Thin-Disk Laser の開発
植田研究室

量子・物質工学科 中尾 博明

1. 背景

発生した熱を速やかに排出することが可能

固体レーザーで用いられている利得媒質となる。そのため利得媒質内部での熱勾配の形状は一般的にロッド型である。ロッドは光軸方向に対して一次元的となるので、型のレーザーでは、利得媒質内部の温度勾熱による影響を低減させることができる。

配による熱レンズ効果はどうしても避けられない問題であった。しかしThin-Disk Laser
では薄い利得媒質を用いていること、また端面冷却を行っていることにより熱レンズ効果を抑えることができる。そのため高効率、高出力、高ビーム品質を同時に達成できるレーザーである。

Fig. 1 Thin-Disk Laser の概念図

Thin-Disk Laserでは、利得媒質が薄いとい本研究では高出力化、更なる超短パルスうことによる短い吸収長が欠点となってい化をするために、Ybを添加したsesquioxide

る。しかし、マルチパス励起光学系を用いのceramics材料を利得媒質として用いたることで改善できる。マルチパス励起光学

Thin-Disk Laserの開発を行う上で重要な、利系とは、単一の励起光を利得媒質に複数回得媒質とヒートシンクの接合、マルチパス入射させる励起光学系のことであり、これ励起光学系の構築を行った。

により励起光のエネルギーを無駄なく利得媒質に吸収させることができる(Fig. 2)。レ

2. 原理ーザーダイオード(LD)から出射された励起

Thin-Disk Laserの特徴として、利得媒質端光はコリメートされ球面鏡に入射する。球面を冷却面及びミラーとしていること、ま面鏡で反射された励起光は集光された状態たマルチパス励起光学系が上げられる。

で利得媒質に入射した後、HRミラーで最初利得媒質は直径数 mm程度、厚さ100~300に球面鏡に入射した位置180℃ずれた位置μm程度と非常に薄い物を用い、ヒートシに反射される。球面鏡に戻された励起光はンクとIn-SnハンダもしくはAu-Snハンダを平行光に戻されプリズムへ入射し、尐し角用いて接合されている。また接合面をミラ度をずらされてまた球面鏡に戻る。このプーとしても用いているため、励起面には無ロセスを球面鏡の全ての反射部分を使い切反射(AR)コーティング、冷却面に高反射るまで行われる。吸収されなかった励起光(HR)コーティングがされている(Fig. 1)。薄は光学系外へ出て行くが、終端に反射ミラ

い利得媒質及びIn-Snハンダを用いることで、ーを置けば逆のプロセスを経てLDへ戻っヒートシンクとの強固な接着が可能となり、ていく。その場合は2倍のパス数を得ること

また、高い熱伝導率により利得媒質内部でができる。Fig. 2は8パスとなっているが、反射ミラーで励起光を戻せば16パスとなる。

Fig. 3 ホットプレート上での接合

Prism

Prism

Fig. 2 マルチパス励起光学系の概念図
Fig. 4 接合に用いた冶具

3. 利得媒質とヒートシンクの接合
3.1 接合結果
本研究では表面にARコート、裏面にHRコートと金メッキがされた厚さ315 μmで一辺が5 mm程度の10% Yb:Y2O3 ceramicsを利得媒質に用いた。また、接合用のハンダはIn:Sn = 50:50、融点が120 ℃のIn-Snハンダを用いて、130 ℃に加熱したホットプレー
ト上で接合を行った(Fig. 3)。ヒートシンク

Fig. 5 マイケルソン干渉計の材質は銅で、表面に金メッキがされていFig. 6は接合前のビーム形状と波面、Fig.7る。但し、Inが酸化しやすい元素であるたは接合後のビーム形状と波面である。接合

め、酸化防止のためにフラックスを用いた。

前はビーム形状、波面ともに歪みは見られまた、均一で薄い接合層を作るため、バネなかったが、接合後に利得媒質に歪みが発を用いて均一に面を加圧できる冶具を製作生してしまった。利得媒質の平面度に問題して接合に用いた(Fig. 4)。接合後にコリメはなかったため、歪みの原因としてヒートート後のビーム直径が4 mmとなるマイケシンクが考えられる。

ルソン干渉計(Fig. 5)を用いてビーム形状、a)b)

波面の観測を行った。

))

Fig. 6 a)接合前のビーム形状b)接合前の波面

a)b)

)

)

3.3 ハンダを用いた接合プロセスの評価
一般的にハンダは2種類に大別される。弾性変形を起こすHard solderと塑性変形を起こすSoft solderである。光学デバイスには応Fig. 7 a)接合後のビーム形状b)接合後の波面力解放のあるSoft solderが好ましいとされ、

3.2 ヒートシンクの表面評価

InをベースとしたハンダはSoft solderに分類

ヒートシンクは表面をフライスで切削後されている。またInをベースとしたハンダラッピング研磨を施されている。この加工と金、銅は合金化するが、金との合金は接時の残留応力が接合時に熱解放されたこと着剤の役割を持つSoft solderであるのに対により、歪みが発生したのではないかと考し、銅との合金は応力解放のないHard solder

えた。ヒートシンク表面の熱による変形をである。そのため、ヒートシンクにメッキ測定するため、ヒートシンク表面の波面のされている金が全て合金化してしまえば、観察をした。ヒートシンクと同様の加工をその後の合金化に用いられるものは銅であ施した銅板表面の加熱前後のビーム形状、る。この銅との合金により接合層の状態が波面の観測を行った。接合に用いた銅板は変化してしまい、冷却のされ方の違いや冷厚さ4.9 mm、36×34 mmのもので、フライ却速度により、応力の解放をしないまま接スで切削した後にラッピング研磨をした。

合されたことが歪みの原因ではないかと考また加熱温度は130 ℃で加熱時間は5分間えられる。この仮説の検証は今後の課題ととした。Fig. 8が加熱前のビーム形状と波面するが、このことが原因であったとした場であり、Fig. 9が加熱後のビーム形状と波面合、次のような対処法が考えられる。ヒーである。加熱前後において、ビーム形状はトシンクの金メッキの間にクロムメッキをわずかに変化したが、波面より平面が曲率することと、冷却を時間をかけて均一にすを持つほどの歪みは出ていないことがわかることである。クロムメッキは拡散係数がった。以上のことより、ヒートシンクに問小さいことから、拡散係数の大きい銅の合題は無いと言える。

金化を抑える保護層として一般的に用いらa)b)

れている。また本実験において、冷却は室))温で行った。炉を用いて周囲の温度も接合時の温度から冷却を開始すれば利得媒質全体において均一な冷却をすることができる

Fig. 8 a)加熱前のビーム形状a)b)))b)加熱前の波面と考えられる。
4. マルチパス励起光学系
本実験では8パスのマルチパス励起光学系の実際の製作を行った。ガイド光には緑色のレーザーを用い、利得媒質の変わりに

Fig. 9 a)加熱後のビーム形状b)加熱後の波面アルミミラーを用いて製作を行った。Fig.

10がその実際の写真である。また、Fig. 11

まとめにプリズム部分の拡大写真とアルミミラー

Thin-Disk Laserを開発する上で重要な利部分の拡大写真、Fig. 12に調整後のプリズ得媒質とヒートシンクの接合及びマルチパム部分の拡大写真と調整後のアルミミラー

ス励起光学系の製作を行った。

部分の拡大写真を載せた。Fig. 11より利得接合については媒質に歪みが出てしまっ媒質に見立てたアルミミラー上の一点でガたため、現在原因の検討中である。ハンダ

イド光が集光されていることが確認されたを用いた接合プロセスについての考察を検が、プリズム上での入射点のずれが確認で証するうえでの具体的手法としては、電子きた。調整後のFig. 12より、プリズムへの顕微鏡を用いて接合断面を観察し、接合層入射点は修正できたが、アルミミラー上のの様子を観察することが考えられる。また、集光点にずれがあることが確認できた。微今回接合した媒質を実際にThin-Disk Laser

調整次第で修正可能だと思われるが、最適として動作させる予定である。

化をしやすくするためジグの再製作も検討している。

マルチパス励起光学系については、8パスの励起光学系の構築ができたが、まだ最適化が必要である。最適化の簡便化のため、プリズムの自由度を増やすジグの製作も検討中である。
参考文献
1. Fluxless In-Sn bonding process at 140 °C
Materials Science and Engineering A333 (2002) 45–50

Fig. 10 実際のマルチパス励起光学系の写真a)

2. Gold coatings for fluxless soldering.
David M.Jacobson, Giles Humpstonb)

3. A 1-kW CW Thin Disc Laser
IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUMELECTRONICS, VOL. 6, NO. 4, JULY/AUGUST 2000

Fig. 11 Fig. 9 の拡大写真 a)アルミミラー上 b)プリズム上a)b)Fig. 12 調整後の拡大写真 a)アルミミラー b)プリズム上