JPH03218941A

JPH03218941A - レーザーシステム用ガラス

Info

Publication number: JPH03218941A
Application number: JP2015577A
Authority: JP
Inventors: Kunio Takeuchi; 竹内　邦雄; Akimi Kitayama; 北山　皓己
Original assignee: Hoya Corp
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 1990-01-25
Filing date: 1990-01-25
Publication date: 1991-09-26
Anticipated expiration: 2012-12-03
Also published as: JP2685322B2

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］本発明は、レーザーシステム用ガラス、詳しくはハイパ
ワーレーザーシステムにおける偏光子用ガラス、スペー
シャルフィルター用ガラス、波長変換セル用ウィンドー
ガラスなどに用いられる光学ガラスに関するものである
。

［従来の技術］大出力ガラスレーザーにおいて最も重要なコンポーネン
トは、そこに使用されている多種、多数の光学素子であ
り、その諸性能がレーザーシステム全体の性能を決定す
る。

光学素子の中で最も重要な素子は、Ｎｄイオンをドープ
したいわゆるレーザーガラスであるが、その他にもファ
ラデー回転子の入出力側に使われる多層膜偏光子用ガラ
ス、ビーム径を調整するためのスペーシャルフィルター
用レンズ、波長変換セル（内部はＫＤＰ単結晶）用ウィ
ンドーガラス等、重要な素子類がある。

ハイパワーレーザーシステムの偏光子用ガラス、スペー
シャルフィルター用レンズ、波長変換セル用ウィンドー
ガラス等は、これまで、光学ガラスの代表的な硝種であ
る硼珪酸塩ガラスＢＫ７が広く使われている。

ところで核融合装置のハイパワーレーサーシステムに用
いられる光学系のガラスにおいては、その目的が核融合
の場合、レーザーガラスから発振された光を多段階増幅
して得られるエネルギーは少なくとも１０　Ｋｊｏｕｌ
ｅ以上である。従ってこの様なハイパワーレーザーシス
テムのレーザー光路中に用いられる光学系のガラスは泡
、異物等の挟雑物を含まない、いわゆるインクルージョ
ンフリーのガラスが要求される。例えば、粒子サイズが
５μｍ以上の挾雑物（インクルージョン）が存在すると
、２　．　　０　ｊｏｕｌｅ／ｃ♂のエネルギー密度で
さえダメージと呼ばれる内部欠陥（貝がら状のクラツク
）を発生し、エネルギーがロスすると共にレーザービー
ムも乱れ、時にはそのガラスを破壊せしめる。

従来、この目的に上述の如き硼珪酸塩ガラスＢＫ７が使
用されて来た。このガラスは耐候性が高い、膨脹係数が
比較的小さい、屈折率が比較的に低い等の好ましい特性
を有している。しかしながら、このＢＫ７ガラスは、溶
融温度が約１４５０℃と高いこと、溶融時において揮発
しやすいこと、溶融容器に対して高い侵蝕力を有するこ
となどのために、インクルージョンフリーすなわちダメ
ージフリーのガラスを得ることは従来不可能であった。

すなわち、硼珪酸塩ガラスＢＫ７を使用している光学素
子においては、これまでダメージフリーのガラスが得ら
れていない。Ｎｄイオンドープレーザーガラスはその組
成や製造技術の改良の結果、今日ではダメージフリーの
ガラスの量産化に成功しているが、レーザーシステム全
体をみた時に、増幅器としてのレーザーガラスのみがダ
メージフリーになっても、他の素子に欠陥が生じては、
システム全体がうまく作動しない。

［発明が解決しようとする課題］上述の通り、ＢＫ７は、硼珪酸塩ガラスであり、また高
粘性ガラスであるので、白金ルツボあるいはセラミック
スルツボのいずれを用いても高温状態を経なければなら
ない。ガラス中のダメージの発生要因は、ガラス内部に
存在する微小な白金インクルージョンやクリストバライ
ト結晶の有無による。白金インクルージョンを例にとる
と、これらが発生しない容器や製造条件をとる必要があ
り、又、もし発生した場合には、これをイオン状態に保
持しなければならない。しかしながらＢＫ７に代表され
る硼珪酸塩ガラスや、珪酸塩系ガラスは、白金の溶解度
が低いため、完全なイオン状態を保持することは困難で
ある。

従って本発明の目的は、硼珪酸塩ガラスや珪酸塩ガラス
を用いたときに認められる上記欠点のないレーザーシス
テム用ガラスを提供することにある。

［課題を解決するための手段］この目的を達成するために、本発明者らは、従来用いら
れていた硼珪酸塩ガラスや珪酸塩ガラスの代りに、リン
酸塩ガラスを使用することに着限し、種々検討した結果
、以下のような知見を得た。

（ａ）リン酸塩ガラスは硼珪酸塩ガラスや珪酸塩ガラス
に比べ、白金と反応しやすい性質があり、白金の溶解度
が高い。この点を考慮し、適切なガラス組成を選択する
ことにより、白金容器を使用しても白金インクルージョ
ンのないガラスを得ることができる。

（ｂ）リン酸塩ガラスは、その組成を選択することによ
り、基本的には硼珪酸塩ガラスＢＫ７が有する光学恒数
、特にＮｄイオンドープレーザーの発振波長である１０
５４ｎｍの屈折率（　ｎ１０５４）と等しくすることが
可能となり、ハイパワーレーザーシステム全体の設計（
焦点距離、反射率等）を変更することがない。

本発明は上記の知見に基づいてなされたものであり、本
発明のレーザーシステム用ガラスは下記の成分を下記の
重量％で含むことを特徴とする。

成分　　　　　　　　　重量％Ｐ２　０５　　　　　　　６０〜７５Ｒ２０　　　　　　　　７〜１４ＲＯ　　　　　　　　　　３〜１６Ｒ，０３　　　　　　　　４〜１４ＲＯ２　＋Ｒ２　０５　　　　０〜　５（但しＲ２０は
、Ｌｉ２　０ＳＮａ２　０、Ｋ２０から成るアルカリ金
属酸化物の群から選択され、ＲＯは、ＭｇＯＳＣａｂ，
Ｓ　ｒＯＳＢａから成るアルカリ土類金属酸化物、Ｚｎ
Ｏおよびｐｂｏの群から選択され、ＲＯは、Ａ１２　０
３　、Ｌａｐ　０３　、Ｙ２　０３　ＳＧｄ２０３およ
びＢ２　０３の群から選択され、ＲＯ２は、Ｚｒ０２　
、Ｔｉ０２　ＳＳ　ｉ０２およびＣｅ０２の群から選択
され、Ｒ２０５は、Ｎｂ２　ｏ，，およびＴａ２　０５
の群から選択される。）以下、各成分およびその配合割合の限定理由について説
明する。Ｐ＝　ｏ５は、白金の溶解度が高いため基本的
成分であるが、ｐ２　０５を使用する理由はレーザーシ
ステムにおいて重要な非線形屈折率ｎ　が低いことも挙
げられる。ｐ２　０ｓはｔ６０％未満では、失透を生じ不安定な領域に入ってしま
い、７５％を超えると、溶融中に過度の揮発が起こり、
均質度の高いガラスを得ることが困難となると共に、化
学的耐久性が低くなってしまう。従ってｐ２　ｏ５の重
量割合は６０〜７５％に限定される。その他にガラス形
成酸化物として、ＧｅＯ２、Ｂ２０３、Ｓｉ０２などが
挙げられるが、Ｇｅ０２は原料が高価なため好ましくな
く、Ｂ２　ｏ３は化学的耐久性が低いことや揮発し易い
ことなどの点で、多量に使う必要は認められない。

ＳｉＯｙについては、ソーラリゼーション防止剤として
使われる場合もあるが、多量に入ると溶融ガラスの粘性
を上げるため高温溶融が必要となり白金インクルージョ
ンが発生し易くなると共に、その白金の溶解度を低下さ
せるため、本発明の目的に対しては好ましくなく、又、
クリストバライト結晶生成の恐れもある。これらは化学
的耐久性や光学恒数の調整に少量使うに留めるべきであ
る。

Ｒ２０成分は、溶融時の安定性や、溶解速度の面から重
要な成分であるが、７％未満ではガラスが失透し、１４
％を超えると化学的耐久性が劣化すると共に溶融時の揮
発量が多くなり、均質度の高いガラスを得るためには不
適である。従ってＲ，０成分の重量割合は７〜１４％に
限定される。

Ｒ２　０成分は、Ｌｉ２０、Ｎａ２　０ＳＫ２　０のア
ルカリ金属酸化物から選択されるが、得ようとする光学
恒数により、単独あるいは組み合わせで使うことが出来
る。

ＲＯ成分は、Ｒ２　０成分と同様に、溶融時の安定性を
得るのに重要な役割を果たすが、３％未満ではガラスが
失透して不安定な状態となり、１６％を超えると、熱膨
張係数が大きくなってしまう。

従ってＲＯ成分の重量割合は３〜１６％に限定される。

ＲＯ成分としてはアルカリ土類金属酸化物であるＭｇＯ
ＳＣａｂ，Ｓ　ｒｏ，ＢａＯが有効であるが、元素周期
律表ｎｂ族のＺｎＯ，ＰｂＯも光学恒数調整の目的で使
用することも出来る。元素周期律表ｎｂ族にはＣｄＯも
あるが、この成分は、公害問題上、使うことはひかえた
い。

ＲＯ成分はガラスの化学的耐久性向上に大いに寄与する
と共に、リン酸塩ガラスにおける失透防止剤の役割も果
たしている。Ｒ２　０３成分は４％未満では化学的耐久
性に顕著な効果がなく、１４％を超えると失透防止機能
が逆に失われてしまう。従ってＲ２　０３成分の重量割
合は４〜１４％に限定される。ＲＯ成分には様々なもの
があるが、Ｎｄ２０３、Ｅｒ２　０ａ　，Ｄｙ２　０ａ
等の、特定波長域の光を吸収する希土類酸化物は少量と
いえども避けるべきである。そこで、ＲＯ成分としては
、ｌｋｌ２　０３　、Ｌａ２０ａ、Ｙ２　０３　、Ｇｄ
２　０３　、Ｂ２　０３の群から耐失透性と光学恒数の
関係で単独又は組み合わせで選択される。

ＲＯ２　、Ｒ２　０５成分は、必須成分ではないが、化
学的耐久性の改良や光学恒数調整の目的で使うことも可
能である。ＲＯ２としてはＺｒ０２、Ｔｉ０２　、Ｓｉ
０２　ＳＣｅ０２が、Ｒ２　ｏ５としてはＮ鴫ｔ　０５
　、Ｔａ２　ｏ，，が用いられるが、これらのうちでＮ
ｂ２０５、Ｔｉ０２、ｃｅｏ２等はソーラリゼーション
防止剤としての機能を有しているので、５％を超える多
量の使用は溶解性を悪くするので好ましくないが、５％
以下の少量の場合は有用といえる。

この他に、Ａｓ２　０３　、Ｓｂ２　０３といった清澄
促進剤等については、ダメージフリーガラスの製造が目
的である以上、酸化一還元反応の顕著な成分は、溶融の
際にインクルージョンを発生し易すく品質が安定しない
ため使わない方が好ましい。

［実施例コ以下、実施例を挙げて、本発明のレーサーシステム用ガ
ラスについて説明するが、本発明はこれらの実施例に限
定されるものではない。

実施例１〜９表−１に示すようにＰ２　ｏ５、Ｒ２　０，ＲＯ、Ｒ２
　０３　、ＲＯ２、Ｒ２　０５を本発明で規定された重
量割合で十分に混合した。なお、ガラス原料中に遷移金
属等に代表される不純物が存在すると、レーザー発振波
長の１０５４ｎｍにおける減衰係数が大きくなってしま
うので、Ｐ２　０５　、Ｒ２　０、ＲＯ、Ｒ２　０．　
、ＲＯ２　、Ｒ２　ｏ５としては、試薬特級グレードの
高純度原料を使用した。

原料成分を混合した後、白金又はセラミックスルツボを
用いて、１０００〜１４００℃で溶解、清澄（脱泡）、
均質化のための充分な撹拌を行なった。その後、粘性調
整を行ない、予熱された型中に鋳込成型し、その後、精
密徐冷によって残留歪を除去し、実施例１〜９のガラス
を得た。

得られた実施例１〜９のガラスは、ハイパワーレーザー
システムと同程度のエネルギー密度（２〜１２　ｊｏｕ
ｌｅ／ｃｒＩ）をもつレーザー光を照射させた結果（ダ
メージテスト）、インクルージョンのない均質度の高い
ものであることが確認された。

Ｎｄイオンドープレーザーの発振波長は１０５４ｎｍで
あり、その１０５４ｎｍの屈折率（　ｎ１０５４）は１
．５０６８であるが、実施例１〜９のガラスも１０５４
ｎｍの屈折率（ｎ１ｏ５４）が１．５０６８±０．０３
であることが確認され、レーザーシステム全体の設計を
変更する必要がないことが明らかとなった。

以下余白［発明の効果］本発明によれば、ＢＫ７に代表される硼珪酸塩ガラスを
特定組成のリン酸塩ガラスにすることによって、従来問
題となっていたハイパワーレーザーによるガラス内部の
ダメージの起きないレーザーシステム用ガラスを得るこ
とが出来た。このガラスは、均質度の高い光学ガラスで
あり、ハイパ゛ワーレーザーシステムにおける偏光子用
ガラス、スペーシャルフィルター用レンズ、波長変換用
セル用ウィンドーガラス等の光学素子類に供するに充分
満足のいくものである。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）下記の成分を下記の重量％で含むことを特徴とす
るレーザーシステム用ガラス。成分：重量％Ｐ＿２Ｏ＿５：６０〜７５Ｒ＿２Ｏ：７〜１４ＲＯ：３〜１６Ｒ＿２Ｏ＿３：４〜１４ＲＯ＿２＋Ｒ＿２Ｏ＿５：０〜５（但しＲ＿２Ｏは、Ｌｉ＿２Ｏ、Ｎａ＿２Ｏ、Ｋ＿２Ｏ
から成るアルカリ金属酸化物の群から選択され、ＲＯは
、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯのアルカリ土類金属
酸化物、ＺｎＯおよびＰｂＯの群から選択され、Ｒ＿２
Ｏ＿３は、Ａｌ＿２Ｏ＿３、Ｌａ＿２Ｏ＿３、Ｙ＿２Ｏ
＿３、Ｇｄ＿２Ｏ＿３およびＢ＿２Ｏ＿３の群から選択
され、ＲＯ＿２は、ＺｒＯ＿２、ＴｉＯ＿２、ＳｉＯ＿
２およびＣｅＯ＿２の群から選択され、Ｒ＿２Ｏ＿５は
、Ｎｂ＿２Ｏ＿５およびＴａ＿２Ｏ＿５の群から選択さ
れる。）