JP6149218B2 - Dielectric multilayer film design method and optical element manufactured by the same method - Google Patents
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Description
本発明は、任意の複数のレーザー光を同軸上に照射して使用する際にレーザー光が反射又は透過する位置に配置される誘電体多層膜を素子本体とする光学素子及びそのような光学素子に使用される誘電体多層膜の設計方法に関するものである。 The present invention relates to an optical element having a dielectric multilayer film disposed at a position where the laser light is reflected or transmitted when used by irradiating a plurality of arbitrary laser beams on the same axis, and such an optical element. The present invention relates to a method for designing a dielectric multilayer film used in the above.
従来より、工業製品の加工や医療分野等様々な分野においてレーザー光を使用したレーザー技術が用いられている。一般にレーザー光は誘電体多層膜を素子本体とする光学素子によって反射あるいは透過が制御されている。しかし、レーザー技術においてレーザーのエネルギーが高いと（つまり、ハイパワーレーザー光であると）誘電体多層膜がレーザー誘導損傷を起こしてしまう（つまり、誘電体多層膜が破壊されてしまう）おそれがあった。そこで、そのようなハイパワーレーザー光によるレーザー誘導損傷を防止するための方策が提案されている。
特許文献１は誘電体多層膜の膜の境界（つまり界面）がレーザー誘導損傷を生じやすいことに基づいて対策したものであって、誘電体多層膜に入射するレーザー光の電界強度の定在波の振幅のピークが入射側ほど大きく、かつそのピークは光学膜厚においてλ／４となる高屈折材料からなる薄膜と低屈折材料からなる薄膜を交互に積層した場合にちょうど膜の境界位置に発生することから最も入射側となる最外対について膜厚をλ／４とならないように設計して最外対の膜における電界強度のピークをずらすようにしたものである。
また、特許文献２は誘電体多層膜おいて特にレーザー誘導損傷を生じやすいのが高屈折材料からなる薄膜であることからレーザー光の入射方向に近い電界強度の大きな位置における高屈折材料からなる薄膜を高耐力の材料から構成するようにしたものである。
Conventionally, laser technology using laser light has been used in various fields such as processing of industrial products and medical fields. In general, reflection or transmission of laser light is controlled by an optical element having a dielectric multilayer film as an element body. However, in laser technology, if the energy of the laser is high (that is, high-power laser light), the dielectric multilayer film may cause laser-induced damage (that is, the dielectric multilayer film is destroyed). It was. Therefore, measures for preventing laser-induced damage caused by such high-power laser light have been proposed.
Patent Document 1 is a countermeasure based on the fact that the boundary (that is, the interface) of the dielectric multilayer film is likely to cause laser-induced damage, and is a standing wave of the electric field intensity of the laser light incident on the dielectric multilayer film. The peak of amplitude is larger at the incident side, and the peak occurs at the boundary of the film when thin films made of high-refractive materials and thin films made of low-refractive materials with an optical film thickness of λ / 4 are alternately stacked. Therefore, the outermost pair on the most incident side is designed so that the film thickness does not become λ / 4, and the peak of the electric field intensity in the outermost pair of films is shifted.
Patent Document 2 discloses a thin film made of a high refractive material at a position where the electric field intensity is close to the incident direction of the laser beam because the dielectric multilayer film is particularly susceptible to laser-induced damage. Is made of a material having high proof stress.
ところで、従来から波長の異なる複数のレーザー光を同軸で照射してレーザー光が反射又は透過する位置に誘電体多層膜を配置する場合がある。例えば、図８や図９のイメージ図で示すような技術である。図８は２つの異なる周波数のレーザー光λ１，λ２の入射に基づいて変換光λ３を得るための波長変換素子である。この場合において入射光の反射を防止して効率よく変換光λ３を得るために誘電体多層膜は反射防止膜として必要とされる。また、図９はハイパワーレーザー光を発生させるためのレーザー共振器である。励起源となるλpの光をレーザー結晶に入射して励起状態とし、波長λ１を発生させ誘電体多層膜を素子本体とするミラーによって増幅させ、更に増幅されたλ１を繰り返し非線形光学結晶を通過させることで求める波長λ２を増幅させるという二段階の構成である。このレーザー共振器では両サイドのミラーはλ１、λ２の両方のレーザー光を反射させることになる。 By the way, conventionally, a plurality of laser beams having different wavelengths may be irradiated coaxially and a dielectric multilayer film may be disposed at a position where the laser beams are reflected or transmitted. For example, the technique is shown in the image diagrams of FIGS. FIG. 8 shows a wavelength conversion element for obtaining converted light λ 3 based on the incidence of two different frequency laser beams λ 1 and λ 2 . The dielectric multilayer film in order to efficiently obtain a converted light lambda 3 to prevent reflection of incident light in the case is required as the antireflection film. FIG. 9 shows a laser resonator for generating high power laser light. The light of λ p serving as an excitation source is incident on the laser crystal to be in an excited state, generates a wavelength λ 1 , is amplified by a mirror having a dielectric multilayer film as an element body, and further repeats the amplified λ 1 it is a two-stage configuration that amplifies the wavelength lambda 2, which obtained by passing a. In this laser resonator, the mirrors on both sides reflect both λ 1 and λ 2 laser beams.
しかし、波長の異なる複数のレーザー光を同軸で照射する場合にはレーザー光の干渉現象が生じるため、誘電体多層膜に入射されたレーザー光の電界強度は必ずしも入射側ほど振幅のピークが大きくなるわけではない。また、膜の境界位置に振幅のピークが発生するわけでもない。従って、上記の特許文献１及び２ように入射側の薄膜に対して手段を講じたとしてもレーザー誘導損傷が防止できるものではない。
そのため、波長の異なる複数のレーザー光を同軸で照射する場合にレーザー光が反射又は透過する位置に配置する誘電体多層膜のハイパワーレーザー光によるレーザー誘導損傷を防止するための手段が望まれていた。
本発明は、上記課題を解消するためになされたものであり、その目的は波長の異なる複数のレーザー光を同軸で照射してもレーザー誘導損傷が生じにくい誘電体多層膜の設計方法及びそのような設計方法で作製した光学素子を提供することにある。
However, when a plurality of laser beams having different wavelengths are irradiated coaxially, an interference phenomenon of the laser beam occurs, so that the electric field intensity of the laser beam incident on the dielectric multilayer film necessarily has a larger amplitude peak toward the incident side. Do not mean. Further, an amplitude peak does not occur at the boundary position of the film. Therefore, even if a measure is taken for the incident-side thin film as in Patent Documents 1 and 2, laser-induced damage cannot be prevented.
Therefore, when a plurality of laser beams having different wavelengths are irradiated coaxially, a means for preventing laser-induced damage by a high-power laser beam in a dielectric multilayer film disposed at a position where the laser beam is reflected or transmitted is desired. It was.
The present invention has been made to solve the above-described problems, and has as its object the design method of a dielectric multilayer film that hardly causes laser-induced damage even if a plurality of laser beams having different wavelengths are irradiated coaxially, and the like. Another object is to provide an optical element manufactured by a simple design method.
上記目的を達成するために、第１の手段として、同軸上に照射されることで干渉現象を生じるそれぞれ定在波となる任意の複数のレーザー光の反射又は透過を許容するために使用される屈折率の異なる２種以上の薄膜を交互に積層状に透明基板上に成膜させた誘電体多層膜の設計方法であって、前記複数のレーザー光を前記誘電体多層膜の各薄膜に対し交差方向に反射又は透過させる際に、発生する干渉光に基づく電界強度の波のピークについて、選択された１又は複数のピークに対して当該ピークが前記薄膜の界面位置又は界面位置近傍に配置されないように設計することをその要旨とする。
第２の手段として第１の手段に加え、所定の膜厚で設計された基準となる前記誘電体多層膜に対して前記複数のレーザー光を前記誘電体多層膜の各薄膜に対し交差方向に反射又は透過させて基準となる前記電界強度のピーク位置を検証する検証工程と、前記検証工程において、前記選択された１又は複数のピークが前記薄膜の界面位置又は界面位置近傍にあると判断した場合に、当該界面を構成する隣接した２層の前記薄膜の少なくとも一方の膜厚を修正して、前記ピーク位置を前記薄膜の界面位置近傍から離間させる修正工程を備えることをその要旨とする。
第３の手段として第２の手段に加え、前記修正工程で修正された膜厚に基づいて新たに基準となる前記誘電体多層膜を設計し再度前記検証工程を実行することをその要旨とする。
第４の手段として第１〜３のいずれかの手段に加え、前記選択された１又は複数のピークとは少なくとも最も大きな前記ピークを含むことをその要旨とする。
第５の手段として第１〜４のいずれかの手段に加え、前記１又は複数のピークは前記複数のレーザー光の入射側に近い位置に配置される１又は複数のピークから選択されることをその要旨とする。
第６の手段として第１〜５のいずれかの手段に加え、前記電界強度は時間とともに振幅が変動する波の最も大きい値を採用して膜厚の厚み方向における前記１又は複数のピークを選択することをその要旨とする。
第７の手段として第６の手段に加え、前記周期的に振幅が変動する波の最も大きい値は、前記周期的に振幅が変動する波の最も大きい値は、前記複数のレーザー光が構成する電界強度の各振動項の角周波数の最大公約数で決まる時間周期で判断することをその要旨とする。
第８の手段として誘電体多層膜を透明基板上に成膜させた光学素子を第１〜７のいずれかの手段で作成することをその要旨とする。
In order to achieve the above object, as a first means, it is used to allow reflection or transmission of any of a plurality of laser beams that become standing waves that cause interference phenomenon when irradiated coaxially. A method for designing a dielectric multilayer film in which two or more kinds of thin films having different refractive indexes are alternately laminated on a transparent substrate, wherein the plurality of laser beams are applied to each thin film of the dielectric multilayer film When reflecting or transmitting in the cross direction, the peak of the electric field strength wave based on the generated interference light is not arranged at the interface position of the thin film or in the vicinity of the interface position with respect to the selected one or more peaks. The gist is to design in this way.
As a second means, in addition to the first means, the plurality of laser beams are applied to the thin film of the dielectric multilayer film in a crossing direction with respect to the dielectric multilayer film serving as a reference designed with a predetermined film thickness. In the verification step of verifying the peak position of the electric field strength that is reflected or transmitted and serving as a reference, it is determined that the selected one or more peaks are at or near the interface position of the thin film In this case, the gist is to include a correction step of correcting the film thickness of at least one of the two adjacent thin films constituting the interface so that the peak position is separated from the vicinity of the interface position of the thin film.
The gist of the third means is that, in addition to the second means, the dielectric multilayer film as a reference is newly designed based on the film thickness corrected in the correction process and the verification process is executed again. .
In addition to any one of the first to third means as a fourth means, the selected one or more peaks include at least the largest peak.
In addition to any one of the first to fourth means as a fifth means, the one or more peaks are selected from one or more peaks arranged at positions close to the incident side of the plurality of laser beams. The gist.
In addition to any one of the first to fifth means as the sixth means, the electric field strength adopts the largest value of the wave whose amplitude varies with time and selects the one or more peaks in the thickness direction of the film thickness. The gist is to do.
As the seventh means, in addition to the sixth means, the largest value of the wave whose amplitude periodically varies is the largest value of the wave whose amplitude periodically varies, which is constituted by the plurality of laser beams. The gist is to make a judgment based on the time period determined by the greatest common divisor of the angular frequency of each vibration term of the electric field strength.
The gist of the present invention is to produce an optical element having a dielectric multilayer film formed on a transparent substrate as one of the first to seventh means.
上記各手段によれば、任意の複数のレーザー光を同軸上で照射して干渉現象が生じる場合に、これらレーザー光が照射される誘電体多層膜では干渉光に基づく電界強度の波のピークが発生する。基本的にレーザー光を誘電体多層膜に照射するとその振幅に伴って電界強度の波が発生するが、本発明では複数のレーザー光を同軸上で照射するため、レーザー光は干渉することとなる。そのため、電界強度の波はこの干渉現象に左右され、単一のレーザー光とは明らかに異なる波形となる。このような電界強度の波のピークについて、選択された１又は複数のピークに対して当該ピークに対応する隣接した２層の薄膜の膜厚を当該ピークが薄膜の界面位置又は界面位置近傍に配置されないように設計されるため、このような設計の誘電体多層膜ではレーザー誘導損傷が生じにくくなる。尚、界面とは膜同士の界面であってもよく、膜と空気、あるいは膜と基板の界面であってもよい。また、「複数のレーザー光を前記誘電体多層膜の各薄膜に対し交差方向に反射又は透過させる」という場合においてこれは直交方向以外の方向での反射又は透過も含める意である。 According to each of the above means, when an interference phenomenon occurs when a plurality of laser beams are irradiated on the same axis, the dielectric multilayer film irradiated with these laser beams has a wave peak of electric field strength based on the interference light. Occur. Basically, when a laser beam is irradiated onto a dielectric multilayer film, a wave of electric field strength is generated along with the amplitude. In the present invention, a plurality of laser beams are radiated on the same axis, so that the laser beams interfere with each other. . Therefore, the electric field strength wave is affected by this interference phenomenon, and the waveform is clearly different from that of a single laser beam. Regarding the wave peak of such electric field strength, the film thickness of two adjacent thin films corresponding to the selected peak or peaks is arranged at or near the interface position of the thin film. Therefore, the dielectric multilayer film having such a design is less likely to cause laser induced damage. The interface may be an interface between films, or an interface between a film and air or between a film and a substrate. In addition, in the case of “reflecting or transmitting a plurality of laser beams in the intersecting direction with respect to each thin film of the dielectric multilayer film”, this means including reflection or transmission in a direction other than the orthogonal direction.
選択された１又は複数のピークは最も大きなピークを含むことがよい。最も大きなピークが薄膜の界面位置に配置されることでレーザー誘導損傷が最も発生しやすくなるためである。また、ある１つのレーザー光を見た場合には基本的に電界強度のピークは入射側ほど大きい。そのため、複数のレーザー光によって干渉が生じた場合でも誘電体多層膜全体における電界強度の大きなピークの発生傾向としては入射側の方が大きくなる傾向となる。そのため、１又は複数のピークは入射側に近い位置に配置された複数の薄膜に属するものを選択することがよい。具体的には入射側の１０層（５組）程度の薄膜に発生する１又は複数のピークを選択することがよい。
また、複数のレーザー光の干渉関係は時間の経過によって変化するため、電界強度の波の大きさ、つまり振幅も一定ではない。あるタイミングでの最も大きな電界強度のピークが界面位置に配置されないようにすることだけではなく、時間的に変化する電界強度のピークの最も大きい値を採用することがレーザー誘導損傷の防止のためによりよい。従って、電界強度は時間とともに振幅が変動する波の最も大きい値を採用して膜厚の厚み方向における１又は複数の電界強度のピークを選択することがレーザー誘導損傷の防止のためによりよい。
この場合に周期的に振幅が変動する波の最も大きい値は、前記複数のレーザー光が構成する電界強度の各振動項の角周波数の最大公約数で決まる時間周期で判断することがよい。電界強度の波形はこの時間周期で繰り返されることとなるからである。
具体的には次のように時間周期を決定する。
角周波数ω１、ω２、…、ωｌ（エル）の光が入射した場合に後述する電界と電界強度の式（数1及び数2の式）に基づけば電界強度は、以下の振動項を含むこととなる。
２×ωm（１≦m≦l）、
ωm − ωn
ωm ＋ ωn
（１≦m≦l、１≦n≦l、m≠n）
よって、これらの最大公約数をωとして、電界強度の時間周期Tは、
T=２π/ω
で与えられることとなる。そのため、時間周期Tの間で最大となる電界強度を見て判断すればよい。
The selected peak or peaks may include the largest peak. This is because laser induced damage is most likely to occur when the largest peak is arranged at the interface position of the thin film. When a single laser beam is viewed, the peak of the electric field intensity is basically larger on the incident side. Therefore, even when interference is caused by a plurality of laser beams, the incidence side tends to be larger as a tendency of occurrence of a large peak of electric field strength in the entire dielectric multilayer film. Therefore, it is preferable to select one or a plurality of peaks belonging to a plurality of thin films arranged at positions close to the incident side. Specifically, it is preferable to select one or a plurality of peaks generated in a thin film of about 10 layers (5 sets) on the incident side.
In addition, since the interference relationship between a plurality of laser beams changes with the passage of time, the magnitude of the electric field strength wave, that is, the amplitude, is not constant. In order to prevent laser-induced damage, it is important not only to prevent the largest electric field intensity peak at a certain timing from being placed at the interface position, but also to adopt the largest value of the time-varying electric field intensity peak. Good. Therefore, for the prevention of laser-induced damage, it is better to select the peak of one or a plurality of electric field strengths in the thickness direction of the film thickness by adopting the largest value of the wave whose amplitude varies with time.
In this case, it is preferable that the largest value of the wave whose amplitude periodically varies is determined by a time period determined by the greatest common divisor of the angular frequency of each vibration term of the electric field intensity formed by the plurality of laser beams. This is because the waveform of the electric field strength is repeated in this time period.
Specifically, the time period is determined as follows.
When light of angular frequencies ω 1 , ω 2 ,..., Ω 1 (el) is incident, the electric field intensity is expressed by the following vibration term based on the electric field and electric field intensity formulas (formulas 1 and 2) described later. Will be included.
2 × ω m (1 ≦ m ≦ l),
ω m − ω n
ω m + ω n
(1 ≦ m ≦ l, 1 ≦ n ≦ l, m ≠ n)
Therefore, with these greatest common divisors as ω, the time period T of the electric field strength is
T = 2π / ω
Will be given. Therefore, the determination may be made by looking at the maximum electric field intensity during the time period T.
選択された１又は複数のピークが薄膜の界面位置又は界面位置近傍に配置されないように設計するための手法として、例えば、所定の膜厚で設計された基準となる誘電体多層膜に対して複数のレーザー光を誘電体多層膜の各薄膜に対し交差方向に反射又は透過させて基準となる電界強度のピーク位置を検証し、検証結果からあるピーク（例えば、最も大きなピーク）が薄膜の界面位置又は界面位置近傍にあると判断した場合に、その界面を構成する隣接した２層の薄膜の少なくとも一方の膜厚を修正して、ピーク位置を薄膜の界面位置近傍から離間させるようにすることがよい。
つまり、膜材料と膜数を暫定的に決定した基準となる誘電体多層膜に複数のレーザー光を照射して電界強度の波のピークの状態を検証し、その結果に基づいてレーザー誘導損傷が発生すると想定されるピークを選択してそのピークが属する界面を構成する隣接した２層の少なくとも一方の薄膜の膜厚を修正するわけである。選択の基準としてある閾値を設定し、それよりも電界強度が小さければピーク位置をずらさないようにしてもよい。ある１又は複数のピーク位置をずらした場合には新たに電界強度の波のピークの振幅が変動する可能性があるため、修正された膜厚に基づいてこれを新たな基準となる前記誘電体多層膜とし、その新たな基準となる前記誘電体多層膜について複数のレーザー光を照射し、同様に検証を行い最適化を図るようにすることがよい。
このように設計される光学素子の具体的な用途として、ハイパワーレーザー（例えば、エキシマレーザー、固体レーザー、ファイバーレーザー）や超短パルスレーザーを波長変換する際に使用する反射防止用透過膜あるいは反射膜等の光学素子、広帯域スペクトルを持つフェムト秒レーザー用光学素子、波長変換用に使用される光学結晶や波長分離ミラー用の光学素子が一例として挙げられる。
As a method for designing the selected one or more peaks so as not to be arranged at the interface position of the thin film or in the vicinity of the interface position, for example, there are a plurality of peaks for a dielectric multilayer film serving as a reference designed with a predetermined film thickness. Is reflected or transmitted in the cross direction to each thin film of the dielectric multilayer film to verify the reference electric field strength peak position, and the peak from the verification result (for example, the largest peak) is the interface position of the thin film Alternatively, when it is determined that the position is in the vicinity of the interface position, the thickness of at least one of the two adjacent thin films constituting the interface is corrected so that the peak position is separated from the vicinity of the interface position of the thin film. Good.
In other words, a plurality of laser beams are irradiated on the dielectric multilayer film, which is a standard for tentatively determining the film material and the number of films, and the state of the electric field strength wave peak is verified. The peak assumed to be generated is selected, and the film thickness of at least one thin film of two adjacent layers constituting the interface to which the peak belongs is corrected. A threshold value may be set as a selection criterion, and the peak position may not be shifted if the electric field strength is smaller than that. When one or a plurality of peak positions are shifted, there is a possibility that the amplitude of the wave peak of the electric field strength may fluctuate anew. Based on the corrected film thickness, this is used as a new reference. A multilayer film may be used, and the dielectric multilayer film as a new reference may be irradiated with a plurality of laser beams, and similarly verified and optimized.
Specific applications of optical elements designed in this way include anti-reflection transmission films or reflections used for wavelength conversion of high-power lasers (eg, excimer lasers, solid-state lasers, fiber lasers) and ultrashort pulse lasers. Examples include optical elements such as films, optical elements for femtosecond lasers having a broad spectrum, optical crystals used for wavelength conversion, and optical elements for wavelength separation mirrors.
ここに、誘電体多層膜を構成する薄膜材料において、高屈折率材料からなる薄膜は例えば、ＴｉＯ2、Ｎｂ2Ｏ5、Ｔａ2Ｏ5、ＺｒＯ2、ＨｆＯ2、ＴｉＯ2、Ｌａ2Ｏ3、ＺｒＯ2-ＴｉＯ2、ＡＬ2Ｏ３、ＧｄＦ３、ＬａＦ３、ＹｂＦ３の群から選ばれる１又は複数の酸化物からなり、低屈折率材料からなる薄膜は例えば、ＳｉＯ2、ＭｇＦ2、ＡｌＦ３の群から選ばれる酸化物又はフッ化物からなることがよい。尚、「高屈折率」と「低屈折率」はあくまでも相対的なものであり、例えば具体的な屈折率が高いことで高屈折率というものではない。
誘電体多層膜が成膜される透明基板の材料としては、例えばガラス、石英、合成石英、サファイア等が挙げられる。
Here, in the thin film material constituting the dielectric multilayer film, the thin film made of a high refractive index material is, for example, TiO 2 , Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 , ZrO 2 , HfO 2 , TiO 2 , La 2 O 3. , ZrO 2 —TiO 2 , AL 2 O 3 , GdF 3 , LaF 3 , YbF 3 , and a thin film made of a low refractive index material is made of, for example, SiO 2 , MgF 2 , It may be made of an oxide or fluoride selected from the group of AlF 3 . Note that “high refractive index” and “low refractive index” are relative to each other, and are not high refractive indexes because of a high specific refractive index, for example.
Examples of the material for the transparent substrate on which the dielectric multilayer film is formed include glass, quartz, synthetic quartz, and sapphire.
次に、光学素子の本体である誘電体多層膜に対してレーザー光を各薄膜に対し交差方向に反射又は透過させる際の電界強度の計算式（一般式）について説明する。
前提としてｍ層膜へｎ波長の光、つまりｎ個のレーザー光を入射させるときの電界の式は第ｊ層、位置ｄ、時刻ｔとして以下の数１の式で示される。
Next, the calculation formula (general formula) of the electric field strength when the laser beam is reflected or transmitted in the cross direction with respect to each thin film with respect to the dielectric multilayer film which is the main body of the optical element will be described.
As a premise, the equation of the electric field when n-wavelength light, that is, n laser beams is incident on the m-layer film, is expressed by the following equation 1 as the j-th layer, position d, and time t.
このように全波長の合成電界が各波長の電界の重ね合わせで表されるのはマクスウェル方程式の線形性に基づいている。
そして、電界強度は電界の二乗で与えられるので、以下の数２の式が電界強度の式となる。
The combined electric field of all wavelengths is represented by the superposition of the electric fields of the respective wavelengths as described above based on the linearity of the Maxwell equation.
Since the electric field strength is given by the square of the electric field, the following formula 2 is an electric field strength equation.
数1及び数2の式から分かるように、各波長の光が単独で入射した場合に構成する電界強度Ej2 (j=1, … , n)の和に加えて、異なる波長間の積の項Ei＊Ej(i≠j、i,j=1, … , n)で表され異なる波長間の干渉を表す項も適切に計算に取り込んでいる。
ここで、数１の式を構成する各項について説明する。Ａ（λｌ）、Ｆ（λｌ）、Ｇ（λｌ）についてはそれぞれ下記の数３〜５で示される。尚、ここで各項の下付ｌ（エル）は波長の識別を意味する。
As can be seen from the equations (1) and ( 2 ), in addition to the sum of the electric field strengths Ej 2 (j = 1,…, n) formed when light of each wavelength is incident independently, the product of different wavelengths A term representing interference between different wavelengths expressed by the term Ei * Ej (i ≠ j, i, j = 1,..., N) is appropriately taken into the calculation.
Here, each term constituting the formula 1 will be described. A (λ 1 ), F (λ 1 ), and G (λ 1 ) are represented by the following equations 3 to 5, respectively. Here, the subscript l of each term means identification of the wavelength.
数６及び数７において、ｎｋ、ｄｋはそれぞれ多層膜の第k層の屈折率、物理膜厚である。また、ｎ０は入射媒質の屈折率、ｎｓは基板の屈折率である。つまり、Ａ（λｌ）、Ｆ（λｌ）、Ｇ（λｌ）の３つの項は多層膜と入射媒質と基板の情報によって定義され得る項である。
また、数３〜５の式においてｍは以下の数６と数７の式のように物理膜厚によって定義され得る。
In Equations 6 and 7, n k and d k are the refractive index and physical film thickness of the k-th layer of the multilayer film, respectively. N 0 is the refractive index of the incident medium, and n s is the refractive index of the substrate. That is, the three terms A (λ 1 ), F (λ 1 ), and G (λ 1 ) are terms that can be defined by information on the multilayer film, the incident medium, and the substrate.
Moreover, in the formulas 3 to 5, m can be defined by the physical film thickness as in the following formulas 6 and 7.
数６及び数７において、βｋ（λｌ）は波数と呼ばれる量であり、波長（λｌ）との関係では数８の式で示される。 In Equations 6 and 7, β k (λ 1 ) is a quantity called wave number, and is expressed by Equation 8 in relation to the wavelength (λ 1 ).
本発明によれば、波長の異なる複数のレーザー光を同軸で照射してもレーザー誘導損傷が生じにくい誘電体多層膜が設計でき、またレーザー誘導損傷が生じにくい誘電体多層膜を素子本体と光学素子を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to design a dielectric multilayer film that is unlikely to cause laser-induced damage even when a plurality of laser beams having different wavelengths are irradiated coaxially. An element can be provided.
（実施例１）
実施例１では１０６４ｎｍと５３２ｎｍの２つの波長のレーザー光を同軸で照射した際にこれらを反射させるための光学素子としてのミラーについてシミュレーションした。
１．基準多層膜の設計
実施例１では、まず基準となる誘電体多層膜を透明基板に成膜させたミラーをシミュレーション的に設計した（以下、この基準となる誘電体多層膜を基準多層膜とする）。基準多層膜は石英を透明基板として低屈折率材料からなる薄膜（以下、Ｌ膜）をＳｉＯ2とし、高屈折率材料からなる薄膜（以下、Ｈ膜）をＨｆＯ2としてＨ膜側から交互にこれら２種の薄膜を成膜させたものである。ＳｉＯ2とＨｆＯ2との光学膜厚比は１．４４５：０．５４２とし、２種の薄膜の層数はそれぞれ１９層でトータルで３８層とした。表１に示すようにこの基準多層膜ではＬ膜はすべて２６１．９ｎｍの膜厚とし、Ｈ膜はすべて７２．７ｎｍの膜厚とした。電界強度を算出するためのパラメータは表２の通りである。
このようにシミュレーションされた基準多層膜を成膜させたミラーの反射特性は図１の通りである。少なくとも１０６４ｎｍと５３２ｎｍの２つの波長に対してほぼ１００％の反射率を有している。
Example 1
In Example 1, a simulation was performed on a mirror as an optical element for reflecting laser beams having two wavelengths of 1064 nm and 532 nm on the same axis.
1. Design of Reference Multilayer Film In Example 1, first, a mirror in which a reference dielectric multilayer film was formed on a transparent substrate was designed in a simulation (hereinafter, this reference dielectric multilayer film is referred to as a reference multilayer film). ). The reference multilayer film is composed of quartz as a transparent substrate and a thin film made of a low refractive index material (hereinafter referred to as L film) as SiO 2 and a thin film made of a high refractive index material (hereinafter referred to as H film) as HfO 2 alternately from the H film side. These two kinds of thin films are formed. The optical film thickness ratio between SiO 2 and HfO 2 was 1.445: 0.542, and the number of layers of the two kinds of thin films was 19 for a total of 38 layers. As shown in Table 1, in this reference multilayer film, all L films had a film thickness of 261.9 nm, and all H films had a film thickness of 72.7 nm. Table 2 shows the parameters for calculating the electric field strength.
The reflection characteristics of the mirror formed with the reference multilayer film thus simulated are as shown in FIG. It has a reflectivity of almost 100% for at least two wavelengths of 1064 nm and 532 nm.
図２は横軸を基準多層膜の空気との界面からの膜厚とし、縦軸を電界強度としたグラフである。尚、本実施例における電界強度は波長1064nmのレーザー光の振幅を１とした場合の電界強度を示すものであり、電界強度の次元はなくなっている。図２ は複数のレーザー光の時間周期Tにおいて所定のごく短いタイミング（例えば、０．０２フェムト秒間隔）毎に膜厚方向の電界強度を算出し、各膜厚位置における最大となる強度をプロットして作成したものである。本実施例１では長波長側の光が１０６４ｎｍ（λ）で短波長側の光が５３２ｎｍ（λ／２）なので、それぞれの角周波数ωと2ωで表すと、電界強度の計算式には
２×ω、４×ω
２×ω−ω＝ω
２×ω＋ω＝３ω
の振動項が含まれることとなる。その最大公約数のωによって時間周期Tは決定される。ここでは時間周期Tとして３．５５フェムト秒における膜厚方向における電界強度を算出した。図３は膜厚と電界強度と時間との関係を示す３次元モデルである。つまり図２ おける膜厚方向に対応する電界強度（縦軸）は図３における３．５５フェムト秒内における最大となる電界強度をプロットしたものである。
図２に示すように基準多層膜では２つのレーザー光の干渉作用によって電界強度のピークが、空気層と第１Ｌ膜との界面、第１Ｈ膜と第２Ｌ膜との界面、第２Ｈ膜と第３Ｌ膜との界面、第３Ｈ膜と第４Ｌ膜、第４Ｈ膜と第５Ｌ膜、第５Ｈ膜と第６Ｌ膜・・・というように配置されている。つまり、これらの界面においてレーザー誘導損傷を生じやすいと考えられる。
FIG. 2 is a graph in which the horizontal axis represents the film thickness from the interface with the air of the reference multilayer film, and the vertical axis represents the electric field strength. Note that the electric field strength in this embodiment indicates the electric field strength when the amplitude of the laser beam having a wavelength of 1064 nm is 1, and the dimension of the electric field strength is lost. Figure 2 plots the electric field strength in the film thickness direction at predetermined very short timings (for example, 0.02 femtosecond intervals) in the time period T of a plurality of laser beams, and plots the maximum intensity at each film thickness position. Was created. In the first embodiment, the light on the long wavelength side is 1064 nm (λ) and the light on the short wavelength side is 532 nm (λ / 2). Therefore, when expressed by the respective angular frequencies ω and 2ω, the formula for calculating the electric field intensity is 2 × ω, 4 × ω
2 × ω−ω = ω
2 × ω + ω = 3ω
The vibration term is included. The time period T is determined by the greatest common divisor ω. Here, the electric field strength in the film thickness direction at 3.55 femtoseconds was calculated as the time period T. FIG. 3 is a three-dimensional model showing the relationship between film thickness, electric field strength, and time. That is, the electric field strength (vertical axis) corresponding to the film thickness direction in FIG. 2 is a plot of the maximum electric field strength within 3.55 femtoseconds in FIG.
As shown in FIG. 2, in the reference multilayer film, the electric field intensity peaks due to the interference action of the two laser beams, the interface between the air layer and the first L film, the interface between the first H film and the second L film, and the second H film and the first film. The interface with the 3L film, the third H film and the fourth L film, the fourth H film and the fifth L film, the fifth H film and the sixth L film, and so on are arranged. That is, it is considered that laser-induced damage is likely to occur at these interfaces.
２．基準多層膜の検証に基づく最適化
そのため、誘電体多層膜としての光学特性を維持しつつこれら界面から電界強度のピークをずらすようにして、レーザー誘導損傷を防止することが必要である。但し、電界強度の閾値として「２」を設定し、第４Ｈ膜と第５Ｌ膜の界面以降は電界強度が閾値より小さいため調整はしない。ここでは入射方向に近い４つの界面位置にあるピークを選択してこれらピーク位置を界面からずらすようにして調整する（最適化を図る）。その場合にすでにずれた位置にある電界強度のピークが新たに界面位置（又は近傍）に配置されないようにピークが界面にある膜の膜厚を調整していく。本実施例１ではこの作業は少なくとも１０６４ｎｍと５３２ｎｍの２つの波長に対して９９％の反射率を維持することを前提に、これら選択されたピークに隣接するＬ膜とＨ膜の膜厚を繰り返し変更しながら調整していく。つまり、直前の変更した膜厚の誘電体多層膜をもって新たな基準多層膜と解釈できる。
図４にこのようにして最適化した誘電体多層膜を成膜させたミラーの反射特性を示す。また、最終的に最適化された誘電体多層膜のＬ膜とＨ膜は表１の通りである。また、図５は横軸を最適化した多層膜の空気との界面からの膜厚とし、縦軸を電界強度としたグラフである。図５も図２と同様に最大となる強度をプロットして作成したものである。 図５から上記の選択されたピークに相当するピークの位置が界面から大きくずれていることがわかる。
2. Optimization based on verification of reference multilayer film Therefore, it is necessary to prevent laser-induced damage by shifting the peak of electric field intensity from these interfaces while maintaining the optical characteristics as a dielectric multilayer film. However, “2” is set as the threshold value of the electric field strength, and no adjustment is made after the interface between the fourth H film and the fifth L film because the electric field strength is smaller than the threshold value. Here, the peaks at the four interface positions close to the incident direction are selected and adjusted so as to shift these peak positions from the interface (optimization). In this case, the film thickness of the film having the peak at the interface is adjusted so that the electric field intensity peak at the position already shifted is not newly arranged at the interface position (or in the vicinity). In the first embodiment, this operation repeats the thicknesses of the L film and the H film adjacent to these selected peaks on the assumption that the reflectance of 99% is maintained for at least two wavelengths of 1064 nm and 532 nm. Adjust while changing. That is, the dielectric multilayer film having the changed thickness just before can be interpreted as a new reference multilayer film.
FIG. 4 shows the reflection characteristics of the mirror on which the dielectric multilayer film thus optimized is formed. Table 1 shows the finally optimized L and H films of the dielectric multilayer film. FIG. 5 is a graph in which the horizontal axis represents the optimized film thickness from the interface with air, and the vertical axis represents the electric field strength. FIG. 5 is also created by plotting the maximum intensity as in FIG. FIG. 5 shows that the position of the peak corresponding to the selected peak is greatly deviated from the interface.
（実施例２）
実施例２は実施例１と同様の基準多層膜を出発点として実施例１とは異なる設計で最適化を図った例である。図６にこのようにして最適化した誘電体多層膜を成膜させたミラーの反射特性を示す。また、最終的に最適化された誘電体多層膜のＬ膜とＨ膜は表１の通りである。また、図７は横軸を最適化した多層膜の空気との界面からの膜厚とし、縦軸を電界強度としたグラフである。図７も図２と同様に最大となる強度をプロットして作成したものである。 図７から実施例２でも実施例１と同様上記の選択されたピークに相当するピークの位置が界面から大きくずれていることがわかる。
(Example 2)
The second embodiment is an example in which the same reference multilayer film as that of the first embodiment is used as a starting point and optimization is performed with a design different from that of the first embodiment. FIG. 6 shows the reflection characteristics of the mirror on which the dielectric multilayer film thus optimized is formed. Table 1 shows the finally optimized L and H films of the dielectric multilayer film. FIG. 7 is a graph in which the horizontal axis is the optimized film thickness from the interface with air, and the vertical axis is the electric field strength. FIG. 7 is also created by plotting the maximum intensity as in FIG. 7 that in Example 2, the position of the peak corresponding to the selected peak is greatly deviated from the interface as in Example 1.
（レーザー誘導損傷に基づく損傷閾値の評価）
上記シミュレーションした基準多層膜（Ｌ膜及びＨ膜がそれぞれすべて修正を行っていない同じ膜厚状態）に対応する試料１と、同じく最適化した上記実施例２に対応する試料２を作製し、これらについてそれぞれ実際にレーザー光を照射して損傷閾値を評価した。レーザー光は１０６４ｎｍ及び５３２ｎｍのレーザー光のフルーエンス（単位面積当たりに照射するエネルギー）を変化させて損傷が生じるまで目視にて確認した。但し、同軸照射においては５３２ｎｍ側を固定した。レーザー光の照射条件として、
・パルス幅 11.8ns＠1064nm、8.2ns＠532nm
・スポットサイズ
横208μm、縦202μm＠1064nm
横373μm、縦276μm＠532nm
・照射角度：０度
・備考：1064nmと532nmの偏光はともに直線偏光で、同一平面内。
とした。その結果を表３に示す。表３では試料２の損傷閾値が高く、シミュレーション通りの結果が得られた。
(Evaluation of damage threshold based on laser induced damage)
Sample 1 corresponding to the simulated reference multilayer film (the same film thickness state in which each of the L film and the H film is not corrected) and sample 2 corresponding to the above-described optimized Example 2 were prepared. The damage threshold was evaluated by actually irradiating each with laser light. The laser beam was visually confirmed until damage occurred by changing the fluence (energy irradiated per unit area) of the 1064 nm and 532 nm laser beams. However, the 532 nm side was fixed in the coaxial irradiation. As laser light irradiation conditions,
・ Pulse width 11.8ns@1064nm, 8.2ns@532nm
・ Spot size
208μm wide, 202μm long @ 1064nm
373 μm wide, 276 μm long at 532 nm
・ Irradiation angle: 0 degrees ・ Remarks: Both 1064nm and 532nm polarized light are linearly polarized light and are in the same plane.
It was. The results are shown in Table 3. In Table 3, the damage threshold value of Sample 2 was high, and the results as simulated were obtained.
Claims (7)
前記複数のレーザー光を前記誘電体多層膜の各薄膜に対し交差方向に反射又は透過させる際に、発生する干渉光に基づく電界強度の波のピークについて、選択された１又は複数のピークに対して当該ピークが前記薄膜の界面位置又は界面位置近傍に配置されないように設計することを特徴とする誘電体多層膜の設計方法。 Two or more types of thin films with different refractive indexes that are used to allow reflection or transmission of a plurality of arbitrary laser beams that become interference waves that cause interference phenomenon when irradiated on the same axis. A method for designing a dielectric multilayer film formed on a transparent substrate;
When the plurality of laser beams are reflected or transmitted in the crossing direction with respect to each thin film of the dielectric multilayer film, the peak of the electric field intensity wave based on the interference light generated is selected with respect to one or more selected peaks. And designing the dielectric multilayer film so that the peak is not disposed at or near the interface position of the thin film.
前記検証工程において、前記選択された１又は複数のピークが前記薄膜の界面位置又は界面位置近傍にあると判断した場合に、当該界面を構成する隣接した２層の前記薄膜の少なくとも一方の膜厚を修正して、前記ピーク位置を前記薄膜の界面位置近傍から離間させる修正工程を備えることを特徴とする請求項１に記載の誘電体多層膜の設計方法。 Reflecting or transmitting the plurality of laser beams in a cross direction with respect to each thin film of the dielectric multilayer film with respect to the reference dielectric multilayer film designed with a predetermined film thickness, A verification process for verifying the peak position;
In the verification step, when it is determined that the selected one or more peaks are at or near the interface position of the thin film, the film thickness of at least one of the two adjacent thin films constituting the interface The dielectric multilayer film design method according to claim 1, further comprising: a correction step of correcting the peak position so that the peak position is separated from the vicinity of the interface position of the thin film.
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