JP2006065312A - 透過型回折光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 透過型回折格子に新たな部品を追加することなく追加機能を付与するとともに、高い回折効率を有し、かつ偏光依存損失が小さい透過型回折光学素子を提供する
【解決手段】 本発明の対象は、基板５０表面に断面の形状が略矩形であるリッジ１４を多数平行に周期的に設けた透過型回折光学素子である。このリッジ１４の頂部表面にストライプ状薄膜層３２を形成し、かつ基板５０とリッジ１４の間に薄膜層３４を挿入する。薄膜層３２はリッジ１４の配列周期と等しい配列周期をもち、薄膜層３４はリッジ１４の配列周期の方向と同方向には周期構造を持たないものとする。
【選択図】 図６

Description

本発明は分光分析機器や複数の波長を使用する光学機器において使用される分光光学素子、特に透過型回折格子を用いた回折光学素子に関する。

回折格子に代表される回折光学素子は、分光分析機器において光スペクトルの解析のために広く利用されている。分光分析においては広帯域に渡ってエネルギー利用効率の高いことが要求される。広帯域で高い回折効率を得るには、反射型回折格子が適している。また、反射型回折格子は、波長に対する回折角度の変化割合、すなわち波長角度分散特性が良好であるため、分光分析機器に広く用いられている。

しかし、回折格子の格子間隔が波長程度の反射型回折格子は、波長分散が大きく、光の偏光状態に対して波長損失特性が著しく変化するという問題があった。このような回折格子は、共鳴領域で動作するため複雑な波長損失特性を示し、広帯域に渡って安定した動作を実現できない（例えば非特許文献１参照）。

これに対して透過型回折格子は、特定波長域において、偏光依存損失（ＰＤＬ）が低く、かつ高い回折効率を実現できるという特徴がある。周期的な溝構造を有する透過型回折格子の場合、回折効率に対して、溝の形状と溝を形成する材料の屈折率とが大きな影響を与える。特に図１に示すような溝１１２の長手方向に対して垂直な断面が矩形状のいわゆるラミナー型の透過型回折格子１００に関しては溝の周期ｐに対して溝の深さｈを十分深くすることにより、高い回折効率を得られることが知られている。溝の周期に対する溝の深さの比を「アスペクト比」と呼び、アスペクト比（ｈ／ｐ）の高い溝をもつ回折格子が高い回折効率をもつと言い換えることもできる。

しかし、アスペクト比の高い溝を精度良く作製するのは加工技術的に難易度が高く、溝の周期が小さい場合には特に作製が難しい。回折格子の溝形状とその光学特性を波長で規格化して考えると、加工上の問題を避けるためには、高屈折率材料を使用し、アスペクト比の小さい透過型回折格子を作製することが望ましいことがわかる。すなわち、同等な光学特性を得るためには、低い屈折率の材料に深い溝を作製するよりも、なるべく高い屈折率の材料を用いて溝を浅くする方が作製プロセス上有利である。

図２に典型的なラミナー型回折格子の回折効率とＰＤＬの波長依存性の例を示す。図１における基板は石英ガラス、リッジ部は高屈折率材料であるＴａ₂Ｏ₅で形成されている。溝深さｈは１３５０ｎｍ、溝の周期ｐは１１１１ｎｍ、溝の幅は５５５ｎｍである。図から１３５０〜１７５０ｎｍの広い波長域にわたってＴＥモード、ＴＭモードの両方に対して回折効率はほぼ７０％以上であり、ＰＤＬも−０．７〜＋０．５ｄＢと小さいことがわかる。

なお、回折格子においては、広い波長帯域の光を回折格子に入射すると、短波長の入射光に対する高次の回折角度と長波長の入射光に対する低次の回折角度が重なり、波長を分離できなくなることがよく知られている。この現象による回折光の重なり合いが生じない条件で回折格子を使うことができる波長範囲を回折格子のフリースペクトルレンジといい、最短の波長をλ₁、最長の波長をλ₂、回折次数をｍとすると、次式が成り立つ範囲で定義される。
λ₂−λ₁≦λ₁／ｍ （ただしλ₁＜λ₂）
この式が成り立つ波長範囲内では回折光の重なり合いが生じない条件で回折格子を使うことができる。
鶴田匡夫、「応用光学１」、培風館、１９９０年

透過型回折格子は反射型回折格子に比べると広帯域で低いPDL特性を持つが、上記の例からわかるように、回折効率の高い波長域（１５００〜１６００ｎｍ）でＰＤＬの絶対値が大きくなる傾向があり、回折効率が高くかつＰＤＬが十分に低い波長範囲はそれほど広くないという問題点がある。

また、赤外域の波長で回折格子を使用する場合に可視光をガイド光として使用する場合があるが、例えばλ₁＝６３３ｎｍとλ₂＝１５５０ｎｍの波長の光では、ｍ＝１であっても上式が成り立つ範囲外となり、フリースペクトルレンジの外となる。したがってこれらの波長を同時に回折格子に入射し測定を行うと、波長の重なり合いによるノイズが発生する。このような問題を回避するため、光学フィルタを用いて不要な波長の入射光を遮断したり、光検出器を切り換えたりする手段がとられるが、光学系が複雑になったり、測定操作が煩雑になる問題点があった。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、新たな部品を追加することなく追加機能を付与し、または透過型回折格子の欠点を補うとともに、高い回折効率を有し、かつＰＤＬが小さい透過型回折光学素子を提供することを目的とする。

本発明では上記課題を解決するために、基板表面に長手方向に垂直な断面形状が略矩形であるリッジ状凸部を多数平行に周期的に設けた回折格子を備えた透過型回折光学素子を対象に、次の手段を用いた。

上記の基板表面に平行でこの基板表面から一定距離にある回折格子の表面の一部またはリッジ状凸部内に界面をもちこの基板表面に平行な面内において均一な組成を有する複数の平行なストライプ状薄膜層をリッジ状凸部の配列周期と一致する周期でその配列周期の方向と同方向に配列し、かつこの基板表面に平行でこの基板表面または基板内にその表面に平行な界面をもち基板表面に平行な面内において均一な組成を有した、リッジ状凸部の配列周期の方向と同方向には周期構造を持たない薄膜層を設ける。

リッジ状凸部の配列周期の方向と同方向には周期構造を持たない薄膜層には回折光に対する種々の機能を付与することができる。例えば、この薄膜層を使用する波長の光以外を除去する光学フィルタとすれば、外部に光学フィルタを設けることなくフリースペクトルレンジ外の入射光を除去する機能を付与することができる。

一方、リッジ状凸部の配列周期と一致する周期で同方向に配列されたストライプ状薄膜層は、回折格子へ光が入射するときの損失を低減する効果をもつ。したがって、この２種類の薄膜層をいわゆるラミナー型回折格子と組み合わせて用いることにより、従来の透過型回折格子にない機能を備え、しかもより広い波長域で回折効率が高く、かつＰＤＬが低い透過型回折光学素子を提供できる。

上記のストライプ状薄膜層はリッジ状凸部の頂部表面のみに設けることが望ましい。ラミナー型回折格子のリッジ頂部は回折格子への光の入射面の１つであり、入射光の反射を減ずるための薄膜層を形成する面として適している。リッジ頂部はストライプ状の平面となっているので、ここに薄膜層を形成すればストライプ状薄膜層が得られる。

上記のリッジが屈折率ｎ_Hの材料で構成され、透過型回折格子として所望の特性が得られる溝深さがｈであるとき、リッジ頂部表面に設けたストライプ状薄膜層の屈折率ｎ_L、膜厚ｈ_L、屈折率ｎ_Hの材料で構成されらリッジの高さｈ_Hを、次式
ｎ_H×ｈ＝ｎ_L×ｈ_L＋ｎ_H×ｈ_H
を満足するように設定することが望ましい。

単一材料からなるラミナー型の回折格子はある特定の溝形状で最良の光学特性が得られる。リッジの材料の屈折率に対して最良の光学特性が得られる溝深さが与えられた場合、薄膜層を設けた場合に溝深さが光学的にこれと等価になるように薄膜層の屈折率と膜厚を選ぶことにより、回折格子の特性にストライプ状薄膜層の光学特性が付加され、さらに広い波長域で回折効率が高く、かつＰＤＬが低い透過型回折光学素子を提供できる。

上記のストライプ状薄膜層が２種類以上の材料からなる２層以上の多層膜である場合には、多層膜全体の平均屈折率をｎ_La、総膜厚をｈ_Ltとするとき、上記ｎ_Lをｎ_Laに、ｈ_Lをｈ_Ltに置き換える。
反射を減少させる効果は単層膜より多層膜を用いた方が一般に優れている。この場合、多層膜全体の平均屈折率と総膜厚によって単層膜の屈折率と膜厚を置き換えることにより、広い波長域で回折効率が高く、かつＰＤＬが低い透過型回折光学素子を提供できる。

さらに上記ストライプ状薄膜層をリッジ状凸部の頂部表面とリッジ状凸部間の溝底部表面に設けることが望ましい。ラミナー型回折格子の溝底部も回折格子への光の入射面の１つであり、溝底部表面にも薄膜層を形成することによりさらに入射光の反射を減少させる効果が得られる。

上記同様にリッジが屈折率ｎ_Hの材料で構成され、透過型回折格子として所望の特性が得られる溝深さがｈであるとき、リッジ頂部表面に設けたストライプ状薄膜層の屈折率ｎ_Lu、膜厚ｈ_Lu、溝底部表面に設けたストライプ状薄膜層の屈折率ｎ_Ld、膜厚ｈ_Ld、屈折率ｎ_Hの材料で構成されたリッジの高さｈ_Hを、次式
ｎ_H×ｈ＝ｎ_H×ｈ_H＋ｎ_Lu×ｈ_Lu−ｎ_Ld×ｈ_Ld
を満足するように設定することが望ましい。

この場合もリッジの材料の屈折率に対して最良の光学特性が得られる溝深さが与えられた場合、薄膜層を設けた場合に溝深さが光学的にこれと等価になるように薄膜層の屈折率と膜厚を選ぶことにより、回折格子の特性にストライプ状薄膜層の光学特性が付加され、さらに広い波長域で回折効率が高く、かつＰＤＬが低い透過型回折光学素子を提供できる。

上記のストライプ状薄膜層の少なくともいずれかが２種類以上の材料からなる２層以上の多層膜である場合には、多層膜１組の平均屈折率をｎ_La、総膜厚をｈ_Ltとするとき、上記ｎ_Lをｎ_Laに置き換え、ｈ_Luをｈ_Ltに、またはｈ_Ldをｈ_Ltに置き換える。
上記同様、多層膜全体の平均屈折率と総膜厚によって単層膜の屈折率と膜厚を置き換えることにより、広い波長域で回折効率が高く、かつＰＤＬが低い透過型回折光学素子を提供できる。

またリッジ状凸部の配列周期の方向と同方向には周期構造を持たない薄膜層に波長選択性のある透過特性を付与する。
例えば、この薄膜層を、使用する光を透過し、それ以外の光を反射または吸収するような光学フィルタの膜構成とする。このような膜構成の薄膜層をリッジ状凸部と基板の間に設けることで、フリースペクトルレンジの範囲外の入射光が入射されてもそれを遮断することができ、測定時のノイズを低減できる。したがって別途光学フィルタを設けたり、光検出器の切り換えを行うことが不要となる。

本発明によれば、リッジ状凸部の配列周期の方向と同方向には周期構造を持たない薄膜層によって透過型回折格子の回折光に対して新たに部品を追加することなく種々の機能を付与することができる。また、リッジ状凸部の配列周期と一致する周期で同方向に配列されたストライプ状薄膜層は、回折格子へ光が入射するときの損失を低減する効果をもつ。
したがって、この２種類の薄膜層をいわゆるラミナー型回折格子と組み合わせて用いることにより、従来の透過型回折格子にない機能を備え、あるいは欠点を補い、しかもより広い波長域で回折効率が高く、かつＰＤＬが低い透過型回折光学素子を提供できる。

本発明の透過型回折光学素子は、図３に示すようにｘ−ｙ断面が矩形のリッジ状凸部（以下、単にリッジという）１４が基板５０上にｘ方向に周期的に配列したラミナー型回折格子を基本とし、リッジ１４と基板５０の間に薄膜層３４を備えている。この薄膜層３４は基板面上に一様に形成され、少なくともリッジ１４の配列周期の方向（ｘ方向）に対して周期性を持たない。この薄膜層３４には、その膜構成の設計により種々の機能を付与することができる。

この薄膜層には、例えば使用する波長の光を透過し、それ以外の波長の光を反射または吸収するような波長選択性のある透過特性、すなわち光学フィルタの機能を付与することができる。このような光学フィルタをリッジ１４と基板５０の間に設けることで、迷光を低減できる。とくに高次回折光を発生する短波長の光を遮断し、使用波長帯域である長波長の光を透過する光学フィルタであれば、迷光の低減に有効である。

例えば、赤外域で分光計測を行う場合、可視光をガイド光として光路調整、サンプル位置調整を行うが、このガイド光の高次回折光が測定時のノイズとなる。このような場合には上記薄膜層３４をエッジフィルタまたはバンドパスフィルタとし、信号である波長域を透過しガイド光の波長を反射することにより、ノイズを低減することができる。
その一例を以下に説明する。

図３に示した構造の透過型回折光学素子は、基板５０を石英ガラスとし、その上にＴａ₂Ｏ₅からなるリッジ１４が形成されたもので、基板とリッジの間にＳｉＯ₂とＴａ₂Ｏ₅の積層からなる薄膜層３４が挿入されている。薄膜層３４はＴａ₂Ｏ₅／ＳｉＯ₂／Ｔａ₂Ｏ₅（膜厚３８ｎｍ／１０８ｎｍ／３８ｎｍ）の３層構造を１２回繰り返した膜構成とした。回折格子部分の形状としては、図１の従来例と同様で溝深さｈを１３５０ｎｍ、溝の周期ｐを１１１１ｎｍ、溝の幅を５５５ｎｍとした。

図４にこの透過型回折光学素子の１３５０〜１７５０ｎｍの広い波長域にわたる回折効率とＰＤＬの波長依存性の例を示す。図２の特性と比較すると薄膜層３４の挿入により広い波長域にわたってＴＥモード、ＴＭモードに対する回折効率が改善されていることがわかる。またＰＤＬに対する悪影響は見られない。

上記の回折光学素子の機能を図５に示す一般的な赤外吸光の測定系を使用した例で説明する。光源にキセノンランプ１２１を用い、ガイド光２０１として波長６３３ｎｍのヘリウムネオンレーザ１１１を用いた。キセノンランプ１２１が発する白色光３０１をレンズ１２２で平行光とし、赤外光透過フィルタ１２４により可視光成分を除去する。この赤外光３０２は被検体１１６に入射され、被検体の性質にしたがって変化を受けたスペクトルをもつ検出光３０３となって上記の透過型回折光学素子１００に入射される。検出光３０３は薄膜層３４を透過し、回折格子によって回折される。回折光３０４はその波長成分によって角度分離され、レンズ１３２によって光検出器アレイ１１５の入射面に集光される。

一方、ガイド光２０１は半透鏡１１８によって赤外光３０２と合波され、被検体１１６の表面を照射する。被検体１１６を透過したガイド光は上記の透過型回折光学素子１００の薄膜層３４によって反射され、検出光３０３から分離された光２０２となる。

上記回折光学素子によって発生する０次透過光および透過回折光を加えた光量を透過光量として測定した。入射光量に対する透過光量の割合を透過率とすると、薄膜層３４がない場合に波長６３３ｎｍの光の透過率は６６％であり、波長１５５０ｎｍの光の透過率はＴＥ偏光で８３％、ＴＭ偏光で９４％であった。一方で薄膜層３４を設けた場合には、波長６３３ｎｍの光の透過率は２％以下であり、波長１５５０ｎｍの光の透過率はＴＥ偏光で８３％、ＴＭ偏光で９４％であった。

すなわち１５５０ｎｍの赤外光は薄膜層の有無で変化がなく、高透過率を保ったままである。しかし薄膜層３４をつけることによりノイズの原因となる６３３ｎｍの光の透過率を３０分の１以下にすることができ、外部に別途光学フィルタ等を設けることが不要となった。

以上はリッジの配列方向と同じ方向に周期性をもたない薄膜層を挿入することによって付加できる機能の一例である。この追加機能は必ずしも光学的機能には限られない。例えば、この薄膜層がドライエッチングで溝を作製する際のエッチング停止層であってもよい。

一方、このような高屈折率材料を用いた透過型回折格子は、回折格子表面での反射損失が大きくなる傾向があるため、これによって回折効率が低下しやすい。従来、通常の透過型回折格子の回折効率を改善する手段として入射側に、減反射効果を有する構成の膜を設ける手段がとられている（例えば、特開平１０−１７７１０７号公報、あるいは、塩崎学、外１名、「厳密結合波理論を用いた多層膜回折格子の偏波無依存設計およびその試作」、信学技報、社団法人電子情報通信学会、２００４年１月、ＰＮ２００３−６０、ｐ．４７−５０、参照）。

そこで本発明の透過型回折光学素子にも、図６に示すようにラミナー型回折格子はリッジ１４の頂部表面に薄膜層３２を設ける。あるいはさらに図７に示すようにリッジ１４間の溝１２の底部表面に膜３６を設けてもよい。リッジ１４の頂部表面の薄膜層３２と溝１２の底部表面の薄膜層３６は、リッジ頂部表面または溝底部表面とほぼ同一形状のストライプ状であり、回折格子のリッジの周期の方向と同じｘ方向に同周期で平行に存在することになる。
さらにいずれの場合も、基板５０の裏面には回折光が基板と空気の界面で反射するのを防ぐため減反射用被膜３８を施すことが望ましい。

以上より、回折格子の溝の周期と一致する周期で設けられたストライプ状薄膜層３２、３６は、回折格子へ光が入射するときの損失を低減する役割をもち、また回折格子の溝の周期と同じ方向に周期構造を持たない薄膜層３４は、回折された後の光学特性を補正する役割を担うと言える。したがってこのような構成を採用することにより、従来の回折格子より広い波長範囲において回折効率が高く、かつ偏光依存損失（ＰＤＬ）が低い透過型回折光学素子を実現できる。

単一材料からなるラミナー型の回折格子はある特定の溝形状において最良の光学特性が得られる。透過型の回折格子の場合、光学特性は溝本数、材料の屈折率、溝の深さ、リッジの幅などによって変化する。ここでは最良の光学特性が得られるときの材料の屈折率をｎ_H、最良の光学特性が得られる溝深さをｈとし、各部に薄膜層を設けた場合にも、見かけ上、リッジ全体の高さ（溝深さ）の光学長（ｎ_H×ｈ）が変化しないような条件を求める。

まず、図６に示したストライプ状薄膜層３２をリッジ１４の頂部表面のみに有する場合について説明する。図８（ａ）に示すように回折格子のリッジ１４と基板５０の間には薄膜層３４が設けられているが、リッジ頂部表面には薄膜層が設けられていない場合、リッジ６４部分の屈折率をｎ_H、最良の光学特性が得られる溝深さをｈとする。図８（ｂ）のように、この回折格子のリッジ１４の頂部表面のみにストライプ状薄膜層３２を設けたとき、リッジの高さをｈ_Hとし、回折格子の溝の周期と一致する周期で設けられたストライプ状薄膜層３２の屈折率をｎ_L、膜厚をｈ_Lとしたとき、
ｎ_H×ｈ=ｎ_H×ｈ_H＋ｎ_L×ｈ_L （１）
が成り立つようにすればよい。

また、リッジの頂部表面と溝の底部表面の両方にストライプ状薄膜層３２、３６を有する場合（図７に示す構成の場合）は、次のようになる。図９（ａ）に示すように、リッジ２４と基板５０の間に薄膜層３４が設けられているが、ストライプ状薄膜層は設けられていない場合、リッジ２４部分の屈折率をｎ_H、最良の光学特性が得られる溝深さをｈとする。図９（ｂ）に示すように、屈折率ｎ_Hの材料で構成されるリッジ２４の高さをｈ_Hとし、リッジ２４の頂部表面のストライプ状薄膜層３２の屈折率をｎ_Lu、膜厚をｈ_Lu、溝の底部表面のストライプ状薄膜層３６の屈折率をｎ_Ld、膜厚をｈ_Ldとしたとき、
ｎ_H×ｈ= ｎ_H×ｈ_H＋ｎ_Lu×ｈ_Lu−ｎ_Ld×ｈ_Ld （２）
が成り立つようにすればよい。

ストライプ状薄膜層３２、３６は多層膜であってもよく、多層膜の場合、それを構成する各材料の屈折率をｎ1、ｎ2、ｎ3、・・・、ｎ_Nとし、それぞれの膜厚をｈ_L1、ｈ_L2、ｈ_L3、・・・、ｈ_Nとして、ｎ_L、ｈ_Lを
ｎ_L=（ｎ1×ｈ_L1＋ｎ2×ｈ_L2＋ｎ3×ｈ_L3＋・・・＋ｎ_N×ｈ_N）／ｈ_L
ｈ_L= ｈ_L1＋ｈ_L2＋ｈ_L3＋・・・＋ｈ_N
で定義した場合に（１）式または（２）式を満たすようにする。

以上のように、回折格子の基本構成のみで最良の特性が得られるリッジの高さ（溝深さ）の光学長が変わらないように、回折格子の溝の周期と一致する周期で設けられたストライプ状薄膜層とリッジの高さを設定し各層を設けることで、回折格子の基本構成の場合の光学特性を維持し、かつストライプ状薄膜層による光学特性を付加することができる。

例えば回折格子の溝の周期と一致するストライプ状薄膜層が使用波長帯域で減反射効果を有する場合には、回折格子に光が入射する場合の反射損失を小さくできるため、回折格子の基本構成のみの場合の回折効率を上回るような光学特性を得ることができる。

ストライプ状薄膜層を減反射膜とする場合には、特定の入射角で回折格子に入射する使用波長範囲の光に対して透過光が最大となるような膜構成となるようにする。リッジ頂部表面と溝底部表面の両方に膜厚の異なる減反射膜を設ける場合には、リッジ頂部表面側はリッジ部の材料に対し減反射効果が生じる構成であり、かつ、溝の底部表面側は溝の底部の材料に対して減反射効果が生じる構成であることが望ましいが、少なくともリッジ頂部側がリッジ部分の材料に対し減反射効果のある膜構成であることが好ましい。減反射膜は単層膜であっても多層膜であっても良い。

単層膜であれば、リッジ部分の材料よりも屈折率が低い材料であって、膜厚は使用波長λに対し、減反射膜の屈折率をｎ_Lとすると、一般にλ／４ｎ_L程度となる。しかし入射角の大きさによっては、減反射膜部分の特性に偏光依存が生じる。この減反射膜が持つ偏光依存特性と回折格子が有する偏光依存特性がちょうど打ち消しあうように減反射膜の膜厚をλ／４ｎ_Lから適当な値だけずらすと、回折効率が高いだけでなく、偏光依存性も小さい透過型回折格子を得ることができる。

また、この薄膜層に起因して透過率の波長特性に生じるリップルを利用して、回折効率の波長特性を補正することで、ＰＤＬを小さくすることと同時に、使用帯域での透過率を高くする効果を得ることができ、回折効率の最大値を上昇させることができる。

なお、ストライプ状薄膜層は回折格子の表面にある場合を例に説明したが、リッジ内部に設けてもよい。同様にリッジの配列周期の方向に周期性のない薄膜層は基板とリッジの間だけでなく、基板内に設けてもよい。

以下に本発明における透過型回折格子の２つの実施形態を説明する。まずそれぞれの製造方法を説明する。

（製造方法１）
まず、図６に示すような、リッジ１４頂部表面にのみリッジの配列周期と一致する周期のストライプ状薄膜層３２を有する本発明の透過型回折格子１０の製造方法を説明する。はじめに、ガラス基板上に回折格子のリッジの配列周期の方向（ｘ方向）と同じ方向には周期構造を持たない薄膜層をスパッタリング法または蒸着法を用いて成膜する。次にリッジ１４となる材料をスパッタリング法または蒸着法で所定の設計膜厚となるまで成膜を行う。さらに、回折格子のリッジ頂部表面に設ける薄膜層を所定の膜構成になるようにスパッタリングまたは蒸着で成膜する。その後、溝を作製する時のマスクとなるＣｒ膜をスパッタリングで成膜し、所定の周期および溝幅となるようにフォトリソグラフィとエッチングによりマスクパターンを作製する。このマスクを介してリッジ部分になる材料膜を誘導性同軸プラズマ型反応性イオンエッチング（ＩＣＰ−ＲＩＥ）装置により、所定の設計に従った溝深さになるまでドライエッチングを行い、Ｃｒ膜を除去すれば、透過型回折格子１０が作製できる。

（製造方法２）
次に、図７に示すようなリッジ頂部表面および溝の底部表面に薄膜層３２、３６を有する本発明の透過型回折格子２０の製造方法を説明する。はじめに、ガラス基板上にリッジの配列周期の方向（ｘ方向）と同じ方向には周期構造を持たない薄膜層をスパッタリングまたは蒸着で成膜し、その上に回折格子のリッジ部分となる材料をスパッタリングまたは蒸着で所定の設計膜厚となるまで成膜を行う。その後、溝を作製する時のマスクとなるＣｒ膜をスパッタリングで成膜し、所定の周期および溝幅となるようにフォトリソグラフィとエッチングによりマスクパターンを作製する。このマスクを介してＩＣＰ−ＲＩＥにより、所定の設計に従った溝深さになるまで気相エッチングを行う。最後に、Ｃｒ膜を除去し、回折格子面側にリッジの配列周期と一致する周期の薄膜層をスパッタリングまたは蒸着で成膜する。この成膜により、リッジ頂部表面および溝の底部表面に薄膜層３２、３６が形成できる。

［実施例１］
本発明の第１の実施例を説明する。
本実施例の回折光学素子は図６に示すような基本構成を有するものとした。石英ガラス基板上にＴａ₂Ｏ₅からなるリッジが形成された透過型回折格子が設けられ、基板とリッジの間に薄膜層としてＳｉＯ₂とＴａ₂Ｏ₅の積層からなる多層膜が挿入されている。さらにリッジ頂部表面にＳｉＯ₂膜が形成されている。上記の多層膜はＴａ₂Ｏ₅／ＳｉＯ₂／Ｔａ₂Ｏ₅（膜厚３８ｎｍ／１０８ｎｍ／３８ｎｍ）の３層構造を１２回繰り返した膜構成とした。

本実施例の回折光学素子は、上記の製造方法１により作製される。石英ガラス基板上に上記多層膜を成膜し、この多層膜上に回折格子のリッジとなるＴａ₂Ｏ₅膜を形成し、その上にＳｉＯ₂膜を成膜した。その後、その上に溝本数は約９００本／ｍｍ、溝の幅は５５５ｎｍとなるようにＣｒ膜のパターンマスクを作製した。このマスクを介して多層膜構造の直上まで気相エッチングを行い、リッジ頂部表面にストライプ状ＳｉＯ₂膜層を設けた回折光学素子を作製した。また石英ガラス基板裏面には回折光が基板と空気の界面で反射することを防ぐため減反射被膜を施した。

屈折率２．１のＴａ₂Ｏ₅でリッジを作製する場合、最適な溝深さｈは１３５０ｎｍである。これに対してリッジ頂部にＳｉＯ₂膜を形成する場合、（１）式を満たすようにＳｉＯ₂膜の膜厚を決定すると、（１）式におけるｈ_Hとｈ_Lはつぎのようになる。
実施例１：ｈ_H＝１１４０ｎｍ、ｈ_L＝３０６ｎｍ（溝深さ：１４４６ｎｍ）
比較のため、（１）式の関係を満たさないつぎのような組合せの比較例１を作製した。
比較例１：ｈ_H＝１３５０ｎｍ、ｈ_L＝３０６ｎｍ（溝深さ：１６５６ｎｍ）

これらの回折格子に対し、回折格子面側に入射角４５°で波長範囲１３５０ｎｍ〜１７５０ｎｍの光を入射したときの回折効率を測定した。測定結果を図１０に示す。同図（ａ）が実施例１、（ｂ）が比較例１である。両者を比較すると、実施例１の方がより広範囲でＰＤＬが小さい。例えばＰＤＬが−０．５〜０．５ｄＢの範囲となる波長範囲は実施例１では１３５０〜１６３０ｎｍの範囲であるのに対し、比較例１では１４１０〜１５９０ｎｍの範囲である。実施例１の方がとくに短波長側で低ＰＤＬ領域が広くなっている。またＴＥモードとＴＭモードの回折効率がともに８５％以上となる波長は、実施例１では１３５０〜１６６０ｎｍの範囲、比較例１では１４７０〜１７６０ｎｍの範囲と、これも実施例１の方が短波長側で回折効率が高くなっている。もちろん、この回折光学素子に可視光を同時に入射した場合には、多層膜によって反射され、透過回折光に混入することはない。

［実施例２］
本発明の第２の実施例は図７に示すような基本構成を有するものとした。石英ガラス基板上に実施例１と同様にＴａ₂Ｏ₅からなるリッジが形成された透過型回折格子が設けられ、基板とリッジ部の間にＳｉＯ₂とＴａ₂Ｏ₅の積層からなる多層膜が挿入されている。さらにリッジ頂部表面と溝の底部表面とにＳｉＯ₂膜が形成されている。多層膜は実施例１と同様、Ｔａ₂Ｏ₅／ＳｉＯ₂／Ｔａ₂Ｏ₅（膜厚３８ｎｍ／１０８ｎｍ／３８ｎｍ）の３層構造を１２回繰り返した膜構成とした。

本実施例の回折光学素子は、上記の製造方法２により作製される。石英ガラス基板上に上記多層膜を成膜し、この多層膜上に回折格子のリッジとなるＴａ₂Ｏ₅膜を形成した。その後、その上に溝本数は約９００本／ｍｍ、溝の幅は５５５ｎｍとなるようにＣｒ膜のパターンマスクを作製した。このマスクを介して多層膜構造の直上まで気相エッチングを行い、リッジを形成した。その後、Ｃｒマスクを除去し、ＳｉＯ₂膜の成膜を行うことにより、リッジ頂部表面と溝の底部にＳｉＯ₂膜層を同時に形成した。また石英ガラス基板裏面には回折光が基板と空気の界面で反射することを防ぐため減反射被膜を施した。

屈折率２．１のＴａ₂Ｏ₅でリッジを作製する場合、最適な溝深さｈは１３５０ｎｍである。これに対してリッジ頂部と溝の底部にＳｉＯ₂膜を形成する場合、（２）式を満たすように両ＳｉＯ₂膜の膜厚を決定すると、（２）式におけるｈ_Hとｈ_Lu、ｈ_Ldはつぎのようになる。
実施例２：ｈ_H＝１３５０ｎｍ、ｈ_Lu＝ｈ_Ld＝３０６ｎｍ
（溝深さ：１６５６ｎｍ）
比較のため、（２）式の関係を満たさないつぎのような組合せの比較例２を作製した。
比較例２：ｈ_H＝１０４４ｎｍ、ｈ_Lu＝ｈ_Ld＝３０６ｎｍ
（溝深さ：１３５０ｎｍ）

これらの回折格子に対し、回折格子面側に入射角４５°で波長範囲１３５０ｎｍ〜１７５０ｎｍの光を入射したときの回折効率を測定した。測定結果を図１１に示す。同図（ａ）が実施例２、（ｂ）が比較例２の特性を示している。両者を比較すると、実施例２の方がより広範囲でＰＤＬが小さい。例えばＰＤＬが−０．５〜０．５ｄＢの範囲となる波長範囲は実施例２では１３６０〜１７３０ｎｍの範囲であるのに対し、比較例２では１４３０〜１５５０ｎｍの範囲で、実施例１の方がとくに長波長側で低ＰＤＬ領域が広くなっている。またＴＥモードとＴＭモードの回折効率がともに８５％以上となる波長は、実施例２では１３６０〜１７６０ｎｍの範囲、比較例２では１３２０〜１７６０ｎｍの範囲と、これも実施例２の方が長波長側で回折効率が高くなっている。もちろん、この回折光学素子に可視光を同時に入射した場合には、多層膜によって反射され、透過回折光に混入することはない。

従来のラミナー型回折格子の断面模式図である。 従来のラミナー型回折格子の光学特性を示す図である。 薄膜層を設けたラミナー型回折格子の断面模式図である。 薄膜層を設けたラミナー型回折格子の光学特性を示す図である。 透過型回折格子を使用した赤外吸光測定の測定系を示す図である。 本発明の透過型回折光学素子の第１の実施形態を示す断面模式図である。 本発明の透過型回折光学素子の第２の実施形態を示す断面模式図である。 第１の実施形態の透過型回折光学素子の設計概念を示す説明図である。 第２の実施形態の透過型回折光学素子の設計概念を示す説明図である。 第１の実施形態の透過型回折光学素子の光学特性を示す図である。 第２の実施形態の透過型回折光学素子の光学特性を示す図である。

符号の説明

１０、２０ 回折光学素子
１２ 溝
１４、２４、６４ リッジ
３２、３６ ストライプ状薄膜層
３４ 薄膜層
３８ 減反射膜
５０ 基板
１００ 透過型回折光学素子

Claims (8)

1. 基板表面に長手方向に垂直な断面形状が略矩形であるリッジ状凸部を多数平行に周期的に設けた回折格子を備える透過型回折光学素子において、
   前記基板表面に平行で該基板表面から一定距離にある前記回折格子の表面の一部またはリッジ状凸部内に界面をもち該基板表面に平行な面内において均一な組成を有する複数の平行なストライプ状薄膜層が前記リッジ状凸部の配列周期と一致する周期で該配列周期の方向と同方向に配列され、かつ前記基板表面に平行で該基板表面または該基板内にその表面に平行な界面をもち該基板表面に平行な面内において均一な組成を有した、前記リッジ状凸部の配列周期の方向と同方向には周期構造を持たない薄膜層が設けられていることを特徴とする透過型回折光学素子。
2. 前記ストライプ状薄膜層が前記リッジ状凸部の頂部表面のみに設けられていることを特徴とする請求項１に記載の透過型回折光学素子。
3. 前記リッジ状凸部が屈折率ｎ_Hの材料で構成され、透過型回折格子として所望の特性が得られる溝深さがｈであるとき、前記リッジ状凸部の頂部表面に設けたストライプ状薄膜層の屈折率ｎ_L、膜厚ｈ_L、屈折率ｎ_Hの材料で構成されたリッジ状凸部の高さｈ_Hが、次式
   ｎ_H×ｈ＝ｎ_L×ｈ_L＋ｎ_H×ｈ_H
   を満足することを特徴とする請求項２に記載の透過型回折光学素子。
4. 前記ストライプ状薄膜層が２種類以上の材料からなる２層以上の多層膜であり、該多層膜全体の平均屈折率をｎ_La、総膜厚をｈ_Ltとするとき、前記ｎ_Lをｎ_Laに、前記ｈ_Lをｈ_Ltに置き換えることを特徴とする請求項３に記載の透過型回折光学素子。
5. 前記ストライプ状薄膜層が前記リッジ状凸部の頂部表面と該リッジ状凸部間の溝底部表面とに設けられていることを特徴とする請求項１に記載の透過型回折光学素子。
6. 前記リッジ状凸部が屈折率ｎ_Hの材料で構成され、透過型回折格子として所望の特性が得られる溝深さがｈであるとき、前記リッジ状凸部の頂部表面に設けたストライプ状薄膜層の屈折率ｎ_Lu、膜厚ｈ_Lu、前記溝底部表面に設けたストライプ状薄膜層の屈折率ｎ_Ld、膜厚ｈ_Ld、屈折率ｎ_Hの材料で構成されたリッジ状凸部の高さｈ_Hが、次式
   ｎ_H×ｈ＝ｎ_H×ｈ_H＋ｎ_Lu×ｈ_Lu−ｎ_Ld×ｈ_Ld
   を満足することを特徴とする請求項５に記載の透過型回折光学素子。
7. 前記ストライプ状薄膜層の少なくともいずれかが２種類以上の材料からなる２層以上の多層膜であり、該多層膜１組の平均屈折率をｎ_La、総膜厚をｈ_Ltとするとき、前記ｎ_Lをｎ_Laに置き換え、前記ｈ_Luをｈ_Ltに、または前記ｈ_Ldをｈ_Ltに置き換えることを特徴とする請求項６に記載の透過型回折光学素子。
8. 前記リッジ状凸部の配列周期の方向と同方向には周期構造を持たない薄膜層が、波長選択性のある透過特性を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の透過型回折光学素子。
   

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