JP2000214315A - 2つの波長における向上したブレ―ズ性能を有する回折格子 - Google Patents
2つの波長における向上したブレ―ズ性能を有する回折格子Info
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Abstract
放射されるレーザー光のブレーズ回折を向上させること
の可能な改良型エシェル回折格子を提供する。 【解決手段】 第1と第2のファセットの交差によって
形成される三角溝の配列を有する平面反射型回折格子で
あって、前記ファセットは、前記配置は異なる伝播次数
を持つ2つの異なる波長のレーザー放射光について、ブ
レーズされる次数がそれぞれ向上するように最も高次の
伝播回折次数は各波長でブレーズされ、次に高次の次数
は伝播しないような角度で前記平面に傾斜し、そのよう
な周期性を前記配列が持つことを特徴とするものであ
る。
Description
るための光学格子に関し、特にエシェル格子に関し、さ
らに詳しくは、別個の2つの波長でのブレーズ性能がそ
れぞれの波長で次に高次な回折次数が弱まりながら消衰
することによって向上したリトロー配向のエシェル格子
に関する。
る距離だけ離間した素子を反射または透過させる配置、
たとえば、不透明スクリーンにおいて等間隔で離間した
透明スリットや開口、あるいは基板上の反射溝の集合な
どの通常のパターンである。格子に入射する電磁波は、
回折すると、電場の振幅または位相、あるいはその両方
を予測可能に変更する。
されるようなほとんど単色の、ここでは「光」と呼ぶ電
磁放射に適応され、また、溝は互いに対して、しかも格
子の長手方向軸または平面に対して一定の角度で配置さ
れる第1と第2のファセットをそれぞれ備える三角溝を
有した線形格子によるその放射の回折に適応される。こ
のような三角格子は断面図では階段状である。
別個の角方向に回折する。それぞれの回折溝は、非常に
小さく、スリット状の回折光源とみなしてもよい。それ
ぞれの溝によって回折される光小波は、回折波面を形成
するために別の溝からの光と干渉する。格子が有用であ
るかどうかは、「次数」として知られる独自の組の離散
角が存在することによって決まり、その次数では、溝の
間のある間隔dにおいて、各溝のファセットからの回折
光の小波が1つおきの溝のファセットから回折される小
波と同位相であるので、小波が構成的に干渉する。入射
角αで1つの格子に衝突し、αとβの正弦の和のd倍の
溝間隔が波長λの整数倍mに等しい回折角βに沿って回
折する光だけが構成的に回折される。よって、mは構成
的回折次数である。これらのパラメータは次の格子等式
において次のように関連付けられる。 mλ=d(sin α + sin β) (等式1) 本発明は、エシェル格子またはエシェルとして知られる
線形回折格子の部類に関する。このような格子は、長さ
の異なる第1と第2のファセットを持つ。この長さの比
は典型的には約2:1から6:1の間であり、当該技術
においては通常約4:1の比が用いられる。この比は格
子のr数として知られている。よって、たとえばr−4
格子では格子の長手軸に対して第2の、あるいは短い方
のファセットの角度が75°58′である。さらに、エ
シェルでは、通常入射ビームとブレーズ回折ビームが、
格子の長手軸に対して垂直の平面の同一側にある。エシ
ェルは相対的に粗く、精巧に製造される格子で、通常回
折角度が高く、高次のスペクトル次数で用いられる。典
型的な溝間隔は1ミリあたり溝の数が約20から約30
0個である。入射角は典型的には格子法線から約63°
(r−2)から約80°(r−6)の間で、使用される
スペクトル次数は約10から500であり、通常約10
0である。エシェルは、高い光学的分散と解像度が求め
られる用途で特に有用である。
の強度を標準とした光の強度あるいは放射エネルギー量
は、その次数における回折「効率」として知られてい
る。光の任意の波長における格子の回折次数ではエネル
ギーは同量ではなく、ほとんどの次数はエネルギーがほ
とんどない。しかし、それぞれの格子、しかもある入射
角で衝突する各波長について、回折エネルギー量が最も
高い1つの次数があり、これは当該技術では「ブレーズ
次数」として知られている。ブレーズ次数の一方の側に
角変位した次数(m+1とm−1)は多量のエネルギを
持つ場合も持たない場合もある。
格子から脱出できるような次数である。格子内に延びる
方向の角度で配置される次数、「水平線未満」と当該技
術では呼ばれる次数は回折光を伝播できない。ブレーズ
次数で回折するビームと入射ビームが空間内で同一経路
をとるよう(入射角θiが回折角θdに等しいよう)に
特に位置決めされるエシェル格子は、「リトロー」配置
内にあると言われる。リトロー配向格子において、ブレ
ーズ次数θBの角度は格子r数の逆正接に等しいファセ
ット角θGとほぼ等しい。この配置において、格子等式
(等式1)は次のように書き換えられる。 mλ = 2d sin θB (リトロー) (等式2) 入射角が、ブレーズ角が最高次数の伝播次数となるよう
に設定されるとき、その次数は別の角度の位置にある場
合より、およびスケーラ理論によって予測されるものよ
り幾分多くのエネルギーを含む。これは当該技術では
「異常状態」と呼ばれるもので、これはリトロー式配置
のエシェル格子の持つ興味深い特性である。そのブレー
ズ角からの放射は「向上している」と言われる。エネル
ギーを節約しなくてはならないので、非伝播次数に回折
するエネルギーは伝播次数内に再配分され、そのうちで
近接するブレーズ次数には最も多くのエネルギが割り当
てられる。
スレーザー空洞の光学的要素の一端を形成し、そのエシ
ェルを介して軸を中心に回転し、レーザーを最大応答の
波長に合わせるようにレーザービームに垂直であるよう
なガスレーザー空洞内で光学素子として用いられると効
果的である。特にガスレーザーは、たとえば光子放出中
にガス分子の集合体の速度が分散することによって生じ
るドップラー効果のために、完全には単色というわけで
はない。あるレーザーの応用で、たとえば、コンピュー
タ回路の製造においては、レーザーのスペクトル出力幅
を狭くするのが非常に望ましい。これは、レーザー分布
の外側の波長を排除して実質的に狭い波長帯域の増幅用
に空洞に回折させることができるリトロー配置で用いら
れる非常に分散度の高いエシェル格子を用いれば容易に
達成できる。これは「線路狭窄」として当該技術では知
られている。この目的のために好適な格子は、1ミリあ
たり85.84個の溝を有する35−13−*−406
格子などのr−5格子であり、この格子は米国ニューヨ
ーク州、ロチェスターにあるSpectronicIn
struments, Inc.(スペクトロニック・
インスツルメンツ社)の、Richardson Gr
ating Laboratory(リチャードソン・
グレーティング・ラボラトリ)から入手可能である。
可能なブレーズ次数は最高次の伝播次数である。よって
上記のように向上した事が更に非常に好ましい。公知の
技術において、たとえば上述のリチャードソンの格子な
どのある間隔dを有した格子は、向上したブレーズ次数
が単一の波長でのみ利用可能なように配向させることが
できる。たとえば、85.84g/mmの格子であれ
ば、クリプトン−フッ素(KrF)エキシマレーザーに
よって生成されるような248.4ナノメータの波長の
光のブレーズ次数(92)が伝播され、次に高い次数
(93番目)が伝播されない。この格子も又193.3
nmのアルゴン−フッ素(ArF)エキシマレーザーに
おける線路狭窄用に効果的であるが、(リトロー配置に
おける)ブレーズ次数は向上しない。公知の技術におい
て、193.3nmでブレーズを示すように設計される
別のリトローマウント式エシェル格子は、248.4n
mではブレーズを示さない。
時間がかかるものであり、実際には、全世界でも非常に
高品質の格子を製造できるほんのわずかな刻線機械での
み存在する。よって、2つの異なる光の波長でブレーズ
作用を向上させることが可能なエシェル格子を得ること
が非常に望まれている。
は、2つの異なる回折次数の2つの異なる波長で放射さ
れるレーザー光のブレーズ回折を向上させることができ
る改良型エシェル回折格子を提供することである。
マレーザーとArFエキシマレーザーからの光のブレー
ズ回折を向上させることができる改良形エシェル回折格
子を提供することである。
回折次数の2つの異なる波長で放射されるレーザー光の
ブレーズ回折を向上させることができるエシェル回折格
子における最適な溝間隔と溝ファセット角を決定するた
めの改良された方法を提供することである。
成するため、基本的には、以下に記載されたような技術
構成を採用するものである。
第2のファセットの交差によって形成される三角溝の配
列を有する平面反射型回折格子であって、前記ファセッ
トは、所定の角度で前記平面に傾斜しており、かつ前記
配置は、異なる伝播次数を持つ2つの異なる波長のレー
ザー放射光について、ブレーズされる次数がそれぞれ向
上するように最も高次の伝播回折次数は各波長でブレー
ズされ、次に高次の伝播回折次数は伝播しないような周
期性を持つことを特徴とする平面反射型回折格子を提供
するものである。
波長のレーザー放射光を向上したブレーズ次数で回折す
るための平面反射型エシェル回折格子であって、 a)溝の頻度は、溝が1マイクロメータあたり約0.0
9413個であり、 b)ファセット角が前記格子の平面から測定すると約8
0°であり、 c)溝の頂点開光角が約85°である平面反射型エシェ
ル回折格子を提供する ものである。
と第2の向上したブレーズ回折角度θBλ1とθBλ2
で第1と第2の波長λ1とλ2のレーザー放射光を回折
するためにリトロー配向内で用いられるエシェル回折格
子を形成する方法であって、 a)前記第1と第2の波長のうち短い方の波長につい
て、約75°から約85°の間でファセット角を選択
し、約80°から90°の間で頂角を選択し、λ1を前
記第1と第2の波長のうち短い方の波長に指定する工程
と、 b)前記短い方の波長について、整数次数m1の範囲を
選択する工程と、 c)θBλ1/θBλ2の比がほとんど1.0であるよ
うな前記範囲において値m1とm2を決定する工程と、 d)次に高次の次数は伝播しないような等式f=1/
{(m1+1)λ1 −m1λ1/2}に従って各次数
m1における溝頻度fについての値を決定する工程と、 e)前記回折角θBλ1とθBλ2との間でもっとも小
さい正の差を生じさせる前記溝頻度fの値を選択する工
程と、 f)ファセット角、頂角、溝頻度について前記選択され
た値に従って、格子マスタを形成するために格子基板に
刻線する工程とを備える方法が提供される。
つの異なるレーザー光波長λ1とλ2および異なる2つ
の対応の回折次数m1とm2における許容可能な小さな
限界内で等式2を満足する特定の溝間隔dと溝角度θg
とを有し、いずれの次数もブレーズ次数であり、次に高
次の次数は伝播しない。たとえば、公知のKrFレーザ
ーは実質的に248.4nmの光を放射し、公知のAr
Fレーザーは実質的に193.3nmの光を放射する。
以下に述べる新規の方法により、KrFレーザーの第8
4次数とArFレーザーの第108次数はいずれも、d
が1ミリあたり94.13個の溝の頻度fに対応する
0.010623mmであり、またθgが約80°(r
−5)のときブレーズする。等式2によれば、mArF
λArFはmKrFλKrFに等しくなければならな
い。適切な値を掛けると、mArFλArF=2086
6nmでmKrFλKrF=20876nmとなる。い
ずれの次数でもブレーズできるのには、100万分の1
00以内で一致すれば十分である。また、本方法によれ
ば、各レーザーにおいて次に高次の次数、すなわち、第
85番目と第109番目の次数はそれぞれ伝播しない。
よっていずれのブレーズ次数も向上することがわかる。
効果ならびに発明の現在好適な実施例は添付の図面とと
もに以下の説明を読めば、一層明らかになるであろう。
な線形三角溝反射回折格子10は、たとえば公知の技術
に従ったアルミニウムまたはアルミ化ガラスなどの反射
材からなる。格子10は、格子基準面を限定する平坦な
裏面14を持つスラブ本体12を有する。裏面14に対
向する正面は、第1と第2のファセット18と20のそ
れぞれの端部交差によって形成される複数の平行度の高
い三角溝16を特徴とする。ファセットは、それぞれの
交差19でほぼ90°の開光頂角17で接するのが好ま
しい。ファセット20は基準面14に対して角度θgで
傾斜し、溝は周期dを持つ。光ビーム22は、基準面1
4に垂直な格子の法線面24から測定すると角度αです
べての第2のファセット20に入射ししており、同じく
格子法線24から測定され、図の例ではブレーズ方向と
しても示される角度βだけが図示されているが、光ビー
ムは多くの次数角で回折される。ファセット法線26
は、入射光線と回折光線との間の開光角度を二等分す
る。ブレーズ次数は矢印28の示す方向に伝搬される。
α=βであり、入射ビームと回折小波がいずれもファセ
ット法線と一致するリトロー配置内に設けられている。
あたり83.14個の溝)で、θgが約79°で、溝の
頂角が約85°のとき、図4に示すように、約75%の
効率でKrFレーザーの第95次数がブレーズする。第
96次数は伝播せず、それにより第95次数のブレーズ
が向上する。同様な格子を用いて、図3に示されるよう
に、ArFレーザーの第122次数は約72%の効率で
ブレーズするが、第123次数も又伝播するため、第1
22次数のブレーズは向上しない。
は0.010623mm(1ミリあたり94.13個の
溝)、θgは約80°、溝の頂角が85°のとき、図6
に示されるように、KrFレーザーの第84次数は約7
3%の効率でブレーズし、第85次数は消衰する。ま
た、図5に示されるようにArFレーザーの第108次
数は約80%の効率でブレーズし、第109次数は消衰
する。よって、本発明における単一の格子は、複数の入
射波長でブレーズを向上させることが可能である。
する設計パラメータの本発明における決定方法は次の通
りである。
ーズ角θBが入射角αと回折角βに等しいリトロー幾何
学的配置を選択する。ブレーズ角θBが溝の角θGに実
質的に等しい(ブレーズビームはファセット法線に従
う)ような溝間隔dにおける開始値を選択する。
を決定し、λ1を短い方の波長に指定する。
140の短い方の波長についての作動次数m1の範囲を
選択する。与えられるこれらのm1はいずれも整数であ
る。
同一ではないと仮定し、θBλ1/θBλ2 がほとん
ど1.0となるような範囲でm1とm2の値を次のよう
に決定する。等式1と等式2に従って、sinθBはm
λに比例する。よってθB1<、または、>θB2であ
れば、m1λ1<、または、>m2λ2である。m2λ
2/m1λ1はm1のポテンシャル値の関数としてプロ
ットする。θB1<θ B2の値について、m1λ1/λ
2より低い整数値となるm2を求め、θB1>θB2の
値については、(m1λ1/λ2)+1より低い整数値
となるm2を求める。m2λ2/m1λ1がほとんど
1.0に近い場合のm1の値は、これからも用いるので
保存する。
な(工程4から得られる)各次数m 1についての溝頻度
f(=1/d)を算出する。
°)、よって伝播できないように、短い波長についての
それぞれのこうした溝頻度に小さな定数値を加えるのが
望ましい。短い波長について確実に消え失せる次数が確
認されれば、長い波長についても消え失せる次数が確認
される。
頻度について回折角の差θBλ1−θBλ2を算出し、
回折角のもっとも小さい正の差に対応する溝頻度を選択
する。こうして、λ1とλ2のいずれでもブレーズが向
上を表示するようなエシェル格子における幾何学的配置
パラメータが特定されたことになる。実例 :ArFエキシマレーザー(λ1=193.3n
m)とKrFエキシマレーザー(λ2=248.4n
m)のいずれでもブレーズが向上するr−5(θG=8
0°)で頂角85°のエシェル格子の溝頻度を決定し
た。
を、上記工程4に従って検査し、図7と図8にプロット
して示している。193.3nmのときの作動次数につ
いての妥当な選択としては、1.0:95、100、1
03、104、108、109、112、113、11
7、118、121と122に最も近いm2λ2/λ1
の値32に関連するm1次数であった。
9に示す通りである。
あたり0.09413個(1ミリあたり94.13個)
であることが知られ、2つのレーザーにおける最適角間
のブレーズ角の差異は+0.155°に過ぎず、ArF
レーザーについては第108次数で向上したブレーズ角
が得られ、KrFレーザーについては第84次数で向上
したブレーズ角が得られる。しかし、これだけが唯一の
解明ではなく、固定入射角αを有した設置についてのみ
最適にすぎないことを理解されたい。たとえば、頻度f
がf=0.08702でブレーズ角差が+0.162の
格子はそれぞれ次数117と91においてブレーズが向
上することがわかる。
置によって形成してもよい。たとえば、マスタ格子は刻
線機械によってアルミニウム基板内でバニシング(研
磨)仕上げしてもよい。このような格子は、溝を形成す
る場合に変位する材料が外側溝の頂点上に蓄積し、内側
溝の頂点は刻線機械によって鋭角に形成されるので、通
常直接回折には役立たない。典型的には、金属化(第1
の世代)鋳込みは完全に機能的な反転した位相幾何学的
配列を持つように製造される。このため、次の金属化鋳
込み(第2の世代)は、同様に完全に機能的で商業的な
量だけ製造され販売される第3世代複製を鋳造するため
の複製マスタとなる。よって、すべての奇数世代の複製
は反転した位相幾何配列を有する。
いようとする入射角、好ましくはαが約α=79.36
°の1度以内で格子に入射する632.8ナノメータの
光を放射する公知のヘリウム−ネオン(HeNe)レー
ザーを用いることにより公知の技術で平坦度試験が容易
に行えるという点にある。上述の説明から、2つの異な
る向上したリトローブレーズ次数が2つの異なる波長の
レーザーが放射する入射光について維持されるような、
改良形エシェル回折格子およびこのような格子の幾何学
的配置パラメータを決定する方法が提供されたことは明
らかであろう。本発明に従って、本文で説明した格子の
変更や変形は当業者であれば確実に思いつくであろう。
従って、先の説明は例証であり本発明を限定する意味の
ものではないと理解されるべきである。
間のかかる刻線作業であるにもかかわらず、2つの異な
る回折次数の2つの異なる波長で放射されるレーザー光
のブレーズ回折を向上させることができる改良型エシェ
ル回折格子が得られるものである。
キシマレーザーからの光のブレーズ回折を向上させるこ
とが可能になった。
る波長で放射されるレーザー光のブレーズ回折を向上さ
せることができるエシェル回折格子において最適な溝間
隔と溝ファセット角を決定するための改良された方法が
可能になった。
図である。
図である。
を持つエシェル格子によって回折される場合、193.
3nmの光を放射するArFエキシマレーザーのブレー
ズ次数122について算出される、溝ファセット角に対
する回折効率を示すグラフである。
を持つエシェル格子によって回折される場合、248.
4nmの光を放射するKrFエキシマレーザーのブレー
ズ次数95について算出される、溝ファセット角に対す
る回折効率を示すグラフである。
折効率を示すグラフである。特に、1ミリあたり94.
13個の溝を持つ格子によって回折される場合にブレー
ズ次数が向上するエシェル格子における、図3に示され
るグラフと同様なグラフである。
折効率を示すグラフである。特に、1ミリあたり94.
13個の溝を持つ格子によって回折される場合にブレー
ズ次数が向上する本発明にかかるエシェル格子におけ
る、図4に示されるグラフと同様なグラフである。
される、相対的なブレーズ角に対する次数m1のプロッ
ト図である。
される、相対的なブレーズ角に対する次数m1のプロッ
ト図である。
2、f およびθBλ1――θ Bλ2 (回転角の差)の
値が示されている。
Claims (16)
- 【請求項1】 第1と第2のファセットの交差によって
形成される三角溝の配列を有する平面反射型回折格子で
あって、前記ファセットは、所定の角度で前記平面に傾
斜しており、かつ前記配置は、異なる伝播次数を持つ2
つの異なる波長のレーザー放射光について、ブレーズさ
れる次数がそれぞれ向上するように最も高次の伝播回折
次数は各波長でブレーズされ、次に高次の伝播回折次数
は伝播しないような周期性を持つことを特徴とする平面
反射型回折格子。 - 【請求項2】 前記格子はエシェル格子であることを特
徴とする請求項1記載の格子。 - 【請求項3】 前記ブレーズされる次数は50より大き
いことを特徴とする請求項1記載の格子。 - 【請求項4】 前記格子は約2から約6の間のr値を持
つことを特徴とする請求項1記載の格子。 - 【請求項5】 頂点開光角度は約80°から約90°の
間であることを特徴とする請求項1記載の格子。 - 【請求項6】 前記第1と第2のファセットのうち1つ
は前記ファセットの他方より短く、前記第1と第2のフ
ァセットのうち短いファセットと前記格子平面とのなす
角は約75°から約85°の間であることを特徴とする
請求項1記載の格子。. - 【請求項7】 前記ファセット角は約78°から81°
の間であることを特徴とする請求項6記載の格子。 - 【請求項8】 前記溝の頻度は溝が1マイクロメータあ
たり約0.083から約0.107個の間であることを
特徴とする請求項1記載の格子。 - 【請求項9】 前記頻度は溝が1マイクロメータあたり
約0.093から約0.095個の間であることを特徴
とする請求項8記載の格子。 - 【請求項10】 2つの異なる波長の前記光の少なくと
も1つは、クリプトン−フッ素エキシマレーザーによっ
て放射されることを特徴とする請求項1記載の格子。 - 【請求項11】 2つの異なる波長の前記光の少なくと
も1つは、アルゴン−フッ素エキシマレーザーによって
放射されることを特徴とする請求項1記載の格子。 - 【請求項12】 波長193.3ナノメータの場合に向
上するブレーズ次数は108であり、波長248.4ナ
ノメータの場合に向上するブレーズ次数は84であるこ
とを特徴とする請求項1記載の格子。 - 【請求項13】 前記格子は、用いようとする入射ビー
ム角の1度以内の入射ビーム角での表面平坦度の検査に
好適であり、前記入射ビームの波長は632.8ナノメ
ータであることを特徴とする請求項1記載の格子。 - 【請求項14】 2つの異なる波長のレーザー放射光を
向上したブレーズ次数で回折するための平面反射型エシ
ェル回折格子であって、 a)溝の頻度は、溝が1マイクロメータあたり約0.0
9413個であり、 b)ファセット角が前記格子の平面から測定すると約8
0°であり、 c)溝の頂点開光角が約85°である平面反射型エシェ
ル回折格子。 - 【請求項15】 それぞれ第1と第2の向上したブレー
ズ回折角度θBλ 1とθBλ2で第1と第2の波長λ1
とλ2のレーザー放射光を回折するためにリトロー配向
内で用いられるエシェル回折格子を形成する方法であっ
て、 a)前記第1と第2の波長のうち短い方の波長につい
て、約75°から約85°の間でファセット角を選択
し、約80°から90°の間で頂角を選択し、λ1を前
記第1と第2の波長のうち短い方の波長に指定する工程
と、 b)前記短い方の波長について、整数次数m1の範囲を
選択する工程と、 c)θBλ1/θBλ2の比がほとんど1.0であるよ
うな前記範囲において値m1とm2を決定する工程と、 d)次に高次の次数は伝播しないような等式f=1/
{(m1+1)λ1 −m1λ1/2}に従って各次数
m1における溝頻度fについての値を決定する工程と、 e)前記回折角θBλ1とθBλ2との間でもっとも小
さい正の差を生じさせる前記溝頻度fの値を選択する工
程と、 f)ファセット角、頂角、溝頻度について前記選択され
た値に従って、格子マスタを形成するために格子基板に
刻線する工程とを備える方法。 - 【請求項16】 前記決定した頻度fの値にバイアス定
数を加える工程をさらに具備することを特徴とする請求
項14記載の方法。
Applications Claiming Priority (2)
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---|---|---|---|
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