JPH0268501A - ソリッドエタロン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、ソリッドエタロンに関する。

従来の技術 エタロンとは、平行ミラー面間の光の多重干渉を利用し
て特定の波長の光のみを透過させる機能を有する超精密
光学素子であり、−枚の透明な平行平面基板の両面にミ
ラー面を形成してなるソリッドエタロンと、中空円筒に
二枚のミラーを張り付けてなる中空エタロンとがある。

ここで、ソリッドエタロンについてみると、その性能は
上記平行平面基板の形状精度（面精度および平行度）に
大きく依存するため、同基板には高度な加工精度が求め
られている。また、基板材料としては、光の透過損失と
熱膨張係数が小さいことから、一般的には石英が用いら
れている。

このようなエタロンは、従来、透過する光の波長を鋭く
制御できるととから、分光器と組み合わせてスペクトル
線の超微細構造を研究する場合などに利用されてきた。

最近では、エタロンをレーザ共振器内部に挿入し、縦モ
ード選択に用いることも行われている（レーザ学会編、
オーム社刊「レーザハンドブック」第１版４１７頁参照
）。

発明が解決しようとする課題 このように、エタロンがレーザ光のような強力な光照射
下で使用されるようになった結果、従来は全く問題にさ
れなかった、エタロンの発熱という現象が大きな問題に
なってきた。すなわち、従来の石英基板のエタロンは、
強力なレーザ光照射により発熱し、ミラー間の光路長に
空間的不均一さが誘起されてしまうため、いくら加工精
度を上げて形状精度の良いエタロンを作製するようにし
ても、この光誘起光学歪みがある限り、レーザ光照射下
でのエタロンの光学特性は低下してしまうのである。

以上の事情に鑑み、この発明は、レーザ光照射下でも照
射前の優れた光学特性を維持することができるソリッド
エタロンを提供することを課題とするＯ 課題を解決するための手段 上記課題を解決するため、この発明にかかるソリッドエ
タロン（以下、単に「エタロン」と記す）では、透明平
行平面基板（以下、単に「透明基板」と記す）材料とし
て、屈折率の温度係数が負であって石英よりも熱伝導度
の高い材料を用いるようにする。

また、上記屈折率の温度係数が負であって石英よりも熱
伝導度の高い材料は、アルカリ土類金属フッ化物結晶で
あることが好ましい。

作用 透明基板材料の屈折率の温度係数が正の場合（石英等）
、中心部の屈折率が周囲より高くなり、熱膨張による凸
レンズ効果と重なって、さらにこの凸レンズ効果が強調
される。ところが、基板材料の屈折率の温度係数が負で
あれば、温度の高い中心部の屈折率が周囲よりも小さく
なり、凹レンズ効果が得られる。この凹レンズ効果と熱
膨張による凸レンズ効果は互いに打ち消し合うため、結
果的に、透明基板における光路長の空間的均一さが維持
されるようになるのである。

さらに、透明基板材料の熱伝導度が石英よりも大きけれ
ば、周囲と中心部との温度差がその分小さくなって、上
記熱膨張による凸レンズ効果が抑えられる。

以上のことから、この発明のエタロンでは、そのレーザ
光照射下での発熱量を比べれば従来と同程度であっても
、それによる光学特性の低下を回避することができるの
である。

実施例 以下に、この発明を図面を参照しつつ詳しく説明する。

第１図は、この発明の一実施例である、ＫｒＦエキシマ
レーザ（λ＝　２４８　ｎｍ　）用エタロンの断面構造
を表している。透明基板１１０両面には、誘電体多層膜
よりなる、反射率の等しいコーティング層（反射膜）１
２．１２が形成されている。この発明では、上記透明基
板材料として、屈折率の温度係数が負であって石英より
も熱伝導度の高い材料が用いられていることが特徴であ
り、そのような材料としては具体的に、アルカリ土類金
属フッ化物（たとえば、０ａＦ２　、　ＢａＦ２　、　
ＭｇＦ２等：以下、これらをｒＭＰｚＪと総称する）結
晶が好例として挙げられる。しかし、これらに限定され
ることはない。

ここで、フィネス２ｏのエタロンを得るためには、透明
基板１１の平行度が０．１秒以下、面精度がλ／１００
（λ＝　８３２．８　ｎｍ　）であることが要求される
のであるが、以下に、この発明のエタロンがこのフィネ
ス２ｏのエタロンとなりうろことを、透明基板材料の物
性値とレーザ光照射による光路長変化の計算結果を用い
て、具体的に説明する。

なお、透明基板材料としては、ＭＦ２を用いた場合を示
し、比較のため石英を挙げる。第１表に、下記光路長変
化の計算に必要な、これらの基板材料の物性値をまとめ
て示す。

以下余白 ます、熱伝導方程式により、レーザ光照射によるエタロ
ンの定常温度分布の計算を行う。なお、計算な簡単にす
るため、以下の仮定を採用する。

■　軸対象の一次元熱伝導モデルを用いろ。

■　レーザビームは円形で、トップハツト分布になって
いる。

■　エタロンの外周は温度Ｔｏに冷却されており、表面
からの熱損失はない。

■　エタロンの厚みは１ｃｒｎである。

第２図に、以上の仮定に基づき、エタロンにレーザ光を
照射した際の表面における温度分布を説明する概念図を
示す。

熱伝導方程式の解として、ビームの中心（「０）とビー
ム端（ｒｌ）との温度差（ΔＴ）は、次式で与えられる
。

△Ｔ−（βＩ／４Ｋ）　・（ｒｌ）２ βＰ／４πに レーザパワーＰを２Ｗ、各基板の吸収係数βをすべて０
．０１　ｃｍ　−’と等しく仮定し、上式を用いて各基
板の温度差△ＴＱ計算すると、 石英基板　：０．１２°Ｃ ＣａＦ２基板二０．０１６°Ｃ ＢａＦ’２基板：０．０１５°Ｃ ＭｇＦ２基板＝０．０１°Ｃ となる。これから判るように、同じ発熱量でも、Ｍ　Ｆ
　２結晶からなるこの発明の透明基板は、従来の石英基
板より、温度差△Ｔを約１桁低く維持することができる
。これは、第１表にみるように、ＭＦ２の熱伝導度が石
英よりも約１桁大きいことに起因するのである。

次に、温度上昇による光路長（ｎ−ｌ）の変化について
考察する。

光路長（、−ｌ）の温度変化は、屈折率（ｎ）の温度依
存性の項と熱膨張の項により表され、エタロンの幾何学
的厚み（１）を１ｃｒｎとすると、以下のようになる。

（ｄ　（ｎ−１））＝　（（ｄｎ／ｄＴ）＋　ｎ　・α
）ＸｄＴである。

第２表に、それぞれの基板材料についての（ｄｎ／ｄＴ
）と（ｎ・α）の値、および、これらの値を上式にあて
はめて計算した、温度上昇１℃当たりの光路長変化量を
示す。

以下余白 第２表から判るように、Ｍ　ｐ　２は石英に比べて熱膨
張の項が平均して２５倍程度も大きいが、（ｄｎ／ｄＴ
）の項が負の係数を持つために、温度１℃当たりの光路
長変化量は、はぼ同程度となるのである。

ここで、先に求めたビームの中心とビーム端との温度差
△ＴがＭＦ２では石英に比べて約１桁低いことを考慮す
ると、ＭＦ２におけるビーム中心とビーム端との光路長
差ｄ　（ｎ−ｌ）は、石英よりも約１桁受ないことにな
る。具体的な計算結果を、同じく上記第２表に記載する
。

フィネス２０のエタロンを得るには、上述のように、面
精度λ／１００（λ−０．６３μｍ）の研磨加工が必要
とされる。この面精度λ／１００のエタロンの光路長は
、理想面精度の完全平面平行基板のエタロンに比べ、約
０．０１９μｍずれていることになる（２面ｘｎｘ（λ
／１００）＝２ｘ１．６ｘｏ、ｏ０６３０．０１８９　
（μｍ）〕。このことを考慮すると、石英基板エタロン
では、第２表のレーザ光照射による熱誘起光路長変化量
が０．０１８μｍであって、これがλ／１ｏＯの加工精
度による０ｏ１９μｍに加算されるため、レーザ光照射
時には、見掛は上の加工面精度がλ１５０の、すなわち
フィネス１０のエタロンになってしまう。これに対し、
この発明にがかるエタロンでは、熱誘起光路長変化量が
石英の約１／１０であるため、レーザ光照射時でも初期
の加工精度λ／１００、すなわちエタロンの性能として
はフィネス２０をほぼ維持することができるのである。

発明の効果 この発明にかかるエタロンでは、従来の石英基板のもの
では使用不可能となってしまったレーザ光等の強力な光
照射下でも、優れた光学特性を維持することができ、今
後、様々な分野での活躍が期待される。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明にかかるエタロンの一実施例を表す断
面図、第２図はエタロンにレーザ光を照射した際の表面
温度分布の説明図である。 １１・・・透明基板（アルカリ土類金属フッ化物結晶）
、１２・・・反射膜（誘電体多層膜）、２１・・・トッ
プハツトレーザビーム、２２・・・表面温度分布。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）透明平行平面基板材料として、屈折率の温度係数
   が負であつて石英よりも熱伝導度の高い材料が用いられ
   ているソリッドエタロン。
2. （２）屈折率の温度係数が負であつて石英よりも熱伝導
   度の高い材料が、アルカリ土類金属フッ化物結晶である
   請求項１記載のソリッドエタロン。