JP2002098820A - 反射型回折格子 - Google Patents
反射型回折格子Info
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/18—Diffraction gratings
- G02B5/1861—Reflection gratings characterised by their structure, e.g. step profile, contours of substrate or grooves, pitch variations, materials
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/18—Diffraction gratings
Abstract
(57)【要約】
【課題】従来の反射回折光学素子は、回折効率が偏光に
依存するため、偏光を補償するための光学素子を光学系
に挿入する必要があり、その挿入損失により分光感度が
低下するという問題点があった。 【解決手段】本発明の反射型回折格子は、その表面に第
１層として入射光波長において３０％以上の反射率をも
つ金属膜と、第２層として透明な誘電体膜とを順次積層
した構造を有する。入射光波長における前記金属膜の屈
折率を１．５以下、消衰係数が６．０以上とする。かつ
入射光波長における前記誘電体膜の屈折率が１．３０以
上１．４６以下、また入射光波長をλとするとき光学膜
厚が０．２０λ以上０．３８λ以下とする。
依存するため、偏光を補償するための光学素子を光学系
に挿入する必要があり、その挿入損失により分光感度が
低下するという問題点があった。 【解決手段】本発明の反射型回折格子は、その表面に第
１層として入射光波長において３０％以上の反射率をも
つ金属膜と、第２層として透明な誘電体膜とを順次積層
した構造を有する。入射光波長における前記金属膜の屈
折率を１．５以下、消衰係数が６．０以上とする。かつ
入射光波長における前記誘電体膜の屈折率が１．３０以
上１．４６以下、また入射光波長をλとするとき光学膜
厚が０．２０λ以上０．３８λ以下とする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、分光光学素子、特
に光学センサー、情報記録装置、光学測定装置等の光学
技術分野で幅広く使用される反射型回折光学素子に関す
る。
に光学センサー、情報記録装置、光学測定装置等の光学
技術分野で幅広く使用される反射型回折光学素子に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】回折格子は分光光学素子あるいは光分波
素子として広く利用されている。このうち、回折光を反
射光として利用する反射型の回折格子は、その反射効率
を向上させるため、周期的な溝構造を形成した部材の表
面に反射膜として金属膜を形成する場合が多い。金属膜
としてはＡｌ、Ａｕ等の高い反射率を有する材料が利用
される。
素子として広く利用されている。このうち、回折光を反
射光として利用する反射型の回折格子は、その反射効率
を向上させるため、周期的な溝構造を形成した部材の表
面に反射膜として金属膜を形成する場合が多い。金属膜
としてはＡｌ、Ａｕ等の高い反射率を有する材料が利用
される。
【０００３】これら金属反射膜は環境に露出した状態で
使用すると、耐候性、耐摩耗性の点で不十分な場合があ
る。特にＡｌ膜は耐酸化性に劣ることが知られており、
Ａｕ膜は機械的な強度が充分でない。このような金属反
射膜の耐久性を向上させる手段として、金属膜上へ透明
な誘電体膜等を被覆するのが一般的である。特に、Ａｌ
反射膜の場合にはフッ化マグネシウム（ＭｇＦ2）膜を
保護膜として利用することにより耐酸化性が高められる
ことが知られている。このＭｇＦ2膜は近紫外域の反射
率を高める効果をもつことも知られている。
使用すると、耐候性、耐摩耗性の点で不十分な場合があ
る。特にＡｌ膜は耐酸化性に劣ることが知られており、
Ａｕ膜は機械的な強度が充分でない。このような金属反
射膜の耐久性を向上させる手段として、金属膜上へ透明
な誘電体膜等を被覆するのが一般的である。特に、Ａｌ
反射膜の場合にはフッ化マグネシウム（ＭｇＦ2）膜を
保護膜として利用することにより耐酸化性が高められる
ことが知られている。このＭｇＦ2膜は近紫外域の反射
率を高める効果をもつことも知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところが溝周期が入射
光波長の０．１〜１０倍の範囲にある反射型回折格子
は、入射光の偏光に依存して回折光強度が変化すること
が知られている（例えば、オー・プラス・イー、２１
巻、５号、ｐ．５１１（１９９９）参照）。この特性を
偏光を分離するために積極的に利用した偏光分離素子が
提案されている（例えば、オプトロニクス、８号、ｐ．
１１２（１９９６）参照）。
光波長の０．１〜１０倍の範囲にある反射型回折格子
は、入射光の偏光に依存して回折光強度が変化すること
が知られている（例えば、オー・プラス・イー、２１
巻、５号、ｐ．５１１（１９９９）参照）。この特性を
偏光を分離するために積極的に利用した偏光分離素子が
提案されている（例えば、オプトロニクス、８号、ｐ．
１１２（１９９６）参照）。
【０００５】しかし一方で、光通信の分野等で回折光学
素子を分波素子として利用する場合、入射光の偏光状態
によらず回折光の強度を一定に保つ必要がある。例え
ば、波長多重通信では、１本の光ファイバーによって多
数の波長の光を伝達するが、これらの多波長の光を回折
格子により分光し、個々の波長の情報を読みとる必要が
ある。この際、光ファイバーから出射される光の偏光状
態は制御されていないため、そのまま回折格子に入射し
た場合、回折光の強度は、偏光状態に依存することにな
り、情報処理を複雑にするという問題が生じる。
素子を分波素子として利用する場合、入射光の偏光状態
によらず回折光の強度を一定に保つ必要がある。例え
ば、波長多重通信では、１本の光ファイバーによって多
数の波長の光を伝達するが、これらの多波長の光を回折
格子により分光し、個々の波長の情報を読みとる必要が
ある。この際、光ファイバーから出射される光の偏光状
態は制御されていないため、そのまま回折格子に入射し
た場合、回折光の強度は、偏光状態に依存することにな
り、情報処理を複雑にするという問題が生じる。
【０００６】また、反射型回折光学素子を用い、レーザ
光源の光を集光し、微小な凹凸に照射してその凹凸形状
を読みとるような応用の場合も、レーザー光源の偏光状
態により感度が低下するため、信号解析が煩雑になって
いた。
光源の光を集光し、微小な凹凸に照射してその凹凸形状
を読みとるような応用の場合も、レーザー光源の偏光状
態により感度が低下するため、信号解析が煩雑になって
いた。
【０００７】回折光学素子に入射する光の偏光を制御す
るため、偏光子やフィルタなどを光学系に挿入する方法
も提案されているが、素子数が増加するため、光学系が
煩雑になる上、素子による挿入損失があり、光強度が低
下する問題があった。
るため、偏光子やフィルタなどを光学系に挿入する方法
も提案されているが、素子数が増加するため、光学系が
煩雑になる上、素子による挿入損失があり、光強度が低
下する問題があった。
【０００８】本発明はこのような問題を解決するために
なされたもので、その目的とするところは、反射率を低
下させることなく、入射光の偏光状態に依存しない反射
光強度が得られる反射型回折格子を提供することにあ
る。
なされたもので、その目的とするところは、反射率を低
下させることなく、入射光の偏光状態に依存しない反射
光強度が得られる反射型回折格子を提供することにあ
る。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明の反射回折格子
は、溝周期が入射光波長の０．１〜１０倍であり、その
表面側から順に、少なくとも第１層として反射率が３０
％以上である金属膜と、第２層として透明な誘電体膜と
を積層した。
は、溝周期が入射光波長の０．１〜１０倍であり、その
表面側から順に、少なくとも第１層として反射率が３０
％以上である金属膜と、第２層として透明な誘電体膜と
を積層した。
【００１０】入射光波長における前記金属膜の屈折率が
２．０以下、消衰係数が６．０以上であり、かつ入射光
波長における前記誘電体膜の屈折率が１．３０以上１．
６５以下、光学膜厚が入射光波長の０．２０倍以上０．
８０倍以下であることが望ましい。
２．０以下、消衰係数が６．０以上であり、かつ入射光
波長における前記誘電体膜の屈折率が１．３０以上１．
６５以下、光学膜厚が入射光波長の０．２０倍以上０．
８０倍以下であることが望ましい。
【００１１】入射光波長における前記誘電体膜の屈折率
が１．３０以上１．４６以下、光学膜厚が入射光波長の
０．２０倍以上０．３８倍以下であればさらに好まし
い。前記金属膜としてＡｌまたはＡｌを主成分とする合
金、ＡｇまたはＡｇを主成分とする合金、ＣｕまたはＣ
ｕを主成分とする合金、ＡｕまたはＡｕを主成分とする
合金のいずれかを用いると上記特性が実現できる。
が１．３０以上１．４６以下、光学膜厚が入射光波長の
０．２０倍以上０．３８倍以下であればさらに好まし
い。前記金属膜としてＡｌまたはＡｌを主成分とする合
金、ＡｇまたはＡｇを主成分とする合金、ＣｕまたはＣ
ｕを主成分とする合金、ＡｕまたはＡｕを主成分とする
合金のいずれかを用いると上記特性が実現できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下に本発明を実施例に基づいて
説明する。本発明の目的を達成するための膜構成を見出
すため、初めにマトリックス法と呼ばれる方法を用いて
シミュレーションを行った。この方法についてはＨ．
Ａ．Ｍａｃｌｅｏｄ著、「光学薄膜」（日刊工業新聞
社）に詳細に説明されている。
説明する。本発明の目的を達成するための膜構成を見出
すため、初めにマトリックス法と呼ばれる方法を用いて
シミュレーションを行った。この方法についてはＨ．
Ａ．Ｍａｃｌｅｏｄ著、「光学薄膜」（日刊工業新聞
社）に詳細に説明されている。
【００１３】このシミュレーションにより、本発明者ら
は平坦な基板上に金属膜と透明誘電体膜の積層構造を設
けることにより、入射光が斜入射である場合においても
偏光を生じない光学反射鏡が実現できることを見出し
た。
は平坦な基板上に金属膜と透明誘電体膜の積層構造を設
けることにより、入射光が斜入射である場合においても
偏光を生じない光学反射鏡が実現できることを見出し
た。
【００１４】このシミュレーション結果をまとめると、
金属膜としては反射率を高くするため、消衰係数（複素
屈折率の虚数部）ｋが６．０以上と大きい材料が好まし
い。なお、通常の金属ではｋは２０程度以下である。ま
た、屈折率（複素屈折率の実数部）ｎは２．０以下と小
さい材料が好ましい。通常の金属のｎは約０．２以上で
ある。このような特性を満たす金属材料としては、Ａ
ｌ，Ａｇ，Ａｕの他、Ｃｕなどがあり、またこれらのよ
うな単一元素の金属だけでなく、これら金属を主成分と
する合金も使用することができる。
金属膜としては反射率を高くするため、消衰係数（複素
屈折率の虚数部）ｋが６．０以上と大きい材料が好まし
い。なお、通常の金属ではｋは２０程度以下である。ま
た、屈折率（複素屈折率の実数部）ｎは２．０以下と小
さい材料が好ましい。通常の金属のｎは約０．２以上で
ある。このような特性を満たす金属材料としては、Ａ
ｌ，Ａｇ，Ａｕの他、Ｃｕなどがあり、またこれらのよ
うな単一元素の金属だけでなく、これら金属を主成分と
する合金も使用することができる。
【００１５】また、透明誘電体膜については、入射光波
長における前記誘電体膜の屈折率が１．３０以上１．６
５以下、また入射光波長をλとするとき光学膜厚が０．
２０λ以上０．８０λ以下である必要があることがわか
った。さらに、入射光波長における前記誘電体膜の屈折
率は１．３０以上１．４６以下、光学膜厚が０．２０λ
以上０．３８λ以下であることがより好ましい。このよ
うな特性を満たす透明誘電体膜としては、実施例に示し
たフッ化マグネシウム、二酸化珪素、二酸化チタン、酸
化アルミニウムの他、フッ化カルシウム、フッ化アルミ
ニウム、フッ化イットリウム、フッ化イッテリビウム、
一酸化珪素等を用いることができる。特にフッ化マグネ
シウム、フッ化カルシウム等のフッ素化物は金属膜上へ
成膜した際に、金属膜の表面を酸化させることが無いの
で好ましい。
長における前記誘電体膜の屈折率が１．３０以上１．６
５以下、また入射光波長をλとするとき光学膜厚が０．
２０λ以上０．８０λ以下である必要があることがわか
った。さらに、入射光波長における前記誘電体膜の屈折
率は１．３０以上１．４６以下、光学膜厚が０．２０λ
以上０．３８λ以下であることがより好ましい。このよ
うな特性を満たす透明誘電体膜としては、実施例に示し
たフッ化マグネシウム、二酸化珪素、二酸化チタン、酸
化アルミニウムの他、フッ化カルシウム、フッ化アルミ
ニウム、フッ化イットリウム、フッ化イッテリビウム、
一酸化珪素等を用いることができる。特にフッ化マグネ
シウム、フッ化カルシウム等のフッ素化物は金属膜上へ
成膜した際に、金属膜の表面を酸化させることが無いの
で好ましい。
【００１６】回折格子基板の材料について特に限定はな
い。また回折格子となる表面の微細凹凸溝構造の形成方
法にも特に限定はない。
い。また回折格子となる表面の微細凹凸溝構造の形成方
法にも特に限定はない。
【００１７】本発明の金属膜、透明誘電体膜の成膜法
は、特に限定されるものでは無く、真空蒸着成膜法、ス
パッタリング成膜法、ゾルゲル成膜法、化学的気相成長
法（ＣＶＤ）、イオンプレーティングと呼ばれるプラズ
マを利用した真空蒸着成膜法等が利用できる。なお、Ａ
ｕ膜などにおいて基板との付着力が不足する場合には、
必要に応じて例えばＣｒ膜などを基板と金属膜の中間層
として用いてもよく、金属膜は必ずしも１層に限定され
るものではない。
は、特に限定されるものでは無く、真空蒸着成膜法、ス
パッタリング成膜法、ゾルゲル成膜法、化学的気相成長
法（ＣＶＤ）、イオンプレーティングと呼ばれるプラズ
マを利用した真空蒸着成膜法等が利用できる。なお、Ａ
ｕ膜などにおいて基板との付着力が不足する場合には、
必要に応じて例えばＣｒ膜などを基板と金属膜の中間層
として用いてもよく、金属膜は必ずしも１層に限定され
るものではない。
【００１８】
【実施例１】本発明の回折格子の微細凹凸構造は次のよ
うな方法で作製した。はじめに図１に示すガラス基板１
０上にメチルトリエトキシシランを加水分解した液を主
成分とするゾル液をスピンコートで塗布した。これに離
型処理を施した市販のブレーズ付きレプリカ回折格子
（９００本／ｍｍ）を押し型としてプレス成形する。そ
の後、離型、焼成して、回折格子となる微細凹凸構造１
２を得た。凹凸溝の深さは約１μｍ程度である。この微
細凹凸構造表面に金属膜１４としてＡｌを膜厚１００ｎ
ｍとなるように真空蒸着した。このＡｌ膜の反射率は無
偏光光に対して９０％以上である。その上に誘電体膜１
６として二酸化珪素（ＳｉＯ2）、二酸化チタン（Ｔｉ
Ｏ2）を順にそれぞれ２８０ｎｍ、１７０ｎｍの膜厚と
なるように真空蒸着により成膜し、本発明の反射型回折
格子１００を得た。
うな方法で作製した。はじめに図１に示すガラス基板１
０上にメチルトリエトキシシランを加水分解した液を主
成分とするゾル液をスピンコートで塗布した。これに離
型処理を施した市販のブレーズ付きレプリカ回折格子
（９００本／ｍｍ）を押し型としてプレス成形する。そ
の後、離型、焼成して、回折格子となる微細凹凸構造１
２を得た。凹凸溝の深さは約１μｍ程度である。この微
細凹凸構造表面に金属膜１４としてＡｌを膜厚１００ｎ
ｍとなるように真空蒸着した。このＡｌ膜の反射率は無
偏光光に対して９０％以上である。その上に誘電体膜１
６として二酸化珪素（ＳｉＯ2）、二酸化チタン（Ｔｉ
Ｏ2）を順にそれぞれ２８０ｎｍ、１７０ｎｍの膜厚と
なるように真空蒸着により成膜し、本発明の反射型回折
格子１００を得た。
【００１９】この回折格子の回折効率の評価は図２に示
す光学系を用いて以下の通り実施した。１５５０ｎｍ波
長域のレーザー光源２０から、光ファイバ２２を通し、
出射した光５０をコリメートレンズ２４で平行光５２と
し、１／４波長板２６を通して直線偏光５４にした後、
回転角度を調節した１／２波長板２８を通すことにより
偏光状態を制御し回折格子１００に照射した。得られた
ＴＥ偏光、ＴＭ偏光の一次回折光をそれぞれレンズ３０
で集光し、受光素子３２に入射した。生じた電流から回
折光量を評価し、これをＡｌ単層膜の場合の反射光量と
比較することでＴＥ偏光、ＴＭ偏光別に回折効率を算出
した。
す光学系を用いて以下の通り実施した。１５５０ｎｍ波
長域のレーザー光源２０から、光ファイバ２２を通し、
出射した光５０をコリメートレンズ２４で平行光５２と
し、１／４波長板２６を通して直線偏光５４にした後、
回転角度を調節した１／２波長板２８を通すことにより
偏光状態を制御し回折格子１００に照射した。得られた
ＴＥ偏光、ＴＭ偏光の一次回折光をそれぞれレンズ３０
で集光し、受光素子３２に入射した。生じた電流から回
折光量を評価し、これをＡｌ単層膜の場合の反射光量と
比較することでＴＥ偏光、ＴＭ偏光別に回折効率を算出
した。
【００２０】その結果、Ａｌ単層ではＴＥ偏光に対する
回折効率が２５．９％、ＴＭ偏光に対しては７７．１％
であったのに対し、誘電体膜を成膜した回折格子では、
ＴＥ偏光で４５．１％、ＴＭ偏光で７４．５％と偏光依
存性が改善できた。成膜による迷光の増加を評価した
が、変化は見られなかった。
回折効率が２５．９％、ＴＭ偏光に対しては７７．１％
であったのに対し、誘電体膜を成膜した回折格子では、
ＴＥ偏光で４５．１％、ＴＭ偏光で７４．５％と偏光依
存性が改善できた。成膜による迷光の増加を評価した
が、変化は見られなかった。
【００２１】
【実施例２】市販のホログラフィックレプリカ回折格子
（９００本／ｍｍ、Ａｌ反射膜成膜品）にさらにＡｌ／
フッ化マグネシウム（ＭｇＦ2）をそれぞれ１００／２
５０ｎｍの膜厚で蒸着成膜し、波長１５５０ｎｍでの回
折効率を実施例１同様の手法で測定した。結果、Ａｌ単
層ではＴＥ偏光に対する回折効率が３２．８％、ＴＭ偏
光に対しては８２．５％であったのに対し、誘電体膜を
成膜した回折格子では、ＴＥ偏光の場合が４１．９％、
ＴＭ偏光の場合が５４．９％で、反射率はやや低下した
ものの偏光依存性はさらに改善できた。成膜による迷光
の増加を評価したが、変化は見られなかった。
（９００本／ｍｍ、Ａｌ反射膜成膜品）にさらにＡｌ／
フッ化マグネシウム（ＭｇＦ2）をそれぞれ１００／２
５０ｎｍの膜厚で蒸着成膜し、波長１５５０ｎｍでの回
折効率を実施例１同様の手法で測定した。結果、Ａｌ単
層ではＴＥ偏光に対する回折効率が３２．８％、ＴＭ偏
光に対しては８２．５％であったのに対し、誘電体膜を
成膜した回折格子では、ＴＥ偏光の場合が４１．９％、
ＴＭ偏光の場合が５４．９％で、反射率はやや低下した
ものの偏光依存性はさらに改善できた。成膜による迷光
の増加を評価したが、変化は見られなかった。
【００２２】［比較例１］市販のブレーズレプリカ回折
格子（Ａｌ反射膜成膜品）の波長１５５０ｎｍでの回折
効率を測定した。結果は、ＴＥ偏光に対して３０．６
％、ＴＭ偏光に対して５８．７％であった。反射率も低
く、偏光依存性も大きい。
格子（Ａｌ反射膜成膜品）の波長１５５０ｎｍでの回折
効率を測定した。結果は、ＴＥ偏光に対して３０．６
％、ＴＭ偏光に対して５８．７％であった。反射率も低
く、偏光依存性も大きい。
【００２３】［比較例２］市販のホログラフィックレプ
リカ回折格子（９００本／ｍｍ、Ａｌ反射膜成膜品）に
さらにＡｕ薄膜を膜厚１００ｎｍだけスパッタし、波長
１５５０ｎｍでの回折効率を測定した。結果は、ＴＥ偏
光に対して２８．０％、ＴＭ偏光に対して６５．５％で
あった。成膜による迷光の増加を評価したが、変化は見
られなかったが、反射率が低く、偏光依存性も大きい。
リカ回折格子（９００本／ｍｍ、Ａｌ反射膜成膜品）に
さらにＡｕ薄膜を膜厚１００ｎｍだけスパッタし、波長
１５５０ｎｍでの回折効率を測定した。結果は、ＴＥ偏
光に対して２８．０％、ＴＭ偏光に対して６５．５％で
あった。成膜による迷光の増加を評価したが、変化は見
られなかったが、反射率が低く、偏光依存性も大きい。
【００２４】
【発明の効果】本発明によれば、偏光に対する回折効率
の変化が小さく、しかも反射率が高い反射型回折格子を
実現できる。このため、従来、偏光依存性を低減するた
めに光学系に挿入されていたフィルタ等が不要となり、
光学系が簡単化するだけでなく、分光感度を高くでき
る。
の変化が小さく、しかも反射率が高い反射型回折格子を
実現できる。このため、従来、偏光依存性を低減するた
めに光学系に挿入されていたフィルタ等が不要となり、
光学系が簡単化するだけでなく、分光感度を高くでき
る。
【図１】本発明の反射型回折格子の構造を示す断面図で
ある。
ある。
【図２】回折効率の偏光依存性を評価する光学系を示す
図である。
図である。
【符号の説明】 １０ ガラス基板 １２ 微細凹凸構造 １４ 金属膜 １６ 透明誘電体膜 ２０ レーザ光源 ２２ 光ファイバ ２４ コリメータレンズ ２６ １／４波長板 ２８ １／２波長板 ３０ 集光レンズ ３２ 受光素子 ５０ 出射光 ５２ 平行光 ５４ 直線偏光 １００ 反射型回折格子
フロントページの続き (72)発明者 國定 照房 大阪府大阪市中央区道修町３丁目５番11号 日本板硝子株式会社内 (72)発明者 仲間 健一 大阪府大阪市中央区道修町３丁目５番11号 日本板硝子株式会社内 Ｆターム(参考） 2H049 AA07 AA25 AA40 AA43 AA53 AA59 AA63 AA64
Claims (4)
- 【請求項１】溝周期が入射光波長の０．１〜１０倍であ
る回折格子において、その表面側から順に、少なくとも
第１層として反射率が３０％以上である金属膜と、第２
層として透明な誘電体膜とを積層した反射型回折格子。 - 【請求項２】入射光波長における前記金属膜の屈折率が
２．０以下、消衰係数が６．０以上であり、かつ入射光
波長における前記誘電体膜の屈折率が１．３０以上１．
６５以下、光学膜厚が入射光波長の０．２０倍以上０．
８０倍以下であることを特徴とする請求項１に記載の反
射型回折格子。 - 【請求項３】入射光波長における前記誘電体膜の屈折率
が１．３０以上１．４６以下、光学膜厚が入射光波長の
０．２０倍以上０．３８倍以下であることを特徴とする
請求項２に記載の反射型回折格子。 - 【請求項４】前記金属膜がＡｌまたはＡｌを主成分とす
る合金、ＡｇまたはＡｇを主成分とする合金、Ｃｕまた
はＣｕを主成分とする合金、ＡｕまたはＡｕを主成分と
する合金のいずれかであることを特徴とする請求項１な
いし３に記載の反射型回折格子。
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