(57)【要約】【課題】  光学接着剤とレーザ素子との界面および光学接着剤と光学素子との界面に施されかつ単層の光学薄膜で構成される反射防止膜を提供する。【解決手段】  この反射防止膜は、ＹＡＧ（Ｙ3Ａｌ5Ｏ12）、ＹＡｌＯ3、Ｙ4Ａｌ2Ｏ9、Ａｌ2Ｏ3、Ｙ2Ｏ3から選択された１種以上の結晶体若しくは焼結体をスパッタターゲットとし、かつ、レーザ素子または光学素子における被成膜面の温度を制御してスパッタ成膜されたＡｌとＹから成る酸化物を主成分とすると共に、下記数式（１）から求められる屈折率（Ｎｆ）の値と同一若しくは略同一の屈折率を有する単層の光学薄膜で構成されることを特徴とする。  Ｎｆ＝√（Ｎ０・Ｎｓ）  （１）（但し、Ｎ０は光学接着剤の屈折率、Ｎｓはレーザ素子または光学素子の屈折率を示している。）【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学接着剤を介してレーザ素子に光学素子を接着する際、光学接着剤とレーザ素子との界面および上記光学接着剤と光学素子との界面の反射損失を低減させるために各界面に施される反射防止膜において、
ＹＡＧ（Ｙ3Ａｌ5Ｏ12）、ＹＡｌＯ3、Ｙ4Ａｌ2Ｏ9、Ａｌ2Ｏ3、Ｙ2Ｏ3から選択された１種以上の結晶体若しくは焼結体をスパッタターゲットとし、かつ、上記レーザ素子または光学素子における被成膜面の温度を制御してスパッタ成膜されたＡｌとＹから成る酸化物を主成分とすると共に、下記数式（１）から求められる屈折率（Ｎｆ）の値と同一若しくは略同一の屈折率を有する単層の光学薄膜で構成されることを特徴とする反射防止膜。
Ｎｆ＝√（Ｎ０・Ｎｓ）                      （１）
（但し、Ｎ０は光学接着剤の屈折率、Ｎｓはレーザ素子または光学素子の屈折率を示している。）
【請求項２】
ＹＡＧ（Ｙ3Ａｌ5Ｏ12）１種類の結晶体若しくは焼結体、または、モル比で３：５の割合に組合せたＹ2Ｏ3とＡｌ2Ｏ3の２種類の結晶体若しくは焼結体をスパッタターゲットとし、かつ、上記被成膜面の温度を２００℃若しくはその近傍温度に制御してスパッタ成膜された上記光学薄膜における波長１μｍ近傍の屈折率が１．６２であることを特徴とする請求項１記載の反射防止膜。
【請求項３】
ＹＡＧ（Ｙ3Ａｌ5Ｏ12）１種類の結晶体若しくは焼結体、または、モル比で３：５の割合に組合せたＹ2Ｏ3とＡｌ2Ｏ3の２種類の結晶体若しくは焼結体をスパッタターゲットとし、かつ、上記被成膜面の温度を６５０℃若しくはその近傍温度に制御してスパッタ成膜された上記光学薄膜における波長１μｍ近傍の屈折率が１．６８であることを特徴とする請求項１記載の反射防止膜。
【請求項４】
上記光学素子が、反射鏡、レンズ、偏光素子、波長変換素子のいずれかであることを特徴とする請求項１、２または３記載の反射防止膜。
【請求項５】
上記光学素子の本体が、ＹＡＧ（Ｙ3Ａｌ5Ｏ12）、サファイヤ（Ａｌ2Ｏ3）、ＹＶＯ4から選択された結晶体若しくは焼結体で構成されていることを特徴とする請求項４記載の反射防止膜。
【請求項６】
上記波長変換素子の本体が、ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ4）で構成されていることを特徴とする請求項４記載の反射防止膜。
【請求項７】
上記レーザ素子の媒質が、ＹＡＧ（Ｙ3Ａｌ5Ｏ12）の結晶体若しくは焼結体、または、サファイヤ（Ａｌ2Ｏ3）若しくはＹＶＯ4の結晶体のいずれかで構成されていることを特徴とする請求項１、２または３記載の反射防止膜。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学接着剤を介してレーザ素子に光学素子を接着する際、光学接着剤とレーザ素子との界面および上記光学接着剤と光学素子との界面の反射損失を低減させるために各界面に施される反射防止膜の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、レーザ発振器についてその小型化、低コスト化を図るため、従来においては図２に示すように光学接着剤１を介して、レーザ素子２にミラー、レンズ、偏光素子、波長変換素子等の光学素子（図２では共振器ミラー基板３１と反射膜３２とで構成される光学素子としての共振器ミラーが示されている）３を接着して一体化する方法が知られている（特許文献１〜２参照）。また、レーザが通過する部分には光学接着剤を用いない方法（特許文献３参照）、光学接着剤を適用せずに直接接合する方法（特許文献４参照）等も知られている。尚、図２中、４は励起用半導体レーザ、５は集光レンズ、６は反射膜をそれぞれ示している。
【０００３】
更に、光学接着剤を介して接着する際、各界面の反射損失を低減させるため多層反射防止膜を施す方法（特許文献５参照）も知られている。例えば、光学素子の本体として屈折率１．８２のＹＡＧ（Ｙ3Ａｌ5Ｏ12）を屈折率１．５１の光学接着剤を介してレーザ素子に接着する場合、ＹＡＧと光学接着剤との界面の反射損失を低減させる多層反射防止膜は表１に示すような構成となる。
【０００４】
尚、その分光反射特性を図６に示す。
【０００５】
【表１】
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他方、屈折率Ｎｓのレーザ素子を屈折率Ｎ０の光学接着剤を介して光学素子に接着する場合、レーザ素子と光学接着剤との界面の反射損失を低減させる単層反射防止膜の屈折率Ｎｆは以下の数式（１）で表すことができる（非特許文献１参照）。
【０００６】
Ｎｆ＝√（Ｎ０・Ｎｓ）                （１）
ここで、上記数式（１）を満たす単層反射防止膜に適した屈折率Ｎｆの膜物質が存在しない場合、単層反射防止膜に代えて上述の多層反射防膜で構成することになるが、製造コストや生産性並びに再現性等を考慮すると膜層数はできるだけ少ない方がよく、単層反射防止膜が理想的である。
【０００７】
そこで、レーザ素子の媒質（レーザ素子はレーザ素子媒質とこれに添加されるドーパント等とで構成される）あるいは光学素子の本体［光学素子は光学素子基板（本体）とこれに設けられた反射膜等とで構成される］に適用される以下の物質を、代表的な光学接着剤を用いて接着する場合の単層反射防止膜の屈折率を上記数式（１）に示された単層反射防止膜の条件から求めると以下の表２に示す膜屈折率Ｎｆとなる。
【０００８】
ここで、光学接着剤の波長１μｍ付近（例えば、ＹＡＧレーザにおける基本波の発振波長は１．０６μｍである）における屈折率は、一般に１．５程度のものを使用することが多いが１．４〜１．６程度の接着剤もある。
【０００９】
尚、表２に示すそれぞれの物質（基板屈折率Ｎs、接着剤屈折率Ｎ0、膜屈折率Ｎfとする）における単層膜が光学的膜厚（Ｎf×Ｄf）＝λ/４のときの理論分光反射特性を図７〜１１に示す。ここで、Ｄfは単層膜の物理的膜厚、λは設計中心波長である。
【００１０】
【表２】
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ところで、光学接着剤を介して接着する膜材料は硬質でかつ緻密な膜物質が適している。そして、表２に示すような膜屈折率Ｎfになる膜物質と近似する特性を有する物質には、波長１μｍ付近の屈折率が１．６０程度のＡｌ2Ｏ3がある。
【００１１】
しかし、表２に示された単層反射防止膜の理想的な屈折率Ｎfより若干低く、これでは残留反射があるため、レーザ発振の損失になって発振効率や波長変換効率を低下させてしまう要因となる。
【特許文献１】特開平５−１４５１６０号公報
【特許文献２】特開平９−３１２４３１号公報
【特許文献３】特開平１０−２５６６３８号公報
【特許文献４】特開平１１−３１８６０号公報
【特許文献５】特開２００３−５７４０４号公報
【非特許文献１】ALFRED THELEN,(1989),“DESIGN OF OPTICAL INTERFERENCE COATINGS”, MaGraw-Hill Publishing Company, p88
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明はこの様な問題点に着目してなされたもので、その課題とするところは、上記光学接着剤とレーザ素子との界面および光学接着剤と光学素子との界面に施されかつ単層の光学薄膜で構成される反射防止膜を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
すなわち、請求項１に係る発明は、
光学接着剤を介してレーザ素子に光学素子を接着する際、光学接着剤とレーザ素子との界面および上記光学接着剤と光学素子との界面の反射損失を低減させるために各界面に施される反射防止膜を前提とし、
ＹＡＧ（Ｙ3Ａｌ5Ｏ12）、ＹＡｌＯ3、Ｙ4Ａｌ2Ｏ9、Ａｌ2Ｏ3、Ｙ2Ｏ3から選択された１種以上の結晶体若しくは焼結体をスパッタターゲットとし、かつ、上記レーザ素子または光学素子における被成膜面の温度を制御してスパッタ成膜されたＡｌとＹから成る酸化物を主成分とすると共に、下記数式（１）から求められる屈折率（Ｎｆ）の値と同一若しくは略同一の屈折率を有する単層の光学薄膜で構成されることを特徴とする。
【００１４】
Ｎｆ＝√（Ｎ０・Ｎｓ）                      （１）
（但し、Ｎ０は光学接着剤の屈折率、Ｎｓはレーザ素子または光学素子の屈折率を示している。）
次に、請求項２に係る発明は、
請求項１記載の発明に係る反射防止膜を前提とし、
ＹＡＧ（Ｙ3Ａｌ5Ｏ12）１種類の結晶体若しくは焼結体、または、モル比で３：５の割合に組合せたＹ2Ｏ3とＡｌ2Ｏ3の２種類の結晶体若しくは焼結体をスパッタターゲットとし、かつ、上記被成膜面の温度を２００℃若しくはその近傍温度に制御してスパッタ成膜された上記光学薄膜における波長１μｍ近傍の屈折率が１．６２であることを特徴とし、
請求項３に係る発明は、
請求項１記載の発明に係る反射防止膜を前提とし、
ＹＡＧ（Ｙ3Ａｌ5Ｏ12）１種類の結晶体若しくは焼結体、または、モル比で３：５の割合に組合せたＹ2Ｏ3とＡｌ2Ｏ3の２種類の結晶体若しくは焼結体をスパッタターゲットとし、かつ、上記被成膜面の温度を６５０℃若しくはその近傍温度に制御してスパッタ成膜された上記光学薄膜における波長１μｍ近傍の屈折率が１．６８であることを特徴とするものである。
【００１５】
また、請求項４に係る発明は、
請求項１、２または３記載の発明に係る反射防止膜を前提とし、
上記光学素子が、反射鏡、レンズ、偏光素子、波長変換素子のいずれかであることを特徴とし、
請求項５に係る発明は、
請求項４記載の発明に係る反射防止膜を前提とし、
上記光学素子の本体が、ＹＡＧ（Ｙ3Ａｌ5Ｏ12）、サファイヤ（Ａｌ2Ｏ3）、ＹＶＯ4から選択された結晶体若しくは焼結体で構成されていることを特徴とし、
請求項６に係る発明は、
請求項４記載の発明に係る反射防止膜を前提とし、
上記波長変換素子の本体が、ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ4）で構成されていることを特徴とし、
また、請求項７に係る発明は、
請求項１、２または３記載の発明に係る反射防止膜を前提とし、
上記レーザ素子の媒質が、ＹＡＧ（Ｙ3Ａｌ5Ｏ12）の結晶体若しくは焼結体、または、サファイヤ（Ａｌ2Ｏ3）若しくはＹＶＯ4の結晶体のいずれかで構成されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る反射防止膜は単層の光学薄膜で構成されているため、多層膜で構成されている従来の反射防止膜に較べて製造コストや生産性並びに再現性等において優れた効果を有している。
【００１７】
従って、本発明に係る反射防止膜をレーザ素子や光学素子に施して小型のレーザ発振器等を構成した場合、反射損失が低減された高効率のレーザ発振器を低コストで製造することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明を更に詳細に説明する。
【００１９】
まず、本発明は本発明者等が行った以下の実験から見出されている。
【００２０】
すなわち、ＹＡＧ（Ｙ3Ａｌ5Ｏ12）の結晶をスパッタターゲットとしてスパッタした場合、被成膜面の基板温度により、成膜された薄膜の波長１μｍ付近の屈折率が、図１に示すように基板温度が高くなるほど屈折率も高くなる傾向が確認された。これは、基板温度に応じてこの基板上に成膜された膜内においてＡｌとＹから成る酸化物の相変化と結晶化が起こり、これに対応してその屈折率が変化するものと思われる。
【００２１】
例えば、基板温度を２００〜６００℃にしてスパッタすると、成膜された薄膜の化学組成はスパッタターゲットの組成をそのまま反映してＡｌ2Ｏ3とＹ2Ｏ3がそれぞれモル比で５：３の割合で混合された組成物になっており、この組成物に対応した屈折率を示す。
【００２２】
基板温度を更に上げると、相変化が起こってＡｌ2Ｏ3とＹ4Ａｌ2Ｏ9がそれぞれモル比で３．５：１．５の割合で混合された組成物となり、また、更に基板温度を上げると、相変化が起こってＡｌ2Ｏ3とＹＡｌＯ3がそれぞれモル比で２：６の割合で混合された組成物となり、最終的にはＡｌ2Ｏ3単体は無くなって全てＹＡＧ（Ｙ3Ａｌ5Ｏ12）となり、各組成物に対応した屈折率をそれぞれ示す。
【００２３】
従って、ＹＡＧ（Ｙ3Ａｌ5Ｏ12）の結晶をスパッタターゲットとし、基板温度を適宜設定することにより、図１から導かれる特定の屈折率を有する単層の光学薄膜をレーザ素子若しくは光学素子表面に形成することが可能となる。
【００２４】
例えば、ＹＡＧ（Ｙ3Ａｌ5Ｏ12）の結晶をスパッタターゲットとし、かつ、基板温度を２００℃若しくはその近傍温度に制御してスパッタ成膜された薄膜の波長１μｍ近傍における屈折率は１．６２、また、基板温度を６５０℃若しくはその近傍温度に制御してスパッタ成膜された薄膜の波長１μｍ近傍における屈折率は１．６８であり、図１に示されたグラフ図の結果と略一致している。
【００２５】
但し、基板への成膜条件は基板温度以外の成膜条件、例えば、成膜方法、真空圧、アルゴン導入量、酸素導入量、成膜速度等もあり、図１に示されたグラフ図は基板温度以外のこれ等成膜条件の違いにより異なるプロファイルとなる。従って、基板温度以外の成膜条件を特定し、基板温度を変えながら基板温度と屈折率との関係を示すグラフ図を個別に求めた後、得られたグラフ図に従って特定の屈折率を有する単層の光学薄膜をレーザ素子若しくは光学素子表面に形成することが可能となる。
【００２６】
尚、上記図１は、ＹＡＧ（Ｙ3Ａｌ5Ｏ12）の結晶をスパッタターゲットとして求められているが、Ａｌ2Ｏ3とＹ2Ｏ3の２種類のスパッタターゲットをＹＡＧ結晶と同一の組成割合（Ａｌ2Ｏ3とＹ2Ｏ3がそれぞれモル比で５：３の割合）となるように組合わせて用いてもよく、同様に、ＹＡｌＯ3、Ｙ4Ａｌ2Ｏ9、Ａｌ2Ｏ3、Ｙ2Ｏ3から任意の組合せを選定すると共にＹＡＧ結晶と同一の組成割合となるように設定して用いてもよい。また、ＹＡＧ（Ｙ3Ａｌ5Ｏ12）やＹＡｌＯ3、Ｙ4Ａｌ2Ｏ9、Ａｌ2Ｏ3、Ｙ2Ｏ3等は、結晶体に限らず焼結体であってもスパッタターゲットとして適用することができる。
【００２７】
次に、本発明で適用されるレーザ素子としては、その媒質がＹＡＧ（Ｙ3Ａｌ5Ｏ12）の結晶体若しくは焼結体で構成され、これにＮｄ、Ｙｂ、Ｅｒ等のドーパントがドープされたもの、あるいは、上記媒質がサファイヤ（Ａｌ2Ｏ3）若しくはＹＶＯ4の結晶体で構成され、これに各種ドーパントがドープされたもの等が例示される。
【００２８】
また、本発明で適用される光学素子としては、反射鏡、レンズ、偏光素子、波長変換素子等が例示され、これ等光学素子の本体を構成する基板としては、Ｙ3Ａｌ5Ｏ12、サファイヤ（Ａｌ2Ｏ3）、ＹＶＯ4等の結晶体若しくは焼結体が例示される。
【００２９】
以下、実施例を挙げて本発明を具体的に説明する。
【実施例１】
【００３０】
図３に示すようなレーザ発振器を製作した。
【００３１】
まず、ＹＡＧレーザ素子２の端面をアルコール等で洗浄した後、マグネトロンスパッタ装置にセットして、排気しながらＹＡＧレーザ素子２表面を３５０℃まで加熱した。表２に示したように屈折率１．５１の光学接着剤に対するＹＡＧレーザの単層反射防止膜１０の理想的な屈折率は１．６６なので、図１に示したように３５０℃にＹＡＧレーザ素子２表面を加熱する必要があった。
【００３２】
次に、スパッタチャンバー内の真空圧が１×１０-5Ｐａになったところで、アルゴンを１０ｓｃｃｍ、酸素を５ｓｃｃｍ導入しながらスパッタを行った。膜厚は水晶振動子式膜厚計で監視し、膜厚が１．０６μｍ÷（４×１．６６）＝０．１６μｍになったところで成膜を終了した。
【００３３】
尚、上記膜厚の設定は、上述したＮf×Ｄr＝λ／４の式から、Ｄr＝λ÷（４×Ｎf）より求められている。また、ＹＡＧレーザ素子２の単層反射防止膜１０を設けた面とは反対側の端面にはＳｉＯ2とＴａ2Ｏ5からなる反射率９０％の反射膜６を設けた。
【００３４】
次に、図３に示すように共振器ミラー基板３１と反射率９９．９％の反射膜３２とで構成された共振器ミラー（光学素子）３を、共振器ミラーと同じ屈折率１．５１の光学接着剤１を介して単層反射防止膜１０が設けられたＹＡＧレーザ素子２に接着して構成したレーザ共振器を作製した。
【００３５】
比較例１として、図４に示すように表１に示した多層反射防止膜１１をＹＡＧレーザ素子２に施し、かつ、上記共振器ミラー（光学素子）３を、共振器ミラーと同じ屈折率１．５１の光学接着剤１を介して接着して構成したレーザ共振器を作製した。
【００３６】
また、比較例２として、図５に示すように上記共振器ミラー（光学素子）３をＹＡＧレーザ素子２に接着させずに空間を空けて構成したレーザ共振器も製作した。尚、比較例２の共振器ミラー（光学素子）３において、共振器ミラー基板３１の反射膜３２が施してある面と対向する端面には屈折率１．００の空気に対する反射防止膜３０が設けられており、また、ＹＡＧレーザ素子２の反射膜６が施してある面と対向する端面には屈折率１．００の空気に対する反射防止膜２０が設けられている。
【００３７】
そして、図３に示された実施例１に係るレーザ共振器、図４に示された比較例１に係るレーザ共振器および図５に示された比較例２に係るレーザ共振器を用いてレーザ発振器をそれぞれ組立て、レーザ出力の比較評価を行った。尚、図３〜図５においても、４は励起用半導体レーザ、５は集光レンズ、６は反射膜をそれぞれ示している。
【００３８】
この結果、実施例１に係るレーザ発振器の出力と、比較例１〜２に係るレーザ発振器の出力はほぼ同等であった。このことから、接着による出力低下は無く、反射防止膜における多層膜と単層膜の反射損失の差は、レーザ発振に影響が無かったことが確認された。
【００３９】
また、共振器ミラーをレーザ素子に接着したレーザ共振器は、共振器ミラーとレーザ素子の間に空間を空ける必要がないので小型化が可能となり、かつ、取扱いも容易になる。
【００４０】
更に、本発明に係る反射防止膜は単層なので従来の多層反射防止膜より成膜が容易で生産コストの低減が図れ、かつ、成膜時の膜厚誤差による反射率の再現性に優れている。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明に係る反射防止膜は小型のレーザ発振器に利用でき、各光学素子の接着により製造コストの低減が図れる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】基板温度と屈折率の関係を示すグラフ図。
【図２】レーザ素子に光学接着剤を介し共振器ミラー（光学素子）が接着された従来のレーザ共振器を組込んだレーザ発振器の構成説明図。
【図３】レーザ素子に光学接着剤を介し共振器ミラー（光学素子）が接着されたレーザ共振器を組込んだ実施例１に係るレーザ発振器の構成説明図。
【図４】レーザ素子に光学接着剤を介し共振器ミラー（光学素子）が接着されたレーザ共振器を組込んだ比較例１に係るレーザ発振器の構成説明図。
【図５】レーザ素子に共振器ミラー（光学素子）を接着させずに空間を空けて構成したレーザ共振器を組込んだ比較例２に係るレーザ発振器の構成説明図。
【図６】多層反射防止膜を施したＹＡＧ（Ｙ3Ａｌ5Ｏ12）の屈折率１．５１の光学接着剤中における分光反射特性を示すグラフ図。
【図７】上記数式（１）の条件を満たす屈折率１．６６の単層反射防止膜を光学的膜厚Ｎf・Ｄf＝λ/４（但し、λ＝１．０６μｍ）施したＹＡＧ（Ｙ3Ａｌ5Ｏ12）の屈折率１．５１の光学接着剤中における理論分光反射特性を示すグラフ図。
【図８】上記数式（１）の条件を満たす屈折率１．６３の単層反射防止膜を光学的膜厚Ｎf・Ｄf＝λ/４（但し、λ＝０．８２μｍ）施したサファイヤ（Ａｌ2Ｏ3）の屈折率１．５１の光学接着剤中における理論分光反射特性を示すグラフ図。
【図９】上記数式（１）の条件を満たす屈折率１．７６の単層反射防止膜を光学的膜厚Ｎf・Ｄf＝λ/４（但し、λ＝１．０６μｍ）施したＹＶＯ4の屈折率１．５１の光学接着剤中における理論分光反射特性を示すグラフ図。
【図１０】上記数式（１）の条件を満たす屈折率１．６９の単層反射防止膜を光学的膜厚Ｎf・Ｄf＝λ/４（但し、λ＝１．０６μｍ）施したＹＶＯ4の屈折率１．４０の光学接着剤中における理論分光反射特性を示すグラフ図。
【図１１】上記数式（１）の条件を満たす屈折率１．６４の単層反射防止膜を光学的膜厚Ｎf・Ｄf＝λ/４（但し、λ＝１．０６μｍ）施したＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ4）の屈折率１．５１の光学接着剤中における理論分光反射特性を示すグラフ図。
【符号の説明】
【００４３】
１  光学接着剤
２  レーザ素子（ＹＡＧレーザ素子）
３  光学素子（共振器ミラー）
４  励起用半導体レーザ
５  集光レンズ
６  反射膜
１０  単層反射防止膜
１１  多層反射防止膜
２０  反射防止膜
３０  反射防止膜
３１  共振器ミラー基板
３２  反射膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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