WO2012049888A1 - 光学部品 - Google Patents

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幸久 楠
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    • G02B1/113—Anti-reflection coatings using inorganic layer materials only
    • G02B1/115—Multilayers

Definitions

  • the present invention relates to an optical component having an infrared antireflective film on the surface of a substrate.
  • an infrared transmitting member such as ZnSe, ZnS, GaAs, or Ge is used as a substrate (base material), and PbF 2 or BaF is formed on this substrate.
  • a structure which has an infrared reflective anti-reflective film combining a low refractive index layer consisting of fluoride such as 2 , LaF 3 , CeF 3 , ThF 4 and a high refractive index layer such as ZnSe, ZnS, GaAs, Ge etc. ing.
  • ThF 4 is known as a material that satisfies such characteristics.
  • ThF 4 is radioactive, it is harmful to the human body and has problems such as limitations in handling.
  • Patent Document 1 proposes an optical component using BaF 2 for the low refractive index layer and ZnSe for the high refractive index layer.
  • Patent Document 1 By adopting the structure as in Patent Document 1, it is possible to manufacture an optical component having a low absorptivity of laser light without using a radioactive substance such as ThF 4 .
  • a radioactive substance such as ThF 4 .
  • the surface roughness of the infrared antireflection film is worse than when ThF 4 is used. There is a problem that the appearance of the optical component is deteriorated.
  • the present invention has been made based on such circumstances, and it is an optical component having an infrared reflective film having a low absorptivity of laser light and a good appearance quality even without using the radioactive substance ThF 4 Intended to provide.
  • the optical component of the present invention is an optical component comprising a substrate and an infrared antireflective film, wherein the substrate comprises ZnSe and is formed on at least one surface of the substrate.
  • the infrared antireflection film is formed of a low refractive index layer mainly composed of BaF 2 , a high refractive index layer mainly composed of ZnSe, ZnS or Ge, and an intermediate layer composed of a material having an amorphous or anisotropic property.
  • an optical component has the characteristics that surface roughness Ra is 3 nm or less.
  • the optical component of the present invention preferably has an absorptivity of 0.25% or less at a wavelength of 10.6 ⁇ m, and an absorptivity of 0.18% to 0.24 at a wavelength of 10.6 ⁇ m. It is further preferable that the content is less than or equal to%.
  • the intermediate layer of the optical component of the present invention is a layer consisting of one or more kinds of fluorides selected from the group consisting of lanthanoid fluorides, PbF 2 and YF 3 , or one or more kinds of fluorines selected from these groups It is preferable that the layer be a solid solution containing a fluoride and BaF 2 .
  • the intermediate layer is preferably formed between the high refractive index layer and the low refractive index layer, between the low refractive index layer and the substrate, or both.
  • the inventor examined the problems of the optical component disclosed in Patent Document 1. As a result, it was found that asperities of crystal grains present on the surface of the polycrystalline ZnSe substrate were transferred or amplified to the BaF 2 layer and transferred. It was also found that clear crystallinity appeared in the BaF 2 layer. From these facts, the inventor considered that the unevenness generated in the BaF 2 layer affects the surface of the optical component, leading to the deterioration of the appearance quality of the optical component.
  • the inventor of the present invention has found that the upper or lower surface of the low refractive index layer 2 has a layer which has infrared transparency and is amorphous or anisotropic. We have found that it should be formed. That is, the optical component of the present invention is characterized in that it comprises an intermediate layer 4 having amorphous or anisotropy separately from the low refractive index layer 2 made of BaF 2 .
  • FIG. 1 schematically shows a cross-sectional view of the optical component of the present invention.
  • Optical component of the present invention includes a substrate 1 made of ZnSe, mainly BaF 2 low refractive index layer 2 formed of, ZnSe, high refractive index layer 3 made of ZnS or Ge, and has an amorphous or anisotropic (crystal clear It has an infrared antireflective film 5 provided with an intermediate layer 4 (without orientation).
  • mainly with consists BaF 2 layer, as described above, if the extent that when deposited on the ZnSe substrate crystallinity of ZnSe substrate from being reflected in the layer contains a different material other than BaF 2 Is meant to include.
  • the layer is made of a fluoride having high infrared transmission performance (except for BaF 2 ), or a solid solution of BaF 2 and a fluoride other than BaF 2 .
  • These fluorides may contain two or more different materials.
  • fluorides of lanthanoids such as YbF 3 and DyF 3 , YF 3 , PbF 2 and the like are preferable as well as excluding ThF 4 .
  • an amorphous layer can be formed even with an oxide such as TiO 2 , it is difficult to set the absorptivity at a wavelength of 10.6 ⁇ m to 0.25% or less.
  • the intermediate layer 4 may be formed as a first intermediate layer between the low refractive index layer and the substrate.
  • the thickness thereof may be such that the unevenness of the surface of the ZnSe substrate is not transferred.
  • the thickness of the intermediate layer is preferably 1000 nm or less, and more preferably 100 nm or less.
  • the unevenness on the surface of the ZnSe substrate is not transferred to the surface of the infrared antireflective film, so the surface of the infrared antireflective film can be smoothed.
  • the surface roughness Ra of the infrared antireflective film can be 3 nm or less.
  • the intermediate layer is formed of two layers, a first intermediate layer formed between the low refractive index layer and the substrate, and a second intermediate layer formed between the high refractive index layer and the low refractive index layer.
  • the first intermediate layer is formed separately, it is preferable to reduce the thickness of the first intermediate layer, specifically 10 nm or more and 100 nm or less.
  • a low refractive index layer 2 composed of the above and a high refractive index layer 3 composed of ZnSe were sequentially laminated from the base material side to prepare an optical component having the infrared antireflection films 5 on both sides.
  • Each film was formed by electron beam (EB) evaporation under conditions of a vacuum degree of 8 ⁇ 10 ⁇ 4 Pa or less and an evaporation rate of 0.03 ⁇ m / min.
  • EB electron beam
  • the infrared absorptivity was measured by a laser calorimetry method using a CO 2 laser beam having a wavelength of 10.6 ⁇ m.
  • the surface roughness was measured by a non-contact profilometer NewView 200 manufactured by Zygo.
  • Example number 4 which only changed the low-refractive-index layer from ThF 4 to BaF 2 differs in the absorptivity of a laser beam from the thing (sample number 3) whose low-refractive-index layer is ThF 4 . Therefore, the amount of change in substrate refractive index and the amount of thermal deformation that occur as a result of substrate temperature rise due to absorption of laser light differ, causing a shift in focus position, and compatibility with conventional optical components using ThF 4 is obtained. I can not. In contrast, a structure of the present invention (Sample No.
  • the intermediate layer by the presence of the intermediate layer, it is also possible to adjust the laser beam absorption rate to that of the low refractive index layer was ThF 4, the ThF 4 It is also possible to obtain compatibility with the used optical components.
  • the absorptivity of the laser beam can be adjusted by changing the thickness of the intermediate layer.
  • Example 2 Under the same conditions as Example 1, the film material and its thickness were changed, and the absorptivity of the laser beam and the surface roughness were evaluated. The results are shown in Tables 2 to 6.
  • Sample No. 21 has the intermediate layer formed only between the high refractive index layer and the low refractive index layer (second intermediate layer), but the thickness of the intermediate layer is relatively large. , The surface roughness has been improved only a little. Therefore, it is understood that in order to improve the surface roughness, it is preferable to provide an intermediate layer between the low refractive index layer and the substrate (first intermediate layer).
  • the present invention is particularly suitable for optical components used for high power lasers such as CO 2 lasers.

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Abstract

基材と赤外反射防止膜とからなる光学部品であって、基材はＺｎＳｅからなり、少なくとも一面に赤外反射防止膜が形成されている。また、赤外反射防止膜は、ＢａＦ２からなる低屈折率層、ＺｎＳｅ、ＺｎＳもしくはＧｅからなる高屈折率層、およびアモルファスもしくは異方性を有する中間層から形成されている。このような構成とすることにより、ＴｈＦ４を使用しなくとも、高い透過率を有し、表面粗さが良好な光学部品を得ることが出来る。

Description

光学部品
  本発明は、基材の表面に赤外反射防止膜を有する光学部品に関するものである。
  近年、赤外光を利用した光学機器の開発が盛んに行われ、特に８～１４μｍ領域の赤外光の利用が注目されている。これに伴い、この領域の赤外光に有効な光学部品が種々提案されている。このような光学部品のうち、赤外反射防止機能を備えた光学部品として、赤外透過部材であるＺｎＳｅ、ＺｎＳ、ＧａＡｓ、Ｇｅなどを基板（基材）とし、この基板上にＰｂＦ２、ＢａＦ２、ＬａＦ３、ＣｅＦ３、ＴｈＦ４などのフッ化物からなる低屈折率層と、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、ＧａＡｓ、Ｇｅなどの高屈折率層とを組合せた赤外反射防膜を有する構造が知られている。
  特に、ＣＯ２レーザなどの高出力レーザに使用される光学部品では、レーザ光を吸収することによって生じる発熱の影響を無視することができない。そのため、赤外反射防膜によるレーザ光の吸収率を低く抑える必要がある。赤外反射防膜の低屈折率層に用いられる材料のうち、そのような特性を満足させる物質としてＴｈＦ４が知られている。ところが、ＴｈＦ４は放射性物質のため、人体に有害で取扱い上の制約がある等の問題があった。
  このような問題を解消するために、特許文献１では低屈折率層にＢａＦ２を用い、高屈折率層にＺｎＳｅを用いた光学部品が提案されている。
特開２００２－１４８４０７号公報
  特許文献１のような構造とすることで、ＴｈＦ４のような放射性物質を使用しなくても、レーザ光の吸収率が低い光学部品を製造することができる。ところが、特許文献１のように、低屈折率層にＢａＦ２、高屈折率層にＺｎＳｅを用いただけの構造では、ＴｈＦ４を用いた場合に比べて赤外反射防止膜の表面粗さが悪く、光学部品の外観が悪化するという問題があった。
  本発明は、このような事情に基づいてなされたものであり、放射性物質であるＴｈＦ４を使用しないでも、レーザ光の吸収率が低く、外観品質が良好な赤外反射防膜を有する光学部品を提供することを目的とする。
  本発明の光学部品は、基材と赤外反射防止膜とからなる光学部品であって、基材はＺｎＳｅからなり、この基板の少なくとも一面に形成されている。そして、赤外反射防止膜は、主としてＢａＦ２からなる低屈折率層と、ＺｎＳｅ、ＺｎＳもしくはＧｅからなる高屈折率層と、アモルファスもしくは異方性を有する材料からなる中間層から形成されている。そして、光学部品は、表面粗さＲａが３ｎｍ以下という特徴を有している。
  また、本発明の光学部品は、波長１０．６μｍにおけるレーザ光の吸収率が０．２５％以下であることが好ましく、波長１０．６μｍにおけるレーザ光の吸収率が０．１８％以上０．２４％以下であることがさらに好ましい。
  また、本発明の光学部品の中間層は、ランタノイドのフッ化物、ＰｂＦ２、ＹＦ３からなる群から選ばれる一種類以上のフッ化物からなる層、またはこれらの群から選ばれる一種類以上のフッ化物とＢａＦ２とを含む固溶体からなる層であることが好ましい。
  また、本発明の光学部品は、中間層は、高屈折率層と低屈折率層との間、低屈折率層と基板との間、またはその両方に形成されていることが好ましい。
  本発明によれば、ＴｈＦ４を使用しなくとも、レーザ光の吸収率が低く、外観品質が良好な赤外反射防膜を有する光学部品を提供することができる。
本発明の光学部品について、実施の一形態の断面図を模式的に示す説明図である。
  本発明者は、特許文献１に開示された光学部品の問題点について検討を行った。その結果、多結晶体であるＺｎＳｅ基板の表面に存在する結晶粒の凹凸が、ＢａＦ２層に転写、あるいは増幅されて転写されていることが分かった。また、ＢａＦ２層に明確な結晶性が現れていることも判明した。これらの事実から、本発明者は、このＢａＦ２層に生じた凹凸が光学部品の表面に影響を及ぼし、光学部品の外観品質の低下に繋がっていると考えた。
  そこで、本発明者は、上記の問題の対策について種々の検討を行った結果、低屈折率層２の上面または下面に、赤外透過性を有し、かつアモルファスもしくは異方性を有する層を形成すればよいという知見を得た。すなわち、本発明の光学部品は、ＢａＦ２からなる低屈折率層２とは別に、アモルファスもしくは異方性を有する中間層４を備えている点に特徴を有する。
  以下、添付図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。
  図１は、本発明の光学部品の断面図を模式的に示したものである。本発明の光学部品は、ＺｎＳｅからなる基板１と、主としてＢａＦ２からなる低屈折率層２、ＺｎＳｅ、ＺｎＳもしくはＧｅからなる高屈折率層３、およびアモルファスもしくは異方性を有する（明確な結晶方位を持たない）中間層４を備えた赤外反射防止膜５を有している。なお、主としてＢａＦ２からなる層とは、上述したように、ＺｎＳｅ基板に蒸着した際にＺｎＳｅ基板の結晶性がその層に反映されてしまう程度に、ＢａＦ２以外の異種材料を含んでいる場合を含むことを意味する。
  中間層４として種々の材料が考えられるが、高い赤外透過性能を有するフッ化物（ＢａＦ２を除く）、あるいはＢａＦ２とＢａＦ２以外のフッ化物との固溶体からなる層であることが好ましい。なお、これらのフッ化物は、異なる材料を２種類以上含むものであっても良い。上記のフッ化物としては、ＴｈＦ４を除くことは言うまでもなく、ＹｂＦ３、ＤｙＦ３などのランタノイドのフッ化物や、ＹＦ３、ＰｂＦ２などが好ましい。なお、ＴｉＯ２などの酸化物でもアモルファスな層を形成することができるが、波長１０．６μｍにおける吸収率を０．２５％以下とすることが困難である。
  中間層４は、低屈折率層と基板との間に第１の中間層として形成するのが良い。その厚みは、ＺｎＳｅ基板の表面の凹凸が転写されない程度であれば良い。例えば、表面粗さＲａを３ｎｍ以内に抑えるには、その厚みを１０ｎｍ以上とすることが好ましい。また、ＢａＦ２はその他のフッ化物に比べてレーザ光の吸収率が低いので、ＢａＦ２を除くフッ化物、あるいはＢａＦ２とＢａＦ２以外のフッ化物との固溶体を使用する中間層は、レーザ光の吸収率を低く抑えるようできるだけ薄くすることが好ましい。従って、中間層の厚みは、１０００ｎｍ以下が好ましく、１００ｎｍ以下とするのがより好ましい。このような構成とすることで、ＺｎＳｅ基板の表面の凹凸が赤外反射防止膜の表面に転写されなくなるので、赤外反射防止膜の表面を平滑にすることができる。本発明の構造とすることにより、赤外反射防止膜の表面粗さＲａを３ｎｍ以下とすることができる。
  また、中間層を低屈折率層と基板との間に形成された第１の中間層と、高屈折率層と低屈折率層との間に形成された第２の中間層との２層に分けて形成する場合は、第１の中間層の厚みを薄くし、具体的には１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすることが好ましい。低屈折率層の上側にも中間層を設けることによって、光学部品におけるレーザ光の吸収率をコントロールすることができる。
  次に実施例に基づいて、本発明の光学部品をさらに具体的に説明するが、本発明は実施例のみに限定されるものではない。
  透過部材である厚さ８ｍｍのＺｎＳｅ部材を基板１とし、その表面にＢａＦ２とＹＦ３との固溶体（ＢａＦ２：ＹＦ３＝７：３・・・モル比）からなる中間層４、ＢａＦ２からなる低屈折率層２、ＺｎＳｅからなる高屈折率層３を基材側から順に積層し、赤外反射防止膜５を両面に有する光学部品を作成した。それぞれの膜は、電子ビーム（ＥＢ）蒸着により真空度８×１０－４Ｐａ以下、蒸着速度０．０３μｍ／ｍｉｎの条件で作成した。作成した光学部品については、赤外線吸収率の測定及び表面粗さの測定を行った。その結果を表１に示す。
  赤外線の吸収率は、波長１０．６μｍのＣＯ２レーザ光を用いたレーザカロメトリ法により測定した。表面粗さについては、Ｚｙｇｏ社製の非接触表面形状測定機ＮｅｗＶｉｅｗ２００により測定した。
  また、基板１の表面にＢａＦ２とＹＦ３との固溶体（ＢａＦ２：ＹＦ３＝７：３）からなる中間層４をＢａＦ２からなる低屈折率層２の両側に形成した構造、低屈折率層２をＴｈＦ４とした構造、及びフッ化物固溶体からなる中間層４を有していない構造についても同様に作成し、評価を行った。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
  表１の結果から分かるように、本発明の構造（資料番号１，２）では、低屈折率層２にＢａＦ２を使用してもＴｈＦ４を使用した場合と同等の性能が得られた。また、中間層４を有していない従来の構造（資料番号４）に比べ、表面粗さが改善され、レーザ光の吸収率が低い光学部品を得ることができた。
  また、低屈折率層をＴｈＦ４からＢａＦ２に変更しただけのもの（試料番号４）は、低屈折率層がＴｈＦ４のもの（試料番号３）とはレーザ光の吸収率が異なっている。そのため、レーザ光の吸収による基板温度上昇の結果生じる基板屈折率の変化量及び熱変形量が異なり、焦点位置にズレが生じてしまい、従来のＴｈＦ４を使用した光学部品との互換性が得られない。これに対し、本発明の構造のもの（試料番号２）は、中間層の存在により、低屈折率層をＴｈＦ４としたものにレーザ光の吸収率を合わせることも可能であり、ＴｈＦ４を使用した光学部品と互換性を得ることも出来る。なお、レーザ光の吸収率は、中間層の厚みを変えることで調整することができる。
  実施例１と同じ条件にて、膜材質やその厚みを変え、レーザ光の吸収率及び表面粗さの評価を行った。その結果を表２～表６に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
  表２～表６の結果より、ＢａＦ２とは別に、アモルファスもしくは異方性を有する中間層を設けることにより、レーザ光の吸収率が低く、外観品質が良い光学部品が得られることがわかる。なお、試料番号２１は、高屈折率層と低屈折率層との間（第２の中間層）にのみ中間層を形成したものであるが、中間層の厚みが比較的厚いにもかかわらず、表面粗さが少ししか改善されていない。従って、表面粗さを改善するためには、中間層を低屈折率層と基板との間（第１の中間層）に設けることが好ましいことが分かる。
  なお、上述した例は、あくまでも例示であって本発明は実施例によって限定されるものではない。当業者であれば特許請求の範囲によって画定される本発明の技術的思想を逸脱することなく様々な変形若しくは変更が可能であることは言うまでもない。
  本発明は、ＣＯ２レーザ等のハイパワーレーザに用いる光学部品に特に好適である。
１  ＺｎＳｅからなる基板
２  低屈折率層
３  高屈折率層
４  中間層
５  赤外反射防止膜

Claims (8)

  1.   基材と赤外反射防止膜とからなる光学部品であって、
      前記基材はＺｎＳｅであり、
      前記赤外反射防止膜は、前記基板の少なくとも一面に形成されているとともに、
      主としてＢａＦ２からなる低屈折率層と、
      ＺｎＳｅ、ＺｎＳもしくはＧｅからなる高屈折率層と、
      アモルファスもしくは異方性を有する材料からなる中間層からなり、
      前記赤外反射防止膜の表面粗さＲａが３ｎｍ以下であることを特徴とする光学部品。
  2.   波長１０．６μｍにおける吸収率が０．２５％以下である請求項１に記載の光学部品。
  3.   波長１０．６μｍにおける吸収率が０．１８％以上０．２４％以下である請求項１または２に記載の光学部品。
  4.   前記中間層はランタノイドのフッ化物、ＰｂＦ２、ＹＦ３からなる群から選ばれる一種類以上のフッ化物からなる層、またはこれらの群から選ばれる一種類以上のフッ化物とＢａＦ２とを含む固溶体からなる層である請求項１～３いずれかに記載の光学部品。
  5.   前記中間層は、低屈折率層と基板との間に形成された第１の中間層である請求項１～４のいずれかに記載の光学部品。
  6.   前記第１の中間層の厚みは、１０ｎｍ以上である請求項５に記載の光学部品。
  7.   前記第１の中間層の厚みは、１０００ｎｍ以下である請求項５に記載の光学部品。
  8.   前記中間層は、高屈折率層と低屈折率層との間に形成された第２の中間層をさらに含み、前記第１の中間層の厚みが１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である請求項７に記載の光学部品。
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