JP2019132905A - Transmission type diffraction element, laser oscillator, and laser beam machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、透過型回折素子並びに透過型回折素子を用いたレーザ発振器及びレーザ加工に関する。 The present invention relates to a transmissive diffraction element, a laser oscillator using the transmissive diffraction element, and laser processing.
光ピックアップ装置、分光測定機、光伝送モジュール、及びレーザ発振器などの光学系において、回折素子が用いられている。エネルギー効率の観点から、利用する波長帯域における回折素子の回折効率は、高い方が望ましい。 A diffraction element is used in an optical system such as an optical pickup device, a spectroscopic measuring device, an optical transmission module, and a laser oscillator. From the viewpoint of energy efficiency, it is desirable that the diffraction efficiency of the diffraction element in the wavelength band to be used is higher.
透過型回折素子による入射光の反射を低減し、透過回折効率を向上させるために、基板材質とは異なる(より低い又は高い)屈折率を有する材質からなる反射防止層を、素子の表面又は多層膜内の一部に導入する解決策が知られている。特許文献1には、光学材料の中で比較的高い屈折率を有するジルコニウム酸化物を含む多層膜を有する回折格子が開示されている。特許文献2には、入射する光の波長帯全域にわたって、高い回折効率と低い偏光依存性とを有する透過型回折素子が開示されている。
In order to reduce the reflection of incident light by the transmissive diffractive element and improve the transmissive diffraction efficiency, an antireflection layer made of a material having a refractive index different (lower or higher) from the substrate material is provided on the surface of the element or the multilayer. Solutions are known for introduction into a part of the membrane.
しかし、回折素子の性能は、ドライエッチング等の手段により回折素子表面に形成された凹凸状の格子構造の材質、寸法、及び形状などによって変化する。特許文献1の回折格子には、格子構造の形成のためのドライエッチング等の手段によって生じる加工深さ及び溝底部形状の面内ばらつきによって回折効率が悪化するという問題、及びロット間ばらつきによって回折効率の再現性を得難いという問題がある。
However, the performance of the diffractive element varies depending on the material, size, shape, and the like of the uneven grating structure formed on the surface of the diffractive element by means such as dry etching. The diffraction grating of
特許文献2の透過型回折格子では、多層格子構造を形成する際のドライエッチングによって、格子形状に面内ばらつき(例えば、アンダーエッチング及びオーバーエッチング)が生じ、回折効率が低下する問題がある。 In the transmission type diffraction grating of Patent Document 2, there is a problem in that in-plane variation (for example, under-etching and over-etching) occurs in the grating shape due to dry etching when forming a multilayer grating structure, and diffraction efficiency is lowered.
本発明は、上述の問題点を解決するためになされたものであり、加工による格子形状の面内ばらつきを低減させることにより高い回折効率を有するとともに、ロット間ばらつきを低減させることにより回折効率の高い再現性を有する透過型回折素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and has high diffraction efficiency by reducing in-plane variation of the lattice shape due to processing, and also improves diffraction efficiency by reducing variation between lots. An object of the present invention is to provide a transmissive diffraction element having high reproducibility.
上記課題を解決するために、本発明の一態様は、表面と裏面を有する基板と、基板の表面上に形成された、ジルコニウム酸化物からなる反射防止層と、反射防止層の上に形成され、周期的な凹凸パターンを有する格子部と、を備える透過型回折素子を提供する。 In order to solve the above problems, one embodiment of the present invention is formed on a substrate having a front surface and a back surface, an antireflection layer made of zirconium oxide formed on the surface of the substrate, and the antireflection layer. And a diffractive element including a grating portion having a periodic uneven pattern.
本発明により、加工による格子形状の面内ばらつきを低減させることにより高い回折効率を有するとともに、ロット間ばらつきを低減させることにより回折効率の高い再現性を有する透過型回折素子を得ることができる。 According to the present invention, it is possible to obtain a transmission type diffractive element having high diffraction efficiency by reducing in-plane variation of the grating shape due to processing and having high reproducibility with high diffraction efficiency by reducing lot-to-lot variation.
実施の形態1.
以下、本発明の実施の形態1について、図面を参照して具体的に説明する。以下の説明では、本発明の理解を容易にするために、上、下などの特定の方向を表す用語を使用しているが、それらの用語により本発明の範囲が限定されると理解すべきでない。
図1は、全体が100で表される、本発明の実施の形態1による透過型回折素子(以下、単に「回折素子」という。)の概略的な断面図である。回折素子100は、表面と裏面を有する基板40と、基板40の表面上に形成された反射防止層20と、反射防止層20の上に形成された格子部10とを備える。回折素子100は、基板40の裏面上に裏面反射防止層50を更に備えてもよい。反射防止層20と格子部10を併せて回折格子30と呼ぶ。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a transmissive diffractive element (hereinafter, simply referred to as “diffractive element”) according to
本明細書では、基板40の厚さ方向をZ方向とし、Z軸に垂直な面をXY平面とする。基板40の表面及び裏面は、XY平面に実質的に平行な面である。図1の紙面垂直方向をY方向とし、Y軸とZ軸に垂直な方向をX方向とする。
In this specification, the thickness direction of the
基板40は、例えば、入射光の波長(例えば、可視光の波長から近赤外光の波長)に対して透明な透明基板である。例えば、基板40は、石英ガラス又は合成石英からなる。
The
図示の例では、反射防止層20は、ジルコニウム酸化物からなる単層膜である。反射防止層20は、真空蒸着法又はスパッタ法などの薄膜形成方法によって、基板40の表面上に形成される。D20は、反射防止層20の厚さ(高さ)を表す。
In the illustrated example, the
断面図である図1では、格子部10は、反射防止層20上に、X方向に互いに間隔を空けて周期的に(周期Pで)並んだ多数の凸部(突起)11と、隣接する凸部11間の凹部(間隙部)12とからなる。格子部10は、Y方向に一様な形状を有するライン&スペース構造である。すなわち、回折素子100をY軸に垂直に切った断面の形状は、Y位置にかかわらず実質的に同一である。凸部11は、X軸方向の幅Wと、高さDGとを有する。
In FIG. 1, which is a cross-sectional view, the
凸部11は、酸化シリコン、窒化シリコン、及び酸窒化シリコンの内から選ばれる1つ以上の材料からなる単層又は多層構造である。格子部10は、例えば、反射防止層20の上に、真空蒸着法又はスパッタ法などの薄膜形成方法によって、凸部11の材料を堆積させるステップと、ドライエッチング、ウェットエッチング、及びナノインプリントなどの公知の方法によって、堆積した材料を加工するステップと、を使用して形成される。
The
上記のようにシリコンを含む凸部11の材料は、典型的には、フルオロカーボンガス(例えばCF4)を用いたドライエッチングによって加工される。ジルコニウム酸化物は、フルオロカーボンガスに対して高いエッチング耐性を有する。したがって、凸部11の材料のエッチング速度は、ジルコニウム酸化物からなる反射防止層20のエッチング速度と大きく異なる。この相対的なエッチング速度の比(加工対象(凸部11の材料)のエッチング速度/非加工対象(反射防止層20)のエッチング速度)を利用して、オーバーエッチングを抑制することができる。すなわち、ジルコニウム酸化物からなる反射防止層20は、エッチングストッパとして機能する。
As described above, the material of the
裏面反射防止層50は、例えば真空蒸着法又はスパッタ法などの薄膜形成方法によって、基板40の裏面上に形成される。裏面反射防止層50は、酸化シリコン、酸窒化シリコン及びフッ化マグネシウムなどの低屈折率材料と、窒化シリコン、酸化チタン及び五酸化タンタルなどの高屈折率材料と、を含む光学多層膜である。あるいは、裏面反射防止層50は、酸化シリコン、酸窒化シリコン及びフッ化マグネシウムの内から選ばれる1つ以上の材料からなる低屈折率材料と、窒化シリコン、酸化チタン及び五酸化タンタルの内から選ばれる1つ以上の材料からなる高屈折率材料と、からなる光学多層膜であってもよい。裏面反射防止層50は、光が基板40内から空気中へ出る場合、又は空気から基板40に入射する場合の光の反射損を抑制する。
The back surface antireflection
図2は、回折素子100の入射光と回折光の関係を示す模式図である。まず、回折素子100に、光源(図示せず)からの入射光101が、入射角θ0で、入射される。入射光101は、回折素子100の格子部10によって回折され、0次(回折次数m=0)の反射回折光102と、−1次(m=−1)の反射回折光103とが発生する。一般的に、m次の反射回折光の反射回折角θRmは、次の式(1)を満たす。
FIG. 2 is a schematic diagram showing the relationship between incident light and diffracted light of the
ここで、Pは格子周期であり、mは回折次数である。 Here, P is the grating period and m is the diffraction order.
したがって、反射回折光102、103のそれぞれの回折角θR0、θR−1は、式(1)から導くことができる。
Accordingly, the diffraction angles θ R0 and θ R−1 of the reflected diffracted
さらに、図2には、回折素子100を透過した0次(m=0)の透過回折光104と、−1次(m=−1)の透過回折光105とが図示されている。透過回折光104、105の回折角θT0、θT−1は、式(1)の反射回折角θRmを透過回折角θTmに置き換えることによって導くことができる。
Further, FIG. 2 shows 0th-order (m = 0) transmitted diffracted
入射角θ0の絶対値と0次の反射回折角θR0の絶対値が等しい配置(リトロー配置)では、他の配置より高い回折効率が得られることが知られている。リトロー配置では、次の式(2)が成り立つ。 It is known that a higher diffraction efficiency can be obtained in an arrangement (Littrow arrangement) in which the absolute value of the incident angle θ 0 is equal to the absolute value of the zero-order reflection diffraction angle θ R0 (Littrow arrangement). In the Littrow arrangement, the following equation (2) is established.
回折素子に対して光を入射した際、0次、±1次、±2次などの高次の回折光が生じ、これにより光の利用効率が低くなる。そこで、回折素子表面に鉛直な方向から角度を付けて光を入射するなどして、利用する回折光(本発明では、−1次の透過回折光)よりも高次の回折光を生じさせないようにすることが好ましい。 When light is incident on the diffractive element, higher-order diffracted light such as 0th order, ± 1st order, ± 2nd order, etc. is generated, thereby reducing the light utilization efficiency. In view of this, the incident light is incident on the surface of the diffractive element at an angle from the vertical direction so as not to generate higher-order diffracted light than the diffracted light used (in the present invention, -1st order transmitted diffracted light). It is preferable to make it.
次に、格子部10の直下に反射防止層20を設けることによって得られる効果について説明する。まず、回折効率の改善効果について説明する。
Next, the effect obtained by providing the
図3は、図1に対する比較例として、反射防止層20を備えない回折素子200を示している。図1の回折素子100と図3の回折素子200の回折効率を比較する。図4は、入射光の波長を横軸として、反射防止層20を備える回折素子100の−1次の透過回折光の回折効率(以下、「透過回折効率」という。)η1T−1(実線)と、反射防止層20を備えない回折素子200の−1次の透過回折効率η2T−1(破線)とを示すグラフである。図4の回折効率の値は、シミュレーションによって得られたものである。シミュレーションには、RCWA(Rigorous Coupled-Wave Analysis、厳密結合波解析)法による電磁界シミュレータ「DiffractMOD」(synopsys社)を用いた。シミュレーションに用いられたパラメータを、次の表1に示す。
FIG. 3 shows a
ここで、波長λはシミュレーションの対象である入射光の波長帯域の中心波長である。Δλは、波長幅であり、シミュレーションは、入射光の波長をλ−Δλからλ+Δλまで変化させて行われた。これは、例えばレーザ共振器で使用される波長帯域である。入射方位φは、入射光101をXY平面に投射した射影とX軸とがなす角度である。偏向角ψは、入射光101の電界振動方向をXY平面に投射した射影と、X軸とがなす角度である。ψ=90°の場合、偏光が光の入射面と直交していることを意味する。占有率Fは、凸部11の周期P及び幅Wを用いて、W/Pで定義される。格子部10の加工を容易にするために、0.2≦F≦0.8であることが好ましい。
Here, the wavelength λ is the center wavelength of the wavelength band of incident light to be simulated. Δλ is a wavelength width, and the simulation was performed by changing the wavelength of incident light from λ−Δλ to λ + Δλ. This is a wavelength band used in a laser resonator, for example. The incident azimuth φ is an angle formed by the projection of the incident light 101 projected on the XY plane and the X axis. The deflection angle ψ is an angle formed by a projection obtained by projecting the electric field vibration direction of the
表1の凸部11の高さDG、占有率F及び反射防止層20の厚さD20は、最適化されたものである。ここで、「最適化」とは、対象波長帯域(λ−Δλからλ+Δλ)において回折効率が最大となるようにパラメータ値を選択することを指す。
The height D G , the occupation ratio F, and the thickness D 20 of the
シミュレーションにおいて、反射防止層20の屈折率N20には、ジルコニウム酸化物の屈折率(N20=2.208)を用いた。
In the simulation, the refractive index of zirconium oxide (N 20 = 2.208) was used as the refractive index N 20 of the
なお、回折効率を導出するこのシミュレーションでは、裏面反射防止層50を考慮していないことに留意が必要である。
It should be noted that the simulation for deriving the diffraction efficiency does not consider the back surface antireflection
図4からわかるように、反射防止層20を導入することによって、対象波長帯域(0.94μm〜1.03μm)において、透過回折効率が向上することが確認できる。
As can be seen from FIG. 4, it is confirmed that the transmission diffraction efficiency is improved in the target wavelength band (0.94 μm to 1.03 μm) by introducing the
図5は、対象波長帯域における、0次の反射回折光の回折効率(以下、「反射回折効率」という。)ηR0と−1次の反射回折効率ηR−1の合計値(以下、「合計反射回折効率」という。)ηRを示すグラフである。図5では、横軸は入射光の波長を示す。実線は、反射防止層20を備える回折素子100の合計反射回折効率η1Rを示し、破線は、反射防止層20を備えない回折素子200の合計反射回折効率η2Rを示している。図5から、反射防止層20の導入により、対象波長帯において合計反射回折効率が低減することがわかる。
FIG. 5 shows the total value of the diffraction efficiency of 0th-order reflected diffracted light (hereinafter referred to as “reflected diffraction efficiency”) η R0 and −1st-order reflected diffraction efficiency η R-1 in the target wavelength band (hereinafter referred to as “ It is referred to as “total reflection diffraction efficiency.”) Η R is a graph. In FIG. 5, the horizontal axis represents the wavelength of incident light. The solid line indicates the total reflection diffraction efficiency η1 R of the
回折素子100又は200による光吸収等の損失がない場合、次の式が(3)成り立つ。
When there is no loss such as light absorption by the
前述のように反射防止層20の導入により透過回折効率が向上するのは、図5の通り、合計反射回折効率ηRが低減することに起因すると考えられる。
To improve the transmission diffraction efficiency by the introduction of the
以上の説明では、基板40と凸部11の材料は、ともに二酸化シリコン(SiO2)である。すなわち、基板40と凸部11の材料の屈折率NS、NGを、SiO2の屈折率である1.457に設定してシミュレーションを行った。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、凸部11の材料は、酸化シリコン、窒化シリコン、又は酸窒化シリコンであってもよい。なお、凸部11の材料が異なれば、最適な凸部11の高さDG、及び反射防止膜の厚さD20も変動し得ることに留意が必要である。
In the above description, the material of the
次に、格子部10の直下に反射防止層20を設けることによって、エッチングなどの加工の影響により回折効率が悪化することを防止できる効果について説明する。
Next, the effect that the diffraction efficiency can be prevented from being deteriorated due to the influence of processing such as etching by providing the
図6は、凸部11を形成するためのドライエッチング工程において、オーバーエッチングが生じた場合の回折素子100を示す概略的な断面図である。オーバーエッチングにより生じた反射防止層20内の溝を、オーバーエッチング部60と呼ぶ。図6では、D60は、オーバーエッチング部60の深さを表している。言い換えれば、D60は、オーバーエッチング部60の底面から反射防止層20の上面までのZ軸方向の距離である。
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing the
図7は、凸部11を形成するためのドライエッチング工程において、オーバーエッチングが生じた場合の回折素子200を示す概略的な断面図である。オーバーエッチングにより生じた基板40内の溝を、オーバーエッチング部70と呼ぶ。図7では、D70は、オーバーエッチング部70の深さを表している。オーバーエッチングが生じた回折素子100と回折素子200の回折効率を比較する。
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing the
フルオロカーボンガスを用いた場合、ジルコニウム酸化物に対するエッチングの速度は、SiO2に対するエッチングの速度の約1/5であることが知られている(例えば、H.-S. Kim et al., The Use of Inductively Coupled CF4/Ar Plasma to Improve the Etch Rate of ZrO2 Thin Films. TRANSACTIONS ON ELECTRICAL AND ELECTRONIC MATERIALS. 2013, 14(1), pp.12-15.参照)。したがって、回折素子100の反射防止層20に対するエッチングの速度が、回折素子200の基板40に対するエッチングの速度の約1/5であるものとして、シミュレーションを行った。
When fluorocarbon gas is used, the etching rate for zirconium oxide is known to be about 1/5 of the etching rate for SiO 2 (eg, H.-S. Kim et al., The Use of Inductively Coupled CF 4 / Ar Plasma to Improve the Etch Rate of ZrO2 Thin Films. TRANSACTIONS ON ELECTRICAL AND ELECTRONIC MATERIALS. 2013, 14 (1), pp.12-15 Therefore, the simulation was performed on the assumption that the etching speed of the
図8は、オーバーエッチング部60、70の深さD60、D70が変化した場合の回折素子100、200のそれぞれの−1次の透過回折効率ηT−1の低下量を示すグラフである。対象波長帯域は、例えばレーザ共振器に使用される波長帯域(0.95μm≦λ≦1.01μm)である。図8は、オーバーエッチング時間が0、T1及びT2であった場合に完成した回折素子100、200のそれぞれの−1次の透過回折効率ηT−1の低下量を示している。言い換えれば、横軸は、加工時間で規格化されたオーバーエッチング部60、70の深さである。
FIG. 8 is a graph showing the amount of decrease in the −1st order transmission diffraction efficiency η T-1 of each of the
図8の横軸の0は、加工された回折素子100、200の反射防止層20又は基板40が、オーバーエッチング状態でもアンダーエッチング状態でもないことを意味する。言い換えれば、図8の横軸の0は、オーバーエッチング部60、70の深さD60、D70が0nmであることを意味する。
8 on the horizontal axis in FIG. 8 means that the
図8の横軸のT1は、適切なエッチングの完了後に、T1の時間だけオーバーエッチングが行われたことを意味する。この場合、D60=5nm、D70=25nmに設定してシミュレーションを行った。この値は、ジルコニウム酸化物に対するエッチングの速度が、前述のようにSiO2に対するエッチングの速度の約1/5であることを考慮して決定された。 T1 on the horizontal axis in FIG. 8 means that overetching has been performed for the time T1 after completion of appropriate etching. In this case, the simulation was performed by setting D 60 = 5 nm and D 70 = 25 nm. This value was determined considering that the etching rate for zirconium oxide was about 1/5 of the etching rate for SiO 2 as described above.
図8の横軸のT2は、適切なエッチングの完了後に、T2の時間だけオーバーエッチングが行われたことを意味する。この場合、D60=10nm、D70=50nmに設定してシミュレーションを行った。 T2 on the horizontal axis in FIG. 8 means that overetching has been performed for the time T2 after completion of appropriate etching. In this case, the simulation was performed by setting D 60 = 10 nm and D 70 = 50 nm.
図8から、同じ時間だけオーバーエッチングされた場合、反射防止層20を備えない回折素子200に比べて、回折素子100の−1次の透過回折効率ηT−1の低下量が著しく小さいことがわかる。
From FIG. 8, when the overetching is performed for the same time, the decrease amount of the −1st-order transmission diffraction efficiency η T-1 of the
次に、図9と図10を参照して、オーバーエッチングが生じた場合の回折素子100と回折素子200について、透過回折効率の減少効果及び透過回折効率の波長依存性を比較する。
Next, with reference to FIG. 9 and FIG. 10, the
図9は、回折素子100について、反射防止層20のオーバーエッチング部60の深さD60と、−1次の透過回折効率ηT−1との関係を示すグラフである。図9の横軸は、図4と同範囲の入射光の波長である。図9の実線は、オーバーエッチング部60の深さD60=0nmの場合の(すなわち、オーバーエッチングが生じていない場合の)、破線は、D60=5nmの場合の、点線は、D60=10nmの場合の、透過回折効率を示している。
FIG. 9 is a graph showing the relationship between the depth D 60 of the
図10は、回折素子200について、基板40のオーバーエッチング部70の深さD70と、−1次の透過回折効率ηT−1との関係を示すグラフである。図10の実線は、オーバーエッチング部70の深さD70=0nmの場合の(すなわち、オーバーエッチングが生じていない場合の)、破線は、D70=25nmの場合の、点線は、D70=50nmの場合の、透過回折効率を示している。
FIG. 10 is a graph showing the relationship between the depth D 70 of the
図9からわかるように、反射防止層20を備える回折素子100については、オーバーエッチングが進んでも、対象波長帯域の広い範囲で、回折効率はわずかに減少するのみである。これに比べて、図10の反射防止層20を備えない回折素子200では、オーバーエッチングが進むと、特に対象波長帯域のうち比較的短波長の帯域において、回折効率が著しく減少する。これは、反射防止層20を備える回折素子100については、オーバーエッチング部60の深さD60が比較的小さく抑えられるため、回折に寄与する格子部10の形状の変化と、格子部10の面内ばらつきとが小さく抑えられるからであると考えられる。
As can be seen from FIG. 9, the diffraction efficiency of the
一般的に、入射光が波長幅を有すること、及び回折素子の格子寸法などに製造過程においてばらつきが生じることから、回折素子は、広い波長帯域にわたって高い回折効率を有することが好ましい。この観点から、本発明の回折素子100は、オーバーエッチングが生じた場合でも、広い波長帯域にわたって高い回折効率が得られるため、有利である。
In general, since the incident light has a wavelength width and the diffraction dimensions of the diffraction element vary in the manufacturing process, the diffraction element preferably has high diffraction efficiency over a wide wavelength band. From this viewpoint, the
ドライエッチングを用いて格子部10を形成する場合、サイクルタイムを短縮するためにはエッチング速度(加工速度)が高い方が望ましいが、それに伴いオーバーエッチングを抑制することが難しくなる。しかしながら、上述のように、格子部10の直下にジルコニウム酸化物からなる反射防止層20を設けることにより、エッチング速度を高めても、比較的容易にオーバーエッチングを抑制することができる。したがって、面内ばらつきの低減により、高い回折効率を確保することができる。さらに、ロット間ばらつきを低減させることにより回折効率の高い再現性を得ることができ、回折素子の製造について高い歩留まりを達成できる。
When the
以上のように、本発明の回折素子100では、反射防止層20を設け、入射光の反射を防止するとともにエッチングなどの加工による格子形状の面内ばらつきを低減させることにより、透過回折効率が向上する。さらに、ロット間ばらつきを低減させることにより回折効率の高い再現性を得ることができる。
As described above, in the
なお、以上では、凸部11の断面形状が実質的に長方形である具体例について説明したが、凸部11の形状はこれに限定されない。図11は、全体が150で表される、本発明の実施の形態1による透過型回折素子の他の具体例の概略的な断面図である。図12は、図11の回折素子150の部分拡大図であり、凸部11の断面の概略的な拡大図を示している。凸部11は、実質的に平坦な上面11aと、対向する側壁11bとを有する。図11及び図12では、図1と異なり、側壁11bは傾斜している。Z軸と側壁11bとがなす角度を傾斜角Sとする。すなわち、凸部11の断面形状は台形であり、この台形は、上面幅WTと底面幅WBとを有する。上面幅WTと傾斜角Sが決定されると、底面幅WBの値は一意に定まる。なお、傾斜角Sはドライエッチング条件によって変化し得る。
In addition, although the specific example whose cross-sectional shape of the
実施の形態2.
図13は、全体が300で表される、本発明の実施の形態2による透過型回折素子の概略的な断面図である。図13中、図1と同一の符合は、同一又は相当箇所を示す。また、以下の記載では、原則として、実施の形態1と異なる点を中心に説明し、その他の部分については重複説明を省略する。回折素子300は、実施の形態1の回折素子100と同様に、基板40と、基板40の表面上に形成された反射防止層20と、反射防止層20の上に形成された格子部10とを備える。回折素子300は、基板40の裏面上に裏面反射防止層50を更に備えてもよい。反射防止層20と格子部10を併せて回折格子30と呼ぶ。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 13 is a schematic cross-sectional view of a transmissive diffractive element according to Embodiment 2 of the present invention, the whole of which is represented by 300. In FIG. 13, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same or corresponding parts. Further, in the following description, as a general rule, differences from the first embodiment will be mainly described, and redundant description will be omitted for other portions. Similar to the
実施の形態2では、凸部11は、例えば、反射防止層20の表面に接する第1層15と、第1層15の上に形成された第2層14と、第2層14の上に形成された第3層13とからなる。もっとも、凸部11は、3層構造に限定されず、2層構造又は4層以上の積層構造であってもよい。第1層15の材料は、例えばSiO2(屈折率1.457)であり、第2層14の材料は、例えばSi3N4(屈折率2.023)であり、第3層13の材料は、例えばSiO2である。
In the second embodiment, the
図14は、図13の回折素子300の部分拡大図であり、凸部11の断面の概略的な拡大図を示している。凸部11の断面形状は台形であり、この台形は、上面幅WTと底面幅WBとを有する。上面幅WTと傾斜角Sが決定されると、底面幅WBの値は一意に定まる。なお、傾斜角Sはドライエッチング条件によって変化し得る。
FIG. 14 is a partially enlarged view of the
図15は、図13と異なり、反射防止層20を備えない回折素子400を示している。図13の回折素子300と図15の回折素子400の回折効率を比較する。図16は、入射光の波長を横軸として、回折素子300の−1次の透過回折効率η1T−1(実線)と、回折素子400の−1次の透過回折効率η2T−1(破線)とを示すグラフである。図16の回折効率の値は、シミュレーションによって得られたものである。シミュレーションに用いられたパラメータを、次の表2に示す。
FIG. 15 shows a
なお、波長λと、波長幅Δλと、入射方位φと、偏向角ψと、回折次数mは、表1と同一の値に設定された。 The wavelength λ, the wavelength width Δλ, the incident azimuth φ, the deflection angle ψ, and the diffraction order m were set to the same values as in Table 1.
図17は、対象波長帯域における、0次の反射回折効率ηR0と−1次の反射回折効率ηR−1の合計値(合計反射回折効率)ηRを示すグラフである。図17では、横軸は入射光の波長を示す。実線は、反射防止層20を備える回折素子300の合計反射回折効率η1Rを示し、破線は、反射防止層20を備えない回折素子400の合計反射回折効率η2Rを示している。図17から、反射防止層20の導入により、合計反射回折効率が低減することがわかる。前述のように反射防止層20の導入により透過回折効率が向上するのは、このことに起因すると考えられる。
FIG. 17 is a graph showing the total value (total reflection diffraction efficiency) η R of the 0th-order reflection diffraction efficiency η R0 and the −1st-order reflection diffraction efficiency η R-1 in the target wavelength band. In FIG. 17, the horizontal axis indicates the wavelength of incident light. The solid line indicates the total reflection diffraction efficiency η1 R of the
図4と図16とを比較すると、本発明の実施の形態2では、凸部11をSi3N4を含む3層構造としたことにより、実施の形態1に比べて、−1次の透過回折効率が向上していることがわかる。これは、SiO2に比べて、Si3N4が高い屈折率を有する材料であることに起因する。
When FIG. 4 is compared with FIG. 16, in the second embodiment of the present invention, the
図18は、凸部11を形成するためのドライエッチング工程において、オーバーエッチングが生じた場合の回折素子300を示す概略的な断面図である。図19は、凸部11を形成するためのドライエッチング工程において、オーバーエッチングが生じた場合の回折素子400を示す概略的な断面図である。
FIG. 18 is a schematic cross-sectional view showing the
図20は、オーバーエッチング部60、70の深さD60、D70が変化した場合の回折素子300、400のそれぞれの−1次の透過回折効率ηT−1の低下量を示すグラフである。対象波長帯域は、例えばレーザ共振器に使用される波長帯域(0.95μm≦λ≦1.01μm)である。図20は、オーバーエッチング時間が0、T1及びT2であった場合に完成した回折素子300、400のそれぞれの−1次の透過回折効率ηT−1の低下量を示している。言い換えれば、横軸は、加工時間で規格化されたオーバーエッチング部60、70の深さである。
FIG. 20 is a graph showing the amount of decrease in the −1st-order transmission diffraction efficiency η T-1 of each of the
図20の横軸の0は、加工された回折素子300、400の反射防止層20又は基板40が、オーバーエッチング状態でもアンダーエッチング状態でもないことを意味する。言い換えれば、図20の横軸の0は、オーバーエッチング部60、70の深さD60、D70が0nmであることを意味する。
20 on the horizontal axis in FIG. 20 means that the
図20の横軸のT1は、適切なエッチングの完了後に、T1の時間だけオーバーエッチングが行われたことを意味する。この場合、D60=5nm、D70=25nmに設定してシミュレーションを行った。 T1 on the horizontal axis in FIG. 20 means that overetching has been performed for the time T1 after completion of appropriate etching. In this case, the simulation was performed by setting D 60 = 5 nm and D 70 = 25 nm.
図20の横軸のT2は、適切なエッチングの完了後に、T2の時間だけオーバーエッチングが行われたことを意味する。この場合、D60=10nm、D70=50nmに設定してシミュレーションを行った。 T2 on the horizontal axis in FIG. 20 means that overetching has been performed for the time T2 after completion of appropriate etching. In this case, the simulation was performed by setting D 60 = 10 nm and D 70 = 50 nm.
図20から、同じ時間だけオーバーエッチングされた場合、反射防止層20を備えない回折素子400の−1次の透過回折効率ηT−1の低下量が平均で0.022であったのに対して、回折素子300の−1次の透過回折効率ηT−1の低下量は、わずか0.001のみであることがわかる。
From FIG. 20, when the overetching is performed for the same time, the decrease amount of the −1st-order transmission diffraction efficiency η T-1 of the
図21は、回折素子300について、反射防止層20のオーバーエッチング部60の深さD60と、−1次の透過回折効率ηT−1との関係を示すグラフである。図21の横軸は波長である。図21の実線は、オーバーエッチング部60の深さD60=0nmの場合(すなわち、オーバーエッチングが生じていない場合)、破線は、D60=5nmの場合、点線は、D60=10nmの場合の透過回折効率を示している。
FIG. 21 is a graph showing the relationship between the depth D 60 of the
図22は、回折素子400について、基板40のオーバーエッチング部70の深さD70と、−1次の透過回折効率ηT−1との関係を示すグラフである。図22の実線は、オーバーエッチング部70の深さD70=0nmの場合(すなわち、オーバーエッチングが生じていない場合)、破線は、D70=25nmの場合、点線は、D70=50nmの場合の透過回折効率を示している。
FIG. 22 is a graph showing the relationship between the depth D 70 of the
図21からわかるように、反射防止層20を備える回折素子300については、オーバーエッチング部60の深さD60が増加した場合、一部の波長帯域を除いて、回折効率はわずかに減少する。これに比べて、図22の反射防止層20を備えない回折素子200では、一部の波長帯域を除いて、透過回折効率が比較的大きく減少している。
As can be seen from Figure 21, the
以上のように、本発明の回折素子300では、凸部11をSi3N4を含む3層構造とすることにより、透過回折効率を向上させることができる。さらに、反射防止層20を設け、入射光の反射を防止するとともにエッチングなどの加工による格子形状の面内ばらつきを低減させることにより、回折効率が悪化することを防止できる。さらに、ロット間ばらつきを低減させることにより回折効率の高い再現性を得ることができる。
As described above, in the
実施の形態3.
図23は、全体が500で表される、本発明の実施の形態3によるレーザ発振器の模式的な構成図である。レーザ発振器500は、レーザ光を放射する複数のレーザ光源501、502及び503を備える。レーザ光源501、502及び503は、それぞれ、レーザ光511、512及び513を放射する。レーザ光511、512及び513の各波長は、異なる波長であってもよい。図23では3つのレーザ光源が示されているが、本発明のレーザ光源の数はこれに限定されない。レーザ光源501、502及び503は、例えば、レーザダイオード(LD)である。
Embodiment 3 FIG.
FIG. 23 is a schematic configuration diagram of the laser oscillator according to the third embodiment of the present invention, the whole being represented by 500. The
レーザ発振器500は、更に、レーザ光511、512及び513にそれぞれ対応し、これらのレーザ光の進行方向を変更することができるミラー521、522及び523を備える。ミラー521、522及び523によって進行方向を変更されたレーザ光511、512及び513は、一点に集束される。この集束点には、実施の形態1の回折素子100(又は図23には示されていない実施の形態2の回折素子300)が配置されている。回折素子100によって回折され合成されたレーザ光511、512及び513は、一本の合成レーザ光510となる。好ましくは、利用される回折光は、−1次の透過回折光である。
The
合成レーザ光510は、その後部分反射ミラー530に到来する。代わりに、合成レーザ光510は、図示しないミラーによって所望の方向へ導光された後に部分反射ミラー530に到来してもよい。
The combined
部分反射ミラー530は、合成レーザ光510の一部を反射し(例えば、合成レーザ光510の一部のエネルギーに相当するレーザ光を反射し)、残りを透過させる機能を有する。部分反射ミラー530によって反射された合成レーザ光510の一部は、回折素子100に戻り、回折素子100によって、回折素子100に照射されたレーザ光の数に相当する数(図23では3つ)のレーザ光に分割される。分割されたレーザ光は、それぞれ、レーザ光源501、502及び503に帰還する。これにより、回折素子100と部分反射ミラー530が外部共振器として機能する。一方、部分反射ミラー530によって反射されず、これを透過した残りのレーザ光は、レーザ発振器500の出力光(例えば、図24のレーザ光601)として外部に取り出される。
The
レーザ発振器500は、図示しないハウジングを更に備える。回折素子100、レーザ光源501、502及び503と、ミラー521、522及び523と、部分反射ミラー530は、このハウジング内に収納されている。
The
回折素子100へのレーザ光511、512及び513のそれぞれの入射角は、それぞれの回折光が一本の合成レーザ光510となるように調整される。具体的には、回折角は、式(1)の通り波長と入射角によって決まることから、レーザ光511、512及び513の波長に応じて、ミラー521、522及び523によって入射角を調整する。
The incident angles of the
レーザ発振器500では、1%オーダーの回折効率の違いがシステム性能に影響する(光電変換効率に影響し、最大出力にも影響し得る)ため、特に高い回折効率が要求される。本発明の実施の形態3では、回折素子100により高い回折効率が実現されるので、レーザ発振器500について高いシステム性能を得ることができる。
In the
実施の形態4.
図24は、全体が600で表される、本発明の実施の形態4によるレーザ加工機の模式的な構成図である。レーザ加工機600は、レーザ光601を出射する実施の形態3のレーザ発振器500と、レーザ光601を所望のビーム径及びプロファイルに調整及び整形するビーム調整光学系611と、ビーム調整光学系611から出射されたレーザ光601の進行方向を変更することができるミラー612と、ミラー612から到来したレーザ光601を所望の位置(例えば被加工材622)に集束させるレンズ613と、被加工材622を載置するステージ台621とを備える。レーザ加工機600は、レーザ光601を伝送する光ファイバを更に備えてもよい。レーザ加工機600は、例えば板金加工に使用される。
Embodiment 4 FIG.
FIG. 24 is a schematic configuration diagram of the laser beam machine according to the fourth embodiment of the present invention, which is generally represented by 600. The
このように、高いシステム性能を有するレーザ発振器500を用いることにより、高出力のレーザ光を利用でき、かつ高速加工を行うことができるレーザ加工機600を得ることができる。
Thus, by using the
10 格子部、11 凸部、12 凹部(間隙部)、13 第3層、14 第2層、15 第1層、20 反射防止層、30 回折格子、40 基板、50 裏面反射防止層、60,70 オーバーエッチング部、100,200,300,400 回折素子、500 レーザ発振器、501,502,503 レーザ光源、521,522,523 ミラー、530 部分反射ミラー、600 レーザ加工機、611 ビーム調整光学系、612 ミラー、613 レンズ、621 ステージ台、622 被加工材。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記基板の前記表面上に形成された、ジルコニウム酸化物からなる反射防止層と、
前記反射防止層の上に形成され、周期的な凹凸パターンを有する格子部と、
を備える透過型回折素子。 A substrate having a front surface and a back surface;
An antireflection layer made of zirconium oxide formed on the surface of the substrate;
A grating portion formed on the antireflection layer and having a periodic uneven pattern;
A transmissive diffraction element.
前記透過型回折素子に対してレーザ光を照射する1つ以上のレーザ光源と、
を備えるレーザ発振器。 The transmissive diffraction element according to any one of claims 1 to 5,
One or more laser light sources for irradiating the transmissive diffraction element with laser light;
A laser oscillator comprising:
前記レーザ発振器から放射された回折光を被加工点に集光させる光学部品と、
を備えるレーザ加工機。 A laser oscillator according to claim 6;
An optical component for condensing the diffracted light emitted from the laser oscillator at a processing point;
A laser processing machine.
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