(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波信号入力部、トランスデューサ部および音響光学媒体を含み、前記高周波信号入力部から入力した高周波信号を、前記トランスデューサ部により機械振動に変換し、前記機械振動により前記音響光学媒体の光学的な特性が変化する音響光学素子であって、
前記音響光学媒体が、１×１０-3Ω・ｃｍ〜１×１０4Ω・ｃｍの抵抗率を有するＩＩＩ族窒化物結晶であることを特徴とする音響光学素子。
【請求項２】
前記ＩＩＩ族窒化物結晶が、組成式ＡｌuＧａvＩｎ(1-u-v)Ｎ（ただし、０≦ｕ≦１，０≦ｖ≦１，ｕ＋ｖ≦１）で表される結晶である請求項１記載の音響光学素子。
【請求項３】
前記ＩＩＩ族窒化物結晶が、ＧａＮ結晶、ＡｌＮ結晶およびＡｌＧａＮ結晶からなる群から選択される一つである請求項１記載の音響光学素子。
【請求項４】
前記音響光学素子に入射される入射光の波長が、４８８ｎｍ〜２２０ｎｍの範囲である請求項１記載の音響光学素子。
【請求項５】
前記ＩＩＩ族窒化物結晶の内部の抵抗率が、前記ＩＩＩ族窒化物結晶の外周部の抵抗率よりも大きい請求項１記載の音響光学素子。
【請求項６】
前記音響光学媒体が、光入射面および光出射面の少なくとも一方を含む請求項１記載の音響光学素子。
【請求項７】
前記ＩＩＩ族窒化物結晶が、ドーパント元素を含む請求項１記載の音響光学素子。
【請求項８】
前記ドーパント元素が、Ｓｉ、Ｌｉ、Ｍｇ、ＺｎおよびＯからなる群から選択される少なくとも一つである請求項７記載の音響光学素子。
【請求項９】
前記ＩＩＩ族窒化物結晶が、アルカリ金属およびアルカリ土類金属の少なくとも一方を含む融液を用いて、液相法により得られた結晶である請求項１記載の音響光学素子。
【請求項１０】
前記融液が、さらに、ドーパント元素を含み、前記ドーパント元素が、Ｓｉ、Ｌｉ、Ｍｇ、ＺｎおよびＯからなる群から選択される少なくとも一つである請求項９記載の音響光学素子。
【請求項１１】
前記ＩＩＩ族窒化物結晶が、その成長工程において、結晶成長に応じて前記融液中のドーパント元素の濃度を上昇させることにより得られた結晶である請求項１０記載の音響光学素子。
【請求項１２】
さらに、反射防止手段を含み、前記反射防止手段が、前記光入射面および光出射面の少なくとも一方に形成されている請求項６記載の音響光学素子。
【請求項１３】
前記反射防止手段が、ＳｉＯ2膜およびＡｌ2Ｏ3膜の少なくとも一方の誘電体薄膜を含む請求項１２記載の音響光学素子。
【請求項１４】
前記反射防止手段が、ＳｉＯ2単層膜またはＡｌ2Ｏ3単層膜である請求項１３記載の音響光学素子。
【請求項１５】
前記誘電体薄膜の屈折率をｎ1、前記誘電体薄膜の厚みをｔ1、入射光の真空中の波長をλ1とするとき、ｎ1ｔ1＝λ1／４である請求項１３記載の音響光学素子。
【請求項１６】
さらに、高熱伝導シートを含み、前記高熱伝導シートが、前記音響光学媒体の少なくとも一部に形成されている請求項１記載の音響光学素子。
【請求項１７】
前記高熱伝導シートが、導電性を有する請求項１６記載の音響光学素子。
【請求項１８】
さらに、接地手段を含み、前記接地手段により、前記音響光学媒体が、電気的に接地されている請求項１記載の音響光学素子。
【請求項１９】
前記接地手段が、熱伝導シートである請求項１８記載の音響光学素子。
【請求項２０】
光源、音響光学素子、駆動回路および描画面を有し、前記光源からの光が、前記駆動回路からの信号に応じて前記音響光学素子において回折され、その回折光が、前記描画面に描画される光描画装置であって、
前記音響光学素子の音響光学媒体が、１×１０-3Ω・ｃｍ〜１×１０4Ω・ｃｍの抵抗率を有するＩＩＩ族窒化物結晶であることを特徴とする光描画装置。
【請求項２１】
前記ＩＩＩ族窒化物結晶が、組成式ＡｌuＧａvＩｎ(1-u-v)Ｎ（ただし、０≦ｕ≦１，０≦ｖ≦１，ｕ＋ｖ≦１）で表される結晶である請求項２０記載の光描画装置。
【請求項２２】
前記ＩＩＩ族窒化物結晶が、ＡｌＮ結晶、ＧａＮ結晶およびＡｌＧａＮ結晶からなる群から選択される一つである請求項２０記載の光描画装置。
【請求項２３】
さらに、反射防止手段を有し、前記反射防止手段が、前記音響光学媒体の光入射面および光出射面の少なくとも一方に形成されている請求項２０記載の光描画装置。
【請求項２４】
前記音響光学媒体が、電気的に接地されている請求項２０記載の光描画装置。
【請求項２５】
さらに、可動ミラーを有する請求項２０記載の光描画装置。
【請求項２６】
さらに、ビームストッパーを有し、前記ビームストッパーが、前記音響光学素子からの透過光を遮光する請求項２０記載の光描画装置。
【請求項２７】
前記描画面が、感光体である請求項２０記載の光描画装置。
【請求項２８】
前記感光体が、蛍光体である請求項２７記載の光描画装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音響光学素子及びそれを用いた光描画装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、アルゴンレーザやヘリウムネオンレーザの可視光用音響媒体として、ＴｅＯ2結晶やＰｂＭｏＯ4結晶が用いられてきた。一方、青色から紫外領域の光を利用した、例えば、ＹＡＧレーザの３倍波〜４倍波や各種短波長の半導体レーザ光源と、音響光学素子との組み合わせが検討されている。なお、前記音響光学素子としては、例えば、音響光学変調器、音響光学偏向器、音響光学フィルタおよび音響光学周波数シフタ等をさす。
【０００３】
従来の紫外領域の光を利用した音響光学変調素子の音響光学媒体としては、石英ガラス、水晶およびＫＤＰ結晶等が用いられている（例えば、非特許文献１および２参照）。さらに近年、紫外光用音響光学素子として各種ボレート系結晶が検討されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
しかしながら、ＰｂＭｏＯ4結晶を用いた音響光学素子では、ＰｂＭｏＯ4結晶の吸収端波長が４１０ｎｍ程度であり、紫外領域の波長３８０ｎｍ以下の光を透過しないという問題がある（ここでは３８０ｎｍ〜２２０ｎｍの波長の光を紫外光と定義する）。ＴｅＯ2結晶を用いた音響光学素子では、ＴｅＯ2結晶の吸収端波長は約３３０ｎｍであるが、特許文献１に示すようにパルスのピークパワーの大きな用途には適さないという問題がある。
【０００５】
また、石英ガラス、水晶およびＫＤＰ結晶を用いた音響光学素子では、音響光学性能が小さいため、音響光学素子を駆動するための高周波信号電源が大きくなり、音響光学素子の発熱を抑制するために音響光学素子を水冷する必要がある。ボレート系結晶を用いた音響光学素子では、紫外領域の光において利用可能であり、かつレーザダメージに強い音響光学素子を実現できるが、用途によっては音響光学性能がまだ充分でないという問題がある。
【０００６】
また、短波長用の音響光学素子として利用するためには、光入射面や光出射面にゴミが付着すること、さらに短波長の光の場合は、空気中の浮遊物を分解し、その分解物が光入射面や光出射面に吸着するという問題がある。
【０００７】
また、湿度の低い環境で音響光学素子を製造する場合、大気中のわずかの埃などを吸着する場合があり、そこにレーザ光を照射すると、ゴミを吸着した部分で光の透過率が低下したり、音響光学素子の光入射面や光出射面でゴミが焼き付くなどの問題がある。
【０００８】
一方、青色から紫外領域の光を用いた光描画装置を、例えば、電子回路基板の直接描画装置、各種プリンターなどの光源として利用することが検討されている。
【０００９】
従来の音響光学素子を用いた光描画装置では、音響光学媒体の耐湿処理や、水冷による放熱が必要であり、その結果、駆動回路等が大きくなるという問題がある。また音響光学素子の光入射面や光出射面にゴミが付着し、光描画装置を連続で長時間利用できないという問題がある。
【特許文献１】特開２００４−１７０９４０号公報
【非特許文献１】Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ  ＩＥＥＥ  Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  Ｓｙｍｐｏ  Ｖｏｌ．１９９８  ｐｐ１２８９−１２９２  （１９９８）
【非特許文献２】Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ  ｏｆ  ｔｈｅ  ＩＥＥＥ  Ｖｏｌ．６１  Ｎｏ８  ｐｐ．１０７３−１０９２  （１９７３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
そこで、本発明は、紫外領域の光でも利用可能で、レーザダメージや光損傷のなく、かつ光入射面や光出射面にゴミ付着の影響のない、音響光学性能に優れる音響光学素子及びそれを用いた光描画装置の提供を、その目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の音響光学素子は、高周波信号入力部、トランスデューサ部および音響光学媒体を含み、前記高周波信号入力部から入力した高周波信号を、前記トランスデューサ部により機械振動に変換し、前記機械振動により前記音響光学媒体の光学的な特性が変化する音響光学素子であって、前記音響光学媒体が、ＩＩＩ族窒化物結晶であることを特徴とする。
【００１２】
なお、ここで、前記機械振動により前記音響光学媒体の光学的な特性が変化する音響光学素子とは、以下のことを指す。すなわち、高周波信号に応じた超音波が、音響光学媒体を伝播する。このとき、音響光学媒体中に超音波の波長に対応した密度の粗密ができ、この結果、超音波の波長に対応した屈折率変化が音響光学媒体中にできる。この屈折率変化の周期が、光の波長と同程度となるため、音響光学媒体内部に光に対する回折格子が形成される。音響光学媒体の光入射面に入射した入射光が、音響光学媒体内部の回折格子により回折され、音響光学素子が実現される。
【００１３】
本発明の光描画装置は、光源、音響光学素子、駆動回路および描画面を有し、前記光源からの光が、前記駆動回路からの信号に応じて前記音響光学素子において回折され、その回折光が、前記描画面に描画される光描画装置であって、前記音響光学素子の音響光学媒体が、ＩＩＩ族窒化物結晶であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、音響光学媒体としてＩＩＩ族窒化物結晶を使用することにより、レーザダメージや光損傷がなく、音響光学性能に優れる音響光学素子を実現できる。さらに、短波長の音響光学素子として問題となる光入射面や光出射面でのゴミの影響などをなくす事が可能となる。また、本発明の光描画装置は、音響光学媒体としてＩＩＩ族窒化物結晶を使用することにより、例えば、駆動回路の小型化、耐湿性の向上、紫外領域の光を入射光として用いた場合におけるダメージ耐性の向上が可能になり、安価で構成の簡単な光描画装置を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明において、前記ＩＩＩ族窒化物結晶は、特に制限されず、例えば、組成式ＡｌuＧａvＩｎ(1-u-v)Ｎ（ただし、０≦ｕ≦１，０≦ｖ≦１，ｕ＋ｖ≦１）で表される結晶であることが好ましい。具体例としては、ＧａＮ結晶、ＡｌＮ結晶、ＧａＮおよびＡｌＮの固溶体（ＡｌＧａＮ結晶）、ＡｌＧａＩｎＮ結晶等のＩｎを含む結晶等があげられる。前記結晶は、ドーパント元素を含まない結晶でもよいし、後述するように、ドーパント元素を含む結晶であってもよいが、ゴミ付着の影響をなくすためには、ドーパント元素を含む事が望ましい。これらの中でも、ＧａＮ結晶、ＡｌＮ結晶、ＡｌＧａＮ結晶、ＡｌＧａＩｎＮ結晶を使用することが好ましい。Ｉｎを全く含まない結晶、例えば、ＡｌＮ結晶およびＡｌＧａＮ結晶を音響光学媒体として用いた場合、入射光の波長範囲を約２２０ｎｍの紫外領域付近の波長まで利用可能な音響光学素子を実現できる。なお、本発明でいう固溶体とは、均一相の固溶体のことであり、半導体分野で言われる混晶と同意である。
【００１６】
前記音響光学媒体の性能定数Ｍ２は、下記式より得られる。
Ｍ２＝ｎ6ｐ2／ρｖ3
前記式中において、ｎは媒体の屈折率を示し、ｐは光弾性定数を示し、ρは媒体の密度を示し、ｖは媒体中の音速を示す。
【００１７】
前記式に示すように、媒体の屈折率が大きければ大きいほど、音響光学媒体の性能定数が高くなるため、屈折率の大きな媒体は音響光学媒体として有効である。一方、ＩＩＩ族窒化物結晶は、電子分極が大きく、光弾性定数も大きいことが期待され、優れた音響光学媒体であるといえる。また、ＧａＮ結晶やＡｌＮ結晶は従来から検討されている気相成長の他に、近年アルカリ金属などを用いた液相法でも良質の大型結晶が成長できる可能性が見え始めており、ＩＩＩ族窒化物バルク結晶を用いた音響光学素子を比較的安価に実現する事も可能になると考えられる。
【００１８】
本発明において、前記ＩＩＩ族窒化物結晶は、いかなる製造方法により得られた結晶でもよいが、高品質で大きな単結晶が得られるという理由から、液相法により形成された結晶であることが好ましい。前記液相法は、窒素含有ガス雰囲気下、アルカリ金属およびアルカリ土類金属の少なくとも一方と、ＩＩＩ族元素と、窒素とを含む融液中で、ＩＩＩ族元素と前記窒素とを反応させてＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる工程を有する方法であることが好ましい。前記ＩＩＩ族元素としては、例えば、Ａｌ、ＧａおよびＩｎがあげられ、これらは、単独で使用してもよいし、２種類以上を併用してもよい。前記アルカリ金属としては、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、ＲｂおよびＣｓがあげられ、前記アルカリ土類金属としては、例えば、Ｃａ、Ｍｇ、Ｂｅ、ＳｒおよびＢａなどがあげられ、これらは単独で使用してもよいし、２種類以上を併用してもよい。前記アルカリ金属としては、Ｎａ、ＬｉおよびＫが好ましく、前記アルカリ土類金属としては、Ｃａが好ましく、特に好ましくは、ＮａとＣａとを併用することである。また、前記液相法は、加圧加熱下で実施することが好ましく、この条件は、例えば、圧力２ａｔｍ〜１００ａｔｍ（２×１．０１３２５×１０5Ｐａ〜１００×１．０１３２５×１０5Ｐａ）、温度６００℃〜１８００℃の範囲である。最適圧力および最適温度は、成長させる結晶組成に依存する。例えば、Ａｌを多く含む組成の結晶を成長させる場合、高温・低圧下で成長させることが好ましく、ＧａやＩｎを多く含む組成の結晶を成長させる場合、低温・高圧下で成長させることが好ましい。前記窒素含有ガスは、例えば、窒素ガス、アンモニアガス若しくは前記両ガスの混合ガス等であることが好ましい。前記窒素含有ガスは、例えば、不活性ガス（例えば、Ａｒ、ＨｅおよびＮｅ）および水素ガス等を含んでいてもよい。前記融液中に含まれる窒素の窒素源は特に限定されず、例えば、窒素含有ガス、融液中に混入させた窒素化合物等であってもよい。前記窒素化合物としては、例えば、ヒドラジン（Ｈ2ＮＮＨ2）およびアジ化ナトリウム等があげられる。
【００１９】
本発明において、前記音響光学素子に入射される入射光の波長は特に制限されないが、例えば、４８８ｎｍ〜２２０ｎｍの短波長範囲であることが好ましく、より好ましくは３８０ｎｍ〜２２０ｎｍであり、特に好ましくは３８０ｎｍ〜２６６ｎｍである。本発明の音響光学素子は、音響光学媒体として、ＩＩＩ族窒化物結晶を使用しているため、入射光の波長が短波長である場合に特に有用である。なお、本発明において、短波長は４８８ｎｍ〜２２０ｎｍの範囲の波長であると定義する。
【００２０】
本発明において、前記ＩＩＩ族窒化物結晶が、導電性を有することが好ましい。音響光学素子を導電性とすることで、光入射面や光出射面でのゴミなどの吸着をより抑制し、長期信頼性により一層優れた音響光学素子を実現できる。
【００２１】
前記導電性は、例えば、ドーパント元素をドーピングすること等により制御することができる。前記ドーパント元素としては、例えば、Ｓｉ、Ｌｉ、Ｍｇ、ＺｎおよびＯ等があげられ、これらは単独で使用してもよいし、２種類以上を併用してもよい。中でも、ＳｉやＬｉを使用する事により、透明性を維持したまま、比較的低抵抗の結晶を得る事が出来るので、これらの元素を使用することが好ましい。
【００２２】
なお、結晶の表面に導電性を付与する方法としては、例えば、ＩＴＯ（インジウム・スズ・酸化物）などの透明膜を結晶表面にコーティングする事も考えられる。しかし、ＩＴＯ膜は、波長４００ｎｍ以下の光を入射光として用いた場合、透過率が低下する事やレーザダメージに弱いので、レーザ光を透過する音響光学素子への利用は適さない。
【００２３】
本発明において、前記ＩＩＩ族窒化物結晶が、前記融液を用いた液相法により得られた結晶である場合、前記融液が、前記ドーパント元素を含むことが好ましく、その成長工程において、融液中のドーパント元素の濃度を変化させることにより得られた結晶であることが好ましい。前記濃度の変化としては、結晶の成長に応じてドーパント元素の濃度を上昇させることが好ましく、前記濃度の変化は、連続的に変化させてもよいし、１段階および２段階以上に段階的に変化させてもよい。また、段階的に濃度を上昇させる方法としては、例えば、一定時間濃度を一定に保った後、濃度を上昇させ、これらを繰り返し行う方法等があげられる。例えば、融液中のドーパント濃度を１段階変化させる場合、変化前の濃度を０．００１ｍｏｌ％〜０．００５ｍｏｌ％とし、変化後の濃度を０．０１ｍｏｌ％〜０．１ｍｏｌ％とし、変化前と変化後との間で、ドーパント元素の濃度を、例えば、２倍〜１００倍変化させてもよい。
【００２４】
本発明において、前記ＩＩＩ族窒化物結晶の抵抗率は、例えば、１×１０-3Ω・ｃｍ〜１×１０4Ω・ｃｍであり、好ましくは１×１０-2Ω・ｃｍ〜１×１０3Ω・ｃｍであり、より好ましくは１×１０-1Ω・ｃｍ〜１×１０2Ω・ｃｍである。前記抵抗率は、例えば、４端子法により容易に測定する事が出来る。
【００２５】
本発明において、前記ＩＩＩ族窒化物結晶の内部の抵抗率が、前記ＩＩＩ族窒化物結晶の外周部の抵抗率よりも大きいことが好ましい。このように、音響光学媒体の外周部の抵抗値を小さくすることにより、音響光学媒体表面へのゴミ付着をより一層抑制できる。前記ＩＩＩ族窒化物結晶の内部の抵抗率（Ｒi）が、例えば、１×１０2Ω・ｃｍ〜１×１０6Ω・ｃｍであり、好ましくは１×１０3Ω・ｃｍ〜１×１０4Ω・ｃｍであり、前記ＩＩＩ族窒化物結晶の外周部の抵抗率（Ｒe）が、例えば、１×１０-3Ω・ｃｍ〜１×１０2Ω・ｃｍであり、好ましくは１×１０-2Ω・ｃｍ〜１×１０1Ω・ｃｍである。なお、本発明において、前記ＩＩＩ族窒化物結晶の外周部とは、結晶ブロックの外側から厚み１００μｍまでと定義し、前記ＩＩＩ族窒化物結晶の内部とは、それ以外の部分を意味する。
【００２６】
本発明において、前記音響光学媒体が、光入射面および光出射面の少なくとも一方を含むことが好ましい。
【００２７】
本発明において、前記音響光学素子が、さらに、反射防止手段を含み、前記反射防止手段が、前記光入射面および光出射面の少なくとも一方に形成されていることが好ましい。前記反射防止手段としては、誘電体薄膜が好ましく、前記誘電体薄膜としては、例えば、ＳｉＯ2膜およびＡｌ2Ｏ3膜等があげられる。前記反射防止手段は、単層膜であっても、２層以上の複数層膜であってもよく、好ましくはＳｉＯ2単層膜およびＡｌ2Ｏ3単層膜である。屈折率の大きなＩＩＩ族窒化物結晶と、ＳｉＯ2単層膜およびＡｌ2Ｏ3単層膜等の単層膜とを組み合わせることにより、反射防止手段を有した信頼性の高い音響光学素子を実現できる。
【００２８】
本発明において、前記誘電体薄膜の屈折率をｎ1、前記誘電体薄膜の厚みをｔ1、入射光の真空中での波長をλ1とするとき、ｎ1ｔ1＝λ1／４であることが好ましい。
【００２９】
本発明において、前記音響光学素子が、さらに、高熱伝導シートを含むことが好ましく、前記高熱伝導シートが、前記音響光学媒体の少なくとも一部に形成されていることが好ましい。前記高熱伝導シートは、導電性を有することが好ましい。
【００３０】
本発明において、前記音響光学素子が、さらに、接地手段を含むことが好ましく、前記接地手段により、前記音響光学媒体が、電気的に接地されていることが好ましい。前記接地手段は、特に制限されないが、熱伝導シートであることが好ましい。この接地手段により、音響光学媒体表面へのゴミ付着をより一層抑制できる。
【００３１】
本発明の光描画装置において、前記音響光学媒体として、ＩＩＩ族元素窒化物結晶を使用するものであれば、使用する音響光学素子は特に制限されず、例えば、前記音響光学素子として、前記本発明の音響光学素子を使用することができる。
【００３２】
本発明の光描画装置において、前記ＩＩＩ族窒化物結晶は、特に制限されず、例えば、組成式ＡｌuＧａvＩｎ(1-u-v)Ｎ（ただし、０≦ｕ≦１，０≦ｖ≦１，ｕ＋ｖ≦１）で表される結晶であることが好ましい。具体例としては、ＧａＮ結晶、ＡｌＮ結晶、ＧａＮおよびＡｌＮの固溶体（ＡｌＧａＮ結晶）、ＡｌＧａＩｎＮ結晶等のＩｎを含む結晶等があげられる。中でも、ＡｌＮ結晶、ＧａＮ結晶およびＡｌＧａＮ結晶が好ましい。前記音響光学媒体として、ＧａＮ結晶、ＡｌＮ結晶およびＡｌＧａＮ結晶を音響光学素子に用いた場合、入射光として青色から紫外領域の短波長光を用いた場合における駆動回路がより一層簡単な光描画装置を実現できる。
【００３３】
本発明の光描画装置において、さらに、反射防止手段を有し、前記反射防止手段が、前記音響光学媒体の光入射面および光出射面の少なくとも一方に形成されていることが好ましい。
【００３４】
本発明の光描画装置において、前記音響光学媒体が、導電性を有することが好ましく、より好ましくは、前記音響光学媒体が、電気的に接地されていることである。
【００３５】
本発明の光描画装置において、さらに、可動ミラーを有することが好ましい。
【００３６】
本発明の光描画装置において、さらに、ビームストッパーを有することが好ましく、前記ビームストッパーが、前記音響光学素子からの透過光を遮光することが好ましい。
【００３７】
本発明の光描画装置において、前記描画面が、感光体であることが好ましく、前記感光体が、蛍光体であることが好ましい。
【００３８】
以下、実施例を用いてさらに詳細に説明する。なお、以下の実施例では、ＩＩＩ族窒化物結晶として、ＧａＮ結晶及びＡｌＮ結晶を用いた場合の例であるが、ＡｌＧａＮ結晶、ＡｌＧａＩｎＮ結晶等のその他のＩＩＩ族窒化物結晶であっても、同様に実施可能である。
【実施例１】
【００３９】
ＧａＮ結晶をプリズム形状に加工し、そのＧａＮ結晶を音響光学媒体として使用し、図１に示す音響光学素子を作製した。同図に示す音響光学素子は、本発明の音響光学素子の構成の一例であって、本発明の音響光学素子の構成は、これに限定されるものではない。
【００４０】
同図に示すように、音響光学素子は、高周波信号入力部６５、トランスデューサ部６４および音響光学媒体６を主要構成要素とする。前記音響光学媒体６は、収納容器６６内に配置され、前記収納容器６６の外部には、前記高周波信号入力部６５が配置されている。前記高周波信号入力部６５は、インピーダンスマッチング部６８を介して前記トランスデューサ部６４と接続し、前記トランスデューサ部６４は、前記音響光学媒体６の１つの面に配置されている。前記音響光学媒体６において、前記トランスデューサ部６４配置面と向かい合う面に吸音材６３が配置されている。前記トランスデューサ部６４は、例えば、ＬｉＮｂＯ3等の圧電体結晶で作製することができる。前記インピーダンスマッチング部６８は、前記高周波信号入力部６５とトランスデューサ部６４との間における電気的なインピーダンスの整合性を取り、前記吸音材６３は、前記音響光学媒体６の端で超音波が再度反射してトランスデューサ部６４側に戻らないように超音波を吸収する。
【００４１】
高周波信号入力部６５から入力した高周波信号に応じた超音波（通常１０ＭＨｚ〜２０００ＭＨｚ程度）が、音響光学媒体６内を伝播する。このとき、音響光学媒体６中に超音波の波長に対応した密度の粗密ができ、この結果、波長に対応した屈折率変化ができる。この屈折率変化の周期が光の波長と同程度となるため、音響光学媒体６内部に光に対する回折格子が形成される。音響光学媒体６の光入射面６１に入射した入射光６０１が、前記音響光学媒体６内部の回折格子により回折されたのが回折光６０２であり、回折されずそのまま透過したのが透過光６０３である。回折光６０２の回折角は、高周波信号入力部６５に印加する高周波信号の周波数により変化し、回折光６０２の回折効率は、高周波信号入力部に印加する高周波信号の大きさにより変化する。回折角は、例えば、０．２から数°程度であり、この回折角の大きさは入射する超音波の周波数が大きいほど、大きな回折角となる。
【００４２】
本実施例で作製した音響光学素子は、例えば、入力ＲＦパワーが２Ｗの時、波長４８８ｎｍのＣＷのレーザ光に対して、回折効率を１０％〜６０％とすることが可能であった。音響光学素子の駆動電力として、通常０．５Ｗ〜５Ｗ程度のＲＦパワーがインピーダンスマッチング部６８を通してトランスデューサ部６４に入力されることになり、その電力は最終的には熱になる。そのため、熱伝導の大きな材料を音響光学媒体として使用することは、放熱の観点から有利である。また、本実施例の音響光学素子に、光の入射パワー１Ｗの連続光を入射した場合であっても、ビームのドリフトやぼけのない良好なビーム品質の回折光が得られた。本実施例の音響光学素子は、音響光学媒体６としてＧａＮ単結晶を用いたため、熱伝導率が高く、光パワーを大きくしてもビームパターンの乱れが小さいという特徴がある。
【００４３】
なお、本実施例では、４８８ｎｍのレーザ光を入射光として使用した場合を示したが、ＧａＮ結晶を音響光学媒体として用いた場合、例えば、波長３８０ｎｍ程度まで透過可能であり、ＡｌＮ結晶を音響光学媒体として用いた場合、例えば、波長２２０ｎｍ程度まで透過可能である。したがって、音響光学媒体としてＩＩＩ族窒化物結晶を使用することは、青色光及び紫外光の短波長用音響光学素子として極めて有用である。
【００４４】
前記音響光学媒体６の光入射面６１や光出射面６２に誘電体薄膜からなる反射防止手段（以下、反射防止膜ともいう）を形成することにより、光の透過率のさらなる向上と、音響光学媒体６内部の光の多重反射による消光比の劣化防止とが可能となる。単層の反射防止膜について図２のグラフを用いて説明する。図２は、音響光学媒体として、ボレート系結晶およびＩＩＩ族窒化物結晶を使用し、それぞれの結晶に、反射防止膜としてＭｇＦ2膜、ＳｉＯ2膜およびＡｌ2Ｏ3膜の単層膜を形成した場合における、基材屈折率（音響光学結晶の屈折率）と反射率（％）との関係を示したグラフである。同図のグラフからわかるように、ＩＩＩ族窒化物結晶を音響光学媒体として用いた場合、ＩＩＩ族窒化物結晶の屈折率がボレート系結晶に比べて大きく、単一波長用反射防止膜として耐湿性や機械的強度に優れるＳｉＯ2およびＡｌ2Ｏ3が使用可能となる。例えば、膜の屈折率をｎ1、膜厚をｔ1、使用する光の真空中での波長をλ1とすると、ｎ1ｔ1＝λ1／４とすることで反射防止膜を形成することができる。このとき単層膜でも所望の波長で片面の反射率約１％以下の反射防止膜を実現できる。さらにこれらの膜は、耐湿性が高くかつ機械的強度が高いので、特に実用上有利である。一方、ボレート系結晶の反射防止膜（単一波長用）の場合、屈折率の関係でＭｇＦ2の単層膜が適しているが、ＭｇＦ2は、単層膜では耐湿性や機械的強度が弱いという欠点がある。なお、光ファイバやレーザを用いた光学系では、利用する波長が単一である場合が多いため、反射防止膜も単層膜でよい場合が多い。
【実施例２】
【００４５】
ＡｌＮ結晶、ＧａＮ結晶、Ｌｉ2Ｂ4Ｏ7結晶、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ3結晶（ＭｇＯをドープしたＬｉＮｂＯ3結晶）、ＬｉＮｂＯ3結晶およびＴｅＯ2結晶を音響光学媒体として用い音響光学素子を作製し、その音響光学素子を用いて、Ｔｉ：Ａｌ2Ｏ3レーザの第２高調波を用いた波長４００ｎｍのパルスレーザ光に対するレーザダメージおよび光損傷を測定した。光損傷は、光源としては波長４８８ｎｍのアルゴンレーザの連続光を使用し、サンプル位置でのレーザ強度が１．８ｋＷ／ｍｍ2という条件で行った。これらの結果を以下の表１に示す。
【００４６】
【表１】
0004464404.tif 000002
【００４７】
表１に示すように、ＴｅＯ2結晶およびＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ3結晶を用いた音響光学素子は、従来例（特開２００４−１７０９４０）でも知られているように、パルスレーザ光に対するレーザダメージが比較的低パワーで観測された。一方、Ｌｉ2Ｂ4Ｏ7結晶、ＧａＮ結晶およびＡｌＮ結晶を用いた音響光学素子は、レーザダメージ閾値絶対値が１４０ＫＷ／ｍｍ2以上であり、ＴｅＯ2に対するレーザダメージ閾値相対値が４倍以上と極めて大きな値を示した。なお、このレーザダメージ閾値絶対値は、測定系の限界である。光損傷（ビームパターンの乱れ）に関しては、ＬｉＮｂＯ3結晶を用いた音響光学素子にのみ観測されたが、その他のＴｅＯ2結晶、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ3結晶、Ｌｉ2Ｂ4Ｏ7結晶、ＧａＮ結晶およびＡｌＮ結晶を用いた音響光学素子では観測されなかった。
【００４８】
このように、ＧａＮ結晶およびＡｌＮ結晶を用いた音響光学素子において、レーザダメージ閾値絶対値が高く、光損傷が観測されなかったため、本発明の音響光学素子は優れているといえる。本発明の音響光学素子は、ピークパワーの比較的大きな場合にも、連続光の場合にも適応可能であると考えられる。
【００４９】
次に、結晶表面のゴミ付着および結晶の透過率低下について、音響光学媒体として、ＡｌＮ結晶（低抵抗）、ＧａＮ結晶（高抵抗および低抵抗）、Ｌｉ2Ｂ4Ｏ7結晶、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ3結晶およびＬｉＮｂＯ3結晶を用いて作製した音響光学素子について、波長４４０ｎｍの半導体レーザの光を結晶表面で直径約１０μｍφ〜１００μｍφに集光させることにより、比較的波長の短い連続光とし、約５００時間〜１０００時間照射した後、各種結晶表面の状態を観測した。その結果を以下の表２に示す。なお、このゴミ付着および結晶の透過率低下は、比較的短い波長の光を連続使用した場合に問題となる。
【００５０】
【表２】
0004464404.tif 000003
【００５１】
前記表２において、特に結晶の透過率の低下や、ゴミ付着が観測された程度の大きいものから順に×、△で示し、最初の状態から変化しなかったもの（ゴミ付着が観測されなかったもの）を○で示した。また、前記高抵抗とは、抵抗率が１×１０5Ω・ｃｍ以上であることを示し、前記低抵抗とは、抵抗率が１×１０-3Ω・ｃｍ〜１×１０4Ω・ｃｍの範囲であることを示す。
【００５２】
この結果より、ＬｉＮｂＯ3結晶およびＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ3結晶を用いた音響光学素子において、結晶表面でのゴミ付着と透過率の低下顕著に観測され、Ｌｉ2Ｂ4Ｏ7結晶を用いた音響光学素子においても観測された。これに対し、高抵抗のＧａＮ結晶においてわずかにゴミ付着が観測されたものの、低抵抗のＧａＮ結晶およびＡｌＮ結晶ではゴミ付着はほとんど観測されなかった。同じＧａＮ結晶でもＳｉなどでドーピングを行い低抵抗の結晶を用いた音響光学素子では、ゴミ付着および透過率の低下はほとんど観測されなかった。
【００５３】
また、ＩＩＩ族窒化物結晶をアルカリ金属等の融液から成長させる場合、例えば、結晶成長の初期には、ドーパント元素をほとんど添加しない融液を用いてある程度の大きさの結晶まで結晶成長させ、その後、第２の融液としてドーパント濃度の高い融液を用いて結晶成長させることにより、結晶の内部と比較して外周部の抵抗率が小さい結晶を得ることができる。このようなＩＩＩ族窒化物結晶を用いることにより、静電気の帯電を防止し、かつ自由電子による光の吸収が最小限に抑制され、ゴミの吸着のない音響光学媒体を得ることができた。
【００５４】
ゴミ付着は、光によりわずかにイオン化あるいは活性化された大気中の不純物やゴミが、静電気などで結晶表面に吸着されて起こり、強誘電体でかつ絶縁体であるＬｉＮｂＯ3結晶は、大気中のゴミや微少粒子を静電気により特に吸着しやすいと考えられる。また、この吸着したゴミや微粒子に光があたると、表面で化学反応などを起こし、光透過率の低下をまねくと考えられる。これに対し、本発明の音響光学素子は、音響光学媒体としてＩＩＩ族窒化物結晶を使用するため、ゴミ付着および光の透過率低下を抑制できる。さらに、例えば、ドーピング等によりＩＩＩ族窒化物結晶の抵抗率を制御することにより、ゴミ付着およびゴミ付着に伴う音響光学媒体表面での化学反応を抑制し、ゴミ付着および光の透過率低下をより一層抑制できる。
【実施例３】
【００５５】
まず、音響光学媒体として、ＡｌＮ結晶、ＧａＮ結晶、Ｌｉ2Ｂ4Ｏ7結晶およびＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ3結晶を用いて、波長４４０ｎｍの半導体レーザの連続光の音響光学変調器を作製し、その音響光学性能を評価した。その結果を以下の表３に示す。なお、ＧａＮ及びＡｌＮ結晶を用いた音響光学素子は、帯電防止のため、音響光学媒体を電気的に接地して使用した。
【００５６】
【表３】
0004464404.tif 000004
【００５７】
得られた結果は、トランスデューサ部６４と音響光学媒体６との機械的なインピーダンスが、完全に最適化されていなかったため、必ずしも音響光学性能がそのまま反映したものではないが、前記表３に示すように、ＧａＮ結晶およびＡｌＮ結晶を音響光学媒体として用いた音響光学素子の回折効率は、Ｌｉ2Ｂ4Ｏ7結晶を用いた音響光学素子の回折効率の２倍〜３倍の回折効率を実現できた。ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ3結晶を用いた音響光学素子と比較した場合、やや回折効率は劣るものの、ゴミ付着の問題等を含め総合的に判断すると、ＧａＮ結晶およびＡｌＮ結晶を用いた音響光学素子は優れているといえる。また、ＧａＮ結晶およびＡｌＮ結晶を用いた音響光学素子では、ＲＦ信号の入力が１Ｗ〜２Ｗの時においても、熱によるビームパターンの乱れおよび光損傷およびレーザダメージによるビームパターンの乱れが観測されなかった。
【実施例４】
【００５８】
実施例３と同様の結晶を用いて、波長４００ｎｍの半導体レーザの連続光の音響光学変調器を作製し、その音響光学性能を評価した。その結果を以下の表４に示す。なお、ＧａＮ及びＡｌＮ結晶を用いた音響光学素子は、帯電防止のため、結晶の外周部を電気的に接地して使用した。
【００５９】
【表４】
0004464404.tif 000005
【００６０】
前記表４に示すように、ＧａＮ及びＡｌＮ結晶を用いた音響光学変調器の回折効率は、Ｌｉ2Ｂ4Ｏ7結晶を用いた音響光学変調器の回折効率の２倍〜３倍の回折効率を実現できた。また、ＧａＮ結晶およびＡｌＮ結晶を用いた音響光学変調器では、光損傷やレーザダメージによるビームパターンの乱れは観測されなかった。ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ3結晶を用いた音響光学変調器より、回折効率は劣るものの、波長４００ｎｍのレーザ光を５００時間〜１０００時間程度の長時間入射した場合におけるゴミ付着の問題等を含め総合的に判断すると、ＧａＮ結晶およびＡｌＮ結晶を用いた音響光学変調器は優れているといえる。
【００６１】
本実施例では、音響光学素子として、音響光学変調器の場合の例を示したが、これに限定されるものではなく、例えば、音響光学偏向器、音響光学フィルタ、音響光学周波数シフタ等のその他の音響光学素子にも使用できる。
【実施例５】
【００６２】
音響光学媒体として、ＡｌＮ結晶およびＬｉ2Ｂ4Ｏ7結晶を用いて、図１と同様の音響光学素子を作製し、パルスＹＡＧレーザの第３高調波（波長３５５ｎｍ）の音響光学性能を評価した。その結果を以下の表５に示す。なお、ＡｌＮ結晶を用いた音響光学媒体の光入射面および光出射面に、波長３５５ｎｍ用のＡｌ2Ｏ3の単層膜からなる反射防止膜を形成した。
【００６３】
【表５】
0004464404.tif 000006
【００６４】
前記表５に示すように、ＡｌＮ結晶を用いた音響光学素子の回折効率は、Ｌｉ2Ｂ4Ｏ7結晶を用いた音響光学素子の回折効率と比較して約２倍の回折効率を実現できた。また、ＡｌＮ結晶を用いた音響光学素子に１００時間連続で波長３５５ｍのＵＶ光を照射しても、透過率の低下およびビームパターンの劣化は確認されず、光入射面および光出射面におけるゴミの吸着および吸着したゴミのやけなどによる透過率の低下も観測されなかった。
【実施例６】
【００６５】
音響光学媒体として、ＡｌＮ結晶およびＬｉ2Ｂ4Ｏ7結晶を用いて、図１と同様の音響光学素子を作製し、パルスＹＡＧレーザの第４高調波（波長２６６ｎｍ）の音響光学性能を評価した。その結果を以下の表６に示す。なお、ＡｌＮ結晶を用いた音響光学媒体の光入射面および光出射面に、波長２６６ｎｍ用のＳｉＯ2の単層膜からなる反射防止膜を形成した。
【００６６】
【表６】
0004464404.tif 000007
【００６７】
ＡｌＮ結晶を用いた音響光学素子は、Ｌｉ2Ｂ4Ｏ7結晶を用いた音響光学素子の回折効率と比較して約２倍の回折効率を実現できた。また、ＡｌＮ結晶を用いた音響光学素子に１００時間連続で波長２６６ｍのＵＶ光を照射しても、透過率の低下およびビームパターンの劣化は確認されず、光入射面および光出射面におけるゴミの吸着および吸着したゴミのやけなどによる透過率の低下も観測されなかった。
【実施例７】
【００６８】
本発明の光描画装置の一例を、図３を用いて説明する。同図に示す光描画装置は、本発明の光描画装置の構成の一例であって、本発明の光描画装置の構成は、これに限定されるものではない。同図に示す光描画装置は、光源２８、音響光学素子２０、描画面２４および駆動回路２２を主要構成要素とする。
【００６９】
光源２８から出射された入射光２０１は、音響光学素子２０に入射される。音響光学素子の基本構成は図１と同様である。駆動回路２２からの信号に応じて変調された回折光２０２および透過光２０３が、前記音響光学素子２０から出射される。消光比（光のＯＮとＯＦＦの差）が大きくとれる回折光を使用してもよいし、用途によっては透過光のみ、又は透過光および回折光の両方を利用してもよい。回折光２０２は描画面２４に到達し、駆動回路からの信号に応じて画像や線となる。
【００７０】
光源２８としてはＧａＮ結晶の半導体レーザ（波長４１０ｎｍ、出力５０ｍＷ）を用いた。さらに音響光学媒体としては１×１０3Ω・ｃｍ程度の抵抗率を有する導電性を有するＧａＮ結晶を用い、前記ＧａＮ結晶を電気的に接地して音響光学素子として用いた。
【００７１】
ＧａＮ系半導体レーザは光パワーが小さいので、例えば、レーザ顕微鏡の光源やレーザプリンターの光源として使用することができる。本発明の光描画装置をレーザ顕微鏡の光源として用いた場合は、通常の赤色半導体レーザを用いた場合と比較して、集光スポットを小さくすることが可能となり、分解能の向上することが可能となる。また、描画面（この場合は試料面）の蛍光を見る事により、材料の種類を同定することもできる。また、本発明の光描画装置をレーザプリンターに用いた場合は、より分解能の高いレーザプリンターを実現することが可能となる。
【００７２】
音響光学媒体として導電性を有するＧａＮ結晶を使用し、さらに前記音響光学媒体を電気的に接地して用いた結果、波長４１０ｎｍのレーザ光を５００時間〜１０００時間程度照射してもゴミの付着や透過率の低下は確認されなった。その結果、連続使用性能に優れる光描画装置を実現可能であった。
【実施例８】
【００７３】
本発明の光描画装置のその他の例を、図４を用いて説明する。同図に示す光描画装置は、光源２９、音響光学素子２０、ビームストッパー３０、可動ミラー２６、描画面２４および駆動回路２２を主要構成要素とする。
【００７４】
光源２９から出射された入射光２０１は、音響光学素子２０に入射される。駆動回路２２からの信号に応じて変調された回折光２０２および透過光２０３が、前記音響光学素子２０から出射される。回折光２０２を利用する場合、装置内で迷光となる透過光２０３はビームストッパー３０で遮光する。回折光２０２を可動ミラー２６で反射させ、描画面２４に光を描画する。
【００７５】
光源２９としてはＹＡＧレーザ（第３高調波（波長３５５ｎｍ）、平均出力０．１Ｗ）を使用し、音響光学素子２０に用いる音響光学媒体としてはＡｌＮを使用し、可動ミラー２６は、ポリゴンミラーを用いた。
【００７６】
このような構成の場合、光源２９の平均出力が大きく、さらに、可能ミラー２６により光の角度を大きく変化させることができるので、例えば、プリント基板の直接描画やレーザディスプレーの光源として使用することが可能である。プリント基板の直接描画装置として用いた場合、分解能の向上及び感光剤のコストが、安価になるという特徴がある。
【００７７】
また、レーザディスプレーの光源として用いた場合、描画面２４に、赤、緑および青に対応した蛍光体を塗布しておけば、紫外光で励起するレーザディスプレーを実現することが可能となる。レーザ光を直接ディスプレーに投影するのでなく、描画面２４上の蛍光体を励起し、その励起された赤、緑、青の光を見るので、レーザディスプレーの欠点であるスペックルノイズを発生しないという特徴がある。
【００７８】
以上、本発明によれば、青色から紫外領域の光であってもレーザダメージおよび光損傷のなく、音響光学性能に優れる音響光学素子を実現できる。なお、ＧａＮおよびＡｌＮ等のＩＩＩ族窒化物は、熱伝導にも優れるため、比較的大きなＲＦ信号を入力しても、水冷等が不要である。放熱をさらに向上させる場合には、例えば、光入射面及び光出射面を除く部分の音響光学媒体をグラファイトシート等で覆うことが好ましい。これにより、より多くの熱を筐体およびケース等に逃がすことができる。この場合において、グラファイトシートから、音響光学媒体を電気的に接地してもよい。
【００７９】
前記実施例では、波長４１０ｎｍおよび３５５ｎｍのレーザ光を用いた光描画装置の例を示したが、例えば、ＹＡＧレーザの第４高調波（波長２６６ｎｍ）を用いた光描画装置等のその他の光描画装置を作製することももちろん可能である。また、本発明の光描画装置は、描画面に特定の画像や線を描くものに限定されず、例えば、レーザ顕微鏡のように、描画面全体を照射する装置等として利用できる。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明によれば、レーザダメージや光損傷がなく、比較的効率の高い音響光学素子及びそれを用いた光描画装置を安価に実現できる。したがって、音響光学変調器、音響光学偏向器、音響光学フィルタあるいは音響光学周波数シフタ等の音響光学素子、中でも、波長４８８ｎｍ〜２２０ｎｍの青色から紫外領域の短波長光用の音響光学素子及びそれを用いた光描画装置に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】図１は、本発明の音響光学素子の構成の一例を示す構成図である。
【図２】図２は、本発明の実施例１による反射防止膜の材料と音響光学媒体の屈折率の違いによる反射率を説明するグラフである。
【図３】図３は、本発明の描画装置の構成の一例を示す構成図である。
【図４】図４は、本発明描画装置の構成のその他の例を示す構成図である。
【符号の説明】
【００８２】
６  音響光学媒体
２０  音響光学素子
２２  駆動回路
２４  描画面
２６  可動ミラー
２８、２９  光源
３０  ビームストッパー
６１  光入射面
６２  光出射面
６３  吸音材
６４  トランスデューサ部
６５  高周波信号入力部
６６  収納容器
６８  インピーダンスマッチング部
２０１、６０１  入射光
２０２、６０２  回折光
２０３、６０３  透過光
【図１】
0004464404.tif 000008
【図２】
0004464404.tif 000009
【図３】
0004464404.tif 000010
【図４】
0004464404.tif 000011