JP2021036349A - 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

Abstract

【課題】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光学系を提供する。
【解決手段】 各ミラーは、基板表面上に直接接したコーティング層を備え、さらにその上に基板に近いほうから順に少なくとも第１、第２および第３の区域を画成する、ＨｆＯ₂およびＳｉＯ₂の交互の層から形成された反射多層コーティングを含み、ＨｆＯ₂／ＳｉＯ₂の層厚さは、所与の区域内で概して一定であり、かつ基板表面から外側に向かって区域毎に小さくなる。第１、第２および第３の区域は夫々、ビームエキスパンダ光学系の光透過が様々な動作波長で９５％を超えるように、異なる動作波長を最適に反射するように構成されている。
【選択図】図６

Description

関連出願の説明

本出願は、その内容が引用され、その全体が参照することにより本書に組み込まれる、２０１４年９月１７日に出願された米国仮特許出願第６２／０５１，３５４号の優先権の利益を米国特許法第１１９条の下で主張するものである。

本開示は、ビームエキスパンダに関し、特に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に関する。

「滑らかな高密度光学膜を生成する方法（Method for producing smooth dense optical films）」と題される、以下で’４５０特許と称する特許文献１、Wang他による非特許文献１を含め、本書で述べられる任意の刊行物または特許文献の全開示は参照することにより組み込まれる。

ビームエキスパンダは、光のビームサイズを拡大するために使用される。光源からは極小さい径を有してレーザビームが発射されるが、下流で使用するためにこのレーザビームを少なくとも一方向に拡大させる必要があるレーザ用途で、ビームエキスパンダが使用されることが多い。多くの場合レーザビームは高強度を有し、下流の光部品の損傷を避けるために拡大させる必要がある。

いくつかのビームエキスパンダは反射光学系であり、すなわち全ての光部品は反射するものである。反射光学素子は色収差に悩まされることがなく、従って色補正を必要としないため、多波長で動作するビームエキスパンダにおいて好ましいことが多い。

図１は、アルミニウム合金（Ａｌ６０６１−Ｔ６）から作製されたミラー基板を含む、ダイヤモンド旋削および光学的に研磨されたアルミミラーにおける、波長λ（ｎｍ）に対する反射率Ｒ（％）のプロットである。このミラーは、λ＝１０６４ｎｍで最適化された従来の４分の１波長ＨｆＯ₂／ＳｉＯ₂多層反射コーティングを備えている。このプロットは、紫外線（ＵＶ）から近赤外線（ＮＩＲ）までの広帯域のスペクトル反射率を示しており、反射率Ｒは、３５５ｎｍで９２．３％、５３２ｎｍで９２．０％、および１０６４ｎｍで９５．０％である。選択されたこの３つの波長は、高出力Ｎｄ：ＹＡＧレーザにおける一般的な出力波長である。３５５ｎｍでの反射率Ｒの帯域幅は、わずか２４ｎｍである。可視スペクトル範囲において、平均反射率は裸アルミニウムの反射率と同程度である。

米国特許第７，６８３，４５０号明細書

「ＩＲレーザ光学系用ＨｆＯ2／ＳｉＯ2強化ダイヤモンド旋削アルミニウムミラー（HfO2/SiO2 enhanced diamond turned aluminum mirrors for IR laser optics）」、プロシーディング、ＳＰＩＥ（Proc. SPIE）、８１９０、８１９０００５、（２０１１）

図１の反射率特性を有するアルミニウムミラーを２つ使用したビームエキスパンダにおいて、光透過率は３５５ｎｍで８５．２％、５３２ｎｍで８４．６％、および１０６４ｎｍで９０．３％である。このようなマルチバンドのレーザビームエキスパンダに関連して、光透過率が比較的低い、レーザ損傷耐性が低い、また極端な環境に曝された場合に経時的表面劣化を受け易い、といった３つの主な欠点が存在する。

高出力レーザと共に使用されるビームエキスパンダは、指定の各（動作）波長で、はるかに高い光透過率（例えば、＞９５％）を有する必要があり、またレーザ損傷耐性を示し、さらに表面劣化を比較的受け難いことが好ましい。

本開示の一態様は、ビームエキスパンダ光学系であって、この系は、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この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、および、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この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、この凸状ミラーおよび凹状ミラーは、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いる。第１および第２の反射多層コーティングは夫々、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の交互の層を含んでいる。第１の区域Ｓ１は、凸状基板表面または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いる。第２の区域Ｓ２は、第１の区域の上に存在し、かつ第１の光波長よりも短い光の第２の光波長を最適に反射するように構成されている。第２の区域Ｓ２はまた、ＭＷＩＲ光を実質的に透過する。このビームエキスパンダ光学系は、第１および第２の光波長に対して、高効率の透過率Ｔ_BE＞９５％を有している。

本開示の別の態様は、第１および第２の多層コーティングが夫々、第２の区域Ｓ２の上に第３の区域Ｓ３を備えている、上述したようなビームエキスパンダ光学系である。第３の区域Ｓ３は、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ＭＷＩＲ光を実質的に透過するように構成されている。一例において、第１の光波長は赤外波長であり、第２の光波長は可視波長であり、さらに第３の光波長は紫外波長である。

本開示の別の態様は、ＵＶ、ＶＩＳ、および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る。このビームエキスパンダ光学系は、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のミラーとを備えている。この第１および第２のミラーは、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いる。凸状および凹状の各基板表面は、層厚さτ_Hおよびτ_S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ている。各多層反射コーティングは、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、凸状または凹状の反射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の区域とを含む。ＨｆＯ₂およびＳｉＯ₂の夫々の層厚さτ_Hおよびτ_Sは、各区域内で実質的に一定であるが、第２の区域での厚さは平均で、第１の区域でのものよりも小さく、また第３の区域での厚さは平均で、第２の区域でのものよりも小さい。このビームエキスパンダ光学系は、ＵＶ光、ＶＩＳ光、およびＩＲの動作波長で、透過率Ｔ_BE＞９５％を有する。

本開示の別の態様は、ＵＶ、ＶＩＳ、および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である。この方法は、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のミラーを夫々形成するために、第１の金属基板および第２の金属基板をダイヤモンド旋削および研磨するステップ、凸状基板表面および凹状基板表面の夫々に、夫々の層厚さがτ_Hおよびτ_S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、凸状表面または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への、ＨｆＯ₂およびＳｉＯ₂の層の配置を含み、この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Ｔ_BE＞９５％を有する、軸外アフォーカル構成に、第１のミラーおよび第２のミラーを配置するステップを含む。一例において、金属ミラー基板はアルミニウム合金から作製されている。

さらなる特徴および利点は以下の詳細な説明の中に明記され、ある程度は、その説明から当業者には容易に明らかになるであろうし、あるいは書かれる説明およびその請求項、並びに添付の図面で説明するように実施形態を実施することにより認識されるであろう。前述の一般的な説明および以下の詳細な説明は、単なる例示であり、請求項の本質および特徴を理解するための概要または構成を提供することを意図したものであることを理解されたい。

添付の図面はさらなる理解を提供するために含まれ、本明細書に組み込まれかつその一部を構成する。図面は１以上の実施形態を示し、詳細な説明とともに、種々の実施形態の原理および動作の説明に役立つ。従って本開示は、付随する図面と併せて以下の詳細な説明から、より十分に理解される。

アルミニウム合金（Ａｌ６０６１−Ｔ６）から作製されたミラー基板を有し、かつλ＝１０６４ｎｍで最適化された従来の４分の１波長ＨｆＯ₂／ＳｉＯ₂多層反射コーティングを含む、ダイヤモンド旋削および光学的に研磨されたアルミニウムミラーにおける、波長λ（ｎｍ）に対する反射率Ｒ（％）のプロットであり、３５５ｎｍ、５３２ｎｍ、および１０６４ｎｍの動作波長λで反射率が比較的低いことを示している図 紫外、可視、および赤外の動作波長に対して光透過率Ｔ_BE＞９５％のビームエキスパンダを実現する本書で開示されるＨｆＯ₂／ＳｉＯ₂反射多層コーティングを、各ミラーが備えている、本開示による２ミラー軸外ビームエキスパンダの一例をレーザ光源と共に示した概略図 図２のビームエキスパンダにおいて使用される一例のミラーの拡大断面図であって、ミラー基板と、その上に形成された対応する反射多層コーティングとの一部を示し、基板表面からの距離（ｚ方向）とともに概して減少する厚さを、どのようにコーティング層が有しているかを示した図 距離ｚ（ｎｍ）に対する（３５５ｎｍでの）屈折率ｎのプロットであって、反射多層コーティングのＨｆＯ₂／ＳｉＯ₂層が、様々な（平均）層厚さを有する異なる区域Ｓ１からＳ３をどのように画成しているかの一例を示している図 図４に示されているような厚さが変化する構成を有する反射多層コーティングを備えた、一例のビームエキスパンダのミラーにおける、波長λ（ｎｍ）に対する反射率Ｒ（％）のプロット 反射多層コーティングがどのように３つの区域Ｓ１、Ｓ２、およびＳ３を備えているかを示した、一例のビームエキスパンダのミラーの断面図であって、最も上方の区域Ｓ３がＵＶ光を反射し、中間の区域Ｓ２が可視光を反射し、最も下方の区域Ｓ１がＮＩＲ光を反射し、さらに基板表面がＭＷＩＲ光を反射することを示した図 ３５５ｎｍ、５３２ｎｍ、および１０６４ｎｍ、並びにＳＷＩＲ波長の動作波長λでの、高効率反射率のために構成された反射多層積層体を有する一例のビームエキスパンダのミラーにおける、反射率スペクトルの例を示す波長λ（ｎｍ）に対する反射率Ｒ（％）のプロット 図７に類似し、３５５ｎｍ、５３２ｎｍ、１０６４ｎｍ、ＳＷＩＲ波長、およびＭＷＩＲ波長の動作波長λでの、高効率反射率のために構成された反射多層積層体を有する一例のビームエキスパンダのミラーにおける、反射率スペクトルの例を示している図 異なる動作波長λ、すなわち３５５ｎｍ、５３２ｎｍ、および１０６４ｎｍでの、二乗平均平方根（ＲＭＳ）基板表面粗さＭＳＲ_RMS（ｎｍ）に対する散乱損失ＳＬ（％）のプロットであって、異なる動作波長での光の光学的散乱に起因する、散乱損失への基板表面粗さの影響を示している図 異なる動作波長λ、すなわち３５５ｎｍ、５３２ｎｍ、および１０６４ｎｍに対する、ＲＭＳ基板表面粗さＭＳＲ_RMS（ｎｍ）の関数としての図２のビームエキスパンダの光透過率Ｔ_BE（％）のプロットであって、ビームエキスパンダの光透過率への基板表面粗さの影響と、高効率の光透過率Ｔ_BE＞９５％を達成するためにＲＭＳ基板表面粗さを閾値未満で維持することの必要性とを示した図 本書で開示されるようにＨｆＯ₂／ＳｉＯ₂反射多層コーティングを形成する前に、プラズマイオンエッチングを用いて処理された中間ＳｉＯ₂層を使用して、基板表面上の欠陥を軽減する一例の方法を示した概略側面図 本書で開示されるようにＨｆＯ₂／ＳｉＯ₂反射多層コーティングを形成する前に、プラズマイオンエッチングを用いて処理された中間ＳｉＯ₂層を使用して、基板表面上の欠陥を軽減する一例の方法を示した概略側面図 本書で開示されるようにＨｆＯ₂／ＳｉＯ₂反射多層コーティングを形成する前に、プラズマイオンエッチングを用いて処理された中間ＳｉＯ₂層を使用して、基板表面上の欠陥を軽減する一例の方法を示した概略側面図

ここで本開示の種々の実施形態を詳細に参照し、その例を添付の図面に示す。可能な限り、図面を通じて、同じまたは同様の部分の参照に、同じまたは同様の参照番号および符号を使用する。図面は必ずしも原寸に比例したものではなく、当業者は、図面が本開示の重要な態様を示すために簡略化されたものである場合、それを識別するであろう。

以下に明記される請求項は、詳細な説明に組み込まれ、かつその一部を構成する。

デカルト座標が参照のためにいくつかの図に示されているが、方向または向きに関して限定することを意図したものではない。

頭字語「ＳＷＩＲ」は「短波長赤外線」の略であり、一例の約９００ｎｍから約１７００ｎｍの波長範囲を表す。同様に頭字語「ＭＷＩＲ」は「中波長赤外線」の略であり、一例の約１７００ｎｍから約５０００ｎｍの波長範囲を表す。頭字語「ＩＲ」は「赤外線」の略であり、他に特記のない限り、ＮＩＲ、ＳＷＩＲ、およびＭＷＩＲの波長を含み得る。頭字語「ＲＭＳ」は「二乗平均平方根」の略である。

さらに以下の議論では用語「動作波長」をλで示し、この「動作波長」は、ビームエキスパンダおよびそのミラーがこの波長に対して使用されるように設計された、波長を意味する。以下の例においてビームエキスパンダは、紫外線（ＵＶ）、可視（ＶＩＳ）、および赤外線（ＩＲ）の夫々の範囲の、少なくとも３つの動作波長λに対して機能するように設計されている。一例において、この動作波長は、当技術において既知の周波数逓倍技術および／または周波数変更技術によるものを含め、高出力Ｎｄ：ＹＡＧレーザで生成することができるものである。

動作波長が、一例においては動作波長λの光を生成する光源（または複数の光源）の帯域幅で定義される、動作波長に関する付随する「動作波長帯」または「動作帯域幅」または「線幅」Δλを有することは、当業者には理解されるであろう。Ｎｄ：ＹＡＧレーザの典型的な線幅Δλは、１ｎｍ未満である。

ＨｆＯ₂およびＳｉＯ₂の交互の層を、本書では略記「ＨｆＯ₂／ＳｉＯ₂」を用いて説明し、また同様にこの交互の層の夫々の厚さτ_Hおよびτ_Sをτ_H／τ_Sで示す。

本書で開示されるビームエキスパンダに関連して使用される「高効率」という用語は、ビームエキスパンダを設計した対象の各動作波長で、ビームエキスパンダが光透過率Ｔ_BE＞９５％を有することを意味する。

さらに「最適に反射」という用語は、所与の動作波長とＨｆＯ₂／ＳｉＯ₂層の区域ＳＮに関連して使用される場合、他の動作波長と比較して評価されたものと理解され、従ってこの所与の動作波長が、他の動作波長よりも高い反射率を有していると理解される。

高効率ビームエキスパンダ
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。

一例において反射多層コーティング２４および３４は同じ構造を有しており、この場合コーティングに対する異なる参照番号は、いずれのミラー基板２１または３１上にその反射多層コーティングが存在しているかを示している。以下でより詳細に論じるが、反射多層コーティング２４および３４は誘電体材料ＨｆＯ₂およびＳｉＯ₂の層から構成されている。ＨｆＯ₂／ＳｉＯ₂層は、ビームエキスパンダ１０がＵＶ、ＶＩＳ、およびＩＲ光に対して９５％を超える高効率の光透過率Ｔ_BEを有し得るよう、ミラー２０および３０の反射率を高めるように構成される。

一例においてビームエキスパンダ１０は、ミラー２０および３０を動作可能に支持するハウジングＨを備えている。一例においてハウジングＨは、アルミニウム合金などの軽金属をダイヤモンド旋削して作製されたものであり、ミラー２０および３０は、ハウジングと一体化されて機械的および熱的安定性を提供するように形成される。

一例において、ミラー基板２１および３１は金属から作製されている。金属の例としては、ダイヤモンド旋削することができる非鉄金属が挙げられ、特にニッケルおよびニッケル合金、マグネシウムおよびマグネシウム合金、銅および銅合金、さらにアルミニウムおよびアルミニウム合金が挙げられる。一例においてこの金属は、ビームエキスパンダ１０を軽量にすることができるよう、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、またはマグネシウム合金などの軽金属である。

ビームエキスパンダ１０は、第１の直径Ｄ１のコリメートレーザビーム４０を受けて、このビームから、拡大された直径Ｄ２のコリメートレーザビームを形成するように構成されている。ビームエキスパンダ１０は従って、倍率Ｍ_BE＝Ｄ２／Ｄ１のアフォーカルな構成を有する。ビーム拡大のためにＭ_BE＞１であり、すなわちビームエキスパンダ１０の倍率は等倍よりも大きい。一例においてコリメートレーザビーム４０は、例えば３５５ｎｍ、５３２ｎｍ、および１０６４ｎｍなど、ＵＶ、ＶＩＳ、およびＩＲの範囲の複数の動作波長（従って波長帯）に亘って波長を放出し得る、高出力レーザ５０から発生する。

一例においてミラー基板２１および３１は、アルミニウム合金、例えばＡｌ６０６１−Ｔ６などの、軽金属から作製される。一例において基板表面２２および３２は、夫々の凸状および凹状の湾曲を画成するようにダイヤモンド旋削されたものである。上記のように一例においてミラー基板２１および３１は、ハウジングＨによって画成されてハウジングＨと一体的に形成され得る。一例においてミラー２０および３０は球面ミラーであり、一方他の例においてミラー２０および３０は、非球面、円筒、アナモルフィックなど、様々な形状を有し得る。

ＨｆＯ₂／ＳｉＯ₂多層コーティング
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τ_Hおよびτ_Sを、類似した形でτ_H／τ_S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τ_H／τ_Sを、議論を簡単にするためにＳＮ（τ_H／τ_S）と示す。所与の区域ＳＮにおけるＨｆＯ₂／ＳｉＯ₂層の平均の厚さτ_H／τ_Sを、ＳＮ（τ_H／τ_S）_AVGと示す。

反射多層コーティング２４および３４の特性は、ＨｆＯ₂／ＳｉＯ₂層の厚さτ_H／τ_Sが一般に、＋ｚ方向、すなわち基板表面２２または３２から反射多層コーティングの上部表面２６または３６へと離れていく方向において、距離と共に変化することである。一例において、厚さτ_H／τ_Sの変化は段階的な形で起こり得るものであり、すなわち各区域ＳＮ内で層厚さτ_H／τ_Sは実質的に一定であるが、区域毎に変化する。さらに、所与の区域ＳＮ内の層厚さτ_H／τ_Sにいくらか変動が存在することがあり、この場合、全てではないがほとんどの層厚さτ_Hは実質的に同一であり、また全てではないがほとんどの層厚さτ_Sは実質的に同一である。一例ではＳＮ（τ_H／τ_S）_AVG＞ＳＮ＋１（τ_H／τ_S）_AVGであり、すなわち所与の区域ＳＮ内の平均の厚さτ_H／τ_Sは、これを覆う区域ＳＮ＋１のものよりも大きい。そのため、例えば反射多層コーティング２４および３４が３つの区域Ｓ１、Ｓ２、およびＳ３に分かれている場合、この例では、Ｓ１（τ_H／τ_S）_AVG＞Ｓ２（τ_H／τ_S）_AVG＞Ｓ３（τ_H／τ_S）_AVGである。

図４は、距離ｚ（ｎｍ）に対する（λ＝３５５ｎｍでの）屈折率ｎのプロットであり、異なるＳｉＯ₂およびＨｆＯ₂層の様々な厚さの他、反射多層コーティング２４または３４の全厚さの一例を示している。ＳｉＯ₂層の屈折率ｎは約１．５であり、一方ＨｆＯ₂層の屈折率は約２．１である。一例においてＳｉＯ₂層の厚さτ_Sは、例えば区域Ｓ１における９０ｎｍ≦τ_S≦１９０ｎｍから区域Ｓ３における６０ｎｍ≦τ_S≦７０ｎｍまでなど、区域Ｓ１とＳ３との間で段階的な形で概して減少する。同様にＨｆＯ₂層の厚さτ_Hは、例えば区域Ｓ１における１３０≦τ_H≦１４０ｎｍから区域Ｓ３における４０ｎｍ≦τ_H≦５０ｎｍまでなど、区域Ｓ１とＳ３との間で概して減少する。

以下の表１は、区域Ｓ１、Ｓ２、およびＳ３の夫々における厚さτ_Sおよびτ_Hに対する範囲の例をまとめたものである。

図４の反射多層コーティング２４または３４の、基板表面２２または３２から上部表面２６または３６まで測定した全厚さτ_Hは、約７２５０ｎｍである。一例では比較的厚いＳｉＯ₂層６８を、上部表面２６または３６を画成しかつレーザ照射に対する耐久性をさらに増加させる、最も外側のキャッピング層として加えてもよい。同様に図４は、基板表面２２または３２に直接隣接しているＳｉＯ₂層（例えば、９０ｎｍ）が、次のＳｉＯ₂層（例えば、１８０ｎｍまたは１９０ｎｍ）よりも薄いことを示している。従って上で強調したように、所与の区域ＳＮにおいてＨｆＯ₂／ＳｉＯ₂層の厚さτ_H／τ_Sには、いくらかの変動が存在し得る。

図５は、３５５ｎｍ（ＵＶ）、５３２ｎｍ（ＶＩＳ）、および１０６４ｎｍ（ＩＲ）の動作波長λで使用するように設計された、一例の「トリプルバンド」反射多層コーティング２４または３４での、波長λ（ｎｍ）に対する反射率Ｒ（％）のプロットである。水平の点線はＲ＝９５％の反射率の値を示し、対象の各波長λでの反射率Ｒが９５％よりも大きいことが分かる。

図６は、反射多層コーティング２４または３４の一例の構成の概略図であり、対象の３つの例の動作波長（λ＝３５５ｎｍ、５３２ｎｍ、および１０６４ｎｍ）の他、反射多層コーティングを通過しかつ基板表面２２または３２から反射するＭＷＩＲ波長でこのような高反射率を提供する際の、多層コーティングの作用を示している。基板表面２２または３２からのＭＷＩＲ波長の反射率（例えば、Ｒ＞９２％、またはＲ＞９５％）により、この波長を例えばレーザビーム４０の反対方向などに、ビームエキスパンダ１０を通って透過させることができる。このため一例ではＭＷＩＲ波長でビームエキスパンダ１０によって、ビーム拡大比または倍率Ｍ＝Ｄ２／Ｄ１で定義される信号対ノイズ比で、ターゲット（図示なし）を検出することができる。

図６に示されているミラー２０または３０の例の反射多層コーティング２４または３４は、３つの区域Ｓ１、Ｓ２、およびＳ３に分かれており、区域Ｓ１はＭＷＩＲ波長に対して実質的に透過性であると同時に、λ＝１０６４ｎｍのＮＩＲ動作波長では高反射率Ｒを提供する（すなわち最適に反射する）ように構成されている。拡大差込図は、区域Ｓ１でのＨｆＯ₂／ＳｉＯ₂層を示している。区域Ｓ２およびＳ３もＨｆＯ₂／ＳｉＯ₂層を含み、このときＳ１（τ_H／τ_S）_AVG＞Ｓ２（τ_H／τ_S）_AVG＞Ｓ３（τ_H／τ_S）_AVGである。

区域Ｓ１は、（平均で）最も厚いＨｆＯ₂／ＳｉＯ₂層を用いたＨｆＯ₂／ＳｉＯ₂多層構造を有し、例えば厚さτ_Hは、ＨｆＯ₂層の全てではないがほとんどで１３０ｎｍから１４０ｎｍの範囲内であり、また厚さτ_Sは、ＳｉＯ₂層の全てではないがほとんどで９０ｎｍから１９０ｎｍの範囲内である。

区域Ｓ２は中間の区域であり、ＮＩＲおよびＭＷＩＲ波長に対して実質的に透過性であると同時に、λ＝５３２ｎｍの可視（ＶＩＳ）動作波長では高反射率Ｒを提供する（すなわち最適に反射する）ように構成されている。区域Ｓ２でＨｆＯ₂／ＳｉＯ₂層は中間の厚さτ_Hおよびτ_Sを有し、例えば厚さτ_Hは、ＨｆＯ₂層の全てではないがほとんどで５０ｎｍから７０ｎｍの範囲内であり、また厚さτ_Sは、ＳｉＯ₂層の全てではないがほとんどで７０ｎｍから９０ｎｍの範囲内である。

区域Ｓ３は最も上方の区域であり、ＶＩＳ、ＮＩＲおよびＭＷＩＲ波長に対して実質的に透過性であると同時に、λ＝３５５ｎｍのＵＶ動作波長では高反射率Ｒを提供する（すなわち最適に反射する）ように構成されている。区域Ｓ３は最も薄いＨｆＯ₂／ＳｉＯ₂層を有し、例えば厚さτ_Hは、ＨｆＯ₂層の全てではないがほとんどで４０ｎｍから５０ｎｍの範囲内であり、また厚さτ_Sは、ＳｉＯ₂層の全てではないがほとんどで６０ｎｍから７０ｎｍの範囲内である。ミラーの製造可能性を助けるために、ＵＶおよびＶＩＳの帯域は設計において接続される。上記のように厚いＳｉＯ₂層６８を区域Ｓ３の上に、最も外側のキャッピング層として加えて、レーザ照射に対する耐久性をさらに増加させてもよい。

各区域を所与の動作波長に対して選択された反射率Ｒを有するように構成して、区域ＳＮに反射多層コーティング２４または３４を形成する上述の方法を用いて、ビームエキスパンダ１０において使用されるミラー２０および３０は設計され得る。図７は、３５５ｎｍ、５３２ｎｍ、および１０６４ｎｍ、並びにＳＷＩＲ波長の動作波長λで高反射率を有する、一例の反射多層コーティング２４または３４での波長λに対する反射率Ｒ（％）のプロットである。図８は図７に類似し、３５５ｎｍ、５３２ｎｍ、１０６４ｎｍ、およびＳＷＩＲ波長の動作波長λでの反射率Ｒ（％）のプロットであり、このとき基板表面２２または３２は、反射多層コーティング２４または３４の異なる区域ＳＮを実質的に透過する、ＭＷＩＲ波長で高反射率を有する。

散乱に起因する損失の制御
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Ｔ_BE＞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５の反射率プロットでは、完全な基板表面を有することによって、またゼロＲＭＳ表面粗さを有するコーティング界面によって、９９．９％を超える反射率Ｒを理論上「トリプルバンド」の全て、すなわちλ＝３５５ｎｍ、５３２ｎｍ、および１０６４ｎｍで達成することができる。

しかしながら実際には、基板表面およびコーティング界面は、反射率を低下させるある程度の表面粗さを有している。図９は、動作（設計）波長λ＝３５５ｎｍ、５３２ｎｍ、および１０６４ｎｍでの単一のミラー２０または３０における散乱損失ＳＬ（％）を、ＲＭＳ基板表面粗さＭＳＲ_RMS（ｎｍ）の関数としてプロットしたものである。このプロットは、ＲＭＳ基板表面粗さＭＳＲ_RMSがゼロであるとき、すなわち完全な表面である場合、散乱損失ＳＬがゼロであることを示している。散乱損失ＳＬは、ＲＭＳ基板表面粗さＭＳＲ_RMSが増加すると増加する。例えばＭＳＲ_RMS＝３ｎｍである場合、散乱損失ＳＬは１０６４ｎｍで０．２２％、５３２ｎｍで０．５０％、さらに３５５ｎｍで１．１３％である。ＭＳＲ_RMS＝６ｎｍでは、散乱損失ＳＬは１０６４ｎｍで０．６２％、５３２ｎｍで２％、さらに３５５ｎｍで４．５％である。

図１０は、ＲＭＳ基板表面粗さＭＳＲ_RMS（ｎｍ）に対するビームエキスパンダ１０の透過率Ｔ_BE（％）のプロットである。このプロットは、ＲＭＳ基板表面粗さＭＳＲ_RMSの量が３ｎｍに等しいと、ビームエキスパンダ１０での光透過率Ｔ_BEが、λ＝１０６４ｎｍでＴ_BE＝９９．７５％、λ＝５３２ｎｍでＴ_BE＝９９．００％、さらにλ＝３５５ｎｍでＴ_BE＝９７．７６％となることを示している。ＲＭＳ基板表面粗さＭＳＲ_RMSが６ｎｍに等しいと、ビームエキスパンダ１０での光透過率Ｔ_BEは、λ＝１０６４ｎｍでＴ_BE＝９７％、λ＝５３２ｎｍでＴ_BE＝９６％、さらにλ＝３５５ｎｍでＴ_BE≒９０％となる（３５５ｎｍでの曲線を６ｎｍのＭＳＲ_RMSに対して推定することによって得られる）。

ビームエキスパンダ１０の光透過率Ｔ_BEは、λ＝３５５ｎｍのＵＶ動作波長で、散乱損失によって制限される。言い換えれば、図１０のプロットによれば、ビームエキスパンダで高効率の光透過率Ｔ_BE＞９５％を有するために、ビームエキスパンダ１０の各ミラー２０および３０はＲＭＳ基板表面粗さＭＳＲ_RMS＜４．５ｎｍを有することが必要である。

上で論じたように反射多層コーティング２４または３４は、多数のＨｆＯ₂／ＳｉＯ₂の積層体、すなわち区域Ｓ１からＳ３などの区域ＳＮを有し、このときＨｆＯ₂／ＳｉＯ₂の層厚さτ_H／τ_Sは、ミラー基板２１または３１に最も近い第１のまたは最も下方の区域Ｓ１から、反射多層コーティングの上部表面２６または３６を画成する、上部または最も上方の区域Ｓ３へと、区域毎に概して減少する。

区域Ｓ３のＨｆＯ₂／ＳｉＯ₂層は、ＵＶのλ＝３５５ｎｍで高反射率を提供し、一方ＶＩＳ、ＮＩＲ、およびＭＷＩＲの波長に対して実質的に透過性になるように構成される。区域Ｓ３を上部または最も上方の区域として形成すると、最短の動作波長に対して散乱損失の量が確実に最小になる。言い換えれば、ＵＶ動作波長は反射多層コーティング２４または３４内で最短の光路長を有し、それにより散乱損失を最も少ない量にすることができる。この手法では、ＩＲ光は反射多層コーティング２４または３４内で最長の光路長を通過しなければならないため、ＩＲ動作波長で散乱損失の量は増加し得るが、このより長いＮＩＲ波長では、より短いＵＶ波長に比べると、散乱損失はそれほど影響を受けない。

従って、上部または最も上方の区域Ｓ１がより短いＵＶ動作波長に対する反射率を画成し、かつ下部または最も下方の区域Ｓ３がより長いＩＲ動作波長の反射率を画成する、図６に示されているような反射多層コーティング２４または３４の構成を利用して、ビームエキスパンダ１０の光透過率Ｔ_BEを最適化し、さらにＴ_BE＞９５％の高効率の光透過率が達成される。

ＨｆＯ₂／ＳｉＯ₂層の形成
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Ｔ_BE＞９５％を達成するには、ＲＭＳ基板表面粗さＭＳＲ_RMS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。

一例においてＨｆＯ₂／ＳｉＯ₂層は、’４５０特許において開示されたシステムおよび方法を用いて形成される。特に一例においてＨｆＯ₂／ＳｉＯ₂層は、ミラー基板２１および３１のダイヤモンド旋削および光学的に研磨された基板表面２２および３２上に、プラズマイオンアシスト蒸着（ＰＩＡＤ）を、各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形成される。この方法によれば確実に、反射多層コーティング２４および３４がＲＭＳ基板表面粗さＭＳＲ_RMSを、元のダイヤモンド旋削および光学的に研磨された基板表面２２および３２のＲＭＳ基板表面粗さＭＳＲ_RMSを越えて増加させないようにすることができる。

従って、一例においてミラー基板２１および３１のダイヤモンド旋削および光学的に研磨された各基板表面２２および３２のＲＭＳ基板表面粗さＭＳＲ_RMSは、全ての動作（設計）波長λに対して光透過率Ｔ_BE＞９５％をもたらす、前述の４．５ｎｍなどの閾値ＴＶ未満となる。この閾値ＴＶは、Ａｌ表面のダイヤモンド旋削および研磨を用いて容易に達成可能である。

表面欠陥の軽減
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Ｔ_BE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。

一例において表面欠陥は、反転マスクを用いて基板表面２２または３２上にＳｉＯ₂層を堆積させて表面欠陥を密封すると同時に欠陥の横への成長を排除し、続いてプラズマイオンエッチングによってＳｉＯ₂コーティング表面を滑らかにすることによって軽減することができる。別の例では、純Ａｌ膜を基板表面２２または３２上に堆積させて表面の不備を密封しかつ表面を均質化し、その後、純Ａｌ膜を光学的に研磨する。別の例では、アルミニウムの層を基板表面２２または３２上に堆積させて表面の不備を密封しかつ表面を均質化し、次いでＡｌコーティング表面を、プラズマイオンエッチングを用いて滑らかにする。別の例では、ニッケルまたはニッケル合金などの金属を基板表面２２または３２上に堆積させ、次いでコーティングされた基板を、必要な湾曲を画成するように所望の表面粗さの範囲内へと処理する。

図１１Ａから１１Ｃは、ミラーが形成されるときに表面欠陥の軽減を実行する一例の方法を示した、一例のミラー２０または３０の一部の概略側面図である。図１１Ａにおいて、ミラー基板２１または３１の基板表面２２または３２は表面欠陥６４を有している。図１１Ｂにおいて、基板表面２２または３２と、その上の表面欠陥６４は、反転マスクプロセス用いてＳｉＯ₂層７０でコーティングされる。ＳｉＯ₂層７０を次いで、プラズマ８０を採用するプラズマイオンエッチングプロセスを用いてプラズマイオンエッチングし、平坦な（すなわち、実質的に欠陥のない）表面７２を形成する。前述のＨｆＯ₂／ＳｉＯ₂層から成る反射多層コーティング２４または３４は、次いで図１１Ｃに示されているように、処理されたＳｉＯ₂層７０の表面７２の上に形成される。随意的なＳｉＯ₂層６８が、反射多層コーティング２４または３４の最も上方の区域Ｓ３の上に堆積されるものとして、図１１Ｃにさらに示されている。

得られたミラー２０および３０を次いでビームエキスパンダ１０内に採用して、ＵＶ、ＶＩＳ、およびＮＩＲの波長に亘って高効率の光透過率Ｔ_BE＞９５％を有する、多波長能力が得られる。

本書で開示されるビームエキスパンダ１０の利点は、反射多層コーティング２４および３４が全ての動作波長λで、比較的高いレーザ誘起損傷閾値を有し得ることである。ＨｆＯ₂／ＳｉＯ₂層は高密度および滑らかになるように形成され、散乱損失ＳＬを減少させる、あるいは最小限に抑えると同時に、レーザ損傷および環境侵食にも耐える。必要であれば、上述したように基板表面欠陥の軽減を実行して、ビームエキスパンダ１０の光透過率Ｔ_BEへの基板表面欠陥の悪影響を減少または排除する。さらに反射多層コーティング２４および３４は、特定の動作波長λを反射すると同時に他の波長を実質的に透過させるように設計された、区域ＳＮで形成されるため、ミラー２０および３０の基板表面２２および３２はＭＷＩＲ波長で比較的高い反射率を有し得る。

添付の請求項において画成される本開示の精神または範囲から逸脱することなく、本書で説明した本開示の好適な実施形態の種々の改変が作製可能であることは当業者には明らかであろう。従って、その改変および変形が添付の請求項およびその同等物の範囲内であるならば、本開示はこの改変および変形を含む。

以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。

実施形態１
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Ｔ_BE＞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。

実施形態２
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。

実施形態３
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。

実施形態４
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ＭＳＲ_RMS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。

実施形態５
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。

実施形態６
前記ＨｆＯ₂およびＳｉＯ₂の層が、夫々の層厚さτ_Hおよびτ_Sを有し、さらに、前記区域Ｓ２での前記層厚さτ_Hおよびτ_S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τ_Hおよびτ_S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。

実施形態７
前記区域Ｓ１では、１３０ｎｍ≦τ_H≦１４０、および９０ｎｍ≦τ_S≦１９０ｎｍであり、さらに、
前記区域Ｓ３では、４０ｎｍ≦τ_H≦５０ｎｍ、および６０ｎｍ≦τ_S≦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。

実施形態８
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。

実施形態９
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。

実施形態１０
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τ_Hおよびτ_S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τ_Hおよびτ_S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Ｔ_BE＞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。

実施形態１１
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ＭＳＲ_RMS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。

実施形態１２
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。

実施形態１３
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。

実施形態１４
前記第１の区域内の前記ＨｆＯ₂およびＳｉＯ₂の層の前記層厚さτ_Hおよびτ_Sが、１３０ｎｍ≦τ_H≦１４０、および９０ｎｍ≦τ_S≦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τ_Hおよびτ_Sが、４０ｎｍ≦τ_H≦５０ｎｍ、および６０ｎｍ≦τ_S≦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。

実施形態１５
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τ_Hおよびτ_S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Ｔ_BE＞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。

実施形態１６
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。

実施形態１７
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。

実施形態１８
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ＭＳＲ_RMS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。

実施形態１９
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τ_Hおよびτ_S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τ_Hおよびτ_S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。

実施形態２０
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。

１０ ビームエキスパンダ
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 (12)

1. 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直接接している第１のコーティング層、および、前記第１のコーティング層の上に形成された第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直接接している第２のコーティング層、および、前記第２のコーティング層の上に形成された第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、第２の区域Ｓ２、および第３の区域Ｓ３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、前記第２の区域Ｓ２が、前記第１の区域の上に存在し、前記第３の区域Ｓ３が、前記第２の区域Ｓ２の上に存在し、
   （１）前記区域Ｓ１は、厚さτ_ＨのＨｆＯ₂の複数の層と厚さτ_ＳのＳｉＯ₂の複数の層を有して、近赤外（ＮＩＲ）動作波長を反射するとともに中波長ＩＲ（ＭＷＩＲ）を透過するように前記赤外（ＩＲ）の動作波長を最適に反射するよう構成されており、前記区域Ｓ１における前記厚さτ_Ｈの平均は１３０ｎｍと１４０ｎｍの間であり、前記区域Ｓ１における前記厚さτ_Ｓの平均は９０ｎｍと１４０ｎｍの間であり、
   （２）前記区域Ｓ２は、厚さτ_ＨのＨｆＯ₂の複数の層と厚さτ_ＳのＳｉＯ₂の複数の層を有して、前記可視（ＶＩＳ）の動作波長を最適に反射し且つ前記赤外（ＩＲ）波長及び前記中波長ＩＲ（ＭＷＩＲ）を透過するよう構成されており、前記区域Ｓ２における前記厚さτ_Ｈの平均は５０ｎｍと７０ｎｍの間であり、前記区域Ｓ２における前記厚さτ_Ｓの平均は７０ｎｍと９０ｎｍの間であり、
   （３）前記区域Ｓ３は、厚さτ_ＨのＨｆＯ₂の複数の層と厚さτ_ＳのＳｉＯ₂の複数の層を有して、前記紫外（ＵＶ）の動作波長を最適に反射し且つ前記可視（ＶＩＳ）の動作波長、前記赤外（ＩＲ）の動作波長、および前記中波長ＩＲ（ＭＷＩＲ）を透過するよう構成されており、前記区域Ｓ３における前記厚さτ_Ｈの平均は４０ｎｍと５０ｎｍの間であり、前記区域Ｓ２における前記厚さτ_Ｓの平均は６０ｎｍと７０ｎｍの間であり、
   さらに、 前記赤外（ＩＲ）の動作波長、前記可視（ＶＩＳ）の動作波長、および前記紫外（ＵＶ）の動作波長の光に対して、高効率の透過率Ｔ_BE＞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。
2. 前記第１のミラー基板の表面および前記第２のミラー基板の表面の、二乗平均平方根（ＲＭＳ）基板表面粗さＭＳＲ_RMSが、４．５ｎｍ未満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。
3. 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または２項記載のビームエキスパンダ光学系。
4. 前記ＨｆＯ₂およびＳｉＯ₂の層が、夫々の層厚さτ_Hおよびτ_Sを有し、さらに、前記区域Ｓ２での前記層厚さτ_Hおよびτ_S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τ_Hおよびτ_S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。
5. 前記第１および第２のコーティング層は、ＳｉＯ_２層または金属層である、請求項１から４のいずれか一項に記載のビームエキスパンダ光学系。
6. 前記第１および第２のコーティング層がＳｉＯ_２層であるとき、当該ＳｉＯ２層の層厚は、前記区域Ｓ１における前記厚さτ_Ｓの平均よりも小さい、請求項５に記載のビームエキスパンダ光学系。
7. 前記第１および第２のコーティング層が金属層であるとき、当該金属層を構成する金属は、アルミニウム、ニッケル、あるいは、ニッケル合金である、請求項５に記載のビームエキスパンダ光学系。
8. 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、アルミニウムまたはアルミニウム合金製の第１のミラー基板およびアルミニウムまたはアルミニウム合金製の第２の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直接配されるコーティング層を形成するステップ、
   前記凸状表面および前記凹状表面の夫々に直接配された前記コーティング層夫々の上に、夫々の層厚さがτ_Hおよびτ_S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、ここで、
   （１）前記区域Ｓ１は、厚さτ_ＨのＨｆＯ₂の複数の層と厚さτ_ＳのＳｉＯ₂の複数の層を有して、近赤外（ＮＩＲ）動作波長を反射するとともに中波長ＩＲ（ＭＷＩＲ）を透過するように前記赤外（ＩＲ）の動作波長を最適に反射するよう構成されており、前記区域Ｓ１における前記厚さτ_Ｈの平均は１３０ｎｍと１４０ｎｍの間であり、前記区域Ｓ１における前記厚さτ_Ｓの平均は９０ｎｍと１４０ｎｍの間であり、
   （２）前記区域Ｓ２は、厚さτ_ＨのＨｆＯ₂の複数の層と厚さτ_ＳのＳｉＯ₂の複数の層を有して、前記可視（ＶＩＳ）の動作波長を最適に反射し且つ前記赤外（ＩＲ）波長及び前記中波長ＩＲ（ＭＷＩＲ）を透過するよう構成されており、前記区域Ｓ２における前記厚さτ_Ｈの平均は５０ｎｍと７０ｎｍの間であり、前記区域Ｓ２における前記厚さτ_Ｓの平均は７０ｎｍと９０ｎｍの間であり、
   （３）前記区域Ｓ３は、厚さτ_ＨのＨｆＯ₂の複数の層と厚さτ_ＳのＳｉＯ₂の複数の層を有して、前記紫外（ＵＶ）の動作波長を最適に反射し且つ前記可視（ＶＩＳ）の動作波長、前記赤外（ＩＲ）の動作波長、および前記中波長ＩＲ（ＭＷＩＲ）を透過するよう構成されており、前記区域Ｓ３における前記厚さτ_Ｈの平均は４０ｎｍと５０ｎｍの間であり、前記区域Ｓ２における前記厚さτ_Ｓの平均は６０ｎｍと７０ｎｍの間である、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Ｔ_BE＞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。
9. 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８記載の方法。
10. 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）基板表面粗さＭＳＲ_RMS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８または９記載の方法。
11. 前記区域Ｓ１での前記層厚さτ_Hおよびτ_S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τ_Hおよびτ_S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８から１０いずれか１項記載の方法。
12. 前記コーティング層を研磨あるいはプラズマイオンエッチングによって平滑化するステップをさらに備える、請求項６から１１いずれか１項意記載の方法。

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