JPWO2017195603A1 - 光学部品及びレーザ加工機 - Google Patents
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Abstract
Ｇｅ基板の少なくとも片面に、該Ｇｅ基板側から、フッ化物膜、Ｇｅ膜及びダイヤモンドライクカーボン膜（ＤＬＣ膜）がこの順に積層されたことを特徴とする光学部品である。フッ化物膜の膜厚は５００ｎｍ〜９５０ｎｍであることが好ましく、Ｇｅ膜の膜厚は５０ｎｍ〜１５０ｎｍであることが好ましく、ＤＬＣ膜の膜厚は５０ｎｍ〜３００ｎｍであることが好ましい。フッ化物膜は、ＹＦ3、ＹｂＦ3及びＭｇＦ2からなる群から選択される少なくとも一種からなることが好ましい。
Description
本発明は、光学部品及びそれを搭載したレーザ加工機に関するものである。
波長９μｍ〜１１μｍで発振されるＣＯ2レーザは、高出力発振が可能であることや樹脂における吸収率が高いことから、スマートフォンに代表される電子デバイスに内蔵されたプリント配線板への穴あけ加工に用いられる。
穴あけ加工用のレーザ加工機では、集光レンズが加工エリアの上方に設置されているため、加工時に発生する樹脂の蒸気、樹脂スパッタや銅スパッタ等により集光レンズに汚れが付着するという問題がある。従来、これを防止するため、保護ウィンドウ（保護窓）と呼ばれる光学部品が集光レンズと被加工物との間に配置され、集光レンズの損傷・劣化を防止している。保護ウィンドウに要求される主な性能は、赤外光であるＣＯ2レーザに対して高透過性であること及び付着した粉塵やスパッタ等の拭き取りに耐える耐摩耗性を有することである。
特許文献１には、ＺｎＳ製基板の表面側に、基板面から順に、第１のＹ2Ｏ3層、ＹＦ3層、第２のＹ2Ｏ3層及びダイヤモンド状炭素層が積層されている赤外線透過構造体、並びにＺｎＳ製基板の表面側に、基板面から順に、厚さ１０〜２００ｎｍのＺｎＳ、Ａｌ2Ｏ3、Ｙ2Ｏ3のいずれか１層、厚さ１００〜７５０ｎｍのＧｅ層、厚さ５００〜２０００ｎｍのダイヤモンド状炭素層が積層されている赤外線透過構造体が提案されている。
特許文献１では、それまでの赤外線透過構造体に比べ、優れた耐衝撃性と耐久性を有し、しかも耐剥離性と透過率が優れた赤外線透過構造体を実現したとされる。
しかしながら、特許文献１で提案される赤外線透過構造体は、最表層にダイヤモンド状炭素層が形成されているので耐摩耗性が良好なものの、レーザ加工機の光学部品として用いた場合に十分な光学性能が得られないという問題があった。このような光学部品を搭載したレーザ加工機にてレーザ加工を実施する場合、光学部品が赤外光を吸収することでＺｎＳ製基板に温度分布が発生し、熱レンズ効果と呼ばれるレーザの伝送精度の低下が生じる。特に、光学部品を保護ウィンドウとして搭載した穴あけ加工用のレーザ加工機では、光学部品が赤外光を吸収することで熱レンズ効果が発生し、所望の穴位置及び穴形状の加工が実現できなくなり、規格外の不良品が生じるという問題があった。穴あけ加工用のレーザ加工機では、このような問題を防止するために、レーザ加工の速度を制限して必要な加工精度を実現しているが、加工速度の制限により、生産性が低下してしまう。
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、ＣＯ2レーザ光に対して高い透過率を有し且つ耐摩耗性に優れる光学部品を提供することを目的としている。
本発明は、Ｇｅ基板の少なくとも片面に、該Ｇｅ基板側から、フッ化物膜、Ｇｅ膜及びダイヤモンドライクカーボン膜（ＤＬＣ膜）がこの順に積層されたことを特徴とする光学部品である。
本発明によれば、ＣＯ2レーザ光に対して高い透過率を有し且つ耐摩耗性に優れる光学部品を提供することができる。また、本発明の光学部品を搭載したレーザ加工機は、高速加工時においても高精度な加工が可能である。
実施の形態１．
本発明の実施の形態１に係る光学部品は、Ｇｅ基板の少なくとも片面に、該Ｇｅ基板側から、フッ化物膜、Ｇｅ膜及びダイヤモンドライクカーボン膜（ＤＬＣ膜）がこの順に積層されたことを特徴とするものである。
本発明の実施の形態１に係る光学部品は、Ｇｅ基板の少なくとも片面に、該Ｇｅ基板側から、フッ化物膜、Ｇｅ膜及びダイヤモンドライクカーボン膜（ＤＬＣ膜）がこの順に積層されたことを特徴とするものである。
図１は、実施の形態１に係る光学部品の構成を示す模式断面図である。図１に示されるように、光学部品は、Ｇｅ基板１０上に積層されたフッ化物膜１１と、フッ化物膜１１上に積層されたＧｅ膜１２と、Ｇｅ膜１２上に積層されたＤＬＣ膜１３とからなる多層膜１４がＧｅ基板１０の両面に設けられている。図２は、実施の形態１に係る光学部品の別の構成を示す模式断面図である。図２に示されるように、光学部品は、Ｇｅ基板１０上に積層されたフッ化物膜１１と、フッ化物膜１１上に積層されたＧｅ膜１２と、Ｇｅ膜１２上に積層されたＤＬＣ膜１３とからなる多層膜１４がＧｅ基板１０の一方の面に設けられ、多層膜１４とは異なる反射防止膜１５がＧｅ基板１０の他方の面に設けられている。
特許文献１の光学部品では、ＺｎＳを基板としているが、熱伝導率の低いＺｎＳを基板として用いると、レーザ加工を連続的に行う際に、基板に温度分布が生じてしまう。このような温度分布が生じると熱レンズ効果により、加工精度が低下するため、ＺｎＳはレーザ加工機用光学部品の基板としてふさわしくない。
そこで、本発明の光学部品では、熱伝導率が高いＧｅを基板に用いている。Ｇｅ基板１０には、光学性能や機械特性に影響が出なければ、Ｇｅ以外の元素がドープされていてもよい。また、Ｇｅ基板１０の形状は限定されるものではないが、例えばレーザ加工機用保護ウィンドウとしては、８０ｍｍ〜１４０ｍｍの直径及び２ｍｍ〜１０ｍｍの厚さを有する円板であることが好ましい。
そこで、本発明の光学部品では、熱伝導率が高いＧｅを基板に用いている。Ｇｅ基板１０には、光学性能や機械特性に影響が出なければ、Ｇｅ以外の元素がドープされていてもよい。また、Ｇｅ基板１０の形状は限定されるものではないが、例えばレーザ加工機用保護ウィンドウとしては、８０ｍｍ〜１４０ｍｍの直径及び２ｍｍ〜１０ｍｍの厚さを有する円板であることが好ましい。
Ｇｅ基板１０上に積層されたフッ化物膜１１は、例えばＹＦ3、ＹｂＦ3、ＭｇＦ2、ＢａＦ2、ＣａＦ2などのフッ化物のうち少なくとも一種を含むものであればよく、赤外領域での透過性に優れるという点から、ＹＦ3、ＹｂＦ3及びＭｇＦ2からなる群から選択される少なくとも一種からなることが好ましい。
フッ化物膜１１は、膜厚が大きくなると引張応力が大きくなるため、膜厚が大き過ぎると、フッ化物膜１１の成膜中にクラックが生じるなど膜の損傷が起こり、膜の密着性を確保することが困難になることがある。一方、フッ化物膜１１の膜厚が小さくなり過ぎると、反射防止効果が得られ難くなり、赤外光の透過率が低下することがある。膜の密着性を確保しつつ、赤外光に対して高い透過率を実現するという点から、フッ化物膜１１の膜厚は、５００ｎｍ〜９５０ｎｍの膜厚であることが好ましい。
フッ化物膜１１上に積層されたＧｅ膜１２は、ＤＬＣ膜１３との付着性が良いため、Ｇｅ膜１２を設けることでＤＬＣ膜１３の密着性を確保することができる。圧縮応力を有するＤＬＣ膜１３と、引張応力を有するフッ化物膜１１との間にＧｅ膜１２を配置することで、多層膜１４全体における応力の均衡が保たれ、付着力が弱い界面であるフッ化物膜１１とＧｅ膜１２との間及びフッ化物膜１１とＧｅ基板１０との間に負荷を与えることを防止する。
Ｇｅ膜１２の膜厚が大き過ぎると、多層膜１４全体における応力の均衡を保つことが難しくなり、フッ化物膜１１とＧｅ膜１２との間及びフッ化物膜１１とＧｅ基板１０との間で剥離が生じ易くなる。一方、Ｇｅ膜１２の膜厚が小さくなり過ぎると、反射防止効果が得られ難くなり、赤外光の透過率が低下することがある。膜の密着性を確保しつつ、赤外光に対して高い透過率を実現するという点から、Ｇｅ膜１２の膜厚は、５０ｎｍ〜１５０ｎｍであることが好ましく、１００ｎｍ〜１３０ｎｍであることがより好ましい。
Ｇｅ膜１２上に積層されたＤＬＣ膜１３は、物質としての安定性が高く且つ他材料との反応性が低いダイヤモンドライクカーボンからなる。このようなＤＬＣ膜１３を光学部材の最表面に設けることで、プリント基板等の穴あけ加工時に発生する粉塵やスパッタにより、膜が損傷・腐食するのを防止することができる。更に、ダイヤモンドライクカーボンは高い硬度を有しており且つダイヤモンドライクカーボンに対するスパッタの付着力が弱いことから、キズの発生を気にせずに光学部材をクリーニングしてスパッタを容易に除去することができ、光学部品を簡単に再生・再利用することができる。
ＤＬＣ膜１３の膜厚が大き過ぎると、ＤＬＣ膜１３による赤外光の吸収が大きくなり、赤外光の透過率が低下する上に、圧縮応力が大きくなり、膜の密着力も低下することがある。一方、ＤＬＣ膜１３の膜厚が小さくなり過ぎると、摩耗時にＤＬＣ膜１３の下地の影響を受けてＤＬＣ膜１３本来の耐摩耗性を発揮することができなくなることがある。これらの点を考慮すると、ＤＬＣ膜１３の膜厚は、５０ｎｍ〜３００ｎｍであることが好ましい。
多層膜１４の光学性能や機械特性に影響が出なければ、上記した各膜には他元素がドープされていてもよく、また、上記した膜以外の薄膜が形成されていてもよい。
反射防止膜１５は、限定されるものではないが、例えば、Ｇｅ基板１０側から６００ｎｍ〜８００ｎｍの膜厚を有するＹＦ3膜、１１０ｎｍ〜１８０ｎｍの膜厚を有するＧｅ膜及び５０ｎｍ〜８００ｎｍの膜厚を有するＭｇＦ2膜がこの順に積層されたものである。このような反射防止膜１５を、レーザ光の入射面となるＧｅ基板１０の一方の面に設けることで、多層膜１４をＧｅ基板１０の両面に設けた場合よりも、波長９．３μｍ又は波長１０．６μｍにおける透過率を向上させることができる。
本発明の光学部品における多層膜１４及び反射防止膜１５の形成方法としては、Ｇｅ基板１０上に膜を形成できる手法であれば、その種別を問わない。一般的に知られた成膜手法としては、真空蒸着法、スパッタリング法等の物理的蒸着法（ＰＶＤ法）、プラズマＣＶＤ法等の化学的蒸着法（ＣＶＤ法）が挙げられる。本発明では、複数の材料を用いて成膜を行う場合の生産効率に優れるという点から、フッ化物膜１１、Ｇｅ膜１２及び反射防止膜１５を真空蒸着法で形成することが好ましい。また、本発明では、膜の組成や厚みを精度よく調節できるという点から、ＤＬＣ膜１３をプラズマＣＶＤ法で形成することが好ましい。
実施の形態１によれば、波長９μｍ〜１１μｍのＣＯ2レーザ光に対して高い透過率を有し且つ耐摩耗性に優れる光学部品を提供することができる。
実施の形態２．
実施の形態２に係る光学部品は、Ｇｅ基板の少なくとも片面に、該Ｇｅ基板側から、フッ化物膜、Ｇｅ膜及びＤＬＣ膜がこの順に積層されており、フッ化物膜及びＧｅ膜が露出することなくＤＬＣ膜で覆われていることを特徴とするものである。
実施の形態２に係る光学部品は、Ｇｅ基板の少なくとも片面に、該Ｇｅ基板側から、フッ化物膜、Ｇｅ膜及びＤＬＣ膜がこの順に積層されており、フッ化物膜及びＧｅ膜が露出することなくＤＬＣ膜で覆われていることを特徴とするものである。
図３は、実施の形態２に係る光学部品の構成を示す模式断面図である。図３に示されるように、光学部品は、Ｇｅ基板１０上に積層されたフッ化物膜１１と、フッ化物膜１１上に積層されたＧｅ膜１２と、フッ化物膜１１及びＧｅ膜１２が露出しないようにフッ化物膜１１及びＧｅ膜１２を覆うＤＬＣ膜１３とからなる多層膜２０がＧｅ基板１０の一方の面に設けられており、実施の形態１で説明した反射防止膜１５がＧｅ基板１０の他方の面に設けられている。図３では、Ｇｅ基板１０の一方の面に多層膜２０が設けられているが、Ｇｅ基板１０の両面に多層膜２０を設けてもよい。
Ｇｅ基板１０、フッ化物膜１１、Ｇｅ膜１２及び反射防止膜１５に関しては、実施の形態１で説明したのと同様であるので、それらの説明は省略する。
Ｇｅ膜１２の上面に形成されたＤＬＣ膜１３の膜厚は、実施の形態１と同様に、５０ｎｍ〜３００ｎｍであることが好ましい。フッ化物膜１１の側面及びＧｅ膜１２の側面に、フッ化物膜１１及びＧｅ膜１２が露出しないように形成されたＤＬＣ膜１３の膜厚は、フッ化物膜１１及びＧｅ膜１２が露出しない膜厚であればよい。このようなＤＬＣ膜１３は、マスクを用いてスパッタリング法で成膜する際にマスクの開口部の大きさを調整することにより形成することができる。光学部品におけるフッ化物膜１１及びＧｅ膜１２をＤＬＣ膜１３で覆うことにより、加工時に発生するガスに対して優れた耐腐食性を発揮することができる。
実施の形態２によれば、ＣＯ2レーザ光に対して高い透過率を有し、且つ耐摩耗性に優れると共に加工時に発生するガスによって腐食しない光学部品を提供することができる。
実施の形態３．
実施の形態３に係るレーザ加工機は、上記した実施の形態１又は２による光学部品を備えることを特徴とするものである。
実施の形態３に係るレーザ加工機は、上記した実施の形態１又は２による光学部品を備えることを特徴とするものである。
図４は、実施の形態３に係るレーザ加工機の構成を示す模式図である。図４に示されるように、レーザ加工機は、レーザ発振器３０と、レーザ発振器３０から出射されたレーザ光３１を集光する集光レンズ３２と、集光レンズ３２とプリント配線板等の被加工物３３との間のレーザ光３１の光路途中に配置された保護ウィンドウ３４とを備えおり、保護ウィンドウ３４として、上記した実施の形態１又は２による光学部品が用いられている。ここで、保護ウィンドウ３４は、実施の形態１で説明した多層膜１４又は実施の形態２で説明した多層膜２０が加工空間側（被加工物３３側）に向くように設置されている。なお、図４に示すレーザ加工機の構成は一例であり、レーザ発振器と光学系とから構成されるものであれば、この構成に限定されない。
このように構成されたレーザ加工機において、レーザ発振器３０から出射されたレーザ光３１は集光レンズ３２により集光され、保護ウィンドウ３４を透過した後、被加工物３３に照射されて、穴あけ加工が可能となる。
上記した実施の形態１又は２による光学部品はＣＯ2レーザ光に対して高い透過率を有するので、これを保護ウィンドウ３４として用いることによって、レーザの吸収が引き起こす熱レンズ効果を防止して、加工精度の低下を起こさずに高速加工できるレーザ加工機を実現することができる。また、保護ウィンドウ３４は、最表面にＤＬＣ膜１３が形成された多層膜１４，２０が加工空間側に向くように設置されているので、キズの発生を気にせずに長期使用により保護ウィンドウ３４の表面に付着した粉塵やスパッタを容易に除去することができる。一般的に、保護ウィンドウ３４は被加工物３３から約１００ｍｍ程度しか離すことができないため、保護ウィンドウ３４は加工時に大量のスパッタや粉塵に曝されることになる。実施の形態２で説明した光学部品は耐腐食性にも優れるので、これを保護ウィンドウ３４として用いることによって、レーザ加工機の光学部品の寿命を向上させることが可能である。
実施の形態３によれば、メンテナンス性が向上すると共に、加工精度の低下を起こさずに高速加工できるレーザ加工機を提供することができる。
以下、実施例及び比較例により本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらによって限定されるものではない。
［実施例１］
光学部品として、Ｇｅ基板の一方の面（レーザ光の出射面となる面）に多層膜（Ｇｅ基板側からＭｇＦ2膜（膜厚５００ｎｍ）／Ｇｅ膜（膜厚８０ｎｍ）／ＤＬＣ膜（膜厚５００ｎｍ））を形成し、他方の面（レーザ光の入射面となる面）に反射防止膜（Ｇｅ基板側からＹＦ3膜（膜厚６５０ｎｍ）／Ｇｅ膜（膜厚１３０ｎｍ）／ＭｇＦ2膜（膜厚２００ｎｍ））を形成したレーザ加工機用保護ウィンドウを作製した。Ｇｅ基板としては、直径９０ｍｍ及び厚さ５ｍｍの円板を使用した。多層膜を構成するＭｇＦ2膜及びＧｅ膜並びに反射防止膜は、真空蒸着法により形成し、多層膜を構成するＤＬＣ膜は、スパッタリング法により形成した。また、作製した光学部品の透過率は、フーリエ変換型赤外分光光度計を使用して評価した。
実施例１で作製した光学部品の構成は、ＤＬＣ膜（膜厚５００ｎｍ）／Ｇｅ膜（膜厚８０ｎｍ）／ＭｇＦ2膜（膜厚５００ｎｍ）／Ｇｅ基板（厚さ５ｍｍ）／ＹＦ3膜（膜厚６５０ｎｍ）／Ｇｅ膜（膜厚１３０ｎｍ）／ＭｇＦ2膜（膜厚２００ｎｍ）であった。
光学部品として、Ｇｅ基板の一方の面（レーザ光の出射面となる面）に多層膜（Ｇｅ基板側からＭｇＦ2膜（膜厚５００ｎｍ）／Ｇｅ膜（膜厚８０ｎｍ）／ＤＬＣ膜（膜厚５００ｎｍ））を形成し、他方の面（レーザ光の入射面となる面）に反射防止膜（Ｇｅ基板側からＹＦ3膜（膜厚６５０ｎｍ）／Ｇｅ膜（膜厚１３０ｎｍ）／ＭｇＦ2膜（膜厚２００ｎｍ））を形成したレーザ加工機用保護ウィンドウを作製した。Ｇｅ基板としては、直径９０ｍｍ及び厚さ５ｍｍの円板を使用した。多層膜を構成するＭｇＦ2膜及びＧｅ膜並びに反射防止膜は、真空蒸着法により形成し、多層膜を構成するＤＬＣ膜は、スパッタリング法により形成した。また、作製した光学部品の透過率は、フーリエ変換型赤外分光光度計を使用して評価した。
実施例１で作製した光学部品の構成は、ＤＬＣ膜（膜厚５００ｎｍ）／Ｇｅ膜（膜厚８０ｎｍ）／ＭｇＦ2膜（膜厚５００ｎｍ）／Ｇｅ基板（厚さ５ｍｍ）／ＹＦ3膜（膜厚６５０ｎｍ）／Ｇｅ膜（膜厚１３０ｎｍ）／ＭｇＦ2膜（膜厚２００ｎｍ）であった。
図５は、実施例１の光学部品における透過率の波長依存性を示す図である。図５から分かるように、実施例１の光学部品では、レーザ波長である９．３μｍにおいて、９７．２％の透過率を実現できた。これは、９７％以上の透過率を有することが望ましいレーザ加工機用保護ウィンドウとして、十分な光学性能である。
［実施例２］
光学部品として、Ｇｅ基板の一方の面（レーザ光の出射面となる面）に、Ｇｅ基板側から、ＭｇＦ2膜、Ｇｅ膜及びＤＬＣ膜をこの順に形成し且つＭｇＦ2膜及びＧｅ膜が露出することなくＤＬＣ膜で覆われていて、他方の面（レーザ光の入射面となる面）に反射防止膜（Ｇｅ基板側からＹＦ3膜（膜厚６５０ｎｍ）／Ｇｅ膜（膜厚１３０ｎｍ）／ＭｇＦ2膜（膜厚２００ｎｍ））を形成したレーザ加工機用保護ウィンドウを作製した。Ｇｅ基板としては、直径９０ｍｍ及び厚さ５ｍｍの円板を使用した。多層膜を構成するＭｇＦ2膜及びＧｅ膜は、真空蒸着法により形成し、多層膜を構成するＤＬＣ膜は、所定の開口部を有するマスクを用いてスパッタリング法により形成した。また、作製した光学部品の透過率は、フーリエ変換型赤外分光光度計を使用して評価した。
実施例２で作製した光学部品の構成は、ＤＬＣ膜（膜厚５００ｍｍ）／Ｇｅ膜（膜厚８０ｎｍ）／ＭｇＦ2膜（膜厚５００ｎｍ）／Ｇｅ基板（厚さ５ｍｍ）／ＹＦ3膜（膜厚６５０ｎｍ）／Ｇｅ膜（膜厚１３０ｎｍ）／ＭｇＦ2膜（膜厚２００ｎｍ）であった。
光学部品として、Ｇｅ基板の一方の面（レーザ光の出射面となる面）に、Ｇｅ基板側から、ＭｇＦ2膜、Ｇｅ膜及びＤＬＣ膜をこの順に形成し且つＭｇＦ2膜及びＧｅ膜が露出することなくＤＬＣ膜で覆われていて、他方の面（レーザ光の入射面となる面）に反射防止膜（Ｇｅ基板側からＹＦ3膜（膜厚６５０ｎｍ）／Ｇｅ膜（膜厚１３０ｎｍ）／ＭｇＦ2膜（膜厚２００ｎｍ））を形成したレーザ加工機用保護ウィンドウを作製した。Ｇｅ基板としては、直径９０ｍｍ及び厚さ５ｍｍの円板を使用した。多層膜を構成するＭｇＦ2膜及びＧｅ膜は、真空蒸着法により形成し、多層膜を構成するＤＬＣ膜は、所定の開口部を有するマスクを用いてスパッタリング法により形成した。また、作製した光学部品の透過率は、フーリエ変換型赤外分光光度計を使用して評価した。
実施例２で作製した光学部品の構成は、ＤＬＣ膜（膜厚５００ｍｍ）／Ｇｅ膜（膜厚８０ｎｍ）／ＭｇＦ2膜（膜厚５００ｎｍ）／Ｇｅ基板（厚さ５ｍｍ）／ＹＦ3膜（膜厚６５０ｎｍ）／Ｇｅ膜（膜厚１３０ｎｍ）／ＭｇＦ2膜（膜厚２００ｎｍ）であった。
実施例２の光学部品では、レーザ波長である９．３μｍにおいて、９７．２％の透過率を実現できた。これは、９７％以上の透過率を有することが望ましいレーザ加工機用保護ウィンドウとして、十分な光学性能である。
次に、実施例１及び２の光学部品について、「摩耗試験（１）（ＭＩＬ−Ｃ−６７５準拠ＳＥＶＥＲＥ ＡＢＲＡＳＩＯＮ）」及び「腐食試験（５０％に希釈した塩酸水溶液に１時間浸漬）」を実施した。結果を表１に示す。摩耗試験（１）後に、多層膜の剥離が生じなかった場合を○、多層膜の剥離が生じた場合を×とした。また、腐食試験後に、多層膜の剥離が生じなかった場合を○、多層膜の剥離が生じた場合を×とした。
表１に示されるように、実施例１及び２の光学部品では、摩耗試験（１）後に多層膜の剥離が生じることはなく、耐摩耗性に優れていた。また、腐食試験（１）の結果、実施例１の光学部品では、多層膜の剥離が生じたのに対して、実施例２の光学部品では、多層膜は剥離せず、多層膜の第３層目のＤＬＣ膜が第１層目のＭｇＦ2膜及び第２層目のＧｅ膜を露出なく覆うことで、腐食環境下での光学部品の寿命を向上させることができた。
［比較例１］
比較例１では、特許文献１に対応する光学部品の光学解析を実施した。
比較例１の光学部品の構成は、ＤＬＣ膜（膜厚３００ｎｍ）／Ｇｅ膜（膜厚３０ｎｍ）／Ｙ2Ｏ3膜（膜厚３０ｎｍ）／ＹＦ3膜（膜厚６００ｎｍ）／Ｙ2Ｏ3膜（膜厚３０ｎｍ）／ＺｎＳ基板（厚さ５ｍｍ）／Ｙ2Ｏ3膜（膜厚８０ｎｍ）／ＹＦ3膜（１３００ｎｍ）／ＭｇＦ2膜（膜厚４００ｎｍ）とした。
図６は、比較例１の光学部品について、光学薄膜設計ソフトＥｓｓｅｎｔｉａｌ Ｍａｃｌｅｏｄを使用して光学解析を実施した際の、透過率の波長依存性を示す図である。図６から分かるように、比較例１の光学部品では、レーザ波長である９．３μｍにおいて、９５％以下の透過率であった。この光学部品をレーザ加工機用保護ウィンドウとして適用した場合、熱レンズ効果が生じるため、高速加工時に加工精度が悪化するという問題が生じる。
比較例１では、特許文献１に対応する光学部品の光学解析を実施した。
比較例１の光学部品の構成は、ＤＬＣ膜（膜厚３００ｎｍ）／Ｇｅ膜（膜厚３０ｎｍ）／Ｙ2Ｏ3膜（膜厚３０ｎｍ）／ＹＦ3膜（膜厚６００ｎｍ）／Ｙ2Ｏ3膜（膜厚３０ｎｍ）／ＺｎＳ基板（厚さ５ｍｍ）／Ｙ2Ｏ3膜（膜厚８０ｎｍ）／ＹＦ3膜（１３００ｎｍ）／ＭｇＦ2膜（膜厚４００ｎｍ）とした。
図６は、比較例１の光学部品について、光学薄膜設計ソフトＥｓｓｅｎｔｉａｌ Ｍａｃｌｅｏｄを使用して光学解析を実施した際の、透過率の波長依存性を示す図である。図６から分かるように、比較例１の光学部品では、レーザ波長である９．３μｍにおいて、９５％以下の透過率であった。この光学部品をレーザ加工機用保護ウィンドウとして適用した場合、熱レンズ効果が生じるため、高速加工時に加工精度が悪化するという問題が生じる。
［実施例３］
光学部品として、Ｇｅ基板の両面に、多層膜（Ｇｅ基板側からＹＦ3膜（膜厚６６０ｎｍ）／Ｇｅ膜（膜厚１２０ｎｍ）／ＤＬＣ膜（膜厚８０ｎｍ））を形成したレーザ加工機用保護ウィンドウを作製した。Ｇｅ基板としては、直径１１０ｍｍ及び厚み５ｍｍの円板を使用した。多層膜を構成するＭｇＦ2膜及びＧｅ膜並びに反射防止膜は、真空蒸着法により形成し、多層膜を構成するＤＬＣ膜は、プラズマＣＶＤ法により形成した。また、作製した光学部品の透過率は、フーリエ変換型赤外分光光度計を使用して評価した。
実施例３で作製した光学部品の構成は、ＤＬＣ膜（膜厚８０ｎｍ）／Ｇｅ膜（膜厚１２０ｎｍ）／ＹＦ3膜（膜厚６６０ｎｍ）／Ｇｅ基板（厚さ５ｍｍ）／ＹＦ3膜（膜厚６６０ｎｍ）／Ｇｅ膜（膜厚１２０ｎｍ）／ＤＬＣ膜（膜厚８０ｎｍ）であった。
光学部品として、Ｇｅ基板の両面に、多層膜（Ｇｅ基板側からＹＦ3膜（膜厚６６０ｎｍ）／Ｇｅ膜（膜厚１２０ｎｍ）／ＤＬＣ膜（膜厚８０ｎｍ））を形成したレーザ加工機用保護ウィンドウを作製した。Ｇｅ基板としては、直径１１０ｍｍ及び厚み５ｍｍの円板を使用した。多層膜を構成するＭｇＦ2膜及びＧｅ膜並びに反射防止膜は、真空蒸着法により形成し、多層膜を構成するＤＬＣ膜は、プラズマＣＶＤ法により形成した。また、作製した光学部品の透過率は、フーリエ変換型赤外分光光度計を使用して評価した。
実施例３で作製した光学部品の構成は、ＤＬＣ膜（膜厚８０ｎｍ）／Ｇｅ膜（膜厚１２０ｎｍ）／ＹＦ3膜（膜厚６６０ｎｍ）／Ｇｅ基板（厚さ５ｍｍ）／ＹＦ3膜（膜厚６６０ｎｍ）／Ｇｅ膜（膜厚１２０ｎｍ）／ＤＬＣ膜（膜厚８０ｎｍ）であった。
図７は、実施例３の光学部品における透過率の波長依存性を示す図である。図７から分かるように、実施例３の光学部品では、レーザ波長である９．３μｍにおいて、９９．０％の透過率を実現できた。これは、９７％以上の透過率を有することが望ましいレーザ加工機用保護ウィンドウとして、十分な光学性能である。
［実施例４］
光学部品の構成を、ＤＬＣ膜（膜厚１３０ｎｍ）／Ｇｅ膜（膜厚１１０ｎｍ）／ＹｂＦ3膜（膜厚６７０ｎｍ）／Ｇｅ基板（厚さ５ｍｍ）／ＹｂＦ3膜（膜厚６７０ｎｍ）／Ｇｅ膜（膜厚１１０ｎｍ）／ＤＬＣ膜（膜厚１３０ｎｍ）に変更したこと以外は、実施例３と同様にして実施例４の光学部品を作製した。
光学部品の構成を、ＤＬＣ膜（膜厚１３０ｎｍ）／Ｇｅ膜（膜厚１１０ｎｍ）／ＹｂＦ3膜（膜厚６７０ｎｍ）／Ｇｅ基板（厚さ５ｍｍ）／ＹｂＦ3膜（膜厚６７０ｎｍ）／Ｇｅ膜（膜厚１１０ｎｍ）／ＤＬＣ膜（膜厚１３０ｎｍ）に変更したこと以外は、実施例３と同様にして実施例４の光学部品を作製した。
図８は、実施例４の光学部品における透過率の波長依存性を示す図である。図８から分かるように、実施例４の光学部品では、レーザ波長である９．３μｍにおいて、９８．４％の透過率を実現できた。これは、９７％以上の透過率を有することが望ましいレーザ加工機用保護ウィンドウとして、十分な光学性能である。
［実施例５］
光学部品の構成を、ＤＬＣ膜（膜厚５０ｎｍ）／Ｇｅ膜（膜厚１３０ｎｍ）／ＭｇＦ２膜（膜厚６４０ｎｍ）／Ｇｅ基板（厚さ５ｍｍ）／ＭｇＦ２膜（膜厚６４０ｎｍ）／Ｇｅ膜（膜厚１３０ｎｍ）／ＤＬＣ膜（膜厚５０ｎｍ）に変更したこと以外は、実施例３と同様にして実施例５の光学部品を作製した。
光学部品の構成を、ＤＬＣ膜（膜厚５０ｎｍ）／Ｇｅ膜（膜厚１３０ｎｍ）／ＭｇＦ２膜（膜厚６４０ｎｍ）／Ｇｅ基板（厚さ５ｍｍ）／ＭｇＦ２膜（膜厚６４０ｎｍ）／Ｇｅ膜（膜厚１３０ｎｍ）／ＤＬＣ膜（膜厚５０ｎｍ）に変更したこと以外は、実施例３と同様にして実施例５の光学部品を作製した。
図９は、実施例５の光学部品における透過率の波長依存性を示す図である。図９から分かるように、実施例５の光学部品では、レーザ波長である９．３μｍにおいて、９９．３％の透過率を実現できた。これは、９７％以上の透過率を有することが望ましいレーザ加工機用保護ウィンドウとして、十分な光学性能である。
［実施例６］
光学部品として、Ｇｅ基板の一方の面（レーザ光の出射面となる面）に多層膜（Ｇｅ基板側からＹＦ3膜（膜厚７００ｎｍ）／Ｇｅ膜（膜厚１１０ｎｍ）／ＤＬＣ膜（膜厚３００ｎｍ））を形成し、他方の面（レーザ光の入射面となる面）に反射防止膜（Ｇｅ基板側からＹＦ3膜（膜厚７５０ｎｍ）／Ｇｅ膜（膜厚１５０ｎｍ）／ＭｇＦ2膜（膜厚２００ｎｍ））を形成したレーザ加工機用保護ウィンドウを作製した。Ｇｅ基板としては、直径１１０ｍｍ及び厚さ５ｍｍの円板を使用した。多層膜を構成するＹＦ3膜及びＧｅ膜並びに反射防止膜は、真空蒸着法により形成し、多層膜を構成するＤＬＣ膜は、プラズマＣＶＤ法により形成した。また、作製した光学部品の透過率は、フーリエ変換型赤外分光光度計を使用して評価した。
実施例６で作製した光学部品の構成は、ＤＬＣ膜（膜厚３００ｎｍ）／Ｇｅ膜（膜厚１１０ｎｍ）／ＹＦ3膜（膜厚７００ｎｍ）／Ｇｅ基板（厚さ５ｍｍ）／ＹＦ3膜（膜厚７５０ｎｍ）／Ｇｅ膜（膜厚１５０ｎｍ）／ＭｇＦ2膜（膜厚２００ｎｍ）であった。
光学部品として、Ｇｅ基板の一方の面（レーザ光の出射面となる面）に多層膜（Ｇｅ基板側からＹＦ3膜（膜厚７００ｎｍ）／Ｇｅ膜（膜厚１１０ｎｍ）／ＤＬＣ膜（膜厚３００ｎｍ））を形成し、他方の面（レーザ光の入射面となる面）に反射防止膜（Ｇｅ基板側からＹＦ3膜（膜厚７５０ｎｍ）／Ｇｅ膜（膜厚１５０ｎｍ）／ＭｇＦ2膜（膜厚２００ｎｍ））を形成したレーザ加工機用保護ウィンドウを作製した。Ｇｅ基板としては、直径１１０ｍｍ及び厚さ５ｍｍの円板を使用した。多層膜を構成するＹＦ3膜及びＧｅ膜並びに反射防止膜は、真空蒸着法により形成し、多層膜を構成するＤＬＣ膜は、プラズマＣＶＤ法により形成した。また、作製した光学部品の透過率は、フーリエ変換型赤外分光光度計を使用して評価した。
実施例６で作製した光学部品の構成は、ＤＬＣ膜（膜厚３００ｎｍ）／Ｇｅ膜（膜厚１１０ｎｍ）／ＹＦ3膜（膜厚７００ｎｍ）／Ｇｅ基板（厚さ５ｍｍ）／ＹＦ3膜（膜厚７５０ｎｍ）／Ｇｅ膜（膜厚１５０ｎｍ）／ＭｇＦ2膜（膜厚２００ｎｍ）であった。
図１０は、実施例６の光学部品における透過率の波長依存性を示す図である。図１０から分かるように、実施例６の光学部品では、レーザ波長である１０．６μｍにおいて、９８．４％の透過率を実現できた。これは、９７％以上の透過率を有することが望ましいレーザ加工機用保護ウィンドウとして、十分な光学性能である。
［実施例７］
光学部品の構成を、ＤＬＣ膜（膜厚５０ｎｍ）／Ｇｅ膜（膜厚１１０ｎｍ）／ＹｂＦ3膜（膜厚９５０ｎｍ）／Ｇｅ基板（厚さ５ｍｍ）／ＹＦ3膜（膜厚７５０ｎｍ）／Ｇｅ膜（膜厚１５０ｎｍ）／ＭｇＦ2膜（膜厚２００ｎｍ）に変更したこと以外は、実施例６と同様にして実施例７の光学部品を作製した。
光学部品の構成を、ＤＬＣ膜（膜厚５０ｎｍ）／Ｇｅ膜（膜厚１１０ｎｍ）／ＹｂＦ3膜（膜厚９５０ｎｍ）／Ｇｅ基板（厚さ５ｍｍ）／ＹＦ3膜（膜厚７５０ｎｍ）／Ｇｅ膜（膜厚１５０ｎｍ）／ＭｇＦ2膜（膜厚２００ｎｍ）に変更したこと以外は、実施例６と同様にして実施例７の光学部品を作製した。
図１１は、実施例７の光学部品における透過率の波長依存性を示す図である。図１１から分かるように、実施例７の光学部品では、レーザ波長である１０．６μｍにおいて、９８．２％の透過率を実現できた。これは、９７％以上の透過率を有することが望ましいレーザ加工機用保護ウィンドウとして、十分な光学性能である。
［実施例８］
光学部品の構成を、ＤＬＣ膜（膜厚１７０ｎｍ）／Ｇｅ膜（膜厚１５０ｎｍ）／ＭｇＦ2膜（膜厚６００ｎｍ）／Ｇｅ基板（厚さ５ｍｍ）／ＹＦ3膜（膜厚７５０ｎｍ）／Ｇｅ膜（膜厚１５０ｎｍ）／ＭｇＦ2膜（膜厚２００ｎｍ）に変更したこと以外は、実施例６と同様にして実施例８の光学部品を作製した。
光学部品の構成を、ＤＬＣ膜（膜厚１７０ｎｍ）／Ｇｅ膜（膜厚１５０ｎｍ）／ＭｇＦ2膜（膜厚６００ｎｍ）／Ｇｅ基板（厚さ５ｍｍ）／ＹＦ3膜（膜厚７５０ｎｍ）／Ｇｅ膜（膜厚１５０ｎｍ）／ＭｇＦ2膜（膜厚２００ｎｍ）に変更したこと以外は、実施例６と同様にして実施例８の光学部品を作製した。
図１２は、実施例８の光学部品における透過率の波長依存性を示す図である。図１２から分かるように、実施例８の光学部品では、レーザ波長である１０．６μｍにおいて、９８．３％の透過率を実現できた。これは、９７％以上の透過率を有することが望ましいレーザ加工機用保護ウィンドウとして、十分な光学性能である。
次に、実施例１及び実施例３〜８の光学部品について、「摩耗試験（１）（ＭＩＬ−Ｃ−６７５準拠ＳＥＶＥＲＥ ＡＢＲＡＳＩＯＮ）」及び「摩耗試験（２）（３ｋｇの荷重で砂消しゴムを５０往復）」を実施した。結果を表２に示す。それぞれの摩耗試験後に、多層膜の剥離が生じなかった場合を○、多層膜の剥離が生じた場合を×とした。
表２に示されるように、実施例１及び実施例３〜７の光学部品では、摩耗試験（１）後に多層膜の剥離が生じることはなかった。また、実施例１の光学部品では、摩耗試験（２）後に多層膜の剥離が生じたのに対して、実施例３〜７の光学部品では、摩耗試験（２）後に多層膜は剥離せず、多層膜を構成するフッ化物膜、Ｇｅ膜及びＤＬＣ膜の膜厚を調節することで、耐摩耗性をより向上させることができた。
なお、本国際出願は、２０１６年５月１３日に出願した日本国特許出願第２０１６−０９６８７６号に基づく優先権を主張するものであり、この日本国特許出願の全内容を本国際出願に援用する。
１０ Ｇｅ基板、１１ フッ化物膜、１２ Ｇｅ膜、１３ ＤＬＣ膜、１４ 多層膜、１５ 反射防止膜、２０ 多層膜、３０ レーザ発振器、３１ レーザ光、３２ 集光レンズ、３３ 被加工物、３４ 保護ウィンドウ。
表１に示されるように、実施例１及び２の光学部品では、摩耗試験（１）後に多層膜の剥離が生じることはなく、耐摩耗性に優れていた。また、腐食試験の結果、実施例１の光学部品では、多層膜の剥離が生じたのに対して、実施例２の光学部品では、多層膜は剥離せず、多層膜の第３層目のＤＬＣ膜が第１層目のＭｇＦ２膜及び第２層目のＧｅ膜を露出なく覆うことで、腐食環境下での光学部品の寿命を向上させることができた。
［実施例３］
光学部品として、Ｇｅ基板の両面に、多層膜（Ｇｅ基板側からＹＦ３膜（膜厚６６０ｎｍ）／Ｇｅ膜（膜厚１２０ｎｍ）／ＤＬＣ膜（膜厚８０ｎｍ））を形成したレーザ加工機用保護ウィンドウを作製した。Ｇｅ基板としては、直径１１０ｍｍ及び厚み５ｍｍの円板を使用した。多層膜を構成するＹＦ ３ 膜及びＧｅ膜は、真空蒸着法により形成し、多層膜を構成するＤＬＣ膜は、プラズマＣＶＤ法により形成した。また、作製した光学部品の透過率は、フーリエ変換型赤外分光光度計を使用して評価した。
実施例３で作製した光学部品の構成は、ＤＬＣ膜（膜厚８０ｎｍ）／Ｇｅ膜（膜厚１２０ｎｍ）／ＹＦ３膜（膜厚６６０ｎｍ）／Ｇｅ基板（厚さ５ｍｍ）／ＹＦ３膜（膜厚６６０ｎｍ）／Ｇｅ膜（膜厚１２０ｎｍ）／ＤＬＣ膜（膜厚８０ｎｍ）であった。
光学部品として、Ｇｅ基板の両面に、多層膜（Ｇｅ基板側からＹＦ３膜（膜厚６６０ｎｍ）／Ｇｅ膜（膜厚１２０ｎｍ）／ＤＬＣ膜（膜厚８０ｎｍ））を形成したレーザ加工機用保護ウィンドウを作製した。Ｇｅ基板としては、直径１１０ｍｍ及び厚み５ｍｍの円板を使用した。多層膜を構成するＹＦ ３ 膜及びＧｅ膜は、真空蒸着法により形成し、多層膜を構成するＤＬＣ膜は、プラズマＣＶＤ法により形成した。また、作製した光学部品の透過率は、フーリエ変換型赤外分光光度計を使用して評価した。
実施例３で作製した光学部品の構成は、ＤＬＣ膜（膜厚８０ｎｍ）／Ｇｅ膜（膜厚１２０ｎｍ）／ＹＦ３膜（膜厚６６０ｎｍ）／Ｇｅ基板（厚さ５ｍｍ）／ＹＦ３膜（膜厚６６０ｎｍ）／Ｇｅ膜（膜厚１２０ｎｍ）／ＤＬＣ膜（膜厚８０ｎｍ）であった。
表２に示されるように、実施例１及び実施例３〜８の光学部品では、摩耗試験（１）後に多層膜の剥離が生じることはなかった。また、実施例１の光学部品では、摩耗試験（２）後に多層膜の剥離が生じたのに対して、実施例３〜８の光学部品では、摩耗試験（２）後に多層膜は剥離せず、多層膜を構成するフッ化物膜、Ｇｅ膜及びＤＬＣ膜の膜厚を調節することで、耐摩耗性をより向上させることができた。
Claims (5)
- Ｇｅ基板の少なくとも片面に、該Ｇｅ基板側から、フッ化物膜、Ｇｅ膜及びダイヤモンドライクカーボン膜（ＤＬＣ膜）がこの順に積層されたことを特徴とする光学部品。
- 前記フッ化物膜が、ＹＦ3、ＹｂＦ3及びＭｇＦ2からなる群から選択される少なくとも一種からなることを特徴とする請求項１に記載の光学部品。
- 前記フッ化物膜及び前記Ｇｅ膜が露出することなく前記ダイヤモンドライクカーボン膜で覆われていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学部品。
- 前記フッ化物膜の膜厚が５００ｎｍ〜９５０ｎｍであり、前記Ｇｅ膜の膜厚が５０ｎｍ〜１５０ｎｍであり、前記ＤＬＣ膜の膜厚が５０ｎｍ〜３００ｎｍであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光学部品。
- 請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学部品を備えることを特徴とするレーザ加工機。
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