(57)【要約】  ダイオードレーザによってポンプされる固体マイクロチップアセンブリを受け入れるように変更された標準半導体レーザパッケージを含む小型化レーザパッケージが提供される。本発明に記載される標準パッケージは、小さな寸法、十分に封止されたハウジング、頑丈な取り付け構造物、半導体プロセス加工産業の既知の特徴を有する材料ならびに経済的な製造および組み立て技法特性を特徴とするＴＯおよびＨＨＬパッケージを含む。詳しくは、これらのマイクロチップレーザは、大量生産に有用である高密度技法を用いて製造され、その結果、非常に低い単位コストとなる。同時に、これらのコンパクトなレーザ素子は、いまだに主としてダイオードレーザ製造に共通の標準化された設計、材料および技法に立脚するダイオードレーザからは得られないさまざまな波長および動作特性、ならびに低いノイズ雑音特徴で、高いビーム品質および良好な信頼性特徴のレーザ放射を提供するという課題に解決法を提供する。従って、本発明が教示する方法によって構築されたデバイスは、パワー、信頼性および性能は高度であるが低いコストが不可欠である多数の用途に容易に集積化され、最終的には多数の既存のシステムのダイオードレーザを置き換えるばかりか、多数の新しい商業、生物医学、科学および軍事システムを可能にする。【選択図】  図１【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一つの活性レーザ媒体を備え、ダイオードレーザによってポンプされ、あるポンピング波長を有し、その結果、前記レーザ媒体があるレーザ発振波長の放射を放出するゲイン結晶アセンブリ、
を含み、
前記ゲイン結晶アセンブリは二つの向かい合うミラーによって定められる共振器空洞の内部に配置され、前記ミラーの少なくとも一つは、前記レーザ発振波長で高い反射率になるように、前記ポンピング波長で高い透過率になるように構成され且つ前記ダイオードレーザの近傍の前記ゲイン結晶アセンブリの表面に直接配置されたコーティングからなり、前記第二のミラーは、前記共振器の出口面を定める出力結合器であり、
前記共振器空洞は、標準ＴＯ半導体パッケージ中の前記放出用ダイオードレーザを支持する前記取り付けプラットホームの延長として構成される棚の上に取り付けられるものとする、
小型化された固体レーザパッケージ。
【請求項２】
前記ＴＯパッケージは、５．６ｍｍ、９ｍｍ、ＴＯ−３およびＴＯ−５からなる群から選ばれる、請求項１に記載の固体レーザパッケージ。
【請求項３】
前記共振器のパワー出力を安定化させるための手段をさらに含む、前記固体レーザパッケージ。
【請求項４】
前記パワー安定化は、前記パワー出力を感知するためのフォトダイオードを備えるフィードバック制御ループを用いて実行される、請求項３に記載の固体パッケージ。
【請求項５】
前記パワー安定化手段は、前記ゲイン結晶アセンブリの温度を制御して調整するための方法を含む、請求項３に記載の固体パッケージ。
【請求項６】
前記ゲイン結晶アセンブリは、ヒートシンクの中に封入される、請求項１に記載の固体レーザパッケージ。
【請求項７】
前記ダイオードレーザの前記出力波長を安定化させるための手段をさらに含む、請求項１に記載の固体レーザパッケージ。
【請求項８】
前記ＴＯパッケージは、外部冷却器の上に取り付けられる、請求項１に記載の固体レーザ。
【請求項９】
前記ゲイン結晶アセンブリは、二つの素子のコンポジットを含み、そのうち少なくとも一つは、前記活性レーザ材料である、請求項１に記載の小型レーザパッケージ。
【請求項１０】
前記ゲイン結晶アセンブリの前記第二の素子は、非線形媒体である、請求項１に記載のレーザパッケージ。
【請求項１１】
前記活性レーザ素子は、ホスト中にドーピングされた希土類元素を含む、請求項１に記載のレーザパッケージ。
【請求項１２】
前記希土類元素はＮｄである、請求項１１に記載の固体レーザパッケージ。
【請求項１３】
前記非線形素子は、前記レーザ放射の前記二次高調波を発生させるように構成される、請求項１０に記載のレーザパッケージ。
【請求項１４】
前記非線形素子は、放射のパラメトリック発生のために構成されコーティングされた、請求項１０に記載のレーザパッケージ。
【請求項１５】
前記コンポジットゲインアセンブリは、Ｎｄ：ＹＶＯ４ゲイン結晶とＫＴＰ非線形材料との前記組み合わせを含む、請求項９に記載のレーザパッケージ。
【請求項１６】
前記非線形材料は、ＫＴＰ、ＬＢＯまたはＫＮｂＯ３からなる群の中から選ばれる、請求項１０に記載のレーザパッケージ。
【請求項１７】
前記ゲイン結晶アセンブリは、前記活性レーザ材料と二つの非線形結晶とのコンポジットを含む、請求項１に記載の固体レーザパッケージ。
【請求項１８】
前記第一の非線形素子は、二次高調波発生のために構成され、前記二次高調波結晶は、前記レーザ放射の三次または四次高調波を発生させるように構成される、請求項１７に記載の固体レーザパッケージ。
【請求項１９】
前記コンポジットゲイン結晶は、二つの活性レーザ材料を含む、請求項１に記載の固体レーザパッケージ。
【請求項２０】
前記ゲイン結晶アセンブリは、接着剤を用いて前記棚に固定される、請求項１に記載の固体レーザパッケージ。
【請求項２１】
前記ゲイン結晶アセンブリは、ハンダを用いて前記棚に固定される、請求項１に記載の固体レーザパッケージ。
【請求項２２】
前記出力結合器ミラーは、前記ポンピングダイオードより遠位のゲイン結晶アセンブリの前記表面の上に直接析出される、請求項１に記載のレーザパッケージ。
【請求項２３】
前記出力結合器ミラーは、前記ゲイン結晶アセンブリから離間され他方の共振器素子と位置合わせされた別個の光学素子を含む、請求項１に記載のレーザパッケージ。
【請求項２４】
前記出力結合器は曲面を有する、請求項２３に記載のレーザパッケージ。
【請求項２５】
前記共振器空洞は、平面−平面の安定な構造として構成される、請求項１に記載のレーザパッケージ。
【請求項２６】
前記共振器空洞は、パルス放射を提供するようになっているＱスイッチ手段をさらに含む、請求項１に記載のレーザパッケージ。
【請求項２７】
前記Ｑスイッチは、可飽和吸収体を含む、請求項２６に記載のレーザパッケージ。
【請求項２８】
前記Ｑスイッチは、能動変調子を含む、請求項２６に記載のレーザパッケージ。
【請求項２９】
前記ゲイン結晶アセンブリは、少なくとも二つの素子を含む、請求項１に記載の固体レーザパッケージ。
【請求項３０】
前記ゲイン結晶アセンブリの前記二つの素子は、誘電体コーティングされたプレートを含む、請求項２９に記載の固体レーザパッケージ。
【請求項３１】
前記素子は、光接着剤を用いて接合される、請求項２９に記載の固体レーザパッケージ。
【請求項３２】
前記結晶アセンブリの前記素子は、光接触を用いてボンディングされる、請求項２９に記載の固体レーザパッケージ。
【請求項３３】
前記結晶ゲインアセンブリの前記素子は、拡散ボンディングの技法を用いてボンディングされる、請求項２９に記載の固体レーザパッケージ。
【請求項３４】
前記ゲイン結晶アセンブリの前記素子は、フレネル反射に起因する損失を通過当り１％未満に低下させる方法を用いて接合される、請求項２９に記載の固体レーザパッケージ。
【請求項３５】
前記ゲイン結晶アセンブリは、高密度技法を用いて製造される、請求項１に記載の固体レーザパッケージ。
【請求項３６】
前記ゲイン結晶アセンブリは、研磨されコーティングされた結晶ウエハを複数の小型結晶ゲインモジュールにダイシングすることによって製造される、請求項３５に記載の固体レーザパッケージ。
【請求項３７】
前記ゲイン結晶アセンブリを製造するプロセスは、最初に低損失ボンディング技法を用いて前記別々の素子のウエハを接合させる工程の後、コーティングの塗布工程、それに続いて前記コンポジットウエハが、複数の小型結晶ゲインアセンブリにダイシングされる工程によって実行される、請求項１に記載の固体レーザパッケージ。
【請求項３８】
前記ゲイン結晶アセンブリを製造するプロセスは、最初に、接着剤を用いて前記別々の素子のウエハを一緒に接合させてコンポジットウエハにする工程の後、前記コンポジットウエハを干渉計測定レベルの平面に研磨する工程、続いて、コーティングの塗布工程、それに続いて、前記コンポジットウエハが複数の小型結晶ゲインアセンブリにダイシングされる工程によって実行される、請求項１に記載の固体レーザパッケージ。
【請求項３９】
前記ポンプダイオードからの前記パワー出力は、少なくとも２５０ｍＷである、請求項１に記載の固体レーザパッケージ。
【請求項４０】
前記パワー出力は、基本レーザ放射で少なくとも１００ｍＷである、請求項３６に記載の固体レーザパッケージ。
【請求項４１】
前記緑色パワー出力は、少なくとも１ｍＷである、請求項１４に記載の固体レーザパッケージ。
【請求項４２】
前記共振器空洞は、単一縦モードの出力を供給するようになっている、請求項１に記載の固体レーザパッケージ。
【請求項４３】
前記共振器空洞は、単一横モードの出力を供給するようになっている、請求項１に記載の固体レーザパッケージ。
【請求項４４】
前記パッケージ全体の体積は、１ｃｍ３未満である、請求項１に記載の固体レーザ。
【請求項４５】
少なくとも一つの活性レーザ媒体を備え、ダイオードレーザによってポンプされ、あるポンピング波長を有し、その結果、前記レーザ媒体があるレーザ発振波長の放射を放出するゲイン結晶アセンブリ、
を含み、
前記ゲイン結晶アセンブリは、二つの向かい合うミラーによって定められる共振器空洞の内部に配置され、前記ミラーの少なくとも一つは、前記レーザ発振波長で高い反射率になるように、前記ポンピング波長で高い透過率になるようにコーティングされ且つ前記第二のミラーは、前記共振器の出口面を定める出力結合器であり、
前記固体レーザパッケージは、約１ｃｍ３より小さい体積を有する
小型化された固体レーザパッケージ。
【請求項４６】
前記パッケージは、前記ゲイン結晶アセンブリを保持するように適合させて構成された半導体レーザＴＯパッケージである、請求項４５に記載の固体レーザパッケージ。
【請求項４７】
前記ゲイン結晶アセンブリの温度を制御して調節するための手段を備える、請求項４５に記載の固体パッケージ。
【請求項４８】
前記温度を制御して調節するための前記手段はＴＥＣを含む、請求項４７に記載の固体パッケージ。
【請求項４９】
前記ゲイン結晶アセンブリは、ヒートシンクの中に封入される、請求項４５に記載の固体レーザパッケージ。
【請求項５０】
前記ゲイン結晶アセンブリは、二つの素子のコンポジットを含み、そのうち少なくとも一つは、前記活性レーザ材料である、請求項４５に記載の小型レーザパッケージ。
【請求項５１】
前記ゲイン結晶アセンブリの前記第二の素子は、非線形媒体である、請求項４５に記載のレーザパッケージ。
【請求項５２】
前記活性レーザ素子は、Ｎｄをドーピングされたレーザホストを含む、請求項４５に記載のレーザパッケージ。
【請求項５３】
前記非線形素子は、前記レーザ放射の前記二次高調波を発生させるように構成される、請求項５１に記載のレーザパッケージ。
【請求項５４】
前記コンポジットゲインアセンブリは、Ｎｄ：ＹＶＯ４ゲイン結晶とＫＴＰ非線形材料との前記組み合わせを含む、請求項５１に記載のレーザパッケージ。
【請求項５５】
前記非線形材料は、ＫＴＰ、ＬＢＯまたはＫＮｂＯ３からなる群の中から選ばれる、請求項５１に記載のレーザパッケージ。
【請求項５６】
前記ゲイン結晶アセンブリは、前記活性レーザ材料と二つの非線形結晶とのコンポジットを含む、請求項４５に記載の固体レーザパッケージ。
【請求項５７】
前記コンポジットゲイン結晶は、二つの活性レーザ材料を含む、請求項４５に記載の固体レーザパッケージ。
【請求項５８】
前記出力結合器ミラーは、前記ポンピングダイオードより遠位のゲイン結晶アセンブリの前記表面の上に直接析出される、請求項４５に記載のレーザパッケージ。
【請求項５９】
前記出力結合器ミラーは、前記ゲイン結晶アセンブリから離間され位置を合わせられた別個の光学素子を含む、請求項４５に記載のレーザパッケージ。
【請求項６０】
前記出力結合器は曲面を有する、請求項５９に記載のレーザパッケージ。
【請求項６１】
前記共振器空洞は、平面−平面の安定な構造として構成される、請求項４５に記載のレーザパッケージ。
【請求項６２】
前記共振器空洞は、パルス放射を供給するようになっているＱスイッチ手段をさらに含む、請求項４５に記載のレーザパッケージ。
【請求項６３】
前記Ｑスイッチは、可飽和吸収体を含む、請求項６２に記載のレーザパッケージ。
【請求項６４】
前記Ｑスイッチは、能動変調子を含む、請求項６２に記載のレーザパッケージ。
【請求項６５】
前記ゲイン結晶アセンブリは、少なくとも二つの素子を含む、請求項４５に記載の固体レーザパッケージ。
【請求項６６】
前記ゲイン結晶アセンブリの前記素子は、フレネル反射に起因する損失を通過当り１％未満に低下させる低損失方法を用いて接合される、請求項６５に記載の固体レーザパッケージ。
【請求項６７】
前記ゲイン結晶アセンブリは、高密度技法を用いて製造される、請求項４５に記載の固体レーザパッケージ。
【請求項６８】
前記ゲイン結晶アセンブリは、ウエハをボンディングし、続いてウエハを研磨し、コーティングし、複数の小型結晶ゲインモジュールにダイシングすることによって製造される、請求項４５に記載の固体レーザパッケージ。
【請求項６９】
前記ポンプダイオードからの前記パワー出力は、少なくとも２５０ｍＷである、請求項４５に記載の固体レーザパッケージ。
【請求項７０】
前記パワー出力は、少なくとも１００ｍＷである、請求項４５に記載の固体レーザパッケージ。
【請求項７１】
前記パワー出力は、少なくとも２０ｍＷの可視光である、請求項４５に記載の固体レーザパッケージ。
【請求項７２】
前記共振器空洞は、単一縦モードの出力を供給するようになっている、請求項４５に記載の固体レーザパッケージ。
【請求項７３】
前記共振器空洞は、単一横モードの出力を供給するようになっている、請求項４５に記載の固体レーザパッケージ。
【請求項７４】
ヒートシンクプラットホーム上に取り付けられ、第一の波長の放射を放出するダイオードレーザ、
前記第一の波長でポンプされ、第二の波長を放出するように構成された固体レーザマイクロチップアセンブリ、
を含み、
前記マイクロチップアセンブリは、第一の入力ミラーと第二の出力結合ミラーとによって定められる共振器の内部に配置され、
前記固体レーザマイクロチップアセンブリおよび周囲の共振器ミラーは、前記ダイオードレーザを支持する前記ヒートシンクプラットホーム構造体の近傍にあり、前記ヒートシンクプラットホーム構造体から突き出している棚の上に取り付けられている
改良型半導体高熱負荷（ＨＨＬ）パッケージ。
【請求項７５】
前記共振器の前記パワー出力を安定化させるための手段をさらに含む、請求項７４に記載の改良型ＨＨＬパッケージ。
【請求項７６】
前記パワー安定化は、前記パワー出力を感知するためのフォトダイオードを含むフィードバック制御ループを用いて実行される、請求項７５に記載の改良型ＨＨＬパッケージ。
【請求項７７】
前記パワー安定化手段は、前記ゲイン結晶アセンブリの温度を制御して調節するための方法を含む、請求項７４に記載の改良型ＨＨＬパッケージ。
【請求項７８】
前記マイクロチップアセンブリは、ヒートシンクの中に取り付けられる、請求項７４に記載の改良型ＨＨＬパッケージ。
【請求項７９】
前記ゲイン結晶アセンブリを低温に冷却するための手段をさらに含む、請求項７４に記載の改良型ＨＨＬパッケージ。
【請求項８０】
前記マイクロチップアセンブリは、少なくとも二つの素子のコンポジットを含み、そのうち少なくとも一つは、前記活性レーザ材料である、請求項７４に記載の改良型ＨＨＬレーザパッケージ。
【請求項８１】
前記マイクロチップアセンブリの第二の素子は、非線形素子である、請求項８０に記載の改良型ＨＨＬパッケージ。
【請求項８２】
前記マイクロチップアセンブリは、前記活性レーザ材料と二つの非線形結晶とのコンポジットを含む、請求項７４に記載の改良型ＨＨＬレーザパッケージ。
【請求項８３】
前記第一の非線形素子は、二次高調波発生のために構成され、前記二次高調波結晶は、前記レーザ放射の三次または四次高調波を発生させるように構成される、請求項８２に記載の改良型ＨＨＬパッケージ。
【請求項８４】
前記出力結合器ミラーは、前記ゲイン結晶アセンブリから離間され前記他方の共振器素子と位置合わせされた別個の光学素子を含む、請求項７４に記載の改良型ＨＨＬパッケージ。
【請求項８５】
前記共振器空洞は、パルス放射を供給するようになっているＱスイッチ手段をさらに含む、請求項７４に記載の改良型ＨＨＬパッケージ。
【請求項８６】
前記Ｑスイッチは、能動変調子を含む、請求項２５に記載の改良型ＨＨＬパッケージ。
【請求項８７】
前記コンポジットマイクロチップアセンブリの前記素子は、フレネル反射に起因する損失を通過当り１％未満に低下させる方法を用いて接合される、請求項８０に記載の改良型ＨＨＬパッケージ。
【請求項８８】
前記マイクロチップアセンブリは、高密度技法を用いて製造される、請求項７４に記載の改良型ＨＨＬパッケージ。
【請求項８９】
前記マイクロチップアセンブリは、製造されコーティングされた結晶ウエハを複数の小型マイクロチップにダイシングすることによって製造される、請求項７４に記載の改良型ＨＨＬパッケージ。
【請求項９０】
前記ポンプダイオードの前記パワーは、少なくとも２Ｗである、請求項７４に記載の改良型ＨＨＬパッケージ。
【請求項９１】
少なくとも０．５Ｗの基本レーザ放射のパワー出力を発生するようになっている、請求項７４に記載の改良型ＨＨＬパッケージ。
【請求項９２】
少なくとも２００ｍＷの可視域のパワー出力を発生するようになっている、請求項７４に記載の改良型ＨＨＬパッケージ。
【請求項９３】
少なくとも５０ｍＷの紫外域のパワー出力を発生するようになっている、請求項７４に記載の改良型ＨＨＬパッケージ。
【請求項９４】
前記共振器空洞は、単一縦モードの出力を供給するようになっている、請求項７４に記載の改良型ＨＨＬパッケージ。
【請求項９５】
前記共振器空洞は、単一横モードの出力を供給するようになっている、請求項７４に記載の改良型ＨＨＬパッケージ。
【請求項９６】
固体マイクロレーザを、改良型半導体レーザパッケージの中にパッケージする方法であって、
前記半導体レーザパッケージを封止する前記キャップを取り去ること、
前記半導体レーザを支持する前記取り付けプラットホームから棚を突き出させること、
少なくとも一つのゲイン素子と二つのミラーとを含む小型ゲイン結晶共振器アセンブリを、前記棚の上に取り付けること、
前記ゲイン結晶を安定にポンプするように、前記半導体レーザを位置合わせすること、
前記ゲイン結晶共振器アセンブリを前記棚の上に接合すること、
前記ゲイン結晶共振器からの前記出力放射に対して透明な出力窓を含む変形キャップを製造すること、
なお、前記キャップ長さは、前記半導体レーザプラットホームと、前記ゲイン結晶共振器アセンブリを支持する前記突き出された棚との合計の長さを収容するように選ばれ、
前記パッケージを封止するために、前記変形キャップを戻すこと
を含む方法。
【請求項９７】
前記半導体レーザパッケージは、ＴＯパッケージである、請求項９６に記載の方法。
【請求項９８】
前記半導体レーザパッケージは、ＨＨＬパッケージである、請求項９６に記載の方法。
【請求項９９】
前記ゲイン結晶アセンブリは、ＴＥＣを用いて冷却される、請求項９６に記載の方法。
【請求項１００】
前記半導体レーザは、ブラッグ回折格子を用いて波長安定化される、請求項９６に記載の方法。
【請求項１０１】
前記ゲイン結晶アセンブリは、少なくとも二つの素子のコンポジットを含む、請求項９６に記載の方法。
【請求項１０２】
前記共振器ミラーの少なくとも一つは、前記半導体レーザの近傍の前記ゲイン結晶アセンブリの前記表面に塗布されたコーティングを含む、請求項９６に記載の方法。
【請求項１０３】
前記レーザ結晶アセンブリを前記棚へ接合させることは、接着剤を用いて実行される、請求項９６に記載の方法。
【請求項１０４】
前記レーザ結晶アセンブリを前記棚に接合させることは、ハンダ付けすることを含む、請求項９６に記載の方法。
【請求項１０５】
前記レーザ結晶ゲインアセンブリは、大口径ウエハからダイシングすることによって製造される、請求項９６に記載の方法。
【請求項１０６】
前記出力窓は、前記出力波長でＡＲコーティングされる、請求項９６に記載の方法。
【請求項１０７】
前記ゲイン材料の前記長さは、前記半導体レーザ放射を最大吸収するように選ばれる、請求項９６に記載の方法。
【請求項１０８】
結果として得られる固体マイクロレーザパッケージは、約１立方センチメートルより小さな体積を有する、請求項９６に記載の方法。
【請求項１０９】
少なくとも一つの出力波長を供給するように設計された小型固体レーザを大量生産するための方法であって、
少なくとも一つの活性レーザゲイン材料を含むウエハコンポジットを製造し、研磨する工程、
前記少なくとも一つの出力波長で、損失を最小化し、選ばれた反射または透過の性質を提供するように、前記ウエハにコーティングする工程、
前記ウエハを、複数の使用可能なマイクロチップ結晶ゲインアセンブリにダイシングする工程、
改良型半導体レーザパッケージ中の各結晶ゲインアセンブリを、前記半導体レーザ取り付けプラットホームから突き出ている棚の上に取り付ける工程、
前記結晶ゲインアセンブリをポンプするために、前記半導体レーザからの前記出力を用いる工程、
前記出力波長を最適化するために、前記結晶ゲインアセンブリを位置合わせする工程、および
前記結晶ゲインアセンブリを前記棚に固定する工程
を含む方法。
【請求項１１０】
前記ウエハコンポジットは、二次非線形光学素子を含む、請求項１０９に記載の方法。
【請求項１１１】
前記ウエハコンポジットは、前記出力波長に透明な接着剤を用いる接合プロセスによって製造される、請求項１１０に記載の方法。
【請求項１１２】
前記ウエハコンポジットは、光接触プロセスを用いて製造される、請求項１０９に記載の方法。
【請求項１１３】
前記ウエハコンポジットは、拡散ボンディングプロセスを用いて製造される、請求項１０９に記載の方法。
【請求項１１４】
前記結晶ゲインアセンブリを支持する前記棚の上に、少なくとも一つの新たな光学素子が取り付けられる、請求項１０９に記載の方法。
【請求項１１５】
前記光学素子は、出力結合器ミラーである、請求項１１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００３年９月２２日出願の米国特許仮出願第６０／５０４，６１７号の優先権を主張する。
【０００２】
本発明は、大量生産技法を用いて製造できる非常にコンパクトな、および／または小型化されたダイオードポンプ固体レーザに関する。
【背景技術】
【０００３】
ポインティングデバイス、スーパーマーケットのスキャナ、銃の照準およびその他を含む多くの用途で当たり前となっている従来の赤色レーザ、特に赤色半導体ダイオードレーザに替わるものとして、新しい種類のマイクロレーザが望まれている。ダイオードレーザは、青色、赤色および近赤外域の波長を含めて提供することができるが、今のところ、緑の波長をある程度の出力パワーで発生することができるダイオードレーザ技術がない。しかし、緑色の波長域は、ヒトの眼の分光感度が最大となる領域であり、水中の透過率がピークに達する領域なので、特に重要である。さらに、ダイオードレーザは、通常、ダイオードストライプに平行な方向と直角な方向との発散角度が異なるため、非点収差の低輝度デバイスである。他方、固体レーザは、コンパクトな最新のダイオードポンプ型であっても、スーパーマーケットのスキャナなどの大量用途またはコンパクトディスクに書き込むために用いられるには大き過ぎ、および／または高価過ぎる。さらに、固体レーザは、基本放射を１μｍの近傍および周辺の赤外線のスペクトル領域に放出する傾向があり、従って、可視域の光を発生するために、このレーザに別の手段を組み込まなければならない。
【０００４】
一般的に、これらの手段は、一つ以上の非線形プロセスを含む。例えば、ＮｄドープＹＡＧまたはＹＶＯ４（バナジン酸塩）の１０６４ｎｍの遷移を５３２ｎｍの出力波長に変換するために、適当な非線形結晶を用いて、二次高調波発生（ＳＨＧ）プロセスを用いることができる。より一般的に、二つの異なるレーザ波長の周波数を合計するために、和周波数発生（ＳＦＧ）を利用することができる。ＳＦＧの最も普通の利用は、三次高調波発生（ＴＨＧ）であり、この場合、紫外放射、例えば３５５ｎｍを発生させるために、上記で言及したＮｄドープ材料中で赤外線の光子と緑色光の光子とを加え合わせる。あるいは、さらに別の波長を発生させるために、同じ材料からの異なる遷移を合計してもよい。ＳＨＧおよびＳＦＧに加えて、光パラメトリック増幅（ＯＰＡ）およびラマンシフト化を含む、固定レーザ遷移を用いて他の離散波長を発生させるために用いることができるその他の非線形プロセスがある。可視スペクトル全域にわたって、固体レーザからさまざまな波長を発生させるために用いることができる技法および材料が知られているので、非線形技法によって、単一の固体レーザ結晶から得られる波長の範囲を、大いに広げることができる。しかし、これらの手段はみな、簡単なダイオードポンプ設計を利用しても、システムの大きさとコストとを増加させる傾向がある。これは、単一横（ガウシアン）モード（ＳＴＭ）、および／または単一縦モード（ＳＬＭ）で動作するように設計された緑色の場合に、とりわけ言えることである。
【０００５】
レーザの周波数を二倍化する二つの一般的な方法があり、外部型（空洞外）または内部型（空洞内）として知られている。光共振器を記述するのに、「空洞」と「共振器」とが区別なく用いられる点に注意する。空洞外二倍化の場合、レーザ源からのビームは非線形結晶の中を通らされ、ビームのエネルギーの幾分かが緑色出力に変換される。空洞外非線形プロセスはどれも、特に、例えばＳＨＧ効率が一般に５％未満であるＣＷレーザの場合のように、高いピークパワーが得られない場合、既知の限界があり、この限界によって高調波変換の効率が制限される傾向がある。これに対して、非線形結晶が共振器の内部に配置される空洞内変換の場合、共振器内部の基本波ビームの強度は空洞外の場合より著しく大きいので、顕著に高い効率が得られる可能性がある。従って、空洞内周波数二倍化構成は、低パワーレーザおよび／またはＣＷレーザ用に最も普通に用いられる構成である。
【０００６】
図１に示すのは、１０６４ｎｍ近傍に基本レーザ遷移を有し、８０８ｎｍまたはその近傍の放射によって光学的にポンプされるＮｄ：ＹＡＧ（イットリウムアルミニウムガーネット）またはＮｄ：ＹＶＯ４（オルトバナジン酸塩）などのゲイン材料に直接適用することができる一般的な空洞内二倍化構成である。ポンプ放射は、半導体レーザによって供給される。さまざまな実施態様で、半導体レーザは、直接結合ダイオードレーザ、ファイバ結合ダイオードまたはダイオードアレイを含んでよい。あるいは、このＮｄレーザ遷移を、もう少し長波長の８６９または８８５ｎｍで直接ポンプしてもよい。共振器の各端に反射率の高いコーティングを用いると、レーザ波長、この場合１０６４ｎｍで発生したレーザ光は、共振器の内部に光学的に「トラップ」される。空洞を小型にするために、共振器の少なくとも一端は、レーザゲイン材料自体によって定めてもよい。図１の例では、ダイオードまたはダイオードアレイに面するレーザ材料は、ポンプ波長で高透過性（ＨＴ）、レーザ波長で高反射性（ＨＲ）であるようにコーティングされる。通常、レーザ発振結晶の反対側の面は、１０６４ｎｍの基本波長で、レーザが空洞内二倍化型なら５３２ｎｍでも、反射防止（ＡＲ）コーティングされる。この場合、レーザ発振結晶の背面（ダイオードに面する）と出力結合器との間に、光共振器が形成される。出力結合器は、種々の実施態様で、ダイオードに面する曲面または平面を有してよいが、通常、１０６４ｎｍ遷移がレーザ発振されるなら、部分反射器（ＰＲ）であり、あるいは、空洞内ＳＨＧが実体化されるなら、１０６４ｎｍでＨＲ、５３２ｎｍでＨＴとなるようにコーティングされる。出力結合器の出力表面は、空洞内二倍化レーザ構成の場合、通常、二次高調波波長でＡＲコーティングされる。吸収されたポンプ放射がレーザ発振材料に及ぼす熱レンズ効果がＴＥＭ００動作を保証するのに十分なら、安定な光共振器のために平面出力結合器を用いてもよい。あるいは、共振器安定性を維持するために、出力結合器の出力表面を曲面にしてもよい。必要に応じて、出力レーザビームを発散させるか、または収束させるように、曲率をさらに最適化してもよい。
【０００７】
空洞内二倍化の１０６４ｎｍの出力結合はゼロなので、近似的に等しい強度の基本波放射が共振器内を左右に循環する。この結果、共振器の内部には高い１０６４ｎｍのＣＷ強度が蓄積される。各基本波ビームは、同じ方向に進行する緑色のビームを発生させる。共振器の内部の基本波ビームは、＋（右）および−（左）の両方向に進行するので、緑色の二次高調波ビームも両方向に発生する。出力結合器が二次高調波波長でＨＴとなるようにコーティングされていると、右に進行する緑色の光は共振器から出る。左に進行する緑色の光も、ダイオードに面するレーザ発振結晶の側面の５３２ｎｍでＨＲにコーティングされた表面から右向きに反射されて返された後、出力結合器を通って右に進行する緑色のビームと共線で共振器から出る。通常、レーザ発振結晶中では、二次高調波波長で、ある有限の吸収があるという事実はあるが、後方（左）に進行する緑色の光を回収する結果、緑色の変換効率は顕著に改善する。高品質の光学材料および結晶が用いられるなら、ＣＷ動作の場合であっても、共振器内で発生する強度は、ダイオード出力から緑色出力への１５〜３０％変換効率を生み出すのに十分である。空洞中にＱスイッチが備えられるパルス動作の場合、一般に、さらに高い変換効率が実現され得る。
【０００８】
図１に示す基本構成は、パルスでもＣＷでも、ダイオードポンプ空洞内周波数二倍化レーザを構築する分野では公知である点に注意する。図１の実施態様は、Ｎｄ：ＹＡＧまたはＮｄ：ＹＶＯ４の１０６４ｎｍの主遷移に固有のものであるが、これらまたは他のレーザ材料中の他の遷移にも同様な原理が適用されると理解される。例えば、レーザ発振され得る代わりの遷移は、Ｎｄ：ＹＡＧの９４６ｎｍまたは１３１９ｎｍの遷移、およびＮｄ：ＹＶＯ４の９１４．５ｎｍおよび１３４２ｎｍの対応する遷移を含む。バイヤー（Ｂｙｅｒ）らの初期の米国特許第４，８０９，２９１号には、Ｎｄドープレーザ中の４Ｆ３／２→４Ｉ９／２の青色への空洞内変換が教示され、ハージス（Ｈａｒｇｉｓ）およびネルテ（Ｎｅｌｔｅ）の米国特許第５，５７４，７４０号には、空洞内二倍化Ｎｄドープバナジン酸塩レーザのモノリス型が記載されている。Ｎｄ：ＹＬＦまたはＮｄ：ＹＡＬＯなど、その他のＮｄ−ドープ材料も、図１と同様な空洞内構成で、基本または代替遷移でのレーザ動作を選んで使用することができる。その他の低いゲイン遷移を選択するとき、図１の空洞への１つの重要な変更は、優勢な基本遷移を抑制するために、さまざまな表面の対応するＨＲコーティングが基本波で最小反射率を有しなければならないことである。
【０００９】
レーザ材料は、多数の幾何形状で製造してよい。例えば、レーザ材料は、薄板（ディスク）または長いロッドとして機械加工してよい。全体として、ゲイン材料幾何形状の選択は、ポンプ吸収効率、利用可能な濃度、材料特性および除熱要件を考慮して決められる。通常、熱の観点からは薄板構成が好ましいが、多くの場合、吸収長さに悪影響があり、最適幾何形状は、ゲイン材料によってそれぞれ異なることがある。
【００１０】
マイクロレーザ構造体の場合、空孔内二倍化は実体化するのが比較的簡単であり、多くの場合、空洞外二倍化構成よりも効率がよい。従来技術によれば、コンパクトな周波数変換型小型化固体レーザを作製するための多数の技法および手法が認識されている。例えば、米国特許第６，１１１，９００号には、レーザ結晶と非線形結晶とがスペーサによって結合され組み合わせられる方法が教示されている。しかし、この種類のレーザアセンブリは、製造するのが労働集約型であり、比較的高価である。活性媒体のゲインバンド幅を常に空洞モードの周波数幅以下に保つように空洞長さを選択することを利用したモーラディアン（Ｍｏｏｒａｄｉａｎ）の米国特許第４，８６０，３０４号および後続の第４，９５３，１６６号、第５，２６５，１１６号、第５，３６５，５３９号および第５，４０２，４３７号に教示されているマイクロチップレーザの概念によって、ＳＬＭ動作が実現された。モーラディアンは、レーザ材料と非線形材料とをボンディングするために、透明な光接合剤の使用を教示したが、モノリス構造体のボンディング技法では、コーティングされた表面を接合することはできず、空洞長さに課せられた厳格な要件によって、モードホッピングノイズの影響を受けやすく、実際上、所望の量、製造経済性およびコストで効率よく製造するのは難しいレーザを発生させた。マイクロチップレーザからＳＬＭ動作を実現するための上記に続く方法は、米国特許第６，０２６，１０２号にシモジ（Ｓｈｉｍｏｊｉ）が記載したものなど、さまざまな構築物を含んでいた。この特許では、ＳＬＭ動作を発生させるために、レーザ材料と非線形結晶との間で、角度を有する表面が空気空間エタロンを形成する。そのような手法は、やはり、各マイクロチップコンポジットのために別々のプロセス加工を必要とする洗練された製造技法を必要とし、プロセスを大量生産環境に適用するのが難しくなる可能性がある。
【００１１】
レーザ媒体と非線形結晶とを含むモノリスレーザアセンブリを構築する代替技法には、例えば、結晶製造業者ＶＬＯＣ社（ＶＬＯＣ  Ｉｎｃ）によって用いられている「接触ボンディング」の方法が含まれる。図２は、ＶＬＯＣ社が市販している空洞内周波数二倍化マイクロレーザ共振器構成を表す。図に示したように、アセンブリは左方からダイオードビームによって８０８ナノメートルまたはその近傍でポンプされ、非線形物質の右面から緑色ビームが発生する。多くの場合、この構成は、平面−平面共振器と呼ばれ、レーザ設計者によって理解される意味で不安定である。しかし、すべてのレーザ発振素子は、熱レンズ効果、またはゲイン誘導を示すので、動作を安定化させるために結晶中の効果を利用することができる。この例では、レーザは、非線形周波数二倍化結晶（通常はＫＴＰ）に光接触するＮｄドープレーザ結晶（通常はＮｄ：ＹＡＧまたはＮｄ：ＹＶＯ４）を含むモノリス結晶アセンブリからなり、アセンブリの端の表面は、緑色出力を最大にするようにコーティングされる。共振器を形成するために、左側のＮｄ：ＹＶＯ４表面は、８０８ｎｍ周辺のダイオードポンプ波長でＨＴとなり、１０６４ｎｍおよび５３２ｎｍでＨＲとなるようにコーティングされ、一方、右側のＫＴＰ表面は、１０６４ｎｍでＨＲとなり、５３２ｎｍでＨＴとなるようにコーティングされて、緑色放射の出力結合器として使用される。内部接触ボンディングされた表面は、通常、コーティングされず、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶とＫＴＰ結晶との間の屈折率差に起因する小さな反射損失が存在する。周波数二倍化Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザを構築する分野では普通であるように、Ｎｄ：ＹＶＯ４のｃ軸は、結晶角度θ＝９０°によって定められるＩＩ型位相整合方向に配向したＫＴＰに対して４５°回転され、通常はφ＝２３°である。完成すると、結晶アセンブリは非常にコンパクトで、製造業者の文献によれば、ＫＴＰ結晶は、５ｍｍ×５ｍｍ×厚さ１．５ｍｍの寸法を有し、Ｎｄ：ＹＶＯ４は、３ｍｍ×３ｍｍ×０．４ｍｍの寸法を有する。モーラディアンらのマイクロレーザと同じように、空洞長さが短いということは、このアセンブリが、ある限定されたパワー範囲で、ＳＬＭおよび／またはＳＴＭ動作することができることを意味する。アセンブリ中に適切なダイオードポンプ励起スポットサイズを設けることによって、このレーザをＳＴＭ動作させることもできる。接触ボンディングの方法は、ボンディングされる素子を、光学近接距離に接近配置し、表面間に強いファンデアワールス引力を発生させることを含む。接触は、通常、ボンディング辺の周囲で、メチルアクリレートなどの接着剤を用いて封止される。個々の結晶を接触ボンディングする方法は、光学的には確実であるものの、コストおよび歩留まり面で依然としてかなり高価である。その上、この種類のモノリスレーザアセンブリでは、実際のレーザは、利用できる結晶の体積の小さな比率だけを用いることもさらに認識されている。例えば、通常の緑色および赤外レーザデバイスでは、結晶の中心領域の１００〜２００μｍの部分だけが用いられる。従って、高価な結晶材料の残り部分は無駄となり、それぞれの完成アセンブリの材料コストをさらに最小化することを��しくする。小さな面積の表面を一緒に接触させることが難しいため、接触ボンディングされた結晶アセンブリを超小型化することは実用的でないという事実によって、この先行技術技法でコストをさらに削減することは難しい。従って、現在の製造技術で、装置あたり１０００．００ドルを超えてしまう装置コストを引き下げることは難しい。
【００１２】
可視域で動作する小型化レーザを製造するための他の代替技術は、例えば、最近の米国特許第６，６１４，８２７号および第６，２４３，４０７号に記載されているように、周波数二倍化ＶＣＳＥＬ（垂直空洞表面放出レーザ）構造を外部または内部に含む。しかし、そのような半導体系デバイスは、プロセス加工設備の大がかりな投資を必要とし、製造コストが比較的高くなりがちであり、出力波長は、半導体量子井戸構造によって効率的に発生させることができる波長に限定される。従って、ＶＣＳＥＬ構造を利用する可視レーザは、総体的に、現在のところ装置あたり１００ドル未満の価格のダイオードレーザを使用するポインタ、スーパーマーケットのスキャナおよび建築補助品などの大量用途の必要を満たすには、大きすぎ、コストが高すぎる。
【００１３】
先行技術では、コンパクトなダイオードポンプレーザパッケージを構築する多数のその他の試みが認識されている。周波数変換付きで、または周波数変換なしでダイオードポンプ固体レーザを利用する代替手法には、例えば、米国特許第５，８７２，８０３号にモリ（Ｍｏｒｉ）らによって記載されているように、レーザ媒体をＴＯ半導体デバイス中にパッケージすることが含まれる。しかし、この特許に記載されているパッケージは、通常１×１×長さ１．５インチ（ＴＥ冷却器を含む）である比較的大きなＴＯ３パッケージ中の機械的な取り付け技法を利用している。しかし、機械的調整によって光学部品への応力が発生し、特に、非線形素子が空洞内に含まれると、位置合わせおよび出力安定性に影響が生じる。
【００１４】
明らかに、依然として、コストが低く、密度（デバイス体積で除した出力パワーのワット）が高いマイクロレーザデバイス、特に、５３２ｎｍ近傍の緑色スペクトル域で動作するマイクロレーザデバイスを作製し、製造するための方法を見いださなければならない。特に、消費者市場向けに、可視光を十分なパワーで発生させる能力がありながら、半導体レーザと競合できるように十分小さく装置コストが十分低いレーザパッケージへの需要がある。生物医学的装置などの用途向けに、紫外線から赤外線までのさまざまな波長で動作するように適応させることができる小型化レーザを製造できるようになりたいという求めも、依然としてある。多くの用途では、低いノイズ特性で信頼できるＳＬＭおよび／またはＳＴＭ動作が必要な高級品末端製品用途であっても、製造および運転コストが低いままであることも重要である。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、大量生産と低い装置コスト（＜１００ドル）とに適合する製造方法論を用いて、高いビーム品質のレーザ放射を供給することができ、非常にコンパクトなパッケージに組み立てることができる高密度低コスト超小型および小型レーザ共振器を製造するための方法を目的とする。本開示に記載される技術および方法は、従って、簡明さ、コスト有効性および多数の異なるモードおよび可視域または可視域以外のさまざまな波長での動作への適応性を特徴とする大量生産技術を用いて、製造することができるように設計するという問題への解決法を提供する。本発明は、さらに、より複雑なマイクロチップの場合でも、装置あたりの材料コストがすべてを含めて数１００ドル程度まで低くなるようにして、マイクロレーザ素子の信頼性を損なうことなく、高い性能を提供することができるパッケージング技術、製造プロセス、レーザ設計および材料を特徴とする。この結果、本発明の原理によって製造される小型デバイスは、消費者市場および生物医学市場の用途を含む多数の用途に集積化することができ、既存のダイオードレーザ技術に取って代わって駆逐する可能性をもたらす。開示される技法は、非常に多様な動作モードおよび波長で放射を発生させることができるマイクロレーザにも有用である。詳しくは、本発明は、ＣＷおよびパルス型の両方で、ならびに一端はアイセーフ域、他端は紫外域まで広がるスペクトル域でＳＬＭを含む動作モードをコスト効率よく提供するための改善された方法、システムおよびデバイスを提供する。
【００１６】
本発明の一つの様相では、ダイオードレーザの取り付けプラットホームから棚を直接延長し、標準半導体ＴＯパッケージから変形されたパッケージ中に、小型化ダイオードポンプ固体レーザが提供され、ハウジングキャップの長さの変更しか必要としない。出力の位置合わせおよび最適化に続いて、少なくとも一つの活性レーザ材料を備えるゲイン結晶アセンブリが棚に取り付けられる。ゲイン結晶アセンブリは、一般に、少なくとも二つのミラーを含む共振器の中に配置される。一方または両方のミラーは、結晶アセンブリの面の上にコーティングとして直接析出させてもよい。ＴＯパッケージ寸法は、具体的には、９ｍｍおよび５．６ｍｍパッケージを含む任意の標準半導体パッケージに対応するように選んでよく、パッケージの種類は、一般にダイオードパワー要件によって決定される。最大パワーレベルで、またはもっと複雑な出力が要求されるとき、本発明の設計および方法を、より進歩した冷却機能を組み込むＨＨＬパッケージに拡張することもできる。
【００１７】
本発明の別の様相では、パッケージは、一つの標準化された大量生産可能なパッケージから、さまざまな動作上の特徴を作り出すように設計された別の特徴および／または光学素子を備えてよい。これらの特徴には、出力のパワー、空間的なビーム品質、バンド幅および波長を制御するための手段が含まれる。例えば、一つの実施態様では、ダイオードは、波長をロックし、安定化させるために用いられるブラッグ回折格子を含んでよい。これは、マイクロレーザからの低いノイズおよび大きな出力安定性と言い換えてもよい。他の実施態様では、ゲイン結晶アセンブリだけでなく、ダイオードの温度も独立に制御され、ヒートシンクおよびＴＥＣを用いて調節してよい。本発明のさらに別の様相では、大出力で改善された性能を提供するために、パッケージ全体を外部冷却器に取り付けてよい。
【００１８】
本発明が包含するすべての実施態様に共通する目的は、高密度製造技術を用いて、ゲイン結晶アセンブリを提供することである。二つの光学素子だけでできている単純なコンポジットでも、数個の異なる素子を備えるもっと複雑なアセンブリでも、材料ボンディング技法とアセンブリ製造技術とが選ばれる。その結果、一枚のコンポジットウエハから単純なダイシングによって非常に多数の結晶ゲインアセンブリが製造され、それによって、装置コストをアセンブリ当り１００ドル未満に引き下げることができる可能性がある。
【００１９】
１ｃｍ３より小さな体積を有するパッケージから、可視域で３０ミリワットを超える出力パワーを供給できることは、本発明の具体的な目的である。これは、利用できる従来技術の技法および製造方法論ではこれまで可能でなかった特徴である。ゲイン結晶アセンブリの専用ヒートシンク方式によって、優れたビーム品質および高い出力安定性という特徴を有するＮｄ：ＹＶＯ４／ＫＴＰ結晶コンポジットのモノリス共振器を用いて、改良型９ｍｍパッケージからの緑色で１５０ミリワット強が実証されている。
【００２０】
開示される高密度方法によって製造され、作製されるマイクロレーザからパルス出力を発生することは、本発明のさらに別の目的である。一つの実施態様では、バイオテクノロジー、ファイバレーザシーディングおよび軍事技術における数多い用途に要求されるナノ秒パルス持続時間と高反復速度とを有する紫外から赤外までのレーザ光線を発生させることができる。これらのパルスデバイスの小さなサイズと低いコストとによって、半導体レーザで現在行われているのとほとんど同様に、システムに容易に集積化することができる。
【００２１】
本発明に教示されるパッケージ技法には、レーザ設計の分野で公知であるような多くの従来技術の技法を有利にかつ容易に組み込むことができる。これらの設計には、高調波発生、ラマン変換および光パラメトリック発振など、さまざまな周波数変換技法が含まれる。これらのプロセスの使用に対する唯一の制約は、高密度技法を用いてボンディング、研磨および作製することができるコンポジットウエハに組み込むのに十分な大型のサイズおよび良い品質の非線形物質が得られるかどうかである。
【００２２】
別の様相では、より進歩したハイエンドデバイス実施態様のあるものは、それによって別の出力制御手段を提供することを目的として、多くの場合に半導体レーザ中で実行されるように、パッケージ中に集積化されたフィードバックループおよびセンサを組み込んでよい。既知の半導体レーザ技術の特徴、および素子を適応させて集積化する能力は、本発明の技術および方法の最も重要な特長であり、非常にコンパクトなパッケージから、最も低い装置価格で最大の動作柔軟性を可能にする。
【００２３】
本発明の性質および利点のまた別の理解は、本明細書の以下の部分および図面を参照すれば、自明である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
小型高密度低コストレーザを構築するためには、三つの最も重要な設計およびプロセス加工の様相を考慮しなければならない。これらは、パッケージング、結晶製造および共振器設計である。本発明は、これらの分野のそれぞれにおいて、非常に広い範囲ではあるがすべて小型化され、低コストで大量生産可能なデバイスとの適合性という共通の特徴を共有する動作様式に対処するように、さまざまな組み合わせの材料および部品を製造することができる独自の特徴を組み込む。次に、これら三つの最も重要な設計様相に注意を向けて、これらの設計様相を個別に考察する。
【００２５】
１  パッケージング
マイクロチップを有用で大量生産可能なデバイスにパッケージするために、レーザ動作に必要な機能および大量用途に伴う低コストを提供しながらも、全レーザ体積を最小化するために役立つパッケージを有することが重要である。一つの好ましい実施態様では、図３に示すように、標準ダイオードＴＯ（トランジスタアウトライン）パッケージを、マイクロ固体レーザを収容するように変更する。例を示すために、図３の付図３Ａに「９ｍｍパッケージ」を示すが、これは、この構成がダイオードレーザ産業で用いられる市販ダイオードレーザ製品をパッケージする標準であり、ＳＯＴ１４８として知られているからでもある。一般に、このパッケージには、通常、Ｃｕ／Ｗ合金を用いて製造され、電気リード線６を含む最大外径９ｍｍの台座８が含まれる。図に示した二つのリード線は、通常、金属−ガラス封止によってパッケージ本体から絶縁される。第三のリード線（付図３Ａには示されていない）が、本体の接地を提供する。突起４によって台座に取り付けられた取り付けプラットホーム３によって、ダイオード２を取り付けることができる表面５が提供される。通常、突起４は、それを台座に固定する前に、カバー（またはキャップ）９の中心合わせのための円形手段を提供する。いくつかのパッケージでは、ダイオードの能動冷却が必要なら、プラットホーム３は、適当なＴＥＣ冷却器を備えてよい。ほとんどの標準パッケージで、カバー９は、ダイオードパッケージを環境から分離し、それによって、あらゆる敏感な内部構造を保護するために気密封止される。ダイオード２によって放出される出力ビーム１が透過できるように、カバーには透明な窓７が埋め込まれる。通常、窓７は、標準的なガラス−金属封止技法を用いて封止されたカバー９に取り付けられる。
【００２６】
一つの好ましい実施態様では、図３の本発明の構成５０は、突起１４によってプラットホーム１３に接続される類似の円対称の台座１８を含む標準半導体レーザＴＯパッケージの派生物として設計される。ＴＯパッケージの型は、台座の最大外径によって決定される。例えば、「改良型９ｍｍパッケージ」では９ｍｍ、改良型「５．６ｍｍパッケージ」では５．６ｍｍ等々である。一般に、この台座は、標準パッケージに用いられる同じＣｕ／Ｗ合金を用いて作製することができ、電力は１６で表される類似のリード線を介して導入される。プラットホーム１３は、図３Ａの標準パッケージに類似して、この場合もダイオード１２を取り付けることができる表面１０を提供する。この取り付けプラットホームは、パッケージ製造プロセスの一部として、「その場で」製造し、プラットホームをパッケージに別々に取り付ける工程を省略することができる。本発明の小型またはマイクロチップレーザ（あるいは「マイクロレーザ」と呼ばれる）を受け入れるように設計されたパッケージの一つの好ましい実施態様では、プラットホームまたは取り付け台１３は、押し出され、上にマイクロレーザアセンブリ２０を取り付ける表面１１とともに別の棚１５が作り出される。上にダイオードポンプおよびマイクロチップレーザアセンブリがそれぞれ取り付けられる表面１０および１１は、互いに垂直位置をずらすことができる。これによって、マイクロチップレーザ結晶アセンブリ２０の中心をポンプしながら、ダイオード１２を取り付け表面１０の辺１０Ａで適切に位置合わせすることができる。図３に示される例では、ダイオード出力面へのゲイン媒体の単純なバットカップリングによって、ダイオードからマイクロチップへのエネルギー移動が実現される。この方式で良好なレーザ効率を得るために、ダイオードと結晶アセンブリ２０との間のエアーギャップを最小化することが重要である。好ましくは、ギャップは厚さ約１〜２μｍ未満である。このバットカップリング手法は最も単純であるが、下記にさらに説明されるように、さまざまなレンズの組み合わせを用いる代替カップリング技法も実行可能である。
【００２７】
標準ＴＯパッケージの場合と同じく、レーザ放出１５０は、ダイオードレーザバタフライパッケージの分野で公知の金属−ガラス封止技法を用いて封止カバー１９に取り付けられたカスタム出力窓１７を通るような方向に発生する。出力窓１７は、サファイア、溶融シリカまたはガラスなど、１０６４ｎｍの基本波長で吸収性で、５３２ｎｍの二倍化緑色波長で透過性の光学ガラスを含む多数の光透過性材料の一つから製造することができる。
【００２８】
フレネル反射損失を低下させるために、窓は、出力ビーム１５０の波長に適するＡＲコーティングを用いて一方または両方の面に有利にコーティングしてよい。一方または両方の表面のコーティングは、１０６４ｎｍ光を反射し、５３２ｎｍ光を透過するように設計してよい。パッケージ用のキャップまたはカバー１９全体は、レーザを環境から効果的に封止するために用いられ、本当の気密封止を提供するために、ダイオードおよびマイクロレーザの取り付け後に、台座１８に溶接してよい。あるいは、準気密封止を提供するために、接着剤で固着させてもよい。共通の９ｍｍおよび５．６ｍｍ構成を含む標準ダイオードパッケージを組み立てる際に用いられる公知の手順に類似の方法で、円対称キャップ１９の中心を定めるために、ここでも、円形突起１４を用いることができる。
【００２９】
このレーザパッケージを製造する際に、光接合剤の小さな滴が棚１１に塗布され、適切な保護ヒートシンク中に包まれることがあるマイクロチップ結晶アセンブリ２０が次に棚の上に置かれる。接合剤は、マイクロチップアセンブリ一式が取り付け構造に安定に固定されることを保証する。次に、適切な精密位置合わせ工作機械設備を用いて、結晶アセンブリを、ポンピングダイオードおよびパッケージ中のその他のあらゆる光学素子に位置合わせする。位置合わせが完了したら、紫外線ランプを用いて接合剤を硬化させることができ、次にマイクロチップレーザを精密に、安定に位置合わせされる。あるいは、標準的なハンダ付け技法を用いて、結晶を棚に確実に固定してもよい。一般に、棚１５の長さは、マイクロチップレーザアセンブリの種類および共振器設計に依存する。下記でさらに考察されるように、除熱を考慮して決定される最大値までのパワーを有する任意の市販のダイオードを容易に収容するために、数ｍｍから１０ｍｍをちょっと超える冷却器までの間の任意の棚の長さを有する図３の一般的なパッケージのさまざまな派生物を構築することができると考えられる。一つの例では、一つまたは二つの素子を含むマイクロチップアセンブリ２０の基本モノリス構成を用いて、追加の光学素子をなんら挿入することなく、出力ビームが作り出されるように、ゲイン結晶アセンブリの二つの外面上に配置された適切なコーティングだけによって、共振器が定められる。この場合、棚１５は２〜４ｎｍ程度の短さであってもよい。
【００３０】
１Ｗを超えるパワーのダイオードでは、熱を効率的に除くために特別な冷却方法が必要になることはあるが、一般に、２Ｗまでの出力パワーのダイオードを動作させるには、９ｍｍパッケージが適切であることが分かった。本発明に記載されるマイクロレーザ共振器の実施態様のほとんどは、１Ｗ以下のパワー出力のダイオードによるポンピングと同程度であり、特別な冷却設備を特に用いなくても９ｍｍパッケージを利用することができる。もちろん、図３のパッケージング概念の小型の種類で、低パワー型ダイオードを使用することによって、低パワー型デバイスが必要な用途の需要を満たすことができる。より詳しくは、標準９ｍｍ変更型を構成して、半導体レーザ産業で既知の標準５．６ｍｍ、８：３２および１０：３２ダイオードパッケージに特に適応させることができる。これらのうち、ＴＯ−１８としても知られている５．６ｍｍパッケージは別の共通業界標準であり、従って特に興味深い。直径が５．６ｍｍと小さく、大型サイズのパッケージと比較すると、熱散逸特性の制限が多いものの、５００ｍＷもの大きなダイオード出力パワーで効果的に用いることができる。従って、このパッケージの適切に変更された種類は、本発明のマイクロレーザの低消費電力型に適当なプラットホームを提供することができる。９ｍｍまたは５．６ｍｍパッケージは両方ともレーザ体積全体を最小化し、これらのどちらを選ぶかは、所望の出力パワーおよびレーザモードに依存する。好ましい実施態様では、マイクロレーザパッケージの全体積は、約１立方センチメートル未満であり、従来技術のパッケージのどれよりも著しく小さい。しかし、他の標準的半導体パッケージまたはそれらのカスタム派生物ならどれでも、本発明の範囲に属すると理解するべきである。具体的には、本開示で実体化される大量生産可能性原理の対象となる、さらに大パワー型のコンパクトなダイオードポンプレーザに、ＴＯ−３、ＴＯ−５および高熱負荷（ＨＨＬ）などの大型標準半導体系パッケージの派生物を用いてよい。
【００３１】
さらに、大パワーを発生させるために、一般に、別個の出力結合器をパッケージ中に備え、これによって部品の位置合わせを容易にし、最大仕様パワーまでの範囲のパワーレベルで安定な信頼できる動作を可能にすることが必要な場合があると認識される。さらに、ゲイン材料の基本励起以外の波長での動作を可能にすると、特に興味深い場合がある。周波数変換ダイオードポンプマイクロレーザから大パワーを得るのに適した代替実施態様の例が、図４に示される。構成６０は、ダイオードポンプマイクロチップ結晶アセンブリを含んでいるが、レーザ共振器の出口面３６を定める別個の出力結合器３１を有する、図３の標準パッケージの変更形を表す。この説明例では、単一のモノリスアセンブリ中で組み合わされた二つの素子、すなわちゲインレーザ素子３８と非線型光学素子３４とからなるマイクロチップレーザアセンブリ３０が示される。通常、非線型光学素子は、ゲイン媒体３８によって発生した基本出力の周波数を、他の所望の出力周波数に変換するように選ばれる。ダイオード２２に面するゲイン素子３８の背面３５は、ダイオードポンプ波長の高い透過と、共鳴および周波数変換後波長での高い反射を提供するように適切にコーティングされ、レーザ共振器用の後部ＨＲミラーとして使用される。次に、出力結合器３１は、周波数変換済みビーム１６０を透過するようにコーティングされ、それによって変換後波長で最大パワーを供給する。フレネル損失を完全になくすために、延長されたカバー２９に埋め込まれた窓２７は、同じ出力波長用にＡＲコーティングされる。非線形素子３４が二次高調波発生結晶である場合など、場合によっては、一方または両方の窓表面は、基本波長でＨＲであり、従って変換後波長の所望の比率以外の任意の波長で透過される光の比率をさらに最小化するコーティングを有することがある。一つの好ましい実施態様では、マイクロレーザゲインアセンブリは、Ｎｄ：ＹＶＯ４またはＮｄ：ＹＡＧなどの１０６４ｎｍで放出するＮｄドープゲイン結晶を含み、非線形素子は、ＫＴＰまたはＬＢＯなどの複結晶である。この場合、ミラー３５および３６で定められる共振器は、５３２ｎｍの緑色光を放出するように設計され、すべての表面のコーティングは、適宜選ばれる。しかし、任意の他の既知のゲイン結晶と非線形結晶との組み合わせを選んでよく、従って、マイクロレーザパッケージ６０は、本開示中で後ほど考察されるように、紫外線から赤外線スペクトル域までの非常に多様な波長を発生させるように適応可能である。
【００３２】
別個の出力結合器３１、および活性レーザ媒体と非線形素子とを含むコンポジットゲイン結晶アセンブリ３０を有する、図４の一般的な構成では、棚２５の長さを、さらに約５〜７ｍｍまで延長してもよい。こうすると、図４の構成は、約１２ｍｍの一般的なパッケージ長さを有することになる。横の寸法に関しては、下記でもう一度記述されるように、０．５Ｗまでのダイオードパワーでは５．６ｍｍパッケージ直径が依然適しているが、０．５Ｗを超え、除熱を考慮して許される最大パワーまでのダイオードパワーでは９ｍｍパッケージの方が適する。どちらの場合でも、マイクロレーザパッケージ全体の体積は、依然、約１ｃｍ３のオーダー以下である。
【００３３】
前述例のマイクロレーザを構築する際に、出力結合器３１と、素子３４および３８を含むマイクロチップアセンブリ３０とを取り上げ、精密位置決めシステムを用いて、延長された棚２５に配置すると有利である。次に、図３の基本構成に用いられた方法と同様な方法で、例えば紫外線硬化型光接合剤（またはインジウムハンダ）を用いて、それらを棚の表面２１に接着するか、あるいはハンダ付けすることができる。
【００３４】
改良型５．６ｍｍパッケージの能力の一つの特定の実証で、本開示の方法によってＮｄ：ＹＶＯ４／ＫＴＰコンポジットをポンプするために０．５Ｗダイオードを用いて、単純な平面−平面完全モノリス共振器構成を用いる長さ６ｍｍのパッケージ中にパッケージされた空洞内変換緑色レーザ、（図３に従って構築されたデバイスは、良好な位置合わせおよび高い信頼性特性で、数十ｍＷオーダーの単一横モード緑色出力パワーを発生させることができることが分かった。実際には、１００ｍＷ強の緑色出力を発生させる実例中に示されたと同じように、改良型９ｍｍマイクロレーザパッケージに適する１Ｗ前後のダイオードパワーの場合でも、別個の出力結合器は必要でないことがある。従って、少なくとも標準的な周波数二倍化ＣＷ  Ｎｄドープマイクロチップレーザの場合には、ダイオードポンプパワーが１Ｗを超えるときだけ、外部出力結合器を備える図４の構成が必要になる可能性がある。
【００３５】
図３および４に示される基本的なＴＯパッケージの多数の変化形が可能であり、本明細書でさらにいくつかの変化形に言及する。マイクロチップアセンブリのゲイン素子をポンプするために用いられるダイオードは、バット結合型または直接結合型であってよく、ポンプアセンブリは、非点ダイオードポンプビームを対称性にするために、短い多重モードファイバを備えていてもよく、あるいは備えていなくてもよい。パッケージは、マイクロチップ結晶アセンブリだけを収納し、ファイバ光源によってダイオードポンプ光を導入するように変更してもよい。さらに、ダイオードは、高速軸収束（ＦＡＣ）レンズまたは低速軸収束レンズ、あるいは両方を備えてもよく、備えていなくてもよい。一般に、ダイオードのレンズ効果は、二つの非対称なダイオード軸の収差を均等化する上で有利と考えられるか、そうでなくても、ダイオード出力を収束させ、総体的な発散を低下させることによってゲイン媒体へのポンプ結合効率を増加させるために用いることができる。ときには、市販ダイオードレーザの一部として、予備レンズ化ダイオードが提供されることがあり、そうでない場合でも、図３または４の基本パッケージの別のカスタム化変化形として、ダイオードの出口面と結晶ゲインモジュールとの間に、そのようなレンズまたはレンズコンポジットが加えられることがある。ダイオードの出力特性は、種々のゲインおよび非線形材料コンポジットから構築されたさまざまな媒体をポンプするように、市販の半導体レーザの中からさらに選んでよい。
【００３６】
レーザをパッケージするために用いられる基本プラットホームの種々の実施態様では、温度制御および／または小型レーザアセンブリの安定化を組み込むことがある。例えば、ブラッグ回折格子を用いてダイオードレーザの波長を制御し、それによってデバイスの全体的な安定特性を改善することができる。また、ＴＯパッケージの外部または内部のどちらかにサーミスタまたは他の小型温度感知デバイスを配置することによって、温度制御を実現してよい。好ましいレーザ出力分極化または周波数同調を実施する目的で、小型圧電変換器（ＰＺＴ）をパッケージ中に組み込んでもよい。特にレーザ出力にノイズがあってはならないある種の用途では、アセンブリ全体に一定の動作温度を提供するために、ＴＥＣなどの外部冷却器上にパッケージ全体を取り付けてよい。こうすれば、ＳＬＭ出力を実現するためにＴＥＣを温度調整することによって、基本波または高調波波長でほとんどノイズのないレーザを発生させることができる。
【００３７】
さらに進歩した型では、例えば低温デュワー瓶、コールドフィンガーまたは閉鎖サイクルギフォード−マクマホン（Ｇｉｆｆｏｒｄ−ＭｃＭａｈｏｎ）またはスターリング（Ｓｔｉｒｌｉｎｇ）冷却器を備えることによって、低温冷却システムをパッケージ全体の一部として使用することを考慮することさえ可能と考えられる。例えば室温で準３レベル基本遷移によって動作するＹｂ：ＹＡＧなど、ある種の材料では、低温でもっと効率のよい４レベル動作が実現され、低温冷却技法が特に有益なことがある。一般に、上記に示される例を含むが、それらには限定されないレーザを冷却する分野で既知の温度制御技法の任意のものを、前述の代替ＴＯパッケージ（またはある種のＨＨＬパッケージでも）の任意のものとともに組み込んでよく、それらのすべては本発明の範囲に属する。
【００３８】
レーザの出力の制御をさらに助けるために、外部電気レーザコントローラにフィードバックを提供し、および／またはゲインモジュールの温度を制御し、それによって長期間にわたって高い振幅安定性で一定のパワー出力を提供することを目的として、パッケージにフォトダイオードを含んでもよい。安定なダイオードポンプレーザを構築する分野では、多数のそのようなフィードバック技法が知られており、大量生産との適合性によって、それらの技法の任意のものを上記で考察されたパッケージに組み込んでよい。そのような技法は、ソースダイオードの発光スペクトルを制御するために、ブラッグ回折格子の使用の代わりに、あるいはブラッグ回折格子と組み合わされて用いてよい。
【００３９】
さまざまな機能様式のマイクロレーザを設計し動作させるために必要な光学、冷却および電気素子の多くは、好ましいアセンブリおよびパッケージング方法を用いて、構築することができることを明らかにした。すべての場合に、マイクロレーザを収容するために用いられる改良型半導体レーザパッケージングは、低コストで大量生産することができるが、性能または信頼性を犠牲にすることなく、小さなサイズおよび重さの利点を提供するデバイスに望ましいすべての属性を示す。詳しくは、選ばれたプラットホームは、高度な機械的統合性、熱散逸技法および組み込み環境遮蔽ツールとの適合性、十分に試験された長寿命ダイオードパッケージの特性にもとづいて構築される。しかし、このパッケージ方式は、すべて共通の低コスト、大量生産可能なデバイスプラットホームから多くの設計拡張を可能にし、それによって非常に多様な用途の要件を満たすのに十分な柔軟性を有する。
【００４０】
２．結晶の製造
本開示に記載される発明の別の最も重要な様相では、マイクロチップ結晶アセンブリおよび製造のコスト扱う。詳しくは、マイクロレーザ中に含まれる結晶アセンブリのサイズおよび製造コストを大幅に引き下げる革新的な方法を説明する。次に、「高密度」技法と総称される技法を説明する。
【００４１】
一つの好ましい実施態様では、本発明の高密度技法によって構築される結晶アセンブリ１１０を図５に示す。このアセンブリは、ゲイン材料４２と、非線形物質４４とを含む。非線形物質は、例えば基本ビーム１０５の第二高調波での位相整合を保証するようにカットされる。一つの好ましい実施態様では、Ｎｄ：ＹＶＯ４またはＮｄ：ＹＡＧなどのＮｄドープゲイン材料と、ＫＴＰまたはＬＢＯなどの非線形結晶とを用いると、出力放射１２０は、通常５３２ナノメートルの緑色域になる。図２の従来技術構成とは対照的に、二つの媒体の内部表面を接触ボンディングさせるのではなく、適切な光接着材料４０を用いて、接着させてよい。安価な手段を用いて表面を一緒にボンディングさせることは、緑色および他の可視光小型化レーザの大量生産を実現できるよう保障するために不可欠な要素の一つである。接着剤は、丈夫さ、脱気抵抗性およびレーザ発振波長およびポンプ波長での低吸収など、多くの条件を満たさなければならない。我々は、比較的大きなパワーレベルでも、さまざまな紫外線硬化性光接着剤がこの用途に必要な性質を示すことを明らかにした。
【００４２】
しかし、接着剤と、一方ではゲイン材料との間、他方では非線形材料との間の屈折率の差によって、接着剤−誘電体の界面ごとに有限の損失がある。これらの損失は、基本ビームの効率および強度に対して、特に空洞内ＳＨＧプロセスが用いられるレーザに対して悪影響を及ぼし得る。低ゲインレーザの場合に、この損失は特に重大になって、しきい値が高くなり、勾配効率が低くなることがある。この問題を克服し、接触ボンディング型レーザセンブリの性能に匹敵する高性能を得るために、好ましくは、アセンブリ材料の二つの内部の面に、誘電体コーティング４５および４６を塗布する。従って、コーティングは、一方の側では誘電体結晶（Ｎｄ：ＹＶＯ４またはＫＴＰなど）との間、他方の側では接着剤との間に強い光接触を確立するように設計しなければならない。これが実現できれば、アセンブリの共振器損失は、複雑な接触ボンディングアセンブリ手順で通常見られる損失より少しも高くないレベルまで低くなる。ゲイン材料４２としてのＮｄ：ＹＶＯ４と、非線形素子４４としてのＫＴＰとを用いる一つの好ましい例では、各材料は、それぞれ約２．０３および１．７７（それぞれについて３つの結晶軸の平均を用いる）の屈折率を有する。これは、ほとんどの接着剤で一般的な１．４５〜１．６の範囲の屈折率と同程度である。コーティングがないと、各表面での屈折率不整合に起因するフレネル損失は、２．３％にも達し得る。循環波長のそれぞれで反射防止（ＡＲ）性であるように設計されたコーティングを用いることによって、これらの損失をゼロ近くに減らすことができる。従って、選ばれた接着剤の性質によって、コーティングされた表面が、コーティングを損なうことなく均一にボンディングできるようになることが重要である。ここで、コストおよび製造可能性を考慮すれば、ＡＲコーティングされた表面を接合させるプロセスが好ましいが、選ばれた技法が経済的であり、高密度大量生産プロセスに有用である限り、光接触および拡散ボンディングは、マイクロチップゲイン結晶アセンブリの製造への実現可能な手法を表す点に注意する。
【００４３】
レーザ発振を得るためには、次に、接着された結晶アセンブリを、このアセンブリの二つの外表面４３および４５が、選ばれた具体的な共振器設計に必要な曲率および／または平行度を有するように、製造しなければならない。最も単純な例では、共振器を定める二つの表面は、互いに平行（面平行共振器）になるように選ばれる。通常、内表面は、ボンディングプロセスを容易にするために平面研磨される。一つの好ましい手法では、製造プロセスの間に、光学活性材料（ゲイン結晶または非線形結晶など）を含む誘電体プレートの一つが所定位置に固定され、少量の接着剤がプレートの中心部に置かれる。次に、第一の誘電体プレートの上に、第二の誘電プレートが置かれ、接着剤は広がって接着剤の薄い均一層を形成する。次に、上部プレートを、単色光源によって供給される光に暴露しながら予め定められた方法で「揺り動かし」て、光によって形成される外縁部を取り除く。外縁部が消えたら、共振器は干渉計測定レベルで位置合わせされたものとみなされる。次に、接着剤層は、硬化するまで紫外線光に暴露される。ウエハの製造プロセスは、最初に結晶を一緒に接着させた後、外表面を研摩して干渉計測定レベルの平面構造を形成し、それからこの平面構造にコーティングすることを含んでよい。結晶ウエハが薄く、薄膜誘起応力によって屈曲しやすい場合、この方法が好ましいことがある。あるいは、結晶ゲインアセンブリの仕様特性と、必要なレーザの出力特性によって、最初にプレートを研磨した後コーティングしてから、紫外線硬化性接着剤による接合、光接触または拡散ボンディングを含むいくつかの好ましい技法の任意のものを用いてボンディングしてもよい。どのボンディング技法を用いる場合でも、ウエハ全体が使用可能になるように保証することが重要である。従って、望ましくないボイドまたはバルジに起因するあらゆる局所損失を避けることが不可欠である。表面全体にわたる最適接触品質を提供するために、好ましくは、ウエハは、精密に平面であり、全表面積にわたって平行であるように製造される。ボンディングされたウエハの外表面は、ボンディングプロセス前に、あるいはボンディングプロセス後に、必要な平面公差に研磨されることがある。
【００４４】
大きな結晶ウエハがボンディングされて一体になり、ウエハが研磨されたら、所望のコーティング層を塗布することができる。次に、プロセス中の次の工程として、ダイシングソーを用いてコンポジットウエハから多数の小型レーザ共振器チップをカットすることができる。一般に、表面間の最適接触によって、一枚のプロセス済みウエハから製造することができる結晶アセンブリの数は最大になる。図６は、６１、６２、６３と印した垂直線と、水平線６４、６５に沿ってダイシングされる大口径ウエハアセンブリ６０の説明図を示す。一つの例では、結果として得られるマイクロチップアセンブリ５０は、上記の図５の場合に考察された原理を用いて一緒に接着されたゲイン材料５２と非線形媒体５４とを含む。カットされたら、結晶アセンブリは、ダイオード放射１１５によってポンプすることができ、ボンディングされたＮｄ：ＹＶＯ４／ＫＴＰコンポジットの前述の例では５３２ｎｍである出力ビーム１３０が得られる。この例は、説明だけを目的として提供される点に注意する。実際には、一枚のボンディングされたウエハから製造することができるアセンブリまたは「チップ」の数は、利用できる材料のサイズおよび特定の媒体の高度に研磨された平らな表面を製造するために必要な工具機械設備の費用だけによって限定される。一つの例では、ボンディングされたＮｄ：ＹＶＯ４／ＫＴＰの６ｍｍ×１１ｍｍウエハが製造され、次にほぼ４０個のゲイン結晶マイクロチップにダイシングされた。
【００４５】
本明細書で考察される技法を用いて、多数のデバイスが実証された。一つの例では、ＩＩ型位相整合用に配向されたＮｄ：ＹＶＯ４とＫＴＰとのプレートを一緒にボンディングするために光接着剤が用いられた。その結果得られたデバイスは、１ｍｍ×１ｍｍの小ささであったが、改善されたダイシング技術を用いれば、サイズをさらに小さくすることが可能であると予測される。試料デバイスは、マイクロチップにバット結合された８０８ｎｍファイバピッグテイル型（０．２２ＮＡ、１００μｍコア）レーザダイオードを用いて、〜２００ｍＷのダイオード入力ポンプパワーで、１０〜２０ｍＷの５３２ｎｍの緑色出力を発生した。接着マイクロチップアセンブリのこれらの初期実証試験では、接着剤層に隣接する未コーティング結晶表面を用いた。その後のこの技術の実証試験では、隣接する接着剤層と接触する未最適化誘電体コーティングを用いて、最大８０ミリワットを発生した。さらに、実験的な実証試験では、熱電冷却機（ＴＥＣ）でマイクロチップを温度調整することによって、ＳＴＭおよびＳＬＭの両方の出力ビームを実現し維持すことができたことを注記する。最適化コーティングを上手な利用によって、本発明の高密度低コスト製造技法を用いながらも、１基の１Ｗダイオードポンプレーザから最終的に１００〜２００ｍＷの緑色出力パワーを発生させ、標準ＶＬＯＣ接触ボンディング型アセンブリの実証パワーレベルに近づくと予測される。
【００４６】
前記は、主な例として、非線形結晶が共振器内に配置されている空洞内周波数変換を用いた。前に既に説明されたように、この構成は、共振器の内部で優勢な基本ビームの高い強度によって、低パワーおよび／またはＣＷレーザに十分に適することが知られている。しかし、この構成は、本開示の全体にわたって実行される特定の例として用いられたとはいえ、これは、基本的に説明のためであって、本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではないと言明することができる。詳しくは、本明細書で説明される技法の多くは、外部変換ならびに下記にさらに説明される他のもっと複雑な周波数変換技法に適用することができる。一つの特に単純な場合には、ダイシング技法は、接着剤層のないダイシングされる結晶材料の一枚のプレートに適用され、それによって基本波長（例えばＮｄドープ材料の場合には１０６４ｎｍ）の出力を発生させることができる点にも注意するべきである。この場合、ウエハの一つの表面は、レーザ発振波長（例えば、Ｎｄ：ＹＡＧまたはＮｄ：ＹＶＯ４の場合には１０６４ｎｍ）でＨＲとなり、ポンプ波長（共振ポンピングの場合には通常８０８ｎｍまたは８８０ｎｍ近く）でＨＴとなるようにコーティングされることがある。このとき、他方の表面は、効率的な出力を提供するように最適化された反射率を有する部分反射器として使用される。効率をさらに高めるために、出力結合表面を、ダイオード波長でＨＲとなるようにコーティングしてポンプ光の第二の通路としてもよい。図３に教示される原理によってマイクロレーザレーザをパッケージすることによって、非常にコンパクトで低コストでありながら、かなりのパワーレベルを供給することができるデバイスを構築することができる。
【００４７】
本明細書に開示される技法を含む一連の工程に従えば、一枚の大口径ウエハアセンブリから非常に小さなレーザ「チップ」（場合によっては１ｍｍ未満）が構築され、それによってレーザデバイス当りのコストを劇的に低下させると予想される。開示される高密度技法は、アセンブリごとに個々の結晶の表面を別々にボンディングしなければならない先行技術の欠点を克服する。これは、接触ボンディングされたアセンブリの内表面が、ダイシングプロセスの間に剥離する傾向があるためである。また、結晶材料のほとんどが無駄になるほとんどの従来技術の接触ボンディング技法と異なり、本発明の方法は、非常に多数のレーザ共振器アセンブリを製造するためにもともとのウエハ表面のほとんどすべてが利用でき、結晶性物質を無駄なく利用するように容易に適応させることができる。その上、本明細書で説明される手順によって製造された接着済みマイクロチップは、上記で説明された好ましいパッケージ概念と完全に適合する小型パッケージ中での使用に容易に使用することができる。同時に、これらのマイクロアセンブリは、市販の接触ボンディング型アセンブリと同じ優れた属性を示す。例えば、これらのマイクロアセンブリは、ＳＴＭおよび／またはＳＬＭ動作を容易にするように選ばれた結晶の寸法で構築することができる。さらに、光接触では、アセンブリの種類ごとに別々の最適化が必要であるが、一方、本発明のプロセス加工技法では、多数のいろいろな材料が効率的に互いに接着されるので、動作パラメータに関してはるかに大きな柔軟性が可能になる。しかし、上記で指摘されたように、将来、そのボンディングプロセスが、すべて同じ基本プラットホームおよび高密度製造技法を用いて、コーティング、結晶および共振器空洞光学の適切な選択だけで、非常に多様な波長および出力パワーで発生させることができる小型化低コストダイオードポンプレーザの製造を可能にする限り、結晶ゲインアセンブリも、光接触または拡散ボンディングのもっと洗練された技法を用いて製造してもよいことが認識される。従って、接触ボンディングまたは拡散ボンディングなどの技法の利用が、全体として従来技術の製造技法およびパッケージング手法を用いては実現可能でなかった規模の経済性を実体化することに立脚する本発明の技術思想から逸脱すると解釈されるべきではない。
【００４８】
ここまで、本開示の主な焦点は、ｍｍの寸法またはさらに小さな寸法を有するマイクロレーザを構築することに適する好ましいパッケージング、アセンブリおよび高密度製造技法に置いた。上記で言及されたように、開示される技法は、非常に多様なレーザの種類を製造するように適応させることができる。次に、前記好ましい大量生産の方法を用いて実体化することができる材料および共振器設計の代替法のいくつかを考察する。
【００４９】
３．共振器設計
機械的パッケージング、ゲインモジュールアセンブリおよび製造の様相と同様に、大量生産可能なマイクロレーザ用の共振器設計は、デバイスを製造する全体コストに不可分に結びついている。特に、共振器の設計は、単純でなければならないが、その上で、良好な光学安定性、低ノイズ、許容できる寿命特性で必要な性能を信頼性高く製造することができなければならない。場合によって、マイクロレーザは、ＳＴＭおよびＳＬＭ出力を発生することを期待される。他のもっとゆるやかな要求では、ビームがＳＴＭである必要はないが、低次のモードのことがあり、一方、その他の場合には、ＳＬＭではなくＳＴＭが要求される。
【００５０】
特に興味深い一つの共振器構造は、空洞外周波数二倍化空洞に関する。一般に、この場合の空洞の設計は、図１の一般的な構成から派生するが、本発明の主題である小型化パッケージおよび高密度製造技法に適合するように変更されたダイオード端ポンプ空洞内二倍化レーザを構築する当分野の公知の原理に従う。通常行われているように、第二高調波（ＳＨ）または非線形結晶は、レーザ発振材料と、ＳＨ材料それ自体または別個の素子上に配置されたコーティングを含んでもよい出力結合器との間に有利に配置される。普通に用いられる非線形物質の例は、ＫＴＰ、ＬＢＯ、ＢＢＯ、ＫＮｂＯ３、ＬｉＮｂＯ３およびＰＰＬＮおよびＰＰＫＴＰなどの周期分極材料である。非線形結晶端面は、通常、図５のマイクロチップアセンブリに関連して既に説明された設計の特徴として、基本波長および第二高調波波長でＡＲコーティングされる。非線形結晶の端面での基本波長のフレネル反射に起因する損失を最小化することによって、良好な第二高調波発生（ＳＨＧ）効率を得るためには、適切なコーティングの使用が重要である。非線形結晶配向および結晶カットは、当分野で既知の周波数変換効率を最適化する標準的な手順に従って、基本波長とＳＨ波長との間で位相整合が起こることを保証するように選ばれる。非線形結晶は、Ｉ型またはＩＩ型位相整合用にカットされるか、あるいはＰＰＬＮまたはＰＰＫＴＰなどの周期分極結晶を含むことがある。ゲイン材料は、Ｎｄ、Ｙｂ、ＥｒおよびＴｍドープ結晶ホストを含む任意の普通に利用できる固体レーザ媒体を含んでよい。現在の最高水準の技術にもとづいて、可視域でＳＨ放射を発生させるのに適する最も単純な小型化レーザは、Ｎｄ：ＹＡＧおよびＮｄ：ＹＶＯ４などの材料を利用する。特に、Ｎｄ：ＹＶＯ４は、その高いゲインおよび吸収特性ならびに容易な製造可能性によって魅力的である。詳しくは、ＫＴＰおよびＬＢＯなどの非線形物質とともにＮｄ：ＹＶＯ４を用いて、優れた性能が実証された。本発明の好ましい製造技法を用いて、Ｎｄ：ＹＶＯ４およびＫＴＰを含むマイクロチップゲインアセンブリが既に成功裡に立証され、従って、下記で考察される前記共振器の例のいくつかを説明するために用いられる。しかし、多くの他のゲイン材料と非線形材料との組み合わせが、必要なサイズで市販されていれば、本発明の範囲に属すると理解される。
【００５１】
最も単純で低コストで製造することが最も容易な共振器は、平面／平面共振器である。それは、二つの表面を互いに平行であるように光学仕上げすることは比較的直截的であり、従って、結晶アセンブリは、平面結晶素子に伴う製造コスト低減を実現しやすいからである。しかし、ダイオード端ポンプレーザを設計する分野では、特に大出力パワーで安定な動作を保証するために、なんらかの曲面を共振器に導入する必要がある場合があることが公知である。従って、平面／平面共振器設計では、通常、必要な曲率を提供するために、誘導熱集束またはゲイン誘導、あるいは場合によっては両方を利用する。しかし、全平面空洞設計は、パワーが限定される。例えば、上記で図３および４に関連して説明されたように、棚に接着されたボンディング型Ｎｄ：ＹＶＯ４／ＫＴＰ結晶アセンブリの場合、５３２ｎｍ出力パワーが約３０ｍＷを超えると、結晶アセンブリの位置合わせは過度に敏感になり、維持するのが難しくなることが実験によって分かった。しかし、例えばアセンブリを熱伝導性金属箔で包むことによって、結晶アセンブリに適切なヒートシンクを準備することができれば、全平面空洞は、１５０ミリワットを超える緑色出力パワーを発生することができることが分かった。ここで、類似の共振器安定性制限は、用いられるボンディングの種類に固有の様相ではまったくなく、市販の接触ボンディング結晶アセンブリにも当てはまり、平面共振器に公知の安定性の考慮に関連することに注意する。従って、大パワー（例えば、特別なヒートシンク手段を利用せずに、赤外域で約１００ミリワット、緑色光で約３０ミリワットを超える）の場合、安定性を改善することによって位置合わせを維持するために、好ましくは平面／曲面ミラー構成（例えば標準半球共振器設計）を用いる代替共振器設計で十分である。従って、図７に平面／曲面共振器を用いるマイクロレーザの設計の好ましい実施態様の例が示される。この例は、以前に概略が示された原理によって一緒に接着されたゲイン媒体７５と周波数二倍化結晶７６とを含む結晶アセンブリ７０を用い、ＳＨ波長の出力ビームを発生する空洞内周波数二倍化レーザを示す。既に図５の場合に示された方法に全体的に類似の方法によって、マイクロチップアセンブリが構築され、ゲイン材料７５（Ｎｄ：ＹＶＯ４など）と非線形結晶プレート７６（例えばＫＴＰ製）との間の界面７３は、光接合剤（図７には示されていない）の層で満たされ、接合剤層と接触する面は、反射損失を除くために、好ましくは適切なＡＲコーティングで誘電コーティングされる。ここでも、図５の実施態様に類似して、基本波長およびＳＨ波長では高反射性（ＨＲ）であるが、ダイオードポンプビーム１３５の波長には透明なコーティングが、アセンブリ７０の平らな表面７１に塗布される。しかし、今度は、空洞を形成するために、第二高調波放射を取り出すようにコーティングされた独立の曲面出力結合器８０が加えられる。次に、非線形材料の出力表面７２は、基本波長およびＳＨ波長の両方でＡＲコーティング（既に図５に示されたＨＲコーティングの代わりに）される。好ましくは、出力結合器素子８０は、レーザの小さな寸法を維持するために、非線形結晶出力表面７２の近傍にまたは接触して配置される。出力結合器は、その左側の面８６（非線形素子に面する）に有限の曲率を有することがあり、この場合、この表面は、好ましくは、１０６４ｎｍではＨＲとなり、５３２ｎｍでＨＴとなるようにコーティングされることがある。曲率の具体的な大きさは、当分野で既知の標準的な光学設計方法に従って、共振器に安定性を提供するように選ばれる。出力結合器８０の出力表面８７は、空洞内二倍化レーザ用の標準的な手順に従って、ＳＨでＡＲであるようにコーティングされることがある。ＹＶＯ４ゲイン材料とＫＴＰ二倍化体とからなるマイクロチップアセンブリの場合に平面／曲面空洞設計を実体化し、この構成が２００ｍＷより十分高い５３２ｎｍ出力パワーで安定性を提供しＳＴＭ出力を維持して、このマイクロチップ共振器に良好なビーム品質でスケールアップされた緑色出力パワーレベルを発生させることができることが分かった。その上、平面／曲面実施態様は、追加の材料および製造コストによって、既に考察された平面／平面マイクロチップより若干高価な場合はあるが、従来技術の技法と比較すると、コンパクトさ、容易な位置合わせおよび高密度製造技法の長所を維持する。
【００５２】
図７の平面／曲面実施態様の変化形では、出力結合器８０の出力面または右面８７に曲率が設けられ、左側の内表面８６は平面のままである点にも注意する。そのような構成にすると、例えば既に説明された例で使用された同じ光接合剤を用いて、出力結合器８０がＳＨ結晶のＡＲ塗布面７２に直接接着され、３枚プレートサンドイッチ構造を形成することができる。次に、反射損失を最小化するために、出力結合器の内部表面８６は、好ましくは誘電体コーティングされるが、一方、外部湾曲表面８７は、基本波長およびＳＨ波長でそれぞれＨＲおよびＨＴにコーティングされることがある。
【００５３】
図１に示される種類の大型レーザに適用できる可能な従来技術手法のほとんどは、本発明の主題であるパッケージングおよび高密度製造技法を用いて、小型化された形で実体化することができるので、図７の基本空洞内二倍化共振器には多くのその他の変化形がある。一つの例として、非線形結晶７２の左側の表面７３に、既に説明されたＡＲコーティングの代わりにＳＨ波長に適切なＨＲコーティングを配置することによって、共振器内の後方進行緑色光を集めることができる。こうすると、空洞設計への若干の余分な複雑さと、ゲイン結晶を非線形物質に取り付けるために用いられる接着剤へのより厳しい要件というコストは伴うものの、ＳＨビームをレーザ結晶７５中に通らせる必要が回避される。さらに別の実施態様では、単一のマイクロ共振器から二つ以上の波長を同時に供給することができる。例えば、適切なコーティングを用いて、図５に示されたもののような、１０６４ｎｍおよび５３２ｎｍの出力を同時に発生する結晶アセンブリを設計することができる。当業者に既知である図１の基本的な空洞内周波数変換設計に関するこれらおよびその他の変化形は、すべて本発明の範囲に属する。
【００５４】
前記第二の基本波長を、例えば紫外域の高調波に変換するために、別の非線形結晶を空洞に挿入してもよく、その場合、マイクロチップアセンブリ部品および関連するコーティングを適切に変更しなければならない。特に、大口径ウエハを接着させてプロセス加工した後、小型アセンブリにダイシングする技法を用いるゲインアセンブリの製造は、既に示された２枚のウエハだけでなく、複数のウエハを有する結晶アセンブリに拡張することができる。図８は、Ｎｄ：ＹＡＧまたはＮｄ：ＹＶＯ４の１０６４ｎｍ遷移などの基本遷移から三次または四次高調波光を発生するために用いることができる結晶アセンブリ設計の例を示す。この実施態様のアセンブリ９０は、ゲイン材料９１、第一の非線形材料９５および第二の非線形材料９６からなることがある。第一の非線形材料は、通常、ＳＨＧ用にカットされた結晶であり、第二の非線形材料は、三次高調波または四次高調波発生用にカットされることがある。一つの例では、ゲイン材料はＮｄ：ＹＶＯ４であり、ＳＨ結晶はＫＴＰであり、第二の非線形結晶はＬＢＯまたはＢＢＯである。結晶のカットおよびコーティングによって、３５５ｎｍの三次高調波または２６６ｎｍの四次高調波が発生するかを決定する。アセンブリの左側の外表面９２は、ポンプ放射１７５がゲイン媒体９１中の活性イオンを励起することを可能にするように、通常、基本波長およびＳＨ波長でＨＲとなり、ポンプ波長でＨＴとなるようにコーティングされる。アセンブリの外側の右の面９８のコーティングは、好ましくは、基本波長でＨＲとなり、出力ビーム１８０の波長でＨＴとなるように選ばれる。第二の非線形結晶の表面９８は、出力結合器として使用されるので、所定レベルの循環パワーでの空洞安定性を維持するために必要な条件によって、平面研磨または曲面研磨される。次に、この出力結合器表面と、ゲイン材料９１のＨＲコーティングされた左表面９２との間に、共振器が形成される。三次高調波発生（ＴＨＧ）の場合、外側右表面９８のコーティングは、二次高調波でも高い反射を提供するようにさらに選ばれ、その結果、三次高調波結晶９６を通って別の通過が可能になり、それが次に和周波数混合（ＳＦＭ）プロセスで再び共鳴基本波と組み合わせられ、それによって紫外線出力全体が二倍化される。他方、四次高調波発生（ＦＨＧ）の場合、表面９８は、四次高調波波長での光学部品の必要なパワーおよび損傷を受ける傾向によって、代わってＳＨ波長でＨＴまたはＨＲのどちらかになるようにコーティングされる。ゲイン材料と第一の非線形結晶との間の界面９３、ならびに二つの非線形結晶の間の界面９４は、図５に関連して説明されたように、適切な光接着剤を用いてそれぞれ接合される。好ましくは、同じく既に説明されたように、間に界面９３が形成され、二つの接合表面のそれぞれは、基本波長とＳＨ波長との両方でＡＲコーティングされる。界面９４は、同様に基本波およびＳＨでＡＲコーティングされ、適切な光接合剤を用いて一緒に接着された二つの表面を含む。残された三次または四次高調波ビームがＳＨ結晶９５およびゲイン材料９１を通って後方に進行することを完全に妨げるために、第二の非線形結晶９６の内表面に、紫外域でＨＲであり、ピーク反射は所望の出力に依存して三次または四次高調波波長のどちらかになるように、別のコーティング層を析出させてもよい。
【００５５】
さらに別の結晶アセンブリを作製して、タングステン酸カルシウム（ＣａＷＯ４）などの固体ラマン変換体中のストークスシフト効果を用いて複数の波長を提供してもよい。簡単な例は、向かい合う表面に適切な誘電体コーティングを析出させ、固体ラマン材料をＮｄドープ結晶に接着させるか、またはボンディングさせることによって、マイクロチップアセンブリを構築することであると考えられる。１０６４ｎｍで放出するＮｄ：ＹＶＯ４などのＮｄドープ結晶からのラマンシフト出力は、１．１５から１．５ミクロンより長波長の離散ストークスシフト線を含む。タングステン酸カルシウムの場合、第一のシフトストークス線は、約１．１８ｍｍにある。この線を周波数二倍化（外部または内部で）して、重要なナトリウム線に対応する５８９ｎｍ近くの黄色の放射を生じることができる。
【００５６】
これまでに説明されたように、マイクロレーザを発生させるために用いられる本発明の技法は、用途のニーズに依存して、任意の数の代替レーザ遷移で動作する共振器構成を提供するように適応させることもできる。表１は、通常用いられるＮｄドープレーザ材料中で利用される遷移のいくつかの一覧である。明らかに、必要な高調波出力を供給するために位相整合する適当な非線形結晶を特定することができる限り、上記で説明されたＳＨＧ、ＴＨＧおよびＦＨＧプロセスを任意のレーザ遷移に適用することができる。あるいは、ＳＦＭ用に位相整合し、それによって本開示中で説明される高密度マイクロチップ作製および小型レーザパッケージング原理で発生させることができる波長の範囲をさらに広げるようにカットされた非線形結晶を用いて、二つのレーザ遷移が空洞内で組み合わせられる実施態様がある。表１に明示的には示されていない一つの特別な例では、例えばＮｄ：ＹＡＧの１３１８．７ｎｍおよび９４６ｎｍ遷移のＳＦＧを用いて５５０．８４ｎｍの黄色のレーザ放射を発生することができると考えられる。このスペクトル範囲は、生物医学および生物計測用途に特に有用である。
【００５７】
表１  さまざまなレーザ結晶の基本および二次高調波波長
３００°Ｋ近傍で動作すると思われるレーザ遷移
【００５８】
【表１】
2007508682.tif 000002
【００５９】
表１には示されていないが、本マイクロチップ共振器作製およびパッケージ技法に利用できる多くの他の可能な活性イオンとレーザホストとの組み合わせがある。そのような組み合わせは、ＹＡＧなどのガーネット、ＹＬＦなどのバナジン酸塩およびフッ化物を含むホスト結晶中にドーピングされたＥｒ、ＴｍおよびＹｂなどの代替希土類イオンを含むことがある。本発明中で対象となる高密度作製プロセスに利用するのに十分なサイズおよび十分に良好な品質で結晶が製造可能である限り、事実上、どのようなイオン／ホスト結晶の組み合わせを利用してもよい。
【００６０】
本開示の主題である固体レーザは、連続波（ＣＷ）、Ｑスイッチ（ＱＳ）、長パルス（ＬＰ）およびモードロック（ＭＬ）を含む多くの時間フォーマットで動作してよい点に注意する。図５から８の空洞内周波数変換レーザ実施態様および関連マイクロチップアセンブリを含め、これまでに示されたほとんどの例は、ＣＷモードで動作するものとして示されたが、本発明の一般的な原理は、対応するパルス事例でも成立する。当分野の公知の方法との類似により、さまざまな手段を用いて出力の時間フォーマットをＣＷフォーマットから変化させることができる。
【００６１】
最も単純な手法では、例えばレーザダイオード光源を変調する。すなわち、全体としてレーザダイオードパワーに比例して昇降するレーザ出力を発生させるように、ある所望の速度でレーザダイオード光源をオンオフする。１００％レーザダイオード変調では、あらかじめ定められた反復速度でレーザダイオードポンプをオンオフして、同じ反復速度の長パルスまたは自由継続出力を発生させる。この場合、周波数変換効率は大して影響を受けるとは思えないので、上記で説明した空洞内構成の任意のもので発生した高調波出力は、従って対応するＣＷの場合に得られるのと同じ全体平均パワー出力を有して変調される。
【００６２】
別の種類の代替実施態様では、能動モジュレータまたは受動可飽和吸収体のどちらかのＱスイッチを空洞内に挿入し、レーザ材料、反復速度および共振器全長に依存してナノ秒範囲またはそれ以下のこともあるパルス持続時間でＱスイッチ（ＱＳ）動作を提供してもよい。詳しくは、図１の基本的な空洞内二倍化共振器にＱスイッチを追加し、それによって、数ナノ秒またはサブナノ秒にも及ぶ短いパルス動作を提供することの実現性を実証する従来技術の教示がある。Ｑスイッチは、ＡＯまたはＥＯ  Ｑスイッチなどの能動モジュレータであってもよく、あるいはＣｒ４＋：ＹＡＧなどの受動Ｑスイッチを含んでもよい。マイクロレーザ中でＱスイッチ動作を用いる従来技術の技法の例は、とりわけ、能動Ｑスイッチ動作技法が記載されている米国特許第５，７０３，８９０号、および受動Ｑスイッチ動作および／またはモードロッキング手段を用いる受動ＱＳ微細空洞が教示されている米国特許第６，０２３，４７９号および第５，４８８，６１９号を含む。本発明の主題であるパッケージングおよび高密度製造技法に利用できるこれらおよびその他の類似の技法は、参照によってすべて本明細書に組み込まれる。次に、本発明の技法を用いて構築およびパッケージすることができると考えられるＱスイッチゲイン結晶アセンブリのいくつかの例を説明する。
【００６３】
一般に、単純なレーザ設計の場合、ＣＷ空洞内変換効率は３０％を超えることがあるが、パルスレーザによって示される変換効率は、より高い空洞内強度に起因して、５０％を超えることがある。従って、ＱＳレーザ実施態様からの空洞内変換出力は、同じ入力ポンプパワーなら対応するＣＷの場合より大きな平均パワーを有することがある。さらに、ＱＳの使用によって達成可能な高いピークパワーによって、このレーザは、短いパルス持続時間が必須である非常に多数の用途の必要に対処することができる。従って、本発明で開示される高密度技法および小型、低コストパッケージング手法を用いて、既に考察した小型化共振器のパルス型を構築することは興味深い。
【００６４】
一つの代替実施態様では、例えば可飽和吸収体を用いて、小型デバイスをＱスイッチ化することができる。可飽和吸収体は、レーザ発振結晶それ自体にドーピング（自己Ｑスイッチング）してもよく、または別個の結晶にドーピングしてもよい。図９では、Ｑスイッチパルスを発生させるために用いられるマイクロチップ設計の好ましい実施態様の例を示す。この例では、ゲイン結晶（Ｎｄ：ＹＶＯ４など）は、ＣＷまたはパルス（変調）であってよいダイオード光源からの放射１８５でポンプされ、出力放射１９０はパルス化される。結晶の左面１５３は、この場合にも、１０６４ｎｍでＨＲ、８０８ｎｍでＨＴコーティングされる。右方の結晶１５２は、その右面１５６に塗布された１０６４ｎｍで部分反射コーティングを有するＣｒ４＋：ＹＡＧなどの普通に用いられる受動Ｑスイッチング材料を含んでよい。二つの結晶の間の界面１５５は、この場合にも、光接着剤を含んでよく、接着剤と接触する表面は、上記で説明した（例えば図５参照）ＣＷアセンブリの場合に実行したと同じように、反射損失を最小化するために誘電体コーティングされる。本発明の高密度手順によれば、可飽和吸収体を含む完成接着マイクロチップアセンブリは、好ましくは、最適位置合わせを保証するために干渉計測制御手段を用いて一緒に接着された大口径原料ウエハを用いて製造された後、非常に多数の小型ゲインチップモジュールにダイシングされる。このようにして、本発明に固有の規模の経済性は、パルス共振器アセンブリに拡張される。詳しくは、バナジン酸塩またはＹＡＧなどのＮｄドープ材料を用いて、小型化低コストデバイスから、好ましくは百ドル未満から数百ドル分の材料で、１０６４ｎｍまたはその近傍で１０キロヘルツオーダーの反復速度のマイクロジュールレベルのパルスエネルギー（通常は３〜１０μＪ）を発生させることができる。これは、光ボンディングされたデバイスを利用するものも含めて、当分野の既知のいかなる技法の追随も許さない成果である。一つの例では、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶の蛍光減衰時間（通常は〜１００マイクロ秒）と同程度か、またはそれより短いポンプ持続時間を有するパルス化０．５〜１Ｗレーザダイオードポンプ光源を用いて、１００ｍＷを超えるマイクロジュールレベルを発生させることができると考えられる。そのようなパルスダイオードレーザは、数社の販売業者から容易に入手できる。接着剤層への光損傷は、マイクロレーザのこのレベルの動作では問題にならないことが示された。具体的には、現在までに実施された実験で、１０９ショットにわたって接着剤層またはＡＲコーティングへの見かけの分解なく、２５０ＭＷ／ｃｍ２を超える強度が維持された。
【００６５】
これらのパルス共振器アセンブリでは、さらに大きな経済性が実現され得る。一つの代替例では、例えばＮｄ：ＹＡＧなどのいくつかの材料で、Ｃｒ４＋イオンは活性Ｎｄイオンで共ドーピングすることができるという事実を利用することが可能なことがある。これによって、Ｑスイッチレーザを単一のプレート中に作り込み、プレートをダイシングして小型のマイクロチップアセンブリを作製することが可能になり、製造の全体コストをさらに引き下げる。
【００６６】
図９の基本デバイスの他の型では、代替結晶およびＱスイッチを選択して種々の出力波長を提供してよい。一つのそのような代替型は、１５４０ｎｍで動作するＹｂ、Ｅｒ：ガラス製のゲイン材料と、Ｃｏ２＋：スピネルまたはこの波長に適するなんらかの他の材料製の受動Ｑスイッチとからなるアイセーフ動作のために設計されたアセンブリを含むと考えられる。この場合、９４０ｎｍ近傍で動作するダイオードによってＹｂ吸収帯がポンプされた後、Ｅｒイオンにエネルギー移動し、Ｅｒイオンが１５４０ｎｍでレーザ発振する。この場合、結晶の厚さは最小化できるので、この種類のパルスアイセーフマイクロレーザは、大口径の接着ウエハを多数の小さなアセンブリにダイシングすることによる大量生産に非常に適している。
【００６７】
所望の動作を実現するために適切に最適化された共振器構築が実体化される限り、ＱＳ動作を発生させる方法を拡張して、他の波長で動作するもっと複雑なマイクロチップおよび代替動作モードを利用してよい。パルスＳＨ放射を供給する周波数変換Ｑスイッチレーザ共鳴器の一つの実施態様では、図９のゲイン／可飽和吸収体マイクロチップアセンブリは、図１０に示される３枚プレートコンポジット２００に拡張される。この場合、ゲイン結晶１６１は、可飽和吸収体Ｑスイッチ１６３に接合され、Ｑスイッチ１６３は次にＫＴＰまたはＬＢＯなどの非線形結晶１６５に接着される。左側１６２のコーティングは、基本波および高調波の高い反射、およびダイオードポンプ放射１６８の高い透過を可能にするように選ばれる。アセンブリ１１６７の右表面のコーティングは、高調波放射１６９のパワーを最適化するように選ばれる。ゲイン材料とＱスイッチとの間の界面１６３は、光学素子のＡＲコーティングされた接合面を含む。Ｑスイッチと非線形素子との間の界面１６４を含む接合表面には、多層コーティングを析出させてよく、その設計は、それぞれのアセンブリおよび共振器の設計に独自であってよい。空洞内周波数二倍化の実施態様の場合、表面は、基本波およびＳＨにＡＲであるように誘電体コーティングしてよい。この場合、平面または曲面であるアセンブリの右側１６７は、図５のＣＷゲインモジュールに類似の方法で、基本波でＨＲとなり、ＳＨでＨＴとなるようにコーティングすると有利である。あるいは、そのようなＱスイッチ共振器では、空洞外周波数変換も高効率で可能であり、特定の事例では好ましいことがある。空洞外構成は、さまざまな表面にさまざまなコーティングを選ぶという簡単な手段によって実体化することができる。例えば、界面１６５は、基本波でＰＲとなり、ＳＨでＨＲとなるようにコーティングされ、一方、出力表面１６７は、空洞内の場合と同じく、ＳＨでＨＴとなるようにコーティングされる。この基本設計では、必要なパワーレベル、コーティングの利用可能性および所望の波長に依存して、多数のその他のオプションが可能である。もっと大きなパワーレベルでは、コーティングおよび接合剤への損傷の考慮によって、好ましい共振器設計が決定されることがある。
【００６８】
図１０の基本ＱＳアセンブリのいくつかの興味ある代替実施態様が利用できる。図１１に示される一つの例では、図１０の非線形素子１６５として適切にコーティングされたＫＴＰまたはＫＴＡ結晶からなる光パラメトリック発振器（ＯＰＯ）デバイスを用いて、１５４０ｎｍ近傍で動作するアイセーフレーザを製造することができる。この場合、この３層マイクロチップレーザアセンブリは、Ｎｄ：ＹＶＯ４の１０６４ｎｍ基本遷移に位相整合されたＫＴＰまたはＫＴＡ非線形結晶にそれ自体接着されたＣｒ４＋：ＹＡＧ  Ｑスイッチに接着されたＮｄ：ＹＶＯ４ゲイン結晶を含むことがある。ＫＴＰ／ＫＴＡ結晶の図１０の表面１６７に対応する右面は、共振器安定性を提供し、ＳＴＭでの動作を可能にするために曲面であってよく、１０６４ｎｍでＨＲ、１５４０ｎｍでＰＲとなるようにコーティングされる。この実施態様の界面１６４は、ＯＰＯの標準設計に従って、好ましくは１５４０ｎｍでＨＲ、１０６４ｎｍでＡＲとなるようにコーティングされる。図１０の番号１６３に対応する他方の界面の両表面は、単に、基本波でＡＲとなるようにコーティングされる。出力は、１０キロヘルツのオーダーの反復速度でパルス化された所望の１５４０ｎｍ出力を含む。このマイクロチップレーザアセンブリの予測されるパルス持続時間は、数ナノ秒の範囲である。
【００６９】
１．５４μｍ発生の非線形係数は小さく、良好な効率を生じさせるためには１〜２ｃｍものＯＰＯ結晶長さが必要なことがあるので、この種類のレーザマイクロチップは、先に示したデバイスより著しく長くなる傾向がある点に注意する。それでも、このアイセーフレーザを実現するために、既存のＴＯまたはＨＨＬパッケージが変更されるか、またはカスタム再設計されることがある。他の点に関しては、従う手順は、ＳＨＧおよびＴＨＧデバイスに関連して説明したものに類似して、製造プロセスの全体的な経済性を維持し、結晶は、全体が一緒に接着された大口径ウエハからなり、所望の界面コーティング特性は、適切な光接着剤と接触するように設計される。後続の小型マイクロチップへのダイシングによって、他のもっと単純なアセンブリの場合と同じく、規模の経済性が提供される。
【００７０】
これらのパルスマイクロレーザの大パワー型の場合、共振器を能動Ｑスイッチ化するために、タンタル酸リチウムなどの電気光学活性材料の薄いプレートが用いられることがある。詳しくは、基本波またはＳＨ出力のパワーをスケールアップすることができるように、図７の大パワー共振器の型にＱスイッチ素子を挿入することがある。従って、大ピークパワーの場合でも、小型低コストパルス共振器は、本発明に開示される技法を用いて構築することができる。基本共振器設計のそのような拡張はすべて、それらが本発明の興味の対象である高密度製造技法および低コスト大量生産可能パッケージに利用可能ならば、本発明の範囲に属する。
【００７１】
これまでの本発明の好ましい実施態様および代替実施態様の説明は、例を示し、説明することを目的として提示されたものであり、網羅的であること、または本発明を開示された厳密な形に限定することを意図しないことに注意する。従って、コーティングされた結晶ウエハを一緒に接着させた後、多数のマイクロチップにダイシングする技法を用いて、低コスト大量生産の能力があるマイクロチップレーザ技術の多数の具体的な実体化がある。同様に、パッケージング概念の例を示すために用いられた基本光共振器および出力波長の変化形がある。本発明の一定の特定の実施態様を参照して、本発明を説明し、例を示してきたが、別の多数の基本的考え方の変更形および変化形が可能であり、本発明の技術思想および範囲から逸脱することなく、手順およびプロトコルのさまざまな適応、変化、変更、置き換え、削除または追加を施すことができることは、当業者には自明である。例えば、異なる共振器、動作モード、レーザ材料、ＱスイッチまたはＱスイッチングの方法、非線形結晶、コーティングまたはコーティングの組み合わせの単なる置き換えは、本明細書に記載されている本発明の技術思想から逸脱すると解釈するべきではない。結晶を一緒に接合させるいかなる方法（例えば、具体的に言及されたものの代替接着剤、接合技法およびボンディング手順を用いること）も、本発明の範囲から除外されると考慮するべきではない。予測される結果の変化または差異は、本発明の目的および実行の考慮内にあるとみなされる。従って、本発明の範囲は、請求項および請求項の均等物によって定められるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】空洞内周波数二倍化（従来技術）の概略図である。
【図２】ボンディングされたＶＬＯＣチップ共振器（従来技術）の例を示す。
【図３】改良型ダイオードレーザＴＯパッケージに取り付けられた固体マイクロレーザの構成を示す。
【図３Ａ】標準９ｍｍＴＯダイオードレーザパッケージ（従来技術）の構成および部品の図を提供する。
【図４】別個の出力結合器を含むマイクロレーザ改良型ＴＯパッケージの別の例である。
【図５】二つの接合された光学素子を有するゲイン結晶アセンブリの例である。
【図６】高密度結晶製造技法の要素の例示す。
【図７】別個の曲面出力結合器で構成され、空洞内ＳＨＧに適する結晶ゲインアセンブリの例を示す。
【図８】三次または四次高調波発生に適する３つの光学素子を有する結晶ゲインアセンブリの例である。
【図９】ゲイン媒体と、パルス放射を発生するのに適するＱスイッチとを含むマイクロチップレーザ共振器の例である。
【図１０】改良型ダイオードレーザパッケージからＱスイッチ周波数変換放射を発生するために用いることができるゲイン結晶アセンブリの概略図を示す。
【図１１】受動Ｑスイッチアイセーフマイクロレーザを含むゲイン結晶共振器アセンブリの一例である。
【図１】
2007508682.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図３Ａ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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