(57)【要約】本発明は、支持基板（４）に塗布された複数の個別の層（２，３）を備えた、チャープド多層ミラー（１）に関する。前記層が、平行で平面である境界層を介して接触していて、かつ異なる光学的定数と異なる厚さとを有している。ミラーは、ウェッジ形ガラスプレート（５）が、光学的接触により、支持基板（４）に対面していない外側の個別の層（２）に取りつけられている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
数層の個別の層（２，３）を具備する分散多層ミラー（１）であって；該個別の層（２，３）は、支持基板（４）に塗布されていて、平行で平らな表面を介してお互いに接合しており、かつ異なる光学的定数及び異なる厚さを有している、分散多層ミラー（１）において；
ウェッジ形ガラスプレート（５）が、光学的接触により、該支持基板に対面していない個別の層（２）の最外層に取りつけられていることを特徴とする、分散多層ミラー。
【請求項２】
光学的接触により取りつけられている該ウェッジ形ガラスプレート（５）に、反射防止膜（１０）が塗布されていることを特徴とする、分散多層ミラー。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の分散多層ミラー（１）の製作方法において；
該個別の層（２，３）に比較して厚い、光学的に研磨された支持基板（４）に、該分散多層ミラー（１）の該個別の層（２，３）を塗布した後に、平行平面のガラスプレート（５）が、光学的接触により該個別の層（２）の最外層に取りつけられ、続いて研磨されており、この研磨により、該ガラスプレート（５）のウェッジ形状加工と厚さの減少加工とが行なわれることを特徴とする、分散多層ミラーの製作方法。
【請求項４】
λ／４とλ／１０との間の平面度を得ることを可能にする厚さを有しているガラスプレート（５）が、光学的接触により該個別の層（２）の最外層に取りつけられていることを特徴とする、請求項３に記載の分散多層ミラーの製作方法。
【請求項５】
光学的接触により実現された結合部が、該分散多層ミラー（１）の長期安定化を改善するために熱処理されている、請求項３又は４に記載の分散多層ミラーの製作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は分散多層ミラーに関するものであって、分散多層ミラーは、支持基板に塗布されていて、平行で平らな表面を介してお互いに接合されており、かつ異なる光学的定数及び異なる厚さを有している。そのようなミラーは、レーザ装置において、所定の−負あるいは正の−グループ遅延分散（group delay dispersion）を作るために使用することができる。
【０００２】
さらに、本発明はそのような多層ミラーの製作方法にも関する。
【０００３】
非常に短かいレーザーパルス（パルス持続時間がピコ秒とフェムト秒（femto second）との範囲）は周波数範囲において広範なスペクトルを有している。光の全オクターブ（500nmと1000nmの間）にわたるスペクトルを有するパルスが提示されてきていて、さらに約200nmのスペクトル巾（800nmを中心に）のパルス源がすでに商業的に入手可能である。時間レンジで短パルスを形成するために、広帯域信号の周波数成分は一致していなければならない。屈折率の波長に対する依存性のために（いわゆる分散）、スペクトルの異なる成分は、密度の大きな光媒体を通過する場合、遅延の違いが生じる。この作用を定量的に説明するために、グループ遅延分散（group delay dispersion）、略してＧＤＤが、角周波数に関するスペクトル位相の二階微分として導入されてきた。もしシステムのもたらすＧＤＤがゼロになるなら、レーザパルスの持続時間は、光学システムを通過する場合変化しない。もしシステムにおいてＧＤＤ≠０であるなら、光学システムからの出口におけるパルス持続時間は、その入口における値と異なる値となっている。これらのパルス変化を防ぐために、光学システムのＧＤＤが補償されねばならない。すなわち同一量であるけれど、先の符号とは異なるＧＤＤが導入されねばならない。この分散補償を実行するための、種々の光学的コンポネントがすでに開発されてきていて、例えばプリズムの対、グリッドの対、及び分散ミラー（例えば、米国特許第５７３４５０４号、又はA and R.Szipocs等による“フェモ秒レーザーにおけるブロードバンド分散制御用のキャープド多層コーティング”Optical letter, 1994年，19巻，201-203頁、又は国際公開第００／１１５０１Ａ号を参照のこと）のようなものがある。分散形多層ミラー（いわゆるチャープドミラー（chirped millor）ＣＭｓ）はそれらの大きなバンド幅、ユーザフレンドリ及びコンパクト性のために、科学的用途及び商業的用途の両者においてよく使用されている。
【０００４】
ＣＭミラーにおける反射の間に、レーザビームの異なる波長成分は、反射される以前にミラーの層の異なる深さへ到達している。このように、異なる周波数成分は、それぞれの到達深さに対応して、異なる時間で遅延する。多くの光学的コンポネントは正のＧＤＤを有しているので、ほとんどの場合ＧＤＤを補償するために負のＧＤＤが必要とされる。負のＧＤＤを達成するために、短波長波長パケットがＧＭミラーの上部層において反射され、一方長波長部分反射される以前にミラーの中へより深く到達している。このように、長波長周波数成分は短波長周波数成分に対して一時的に遅延し、所望される負のＧＤＤをもたらす。しかしながら、補償目的で正のＧＤＤが必要とされる用途もある。
【０００５】
これらのＣＭミラーと、一般的ではあるが、比較起りうる多層ミラーとの一つの問題は、最外層の環境に対するインターフェースにおいて、すなわち光のあたる前面において、波長にほとんど無関係である反射が生ずることである（例えば約３％オーダーの）。その結果、この前面で反射されたビームと、ミラーの多層構造体におけるより深い点で反射されたビームとの間で干渉が生じ、反射特性のディストーション、とりわけミラーにおける位相および分散特性の著しいディストーションが起りうる。少なくとも部分的にでもこの影響を取りのぞくために、前面に、すなわち環境（一般的に空気）とのインターフェースに、反射防止膜あるいはせまいバンドのサプレッションフィルタを塗布することが提案されてきた（F.X.kaerntner等による“ダブル−チャープドミラーの設計及び製作”1977年，Opt. Lett, 22, 831；及びG.Tempea等による“チッパード誘電ミラーを用いた１５０THz以上の分散制御”1998年，IEE JSTQE 4, 193をそれぞれ参照のこと）。干渉する共鳴を抑制するために、前面での反射は１０-4％のオーダとすべきである。しかしながら、反射防止層及びサプレッションフィルターは、著しく限定されたバンド幅に限ってそのような特性に近づくことが可能となっている。従って、過去における分散形多層ミラーは、800nmにおける放射において１５０−１６０THzの帯域幅だけに限って作動可能であった。さらに、干渉の影響による共鳴の全体的な抑制はそのような帯域幅においてさえも不可能であって、分散曲線は著しい変動を示している。
【０００６】
ミラーの前面において反射されたビームにより生じるこれらの干渉の影響は、いわゆるＴＦＩミラー（ＴＦＩ−（tilted front interface）傾斜した前面インターフェース）、古くて事前公開されていない国際公開第０１／４２８２１Ａ１号パンフレット参照）により、効果的に回避することができる。もしミラーの前面が、他のインターフェースに対してわずかに“傾斜”されていると、この前面で反射されるビームは、ミラー本体により反射された有効なビームに比較して他の方向へ伝播しており、離れたフィールドにおいてもはや両者の干渉は生じない。この構造を用いて、分散ミラーの帯域幅を光のオクターブ迄広げることができる。ＴＦＩミラーの構造は原理的には簡単であるけれど、そのようなコンポーネントの製造には、いくつかの技術的問題が生じてきた。たいていの場合、ＴＦＩミラーは負のＧＤＤをもたらすにちがいなくて、その負のＧＤＤは前述したように分散層の配列により達成できるものである；しかしながらウェッジ形前面層は、ミラー本体のマイナス効果を低減する正のＧＤＤをもたらすものである。ミラーの分散に実質的にマイナス効果を与えないために、ウェッジ形層は可能な限り薄くすべきである。しかしながらこのウェッジ形層は任意の厚さとすることはできない。というのは、二つのビームの効果的な分離を保証するために、ウェッジ角度は一定の最小値としなければならないからである。前述の観点を考慮して、この層の理想的なパラメータは、ウェッジ角度≒１°、かつ最も薄い端部において約２０μｍ−５０μｍの厚さである。そのような厚さの層は、（エレクトロンビーム蒸着あるいはマグネトロンスパッタリングのような）従来のコーティング方法では製作することができない。
【０００７】
従って、以下の可能性があるだけである：（１）ビームのあたる側におけるウェッジ形層の最上層は、支持基板としての、薄いウェッジ形プレートから作られていて、その支持基板には、他の層（個別の分散層及び反射防止膜）がコーティング方法により塗布されている；（２）平行なインタフェースを有する個別の層が、コーティング方法により、従来の厚さの光学的支持基板に塗布されていて、かつ十分に薄いウェッジ形プレートが、コーティング方法とは異なる特別な技術的方法により、これらの個別の層に塗布されるかあるいは取りつけられている。方法（１）の欠点は、ＴＦＩミラーの表面特性が層内における引張力によりマイナス効果をうけることである。支持基板は薄くなければならないので、ほんのわずかな引張力（蒸着又はスパッタリングコーティングにおいては回避することができない）が薄いウェッジ形基板を弧状あるいは凹凸状にする。第二の可能性のある方法はこの問題に拘束されることはない。というのは支持基板の厚さは所望するいずれの厚さでもよいからである。しかしながらこの場合、前述の干渉作用を回避するために、インピーダンスの適合が、ミラーの個別の層とウェッジ形プレートとの間に実現されることが保証されねばならない。この目的のために、屈折率適合流体（ＩＭＦ（index matching fluid）屈折率整合流体）が提案されてきた（古くて、事前公開されていない国際公開第０１／４２８２１Ａ１号パンフレット参照）。このように、ほぼ完全なインピーダンス適合が達成されている。というのは商業的に入手可能なＩＭＦが、ガラスの屈折率の再生を１０-4の精度で可能にしているからである。しかしながらこの場合においても、ミラーの表面特性は満足なものではない。というのは、多層ミラーのウェッジ形プレートと多層構造体との間がタイトな密着になっていないからである；すなわち厚さが薄いので、準自立式ウェッジ形プレートは、λ／１０の表面特性（レーザー技術においては常識であるが）を有することができないからである。
【０００８】
完全を期すために、ウェッジ形光学的多層コンポネントが、非常に広範囲の用途用に提案されてきたことは指摘されるべきであり、その用途は、例えば、比較的厚いウェッジ形プレートが多層構造体の基板として使用されている、サプレッションフィルター、光干渉フィルター、波長選別ミラー、ビームディバイダー等である（英国特許第１３０５７００号明細書；欧州特許出願公開第４１６０１５号明細書；欧州特許出願公開第５３３３６２号明細書；米国特許第４２８４３２３号明細書；英国特許第２０５４１９５号明細書＝独国特許出願公開第３０２６３７０号明細書）。このようにこれらは、分散多層ミラーとは異なるコンポーネントであって、その分散多層ミラーは、グループ遅延分散をもたらし、さらに前述のレーザー特性等に関する欠点のある通常のコーティング技術が使用されている。
【０００９】
本発明の目的は、以前に提案された解決方法における前述の欠点がなく、かつ外部媒体への理想的なミラーのインピーダンスの適合と、レーザへの用途に適切な表面特性（λ／６〜λ／１０の範囲）との両者を可能にする、多層ミラー及びその製造方法を提供することである。
【００１０】
当初定義した進歩性のある分散多層ミラーは、支持基板に対面していない個別の層の最外層に、ウェッジ形ガラスプレートが光学的に接触して取りつけられている。
【００１１】
光学的接触によりウェッジ形ガラスプレートを取りつけることにより、すぐれた光学的特性が保証され、かつミラー内部で反射された有効なビームと、ミラーの前面で反射されたビームとの間における有害な干渉作用が回避されている。
【００１２】
非常にすぐれた効果を達成するために、公知の反射防止膜が、光学的接触により取りつけられたウェッジ形ガラスプレートに塗布することはさらに適切なものである。
【００１３】
本ミラーの製造において、製造は好ましくは以下のように実行される。個別の層に比較して厚い、光学的に研磨された支持基板に、分散多層ミラーの該個別の層を塗布した後に、平行平面のガラスプレートが、光学的接触により該個別の層の最外層に取りつけられ、続いて研磨されており、この研磨により、ガラスプレートのウェッジ形状加工と厚さの減少加工とが行なわれる。
λ／４とλ／１０との間の平面度を得ることを可能にする厚さを有しているガラスプレートが、光学的接触して個別の層の最外層に取りつけられている。
【００１４】
接続技術としてのガラス要素間を光学的に接触することは、米国特許第５８４６６３８号、第５４４１８０３号及び第３５６５５０８号において公知であり、その開示内容を参考として包含するもので、ここに提示いたします。光学的に接触することにより、すぐれた光学的特性の接合が二つの表面間において達成されている。この技術により、散乱による損失のない無欠陥のインターフェースが作られる。もし材料間で光学的接触が行なわれる材料が同一の光学的性質であるなら、インターフェースは、反射損失あるいは位相ディストーションのいずれをももたらさない。しかしながら、光学的接触は、平面度のすぐれた表面間のみで実現される。直径の１／４−１／３の厚さを有する光学的コンポーネントが、必要とされる表面特性を有することができる。光学的に接触するために、原理的には例えばλ／６−λ／１０の範囲の平面度が適切なものであって、５０μｍ−１００μｍ厚さのガラスプレートの表面はこの条件に合致していない。従って、必要とされる表面特性を保証するガラスプレートが、支持基板の層構造体に光学的に接触されるべきである。結合部が光学的接触により作られた後に、ガラスプレートは公知の方法により斜めに研磨され、所望する角度と厚さとが達成される。反射損失を低減するために、続いて反射防止膜がウェッジ形ガラスプレートの前面に塗布されてもよい。光学的接触による結合部の環境効果（主に温度変動と湿分）に対する耐性は、米国特許第５４４１８０３号及び第５８４６６３８号により公知の、適切な熱処理により強化される。この方法によりミラーにおけるすぐれた長期の安定性が達成される。
【００１５】
以下に、これに限定されるものではないが、特定の好適な実施態様を用いて、かつ添付図面を参照して、本発明を詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１において、分散多層ミラー１が概略的に図示されていて、分散多層ミラーは、例えば比較的小さな屈折率の個別の層２と、比較的大きな屈折率の個別の層３とを有している。これらの個別の層２，３は例示として交互に配列されていて、例として合計３０〜７０の個別の層２，３が示されている。これらの個別の層２，３は、従来の方法で比較的厚い支持基板４の前面側に例えば蒸気相による蒸着により塗布されている。ウェッジ角度αを有しているウェッジ形ガラスプレート５は、個別の層２，３を備えている積層構造体の前面側に取りつけられていて、前面５′が個別の層２，３の間におけるインタフェース６に対して角度αで傾斜して延在するようになっている。
【００１７】
前面５′に到達したビーム７、特にレーザービームが、ガラスプレート５を通過し、かつ個々の周波数成分の波長に応じて、対応するインタフェース６においてミラー１の多層構造体における多少深い点において反射されていて、反射ビーム８に対して前述した分散制御を達成するようになっている。一般にここでは、負のグループ遅延分散ＧＤＤが、備えられていて、より顕著な遅延を目的として、より長い波長を有する波が、ミラー１のより外層で反射される短かい波長部分に比較して、多層構造体２，３の中へより深く侵入する。しかしながら、正のＧＤＤが導入されるケースも可能である。
【００１８】
前述したように、傾斜した前面なしでは、僅かではあるけれど一般に有害な反射がミラーの前面において発生していて、ここで反射されたビームは、ミラー１の多層構造体の個別の層２，３において反射されたビームと干渉し、ミラーの反射特性及び位相特性の著しいディストーションがもたらされている。これらの干渉作用を回避するために、前述したように、ウェッジ形ガラスプレート５の結果として、前面５′が他のインターフェース６に対して傾斜して配列され、そのためミラー１の前面５′で反射されたビーム９は、前面５′の傾斜角度αの二倍に等しい角度で反射される。これにより、この傾斜して反射されたビーム９は、少なくとも比較的短距離において、もはや干渉因子とはならない。というのは、入射ビーム７の直径と同様に前面５′の傾斜角αに応じて、数cmの範囲における比較的短距離の伝搬後に、ビーム９は有効なビーム７及び８から完全に分離されるので、この距離からして位相撹乱干渉作用はもはや生じない。
【００１９】
傾斜して反射されたビーム９はミラー１の損失となるので、反射防止膜（ＡＲ反射防止）１０が、好ましくはウェッジ形ガラスプレート５の前面５′に公知の方法で塗布されていて、その膜は、非常に小さな屈折率層１１と非常に大きな屈折率の層１２とが交互になっている数層の個別層１１，１２から構成されていてもよい。このＡＲ膜１０、例えば酸化チタニウム（ＴｉＯ2）層と酸化ケイ素（ＳｉＯ2）層とが交互になっている膜、又は酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）層と酸化ケイ素（ＳｉＯ2）層とが交互になっている膜が、従来の方法で使用されてもよくて、一般に十五層より少ない層で十分であって、かつこのＡＲ膜１０により位相ディストーションは発生しない。そのようなＡＲ膜１０を用いて、外側の前面５″（ミラー１と周囲とのインターフェース）において５００nmから１０００nmの波長範囲で、反射特性を０．２％より下げることが可能となる。
【００２０】
完全を期するために、図１において、面に直交する線１３が記載されていて、その線は、外側の前面５′に直交し、かつ入射ビーム７と、前面５″において反射されたビーム９との間における角度に関しての対称線を形成している。
【００２１】
図１におけるミラー１を作るために例えば以下の構造体が選択されてもよい：
表１
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【００２２】
支持基板４
そのようなミラーにおける、波長λ（nm）に対する反射特性Ｒ（％）と波長λ（mm）に対するグループ遅延分散ＧＤＤ（ｆｓ2）と波長５００nmから１０００nm範囲における反射率Ｒはほぼ一定であり；図４に示すＧＤＤは負でありかつわずかに波をうっており；より長い波長領域において、ＧＤＤの−負−の度合がより大きくなっている。
【００２３】
多層ミラー１の個別の層２，３は用途及びガラスプレート５からの距離に応じて厚さが変化していてもよくて、距離とともに平均的にほぼ増加する層厚さであって、従って、一定のスペクトル領域において、それぞれ負のＧＤＤ又は大きな反射率Ｒを達成するようになっている。
【００２４】
ミラー１はいわゆるチャープドミラー（ＣＭミラー（chirped mirror））であってもよくて、しかしながら、共鳴層構造体（resonant layer structure）であってもよい。個別の層２，３は、さらに、ミラー構造体において飽和吸収層（saturable absorber structure）を設置するために従来の半導体層であってもよい。
【００２５】
空間（角）分散を防止するために、あるいは補償するために、それぞれに対し傾斜した前５′と５″とを備えたミラー１を図２に示すように対で使用することは適切なことである。この方法において、一つのミラー１によりもたらされる角分散は、他方のミラー、例えば図２における１ａにより補償されるであろう。さらに、対のミラー１、１ａを備えたそのような装置は、全体として正しく適合した分散を可能にしていて、一つのミラー例えば１ａは、図２において矢印１４で概略的に図示するように、直交方向に配列されている。
【００２６】
前述の、本多層ミラー１における、前面側のウェッジ形ガラスプレート５により、最外インタフェース（前面５あるいは５′それぞれ）における、インピーダンスのミスマッチは回避され、かつミラー１の高反射バンド未満の透過率が十分に改善される。というのは、高オーダーの干渉バンドが部分的に抑制されるからである。従って本ミラー１は、通常のポンプビーム波長（pump beam wave length）（５２０〜５４０nm）近傍における高透過率と同じく、６００nmから９５０nmの波長範囲において、高反射率Ｒと一定のグループ遅延分散ＧＤＤを、提示している。ポンプビーム波長におけるブラッグ式ミラー（Bragg mirror）の伝播は、多層構造体における、最外インタフェースを他のインタフェース６に対して傾斜して位置決めすることにより、向上してもよい。本ミラー１は、個別の層２，３の公対厚さからのずれに関して、従来形チャップドミラーにおいて、すでに比較的マイナーな製作誤差が特にＧＤＤ曲線において著しい変動をもたらしているほど鋭敏ではない。
【００２７】
本ミラー１のすぐれた安定性と光学的特性は、多層構造体２，３本体と、最上部ウェッジ形ガラスプレート５との間における、インピーダンスの適合が、多層構造体と無関係に達成されていることによるものである。
【００２８】
特にすぐれた光学的特性及びインピーダンスマッチングのような、これらの特性を得るために、ガラスプレート５と多層構造体２；３との間のインターフェースにおいて、ガラスプレート５は、光学的接触技術により多層構造体２；３へ取りつけられている。この方法によりガラスプレート５の表面特性が改善され、かつ理想的なインピーダンスマッチングが得られる。しかしながら、光学的接触によりウェッジ形ガラスプレート５を取りつけるために、ガラスプレート５の一定の最小厚さ、例えば３mm〜７mmの範囲の厚さが、ガラスプレート５の直径に依存して、選択的に確保されねばならない；それ故、本ミラー１を製作する場合以下のプロセス−表面に平行な平面を有する比較的厚いガラスプレートが、事前に支持基板４に形成された多層構造体２；３に取りつけられる−で行なわれる。
【００２９】
この処理手順が図５に図示されていて、厚くて平行平面のガラスプレートが符号１５で付番されている。ガラスプレート１５が、インターフェース６′において光学的接触により多層構造体２；３に取りつけられている。なおインターフェース６′において、光ビームあるいはレーザービームそれぞれにおける波長λの１／６〜１／１０のオーダーでの表面あらさの高精度測定が必要とされ、さらに介在物あるいは不純物は除去されねばならない（従って好ましくは、光学的接触はクリーンルームにて行なわれる）。そして、ガラスプレート１５は、従来の研磨技術により、図５に点線で示すようにウェッジ形ガラスプレート５の形状に加工される。なお点線は図１における傾斜した前面５′に対応しているものである。光学的接触により厚いガラスプレート１５を取りつけることと、引き続いての、ウェッジ形ガラスプレート５を得るために、このガラスプレート１５の一部の厚さを十分に取りのぞくこととによる、ウェッジ形ガラスプレート５の取りつけ処理の後で、図１において前述した適切な反射防止膜１０がウェッジ形ガラスプレート５の前面５′に塗布される。
【００３０】
ウェッジ形ガラスプレート５を得るために、ガラスプレート１５を斜めに研磨加工する前における、多層構造体２；３へのガラスプレート１５の結合部の熱処理は、インタフェース６′におけるこの結合部を安定化する効果と、温度変動及び湿気のような環境の影響に対するすぐれた耐性を保証する効果とがある。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】図１は、ウェッジ形フロントガラスプレートを有する分散多層ミラーの構造を概略的に示している。
【図２】図２は、空間分散（角分散）補正用の、二つの例えば図１における分散多層ミラーを備えた装置を示している。
【図３】図３は、図１におけるミラーの波長λに対する反射率Ｒを示すグラフである。
【図４】図４は、図１におけるミラーの波長λに対するグループ遅延分散ＧＤＤを示すグラフである。
【図５】図５は製作時の中間段階におけるミラー装置を示している。
【国際公開パンフレット】
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2004523797.tif 000007
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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2004523797.tif 000027
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004523797.tif 000028
2004523797.tif 000029
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004523797.tif 000030
2004523797.tif 000031
【国際調査報告】
2004523797.tif 000032
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