(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チョクラルスキー法により四ほう酸リチウム融液から四ほう酸リチウム単結晶を引上げて前記単結晶から紫外レーザ光用光学材を製造する方法において、
前記四ほう酸リチウム融液表面と前記融液直上１０ｍｍの間の第１温度勾配を５０〜１５０℃／ｃｍとし、前記融液直上１０ｍｍより上部の第２温度勾配を前記第１温度勾配より小さい５〜５０℃／ｃｍとして前記単結晶の直胴部を０．１〜２ｍｍ／時間の引上げ速度で引上げることを特徴とする紫外レーザ光用光学材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、紫外領域のレーザ光（以下、紫外レーザ光という）の光路に設けられる窓材、レンズ材、アッテネータ（attenuator）材、ビームスプリッタ（beam splitters）材、レーザキャビティオプティクス（laser cavity optics）材及びビームシェイピングオプティクス（beam-shaping optics）材等の紫外レーザ光用光学材の製造方法に関する。更に詳しくは四ほう酸リチウム単結晶（Ｌｉ2Ｂ4０7）からなる紫外レーザ光用光学材の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
工業的に利用されている紫外レーザ光としてエキシマレーザ（excimer laser）がある。エキシマレーザは、１９７０年にソ連のＢａｓｏｖ等により液体Ｘｅを電子ビームで励起する方法で初めて実現した。１９７６年には放電励起方式でも発振に成功し、産業用レーザとして使用されるようになった。放電励起エキシマレーザは紫外線のパルス繰返し発振レーザであって、ＡｒＦ（193nm）、ＫｒＦ（248nm）、ＸｅＣｌ（308nm）などの化合物が発する紫外光を光共振器により増大させ、レーザ光として取り出したものである。このレーザの応用としては、高分子材料の加工（アブレーション加工）、表面改質、マーキング、薄膜作製等の他に、医薬品の製造、同位体の分離、レーザレーダなどの多くの研究が進められている。
【０００３】
このエキシマレーザで発生する紫外レーザ光を取り出し、使用に供するために、紫外レーザ光を透過可能な窓材、レンズ材等が設けられている。
従来、この種の紫外レーザ光用窓材、レンズ材等は、ＣａＦ2、ＭｇＦ2、合成シリカ等により構成される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ＣａＦ2やＭｇＦ2は透過率が良好である反面、熱伝導率が悪く、もろく割れ易い欠点があった。またＣａＦ2やＭｇＦ2はカラーセンタが発生し易く、紫外レーザ光用光学材に使用するときには、カラーセンタが発生していない箇所を選別する必要があった。また合成シリカはカラーセンタは発生しにくいものの、曇り易い欠点があった。
本発明の目的は、熱伝導率が良好で割れにくく、カラーセンタが発生せず、曇りのない紫外レーザ光用光学材を製造する方法を提供することにある。
本発明の別の目的は、高出力の紫外レーザ光を損傷することなく高い透過率で透過可能な紫外レーザ光用光学材を製造する方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、チョクラルスキー法により四ほう酸リチウム融液から四ほう酸リチウム単結晶を引上げてこの単結晶から紫外レーザ光用光学材を製造する方法において、上記四ほう酸リチウム融液表面と上記融液直上１０ｍｍの間の第１温度勾配を５０〜１５０℃／ｃｍとし、上記融液直上１０ｍｍより上部の第２温度勾配を上記第１温度勾配より小さい５〜５０℃／ｃｍとしてこの単結晶の直胴部を０．１〜２ｍｍ／時間の引上げ速度で引上げることを特徴とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
本発明の四ほう酸リチウム単結晶は、図２に示すようにチョクラルスキー法（ＣＺ法）により製造される。即ち、四ほう酸リチウム単結晶の育成装置２０は、四ほう酸リチウム多結晶が融解されている白金るつぼ２１を有する。四ほう酸リチウムは酸化物の中では低融点であるため、白金るつぼで育成することができる。白金るつぼ２１の周囲には断熱材２２、２３を介してるつぼ２１内の四ほう酸リチウム多結晶を融解させるための抵抗加熱ヒータのような加熱装置２４が設けられる。るつぼ２１内の融液２１ａの温度は熱電対２９により検出される。るつぼ２１の上部には断熱壁２５、２６が二重に設けられており、種結晶が取付けられる引上げ軸２７が断熱壁２５、２６を貫通している。
【０００７】
この育成装置２０を用いて四ほう酸リチウム多結晶から直径１インチ〜４インチ程度の四ほう酸リチウム単結晶２８を育成し、その後この単結晶を紫外レーザ光用の窓材、レンズ材、アッテネータ材、ビームスプリッタ材、レーザキャビティオプティクス材及びビームシェイピングオプティクス材等の光学材に応じた形状に加工する。
【０００８】
図１に示すように、四ほう酸リチウム単結晶からなる窓材１１が紫外レーザ光の光路１０に設けられ、四ほう酸リチウム単結晶からなるレンズ材１２が紫外レーザ光の光路１０に設けられる。また図示しないが、四ほう酸リチウム単結晶からなるアッテネータ材が紫外レーザ光の光路に設けられ、四ほう酸リチウム単結晶からなるビームスプリッタ材が紫外レーザ光の光路に設けられる。また四ほう酸リチウム単結晶からなるレーザキャビティオプティクス材が紫外レーザ光の光路に設けられ、更に四ほう酸リチウム単結晶からなるビームシェイピングオプティクス材が紫外レーザ光の光路に設けられる。
四ほう酸リチウム単結晶は、レーザ入射光の波長に対する透明領域が広く、光損傷しきい値が高く、良質の大型結晶の作成が容易で、加工性に優れるため、紫外レーザ光用の窓材、レンズ材、アッテネータ材、ビームスプリッタ材、レーザキャビティオプティクス材及びビームシェイピングオプティクス材等の光学材として最適である。
ここでレンズはレーザビームの集光又は拡大に使用される。アッテネータは光強度が強すぎる場合に所望の強度まで減衰させるために、またビームスプリッタはレーザビームを分割するためにそれぞれ使用される。レーザキャビティオプティクスは光共振器を構成するレンズ、ミラーを含む光学部品である。更にビームシェイピングオプティクスはレーザビーム幅を調整するための光学部品である。
【０００９】
この育成装置２０を用いた四ほう酸リチウム単結晶の育成方法の一実施の形態を述べる。
所定のモル比の四ほう酸リチウム多結晶を白金るつぼ２１内に充填し、加熱装置２４で融解した後、所定の引上げ方位、例えば＜１１０＞で四ほう酸リチウム単結晶２８を引上げる。このとき融液表面と融液直上１０ｍｍの間の第１温度勾配を５０〜１５０℃／ｃｍにし、それより上部の第２温度勾配を第１温度勾配より小さい５〜５０℃／ｃｍ、好ましくは１０〜４０℃／ｃｍにする。四ほう酸リチウム単結晶２８の直胴部を引上げる際の引上げ速度を０．１〜２ｍｍ／時間、好ましくは０．３〜１ｍｍ／時間にする。
【００１０】
融液表面と融液直上１０ｍｍの間の第１温度勾配が５０℃／ｃｍ未満であると、育成される四ほう酸リチウム単結晶が多結晶化し易くなる。この温度勾配が１５０℃／ｃｍを越えると、熱歪みによって育成される四ほう酸リチウム単結晶中に転位が生じ易くなる。また融液直上１０ｍｍより上部の第２温度勾配を融液表面と融液直上１０ｍｍの間の第１温度勾配より小さくすることにより、育成後期の熱膨張差によるクラックを抑制することができる。更に引上げ速度が０．１ｍｍ／時間未満では生産性に劣り、２ｍｍ／時間を越えると、単結晶中に亜結晶粒（subgrain）が生じたり、或いは結晶内部に気泡が発生して単結晶が白く濁り易くなる。
【００１１】
【実施例】
次の本発明の実施例を比較例とともに説明する。
＜実施例１＞
図２に示した育成装置を用いて四ほう酸リチウム単結晶２８を育成した。所定のモル比の純度９９．９９％の四ほう酸リチウム多結晶原料粉末を白金るつぼ２１に充填した後、このるつぼ２１を抵抗加熱ヒータ２４で加熱して原料粉末を融解した。種結晶は＜１１０＞の結晶方位のものを用いた。融液表面と融液直上１０ｍｍの間の温度勾配（降温勾配）を１００℃／ｃｍにし、それより上部の降温勾配を３０℃／ｃｍにした。更に単結晶の直胴部育成時には０．５ｍｍ／時間の速度で単結晶を引上げ直径２インチの四ほう酸リチウム単結晶２８を育成した。この育成した単結晶２８をトポグラフで観察した結果、無欠陥であり、屈折率変動が１０-6／ｍｍ以下であった。これらのことから単結晶２８が紫外レーザ光用の窓材、レンズ材、アッテネータ材、ビームスプリッタ材、レーザキャビティオプティクス材及びビームシェイピングオプティクス材等の光学材に適していることが判った。
そのため、上記紫外レーザ光用光学材の中で、３０ｍｍ×３０ｍｍ×１ｍｍの正方形の窓材１１及び直径２０ｍｍの凸レンズ材１２を単結晶２８より加工した。
【００１２】
＜比較例１＞
市販の紫外レーザ光用のＣａＦ2からなる実施例１と同形同大の窓材及び凸レンズ材を比較例１とした。
＜比較例２＞
市販の紫外レーザ光用のＭｇＦ2からなる実施例１と同形同大の窓材及び凸レンズ材を比較例２とした。
＜比較例３＞
市販の紫外レーザ光用の合成シリカからなる実施例１と同形同大の窓材及び凸レンズ材を比較例３とした。
【００１３】
＜比較評価＞
(a) 透過率
実施例１及び比較例１〜３の窓材について、透過率を調べた。その結果を図３に示す。図３から明らかなように、エキシマレーザのＡｒＦ（193nm）及びＫｒＦ（248nm）の波長において、四ほう酸リチウム単結晶からなる実施例１は、フッ化物結晶の比較例１，２より劣るが、合成シリカからなる比較例３と比べて透過率が高かった。
【００１４】
(b) 光損傷しきい値
実施例１及び比較例３の窓材について、レーザ光を絞って屈折率変動が生じる光損傷しきい値を測定した。即ち、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ（1064nm）により１０ナノ秒間レーザ光を照射して光損傷しきい値を測定した。その結果を図４に示す。図４より明らかなように、四ほう酸リチウム単結晶からなる実施例１の窓材は合成シリカからなる比較例３の窓材と比べて、約４倍であった。このことは強力な紫外レーザ光の照射に対して、実施例１の窓材は比較例３の窓材より耐久性が良好であることを示している。
【００１５】
(c) カラーセンタの生成状況
実施例１及び比較例１〜３の凸レンズ材について、カラーセンタの生成状況を調べた。即ち、４００Ｈｚ、１００ｍＪのＫｒＦ（248nm）のエキシマレーザを光学研磨した実施例１及び比較例１〜３の凸レンズ材に照射した。その結果、１時間の照射で比較例１及び比較例２のフッ化物結晶には着色が見られた。この着色は結晶中にカラーセンタが生じたことによる。一方、１００時間照射しても実施例１の四ほう酸リチウム単結晶及び比較例３の合成シリカには着色は生じなかった。カラーセンタが生じると、透過率が低下し、レーザ品質が低下するようになる。
【００１６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の方法によれば、紫外レーザ光用窓材及びレンズ材を四ほう酸リチウム単結晶により製造することができる。四ほう酸リチウム単結晶で構成することにより、窓材及びレンズ材は熱伝導率が良好で割れにくくなり、カラーセンタ及び曇りを生じず、また高出力の紫外レーザ光を損傷することなく高い透過率で透過することができる優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の紫外レーザ光用窓材及びレンズ材を含むエキシマレーザ装置の構成図。
【図２】その窓材及びレンズ材の母材となる四ほう酸リチウム単結晶の育成装置の構成図。
【図３】実施例１及び比較例１〜３の窓材の真空紫外領域での透過率を示す図。
【図４】実施例１及び比較例３の窓材の光損傷しきい値を示す図。
【符号の説明】
１０  紫外レーザ光の光路
１１  窓材
１２  レンズ材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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