JP4952699B2

JP4952699B2 - 光透過部材

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Publication number: JP4952699B2
Application number: JP2008285028A
Authority: JP
Inventors: 幸裕森本; 一晃矢野; 立躬平本
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2008-11-06
Filing date: 2008-11-06
Publication date: 2012-06-13
Anticipated expiration: 2023-08-05
Also published as: JP2009035483A

Description

本発明は、紫外線を含む光または紫外線を含むレーザー光を透過させるための溶融石英ガラスよりなる光透過部材に関する。この光透過部材は、例えば、紫外線を含む光を放射する光源ランプの発光管やレーザー発振装置に係る導光用窓板部材を形成するものとして用いられる。

例えば、映写機または分光器の光源ランプとして用いられるキセノンランプ、半導体集積回路のパターニングなどのための光リソグラフィ用の光源ランプとして用いられる超高圧水銀ランプや光硬化樹脂を硬化させるための照射光源としてのフラッシュランプなどにおいて、種々の放電ガスを充填するための発光空間を気密に区画し、当該発光空間からの紫外線を含む光をその外部へ透過させるための発光管としては、現在、合成石英ガラスよりなるものが広く用いられており、その製造方法も種々のものが提案されている（例えば特許文献１および特許文献２参照。）。

特許第３２９２０１６号公報特開２００１−１８０９４４号公報

一方、種々の用途に係る光透過部材の形成材料としては、一般に溶融石英ガラスが広く用いられており、その理由は、溶融石英ガラスは、合成シリカガラスまたは結晶材料と同等の耐久性を有すると共に、入手が容易であって安価であるからである。

また、基本発振波長が７００〜８００ｎｍ付近であるＴｉ：サファイアレーザー（フェムト秒レーザー）光、およびその２倍高調波を発振するレーザー発振装置において、発振装置内部の気密を維持した状態で当該発振装置の外部にレーザー光を導光するための窓板部材としても、溶融石英ガラスよりなるものが広く用いられている。

溶融石英ガラスは、以上のような実用上の利点を有する反面、原料および製造上の理由から、石英ガラスを構成するシリカ（ＳｉＯ₂）結合中における酸素原子が欠落して一般式（１）に示すように珪素原子同士が直接的に結合した状態の酸素欠陥構造が比較的高い濃度で含有されたものとなる。このため、溶融石英ガラスにより形成された光透過部材を用いた場合には、特定の波長の紫外線に係る放射照度維持特性が劣ったものとなる、という問題がある。

具体的には、溶融石英ガラスよりなる光透過部材においては、酸素欠陥構造が波長１６３ｎｍの紫外線を吸収することによって、一般式（２）に示すようにイープライムセンター（Ｅ’ｃｅｎｔｅｒ）と呼ばれる色中心が生成され、このイープライムセンターが波長２００〜３８０ｎｍの紫外線を吸収するため、光透過部材を透過して外部に放射された後の光（以下、単に「外部放射光」ともいう。）は、当該波長領域における光の放射照度が減衰したものとなってしまう。

この一般式（２）に示される反応の進行によって、溶融石英ガラス製の光透過部材は、使用を続けると経時的に次第に波長３８０ｎｍ以下の紫外線が多く吸収されることとなって、当該波長の紫外線に係る放射照度の減退が顕著となり、結局、長期間にわたって高い放射照度維持特性を得ることができない、という問題がある。

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、その目的は、溶融石英ガラスよりなるものであるにもかかわらず、放射照度維持特性に優れた光透過部材を提供することにある。

本発明の光透過部材は、チタンを含有する溶融石英ガラスよりなる、紫外線を含む光を透過する光透過部材であって、
当該光透過部材は、光入射面から１００μｍの表面層領域において、波長１６３ｎｍに吸収を示す酸素欠陥構造の濃度が６×１０^-3ｍｏｌ／Ｌ以下であることを特徴とする。

本発明の光透過部材は、チタンを含有する溶融石英ガラスよりなるものであって、酸素欠陥構造の濃度が低い表面層を有するものであり、当該溶融石英ガラス中に含有されるチタンによって波長１６３ｎｍの紫外線が酸素欠陥構造に対して優位性をもって吸収されるため、酸素欠陥構造による当該波長の紫外線の吸収量が低減することとなる。その結果、酸素欠陥構造に由来するイープライムセンターの生成が確実に抑制されることとなり、結局、更に優れた放射照度維持特性を備えてなる光透過部材が得られる。

なお、溶融石英ガラスは、これを製造する工程において、還元雰囲気下で加熱されること、表面研磨を実行する場合に用いられる研磨剤および研磨剤の分散用溶液と化学的に反応することなどが原因となって、その表面において酸素欠陥構造を多く含有するものと推測される。

以下、本発明の実施例について詳細に説明する。
図１は、本発明の光透過部材を利用した放電ランプの一例における構成を示す説明用断面図、図２は、本発明の光透過部材を利用した放電ランプの他の例における構成を示す説明用断面図、図３は、本発明の光透過部材を利用した放電ランプの更に他の例における構成を示す説明用断面図である。

図１に示す放電ランプは、円筒状の外管１ａおよび外管１ａの内径より小さな外径を有する内管１ｂよりなる、二重管構造を有する放電容器と、この内管１ｂの内周壁面に配設されたコイル状または網状の内部電極２と、外管１ａの外周壁面に配設された金属膜よりなる外部電極３とからなり、この放電容器は、その一方の端部が円盤状の封止部材４により気密に封止されていると共に、その他方の端部が円盤状の窓部材５により気密に封止された構成とされている。そして、外管１ａおよび内管１ｂにより円筒状の放電空間Ｓが区画されており、当該放電空間Ｓからの光が、窓部材５を透過して放電容器の外部へ放射される。

図２に示す放電ランプは、楕円球形の発光管部１１を有する放電容器１０を備えてなり、この放電容器１０の発光管部１１内には、放電容器１０の管軸上において、電極棒１２ａの先端に設けられた陽極１３および電極棒１２ｂにより形成された陰極１４が、互いに近接した状態で対向するよう配置されており、陽極１３と、陰極１４との間のアークよりの光が、発光管部１１を透過して外部に放射される。

図３に示す放電ランプは、基本的に図２に示す放電ランプと同様の構成を有するものであるが、発光管部１１から管軸に垂直な方向に突出する円筒状の光取出用突出部１６を備えると共に、この光取出用突出部１６の端部に形成された板状窓１５を備えてなり、アークよりの光は、板状窓１５を透過して外部に放射される。

以上の各放電ランプにおいて、放電容器によって気密に区画された内部空間には、適宜の量の水銀、ハロゲン、および、例えばアルゴンなどの希ガスよりなる封入ガスが封入されている。
そして、図１に示す放電ランプにおける窓部材５、図２に示す放電ランプにおける放電容器１０、および図３に示す放電ランプにおける板状窓１５が、光透過部材によって形成されている。

本明細書において、光透過部材の放射照度維持特性とは、光が光透過部材を透過した場合に、当該光透過部材から放射される外部放射光の照度が経時的に維持される当該光透過部材の性質をいい、具体的には、任意の基準時における外部放射光の初期放射照度を基準とした場合における、特定時間経過後の放射照度の割合を示す放射照度維持率によって表される。

＜放射照度の測定＞
光透過部材について、外部放射光の放射照度は、図４に示す構成の測定器具を用いて測定することができる。
測定器具２０は黒色筒状の器具本体２３よりなり、その一端面にはピンホール２１が形成され、他端面には受光用開口２２が形成されている。この受光用開口２２には、分光器の受光部２４が当該受光用開口２２を塞ぐように配設されている。図４においてＰは照度測定対象である光の光源であるランプである。

この測定器具２０をランプＰの光透過部材に対向するよう配設することにより、当該ランプＰから放射された光がピンホール２１を介して器具本体の内部に導入され、その後、受光用開口２２を介して受光部２４において受光され、分光器によって分光された、例えば波長２００〜３８０ｎｍの紫外線の照度が測定される。
このような測定器具２０における寸法例は、ランプＰに係る光透過部材の外面からピンホール２１までの距離ａが２０ｍｍ、器具本体２３の全長（図において左右方向の長さ）ｂが１８０ｍｍ、ピンホール２１の直径ｃが５ｍｍ、そして、受光用開口２２の直径ｄが８ｍｍである。

本発明において、光透過部材は、溶融石英ガラスよりなる光透過部材用原材の少なくとも特定の表面を形成する表面層に対して、下記（Ａ）表面層除去処理、または（Ｂ）表面加熱処理の方法による酸素欠陥低減化処理を施すことにより形成される。ここに、特定の表面とは、得られる光透過部材において光入射面となる表面である。
ここで、光透過部材用原材とは、溶融石英ガラスよりなるものであって、上記酸素欠陥低減化処理が行われていない状態のものをいう。

（Ａ）表面層除去処理
この表面層除去処理は、光透過部材用原材における特定の表面を形成する表面層を、例えば研磨法、化学エッチング法などの適宜の手法によって除去し、これによって、表面を新たに形成する処理である。
この表面層除去処理においては、除去される表面層の厚さは少なくとも１００μｍ以上である。

（Ｂ）表面加熱処理
この表面加熱処理は、光透過部材用原材における特定の表面を形成する表面層を、酸素若しくは水素を含む雰囲気下で加熱する処理である。
具体的には、特定の表面から、少なくとも１００μｍ以上の深さの表面層に対して、酸素を大気より高い濃度、具体的には２０％以上含有する雰囲気下において９００℃以上の条件で、例えば６〜１２時間処理することにより、または、水素を９９％以上含有する雰囲気下において８００〜９００℃の条件で、１〜７時間処理することが行われる。

以上の処理により、光透過部材用原材における酸素欠陥構造が高濃度に含有される表面層に対して酸素欠陥低減化処理が行われることにより、全体に酸素欠陥構造が低濃度の光透過部材が提供される。

すなわち、表面層除去処理によれば、酸素欠陥構造を高濃度で含有する光透過部材用原材の表面層が除去されることにより、イープライムセンター生成の基因である酸素欠陥構造の含有濃度が低い新たな表面層が露出され、この新たな表面層により、光透過部材において光入射面となる新たな表面が形成される。従って、当該新たな表面層による光入射面に対して波長１６３ｎｍの紫外線が照射された場合においても、当該表面層において多量のイープライムセンターが生成されることがなく、その結果、波長２００〜３８０ｎｍの紫外線に対して優れた放射照度維持特性が実現された光透過部材が製造される。

表面加熱処理によれば、酸素欠陥構造を高濃度で含有する光透過部材用原材の表面層が酸素または水素が含有される雰囲気中において加熱されることにより、下記一般式（３）による反応に従って、当該表面層に含有される酸素欠陥構造が消失されて、当該表面層が、その含有濃度が低減されるよう改質される。従って、当該表面層による光入射面に対して波長１６３ｎｍの紫外線を含む光が照射された場合においても、当該表面層において多量のイープライムセンターが生成されることがなく、その結果、波長２００〜３８０ｎｍの紫外線に対して優れた放射照度維持特性が実現された光透過部材が製造される。

本発明の光透過部材は、チタンが含有された溶融石英ガラスにより形成された光透過部材用原材からなるものである。
具体的には、例えばケイ砂、天然水晶などの原材料に、予め、二酸化チタンなどのチタン金属化合物を混合し、その後に溶融する方法などによりチタンが含有された溶融石英ガラスを得、この溶融石英ガラスよりなる光透過部材用原材の光入射面となる表面を形成する表面層に対して前記酸素欠陥低減化処理が実行されることによって光透過部材が製造される。

以上において、チタンは、例えば２．０×１０^-4〜２．０×１０^-2ｍｏｌ／Ｌの割合で溶融石英ガラス中に含有されていればよい。
そして、チタンが含有された溶融石英ガラスよりなる本発明の光透過部材は、光源からの光が入射する、当該光透過部材の入射面から１００μｍの表面層領域において、波長１６３ｎｍに吸収を示す酸素欠陥構造の濃度が、例えば６×１０^-3ｍｏｌ／Ｌ以下であればよい。

このようにチタンが含有された溶融石英ガラスよりなる光透過部材によれば、光透過部材用原材に対して酸素欠陥低減化処理が行われることにより、当該表面層における酸素欠陥構造の含有濃度が低いものとなり、しかも、チタンの作用によって前記酸素欠陥構造による波長１６３ｎｍの紫外線の吸収が抑制されるため、当該酸素欠陥構造に由来するイープライムセンターの生成が確実に抑制され、その結果、更に優れた放射照度維持特性を有する光透過部材を得ることができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上述の例に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができる。
例えば、酸素欠陥低減化処理を、チタンが含有された溶融石英ガラスよりなる光透過部材用原材の、光入射面となる表面を形成する表面層および光放射面となる他面を形成する表面層の両方に対して実施することも可能であり、この場合には、光透過部材について更に好ましい放射照度維持特性を達成することが可能である。

以下、本発明に係る光透過部材の具体的な実施例について説明する。
＜参考例１Ａ＞
溶融石英ガラスよりなり、厚み方向の全体における酸素欠陥構造の平均濃度（以下、単に「酸素欠陥バルク濃度」ともいう。）が１．５×１０^-4ｍｏｌ／Ｌである厚さ２．２ｍｍの光透過部材用原材に対してふっ酸水溶液を用いた化学エッチング処理を行うことにより、その光入射面となる表面を形成する厚さ１００μｍの表面層を除去して表面層除去処理を行うことにより、光透過部材を得た。

得られた表面層除去処理後の光透過部材から小片を切り出し、この小片における光入射面である表面を形成する、厚さ１００μｍの表面層以外の部分を除去し、当該厚さ１００μｍの表面層のみからなる板状サンプル片を形成し、これを後述する酸素欠陥表面濃度の測定方法における測定用サンプルとして用いることにより、当該厚さ１００μｍの表面層における厚み方向の酸素欠陥構造の平均濃度（以下、単に「酸素欠陥表面濃度」ともいう。）を測定した。
結果を表１に示す。

また、上記において得られた光透過部材を用いることにより、図２に示す構成を有する、その内部空間にキセノンガスが充填された、当該光透過部材よりなる放電容器（１０）を備えた放電ランプを作製した。

そして、上記放電ランプを点灯し、点灯を開始してから１００時間後および１０００時間後における外部放射光の放射照度を図４に示す測定器具を用いて測定し、当該放電ランプに係る放射照度維持特性を評価した。
結果を図５および図６に示す。

＜対照例１Ａ＞
参考例１Ａで用いたものと同様の光透過部材用原材について、当該参考例１Ａと同様に酸素欠陥表面濃度を測定した。
また、当該光透過部材用原材を、表面層除去処理をせずにそのまま用いて放電容器を形成したこと以外は参考例１Ａと同様にして放電ランプを得ると共に、その放射照度を測定して、当該放電ランプに係る放射照度維持特性を評価した。
結果を表１、図５および図６に示す。図５においては、参考例１Ａに係る結果を四角で、対照例１Ａを丸で示す。また、図６においては、各参考例に係る結果を四角で、各対照例に係る結果を黒丸で示す。

＜酸素欠陥構造濃度（酸素欠陥バルク濃度）の測定方法＞
光透過部材における酸素欠陥構造の濃度は、下記の一般式（４）に従って求めた。

一般式（４）において、Ｃは酸素欠陥構造の濃度（ｍｏｌ／Ｌ）を示し、Δαは常用対数であって、下記一般式（５）により導かれる値を示し、εは一般式（１）に示す酸素欠陥構造のモル吸光係数を示し、ｔは前記波長１６３ｎｍの紫外線の溶融石英ガラス中の透過距離（ｃｍ）を示すものである。ここで、モル吸光係数εとしては、「Ｈ. Ｈｏｓｏｎｏ, Ｙ. Ａｂｅ, Ｈ. Ｉｍａｇａｗａ, Ｈ. ＩｍａｉａｎｄＫ. Ａｒａｉ, ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗＢ４４（１９９１）１２０４３」内に出典の論文値を採用した。具体的には、本参考例および対照例において、モル吸光係数εの値としては、２×１０⁴Ｌ／ｍｏｌ／ｃｍを使用した。

一般式（５）において、Ｔ_Aは水素中加熱後の波長１６３ｎｍの紫外線の透過率であって、Ｔ_Bは水素中加熱前の波長１６３ｎｍの紫外線の透過率であり、測定対象である光透過部材または光透過部材用原材から切り出した測定用サンプルについて、水素を９９％含有する９５０℃の雰囲気中で２時間加熱する前と加熱した後に、当該溶融石英ガラスに係る波長１６３ｎｍの紫外線透過率を測定することにより得られる。

図５に示す通り、参考例１Ａに係る放電ランプにおいては、放射照度維持率は、点灯を開始してから１００時間後において９０％、また、点灯を開始してから１０００時間後においても８５％と高く、対照例１Ａに係る放電ランプに比して優れた放射照度維持特性を有しているものであることが確認された。
また、表１に示す通り、参考例１Ａに係る光透過部材の酸素欠陥表面濃度は、対照例１Ａに係る光透過部材用原材の酸素欠陥表面濃度と比して低減されており、この酸素欠陥表面濃度の低減により、優れた放射照度維持特性が得られることが明らかである。

＜参考例１Ｂ＞
光透過部材用原材として、表１に示す酸素欠陥バルク濃度を有するものを用いたこと以外は参考例１Ａと同様にして光透過部材を得ると共に、この光透過部材について酸素欠陥表面濃度を測定した。
また、参考例１Ａと同様に、得られた光透過部材を用いて放電ランプを得、この放電ランプについて点灯開始から１００時間後の時点の放射照度維持率を測定した。
結果を表１および図６に示す。

＜対照例１Ｂ＞
参考例１Ｂで用いたものと同様の光透過部材用原材を用いたこと以外は対照例１Ａと同様にして、酸素欠陥表面濃度を測定すると共に、当該光透過部材用原材を用いて放電ランプを得、この放電ランプについて点灯開始から１００時間後の時点の放射照度維持率を測定した。
結果を表１および図６に示す。

＜参考例２Ａ＞
光透過部材用原材として、表１に示す酸素欠陥バルク濃度を有するものを用いたこと以外は参考例１Ａと同様にして厚さ２．２ｍｍの光透過部材を得ると共に、この光透過部材について酸素欠陥表面濃度を測定した。
また、得られた光透過部材を用いることにより、図３に示す構成を有する、当該光透過部材よりなる板状窓（１５）を備え、放電容器（１０）の内部空間にキセノンガスが充填された放電ランプを作製した。得られた放電ランプについて、参考例１Ｂと同様に、点灯開始から１００時間後の時点の放射照度維持率の測定を行った。
結果を表１および図６に示す。

＜対照例２Ａ＞
参考例２Ａで用いたものと同様の光透過部材用原材について、当該参考例１Ａと同様に酸素欠陥表面濃度を測定した。
また、当該光透過部材用原材を、表面層除去処理をせずにそのまま用いて板状窓を形成したこと以外は参考例２Ａと同様にして放電ランプを得ると共に、点灯開始から１００時間後の時点の放射照度維持率の測定を行った。
結果を表１および図６に示す。

＜参考例２Ｂ＞
光透過部材用原材として、表１に示す酸素欠陥バルク濃度を有するものを用いたこと以外は参考例１Ａと同様にして光透過部材を得ると共に、この光透過部材について酸素欠陥表面濃度を測定した。
また、参考例２Ａと同様に、得られた光透過部材を用いて放電ランプを得、この放電ランプについて点灯開始から１００時間後の時点の放射照度維持率を測定した。
結果を表１および図６に示す。

＜対照例２Ｂ＞
参考例２Ｂで用いたものと同様の光透過部材用原材を用いたこと以外は対照例２Ａと同様にして、酸素欠陥表面濃度を測定すると共に、当該光透過部材用原材を用いて放電ランプを得、この放電ランプについて点灯開始から１００時間後の時点の放射照度維持率の測定を行った。
結果を表１および図６に示す。

＜実施例１Ａ＞
光透過部材用原材として、チタンを７．１×１０^-3ｍｏｌ／Ｌの割合で含有する溶融石英ガラスよりなるものを用いたこと以外は参考例１Ａと同様にして光透過部材を得ると共に、この光透過部材について酸素欠陥表面濃度を測定したところ、３．０×１０^-3ｍｏｌ／Ｌであった。
また、参考例１Ａと同様に、得られた光透過部材を用いて放電ランプを得、この放電ランプについて点灯開始から１００時間後の時点の放射照度維持率を測定したところ、９５％であった。
ここで、この光透過部材用原材においては、全体厚での波長１６３ｎｍの紫外線の透過率はほぼ零であり、当該光透過部材用原材に係る酸素欠陥バルク濃度は測定できなかった。

＜実施例１Ｂ＞
光透過部材用原材として、チタンを７．１×１０^-3ｍｏｌ／Ｌの割合で含有する他の溶融石英ガラスよりなるものを用いたこと以外は参考例１Ａと同様にして光透過部材を得ると共に、この光透過部材について酸素欠陥表面濃度を測定したところ、５．０×１０^-3ｍｏｌ／Ｌであった。
また、実施例１Ａと同様に、得られた光透過部材を用いて放電ランプを得、この放電ランプについて点灯開始から１００時間後の時点の放射照度維持率を測定したところ、９３％であった。

以上の結果から明らかなように、光透過部材の製造工程において、溶融石英ガラスよりなる光透過部材用原材に対して適宜の酸素欠陥低減化処理を施すことにより、光入射面となる表面を形成する表面層に含有される、波長１６３ｎｍに吸収を示す酸素欠陥構造の濃度を確実に低減させることが可能であり、これにより、斯かる光透過部材の放射照度維持特性を、確実に向上させることが可能である。

そして、光透過部材がチタンが含有された溶融石英ガラスよりなるものであることにより、光入射面となる表面を形成する、当該表面から１００μｍの表面層に含有される酸素欠陥構造の濃度が、６×１０^-3ｍｏｌ／Ｌ以下であれば、優れた放射照度維持特性を有するものであることが理解される。

本発明の光透過部材を利用した放電ランプの一例における構成を示す説明用断面図である。本発明の光透過部材を利用した放電ランプの他の例における構成を示す説明用断面図である。本発明の光透過部材を利用した放電ランプの更に他の例における構成を示す説明用断面図である。光透過部材に係る外部放射光の放射照度を測定するための測定器具の構成を示す説明用断面図である。本発明の光透過部材に係る放射照度維持特性を評価するためのグラフ図である。本発明の光透過部材に係る放射照度維持特性を評価するためのグラフ図である。

符号の説明

１ａ外管
１ｂ内管
２内部電極
３外部電極
４封止部材
５窓部材
１０放電容器
１１発光管部
１２ａ電極棒
１２ｂ電極棒
１３陽極
１４陰極
１５板状窓
１６光取出用突出部
２０測定器具
２１ピンホール
２２受光用開口
２３器具本体
２４受光部

Claims

チタンを含有する溶融石英ガラスよりなる、紫外線を含む光を透過する光透過部材であって、
当該光透過部材は、光入射面から１００μｍの表面層領域において、波長１６３ｎｍに吸収を示す酸素欠陥構造の濃度が６×１０^-3ｍｏｌ／Ｌ以下であることを特徴とする光透過部材。