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JP2002286905A - 透明性光学材料の光透過率低下の制御方法 - Google Patents

透明性光学材料の光透過率低下の制御方法

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JP2002286905A
JP2002286905A JP2001091291A JP2001091291A JP2002286905A JP 2002286905 A JP2002286905 A JP 2002286905A JP 2001091291 A JP2001091291 A JP 2001091291A JP 2001091291 A JP2001091291 A JP 2001091291A JP 2002286905 A JP2002286905 A JP 2002286905A
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JP
Japan
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irradiation
optical material
ion
laser
light transmittance
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Application number
JP2001091291A
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English (en)
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JP3569745B2 (ja
Inventor
Naoki Kishimoto
直樹 岸本
Yoshihiko Takeda
良彦 武田
Hiroshi Amekura
宏 雨倉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
National Institute for Materials Science
Original Assignee
National Institute for Materials Science
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Publication date
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C03GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03CCHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C23/00Other surface treatment of glass not in the form of fibres or filaments
    • C03C23/0005Other surface treatment of glass not in the form of fibres or filaments by irradiation
    • C03C23/0025Other surface treatment of glass not in the form of fibres or filaments by irradiation by a laser beam

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  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
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  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Geochemistry & Mineralogy (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Surface Treatment Of Optical Elements (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
  • Surface Treatment Of Glass (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 透明性光学材料の光透過率の減少を抑える。 【解決手段】 イオン注入プロセスもしくはイオン照射
損傷環境下における結晶質あるいは非晶質の透明性光学
材料に対し、これら光学材料の溶融あるいは軟化を行う
ことなく、イオン照射と同時にレーザーを照射して光学
材料の光透過率の低下を抑える。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この出願の発明は、透明性光
学材料の光透過率低下の抑制方法に関するものである。
さらに詳しくは、この出願の発明は、結晶質あるいは非
晶質の透明光学基板材料等の光学材料について、イオン
照射損傷の動的な回復を行うことにより、母相部分の透
明性を保ち、イオン注入による非線形光学材料や照射損
傷環境における光学窓材料等の光透過率の低下抑制を可
能とする、透明性光学材料の光透過率低下の抑制方法
と、この方法によるイオン注入方法並びにイオン注入光
学材料に関するものである。
【0002】
【従来の技術と発明の課題】従来より、半導体の製造技
術としてレーザー照射が広く行われ、イオン照射によっ
て非晶質化された部分の結晶性を回復し、注入不純物を
電気的に活性化するのに有効な技術として知られてい
る。たとえば、特願昭53−71732の特許出願で
は、このような技術として、イオンとレーザーを同時に
照射する方法も含むものとして、提案されている。
【0003】また、ガラス材料においては、光エネルギ
ーの吸収体として半導体薄膜をコートして、ガラス軟化
点を越えるレーザー加熱を行いつつイオン注入を行う方
法も特願平1−156328の特許出願として提案され
ている。しかしながら、これらの従来の技術において
は、結晶半導体あるいはガラス材料のレーザー加熱によ
る結晶の溶融あるいはガラス軟化を行うものである。
【0004】このような溶融や軟化をともなう従来の技
術では、溶融、軟化のためのアニール等の処理手段が必
要とされ、その操作のコントロールが欠かせない等の負
担が大きいばかりでなく、溶融や軟化にともなって、光
学材料の品質や特性の変化が懸念されるという大きな問
題がある。特にこのことは、非線形光学材料に対しての
イオン注入法の適用を難しくする要因となっていた。
【0005】このため、イオン注入による透明性光学材
料のイオンによる照射損傷に起因する光透過率の減少と
いう問題点を、光学材料の溶融や軟化をともなわずに解
消することはできないでいた。
【0006】この出願の発明は、以上のとおりの従来技
術の問題点を解消して、イオン注入プロセスやイオン損
傷環境下における透明性光学材料の光透過率の減少を抑
えることのできる、新しい技術手段を提供することを課
題としている。
【0007】
【課題を解決するための手段】この出願の発明は、上記
の課題を解決するものとして、第1には、イオン注入プ
ロセスもしくはイオン照射損傷環境下における結晶質あ
るいは非晶質の透明性光学材料に対し、これら光学材料
の溶融あるいは軟化を行うことなく、イオン照射と同時
にレーザーを照射して、光学材料の光透過率の低下を抑
えることを特徴とする透明性光学材料の光透過率低下の
抑制方法を提供する。
【0008】また、この出願の発明は、第2には、エネ
ルギーギャップ以下の波長の高出力レーザーを照射する
ことを特徴とする前記の方法を提供する。そして、この
出願の発明は、第3には、この方法によることを特徴と
するイオン注入方法を、第4には、イオン注入光学材料
をも提供する。
【0009】
【発明の実施の形態】この出願の発明は、前記のとおり
の特徴をもつものであって、結晶質あるいは非晶質の透
明光学基板材料としての色ガラスや、非線形光学材料、
硬化光学材料の作製、あるいは核融合炉等照射損傷環境
での計測診断等用光学窓材料の作製における各種光学材
料の光透過率の維持のための技術等として有用なもので
ある。
【0010】光学基板材料を用いたイオン注入による材
料作製技術、あるいはイオン照射損傷環境における基板
部分(母相)材料の照射損傷による光透過率の減少(光
吸収率の上昇)という問題点は、この出願の発明によっ
て、イオン注入またはイオン照射中にレーザー光を照射
することによる非線形な同時照射効果により、基板材料
を軟化・溶融させることなく、イオン注入部の光吸収率
の上昇を低減することを可能としている。
【0011】この出願の発明においては、対象としての
光学材料は、結晶質または非晶質より構成され、かつ透
明度の高い透明性の材料である。このような材料として
は、各種の用途のものでよく、イオン注入操作もしくは
イオン照射損傷環境への配置にともなって、光透過率が
減少(光吸収率が増大)することが問題となるものが対
象となる。用途としては、たとえば、基板であってもよ
いし、光学窓であってもよい。
【0012】このような特徴は、レーザーの同時照射時
に起こる非線形な欠陥回復効果によるものである。この
ため、この出願の発明の方法においては、光学材料その
ものの溶融や軟化という加熱は一切必要としない。
【0013】同時照射によって以上の効果を発揮できる
ためには、レーザーは、空間的に均一に照射することが
望ましい。イオン注入もしくはイオン照射とレーザー照
射とが時間的に許容される時間誤差を超えてズレた場合
には、この出願の発明の効果は、充分に、あるいは全く
得られないことになる。
【0014】この出願の発明においては、光吸収を起こ
す欠陥準位に的を絞るために、エネルギーギャップ以下
の波長のレーザーを照射するのが望ましい。そこで以下
の実施例を示し、さらに詳しく説明する。もちろん、以
下の例によって発明が限定されることはない。
【0015】
【実施例】光学基板材料として、石英ガラスa−SiO
2(商品名KU−1(登録商標)、820ppm O
H)と、スピネルMgO−n(Al23)(n=2.
4)を、直径15mm、厚さ0.5mmの円板形状で、
両面光学研磨して用いた。照射装置としては、図1に例
示したように大電流タンデム加速器系と大出力YAGレ
ーザーより構成されるものを用いた。重イオン照射は3
MeVCu2+、レーザーは、532nm(パルス幅20
nsec,繰り返し周波数10Hz)のYAGレーザー
2次高調波を用いた。照射時間は、イオン線量3×10
16ions/cm 2(または3×1015ions/c
2)に対応させた。イオン電流密度及びレーザー強度
は、それぞれ2〜10μA/cm2(1〜5particle−
μA/cm2)及び0.05〜0.2J/cm2pulse と
した。レーザー強度の空間分布は、イメージ転送(イメ
ージ・リレイ)法により、6mm径の均一な空間分布を
得た。試料は穴空きマスク板(12mm形)によって水
冷試料ステージへ押しつけ熱除去を確保した。
【0016】レーザーとイオンの同時照射と、比較のた
めの順次照射とを次の条件により行った。 1)同時照射:3MeVCu2+イオン及び532nmレ
ーザーを、積算線量3×1014ions/cm2まで照
射。
【0017】2)順次照射:最初に3MeVCu2+イオ
ンを同線量まで照射し、次に532nmレーザーを、イ
オン照射に対応する時間に亘り照射。その効果を光吸収
率によって評価した。a−SiO2の照射後の光学吸収
スペクトルを図2に示した。図2中においては、符号I
はイオンの照射を、Lはレーザーの照射を示し、Abs
は光吸収を示している。
【0018】この図2からは、a−SiO2の光吸収率
は、イオン照射のみでも線量率によって大きく変化し、
低線量率では、紫外線域にかけてフォトンエネルギー
(波長)とともに増大し、種々の電子欠陥状態に対応す
るこぶを持つ、低線量率では、欠陥に由来する光吸収が
大きいが、順次照射:AbsI+L(Sq):破線でも
少しの効果が認められるものの、レーザー・イオン同時
照射:AbsI+L(Co):実線では、著しい光透過
率の回復(プリーチング効果)が顕れることが確認され
る。
【0019】スピネルMgO−n(Al23)(n=
2.4)の照射後の光吸収スペクトルを図3に示した。
同様に、同時照射において、著しいブリーチング効果が
現われる。なお、これら透明性光学基板材料にレーザー
のみを照射しても何ら変化はない。また、順次照射にお
いては、イオン照射誘起損傷が最大値に至って後にレー
ザー照射が開始されるので、同時照射の場合の累積的効
果は、順次照射における累積的効果より少ないにも拘わ
らず、その効果は大きいことから、相乗的なブリーチン
グ効果が存在することがわかる。用いたレーザー波長
は、絶縁体のエネルギーギャップより小さいエネルギー
であるため、それを吸収する電子状態はイオン照射中の
過度的欠陥である。この方法によれば、エネルギー吸収
体の照射欠陥が消失した後は、それ以上光エネルギーが
吸収されて変質等を来すことはない。
【0020】
【発明の効果】以上詳しく説明したとおり、この出願の
発明によって、従来、透明光学材料のイオン注入では照
射欠陥による光吸収損失が生じ、回復させるには再溶融
または融点直下の照射後の熱的アニールによるしかなか
ったが、照射中の動的な回復により、物性や品質の変化
が懸念される加熱溶融を伴わずに、また照射後アニール
が不要となって、イオン注入技術における光透過率の低
下を防止することができる。このことによって、非線形
光学材料等への用途が広がる。
【0021】従って、付加価値の高い非線形光学材料等
の品質が向上し製作工程が効率化されることになる。ま
た、イオン注入プロセッシング技術に関する多様な用途
が広がる。一方、核融合炉におけるプラズマ診断用の光
学窓材料等の照射損傷環境での光透過率を回復させるこ
とは、真空解除を要せず大幅にコストを低減する。
【図面の簡単な説明】
【図1】イオン・レーザー同時照射装置の平面図であ
る。大電流重イオンタンデム系は、負イオン入射器
(A)、低エネルギービームライン(B)、タンデム加
速器本体(C)より成り、YAGレーザー(D)及び材
料照射チャンバー(E)と組み合わされる。イオンは試
料面に垂直に照射され、レーザーは試料法線に対して、
約35度の角度で照射される。
【図2】イオン・レーザー同時照射が石英ガラスa−S
iO2の光学吸収に及ぼす効果を例示した図である。3
MeVCu2+イオンと532nmレーザーについて、イ
オン照射のみ(I)、同時照射(I+L(Co))、そ
して順次照射(I+L(Sq))を比較している。
【図3】イオン・レーザー同時照射MgO−n(Al2
3)(n=2.4)の光学吸収に及ぼす効果を例示し
た図である。3MeVCu2+イオンと532nmレーザ
ーについて、イオン照射のみ(I)、同時照射(I+L
(Co))、そして順次照射(I+L(Sq))を比較
している。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 2K002 AB12 FA22 FA23 GA10 HA13 2K009 BB02 BB04 DD17 EE00 4G059 AA11 AB19 AC04

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 イオン注入プロセスもしくはイオン照射
    損傷環境下における結晶質あるいは非晶質の透明性光学
    材料に対し、これら光学材料の溶融あるいは軟化を行う
    ことなく、イオン照射と同時にレーザーを照射して、光
    学材料の光透過率の低下を抑えることを特徴とする透明
    性光学材料の光透過率低下の抑制方法。
  2. 【請求項2】 エネルギーギャップ以下の波長の高出力
    レーザーを照射することを特徴とする請求項1の抑制方
    法。
  3. 【請求項3】 請求項1または2の方法によることを特
    徴とする透明性光学材料のイオン注入方法。
  4. 【請求項4】 請求項3の方法により作製されたことを
    特徴とするイオン注入透明性光学材料。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2013516657A (ja) * 2010-01-05 2013-05-13 ケーエルエー−テンカー コーポレイション 過渡色中心形成の抑制及びフォノンポピュレーションの制御による光学材料におけるレーザー誘起損傷の軽減
CN108594460A (zh) * 2018-05-31 2018-09-28 北京小米移动软件有限公司 结构光模组和电子设备

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