(57)【要約】光利得材料（１Ａ”）と、特に２００ｎｍから４０００ｎｍの波長範囲にわたって好ましくは１ｃｍ-1の吸収係数を有する透明なヒートシンク（１５）であって、特に１４７Ｗ／（ｍＫ）以上の高い熱伝導率を有するヒートシンクとを含む固体レーザー活性媒質であって、光利得材料及びヒートシンクは１ｎｍ未満の二乗平均平方根（ＲＭＳ）表面粗さを示し、光利得材料は直接接合によって透明なヒートシンクに取り付けられる固体レーザー活性媒質。改善された熱接触によって、励起された利得媒質からより多くの熱量をより効率的に除去することができ、それによってレーザー出力パワーを高めることができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体レーザーシステム（１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００）用のレーザー活性媒質（２、１２、１２’、１２”）であって、
光利得材料（１、１’、１”）と、
特に２００ｎｍから４０００ｎｍの波長範囲にわたって好ましくは１ｃｍ-1未満の吸収係数を有する透明なヒートシンク（５、１５）であって、特に１４９Ｗ／ｍ*Ｋ以上の高い熱伝導率を有するヒートシンク（５、１５）と
を含み、
前記光利得材料（１、１’、１”）及び前記ヒートシンク（５、１５）は１ｎｍ未満の二乗平均平方根（ＲＭＳ）表面粗さを示し、
前記光利得材料（１、１’、１”）は直接接合によって前記透明なヒートシンク（５、１５）に取り付けられる、レーザー活性媒質（２、１２、１２’、１２”）。
【請求項２】
前記レーザー活性媒質（２、１２、１２’、１２”）は、高反射率の薄膜積層体（１Ｓ、１Ｓ’）を更に含み、前記光利得材料（１，１’、１”）は、前記高反射率の薄膜積層体（１Ｓ、１Ｓ’）と結合される、請求項１に記載のレーザー活性媒質（２、１２、１２’、１２”）。
【請求項３】
前記光利得材料（１、１’、１”）は半導体構造体（１Ａ、１Ａ’）又はドープレーザー結晶（１Ａ”）を含む、請求項１又は２に記載のレーザー活性媒質（２、１２、１２’、１２”）。
【請求項４】
前記半導体構造体は、交互の高屈折率材料及び低屈折率材料から成る高反射率の積層体（１Ｓ、１Ｓ’）と半導体ベースの光利得材料（１，１’、１”）とを１つの連続構造物内で結合したモノリシックである、請求項３に記載のレーザー活性媒質（２、１２、１２’、１２”）。
【請求項５】
前記半導体ベースの光利得材料（１、１’、１”）は半導体量子構造を含む、請求項３又は４に記載のレーザー活性媒質（２、１２、１２’、１２”）。
【請求項６】
前記活性素子は、高反射率ミラーを生じる交互の高屈折率材料及び低屈折率材料から成る多層積層体と結合されたドープレーザー結晶（１Ａ”）を含む複合構造を含む、請求項３に記載のレーザー活性媒質（２、１２、１２’、１２”）。
【請求項７】
前記ドープレーザー結晶（１Ａ”）は、Ｎｄ、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｔｍ又はそれらの組み合わせをドープしたＹＡＧ、ネオジムドープバナジウム酸塩、ネオジムドープタングステン酸塩、イッテルビウムドープタングステン酸塩、チタンドープサファイア、クロムドープＡｌ２Ｏ３、クロムドープカルコゲニドのうちの少なくとも１つを含む、請求項３及び６のいずれか１項に記載のレーザー活性媒質（２、１２、１２’、１２”）。
【請求項８】
前記光利得材料（１、１’、１”）の前記透明なヒートシンク（５、１５）への直接接合は、ファンデルワールス力及び／又は好ましくは共有結合を含む、請求項１から７のいずれか１項に記載のレーザー活性媒質（２、１２、１２’、１２”）。
【請求項９】
前記ヒートシンク（５、１５）は、透明であり且つ高い熱伝導性の材料、例えば、２００ｎｍから４０００ｎｍの波長範囲での可視及びＩＲ動作のためのダイヤモンド、ＳｉＣ、及びＡｌＮ、又は１２００〜４０００ｎｍの波長範囲での近赤外線及び中赤外線用途のための単結晶シリコンを含む、請求項１から８のいずれか１項に記載のレーザー活性媒質（２、１２、１２’、１２”）。
【請求項１０】
半導体ベースの光利得材料（１、１’、１”）と、ヒートシンク（５、１５）であって、特に１４９Ｗ／ｍ*Ｋ以上の高い熱伝導率を有し且つ特に２００ｎｍから４０００ｎｍの波長範囲にわたって好ましくは１ｃｍ-1未満の吸収係数を有する光学的に透明なヒートシンク（５、１５）とを含むレーザー活性媒質（２、１２、１２’、１２”）を製造する方法であって、
１ｎｍ未満の二乗平均平方根（ＲＭＳ）表面粗さを有する半導体ベースの光利得材料（１、１’、１”）を第１基板上に提供するステップであって、特に前記第１基板はＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ、ＡｌＮ、Ｓｉ又はＧｅを含むスップと、
１ｎｍ未満のＲＭＳ粗さを有する研磨された表面を有するヒートシンク（５、１５）を提供するステップと、
前記光利得材料（１、１’、１”）を前記第１基板から取り外すステップと、
直接接合によって前記光利得材料（１、１’、１”）を前記ヒートシンク（５、１５）に取り付けるステップと
を含む方法。
【請求項１１】
ドープレーザー結晶をベースとし、光利得材料（１、１’、１”）としての前記ドープレーザー結晶（１Ａ”）と、ヒートシンク（５、１５）であって、特に１４８Ｗ／ｍ*Ｋ以上の高い熱伝導率を示し且つ特に２００ｎｍから４０００ｎｍの波長範囲にわたって好ましくは１ｃｍ-1未満の吸収係数を有する光学的に透明なヒートシンク（５、１５）とを含むレーザー活性媒質（２、１２、１２’、１２”）を製造する方法であって、
前記ドープレーザー結晶に１ｎｍＲＭＳ未満の表面粗さを提供するステップと、
前記透明なヒートシンク（５、１５）に１ｎｍＲＭＳ未満の表面粗さを提供するステップと、
直接接合によって前記レーザー結晶ベースの光利得材料（１、１’、１”）を前記ヒートシンク（５、１５）に取り付けるステップと
を含む方法。
【請求項１２】
前記レーザー活性媒質（２、１２、１２’、１２”）は高反射率の薄膜積層体（１Ｓ、１Ｓ’）を更に備え、前記光利得材料（１、１’、１”）は前記高反射率の薄膜積層体（１Ｓ、１Ｓ’）と結合され、前記光利得材料（１、１’、１”）は半導体構造体（１Ａ、１Ａ’）又はドープレーザー結晶（１Ａ”）を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記光利得材料（１、１’、１”）はファンデルワールス力及び／又は好ましくは共有結合によって前記ヒートシンク（５、１５）に直接取り付けられる、請求項１０から１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
レーザーフィードバックのための少なくとも２つのミラー（１１、１１Ｕ、１１Ｌ）と、請求項１から９の少なくとも１項に記載のレーザー活性媒質（２、１２、１２’、１２”）と、前記レーザー活性媒質（２、１２、１２’、１２”）に入射するポンプビームを供給するポンプ光源とを含む、固体レーザーシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体レーザーシステム用のレーザー活性媒質及び前記レーザー活性媒質の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体レーザーシステムは、当該技術分野で知られている。このようなシステムは、色素レーザーのような液体又はガスレーザーのような気体ではなく、固体状態の利得媒質を使用するレーザーを含む。このようなレーザーの利得媒質は、利得媒質とモノリシックに集積された高反射率の多層積層体を含む半導体ベースの活性物質、又はスパッタされた酸化物誘電体ミラーでキャップされたドープレーザー結晶を含むことが多い。我々が言及するこの「アクティブミラー」は、構造的な支持及び冷却のために剛性基板に取り付けられ又は接続される。特許文献１は、最小限の体積変化で液体状態から架橋状態に移行する粘着性物質から製造された粘着剤層を用いてレーザー媒質を冷却部材又は支持体に接続することを開示している。しかしながら、粘着剤層の使用は、たとえその実施が容易であっても、最終的にシステムの熱伝導率を制限する可能性がある。また、レーザー媒質を冷却部材に接着接合する際の機械的安定性に問題がある可能性がある。更に、粘着剤層の使用は、システムの光学特性を制限する可能性がある。金属接合構造を用いる場合、取り付けられた構造体は冷却部材側で不透明となり、それにより粘着剤（すなわち、接着剤ベースの構造）のように光抽出のための又は逆に光ポンプビームの入力のための可能な方向を制限し、更にかなりの量の光吸収を示す可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第６９６３５９２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上記制限を克服するための代替的な解決策を提供し、光学特性、熱的特性、及び機械的特性が強化された固体レーザー活性媒質を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の文脈において、光利得材料という用語は光利得を生成することができる材料として理解されるべきであり、その場合に光利得は材料における光増幅過程を表すと理解される。
【０００６】
本発明は、固体レーザーシステム用のレーザー活性媒質であって、光利得材料と、特に２００ｎｍから４０００ｎｍの波長範囲にわたって透明なヒートシンクであって、好ましくは１ｃｍ-1未満の吸収係数を有し、特に１４９Ｗ／ｍ*Ｋ以上の高い熱伝導率を有するヒートシンクとを含み、光利得材料及びヒートシンクは１ｎｍ未満の二乗平均平方根（ＲＭＳ）表面粗さを示し、光利得材料は直接接合によって透明なヒートシンクに取り付けられるレーザー活性媒質を提供する。
【０００７】
直接接合プロセスは、接着剤や金属はんだなどの中間の粘着剤層なしで光利得材料を直接ヒートシンクに接合することとして理解されるべきである。ヒートシンクは、室温で１４９Ｗ／ｍ*Ｋ以上の熱伝導率を有するヒートスプレッダー又は最終キャリア基板又はサブマウントとして理解され得る。一般的に、ヒートシンクは平面的であることができるが、所定の曲率半径を有する湾曲した構造を使用する可能性もある。光利得材料がヒートシンクに直接接合され、すなわち、いかなる中間層も挿入されず、粘着剤、接着剤又はガラスフリットなどのいかなる材料も存在しないので、システムの熱性能は大幅に改善される。従って、熱性能は最終的に、光利得材料又はヒートシンクの熱伝導率のうち最も低いものによってのみ制限される。また、接着剤ベースの構造は、溶融、流動又は塑性変形する可能性がある。これは、レーザーの全体的な機械的特性が向上するように、直接接合を用いることで回避される。最適化された直接接合プロセスにおいて、典型的な固体のバルク接合強度に近い、１Ｊ／ｍ２程度の界面接合強度が可能である。
【０００８】
直接接合方法はまた、ヒートシンクと利得材料との間の光学的に透明な界面の実現を可能にするので有利である。その結果、透明な界面と共に、ヒートシンクとして透明なキャリア基板を用いることが有利になる。直接接合と組み合わせると、透明なヒートシンクは、構造体の両方の（すなわち、全ての）側から光を抽出することができ、又は逆に構造体の両側から励起（ポンピング）することができるという利点を提供する。また、１ｃｍ-1未満の光吸収レベルを有する材料を用いることにより、組立体の加熱を最小限に抑えることができ、必要に応じてほとんどすべての光がヒートシンクを透過することができる。接続のために金属又は接着剤を用いる構造は、代わりに実質的に不透明であるか又は実質的な吸収を示す可能性がある。従って、レーザーの全体的な形状を単純化することができ、本発明を用いて新規なデバイス設計を探求することができる。
【０００９】
本発明の目的のために、光利得材料及びヒートシンクを研磨しなければならず、例えば、それらは１ｎｍ未満の二乗平均平方根（ＲＭＳ）表面粗さを示さなければならない。この表面品質は、２つの表面の接触に続く直接接合を可能にする。
【００１０】
レーザー活性媒質は高反射率の薄膜積層体を更に含むことができ、光利得材料は高反射率の薄膜積層体と結合されることができる。
【００１１】
光利得媒質に高反射率の多層体を加えることにより、利得材料のマルチパスポンピングが可能となり、それによってシステムの光パワー出力を向上させ、その全体効率を高めることができる。また、この設計は、２つのレーザー素子（例えば、利得材料と共振器端部ミラーの１つ）を１つのハイブリッド要素に結合することを可能にし、それによってシステム設計を単純化し、製造コストを低減する。当然のことながら、「結合する」という用語は、直接堆積法（選択された例は、スパッタリング、蒸着、化学蒸着、又は分子線エピタキシーのような結晶成長技術である）及び別個に堆積された多層体が直接接合プロセスによって利得材料上に転写される直接接合技術のいずれかによる、高反射率の多層体と光利得材料との直接の（すなわち、密接な）接触の実現を意味する。
【００１２】
上記のレーザー活性媒質において、光利得材料は、半導体構造体又はドープレーザー結晶を含むことができる。
【００１３】
最終的な用途に応じて、パルスレーザー動作に特に重要であり得る所望の動作波長、パワー出力、光学帯域幅が選択され、半導体ベースの又はドープ結晶の利得材料を使用することができるか否かの決定要因となる。
【００１４】
上記のレーザー活性媒質において、半導体構造体は、交互の高屈折率材料及び低屈折率材料から成る高反射率の積層体と半導体ベースの光利得材料とを１つの連続構造物内で結合したモノリシックであることができる。
【００１５】
モノリシックの半導体構造体は、高反射率ミラー積層体と光利得材料とを含む連続的な単一の要素として理解されるべきである。上記の利点と同様に、モノリシックの半導体構造体の使用は、部品点数の削減によって単純化されたシステム設計及び低コストを可能にすることができる。また、「デュアルバンド」リフレクターの場合、ミラーは、光ポンプビームのリサイクル又は複数パスを可能にし、従って所与のポンプパワーに対して出力パワーと効率の両方の向上を可能にすることができる。
【００１６】
上記のレーザー活性媒質において、半導体ベースの光利得材料は、半導体量子構造を含むことができる。
【００１７】
この場合、半導体量子電子構造、例えば、量子井戸、量子細線、又は量子ドットの使用は、「バルク」半導体活性物質を使用する構造と比べて光利得の向上を可能にする。これは、内部共振器（イントラキャビティ）の光場と利得材料との重なりが強化されることによって可能になる。更なる利点は、電子バンド端付近の再結合電荷キャリアのための有利な状態密度と、分離された量子構造に対する周囲のバリヤー材のより大きなバンドギャップによる改善されたキャリア閉じ込めによって実現される。
【００１８】
上記のレーザー活性媒質において、活性素子は、高反射率ミラーを生じる交互の高屈折率材料及び低屈折率材料から成る多層積層体と結合されたドープレーザー結晶を含む複合構造を含むことができる。
【００１９】
上記のように、ミラーと活性物質とを結合することにより、より簡単なシステムが得られ、ポンプ光のリサイクルも可能になる。
【００２０】
上記のレーザー活性媒質において、ドープレーザー結晶は、Ｎｄ、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｔｍ又はそれらの組み合わせをドープしたＹＡＧ、ネオジムドープバナジウム酸塩、ネオジムドープタングステン酸塩、イッテルビウムドープタングステン酸塩、チタンドープサファイア、クロムドープＡｌ２Ｏ３、クロムドープカルコゲニドのうちの少なくとも１つを含むことができる。
【００２１】
最終的な用途に応じて、所望の動作波長、ポンプ波長、出力パワー、及び光利得帯域幅が、レーザー材料の最終的な選択の決定要因となるであろう。
【００２２】
上記のレーザー活性媒質において、光利得材料の透明なヒートシンクへの直接接合は、ファンデルワールス力結合及び／又は好ましくは共有結合を含むことができる。
【００２３】
接着剤の又は金属の（すなわち、はんだベースの）接続とは対照的に、直接接合は、ｉ）レーザーが光利得材料とヒートシンクとの間の界面における高い熱伝導率によって改善された出力パワー及び効率を示すことができ、ｉｉ）直接接合が透明な界面をもたらし、透明なヒートシンクと結合されて、システムにおける全体的な光吸収を減少させ、例えば、裏面光ポンピング、透過光の抽出などのために、ヒートシンクを通る光の透過を可能にし、最後に、ｉｉｉ）高強度の（すなわち、〜１Ｊ／ｍ２の）直接接合が、より大きな光パワー負荷の下で溶融又は塑性変形によって破損するはんだ又は粘着剤層と比べると、レーザー利得媒質の機械的及び構造的特性を更に改善することができるという、多くの面で改善されたレーザー性能の可能性を容易にする。
【００２４】
上記のレーザー活性媒質において、ヒートシンクは、透明であり且つ高い熱伝導率の材料、例えば、２００ｎｍから４０００ｎｍまでの波長範囲の可視及びＩＲ動作のためのダイヤモンド、ＳｉＣ及びＡｌＮ、又は１２００〜４０００ｎｍの波長範囲の近赤外線及び中赤外線用途のための単結晶シリコンを含む。
【００２５】
直接接合界面が高い熱伝導率及び光透過性の可能性を有するので、１ｃｍ-1未満の吸収係数などの高い光透過性及び１４９Ｗ／ｍ*Ｋ以上の高い熱伝導率を有するキャリア基板又はヒートシンク材料を使用することが有利である。動作波長範囲及びシステムの限界性能に応じて、ダイヤモンド、ＳｉＣ、ＡｌＮ、及び単結晶シリコンを含む多数の候補材料を表１に示す。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
表１は、下限及び上限がｎｍ単位で与えられる候補ヒートシンク材料の透過範囲及びＷ／ｍ*Ｋの単位で与えられる熱伝導率を示す。
【００２８】
本発明は更に、固体レーザーシステム用のレーザー活性媒質を製造する方法であって、レーザー活性媒質は、半導体ベースの光利得材料と、特に１４９Ｗ／ｍ*Ｋ以上の高い熱伝導率を有し且つ特に２００ｎｍから４０００ｎｍの波長範囲にわたって好ましくは１ｃｍ-1未満の吸収係数を有する光学的に透明なヒートシンクとを含み、方法は、１ｎｍ未満の二乗平均平方根（ＲＭＳ）表面粗さを有する光利得材料を第１基板上に提供するステップであって、半導体ベースの光利得材料の場合に、特に第１基板はＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ、ＡｌＮ、Ｓｉ又はＧｅを含むステップと、１ｎｍ未満のＲＭＳ粗さを有する研磨された表面を有するヒートシンクを提供するステップと、半導体ベースの光利得材料を第１基板から取り外すステップと、直接接合によって光利得材料をヒートシンクに取り付けるステップとを含む方法を提供する。
【００２９】
この方法の利点は、レーザー活性媒質に関して先に述べたのと同じである。
【００３０】
先に紹介した方法において、レーザー活性媒質は高反射率の薄膜積層体を更に含むことができ、光利得材料は高反射率の薄膜積層体と結合されることができ、薄膜積層体は誘電体多層膜又は半導体多層膜を含むことができる。
【００３１】
上記の方法において、半導体ベースのレーザー利得材料は、化学機械的な基質除去プロセス又はエピタキシャルリフトオフプロセスを使用することによって、第１基板から分離されることができる。
【００３２】
本発明は更に、固体レーザーシステム用のレーザー活性媒質を製造する方法であって、ドープレーザー結晶をベースとしたレーザー活性媒質は、光利得材料としてのドープレーザー結晶と、特に１４９Ｗ／ｍ*Ｋ以上の高い熱伝導率を示し且つ特に２００ｎｍから４０００ｎｍの波長範囲にわたって好ましくは１ｃｍ-1未満の吸収係数を有する光学的に透明なヒートシンクとを含み、方法は、ドープレーザー結晶に１ｎｍＲＭＳ未満の表面粗さを提供するステップと、透明なヒートシンクに１ｎｍＲＭＳ未満の表面粗さを提供するステップと、直接接合によってレーザー結晶ベースの利得材料をヒートシンクに取り付けるステップとを含む方法を提供する。
【００３３】
この方法の利点は、レーザー活性媒質に関して先に述べたのと同じである。
【００３４】
先に紹介した方法において、ドープ結晶ベースのレーザー活性媒質は高反射率の薄膜積層体を更に含むことができ、光利得材料は高反射率の薄膜積層体と結合されることができ、薄膜積層体は誘電体多層膜又は半導体多層膜を含むことができる。
【００３５】
上記の方法において、光利得材料は、ファンデルワールス力結合及び／又は好ましくは共有結合によってヒートシンクに直接取り付けられることができる。
【００３６】
ファンデルワールス力又は好ましくは共有結合によってレーザー利得媒質をヒートシンクに取り付けることにより、接着剤、金属はんだ、薄膜粘着剤などの中間層又は材料の使用が回避される。従って、このような材料によって引き起こされる潜在的に弱体化する効果、すなわち、吸収、溶融、又は熱接触の減少などを防ぐことができる。
【００３７】
上記の方法において、接合によってレーザー利得媒質をヒートシンクに取り付けることに続いて、達成可能な界面強度を増大させるために接合を焼き戻す（アニールする）ことができる。焼き戻された直接接合界面は、より剛性が高くなり、大きな熱機械的負荷の下で減少した変形を示すことができる。従って、接合強度は、接合された積層体に用いられた最も脆弱な材料によって制限され得る、バルク材料の強度に近づくことさえある。
【００３８】
本発明は更に、固体レーザーシステムであって、レーザーフィードバックのための少なくとも２つのミラーと、上記のレーザー活性媒質と、レーザー活性媒質に入射するポンプビームを供給するポンプ光源とを含む固体レーザーシステムを提供する。
【００３９】
従って、高効率の固体レーザーシステムを提供することができる。
【００４０】
本発明の上記及び他の態様、特徴及び利点は、添付の図面と併せて参照したときに以下の詳細な説明からより明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明による固体レーザーシステム用のレーザー活性媒質の第１実施形態である。
【図２】本発明による固体レーザーシステム用のレーザー活性媒質の更なる実施形態である。
【図３】図２の固体レーザーシステム用のレーザー活性媒質の変更例である。
【図４】本発明による固体レーザーシステム用のレーザー活性媒質の更なる実施形態である。
【図５】本発明による固体レーザーシステム用のレーザー活性媒質の更なる実施形態である。
【図６】本発明による固体レーザーシステム用のレーザー活性媒質の更なる実施形態である。
【図７】本発明による固体レーザーシステム用のレーザー活性媒質の更なる実施形態である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
以下では、同じ符号は同じ要素を指すことを理解されたい。
【００４３】
図１は、固体レーザーシステム１００用のレーザー活性媒質１２”の第１実施形態を示す。
【００４４】
レーザー活性媒質１２”は、固体レーザーシステム１００の一部として示されている。図１には、ポンプ光源によって生成されることができるポンプビーム１９Ｕ及び１９Ｌが示されている。このポンプビーム１９Ｕ及び１９Ｌは、レーザー活性媒質１２”の表面に実質的に垂直に、すなわち、法線方向に入射する。
【００４５】
図１において、レーザー活性媒質１２”は、ドープレーザー結晶１Ａ”を含む光利得材料１”を含む。ドープレーザー結晶１Ａ”は、Ｎｄ、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｔｍ又はそれらの組み合わせをドープしたＹＡＧ、ネオジムドープバナジウム酸塩、ネオジムドープタングステン酸塩、イッテルビウムドープタングステン酸塩、チタンドープサファイア、クロムドープＡｌ２Ｏ３、クロムドープカルコゲニドのうちの少なくとも１つを含むことができる。この実施形態はドープレーザー結晶１Ａ”を含む光利得材料１”を明示しているが、光利得材料１”は図２〜７の光利得材料と置き換えることができることを理解されたい。言い換えれば、光利得材料１”は、他の図に関して述べられるように、半導体ベースの光利得材料１及び１’によって置き換えることができる。
【００４６】
図１に示すレーザー活性媒質１２”のレーザー光利得材料１”は、ヒートシンク１５上に接合される。この接合は直接接合３である。直接接合３をもたらす直接接合プロセスは、接着剤や金属はんだなどの中間の粘着剤層なしで、光利得材料１”をヒートシンク１５に直接接合するものとして理解されるべきである。
【００４７】
ヒートシンク１５は、ヒートスプレッダー又は最終キャリア基板として理解され得る。また、図１に示すようにサブマウント２７と組み合わせて実現することもできる。ヒートシンク１５は、一般的に、室温で１４９Ｗ／ｍ*Ｋ以上の熱伝導率を有する。ヒートシンク１５は平面的であることができる。また、所定の曲率半径を有する湾曲した構造を有するヒートシンク（図示せず）を使用することも可能である。光利得材料１（すなわち、アクティブミラー）は、システムの熱性能が大幅に改善されるように、ヒートシンク１５に直接接合され、すなわち、いかなる中間層も挿入されず、粘着剤、接着剤又はガラスフリットなどのいかなる材料も存在しない。従って、レーザー活性媒質１２”の熱性能は、最終的に、光利得材料１”及び／又はヒートシンク１５の熱伝導率のうち最も低いものによってのみ制限される。また、接着剤ベースの構造は、溶融、流動又は塑性変形する可能性がある。これは、レーザーシステム１００の全体的な機械的特性を向上させることができるように、直接接合３を用いることで回避される。最適化された直接接合プロセスにおいて、典型的な固体のバルク接合強度に近い、１Ｊ／ｍ２程度の界面接合強度が可能である。
【００４８】
図１において、ヒートシンク１５は、特に２００ｎｍから４０００ｎｍの波長範囲にわたって、好ましくは１ｃｍ-1未満の吸収係数を有して、透明であることができる。図１において、直接接合を可能にするために、光利得材料及びヒートシンクは、１ｎｍ未満の二乗平均平方根（ＲＭＳ）表面粗さを示す。
【００４９】
図１はサブマウント２７を示す。前記サブマウント２７は、ヒートシンク１５と同様の特性を有する透明であることができる。図１に示すように、サブマウント２７は、追加として又は代わりに、少なくとも２つの部分２７Ｌ及び２７Ｒを含むことができる。２つの部分２７Ｌ及び２７Ｒは、実質的に同じ材料を含むことができる。しかしながら、サブマウント２７の少なくとも２つの部分２７Ｌ及び２７Ｒは、レーザー出力光が２つの部分２７Ｌ及び２７Ｒの隙間２７Ｇを通して放射されることもできるように、直接隣接して設けられなくてもよい。
【００５０】
図１において、レーザー出力光１３Ｕ及び１３Ｌがレーザー活性媒質１２”から放射される。レーザー出力光１３Ｕは、ポンプビーム１９Ｕが入射する方向、すなわち、レーザー活性媒質１２”の表面に対して実質的に垂直な方向に放射される。また、図１において、レーザー出力光１３Ｌは、レーザー出力光１３Ｕと正反対の方向に放射されることができる。ここで、透明なヒートシンク１５に接合された光利得材料１”の直接接合３は、レーザー活性媒質１２の、ひいてはレーザーシステム１００の全体的な光吸収を低減することができ、特にヒートシンク１５を通り且つサブマウント２７を通るか又はサブマウントの２つの部分２７Ｌ及び２７Ｒの隙間２７Ｇを通る光の透過を可能にする。
【００５１】
図１はまた、レーザー出力光１３Ｕ及び１３Ｌをそれぞれ集束させるため、及びより重要なことにレーザー空洞に対する光フィードバックを提供するための、２つの外部ミラー１１Ｕ及び１１Ｌを示す。外部ミラー１１Ｕ及び１１Ｌは実質的に凹面鏡であることができ、それらの光軸がレーザー活性媒質１２”に垂直な中心軸と位置合わせされる。すなわち、外部ミラー１１Ｌは、それぞれヒートシンク１５及びサブマウント２７又はサブマウント２７Ｌ及び２７Ｒの隙間２７Ｇを通って出るレーザー出力光１３Ｕを集光する。外部ミラー１１Ｌは、外部ミラー１１Ｒと実質的に同じであることができる。従って、外部ミラー１１Ｌ及び１１Ｒは、実質的に同一直線上のレーザー光に対してのみ部分的に透明であり、レーザー出力光の一部をレーザー活性媒質１２”に反射する。
【００５２】
図２には、本発明による更なる実施形態が示されている。図２は、図１に示すレーザー活性媒質１２”とは異なるレーザー活性媒質２を示す。
【００５３】
図２は、固体レーザーシステム２００用のレーザー活性媒質２を示す。レーザー活性媒質２は、固体レーザーシステム２００の一部として示されている。図２には、ポンプ光源であることができる軸外のポンプビーム９が示されている。このポンプビーム９は、レーザー活性媒質２にある角度で入射するが、入射角は９０°とは異なり、すなわち、ポンプビームはレーザー活性媒質２の表面に垂直ではない。
【００５４】
レーザー活性媒質２は光利得材料１を含む。光利得材料１は、半導体構造体１Ａと、高反射率の薄膜積層体１Ｓとを含む。また、光利得材料は、高反射率の積層体と結合されたドープレーザー結晶を含むことができることも理解される。図１〜７に示す全ての実施形態において、どちらか一方の構造、すなわち、半導体ベースの光利得材料又はドープ結晶をベースにした光利得材料が可能である。半導体構造体１Ａは、高反射率の薄膜積層体１Ｓと結合され、それによってアクティブミラーを形成する。「結合する」という用語は、高反射率の多層体であり得る高反射率の薄膜積層体１Ｓと光利得材料１の半導体構造体１Ａとの直接の（すなわち、密接な）接触の実現を指す。これは、直接堆積法（選択された例は、スパッタリング、蒸着、化学蒸着、又は分子線エピタキシーのような結晶成長技術である）及び別個に堆積された多層体が直接接合プロセスによって利得材料上に転写される直接接合技術のいずれかによって達成することができる。半導体構造体１Ａは、レーザー光利得材料１を表す１つの連続構造において、交互の高屈折率材料及び低屈折率材料から成る高反射率の積層体であり得る高反射率の積層体１Ｓと半導体ベースの光利得構造１Ａとを結合したモノリシックであることができる。
【００５５】
図２において、レーザー光利得材料１の一方の側が半導体構造体１Ａに相当し、他方の側が高反射率の積層体１Ｓに相当する。
【００５６】
図２に示すレーザー活性媒質２のレーザー光利得材料１は、ヒートシンク５上に接合される。この接合は直接接合３である。
【００５７】
直接接合プロセスは、接着剤や金属はんだなどの中間の粘着剤層なしで光利得材料１を直接ヒートシンク５に接合することとして理解されるべきである。図１と同様に、ヒートシンク５は、図１に関して述べたヒートシンク１５と同じ材料を含むことができる。ヒートシンク５は、ヒートスプレッダー又は最終キャリア基板として理解され得る。また、図２に示すサブマウント７と組み合わせて実現することもできる。ヒートシンク５は、一般的に、室温で１４９Ｗ／ｍ*Ｋ以上の熱伝導率を有する。ヒートシンク５は平面的であることができる。また、ここには示されていないが、所定の曲率半径を有する湾曲した構造を有するヒートシンクを使用することも可能である。光利得材料１（すなわち、アクティブミラー）は、システムの熱性能が大幅に改善されるように、ヒートシンク５に直接接合され、すなわち、いかなる中間層も挿入されず、粘着剤、接着剤又はガラスフリットなどのいかなる材料も存在しない。従って、レーザー活性媒質２の熱性能は、最終的に、光利得材料１又はヒートシンク５の熱伝導率のうち最も低いものによってのみ制限される。また、接着剤ベースの構造は、溶融、流動又は塑性変形する可能性がある。これは、レーザーシステム２００の全体的な機械的特性を向上させることができるように、直接接合３を用いることで回避される。最適化された直接接合プロセスにおいて、典型的な固体のバルク接合強度に近い、１Ｊ／ｍ２程度の界面接合強度が可能である。
【００５８】
図２において、ヒートシンク５は、特に２００ｎｍから４０００ｎｍの波長範囲にわたって、好ましくは１ｃｍ-1未満の吸収係数を有して、透明であることができる。図２において、光利得材料及びヒートシンクは、１ｎｍ未満の二乗平均平方根（ＲＭＳ）表面粗さを示す。
【００５９】
図２は、レーザー光利得材料１の高反射率の積層体１Ｓに相当する側が、レーザー光利得材料を直接接合３によってヒートシンク５に直接接合する側であることを示す。図２のヒートシンク５は、サブマウント７によって更に支持される。サブマウント７の材料は、図１に関して述べたサブマウント２７の材料と同じであることができる。特に、サブマウント７は、ヒートシンク５と同じ光学特性及びパラメータを示すことができる。しかしながら、サブマウント７は、図２に示すレーザーシステム２００に不可欠ではない可能性があることを理解されたい。ヒートシンク５は、従来の手段によってサブマウント７に取り付けることができる。
【００６０】
図２は、レーザー光利得材料１から出るレーザー出力１３を示す。レーザー出力１３は、光利得材料１（すなわち、アクティブミラー）の実質的に上面（すなわち、表面）に出る。これは、光利得材料１の半導体構造体又はドープレーザー結晶１Ａが配置される側である。図２は、レーザー出力光１３を部分的に反射するための追加の外部ミラー１１を示す。外部ミラー１１は、図１に関して述べた外部ミラー１１Ｕ及び１１Ｌと実質的に同じであることができる。外部ミラー１１は、実質的に同一直線上のレーザー光に対してのみ部分的に透明であり、レーザー出力光をレーザー活性媒質２に反射する。同一直線上のレーザー出力光１３の中心軸は、一般的にレーザー光利得材料１及びヒートシンク５の中心軸と位置合わせされ、また一般的にサブマウント７の中心軸又は中心とも位置合わせされる。
【００６１】
図３は、固体レーザーシステム２００用のレーザー活性媒質１２を有する更なる実施形態を示す。図２と同様に、図３において、軸外のポンプビーム９がレーザー活性媒質１２に入射する。レーザー活性媒質１２は、図２に示すレーザー活性媒質２と同様である。レーザー活性媒質１２は、光学的に透明なヒートシンク１５に取り付けられる。ヒートシンク１５は、特に２００ｎｍから４０００ｎｍの波長範囲にわたって、好ましくは１ｃｍ-1未満の吸収係数を有して、光学的に透明である。図３において、光利得材料１及びヒートシンク１５は、１ｎｍ未満の二乗平均平方根（ＲＭＳ）表面粗さを示す。光利得材料１は、直接接合３によってヒートシンク１５に取り付けられており、これは図２に示すものと同じである。図３には、レーザー活性媒質１２から放射されたレーザー光に対して光学的に透明なサブマウント１７が示されている。図３のサブマウント１７は、少なくとも２つの部分１７Ｌ及び１７Ｒを含むことができる。２つの部分１７Ｌ及び１７Ｒは、図１に示すサブマウント２７Ｌ及び２７Ｒと同様である。サブマウント１７の少なくとも２つの部分１７Ｌ及び１７Ｒは、レーザー出力光が２つの部品１７Ｌ及び１７Ｒの隙間１７Ｇを通して放射されることもできるように、直接隣接して設けられていない。レーザー出力光１３Ｕは、図２のレーザー出力光１３と同様に放射される。また、図３において、レーザー出力光１３Ｌは、レーザー出力光１３Ｕとは正反対の方向に放射されることができる。従って、透明なヒートシンク１５に接合された光利得材料１の直接接合３は、レーザー活性媒質１２の、ひいてはレーザーシステム２００の全体的な光吸収を低減することができ、特にヒートシンク１５を通り且つサブマウント１７を通る光の透過を可能にする。
【００６２】
図４は、変更された固体レーザーシステム３００用の図３に示すレーザー活性媒質１２を示す。図４に示す配置は、図３に示す配置と同様である。しかしながら、固体レーザーシステム３００には、軸外のビーム９の代わりに同一直線上のポンプビーム１９Ｕ及び１９Ｌが示されている。従って、ポンプビーム１９Ｕ及び１９Ｌは、図１のポンプビーム１９Ｕ及び１９Ｌと同様である。同一直線上のポンプビーム１９Ｕ及び１９Ｌは、図１に示すサブマウント２７と実質的に同様であり得るサブマウント２７を通ってレーザー活性媒質１２に直接入射する。従って、レーザー出力光１３Ｕ及び１３Ｌは、入射するポンプビーム１９Ｕ及び１９Ｌに対して同一直線上に放射される。
【００６３】
図５は、更に変更された固体レーザーシステム５００用の図３及び図４に示すレーザー活性媒質１２を示す。
【００６４】
図５は、図１と同様の外部ミラー１１Ｕ及び１１Ｌのセットを示す。図１について既に述べたように、図１に示す光利得材料１”は、図２及び図３に示す光利得材料１２によって置き換えられる。
【００６５】
図６は、更に変更された固体レーザーシステム６００用の図３及び図４及び図５に示すレーザー活性媒質１２を示す。
【００６６】
図７は、固体レーザーシステム７００用のレーザー活性媒質１２’の更なる実施形態を示す。
【００６７】
図６及び７には、図５と同じ固体レーザーシステムの配置が示されている。しかしながら、図５に示す同一直線上のポンプビーム１９Ｕ及び１９Ｌは、構造体の一方の側からのみ入射する。すなわち、図６において、同一直線上のポンプビーム１９Ｕは、レーザー利得媒質１２に直接入射する。いかなる同一直線上のポンプビームも、透明なヒートシンク１５及び／又はサブマウント２７を通過しない。一方、図７には、反対のシナリオが示されている。ポンプビーム１９Ｌは、サブマウント２７の隙間２７Ｇを通過し且つ一般的には直後にヒートシンク１５を通過することによってレーザー利得媒質１２に入射する。また、図７には、他の実施形態に比べて光利得材料１’と高反射率の薄膜積層体１Ｓ’の順序が逆転されたレーザー活性媒質１２’が示されている。これらの構造体において、薄膜積層体１Ｓ及び１Ｓ’は、入射ポンプ光に対して実質的に高反射性である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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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【国際調査報告】
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