DE60111002T2

DE60111002T2 - Optisches Element für einen Infrarotlaser und zugehöriges Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE60111002T2
Application number: DE60111002T
Authority: DE
Inventors: Hiromi 1-3 Iwamoto; Hirokuni 1-3 Nanba
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2000-11-14
Filing date: 2001-11-14
Publication date: 2005-10-20
Anticipated expiration: 2021-11-15
Also published as: EP1211523A3; JP3608504B2; US6603601B2; EP1211523B1; DE60111002D1; US20020080843A1; JP2002148407A; EP1211523A2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Sachgebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein optisches Element für einen Infrarot-Laser und auf ein Herstellverfahren dafür. Genauer gesagt bezieht sie sich auf ein optisches, beschichtetes Element, wie beispielsweise eine Fokussierungslinse, ein Fenster, oder dergleichen, um bei einem Infrarot-Laser, angewandt bei Bearbeitungsvorgängen, wie beispielsweise einem Hochleistungs-Kohlendioxid-(CO₂)-Laser, angewandt zu werden, und auf ein Herstellverfahren dafür.
Beschreibung des Stands der Technik
Herkömmlich ist, in einer Bearbeitungsmaschine, die einen Infrarot-Laser, wie beispielsweise einen Hochleistungs-Kohlendioxidlaser (Emissionswellenlängen: 10,6 μm), verwendet, Zinkselenid (ZnSe), das für infrarote Strahlen transparent ist, als ein Substrat für optische Elemente für den Resonator und Fokussierungssysteme, wie beispielsweise einen Ausgangskopplungsspiegel, einen hinteren Spiegel, eine Fokussierungslinse, und dergleichen, verwendet worden. Andererseits sind Spiegel unter Verwendung von Silizium (Si) oder Kupfer (Cu) als das optische Substrat für optische Elemente des Reflexionssystems verwendet worden.
Ein optischer Dünnfilm wird auf der Oberfläche des Substrats für diese optischen Elemente beschichtet, wodurch die optischen Elemente eine erwünschte, optische Funktion haben. Insbesondere wird, in dem Fall eines optischen Elements für einen Kohlendioxidlaser, starke Energie auf die Oberfläche und innerhalb des optischen Elements aufgrund einer Reflexion oder Transmission des Laserlichts zugeführt. So sind Thoriumfluorid (ThF₄) oder Halbleitermaterialien, wie beispielsweise Zinkselenid (ZnSe) und Zinksulfid (ZnS), die eine niedrige Filmabsorption haben, für Materialien des optischen Dünnfilms verwendet worden, um auf der Oberfläche des Substrats beschichtet zu werden.
In neuerer Zeit ist, da eine Materialbearbeitung durch einen Hochleistungslaser praktikabel gemacht worden ist, eine hoch genaue und stabile Bearbeitung benötigt worden, und die Notwendigkeit hat schnell zugenommen, um die Absorption von Laserstrahlen durch einen optischen Dünnfilm, der auf optischen Elementen beschichtet werden soll, zu unterdrücken. Unter solchen Umständen ist eine Untersuchung und Entwicklung einer Filmherstellungstechnologie vorgenommen worden, um optische Dünnfilme für Laser zu erhalten, die Charakteristika einer niedrigen Laserstrahlabsorption und einer hohen Haltbarkeit haben.
Zum Beispiel offenbart das US-Patent Nr. 6,020,992 einen Beschichtungsfilm für optische Elemente für einen Infrarot-Laser mit einer niedrigen Absorption von 0,11 bis 0,12, die durch Laminieren eines Bariumfluorid-(BaF₂)-Films, der einen niedrigen Brechungsindex besitzt, und eines ZnSe-Films, der einen hohen Brechungsindex besitzt, alternativ, auf einem ZnSe-Substrat erhalten wurden.
Allerdings tendiert, in dem Beschichtungsfilm, der in dem vorstehend erwähnten US-Patent offenbart ist, der ZnSe-Film dazu, dass er leicht abgelöst wird, da der ZnSe-Film, gebildet auf der obersten Schicht, dicker als der BaF₂-Film ist. Zusätzlich verschlechtert sich, da der BaF₂-Film eine hygroskopische Eigenschaft besitzt, in dem Fall, bei dem die Oberfläche des ZnSe-Films beschädigt wird, der BaF₂-Film leicht durch den beschädigten Bereich, so dass es schwierig wird, die Absorption des gesamten Beschichtungsfilms so beizubehalten, dass er so niedrig wie ein optisches Element ist.
Weiterhin wird, wenn der ZnSe-Film dick ist, das Transmissionsvermögen des Spektrums extrem empfindlich in Bezug auf die Dicke des ZnSe-Films bei dem Wellenlängenbereich des Infrarot-Lasers. Da sich das Transmissionsvermögen im Wesentlichen aufgrund einer leichten Differenz der Filmdicke ändert, wird es notwendig, genau die Filmdicke in dem Filmherstellungsvorgang zu kontrollieren, um ein erwünschtes Transmissionsvermögen zu erhalten. Allerdings ist es schwierig, die Filmdicke so zu kontrollieren, dass die anti-reflektive Funktion das höchste Niveau aufgrund der optischen, spektralen Charakteristika des Beschichtungsfilms zeigen kann. Weiterhin erfordert es, da der ZnSe-Film dick ist, eine lange Dampfniederschlagszeit zum Herstellen des Films, und so ist die Produktivität gering.
Weiterhin ist ein Beispiel, um die mechanischen Charakteristika von optischen Beschichtungen für einen Kohlendioxidlaser zu verbessern, bei dem ein BaF₂- und ein ZnSe-Film auf einem ZnSe-Substrat mit einem Dampfniederschlagen mittels eines Elektronenstrahlerwärmens, unterstützt durch Xenon-(Xe)-Gasionenstrahlen, niedergeschlagen werden, erwähnt:
Seiten 188–193 von „Laser optical coatings produced by ion assisted deposition", Thin Solid Films, 214 (1992) von S., Scaglione et al.
Weiterhin wird ein anderes Beispiel vorgestellt, bei dem ein BaF₂-Film auf einem ZnSe-Substrat durch einen durch Argon-(Ar)-Gasionen unterstützten Niederschlag gebildet wird:
Seiten 335–348 von „The effect of hydrogen concentration in conventional and IAD coatings on the absorption and laser induced damage at 10.6 μm", auf den Seiten 335–348 von SPIE Vol. 1848 Laser-Induced Damage in Optical Materials von M. Rache et al, 1992.
Allerdings ist in diesen Dokumenten keine Angabe eines Aufbaus eines optischen Elements für einen Infrarot-Laser vorhanden, bei dem die Laserstrahlabsorption um nicht mehr als 0,15% herabgesetzt worden ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein optisches Element für einen Infrarot-Laser nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum Herstellen desselben nach Anspruch 4 zu schaffen, wobei die Laserstrahlabsorption auf 0,15% höchstens verringert werden kann, und ein hoch dichter und feuchtigkeitsbeständiger BaF₂-Film wird geschaffen, um die Haltbarkeit zu verbessern.
Das optische Element für einen Infrarot-Laser gemäß der Erfindung umfasst ein optisches Substrat, das eine Hauptfläche, einen BaF₂-Film, gebildet auf der Hauptfläche, und einen ZnSe-Film, gebildet auf dem BaF₂-Film, besitzt, wobei eine Glättungsbehandlung an der Hauptfläche des optischen Substrats angewandt wird.
In dem vorstehend angegebenen, optischen Element kann, da die Hauptfläche des optischen Substrats geglättet worden ist, ein dichter BaF₂-Film durch einen ionenunterstützten Niederschlag gebildet werden. Deshalb ist die Feuchtigkeitsbeständigkeit des BaF₂-Films hoch. Dementsprechend kann, sogar wenn die Dicke des ZnSe-Films, gebildet auf dem BaF₂-Film, verringert wird, die optische Beschichtung, die eine hohe Haltbarkeit besitzt, auf dem optischen Element aufgebracht werden. Als eine Folge ist eine minimale Verschlechterung des BaF₂-Films sogar dann vorhanden, wenn die Oberfläche der obersten ZnSe-Schicht beschädigt wird, und so kann die Absorption der gesamten Beschichtung auf einem niedrigen Wert bis zu 0,15% höchstens als das optische Element beibehalten werden.
Weiterhin kann, da die Hauptfläche des optischen Substrats geglättet worden ist und so die Oberflächenrauigkeit gering ist, die äußere Oberfläche des beschichteten, optischen Elements weder einfach beschmutzt werden noch durch Laserbestrahlung im Vergleich mit dem Fall beschädigt werden, bei dem die Oberflächenrauigkeit groß ist. Als eine Folge kann ein optisches Element, das ein ausgezeichnetes Erscheinungsbild beibehält, geschaffen werden.
Das Herstellverfahren für ein optisches Element für einen Infrarot-Laser gemäß der vorliegenden Erfindung weist die Schritte eines Glättens der Hauptfläche eines optischen Substrats durch Bestrahlen von Xe-Gasionenstrahlen darauf, Bilden eines BaF₂-Films durch ein mittels Xe-Gasionen unterstütztes Dampfniederschlagen auf der geglätteten Hauptfläche des Substrats und Bilden eines ZnSe-Films auf dem BaF₂-Film auf.
Durch das vorstehend angegebene Herstellverfahren kann ein dichter BaF₂-Film gebildet werden, und deshalb ist die Feuchtigkeitsbeständigkeit des BaF₂-Films hoch, da ein BaF₂-Film durch ein mittels Ionenstrahl unterstütztes Dampfniederschlagen auf der Hauptoberfläche des Substrats, das geglättet worden ist, gebildet wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine Zeichnung, die schematisch den Aufbau einer Dampfniederschlagseinheit, verwendet in der Ausführungsform 1 der Erfindung, darstellt;
2 zeigt eine Ansicht, die schematisch den Querschnitt eines optischen Elements für einen Infrarot-Laser gemäß der Erfindung darstellt;
3 zeigt eine mikroskopische Fotografie, die den Querschnitt des BaF₂-Films in einer Linse, hergestellt gemäß der Ausführungsform der Erfindung, darstellt;
4 zeigt eine mikroskopische Fotografie, die den Querschnitt des BaF₂-Films in einer Linse, hergestellt gemäß dem Verfahren eines Vergleichsbeispiels 1, das hier beschrieben ist, darstellt; und
5 zeigt eine mikroskopische Fotografie, die den Querschnitt des BaF₂-Films in einer Linse, hergestellt gemäß dem Verfahren des Vergleichsbeispiels 2, das hier beschrieben ist, darstellt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Erfinder dieser Anmeldung studierten verschiedene, ionen-unterstützte Dampfniederschlagstechniken, um einen dichten BaF₂-Film auf einem optischen Substrat zu bilden. Dann fanden die Erfinder heraus, dass eine Absorption von 0,15% höchstens in einem optischen Element für einen Infrarot-Laser realisiert werden konnte und die Haltbarkeit des Elements verbessert werden konnte, falls die Oberfläche des optischen Substrats durch Ionenstrahlen geglättet wurde und dann ein BaF₂-Film durch einen ionen-unterstützten Dampfniederschlag gebildet wurde.
Bei diesem optischen Element der Erfindung enthält das optische Substrat vorzugsweise ZnSe, und auch die Absorption davon für den Infrarot-Laser reicht von 0,09% bis 0,15%, einschließlich.
Auch ist die Dicke des ZnSe-Films des optischen Elements dieser Erfindung vorzugsweise geringer als diejenige des BaF₂-Films. In dem Fall, bei dem eine optische Beschichtung so gebildet wird, um eine Doppelstruktur zu haben, bestehend aus einem BaF₂- und einem ZnSe-Film, auf einem optischen Substrat, ist es bevorzugt, dass die vorstehend angegebene Beziehung einer Dicke erfüllt wird, um einen anti-reflektiven Film zu bilden.
In dem Fall, bei dem die Dicke des ZnSe-Films geringer als diejenige des BaF₂-Films ist, wie dies vorstehend erwähnt ist, ist die Peak-Breite des Transmissionsvermögens des Spektrums groß in dem Wellenlängenbereich des Laserstrahls, der verwendet werden soll. Als eine Folge wird es einfach, die Filmdicke so zu kontrollieren, dass die anti-reflektive Funktion das höchste Niveau als eine optische, spektrale Charakteristik der Beschichtung zeigen kann, wodurch ein stabiles Transmissionsvermögen erhalten werden kann.
Weiterhin ist, da der ZnSe-Film dünn ist, die Dampfniederschlagszeit, erforderlich zum Herstellen des Films, kurz, und so kann die Produktivität verbessert werden. Auch umfasst das optische Element der Erfindung vorzugsweise einen mehrschichtigen Film, bestehend aus einem BaF₂- und einem ZnSe-Film.
In dem Herstellverfahren für das optische Element der Erfindung ist es bevorzugt, dass ein Material, das ZnSe enthält, für das optische Substrat verwendet wird.
Zusätzlich ist es, in Bezug auf das Herstellverfahren der Erfindung, bevorzugt, dass beide Schritte eines Glättens der Hauptfläche des optischen Substrats und eines Bilden des BaF₂-Films unter dem Zustand durchgeführt werden, bei dem das optische Substrat bei der Temperatur innerhalb des Bereichs von 230°C bis 280°C einschließlich erwärmt wird.
In dem vorstehend erwähnten Herstellverfahren kann die Dicke des BaF₂-Films mit einer hohen Genauigkeit kontrolliert werden, und ein stabiles Transmissionsvermögen kann erhalten werden, da die Temperatur des Substrats, wenn der BaF₂-Film gebildet wird, relativ niedrig ist. Zusätzlich wird, falls die Temperatur des Substrats nicht 230°C übersteigt, ein Kristallwachstum des BaF₂-Films verhindert, und so kann ein dichter Film nicht gebildet werden, und deshalb erhöht sich nicht nur die Filmabsorption des Infrarot-Lasers durch den BaF₂-Film, sondern auch die Feuchtigkeitsbeständigkeit des Films wird verringert. Falls die Temperatur des Substrats 280°C übersteigt, erhöht sich der Temperaturkoeffizient der Adhäsionsrate des ZnSe-Films stark. Dies kommt daher, dass die Niederschlagsrate empfindlich für die Temperatur wird. Deshalb wird es schwierig, die Filmdicke zu kontrollieren, was zu einer Verringerung eines Transmissionsvermögens als ein optischer Film führt.
In dem Herstellverfahren für das optische Element der Erfindung ist es bevorzugt, dass der Schritt eines Glättens der Hauptfläche des optischen Substrats durch Bestrahlen mit Xe-Gasionenstrahlen darauf für 5 bis 10 Minuten unter einer Ionenstrahlspannung zwischen 300V und 800V einschließlich, unter dem Zustand, bei dem der Umgebungsdruck, wenn das Xe-Gas eingeführt wird, von 5 × 10^–3 Pa bis 3 × 10^–2 Pa, einschließlich, reicht, durchgeführt.
In dem Schritt eines Glättens der Hauptfläche des optischen Substrats verringert sich, falls der Umgebungsdruck, wenn Xe-Gas eingeführt wird, nicht 5 × 10^–3 Pa übersteigt, eine Entladungsstabilität zur Erzeugung von Xe-Ionen als eine Ionenquelle. Falls der Umgebungsdruck 3 × 10^–2 Pa übersteigt, erhöht sich der Gehalt an Xe-Atomen, und dann der Xe-Atome, die in den BaF₂-Film hinein aufgenommen werden, was die Filmabsorption und die Filmspannung erhöht.
In dem Schritt eines Glättens der Hauptfläche des optischen Substrats verringern sich, falls die Ionenstrahlspannung nicht 300V übersteigt, beide Funktionen, um Materialien, anhaftend an der Oberfläche des Substrats, zu beseitigen, und verringern sich, um die Oberfläche des Substrats zu glätten. Und als eine Folge verringert sich die Funktion zum Reinigen der Oberfläche des Substrats.
Weiterhin wird, falls die Ionenstrahlspannung 800V übersteigt, ein entgegengesetzter Effekt bewirkt, wodurch die Oberfläche des Substrats rau wird, ein Phänomen, bei dem sich die Oberfläche des Elements, das das Substrat trägt, das geätzt werden soll, erhöht, und so wird die Oberfläche des Substrats leicht kontaminiert.
In dem Schritt eines Glättens der Hauptfläche des Substrats ist, falls die Ionenstrahl-Bestrahlungszeit kürzer als 5 Minuten ist, der Effekt eines Glättens der Oberfläche des Substrats nicht ausreichend. Andererseits wird, falls die Ionenstrahl-Bestrahlungszeit 10 Minuten übersteigt, wie in dem Fall, bei dem die Ionenstrahlspannung 800V übersteigt, ein entgegengesetzter Effekt bewirkt, bei dem die Oberfläche des Substrats rau wird, und die Zeit, erforderlich für den Filmherstellvorgang, wird unnötig lang.
In dem Herstellverfahren für das optische Element der Erfindung ist es bevorzugt, dass der Schritt eines Bildens des BaF₂-Films durch Bestrahlen von Gas-Ionenstrahlen auf die Hauptfläche des optischen Substrats bei einer Ionenstrahlspannung zwischen 100V und 200V unter dem Zustand durchgeführt wird, bei dem der Umgebungsdruck, wenn Xe-Gas eingeführt wird, von 5 × 10^–3 Pa bis 3 × 10^–2 Pa, einschließlich, reicht.
Der Grund für die obere und untere Grenze des Umgebungsdrucks, wenn Xe-Gas in dem Schritt eines Bildens des BaF₂-Films eingeführt wird, ist derselbe wie derjenige in dem Schritt eines Glättens der Hauptfläche des optischen Substrats.
In dem Schritt eines Bildens des BaF₂-Films wird es, falls die Ionenstrahlspannung 100V höchstens beträgt, schwierig, den Film dicht zu machen, und adsorbiertes Wasser, oder dergleichen, wird leicht in den Film hineingemischt. Andererseits erhöht sich, falls die Ionenstrahlspannung 200V übersteigt, Energie, zugeführt für Moleküle, um niedergeschlagen zu werden, übermäßig, und die Zusammensetzung des BaF₂-Films weicht von der Stöchiometrie ab, und so erhöht sich die Absorption des Films.
In dem Herstellverfahren des optischen Elements der Erfindung ist es bevorzugt, dass der Schritt eines Bildens des BaF₂-Films ausgeführt wird, während mit Xe-Gasionenstrahlen bestrahlt wird, unter dem Zustand, bei dem die Ionenstromdichte 4μ A/cm² mindestens beträgt.
In dem Schritt eines Bildens des BaF₂-Films wird es, falls die Ionenstromdichte geringer als 4 μ A/cm² ist, schwierig, den Film dicht zu machen, und dann wird adsorbiertes Wasser, oder dergleichen, leicht in den Film hinein gemischt.
In dem Herstellverfahren für das optische Element der Erfindung ist es bevorzugt, dass der Schritt eines Bildens des BaF₂-Films mit einem Dampfniederschlagen mittels eines Elektronenstrahl- oder Widerstandsbeheizens durchgeführt wird.
Auch ist es, in dem Verfahren der Erfindung, bevorzugt, dass der Schritt eines Bildens des ZnSe-Films unter dem Zustand ausgeführt wird, bei dem das optische Substrat bei der Temperatur von 230°C bis 280°C, einschließlich, erwärmt ist.
Um den Filmherstellvorgang zu vereinfachen, ist es bevorzugt, dass das optische Substrat auch in dem Bildungsschritt für den ZnSe-Film bei derselben Temperatur wie diejenige in dem Bildungsschritt für den BaF₂-Film erwärmt wird. In dem Schritt eines Bildens eines ZnSe-Films erhöht sich, wenn die Temperatur des Substrats 280°C übersteigt, die Temperaturabhängigkeit des Anhaftkoeffizienten des ZnSe-Films stark, es wird schwierig, die Filmdicke zu kontrollieren, und so verringert sich das Transmissionsvermögen als ein optischer Film.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass der Schritt eines Bildens des ZnSe-Films mit einem Dampfniederschlagen mittels eines Elektronenstrahls oder einer Widerstandsbeheizung durchgeführt wird. Weiterhin ist es bevorzugt, dass der Schritt eines Bildens des ZnSe-Films durch ein mittels Ionenstrahl unterstütztes Dampfniederschlagen durchgeführt wird. Ein ZnSe-Film, erhalten durch ein mittels Ionenstrahl unterstütztes Dampfniederschlagen, ist hoch dicht.
Ausführungsform 1
Eine Kohlendioxidlaserlinse, aufweisend einen anti-reflektiven Film, durch Bilden eines BaF₂- und eines ZnSe-Films auf einem Linsensubstrat, aufweisend ZnSe, wurde mit dem folgenden Verfahren unter Verwenden einer Dampfniederschlagseinheit 100, dargestellt in 1, hergestellt. Als das Linsensubstrat wurde eine plan konvexe Linse verwendet, mit einer Brennweite von 190,5 mm, einer Kantendicke von 7,87 mm, einer zentralen Dicke von 9,1 mm und einem Durchmesser von 50,8 mm.
Zuerst wurden die Linsensubstrate 201 und 202, die mittels Ultraschall gereinigt worden waren, an einem Niederschlagsdom 101 befestigt. Ein Niederschlagsmaterial 300, bestehend aus granularem BaF₂, wurde in einer Elektronenstrahl-Dampfquelle 103 eingegeben, und ein Niederschlagsmaterial 400 aus tablettenförmigem ZnSe wurde in eine Elektronenstrahl-Dampfquelle 104 eingegeben.
Als nächstes wurde der Umgebungsdruck innerhalb einer Kammer 150 auf einen vorbestimmten Grad eines Vakuums durch Evakuieren von Gasen innerhalb der Kammer 150 über eine Auslassöffnung 102 eingestellt. Dann wurden die Linsensubstrate 201 und 202 bei einer Temperatur von 250°C unter Verwendung von Substratheizeinrichtungen 108 und 109 erwärmt. Dann wurde der Niederschlagsdom 101 gedreht. Danach wurde ein Xe-Gas 500 in eine Ionenkanone 106 von einer Gaseinlassöffnung 105 aus eingeführt. Unter dem Zustand, bei dem die Temperatur der Linsensubstrate bei 250°C beibehalten wurde, wurde die Ionenkanone 106 so eingestellt, um die vorbestimmten, elektrischen Bedingungen zu erfüllen, und Xe-Gasionenstrahlen 501 wurden auf die Linsensubstrate 201 und 202 für 10 Minuten von der Ionenkanone 106 unter der Ionenstrahlspannung von 600V bestrahlt, wie dies durch punktierte Pfeile dargestellt ist, wodurch die Oberflächen der Substrate gereinigt und geglättet wurden. Der Umgebungsdruck innerhalb der Kammer 150 betrug, als das Xe-Gas eingeführt wurde, 7,98 × 10^–3 Pa.
Danach wurde die Ionenstrahlspannung der Ionenkanone 106 auf 200V geändert. Die Ionenstromdichte betrug 4 μ A/cm². Gleichzeitig mit einer solchen Einstellung wurde das Niederschlagsmaterial 300 aus BaF₂ durch Elektronenstrahlen erwärmt. Demzufolge wurden, während Xe-Gasionenstrahlen 501 unter dem Zustand bestrahlt wurden, bei dem die Temperatur der Linsensubstrate bei 250°C beibehalten wurde, BaF₂-Filme auf den Oberflächen der Linsensubstrate 201 und 202 durch Bestrahlen von BaF₂ Dampfströmungen 301, wie durch durchgehende Pfeile dargestellt ist, unter Verwendung eines Dampfniederschlagsverfahrens mittels eines Elektronenstrahlerwärmens, gebildet. Während die Dicken der BaF₂-Filme mit einer dicken Steuereinrichtung für optische Filme (Dickenüberwachungsvorrichtung für einen optischen Film vom Reflexions-Typ) 107 überwacht wurden, wurde ein BaF₂-Film bis zu der Dicke von 1,11 μm gebildet. Der Umgebungsdruck innerhalb der Kammer 150 während des Niederschlags betrug 7,98 × 10^–3 Pa. Die Niederschlagsrate für den BaF₂-Film betrug 0,6 nm/sec.
Auf die Bildung des BaF₂-Films folgend wurde, unter denselben Bedingungen, ein Niederschlagsmaterial 400 aus ZnSe, das in eine andere Elektronenstrahl-Dampfquelle 104 eingesetzt wurde, durch Elektronenstrahlen erwärmt. Dann wurden, während die Temperatur des Linsensubstrats bei 250°C beibehalten wurde und Xe-Gasionenstrahlen bestrahlt wurden, ZnSe-Dampfströmungen mit dem Dampfniederschlagsverfahren durch ein Elektronenstrahlbeheizen bestrahlt, wodurch ZnSe-Filme auf den BaF₂-Filmen gebildet wurden, die auf den Linsensubstraten 201 und 202 gebildet wurden. Während die Dicke des ZnSe-Films mit der optischen Filmdickensteuereinrichtung (optische Filmdickenüberwachungseinrichtung vom Reflexions-Typ) 107 überwacht wurde, wurden ZnSe-Filme bis zu den Dicken von 0,20 um gebildet. Der Umgebungsdruck innerhalb der Kammer 150 während des Niederschlags betrug 7,98 × 10^–3 Pa. Die Niederschlagsrate der ZnSe-Filme betrug ungefähr 1,5 nm/sec.
Nach Beenden des Herstellvorgangs der Filme wurde die Temperatur der Linsensubstrate 201 und 202 verringert und eine Drehung des Niederschlagsdoms 101 wurde angehalten. Dann wurden die Linsensubstrate 201 und 202, die anti-reflektive Filme besaßen, von der Kammer 150 herausgenommen.
So wurden, wie in 2 dargestellt ist, der BaF₂-Film 210 und der ZnSe-Film 220 auf der Oberfläche des Linsensubstrats 200, ZnSe aufweisend, gebildet.
Ein Querschnitt des BaF₂-Films, beobachtet mit einem Rasterelektronenmikroskop mit hoher Auflösung, ist in 3 dargestellt. Es ist dort kein Wachstum von kleinen Kristallkörnern aus BaF₂ in der Zwischenfläche zwischen dem Substrat und dem BaF₂-Film zu finden, allerdings wurden relativ große Kristallkörner, angewachsen auf der Oberfläche des Substrats, beobachtet.
In dem vorstehend erwähnten Filmherstellvorgang wurden, nachdem die Glättungsbehandlung unter Verwendung von Ionenstrahlen beendet worden ist, die Oberfläche des Linsensubstrats, ZnSe aufweisend, mit einem Abstoßungskraft-Mikroskop beobachtet und die Oberflächenrauigkeit wurde gemessen. Die Differenz zwischen der Oberseite und der Unterseite der konvex-konkaven Oberfläche betrug 30 bis 40 nm maximal. Wenn die äußere Oberfläche des ZnSe-Films der äußersten Schicht mit einem Abstoßungskraft-Mikroskop beobachtet wurde, betrug die Oberflächenrauigkeit 40 bis 50 nm unter Verwendung derselben Messung, wie sie vorstehend erwähnt ist.
Die Absorption (für einen Kohlendioxidlaser) der Linse mit den anti-reflektiven Filmen wurde so gemessen, dass sie innerhalb des Bereichs von 0,11 bis 0,13%, einschließlich, lag. Die Absorption innerhalb dieses Bereichs wurde auch erhalten, wenn ein ZnSe-Film mit dem Dampfniederschlagsverfahren durch ein Elektronenstrahlerwärmen ohne Bestrahlung von Xe-Gasionenstrahlen gebildet wurde. Die Absorption wurde unter Verwendung einer Probe gemessen, bei der anti-reflektive Filme auf beiden Oberflächen des Linsensubstrats gebildet wurden.
Vergleichsbeispiel 1
Um weiterhin die Effekte dieser Erfindung zu verdeutlichen, wurde eine Linse gemäß dem Stand der Technik durch das folgende Verfahren hergestellt und mit der Linse dieser Erfindung verglichen.
Unter Verwendung der Niederschlagseinheit 100, dargestellt in 1, wurde ein anti-reflektiver Film auf der Oberfläche des Linsensubstrats durch ein Herstellverfahren des Films, das unterschiedlich gegenüber der vorstehend angegebenen Ausführungsform nur in den folgenden zwei Punkten ist, gebildet.

(1) Reinigungs- und Glättungsbehandlung durch Bestrahlung von Xe-Gasionenstrahlen auf das Linsensubstrat wurden nicht ausgeführt.
(2) Ein ZnSe-Film wurde auf der Oberfläche des BaF₂-Films mit dem Dampfniederschlagsverfahren durch Elektronenstrahlbeheizen ohne Bestrahlung mit einem Xe-Gasionenstrahl gebildet.

Wenn der Querschnitt des BaF₂-Films mit einem Rasterelektronenmikroskop mit hoher Auflösung beobachtet wurde, wie dies in 4 dargestellt ist, wurde das Wachstum von feinen Kristallkörnern aus BaF₂ (Kristallkörner, die eine Breite von ungefähr 0,06 μm zu der Wachstumsrichtung hin besaßen) in der Zwischenfläche zwischen dem Substrat und dem BaF₂-Film beobachtet.
Zusätzlich wurde, in dem vorstehend erwähnten Herstellverfahren für den Film, während eine Polierbehandlung vor einem Herstellen des Films angewandt wurde, die Oberfläche des Linsensubstrats, ZnSe aufweisend, mit einem Abstoßungskraftmikroskop beobachtet und die Oberflächenrauigkeit wurde gemessen. Als ein Ergebnis wurde die Differenz zwischen der Oberseite und der Unterseite der konvex-konkaven Oberfläche dahingehend gemessen, dass sie 60 bis 70 nm maximal betrug. Wenn die äußere Oberfläche des ZnSe-Films der äußersten Schicht mit einem Abstoßungskraftmikroskop beobachtet wurde und die Oberflächenrauigkeit gemessen wurde, betrug der gemessene Wert 60 bis 70 nm, und zwar unter Verwendung desselben Messverfahrens, wie es vorstehend erwähnt ist.
Wenn die Absorption (für einen Kohlendioxidlaser) der Linse mit diesen antireflektiven Filmen gemessen wurde, lag der Wert innerhalb des Bereichs von 0,23 % bis 0,25 %, einschließlich. Die Absorption wurde unter Verwendung einer Probe gemessen, bei der anti-reflektive Filme auf beiden Oberflächen des Linsensubstrats gebildet waren.
Vergleichsbeispiel 2
Weiterhin wurde eine Linse gemäß dem Stand der Technik mit einem unterschiedlichen Verfahren präpariert und mit der Linse dieser Erfindung verglichen. Die Punkte, die unterschiedlich gegenüber der Ausführungsform der Erfindung waren, sind wie folgt.

(1) Eine Reinigungs- und Glättungsbehandlung durch Bestrahlen von Xe-Gasionenstrahlen auf das Linsensubstrat wurde nicht ausgeführt.
(2) Ein BaF₂- und ein ZnSe-Film wurden in Reihenfolge auf der Oberfläche des Linsensubstrats mit dem Dampfniederschlagsverfahren durch ein Elektronenstrahlerwärmen ohne Bestrahlung von Xe-Gasionenstrahlen gebildet.
(3) Der Umgebungsdruck innerhalb der Kammer 150 während des Niederschlags wurde bei 1,064 × 10^–3 Pa eingestellt.

Wenn ein Querschnitt des BaF₂-Films mit einem Rasterelektronenmikroskop mit hoher Auflösung beobachtet wurde, wie dies in 5 dargestellt ist, wurde das Wachstum von Kristallen, die einen hohen Füllgrad besaßen, über den gesamten BaF₂-Film beobachtet. In dem vorstehend erwähnten Herstellverfahren des Films, unter dem Zustand, bei dem eine Polierbehandlung vor der Herstellung des Films angewandt worden ist, war, wenn die Oberfläche des Linsensubstrats, ZnSe aufweisend, mit einem Abstoßungskraft-Mikroskop beobachtet wurde und die Oberflächenrauigkeit gemessen wurde, die Differenz zwischen der Oberseite und der Unterseite der konvex-konkaven Oberfläche 60 bis 70 nm maximal.
Wenn die Oberfläche des ZnSe-Films der äußersten Schicht mit einem Abstoßungskraft-Mikroskop beobachtet wurde und die Rauigkeit gemessen wurde, war der Wert 120 bis 140 nm, und zwar unter Verwendung desselben Messverfahrens, wie dies vorstehend erwähnt ist.
Wenn die Absorption (für einen Kohlendioxidlaser) der Linsen gemessen wurde, die diese anti-reflektiven Filme besaßen, lag der Wert innerhalb des Bereichs von 0,27 bis 0,29% einschließlich. Die Absorption wurde unter Verwendung einer Probe gemessen, bei der anti-reflektive Filme auf beiden Oberflächen des Linsensubstrats gebildet wurden.
Wie vorstehend beschrieben ist, kann, gemäß der Erfindung, ein optisches Element für einen Infrarot-Laser erhalten werden, bei dem die Laserstrahlabsorption auf 0,15% höchstens verringert werden kann, ein hoch dichter und feuchtigkeitsbeständiger BaF₂-Film geschaffen wird und so dessen Haltbarkeit verbessert wird.
In der Ausführungsform ist eine Linse als ein Beispiel des optischen Elements beschrieben, allerdings können, gerade in einem Fall, bei dem ein Spiegel oder dergleichen anstelle einer Linse als ein optisches Element angewandt wird, dieselben Effekte erreicht werden. Das bedeutet, dass, anstelle der Linse, gerade in dem Fall einer Verwendung von anderen optischen Elementen, wie beispielsweise einen Ausgangskopplungsspiegel, einen Rückspiegel, einen Strahlteiler, einen Phasenretardationsspiegel, einen sich biegenden Spiegel, und dergleichen, den optischen, beschichteten Mehrschichtfilm aufweisend, die Effekte der Erfindung erreicht werden.
Die offenbarte Ausführungsform sollte nicht als eine Einschränkung angesehen werden, sondern sollte als eine Erläuterung in jeglicher Hinsicht angesehen werden. Der Schutzumfang der Erfindung ist nicht durch die vorstehend angegebene Ausführungsform angegeben, sondern ist durch die Ansprüche angegeben, und der Schutzumfang sollte dahingehend angesehen werden, alle Änderungen zu umfassen, die innerhalb der Äquivalente derjenigen der Ansprüche liegen und innerhalb des Schutzumfangs der Ansprüche fallen.

Claims

Optisches Element für einen Infrarot-Laser, das umfasst: ein optisches Substrat mit einer Hauptfläche; einen BaF₂-Film, der auf der Hauptfläche des optischen Substrats ausgebildet ist; und einen ZnSe-Film, der auf dem BaF₂-Film ausgebildet ist, wobei die Hauptfläche des optischen Substrats auf eine Oberflächenrauigkeit von 30 bis 40 nm geglättet worden ist und die Oberflächenrauigkeit als der Maximalwert einer Differenz zwischen oberem Ende und unterem Ende der konkavkonvexen Fläche definiert ist, wobei das optische Substrat ZnSe enthält, wobei das optische Element so konfiguriert ist, dass es Absorption von Infrarot-Laser im Bereich von 0,09% bis einschließlich 0,15% bewirkt, wobei die Dicke des ZnSe-Films geringer ist als die des BaF₂-Films.
Optisches Element für einen Infrarot-Laser nach Anspruch 1, wobei die Filmdicke des ZnSe-Films 0,2 μm oder weniger beträgt.
Optisches Element für einen Infrarotlaser nach Anspruch 1, das einen mehrschichtigen Film enthält, der aus dem BaF₂- und dem ZnSe-Film besteht.
Herstellungsverfahren für ein optisches Element für einen Infrarot-Laser, das die folgenden Schritte umfasst: Glätten der Hauptfläche eines optischen Substrats auf eine Oberflächenrauigkeit von 30 bis 40 nm durch Bestrahlen derselben mit Xe-Gasionenstrahlen, wobei die Oberflächenrauigkeit als der Maximalwert einer Differenz zwischen oberem Ende und unterem Ende der konkav-konvexen Fläche definiert ist; Ausbilden eines BaF₂-Films auf der Hauptfläche des optischen Substrats, die durch Aufdampfen mit Hilfe von Xe-Gas-Ionen geglättet worden ist; und Ausbilden eines ZnSe-Films auf dem BaF₂-Film; wobei das optische Substrat ZnSe enthält; wobei die Schritte des Glättens der Hauptfläche des optischen Substrats und des Ausbildens des BaF₂-Films in dem Zustand ausgeführt werden, in dem das optische Substrat auf eine Temperatur von 230°C bis einschließlich 280°C erhitzt ist; wobei der Schritt des Glättens der Hauptfläche des optischen Substrats ausgeführt wird, indem es 5 bis 10 Minuten lang mit Xe-Gas-Ionenstrahlen bei einer Ionenstrahl-Spannung von 300 Volt bis einschließlich 800 Volt in dem Zustand bestrahlt wird, in dem der Umgebungsdruck beim Einleiten von Xe-Gas von 5×10^–3 Pa bis einschließlich 3×10^–2 Pa reicht; wobei der Schritt des Ausbildens des BaF₂-Films ausgeführt wird, während die Hauptfläche des optischen Substrats bei der Ionenstrahl-Spannung von 100 Volt bis 200 Volt in dem Zustand mit Xe-Gas-Ionenstrahlen bestrahlt wird, in dem der Umgebungsdruck beim Einleiten von Xe-Gas von 5×10^–3 Pa bis einschließlich 3×10^–2 Pa reicht; wobei der Schritt des Ausbildens des BaF₂-Films ausgeführt wird, während mit Xe-Gas-Ionenstrahlen in dem Zustand bestrahlt wird, in dem die Ionenstrahl-Dichte wenigstens 4 μA/cm beträgt; wobei der Schritt des Ausbildens des ZnSe-Films in dem Zustand ausgeführt wird, in dem das optische Substrat auf die Temperatur von 230°C bis einschließlich 280°C erhitzt ist; und wobei der Schritt des Ausbildens des ZnSe-Films durch ionengestütztes Aufdampfen ausgeführt wird.
Herstellungsverfahren für ein optisches Element für einen Infrarotlaser nach Anspruch 4, wobei ein mehrschichtiger Film, der aus laminierten BaF₂- und ZnSe-Filmen besteht, auf der Hauptfläche des optischen Substrats, das geglättet worden ist, ausgebildet wird, indem abwechselnd die Schritte des Ausbildens von BaF₂- und von ZnSe-Filmen ausgeführt werden.