JP2019129252A - 光学素子の製造方法及び光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】小型で簡便な構成を容易に実現しつつ、出射するレーザ光に対する損失の低減を図る。【解決手段】レーザ素子１の製造方法は、レーザ光Ｌに対して透明なヒートシンク２及びレーザ媒質３を接着剤を介さずに互いに接合する接合ステップを備える。接合ステップでは、ヒートシンク２及びレーザ媒質３の構成元素と置換可能な元素を含み且つ着色された中間層６を、ヒートシンク２及びレーザ媒質３との間に配置した状態で、当該ヒートシンク２と当該レーザ媒質３とを固定する。その後、中間層６にジャイアントパルスレーザ光ＧＬを照射し、当該ジャイアントパルスレーザ光ＧＬを中間層６に吸収させる。これにより、中間層６の一部を、ヒートシンク２及びレーザ媒質３と一体化し且つレーザ光Ｌに対して透明化する。【選択図】図４

Description

本発明は、レーザ光が透過又は往復する光学素子の製造方法、及びその光学素子に関する。

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素子部を接着剤を介さずに互いに接合するステップを含む方法が知られている。この種の技術として、例えば下記非特許文献１には、Ｎｄ：ＹＡＧ（第１素子部）にダイアモンド（第２素子部）を常温接合して成るレーザ素子が開示されている。

勝俣，市川，庄司、「界面に無反射コーティングを有する常温接合Ｎｄ：ＹＡＧ／ダイアモンド複合構造レーザーの高効率・高出力動作」、第６４回応用物理学会春季学術講演会、１５ｐ−２１３−８、２０１７．３

上述した技術では、小型で簡便な構成を実現できるものの、その接合は容易では無く、量産は難しいという問題がある。かかる問題を改善すべく、第１素子部と第２素子部との間の接合面積を拡げ且つ接合強度向上のために、第１素子部と第２素子部との間にシリコンや金属等の中間層を介在させることが考えられる。しかしこの場合、出射するレーザ光の損失（ロス）が中間層の存在よって大きくなってしまうという別の問題が残る。

そこで、本発明は、小型で簡便な構成を容易に実現しつつ、出射するレーザ光に対する損失の低減を図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。

本発明に係る光学素子の製造方法は、レーザ光が透過又は往復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素子部を、接着剤を介さずに互いに接合する接合ステップを備え、接合ステップは、第１素子部及び第２素子部の少なくとも一方における接合側部分の構成元素と置換可能な元素を含み且つ着色された中間層を、第１素子部と第２素子部との間に配置した状態で、当該第１素子部と当該第２素子部とを固定する第１ステップと、第１ステップの後、中間層にジャイアントパルスレーザ光を照射し、当該ジャイアントパルスレーザ光を中間層に吸収させることにより、中間層の少なくとも一部を、第１素子部及び第２素子部の少なくとも一方と一体化し且つレーザ光に対して透明化する第２ステップと、を含む。

この光学素子の製造方法では、第１素子部と第２素子部とを接着剤を介さずに接合させ、且つ、これらの間には中間層を介在させている。中間層の介在によって、第１素子部と第２素子部との間の接合面積を拡げて接合強度を向上でき、当該接合を容易且つ強固なものにすることができる。これにより、小型で簡易なレーザ素子の構成を、容易に実現することが可能となる。加えて、中間層の少なくとも一部を第１素子部及び第２素子部の少なくとも一方と一体化し且つレーザ光に対して透明化することから、中間層の存在によってレーザ光の損失が大きくなることを抑制できる。以上により、小型で簡便な構成を容易に実現しつつ、出射するレーザ光に対する損失の低減を図ることが可能となる。

本発明に係る光学素子の製造方法は、第１ステップでは、第１素子部と第２素子部とを中間層を介して常温接合してもよい。この場合、第１素子部と第２素子部とを、強い接合強度で接合して固定することができる。

本発明に係る光学素子の製造方法は、第１ステップでは、中間層を第１素子部と第２素子部との間に配置した状態で、当該第１素子部と当該第２素子部とを固定治具により固定してもよい。この場合、アンビル等の固定治具を利用して、第１素子部と第２素子部とを固定することができる。

本発明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、セスキオキサイドの単結晶、又はセラミックスであり、第２素子部は、ＹＡＧを含むガーネット、セスキオキサイドの単結晶、セラミックス、ガラス、又はサファイアを含むレーザ利得媒質であり、第１ステップでは、シリコン、アルミニウム、スカンジウム、ルテチウム、ガドリニウム及びカーボンのうちの第１素子部及び第２素子部の構成元素と置換可能な何れかを、第１素子部と第２素子部との間に配置してもよい。この場合、中間層へのジャイアントパルスレーザ光の照射及び吸収によって、中間層の少なくとも一部を安定な化合物とすることができる。なお、第１素子部及び第２素子部としては、このような物質に限定されず、様々な物質を用いることができる。ＹＡＧとは、発光中心を添加したＹＡＧ（3Y₂O₃-5Al₂O₃）を含む。同様に他の媒質においても発光中心には、希土類（ＲＥ）であるＮｄ，Ｙｂが、又は、遷移金属（ＴＭ）であるＴｉ，Ｃｒが主として用いられるが、発光中心は、目的によって添加したりしなかったりする。

本発明に係る光学素子の製造方法は、第１ステップでは、第１素子部及び第２素子部の少なくとも一方に中間層をスパッタ又は蒸着してもよい。この場合、第１素子部と第２素子部との間に中間層を配置して成る構成を、スパッタ又は蒸着により具体的に実現できる。

本発明に係る光学素子の製造方法は、第１ステップでは、第１素子部及び第２素子部の間に、シート状の中間層を挟み込んでもよい。この場合、第１素子部と第２素子部との間に中間層を配置して成る構成を、当該中間層をシート状にすることにより具体的に実現できる。

本発明に係る光学素子の製造方法は、第１素子部及び第２素子部の少なくとも一方において、その接合側部分には、コーティング層が設けられており、第２ステップでは、中間層の少なくとも一部をコーティング層と一体化してもよい。この場合、中間層の少なくとも一部の一体化を、コーティング層を利用して実現できる。

本発明に係る光学素子の製造方法は、第２ステップでは、中間層で光波が干渉するようにジャイアントパルスレーザ光の照射、超短パルス照射によるナノ構造作製、又は、直接描写ないしスキャンによるジャイアントパルスレーザ光のパターニングを行い、中間層に着色部分及び透明部分からなる微細パターンを形成してもよい。この場合、微細パターンを利用して、出射するレーザ光を変調させることが可能となる。

本発明に係る光学素子の製造方法は、第２ステップでは、中間層の一部を透明化し、中間層の他部を着色されたままとしてもよい。この場合、中間層の全域においてジャイアントパルスレーザ光を吸収させて透明化させる必要がなく、製造を簡易化できる。また、このような中間層は、アパーチャとして利用することも可能となる。

本発明に係る光学素子の製造方法では、第１素子部は、ヒートシンクを構成し、第２素子部は、レーザ媒質を構成し、第１ステップでは、第１素子部及び第２素子部を交互に並ぶように複数配置してもよい。この場合、ＤＦＣ（Distributed Face Cooling）構造による高出力の小型集積レーザ装置を実現することが可能となる。

本発明に係る光学素子の製造方法では、第１ステップの前に、中間層で光波が干渉するようにジャイアントパルスレーザ光の照射、超短パルス照射によるナノ構造作製、又は、直接描写ないしスキャンによるジャイアントパルスレーザ光のパターニングを行い、中間層に着色部分及び透明部分からなる微細パターンを形成し、第１ステップでは、第１素子部と第２素子部とを中間層を介して常温接合し、第２ステップでは、中間層における当該微細パターンの着色部分を含む部分を透明化してもよい。この場合、第１素子部と第２素子部との常温接合の接合強度について、中間層の微細パターンの着色部分を介した接合強度の方が、中間層の微細パターンの透明部分を介した接合強度よりも高くなる。つまり、透明な中間層を介した第１素子部と第２素子部との間の接合領域において、微細パターンに沿った部分の接合強度が、その他の部分の接合強度と異なる。その結果、最終的には透明であっても、当該接合強度の違いから、第１素子部と第２素子部との間の透過率が微細パターンに応じて変わる。したがって、微細パターンを利用して、出射するレーザ光を変調させることが可能となる。出射するレーザ光の偏光制御が可能となる。光学的な機能を付与することができる。

本発明に係る光学素子は、レーザ光が透過又は往復する光学素子であって、出射するレーザ光に対して透明な第１素子部と、第１素子部に接着剤を介さずに接合された第２素子部と、を備え、第１素子部と第２素子部との間には、中間層が介在されており、中間層の少なくとも一部は、第１素子部及び第２素子部の少なくとも一方と一体化され且つレーザ光に対して透明である。

この光学素子では、第１素子部と第２素子部とが接着剤を介さずに接合され、且つ、これらの間には中間層が介在されている。中間層の介在によって、第１素子部と第２素子部との間の接合面積を拡げて接合強度を向上でき、当該接合を容易且つ強固なものにすることができる。これにより、小型で簡易なレーザ素子の構成を、容易に実現することが可能となる。加えて、中間層の少なくとも一部については、第１素子部及び第２素子部の少なくとも一方と一体とされ且つレーザ光に対して透明とされているため、中間層の存在によってレーザ光の損失が大きくなるのを抑制できる。以上により、小型で簡便な構成を容易に実現しつつ、出射するレーザ光に対する損失の低減を図ることが可能となる。

本発明に係る光学素子では、中間層の少なくとも一部は、第１素子部の接合側部分の構成元素を含む化合物、及び、第２素子部の接合側部分の構成元素を含む化合物のうちの少なくとも何れかであってもよい。この場合、中間層の少なくとも一部を第１素子部及び第２素子部の少なくとも一方と一体化して成る構成が、具体的に実現される。

本発明に係る光学素子では、第１素子部及び第２素子部の少なくとも一方において、その接合側部分には、コーティング層が設けられており、中間層の少なくとも一部は、コーティング層と一体化されていてもよい。この場合、中間層の少なくとも一部の一体化を、コーティング層を利用して実現できる。

本発明に係る光学素子では、中間層には、着色された着色部分及びレーザ光に対して透明な透明部分からなる微細パターンが形成されていてもよい。この場合、微細パターンを利用して、出射するレーザ光を変調させることが可能となる。

本発明に係る光学素子では、中間層の一部は、レーザ光に対して透明であり、中間層の他部は、着色されていてもよい。このような中間層は、アパーチャとして利用することも可能となる。

本発明に係る光学素子では、第１素子部は、ヒートシンクを構成し、第２素子部は、レーザ媒質を構成し、第１素子部及び第２素子部は、交互に並ぶように複数配置されていてもよい。これにより、ＤＦＣ構造による高出力の小型集積レーザ装置を実現することが可能となる。

本発明に係る光学素子では、透明な中間層を介した第１素子部と第２素子部との間の接合領域において、微細パターンに沿った部分の接合強度が、その他の部分の接合強度と異なっていてもよい。これにより、透明であっても、当該接合強度の違いから、第１素子部と第２素子部との間の透過率が微細パターンに応じて変わる。したがって、微細パターンを利用して、出射するレーザ光を変調させることが可能となる。出射するレーザ光の偏光制御が可能となる。光学的な機能を付与することができる。

本発明によれば、小型で簡便な構成を容易に実現しつつ、出射するレーザ光に対する損失の低減を図ることが可能な光学素子及び光学素子の製造方法を提供することが可能となる。

第１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。 （ａ）は、第１実施形態に係る接合ステップを説明する図である。（ｂ）は、図２（ａ）の続きを説明する図である。 （ａ）は、図２（ｂ）の続きを説明する図である。（ｂ）は、図３（ａ）の続きを説明する図である。 （ａ）は、図３（ｂ）の続きを説明する図である。（ｂ）は、図４（ａ）の続きを説明する図である。 （ａ）は、ジャイアントパルスレーザ光の照射前の外観を示す写真図である。（ｂ）は、ジャイアントパルスレーザ光の照射後の外観を示す写真図である。 （ａ）は、ジャイアントパルスレーザ光の照射前の中間層を示す拡大図である。（ｂ）は、ジャイアントパルスレーザ光の照射後の中間層を示す拡大図である。 （ａ）は、第２実施形態に係る接合ステップを説明する図である。（ｂ）は、図７（ａ）の続きを説明する図である。 （ａ）は、図７（ｂ）の続きを説明する図である。（ｂ）は、図８（ａ）の続きを説明する図である。 （ａ）は、第３実施形態に係る接合ステップを説明する図である。（ｂ）は、図９（ａ）の続きを説明する図である。 （ａ）は、第４実施形態に係る接合ステップを説明する図である。（ｂ）は、図１０（ａ）の続きを説明する図である。 （ａ）は、図１０（ｂ）の続きを説明する図である。（ｂ）は、図１１（ａ）の続きを説明する図である。 （ａ）は、第５実施形態に係る接合ステップを説明する図である。（ｂ）は、図１２（ａ）の続きを説明する図である。 微細パターンを示す拡大写真図である。 第６実施形態に係るレーザ素子を示す縦断面図である。 第７実施形態に係るレーザ素子を示す縦断面図である。 （ａ）は、第８実施形態に係る非線形波長変換素子の製造方法を説明する図である。（ｂ）は、図１６（ａ）の続きを説明する図である。（ｃ）は、図１６（ｂ）の続きを説明する図である。（ｄ）は、図１６（ｃ）の続きを説明する図である。 （ａ）は、変形例に係る接合ステップを説明する図である。（ｂ）は、図１７（ａ）の続きを説明する図である。 （ａ）は、他の変形例に係るレーザ素子の製造方法を説明する図である。（ｂ）は、図１８（ａ）の続きを説明する図である。 中間層を介して接合した水晶基板の入射ジャイアントパルスレーザ光透過特性の入射光エネルギー依存特性の一例を示すグラフである。

以下、図面を参照しつつ本発明の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。

［第１実施形態］
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、第１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の出射方向を「Ｘ方向」とし、Ｘ方向と直交する一方向を「Ｙ方向」とし、Ｘ方向及びＹ方向と直交する方向を「Ｚ方向」として説明する。図面の寸法比率は図示の比率に限られるものではない。

まず、レーザ素子１の構成について説明する。

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４と、第２コーティング層５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、Ｘ方向における一端側（図示左側）からＸ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Ｘ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。

ヒートシンク２及びレーザ媒質３は、Ｘ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とレーザ媒質３とは、Ｘ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（換言すると、直接接合）されている。ここでは、ヒートシンク２とレーザ媒質３とは、後述するように、中間層６を介して常温接合されて積層されている。Ｘ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。

ヒートシンク２は、レーザ媒質３に比較し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。レーザ媒質３は、励起状態において増幅が吸収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。

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。

第１コーティング層４は、Ｘ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。

第２コーティング層５は、Ｘ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。

中間層６は、ヒートシンク２とレーザ媒質３との間に介在されている緩衝層である。中間層６の一部は、ヒートシンク２及びレーザ媒質３と一体化されている。ここでの中間層６の一部は、Ｘ方向から見た場合における中央部分である。中間層６の一部は、レーザ光Ｌに対して透明である。中間層６の他部は、着色されている。ここでの中間層６の他部は、Ｘ方向から見た場合における外縁部分（周縁部分）である。中間層６の他部は、レーザ光Ｌに対して不透明（上述した透明ではない状態）である。例えばレーザ光Ｌに対して不透明とは、ここでは、レーザ光Ｌに対する透過率が７７％未満であることをいう。

中間層６は、耐薬品性及び耐食性が高く、且つ、ガスバリヤ性も高い層である。透明でヒートシンク２及びレーザ媒質３と一体の中間層６の一部は、ヒートシンク２のバウンダリーである接合側部分の構成元素を含む化合物、及び、レーザ媒質３のバウンダリーである接合側部分の構成元素を含む化合物のうちの少なくとも何れかを含む。中間層６の他部は、ヒートシンク２及びレーザ媒質３の少なくとも一方の構成元素と置換可能な元素で形成されている。例えば、ヒートシンク２、レーザ媒質３、中間層６の一部（透明部分、後述のジャイアントパルス照射時に反応生成された物質）、及び、中間層６の他部（着色部分）の材料としては、下表１の例が挙げられる。

ここで、
RE＝Ce,Pr,Nd,Sm,Eu,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb等の添加希土類元素
TM＝Mg,Ca,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Cr,Ti,Te,Nb,V等の添加遷移金属元素
コーティング最終層：ヒートシンク２のレーザ媒質３側、及び、レーザ媒質３のヒートシンク２側の少なくとも何れかに設けられた１又は複数のコーティング層であって、最も相手側（レーザ媒質３側又はヒートシンク２側）に近い側である最表面側に位置するコーティング層。後述の第４実施形態も参照。

中間層６の一部は、ヒートシンク２の構成元素と、レーザ媒質３の構成元素と、中間層６の他部の構成元素と、の混晶である。中間層６の一部は、中間層６の他部の構成元素が相転移して成る部位である。ヒートシンク２及びレーザ媒質３と一体化した中間層６の一部の存在は、中間層６の構成元素（中間層６の他部の元素）の濃度が高まっていることで把握可能である。

次に、レーザ素子１の製造方法について説明する。

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。そして、ヒートシンク２及びレーザ媒質３を交互に並ぶように積層（複数配置）しつつ、ヒートシンク２及びレーザ媒質３を接着剤を介さずに互いに接合する。

以下、ヒートシンク２及びレーザ媒質３を互いに接合する接合ステップを詳説する。図２〜図４は、接合ステップを説明するための各図である。図２〜図４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。図２〜図４では、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）。

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及びレーザ媒質３の各表面に、中間層６をスパッタする。中間層６の厚さは、例えば片側１０ｎｍ程度である。中間層６は、ヒートシンク２及びレーザ媒質３の少なくとも一方の構成元素と置換可能な元素を含み、且つ着色されている。用いるヒートシンク２、レーザ媒質３及び中間層６のそれぞれとしては、例えば上表１における「ヒートシンク」、「レーザ媒質」及び「中間層の他部（着色部分）」のそれぞれで示した材料が挙げられる。中間層６をスパッタするのに代えて、蒸着してもよい（以下のスパッタに関して同様）。

図２（ｂ）に示されるように、ヒートシンク２とレーザ媒質３との間に中間層６を配置した状態で、ヒートシンク２とレーザ媒質３とを表面活性化常温接合により接合して固定する（第１ステップ）。表面活性化常温接合（以下、単に「常温接合」ともいう）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（中性原子ビーム）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。常温接合は、分子間結合を利用した直接接合である。

具体的には、略真空環境下において、ヒートシンク２の中間層６側の表面、及び、レーザ媒質３の中間層６側の表面に、アルゴン（Ａｒ）等のイオンビーム又はＦＡＢ（中性原子ビーム）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^−８Ｐａ以上、大気圧未満の真空又は減圧雰囲気である。

イオンビーム又はＦＡＢ（中性原子ビーム）としては、アルゴンの他に、ネオン（Ｎｅ）、クリフトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅｎｏｎ）、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（中性原子ビーム）に所定の運動エネルギーを与えることができる。

図３（ａ）に示されるように、ヒートシンク２の中間層６側とレーザ媒質３の中間層６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とが中間層６を介して強固に結合する。当該略真空環境は、例えばバックグラウンド圧力が１．５×１０^−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。

図４（ａ）に示されるように、中間層６にジャイアントパルスレーザ光ＧＬを照射し、当該ジャイアントパルスレーザ光ＧＬを中間層６に吸収させる（第２ステップ）。これにより、中間層６に衝撃波Ｐが発生し、この衝撃波Ｐがヒートシンク２とレーザ媒質３とにより押し戻され、中間層６に瞬間的な高温且つ高圧力状態が引き起こされる。その結果、図４（ｂ）に示されるように、中間層６の一部である中央部６ａは、接合母材であるヒートシンク２及びレーザ媒質３中に拡散ないし相転移してヒートシンク２及びレーザ媒質３と一体化し、透明化する。一方、中間層６の他部である外縁部６ｂは、着色されたままとなる。

ジャイアントパルスレーザ光ＧＬは、衝撃波Ｐが発生可能なレーザ光である。ジャイアントパルスレーザ光ＧＬは、サブナノ秒のパルス幅を有するレーザ光である。ジャイアントパルスレーザ光ＧＬは、マイクロレーザ及びそのシステムを利用して得られる。ジャイアントパルスレーザ光ＧＬは、例えばパルス幅が１０ｎｓ以下で１ｐｓ以上の領域（特に、１ｎｓ以下で１０ｐｓ以上）のレーザ光である。

図１９は、シリコンからなる中間層６を介して接合した水晶基板の入射ジャイアントパルスレーザ光透過特性の入射光エネルギー依存特性の一例を示すグラフである。ここでは、ジャイアントパルスレーザ光ＧＬのパルス幅は０．６ｎｓ、波長は１０６４ｎｍであり、これを焦点距離３００ｍｍの集光レンズを用いて水晶基板（サンプル）に集光・照射し、透過してきた入射光エネルギー（レーザエネルギー）をエネルギーメータを用いてプロットしている（Ｆｒｅｓｎｅｌ損失は差し引いているので、このグラフは正しい透過率を示す）。ジャイアントパルスレーザ光ＧＬは、マイクロレーザ、入射エネルギ制御部及び出力エネルギモニタ部等を含むシステムを利用して得られる。当該システムとしては特に限定されず、種々のシステムを利用することができる。

図中の「Ｅｎｅｒｇｙ ＵＰ」とは、最初にジャイアントパルスレーザ光ＧＬを照射すると共に、そのレーザエネルギーをどんどん上げている状態である。入射光エネルギーの増大に従い接合に用いた中間層６は相変化を起こし透明になって行く。そして、２．５ｍＪを超えたあたりから飽和するが、一見、完全な透明状態にはなっていない。これは透明化のため、また、測定のために用いたジャイアントパルスレーザ光ＧＬがガウシャンビーム（プロファイル）であり、ビーム中心は十分に透明化されていたとしても周辺の光反応が不十分であるため、透明化も不十分であったと考えられる。そして、レーザエネルギーの最大投入時から下げて行くと、すなわち、図中の「Ｅｎｅｒｇｙ ｄｏｗｎ」の場合、透過率は最大のままであると通常は思われるが、測定のために用いたジャイアントパルスレーザ光ＧＬがガウシャンビームなので強度分布は中心が高い形状であることから、その半径がそのまま細くなった後に点になり消える。よって、レーザエネルギーを下げるに従って、中間層６でも一番透過率が高いところをジャイアントパルスレーザ光ＧＬが通るようになり、その透過率が順次１００％に近づく。

なお、図１９に示される例において、３．５ｍＪ（集光レンズの焦点距離３００ｍｍ）を遙かに超えてエネルギーを投入すると、今度は水晶基板を含め損傷が入り、入射光は散乱され、むしろ透過率は下がる。すなわち、中間層６として用いる材料にもよるが、一般には、中間層６の透明化には基板（第１素子部及び第２素子部）そのものが損傷を起こす直前までの、ある程度のジャイアントパルス光フルーエンスが必要であるが、これにより、ほぼ１００％の透明化も可能になることが分かる。

ちなみに、ジャイアントパルスレーザ光ＧＬに代えて、ＣＷレーザ光をビーム径３００μｍまで細くしたＣＷレーザ光を用いて測ると、９９．０％程度の透過率を得られる。また、集光レンズの焦点距離を短くする場合、強度が上がりすぎて損傷が入るために、透過率が下がる。一方、集光レンズを用いないと、集光不足で十分な透明化ができない。

図５（ａ）は、ヒートシンク２とレーザ媒質３との間に中間層６を配置したサンプルであって、ジャイアントパルスレーザ光ＧＬの照射前の外観を示す写真図である。図５（ｂ）は、ヒートシンク２とレーザ媒質３との間に中間層６を配置したサンプルであって、ジャイアントパルスレーザ光ＧＬの照射後の外観を示す写真図である。図５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ＹＡＧを用い、中間層６にシリコンを用いた。ジャイアントパルスレーザ光ＧＬについて、レーザ強度は９００ＭＷ／ｃｍ^２とし、ビーム径は１．４２ｍｍとし、パルスエネルギは５ｍＪとし、パルス幅は７００ｐｓとし、波長は１０６４ｎｍとした。

図５（ａ）に示される照射前のサンプルでは、中間層６の存在により茶色く着色していることがわかる。照射前のサンプルでは、透過率は７７％であった。図５（ｂ）に示される照射後のサンプルでは、中間層６の一部（図中の左右に延びる帯状部分）について、着色が消失して透明化している。照射後のサンプルでは、透過率が９７％であった。

図６（ａ）は、ヒートシンク２とレーザ媒質３との間に中間層６を配置したサンプルであって、ジャイアントパルスレーザ光ＧＬの照射前の中間層６を示す拡大図である。図６（ｂ）は、ヒートシンク２とレーザ媒質３との間に中間層６を配置したサンプルであって、ジャイアントパルスレーザ光ＧＬの照射後の中間層６を示す拡大図である。図６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ＹＡＧを用い、中間層６にシリコンを用いた。図６の拡大図は、ＥＤＸ（Energy dispersive X-ray spectroscopy）データである。

図６（ａ）に示されるように、照射前のサンプルでは、サファイア、シリコン及びＹＡＧのそれぞれが確認される。図６（ｂ）に示されるように、照射後のサンプルでは、シリコンは消失ないし点在していることが確認される。照射後のサンプルでは、シリコンは、ＹＡＧ及びサファイアにおける構成元素と置換として一体化している。

以上、本実施形態に係るレーザ素子１の製造方法では、ヒートシンク２とレーザ媒質３とを接着剤を介さずに接合させ、且つ、これらの間には中間層６を介在させている。中間層６の介在によって、ヒートシンク２とレーザ媒質３との間の接合面積を拡げることができ、接合強度を向上できる。ヒートシンク２とレーザ媒質３との接合を、容易且つ強固なものにすることができる。これにより、小型で簡易なレーザ素子１の構成を、容易に実現することが可能となる。加えて、元々は着色されている中間層６の一部をヒートシンク２及びレーザ媒質３と一体化し且つレーザ光Ｌに対して透明化することから、中間層６の存在によってレーザ光Ｌの損失が大きくなることを抑制できる。以上により、レーザ素子１の製造方法によれば、小型で簡便な構成を容易に実現しつつ、出射するレーザ光Ｌに対する損失の低減を図ることが可能となる。

レーザ素子１の製造方法は、ヒートシンク２とレーザ媒質３とを中間層６を介して常温接合する。これにより、ヒートシンク２とレーザ媒質３とを、強い接合強度で接合して固定することができる。ヒートシンク２とレーザ媒質３とを、接合界面にボイド無く接合することが可能となる。常温接合によれば、非常に強固な接合が可能となる。

ちなみに、レーザ素子１の製造において、常温接合を進化させた手法である「中間層６による表面活性化常温接合」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。

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、セスキオキサイドの単結晶、又はセラミックスである。レーザ媒質３は、ＹＡＧを含むガーネット、セスキオキサイドの単結晶、セラミックス、ガラス、又はサファイアを含むレーザ利得媒質である。そして、ヒートシンク２とレーザ媒質３を常温接合するに際し、シリコン、アルミニウム、スカンジウム、ルテチウム、ガドリニウム及びカーボンのうちのヒートシンク２及びレーザ媒質３の構成元素と置換可能な何れかを、ヒートシンク２とレーザ媒質３との間に配置する。これにより、中間層６に対してジャイアントパルスレーザ光ＧＬの照射し、中間層６の中央部６ａをヒートシンク２及びレーザ媒質３と一体化した場合に、中間層６の中央部６ａを安定な化合物とすることができる。

レーザ素子１の製造方法は、ヒートシンク２及びレーザ媒質３に中間層６をスパッタする。これにより、ヒートシンク２とレーザ媒質３との間に中間層６を配置して成る構成を、スパッタにより具体的に実現できる。なお、中間層６の形成手法については、スパッタに限定されず、プラズマ促進化学気相成長法であってもよいし、公知の種々の手法であってもよい。

レーザ素子１の製造方法は、中間層６の一部である中央部６ａを透明化し、中間層６の他部である外縁部６ｂを着色されたままとする。この場合、中間層６の全域においてジャイアントパルスレーザ光ＧＬを吸収させて透明化させる必要がなく、製造を簡易化できる。また、このような中間層６は、アパーチャとして利用することも可能となる。

レーザ素子１では、ヒートシンク２とレーザ媒質３とが接着剤を介さずに接合され、且つ、これらの間には中間層６が介在されている。中間層６の介在によって、ヒートシンク２とレーザ媒質３との間の接合面積を拡げることができ、接合強度を向上できる。ヒートシンク２とレーザ媒質３との接合を容易且つ強固なものにすることができる。これにより、小型で簡易なレーザ素子１の構成を、容易に実現することが可能となる。加えて、中間層６の一部については、ヒートシンク２及びレーザ媒質３との少なくとも一方と一体とされ且つレーザ光Ｌに対して透明とされているため、中間層６の存在によってレーザ光Ｌの損失が大きくなるのを抑制できる。以上により、レーザ素子１によれば、小型で簡便な構成を容易に実現しつつ、出射するレーザ光Ｌに対する損失の低減を図ることが可能となる。

レーザ素子１では、中間層６の一部は、ヒートシンク２の構成元素を含む化合物、及び、レーザ媒質３の構成元素を含む化合物のうちの少なくとも何れかである。これにより、中間層６の一部をヒートシンク２及びレーザ媒質３の少なくとも一方と一体化して成る構成を、具体的に実現できる。

レーザ素子１では、中間層６の一部である中央部６ａはレーザ光Ｌに対して透明であり、中間層６の他部である外縁部６ｂは着色されている。このような中間層６は、アパーチャとして利用することも可能となる。

レーザ素子１の製造方法及びレーザ素子１では、ヒートシンク２及びレーザ媒質３が交互に並ぶように複数配置されている。この場合、ＤＦＣ構造による高出力の小型集積レーザ装置１００を実現できる。

セラミックスで形成されるレーザ媒質３は、研磨しても表面精度が向上しないため、光学コーティングの損傷閾値が単結晶のそれより１桁以上低い。この点、本実施形態では、レーザ媒質３ではなく、サファイア等の単結晶で形成されるヒートシンク２に光学コーティングを施して、第１コーティング層４及び第２コーティング層５を形成している。すなわち、セラミックスに直接ではなく、接合単結晶を介してコーティングしており、これにより、耐性を３０〜４０倍も向上させることが可能となる。

なお、中間層６において透明で一体化される一部は、その位置、大きさ及び範囲は特に限定されない。中間層６に対するジャイアントパルスレーザ光ＧＬの照射条件、照射位置、ジャイアントパルスレーザ光ＧＬのスキャン、及び当該スキャンの範囲等々の少なくとも何れかを制御することで、中間層６の当該一部を所望の位置、大きさ及び範囲に設けることができる。

中間層６は、ヒートシンク２及びレーザ媒質３の何れかの構成元素と置換可能な元素を含んでいてもよい。中間層６の中央部６ａは、ヒートシンク２及びレーザ媒質３の何れか一方のみと一体化されていてもよい。本実施形態において、製造された完成品としてのレーザ素子１における中間層６の着色部分（つまり、中間層６の他部である外縁部６ｂ）は、製造段階におけるジャイアントパルスレーザ光ＧＬの照射前の中間層６に対応する。

一般的に、常温接合する母材の表面は、イオンビームが照射されることでプラズマに晒され、分子構造が破壊されてしまい，平滑性を失ってしまう（凹凸が生じる）。そのために、場合によっては常温接合を行うことが困難である。本実施形態では、中間層６を介して常温接合（つまり、常温接合により接合可能な膜を成膜）しており、常温接合が可能な母材の種類を増やすことができる。

ちなみに、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Ｌ_０とし、励起光吸収係数をαとするなら、η＝１−ｅｘｐ（αＬ_０）となる。すなわち、Ｎｄ：ＹＡＧの長さＬ_０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、Ｌ_０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。

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、中間層を介した接合であるため、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。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明する。第２実施形態の説明では、第１実施形態と異なる点について説明する。

図７及び図８は、第２実施形態に係る接合ステップを説明するための各図である。図７（ａ）に示されるように、略真空環境のチャンバー１１内において、レーザ媒質３の表面のみに中間層６をスパッタする。略真空環境下において、ヒートシンク２の表面及びレーザ媒質３の中間層６側の表面にイオンビーム又はＦＡＢ（中性原子ビーム）を照射し、当該表面に新生面を形成し、新生面同士を接触させる。これにより、図７（ｂ）に示されるように、ヒートシンク２とレーザ媒質３とが中間層６を介して強固に結合する。

図８（ａ）に示されるように、中間層６にジャイアントパルスレーザ光ＧＬを照射し、当該ジャイアントパルスレーザ光ＧＬを中間層６に吸収させる。これにより、中間層６に衝撃波Ｐが発生し、この衝撃波Ｐがヒートシンク２とレーザ媒質３とにより押し戻され、中間層６に瞬間的な高温且つ高圧力状態が引き起こされる。その結果、図８（ｂ）に示されるように、中間層６の一部である中央部６ａは、ヒートシンク２及びレーザ媒質３中に拡散ないし相転移してヒートシンク２及びレーザ媒質３と一体化し、透明化する。一方、中間層６の他部である外縁部６ｂは、着色されたままとなる。

以上、本実施形態においても、小型で簡便な構成を容易に実現しつつ、出射するレーザ光Ｌに対する損失の低減を図ることが可能となる。

［第３実施形態］
次に、第３実施形態について説明する。第３実施形態の説明では、第２実施形態と異なる点について説明する。

図９は、第３実施形態に係る接合ステップを説明するための図である。図９（ａ）に示されるように、略真空環境のチャンバー１１内において、ヒートシンク２とレーザ媒質３との間に、薄いシート状の中間層６を配置する。略真空環境下において、中間層６をヒートシンク２及びレーザ媒質３で挟み込み、ヒートシンク２とレーザ媒質３とを中間層６を介して常温接合する。これにより、図９（ｂ）に示されるように、ヒートシンク２とレーザ媒質３とが中間層６を介して強固に結合する。その後、中間層６にジャイアントパルスレーザ光ＧＬを照射する。

以上、本実施形態においても、小型で簡便な構成を容易に実現しつつ、出射するレーザ光Ｌに対する損失の低減を図ることが可能となる。

本実施形態では、シート状の中間層６をヒートシンク２及びレーザ媒質３で挟み込み、これらを固定する。ヒートシンク２とレーザ媒質３との間に中間層６を配置して成る構成について、中間層６をシート状とすることにより具体的に実現できる。

［第４実施形態］
次に、第４実施形態について説明する。第４実施形態の説明では、第１実施形態と異なる点について説明する。

図１０及び図１１は、第４実施形態に係る接合ステップを説明するための各図である。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の表面にコーティング層１２を形成する。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においての表面側を構成する。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。コーティング層１２は、例えばＳｉＯ_２やＡｌ_２Ｏ_３、又はＹＡＧ等のＳｉやＡｌ等の中間層６と混晶又は元素置換が起きる構成とする。

図１０（ａ）に示されるように、略真空環境のチャンバー１１内において、レーザ媒質３の表面及びヒートシンク２のコーティング層１２に、中間層６をスパッタする。ここでの中間層６は、コーティング層１２及びレーザ媒質３の少なくとも一方の構成元素と置換可能な元素で形成されている。略真空環境下において、コーティング層１２の中間層６側の表面及びレーザ媒質３の中間層６側の表面にイオンビーム又はＦＡＢ（中性原子ビーム）を照射し、当該表面に新生面を形成し、新生面同士を接触させる。これにより、図１０（ｂ）に示されるように、ヒートシンク２におけるコーティング層１２とレーザ媒質３とが、中間層６を介して強固に結合する。

図１１（ａ）に示されるように、中間層６にジャイアントパルスレーザ光ＧＬを照射し、当該ジャイアントパルスレーザ光ＧＬを中間層６に吸収させる。これにより、中間層６に衝撃波Ｐが発生し、この衝撃波Ｐがヒートシンク２のコーティング層１２とレーザ媒質３とにより押し戻され、中間層６に瞬間的な高温且つ高圧力状態が引き起こされる。その結果、図１１（ｂ）に示されるように、中間層６の一部である中央部６ａは、ヒートシンク２の最終層としてのコーティング層１２及びレーザ媒質３中に拡散ないし相転移し、これらと一体化して透明化する。図示する例では、中間層６の中央部６ａは、コーティング層１２だけでなく、ヒートシンク２におけるコーティング層１２よりも内部とも一体化している。中間層６の他部である外縁部６ｂは、着色されたままとなる。

以上、本実施形態においても、小型で簡便な構成を容易に実現しつつ、出射するレーザ光Ｌに対する損失の低減を図ることが可能となる。

本実施形態では、ヒートシンク２の接合側部分にはコーティング層１２が設けられており、中間層の中央部６ａが当該コーティング層１２と一体化されている。この場合、中間層６の中央部６ａの透明化及び一体化を、コーティング層１２を利用して実現できる。また、中間層６は、ヒートシンク２における本体部分（コーティング層１２以外の部分）の構成元素と置換可能な元素を含んでいなくても、コーティング層１２の構成元素と置換可能な元素を含んでいればよい。そのため、構成ないし製造プロセスの自由度を高めることができる。さらに、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、コーティング層１２は有効である。

［第５実施形態］
次に、第５実施形態について説明する。第５実施形態の説明では、第２実施形態と異なる点について説明する。

図１２は、第５実施形態に係る接合ステップを説明するための図である。図１２（ａ）に示されるように、中間層６で光波が干渉するようにジャイアントパルスレーザ光Ｇを照射し、当該ジャイアントパルスレーザ光ＧＬを中間層６に吸収させる。図示する例では、ジャイアントパルスレーザ光源及びビームスプリッタを含むマイクロレーザ１４から第１ジャイアントパルスレーザ光ＧＬ１及び第２ジャイアントパルスレーザ光ＧＬ２を出射させ、それぞれをミラーＭ１，Ｍ２を介して中間層６の同位置に導き、第１ジャイアントパルスレーザ光ＧＬ１及び第２ジャイアントパルスレーザ光ＧＬ２の各光波を中間層６で干渉させる。

これにより、中間層６に衝撃波Ｐが発生し、この衝撃波Ｐがヒートシンク２のコーティング層１２とレーザ媒質３とにより押し戻され、中間層６に瞬間的な高温且つ高圧力状態が引き起こされる。その結果、図１２（ｂ）に示されるように、中間層６において、着色部分及び透明部分からなる微細パターン６ｘを形成する。微細パターン６ｘは、通過するレーザ光を変調させる機能を有する。微細パターン６ｘは、所定の形状を成す微細構造である。微細パターン６ｘは、中間層６に照射されたジャイアントパルスレーザ光ＧＬの光波の干渉に応じた微細構造を有する。微細パターン６ｘは、カラーグレーディングパターン（色が調整された図像）である。ここでの微細パターン６ｘは、直線状の着色部分と直線状の透明部分とが交互に並ぶ縞模様であって所定のグレーティング（回折格子）を構成するパターンである（図１３参照）。

以上、本実施形態においても、小型で簡便な構成を容易に実現しつつ、出射するレーザ光Ｌに対する損失の低減を図ることが可能となる。

本実施形態では、微細パターン８ｘを利用して、出射するレーザ光Ｌを変調させることが可能となる。微細パターン８ｘを偏光フィルタとして用いることができる。

なお、中間層６で光波が干渉するようにジャイアントパルスレーザ光Ｇを照射する例としては、図１２（ａ）の例に特に限定されない。表面又は裏面が傾斜したヒートシンク２を用いることで、ジャイアントパルスレーザ光ＧＬの光波を中間層６で干渉させてもよい。微細パターン６ｘとしては、グレーティングの微細構造に特に限定されない。微細パターン６ｘは、直線状の微細構造、格子状の微細構造、円形状の微細構造、又は、これらの少なくとも何れかを組み合わせた微細構造であってもよい。また、直接描写（投影方式）ないしスキャン（スキャン方式）によるジャイアントパルスレーザ光ＧＬのパターニングを行い、中間層６に微細パターン６ｘを形成してもよい。当該パターニングには、公知の種々のパターニング法を利用できる。また、超短パルス照射によるナノ構造作製を行い、中間層６に微細パターン６ｘを形成してもよい。超短パルス照射によるナノ構造作製は、それ自体は公知の技術であり、超短パルス照射によるナノ構造作製の手法として、種々の手法を利用できる。

［第６実施形態］
次に、第６実施形態について説明する。第６実施形態の説明では、第１実施形態と異なる点について説明する。

図１４は、第６実施形態に係るレーザ素子６０１を示す縦断面図である。図１４に示されるように、レーザ素子６０１は、中間層６として、第１中間層６６１及び第２中間層６６２を有する。第１中間層６６１の一部である中央部６６１ａ及び第２中間層６６２の一部である中央部６６２ａは、ヒートシンク２及びレーザ媒質３と一体化された透明部分である。当該中央部６６１ａは、当該中央部６６２ａよりも広領域に拡がっている。当該中央部６６１ａは、Ｘ方向から見て、当該中央部６６２ａを含む位置及び範囲で拡がっている。なお、レーザ素子６０１では、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。

以上、本実施形態においても、小型で簡便な構成を容易に実現しつつ、出射するレーザ光Ｌに対する損失の低減を図ることが可能となる。

本実施形態では、異なる第１中間層６６１及び第２中間層６６２により、異なる大きさの開口を有する複数のアパーチャ（ハードアパーチャ及びソフトアパーチャ）を構成することができる。

［第７実施形態］
次に、第７実施形態について説明する。第７実施形態の説明では、第１実施形態と異なる点について説明する。

図１５は、第７実施形態に係るレーザ素子７０１を示す縦断面図である。図１５に示されるように、レーザ素子７０１は、マイクロレーザを構成する。レーザ素子７０１は、一対のヒートシンク２の間に、レーザ媒質３及びＱスイッチ素子７０２を備える。Ｑスイッチ素子７０２は、レーザ媒質３から入射する光強度が増大すると吸収能力が飽和する特性を有する可飽和吸収体である。Ｑスイッチ素子７０２は、レーザ媒質３に中間層６を介して接合されている。Ｑスイッチ素子７０２は、ヒートシンク２に中間層６を介して接合されている。図示する例では、Ｑスイッチ素子７０２とヒートシンク２との間の中間層６は、微細パターン６ｘを有する。微細パターン６ｘについては、上記第５実施形態と同様である。

以上、本実施形態においても、小型で簡便な構成を容易に実現しつつ、出射するレーザ光Ｌに対する損失の低減を図ることが可能となる。

なお、Ｑスイッチ素子７０２は、ＥＯ素子（電気光学素子）でも、ＡＯ素子（音響光学素子）でも、ＭＯ素子（磁気光学素子）でもよい。Ｑスイッチ素子７０２に代えて、非線形光学素子を備えていてもよい。Ｑスイッチ素子７０２は、第１素子部ないし第２素子部を構成する。

［第８実施形態］
次に、第８実施形態について説明する。第８実施形態の説明では、第１実施形態と異なる点について説明する。

図１６は、第８実施形態に係る非線形波長変換素子８０１を示す縦断面図である。非線形波長変換素子８０１は、擬似位相整合（ＱＰＭ）を実現するための周期構造を有する光学素子である。非線形波長変換素子８０１を製造する場合、図１６（ａ）に示されるように、複数の水晶板８０２を用意し、複数の水晶板８０２を中間層８０６を介して重なるように接合する。複数の水晶板８０２のうち隣接する一対の水晶板８０２は、目的とする発生電界の符号が異なるように配置している。水晶は自発分極を有さないので、例えば、その結晶方位が互いに交差（直交）させることも有効である。交差させずに方位を反対にすることもある。なお、水晶に限らず、ＧａＰ，ＧａＡｓ，ＧａＮ等の化合物半導体も、結晶方位を変えて接合することで、波長変換素子となり得る。（Ｍｇ）ＬＮ，（Ｍｇ）ＬＴ，（Ｒｂ）ＫＴＰ，ＲＴＰ等の強誘電体であれば、自発分極が反対になるように配置し、それらを接合する。また、非線形効果を有さない材料を配置して、いわゆる目的とする波長変換に関して、そのコヒーレント長の整数倍（特に奇数倍）に合わせた連続接合構造をとる。ちなみに、複数の水晶板８０２は、中間層８０６を介して互いに常温接合されている。水晶板８０２の厚さは、例えば数１０μｍ〜数１００μｍである。中間層８０６は、シリコンで形成された薄膜層である。

図１６（ｂ）に示されるように、中間層８０６にジャイアントパルスレーザ光ＧＬを照射し、当該ジャイアントパルスレーザ光ＧＬを中間層８０６に吸収させる。これにより、中間層８０６に衝撃波Ｐを発生させ、中間層６に瞬間的な高温且つ高圧力状態が引き起こされる。中間層８０６の一部である中央部８０６ａを相転移し、隣接する水晶板８０２と一体化して透明化する。これに併せて、当該ジャイアントパルスレーザ光ＧＬを、中間層８０６に沿ってスキャンする。

図１６（ｃ）に示されるように、ジャイアントパルスレーザ光ＧＬのスキャンを、複数の中間層８０６に実施する。その結果、図１６（ｄ）に示されるように、複数の中間層８０６の略全体が相転移され、非線形波長変換素子８０１が完成する。

以上、非線形波長変換素子８０１の製造方法及び非線形波長変換素子８０１によれば、小型で簡便な構成を容易に実現しつつ、波長変換するレーザ光Ｌ（非線形波長変換素子８０１が搭載されたレーザ光源が出射するレーザ光Ｌ）に対する損失の低減を図ることが可能となる。非線形波長変換素子８０１では、強固且つ大面積での接合が可能となる。

水晶は、波長１５０ｎｍまで透明で、上記のように、厚み数１０μｍで張り合わせて高輝度光源と組み合わせることで、高性能な可視光や紫外光への波長変換素子となり得る。一方、長波長側でも有用であり、これまで発生が困難とされたテラヘルツ波領域で有用な非線形光学素子として使うことができる。ところで、非線形光学により長波長を発生させる手法として、差周波発生や光パラメトリック発生などがある。特に準備する光源が１つで済む光パラメトリック発振では、得られるスペクトル幅が狭い、いわゆる高輝度光の発生が可能だが、共振器を構成するための特殊な鏡が必要になる。しかし、特殊な後進（backward）位相整合を利用すると、自動的に光帰還がかかるために、特殊な鏡が不要となる。また、連続的な共振が可能なため、一般的なパラメトリック発振で問題となるモードホップが無くなる。ただし、後進波によるＱＰＭでは、その周期がサブミクロンと短くなるために非常に難しいとされる。この点、波長が長いテラヘルツ帯では機械加工で対応できる寸法となり、本実施形態で実施する表面活性接合によれば、数１０μｍから数1００μｍの水晶板を周期的に接合し、後進波による擬似位相整合が可能となり、効率的で強力なテラヘルツ波発生が望める。

［変形例］
以上、本発明の一形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られない。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。

本発明の一形態では、中間層を第１素子部と第２素子部との間に配置した状態で、当該第１素子部と当該第２素子部とを固定治具により固定してもよい。この場合、固定治具を利用して、第１素子部と第２素子部とを固定することができる。また、ジャイアントパルスレーザ光の照射前に、第１素子部と第２素子部とを接合する必要がなくなる。

例えば、ヒートシンク２の表面に中間層６をスパッタすると共に、レーザ媒質３の表面に中間層６をスパッタする。ヒートシンク２及びレーザ媒質３を、それぞれの中間層６を対向させて互いに重ねて配置する。このとき、両者は接合されていない状態である。図１７（ａ）に示されるように、ヒートシンク２及びレーザ媒質３をダイアモンド（ダイアモンドに代えて、サファイア等の硬い透明材質でもよい）アンビルセル（固定治具）１５０に取り付け、締結具１５１を締結することで、ヒートシンク２及びレーザ媒質３を厚さ方向に強固に挟持して固定する。

図１７（ｂ）に示されるように、ダイアモンドアンビルセル１５０のダイアモンド部１５２を介して中間層６にジャイアントパルスレーザ光ＧＬを照射する。当該ジャイアントパルスレーザ光ＧＬを中間層６に吸収させる。これにより、中間層６に衝撃波Ｐが発生し、この衝撃波Ｐがヒートシンク２とレーザ媒質３とにより押し戻され、中間層６に瞬間的な高温且つ高圧力状態が引き起こされる。中間層６の一部をヒートシンク２及びレーザ媒質３中に拡散ないし相転移してヒートシンク２及びレーザ媒質３と一体化し、透明化する。中間層６の一部をヒートシンク２及びレーザ媒質３と一体化することによって、ヒートシンク２及びレーザ媒質３を接着剤を介さずに互いに接合することとなる。

本発明の一形態では、中間層の全部が第１素子部及び第２素子部の少なくとも一方と一体化され且つレーザ光に対して透明であってもよい。例えば、図１８（ａ）に示されるように、中間層６の中央部６ａをヒートシンク２及びレーザ媒質３と一体化して透明化し、中間層６の外縁部６ｂを着色されたままとする。その後に、中間層６の中央部６ａのみが残存するように（外縁部６ｂが除去されるように）、ヒートシンク２とレーザ媒質３と中間層６とをカットする。これにより、図１８（ｂ）に示されるように、中間層６の着色部分が除去され、中間層６の全域が透明化且つ一体化されることとなる。

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。

本発明の一形態では、第１素子部と第２素子部とを中間層を介して常温接合したが、第１素子部と第２素子部との接合は常温接合に限定されない。第１素子部と第２素子部とは、低温度の拡散接合で接合されていてもよい。第１素子部と第２素子部とは、直接接合されていればよい。第１素子部と第２素子部とは、接着剤を介さずに接合されていればよい。なお、常温接合では、イオンビーム又はＦＡＢ（中性原子ビーム）の照射を省略してもよいし、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。

本発明の一形態は、レーザ光が透過又は往復する光学素子であれば、あらゆる光学素子に適用できる。本発明の光学素子は、発振器に限定されず、増幅器、機能性材料（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、レーザ媒質と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。

本発明の一形態において、中間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，ＹＶＯ_４，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、これらの間の中間層と、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、これらの間の中間層と、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中間層と、レーザ媒質とＱスイッチとの間の中間層と、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中間層と、レーザ媒質とＱスイッチとの間の中間層と、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中間層と、を備えた光学素子。

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、中間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、コーティングしてそこに中間層を介して接合して成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。

本発明の一形態において、第１ステップの前に、中間層で光波が干渉するようにジャイアントパルスレーザ光の照射、超短パルス照射によるナノ構造作製、又は、直接描写ないしスキャンによるジャイアントパルスレーザ光のパターニングを行い、中間層に着色部分及び透明部分からなる微細パターンを形成し、第１ステップでは、第１素子部と第２素子部とを中間層を介して常温接合し、第２ステップでは、中間層における当該微細パターンの着色部分を含む部分を透明化してもよい。この場合、第１素子部と第２素子部との常温接合の接合強度について、中間層の微細パターンの着色部分を介した接合強度の方が、中間層の微細パターンの透明部分を介した接合強度よりも高くなる。つまり、透明な中間層を介した第１素子部と第２素子部との間の接合領域において、微細パターンに沿った部分の接合強度が、その他の部分の接合強度と異なる。その結果、最終的には透明であっても、よく接合されている領域と、エアギャップとまでは行かなくとも接合が不十分な領域（すなわち透過率が上がらない領域）と、が微細パターンに応じて形成される。当該接合強度の違いから、第１素子部と第２素子部との間の透過率が微細パターンに応じて変わる。したがって、微細パターンを利用して、出射するレーザ光を変調させることが可能となる。出射するレーザ光の偏光制御が可能となる。光学的な機能を付与することができる。グレーティングだけでなく、アパーチャ等の任意のパターンを、第１素子部と第２素子部との間にデザインできる。アパーチャの場合には、モードセレクションが可能となる。機械的なパターンが光学的な機能（グレーティングによるスペクトル制御、偏光制御、アパーチャ構造によるモード制御等）に反映される。

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。

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。

１，６０１，７０１…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…中間層、６ａ，６６１ａ，６６２ａ，８０６ａ…中央部（一部）、６ｂ…外縁部（他部）、６ｘ…微細パターン、１２…コーティング層、１００…小型集積レーザ装置（レーザ光源）、１５０…ダイアモンドアンビルセル（固定治具）、６６１…第１中間層（中間層）、６６２…第２中間層（中間層）、７０２…Ｑスイッチ素子（第１素子部，第２素子部）、８０１…非線形波長変換素子（光学素子）、８０６…中間層、ＧＬ…ジャイアントパルスレーザ光、ＧＬ１…第１ジャイアントパルスレーザ光（ジャイアントパルスレーザ光）、ＧＬ２…第２ジャイアントパルスレーザ光（ジャイアントパルスレーザ光）、Ｌ…レーザ光。

Claims (18)

1. レーザ光が透過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素子部を接着剤を介さずに互いに接合する接合ステップを備え、
   前記接合ステップは、
   前記第１素子部及び前記第２素子部の少なくとも一方における接合側部分の構成元素と置換可能な元素を含み且つ着色された中間層を、前記第１素子部と前記第２素子部との間に配置した状態で、当該第１素子部と当該第２素子部とを固定する第１ステップと、
   前記第１ステップの後、前記中間層にジャイアントパルスレーザ光を照射し、当該ジャイアントパルスレーザ光を前記中間層に吸収させることにより、前記中間層の少なくとも一部を、前記第１素子部及び前記第２素子部の少なくとも一方と一体化し且つ前記レーザ光に対して透明化する第２ステップと、を含む、光学素子の製造方法。
2. 前記第１ステップでは、前記第１素子部と前記第２素子部とを前記中間層を介して常温接合する、請求項１に記載の光学素子の製造方法。
3. 前記第１ステップでは、前記中間層を前記第１素子部と前記第２素子部との間に配置した状態で、当該第１素子部と当該第２素子部とを固定治具により固定する、請求項１に記載の光学素子の製造方法。
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、セスキオキサイドの単結晶、又はセラミックスであり、
   前記第２素子部は、ＹＡＧを含むガーネット、セスキオキサイドの単結晶、セラミックス、ガラス、又はサファイアを含むレーザ利得媒質であり、
   前記第１ステップでは、
   シリコン、アルミニウム、スカンジウム、ルテチウム、ガドリニウム及びカーボンのうちの前記第１素子部及び前記第２素子部の構成元素と置換可能な何れかを、前記第１素子部と前記第２素子部との間に配置する、請求項１〜３の何れか一項に記載の光学素子の製造方法。
5. 前記第１ステップでは、前記第１素子部及び前記第２素子部の少なくとも一方に前記中間層をスパッタ又は蒸着する、請求項１〜４の何れか一項に記載の光学素子の製造方法。
6. 前記第１ステップでは、前記第１素子部及び前記第２素子部の間に、シート状の前記中間層を挟み込む、請求項１〜４の何れか一項に記載の光学素子の製造方法。
7. 前記第１素子部及び前記第２素子部の少なくとも一方において、その接合側部分には、コーティング層が設けられており、
   前記第２ステップでは、前記中間層の少なくとも一部を前記コーティング層と一体化する、請求項１〜６の何れか一項に記載の光学素子の製造方法。
8. 前記第２ステップでは、前記中間層で光波が干渉するように前記ジャイアントパルスレーザ光を照射、又は、直接描写ないしスキャンによる前記ジャイアントパルスレーザ光のパターニングを行い、前記中間層に着色部分及び透明部分からなる微細パターンを形成する、請求項１〜７の何れか一項に記載の光学素子の製造方法。
9. 前記第２ステップでは、前記中間層の一部を透明化し、前記中間層の他部を着色されたままとする、請求項１〜８の何れか一項に記載の光学素子の製造方法。
10. 前記第１素子部は、ヒートシンクを構成し、
    前記第２素子部は、レーザ媒質を構成し、
    前記第１ステップでは、前記第１素子部及び前記第２素子部を交互に並ぶように複数配置する、請求項１〜９の何れか一項に記載の光学素子の製造方法。
11. 前記第１ステップの前に、前記中間層で光波が干渉するように前記ジャイアントパルスレーザ光の照射、超短パルス照射によるナノ構造作製、又は、直接描写ないしスキャンによる前記ジャイアントパルスレーザ光のパターニングを行い、前記中間層に着色部分及び透明部分からなる微細パターンを形成し、
    前記第１ステップでは、前記第１素子部と前記第２素子部とを前記中間層を介して常温接合し、
    前記第２ステップでは、前記中間層における当該微細パターンの着色部分を含む部分を透明化する、請求項１〜１０の何れか一項に記載の光学素子の製造方法。
12. レーザ光が透過する光学素子であって、
    出射する前記レーザ光に対して透明な第１素子部と、
    前記第１素子部に接着剤を介さずに接合された第２素子部と、を備え、
    前記第１素子部と前記第２素子部との間には、中間層が介在されており、
    前記中間層の少なくとも一部は、前記第１素子部及び前記第２素子部の少なくとも一方と一体化され且つ前記レーザ光に対して透明である、光学素子。
13. 前記中間層の少なくとも一部は、前記第１素子部の接合側部分の構成元素を含む化合物、及び、前記第２素子部の接合側部分の構成元素を含む化合物のうちの少なくとも何れかである、請求項１２に記載の光学素子。
14. 前記第１素子部及び前記第２素子部の少なくとも一方において、その接合側部分には、コーティング層が設けられており、
    前記中間層の少なくとも一部は、前記コーティング層と一体化されている、請求項１２又は１３に記載の光学素子。
15. 前記中間層には、着色された着色部分及び前記レーザ光に対して透明な透明部分からなる微細パターンが形成されている、請求項１２〜１４の何れか一項に記載の光学素子。
16. 前記中間層の一部は、前記レーザ光に対して透明であり、
    前記中間層の他部は、着色されている、請求項１２〜１５の何れか一項に記載の光学素子。
17. 前記第１素子部は、ヒートシンクを構成し、
    前記第２素子部は、レーザ媒質を構成し、
    前記第１素子部及び前記第２素子部は、交互に並ぶように複数配置されている、請求項１２〜１６の何れか一項に記載の光学素子。
18. 透明な前記中間層を介した前記第１素子部と前記第２素子部との間の接合領域において、微細パターンに沿った部分の接合強度が、その他の部分の接合強度と異なっている、請求項１２〜１７の何れか一項に記載の光学素子。