JP2010026030A - 可視光ミラー、可視光発振ガスレーザ、及びＨｅ−Ｎｅリングレーザジャイロ - Google Patents

Abstract

【課題】従来とは異なる方法により耐紫外線性が高くかつ高反射率の可視光ミラーを実現する。
【解決手段】可視光ミラー１０を基板１１とミラースタック層部１２と紫外線吸収層部１３とから構成する。ミラースタック層部１２は、上記基板１１上に形成され、紫外線の照射により可視光吸収の増大が誘起される誘電体材料の層を含んだ多層膜ミラーである。紫外線吸収層部１３は、上記ミラースタック層部１２上に被覆形成され、紫外線を吸収する誘電体材料の層を少なくとも１層含み、紫外線領域の所定の波長帯域における透過率が５０％以下である。
【選択図】図４

Description

本発明は高反射率ミラー等、誘電体多層膜光学素子の耐紫外線性を向上させる技術に関する。

リングレーザジャイロ等に用いられるＨｅ−Ｎｅレーザ（発振波長６３３ｎｍ）やその他のガスレーザを反射する高反射率ミラーは一般に誘電体多層膜で構成されるが、この誘電体多層膜がレーザ媒体のプラズマから輻射される紫外線の照射を受けると、使用波長（レーザ発振波長）における吸収損失が可逆的現象として増大劣化することが知られている。

このような問題を解決する方法として、ミラーを紫外線不感性の高屈折率／低屈折率誘電体１／４波長層対のみにより構成することが考えられ、かかる技術が特許文献１に開示されている。しかし、一般に知られている不感性材料の場合、屈折率が低いため十分な反射率を得るには層対数を多くする必要がある。そこで、層対数を減らすべくミラーを、基板上に被着される紫外線感応高屈折率／低屈折率誘電体１／４波長層対と、その上に被着される複数の紫外線不感性高屈折率／低屈折率誘電体１／４波長層対との二段階構造により耐紫外線性高反射率ミラーを構成するも考えられており、特許文献２に開示されている。具体的には、紫外線感応高屈折率／低屈折率誘電体１／４波長層対として、従来から高反射率ミラーとして一般的に用いられてきたＴｉＯ_２／ＳｉＯ_２層対を用いつつ、そのＴｉＯ_２膜のもつ吸収損失特性の悪さによる影響を軽減すべく、紫外線感応高屈折率／低屈折率誘電体１／４波長層対の上に紫外線不感性高屈折率／低屈折率誘電体１／４波長層対、例えばＨｆＯ_２／ＳｉＯ_２層対を被着する。このような二段階構成にすることで、高反射率（高屈折率比）のＴｉＯ_２／ＳｉＯ_２層対の適用により全体の層数を抑えつつ、紫外線感応度の高いＴｉＯ_２／ＳｉＯ_２層対を紫外線不感性のＨｆＯ_２／ＳｉＯ_２層対の背後に後退させることで、ＴｉＯ_２／ＳｉＯ_２層対部分に到達する光量を減らし、ＴｉＯ_２／ＳｉＯ_２層対における損失増加がミラーの反射率に与える影響を小さくしている。
特開平７−７２３３０号公報 特開平２−１９２１８９号公報

耐紫外線性の高い可視光ミラーは従来の方法によっても実現可能ではあるが、ミラーの使用条件、製造条件等に応じ複数の実現方法の中から最も効果の高い実現方法を選択できることが望ましい。

この発明の目的はこのような事情に鑑み、従来とは異なる方法により耐紫外線性が高くかつ高反射率の可視光ミラーを実現する方法を明らかにすることにある。

本発明の可視光ミラーは、基板とミラースタック層部と紫外線吸収層部とを備える。ミラースタック層部は、上記基板上に形成され、紫外線の照射により可視光吸収の増大が誘起される誘電体材料の層を含んだ多層膜ミラーである。紫外線吸収層部は、上記ミラースタック層部上に被覆形成され、紫外線を吸収する誘電体材料の層を少なくとも１層含み、紫外線領域の所定の波長帯域における透過率が５０％以下である。

本発明によれば、従来とは異なる方法により耐紫外線性が高くかつ高反射率の可視光ミラーを実現することができる。

まず、図１にＨｅ−Ｎｅレーザの紫外線領域における発光スペクトルを示す。図１から、レーザ発振光とは別にレーザ媒体のプラズマから輻射される紫外線が、紫外線領域の広い波長範囲にわたって分布していることがわかる。このように紫外線が輻射されている環境下で紫外線感応材料からなるミラーを使用した場合、ミラーの反射率が低下することによりレーザ出力が低下するという問題が生じる。この問題に対し、全ての紫外線のスペクトラムが関わっているのか、それとも一部の波長成分のみが関わっているのかについては、従来明らかにされていなかった。

そこで発明者らは、紫外線感応材料からなる高屈折率／低屈折率誘電体１／４波長層対ミラーの一例であるＴａ_２Ｏ_５／ＳｉＯ_２ミラーについて、紫外線が照射されていない時、照射されている時、及び４種類の紫外線カットフィルタを介して間接的に照射されている時それぞれの、使用波長６３３ｎｍ（レーザ発振光）におけるミラーの損失の変化を調べる実験を行った。図２にその結果を示す。なお、ミラーはＴａ_２Ｏ_５膜１９層とＳｉＯ_２膜１８層との交互積層による３７層からなるものである。実験に係る測定系には図３に示すような、参照ミラー１と参照ミラー２とを含んで構成された光共振器の光路中に、試料である上記ミラーを介在させ、Ｈｅ−Ｎｅレーザの光を注入して共振させて、その注入光を遮断した時の共振器内の光強度の減衰を観測することにより上記ミラーの損失を評価する、キャビティーリングダウン方式の装置を利用した。なお、紫外線照射装置の光源には水銀ランプを使用しており、各紫外線カットフィルタの透過率は図２中に示すそれぞれのエッジ波長で２０％以下である。

図２に示すように、ミラーに紫外線を照射するとミラーの損失が増加し、紫外線カットフィルタを介して照射するとその損失は減少する。しかし、紫外線カットフィルタの帯域の選び方によっては、それが紫外線領域のうちの一部の波長成分のみを阻止するものであっても、全紫外線領域を阻止するフィルタを挿入した場合と同程度の損失減少効果が得られることがわかった。すなわち、ミラーの紫外線感応材料の損失増加を誘起しているのは、照射紫外線の波長成分の一部である。図２の例において、より具体的には、上記Ｔａ_２Ｏ_５／ＳｉＯ_２層対でなるミラーの場合、ミラーへの照射紫外線に３２０ｎｍ以下カットフィルタを挿入すると、阻止域が全紫外線領域を網羅する４６０ｎｍ以下カットフィルタを挿入した時とほとんど差異のない全損失の変化特性が得られたが、紫外線カットフィルタを３００ｎｍ以下カットのものに差し替えると、先の２つのカットフィルタの場合と比べ明らかに全損失が大きくなった。つまり、全紫外線領域を阻止するフィルタを挿入した場合と同程度の損失減少効果を得るためにカットすべき波長成分の境界は３２０ｎｍと３００ｎｍとの間にある。従って、ミラーに入射する紫外線のうち少なくとも３２０ｎｍ以下の波長成分を十分に遮断すれば、紫外線による損失増加を抑制するという目的を達することができることがわかる。

〔第１実施形態〕
誘電体多層膜からなる紫外線カットフィルタを特定の多層膜ミラーのオーバーコートとして適用することを考えると、全紫外線領域を網羅する阻止域を有しかつ実際にレーザ用ミラーを被覆するのに好適な層構造を構成することは、一般には容易ではない。これに対し、多層膜ミラーに応じてその損失増大を誘起する紫外線の帯域を明らかにし、その帯域を十分に遮断するオーバーコート層を好適に多層膜ミラー上に構成することは、比較的容易である。

図４ (a)に第１実施形態の可視光ミラー１０の構成例を示す。可視光ミラー１０は、基板１１とミラースタック層部１２と紫外線吸収層部１３と保護層１４とから構成される。

ミラースタック層部１２は、基板１１上に被着形成され、複数の高屈折率／低屈折率誘電体１／４波長層対により構成される。ミラースタック層部１２には、後述する紫外線吸収層部１３を経た紫外線量が低減された光が到達するため、ここに適用する高屈折率の誘電体材料は、紫外線感応度の高さを気にすることなくあくまで高反射率を重視して選択することができる。このような構成に適した高反射率の誘電体材料としては、例えばＴａ_２Ｏ_５が挙げられる。また、低屈折率の誘電体材料としては、例えばＳｉＯ_２が挙げられる。

紫外線吸収層部１３は、ミラースタック層部１２上に被着形成され、紫外線を吸収する誘電体材料の層を少なくとも１層含む。図２からわかるように、ミラーを紫外線カットフィルタにより防護することにより紫外線が照射されることによる反射全損失の増加を抑制することができる。そこで、紫外線吸収層部１３にこのフィルタの役目を果たす紫外線吸収性の誘電体材料を適用する。

紫外線吸収層部１３において紫外線を吸収すべき波長帯域、言いかえれば、紫外線防護によりミラーでの反射全損失の抑制効果が効率的に得られる波長帯域は、ミラースタック層部１２に適用される高屈折率／低屈折率誘電体１／４波長層対の材料により異なる。例えばＴａ_２Ｏ_５／ＳｉＯ_２の場合は、図２からわかるように３２０ｎｍ以下カットフィルタ、３８０ｎｍ以下カットフィルタ、及び４６０ｎｍ以下カットフィルタのそれぞれについては効果に大差は無く、一方３００ｎｍ以下カットフィルタでは全損失が相対的に大きくなっている。そこで、Ｔａ_２Ｏ_５／ＳｉＯ_２の場合は、紫外線吸収層部１３に３２０ｎｍ以下の短波長領域において小さい透過率すなわち高吸収率を示す誘電体材料を適用することにより、ミラースタック層部１２に可視光吸収増大を誘起する紫外線の到達を効果的に抑制することができると言える。

紫外線吸収層は入射光と反射光とで同位相になるよう、例えば図４ (a)に示すように１／２波長厚の高屈折率誘電体を用いてもよいし、図４ (b)に示すように１／４波長厚の高屈折率誘電体と距離調整のための１／４波長厚の低屈折率誘電体とを組み合わせて構成してもよい。なお、図４ (a)(b)はいずれも、紫外線吸収作用を営む層を１層だけ含んでなる構成の例であるが、紫外線吸収作用を営む１／４波長厚の高屈折率誘電体の層と１／４波長厚の低屈折率誘電体の層との層対を複数対含んだ形で紫外線吸収層部１３を構成することも可能である。

３２０ｎｍ以下の短波長領域において低透過率すなわち高吸収率を示す誘電体材料としては、例えばＴｉＯ_２が挙げられる。紫外線吸収層部１３にＴｉＯ_２を適用して図４ (a)のように構成した場合の、紫外線吸収層部１３と保護層１４とからなるオーバーコート層の紫外線に対する透過率（入射角３０度）を図５に示す。図５から、このオーバーコート層は紫外線領域の長波長部分では相当に高い透過率を示すが、３２０ｎｍ以下の領域では８％以下であり、とりわけ３００ｎｍ以下の領域では１％以下とほぼ１００％吸収されており、上記のＴａ_２Ｏ_５／ＳｉＯ_２層対からなるミラーに好適であることがわかる。

なお、紫外線吸収層での３２０ｎｍ以下の短波長領域における透過率は、紫外線遮断という観点からは低いほど望ましいが、その副作用として可視光領域の透過率の低下（挿入損失）を招く。そのため、紫外線吸収層が備えるべき３２０ｎｍ以下の透過率は、ミラースタック層部の紫外線感応度とのトレードオフによりケースバイケースで決することになる。例えば、ミラースタック層部１２に適用する高屈折率誘電体として紫外線感応度が高く高反射率（例えば、紫外線照射の無い時の特定の波長の可視光に対する損失が５０ｐｐｍ以下）の素材（例えば、Ｔａ_２Ｏ_５）を選択した場合には、若干の挿入損失増加を招いても紫外線吸収層部１３にＴｉＯ_２などの紫外線の透過率が低い材料を適用することで、トータルとして高い反射率の可視光ミラーの実現が期待できる。一方、ミラースタック層部１２に紫外線感応度が比較的低い素材を使用した場合には、紫外線吸収層部１３に例えば紫外線透過率５０％程度の素材を適用しても、トータルとしてある程度高い反射率の可視光ミラーの実現が期待できる。

保護層１４は、紫外線吸収層部１３上に被着形成される、格別の光学的機能を有しない物理的保護層である。

以上のように本発明は、反射全損失の劣化を誘起する紫外線を高い吸収率で吸収する、紫外線吸収層部をミラースタック層部の上にオーバーコーティングするという新しい手段により、耐紫外線性が高くかつ高反射率の可視光ミラーを実現するものである。ここで、紫外線吸収層部１３は、紫外線の所定の波長帯域において、ミラースタック層部１２の紫外線感応度に応じ、５０％以下の範囲から適切に選ばれた透過率を備えていればよい。また、ミラースタック層部１２の紫外線非照射状態での使用波長における損失が十分に小さければ、紫外線吸収層部１３自体が使用波長においてある程度の損失を持つことが許容される。そして、紫外線の上記所定の波長帯域は、多層膜ミラーに広帯域の紫外線を照射し、その紫外線に複数の適宜選んだ異なる阻止域を有する紫外線カットフィルタを取り替え挿入して当該多層膜ミラーの損失を測る方法により決定することができる。

図６に、特許文献２で開示された従来構成（第１紫外線感応高屈折率／低屈折率誘電体としてＴｉＯ_２／ＳｉＯ_２を、第２紫外線不感性高屈折率／低屈折率誘電体としてＨｆＯ_２／ＳｉＯ_２を適用）による可視光ミラーと、本発明の図４ (a)の構成による可視光ミラーと、図４ (b)の構成による可視光ミラーとのそれぞれに対して、紫外線領域に広範囲にスペクトルが分布する光を照射した場合の６３３ｎｍ光に対する全損失値の実験データの比較を示す。実験に係る測定系は図３の構成から紫外線カットフィルタを取り除いた構成であり、この構成において紫外線照射装置をオン／オフすることにより測定を行った。図６において、丸印は紫外線を照射しない場合の６３３ｎｍ波長光に対する全損失値、菱印は紫外線を照射した場合の６３３ｎｍ波長光に対する全損失値である。なお、比較のため、紫外線吸収層部１３をオーバーコートしないミラースタック層部１２のみ（Ｔａ_２Ｏ_５／ＳｉＯ_２層対）の場合の評価結果も併せて示してある。図６からわかるように、紫外線の照射がない場合は、紫外線吸収層部１３をオーバーコートしないミラーの全損失が最も小さく、従来技術によるミラーの全損失がその次に小さいが、紫外線を照射した場合は、従来技術によるミラーは紫外線吸収層部１３をオーバーコートしないミラーと比べれば全損失の増加の抑圧効果が認められるものの、本発明の図４ (a)(b)の構成の全損失の増加の抑圧効果は更に顕著であり、紫外線照射下での全損失の値は従来技術によるミラーを下回っている。この実験結果からも、本発明の構成が優れた耐紫外線性を有するものであることがわかる。

〔第２実施形態〕
第１実施形態に記した可視光ミラーを用いてレーザ発振用の光共振器を構成することにより、低損失の光共振器を構成することができる。

〔第３実施形態〕
Ｈｅ−Ｎｅリングレーザジャイロを、第１実施形態に記した可視光ミラーを用いて角速度検出用のＨｅ−Ｎｅリングレーザ共振器が構成することで、角速度の検出精度を向上することができる。

本発明は、紫外線が含まれる光が入射される誘電体多層膜光学素子を低損失に構成したい場合において特に有用である。

Ｈｅ−Ｎｅレーザの紫外線領域での発光スペクトルを例示する図。 紫外線感応材料からなるミラーにおいて紫外線の存否により反射損失に相違が生じることを例示する図。 紫外線照射環境におけるミラー全損失の測定系を例示する図。 本発明の可視光ミラーの構成を例示する図。 本発明の可視光ミラーの短波長領域における紫外線吸収層部１３（ＴｉＯ_２、λ／２）の透過率を例示する図。 従来構成の可視光ミラーと本発明の可視光ミラーとの全損失の相違を例示する図。

Claims (6)

1. 基板と、
   上記基板上に形成され、紫外線の照射により可視光吸収の増大が誘起される誘電体材料の層を含んだ多層膜ミラーであるミラースタック層部と、
   上記ミラースタック層部上に被覆形成され、紫外線を吸収する誘電体材料の層を少なくとも１層含み、紫外線領域の所定の波長帯域における透過率が５０％以下である紫外線吸収層部と、
   を備える可視光ミラー。
2. 請求項１に記載の可視光ミラーにおいて、
   前記ミラースタック層部は、紫外線照射が無い時の特定の波長の可視光に対する損失が５０ｐｐｍ以下であることを特徴とする可視光ミラー。
3. 請求項１又は２のいずれかに記載の可視光ミラーにおいて、
   前記ミラースタック層部は、Ｔａ_２Ｏ_５とＳｉＯ_２との交互積層からなり、
   前記所定の波長帯域は、３２０ｎｍ以下の帯域である
   ことを特徴とする可視光ミラー。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の可視光ミラーにおいて、
   前記紫外線吸収層部の紫外線を吸収する誘電体材料の層は、ＴｉＯ_２の層であることを特徴とする可視光ミラー。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の可視光ミラーを用いてレーザ発振用の光共振器が構成されていることを特徴とする可視光発振ガスレーザ。
6. 請求項１乃至４のいずれかに記載の可視光ミラーを用いて角速度検出用のＨｅ−Ｎｅリングレーザ共振器が構成されることを特徴とするＨｅ−Ｎｅリングレーザジャイロ。

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