JP2017530402A - 誘電体強化ミラーを採用した高効率多波長ビームエキスパンダ - Google Patents
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Abstract
Description
図2は、2つの軸外ミラー20および30を含む一例のビームエキスパンダ光学系(「ビームエキスパンダ」)10の概略図である。ミラー20は、上部表面26を有する反射多層コーティング24を担持した凸状基板表面22を有する、ミラー基板21を備えている。ミラー30は、上部表面36を有する反射多層コーティング34を担持した凹状基板表面32を有する、ミラー基板31を備えている。一例において上部表面26および36は、公称屈折率n=1である空気または真空を含む、周囲環境60との境界面になる。一例において上部表面26および36は、ミラー20および30に対する夫々の「ミラー表面」または「反射面」を画成する。
一例において各反射多層コーティング24および34は、HfO2/SiO2で示されるHfO2およびSiO2の交互の層から形成されている。図3はミラー20またはミラー30の拡大断面図であり、ミラー基板21または31と、対応する反射多層コーティング24または34との一部を示している。+z方向は、図示のように基板表面22または32に垂直である。HfO2/SiO2層の夫々の厚さτHおよびτSを、類似した形でτH/τSと省略して示す。以下の議論において、反射多層コーティング24および34を画成するHfO2/SiO2層は、例えば区域S1、S2、…、SNなどのN個の区域SNに分かれており、区域S1は基板表面22または32に直接隣接している(すなわち基板表面22または32に最も近い)。所与の区域SNにおけるHfO2/SiO2層の厚さτH/τSを、議論を簡単にするためにSN(τH/τS)と示す。所与の区域SNにおけるHfO2/SiO2層の平均の厚さτH/τSを、SN(τH/τS)AVGと示す。
一例の実施形態において、各反射多層コーティング24および34はUV、VIS、およびIRの各動作波長λで98%以上の反射率を有し、かつビームエキスパンダ10は光透過率TBE>95%を有し、これにより高効率の光学系となる。ミラー20および30でのこの高反射率と、ビームエキスパンダ10での高効率とを達成するために、各ミラーでの散乱に起因する損失量を制御する必要がある。
図9および10のプロットは、ビームエキスパンダ10で光透過率TBE>95%を達成するには、RMS基板表面粗さMSRRMSの量を特定の閾値TV未満、上で論じた例ではTV=4.5nmなどで、維持することが必要であることを示している。これには各反射多層コーティング24および34においてHfO2/SiO2層を、可能な限り滑らかになるように形成することが必要である。
いくつかの事例において、基板表面22または32は表面に不備または欠陥を有することがあり、ビームエキスパンダ10で高効率の光透過率TBEを達成するためには、これを滑らかにする、あるいは他のやり方で軽減する必要がある。例えば機械的強度を増加させるために、金属含有物がアルミニウム(Al)合金内に形成されるときがある。この金属含有物はミラー基板21または31のバルクのAl合金とは異なる硬度を有し得るものであり、研磨された基板表面22または32上に、小さい(例えば、サブミクロンサイズの)粒子の形で現れることがある。この表面欠陥は散乱損失SLを増加させ得るものであり、また特にUV動作波長で、レーザ誘起の損傷閾値を低下させる可能性もある。
ビームエキスパンダ光学系であって、
金属から作製された第1のミラー基板を有し、かつ凸状基板表面と、該凸状基板表面上に形成された第1の反射多層コーティングとを有している、凸状ミラー、
金属から作製された第2のミラー基板を有し、かつ凹状基板表面と、該凹状基板表面上に形成された第2の反射多層コーティングとを有している、凹状ミラー、
を備え、前記凸状ミラーおよび前記凹状ミラーが、等倍よりも大きい倍率を有する軸外アフォーカル構成で配置されており、
前記第1の反射多層コーティングおよび前記第2の反射多層コーティングが夫々、少なくとも第1の区域S1および第2の区域S2を画成する、HfO2およびSiO2の交互の層を含み、前記第1の区域S1が、前記凸状基板表面または前記凹状基板表面に最も近く、かつ第1の光波長を最適に反射し中波長IR(MWIR)光を実質的に透過するように構成されており、前記第2の区域S2が、前記第1の区域の上に存在し、かつ前記MWIR光を実質的に透過し、さらに前記第1の光波長よりも短い第2の光波長を最適に反射するように構成されており、さらに、
前記第1の光波長および前記第2の光波長に対して、高効率の透過率TBE>95%を有していることを特徴とするビームエキスパンダ光学系。
前記第1の反射多層コーティングおよび前記第2の反射多層コーティングが夫々、
前記第2の光波長よりも短い第3の光波長を最適に反射しかつ前記MWIR光を実質的に透過するよう構成された、前記第2の区域S2の上の第3の区域S3を含み、さらに、
前記第1の光波長が赤外(IR)波長であり、前記第2の光波長が可視(VIS)波長であり、さらに前記第3の光波長が紫外(UV)波長であることを特徴とする実施形態1記載のビームエキスパンダ光学系。
前記金属が、ハウジングを画成しているアルミニウム合金であり、かつ前記第1のミラー基板および前記第2のミラー基板が、前記ハウジングと一体的に形成されていることを特徴とする実施形態1または2記載のビームエキスパンダ光学系。
前記第1の基板表面および前記第2の基板表面の、二乗平均平方根(RMS)基板表面粗さMSRRMSが、4.5nm未満であることを特徴とする実施形態1から3いずれか1項記載のビームエキスパンダ光学系。
前記金属がアルミニウム合金であることを特徴とする実施形態1から4いずれか1項記載のビームエキスパンダ光学系。
前記HfO2およびSiO2の層が、夫々の層厚さτHおよびτSを有し、さらに、前記区域S2での前記層厚さτHおよびτSが平均で、前記区域S1でのものよりも小さく、かつ前記区域S3での前記層厚さτHおよびτSが平均で、前記区域S2でのものよりも小さいことを特徴とする実施形態2から5いずれか1項記載のビームエキスパンダ光学系。
前記区域S1では、130nm≦τH≦140、および90nm≦τS≦190nmであり、さらに、
前記区域S3では、40nm≦τH≦50nm、および60nm≦τS≦70nmであることを特徴とする実施形態6記載のビームエキスパンダ光学系。
前記第1の反射多層コーティングおよび前記第2の反射多層コーティングが夫々、最も上方のSiO2のキャッピング層を含んでいることを特徴とする実施形態1から7いずれか1項記載のビームエキスパンダ光学系。
前記第1のミラーおよび前記第2のミラーの夫々が、UV波長、VIS波長、およびIR波長の夫々で、反射率R>98%を有していることを特徴とする実施形態2から8いずれか1項記載のビームエキスパンダ光学系。
紫外(UV)、可視(VIS)、および赤外(IR)の動作波長で使用するための、高効率ビームエキスパンダ光学系であって、
第1のAl合金基板上に形成された凸状基板表面を有する、第1のミラーと、第2のAl合金基板上に形成された凹状基板表面を有する、第2のミラーとを備え、前記第1のミラーおよび前記第2のミラーが、等倍よりも大きい倍率を有する軸外アフォーカル構成で配置されており、
前記凸状基板表面および前記凹状基板表面の夫々が、層厚さτHおよびτSを夫々有するHfO2およびSiO2の交互の層から形成された、多層反射コーティングを備え、
前記多層反射コーティングの夫々が、i)IR動作波長を最適に反射し、かつ中波長IR(MWIR)波長を実質的に透過するように構成された、前記凸状基板表面または前記凹状基板表面に直接隣接している第1の区域と、ii)VIS動作波長を最適に反射し、かつIRおよびMWIR動作波長を実質的に透過するように構成された、第1の区域の上の第2の区域と、iii)UV動作波長を最適に反射し、かつVIS、IR、およびMWIR波長を実質的に透過するように構成された、第2の区域の上の第3の区域とを含み、さらに、
前記HfO2およびSiO2の夫々の前記層厚さτHおよびτSが、前記各区域内で実質的に一定であるが、前記第2の区域では平均で、前記第1の区域での厚さよりも小さく、前記第3の区域では平均で、前記第2の区域での厚さよりも小さく、さらに、
前記UV、VIS、およびIRの動作波長で、透過率TBE>95%を有していることを特徴とする高効率ビームエキスパンダ光学系。
前記凸状基板表面および前記凹状基板表面の、二乗平均平方根(RMS)基板表面粗さMSRRMSが、4.5nm未満であることを特徴とする実施形態10記載の高効率ビームエキスパンダ光学系。
前記UVの光の動作波長が355nmであり、前記VISの光の動作波長が532nmであり、さらに前記IRの光の動作波長が1064nmであることを特徴とする実施形態10または11記載の高効率ビームエキスパンダ光学系。
アルミニウム合金Al−6061T1から作製されたハウジングをさらに備え、前記第1のミラー基板および前記第2のミラー基板が、前記ハウジングと一体的に形成されていることを特徴とする実施形態10から12いずれか1項記載の高効率ビームエキスパンダ光学系。
前記第1の区域内の前記HfO2およびSiO2の層の前記層厚さτHおよびτSが、130nm≦τH≦140、および90nm≦τS≦190nmであり、さらに、
前記第3の区域内の前記HfO2およびSiO2の層の前記層厚さτHおよびτSが、40nm≦τH≦50nm、および60nm≦τS≦70nmであることを特徴とする実施形態10から13いずれか1項記載の高効率ビームエキスパンダ光学系。
紫外(UV)、可視(VIS)、および赤外(IR)の動作波長で使用するための、高効率ビームエキスパンダ光学系を形成する方法において、
凸状基板表面を有する第1のミラーおよび凹状基板表面を有する第2のミラーを形成するために、第1の金属ミラー基板および第2の金属ミラー基板を夫々ダイヤモンド旋削および研磨するステップ、
前記凸状基板表面および前記凹状基板表面の夫々に、夫々の層厚さがτHおよびτSであるHfO2およびSiO2の交互の層から成る、反射多層コーティングを形成するステップであって、前記凸状表面または前記凹状表面から順に外側に位置する少なくとも3つの区域S1、S2、およびS3内への、前記HfO2およびSiO2の層の配置を含み、前記3つの区域が、IR、VIS、およびUVの動作波長を最適に反射するように夫々構成されている、ステップ、および、
等倍よりも大きい倍率を有しかつUV、VIS、およびIRの各動作波長で光透過率TBE>95%を有する、軸外アフォーカル構成に、前記第1のミラーおよび前記第2のミラーを配置するステップ、
を含むことを特徴とする方法。
プラズマイオンアシスト蒸着(PIAD)を、前記第1のミラー基板および前記第2のミラー基板の回転と反転マスクプロセスの採用と組み合わせて使用して、前記HfO2およびSiO2の交互の層を形成するステップをさらに含むことを特徴とする実施形態15記載の方法。
前記凸状基板表面および前記凹状基板表面のうちの少なくとも一方が、1以上の表面欠陥を含み、さらに、
前記凸状基板表面および前記凹状基板表面のうちの少なくとも一方を、SiO2層でコーティングするステップ、
前記SiO2層をプラズマ処理するステップ、および、
プラズマ処理された前記SiO2層の上に、前記HfO2およびSiO2の層を形成するステップ、
を含むことを特徴とする実施形態15または16記載の方法。
前記凸状基板表面および前記凹状基板表面の夫々の二乗平均平方根(RMS)基板表面粗さMSRRMSが4.5nm未満となるように、前記ダイヤモンド旋削および研磨するステップが行われることを特徴とする実施形態15から17いずれか1項記載の方法。
前記金属ミラー基板の夫々が、アルミニウム合金から形成され、かつ前記区域S1での前記層厚さτHおよびτSが平均で、前記区域S2でのものよりも大きく、さらに前記区域S2での前記層厚さτHおよびτSが平均で、前記区域S3でのものよりも大きいことを特徴とする実施形態15から18いずれか1項記載の方法。
区域S1が中波長IR(MWIR)の波長に対して実質的に透過性であり、区域S2がIR動作波長およびMWIR波長に対して実質的に透過性であり、さらに区域S3がVIS動作波長およびIR動作波長とMWIR波長とに対して実質的に透過性であることを特徴とする実施形態15から19いずれか1項記載の方法。
20、30 軸外ミラー
21、31 ミラー基板
22 凸状基板表面
24、34 反射多層コーティング
26、36 上部表面
32 凹状基板表面
40 コリメートレーザビーム
Claims (9)
- ビームエキスパンダ光学系であって、
金属から作製された第1のミラー基板を有し、かつ凸状基板表面と、該凸状基板表面上に形成された第1の反射多層コーティングとを有している、凸状ミラー、
金属から作製された第2のミラー基板を有し、かつ凹状基板表面と、該凹状基板表面上に形成された第2の反射多層コーティングとを有している、凹状ミラー、
を備え、前記凸状ミラーおよび前記凹状ミラーが、等倍よりも大きい倍率を有する軸外アフォーカル構成で配置されており、
前記第1の反射多層コーティングおよび前記第2の反射多層コーティングが夫々、少なくとも第1の区域S1および第2の区域S2を画成する、HfO2およびSiO2の交互の層を含み、前記第1の区域S1が、前記凸状基板表面または前記凹状基板表面に最も近く、かつ第1の光波長を最適に反射し中波長IR(MWIR)光を実質的に透過するように構成されており、前記第2の区域S2が、前記第1の区域の上に存在し、かつ前記MWIR光を実質的に透過し、さらに前記第1の光波長よりも短い第2の光波長を最適に反射するように構成されており、さらに、
前記第1の光波長および前記第2の光波長に対して、高効率の透過率TBE>95%を有していることを特徴とするビームエキスパンダ光学系。 - 前記第1の反射多層コーティングおよび前記第2の反射多層コーティングが夫々、
前記第2の光波長よりも短い第3の光波長を最適に反射しかつ前記MWIR光を実質的に透過するよう構成された、前記第2の区域S2の上の第3の区域S3を含み、さらに、
前記第1の光波長が赤外(IR)波長であり、前記第2の光波長が可視(VIS)波長であり、さらに前記第3の光波長が紫外(UV)波長であることを特徴とする請求項1記載のビームエキスパンダ光学系。 - 前記第1のミラー表面および前記第2のミラー表面の、二乗平均平方根(RMS)ミラー表面粗さMSRRMSが、4.5nm未満であることを特徴とする請求項1または2記載のビームエキスパンダ光学系。
- 前記金属がアルミニウム合金であることを特徴とする請求項1から3いずれか1項記載のビームエキスパンダ光学系。
- 前記HfO2およびSiO2の層が、夫々の層厚さτHおよびτSを有し、さらに、前記区域S2での前記層厚さτHおよびτSが平均で、前記区域S1でのものよりも小さく、かつ前記区域S3での前記層厚さτHおよびτSが平均で、前記区域S2でのものよりも小さいことを特徴とする請求項2から4いずれか1項記載のビームエキスパンダ光学系。
- 紫外(UV)、可視(VIS)、および赤外(IR)の動作波長で使用するための、高効率ビームエキスパンダ光学系を形成する方法において、
凸状表面を有する第1のミラーおよび凹状表面を有する第2のミラーを形成するために、第1のAl金属ミラー基板および第2のAl金属ミラー基板を夫々ダイヤモンド旋削および研磨するステップ、
前記凸状表面および前記凹状表面の夫々に、夫々の層厚さがτHおよびτSであるHfO2およびSiO2の交互の層から成る、反射多層コーティングを形成するステップであって、前記凸状表面または前記凹状表面から順に外側に位置する少なくとも3つの区域S1、S2、およびS3内への、前記HfO2およびSiO2の層の配置を含み、前記3つの区域が、IR、VIS、およびUVの動作波長を最適に反射するように夫々構成されている、ステップ、および、
等倍よりも大きい倍率を有しかつUV、VIS、およびIRの各動作波長で光透過率TBE>95%を有する、軸外アフォーカル構成に、前記第1のミラーおよび前記第2のミラーを配置するステップ、
を含むことを特徴とする方法。 - プラズマイオンアシスト蒸着を、前記第1のミラー基板および前記第2のミラー基板の回転と反転マスクプロセスの採用と組み合わせて使用して、前記HfO2およびSiO2の交互の層を形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項6記載の方法。
- 前記凸状表面および前記凹状表面の夫々の二乗平均平方根(RMS)ミラー表面粗さMSRRMSが4.5nm未満となるように、前記ダイヤモンド旋削および研磨するステップが行われることを特徴とする請求項6または7記載の方法。
- 前記区域S1での前記層厚さτHおよびτSが平均で、前記区域S2でのものよりも大きく、さらに前記区域S2での前記層厚さτHおよびτSが平均で、前記区域S3でのものよりも大きいことを特徴とする請求項6から8いずれか1項記載の方法。
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