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JP5657246B2 - Optical components for machining - Google Patents
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Description

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。   The present invention relates to an antireflection film, and more particularly to an antireflection film suitable for a high-power laser.

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。   Light entering and exiting an optical component that transmits light, such as glass or plastic, has a light transmittance that is reduced because part of the light is reflected on the surface. Therefore, conventionally, in order to increase the light transmittance, an antireflection film is provided on the light incident surface and the light exit surface of many optical components. In forming the antireflection film, it is necessary to satisfy predetermined conditions in order to ensure low reflectivity.

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。   For example, when a single layer (single layer) antireflection film is formed on a substrate of an optical component existing in air (medium), the following conditions must be satisfied.

=N・N
(N:反射防止膜の屈折率、N:媒質の屈折率、N:基材の屈折率)
仮に、基材が、二酸化ケイ素(SiO、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。
N f 2 = N 0 · N S
(N f : refractive index of antireflection film, N 0 : refractive index of medium, N S : refractive index of substrate)
If the base material is quartz glass or optical fiber whose main component is silicon dioxide (SiO 2 , refractive index: about 1.44), the refractive index of air is about 1.00. The refractive index of the film needs to be about 1.20.

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。   However, no suitable material satisfying this condition is recognized among the general materials used for the antireflection film, including silicon dioxide. Therefore, in such a case, a multilayer antireflection film that satisfies the condition is often formed by laminating a plurality of materials.

本発明に関し、例えば、Nd:YAGからなる基板に対し、SiOからなる内外層の間に、AlやTa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)。 In the present invention, for example, an antireflection film having a three-layer structure in which an intermediate layer made of Al 2 O 3 , Ta 2 O 5 or the like is provided between inner and outer layers made of SiO 2 with respect to a substrate made of Nd: YAG Is disclosed (Patent Document 1).

SiOやAl、Ta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。 An antireflection film having a multilayer structure using SiO 2 , Al 2 O 3 , Ta 2 O 5 or the like is also disclosed (Patent Document 2). However, this antireflection film is provided with a layer mainly composed of YAG (yttrium, aluminum, garnet) in order to improve laser resistance and the like.

特開平4−38885号公報JP-A-4-38885 特開2004−287274号公報JP 2004-287274 A

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。   In recent years, there has been an increasing demand for improving the performance of high-power lasers in various fields. As the performance of high-power lasers improves, the output energy becomes even higher, so the antireflection film used in the optical component is easily damaged by heat, etc., and not only has high light transmittance but also high Laser resistance is also required. In particular, when a high-power laser is output at a high frequency, the antireflection film is exposed to a high temperature, and thus countermeasures are necessary.

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)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。 Examples of the antireflection film material having high laser resistance include silicon dioxide and aluminum oxide (Al 2 O 3 ). In Patent Document 1, an antireflection film having a three-layer structure is formed using only these, but this is because an Nd: YAG substrate (refractive index: about 1.82) having a high refractive index is used as a base material. Because.

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。   When quartz glass or the like mainly composed of silicon dioxide is a base material, the refractive index is low. Therefore, in such a configuration, for example, a low-reflection antireflection film having a reflectance of 0.25% or less. Cannot be designed. In order to form a low-reflective antireflection film on quartz glass or the like using only silicon dioxide and aluminum oxide, a multilayer structure of four or more layers is usually required.

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。   However, when the antireflection film has a multilayer structure, there is a problem that the laser resistance decreases as the number of layers increases. If the number of layers increases, the number of interfaces between each layer increases, and the overall film thickness increases, making it easier to be affected by impurities, which makes it easier for laser energy to act on the antireflection film. It is guessed.

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等の高屈折率層と、その上に形成されたSiOの低屈折率層とで反射防止膜を形成している。 Therefore, the present applicant has previously proposed an antireflection film having a two-layer structure formed of a predetermined material based on this viewpoint in order to improve laser resistance (Japanese Patent Application No. 2008-123808). Specifically, an antireflection film is formed of a high refractive index layer such as Ta 2 O 5 and a low refractive index layer of SiO 2 formed thereon.

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。   Even with this two-layer antireflection film, it is possible to improve laser resistance while ensuring low reflectivity. However, since combinations of antireflection film materials are limited, it is difficult to satisfy the requirements when higher laser resistance is required.

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。   Therefore, an object of the present invention is to provide an antireflection film that can improve laser resistance to a higher level while ensuring low reflectivity.

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。   In order to achieve the above object, in the present invention, the antireflection film has a three-layer structure, and an intermediate layer having excellent thermal conductivity is provided therebetween.

具体的には、本発明の反射防止膜は、SiO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を用いて形成されている。 Specifically, the antireflection film of the present invention is a three-layered antireflection film formed on an optical substrate mainly composed of SiO 2 , and is formed on the optical substrate. It has a lower layer, an intermediate layer formed on the lower layer, and an upper layer formed on the intermediate layer, and the intermediate layer is formed using Al 2 O 3 .

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。 According to the antireflection film having such a configuration, since Al 2 O 3 having excellent thermal conductivity is provided in the intermediate layer, a high output laser acts on the antireflection film and heat is concentrated on a part thereof. However, the heat can be efficiently dispersed around. In particular, when a high-power laser is continuously irradiated, the concentration of heat can be effectively reduced, so that high laser resistance can be realized.

具体的には、上記下層はTaを用いて形成し、上記上層はSiO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。 Specifically, the lower layer can be formed using Ta 2 O 5 and the upper layer can be formed using SiO 2 . In particular, the thickness of the intermediate layer is preferably set to 100 nm or less.

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。 By doing so, it is possible to realize an antireflection film having low reflectivity and excellent laser resistance. Since SiO 2 having high hardness is used for the upper layer, the durability of the antireflection film can be improved.

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。   According to the antireflection film of the present invention, the laser resistance can be improved to a higher level while ensuring low reflectivity.

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。It is a schematic sectional drawing which shows the optical component to which the antireflection film of this embodiment is applied. 反射防止膜の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of an antireflection film. レーザー耐性試験を説明するための図である。It is a figure for demonstrating a laser tolerance test. 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。It is a graph which shows the laser tolerance test result of an Example and a comparative example. 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。It is a graph which shows the laser tolerance test result of an Example and a comparative example.

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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the following description is merely illustrative in nature and does not limit the present invention, its application, or its use. The name “laser guide” of the optical component of the present embodiment is a registered trademark.

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。   FIG. 1 shows a laser guide 1 (optical component) to which the antireflection film 4 of this embodiment is applied. The laser guide 1 is a laser guide for an Nd: YAG laser system used for machining such as welding and cutting, and is used to transmit a high-power laser beam (basic wavelength 1064 nm) output from a light source. It is done. The figure shows the end of the laser guide 1, and a laser beam enters or exits from this end.

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。   The laser guide 1 includes a cable 2 and connectors 3 provided at both ends of the cable 2.

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。   The cable 2 includes an optical fiber 2a (optical base material) that is a core wire and a tube 2b that covers the optical fiber 2a. Each end of the cable 2 is processed so that the tube 2b is peeled off for a predetermined length and the optical fiber 2a is exposed.

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。   The connector 3 includes a substantially cylindrical connector body 31 and a cap 32 provided so as to cover one end (also referred to as a connection end) of the connector body 31. The connector main body 31 has a mounting hole 31a penetrating in the axial direction. At the other end of the connector body 31, a receiving port 31b for receiving the end of the cable 2 is formed, and this receiving port 31b communicates with the mounting hole 31a. A cylindrical sapphire chip 33 is provided coaxially with the connector main body 31 at the opening on the connection end side of the mounting hole 31a. A highly reflective film 34 is provided on the end face of the sapphire chip 33 on the connection end side.

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。   The end of the cable 2 is inserted into the mounting hole 31a of the connector main body 31 from the receiving port 31b, and the end of the cable 2 is embedded and fixed in the connector main body 31 with resin. The exposed optical fiber 2 a is inserted into the sapphire chip 33, and is held in a state where the tip protrudes toward the connection end side of the sapphire chip 33.

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。   The cap 32 has a cylindrical cover 32a and a quartz glass 32b (optical substrate) that closes an opening at one end of the cover 32a, and has a bottomed cylindrical appearance. The cap 32 is attached to the connection end of the connector main body 31 from the opening side, and covers the tip of the bare optical fiber 2a. A laser beam is transmitted from the tip of the optical fiber 2a by entering or exiting through the quartz glass 32b.

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。   Antireflection films 4 are provided on both surfaces of the quartz glass 32b and the tip of the optical fiber 2a, on which the high energy laser beam is incident or emitted, so as to cover the respective surfaces.

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)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。 Since the quartz glass 32b and the optical fiber 2a on which the antireflection film 4 is provided are mainly composed of silicon dioxide (SiO 2 ), the refractive index thereof is about 1.44. In general, the refractive index of the quartz glass 32b or the like is lower than that of the material used for the antireflection film 4. Thus, when the refractive index of a base material is low, when designing the low-reflective antireflection film 4 having a reflectance of 0.25% or less, the material and structure are limited, so that the film design is difficult. .

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。   In addition, when the output of the laser used is high, it is easily damaged by heat or the like, and high laser resistance is required. In particular, when a laser is continuously output at a high frequency, it is easily affected by heat and countermeasures are required.

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。   For this reason, no suitable material is found in the single-layer structure, and when the low-reflective antireflection film 4 is formed using only silicon dioxide or aluminum oxide, which is an antireflective film material that is relatively excellent in laser resistance, four layers are formed. The above multilayer structure is required. However, when the antireflection film 4 has a multi-layer structure, the laser resistance is lowered, so that the characteristics of these materials cannot be utilized.

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。   Therefore, in the present embodiment, the intermediate layer 42 having excellent thermal conductivity is provided between the high refractive index lower layer 41 and the low refractive index upper layer 43 to form the antireflection film 4 having a three-layer structure. By doing so, a high level of laser resistance can be achieved while ensuring low reflectivity.

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)、中間層42は酸化アルミニウム(Al)、上層43は二酸化ケイ素(SiO)を材料に用いてそれぞれ形成されている。 FIG. 2 shows a cross-sectional structure of the antireflection film 4. The antireflection film 4 has a three-layer structure, and includes a lower layer 41 formed on the quartz glass 32b and the optical fiber 2a, an intermediate layer 42 formed thereon, and an upper layer 43 formed thereon. Have. The lower layer 41 is formed using tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), the intermediate layer 42 is formed using aluminum oxide (Al 2 O 3 ), and the upper layer 43 is formed using silicon dioxide (SiO 2 ).

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)、酸化ハフニウム(HfO)、酸化ニオブ(Nb)、酸化ジルコニウム(ZrO)、酸化スカンジウム(Sc)、酸化イットリウム(Y)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)などを用いても良い。 The lower layer 41 is not limited to tantalum oxide, but other highly flexible materials such as titanium oxide (TiO 2 ), hafnium oxide (HfO 2 ), niobium oxide (Nb 2 O 5 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), Scandium oxide (Sc 2 O 3 ), yttrium oxide (Y 2 O 3 ), or the like may be used. The upper layer 43 is not limited to silicon dioxide, and other low-flexibility materials such as magnesium fluoride (MgF 2 ) may be used.

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。   By using aluminum oxide for the intermediate layer 42, laser resistance, particularly heat resistance, can be improved. In other words, since aluminum oxide has excellent thermal conductivity, even if a high-power laser acts on the antireflection film 4 and heat is concentrated on a part of the aluminum oxide, the heat is efficiently dispersed around. Can do. Especially, when high-power laser is continuously irradiated, it is effective for continuous use of high-power laser because it can effectively relieve the concentration of heat in part, and realizes high laser resistance. it can.

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。   By using silicon dioxide for the upper layer 43, the manufacture becomes easy and the productivity is excellent. Further, since silicon dioxide has a high hardness and an excellent protective function, the durability of the antireflection film 4 is also improved.

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。   The lower layer 41 can be designed to have a thickness of, for example, about 30 to 50 nm, the intermediate layer 42 can have a thickness of, for example, about 10 to 100 nm, and the upper layer 43 can have a thickness of, for example, about 150 to 250 nm. What is necessary is just to design the combination of the film thickness of each layer suitably according to the reflectance to obtain | require, the wavelength of the laser beam to be used, etc. For example, in the present embodiment, the reflectance may be designed to be 0.25% or less in accordance with the laser beam (basic wavelength of 1064 nm).

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。   However, the total film thickness is preferably designed not to exceed 310 nm. If it is 310 nm or less, the influence of impurities can be reduced and high laser resistance can be obtained. Further, the film thickness of the intermediate layer 42 is preferably at least 100 nm or less, and more preferably thinner. By doing so, high laser resistance can be obtained while ensuring low reflectivity.

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。 A portion of the quartz glass 32b or the like on which the antireflection film 4 is provided has, for example, an area of 0.008 to 8000 mm 2 and is processed into a flat surface or a curved surface. In addition, this portion may be subjected to processing such as etching by a method such as sputtering or ion cleaning. The surface roughness when etching is performed is, for example, 5 to 10 Årms.

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。   Such an antireflection film 4 can be formed by using a conventional method such as a vacuum vapor deposition method, an ion assist vapor deposition method, a sputter vapor deposition method, an ion plating vapor deposition method, or a sol-gel method.

(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。
(Example)
The antireflection film 4 of the present embodiment was subjected to an evaluation test for laser resistance.

[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。
[sample]
In producing each sample used for the evaluation test, quartz glass was used as a base material, and a film design capable of obtaining a reflectance of 0.25% with respect to a laser beam having a fundamental wavelength of 1064 nm was set as a basic condition. While adjusting the film thicknesses so as to satisfy this basic condition, the film thickness of the intermediate layer 42 was changed to produce five types of antireflection films (Examples 1 to 5). Table 1 shows the film configurations of Examples 1 to 5.

Figure 0005657246
Figure 0005657246

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。   For comparison, an antireflection film having a four-layer structure was produced using only silicon dioxide and aluminum oxide under the same basic conditions as in Examples (Comparative Example 1). The antireflection film of Comparative Example 1 is composed of a first layer of aluminum oxide, a second layer of silicon dioxide, a third layer of aluminum oxide, and a fourth layer of silicon dioxide in this order from the substrate side. The film configuration of Comparative Example 1 is shown in Table 2.

Figure 0005657246
Figure 0005657246

[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。
[Laser endurance test]
As a laser resistance test method for this type of optical thin film, a test (1-on-1 test) for obtaining the minimum energy value at which damage is caused by irradiating a laser beam once on a sample, or a plurality of samples. There is a test (ISO 11254) in which each of the locations is irradiated with a laser a plurality of times to check the presence or absence of damage, and an energy value at which damage is not generated stochastically is obtained. For example, when it irradiates 100 times, it is called a 100-on-1 test.

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)。   When the laser works continuously as in the laser guide 1 described above, the latter test is closer to the actual situation. Therefore, in this test, the laser was irradiated 6000 times on each of the 10 locations of each sample. Then, a test for examining the presence or absence of damage was performed (6000-on-1 test).

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)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。 Specifically, as shown in FIG. 3, the same energy value (J / cm 2) is obtained 6000 times in about 10 minutes in each of the 10 irradiation sites 50 a on the antireflection film forming surface 50 of each sample. ) Was irradiated. A plurality of similar laser irradiations were continuously performed while changing the energy value. A Q-switched YAG laser having a pulse width of about 20 ns was used as the light source of the laser L to be irradiated.

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)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。 FIG. 4 shows a graph representing the test results. In the figure, the vertical axis represents the damage probability (%), and the horizontal axis represents the laser energy value (J / cm 2 ). As shown in the figure, Examples 1-5 all showed higher laser resistance than Comparative Example 1.

例えば、比較例1では、約25J/cmのエネルギー値の段階で損傷確率が10%となり、40J/cm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でも損傷は認められず、60J/cm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。 For example, in Comparative Example 1, the damage probability is 10% at an energy value of about 25 J / cm 2 , and the damage probability reaches 100% when the energy value exceeds 40 J / cm 2. Then, no damage is observed even at 40 J / cm 2 , and the damage probability is 100% when the speed reaches 60 J / cm 2 . Even in comparison with Example 5 where the laser resistance was the lowest among the examples, in Example 5, the damage reached about 30 J / cm 2 and about 10% was observed, whereas in Comparative Example 1, Over 70% of damage was already observed at the same energy level. Differences in these results are presumed to be due to the fact that each example had a smaller number of layers than the comparative example 1, and the number of interfaces and the total film thickness were reduced.

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。   Based on this result, judging from the film thickness configurations of Examples 1 to 5, it is found that the intermediate layer 42 is preferably designed to be 100 nm or less, and the total film thickness is preferably designed to be 310 nm or less. If it does so, laser resistance can be improved, ensuring low reflectivity.

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。   In particular, Examples 1 and 2 showed higher laser resistance than Examples 3-5. This is presumed to be due to the fact that Examples 1 and 2 have a smaller total film thickness than Examples 3-5. Further, even if the intermediate layer 42 is thin, the intermediate layer 42 can sufficiently exhibit its thermal conductivity, so that it may be 30 nm or less, and the total thickness of the antireflection film is more preferably designed to be 295 nm or less.

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。   FIG. 5 shows the result of comparing the laser resistance of Example 1 with a two-layer antireflection film (antireflection film previously proposed by the present applicant, Comparative Example 2). Comparative example 2 was also produced under the same basic conditions as in each example, and the same material as in the example was used for lower layer 41 and upper layer 43 thereof. Comparative Example 2 is significantly different from Example 1 in that the intermediate layer 42 is not provided. Table 3 shows the film configuration of the antireflection film of Comparative Example 2.

Figure 0005657246
Figure 0005657246

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)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。 As shown in the figure, the damage threshold at which the damage probability is 0% was the same (40 J / cm 2 ) in Example 1 and Comparative Example 2. However, when the energy value of the irradiated laser beam was increased, the damage probability of Example 1 was smaller than that of Comparative Example 2. In particular, when the energy value was high, it was confirmed that Example 1 was superior in laser resistance. This is presumably because the heat concentration of the antireflection film was alleviated by providing the aluminum oxide intermediate layer 42 excellent in thermal conductivity.

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。   In this test, a laser that irradiates intermittently was used as the light source of the high-power laser. Therefore, the above results are obtained when the thermal effect is relatively small among high-power lasers, and the antireflection film of the present invention is applied to a type of laser that is continuously irradiated, such as a CW laser. When applied, it is presumed to be even more effective.

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
2a Optical fiber (optical substrate)
4 Antireflection film 32b Quartz glass (optical substrate)
41 Lower layer 42 Middle layer 43 Upper layer

Claims (2)

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以上である機械加工用の光学部品。
A cable whose core is made of optical fiber;
A connector provided at an end of the cable;
With
Inside the connector, held in a state where the tip of the optical fiber protrudes,
The tip of the optical fiber is covered by the glass installed in the connector,
An optical component for machining in which a high-power laser enters or exits the tip of the optical fiber through the glass,
An antireflection film having a three-layer structure is provided on the surface of at least one of the glass and the tip of the optical fiber,
The antireflection film is
A lower layer having a film thickness of 30 to 50 nm formed using Ta 2 O 5 on the optical substrate;
An intermediate layer having a thickness of 10 to 100 nm formed using Al 2 O 3 on the lower layer;
An upper layer having a thickness of 150 to 250 nm formed using SiO 2 on the intermediate layer;
Have
The total film thickness of the antireflection film is designed to be 295 nm or less,
Energy value of the high output laser, optical components for machining at least 20 J / cm 2 or more.
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。
In the optical component for machining according to claim 1,
Optics for machining the thickness of the intermediate layer is set below 30 nm.
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