光学元件的制造方法及光学元件与流程

1.本发明的一个方面涉及一种激光透过、往返或反射的光学元件的制造方法及其光学元件。


背景技术：

2.作为现有的光学元件的制造方法，已知有通过表面活性直接接合相对于射出的激光透明的第一元件部以及第二元件部的方法(例如，参照专利文献1)。在这样的光学元件的制造方法中，通过使非晶质层介于第一元件部与第二元件部之间，能够实现第一元件部与第二元件部的良好的接合。
3.现有技术文献
4.专利文献
5.专利文献1：日本专利第6245587号公报


技术实现要素：

6.[发明所要解决的技术问题]
[0007]
在上述现有技术中，例如即使第一元件部和第二元件部是不同种类的材料，也能够如上述那样经由非晶质层来进行两者的接合。但是，由于非晶质层处于准稳定状态，因此光学元件的物质状态(接合状态)变得不稳定，例如有光学元件的光学耐性等强度变得不充分的可能性。
[0008]
本发明的一个方面是鉴于上述实际情况而完成的，其技术问题在于提供一种能够使物质状态稳定化的光学元件的制造方法以及光学元件。
[0009]
[用于解决技术问题的手段]
[0010]
本发明的一个方面所涉及的光学元件的制造方法是制造使激光透过、往返或反射的光学元件的方法，其具备：第一步骤，得到接合元件，该接合元件是使相对于激光透明的第一元件部以及第二元件部经由非晶质层进行表面活性接合而成；以及第二步骤，在第一步骤之后，通过使接合元件升温而使非晶质层的至少一部分结晶化；在第二步骤中，将接合元件升温至比第一元件部以及第二元件部的熔点低的规定温度。
[0011]
在本发明的一个方面所涉及的光学元件的制造方法中，通过使接合元件升温而使非晶质层外延生长，使非晶质层的至少一部分结晶化，能够使光学元件的物质状态(接合状态)稳定化。
[0012]
在本发明的一个方面所涉及的光学元件的制造方法中，也可以是：在第一步骤中，在大致真空环境下，在对第一元件部的接合侧的表面和第二元件部的接合侧的表面中的至少任意一个照射离子束或高速原子束后，使第一元件部的表面与第二元件部的表面接触，由此得到接合元件。
[0013]
在本发明的一个方面所涉及的光学元件的制造方法中，也可以是：在第一步骤中，非晶质层中，作为构成第一元件部以及第二元件部的物质以外的杂质，包含：构成离子束或
高速原子束的射束源元素、以及构成离子束或高速原子束的射束壳体的射束壳体材料中的至少任意一个。在此，在使接合元件升温时，由于线膨胀系数的不同而在接合部分产生应力，担心光学元件产生剥离等损伤。关于这一点，发明人发现：如果在非晶质层中作为杂质含有射束源元素和/或射束壳体材料，则能够将升温时的外延生长所需的温度降低至低于第一元件部以及第二元件部的熔点的规定温度。因此，在本发明的一个方面所涉及的光学元件的制造方法中，非晶质层包含射束源元素和/或射束壳体材料，升温的温度下降至低于第一元件部以及第二元件部的熔点的规定温度。由此，能够抑制光学元件的该损伤。
[0014]
在本发明的一个方面所涉及的光学元件的制造方法中，也可以是：第一元件部是金刚石、碳化硅、蓝宝石、含yag的石榴石、钒酸盐、倍半氧化物、氟化物、磷灰石、钨酸盐、硅酸盐、磷酸类的材料、添加了稀土离子或过渡金属的激光材料、光开关材料、非线性光学材料或功能性光学材料；第二元件部是金刚石、碳化硅、蓝宝石、含yag的石榴石、钒酸盐、倍半氧化物、氟化物、磷灰石、钨酸盐、硅酸盐、磷酸基的材料、添加了稀土离子或过渡金属的激光材料、光开关材料、非线性光学材料或功能性光学材料；第二步骤的规定温度是100℃以上且比构成非晶质层的物质的熔点低的温度。在该情况下，对于具备这样的第一元件部以及第二元件部的光学元件而言，能够通过升温使光学元件的物质状态稳定化。
[0015]
需要说明的是，石榴石中包括yag、ysag、ygag、ggg、gsgg、luag、yalo等氧化物，钒酸盐例如是yvo4或gdvo4、luvo4等vo4化合物，倍半氧化物是y2o3、sr2o3、lu2o3，氟化物是ylf、srf2、caf2等氟化物，磷灰石是fap、sfap、vap、svap等磷酸类的钙化合物，钨酸盐是kyw、kgw等wo4化合物。功能性光学材料例如是水晶、lbo、linbo3、ktipo4、zgp、gaas或gap、znse、zns等具有非线性敏感或电光效应、磁光学效应的材料。关于陶瓷，例如可以举出tgg(铽镓石榴石)、tag(铽铝石榴石)、tsag(铽钪铝石榴石)陶瓷等的具有法拉第效应的陶瓷。
[0016]
在本发明的一个方面所涉及的光学元件的制造方法中，也可以是：第一元件部以及第二元件部的状态是单晶、非晶(包含玻璃)或者陶瓷。
[0017]
在本发明的一个方面所涉及的光学元件的制造方法中，也可以是：第一元件部以及第二元件部中的至少一方在其接合侧部分具有光学涂层，规定温度为100℃以上且600℃以下。由此，也能够抑制光学涂层的损伤。
[0018]
在本发明的一个方面所涉及的光学元件的制造方法中，也可以是：在第二步骤中使非晶质层结晶化而成的结晶化层所具有的界面的平面度高于非晶质层所具有的界面的平面度。由此，能够抑制界面对透过、往返或反射的激光造成不良影响的可能性。
[0019]
本发明的一个方面所涉及的光学元件是激光透过、往返或反射的光学元件，其具备：对激光透明的第一元件部以及第二元件部，以及介于第一元件部与第二元件部之间且结晶化而成的结晶化层，结晶化层随着从第一元件部侧去往第二元件部侧，在10nm区域中构成第一元件部的元素连续地更换为构成第二元件部的元素。
[0020]
本发明的一个方面所涉及的光学元件是激光透过、往返或反射的光学元件，其具备：对激光透明的第一元件部以及第二元件部；以及介于第一元件部与第二元件部之间且结晶化而成的结晶化层，结晶化层包含ar、ne、xe、he、fe、ni以及cr中的至少任意一种元素。
[0021]
在该光学元件中，在介于第一元件部和第二元件部之间有结晶化层而不是非晶质层。结晶化层包含ar、ne、xe、he、fe、ni和cr中的至少任意一种元素。因此，有利于再结晶化(不仅因微量的杂质混入而在低温下的升温处理中的再结晶化变得容易，而且，只要是通常
温度下的升温处理，就能够在短时间内再结晶化)。
[0022]
本发明的一个方面所涉及的光学元件是激光透过、往返或反射的光学元件，其具备：对激光透明的第一元件部以及第二元件部；以及介于第一元件部与第二元件部之间且结晶化而成的结晶化层，第一元件部以及第二元件部中的至少一方在其接合侧部分具有光学涂层，在与光学涂层相接的第一元件部或者第二元件部的结晶化层中，在10nm区域中构成第一元件部或者第二元件部的元素连续地更换为构成光学涂层的元素。
[0023]
在本发明的一个方面所涉及的光学元件中，也可以是：第一元件部以及第二元件部中的至少一方在其接合侧部分具有光学涂层，结晶化层包含ar、ne、xe、he、fe、ni以及cr中的至少任意一种元素。
[0024]
[发明效果]
[0025]
根据本发明的一个方面，能够提供一种能够使物质状态稳定化的光学元件的制造方法以及光学元件。
附图说明
[0026]
图1是表示具备实施方式所涉及的激光元件的小型集成激光装置的概略立体图。
[0027]
图2(a)是说明实施方式所涉及的激光元件的制造方法的图。图2(b)是说明图2(a)的后续的图。
[0028]
图3(a)是说明图2(b)的后续的图。图3(b)是说明图3(a)的后续的图。
[0029]
图4是说明图3(b)的后续的图。
[0030]
图5(a)是表示实施方式所涉及的接合元件的接合部分的周边的图。图5(b)是表示图5(a)的虚线框内的放大图。
[0031]
图6(a)是表示实施方式所涉及的激光元件的接合部分的周边的图。图6(b)是表示图6(a)的虚线框内的放大图。
[0032]
图7(a)是表示实施方式所涉及的接合元件的接合部分的周边的图。图7(b)是表示在图7(a)的框内检测出的元素的曲线图。
[0033]
图8(a)是表示实施方式所涉及的激光元件的接合部分的周边的图。图8(b)是表示在图8(a)的框内检测出的元素的曲线图。
[0034]
图9(a)是表示实施方式所涉及的激光元件的接合部分的周边的图。图9(b)是表示在图9(a)的框内检测出的元素的曲线图。
[0035]
图10(a)是表示实施方式所涉及的激光元件的接合部分的周边的图。图10(b)是表示在图10(a)的框内检测出的元素的曲线图。
[0036]
图11(a)是表示实施方式所涉及的激光元件的接合部分的周边的图。图11(b)是表示在图11(a)的框内检测出的元素的曲线图。
[0037]
图12是表示实施方式所涉及的接合元件的接合部分的周边的图。
[0038]
图13是表示实施方式所涉及的激光元件的接合部分的周边的图。
[0039]
图14是表示实施方式所涉及的激光元件的接合部分的周边的图。
[0040]
图15是表示变形例所涉及的激光元件的剖视图。
[0041]
图16是表示作为升温步骤前的元件的接合元件的接合部分的周边的图。
[0042]
图17是表示作为升温步骤后的元件的激光元件的接合部分的周边的图。
[0043]
图18是表示作为升温步骤后的元件的激光元件的接合部分的周边的图。
[0044]
图19是表示在图18所示的扫描方向的位置检测出的元素的曲线图。
[0045]
图20是表示作为升温步骤前的元件的接合元件的接合部分的周边的图。
[0046]
图21是表示在图20所示的扫描方向的位置检测出的元素的曲线图。
[0047]
图22是表示升温步骤前的元件即eb照射后的接合元件的接合部分的周边的图。
具体实施方式
[0048]
以下，参照附图对实施方式进行详细说明。在以下的说明中，对相同或相当的要素标注相同的附图标记，并省略重复的说明。
[0049]
图1是表示小型集成激光装置100的概略立体图。图1所示的小型集成激光装置100是射出激光l的激光光源，与光纤激光器、盘式激光器相比，构成小型简便且高输出的功率激光器。小型集成激光装置100具备实施方式所涉及的激光元件1。需要说明的是，以下，为了便于说明，将激光l的射出方向(行进方向)设为“z方向”来进行说明。图2以后所示的截面是xy截面，将面内横轴设为“x方向”，将面内纵轴设为“y方向”。附图的尺寸比率并不限定于图示的比率。
[0050]
首先，对激光元件1的结构进行说明。
[0051]
激光元件1是具有dfc结构的光学元件。激光元件1具备多个散热器2、多个激光介质3、第一涂层4a、第二涂层5以及第三涂层4b。激光元件1能够构成高输出微型激光器。作为一例，在激光元件1中，若将波长为808nm的连续振荡的二极管光作为激发光i而从z方向上的一端侧(图示左侧)沿着z方向输入，则波长1064nm的激光l经由由可饱和吸收体构成的q开关元件8而从z方向上的另一端侧(图示右侧)射出。需要说明的是，激光元件1在不具备q开关元件8的情况下，也能够构成cw(continuous wave：连续波)激光器。
[0052]
散热器2及激光介质3呈以z方向为厚度方向的矩形板状。例如，散热器2呈厚度为1mm、纵向尺寸为10mm、横向尺寸为10mm的平板状。例如，激光介质3呈厚度为1mm、纵向尺寸为8mm、横向尺寸为8mm的平板状。散热器2及激光介质3也可以呈圆形板状。散热器2和激光介质3以沿着z方向交替排列的方式配置。即，激光介质3位于相邻的一对散热器2之间。散热器2和激光介质3不经由粘接剂而接合(直接接合)。从在z方向上配置在最一端侧的激光介质3到配置在最另一端侧的激光介质3的部分发挥作为谐振器的功能。
[0053]
散热器2是与激光介质3相比热传导率相同或高的物质。散热器2具有对激光介质3的热进行散热的功能。散热器2构成第一元件部。散热器2是金刚石、碳化硅、蓝宝石、含yag的石榴石、钒酸盐、倍半氧化物、氟化物、磷灰石、钨酸盐、硅酸盐、磷酸类的材料、添加了稀土离子或过渡金属的激光材料、光开关材料、非线性光学材料或功能性光学材料。需要说明的是，钒酸盐例如为yvo4或luvo4等。功能性光学材料例如是lbo、linbo3、ktipo4、zgp、gaas或gap。虽然在后面叙述，但散热器2是第一元件部的一个例子，第一元件部不限定于散热器2。第一元件部的状态只要是单晶、非晶(包含玻璃)或陶瓷即可。
[0054]
激光介质3是在激励状态下形成放大超过损失的反转分布，利用受激发射使光放大的物质。激光介质3也称为增益介质。激光介质3构成第二元件部。激光介质3是金刚石、碳化硅、蓝宝石、含yag的石榴石、钒酸盐、倍半氧化物、氟化物、磷灰石、钨酸盐、硅酸盐、磷酸类的材料、添加了稀土离子或过渡金属的激光材料、光开关材料、非线性光学材料或功能性
光学材料。半导体例如是zns或znse等。虽然在后面进行叙述，但激光介质3是第二元件部的一例，第二元件部并不限定于激光介质3。第二元件部的状态只要是单晶、非晶(包含玻璃)或陶瓷即可。
[0055]
散热器2和激光介质3相对于射出的激光l透明。相对于激光l透明(以下，也简称为“透明”)是指激光l透过，具体而言，是指激光l维持强度而通过。例如，在此，“透明”是指，对激光l的透过率(减去菲涅尔损耗部分得到的净透过率)为95％以上，具体而言，是指97％以上。这在以下的透明中也是同样的。
[0056]
第一涂层4是在z方向上的一端侧的散热器2中形成于一端侧的表面(与大气接触的面)的电介质多层膜。第一涂层4相对于激发光i无反射，且相对于激光l具有高反射的反射特性。通过第一涂层4能够抑制一端侧的散热器2与大气之间的折射率的变动。
[0057]
第二涂层5是在z方向上的另一端侧的散热器2中形成于另一端侧的表面(与大气接触的面)的电介质多层膜。第二涂层5相对于激发光i具有高反射，并且相对于激光l具有一部分反射的反射特性。通过第二涂层5能够抑制另一端侧的散热器2与大气之间的折射率的变动。顺便提及，也可以是：代替第一涂层4和第二涂层5中的至少任意一个，或者在此基础上，将其他各种涂层适当地设置于散热器2和激光介质3上。由此，能够按照所需要求调整散热器2和激光介质3的各界面处的反射特性。
[0058]
如图4所示，激光元件1是具备结晶化层6。结晶化层6是介于散热器2与激光介质3之间的缓冲层。激光元件1是结晶化的层，即结晶状态的层。结晶是指在空间上具有周期性的原子排列的固体物质。结晶是指原子或分子在空间上具有重复图案而排列的物质。具体而言，结晶是指具有离散的空间平移对称性的物质。此处的结晶包含准结晶。结晶化层6是，随着从散热器2侧去往激光介质3侧，构成散热器2的元素逐渐减少(逐渐减少)，并且构成激光介质3的元素逐渐增加(逐渐增加)的层(参照图8～图11)。结晶化层6与散热器2及激光介质3一体化。结晶化层6相对于激光l透明，使激光l透过。
[0059]
需要说明的是，作为散热器的材料及激光介质的材料，可以举出下表1的组合。其中，re为ce、pr、nd、sm、eu、tb、dy、ho、er、tm、yb等的添加稀土类元素。tm是mg、ca、mn、fe、co、ni、cu、zn、cr、ti、te、nb、v等的添加过渡金属元素。如后所述，有时也对散热器及激光介质实施光学涂层后进行接合。
[0060]
[表1]
[0061][0062]
接着，对激光元件1的制造方法进行说明。
[0063]
在激光元件1的制造方法中，作为概略，首先，准备多个散热器2及多个激光介质3。将第一涂层4及第二涂层5适当成膜于散热器2。该成膜可以采用公知的各种成膜方法。接着，作为接合步骤(第一步骤)，将散热器2及激光介质3以交替排列的方式配置，并且将散热器2及激光介质3经由非晶质层16直接接合，得到接合元件。然后，作为升温步骤(第二步骤)，通过使该接合元件升温，使该非晶质层16的至少一部分结晶化。
[0064]
以下，对接合步骤及升温步骤进行详细说明。图2(a)、图2(b)及图3(a)是用于说明接合步骤的各图。图3(b)及图4是用于说明升温步骤的各图。以下，为了便于说明，例示1个散热器2与1个激光介质3的接合。另外，用沿着图1的a-a线的截面来表示散热器2及激光介质3，但在该截面上未实施剖面线(在其他的剖视图中相同)。
[0065]
如图2(a)所示，将散热器2及激光介质3配置在腔室11内，将腔室11内设为大致真空环境。利用表面活性接合将散热器2与激光介质3接合。表面活性接合是通过离子束照射或fab(高速原子束)照射将在真空中接合的材料的接合面的氧化膜或表面附着物除去，将平坦且露出构成原子的接合面彼此接合的方法。表面活性接合是利用了分子间结合的直接接合。与其他接合方法相比，表面活性接合能够大幅降低接合温度。
[0066]
具体而言，在大致真空环境下，对散热器2的接合侧的表面及激光介质3的接合侧
的表面照射氩(ar)等的离子束或fab(高速原子束)。由此，除去吸附于该表面的氧等，形成含有悬空键(dangling bond)的新生面。该大致真空环境例如是背景压力为1
×
10-6
pa以上且低于大气压的真空或减压气氛。
[0067]
作为离子束或fab，除了氩以外，还可以采用(ne)、氪(kr)、氙(xe)、氦(he)等稀有气体或惰性气体。稀有气体难以发生化学反应，因此不会使被照射面的化学性质大幅变化。通过使用粒子射束源或等离子体发生装置将离子束的粒子朝向接合面加速，能够对离子束或fab赋予规定的动能。
[0068]
如图2(b)所示，使散热器2的接合侧与激光介质3的接合侧相对。在室温下，使散热器2及激光介质3的结合键露出的新生面彼此在大致真空环境中接触。由此，如图3(b)所示，产生由原子间的相互作用产生的结合力，得到散热器2与激光介质3经由非晶质层16牢固地结合而成的接合元件10。该大致真空环境例如是背景压力为1.5
×
10-6
pa以下的真空或减压气氛。也可以对接触的散热器2及激光介质3施加规定的压力(1.5～2.0mpa)。
[0069]
非晶质层16是非晶质状态的层。非晶质层16是介于接合元件10中的散热器2与激光介质3之间的缓冲层。非晶质(amorphous)是指没有结晶那样的长距离秩序，但是具有短距离秩序的物质。非晶质是指结晶结构崩塌的状态的物质。非晶质层16是结晶性低于一定水平的层。非晶质层16相对于激光l透明，使激光l透过。
[0070]
非晶质层16中，作为构成散热器2及激光介质3的物质以外的杂质，包含：构成离子束或fab的射束源元素、以及构成离子束或fab的射束壳体的射束壳体材料。射束源元素例如为ar(氩)或ne(或)。射束壳体材料例如为fe(铁)、ni(镍)或cr(铬)。非晶质层16中包含的射束源元素的量为不会对激光l的振荡产生影响的微量。
[0071]
如图3(b)所示，将接合元件10配置在加热炉14内，对接合元件10实施加热处理，将接合元件10升温至规定温度。由此，对接合元件10进行退火处理，使接合元件10的非晶质层16外延生长而结晶化。由此，得到图4所示的激光元件1。
[0072]
升温的规定温度(也称为结晶化温度或外延生长温度)是比散热器2及激光介质3的熔点低的温度。升温的规定温度是100℃以上且低于构成非晶质层16的物质的熔点的温度。升温的规定温度为散热器2及激光介质3的熔点(即约2000℃)的一半左右即约865℃。升温的规定温度为不实施涂层的石榴石的熔点即1900℃以下。在实施了涂层(例如后述的光学涂层12(参照图15))的情况下，升温的规定温度为不会对涂层造成影响的程度的较低的温度，为200℃或300℃等。接合元件10的加热时间例如为几小时～几十小时。例如，在长时间的升温处理的情况下，升温的规定温度也可以为100℃以下。需要说明的是，作为其他材料的熔点的例子，例如，可以举出表2所示的温度。
[0073]
[表2]
[0074] 融点(℃)y2o32430yalo31850y3al5o
12
1930al2o32040liyf4825beal2o41870
[0075]
图5(a)是表示作为升温步骤前的元件的接合元件10的接合部分的周边的图。图5(b)是表示图5(a)的虚线框内的放大图。在图5(a)及图5(b)所示的样品中，使用蓝宝石作为散热器2，激光介质3使用nd:yag(以下，关于图中的nd:yag，简称为“yag”)(对于以下的图6～图11相同)。图5(a)及图5(b)的图是edx(energy dispersive x-ray spectroscopy(能量色散x射线谱仪))数据(以下的图6～图14相同)。如图5(a)以及图5(b)所示，在接合元件10中，可以确认到介于散热器2与激光介质3之间存在非晶质层16。
[0076]
图6(a)是表示作为升温步骤后的元件的激光元件1的接合部分的周边的图。图6(b)是表示图6(a)的虚线框内的放大图。图6(a)及图6(b)的激光元件1是将接合元件10在1000℃升温3小时而得到的。如图6(a)以及图6(b)所示，在激光元件1中，可以确认到：在升温工序中非晶质层16发生了结晶化，介于散热器2与激光介质3之间存在结晶化层6。在激光元件1中，明确地(清晰地)存在散热器2与激光介质3之间的边界。
[0077]
另外，在激光元件1的制造方法中，如图5(a)所示，非晶质层16在与散热器2之间具有界面e1。如图6(a)所示，将非晶质层16结晶化而成的结晶化层6在与散热器2之间具有界面e2。如图5(a)和图6(a)所示，界面e2的平面度高于界面e1的平面度。平面度例如可以定义为从平面偏离的大小。平面度例如能够用最突出的部分与最凹陷的部分之间的距离来表示。
[0078]
图7(a)是表示作为升温步骤前的元件的接合元件10的接合部分的周边的图。图7(b)是表示在图7(a)的框内检测出的元素的曲线图。在图7(b)的曲线图中，纵轴是相当于元素的数量的测量信号量，横轴是扫描的距离。图7的(b)的曲线图的扫描方向与图7的(a)中的从上向下的方向对应。图7(b)的曲线图的说明与图8(b)、图9(b)及图10(b)相同。
[0079]
如图7(b)所示，能够确认到：在非晶质层16存在的范围(25nm～40nm)中，随着从散热器2侧去往激光介质3侧，构成散热器2的元素逐渐减少，并且构成激光介质3的元素逐渐增加。另外，能够确认到：在非晶质层16存在的范围(25nm～40nm)中，作为构成散热器2及激光介质3的物质以外的杂质，含有少量的fe及ar。
[0080]
图8(a)是表示作为升温步骤后的元件的激光元件1的接合部分的周边的图。图8(b)是表示在图8(a)的框内检测出的元素的曲线图。图8(a)及图8(b)的激光元件1是将接合元件10在1000℃升温3小时而得到的。如图8(b)所示，能够确认到：在存在结晶化层6的范围(20nm～23nm)中，随着从散热器2侧去往激光介质3侧，构成散热器2的元素逐渐减少，并且构成激光介质3的元素逐渐增加。
[0081]
图9(a)是表示作为升温步骤后的元件的激光元件1的接合部分的周边的图。图9(b)是表示在图9(a)的框内检测出的元素的曲线图。图9(a)及图9(b)的激光元件1是将接合元件10在1000℃升温3小时而得到的。图9(b)的结果是比图8(b)的结果更高分辨率的分析结果。如图9(b)所示，能够确认到：在存在结晶化层6的范围(80nm～95nm)中，随着从散热器2侧去往激光介质3侧，构成散热器2的元素逐渐减少，并且构成激光介质3的元素逐渐增加。
[0082]
图10(a)是表示作为升温步骤后的元件的激光元件1的接合部分的周边的图。图10(b)是表示在图10(a)的框内检测出的元素的曲线图。图10(a)及图10(b)的激光元件1是将接合元件10在1000℃升温3小时而得到的。图10(b)的结果表示图9(b)的结果中的c(碳)、ar及fe。在图10(a)上，在与图10(b)的“距离”对应的位置上重叠图10(b)的曲线图。
[0083]
如图10(b)所示，能够确认到：在存在结晶化层6的范围(80nm～95nm)中，作为构成
散热器2及激光介质3的物质以外的杂质，包含ar、ne、xe、he、fe、ni及cr中的至少任意一种元素(构成离子束或高速原子束的射束源元素、以及构成离子束或中性高速原子束的射束壳体的射束壳体材料中的至少任意一种元素(cr、ar及fe中的至少任意一种元素)。特别地，能够确认到：fe从散热器2和激光介质3的界面附近向激光介质3侧(yag侧)偏析10nm左右的范围。
[0084]
图11(a)是表示作为升温步骤后的元件的激光元件1的接合部分的周边的图。图11(b)是表示在图11(a)的框内检测出的元素的曲线图。图11(a)及图11(b)的激光元件1是将接合元件10在1000℃升温3小时而得到的。图11(b)的结果是比图8(b)的结果更高分辨率的分析结果。在图11(b)的曲线图中，纵轴是相当于元素的数量的测量信号量，横轴是扫描的距离。图11(b)的曲线图的扫描方向与图11(a)中从上向下的方向对应。如图11(b)所示，能够确认到：在存在结晶化层6的范围(85nm～95nm)中，随着从散热器2侧去往激光介质3侧，构成散热器2的元素逐渐减少，并且构成激光介质3的元素逐渐增加。
[0085]
图12是表示作为升温步骤前的元件的接合元件10的接合部分的周边的图。在图12所示的样品中，使用蓝宝石作为散热器2，使用陶瓷yag作为激光介质3(对于以下的图13和图14相同)。如图12所示，在接合元件10中，可以确认到：介于散热器2与激光介质3之间存在厚度7nm以下的非晶质层16。另外，在此，在散热器2与激光介质3的界面附近存在不明层q。
[0086]
图13是表示作为升温步骤后的元件的激光元件1的接合部分的周边的图。图13的激光元件1是将接合元件10在100℃升温10小时而得到的。在图13的激光元件1中，进行非晶质层16的结晶化。如图13所示，可以确认到：介于散热器2与激光介质3之间存在结晶化层6。
[0087]
进一步，可以确认到：结晶化层6构成为包含多个层的层状。在此，结晶化层6在某部位从散热器2侧向激光介质3侧包括2.6nm的层、1.7nm的层和2.2nm的层。结晶化层6在其他部位从散热器2侧向激光介质3侧包括2.6nm的层、2.0nm的层和1.7nm的层。结晶化层6在其他部位从散热器2侧向激光介质3侧包括2.6nm的层、1.7nm的层和2.0nm的层。结晶化的发展系数为0.5nm/小时。
[0088]
图14是表示作为升温步骤后的元件的激光元件1的接合部分的周边的图。图14的激光元件1是将接合元件10在100℃升温24小时而得到的。在图14的激光元件1中，非晶质层16的结晶化进一步进行。如图14所示，可以确认到：介于散热器2与激光介质3之间存在结晶化层6。
[0089]
在此，结晶化层6在某部位从散热器2侧朝向激光介质3侧包含1.8nm的层和3.4nm的层。结晶化层6在其他部位从散热器2侧朝向激光介质3侧包含3.1nm的层和1.7nm的层。结晶化层6在另一部位从散热器2侧朝向激光介质3侧包含3.3nm的层和1.7nm的层。结晶化的发展系数为0.5nm/小时。
[0090]
以上，在激光元件1的制造方法中，通过使接合元件10升温而使非晶质层16外延生长，使非晶质层16结晶化，从而能够使激光元件1的物质状态(接合状态)稳定化。例如，能够提高激光元件1的强度、机械特性。即，在基于表面活性接合的光学元件中，能够在不导致其接合部的特性劣化的情况下，提高接合特性。
[0091]
在激光元件1的制造方法中，在接合步骤中，在大致真空环境下，在对散热器2的接合侧的表面和激光介质3的接合侧的表面中的至少任意一个照射离子束或高速原子束后，使散热器2的接合侧的表面与激光介质3的接合侧的表面接触，由此能够得到接合元件10。
[0092]
在此，在升温步骤中，由于线膨胀系数的不同，在接合部分产生应力，担心激光元件1产生剥离等损伤。关于这一点，发明人发现：如果在非晶质层16中含有构成离子束或高速原子束的射束源元素和/或射束壳体材料的杂质，则能够将升温时的外延生长所需的温度降低至远远低于散热器2及激光介质3的熔点的规定温度。因此，在激光元件1的制造方法中，非晶质层16包含射束源元素和/或射束壳体材料，升温的温度下降至比散热器2及激光介质3的熔点低的规定温度。因此，能够抑制激光元件1的该损伤。在结晶化层6中，由于在固相反应中不需要高温，因此，能够进行应变少的理想的结晶培养。
[0093]
在激光元件1的制造方法中，散热器2是金刚石、碳化硅、蓝宝石、含yag的石榴石、钒酸盐、添加了稀土离子或过渡金属的激光材料、光开关材料、非线性光学材料、功能性光学材料、或陶瓷。激光介质3是金刚石、碳化硅、蓝宝石、含yag的石榴石、钒酸盐、添加了稀土离子或过渡金属的激光材料、光开关材料、非线性光学材料、功能性光学材料、或陶瓷。作为升温时的温度(外延生长温度)的规定温度为100℃以上1100℃以下。对于这样的具备散热器2以及激光介质3的激光元件1，通过升温使激光元件1的物质状态稳定化，并且能够抑制升温时的激光元件1的损伤。
[0094]
作为陶瓷，例如可以举出具有tgg(铽镓石榴石)、tag(铽铝石榴石)、tsag(铽钪铝石榴石)陶瓷等的具有法拉第效应的陶瓷。对于陶瓷而言，由于端面是晶界而容易受到损伤，从保护的角度考虑，也需要接合后使用。由于陶瓷的厚度为10mm左右，因此在制成厚的材料的情况下，接合是必不可少的。在接合陶瓷的情况下，由于其接合边界物质是不稳定的，因此，优选通过升温步骤(退火处理)使其稳定化。
[0095]
在激光元件1中，介于散热器2与激光介质3之间存在结晶化层6而不是非晶质层16。结晶化层6中，随着从散热器2侧去往激光介质3侧，构成散热器2的元素逐渐减少，并且构成激光介质3的元素逐渐增加。通过这样的结构能够使激光元件1的物质状态稳定化。在非晶质层16中，该元素比较缓慢地变化；但在结晶化层6中，该元素的变化变得急剧。
[0096]
图15是表示变形例所涉及的激光元件101的剖视图。在激光元件101的制造方法中，通过对散热器2的表面实施光学涂层，从而在散热器2的表面形成光学涂层12。作为光学涂层，没有特别限定，可以采用各种公知的光学涂层。光学涂层12是散热器2的一部分，构成散热器2的表面侧。即，散热器2在其接合侧部分具有光学涂层12。需要说明的是，如上所述，不限于散热器2，可以是其他的激光材料，也可以是cr:yag等的光开关，也可以是石英、ln、lbo、ktp、gaas、gap、znse、zns等的非线性光学结晶。需要说明的是，在光学涂层中，作为其最终层，也有通过升温处理而成为透明的层的情况，即，使si、ga、zn等半导体材料，或者si、al、ti、hf、mg、zr、ta、nb堆积的情况。换言之，光学涂层12的最终层具有通过升温处理而成为透明的层。对于通过升温处理而成为透明的层而言，在散热器2与激光介质3接合后，通过将氧气氛等作为适当的环境进行热处理而成为氧化物或化合物，在希望的激光波长范围内透明化，从而充分地发挥其功能。
[0097]
在制造激光元件101的情况下，对散热器2的表面实施光学涂层，利用表面活性接合将该散热器2与激光介质3接合而形成接合元件。对接合元件实施加热处理，将接合元件升温至规定温度。由此，对接合元件进行退火处理，使接合元件的非晶质层外延生长而结晶化，结果得到图15所示的激光元件101。升温的规定温度是比散热器2及激光介质3的熔点低的温度。升温的规定温度为100℃以上600℃以下。
[0098]
这样，在变形例所涉及的激光元件101的制造方法中，散热器2在其接合侧部分具有光学涂层12，升温的规定温度为100℃以上600℃以下。如果升温至约800℃以上的温度，则确认到光学涂层12的劣化。因此，在变形例所涉及的激光元件101的制造方法中，也能够抑制光学涂层12的损伤。能够在光学涂层12不会受到损伤的充分低的温度下，通过升温进行再结晶化，即，进行外延生长。
[0099]
需要说明的是，可以是激光介质3在其接合侧部分具有光学涂层，也可以是散热器2和激光介质3双方在其接合侧部分具有光学涂层。升温的规定温度可以为800℃以下，可以为200℃～300℃，也可以为100℃，只要为接合温度以上即可。在散热器2为sic或金刚石的情况下，由于折射率较大，因此光学涂层12特别有效。接合温度优选为使用该物质的温度。需要说明的是，在光学涂层中，作为其最终层，也有通过升温处理而成为透明的层的情况，即，使si、ga、zn等半导体材料，或者si、al、ti、hf、mg、zr、ta、nb堆积的情况。换言之，光学涂层的最终层具有通过升温处理而成为透明的层。对于通过升温处理而成为透明的层而言，在散热器2与激光介质3接合后，通过将氧气氛等作为适当的环境进行热处理而成为氧化物或化合物，在希望的激光波长范围内透明化，从而充分地发挥其功能。
[0100]
另外，在本实施方式中，还起到以下的作用和效果。
[0101]
在激光元件1的制造中，通过采用表面活性接合，还起到以下的作用和效果。即，不仅是同种材料彼此的接合，还能够进行一般难以接合的不同种类材料彼此的接合。能够接合金属、玻璃以及薄膜等所有材料。不施加热，能够抑制由热引起的变形。不需要粘接剂。能够控制接合强度。不仅能够应对牢固的接合，还能够应对以剥离为前提的临时接合。由于接合时间短，因此在原理上能够以秒为单位完成接合。接合后没有偏移，能够实现高的对准精度。
[0102]
在q开关型微芯片激光器中，谐振器越短，越能够缩短产生的脉冲。在激光介质中使用nd:yag并且在被动q开关介质中使用了cr:yag的端面激励型微芯片激光器中，通常为了缩短谐振器，缩短nd:yag。但是，如果将nd:yag的长度设为l0，将激发光吸收系数设为α，则激发光的吸收效率为η＝1-exp(αl0)。即，若缩短nd:yag的长度l0，则根据上述式，吸收效率降低。因此，采用在与激励侧相反的面(cr:yag的边界面)实施与激励波长相关的高反射涂层，采用l0减半的结构。但是，若利用在陶瓷yag中使用的烧结法进行接合的话，涂层会妨碍接合。因此，利用陶瓷yag的接合芯片一般较长，所得到的脉冲宽度也较长。即，只能形成性能低、竞争力弱的激光光源。
[0103]
通过将本实施方式应用于这样的接合元件，能够通过陶瓷yag来期望能够产生较短的脉冲宽度的微芯片。大面积的接合也是可能的，因此，陶瓷yag的复合体也一并地成形为大面积，通过将其切割成小的芯片，从而能够实现量产效果以及低成本化。特别是在本实施方式中，能够实现进一步的大面积化、更高的接合强度的接合，所以，大型化带来的量产效果和低成本化是显著的。能够制造具有高性能和高可靠性的光学元件。
[0104]
以上，对本发明的一个方式进行了说明，但本发明的一个方式不限于所述实施方式。
[0105]
例如，在上述的各数值中，也可以包含设计上、测量上或制造上等的误差。本发明的一个方式所涉及的激光元件1能够应用于各种激光元件以及激光装置，进一步，该激光装置能够应用于测量装置、加工装置、诊断装置、医疗设备等各种装置。
[0106]
在本发明的一个方式中，在升温步骤中，通过使接合元件10升温而使非晶质层16整体结晶化，但并不限于使非晶质层16整体结晶化的方式，只要使非晶质层16的至少一部分结晶化即可。非晶质层16也可以是si与yag的混晶系、或者si与蓝宝石的混晶系。虽然它们的熔点为2000℃左右，非常高，但作为外延生长温度的规定温度比其低很多。
[0107]
本发明的一个方式也可以具备控制激光的空间模式的空间调制元件。例如，空间调制元件可以与散热器2及激光介质3接合，也可以与它们不接合。由此，能够构成高亮度和高输出的微型放大器。
[0108]
在本发明的一个方式中，将第一元件部和第二元件部表面活性接合，但在表面活性接合中，在使散热器2和激光介质3接触时也可以不成为大致真空环境。在本发明的一个方式中，第二元件部也可以是金(au)、铜(cu)、铜钨(cuw)、铝(al)、铁(fe)、钛(ti)或包含它们中的至少任意一个的合金的金属。
[0109]
本发明的一个方式只要是激光透过、往返或反射的光学元件，就能够应用于所有的光学元件。本发明的一个方式所涉及的光学元件并不限定于振荡器，也包括放大器、功能性光学材料(cr:yag等q开关元件)、或者非线性光学材料、qpm-石英等波长转换元件。作为接合的材料，不仅是激光介质以及散热器的组合，也可以是可饱和吸收体等的光开关、用于波长变换的非线性光学材料等。作为激光透过的光学元件，未必需要使透明化的透过率为95％以上。
[0110]
在本发明的一个方式中，经由结晶化层而接合的结构并不特别限定于上述的结构，例如也可以是以下的结构例1～4的光学元件。需要说明的是，激光介质例如为re：单晶
·
陶瓷(yag，ysgg，ylf，yvo4，sfap等)，re：玻璃。q开关元件例如为cr：yag。透明散热器例如是yag、蓝宝石、sic、金刚石。
[0111]
(结构例1)
[0112]
一种光学元件，其具备：激光介质、层叠于该激光介质的q开关元件、以及它们之间的结晶化层。
[0113]
(结构例2)
[0114]
一种光学元件，其具备：透明散热器、层叠于该散热器的激光介质、以及它们之间的结晶化层。
[0115]
(结构例3)
[0116]
一种光学元件，其具备：透明散热器、层叠于该透明散热器的激光介质、层叠于该激光介质的q开关元件、透明散热器与激光介质之间的结晶化层、位于激光介质与q开关之间的结晶化层。
[0117]
(结构例4)
[0118]
一种光学元件，其具备：透明散热器、层叠于该透明散热器的激光介质、层叠于该激光介质的q开关元件、层叠于该q开关的透明散热器、位于透明散热器和与其相邻的激光介质之间的结晶化层、位于激光介质与q开关之间的结晶化层、位于q开关元件和与其邻接的透明散热器之间的结晶化层。
[0119]
在本发明的一个方式中，也可以在构成光学元件的各部件(第一元件部以及第二元件部)上适当地设置公知的涂层(光学涂层)。关于nd：yag和cr：yag，由于折射率大致相同，因此不需要作为涂覆层的ar(anti reflection：抗反射)涂层，能够经由结晶化层直接
接合。但是，为了改善激发效率，作为涂层，也可以设置对象波长为808nm或885nm的hr(high reflection：高反射)涂层且对象波长为1064nm的ar涂层。即，在本发明的一个方式中，包括下述变形例：即，实施涂层(光学涂层)并经由结晶化层与其接合而成的结构等。在本发明的一个方式中，透明的第一元件部和第二元件部包括在开关接通(on)时透明的q开关元件等光开关元件。
[0120]
应该接合的元件部的组合可以是光增益介质、q开关元件、散热器(yag、蓝宝石、sic、金刚石以外，还可以是al、cu、cuw等不透明材料)、非线性光学元件(非线性波长转换(shg、拉曼元件等)、非线性光开关等)、波长板、偏振器、分束器、光束耦合元件等中的适当的组合。作为q开关元件，不仅包括现有的ao(acousto optic：声光器件)、eo(electro optic：电光器件)，还包括mo(magneto optic：磁光器件)。在本发明的一个方式中，也可以在谐振器内部配置波长板、偏振器并进行接合。在本发明的一个方式中，可以包含非线性光学波长转换元件，也可以包含分束器或光束耦合元件。在本发明的一个方式中，也可以从散热器导入激发光。透明散热器的接合对于防止寄生振荡也是有效的。
[0121]
需要说明的是，在如盘式激光器那样的结构中，使用金属作为散热器。在金属为al或其合金的情况、以及只有散热器的最外表面部为al等的情况下，在对激光介质实施与射出的激光有关的hr涂层之后，利用某种方法接合该散热器。作为该某种方法，在hr涂层的外侧溅射或蒸镀氧化铝层之后，用砧座等夹持该两者，向其中照射透过hr涂层的其他波长的巨脉冲激光，使构成散热器的元素和构成激光介质的元素在非热的结晶水平混合而进行接合的方法也是有效的。
[0122]
图16是表示作为升温步骤前的元件的接合元件10的接合部分的周边的图。在图16所示的样品中，作为散热器2使用nd:yag陶瓷，作为激光介质3使用nd:yag单晶(对于以下的图17～图22相同)。图16的图示为edx数据(对于以下的图17及图22相同)。如图16所示，可以确认到：在升温步骤前(退火处理前)的接合元件10中存在非晶质层16。在图示的一例中，非晶质层16为10～15nm的厚度。
[0123]
图17是表示作为升温步骤后的元件的激光元件1的接合部分的周边的图。如图17所示，可以确认到：在升温步骤后(退火处理后)的激光元件1中，非晶质层16(参照图16)消失。能够验证nd：yag单晶的区域的扩大(外延生长)。
[0124]
图18是表示作为升温步骤后的元件的激光元件1的接合部分的周边的图。图19是表示在图18所示的扫描方向的位置检测出的元素的曲线图。图20是表示作为升温步骤前的元件的接合元件10的接合部分的周边的图。图21是表示在图20所示的扫描方向的位置检测出的元素的曲线图。
[0125]
图18以及图20的图是对透射的电子中未被散射而透射的电子以及以小的角度散射的电子进行检测而制作的stem图像即明视场图像(bright-field image)。在图19和图21的曲线图中，纵轴是相当于元素的数量的测量信号量，横轴是扫描的距离。图19的曲线图的扫描方向对应于图18中从上向下的方向。图21的曲线图的扫描方向对应于图20中的从上向下的方向。如图18～图21所示，可以确认到：例如，随着从散热器2侧去往激光介质3侧，构成散热器2的元素逐渐减少，并且构成激光介质3的元素逐渐增加。
[0126]
图22是表示升温步骤前的元件即eb照射后的接合元件10的接合部分的周边的图。nd：yag陶瓷与nd：yag单晶的接合界面的非晶质层16的不稳定性是显著的，如图22的圆框内
所示，在分析中途的eb(electron beam)照射后，可以确认到：在非晶质层16中产生了空隙。需要说明的是，在eb照射前，非晶质层16没有损伤(参照图16)。在通过升温步骤(退火处理)使非晶质层结晶化的情况下，看不到这样的损伤。通过在yag单晶与yag陶瓷的接合后升温，包含该接合界面在内的多晶体即陶瓷区域被单晶化，抑制来自陶瓷的特性劣化，例如，抑制取向性、以及界面处的电子、声子的散射。将任意的陶瓷材料和单晶表面活性接合后，通过升温进行单晶化的方法，对于改善材料的特性是有效的。
[0127]
例如，如图16～图22的至少任意一个所示，本发明的一个方式的特征在于，通过在陶瓷上表面活性接合单晶后升温，通过熔点以下的固相法使包含该接合界面在内的作为多晶体的陶瓷区域单晶化。
[0128]
例如，如图16～图22的至少任意一个所示，本发明的一个方式是一种激光透过、往返或反射的光学元件，其具备：相对于激光透明的第一元件部和第二元件部；以及介于第一元件部与第二元件部之间且结晶化而成的结晶化层，并且，在结晶化层中，随着从第一元件部侧去往第二元件部侧，在10nm区域中构成第一元件部的元素连续地更换为构成第二元件部的元素。
[0129]
例如，如图16～图22的至少任意一个所示，本发明的一个方式是一种激光透过、往返或反射的光学元件，其具备：相对于激光透明的第一元件部以及第二元件部；以及介于第一元件部与第二元件部之间且结晶化而成的结晶化层，并且，第一元件部以及第二元件部中的至少一方在其接合侧部分具有光学涂层，在与光学涂层相接的第一元件部或第二元件部的结晶化层中，在10nm区域中构成第一元件部或第二元件部的元素连续地更换为构成光学涂层的元素。
[0130]
例如，如图16～图22的至少任意一个所示，本发明的一个方式中，第一元件部和第二元件部中的至少一方在其接合侧部分具有光学涂层，结晶化层包含ar、ne、xe、he、fe、ni及cr中的至少任意一种元素。顺便提及，关于上述陶瓷yag，发明人发现：若在500℃下进行退火处理，则能够提高lidt(激光损伤阈值)；若在100℃下进行退火处理，则容易发生劣化。
[0131]
[符号说明]
[0132]
1，101
ꢀꢀꢀꢀ
激光元件
[0133]2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
散热器(第一元件部)
[0134]3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
激光介质(第二元件部)
[0135]6ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
结晶化层
[0136]
10
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
接合元件
[0137]
12
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
光学涂层
[0138]
16
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
非晶质层
[0139]
e1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
界面
[0140]
e2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
界面
[0141]
l
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
激光。