JP5016208B2 - Surface treatment method for optical element - Google Patents

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Description

本発明は、レーザシステムに用いられる光学素子の表面処理方法に関する。   The present invention relates to a surface treatment method for an optical element used in a laser system.

レーザは、光としての際だった特徴により、化学技術から産業技術に至るさまざまの分野の基盤技術として実用化が進められている。そのために、レーザ光を発生させて出力するレーザシステムは、高密度なエネルギーの発生や紫外から赤外に及ぶ領域での特定波長出力など、さまざま特性が要求されている。しかし、エネルギー密度が極めて高いレーザ光を発生させようとすると、レーザシステム内部のレンズや反射鏡等の光学素子には、非常に強力なレーザ光が通過する。この場合、光学素子の表面や内部にレーザによる損傷が生じ、その損傷が原因となって、レーザ光の強度を増大させていくことが困難になるという問題が生じていた。以上からわかるように、レーザの出力や寿命等の特性は、レーザシステムにおける光学素子のレーザ損傷耐力で決まっているといっても過言ではない。   Lasers are being put to practical use as fundamental technologies in various fields ranging from chemical technology to industrial technology due to their distinctive characteristics as light. Therefore, a laser system that generates and outputs laser light is required to have various characteristics such as generation of high-density energy and specific wavelength output in a region extending from ultraviolet to infrared. However, if an attempt is made to generate laser light having an extremely high energy density, very powerful laser light passes through optical elements such as lenses and reflecting mirrors in the laser system. In this case, the surface of the optical element or the inside thereof is damaged by the laser, and the damage causes the problem that it is difficult to increase the intensity of the laser beam. As can be seen from the above, it is no exaggeration to say that characteristics such as laser output and lifetime are determined by the laser damage resistance of the optical element in the laser system.

一方、光学素子のレーザ損傷耐力は、切断や光学研磨加工等により生じた表面変質層の影響により、内部よりも表面の方が低くなっている。よって、高いレーザ損傷耐力をもつ光学素子表面を創製することが、レーザシステムの高寿命化、高性能化には不可欠な要素である。   On the other hand, the laser damage resistance of the optical element is lower on the surface than on the inside due to the influence of the surface-modified layer generated by cutting or optical polishing. Therefore, creation of an optical element surface having a high laser damage resistance is an indispensable element for extending the life and performance of a laser system.

ここで、光学素子の表面変質層について簡単に説明する。図7は、表面変質層の状態を図式的に示した図である。図7に示されるように、表面変質層101は、研磨不純物層102、欠陥層103、及び歪み層104からなる。特に、研磨不純物層102は、研磨工程でその表層に研磨砥粒が埋没することにより生じる層であり、研磨方法によっても異なるが、おおよそ光学素子の表面から100nm〜1000nmの深さまで存在する。   Here, the surface altered layer of the optical element will be briefly described. FIG. 7 is a diagram schematically showing the state of the surface altered layer. As shown in FIG. 7, the surface altered layer 101 includes a polishing impurity layer 102, a defect layer 103, and a strained layer 104. In particular, the polishing impurity layer 102 is a layer generated by burying polishing abrasive grains in the surface layer in the polishing process, and is approximately 100 nm to 1000 nm deep from the surface of the optical element, depending on the polishing method.

従来、光学素子のレーザ損傷耐力を改善するために、その研磨不純物層に埋没した研磨砥粒を除去する技術が開発されている。例えば、従来の表面処理方法には、機械的に研磨された結晶光学素子の表面にイオンビームを照射して残留砥粒を有する表層を除去するものがある(例えば、特許文献1参照。)。   Conventionally, in order to improve the laser damage resistance of an optical element, a technique for removing abrasive grains buried in the polishing impurity layer has been developed. For example, there is a conventional surface treatment method that removes a surface layer having residual abrasive grains by irradiating a surface of a mechanically polished crystal optical element with an ion beam (see, for example, Patent Document 1).

また、従来の他の表面処理方法には、研磨剤と反応する薬液によって光学素子の表面を化学処理して、光学素子の表面に影響を与えないで残留付着した研磨剤を除去するものがある(例えば、特許文献2参照。)。   Another conventional surface treatment method involves chemically treating the surface of the optical element with a chemical solution that reacts with the abrasive to remove the remaining abrasive without affecting the surface of the optical element. (For example, refer to Patent Document 2).

なお、光学素子の材料と反応する薬液によって光学素子の表面を化学処理する方法は、光学素子の表面状態を劣化させるため、これまで用いられていなかった。
特開2000−271764号公報 特開2002−286902号公報
The method of chemically treating the surface of the optical element with a chemical solution that reacts with the material of the optical element has not been used so far because it degrades the surface state of the optical element.
JP 2000-271664 A JP 2002-286902 A

しかしながら、特許文献1等のイオンビームによる表面処理方法では、照射するイオンより、光学素子の表面の原子結合が破壊されて欠陥が生じる場合があった。その結果、その表面がレーザをより吸収するようになり、レーザ損傷耐力が低下するという課題があった。   However, in the surface treatment method using an ion beam described in Patent Document 1 or the like, defects may be generated due to the atomic bonds on the surface of the optical element being broken by the irradiated ions. As a result, there is a problem that the surface of the laser beam absorbs more and the laser damage resistance is lowered.

また、特許文献2等の化学処理による表面処理方法では、研磨砥粒が埋没している層を除去した場合に、表面状態の劣化が不可避であり、この表面状態の劣化によって、レーザ損傷耐力が低下する場合があった。これは、石英ガラス以外の材料について、より顕著であった。   Further, in the surface treatment method by chemical treatment described in Patent Document 2 or the like, when the layer in which the abrasive grains are buried is removed, the deterioration of the surface state is inevitable. There was a case of decline. This was more noticeable for materials other than quartz glass.

さらに、近年は、高エネルギーの深紫外域のレーザ光の利用が期待されており、これらのレーザ光を用いる場合には、レーザシステムにおける光学素子のレーザ損傷耐力の低下は大きな障害となる。よって、レーザ損傷耐力の高い表面を有する光学素子が強く要求されている。   Furthermore, in recent years, utilization of laser beams in the high energy deep ultraviolet region is expected, and when these laser beams are used, a reduction in laser damage resistance of optical elements in the laser system is a major obstacle. Therefore, there is a strong demand for an optical element having a surface with high laser damage resistance.

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、光学研磨された光学素子に対して、レーザ損傷耐力を低下させることなく、その光学素子の表層に埋没した研磨砥粒を除去することが可能な、光学素子の表面処理方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and removes abrasive grains embedded in the surface layer of an optical element without reducing the laser damage resistance of the optical element that has been optically polished. An object of the present invention is to provide a method for surface treatment of an optical element.

本発明による光学素子表面処理方法は、光学研磨された光学素子の表面を処理する光学素子表面処理方法であって、前記の光学素子の表面にイオンビームを照射することによりエッチングを行うイオンエッチングステップと、前記のイオンエッチングされた表面を、前記の光学素子の材料と反応する所定の溶液に浸して溶解させることによりエッチングを行うケミカルエッチングステップとを備える。以下、この光学素子表面処理方法を「第1の光学素子表面処理方法」という。   An optical element surface treatment method according to the present invention is an optical element surface treatment method for treating the surface of an optical element that has been optically polished, and is an ion etching step in which etching is performed by irradiating the surface of the optical element with an ion beam. And a chemical etching step of performing etching by immersing and dissolving the ion-etched surface in a predetermined solution that reacts with the material of the optical element. Hereinafter, this optical element surface treatment method is referred to as “first optical element surface treatment method”.

好ましくは、前記のイオンエッチングステップにおいて前記の光学素子がエッチングされる深さは、前記のケミカルエッチングステップにおいてエッチングされる深さよりも深い。以下、この光学素子表面処理方法を「第2の光学素子表面処理方法」という。   Preferably, a depth at which the optical element is etched in the ion etching step is deeper than a depth at which the optical element is etched in the chemical etching step. Hereinafter, this optical element surface treatment method is referred to as “second optical element surface treatment method”.

好ましくは、第2の光学素子表面処理方法において、光学研磨された前記の光学素子には、その表層に研磨砥粒が埋没した研磨不純物層が存在する。また、前記のイオンエッチングステップは、その研磨不純物層を除去するステップである。以下、この光学素子表面処理方法を「第3の光学素子表面処理方法」という。   Preferably, in the second optical element surface treatment method, the optically polished optical element has a polishing impurity layer in which polishing abrasive grains are buried in the surface layer. The ion etching step is a step of removing the polishing impurity layer. Hereinafter, this optical element surface treatment method is referred to as “third optical element surface treatment method”.

好ましくは、第3の光学素子表面処理方法において、前記の研磨不純物層は、光学研磨された前記の光学素子の表面から1000nm以下の深さまで存在する。以下、この光学素子表面処理方法を「第4の光学素子表面処理方法」という。   Preferably, in the third optical element surface treatment method, the polishing impurity layer is present to a depth of 1000 nm or less from the optically polished surface of the optical element. Hereinafter, this optical element surface treatment method is referred to as “fourth optical element surface treatment method”.

好ましくは、第1から第4のいずれかの光学素子表面処理方法において、前記の光学素子は、石英ガラス、フッ化カルシウム、及び酸化アルミニウムのいずれかから成る。   Preferably, in any one of the first to fourth optical element surface treatment methods, the optical element is made of any one of quartz glass, calcium fluoride, and aluminum oxide.

本発明による光学素子の表面処理方法によれば、光学素子の表面にイオンビームを照射することによりエッチングを行うイオンエッチングステップと、イオンエッチングされた表面を、光学素子の材料と反応する所定の溶液に浸して溶解させることによりエッチングを行うケミカルエッチングステップとを備えるので、レーザ損傷耐力を低下させることなく、光学素子の表層に埋没した研磨砥粒を除去することができる。   According to the surface treatment method of an optical element according to the present invention, an ion etching step for performing etching by irradiating the surface of the optical element with an ion beam, and a predetermined solution that reacts the ion-etched surface with the material of the optical element. And a chemical etching step of performing etching by immersing and dissolving in the optical element, so that the abrasive grains buried in the surface layer of the optical element can be removed without lowering the laser damage resistance.

以下に、添付の図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
(実施の形態1)
本発明の実施の形態1による光学素子の表面処理方法では、まず、光学研磨された表面に対してイオンビームを照射し、その表層に埋没している研磨砥粒を除去する。さらに、そのイオンビームのエネルギーにより状態が劣化した表面に対してケミカルエッチングを行い、劣化部分を除去する。ここで、光学素子とは、レーザシステムにおいてレーザ光の光路に配置される素子であり、例えば、レンズ、窓材、プリズム、偏光子、ミラー基板、波長変換素子、及びQスイッチ等が挙げられる。また、光学素子の材料には、レンズ等に用いられる光学ガラス及びセラミック材料、並びに波長変換素子やQスイッチに用いられる非線形結晶等がある。本実施の形態1による光学素子の表面処理方法では、イオンエッチングの後にケミカルエッチングを行うことにより、イオンエッチングによって劣化した表面状態を改善し、レーザ損傷耐性を向上させることが可能である。よって、イオンエッチング時に照射イオンエネルギーにより物理的又は化学的な欠陥が生じて表面状態の劣化が起こり、レーザ損傷耐性の改善がほとんど得られない光学材料、例えば、フッ化カルシウム(CaF)や酸化アルミニウム(Al)等に適用するとより効果的である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
(Embodiment 1)
In the surface treatment method for an optical element according to the first embodiment of the present invention, first, an ion beam is irradiated to the optically polished surface, and the abrasive grains buried in the surface layer are removed. Furthermore, chemical etching is performed on the surface whose state has deteriorated due to the energy of the ion beam, and the deteriorated portion is removed. Here, the optical element is an element arranged in the optical path of the laser beam in the laser system, and examples thereof include a lens, a window material, a prism, a polarizer, a mirror substrate, a wavelength conversion element, and a Q switch. Examples of the material of the optical element include optical glass and ceramic materials used for lenses and the like, and nonlinear crystals used for wavelength conversion elements and Q switches. In the optical element surface treatment method according to the first embodiment, chemical etching is performed after ion etching, whereby the surface state deteriorated by ion etching can be improved and the laser damage resistance can be improved. Therefore, an optical material such as calcium fluoride (CaF 2 ) or oxidation that hardly causes improvement in laser damage resistance due to physical or chemical defects caused by irradiation ion energy during ion etching and deterioration of the surface state. It is more effective when applied to aluminum (Al 2 O 3 ) or the like.

本実施の形態1による光学素子の表面処理方法では、まず、イオンビームを照射すると表面状態が劣化するCaF、Al等の光学材料に対して、始めにイオンビームを照射して埋没している研磨砥粒を除去する。当然、イオンのエネルギーにより表面状態が劣化する。CaF結晶の場合は、その影響により透過率が低下する。レーザ損傷耐力は、表面処理を行わない光学研磨されたまま(以下、「未処理」という。)の場合に比べて低下するか、僅かに向上する。発明者が使用しているエネルギー領域では、イオンビームによる表面状態の劣化が数原子層程度ぐらいであることに着目し、ケミカルエッチングで僅かに表面を溶かすことによってイオンビームで劣化した数原子程度を除去する。この場合、ケミカルエッチングの処理が非常に短時間で済むために、表面状態の劣化は生じない。このケミカルエッチングの処理により、低下した透過率は未処理の時の状態に戻る。さらに、レーザ損傷耐力は、未処理の場合に比べて2倍まで向上する。 In the surface treatment method of an optical element according to the first embodiment, first, an ion beam is irradiated to an optical material such as CaF 2 or Al 2 O 3 whose surface state deteriorates when an ion beam is irradiated. Polishing abrasive grains are removed. Naturally, the surface state deteriorates due to the energy of ions. In the case of CaF 2 crystal, the transmittance decreases due to the influence. The laser damage resistance is reduced or slightly improved as compared to the case where the optical polishing is performed without surface treatment (hereinafter referred to as “untreated”). In the energy region used by the inventor, paying attention to the fact that the surface state deterioration by the ion beam is about several atomic layers, the chemical etching slightly melts the surface to reduce the number of atoms deteriorated by the ion beam. Remove. In this case, the chemical etching process can be performed in a very short time, so that the surface state does not deteriorate. Due to this chemical etching treatment, the reduced transmittance returns to the state of the untreated state. Furthermore, the laser damage resistance is improved up to twice that of the untreated case.

以下に、本実施の形態1による光学素子の表面処理方法について詳細に説明する。図1は、本発明の実施の形態1による光学素子の表面処理方法を説明するためのフローチャートである。図1に示されるように、まず、光学研磨された光学素子の表面にイオンビームを照射してイオンエッチングを行う(ステップS1)。これにより、光学素子の表層に埋没している研磨砥粒を除去することができる。イオンビームの加速電圧は、例えば、10eV〜1000eVである。このイオンエッチングにより、研磨砥粒が埋没した研磨不純物層が除去される。研磨不純物層の表面からの深さは、例えば、100nm〜1000nmである。   Hereinafter, the surface treatment method of the optical element according to the first embodiment will be described in detail. FIG. 1 is a flowchart for explaining a surface treatment method for an optical element according to Embodiment 1 of the present invention. As shown in FIG. 1, first, ion etching is performed by irradiating the surface of an optical element that has been optically polished with an ion beam (step S1). Thereby, the abrasive grains embedded in the surface layer of the optical element can be removed. The acceleration voltage of the ion beam is, for example, 10 eV to 1000 eV. By this ion etching, the polishing impurity layer in which the polishing abrasive grains are buried is removed. The depth from the surface of the polishing impurity layer is, for example, 100 nm to 1000 nm.

しかしながら、照射したイオンのエネルギーにより、化学的及び/又は物理的欠陥が生じて、その表面状態は劣化する。これにより、例えば、光学素子がCaFから成る場合、その光学素子の透過率は低下する。よって、イオンエッチングされた表面に対してケミカルエッチングを行い、その表面を溶かす(ステップS2)ことによって、イオンビームにより劣化した表面を除去する。その際、用いられるエッチング溶液は、光学素子の材料と反応する溶液であり、その光学素子の表面粗さや材料表面の組成などの表面状態を劣化させずに化学反応により0.1〜60nm程度の極表面層を除去することができる酸やアルカリ等の溶液である。例えば、光学素子が酸に可溶するCaFから成る場合、リン酸(HPO)等が用いられる。これは、塩酸や硫酸等の酸では濃度を極めて低くし長時間エッチングしなければ反応性が強すぎて表面状態の劣化が起こってしまうのに対し、リン酸は比較的高い濃度でも反応が極めて穏やかに進むためである。上述の表面処理方法により、光学素子の表面変質層を構成する研磨不純物層を除去することができる。 However, the energy of irradiated ions causes chemical and / or physical defects and deteriorates the surface state. Thereby, for example, when the optical element is made of CaF 2 , the transmittance of the optical element is lowered. Therefore, chemical etching is performed on the ion-etched surface, and the surface is melted (step S2), thereby removing the surface deteriorated by the ion beam. At that time, the etching solution used is a solution that reacts with the material of the optical element, and is about 0.1 to 60 nm by chemical reaction without deteriorating the surface state such as the surface roughness of the optical element and the composition of the material surface. It is a solution of acid or alkali that can remove the extreme surface layer. For example, when the optical element is made of CaF 2 soluble in acid, phosphoric acid (H 3 PO 4 ) or the like is used. This is because acid such as hydrochloric acid and sulfuric acid has a very low concentration, and if it is not etched for a long time, the reactivity is too strong and the surface state deteriorates. On the other hand, phosphoric acid has a very high reaction even at a relatively high concentration. The reason is to proceed gently. By the surface treatment method described above, the polishing impurity layer constituting the surface altered layer of the optical element can be removed.

以下に、上述の表面処理方法で処理した光学素子のレーザ損傷耐力の測定方法及び測定結果について説明する。図2は、レーザ損傷耐力の測定装置の構成例を示した図である。図2に示されるように、レーザ損傷耐力測定装置1は、Nd:YAGパルスレーザ2、CsLiB10(CLBO)結晶3、プリズム4、ビームダンパ(beam dumper)5、反射ミラー6、アテニュエータ7、パワーメータ8、及び短焦点レンズ9を備える。また、アテニュエータ7は、1/2波長板10、偏光子11、及びビームスプリッタ12を備える。CLBO結晶3は、レーザ光の波長を532nmから266nmに変換する波長変換素子であり、ビームダンパ5は、入射した波長1064nm及び532nmのレーザ光を遮断する素子であり、アテニュエータ7は、入射したレーザ光を減衰させる素子である。この測定装置1を用いて、Nd:YAGの第2高調波パルスレーザ(波長532nm)から出射したレーザ光を非線形光学結晶であるCLBO結晶3に照射して第4高調波である波長266nmのレーザ光を発生させ、その波長266nmのレーザ光を、アテニュエータ7を介して、例えば400mmの焦点距離を有する短焦点レンズ9で集光し、その集光したレーザ光を測定対象の光学素子13に照射する。ここで、光学素子13に対するレーザ光の照射は、そのレーザ光の強度をアテニュエータ7によって変化させつつ、その照射位置をずらしながら行う。具体的に、レーザ光の強度は、アテニュエータ7の1/2波長板10を回転させることによってレーザ光の偏光の向きを変えることにより変化させる。また、レーザ光の強度は、パワーメータ8によってモニタされる。これにより、レーザ照射が行われた後の光学素子の表面には、異なるレーザ強度で照射された複数の痕跡が存在する。 Below, the measurement method and measurement result of the laser damage tolerance of the optical element processed with the above-mentioned surface treatment method are demonstrated. FIG. 2 is a diagram showing a configuration example of a laser damage resistance measuring apparatus. As shown in FIG. 2, the laser damage tolerance measuring apparatus 1 includes an Nd: YAG pulse laser 2, a CsLiB 6 O 10 (CLBO) crystal 3, a prism 4, a beam damper 5, a reflection mirror 6, an attenuator 7, A power meter 8 and a short focus lens 9 are provided. The attenuator 7 includes a half-wave plate 10, a polarizer 11, and a beam splitter 12. The CLBO crystal 3 is a wavelength conversion element that converts the wavelength of laser light from 532 nm to 266 nm, the beam damper 5 is an element that blocks off incident laser light with wavelengths of 1064 nm and 532 nm, and the attenuator 7 is incident laser light. It is an element that attenuates. Using this measuring apparatus 1, a laser beam emitted from an Nd: YAG second harmonic pulse laser (wavelength 532 nm) is irradiated to the CLBO crystal 3 which is a nonlinear optical crystal, and a laser having a wavelength of 266 nm which is a fourth harmonic. The light is generated, and the laser light having a wavelength of 266 nm is condensed by the short focal lens 9 having a focal length of, for example, 400 mm via the attenuator 7, and the collected laser light is irradiated to the optical element 13 to be measured. To do. Here, the irradiation of the laser beam to the optical element 13 is performed while changing the irradiation position while changing the intensity of the laser beam by the attenuator 7. Specifically, the intensity of the laser beam is changed by changing the direction of polarization of the laser beam by rotating the half-wave plate 10 of the attenuator 7. The intensity of the laser beam is monitored by a power meter 8. Thereby, a plurality of traces irradiated with different laser intensities exist on the surface of the optical element after the laser irradiation.

その後、レーザ光が照射された光学素子の表面を、ノマルスキー顕微鏡により観察する。レーザ損傷が発生すれば損傷部分でプラズマの発光、及び表面に不可逆的な損傷痕が生じるため、その損傷痕の位置に対応するレーザ強度が、その光学素子に損傷を引き起こすレーザ強度の限界とみなせる。よって、その損傷が発生した時のレーザビームの入射エネルギー強度と、そのビーム径およびパルス幅とから単位面積及び単位時間当たりのレーザ強度を算出し、そのレーザ強度を損傷閾値とする。すなわち、レーザ損傷耐力は、算出した損傷閾値に比例するものであり、損傷閾値を用いて表すことができる。   Thereafter, the surface of the optical element irradiated with the laser light is observed with a Nomarski microscope. When laser damage occurs, plasma emission and irreversible damage marks occur on the damaged part, and the laser intensity corresponding to the position of the damage marks can be regarded as the limit of the laser intensity that causes damage to the optical element. . Therefore, the laser intensity per unit area and unit time is calculated from the incident energy intensity of the laser beam when the damage occurs, the beam diameter and the pulse width, and the laser intensity is used as the damage threshold. That is, the laser damage resistance is proportional to the calculated damage threshold, and can be expressed using the damage threshold.

図3は、本実施の形態1による表面処理方法を用いて、石英ガラスから成る光学素子、及びCaFから成る光学素子をそれぞれ処理した場合の各光学素子のレーザ損傷耐力の測定結果を示したグラフである。ここでは、高精度にその表面を光学研磨した大きさ40mmφの石英ガラスから成る光学素子、及びCaFから成る光学素子をそれぞれ準備し、各光学素子の光学研磨された表面に対して本実施の形態1による表面処理方法を用いて表面処理を行い、表面から100nmの深さまでエッチングを行って研磨不純物層を除去した。さらに、その表面処理後の表面に対して、図2に示された測定装置を用いて波長266nmの紫外レーザ光を照射し、レーザ損傷耐力を測定した。 FIG. 3 shows the measurement results of the laser damage resistance of each optical element when the optical element made of quartz glass and the optical element made of CaF 2 were respectively processed using the surface treatment method according to the first embodiment. It is a graph. Here, an optical element made of quartz glass having a size of 40 mmφ whose surface is optically polished with high accuracy and an optical element made of CaF 2 are prepared, and the optically polished surface of each optical element is subjected to the present embodiment. Surface treatment was performed using the surface treatment method according to mode 1, and etching was performed to a depth of 100 nm from the surface to remove the polishing impurity layer. Further, the surface after the surface treatment was irradiated with an ultraviolet laser beam having a wavelength of 266 nm using the measuring apparatus shown in FIG. 2, and the laser damage resistance was measured.

図3のグラフの縦軸は、光学研磨を行った後に表面処理を行わなかった未処理の場合の石英ガラスのレーザ損傷耐力を「1」とした場合のレーザ損傷耐力の相対値を示している。図3に示されるように、本実施の形態1による表面処理方法によって処理すると、石英ガラスから成る光学素子、及びCaFから成る光学素子のいずれについても、未処理の場合に比べて深紫外域でのレーザ損傷耐力を約2倍向上させることができた。さらに、CaFについては、本実施の形態1による表面処理方法、すなわち、イオンエッチングとケミカルエッチングとを組み合わせた方法によって表面を処理した場合と処理しなかった場合の他に、その表面に対してイオンエッチングのみを行った場合についてもレーザ損傷耐力を測定した。イオンエッチングのみを行った場合は、図3に示されるように、未処理の場合に比べてレーザ損傷耐力は大きいが、ケミカルエッチングを組み合わせた場合に比べてレーザ損傷耐力は小さくなることが明らかになった。すなわち、イオンエッチングとケミカルエッチングを組み合わせることにより、レーザ損傷耐力が飛躍的に向上することがわかった。 The vertical axis of the graph in FIG. 3 represents the relative value of the laser damage resistance when the laser damage resistance of the quartz glass is “1” when the surface treatment is not performed after optical polishing. . As shown in FIG. 3, when the surface treatment method according to the first embodiment is used, both the optical element made of quartz glass and the optical element made of CaF 2 are in the deep ultraviolet region as compared with the case of untreated. It was possible to improve the laser damage resistance at about 2 times. Further, for CaF 2 , in addition to the case where the surface is treated by the surface treatment method according to the first embodiment, that is, the method in which ion etching and chemical etching are combined, and the case where the surface is not treated, Laser damage resistance was also measured when only ion etching was performed. When only ion etching is performed, as shown in FIG. 3, it is clear that the laser damage resistance is larger than that of the unprocessed case, but the laser damage resistance is smaller than that of the case where chemical etching is combined. became. That is, it has been found that the laser damage resistance is dramatically improved by combining ion etching and chemical etching.

本実施の形態1による光学素子の表面処理方法では、まず、光学素子の研磨された表面に対してイオンエッチングを行うことにより研磨砥粒を除去し、その後、イオンエッチングされて劣化した表面をケミカルエッチングにより溶解して除去する。本実施の形態1による表面処理方法においては、イオンビームの照射によって生じる表面状態の劣化が光学素子表面の数個の原子に起因するものであるので、その数個程度の原子をケミカルエッチングで除去することにより表面状態の劣化を改善する。この場合、研磨不純物層全体をケミカルエッチングにより除去する従来の方法と比較して、ケミカルエッチングの処理が非常に短時間で済むために、表面状態の劣化はほとんど生じない。このケミカルエッチングにより、例えばCaFから成る光学素子の透過率は、イオンビームエッチングを行う前の状態に戻る。 In the surface treatment method for an optical element according to the first embodiment, first, the abrasive grains are removed by performing ion etching on the polished surface of the optical element, and then the surface deteriorated by ion etching is chemically treated. It is dissolved and removed by etching. In the surface treatment method according to the first embodiment, the deterioration of the surface state caused by the ion beam irradiation is caused by several atoms on the surface of the optical element. To improve the deterioration of the surface condition. In this case, compared with the conventional method in which the entire polishing impurity layer is removed by chemical etching, the chemical etching process can be performed in a very short time, so that the surface state hardly deteriorates. By this chemical etching, the transmittance of an optical element made of, for example, CaF 2 returns to the state before the ion beam etching is performed.

なお、光学素子における研磨不純物層の表面からの深さは、光学研磨の方法及び条件によって異なり、例えば超精密研磨を行ったときのように表面変質層がほとんど発生しない場合もある。そのような場合には、本実施の形態1による表面処理方法を用いてエッチングされる深さは、表面から100nm未満であってよい。例えば、図4は、CaFから成る光学素子に対してある方法により光学研磨を行った後、本実施の形態1による方法を用いて表面処理を行った場合の、エッチング深度とレーザ損傷耐力との関係を示したグラフである。このグラフの縦軸は、CaFから成る光学素子について、未処理の場合のレーザ損傷耐力を「1」とした場合のレーザ損傷耐力の相対値を示している。なお、イオンエッチングは、イオンビームの加速電圧を400eVに設定した。また、ケミカルエッチングは、リン酸をエッチング溶液として10分間行った。図4に示されるように、光学研磨された表面から40nmの深さまでエッチングを行うと、レーザ損傷耐力は未処理の場合に比べて2倍以上向上した。すなわち、光学研磨の方法及び条件によっては、本実施の形態1による処理方法を用いてエッチングされる深さが100nmに満たない場合であっても、レーザ損傷耐力を2倍程度向上させることができる。なお、図4における黒丸及び白丸は、光学素子を構成する結晶の(100)面及び(111)面に対して表面処理を行った場合の各表面のレーザ損傷耐力の測定結果をそれぞれ示している。また、図4に点線で示されるように、各エッチング深度に対応する相対値の平均値は、約2.2である。 Note that the depth from the surface of the polishing impurity layer in the optical element varies depending on the optical polishing method and conditions, and for example, the surface-modified layer may hardly occur as in the case of performing ultraprecision polishing. In such a case, the depth etched using the surface treatment method according to the first embodiment may be less than 100 nm from the surface. For example, FIG. 4 shows the etching depth and laser damage tolerance when optical polishing is performed on a CaF 2 optical element by a certain method and then surface treatment is performed by using the method according to the first embodiment. It is the graph which showed this relationship. The vertical axis of this graph represents the relative value of the laser damage resistance when the laser damage resistance when the optical element made of CaF 2 is unprocessed is set to “1”. In the ion etching, the acceleration voltage of the ion beam was set to 400 eV. Chemical etching was performed for 10 minutes using phosphoric acid as an etching solution. As shown in FIG. 4, when the etching was performed from the optically polished surface to a depth of 40 nm, the laser damage resistance was improved more than twice as compared with the case of no treatment. That is, depending on the optical polishing method and conditions, even if the depth etched using the processing method according to the first embodiment is less than 100 nm, the laser damage resistance can be improved by about twice. . Note that black circles and white circles in FIG. 4 indicate the measurement results of the laser damage resistance of each surface when the surface treatment is performed on the (100) plane and the (111) plane of the crystal constituting the optical element, respectively. . Further, as indicated by a dotted line in FIG. 4, the average relative value corresponding to each etching depth is about 2.2.

次に、ケミカルエッチングのエッチング深度とレーザ損傷耐力との関係について説明する。図5は、図4を用いて説明されたようにCaFから成る光学素子に対して本実施の形態1による方法を用いて表面処理を行った場合の、ケミカルエッチングのエッチング深度とレーザ損傷耐力との関係を示したグラフである。このグラフの横軸は、イオンエッチング後のケミカルエッチングにおけるエッチング深度を示しており、縦軸は、図4のグラフと縦軸と同様に、CaFから成る光学素子について、未処理の場合のレーザ損傷耐力を「1」とした場合のレーザ損傷耐力の相対値を示している。なお、ケミカルエッチングは、上述したように、リン酸をエッチング溶液として用いた。図5に示されるように、イオンエッチングされた表面から13Å(1.3nm)の深さまでエッチングを行うと、レーザ損傷耐力は、未処理の場合に比べて2倍以上向上した。すなわち、本実施の形態1による表面処理方法では、イオンエッチングによる表面状態の劣化が数原子層程度であり、その数原子層程度をケミカルエッチングにより除去すれば所望のレーザ損傷耐力が得られることがわかった。 Next, the relationship between the etching depth of chemical etching and the laser damage resistance will be described. FIG. 5 shows the etching depth and laser damage resistance of chemical etching when surface treatment is performed on the optical element made of CaF 2 using the method according to the first embodiment as described with reference to FIG. It is the graph which showed the relationship. The horizontal axis of this graph shows the etching depth in chemical etching after ion etching, and the vertical axis shows the laser in the case of an unprocessed optical element made of CaF 2 as in the graph and vertical axis of FIG. The relative value of the laser damage resistance when the damage resistance is "1" is shown. In the chemical etching, phosphoric acid was used as an etching solution as described above. As shown in FIG. 5, when the etching was performed from the ion-etched surface to a depth of 13 mm (1.3 nm), the laser damage resistance was improved more than twice as compared with the untreated case. That is, in the surface treatment method according to the first embodiment, the deterioration of the surface state due to ion etching is about several atomic layers, and if the several atomic layers are removed by chemical etching, a desired laser damage resistance can be obtained. all right.

なお、光学素子がCaFから成る場合、本実施の形態1による表面処理方法を用いても、未処理の場合と比べてその透過率が低下することはない。これは、イオンエッチングによって表面状態が劣化することにより低下した透過率が、その後のケミカルエッチングによって表面状態が改善されることにより向上するからである。図6は、CaFから成る光学素子に対して本実施の形態1による方法を用いて表面処理を行った場合の、イオンエッチング後及びケミカルエッチング後の光学素子の透過率の測定結果を示したグラフである。ここで、透過率の測定は、分光光度計を用いて行われた。グラフの横軸は、分光光度計によって光学素子に照射された光の波長を示し、縦軸は、各波長の光が照射された場合の透過率の測定結果を示している。また、図6において、実線Aは、イオンエッチング及びケミカルエッチングを行った後の透過率を示し、実線Bは、未処理の場合の透過率を示し、実線Cは、イオンエッチングのみを行った後、すなわちケミカルエッチングを行う前の透過率を示している。図6に示されるように、CaF結晶の透過率はイオンエッチングにより低下するが、その後のケミカルエッチングにより未処理の場合の透過率まで回復することがわかった。 In the case where the optical element is made of CaF 2 , even if the surface treatment method according to the first embodiment is used, the transmittance is not lowered as compared with the case where it is not treated. This is because the transmittance, which has been lowered by the deterioration of the surface state by ion etching, is improved by the improvement of the surface state by the subsequent chemical etching. FIG. 6 shows the measurement results of the transmittance of the optical element after ion etching and after chemical etching when surface treatment is performed on the optical element made of CaF 2 using the method according to the first embodiment. It is a graph. Here, the transmittance was measured using a spectrophotometer. The horizontal axis of the graph indicates the wavelength of light irradiated on the optical element by the spectrophotometer, and the vertical axis indicates the measurement result of the transmittance when the light of each wavelength is irradiated. In FIG. 6, solid line A indicates the transmittance after ion etching and chemical etching, solid line B indicates the transmittance when untreated, and solid line C indicates after ion etching only. That is, the transmittance before chemical etching is shown. As shown in FIG. 6, it was found that the transmittance of the CaF 2 crystal was lowered by ion etching, but was restored to the transmittance in the case of untreated by the subsequent chemical etching.

なお、石英ガラス及びCaFは、深紫外用光学材料として使用することができるので、本実施の形態1による表面処理方法を用いてその表面を処理すれば、深紫外域で高出力レーザ光を発生させる深紫外用レーザシステムへの応用が期待できる。 Since quartz glass and CaF 2 can be used as optical materials for deep ultraviolet, if the surface is treated using the surface treatment method according to the first embodiment, high-power laser light is emitted in the deep ultraviolet region. Application to the deep ultraviolet laser system is expected.

本発明の実施の形態1による光学素子の表面処理方法を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating the surface treatment method of the optical element by Embodiment 1 of this invention. レーザ損傷耐力の測定装置の構成例を示した図である。It is the figure which showed the structural example of the measuring apparatus of a laser damage tolerance. 本実施の形態1による表面処理方法を用いて光学素子の表面を処理した場合のレーザ損傷耐力の測定結果を示したグラフである。5 is a graph showing measurement results of laser damage resistance when the surface of an optical element is processed using the surface treatment method according to the first embodiment. CaFから成る光学素子に対して、本実施の形態1による方法を用いて表面処理を行った場合の、エッチング深度とレーザ損傷耐力との関係を示したグラフである。5 is a graph showing the relationship between etching depth and laser damage resistance when surface treatment is performed on the optical element made of CaF 2 using the method according to the first embodiment. CaFから成る光学素子に対して、本実施の形態1による方法を用いて表面処理を行った場合の、ケミカルエッチングにおけるエッチング深度とレーザ損傷耐力との関係を示したグラフである。5 is a graph showing the relationship between the etching depth in chemical etching and the laser damage resistance when surface treatment is performed on the optical element made of CaF 2 using the method according to the first embodiment. CaFから成る光学素子に対して、本実施の形態1による方法を用いて表面処理を行った場合の、イオンエッチング後及びケミカルエッチング後の光学素子の透過率の測定結果を示したグラフである。The optical element made of CaF 2,, is a graph showing the measurement results of the transmittance of the optical element after the ion etching and chemical etching in the case of performing a surface treatment using the method of the first embodiment . 表面変質層の状態を示した図である。It is the figure which showed the state of the surface alteration layer.

符号の説明Explanation of symbols

1 レーザ損傷耐力の測定装置
2 Nd:YAGパルスレーザ
3 CLBO結晶
4 プリズム
5 ビームダンパ
6 反射ミラー
7 アテニュエータ
8 パワーメータ
9 短焦点レンズ
10 1/2波長板
11 偏光子
12 ビームスプリッタ
13 光学素子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Laser damage tolerance measuring apparatus 2 Nd: YAG pulse laser 3 CLBO crystal 4 Prism 5 Beam damper 6 Reflecting mirror 7 Attenuator 8 Power meter 9 Short focus lens 10 1/2 wavelength plate 11 Polarizer 12 Beam splitter 13 Optical element

Claims (4)

光学研磨された光学素子の表面を処理する光学素子表面処理方法であって、
光学研磨された光学素子の表層に存在する、研磨砥粒が埋没した研磨不純物層を除去すべく、前記光学素子の表面にイオンビームを照射することによりエッチングを行うイオンエッチングステップと、
前記イオンビームのエネルギーにより状態が劣化した表面の劣化部分を除去すべく、前記イオンエッチングされた表面を、前記光学素子の材料と反応する所定の溶液に浸して溶解させることによりエッチングを行うケミカルエッチングステップと
を備えることを特徴とする光学素子表面処理方法。
An optical element surface treatment method for treating a surface of an optical element that has been optically polished,
An ion etching step in which etching is performed by irradiating the surface of the optical element with an ion beam in order to remove the polishing impurity layer embedded in the abrasive grains, which is present on the surface layer of the optically polished optical element ;
Chemical etching is performed by immersing and dissolving the ion-etched surface in a predetermined solution that reacts with the material of the optical element in order to remove the deteriorated portion of the surface that has deteriorated due to the energy of the ion beam. An optical element surface treatment method.
前記イオンエッチングステップにおいて前記光学素子がエッチングされる深さは、前記ケミカルエッチングステップにおいてエッチングされる深さよりも深いことを特徴とする請求項1に記載の光学素子表面処理方法。   The optical element surface treatment method according to claim 1, wherein a depth at which the optical element is etched in the ion etching step is deeper than a depth at which the optical element is etched in the chemical etching step. 前記研磨不純物層は、光学研磨された前記光学素子の表面から1000nm以下の深さまで存在することを特徴とする請求項に記載の光学素子表面処理方法。 The optical element surface treatment method according to claim 1 , wherein the polishing impurity layer is present to a depth of 1000 nm or less from the optically polished surface of the optical element. 前記光学素子は、石英ガラス、フッ化カルシウム、及び酸化アルミニウムのいずれかから成ることを特徴とする請求項1からのいずれかに記載の光学素子表面処理方法。 The optical element, the optical element surface processing method according to any one of claims 1 to 3, wherein quartz glass, calcium fluoride, and in that it consists either of aluminum oxide.
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