JP2004287274A - 反射防止膜 - Google Patents
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Abstract
【課題】膜設計の自由度を広げることを可能にする反射防止膜を提供する。
【解決手段】この反射防止膜は、例えばＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：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を蒸着材料若しくはスパッタターゲットとして成膜されたＹＡＧ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する。そして、ＹＡＧの屈折率を利用して新たな反射防止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この膜を最表面側や基板側に用いて光学薄膜を設計することで今までにない特性を有した反射防止膜を得ることも可能となる。
【選択図】 なし
【解決手段】この反射防止膜は、例えばＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：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を蒸着材料若しくはスパッタターゲットとして成膜されたＹＡＧ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する。そして、ＹＡＧの屈折率を利用して新たな反射防止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この膜を最表面側や基板側に用いて光学薄膜を設計することで今までにない特性を有した反射防止膜を得ることも可能となる。
【選択図】 なし
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学薄膜により構成され、例えば、ファラデー回転子、固体レーザ素子、ガラスレーザ素子、セラミックレーザ素子、波長変換素子、カメラレンズ、眼鏡レンズなどの光学部品に適用される反射防止膜に係り、特に、膜設計の自由度を広げることを可能とする反射防止膜の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
【０００３】
【特許文献１】
特公平７−１１７６０３号公報（第３欄３８行〜第４欄１０行）
【特許文献２】
特開平４−３８８８５号公報（特許請求の範囲、第２頁右上欄８行〜１４行）
【非特許文献１】
「Ｔｈｉｎ−ｆｉｌｍ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｌｔｅｒｓ ２ｎｄ ｅｄｎ」（Ｈ．Ａ．Ｍａｃｌｅｏｄ， Ｂｒｉｓｔｏｌ Ａｄａｍ Ｈｉｌｇｅｒ Ｌｔｄ． Ｐ９５−１００， Ｐ１１８−１２２， １９８６）
【０００４】
光学薄膜により構成されるこの種の反射防止膜は、従来、以下の表１に示す代表的な膜材料を用いて構成されている。
【０００５】
【表１】
ところで、最も単純な反射防止膜は単層反射防止膜であるが、単層反射防止膜に用いる上記膜材料としては、以下の数式（Ｉ）で示される膜の屈折率（Ｎｆ）の条件を満足しなければならない。
【０００６】
Ｎｆ＝√（Ｎ０・Ｎｓ） （Ｉ）
但し、数式（Ｉ）中、Ｎ０は媒質の屈折率、Ｎｓは単層反射防止膜が施される基板の屈折率を示している。
【０００７】
そして、代表的な光学ガラスＢＫ７基板の屈折率は１．５２、石英基板の屈折率は１．４５程度であることから、空気中（Ｎ０＝１．００）で単層反射防止膜に適した屈折率を有する一般的な膜材料は存在しない（表１参照）。
【０００８】
そこで、従来、以下に示すような手法を採用した各種の反射防止膜が開発されている。
（１）コンポジット膜法による２層反射防止膜
コンポジット膜法［非特許文献１のｐ９５−１００参照］を適用することで、ある数値範囲の基板屈折率に対する２層反射防止膜の設計が可能になる。
【０００９】
但し、この２層反射防止膜を高出力レーザ用として適用する場合、耐レーザ損傷の高い膜材料を用いて反射防止膜を設計する必要がある。そして、耐レーザ損傷性の高い膜材料は、一般的にＳｉＯ２とＡｌ２Ｏ３である。
【００１０】
ところで、コンポジット膜法は、膜材料の屈折率により理論的に反射率がゼロとなる基板の屈折率の上限が以下の数式（ＩＩ）に示すように決まっている。
【００１１】
Ｎｓ＜Ｎ０・（Ｎ２／Ｎ１）２ 数式（ＩＩ）
但し、数式（ＩＩ）中、Ｎ０は媒質の屈折率、Ｎｓは反射防止膜が施される基板の屈折率、Ｎ１は膜材料の媒質側層の屈折率、Ｎ２は膜材料の基板側層の屈折率を示している。
【００１２】
そして、ＳｉＯ２とＡｌ２Ｏ３の膜材料を用いてコンポジット膜法による２層反射防止膜が設計できる基板の屈折率は上記数式（ＩＩ）から１．２３までである。
【００１３】
従って、コンポジット膜法を用いて代表的な光学ガラスＢＫ７基板や石英基板についてその反射率をゼロにする膜設計は困難であった（表１参照）。
【００１４】
尚、このコンポジット膜法を採用して光学ガラスＢＫ７と石英基板に適用する反射防止膜の反射率が最も小さくなるように設計した膜構成について、その具体例を以下の表２と表３に示し、かつ、それぞれの反射防止膜における分光反射率を図１と図２に示す。
【００１５】
そして、図１と図２に示すグラフ図から、反射率をゼロにすることが困難であることが確認される。
【００１６】
【表２】
【００１７】
【表３】
（２）３層反射防止膜
次に、反射率をゼロに近づける手法として、各層の光学的膜厚がλ／４（λは設計中心波長である）の３層反射防止膜が開発されている。
【００１８】
そして、各層の光学的膜厚がλ／４の３層反射防止膜を構成するには、以下の数式（ＩＩＩ）の屈折率条件を満足しなければならない。
【００１９】
Ｎ１・Ｎ３＝Ｎ２√（Ｎ０・Ｎｓ） 数式（ＩＩＩ）
但し、数式（ＩＩＩ）中、Ｎ０は媒質の屈折率、Ｎｓは反射防止膜が施される基板の屈折率、Ｎ１は媒質側から第１層目の膜材料屈折率、Ｎ２は媒質側から第２層目の膜材料屈折率、Ｎ３は媒質側から第３層目の膜材料屈折率を示している。
【００２０】
ところで、この３層反射防止膜を採用して、例えば、高出力レーザ用の反射防止膜あるいは長期信頼性が要求される光通信用部品の反射防止膜を設計する場合、表１に示した全ての膜材料を使用することはできず、耐レーザ損傷性が高く、耐候性に優れた膜材料、具体的には、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５等の膜材料で構成することが望ましい。
【００２１】
そして、３層反射防止膜のＮ１あるいはＮ２の膜材料に、耐レーザ損傷性の高いＳｉＯ２あるいはＴａ２Ｏ５を用いた場合、最も一般的な光学ガラスＢＫ７（屈折率：１．５２）に対するＮ３の屈折率は数式（ＩＩＩ）から１．８０になる。
【００２２】
しかし、代表的な蒸着物質でその屈折率が１．８０の材料は、表１に示すように存在しない。
【００２３】
そこで、表４に示すように、屈折率Ｎ３の膜材料として、屈折率が１．８５のＹ２Ｏ３を用いた膜構成では、図３に示すように設計中心波長における理論的な残留反射率は約０．０８％になってしまう。
【００２４】
また、表５に示すように、屈折率Ｎ３の膜材料として、屈折率が１．６０のＡｌ２Ｏ３を用いた膜構成では、図４に示すよう設計中心波長における理論的な残留反射率は約１．３５％になってしまう。
【００２５】
従って、高出力レーザ用の反射防止膜あるいは長期信頼性が要求される光通信用部品の反射防止膜を設計する場合、反射率をゼロにする３層反射防止膜は現実には困難であった。
【００２６】
【表４】
【００２７】
【表５】
（３）ファラデー回転子の反射防止膜
次に、光通信の光アイソレータに適用されるビスマス置換磁性ガーネット膜から成るファラデー回転子を対象とした反射防止膜としては、例えば、特許文献１に記載されているような３層等価膜法により表６に示すような膜構成にすることで、図５に示すような目的の分光反射特性を得ている。
【００２８】
ここで、３層等価膜法とは、非特許文献１のｐ１１８−１２２に述べられているように、２種類の屈折率が異なる層ＡおよびＢを用いて、Ａ−Ｂ−ＡまたはＢ−Ａ−Ｂなる３層より成る膜を形成し、ＡおよびＢの中間的屈折率を有する膜となす手法である。すなわち、低屈折率層Ａの屈折率をｎＡ、高屈折率層Ｂの屈折率をｎＢとし、目的とする屈折率をｎＥとする。但し、得られる３層等価膜は、Ａ−Ｂ−Ａなる構造を有し、「ｎＡ＜ｎＥ＜ｎＢ」である。１層目と３層目の「光学的膜厚ｎＡｄＡ」（但し、ｄＡは低屈折率層Ａの物理的膜厚）と、２層目の「光学的膜厚ｎＢｄＢ」（但し、ｄＢは低屈折率層Ｂの物理的膜厚）は下記数式（１）〜（３）で示すことができる。
【００２９】
【数１】
（但し、ｎＡｄＡ／λ＝δＡ／２π、ｎＢｄＢ／λ＝δＢ／２πであり、かつ、λは設計中心波長である）
【００３０】
【表６】
尚、高屈折率層Ｂには、表６に示されたＡｌ２Ｏ３以外に、Ｙ２Ｏ３やＴａ２Ｏ５等を用いる場合もある。また、成膜には真空蒸着法やスパッタ法を用い、付着力や耐候性等高めるために成膜中にイオンアシストを行うこともある。
（４）レーザ素子の反射防止膜
次に、溶接、切断や医療用に用いるＮｄ：ＹＡＧレーザシステムのＹＡＧロッドに対する反射防止膜は、ＭｇＦ２の単層反射防止膜、あるいは、特許文献２に記載されているように、反射防止膜が５層でその最表面側（媒質側）と基板側を除く中間層が３層等価膜法により設計された、例えば、表７に示すような膜構成にすることで、図６に示すような目的の分光反射特性を得ている。
【００３１】
【表７】
尚、表７には「ＳｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３／ＳｉＯ２」から成る３層構造の反射防止膜が記載され形式的には５層反射防止膜になっていないが、最表面側（媒質側）第１層と中間層の第１層側層が共にＳｉＯ２で構成され、また、基板側第３層と中間層の第３層側層が共にＳｉＯ２で構成されていることによる。すなわち、表７に示された５層反射防止膜は「ＳｉＯ２（第１層）／ＳｉＯ２（中間第２層）／Ａｌ２Ｏ３（中間第２層）／ＳｉＯ２（中間第２層）／ＳｉＯ２（第３層）」なる膜構成を有し、媒質側から第２番目、第３番目、第４番目の３層で構成される中間層が３層等価膜法により設計されている。
【００３２】
また、上記中間層における高屈折率層Ｂには、表７に示されたＡｌ２Ｏ３以外に、Ｙ２Ｏ３やＴａ２Ｏ５等を用いる場合もある。また、成膜には真空蒸着法やスパッタ法を用い、付着力や耐候性等高めるために成膜中にイオンアシストを行うこともある。
（５）可視域反射防止膜
次に、ガラスの可視域反射防止膜は、表８に示すような膜構成にすることで、図７に示すような目的の分光反射特性を得ていた。
【００３３】
尚、高屈折率層にはＺｒＯ２以外にもＴｉＯ２やＴａ２Ｏ５等を用いる場合もある。また、成膜には真空蒸着法やスパッタ法を用い、付着力や耐候性等高めるために成膜中にイオンアシストを行うこともある。
【００３４】
【表８】
【００３５】
【発明が解決しようとする課題】
このように光学薄膜により構成される反射防止膜を設計する場合、必要とする屈折率の膜材料を選択することはもちろん、高出力レーザに用いるには膜材料の耐レーザ損傷性等、光通信に用いるには耐候性等も重要な要素となる。
【００３６】
例えば、１つの反射防止膜を設計するには、反射防止膜を施す基板の屈折率を考慮して屈折率の異なる膜材料を少なくとも２種類以上選択し、選択された膜材料を用いて目的とする反射防止膜を構成する。
【００３７】
そして、最小限の膜総数で目的の反射防止膜を構成するためには、反射防止膜を構成する各層に必要とする屈折率の膜材料を適用する必要がある。
【００３８】
もし、必要とする屈折率を有する膜材料が存在しない場合は、少なくとも２層以上の光学薄膜を用いて等価な膜を設計（例えば、３層等価膜法）して用いることになる。
【００３９】
従って、利用可能な屈折率を有する膜材料の種類が多いほど、反射防止膜における設計自由度を広げることができる。また、２種類の膜材料を用いて反射防止膜を設計する場合、各膜材料の屈折率差が大きい程設計に自由度が広がる。
【００４０】
しかし、使用波長において目的とする屈折率に近く、かつ、使用波長において透過率の高い膜材料が選択された場合でも、用途によっては利用できないことがある。
【００４１】
例えば、海底ケーブルの光通信に使用する反射防止膜は、長期信頼性が必要とされるので高温高湿に耐える膜材料を用いた光学薄膜で構成することを要する。また、高出力レーザに用いる反射防止膜は、レーザダメージの閾値が高い膜材料を用いた光学薄膜で構成しなくてはならない。
【００４２】
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、光学薄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ことを可能とする反射防止膜を提供することにある。
【００４３】
【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、
反射防止膜を前提とし、
ＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：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するものである。
【００４４】
次に、請求項２に係る発明は、
請求項１記載の発明に係る反射防止膜を前提とし、
コンポジット膜法により設計された２層反射防止膜であることを特徴とし、
請求項３に係る発明は、
請求項１記載の発明に係る反射防止膜を前提とし、
各層の光学的膜厚がλ／４（λ：設計中心波長）である３層反射防止膜であることを特徴とし、
請求項４に係る発明は、
請求項１記載の発明に係る反射防止膜を前提とし、
反射防止膜を施す基板がビスマス置換磁性ガーネット膜から成るファラデー回転子であり、かつ、上記反射防止膜が３層で３層等価膜法により設計されていることを特徴とし、
請求項５に係る発明は、
請求項３または４記載の発明に係る反射防止膜を前提とし、
３層の反射防止膜における最表面側（媒質側）層が、ＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：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で構成されていることを特徴とするものである。
【００４５】
次に、請求項６に係る発明は、
請求項１記載の発明に係る反射防止膜を前提とし、
反射防止膜を施す基板が、固体レーザ素子、ガラスレーザ素子、セラミックレーザ素子および波長変換素子から選択されるいずれか１種の素子であり、かつ、上記反射防止膜が５層でその最表面側（媒質側）と基板側を除く中間層が３層等価膜法により設計されていることを特徴とし、
請求項７に係る発明は、
請求項６記載の発明に係る反射防止膜を前提とし、
５層の反射防止膜における最表面側（媒質側）層が、ＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：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で構成されていることを特徴とし、
請求項８に係る発明は、
請求項１記載の発明に係る反射防止膜を前提とし、
単層若しくは多層の光学薄膜で構成され、かつ、カメラレンズまたは眼鏡レンズに施す可視域反射防止膜の機能を有することを特徴とし、
また、請求項９に係る発明は、
請求項８記載の発明に係る反射防止膜を前提とし、
上記単層の光学薄膜または上記多層の光学薄膜における最表面側（媒質側）層が、ＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：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で構成されていることを特徴とするものである。
【００４６】
【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。
【００４７】
本発明は、反射防止膜を構成する光学薄膜として、ＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：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ことを可能としている。
【００４８】
すなわち、ＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：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防止膜への応用を試み、上記課題を解決している。
【００４９】
また、ＹＡＧの屈折率は１．８０で、耐レーザ損傷性が高く、硬度の高い膜として知られている屈折率１．６０の上記Ａｌ２Ｏ３よりも屈折率が大きいため、屈折率１．４４のＳｉＯ２と組合わせて反射防止膜を設計した場合、屈折率の差が大きいことから膜設計の自由度を広げることを可能とする。
【００５０】
すなわち、ＳｉＯ２の光学薄膜とＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：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組み合わせることで、上述したＳｉＯ２とＡｌ２Ｏ３の組み合わせでは実現できなかった膜層数で反射防止膜の反射率をほとんどゼロにすることを可能にしたり、反射防止膜の膜層数を減らすことを可能とする。
【００５１】
尚、ＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：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（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：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（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２−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、Ｙ２Ｏ３（イットリア）とＡｌ２Ｏ３（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（Ｙ２Ｏ３−Ｘ）と酸素欠損を有するアルミナ（Ａｌ２Ｏ３−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。
【００５２】
以下、ＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：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各種反射防止膜について具体的に説明する。
（１）コンポジット膜法による２層反射防止膜
コンポジット膜法は、上述したように膜材料の屈折率により理論的に反射率がゼロとなる基板の屈折率の上限が数式（ＩＩ）に示すように決まっている。
【００５３】
Ｎｓ＜Ｎ０・（Ｎ２／Ｎ１）２ 数式（ＩＩ）
そして、ＳｉＯ２とＡｌ２Ｏ３の膜材料を用いてコンポジット膜法による２層反射防止膜が設計できる基板の屈折率は上記数式（ＩＩ）から１．２３まででまであったが、ＳｉＯ２と屈折率１．８０のＹＡＧを膜材料にして成膜した光学薄膜を用いることで、コンポジット膜法により反射率がゼロになる基板の屈折率の上限は上記数式（ＩＩ）から１．５６になる。
【００５４】
従って、本発明により、光学ガラスＢＫ７や石英の反射率をゼロにする２層反射防止膜の設計が可能となる。
【００５５】
表９と表１０にはそれぞれＳｉＯ２とＹＡＧを用いて、コンポジット膜法により設計した２層反射防止膜の膜構成を示し、かつ、それぞれの反射防止膜における分光反射特性を図８と図９に示す。
【００５６】
【表９】
【００５７】
【表１０】
（２）３層反射防止膜
ＳｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５とＹＡＧ、あるいはＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３とＹＡＧを用いて、屈折率１．５２のガラス（ＢＫ７）基板および屈折率１．６４のガラス（ＢＡＣＤ１８）基板に対する各層の光学的膜厚がλ／４の３層反射防止膜について、以下の数式（ＩＩＩ）により設計した３層反射防止膜の膜構成を表１１、表１２、表１３にはそれぞれ示すと共に、それぞれの３層反射防止膜における分光反射特性を図１０、図１１、図１２に示す。
【００５８】
Ｎ１・Ｎ３＝Ｎ２√（Ｎ０・Ｎｓ） 数式（ＩＩＩ）
これらの３層反射防止膜の設計中心波長における理論的な残留反射率は、０．０１％以下である。
【００５９】
【表１１】
【００６０】
【表１２】
【００６１】
【表１３】
（３）ファラデー回転子の反射防止膜
高屈折率層にＹＡＧを用い、低屈折率層にＳｉＯ２を用いた３層等価膜法によるファラデー回転子の反射防止膜の構成を表１４に示し、かつ、この反射防止膜における分光反射特性を図１３に示す。
【００６２】
【表１４】
また、耐候性、付着力と擦傷性を考慮して、最表面側層（媒質側）と基板側層に高屈折率層としてのＹＡＧを用い、低屈折率層にＳｉＯ２を用いた３層等価膜法によるファラデー回転子の反射防止膜の構成を表１５に示し、かつ、この反射防止膜における分光反射特性を図１４に示す。
【００６３】
【表１５】
（４）レーザ素子の反射防止膜
高屈折率層にＹＡＧを用い低屈折率層にＳｉＯ２を用いた３層等価膜法による中間層（第２層）と、ＳｉＯ２から成る第１層と第３層とで構成され、ＹＡＧロッドを基板とするレーザ素子の５層反射防止膜の構成を表１６に示し、かつ、この反射防止膜における分光反射特性を図１５に示す。
【００６４】
すなわち、表１６に示された５層反射防止膜は「ＳｉＯ２（第１層）／ＳｉＯ２（中間第２層）／ＹＡＧ（中間第２層）／ＳｉＯ２（中間第２層）／ＳｉＯ２（第３層）」なる膜構成を有し、媒質側から第２番目、第３番目、第４番目の３層で構成される中間層（第２層）が３層等価膜法により設計されている。
【００６５】
【表１６】
また、付着力を高めるため基板側層にアンダーコート層として光学的膜厚λ／２のＹＡＧ（第４層）を追加したＹＡＧロッドを基板とするレーザ素子の６層反射防止膜の構成を表１７に示し、かつ、この反射防止膜における分光反射特性を図１６に示す。
【００６６】
すなわち、表１７に示された６層反射防止膜は「ＳｉＯ２（第１層）／ＳｉＯ２（中間第２層）／ＹＡＧ（中間第２層）／ＳｉＯ２（中間第２層）／ＳｉＯ２（第３層）／ＹＡＧ（第４層）」なる膜構成を有し、媒質側から第２番目、第３番目、第４番目の３層で構成される中間層（第２層）が３層等価膜法により設計されている。
【００６７】
【表１７】
（５）可視域反射防止膜
高屈折率層にＹＡＧを用いたガラスに対する４層可視域反射防止膜の膜構成を表１８に示し、この４層可視域反射防止膜の分光反射特性を図１７に示す。
【００６８】
【表１８】
また、高屈折率層にＹＡＧを用いたガラスに対する５層可視域反射防止膜の膜構成を表１９に示し、この５層可視域反射防止膜の分光反射特性を図１８に示す。
【００６９】
【表１９】
また、高屈折率層にＹＡＧを用い、さらに、耐候性と擦傷性を考慮して最表面側層（媒質側）と基板側層にＹＡＧを用いたガラスに対する５層可視域反射防止膜の膜構成を表２０に示し、この５層可視域反射防止膜の分光反射特性を図１９に示す。
【００７０】
【表２０】
また、高屈折率層にＹＡＧを用い、さらに、耐候性と擦傷性を考慮して最表面側層（媒質側）と基板側層にＹＡＧを用いたガラスに対する３層可視域反射防止膜の膜構成を表２１に示し、この５層可視域反射防止膜の分光反射特性を図２０に示す。
【００７１】
【表２１】
【００７２】
【実施例】
以下、本発明の実施例について具体的に説明する。
【００７３】
尚、実施例では、ＹＡＧと他の膜材料を比較すると共に、本発明に係る反射防止膜の各種特性を、従来の反射防止膜の特性と比較する。
【００７４】
膜材料にはＹＡＧ組成の焼結体とＹＡＧ結晶を用い、電子ビーム蒸着法とマグネトロンスパッタ法により成膜を行った。成膜中には、膜に酸素が不足して光吸収が増加しないように、どちらもＹＡＧ薄膜の成膜中には酸素を導入した。
【００７５】
このように成膜したＹＡＧ薄膜の屈折率は約１．８０であり、Ａｌ２Ｏ３の１．６０より高く、Ｙ２Ｏ３の１．８５より低かった。
【００７６】
次に、これ等膜材料を用いて成膜した光学薄膜の各種特性を調べるため、以下のテストを行い、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、Ｔａ２Ｏ５を膜材料にして成膜した光学薄膜と相対的に比較した。尚、結果を表２２に示す。
【００７７】
耐候性（ＰＣＴプレッシャークッカ − テスト）
温度１０５℃、湿度１００％、２気圧で５００時間経過後、ピンホールからの水分の浸透によるシミの広がりを５０倍の顕微鏡で観察する。
【００７８】
尚、表２２において、良好を「○」、不良を「×」、その中間を「△」にて示す。
【００７９】
擦傷性
２ｋｇの加重をかけたスチールウールで１０回往復擦り、傷を観察する。
【００８０】
尚、表２２において、傷なしを「○」、傷が多を「×」、その中間を「△」にて示す。
【００８１】
付着力
接着剤（エポキシ接着剤）を用いて光学薄膜表面に引っ張り試験治具（丸棒）を固定し、基板と膜界面から剥がれるまで引っ張り試験機により引っ張り、その引っ張り力の相対強度を比較する。
【００８２】
尚、表２２において、付着力が強い場合を「○」、付着力が弱い場合を「×」、その中間を「△」にて示す。
【００８３】
レーザ損傷閾値
Ｎｄ：ＹＡＧレーザにおける第２高調波の波長：５３２ｎｍ、パルス幅：８ｎｓのレーザをレンズを用いて集光させ、どの程度のパワー密度（Ｊ／ｃｍ２）まで損傷を受けないかを調べる。
【００８４】
尚、表２２において、レーザ損傷閾値が比較的高い場合を「○」、レーザ損傷閾値が比較的低い場合を「×」、その中間を「△」にて示す。また、レーザ損傷閾値が極めて高い場合を「◎」にて示す。
【００８５】
【表２２】
『比較試験結果』
１．表２２「耐候性」の欄に示された結果から確認されるように、ＹＡＧは、ＺｒＯ２やＴａ２Ｏ５を膜材料として成膜した光学薄膜よりピンホールからの水分の浸透によるシミの広がりが少なかった。
【００８６】
ＹＡＧはグレインサイズが細かく緻密なため、耐候性（耐湿性）が高いと考えられる。
２．表２２「擦傷性」の欄に示された結果から確認されるように、ＹＡＧは従来ハードコートに用いられていたＳｉＯ２を膜材料として成膜した光学薄膜よりも明らかに優れていた。
３．表２２「付着力」の欄に示された結果から確認されるように、基板がガラスの場合、ＹＡＧおよびＳｉＯ２を膜材料にして成膜した膜で良好な付着力が得られているが、基板がＹＡＧ結晶の場合、基板側層がＹＡＧの方が良好な付着力を得ることができる。
４．表２２「レーザ損傷閾値」の欄に示された結果から確認されるように、ＹＡＧは、ＹＡＧ結晶がレーザ結晶に使用されているように光吸収が少なく、酸化物系の薄膜の中ではＳｉＯ２膜の次にレーザ損傷閾値が高い。
【００８７】
この比較試験結果から以下のことが理解される。
【００８８】
まず、ＹＡＧ膜を光学薄膜に用いることで、この屈折率を利用して新たな反射防止膜の設計が可能になり、また、ＹＡＧを膜材料にして成膜した膜が耐候性、硬度、付着力に優れている特性を生かして、この膜を最表面側や基板側に用いて光学薄膜を設計することで、今までにない特性を有した光学薄膜を成膜することができる。
【００８９】
さらに、ＹＡＧ膜は耐レーザ損傷性にも優れているので、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３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防止膜を得ることができる。
【００９０】
以下、実施例に係る個々の反射防止膜（膜構成の詳細は実施の形態欄参照）について、従来の反射防止膜より優れている点を具体的に説明する。
（２）３層反射防止膜
ＳｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５とＹＡＧを用い、屈折率１．５２のガラス（ＢＫ７）基板に対して形成した各層の光学的膜厚がλ／４の実施例に係る３層反射防止膜（表１２参照）については、最表面層がＹＡＧのため、上記ＹＡＧ単層と同様に耐候性に優れ、擦傷性にも優れていた。
（３）ファラデー回転子の反射防止膜
ＹＡＧが適用された実施例に係るファラデー回転子の反射防止膜（表１４参照）は、従来の反射防止膜（表６の「ＳｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３／ＳｉＯ２」）よりも耐候性に優れていた。
【００９１】
これは、ＹＡＧの上述したグレインサイズが小さいことに加えて、ＹＡＧは、Ａｌ２Ｏ３より屈折率が高いので光学的膜厚を約１／２にすることが起因していると考えられる。
【００９２】
さらに、最表面層と基板側層にＹＡＧを用いた実施例に係るファラデー回転子の反射防止膜（表１５参照）は、耐候性に優れ、付着力も高く、擦傷性にも優れていた。
（４）レーザ素子の反射防止膜
高屈折率層としてＹＡＧを用いＹＡＧロッド基板に形成した実施例に係る反射防止膜（表１６と表１７参照）について、上述したレーザ損傷閾値測定（発振波長１０６４ｎｍ、パルス幅１０ｎｓ）を実施した。
【００９３】
また、従来の反射防止膜として、ＭａＦ２のλ／４膜、および、表７に示した「ＳｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３／ＳｉＯ２」膜構成の反射防止膜についても、レーザ損傷閾値測定（発振波長１０６４ｎｍ、パルス幅１０ｎｓ）を実施した。
【００９４】
その結果、実施例に係る反射防止膜（表１６と表１７参照）のレーザ損傷閾値は、それぞれ１６（Ｊ／ｃｍ２）、１５（Ｊ／ｃｍ２）であった。
【００９５】
他方、従来の反射防止膜（ＭａＦ２のλ／４膜、および表７参照）のレーザ損傷閾値は、それぞれ１２（Ｊ／ｃｍ２）、１１（Ｊ／ｃｍ２）であった。
【００９６】
そして、ＳｉＯ２のレーザ損傷閾値は非常に高いので、表１６に示された実施例に係る反射防止膜（「ＳｉＯ２／ＹＡＧ／ＳｉＯ２」）と表１７に示された実施例に係る反射防止膜（「ＳｉＯ２／ＹＡＧ／ＳｉＯ２／ＹＡＧ」）のレーザ損傷閾値が、従来の反射防止膜（「ＳｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３／ＳｉＯ２」）のレーザ損傷閾値より高い原因は、中間層に用いているＡｌ２Ｏ３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。
【００９７】
尚、表１７に示された実施例に係る反射防止膜（「ＳｉＯ２／ＹＡＧ／ＳｉＯ２／ＹＡＧ」）は、ＹＡＧロッド基板側にＹＡＧを用いているので、表７に示した従来の反射防止膜（「ＳｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３／ＳｉＯ２」）より付着力が高かった。
（５）可視域反射防止膜
表１８に示された実施例に係る可視域反射防止膜（「ＳｉＯ２／ＹＡＧ／ＳｉＯ２／ＹＡＧ」）と表１９に示された実施例に係る可視域反射防止膜（「ＳｉＯ２／ＹＡＧ／ＳｉＯ２／ＹＡＧ／ＳｉＯ２」）は、表８に示した従来の可視域反射防止膜（「ＳｉＯ２／ＺｒＯ２／ＳｉＯ２／ＺｒＯ２」）より、耐候性に優れていた。これは、ＺｒＯ２よりＹＡＧの方がグレインサイズが細かく緻密なためである。
【００９８】
また、表２０に示された実施例に係る可視域反射防止膜（「ＹＡＧ／ＳｉＯ２／ＹＡＧ／ＳｉＯ２／ＹＡＧ」）は最表面層にＹＡＧを用いているので擦傷性にも優れていた。
【００９９】
【発明の効果】
本発明に係る反射防止膜によれば、
ＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：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。
【０１００】
まず、ＹＡＧの屈折率を利用して新たな反射防止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この膜を最表面側や基板側に用いて光学薄膜を設計することで、今までにない特性を有した反射防止膜を得ることが可能となる効果を有する。
【０１０１】
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、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３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防止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】従来の反射防止膜の分光反射特性を示すグラフ図。
【図２】従来の反射防止膜の分光反射特性を示すグラフ図。
【図３】従来の反射防止膜の分光反射特性を示すグラフ図。
【図４】従来の反射防止膜の分光反射特性を示すグラフ図。
【図５】従来の反射防止膜の分光反射特性を示すグラフ図。
【図６】従来の反射防止膜の分光反射特性を示すグラフ図。
【図７】従来の反射防止膜の分光反射特性を示すグラフ図。
【図８】本発明に係る反射防止膜の分光反射特性を示すグラフ図。
【図９】本発明に係る反射防止膜の分光反射特性を示すグラフ図。
【図１０】本発明に係る反射防止膜の分光反射特性を示すグラフ図。
【図１１】本発明に係る反射防止膜の分光反射特性を示すグラフ図。
【図１２】本発明に係る反射防止膜の分光反射特性を示すグラフ図。
【図１３】本発明に係る反射防止膜の分光反射特性を示すグラフ図。
【図１４】本発明に係る反射防止膜の分光反射特性を示すグラフ図。
【図１５】本発明に係る反射防止膜の分光反射特性を示すグラフ図。
【図１６】本発明に係る反射防止膜の分光反射特性を示すグラフ図。
【図１７】本発明に係る反射防止膜の分光反射特性を示すグラフ図。
【図１８】本発明に係る反射防止膜の分光反射特性を示すグラフ図。
【図１９】本発明に係る反射防止膜の分光反射特性を示すグラフ図。
【図２０】本発明に係る反射防止膜の分光反射特性を示すグラフ図。
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学薄膜により構成され、例えば、ファラデー回転子、固体レーザ素子、ガラスレーザ素子、セラミックレーザ素子、波長変換素子、カメラレンズ、眼鏡レンズなどの光学部品に適用される反射防止膜に係り、特に、膜設計の自由度を広げることを可能とする反射防止膜の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
【０００３】
【特許文献１】
特公平７−１１７６０３号公報（第３欄３８行〜第４欄１０行）
【特許文献２】
特開平４−３８８８５号公報（特許請求の範囲、第２頁右上欄８行〜１４行）
【非特許文献１】
「Ｔｈｉｎ−ｆｉｌｍ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｌｔｅｒｓ ２ｎｄ ｅｄｎ」（Ｈ．Ａ．Ｍａｃｌｅｏｄ， Ｂｒｉｓｔｏｌ Ａｄａｍ Ｈｉｌｇｅｒ Ｌｔｄ． Ｐ９５−１００， Ｐ１１８−１２２， １９８６）
【０００４】
光学薄膜により構成されるこの種の反射防止膜は、従来、以下の表１に示す代表的な膜材料を用いて構成されている。
【０００５】
【表１】
【０００６】
Ｎｆ＝√（Ｎ０・Ｎｓ） （Ｉ）
但し、数式（Ｉ）中、Ｎ０は媒質の屈折率、Ｎｓは単層反射防止膜が施される基板の屈折率を示している。
【０００７】
そして、代表的な光学ガラスＢＫ７基板の屈折率は１．５２、石英基板の屈折率は１．４５程度であることから、空気中（Ｎ０＝１．００）で単層反射防止膜に適した屈折率を有する一般的な膜材料は存在しない（表１参照）。
【０００８】
そこで、従来、以下に示すような手法を採用した各種の反射防止膜が開発されている。
（１）コンポジット膜法による２層反射防止膜
コンポジット膜法［非特許文献１のｐ９５−１００参照］を適用することで、ある数値範囲の基板屈折率に対する２層反射防止膜の設計が可能になる。
【０００９】
但し、この２層反射防止膜を高出力レーザ用として適用する場合、耐レーザ損傷の高い膜材料を用いて反射防止膜を設計する必要がある。そして、耐レーザ損傷性の高い膜材料は、一般的にＳｉＯ２とＡｌ２Ｏ３である。
【００１０】
ところで、コンポジット膜法は、膜材料の屈折率により理論的に反射率がゼロとなる基板の屈折率の上限が以下の数式（ＩＩ）に示すように決まっている。
【００１１】
Ｎｓ＜Ｎ０・（Ｎ２／Ｎ１）２ 数式（ＩＩ）
但し、数式（ＩＩ）中、Ｎ０は媒質の屈折率、Ｎｓは反射防止膜が施される基板の屈折率、Ｎ１は膜材料の媒質側層の屈折率、Ｎ２は膜材料の基板側層の屈折率を示している。
【００１２】
そして、ＳｉＯ２とＡｌ２Ｏ３の膜材料を用いてコンポジット膜法による２層反射防止膜が設計できる基板の屈折率は上記数式（ＩＩ）から１．２３までである。
【００１３】
従って、コンポジット膜法を用いて代表的な光学ガラスＢＫ７基板や石英基板についてその反射率をゼロにする膜設計は困難であった（表１参照）。
【００１４】
尚、このコンポジット膜法を採用して光学ガラスＢＫ７と石英基板に適用する反射防止膜の反射率が最も小さくなるように設計した膜構成について、その具体例を以下の表２と表３に示し、かつ、それぞれの反射防止膜における分光反射率を図１と図２に示す。
【００１５】
そして、図１と図２に示すグラフ図から、反射率をゼロにすることが困難であることが確認される。
【００１６】
【表２】
【表３】
次に、反射率をゼロに近づける手法として、各層の光学的膜厚がλ／４（λは設計中心波長である）の３層反射防止膜が開発されている。
【００１８】
そして、各層の光学的膜厚がλ／４の３層反射防止膜を構成するには、以下の数式（ＩＩＩ）の屈折率条件を満足しなければならない。
【００１９】
Ｎ１・Ｎ３＝Ｎ２√（Ｎ０・Ｎｓ） 数式（ＩＩＩ）
但し、数式（ＩＩＩ）中、Ｎ０は媒質の屈折率、Ｎｓは反射防止膜が施される基板の屈折率、Ｎ１は媒質側から第１層目の膜材料屈折率、Ｎ２は媒質側から第２層目の膜材料屈折率、Ｎ３は媒質側から第３層目の膜材料屈折率を示している。
【００２０】
ところで、この３層反射防止膜を採用して、例えば、高出力レーザ用の反射防止膜あるいは長期信頼性が要求される光通信用部品の反射防止膜を設計する場合、表１に示した全ての膜材料を使用することはできず、耐レーザ損傷性が高く、耐候性に優れた膜材料、具体的には、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５等の膜材料で構成することが望ましい。
【００２１】
そして、３層反射防止膜のＮ１あるいはＮ２の膜材料に、耐レーザ損傷性の高いＳｉＯ２あるいはＴａ２Ｏ５を用いた場合、最も一般的な光学ガラスＢＫ７（屈折率：１．５２）に対するＮ３の屈折率は数式（ＩＩＩ）から１．８０になる。
【００２２】
しかし、代表的な蒸着物質でその屈折率が１．８０の材料は、表１に示すように存在しない。
【００２３】
そこで、表４に示すように、屈折率Ｎ３の膜材料として、屈折率が１．８５のＹ２Ｏ３を用いた膜構成では、図３に示すように設計中心波長における理論的な残留反射率は約０．０８％になってしまう。
【００２４】
また、表５に示すように、屈折率Ｎ３の膜材料として、屈折率が１．６０のＡｌ２Ｏ３を用いた膜構成では、図４に示すよう設計中心波長における理論的な残留反射率は約１．３５％になってしまう。
【００２５】
従って、高出力レーザ用の反射防止膜あるいは長期信頼性が要求される光通信用部品の反射防止膜を設計する場合、反射率をゼロにする３層反射防止膜は現実には困難であった。
【００２６】
【表４】
【表５】
次に、光通信の光アイソレータに適用されるビスマス置換磁性ガーネット膜から成るファラデー回転子を対象とした反射防止膜としては、例えば、特許文献１に記載されているような３層等価膜法により表６に示すような膜構成にすることで、図５に示すような目的の分光反射特性を得ている。
【００２８】
ここで、３層等価膜法とは、非特許文献１のｐ１１８−１２２に述べられているように、２種類の屈折率が異なる層ＡおよびＢを用いて、Ａ−Ｂ−ＡまたはＢ−Ａ−Ｂなる３層より成る膜を形成し、ＡおよびＢの中間的屈折率を有する膜となす手法である。すなわち、低屈折率層Ａの屈折率をｎＡ、高屈折率層Ｂの屈折率をｎＢとし、目的とする屈折率をｎＥとする。但し、得られる３層等価膜は、Ａ−Ｂ−Ａなる構造を有し、「ｎＡ＜ｎＥ＜ｎＢ」である。１層目と３層目の「光学的膜厚ｎＡｄＡ」（但し、ｄＡは低屈折率層Ａの物理的膜厚）と、２層目の「光学的膜厚ｎＢｄＢ」（但し、ｄＢは低屈折率層Ｂの物理的膜厚）は下記数式（１）〜（３）で示すことができる。
【００２９】
【数１】
【００３０】
【表６】
（４）レーザ素子の反射防止膜
次に、溶接、切断や医療用に用いるＮｄ：ＹＡＧレーザシステムのＹＡＧロッドに対する反射防止膜は、ＭｇＦ２の単層反射防止膜、あるいは、特許文献２に記載されているように、反射防止膜が５層でその最表面側（媒質側）と基板側を除く中間層が３層等価膜法により設計された、例えば、表７に示すような膜構成にすることで、図６に示すような目的の分光反射特性を得ている。
【００３１】
【表７】
【００３２】
また、上記中間層における高屈折率層Ｂには、表７に示されたＡｌ２Ｏ３以外に、Ｙ２Ｏ３やＴａ２Ｏ５等を用いる場合もある。また、成膜には真空蒸着法やスパッタ法を用い、付着力や耐候性等高めるために成膜中にイオンアシストを行うこともある。
（５）可視域反射防止膜
次に、ガラスの可視域反射防止膜は、表８に示すような膜構成にすることで、図７に示すような目的の分光反射特性を得ていた。
【００３３】
尚、高屈折率層にはＺｒＯ２以外にもＴｉＯ２やＴａ２Ｏ５等を用いる場合もある。また、成膜には真空蒸着法やスパッタ法を用い、付着力や耐候性等高めるために成膜中にイオンアシストを行うこともある。
【００３４】
【表８】
【発明が解決しようとする課題】
このように光学薄膜により構成される反射防止膜を設計する場合、必要とする屈折率の膜材料を選択することはもちろん、高出力レーザに用いるには膜材料の耐レーザ損傷性等、光通信に用いるには耐候性等も重要な要素となる。
【００３６】
例えば、１つの反射防止膜を設計するには、反射防止膜を施す基板の屈折率を考慮して屈折率の異なる膜材料を少なくとも２種類以上選択し、選択された膜材料を用いて目的とする反射防止膜を構成する。
【００３７】
そして、最小限の膜総数で目的の反射防止膜を構成するためには、反射防止膜を構成する各層に必要とする屈折率の膜材料を適用する必要がある。
【００３８】
もし、必要とする屈折率を有する膜材料が存在しない場合は、少なくとも２層以上の光学薄膜を用いて等価な膜を設計（例えば、３層等価膜法）して用いることになる。
【００３９】
従って、利用可能な屈折率を有する膜材料の種類が多いほど、反射防止膜における設計自由度を広げることができる。また、２種類の膜材料を用いて反射防止膜を設計する場合、各膜材料の屈折率差が大きい程設計に自由度が広がる。
【００４０】
しかし、使用波長において目的とする屈折率に近く、かつ、使用波長において透過率の高い膜材料が選択された場合でも、用途によっては利用できないことがある。
【００４１】
例えば、海底ケーブルの光通信に使用する反射防止膜は、長期信頼性が必要とされるので高温高湿に耐える膜材料を用いた光学薄膜で構成することを要する。また、高出力レーザに用いる反射防止膜は、レーザダメージの閾値が高い膜材料を用いた光学薄膜で構成しなくてはならない。
【００４２】
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、光学薄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ことを可能とする反射防止膜を提供することにある。
【００４３】
【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、
反射防止膜を前提とし、
ＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：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するものである。
【００４４】
次に、請求項２に係る発明は、
請求項１記載の発明に係る反射防止膜を前提とし、
コンポジット膜法により設計された２層反射防止膜であることを特徴とし、
請求項３に係る発明は、
請求項１記載の発明に係る反射防止膜を前提とし、
各層の光学的膜厚がλ／４（λ：設計中心波長）である３層反射防止膜であることを特徴とし、
請求項４に係る発明は、
請求項１記載の発明に係る反射防止膜を前提とし、
反射防止膜を施す基板がビスマス置換磁性ガーネット膜から成るファラデー回転子であり、かつ、上記反射防止膜が３層で３層等価膜法により設計されていることを特徴とし、
請求項５に係る発明は、
請求項３または４記載の発明に係る反射防止膜を前提とし、
３層の反射防止膜における最表面側（媒質側）層が、ＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：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で構成されていることを特徴とするものである。
【００４５】
次に、請求項６に係る発明は、
請求項１記載の発明に係る反射防止膜を前提とし、
反射防止膜を施す基板が、固体レーザ素子、ガラスレーザ素子、セラミックレーザ素子および波長変換素子から選択されるいずれか１種の素子であり、かつ、上記反射防止膜が５層でその最表面側（媒質側）と基板側を除く中間層が３層等価膜法により設計されていることを特徴とし、
請求項７に係る発明は、
請求項６記載の発明に係る反射防止膜を前提とし、
５層の反射防止膜における最表面側（媒質側）層が、ＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：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で構成されていることを特徴とし、
請求項８に係る発明は、
請求項１記載の発明に係る反射防止膜を前提とし、
単層若しくは多層の光学薄膜で構成され、かつ、カメラレンズまたは眼鏡レンズに施す可視域反射防止膜の機能を有することを特徴とし、
また、請求項９に係る発明は、
請求項８記載の発明に係る反射防止膜を前提とし、
上記単層の光学薄膜または上記多層の光学薄膜における最表面側（媒質側）層が、ＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：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で構成されていることを特徴とするものである。
【００４６】
【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。
【００４７】
本発明は、反射防止膜を構成する光学薄膜として、ＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：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ことを可能としている。
【００４８】
すなわち、ＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：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防止膜への応用を試み、上記課題を解決している。
【００４９】
また、ＹＡＧの屈折率は１．８０で、耐レーザ損傷性が高く、硬度の高い膜として知られている屈折率１．６０の上記Ａｌ２Ｏ３よりも屈折率が大きいため、屈折率１．４４のＳｉＯ２と組合わせて反射防止膜を設計した場合、屈折率の差が大きいことから膜設計の自由度を広げることを可能とする。
【００５０】
すなわち、ＳｉＯ２の光学薄膜とＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：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組み合わせることで、上述したＳｉＯ２とＡｌ２Ｏ３の組み合わせでは実現できなかった膜層数で反射防止膜の反射率をほとんどゼロにすることを可能にしたり、反射防止膜の膜層数を減らすことを可能とする。
【００５１】
尚、ＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：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（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：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（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２−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、Ｙ２Ｏ３（イットリア）とＡｌ２Ｏ３（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（Ｙ２Ｏ３−Ｘ）と酸素欠損を有するアルミナ（Ａｌ２Ｏ３−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。
【００５２】
以下、ＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：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各種反射防止膜について具体的に説明する。
（１）コンポジット膜法による２層反射防止膜
コンポジット膜法は、上述したように膜材料の屈折率により理論的に反射率がゼロとなる基板の屈折率の上限が数式（ＩＩ）に示すように決まっている。
【００５３】
Ｎｓ＜Ｎ０・（Ｎ２／Ｎ１）２ 数式（ＩＩ）
そして、ＳｉＯ２とＡｌ２Ｏ３の膜材料を用いてコンポジット膜法による２層反射防止膜が設計できる基板の屈折率は上記数式（ＩＩ）から１．２３まででまであったが、ＳｉＯ２と屈折率１．８０のＹＡＧを膜材料にして成膜した光学薄膜を用いることで、コンポジット膜法により反射率がゼロになる基板の屈折率の上限は上記数式（ＩＩ）から１．５６になる。
【００５４】
従って、本発明により、光学ガラスＢＫ７や石英の反射率をゼロにする２層反射防止膜の設計が可能となる。
【００５５】
表９と表１０にはそれぞれＳｉＯ２とＹＡＧを用いて、コンポジット膜法により設計した２層反射防止膜の膜構成を示し、かつ、それぞれの反射防止膜における分光反射特性を図８と図９に示す。
【００５６】
【表９】
【表１０】
ＳｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５とＹＡＧ、あるいはＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３とＹＡＧを用いて、屈折率１．５２のガラス（ＢＫ７）基板および屈折率１．６４のガラス（ＢＡＣＤ１８）基板に対する各層の光学的膜厚がλ／４の３層反射防止膜について、以下の数式（ＩＩＩ）により設計した３層反射防止膜の膜構成を表１１、表１２、表１３にはそれぞれ示すと共に、それぞれの３層反射防止膜における分光反射特性を図１０、図１１、図１２に示す。
【００５８】
Ｎ１・Ｎ３＝Ｎ２√（Ｎ０・Ｎｓ） 数式（ＩＩＩ）
これらの３層反射防止膜の設計中心波長における理論的な残留反射率は、０．０１％以下である。
【００５９】
【表１１】
【表１２】
【表１３】
高屈折率層にＹＡＧを用い、低屈折率層にＳｉＯ２を用いた３層等価膜法によるファラデー回転子の反射防止膜の構成を表１４に示し、かつ、この反射防止膜における分光反射特性を図１３に示す。
【００６２】
【表１４】
【００６３】
【表１５】
高屈折率層にＹＡＧを用い低屈折率層にＳｉＯ２を用いた３層等価膜法による中間層（第２層）と、ＳｉＯ２から成る第１層と第３層とで構成され、ＹＡＧロッドを基板とするレーザ素子の５層反射防止膜の構成を表１６に示し、かつ、この反射防止膜における分光反射特性を図１５に示す。
【００６４】
すなわち、表１６に示された５層反射防止膜は「ＳｉＯ２（第１層）／ＳｉＯ２（中間第２層）／ＹＡＧ（中間第２層）／ＳｉＯ２（中間第２層）／ＳｉＯ２（第３層）」なる膜構成を有し、媒質側から第２番目、第３番目、第４番目の３層で構成される中間層（第２層）が３層等価膜法により設計されている。
【００６５】
【表１６】
【００６６】
すなわち、表１７に示された６層反射防止膜は「ＳｉＯ２（第１層）／ＳｉＯ２（中間第２層）／ＹＡＧ（中間第２層）／ＳｉＯ２（中間第２層）／ＳｉＯ２（第３層）／ＹＡＧ（第４層）」なる膜構成を有し、媒質側から第２番目、第３番目、第４番目の３層で構成される中間層（第２層）が３層等価膜法により設計されている。
【００６７】
【表１７】
高屈折率層にＹＡＧを用いたガラスに対する４層可視域反射防止膜の膜構成を表１８に示し、この４層可視域反射防止膜の分光反射特性を図１７に示す。
【００６８】
【表１８】
【００６９】
【表１９】
【００７０】
【表２０】
【００７１】
【表２１】
【実施例】
以下、本発明の実施例について具体的に説明する。
【００７３】
尚、実施例では、ＹＡＧと他の膜材料を比較すると共に、本発明に係る反射防止膜の各種特性を、従来の反射防止膜の特性と比較する。
【００７４】
膜材料にはＹＡＧ組成の焼結体とＹＡＧ結晶を用い、電子ビーム蒸着法とマグネトロンスパッタ法により成膜を行った。成膜中には、膜に酸素が不足して光吸収が増加しないように、どちらもＹＡＧ薄膜の成膜中には酸素を導入した。
【００７５】
このように成膜したＹＡＧ薄膜の屈折率は約１．８０であり、Ａｌ２Ｏ３の１．６０より高く、Ｙ２Ｏ３の１．８５より低かった。
【００７６】
次に、これ等膜材料を用いて成膜した光学薄膜の各種特性を調べるため、以下のテストを行い、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、Ｔａ２Ｏ５を膜材料にして成膜した光学薄膜と相対的に比較した。尚、結果を表２２に示す。
【００７７】
耐候性（ＰＣＴプレッシャークッカ − テスト）
温度１０５℃、湿度１００％、２気圧で５００時間経過後、ピンホールからの水分の浸透によるシミの広がりを５０倍の顕微鏡で観察する。
【００７８】
尚、表２２において、良好を「○」、不良を「×」、その中間を「△」にて示す。
【００７９】
擦傷性
２ｋｇの加重をかけたスチールウールで１０回往復擦り、傷を観察する。
【００８０】
尚、表２２において、傷なしを「○」、傷が多を「×」、その中間を「△」にて示す。
【００８１】
付着力
接着剤（エポキシ接着剤）を用いて光学薄膜表面に引っ張り試験治具（丸棒）を固定し、基板と膜界面から剥がれるまで引っ張り試験機により引っ張り、その引っ張り力の相対強度を比較する。
【００８２】
尚、表２２において、付着力が強い場合を「○」、付着力が弱い場合を「×」、その中間を「△」にて示す。
【００８３】
レーザ損傷閾値
Ｎｄ：ＹＡＧレーザにおける第２高調波の波長：５３２ｎｍ、パルス幅：８ｎｓのレーザをレンズを用いて集光させ、どの程度のパワー密度（Ｊ／ｃｍ２）まで損傷を受けないかを調べる。
【００８４】
尚、表２２において、レーザ損傷閾値が比較的高い場合を「○」、レーザ損傷閾値が比較的低い場合を「×」、その中間を「△」にて示す。また、レーザ損傷閾値が極めて高い場合を「◎」にて示す。
【００８５】
【表２２】
１．表２２「耐候性」の欄に示された結果から確認されるように、ＹＡＧは、ＺｒＯ２やＴａ２Ｏ５を膜材料として成膜した光学薄膜よりピンホールからの水分の浸透によるシミの広がりが少なかった。
【００８６】
ＹＡＧはグレインサイズが細かく緻密なため、耐候性（耐湿性）が高いと考えられる。
２．表２２「擦傷性」の欄に示された結果から確認されるように、ＹＡＧは従来ハードコートに用いられていたＳｉＯ２を膜材料として成膜した光学薄膜よりも明らかに優れていた。
３．表２２「付着力」の欄に示された結果から確認されるように、基板がガラスの場合、ＹＡＧおよびＳｉＯ２を膜材料にして成膜した膜で良好な付着力が得られているが、基板がＹＡＧ結晶の場合、基板側層がＹＡＧの方が良好な付着力を得ることができる。
４．表２２「レーザ損傷閾値」の欄に示された結果から確認されるように、ＹＡＧは、ＹＡＧ結晶がレーザ結晶に使用されているように光吸収が少なく、酸化物系の薄膜の中ではＳｉＯ２膜の次にレーザ損傷閾値が高い。
【００８７】
この比較試験結果から以下のことが理解される。
【００８８】
まず、ＹＡＧ膜を光学薄膜に用いることで、この屈折率を利用して新たな反射防止膜の設計が可能になり、また、ＹＡＧを膜材料にして成膜した膜が耐候性、硬度、付着力に優れている特性を生かして、この膜を最表面側や基板側に用いて光学薄膜を設計することで、今までにない特性を有した光学薄膜を成膜することができる。
【００８９】
さらに、ＹＡＧ膜は耐レーザ損傷性にも優れているので、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３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防止膜を得ることができる。
【００９０】
以下、実施例に係る個々の反射防止膜（膜構成の詳細は実施の形態欄参照）について、従来の反射防止膜より優れている点を具体的に説明する。
（２）３層反射防止膜
ＳｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５とＹＡＧを用い、屈折率１．５２のガラス（ＢＫ７）基板に対して形成した各層の光学的膜厚がλ／４の実施例に係る３層反射防止膜（表１２参照）については、最表面層がＹＡＧのため、上記ＹＡＧ単層と同様に耐候性に優れ、擦傷性にも優れていた。
（３）ファラデー回転子の反射防止膜
ＹＡＧが適用された実施例に係るファラデー回転子の反射防止膜（表１４参照）は、従来の反射防止膜（表６の「ＳｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３／ＳｉＯ２」）よりも耐候性に優れていた。
【００９１】
これは、ＹＡＧの上述したグレインサイズが小さいことに加えて、ＹＡＧは、Ａｌ２Ｏ３より屈折率が高いので光学的膜厚を約１／２にすることが起因していると考えられる。
【００９２】
さらに、最表面層と基板側層にＹＡＧを用いた実施例に係るファラデー回転子の反射防止膜（表１５参照）は、耐候性に優れ、付着力も高く、擦傷性にも優れていた。
（４）レーザ素子の反射防止膜
高屈折率層としてＹＡＧを用いＹＡＧロッド基板に形成した実施例に係る反射防止膜（表１６と表１７参照）について、上述したレーザ損傷閾値測定（発振波長１０６４ｎｍ、パルス幅１０ｎｓ）を実施した。
【００９３】
また、従来の反射防止膜として、ＭａＦ２のλ／４膜、および、表７に示した「ＳｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３／ＳｉＯ２」膜構成の反射防止膜についても、レーザ損傷閾値測定（発振波長１０６４ｎｍ、パルス幅１０ｎｓ）を実施した。
【００９４】
その結果、実施例に係る反射防止膜（表１６と表１７参照）のレーザ損傷閾値は、それぞれ１６（Ｊ／ｃｍ２）、１５（Ｊ／ｃｍ２）であった。
【００９５】
他方、従来の反射防止膜（ＭａＦ２のλ／４膜、および表７参照）のレーザ損傷閾値は、それぞれ１２（Ｊ／ｃｍ２）、１１（Ｊ／ｃｍ２）であった。
【００９６】
そして、ＳｉＯ２のレーザ損傷閾値は非常に高いので、表１６に示された実施例に係る反射防止膜（「ＳｉＯ２／ＹＡＧ／ＳｉＯ２」）と表１７に示された実施例に係る反射防止膜（「ＳｉＯ２／ＹＡＧ／ＳｉＯ２／ＹＡＧ」）のレーザ損傷閾値が、従来の反射防止膜（「ＳｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３／ＳｉＯ２」）のレーザ損傷閾値より高い原因は、中間層に用いているＡｌ２Ｏ３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。
【００９７】
尚、表１７に示された実施例に係る反射防止膜（「ＳｉＯ２／ＹＡＧ／ＳｉＯ２／ＹＡＧ」）は、ＹＡＧロッド基板側にＹＡＧを用いているので、表７に示した従来の反射防止膜（「ＳｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３／ＳｉＯ２」）より付着力が高かった。
（５）可視域反射防止膜
表１８に示された実施例に係る可視域反射防止膜（「ＳｉＯ２／ＹＡＧ／ＳｉＯ２／ＹＡＧ」）と表１９に示された実施例に係る可視域反射防止膜（「ＳｉＯ２／ＹＡＧ／ＳｉＯ２／ＹＡＧ／ＳｉＯ２」）は、表８に示した従来の可視域反射防止膜（「ＳｉＯ２／ＺｒＯ２／ＳｉＯ２／ＺｒＯ２」）より、耐候性に優れていた。これは、ＺｒＯ２よりＹＡＧの方がグレインサイズが細かく緻密なためである。
【００９８】
また、表２０に示された実施例に係る可視域反射防止膜（「ＹＡＧ／ＳｉＯ２／ＹＡＧ／ＳｉＯ２／ＹＡＧ」）は最表面層にＹＡＧを用いているので擦傷性にも優れていた。
【００９９】
【発明の効果】
本発明に係る反射防止膜によれば、
ＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：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。
【０１００】
まず、ＹＡＧの屈折率を利用して新たな反射防止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この膜を最表面側や基板側に用いて光学薄膜を設計することで、今までにない特性を有した反射防止膜を得ることが可能となる効果を有する。
【０１０１】
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、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３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防止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】従来の反射防止膜の分光反射特性を示すグラフ図。
【図２】従来の反射防止膜の分光反射特性を示すグラフ図。
【図３】従来の反射防止膜の分光反射特性を示すグラフ図。
【図４】従来の反射防止膜の分光反射特性を示すグラフ図。
【図５】従来の反射防止膜の分光反射特性を示すグラフ図。
【図６】従来の反射防止膜の分光反射特性を示すグラフ図。
【図７】従来の反射防止膜の分光反射特性を示すグラフ図。
【図８】本発明に係る反射防止膜の分光反射特性を示すグラフ図。
【図９】本発明に係る反射防止膜の分光反射特性を示すグラフ図。
【図１０】本発明に係る反射防止膜の分光反射特性を示すグラフ図。
【図１１】本発明に係る反射防止膜の分光反射特性を示すグラフ図。
【図１２】本発明に係る反射防止膜の分光反射特性を示すグラフ図。
【図１３】本発明に係る反射防止膜の分光反射特性を示すグラフ図。
【図１４】本発明に係る反射防止膜の分光反射特性を示すグラフ図。
【図１５】本発明に係る反射防止膜の分光反射特性を示すグラフ図。
【図１６】本発明に係る反射防止膜の分光反射特性を示すグラフ図。
【図１７】本発明に係る反射防止膜の分光反射特性を示すグラフ図。
【図１８】本発明に係る反射防止膜の分光反射特性を示すグラフ図。
【図１９】本発明に係る反射防止膜の分光反射特性を示すグラフ図。
【図２０】本発明に係る反射防止膜の分光反射特性を示すグラフ図。
Claims (9)
- ＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：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する反射防止膜。
- コンポジット膜法により設計された２層反射防止膜であることを特徴とする請求項１記載の反射防止膜。
- 各層の光学的膜厚がλ／４（λ：設計中心波長）である３層反射防止膜であることを特徴とする請求項１記載の反射防止膜。
- 反射防止膜を施す基板がビスマス置換磁性ガーネット膜から成るファラデー回転子であり、かつ、上記反射防止膜が３層で３層等価膜法により設計されていることを特徴とする請求項１記載の反射防止膜。
- ３層の反射防止膜における最表面側（媒質側）層が、ＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：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で構成されていることを特徴とする請求項３または４記載の反射防止膜。
- 反射防止膜を施す基板が、固体レーザ素子、ガラスレーザ素子、セラミックレーザ素子および波長変換素子から選択されるいずれか１種の素子であり、かつ、上記反射防止膜が５層でその最表面側（媒質側）と基板側を除く中間層が３層等価膜法により設計されていることを特徴とする請求項１記載の反射防止膜。
- ５層の反射防止膜における最表面側（媒質側）層が、ＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：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で構成されていることを特徴とする請求項６記載の反射防止膜。
- 単層若しくは多層の光学薄膜で構成され、かつ、カメラレンズまたは眼鏡レンズに施す可視域反射防止膜の機能を有することを特徴とする請求項１記載の反射防止膜。
- 上記単層の光学薄膜または上記多層の光学薄膜における最表面側（媒質側）層が、ＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：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で構成されていることを特徴とする請求項８記載の反射防止膜。
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