特許 7503579 ＹＡＧセラミックス接合体及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-06-12

(45)【発行日】2024-06-20

(54)【発明の名称】ＹＡＧセラミックス接合体及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   C04B 37/00 20060101AFI20240613BHJP

   H01S 3/16 20060101ALI20240613BHJP

【ＦＩ】

C04B37/00 Z

H01S3/16

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2021575609

(86)(22)【出願日】2020-10-13

(86)【国際出願番号】 JP2020038554

(87)【国際公開番号】W WO2021157135

(87)【国際公開日】2021-08-12

【審査請求日】2021-10-14

【審判番号】

【審判請求日】2022-12-23

(31)【優先権主張番号】P 2020019898

(32)【優先日】2020-02-07

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】502362758

【氏名又は名称】ＪＸ金属株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002860

【氏名又は名称】弁理士法人秀和特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】山崎 芳樹

(72)【発明者】

【氏名】味谷 和之

(72)【発明者】

【氏名】田子 雅宏

(72)【発明者】

【氏名】三上 充

【合議体】

【審判長】宮澤 尚之

【審判官】小野 久子

【審判官】後藤 政博

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２００６／０２２７８２９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２００５／０２５４５３６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２００４－３４９７０１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

C04B37/00-37/04

C04B35/505

H01S3/06-3/16

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザーアプリケーションに使用されるＹＡＧセラミックス接合体であって、レーザー媒質としてのＹＡＧセラミックスと、光吸収層としてのＹＡＧセラミックス又は光学ガラスとを接合し、レーザー媒質の周囲にある光吸収層より励起光を導入し、励起光の入射方向に対して垂直方向にレーザー媒質からレーザーを出力するＹＡＧセラミックス接合体であって、前記レーザー媒質と前記光吸収層とを接合するための接合層としてのガラスを備え、前記ガラスは融点が１０００℃以上１５００℃以下であり、透過率の変化率が７％以内であることを特徴とするＹＡＧセラミックス接合体。

【請求項2】

接合層としてのガラスは、波長６５０ｎｍの光に対する屈折率が１．７１～１．９１であることを特徴とする請求項１に記載のＹＡＧセラミックス接合体。

【請求項3】

ＹＡＧセラミックスとＹＡＧセラミックスとを接合したＹＡＧセラミックス接合体は、Ｙｂ：ＹＡＧとＹｂ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＡＧとＮｄ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＹＡＧとＣｒ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＹＡＧとＳｍ：ＹＡＧ、とを接合したことを特徴とする請求項１又は２に記載のＹＡＧセラミックス接合体。

【請求項4】

光学ガラスは、波長６５０ｎｍの光に対する屈折率が１．７１～１．９１であり、熱膨張率が７～９ｐｐｍ／Ｋであることを特徴とする請求項１又は２に記載のＹＡＧセラミックス接合体。

【請求項5】

請求項１～４のいずれか一項に記載のＹＡＧセラミックス接合体の製造方法であって、一方のＹＡＧセラミックスの表面に溶融したガラスをコーティングした後、そのガラスをコーティングした表面に、他方のＹＡＧセラミックス又は光学ガラスを張り合わせ、その後、冷却することを特徴とするＹＡＧセラミックス接合体の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）セラミックス接合体に関し、特に、接合層としてガラスを介在させた、ＹＡＧセラミックス接合体及びその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

標準的なレーザーは、蛍光体であるレーザー媒質を励起し、光学的に対向した高反射率ミラーで挟み込んだ共振器内で光増幅するアプリケーションである。ハイパワーレーザーのレーザー媒質の代表格として、ＹＡＧセラミックスが用いられている。また、レーザー媒質は、そのものが発振源となる場合以外に、別媒質から発生したレーザー光出力を増幅する、アンプとしての応用もある。

【0003】

ＹＡＧセラミックスは、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｙｂ、Ｃｒなどのドーパントをドープすることで特性が大きく変化する。アンプ用として、Ｎｄ：ＹＡＧ多結晶材料の周囲にＳｍをドープした光吸収層ＹＡＧ多結晶の開発が報告されている（非特許文献１、２）。また、エネルギー蓄積に優れるＹｂ：ＹＡＧレーザー多結晶体に対しても、ＣｒをドープしたＹＡＧ多結晶体を接合することで、ハイパワー動作が確認されている（非特許文献３）。

【0004】

ＹＡＧセミラックスは専らハイパワーレーザーに用いられており、レーザー発振部分のＹＡＧセミラックスに対して寄生発振防止用の光吸収層として、異なるドーパントのＹＡＧセラミックスや光吸収用の光学ガラスを接合する技術が求められている。また、大口径の透明ＹＡＧセラミックスの需要もあり、これらの需要を満たすためにＹＡＧセラミックス同士の接合、ＹＡＧセラミックスと光吸収用の光学ガラスとの接合技術が必要となる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特表２０１４－５１９７２１号公表

【非特許文献】

【0006】

【文献】A. Ikesue, Y. L. Aung, Nature Photonics 22, 721-727(2008)

【文献】Yamamoto, R.M. et al., Roc, Adv. Solid State Photon, Nara, Japan WC5 (2008)

【文献】S. Banerjee, et al., Opt. Lett. 37, 2175-2177 (2012)

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、ＹＡＧセミラックスとＹＡＧセラミックスとを接合した接合体、あるいは、ＹＡＧセラミックスと光学ガラスとを接合した接合体であって、接合界面における光の反射を抑制した接合体及びその製造方法を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記の課題を解決できる、本発明の実施形態は、ＹＡＧセラミックスと、ＹＡＧセラミックス又は光学ガラスとを接合したＹＡＧセラミックス接合体であって、接合層として、ガラスを備え、透過率の変化率が７％以内である、ところに要旨を有する。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、接合界面における光の反射が抑制されたＹＡＧセラミックスとＹＡＧセラミックスとの接合体、あるいは、ＹＡＧセラミックスと光学ガラスとの接合体、を提供することができるという優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の一実施形態に係るＹＡＧセラミックス接合体の模式図である。

【図2】標準的なレーザーアプリケーションの模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

セラミックス同士の接合自体はこれまでにも報告されており、接合面を平坦に加工した後、温度をかけながら加圧して、セラミックス同士の原子拡散による拡散接合により接合することが行われている。この拡散接合は、接合面同士を鏡面に研磨加工し、接合面を接触させた状態で温度を上昇させ、拡散できる状態にする。しかし、拡散接合による処理は、数百度から千数百度程度の炉内で処理する必要があるため、セラミックスの熱膨張を考慮した位置決めや高度な温度制御をする必要があるため、面内均一に接合することが困難であった。さらに、接合面積を増加させた場合には、その処理はより困難となった。

【0012】

近年、セラミックス同士を接合する他の方法として、常温接合方法が報告されている。常温接合は、被接合物を真空チャンバーの中に導入し、Ａｒビーム等の原子ビームかイオンビームにより被接触面の表面を照射する。照射した面は、元素の表面結合手がむき出しなっている状態になり、被接合面同士を接触させることにより、元素拡散なしに常温でも強固な接合を作り出すことができる技術である。しかし、接合できる接合面の平坦度を原子層レベルまで上げる必要があり（Ｒａ＝サブｎｍ～数ｎｍのオーダー）、セラミックスでは数ｃｍ角程度のサンプルで成功が報告されているものの、それより大きいサイズでは高い研磨精度に律速されるため、加工コストが高くなるという問題がある。

【0013】

さらに、光学接着剤を用いて接合することも知られている（特許文献１）。しかし、該接着剤は、一般的に熱膨張率が大きく、温度を変えたときに歪が大きくなるという問題がある。また、接着剤の主成分が有機物材料であることから、耐熱（耐冷）性が劣るという問題がある。特に、レーザーアプリケーション用として使用する場合、強い光に晒される環境下にあるため、有機物の骨格成分の耐熱（耐冷）性や耐光性の低下が進むという問題がある。さらに、屈折率を調整するために、接着剤中にナノ粒子を入れることも行われているが、ナノ粒子を入れる量によっては、接合強度が低下することも懸念される。

【0014】

このように、レーザー用セラミックスに代表されるような、透明性が高く、高密度（例えば、相対密度が９９．９９％以上）のセラミックス同士、もしくは他の光学材料を接合させることは、極めて困難である。これまで光学セラミックス（ＹＡＧセラミックス等）や他の光学材料（光学ガラス等）は透明性が要求されるため、接合界面をよい状態のまま接合強度を高く接合することが求められてきた。材料同士の表面拡散を利用した拡散接合や、接着剤による接合では、透明性かつ耐性のある接合体を作製することは困難であり、均一な接合を量産レベルで実現するために抜本的な解決が求められてきた。

【0015】

そこで、着目したのが、ガラス材を用いた接合である。ガラスは、室温時に弾性をもつ固体的な性質と、温度を上げた際に流動的な性質をもつ液体的な性質を併せ持ち、賦形性に富む材料であるため、材料形成の幅が広い材料である。本発明では、このようなガラスを接合層として用いて、ＹＡＧセラミックス同士の接合体、もしくはＹＡＧセラミックスと他の光学材料（光学ガラス）の接合体を作製することを特徴とするものである。ガラスを接合層として用いたＹＡＧセラミックス接合体は、接合界面において、光の反射が抑制されて透過率が高く、レーザーアプリケーションに極めて有用である。

【0016】

本実施形態に係るセラミックス接合体は、ＹＡＧセラミックスと、ＹＡＧセラミックス又は光学ガラスとを接合したＹＡＧセラミックス接合体であって、接合層としてガラスを備え、透過率の変化率が７％以内であることを特徴とするものである。より好ましくは、変化率が５％以内であり、さらに好ましくは変化率が３％以内である。
ここで、透過率の変化率とは、ＹＡＧセラミックス母材（接合前）とＹＡＧセラミックス接合体（接合後）のそれぞれに対して、波長６５０ｎｍの光（レーザーダイオード）を入射して、その透過率を測定して、以下の式から算出するものである。
透過率の変化率（％）＝｛（母材の透過率）－（接合体の透過率）｝／（母材の透過率）×１００
透過率の変化率が７％以内であれば、接合界面において、光の反射が十分に抑制されたものといえ、レーザーアプリケーションとして用いることができる。

【0017】

また、本発明の実施形態において、接合層としてのガラスとして、波長６５０ｎｍの光に対する屈折率が１．７１～１．９１のガラス材を用いることが好ましい。接合対象物であるＹＡＧセラミックスの屈折率は、ドーパントの種類にもよるが、１．８３程度であり、また、寄生発振を抑制するために用いられる光学ガラスは、レーザー媒質であるＹＡＧセラミックスと同程度の屈折率をもつことから、これらと同等の屈折率（１．７１～１．９１：波長６５０ｎｍ）を備えたガラス材料を接合層として用いることにより、ＹＡＧセラミックス接合体における接合界面での光の反射が抑制されて、高い透過率を有するという優れた効果が得られる。

【0018】

接合層としてのガラスは、ケイ酸塩を主成分とする透明な材料であり、アルカリシリケート系ガラス材料、アルミノシリケート系ガラス、ボロシリケート系ガラス、ゲルマノシリケート系ガラス、含鉛系ガラス、ビスマスボレート系ガラスなどを用いることができる。また、接合プロセスを考慮すると、低融点（融点：１５００℃以下）のガラスを用いることが好ましいが、融点が高くても屈折率がＹＡＧセラミックスや光学ガラスと近い値であれば、特に問題はない。また、ガラス材料の一部又は全部を結晶化させたものを用いることができる。

【0019】

（ＹＡＧセラミックス）
ＹＡＧセラミックスは、Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂を母体とする多結晶体に、レーザー発振用又は光吸収用として、ドーパント（Ｎｄ、Ｙｂ、Ｃｒ、Ｓｍ、Ｅｒなど）を添加したバルク材料である。また、ドープ元素による吸収がなく、可視光領域（波長３８０ｎｍ～７６０ｎｍ）から、赤外領域（上限は波長３０００ｎｍ）付近までの透過率が８０％以上である。ＹＡＧセラミックスの屈折率はドーパントの種類によって多少変動するが、波長６５０ｎｍの光に対して１．８３程度である。高密度体にすることで、バルク内に残存ポアが少なくものを用いることが好ましく、目的に応じて、無添加のＹＡＧセラミックスを用いてもよい。

【0020】

（光学ガラス）
光学ガラスは、ＹＡＧセラミックスから発振する光を吸収することができ、寄生発振を低減するための光吸収層（クラッド）として使用することができる。レーザー媒質（コア）を形成するＹＡＧセラミックスと同等の屈折率（波長６５０ｎｍの光に対する屈折率が１．７１～１．９１）及び熱膨張率（７～９ｐｐｍ／Ｋ）を有し、ＹＡＧの発振波長（波長１０３０ｎｍ、１０６４ｎｍ）において光吸収を持つ材料を用いることが好ましい。

【0021】

次に、本発明の実施形態に係るＹＡＧセラミックス接合体の製造方法の一例及び適用例について、以下に説明する。
ＹＡＧセラミックスとＹＡＧセラミックス又は光学ガラスを接合するために、一方のＹＡＧセラミックスの表面に溶融したガラス（接着ガラス）をコーティングした後、コーティングした面に、他方のＹＡＧセラミックス又は光学ガラスを張り合わせ、その後、徐冷することにより、図１に示すような接合層としてガラスを介したＹＡＧセラミックス接合体を作製することができる。また、接着ガラスとして、光学ガラスと同質の材料（チタノシリケートガラスなど）を用いることにより、実質的にＹＡＧセラミックス／光学ガラス、からなる接合体を作製することができる。

【0022】

接合層としてガラスを介して接合したＹＡＧセラミックス接合体は、例えば、以下のようなレーザーアプリケーションに使用することができる。
標準的なレーザーアプリケーションの模式図を図２に示す。レーザーダイオード１の励起光２により蛍光体であるレーザー媒質３（Ｙｂ：ＹＡＧセラミックスなど）を励起し、対向する高反射ミラー４、４'で挟み込んだ共振器内で光増幅させた後に、レーザー５として放出する。このとき、レーザー媒質３の端面が反射面となって、ミラー４、４'で形成される面と異なる方位でレーザー発振する寄生発振６が発生する。この寄生発振６が生じると、本来の対向ミラー４、４'から構成される共振器から予測されるレーザー光よりも出力が低下するため、これを低減することが求められる。

【0023】

この寄生発振６を低減するために、レーザー媒質の周囲に同等の屈折率を有し、レーザー媒質の発振波長帯で光吸収する光吸収層７が形成されている。光吸収層７として、Ｃｒなどの遷移金属をドープしたＣｒ：ＹＡＧセラミックスを接合することにより、寄生発振６を防止することができる。また、本出願人は以前、光吸収層として、０．１～１０．０ｃｍ^-1の吸収係数を有し、レーザー媒質との屈折率差が±０．１以内、レーザー媒質との線熱膨張係数差が±１ｐｐｍ／Ｋ以内であるガラス（光学ガラス）を用いることを提案した（特願２０１９－００２３０７）。

【0024】

レーザー媒質となるＹｂ：ＹＡＧセラミックスと、光吸収層となるＣｒ：ＹＡＧセラミックス又は光学ガラスとの接合において、本発明に係るガラスを接合層として用いたＹＡＧセラミックス同士の接合体、あるいは、ＹＡＧセラミックスと他の光学材料（光学ガラス）との接合体を適用することができる。なお、上記では、レーザー媒質となるＹＡＧセラミックスと、光吸収層となるＹＡＧセラミックス又は光学ガラスとの接合について説明したが、光吸収層との接合以外の目的、例えば、レーザー媒質となるＹＡＧセラミックスの大口径化を目的として、同質のＹＡＧセラミックスを複数、ガラス接合層を介して接合する場合においても、本発明を適用することができる。

【実施例】

【0025】

以下、実施例および比較例に基づいて説明する。なお、本実施例はあくまで一例であり、この例によって何ら制限されるものではない。すなわち、本発明は特許請求の範囲によってのみ制限されるものであり、本発明に含まれる実施例以外の種々の変形を包含するものである。

【0026】

（実施例１）
ＹＡＧセラミックスとして、０．５ａｔ％Ｙｂ：ＹＡＧ（２ｃｍ×１ｃｍ、５ｍｍ厚）を２枚用意し、接合層としてガラス材（ＬＸ－５７Ｂ：日本電気硝子社製）を用意した。ガラス材を１０００℃で溶融し、溶融したガラスを一方のＹＡＧセラミックスの表面にコーティングした後、他方のＹＡＧセラミックスを張り合わせて、ＹＡＧセラミックス接合体を作製した。
なお、Ｙｂ：ＹＡＧセラミックスの屈折率は、波長６５０ｎｍの光に対して１．８３であり、接合層のガラス材の屈折率は、同波長に対して１．７１である。また、Ｙｂ：ＹＡＧセラミックスの熱膨張率は８ｐｐｍ／Ｋであり、ガラス材の熱膨張率は８ｐｐｍ／Ｋである。
ＹＡＧセラミックス母材（接合前）及び得られたＹＡＧセラミックス接合体（接合後）に対して、それぞれレーザー光（波長：６５０ｎｍ）を入射し、接合前後における透過率を測定、比較した結果、その変化率は７％であり、接合界面での光反射が抑制されていることを確認した。また、この接合体をガラス転移点以上の６００℃の高温環境下においても、また、液体窒素温度の低温環境下においても、剥離、割れ等が発生していないことを確認した。

【0027】

【表1】

【0028】

（実施例２）
ＹＡＧセラミックスとして０．５ａｔ％Ｙｂ：ＹＡＧ（２ｃｍ×１ｃｍ、５ｍｍ厚）、チタノシリケート系ガラス（光学ガラス：２ｃｍ×１ｃｍ、５ｍｍ厚）を用意し、接合層として、前記光学ガラスと同じガラス材を用意した。ガラス材を１２５０℃で溶融し、溶融したガラスをＹＡＧセラミックスの表面にコーティングした後、光学ガラスを張り合わせて、ＹＡＧセラミックス接合体を作製した。なお、光学ガラスの屈折率は、波長６５０ｎｍの光に対して１．８１であり、熱膨張率は７ｐｐｍ／Ｋである。
ＹＡＧセラミックス母材（接合前）及び得られたＹＡＧセラミックス接合体（接合後）に対して、それぞれレーザー光（波長：６５０ｎｍ）を入射し、接合前後における透過率を比較した結果、その変化率は１．５％であり、接合界面での光反射が抑制されていることを確認した。また、この接合体をガラス転移点以上の７００℃の高温環境下においても、また、液体窒素温度の低温環境下においても、剥離、割れ等が発生していないことを確認した。

【0029】

【表2】

【産業上の利用可能性】

【0030】

本発明は、接合界面での光反射が抑制され、温度変化に対しても破壊が起こり難い、ＹＡＧセラミックスとＹＡＧセラミックスとの接合体、あるいは、ＹＡＧセラミックスと光学ガラスとの接合体、を提供することができるという優れた効果を有する。本発明に係るセラミックス接合体は、ハイパワーレーザー（アンプ）などのレーザーアプリケーションとして有用である。

【符号の説明】

【0031】

１ レーザーダイオード
２ 励起光
３ レーザー媒質（コア）
４ ミラー
５ レーザー
６ 寄生発振
７ 光吸収層（クラッド）

【図1】

【図2】