[0001] 本发明涉及Q开关结构体及Q开关结构体的制造方法。

[0002] 近年来，在光学测量或磁光记录等激光应用设备中，作为光源的激光介质的高输出化与小型化成为技术问题。从小型化且高输出化的角度出发，以磁光材料(也称为“MO材料”)为发信机构的Q开关受到关注。

[0003] 作为具备Q开关的激光装置，已知依次配置有第一共振镜、固体激光材料、Q开关及第二共振镜的激光装置。即，已知在由第一共振镜与第二共振镜构成的一对共振镜之间配置有固体激光材料与Q开关的激光装置。

[0004] 非专利文献1中公开了一种在一对共振镜之间配置有固体激光材料与Q开关的小型激光装置，但其Q开关为利用可饱和现象的被动Q开关，无法主动控制Q开关。

[0005] 非专利文献2中公开了一种利用电光效应主动控制Q开关的技术，但相对于固体激光材料的厚度为0.5mm，Q开关的厚度足有5mm，Q开关成为激光装置的小型化的障碍。

[0006] 非专利文献3中公开了一种利用声光效应主动控制Q开关的技术，但Q开关的厚度足有32mm，Q开关成为激光装置的小型化的障碍。

[0007] 现有技术中，若能够主动控制Q开关，则该Q开关变得大型，成为激光装置的小型化的障碍。因此，谋求兼顾激光装置的小型化与Q开关的激活。

[0008] 作为在不会成为激光装置的小型化的障碍这一限制下激活Q开关的技术，专利文献1中公开了一种Q开关固体激光装置，其中，固体激光材料与Q开关配置在一对共振镜之间，并由Q开关呈现磁光效应的膜与磁通发生器的组合构成，若对固体激光材料射入激发光，并对磁通发生器施加脉冲，则会使脉冲激光发光。现有技术文献
专利文献

[0009] 专利文献1：日本特开2017‑79283号公报非专利文献

[0010] 非专利文献1：T.Taira,M.Tsunekane,K.Kanehara,S.Morishima,N.Taguchi and A.Sugiura:“7.Promise of Giant Pulse Micro‑Laser for Engine Ignition”,Journal of Plasma and Fusion Research,Vol.89,No.4,pp.238‑241(2013)非专利文献2：T.Taira,and T.Kobayashi:“Q‑Switching and Frequency 
Doubling of Solid‑State Lasers by a Single Intracavity KTP Crystal”,IEEE Journal of Quantum Electronics of Vol.30,No.3,pp.800‑804(1994)
非专利文献3：Gooch&Housego Co.Ltd.,Product number 1‑QS041‑1,8C10G‑4‑GH21

[0048] 以下，参照附图对本发明进行详细说明，但本发明并不限定于此。

[0049] 参照图1、图2，对本发明的Q开关结构体的结构的一个实例进行说明。图1中示出了Q开关结构体的结构的示意图，图2中示出了Q开关结构体的结构的剖面图。

[0050] 本发明的Q开关结构体100具备固体激光介质1与磁光材料2，固体激光介质1与磁光材料2被接合一体化。另外，本发明中，在固体激光介质1的一个面上形成有第一对粘合剂防反射膜1a，在磁光材料2的一个面上形成有第二对粘合剂防反射膜2a。进一步，固体激光介质1的第一对粘合剂防反射膜1a与磁光材料2的第二对粘合剂防反射膜2a经由透光性材料3而被粘合，所述透光性材料3在由固体激光介质1振荡出的激光的激光振荡波长下具有透光性。

[0051] 若为这种Q开关结构体，则由于固体激光介质1与磁光材料2接合一体化，因此能够制成小型的Q开关结构体100。此外，由于固体激光介质1与磁光材料2经由透光性材料3而被粘合，因此能够制成光束质量高的Q开关结构体。

[0052] 此外，关于透光性材料3的透光性，优选激光振荡波长下的透射率为95％以上(插入损耗为0.2dB以下)，进一步优选透射率为98％以上(插入损耗为0.1dB以下)。能够容易地进行透光性材料的种类或厚度的选择以具有上述透射率。另外，透射率还依赖于厚度，材料的厚度越厚，透射率越低。

[0053] 另外，本发明的说明中的透射率的定义如下所述。此处的“工件”是指光(电磁波)透射的对象。透射率(％)＝(透射工件时的光量/无工件时的光量)×100
插入损耗(dB)＝‑10×log10(透射工件时的光量/无工件时的光量)

[0054] 此外，在本发明的Q开关结构体100中，能够将可用作固体激光介质的材料用作固体激光介质1的材料。其中，优选从选自由Y3Al5O12、Gd3Ga5O12及YVO4组成的组中的一种陶瓷中选择，所述陶瓷中掺杂有选自由Nd、Yb及Cr组成的组中的一种。此外，在本发明的Q开关结构体100中，能够将可用作磁光材料的材料用作磁光材料2的材料。其中，优选为铋取代稀土铁石榴石。

[0055] 此外，在本发明的Q开关结构体100中，作为第一对粘合剂防反射膜1a及第二对粘合剂防反射膜2a的材料，可列举出在固体激光介质1、磁光材料2的表面形成有TiO2层或Ta2O5层作为第一层、在其上形成有SiO2层的两层结构等。上述的对粘合剂防反射膜作为能够抑制在不同种类的材料间的界面产生的光反射的膜而发挥功能。

[0056] 进一步，本发明中，图1、2所示的透光性材料3为邵氏硬度D为80以下的有机粘合剂、或为无机透光性材料。以下，将透光性材料3为邵氏硬度D为80以下的有机粘合剂的情况作为第一方案进行说明，将透光性材料3为无机透光性材料的情况作为第二方案及第三方案进行说明。另外，对于与图1、2的共通事项，省略重复的说明。

[0057] [第一方案]图3中示出了本发明的Q开关结构体的结构的一个实例(第一方案)的剖面图。该方案中，固体激光介质1与磁光材料2经由作为透光性材料的邵氏硬度D为80以下的有机粘合剂13而被粘合。此时，作为有机粘合剂的透光性材料13优选为有机硅树脂、有机硅改性环氧树脂及环氧树脂中的至少任意一种。

[0058] 这种Q开关结构体10由于将邵氏硬度D为80以下的硬度比较低的有机粘合剂13用作透光性材料，因此能够降低将固体激光介质与磁光材料接合时的形变，能够获得高光束质量。有机粘合剂13的层厚度优选为0.005～0.040mm(5～40μm)。若为这种厚度的有机粘合剂13的厚度，则能够进行形变的缓和，同时能够将透光性保持得较高。特别是，虽然也因材料而异，但为上述厚度时，可使激光振荡波长1064nm附近的有机粘合剂13的层的透射率为95％以上。

[0059] [第二、第三方案]接着，对透光性材料3为无机透光性材料时的方案(第二、第三方案)进行说明。此时，如图1、2所示，固体激光介质1与磁光材料2经由透光性材料3(此时为无机透光性材料)而被接合。特别优选无机透光性材料为由水玻璃或玻璃化转变温度为500℃以下的低熔点玻璃形成的玻璃材料。以下，也将“玻璃化转变温度为500℃以下的低熔点玻璃”简称为“低熔点玻璃”。另外，玻璃化转变温度更优选为400℃以下。

[0060] 如此，本发明中，可使用无机透光性材料来代替如上述第一方案般在固体激光介质1与磁光材料2的接合中使用有机粘合剂。使用无机透光性材料作为透光性材料3的优点如下所述。近年来，利用具备Q开关的固体激光装置振荡出的光具有直径为0.3mm左右的光束直径且能量大于1mJ，输出不断增强。今后，当比以往更大的能量透射接合界面时，若透光性材料3为有机粘合剂，则有机键合的键合部可能会断裂且可能会对周边产生影响。此时，若将固体激光介质1与磁光材料2的接合材料替换为无机材料，则这种因高输出导致的问题会被消除。然而，此时，根据无机材料的种类的不同，光束可能会因接合形变而变质。为了防止该影响，可预先将形变缓和层设置于接合界面。

[0061] 作为无机透光性材料，优选使用具有值在固体激光介质1的线膨胀系数与磁光材料2的线膨胀系数之间的线膨胀系数的透光性材料。

[0062] ＜第二方案＞图4中示出的第二方案的Q开关结构体20中，固体激光介质1与磁光材料2经由作为透光性材料的无机透光性材料23而被粘合。此外，固体激光介质1的第一对粘合剂防反射膜
1a与无机透光性材料23之间、以及磁光材料2的第二对粘合剂防反射膜2a与无机透光性材料23之间分别经由形变缓和层25、26而被粘合。

[0063] ＜第三方案＞图5中示出的第三方案的Q开关结构体30中，对于固体激光介质1与磁光材料2，固体激光介质1的第一对粘合剂防反射膜1a与磁光材料2的第二对粘合剂防反射膜2a之间经由作为透光性材料的无机透光性材料33而被直接粘合。

[0064] 作为无机透光性材料，可例示出由水玻璃或低熔点玻璃形成的玻璃材料，除此以外可例示出硼硅玻璃或石英玻璃、顺磁性石榴石。

[0065] 其中，由水玻璃或低熔点玻璃形成的玻璃材料可用于第二方案及第三方案这两个方案。硼硅玻璃或石英玻璃、顺磁性石榴石优选为第二方案。第二方案的情况下，形变缓和层25、26可使用由水玻璃或低熔点玻璃形成的玻璃材料。即，与固体激光介质1(形成在固体激光介质1上的第一对粘合剂防反射膜1a)接触的材料及与磁光材料2(形成在磁光材料2上的第二对粘合剂防反射膜)接触的材料均优选为由水玻璃或低熔点玻璃形成的玻璃材料。由于上述玻璃材料稳定，且作为无机透光性材料硬度比较低，因此有效地有助于固体激光介质与磁光材料的接合部的形变的缓和。

[0066] 如上所述的Q开关结构体100、10、20、30通过磁光材料2与磁通发生器的组合而作为Q开关发挥功能。图6中示出了Q开关固体激光装置的结构的一个实例。图6中以图1、2的Q开关结构体100为代表进行了图示。Q开关固体激光装置80中，上述Q开关结构体100与磁通发生器83配置在一对共振镜(第一共振镜81、第二共振镜82)之间。图6中示出了上述结构均被接合一体化的实例。然而，本发明中，只要构成Q开关结构体100的固体激光介质1与磁光材料2接合一体化即可，其他结构材料可适当配置。例如，磁通发生器可以制成永磁体与励磁线圈的组合，可设置成将励磁线圈配置于永磁体周围等。

[0067] [Q开关结构体的制造方法]接着，对本发明的Q开关结构体的制造方法进行说明。本发明的Q开关结构体的制造方法为制造图1、图2所示的具备固体激光介质1与磁光材料2，并由固体激光介质1与磁光材料2接合一体化而成的Q开关结构体100的方法，本发明中具有：准备固体激光介质1与磁光材料2的工序；在固体激光介质1的一个面上形成第一对粘合剂防反射膜1a的工序；在磁光材料2的一个面上形成第二对粘合剂防反射膜2a的工序；及将固体激光介质1的第一对粘合剂防反射膜1a与磁光材料2的第二对粘合剂防反射膜2a经由透光性材料3进行粘合的工序，所述透光性材料3在由固体激光介质1振荡出的激光的激光振荡波长下具有透光性。

[0068] 参照图7对本发明的Q开关结构体的制造方法更详细地进行说明。首先，如图7的S1所示，准备固体激光介质1与磁光材料2(工序S1)。此处准备的固体激光介质1与磁光材料2可使用上述材料。

[0069] 接着，如图7的S2所示，在固体激光介质1的一个面上形成第一对粘合剂防反射膜1a(工序S2)。此外，如图7的S3所示，在磁光材料2的一个面上形成第二对粘合剂防反射膜2a(工序S3)。这些对粘合剂防反射膜的材料可使用上述材料。防反射膜可通过离子辅助电子束真空蒸镀、离子束溅射等形成。通过在材料表面形成TiO2或Ta2O5层作为第一层，并在其上形成SiO2层作为第二层等而构成。另外，工序S2与S3的顺序任意。

[0070] 接着，如图7的S4所示，将固体激光介质1的第一对粘合剂防反射膜1a与磁光材料2的第二对粘合剂防反射膜2a粘合(工序S4)。此时，使用在由固体激光介质1振荡出的激光的激光振荡波长下具有透光性的透光性材料。

[0071] 对于工序S4的粘合工序，优选使用邵氏硬度D为80以下的有机粘合剂作为透光性材料来进行该工序(图3中示出的第一方案)、或者使用无机透光性材料作为透光性材料来进行该工序(图4中示出的第二方案、图5中示出的第三方案)。

[0072] [第一方案]作为第一方案的有机粘合剂13，可使用有机硅树脂、有机硅改性环氧树脂及环氧树脂中的至少任意一种。通过通常的有机粘合剂的作用，可将固体激光介质1的第一对粘合剂防反射膜1a与磁光材料2的第二对粘合剂防反射膜2a粘合。由此，可制造图3中示出的Q开关结构体10。将邵氏硬度D为80以下的有机粘合剂用作透光性材料时，可利用简便的方法降低将固体激光介质1与磁光材料2接合时的形变，可获得高光束质量。

[0073] [第二方案、第三方案]

[0074] 使用无机透光性材料进行粘合的方法多种多样，可使用公知的方法进行。特别优选按照以下方式进行粘合。

[0075] ＜第二方案＞如上所述，第二方案中，可将硼硅玻璃或石英玻璃、顺磁性石榴石用作无机透光性材料23。此时，如上所述，优选将由水玻璃或低熔点玻璃形成的玻璃材料用作形变缓和层
25、26。对该方案中的Q开关结构体20的制造方法更具体地进行说明。

[0076] 以将Bi‑RIG用作磁光材料2的情况为例进行说明。首先，将磁光材料(Bi‑RIG)2与无机透光性材料23接合。此时使用的无机透光性材料23优选具有Bi‑RIG与固体激光介质的线膨胀系数之间的值。此时，虽然可考虑使无机透光性材料23本身由水玻璃或低熔点玻璃形成，但由于形变缓和层25、26也可以采用水玻璃或低熔点玻璃，因此在此情况下会成为与后述的第三方案相同的构成。

[0077] 第二方案的情况下，可预先通过电子束蒸镀法在作为磁光材料2的Bi‑RIG上形成防反射膜(金属氧化膜)2a，并在其上形成作为形变缓和层26的水玻璃或低熔点玻璃层。其中，水玻璃可通过加热硅酸钠水溶液来形成带粘性的液体，并将其涂布于介质表面而形成。此外，低熔点玻璃层可通过电子束蒸镀法等化学气相沉积法形成。此时，作为所形成的低熔点玻璃，可使用以往所使用的以PbO、B2O3、TeO2、Bi2O3等为主成分的玻璃材料。此时，优选以‑8 ‑5
使水玻璃或低熔点玻璃的厚度为1×10 m～1×10 m(即10nm～10μm)的方式形成，更优选以使水玻璃或低熔点玻璃的厚度为0.010～0.100mm的方式形成。通过使作为形变缓和层26‑8
的水玻璃或低熔点玻璃层的厚度为1×10 m以上，能够获得充分的接合强度。此外，通过使‑5
该厚度为1×10 m以下，可抑制光的透射率降低。

[0078] 接着，将已在作为磁光材料2的Bi‑RIG上形成的作为形变缓和层26的水玻璃或低熔点玻璃与无机透光性材料23的接合面贴合并进行热处理。由此，作为磁光材料2的Bi‑RIG与无机透光性材料23被一体成型。若接合温度低，则可减小接合面受到的热应力，因此优选以尽可能低的温度进行熔融固接。该接合温度例如能够设为玻璃化转变温度+30℃以下。

[0079] 进一步，在无机透光性材料23上形成作为形变缓和层25的水玻璃或低熔点玻璃。该方法可以与上述相同的方式进行。

[0080] 接着，将作为形变缓和层25的水玻璃或低熔点玻璃与固体激光介质1接合。该接合方法与制造半导体的具有SOI结构的晶圆时使用的方法类似，认为此时的接合力为范德华力、氢键、共价键等。对两者的欲接合的表面进行亲水化处理，并在其接合面贴合，然后通过热处理获得充分的接合强度。

[0081] 更具体而言，可按照以下的方式将作为形变缓和层25的水玻璃或低熔点玻璃与固体激光介质1接合。首先，清洗工件表面并进行亲水化处理。关于该清洗，虽然通常的湿式清洗是有效的，但进一步同时使用短波长紫外线处理(UV处理)或等离子体处理更有效。亲水处理中，通常的氨过氧化氢水混合物(氨水、双氧水、纯水的混合液)或硝酸、盐酸的稀释液或在这些稀释液中添加有双氧水的溶液是有效的。接着，利用纯水进行清洗，除去亲水处理液。将以此方式进行了前处理的接合面面对面贴合。为了使接合更容易，期望将以纯水等极性分子为主成分的液体涂布于接合面，然后经由液体进行贴合。然后，使接合体自然干燥或真空干燥，由此以较弱的接合力进行固定。然后，通过以80～200℃左右的温度进行热处理来获得充分的接合力。

[0082] ＜第三方案＞如图5所示，第三方案中，经由作为透光性材料的无机透光性材料33，将固体激光介质1的第一对粘合剂防反射膜1a与磁光材料2的第二对粘合剂防反射膜2a之间直接粘合。
在该方法中，当固体激光介质1为Nd：YAG等石榴石材料时，优选将膨胀系数相近的由水玻璃或低熔点玻璃形成的玻璃材料用作无机透光性材料33。作为直接的接合方法，可通过同上述第二方案的接合作为形变缓和层25、26的水玻璃或低熔点玻璃与固体激光介质1和/或磁光材料2时相同的方法进行。

[0083] 如上所述，无论是第二方案还是第三方案，玻璃材料均优选通过热扩散接合或真空下的密合接合而粘合于第一对粘合剂防反射膜及第二对粘合剂防反射膜。

[0084] 可使用通过如上所述的Q开关结构体的制造方法制造的Q开关结构体，将该Q开关结构体与磁通发生器配置在一对共振镜之间，从而制造Q开关固体激光装置。实施例

[0085] 以下，示出实施例及比较例，对本发明更具体地进行说明，但本发明并不限定于此。

[0086] [实施例1‑1～1‑8]按照以下方式制造图1、2所示的Q开关结构体100。

[0087] 首先，准备作为固体激光介质1的Nd：YAG、作为磁光材料2的铋取代稀土铁石榴石((RBi)3Fe5O12，通称：Bi‑RIG)(图7的工序S1)。

[0088] 接着，在固体激光介质1的一个表面上形成对空气防反射膜(材质为在介质表面形成Ta2O5/在其上层形成SiO2)，在另一个表面(作为接合面的面)上形成对粘合剂用防反射膜(材质为在介质表面形成TiO2/在其上层形成SiO2)(图7的工序S2)。此外，在磁光材料2的一个表面(作为接合面的面)上形成对粘合剂用防反射膜(材质为在磁光材料表面形成TiO2/在其上层形成SiO2)，在另一个表面上形成对空气用防反射膜(材质为在磁光材料表面形成Ta2O5/在其上层形成SiO2)(图7的工序S3)。

[0089] 接着，使用作为透光性材料3的有机粘合剂(图3的作为有机粘合剂的透光性材料13)，进行粘合(图7的工序S4)。此时，使用固化后的邵氏硬度D不同的有机粘合剂进行粘合。
所使用的粘合剂为KJR9022、LPS5400、LPS5547F、KJR632(以上，Shin‑Etsu Chemical Co.,Ltd.制造)、Epo‑tek OD2002、Epo‑tek 302‑3M、Epo‑tek 353ND、Epo‑tek 301(以上，EPOXY TECHNOLOGY,INC.制造)。

[0090] 接合形变的评价通过下述方式进行：在从激光光源提取平行光并经由起偏镜/检偏镜导入光接收器的光学体系中，在起偏镜/检偏镜之间配置接合工件，使光射入固体激光介质1的表面，测定从磁光材料2射出的光的消光比。将所使用的粘合剂与邵氏硬度D、1064nm域下的透光率示于表1。

[0091] [表1]

[0092] 在实施例1‑1～1‑8中，得到了小型且形变得以缓和的Q开关结构体。此外，消光比为30dB以上即可，特别是若将可获得35dB以上的数值的值定义为形变小的特别良好的值，则实施例1‑1～1‑6中获得了特别良好的值。另外，即使在光输出增大的情况下，也可通过重新研究接合条件从而得到输出劣化少的Q开关。

[0093] [实施例2]按照以下方式制造图1、2所示的Q开关结构体100。

[0094] 首先，准备作为固体激光介质1的Nd：YAG、作为磁光材料2的铋取代稀土铁石榴石((RBi)3Fe5O12，通称：Bi‑RIG)(图7的工序S1)。接着，在固体激光介质1的一个表面上形成对空气防反射膜(在介质表层形成TiO2/在其上层形成SiO2)，在另一个表面(作为接合面的面)上形成对粘合剂用防反射膜(在介质表面形成TiO2/在其上层形成SiO2)(图7的工序S2)。此外，在磁光材料2的一个表面(作为接合面的面)上形成对粘合剂用防反射膜(在磁光材料表面形成TiO2/在其上层形成SiO2)，在另一个表面上形成对空气用防反射膜(在磁光材料表面形成TiO2/在其上表面形成SiO2)(图7的工序S3)。

[0095] 接着，使用作为透光性材料3的无机透光性材料(图5的无机透光性材料33)，并按照以下方式进行粘合(图7的工序S4)。

[0096] 通过化学气相沉积法在磁光材料2的对粘合剂用防反射膜上形成作为无机透光性材料33的低熔点玻璃层(PbO‑ZnO‑B2O3)。此时的厚度为0.050mm。接着，利用氨过氧化氢水混合物清洗磁光材料2的无机透光性材料33形成面与固体激光介质1的表面，并进行亲水化处理。然后，利用纯水进行清洗。将以此方式进行了前处理的接合面面对面贴合。然后，使接合体真空干燥并进行固定。然后，以400℃的温度进行热处理，由此将无机透光性材料33与固体激光介质1的表面接合。以此方式制造图5所示的Q开关结构体30。

[0097] 对于所制造的Q开关结构体，与实施例1‑1～1‑8相同地使激光透射并进行接合形变评价，可获得35dB以上的消光比。此外，使用该Q开关结构体并将其组装至Q开关固体激光装置，虽然将输出提升至10mJ并连续使用，但并未观察到输出随时间经过而劣化。

[0098] 另外，本发明并不限定于上述实施方案。上述实施方案为例示，具有与本发明的权利要求书中记载的技术构思实质相同的构成、发挥相同的作用效果的技术方案均包含在本发明的保护范围内。