NL8800911A - Optisch element voor het behandelen van licht, werkwijze voor het vervaardigen van een dergelijk optisch element en een dergelijke optische elementen omvattende laseropstelling. - Google Patents

Description

* 883027/BA/HH ;>

Optisch element voor het behandelen van licht, werkwijze voor het vervaardigen van een dergelijk optisch element en een dergelijke optische elementen omvattende laserop-stelling

De onderhavige uitvinding heeft in de eerste plaats betrekking op een optisch element omvattend een substraat waarop zijn aangebracht één of meer lagen met elk een dikte die in hoofdzaak gelijk is aan 1/4 van de 5 golflengte van het door het optisch element te behandelen licht.

Een dergelijk optisch element is bekend uit de Nederlandse octrooiaanvrage 84 03816.

In bedoelde octrooiaanvrage wordt een optisch 10 bouwelement beschreven, zoals bijvoorbeeld een spiegel, dat is opgebouwd uit een substraat waarop een lagenparensysteem is aangebracht waarbij de lagen van elk paar een verschillende brekingsindex bezitten. Door een groot aantal van dergelijke lagenparen aan te brengen op een geschikt 15 substraat worden spiegels verkregen met een zeer hoog reflecterend vermogen; dergelijke spiegels vinden bijvoorbeeld toepassing bij de geleiding van laserbundels.

Een dergelijk bekend optisch bouwelement bezit het nadeel dat bij toepassing ervan in combinatie 20 met een hoog vermogen laser het gevaar bestaat dat een zich op het buitenoppervlak van de lagenstapeling bevindend verontreinigingsdeeltje zodanig veel energie van de laserbundel kan absorberen dat het deeltje inbrandt in het oppervlak waarop het zich bevindt.

25 De hiervoorbeschreven verschijnselen spelen eveneens een rol bij optische elementen die slechts één 1/4 golflengtelaag bevatten als anti-reflectielaag, bijvoorbeeld bij reflecterende prisma's waarvan de loodrecht op de lichtbundel staande vlakken met een dergelijke laag 30 bekleed zijn.

Een dergelijk optredend inbrandverschijnsel is uiteraard ongewenst en vormt een ernstige beperking voor de toepasbaarheid van hoogvermogenlasers in combinatie .880 0911 r * -2- met dergelijke optische elementen.

De onderhavige uitvinding heeft ten doel voor bedoeld probleem een oplossing te verschaffen en wordt daartoe volgens de uitvinding gekenmerkt doordat 5 tenminste één laag bestaat uit een slijtvast materiaal met hoge brekingsindex en grote warmtegeleidbaarheid en/of hoog smeltpunt.

Gebleken is namelijk dat door een specifieke keuze van materialen en met name door als toplaag een 10 slijtvast materiaal met hoge brekingsindex toe te passen dat een hoog warmtegeleidingsvermogen bezit en/of een hoog smeltpunt de eerdergenoemde inbrandingsverschijnselen minder snel optreden waardoor een zeer aanzienlijke verlenging van de levensduur van bijvoorbeeld laserspiegels 15 en reflecterende prisma's bereikt wordt.

In het bijzonder geldt voor een optisch element volgens de uitvinding dat dit optisch element een spiegel is, zoals een laserspiegel, waarin een stapeling van lagen aanwezig is en waarin lagen van slijtvast materiaal 20 met hoge brekingsindex en grote warmtegeleidbaarheid en/ of hoog smeltpunt en lagen met een lage brekingsindex elkaar afwisselen.

Doelmatig is in het optisch element volgens de uitvinding het materiaal met hoge brekingsindex gekozen 25 uit de materialen die zijn opgesomd in het kenmerkend gedeelte van conclusie 3.

Met voordeel omvat in het optisch element volgens de uitvinding het materiaal met hoge brekingsindex diamant of een materiaal met diamanteigenschappen.

30 Gebleken is dat het eerdergenoemde doel van de uitvinding, namelijk het verschaffen van een optisch element zoals een spiegel of prisma waarmee laserbundels met hoog vermogen kunnen worden behandeld, verschaft wordt indien de laag met hoge brekingsindex gevormd wordt door 35 een diamantlaag of een laag van een materiaal met diamanteigenschappen met een dikte die in hoofdzaak gelijk is aan 1/4 van de golflengte van het te behandelen laserlicht.

Met veel voordeel bezitten alle lagen van . 880 09 f1 * V' -3- een optisch element in de vorm van bijvoorbeeld een laser-spiegel in hoofdzaak dezelfde chemische samenstelling; bij voorkeur bestaan de lagen alle uit materiaal met diamant-eigenschappen.

5 Gebleken is namelijk dat onder bepaalde omstandigheden, die hierna nog nader zullen worden beschreven het mogelijk is om de brekingsindex van een op te brengen materiaallaag te beïnvloeden door variëren van de omstandigheden tijdens het opbrengen van de laag. Doordat in 10 een dergelijk meerlaags optisch element alle lagen in hoofdzaak dezelfde chemische eigenschappen bezitten wordt bereikt dat eventuele hechtingsproblemen die kunnen optreden tussen ongelijksoortige lagen in hoge mate voorkomen worden.

15 Bij voorkeur bestaan de lagen uit materiaal met diamanteigenschappen uit diamantachtige koolstof-lagen.

Opgemerkt wordt dat dergelijke diamantachtige koolstoflagen op zich bekend zijn uit de Duitse octrooiaan-20 vrage 3 421 739.

In bedoelde publikatie wordt beschreven dat diamantachtige koolstoflagen kunnen worden verkregen door een koolwaterstof of een mengsel van koolwaterstoffen in gasvorm in aanwezigheid van een edelgas, eventueel 25 onder toevoer van waterstof aan een plasma-ontlading bloot te stellen. De aldus gevormde neerslaglagen hebben een diamantstruktuur en munten uit door hardheid, krasbestendigheid en warmtegeleidingsvermogen.

Bij toepassing van diamantachtige koolstof-3Q lagen voor het vormen van een optisch element volgens de uitvinding is het warmtegeleidingsvermogen van dergelijke diamantachtige lagen van zeer groot belang.

Het blijkt nu dat de diamantachtige .lagen een zeer goede warmtegeleidbaarheid bezitten zoals duidelijk 35 wordt uit de onderstaande tabel.

Warmtegeleidbaarheid bij 20°C in Watt/°C.cm diamant 9 koper 4 siliciumcarbide 4 .8800911 * * -4- t

Door de uitstekende warmtegeleidbaarheid van de diamant-lagen wordt inbranden van verontreinigingen in het oppervlak van spiegels en prisma's voorkomen.

Voor een nog betere bescherming van spiegels 5 en prisma's wordt in een zeer voordelige uitvoeringsvorm van het optisch element volgens de uitvinding het optisch element voorzien van warmte-afvoerende middelen die kunnen samenwerken met één of meer van de verschillende lagen van het optisch element.

10 Door warmte-afvoerende middelen te voorzien wordt bereikt dat de temperatuur van de lagen met diamant-eigenschappen, zoals diamantachtige koolstoflagen beneden de ontledingstemperatuur blijven die omstreeks 600°C bedraagt. De eventueel in het lagensysteem der laserspiegel 15 ontwikkelde warmte als gevolg van absorptie van licht uit de laserbundel zal in de verschillende lagen goed kunnen worden afgevoerd naar de zijkant der lagen vanwaar met warmte-afvoerende middelen voor verder transport uit de spiegel wordt zorggedragen.

20 In het algemeen zijn de warmte-afvoerende middelen uitgevoerd als een koelelement dat in contact staat met de zijkant van de lagen en/of het deel van het substraat dat niet van lagen is voorzien.

Zoals eerder is aangegeven zal het koelelement 25 tenminste in staat zijn om de toplaag van het meerlaags optisch element te koelen tot een temperatuur lager dan 500°C.

Een aantal aantrekkelijke uitvoeringsvormen van het bij een optisch element volgens de uitvinding 30 toe te passen koelelement is aangegeven in het kenmerkend deel van de conclusies 11 t/m 13.

De uitvinding heeft eveneens betrekking op een werkwijze voor het vervaardigen van een optisch element waarin op een substraat één of meer lagen worden 35 aangebracht met elk een dikte die in hoofdzaak gelijk is aan 1/4 van de golflengte van het door het optische element te behandelen licht die wordt gekenmerkt doordat tenminste een laag van een slijtvast materiaal met hoge .8800911 -5- r brekingsindex en grote warmtgeleidbaarheid en/of hoog smeltpunt en dat gekozen is uit oxyden, nitriden of carbiden van materialen zoals Ti, w, B, Sn; oxyden en carbiden van metalloïden zoals Si; de zuivere metalen of metalloïden 5 uit genoemde groepen en andere elementen in zuivere vorm met hoge slijtvastheid, grote warmtegeleidbaarheid en/of hoog smeltpunt wordt aangebracht middels de vacuumwerkwijze dan wel een chemische dampafzetting.

In het bijzonder wordt in de werkwijze 10 volgens de uitvinding een laag van een materiaal met hoge brekingsindex aangebracht bestaande uit diamant door toepassen van radiofrequent kathodeverstuiven.

Voor het afzetten van een diamantlaag in de werkwijze volgens de uitvinding kan eveneens gebruik 15 worden gemaakt van radiofrequent magnetronkathodeverstuiven.

Met voordeel wordt in de werkwijze volgens de uitvinding voor het vormen van een meerlaags optisch element, in het bijzonder een spiegel zoals een laserspiegel een lagenstapeling van afwisselend hoge en lage brekingsindex 20 gevormd uitgaande van éénzelfde materiaal in een vacuum-opbrengwerkwijze waarin de opbrengomstandigheden worden gevarieerd ter beïnvloeding van de brekingsindex van een opgebrachte laag.

Volgens een zeer voordelige uitvoeringsvorm 25 van de werkwijze volgens de uitvinding wordt een meerlaags optisch element zoals bijvoorbeeld een laserspiegel gevormd door een stapeling van diamantachtige koolstoflagen te vormen waarbij door beïnvloeding van de omstandigheden tijdens het vormen van de diverse lagen de brekingsindex 30 van elk der lagen op de juiste waarde wordt ingesteld/ zoals is aangegeven in het kenmerkend gedeelte van conclusie 18.

Ook gebruik kan worden gemaakt van een kathodevestuivingswerkwijze van het DC of RF type waarbij 35 het uitgangsmateriaal voor het vormen van diamantlagen bestaat uit poedervormig diamant. Ook in een dergelijke kathodeverstuivingswerkwijze kunnen de verstuivingsomstandig-heden zodanig worden aangepast dat in een volgens de werk- .8800911 f /

•J

-6- wijze der uitvinding aan te brengen stapeling de brekingsindices van de verschillende lagen ten opzichte van elkaar variëren.

Tenslotte heeft de uitvinding betrekking 5 op een laseropstelling welke tenminste één laser en één of meer optische elementen omvat die wordt gekenmerkt doordat de optische elementen zijn uitgevoerd zoals hiervoor is beschreven volgens de uitvinding.

De uitvinding zal nu worden toegelicht 10 met behulp van de tekening waarin: fig. 1 een schematisch dwarsdoorsnede voorstelt door een optisch element volgens de uitvinding.

Fig. 2 schematisch de stralengang in een prisma volgens de uitvinding weergeeft.

15 Fig. 3 schematisch een optisch element volgens de uitvinding toont dat is opgenomen in een gekoelde vatting.

In fig. 1 is met het verwijzingscijfer 1 een substraat aangegeven bijvoorbeeld een glassubstraat.

20 Met 2 t/m 11 zijn zogenaamde j Λ lagen aangegeven die zoals de naam zegt elk een dikte hebben van in hoofdzaak 1/4 van de golflengte van het te behandelen licht. In de hier schetsmatig weergegeven uitvoeringsvorm zal elke laag die op het substraat 1 is aangebracht en die een 25 even nummer bezit gevormd worden door een materiaal met een lage brekingsindex zoals bijvooreeld magnesiumfluoride (N = 1,38) en elke laag met een oneven nummer zal bijvoorbeeld met veel voordeel bestaan uit diamant (N = 2,4).

Met een dergelijke, van een lagensysteem 30 voorziene, spiegel kunnen de volgende reflectiewaarden bereikt worden.

Brekingsindex lucht = 1 Brekingsindex substraat (glas) = 1,5 Brekingsindex diamant = 2,4 35 Brekingsindex materiaal met lage brekingsindex = 1,38 MgF2 .8800911 •ΐ * -7-

Aantal lagenparen 24681Ö12 reflectie % 41 75 91 97 98,9 99,6

Bij een spiegel zoals hier aangegeven volgens de uitvinding wordt in een betrekkelijk gering aantal 5 lagen reeds een zeer hoge mate van reflectie bereikt.

Een dergelijk vervaardigd optisch element bezit naast een uitermate grote bestendigheid tegen mecha-nischebeschadiging eveneens en vooral een buitengewoon goede bestendigheid tegen inbrandingsverschijnselen omdat 10 de opgebrachte diamantlaag een zeer goede warmtegeleidbaar-heid bezit zoals eerder is aangeduid.

Door volgens de uitvinding een meerlaags optisch element te vervaardigen waarbij alle lagen in hoofdzaak uit diamantachtige koolstof bestaan en alle 15 lagen een dikte bezitten die in hoofdzaak gelijk is aan 1/4 van de golflengte van het te behandelen licht wordt in 12 lagenparen een reflectievermogen bereikt van 99% terwijl bij 16 lagenparen het reflectievermogen hoger is dan 99,9%.

20 Behalve een grote bestendigheid tegen inbran- dingsverschijnselen vertoont een dergelijk meerlaags optisch element zoals een laserspiegel een uitstekende onderlinge hechting van de aan elkaar grenzende diamantachtige koolstoflagen.

25 In fig. 2 is een prisma volgens de uitvinding weergegeven. Een prisma 20 is aan de vlakken die loodrecht staan op de intredende en uittredende bundels 23, 24 voorzien van 1/4 labda anti-reflectielagen 21 en 22 uit diamant of uit diamantachtig koolstof.

30 Inbrandverschijnselen worden niet waargenomen.

In fig. 3 is een meerlaags optisch element getekend, zoals een spiegel, waarbij de lagen 32 t/m 43 alle bestaan uit diamantachtige koolstof en elk der lagen een dikte bezit van in hoofdzaak 1/4 van de golflengte 35 van het te behandelen laserlicht. Het substraat 31 en de lagen 32 t/m 43 zijn opgenomen in een vatting 44.

Tussen het optisch element en de vatting 44 is een warmtegeleidend kitmateriaal 45 schetsmatig ge- .8800911 9 -8- % tekend. De vatting is voorts voorzien van koelingskanalen 46 waardoorheen een koelmedium kan stromen. De vatting kan worden bevestigd aan vattingvasthouddeel 47 en in elke gewenste stand in een laseropstelling worden aangebracht. 5 Voor het afvoeren van warmte uit de lagen van de spiegel en uit het substraat wordt koelmedium gevoerd door de kanalen 46 van de vatting. Door de zeer goede warmtegeleidbaarheid van de verschillende lagen wordt een snelle afvoer van eventueel in de lagen geabsorbeerde 10 warmte naar de vatting verzekerd waarbij de warmtegeleidende kit 45 voor een goed contact tussen de spiegel en de vatting zorgdraagt. Ter vermijding van condensvorming op de bovenste laag der spiegel kan via schetsmatig aangegeven toevoerbuizen 48 en 49 een droog schutgas zoals N2, CC>2 etc. worden 15 toegevoerd. Bij vertikale opstelling van de vatting kan voorts door keuze van een schutgas met een hoog soortelijk gewicht gezorgd worden voor een betrekkelijk stationaire gaslaag boven de bovenste diamantachtige koolstoflaag 43 van de spiegel. Het in de kanalen 46 stromende medium 20 kan uiteraard velerlei vormen hebben; water is een geschikt medium terwijl in uitzonderlijke gevallen ook van koudma-kende mengsels of eventueel vloeibaar gemaakte koude gassen gebruik kan worden gemaakt.

25 30 35 .8800911

Claims (20)

1. Optisch element, omvattende een substraat waarop zijn aangebracht één of meer lagen met elk een dikte die in hoofdzaak gelijk is aan 1/4 van de golflengte 5 van het door het optisch element te behandelen licht, met het kenmerk, dat tenminste één laag bestaat uit een slijtvast materiaal met hoge brekingsindex en grote warmtegeleidbaarheid en/of hoog smeltpunt.

2. Optisch element volgens conclusie 1, 10 met het kenmerk, dat het optisch element een laserspeigel is waarin een stapeling van lagen aanwezig is waarin lagen van slijtvast materiaal met hoge brekingsindex en grote warmtegeleidbaarheid en/of hoog smeltpunt en lagen met een lage brekingsindex elkaar afwisselen.

3. Optisch element volgens conclusie 1-2, met het kenmerk, dat het materiaal met hoge brekingsindex gekozen is uit oxyden, nitriden, of carbiden van metalen zoals Ti, W, B, Sn; oxyden, carbiden van metalloiden zoals Si, de zuivere metalen of metalloiden uit genoemde groepen 20 en andere elementen in zuivere vorm met hoge slijtvastheid, grote warmtegeleidbaarheid en/of hoog smeltpunt.

4. Optisch element volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat het materiaal met hoge brekingsindex diamant of een materiaal met diamanteigenschappen omvat.

5. Optisch element volgens conclsuie 2-4, met het kenmerk, dat alle lagen (2-13) in hoofdzaak dezelfde chemische samenstelling bezitten.

6. Optisch element volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat de lagen (2-13) bestaan uit materiaal 30 met diamanteigenschappen.

7.Optisch element volgens conclusies 5-6, met het kenmerk, dat de lagen (2-13) bestaan uit diamantachtige koolstoflagen.

8. Optisch element volgens één of meer 35 van de conclusies 1-7, met het kenmerk, dat genoemd optisch element is voorzien van warmte-afvoerende middelen, die kunnen samenwerken met één of meer van de verschillende lagen van het optisch element. .8800911 ‘4 -10-

9. Optisch element volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat de warmte-afvoerende middelen zijn uitgevoerd als een koelelement, dat in contact staat met de zijkant van de lagen en/of het deel van het substraat 5 dat niet van lagen is voorzien.

10. Optisch element volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat het koelelement tenminste de bovenste laag van het meerlaags optisch element kan koelen tot een temperatuur die lager is dan 500°C. ]_0

11. Optisch element volgens conclusies 9-10, met het kenmerk, dat het koelelement bestaat uit een holle cilindervormige mantel van warmtegeleidend mate* riaal die door een koelmedium doorstroomd kan worden, ofwel een massieve cilindervormige mantel van warmtege- ]_5 leidend materiaal, die aan de zijde waaraan geen lagen van genoemd meerlaags optisch element aansluiten voorzien is van koelribben.

12. Optisch element volgens één of meer van de conclusiues 8-11, met het kenmerk, dat zich een 20 warmtegeleidend verbindingsmiddel bevindt tussen de warmte-afvoerende middelen en het meerlaags optisch element in de vorm van een warmtegeleidend kitmateriaal.

13. Optisch element volgens conclusie 12, met het kenmerk, dat dit eveneens voorzien is van condens- 25 werende middelen en dat deze condenswerende middelen zijn uitgevoerd als middelen waarmee een van water bevrijd droog gas aan de bovenste laag van het meerlaags optisch element kan worden toegevoerd.

14. Werkwijze voor het vervaardigen van 30 een optisch element, waarin op een substraat één of meer lagen worden aangebracht met elk een dikte die in hoofdzaak gelijk is aan 1/4 van de golflengte van het door het optisch element te behandelen licht, met het kenmerk, dat tenminste een laag van een slijtvast materiaal met een hoge brekingsin- 35 dex en grote warmtgeleidbaarheid en/of hoog smeltpunt en dat gekozen is uit oxyden, nitriden, of carbiden van metalen zoals Ti, W, B, Sn; oxyden, carbiden van metalloiden zoals Si, de zuivere metalen of metalloiden uit genoemde , 860091 1 A « ? -11- groepen en andere elementen in zuivere vorm met hoge slijt-vastheid, grote warmtegeleidbaarheid en/of hoog smeltpunt wordt aangebracht middels een vacuumwerkwijze dan wel een chemische dampafzetting.

15. Werkwijze volgens conclusie 14, met het kenmerk, dat de laag van een materiaal met hoge brekingsindex bestaat uit diamant dat is afgezet door een radiofrequent kathodeverstuivingsproces.

16. Werkwijze volgens conclusie 15, met 10 het kenmerk, dat het afzetten van de benodigde diamantlaag voor elk paar van materialen geschiedt door middel van radiofrequent magnetron kathodeverstuiven.

17. Werkwijze volgens conclusie 16, met het kenmerk, dat voor het vormen van een meerlaags optisch 15 element, in het bijzonder een laser spiegel, lagen (2-13): met afwisselend hoge en lage brekingsindex gevormd worden uitgaande van éénzelfde materiaal in een vacuumopbrengwerk-wijze waarin de opbrengomstandigheden worden gevarieerd ter beïnvloeding van de brekingsindex van een opgebrachte 20 laag.

18. Werkwijze volgens conclusie 17, met het kenmerk, dat de vacuumopbrengwijze een werkwijze is waarin een laag van diamantachtige koolstof wordt gevormd op een substraat ( 1) door een koolwaterstof of een mengsel 25 van koolwaterstoffen in gasvorm in aanwezigheid van edelgas en eventueel onder toevoer van waterstof aan een plasma-ont-lading bloot te stellen en voor het beïnvloeden van de brekingsindex van een op te brengen laag één of meer van de volgende omstandigheden worden toegepast en/of gevarieerd 30 - electrische voorspanning aan het substraat ( 1) - substraattemperatuur - gassamenstelling en gasdruk tijdens de plasma-ontlading - toevoer van in gasvorm te brengen stoffen die kunnen ontleden onder plasma-ontladingsomstandigheden voor het 35 handhaven van de stoechiometrie van een opgebrachte laag - aanleggen van een magnetisch veld - uitvoeren van een warmtebehandeling na de vorming van een laag en/of lagen. .*800911 -12- P

19. Werkwijze volgens conclusie 18, met het kenmerk, dat de vacuumopbrengwijze een kathodeverstui-vingswerkwijze is van het DC of RF type en de kathodever-stuiving wordt uitgevoerd onder toepassen en/of variëren 5 van één of meer van de volgende omstandigheden voor het wijzigen van de brekingsindex van een op te brengen laag: - aanleggen van een electrische voorspanning aan de anode waarmee het substraat (1) samenwerkt - de substraattemperatuur 10. verstuivingsgassamenstelling - toevoegen van in gasvorm te brengen stoffen die kunnen ontleden onder kathodeverstuivingsomstandigheden voor het handhaven van de stoechiometrie van een opgebrachte laag 15. aanbrengen van een magnetisch veld - uitvoeren van een warmtebehandeling na de vorming van een laag en/of lagen.

20. Laseropstelling welke een laser en één of meer optische elementen omvat, met het kenmerk, 20 dat deze optische elementen zijn uitgevoerd als beschreven in één of meer van de conclusies 1-13. 25 30 35 .8800911