JP2004287273A - Reflective film - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a reflective film for which the flexibility of film design is widened and which is improved in laser damage resistance. <P>SOLUTION: The reflective film has one or more layers of optical thin films essentially composed of YAG (Y<SB>3</SB>Al<SB>5</SB>O<SB>12</SB>: yttrium aluminum garnet) deposited by using a crystalline body or sintered compact of, for example, YAG as a material for vapor deposition or a sputtering target. The fresh design by utilizing the refractive index of the YAG is possible with the reflective film. In addition, the design of the optical thin film is performed by using the optical thin film on the extreme surface side or on a substrate side by taking advantage of its characteristics, such as weatherability, hardness and laser damage resistance. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

例えば、レーザ共振器、レーザ反射鏡、レーザ素子等を対象とした単一波長に対する反射膜について光学薄膜を用いて設計するには、屈折率の異なる膜材料を少なくとも２種類以上用いて、光学的膜厚ｎｄ（ｎ：屈折率、ｄ：物理的膜厚）を４／λ（λ：設計中心波長）として、例えば、高屈折率層と低屈折率層を交互に積層すればよい。
【０００４】
そして、反射膜の設計中心波長λにおける反射率は、低屈折率層と高屈折率層の屈折率差と膜総数によって決定される。すなわち、この屈折率差が大きく、膜総数が多い反射膜ほど設計中心波長λにおける反射率は高くなる。
【０００５】
以下、低屈折率層としてＳｉＯ_２、高屈折率層としてＴａ_２Ｏ_５を用い、表２に示すように高屈折率層と低屈折率層を交互に２３層積層して成る従来例に係る反射膜の分光反射特性を図１に示す。
【０００６】
そして、図１のグラフ図から確認されるように、設計中心波長（λ＝１０６４ｎｍ）における反射率は、９９．９６％に達する。
【０００７】
【表２】

【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、高屈折率層と低屈折率層を交互に積層して構成される反射膜の設計中心波長λにおける反射率は、上述したように低屈折率層と高屈折率層の屈折率差と膜総数によって決定され、この屈折率差が大きく、膜総数が多い反射膜ほど設計中心波長λにおける反射率は高くなる。従って、屈折率差が大きい少なくとも２種類以上の膜材料を適用することで膜総数を減らすことも可能である。
【０００９】
しかしながら、高出力レーザに適用する反射膜については、膜総数を減らすために屈折率差の大きい膜材料を選択することは望ましくない。
【００１０】
例えば、可視域から近赤外域のレーザ反射鏡の低屈折率層にはレーザ損傷閾値が高いＳｉＯ_２を用いることが一般的であり、高屈折率層には、屈折率が高い順にＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＺｒＯ_２を用いる場合が多い。しかし、この屈折率が高い順にレーザ損傷閾値が低い欠点があった。
【００１１】
従って、レーザ損傷閾値が低い膜材料を用いて反射膜を構成した場合、高出力レーザにより反射膜がダメージを受けて、反射膜のみならず、反射膜が施されている素子そのものまでがダメージを受けて、その機器の本来の性能が発揮されなくなる問題点があった。
【００１２】
本発明はこのような問題点に着目してなされたもので、その課題とするところは、反射膜に適用できる新規な膜材料を提供して膜設計の自由度を広げると共に耐レーザ損傷性に優れた反射膜を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
すなわち、請求項１に係る発明は、
反射膜を前提とし、
ＹＡＧ（Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：イットリウムアルミニウムガーネット）を主成分とする光学薄膜を１層以上有することを特徴とし、
請求項２に係る発明は、
請求項１記載の発明に係る反射膜を前提とし、
レーザ共振器、レーザ反射鏡またはレーザ素子のいずれかに施されることを特徴とするものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１５】
本発明は、反射膜を構成する光学薄膜として、ＹＡＧ（Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：イットリウムアルミニウムガーネット）を主成分とする光学薄膜を新たに追加することで膜設計の自由度を広げると共に耐レーザ損傷性の向上を可能としている。
【００１６】
すなわち、ＹＡＧ（Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：イットリウムアルミニウムガーネット）はレーザ結晶として知られているように非常に硬度が高く、熱伝導率もよく、化学的にも安定で、透過波長域も約２５０〜５０００ｎｍと広く、さらに、光吸収も非常に少なく、耐レーザ損傷性も高いことから、本発明者等はＹＡＧのこれ等特性に着目して反射膜への応用を試み、上記課題を解決している。
【００１７】
そして、上述したＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＺｒＯ_２に代えてＹＡＧを適用し、低屈折率層としてのＳｉＯ_２と組み合わせることにより耐レーザ損傷性に優れた反射膜の提供を可能にしている。
【００１８】
但し、ＹＡＧの屈折率は１．８０で、高出力レーザ用反射鏡の高屈折率層に用いられるＴａ_２Ｏ_５の屈折率２．１０より小さいため、ＳｉＯ_２とＴａ_２Ｏ_５で構成した上記２３層の反射鏡と同じ反射率９９．９６％とするにはＳｉＯ_２とＹＡＧを交互に３９層以上積層する必要があるが、現在の成膜技術において３９層程度の蒸着は困難なことではない。
【００１９】
尚、ＹＡＧ（Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：イットリウムアルミニウムガーネット）を主成分とする光学薄膜については、ＹＡＧ（Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：イットリウムアルミニウムガーネット）の結晶体若しくは焼結体、または酸素欠損を有するＹＡＧ（Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２−Ｘ）の結晶体若しくは焼結体を蒸着材料若しくはスパッタターゲットとして成膜してもよいし、あるいは、Ｙ_２Ｏ_３（イットリア）とＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）の結晶体若しくは焼結体、または酸素欠損を有するイットリア（Ｙ_２Ｏ_３−Ｘ）と酸素欠損を有するアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３−Ｘ）の結晶体若しくは焼結体を蒸着材料若しくはスパッタターゲットとして成膜してもよい。
【００２０】
以下、ＹＡＧ（Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：イットリウムアルミニウムガーネット）を主成分とする光学薄膜が適用された本発明に係る反射膜について具体的に説明する。
【００２１】
すなわち、高屈折率層にＹＡＧを用い、低屈折率層にＳｉＯ_２を用いた３９層の本発明に係る反射膜の構成を表３〜表４に示し、かつ、この反射膜における分光反射特性を図２に示す。
【００２２】
【表３】

【００２３】
【表４】

【００２４】
【実施例】
以下、本発明の実施例について比較例を挙げて具体的に説明する。
【００２５】
まず、高屈折率層にＴａ_２Ｏ_５を用いた表２に示す比較例に係るＮｄ：ＹＡＧレーザ反射鏡（設計中心波長λ＝１０６４ｎｍ）と、高屈折率層にＹＡＧを用いた表３〜４に示す実施例に係るＮｄ：ＹＡＧレーザ反射鏡（設計中心波長λ＝１０６４ｎｍ）を実際に作製し、各Ｎｄ：ＹＡＧレーザ反射鏡の耐レーザ損傷性を比較した。
【００２６】
尚、実施例および比較例に係るＮｄ：ＹＡＧレーザ反射鏡の作製には、イオンアシスト電子ビーム蒸着法を用い、かつ、基板ガラスＢＫ７を２００℃に加熱し、成膜中には酸素を導入した。
【００２７】
そして、各Ｎｄ：ＹＡＧレーザ反射鏡の耐レーザ損傷性を比較するため、発振波長１０６４ｎｍ、パルス幅１０ｎｓのＮｄ：ＹＡＧレーザをレンズを用いて集光させ、そのパワー密度（Ｊ／ｃｍ^２）により損傷を受けるか受けないかを調べるレーザ損傷テストを各Ｎｄ：ＹＡＧレーザ反射鏡に対し実施した。
【００２８】
その結果、実施例に係るＮｄ：ＹＡＧレーザ反射鏡のレーザ損傷閾値は２０（Ｊ／ｃｍ^２）、比較例に係るＮｄ：ＹＡＧレーザ反射鏡のレーザ損傷閾値は１４（Ｊ／ｃｍ^２）であった。
【００２９】
そして、ＳｉＯ_２のレーザ損傷閾値は非常に高いので、実施例に係るＮｄ：ＹＡＧレーザ反射鏡のレーザ損傷閾値が、比較例に係るＮｄ：ＹＡＧレーザ反射鏡のレーザ損傷閾値より高い原因は、高屈折率層に用いているＴａ_２Ｏ_５とＹＡＧにおけるレーザ損傷閾値の差が反映しているものと考えられる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明に係る反射膜によれば、
ＹＡＧ（Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：イットリウムアルミニウムガーネット）を主成分とする光学薄膜を１層以上有するため以下のような顕著な効果を有する。
【００３１】
まず、ＹＡＧの屈折率を利用して新たな反射膜の設計が可能となり、かつ、ＹＡＧの光学薄膜が具備する耐候性、硬度、付着力等の特性を生かして今までにない特性を有した反射膜を得ることが可能となる効果を有する。
【００３２】
さらに、ＹＡＧの光学薄膜は耐レーザ損傷性にも優れているので、ＳｉＯ_２等と組み合わせることにより、耐レーザ損傷性に優れた反射膜を得ることができる効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来例に係る反射膜の分光反射特性を示すグラフ図。
【図２】本発明に係る反射膜の分光反射特性を示すグラフ図。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a reflection film formed of an optical thin film and applied to components such as a laser resonator, a laser reflector, and a laser element. In particular, the present invention expands the degree of freedom in film design and is excellent in laser damage resistance. The improvement of the reflective film.
[0002]
[Prior art]
This type of reflective film composed of an optical thin film has conventionally been constructed using typical film materials shown in Table 1 below.
[0003]
[Table 1]

For example, in order to design a reflective film for a single wavelength for a laser resonator, a laser reflecting mirror, a laser element, and the like using an optical thin film, at least two types of film materials having different refractive indexes are used. Assuming that the film thickness nd (n: refractive index, d: physical film thickness) is 4 / λ (λ: design center wavelength), for example, high refractive index layers and low refractive index layers may be alternately laminated.
[0004]
The reflectance at the design center wavelength λ of the reflective film is determined by the difference in refractive index between the low refractive index layer and the high refractive index layer and the total number of films. That is, the larger the total number of films, the larger the refractive index difference, and the higher the reflectance at the design center wavelength λ.
[0005]
Hereinafter, a conventional example in which SiO ₂ is used as the low refractive index layer, Ta ₂ O ₅ is used as the high refractive index layer, and 23 high refractive index layers and low refractive index layers are alternately stacked as shown in Table 2. FIG. 1 shows the spectral reflection characteristics of the reflection film.
[0006]
Then, as can be seen from the graph of FIG. 1, the reflectance at the design center wavelength (λ = 1064 nm) reaches 99.96%.
[0007]
[Table 2]

[0008]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, the reflectance at the design center wavelength λ of the reflective film formed by alternately laminating the high refractive index layer and the low refractive index layer is, as described above, the difference between the refractive index difference between the low refractive index layer and the high refractive index layer. The refractive index is determined by the total number of films, and the refractive index difference is large, and the reflection film at the design center wavelength λ increases as the number of films increases. Therefore, it is possible to reduce the total number of films by applying at least two types of film materials having a large difference in refractive index.
[0009]
However, for a reflective film applied to a high-power laser, it is not desirable to select a film material having a large refractive index difference in order to reduce the total number of films.
[0010]
For example, it is common to use SiO ₂ having a high laser damage threshold for the low refractive index layer of the laser reflector in the visible to near-infrared region, and for the high refractive index layer, TiO ₂ , Ta ₂ O ₅ and ZrO ₂ are often used. However, there was a drawback that the laser damage threshold was lower in the order of higher refractive index.
[0011]
Therefore, when a reflective film is formed using a film material having a low laser damage threshold, the reflective film is damaged by the high-power laser, and not only the reflective film but also the element itself to which the reflective film is applied is damaged. As a result, there is a problem that the original performance of the device is not exhibited.
[0012]
The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide a novel film material applicable to a reflective film to increase the degree of freedom in film design and improve laser damage resistance. It is to provide an excellent reflection film.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
That is, the invention according to claim 1 is
Assuming a reflective film,
It has one or more optical thin films containing YAG (Y ₃ Al ₅ O ₁₂ : yttrium aluminum garnet) as a main component,
The invention according to claim 2 is
Assuming the reflective film according to the invention of claim 1,
The present invention is characterized in that it is applied to any one of a laser resonator, a laser reflecting mirror, and a laser element.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
[0015]
According to the present invention, the degree of freedom in film design is increased and laser resistance is increased by newly adding an optical thin film mainly composed of YAG (Y ₃ Al ₅ O ₁₂ : yttrium aluminum garnet) as an optical thin film constituting a reflective film. The damageability can be improved.
[0016]
That is, YAG (Y ₃ Al ₅ O ₁₂ : yttrium aluminum garnet) has a very high hardness, a good thermal conductivity, is chemically stable, and has a transmission wavelength range of about 250 as known as a laser crystal. The present inventors have attempted to apply YAG to a reflective film by focusing on these characteristics of YAG, and have solved the above-mentioned problems. ing.
[0017]
Then, YAG is applied instead of TiO ₂ , Ta ₂ O ₅ , and ZrO ₂ described above, and it is possible to provide a reflective film having excellent laser damage resistance by combining with SiO ₂ as a low refractive index layer. .
[0018]
However, since the refractive index of YAG is 1.80, which is smaller than the refractive index 2.10 of Ta ₂ O ₅ used for the high refractive index layer of the high power laser reflecting mirror, it is composed of SiO ₂ and Ta ₂ O ₅ . It is necessary to alternately laminate 39 or more layers of SiO ₂ and YAG to achieve the same reflectance of 99.96% as that of the above-mentioned 23-layer reflector, but it is difficult to deposit about 39 layers with the current film forming technology. is not.
[0019]
The optical thin film containing YAG (Y ₃ Al ₅ O ₁₂ : yttrium aluminum garnet) as a main component may be a crystal or sintered body of YAG (Y ₃ Al ₅ O ₁₂ : yttrium aluminum garnet) or an oxygen deficiency. A crystal or sintered body of YAG (Y ₃ Al ₅ O _12-X ) may be formed as a deposition material or a sputtering target, or Y ₂ O ₃ (yttria) and Al ₂ O ₃ (alumina) ), Or a crystal or sintered body of yttria (Y ₂ O _3-X ) having oxygen deficiency and alumina (Al ₂ O _3-X ) having oxygen deficiency as a deposition material or a sputter target. It may be formed as a film.
[0020]
Hereinafter, a reflective film according to the present invention to which an optical thin film containing YAG (Y ₃ Al ₅ O ₁₂ : yttrium aluminum garnet) as a main component is applied will be specifically described.
[0021]
That is, Tables 3 and 4 show the structures of the 39 reflective films according to the present invention in which YAG is used for the high refractive index layer and SiO ₂ is used for the low refractive index layer, and the spectral reflection characteristics of this reflective film are shown in Tables 3 and 4. Is shown in FIG.
[0022]
[Table 3]

[0023]
[Table 4]

[0024]
【Example】
Hereinafter, examples of the present invention will be specifically described with reference to comparative examples.
[0025]
First, a Nd: YAG laser reflecting mirror (design center wavelength λ = 1064 nm) according to a comparative example shown in Table 2 using Ta ₂ O ₅ for the high refractive index layer, and Tables 3 to 5 using YAG for the high refractive index layer. Nd: YAG laser reflectors (design center wavelength λ = 1064 nm) according to the example shown in FIG. 4 were actually manufactured, and the laser damage resistance of each Nd: YAG laser reflector was compared.
[0026]
The Nd: YAG laser reflecting mirrors according to the examples and comparative examples were manufactured by using an ion-assisted electron beam evaporation method, heating the substrate glass BK7 to 200 ° C., and introducing oxygen during the film formation. .
[0027]
Then, in order to compare the laser damage resistance of each Nd: YAG laser reflector, an Nd: YAG laser having an oscillation wavelength of 1064 nm and a pulse width of 10 ns is condensed using a lens, and the power density (J / cm ² ) is used. A laser damage test was performed on each Nd: YAG laser reflector to determine if it was damaged or not.
[0028]
As a result, the laser damage threshold of the Nd: YAG laser reflector according to the example was 20 (J / cm ² ), and the laser damage threshold of the Nd: YAG laser reflector according to the comparative example was 14 (J / cm ² ). Was.
[0029]
Since the laser damage threshold of SiO ₂ is very high, the reason why the laser damage threshold of the Nd: YAG laser reflector according to the example is higher than the laser damage threshold of the Nd: YAG laser reflector according to the comparative example is high. It is considered that the difference in the laser damage threshold between Ta ₂ O ₅ and YAG used for the refractive index layer is reflected.
[0030]
【The invention's effect】
According to the reflective film of the present invention,
Since it has one or more optical thin films mainly composed of YAG (Y ₃ Al ₅ O ₁₂ : yttrium aluminum garnet), the following remarkable effects are obtained.
[0031]
First, it became possible to design a new reflective film using the refractive index of YAG, and it had unprecedented characteristics by making use of the characteristics of the optical thin film of YAG such as weather resistance, hardness, and adhesion. This has the effect that a reflective film can be obtained.
[0032]
Furthermore, since the optical thin film of YAG is also excellent in laser damage resistance, by combining it with SiO ₂ or the like, there is an effect that a reflective film having excellent laser damage resistance can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a graph showing a spectral reflection characteristic of a reflection film according to a conventional example.
FIG. 2 is a graph showing a spectral reflection characteristic of a reflection film according to the present invention.

Claims (2)

A reflection film comprising one or more optical thin films mainly composed of YAG (Y ₃ Al ₅ O ₁₂ : yttrium aluminum garnet). 2. The reflection film according to claim 1, wherein the reflection film is applied to any one of a laser resonator, a laser reflector, and a laser element.

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