JP2014228611A

JP2014228611A - 赤外光学膜、円偏光ミラー、円偏光ミラーを備えたレーザ加工機、および赤外光学膜の製造方法

Info

Publication number: JP2014228611A
Application number: JP2013106792A
Authority: JP
Inventors: 秀和中井; Hidekazu Nakai
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-05-21
Filing date: 2013-05-21
Publication date: 2014-12-08
Anticipated expiration: 2033-05-21
Also published as: JP6080684B2

Abstract

【課題】光学性能を大きく低下させることなく、耐熱性を強化した赤外光学膜を提供する。
【解決手段】基板上に形成された光学反射膜を覆うように形成された赤外光学膜であって、ZnSまたはZnSeで形成された第一の高屈折層と、この第一の高屈折層の材料よりも屈折率が小さい材料のフッ化物で形成された第一の低屈折層とを交互に配置した層構成の第一の多層群と、この第一の多層群よりも光学反射膜側に位置し、Geで形成された第二の高屈折層とZnSまたはZnSeで形成された第二の低屈折層とを、光学反射膜と接する層が第二の低屈折層となり、第一の多層群に接する層が第二の高屈折層となるよう交互に配置した層構成の第二の多層群とを有し、第一の多層群は、第一の低屈折層が前記第二の多層群に接する層となるよう形成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＣＯ_２レーザ用の光学部品、特に円偏光ミラーの赤外光学膜、および該円偏光ミラーを搭載したレーザ加工機に関するものである。

レーザ光は、単一波長で位相が揃ったコヒーレントな光であり、情報通信や計測機器、医療などの様々な分野で使用されている。高出力発振が可能なＣＯ_２レーザに関しては、鋼板の切断やプリント配線板への穴あけ加工に利用されている。

レーザ光を用いて鋼板を加工する場合、レーザ光の偏光異方性が切断形状に悪影響を与え、切断面が傾斜し製品の品質が低下する問題が知られている。これは、レーザ光のS波とP波に対する材料の吸収率が異なることに起因しており、レーザ光の偏光面を回転させ偏光異方性を解消することで、均一な切断加工を実現することができる。

上記問題を解決する方法として、下記特許文献には、レーザ光のＳ波とＰ波の位相差を制御する赤外光学膜を形成した、円偏光ミラーと呼ばれるレーザ用光学部品が提案されている。特許文献１には、SiまたはCuを基板としてCr、Auを順に形成し、その上にZnSeとThF₄を交互に積層する赤外光学膜を形成した円偏光ミラーが記載されている。また、特許文献２には、SiまたはCuを基板としてCrとAuを順に形成し、その上にZnSとThF₄を交互に積層する赤外光学膜を形成した円偏光ミラーが記載されている。

特許第２８５０６８３号公報特許第２８５０６８４号公報

しかしながら、上記特許文献における円偏光ミラーの赤外光学膜では、ThF₄に起因する引張応力がZnSeおよびZnSが有する圧縮応力より強いため耐熱性に乏しく、熱を印加した際に膜割れ・剥離が発生しやすい問題があった。つまり、上記赤外光学膜が形成された光学部品である円偏光ミラーをＣＯ_２レーザ加工機に搭載した場合には、高出力のＣＯ_２レーザ光を受けて光学部品が蓄熱するため、上記不良が発生し光学部品を度々交換する必要が生じていた。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、光学性能を大きく低下させることなく、耐熱性を強化した赤外光学膜を提供することを目的としている。

本発明は、基板上に形成された光学反射膜を覆うように形成された赤外光学膜であって、ZnSまたはZnSeで形成された第一の高屈折層と、この第一の高屈折層の材料よりも屈折率が小さい材料のフッ化物で形成された第一の低屈折層とを交互に配置した層構成の第一の多層群と、この第一の多層群よりも光学反射膜側に位置し、Geで形成された第二の高屈折層とZnSまたはZnSeで形成された第二の低屈折層とを、光学反射膜と接する層が第二の低屈折層となり、第一の多層群に接する層が第二の高屈折層となるよう交互に配置した層構成の第二の多層群とを有し、第一の多層群は、第一の低屈折層が前記第二の多層群に接する層となるよう形成したものである。

本発明によれば、ＣＯ_２レーザ用の光学部品の寿命を長寿命化することができる。その結果、光学部品の交換頻度を低減し、メンテナンス性に優れたレーザ加工機を提供することができる。

この発明による円偏光ミラーの赤外光学膜の構成を示す断面図である。この発明による実施例１の赤外光学膜を形成した円偏光ミラーの光学特性を示す図である。比較例１の赤外光学膜を形成した円偏光ミラーの光学特性を示す図である。この発明の赤外光学膜を形成した円偏光ミラーを製造するための真空蒸着装置の例を示す断面図である。この発明による実施例２の赤外光学膜を形成した円偏光ミラーの光学特性を示す図である。この発明による実施例３の赤外光学膜を形成した円偏光ミラーの光学特性を示す図である。この発明による実施例４の赤外光学膜を形成した円偏光ミラーの光学特性を示す図である。この発明による実施例５の赤外光学膜を形成した円偏光ミラーの光学特性を示す図である。この発明による実施例６の赤外光学膜を形成した円偏光ミラーの光学特性を示す図である。この発明による実施例７の赤外光学膜を形成した円偏光ミラーの光学特性を示す図である。この発明による実施例８の赤外光学膜を形成した円偏光ミラーの光学特性を示す図である。この発明による実施例９の赤外光学膜を形成した円偏光ミラーの光学特性を示す図である。この発明による実施例１０の赤外光学膜を形成した円偏光ミラーの光学特性を示す図である。この発明による実施例１１の赤外光学膜を形成した円偏光ミラーの光学特性を示す図である。特許文献１に示される赤外光学膜を形成した円偏光ミラーの光学特性を示す図である。

実施の形態１．
従来の赤外光学膜では、Au膜上のZnSeまたはZnSは密着強化層であり、その上に交互に形成された低屈折材のThF₄と高屈折材のZnSeまたはZnSが主に赤外光学膜全体の性能および性質を担っていた。図１５に、特許文献１の赤外光学膜を形成した円偏光ミラーの反射率とＳ波とＰ波の位相差（以降は単に位相差と表現する）を示す。波長10.6μmにおける反射率と位相差は、それぞれ99.2%，91.5度である。

従来の赤外光学膜には、引張応力を有するThF₄と圧縮応力を有するZnSeまたはZnSを交互に形成することで引張応力を抑制する意図があるが、膜応力は膜厚に比例するため、赤外光学膜全体では引張応力を有していた。引張応力を有する場合、熱印加時に膜割れ・剥離が発生しやすい。つまり、耐熱性が乏しい問題がある。その結果、従来の赤外光学膜では、加工用などエネルギーが大きい高出力レーザ光のレーザ用光学部品としての長期的な信頼性を確保できなかった。また、引張応力を低減させるためにThF₄の膜厚を薄くする方法も考えられるが、光学性能が低下して円偏光ミラーとして機能しない問題があった。これは、ThF₄を他のフッ化物（YF₃、YbF₃、MgF₂)で代替したとしても、同様に発生する問題であった。

図１は、本発明の赤外光学膜を形成した円偏光ミラーの断面図である。ここで、赤外光学膜の一例として、８層構成の場合を例示した。所望の光学特性を得るために層数を増やすことは可能だが、膜厚が厚すぎると材料吸収・膜歪みの影響が顕著になる。そのため、総膜厚は10μm以下であることが好ましい。

基板１上には、まず高反射率を得るための光学反射膜２（ここではAu膜（膜厚10 nm〜1μm ））（反射層２とも称する）を形成する。基板１と光学反射膜２の間に、密着層を形成してもよい。赤外光学膜を有する光学部品としての円偏光ミラーの基板１としては、半導体であるSiや金属のCu，Be、セラミックのB4C，SiCなどがある。

本発明による赤外光学膜では、まず、フッ化物で形成された第一の低屈折層６とフッ化物よりも屈折率が高いZnS（またはZnSe）で形成された第一の高屈折層５とを交互に形成した第一の多層群３を設けた。この第一の多層群３と光学反射膜２との間に、引張応力を有するGeで形成された第二の高屈折層７と、Geよりも屈折率が小さいZnS（またはZnSe）で形成された第二の低屈折層８とを交互に形成した第二の多層群４を設けた。ここで、第二の多層群４の層のうち、光学反射膜２に接する層は第二の低屈折層８であり、第一の多層群３に接する層は第二の高屈折層７である。また、第一の多層群３の層のうち、第二の多層群４に接する層は第一の低屈折層６である。圧縮応力を有する第二の多層群４を設けることで、赤外光学膜が引張応力を起因として膜割れ・剥離を起こすことを防止する。また、フッ化物と金属膜の密着性は乏しく、AuとZnSまたはZnSeの密着の相性が良いので、第一の多層群３を光学反射膜２上に直接形成する場合に比べてAu膜である光学反射膜２との密着性を確保することができる。

さらに、本発明においては、フッ化物（n≒1.4）とZnS（n＝2.2）（またはZnSe（n＝2.4））からなる第一の多層群３と光学反射膜２の間に、ZnS（またはZnSe）とGe（n＝4.0）からなる第二の多層群４を設けたことで、層間の屈折率差を拡大して設計自由度が広がった。これにより、従来の赤外光学膜以上の光学性能を実現したり、フッ化物の膜厚を薄くしながら円偏光ミラーに必要な光学性能を実現したりすることが可能となった。

まず、実施例１として、図１に示した膜の構成において、Siを基板１とし、光学反射膜２であるAu膜と４層構成の第一の多層群３との間に、４層構成の第二の多層群４を設けた赤外光学膜を形成したＣＯ_２レーザ用偏光ミラーを作製して、反射率と位相差の特性を測定した。実施例１の赤外光学膜の詳細構成は下記のようである。なお、反射層２としてのAu膜上の第二の低屈折層を第１層と呼び、以降順に第２層、第３層…と呼ぶ。

実施例１
設計波長λ＝10.6μm
基板 Si（ 10 mm ）
反射層 Au（100 nm ）
第１層 ZnS（1220 nm ）
第２層 Ge（660 nm ）
第３層 ZnS（1210 nm ）
第４層 Ge（590 nm ）
第５層 YF₃（940 nm ）
第６層 ZnS（1410 nm ）
第７層 YF₃（1030 nm ）
第８層 ZnS（960 nm ）
総膜厚8.1μm
かっこ内は各層の膜厚を示す。以降同じ。
ここで、第１層〜第４層が第二の多層群４、第５層〜第８層が第一の多層群３を構成する。

図２に、本発明による実施例１の赤外光学膜を形成したＣＯ_２レーザ用偏光ミラーの反射率と位相差を示す。波長10.6μmにおける反射率と位相差は99.6%と90.3度であり、特許文献１の赤外光学膜より優れた光学性能が得られた。また、位相差の波長依存性に関しては、特許文献１の赤外光学膜と同様に緩やかな波長依存性を実現した。

第一の多層群３におけるフッ化物の層である第一の低屈折層６の材料としては、赤外領域での透過性に優れるYF₃，YbF₃，MgF₂のうちから少なくとも一種を含むことが好ましい。また、本発明に関する実験結果から、YF₃およびYbF₃に関して、基板温度が20℃〜140℃の範囲内にある場合に成膜することで、特に引張応力を低減し、熱印加時に膜割れ・剥離を防止できることが判明した。

表１に、温度200℃で加速試験を行い、実施例１の赤外光学膜と従来の赤外光学膜の耐熱性を比較した結果を示す。20hrの時点では共に異常が発生しなかったが、72hrを経過すると従来の赤外光学膜に膜割れが発生した。さらに試験を継続した結果、120hr経過後には従来の赤外光学膜に膜剥離が発生した。一方、本発明による実施例１の赤外光学膜には120hr経過後も異常が発生しなかった。このように、圧縮応力を有する第二の多層群４を設けることで、膜割れ・剥離の発生を防止し、従来の赤外光学膜における耐熱性不足の問題を解決することができる。

以上の実施例１と比較のため、比較例１としてフッ化物の層の厚みが薄い赤外光学膜、および比較例２としてフッ化物の層の厚みが厚い赤外光学膜、によるＣＯ_２レーザ用円偏光ミラーを作製して、反射率と位相差の特性を測定した。比較例１および比較例２の赤外光学膜の各膜は下記のような材料と膜厚である。

比較例１
設計波長λ＝10.6μm
基板 Si（ 10 mm ）
反射層 Au（100 nm ）
第１層 ZnS（1070 nm ）
第２層 Ge（570 nm ）
第３層 ZnS（1010 nm ）
第４層 Ge（490 nm ）
第５層 ZnS（880 nm ）
第６層 Ge（580 nm ）
第７層 YbF₃（410 nm ）
第８層 ZnS（2250 nm ）
第９層 YbF₃（320 nm ）
第１０層 ZnS（1530 nm ）
総膜厚9.2μm

比較例２
設計波長λ＝10.6μm
基板 Si（ 10 mm ）
反射層 Au（100 nm ）
第１層 ZnS（1220 nm ）
第２層 Ge（660 nm ）
第３層 ZnS（1220 nm ）
第４層 Ge（560 nm ）
第５層 YF₃（1250 nm ）
第６層 ZnS（1180 nm ）
第７層 YF₃（1250 nm ）
第８層 ZnS（850 nm ）
総膜厚8.3μm

比較例１は、フッ化物の層を総膜厚に対する膜厚比で８％含み、Siを基板とし、Au膜と４層構成の第一の多層群の間に、６層構成の第二の多層群を設けた赤外光学膜を形成したＣＯ_２レーザ用円偏光ミラーである。図３に、比較例１の赤外光学膜を形成したＣＯ_２レーザ用円偏光ミラーの反射率と位相差を示す。波長10.6μmにおける反射率と位相差は98.9%と90.7度であった。反射率は、特許文献１の赤外光学膜より低い。また、位相差の波長依存性が急峻になり、製造時の膜厚誤差に対する安定性が低下している。つまり、特許文献１より光学性能が低下した。

また、比較例２は、フッ化物の層を総膜厚に対する膜厚比で３０％含み、Siを基板として、Au膜と４層構成の第一の多層群の間に、４層構成の第二の多層群を設けた赤外光学膜を形成したＣＯ_２レーザ用円偏光ミラーである。温度２００℃の加速試験を行ったところ、120hr経過した時点で膜割れが発生し、実施例１と同等の耐熱性を実現することができなかった。

このように、フッ化物の層の厚みが比較的薄く、総膜厚に対する割合が１０％未満の場合、光学性能が低下してしまう。また、フッ化物の層の厚みが比較的厚く、赤外光学膜全体の総膜厚に対する割合が２９％より大きい場合、フッ化物による引張応力の影響が顕在化して耐熱性が低下する。つまり、総膜厚に対する膜厚比で合計１０〜２９％のフッ化物の層、すなわち第一の低屈折層６を含む場合、ＣＯ_２レーザ光学部品に必要な光学性能の達成と高耐熱化の実現を両立することができる。なお、赤外光学膜の最表層には、光学特性に影響がほとんどない、例えば10nm程度の薄い薄膜を形成して耐磨耗性を付与してもよい。

以上のように、本発明の赤外光学膜を形成した円偏光ミラーによれば、光学性能を低下させることなく、耐熱性を強化した赤外光学膜の円偏光ミラーを提供することができる。これにより、ＣＯ_２レーザ光学部品の寿命を長寿命化することができ、光学部品の交換頻度を低減してメンテナンス性に優れたレーザ加工機を提供することができる。

実施の形態２．
実施の形態２では、本発明による赤外光学膜の製造方法の例について説明する。本発明の赤外光学膜の作製には、真空蒸着装置を用いることができる。真空蒸着法とは、真空引きされた真空容器内において蒸着材料にエネルギーを投入し、蒸発した材料を直上に備えた基板へ付着させて膜を形成する方法である。赤外光学膜の形成方法は、真空蒸着法に限らず、スパッタリング法やCVD法，MBE法などであってもよい。

図４に、真空蒸着装置の概略説明図の一例を示す。真空蒸着装置には、真空ポンプ１５による真空引きが行われる真空容器９が備えられている。該真空容器９内には、蒸着材料１０と、蒸着材料１０を設置するためのハースデッキ１１と、蒸着材料にエネルギーを投入する電子銃１２と、成膜工程を制御する遮蔽板１３と、基板１を固定するためのドーム１４が設置されている。

次に、成膜の手順について説明する。まず、成膜面を蒸着材料の方向に向けて基板１をドーム１４上に設置し、真空ポンプ１５により真空容器９内を排気して圧力を10^-3Pa以下とする。所定の圧力に到達してから、電子銃１２からハースデッキ１１上の蒸着材料１０にエネルギーを投入して溶融・蒸発させ、蒸発量が安定してから遮蔽板１３を開けて成膜を開始した。所定の膜厚が得られたら遮蔽板１３を閉じ、成膜を終了した。各材料の成膜速度は、Au：5.0±0.2 Å/s、Ge：6.0±0.2 Å/s、ZnS：12.0 ±0.5 Å/s、ZnSe：14.0 ±0.5 Å/s、YF₃：10.0±0.5 Å/s、YbF₃：9.0±0.5 Å/s、MgF₂：7.0±0.5 Å/sであった。

本発明に関する実験結果から、第一の多層群３を第二の多層群４より低圧で形成することにより、第一の多層群３におけるフッ化物を起因とする引張応力を低減し、赤外光学膜の耐熱性を向上できることが判明した。第一の多層群３における成膜圧力は、特に1.2×10^-5Pa〜2.4×10^-4Paの範囲内にあることが好ましい。

ここで、フッ化物の層である第一の低屈折層６を形成する際には、IAD法を活用することが好ましい。IADとは、Ion Assist Deposition の略であり、O₂やAr、Fなどのイオンを被蒸着物質に照射しながら成膜する手法である。IAD法で形成することにより、フッ化物膜の引張応力が軽減され、耐熱性が向上することを確認した。特に、成膜終了直前の少なくとも50nm以上をIAD法で形成することが好ましい。

実施の形態３．
実施の形態３では、本発明による赤外光学膜を形成したＣＯ_２レーザ用円偏光ミラーを種々作製し、実施例２〜８としてその光学特性を測定した結果を示す。

実施例２
設計波長λ＝10.6μm
基板 Cu（ 10 mm ）
反射層 Au（100 nm ）
第１層 ZnS（1220 nm ）
第２層 Ge（660 nm ）
第３層 ZnS（1210 nm ）
第４層 Ge（590 nm ）
第５層 YF₃（940 nm ）
第６層 ZnS（1410 nm ）
第７層 YF₃（1030 nm ）
第８層 ZnS（960 nm ）
総膜厚8.1μm
ここで、第１層〜第４層が第二の多層群４、第５層〜第８層が第一の多層群３を構成する。

実施例２は、Cuを基板とし、実施例１と同じ赤外光学膜を形成したＣＯ_２レーザ用円偏光ミラーである。図５に、本発明による実施例２の赤外光学膜を形成したＣＯ_２レーザ用円偏光ミラーの反射率と位相差を示す。波長10.6μmにおける反射率と位相差は99.6%と90.3度であり、特許文献１の赤外光学膜より優れた光学性能が得られた。また、位相差の波長依存性に関しては、特許文献１の赤外光学膜と同様に緩やかな波長依存性を実現した。

実施例３
設計波長λ＝10.6μm
基板 Cu（ 10 mm ）
反射層 Au（100 nm ）
第１層 ZnS（1170 nm ）
第２層 Ge（620 nm ）
第３層 ZnS（1120 nm ）
第４層 Ge（560 nm ）
第５層 ZnS（970 nm ）
第６層 Ge（370 nm ）
第７層 MgF₂（1100 nm ）
第８層 ZnS（1110 nm ）
総膜厚7.1μm
ここで、第１層〜第６層が第二の多層群４、第７層〜第８層が第一の多層群３を構成する。

実施例３は、Cuを基板とし、Au膜と２層構成の第一の多層群３の間に、６層構成の第二の多層群４を設けた赤外光学膜を形成したＣＯ_２レーザ用円偏光ミラーである。フッ化物として、MgF₂を用いた。図６に、本発明による実施例３の赤外光学膜を形成したＣＯ_２レーザ用円偏光ミラーの反射率と位相差を示す。波長10.6μmにおける反射率と位相差は99.4%と90.3度であり、特許文献１の赤外光学膜より優れた光学性能が得られた。また、位相差の波長依存性に関しては、特許文献１の赤外光学膜と同様に緩やかな波長依存性を実現した。

実施例４
設計波長λ＝10.6μm
基板 Cu（ 10 mm ）
反射層 Au（100 nm ）
第１層 ZnS（1090 nm ）
第２層 Ge（670 nm ）
第３層 ZnS（1230 nm ）
第４層 Ge（620 nm ）
第５層 ZnS（1170 nm ）
第６層 Ge（500 nm ）
第７層 YbF₃（1140 nm ）
第８層 ZnS（1470 nm ）
第９層 YbF₃（970 nm ）
第１０層 ZnS（900 nm ）
総膜厚9.9μm
ここで、第１層〜第６層が第二の多層群４、第７層〜第１０層が第一の多層群３を構成する。

実施例４は、Cuを基板とし、Au膜と４層構成の第一の多層群３の間に、６層構成の第二
の多層群４を設けた赤外光学膜を形成したＣＯ_２レーザ用円偏光ミラーである。フッ化物として、YbF₃を用いた。図７に、本発明による実施例４の赤外光学膜を形成したＣＯ_２レーザ用円偏光ミラーの反射率と位相差を示す。波長10.6μmにおける反射率と位相差は99.9%と90.2度であり、特許文献１の赤外光学膜より優れた光学性能が得られた。また、位相差の波長依存性に関しては、特許文献１の赤外光学膜と同様に緩やかな波長依存性を実現した。

実施例５
設計波長λ＝10.6μm
基板 Si（ 10 mm ）
反射層 Au（100 nm ）
第１層 ZnS（1140 nm ）
第２層 Ge（650 nm ）
第３層 ZnS（1200 nm ）
第４層 Ge（620 nm ）
第５層 ZnS（1180 nm ）
第６層 Ge（770 nm ）
第７層 YF₃（700 nm ）
第８層 ZnS（1330 nm ）
第９層 MgF₂（1010 nm ）
第１０層 ZnS（1160 nm ）
総膜厚9.9μm
ここで、第１層〜第６層が第二の多層群４、第７層〜第１０層が第一の多層群３を構成する。

実施例５は、Siを基板とし、Au膜と４層構成の第一の多層群３の間に、６層構成の第二の多層群４を設けた赤外光学膜を形成したＣＯ_２レーザ用円偏光ミラーである。フッ化物として、YF₃とMgF₂を用いた。図８に、本発明による実施例５の赤外光学膜を形成したＣＯ_２レーザ用円偏光ミラーの反射率と位相差を示す。波長10.6μmにおける反射率と位相差は99.9%と90.4度であり、特許文献１の赤外光学膜より優れた光学性能が得られた。また、位相差の波長依存性に関しては、特許文献１の赤外光学膜と同様に緩やかな波長依存性を実現した。

実施例６
設計波長λ＝9.3μm
基板 Be（ 5 mm ）
反射層 Au（100 nm ）
第１層 ZnS（1090 nm ）
第２層 Ge（560 nm ）
第３層 ZnS（1090 nm ）
第４層 Ge（460 nm ）
第５層 YF₃（1050 nm ）
第６層 ZnS（1160 nm ）
第７層 YF₃（860 nm ）
第８層 ZnS（860 nm ）
総膜厚7.2μm
ここで、第１層〜第４層が第二の多層群４、第５層〜第８層が第一の多層群３を構成する。

実施例６は、Beを基板とし、実施例１と異なる設計波長である波長9.3μm用の赤外光学膜を形成したＣＯ_２レーザ用円偏光ミラーである。フッ化物として、YF₃を用いた。図９に、本発明による実施例６の赤外光学膜を形成したＣＯ_２レーザ用円偏光ミラーの反射率と位相差を示す。波長9.3μmにおける反射率と位相差は99.6%と90.3度であり、特許文献１の赤外光学膜より優れた光学性能が得られた。また、位相差の波長依存性に関しては、特許文献１の赤外光学膜と同様に緩やかな波長依存性を実現した。

実施例７
設計波長λ＝9.3μm
基板 Cu（ 10 mm ）
反射層 Au（100 nm ）
第１層 ZnS（1050 nm ）
第２層 Ge（550 nm ）
第３層 ZnS（1150 nm ）
第４層 Ge （500 nm ）
第５層 ZnS（1080 nm ）
第６層 Ge（400 nm ）
第７層 YbF₃（1140 nm ）
第８層 ZnS（1230 nm ）
第９層 YF₃（890 nm ）
第１０層 ZnS（760 nm ）
総膜厚8.8μm
ここで、第１層〜第６層が第二の多層群４、第７層〜第１０層が第一の多層群３を構成する。

実施例７は、Cuを基板とし、実施例１と異なる設計波長である波長9.3μm用の赤外光学膜を形成したＣＯ_２レーザ用円偏光ミラーである。フッ化物として、YbF₃とYF₃を用いた。図１０に、本発明による実施例７の赤外光学膜を形成したＣＯ_２レーザ用円偏光ミラーの反射率と位相差を示す。波長9.3μmにおける反射率と位相差は99.9%と90.3度であり、特許文献１の赤外光学膜より優れた光学性能が得られた。また、位相差の波長依存性に関しては、特許文献１の赤外光学膜と同様に緩やかな波長依存性を実現した。

表２に、温度200℃で加速試験を行い、実施例２〜７の赤外光学膜を形成した光学部品の耐熱性を評価した結果を示す。本発明による実施例２〜７の赤外光学膜を形成した光学部品には、120hr経過後も異常が発生しなかった。

実施の形態４．
実施の形態４では、実施例１〜７の赤外光学膜を形成したＣＯ_２レーザ用円偏光ミラーをレーザ加工機に搭載し、加工レーザ光の偏光度を評価した結果を示す。ここで、偏光度は偏光異方性の度合いを表す指標であり、一方向に偏光した直線偏光のレーザ光では０％、完全な円偏光のレーザ光では１００％が得られる。

表３に、本発明のレーザ加工機における加工レーザ光の偏光度を示す。レーザ加工機に製造・組立公差が存在するため、偏光度１００％のレーザ光を得ることは困難であるが、本発明のレーザ加工機において、９７％を超える高い偏光度を確認した。このような加工レーザ光を用いることで、切断形状が傾斜することなく高品質な切断加工を行うことができる。

実施の形態５．
以上では、第一の多層群の高屈折層の材料、および第二の多層群の低屈折層の材料をZnSとした例を示した。ここでは、これら第一の多層群の高屈折層の材料、および第二の多層群の低屈折層の材料を、ZnSと光学特性および力学的な特性が近いZnSeとした例を示す。

実施例８
設計波長λ＝10.6μm
基板 Cu（ 10 mm ）
反射層 Au（100 nm ）
第１層 ZnSe（1120 nm ）
第２層 Ge（660 nm ）
第３層 ZnSe（1130 nm ）
第４層 Ge（620 nm ）
第５層 YbF₃（1130 nm ）
第６層 ZnSe（1190 nm ）
第７層 YbF₃（940 nm ）
第８層 ZnSe（800 nm ）
総膜厚7.7μm
ここで、第１層〜第４層が第二の多層群４、第５層〜第８層が第一の多層群３を構成する。

実施例８は、Cuを基板とし、Au膜と４層構成の第一の多層群３の間に、４層構成の第二の多層群４を設けた赤外光学膜を形成したＣＯ_２レーザ用円偏光ミラーである。フッ化物として、YbF₃を用いた。図１１に、本発明による実施例８の赤外光学膜を形成したＣＯ_２レーザ用円偏光ミラーの反射率と位相差を示す。波長10.6μmにおける反射率と位相差は99.6%と90.2度であり、特許文献１の赤外光学膜より優れた光学性能が得られた。また、位相差の波長依存性に関しては、特許文献１の赤外光学膜と同様に緩やかな波長依存性を実現した。

実施例９
設計波長λ＝10.6μm
基板 Cu（ 10 mm ）
反射層 Au（100 nm ）
第１層 ZnSe（1050 nm ）
第２層 Ge（680 nm ）
第３層 ZnSe（1130 nm ）
第４層 Ge（640 nm ）
第５層 ZnSe（1100 nm ）
第６層 Ge（570 nm ）
第７層 YF₃（1010 nm ）
第８層 ZnSe（1360 nm ）
第９層 YF₃（870 nm ）
第１０層 ZnSe（770 nm ）
総膜厚9.3μm
ここで、第１層〜第６層が第二の多層群４、第７層〜第１０層が第一の多層群３を構成する。

実施例９は、Cuを基板とし、Au膜と４層構成の第一の多層群３の間に、６層構成の第二の多層群４を設けた赤外光学膜を形成したＣＯ_２レーザ用円偏光ミラーである。フッ化物として、YF₃を用いた。図１２に、本発明による実施例９の赤外光学膜を形成したＣＯ_２レーザ用円偏光ミラーの反射率と位相差を示す。波長10.6μmにおける反射率と位相差は99.8%と90.2度であり、特許文献１の赤外光学膜より優れた光学性能が得られた。また、位相差の波長依存性に関しては、特許文献１の赤外光学膜と同様に緩やかな波長依存性を実現した。

実施例１０
設計波長λ＝10.6μm
基板 Si（ 10 mm ）
反射層 Au（100 nm ）
第１層 ZnSe（1090 nm ）
第２層 Ge（670 nm ）
第３層 ZnSe（1120 nm ）
第４層 Ge（650 nm ）
第５層 ZnSe（1110 nm ）
第６層 Ge（800 nm ）
第７層 YF₃（810 nm ）
第８層 ZnSe（1190 nm ）
第９層 YbF₃（980 nm ）
第１０層 ZnSe（840 nm ）
総膜厚9.4μm
ここで、第１層〜第６層が第二の多層群４、第７層〜第１０層が第一の多層群３を構成する。

実施例１０は、Siを基板とし、Au膜と４層構成の第一の多層群３の間に、６層構成の第二の多層群４を設けた赤外光学膜を形成したＣＯ_２レーザ用円偏光ミラーである。フッ化物として、YF₃とYbF₃を用いた。図１３に、本発明による実施例１０の赤外光学膜を形成したＣＯ_２レーザ用円偏光ミラーの反射率と位相差を示す。波長10.6μmにおける反射率と位相差は99.8%と90.3度であり、特許文献１の赤外光学膜より優れた光学性能が得られた。また、位相差の波長依存性に関しては、特許文献１の赤外光学膜と同様に緩やかな波長依存性を実現した。

実施例１１
設計波長λ＝10.6μm
基板 Cu（ 10 mm ）
反射層 Au（100 nm ）
第１層 ZnS（1220 nm ）
第２層 Ge（660 nm ）
第３層 ZnS（1240 nm ）
第４層 Ge（780 nm ）
第５層 MgF₂（850 nm ）
第６層 ZnSe（1150 nm ）
第７層 MgF₂（790 nm ）
第８層 ZnSe（1040 nm ）
総膜厚7.9μm
ここで、第１層〜第４層が第二の多層群４、第５層〜第８層が第一の多層群３を構成する。

実施例１１は、Cuを基板とし、Au膜と４層構成の第一の多層群３の間に、４層構成の第二の多層群４を設けた赤外光学膜を形成したＣＯ_２レーザ用円偏光ミラーである。フッ化物として、MgF₂を用いた。図１４に、本発明による実施例１１の赤外光学膜を形成したＣＯ_２レーザ用円偏光ミラーの反射率と位相差を示す。波長10.6μmにおける反射率と位相差は99.6%と90.3度であり、特許文献１の赤外光学膜より優れた光学性能が得られた。また、位相差の波長依存性に関しては、特許文献１の赤外光学膜と同様に緩やかな波長依存性を実現した。

表４に、温度200℃で加速試験を行い、実施例８〜１１の赤外光学膜を形成した光学部品の耐熱性を評価した結果を示す。本発明による実施例８〜１１の赤外光学膜を形成した光学部品には、120hr経過後も異常が発生しなかった。

以上のように、第一の多層群の高屈折層の材料、および第二の多層群の低屈折層の材料は、ZnSであってもZnSeであっても同じような特性が得られる。本発明は、第一の多層群が、ZnSまたはZnSeで形成された第一の高屈折層と、この第一の高屈折層の材料よりも屈折率が小さい材料のフッ化物で形成された第一の低屈折層とを交互に配置した層構成であり、Geで形成された第二の高屈折層とZnSまたはZnSeで形成された第二の低屈折層とを交互に配置した層構成の第二の多層群を、第一の多層群よりも光学反射膜側に配置した構成としたことに特徴がある。

１基板、２光学反射膜、３第一の多層群、４第二の多層群、５第一の高屈折層、６第一の低屈折層、７第二の高屈折層、８第二の低屈折層

Claims

基板上に形成された光学反射膜を覆うように形成された赤外光学膜であって、ZnSまたはZnSeで形成された第一の高屈折層と、この第一の高屈折層の材料よりも屈折率が小さい材料のフッ化物で形成された第一の低屈折層とを交互に配置した層構成の第一の多層群と、この第一の多層群よりも前記光学反射膜側に位置し、Geで形成された第二の高屈折層とZnSまたはZnSeで形成された第二の低屈折層とを、前記光学反射膜と接する層が前記第二の低屈折層となり、前記第一の多層群に接する層が前記第二の高屈折層となるよう交互に配置した層構成の第二の多層群とを有し、前記第一の多層群は、前記第一の低屈折層が前記第二の多層群に接する層となるよう形成されていることを特徴とする赤外光学膜。
前記第一の低屈折層の材料が、YF₃、YbF₃、MgF₂、のうちの少なくとも１種を含むことを特徴とする請求項１に記載の赤外光学膜。
総膜厚に対する前記第一の低屈折層の膜厚の割合が１０〜２９％であることを特徴とする請求項１または２に記載の赤外光学膜。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の赤外光学膜を有することを特徴とする円偏光ミラー。
請求項４の円偏光ミラーを備えたことを特徴とするレーザ加工機。
請求項２に記載の赤外光学膜の製造方法であって、前記第一の低屈折層の材料にYF₃またはYbF₃が含まれる場合、YF₃またはYbF₃の前記第一の低屈折層を、基板の温度２０℃〜
１４０℃の範囲内の温度で形成することを特徴とする赤外光学膜の製造方法。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の赤外光学膜の製造方法において、前記第一の低屈折層をＩＡＤ法により形成することを特徴とする赤外光学膜の製造方法。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の赤外光学膜の製造方法において、前記第一の多層群を前記第二の多層群よりも低圧の環境下で形成することを特徴とする赤外光学膜の製造方法。