(57)【要約】【課題】照明分野に属する高輝度放電ランプ（以下ＨＩＤランプ）を構成するシリカガラス管材を、発光物質である金属ハロゲン化合物や、水銀などのプラズマから保護するための保護薄膜をレーザアブレーションによって形成する薄膜創生方法を提供する。【解決手段】ガラス管またはガラス管球などの透明材料体１の外側からレーザビームを照射して、透明材料体内のターゲットに集光する際に、ビームエキスパンダで一度ビーム径を広げ、非球面コンデンサーレンズやフルネルレンズ６などのｆ値が１より小さいレンズを用いてターゲット２に集光し、透明材料体内面に薄膜を形成することを特徴とするレーザアブレーションによる薄膜創生方法。【選択図】  図１
2004183069.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラス管またはガラス管球等の透明材料体の内面に、レーザアブレーションにより薄膜を形成することを特徴とするレーザアブレーションによる薄膜創生方法。
【請求項２】
ガラス管またはガラス管球などの透明材料体の外側からレーザビームを照射して、透明材料体内のターゲットに集光する際に、ビームエキスパンダで一度ビーム径を広げ、非球面コンデンサーレンズやフルネルレンズなどのｆ値が１より小さいレンズを用いてターゲットに集光し、透明材料体内面に薄膜を形成することを特徴とするレーザアブレーションによる薄膜創生方法。
【請求項３】
前記非球面コンデンサーレンズやフルネルレンズなどのｆ値が１より小さいレンズを通過したレーザ光が透明材料体を透過する際に、透明材料体上で形成された薄膜のアブレーション閾値を越えないようにするとともに、ターゲット上ではターゲットのアブレーション閾値を越えるようにしてレーザ光をターゲットに集光し、透明材料体内面に薄膜を形成することを特徴とする請求項２に記載のレーザアブレーションによる薄膜創生方法。
【請求項４】
前記ターゲットは、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミなど共有結合性の高いセラミックスからなることを特徴とする請求項２または請求項３のいずれかに記載の透明材料体内面に薄膜を形成することを特徴とするレーザアブレーションによる薄膜創生方法。
【請求項５】
レーザ光源と、前記レーザ光源からのレーザ光のビーム径を広げるビームエキスパンダと、広がったビーム径をターゲットに向けて集光するｆ値が１より小さいレンズと、管または管球状の透明材料体内に配置するターゲットとを備え、ｆ値が１より小さいレンズからのレーザ光を前記ターゲットに照射して透明材料体内面に薄膜を形成することを特徴とするレーザアブレーションによる薄膜創生装置。
【請求項６】
前記ｆ値が１より小さいレンズは、レーザ光が透明材料体上で形成された薄膜のアブレーション閾値を越えないように、またターゲット２上ではターゲット２のアブレーション閾値を越えるような位置に配置したことを特徴とする請求項５に記載のレーザアブレーションによる薄膜創生装置。
【請求項７】
前記透明材料体内に挿入するターゲットは、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミなど共有結合性の高いセラミックスからなることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の透明材料体内面に薄膜を形成するレーザアブレーションによる薄膜創生装置。
【請求項８】
前記透明材料体内に挿入するターゲットの先端は、薄膜を形成する面に適合するべく形状加工が成されていることを特徴とする請求項５〜請求項７のいずれかに記載のレーザアブレーションによる薄膜創生装置。
【請求項９】
前記透明材料体は、蛍光ランプ及び高輝度放電ランプの何れかであることを特徴とする請求項５〜請求項８のいずれかに記載のレーザアブレーションによる薄膜創生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザアブレーションによって管や管球状の透明材料体内面に薄膜を形成する薄膜創生方法およびその装置に関するものであり、特に照明分野に属する高輝度放電ランプ（以下ＨＩＤランプ）を構成するシリカガラス管材を、発光物質である金属ハロゲン化合物や、水銀などのプラズマから保護するための保護薄膜をレーザアブレーションによって形成する薄膜創生方法およびその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、蛍光ランプやＨＩＤランプは、高効率で発光するランプとして広く知られている。蛍光ランプは、水銀及び希ガスが封入され内面に蛍光体が被着された発光管を備えており、発光管内で放電させることによって水銀の励起放射による２５４ｎｍを主体とする紫外線を発生し、その紫外線で蛍光体を励起して可視光を放射することによって発光光束を得る。この蛍光ランプのタイプとしては、従来から直管形や環形が一般的であるが、この他に電球形やコンパクト形等も近年普及してきている。
【０００３】
一方、ＨＩＤランプは、１００〜１０００ｋＰａの水銀蒸気中で放電することによって発光する高圧水銀ランプ、放電に伴ってハロゲン化金属が金属原子とハロゲン原子に解離し金属原子で可視光を励起放射することによって発光するメタルハライドランプ、ナトリウム蒸気中で放電することによって発光する高圧ナトリウムランプを総称したものである。
【０００４】
従来の有電極ＨＩＤランプでは、発光物質である水銀がシリカガラス管内に侵入したり、発光時にでる紫外線のためにシリカガラスが劣化することは広く知られている。また、無電極ＨＩＤランプでも発光物質である、ナトリウムやスカンジウムが、シリカガラス管内に侵入することが知られており、シリカガラスが失透したり、遊離の沃素が発生したりして、ランプン寿命が短くなるという問題が発生していた。これを解決するために、主封入物質のほかにＳｎＩ２  をごく微量追加封入するとある程度長寿命特性が得られることが見いだされていた。しかし、これら封入物質の改良では限界があり、さらなる改善が求められていた。そして、現在でもこのような蛍光ランプやＨＩＤランプにおいては、基本的な性能として、消費電力が低く且つ高光束が得られ、寿命も長いことが求められており、そのための開発がなされている（特許文献１）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−８３５６９
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は、前述のごとき従来技術の問題点を克服し、シリカガラス管内面に保護膜を形成して、発光物質プラズマとシリカガラスの化学反応を遮断し、かつ紫外線の透過率も減少させて、ＨＩＤランプの長寿命化を実現することができるレーザアブレーションによる薄膜創生方法を提供するものであり、また本発明は、レーザビームでターゲットを蒸散する場合において、特徴的な光学系とターゲットの形状を提供することにより、上記問題点を解決することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明が採用した技術解決手段は、
ガラス管またはガラス管球等の透明材料体の内面に、レーザアブレーションにより薄膜を形成することを特徴とするレーザアブレーションによる薄膜創生方法。
また、ガラス管またはガラス管球などの透明材料体の外側からレーザビームを照射して、透明材料体内のターゲットに集光する際に、ビームエキスパンダで一度ビーム径を広げ、非球面コンデンサーレンズやフルネルレンズなどのｆ値が１より小さいレンズを用いてターゲットに集光し、透明材料体内面に薄膜を形成することを特徴とするレーザアブレーションによる薄膜創生方法である。
また、前記非球面コンデンサーレンズやフルネルレンズなどのｆ値が１より小さいレンズを通過したレーザ光が透明材料体を透過する際に、透明材料体上で形成された薄膜のアブレーション閾値を越えないようにするとともに、ターゲット上ではターゲットのアブレーション閾値を越えるようにしてレーザ光をターゲットに集光し、透明材料体内面に薄膜を形成することを特徴とするレーザアブレーションによる薄膜創生方法である。
また、前記ターゲットは、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミなど共有結合性の高いセラミックスからなることを特徴とする透明材料体内面に薄膜を形成するレーザアブレーションによる薄膜創生方法である。
また、レーザ光源と、前記レーザ光源からのレーザ光のビーム径を広げるビームエキスパンダと、広がったビーム径をターゲットに向けて集光するｆ値が１より小さいレンズと、管または管球状の透明材料体内に配置するターゲットとを備え、ｆ値が１より小さいレンズからのレーザ光を前記ターゲットに照射して透明材料体内面に薄膜を形成するレーザアブレーションによる薄膜創生装置である。また、前記ｆ値が１より小さいレンズは、レーザ光がガラス管上で形成された薄膜のアブレーション閾値を越えないように、またターゲット２上ではターゲット２のアブレーション閾値を越えるような位置に配置したことを特徴とするレーザアブレーションによる薄膜創生装置である。
また、前記透明材料体内に挿入するターゲットは、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミなど共有結合性の高いセラミックスからなることを特徴とする透明材料体内面に薄膜を形成するレーザアブレーションによる薄膜創生装置である。
また、前記透明材料体内に挿入するターゲットの先端は、薄膜を形成する面に適合するべく形状加工が成されていることを特徴とするレーザアブレーションによる薄膜創生装置である。
また、前記透明材料体は、蛍光ランプ及び高輝度放電ランプの何れかであることを特徴とするレーザアブレーションによる薄膜創生装置である。
【０００８】
【実施の形態】
以下本発明の実施形態を図面を参照して説明すると、図１は本発明にかかるレーザアブレーションによる薄膜創生装置の概念図である。
【０００９】
図において１はシリカガラス等からなる透明材料体（本例ではシリカガラス管球）１で、この透明材料体１の内面に薄膜創生を行うものである。透明材料体１内には、セラミックスのターゲット２が配置されるべく構成されており、ターゲット２の形状は、一般に細長い棒状をしている。なぜなら、薄膜形成時には透明材料体としてのガラス管内あるいはガラス管球１内に挿入し、薄膜形成後は取り除くためである。しかし、単なる円柱の棒ではガラス管あるいはガラス管球１に一様に薄膜を形成させることは困難であることから、図２のように先端を４５度にカットするか、あるいは図３のように先端の径を大径にし且つ両端部を円錐状とした形状にカットしておく必要がある。これによってガラス管球１内面に一様に薄膜を形成させることが可能になる。
【００１０】
透明材料体１の外側にはレーザアブレーションを起こすための光学系が設けられており、この光学系は、レーザ発振器３、レーザ光のビーム径を拡大する球面平凹レンズ４、拡大したビーム径を平行光に変換する球面平凸レンズ５、平行レーザ光を透明材料体内に配置したターゲット２に集光するための被球面コンデンサーレンズやフレネルレンズ６が図のように配置されて構成されている。なお、非球面コンデンサーレンズやフレネルレンズ６はｆ値が１より小さいレンズとして構成されている。
【００１１】
上記装置で透明材料体内面に薄膜創生を行う場合を説明する。
通常、レーザ発振器３から発振されたレーザ光を透明材料体１を通してターゲット２に照射する。この時透明材料体１ではレーザビームの通過位置には薄膜が形成されない。これは一度ガラス管１上に形成された薄膜がレーザビームがくるとこで再アブレーションしてしまうからである。
このため、本発明では、レーザ光をビームエキスパンダで拡大し、それをｆ値が１より小さい非球面コンデンサーレンズやフレネルレンズ６を用いてターゲット２上に集光するようにいている。すなわち非球面コンデンサーレンズやフレネルレンズ６は、レーザ光がガラス管等の透明材料体上に形成された薄膜のアブレーション閾値を越えないように配置し、ターゲット２上ではターゲット２のアブレーション閾値を越えるような光学系となっており、このような光学系とすることで前述の再アブレーション問題を解決している。
また、ターゲット２の先端形状は、透明材料体からなる被薄膜形成面の形状に合わせて、前述のような形状としてあるため、ターゲット２から蒸散した薄膜材料は、均一に被薄膜形成面に形成されることになる。
【００１２】
実験例
まずガラス管あるいはガラス管球内を真空にする。そして図１にしめしたような光学系を用い、Ｎｄ：ＹＡＧパルスレーザの第二高調波を炭化珪素ターゲット２上に集光する。ターゲット２の先端は図２あるいは図３のような形状をしている。ターゲット２上で焦点の位置を少しずらしたり、ターゲット２を少し出し入れすることによってガラス管球内面に一様に薄膜が形成できる。レーザを照射している時間は１分ないし２０分である。
【００１３】
以上本発明に係る実施形態について説明したが、透明材料体１の形状は、管または管球体に限定することなく、楕円球体など他の形状を採用することもできる。またターゲット２の形状も当然のことながら薄膜形成面に合わせて加工することが望ましい。さらに、光学系も透明材料体１に形成された薄膜が再アブレーションしないようにした光学系であれば、適宜採用が可能である。
さらに、本発明はその精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいかなる形でも実施できる。そのため、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎず限定的に解釈してはならない。
【００１４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、
シリカガラス管あるいはシリカガラス管等からなる透明材料体内に、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミなど共有結合性の高いセラミクスをターゲットとして挿入し、透明材料体の外部からレーザビームを照射してターゲットを蒸散させ、透明材料体面にセラミクス薄膜を形成させる。このセラミクス薄膜が保護膜として働き、発光物質プラズマからシリカガラス管等からなる透明材料体を保護することによって、従来より寿命の長いＨＩＤランプを提供することができる。
また、セラミックス保護薄膜の形成によって従来のＨＩＤランプの長寿命化ができた。また、レーザアブレーションによる薄膜形成法はターゲットの方法（プラズマＣＶＤ法、化学反応法、ゾルゲル法など）より簡便で短時間に薄膜が形成できかつ環境に対する負荷がない。
さらに、ビームエキスパンダで一度レーザビームを拡大し、それをｆ値が１より小さい非球面コンデンサーレンズやフレネルレンズを用いて集光することによって、ガラス管上では形成された薄膜のアブレーション閾値を越えないようにし、ターゲット上ではターゲット２のアブレーション閾値を越えるような光学系をくむことによって、この再アブレーション問題を解決することができる、等の優れた効果を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るレーザアブレーションの光学系の構成図である。
【図２】ターゲット２の先端形状を示す図である。
【図３】ターゲット２の他の先端形状を示す図である。
【符号の説明】
１        透明材料体（シリカガラス管球）
２        ターゲット
３        レーザ発振器
４        球面平凹レンズ
５        球面平凸レンズ
６        非球面コンデンサーレンズ
【図１】
2004183069.tif 000003
【図２】
2004183069.tif 000004
【図３】
2004183069.tif 000005