(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光が透過、往復又は反射する光学素子を製造する方法であって、
前記レーザ光に対して透明な第１素子部及び第２素子部が非晶質層を介して表面活性接合されてなる接合素子を得る第１ステップと、
前記第１ステップの後、前記接合素子を昇温することで、前記非晶質層の少なくとも一部を結晶化する第２ステップと、を備え、
前記第２ステップにおいては、前記第１素子部及び前記第２素子部の融点よりも低い所定温度まで前記接合素子を昇温する、光学素子の製造方法。
【請求項２】
前記第１ステップでは、略真空環境下において、前記第１素子部の接合側の表面及び前記第２素子部の接合側の表面の少なくとも何れかにイオンビーム又は高速原子ビームを照射した後、前記第１素子部の前記表面と前記第２素子部の前記表面とを接触させることで、前記接合素子を得る、請求項１に記載の光学素子の製造方法。
【請求項３】
前記第１ステップにおいて、前記非晶質層は、前記第１素子部及び前記第２素子部を構成する物質以外の不純物として、前記イオンビーム又は前記高速原子ビームを構成するビーム源元素、及び、前記イオンビーム又は前記高速原子ビームのビーム筐体を構成するビーム筐体材料の少なくとも何れかを含む、請求項２に記載の光学素子の製造方法。
【請求項４】
前記第１素子部は、ダイアモンド、シリコンカーバイド、サファイア、ＹＡＧを含むガーネット、バナデート、セクスオキサイド、フロライド、アパタイト、タングステート、シリケート、リン酸系の材料、希土類イオンもしくは遷移金属を添加したレーザ材料、光スイッチ材料、非線形光学材料、又は、機能性光学材料であり、
前記第２素子部は、金、銅、銅タングステン、アルミニウム、鉄、チタン、或いは、これらのうちの少なくとも何れかの合金を含む金属、ダイアモンド、シリコンカーバイド、サファイア、ＹＡＧを含むガーネット、バナデート、セクスオキサイド、フロライド、アパタイト、タングステート、シリケート、リン酸系の材料、希土類イオンもしくは遷移金属を添加したレーザ材料、光スイッチ材料、非線形光学材料、又は、機能性光学材料であり、
前記第２ステップの前記所定温度は、１００℃以上で且つ前記非晶質層を構成する物質の融点より低い温度である、請求項１〜３の何れか一項に記載の光学素子の製造方法。
【請求項５】
前記第１素子部及び第２素子部の状態は、単結晶、アモルファス（ガラスを含む）、又はセラミックスである、請求項１〜３の何れか一項に記載の光学素子の製造方法。
【請求項６】
前記第１素子部及び前記第２素子部の少なくとも一方は、その接合側部分に光学コーティング層を有し、
前記所定温度は、１００℃以上６００℃以下である、請求項４に記載の光学素子の製造方法。
【請求項７】
前記光学コーティングの最終層は、昇温処理により透明となる層を有する、請求項６に記載の光学素子の製造方法。
【請求項８】
前記第２ステップで前記非晶質層を結晶化してなる結晶化層が有する界面の平面度は、前記非晶質層が有する界面の平面度よりも高い、請求項１〜７の何れか一項に記載の光学素子の製造方法。
【請求項９】
レーザ光が透過、往復又は反射する光学素子であって、
前記レーザ光に対して透明な第１素子部及び第２素子部と、
前記第１素子部と前記第２素子部との間に介在され、結晶化してなる結晶化層と、を備え、
前記結晶化層は、前記第１素子部側から前記第２素子部側に行くに従って、１０ｎｍ領域で前記第１素子部を構成する元素が連続的に前記第２素子部を構成する元素に交換している、光学素子。
【請求項１０】
前記結晶化層は、Ａｒ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｈｅ、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｒの少なくとも何れかを含む、請求項９に記載の光学素子。
【請求項１１】
レーザ光が透過、往復又は反射する光学素子であって、
前記レーザ光に対して透明な第１素子部及び第２素子部と、
前記第１素子部と前記第２素子部との間に介在され、結晶化してなる結晶化層と、を備え、
前記第１素子部及び前記第２素子部の少なくとも一方は、その接合側部分に光学コーティング層を有し、
前記光学コーティング層に接する前記第１素子部又は前記第２素子部の結晶化層において、１０ｎｍ領域で前記第１素子部又は前記第２素子部を構成する元素が連続的に前記光学コーティング層を構成する元素に交換している、光学素子。
【請求項１２】
前記第１素子部及び前記第２素子部の少なくとも一方は、その接合側部分に光学コーティング層を有し、
前記結晶化層は、Ａｒ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｈｅ、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｒの少なくとも何れかを含む、請求項９に記載の光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の一側面は、レーザ光が透過、往復又は反射する光学素子の製造方法、及びその光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の光学素子の製造方法として、出射するレーザ光に対して透明な第１素子部及び第２素子部を表面活性により直接接合する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。このような光学素子の製造方法では、非晶質層を第１素子部と第２素子部との間に介在させることで、第１素子部と第２素子部との良好な接合が可能とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第６２４５５８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来技術では、例えば第１素子部と第２素子部とが異種材料であっても、前述のように非晶質層を介することで、両者の接合が可能である。しかし、非晶質層は準安定状態であることから、光学素子の物質状態（接合状態）が不安定となり、例えば光学素子の光学耐性等の強度が不十分となる可能性がある。【０００５】
本発明の一側面は、上記実情に鑑みてなされたものであり、物質状態を安定化させることが可能な光学素子の製造方法及び光学素子を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一側面に係る光学素子の製造方法は、レーザ光が透過、往復又は反射する光学素子を製造する方法であって、レーザ光に対して透明な第１素子部及び第２素子部が非晶質層を介して表面活性接合されてなる接合素子を得る第１ステップと、第１ステップの後、接合素子を昇温することで、非晶質層の少なくとも一部を結晶化する第２ステップと、を備え、第２ステップにおいては、第１素子部及び第２素子部の融点よりも低い所定温度まで接合素子を昇温する。【０００７】
本発明の一側面に係る光学素子の製造方法では、接合素子を昇温することで非晶質層をエピタキシャル成長させ、非晶質層の少なくとも一部を結晶化し、光学素子の物質状態（接合状態）を安定化させることができる。【０００８】
本発明の一側面に係る光学素子の製造方法は、第１ステップでは、略真空環境下において、第１素子部の接合側の表面及び第２素子部の接合側の表面の少なくとも何れかにイオンビーム又は高速原子ビームを照射した後、第１素子部の表面と第２素子部の表面とを接触させることで、接合素子を得てもよい。【０００９】
本発明の一側面に係る光学素子の製造方法では、第１ステップにおいて、非晶質層は、第１素子部及び第２素子部を構成する物質以外の不純物として、イオンビーム又は高速原子ビームを構成するビーム源元素、及び、イオンビーム又は高速原子ビームのビーム筐体を構成するビーム筐体材料の少なくとも何れかを含んでいてもよい。ここで、接合素子を昇温する際、線膨張係数の違いから接合部分に応力が発生し、光学素子に剥離等の損傷が生じることが懸念される。この点、非晶質層に不純物としてビーム源元素及び／又はビーム筐体材料が含まれると、昇温の際におけるエピタキシャル成長に必要な温度を、第１素子部及び第２素子部の融点よりも低い所定温度まで下げ得ることが見出される。そこで、本発明の一側面に係る光学素子の製造方法では、非晶質層がビーム源元素及び／又はビーム筐体材料を含み、昇温の温度が第１素子部及び第２素子部の融点よりも低い所定温度まで下げられている。これにより、光学素子の当該損傷を抑制することができる。【００１０】
本発明の一側面に係る光学素子の製造方法では、第１素子部は、ダイアモンド、シリコンカーバイド、サファイア、ＹＡＧを含むガーネット、バナデート、セクスオキサイド、フロライド、アパタイト、タングステート、シリケート、リン酸系の材料、希土類イオンもしくは遷移金属を添加したレーザ材料、光スイッチ材料、非線形光学材料、又は、機能性光学材料であり、第２素子部は、ダイアモンド、シリコンカーバイド、サファイア、ＹＡＧを含むガーネット、バナデート、セクスオキサイド、フロライド、アパタイト、タングステート、シリケート、リン酸系の材料、希土類イオンもしくは遷移金属を添加したレーザ材料、光スイッチ材料、非線形光学材料、又は、機能性光学材料であり、第２ステップの所定温度は、１００℃以上で且つ非晶質層を構成する物質の融点より低い温度であってもよい。この場合、このような第１素子部及び第２素子部を備えた光学素子について、昇温により光学素子の物質状態を安定化させることが可能となる。
なお、ガーネットにはＹＡＧ，ＹＳＡＧ，ＹＧＡＧ，ＧＧＧ，ＧＳＧＧ，ＬｕＡＧ，ＹＡＬＯなどの酸化物、バナデートは、例えばＹＶＯ４もしくはＧｄＶＯ４，ＬｕＶＯ４等のＶＯ４化合物、セクスオキサイドはＹ２Ｏ３，Ｓｒ２Ｏ３，Ｌｕ２Ｏ３，フロライドにはＹＬＦ，ＳｒＦ２，ＣａＦ２などのフッ化物、アパタイトにはＦＡＰ，ＳＦＡＰ，ＶＡＰ，ＳＶＡＰなどリン酸系カルシウム化合物、タングステートとはＫＹＷ，ＫＧＷなどのＷＯ４化合物である。機能性光学材料は、例えば水晶、ＬＢＯ、ＬｉＮｂＯ３、ＫＴｉＰＯ４、ＺＧＰ、ＧａＡｓもしくはＧａＰ，ＺｎＳｅ，ＺｎＳなど非線形感受率や電気光学効果、磁気光学効果を有する材料である。セラミックスは、例えば、ＴＧＧ（テルビウム・ガリウム・ガーネット）、ＴＡＧ（テルビウム・アルミニウム・ガーネット）、ＴＳＡＧ（テルビウム・スカンジウム・アルミニウム・ガーネット）セラミックス等のファラデー効果を有するものが挙げられる。【００１１】
本発明の一側面に係る光学素子の製造方法では、第１素子部及び第２素子部の状態は、単結晶、アモルファス（ガラスを含む）、又はセラミックスであってもよい。【００１２】
本発明の一側面に係る光学素子の製造方法では、第１素子部及び第２素子部の少なくとも一方は、その接合側部分に光学コーティング層を有し、所定温度は、１００℃以上６００℃以下であってもよい。これにより、光学コーティング層の損傷についても抑制することが可能となる。【００１３】
本発明の一側面に係る光学素子の製造方法では、第２ステップで非晶質層を結晶化してなる結晶化層が有する界面の平面度は、非晶質層が有する界面の平面度よりも高くてもよい。これにより、透過、往復又は反射するレーザ光に対して界面が与える悪影響の可能性を抑制することが可能となる。【００１４】
本発明の一側面に係る光学素子は、レーザ光が透過、往復又は反射する光学素子であって、レーザ光に対して透明な第１素子部及び第２素子部と、第１素子部と第２素子部との間に介在され、結晶化してなる結晶化層と、を備え、結晶化層は、第１素子部側から第２素子部側に行くに従って、１０ｎｍ領域で第１素子部を構成する元素が連続的に第２素子部を構成する元素に交換している。【００１５】
本発明の一側面に係る光学素子は、レーザ光が透過、往復又は反射する光学素子であって、レーザ光に対して透明な第１素子部及び第２素子部と、第１素子部と第２素子部との間に介在され、結晶化してなる結晶化層と、を備え、結晶化層は、Ａｒ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｈｅ、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｒの少なくとも何れかを含んでいる。【００１６】
この光学素子では、第１素子部及び第２素子部との間には、非晶質層ではなく、結晶化層が介在されている。結晶化層は、Ａｒ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｈｅ、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｒの少なくとも何れかを含んでいる。そのため、再結晶化に有利となる（微量の不純物混入により低温での昇温処理での再結晶化が容易なだけで無く、通常温度での昇温処理であれば短時間での再結晶化が可能となる）。【００１７】
本発明の一側面に係る光学素子は、レーザ光が透過、往復又は反射する光学素子であって、レーザ光に対して透明な第１素子部及び第２素子部と、第１素子部と第２素子部との間に介在され、結晶化してなる結晶化層と、を備え、第１素子部及び第２素子部の少なくとも一方は、その接合側部分に光学コーティング層を有し、光学コーティング層に接する第１素子部又は第２素子部の結晶化層において、１０ｎｍ領域で第１素子部又は第２素子部を構成する元素が連続的に光学コーティング層を構成する元素に交換している。【００１８】
本発明の一側面に係る光学素子は、第１素子部及び第２素子部の少なくとも一方は、その接合側部分に光学コーティング層を有し、結晶化層は、Ａｒ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｈｅ、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｒの少なくとも何れかを含んでいてもよい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の一側面によれば、物質状態を安定化させることが可能な光学素子の製造方法及び光学素子を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、実施形態に係るレーザ素子を備えた小型集積レーザ装置を示す概略斜視図である。
【図２】図２（ａ）は、実施形態に係るレーザ素子の製造方法を説明する図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）の続きを説明する図である。
【図３】図３（ａ）は、図２（ｂ）の続きを説明する図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）の続きを説明する図である。
【図４】図４は、図３（ｂ）の続きを説明する図である。
【図５】図５（ａ）は、実施形態に係る接合素子の接合部分の周辺を示す図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）の破線枠内を示す拡大図である。
【図６】図６（ａ）は、実施形態に係るレーザ素子の接合部分の周辺を示す図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）の破線枠内を示す拡大図である。
【図７】図７（ａ）は、実施形態に係る接合素子の接合部分の周辺を示す図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）の枠内において検出された元素を示すグラフである。
【図８】図８（ａ）は、実施形態に係るレーザ素子の接合部分の周辺を示す図である。図８（ｂ）は、図８（ａ）の枠内において検出された元素を示すグラフである。
【図９】図９（ａ）は、実施形態に係るレーザ素子の接合部分の周辺を示す図である。図９（ｂ）は、図９（ａ）の枠内において検出された元素を示すグラフである。
【図１０】図１０（ａ）は、実施形態に係るレーザ素子の接合部分の周辺を示す図である。図１０（ｂ）は、図１０（ａ）の枠内において検出された元素を示すグラフである。
【図１１】図１１（ａ）は、実施形態に係るレーザ素子の接合部分の周辺を示す図である。図１１（ｂ）は、図１１（ａ）の枠内において検出された元素を示すグラフである。
【図１２】図１２は、実施形態に係る接合素子の接合部分の周辺を示す図である。
【図１３】図１３は、実施形態に係るレーザ素子の接合部分の周辺を示す図である。
【図１４】図１４は、実施形態に係るレーザ素子の接合部分の周辺を示す図である。
【図１５】図１５は、変形例に係るレーザ素子を示す断面図である。
【図１６】図１６は、昇温ステップ前の素子である接合素子の接合部分の周辺を示す図である。
【図１７】図１７は、昇温ステップ後の素子であるレーザ素子の接合部分の周辺を示す図である。
【図１８】図１８は、昇温ステップ後の素子であるレーザ素子の接合部分の周辺を示す図である。
【図１９】図１９は、図１８に表されるスキャン方向の位置において検出された元素を示すグラフである。
【図２０】図２０は、昇温ステップ前の素子である接合素子の接合部分の周辺を示す図である。
【図２１】図２１は、図２０に表されるスキャン方向の位置において検出された元素を示すグラフである。
【図２２】図２２は、昇温ステップ前の素子であってＥＢ照射後の接合素子の接合部分の周辺を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照しつつ実施形態について詳細に説明する。以下の説明において同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２２】
図１は、小型集積レーザ装置１００を示す概略斜視図である。図１に示される小型集積レーザ装置１００は、レーザ光Ｌを出射するレーザ光源であって、ファイバレーザやディスクレーザに比べて小型簡便で高出力のパワーレーザを構成する。小型集積レーザ装置１００は、実施形態に係るレーザ素子１を備える。なお、以下においては、便宜上、レーザ光Ｌの出射方向（進行方向）を「Ｚ方向」として説明する。図２以降に示す断面は、ＸＹ断面であり、面内横軸を「Ｘ方向」とし、面内縦軸を「Ｙ方向」とする。図面の寸法比率は図示の比率に限られるものではない。
【００２３】
まず、レーザ素子１の構成について説明する。
【００２４】
レーザ素子１は、ＤＦＣ構造を有する光学素子である。レーザ素子１は、複数のヒートシンク２と、複数のレーザ媒質３と、第１コーティング層４ａと、第２コーティング層５と、第３コーティング層４ｂと、を備える。レーザ素子１は、高出力マイクロレーザを構成可能なものである。一例として、レーザ素子１では、波長８０８ｎｍの連続発振のダイオード光が励起光Ｉとして、Ｚ方向における一端側（図示左側）からＺ方向に沿って入力されると、波長１０６４ｎｍのレーザ光Ｌが、可飽和吸収体からなるＱスイッチ素子８を介してＺ方向における他端側（図示右側）から出射される。なお、レーザ素子１は、Ｑスイッチ素子８を備えない場合、ＣＷ（Continuous Wave）レーザを構成することも可能である。
【００２５】
ヒートシンク２及びレーザ媒質３は、Ｚ方向を厚さ方向とする矩形板状を呈する。例えばヒートシンク２は、厚さが１ｍｍ、縦寸法が１０ｍｍ、横寸法が１０ｍｍの平板状を呈する。例えばレーザ媒質３は、厚さが１ｍｍ、縦寸法が８ｍｍ、横寸法が８ｍｍの平板状を呈する。ヒートシンク２及びレーザ媒質３は、円形板状を呈していてもよい。ヒートシンク２とレーザ媒質３とは、Ｚ方向に沿って交互に並ぶように配置されている。つまり、隣接する一対のヒートシンク２の間に、レーザ媒質３が位置する。ヒートシンク２とレーザ媒質３とは、接着剤を介さずに接合（直接接合）されている。Ｚ方向において最も一端側に配されたレーザ媒質３から最も他端側に配されたレーザ媒質３までの部分は、共振器として機能する。
【００２６】
ヒートシンク２は、レーザ媒質３に比べて熱伝導率が同程度か又は高い物質である。ヒートシンク２は、レーザ媒質３の熱を放熱する機能を有する。ヒートシンク２は、第１素子部を構成する。ヒートシンク２は、ダイアモンド、シリコンカーバイド、サファイア、ＹＡＧを含むガーネット、バナデート、セクスオキサイド、フロライド、アパタイト、タングステート、シリケート、リン酸系の材料、希土類イオンもしくは遷移金属を添加したレーザ材料、光スイッチ材料、非線形光学材料、又は、機能性光学材料である。なお、バナデートは、例えばＹＶＯ４もしくはＬｕＶＯ４等である。機能性光学材料は、例えばＬＢＯ、ＬｉＮｂＯ３、ＫＴｉＰＯ４、ＺＧＰ、ＧａＡｓもしくはＧａＰである。後述もしているが、ヒートシンク２は第１素子部の一例であり、第１素子部はヒートシンク２に限定されない。第１素子部の状態は、単結晶、アモルファス（ガラスを含む）、又はセラミックスであればよい。
【００２７】
レーザ媒質３は、励起状態において増幅が損失を上回る反転分布を形成し、誘導放出を利用して光を増幅させる物質である。レーザ媒質３は、利得媒質とも称する。レーザ媒質３は、第２素子部を構成する。レーザ媒質３は、ダイアモンド、シリコンカーバイド、サファイア、ＹＡＧを含むガーネット、バナデート、セクスオキサイド、フロライド、アパタイト、タングステート、シリケート、リン酸系の材料、希土類イオンもしくは遷移金属を添加したレーザ材料、光スイッチ材料、非線形光学材料、又は、機能性光学材料である。半導体は、例えばＺｎＳもしくはＺｎＳｅ等である。後述もしているが、レーザ媒質３は第２素子部の一例であり、第２素子部はレーザ媒質３に限定されない。第２素子部の状態は、単結晶、アモルファス（ガラスを含む）、又はセラミックスであればよい。
【００２８】
ヒートシンク２及びレーザ媒質３は、出射するレーザ光Ｌに対して透明である。レーザ光Ｌに対して透明（以下、単に「透明」ともいう）とは、レーザ光Ｌが透過することを意味し、具体的には、レーザ光Ｌが強度を維持して通過することを意味する。例えば透明とは、ここでは、レーザ光Ｌに対する透過率（Ｆｒｅｓｎｅｌ損失分を差し引いた正味の透過率）が９５％以上をいい、具体的には、９７％以上であることをいう。このことは、以下の透明において同様である。
【００２９】
第１コーティング層４は、Ｚ方向における一端側のヒートシンク２において、一端側の表面（大気と接する面）に形成された誘電多層膜である。第１コーティング層４は、励起光Ｉに対しては無反射で、且つ、レーザ光Ｌに対しては高反射の反射特性を有する。第１コーティング層４によれば、一端側のヒートシンク２と大気との間における屈折率の変動を抑えることができる。
【００３０】
第２コーティング層５は、Ｚ方向における他端側のヒートシンク２において、他端側の表面（大気と接する面）に形成された誘電多層膜である。第２コーティング層５は、励起光Ｉに対しては高反射で、且つ、レーザ光Ｌに対しては一部反射の反射特性を有する。第２コーティング層５によれば、他端側のヒートシンク２と大気との間における屈折率の変動を抑えることができる。ちなみに、第１コーティング層４及び第２コーティング層５の少なくとも何れかに代えてもしくは加えて、他の種々のコーティング層をヒートシンク２及びレーザ媒質３に適宜設けてもよい。これにより、ヒートシンク２及びレーザ媒質３の各界面での反射特性を所望に調整することができる。
【００３１】
レーザ素子１は、図４に示されるように、結晶化層６を備える、結晶化層６は、ヒートシンク２及びレーザ媒質３との間に介在されている緩衝層である。レーザ素子１は、結晶化してなる層、すなわち、結晶状態の層である。結晶とは、空間的に周期的な原子配列を持った固体物質である。結晶とは、原子や分子が空間的に繰り返しパターンを持って配列している物質である。具体的には、結晶とは、離散的な空間並進対称性を有する物質である。ここでの結晶は、準結晶を含む。結晶化層６は、ヒートシンク２側からレーザ媒質３側に行くに従って、ヒートシンク２を構成する元素が漸減する（次第に減る）と共に、レーザ媒質３を構成する元素が漸増する（次第に増える）層である（図８〜図１１参照）。結晶化層６は、ヒートシンク２及びレーザ媒質３と一体化されている。結晶化層６は、レーザ光Ｌに対して透明であり、レーザ光Ｌを透過させる。
【００３２】
なお、ヒートシンクの材料及びレーザ媒質の材料としては、下表１の組合せが挙げられる。ただし、ＲＥは、Ce,Pr,Nd,Sm,Eu,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb等の添加希土類元素である。ＴＭは、Mg,Ca,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Cr,Ti,Te,Nb,V等の添加遷移金属元素である。後述するように、ヒートシンク及びレーザ媒質に光学コーティングを施してから接合する場合もある。
【表１】
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【００３３】
次に、レーザ素子１の製造方法について説明する。
【００３４】
レーザ素子１の製造方法では、概略として、まず、複数のヒートシンク２及び複数のレーザ媒質３を用意する。第１コーティング層４及び第２コーティング層５をヒートシンク２に適宜成膜する。当該成膜には、公知の種々の成膜手法を採用できる。続いて、接合ステップ（第１ステップ）として、ヒートシンク２及びレーザ媒質３を交互に並ぶように配置しつつ、ヒートシンク２及びレーザ媒質３を非晶質層１６を介して直接接合し、接合素子を得る。そして、昇温ステップ（第２ステップ）として、当該接合素子を昇温することで、その非晶質層１６の少なくとも一部を結晶化する。
【００３５】
以下、接合ステップ及び昇温ステップを詳説する。図２（ａ）、図２（ｂ）及び図３（ａ）は、接合ステップを説明するための各図である。図３（ｂ）及び図４は、昇温ステップを説明するための各図である。以下では、説明の便宜上、１つのヒートシンク２と１つのレーザ媒質３との接合を例示する。また、ヒートシンク２及びレーザ媒質３を図１のＡ−Ａ線に沿う断面で示すが、当該断面にハッチングは施していない（その他の断面図において同様）。
【００３６】
図２（ａ）に示されるように、ヒートシンク２及びレーザ媒質３をチャンバー１１内に配置し、チャンバー１１内を略真空環境とする。ヒートシンク２とレーザ媒質３とを表面活性接合により接合する。表面活性接合は、真空中で接合する材料の接合面の酸化膜又は表面付着物を、イオンビーム照射又はＦＡＢ（高速原子ビーム）照射によって除去し、平坦で構成原子の露出した接合面同士を接合するという手法である。表面活性接合は、分子間結合を利用した直接接合である。表面活性接合は、他の接合手法と比較して接合温度を大幅に下げることができる。
【００３７】
具体的には、略真空環境下において、ヒートシンク２の接合側の表面、及び、レーザ媒質３の接合側の表面に、アルゴン（Ａｒ）等のイオンビーム又はＦＡＢ（高速原子ビーム）を照射する。これにより、当該表面に吸着していた酸素等を除去し、ダングリングボンドを含む新生面を形成する。当該略真空環境は、例えばバックグラウンド圧力が１×１０−６Ｐａ以上、大気圧未満の真空又は減圧雰囲気である。
【００３８】
イオンビーム又はＦＡＢとしては、アルゴンの他に、ネオン（Ｎｅ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）、ヘリウム（Ｈｅ）等の希ガス又は不活性ガスを採用することができる。希ガスは、化学反応を起こしにくいので、被照射面の化学的性質を大きく変化させることはない。粒子ビーム源又はプラズマ発生装置を用いてイオンビームの粒子を接合面に向けて加速することで、イオンビーム又はＦＡＢに所定の運動エネルギーを与えることができる。
【００３９】
図２（ｂ）に示されるように、ヒートシンク２の接合側とレーザ媒質３の接合側とを対向させる。室温下において、ヒートシンク２及びレーザ媒質３の結合手が露出している新生面同士を、略真空環境中で接触させる。これにより、図３（ｂ）に示されるように、原子間の相互作用による結合力が発生し、ヒートシンク２とレーザ媒質３とが非晶質層１６を介して強固に結合してなる接合素子１０を得る。当該略真空環境は、例えばバックグラウンド圧力が１．５×１０−６Ｐａ以下の真空又は減圧雰囲気である。接触させたヒートシンク２及びレーザ媒質３に所定の圧力（１．５〜２．０ＭＰａ）を加えてもよい。
【００４０】
非晶質層１６は、非晶質状態の層である。非晶質層１６は、接合素子１０におけるヒートシンク２及びレーザ媒質３との間に介在された緩衝層である。非晶質（アモルファス）とは、結晶のような長距離秩序はないが、短距離秩序はある物質である。非晶質とは、結晶構造が崩れている状態の物質である。非晶質層１６は、結晶性が一定レベルよりも低い層である。非晶質層１６は、レーザ光Ｌに対して透明であり、レーザ光Ｌを透過させる。
【００４１】
非晶質層１６は、ヒートシンク２及びレーザ媒質３を構成する物質以外の不純物として、イオンビーム又はＦＡＢを構成するビーム源元素、及び、イオンビーム又はＦＡＢのビーム筐体を構成するビーム筐体材料を含む。ビーム源元素は、例えば、例えばＡｒ（アルゴン）又はＮｅ（ネオン）である。ビーム筐体材料は、例えば、Ｆｅ（鉄）、Ｎｉ（ニッケル）又はＣｒ（クロム）である。非晶質層１６に含まれるビーム源元素の量は、レーザ光Ｌの発振に影響が出ないほど微量である。
【００４２】
図３（ｂ）に示されるように、接合素子１０を加熱炉１４内に配置し、接合素子１０に加熱処理を施し、接合素子１０を所定温度まで昇温する。これにより、接合素子１０がアニール処理され、接合素子１０の非晶質層１６がエピタキシャル成長して結晶化する。これにより、図４に示されるレーザ素子１を得る。
【００４３】
昇温させる所定温度（結晶化温度又はエピ成長温度とも称する）は、ヒートシンク２及びレーザ媒質３の融点よりも低い温度である。昇温させる所定温度は、１００℃以上で且つ非晶質層１６を構成する物質の融点より低い温度である。昇温させる所定温度は、ヒートシンク２及びレーザ媒質３の融点である約２０００℃の半分程度の約８６５℃である。昇温させる所定温度は、コーティングを施さないガーネットの融点である１９００℃以下である。コーティング（例えば、後述の光学コーティング層１２（図１５参照））が施されている場合には、昇温させる所定温度は、コーティングに影響が出ない程度の低い温度であり、２００℃又は３００℃等である。接合素子１０の加熱時間は、例えば数時間〜数１０時間である。例えば長時間の昇温処理の場合には、昇温させる所定温度が１００℃以下でもよい。なお、材料別の融点の例として、例えば、表２に示される温度が挙げられる。
【表２】
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【００４４】
図５（ａ）は、昇温ステップ前の素子である接合素子１０の接合部分の周辺を示す図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）の破線枠内を示す拡大図である。図５（ａ）及び図５（ｂ）に示されるサンプルでは、ヒートシンク２にサファイアを用い、レーザ媒質３にＮｄ：ＹＡＧ（以下、図中のＮｄ：ＹＡＧに関しては、単に「ＹＡＧ」ともいう）を用いた（以下の図６〜図１１について同じ）。図５（ａ）及び図５（ｂ）の図は、ＥＤＸ（Energy  dispersive  X-ray  spectroscopy）データである（以下の図６〜図１４について同じ）。図５（ａ）及び図５（ｂ）に示されるように、接合素子１０では、ヒートシンク２とレーザ媒質３との間に非晶質層１６が介在していることが確認できる。
【００４５】
図６（ａ）は、昇温ステップ後の素子であるレーザ素子１の接合部分の周辺を示す図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）の破線枠内を示す拡大図である。図６（ａ）及び図６（ｂ）のレーザ素子１は、接合素子１０を１０００℃で３ｈ昇温して得たものである。図６（ａ）及び図６（ｂ）に示されるように、レーザ素子１では、昇温工程で非晶質層１６が結晶化し、ヒートシンク２とレーザ媒質３との間には結晶化層６が介在していることが確認できる。レーザ素子１では、ヒートシンク２とレーザ媒質３との間の境界は、クリア（はっきりと）に存在している。
【００４６】
また、レーザ素子１の製造方法では、図５（ａ）に示されるように、非晶質層１６は、ヒートシンク２との間に界面Ｅ１を有する。図６（ａ）に示されるように、非晶質層１６を結晶化してなる結晶化層６は、ヒートシンク２との間に界面Ｅ２を有する。図５（ａ）及び図６（ａ）に示されるように、界面Ｅ２の平面度は、界面Ｅ１の平面度よりも高い。平面度とは、例えば、平面からの狂いの大きさとして定義することができる。平面度は、例えば、最も出っ張った部分と最も凹んだ部分との間の距離で表すことができる。
【００４７】
図７（ａ）は、昇温ステップ前の素子である接合素子１０の接合部分の周辺を示す図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）の枠内において検出された元素を示すグラフである。図７（ｂ）のグラフにおいて、縦軸は元素の数量に当たる計測信号量であり、横軸はスキャンの距離である。図７（ｂ）のグラフのスキャン方向は、図７（ａ）における上から下に向かう方向に対応する。図７（ｂ）のグラフの説明は、図８（ｂ）、図９（ｂ）及び図１０（ｂ）について同じである。
【００４８】
図７（ｂ）に示されるように、非晶質層１６が存在する範囲（２５ｎｍ〜４０ｎｍ）では、ヒートシンク２側からレーザ媒質３側に行くに従って、ヒートシンク２を構成する元素が漸減すると共に、レーザ媒質３を構成する元素が漸増していることが確認できる。また、非晶質層１６が存在する範囲（２５ｎｍ〜４０ｎｍ）には、ヒートシンク２及びレーザ媒質３を構成する物質以外の不純物として、Ｆｅ及びＡｒが僅かに含まれていることが確認できる。
【００４９】
図８（ａ）は、昇温ステップ後の素子であるレーザ素子１の接合部分の周辺を示す図である。図８（ｂ）は、図８（ａ）の枠内において検出された元素を示すグラフである。図８（ａ）及び図８（ｂ）のレーザ素子１は、接合素子１０を１０００℃で３ｈ昇温して得たものである。図８（ｂ）に示されるように、結晶化層６が存在する範囲（２０ｎｍ〜２３ｎｍ）では、ヒートシンク２側からレーザ媒質３側に行くに従って、ヒートシンク２を構成する元素が漸減すると共に、レーザ媒質３を構成する元素が漸増していることが確認できる。
【００５０】
図９（ａ）は、昇温ステップ後の素子であるレーザ素子１の接合部分の周辺を示す図である。図９（ｂ）は、図９（ａ）の枠内において検出された元素を示すグラフである。図９（ａ）及び図９（ｂ）のレーザ素子１は、接合素子１０を１０００℃で３ｈ昇温して得たものである。図９（ｂ）の結果は、図８（ｂ）の結果よりも高分解能の分析結果である。図９（ｂ）に示されるように、結晶化層６が存在する範囲（８０ｎｍ〜９５ｎｍ）では、ヒートシンク２側からレーザ媒質３側に行くに従って、ヒートシンク２を構成する元素が漸減すると共に、レーザ媒質３を構成する元素が漸増していることが確認できる。
【００５１】
図１０（ａ）は、昇温ステップ後の素子であるレーザ素子１の接合部分の周辺を示す図である。図１０（ｂ）は、図１０（ａ）の枠内において検出された元素を示すグラフである。図１０（ａ）及び図１０（ｂ）のレーザ素子１は、接合素子１０を１０００℃で３ｈ昇温して得たものである。図１０（ｂ）の結果は、図９（ｂ）の結果のうちのＣ（炭素）、Ａｒ及びＦｅを示す。図１０（ａ）上において図１０（ｂ）のDistanceに対応する位置には、図１０（ｂ）のグラフを重畳している。
【００５２】
図１０（ｂ）に示されるように、結晶化層６が存在する範囲（８０ｎｍ〜９５ｎｍ）には、ヒートシンク２及びレーザ媒質３を構成する物質以外の不純物として、Ａｒ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｈｅ、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｒの少なくとも何れか（イオンビーム又は高速原子ビームを構成するビーム源元素、及び、イオンビーム又は中性高速原子ビームのビーム筐体を構成するビーム筐体材料の少なくとも何れか（Ｃｒ、Ａｒ及びＦｅの少なくとも何れか）が含まれていることが確認できる。特に、Ｆｅが、ヒートシンク２とレーザ媒質３との界面付近からレーザ媒質３側（ＹＡＧ側）に１０ｎｍ程度の範囲で偏析していることが確認できる。
【００５３】
図１１（ａ）は、昇温ステップ後の素子であるレーザ素子１の接合部分の周辺を示す図である。図１１（ｂ）は、図１１（ａ）の枠内において検出された元素を示すグラフである。図１１（ａ）及び図１１（ｂ）のレーザ素子１は、接合素子１０を１０００℃で３ｈ昇温して得たものである。図１１（ｂ）の結果は、図８（ｂ）の結果よりも高分解能の分析結果である。図１１（ｂ）のグラフにおいて、縦軸は元素の数量に当たる計測信号量であり、横軸はスキャンの距離である。図１１（ｂ）のグラフのスキャン方向は、図１１（ａ）における上から下に向かう方向に対応する。  図１１（ｂ）に示されるように、結晶化層６が存在する範囲（８５ｎｍ〜９５ｎｍ）では、ヒートシンク２側からレーザ媒質３側に行くに従って、ヒートシンク２を構成する元素が漸減すると共に、レーザ媒質３を構成する元素が漸増していることが確認できる。
【００５４】
図１２は、昇温ステップ前の素子である接合素子１０の接合部分の周辺を示す図である。図１２に示されるサンプルでは、ヒートシンク２にサファイアを用い、レーザ媒質３にセラミックＹＡＧを用いた（以下の図１３及び図１４について同じ）。図１２に示されるように、接合素子１０では、ヒートシンク２とレーザ媒質３との間に、厚さ７ｎｍ以下の非晶質層１６が介在していることが確認できる。また、ここでは、ヒートシンク２とレーザ媒質３との界面付近に不明層Ｑが存在している。
【００５５】
図１３は、昇温ステップ後の素子であるレーザ素子１の接合部分の周辺を示す図である。図１３のレーザ素子１は、接合素子１０を１００℃で１０ｈ昇温して得たものである。図１３のレーザ素子１では、非晶質層１６の結晶化が進行している。図１３に示されるように、ヒートシンク２とレーザ媒質３との間には、結晶化層６が介在していることが確認できる。
【００５６】
結晶化層６は、さらに複数の層を含むような層状に構成されていることが確認できる。ここでは、結晶化層６は、ある箇所において、ヒートシンク２側からレーザ媒質３側に向かって、２．６ｎｍの層と、１．７ｎｍの層と、２．２ｎｍの層と、を含む。結晶化層６は、他の箇所において、ヒートシンク２側からレーザ媒質３側に向かって、２．６ｎｍの層と、２．０ｎｍの層と、１．７ｎｍの層と、を含む。結晶化層６は、更に他の箇所において、ヒートシンク２側からレーザ媒質３側に向かって、２．６ｎｍの層と、１．７ｎｍの層と、２．０ｎｍの層と、を含む。結晶化の進行係数は、０．５ｎｍ／ｈである。
【００５７】
図１４は、昇温ステップ後の素子であるレーザ素子１の接合部分の周辺を示す図である。図１４のレーザ素子１は、接合素子１０を１００℃で２４ｈ昇温して得たものである。図１４のレーザ素子１では、非晶質層１６の結晶化がより進行している。図１４に示されるように、ヒートシンク２とレーザ媒質３との間には、結晶化層６が介在していることが確認できる。
【００５８】
ここでは、結晶化層６は、ある箇所において、ヒートシンク２側からレーザ媒質３側に向かって、１．８ｎｍの層と、３．４ｎｍの層と、を含む。結晶化層６は、他の箇所において、ヒートシンク２側からレーザ媒質３側に向かって、３．１ｎｍの層と、１．７ｎｍの層と、を含む。結晶化層６は、更に他の箇所において、ヒートシンク２側からレーザ媒質３側に向かって、３．３ｎｍの層と、１．７ｎｍの層と、を含む。結晶化の進行係数は、０．５ｎｍ／ｈである。
【００５９】
以上、レーザ素子１の製造方法では、接合素子１０を昇温することで非晶質層１６をエピタキシャル成長させ、非晶質層１６を結晶化し、レーザ素子１の物質状態（接合状態）を安定化させることができる。例えばレーザ素子１の強度や機械的特性を高めることが可能となる。すなわち、表面活性接合による光学素子において、その接合部の特性を劣化させること無く、接合特性を高めることができる。
【００６０】
レーザ素子１の製造方法では、接合ステップでは、略真空環境下において、ヒートシンク２の接合側の表面及びレーザ媒質３の接合側の表面の少なくとも何れかにイオンビーム又は高速原子ビームを照射した後、ヒートシンク２の接合側の表面とレーザ媒質３の接合側の表面とを接触させることで、接合素子１０を得ることができる。
【００６１】
ここで、昇温ステップでは、線膨張係数の違いから接合部分に応力が発生し、レーザ素子１に剥離等の損傷が生じることが懸念される。この点、非晶質層１６に、イオンビーム又は高速原子ビームを構成するビーム源元素及び／又はビーム筐体材料の不純物が含まれると、昇温の際におけるエピタキシャル成長に必要な温度を、ヒートシンク２及びレーザ媒質３の融点よりも遥かに低い所定温度まで下げ得ることが見出される。そこで、レーザ素子１の製造方法では、非晶質層１６がビーム源元素及び／又はビーム筐体材料を含み、昇温の温度がヒートシンク２及びレーザ媒質３の融点よりも低い所定温度まで下げられている。したがって、レーザ素子１の当該損傷を抑制することが可能となる。結晶化層６では、固相反応で高温を必要としないため、歪みの少ない理想的な結晶育成が可能となっている。
【００６２】
レーザ素子１の製造方法では、ヒートシンク２は、ダイアモンド、シリコンカーバイド、サファイア、ＹＡＧを含むガーネット、バナデート、希土類イオンもしくは遷移金属を添加したレーザ材料、光スイッチ材料、非線形光学材料、機能性光学材料、又は、セラミックスである。レーザ媒質３は、ダイアモンド、シリコンカーバイド、サファイア、ＹＡＧを含むガーネット、バナデート、希土類イオンもしくは遷移金属を添加したレーザ材料、光スイッチ材料、非線形光学材料、機能性光学材料、又は、セラミックスである。昇温させる際の温度（エピ成長温度）である所定温度は、１００℃以上１１００℃以下である。このようなヒートシンク２及びレーザ媒質３を備えたレーザ素子１について、昇温によりレーザ素子１の物質状態を安定化させると共に、昇温の際におけるレーザ素子１の損傷を抑制することが可能となる。
【００６３】
セラミックスは、例えば、ＴＧＧ（テルビウム・ガリウム・ガーネット）、ＴＡＧ（テルビウム・アルミニウム・ガーネット）、ＴＳＡＧ（テルビウム・スカンジウム・アルミニウム・ガーネット）セラミックス等のファラデー効果を有するものが挙げられる。セラミックスは、端面が粒界のために損傷を受けやすく、保護の意味でも接合して使用する必要がある。セラミックスは厚さが１０ｍｍ程度した作れないため、厚い材料とする場合には、接合が不可欠である。セラミックスを接合する場合、その接合境界物質が不安定であるために、昇温ステップ（アニール処理）により安定化することが望ましい。
【００６４】
レーザ素子１では、ヒートシンク２とレーザ媒質３との間には、非晶質層１６ではなく結晶化層６が介在され、結晶化層６は、ヒートシンク２側からレーザ媒質３側に行くに従って、ヒートシンク２を構成する元素が漸減すると共に、レーザ媒質３を構成する元素が漸増する。このような構成によれば、レーザ素子１の物質状態を安定化させることが可能となる。非晶質層１６では当該元素が比較的ゆっくり変化するが、結晶化層６では、当該元素の変化は急峻になる。
【００６５】
図１５は、変形例に係るレーザ素子１０１を示す断面図である。レーザ素子１０１の製造方法では、ヒートシンク２の表面に光学コーティングを施すことで、ヒートシンク２の表面に光学コーティング層１２を形成する。光学コーティングとしては、特に限定されず、種々の公知の光学コーティングを採用できる。光学コーティング層１２は、ヒートシンク２の一部であって、ヒートシンク２の表面側を構成する。つまり、ヒートシンク２は、その接合側部分に光学コーティング層１２を有する。なお、上述ないし後述のように、ヒートシンク２に限られず、他のレーザ材料であってもよいし、Cr:YAG等の光スイッチであってもよいし、水晶やLN,LBO,KTP,GaAs,GaP,ZnSe,ZnS等の非線形光学結晶であってもよい。なお、光学コーティングでは、その最終層として、昇温処理により透明となる層、すなわち、Si,Ga,Zn等の半導体材料、又はSi,Al,Ti,Hf,Mg,Zr,Ta,Nbを堆積させることもある。換言すると、光学コーティング層１２の最終層は、昇温処理により透明となる層を有する。昇温処理により透明となる層は、ヒートシンク２とレーザ媒質３との接合後、酸素雰囲気等を適切な環境として熱処理することで酸化物や化合物となり、希望するレーザ波長域で透明化して、十分に機能を果たす。
【００６６】
レーザ素子１０１を製造する場合、ヒートシンク２の表面に光学コーティングを施し、当該ヒートシンク２とレーザ媒質３とを表面活性接合により接合して接合素子を形成する。接合素子に加熱処理を施し、接合素子を所定温度まで昇温する。これにより、接合素子がアニール処理され、接合素子の非晶質層がエピタキシャル成長して結晶化した結果、図１５に示されるレーザ素子１０１を得る。昇温させる所定温度は、ヒートシンク２及びレーザ媒質３の融点よりも低い温度である。昇温させる所定温度は、１００℃以上６００℃以下である。
【００６７】
このように、変形例に係るレーザ素子１０１の製造方法では、ヒートシンク２は、その接合側部分に光学コーティング層１２を有しており、昇温させる所定温度は、１００℃以上６００℃以下である。約８００℃以上の温度まで昇温すると、光学コーティング層１２の劣化が認められる。よって、変形例に係るレーザ素子１０１の製造方法では、光学コーティング層１２の損傷も抑制することができる。光学コーティング層１２が損傷を受けない十分な低温の昇温による再結晶化、すなわちエピ成長が可能である。
【００６８】
なお、レーザ媒質３がその接合側部分に光学コーティング層を有していてもよいし、ヒートシンク２及びレーザ媒質３の双方が、その接合側部分に光学コーティング層を有していてもよい。昇温させる所定温度は、８００℃以下であってもよいし、２００℃〜３００℃であってもよいし、１００℃であってもよいし、接合温度以上であればよい。ヒートシンク２がＳｉＣ又はダイアモンドの場合、屈折率が大きく違うため、光学コーティング層１２は特に有効である。接合温度とは、その物質が使用される温度であることが望ましい。なお、光学コーティングでは、その最終層として、昇温処理により透明となる層、すなわち、Si,Ga,Zn等の半導体材料、又はSi,Al,Ti,Hf,Mg,Zr,Ta,Nbを堆積させることもある。換言すると、光学コーティング層の最終層は、昇温処理により透明となる層を有する。昇温処理により透明となる層は、ヒートシンク２とレーザ媒質３との接合後、酸素雰囲気等を適切な環境として熱処理することで酸化物や化合物となり、希望するレーザ波長域で透明化して、十分に機能を果たす。
【００６９】
また、本実施形態では、以下の作用効果も奏する。
【００７０】
レーザ素子１の製造において、表面活性接合を採用することで、次の作用効果も奏される。すなわち、同種材料同士の接合だけでなく、一般的に接合が困難な異種材料同士の接合が可能となる。金属、ガラス及びフィルム等のあらゆる材料が接合可能となる。熱がかからず、熱による変形を抑制できる。接着剤が不要となる。接合強度を制御できる。強固な接合だけでなく、剥離を前提とした仮接合にも対応できる。接合時間が短いため、原理的には秒単位で接合を完了できる。接合後のずれはなく、高いアライメント精度を実現できる。
【００７１】
Ｑスイッチ型マイクロチップレーザでは、共振器が短いほど発生するパルスを短くできる。レーザ媒質にＮｄ：ＹＡＧを、また受動Ｑスイッチ媒質にＣｒ：ＹＡＧを用いた端面励起型マイクロチップレーザでは、通常、共振器を短くするために、Ｎｄ：ＹＡＧを短くする。ただし、励起光の吸収効率は、Ｎｄ：ＹＡＧの長さをＬ０とし、励起光吸収係数をαとするなら、η＝１−ｅｘｐ（αＬ０）となる。すなわち、Ｎｄ：ＹＡＧの長さＬ０を短くすると、先の式に従って吸収効率が低下する。そのため、励起側とは反対面（Ｃｒ：ＹＡＧの境界面）に励起波長に関する高反射コーティングを施し、Ｌ０を半分にする構成がとられる。ところが、セラミックＹＡＧで使われる焼結法で接合すると、コーティング層が邪魔をして接合できない。このため、セラミックＹＡＧによる接合チップは一般に長く、得られるパルス幅も長い。すなわち、性能が低く、競争力の弱いレーザ光源しか作れない。
【００７２】
このような接合素子に本実施形態を適用することで、短いパルス幅の発生が可能なマイクロチップがセラミックＹＡＧにより望める。大面積の接合も可能なことからセラミックＹＡＧのコンポジットも、大面積を一括して成形し、それを小さなチップにカットすることで量産効果及び低コスト化が可能となる。特に本実施形態では、さらなる大面積化、更に高い接合強度での接合が可能になり、大型化による量産効果及び低コスト化が顕著である。高性能及び高信頼性を有する光学素子の製造が可能となる。
【００７３】
以上、本発明の一形態について説明したが、本発明の一態様は、上記実施形態に限られない。
【００７４】
例えば上記の各数値には、設計上、計測上又は製造上等の誤差が含まれていてもよい。本発明の一形態に係るレーザ素子１は、様々なレーザ部品ひいてはレーザ装置に適用でき、更には、そのレーザ装置は、計測装置、加工装置、診断装置、医療機器等の各種装置にて利用できる。
【００７５】
本発明の一形態では、昇温ステップにおいて、接合素子１０を昇温することで非晶質層１６の全体を結晶化したが、非晶質層１６の全体を結晶化することに限られず、非晶質層１６の少なくとも一部を結晶化すればよい。非晶質層１６は、ＳｉとＹＡＧとの混晶系、又は、Ｓｉとサファイアとの混晶系であってもよい。これらの融点は２０００℃程度と非常に高いが、エピ成長温度である所定温度は、それより遥かに低い。
【００７６】
本発明の一形態は、レーザ光の空間モードを制御する空間変調素子を備えていてもよい。例えば空間変調素子は、ヒートシンク２及びレーザ媒質３に対して接合されていてもよいし、接合されていなくてもよい。これにより、高輝度及び高出力のマイクロアンプを構成することが可能となる。
【００７７】
本発明の一形態では、第１素子部と第２素子部とを表面活性接合したが、表面活性接合では、ヒートシンク２及びレーザ媒質３を接触させるに際に略真空環境としなくてもよい。本発明の一態様において、第２素子部は、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、銅タングステン（ＣｕＷ）、アルミニウム（Ａｌ）、鉄（Ｆｅ）、チタン（Ｔｉ）、或いは、これらのうちの少なくとも何れかの合金を含む金属であってもよい。
【００７８】
本発明の一形態は、レーザ光が透過、往復又は反射する光学素子であれば、あらゆる光学素子に適用できる。本発明の一形態に係る光学素子は、発振器に限定されず、増幅器、機能性光学材料（Cr:YAG等のＱスイッチ素子）又は、非線形光学材料やＱＰＭ−水晶等の波長変換素子も含む。接合する材料として、レーザ媒質及びヒートシンクの組合せだけで無く、可飽和吸収体等の光スイッチや波長変換のための非線形光学材料等でもよい。レーザ光が透過する光学素子としては、必ずしも透明化の透過率が９５％以上である必要はない。
【００７９】
本発明の一形態において、結晶化層を介して接合される構成は、上述したものに特に限定されず、例えば以下の構成例１〜４の光学素子であってもよい。なお、レーザ媒質は、例えば、ＲＥ：単結晶・セラミックス（ＹＡＧ，ＹＳＧＧ，ＹＬＦ，ＹＶＯ４，ＳＦＡＰ等），ＲＥ：ガラスである。Ｑスイッチ素子は、例えば、Ｃｒ：ＹＡＧである。透明ヒートシンクは、例えば、ＹＡＧ，サファイア，ＳｉＣ，ダイアモンドである。
（構成例１）
レーザ媒質と、当該レーザ媒質に積層されたＱスイッチ素子と、これらの間の結晶化層と、を備えた光学素子。
（構成例２）
透明ヒートシンクと、当該ヒートシンクに積層されたレーザ媒質と、これらの間の結晶化層と、を備えた光学素子。
（構成例３）
透明ヒートシンクと、当該透明ヒートシンクに積層されたレーザ媒質と、当該レーザ媒質に積層されたＱスイッチ素子と、透明ヒートシンクとレーザ媒質との間の結晶化層と、レーザ媒質とＱスイッチとの間の結晶化層と、を備えた光学素子。
（構成例４）
透明ヒートシンクと、当該透明ヒートシンクに積層されたレーザ媒質と、当該レーザ媒質に積層されたＱスイッチ素子と、当該Ｑスイッチに積層された透明ヒートシンクと、透明ヒートシンクとそれに隣接するレーザ媒質との間の結晶化層と、レーザ媒質とＱスイッチとの間の結晶化層と、Ｑスイッチ素子とそれに隣接する透明ヒートシンクとの間の結晶化層と、を備えた光学素子。
【００８０】
本発明の一形態において、光学素子を構成する各部材（第１素子部及び第２素子部）には、公知のコーティング層（光学コーティング層）を適宜設けてもよい。Ｎｄ：ＹＡＧとＣｒ：ＹＡＧとについては、屈折率が略同じであるために、コーティング層としてＡＲ（Anti Reflection）コートを要さずに、結晶化層を介した直接接合が可能である。しかし、励起効率改善のために、コーティング層として、対象波長が８０８ｎｍや８８５ｎｍのＨＲ（High Reflection）コート且つ対象波長が１０６４ｎｍのＡＲコートは設けてもよい。つまり、本発明の一形態では、コーティング（光学コーティング）してそこに結晶化層を介して接合してなる構成等のバリエーションを含む。本発明の一形態において、透明な第１素子部及び第２素子部は、スイッチがＯＮのときに透明なＱスイッチ素子等の光スイッチ素子を含む。
【００８１】
接合されるべき素子部の組合せは、光利得媒質、Ｑスイッチ素子、ヒートシンク（ＹＡＧ、サファイア、ＳｉＣ、ダイアモンドの他、Ａｌ、Ｃｕ，ＣｕＷ等の不透明材料）、非線形光学素子（非線形波長変換（ＳＨＧ,ラマン素子等）、非線形光スイッチ等）、波長板、ポーラライザ、ビームスプリッタ、ビーム結合素子等のうちの適切な組合せであってもよい。Ｑスイッチ素子としては、従来のＡＯ（Acousto  Optic），ＥＯ（Electro  Optic）だけでなく、ＭＯ（Magneto  Optic）も含む。本発明の一形態では、共振器内部に波長板やポーラライザを配置して、接合してもよい。本発明の一形態では、非線形光学波長変換素子が含まれていてもよいし、ビームスプリッタやビーム結合素子が含まれていてもよい。本発明の一形態では、励起光をヒートシンクから導入してもよい。透明ヒートシンクの接合は、寄生発振防止にも有効である。
【００８２】
なお、ディスクレーザのような構成では、ヒートシンクとして金属を用いる。金属がＡｌ又はその合金、更には、ヒートシンクの最外面部のみがＡｌ等の場合、出射するレーザ光に関するＨＲコートをレーザ媒質に施した後、そのヒートシンクを何らかの方法で接合する。当該何らかの方法として、ＨＲコートの外側にアルミナ層をスパッタ又は蒸着した後に、その両者をアンビルなどで挟み、そこにＨＲコートを透過する別波長のジャイアントパルスレーザ光を照射し、ヒートシンクを構成する元素とレーザ媒質を構成する元素とを非熱的に結晶レベルで混じり合わせて接合をさせる方法も有効である。
【００８３】
図１６は、昇温ステップ前の素子である接合素子１０の接合部分の周辺を示す図である。図１６に示されるサンプルでは、ヒートシンク２にＮｄ：ＹＡＧセラミックスを用い、レーザ媒質３にＮｄ：ＹＡＧ単結晶を用いた（以下の図１７〜図２２について同じ）。図１６の図は、ＥＤＸデータである（以下の図１７及び図２２について同じ）。図１６に示されるように、昇温ステップ前（アニール処理前）の接合素子１０では、非晶質層１６が介在していることが確認できる。図示する一例では、非晶質層１６は、１０〜１５ｎｍの厚さである。
【００８４】
図１７は、昇温ステップ後の素子であるレーザ素子１の接合部分の周辺を示す図である。図１７に示されるように、昇温ステップ後（アニール処理後）のレーザ素子１では、非晶質層１６（図１６参照）が消失していることが確認できる。Ｎｄ：ＹＡＧ単結晶の領域の拡大（エピタキシャル成長）を検証できる。
【００８５】
図１８は、昇温ステップ後の素子であるレーザ素子１の接合部分の周辺を示す図である。図１９は、図１８に表されるスキャン方向の位置において検出された元素を示すグラフである。図２０は、昇温ステップ前の素子である接合素子１０の接合部分の周辺を示す図である。図２１は、図２０に表されるスキャン方向の位置において検出された元素を示すグラフである。
【００８６】
図１８及び図２０の図は、透過した電子のうち散乱されずに透過した電子及び小さい角度で散乱した電子を検出して作られたＳＴＥＭ像である明視野像（bright-field image）である。図１９及び図２１のグラフにおいて、縦軸は元素の数量に当たる計測信号量であり、横軸はスキャンの距離である。図１９のグラフのスキャン方向は、図１８における上から下に向かう方向に対応する。図２１のグラフのスキャン方向は、図２０における上から下に向かう方向に対応する。図１８〜図２１に示されるように、例えばヒートシンク２側からレーザ媒質３側に行くに従って、ヒートシンク２を構成する元素が漸減すると共に、レーザ媒質３を構成する元素が漸増していることが確認できる。
【００８７】
図２２は、昇温ステップ前の素子であってＥＢ照射後の接合素子１０の接合部分の周辺を示す図である。Ｎｄ：ＹＡＧセラミックスとＮｄ：ＹＡＧ単結晶との接合界面の非晶質層１６の不安定性は著しく、図２２の丸枠内に示されるように、解析途中のＥＢ（Electron Beam）照射後では、非晶質層１６にボイドが発生していることが確認できる。なお、ＥＢ照射前では、非晶質層１６に損傷はない（図１６参照）。昇温ステップ（アニール処理）により非晶質層を結晶化した場合には、このような損傷はみられない。ＹＡＧ単結晶とＹＡＧセラミックスとの接合後に昇温することで、その接合界面を含めて多結晶体であるセラミックス領域が単結晶化され、セラミックス由来の特性劣化、例えば配向性、グレイン界面での電子やフォノンの散乱が抑制される。任意のセラミックス材料と単結晶とを表面活性接合させた後に昇温により単結晶化する手法は、材料の特性改善に有効である。
【００８８】
例えば図１６〜図２２の少なくとも何れかに示されるように、本発明の一態様は、セラミックスに単結晶を表面活性接合後に昇温することでその接合界面を含めて多結晶体であるセラミックス領域を融点以下の固相法により単結晶化することを特徴とする。
【００８９】
例えば図１６〜図２２の少なくとも何れかに示されるように、本発明の一態様は、レーザ光が透過、往復又は反射する光学素子であって、レーザ光に対して透明な第１素子部及び第２素子部と、第１素子部と第２素子部との間に介在され、結晶化してなる結晶化層と、を備え、結晶化層は、第１素子部側から第２素子部側に行くに従って、１０ｎｍ領域で第１素子部を構成する元素が連続的に第２素子部を構成する元素に交換している。
【００９０】
例えば図１６〜図２２の少なくとも何れかに示されるように、本発明の一態様は、レーザ光が透過、往復又は反射する光学素子であって、レーザ光に対して透明な第１素子部及び第２素子部と、第１素子部と第２素子部との間に介在され、結晶化してなる結晶化層と、を備え、第１素子部及び第２素子部の少なくとも一方は、その接合側部分に光学コーティング層を有し、光学コーティング層に接する第１素子部又は第２素子部の結晶化層において、１０ｎｍ領域で第１素子部又は第２素子部を構成する元素が連続的に光学コーティング層を構成する元素に交換している。
【００９１】
例えば図１６〜図２２の少なくとも何れかに示されるように、本発明の一態様は、第１素子部及び第２素子部の少なくとも一方は、その接合側部分に光学コーティング層を有し、結晶化層は、Ａｒ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｈｅ、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｒの少なくとも何れかを含む。ちなみに、上記セラミックＹＡＧについては、５００℃でアニール処理すると、ＬＩＤＴ（レーザー損傷閾値）が高くすることができ、１００℃でアニール処理すると、劣化しやすくなることが見出される。
【符号の説明】
【００９２】
１，１０１…レーザ素子（光学素子）、２…ヒートシンク（第１素子部）、３…レーザ媒質（第２素子部）、６…結晶化層、１０…接合素子、１２…光学コーティング層、１６…非晶質層、Ｅ１…界面、Ｅ２…界面、Ｌ…レーザ光。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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