(57)【要約】  【課題】  炭酸ガスレーザーからのレーザー光のようにエネルギー密度が高い場合でも好適に使用可能なレーザー反射鏡およびそれを用いた光学系を提供すること。  【解決手段】  化学式ＸＢ２（ただし、ＸはＴｉ，Ｚｒ，Ｃｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂのうちから選択された１種以上の元素）で表される二硼化物単結晶を主体とする反射体を備えたことを特徴とするレーザー反射鏡とし、レーザー光源（発振管３）と、このレーザー光源からのレーザー光を反射させるためのレーザー反射鏡（第１のレーザー反射鏡１，第２のレーザー反射鏡４）とを備え、このレーザー反射鏡からの反射光を被照射物（被加工物５）へ照射するように構成したレーザー光学系とする。【選択図】  図４
2005072280.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学式ＸＢ２（ただし、ＸはＴｉ，Ｚｒ，Ｃｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂのうちから選択された１種以上の元素）で表される二硼化物単結晶を主体とする反射体を備えていることを特徴とするレーザー反射鏡。
【請求項２】
前記反射体は、前記二硼化物単結晶から成る基体の上に金属表面層を設けて成ることを特徴とする請求項１に記載のレーザー反射鏡。
【請求項３】
レーザー光源と、該レーザー光源からのレーザー光を反射させるための、請求項１または請求項２に記載のレーザー反射鏡とを備え、該レーザー反射鏡からの反射光を被照射物へ照射するように構成したことを特徴とするレーザー光学系。
【請求項４】
前記レーザー光源が炭酸ガスレーザーであることを特徴とする請求項３に記載のレーザー光学系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、切断や穴開けなどが行なえる加工機，溶接機，表面改質器械，マーキング加工機，治療器械等に使用されるレーザー反射鏡およびそれを用いたレーザー光学系に関し、特にレーザー光源として炭酸ガスレーザーを使用した場合に好適なレーザー反射鏡およびそれを用いたレーザー光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば炭酸ガスレーザーをレーザー光源として用いて、切断や穴開けなどを行なう加工機，溶接機，表面改質器械，マーキング加工機，治療器械等においては、レーザー光を任意の場所に照射するための反射鏡がよく用いられる。
【０００３】
ここで、炭酸ガスレーザーのようにエネルギー密度が高いレーザー光源を用いる場合、使用される反射鏡は高い反射率を有するだけでなく、融点が高く熱伝導率の良好な材料から構成されることが要求される。さらに、走査を行なわせる反射鏡であれば、高速で走査させる必要があるので、高い強度や慣性モーメントの小さな材料が好ましく、被加工物からの熱輻射や溶融物からの熱に耐えうる、より高い融点を有し、より良好な熱伝導率を有する材料が望まれる。
【０００４】
従来、このような要求に対して、単結晶Ｓｉ（シリコン）またはＡｌ（アルミニウム）を基板として、この基板の表面にＡｕ（金）やＭｏ（モリブデン）をコーティングした反射鏡が用いられてきた（特許文献１を参照）。
【特許文献１】特開平５−228677号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、単結晶Ｓｉから成る基板を反射鏡に使用した場合には、半導体技術を用いることにより、基板表面において優れた表面粗さの鏡面が得られるものの、単結晶Ｓｉの大きな光吸収によりレーザー光の反射損失が大きい。
【０００６】
また、光吸収によって基板（または、反射鏡）自体の発熱が大きくなるために、放熱対策を考慮した基板（または、反射鏡）の厚さや大きな放熱空間の確保が必要となるなど、特にエネルギー密度の高いレーザー光学系の設計が困難になる。
【０００７】
また、Ａｌから成る基板を反射鏡に使用した場合には、基板の表面に不動態膜が形成されて、経時変化が少なく高い熱伝導を有するものの、融点が660℃程度と低いために、発熱時における軟化や溶融のおそれがあり、これにより、エネルギー密度の高いレーザー光学系の設計が困難になる。
【０００８】
また、Ｍｏを基板に用いた場合は、高融点で良好な反射率（98.3％）を有するが、室温においても酸化しやすく、経時変化により反射率が低下するという問題がある。
【０００９】
また、このような基板の表面に金属膜を形成したものでは、その作製工程が煩雑となる上に反射膜の多層性膜工程のため設計が複雑化する。しかも、金属膜は低融点で基板と合金化して変質しやすく、基板との相性により剥離することがあり問題である。
【００１０】
また、Ａｇ（銀）やＣｕ（銅）をコーティング膜とすることも考えられるが、このような場合も、Ｍｏと同様に室温で酸化が生じやすく経時変化が著しいので使用できない。また、耐熱性のある誘電体膜のコーティングも考えられるが、炭酸ガスレーザーでは使用波長が長いために、酸化物などによる誘電体膜を使用した反射鏡では、金属に比べ屈折率が低いことから膜厚を厚くしなければならない。このように、基板材料と膜との熱膨張差による膜の劣化が懸念され信頼性の観点から実用的ではない。
【００１１】
そこで本発明は、上述した諸問題に鑑み提案されたものであり、その目的は、炭酸ガスレーザーからのレーザー光のようにエネルギー密度が高い場合でも好適に使用可能なレーザー反射鏡およびそれを用いたレーザー光学系を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明のレーザー反射鏡は、１）化学式ＸＢ２（ただし、ＸはＴｉ（チタン），Ｚｒ（ジルコニウム），Ｃｒ（クロム），Ｈｆ（ハフニウム），Ｔａ（タンタル），Ｎｂ（ニオブ）のうちから選択された１種以上の元素）で表される二硼化物単結晶を主体とする反射体を備えたことを特徴とする。
【００１３】
また、２）上記１）において、前記反射体は、前記二硼化物単結晶から成る基体の上に金属表面層を設けて成ることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明のレーザー光学系は、３）レーザー光源と、このレーザー光源からのレーザー光を反射させるための、上記１）または上記２）のレーザー反射鏡とを備え、このレーザー反射鏡からの反射光を被照射物へ照射するように構成したことを特徴とする。
【００１５】
さらに、４）上記３）のレーザー光学系において、前記レーザー光源が炭酸ガスレーザーであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
上記１）のレーザー反射鏡によれば、化学式ＸＢ２（ただし、ＸはＴｉ，Ｚｒ，Ｃｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂのうちから選択された１種以上の元素）で表される二硼化物単結晶を主体とする反射体を備えているので、炭酸ガスレーザーの光を良く反射し、耐熱性が良好であるから、高温においても大気中での変質もないから、エネルギー密度の高いレーザー照射においても安定に使用できる。さらに反射体を主に構成する二硼化物単結晶は軽量であるうえに強靭であるので、反射体の厚みを薄くしても実用に耐えることができ、レーザー反射鏡の軽量化を図ることができる。これにより、構成が簡単であり走査にも好適である、長期間に渡って反射率の低下がない優れたレーザー反射鏡を提供できる。
【００１７】
また、上記２）のレーザー反射鏡によれば、反射体は上記二硼化物単結晶から成る基体の上に、金属表面層を設けて成るので、反射率を向上させることができるだけでなく、反射体の厚みを薄くしたり金属表面層の材料を選定することにより軽量化を図ることができ、簡単な構成でさらなる反射率の向上と軽量化とを図ることが可能な優れたレーザー反射鏡を提供できる。
【００１８】
また、上記３），４）のレーザー光学系によれば、上記１）または上記２）のレーザー反射鏡を使用しているので、被照射物からの熱輻射や溶融物からの熱に耐えうる光学系を構成することができ、エネルギー密度が高いレーザー光源を備え、しかも軽量化を図ることができる優れたレーザー光学系を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に、本発明を実施するための最良の形態について図面に基づき詳細に説明する。
【００２０】
まず、ＸＢ２粉末を用意する。ここで、ＸはＴｉおよびＺｒのうち少なくとも１種を含むこととする。次に、焼結したＸＢ２粉末から成る原料棒を高周波ＦＺ法により溶融し、この原料棒を種結晶に接触させる。原料棒と種結晶とを回転させながら、種結晶側へ溶融帯部を通過させて移動することにより、柱状の単結晶体に結晶成長させる。
【００２１】
次に成長させた単結晶体を、15ｍｍ角，厚さ1.5ｍｍの板体に切り出し、光学研磨により15ｍｍ角，厚さ1.0ｍｍの板体に加工する。このときの最終的な加工形状は、図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、レーザーの照射形状に合わせるために、例えば平面楕円形状（図では短軸長さ20.0ｍｍ，長軸長さ28.3ｍｍ）の反射体とする。図１（ｂ）に示す45°とはレーザーの照射角度を意味する。また、図１（ｃ）に示すように、反射面（表面）は算術平均粗さＲａを鏡面である例えば0.1ｎｍとし、その裏面の算術平均粗さＲａを表裏面の区別のため反射面より粗い例えば0.3ｎｍとしている。
【００２２】
次に、特にＸがＺｒの場合、その反射率等を測定した結果について説明する。Ａｌ，Ａｇ，Ａｕ，Ｃｕ，ＺｒＢ２から成る鏡面において、炭酸ガスレーザーの波長である10.4μｍでの反射率は、それぞれ98％，98.9％，98.4％，98.8％，98％である。このように、炭酸ガスレーザーの波長において、98％の反射率を有している。なお、上記のＡｌ，Ａｇ，Ａｕ，Ｃｕの反射率は、国立天文台編の理科年表平成８年版（丸善株式会社，平成７年11月30日，519頁）から引用した。また、ＺｒＢ２の反射率については、分光測色計（ミノルタ製ＣＭ−3700d）で測定した実測値であるが、測定誤差を考慮しても、反射率は少なくとも95％以上であり、Ａｌ，Ａｇ，Ａｕ，Ｃｕに比べても遜色がない。しかもＺｒＢ２の融点は約3250℃であり、従来使用されていたＭｏを超える高い融点を有する。
【００２３】
また、ＺｒＢ２の密度は約６ｇ／ｃｍ３でありＡｌに比べるとやや大きいが、300ＭＰａ以上の曲げ強度，300ＧＰａ以上のヤング率を有し機械的に強靭であるので、薄く加工しても実用に耐えることができ、従来よりも軽量なレーザー反射鏡を作製できる。
【００２４】
さらに、ＺｒＢ２は大気中では表面に酸化膜を形成して不動態化しており、600℃以下では大気中で加熱しても変質しない。このため、レーザー反射鏡の鏡面の劣化が生じにくく、パワー損失の経時変化も少ない。
【００２５】
図２はＺｒＢ２の示差熱分析および熱秤量分析の結果を示したものであり、大気中で加熱しても600℃以下では変化が見られないことがわかる。なお、図２において横軸は温度（℃）を、縦軸の左側は重量変化率（％）を、縦軸の右側は示差熱変化量（桝目の数×10μＶ）をそれぞれ示す。
【００２６】
ＺｒＢ２はきわめて優れた反射率を有しているが、僅かな光吸収があることが推測される。しかし、その場合においても熱伝導率が130Ｗ／Ｋ（ＳｉやＭｏ並み）であり、良好な熱の拡散により温度上昇しにくい。また、たとえ温度上昇しても、ＺｒＢ２の融点は3000℃を超えているので600℃以下の温度では変質しない。
【００２７】
さらに、ＺｒＢ２は焼結の難しいセラミック材料であり、例えば真密度が６ｇ／ｃｍ３に対して、焼結体は5.6〜5.9ｇ／ｃｍ３程度にしか密度が上がらない。こうした空隙のある状態では、吸収や散乱による反射率の低下が危惧されるが、近年、高周波ＦＺ法による単結晶の製法が発達してきており、単結晶のＺｒＢ２を使用すれば、理論値である6.013ｇ／ｃｍ３の密度を得ることができ、粒界での吸収や散乱による問題はない。
【００２８】
これらの特徴から、レーザー反射鏡の反射体として鏡面研磨したＺｒＢ２単結晶の基板を用いると、高温に耐えるので経時変化も少なく軽量であり頑強な反射鏡を提供することができる。また、これによりレーザー反射鏡を走査に使用する場合も好適である。ここで、ＺｒＢ２単結晶の代わりにＴｉＢ２単結晶を用いても同様な結果が得られる。また、例えばＺｒＢ２とＴｉＢ２との固溶体から形成した単結晶を用いても同様な結果が得られる。
【００２９】
このようにして、化学式ＸＢ２（但し、ＸはＴｉおよびＺｒのうち少なくとも１種を含む）で表される二硼化物単結晶を主体とする反射体を備えた優れたレーザー反射鏡を得ることができる。なお、ＸがＴｉまたはＺｒ、すなわちＴｉＢ２またはＺｒＢ２の反射体を用いれば、反射率および耐熱性の上で最適であるが、Ｔｉ，Ｚｒの双方の元素が含有されていてもよい。
【００３０】
また、レーザー光を反射させる反射体の表面層は、二硼化物単結晶から成る基体の上に、さらに反射率の高いＭｏ等の二硼化物単結晶になじみがよく高融点で安定である金属表面層や誘電体表面層を形成すると、さらに反射率を向上させることが可能である。また、反射体の厚みを薄くしたり、金属表面層の材料を選定することによって軽量化を図ることができ、レーザー反射鏡を走査などに使用する場合には好適である。このようにして、簡単な構成でさらなる軽量化を図ることが可能な優れたレーザー反射鏡を提供できる。
【００３１】
次に、各種反射体の材料の反射率について、分光測色計（ミノルタ製CM−3700d）を用いて測定した結果を図３に示す。なお、図３において、横軸は反射させるレーザー光の波長を示し、縦軸は反射率（％）を示す。
【００３２】
図３から明らかなように、波長３μｍを超える波長では反射率はほぼ100％近くになる。図３では波長3500ｎｍまでの反射率を示しているが、いずれの材料においても3500ｎｍ以上の波長では反射率はほぼ100％近くで推移する（測定精度の問題を考慮しても、少なくともいずれの金属も反射率は95％以上）。このように、長波長側で反射率が100％近くになり、例えばＺｒＢ２の反射率の値は、Ａｌ，Ａｇ，Ａｕ，Ｍｏに比べても遜色がない。
【００３３】
次に、図１に示した形状のＺｒＢ２からなる反射鏡の熱的安定性を調べるために、大気雰囲気中で約200℃に加熱し12時間放置した後に反射率の変化を調べたところ、反射率の変化は見られなかった。
【００３４】
次に、ＺｒＢ２の粉末1.5ｇを用いて、示差熱分析および熱秤量分析を行なった結果について説明する（分析装置はマックスサイエンス社製のＤＴＡ／ＴＧ装置，型番：DTA−TG2010SA）。この分析により、600℃以下では大気雰囲気中での化学反応，質量変化がないことが判明した。表面積の大きい粉末では600℃以下で変質がないことより、上述したように、200℃にてレーザー反射鏡の変質が確認されていない事実と一致する結果であった。
【００３５】
上記結果は、ＺｒＢ２の代わりにＴｉＢ２とした場合でも同様な結果が得られた。また、ＺｒＢ２とＴｉＢ２の固溶体から形成した単結晶を用いても同様な結果が得られた。なお、これらの材料を用いるかわりに、ＣｒＢ２，ＨｆＢ２，ＴａＢ２，ＮｂＢ２の二硼化物単結晶やこれらの固溶体を用いても同様な結果が得られる。すなわち、本発明のレーザー反射鏡を構成する反射体は、化学式ＸＢ２（ただし、ＸはＴｉ，Ｚｒ，Ｃｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂのうちから選択された１種以上の元素）で表される二硼化物単結晶を主体とするものであればよい。
【００３６】
かくして、本発明のレーザー反射鏡によれば、炭酸ガスレーザーの光を良く反射し、耐熱性が良好であるから、600℃までは大気中での変質もないから、エネルギー密度の高いレーザー照射においても安定に使用できる。そのうえ軽量化を図ることができる。また、反射体に多層膜を形成した場合には、多層膜を薄く成膜することで反射体の厚みを薄くすることができ、さらなる軽量化を図ることができ、特にレーザー反射鏡を走査に使用する場合に好適である。以上の理由から、構成が簡単で長期間に渡って反射率の低下がなく、軽量の優れたレーザー反射鏡を提供できる。
【００３７】
次に、上述したレーザー反射鏡を用いたレーザー光学系について説明する。本発明のレーザー光学系は、レーザー光源と、このレーザー光源からのレーザー光を反射させるためのレーザー反射鏡とを備え、このレーザー反射鏡からの反射光を被照射物へ照射するように構成したものである。また特に、レーザー光源としてエネルギー密度の高い炭酸ガスレーザーを用いている。
【００３８】
図４に示すように、例えば炭酸ガスレーザーのレーザー光源である発振管３から出射されたレーザー光は、本発明のレーザー反射鏡を用いた第１のレーザー反射鏡１および本発明のレーザー反射鏡を用いた第２のレーザー反射鏡４の反射により、作業台６の上に載置された被照射物である被加工物５へ照射される。このレーザー光の照射において、主に第２のレーザー反射鏡４を走査させることにより、被加工物５の任意箇所へのレーザー加工が可能になる。
【００３９】
このように、特に炭酸ガスレーザーのようにエネルギー密度の高いレーザー光源を用いても、被加工物からの熱輻射や溶融物からの熱に耐えうる優れたレーザー反射鏡およびそれを用いたレーザー光学系を提供できる。また、レーザー反射鏡１，２を構成する反射体を主に構成する二硼化物単結晶は軽量であるうえに強靭であるので、反射体の厚みを薄くしても実用に耐えることができ、レーザー反射鏡のさらなる軽量化を図ることができ、レーザー反射鏡１，２の走査にも好適である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明のレーザー反射鏡を説明する図であり、（ａ）は平面図、（ｂ），（ｃ）はそれぞれ側面図である。
【図２】ＺｒＢ２粉末の示差熱分析および熱秤量分析の結果を示すグラフである。
【図３】各種材料の反射率の波長依存性を示すグラフである。
【図４】本発明のレーザー光学系を模式的に説明する概略構成図である。
【符号の説明】
【００４１】
１：第１のレーザー反射鏡
２：光路
３：発振管
４：第２のレーザー反射鏡
５：被加工物（被照射物）
６：作業台
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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