JP4107905B2 - Ｙａｇレーザー高調波用合成石英ガラス光学材料 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザー加工機に使用されるプリズム、レンズ等を構成する光学部材に使用される合成石英ガラス光学材料であって、ＹＡＧレーザーの第３高調波以上の高調波に好適に使用される合成石英ガラス材料に関する。
【０００２】
【関連技術】
高出力のレーザー光を用いて金属、セラミクスやガラスの切断、穴あけを行うレーザー加工には、従来主として炭酸ガスレーザーが用いられてきたが、加工の微細化に伴い、より波長の短いレーザー光が用いられ始めている。また、波長の長いレーザー光を使用した場合、加工部分の熱による変質が問題となる事があって、近年は紫外線レーザーも使用される事が多くなってきている。さらに紫外線レーザーを使用することにより従来は加工できなかったプラスチックの加工が可能となった。
【０００３】
紫外線レーザー加工機用の光源としてはＹＡＧ高調波以外にＸｅＣｌ（波長３０８ｎｍ）、ＫｒＦ（波長２４８ｎｍ）等のエキシマレーザーがある。これらのエキシマレーザーは非常に高出力な光を発振する事が可能で、また波長も短いために熱によるダメージが少なく加工が出来るといった利点がある一方で、装置が高価である事、塩素やフッ素という腐食性ガスを用いるガスレーザーであるため、安全性の確保や配管等の設備が煩わしい等の事情から、主として大規模な製造ラインに組み込まれた大型の設備として使用されることが多い。ＹＡＧ高調波レーザーは固体レーザーであるために、エキシマレーザーに比較すると装置が簡単であり、ガス配管等も不要なためより簡便な装置として普及が進んできている。また、前述のエキシマレーザーに比べてＹＡＧ高調波レーザーは光コストが低いことも特徴の一つで、波長変換素子が改良されてきた事もあって、今後の発展が期待されている。
【０００４】
ＹＡＧレーザーは発振の基本波長が１０６４ｎｍであるが、第２高調波（５３２ｎｍ）、第３高調波（３５５ｎｍ）、第４高調波（２６６ｎｍ）等が波長変換され加工用に利用されている。現在は第２、第３高調波が主流であるが、加工効率、加工変質の少なさを考慮して紫外線化が進み第４高調波も実用化されつつあり、将来的には第５高調波へと使用波長の短波長化が進んでいくと考えられる。
【０００５】
またＹＡＧレーザーの高調波の特徴としてパルス幅を非常に短くすることが出来る。現在では、パルス幅として、ｎ秒（１０-9秒）〜ｐ秒（１０-12秒）台の光が使用されているが、ｆ秒（１０-15秒）という短いパルス幅の光も使用されていくと考えられる。このように短いパルス幅の光を用いることにより熱の影響を排除することができるので短波長化と併せて短パルス化も重要な動向である。
【０００６】
このようなＹＡＧレーザーを使用した加工機の光の取りまわし、ビーム整形に用いられる光学部材には基本波に対しては通常の光学ガラスで十分であるが、第２高調波以降の高次の高調波に関しては合成石英ガラスが主に損傷に対する耐久性と透過率の観点から利用されている。これらの合成石英ガラスとしては、より波長の短いＫｒＦエキシマレーザーに用いられる素材がそのまま使用可能であると考えられて来たが、よく調べてみるとＹＡＧ第３高調波レーザー以降の高調波レーザー用の光学系に関しては、これらの合成石英ガラスをそのまま流用したのでは不都合が生じる事が判って来た。
【０００７】
ＫｒＦエキシマレーザーに用いられる合成石英ガラスをそのままＹＡＧ第３高調波レーザー以降の高調波レーザー用の光学系に用いた場合、使用していた石英ガラスに蛍光の発生や透過率変化等のダメージが生じる前に突然クラック等の損傷が入るという問題が生じる。このような光学部材に突然生じるクラックはレンズ等の光学部材に修復不可能なダメージを与える他、強烈な散乱光を発生するために装置全体にダメージを与えたり、散乱光が目に入ると角膜に損傷を生じる等危険性が大きい。
【０００８】
一般的に石英ガラスが強烈なエネルギーを持つ紫外線に曝される事によって生じるダメージ（光学的損傷）は、E' センター（イープライムセンター）と呼ばれる欠陥である。E' センターは石英ガラスの骨格であるＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合が強烈な紫外線により破壊され、Ｓｉ軌道上に不対電子が１つ残った構造を取るので、通常Ｓｉ・（ドット）等と表記される。ここで・ドットとは不対電子を表わす。このE' センターは２１５ｎｍに大きな光学吸収を持つため、エキシマレーザー等の照射により損傷を生じた石英ガラスには２１５ｎｍにピークを有する吸収帯が観察される。しかるに、ＹＡＧの第３あるいは第４高調波によりクラックを生じた合成石英ガラスの紫外透過率特性を測定してみても、E' センターに起因する波長２１５ｎｍの吸収体は認められない事が判った。このような事例を見ても、ＹＡＧの高調波によって石英ガラスにクラックが生じる機構は、エキシマレーザーによって石英ガラスが光学的損傷を生じる機構と異なるものである事が判った。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者等は、ＹＡＧ高調波に好適に用いられる合成石英ガラス光学材料を開発するために鋭意検討を重ねた結果、合成石英ガラスに含有されるＯＨ基濃度、水素分子濃度、仮想温度に関して最適範囲を見出だし、更に、ＹＡＧ高調波を単パルスで照射した際の損傷閾値と連続照射した際の損傷閾値によって、ＹＡＧの第３以上の高次高調波に安心して使用できる合成石英ガラス材料を得ることができるという知見を得、本発明を完成させた。
【００１０】
本発明は、レーザー加工機に使用されるプリズム、レンズ等を構成する光学部材に使用される合成石英ガラス光学材料において、ＹＡＧレーザーの第３高調波以上の高調波に好適に使用される合成石英ガラス材料を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明のＹＡＧレーザー高調波用合成石英ガラス光学材料は、ＹＡＧレーザーの第３〜第５高調波に用いられる合成石英ガラス光学材料であって、ＯＨ基濃度が５ｐｐｍ以上３０ｐｐｍ以下、含有される塩素濃度が２０ｐｐｍ以下、含有される水素分子濃度が４×１０18分子／ｃｍ3以上２×１０19分子／ｃｍ3以下の範囲にあり、波長２４５ｎｍにおける紫外線の透過率が９９．９％以上であって、かつ仮想温度が８８０℃以上９９０℃以下であることを特徴とする。
本発明の使用方法は、ＹＡＧレーザーの第３〜第５高調波に用いられる合成石英ガラス光学材料の使用方法であって、（Ａ）ＯＨ基濃度が５ｐｐｍ以上３０ｐｐｍ以下、含有される塩素濃度が２０ｐｐｍ以下、含有される水素分子濃度が４×１０ 18 分子／ｃｍ 3 以上２×１０ 19 分子／ｃｍ 3 以下の範囲にあり、波長２４５ｎｍにおける紫外線の透過率が９９．９％以上であって、かつ仮想温度が８８０℃以上９９０℃以下である合成石英ガラス光学材料を準備する工程と、（Ｂ）前記合成石英ガラス光学材料をＹＡＧレーザーの第３〜第５高調波で照射する工程と、を含むことを特徴とする。
【００１２】
上記合成石英ガラス光学材料に含有される塩素濃度は特に限定されないが、２０ｐｐｍ以下であることが好ましい。
【００１３】
上記合成石英ガラス光学材料は、ＹＡＧレーザーの高調波が第３〜第５高調波に好適に用いられる。
【００１４】
上記合成石英ガラス光学材料において、パルス幅３ｎ秒（１０-9秒）以上、５ｎ秒以下のＹＡＧレーザーの第３高調波を単パルスで照射した際の損傷閾値が１７Ｊ／ｃｍ2以上であり、パルス幅３ｎ秒以上、５ｎ秒以下のＹＡＧレーザーの第４高調波を単パルスで照射した際の損傷閾値が７Ｊ／ｃｍ2以上であるのが好適である。
【００１５】
上記合成石英ガラス光学材料において、パルス幅３ｎ秒以上、５ｎ秒以下のＹＡＧレーザーの第３高調波を１２０００パルス連続で照射した際の損傷閾値が１１Ｊ／ｃｍ2以上であり、パルス幅３ｎ秒以上、５ｎ秒以下のＹＡＧレーザーの第４高調波を１２０００パルス連続で照射した際の損傷閾値が２．５Ｊ／ｃｍ2以上であるのが好適である。
【００１６】
上記合成石英ガラス光学材料は、エネルギー密度が１１Ｊ／ｃｍ2以下である、パルス幅３ｐ秒（１０-12秒）以上５ｎ秒以下のＹＡＧレーザーの第３高調波に発振周波数１０Ｈｚ以上２０ＫＨｚ以下で好適に使用できる。
【００１７】
上記合成石英ガラス光学材料は、エネルギー密度が２．５Ｊ／ｃｍ2以下である、パルス幅３ｐ秒以上５ｎ秒以下のＹＡＧレーザーの第４高調波に発振周波数１０Ｈｚ以上２０ＫＨｚ以下で好適に使用可能である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を説明するが、これらの実施の形態は例示的に示されるもので、本発明の技術思想から逸脱しない限り種々の変形が可能なことはいうまでもない。
【００１９】
本発明のＹＡＧレーザー高調波用合成石英ガラス光学材料においては、ＯＨ基濃度としては１ｐｐｍ以上３００ｐｐｍ以下の範囲で使用することが必要である。ＯＨ基濃度とレーザーによる損傷閾値の関係はＯＨ基濃度が低いほど損傷閾値が上昇する。但し、ＯＨ基濃度が低すぎて、例えば１ｐｐｍ未満になると酸素欠損型の欠陥が生じやすくなり、逆に好ましくない。酸素欠損欠陥の量は２４５ｎｍの紫外線透過率で表わされるので、この値が９９．９％以上であれば充分である。しかしながら、酸素欠損の生成のしやすさを考慮するとＯＨ基濃度は１ｐｐｍ以上、好ましくは５ｐｐｍ以上が望ましい。一方、ＯＨ基濃度が３００ｐｐｍを超える場合、損傷閾値が相対的に高くなりすぎるため、ＯＨ基濃度の上限値としては、３００ｐｐｍ以下が好ましく、更に好ましくは５０ｐｐｍ以下である。
【００２０】
本発明においては、水素分子濃度としては、２×１０18分子／ｃｍ3以上２×１０19分子／ｃｍ3以下の範囲を用いることができ、４×１０18分子／ｃｍ3以上８×１０18分子／ｃｍ3以下の範囲が好ましい。水素分子濃度は損傷閾値に関して２×１０18分子／ｃｍ3以上含有される必要がある。しかし、その効果は１×１０19分子／ｃｍ3以上では飽和しているように見える。高濃度で入れると、高濃度の水素を含有させるためには１００気圧以上の高圧水素処理が必要で安全性の問題が生じる事や、高圧の雰囲気下で石英ガラスを処理する事によって石英ガラスが高い複屈折を示す事（例えば複屈折が５ｎｍ／ｃｍを超えてしまう）等の工業上の不利益が生じる。
【００２１】
仮想温度に関しては、８８０℃以上９９０℃以下に設定する。仮想温度８８０℃未満に設定するにはかなりゆっくりとした徐冷（例えば０．５℃／時間）が必要で、このために炉からの汚染により透過率の低下が生じる等問題が生じてしまう。
【００２２】
【実施例】
以下に本発明の実施例を挙げて説明するが、この実施例は例示的に示されるもので、限定的に解釈されるべきでないことはいうまでもない。
【００２３】
（実施例１〜３）
高純度四塩化珪素を酸水素火炎中に導入し、火炎加水分解して得られる微細なシリカ粉を回転する基体上に堆積させて多孔質石英ガラス体（スート体）を得た。このスート体をＨｅ雰囲気にて１１５０℃で２０時間加熱し、シリカ微粒子の燒結を促進し、密度を均一に高めた後、真空炉にて０．０１ｈＰａ（ヘクトパスカル）以下の圧力下、１５００℃×１０時間加熱して透明ガラス化して、直径７０ｍｍ、長さ３００ｍｍの透明石英ガラスインゴット約２．５ｋｇを作成した。
【００２４】
得られた合成石英ガラスインゴットを、下記帯域溶融法にて一方向に均質化を行った。即ち、インゴットの両端に合成石英の足場管を溶接後、旋盤で把持し、酸水素バーナーでインゴットの一部を加熱、溶融帯域を形成後、旋盤の両チャックの回転に差動を与えて溶融帯域内を攪拌しつつ、バーナーを移動させインゴット全体を均質化した。均質化を終えたインゴットを旋盤の両チャック間を詰めて樽型に成型した後、足場管から切り離し、内径１７０ｍｍ、高さ１００ｍｍのグラファイト型内に設置して、型ごと窒素雰囲気炉にて１８００℃に加熱して直径１７０ｍｍ、厚さ４０ｍｍの石英ガラス成型体を得た。
【００２５】
汚染部分を取り除く目的で、得られた石英ガラス成型体のグラファイトと接触した外周部分を５ｍｍづつ研削して、外径１６０ｍｍ、厚さ３０ｍｍに加工した後、成型体を大気炉にて１１５０℃で２０時間保持後、１時間当たり２℃の割合で６００℃まで徐冷し、その後炉の電源を切って室温まで冷却した（成型体▲１▼）。
【００２６】
得られた合成石英ガラス成型体の純度をＩＣＰマススペクトル装置にて純度分析を行ったところ、Ｎａ、Ｌｉ、Ｋのアルカリ金属元素濃度の総計が１０ｐｐｂ、Ｍｇ及びＣａのアルカリ土類金属元素濃度の総計が５ｐｐｂ以下、その他Ｆｅ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｒの金属元素濃度の総計が５ｐｐｂ以下であった。
【００２７】
この石英ガラス成型体から、直径６０ｍｍ、厚さ３０ｍｍの石英ガラス円盤を４個切り出し、そのうち３個を２０気圧（実施例１）、４０気圧（実施例２）、６０気圧（実施例３）の高圧水素雰囲気の炉に入れ、４００℃で３週間加熱して水素をドーピングした。
【００２８】
（比較例１）
また、前記した成型体▲１▼から切り出した４個目の石英ガラス円盤を、水素圧力を２気圧とした以外は実施例１と同様の処理を行って、水素をドープした。
【００２９】
（実施例４）
高純度四塩化珪素を酸水素火炎中に導入し、火炎加水分解して得られる微細なシリカ粉を回転する基体上に堆積させて多孔質石英ガラス体（スート体）を得た。このスート体をＨｅ雰囲気にて、１５００℃×１０時間加熱して透明ガラス化して、直径７０ｍｍ、長さ３００ｍｍの透明石英ガラスインゴット約２．５ｋｇを作成した。得られた合成石英ガラスインゴットを実施例１〜３と同様の帯域溶融法にて１方向に均質化を行った後、内径１７０ｍｍ、高さ１００ｍｍのグラファイト型内に設置して、型ごと窒素雰囲気炉にて１８００℃に加熱して直径１７０ｍｍ、厚さ４０ｍｍの石英ガラス成型体を得た。
【００３０】
汚染部分を取り除く目的で、得られた石英ガラス成型体のグラファイトと接触した外周部分を５ｍｍづつ研削して、外径１６０ｍｍ、厚さ３０ｍｍに加工した後、成型体を大気炉にて１１５０℃で２０時間保持後、１時間当たり２℃の割合で６００℃まで徐冷し、その後炉の電源を切って室温まで冷却した（成型体▲２▼）。この石英ガラス成型体から、直径６０ｍｍ、厚さ３０ｍｍの石英ガラス円盤を３個切り出し、内１個を４０気圧の高圧水素雰囲気の炉に入れ、４００℃で３週間加熱して水素をドーピングした。
【００３１】
（比較例２）
また、前記した成型体▲２▼から切り出した別の石英ガラス円盤を大気雰囲気で１１５０℃にて２０時間保持後、１時間当たり２０℃の割合で６００℃まで徐冷し、その後炉の電源を切って室温まで冷却した。この石英ガラス円盤を４０気圧の高圧水素雰囲気の炉に入れ、４００℃で３週間加熱して水素をドーピングした。
【００３２】
（比較例３）
高純度四塩化珪素を酸水素火炎中に導入し、火炎加水分解して得られる微細なシリカ粉を回転する基体上に堆積させて多孔質石英ガラス体（スート体）を得た。このスート体を塩素１０体積％、Ｈｅ９０体積％の混合ガス雰囲気にて、８００℃で２０時間加熱し脱水処理を行った後、Ｈｅ雰囲気で１５００℃×１０時間加熱して透明ガラス化して、直径７０ｍｍ、長さ３００ｍｍの透明石英ガラスインゴット約２．５ｋｇを作成した。得られた合成石英ガラスインゴットを実施例１〜３と同様の帯域溶融法にて１方向に均質化を行った後、内径１７０ｍｍ、高さ１００ｍｍのグラファイト型内に設置して、型ごと窒素雰囲気炉にて１８００℃に加熱して直径１７０ｍｍ、厚さ４０ｍｍの石英ガラス成型体を得た。
【００３３】
汚染防止の目的で、得られた石英ガラス成型体のグラファイトと接触した外周部分を５ｍｍづつ研削して、外径１６０ｍｍ、厚さ３０ｍｍに加工した後、成型体を大気炉にて１１５０℃で２０時間保持後、１時間当たり２℃の割合で６００℃まで徐冷し、その後炉の電源を切って室温まで冷却した（成型体▲３▼）。この石英ガラス成型体から、直径６０ｍｍ、厚さ３０ｍｍの石英ガラス円盤を切り出し、４０気圧の高圧水素雰囲気の炉に入れ、４００℃で３週間加熱して水素をドーピングした。
【００３４】
（比較例４）
高純度四塩化珪素を酸水素火炎中に導入し、火炎加水分解して得られたシリカ微粒子を回転する基体上に堆積しながら溶融して直径７０ｍｍ、長さ３００ｍｍの透明石英ガラスインゴット約２．５ｋｇを作成した。得られた合成石英ガラスインゴットを実施例１〜３と同様の帯域溶融法にて１方向に均質化を行った後、内径１７０ｍｍ、高さ１００ｍｍのグラファイト型内に設置して、型ごと窒素雰囲気炉にて１８００℃に加熱して直径１７０ｍｍ、厚さ４０ｍｍの石英ガラス成型体を得た。
【００３５】
汚染防止の目的で得られた石英ガラス成型体のグラファイトと接触した外周部分を５ｍｍづつ研削して、外径１６０ｍｍ、厚さ３０ｍｍに加工した後、成型体を大気炉にて１１５０℃で２０時間保持後、１時間当たり２℃の割合で６００℃まで徐冷し、その後炉の電源を切って室温まで冷却した（成型体▲４▼）。この石英ガラス成型体から、直径６０ｍｍ、厚さ３０ｍｍの石英ガラス円盤を切り出し、４０気圧の高圧水素雰囲気の炉に入れ、４００℃で３週間加熱して水素をドーピングした。
【００３６】
このようにして得られた合成石英ガラス体のＯＨ基濃度、水素分子濃度、塩素濃度、仮想温度、２４５ｎｍの紫外線の透過率を表１に示す。尚、ＯＨ基濃度は赤外分光光度法、水素分子濃度はレーザーラマン分光光度法、塩素濃度は蛍光Ｘ線分析法、仮想温度はレーザーラマン分光光度法、紫外線透過率は紫外分光光度法によって測定を行った。
【００３７】
【表１】
【００３８】
（レーザー損傷試験）
上記作成した試料に対してＹＡＧレーザーの高調波の照射試験を行った。ＹＡＧレーザー損傷試験装置の概略説明図を図２に示す。図２に示すように、ＹＡＧレーザー高調波による石英ガラスの損傷試験は、ＹＡＧレーザー１０から照射される基本波を２つの波長変換素子１２、１４を用いて、第３又は第４高調波に変換させたレーザー光を、Ｆ＝３００の比較的短焦点のレンズ１６で石英ガラスサンプル１８内に焦点を結ぶように集光しつつ照射して、これによる石英ガラスの損傷（クラックの発生）を、照射に伴う光音響の変化により検出する。レーザー光を比較的短焦点で照射する理由は、長焦点、あるいはアフォーカル系で照射を行った場合、石英ガラス内部で熱レンズ効果によって自己収束が生じるため、エネルギー密度の算出が困難になるためで、短焦点レンズにすることにより、自己収束を回避し、より正確に照射エネルギー密度の測定が可能となる。石英ガラスの透過率変化は光音響測定により行う。これは、石英ガラスサンプルをレーザー光が透過する際にサンプルに吸収される光エネルギーの一部が音響エネルギーに変換されるが、この音響エネルギーをＡＥセンサー（acoustic emission sensor）２０で感知して電気エネルギーに変換し、増幅器２２で増幅した電圧信号をオシロスコープ２４で電圧波形として観察する。石英ガラスサンプルに損傷が生じた場合、それまでとは異なる非常に大きな音響エネルギーの発生があるので、高感度で損傷の発生を知る事が出来る。石英ガラスに生じたクラックは照射後、顕微鏡でも観察することが出来る。
【００３９】
１）第３高調波の単パルス照射による損傷閾値
各試料にＹＡＧの第３高調波を単パルスで照射し、石英ガラスに微細なクラックが入るエネルギー密度を測定した。結果を表２及び図１に示す。表中損傷閾値とは照射によって石英ガラスにクラックが入ったパルス当たりエネルギー密度を指し、単位はＪ／ｃｍ2である。
【００４０】
【表２】
【００４１】
表２に示した如く、実施例１〜４は、第３高調波の単パルス照射による損傷閾値が１７．７Ｊ／ｃｍ2以上であり良好な結果を示したのに対し、比較例１〜４では、損傷閾値が１６．９Ｊ／ｃｍ2以下であった。図１は実施例２、４及び比較例４におけるＯＨ基濃度と損傷閾値の関係をその一次回帰直線と共に示すグラフである。図１に示されるように、比較例４（ＯＨ基濃度６００ｐｐｍ）では、実施例２（ＯＨ基濃度３０ｐｐｍ）及び実施例４（ＯＨ基濃度２００ｐｐｍ）に対して損傷閾値が相対的に高くなりすぎていた。
【００４２】
２）第４高調波の単パルス照射による損傷閾値
各試料にＹＡＧの第４高調波を単パルスで照射し、石英ガラスに微細なクラックが入るエネルギー密度を測定した。結果を表３に示す。
【００４３】
【表３】
【００４４】
表３に示した如く、実施例１〜４では、第４高調波の単パルス照射による損傷閾値が７．７Ｊ／ｃｍ2以上であり良好な結果を示したのに対し、比較例１〜４では、損傷閾値が６．９Ｊ／ｃｍ2以下であった。
【００４５】
３）第３高調波の連続照射による損傷閾値
各試料にＹＡＧの第３高調波を周波数１０Ｈｚで１２０００パルス照射し、石英ガラスに微細なクラックが入るエネルギー密度を測定した。結果を表４に示す。
【００４６】
【表４】
【００４７】
表４に示した如く、実施例１〜４では、第３高調波の連続照射による損傷閾値が１１．９Ｊ／ｃｍ2以上であり良好な結果を示したのに対し、比較例１〜４では、損傷閾値が１０．８Ｊ／ｃｍ2以下であった。
【００４８】
４）第４高調波の連続照射による損傷閾値
各試料にＹＡＧの第４高調波を周波数１０Ｈｚで１２０００パルス照射し、石英ガラスに微細なクラックが入るエネルギー密度を測定した。結果を表５に示す。
【００４９】
【表５】
【００５０】
表５に示した如く、実施例１〜４では、第４高調波の連続照射による損傷閾値が２．９Ｊ／ｃｍ2以上であり良好な結果を示したのに対し、比較例１〜４では、損傷閾値が２．１Ｊ／ｃｍ2以下であった。
【００５１】
５）第３高調波による長時間照射試験
実施例１の試料と比較例１の試料をエネルギー密度１４Ｊ／ｃｍ2で、パルス幅４．５ｎ秒のＹＡＧレーザーの第３高調波を発振周波数１ＫＨｚで１０，０００，０００パルスの連続照射を行った。その結果実施例１の試料は全く変化が認められなかったが、比較例１の試料には照射開始後１０，０００パルス程度でクラックが認められ、それ以上の照射を行うことが出来なかった。
【００５２】
６）第４高調波による長時間照射試験
実施例１の試料と比較例１の試料をエネルギー密度２Ｊ／ｃｍ2で、パルス幅４ｎ秒のＹＡＧレーザーの第４高調波を発振周波数５００Ｈｚで１０，０００，０００パルスの連続照射を行った。その結果実施例１の試料は全く変化が認められなかったが、比較例１の試料には照射開始後８，０００パルス程度でクラックが認められ、それ以上の照射を行うことが出来なかった。
【００５３】
【発明の効果】
以上述べたごとく、本発明によれば、レーザー加工機に使用されるプリズム、レンズ等を構成する光学部材に使用される合成石英ガラス光学材料において、ＹＡＧレーザーの第３高調波以上の高調波に好適に使用される合成石英ガラス材料を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例２、実施例４及び比較例４のＯＨ基濃度に対するＹＡＧ第３高調波の単パルス照射による損傷閾値の関係を示すグラフである。
【図２】 ＹＡＧレーザー損傷試験装置を示す概略説明図である。
【符号の説明】
１０：ＹＡＧレーザー、１２，１４：波長変換素子、１６：レンズ、１８：サンプル、２０：ＡＥセンサー、２２：増幅器、２４：オシロスコープ。
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザー加工機に使用されるプリズム、レンズ等を構成する光学部材に使用される合成石英ガラス光学材料であって、ＹＡＧレーザーの第３高調波以上の高調波に好適に使用される合成石英ガラス材料に関する。
【０００２】
【関連技術】
高出力のレーザー光を用いて金属、セラミクスやガラスの切断、穴あけを行うレーザー加工には、従来主として炭酸ガスレーザーが用いられてきたが、加工の微細化に伴い、より波長の短いレーザー光が用いられ始めている。また、波長の長いレーザー光を使用した場合、加工部分の熱による変質が問題となる事があって、近年は紫外線レーザーも使用される事が多くなってきている。さらに紫外線レーザーを使用することにより従来は加工できなかったプラスチックの加工が可能となった。
【０００３】
紫外線レーザー加工機用の光源としてはＹＡＧ高調波以外にＸｅＣｌ（波長３０８ｎｍ）、ＫｒＦ（波長２４８ｎｍ）等のエキシマレーザーがある。これらのエキシマレーザーは非常に高出力な光を発振する事が可能で、また波長も短いために熱によるダメージが少なく加工が出来るといった利点がある一方で、装置が高価である事、塩素やフッ素という腐食性ガスを用いるガスレーザーであるため、安全性の確保や配管等の設備が煩わしい等の事情から、主として大規模な製造ラインに組み込まれた大型の設備として使用されることが多い。ＹＡＧ高調波レーザーは固体レーザーであるために、エキシマレーザーに比較すると装置が簡単であり、ガス配管等も不要なためより簡便な装置として普及が進んできている。また、前述のエキシマレーザーに比べてＹＡＧ高調波レーザーは光コストが低いことも特徴の一つで、波長変換素子が改良されてきた事もあって、今後の発展が期待されている。
【０００４】
ＹＡＧレーザーは発振の基本波長が１０６４ｎｍであるが、第２高調波（５３２ｎｍ）、第３高調波（３５５ｎｍ）、第４高調波（２６６ｎｍ）等が波長変換され加工用に利用されている。現在は第２、第３高調波が主流であるが、加工効率、加工変質の少なさを考慮して紫外線化が進み第４高調波も実用化されつつあり、将来的には第５高調波へと使用波長の短波長化が進んでいくと考えられる。
【０００５】
またＹＡＧレーザーの高調波の特徴としてパルス幅を非常に短くすることが出来る。現在では、パルス幅として、ｎ秒（１０-9秒）〜ｐ秒（１０-12秒）台の光が使用されているが、ｆ秒（１０-15秒）という短いパルス幅の光も使用されていくと考えられる。このように短いパルス幅の光を用いることにより熱の影響を排除することができるので短波長化と併せて短パルス化も重要な動向である。
【０００６】
このようなＹＡＧレーザーを使用した加工機の光の取りまわし、ビーム整形に用いられる光学部材には基本波に対しては通常の光学ガラスで十分であるが、第２高調波以降の高次の高調波に関しては合成石英ガラスが主に損傷に対する耐久性と透過率の観点から利用されている。これらの合成石英ガラスとしては、より波長の短いＫｒＦエキシマレーザーに用いられる素材がそのまま使用可能であると考えられて来たが、よく調べてみるとＹＡＧ第３高調波レーザー以降の高調波レーザー用の光学系に関しては、これらの合成石英ガラスをそのまま流用したのでは不都合が生じる事が判って来た。
【０００７】
ＫｒＦエキシマレーザーに用いられる合成石英ガラスをそのままＹＡＧ第３高調波レーザー以降の高調波レーザー用の光学系に用いた場合、使用していた石英ガラスに蛍光の発生や透過率変化等のダメージが生じる前に突然クラック等の損傷が入るという問題が生じる。このような光学部材に突然生じるクラックはレンズ等の光学部材に修復不可能なダメージを与える他、強烈な散乱光を発生するために装置全体にダメージを与えたり、散乱光が目に入ると角膜に損傷を生じる等危険性が大きい。
【０００８】
一般的に石英ガラスが強烈なエネルギーを持つ紫外線に曝される事によって生じるダメージ（光学的損傷）は、E' センター（イープライムセンター）と呼ばれる欠陥である。E' センターは石英ガラスの骨格であるＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合が強烈な紫外線により破壊され、Ｓｉ軌道上に不対電子が１つ残った構造を取るので、通常Ｓｉ・（ドット）等と表記される。ここで・ドットとは不対電子を表わす。このE' センターは２１５ｎｍに大きな光学吸収を持つため、エキシマレーザー等の照射により損傷を生じた石英ガラスには２１５ｎｍにピークを有する吸収帯が観察される。しかるに、ＹＡＧの第３あるいは第４高調波によりクラックを生じた合成石英ガラスの紫外透過率特性を測定してみても、E' センターに起因する波長２１５ｎｍの吸収体は認められない事が判った。このような事例を見ても、ＹＡＧの高調波によって石英ガラスにクラックが生じる機構は、エキシマレーザーによって石英ガラスが光学的損傷を生じる機構と異なるものである事が判った。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者等は、ＹＡＧ高調波に好適に用いられる合成石英ガラス光学材料を開発するために鋭意検討を重ねた結果、合成石英ガラスに含有されるＯＨ基濃度、水素分子濃度、仮想温度に関して最適範囲を見出だし、更に、ＹＡＧ高調波を単パルスで照射した際の損傷閾値と連続照射した際の損傷閾値によって、ＹＡＧの第３以上の高次高調波に安心して使用できる合成石英ガラス材料を得ることができるという知見を得、本発明を完成させた。
【００１０】
本発明は、レーザー加工機に使用されるプリズム、レンズ等を構成する光学部材に使用される合成石英ガラス光学材料において、ＹＡＧレーザーの第３高調波以上の高調波に好適に使用される合成石英ガラス材料を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明のＹＡＧレーザー高調波用合成石英ガラス光学材料は、ＹＡＧレーザーの第３〜第５高調波に用いられる合成石英ガラス光学材料であって、ＯＨ基濃度が５ｐｐｍ以上３０ｐｐｍ以下、含有される塩素濃度が２０ｐｐｍ以下、含有される水素分子濃度が４×１０18分子／ｃｍ3以上２×１０19分子／ｃｍ3以下の範囲にあり、波長２４５ｎｍにおける紫外線の透過率が９９．９％以上であって、かつ仮想温度が８８０℃以上９９０℃以下であることを特徴とする。
本発明の使用方法は、ＹＡＧレーザーの第３〜第５高調波に用いられる合成石英ガラス光学材料の使用方法であって、（Ａ）ＯＨ基濃度が５ｐｐｍ以上３０ｐｐｍ以下、含有される塩素濃度が２０ｐｐｍ以下、含有される水素分子濃度が４×１０ 18 分子／ｃｍ 3 以上２×１０ 19 分子／ｃｍ 3 以下の範囲にあり、波長２４５ｎｍにおける紫外線の透過率が９９．９％以上であって、かつ仮想温度が８８０℃以上９９０℃以下である合成石英ガラス光学材料を準備する工程と、（Ｂ）前記合成石英ガラス光学材料をＹＡＧレーザーの第３〜第５高調波で照射する工程と、を含むことを特徴とする。
【００１２】
上記合成石英ガラス光学材料に含有される塩素濃度は特に限定されないが、２０ｐｐｍ以下であることが好ましい。
【００１３】
上記合成石英ガラス光学材料は、ＹＡＧレーザーの高調波が第３〜第５高調波に好適に用いられる。
【００１４】
上記合成石英ガラス光学材料において、パルス幅３ｎ秒（１０-9秒）以上、５ｎ秒以下のＹＡＧレーザーの第３高調波を単パルスで照射した際の損傷閾値が１７Ｊ／ｃｍ2以上であり、パルス幅３ｎ秒以上、５ｎ秒以下のＹＡＧレーザーの第４高調波を単パルスで照射した際の損傷閾値が７Ｊ／ｃｍ2以上であるのが好適である。
【００１５】
上記合成石英ガラス光学材料において、パルス幅３ｎ秒以上、５ｎ秒以下のＹＡＧレーザーの第３高調波を１２０００パルス連続で照射した際の損傷閾値が１１Ｊ／ｃｍ2以上であり、パルス幅３ｎ秒以上、５ｎ秒以下のＹＡＧレーザーの第４高調波を１２０００パルス連続で照射した際の損傷閾値が２．５Ｊ／ｃｍ2以上であるのが好適である。
【００１６】
上記合成石英ガラス光学材料は、エネルギー密度が１１Ｊ／ｃｍ2以下である、パルス幅３ｐ秒（１０-12秒）以上５ｎ秒以下のＹＡＧレーザーの第３高調波に発振周波数１０Ｈｚ以上２０ＫＨｚ以下で好適に使用できる。
【００１７】
上記合成石英ガラス光学材料は、エネルギー密度が２．５Ｊ／ｃｍ2以下である、パルス幅３ｐ秒以上５ｎ秒以下のＹＡＧレーザーの第４高調波に発振周波数１０Ｈｚ以上２０ＫＨｚ以下で好適に使用可能である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を説明するが、これらの実施の形態は例示的に示されるもので、本発明の技術思想から逸脱しない限り種々の変形が可能なことはいうまでもない。
【００１９】
本発明のＹＡＧレーザー高調波用合成石英ガラス光学材料においては、ＯＨ基濃度としては１ｐｐｍ以上３００ｐｐｍ以下の範囲で使用することが必要である。ＯＨ基濃度とレーザーによる損傷閾値の関係はＯＨ基濃度が低いほど損傷閾値が上昇する。但し、ＯＨ基濃度が低すぎて、例えば１ｐｐｍ未満になると酸素欠損型の欠陥が生じやすくなり、逆に好ましくない。酸素欠損欠陥の量は２４５ｎｍの紫外線透過率で表わされるので、この値が９９．９％以上であれば充分である。しかしながら、酸素欠損の生成のしやすさを考慮するとＯＨ基濃度は１ｐｐｍ以上、好ましくは５ｐｐｍ以上が望ましい。一方、ＯＨ基濃度が３００ｐｐｍを超える場合、損傷閾値が相対的に高くなりすぎるため、ＯＨ基濃度の上限値としては、３００ｐｐｍ以下が好ましく、更に好ましくは５０ｐｐｍ以下である。
【００２０】
本発明においては、水素分子濃度としては、２×１０18分子／ｃｍ3以上２×１０19分子／ｃｍ3以下の範囲を用いることができ、４×１０18分子／ｃｍ3以上８×１０18分子／ｃｍ3以下の範囲が好ましい。水素分子濃度は損傷閾値に関して２×１０18分子／ｃｍ3以上含有される必要がある。しかし、その効果は１×１０19分子／ｃｍ3以上では飽和しているように見える。高濃度で入れると、高濃度の水素を含有させるためには１００気圧以上の高圧水素処理が必要で安全性の問題が生じる事や、高圧の雰囲気下で石英ガラスを処理する事によって石英ガラスが高い複屈折を示す事（例えば複屈折が５ｎｍ／ｃｍを超えてしまう）等の工業上の不利益が生じる。
【００２１】
仮想温度に関しては、８８０℃以上９９０℃以下に設定する。仮想温度８８０℃未満に設定するにはかなりゆっくりとした徐冷（例えば０．５℃／時間）が必要で、このために炉からの汚染により透過率の低下が生じる等問題が生じてしまう。
【００２２】
【実施例】
以下に本発明の実施例を挙げて説明するが、この実施例は例示的に示されるもので、限定的に解釈されるべきでないことはいうまでもない。
【００２３】
（実施例１〜３）
高純度四塩化珪素を酸水素火炎中に導入し、火炎加水分解して得られる微細なシリカ粉を回転する基体上に堆積させて多孔質石英ガラス体（スート体）を得た。このスート体をＨｅ雰囲気にて１１５０℃で２０時間加熱し、シリカ微粒子の燒結を促進し、密度を均一に高めた後、真空炉にて０．０１ｈＰａ（ヘクトパスカル）以下の圧力下、１５００℃×１０時間加熱して透明ガラス化して、直径７０ｍｍ、長さ３００ｍｍの透明石英ガラスインゴット約２．５ｋｇを作成した。
【００２４】
得られた合成石英ガラスインゴットを、下記帯域溶融法にて一方向に均質化を行った。即ち、インゴットの両端に合成石英の足場管を溶接後、旋盤で把持し、酸水素バーナーでインゴットの一部を加熱、溶融帯域を形成後、旋盤の両チャックの回転に差動を与えて溶融帯域内を攪拌しつつ、バーナーを移動させインゴット全体を均質化した。均質化を終えたインゴットを旋盤の両チャック間を詰めて樽型に成型した後、足場管から切り離し、内径１７０ｍｍ、高さ１００ｍｍのグラファイト型内に設置して、型ごと窒素雰囲気炉にて１８００℃に加熱して直径１７０ｍｍ、厚さ４０ｍｍの石英ガラス成型体を得た。
【００２５】
汚染部分を取り除く目的で、得られた石英ガラス成型体のグラファイトと接触した外周部分を５ｍｍづつ研削して、外径１６０ｍｍ、厚さ３０ｍｍに加工した後、成型体を大気炉にて１１５０℃で２０時間保持後、１時間当たり２℃の割合で６００℃まで徐冷し、その後炉の電源を切って室温まで冷却した（成型体▲１▼）。
【００２６】
得られた合成石英ガラス成型体の純度をＩＣＰマススペクトル装置にて純度分析を行ったところ、Ｎａ、Ｌｉ、Ｋのアルカリ金属元素濃度の総計が１０ｐｐｂ、Ｍｇ及びＣａのアルカリ土類金属元素濃度の総計が５ｐｐｂ以下、その他Ｆｅ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｒの金属元素濃度の総計が５ｐｐｂ以下であった。
【００２７】
この石英ガラス成型体から、直径６０ｍｍ、厚さ３０ｍｍの石英ガラス円盤を４個切り出し、そのうち３個を２０気圧（実施例１）、４０気圧（実施例２）、６０気圧（実施例３）の高圧水素雰囲気の炉に入れ、４００℃で３週間加熱して水素をドーピングした。
【００２８】
（比較例１）
また、前記した成型体▲１▼から切り出した４個目の石英ガラス円盤を、水素圧力を２気圧とした以外は実施例１と同様の処理を行って、水素をドープした。
【００２９】
（実施例４）
高純度四塩化珪素を酸水素火炎中に導入し、火炎加水分解して得られる微細なシリカ粉を回転する基体上に堆積させて多孔質石英ガラス体（スート体）を得た。このスート体をＨｅ雰囲気にて、１５００℃×１０時間加熱して透明ガラス化して、直径７０ｍｍ、長さ３００ｍｍの透明石英ガラスインゴット約２．５ｋｇを作成した。得られた合成石英ガラスインゴットを実施例１〜３と同様の帯域溶融法にて１方向に均質化を行った後、内径１７０ｍｍ、高さ１００ｍｍのグラファイト型内に設置して、型ごと窒素雰囲気炉にて１８００℃に加熱して直径１７０ｍｍ、厚さ４０ｍｍの石英ガラス成型体を得た。
【００３０】
汚染部分を取り除く目的で、得られた石英ガラス成型体のグラファイトと接触した外周部分を５ｍｍづつ研削して、外径１６０ｍｍ、厚さ３０ｍｍに加工した後、成型体を大気炉にて１１５０℃で２０時間保持後、１時間当たり２℃の割合で６００℃まで徐冷し、その後炉の電源を切って室温まで冷却した（成型体▲２▼）。この石英ガラス成型体から、直径６０ｍｍ、厚さ３０ｍｍの石英ガラス円盤を３個切り出し、内１個を４０気圧の高圧水素雰囲気の炉に入れ、４００℃で３週間加熱して水素をドーピングした。
【００３１】
（比較例２）
また、前記した成型体▲２▼から切り出した別の石英ガラス円盤を大気雰囲気で１１５０℃にて２０時間保持後、１時間当たり２０℃の割合で６００℃まで徐冷し、その後炉の電源を切って室温まで冷却した。この石英ガラス円盤を４０気圧の高圧水素雰囲気の炉に入れ、４００℃で３週間加熱して水素をドーピングした。
【００３２】
（比較例３）
高純度四塩化珪素を酸水素火炎中に導入し、火炎加水分解して得られる微細なシリカ粉を回転する基体上に堆積させて多孔質石英ガラス体（スート体）を得た。このスート体を塩素１０体積％、Ｈｅ９０体積％の混合ガス雰囲気にて、８００℃で２０時間加熱し脱水処理を行った後、Ｈｅ雰囲気で１５００℃×１０時間加熱して透明ガラス化して、直径７０ｍｍ、長さ３００ｍｍの透明石英ガラスインゴット約２．５ｋｇを作成した。得られた合成石英ガラスインゴットを実施例１〜３と同様の帯域溶融法にて１方向に均質化を行った後、内径１７０ｍｍ、高さ１００ｍｍのグラファイト型内に設置して、型ごと窒素雰囲気炉にて１８００℃に加熱して直径１７０ｍｍ、厚さ４０ｍｍの石英ガラス成型体を得た。
【００３３】
汚染防止の目的で、得られた石英ガラス成型体のグラファイトと接触した外周部分を５ｍｍづつ研削して、外径１６０ｍｍ、厚さ３０ｍｍに加工した後、成型体を大気炉にて１１５０℃で２０時間保持後、１時間当たり２℃の割合で６００℃まで徐冷し、その後炉の電源を切って室温まで冷却した（成型体▲３▼）。この石英ガラス成型体から、直径６０ｍｍ、厚さ３０ｍｍの石英ガラス円盤を切り出し、４０気圧の高圧水素雰囲気の炉に入れ、４００℃で３週間加熱して水素をドーピングした。
【００３４】
（比較例４）
高純度四塩化珪素を酸水素火炎中に導入し、火炎加水分解して得られたシリカ微粒子を回転する基体上に堆積しながら溶融して直径７０ｍｍ、長さ３００ｍｍの透明石英ガラスインゴット約２．５ｋｇを作成した。得られた合成石英ガラスインゴットを実施例１〜３と同様の帯域溶融法にて１方向に均質化を行った後、内径１７０ｍｍ、高さ１００ｍｍのグラファイト型内に設置して、型ごと窒素雰囲気炉にて１８００℃に加熱して直径１７０ｍｍ、厚さ４０ｍｍの石英ガラス成型体を得た。
【００３５】
汚染防止の目的で得られた石英ガラス成型体のグラファイトと接触した外周部分を５ｍｍづつ研削して、外径１６０ｍｍ、厚さ３０ｍｍに加工した後、成型体を大気炉にて１１５０℃で２０時間保持後、１時間当たり２℃の割合で６００℃まで徐冷し、その後炉の電源を切って室温まで冷却した（成型体▲４▼）。この石英ガラス成型体から、直径６０ｍｍ、厚さ３０ｍｍの石英ガラス円盤を切り出し、４０気圧の高圧水素雰囲気の炉に入れ、４００℃で３週間加熱して水素をドーピングした。
【００３６】
このようにして得られた合成石英ガラス体のＯＨ基濃度、水素分子濃度、塩素濃度、仮想温度、２４５ｎｍの紫外線の透過率を表１に示す。尚、ＯＨ基濃度は赤外分光光度法、水素分子濃度はレーザーラマン分光光度法、塩素濃度は蛍光Ｘ線分析法、仮想温度はレーザーラマン分光光度法、紫外線透過率は紫外分光光度法によって測定を行った。
【００３７】
【表１】
（レーザー損傷試験）
上記作成した試料に対してＹＡＧレーザーの高調波の照射試験を行った。ＹＡＧレーザー損傷試験装置の概略説明図を図２に示す。図２に示すように、ＹＡＧレーザー高調波による石英ガラスの損傷試験は、ＹＡＧレーザー１０から照射される基本波を２つの波長変換素子１２、１４を用いて、第３又は第４高調波に変換させたレーザー光を、Ｆ＝３００の比較的短焦点のレンズ１６で石英ガラスサンプル１８内に焦点を結ぶように集光しつつ照射して、これによる石英ガラスの損傷（クラックの発生）を、照射に伴う光音響の変化により検出する。レーザー光を比較的短焦点で照射する理由は、長焦点、あるいはアフォーカル系で照射を行った場合、石英ガラス内部で熱レンズ効果によって自己収束が生じるため、エネルギー密度の算出が困難になるためで、短焦点レンズにすることにより、自己収束を回避し、より正確に照射エネルギー密度の測定が可能となる。石英ガラスの透過率変化は光音響測定により行う。これは、石英ガラスサンプルをレーザー光が透過する際にサンプルに吸収される光エネルギーの一部が音響エネルギーに変換されるが、この音響エネルギーをＡＥセンサー（acoustic emission sensor）２０で感知して電気エネルギーに変換し、増幅器２２で増幅した電圧信号をオシロスコープ２４で電圧波形として観察する。石英ガラスサンプルに損傷が生じた場合、それまでとは異なる非常に大きな音響エネルギーの発生があるので、高感度で損傷の発生を知る事が出来る。石英ガラスに生じたクラックは照射後、顕微鏡でも観察することが出来る。
【００３９】
１）第３高調波の単パルス照射による損傷閾値
各試料にＹＡＧの第３高調波を単パルスで照射し、石英ガラスに微細なクラックが入るエネルギー密度を測定した。結果を表２及び図１に示す。表中損傷閾値とは照射によって石英ガラスにクラックが入ったパルス当たりエネルギー密度を指し、単位はＪ／ｃｍ2である。
【００４０】
【表２】
表２に示した如く、実施例１〜４は、第３高調波の単パルス照射による損傷閾値が１７．７Ｊ／ｃｍ2以上であり良好な結果を示したのに対し、比較例１〜４では、損傷閾値が１６．９Ｊ／ｃｍ2以下であった。図１は実施例２、４及び比較例４におけるＯＨ基濃度と損傷閾値の関係をその一次回帰直線と共に示すグラフである。図１に示されるように、比較例４（ＯＨ基濃度６００ｐｐｍ）では、実施例２（ＯＨ基濃度３０ｐｐｍ）及び実施例４（ＯＨ基濃度２００ｐｐｍ）に対して損傷閾値が相対的に高くなりすぎていた。
【００４２】
２）第４高調波の単パルス照射による損傷閾値
各試料にＹＡＧの第４高調波を単パルスで照射し、石英ガラスに微細なクラックが入るエネルギー密度を測定した。結果を表３に示す。
【００４３】
【表３】
表３に示した如く、実施例１〜４では、第４高調波の単パルス照射による損傷閾値が７．７Ｊ／ｃｍ2以上であり良好な結果を示したのに対し、比較例１〜４では、損傷閾値が６．９Ｊ／ｃｍ2以下であった。
【００４５】
３）第３高調波の連続照射による損傷閾値
各試料にＹＡＧの第３高調波を周波数１０Ｈｚで１２０００パルス照射し、石英ガラスに微細なクラックが入るエネルギー密度を測定した。結果を表４に示す。
【００４６】
【表４】
表４に示した如く、実施例１〜４では、第３高調波の連続照射による損傷閾値が１１．９Ｊ／ｃｍ2以上であり良好な結果を示したのに対し、比較例１〜４では、損傷閾値が１０．８Ｊ／ｃｍ2以下であった。
【００４８】
４）第４高調波の連続照射による損傷閾値
各試料にＹＡＧの第４高調波を周波数１０Ｈｚで１２０００パルス照射し、石英ガラスに微細なクラックが入るエネルギー密度を測定した。結果を表５に示す。
【００４９】
【表５】
表５に示した如く、実施例１〜４では、第４高調波の連続照射による損傷閾値が２．９Ｊ／ｃｍ2以上であり良好な結果を示したのに対し、比較例１〜４では、損傷閾値が２．１Ｊ／ｃｍ2以下であった。
【００５１】
５）第３高調波による長時間照射試験
実施例１の試料と比較例１の試料をエネルギー密度１４Ｊ／ｃｍ2で、パルス幅４．５ｎ秒のＹＡＧレーザーの第３高調波を発振周波数１ＫＨｚで１０，０００，０００パルスの連続照射を行った。その結果実施例１の試料は全く変化が認められなかったが、比較例１の試料には照射開始後１０，０００パルス程度でクラックが認められ、それ以上の照射を行うことが出来なかった。
【００５２】
６）第４高調波による長時間照射試験
実施例１の試料と比較例１の試料をエネルギー密度２Ｊ／ｃｍ2で、パルス幅４ｎ秒のＹＡＧレーザーの第４高調波を発振周波数５００Ｈｚで１０，０００，０００パルスの連続照射を行った。その結果実施例１の試料は全く変化が認められなかったが、比較例１の試料には照射開始後８，０００パルス程度でクラックが認められ、それ以上の照射を行うことが出来なかった。
【００５３】
【発明の効果】
以上述べたごとく、本発明によれば、レーザー加工機に使用されるプリズム、レンズ等を構成する光学部材に使用される合成石英ガラス光学材料において、ＹＡＧレーザーの第３高調波以上の高調波に好適に使用される合成石英ガラス材料を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例２、実施例４及び比較例４のＯＨ基濃度に対するＹＡＧ第３高調波の単パルス照射による損傷閾値の関係を示すグラフである。
【図２】 ＹＡＧレーザー損傷試験装置を示す概略説明図である。
【符号の説明】
１０：ＹＡＧレーザー、１２，１４：波長変換素子、１６：レンズ、１８：サンプル、２０：ＡＥセンサー、２２：増幅器、２４：オシロスコープ。
Claims (4)
- ＹＡＧレーザーの第３〜第５高調波に用いられる合成石英ガラス光学材料であって、ＯＨ基濃度が５ｐｐｍ以上３０ｐｐｍ以下、含有される塩素濃度が２０ｐｐｍ以下、含有される水素分子濃度が４×１０18分子／ｃｍ3以上２×１０19分子／ｃｍ3以下の範囲にあり、波長２４５ｎｍにおける紫外線の透過率が９９．９％以上であって、かつ仮想温度が８８０℃以上９９０℃以下であることを特徴とするＹＡＧレーザー高調波用合成石英ガラス光学材料。
- パルス幅３ｎ秒以上、５ｎ秒以下のＹＡＧレーザーの第３高調波を単パルスで照射した際の損傷閾値が１７Ｊ／ｃｍ2以上であり、パルス幅３ｎ秒以上、５ｎ秒以下のＹＡＧレーザーの第４高調波を単パルスで照射した際の損傷閾値が７Ｊ／ｃｍ2以上であることを特徴とする請求項１記載のＹＡＧレーザー高調波用合成石英ガラス光学材料。
- パルス幅３ｎ秒以上、５ｎ秒以下のＹＡＧレーザーの第３高調波を１２０００パルス連続で照射した際の損傷閾値が１１Ｊ／ｃｍ2以上であり、パルス幅３ｎ秒以上、５ｎ秒以下のＹＡＧレーザーの第４高調波を１２０００パルス連続で照射した際の損傷閾値が２．５Ｊ／ｃｍ2以上であることを特徴とする請求項１又は２記載のＹＡＧレーザー高調波用合成石英ガラス光学材料。
- ＹＡＧレーザーの第３〜第５高調波に用いられる合成石英ガラス光学材料の使用方法であって、
（Ａ）ＯＨ基濃度が５ｐｐｍ以上３０ｐｐｍ以下、含有される塩素濃度が２０ｐｐｍ以下、含有される水素分子濃度が４×１０ 18 分子／ｃｍ 3 以上２×１０ 19 分子／ｃｍ 3 以下の範囲にあり、波長２４５ｎｍにおける紫外線の透過率が９９．９％以上であって、かつ仮想温度が８８０℃以上９９０℃以下である合成石英ガラス光学材料を準備する工程と、
（Ｂ）前記合成石英ガラス光学材料をＹＡＧレーザーの第３〜第５高調波で照射する工程と、を含むことを特徴とする使用方法。
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