(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
a)機械研磨により所定の厚みに成形されたエタロン基板に所望の波長を含む光を入射させて該エタロン基板を透過する光の波長を測定し、該所望波長と該所定厚みから導出される干渉次数と該透過波長及び該所望波長を用いて該所定厚みよりも高い精度で該エタロン基板の厚み及びエタロンの厚みの確定目標値を算出し、
b)上記エタロン基板を処理室内に配置し、
c)上記エタロン基板の素材に対して化学反応性を有する気体を上記処理室内に導入し、
d)上記気体のイオンビームを生成し、上記エタロン基板の厚みと上記確定目標値の差及び該イオンビームによる上記エタロン基板のエッチング速度から求められる所定時間だけエタロン基板の表面を該イオンビームによりエッチングする、
ことによりエタロンを得ることを特徴とするエタロンの製造方法。
【請求項２】
エタロン基板の素材がSiO2を主成分とするものである場合に、反応性気体としてCHF3ガスとArガスの混合ガスを用いることを特徴とする請求項１に記載のエタロンの製造方法。
【請求項３】
CHF3ガスとArガスの混合比を9:1〜5:5の範囲とすることを特徴とする請求項２に記載のエタロンの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザ励起固体レーザ装置や高分解能分光器、波長多重通信などに用いられる狭帯域波長フィルタである、ファブリペローエタロン（以下、「エタロン」とする）の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザを光源とした第2高調波固体レーザ装置において出現する高次の縦モード（すなわち、多数の発振波長）から、空間領域及び周波数（又は波長）領域共にコヒーレンスが極めて優れている単一縦モードレーザを取り出すことは、実用上非常に重要である。そのために、従来からレーザ共振器内に高い透過特性を持った狭帯域波長フィルタ（エタロン）を設置することによって、複数の発振スペクトルのうち所望の波長を持つ単一縦モードレーザを取り出していた。
【０００３】
エタロンには大きく分けて2種類があり、1つはエアスペース形、もう1つはソリッド形と呼ばれている。エアスペース形は2枚1組の半透過鏡を何らかの方法で一定間隔で固定したものであり、ソリッド形は1枚の平面板の両方に半透過膜をコーティングしたものである。このうち、エアスペース形は2枚の鏡の平行度を調整する必要がある。それに対し、ソリッド形は1枚の平面板を元にしているので別部材の平行度を調整する必要がなく、安定した性能が得られる。
【０００４】
ソリッド形の場合、エタロンのピーク透過波長は、エタロンの厚みdと、エタロンの素材の屈折率n、そしてレーザ光のエタロンに対する入射角度θによって決まる。所望の波長（すなわち、多数の発振波長のうち、エタロンを用いて抽出したい波長）のレーザを高い出力効率で取り出すためには、これら3つのパラメータについての計算値を高い精度で光学系に適用することによって、エタロンのピーク透過波長を所望のレーザのピーク波長に合わせなければならない。これら3つのパラメータのうち、エタロンの製造精度によって決定されるパラメータは、厚みdである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
レーザを所望の出力効率で取り出すためには、エタロンを用いて抽出される波長と所望のレーザの波長とのずれを、おおむね所望のレーザのピークの半値全幅以内にする必要がある。そのためにはエタロンの厚みを10〜数nm程度の公差内に入れなければならない。しかし、従来技術ではそのような高精度での加工は困難であった。そこで、(i)入射角度θを変えるためにエタロンの設置角度を変える、(ii)屈折率nを変える、(iii)温度を制御することで屈折率n及び厚みdを変える、等の方法によって、厚みdの誤差によるずれを補ってきた。しかし、屈折率の変更は実際上不可能であり、設置角度の変更や温度制御はレーザ共振器の構造を複雑にし、それをコスト高なものとしていた。
【０００６】
本発明はこのような課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、所望の厚みを有するエタロンを高精度で製造する方法を提供することにある。
【０００７】
上記課題を解決するために成された本発明は、
a)機械研磨により所定の厚みに成形されたエタロン基板に所望の波長を含む光を入射させて該エタロン基板を透過する光の波長を測定し、該所望波長と該所定厚みから導出される干渉次数と該透過波長及び該所望波長を用いて該所定厚みよりも高い精度で該エタロン基板の厚み及びエタロンの厚みの確定目標値を算出し、
b)上記エタロン基板を処理室内に配置し、
c)上記エタロン基板の素材に対して化学反応性を有する気体を上記処理室内に導入し、
d)上記気体のイオンビームを生成し、上記エタロン基板の厚みと上記確定目標値の差及び該イオンビームによる上記エタロン基板のエッチング速度から求められる所定時間だけエタロン基板の表面を該イオンビームによりエッチングする、
ことによりエタロンを得ることを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
まず、従来技術（機械研磨による成型）によってエタロン基板を作製する（以後、本発明方法による処理を行う前のものを「エタロン基板」と称し、処理を行った後のものを「エタロン製品」と称する）。そして、このエタロン基板の厚みを測定しておく。
【０００９】
エタロン基板を反応室内に設置し、そのエタロン基板に対して化学反応性を有する気体を反応室内に導入する。エタロン基板の素材がSiO2を主成分とするもの、例えば石英や各種特性を付与された光学ガラスである場合には、反応性気体としてトリフルオロメタン(CHF3)ガスとArガスの混合ガスを用いることが好ましい。正確には、SiO2に対して化学反応性を有するのはCHF3ガスの方であるが、Arガスは急激なエッチングによる表面の面荒れを防ぐために混合することが望ましい。このような理由であるため、CHF3ガスとArガスの混合比は9:1〜5:5の範囲とすることが好ましい。なお、エッチングガスとしては、エタロン素材を効率よく削ることができ、面荒れを起こさないガスであればその他のガスを用いてもよい。例えば、石英や光学ガラスの場合、上記CHF3の他にテトラフルオロメタン（CF4）を使用することができ、上記同様の理由によりそれらとArやO2等との混合ガスを使用することができる。
【００１０】
その後、上記気体のイオンビームを生成することにより、所定時間だけエタロン基板のイオンビームエッチングを行う。イオンビームエッチング法は、平坦性の良い表面を得ることができる点、及びエッチング時間の制御が容易であるためエッチング量を精密に制御できる点で、好適な方法である。イオンビームの生成は、従来より用いられている各種方法を用いることができる。
【００１１】
エッチング時間は、予め測定しておいたエタロン基板の厚みと、エタロン製品の目標厚みとの差と、予め測定しておいたエッチングの速度から、計算により求めておく。
【００１２】
これにより、所定時間のエッチング後、所望の厚みのエタロン製品が、必要な公差内の精度で得られる。
【００１３】
【発明の効果】
本発明に係る方法により、レーザ共振器等で使用する際に必要とされる厚み公差内で、所望の厚みを有するエタロン製品を製造することが可能となる。これにより、煩雑な設置角度調節や温度調節を行うことなく、レーザ共振器においてエタロンのピーク透過波長と所望のレーザのピーク波長を高精度で一致させることが可能となり、レーザ共振器の出力効率を向上させることができる。
【００１４】
【実施例】
本発明の一実施例として、SF11ガラス製ソリッドタイプエタロンの製造方法について述べる。
【００１５】
（i）エタロン基板の作成
まず、上記ガラス材を両面ラッピング装置を用いて機械研磨により厚みd1＝320.0μm、直径30mmの円盤状に成形してエタロン基板を作製した。
【００１６】
（ii）エタロン基板の厚みの測定
エタロンの厚みの測定は各種方法で行うことができるが、本実施例では以下に述べるように分光器を用いた方法により、公差10nmの精度で測定した。
【００１７】
一般に、エタロンの厚みｄは、エタロンの透過波長λ、干渉次数m、屈折率n及びレーザの入射角θを用いて、
m・λ=2・n・d・cosθ...(1)
で表される式を満たす。
【００１８】
エタロンを透過したレーザの波長λ1を測定し、n、θ及び干渉次数mを(1)式に代入することにより、エタロンの厚みd1が求められる。θを十分小さく取り、λ1及びnの測定精度を適切に確保することによって、d1を10nmの精度で求めることができる。ここで、例えばエタロンの厚みが100μmのオーダーとすると、その厚み公差10nmを確保するためには5桁の測定精度が求められる。そのため、d1の算出に用いるλ及びnも5桁の測定精度を確保する必要がある。
【００１９】
具体的には、まず、エタロン基板をレーザ共振器内に挿入しない状態で、レーザ共振器から出力される基本波長λ0=946.199nmのマルチモードレーザの2次高調波（473nm、Blue Line）の近傍のスペクトルをスペクトルアナライザで測定した。その結果を図２に示す。次に、同様にエタロン基板を挿入しない状態で2次高調波の近傍のスペクトルを分光器を用いて測定した。その結果を図３に示す。ここで横軸は用いた分光器の検出素子の番号である。図２と図３の各ピークを対応させることにより、分光器の素子番号と波長の対応が図４のように求められる。図４のグラフより、2次高調波付近の波長領域における波長と素子番号との関係は、0.0144（nm/素子）となっていることがわかる。従って、レーザ共振器の基本波長λ0=946.199nmで考えると、両者の対応関係は0.0288（nm/素子）となる。
【００２０】
次に、レーザ共振器内に上記作製したエタロン基板を挿入し、出力光のスペクトルを上記分光器で測定した。その結果を図５に示す（図中にAと指し示した）。１枚のエタロン基板に対して、異なる4か所において測定を行っている。また、図５にはエタロンを挿入せずに測定した出力光のスペクトルを合わせて示す（図中にBと指し示した）。この図から、エタロン基板を挿入したときのメインピーク波長λ1（素子番号261）と挿入しないときのメインピーク波長λ0（素子番号248）が、当該分光器の13素子分だけずれていることが分かる。上記算出した分散値を用いると、基本波長における上記λ1とλ0のずれは、0.0288(nm/素子)×13（素子）=0.3744nmとなる。また、エタロン基板を挿入したときのメインピーク波長λ1は、0.374nm+946.199nm(λ0の値)=946.573nmとなる。
【００２１】
エタロンの透過波長λは、上記のように式(1)を満たす。本実施例において、n=1.75818（用いたSF11ガラスの屈折率）とθ=0.2°は既知である。d=320.0μmのエタロン製品が基本波光のメインピークを透過する場合を考えると、上記n、θ及びλ0=946.199nmを用いて、(1)式からmは1189.2となるが、正しくはmは整数値であるので、m=1189と考えられる。このmの整数値からのずれはd=320.0μmとしたことに起因するものである。そこで、n、θ、λ０及びm=1189を用いて、(1)式から基本波レーザ光のメインピークを透過する所望のエタロン製品の目標厚みを求めると、d0=319.944μmとなる。λ０とnが共に５桁の精度を持つこと、θの誤差の範囲内でcosθは0.99999（５桁の精度）であること、及びmが整数であることから、d0も５桁の精度、すなわち10nmの精度で求められると言える。
【００２２】
一方、m=1189及び上で求めたλ1=946.573nmを用いると、上記作製したエタロン基板の厚みは(1)式よりｄ1=320.070μmとなる。上記議論と同様に、ｄ1も10nmの精度を持つ。
【００２３】
（iii）削り量及びエッチング時間の決定
以上の計算より、エッチングによりエタロン基板を削るべき量δdは、δd=d1-d0=126nmとなる。
【００２４】
本実施例ではエッチングガスとして、CHF3ガス60％とArガス40％の混合ガスを使用した。このエッチングガスを用いて、あらかじめ、エタロン基板と同じ素材（SF11ガラス）のエッチング速度を測定すると、その速度はr=0.56nm/secであった。従って、上記エタロン基板の場合、エッチングすべき時間tは、t=δd/r=225秒となる。
【００２５】
（iv）エッチング
図１は、本実施例において用いたECR型イオンビーム照射装置を示している。まず、上記エタロン基板１１を試料室１２内に設置した。次に、ガス導入管１５からエッチングガスを導入した。本実施例においては、CHF3ガス3sccmとArガス2sccmの混合ガスを用いた。
【００２６】
導波管１６から周波数2.45GHzのマイクロ波を、マイクロ波導入窓１７を通してイオン銃室１３内に導入した。同時に、電磁石１８から87.5mTの磁場をイオン銃室１３に印加した。これによって、上記混合ガスはイオン化されプラズマ状態となった。
【００２７】
イオン銃室内がプラズマで満たされたところで、スイッチ１９をONにすることによって電極板１４に直流電圧印加を開始した。これにより、イオン銃室１３内のプラズマが電極板の方に移動し、エタロン基板１１に衝突して、ただちにエッチングが開始される。
【００２８】
エッチング開始後、先に計算した所定のエッチング時間が経過した時点でスイッチ１９をOFFにすることでエッチングを終了した。本実施例のイオンビーム照射装置では、直流電圧印加終了時にただちにエッチングが終了するので、エッチングは設定した時間だけ正確に行われる。
【００２９】
図６に、エッチング後のエタロン製品をレーザ共振器内に挿入した場合の、波長946.199nmの基本波レーザ光から得られる２次高調波スペクトルを、分光器を用いて測定した結果を示す。図６から、エッチング終了後のエタロン製品のピーク透過波長とレーザ出力のピーク発振波長（図５のエタロン基板を挿入しない場合のスペクトルのうち最大のピークを持つものの波長）が一致していることが分かる。すなわち、本実施例において得られたエタロン製品は、フィルタとしての所望の性能を満足していることが分かる。
【００３０】
エッチング前とエッチング後のそれぞれのエタロン表面について、顕微鏡型レーザ干渉計により得られた断面曲線を、図７（エッチング前）及び図８（エッチング後）に示す。図８から、本実施例において得られたエタロンの表面粗さのRMS値（断面曲線の中心線からの偏差の2乗平均の平方根）は0.85nmであることが分かり、所定の平坦度（1nm以内）が得られていることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の方法を実施するためのイオンビーム照射装置の一例の断面図。
【図２】  スペクトルアナライザで測定した、エタロンを挿入しない場合における波長946.199nmの基本波レーザ光から得られる２次高調波スペクトル。
【図３】  分光器で測定した、エタロンを挿入しない場合における波長946.199nmの基本波レーザ光から得られる２次高調波スペクトル。
【図４】  図２及び図３より求められる、本実施例で用いた分光器の検出素子番号と波長との対応。
【図５】  機械研磨によって得られたエタロン基板を挿入した場合における基本波レーザ光スペクトル。
【図６】  本発明の方法によって得られたエタロン製品を挿入した場合における基本波レーザ光スペクトル。
【図７】  機械研磨によって得られたエタロン基板表面の、顕微鏡型レーザ干渉計により得られた断面曲線。
【図８】  本発明によって得られたエタロン表面の、顕微鏡型レーザ干渉計により得られた断面曲線。
【符号の説明】
１１…エタロン基板
１２…試料室
１３…イオン銃室
１４…電極板
１５…ガス導入管
１６…導波管
１７…マイクロ波導入窓
１８…電磁石
【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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