材と、を備え、前記固体レーザー媒体と前記磁気光学材が接合一体化されたＱスイッチ構造体を製造する方法であって、前記固体レーザー媒体と前記磁気光学材を準備する工程と、前記固体レーザー媒体の一面に第１の対接着剤反射防止膜を形成する工程と、前記磁気光学材の一面に第２の対接着剤反射防止膜を形成する工程と、前記固体レーザー媒体の第１の対接着剤反射防止膜と、前記磁気光学材の第２の対接着剤反射防止膜を、前記固体レーザー媒体から発振されるレーザーのレーザー発振波長において透光性を有する透光性材料を介して接着する工程とを有することを特徴とするＱスイッチ構造体の製造方法を提供する。
このようなＱスイッチ構造体の製造方法により、固体レーザー媒体と磁気光学材の接合一体化を簡便に行うことができる。また、固体レーザー媒体と磁気光学材を、透光性材料を介して接着するため、小型のＱスイッチ構造体とすることができるとともに、ビーム品質の高いＱスイッチ構造体とすることができる。
また、前記接着を、前記透光性材料として、ショアＤ硬度８０以下である有機接着剤を用いて行うか、又は、無機透光性材料を用いて行うことが好ましい。
本発明のＱスイッチ構造体の製造方法では、透光性材料としてショアＤ硬度８０以下である有機接着剤を用いた場合、固体レーザー媒体と磁気光学材を接合する際の歪を低減することができ、高いビーム品質を得ることができる。また、透光性材料として、無機透光性材料を用いた場合、光作用による劣化が抑制されており、高いビーム品質を得ることができる。
また、前記有機接着剤として、シリコーン樹脂、シリコーン変性エポキシ樹脂及びエポキシ樹脂の少なくともいずれか１種を用いることが好ましい。
このような有機接着剤はショアＤ硬度が低く、固体レーザー媒体と磁気光学材を接合する際の歪の低減をより効果的に行うことができる。
また、前記無機透光性材料として、水ガラス又はガラス転移点が５００℃以下の低融点ガラスからなるガラス材料を用いることが好ましい。
これらのガラス材料は、安定であるとともに無機透光性材料として比較的硬度が低いため、固体レーザー媒体と磁気光学材の接合部の歪の緩和に効果的に寄与する。
また、前記ガラス材料を、熱拡散接合又は真空下での密着接合により、前記第１の対接着剤反射防止膜及び前記第２の対接着剤反射防止膜に接着することが好ましい。
このような熱拡散接合又は真空下での密着接合により、ガラス材料を介した固体レーザー媒体と磁気光学材の接合を簡便に行うことができる。
また、前記透光性材料として、前記レーザー発振波長において透過率９５％以上の透光性を有するものを用いることが好ましい。
透光性材料をこのような高い透過率を有するものとすることにより、Ｑスイッチ構造体の透光性も高くすることができる。
また、前記磁気光学材をビスマス置換希土類鉄ガーネットとすることが好ましい。
また、前記固体レーザー媒体を、Ｎｄ、Ｙｂ及びＣｒからなる群から選ばれる１種をドープした、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２、Ｇｄ３Ｇａ５Ｏ１２及びＹＶＯ４からなる群から選ばれる１種のセラミックスから選択されるものとすることが好ましい。
これらの材料は、本発明のＱスイッチ構造体の製造方法において好ましく用いることができる。
また、本発明は、上記のＱスイッチ構造体の製造方法により製造されたＱスイッチ構造体を用いて、該Ｑスイッチ構造体と、磁束発生器を、一対の共振ミラーの間に配置してＱスイッチ固体レーザー装置を製造することを特徴とするＱスイッチ固体レーザー装置の製造方法を提供する。
このようなＱスイッチ固体レーザー装置の製造方法は、固体レーザー媒体と磁気光学材が透光性材料を介して接着されているため、小型のＱスイッチ固体レーザー装置とすることができるとともに、ビーム品質の高いＱスイッチ固体レーザー装置とすることができる。
本発明のＱスイッチ構造体であれば、固体レーザー媒体と磁気光学材が接合一体化しているため、小型のＱスイッチ構造体とすることができる。また、固体レーザー媒体と磁気光学材が、透光性材料を介して接着されているため、ビーム品質の高いＱスイッチ構造体とすることができる。すなわち、接合歪による光学特性の劣化を緩和することができる。これにより、振動抑制、固体レーザー媒体と磁気光学材の両者間の光共振の防止、共振器長の短縮とそれに伴うスイッチング速度の向上を計ることができる。また、本発明のＱスイッチ構造体の製造方法は、そのようなＱスイッチ構造体を簡便に製造することができる。
以下、本発明について図を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
本発明のＱスイッチ構造体の構造の一例について、図１、図２を参照して説明する。図１にはＱスイッチ構造体の構造の概略図、図２にはその断面図を示した。
本発明のＱスイッチ構造体１００は、固体レーザー媒体１と、磁気光学材２とを備えており、固体レーザー媒体１と磁気光学材２は接合一体化されている。さらに、本発明では、固体レーザー媒体１の一面に第１の対接着剤反射防止膜１ａが形成されており、磁気光学材２の一面に第２の対接着剤反射防止膜２ａが形成されている。さらに、固体レーザー媒体１の第１の対接着剤反射防止膜１ａと、磁気光学材２の第２の対接着剤反射防止膜２ａが、固体レーザー媒体１から発振されるレーザーのレーザー発振波長において透光性を有する透光性材料３を介して接着されている。
このようなＱスイッチ構造体であれば、固体レーザー媒体１と磁気光学材２が接合一体化しているため、小型のＱスイッチ構造体１００とすることができる。また、固体レーザー媒体１と磁気光学材２が、透光性材料３を介して接着されているため、ビーム品質の高いＱスイッチ構造体とすることができる。
また、透光性材料３の透光性が、レーザー発振波長において透過率９５％以上（挿入損失０．２ｄＢ以下）であることが好ましく、透過率９８％以上（挿入損失０．１ｄＢ以下）であることがさらに好ましい。このような透過率を有するように透光性材料の種類や厚さを選定することは、容易に行うことができる。なお、透過率は厚さにも依存し、材料の厚さが厚い程透過率は低下する。
なお、本発明の説明における透過率の定義は以下の通りである。ここでの「ワーク」とは光（電磁波）が透過する対象を指す。
透過率（％）＝（ワーク透過時の光量／ワーク無し時の光量）×１００
挿入損失（ｄＢ）＝ －１０×ｌｏｇ１０（ワーク透過時の光量／ワーク無し時の光量）
透過率（％）＝（ワーク透過時の光量／ワーク無し時の光量）×１００
挿入損失（ｄＢ）＝ －１０×ｌｏｇ１０（ワーク透過時の光量／ワーク無し時の光量）
また、本発明のＱスイッチ構造体１００において、固体レーザー媒体１の材料としては固体レーザー媒体として使用可能な材料を用いることができる。その中でも、Ｎｄ、Ｙｂ及びＣｒからなる群から選ばれる１種をドープした、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２、Ｇｄ３Ｇａ５Ｏ１２及びＹＶＯ４からなる群から選ばれる１種のセラミックスから選択されるものであることが好ましい。また、本発明のＱスイッチ構造体１００において、磁気光学材２の材料としては磁気光学材として使用可能な材料を用いることができる。その中でも、ビスマス置換希土類鉄ガーネットであることが好ましい。
また、本発明のＱスイッチ構造体１００において、第１の対接着剤反射防止膜１ａ及び第２の対接着剤反射防止膜２ａの材料としては、固体レーザー媒体１、磁気光学材２の表面に、１層目にＴｉＯ２層やＴａ２Ｏ５層を形成し、その上にＳｉＯ２層を形成した２層構造等が挙げられる。これらの対接着剤反射防止膜は、異種材料間の界面で生じる光反射を抑制することができる膜として機能する。
さらに、本発明では、図１、２に示した透光性材料３が、ショアＤ硬度８０以下である有機接着剤であるか、又は、無機透光性材料であることが好ましい。以下、透光性材料３がショアＤ硬度８０以下である有機接着剤の場合を第１の態様として、透光性材料３が無機透光性材料である場合を第２の態様及び第３の態様として説明する。なお、図１、２と共通の事項については重複する説明を省略する。
［第１の態様］
図３に、本発明のＱスイッチ構造体の構造の一例（第１の態様）の断面図を示した。この態様では、固体レーザー媒体１と磁気光学材２は、透光性材料としてショアＤ硬度８０以下である有機接着剤１３を介して接着されている。この場合、有機接着剤である透光性材料１３は、シリコーン樹脂、シリコーン変性エポキシ樹脂及びエポキシ樹脂の少なくともいずれか１種であることが好ましい。
図３に、本発明のＱスイッチ構造体の構造の一例（第１の態様）の断面図を示した。この態様では、固体レーザー媒体１と磁気光学材２は、透光性材料としてショアＤ硬度８０以下である有機接着剤１３を介して接着されている。この場合、有機接着剤である透光性材料１３は、シリコーン樹脂、シリコーン変性エポキシ樹脂及びエポキシ樹脂の少なくともいずれか１種であることが好ましい。
このようなＱスイッチ構造体１０は、透光性材料としてショアＤ硬度８０以下という、比較的硬度の低い有機接着剤１３を用いているため、固体レーザー媒体と磁気光学材を接合する際の歪を低減することができ、高いビーム品質を得ることができる。有機接着剤１３の層の厚さは、０．００５～０．０４０ｍｍ（５～４０μｍ）であることが好ましい。このような厚さの有機接着剤１３の厚さであれば、歪の緩和を行うことができるとともに、透光性を高く保つことができる。特に、材料にもよるが、上記の厚さの場合は、レーザー発振波長１０６４ｎｍ付近における有機接着剤１３の層における透過率を９５％以上にすることが可能である。
［第２、第３の態様］
次に、透光性材料３が無機透光性材料である場合の態様（第２、第３の態様）を説明する。この場合は、図１、２に示したように、透光性材料３（この場合、無機透光性材料）を介して固体レーザー媒体１と磁気光学材２が接合されている。特に、無機透光性材料が、水ガラス又はガラス転移点が５００℃以下の低融点ガラスからなるガラス材料であることが好ましい。以下、「ガラス転移点が５００℃以下の低融点ガラス」は単に「低融点ガラス」とも称する。なお、ガラス転移点は４００℃以下であることがより好ましい。
次に、透光性材料３が無機透光性材料である場合の態様（第２、第３の態様）を説明する。この場合は、図１、２に示したように、透光性材料３（この場合、無機透光性材料）を介して固体レーザー媒体１と磁気光学材２が接合されている。特に、無機透光性材料が、水ガラス又はガラス転移点が５００℃以下の低融点ガラスからなるガラス材料であることが好ましい。以下、「ガラス転移点が５００℃以下の低融点ガラス」は単に「低融点ガラス」とも称する。なお、ガラス転移点は４００℃以下であることがより好ましい。
このように、上記第１の態様のように固体レーザー媒体１と磁気光学材２を接合に有機接着剤を用いる代わりに、本発明では、無機透光性材料を用いてもよい。透光性材料３として無機透光性材料を用いる利点は以下の通りである。近年、Ｑスイッチを具備する固体レーザー装置で発振する光は直径０．３ｍｍ程度のビーム径で１ｍＪを超えるパワーとなってきており、出力がますます強くなってきている。今後、従来よりもさらに大きなパワーが接合界面を透過するとき、透光性材料３が有機接着剤であると、有機結合的な結合部が破断すること、及び、周辺へ影響を及ぼすことが懸念される。その際、固体レーザー媒体１と磁気光学材２の接合材料を無機材料に置き換えると、そのような高出力による懸念は解消する。ただし、その際、無機材料の種類によっては、接合歪により光ビームが変質する可能性がある。この影響を防ぐ為、接合界面に予め歪緩和層を介することができる。
無機透光性材料としては、固体レーザー媒体１の線膨張係数と磁気光学材２の線膨張係数の間の値の線膨張係数を有する透光性材料を用いることが好ましい。
＜第２の態様＞
図４に示した第２の態様のＱスイッチ構造体２０では、固体レーザー媒体１と磁気光学材２は、透光性材料として無機透光性材料２３を介して接着されている。また、固体レーザー媒体１の第１の対接着剤反射防止膜１ａと無機透光性材料２３の間、及び、磁気光学材２の第２の対接着剤反射防止膜２ａと無機透光性材料２３の間は、それぞれ、歪緩和層２５、２６を介して接着されている。
図４に示した第２の態様のＱスイッチ構造体２０では、固体レーザー媒体１と磁気光学材２は、透光性材料として無機透光性材料２３を介して接着されている。また、固体レーザー媒体１の第１の対接着剤反射防止膜１ａと無機透光性材料２３の間、及び、磁気光学材２の第２の対接着剤反射防止膜２ａと無機透光性材料２３の間は、それぞれ、歪緩和層２５、２６を介して接着されている。
＜第３の態様＞
図５に示した第３の態様のＱスイッチ構造体３０では、固体レーザー媒体１と磁気光学材２は、固体レーザー媒体１の第１の対接着剤反射防止膜１ａと、磁気光学材２の第２の対接着剤反射防止膜２ａの間が、透光性材料として無機透光性材料３３を介して、直接接着されている。
図５に示した第３の態様のＱスイッチ構造体３０では、固体レーザー媒体１と磁気光学材２は、固体レーザー媒体１の第１の対接着剤反射防止膜１ａと、磁気光学材２の第２の対接着剤反射防止膜２ａの間が、透光性材料として無機透光性材料３３を介して、直接接着されている。
無機透光性材料としては、水ガラス又は低融点ガラスからなるガラス材料や、その他に、ホウケイ酸ガラスや石英ガラス、常磁性ガーネットが例示される。
このうち、水ガラス又は低融点ガラスからなるガラス材料は、第２の態様及び第３の態様の両方が可能である。ホウケイ酸ガラスや石英ガラス、常磁性ガーネットは、第２の態様であることが好ましい。第２の態様の場合、歪緩和層２５、２６は、水ガラス又は低融点ガラスからなるガラス材料を用いることができる。すなわち、固体レーザー媒体１（固体レーザー媒体１に形成した第１の対接着剤反射防止膜１ａ）と接触させる材料及び磁気光学材２（磁気光学材２に形成した第２の対接着剤反射防止膜）と接触させる材料は、ともに水ガラス又は低融点ガラスからなるガラス材料で有ることが好ましい。これらのガラス材料は、安定であるとともに無機透光性材料として比較的硬度が低いため、固体レーザー媒体と磁気光学材の接合部の歪の緩和に効果的に寄与する。
上記したようなＱスイッチ構造体１００、１０、２０、３０は、磁気光学材２と磁束発生器との組み合わせにより、Ｑスイッチとして機能する。図６には、Ｑスイッチ固体レーザー装置の構造の一例を示した。図６には図１、２のＱスイッチ構造体１００を代表として図示した。Ｑスイッチ固体レーザー装置８０は、上記のＱスイッチ構造体１００と、磁束発生器８３とが、一対の共振ミラー（第１の共振ミラー８１、第２の共振ミラー８２）の間に配置されている。図６中ではこれらの構造全てが接合一体化した例を示している。ただし、本発明では、Ｑスイッチ構造体１００を構成する固体レーザー媒体１と磁気光学材２が接合一体化していればよく、その他の構造材料は適宜配置することができる。例えば、磁束発生器は、永久磁石と励磁コイルの組み合わせとすることができ、励磁コイルは永久磁石の周囲に配置するなどすることができる。
［Ｑスイッチ構造体の製造方法］
次に、本発明のＱスイッチ構造体の製造方法を説明する。本発明のＱスイッチ構造体の製造方法は、図１、図２に示したような、固体レーザー媒体１と、磁気光学材２とを備え、固体レーザー媒体１と磁気光学材２が接合一体化されたＱスイッチ構造体１００を製造する方法であり、本発明では、固体レーザー媒体１と磁気光学材２を準備する工程と、固体レーザー媒体１の一面に第１の対接着剤反射防止膜１ａを形成する工程と、磁気光学材２の一面に第２の対接着剤反射防止膜２ａを形成する工程と、固体レーザー媒体１の第１の対接着剤反射防止膜１ａと、磁気光学材２の第２の対接着剤反射防止膜２ａを、固体レーザー媒体１から発振されるレーザーのレーザー発振波長において透光性を有する透光性材料３を介して接着する工程とを有する。
次に、本発明のＱスイッチ構造体の製造方法を説明する。本発明のＱスイッチ構造体の製造方法は、図１、図２に示したような、固体レーザー媒体１と、磁気光学材２とを備え、固体レーザー媒体１と磁気光学材２が接合一体化されたＱスイッチ構造体１００を製造する方法であり、本発明では、固体レーザー媒体１と磁気光学材２を準備する工程と、固体レーザー媒体１の一面に第１の対接着剤反射防止膜１ａを形成する工程と、磁気光学材２の一面に第２の対接着剤反射防止膜２ａを形成する工程と、固体レーザー媒体１の第１の対接着剤反射防止膜１ａと、磁気光学材２の第２の対接着剤反射防止膜２ａを、固体レーザー媒体１から発振されるレーザーのレーザー発振波長において透光性を有する透光性材料３を介して接着する工程とを有する。
図７を参照して本発明のＱスイッチ構造体の製造方法をより詳細に説明する。まず、図７のＳ１に示したように、固体レーザー媒体１と磁気光学材２を準備する（工程Ｓ１）。ここで準備する固体レーザー媒体１と磁気光学材２は、上記の材料を用いることができる。
次に、図７のＳ２に示したように、固体レーザー媒体１の一面に第１の対接着剤反射防止膜１ａを形成する（工程Ｓ２）。また、図７のＳ３に示したように、磁気光学材２の一面に第２の対接着剤反射防止膜２ａを形成する（工程Ｓ３）。これらの対接着剤反射防止膜の材料は、上記のものを用いることができる。反射防止膜はイオンアシスト電子ビーム真空蒸着、イオンビームスパッタリング等にて形成する事が出来る。材料表面に第１層としてＴｉＯ２やＴａ２Ｏ５層を形成し、その上に第２層としてＳｉＯ２層を形成する等により構成される。なお、工程Ｓ２とＳ３の順番は問わない。
次に、図７のＳ４に示したように、固体レーザー媒体１の第１の対接着剤反射防止膜１ａと、磁気光学材２の第２の対接着剤反射防止膜２ａを接着する（工程Ｓ４）。このとき、固体レーザー媒体１から発振されるレーザーのレーザー発振波長において透光性を有する透光性材料を用いる。
工程Ｓ４の接着工程については、透光性材料として、ショアＤ硬度８０以下である有機接着剤を用いて行う（図３に示した第１の態様）か、無機透光性材料を用いて行う（図４に示した第２の態様、図５に示した第３の態様）ことが好ましい。
［第１の態様］
第１の態様の有機接着剤１３としては、シリコーン樹脂、シリコーン変性エポキシ樹脂及びエポキシ樹脂の少なくともいずれか１種を用いることができる。通常の有機接着剤の作用により、固体レーザー媒体１の第１の対接着剤反射防止膜１ａと、磁気光学材２の第２の対接着剤反射防止膜２ａを接着することができる。これにより、図３に示したＱスイッチ構造体１０を製造することができる。透光性材料としてショアＤ硬度８０以下である有機接着剤を用いた場合、簡便な方法で、固体レーザー媒体１と磁気光学材２を接合する際の歪を低減することができ、高いビーム品質を得ることができる。
第１の態様の有機接着剤１３としては、シリコーン樹脂、シリコーン変性エポキシ樹脂及びエポキシ樹脂の少なくともいずれか１種を用いることができる。通常の有機接着剤の作用により、固体レーザー媒体１の第１の対接着剤反射防止膜１ａと、磁気光学材２の第２の対接着剤反射防止膜２ａを接着することができる。これにより、図３に示したＱスイッチ構造体１０を製造することができる。透光性材料としてショアＤ硬度８０以下である有機接着剤を用いた場合、簡便な方法で、固体レーザー媒体１と磁気光学材２を接合する際の歪を低減することができ、高いビーム品質を得ることができる。
［第２の態様、第３の態様］
無機透光性材料を用いて接着を行う方法は様々あり、公知の方法を用いて行うことができる。特に、以下のようにして接着を行うことが好ましい。
＜第２の態様＞
第２の態様では、上記のように、無機透光性材料２３として、ホウケイ酸ガラスや石英ガラス、常磁性ガーネットを用いることができる。この場合、上記のように、歪緩和層２５、２６として、水ガラス又は低融点ガラスからなるガラス材料を用いることが好ましい。この態様におけるＱスイッチ構造体２０の製造方法についてより具体的に説明する。
第２の態様では、上記のように、無機透光性材料２３として、ホウケイ酸ガラスや石英ガラス、常磁性ガーネットを用いることができる。この場合、上記のように、歪緩和層２５、２６として、水ガラス又は低融点ガラスからなるガラス材料を用いることが好ましい。この態様におけるＱスイッチ構造体２０の製造方法についてより具体的に説明する。
磁気光学材２としてＢｉ－ＲＩＧを用いた場合を例として説明する。まず、磁気光学材（Ｂｉ－ＲＩＧ）２と無機透光性材料２３を接合する。このときに用いる無機透光性材料２３はＢｉ－ＲＩＧと固体レーザー媒体の線膨張係数の間の値を有するものが好ましい。このとき、無機透光性材料２３自体が水ガラス又は低融点ガラスで形成されることも考えられるが、その場合、歪緩和層２５、２６にも水ガラス又は低融点ガラスを採用することができるので、後述の第３の態様と同様の構成となる。
第２の態様の場合、予め磁気光学材２であるＢｉ－ＲＩＧに反射防止膜（金属酸化膜）２ａを電子ビーム蒸着法により形成し、この上に歪緩和層２６である水ガラス又は低融点ガラス層を形成することができる。このうち、水ガラスについては、ケイ酸ナトリウム水溶液を加熱する事で粘性を帯びた液体となり、これを媒体表面に塗布する事により形成することができる。また、低融点ガラス層は、電子ビーム蒸着法等の化学気相成長法により形成することができる。この時、形成される低融点ガラスとしては、従来用いられているＰｂＯ、Ｂ２Ｏ３、ＴｅＯ２、Ｂｉ２Ｏ３等を主成分としたガラス材料を使用することができる。このとき、水ガラス又は低融点ガラスの厚さが１×１０－８ｍ～１×１０－５ｍ（すなわち、１０ｎｍ～１０μｍ）となるように形成することが好ましく、０．０１０～０．１００ｍｍとなるように形成することがより好ましい。歪緩和層２６である水ガラス又は低融点ガラス層の厚さが１×１０－８ｍ以上となることにより十分な接合強度を得ることができる。また、この厚さを１×１０－５ｍ以下とすることにより光の透過率低下を抑制できる。
次に、磁気光学材２であるＢｉ－ＲＩＧ上に形成した、歪緩和層２６である水ガラス又は低融点ガラスと、無機透光性材料２３の接合面を貼り合せ熱処理を行う。これにより磁気光学材２であるＢｉ－ＲＩＧと無機透光性材料２３が一体成形される。接合温度が低ければ接合面が受ける熱応力を小さくすることができるので、できるだけ低い温度で溶融固着することが好ましい。この接合温度は例えば、ガラス転移点＋３０℃以下とすることができる。
さらに、無機透光性材料２３上に歪緩和層２５である水ガラス又は低融点ガラスを形成する。この方法は、上記と同様にして行うことができる。
次に歪緩和層２５である水ガラス又は低融点ガラスと固体レーザー媒体１とを接合する。この接合方法は、半導体のＳＯＩ構造を有するウエーハを製造する際に用いられている方法に類似しており、この場合の接合力はファン・デル・ワールス力、水素結合、共有結合などが考えられる。双方の接合する表面に親水化処理を行い、それらの接合面で貼り合せ、その後、熱処理によって、十分な接合強度を得ることができる。
より具体的には以下のようにして歪緩和層２５である水ガラス又は低融点ガラスと固体レーザー媒体１とを接合することができる。まず、ワーク表面を洗浄し親水化処理を行う。この洗浄は通常の湿式洗浄が有効であるが、さらに短波長紫外線処理（ＵＶ処理）やプラズマ処理を併用することが効果的である。親水処理では一般的なアンモニア過水（アンモニア水、過酸化水素水、純水の混合液）や硝酸、塩酸の希釈液もしくはこれら希釈液に過酸化水素水を添加した溶液が有効である。次に純水による洗浄を行い、親水処理液を除去する。このようにして前処理を行った接合面を対向させ貼り合せる。より接合を容易にするために純水などの極性分子を主成分とした液体を接合面に塗布した後、液体を介して貼り合せることが望ましい。その後、接合体を自然乾燥もしくは真空乾燥させることで弱い接合力で固定される。その後、８０～２００℃程度の温度で熱処理することで十分な接合力を得ることができる。
＜第３の態様＞
第３の態様では、図５に示したように、固体レーザー媒体１の第１の対接着剤反射防止膜１ａと、磁気光学材２の第２の対接着剤反射防止膜２ａの間を、透光性材料として無機透光性材料３３を介して、直接接着する。この方法においては、固体レーザー媒体１がＮｄ：ＹＡＧ等のガーネット材料である場合に、膨張係数が近い、水ガラス又は低融点ガラスからなるガラス材料を無機透光性材料３３として用いることが好ましい。直接の接合方法としては、上記の第２の態様の歪緩和層２５、２６である水ガラス又は低融点ガラスと、固体レーザー媒体１及び／又は磁気光学材２との接合の場合と同様の方法により行うことができる。
第３の態様では、図５に示したように、固体レーザー媒体１の第１の対接着剤反射防止膜１ａと、磁気光学材２の第２の対接着剤反射防止膜２ａの間を、透光性材料として無機透光性材料３３を介して、直接接着する。この方法においては、固体レーザー媒体１がＮｄ：ＹＡＧ等のガーネット材料である場合に、膨張係数が近い、水ガラス又は低融点ガラスからなるガラス材料を無機透光性材料３３として用いることが好ましい。直接の接合方法としては、上記の第２の態様の歪緩和層２５、２６である水ガラス又は低融点ガラスと、固体レーザー媒体１及び／又は磁気光学材２との接合の場合と同様の方法により行うことができる。
上記のように、第２の態様、第３の態様のいずれの場合でも、ガラス材料は、熱拡散接合又は真空下での密着接合により、第１の対接着剤反射防止膜や第２の対接着剤反射防止膜に接着することが好ましい。
以上のようなＱスイッチ構造体の製造方法により製造されたＱスイッチ構造体を用いて、該Ｑスイッチ構造体と、磁束発生器を、一対の共振ミラーの間に配置してＱスイッチ固体レーザー装置を製造することができる。
以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
［実施例１－１～１－８］
以下のようにして、図１、２に示したＱスイッチ構造体１００を製造した。
以下のようにして、図１、２に示したＱスイッチ構造体１００を製造した。
まず、固体レーザー媒体１としてＮｄ：ＹＡＧを、磁気光学材２としてビスマス置換希土類鉄ガーネット（（ＲＢｉ）３Ｆｅ５Ｏ１２ 通称：Ｂｉ－ＲＩＧ）を準備した（図７の工程Ｓ１）。
次に、固体レーザー媒体１の一方の表面に対空気反射防止膜（材質は媒体表面にＴａ２Ｏ５／その上層にＳｉＯ２）を、もう一方の表面（接合面となる面）に対接着剤用反射防止膜（材質は媒体表面にＴｉＯ２／その上層にＳｉＯ２）を形成した（図７の工程Ｓ２）。また、磁気光学材２の一方の表面（接合面となる面）に対接着剤用反射防止膜（材質は磁気光学材表面にＴｉＯ２／その上層にＳｉＯ２）を形成し、もう一方の表面に対空気用反射防止膜（材質は磁気光学材表層にＴａ２Ｏ５／その上層にＳｉＯ２）を形成した（図７の工程Ｓ３）。
次に、透光性材料３として、有機接着剤（図３の有機接着剤である透光性材料１３）を用いて、接着を行った（図７の工程Ｓ４）。このとき、硬化後のショアＤ硬度が異なる有機接着剤を用いて接着を行った。使用した接着剤は、ＫＪＲ９０２２、ＬＰＳ５４００、ＬＰＳ５５４７Ｆ、ＫＪＲ６３２（以上、信越化学工業株式会社製）、Ｅｐｏ－ｔｅｋ ＯＤ２００２、Ｅｐｏ－ｔｅｋ ３０２－３Ｍ、Ｅｐｏ－ｔｅｋ ３５３ＮＤ、Ｅｐｏ－ｔｅｋ ３０１（以上、Ｅｐｏｘｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社製）である。
接合歪の評価は、レーザー光源から平行光を取り出し偏光子／検光子を介して受光器に入れる光学系において偏光子／検光子の間に接合ワークを配置、光を固体レーザー媒体１の表面に入射させ、磁気光学材２を出射した光の消光比を測定することで行った。用いた接着剤と、ショアＤ硬度、１０６４ｎｍ域での光透過率を表１に示した。
実施例１－１～１－８において、小型で歪が緩和されたＱスイッチ構造体が得られた。また、消光比は、３０ｄＢ以上であればよいが、特に３５ｄＢ以上の数値が得られる値を、歪が小さく、特に良好な値であると定義すると、実施例１－１～１－６で特に良好な値が得られた。なお、光出力が増大した場合も、接合条件を見直すことで出力劣化の少ないＱスイッチを得ることができた。
［実施例２］
以下のようにして、図１、２に示したＱスイッチ構造体１００を製造した。
以下のようにして、図１、２に示したＱスイッチ構造体１００を製造した。
まず、固体レーザー媒体１としてＮｄ：ＹＡＧを、磁気光学材２としてビスマス置換希土類鉄ガーネット（（ＲＢｉ）３Ｆｅ５Ｏ１２ 通称：Ｂｉ－ＲＩＧ）を準備した（図７の工程Ｓ１）。次に、固体レーザー媒体１の一方の表面に対空気反射防止膜（媒体表層にＴｉＯ２／その上層にＳｉＯ２）を、もう一方の表面（接合面となる面）に対接着剤用反射防止膜（媒体表面にＴｉＯ２／その上層にＳｉＯ２）を形成した（図７の工程Ｓ２）。また、磁気光学材２の一方の表面（接合面となる面）に対接着剤用反射防止膜（磁気光学材表面にＴｉＯ２／その上層にＳｉＯ２）を形成し、もう一方の表面に対空気用反射防止膜（磁気光学材表面にＴｉＯ２／その上面にＳｉＯ２）を形成した（図７の工程Ｓ３）。
次に、透光性材料３として、無機透光性材料（図５の無機透光性材料３３）を用いて、以下のようにして接着を行った（図７の工程Ｓ４）。
磁気光学材２の耐接着剤用反射防止膜上に、無機透光性材料３３である低融点ガラス層（ＰｂＯ－ＺｎＯ－Ｂ２Ｏ３）を化学気相成長法により形成した。このときの厚さは０．０５０ｍｍとした。次に、磁気光学材２の無機透光性材料３３形成面と、固体レーザー媒体１の表面をアンモニア過水により洗浄し、親水化処理を行った。その後純水による洗浄を行った。このようにして前処理を行った接合面を対向させ貼り合せた。その後、接合体を真空乾燥させて固定した。その後、４００℃の温度で熱処理することで無機透光性材料３３と固体レーザー媒体１の表面を接合した。このようにして、図５に示したＱスイッチ構造体３０を製造した。
製造したＱスイッチ構造体に、実施例１－１～１－８と同様にレーザー光を透過させ接合歪評価を行い、消光比３５ｄＢ以上を得ることができた。また、このＱスイッチ構造体を使用しＱスイッチ固体レーザー装置に組込み、出力を１０ｍＪに上げ連続使用したが、出力の経時劣化は見られなかった。
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
１００、１０、２０、３０…Ｑスイッチ構造体、
１…固体レーザー媒体、 １ａ…第１の対接着剤反射防止膜、
２…磁気光学材、 ２ａ…第２の対接着剤反射防止膜、
３…透光性材料、
１３…有機接着剤である透光性材料、
２３、３３…無機透光性材料、
２５、２６…歪緩和層、
８０…Ｑスイッチ固体レーザー装置、
８１…第１の共振ミラー、 ８２…第２の共振ミラー、 ８３…磁束発生器。
１…固体レーザー媒体、 １ａ…第１の対接着剤反射防止膜、
２…磁気光学材、 ２ａ…第２の対接着剤反射防止膜、
３…透光性材料、
１３…有機接着剤である透光性材料、
２３、３３…無機透光性材料、
２５、２６…歪緩和層、
８０…Ｑスイッチ固体レーザー装置、
８１…第１の共振ミラー、 ８２…第２の共振ミラー、 ８３…磁束発生器。
Claims (17)
- 固体レーザー媒体と、
磁気光学材と、
を備え、前記固体レーザー媒体と前記磁気光学材が接合一体化されたＱスイッチ構造体であって、
前記固体レーザー媒体の一面に第１の対接着剤反射防止膜が形成されており、
前記磁気光学材の一面に第２の対接着剤反射防止膜が形成されており、
前記固体レーザー媒体の第１の対接着剤反射防止膜と、前記磁気光学材の第２の対接着剤反射防止膜が、前記固体レーザー媒体から発振されるレーザーのレーザー発振波長において透光性を有する透光性材料を介して接着されているものであることを特徴とするＱスイッチ構造体。 - 前記透光性材料が、ショアＤ硬度８０以下である有機接着剤であるか、又は、無機透光性材料であることを特徴とする請求項１に記載のＱスイッチ構造体。
- 前記有機接着剤が、シリコーン樹脂、シリコーン変性エポキシ樹脂及びエポキシ樹脂の少なくともいずれか１種であることを特徴とする請求項２に記載のＱスイッチ構造体。
- 前記無機透光性材料が、水ガラス又はガラス転移点が５００℃以下の低融点ガラスからなるガラス材料であることを特徴とする請求項２に記載のＱスイッチ構造体。
- 前記透光性材料の透光性が、前記レーザー発振波長において透過率９５％以上であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のＱスイッチ構造体。
- 前記磁気光学材がビスマス置換希土類鉄ガーネットであることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のＱスイッチ構造体。
- 前記固体レーザー媒体は、Ｎｄ、Ｙｂ及びＣｒからなる群から選ばれる１種をドープした、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２、Ｇｄ３Ｇａ５Ｏ１２及びＹＶＯ４からなる群から選ばれる１種のセラミックスから選択されるものであることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のＱスイッチ構造体。
- 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のＱスイッチ構造体と、磁束発生器とが、一対の共振ミラーの間に配置されていることを特徴とするＱスイッチ固体レーザー装置。
- 固体レーザー媒体と、
磁気光学材と、
を備え、前記固体レーザー媒体と前記磁気光学材が接合一体化されたＱスイッチ構造体を製造する方法であって、
前記固体レーザー媒体と前記磁気光学材を準備する工程と、
前記固体レーザー媒体の一面に第１の対接着剤反射防止膜を形成する工程と、
前記磁気光学材の一面に第２の対接着剤反射防止膜を形成する工程と、
前記固体レーザー媒体の第１の対接着剤反射防止膜と、前記磁気光学材の第２の対接着剤反射防止膜を、前記固体レーザー媒体から発振されるレーザーのレーザー発振波長において透光性を有する透光性材料を介して接着する工程と
を有することを特徴とするＱスイッチ構造体の製造方法。 - 前記接着を、前記透光性材料として、ショアＤ硬度８０以下である有機接着剤を用いて行うか、又は、無機透光性材料を用いて行うことを特徴とする請求項９に記載のＱスイッチ構造体の製造方法。
- 前記有機接着剤として、シリコーン樹脂、シリコーン変性エポキシ樹脂及びエポキシ樹脂の少なくともいずれか１種を用いることを特徴とする請求項１０に記載のＱスイッチ構造体の製造方法。
- 前記無機透光性材料として、水ガラス又はガラス転移点が５００℃以下の低融点ガラスからなるガラス材料を用いることを特徴とする請求項１０に記載のＱスイッチ構造体の製造方法。
- 前記ガラス材料を、熱拡散接合又は真空下での密着接合により、前記第１の対接着剤反射防止膜及び前記第２の対接着剤反射防止膜に接着することを特徴とする請求項１２に記載のＱスイッチ構造体の製造方法。
- 前記透光性材料として、前記レーザー発振波長において透過率９５％以上の透光性を有するものを用いることを特徴とする請求項９から請求項１３のいずれか１項に記載のＱスイッチ構造体の製造方法。
- 前記磁気光学材をビスマス置換希土類鉄ガーネットとすることを特徴とする請求項９から請求項１４のいずれか１項に記載のＱスイッチ構造体の製造方法。
- 前記固体レーザー媒体を、Ｎｄ、Ｙｂ及びＣｒからなる群から選ばれる１種をドープした、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２、Ｇｄ３Ｇａ５Ｏ１２及びＹＶＯ４からなる群から選ばれる１種のセラミックスから選択されるものとすることを特徴とする請求項９から請求項１５のいずれか１項に記載のＱスイッチ構造体の製造方法。
- 請求項９から請求項１６のいずれか１項に記載のＱスイッチ構造体の製造方法により製造されたＱスイッチ構造体を用いて、該Ｑスイッチ構造体と、磁束発生器を、一対の共振ミラーの間に配置してＱスイッチ固体レーザー装置を製造することを特徴とするＱスイッチ固体レーザー装置の製造方法。
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| JP2021090575A JP2022182829A (ja) | 2021-05-28 | 2021-05-28 | Ｑスイッチ構造体及びｑスイッチ構造体の製造方法 |
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-
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-
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