JPS6326560B2

JPS6326560B2 -

Info

Publication number: JPS6326560B2
Application number: JP56020143A
Authority: JP
Inventors: Hirotaka Nakano
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1981-02-16
Filing date: 1981-02-16
Publication date: 1988-05-30
Also published as: JPS57134981A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、ヘリウム・ネオン・レーザ装置に関
し、さらに詳しくは6328Å線の出力を増大できる
ようにしたレーザ装置に関する。

ヘリウム・ネオン・レーザを波長6328Åで発振
させる場合、波長6328Åに対応する遷移はネオン
の3S₂から2P₄準位であるが、他方同一の上の準
位3S₂を共有して3P₄に遷移するレーザ発振が
3.39μｍに存在している。波長3.39μｍの発振は、
6328Åの発振よりもはるかに増幅利得が大きいた
め、両者は同一レーザ内でしばしば同時に発振
し、いわゆる競合現象を示し、6328Å線は単独で
発振する場合に比較して出力が低下する。この現
象は１ｍＷ級程度の出力が小さい場合には目立た
ないが５ｍＷ級以上の高出力のヘリウム・ネオ
ン・レーザ装置の場合には特に顕著になる。そこ
で従来波長3.39μｍにおける誘導放射を選択的に
阻止するため次のような手段がとられた。

(イ) 共振器内に3.39μｍに対して強い吸光度を示
し、6328Åに対しては透明度の高い気体、たと
えばメタンあるいはメタノール蒸気などを導入
する。

(ロ) 共振器内に損失の少ないプリズム等の分散素
子を導入し、その分散を利用して6328Åに対し
ては共振状態であり、3.39μｍに対しては非共
振状態を保つ。

(ハ) 放電管に沿つてフエライト磁石などをならべ
不均一磁界を生ぜしめ、これにより相対的に
3.39μｍ線の増幅利得を低下させる。

以上のように従来のものは特別の付加装置を設
けることが必要であり、高価となる。それ故6328
Åの波長での反射率を大きく、3.39μでの波長の
反射率を小さくとるようにレーザ・ミラーの分光
反射率特性を設計することが考えられるが、この
方法としては、従来特公昭50−37519に知られる
ものがある。即ちその発明の要旨は次の通りであ
る。

(1) 高反射側ミラーの多層膜構成をSub・｜
〔Ｈ・Ｌ〕¹²−Ｈ・6L｜Airの26層とする。ここ
でＨ、Ｌはそれぞれ光学的膜厚がλ₀／４の高屈
折率物質及び低屈折率物質であり、λ₀は中心波
長でλ₀＝6328Åである。一方出力側ミラーの多
層膜構成はSub・｜〔Ｈ・Ｌ〕⁶−Ｈ・L′｜Airの
14層である。ここで出力側ミラーのＨ、Ｌは、
光学的膜厚がλ′₀／４であり、λ′₀は中心波長で
λ′₀＝6700Åである。また最終層L′は光学的膜
厚が8475Åである。即ちL′5Lである。前記
高反射側ミラーと前記出力側ミラーとを有する
ヘリウム・ネオン・レーザ装置である。

(2) 高反射側ミラーの多層膜構成をSub・｜
〔Ｈ・Ｌ〕¹²・Ｈ・L′｜Airの26層とすると、こ
こでＨ、Ｌは、光学的膜厚がλ′₀／４であり、
λ′₀は中心波長で、λ′₀＝6700Åである。また最
終層L′は光学的膜厚が8475Åである。即ちL′
5Lである。前記高反射側ミラーと(1)に記載の
出力側ミラーとを有するヘリウム・ネオン・レ
ーザ装置である。

以上の(1)または(2)の多層膜構成のレーザ・ミラ
ーを用いて、6328Åの波長に於ける反射率を高
く、また3.39μの波長に於て反射率を低く抑えて
いる。

しかし、上述の多層膜構成によるレーザ・ミラ
ーには次に述べるような欠点がある。

(イ) 高反射側ミラーの層数が26層と非常に多く、
しかも最終層が6Lまたは5Lであるので、実質
は32層または31層であり、層数が多く、多層膜
の形成のための蒸着時間がかかり過ぎる。

(ロ) 出力側ミラーの層数が14層と、出力側ミラー
にしては層数が多く、しかも最終層L′が約5L
であるので、実質は19層である。これは、出力
側ミラーとしては層数が多過ぎて蒸着時間がか
かり過ぎる。

(ハ) 出力側ミラーの最終層L′の中心波長が、それ
以前の6328Åから6700Åに切り換つており、蒸
着中に中心波長の切り換えを行なわなければな
らない。これは、蒸着中の作業ミス発生につな
がるし、また切り換え作業も操作が多くかか
る。

本発明は上述の従来技術の不都合を解消するも
ので、高反射側ミラー及び出力側ミラーの層数が
従来より少なく、中心波長も各層とも同じくし
て、蒸着作業能率を上げ、しかも6328Åに於ける
反射率を高く、3.39μに於ける反射率を低く抑え
たレーザ・ミラーを有するヘリウム・ネオン・レ
ーザ管装置を提供するものである。即ち、レー
ザ・ミラーの分光反射率を波長6328Åに於て高
く、波長3.39μに於て低くとるため、高反射側ミ
ラーの多層膜が、高屈折率物質Ｈと低屈折率物質
Ｌの交互層の20層または22層より成り、基板側よ
り数えて最終層の物質の光学的膜厚がλ₀／２であ
り、他はすべてλ₀／４（λ₀は約6328Å）である構
成、即ちSub・｜〔Ｈ・Ｌ〕⁹・Ｈ・2L｜Airまたは
Sub・｜〔Ｈ・Ｌ〕¹⁰・Ｈ・2L｜Airであり、
（Sub・はガラス基板の意味）出力側ミラーの多
層膜構成が、高屈折率物質(H)と低屈折率物質(L)の
交互層を主体し、他にもう一種類、屈折率が1.70
から2.10の間の物質（Ｘ）を含む12層より成り、
最終層の物質の光学的膜厚がλ₀／２であり、他は
すべてλ₀／４（λ₀は約6328Å）である構成、即ち
Sub・｜〔Ｈ・Ｌ〕⁵・Ｘ・2L｜Airであることを特
徴とする２種類のレーザ・ミラーのうち少なくと
も１種類のレーザ・ミラーを有することを特徴と
するヘリウム・ネオン・レーザ装置である。

以下図面を用いて本発明の実施例を詳細に説明
する。

ヘリウム・ネオン・レーザ用ミラーは、第１図
に示すように透明基板１上に形成された高屈折率
物質(H)２と低屈折率物質(L)３の交互層を主体とし
た誘導体多層膜で構成されており、各層の光学的
膜厚はλ₀／４を標準とする。ここでλ₀はヘリウ
ム・ネオン・レーザの発振中心波長で、λ₀＝6328
Åである。誘電体多層膜としては、酸化セリウム
（CeO₂）と弗化マグネシウム（MgF₂）の系、硫
化亜鉛（ZnS）と弗化マグネシウムの系、硫化亜
鉛と氷晶石（Na₃AlF₆）の系あるいは、二酸化
チタン（TiO₂）と二酸化シリコン（SiO₂）の系
等が用いられるが、ここではハード・コートされ
た二酸化チタンと二酸化シリコンの系を例にとつ
て述べる。

実施例その１高反射側ミラー高反射側ミラーは、6328Åでの反射率を極力大
きくすることが望まれるが、通常99.9％以上の反
射率であれば実用的に問題なく使用される。透明
ガラス基板１上に形成された二酸化チタン（Ｔ）
と二酸化シリコン（Ｓ）の系から成り同一中心波
長を使用し、最終層の光学的膜厚がλ₀／２の構
成、即ち Sub.｜〔Ｔ・Ｓ〕ⁿ・Ｔ・2S｜Air ………(a) に於て、ｎを変えた場合の層数と、6328Åでの反
射率との関係を第２図に曲線４ａで、また3.39μ
での反射率の関係を４ｂで示す。尚、二酸化チタ
ン及び二酸化シリコンは基板加熱をしながら電子
ビームによつて蒸着されたものである。第２図に
於ける6328Åでの反射率の値は、標準のヘリウ
ム・ネオン・レーザ管によるパワー・メータでの
強度測定より得られる透過率の値から求めたもの
である。また3.39μでの反射率の値は、赤外分光
器により分光反射率を測定した値である。これよ
り、20層及び22層即ちｎ＝９及び10の時、3.39μ
の反射率が極小値３％の値が得られることがわか
る。またこの時の6328Åでの反射率は、約99.96
％及び99.97％であり、99.9％を上回つている。
第３図に、Sub.｜〔Ｔ・Ｓ〕¹⁰・Ｔ・2S｜Airの構
成の高反射側ミラーの分光透過率の一例を示す。
これは分光器により400nｍから800nｍの範囲の
透過率を測定したものである。第３図に於て、曲
線７ａは縦軸のフルスケールが100％で、曲線７
ｂは縦軸のフルスケールが10％での表示である。
これから6328Åでの透過率は殆ど零、即ち反射率
が殆んど100％であることがわかる。また第４図
に同じ高反射側ミラーの2.5μから50μの範囲の分
光反射率の一例を示す。これは赤外分光器により
反射率を測定したものである。これより、3.39μ
の反射率の値が３％であり、分光反射率曲線の極
値付近に来ていることがわかる。

実施例その２出力側ミラー出力側ミラーは、ヘリウム・ネオン・レーザ装
置内で発振した6328Åの光を一部取り出すため
6328Åでの透過率は通常1.1％から1.9％程度の範
囲のもの即ち反射率が98.1％から98.9％程度の範
囲のものが要求される。

前記実施例その１の構成(a)に於て、高出力側ミ
ラーより層数を減じ、10層、12層、14層即ちｎ＝
４、５、６として、出力側ミラーを形成すると、
6328Åでの反射率は第２図の曲線５ａの如く変化
する。また3.39μでの反射率は曲線５ｂの如く変
化する。これから、出力側ミラーとして使用し得
るもの即ち、6328Åの反射率が98.1％から98.9％
の範囲にあるものはｎ＝５つまり層数12層の場合
しか存在しないが、この時の3.39μでの反射率は
7.5％と大きな値となつてしまう。この欠点を解
決すべく、次の多層膜構成、 Sub.｜〔Ｔ・Ｓ〕ⁿ・Ｚ・2S｜Air ………(b) を採用した。ここでＺは酸化ジルコニウム
（ZrO₂）である。(b)の構成の層数と6328Åでの反
射率の関係を第２図の曲線６ａに示す。また同じ
く(b)の構成の層数と3.39μでの反射率の関係を第
２図の曲線６ｂに示す。これにより、出力側ミラ
ーとしてはｎ＝５の層数12層の場合が良好である
ことがわかる。即ち6328Åでの透過率は1.7％
（反射率が98.3％）であり、3.39μでの反射率は３
％と小さい値である。この場合の400nｍから
800nｍの範囲の分光反射率の測定結果の一例を
第５図に示す。第５図で曲線８ａは縦軸のフルス
ケールが100％で、曲線８ｂは同フルスケールが
10％での表示である。分光透過率の測定結果から
も6328Åでの透過率の値が約1.7％（反射率が
98.3％）であることがわかる。また同じ出力側ミ
ラーの2.5μから50μ迄の分光反射率の赤外分光器
による測定結果の一例を第６図に示す。3.39μで
反射率の値が３％であり、分光反射率曲線の反射
率の極小値付近に来ていることがわかる。

以上の実施例に述べた高反射側ミラー及び出力
側ミラーを用いて第７図に示すような５ｍＷ級の
高出力ヘリウム・ネオン・レーザ装置を作製す
る。第７図に於て、高反射ミラーは、透明基板１
１上に前記実施例その１の(a)の構成（ｎ＝10）の
多層膜１２を形成したものであり、出力側ミラー
は透明基板１３上に同じく(b)の構成（ｎ＝５）の
多層膜１４及び反射防止膜１５を形成したもので
ある。以上の高出力ヘリウム・ネオン・レーザ装
置は3.39μの波長の影響が無視出来るものである。

以上本発明の実施例は、二酸化チタンと二酸化
シリコンを主体とする誘電体多層膜の場合を例に
取り詳述したが、他の酸化セリウムとフツ化マグ
ネシウムの系、硫化亜鉛と弗化マグネシウムの系
に於てもそれぞれの物質の屈折率が二酸化チタン
と二酸化シリコンのそれに近いため、本発明が適
用されることはいうまでもない。そして本発明は
いずれのミラーも最終層がλ₀／２という比較的厚
い二酸化シリコンのような低屈折率の誘電体膜で
構成されており、このような誘電体膜は酸素との
結合が強いので長時間使用の間も還元を生じるこ
とがなく、この層により多層膜全体が保護され
る。因みに二酸化チタンなどは還元を生じやす
く、これが最終層を構成しているとレーザ装置の
長時間使用の間に徐々に還元されてその膜厚が減
少し、光学的特性が劣化してくる。この発明によ
ればこのような不都合が解消される。また、前述
のようにこの発明は出力側ミラーとしてその高屈
折率の誘電体層の１層に代えて酸化ジルコニウム
のような屈折率が1.7から2.1までの間の誘電体層
が介在されているので、この層は透明であり必要
な6328Åの成分を減衰させることなく3.39μｍの
成分の発振を抑制することができる。

また本発明の出力側ミラーの物質（Ｘ）とし
て、酸化ジルコニウムの場合を例に取り説明した
が、6328Åでの透過率が1.1％から1.9％の範囲に
あり、3.39μでの反射率を小さく抑えるためには、
酸化ジルコニウムの他に屈折率が1.70から2.10の
範囲にある物質、例えば酸化ランタン（La₂O₃）
等でも同様の効果がある。

すなわち高屈折率物質(H)の層は屈折率が2.1を
越える例えば二酸化チタン（屈折率約2.3）、酸化
セリウム（同約2.4）、あるいは硫化亜鉛（同約
2.35）のような材料からなり、低屈折率物質(L)の
層は屈折率が1.7未満の例えば二酸化シリコン
（屈折率1.46）、あるいはフツ化マグネシウム（同
約1.38）のような材料からなる。そして出力側ミ
ラーの多層膜は、高屈折率物質の１層の代りに中
間的な屈折率すなわち屈折率が1.7乃至2.1の範囲
にある例えば酸化ジルコニウム（屈折率約1.87）、
あるいは酸化ランタン（同約1.9）の１層を置き
かえた12層からなる。

また本発明では出力側ミラーの物質（Ｘ）の多
層膜中の位置として、酸化ジルコニウムが最終層
から数えて二番目にある場合につき述べたが、高
屈折率物質(H)に置き換わる位置ならどこでも良
く、例えば、Sub.｜Ｘ・Ｓ・〔Ｔ・Ｓ〕⁴・Ｔ・2S
｜AirあるいはSub.｜Ｔ・Ｓ・Ｘ・〔Ｓ・Ｔ〕⁴・
2S｜Airなどの構成でも良いことはもちろんであ
る。

また本発明では、高反射側ミラー及び出力側ミ
ラーの両方が、3.39μでの反射率を抑えた多層膜
構成である場合につき詳述したが、一方のミラー
だけに本発明のものを用いても半分ではあるが効
果があり、実際の５ｍＷ級高出力ヘリウム・ネオ
ン・レーザに使用出来ることを確認している。ま
た本発明は、高出力ヘリウム・ネオン・レーザ装
置のみならず、１ｍＷ級等の他のヘリウム・ネオ
ン・レーザ装置にも使用されることは言うまでも
ない。

【図面の簡単な説明】

第１図は一般のミラーの多層膜構成の概念図、
第２図は従来及び本発明の6328Åと3.39μの反射
率と層数との関係特性図、第３図は本発明の高反
射側ミラーの400nｍから800nｍの範囲の分光透
過率曲線、第４図は本発明の高反射側ミラーの
2.5μ以遠の分光反射率曲線、第５図は本発明の出
力側ミラーの400nｍから800nｍの範囲の分光透
過率曲線、第６図は本発明の出力側ミラーの2.5μ
以遠の分光反射率曲線、第７図はヘリウム・ネオ
ン・レーザ装置。１，１１，１３……透明基板、２……高屈折物
質、３……低屈折率物質、４ａ，５ａ，６ａ……
6328Åでの反射率、４ｂ，５ｂ，６ｂ……3.39μ
での反射率、１２……高反射側誘電体多層膜、１
４……出力側誘電体多層膜、１５……反射防止
膜。

Claims

【特許請求の範囲】１誘電体多層膜からなる下記構成の高反射側ミ
ラー(a)、および出力側ミラー(b)を備えてなるヘリ
ウム・ネオン・レーザ装置。ａ：高反射側ミラーは、屈折率が2.1を越える高
屈折率物質(H)と屈折率が1.7未満の低屈折率物
質(L)の交互層の20層または22層からなり、且つ
基板側から数えて最終層が低屈折率物質でその
光学的膜厚が約λ₀／２（λ₀は6328Å）で、他は
すべて約λ₀／４である誘電体多層膜からなる。ｂ：出力側ミラーは、屈折率が2.1を越える高屈
折率物質(H)と屈折率が1.7未満の低屈折率物質
(L)の交互層を主体とし、且つ前記高屈折率物質
(H)の１層の代りに屈折率が1.7から2.1の間の他
の誘電体物質（Ｘ）の１層が配置された12層か
らなるとともに、基板側から数えて最終層が低
屈折率物質でその光学的膜厚が約λ₀／２で、他
はすべて約λ₀／４である誘電体多層膜からな
る。２高屈折率物質(H)は二酸化チタンであり、低屈
折率物質(L)は二酸化シリコンであり、且つ屈折率
が1.7から2.1の間の誘電体物質（Ｘ）は酸化ジル
コニウムまたは酸化ランタンである特許請求の範
囲第１項記載のヘリウム・ネオン・レーザ装置。３屈折率が1.7から2.1の間の誘電体物質（Ｘ）
の層は、最終層から基板側に数えて２番目に位置
している特許請求の範囲第１項記載のヘリウム・
ネオン・レーザ装置。