JP5018685B2 - 光学素子および光学素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光学素子および光学素子の製造方法に関し、さらに詳しくは、安定性に優れた光学素子および光学素子の製造方法に関する。

レーザ結晶と波長変換結晶とを貼り合わせた構造の光学素子およびその製造方法が知られている（例えば特許文献１、２参照。）。
他方、構造性複屈折を有する構造によって所望の偏光方向の光に対して反射率を小さくする技術が知られている（例えば特許文献３、非特許文献１参照。）。
特開２００５−５７０４３号公報 特開２００７−２２５７８６号公報 特開２００８−１４５４５７号公報 Daniel H. Raguin and G.Michael Morris "Antirefrection structure d surfaces for the infrared spectral region" Applied Optics, Vol.32, No.7 (1 March 1993)

レーザ結晶と波長変換結晶とを貼り合わせた構造の従来の光学素子では、レーザ結晶および波長変換結晶の貼り合わせ面を平面に研磨し、貼り合わせている。
しかし、貼り合わせ面で無視できない反射が起こり、複合共振器が形成され、レーザ発振の安定性に悪影響を及ぼすことがあった。
また、レーザ結晶が偏光依存性を持たない場合（セラミックなど）、偏光が定まらず、不安定になることがあった。
そこで、本発明の目的は、安定性に優れた光学素子および光学素子の製造方法を提供することにある。

第１の観点では、本発明は、レーザ結晶（１）に波長変換結晶（２）を貼り合わせた光学素子（１０）において、前記レーザ結晶（１）および前記波長変換結晶（２）の少なくとも一方の貼り合わせ面に構造性複屈折を有する構造（１ｇ，２ｇ）を設けたことを特徴とする光学素子（１０）を提供する。
上記第１の観点による光学素子（１０）では、レーザ結晶（１）および波長変換結晶（２）の貼り合わせ面に構造性複屈折を有する構造（１ｇ，２ｇ）を設けた。このため、所望の偏光方向の光に対する反射率を小さくすることが出来る。これにより、所望の偏光方向の光については、複合共振器が形成されず、レーザ発振が安定になる。また、レーザ結晶が偏光依存性を持たない場合でも、偏光が決まり、レーザ発振が安定になる。

第２の観点では、本発明は、前記第１の観点による光学素子（１０）において、前記構造性複屈折を有する構造（１ｇ，２ｇ）は、前記レーザ結晶（１）でレーザ発振させる基本波について所望の偏光方向に偏光した光に対する反射率が前記所望の偏光方向に直交する方向に偏光した光に対する反射率より小さくなるように形成した溝群（１ｇ，２ｇ）であることを特徴とする光学素子（１０）を提供する。
上記第２の観点による光学素子（１０）では、溝群（１ｇ，２ｇ）により構造性複屈折を有する構造（１ｇ，２ｇ）を実現するため、他の構造（例えばモスアイ構造）にするよりも製造が容易になる。また、溝群（１ｇ，２ｇ）に接着剤（４）が入ることでアンカー効果が得られ、強固に一体化でき、剥離を生じ難くなる。

第３の観点では、本発明は、光軸方向辺と幅方向辺と厚さ方向辺とを有する板状体である波長変換結晶大基板（３２）の前記光軸方向辺および前記幅方向辺で区画された少なくとも１面に板状体のダミー材大基板（１３）を貼り付けて第１複合大基板（２１’）とし、該第１複合大基板（２１’）の前記光軸方向辺について作用長（Ｌ）で切断して複数の第１複合基板を作成し、該第１複合基板の前記幅方向辺と厚さ方向辺とで区画されたレーザ光入射面と板状体であってその一面がレーザ光出射面であるレーザ結晶基板の前記レーザ光出射面とを貼り合わせて第２複合基板とし、該第２複合基板を切断して複数の光学素子（１０）を得る光学素子の製造方法であって、前記第１複合基板と前記レーザ結晶基板とを貼り合わせる前に、前記第１複合基板と前記レーザ結晶基板の少なくとも一方の貼り合わせ面に、レーザ結晶でレーザ発振させる基本波について所望の偏光方向に偏光した光に対する反射率が前記所望の偏光方向に直交する方向に偏光した光に対する反射率より小さくなるようにする溝群（１ｇ，２ｇ）を刻設し、前記第１複合基板と前記レーザ結晶基板とを接着剤（４）で貼り付けることを特徴とする光学素子の製造方法を提供する。
上記第３の観点による光学素子の製造方法では、前記第２の観点による光学素子（１０）を好適に製造しうる。また、溝群（１ｇ，２ｇ）に接着剤（４）が入ることでアンカー効果が得られ、強固に一体化できるから、第２複合基板を切断して複数の光学素子（１０）を得る際に、剥離を生じ難くなり、歩留まりを向上できる。

本発明の光学素子によれば、安定な光学特性が得られる。
本発明の光学素子の製造方法によれば、歩留まりを向上することが出来る。

以下、図に示す実施例により本発明をさらに詳細に説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。

図１は、実施例１に係る光学素子１０を示す斜視図である。図２は、光学素子１０の分解斜視図である。
この光学素子１０は、半導体レーザからの励起レーザ光Ｌｉにより励起されてレーザ光出射面１ｏから基本波レーザ光を出すレーザ結晶１と、レーザ光入射面２ｉから入射した基本波レーザ光の高調波である波長変換レーザ光Ｌｏを出す波長変換結晶２と、波長変換結晶２をサンドイッチ状に挟むダミー材３とを具備している。
レーザ結晶１と波長変換結晶２およびダミー材３とは、接着剤４により貼り付けられている。
レーザ結晶１と波長変換結晶２およびダミー材３の貼り付け面には、溝群１ｇ，２ｇが例えばイオンミリングにより刻設されている。

レーザ結晶１は、例えばＮｄがドープされたＹＡＧ結晶やＹＶＯ４結晶である。
波長変換結晶２は、例えば分極反転周期構造が形成された強誘電体結晶（ＬＮやＬＴ基板、ＭｇＯをドープしたＬＮやＬＴ基板）や、ＫＰＴ基板である。
ダミー材３は、ヒートシンクとして好適に機能するように、ガラスの熱伝導率よりも大きい熱伝導率を有する材料製とすることが好ましい。また、熱膨張した時の悪影響を抑制するため、熱膨張係数がレーザ結晶１や波長変換結晶２と同程度の材料とするのが好ましい。例えば波長変換結晶２と同じ材料（周期的分極反転構造は必要ない）や、石英ガラスや、ＢＫ−７である。

溝群１ｇ，２ｇは、貼り合わせ後の状態において、レーザ結晶１でレーザ発振させる基本波（例えば波長１．０６４μｍ）について所望の偏光方向に偏光した光に対する反射率が所望の偏光方向に直交する方向に偏光した光に対する反射率より小さくなる作用を持つように形成されている。

貼り合わせ面と対向するレーザ結晶１の面、および、貼り合わせ面と対向する波長変換結晶２の面には、基本波（例えば波長１．０６４μｍ）に対する高反射膜が成膜されている。

図３は、光学素子１０の製造手順を示すフロー図である。
ステップＳ１では、図４に示すように、分極反転方向Ｄｒの光軸方向辺の長さＬ’、分極反転方向Ｄｒおよび分極方向Ｄｐに交差する幅方向の幅Ｇ、分極方向Ｄｐの厚さ方向の厚さｄの板状体である波長変換結晶大基板３２を作成する。長さＬ’は例えば６ｍｍ、幅Ｇは例えば６ｍｍ、厚さｄは例えば０.４ｍｍである。そして、ステップＳ３へ進む。

波長変換結晶大基板３２は、例えば所定サイズの強誘電体結晶大基板３２ａの対向面に周期電極３２ｂとベタ電極３２ｃを形成し、電極間に電圧を印加し、強誘電体結晶大基板３２ａの内部に周期的分極反転構造を形成することにより作成しうる。電極の対向方向が分極方向Ｄｐになり、周期電極３２ｂの形状の周期パターン方向が分極反転方向Ｄｒになる。電極は、そのまま残しておいてもよいし、除去してもよい。ダミー材との接着にオプチカルコンタクトを利用する場合には除去する方が望ましい。

強誘電体結晶大基板３２ａは、例えば、ＭｇＯをドープした、定比組成（ストイキオメトリ）または定比組成に近いタンタル酸リチウム基板（ＭｇＯドープ定比組成タンタル酸リチウムｊ基板）であり、そのモル分率Ｌｉ2Ｏ／（Ｔａ2Ｏ5＋Ｌｉ2Ｏ）は０.４９以上０.５未満である。

一方、ステップＳ２では、図５に示すように、長さＬ’、幅Ｇ、厚さＷの板状体であるダミー材大基板１３を作成する。厚さＷは例えば１ｍｍである。そして、ステップＳ３へ進む。

ステップＳ３では、図６に示すように波長変換結晶大基板３２とダミー材大基板１３とを交互に貼り合わせ、第１複合大基板２１’を作成する。貼り合わせた方向の第１複合大基板２１’の幅Ｚは例えば８ｍｍである。
貼り合わせの方法は、接着剤を用いてもよいし、オプチカルコンタクトを用いてもよい。

ステップＳ４では、図７に示すように分極反転方向Ｄｒ（＝光軸方向）について所定の作用長Ｌごとに波長変換結晶大基板３２をダイシング装置で切断し、図８に示すごとき第１複合基板２１を複数得る。Ｃ’は切断線である。作用長Ｌは例えば２ｍｍである。

ステップＳ５では、第１複合基板２１の分極反転方向Ｄｒに対向する２面に光学研磨を施し、一方の面に、使用する基本波に対するＨＲ膜を成膜する。さらに、他方の面に、分極反転方向Ｄｒおよび分極方向Ｄｐに直交する方向の溝群２ｇを、イオンミリング装置を用いて刻設し、図９に示すごとき第１複合基板２１”（溝付き）を得る。そして、ステップＳ１１へ進む。

一方、ステップＳ８では、光軸に垂直な２面間を厚さｈとするレーザ結晶大基板を作成する。厚さｈは、例えば１ｍｍである。
ステップＳ９では、レーザ結晶大基板の光軸に垂直な２面に光学研磨を施し、一方の面に、使用する基本波に対するＨＲ膜を成膜する。さらに、他方の面に、第１複合基板２１”の溝群２ｇに対応する溝群１ｇを、イオンミリング装置を用いて刻設する。
ステップＳ１０では、第１複合基板２１”の長さＧと幅Ｚに合わせたサイズにレーザ結晶大基板を切断し、図１０に示す如きレーザ結晶基板１１を得る。そして、ステップＳ１１へ進む。

ステップＳ１１では、図１１に示すように第１複合基板２１”の溝群２ｇを形成した面とレーザ結晶基板１１の溝群１ｇを形成した面とを接着剤４により貼り合わせ、第２複合基板２２を作成する。

ステップＳ１２では、図１２に示すように切断線Ｃで第２複合基板２２を切断し、図１に示すごとき光学素子１０を同時に複数得る。

実施例１によれば、レーザ結晶１および波長変換結晶２の貼り合わせ面に設けた溝群１ｇ，２ｇにより、所望の偏光方向の光に対する反射率を小さくすることが出来るため、所望の偏光方向の光については複合共振器が形成されず、レーザ発振が安定になる。また、レーザ結晶１が偏光依存性を持たない場合でも、偏光が決まり、レーザ発振が安定になる。
また、溝群１ｇ，２ｇは、構造性複屈折を有する構造を実現するための他の構造（例えばモスアイ構造）よりも製造が容易になる。
さらに、溝群１ｇ，２ｇに接着剤４が入ることでアンカー効果が得られ、強固に一体化できるから、第２複合基板２２を切断して複数の光学素子１０を得る際に、剥離を生じ難くなり、歩留まりを向上できる。

溝群１ｇ，２ｇのいずれか一方だけを形成してもよい。

ダミー基板３を波長変換結晶２の片面だけに貼り合わせてもよい。

レーザ結晶１と波長変換結晶２とダミー材３とを貼り合わせた後、ＨＲ膜の成膜を行ってもよい。

本発明の光学素子および光学素子の製造方法は、例えばＳＨＧ波長変換技術を用いた半導体励起固体レーザ等に利用できる。

実施例１に係る光学素子を示す斜視図である。 実施例１に係る光学素子を示す分解斜視図である。 実施例１に係る光学素子の製造手順を示すフロー図である。 波長変換結晶大基板を示す斜視図である。 ダミー材大基板を示す斜視図である。 第１複合大基板を示す斜視図である。 第１複合大基板の切断を示す斜視図である。 第１複合基板を示す斜視図である。 溝群を刻設した第１複合基板を示す斜視図である。 溝群を刻設したレーザ結晶基板を示す斜視図である。 第２複合基板を示す斜視図である。 第２複合基板の切断を示す斜視図である。

符号の説明

１ レーザ結晶
１ｇ 溝群
２ 波長変換結晶
２ｇ 溝群
３ ダミー材
４ 接着剤
１０ 光学素子
１１ レーザ結晶基板
１２ 波長変換結晶基板
１３ ダミー材大基板
２１ 第１複合基板
２１’ 第１複合大基板
２２ 第２複合基板
３２ 波長変換結晶大基板
Ｃ，Ｃ’ 切断線

Claims (3)

1. レーザ結晶（１）に波長変換結晶（２）を貼り合わせた光学素子（１０）において、前記レーザ結晶（１）および前記波長変換結晶（２）の少なくとも一方の貼り合わせ面に構造性複屈折を有する構造（１ｇ，２ｇ）を設けたことを特徴とする光学素子（１０）。
2. 請求項１に記載の光学素子（１０）において、前記構造性複屈折を有する構造（１ｇ，２ｇ）は、前記レーザ結晶（１）でレーザ発振させる基本波について所望の偏光方向に偏光した光に対する反射率が前記所望の偏光方向に直交する方向に偏光した光に対する反射率より小さくなるように形成した溝群（１ｇ，２ｇ）であることを特徴とする光学素子（１０）。
3. 光軸方向辺と幅方向辺と厚さ方向辺とを有する板状体である波長変換結晶大基板（３２）の前記光軸方向辺および前記幅方向辺で区画された少なくとも１面に板状体のダミー材大基板（１３）を貼り付けて第１複合大基板（２１’）とし、該第１複合大基板（２１’）の前記光軸方向辺について作用長（Ｌ）で切断して複数の第１複合基板を作成し、該第１複合基板の前記幅方向辺と厚さ方向辺とで区画されたレーザ光入射面と板状体であってその一面がレーザ光出射面であるレーザ結晶基板の前記レーザ光出射面とを貼り合わせて第２複合基板とし、該第２複合基板を切断して複数の光学素子（１０）を得る光学素子の製造方法であって、前記第１複合基板と前記レーザ結晶基板とを貼り合わせる前に、前記第１複合基板と前記レーザ結晶基板の少なくとも一方の貼り合わせ面に、レーザ結晶でレーザ発振させる基本波について所望の偏光方向に偏光した光に対する反射率が前記所望の偏光方向に直交する方向に偏光した光に対する反射率より小さくなるようにする溝群（１ｇ，２ｇ）を刻設し、前記第１複合基板と前記レーザ結晶基板とを接着剤（４）で貼り付けることを特徴とする光学素子の製造方法。

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