WO2006003955A1 - 音響光学素子及びそれを用いた光描画装置 - Google Patents

音響光学素子及びそれを用いた光描画装置 Download PDF

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WO2006003955A1
WO2006003955A1 PCT/JP2005/011994 JP2005011994W WO2006003955A1 WO 2006003955 A1 WO2006003955 A1 WO 2006003955A1 JP 2005011994 W JP2005011994 W JP 2005011994W WO 2006003955 A1 WO2006003955 A1 WO 2006003955A1
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WO
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acoustooptic
crystal
acousto
light
optical
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Application number
PCT/JP2005/011994
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English (en)
French (fr)
Inventor
Hisashi Minemoto
Yasuo Kitaoka
Isao Kidoguchi
Takayuki Negami
Yasuhito Takahashi
Toshimi Nishiyama
Kimihiko Shibuya
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. filed Critical Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/0009—Materials therefor
    • G02F1/0072—Mechanical, acoustic, electro-elastic, magneto-elastic properties

Definitions

  • the present invention relates to an acoustooptic device and an optical drawing apparatus using the same.
  • TeO bonding is used as an acoustic medium for visible light of an argon laser or a helium neon laser.
  • acoustooptic device examples include an acoustooptic modulator, an acoustooptic deflector, an acoustooptic filter, and an acoustooptic frequency shifter.
  • Non-Patent Documents 1 and 2 As an acoustooptic medium of an acoustooptic modulator using conventional light in the ultraviolet region, stone glass, quartz, KDP crystal, and the like are used (for example, see Non-Patent Documents 1 and 2). In recent years, various borate crystals have been studied as acoustooptic elements for ultraviolet light (see, for example, Patent Document 1).
  • the absorption edge wavelength of TeO crystal is about 330 nm.
  • Acousto-optic elements using quartz glass, quartz, and KDP crystals have low acousto-optic performance, so a high-frequency signal power source for driving the acousto-optic element is increased, and the acoustic optical element generates heat. In order to suppress it, it is necessary to cool the acoustooptic device with water. Acoustooptic devices using borate crystals can be used in ultraviolet light and are resistant to laser damage, but depending on the application, the acoustooptic performance is still insufficient. There is a problem.
  • a conventional optical drawing apparatus using an acousto-optic element requires a moisture-proof treatment of the acousto-optic medium and heat dissipation by water cooling, and as a result, there is a problem that a drive circuit and the like become large. Also, there is a problem that dust adheres to the light incident surface and the light exit surface of the acoustooptic device, and the optical drawing apparatus cannot be used continuously for a long time.
  • Patent Document 1 JP 2004-170940 A
  • Non-Patent Document 1 Proceeding IEEE Ultrasonic Sympo Vol. 1998 ppl289— 1292 (1998)
  • Non-Patent Document 2 Proceeding of the IEEE Vol. 61 No8 pp. 1073-1092 (1973)
  • the present invention can also be used for light in the ultraviolet region, is free from laser damage or light damage, has no effect of dust adhering to the light incident surface and light exit surface, and has excellent acoustooptic performance. It is an object of the present invention to provide an element and an optical drawing apparatus using the element.
  • the acoustooptic device of the present invention includes a high-frequency signal input unit, a transducer unit, and an acousto-optical medium, and converts a high-frequency signal input from the high-frequency signal input unit into mechanical vibration by the transducer unit, An acoustooptic element in which the optical characteristics of the acoustooptic medium change due to mechanical vibration, wherein the acoustooptic medium is a group III nitride crystal.
  • the acoustooptic element in which the optical characteristics of the acoustooptic medium change due to the mechanical vibration refers to the following. That is, the ultrasonic wave according to the high frequency signal propagates through the acoustic optical medium.
  • the density corresponding to the wavelength of the ultrasonic wave can be made dense in the acoustooptic medium, and as a result, the refractive index change corresponding to the wavelength of the ultrasonic wave can be made in the acoustooptic medium. Since the period of this refractive index change is about the same as the wavelength of light, a diffraction grating for light is formed inside the acoustooptic medium. The incident light incident on the light incident surface of the acousto-optic medium is diffracted by the diffraction grating inside the acousto-optic medium, thereby realizing an acousto-optic device.
  • the optical drawing device of the present invention has a light source, an acoustooptic device, a drive circuit, and a drawing surface, and light from the light source is diffracted by the acoustooptic device in accordance with a signal from the drive circuit.
  • the diffracted light is drawn on the drawing surface, and the acoustooptic medium of the acoustooptic device is a group III nitride crystal.
  • the optical drawing apparatus of the present invention uses a group III nitride crystal as an acousto-optic medium, thereby reducing the size of the drive circuit, improving the moisture resistance, and using light in the ultraviolet region as incident light, for example. Damage resistance can be improved, and an inexpensive and simple optical drawing apparatus can be realized.
  • FIG. 1 is a configuration diagram showing an example of the configuration of an acoustooptic device of the present invention.
  • FIG. 2 is a graph for explaining the reflectance due to the difference in refractive index between the material of the antireflection film and the acoustooptic medium according to Example 1 of the present invention.
  • FIG. 3 is a block diagram showing an example of the configuration of the drawing apparatus of the present invention.
  • FIG. 4 is a block diagram showing another example of the configuration of the drawing apparatus of the present invention.
  • the group III nitride crystal is not particularly limited.
  • the composition formula Al Ga In N (where 0 ⁇ u ⁇ l, 0 ⁇ v ⁇ l, u + v ⁇ 1) Preferred is a crystal represented by
  • GaN crystals include GaN crystals, A1N crystals, solid solutions of GaN and A1N (AlGaN crystals), crystals containing In such as AlGalnN crystals, and the like.
  • the crystal may be a crystal that does not contain a dopant element, or may be a crystal that contains a dopant element, as will be described later. However, in order to eliminate the influence of dust adhesion, it is preferable that the crystal contains a dopant element.
  • GaN crystals, A1N crystals, AlGaN crystals, and AlGalnN crystals are preferably used.
  • a crystal containing no In such as an A1N crystal and an AlGaN crystal
  • an acoustooptic device that can use the wavelength range of incident light up to a wavelength in the ultraviolet region of about 220 nm can be realized.
  • the solid solution in the present invention is a solid solution having a uniform phase and is equivalent to a mixed crystal referred to in the semiconductor field.
  • the performance constant M2 of the acousto-optic medium is obtained from the following equation.
  • n the refractive index of the medium
  • p the photoelastic constant
  • V the speed of sound in the medium
  • a medium with a large refractive index is more effective as an acoustooptic medium.
  • a group VIII nitride crystal is expected to have a large electron polarization and a large photoelastic constant, and can be said to be an excellent acousto-optic medium.
  • GaN crystals and A1N crystals have been studied, and in recent years the possibility of growing large crystals of good quality by liquid phase methods using alkali metals has begun to appear.
  • An acoustooptic device using a material Balta crystal can be realized at a relatively low cost.
  • the group III nitride crystal may be a crystal obtained by any manufacturing method, but is a crystal formed by a liquid phase method because a large single crystal of high quality can be obtained. It is preferable.
  • a group II element and nitrogen are reacted in a melt containing at least one of an alkali metal and an alkaline earth metal, a group IV element, and nitrogen in a nitrogen-containing gas atmosphere. It is preferable that the method includes a step of growing a group IV nitride crystal.
  • the group element include Al, Ga, and In, and these may be used alone or in combination of two or more.
  • the alkali metal examples include Li, Na, K, Rb, and Cs
  • examples of the alkaline earth metal include Ca, Mg, Be, Sr, and Ba, which are used alone. Or two or more types may be used in combination.
  • the alkali metal Na, Li and K are preferable.
  • the alkaline earth metal Ca is particularly preferable. Na and Ca are preferably used in combination.
  • the liquid phase method is performed under pressure and heating, for example, j ⁇ ⁇ 2atm to 1 OOatm (2 X 1. 01325 X 10 5 Pa to 100 X 1. 01325 X 10 5 Pa), and the temperature ranges from 600 ° C to 1800 ° C.
  • the optimum pressure and temperature depend on the crystal composition to be grown. For example, when growing a crystal with a composition containing a large amount of A1, it is preferable to grow at a high temperature / low pressure, and when growing a crystal with a composition containing a large amount of Ga or In, it is preferable to grow it at a low temperature / high pressure.
  • the nitrogen-containing gas is, for example, Nitrogen gas, ammonia gas, or a mixed gas of the two gases is preferred.
  • the nitrogen-containing gas may include, for example, an inert gas (for example, Ar, He, and Ne), hydrogen gas, and the like.
  • the nitrogen source of nitrogen contained in the melt is not particularly limited, and may be, for example, a nitrogen-containing gas, a nitrogen compound mixed in the melt, or the like. Examples of the nitrogen compound include hydrazine (H NNH) and azido sodium.
  • the wavelength of incident light incident on the acoustooptic device is not particularly limited, but for example, it is preferably in the short wavelength range of 488 nm to 220 nm, more preferably 380 nm to 220 nm. Particularly preferred is 380 nm to 266 nm.
  • the acoustooptic device of the present invention uses a group VIII nitride crystal as an acoustooptic medium, and is particularly useful when the wavelength of incident light is a short wavelength.
  • the short wavelength is defined as a wavelength in the range of 488 nm to 220 nm.
  • the group III nitride crystal preferably has conductivity.
  • the conductivity can be controlled, for example, by doping with a dopant element.
  • the dopant element include Si, Li, Mg, Zn, and O, and these may be used alone or in combination of two or more.
  • Si or Li it is possible to obtain crystals with relatively low resistance while maintaining transparency. Therefore, it is preferable to use these elements.
  • a transparent film such as ITO (indium oxide) may be coated on the crystal surface.
  • ITO indium oxide
  • the O film is suitable for use as an acousto-optic device that transmits laser light because it has low transmittance and is vulnerable to laser damage when light with a wavelength of 400 nm or less is used as incident light.
  • the melt when the group III nitride crystal is a crystal obtained by a liquid phase method using the melt, the melt preferably contains the dopant element.
  • the concentration obtained by changing the concentration of the dopant element in the melt is obtained. It is preferable that it is a crystal.
  • the change in concentration it is preferable to increase the concentration of the dopant element according to crystal growth.
  • the change in concentration may be continuously changed, and may be performed in one step or two or more steps. May be changed. Examples of the method of increasing the concentration stepwise include a method of keeping the concentration constant for a certain period of time and then increasing the concentration and repeating these steps.
  • the concentration before the change is 0.001 mol% to 0.005 mol%
  • the concentration after the change is 0.01 mol% to 0.1 mol%.
  • the concentration of the dopant element may be changed, for example, 2 to 100 times between before and after the change.
  • the resistivity of the group III nitride crystal is, for example, 1 ⁇ 10 ” 3 ⁇ ′cm ⁇ l
  • the resistivity can be easily measured by, for example, a four-terminal method.
  • the resistivity of the interior of the group IV nitride crystal is larger than the resistivity of the outer periphery of the group IV nitride crystal.
  • the internal resistivity (R) of the group III nitride crystal is, for example, 1 ⁇ 10 2 ⁇ ⁇ ⁇ to 1 ⁇ 10 6 ⁇ 'cm, preferably 1 X 10 3 ⁇ ' cm to l X 10 4 Omega 'cm, and the resistivity of the outer peripheral portion of the III-nitride crystal (R) power e.g., 1 X 10- 3 ⁇ ' is cm ⁇ l X 10 2 ⁇ 'cm, preferred e
  • the outer peripheral portion of the group III nitride crystal is defined as the outer force of the crystal block up to 100 m in thickness.
  • the inside of the group III nitride crystal means the other part.
  • the acousto-optic medium includes at least one of a light incident surface and a light output surface.
  • the acoustooptic device further includes an antireflection means, and is formed on at least one of the light incidence surface and the light emission surface.
  • the antireflection means include a SiO film and an Al 2 O film as the dielectric thin film, which is preferably a dielectric thin film.
  • the antireflection means is a single layer
  • It may be a film or a multilayer film of two or more layers.
  • O single layer film III-nitride crystal with large refractive index, SiO single layer film and Al O single layer
  • a highly reliable acoustic optical element having antireflection means can be realized.
  • the refractive index of the dielectric thin film is n
  • the thickness of the dielectric thin film is t.
  • n t Z4 when the wavelength of incident light in a vacuum is taken into account.
  • the acoustooptic device further includes a high thermal conductivity sheet.
  • the high thermal conductivity sheet is preferably formed on at least a part of the acoustooptic medium.
  • the high thermal conductive sheet preferably has conductivity.
  • the acoustooptic device further includes a grounding means.
  • the acoustooptic medium is electrically grounded by the grounding means.
  • the grounding means is not particularly limited, but is preferably a heat conductive sheet. By this grounding means, dust adhesion to the acousto-optic medium surface can be further suppressed.
  • the acoustooptic element to be used is not particularly limited as long as it uses a group X element nitride crystal as the acoustooptic medium.
  • the acoustooptic element The acoustooptic device of the present invention can be used.
  • the group VIII nitride crystal is not particularly limited.
  • the composition formula Al Ga In N (where 0 ⁇ u ⁇ 1, 0 ⁇ v ⁇ 1, u + crystal represented by v ⁇ 1) uv (1-uv)
  • GaN crystals GaN crystals, A1N crystals, GaN and A1N solid solutions (AlGaN crystals), crystals containing In, such as AlGalnN crystals, and the like.
  • AlGaN crystals AlGaN crystals
  • A1 N crystal, GaN crystal and AlGaN crystal are preferable.
  • the optical circuit can be made even easier when the short wavelength light in the blue to ultraviolet region is used as the incident light. A device can be realized.
  • the optical drawing apparatus of the present invention further includes an antireflection unit, and is formed on at least one of the light incident surface and the light output surface of the acoustooptic medium.
  • the acousto-optic medium has electrical conductivity, and more preferably, the acousto-optic medium is electrically grounded.
  • the optical drawing apparatus of the present invention preferably further includes a movable mirror.
  • the optical drawing device of the present invention it is further preferable to have a beam stopper. It is preferable that the beam stopper shields transmitted light from the acoustooptic device.
  • the drawing surface is preferably a photoconductor.
  • the photoconductor is preferably a phosphor.
  • a GaN crystal was processed into a prism shape, and the GaN crystal was used as an acoustooptic medium to produce an acoustooptic device shown in FIG.
  • the acoustooptic device shown in the figure is an example of the configuration of the acoustooptic device of the present invention, and the configuration of the acoustooptic device of the present invention is not limited to this.
  • the acoustooptic device includes a high frequency signal input unit 65, a transducer unit 64, and an acoustooptic medium 6 as main components.
  • the acoustooptic medium 6 is disposed in a storage container 66, and the high-frequency signal input unit 65 is disposed outside the storage container 66.
  • the high-frequency signal input unit 65 is connected to the transducer unit 64 via an impedance matching unit 68, and the transducer unit 64 is disposed on one surface of the acoustooptic medium 6.
  • a sound absorbing material 63 is disposed on the surface facing the transducer portion 64 disposition surface.
  • the transducer section 64 can be made of a piezoelectric crystal such as LiNbO, for example.
  • the impedance matching unit 68 takes electrical impedance matching between the high-frequency signal input unit 65 and the transducer unit 64, and the sound absorbing material 63 receives ultrasonic waves again at the end of the acoustooptic medium 6. Absorbs ultrasonic waves so that they do not reflect back to the transducer section 64 side.
  • An ultrasonic wave (usually about 10 MHz to 2,000 MHz) corresponding to the high frequency signal input from the high frequency signal input unit 65 propagates in the acoustooptic medium 6.
  • the acousto-optic medium 6 Density of the density corresponding to the wavelength of the sound wave can be obtained, and as a result, the refractive index can be changed corresponding to the wavelength. Since the period of the refractive index change is about the same as the wavelength of light, a diffraction grating for light is formed inside the acoustooptic medium 6.
  • the incident light 601 incident on the light incident surface 61 of the acousto-optic medium 6 is diffracted light 602, which is diffracted by the diffraction grating inside the acousto-optic medium 6.
  • the transmitted light 603 is transmitted without being diffracted. It is.
  • the diffraction angle of the diffracted light 602 varies depending on the frequency of the high frequency signal applied to the high frequency signal input unit 65, and the diffraction efficiency of the diffracted light 602 varies depending on the magnitude of the high frequency signal applied to the high frequency signal input unit.
  • the diffraction angle is, for example, about 0.2 to several degrees, and the magnitude of this diffraction angle increases as the frequency of the incident ultrasonic wave increases.
  • the acoustooptic device manufactured in this example can have a diffraction efficiency of 10% to 60% for CW laser light having a wavelength of 488 nm when the input RF power is 2 W, for example. It was hot.
  • As drive power for the acousto-optic device RF power of about 0.5 W to 5 W is normally input to the transducer section 64 through the impedance matching section 68, and the power eventually becomes heat. For this reason, the use of a material with high thermal conductivity as an acousto-optic medium is advantageous in terms of heat dissipation.
  • the acoustooptic device of this example is characterized in that, since a GaN single crystal is used as the acoustooptic medium 6, the disturbance of the beam pattern is small even if the optical power with high thermal conductivity is increased.
  • the case where 488 nm laser light is used as incident light is shown.
  • a GaN crystal when used as an acoustooptic medium, for example, it can transmit up to a wavelength of about 380 nm.
  • Is used as an acousto-optic medium for example, can transmit up to a wavelength of about 220 nm. Therefore, the use of a group III nitride crystal as the acoustooptic medium is extremely useful as an acoustooptic element for short wavelengths of blue light and ultraviolet light.
  • antireflection means (hereinafter also referred to as an antireflection film) made of a dielectric thin film on the light incident surface 61 and the light emitting surface 62 of the acoustooptic medium 6, the light transmittance is further improved. Thus, deterioration of the extinction ratio due to multiple reflection of light inside the acoustooptic medium 6 can be prevented.
  • a single-layer antireflection film will be described with reference to the graph of FIG.
  • Figure 2 shows an acousto-optic medium and Then, when a borate crystal and a group m nitride crystal are used, and a single-layer film of MgF film, SiO film, and Al 2 O film is formed on each crystal as an antireflection film,
  • the refractive index is n
  • the film thickness is t
  • an antireflection film By performing 1 1 1 1 1 1, an antireflection film can be formed. At this time, even with a single layer film, an antireflection film having a reflectance of about 1% or less on one side can be realized at a desired wavelength. Furthermore, these films are particularly practically advantageous because they have high moisture resistance and high mechanical strength. On the other hand, in the case of a borate crystal antireflection film (for single wavelength), a single layer film of MgF is suitable due to the refractive index.
  • MgF has a drawback that a single layer film has low moisture resistance and mechanical strength.
  • optical fan
  • the antireflection film is also a single layer film.
  • the wavelength using the second harmonic of a Ti: Al 2 O laser Using the acoustooptic device, the wavelength using the second harmonic of a Ti: Al 2 O laser
  • MgO Li Nb0 3 70 ⁇ 105 2 ⁇ 3
  • the acoustooptic device using A1N crystal has a laser damage threshold absolute value of 140 KWZmm 2 or more, and a very large value that is more than double the laser damage threshold relative value against TeO.
  • This absolute value of the laser damage threshold is a limit of the measurement system.
  • optical damage disurbance of beam pattern
  • TeO crystals, MgO LiNbO crystals, Li B O crystals, GaN crystals and
  • the acoustooptic device of the present invention is excellent. I can say that.
  • the acoustooptic device of the present invention is considered to be applicable to both cases of relatively high peak power and continuous light.
  • acousto-optic media include A1N crystal (low resistance), GaN crystal (high resistance and low resistance), Li B O crystal, MgO: Li
  • ⁇ ⁇ ⁇ Indicates that the rate is in the range of 1 X 0 4 ⁇ 'cm.
  • a group III nitride crystal is grown by melt force such as alkali metal, for example, at the initial stage of crystal growth, the crystal is crystallized to a certain size by using a melt with almost no dopant element added.
  • a crystal having a lower resistivity at the outer peripheral portion than the inside of the crystal can be obtained by growing the crystal and then growing the crystal using a melt having a high dopant concentration as the second melt.
  • Adhesion of dust is caused by being adsorbed on the crystal surface by static electricity or other impurities in the atmosphere that are ionized or activated by force by light, and is a ferroelectric and insulator LiN bO. Crystals are thought to be particularly likely to adsorb very small particles of dust in the atmosphere due to static electricity. . In addition, if the adsorbed dust particles are exposed to light, a chemical reaction or the like is caused on the surface, leading to a decrease in light transmittance. In contrast, the acoustooptic device of the present invention uses a group III nitride crystal as the acoustooptic medium, and therefore can suppress dust adhesion and a decrease in light transmittance.
  • the chemical reaction on the surface of the acousto-optic medium due to dust adhesion and dust adhesion is suppressed, and the dust adhesion and the light transmittance decrease more. It can be further suppressed.
  • the acousto-optic performance was evaluated. The results are shown in Table 3 below.
  • the acoustooptic device using GaN and AIN crystals was used with the acoustooptic medium electrically grounded to prevent charging.
  • Example 3 Using a crystal similar to that in Example 3, a continuous light acousto-optic modulator of a semiconductor laser having a wavelength of 400 nm was fabricated and its acousto-optic performance was evaluated. The results are shown in Table 4 below. The acoustooptic device using GaN and A1N crystals was used with the outer periphery of the crystals electrically grounded to prevent charging.
  • the diffraction efficiency of the acousto-optic modulator using GaN and A1N crystals is 2 to 3 times that of the acousto-optic modulator using Li BO crystal.
  • an example of an acousto-optic modulator is shown as an acousto-optic element.
  • the present invention is not limited to this.
  • an acousto-optic deflector, an acousto-optic filter, an acousto-optic frequency are used. It can also be used for other acoustooptic elements such as shifters.
  • A1N crystal and Li B O crystal are used as the acousto-optic medium, and the same acoustic light as in FIG.
  • the diffraction efficiency of the acoustooptic device using the A1N crystal is Li
  • a film was formed.
  • the acousto-optic device using the A1N crystal is the diffraction of the acousto-optic device using the ⁇ ⁇ ⁇ crystal.
  • the optical drawing apparatus shown in the figure is an example of the configuration of the optical drawing apparatus of the present invention, and the configuration of the optical drawing apparatus of the present invention is not limited to this.
  • the optical drawing apparatus shown in the figure includes a light source 28, an acoustooptic device 20, a drawing screen 24, and a drive circuit 22 as main components.
  • the incident light 201 emitted from the light source 28 enters the acoustooptic device 20.
  • the basic structure of the acousto-optic device is the same as in Fig. 1.
  • the diffracted light 203 and the transmitted light 202 modulated according to the signal from the drive circuit 22 are emitted from the acoustooptic device 20.
  • Diffracted light with a large extinction ratio (difference between ON and OFF of light) may be used, or depending on the application, only transmitted light or both transmitted light and diffracted light may be used.
  • the diffracted light 203 reaches the drawing surface and becomes an image or a line in accordance with a signal from the drive circuit.
  • a GaN crystal semiconductor laser (wavelength: 410 nm, output: 50 mW) was used.
  • a conductive GaN crystal having a resistivity of about 1 ⁇ 10 3 ⁇ ′cm was used as the acoustooptic medium, and the GaN crystal was electrically grounded to be used as an acoustooptic element.
  • GaN-based semiconductor lasers have low optical power
  • a light source for a laser microscope can be used as a light source for a laser printer.
  • the optical drawing apparatus of the present invention is used as a light source for a laser microscope, it is possible to reduce the focused spot and improve the resolution as compared with the case of using a normal red semiconductor laser. It becomes possible.
  • the type of material can also be identified by looking at the fluorescence on the drawing surface (in this case, the sample surface).
  • the optical drawing apparatus of the present invention is used in a laser printer, a laser printer with higher resolution can be realized.
  • the optical drawing apparatus shown in the figure includes a light source 29, an acoustooptic device 20, a beam stopper 30, a movable mirror 26, and a drawing screen. 24 and drive circuit 22 are the main components.
  • the incident light 201 emitted from the light source 29 is incident on the acoustooptic device 20.
  • Diffracted light 202 and transmitted light 203 modulated in accordance with a signal from the drive circuit 22 are emitted from the acoustooptic device 20.
  • the transmitted light 203 that becomes stray light in the apparatus is blocked by the beam stopper 30.
  • the diffracted light 202 is reflected by the movable mirror 26 to draw light on the drawing surface 24.
  • a YAG laser (third harmonic (wavelength 355 nm), average output 0.1 W) is used as the light source 29
  • A1N is used as the acoustooptic medium used in the acoustooptic device 20
  • the movable mirror 26 is A polygon mirror was used.
  • the average output of the light source 29 is large, and the angle of the light can be greatly changed by the possible mirror 26.
  • a light source for direct drawing on a printed board or a laser display It is possible to use. When used as a direct drawing device on a printed circuit board, it has the feature that the resolution is improved and the cost of the photosensitive agent is reduced.
  • the present invention it is possible to realize an acoustooptic device that is excellent in acoustooptic performance without laser damage and light damage even in the case of light in the blue-power ultraviolet region.
  • Group III nitrides such as GaN and A1N are excellent in heat conduction, so water cooling is not required even when a relatively large RF signal is input.
  • an example of an optical drawing apparatus using laser beams with wavelengths of 410 nm and 355 nm has been described.
  • an optical drawing apparatus using a fourth harmonic (wavelength 266 nm) of a YAG laser is used.
  • the optical drawing apparatus of the present invention is not limited to the one that draws a specific image or line on the drawing surface, and can be used, for example, as a device that irradiates the entire drawing surface, such as a laser microscope.
  • an acoustooptic device with relatively high efficiency free from laser damage and optical damage and an optical drawing apparatus using the acoustooptic device can be realized at low cost. Therefore, acousto-optic devices such as acousto-optic modulators, acousto-optic deflectors, acousto-optic filters or acousto-optic frequency shifters, among others, the wavelength 488 ⁇ ! It is useful for acousto-optic devices for short-wavelength light in the blue to ultraviolet region of ⁇ 220 nm and optical drawing devices using the same.

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Abstract

　紫外領域の光でも利用可能で、レーザダメージや光損傷がなく、音響光学性能に優れる音響光学素子及びそれを用いた光描画装置を提供する。 　本発明の音響光学素子は、高周波信号入力部（６５）、トランスデューサ部（６４）および音響光学媒体（６）を含み、前記高周波信号入力部（６５）から入力した高周波信号を、前記トランスデューサ部（６４）により機械振動に変換し、前記機械振動により前記音響光学媒体（６）の光学的な特性が変化する音響光学素子であって、前記音響光学媒体が、ＩＩＩ族窒化物結晶であることを特徴とする。また、本発明の光描画装置は、光源、音響光学素子、駆動回路および描画面を有し、前記光源からの光が、前記駆動回路からの信号に応じて前記音響光学素子において回折され、その回折光が、前記描画面に描画される光描画装置であって、前記音響光学素子の音響光学媒体が、ＩＩＩ族窒化物結晶であることを特徴とする。

Description

明 細 書
音響光学素子及びそれを用いた光描画装置
技術分野
[0001] 本発明は、音響光学素子及びそれを用いた光描画装置に関する。
背景技術
[0002] 従来、アルゴンレーザやヘリウムネオンレーザの可視光用音響媒体として、 TeO結
2 晶ゃ PbMoO結晶が用いられてきた。一方、青色から紫外領域の光を利用した、例
4
えば、 YAGレーザの 3倍波〜 4倍波や各種短波長の半導体レーザ光源と、音響光 学素子との組み合わせが検討されている。なお、前記音響光学素子としては、例え ば、音響光学変調器、音響光学偏向器、音響光学フィルタおよび音響光学周波数シ フタ等をさす。
[0003] 従来の紫外領域の光を利用した音響光学変調素子の音響光学媒体としては、石 英ガラス、水晶および KDP結晶等が用いられている（例えば、非特許文献 1および 2 参照)。さらに近年、紫外光用音響光学素子として各種ボレート系結晶が検討されて いる（例えば、特許文献 1参照)。
[0004] し力しながら、 PbMoO結晶を用いた音響光学素子では、 PbMoO結晶の吸収端
4 4
波長が 410nm程度であり、紫外領域の波長 380nm以下の光を透過しないという問 題がある（ここでは 380ηπ！〜 220nmの波長の光を紫外光と定義する)。 TeO結晶を
2 用いた音響光学素子では、 TeO結晶の吸収端波長は約 330nmであるが、特許文
2
献 1に示すようにノ ルスのピークパワーの大きな用途には適さな 、と!/、う問題がある。
[0005] また、石英ガラス、水晶および KDP結晶を用いた音響光学素子では、音響光学性 能が小さいため、音響光学素子を駆動するための高周波信号電源が大きくなり、音 響光学素子の発熱を抑制するために音響光学素子を水冷する必要がある。ボレート 系結晶を用いた音響光学素子では、紫外領域の光において利用可能であり、かつレ 一ザダメージに強い音響光学素子を実現できるが、用途によっては音響光学性能が まだ充分でな 、と 、う問題がある。
[0006] また、短波長用の音響光学素子として利用するためには、光入射面や光出射面に ゴミが付着すること、さらに短波長の光の場合は、空気中の浮遊物を分解し、その分 解物が光入射面や光出射面に吸着するという問題がある。
[0007] また、湿度の低い環境で音響光学素子を製造する場合、大気中のわずかの埃など を吸着する場合があり、そこにレーザ光を照射すると、ゴミを吸着した部分で光の透 過率が低下したり、音響光学素子の光入射面や光出射面でゴミが焼き付くなどの問 題がある。
[0008] 一方、青色から紫外領域の光を用いた光描画装置を、例えば、電子回路基板の直 接描画装置、各種プリンターなどの光源として利用することが検討されている。
従来の音響光学素子を用いた光描画装置では、音響光学媒体の耐湿処理や、水 冷による放熱が必要であり、その結果、駆動回路等が大きくなるという問題がある。ま た音響光学素子の光入射面や光出射面にゴミが付着し、光描画装置を連続で長時 間利用できな 、と 、う問題がある。
[0009] 特許文献 1：特開 2004-170940号公報
非特許文献 1 : Proceeding IEEE Ultrasonic Sympo Vol. 1998 ppl289— 1292 (1998)
非特許文献 2 : Proceeding of the IEEE Vol. 61 No8 pp. 1073 - 1092 ( 1973)
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0010] そこで、本発明は、紫外領域の光でも利用可能で、レーザダメージや光損傷のなく 、力つ光入射面や光出射面にゴミ付着の影響のない、音響光学性能に優れる音響 光学素子及びそれを用いた光描画装置の提供を、その目的とする。
課題を解決するための手段
[0011] 本発明の音響光学素子は、高周波信号入力部、トランスデューサ部および音響光 学媒体を含み、前記高周波信号入力部から入力した高周波信号を、前記トランスデ ユーサ部により機械振動に変換し、前記機械振動により前記音響光学媒体の光学的 な特性が変化する音響光学素子であって、前記音響光学媒体が、 ΠΙ族窒化物結晶 であることを特徴とする。 [0012] なお、ここで、前記機械振動により前記音響光学媒体の光学的な特性が変化する 音響光学素子とは、以下のことを指す。すなわち、高周波信号に応じた超音波が、音 響光学媒体を伝播する。このとき、音響光学媒体中に超音波の波長に対応した密度 の粗密ができ、この結果、超音波の波長に対応した屈折率変化が音響光学媒体中 にできる。この屈折率変化の周期が、光の波長と同程度となるため、音響光学媒体 内部に光に対する回折格子が形成される。音響光学媒体の光入射面に入射した入 射光が、音響光学媒体内部の回折格子により回折され、音響光学素子が実現される
[0013] 本発明の光描画装置は、光源、音響光学素子、駆動回路および描画面を有し、前 記光源からの光が、前記駆動回路からの信号に応じて前記音響光学素子において 回折され、その回折光が、前記描画面に描画される光描画装置であって、前記音響 光学素子の音響光学媒体が、 ΠΙ族窒化物結晶であることを特徴とする。
発明の効果
[0014] 本発明によれば、音響光学媒体として III族窒化物結晶を使用することにより、レー ザダメージや光損傷がなぐ音響光学性能に優れる音響光学素子を実現できる。さら に、短波長の音響光学素子として問題となる光入射面や光出射面でのゴミの影響な どをなくす事が可能となる。また、本発明の光描画装置は、音響光学媒体として ΠΙ族 窒化物結晶を使用することにより、例えば、駆動回路の小型化、耐湿性の向上、紫外 領域の光を入射光として用いた場合におけるダメージ耐性の向上が可能になり、安 価で構成の簡単な光描画装置を実現できる。
図面の簡単な説明
[0015] [図 1]図 1は、本発明の音響光学素子の構成の一例を示す構成図である。
[図 2]図 2は、本発明の実施例 1による反射防止膜の材料と音響光学媒体の屈折率 の違いによる反射率を説明するグラフである。
[図 3]図 3は、本発明の描画装置の構成の一例を示す構成図である。
[図 4]図 4は、本発明描画装置の構成のその他の例を示す構成図である。
符号の説明
[0016] 6 音響光学媒体 20 音響光学素子
22 駆動回路
24 描画面
26 可動ミラー
28、 29 光源
30 ビームストッパー
61 光入射面
62 光出射面
63 吸音材
64 トランスデューサ部
65 高周波信号入力部
66 収納容器
68 インピーダンスマッチ グ部
201、 601 入射光
202、 602 回折光
203、 603 透過光
発明を実施するための最良の形態
本発明にお ヽて、前記 III族窒化物結晶は、特に制限されず、例えば、組成式 Al G a In N (ただし、 0≤u≤l, 0≤v≤l, u+v≤ 1)で表される結晶であることが好ま
V (l—u—v)
しい。具体例としては、 GaN結晶、 A1N結晶、 GaNおよび A1Nの固溶体 (AlGaN結 晶）、 AlGalnN結晶等の Inを含む結晶等があげられる。前記結晶は、ドーパント元素 を含まない結晶でもよいし、後述するように、ドーパント元素を含む結晶であってもよ いが、ゴミ付着の影響をなくすためには、ドーパント元素を含む事が望ましい。これら の中でも、 GaN結晶、 A1N結晶、 AlGaN結晶、 AlGalnN結晶を使用することが好ま しい。 Inを全く含まない結晶、例えば、 A1N結晶および AlGaN結晶を音響光学媒体 として用いた場合、入射光の波長範囲を約 220nmの紫外領域付近の波長まで利用 可能な音響光学素子を実現できる。なお、本発明でいう固溶体とは、均一相の固溶 体のことであり、半導体分野で言われる混晶と同意である。 [0018] 前記音響光学媒体の性能定数 M2は、下記式より得られる。
Figure imgf000007_0001
前記式中において、 nは媒体の屈折率を示し、 pは光弾性定数を示し、 は媒体の 密度を示し、 Vは媒体中の音速を示す。
[0019] 前記式に示すように、媒体の屈折率が大きければ大き!、ほど、音響光学媒体の性 能定数が高くなるため、屈折率の大きな媒体は音響光学媒体として有効である。一 方、 ΠΙ族窒化物結晶は、電子分極が大きぐ光弾性定数も大きいことが期待され、優 れた音響光学媒体であるといえる。また、 GaN結晶や A1N結晶は従来力も検討され て 、る気相成長の他に、近年アルカリ金属などを用いた液相法でも良質の大型結晶 が成長できる可能性が見え始めており、 ΠΙ族窒化物バルタ結晶を用いた音響光学 素子を比較的安価に実現する事も可能になると考えられる。
[0020] 本発明において、前記 III族窒化物結晶は、いかなる製造方法により得られた結晶 でもよいが、高品質で大きな単結晶が得られるという理由から、液相法により形成され た結晶であることが好ましい。前記液相法は、窒素含有ガス雰囲気下、アルカリ金属 およびアルカリ土類金属の少なくとも一方と、 ΠΙ族元素と、窒素とを含む融液中で、 II I族元素と前記窒素とを反応させて ΠΙ族窒化物結晶を成長させる工程を有する方法 であることが好ましい。前記 ΠΙ族元素としては、例えば、 Al、 Gaおよび Inがあげられ 、これらは、単独で使用してもよいし、 2種類以上を併用してもよい。前記アルカリ金 属としては、 Li、 Na、 K、 Rbおよび Csがあげられ、前記アルカリ土類金属としては、 例えば、 Ca、 Mg、 Be、 Srおよび Baなどがあげられ、これらは単独で使用してもよい し、 2種類以上を併用してもよい。前記アルカリ金属としては、 Na、 Liおよび Kが好ま しぐ前記アルカリ土類金属としては、 Caが好ましぐ特に好ましくは、 Naと Caとを併 用することである。また、前記液相法は、加圧加熱下で実施することが好ましぐこの 条件は、例えば、 j± Λ 2atm~ 1 OOatm (2 X 1. 01325 X 105Pa~100 X 1. 01325 X 105Pa)、温度 600°C〜1800°Cの範囲である。最適圧力および最適温度は、成長 させる結晶組成に依存する。例えば、 A1を多く含む組成の結晶を成長させる場合、 高温 ·低圧下で成長させることが好ましく、 Gaや Inを多く含む組成の結晶を成長させ る場合、低温 ·高圧下で成長させることが好ましい。前記窒素含有ガスは、例えば、 窒素ガス、アンモニアガス若しくは前記両ガスの混合ガス等であることが好ましい。前 記窒素含有ガスは、例えば、不活性ガス (例えば、 Ar、 Heおよび Ne)および水素ガ ス等を含んで 、てもよ 、。前記融液中に含まれる窒素の窒素源は特に限定されず、 例えば、窒素含有ガス、融液中に混入させた窒素化合物等であってもよい。前記窒 素化合物としては、例えば、ヒドラジン (H NNH )およびアジィ匕ナトリウム等があげら
2 2
れる。
[0021] 本発明において、前記音響光学素子に入射される入射光の波長は特に制限され ないが、例えば、 488nm〜220nmの短波長範囲であることが好ましぐより好ましく は 380nm〜220nmであり、特に好ましくは 380nm〜266nmである。本発明の音響 光学素子は、音響光学媒体として、 ΠΙ族窒化物結晶を使用しているため、入射光の 波長が短波長である場合に特に有用である。なお、本発明において、短波長は 488 nm〜220nmの範囲の波長であると定義する。
[0022] 本発明において、前記 III族窒化物結晶が、導電性を有することが好ましい。音響 光学素子を導電性とすることで、光入射面や光出射面でのゴミなどの吸着をより抑制 し、長期信頼性により一層優れた音響光学素子を実現できる。
[0023] 前記導電性は、例えば、ドーパント元素をドーピングすること等により制御すること ができる。前記ドーパント元素としては、例えば、 Si、 Li、 Mg、 Znおよび O等があげら れ、これらは単独で使用してもよいし、 2種類以上を併用してもよい。中でも、 Siや Li を使用する事により、透明性を維持したまま、比較的低抵抗の結晶を得る事が出来る ので、これらの元素を使用することが好ましい。
[0024] なお、結晶の表面に導電性を付与する方法としては、例えば、 ITO (インジウム'ス ズ.酸ィ匕物）などの透明膜を結晶表面にコーティングする事も考えられる。しかし、 IT
O膜は、波長 400nm以下の光を入射光として用いた場合、透過率が低下する事や レーザダメージに弱 、ので、レーザ光を透過する音響光学素子への利用は適さな ヽ
[0025] 本発明にお 、て、前記 III族窒化物結晶が、前記融液を用いた液相法により得られ た結晶である場合、前記融液が、前記ドーパント元素を含むことが好ましぐその成 長工程において、融液中のドーパント元素の濃度を変化させることにより得られた結 晶であることが好ましい。前記濃度の変化としては、結晶の成長に応じてドーパント元 素の濃度を上昇させることが好ましぐ前記濃度の変化は、連続的に変化させてもよ いし、 1段階および 2段階以上に段階的に変化させてもよい。また、段階的に濃度を 上昇させる方法としては、例えば、一定時間濃度を一定に保った後、濃度を上昇させ 、これらを繰り返し行う方法等があげられる。例えば、融液中のドーパント濃度を 1段 階変化させる場合、変化前の濃度を 0. 001mol%〜0. 005mol%とし、変化後の濃 度を 0. 01mol%〜0. lmol%とし、変化前と変化後との間で、ドーパント元素の濃度 を、例えば、 2倍〜 100倍変化させてもよい。
[0026] 本発明において、前記 III族窒化物結晶の抵抗率は、例えば、 1 X 10"3 Ω 'cm〜l
X 104Ω 'cmであり、好ましくは 1 X 10— 2 Ω 'cm〜l X 103 Ω 'cmであり、より好ましくは 1 X 10_1 Ω 'cm〜l X 102 Ω 'cmである。前記抵抗率は、例えば、 4端子法により容易 に測定する事が出来る。
[0027] 本発明において、前記 ΠΙ族窒化物結晶の内部の抵抗率が、前記 ΠΙ族窒化物結晶 の外周部の抵抗率よりも大きいことが好ましい。このように、音響光学媒体の外周部 の抵抗値を小さくすることにより、音響光学媒体表面へのゴミ付着をより一層抑制でき る。前記 III族窒化物結晶の内部の抵抗率 (R)が、例えば、 1 Χ 102 Ω ·οπι〜1 Χ 106 Ω 'cmであり、好ましくは 1 X 103 Ω 'cm〜l X 104 Ω 'cmであり、前記 III族窒化物結 晶の外周部の抵抗率 (R )力 例えば、 1 X 10— 3 Ω 'cm〜l X 102 Ω 'cmであり、好ま e
しくは 1 X 10"2 Ω 'cm〜l X Κ^ Ω 'cmである。なお、本発明において、前記 ΠΙ族窒 化物結晶の外周部とは、結晶ブロックの外側力も厚み 100 mまでと定義し、前記 III 族窒化物結晶の内部とは、それ以外の部分を意味する。
[0028] 本発明において、前記音響光学媒体が、光入射面および光出射面の少なくとも一 方を含むことが好ましい。
[0029] 本発明において、前記音響光学素子が、さらに、反射防止手段を含み、前記反射 防止手段力 前記光入射面および光出射面の少なくとも一方に形成されていること が好ましい。前記反射防止手段としては、誘電体薄膜が好ましぐ前記誘電体薄膜と しては、例えば、 SiO膜および Al O膜等があげられる。前記反射防止手段は、単層
2 2 3
膜であっても、 2層以上の複数層膜であってもよぐ好ましくは SiO単層膜および Al O単層膜である。屈折率の大きな III族窒化物結晶と、 SiO単層膜および Al O単層
3 2 2 3 膜等の単層膜とを組み合わせることにより、反射防止手段を有した信頼性の高い音 響光学素子を実現できる。
[0030] 本発明にお 、て、前記誘電体薄膜の屈折率を n、前記誘電体薄膜の厚みを t、入
1 1 射光の真空中での波長をえ とするとき、 n t = Z4であることが好ましい。
1 1 1 1
[0031] 本発明において、前記音響光学素子が、さらに、高熱伝導シートを含むことが好ま しぐ前記高熱伝導シートが、前記音響光学媒体の少なくとも一部に形成されている ことが好ましい。前記高熱伝導シートは、導電性を有することが好ましい。
[0032] 本発明において、前記音響光学素子が、さらに、接地手段を含むことが好ましぐ 前記接地手段により、前記音響光学媒体が、電気的に接地されていることが好ましい 。前記接地手段は、特に制限されないが、熱伝導シートであることが好ましい。この接 地手段により、音響光学媒体表面へのゴミ付着をより一層抑制できる。
[0033] 本発明の光描画装置において、前記音響光学媒体として、 ΠΙ族元素窒化物結晶 を使用するものであれば、使用する音響光学素子は特に制限されず、例えば、前記 音響光学素子として、前記本発明の音響光学素子を使用することができる。
[0034] 本発明の光描画装置において、前記 ΠΙ族窒化物結晶は、特に制限されず、例え ば、組成式 Al Ga In N (ただし、 0≤u≤ 1, 0≤v≤ 1, u+v≤ 1)で表される結晶 u v (1-u-v)
であることが好ましい。具体例としては、 GaN結晶、 A1N結晶、 GaNおよび A1Nの固 溶体 (AlGaN結晶）、 AlGalnN結晶等の Inを含む結晶等があげられる。中でも、 A1 N結晶、 GaN結晶および AlGaN結晶が好ましい。前記音響光学媒体として、 GaN 結晶、 A1N結晶および AlGaN結晶を音響光学素子に用いた場合、入射光として青 色から紫外領域の短波長光を用いた場合における駆動回路がより一層簡単な光描 画装置を実現できる。
[0035] 本発明の光描画装置において、さらに、反射防止手段を有し、前記反射防止手段 力 前記音響光学媒体の光入射面および光出射面の少なくとも一方に形成されてい ることが好ましい。
[0036] 本発明の光描画装置において、前記音響光学媒体が、導電性を有することが好ま しぐより好ましくは、前記音響光学媒体が、電気的に接地されていることである。 [0037] 本発明の光描画装置において、さらに、可動ミラーを有することが好ましい。
[0038] 本発明の光描画装置において、さらに、ビームストッパーを有することが好ましぐ 前記ビームストッパーが、前記音響光学素子からの透過光を遮光することが好ましい
[0039] 本発明の光描画装置において、前記描画面が、感光体であることが好ましぐ前記 感光体が、蛍光体であることが好ましい。
[0040] 以下、実施例を用いてさらに詳細に説明する。なお、以下の実施例では、 III族窒 化物結晶として、 GaN結晶及び A1N結晶を用いた場合の例である力 AlGaN結晶、 AlGalnN結晶等のその他の III族窒化物結晶であっても、同様に実施可能である。 実施例 1
[0041] GaN結晶をプリズム形状に加工し、その GaN結晶を音響光学媒体として使用し、 図 1に示す音響光学素子を作製した。同図に示す音響光学素子は、本発明の音響 光学素子の構成の一例であって、本発明の音響光学素子の構成は、これに限定さ れるものではない。
[0042] 同図に示すように、音響光学素子は、高周波信号入力部 65、トランスデューサ部 6 4および音響光学媒体 6を主要構成要素とする。前記音響光学媒体 6は、収納容器 6 6内に配置され、前記収納容器 66の外部には、前記高周波信号入力部 65が配置さ れている。前記高周波信号入力部 65は、インピーダンスマッチング部 68を介して前 記トランスデューサ部 64と接続し、前記トランスデューサ部 64は、前記音響光学媒体 6の 1つの面に配置されている。前記音響光学媒体 6において、前記トランスデュー サ部 64配置面と向かい合う面に吸音材 63が配置されている。前記トランスデューサ 部 64は、例えば、 LiNbO等の圧電体結晶で作製することができる。前記インピーダ
3
ンスマッチング部 68は、前記高周波信号入力部 65とトランスデューサ部 64との間に おける電気的なインピーダンスの整合性を取り、前記吸音材 63は、前記音響光学媒 体 6の端で超音波が再度反射してトランスデューサ部 64側に戻らないように超音波を 吸収する。
[0043] 高周波信号入力部 65から入力した高周波信号に応じた超音波（通常 10MHz〜2 000MHz程度)が、音響光学媒体 6内を伝播する。このとき、音響光学媒体 6中に超 音波の波長に対応した密度の粗密ができ、この結果、波長に対応した屈折率変化が できる。この屈折率変化の周期が光の波長と同程度となるため、音響光学媒体 6内 部に光に対する回折格子が形成される。音響光学媒体 6の光入射面 61に入射した 入射光 601が、前記音響光学媒体 6内部の回折格子により回折されたのが回折光 6 02であり、回折されずそのまま透過したのが透過光 603である。回折光 602の回折 角は、高周波信号入力部 65に印加する高周波信号の周波数により変化し、回折光 602の回折効率は、高周波信号入力部に印加する高周波信号の大きさにより変化 する。回折角は、例えば、 0. 2から数 ° 程度であり、この回折角の大きさは入射する 超音波の周波数が大きいほど、大きな回折角となる。
[0044] 本実施例で作製した音響光学素子は、例えば、入力 RFパワーが 2Wの時、波長 4 88nmの CWのレーザ光に対して、回折効率を 10%〜60%とすることが可能であつ た。音響光学素子の駆動電力として、通常 0. 5W〜5W程度の RFパワーがインピー ダンスマッチング部 68を通してトランスデューサ部 64に入力されることになり、その電 力は最終的には熱になる。そのため、熱伝導の大きな材料を音響光学媒体として使 用することは、放熱の観点力も有利である。また、本実施例の音響光学素子に、光の 入射パワー 1Wの連続光を入射した場合であっても、ビームのドリフトやぼけのない 良好なビーム品質の回折光が得られた。本実施例の音響光学素子は、音響光学媒 体 6として GaN単結晶を用いたため、熱伝導率が高ぐ光パワーを大きくしてもビーム パターンの乱れが小さ 、と 、う特徴がある。
[0045] なお、本実施例では、 488nmのレーザ光を入射光として使用した場合を示したが 、 GaN結晶を音響光学媒体として用いた場合、例えば、波長 380nm程度まで透過 可能であり、 A1N結晶を音響光学媒体として用いた場合、例えば、波長 220nm程度 まで透過可能である。したがって、音響光学媒体として III族窒化物結晶を使用するこ とは、青色光及び紫外光の短波長用音響光学素子として極めて有用である。
[0046] 前記音響光学媒体 6の光入射面 61や光出射面 62に誘電体薄膜からなる反射防 止手段 (以下、反射防止膜ともいう）を形成することにより、光の透過率のさらなる向上 と、音響光学媒体 6内部の光の多重反射による消光比の劣化防止とが可能となる。 単層の反射防止膜について図 2のグラフを用いて説明する。図 2は、音響光学媒体と して、ボレート系結晶および m族窒化物結晶を使用し、それぞれの結晶に、反射防 止膜として MgF膜、 SiO膜および Al O膜の単層膜を形成した場合における、基材
2 2 2 3
屈折率 (音響光学結晶の屈折率)と反射率 (％)との関係を示したグラフである。同図 のグラフ力 わ力るように、 m族窒化物結晶を音響光学媒体として用いた場合、 m族 窒化物結晶の屈折率がボレート系結晶に比べて大きぐ単一波長用反射防止膜とし て耐湿性や機械的強度に優れる SiOおよび Al oが使用可能となる。例えば、膜の
2 2 3
屈折率を n、膜厚を t、使用する光の真空中での波長をえとすると、 n t = X Z4と
1 1 1 1 1 1 することで反射防止膜を形成することができる。このとき単層膜でも所望の波長で片 面の反射率約 1%以下の反射防止膜を実現できる。さらにこれらの膜は、耐湿性が 高くかつ機械的強度が高いので、特に実用上有利である。一方、ボレート系結晶の 反射防止膜 (単一波長用）の場合、屈折率の関係で MgFの単層膜が適しているが
2
、 MgFは、単層膜では耐湿性や機械的強度が弱いという欠点がある。なお、光ファ
2
ィバゃレーザを用いた光学系では、利用する波長が単一である場合が多いため、反 射防止膜も単層膜でょ 、場合が多 、。
実施例 2
A1N結晶、 GaN結晶、 Li B O結晶、 MgO :LiNbO結晶（MgOをドープした LiN
2 4 7 3
bO結晶）、 LiNbO結晶および TeO結晶を音響光学媒体として用い音響光学素子
3 3 2
を作製し、その音響光学素子を用いて、 Ti:Al Oレーザの第 2高調波を用いた波長
2 3
400nmのパルスレーザ光に対するレーザダメージおよび光損傷を測定した。光損傷 は、光源としては波長 488nmのアルゴンレーザの連続光を使用し、サンプル位置で のレーザ強度が 1. 8kWZmm2という条件で行った。これらの結果を以下の表 1に示 す。
[表 1] レーザダメージ閾値 光損傷の有無
絶対値 （KW/mm2) 相対値
T e 02 34 1
L i Nb03 105 3
MgO : L i Nb03 70〜 105 2~3
L i 2B4〇7 140以上 4以上
GaN 140以上 4以上
A I N 140以上 4以上
[0048] 表 1に示すように、 TeO結晶および MgO:LiNbO結晶を用いた音響光学素子は
2 3
、従来例（特開 2004— 170940)でも知られているように、パルスレーザ光に対する レーザダメージが比較的低パワーで観測された。一方、 Li B O結晶、 GaN結晶およ
2 4 7
び A1N結晶を用いた音響光学素子は、レーザダメージ閾値絶対値が 140KWZmm 2以上であり、 TeOに対するレーザダメージ閾値相対値力 倍以上と極めて大きな値
2
を示した。なお、このレーザダメージ閾値絶対値は、測定系の限界である。光損傷 (ビ ームパターンの乱れ）に関しては、 LiNbO結晶を用いた音響光学素子にのみ観測
3
されたが、その他の TeO結晶、 MgO: LiNbO結晶、 Li B O結晶、 GaN結晶およ
2 3 2 4 7
び A1N結晶を用いた音響光学素子では観測されな力 た。
無有無無 ·接 i
[0049] このように、 GaN結晶および A1N結晶を用いた音響光学素子において、レーザダメ ージ閾値絶対値が高ぐ光損傷が観測されな力つたため、本発明の音響光学素子は 優れているといえる。本発明の音響光学素子は、ピークパワーの比較的大きな場合 にも、連続光の場合にも適応可能であると考えられる。
[0050] 次に、結晶表面のゴミ付着および結晶の透過率低下について、音響光学媒体とし て、 A1N結晶（低抵抗）、 GaN結晶（高抵抗および低抵抗）、 Li B O結晶、 MgO: Li
2 4 7
NbO結晶および LiNbO結晶を用いて作製した音響光学素子について、波長 440
3 3
nmの半導体レーザの光を結晶表面で直径約 10 m φ〜100μτηφに集光させる ことにより、比較的波長の短い連続光とし、約 500時間〜 1000時間照射した後、各 種結晶表面の状態を観測した。その結果を以下の表 2に示す。なお、このゴミ付着お よび結晶の透過率低下は、比較的短い波長の光を連続使用した場合に問題となる。
[表 2] 材料 耐ゴミ付着性
L i N b 03 X〜
M g O： L i N b O a X〜
L i 2 B 407 △〜
G a N (高抵抗） △〜
G a N (低抵抗） 〇
A 1 (低抵抗） 〇
[0051] 前記表 2において、特に結晶の透過率の低下や、ゴミ付着が観測された程度の大 きいもの力も順に X、△で示し、最初の状態力も変化しな力つたもの（ゴミ付着が観測 されなかったもの）を〇で示した。また、前記高抵抗とは、抵抗率が 1 X 105 Ω 'cm以 上であることを示し、前記低抵抗とは、抵抗 10— 3 Ω 'cm〜l X 1
〇〇 △△率が 1 X 04Ω 'cmの 範囲であることを示す。
[0052] この結果より、 LiNbO結晶および MgO :LiNbO結晶を用いた音響光学素子にお
3 3
いて、結晶表面でのゴミ付着と透過率の低下顕著に観測され、 Li B O結晶を用い
2 4 7
た音響光学素子においても観測された。これに対し、高抵抗の GaN結晶においてわ ずかにゴミ付着が観測されたものの、低抵抗の GaN結晶および A1N結晶ではゴミ付 着はほとんど観測されな力つた。同じ GaN結晶でも Siなどでドーピングを行 、低抵抗 の結晶を用いた音響光学素子では、ゴミ付着および透過率の低下はほとんど観測さ れなかった。
[0053] また、 III族窒化物結晶をアルカリ金属等の融液力 成長させる場合、例えば、結晶 成長の初期には、ドーパント元素をほとんど添加しない融液を用いてある程度の大き さの結晶まで結晶成長させ、その後、第 2の融液としてドーパント濃度の高い融液を 用いて結晶成長させることにより、結晶の内部と比較して外周部の抵抗率が小さい結 晶を得ることができる。このような ΠΙ族窒化物結晶を用いることにより、静電気の帯電 を防止し、かつ自由電子による光の吸収が最小限に抑制され、ゴミの吸着のない音 響光学媒体を得ることができた。
[0054] ゴミ付着は、光によりわず力にイオンィ匕あるいは活性ィ匕された大気中の不純物ゃゴ ミカ 静電気などで結晶表面に吸着されて起こり、強誘電体でかつ絶縁体である LiN bO結晶は、大気中のゴミゃ微少粒子を静電気により特に吸着しやすいと考えられる 。また、この吸着したゴミゃ微粒子に光があたると、表面でィ匕学反応などを起こし、光 透過率の低下をまねくと考えられる。これに対し、本発明の音響光学素子は、音響光 学媒体として III族窒化物結晶を使用するため、ゴミ付着および光の透過率低下を抑 制できる。さらに、例えば、ドーピング等により m族窒化物結晶の抵抗率を制御する ことにより、ゴミ付着およびゴミ付着に伴う音響光学媒体表面での化学反応を抑制し 、ゴミ付着および光の透過率低下をより一層抑制できる。
実施例 3
[0055] まず、音響光学媒体として、 A1N結晶、 GaN結晶、 Li B O結晶および MgO :LiN
2 4 7
bO結晶を用いて、波長 440nmの半導体レーザの連続光の音響光学変調器を作製
3
し、その音響光学性能を評価した。その結果を以下の表 3に示す。なお、 GaN及び A IN結晶を用いた音響光学素子は、帯電防止のため、音響光学媒体を電気的に接地 して使用した。
[表 3] 材料 回折効率 （％)
M g O： L i N b 03 2 2
L i 2 B 407 5
G a N 1 6
A 1 N 9
[0056] 得られた結果は、トランスデューサ部 64と音響光学媒体 6との機械的なインピーダ ンスが、完全に最適化されていな力つたため、必ずしも音響光学性能がそのまま反 映したものではないが、前記表 3に示すように、 GaN結晶および A1N結晶を音響光 学媒体として用いた音響光学素子の回折効率は、 Π Β Ο結晶を用いた音響光学素
2 4 7
子の回折効率の 2倍〜 3倍の回折効率を実現できた。 MgO :LiNbO結晶を用いた
3
音響光学素子と比較した場合、やや回折効率は劣るものの、ゴミ付着の問題等を含 め総合的に判断すると、 GaN結晶および A1N結晶を用いた音響光学素子は優れて いるといえる。また、 GaN結晶および A1N結晶を用いた音響光学素子では、 RF信号 の入力力 1W〜2Wの時においても、熱によるビームパターンの乱れおよび光損傷お よびレーザダメージによるビームパターンの乱れが観測されなかった。 実施例 4
[0057] 実施例 3と同様の結晶を用いて、波長 400nmの半導体レーザの連続光の音響光 学変調器を作製し、その音響光学性能を評価した。その結果を以下の表 4に示す。 なお、 GaN及び A1N結晶を用いた音響光学素子は、帯電防止のため、結晶の外周 部を電気的に接地して使用した。
[表 4] 材料 回折効率 （％)
M g O： L i N b O 3 2 3
L i 2 B 407 6
G a N 1 6
A 1 N 9
[0058] 前記表 4に示すように、 GaN及び A1N結晶を用いた音響光学変調器の回折効率 は、 Li B O結晶を用いた音響光学変調器の回折効率の 2倍〜 3倍の回折効率を実
2 4 7
現できた。また、 GaN結晶および A1N結晶を用いた音響光学変調器では、光損傷や レーザダメージによるビームパターンの乱れは観測されなかった。 MgO :LiNbO結
3 晶を用いた音響光学変調器より、回折効率は劣るものの、波長 400nmのレーザ光を 500時間〜 1000時間程度の長時間入射した場合におけるゴミ付着の問題等を含め 総合的に判断すると、 GaN結晶および A1N結晶を用いた音響光学変調器は優れて いるといえる。
[0059] 本実施例では、音響光学素子として、音響光学変調器の場合の例を示したが、こ れに限定されるものではなぐ例えば、音響光学偏向器、音響光学フィルタ、音響光 学周波数シフタ等のその他の音響光学素子にも使用できる。
実施例 5
[0060] 音響光学媒体として、 A1N結晶および Li B O結晶を用いて、図 1と同様の音響光
2 4 7
学素子を作製し、パルス YAGレーザの第 3高調波 (波長 355nm)の音響光学性能 を評価した。その結果を以下の表 5に示す。なお、 A1N結晶を用いた音響光学媒体 の光入射面および光出射面に、波長 355nm用の Al Oの単層膜からなる反射防止 膜を形成した
[表 5] 材料 回折効率 （％)
L 5
A Ν 0
[0061] 前記表 5に示すように、 A1N結晶を用いた音響光学素子の回折効率は、 Li Β Ο結
2 4 7 晶を用いた音響光学素子の回折効率と比較して約 2倍の回折効率を実現できた。ま た、 A1N結晶を用いた音響光学素子に 100時間連続で波長 355mの UV光を照射し ても、透過率の低下およびビームパターンの劣化は確認されず、光入射面および光 出射面におけるゴミの吸着および吸着したゴミのやけなどによる透過率の低下も観測 されなかった。
実施例 6
[0062] 音響光学媒体として、 A1N結晶および Li B O結晶を用いて、図 1と同様の音響光
2 4 7
学素子を作製し、パルス YAGレーザの第 4高調波 (波長 266nm)の音響光学性能 を評価した。その結果を以下の表 6に示す。なお、 A1N結晶を用いた音響光学媒体 の光入射面および光出射面に、波長 266nm用の SiOの単層膜からなる反射防止
2
膜を形成した。
[表 6] 材料 回折効率 （％)
L i 2 B 40 7 7
A 1 N 1 4
[0063] A1N結晶を用いた音響光学素子は、 Π Β Ο結晶を用いた音響光学素子の回折
2 4 7
効率と比較して約 2倍の回折効率を実現できた。また、 A1N結晶を用いた音響光学 素子に 100時間連続で波長 266mの UV光を照射しても、透過率の低下およびビー ムパターンの劣化は確認されず、光入射面および光出射面におけるゴミの吸着およ び吸着したゴミのやけなども観測されな力つた。 実施例 7
[0064] 本発明の光描画装置の一例を、図 3を用いて説明する。同図に示す光描画装置は 、本発明の光描画装置の構成の一例であって、本発明の光描画装置の構成は、こ れに限定されるものではない。同図に示す光描画装置は、光源 28、音響光学素子 2 0、描画画面 24および駆動回路 22を主要構成要素とする。
[0065] 光源 28から出射された入射光 201は、音響光学素子 20に入射される。音響光学 素子の基本構成は図 1と同様である。駆動回路 22からの信号に応じて変調された回 折光 203および透過光 202が、前記音響光学素子 20から出射される。消光比（光の ONと OFFの差）が大きくとれる回折光を使用してもよいし、用途によっては透過光の み、又は透過光および回折光の両方を利用してもよい。回折光 203は描画面に到達 し、駆動回路からの信号に応じて画像や線となる。
[0066] 光源 28としては GaN結晶の半導体レーザ (波長 410nm、出力 50mW)を用いた。
さらに音響光学媒体としては 1 X 103 Ω 'cm程度の抵抗率を有する導電性を有する G aN結晶を用い、前記 GaN結晶を電気的に接地して音響光学素子として用いた。
GaN系半導体レーザは光パワーが小さいので、例えば、レーザ顕微鏡の光源ゃレ 一ザプリンターの光源として使用することができる。本発明の光描画装置をレーザ顕 微鏡の光源として用いた場合は、通常の赤色半導体レーザを用いた場合と比較して 、集光スポットを小さくすることが可能となり、分解能の向上することが可能となる。ま た、描画面 (この場合は試料面）の蛍光を見る事により、材料の種類を同定することも できる。また、本発明の光描画装置をレーザプリンターに用いた場合は、より分解能 の高いレーザプリンターを実現することが可能となる。
[0067] 音響光学媒体として導電性を有する GaN結晶を使用し、さらに前記音響光学媒体 を電気的に接地して用いた結果、波長 410nmのレーザ光を 500時間〜 1000時間 程度照射してもゴミの付着や透過率の低下は確認されなった。その結果、連続使用 性能に優れる光描画装置を実現可能であった。
実施例 8
[0068] 本発明の光描画装置のその他の例を、図 4を用いて説明する。同図に示す光描画 装置は、光源 29、音響光学素子 20、ビームストッパー 30、可動ミラー 26、描画画面 24および駆動回路 22を主要構成要素とする。
[0069] 光源 29から出射された入射光 201は、音響光学素子 20に入射される。駆動回路 2 2からの信号に応じて変調された回折光 202および透過光 203が、前記音響光学素 子 20から出射される。回折光 202を利用する場合、装置内で迷光となる透過光 203 はビームストッパー 30で遮光する。回折光 202を可動ミラー 26で反射させ、描画面 2 4に光を描画する。
[0070] 光源 29としては YAGレーザ (第 3高調波（波長 355nm)、平均出力 0. 1W)を使用 し、音響光学素子 20に用いる音響光学媒体としては A1Nを使用し、可動ミラー 26は 、ポリゴンミラーを用いた。
[0071] このような構成の場合、光源 29の平均出力が大きぐさらに、可能ミラー 26により光 の角度を大きく変化させることができるので、例えば、プリント基板の直接描画やレー ザディスプレーの光源として使用することが可能である。プリント基板の直接描画装 置として用いた場合、分解能の向上及び感光剤のコストが、安価になるという特徴が ある。
[0072] また、レーザディスプレーの光源として用いた場合、画面 24に、赤、緑および青に 対応した蛍光体を塗布しておけば、紫外光で励起するレーザディスプレーを実現す ることが可能となる。レーザ光を直接ディスプレーに投影するのでなぐ描画面 24上 の蛍光体を励起し、その励起された赤、緑、青の光を見るので、レーザディスプレー の欠点であるスペックルノイズを発生しな 、と 、う特徴がある。
[0073] 以上、本発明によれば、青色力 紫外領域の光であってもレーザダメージおよび光 損傷のなぐ音響光学性能に優れる音響光学素子を実現できる。なお、 GaNおよび A1N等の III族窒化物は、熱伝導にも優れるため、比較的大きな RF信号を入力して も、水冷等が不要である。放熱をさらに向上させる場合には、例えば、光入射面及び 光出射面を除く部分の音響光学媒体をグラフアイトシート等で覆うことが好ましい。こ れにより、より多くの熱を筐体およびケース等に逃がすことができる。この場合におい て、グラフアイトシートから、音響光学媒体を電気的に接地してもよい。
[0074] 前記実施例では、波長 410nmおよび 355nmのレーザ光を用いた光描画装置の 例を示したが、例えば、 YAGレーザの第 4高調波（波長 266nm)を用いた光描画装 置等のその他の光描画装置を作製することももちろん可能である。また、本発明の光 描画装置は、描画面に特定の画像や線を描くものに限定されず、例えば、レーザ顕 微鏡のように、描画面全体を照射する装置等として利用できる。
産業上の利用可能性
本発明によれば、レーザダメージや光損傷がなぐ比較的効率の高い音響光学素 子及びそれを用いた光描画装置を安価に実現できる。したがって、音響光学変調器 、音響光学偏向器、音響光学フィルタあるいは音響光学周波数シフタ等の音響光学 素子、中でも、波長 488ηπ！〜 220nmの青色から紫外領域の短波長光用の音響光 学素子及びそれを用いた光描画装置に有用である。

Claims

請求の範囲
[I] 高周波信号入力部、トランスデューサ部および音響光学媒体を含み、前記高周波 信号入力部から入力した高周波信号を、前記トランスデューサ部により機械振動に 変換し、前記機械振動により前記音響光学媒体の光学的な特性が変化する音響光 学素子であって、前記音響光学媒体が、 ΠΙ族窒化物結晶であることを特徴とする音 響光学素子。
[2] 前記 III族窒化物結晶力 組成式 Al Ga In N (ただし、 0≤u≤ 1, 0≤v≤ 1, u u v (1 - u- v)
+v≤l)で表される結晶である請求の範囲 1記載の音響光学素子。
[3] 前記 III族窒化物結晶力 GaN結晶、 A1N結晶および AlGaN結晶力 なる群から 選択される一つである請求の範囲 1記載の音響光学素子。
[4] 前記音響光学素子に入射される入射光の波長が、 488ηπ！〜 220nmの範囲であ る請求の範囲 1記載の音響光学素子
[5] 前記 ΠΙ族窒化物結晶が、導電性を有する請求の範囲 1記載の音響光学素子。
[6] 前記 III族窒化物結晶の抵抗率が、 1 X 10— 3 Ω 'cm〜l X 104 Ω 'cmである請求の 範囲 5記載の音響光学素子。
[7] 前記 III族窒化物結晶の内部の抵抗率力 前記 III族窒化物結晶の外周部の抵抗 率よりも大きい請求の範囲 5記載の音響光学素子。
[8] 前記音響光学媒体が、光入射面および光出射面の少なくとも一方を含む請求の範 囲 1記載の音響光学素子。
[9] 前記 III族窒化物結晶が、ドーパント元素を含む請求の範囲 5記載の音響光学素子
[10] 前記ドーパント元素が、 Si、 Li、 Mg、 Znおよび O力 なる群力 選択される少なくと も一つである請求の範囲 9記載の音響光学素子。
[II] 前記 ΠΙ族窒化物結晶が、アルカリ金属およびアルカリ土類金属の少なくとも一方を 含む融液を用いて、液相法により得られた結晶である請求の範囲 1記載の音響光学 素子。
[12] 前記融液が、さらに、ドーパント元素を含み、前記ドーパント元素が、 Si、 Li、 Mg、 Znおよび O力 なる群力 選択される少なくとも一つである請求の範囲 11記載の音 響光学素子。
[13] 前記 III族窒化物結晶力 その成長工程において、前記融液中のドーパント元素の 濃度を変化させて得られた結晶である請求の範囲 12記載の音響光学素子。
[14] さらに、反射防止手段を含み、前記反射防止手段が、前記光入射面および光出射 面の少なくとも一方に形成されている請求の範囲 8記載の音響光学素子。
[15] 前記反射防止手段が、 SiO膜および Al O膜の少なくとも一方の誘電体薄膜を含
2 2 3
む請求の範囲 14記載の音響光学素子。
[16] 前記反射防止手段が、 SiO単層膜または Al O単層膜である請求の範囲 15記載
2 2 3
の音響光学素子。
[17] 前記誘電体薄膜の屈折率を n、前記誘電体薄膜の厚みを t、入射光の真空中の
1 1
波長をえ とするとき、 n t = Z4である請求の範囲 15記載の音響光学素子。
1 1 1 1
[18] さらに、高熱伝導シートを含み、前記高熱伝導シートが、前記音響光学媒体の少な くとも一部に形成されている請求の範囲 1記載の音響光学素子。
[19] 前記高熱伝導シートが、導電性を有する請求の範囲 18記載の音響光学素子。
[20] さらに、接地手段を含み、前記接地手段により、前記音響光学媒体が、電気的に接 地されて!、る請求の範囲 5記載の音響光学素子。
[21] 前記接地手段が、熱伝導シートである請求の範囲 20記載の音響光学素子。
[22] 光源、音響光学素子、駆動回路および描画面を有し、前記光源からの光が、前記 駆動回路からの信号に応じて前記音響光学素子において回折され、その回折光が 、前記描画面に描画される光描画装置であって、前記音響光学素子の音響光学媒 体が、 III族窒化物結晶であることを特徴とする光描画装置。
[23] 前記 III族窒化物結晶力 組成式 Al Ga In N (ただし、 0≤u≤ 1, 0≤v≤ 1, u u v (1 - u- v)
+v≤ 1)で表される結晶である請求の範囲 22記載の光描画装置。
[24] 前記 III族窒化物結晶力 A1N結晶、 GaN結晶および AlGaN結晶力 なる群から 選択される一つである請求の範囲 22記載の光描画装置。
[25] さらに、反射防止手段を有し、前記反射防止手段が、前記音響光学媒体の光入射 面および光出射面の少なくとも一方に形成されている請求の範囲 22記載の光描画 装置。
[26] 前記音響光学媒体が、導電性を有する請求の範囲 22記載の光描画装置。
[27] 前記音響光学媒体が、電気的に接地されている請求の範囲 26記載の光描画装置
[28] さらに、可動ミラーを有する請求の範囲 22記載の光描画装置。
[29] さらに、ビームストッパーを有し、前記ビームストッパーが、前記音響光学素子から の透過光を遮光する請求の範囲 22記載の光描画装置。
[30] 前記描画面が、感光体である請求の範囲 22記載の光描画装置。
[31] 前記感光体が、蛍光体である請求の範囲 30に記載の光描画装置。
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