JP2017167543A - 合成ダイヤモンド光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】合成ダイヤモンド光学素子の代替物を提供する。【解決手段】光学素子であって、合成ダイヤモンド材料と、合成ダイヤモンド材料の少なくとも１つの表面内に直接形成された反射防止表面パターンとを有し、光学素子は、室温で測定して１０．６μｍの波長で０．５ｃｍ-1以下の吸収係数を有し、光学素子は、少なくとも１つの表面のところに光学素子の動作周波数で２％以下の反射率を有し、光学素子は、次の特性のうちの一方又は両方を満たすレーザ誘導損傷しきい値を有し、これら特性は、レーザ誘導損傷しきい値がパルス持続時間を１００ｎｓ、パルス繰り返し周波数を１〜１０Ｈｚの範囲として波長１０．６μｍのパルスレーザを用いて測定して少なくとも３０Ｊｃｍ-2であるという特性及びレーザ誘導損傷しきい値が波長１０．６μｍの連続波レーザを用いて測定して少なくとも１ＭＷ／ｃｍ2であるという特性であることを特徴とする光学素子。【選択図】図１

Description

本発明は、合成ダイヤモンド光学素子、特に、薄膜の反射防止膜を有する合成ダイヤモンド光学素子の代替物の提供に関する。特定の実施形態は、ハイパワー（high power）光学用途に適した光学特性、熱的特性、及び機械的特性を備えた合成ダイヤモンド光学素子に関するが、本明細書において説明する合成ダイヤモンド光学素子は、反射防止膜を設けることが機械的堅牢さ、化学的不活性、低吸光度、及び高い熱伝導率を含む要因に起因して望ましくない他の用途で使用できる。

合成ダイヤモンド光学素子に施される標準型の薄膜の反射防止膜は、反射を最小限に抑えるという面で優れた性能を有するが、ハイパワー光学系では、かかる反射防止膜が損傷を受けやすいのでこれらの使用が制限される。高い吸光度及び／又は貧弱な又は低い熱伝導率に起因して、反射防止膜は、どのような合成ダイヤモンド窓においても弱点になる傾向があり、その結果、低いレーザ誘導損傷しきい値（ＬＩＤＴ）の合成ダイヤモンド窓が生じる。さらに、薄膜反射防止膜の吸光レベルが比較的低い場合であっても、薄膜は、高パワー密度光学用途では依然として破損する場合がある。例えば、２０ｋＷレーザシステムの場合、薄膜反射防止膜の損傷は、問題であり、現行の技術的手段としての薄膜反射防止膜は、４０ｋＷ以上で動作するレーザシステムと適合性のあることはまずない。かかるハイパワーレーザシステムは、集積回路加工を小さな寸法に合わせて行うためにレーザ誘導プラズマ（ＬＰＰ）極紫外線（ＥＵＶ）リソグラフィシステムを含む多くの用途にとって望ましい。かかる極端な光学用途は、極端に高いパワー密度を取り扱うことができる合成ダイヤモンド窓を必要とするが、これには、（１）所要の寸法及び低い光学反射率／吸収（吸光）度／散乱量を含む所望のバルク光学特性を備えた合成ダイヤモンド材料、及び（２）極端に高いパワー密度を取り扱うことができる反射防止表面仕上げの組み合わせが必要である。薄膜反射防止膜は、例えば引っ掻き又は研磨を受ける場合、これらの機械的健全性の面でも問題となる場合がある。

薄膜反射防止膜の代替手段として、反射防止表面パターン、例えばモスアイ（moth-eye）型構造体を光学窓材料の表面内に直接形成することが知られており、その目的は、被膜を必要としないで反射防止表面仕上げを提供することができるからである。かかる反射防止表面パターンが或る範囲の光学窓材料に首尾良く作製されたが、合成ダイヤモンド窓へのこの技術の利用は、課題となることが判明した。かかる表面仕上げの反射防止性能は、ダイヤモンド材料の極端に高い硬度及び低い靱性のために正確に規定された表面パターンをダイヤモンド材料中に加工する際の困難に起因して変化しやすかった。さらに、反射防止表面構造体をダイヤモンド材料中に形成するのに必要な処理方法の結果として、相当な表面及び表面下結晶損傷がダイヤモンド材料中に生じた。合成ダイヤモンド窓中のこの表面及び表面下損傷により、多くの相互に関連する悪影響が生じ、かかる悪影響としては、（１）合成ダイヤモンド窓のレーザ誘導損傷しきい値の減少、（２）合成ダイヤモンド窓の動作可能なパワーの減少、及び（３）表面及び表面下損傷により生じるビーム収差の結果として合成ダイヤモンド窓の光学性能の低下が挙げられる。したがって、表面及び表面下結晶損傷を生じさせることなく合成ダイヤモンド窓中に正確に規定された反射防止表面構造体を形成して低吸収度、低反射率、高いレーザ誘導損傷しきい値及び合成ダイヤモンド窓を通る透過の際のビーム収差を最小限に抑えた高い光学性能を有する合成ダイヤモンド窓を達成する方法を開発することが望ましい。加うるに、低コストであり、既存の材料加工と適合性があり、しかも広い面積にわたってスケール変更可能なプロセスを提供することが望ましい。

上述の説明と関連して、多くの先行技術文献が反射防止表面構造体を以下に説明するようにダイヤモンド窓材料中に作製する技術を開示している。しかしながら、上述した特徴の組み合わせを達成した先行技術は存在していないと思われる。

「マテリアルズ・フォア・インフラレッド・ウィンドウズ・アンド・ドームズ（Materials for Infrared Windows and Domes）」［（ダニエル・ハリス（Daniel Harris），ジ・インターナショナル・ソサエティ・フォア・オプティカル・エンジニアリング（The International Society for Optical Engineering），１９９９年］において、セクション６．１．１では、モスアイ型表面構造体をダイヤモンド材料中に直接形成して反射を減少させることができるということが開示されている。この場合、かかる表面構造体は、最初に逆モスアイ型構造体をリソグラフィ技術によりシリコン中にエッチングし、次に化学気相成長によりダイヤモンド材料をエッチングされた表面上に成長させることによって作製できることが開示されている。次に、シリコンを溶解させてモスアイ型構造体を備えたダイヤモンド材料を残す。平坦な外面を備えた外側ダイヤモンド層を含む多層構造体が１０μｍの波長で約１８％の反射率を有することが記載されており、外側ダイヤモンド層の前側フェースからの単一表面反射率（１５％）の方がこの反射率よりも勝っている。平坦なダイヤモンド外面に代えてモスアイ型構造体を用いた場合、反射率は、１０μｍの波長では７％に減少する。

この方式に関する１つの問題は、反射率が依然として比較的高いことであり、これは、逆モスアイ型構造体を基板中にエッチングし、次にダイヤモンド材料を化学気相成長によりエッチングされた表面上で成長させる技術によってはダイヤモンド材料中に正確に規定された反射防止構造体を容易には達成することができないことに起因している。さらに、パターン付けされた基板上でのダイヤモンド材料の成長により、ダイヤモンド材料内に結晶欠陥、例えば転位が増加する場合があり、かかる結晶欠陥は、ダイヤモンド材料の光学的性質に悪影響を及ぼす。この方式の更にもう１つの弱点は、最初の光学素子が熱コンダクタンスが減少すると共に光吸収度が増大した初期核生成ダイヤモンドを不可避的に含むことになるということにある。

米国特許第５，３３４，３４２号明細書は、逆モスアイ型構造体を基板中にパターン付けし、ダイヤモンド材料をパターン付けされた基板上で成長させ、次に基板を除去してモスアイ型表面構造体を備えたダイヤモンド材料を残すことによってダイヤモンド材料中にモスアイ型表面構造体を作製する同様な方法を開示している。

ジェイ・エフ・デナターレ他（J. F. DeNatale et al.），［「ファブリケーション・アンド・キャラクタライゼイション・オブ・ダイアモンド・モス・アイ・アンチリフレクティブ・サーフェス・オン・ゲルマニウム（Fabrication and characterization of diamond moth eye antireflective surfaces on Germanium）」，ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス７１（J. Appl. Phys. 71 ），１９９２年，ｐ．１３８８］は、ゲルマニウム基板に表面レリーフ（モスアイ）構造体をパターン付けし、次に薄いダイヤモンド膜をパターン付けされた基板上で過剰に成長させて薄いダイヤモンド膜がパターン付けされた基板の下に位置する表面構造体を保持するようにすることによる同様な方式を開示している。空気と複合材基板との間の有効屈折率の漸次変化は、フレネル反射損失を１％未満まで減少させたことが記載されている。これは、多結晶ダイヤモンド薄膜の光学用途を制限する場合の多い高い屈折率及び表面粗さに関する課題を解決する手段となる。しかしながら、かかるモスアイ型構造体を自立型ダイヤモンド窓中にどのように作製するかについての開示はなく、反射損失を１％未満まで減少させたが、ダイヤモンド材料の品質に敏感であるダイヤモンド材料のレーザ誘導損傷しきい値についての開示は、存在しない。ダイヤモンド材料の品質は、この場合、品質が劣るようになる恐れがある。というのは、ダイヤモンド材料をパターン付けされたゲルマニウム基板上で成長させるからである。

ティー・ブイ・コノネンコ（T. V. Kononenko），［「フォーメイション・オブ・アンチリフレクティブ・サーフェス・ストラクチャーズ・オン・ダイアモンド・フィルムズ・バイ・レーザ・パターニング（Formation of antireflective surface structures on diamond films by laser patterning）」，アプライド・フィジックスＡ（Applied Physics A），１９９９年１月，第６８巻，第１号，ｐ．９９〜１０２］は、上述した先行技術で開示されている基板パターン付け及びダイヤモンド過剰成長技術の代替手段を開示している。この論文は、レーザアブレーション技術によるダイヤモンド表面微細構造化を記載している。ダイヤモンド膜の光透過率は、レーザアブレーションにより微細構造化表面を形成することによって１０．６μｍの波長で７０％から８０％に増大することが判明した。

ダグラス・ホッブス（Douglas Hobbs），［「スタディ・オブ・ジ・エンバイロメンタル・アンド・オプティカル・デュラビリティ・オブ・ＡＲ・マイクロストラクチャーズ・イン・サファイア・ＡＬＯＮ・アンド・ダイアモンド（Study of the Environmental and Optical Durability of AR Microstructures in Sapphire, ALON, and Diamond）」，www.telaztec.com］も又、ダイヤモンド材料中へのモスアイ型反射防止表面微細構造体の直接的な作製を報告している。未処理のダイヤモンド膜について約７０％という値と比較して１０μｍの波長で約８０％の透過率を有する反射防止表面構造体を備えたダイヤモンド窓が作製されたことが報告されている。これらの結果は、ダイヤモンド表面をパターン付けするためのレーザアブレーション技術を用いるコノネンコによって報告された結果とほぼ同じであるように思われる。

ホッブスは又、パルス長さが１００ｎｓでありパルス繰り返し周波数が４Ｈｚの状態で９．５６μｍで動作するパルスＣＯ₂レーザを用いてレーザ誘導損傷しきい値について反射防止微細構造化ダイヤモンド窓について試験したことを開示している。試験結果は、ダイヤモンド材料の性状に起因して変化しやすく且つ一貫しなかったが、測定した損傷しきい値が５０〜１００Ｊ／ｃｍ²の範囲にあり、これが薄膜反射防止膜で達成できるレベルよりも非常に高いレベルであることが示されている。

２つの重要なポイントをホッブスの論文から注目することができる。第１に、８０％という透過率の値は、依然としてかなり低く、このことは、ダイヤモンド材料の品質が比較的貧弱であり、ダイヤモンド窓内に作製された表面構造体が正確には規定されていないことを示しており、或いは、相当大きな表面又は表面下損傷が反射防止表面微細構造体を形成する際にダイヤモンド結晶構造体中にもたらされたことを示している。第２に、この論文は、反射防止表面構造体をダイヤモンド窓内にどのように作製したかを示していない。

反射防止表面構造体をダイヤモンド窓内に作製する上述の方法では、基板のパターン付け及びダイヤモンド過剰成長かレーザアブレーションによる直接パターン付けかのいずれかが行われる。別の技術は、反射防止表面構造体をダイヤモンド窓中に直接エッチングすることである。例えば、スウェーデン国のウプサラ大学から発行された種々の刊行物は、ダイヤモンド材料中への表面構造体の誘導結合プラズマエッチングに的を絞っており、かかる刊行物としては、エム・カールソン（M. Karlsson），ケイ・ヨルト（K. Hjort），エフ・ニコラジェフ（F. Nikolajeff），「トランスファ・オブ・コンティニュアス-レリーフ・ディフラクティブ・ストラクチャーズ・イントゥ・ダイアモンド・バイ・ユーズ・オブ・インダクティブリー・カップルド・プラズマ・ドライ・エッチング（Transfer of continuous-relief diffractive structures into diamond by use of inductively coupled plasma dry etching）」，オプティクス・レターズ２６（Optics Letters 26 ），２００１年，ｐ．１７５２〜１７５４、エム・カールソン（M. Karlsson），エフ・ニコラジェフ（F. Nikolajeff），「ファブリケーション・アンド・エバリュエーション・オブ・ア・ダイアモンド・ディフラクテイブ・ファン-アウト・エレメント・フォア・ハイ・パワー・レーザーズ（Fabrication and evaluation of a diamond diffractive fan-out element for high power lasers ）」，オプティクス・エクスプレス１１（Opt. Express 11），２００３年，ｐ．１９１〜１９８、及びエム・カールソン（M. Karlsson），エフ・ニコラジェフ（F. Nikolajeff），「ダイアモンド・マイクロ-オプティクス：マイクロレンジズ・アンド・アンチリフレクション・ストラクチャード・サーフェス・フォア・ジ・インフラレッド・スペクトラル・リジョン（Diamond micro-optics: Microlenses and antireflection structured surfaces for the infrared spectral region）」，オプティクス・エクスプレス１１（Opt. Express 11），２００３年，ｐ．５０２〜５０７が挙げられる。

ウプサラグループは、ダイヤモンドを利用したオプティクスが耐損傷性、熱的レンズ効果の減少及びＵＶ領域から遠ＩＲスペクトル領域までの透明性に起因してハイパワーレーザオプティクスに関して魅力的な代替手段を提供している。ウプサラグループは、ダイヤモンドを利用したオプティクスのための良好な表面パターン付けの必要性を強調すると共に誘導結合プラズマエッチング方式を提案しており、かかる誘導結合プラズマエッチング方式では、直接描画式電子ビームリソグラフィを用いてレジスト層を光学品質の合成ダイヤモンド上にパターン付けし、次に、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）内でドライエッチングする。ダイヤモンドエッチングに用いられるガスは、Ｏ₂及びＡｒであり、典型的なＩＣＰエッチング方式が７ｓｃｃｍ（毎分標準立方センチメートル）のＯ₂及び８ｓｃｃｍのＡｒのガス流量、２．５ｍＴｏｒｒのチャンバ圧力、６００ＷのＩＣＰパワー、−１００〜−１８０Ｖの間で変化するバイアス電圧、２〜２０分のサンプルエッチング時間を含むものとして開示されている。

サブ波長を反射防止構造体を正確に設計してこれらをダイヤモンド窓の両側上に作製することによって、１０．６μｍの波長での透過率を７１％（非構造化ダイヤモンド）からほぼ９７％（微細構造化ダイヤモンドの場合）に増大させることが可能であることが示された。透過率のこの向上は、散乱された高い光パワーの一部分であっても、これにより深刻な問題が生じる場合のあるハイパワーレーザにとっては極めて重要であることが示されている。この技術の用途は、ネオジムヤグ（neodymium-doped yttrium aluminum garnet）（Ｎｄ：ＹＡＧ）又はＣＯ₂レーザのための取り出し窓、サテライト窓（satellite windows）を含むと共に、Ｘ線オプティクス内で用いられるものとして記載されている。これらの用途では、駆動要因が主として、高い熱伝導率、高いレーザ損傷しきい値、及び光学窓の高い耐摩耗性であることが示されている。

反射防止表面構造体をダイヤモンド窓中に作製する際の上述の技術的進歩にもかかわらず、反射防止表面構造体を改良する必要性が依然として存在する。表面及び表面下結晶損傷を生じさせないで正確に規定された反射防止表面構造体を合成ダイヤモンド窓中に形成して低い反射率、高いレーザ誘導損傷しきい値、及び合成ダイヤモンド窓の透過の際のビーム収差を最小限に抑えた状態の高い光学性能を有する合成ダイヤモンド窓を達成することが望ましい。この点に関し、多くの先行技術文献は、上述したように反射防止表面構造体をダイヤモンド窓材料中に作製する技術を開示しているが、特徴のこの望ましい組み合わせを達成した先行技術は存在していないと考えられる。さらに、エッチングに先立つレジストのパターン付けのための直接描画式電子ビームリソグラフィプロセスは、時間がかかりしかも費用が嵩むことも又注目された。

米国特許第５，３３４，３４２号明細書

ダニエル・ハリス（Daniel Harris），「マテリアルズ・フォア・インフラレッド・ウィンドウズ・アンド・ドームズ（Materials for Infrared Windows and Domes）」ジ・インターナショナル・ソサエティ・フォア・オプティカル・エンジニアリング（The International Society for Optical Engineering），１９９９年 ジェイ・エフ・デナターレ他（J. F. DeNatale et al.），「ファブリケーション・アンド・キャラクタライゼイション・オブ・ダイアモンド・モス・アイ・アンチリフレクティブ・サーフェス・オン・ゲルマニウム（Fabrication and characterization of diamond moth eye antireflective surfaces on Germanium）」，ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス７１（J. Appl. Phys. 71 ），１９９２年，ｐ．１３８８ ティー・ブイ・コノネンコ（T. V. Kononenko），「フォーメイション・オブ・アンチリフレクティブ・サーフェス・ストラクチャーズ・オン・ダイアモンド・フィルムズ・バイ・レーザ・パターニング（Formation of antireflective surface structures on diamond films by laser patterning）」，アプライド・フィジックスＡ（Applied Physics A ），１９９９年１月，第６８巻，第１号，ｐ．９９〜１０２ ダグラス・ホッブス（Douglas Hobbs），「スタディ・オブ・ジ・エンバイロメンタル・アンド・オプティカル・デュラビリティ・オブ・ＡＲ・マイクロストラクチャーズ・イン・サファイア・ＡＬＯＮ・アンド・ダイアモンド（Study of the Environmental and Optical Durability of AR Microstructures in Sapphire, ALON, and Diamond）」，www.telaztec.com エム・カールソン（M. Karlsson），ケイ・ヨルト（K. Hjort），エフ・ニコラジェフ（F. Nikolajeff），「トランスファ・オブ・コンティニュアス-レリーフ・ディフラクティブ・ストラクチャーズ・イントゥ・ダイアモンド・バイ・ユーズ・オブ・インダクティブリー・カップルド・プラズマ・ドライ・エッチング（Transfer of continuous-relief diffractive structures into diamond by use of inductively coupled plasma dry etching）」，オプティクス・レターズ２６（Optics Letters 26 ），２００１年，ｐ．１７５２〜１７５４ エム・カールソン（M. Karlsson），エフ・ニコラジェフ（F. Nikolajeff），「ファブリケーション・アンド・エバリュエーション・オブ・ア・ダイアモンド・ディフラクテイブ・ファン-アウト・エレメント・フォア・ハイ・パワー・レーザーズ（Fabrication and evaluation of a diamond diffractive fan-out element for high power lasers）」，オプティクス・エクスプレス１１（Opt. Express 11），２００３年，ｐ．１９１〜１９８ エム・カールソン（M. Karlsson），エフ・ニコラジェフ（F. Nikolajeff），「ダイアモンド・マイクロ-オプティクス：マイクロレンジズ・アンド・アンチリフレクション・ストラクチャード・サーフェス・フォア・ジ・インフラレッド・スペクトラル・リジョン（Diamond micro-optics: Microlenses and antireflection structured surfaces for the infrared spectral region）」，オプティクス・エクスプレス１１（Opt. Express 11 ），２００３年，ｐ．５０２〜５０７

上述の内容に照らして、本発明の実施形態の目的は、合成ダイヤモンド材料の表面上に直接形成された反射防止表面パターンを有すると共に低吸光度及び低屈折率を有する一方で、僅かな表面及び表面下結晶損傷を有し、かくして高いレーザ誘導損傷しきい値を示す合成ダイヤモンド光学素子を提供することにある。もう１つの目的は、かかる反射防止表面パターンをダイヤモンド材料内に作製する技術であって、比較的迅速であり且つ低コストの技術を開発することにある。

本発明の第１の観点によれば、光学素子であって、
合成ダイヤモンド材料と、
合成ダイヤモンド材料の少なくとも１つの表面内に直接形成された反射防止表面パターンとを有し、
光学素子は、室温で測定して１０．６μｍの波長で０．５ｃｍ^-1以下の吸収係数を有し、
光学素子は、少なくとも１つの表面のところに光学素子の動作周波数で２％以下の反射率を有し、
光学素子は、次の特性のうちの一方又は両方を満たすレーザ誘導損傷しきい値を有し、特性は、
レーザ誘導損傷しきい値がパルス持続時間を１００ｎｓ、パルス繰り返し周波数を１〜１０Ｈｚの範囲として波長１０．６μｍのパルスレーザを用いて測定して少なくとも３０Ｊｃｍ^-2であるという特性、及び
レーザ誘導損傷しきい値が波長１０．６μｍの連続波レーザを用いて測定して少なくとも１ＭＷ／ｃｍ²であるという特性であることを特徴とする光学素子が提供される。

本発明の第２の観点によれば、光学系であって、
上述の光学素子と、
光を少なくとも２０ｋＷのパワーで発生させ、光学素子を通って光を透過させるよう構成された光源とを含むことを特徴とする光学系が提供される。

次に、本発明を一層良く理解するため、そして本発明をどのようにすれば実施することができるかを示すために、添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明するが、これは例示であるに過ぎない。

合成ダイヤモンド材料から成る光学素子を作製する方法の概略流れ図であり、反射防止表面仕上げパターンが合成ダイヤモンド材料の表面中に直接形成される状態を示す図である。 ハイパワーレーザ源及び合成ダイヤモンド材料で形成された光学素子を含むハイパワーレーザシステムの略図であり、反射防止表面パターンが合成ダイヤモンド材料の表面中に直接形成された状態を示す図である。

本発明者は、量子センシング及び量子情報処理の分野における高純度単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料の処理における最近の開発を本明細書の背景技術の項において概要説明した課題を解決して低反射率及び高透過率を有する一方で更に表面及び表面下結晶損傷が僅かであり、かくして高いレーザ誘導損傷しきい値を示す合成ダイヤモンド光学素子の作製を達成するようハイパワー多結晶ＣＶＤダイヤモンドレーザオプティクスに転用することができるということを認識した。

量子センシング及び量子情報処理分野における高純度単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料の使用に対する研究は、ダイヤモンド結晶格子内に見受けられる特定種類の点欠陥、即ち、負に帯電した窒素-空孔欠陥（ＮＶ^-）に的が絞られている。ＮＶ^-欠陥は、量子ビットとして又は別法として量子センシング素子として機能するよう操作できる電子スピンを有する。ＮＶ^-欠陥は、マイクロ波を用いて光学的に励起され、操作されることが可能であり、かかるＮＶ^-欠陥は、その電子スピン状態に特有の蛍光を出す。

量子センシング及び量子情報処理用途に関する一要件は、ＮＶ^-電子スピン欠陥が長い量子コヒーレンス時間を有することが必要であるということであり、このためには、ＮＶ^-電子スピン欠陥を結晶欠陥の低い濃度を有すると共に小さい内部応力を有する非常に純粋なダイヤモンド格子環境内に配置することが必要であり、もしそうでなければ、かかる非常に純粋なダイヤモンド格子環境は、ダイヤモンド結晶格子内に設けられているＮＶ^-スピン欠陥の量子コヒーレンス時間を有害なほど減少させる場合がある。量子センシング及び量子情報処理用途に関するもう１つの要件は、ＮＶ^-電子スピン欠陥から放出された蛍光がダイヤモンド材料から適当な構成のプロセッサ又は検出器に効率的に取り出される必要があるということにあり、この点に関し、ナノワイヤ、光導波路構造体、及びフォトニック共振器構造体をダイヤモンド材料中に作製してＮＶ^-電子スピン欠陥から放出された光量子を効果的に取り出すことが望ましい。誘導結合プラズマエッチング（ウプサラ・ユニバーシティ（Uppsala University）により用いられ、そして本明細書の背景技術の項で上述した誘導結合プラズマエッチングとほぼ同じである）がかかる光学構造体を作製するために用いられている。しかしながら、作製プロセスは、表面及び表面下損傷をダイヤモンド結晶構造中に生じさせ、かかる損傷が光学表面構造体に結合された表面近くのところのＮＶ^-電子スピン欠陥の量子コヒーレンス時間に悪影響を及ぼすことが判明した。さらに、望ましい表面構造体の品質及び所望の表面構造体相互間の望ましくないエッチンググラス（etch grass）の形成は、用いられるエッチングマスクのタイプ及びエッチング条件に敏感であることが判明した。したがって、ダイヤモンド量子デバイスのための構造体を開発するグループによる最近の研究は、相当な量の表面及び表面下損傷をダイヤモンド結晶構造体中にもたらさないで、表面近くのＮＶ^-電子スピン欠陥のための光学取り出し構造体の作製を可能にすると同時に光学構造体相互間に望ましくないエッチンググラスを生じさせないでダイヤモンド表面中に明確に規定された光学構造体を達成するために誘導結合（ＩＣＰ）エッチングプロセスを改良することに的が絞られた。この研究は、多くの刊行物に記載されており、かかる刊行物としては、ビー・ハウスマン他（B. Hausmann et al.），「ファブリケーション・オブ・ダイアモンド・ナノワイヤズ・フォア・クアンタム・インフォメーション・プロセッシング・アプリケーション（Fabrication of diamond nanowires for quantum information processing applications）」，ダイアモンド・アンド・リレイティッド・マテリアルズ１９（Diamond and Related Materials 19），２０１０年，ｐ．６２１〜６２９、エム・ブレク他（M. Burek et al.），「フリー-スタンディング・メカニカル・アンド・フォトニック・ナノストラクチャーズ・イン・シングル・クリスタル・ダイアモンド（Free-standing mechanical and photonic nanostructures in single crystal diamond）」，ナノ・レターズ（Nano Lett.），２０１２年、及び米国特許出願公開第２００１／０３０９２６５号明細書が挙げられる。

ダイヤモンド量子デバイスのための構造体を開発しているグループは、相当な量の表面及び表面下結晶損傷をダイヤモンド結晶構造体中にもたらすことなく光学取り出し構造体を単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料内に作製するガス流量、ＩＣＰパワー、及び圧力の多種多様な組み合わせにより実験した。例えば、以下の誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング（ＩＣＰ ＲＩＥ）方式がこの目的に適しているものとして文献に報告されており、即ち、酸素エッチング剤が３０〜５０ｓｃｃｍＯ₂の酸素ガス流量を有し、チャンバ圧力が約１０ｍＴｏｒｒであり、ＩＣＰパワーが約７００Ｗであった。このエッチング方式は、極めて明確に規定された表面構造体の形成を可能にする一方で、所望の表面構造体相互間のエッチンググラスの形成を回避していることが報告されている。加うるに、ダイヤモンド表面中のエッチングされた光学構造体の形状及び量は、エッチングプロセス中、ＩＣＰパワーを変化させることによって制御できるということが報告されている。例えば、単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料の表面中におけるナノワイヤの作製にあたり、７００ＷのＩＣＰパワーを２分間かけ、６００ＷのＩＣＰパワーを３分間かけ、そして１０００ＷのＩＣＰパワーを５分間かけるマルチステップＩＣＰ ＲＩＥプロセスが報告されている。さらに又、Ａｌ₂Ｏ₃粒子、Ａｕ粒子、ＳｉＯ₂粒子、蒸発ＡＵ及びＦＯｘ 電子ビームレジストを含む多種多様なエッチングマスクがダイヤモンド量子デバイス関連文献に報告されている。

上述の説明に照らして、ダイヤモンド格子中の欠陥を利用したダイヤモンド量子デバイス用の構造体を開発しているグループは、ダイヤモンド材料中に明確に規定された表面構造体を形成することができるＩＣＰ ＲＩＥプロセスを首尾良く開発したことが明らかであり、その場合、かかる構造体相互間には望ましくないエッチンググラスが形成されることなく、しかも多量の表面及び表面下結晶損傷がもたらされることがなかった。この技術は、特に、ＮＶ^-電子スピン欠陥から放出された光量子を効果的に取り出すことを目的としたダイヤモンド材料中へのナノワイヤ、光導波路構造体、及びフォトニック共振器構造体の形成を含む量子センシング及び量子情報処理用途においてＮＶ^-電子スピン欠陥から放出された蛍光を効果的に取り出すために開発された。

本発明者は、例えば量子センシング及び量子情報処理用途においてナノワイヤ、光導波路構造体、及びフォトニック共振器構造体のような取り出し構造体に関する要件がハイパワーレーザ用途に適した透過型ダイヤモンド窓内への良好な反射防止表面パターンの作製に関する要件に非常に似ているということを認識した。即ち、量子センシング及び量子情報処理用途向きに開発されたエッチング技術を透過型オプティクスの分野に転用し、それにより合成ダイヤモンド窓の表面内に直接形成された反射防止表面パターン、例えばモスアイ型パターンを有し、低い反射率及び高い透過率を有する一方で更に、僅かな表面及び表面下結晶損傷を有し、かくして高いレーザ誘導損傷しきい値を示すハイパワーレーザ用途向けの合成ダイヤモンド窓を提供することができる。量子センシング及び量子情報処理用途向きに開発されたエッチング技術は、蛍光ＮＶ^-欠陥を含む単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料中にナノワイヤ、光導波路構造体、及びフォトニック共振器構造体をエッチングするために利用されるが、本発明の実施形態によれば、かかるエッチング技術を低吸収率光学的特性のダイヤモンド材料、例えば高品質多結晶ＣＶＤダイヤモンド材料に利用してかかるダイヤモンド材料内に表面損傷の少ない反射防止表面仕上げ、例えばモスアイ型構造体を作製し、かくして低吸収度と低反射率と高いレーザ誘導損傷しきい値の組み合わせを有する光学素子を製造する。

図１に示されているように、光学素子の作製方法が提供されており、この方法は、
パターン付けレジスト層２を合成ダイヤモンド材料４の少なくとも１つの表面上に形成するステップと、
パターン付けレジスト層２を介して合成ダイヤモンド材料４の少なくとも１つの表面をエッチングする（３）ステップと、
パターン付けレジスト層を除去して合成ダイヤモンド材料４の少なくとも１つの表面中に直接形成された反射防止表面パターン６を残すステップとを含み、
エッチングは、例えば、酸素ガス流量が２０〜５０ｓｃｃｍＯ₂、チャンバ圧力が５〜２０ｍＴｏｒｒ、ＩＣＰパワーが６００〜１１００Ｗの誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング（ＩＣＰ ＲＩＥ）プロセスから成る。

オプションとして、誘導結合プラズマ反応性イオンエッチングプロセスは、２５〜３５ｓｃｃｍＯ₂の酸素流量、７〜１５ｍＴｏｒｒのチャンバ圧力、及び７００〜１０００ＷのＩＣＰパワーのうちの１つ又は２つ以上を含む。誘導結合プラズマ反応性イオンエッチングプロセスは、反射防止表面パターンの表面プロフィールを制御するために種々のＩＣＰパワーを含む多数のステップを更に含むのが良い。さらに、パターン付けされたレジスト層は、Ａｌ₂Ｏ₃粒子、Ａｕ粒子、ＳｉＯ₂粒子、蒸発Ａｕ、及びＦＯｘ 電子ビームレジストのうちの１つで形成されるのが良い。実際には、レジストは、制御されたマクロエッチングに対して耐性があるよう選択される。例えば、レジストは、２μｍ以上、４μｍ以上、６μｍ以上、８μｍ以上、又は１０μｍ以上の高さを備えた表面エッチング特徴部の形成と適合性があるよう選択されるのが良い。

上述した説明に加えて、背景技術の項で説明した或る特定の先行技術の方式は、エッチングに先立ってレジストのパターン付けのための直接描画式電子ビームリソグラフィプロセスを利用していることが注目された、この直接描画式電子ビームリソグラフィプロセスは、幾分時間がかかり、しかも費用が嵩む。したがって、レジスト層をパターン付けする迅速且つ費用効果の良い方式を提供することができる１つの別のオプションによれば、干渉リソグラフィ技術を用いてパターン付けされたレジスト層を形成することが提案される。当該技術分野においては、他の材料中にモスアイ（moth eye）型反射防止構造体を形成するための干渉リソグラフィ技術が既に知られている。例えば、Telaztec（商標）は、或る範囲の材料中にモスアイ型反射防止構造体を作製するためにこの方式を利用している。ここでは、レジスト層をパターン付けするかかる干渉リソグラフィ技術をハイパワーレーザ用途向きの低吸収度、低反射率、及び高いレーザ誘導損傷しきい値を備えたダイヤモンド光学窓を作製する商用的に有用な仕方を提供する方式として僅かな表面／表面下結晶損傷エッチング技術と組み合わせるのが良いことが提案される。

上述の方法論を適用すると、本発明の一観点は、光学素子であって、
合成ダイヤモンド材料と、
合成ダイヤモンド材料の少なくとも１つの表面内に直接形成された反射防止表面パターンとを有し、
光学素子は、室温で測定して１０．６μｍの波長で０．５ｃｍ^-1以下、０．４ｃｍ^-1以下、０．３ｃｍ^-1以下、０．２ｃｍ^-1以下、０．１ｃｍ^-1以下、０．０７ｃｍ^-1以下又は０．０５ｃｍ^-1以下の吸収係数を有し、
光学素子は、少なくとも１つの表面のところに光学素子の動作周波数で２％以下、１．５％以下、１％以下、又は０．５％以下の反射率を有し、
光学素子は、次の特性のうちの一方又は両方を満たすレーザ誘導損傷しきい値を有し、特性は、
レーザ誘導損傷しきい値がパルス持続時間を１００ｎｓ、パルス繰り返し周波数を１〜１０Ｈｚの範囲として波長１０．６μｍのパルスレーザを用いて測定して少なくとも３０Ｊｃｍ^-2、少なくとも５０Ｊｃｍ^-2、少なくとも７５Ｊｃｍ^-2、少なくとも１００Ｊｃｍ^-2、少なくとも１５０Ｊｃｍ^-2、又は少なくとも２００Ｊｃｍ^-2であるという特性、及び レーザ誘導損傷しきい値が波長１０．６μｍの連続波レーザを用いて測定して少なくとも１ＭＷ／ｃｍ²、少なくとも５ＭＷ／ｃｍ²、少なくとも１０ＭＷ／ｃｍ²、少なくとも２０ＭＷ／ｃｍ²、又は少なくとも５０ＭＷ／ｃｍ²、であるという特性であることを特徴とする光学素子にある。

光学素子の吸光度、反射率、及びレーザ誘導損傷しきい値は、当業者によって容易に測定可能である（例えば、ＩＳＯ２１２５４-２：２０１１は、レーザ誘導損傷しきい値を測定する方法を記載しており、他方、サスマン他（Sussmann et al.），［ダイアモンド・アンド・リレイテッド・マテリアルズ（Diamond and Related Materials），１９９４年，３，１１７３〜１１７］は、ＣＶＤダイヤモンド窓へのレーザ損傷試験の特定の応用を記載している）。

注目されるべきこととして、光学素子に関する反射率は、動作波長で決まると共に反射防止表面パターンは、特定の動作波長について最適化されるよう設計されることになる。当該技術分野においては、特定の動作波長のための反射防止表面パターンの設計をどのように最適化するかは知られている。ここで新規であると考えられることは、合成ダイヤモンド材料内での低い吸光度、低い表面反射率、及び高いレーザ誘導損傷しきい値の組み合わせを提供することができるということにある。光学素子に関する動作波長が未知の場合、或る範囲の波長を試験して反射率が最小限になる波長を決定するのが良く、これは、本明細書の目的のために動作波長に対応することになる。とはいうものの、オプションとして、動作波長は、１０．６μｍ、１．０６μｍ、５３２ｎｍ、３５５ｎｍ、又は２６６ｎｍのうちから選択された１つであり、１０．６μｍの動作波長が或る特定の商業的用途に好ましい。

僅かな表面損傷及び増大したレーザ誘導損傷しきい値と組み合わせて低い吸光度及び低い反射率を有する合成ダイヤモンド光学素子が提供される。これは、ハイパワーレーザ窓及び他のハイパワーレーザオプティクス、例えばプリズム及びレンズについてパラメータの重要な組み合わせであると考えられる。したがって、本発明は、ハイパワーレーザシステム用の実施可能な技術であると考えられる。さらに、本発明は、合成ダイヤモンド材料上に施される容易に損傷する場合のある薄膜としての被膜に関する要件を回避することによって、合成ダイヤモンド光学素子が引っ掻き又はアブレーションを受ける場合のある用途、例えば、時計皿用途に使用できる。

オプションとして、光学素子は、以下の特徴のうちの１つ又は２つ以上を更に有するのが良く、かかる特徴は、
光学素子の動作周波数で少なくとも９７％、少なくとも９８％、又は少なくとも９９％の透過率、
前方半球中に光学素子の動作周波数で２％以下、１％以下、０．５％以下、又は０．１％以下の積分全散乱量（total integrated scatter：ＴＩＳ）、
室温で測定して１４５ＧＨｚにおいて２×１０^-4以下、１０^-4以下、５×１０^-5以下、１０^-5以下、５×１０^-6以下、又は１０^-6以下の誘電損失係数ｔａｎδ、
５ｍｍ^-2以下、３ｍｍ^-2以下、１ｍｍ^-2以下、０．５ｍｍ^-2以下又は０．１ｍｍ^-2以下の平均ブラックスポット密度、
任意の３ｍｍ²領域内に５個以下、４個以下、３個以下、２個以下、又は１個以下のブラックスポットが存在するようなブラックスポット分布、
２７６０ｃｍ^-1〜３０３０ｃｍ^-1の補正直線背景で測定したときに０．２０ｃｍ^-2以下、０．１５ｃｍ^-2以下、０．１０ｃｍ^-2以下、又は０．０５ｃｍ^-2以下の単位厚さ当たりの積分吸収能、
１８００Ｗｍ^-1Ｋ^-1以上、１９００Ｗｍ^-1Ｋ^-1以上、２０００Ｗｍ^-1Ｋ^-1以上、２１００Ｗｍ^-1Ｋ^-1以上、又は２２００Ｗｍ^-1Ｋ^-1以上の熱伝導率、及び
二次イオン質量分析計によって測定して１０¹⁷ｃｍ^-3以下、５×１０¹⁶ｃｍ^-3以下、１０¹⁶ｃｍ^-3以下、５×１０¹⁵ｃｍ^-3以下、又は１０¹⁵ｃｍ^-3以下のシリコンコンセントレーション、及び
酸素を末端基とする表面である。

かかる光学特性は、本明細書において説明したようなパターン付け技術を高品質光学等級合成ダイヤモンド材料、例えばエレメント・シックス・リミテッドから入手できる高品質光学等級多結晶ＣＶＤダイヤモンドに利用することによって達成できる。また、このパターン付け技術を或る特定の光学用途について、光学等級単結晶ＣＶＤダイヤモンド（これ又、エレメント・シックス・リミテッドから入手できる）に利用することができるということが想定される。有利には、光学要素は、反射防止回折表面仕上げが形成されているダイヤモンド光学素子の表面の面積の少なくとも５０％、少なくとも６０％、少なくとも７０％、少なくとも８０％、少なくとも９０％、又は少なくとも１００％にわたり本明細書において説明した光学特性のうちの１つ又は２つ以上を満たす。この点に関し、ダイヤモンド光学素子は、比較的広い面積に合わせて作成されるのが良い。例えば、合成ダイヤモンドコンポーネントは、最も大きな直線寸法が少なくとも１０ｍｍ、少なくとも２０ｍｍ、少なくとも４０ｍｍ、少なくとも６０ｍｍ、少なくとも８０ｍｍ、少なくとも１００ｍｍ、少なくとも１２０ｍｍ、又は少なくとも１４０ｍｍであるよう作成されるのが良い。かかる合成ダイヤモンドコンポーネントは、２００μｍ以上、２５０μｍ以上、３５０μｍ以上、４５０μｍ以上、５００μｍ以上、７５０μｍ以上、１０００μｍ以上、１５００μｍ以上、又は２０００μｍ以上の厚さを備えた状態で作成されるのが良い。

有利には合成ダイヤモンド材料は、最終の光学素子に必要な厚さよりも大きな標的厚さまで成長させ、次にダイヤモンド材料の核生成フェースを処理して初期の核生成ダイヤモンドを除去することによって作製される。背景技術の項で示したように、先行技術の方式の一弱点は、初期の核生成ダイヤモンドが最終の光学素子に混入することにより、熱コンダクタンスの減少及び光吸収度の増大が起こる場合があるということにある。合成ダイヤモンド材料を最終の光学素子に必要な厚さよりも大きな標的厚さまで成長させることにより、初期の核生成ダイヤモンドを除去し、かくして高い熱コンダクタンス及び低い光吸収度を備えた光学素子を提供することが可能である。初期核生成ダイヤモンドの除去により、その結果として、不可避的に合成ダイヤモンド材料の強度の僅かな低下が起こる。しかしながら、製造業者、例えばエレメント・シックス・リミテッドは、初期核生成ダイヤモンドの除去を可能にする一方で最終用途に十分な機械的強度を保持する高い引張破壊強度を備えた合成ダイヤモンド材料の厚手のウェーハ、例えば多結晶ＣＶＤダイヤモンドウェーハを作製することができる。例えば、合成ダイヤモンド材料は、以下の構造特性のうちの１つ又は２つ以上を有するのが良く、これら特性は、
合成ダイヤモンド材料の核生成フェースが張力下にある状態で、２００〜５００μｍの厚さの場合に７６０ＭＰａ×ｎ以上、５００〜７５０μｍの厚さの場合に７００ＭＰａ×ｎ以上、７５０〜１０００μｍの厚さの場合に６５０ＭＰａ×ｎ以上、１０００〜１２５０μｍの厚さの場合に６００ＭＰａ×ｎ以上、１２５０〜１５００μｍの厚さの場合に５５０ＭＰａ×ｎ以上、１５００〜１７５０μｍの厚さの場合に５００ＭＰａ×ｎ以上、１７５０〜２０００μｍの厚さの場合に４５０ＭＰａ×ｎ以上、２０００μｍ以上の厚さの場合に４００ＭＰａ×ｎ以上の引張破壊強度、乗率ｎは、１．０、１．１、１．２、１．４、１．６、１．８、又は２であり、
合成ダイヤモンド材料の成長フェースが張力下にある状態で、２００〜５００μｍの厚さの場合に３３０ＭＰａ×ｎ以上、５００〜７５０μｍの厚さの場合に３００ＭＰａ×ｎ以上、７５０〜１０００μｍの厚さの場合に２７５ＭＰａ×ｎ以上、１０００〜１２５０μｍの厚さの場合に２５０ＭＰａ×ｎ以上、１２５０〜１５００μｍの厚さの場合に２２５ＭＰａ×ｎ以上、１５００〜１７５０μｍの厚さの場合に２００ＭＰａ×ｎ以上、１７５０〜２０００μｍの厚さの場合に１７５ＭＰａ×ｎ以上、２０００μｍ以上の厚さの場合に１５０ＭＰａ×ｎ以上の引張破壊強度、乗率ｎは、１．０、１．１、１．２、１．４、１．６、１．８、又は２である。

かかる合成ダイヤモンド材料は、５μｍ以下、４μｍ以下、３μｍ以下、２μｍ以下、１μｍ以下、０．５μｍ以下、０．２μｍ以下、又は０．１μｍ以下の表面平坦度及び／又は２００ｎｍ以下、１５０ｎｍ以下、１００ｎｍ以下、８０ｎｍ以下、６０ｎｍ以下、４０ｎｍ以下、２０ｎｍ以下、又は１０ｎｍ以下の表面粗さＲ_aまで加工されるのが良い。

合成ダイヤモンド材料の熱伝導率に対するそれ以上の改善は、材料の天然の１．１％¹³Ｃ含有量を減少させることによって行うことができる。したがって、合成ダイヤモンド材料は、１．０％未満、０．８％未満、０．６％未満、０．４％未満、０．２％未満、０．１％未満、０．０５％未満、又は０．０１％未満の¹³Ｃ含有量を有する少なくとも一部分を有するのが良い。この点に関し、注目されるべきこととして、同位体的に純化された炭素原料ガスは、高価である。光学素子全体を同位体的に純化されたダイヤモンド材料から作製するのではなく、光学素子の一部分だけを同位体的に純化されたダイヤモンド材料で作製することが有利であると言える。例えば、合成ダイヤモンド材料の１つ又は２つ以上の表面層は、内部バルクが高い¹³Ｃ含有量、好ましくは天然存在度を用いて作製された同位体的に純化されたダイヤモンド材料で作られるのが良い。特に有用な一実施形態では、反射防止表面パターンを有する表面層が反射防止表面パターンの熱伝導率を増大させ、かくして局所加熱を減少させると共に反射防止表面パターンのレーザ誘導損傷しきい値を増大させるよう同位体的に純化されたダイヤモンド材料で作られる。この場合、合成ダイヤモンド材料の下に位置する部分は、合成に要するコストを減少させるよう高い濃度、好ましくは、天然存在度の¹³Ｃを含むのが良い。

本発明の反射防止表面仕上げは、合成ダイヤモンド材料の表面の大部分にわたり、例えば、少なくとも５０％、少なくとも６０％、少なくとも７０％、少なくとも８０％、少なくとも９０％又は表面全体にわたり形成されるのが良い。したがって、反射防止回折表面仕上げは、少なくとも５０ｍｍ²、少なくとも１００ｍｍ²、少なくとも２００ｍｍ²、少なくとも３００ｍｍ²、少なくとも５００ｍｍ²、少なくとも７００ｍｍ²、少なくとも１０００ｍｍ²、少なくとも１５００ｍｍ²、少なくとも２０００ｍｍ²、少なくとも３０００ｍｍ²、少なくとも５０００ｍｍ²、少なくとも７０００ｍｍ²、少なくとも１００００ｍｍ²、少なくとも１５０００ｍｍ²、又は２００００ｍｍ²の領域にわたって形成されるのが良い。

反射防止表面仕上げでパターン付けされた表面は、例えば、ダイヤモンド窓、レンズ又はプリズムの主要な光学出口及び／又は入口フェースを形成することができ、光学素子の光学出口及び／又は入口フェースの大部分又は全体は、反射防止回折表面仕上げでパターン付けされている。幾つかの用途では、透過型光学素子の取り付けのために透過型光学素子の周辺領域の周りに非パターン付け部分を残すことが望ましい場合がある。オプションとして、反射防止表面パターンは、合成ダイヤモンド材料の少なくとも２つの表面上に形成される。例えば、反射防止回折表面仕上げは、光学素子の光学入口フェース及び光学出口フェースの両方上、例えば、ダイヤモンド窓の互いに反対側の主要なフェース上に形成されるのが良い。変形例として、或る特定の光学素子に関し、低い反射率は、光学素子、例えば、部分反射が一方の表面上で必要なビームスプリッタの一方の表面上しか必要とされない。

高品質光学等級合成ダイヤモンド材料で作製されていて本明細書において説明した反射防止表面パターンを有する光学素子は、これらの反射率が低く且つレーザ誘導損傷しきい値が高いのでハイパワー光学系に用いるのに適している。したがって、本発明のもう１つの観点によれば、図２に示されている光学系であって、
本明細書において説明したような反射防止表面パターンを有する合成ダイヤモンド光学素子１０と、
光１４を少なくとも２０ｋＷ、少なくとも２５ｋＷ、少なくとも３０ｋＷ、少なくとも３５ｋＷ、少なくとも４０ｋＷ、少なくとも４５ｋＷ、又は少なくとも５０ｋＷのパワーで発生させ、そして合成ダイヤモンド光学素子１０を通ってこの光を透過させるよう構成された光源１２（例えば、レーザ）を有する光学系が提供される。

上述した内容に関し、注目されるように、上述の光学系の動作パワーは、１ＭＷ／ｃｍ²という従来規定された連続波レーザ誘導損傷しきい値よりも著しく低い。しかしながら、注目されるべきこととして、長い動作寿命を有する光学素子を提供するためには、合成ダイヤモンド光学素子のレーザ誘導損傷しきい値は、光学系の動作パワーよりも著しく高いことが必要である。

図２の例示の実施形態では、光学素子１０は、透過型ダイヤモンド窓の形態をしており、反射防止表面パターン１６がこの窓の両方の主要なフェース内に作製されている。注目されるべきこととして、図１及び図２に示されている反射防止表面パターンは、長方形の形を有しているが、これは、例示目的であるに過ぎない。本明細書において説明したようなエッチング技術は、ある範囲の断面形状を作ることができ、かくして、特定の用途に関する要件向きに透過率、反射率、及びレーザ誘導損傷しきい値パラメータを最適にするために反射防止表面構造体のプロフィールを自由に設定することが可能である。

オプションとして、上述の光学系は、合成ダイヤモンド光学素子を冷却するための冷却系を更に含むのが良い。この点に関し、本発明者は、エレメント・シックス・リミテッドの光学等級合成ダイヤモンド材料が低温において光吸収度の大幅な減少を示すことに注目した。この作用効果は、或る特定の他のダイヤモンド材料については同じ程度までは見受けられない。

要約すると、本明細書において説明した光学素子は、ハイパワーレーザ窓のためのパラメータの重要な組み合わせを有することが考えられる。したがって、本発明は、ハイパワーレーザシステムのための実施可能な技術であると考えられる。また、更に、本明細書において説明した光学素子を反射防止表面仕上げがこれらの機械的堅牢さの故に薄膜被膜に対して提供できる広帯域可視波長用途（例えば、ウォッチフェース（watch face））に使用できることが想定される。

実施形態を参照して本発明を具体的に図示すると共に説明したが、当業者には理解されるように、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲から逸脱することなく、形態及び細部における種々の変更を行うことができる。
また、好ましい構成態様として、本発明を次のように構成することもできる。
１． 光学素子であって、
合成ダイヤモンド材料と、
前記合成ダイヤモンド材料の少なくとも１つの表面内に直接形成された反射防止表面パターンとを有し、
前記光学素子は、室温で測定して１０．６μｍの波長で０．５ｃｍ^-1以下の吸収係数を有し、
前記光学素子は、前記少なくとも１つの表面のところに前記光学素子の動作周波数で２％以下の反射率を有し、
前記光学素子は、次の特性のうちの一方又は両方を満たすレーザ誘導損傷しきい値を有し、前記特性は、
前記レーザ誘導損傷しきい値がパルス持続時間を１００ｎｓ、パルス繰り返し周波数を１〜１０Ｈｚの範囲として波長１０．６μｍのパルスレーザを用いて測定して少なくとも３０Ｊｃｍ^-2であるという特性、及び
前記レーザ誘導損傷しきい値が波長１０．６μｍの連続波レーザを用いて測定して少なくとも１ＭＷ／ｃｍ²であるという特性である、光学素子。
２． 前記動作周波数は、１０．６μｍ、１．０６μｍ、５３２ｎｍ、３５５ｎｍ、又は２６６ｎｍの中から選択された１つである、上記１記載の光学素子。
３． 前記動作周波数は、１０．６μｍである、上記１又は２記載の光学素子。
４． 前記レーザ誘導損傷しきい値は、前記パルスレーザを用いて測定して少なくとも５０Ｊｃｍ^-2、少なくとも７５Ｊｃｍ^-2、少なくとも１００Ｊｃｍ^-2、少なくとも１５０Ｊｃｍ^-2、又は少なくとも２００Ｊｃｍ^-2である、上記１〜３のうちいずれか一に記載の光学素子。
５． 前記レーザ誘導損傷しきい値は、前記連続波レーザを用いて測定して少なくとも５ＭＷ／ｃｍ²、少なくとも１０ＭＷ／ｃｍ²、少なくとも２０ＭＷ／ｃｍ²、又は少なくとも５０ＭＷ／ｃｍ²である、上記１〜４のうちいずれか一に記載の光学素子。
６． 前記少なくとも１つの表面のところの前記反射率は、前記光学素子の前記動作周波数で１．５％以下、１％以下、又は０．５％以下である、上記１〜５のうちいずれか一に記載の光学素子。
７． 前記光学素子は、前記光学素子の前記動作周波数で少なくとも９７％、少なくとも９８％、又は少なくとも９９％の透過率を有する、上記１〜６のうちいずれか一に記載の光学素子。
８． 前記光学素子は、前方半球中に前記光学素子の前記動作波長で２％以下、１％以下、０．５％以下、又は０．１％以下の積分全散乱量（total integrated scatter：ＴＩＳ）を有する、上記１〜７のうちいずれか一に記載の光学素子。
９． 前記光学素子は、室温で測定して１０．６μｍの波長で０．４ｃｍ^-1以下、０．３ｃｍ^-1以下、０．２ｃｍ^-1以下、０．１ｃｍ^-1以下、０．０７ｃｍ^-1以下、又は０．０５ｃｍ^-1以下の吸収係数を有する、上記１〜８のうちいずれか一に記載の光学素子。
１０． 前記光学素子は、室温で測定して１４５ＧＨｚにおいて２×１０^-4以下、１０^-4以下、５×１０^-5以下、１０^-5以下、５×１０^-6以下、又は１０^-6以下の誘電損失係数ｔａｎδを有する、上記１〜９のうちいずれか一に記載の光学素子。
１１． 前記光学素子は、以下の特性のうちの１つ又は２つ以上を有し、前記特性は、
５ｍｍ^-2以下、３ｍｍ^-2以下、１ｍｍ^-2以下、０．５ｍｍ^-2以下又は０．１ｍｍ^-2以下の平均ブラックスポット密度、
任意の３ｍｍ²領域内に５個以下、４個以下、３個以下、２個以下、又は１個以下のブラックスポットが存在するようなブラックスポット分布、
２７６０ｃｍ^-1〜３０３０ｃｍ^-1の補正直線背景で測定したときに０．２０ｃｍ^-2以下、０．１５ｃｍ^-2以下、０．１０ｃｍ^-2以下、又は０．０５ｃｍ^-2以下の単位厚さ当たりの積分吸収能、
１８００Ｗｍ^-1Ｋ^-1以上、１９００Ｗｍ^-1Ｋ^-1以上、２０００Ｗｍ^-1Ｋ^-1以上、２１００Ｗｍ^-1Ｋ^-1以上、又は２２００Ｗｍ^-1Ｋ^-1以上の熱伝導率、及び
二次イオン質量分析計によって測定して１０¹⁷ｃｍ^-3以下、５×１０¹⁶ｃｍ^-3以下、１０¹⁶ｃｍ^-3以下、５×１０¹⁵ｃｍ^-3以下、又は１０¹⁵ｃｍ^-3以下のシリコンコンセントレーションである、上記１〜１０のうちいずれか一に記載の光学素子。
１２． 前記光学素子は、以下の特性のうちの１つ又は２つ以上を有し、前記特性は、
前記合成ダイヤモンド材料の核生成フェースが張力下にある状態で、２００〜５００μｍの厚さの場合に７６０ＭＰａ×ｎ以上、５００〜７５０μｍの厚さの場合に７００ＭＰａ×ｎ以上、７５０〜１０００μｍの厚さの場合に６５０ＭＰａ×ｎ以上、１０００〜１２５０μｍの厚さの場合に６００ＭＰａ×ｎ以上、１２５０〜１５００μｍの厚さの場合に５５０ＭＰａ×ｎ以上、１５００〜１７５０μｍの厚さの場合に５００ＭＰａ×ｎ以上、１７５０〜２０００μｍの厚さの場合に４５０ＭＰａ×ｎ以上、２０００μｍ以上の厚さの場合に４００ＭＰａ×ｎ以上の引張破壊強度、乗率ｎは、１．０、１．１、１．２、１．４、１．６、１．８、又は２であり、
前記合成ダイヤモンド材料の成長フェースが張力下にある状態で、２００〜５００μｍの厚さの場合に３３０ＭＰａ×ｎ以上、５００〜７５０μｍの厚さの場合に３００ＭＰａ×ｎ以上、７５０〜１０００μｍの厚さの場合に２７５ＭＰａ×ｎ以上、１０００〜１２５０μｍの厚さの場合に２５０ＭＰａ×ｎ以上、１２５０〜１５００μｍの厚さの場合に２２５ＭＰａ×ｎ以上、１５００〜１７５０μｍの厚さの場合に２００ＭＰａ×ｎ以上、１７５０〜２０００μｍの厚さの場合に１７５ＭＰａ×ｎ以上、２０００μｍ以上の厚さの場合に１５０ＭＰａ×ｎ以上の引張破壊強度、乗率ｎは、１．０、１．１、１．２、１．４、１．６、１．８、又は２である、上記１〜１１のうちいずれか一に記載の光学素子。
１３． 前記合成ダイヤモンド材料の少なくとも一部分は、¹³Ｃ含有量が１．０％未満、０．８％未満、０．６％未満、０．４％未満、０．２％未満、０．１％未満、０．０５％未満、又は０．０１％未満の同位体的に純化された合成ダイヤモンド材料で作られている、上記１〜１２のうちいずれか一に記載の光学素子。
１４． 前記反射防止表面パターンを有する表面層は、前記同位体的に純化された合成ダイヤモンド材料で作られ、合成ダイヤモンド材料の下に位置する部分は、¹³Ｃについて高いコンセントレーションを有する、上記１３記載の光学素子。
１５． 前記反射防止表面パターンは、前記合成ダイヤモンド材料の少なくとも１つの表面に、少なくとも５０ｍｍ²、少なくとも１００ｍｍ²、少なくとも２００ｍｍ²、少なくとも３００ｍｍ²、少なくとも５００ｍｍ²、少なくとも７００ｍｍ²、少なくとも１０００ｍｍ²、少なくとも１５００ｍｍ²、少なくとも２０００ｍｍ²、少なくとも３０００ｍｍ²、少なくとも５０００ｍｍ²、少なくとも７０００ｍｍ²、少なくとも１００００ｍｍ²、少なくとも１５０００ｍｍ²、又は２００００ｍｍ²の領域にわたって形成されている、上記１〜１４のうちいずれか一に記載の光学素子。
１６． 前記光学素子は、前記領域の少なくとも５０％、少なくとも６０％、少なくとも７０％、少なくとも８０％、少なくとも９０％、又は少なくとも１００％にわたって上記１〜１４のうちいずれか一に記載の要件を満たす、上記１５記載の光学素子。
１７． 前記反射防止表面パターンは、前記合成ダイヤモンド材料の少なくとも２つの表面内に形成される、上記１〜１６のうちいずれか一に記載の光学素子。
１８． 前記合成ダイヤモンド材料は、単結晶ＣＶＤダイヤモンド又は多結晶ＣＶＤダイヤモンドである、上記１〜１７のうちいずれか一に記載の光学素子。
１９． 前記合成ダイヤモンド材料は、２００μｍ以上、２５０μｍ以上、３５０μｍ以上、４５０μｍ以上、５００μｍ以上、７５０μｍ以上、１０００μｍ以上、１５００μｍ以上、又は２０００μｍ以上の厚さを有する、上記１〜１８のうちいずれか一に記載の光学素子。
２０． 前記合成ダイヤモンド材料は、酸素を末端基とする表面を有する、上記１〜１９のうちいずれか一に記載の光学素子。
２１． 光学系であって、
上記１〜２０のうちいずれか一に記載の光学素子と、
光を少なくとも２０ｋＷのパワーで発生させ、前記光学素子を通って前記光を透過させるよう構成された光源とを含む、光学系。
２２． 前記光源は、光を少なくとも２５ｋＷ、少なくとも３０ｋＷ、少なくとも３５ｋＷ、少なくとも４０ｋＷ、少なくとも４５ｋＷ、又は少なくとも５０ｋＷのパワーで発生させるよう構成されている、上記２１記載の光学系。
２３． 前記光学素子を冷却する冷却系を更に含む、上記２１又は２２記載の光学系。

Claims (1)

1. 光学素子であって、
   合成ダイヤモンド材料と、
   前記合成ダイヤモンド材料の少なくとも１つの表面内に直接形成された反射防止表面パターンとを有し、
   前記光学素子は、室温で測定して１０．６μｍの波長で０．５ｃｍ^-1以下の吸収係数を有し、
   前記光学素子は、前記少なくとも１つの表面のところに前記光学素子の動作周波数で２％以下の反射率を有し、
   前記光学素子は、次の特性のうちの一方又は両方を満たすレーザ誘導損傷しきい値を有し、前記特性は、
   前記レーザ誘導損傷しきい値がパルス持続時間を１００ｎｓ、パルス繰り返し周波数を１〜１０Ｈｚの範囲として波長１０．６μｍのパルスレーザを用いて測定して少なくとも３０Ｊｃｍ^-2であるという特性、及び
   前記レーザ誘導損傷しきい値が波長１０．６μｍの連続波レーザを用いて測定して少なくとも１ＭＷ／ｃｍ²であるという特性である、光学素子。

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