(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長が２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下の紫外光を連続して発生する光学結晶の表面に、熱伝導率が０．０１（Ｊ・ｃｍ−１・ｓｅｃ−１・Ｋ−１）以上の紫外光学薄膜が形成されている波長変換素子において、
前記紫外光学薄膜の材料として、前記光学結晶の表面に密着して形成される第一層に酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）を用い、更に前記第一層の上に形成される第二層にフッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）を用いることを特徴とする波長変換素子。
【請求項２】
波長が２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下の紫外光を連続して発生する光学結晶の表面に、熱伝導率が０．０１（Ｊ・ｃｍ−１・ｓｅｃ−１・Ｋ−１）以上の紫外光学薄膜が形成されている波長変換素子において、
前記紫外光学薄膜の材料として、前記光学結晶の表面に密着して形成される第一層に酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）を用い、前記第一層上に形成される第二層に酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を用い、更に前記第二層の上に形成される第三層にフッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）を用いることを特徴とする波長変換素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、連続して発振する紫外光に対して耐久性の高い紫外光学薄膜を光学結晶の表面に形成した波長変換素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、レーザ光を利用した情報処理や計測制御等を行うオプトエレクトロニクス分野の発展は著しいものがある。一方、その発展に伴い、処理速度の高速化、制御性能の向上、および取り扱い情報量の大容量化が求めらることになり、従ってレーザ光源の短波長化および高出力化が重要な問題となってきている。
【０００３】
レーザ光を短波長化する方法として、例えばＵＳＰ５４７３４０９に記載されているように、非線形光学結晶を用いて基本波光の第２高調波や第４高調波を発生させる方法がある。この波長変換素子である非線形光学結晶を用いてレーザ光を短波長化する構成が図９に示されている。
【０００４】
しかしながら、波長の短い領域で半導体レーザを発振させることは困難であり、従って非線形光学結晶を用いて波長変換素子を構成し、短波長光を得ている。図９に示すように、レーザ発振回路１により半導体レーザ２を発振させ、レーザ光６を出射させる。このレーザ光６はＹＡＧ等の固体レーザ３を励起する。励起された固体レーザ３から出射されたレーザ光は非線形光学結晶４に入射し、第２高調波発生（ＳＨＧ）の現象を利用して波長変換される。波長変換されたレーザ光は非線形光学結晶５に入射し、第４高調波発生（ＦＨＧ）の現象を利用して、更に波長変換される。この波長変換により紫外光７を得るものである。
【０００５】
図示していないが前記非線形光学結晶５の表面には、真空蒸着により、紫外光７に対して反射率の低い紫外光学薄膜が形成されている。しかし、従来の紫外光学薄膜は、高出力の紫外光７により発生する熱で短時間のうちに、例えば数秒から数分で壊されてしまうものであって、長期信頼性を有するものではない。そのため、効率よく波長変換をする波長変換素子を得ることができなかった。
【０００６】
図１０は紫外光学薄膜の経時変化の様子を示す。従来の紫外光学薄膜の経時変化の様子は図１０のｂで示されていて、短時間で劣化していることがわかる。これは出力１００ｍＷ、パワー密度１ｋＷ／ｃｍ2 で波長２６６ｎｍの紫外光を波長２６６ｎｍ用の紫外光学薄膜に照射し、反射、散乱、吸収に起因した損失の経時変化を示したものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従って本発明の課題は、高調波を発する非線形光学結晶の表面に、高出力の紫外光に対して耐久力の優れた薄膜を形成して、レーザ光の短波長化を実現する効果的で長期信頼性を有する波長変換素子を提供しようとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明波長変換素子は、波長が２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下の紫外光を連続して発生する光学結晶の表面に、熱伝導率が０．０１（Ｊ・ｃｍ−１・ｓｅｃ−１・Ｋ−１）以上の紫外光学薄膜が形成されている波長変換素子において、この紫外光学薄膜の材料として、この光学結晶の表面に密着して形成される第一層に酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）を用い、更にこの第一層の上に形成される第二層にフッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）を用いたものである。
【０００９】
また、本発明波長変換素子は、波長が２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下の紫外光を連続して発生する光学結晶の表面に、熱伝導率が０．０１（Ｊ・ｃｍ−１・ｓｅｃ−１・Ｋ−１）以上の紫外光学薄膜が形成されている波長変換素子において、この紫外光学薄膜の材料として、この光学結晶の表面に密着して形成される第一層に酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）を用い、この第一層上に形成される第二層に酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を用い、更にこの第二層の上に形成される第三層にフッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）を用いたものである。
【００１５】
斯る本発明による波長変換素子は、紫外光に対して耐久性が高い紫外光学薄膜を光学結晶の表面に形成しているので、連続して発振する紫外光に対して長期信頼性が保持される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態について図１ないし図８を参照して説明する。
【００１７】
まず、レーザ光を短波長化するための構成について図１を参照して説明する。レーザ発振回路１により半導体レーザ２を発振させ、レーザ光６を出射させる。このレーザ光６はＹＡＧ等の固体レーザ３を励起する。励起された固体レーザ３から出射されたレーザ光は非線形光学結晶４に入射し、第２高調波発生（ＳＨＧ）の現象を利用して波長変換される。波長変換されたレーザ光は非線形光学結晶５に入射し、第４高調波発生（ＦＨＧ）の現象を利用して、更に波長変換され、紫外光７が得られる。前記非線形光学結晶５の表面には真空蒸着により、紫外光７に対して反射率の低い紫外光学薄膜８が形成されている。
【００１８】
つぎに、比較的波長の短い半導体レーザを使用した構成例を図２に示す。この例では非線形光学結晶５を１個使用して紫外光を発生させている。レーザ発振回路１により半導体レーザ２を発振させ、レーザ光６を出射させる。このレーザ光６は非線形光学結晶５に入射し、第２高調波発生（ＳＨＧ）の現象を利用して波長変換され、紫外光７が得られる。前記非線形光学結晶５の表面には真空蒸着により、紫外光７に対して反射率の低い紫外光学薄膜８が形成されている。
【００１９】
紫外光学薄膜８は膜材料として熱伝導率の高い蒸着物質を用いて形成される。紫外光に対して耐久性が高く長期信頼性のある薄膜である。即ち、図３（ａ）に示すように非線形光学結晶５に接する第一層に熱伝導率が０．０１（Ｊ・ｃｍ-1・ｓｅｃ-1・Ｋ-1）以上の蒸着物質であるＨｆＯ2 １０〔伝導率０．０１６（Ｊ・ｃｍ-1・ｓｅｃ-1・Ｋ-1）〕、および第二層にＭｇＦ2 １１〔伝導率０．１５（Ｊ・ｃｍ-1・ｓｅｃ-1・Ｋ-1）〕を用いて紫外光学薄膜８を形成する。
【００２０】
前述した物質からなる紫外光学薄膜８を非線形光学結晶５の表面に形成して波長変換素子９を構成する。例えば、波長５３２ｎｍの入射光に対して波長２６６ｎｍの紫外光を出射する第４高調波発生機能を有する非線形光学結晶５の表面に前記紫外光学薄膜８を形成して波長変換素子９を構成する。
【００２１】
また、前記非線形光学結晶５としては、リン酸二水素カリウム（ＫＤＰ）やβ−ホウ酸バリウム（ＢＢＯ）等の単結晶を用いる。後述する実施形態例１ないし実施形態例４の項において、非線形光学結晶５にＢＢＯ単結晶を用い、その表面に上述した２層からなる紫外光学薄膜８を形成した、波長５３２ｎｍの基本波に対して反射率の低い波長変換素子９に関して説明する。
【００２２】
また、図３（ｂ）はＨｆＯ２１０とＭｇＦ２１１の間にＭｇＯ１２の膜を形成した紫外光学薄膜８を示している。この紫外光学薄膜８も非線形光学結晶５の表面に形成して波長変換素子９を構成する。後述する実施形態例５の項において、非線形光学結晶５にＢＢＯ単結晶を用い、その表面に上述した３層からなる紫外光学薄膜８を形成した、波長５３２ｎｍの基本波に対して反射率の低い波長変換素子９に関して説明する。
【００２３】
ここで、一軸性のＢＢＯ単結晶の波長分散式は、
ｎ0 2 ＝１．９５９５＋０．７８９２λ2/（λ2 −０．０２１６１）  （１）
ｎe 2 ＝１．６９３２＋０．６７８２λ2/（λ2 −０．０１８１６）  （２）
ｎe(θ) 2 ＝１／（ｃｏｓ2 θ／ｎ0 2 ＋ｓｉｎ2 θ／ｎe 2 ）      （３）
にて与えられる。尚、λは波長であり、ｎo は常光線屈折率であり、ｎe は異常光線屈折率であり、ｎe(θ) は単結晶の光軸から角度θの方向から入射した光の異常光線屈折率である。従って、波長分散式（１）ないし（３）より、基本波長５３２ｎｍに対するＢＢＯ単結晶の位相整合条件は４７．６°となる。この方位でＢＢＯ単結晶に基本波光を入射させた場合、第４高調波を最も効率よく発生する。
【００２４】
次に、上述した紫外光学薄膜８と、非線形光学結晶５としてＢＢＯ単結晶を用いた波長変換素子９の構成について図４〜図７、および、表１〜表５を参照して説明する。表１〜表５には実施形態例１ないし実施形態例５の波長変換素子９を構成する物質の屈折率と位相膜厚を示す。位相膜厚とは、物理膜厚ｄに屈折率ｎを乗じたものを基本波長λO で割ったもので、ｎｄ／λO で示される。また、屈折率は波長５３２ｎｍの光に対する値である。
【００２５】
実施形態例１
実施形態例１の構成を表１に示す。
【表１】
0003735975.tif 000002
【００２６】
この形態例は、非線形光学結晶５としてＢＢＯ単結晶と、ＢＢＯ単結晶側の第一層のＨｆＯ2 １０と第二層のＭｇＦ2 １１とからなる紫外光学薄膜８とで構成された波長変換素子９である。第一層のＨｆＯ2 １０はイオンプレーティングにより成膜し、また第二層のＭｇＦ2 １１は通常蒸着で成膜して２層構造の紫外光学薄膜８を形成する。
【００２７】
図４はこの紫外光学薄膜８の分光光度測定の測定結果を示す図で、５３２ｎｍの基本波に対して低反射特性が実現されていることが分かる。尚、図４において、横軸は測定光の波長を表し、縦軸は波長に対する反射率を表している。
【００２８】
また、図１０の曲線ａはこの紫外光学薄膜８の膜面上に出力１００ｍＷ、パワー密度1kＷ／ｃｍ2 で波長２６６ｎｍの紫外光を照射し、反射、散乱、吸収に起因した損失の経時変化を測定した結果を示している。この損失が増加することは光学薄膜の劣化を意味するが、図１０の曲線ａから実施形態例１の紫外光学薄膜８は１００時間以上、紫外光に露光されていてもほとんど劣化していないことがわかる。
【００２９】
実施形態例２
実施形態例２の構成を表２に示す。
【表２】
0003735975.tif 000003
【００３０】
この形態例は、実施形態例１と同一の構成で、第一層のＨｆＯ2 １０と第二層のＭｇＦ2 １１の膜厚が異なるものである。また、その紫外光学薄膜８の形成方法も実施形態例１と同一であり、ここでの説明は省略する。
【００３１】
図５はこの紫外光学薄膜８の分光光度測定の測定結果を示す図で、５３２ｎｍの基本波に対して低反射特性が実現されていることが分かる。尚、図５において、横軸は測定光の波長を表し、縦軸は波長に対する反射率を表している。
また、損失についても図示はしていないが、略実施形態例１と同様の結果が得られていて、紫外光に対する耐久性の高さが確認されている。
【００３２】
実施形態例３
実施形態例３の構成を表３に示す。
【表３】
0003735975.tif 000004
【００３３】
この形態例は、実施形態例１と同一の構成で、実施形態例２と同様に第一層のＨｆＯ2 １０と第二層のＭｇＦ2 １１の膜厚が異なるものである。また、その紫外光学薄膜８の形成方法も実施形態例１と同一であり、ここでの説明は省略する。
【００３４】
図６はこの紫外光学薄膜８の分光光度測定の測定結果を示す図で、５３２ｎｍの基本波に対して低反射特性が実現されていることが分かる。尚、図６において、横軸は測定光の波長を表し、縦軸は波長に対する反射率を表している。
また、損失についても図示はしていないが、略実施形態例１と同様の結果が得られていて、紫外光に対する耐久性の高さが確認されている。
【００３５】
実施形態例４
実施形態例４の構成を表４に示す。
【表４】
0003735975.tif 000005
【００３６】
この形態例は、実施形態例１と同一の構成で、実施形態例２および実施形態例３と同様に第一層のＨｆＯ2 １０と第二層のＭｇＦ2 １１の膜厚が異なるものである。また、その紫外光学薄膜８の形成方法も実施形態例１と同一であり、ここでの説明は省略する。
【００３７】
図７はこの紫外光学薄膜８の分光光度測定の測定結果を示す図で、５３２ｎｍの基本波に対して低反射特性が実現されていることが分かる。尚、図７において、横軸は測定光の波長を表し、縦軸は波長に対する反射率を表している。
また、損失についても図示はしていないが、略実施形態例１と同様の結果が得られていて、紫外光に対する耐久性の高さが確認されている。
【００３８】
実施形態例５
実施形態例５の構成を表５に示す。
【表５】
0003735975.tif 000006
【００３９】
この形態例は、非線形光学結晶５としてＢＢＯ単結晶と、ＢＢＯ単結晶側の第一層のＨｆＯ2 １０と第二層のＭｇＯ１２と第三層のＭｇＦ2 １１とからなる紫外光学薄膜８とで構成された波長変換素子９である。第一層のＨｆＯ2 １０はイオンプレーティングにより成膜し、また第二層のＭｇＯ１２および第三層のＭｇＦ2 １１は通常蒸着で成膜して３層構造の紫外光学薄膜８を形成する。
【００４０】
図８はこの紫外光学薄膜８の分光光度測定の測定結果を示す図で、５３２ｎｍの基本波に対して低反射特性が実現されていることが分かる。尚、図８において、横軸は測定光の波長を表し、縦軸は波長に対する反射率を表している。
また、損失についても図示はしていないが、略実施形態例１と同様の結果が得られていて、紫外光に対する耐久性の高さが確認されている。
【００４１】
上述したように本発明の紫外光学薄膜を非線形光学結晶に用いてレーザ光の波長変換をする耐久性の高い波長変換素子を構成することができる。前記紫外光学薄膜はこれに限らず、他の紫外光に曝される光学部品に用いて効果が大きいことは論を待たない。
【００４２】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明では、膜材料として熱伝導率が０．０１（Ｊ・ｃｍ−１・ｓｅｃ−１・Ｋ−１）以上の蒸着物質を使用することにより高出力の連続して発振する紫外光が照射されても、熱を逃がすことができるので長期信頼性のある紫外光学薄膜が得られる。従って、この紫外光学薄膜を光学結晶に用いて、その光学結晶の低反射化および高反射化ができ、高出力紫外光に対して長期信頼性のある波長変換素子が実現できる。
【００４３】
また、前述した光学薄膜は、光学結晶への水分の侵入を防ぎ、特にＢＢＯ単結晶の潮解性による表面の化学変化や表面の酸化に対する保護膜としての機能を有し、この点からも長期信頼性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  レーザ光の短波長化に関し、波長変換素子を用いてレーザ光を短波長化するための概略構成を示す図である。
【図２】  レーザ光の短波長化に関し、波長変換素子を用いてレーザ光を短波長化するための、他の概略構成を示す図である。
【図３】  本発明の光学薄膜に関し、（ａ）は光学薄膜の一構成例であり、（ｂ）は他の構成例である。
【図４】  本発明の第一の実施形態例に係わる紫外光学薄膜の分光光度測定の測定結果を示す特性図である。
【図５】  本発明の第二の実施形態例に係わる紫外光学薄膜の分光光度測定の測定結果を示す特性図である。
【図６】  本発明の第三の実施形態例に係わる紫外光学薄膜の分光光度測定の測定結果を示す特性図である。
【図７】  本発明の第四の実施形態例に係わる紫外光学薄膜の分光光度測定の測定結果を示す特性図である。
【図８】  本発明の第五の実施形態例に係わる紫外光学薄膜の分光光度測定の測定結果を示す特性図である。
【図９】  従来におけるレーザ光の短波長化に関し、波長変換素子を用いてレーザ光を短波長化するための構成を示す図である。
【図１０】  本発明の第一の実施形態例に係わる紫外光学薄膜の経時変化と従来の紫外光学薄膜の経時変化を示す特性図である。
【符号の説明】
１…レーザ発振回路、２…半導体レーザ、３…固体レーザ、４，５…非線形光学結晶、６…レーザ光、７…紫外光、８…紫外光学薄膜、９…波長変換素子、１０…ＨｆＯ2 、１１…ＭｇＦ2 、１２…ＭｇＯ
【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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