JP2020181217A - 合成ダイヤモンド光学素子 - Google Patents
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Abstract
Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)
- 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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