(57)【要約】  【課題】  マイクロチップレーザに使用される、レーザ媒質、共振器、エタロンの機能を兼ねる光学結晶素子を高い生産性で製造する。  【解決手段】  機械研磨で成型されたYAG結晶基板１１の厚みd1を10nmのオーダーで測定し目標厚みとの差を求め、予め測定したエッチング速度からエッチング所要時間を求める。この結晶基板１１をイオンビーム照射装置の試料室１２に設置し、ガス導入管１５よりCHF3ガスとArガスとを1:10〜1:2の範囲で混合したガスを反応性エッチングガスとしてイオン銃室１３内に導入する。そして、導波管１６よりイオン銃室１３内にマイクロ波を導入し上記混合ガスをイオン化して、結晶基板１１を上記計算で求めた所要時間だけエッチングする。これにより、迅速に且つ良好に（小さな表面荒れで）結晶基板１１が削れるので、高い生産性を確保しつつ、厚みを高い精度で制御して所望の特性を得ることができる。【選択図】  図１
2005223176.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
LD励起固体レーザ装置に使用される光学結晶素子を製造する方法であって、レーザ媒質、共振器、及びエタロンの機能を兼用したマイクロチップレーザ用光学結晶素子を製造する方法において、
a)YAG又はYVO4を素材とする結晶基板の初期厚みを測定し、
b)前記結晶基板が収容された処理室内に、フッ素系ガスとArガスとの混合比が1:10〜1:2の範囲である混合ガスを導入し、
c)前記処理室内で前記混合ガスのイオンビームを生成して、該混合ガスの混合比に依存するエッチング速度と前記結晶基板の初期厚みとから求まる時間だけ該結晶基板の表面をエッチング加工することにより、
光学結晶素子の厚さを所望厚さに制御することを特徴とするレーザ用光学結晶素子の製造方法。
【請求項２】
前記フッ素系ガスとしてCHF3を用いることを特徴とする請求項１に記載のレーザ用光学結晶素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ（LD）励起固体レーザ装置に使用される光学結晶素子を製造する方法に関し、更に詳しくは、いわゆるマイクロチップレーザにおいてレーザ媒質、共振器、及びエタロンの機能を兼用する光学結晶素子を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、緑色、青色等の短波長レーザは、干渉計、光ディスク用ピックアップ、印刷装置など幅広い分野において注目されており、こうしたレーザ光を発生するレーザ装置の研究・開発が各所で積極的に進められている。このような短波長レーザ装置の一つとして、基本波レーザ光の光路中に波長変換素子を挿入して高調波光を発生させ、その高調波光を外部に取り出すようにしたレーザ装置が知られている。図４はこうしたレーザ装置の概略構成を示す図である。
【０００３】
このレーザ装置は、励起光を発生する半導体レーザ(LD）１と、半導体レーザ１からの励起光を集光するレンズ２と、励起光で励起されることにより基本波光を含むレーザ光を誘導放出するレーザ媒質３と、誘導放出された基本波光から高調波光（特に第２高調波（SHG＝Second Harmonic Generation））を生成する非線形光学結晶などから成る波長変換素子４と、特定の波長の光を選択的に透過させるエタロン５と、光を反射させつつその一部を透過させる出力ミラー６とを含んで構成される。
【０００４】
半導体レーザ１から出射された励起光はレンズ２により集光されてレーザ媒質３に照射される。レーザ媒質３にあって励起光の入射面には、励起光を効率よく透過させるとともに基本波光及び高調波光を高反射率で以て反射させる反射層３ａが形成されており、この反射層３ａと出力ミラー６とで光共振器が構成される。励起光によりレーザ媒質３から誘導放出された基本波光はこの光共振器内で発振して増幅される。なお、レーザ媒質３は、例えば青色発光波長946nmの発振に対してはNd:YAG（以下、単にYAGと記す）、緑色発光波長1064nmの発振に対してはNd:YVO4（以下、単にYVO4と記す）が主として用いられる。
【０００５】
基本波光が波長変換素子４を通過する際に高調波光が発生するため、光共振器内部では基本波光と高調波光とが混在している。基本波光は出力ミラー６で反射されるが、高調波光は出力ミラー６を透過する。そのため、図中に示すように、出力ミラー６から右方にはレーザ光出力として高調波レーザ光のみが出射される。また、発振の過程でレーザ光には高次の縦モード（すなわち、多数の発振波長）が出現するが、高い透過特性を持ったエタロン５を光共振器内に挿入しているため、複数の発振スペクトルのうち、所望の波長を持つ空間領域及び周波数（又は波長）領域共にコヒーレンスが極めて優れている単一縦モードレーザのみを外部に取り出すことができる。
【０００６】
こうした構成のレーザ装置では、レーザ媒質３、共振器（出力ミラー６）、波長変換素子４、及びエタロン５を所定の位置に配置しなければならないため、全体のサイズを小形化するのが困難である。また、各光学素子の相対配置を調整するための調整機構や周囲温度によるずれを防止するための温調装置などを備える必要があるため、サイズは一層大きくなる。また、構造が複雑であるためにコストも高くなるという欠点がある。
【０００７】
こうした問題に対し、最近、マイクロチップレーザと呼ばれるレーザ装置が研究されている（非特許文献１など参照）。マイクロチップレーザは、ごく薄い（通常１mm以下程度の厚さ）のレーザ媒質を利用し、そのレーザ媒質自体に共振器及びエタロンの機能を兼ねさせるものである。図５はマイクロチップレーザ装置の概略的な構成図である。半導体レーザ１から出射された励起光はレンズ２により集光されてマイクロチップレーザ用光学結晶素子７に照射される。この光学結晶素子７の両面には入射側反射層７ａ及び出射側反射層７ｂが形成されており、基本波光が両反射層７ａ間で反射する間に発振周波数も単一化され、特定の波長のレーザ光が右方へと出射する。こうした構成では、共振器やエタロンを外部に設置せずに済むため、レーザ装置の大幅な小形化が可能となるとともに面倒な位置調整も不要になる。
【０００８】
こうしたマイクロチップレーザ用の光学結晶素子７は、上述したように通常のLD励起固体レーザ装置のレーザ媒質３と比較してかなり薄く、しかも所望の特性を得るためにはその厚みを非常に高い精度で制御する必要がある。従来は、YAG等の光学結晶を機械研磨加工によって所望の厚みに形成することでレーザ媒質を製造しているが、こうした方法では、マイクロチップレーザ用の光学結晶素子として満足できるような厚み精度を得ることができない。一方、一般に、こうした結晶を加工する他の方法としてアルゴン(Ar)を利用したイオンビームエッチングが知られている。しかしながら、YAG等の光学結晶に対してはエッチング速度が非常に遅いため、生産性を考慮すると実用性に乏しい。
【０００９】
【特許文献１】特開２００３−３０４０１９号公報
【非特許文献１】本越伸二著，「マイクロチップ固体レーザーの開発研究」，[Online]，レーザークロス  ２００１，６月，No.160，財団法人レーザー技術総合研究所，平成１６年１月２１日検索，インターネット<http://www.ilt.or.jp/cross/no160.pdf>
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明はかかる課題に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、高い生産性を維持しながら高い精度で結晶の厚みを制御し得るような新規なレーザ用光学結晶素子の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本願発明者は、これまで、SiO2を素材とするエタロンの厚みを制御するためにCHF3ガスとArガスとの混合ガスを利用したイオンビームエッチングを行うことで、表面粗さを適度に抑えつつ高い効率でエッチングを行う方法を提案している（特許文献１参照）。本願が対象とするYAG等の光学結晶はSiO2等のガラスとはその物理的性質が異なるため、上記文献に記載の技術をそのまま適用することはできない。しかしながら、各種実験の結果、エッチング条件を適切に設定することによって、上記目的を達成し得るような成形加工が可能であることを見い出した。
【００１２】
すなわち、上記課題を解決するために成された本発明は、LD励起固体レーザ装置に使用される光学結晶素子を製造する方法であって、レーザ媒質、共振器、及びエタロンの機能を兼用したマイクロチップレーザ用光学結晶素子を製造する方法において、
a)YAG又はYVO4を素材とする結晶基板の初期厚みを測定し、
b)前記結晶基板が収容された処理室内に、フッ素系ガスとArガスとの混合比が1:10〜1:2の範囲である混合ガスを導入し、
c)前記処理室内で前記混合ガスのイオンビームを生成して、該混合ガスの混合比に依存するエッチング速度と前記結晶基板の初期厚みとから求まる時間だけ該結晶基板の表面をエッチング加工することにより、
光学結晶素子の厚さを所望厚さに制御することを特徴としている。
【００１３】
ここで、フッ素系ガスとしては典型的にはトリフルオロメタン(CHF3)ガスであるが、その他にテトラフルオロメタン（CF4）ガス等でもよい。
【００１４】
本発明に係るレーザ用光学結晶素子の製造方法では、まず、従来行われている機械研磨等によってYAG又はYVO4を素材とする結晶基板を作製する。このときの結晶基板の厚み（初期厚み）はばらつきが大きいため、この初期厚みをエッチングに先立って測定する。そして、このときに測定した結晶基板の初期厚みと最終的な目標厚みとの差、及び、使用する混合ガスについて予め測定しておいたエッチング速度から、計算によりエッチング所要時間を求めておく。
【００１５】
次に、この結晶基板を反応室内に収容し、その結晶基板に対して化学反応性を有するガスとしてフッ素系ガスとArガスとをその混合比が1:10〜1:2の範囲で混合させた混合ガスを反応室内に導入する。そして、反応室内でこの混合ガスのイオンビームを生成させ、上記計算により求めておいたエッチング所要時間だけイオンビームエッチングを行って結晶基板の表面を削る。イオンビームエッチングでは、エッチング対象である結晶基板に含まれる成分の種類とスパッタリング反応するイオンのサイズとの相性がエッチング速度に大きく影響し、フッ素系ガスとArガスとの混合比が上記範囲を逸脱した場合にはエッチング速度が非常に遅くなって実用的でない。これに対し、上記範囲の混合比の混合ガスを用いれば、十分に満足し得るエッチング速度が得られる上、表面粗さについても実用上問題のない程度に抑えることができる。
このようにして、実用的にみて十分に短い所定時間のエッチング後、必要な公差内の精度で以て所望の厚さの光学結晶を得ることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係るレーザ用光学結晶素子の製造方法によれば、マイクロチップレーザにおいてレーザ媒質、共振器、エタロンを兼ねる光学結晶素子として使用するのに好適な1mm程度以下の厚さを有する光学結晶を、十分に短いエッチング時間で以て加工成形することができる。したがって、マイクロチップレーザ用の光学結晶素子を廉価で提供することができるとともに、その厚みを高い制御で制御することでレーザ特性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の一実施例として、YAGを素材とするマイクロチップレーザ用光学結晶素子の製造方法について説明する。
【００１８】
（i）結晶基板の作製及び初期厚み並びに目標厚みの測定
まず、YAG結晶に基板膜落とし研磨加工を施して、厚みd1＝0.5mm、直径20mmの円盤状の結晶基板を作製した。その後、この結晶基板の初期厚みを測定した。YAG結晶の初期厚みの測定は各種方法により行うことができるが、ここでは以下に述べる分光器を用いた方法により、公差10nmの精度で測定した。
一般に、結晶の厚みｄは、結晶の透過波長λ、干渉次数ｍ、屈折率ｎ及びレーザの入射角θを用いて、
ｍ・λ＝２・ｎ・ｄ・cosθ  …(1)
で表される式を満たす。
結晶を透過したレーザの波長λ1を測定し、既知であるｎ、θ及びｍを(1)式に代入することにより、結晶の厚みｄ1が求まる。θを十分小さくし、λ1及びｎの測定精度を適切に確保することによって、ｄ1を10nmの精度で求めることができる。ここで、例えばネオジウム（Nd）等の希土類が添加されたYAG結晶の厚みが100μmのオーダーであるとすると、その厚み公差10nmを確保するためには５桁の測定精度が求められる。そのため、ｄ1の算出に用いるλ及びｎも5桁の測定精度を確保する必要がある。
【００１９】
具体的には、レーザ共振器から出力される基本波長λ1=946.484nmのマルチモードレーザをYAG結晶に照射し、２次高調波（473nm、Blue Line）の近傍のスペクトルをスペクトルアナライザで測定した。その結果として、干渉次数ｍ＝1998、マルチモード発振時の波長λ1=946.484nmを得た。本実施例において、ｎ＝1.8208（Nd:YAG結晶の屈折率）とθ＝0.11°は既知であるから、これらを上記(1)式に適用することで、結晶の初期厚みｄ1=519.410μmが求まる。一方、単一縦モードレーザの発振波長（マルチモード発振時の中心波長）についても同様に測定した。その結果として、発振波長λ2=946.200nmを得た。これから、目標厚みｄ0=519.254μmが求まる。
【００２０】
（ii）削り量及びエッチング時間の決定
以上の計算より、エッチングによりYAG結晶を削るべき量δdは、δd＝d1-d0＝156nmとなる。本実施例では、次のようなエッチング条件を設定する。
・エッチングガス  …  CHF3ガスとArガスとの混合ガス
・ガス流量        …  Ar:8 sccm, CHF3:3 sccm
・電流密度        …  0.6 mA/cm2
・真空度          …  3.0×10-2 Pa
すなわち、CHF3ガスとArガスとの混合比は3:8≒1:2.67である。このエッチングガスを用いて予めYAG結晶のエッチング速度を測定すると、その速度はｒ＝298.8nm/hourであった。したがって、エッチング時間所要ｔは、ｔ＝δd／ｒ＝156／298.8＝0.522hour＝31minとなる。
【００２１】
（iii）エッチング
図１は本実施例において用いたECR型イオンビーム照射装置の概略構成図である。上記YAG結晶基板１１を試料室１２内に設置する。この際には、エッチングでの冷却効果を十分に得るために、結晶基板１１と試料台とを密着させるべく専用治具を使用する。次に、ガス導入管１５から上記CHF3ガスとArガスとの混合ガスであるエッチングガスを導入する。そして、導波管１６から周波数2.45GHzのマイクロ波を、マイクロ波導入窓１７を通してイオン銃室１３内に導入すると同時に、電磁石１８から875mTの磁場をイオン銃室１３に印加する。これによって、上記混合ガスはイオン化されプラズマ状態となる。
【００２２】
イオン銃室１３内がプラズマで満たされたならば、スイッチ１９をオンにすることにより、電源２０から電極板１４へ直流電圧の印加を開始する。これにより、イオン銃室１３内のプラズマが電極板１４に向かって移動し、YAG結晶基板１１に接触してエッチングが開始される。図示しない制御回路ではエッチングの開始とほぼ同時に時間の計測を開始し、先に計算したエッチング所要時間ｔが経過した時点でスイッチ１９をオフすることでエッチングを終了する。このイオンビーム照射装置では、直流電圧の印加を停止するとエッチングが直ちに終了するので、設定した時間だけ正確にエッチングを行うことができる。
【００２３】
以上のようにして、本実施例による製造方法によれば、YAG結晶基板を所望の厚さだけ正確に削ることによって、目標厚みの光学結晶素子を容易に且つ短時間で得ることができる。また、実際に上記のようなエッチングを行ったYAG結晶の表面粗さを測定したところ、未エッチング部では0.36nm、エッチング部では0.51nmであり、エッチングによっても表面荒れが十分に小さいことが確認できた。
【００２４】
図３に、エッチング前（ａ）及び後（ｂ）の光学結晶をレーザ媒質として使用したときのレーザ光のスペクトルの測定結果を示す。この図によれば、エッチングによって結晶の厚みを正確に制御したことにより、空間領域及び波長領域ともにコヒーレントが極めて優れた単一縦モードレーザが取り出せるようになったことが分かる。
【００２５】
また、YVO4を素材とする結晶基板についても同様の方法でエッチング実験を行った。エッチング条件はYAGの場合と同じであるが、YVO4の場合のエッチング速度は259.2nm/hourとYAGの場合よりも若干下がる。しかし、それでもエッチング速度としては十分に大きく、表面粗さもYAGと同程度かそれ以上に良好な結果となることを確認した。
【００２６】
上記実施例ではCHF3ガスとArガスとの混合比を3:8としたが、良好なエッチング速度を得るための混合比の範囲を見い出すために、混合比を変えてエッチング速度を測定した。その結果を図２に示す。Arガスのみであっても、或いは混合ガスにおけるCHF3ガスの比率が40％以上（混合比2:3）であっても、エッチング速度は72nm/hourと小さくなっている。これに対し、混合ガスにおけるCHF3ガスの比率が8％〜33％程度の範囲であれば、2.5〜3倍程度以上の大きなエッチング速度を得ることができる。こうしたことから、CHF3ガスとArガスとの混合比はおおよそ1:10〜1:2程度の範囲内に定めておくと、実用上十分なエッチング速度を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に係る製造方法に使用されるイオンビーム照射装置の一例の概略断面図。
【図２】エッチングガスとして使用する混合ガス中のCHF3ガスの比率とエッチング速度との関係を示す実験結果のグラフ。
【図３】本実施例によるエッチング前（ａ）及び後（ｂ）の光学結晶をレーザ媒質として使用したときのレーザ光のスペクトルの測定結果を示す図。
【図４】従来の一般的な高調波型LD励起固体レーザ装置の概略的な構成図。
【図５】本発明に係る製造方法で製造される光学結晶素子が使用されるマイクロチップレーザ装置の概略的な構成図。
【符号の説明】
【００２８】
１…半導体レーザ
２…レンズ
７…マイクロチップレーザ用光学結晶素子
７ａ…入射側反射層
７ｂ…出射側反射層
１１…YAG結晶基板
１２…試料室
１３…イオン銃室
１４…電極板
１５…ガス導入管
１６…導波管
１７…マイクロ波導入窓
１８…電磁石
１９…スイッチ
【図１】
2005223176.tif 000003
【図２】
2005223176.tif 000004
【図３】
2005223176.tif 000005
【図４】
2005223176.tif 000006
【図５】
2005223176.tif 000007