(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光を吸収して利得を発生する薄板状のレーザ媒質と、
前記レーザ媒質の熱を外部に排熱する冷却手段と、
前記レーザ媒質と前記冷却手段を接合する接合剤とを備えた固体レーザ装置であって、
前記レーザ媒質の接合面内における線膨張係数をα、
前記冷却手段の線膨張係数をη、
前記接合剤の硬化温度をＴｓ、
前記レーザ媒質の動作温度をＴｄ、
前記冷却手段の動作温度をＴｈとそれぞれ表すと、
Ｔｓ≧Ｔｄ≧Ｔｈの関係を有するとともに、
α（Ｔｓ−Ｔｄ）≒η（Ｔｓ−Ｔｈ）の関係を有する
ことを特徴とする固体レーザ装置。
【請求項２】
励起光を吸収して利得を発生する薄板状のレーザ媒質と、
前記レーザ媒質の熱を外部に排熱する冷却手段と、
前記レーザ媒質と前記冷却手段を接合する接合剤とを備えた固体レーザ装置であって、
前記レーザ媒質の接合面内における異方性の２つの線膨張係数をβ、γ（β＜γ）、
前記冷却手段の接合面内における異方性の２つの線膨張係数をε、ρ（ε＜ρ）、
前記接合剤の硬化温度をＴｓ、
前記レーザ媒質の動作温度をＴｄ、
前記冷却手段の動作温度をＴｈとそれぞれ表すと、
Ｔｓ≧Ｔｄ≧Ｔｈの関係を有するとともに、
β（Ｔｓ−Ｔｄ）≒ε（Ｔｓ−Ｔｈ）、
γ（Ｔｓ−Ｔｄ）≒ρ（Ｔｓ−Ｔｈ）の関係を有する
ことを特徴とする固体レーザ装置。
【請求項３】
励起光を吸収して利得を発生する薄板状のレーザ媒質と、
前記レーザ媒質の熱を外部に排熱する冷却手段と、
前記レーザ媒質と前記冷却手段を接合する接合剤とを備えた固体レーザ装置であって、
前記レーザ媒質の接合面内における異方性の２つの線膨張係数をβ、γ（β＜γ）、
前記レーザ媒質の圧縮応力限界と引っ張り応力限界の比をｎ、
前記冷却手段の線膨張係数をη、
前記接合剤の硬化温度をＴｓ、
前記レーザ媒質の動作温度をＴｄ、
前記冷却手段の動作温度をＴｈとそれぞれ表すと、
Ｔｓ≧Ｔｄ≧Ｔｈの関係を有するとともに、
｛（β＋ｎ・γ）／（１＋ｎ）｝（Ｔｓ−Ｔｄ）≒η（Ｔｓ−Ｔｈ）の関係を有する
ことを特徴とする固体レーザ装置。
【請求項４】
前記レーザ媒質の圧縮応力限界と引っ張り応力限界の比ｎ≒３である
ことを特徴とする請求項３記載の固体レーザ装置。
【請求項５】
前記接合剤は、接着剤である
ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれかに記載の固体レーザ装置。
【請求項６】
前記接合剤の硬化温度Ｔｓと前記レーザ媒質の動作温度Ｔｄがほぼ等しい
ことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれかに記載の固体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、レーザレーダ用レーザ装置や加工用レーザ装置に好適な薄板状の固体レーザ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
薄板型レーザ媒質は、レーザ媒質が薄い板形状に加工されたものである。板形状を構成する面のうち、最も面積の大きい面の一方からレーザ光を入射し、入射面に対向する反射面で反射させて、レーザ光を板の厚さ方向に伝搬させながら増幅する。従って、薄板型レーザ媒質の反射面に歪みが発生した場合、増幅されたレーザ光のビーム品質が悪く（ビームの輝度が低く）なったり、回折損失により固体レーザ装置の効率が低下したりするといった問題が発生する。なお、板の外形は円形のディスクや多角形等、任意の形状を有する。
【０００３】
さらに、薄板型レーザ媒質は、レーザ発振、または、増幅のためのミラーとして使用されるので、レーザ媒質が動いてしまうと、入射するレーザ光の光軸がずれて、個体レーザ装置の出力が低下してしまうとともに、出射するレーザ光の光軸がずれてしまう。従って、レーザ媒質が動かないようにレーザ媒質を頑強に固定する必要がある。
【０００４】
一方、励起された薄板状レーザ媒質で発生した熱を排熱するために、上記反射面にはヒートシンクが接合される。この接合には、熱硬化型の接着剤や半田が用いられるが、接合による加熱時にレーザ媒質とヒートシンクの熱膨張量が異なると、冷却時に応力による歪みや破壊が発生する。従って、この歪みを抑制するため、レーザ媒質の線膨張係数とほぼ同じ線膨張係数を有するヒートシンクを接合する手法が一般に用いられている。
【０００５】
しかし、薄板型レーザ媒質では、発熱体となるレーザ媒質とヒートシンクの間に誘電体全反射膜と接合剤による熱抵抗が発生するため、励起光が入射してレーザ媒質で熱が発生したとき（動作時）は、レーザ媒質からヒートシンクへの熱抵抗により、レーザ媒質の温度とヒートシンク温度に差が発生する。この温度差によって、レーザ媒質とヒートシンクの線膨張係数が同じ場合でも、熱による膨張量が異なり、ヒートシンクがレーザ媒質に応力を加えてしまう。
【０００６】
この歪みを低減する接合方法として、接着剤を用いる方法がある（例えば、特許文献１参照）。この接着剤は、熱伝導性繊維が絡み合った伸縮性生地と、この伸縮性生地に含浸された熱硬化性樹脂とを備えるものであり、特に、接着物の応力を低減するためには、上記熱硬化性樹脂として、ガラス転移温度が常温以下となる成分を含むことが望ましい。上記熱硬化性樹脂は、通常使用される外気温が常温であるため、接着剤の温度がガラス転移温度よりも高くなっている。上記熱硬化性樹脂は、ガラス転移温度以下では半固形状態となっており、接合時に発生する熱膨張差を、上記熱硬化性樹脂と上記伸縮性生地で熱膨張差を吸収して、接合物への応力を緩和し、歪みを低減する。
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−２３２２０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来の薄板型の固体レーザ装置では、レーザ媒質とヒートシンクの線膨張係数がほぼ同じになるようにヒートシンク材料を選定しているので、レーザ媒質の温度とヒートシンク温度が異なる動作時においては、熱による膨張量が異なり、レーザ媒質に歪みが発生するという問題点があった。
【０００９】
また、従来の接着剤を用いた薄板型の固体レーザ装置では、硬化後の接着剤の温度が熱硬化性樹脂のガラス転移温度よりも高いため、薄板を完全に固定することが出来ず、励起で発生した発熱による温度上昇や、外気温の変化による温度変化により、薄板が動いてしまうという問題点があった。
【００１０】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、レーザ媒質が動かないように固定することができ、レーザ動作時の歪みを低減することができる固体レーザ装置を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明に係る固体レーザ装置は、励起光を吸収して利得を発生する薄板状のレーザ媒質と、前記レーザ媒質の熱を外部に排熱する冷却手段と、前記レーザ媒質と前記冷却手段を接合する接合剤とを備えた固体レーザ装置であって、前記レーザ媒質の接合面内における線膨張係数をα、前記冷却手段の線膨張係数をη、前記接合剤の硬化温度をＴｓ、前記レーザ媒質の動作温度をＴｄ、前記冷却手段の動作温度をＴｈとそれぞれ表すと、Ｔｓ≧Ｔｄ≧Ｔｈの関係を有するとともに、α（Ｔｓ−Ｔｄ）≒η（Ｔｓ−Ｔｈ）の関係を有するものである。
【発明の効果】
【００１２】
この発明に係る固体レーザ装置は、レーザ媒質が動かないように固定することができ、レーザ動作時の歪みを低減することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る固体レーザ装置について図１及び図２を参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係る固体レーザ装置の構成を示す断面図である。なお、以降では、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
【００１４】
図１において、この実施の形態１に係る固体レーザ装置は、励起光を吸収して利得を発生する薄板状のレーザ媒質１と、レーザ媒質１の熱を外部に排熱するヒートシンク（冷却手段）３と、レーザ媒質１とヒートシンク３を接合する接合剤２とが設けられている。
【００１５】
レーザ媒質１は、一般的な固体レーザ媒質を使用することができ、例えば、Ｎｄ；ＹＡＧ、Ｙｂ；ＹＡＧ等が用いられる。図示は省略したが、レーザ媒質１の板状の広い面の片側を入射面として「反射防止膜」が施され、入射するレーザ光のほぼ全てを透過し、レーザ媒質１の入射面と反対側の広い面は反射面として「全反射膜」が施され、入射面から入射したレーザ光のほぼ全てを反射する。反射防止膜は、誘電体薄膜の積層、全反射膜は誘電体薄膜の積層、または、金属膜の蒸着等を用いる。
【００１６】
また、接合剤２は、金属半田や接着剤により実現可能である。
【００１７】
つぎに、この実施の形態１に係る固体レーザ装置の動作について図面を参照しながら説明する。図２は、この発明の実施の形態１に係る固体レーザ装置のレーザ媒質に歪みが発生する状況を説明するための図である。
【００１８】
接合剤２による接合時の温度（硬化温度）をＴｓ、励起光が入射してレーザ媒質１で熱が発生したとき（動作時）のレーザ媒質１の温度をＴｄ、動作時のヒートシンク３の温度をＴｈ、常温をＴ０とし、Ｔｓ≧Ｔｄ≧Ｔｈの関係を有する。また、レーザ媒質１の線膨張係数はα、ヒートシンク３の線膨張係数はηであり、次の式（１）の関係を有する。
【００１９】
α（Ｔｓ−Ｔｄ）≒η（Ｔｓ−Ｔｈ）                                    式（１）
【００２０】
接合時の温度Ｔｓは、接合剤２が金属半田の場合、金属半田の融点に等しい。また、接合剤２が接着剤の場合、接着剤のガラス転移温度Ｔｇよりも高い温度で接合しても、接着剤はＴｇ以上では半固形状態となるため、レーザ媒質１が固定される温度はＴｇとなる。従って、接合剤２として接着剤を用いた場合、硬化時温度によらず、接合時の温度Ｔｓはガラス転移温度Ｔｇに等しい。
【００２１】
ここで、図２を用いてレーザ媒質１に歪みが発生する状況を説明する。図２（Ａ）に示すように、接合時の温度Ｔｓにおいては、レーザ媒質１とヒートシンク３はお互いに応力を与えず、歪みは発生しない。
【００２２】
図２（Ｂ）に示すように、レーザ媒質１とヒートシンク３を接合温度Ｔｓから常温Ｔ０に冷却した際、レーザ媒質１は、接合時の温度Ｔｓでの大きさを基準として、割合α（Ｔｓ−Ｔ０）の大きさの変化が発生する。一方、ヒートシンク３は、割合η（Ｔｓ−Ｔ０）の大きさの変化が発生する。式（１）の関係より、Ｔｓ＝Ｔｄ、または、Ｔｓ＝Ｔ０である場合を除いて、レーザ媒質１とヒートシンク３の変化量が異なるため、冷却によりレーザ媒質１にはヒートシンク３により応力が発生する。この時、α≧ηであるため、レーザ媒質１には引っ張り応力が発生する。
【００２３】
一方、図２（Ｃ）に示すように、動作時には、接合時の温度Ｔｓでの大きさを基準として、レーザ媒質１は割合α（Ｔｓ−Ｔｄ）、ヒートシンク３は割合η（Ｔｓ−Ｔｈ）の大きさの変化が発生する。従って、式（１）の関係より、接合時の温度Ｔｓに対して、レーザ媒質１とヒートシンク３の変化量は一定となるため、レーザ媒質１に応力は発生しない。
【００２４】
レーザ媒質１は、固体レーザ装置が動作している状態において応力による歪みが発生しなければ良く、冷却時についてはレーザ媒質１が破壊さえしなければ、応力による歪みが発生しても問題ない。従って、上記のように構成すれば、固体レーザ装置が動作している時に歪みが発生せず、高輝度で効率の高いレーザ出力が可能な薄板型の固体レーザ装置を構成することができる。
【００２５】
例えば、レーザ媒質１としてＹｂ：ＹＡＧ（α≒７．７ｐｐｍ）、接合剤２としてガラス転移温度Ｔｇ＝９０℃を有する接着剤を使用し、動作時の温度Ｔｄ＝６０℃、Ｔｈ＝４０℃とすると、ヒートシンク３に線膨張係数４．５ｐｐｍを持つＡｌＮ（窒化アルミニウム）を使用すれば、式（１）をほぼ満足する。
【００２６】
さらに、接合剤２として融点が２５０℃の金属半田を用いた場合には、Ｔｓ＝２５０℃となり、上記動作条件において、ヒートシンク３に線膨張係数７．２ｐｐｍを持つＣｕＷ（Ｃｕ８５％、Ｗ１５％）を使用すれば、式（１）をほぼ満足する。
【００２７】
なお、ヒートシンク３の線膨張係数ηは式（１）を厳密に満足する必要はなく、レーザ媒質１、および、ヒートシンク３に歪みが発生しない程度に応力が小さくなればよい。また、適当な市販の接着剤を選択するか、または接着剤の成分を調整することにより、接着剤のガラス転移温度Ｔｇは調整可能であり、式（１）をほぼ満足する組み合わせを選択することは容易である。
【００２８】
接合剤２に接着剤を用いた場合、一般的に接合温度を低くすることができ、動作時だけでなく、接合後の冷却時にも発生応力が小さくなる。本実施の形態では、特に、接合剤２として接着剤を用いたときに有効であり、また、接合温度と動作温度が近いほど、効果が大きい。接合剤２に接着剤を用いた場合、接着剤の温度がガラス転移温度Ｔｇよりも高くなると、接着剤が半固形状となり、動作中にレーザ媒質１が動いてしまうことがある。従って、ガラス転移温度Ｔｇはレーザ媒質１の動作温度Ｔｄと等しいか、Ｔｄよりも高いことが望ましい。一方、冷却時に発生する応力は接合温度Ｔｓが高いほど大きくなるため、Ｔｓは低いことが望ましい。従って、接合時の温度ＴｓがＴｄと同じか、Ｔｄよりもわずかに高い接合温度を有する接合剤２を選択すれば、動作時、冷却時ともに歪みの小さな薄板型レーザ媒質を構成することができる。
【００２９】
なお、レーザ媒質１に軸方向で熱膨張率が異なる異方性材料を用いる場合、ヒートシンク材料にも同様の異方性を持つ材料を選択することが望ましい。この時、ヒートシンク３に接合された面内で、レーザ媒質１の線膨張係数β、および、γ（β＜γ）を有し、ヒートシンク３の線膨張係数ε、および、ρ（ε＜ρ）を有するとする。
【００３０】
ここで、
β（Ｔｓ−Ｔｄ）≒ε（Ｔｓ−Ｔｈ）
γ（Ｔｓ−Ｔｄ）≒ρ（Ｔｓ−Ｔｈ）                                      式（２）
の関係を有するようにヒートシンク３の動作温度Ｔｈ、および、ヒートシンク材料を選択すれば、異方性を持つレーザ媒質に対しても、動作時に歪みの少ない薄板型の固体レーザ装置を構成することができる。
【００３１】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る固体レーザ装置について図３を参照しながら説明する。図３は、この発明の実施の形態２に係る固体レーザ装置の構成を示す斜視図である。
【００３２】
レーザ媒質１に軸方向で熱膨張率が異なる異方性材料を用いる場合、ヒートシンク材料にも同様の異方性を持つ材料を選択することが望ましいが、ヒートシンク３に適した熱伝導率が高い材料で異方性を持つ材料は少なく、異方性を持つレーザ媒質１に適したヒートシンク材料を選択することは難しい。
【００３３】
この実施の形態２では、異方性を持つレーザ媒質１Ａと等方性のヒートシンク材料を用いて、動作時の歪みが小さな薄板型の固体レーザ装置の構成を開示するものである。
【００３４】
図３において、この実施の形態２に係る固体レーザ装置は、熱膨張率に異方性を有し、励起光を吸収して利得を発生する薄板状のレーザ媒質１Ａと、レーザ媒質１Ａの熱を外部に排熱するヒートシンク（冷却手段）３と、レーザ媒質１とヒートシンク３を接合する接合剤２とが設けられている。
【００３５】
接合剤２及びヒートシンク３は、図１で示したものと同様の構成を示しており、特に明示しない限り、図１で示した接合剤２、ヒートシンク３と同様の機能を有する。
【００３６】
レーザ媒質１Ａは、図示は省略したが、レーザ媒質１Ａの板状の広い面の片側を入射面として反射防止膜が施され、入射するレーザ光のほぼ全てを透過し、レーザ媒質１Ａの入射面と反対側の広い面は反射面として全反射膜が施され、入射面から入射したレーザ光のほぼ全てを反射する。
【００３７】
レーザ媒質１Ａは、ヒートシンク３に接合された面内で、方向により異なる線膨張係数β、および、γを有し、β＜γの関係を有する。接合剤２による接合時の温度をＴｓ、励起光が入射してレーザ媒質１Ａで熱が発生したとき（動作時）のレーザ媒質１Ａの温度をＴｄ、動作時のヒートシンク３の温度をＴｈとし、Ｔｓ＞Ｔｄ＞Ｔｈの関係を有する。ヒートシンク３の線膨張係数ηは、次の式（３）の関係を有する。
【００３８】
｛（β＋ｎ・γ）／（１＋ｎ）｝（Ｔｓ−Ｔｄ）≒η（Ｔｓ−Ｔｈ）        式（３）
【００３９】
ここで、ｎはレーザ媒質１Ａの圧縮応力限界と引っ張り応力限界の比（ｎ＝｜圧縮応力限界／引っ張り応力限界｜）である。レーザ媒質１Ａとして用いられる結晶やガラス材料では、圧縮応力限界が引っ張り応力限界に比べて大きく、一般的にその比率は約３倍程度（ｎ≒３）となる。
【００４０】
ヒートシンク３がレーザ媒質１Ａに与える応力は、ヒートシンク３とレーザ媒質１Ａそれぞれの膨張率（＝線膨張係数と温度差の積）の差に比例し、図３のβ方向の応力はβ（Ｔｓ−Ｔｄ）−η（Ｔｓ−Ｔｈ）、図３のγ方向の応力はγ（Ｔｓ−Ｔｄ）−η（Ｔｓ−Ｔｈ）にほぼ比例する。ここで、ηは式（３）の関係を有するので、Ｔｓ＞Ｔｄ＞Ｔｈの関係より、β方向には圧縮応力が、γ方向には引っ張り応力が発生し、その比率は｜β方向の圧縮応力／γ方向の引っ張り応力｜＝ｎとなる。従って、実際の応力が破壊限界応力を超えなければ、それぞれの方向で破壊限界応力と実際の応力の比率がほぼ等しくなるので、破壊限界からの同程度の余裕を実現することができる。
【００４１】
このように構成すれば、異方性を持つレーザ媒質１Ａと等方性のヒートシンク材料を用いて、動作時の歪みが小さな薄板型の固体レーザ装置を構成することができる。
【００４２】
例えば、レーザ媒質１ＡとしてＮｄ：ＧｄＶＯ４（β≒４．４ｐｐｍ、γ≒１１．４ｐｐｍ）、接合剤２としてガラス転移温度Ｔｇ≒８０℃を有する接着剤を使用し、動作時の温度Ｔｄ＝６０℃、Ｔｈ＝４０℃とすると、ヒートシンク３に線膨張係数４．５ｐｐｍを持つＡｌＮ（窒化アルミニウム）を使用すれば、式（３）をほぼ満足する。
【００４３】
さらに、接合剤２として融点が２５０℃の金属半田を用いた場合には、Ｔｓ＝２５０℃となり、上記動作条件において、ヒートシンク３に線膨張係数８．３ｐｐｍを持つＣｕＷ（Ｃｕ８０％、Ｗ２０％）を使用すれば、式（３）をほぼ満足する。
【００４４】
なお、ヒートシンク３の線膨張係数ηは、式（３）を厳密に満足する必要はなく、それぞれの軸方向の応力が破壊限界応力に対して余裕を持つ範囲であれば良い。また、適当な市販の接着剤を選択するか、または接着剤の成分を調整することにより、接着剤のガラス転移温度Ｔｇは調整可能であり、式（３）をほぼ満足する組み合わせを選択することは容易である。
【００４５】
接合剤２に接着剤を用いた場合、一般的に接合温度を低くすることができ、動作時だけでなく、接合後の冷却時にも発生応力が小さくなる。本実施の形態では、特に、接合剤２として接着剤を用いたときに有効であり、また、接合温度と動作温度が近いほど、効果が大きい。接合剤２に接着剤を用いた場合、接着剤の温度がガラス転移温度Ｔｇよりも高くなると、接着剤が半固形状となり、動作中にレーザ媒質１Ａが動いてしまうことがある。従って、ガラス転移温度Ｔｇはレーザ媒質１Ａの動作温度Ｔｄと等しいか、Ｔｄよりも高いことが望ましい。一方、冷却時に発生する応力は接合温度Ｔｓが高いほど大きくなるため、Ｔｓは低いことが望ましい。従って、接合時の温度ＴｓがＴｄと同じか、Ｔｄよりもわずかに高い接合温度を有する接合剤２を選択すれば、動作時、冷却時ともに歪みの小さな薄板型の固体レーザ装置を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】この発明の実施の形態１に係る固体レーザ装置の構成を示す断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る固体レーザ装置のレーザ媒質に歪みが発生する状況を説明するための図である。
【図３】この発明の実施の形態２に係る固体レーザ装置の構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００４７】
１、１Ａ  レーザ媒質、２  接合剤、３  ヒートシンク。
【図１】
0004795107.tif 000002
【図２】
0004795107.tif 000003
【図３】
0004795107.tif 000004