(57)【要約】【課題】耐久性に優れた可飽和吸収体ユニットを提供すること。【解決手段】膜状の可飽和吸収体と、その可飽和吸収体の一面側に積層される反射膜とを有し、前記可飽和吸収体と前記反射膜との間に接着層を有することを特徴とする。ここで、接着層としてはチタン、クロム、白金及びアルミニウムから選択される１以上の元素から選択される。可飽和吸収体ユニットが熱暴走モードに至る機構として、可飽和吸収体ユニットに加わるストレスが大きくなるにつれて可飽和吸収体ユニットの反射光量が漸減することにより、ストレスが加わると内部損失により発熱し更なるストレスが加わり、そのストレスにより更なる内部損失・熱が発生する、といった正帰還ループが形成され、最終的にはストレスにより素子の破壊にいたるものと推測した。接着層を形成することで、この正帰還ループを排除にすることに成功し、素子の破壊を防止できた。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜状の可飽和吸収体と、該可飽和吸収体の一面側に積層される反射膜とを有する可飽和吸収体ユニットにおいて、
前記可飽和吸収体と前記反射膜との間に接着層を有することを特徴とする可飽和吸収体ユニット。
【請求項２】
前記接着層は金属から構成される請求項１に記載の可飽和吸収体ユニット。
【請求項３】
前記接着層は、チタン、クロム、白金及びアルミニウムから選択される１以上の元素から構成される請求項１又は２に記載の可飽和吸収体ユニット。
【請求項４】
膜状の可飽和吸収体と、該可飽和吸収体の一面側に積層される反射膜とを有する可飽和吸収体ユニットにおいて、
光照射時にストレスを受けたときに、該ストレスが大きくなるにつれて前記可飽和吸収体内における内部損失の量が定常化乃至減少することを特徴とする可飽和吸収体ユニット。
【請求項５】
前記可飽和吸収体はインジウム、ガリウム、アルミニウム、ヒ素及びリンから選択される２以上の元素を含有する２乃至４元系の半導体である請求項１〜４のいずれかに記載の可飽和吸収体ユニット。
【請求項６】
前記可飽和吸収体はＩｎＧａＡｓＰから構成される請求項５に記載の可飽和吸収体ユニット。
【請求項７】
前記可飽和吸収体の他面側にはＡＲコート層が形成され、
前記反射膜の該可飽和吸収体に対して反対側の面には基材が形成されている請求項１〜６のいずれかに記載の可飽和吸収体ユニット。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載の可飽和吸収体ユニットを有することを特徴とするパルスレーザー装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐久性に優れ且つ高出力のパルスレーザー装置及びそのような装置が実現できる可飽和吸収体ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
ある種のパルスレーザー装置はＱスイッチを行う素子として可飽和吸収体が用いられている。可飽和吸収体は導入される光を吸収することによりレーザーの発生を制御する部材であり、半導体などから形成されているが、半導体から形成された可飽和吸収体は撹乱による影響を受けやすい素子であり、何らかの原因で発生する熱暴走モードなどと称される現象により、破壊される場合がある。
【０００３】
熱暴走モードに至る原因としては超高速のパルスレーザーに特有の強電場（ジャイアントパルス:特許文献1参照）による破壊や、可飽和吸収体の可飽和吸収特性の制御が困難であること（特許文献２参照）などが考えられている。
【特許文献１】特表２００４−５０５４７２号公報
【特許文献２】特開平６−６７２２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は上記実情に鑑み為されたものであり、耐久性に優れた可飽和吸収体を備える可飽和吸収体ユニット及びそのような可飽和吸収体ユニットを採用したパルスレーザー装置を提供することを解決すべき課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決する目的で本発明者らが鋭意検討を行った結果、従来の可飽和吸収体ユニットが熱暴走モードに至る機構として、可飽和吸収体ユニット（本明細書では可飽和吸収体ユニットとは可飽和吸収体と反射膜とが一体化した素子を示し、一般的には「ＳＡミラー」などと称される）の特性（加わるストレス（ジャイアントパルス由来の強電場など）が大きくなるにつれて可飽和吸収体ユニットの反射光量が漸減すること（すなわちストレスが大きくなるにつれて前記可飽和吸収体内における内部損失の量が漸増すること））により、ストレスが加わると内部損失により発熱し更なるストレスが加わり、そのストレスにより更なる内部損失・熱が発生する、といった正帰還ループが形成され、最終的にはストレスにより素子の破壊にいたるものと推測した。
【０００６】
そこで、本発明者らは可飽和吸収体ユニットの破壊を防止するために、この正帰還ループを排除乃至負帰還ループ（ストレスが加わっても内部損失の量が変化しない、又は、内部損失の発生が減少する）にすることに想到した。正帰還ループの排除などをすることで、ストレスが加えられても内部損失の発生は増加せず、更なるストレスの発生を避けることができ、素子の破壊を防止できる。
【０００７】
具体的に、上記課題を解決する本発明の可飽和吸収体ユニットとしては、膜状の可飽和吸収体と、該可飽和吸収体の一面側に積層される反射膜とを有する可飽和吸収体ユニットにおいて、前記可飽和吸収体と前記反射膜との間に接着層を有することを特徴とする。
【０００８】
ここで、前記接着層としては金属元素から選択される１以上の元素から構成されるものが挙げられる。例えば、前記接着層は、チタン、クロム、白金及びアルミニウムから選択される１以上の元素から構成することができる。
【０００９】
可飽和吸収体と反射膜との間に接着層を介在させることで可飽和吸収体ユニットの耐久性が向上できる。従来の可飽和吸収体ユニットは可飽和吸収体及び反射膜との間が直接接合されていた。
【００１０】
接着層を可飽和吸収体と反射膜との間に介在させることで、この正帰還ループの排除乃至負帰還ループ（ストレスが加わると内部損失の発生が減少する）の形成ができることを発見し本発明を完成した。正帰還ループを排除することで、ストレスが加えられても内部損失の発生は増加せず、更なるストレスの発生を避けることができ、素子の破壊を防止できる。
【００１１】
なお、接着層を形成することにより、正帰還ループの排除乃至は負帰還ループの形成ができるメカニズムは以下のことが考えられる。つまり、接着層を設け、可飽和吸収体と反射膜との接合状態が改善されると、可飽和吸収体が光ストレスに対して以前より強くなり、その結果、光パルス照射時には可飽和吸収体の温度が従来よりも高温になる。すると、可飽和吸収体の光照射されている部位は通常の吸収及び／又は多光子吸収によって生じる温度アニーリングによる効果により一種の再結晶作用を起こし、可飽和吸収体はより熱的に強い結晶へと変化する。これが内部損失が定常化乃至負帰還になるメカニズムであると推測される。
【００１２】
そして、可飽和吸収体はインジウム、ガリウム、アルミニウム、ヒ素及びリンから選択される２以上の元素を含有する２乃至４元系の半導体が挙げられる。例えば、可飽和吸収体はＩｎＧａＡｓＰから構成される。
【００１３】
更に、前記可飽和吸収体の他面側にはＡＲコート層が形成され、前記反射膜の該可飽和吸収体に対して反対側の面には基材が形成されているものを挙げることができる。
【００１４】
上記課題を解決する本発明のパルスレーザー装置は、上記した本発明の可飽和吸収体ユニットを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の可飽和吸収体ユニットは、外部からストレスが大きくなっても内部損失が漸増することはなく、何らかの原因でストレスが加わることになっても、正帰還ループのように、素子の破壊に至るまで、ストレスが大きく加わるような事態は回避することができ高い耐久性が実現できる。従って、このような可飽和吸収体ユニットを採用したパルスレーザー装置においても同様に高い耐久性が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
・可飽和吸収体ユニット
以下、本発明の可飽和吸収体ユニットについて詳細に説明する。本発明の可飽和吸収体ユニットは膜状の可飽和吸収体と反射膜とが一体的に構成された素子であり、それらの間に接着層を有している。可飽和吸収体は特に限定しないが、波長として１５６０nm程度を採用する場合に、インジウム、ガリウム、アルミニウム、ヒ素及びリンから選択される２以上の元素を含有する２乃至４元系の半導体が採用できる。例えば、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＰなどである。厚みとしては特に限定しないが、１００ｎｍ〜２μｍ程度、例えば１μｍ程度を採用することができる。
【００１７】
反射膜は特に限定しないが、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｌなどの金属元素から構成できる。反射膜の厚みも特に限定しないが、１０ｎｍ〜１０００ｎｍ程度、例えば２００ｎｍ程度を採用することができる。
【００１８】
接着層は特に限定されず、有機化合物、無機化合物を問わず採用することができる。そして、可飽和吸収体及び反射膜の双方に親和性が高い材料を採用することが望ましい。例えば、波長１５６０nm程度を採用する上述の系の場合、接着層はチタン、クロム、白金（白金は反射膜がＡｕの場合に他に例示したＴｉなどとＡｕとの間に介在させることで、その間の接着性を向上することもできる）及びアルミニウムから選択される１以上の元素から構成されることが望ましい。接着層としてはＴｉが取り扱いが容易であるので好ましい。
【００１９】
接着層の厚みは、光学的な影響が小さくなるように、好ましくは０．１ｎｍ〜３０ｎｍ程度、より好ましくは１〜１０ｎｍ程度、更に好ましくは２〜３ｎｍ程度を採用することができる。特に、接着層の厚みは反射膜より一桁程度小さい厚みであることが好ましい。
【００２０】
接着層を設けることで、可飽和吸収体及び反射膜との間の接合状態を改善でき、耐久性が向上する。また、ストレスが大きくなっても光の内部損失の大きさが漸増することがなくなる。更に、接着層によって、接合状態が改善されるので、反射膜の厚みを大きくすることも可能になり、反射膜が金属製の場合に、反射膜にヒートシンク的な作用を期待することも可能になる。接着層自身も熱伝導率が高くヒートシンク的な作用が期待できる。
【００２１】
更に、可飽和吸収体ユニットは可飽和吸収体の接着層と反対側の面にＡＲコートを形成することが望ましい。ＡＲコートは特に限定されず一般的なものが通常の厚み（例えば１／４波長相当：材質が五酸化タンタルの場合１００〜２００ｎｍ程度）が採用できる。
【００２２】
更に、可飽和吸収体ユニットは安定性を向上する目的で基材上に配設することができる。基材としては安定性などに優れたサファイアなどが採用できる。
【００２３】
このような可飽和吸収体ユニットは、適当な板状部材（例えばＩｎＰやＧａＰ）上に順次、層を積層していくことで形成できる。層の形成方法としては限定しないが、ＭＯＣＶＤ（Metal organic CVD）やＭＢＥ（分子線エピタクシー）などが採用できる。
【００２４】
・パルスレーザー装置
本パルスレーザー装置は共振器とその共振器からレーザーを取り出す手段とレーザーエネルギー供給手段とを有する。共振器は２つの対向するミラーとそのミラーの間に配設されたレーザー媒質とをもち、上述の可飽和吸収体ユニットは共振器内の一方のミラーとして採用・配設される。共振器内で生成したレーザーを取り出す手段としては他方のミラーをハーフミラーにする方法などが挙げられる。特に、パルスレーザーの波長として、１μｍ以上、例えば、１５６０ｎｍ程度を採用する場合には、レーザ媒質としてＥｒドープファイバーを有するレーザー装置が採用できる。
【００２５】
また、レーザー装置から発振される光パルスとしては、パルス幅が１０ｆｓ〜１ｎｓである超短パルス光を採用することができる。特に、パルス幅の下限値としては、５０ｆｓ、１００ｆｓ、２００ｆｓ、３００ｆｓ、５００ｆｓを例示することができる。上限値としては、５００ｐｓ、３００ｐｓ、２００ｐｓ、１００ｐｓ、５０ｐｓを例示することができる。このような超短パルス光を可飽和吸収体ユニットに照射すると、非線形効果に基づく多光子吸収が生じやすい。そのため、前述した温度アニーリングによる再結晶作用が発生しやすいものと考えられる。
【実施例】
【００２６】
・可飽和吸収体ユニットの製造方法
ＩｎＰ製の板状部材上にＩｎＧａＡｓＰからなる膜状の可飽和吸収体を形成した。膜厚は１μｍ程度である。可飽和吸収体を形成した後、１０ｎｍ程度の膜厚で接着層を形成した。接着層としてはＴｉ、Ｃｒ、Ｔｉ／Ｐｔをそれぞれ採用した。更に、Ａｕからなる反射膜を２００ｎｍの膜厚で形成した。その後、塩酸水溶液にてＩｎＰ性の板状部材を溶解・除去した。上述の製膜はそれぞれＭＯＣＶＤにて行った。得られた可飽和吸収体、接着層及び反射膜からなる膜状部材をサファイアからなる基板上にエポキシ系接着剤によって接着した。以上、製造された可飽和吸収体ユニットをそれぞれ本実施例における試験用の可飽和吸収体ユニットとした。
【００２７】
得られた本実施例の可飽和吸収体ユニットは、図１に示すように、サファイア製の基板１５の一面側に、エポキシ接着剤からなる層（図略）、金属（Ａｕ）製の反射膜１４（膜厚２００μｍ）、接着層１３、可飽和吸収体１２（ＩｎＧａＡｓＰ：膜厚８００ｎｍ）、ＡＲコート膜１１（五酸化タンタル：膜厚１００〜２００ｎｍ程度）の順に積層されている。
【００２８】
接着層１３は、実施例１及び２がＴｉからなり膜厚が３ｎｍ（Ｔｉ／Ａｕ）；実施例３がＣｒからなり膜厚が４ｎｍ（Ｃｒ／Ａｕ）；実施例４がＰｔ及びＴｉの順でＡｕからなる反射膜上に積層されＰｔの膜厚が１０ｎｍ、Ｔｉの膜厚が３ｎｍ（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）としている。
【００２９】
また、接着層１３を形成しないこと以外は上述の製造方法と同じ方法で製造した可飽和吸収体ユニットを比較例１及び２の可飽和吸収体ユニットとした。
【００３０】
・試験
図２に示すような、可飽和吸収体ユニットに対するダメージ試験用のパルスレーザー装置を組み立てて試験を行った。図２ではレーザー媒質３へのエネルギー供給手段など実施例の説明に必要でない部材の記載が省略されている。本パルスレーザー装置は、試験用可飽和吸収体ユニット１と出力ミラー４とを反射面が対向するように配設して共振器を形成した後、その間にジャイアントパルス発生素子２及びレーザー媒質３を光軸を合わせて配設している。ジャイアントパルス発生素子２は１／４波長板を採用している。なお、ジャイアントパルス発生素子２としては波長板や、変調器など内部にＱスイッチなどのジャイアントパルスを発生させることができる素子が採用できる。本発明のパルスレーザー装置としてはジャイアントパルス発生素子２がないものが相当し、Ｑスイッチを行う素子として可飽和吸収体ユニット１が作用している。レーザー媒質３はＥｒがドープされたファイバにより構成されている。出力ミラー４から取り出されるレーザーの出力などの情報をパワーメータ５により測定する。
【００３１】
・結果
測定した結果から、可飽和吸収体ユニット１に加えられたダメージ指数（ストレスの大きさと相関性をもつ指数）の大きさに対する、レーザーの強度（本装置からのレーザーの出力。すなわち、可飽和吸収体ユニット１における内部損失に相当）の値を表１に、グラフ化したものを図３にそれぞれ示す。ここで、ダメージ指数とは共振器内に生じたジャイアントパルスにより可飽和吸収体ユニットが受けるダメージの大きさを示量変数化したものである。具体的には変調器の変調時間や、波長板の回転数の大きさから算出している。
【００３２】
【表１】
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【００３３】
表１及び図３（ａ）より解るように、比較例１及び２の可飽和吸収体ユニットではダメージ指数が大きくなるにつれて出力が低下していき、遂に破壊するに至った。それに対して、表１及び図３（ｂ）より解るように、実施例１〜４の接着層を設けた可飽和吸収体ユニット１を採用したパルスレーザー装置では、接着層としていずれの金属元素を採用した場合でも、ダメージ指数が大きくなっても出力がほぼ変化しない定常モード（実施例１）、ダメージ指数が大きくなると僅かに出力が大きくなる負帰還モード（実施例２〜４）となり、比較例の可飽和吸収体ユニットにおけるダメージ指数では、破壊されることはなかった。従って、可飽和吸収体及び反射膜との間に接着層を介在させることで、可飽和吸収体ユニットの耐久性を著しく向上することができた。
【００３４】
ここで、実施例１及び２は接着層の組成・膜厚を含めて可飽和吸収体ユニットの構成に差異はないが、接合強度のばらつきにより、定常モード（実施例１）と負帰還モード（実施例２）との差が生じたものと推察される。
【００３５】
実施例３では実施例２と同様に十分な接合強度が得られたので、高い出力を保ったまま、負帰還モードが実現できたものと推察される。
【００３６】
実施例４ではＴｉとＡｕとの接合強度を向上するためにＰｔからなる層を挿入したところ、接合強度が向上して負帰還ループが実現できた。なお、Ｐｔは１５６０ｎｍに吸収があるので、接着層としてＴｉのみを採用している実施例１及び２と比較して出力が僅かに低下した。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】実施例で用いた可飽和吸収体ユニットの構成を示した断面概略図である。
【図２】実施例で用いたダメージ試験用のパルスレーザー装置の概略構成図である。
【図３】ダメージ試験用のパルスレーザー装置の出力強度のダメージ指数依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３８】
１…可飽和吸収体ユニット
１１…ＡＲコート膜    １２…可飽和吸収体    １３…接着層    １４…反射膜    １５…基板
２…ジャイアントパルス発生素子    ３…レーザー媒質    ４…出力ミラー    ５…パワーメータ
【図１】
2007012758.tif 000004
【図２】
2007012758.tif 000005
【図３】
2007012758.tif 000006