JPH0251104A - Ｃｏレーザ用ビームスプリッタ膜 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、ＣＯレーザ用光学部品として使用されるビ
ームスプリッタの光学膜に関するものである。

［従来の技術］ ビームスプリッタ（光強度分岐素子）は、出力鏡より出
射してくる強力なレーザビームを、主に入射角４５°で
入射させて、反射光と透過光のそれぞれの光強度を所望
の比率で分岐し、ビームの複数化を図るためのものであ
る。

従来より、赤外レーザ加工機等に使用されているビーム
スプリッタとして、基板の上に光学膜をコーティングし
たものが知られている。このようなビームスプリッタと
しては、種々の製品が知られているが、その光学膜の組
成や構造等についてほとんど明らかにされていない。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、このような光学膜がコーティングされて
いる従来のレーザ用ビームスプリッタは、指定波長で透
過率スペクトルの極値特性を有していないため、波長の
わずかな変動で透過率または反射率が大きく変動し、光
学特性における安定性が悪いという問題があった。

この発明の目的は、指定波長で透過率の極値特性を示す
ＣＯレーザ用ビームスプリッタ膜を提供することにある
。

［課題を解決するための手段および作用］この発明のビ
ームスプリッタ膜は、波長λのＣＯレーザビームに対し
て４５゛の傾斜で設置され、入射レーザビームを所定の
反射率で反射するＣＯレーザ用ビームスプリッタ膜であ
って、屈折率Ｎ８の高屈折率層と屈折率ＮＬの低屈折率
層を、高屈折率層と同じ材質からなる屈折率ＮＧ（−Ｎ
ｌｌ）の基板の入射側の面の上に交互に積層して反射膜
を構成し、基板の出射側の面の上には、低屈折率層と高
屈折率層の２層構造からなる反射防止膜を構成している
。

この発明のビームスプリッタ膜における反射膜の構造に
ついて、第１図を参照して説明する。第１図に示すよう
に、基板１上に、低屈折率層２および高屈折率層３を交
互に積層して、反射膜１０を構成する。基板１は、高屈
折率層３と同じ材質からなり、したがって高屈折率層の
屈折率ＮＨと基板１の屈折率ＮＧとは等しい。また、低
屈折率層２は、屈折率ＮＨを有する。

第２図に示すように、この発明のビームスプリッタ膜は
、上述のような反射膜１０を入射側の面１ａに有すると
ともに、出射側の而１ｂには、反射防止＠２０を有する
。反射防止膜２０は、低屈折率層２と高屈折率層３の２
層構造からなる。

第３図に示すように、この発明のビームスプリッタ膜は
、入射レーザビーム３０に対して４５゜の傾斜で設置さ
れ、所定の反射率Ｒでレーザビーム３０を反射する。入
射レーザビーム３０の中で基板１内に入ったビーム光は
、反射防止膜２０を通り透過する。反射防止膜２０は、
このような基板１内に入った光が反射するのを防止する
ためのものである。基板１内に入ったビーム光は透過光
となり、その透過率はＴで表わされる。

この発明において、反射膜中の高屈折率層の膜厚り、お
よび低屈折率層の膜厚ＤＬは、成る仮定をもとにして求
められる。第４図は、この仮定を説明するための模式断
面図である。すなわち、この発明においては、反射膜１
０の積層構造の中で、低屈折率層２の両側を高屈折率層
の一部３ｃおよび３ａまたは基板の一部３ｄで挾んだ３
層構造の対称３層膜４と、該対称３層膜４と交互に積層
されるとみなすことのできる高屈折率層の残りの部分で
ある高屈折率残部層３ｂの２つの層の積層構造を仮定す
る。そして、対称３層膜４および高屈折率残部層３ｂの
それぞれの光学厚みをλ／４（λは入射レーザビームの
波長）であるとする。

なお、高屈折率残部層３ｂは、高屈折率層３の一部であ
るので、その屈折率Ｎａは、高屈折率層の屈折率Ｎ８と
等しい。

このような仮定は、本発明者が既に出願している特願昭
６１−２３３７０８号の出願明細書における仮定と同様
のものである。この既出願は、垂直入射に対する部分反
射膜について開示しているが、この発明のように４５゛
入射のような斜め入射の場合には既出願の発明の内容を
そのまま適用することができない。

この発明においでは、斜め入射であるため、偏光を考慮
する必要がある。まず、Ｓ偏光およびＰ偏光についての
基板および高屈折率残部層のそれぞれの有効屈折率ηＧ
、νおよびηＢ、ｖを求める必要がある。有効屈折率η
ｌ　ｉＶは、次の一般的な（１）式から求めることがで
きる。

［ｉは層または膜の種別を示し、νはＳまたはＰの偏光
状態を示す。θ１は各膜内の屈折角を示す。

］ 次に、得られた有効屈折率ηＧ　＋ｌｌおよびη８．ν
、Ｓ偏光の反射率Ｒ，およびＰ偏光の反射率ＲＦの関係
を示す次の（ｎ）式、ならびに非偏光の反射率Ｒｕｎと
Ｒ８およびＲＰの関係を示す次の（ｍ）式から、所定の
反射率における対称３層膜の有効屈折率η８．νを算出
する。

［之は基板上の対称３層膜および高屈折率残部層の数を
示す。］ Ｒｕ　ｎ　”　（Ｒｇ　＋　ＲＰ　）　／　２　　　　
　・”　（ＩＩＩ）得られた対称３層膜の有効屈折率η
８．しから、（１）式を用い、対称３層膜の屈折率Ｎｘ
を求める。高屈折率残部層の光学厚みはλ／４であるの
で、高屈折率残部層の膜厚Ｄａは、次の（ｒＶ）式から
求めることができる。

ＮＨＤＢ　ｃｏｓθ■−λ／４　　　・＝　（ＩＶ）次
に、低屈折率層の膜厚り、および高屈折率層の膜厚り、
ｌとして適切な値を求めるため、まずレーザビームが垂
直に入射する反射膜の場合に対応する低屈折率層の膜厚
ｄＬ′と、その両側に位置し対称３層膜を構成する高屈
折率層の一部となる中層の膜厚ｄＡ′を次の（Ｖ）式お
よび（ＶＩ）式から求める。

入射に見かけ上対応する値であるｄＬおよびｄ−に変換
する。この変換は次の（■）式により行な］ 以上のようにして得られたｄ、およびｄＡの値をもとに
、計算によるシミュレーションで、ＤＬおよびり、とじ
て最も適切な値を決定する。すなわち、ｄＬの近傍の値
を低屈折率層の膜厚ＤＬの仮の値とし、ｄＡおよびＤａ
から計算される値の近傍の値を高屈折率層の膜厚り。の
仮の値として、計算によるシミュレーションを行なう。

なお、第４図に示すように、最も外側の高屈折率層は、
高屈折率残部層３ｂと高屈折率層の一部３Ｃとから構成
されるので、次の式から計算される値の近傍の値を用い
る。

ｄＡ＋ＤＩ１１ また、最も外側の以上外の高屈折率層は、高屈折率残部
層３ｂと、その両側の高屈折率層の一部３ａおよび３Ｃ
とから構成されるので、次の式から計算される値の近傍
の値を用いる。

ｄ　Ａ　＋　２　Ｄ　Ｂ 計算によるシミュレーションは以下のようにして行なう
。

まず、Ｄ、およびり、のそれぞれの仮の値を、次の（■
）式のｄ「に代入して、ｄｒを算出する。

入 ［Ｎｒは各層の屈折率、ｄｒは各層の膜厚、θ「は各層
内の屈折角を示す。「は各層を示す。］次に、各層の有
効屈折率ηｒ、ｌ／および基板の有効屈折率ηＧ　ｕｐ
を（１）式から算出して、上の（■）式から得られたδ
「を用い、次の（ＩＸ）式からＳ偏光およびＰ偏光につ
いてのＢνおよびＣ２を算出する。

・・・　（ＩＸ） 得られたＢ、およびＣＶを次の（Ｘ）式に代入して、Ｓ
偏光の透過率Ｔ８．．およびＰ偏光の透過率ＴＩ、Ｆを
算出する。

・・・　（Ｘ） ［η０は外側の媒質（空気中の場合は空気）の有効屈折
率を示し、ｎは反射膜の場合１７反射防止膜の場合２で
ある。Ｒｅ（）は（）内の数の実部を示す。］ 得られたＴ７１．およびＴＩ、Ｐを（ＸＩ）式に代入し
て、反射膜の非偏光の透過率Ｔ＋＋ｕｎを算出する。

Ｔｎ＋ｕｎ−（Ｔｎ＋　Ｓ＋ＴＮＨＰ）／２・・・　（
ＸＩ） 次に、反射防止膜の透過率Ｔ２．ｕｎ　も同様にして算
出する。

得られた反射膜の非偏光の透過率Ｔ、、ｕｒｌおよび反
射防止膜の非偏光の透過率Ｔ２＋ｕｎを、次の（ＸＩＩ
）式に代入し、ビームスプリッタ膜全以上の計算による
シミュレーシヨンを’　Ｔｔｏｔａｌが所定の反射率と
なり、かつ波長λで極値特性を示すまで、ＤＬおよびり
、のそれぞれの仮の値を変化させて繰返すことにより、
ＤＬおよびり。

として適切な値を決定する。

この発明のビームスプリッタ膜は、以上のようにして決
定された適切な値の膜厚で、低屈折率層と高屈折率層を
基板の入射側の面の上に交互に積層して反射膜を設けた
ことを特徴としている。

通常、ビームスプリッタ膜として最もよく用いられるも
のは、反射率５０％のものである。波長５．３μｍのＣ
ｏレーザビームに対して反射率５０％を示すビームスプ
リッタ膜を、高屈折率層の材質としてＺｎ５ｅを用い、
低屈折率層の材質としてＴｈＦ４を用いて構成する場合
、光学膜厚０゜９９２±０．０９９μｍのＴｈＦ４層か
らなる低屈折率層をＺｎ５ｅからなる基板の入射側の面
の上に設け、この低屈折率層の上に、光学膜厚１゜７１
２±０．１７１μｍのＺｎ５ｅ層からなる高屈折率層を
設け、この発明に従うビームスプリッタ膜とすることが
できる。

また、基板の出射側の面の上に設けられる反射防止膜は
、斜め入射光に対する５ｃｈｕｓｔｅｒの２層反射防止
条件式に基づき最適な値を決定することができる。この
場合も、Ｓ偏光およびＰ偏光から得られた値から非偏光
についての最も適した値を決定する。高屈折率層として
Ｚｎ５ｅ層を用い、低屈折率層としてＴｈＦ４層を用い
る場合には、基板の上にまず光学膜厚１．１１６±０゜
１１２μｍのＴｈＦ４層を設け、その上に光学膜厚０．
１７５±０．０１８μｍのＺｎ５ｅ層を設ける。

この発明のビームスプリッタ膜は、所定の波長λで極値
特性を有するように高屈折率層および低屈折率層の光学
膜厚が設定されているため、波長の変動に対し安定して
機能させることができる。

さらに高屈折率層としてＺｎ５ｅ層を用いた場合には、
最も外側の層がＺｎ５ｅ層となるため、耐光性能を向上
させることができる。

［寅施例］ この発明に従うビームスプリッタ膜の一実施例の反射膜
を構成する高屈折率層および低屈折率層の光学膜厚を求
めた。基板としてはＺｎ５ｅを用い、高屈折率層として
は基板と同じＺｎ５ｅを用い、低屈折率層としてはＴｈ
Ｆ４を用いて、種々の反射率のビームスプリッタ膜につ
いて求めた。

表１に、この結果を示す。表１において、偶数番目の層
は高屈折率層であるＺｎ５ｅ層を示し、奇数番目の層は
低屈折率層であるＴｈＦ、層を示している。光学膜厚の
値は、士を用いて範囲を持たせて示している。これは、
ビームスプリッタ膜が有する極値特性の許容誤差および
ビームスプリッタ膜に許容される反射率の許容誤差を考
慮したものである。

この発明においては、上述のように高屈折率層および低
屈折率層の光学膜厚として適切な値を決定するにあたり
、透過率を計算で求め透過率スペクトルをシミュレーシ
ョンしている。反射率３０％、５０％、７０％および９
０％の各ビームスプリッタ膜についてのシミュレーショ
ンによる透過率スペクトルを第５図に示す。第５図に示
されるように、各ビームスプリッタ膜のシミュレーショ
ンによる透過率スペクトルでは、波長５．３μｍの近傍
に透過率、すなわち吸収率の極値が存在していることが
わかる。

反射防止膜については５ｃｈｕｓｔｅｒの２層反射防止
条件式に基づき、決定した。高屈折率層としてはＺｎ５
ｅを用い、低屈折率層としてはＴｈＦ、を用いた。求め
られた光学膜厚を表２に示す。表２において、第１層は
Ｚｎ５ｅ層を示し、第２層はＴｈＦ４層を示している。

なお、この光学膜厚を求める際にも、Ｓ偏光およびＰ偏
光に対して得られたＩｌｉ！厚の値を用い、シミュレー
ションにより非偏光に対する最適な値を求めている。

表２ 以上のようにして求められた光学膜厚で、反射膜および
反射防止膜を基板上に形成し、反射率５０％および反射
率１０％のビームスプリッタ膜を作製した。反射率５０
％のビームスプリッタ膜の寸法は、直径２．５インチ、
厚み３ｍｍとし、反射率１０％のビームスプリッタ膜の
寸法は直径２゜０インチ、厚み３ｍｒｎとした。このよ
うにして得られた反射率５０％のビームスプリッタ膜の
垂直入射に対する透過率スペクトルを、第６図に示す。

第６図に示されるように、このビームスプリッタ膜は、
垂直入射に対しては波長５．３μｍより若干長波長側に
極値を有している。４５°入射の場合の透過率スペクト
ルは、垂直入射の場合の透過率スペクトルから短波長側
にシフトすることを考慮すると、このビームスプリッタ
膜は４５＠入射において波長５．３μｍの近傍に極値特
性を有することが明らかである。

第７図は、反射率１０％のビームスプリッタ膜の垂直入
射に対する透過率スペクトルを示す図である。この場合
も反射率５０％のビームスプリッタ膜と同様に、波長５
．３μｍよりも長波長側に極値特性を示しているが、４
５゛入肘の際のスペクトルの短波長シフトを考慮すると
、４５°入肘においては波長５．３μｍの近傍に極値特
性を有することが明らかである。

以上の実施例から明らかなように、この発明のビームス
プリッタ膜は所定の波長で４５°入射に対し透過率の極
値特性を有しており、このことは反射率においても所定
の波長で極値特性を有することを示している。よって、
この発明に従うビームスプリッタ膜は、入射レーザビー
ムの変動に対し、反射率の変動がわずかであり、優れた
安定性を示す。

［発明の効果］ この発明のＣＯレーザ用ビームスプリッタ膜は、入射レ
ーザビームの波長の近傍に反射率の極値特性を有するた
め、入射レーザビームの波長の変動に対し安定性を有し
ている。したがって、この発明のビームスプリッタ膜は
、高出力レーザ加工機等の光強度分岐用光学部品として
有効に用いられるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明のビームスプリッタ膜中の反射膜の
構造について説明するための模式断面図である。第２図
は、この発明のビームスプリッタ膜の一例を示す模式断
面図である。第３図は、この発明のビームスプリッタ膜
の使用状態を示す側面図である。第４図は、第１図に示
すビームスプリッタ膜に対し、この発明において仮定す
る対称３層膜と高屈折率残部層を示す模式断面図である
。 第５図は、種々の反射率を有するこの発明に従うビーム
スプリッタ膜のシミュレーションによる透過率スペクト
ルを示す図である。第６図は、この発明の一実施例のビ
ームスプリッタ膜の垂直入射で測定された赤外透過スペ
クトルを示す図である。 第７図は、この発明の他の実施例のビームスプリッタ膜
の垂直入射で測定された赤外透過スペクトルを示す図で
ある。 図において、１は基板、１ａは入射側の面、１ｂは出射
側の面、２は低屈折率層、３は高屈折率層、３ａ、３ｃ
は高屈折率層の一部、３ｂは高屈折率残部層、４は対称
３層膜、１０は反射膜、２０は反射防止膜、３０は入射
レーザビームを示す。 第５図 波 数（ｃｒ’　）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）波長λのＣＯレーザビームに対して４５°の傾斜
   で設置され、入射レーザビームを所定の反射率で反射す
   るＣＯレーザ用ビームスプリッタ膜であって、 屈折率Ｎ＿Ｈの高屈折率層と屈折率Ｎ＿Ｌの低屈折率層
   を、前記高屈折率層と同じ材質からなる、屈折率Ｎ＿Ｇ
   （＝Ｎ＿Ｈ）の基板の入射側の面の上に交互に積層して
   反射膜を構成し、 基板の出射側の面の上には、低屈折率層と高屈折率層の
   構造からなる反射防止膜を構成し、前記反射膜の積層構
   造の中で、低屈折率層の両側を高屈折率層の一部または
   基板の一部で挾んだ３層構造の対称３層膜と、該対称３
   層膜と交互に積層されるとみなすことのできる高屈折率
   層の残りの部分である高屈折率残部層（屈折率Ｎ＿Ｂ＝
   Ｎ＿Ｈ）の２つの層を仮定し、 Ｓ偏光およびＰ偏光について、基板および高屈折率残部
   層のそれぞれの有効屈折率η＿Ｇ、およびη＿Ｂ＿，＿
   νを（ I ）式から求め、 η＿ｉ＿，＿ν＝｛Ｎ＿ｉ／ｃｏｓθ＿ｉ（ν＝Ｐのと
   き）Ｎ＿ｉｃｏｓθ＿ｉ（ν＝Ｓのとき）｝・・・（
   I ）〔ｉは層または膜の種別を示し、νはＳまたはＰの
   偏光状態を示す。θ＿ｉは各膜内の屈折角を示す。 有効屈折率η＿Ｇ＿，＿νおよびη＿Ｂ＿，＿νと、Ｓ
   偏光の反射率Ｒ＿ＳおよびＰ偏光の反射率Ｒ＿Ｐの関係
   を示す（II）式、ならびに非偏光の反射率Ｒ＿ｕ＿ｎと
   Ｒ＿ＳおよびＲ＿Ｐの関係を示す（III）式から、所定
   の反射率における対称３層膜の有効屈折率η＿ｘ＿，＿
   νを算出し、（ I ）式から対称３層膜の屈折率Ｎ＿ｘ
   を求め、 ▲数式、化学式、表等があります▼・・・（II） ［ｌは基板上の対称３層膜および高屈折率残部層の数を
   示す。］ Ｒ＿ｕ＿ｎ＝（Ｒ＿Ｓ＋Ｒ＿Ｐ）／２・・・（III）高
   屈折率残部層の膜厚Ｄ＿Ｂ（IV）式から求め、Ｎ＿ＨＤ
   ＿Ｂｃｏｓθ＿Ｈ＝λ／４・・・（IV）低屈折率層の膜
   厚Ｄ＿Ｌおよび高屈折率層の膜厚Ｄ＿Ｈとして適切な値
   を求めるため、まずレーザビームが垂直に入射する反射
   膜の場合に対応する低屈折率層の膜厚ｄ＿Ｌ＾０および
   その両側に位置し対称３層膜を構成する高屈折率層の一
   部の層の膜厚ｄ＿Ａ＾０を（Ｖ）式および（VI）式から
   求め、▲数式、化学式、表等があります▼・・・（Ｖ） ▲数式、化学式、表等があります▼・・・（VI） 次に（VII）式から、ｄ＿Ｌ＾０およびｄ＿Ａ＾０を４
   ５°入射に見かけ上対応する値であるｄ＿Ｌ＾４＾５お
   よびｄ＿Ａ＾４＾５に変換し、 ｄ＾４＾５＝ｄ＾０／√｛１−／（１／２Ｎ＾２）｝・
   ・・（VII）［Ｎはｄ＿Ａ＾０の場合Ｎ＿Ｈで、ｄ＿Ｌ
   ＾０の場合Ｎ＿Ｌである。 ｄ＿Ｌ＾４＾５の近傍の値を低屈折率層の膜厚Ｄ＿Ｌの
   仮の値とし、ｄ＿Ａ＾４＾５およびＤ＿Ｂから計算され
   る値の近傍の値を高屈折率層の膜厚Ｄ＿Ｈの仮の値とし
   て、（VIII）式のｄ＿ｒにＤ＿ＬおよびＤ＿Ｈのそれぞ
   れの仮の値を代入してδ＿ｒを算出し、 δ＿ｒ＝２πＮ＿ｒｄ＿ｒｃｏｓθ＿ｒ／λ・・・（V
   III）［Ｎ＿ｒは各層の屈折率、ｄ＿ｒは各層の膜厚、
   θ＿ｒは各層内の屈折角を示す。＿ｒは各層を示す。］
   各層の有効屈折率η＿ｒ＿，＿νおよび基板の有効屈折
   率η＿Ｇ＿，＿νを（ I ）式から算出して、（IX）式
   からＳ偏光およびＰ偏光についてＢ＿νおよびＣ＿νを
   算出し、 ▲数式、化学式、表等があります▼・・・（IX） Ｂ＿νおよびＣ＿νを（Ｘ）式に代入してＳ偏光の透過
   率Ｔ＿１＿，＿ＳおよびＰ偏光の透過率Ｔ＿１＿，＿Ｐ
   を算出し、 Ｔ＿ｎ＿，＿ν＝４η＿０Ｒｅ（η＿Ｇ＿，＿ν）／（
   η＿０Ｂ＿ν＋Ｃ＿ν）（η＿０Ｂ＿ν＋Ｃ＿ν）＾＊
   ・・・（Ｘ） ［η＿０は外側の媒質（空気中の場合は空気）の有効屈
   折率を示し、ｎは反射膜の場合１、反射防止膜の場合２
   である。Ｒｅ（）は（）内の数の実部を示す。］ Ｔ＿１＿，＿ＳおよびＴ＿１＿，＿Ｐを（Ｘ I ）式に
   代入して、反射膜の非偏光の透過率Ｔ＿１＿，＿ｕ＿ｎ
   を算出し、Ｔ＿ｎ＿，＿ｕ＿ｎ＝（Ｔ＿ｎ＿，＿Ｓ＋Ｔ
   ＿ｎ＿，＿Ｐ）／２・・・（Ｘ I ） 反射防止膜の透過率Ｔ＿２＿，＿ｕ＿ｎを同様にして算
   出して、 ビームスプリッタ膜全体の透過率Ｔ＿ｔ＿ｏ＿ｔ＿ａ＿
   ｌを（ＸII）式から求め、 Ｔ＿ｔ＿ｏ＿ｔ＿ａ＿ｌ＝｛（１／Ｔ＿ｉ＿，＿ｕ＿ｎ
   ＋１／Ｔ＿２＿，＿ｕ＿ｎ）−１｝・・・（ＸII）この
   ような計算によるシミュレーションを、Ｔ＿ｔ＿ｏ＿ｔ
   ＿ａ＿ｌが所定の反射率となりかつ波長λで極値特性を
   示すまで、Ｄ＿ＬおよびＤ＿Ｈのそれぞれの仮の値を変
   化させて繰返すことにより、Ｄ＿ＬおよびＤ＿Ｈとして
   適切な値を決定し、 この膜厚で低屈折率層と高屈折率層を基板の入射側の面
   の上に交互に積層して反射膜を設けたことを特徴とする
   、ＣＯレーザ用ビームスプリッタ膜。
2. （２）波長５．３μｍのＣＯレーザビームに対して４５
   °の傾斜で設置され、実質的な反射率５０％で入射レー
   ザビームを反射するＣＯレーザ用ビームスプリッタ膜で
   あって、 ＺｎＳｅからなる基板の入射側の面の上に、低屈折率層
   として光学膜厚０．９９２±０．０９９μｍのＴｈＦ＿
   ４層を設け、該ＴｈＦ＿４層の上に高屈折率層として光
   学膜厚１．７１２±０．１７１μｍのＺｎＳｅ層を設け
   たことを特徴とする、ＣＯレーザ用ビームスプリッタ膜
   。
3. （３）前記基板の出射側の面の上に反射防止膜が設けら
   れ、該反射防止膜が基板上に設けられる光学膜厚１．１
   １６±０．１１２μｍのＴｈＦ＿４層と、該ＴｈＦ＿４
   層上に設けられる光学膜厚０．１７５±０．０１８μｍ
   のＺｎＳｅ層とから構成されることを特徴とする、請求
   項２記載のＣＯレーザ用ビームスプリッタ膜。