JPS63116102A - 持に炭酸ガスレーザーと中間赤外線のための多層誘電鏡 - 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】 用語「中間赤外線１は、ここでは１から１２ミクロンの
間の波長を持つ光を意味する。そのような光は、高エネ
ルギー、即ち炭酸ガス（ＣＯ２）レーザーを生成するた
めに最も使用されるレーザーによって特に提供される。

炭酸ガスレーザー用の鏡は、１０．６ミクロンの近傍の
波長で放出される放射線を反射せねばならない。そのよ
うな鏡の反射面は、高反射率、 パワー密度に耐える高限界、 優れた機械的硬度、及び、 外的化学的侵食に対する充分な抵抗力、のような性質を
できる限り備えていなくてはならない。

残念なことに、従来用いられている通常の材料では、こ
れらの性質の全てを同時に獲得することは可能ではない
。

１１へ１１ 本技術の現状は、更に明確には、鏡として使用される銅
、モリブデン又はステンレススチールのような磨かれた
金属表面は、赤外線を反射するが、所望の反射率が０．
９９５以上であるのに対して、所望の使用に対して充分
に高度な反射率を有することはない。これらの材料の反
射率は、問題にしている波長でそれぞれ、０．９９．０
６９８及び０，９０である。

これは、ｒ光学的材料におけるレーザーに誘発される損
傷」の題名でＮＢＳ特別出版物第４１４号に発表された
、Ｈａｎｇ、　Ｒｕｄｉｓｉｌｌ、Ｇｉｕｌｉａｎｏ、
Ｂｒａｕｎｓｔｅｉｎａｎｄ　Ｂｒａｕｎｓｔｅｉｎに
よる記事ｒ窓、反射体及び被覆内のパルスＣＯ２レーザ
ーによる損傷」かられかβであろう、上記三つの材料は
、充分な高出力性能を有しているが、銅は柔軟な材料で
あり、この点では不充分な機械的強度を有する。

反射率は、金属支持体上に銀又は金の層を設置すること
によって増加される。赤外線中では、これら二つの金属
はより高い反射率（０，９９３及び０．９８８）を持ち
、且つそれらの高出力しきい値は高い。このような表面
を作成するために使用される最も一般的な方法には、真
空蒸着又はカソードスパッタが包含される。これらの金
属を用いる別の長所は、非金属材料がその場合支持体と
して使用し得るということにある０例え峻シリコンにつ
いて言えば、シリコンは反射率が小さいけれども（Ｒ＝
０．３０）、堆積した金属層の厚さが、その層が固体で
あると見なされる層に充分である厚さであるならば、使
用可能になる。この状態は、層の厚さがほぼ波長の百分
の−の数倍である時に達成される。厚さ１５０　ｎ　＋
ｎはたいてい充分な厚さである。しかし銀は硫黄に対し
ては非常に高い親和性を有するので、環境の中で化学的
耐性に乏しい。加えて金も銀も機械的特性を備えるのに
充分な硬度はない。

現状使用されている反射率を増加させる通常の方法は、
高い指数ｎＨと低い指数ｎＢと含交互に誼いた堆積誘電
体層を作成することであって、すでに金又は銀で覆われ
た支持体上の光学的厚さｎ■Ｃｕ及びｎＢｅＢ（ｅａ及
びｅａは層の幾何学的厚さを示す）は、波長の四分の−
又はその近傍である。複合指数ｎ−１ｋ（ｉ２＝−１、
ｎはその屈折率、ｋはその消光率）に関して金属層の反
射率は、関係 ｎ Ｒ＝１−□ （１＋ｎ）２＋に２ で与えられる。

２ｐ透明誘電堆積層、即ちほぼゼロの消光率を有する層
を用いて、反射率は金ｒＸｒｒＪ上に堆積した指数ｎＢ
の層と共に、値 ４ｑｎ　　　　、　　　。−−ｆ腎＼２ｐｐ　エ　１−
　□ に増加する０反射率を所与の数の層を用いて可能な限り
高くするためには、低指数の材料の指数はできる限り小
さく、高指数の材料の指数はできる限り高くするのが望
ましい。

実際、誘電体は少なくとも少量は常に吸収する（誘電体
の消光率ｋｌＩ及びに、は正確にはゼロではない）、限
界反射率は、層の数は無限に増加するので、最早１では
なくて、コペルマン（Ｋｏｐｐｅｌｍａｎｎ）によって
与えられる限界値 へ向かう。従って、高反射率の値を得るためには、選択
された材料が少ししか吸収しない（ｋＩｌ及びｋＢが数
１０−４より大きくない）ことが必要であることが判明
する。

具体例では、第１図は、真空蒸着によってその上に連続
的に堆積したモリブデン支持体１１上に作成された堆積
物を示し、堆積物は銀層１２と、続いて二組の四分の一
波長層であって、各組は指数１．３５を有する一つのフ
ッ化トリウム層（１３又は１５）及び、指数２．２を有
する一つの硫化亜鉛層（１４又は１６）とから成る層と
を包含する。この種の被覆は反射率０．９９６を有し、
且つ高パワー性能限界は高い、しかし波長１０．６ミク
ロンの近傍で透過である材料の大部分が非常に堅いとい
うわけではないので、最終的な堆積物は不適当な機械的
特性を有する。

〒つの改良が、フッ化￥ＩＩＪ（ＭｇＦｚ、ＴｈＦ、、
ＣｅＦ　、又はＬａＦｓ）又は酸化物（ＴｉＯｚ、Ｚｒ
Ｏ２、ＣｅＯ２、Ｉｔ　ｒ　Ｏ２、Ｙ２Ｏｆｆ）のよう
な保護誘電材料の薄くて堅い層を、銀若しくは金の上、
又は堆積誘電体層の上に堆積することによってなされる
。このような条件下では、堆積物又は金若しくは銀は、
機械的にら化学的にもよく保護される。しがし二つの主
要な欠点が残る。

第一の欠点は、機械的及び化学的保護が必然的に反射率
を小さくすることである。この減少は、選択された保護
材料の指数の増加と、保護層の厚さの増加と、そこへの
赤外線の吸収の増加とに伴って大きくなる。

第二の欠点は、堆積誘電体層の構造が、柱状に分布する
孔を通常包含することである。これらの孔は、製造工程
に特有のものであり、堆積物だ空気中にてかれた時には
水蒸気で充たされて、外的因子に対する有効な化学的保
護を獲得するのを阻害する。この問題は、０ｐｔｉｃａ
ｌ　５ｏｃｉｅｔｙ　ｏｆＡｍｅｒｉｃａ、Ｎｅｗ　Ｙ
ｏｒｋ、　ＵＳ発行の１９７９年９月１日付応用光学第
１８巻第１７号の２９７９〜２９８９頁に掲載された＾
、Ｍ、Ｌｅｄｇｅｒによる記事ｒ不均賀界面し−ザー鏡
被覆ｊに記述されている。

別の保護層が、高硬度（３０００に＆／＋１１１１１２
）及び極少多孔度を有する炭素のような非結晶材料を使
用して獲得され得る。しかし層の残留吸収が与えられた
材料を用いて充分な反射率及び、そのような使用条件に
は大きすぎる（ｎは約１．８）屈折率を獲得することは
可能ではない、この問題には、ｆＴｈｉｎＳｏｌｉｄ　
ｆｉ１ｍｓＪ６３（１９７９年）の１５５〜１（３０頁
に記載された、Ｌ、Ｐ、＾ｎｄｅｒｓｓｏｎ、　Ｓ、Ｂ
ｅｒｇ、　Ｈ，Ｎｏｒｓ’ｔｏｍ。

Ｒ，０１ａｉｓｏｎ、　Ｓ、Ｔｏｗｔａによるｒ炭化水
素ガスのＲＦグロー放電によるダイヤモンド状炭素フィ
ルムの特性と被覆速度」が参照できる。

光学的性質と保護性買とを両立させるという上記問題は
、現状では特に中間赤外線放射線の前に現れているが、
将来的にはスペクトルの別の部分にも生じるであろうこ
とは明白である。

本発明は、特に、機械的攻撃に対しての充分な保護と、
炭酸ガスレーザー鏡の要求された高反射率とを同時に獲
得することを可能にする堆ＶＬ層を提供するという目的
を有する。

別の目的は、空気中の作用物に対する充分な保護及び炭
酸ガスパワーレーザーによって生成されるような光束に
超高出力限界を提供することである。

１朋ｍ 本発明は、特に炭酸ガスレーザーからの光の、特に中間
赤外線中の光を反射するための多層誘電鏡を提供し、前
記鏡が基体と前記基体上の反射器とから成り、前記反射
器が基体から相互に連続して堆積した四分の一波長層か
らできており、前記層が基本的には前記反射すべき光に
対して低吸収を有する低吸収誘電材料により構成されて
おり、低屈折率と高屈折率とを交互に有して、且つ高指
数を有する最後の層で終わり、前記層の各々が、前記鏡
に高反射率を与えるために、前記光の四分の一波長に近
い光学的な厚さを有している反射器であり、また前記鏡
が、前記高指数誘電材料よりも高い硬度を有する保護誘
電材料によって構成される保護表面層を包含し、更に前
記鏡は、前記高指数の四分の一波長層の少なくとも最後
の層が合成層であって、該合成層が、その光学的厚さが
前記合成層の光学的厚さの大部分を占め、且つ低吸収及
び高屈折率を有する前記誘電材料の一つによって構成さ
れる基底層と、前記保護表面層とから成り、該表面層は
その光学的厚さが前記合成層の光学的厚さの小部分であ
り、且つ前記高指数及び低吸収誘電材料よりも高い屈折
率を有し、従ってもし前記光に対する前記保護材料の吸
収が前記低吸収誘電材料の吸収よりもやや大きい場合で
も、増加した反射率と、少なくとも堆積物に対する機械
的保護とを同時に獲得するように構成されていることを
特徴とする。

本発明によれば、前記保護材料は非結晶構造を有してお
り、更に特定すれば非結晶水素化シリコンで構成される
のが望ましい、この時の水素のτＩ合は、モルで測定す
ると、５％から２０％の間が望ましい。

しかし、有利さでは劣るように見えるが、別の材料を使
用することも考えられる０例えば非結晶ゲルマニウム、
非結晶ゲルマニウム−シリコン合金、非結晶炭素−シリ
コン等である。

非結晶水素化シリコンは、近赤外線、即ち波長１．０６
ミクロンの近傍で多層鏡中に高指数の四分の一波長の厚
さの層を作成するためにすでに提示されている。非結晶
水素化シリコンは高屈折率（ｎｓ＋は約３）を有する。

この間通には、ｒＯｐｔｉｃａｌ　ｔｈｉｎｒ　ｉ　１
１１１！３Ｊ　（１９８２年）ＳＰＩＥ第３２５巻の１
０５〜１１６頁、Ｗ、Ｔ、ｒ’ａｗｌｅｗｉｃｚ、　Ｐ
、Ｍ、Ｍａｒｔｉｎ、　Ｄ、Ｄ、Ｈａｙｓ及びｒ、Ｂ、
Ｍａｎｎによる記事１反応性スパッタ光学的薄膜におけ
る最近の改良１が参照できる。

しかし、中間赤外線においては、その消光率ｋｓｌはか
なり高い（約１ｏ−２＞ので、その吸収率は高すぎて、
約四分の一波長の厚さを有する層として使用できない、
その高指数に加えて、この材料は顕著な特性として、非
結晶性質に因る極めて少ない多孔度と、極めて高い硬度
及び多くの化学的作用物に関して高度な不活性性とを有
する。

本発明の内容において、これが、非結晶水素化シリコン
層と、公知の種類であるが厚さを低減した高指数層とに
よって構成される出来上がりの合成層と共に、なぜ高指
数被覆が堆積されるべき最後の層上に施されるかの理由
である。

この合成層の全光学的厚さは、四分の一波長に近い、最
後の堆積層である非結晶シリコン層は空気と接触して、
光学的活性層及び保護層の双方の役割を果たす。

実際、ＺｎＳ又はＺｎ５ｅのような公知の高指数材料は
、例えばシリコンよりも小さい屈折率及び消光率を有す
る。これらの高指数材料を使用すれば、理論的計算値及
び実験は、反射率が非結晶水素化シリコンの存在によっ
てそれ程小さくならないばかりでなく、シリコンの最適
な厚さと、高指数材料が単独で使用されたならば持った
であろう値よりも高い値の反射率を与える公知の高指数
材料とが存在することを示す、換言すれば、最後の層に
シリコンを用いることで反射率を増加させることができ
る。この増加は、シリコンの厚さが小さいので、その吸
収が制限されていることに当然のこと関係する。

本発明の具体例を、非限定的な具体例によって、添付の
図面を参照しながら更に詳細を説明する。

記述した部品は、同じ技術的ｖ１能を提供する別の部品
で置き換えられ得るいうことが認識されるべきである。

λ皮１ 非結晶シリコンはエレクトロニクス及び光電池エネルギ
ー変換の分解で公知の材料である。この件に関しては、
Ｉ’ｈｉｌｏｓｏｐ）＋１ｃａｌ　Ｍａｇａｚｉｎｅの
１９７９年第３３巻第６号の９３５〜９４９頁、５ｐｅ
ａｒ及びＬｅｃｏｍｂｅｒによるｊ、７換ドープ非結晶
Ｓｉ及びＧｅの電子的特性」が参照できる。

カソードスパッタ、イオンビーム噴射、及びＤＣ又は高
周波プラズマに援助された気相化学分解のような各梯方
法を用いて堆積される。

最も一般的な方法は高周波プラズマに援助された気相化
学分解であり、第２図による具体例によって説明しであ
る０反応炉は包囲体２１によって構成されており、包囲
体２１の中は、真空ポンプ２２によって減圧されており
、抵抗２７によって加熱され得るアノード２６と、接続
モジュール２５を介して高周波発振器２４に接続された
カソード２３とを有する。ガス状混合物が円筒に入った
シラン（Ｓｉ１１．）２８から作られ、それに水素２９
又は別の搬送ガス２１０が任意に混合される。流量計２
１１を介してガス状混合物は反応炉に搬送される。ガス
状混合物はカソードに与えられた高周波パワーによって
生成されたプラズマ中で分解する０反応生成物は基体２
１２上に堆積して、非結晶シリコンによって構成される
薄膜フィルムを形成し、この中では破壊された１ヒ学的
結合が水素によって補償されている。このフィルムの特
性は、基体の温度と、それが占有していた位置（アノー
ド上が又はカソード上が）と、圧力及び各種ガスの流速
と、投射された高周波パワーとに依穿する。

次の具体例では、本発明に従って作成された堆積物を記
述する。第３図はモリブデン基体３１があって、その上
に厚さ１５０　ｎ　＋ｎの銀層３２を有し、且つ厚さｃ
＋＝１．９６ミクロンのフッ化トリウムの低指数π３３
と、原さｅ２＝１．１３ミクロンのセレン化亜鉛Ｚｎ５
ｅの高指数眉３４と、層３３と類似のフッ化トリウムの
７１３５と、合成Ｊｌ！１３６とで覆われる０合成層は
、厚さｅ＝０．９９５ミクロンのセレン化亜鉛の高指数
基底層３７と、厚さ０．１０ミクロンの非結晶水素化シ
リコンの表面層３８とから成る１合成層の光学的厚さは
四分の一波長、即ち１０．６ミクロンの波長を使用する
ための２．６５ミクロンに等しい、銀、ＴｂＦ、及びＺ
ｎ５ｅの層は真空蒸着によって堆積されて、非結晶シリ
コン層は上記具体例に記述した方法を用いて堆積される
。

このような被覆は０．９９７５に等しい反射率を有し、
且つレーザービーム中に充分な高出力性能をも有する。

比較すると、もし最後の層がＺｎ５ｃの四分の一波長の
層であるならば、反射率はたった０、９９７であろうし
、機械的特性及び化学的作用物に対する抵抗は劣るであ
ろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は上記の従来の技術による鏡の断面図、第２図は
本発明による保護層を形成するための堆積装置のブロッ
ク図、第３図は本発明による鏡の図である。 １１．３１・・・モリブデン基体、１２．３２・・・銀
層、１３゜１５．３３．３５・・・フッ化トリウム層、
１４．１６・・・硫化亜鉛層、２１・・・包囲体、２２
・・・真空ポンプ、２３・・・カソード、２４・・・高
周波発振器、２５・・・接続モジュール、２７・・・抵
抗、２８・・・シラン、２９・・・水素、２１０・・・
搬送ガス、２１１・・・流量計、２１２・・・基体、３
４．３７・・・セレン化亜鉛層、３６・・・合成層、３
８・・・非結晶水素化シリコン層。 ＦＩＧ、１

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）特に炭酸ガスレーザーからの光の、特に中間赤外
   線中の光を反射するための多層誘電鏡であって、前記鏡
   が基体と前記基体上の反射器とから成り、前記反射器が
   基体から相互に連続して堆積した四分の一波長層からで
   きており、前記層が基本的には前記反射すべき光に対し
   て低吸収を有する低吸収誘電材料により構成されており
   、低屈折率と高屈折率とを交互に有して、且つ高指数を
   有する最後の層で終わり、前記層の各々が、前記鏡に高
   反射率を与えるために、前記光の四分の一波長に近い光
   学的な厚さを有している反射器であり、また前記鏡が、
   前記高指数誘電材料よりも高い硬度を有する保護誘電材
   料によって構成される保護表面層を包含し、更に前記鏡
   は、前記高指数の四分の一波長層の少なくとも最後の層
   が合成層であって、該合成層が、その光学的厚さが前記
   合成層の光学的厚さの大部分を占め、且つ低吸収及び高
   屈折率を有する前記誘電材料の一つによつて構成される
   基底層と、前記保護表面層とから成り、該表面層はその
   光学的厚さが前記合成層の光学的厚さの小部分であり、
   且つ前記高指数及び低吸収誘電材料よりも高い屈折率を
   有し、従ってもし前記光に対する前記保護材料の吸収が
   前記低吸収誘電材料の吸収よりもやや大きい場合でも、
   増加した反射率と、少なくとも堆積物に対する機械的保
   護とを同時に獲得するように構成された鏡。
2. （２）前記保護材料が非結晶構造であり、前記光に対す
   るその吸収が、前記低吸収誘電材料の吸収よりも実際に
   やや大きい特許請求の範囲第１項に記載の鏡。
3. （３）前記保護材料が非結晶水素化シリコンである特許
   請求の範囲第２項に記載の鏡。
4. （４）前記基体と前記四分の一波長の堆積層との間に反
   射金属層を更に包含して、前記四分の一波長の層の最初
   の層が低指数層である特許請求の範囲第１項に記載の鏡
   。