【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、サファイア（Ａｌ
₂ Ｏ ₃ ）、フォルステライト（Ｍｇ ₂ ＳｉＯ ₄ ）、クリソベリル（ＢｅＡｌ ₂ Ｏ ₄ ）、イットリウムバナデート（ＹＶ
Ｏ ₄ ）、リチウムナイオベイト（ＬｉＮｂＯ ₃ ）、バリウムチタネイト（ＢａＴｉＯ ₃ ）、リチウムタンタレイト（ＬｉＴａＯ ₃ ）等からなるレーザー光学結晶の直接接合法に関するものである。 特に、本発明は、チタンサファイア又はイットリウムアルミニウムガーネットからなるレーザー光学結晶の接合法に関する。

【０００２】接着剤を用いずに、接合面の化学処理及び熱処理により接合を行う本方法は、レーザー光学結晶固有の屈折率及び熱伝導性等を変化させることなく大型にすることを可能にする。 産業上の利用分野としては、光学結晶を用いたレーザー装置の開発分野に利用できる。

【０００３】

【従来の技術】従来、レーザー光学結晶の接合法としては、透明な樹脂系の接着剤が用いられてきた。 この方法では、接合するレーザー光学結晶と異なる材質の接着剤を使用するために、接合部において屈折率、熱伝導率及び膨張係数等が接合母材と異なる。 レーザー光を発振させるための励起光を吸収することによってレーザー光学結晶の温度が上昇すると、接合部に歪を生じる。 この結果． 接合部を通過する光の波面を乱したり、屈折を生じる原因となる。

【０００４】更に、接着剤の光損傷値が接合母材よりも小さい場合には、高強度のレーザー光入射により接合部に光損傷を起こしやすい。 このため、接着剤により接合されたレーザー光学結晶の使用可能範囲は制限を受けることになり、高い光強度下において得られる高い発振効率及び発振出力等のレーザー光学結晶の特性を十分に引き出すことが出来ない。

【０００５】また大型結晶を作成するためには大型の結晶育成装置を用いて結晶を育成する必要がある。 この場合には、装置の大型化に伴う最適な結晶育成条件を見つけることが必須であり非常に労力を費やす。 仮に育成条件が定まったとしても、結晶育成に長い時間が必要となるため、育成中に地震や停電等の外乱を受けやすく、大型の結晶育成にはリスクを伴う。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明では、従来技術におけるこのような様々な問題点を解消するとともに、
光学活性イオン濃度が均一な高品質の大型レーザー光学結晶を作成する新たな方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、接着剤を用いずに、接合面の化学処理及び高温での熱処理を施すことで、レーザー光学結晶を直接接合することが実現できる。

【０００８】即ち、本発明は、レーザー光学結晶の接合面を硫酸及び過酸化水素の混合液で洗浄し、超純水で洗浄する第１工程、清浄化された接合面を希硫酸で洗浄し、超純水で洗浄することにより、その接合面の終端をＯＨ基（水酸化基）化する第２工程、ＯＨ基終端化した接合面を接合させる第３工程、接合面を予め熱処理することによりＯＨ基どうしの水素結合を形成する第４工程、及び更に高温の熱処理を行って接合状態を完成する第５工程からなり、その結果接着剤を用いることなくレーザー光学結晶を直接接合する方法である。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の方法を第１図を用いて説明する。 本発明の方法は、レーザー光学結晶の薬品を用いた接合面の清浄化工程１、工程１の清浄接合面のＯＨ
基（水酸基）の終端化工程２、工程２の水酸基終端面同士の接触工程３、工程３の接触面内の水素結合形成工程４、及び工程４の水素結合の高温熱処理による直接接合への転化工程５により構成される。

【００１０】工程１は、硫酸及び過酸化水素混合液による接合面の清浄及び自然酸化膜の除去段階１１及び超純水による洗浄段階１２並びにエッチング剤によるエッチング段階１３により構成される。 レーザー光学結晶の表面状態によっては、段階１２の後に自然酸化膜をより効果的に取り除くために、その材質に適したエッチング液を用いて接合面の清浄化を行う段階１３を設置する。

【００１１】工程２は、希釈硫酸水による接合面のＯＨ
基終端化段階２１、及び超純水による洗浄段階２２により構成される。 酸性溶媒中に酸化物光学結晶を浸けると、結晶表面はプロトン供与体として働くので、プラスに帯電する。 このＯＨ基終端化の工程では、ｐＨ１の希釈硫酸液を使用している。 この溶媒中には、Ｈ ⁺ 、Ｏ
Ｈ ^- 、ＳＯ ₄ ^2-の３種類のイオンが存在している。 このうち陰イオンの電気陰性度を比較すると、ＯＨ ^- ＜ＳＯ ₄ ^2-
となるので、ＳＯ ₄ ^2-は溶媒中に存在しやすく、結晶表面にはＯＨ ^-が引き寄せられ、ＯＨ基終端化が起こる。

【００１２】工程３は、高い清浄雰囲気中において、濡れた状態でレーザー光学結晶を接触させることにより行われる。

【００１３】工程４は、接触面間の過剰な水を除去し、
この接触面内に水素結合を形成するために無負荷の状態で大気中で乾燥させる方法により行われる。 ここで生じた水素結合の接着強度は、数ｋｇ／ｃｍ ²程度の引っぱり強度と低く、剥がすことが可能である。

【００１４】工程５は、真空中あるいはガス雰囲気中において工程４よりも高い温度による熱処理を用いることで行う。 この熱処理により工程４の水素結合を構成する（−０−Ｈー−−Ｈー０ー）から水（Ｈー０−Ｈ）がレーザー光学結晶外部に放出される。 この結果、接触間に残った（一Ｏ−）を架橋する直接接合に転化する。 これらの熱処理における温度は、１１００℃程度と一般的なレーザー光学結晶の融点に比較して低い温度である。

【００１５】工程４において、ＯＨ基終端化させた結晶表面同士を接触させて過剰水分を取り除くと水素結合が起こる。 電気的に陰性な（酸素）Ｏ原子と（水素）Ｈ原子の結合はイオン性が大きく、Ｈ原子は電子をＯ原子に引き付けられて殆ど正電荷のみのプロトンとなる。 こうして電子を奪われたＨ原子は非常に小さく、殆ど正電荷のみであるから、反対側の結晶表面に存在するＯ原子に対して引力が働き近接することができる。 このように静電力によって結合した状態を水素結合という。 水素結合後の結晶表面を更に工程５で高温処理すると、この水素結合部分から水分が解離する。 その結果、接触間には−
Ｏ−が残る。 酸化結晶の直接接合ではこの−Ｏーを架橋として結合が起こる。

【００１６】また、接合の工程において、工程４及び工程５の熱処理工程を分けて行うことにより、工程１〜工程４までの各工程において生じた不具合に起因する接合面内の空隙の発生や、工程４の工程において生じた接合面のずれ等に対処するために、再度接合工程を工程１からやり直すことが可能となる。

【００１７】即ち、レーザー光学結晶の接合面を化学処理によって清浄化した後に、水素結合を形成させるためにＯＨ基終端化させる。 終端後の接合面は、不純物を吸着しやすいので高いクリーン度の清浄雰囲気中で接触させる必要がある。 接触後の結晶を乾燥させて、接合面に水素結合を形成させる。 この水素結合によって、次の高温処理炉中に配置する際の取扱が簡便になると共に、それまでの工程で起こった不具合を解消するために再度接合工程を工程１からやり直すことが可能となる。 高温処理炉では水素結合から直接接合に転化させるための熱処理を行う。

【００１８】表１は、ＹＡＧ光学結晶の接合における化学処理及び熱処理工程の各処理状況を示したものである。 段階１１及び段階２１で用いた硫酸の濃度は９５％
である。 段階１１及び段階１３で用いた過酸化水素の濃度は３０％である。 段階１３で用いた沸化水素酸の濃度は４８％である。 段階４の持続時間は、２００℃の持続時間を示す。 段階５の処理温度は炉内の最高到達温度を示し、持続時間はこの温度を持続した時間を示す。

【００１９】表２は、チタンサファイア光学結晶の接合における化学処理及び熱処理工程の各処理状況を示したものである。 各工程で使用した薬品の濃度は、表１と同様である。

【００２０】

【表１】

【００２１】

【表２】

【００２２】

【実施例１】接合の対象はＹＡＧ（イットリウムアルミニウムガーネット）光学結晶である。 接合面の研磨面精度は、６３２ｎｍにて０．１波長以下である。 結晶接合面の大きさは、１０ｍｍ×１０ｍｍである。 表１に各工程の処理状況を示す。 接合面の清浄浄化には、工程１の段階１１及び段階１２の後、エッチング剤を使用する段階１３が設けられた。 結晶の接合面の法線角度は、第２
図−１に示すとおり結晶軸（１１１）と同様の角度である。 接合面での入射光による散乱は見られなかった。

【００２３】

【実施例２】接合の対象は、チタンサファイアレーザー光学結晶である。 チタンイオンのドープ濃度は０．１５
ｗ％である。 接合面の研磨面精度は、６３２ｎｍにて０．２波長以下である。 結晶接合面の大きさは、１２ｍ
ｍ×６ｍｍである。 表２に各工程の処理状況を示す。 接合面の清浄化には、段階１１及び段階１２の工程を２回繰返した。 結晶の接合面の法線角度は、第２図−２に示すとおり結晶軸（０００１）に対してブリュースター角度である。

【００２４】工程５の高温熱処理工程において、熱膨張による水素結合面の破壊を阻止するために、カーボン製のバイスで両方の結晶を拘束している。 この際の締め付け荷重は、結晶の自重によってバイス底部に落下しない程度である。 接合面での入射光による散乱は見られなかった。 接合後の結晶についてハンマー打撃による衝撃試験を行った結果、接合面に起因した損壊は見られなかった。 また、１８０℃に熱したチタンサファイア光学結晶を２５℃の水に投下した熱衝撃試験においても、接合面に起因した損壊は見られなかった。

【００２５】出力３０ｍＪ、発振繰返し数２０ＨｚのＮ
ｄ：ＹＡＧレーザー第２高調波５３２ｎｍを励起光に用いて接合結晶のレーザー発振試験を行った結果、通常の結晶を用いた場合と同様なしーザー出力７５０μＪ（波長７３５ｎｍ）を得ることが可能であった。

【００２６】リトロー型のチタンサファイアレーザー共振器から得られた発振レーザー光のビームプロファイルを第４図に示す。 ビームプロファイルはガウシアン形状であり、通常の結晶を用いた場合のビームプロファイルと同一であることから、プロファイル変化を発現させる歪や空隙等が接合面において生じていないと思われる。
また、高強度の励起光入射による光損傷試験から、接合面での光損傷しきい値は、結晶入射面での光損傷しきい値よりも大きく６６０ＭＷ／ｃｍ ²以上であると見積もられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の直接接合を行うための化学処理および熱処理工程を示した図である。

【図２】レーザー光学結晶接合面の光学軸に対する法線角度を示した図である。 第２図−１及び第２図−２は、
各々ＹＡＧ光学結晶及びチタンサファイア光学結晶の接合面法線を示している。

【図３】接合後のチタンサファイア光学結晶を用いて発振させたレーザー光のビームプロファイルを示す図である。 チタンサファイアレーザー共振器の後方３ｍの位置にＣＣＤカメラを配置して測定した結果である。

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【手続補正書】

【提出日】平成９年７月２３日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

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