(57)【要約】【課題】高強度の光の照射に対して従来よりも高い耐性を有する多層膜ミラーを提供する。【解決手段】石英基板１１上に、アモルファス酸化アルミニウム１２１（屈折率1.65078）とアモルファス酸化ハフニウム１２２（屈折率1.90316）とを交互に積層してなる多層膜構造１２と、アモルファス酸化アルミニウムからなるプロテクト層１３とを順に形成することにより多層膜ミラー１０を構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
a) 基板と、
b) 基板上に形成された、屈折率が異なる２種類の誘電体物質を交互に積層してなる多層膜構造と、
c) 前記多層膜構造の最外層に形成された、酸化アルミニウムからなるプロテクト層と、
を備えることを特徴とする多層膜ミラー。
【請求項２】
前記プロテクト層の厚さが1nm以上であることを特徴とする請求項１に記載の多層膜ミラー。
【請求項３】
前記プロテクト層がアモルファス酸化アルミニウムからなることを特徴とする請求項１または２に記載の多層膜ミラー。
【請求項４】
前記２種類の誘電体物質が、アモルファス酸化アルミニウムとアモルファス酸化ハフニウムであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の多層膜ミラー。
【請求項５】
前記多層膜構造を構成するアモルファス酸化アルミニウム層及びアモルファス酸化ハフニウム層の表面粗さがいずれもRa 0.5nm以下であることを特徴とする請求項４に記載の多層膜ミラー。
【請求項６】
前記基板の面精度がλ／20以上、面粗さがRms 0.5nm未満、表面の平行度が1分以下、外観規格スクラッチが5μm以下、ディグが10μm以下であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の多層膜ミラー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多層膜に関する。特に、高強度の光の照射に対して高耐性を有する多層膜ミラーに関する。
【背景技術】
【０００２】
炭酸ガスレーザやＹＡＧレーザなどの高出力レーザ装置では、レーザ光を発振させる共振器のミラーとして、屈折率が異なる２種類の誘電体物質を交互に積層した多層膜ミラーが用いられる。
【０００３】
共振器では、その内部で、対向して配置された出力ミラーとリアミラーの間で光を繰り返し反射させるため、１回の反射では無視できる程度の小さな光吸収や散乱であっても、これが繰り返されると減衰が大きくなり、発振効率が低下する。そこで、多層膜ミラーでは、発振させるレーザ光の波長帯域における吸収率が小さい物質を用いたり、層間の境界面の粗さを小さくするように蒸着やスパッタリング等の条件を最適化して多層膜を作製したりすることによって、レーザ光の発振効率を高めている。
【０００４】
また、このような多層膜ミラーを製造すると、レーザ光の発振効率を高めるだけでなく、誘電体物質の光吸収によって生じるミラーの損傷を抑えることもできる。本発明者は、このような多層膜ミラーにおいて、レーザ光の波長を考慮して多層膜内での電界強度のピークが低屈折膜層内に現れるように膜層の厚さを調整することにより、光照射耐性を高めることを提案している（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開2007-193060号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】"AFM（原子間力顕微鏡法）",[online],材料科学技術振興財団,[平成25年10月17日検索],インターネット<URL:http://www.mst.or.jp/method/eachmethod/a0002.html>
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
高出力レーザ装置の出力パワーは年々大きくなっており、現在では、約100J／ns、つまり、テラパワー級の出力のレーザ装置が開発されている。このような高出力のレーザ装置において使用される多層膜ミラーには、従来よりもさらに高い光照射耐性が求められる。
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、高強度の光の照射に対して従来よりも高い耐性を有する多層膜ミラーを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために成された本発明に係る多層膜ミラーは、
a) 基板と、
b) 基板上に形成された、屈折率が異なる２種類の誘電体物質を交互に積層してなる多層膜構造と、
c) 前記多層膜構造の最外層に形成された、酸化アルミニウム層からなるプロテクト層と、
を備えることを特徴とする。
【００１０】
従来、高出力レーザ装置の共振器のミラー等に用いられる、高強度の光の照射に対する耐性を有する多層膜ミラーを構成する物質として、酸化シリコンや酸化ハフニウムが用いられている。従って、これらの物質のうちのいずれかが多層膜ミラーの表面に露出し、その物質に高強度の光が照射されることになる。
本発明に係る多層膜ミラーでは、基板上に形成された多層膜構造の最外層に、酸化シリコンや酸化ハフニウムよりも大きなバンドギャップを有する物質である酸化アルミニウムからなるプロテクト層を配置した。これは、本発明者が、大きなバンドギャップを有する物質が、高強度の光の照射に対して高い耐性を有する点を見出したことに基づく。本発明に係る多層膜ミラーは、高強度の光の照射に対して高い耐性を有するという特長を有するが、必ずしも高強度の光が照射されるような用途のみに限定されず、一般的な光学ミラーとしても用いることができる。
【００１１】
レーザ光の照射に対するプロテクト層として機能させることを考慮すると、本発明に係る多層膜ミラーにおいて、前記プロテクト層の厚みは1nm以上とすることが望ましい。
また、前記プロテクト層の酸化アルミニウムはアモルファスであることが望ましい。これは、最外層が単結晶や多結晶である場合、光の吸収等によってプロテクト層の表層部において原子配列の乱れが生じると、これを起点としてへき開破壊や粒界破壊が進行し、プロテクト層の広い領域にわたって損傷が起こる可能性があるためである。
【００１２】
また、本発明に係る多層膜ミラーは、前記多層膜構造を形成する物質のうち、相対的に屈折率が小さい物質がアモルファス酸化アルミニウムであり、相対的に屈折率が大きい物質がアモルファス酸化ハフニウムであることが望ましい。
【００１３】
多層膜ミラーは、蒸着やスパッタリングなどによって基板上に誘電体物質を積層することによって製造される。従来の光学素子では、屈折率が異なる２種類の誘電体物質を積層して多層膜ミラーを製造する際に、相対的に低い屈折率を有する物質（以下、「低屈折率物質」という。）としてアモルファス酸化シリコンが、相対的に高い屈折率を有する物質（以下、「高屈折率物質」という。）としてアモルファス酸化ハフニウムが用いられてきた。
上記態様のように、低屈折率物質としてアモルファス酸化アルミニウムを用いると、蒸着やスパッタリング等により多層膜を作製する際に、従来用いられているアモルファス酸化シリコンよりも表面粗さを小さくすることができる。これにより、表面の酸化アルミニウム層を透過して光学素子の内部に侵入した光が多層膜構造の層境界面で散乱して損失することを抑え、反射率を向上することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る多層膜ミラーでは、基板上に形成された多層膜構造の最外層に、酸化シリコンや酸化アルミニウムよりも大きなバンドギャップを有する物質である酸化アルミニウムからなるプロテクト層を配置している。上述のとおり、大きなバンドギャップを有する物質は光の照射に対して高耐性を有することから、本発明に係る多層膜ミラーは、高強度の光の照射に対して、従来よりも高い耐性を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る多層膜ミラーの一実施例の構造を説明する図。
【図２】本実施例における多層膜構造の成膜条件を示す表。
【図３】本実施例の多層膜ミラーを構成する各層の膜厚を示す表。
【図４】アモルファス酸化ハフニウム及びアモルファス酸化アルミニウムの表面粗さの測定結果。
【図５】アモルファス酸化シリコンの表面粗さの測定結果。
【図６】本実施例の多層膜ミラーの光透過率測定結果。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明に係る多層膜ミラーの一実施例について、以下図面を参照して説明する。
【００１７】
本実施例の多層膜ミラー１０は、波長1030nmの光を反射するために用いられる。この多層膜ミラー１０は、図１に示すように、石英基板１１上に、低屈折率物質であるアモルファス酸化アルミニウム（屈折率1.65078）と、高屈折率物質であるアモルファス酸化ハフニウム（屈折率1.90316）とを交互に、計60層を積層してなる多層膜構造１２と、その最外層（図１では最上層）に形成されたアモルファス酸化アルミニウムからなるプロテクト層１３で構成される。多層膜構造１２及びプロテクト層１３は、いずれもイオンビームアシスト蒸着法により図２に示す成膜条件で作製した。
なお、以下の説明では、アモルファス酸化アルミニウム、アモルファス酸化ハフニウムを、単に、「酸化アルミニウム」、「酸化ハフニウム」と呼ぶ。
【００１８】
レーザ装置の共振器として用いられる多層膜ミラーでは、光を反射する、多層膜ミラーの表面（プロテクト層の表面）及び多層膜構造内の各層の界面において高い平坦性を確保して光の散乱を抑える必要がある。
上述のとおり、多層膜構造１２とプロテクト層１３は、石英基板１１上に蒸着して作製するため、石英基板１１の表面が高い平坦性を有していなければ、その上に作製された多層膜構造１２内の各層の界面が粗くなったり、プロテクト層１３の表面が粗くなったりしてしまい、光の散乱が大きくなってしまう。そのため、本実施例の多層膜ミラー１０の石英基板１１には、面精度がλ／20以上、面粗さがRms 0.5nm未満、表面の平行度が1分以下、外観規格スクラッチが5μm以下、ディグが10μm以下という仕様を満たすものを使用した。
【００１９】
次に、多層膜構造１２を構成する各層の厚さについて、図３を参照して説明する。
プロテクト層１３の厚さは、酸化アルミニウムの屈折率と入射光の波長とを考慮して311.97nmとした。
多層膜構造１２のうち、基板に近い方から58層（１４）は、いずれも光学的膜厚がλ／４となる膜厚、即ち、155.99nm厚さの酸化アルミニウム層１４１と135.30nm厚さの酸化ハフニウム層１４２で構成し、その外側の2層（１５）は、218.38nm厚さの酸化アルミニウム層１５１と87.95nm厚さの酸化ハフニウム層１５２で構成した。外側の2層の厚さが、その下層部の厚さと異なるのは、上述したように、入射光の波長（1030nm）を考慮して多層膜内での電界強度のピークが低屈折膜層内に現れるように膜層の厚さを調整したためである（特許文献１参照）。
【００２０】
本実施例において多層膜構造１２を構成する、酸化ハフニウム（高屈折率物質）及び酸化アルミニウム（低屈折率物質）の表面粗さを評価するため、これらを石英基板上にイオンビームアシスト蒸着法を用いて積層した試料をそれぞれ作製した。この試料を用いて、非特許文献１に記載のAFM（原子間力顕微鏡法）により表面粗さを測定した結果を図４(a)、(b)に示す。また、比較のために、同じくイオンビームアシスト蒸着法を用いて、酸化ハフニウム（高屈折率物質）及びアモルファス酸化シリコン（低屈折率物質。以下、単に「酸化シリコン」と呼ぶ。）を積層した試料を作製し、表面粗さ測定した結果を図５に示す。
【００２１】
図４に示すの結果から、酸化ハフニウムの表面粗さはRa=0.2653nm、酸化アルミニウムの表面粗さはRa=0.4419nmとなった。一方、図５に示す結果から、酸化シリコンの表面粗さはRa=0.6696nmとなった。このように、従来、低屈折率物質として用いられてきた酸化シリコンに替えて、酸化アルミニウムを用いることにより、多層膜構造内の層界面やプロテクト層表面の面粗さを小さくして、多層膜ミラー内部での光の散乱を抑えることができる。
【００２２】
また、本実施例の多層膜ミラーの光学特性を評価するために、透過率測定を行った。その結果を図６に示す。図６から分かるように、対象波長である1030nmの光の透過率はほぼ0%である。また、その前後30nmの光に対しても、ほぼ透過率が0%であることが分かる。このように、本実施例の多層膜ミラーを用いることにより、目的波長の光をほぼ100％反射することができることを確認した。
【００２３】
上記実施例は一例であって、本発明の趣旨に沿って適宜に変更することができる。
上記実施例の多層膜ミラーでは、プロテクト層の厚さを311.97nmとしたが、この厚さは製造される多層膜ミラーに照射される光の強度等を考慮して、適宜に変更することができる。高出力のレーザ光等が照射される場合には、プロテクト層の厚さを1nm以上にすることが望ましい。
上記実施例では石英基板を用いたが、これと同程度の面精度等を有するものであれば、他の材料からなる基板を用いてもよい。また、酸化ハフニウムや酸化アルミニウムと同程度の平坦な表面を形成することが可能な、別の材料を用いてもよい。さらに、各層の成膜にイオンビームアシスト蒸着法を使用したが、周知の他の蒸着法やスパッタリング法により多層膜を作製してもよい。
上記実施例では、多層膜構造を計60層で構成し、そのうちの外側2層の膜厚を調整することによって電界強度分布を調整する構成としたが、多層膜構造を形成する層数や電界強度分布を調整する層数及び膜厚は、照射される光の波長や強度を考慮して、適宜、変更することができる。
【符号の説明】
【００２４】
１０…多層膜ミラー
１１…石英基板
１２…多層膜構造
１３…プロテクト層
１４１、１５１…酸化アルミニウム層（低屈折率物質）
１４２、１５２…酸化ハフニウム層（高屈折率物質）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図６】
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【図４】
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【図５】
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