高耐力ミラーのための新しいアニール手法の開発
米田研究室

高橋瞭太郎
レーザーの波長も含まれている重水素ランプを1序論用いてアニール処理を行い、効率よくミラーの耐力を向上させることを目的とした。

ミラーは高密度のレーザーの光を受けることで壊れてしまう。また、レーザーの波長が短くなればなるほど、ミラーは壊れやすくなってしまう。対策として、レーザーの密度を下げる、つまりレーザーの径を大きくすることや、チャープパルス増幅法を用いるなど工夫はなさ

図2

れているが、熱の影響もあり大きな光学系には重水素ランプの波長領域 [1]限界がある上に小型化を原理的に行うことができない。その解決策として、ミラーの耐力を向2上させるというものがある。実際にミラーはそ

実験の耐力を向上させるために材料を変えたり成膜

2.1 実験 1: 重水素ランプの性能評価

方法を工夫するなどさまざまな対策がとられてきたが、材料からのアプローチだとその変化にミラーへのアニール処理を行うに際し、重水は時間がかかりすぎる。そのため、本実験では素ランプが真空紫外を出すかどうか、また使用先行研究で成功事例のあるレーザーアニールをする工学素子が正しく真空紫外を透過するかど参考にし、ミラー表面にアニール処理を行っうかを確認するために、重水素ランプの性能評た。レーザーアニールでアニールされた際の様価を行った。

子は次の図 1 のようなものであり、この時耐力

まずは、重水素ランプからの光をカルシウムの変化を見るとアニール前のミラーに比べて三フロライドのレンズでコリメートし、金コー倍のエネルギー密度の光にミラーが耐えられるティングされた反射型の回折格子に入射させようになっていることがわかる。

た。そこから反射した回折光を、真空紫外光で蛍光するテトラフェニルブタジエンを塗布した蛍光板に入射させ、その様子をカメラで観測した。また、入射角と反射角を計測し、回折格子方程式に代入することでどの程度の波長が出てきているかということを調べた。
2.1.1 実験結果

図1

レーザーアニールによる耐力の変化観測できた最短波長は 161nm で、真空紫外光が出ていることが確認できた。

ザーのランニングコストが高すぎ、アニールの2.2 実験 2: アニール処理中のミラー表面の観測装置の作成効率も悪いという欠点もある。その欠点を克アニールは、ミラーの薄膜内にある不純物準服するために、本研究では、次の図 2 アルゴン位が高エネルギーの光子によって励起させられしかし、使用しているフッ化アルゴンレー

1

た後、なんらかの理由によりそのまま励起したに波長板で回転させたのちにウォラストンプリ状態を維持することで不純物準位の電子が減ズムに挿入し、その差分を見た。しかし、このり、それによってミラー損傷の原因となる電子方法で見える信号は実際の振幅比と位相差の情雪崩が起きづらくなることからミラー耐力が向報を記述するには十分だが、解を得ることは上すると考えられるが、しかしその原理は確立できない。そこで、測定された信号に合うようした理論ではなく、アニールによる変化がどのに二つの変数を仮定し、それを代入した上でように起きているのかということを観測したい

フィッテイングを繰り返し最終的に妥当は変数という動機があったため、本研究では単にミを得ることで、楕円偏光の信号を得て、ミラーラー表面に光を当てるだけではなく、その当表面の状態を調べることができるようになる。

たっている状態をリアルタイムで観測できるよ

この時、ノイズを減らすためにレーザーを特定の正弦波で駆動させその周期の信号のみ抽出うな観測系を作成した。

するロックインアンプを用いるなど工夫を凝らしている。

2.2.1 実験方法
ミラー表面の様子は、ミラー表面の薄膜の厚この装置を、次の図 4 のように真空チャンさと複素屈折率の 3 つの変数が変わることで記バーの中に作り、サンプルミラー表面に真空紫述できるが、厚みの変化は少ないと考え複素外から可視光までの幅広い波長領域の光を出す

屈折率の 2 変数のみで記述できるとする。こことができる重水素ランプの光をアライメントの時、複素屈折率の変化は、ミラーから反射しした。

たレーザー光の楕円偏光で知ることができる。
楕円偏光の二つの変数、p,s 偏光間の位相差と、p,s 偏光の振幅反射率の比の二つの変数である。
今回の研究では、その二つの変数を調べるために、つぎの図 3 のような装置を作成した。

図3観測系の模式図

ここでは、ミラーから反射してきた光を二つ
図4に分け、それぞれの光を、感度が高くなるよう
2

光学系全体

2.2.2 誘電体多層膜ミラーへのアニール処理
本実験で使用したサンプルミラーは誘電体多層膜ミラーと呼ばれるミラーで、図 5 のように反射したい光に対してその半波長の長さごとに薄膜を成膜し、それぞれの反射光が合わさることで 100%に近い反射率を得ることのできるミ

図7

成膜方法による比較ラーである。
図 6 を見ると、ハフニウムオキサイドのミラーに対してタンタルオキサイドのミラーの方が、重水素ランプを当てた際の変化が大きい。これは、タンタルオキサイドの方がバンドギャップエネルギーが大きく、それによって重水素ランプの光で励起する電子の数が多いことからよりミラー表面で大きな変化が起きているからと考えることができる。また、図 7 を見ると、IBS に対して、EB 法で成膜されたミラー
図5誘電体多層膜ミラーの模式図の方が変化が大きい。これは、EB 法が単純に材料を蒸着させているだけに対して、IBS 法で誘電体多層膜は高屈折の薄膜、低屈折の薄膜はイオンビームを材料に当て跳ねた材料を基板を順番に並べることで作成され、成膜方法も上に成膜させることで成膜していることから、様々あるが、本実験では IBS 法と呼ばれる方法

EB 法に比べて欠陥量が少ないことに由来してで成膜されたミラーと EB 法と呼ばれる方法でいる。このように成膜方法の違いや、使用した成膜されたミラーを使用した。3 種類の、高屈材料の違いが見えるようなデータが得られてい折率材料や成膜方法が異なるミラーに対してアると言える。また、変化の様子を仔細に見るたニール処理を行った。この時使用したミラー

めに赤い破線を伸ばすと、照射後に照射前と違は、高屈折材料に HfO2 ,Ta2 O5 を使用した IBSう傾向が見て取れ、これが不純物順位の変化ので成膜されたミラーと、HfO2 を使用して EBシグナルだと取ることができる。そのため、耐で成膜されたミラーの 3 種類である。それぞれ力が向上していることを期待してミラーの耐力の観測結果を比較したものが次の図 6 と図 7 でテストを行った。

ある。

2.3 実験 3: ミラーの耐力テスト

2.3.1 実験方法
ミラーの耐力を調べるために、ミラーが壊れるまで 100Hz の 532nm のレーザーの強度を徐々に上げどの程度で壊れるかを調べた。ま図6

高屈折材料による比較た、ミラー表面からの散乱光を観測した。散乱3

光はミラーが正確に光を反射している時はほと水素ランプの性能評価を行い、真空チャンバー

んど変化しないが、ミラーが破損したタイミンの中に観測用の光学系を組み、実際にミラーへグで大きく増加するため、散乱光の増加したタのアニールとミラー表面のリアルタイム観測をイミングをミラーが破損したタイミングだと行い、最後にミラーの耐力が向上しているかのした。

テストを行った。
その結果として、アニール中のミラー表面の様子を観測することに成功し、成膜方法や材料2.3.2 実験結果によってアニール中の光学定数が違うというこミラーの耐力テストの実験結果を次の図 8 にとを調べることができた。しかし、アニールし示す。

たミラーの耐力を調べたところ、耐力向上には至っていないということもわかった。
今後の展望としては、重水素ランプをアライメントするためのミラーを変えるアライメント用のミラーの枚数を減らす。入射角をより大きくし反射率を高める。という工夫をしながら重水素ランプの強度を上げよりアニールの効果を高めるとともに、アニールの時間を伸ばしなが図8ら耐力向上を目指していこうと考えている。

耐力テストの結果

参考文献

この図の横軸が時間、オレンジ色の線があてているレーザーの強度、青い線が散乱光強度である。レーザー強度を 912mW に上昇させた瞬[1] 浜 松 フ ォ ト ニ ク ス, 光 源 総 合 カ タ

間に散乱光強度が増大しミラーが壊れたこと

ロが確認できる。この時 100Hz でチチチチとミcontent/dam/hamamatsu-photonics/

ラーから音が鳴るなどもしており同じタイミ

sites/documents/99_SALES_LIBRARY/

ングでミラーが壊れていることが確認できて

etd/LIGHT_SOURCE_TLSZ0001J.pdf

いる。
しかし、この 912mW のレーザーというのは重水素ランプを当てる前のミラーの壊れた強度と同じ強度であったため、アニールの成果を確認することはできなかった。

3

結論
本研究では、レーザーアニールに変わって重水素ランプでのアニールを行いミラーの耐力を向上させることを目指した。またそのために重4グ,https://www.hamamatsu.com/