JP2000271764A - イオンビームエッチングによる光学素子表面の処理方法 - Google Patents

イオンビームエッチングによる光学素子表面の処理方法

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JP2000271764A
JP2000271764A JP11087306A JP8730699A JP2000271764A JP 2000271764 A JP2000271764 A JP 2000271764A JP 11087306 A JP11087306 A JP 11087306A JP 8730699 A JP8730699 A JP 8730699A JP 2000271764 A JP2000271764 A JP 2000271764A
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crystal
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laser
crystal optical
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Takatomo Sasaki
孝友 佐々木
Yusuke Mori
勇介 森
Mitsuhiro Tanaka
光弘 田中
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KOGAKU GIKEN KK
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KOGAKU GIKEN KK
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    • G02B1/10Optical coatings produced by application to, or surface treatment of, optical elements
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    • G02FOPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 光学素子のレーザー損傷を抑え、素子表面の
高レーザー耐力化、そして長寿命化を図り、信頼性の高
い光学素子を提供する。 【解決手段】 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。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この出願の発明は、イオンビ
ームエッチングによる光学素子表面の処理方法に関する
ものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、結晶
光学素子の表面レーザー損傷の発生を抑え、素子表面の
高レーザー耐力化、長寿命化等を図ることのできる、光
学素子表面の新しい処理方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術とその課題】レーザー光は、その波長の選
択によって、光通信、光コンピューター、さらにはレー
ザー加工等に利用されるものとして近年の先端技術の中
核を占めている手段の一つである。たとえばレーザー光
の波長は短波長ほどフォトン・エネルギーが大きいこと
から、集光性や物質との反応性に優れ、精密加工等に適
している。このような紫外レーザー光の発生技術並びに
これを利用した計測・加工技術は、製品の信頼性やエネ
ルギー利用の効率を高めることが可能な、21世紀の産
業基盤技術として大きな期待が寄せられている。
【0003】このようなレーザー光の利用において、非
線形光学結晶からなる波長変換素子が重要な役割を果た
すものとして知られており、たとえばこの出願の発明者
らが開発したCsLiB6 10(CLBO)やGdxY
1-x Ca4 O(BO3 3 (GdYCOB)は、優れた
波長変換特性を示す非線形光学結晶として注目されてい
る。
【0004】また、紫外レーザー光の高効率利用を可能
とするためには、ミラーやレンズなどのために、酸化
物、フッ化物をはじめとする新しい光学素子用の単結晶
が重要となってくる。しかしながら、従来、光学結晶の
素子の加工においては、結晶の表面に対して砥粒を用い
た機械的研磨を行っているため、研磨工程において砥粒
が表面から内部に埋め込まれ、それが原因でレーザー損
傷が発生し、その結果、光学素子の寿命が短くなるとい
う問題があった。このため、信頼性が重要視される産業
利用のためには、波長変換素子をはじめとする光学結晶
素子の表面の高レーザー耐力化、長寿命化を図るため
に、このような残留砥粒の存在に起因する問題を解決す
ることが強く求められていた。
【0005】だが、砥粒を用いる光学素子の製造加工に
おいては、砥粒が研磨表面から結晶内部に埋め込まれて
しまうことが避けられないため、高いレーザー耐力・長
寿命化を図るためには、結晶表面を平坦かつ清浄に保ち
ながら、しかも残留砥粒を効果的に除去することが必要
となる。そこで、このような課題に対し、この出願の発
明者らは、プラズマスパッタリング法により結晶の研磨
表面をエッチングし、残留砥粒を除去することを試みて
きた。だが、この方法では、エッチング速度が遅く、し
かもより重大なことは、プラズマエッチング中に表面に
不純物が付着し、かえってレーザー損傷の原因になると
いう不都合が生じることである。
【0006】この出願の発明は、以上のとおりの事情を
踏まえてなされたものであって、結晶光学素子のレーザ
ー損傷を抑え、素子表面の高レーザー耐力化、そして長
寿命化を図ることのできる、新しい光学素子表面の処理
方法を提供することを課題としている。
【0007】
【課題を解決するための手段】この出願の発明は、上記
の課題を解決するものとして、第1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、残
留砥粒を有する表層を除去することを特徴とするイオン
ビームエッチングによる光学素子表面の処理方法を提供
する。
【0008】また、この出願の発明は、第2には、結晶
光学素子が非線形光学結晶である前記の処理方法を、第
3には、結晶光学素子が、石英または無機フッ化物であ
る前記の処理方法を提供する。
【0009】
【発明の実施の形態】この出願の発明は上記のとおりの
特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態につい
て説明する。まず、この発明の方法において処理の対象
となる結晶光学素子は各種のものであってよいが、光技
術の中核となる非線形光学結晶としての前記CLBOや
GdYCOB等の波長変換素子、あるいは紫外レーザー
光の利用のためのミラーやレンズ等として有用な石英、
無機フッ化物(CaF2 等)などが代表的なものとして
例示される。そして、この発明においては、これらの結
晶光学素子が砥粒を用いて機械的(物理的)に研磨され
た表面を持つものが対象となる。
【0010】通常、これらの研磨表面を有する結晶光学
素子は、砥粒としてのZrO2 やCeO2 等の各種の粒
子物質が表面に付着したり、結晶の内部に、たとえば表
面から60nm程度埋め込まれた状態にある。そこで、
この出願の発明は、結晶光学素子の表面に対してイオン
ビームを照射して、砥粒物質が付着ないし埋め込まれて
いる結晶の表層をエッチングし、これらの砥粒物質を除
去することを特徴としている。
【0011】イオンビーム照射の操作条件については、
対象とする結晶の種類とその研磨された表面状態を考慮
して定めればよいが、たとえばイオンビームについて
は、一般的に例示すれば、真空室(1×10-4Torr
以上の真空度が適当とされる)において、アルゴン(A
r)等の不活性ガスをスパッタリングイオンとして用い
ることが考慮される。ガス圧は1×10-5Torr〜1
×10-4Torr程度でよい。また、イオンビーム電圧
も、たとえば200〜400V程度が考慮される。もち
ろん、これら例示に限定されることはない。具体的には
後述の実施例をも参照して条件設定することができる。
【0012】イオンビームエッチングによって、研磨表
面の砥粒は効果的に除去されることになる。しかも、こ
のイオンビームエッチングにおいては、結晶表面の平坦
性、そして清浄性が確保される。これによって、光学素
子の高レーザー耐力と長寿命化が図られることになる。
そこで以下に実施例を示し、さらに詳しくこの出願の発
明について説明する。もちろんこの発明は以下の例に限
定されることはない。
【0013】
【実施例】(被処理試料)次の2種の試料を用意した。 CLBO(CsLiB6 10); 10×10×3mm3 の大きさの結晶の(100)面を
ZrO2 砥粒を用いて研磨して、表面粗さ0.2〜0.
6nm rmsを有する研磨表面とした。 SiO2 (fused silica glass); 40φ×3mmの大きさの結晶を、CeO2 砥粒により
研磨し、表面粗さを0.4〜0.6nm rmsの研磨
表面とした。
【0014】以上の2種の結晶の研磨表面には、各々、
図1および図2に示したように、表面から深さ60nm
までの間に砥粒が埋め込まれていることがSIMSのZ
rおよびCe検出データにより確認された。(イオンビ
ームエッチング)次の条件において、前記の2種の試料
表面に対してイオンビームエッチングを行った。
【0015】 真空度(真空室):6.4×10-4Torr スパッタリングイオン:Ar(3.0×10-4Tor
r) 照射角 :45度 イオンビーム電圧:200〜400(V) 図3は、イオンビーム電圧とエッチング速度との関係を
例示したものである。およそ100nm程度の深さにま
で砥料残留があるとすると、この例のイオンビームエッ
チングでは、約1時間以下の処理で完全にこの残留層が
除去できることがわかる。
【0016】図4は、CLBOについて、処理前後の表
面の状態をAFM像として示したものであり、図5は、
同様にSiO2 について示したものである。イオンビー
ムエッチングにより平坦清浄表面が得られていることが
わかる。また、CLBOについては、(100)面が、
X線回折によっても変質していないことが確認された。
【0017】なお、比較のために、CLBOの表面に対
し、Ar(アルゴン)ガス圧2mTorrにおいて、r
fパワー100Wの条件でプラズマエッチングを行った
ところ、エッチング速度は10nm/hrと極めて遅か
った。rfパワーを300Wに増大すると、エッチング
速度は65nm/hrに上昇したが、CLBO表面は平
坦なものが得られなかった。
【0018】一方、SiO2 表面の場合には、Arガス
圧2mTorrで、rfパワー500Wのプラズマエッ
チングではエッチング速度は86.5nm/hrであ
り、SiO2 が比較的硬質であることから表面は平坦で
あった。しかし、プラズマエッチングにともなって表面
への不純物の混入が著しく、かえって、レーザー損傷を
生じさせる原因となった。(レーザー損傷の評価:CL
BO)機械的光学研磨を行ったCLBO結晶のレーザー
入出射面のエッチング時間を変えて、図6のシステムに
より、Nd:YAGレーザーの第4高調波(4ω)照射
実験を行った。
【0019】次の表1の条件のように、高出力の4ω光
(出力3W、繰り返し3kHz、パワー密度30MW/
cm2 )を照射させて表面のレーザー損傷を観察したと
ころ、図7のように、結晶表面をエッチングしていない
サンプルは20分以内でレーザーによる損傷が発生し
た。それに対し、表面から120nm深さまでエッチン
グしたサンプルは38分以上たってからやっと結晶表面
に損傷が認められた。
【0020】
【表1】
【0021】この結果から、イオンビームエッチング処
理によって、高繰り返しレーザーの場合で寿命が2倍以
上向上することが確認された。また、Nd:YAGレー
ザーの第3高調波(355nm)による表面レーザー損
傷しきい値を、図8のシステム(シングルショット)に
より観察した。pulsedurationは0.85nsとした。
【0022】図9は、その結果をエッチング深さ依存性
として示したものである。シングルショットの場合で
も、1.4〜2倍程度レーザー損傷しきい値が向上する
ことが確認された。(レーザー損傷の評価:SiO2
上記CLBOの場合と同様にして、表2の条件で、高繰
り返しレーザーの場合の寿命について評価した。また、
シングルショットのレーザー損傷しきい値についても評
価した。
【0023】その結果を図10および図11に示した。
【0024】
【表2】
【0025】高出力の4ω光(出力0.5W、繰り返し
4kHz、ビーム径1mmφレンズf=25mm)を照
射させて表面のレーザー損傷を観察したところ、結晶表
面をエッチングしていないサンプルは160分以内でレ
ーザーによる損傷が発生した。それに対し、表面から3
00nm深さまでエッチングしたサンプルは360分以
上たってからやっと結晶表面に損傷が認められた。
【0026】イオンビームによる研磨砥粒の除去は、光
学素子の長寿命化を達成するうえで重要な技術となるこ
とがわかる。また、シングルショットの場合でも、2倍
以上レーザー損傷しきい値が向上することがわかる。
【0027】
【発明の効果】以上詳しく説明したとおり、この出願の
発明によって、結晶光学素子のレーザー損傷を抑え、素
子表面の高レーザー耐力化、そして長寿命化を図ること
ができる。信頼性の高い光学素子を提供することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】CLBO研磨表面のZr砥粒の残存深さを例示
したSIMSスペクトル図である。
【図2】SiO2 研磨表面のCe砥粒への残存深さを例
示したSIMSスペクトル図である。
【図3】イオンビーム電圧とエッチング速度との関係を
例示した図である。
【図4】CLBOのイオンビームエッチング前後の表面
状態をAFM像として例示した図である。
【図5】SiO2 のイオンビームエッチング前後の表面
状態をAFM像として例示した図である。
【図6】CLBOの高繰り返しレーザー耐力の評価のた
めのシステム図である。
【図7】図6のシステムによる評価の結果を、寿命とエ
ッチング深さとの関係として例示した図である。
【図8】CLBOのシングルショットレーザー損傷しき
い値の評価のためのシステム図である。
【図9】図8のシステムによる評価の結果をエッチング
深さと損傷しきい値との関係として例示した図である。
【図10】SiO2 について、図7と同様の結果を例示
した図である。
【図11】SiO2 について、図9と同様の結果を示し
た図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 598058298 森 勇介 大阪府交野市私市8−16−9 (72)発明者 佐々木 孝友 大阪府吹田市山田西2−8 A9−310 (72)発明者 森 勇介 大阪府交野市私市8−16−9 (72)発明者 田中 光弘 神奈川県厚木市温水135番地 株式会社光 学技研内 Fターム(参考) 2K002 AB12 CA02 FA20 HA20 4E066 AA03 BA13 CB16

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 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、残留砥粒を有する表層を除去
    することを特徴とするイオンビームエッチングによる光
    学素子表面の処理方法。
  2. 【請求項2】 結晶光学素子が非線形光学結晶である請
    求項1の処理方法。
  3. 【請求項3】 結晶光学素子が、石英または無機フッ化
    物である請求項1処理方法。
JP11087306A 1999-03-29 1999-03-29 イオンビームエッチングによる光学素子表面の処理方法 Pending JP2000271764A (ja)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007072121A (ja) * 2005-09-06 2007-03-22 Okamoto Kogaku Kakosho:Kk 光学素子の表面処理方法
JP2009513995A (ja) * 2005-07-28 2009-04-02 ケーエルエー−テンカー テクノロジィース コーポレイション サブ213nm波長を生成するためのCLBOにおける非臨界位相整合

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JP2009513995A (ja) * 2005-07-28 2009-04-02 ケーエルエー−テンカー テクノロジィース コーポレイション サブ213nm波長を生成するためのCLBOにおける非臨界位相整合
JP2007072121A (ja) * 2005-09-06 2007-03-22 Okamoto Kogaku Kakosho:Kk 光学素子の表面処理方法

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