JP4637934B2 - 光学材料のレーザー損傷評価方法 - Google Patents
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Description
(ただし、λ0はその光学材料の透過限界波長(単位nm)、Tはパルス幅(単位s)である)
なお、この出願の明細書において、「光学材料」とは、光学結晶の他、石英ガラス等のガラス、プラスチック等の光学分野に使用される材料を意味する。
(ただし、λ0はその光学材料の透過限界波長(単位nm)、Tはパルス幅(単位s)である)
パルスレーザー光の波長が透過限界波長よりも短い場合には、パルスレーザー光の透過が極めて小さくなるため透過率低下によるレーザー損傷耐力の評価が困難となり、パルスレーザー光の波長が上記式(1)の上限より長い場合には二光子吸収の発生が少なくなり、効果的な光学材料のレーザー損傷評価方法が困難となる。また、パルスレーザー光のパルス幅が10-16sより短いものは現在の技術では達成が困難であり、パルスレーザー光のパルス幅が10-6sより長くなると、パルスレーザー光照射によるレーザー損傷が発生するおそれがでてくる。
I0=Iexp(−A)
ここで、A=(α+βI)d
α:線形吸収係数
β:二光子吸収係数
d:光学材料の厚さ
I:入射レーザー光強度
I0:透過レーザー光強度
透過後のレーザー光強度である透過レーザー光強度I0は光学材料の特性である二光子吸収係数βに依存して入射レーザー光強度Iの2乗にしたがって減少する。なお、当然線形吸収係数αにも差は見られるが、非常に小さいため分光器などでは計測は困難である。
石英ガラスについても適用可能である。
この出願の発明の光学材料のレーザー損傷評価方法の一例を用いて、試料のレーザー損傷耐力の評価を行った。なお、紫外光ではない波長532nmのレーザー光を用いた場合のレーザー損傷耐力も同様に評価した。
この出願の発明の光学材料のレーザー損傷評価方法の一例を用いて、半導体リソグラフィー用のステッパー光学系や紫外用光学材料の一つであるCaF2結晶(限界透過波長150nm)について評価を行った。CaF2結晶は、紫外レーザー光(波長266nm、パルス幅4〜5ns)に対するレーザー損傷閾値がA:5.8mJ/cm2、B:13.4mJ/cm2、C:22.9mJ/cm2のそれぞれ異なる結晶品質(レーザー損傷閾値)のものを用意した。
この出願の発明の光学材料のレーザー損傷評価方法の一例を用いて、レーザーの光学系に幅広く用いられている石英ガラス材料(限界透過波長180nm)について同様の評価を行った。石英ガラス材料は、通常の石英ガラス(レーザー光(波長266nm、パルス幅4〜5ns)に対するレーザー損傷閾値6.9mJ/cm2)と紫外域でのレーザー耐性の改善のためにフッ素を100ppm(8.4mJ/cm2)ドープしたものと3700ppm(8.2mJ/cm2)ドープしたもの((同レーザー損傷閾値8.2〜8.4mJ/cm2)したものをそれぞれ用意した。
一方、上記の例の比較例として、図6に示すように、パルス幅6〜7nsのNd:YAGパルスレーザー(1)から直線偏光の第2高調波(波長532nm)を発生させ、その532nmレーザー光を光学結晶からなる試料(12)に照射し、その透過率の変化を測定した。なお、Nd:YAGパルスレーザー(1)からの532nmレーザー光をプリズム(3)を用いてミラー(5)に照射して反射させ、その他の波長のレーザー光をビームダンパー(4)に照射し、波長532nmレーザー光のみを、1/2波長板(6)、偏光子(7)、ビームスプリッター(8)からなるアテニュエータ(9)を通過させ、出力の一部をパワーメータA(10)でモニターしてその残りの出力を焦点距離100mmの短焦点レンズ(11)で試料(14)内に集光し、その試料(14)を透過したレーザー光の強度をパワーメータB(13)で測定した。なおこの場合、試料(14)として結晶性が異なりレーザー損傷耐力が異なる厚さ10mm程度の2つのCLBO結晶(試料A(レーザー光(波長266nm、パルス幅4〜5ns)に対するレーザー損傷閾値19GW/cm2)、試料B(同レーザー損傷閾値15GW/cm2):透過限界波長180nm)を用いており、試料A、試料Bのどちらとも図7のグラフに示すように、透過レーザー光と入射レーザー光の強度の関係はほぼ線形で、結晶品質による吸収の差はほとんど見られなかった。この比較例で用いたパルスレーザー光の波長は上記式(1)の範囲外のものであった。したがって、波長532nmのレーザー光を用いた場合には二光子吸収を発生させることができず、レーザー損傷閾値を求めることはできないことが分かった。
2 CLBO結晶
3 プリズム
4 ビームダンパー
5 ミラー
6 1/2波長板
7 偏光子
8 ビームスプリッタ−
9 アテニュエータ
10 パワーメータA
11 短焦点レンズ
12、12A、12B、12C 試料
13 パワーメータB
14、14A、14B 試料
Claims (8)
- 光入射エネルギーを増加させながらその透過率の変化を調べたときに、透過率が線形吸収による減少の後、非線形的に減少する挙動を示し、さらに光入射エネルギーを増加させると、破壊となる現象が生じ、且つ非線形的に減少する挙動が光学材料の結晶品質により異なり、その非線形的な透過率減少が二光子吸収によると判断されるパルスレーザー光と光学材料について、入射パルスレーザー光強度を変化させて入射レーザー光強度と透過レーザー光強度を測定し、予め求めておいたレーザー損傷閾値の分かった同種の複数の結晶材料における入射パルスレーザー強度を変化させた入射光強度と透過レーザー光強度を測定した結果と比較して、レーザー光照射にともなうレーザー損傷耐力を非破壊で評価することを特徴とするレーザー損傷評価方法。
- 光学材料に、Nd:YAGレーザーより出射したレーザー光を波長変換して得られた高調波パルスレーザー光を集光させ、レーザー光照射にともなうレーザー損傷耐力を非破壊で評価することを特徴とする請求項1に記載のレーザー損傷評価方法。
- 光学材料に、パルスレーザー光を紫外レーザーにより集光させ、レーザー光照射にともなうレーザー損傷耐力を非破壊で評価することを特徴とする請求項1に記載のレーザー損傷評価方法。
- 光学材料に、パルスレーザー光をフェムト秒レーザーにより集光させ、レーザー光照射にともなうレーザー損傷耐力を非破壊で評価することを特徴とする請求項1に記載のレーザー損傷評価方法。
- CLBO光学結晶に、Nd:YAGレーザーより出射したレーザー光を波長変換して得られた波長が266nmであってパルス幅が5〜6nsのパルスレーザー光を集光させ、レーザー光照射にともなうレーザー損傷耐力を非破壊で評価することを特徴とする請求項2に記載のレーザー損傷評価方法。
- CaF2結晶に、波長が775nmであってパルス幅が100fsのフェムト秒パルスレーザーにより集光させ、レーザー光照射にともなうレーザー損傷耐力を非破壊で評価することを特徴とする請求項4に記載のレーザー損傷評価方法。
- 石英ガラスに、波長が266nmであってパルス幅が4〜5nsのパルスレーザー光を紫外レーザーにより集光させ、レーザー光照射にともなうレーザー損傷耐力を非破壊で評価することを特徴とする請求項3に記載のレーザー損傷評価方法。
- 光学材料に対して、前記パルスレーザー光をスキャンさせ、光学材料内の多数の位置において透過率の低下を測定し、その結果を三次元でマッピングすることで光学材料の材料内全体について品質を評価することを特徴とする請求項1ないし7のいずれか一項に記載のレーザー損傷評価方法。
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