(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光が直線偏光で発振するようにレーザ発振器の内部に配されるブリュースター窓であって、
アルカリ土類金属フッ化物単結晶から成り、表面が平坦化された基板と、
その基板の、上記レーザ発振器のレーザチャンバに封入されたレーザーガスが存在する側の面に形成された多結晶又はアモルファス構造のフッ化物膜と、
を備えることを特徴とするブリュースター窓。
【請求項２】
請求項１に記載のブリュースター窓において、
上記基板の、更に、上記レーザ発振器のレーザチャンバに封入されたレーザーガスが存在しない側の面に多結晶又はアモルファス構造のフッ化物膜が形成されている、
ことを特徴とするブリュースター窓。
【請求項３】
レーザ光が直線偏光で発振するようにレーザ発振器の内部に配されるブリュースター窓であって、
アルカリ土類金属フッ化物単結晶から成り、表面が平坦化された基板と、
その基板の少なくとも一方の面の、上記レーザ光が透過する部分を含む一部に形成された多結晶又はアモルファス構造のフッ化物膜と、
を備えることを特徴とするブリュースター窓。
【請求項４】
請求項１から３の何れかに記載のブリュースター窓において、
上記フッ化物膜は、フッ化ガドリニウム、フッ化マグネシウム、フッ化ランタン、フッ化アルミニウム及びクリオライトの何れかで成る、
ことを特徴とするブリュースター窓。
【請求項５】
請求項１から３の何れかに記載のブリュースター窓において、
上記フッ化物膜は多層膜とされ、その多層膜の各層はフッ化ガドリニウム、フッ化マグネシウム、フッ化ランタン、フッ化アルミニウム及びクリオライトの何れかで成る、
ことを特徴とするブリュースター窓。
【請求項６】
請求項５に記載のブリュースター窓において、
上記多層膜の第一層は、フッ化マグネシウムで成る、
ことを特徴とするブリュースター窓。
【請求項７】
請求項１から４の何れかに記載のブリュースター窓において、
上記ブリュースター窓を透過するレーザ光の波長をλとして、上記フッ化物膜の、そのレーザ光の透過する方向の光学膜厚は、λ／２の整数倍である、
ことを特徴とするブリュースター窓。
【請求項８】
請求項５又は６の何れかに記載のブリュースター窓において、
上記ブリュースター窓を透過するレーザ光の波長をλとして、上記多層膜の各層の、そのレーザ光の透過する方向の光学膜厚は、λ／２の整数倍である、
ことを特徴とするブリュースター窓。
【請求項９】
請求項１から８の何れかに記載のブリュースター窓において、
上記アルカリ土類金属フッ化物単結晶がフッ化カルシウムとされている、
ことを特徴とするブリュースター窓。
【請求項１０】
請求項１から９の何れかに記載のブリュースター窓を備えることを特徴とするレーザ発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、エキシマレーザ等のレーザ発振器、及び、そのレーザ発振器に用いられるブリュースター窓に関する。特に、ブリュースター窓のレーザ耐性を向上させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
図５に、エキシマレーザ等の偏光を発振するレーザ発振器２００の模式図を示す。レーザ発振器２００は、レーザ媒質であるレーザガスが封入されたレーザチャンバ２０１、レーザチャンバ２０１の両側に配置された反射鏡２０２と出力鏡２０３とからなる共振器を備える。
【０００３】
放電用電極２０７に電圧が印加されるとレーザチャンバ２０１のレーザ媒質が励起されて、すなわちポンピングされて、自然放出、及び、誘導放出による増幅が可能となる。共振器中の光は、レーザチャンバ２０１のレーザ媒質を通過するごとに誘電放出により増幅され、反射鏡２０２と出力鏡２０３との間で反射を繰り返して定常波を形成する。出力鏡２０３は入射した光の一部を透過して出力光として外部に出力する。
【０００４】
ブリュースター窓２０５は、レーザチャンバ２０１のレーザ媒質を透過する光の光軸方向の両端部に設けられる。ブリュースター窓２０５は、光軸２０６に対してブリュースター角で交わるように設置された光学基板のことである。ブリュースター窓２０５に用いられる光学基板として、短波長・高エネルギー光に対する透過性とレーザ耐性に優れた蛍石（ＣａＦ２）が例えば用いられる。
【０００５】
図６に示すように、Ｓ偏光（入射面に対して垂直な偏光）の反射率は入射角度が大きくなるに従って大きくなるが、Ｐ偏光（入射面に対して平行な偏光）の反射率は入射角度が大きくなるに従って徐々に小さくなり、ある入射角度（この例では５６度付近）で０になることが知られている。このＰ偏光の反射率が０となる入射角度のことを、ブリュースター角という。光学基板をブリュースター角だけ傾けて使用することにより、理想的にはＰ偏光の透過率が１００％となるため、その光学基板には反射防止のためのコーティングが必要ではなくなる。
【０００６】
しかし、レーザ発振器２００がエキシマレーザのような高出力レーザ装置である場合には、レーザチャンバ２０１における光の強度が強くなり、ブリュースター窓２０５に高出力の短波長のレーザが多数回照射されると、損傷が生じてブリュースター窓２０５が劣化する問題が知られている。
【０００７】
この問題を解決するために、光学基板を成すフッ化カルシウム（ＣａＦ２）を光学研磨して表面を平坦化することにより生じた準ビールビー層をエッチング除去して、それによって露出する凹凸なＳＳＤ面に適宜の材料の光学薄膜を形成して、その光学薄膜を再度光学研磨して表面を平坦化することにより、ブリュースター窓２０５のレーザ耐性を向上させる技術が提供されている（例えば、特許文献１参照。）。この技術は、光学基板を成すフッ化カルシウム（ＣａＦ２）を光学研磨して表面を平坦化することにより生じた準ビールビー層の光吸収及び発熱に着目したものである。
【特許文献１】特開２００６−７２３６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に記載された技術においては、準ビールビー層をエッチング除去したのちに、再度光学研磨をする必要があり手間がかかるという問題があった。
【０００９】
この発明は、簡易に構成することができ、レーザ耐性に優れたブリュースター窓及びレーザ発振器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明の一態様によるブリュースター窓は、レーザ光が直線偏光で発振するようにレーザ発振器の内部に配されるブリュースター窓であって、アルカリ土類金属フッ化物単結晶から成り、表面が平坦化された基板と、その基板の、上記レーザ発振器のレーザチャンバに封入されたレーザーガスが存在する側の面に形成された多結晶又はアモルファス構造のフッ化物膜と、を備える。
この発明の一態様によるブリュースター窓は、レーザ光が直線偏光で発振するようにレーザ発振器の内部に配されるブリュースター窓であって、アルカリ土類金属フッ化物単結晶から成り、表面が平坦化された基板と、その基板の少なくとも一方の面の、上記レーザ光が透過する部分を含む一部に形成された多結晶又はアモルファス構造のフッ化物膜と、を備える。
【発明の効果】
【００１１】
基板をフッ化物膜でコーティングすることにより、ブリュースター窓のレーザ耐性が増す。フッ化物膜は表面が平坦化された基板の面上に設けられるため、フッ化物膜も十分に平坦な面を有するものとなる。このため、フッ化物膜を形成した後の再度の研磨は不要であり、その点で簡易に構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１Ａを参照して、この発明によるブリュースター窓の一実施例について説明をする。図１Ａは、この発明によるブリュースター窓の断面を例示する模式図である。
【００１３】
ブリュースター窓は、基板１とフッ化物膜２ａ，２ａ’から構成される。
基板１は、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、フッ化マグネシウム、フッ化ストロンチウム等のアルカリ土類金属フッ化物単結晶から成る。ここでは、そのアルカリ土類金属フッ化物単結晶が、フッ化カルシウム（蛍石、ＣａＦ２）である場合を例に挙げて説明をする。基板１は、オスカー型研磨機を用いる通常のＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈ／Ｐｌａｎａｒｉｚａｔｉｏｎ）の工程によって、平均ラフネスが例えば約２Å以下となるまで平坦化される。
【００１４】
基板１の少なくとも一方の面に、多結晶又はアモルファス構造であるフッ化物膜２ａ，２ａ’が形成される。例えば、図１Ａに例示するように基板１の両面に、単層のフッ化物膜２ａ，２ａ’を設ける。フッ化物膜２ａ，２ａ’としては、例えば、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、フッ化ガドリニウム（ＧｄＦ３）、フッ化ランタン（ＬａＦ３）、フッ化アルミニウム（ＡｌＦ３）及びクリオライト（Ｎａ３ＡｌＦ６）等を用いることができる。フッ化物膜２ａ，２ａ’として、同じフッ化物を用いてもよいし、異なるフッ化物を用いてもよい。
【００１５】
フッ化物膜の厚さは、レーザ光の波長をλとして、レーザ共振器２００の内部においてレーザ光がそのフッ化物膜を備えたブリュースター窓を透過する際の光路方向の光学膜厚がλ／２の整数倍となる厚さ、すなわち、フッ化物膜の屈折率をｎとして膜面に対して垂直方向の物理膜厚がλ／（２ｎ）の整数倍にブリュースター角の余弦を乗じた大きさとなるようにする。基板１の両面にそれぞれフッ化物膜を形成した場合には、各フッ化物膜の膜面に対して垂直方向の物理膜厚がλ／（２ｎ）の整数倍にブリュースター角の余弦を乗じた大きさとなるようにする。これにより、この発明のブリュースター窓の反射防止の性能を維持することができる。なお、ＡｒＦエキシマレーザである場合には、λ＝１９３ｎｍとなる。
【００１６】
フッ化物膜の成膜方法は任意である。例えば、イオンビームスパッタリング法や、蒸着法を用いることができる。予め平坦化された基板１に成膜をするため、フッ化物膜も十分に平坦な面を有するものとなる。このため、フッ化物膜を形成した後にブリュースター窓を再度の研磨する必要はない。
【００１７】
また、図１Ｂに例示するように、基板１の両面に、多層膜のフッ化物膜２ｂ，２ｂ’をそれぞれ設けてもよい。図１Ｂにおいては、フッ化物膜２ｂ，２ｂ’は、二層膜であり、第一層２１，２１’、第二層２２，２２’からそれぞれ構成されている。第一層２１，２１’、第二層２２，２２’はそれぞれ、図１Ａにおけるフッ化物膜２ａ，２ａ’と同様に、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、フッ化ガドリニウム（ＧｄＦ３）、フッ化ランタン（ＬａＦ３）、フッ化アルミニウム（ＡｌＦ３）及びクリオライト（Ｎａ３ＡｌＦ６）等から成る。なお、基板１に近い方から順番に、第一層、第二層、…とする。
【００１８】
フッ化物膜２ｂ，２ｂ’を構成する各層の層面に対して垂直方向の物理膜厚はそれぞれλ／（２ｎ）の整数倍にブリュースター角の余弦を乗じた大きさとする。
【００１９】
図２に、イオンビームスパッタリング法でフッ化物膜を成膜した場合のブリュースター窓のレーザ耐性を評価した実験結果を示す。具体的には、ＡｒＦエキシマレーザを用いてレーザ損傷閾値を比較した実験結果を示す。本実験においては基板１としてフッ化カルシウム（ＣａＦ２）を用いている。また、ブリュースター角は約５６度、レーザの出力エネルギーは９ｍＪ、レーザ波長は１９３．４ｎｍ、サンプル位置での平均エネルギー密度は２１０ｍＪ／ｃｍ２、スポットサイズは０．００３６ｃｍ２、サンプル位置での最大エネルギー密度は６５０〜７００ｍＪ／ｃｍ２、照射周波数は１ｋＨｚとした。ここで、サンプル位置での最大エネルギー密度は、入射面に対して垂直にレーザを照射した場合のサンプル位置での最大エネルギー密度である。照射周波数とは、１秒間当たりのレーザの照射回数のことである。
【００２０】
図２の横軸はフッ化物膜の材料を示す。「基板単体」はフッ化物膜が形成されていない場合の実験データである。「ＧｄＦ３」は、基板１の両面にそれぞれフッ化ガドリニウム（ＧｄＦ３）から成る、レーザ光照射方向（ブリュースター角沿いの方向）の物理膜厚がλ／（２ｎ）の厚さのフッ化物膜を形成した場合の実験データである。「ＬａＦ３」は、基板１の両面にそれぞれフッ化ランタン（ＬａＦ３）から成る、同じくレーザ光照射方向の物理膜厚がλ／（２ｎ）の厚さのフッ化物膜を形成した場合の実験データである。「ＭｇＦ２」は、基板１の両面にそれぞれフッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）から成る、同じくレーザ光照射方向の物理膜厚がλ／（２ｎ）の厚さのフッ化物膜を形成した場合の実験データである。「ＧｄＦ３＋ＭｇＦ２」は、第一層、第二層をそれぞれレーザ光照射方向の物理膜厚がλ／（２ｎ）の厚さのフッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、λ／（２ｎ）の厚さのフッ化ガドリニウム（ＧｄＦ３）とした場合の実験データである。
【００２１】
図２の縦軸は、レーザの照射回数を示す。縦軸の単位は１×１０６ショットである。「損傷有り」とは、対応するレーザの照射回数で基板１に損傷が生じたことを表す。「損傷無し」とは、対応するレーザの照射回数だけレーザを照射しても基板１に損傷が生じなかったことを表す。図３に、レーザの照射により生じた基板単体の損傷を１００倍に拡大した写真を例示する。
【００２２】
この実験結果により、フッ化カルシウム（ＣａＦ２）から成る基板単体のブリュースター窓よりも、基板にフッ化物膜を設けたブリュースター窓の方がレーザ耐性が高いことがわかる。また、フッ化物膜としてフッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）を用いた場合のレーザ耐性が高いことがわかる。
【００２３】
図４に、蒸着法によりフッ化物膜を成膜したブリュースター窓のレーザ耐性を評価した実験結果を示す。蒸着法により成膜した以外の条件は、上記の実験条件と同じである。この実験結果により、蒸着法で成膜したブリュースター窓においてもレーザ耐性が向上していることがわかる。
【００２４】
アルカリ土類金属フッ化物単結晶の基板にフッ化物膜を形成した場合にレーザ耐性を上げることができる理由は以下のように考えることができる。
【００２５】
一般に基板の表面は基板の内部と比較して原子の結合状態が弱いことが知られている。結合状態の弱い基板の表面に高いエネルギーを持つレーザを照射した場合、基板の表面の金属原子（基板がフッ化カルシウムである場合にはＣａ）−フッ素原子間の結合が切れてフッ素原子が脱離する。フッ素原子の脱離により発生したフッ素原子の欠損箇所に電子がトラップされるとイオン結晶中では結晶構造が変化する。原子が周期的に配列している単結晶基板において結晶構造が変化すると、さらに結合状態の弱い部分が表面に発生して、それが次のフッ素原子の欠損の起点となる。この繰り返しにより、フッ素原子が次々に欠損して行き、基板の破壊が生じると考えられる。
【００２６】
一方、基板に形成されるフッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、フッ化ガドリニウム（ＧｄＦ３）等のフッ化物膜は、多結晶又はアモルファス構造をしており、単結晶である基板と比較してランダムな配列をして安定化している。このため、膜上に高いエネルギーを持つレーザを照射した場合、基板と同様にフッ素原子の欠損が発生しても、表面に原子の結合状態が弱い部分が発生しにくい。この結果、基板単体と比較してフッ素原子の欠損が抑制されてレーザ耐性が向上すると考えられる。
【００２７】
この発明によるブリュースター窓を用いたレーザ発振器を構成するためには、図５を参照して背景技術で説明したレーザ発振器２００のブリュースター窓２０５に代えて、この発明によるブリュースター窓を用いればよい。
【００２８】
［変形例等］
フッ化物膜を三層で構成する場合には、例えば、フッ化物膜の第一層をフッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、第二層をフッ化ガドリニウム（ＧｄＦ３）、第三層をフッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）とするのが好ましい。
【００２９】
基板１の一方の面のみに、フッ化物膜を形成してもよい。
【００３０】
基板１の両方の面にそれぞれフッ化物膜を形成する場合に、基板１の一方の面に形成されるフッ化物膜の層の数と、基板１の他方の面に形成されるフッ化物膜の層の数とが異なっていてもよい。
【００３１】
基板１の面のすべてをフッ化物膜で覆う必要はない。すなわち、基板１の面のうちレーザが透過する部分についてのみフッ化物膜を形成すればよい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】この発明によるブリュースター窓の一実施例の断面の例示する模式図。Ａは、基板の両面に単層のフッ化物膜を形成したブリュースター窓の一実施例の断面を例示する模式図。Ｂは、基板の両面に二層のフッ化物膜を形成したブリュースター窓の一実施例の断面を例示する模式図。
【図２】イオンビームスパッタリング法によりフッ化物膜を成膜したブリュースター窓のレーザ耐性を評価した実験結果を示す図。
【図３】レーザの照射により生じた基板の損傷例を表す図。
【図４】蒸着法によりフッ化物膜を成膜したブリュースター窓の実験結果を示す図。
【図５】レーザ発振器２００の模式図。
【図６】Ｓ偏光とＰ偏光の各入射角度における反射率を表すグラフ。
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図３】
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