特許 5657246 機械加工用の光学部品

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5657246

(24)【登録日】2014年12月5日

(45)【発行日】2015年1月21日

(54)【発明の名称】機械加工用の光学部品

(51)【国際特許分類】

   G02B 1/11 20150101AFI20141225BHJP

   C23C 14/06 20060101ALI20141225BHJP

   C03C 17/34 20060101ALI20141225BHJP

【ＦＩ】

   G02B1/10 A

   C23C14/06 P

   C03C17/34 Z

【請求項の数】2

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2009-292194(P2009-292194)

(22)【出願日】2009年12月24日

(65)【公開番号】特開2011-133627(P2011-133627A)

(43)【公開日】2011年7月7日

【審査請求日】2012年9月21日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003263

【氏名又は名称】三菱電線工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001427

【氏名又は名称】特許業務法人前田特許事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100077931

【弁理士】

【氏名又は名称】前田 弘

(74)【代理人】

【識別番号】100110939

【弁理士】

【氏名又は名称】竹内 宏

(74)【代理人】

【識別番号】100110940

【弁理士】

【氏名又は名称】嶋田 高久

(74)【代理人】

【識別番号】100113262

【弁理士】

【氏名又は名称】竹内 祐二

(74)【代理人】

【識別番号】100117581

【弁理士】

【氏名又は名称】二宮 克也

(74)【代理人】

【識別番号】100117710

【弁理士】

【氏名又は名称】原田 智雄

(74)【代理人】

【識別番号】100121728

【弁理士】

【氏名又は名称】井関 勝守

(74)【代理人】

【識別番号】100124671

【弁理士】

【氏名又は名称】関 啓

(74)【代理人】

【識別番号】100131060

【弁理士】

【氏名又は名称】杉浦 靖也

(72)【発明者】

【氏名】石田 智彦

(72)【発明者】

【氏名】山本 哲也

(72)【発明者】

【氏名】湖東 雅弘

【審査官】 後藤 亮治

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００２−０５５２０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６１−１９６２０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２７１４３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２８１４４２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ １／１０ − １／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光ファイバで心線が構成されたケーブルと、
前記ケーブルの端部に設けられたコネクタと、
を備え、
前記コネクタの内部に、前記光ファイバの先端が突き出した状態で保持され、
前記コネクタに設置されたガラスにより、前記光ファイバの先端が覆われていて、
前記ガラスを介して前記光ファイバの先端へ高出力レーザーが入射又は出射する機械加工用の光学部品であって、
前記ガラス及び前記光ファイバの先端のうち、少なくともいずれか一つの光学基材の表面に、３層構造の反射防止膜が設けられ、
前記反射防止膜は、
上記光学基材の上にＴａ_２Ｏ_５を用いて形成される膜厚が３０〜５０ｎｍの下層と、
上記下層の上にＡｌ_２Ｏ_３を用いて形成される膜厚が１０〜１００ｎｍの中間層と、
上記中間層の上にＳｉＯ_２を用いて形成される膜厚が１５０〜２５０ｎｍの上層と、
を有し、
前記反射防止膜の全膜厚は、２９５ｎｍ以下に設計されており、
前記高出力レーザーのエネルギー値が、少なくとも２０Ｊ／ｃｍ^２以上である機械加工用の光学部品。

【請求項2】

請求項１に記載の機械加工用の光学部品において、
上記中間層の膜厚が、３０ｎｍ以下に設定されている機械加工用の光学部品。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、反射防止膜に関し、その中でも特に高出力レーザに好適な反射防止膜に関する。

【背景技術】

【0002】

ガラスやプラスチック等の光を透過させる光学部品に出入りする光は、その表面で光の一部が反射されるため、光透過率が低下する。従って、従来より、光透過率を高めるために、多くの光学部品の光入射面や光出射面には反射防止膜が設けられている。反射防止膜を形成する上で、その低反射性を確保するためには所定の条件を満たす必要がある。

【0003】

例えば、空気（媒質）中に存在する光学部品の基材上に１層（単層）の反射防止膜を形成する場合には、次の条件を満たす必要がある。

【0004】

Ｎ_ｆ^２＝Ｎ_０・Ｎ_Ｓ
（Ｎ_ｆ：反射防止膜の屈折率、Ｎ_０：媒質の屈折率、Ｎ_Ｓ：基材の屈折率）
仮に、基材が、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２、屈折率：約１．４４）を主成分とする石英ガラスや光ファイバであるとすると、空気の屈折率は約１．００であるため、反射防止膜の屈折率は約１．２０であることが必要になる。

【0005】

ところが、二酸化ケイ素を含め、反射防止膜に用いられる一般的な材料の中には、この条件を満たす適切な材料が認められない。そのため、このような場合には、複数の素材を積層することによって条件を満たす多層の反射防止膜を形成する場合が多い。

【0006】

本発明に関し、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧからなる基板に対し、ＳｉＯ_２からなる内外層の間に、Ａｌ_２Ｏ_３やＴａ_２Ｏ_５などからなる中間層が設けられた３層構造の反射防止膜が開示されている（特許文献１）。

【0007】

ＳｉＯ_２やＡｌ_２Ｏ_３、Ｔａ_２Ｏ_５などが用いられた多層構造の反射防止膜も開示されている（特許文献２）。但し、この反射防止膜には、レーザ耐性等を向上させるために、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）を主成分とする層が設けられている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開平４−３８８８５号公報

【特許文献2】特開２００４−２８７２７４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

近年、様々な分野で高出力レーザーの性能向上の要求が高まっている。高出力レーザーの性能が向上すると、出力されるエネルギーがよりいっそう高くなるために、その光学部品で使用される反射防止膜は、熱等による損傷を受け易く、高い光透過率だけでなく、高いレーザー耐性も求められる。特に、高出力レーザーが高頻度で出力される場合には、反射防止膜が高温に曝されるため、その対策が必要になる。

【0010】

レーザー耐性の高い反射防止膜材料としては、例えば、二酸化ケイ素や酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）がある。特許文献１では、これらのみを用いて３層構造の反射防止膜が形成されているが、それは、屈折率の高いＮｄ：ＹＡＧ基板（屈折率：約１．８２）が基材に用いられているからである。

【0011】

二酸化ケイ素を主成分とする石英ガラス等が基材である場合には、屈折率が低いため、そのような構成では、例えば、反射率が０．２５％以下となる低反射性の反射防止膜は設計できない。二酸化ケイ素と酸化アルミニウムだけを用いて石英ガラス等に低反射性の反射防止膜を形成するには、通常、４層以上の多層構造が必要になる。

【0012】

ところが、反射防止膜を多層構造にした場合、層数が多くなればなるほどレーザー耐性が低下するという問題がある。層数が多くなると、各層間の界面の数が増えるため、また、全体の膜厚が大きくなって不純物の影響を受け易くなるため、反射防止膜にレーザーのエネルギーが作用し易くなることが原因と推測される。

【0013】

そこで、本出願人は、レーザー耐性を向上させるべく、かかる観点に基づいて所定の材料で形成した２層構造の反射防止膜を先に提案している（特願２００８−１２３８０８号）。具体的には、Ｔａ_２Ｏ_５等の高屈折率層と、その上に形成されたＳｉＯ_２の低屈折率層とで反射防止膜を形成している。

【0014】

この２層構造の反射防止膜でも、低反射性を確保しながらレーザー耐性を向上させることができる。しかし、反射防止膜材料の組み合わせが限られるため、より高度なレーザー耐性が求められる場合に、その要求を満たすのは難しい。

【0015】

そこで、本発明の目的は、低反射性を確保しながら、より高度なレベルにまでレーザー耐性を向上させることができる反射防止膜を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0016】

上記目的を達成するために、本発明では、反射防止膜を３層構造にし、間に熱伝導性に優れた中間層を設けた。

【0017】

具体的には、本発明の反射防止膜は、ＳｉＯ_２を主成分とする光学基材の上に形成される３層構造の反射防止膜であって、上記光学基材の上に形成される下層と、上記下層の上に形成される中間層と、上記中間層の上に形成される上層と、を有し、上記中間層がＡｌ_２Ｏ_３を用いて形成されている。

【0018】

かかる構成の反射防止膜によれば、中間層に熱伝導性に優れたＡｌ_２Ｏ_３が設けられているので、反射防止膜に高出力レーザーが作用してその一部に熱が集中しても、その熱を周りに効率よく分散させることができる。特に、連続的に高出力レーザーが照射される場合に、熱の集中を効果的に緩和できるため、高度なレーザー耐性を実現できる。

【0019】

具体的には、上記下層はＴａ_２Ｏ_５を用いて形成し、上記上層はＳｉＯ_２を用いて形成することができる。特に、上記中間層の膜厚は、１００ｎｍ以下に設定するのが好ましい。

【0020】

そうすれば、低反射性、レーザー耐性に優れた反射防止膜を実現することができる。上層に硬度の高いＳｉＯ_２が用いられているので、反射防止膜の耐久性を向上させることができる。

【発明の効果】

【0021】

本発明の反射防止膜によれば、低反射性を確保しながら、より高度なレベルにまでレーザー耐性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】本実施形態の反射防止膜を適用した光学部品を示す概略断面図である。

【図2】反射防止膜の概略断面図である。

【図3】レーザー耐性試験を説明するための図である。

【図4】実施例及び比較例のレーザー耐性試験結果を示すグラフである。

【図5】実施例及び比較例のレーザー耐性試験結果を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。ただし、以下の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物あるいはその用途を制限するものではない。なお、本実施形態の光学部品の名称「レーザーガイド」は登録商標である。

【0024】

図１に、本実施形態の反射防止膜４を適用したレーザーガイド１（光学部品）を示す。このレーザーガイド１は、溶接や切断などの機械加工用に用いられるＮｄ：ＹＡＧレーザシステム用のレーザーガイドであり、光源から出力される高出力のレーザ光線（基本波長１０６４ｎｍ）を伝送するために用いられる。同図は、そのレーザーガイド１の端部を表したものであり、この端部からレーザー光線が入射あるいは出射される。

【0025】

レーザーガイド１は、ケーブル２と、ケーブル２の両端部に設けられるコネクタ３などで構成されている。

【0026】

ケーブル２は、心線である光ファイバ２ａ（光学基材）と、光ファイバ２ａを被覆するチューブ２ｂとで構成されている。ケーブル２の各端部は、チューブ２ｂが所定長剥がされて光ファイバ２ａが剥き出した状態に加工されている。

【0027】

コネクタ３は、略円柱状のコネクタ本体３１と、コネクタ本体３１の一端（接続端ともいう）に被せるように設けられるキャップ３２とを備えている。コネクタ本体３１には、その軸方向に貫通する装着孔３１ａが形成されている。コネクタ本体３１の他端には、ケーブル２の端部を受け入れる受入口３１ｂが形成されていて、この受入口３１ｂは装着孔３１ａと連通している。装着孔３１ａの接続端側の開口部分には、円筒状のサファイアチップ３３がコネクタ本体３１と同軸に設けられている。サファイアチップ３３の接続端側の端面には高反射膜３４が設けられている。

【0028】

コネクタ本体３１の装着孔３１ａに、受入口３１ｂからケーブル２の端部が挿入され、ケーブル２の端部は樹脂でコネクタ本体３１に埋設固定されている。剥き出し状態の光ファイバ２ａは、サファイアチップ３３に挿入され、その先端がサファイアチップ３３の接続端側に突き出した状態で保持されている。

【0029】

キャップ３２は、円筒状のカバー３２ａと、このカバー３２ａの一端の開口を塞ぐ石英ガラス３２ｂ（光学基材）とを有し、有底円筒状の外観を呈している。キャップ３２は、その開口側からコネクタ本体３１の接続端に装着され、剥き出し状態の光ファイバ２ａの先端を覆っている。その光ファイバ２ａの先端からレーザー光線が石英ガラス３２ｂを介して入射あるいは出射することにより、レーザー光線が伝送される。

【0030】

高エネルギーのレーザー光線が入射あるいは出射する、石英ガラス３２ｂの両面及び光ファイバ２ａの先端には、それぞれの表面を被覆するように反射防止膜４が設けられている。

【0031】

反射防止膜４が設けられる石英ガラス３２ｂや光ファイバ２ａは、いずれも二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）が主成分であるため、その屈折率は約１．４４である。一般に反射防止膜４に用いられている材料と比べると、石英ガラス３２ｂ等の屈折率は低い値となっている。このように基材の屈折率が低いと、反射率が０．２５％以下の低反射性の反射防止膜４を設計する場合には、材料や構造が限られてしまうため、膜設計が難しい。

【0032】

しかも、用いられるレーザーの出力が高い場合には、熱等による損傷を受け易く、高いレーザー耐性が求められる。特に、レーザーが高頻度で連続的に出力される場合には、熱の影響を受け易く、その対策が必要である。

【0033】

そのため、単層の構成では適切な材料が見当たらないし、比較的レーザー耐性に優れた反射防止膜材料である二酸化ケイ素や酸化アルミニウムだけを用いて低反射性の反射防止膜４を形成すると、４層以上の多層構造が必要になる。しかし、反射防止膜４を多層構造にするとレーザー耐性が低下するため、これら材料の特性を活かすことができない。

【0034】

そこで、本実施形態では、高屈折率の下層４１と低屈折率の上層４３との間に、熱伝導性に優れた中間層４２を設け、３層構造の反射防止膜４とした。そうすることで、低反射性を確保しながら、高度なレベルのレーザー耐性を実現することができる。

【0035】

図２に、その反射防止膜４の断面構造を示す。反射防止膜４は３層構造であり、石英ガラス３２ｂや光ファイバ２ａの上に形成される下層４１と、その上に形成される中間層４２と、更にその上に形成される上層４３とを有している。下層４１は酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）、中間層４２は酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、上層４３は二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）を材料に用いてそれぞれ形成されている。

【0036】

下層４１には、酸化タンタルに限らず、その他の高屈性材料、例えば、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）、酸化ニオブ（Ｎｂ_２Ｏ_５）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、酸化スカンジウム（Ｓｃ_２Ｏ_３）、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）などを用いてもよい。上層４３には、二酸化ケイ素に限らず、その他の低屈性材料、例えば、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）などを用いても良い。

【0037】

中間層４２に酸化アルミニウムを用いることで、レーザー耐性、特に耐熱性を向上させることができる。すなわち、酸化アルミニウムは優れた熱伝導性を有しているため、反射防止膜４に高出力レーザーが作用してその一部に熱が集中しても、その熱を周りに効率よく分散させることができる。特に、連続的に高出力レーザーが照射される場合に、一部に熱が集中するのを効果的に緩和できるため、高出力レーザーの連続使用に対して有効であり、高度なレーザー耐性を実現できる。

【0038】

上層４３に二酸化ケイ素を用いることで、製造が容易になり、生産性に優れる。また、二酸化ケイ素は、硬度が高く、保護機能に優れるため、反射防止膜４の耐久性も向上する。

【0039】

下層４１の膜厚は、例えば３０〜５０ｎｍ程度、中間層４２の膜厚は、例えば１０〜１００ｎｍ程度、上層４３の膜厚は、例えば１５０〜２５０ｎｍ程度の範囲において設計することができる。各層の膜厚の組み合わせは、求める反射率や、用いるレーザー光線の波長等に応じて適宜設計すればよい。例えば、本実施形態であれば、レーザー光線（基本波長１０６４ｎｍ）に合わせて反射率が０．２５％以下となるように設計すればよい。

【0040】

但し、全膜厚は、３１０ｎｍを超えないように設計するのが好ましい。３１０ｎｍ以下であれば、不純物の影響を軽減することができ、高度なレーザー耐性を得ることができる。また、中間層４２の膜厚は、少なくとも１００ｎｍ以下が好ましく、薄い方がより好ましい。そうすることで、低反射性を確保しながら、高度なレーザー耐性を得ることができる。

【0041】

反射防止膜４が設けられる石英ガラス３２ｂ等の部分は、例えば、面積が０．００８〜８０００ｍｍ^２であり、平面や曲面に加工されている。また、この部分は、例えば、スパッタやイオンクリーニング等の方法でエッチング等の処理が行われている場合もある。エッチングを行った場合の表面粗さは、例えば５〜１０Åｒｍｓである。

【0042】

このような反射防止膜４は、例えば、真空蒸着法、イオンアシスト蒸着法、スパッタ蒸着法、イオンプレーティング蒸着法、ゾルゲル法等の従来の方法を用いて成膜することができる。

【0043】

（実施例）
本実施形態の反射防止膜４に関して、レーザー耐性について評価試験を行った。

【0044】

［試料］
評価試験に用いる各試料の作製に当たっては、基材に石英ガラスを用い、基本波長１０６４ｎｍのレーザー光線に対して０．２５％の反射率が得られる膜設計を基本条件とした。この基本条件を満たすように各膜厚を調整しながら、中間層４２の膜厚を変えて５種類の反射防止膜を作製した（実施例１〜実施例５）。これら実施例１〜５の膜構成を表１に示す。

【0045】

【表1】

【0046】

比較対象として、実施例と同じ基本条件の下で二酸化ケイ素と酸化アルミニウムだけを用いて４層構造の反射防止膜を作製した（比較例１）。比較例１の反射防止膜は、基材側から順に、酸化アルミニウムの第１層、二酸化ケイ素の第２層、酸化アルミニウムの第３層、二酸化ケイ素の第４層で構成されている。比較例１の膜構成は表２に示す。

【0047】

【表2】

【0048】

［レーザー耐久試験］
この種の光学薄膜に対するレーザー耐性の試験方法としては、試料の１ヶ所にレーザーを１回照射して損傷が発生する最小のエネルギー値を求める試験（１−ｏｎ−１試験）や、試料の複数ヶ所の各々にレーザーを複数回照射して損傷の有無を調べ、確率的に損傷の発生しないエネルギー値を求める試験がある（ＩＳＯ １１２５４）。例えば、１００回照射する場合は１００−ｏｎ−１試験と呼ばれる。

【0049】

上述したレーザーガイド１のように、レーザーが連続的に作用する場合には、後者の試験の方が実情に近いことから、本試験では、各試料の１０ヶ所の各々にレーザーを６０００回照射して損傷の有無を調べる試験を行った（６０００−ｏｎ−１試験）。

【0050】

詳しくは、図３に示すように、各試料の反射防止膜の形成面５０における任意の照射部位５０ａの１０ヶ所のそれぞれに、１０分程度の時間で６０００回、同じエネルギー値（Ｊ／ｃｍ^２）のレーザーＬを照射した。エネルギー値を変えて同様のレーザー照射を連続的に複数行った。照射するレーザーＬの光源には、パルス幅が約２０ｎｓのＱスイッチＹＡＧレーザーを使用した。

【0051】

図４に、その試験結果を表したグラフを示す。同図中、縦軸は損傷確率（％）であり、横軸はレーザのエネルギー値（Ｊ／ｃｍ^２）である。同図に示すように、実施例１〜５はいずれも、比較例１に比べて高いレーザー耐性が認められた。

【0052】

例えば、比較例１では、約２５Ｊ／ｃｍ^２のエネルギー値の段階で損傷確率が１０％となり、４０Ｊ／ｃｍ^２を超えた時点で損傷確率が１００％に達しているのに対し、実施例１では、４０Ｊ／ｃｍ^２でも損傷は認められず、６０Ｊ／ｃｍ^２に達した時点で損傷確率が１００％となっている。実施例の中で最もレーザー耐性が低くかった実施例５と比べても、実施例５では、３０Ｊ／ｃｍ^２辺りに達して１０％程度の損傷が認められたのに対し、比較例１では同程度のエネルギー値で既に７０％を超える損傷が認められた。これら結果の相違は、各実施例は比較例１に比べて層数が少なくなり、界面数や全膜厚が小さくなったことが影響しているものと推測される。

【0053】

この結果を踏まえ、実施例１〜５の膜厚構成に基づいて判断すると、中間層４２は１００ｎｍ以下に設計するのが好ましく、全膜厚は３１０ｎｍ以下に設計するのが好ましいということがわかる。そうすれば、低反射性を確保しながら、レーザー耐性を向上させることができる。

【0054】

特に、実施例１、２は、実施例３〜５と比べて更に高いレーザー耐性が認められた。これは、実施例１，２は、実施例３〜５と比べて更に全膜厚が小さいことが影響しているものと推測される。また、中間層４２は、薄くても十分にその熱伝導性能が発揮できていることから、３０ｎｍ以下であってもよく、反射防止膜の全膜厚は２９５ｎｍ以下に設計するのがより好ましい。

【0055】

図５に、実施例１について、２層構造の反射防止膜（本出願人が先に提案した反射防止膜、比較例２）とレーザー耐性を比較した結果を示す。比較例２も各実施例と同じ基本条件の下で作製し、その下層４１及び上層４３には実施例と同じ材料を用いた。比較例２は、中間層４２が設けられていない点で実施例１と大きく異なっている。比較例２の反射防止膜の膜構成は表３に示す。

【0056】

【表3】

【0057】

同図に示すように、損傷確率が０％となる損傷しきい値については、実施例１と比較例２とで同じ結果（４０Ｊ／ｃｍ^２）となった。しかし、照射されるレーザー光線のエネルギー値が大きくなると、実施例１の方が比較例２に比べて、損傷確率が小さくなる傾向が認められた。特に、エネルギー値が高い場合に、実施例１の方がレーザー耐性に優れることが確認された。これは、熱伝導性に優れた酸化アルミニウムの中間層４２を設けることにより、反射防止膜の熱集中が緩和されたためと推測される。

【0058】

本試験では、高出力レーザーの光源に、断続的に照射するタイプのレーザーを使用した。従って、上記結果は、高出力レーザーの中では比較的熱的影響が小さい場合での結果であり、ＣＷレーザーのように、連続的に照射するタイプのレーザーに対して本発明の反射防止膜を適用した場合には、よりいっそう効果的であると推測される。

【符号の説明】

【0061】

２ａ 光ファイバ（光学基材）
４ 反射防止膜
３２ｂ 石英ガラス（光学基材）
４１ 下層
４２ 中間層
４３ 上層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】