(57)【要約】      （修正有）【課題】合成ダイヤモンド材料を有する光学素子を提供する。【解決手段】光学素子１０であって、合成ダイヤモンド材料と、合成ダイヤモンド材料の少なくとも１つの表面内に直接形成されたゾーンプレート１６、フレネルレンズ、又は非球面レンズの形態をした扁平化レンズ表面構造体とを有し、合成ダイヤモンド材料は、室温で測定して１０．６μｍの波長で０．５ｃｍ-1以下の吸収係数を有し、合成ダイヤモンド材料は、次の特性のうちの一方又は両方を満たすレーザ誘導損傷しきい値を有し、これら特性は、レーザ誘導損傷しきい値が、パルス持続時間を１００ｎｓ、パルス繰り返し周波数を１〜１０Ｈｚの範囲として波長１０．６μｍのパルスレーザを用いて測定して少なくとも３０Ｊｃｍ2であるという特性及びレーザ誘導損傷しきい値が、波長１０．６μｍの連続波レーザを用いて測定して少なくとも１ＭＷ／ｃｍ2である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学素子であって、
合成ダイヤモンド材料と、
前記合成ダイヤモンド材料の少なくとも１つの表面内に直接形成されたゾーンプレート、フレネルレンズ、又は非球面レンズの形態をした扁平化レンズ表面構造体とを有し、
前記合成ダイヤモンド材料は、室温で測定して１０．６μｍの波長で０．５ｃｍ-1以下の吸収係数を有し、
前記合成ダイヤモンド材料は、次の特性のうちの一方又は両方を満たすレーザ誘導損傷しきい値を有し、前記特性は、
前記レーザ誘導損傷しきい値が、パルス持続時間を１００ｎｓ、パルス繰り返し周波数を１〜１０Ｈｚの範囲として波長１０．６μｍのパルスレーザを用いて測定して少なくとも３０Ｊｃｍ-2であるという特性、及び
前記レーザ誘導損傷しきい値が、波長１０．６μｍの連続波レーザを用いて測定して少なくとも１ＭＷ／ｃｍ2であるという特性である、光学素子。
【請求項２】
前記レーザ誘導損傷しきい値は、前記パルスレーザを用いて測定して少なくとも５０Ｊｃｍ-2、少なくとも７５Ｊｃｍ-2、少なくとも１００Ｊｃｍ-2、少なくとも１５０Ｊｃｍ-2、又は少なくとも２００Ｊｃｍ-2である、請求項１記載の光学素子。
【請求項３】
前記レーザ誘導損傷しきい値は、前記連続波レーザを用いて測定して少なくとも５ＭＷ／ｃｍ2、少なくとも１０ＭＷ／ｃｍ2、少なくとも２０ＭＷ／ｃｍ2、又は少なくとも５０ＭＷ／ｃｍ2である、請求項１又は２記載の光学素子。
【請求項４】
前記扁平化レンズ表面構造体は、電磁スペクトルの赤外領域、可視領域、又は紫外領域内の動作波長の光を集束させるよう構成されている、請求項１〜３のうちいずれか一に記載の光学素子。
【請求項５】
前記光学素子は、前記光学素子の前記動作周波数で３％以下、２％以下、１．５％以下、１％以下、又は０．５％以下の反射率を有する、請求項４記載の光学素子。
【請求項６】
前記光学素子は、前記光学素子の前記動作周波数で少なくとも９７％、少なくとも９８％、又は少なくとも９９％の透過率を有する、請求項４又は５記載の光学素子。
【請求項７】
前記光学素子は、前方半球中に前記光学素子の前記動作波長で２％以下、１％以下、０．５％以下、又は０．１％以下の積分全散乱量（total integrated scatter：ＴＩＳ）を有する、請求項４〜６のうちいずれか一に記載の光学素子。
【請求項８】
前記合成ダイヤモンド材料は、室温で測定して１０．６μｍの波長で０．４ｃｍ-1以下、０．３ｃｍ-1以下、０．２ｃｍ-1以下、０．１ｃｍ-1以下、０．０７ｃｍ-1以下、又は０．０５ｃｍ-1以下の吸収係数を有する、請求項１〜７のうちいずれか一に記載の光学素子。
【請求項９】
前記合成ダイヤモンド材料は、室温で測定して１４５ＧＨｚにおいて２×１０-4以下、１０-4以下、５×１０-5以下、１０-5以下、５×１０-6以下、又は１０-6以下の誘電損失係数ｔａｎδを有する、請求項１〜８のうちいずれか一に記載の光学素子。
【請求項１０】
前記合成ダイヤモンド材料は、以下の特性のうちの１つ又は２つ以上を有し、前記特性は、
５ｍｍ-2以下、３ｍｍ-2以下、１ｍｍ-2以下、０．５ｍｍ-2以下又は０．１ｍｍ-2以下の平均ブラックスポット密度、
任意の３ｍｍ2領域内に５個以下、４個以下、３個以下、２個以下、又は１個以下のブラックスポットが存在するようなブラックスポット分布、
２７６０ｃｍ-1〜３０３０ｃｍ-1の補正直線背景で測定したときに０．２０ｃｍ-2以下、０．１５ｃｍ-2以下、０．１０ｃｍ-2以下、又は０．０５ｃｍ-2以下の単位厚さ当たりの積分吸収能、
１８００Ｗｍ-1Ｋ-1以上、１９００Ｗｍ-1Ｋ-1以上、２０００Ｗｍ-1Ｋ-1以上、２１００Ｗｍ-1Ｋ-1以上、又は２２００Ｗｍ-1Ｋ-1以上の熱伝導率、及び
二次イオン質量分析計によって測定して１０17ｃｍ-3以下、５×１０16ｃｍ-3以下、１０16ｃｍ-3以下、５×１０15ｃｍ-3以下、又は１０15ｃｍ-3以下のシリコンコンセントレーションである、請求項１〜９のうちいずれか一に記載の光学素子。
【請求項１１】
前記光学素子は、以下の特性のうちの１つ又は２つ以上を有し、前記特性は、
前記合成ダイヤモンド材料の核生成フェースが張力下にある状態で、２００〜５００μｍの厚さの場合に７６０ＭＰａ×ｎ以上、５００〜７５０μｍの厚さの場合に７００ＭＰａ×ｎ以上、７５０〜１０００μｍの厚さの場合に６５０ＭＰａ×ｎ以上、１０００〜１２５０μｍの厚さの場合に６００ＭＰａ×ｎ以上、１２５０〜１５００μｍの厚さの場合に５５０ＭＰａ×ｎ以上、１５００〜１７５０μｍの厚さの場合に５００ＭＰａ×ｎ以上、１７５０〜２０００μｍの厚さの場合に４５０ＭＰａ×ｎ以上、２０００μｍ以上の厚さの場合に４００ＭＰａ×ｎ以上の引張破壊強度、乗率ｎは、１．０、１．１、１．２、１．４、１．６、１．８、又は２であり、
前記合成ダイヤモンド材料の成長フェースが張力下にある状態で、２００〜５００μｍの厚さの場合に３３０ＭＰａ×ｎ以上、５００〜７５０μｍの厚さの場合に３００ＭＰａ×ｎ以上、７５０〜１０００μｍの厚さの場合に２７５ＭＰａ×ｎ以上、１０００〜１２５０μｍの厚さの場合に２５０ＭＰａ×ｎ以上、１２５０〜１５００μｍの厚さの場合に２２５ＭＰａ×ｎ以上、１５００〜１７５０μｍの厚さの場合に２００ＭＰａ×ｎ以上、１７５０〜２０００μｍの厚さの場合に１７５ＭＰａ×ｎ以上、２０００μｍ以上の厚さの場合に１５０ＭＰａ×ｎ以上の引張破壊強度、乗率ｎは、１．０、１．１、１．２、１．４、１．６、１．８、又は２である、請求項１〜１０のうちいずれか一に記載の光学素子。
【請求項１２】
前記合成ダイヤモンド材料の少なくとも一部分は、13Ｃ含有量が１．０％未満、０．８％未満、０．６％未満、０．４％未満、０．２％未満、０．１％未満、０．０５％未満、又は０．０１％未満の同位体的に純化された合成ダイヤモンド材料で作られている、請求項１〜１１のうちいずれか一に記載の光学素子。
【請求項１３】
前記扁平化レンズ表面構造体を有する表面層は、前記同位体的に純化された合成ダイヤモンド材料で作られ、合成ダイヤモンド材料の下に位置する部分は、13Ｃについて高いコンセントレーションを有する、請求項１２記載の光学素子。
【請求項１４】
前記扁平化レンズ表面構造体は、前記合成ダイヤモンド材料の少なくとも１つの表面に、少なくとも５０ｍｍ2、少なくとも１００ｍｍ2、少なくとも２００ｍｍ2、少なくとも３００ｍｍ2、少なくとも５００ｍｍ2、少なくとも７００ｍｍ2、少なくとも１０００ｍｍ2、少なくとも１５００ｍｍ2、少なくとも２０００ｍｍ2、少なくとも３０００ｍｍ2、少なくとも５０００ｍｍ2、少なくとも７０００ｍｍ2、少なくとも１００００ｍｍ2、少なくとも１５０００ｍｍ2、又は２００００ｍｍ2の領域にわたって形成されている、請求項１〜１３のうちいずれか一に記載の光学素子。
【請求項１５】
前記光学素子は、前記領域の少なくとも５０％、少なくとも６０％、少なくとも７０％、少なくとも８０％、少なくとも９０％、又は少なくとも１００％にわたって請求項１〜１３のうちいずれか一に記載の要件を満たす、請求項１４記載の光学素子。
【請求項１６】
前記扁平化レンズ表面構造体は、前記合成ダイヤモンド材料の少なくとも２つの表面に形成されている、請求項１〜１５のうちいずれか一に記載の光学素子。
【請求項１７】
前記合成ダイヤモンド材料は、単結晶ＣＶＤダイヤモンド又は多結晶ＣＶＤダイヤモンドである、請求項１〜１６のうちいずれか一に記載の光学素子。
【請求項１８】
前記合成ダイヤモンド材料は、２００μｍ以上、２５０μｍ以上、３５０μｍ以上、４５０μｍ以上、又は５００μｍ以上の厚さを有する、請求項１〜１７のうちいずれか一に記載の光学素子。
【請求項１９】
前記合成ダイヤモンド材料は、１０００μｍ以下、７５０μｍ以下、６５０μｍ以下、５５０μｍ以下、又は４５０μｍ以下の厚さを有する、請求項１〜１８のうちいずれか一に記載の光学素子。
【請求項２０】
前記合成ダイヤモンド材料は、酸素を末端基とする表面を有する、請求項１〜１９のうちいずれか一に記載の光学素子。
【請求項２１】
前記扁平化レンズ表面構造体は、反射防止膜で被覆されている、請求項１〜２０のうちいずれか一に記載の光学素子。
【請求項２２】
反射防止表面構造体が前記合成ダイヤモンド材料の少なくとも１つの表面中に直接形成されている、請求項１〜２０のうちいずれか一に記載の光学素子。
【請求項２３】
前記扁平化レンズ表面構造体は、前記扁平化レンズ表面構造体の回折効率及び／又は屈折効率を高めるよう選択された固体材料で満たされたゾーン構造体を含む、請求項１〜２２のうちいずれか一に記載の光学素子。
【請求項２４】
光学系であって、
請求項１〜２３のうちいずれか一に記載の光学素子と、
光を少なくとも２０ｋＷのパワーで発生させ、電磁スペクトルの赤外領域、可視領域、又は紫外領域の動作波長で前記光学素子を通って前記光を透過させるよう構成された光源とを含む、光学系。
【請求項２５】
前記光源は、光を少なくとも２５ｋＷ、少なくとも３０ｋＷ、少なくとも３５ｋＷ、少なくとも４０ｋＷ、少なくとも４５ｋＷ、又は少なくとも５０ｋＷのパワーで発生させるよう構成されている、請求項２４記載の光学系。
【請求項２６】
前記光学素子を冷却する冷却系を更に含む、請求項２４又は２５記載の光学系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、合成ダイヤモンド光学素子、特に合成ダイヤモンド材料表面内に直接形成されたゾーンプレート、フレネルレンズ、又は非球面レンズの形態をした扁平化レンズ表面構造体を有する合成ダイヤモンド光学素子に関する。特定の実施形態は、ハイパワー（high power）光学用途に適した光学特性、熱的特性、及び機械的特性を備えた合成ダイヤモンド光学素子に関するが、本明細書において説明する合成ダイヤモンド光学素子は、材料費及び光学性能を含む要因に起因して、低パワー光学用途にも使用できる。
【背景技術】
【０００２】
ゾーンプレート、フレネルレンズ、又は非球面レンズの形態をした扁平化レンズ構造体は、種々の光学用途について十分に確立しており、種々の材料を用いて作製されている。かかる扁平化レンズ構造体は、同等の従来型レンズよりも薄く作製でき、従来型レンズ設計によって必要とされる材料の質量及び体積を用いないで大きなアパーチュア及び短い焦点距離のレンズの製作を可能にしている。
【０００３】
フレネルレンズ構造体は、標準レンズの連続表面を同一の曲率の１組の表面に効果的に分割しており、これら表面相互間には段階的な不連続性が存在する。これにより、従来型レンズ構造体を非常に平べったく作ることができ、他方、その他の点においては標準レンズと同様な仕方で屈折により光を合焦又は集束させるよう機能することができる。
【０００４】
ゾーンプレートは、光を合焦させるために屈折ではなく回折を用いており、一般に、吸収ゾーンと透過ゾーンが交互に位置した一連の同心円形ゾーンの形態をしている関連の「扁平化レンズ」型構造体である。合焦効果は、透過ゾーンを通る波の強め合う干渉によって作られる。
【０００５】
非球面レンズは、球又は円柱の一部分ではない表面プロフィールを備えたレンズである。非球面レンズは、球面収差を減少させ又はなくすことができ、更に従来型レンズと比較して他の光学収差を減少させることができる表面プロフィールを有する。さらに、非球面レンズにより、光学性能を損なわないで薄くて平べったいレンズを作ることができる。
【０００６】
かかる扁平化レンズ構造体について選択される材料及び幾何学的形状は、所望の動作波長、焦点距離及びかくして最終用途で決まることになる。特に、扁平化レンズ構造体は、動作波長で透明である基板材料を必要とし、扁平化レンズのゾーン構造体は、この動作波長において光を所望の仕方で合焦させるよう最適化された幾何学的形状を有することになる。
【０００７】
伝統的に、可視波長扁平化レンズ構造体は、ガラス及びプラスチック材料中に作製されており、かかる扁平化レンズ構造体は、極めて大きなレンズ構造体から極めて小さなレンズ構造体まで様々である用途を有し、かかる用途としては、灯台、読書補助具、プロジェクタ、カメラ光学系、及びマイクロオプティクスにおける利用が挙げられる。
【０００８】
赤外領域における長い波長の用途に関し、赤外線に対して透明な適当な基板材料としては、ＣａＦ2、Ｓｉ、Ｇｅ、ＡｎＳｅ、及びＭｇＯが挙げられる。例えば、エム・シー・ハットレイ他（M. C. Hutley et al.），［「ブレイズド・ゾーン・プレーツ・フォア・ザ・インフラレッド（Blazed Zone Plates For The Infrared）」，プロシーディングス・オブ・エスピーアイシー０９１６番（Proc. SPIE 0916），インフラレッド・システムズ−デザイン・アンド・テスティング（Design and Testing），１９８８年，ｐ．４０］は、フォトレジスト中に記録された円形干渉縞パターンを表面中にイオンエッチングすることによりゲルマニウム中に作製された赤外線を集束させるゾーンプレートを報告した。１０．６μｍにおいて６４％の効率が測定された。エフ・ゴンザレス他（F. Gonzalez at el.），［「インフラレッド・アンテナズ・カップルド・トゥ・リソグラフィック・フレスネル・ゾーン・プレート・レンジズ（Infrared antennas coupled to lithographic Fresnel zone plate lenses）」，アプライド・オプティクス（Applied Optics），２００４年，第４３巻，第３３号］も又、シリコン基板を利用した赤外線を集束するゾーンプレートを報告した。
【０００９】
長い波長の用途に関し、石英、ＣａＦ2、ＢａＦ2及びサファイアを含むＵＶに対して透明な材料がオプティクスにおいて広く用いられている。例えば、石英のフレネルレンズは、ハイパワーエキシマレーザ及びＮｄ：ＹＡＧレーザのためのビームホモジナイザとして利用されている。石英は、２４８ｎｍ以上の波長では適当な光学材料であるが、波長が短い場合、石英の吸収性が極めて増大する。したがって、ＣａＦ2、ＢａＦ2、及びサファイアは、２４８ｎｍを下回るＵＶ領域ではより望ましい光学材料である。ジー・コピトコバス他（G. Kopitkovas et al.），［「サーフェス・マイクロマシニング・オブ・ユーブイ・トランスパレント・マテリアルズ（Surface micromachining of UV transparent materials）」，シン・ソリッド・フィルムズ（Thin Solid Films），２００４年，４５３−４５４，３１−３５］は、かかるＵＶに透明な材料のための表面微細機械加工方法を報告したが、かかる方法は、ＸｅＣｌエキシマレーザ及びＵＶ光学構造体の精密な構造化のためにかかるＵＶ透明材料と接触状態にある吸収性液体を利用している。加うるに、ディー・ジル他（D. Gil et al. ），［「ジャーナル・オブ・バキューム・サイエンス・アンド・テクノロジー・ビー（J. Vac. Sci. Technol. B ）」，２００３年，第２１号，ｐ．６］は、ＵＶ領域及び遠ＵＶ領域で動作する回折光学素子を製作するために吸収材料、例えばクロムを含む溶融石英基板上における水素シルセスキオキサン（ＨＳＱ）の使用を報告した。
【００１０】
Ｘ線用途に関し、原子番号の大きな金属、例えばＴａ、Ａｕ、Ｉｒ、及びＷで作られたゾーンプレートが伝統的に用いられているが、２〜１２ｋｅＶの光量子エネルギー範囲で生じた高い熱負荷は、かかる金属を劣化させる場合がある。ウー他（Wu et al.），［「ハード・エックス−レイ・ゾーン・プレーツ：リーセント・プログレス（Hard x-ray Zone Plates: Recent Progress）」，マテリアルズ（Materials），２０１２年，第５巻，ｐ．１７５２〜１７７３］は、高透過性のＸ線（光量子エネルギーが１〜２ｋｅＶ以上）を合焦させる技術が２００９年から２０１２年までの期間で大幅な進歩を遂げ、この技術進歩は、フレネルゾーンプレート概念に基づくレンズについて特に目覚ましいということを報告した。この３年間の間、かかるＸ線ゾーンプレートの空間分解能は、３倍になり、具体的には生物医学的研究において新たな用途範囲を完全に開いたことが報告されている。また、ダイヤモンドを利用したゾーンプレートが開発され、かかるダイヤモンドを利用したゾーンプレートは、ウーレン他、デイビッド他、及びヴォイチク他による研究を引用した極めて高いレーザ強度で安定であることが報告されており、これについては以下に詳細に説明する。
【００１１】
ウーレン他（Uhlen  et al.），［「ニュー・ダイアモンド・ナノファブリケーション・プロセス・フォア・ハード・エックス−レイ・ゾーン・プレーツ（New diamond nanofabrication process for hard x-ray zone plates）」，ジャーナル・オブ・バキューム・サイエンス・アンド・テクノロジー・ビー２９（J. Vac. Sci. Technol. B29 ），２０１１年，０６ＦＧ０３］は、ダイヤモンドがその高い熱伝導率及び高透過性のＸ線のその低い吸収に起因してＸ線用途にとって最適なゾーンプレート材料であることを示した。ダイヤモンド材料で回折格子構造体を製作する多くのマスキング及びエッチング技術が記載されている。ダイヤモンドのナノ構造化が主として酸素プラズマを利用したエッチングにより達成され、ハードマスクと酸素の処方の種々の組み合わせが用いられていることが述べられている。ハードマスクの例がＨＳＱ、Ｎｉ−Ｔｉ、及びＡｌを含むものとして開示されている。著者は、高いアスペクト比でダイヤモンドゾーンプレートレンズを製作するための新たなタングステン−ハードマスクを利用したダイヤモンドドライエッチングプロセスについて報告している。タングステンハードマスクを三層レジスト−クロム−タングステンスタック中のＣｌ2／Ｏ2及びＳＦ6／Ｏ2反応性イオンエッチングと一緒に電子ビームリソグラフィによって構造化した。次に、下に位置するダイヤモンド（ダイアモンド・マテルアルズ・ゲゼルシャフト・ミット・ベシュレンクター・ハフトゥング（Diamond materials GmbH）から調達される寸法５ｍｍ×５ｍｍ×１００μｍ）を以下のパラメータ、即ち、１０ｓｃｃｍＯ2ガス流、３ｍＴｏｒｒ圧力、１００Ｗ  ｒｆ電力、２００Ｗ  ＩＣＰ及び２０℃サンプル温度の使用によりＯ2プラズマ中でエッチングした。著者は、８０ｎｍまでの半ピッチ及び２．６μｍの高さを有するダイヤモンド格子並びに７５μｍ直径及び１００ｎｍの最も外側のゾーン幅を有するゾーンプレートを報告している。ゾーンプレートの回折効率を８ｋｅＶ  Ｘ線エネルギーで１４．５％まで測定し、イメージング特性を１００ｎｍ以下の分解能を示す走査電子顕微鏡構成で調べた。ウーレン他は、これらレンズのイメージング特性及び熱的特性がレンズを高輝度Ｘ線自由電子レーザ源との併用に適したものにすることを示唆している。
【００１２】
シー・デイビッド他（C. David et al.），［「サイエンティフィック・リポーツ（Scientific Reports）」，２０１１年，第１巻，アーティクルナンバー５７］は又、高透過性Ｘ線自由電子レーザパルスの集束に適したダイヤモンドを利用したフレネルゾーンプレートの製作を開示している。これら３つの形式のゾーンプレートは、以下に説明するようにデイビッド他によって作製されて試験された。
【００１３】
デイビッド他によって作製されたゾーンプレートの第１の形式は、ダイヤモンドを利用したゾーンプレートではなく金属を利用したゾーンプレートであり、金ナノ構造体から成っていた。デイビッド他は、数種類のレンズをＸ線で照射し、ゾーンプレートが迅速に劣化し、３分以内に完全に破壊されたことが判明したことを報告している。パルス１つ当たり金構造体に送られるＸ線照射量は、約０．１ｅＶ／原子であったが、これは、溶融を開始させるのに必要な照射量（０．４ｅＶ／原子）よりも低い。しかしながら、熱消散が貧弱なことに起因して、ゾーン構造体の温度は、迅速に上昇し、金の再結晶化をトリガした。
【００１４】
放射線のかたさ（hardness）を向上させるため、デイビッド他によってダイヤモンド材料を主成分として第２の形式のゾーンプレートが作製された。デイビッド他は、ダイヤモンド材料の優れた熱伝導率、低いＸ線吸収率、及び高い融点がダイヤモンド材料をこの用途に理想的に適したものにしていることを示唆している。ダイヤモンドを利用したゾーンプレートをＳｉフレームによって支持された研磨済みの４〜５μｍ厚さのダイヤモンドメンブレン（ダイアモンド・マテルアルズ・ゲゼルシャフト・ミット・ベシュレンクター・ハフトゥング）上に作製した。これらメンブレンを５ｎｍ厚さのＣｒ接着剤及び導電性層で蒸気被覆し、そして次に、ネガティブ・トーン（negative-tone）現像の水素シルセスキオキサン（ＨＳＱ）レジスト（ＦＯｘ−１６溶液、ダウ・コーニング・コーポレーション（Dow Corning Corp））の４００〜５５０ｎｍ厚さの層でスピン塗布した。ゾーンプレートパターンを電子ビームリソグラフィによってＨＳＱ中に形成し、Ｃｒ層をＣｌ2／ＣＯ2プラズマ内のドライエッチングによって除去し、それにより下に位置するダイヤモンド表面を露出させた。次に、ダイヤモンド層を誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング装置でエッチングした。用いられたダイヤモンドエッチングのパラメータは、バビネック・ティー・エム他（Babinec, T. M. et al.），［「ア・ダイアモンド・ナノワイヤ・シングル−フォトン・ソース（A diamond nanowire single-photon source）」，ネイチャー・ナノテクノロジー（Nature Nanotechnology），２０１０年，第５巻，ｐ．１９５〜１９９］に記載されたパラメータとほぼ同じであることが報告されている。
【００１５】
上述の金を主成分とするゾーンプレートとは異なり、ダイヤモンドゾーンプレートは、Ｘ線暴露によっては損傷を受けなかった。しかしながら、デイビッド他は、ハード（hard）光量子エネルギーでは、ダイヤモンドの主要な欠点が高い光量子エネルギーではダイヤモンドの屈折率減分が低いことにあり、それにより回折効率が極めて低くなるということを述べている。フォーカルスポット中に回折する光量子の数を多くするため、ダイヤモンドゾーン構造体が原子層堆積法（ＡＬＤ）によりイリジウムで満たされた第３の形式のゾーンプレートを作製した。この方式は、最適化された熱消散が得られるよう組み合わせ型ダイヤモンド冷却フィンの構造体と密な接触状態にあるこの極めて高密度の耐火材料（密度：２２．５ｇ／ｃｍ3、融点：２７３９Ｋ）の強い移相特性をもたらしている。デイビッド他は、純粋ダイヤモンドデバイスが到来する８ｋｅＶ放射線の２．１％だけを焦点に回折させることができるが、Ｉｒ充填ダイヤモンドゾーンプレートが同じ光量子エネルギーで１３．２％の効率に達したことを報告している。さらに、ダイヤモンド利用デバイスは、金ゾーンプレートを破壊したのと同じパルスエネルギー及びパルスレートを利用したときに構造的健全性又は光学性能のそれほどの変化を示さなかったことが報告されている。
【００１６】
上述したように、Ｉｒ充填ダイヤモンドゾーンプレートを作製したデイビッド他とは対照的に、ヴォイチク他（Wojcik et al.），［「ジャーナル・オブ・バキューム・サイエンス・アンド・テクノロジー・ビー２８（J. Vac. Sci. Technol. B28）」，２０１０年，Ｃ６Ｐ３０］は、電気メッキにより、ウルトラナノ結晶（ultrananocrystalline）ダイヤモンドモールド上に金を被着させることによってＸ線ゾーンプレートを作製した。
【００１７】
上述の非特許文献は、Ｘ線ゾーンプレート用のダイヤモンド材料の使用を示唆したが、ゾーンプレート構造体は、電磁スペクトルの赤外領域、可視領域、及び紫外領域の長い波長での利用には適していない。さらに、本発明者は、特に赤外領域、可視領域、及び紫外領域におけるハイパワー光学用途について長い波長で動作するよう上述の構造体の幾何学的形状を単に変化させた場合の多くの潜在的な問題を突き止めた。これは、ダイヤモンド材料がＸ線波長では比較的透明であるが、高品質光学等級のダイヤモンド材料（例えば、エレメント・シックス・リミテッド（Element Six Ltd ）から入手できる）だけが電磁スペクトルの赤外領域、可視領域、及び紫外領域全体にわたって所望の透明性を有しているからである。さらに、高品質光学等級のダイヤモンド材料が光学面を有するようパターン付けされた場合であっても、所望の光学性能を達成すると共に電磁スペクトルの赤外領域、可視領域、及び紫外領域において高いレーザ誘導損傷しきい値を備えた堅牢な光学素子を提供することが、課題である。かかる表面仕上げの光学性能は、ダイヤモンド材料の硬度が極めて高く且つ靱性が低いのでダイヤモンド材料中に正確に規定された表面パターンをつける際の困難に起因して変化しやすかった。さらに、光学表面構造体をダイヤモンド材料中に形成するのに必要な処理方法の結果として、相当な表面及び表面下結晶損傷がダイヤモンド材料中に生じた。合成ダイヤモンド光学素子中のこの表面及び表面下損傷により、多くの相互に関連する悪影響が生じ、かかる悪影響としては、（１）合成ダイヤモンド光学素子のレーザ誘導損傷しきい値の減少、（２）合成ダイヤモンド光学素子の動作可能なパワーの減少、及び（３）表面及び表面下損傷により生じるビーム収差の結果として合成ダイヤモンド光学素子の光学性能の低下が挙げられる。したがって、表面及び表面下結晶損傷を生じさせることなく高品質光学等級合成ダイヤモンド材料中に正確に規定された扁平化レンズ構造体を形成して高いレーザ誘導損傷しきい値及び合成ダイヤモンド光学素子を通る透過の際のビーム収差を最小限に抑えた高い光学性能を有する合成ダイヤモンド光学素子を達成する方法を開発することが望ましい。かかる合成ダイヤモンド光学素子は、光学性能及び高いレーザパワーに対する堅牢さがダイヤモンド材料のバルク結晶品質、パターン付けされた光学表面仕上げの品質、及び光学表面仕上げの作製の際に引き起こされる何らかの表面又は表面下結晶損傷の存在に極めて敏感であるレンズ用途向けに電磁スペクトルの赤外領域、可視領域、及び紫外領域の波長で使用できる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１８】
【非特許文献１】エム・シー・ハットレイ他（M. C. Hutley et al.），「ブレイズド・ゾーン・プレーツ・フォア・ザ・インフラレッド（Blazed Zone Plates For The Infrared ）」，プロシーディングス・オブ・エスピーアイシー０９１６番（Proc. SPIE 0916），インフラレッド・システムズ−デザイン・アンド・テスティング（Design and Testing），１９８８年，ｐ．４０
【非特許文献２】エフ・ゴンザレス他（F. Gonzalez at el.），「インフラレッド・アンテナズ・カップルド・トゥ・リソグラフィック・フレスネル・ゾーン・プレート・レンジズ（Infrared antennas coupled to lithographic Fresnel zone plate lenses）」，アプライド・オプティクス（Applied Optics），２００４年，第４３巻，第３３号
【非特許文献３】ジー・コピトコバス他（G. Kopitkovas et al.），「サーフェス・マイクロマシニング・オブ・ユーブイ・トランスパレント・マテリアルズ（Surface micromachining of UV transparent materials）」，シン・ソリッド・フィルムズ（Thin Solid Films），２００４年，４５３−４５４，３１−３５
【非特許文献４】ディー・ジル他（D. Gil et al.），「ジャーナル・オブ・バキューム・サイエンス・アンド・テクノロジー・ビー（J. Vac. Sci. Technol. B ）」，２００３年，第２１号，ｐ．６
【非特許文献５】ウー他（Wu et al.），「ハード・エックス−レイ・ゾーン・プレーツ：リーセント・プログレス（Hard x-ray Zone Plates: Recent Progress）」，マテリアルズ（Materials ），２０１２年，第５巻，ｐ．１７５２〜１７７３
【非特許文献６】ウーレン他（Uhlen  et al.），「ニュー・ダイアモンド・ナノファブリケーション・プロセス・フォア・ハード・エックス−レイ・ゾーン・プレーツ（New diamond nanofabrication process for hard x-ray zone plates）」，ジャーナル・オブ・バキューム・サイエンス・アンド・テクノロジー・ビー２９（J. Vac. Sci. Technol. B29），２０１１年，０６ＦＧ０３
【非特許文献７】シー・デイビッド他（C. David et al.），「サイエンティフィック・リポーツ（Scientific Reports）」，２０１１年，第１巻，アーティクルナンバー５７
【非特許文献８】バビネック・ティー・エム他（Babinec, T. M. et al.），「ア・ダイアモンド・ナノワイヤ・シングル−フォトン・ソース（A diamond nanowire single-photon source ）」，ネイチャー・ナノテクノロジー（Nature Nanotechnology），２０１０年，第５巻，ｐ．１９５〜１９９
【非特許文献９】ヴォイチク他（Wojcik et al.），「ジャーナル・オブ・バキューム・サイエンス・アンド・テクノロジー・ビー２８（J. Vac. Sci. Technol. B28）」，２０１０年，Ｃ６Ｐ３０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
上述の説明に照らして、本発明の実施形態の目的は、合成ダイヤモンド材料の少なくとも１つの表面中に直接形成されるゾーンプレート、フレネルレンズ、又は非球面レンズの形態をした扁平化レンズ表面構造体を有し、高い光学等級合成ダイヤモンド材料で作られると共に僅かな表面及び表面下結晶損傷を有し、かくして電磁スペクトルの赤外領域、可視領域、及び／又は紫外領域において高いレーザ誘導損傷しきい値を示す合成ダイヤモンド光学素子を提供することにある。もう１つの目的は、かかる扁平化レンズ構造体を合成ダイヤモンド材料中に作製する比較的迅速且つ低コストの技術を開発することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明の第１の観点によれば、光学素子であって、
合成ダイヤモンド材料と、
合成ダイヤモンド材料の少なくとも１つの表面内に直接形成されたゾーンプレート、フレネルレンズ、又は非球面レンズの形態をした扁平化レンズ表面構造体とを有し、
合成ダイヤモンド材料は、室温で測定して１０．６μｍの波長で０．５ｃｍ-1以下の吸収係数を有し、
合成ダイヤモンド材料は、次の特性のうちの一方又は両方を満たすレーザ誘導損傷しきい値を有し、これら特性は、
レーザ誘導損傷しきい値が、パルス持続時間を１００ｎｓ、パルス繰り返し周波数を１〜１０Ｈｚの範囲として波長１０．６μｍのパルスレーザを用いて測定して少なくとも３０Ｊｃｍ-2であるという特性、及び
レーザ誘導損傷しきい値が、波長１０．６μｍの連続波レーザを用いて測定して少なくとも１ＭＷ／ｃｍ2であるという特性であることを特徴とする光学素子が提供される。
【００２１】
本発明の第２の観点によれば、光学系であって、
上述の光学素子と、
光を少なくとも２０ｋＷのパワーで発生させ、電磁スペクトルの赤外領域、可視領域、又は紫外領域の動作波長で光学素子を通って光を透過させるよう構成された光源とを含むことを特徴とする光学系が提供される。
【００２２】
次に、本発明を一層良く理解するため、そして本発明をどのようにすれば実施することができるかを示すために、添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明するが、これは例示であるに過ぎない。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】合成ダイヤモンド材料から成る光学素子を作製する方法の概略流れ図であり、扁平化されたレンズ表面構造体が合成ダイヤモンド材料の表面中に直接形成される状態を示す図である。
【図２】ハイパワーレーザ源及び合成ダイヤモンド材料で形成された光学素子を含むハイパワーレーザシステムの略図であり、扁平化されたレンズ表面構造体が合成ダイヤモンド材料の表面中に直接形成された状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明者は、量子センシング及び量子情報処理の分野における高純度単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料の処理における最近の開発を本明細書の背景技術の項において概要説明した課題を解決して合成ダイヤモンド材料の少なくとも１つの表面中に直接形成されるゾーンプレート、フレネルレンズ、又は非球面レンズの形態をした扁平化レンズ表面構造体を有し、高い高額品質の合成ダイヤモンド材料、例えば光学等級多結晶ＣＶＤダイヤモンドで形成されると共に更に表面及び表面下結晶損傷が僅かであり、かくして電磁スペクトルの赤外領域、可視領域、及び／又は紫外領域において高いレーザ誘導損傷しきい値を示す合成ダイヤモンド光学素子の作製を達成するようハイパワーレーザオプティクスに転用することができるということを認識した。
【００２５】
量子センシング及び量子情報処理分野における高純度単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料の使用に対する研究は、ダイヤモンド結晶格子内に見受けられる特定種類の点欠陥、即ち、負に帯電した窒素−空孔欠陥（ＮＶ-）に的が絞られている。ＮＶ-欠陥は、量子ビットとして又は別法として量子センシング素子として機能するよう操作できる電子スピンを有する。ＮＶ-欠陥は、マイクロ波を用いて光学的に励起され、操作されることが可能であり、かかるＮＶ-欠陥は、その電子スピン状態に特有の蛍光を出す。
【００２６】
量子センシング及び量子情報処理用途に関する一要件は、ＮＶ-電子スピン欠陥が長い量子コヒーレンス時間を有することが必要であるということであり、このためには、ＮＶ-電子スピン欠陥を結晶欠陥の低い濃度を有すると共に小さい内部応力を有する非常に純粋なダイヤモンド格子環境内に配置することが必要であり、もしそうでなければ、かかる非常に純粋なダイヤモンド格子環境は、ダイヤモンド結晶格子内に設けられているＮＶ-スピン欠陥の量子コヒーレンス時間を有害なほど減少させる場合がある。量子センシング及び量子情報処理用途に関するもう１つの要件は、ＮＶ-電子スピン欠陥から放出された蛍光がダイヤモンド材料から適当な構成のプロセッサ又は検出器に効率的に取り出される必要があるということにあり、この点に関し、ナノワイヤ、光導波路構造体、及びフォトニック共振器構造体をダイヤモンド材料中に作製してＮＶ-電子スピン欠陥から放出された光量子を効果的に取り出すことが望ましい。誘導結合プラズマエッチング（ウプサラ・ユニバーシティ（Uppsala University）により用いられ、そして本明細書の背景技術の項で上述した誘導結合プラズマエッチングとほぼ同じである）がかかる光学構造体を作製するために用いられている。しかしながら、作製プロセスは、表面及び表面下損傷をダイヤモンド結晶構造中に生じさせ、かかる損傷が光学表面構造体に結合された表面近くのところのＮＶ-電子スピン欠陥の量子コヒーレンス時間に悪影響を及ぼすことが判明した。さらに、望ましい表面構造体の品質及び所望の表面構造体相互間の望ましくないエッチンググラス（etch grass）の形成は、用いられるエッチングマスクのタイプ及びエッチング条件に敏感であることが判明した。したがって、ダイヤモンド量子デバイスのための構造体を開発するグループによる最近の研究は、相当な量の表面及び表面下損傷をダイヤモンド結晶構造体中にもたらさないで、表面近くのＮＶ-電子スピン欠陥のための光学取り出し構造体の作製を可能にすると同時に光学構造体相互間に望ましくないエッチンググラスを生じさせないでダイヤモンド表面中に明確に規定された光学構造体を達成するために誘導結合（ＩＣＰ）エッチングプロセスを改良することに的が絞られた。この研究は、多くの刊行物に記載されており、かかる刊行物としては、ビー・ハウスマン他（B. Hausmann et al.），「ファブリケーション・オブ・ダイアモンド・ナノワイヤズ・フォア・クアンタム・インフォメーション・プロセッシング・アプリケーション（Fabrication of diamond nanowires for quantum information processing applications）」，ダイアモンド・アンド・リレイティッド・マテリアルズ１９（Diamond and Related Materials 19），２０１０年，ｐ．６２１〜６２９、エム・ブレク他（M. Burek et al.），「フリー−スタンディング・メカニカル・アンド・フォトニック・ナノストラクチャーズ・イン・シングル・クリスタル・ダイアモンド（Free-standing mechanical and photonic nanostructures in single crystal diamond）」，ナノ・レターズ（Nano Lett.），２０１２年、及び米国特許出願公開第２００１／０３０９２６５号明細書が挙げられる。
【００２７】
ダイヤモンド量子デバイスのための構造体を開発するグループは、相当な量の表面及び表面下結晶損傷を単結晶ＣＶＤダイヤモンド構造体中にもたらすことなく光学取り出し構造体を単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料内に作製するガス流量、ＩＣＰパワー、及び圧力の多種多様な組み合わせにより実験した。例えば、以下の誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング（ＩＣＰ  ＲＩＥ）方式がこの目的に適しているものとして文献に報告されており、即ち、酸素エッチング剤が３０〜５０ｓｃｃｍＯ2の酸素ガス流量を有し、チャンバ圧力が約１０ｍＴｏｒｒであり、ＩＣＰパワーが約７００Ｗであった。このエッチング方式は、極めて明確に規定された表面構造体の形成を可能にする一方で、所望の表面構造体相互間のエッチンググラスの形成を回避していることが報告されている。加うるに、ダイヤモンド表面中のエッチングされた光学構造体の形状及び量は、エッチングプロセス中、ＩＣＰパワーを変化させることによって制御できるということが報告されている。例えば、単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料の表面中におけるナノワイヤの作製にあたり、７００ＷのＩＣＰパワーを２分間かけ、６００ＷのＩＣＰパワーを３分間かけ、そして１０００ＷのＩＣＰパワーを５分間かけるマルチステップＩＣＰ  ＲＩＥプロセスが報告されている。さらに又、Ａｌ2Ｏ3粒子、Ａｕ粒子、ＳｉＯ2粒子、蒸発ＡＵ及びＦＯｘ  電子ビームレジストを含む多種多様なエッチングマスクがダイヤモンド量子デバイス関連文献に報告されている。
【００２８】
上述の説明に照らして、ダイヤモンド格子中の欠陥を利用した構造体をダイヤモンド量子デバイスのための高純度単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料中に生じさせる技術を開発しているグループは、ダイヤモンド材料中に明確に規定された表面構造体を形成することができるＩＣＰ  ＲＩＥプロセスを首尾良く開発したことが明らかであり、その場合、かかる構造体相互間には望ましくないエッチンググラスが形成されることなく、しかも多量の表面及び表面下結晶損傷がもたらされることがなかった。この技術は、特に、ＮＶ-電子スピン欠陥から放出された光量子を効果的に取り出すことを目的としたダイヤモンド材料中へのナノワイヤ、光導波路構造体、及びフォトニック共振器構造体の形成を含む量子センシング及び量子情報処理用途においてＮＶ-電子スピン欠陥から放出された蛍光を効果的に取り出すために開発された。
【００２９】
本発明者は、例えば量子センシング及び量子情報処理用途においてナノワイヤ、光導波路構造体、及びフォトニック共振器構造体のような取り出し構造体に関する要件が電磁スペクトルの赤外領域、可視領域、及び紫外領域においてハイパワーレーザ用途に適した透過型ダイヤモンド光学素子内への良好な扁平化されたレンズ表面構造体、例えばゾーンプレート、フレネルレンズ、及び非球面レンズの作製に関する要件に非常に似ているということを認識した。すなわち、量子センシング及び量子情報処理用途向きに開発されたエッチング技術を光学等級合成ダイヤモンド材料、例えば光学等級多結晶ＣＶＤダイヤモンドを用いて作製される透過型光学素子に利用することができ、それにより、相当な表面及び表面下結晶損傷を引き起こすことなく、正確に規定された扁平化レンズ表面構造体を合成ダイヤモンド材料の表面中に直接形成し、その結果、この光学素子が高いレーザ誘導損傷しきい値及びビーム収差が僅かな状態の良好な集光（光学的合焦）と組み合わさった低光吸収率を呈するようになる。量子センシング及び量子情報処理用途向きに開発されたエッチング技術は、蛍光ＮＶ-欠陥を含む単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料中にナノワイヤ、光導波路構造体、及びフォトニック共振器構造体をエッチングするために利用されるが、本発明の実施形態によれば、かかるエッチング技術を低吸収率光学的特性のダイヤモンド材料、例えば高品質多結晶ＣＶＤダイヤモンド材料に利用してかかるダイヤモンド材料内に表面損傷の少ない扁平化レンズ表面構造体を作製し、かくして高いレーザ誘導損傷しきい値及びビーム収差が僅かな良好な集光と組み合わせた低光学吸収率を有する光学素子を製造する。
【００３０】
図１に示されているように、光学素子の作製方法が提供されており、この方法は、
パターン付けレジスト層２を合成ダイヤモンド材料４の少なくとも１つの表面上に形成するステップと、
パターン付けレジスト層２を介して合成ダイヤモンド材料４の少なくとも１つの表面をエッチングする（３）ステップと、
パターン付けレジスト層を除去して合成ダイヤモンド材料４の少なくとも１つの表面中に直接形成された扁平化レンズ表面構造体６を残すステップとを含み、
エッチングは、例えば、酸素ガス流量が２０〜５０ｓｃｃｍＯ2、チャンバ圧力が５〜２０ｍＴｏｒｒ、ＩＣＰパワーが６００〜１１００Ｗの誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング（ＩＣＰ  ＲＩＥ）プロセスから成る。
【００３１】
オプションとして、誘導結合プラズマ反応性イオンエッチングプロセスは、２５〜３５ｓｃｃｍＯ2の酸素流量、７〜１５ｍＴｏｒｒのチャンバ圧力、及び７００〜１０００ＷのＩＣＰパワーのうちの１つ又は２つ以上を含む。誘導結合プラズマ反応性イオンエッチングプロセスは、扁平化レンズ表面構造体の表面プロフィールを制御するために種々のＩＣＰパワーを含む多数のステップを更に含むのが良い。さらに、パターン付けされたレジスト層は、Ａｌ2Ｏ3粒子、Ａｕ粒子、ＳｉＯ2粒子、蒸発Ａｕ、及びＦＯｘ  電子ビームレジストのうちの１つで形成されるのが良い。実際には、レジストは、制御されたマクロエッチングに対して耐性があるよう選択される。例えば、レジストは、２μｍ以上、４μｍ以上、６μｍ以上、８μｍ以上、又は１０μｍ以上の高さを備えた表面エッチング特徴部の形成と適合性があるよう選択されるのが良い。
【００３２】
上述した説明に加えて、背景技術の項で説明した或る特定の先行技術の方式は、エッチングに先立ってレジストのパターン付けのための直接描画式電子ビームリソグラフィプロセスを利用していることが注目された、この直接描画式電子ビームリソグラフィプロセスは、幾分時間がかかり、しかも費用が嵩む。したがって、レジスト層をパターン付けする迅速且つ費用効果の良い方式を提供することができる１つの別のオプションによれば、干渉リソグラフィ技術を用いてパターン付けされたレジスト層を形成することが提案される。当該技術分野においては、他の材料中にモスアイ（moth eye）型反射防止構造体を形成するための干渉リソグラフィ技術が既に知られている。例えば、Telaztec（商標）は、或る範囲の材料中にモスアイ型反射防止構造体を作製するためにこの方式を利用している。ここでは、レジスト層をパターン付けするかかる干渉リソグラフィ技術をハイパワーレーザ用途向きの扁平化レンズ構造体を含む透過型ダイヤモンド光学素子を作製する商用的に有用な仕方を提供する方式として僅かな表面／表面下結晶損傷エッチング技術と組み合わせるのが良いことが提案される。
【００３３】
上述の方法論を適用すると、本発明の一観点は、光学素子であって、
合成ダイヤモンド材料と、
合成ダイヤモンド材料の少なくとも１つの表面内に直接形成されたゾーンプレート、フレネルレンズ、又は非球面レンズの形態をした扁平化レンズ表面構造体とを有し、
合成ダイヤモンド材料は、室温で測定して１０．６μｍの波長で０．５ｃｍ-1以下、０．４ｃｍ-1以下、０．３ｃｍ-1以下、０．２ｃｍ-1以下、０．１ｃｍ-1以下、０．０７ｃｍ-1以下又は０．０５ｃｍ-1以下の吸収係数を有し、
合成ダイヤモンド材料は、次の特性のうちの一方又は両方を満たすレーザ誘導損傷しきい値を有し、これら特性は、
レーザ誘導損傷しきい値が、パルス持続時間を１００ｎｓ、パルス繰り返し周波数を１〜１０Ｈｚの範囲として波長１０．６μｍのパルスレーザを用いて測定して少なくとも３０Ｊｃｍ-2、少なくとも５０Ｊｃｍ-2、少なくとも７５Ｊｃｍ-2、少なくとも１００Ｊｃｍ-2、少なくとも１５０Ｊｃｍ-2、又は少なくとも２００Ｊｃｍ-2であるという特性、及び
レーザ誘導損傷しきい値が、波長１０．６μｍの連続波レーザを用いて測定して少なくとも１ＭＷ／ｃｍ2、少なくとも５ＭＷ／ｃｍ2、少なくとも１０ＭＷ／ｃｍ2、少なくとも２０ＭＷ／ｃｍ2、又は少なくとも５０ＭＷ／ｃｍ2であるという特性であることを特徴とする光学素子にある。
【００３４】
光学素子の吸光度及びレーザ誘導損傷しきい値は、当業者によって容易に測定可能である（例えば、ＩＳＯ２１２５４−２：２０１１は、レーザ誘導損傷しきい値を測定する方法を記載しており、他方、サスマン他（Sussmann et al.），［ダイアモンド・アンド・リレイテッド・マテリアルズ（Diamond and Related Materials ），１９９４年，３，１１７３〜１１７］は、ＣＶＤダイヤモンド窓へのレーザ損傷試験の特定の応用を記載している）。
【００３５】
扁平化レンズ表面構造体は、電磁スペクトルの赤外領域、可視領域、又は紫外領域の動作波長で光を合焦させるよう構成されるのが良い。当該技術分野においては、特定の動作波長向きのゾーンプレート、フレネルレンズ、又は非球面レンズ表面構造体の設計の最適化の仕方が知られている。本発明において新規であると考えられることは、電磁スペクトルの赤外領域、可視領域、又は紫外領域において低い光吸収度、僅かな表面及び表面下結晶損傷、及び高いレーザ誘導損傷しきい値を有するゾーンプレート、フレネルレンズ、又は非球面レンズ表面構造体を合成ダイヤモンド材料中に提供することができるということにある。例えば、光学素子は、１０．６μｍ、１．０６μｍ、５３２ｎｍ、３５５ｎｍ、又は２６６ｎｍの中から選択された１つの動作周波数で光を合焦させるよう構成されているのが良く、１０．６μｍの動作周波数が或る特定の商業的用途にとって好ましい。光学素子は、好ましくは、光学素子の動作周波数で３％以下、２％以下、１．５％以下、１％以下、又は０．５％以下の反射率を有する。さらに、光学素子は、好ましくは、光学素子の動作周波数で少なくとも９７％、少なくとも９８％、又は少なくとも９９％の透過率を有する。
【００３６】
高いレーザ誘導損傷しきい値と組み合わせて低吸光度及び高品質光学性能を提供する合成ダイヤモンド光学素子が提供される。これは、ハイパワーレーザオプティクス向きの重要なパラメータの組み合わせであると考えられる。したがって、本発明は、ハイパワーレーザシステム用の実施可能な技術であると考えられる。さらに、本明細書において説明した方法論を適用することによって、合成ダイヤモンド光学素子は、低ビーム収差及び低光学散乱量を備えた扁平化レンズ構造体を有するよう構成されるのが良い。例えば、光学素子は、好ましくは、前方半球中に光学素子の動作波長で２％以下、１％以下、０．５％以下、又は０．１％以下の積分全散乱量（total integrated scatter：ＴＩＳ）を有する。
【００３７】
ゾーンプレート、フレネルレンズ、及び非球面レンズは、標準レンズ構造体としてダイヤモンド材料のかかる厚手の部品を必要としない扁平化レンズ構造体を効果的に提供する。ゾーンプレートが或る特定の分野については好ましいといえる。というのは、かかるゾーンプレートは、湾曲面を必要としないからであり、これに対して、フレネルレンズ及び非球面レンズは、ダイヤモンド材料中に加工するのが困難な湾曲面を有する。とは言うものの、ＮＶ-欠陥を含む単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料向きに量子デバイス分野において開発されたダイヤモンドエッチング技術は、極めて制御可能であることが判明しており、かくして、フレネルレンズ及び非球面レンズに適した湾曲面は、これらエッチング技術を用いて達成できる。
【００３８】
オプションとして、合成ダイヤモンド材料は、以下の特性のうちの１つ又は２つ以上を有するのが良く、これら特性は、
室温で測定して１４５ＧＨｚにおいて２×１０-4以下、１０-4以下、５×１０-5以下、１０-5以下、５×１０-6以下、又は１０-6以下の誘電損失係数ｔａｎδ、
５ｍｍ-2以下、３ｍｍ-2以下、１ｍｍ-2以下、０．５ｍｍ-2以下又は０．１ｍｍ-2以下の平均ブラックスポット密度、
任意の３ｍｍ2領域内に５個以下、４個以下、３個以下、２個以下、又は１個以下のブラックスポットが存在するようなブラックスポット分布、
２７６０ｃｍ-1〜３０３０ｃｍ-1の補正直線背景で測定したときに０．２０ｃｍ-2以下、０．１５ｃｍ-2以下、０．１０ｃｍ-2以下、又は０．０５ｃｍ-2以下の単位厚さ当たりの積分吸収能、
１８００Ｗｍ-1Ｋ-1以上、１９００Ｗｍ-1Ｋ-1以上、２０００Ｗｍ-1Ｋ-1以上、２１００Ｗｍ-1Ｋ-1以上、又は２２００Ｗｍ-1Ｋ-1以上の熱伝導率、及び
二次イオン質量分析計によって測定して１０17ｃｍ-3以下、５×１０16ｃｍ-3以下、１０16ｃｍ-3以下、５×１０15ｃｍ-3以下、又は１０15ｃｍ-3以下のシリコンコンセントレーション、及び
酸素を末端基とする表面である。
【００３９】
かかる光学特性は、本明細書において説明したようなパターン付け技術を高品質光学等級合成ダイヤモンド材料、例えばエレメント・シックス・リミテッドから入手できる高品質光学等級多結晶ＣＶＤダイヤモンドに利用することによって達成できる。また、このパターン付け技術を或る特定の用途について、光学等級単結晶ＣＶＤダイヤモンド（これ又、エレメント・シックス・リミテッドから入手できる）に利用することができるということが想定される。有利には、光学要素は、扁平化レンズ表面構造体が形成されている合成ダイヤモンド光学素子の表面の面積の少なくとも５０％、少なくとも６０％、少なくとも７０％、少なくとも８０％、少なくとも９０％、又は少なくとも１００％にわたり本明細書において説明した光学特性のうちの１つ又は２つ以上を満たす。この点に関し、ダイヤモンド光学素子は、比較的広い面積に合わせて作成されるのが良い。例えば、合成ダイヤモンドコンポーネントは、最も大きな直線寸法が少なくとも１０ｍｍ、少なくとも２０ｍｍ、少なくとも４０ｍｍ、少なくとも６０ｍｍ、少なくとも８０ｍｍ、少なくとも１００ｍｍ、少なくとも１２０ｍｍ、又は少なくとも１４０ｍｍであるよう作成されるのが良い。かかる合成ダイヤモンドコンポーネントは、２００μｍ以上、２５０μｍ以上、３５０μｍ以上、４５０μｍ以上、又は５５０μｍ以上の厚さ及び／又は１０００μｍ以下、７５０μｍ以下、６５０μｍ以下、５５０μｍ以下、又は４５０μｍ以下の厚さ及び／又はこれらの下限と上限の任意の組み合わせにより定められる範囲内にある厚さを備えた状態で作成されるのが良い。
【００４０】
有利には合成ダイヤモンド材料は、最終の光学素子に必要な厚さよりも大きな標的厚さまで成長させ、次にダイヤモンド材料の核生成フェースを処理して初期の核生成ダイヤモンドを除去することによって作製される。初期の核生成ダイヤモンドが最終の光学素子に混入した場合、これにより、熱コンダクタンスの減少及び光吸収度の増大が起こる場合がある。合成ダイヤモンド材料を最終の光学素子に必要な厚さよりも大きな標的厚さまで成長させることにより、初期の核生成ダイヤモンドを除去し、かくして高い熱コンダクタンス及び低い光吸収度を備えた光学素子を提供することが可能である。初期核生成ダイヤモンドの除去により、その結果として、不可避的に合成ダイヤモンド材料の強度の僅かな低下が起こる。しかしながら、製造業者、例えばエレメント・シックス・リミテッドは、初期核生成ダイヤモンドの除去を可能にする一方で最終用途に十分な機械的強度を保持する高い引張破壊強度を備えた合成ダイヤモンド材料の厚手のウェーハ、例えば多結晶ＣＶＤダイヤモンドウェーハを作製することができる。例えば、合成ダイヤモンド材料は、以下の構造特性のうちの１つ又は２つ以上を有するのが良く、これら特性は、
合成ダイヤモンド材料の核生成フェースが張力下にある状態で、２００〜５００μｍの厚さの場合に７６０ＭＰａ×ｎ以上、５００〜７５０μｍの厚さの場合に７００ＭＰａ×ｎ以上、７５０〜１０００μｍの厚さの場合に６５０ＭＰａ×ｎ以上、１０００〜１２５０μｍの厚さの場合に６００ＭＰａ×ｎ以上、１２５０〜１５００μｍの厚さの場合に５５０ＭＰａ×ｎ以上、１５００〜１７５０μｍの厚さの場合に５００ＭＰａ×ｎ以上、１７５０〜２０００μｍの厚さの場合に４５０ＭＰａ×ｎ以上、２０００μｍ以上の厚さの場合に４００ＭＰａ×ｎ以上の引張破壊強度、乗率ｎは、１．０、１．１、１．２、１．４、１．６、１．８、又は２であり、
合成ダイヤモンド材料の成長フェースが張力下にある状態で、２００〜５００μｍの厚さの場合に３３０ＭＰａ×ｎ以上、５００〜７５０μｍの厚さの場合に３００ＭＰａ×ｎ以上、７５０〜１０００μｍの厚さの場合に２７５ＭＰａ×ｎ以上、１０００〜１２５０μｍの厚さの場合に２５０ＭＰａ×ｎ以上、１２５０〜１５００μｍの厚さの場合に２２５ＭＰａ×ｎ以上、１５００〜１７５０μｍの厚さの場合に２００ＭＰａ×ｎ以上、１７５０〜２０００μｍの厚さの場合に１７５ＭＰａ×ｎ以上、２０００μｍ以上の厚さの場合に１５０ＭＰａ×ｎ以上の引張破壊強度、乗率ｎは、１．０、１．１、１．２、１．４、１．６、１．８、又は２である。
【００４１】
かかる合成ダイヤモンド材料は、５μｍ以下、４μｍ以下、３μｍ以下、２μｍ以下、１μｍ以下、０．５μｍ以下、０．２μｍ以下、又は０．１μｍ以下の表面平坦度及び／又は２００ｎｍ以下、１５０ｎｍ以下、１００ｎｍ以下、８０ｎｍ以下、６０ｎｍ以下、４０ｎｍ以下、２０ｎｍ以下、又は１０ｎｍ以下の表面粗さＲaまで加工されるのが良い。
【００４２】
合成ダイヤモンド材料の熱伝導率に対するそれ以上の改善は、材料の天然の１．１％13Ｃ含有量を減少させることによって行うことができる。したがって、合成ダイヤモンド材料は、１．０％未満、０．８％未満、０．６％未満、０．４％未満、０．２％未満、０．１％未満、０．０５％未満、又は０．０１％未満の13Ｃ含有量を有する少なくとも一部分を有するのが良い。この点に関し、注目されるべきこととして、同位体的に純化された炭素原料ガスは、高価である。光学素子全体を同位体的に純化されたダイヤモンド材料から作製するのではなく、光学素子の一部分だけを同位体的に純化されたダイヤモンド材料で作製することが有利であると言える。例えば、合成ダイヤモンド材料の１つ又は２つ以上の表面層は、内部バルクが高い13Ｃ含有量、好ましくは天然存在度を用いて作製された同位体的に純化されたダイヤモンド材料で作られるのが良い。特に有用な一実施形態では、扁平化レンズ表面構造体を有する表面層が扁平化レンズ表面構造体の熱伝導率を増大させ、かくして局所加熱を減少させると共に扁平化レンズ表面構造体のレーザ誘導損傷しきい値を増大させるよう同位体的に純化されたダイヤモンド材料で作られる。この場合、合成ダイヤモンド材料の下に位置する部分は、合成に要するコストを減少させるよう高い濃度、好ましくは、天然存在度の13Ｃを含むのが良い。
【００４３】
本発明の扁平化レンズ表面構造体は、合成ダイヤモンド材料の表面の大部分にわたり、例えば、少なくとも５０％、少なくとも６０％、少なくとも７０％、少なくとも８０％、少なくとも９０％又は表面全体にわたり形成されるのが良い。したがって、扁平化レンズ表面構造体は、少なくとも５０ｍｍ2、少なくとも１００ｍｍ2、少なくとも２００ｍｍ2、少なくとも３００ｍｍ2、少なくとも５００ｍｍ2、少なくとも７００ｍｍ2、少なくとも１０００ｍｍ2、少なくとも１５００ｍｍ2、少なくとも２０００ｍｍ2、少なくとも３０００ｍｍ2、少なくとも５０００ｍｍ2、少なくとも７０００ｍｍ2、少なくとも１００００ｍｍ2、少なくとも１５０００ｍｍ2、又は２００００ｍｍ2の領域にわたって形成されるのが良い。
【００４４】
扁平化レンズ表面構造体でパターン付けされた表面は、例えば、ダイヤモンド窓の主要な光学出口及び／又は入口フェースを形成することができ、光学素子の光学出口及び／又は入口フェースの大部分又は全体は、扁平化レンズ表面構造体でパターン付けされている。幾つかの用途では、光学素子の取り付けのために透過型光学素子の周辺領域の周りに非パターン付け部分を残すことが望ましい場合がある。オプションとして、扁平化レンズ表面構造体は、合成ダイヤモンド材料の少なくとも２つの表面上に形成される。例えば、扁平化レンズ表面構造体は、光学素子の光学入口フェース及び光学出口フェースのうちの一方又は両方上、例えば、ダイヤモンド窓の互いに反対側の主要なフェース上に形成されるのが良い。
【００４５】
有利には、合成ダイヤモンド材料は、酸素を末端基とする表面を有し、というのは、これは、ハイパワーレーザ用途に関し、水素を末端基とする表面よりも熱的安定性が高いからである。或る特定の用途の場合、扁平化レンズ表面構造体は、反射防止膜で被覆される。代替的に又は追加的に、反射防止表面パターン、例えばモスアイ構造体が本明細書で説明しているようなエッチング技術を用いて合成ダイヤモンド材料の少なくとも１つの表面中に直接形成されても良い。例えば、光学素子は、光学素子の一方の閉鎖中にエッチングされた反射防止表面パターン及び光学素子の反対側のフェース中にエッチングされた扁平化レンズ構造体を備えるのが良い。変形例として、反射防止表面構造体は、良好な合焦又は集束特性及び低い表面反射率の両方を有する表面構造体が提供されるよう扁平化レンズ表面構造体上に形成されても良い。また、合成ダイヤモンド光学素子の機能性を更に改変するため、ゾーン構造体が固体材料で満たされた扁平化レンズ表面構造体を提供することが可能であり、この固体材料は、扁平化レンズ表面構造体の回折及び／又は屈折効率を高めるよう選択される。
【００４６】
高品質光学等級合成ダイヤモンド材料で作製されていて本明細書において説明した扁平化レンズ表面構造体を有する光学素子は、電磁スペクトルの赤外領域、可視領域、及び／又は紫外領域内の動作波長でのこれらのレーザ誘導損傷しきい値が高いのでハイパワー光学系に用いるのに適している。したがって、本発明のもう１つの観点によれば、図２に示されている光学系であって、
本明細書において説明したような扁平化レンズ表面構造体を有する合成ダイヤモンド光学素子１０と、
光１４を少なくとも２０ｋＷ、少なくとも２５ｋＷ、少なくとも３０ｋＷ、少なくとも３５ｋＷ、少なくとも４０ｋＷ、少なくとも４５ｋＷ、又は少なくとも５０ｋＷのパワーで発生させ、そして電磁スペクトルの赤外領域、可視領域、又は紫外領域内の動作周波数で合成ダイヤモンド光学素子１０を通ってこの光を透過させるよう構成された光源１２（例えば、レーザ）を有する光学系が提供される。
【００４７】
上述した内容に関し、注目されるように、上述の光学系の動作パワーは、１ＭＷ／ｃｍ2という従来規定された連続波レーザ誘導損傷しきい値よりも著しく低い。しかしながら、注目されるべきこととして、長い動作寿命を有する光学素子を提供するためには、合成ダイヤモンド光学素子のレーザ誘導損傷しきい値は、光学系の動作パワーよりも著しく高いことが必要である。
【００４８】
図２の例示の実施形態では、光学素子１０は、透過型ダイヤモンド窓の形態をしており、ゾーンプレート１６がこの窓の両方の主要なフェース内に作製されている。注目されるべきこととして、図１及び図２に示されている表面パターンは、長方形の形を有しているが、これは、例示目的であるに過ぎない。本明細書において説明したようなエッチング技術は、ある範囲の断面形状を作ることができ、かくして、光学レンズ効果を最適化する一方で、特定の用途に関する要件向きに高いレーザ誘導損傷しきい値を維持するために表面構造体のプロフィールを自由に設定することが可能である。
【００４９】
オプションとして、上述の光学系は、合成ダイヤモンド光学素子を冷却するための冷却系を更に含むのが良い。この点に関し、本発明者は、エレメント・シックス・リミテッドの光学等級合成ダイヤモンド材料が低温において光吸収度の大幅な減少を示すことに注目した。この作用効果は、或る特定の他のダイヤモンド材料については同じ程度までは見受けられない。
【００５０】
要約すると、本明細書において説明したような光学素子は、ハイパワーレーザシステムにおけるダイヤモンドレンズに関するパラメータの重要な組み合わせを含むと考えられる。従って、本発明は、レンズ効果構造体を必要とするハイパワーレーザシステム用の実施可能な技術であると考えられる。さらに、本明細書において説明したような光学素子は、従来型のダイヤモンドレンズと比較したときに低い材料費及び高い光学性能を利用することができる状態で低パワー光学用途に利用できることも又想定される。
【００５１】
実施形態を参照して本発明を具体的に図示すると共に説明したが、当業者には理解されるように、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲から逸脱することなく、形態及び細部における種々の変更を行うことができる。
【図１】
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【図２】
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