JP4136744B2 - 反射膜 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学薄膜により構成され、例えば、レーザ共振器、レーザ反射鏡、レーザ素子等の部品に適用される反射膜に係り、特に、膜設計の自由度を広げると共に耐レーザ損傷性に優れた反射膜の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光学薄膜により構成されるこの種の反射膜は、従来、以下の表１に示す代表的な膜材料を用いて構成されている。
【０００３】
【表１】
例えば、レーザ共振器、レーザ反射鏡、レーザ素子等を対象とした単一波長に対する反射膜について光学薄膜を用いて設計するには、屈折率の異なる膜材料を少なくとも２種類以上用いて、光学的膜厚ｎｄ（ｎ：屈折率、ｄ：物理的膜厚）をλ / ４（λ：設計中心波長）として、例えば、高屈折率層と低屈折率層を交互に積層すればよい。
【０００４】
そして、反射膜の設計中心波長λにおける反射率は、低屈折率層と高屈折率層の屈折率差と膜総数によって決定される。すなわち、この屈折率差が大きく、膜総数が多い反射膜ほど設計中心波長λにおける反射率は高くなる。
【０００５】
以下、低屈折率層としてＳｉＯ2、高屈折率層としてＴａ2Ｏ5を用い、表２に示すように高屈折率層と低屈折率層を交互に２３層積層して成る従来例に係る反射膜の分光反射特性を図１に示す。
【０００６】
そして、図１のグラフ図から確認されるように、設計中心波長（λ＝１０６４ｎｍ）における反射率は、９９．９６％に達する。
【０００７】
【表２】
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、高屈折率層と低屈折率層を交互に積層して構成される反射膜の設計中心波長λにおける反射率は、上述したように低屈折率層と高屈折率層の屈折率差と膜総数によって決定され、この屈折率差が大きく、膜総数が多い反射膜ほど設計中心波長λにおける反射率は高くなる。従って、屈折率差が大きい少なくとも２種類以上の膜材料を適用することで膜総数を減らすことも可能である。
【０００９】
しかしながら、高出力レーザに適用する反射膜については、膜総数を減らすために屈折率差の大きい膜材料を選択することは望ましくない。
【００１０】
例えば、可視域から近赤外域のレーザ反射鏡の低屈折率層にはレーザ損傷閾値が高いＳｉＯ2を用いることが一般的であり、高屈折率層には、屈折率が高い順にＴｉＯ2、Ｔａ2Ｏ5、ＺｒＯ2を用いる場合が多い。しかし、この屈折率が高い順にレーザ損傷閾値が低い欠点があった。
【００１１】
従って、レーザ損傷閾値が低い膜材料を用いて反射膜を構成した場合、高出力レーザにより反射膜がダメージを受けて、反射膜のみならず、反射膜が施されている素子そのものまでがダメージを受けて、その機器の本来の性能が発揮されなくなる問題点があった。
【００１２】
本発明はこのような問題点に着目してなされたもので、その課題とするところは、反射膜に適用できる新規な膜材料を提供して膜設計の自由度を広げると共に耐レーザ損傷性に優れた反射膜を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
すなわち、請求項１に係る発明は、
高屈折率層と低屈折率層を交互に積層して構成される反射膜を前提とし、
上記高屈折率層がＹＡＧ（Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：イットリウムアルミニウムガーネット）で構成されていることを特徴とし、
請求項２に係る発明は、
請求項１記載の発明に係る反射膜を前提とし、
レーザ共振器、レーザ反射鏡またはレーザ素子のいずれかに施されることを特徴とするものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１５】
本発明は、高屈折率層と低屈折率層を交互に積層して構成される反射膜の上記高屈折率層の光学薄膜材料として、ＹＡＧ（Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：イットリウムアルミニウムガーネット）を新たに追加することで膜設計の自由度を広げると共に耐レーザ損傷性の向上を可能としている。
【００１６】
すなわち、ＹＡＧ（Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：イットリウムアルミニウムガーネット）はレーザ結晶として知られているように非常に硬度が高く、熱伝導率もよく、化学的にも安定で、透過波長域も約２５０〜５０００ｎｍと広く、さらに、光吸収も非常に少なく、耐レーザ損傷性も高いことから、本発明者等はＹＡＧのこれ等特性に着目して反射膜への応用を試み、上記課題を解決している。
【００１７】
そして、上述したＴｉＯ2、Ｔａ2Ｏ5、ＺｒＯ2に代えてＹＡＧを適用し、低屈折率層としてのＳｉＯ2と組み合わせることにより耐レーザ損傷性に優れた反射膜の提供を可能にしている。
【００１８】
但し、ＹＡＧの屈折率は１．８０で、高出力レーザ用反射鏡の高屈折率層に用いられるＴａ2Ｏ5の屈折率２．１０より小さいため、ＳｉＯ2とＴａ2Ｏ5で構成した上記２３層の反射鏡と同じ反射率９９．９６％とするにはＳｉＯ2とＹＡＧを交互に３９層以上積層する必要があるが、現在の成膜技術において３９層程度の蒸着は困難なことではない。
【００１９】
尚、ＹＡＧ（Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：イットリウムアルミニウムガーネット）で構成される高屈折率層については、ＹＡＧ（Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：イットリウムアルミニウムガーネット）の結晶体若しくは焼結体、または酸素欠損を有するＹＡＧ（Ｙ3Ａｌ5Ｏ12-X）の結晶体若しくは焼結体を蒸着材料若しくはスパッタターゲットとして成膜してもよいし、あるいは、Ｙ2Ｏ3（イットリア）とＡｌ2Ｏ3（アルミナ）の結晶体若しくは焼結体、または酸素欠損を有するイットリア（Ｙ2Ｏ3-X）と酸素欠損を有するアルミナ（Ａｌ2Ｏ3-X）の結晶体若しくは焼結体を蒸着材料若しくはスパッタターゲットとして成膜してもよい。
【００２０】
以下、ＹＡＧ（Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：イットリウムアルミニウムガーネット）で構成される高屈折率層が適用された本発明に係る反射膜について具体的に説明する。
【００２１】
すなわち、高屈折率層にＹＡＧを用い、低屈折率層にＳｉＯ2を用いた３９層の本発明に係る反射膜の構成を表３〜表４に示し、かつ、この反射膜における分光反射特性を図２に示す。
【００２２】
【表３】
【００２３】
【表４】
【００２４】
【実施例】
以下、本発明の実施例について比較例を挙げて具体的に説明する。
【００２５】
まず、高屈折率層にＴａ2Ｏ5を用いた表２に示す比較例に係るＮｄ：ＹＡＧレーザ反射鏡（設計中心波長λ＝１０６４ｎｍ）と、高屈折率層にＹＡＧを用いた表３〜４に示す実施例に係るＮｄ：ＹＡＧレーザ反射鏡（設計中心波長λ＝１０６４ｎｍ）を実際に作製し、各Ｎｄ：ＹＡＧレーザ反射鏡の耐レーザ損傷性を比較した。
【００２６】
尚、実施例および比較例に係るＮｄ：ＹＡＧレーザ反射鏡の作製には、イオンアシスト電子ビーム蒸着法を用い、かつ、基板ガラスＢＫ７を２００℃に加熱し、成膜中には酸素を導入した。
【００２７】
そして、各Ｎｄ：ＹＡＧレーザ反射鏡の耐レーザ損傷性を比較するため、発振波長１０６４ｎｍ、パルス幅１０ｎｓのＮｄ：ＹＡＧレーザをレンズを用いて集光させ、そのパワー密度（Ｊ/ｃｍ2）により損傷を受けるか受けないかを調べるレーザ損傷テストを各Ｎｄ：ＹＡＧレーザ反射鏡に対し実施した。
【００２８】
その結果、実施例に係るＮｄ：ＹＡＧレーザ反射鏡のレーザ損傷閾値は２０（Ｊ/ｃｍ2）、比較例に係るＮｄ：ＹＡＧレーザ反射鏡のレーザ損傷閾値は１４（Ｊ/ｃｍ2）であった。
【００２９】
そして、ＳｉＯ2のレーザ損傷閾値は非常に高いので、実施例に係るＮｄ：ＹＡＧレーザ反射鏡のレーザ損傷閾値が、比較例に係るＮｄ：ＹＡＧレーザ反射鏡のレーザ損傷閾値より高い原因は、高屈折率層に用いているＴａ2Ｏ5とＹＡＧにおけるレーザ損傷閾値の差が反映しているものと考えられる。
【００３０】
【発明の効果】
高屈折率層と低屈折率層を交互に積層して構成される本発明に係る反射膜によれば、
上記高屈折率層がＹＡＧ（Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：イットリウムアルミニウムガーネット）で構成されているため以下のような顕著な効果を有する。
【００３１】
まず、ＹＡＧの屈折率を利用して新たな反射膜の設計が可能となり、かつ、ＹＡＧの光学薄膜が具備する耐候性、硬度、付着力等の特性を生かして今までにない特性を有した反射膜を得ることが可能となる効果を有する。
【００３２】
さらに、ＹＡＧの光学薄膜は耐レーザ損傷性にも優れているので、ＳｉＯ2等と組み合わせることにより、耐レーザ損傷性に優れた反射膜を得ることができる効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来例に係る反射膜の分光反射特性を示すグラフ図。
【図２】本発明に係る反射膜の分光反射特性を示すグラフ図。
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学薄膜により構成され、例えば、レーザ共振器、レーザ反射鏡、レーザ素子等の部品に適用される反射膜に係り、特に、膜設計の自由度を広げると共に耐レーザ損傷性に優れた反射膜の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光学薄膜により構成されるこの種の反射膜は、従来、以下の表１に示す代表的な膜材料を用いて構成されている。
【０００３】
【表１】
【０００４】
そして、反射膜の設計中心波長λにおける反射率は、低屈折率層と高屈折率層の屈折率差と膜総数によって決定される。すなわち、この屈折率差が大きく、膜総数が多い反射膜ほど設計中心波長λにおける反射率は高くなる。
【０００５】
以下、低屈折率層としてＳｉＯ2、高屈折率層としてＴａ2Ｏ5を用い、表２に示すように高屈折率層と低屈折率層を交互に２３層積層して成る従来例に係る反射膜の分光反射特性を図１に示す。
【０００６】
そして、図１のグラフ図から確認されるように、設計中心波長（λ＝１０６４ｎｍ）における反射率は、９９．９６％に達する。
【０００７】
【表２】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、高屈折率層と低屈折率層を交互に積層して構成される反射膜の設計中心波長λにおける反射率は、上述したように低屈折率層と高屈折率層の屈折率差と膜総数によって決定され、この屈折率差が大きく、膜総数が多い反射膜ほど設計中心波長λにおける反射率は高くなる。従って、屈折率差が大きい少なくとも２種類以上の膜材料を適用することで膜総数を減らすことも可能である。
【０００９】
しかしながら、高出力レーザに適用する反射膜については、膜総数を減らすために屈折率差の大きい膜材料を選択することは望ましくない。
【００１０】
例えば、可視域から近赤外域のレーザ反射鏡の低屈折率層にはレーザ損傷閾値が高いＳｉＯ2を用いることが一般的であり、高屈折率層には、屈折率が高い順にＴｉＯ2、Ｔａ2Ｏ5、ＺｒＯ2を用いる場合が多い。しかし、この屈折率が高い順にレーザ損傷閾値が低い欠点があった。
【００１１】
従って、レーザ損傷閾値が低い膜材料を用いて反射膜を構成した場合、高出力レーザにより反射膜がダメージを受けて、反射膜のみならず、反射膜が施されている素子そのものまでがダメージを受けて、その機器の本来の性能が発揮されなくなる問題点があった。
【００１２】
本発明はこのような問題点に着目してなされたもので、その課題とするところは、反射膜に適用できる新規な膜材料を提供して膜設計の自由度を広げると共に耐レーザ損傷性に優れた反射膜を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
すなわち、請求項１に係る発明は、
高屈折率層と低屈折率層を交互に積層して構成される反射膜を前提とし、
上記高屈折率層がＹＡＧ（Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：イットリウムアルミニウムガーネット）で構成されていることを特徴とし、
請求項２に係る発明は、
請求項１記載の発明に係る反射膜を前提とし、
レーザ共振器、レーザ反射鏡またはレーザ素子のいずれかに施されることを特徴とするものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１５】
本発明は、高屈折率層と低屈折率層を交互に積層して構成される反射膜の上記高屈折率層の光学薄膜材料として、ＹＡＧ（Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：イットリウムアルミニウムガーネット）を新たに追加することで膜設計の自由度を広げると共に耐レーザ損傷性の向上を可能としている。
【００１６】
すなわち、ＹＡＧ（Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：イットリウムアルミニウムガーネット）はレーザ結晶として知られているように非常に硬度が高く、熱伝導率もよく、化学的にも安定で、透過波長域も約２５０〜５０００ｎｍと広く、さらに、光吸収も非常に少なく、耐レーザ損傷性も高いことから、本発明者等はＹＡＧのこれ等特性に着目して反射膜への応用を試み、上記課題を解決している。
【００１７】
そして、上述したＴｉＯ2、Ｔａ2Ｏ5、ＺｒＯ2に代えてＹＡＧを適用し、低屈折率層としてのＳｉＯ2と組み合わせることにより耐レーザ損傷性に優れた反射膜の提供を可能にしている。
【００１８】
但し、ＹＡＧの屈折率は１．８０で、高出力レーザ用反射鏡の高屈折率層に用いられるＴａ2Ｏ5の屈折率２．１０より小さいため、ＳｉＯ2とＴａ2Ｏ5で構成した上記２３層の反射鏡と同じ反射率９９．９６％とするにはＳｉＯ2とＹＡＧを交互に３９層以上積層する必要があるが、現在の成膜技術において３９層程度の蒸着は困難なことではない。
【００１９】
尚、ＹＡＧ（Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：イットリウムアルミニウムガーネット）で構成される高屈折率層については、ＹＡＧ（Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：イットリウムアルミニウムガーネット）の結晶体若しくは焼結体、または酸素欠損を有するＹＡＧ（Ｙ3Ａｌ5Ｏ12-X）の結晶体若しくは焼結体を蒸着材料若しくはスパッタターゲットとして成膜してもよいし、あるいは、Ｙ2Ｏ3（イットリア）とＡｌ2Ｏ3（アルミナ）の結晶体若しくは焼結体、または酸素欠損を有するイットリア（Ｙ2Ｏ3-X）と酸素欠損を有するアルミナ（Ａｌ2Ｏ3-X）の結晶体若しくは焼結体を蒸着材料若しくはスパッタターゲットとして成膜してもよい。
【００２０】
以下、ＹＡＧ（Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：イットリウムアルミニウムガーネット）で構成される高屈折率層が適用された本発明に係る反射膜について具体的に説明する。
【００２１】
すなわち、高屈折率層にＹＡＧを用い、低屈折率層にＳｉＯ2を用いた３９層の本発明に係る反射膜の構成を表３〜表４に示し、かつ、この反射膜における分光反射特性を図２に示す。
【００２２】
【表３】
【表４】
【実施例】
以下、本発明の実施例について比較例を挙げて具体的に説明する。
【００２５】
まず、高屈折率層にＴａ2Ｏ5を用いた表２に示す比較例に係るＮｄ：ＹＡＧレーザ反射鏡（設計中心波長λ＝１０６４ｎｍ）と、高屈折率層にＹＡＧを用いた表３〜４に示す実施例に係るＮｄ：ＹＡＧレーザ反射鏡（設計中心波長λ＝１０６４ｎｍ）を実際に作製し、各Ｎｄ：ＹＡＧレーザ反射鏡の耐レーザ損傷性を比較した。
【００２６】
尚、実施例および比較例に係るＮｄ：ＹＡＧレーザ反射鏡の作製には、イオンアシスト電子ビーム蒸着法を用い、かつ、基板ガラスＢＫ７を２００℃に加熱し、成膜中には酸素を導入した。
【００２７】
そして、各Ｎｄ：ＹＡＧレーザ反射鏡の耐レーザ損傷性を比較するため、発振波長１０６４ｎｍ、パルス幅１０ｎｓのＮｄ：ＹＡＧレーザをレンズを用いて集光させ、そのパワー密度（Ｊ/ｃｍ2）により損傷を受けるか受けないかを調べるレーザ損傷テストを各Ｎｄ：ＹＡＧレーザ反射鏡に対し実施した。
【００２８】
その結果、実施例に係るＮｄ：ＹＡＧレーザ反射鏡のレーザ損傷閾値は２０（Ｊ/ｃｍ2）、比較例に係るＮｄ：ＹＡＧレーザ反射鏡のレーザ損傷閾値は１４（Ｊ/ｃｍ2）であった。
【００２９】
そして、ＳｉＯ2のレーザ損傷閾値は非常に高いので、実施例に係るＮｄ：ＹＡＧレーザ反射鏡のレーザ損傷閾値が、比較例に係るＮｄ：ＹＡＧレーザ反射鏡のレーザ損傷閾値より高い原因は、高屈折率層に用いているＴａ2Ｏ5とＹＡＧにおけるレーザ損傷閾値の差が反映しているものと考えられる。
【００３０】
【発明の効果】
高屈折率層と低屈折率層を交互に積層して構成される本発明に係る反射膜によれば、
上記高屈折率層がＹＡＧ（Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：イットリウムアルミニウムガーネット）で構成されているため以下のような顕著な効果を有する。
【００３１】
まず、ＹＡＧの屈折率を利用して新たな反射膜の設計が可能となり、かつ、ＹＡＧの光学薄膜が具備する耐候性、硬度、付着力等の特性を生かして今までにない特性を有した反射膜を得ることが可能となる効果を有する。
【００３２】
さらに、ＹＡＧの光学薄膜は耐レーザ損傷性にも優れているので、ＳｉＯ2等と組み合わせることにより、耐レーザ損傷性に優れた反射膜を得ることができる効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来例に係る反射膜の分光反射特性を示すグラフ図。
【図２】本発明に係る反射膜の分光反射特性を示すグラフ図。
Claims (2)
- 高屈折率層と低屈折率層を交互に積層して構成される反射膜において、
上記高屈折率層がＹＡＧ（Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：イットリウムアルミニウムガーネット）で構成されていることを特徴とする反射膜。 - レーザ共振器、レーザ反射鏡またはレーザ素子のいずれかに施されることを特徴とする請求項１記載の反射膜。
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2003
- 2003-03-24 JP JP2003081382A patent/JP4136744B2/ja not_active Expired - Fee Related
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