JP2007515689A - 交互の多層スタックを持つ２次元回折格子ネットワーク、その製法そしてそれらのネットワークを備える分光器 - Google Patents

Abstract

本発明は多色性のもしくは準単色性の光束を分散するための２次元回折ネットワークに係るものであって、表面（３）を有する基板（２）と、基板の厚み方向で周期ｄの薄い二周期性層の第1のスタック（５）と第2のスタック（６）とを含んでいる。これらのスタックは少なくとも１０周期を含んでいて、各周期は少なくとも２つの異なる材料（７，８）の層から形成され、前記のスタック（５，６）は幅ｐ／２の、相互に平行な連続ライン（１１）を形成し、これらのラインは基板（２）の表面に平行な方向に沿って周期ｐで規則的に反復している。前記の第２のスタック（６）は前記の第１のスタック（５）と交互に幅ｄ／２だけずれている。前記のスタック（５，６）は基板（２）が支える厚い格子（９）を形成している。本発明に従って、前記の厚い格子（９）はせいぜいｄ／２に等しい幅の薄い表面格子（１０）を上に配している、同じ基本メッシュの２倍周期の反復により形成されている。

Description

本発明は多色性もしくは準単色性の光束を分散するための２次元回折格子とそれの製法とそれらの格子を含むモノクロメーターと分光器とに係るものである。

２次元格子とは基板の表面方向とこの表面に垂直な方向に沿って同時に広がる格子を言う。

赤外線、可視光線、紫外線そして光子エネルギーが２０００ｅＶを越えないＸ線領域まで反射による格子を従来から利用している。様々な材料（シリコン、石英・…）でつくられた短波長用格子は一般に層板状断面、すなわちせいぜい矩形ストローブに近いプロフイルを持っている。このプロフイルは、精確に磨いた表面をフォトリソグラフィ・マスクを介して化学侵食もしくはイオン衝撃することによりつくられる。この作りかたこそが最高のプロフイルの均整と最高に厳密な彫りの側面とを削り出し、その結果不要の拡散光を排して回折光について最高の性能を発揮させるのである。回折格子は（正もしくは負）の多くのオーダーで光を回折させてしまうと言う欠点を持っている。反復比（ｃｙｃｌｉｃ ｒａｔｉｏ）、窪み／周期を思慮深く選択することにより偶数の次数もしくはオーダーの強度を減らせる。所与のオーダーにおける最大効率は、ストローブの上方部分により回折された光とそれの下方部分により回折された光とが同相となる、すなわち、

（ここで入射角α_ｉと回折角α_ｄとは回折格子の表面の面に対して決められる）とき得られる。これらの角度は入視射角もしくは視射角と考えられる。

格子の表面は高密度材料、例えばプラチナもしくは金の薄い層で覆われている。Ｘ線の領域でのその材料の光学的インデックス１に対し偏りが非常に小さいのでこれらの膜層は、光の非常なすれすれ入射に対してだけ所要の反射特性を、それも弱く呈するだけで、そのため光子のエネルギーは高い。

さらに、モノクロメーターもしくはスペクトロメーターでは、波長は格子への光の入射角により選択される。入視射角に制限されていることが、その波長範囲内で同じ格子を使える波長範囲を狭くする。さらに、「シャドーイング」効果が回折効率をかなり減少させる。これらの「シャドーイング」効果は、格子表面のある部分が入射光を直接受けることができないか、もしくは有用なオーダーの方向に沿って直接放出しないと言う事実から生じてくる。

基板の表面の位置に対してこれらの格子のパラメーターを次第に変えていくことも有用なやり方である。最も多く行っているのは基板表面の周期（ヘトリック エム等；アプライド・オプテイックス；１０月２３日（１９８３）３９２１、ヘトリック エム；アプライド・オプテイックス２２（１９８４）３２２１）、又基板表面のラインの深さ（フランクス エイ、米国３９８０８８３）を次第に変えている。

格子の回折効率を高めるため小さいブレーズ角スケールで格子を使うことが知られている。格子の各ファセットにより光が優位偏光方位に沿って反射され、それにより特定のオーダーにおける回折効率を増強する。それが「ブレーズ」角である。しかしながら、反射率がラメラー格子の角度範囲と同じ角度範囲へ偏向を制限する。しかし、ブレーズ角は小さいままである。ｋｅＶオーダーの光子エネルギーに対してファセットの角度は１°に近く、そのことがそのようなブレーズド格子の製作を非常に困難なものとする。

多層スタックで被膜した食刻もしくはエングレーブド格子は、前に説明した基板につくった食刻格子であり、その上には薄層のスタックから形成した反射トリートメントを沈着している。高密度要素（高いインデックス）の薄い層と別の低密度要素（低いインデックス）の薄い層とを交互に基板に沈着させてスタックとする。そのような反射膜層の動作原理は可視範囲に対しての多誘電性スタックのそれと同じであって、非常に多数の層の内側への光浸透と次式の位相条件が満足されるときの各インターフエースの協働とに基づいている。

、ここでｅは層の厚みであり、αは光のインターフエース上での入視射角であり、λは光の波長である。

米国特許４，９１５，４６３（バービー、ティ．ダブリュ．，ジュニアー）（図１）は周期ｄのラメラー格子から成る反射による回折格子を説明しており、二つの異なる材料の交互の層のスタックである周期ｄの一組の合成多重層から成る。スタックの周期ｄと格子のステップの食刻の深さＨとがこのタイプの格子に対し満足しなければならない関係は次式の通りである。

、ここでδはスタックの平均インデックスの１に対する偏差であり、Ａは入視射角、ｋはランダムな整数であり、そしてｍはブラグのオーダーであって、多層格子を使用している。

しかしながら、ここではＨ／ｄの比が高いと言うことを暗に考えている。この式（１）の補正項は、平均インデックス１ｄの多層内を伝播する光と真空を伝播する光とが所与の深さで同相ではないと言う事実から導出される。この式（１）に至る考えは、垂直に極めて近く入射するときに使用される小さい分散格子に対してのみ有効である単純化を表わしている。

ハインツマン ユ（ジャーナル オブ フイジークＩＩＩ、４巻、９号、１６２５−１６３７頁；０１／０９／１９９４）は、食刻の深さと多層の周期との間の関係が様々なオーダーの回折における効率を制御することを証拠を挙げて説明した。それによると、もし食刻の深さがスタックの準周期の奇数倍に等しいと、オーダー０がキャンセルされると言うことである。

ハインツマンが調べた例では食刻の深さは多層の準周期の５倍に等しい。その結果、表面格子の変調深さは、２周期性格子の厚みの１９ｄ／２に対して５ｄ／２とかなりになる。真空と多層とが交互となっているこの格子は最適とはされてはいず、有用なオーダーと望ましくないオーダーとの間に結合を生じる。その結果格子の性能が影響を受け、そしてオーダー０のキャンセルが不完全のままとなる。さらに、垂直入射での使用が＋１と−１のオーダーにおいて実質的に同じ効率を生じる。

ブレーズ効果を非常に高いオーダーへ増強して非常に高い分散から利益を受けようと思って食刻格子上に多層膜を施してブレーズド格子とする（ライフ ジェイ．シー．等；フイジカ スクリプタ４１（１９９０）４１８）。

多層スタックを深く食刻して格子を作ることも知られている。エルコの最初の論文（エルコ エイ．アイ等；ニュークリア インストラム．メソ．エイ３３３（１９９３）５９９）からさらに多数の論文がこのタイプの格子の製作法と特性について出版された。これらの出版物の中でも８００ｎｍの横周期を持つ無定形金属の多層格子Ｗ／Ｓｉを、それらの格子の逆格子空間における３次元表現に基づいて研究したミクリクの論文（ミクリク ピー．等；ジェイ．フイジクス ディ：アプライド フイジクス．３４（２００１）エイ１８８）が注目される。もし食刻が深く、そしてもし食刻プロフイルの前側面が垂直であると、通常ラメラー多層格子と呼ばれる２周期性構造となる。

これらの格子は２周期性であるが、連続ではなく、それらの構造内に間隙を呈している。その結果、多層材料と真空との間での突然の推移が、金属膜の従来のラメラー格子の場合のように、回折のすべてのオーダーにおいて光を送ろうとする。かくして、これらの多層格子が格子の回折効率を改善したとしても、回折のあるオーダーを選択することはできない。

本発明の目的は、設計が簡単で、経済的で、合成クリスタルのように挙動し、そしてユニットセルにおける対称性を得ることができて、あるオーダーにおける回折光を減少もしくは排除し、指定されたオーダーの回折効率を増強する回折格子を提供することである。

この目的を達成する本発明は、表面を有する基板と、厚み方向で周期ｄの薄い二周期性層の第1のスタックと第2のスタックとを含み、これらのスタックは少なくとも１０周期を含んでいて、各周期ｄは少なくとも２つの異なる材料の層から形成され、前記のスタックは幅ｐ／２の、相互に平行な連続ラインを形成し、これらのラインは基板の表面に平行な方向に沿って周期ｐで反復し、前記の第２のスタックは前記の第１のスタックと交互に幅ｄ／２だけずれていて、これらのスタックは基板が支える厚い格子を形成している、多色性のもしくは準単色性の光束を分散するための２次元回折格子に係るものである。

本発明に従って、前記の厚い格子は同じユニットセルの２倍周期の反復から成っていて、せいぜいｄ／２に等しい振幅の薄い表面格子を頂部に配している。

異なる実施例において本発明は個々にもしくは技術上組合せが可能である以下の特徴を備えている。
‐２次元格子の外表面は薄い表面格子を含んでいない。
‐厚い格子は周期ｐの、相互に平行なラインを含み、そしてスタックの一つと同相のラインを含むエンボスド面を有する。
‐基板のエンボスド面は三角形の断面を呈し、この三角形の底辺の幅はｐ／２で、深さはせいぜいｄ／２で、そしてスタックと同相の周期ｐ／２である。
‐基板の上面は平坦面である。
‐基板の上面は凹面、凸面、球面もしくは非球面である。
‐格子のラインの周期ｐが基板の表面の位置に従って連続的に変わる。
‐薄い層の周期ｄが基板の表面の位置に従って連続的に変わる。
‐第１と第２のスタックに保護層が沈着している。
‐基板と各スタックの第１の層との間にフッキング層を設けている。
‐２次元回折格子は順次の材料の間にバリヤー層を設けている。
‐ユニットセルを形成する材料のインデックスの分布が対称的であったり、もしくは反対称的であって、使用するとき回折を少なくとも１桁弱くしたり、強くしたりする。
‐ユニットセルを形成する材料のインデックスの分布が前記のユニットセルに対して対称的である。
‐ユニットセルは異なる光学的インデックスを有する２つの材料から成る。
‐格子の周期ｐとスタックの周期ｄとは、比ｄ／ｐが何処の点でも変らないように格子の表面の位置に従って連続的に変化している。

本発明は２次元回折格子の製法にも係るものである。

異なる実施例において本発明は個々にもしくは技術上組合せが可能である以下の特徴を備えている。
‐エンボスド面は高さもしくは深さｄ／２の周期的なエンボスドパターンまたはくぼみパターンを基板の上に含んでいる。
‐少なくとも２つの異なる材料の層から成る周期ｄの薄い周期層のスタックを沈着し、 第１スタックと第２スタックとを形成し、これらのスタックは同じ形で、交互の連続性の、そして基板の表面に垂直な、周期ｄの方向に沿ってｄ／２だけ位相がずれている。
‐周期的なくぼみパターンを原位置エングレービング法により形成する。
‐周期的なくぼみパターンを原位置沈着法により形成する。
‐２次元回折格子の製法はエンボスド面を滑らかにする手段を含んでいる。

本発明は少なくとも一つの２次元回折格子を含んでいる発光源を分析もしくはフイルタする分光器に係るものである。

本発明に従って前記の格子は既述の回折格子である。

異なる実施例において本発明は個々にもしくは技術上組合せが可能である以下の特徴を備えている。
‐分光器は光源が発光する波長λ_０を中心とした少なくとも一つの光を含む光ビームを受けるようにつくられていて、格子による波長λ_０の回折光が入射ビームと偏差角Ｄを成すようになっている。

本発明では、
‐２次元回折格子に垂直な法線が偏差角Ｄにおいて光軸角等分線と±１０％内で一定の角度Ｂを成すように回折格子を配向する。
‐角度Ｄと前記の光の波長λ_０は次式により変化し、

、ここでpは格子の表面の周期であり、ｑはこの方向に沿う回折の程度である。
‐角度Ｂが次式で求められ、

ここでｄは格子の表面に垂直な軸に沿う格子の周期であり、ｒはこの方向に沿う回折のオーダーであり、そして

は格子の平均インデックスである。
‐分光器は、２次元回折格子とその格子の前か後に置いた鏡とを含む分散装置を含む。
‐前記の鏡は多層構造を含んでおり、その多層構造は同じ材料から成っており、そして回折格子の層の第１と第２のスタックと同じ周期性を表面に対する法線方向に有している。
‐前記の鏡はそれの表面に対して入射角Ｄ／２で回折した光ビームを受けるように配向され、それにより回折格子により回折され、そして分光器を出るビームが入射ビームに対して平行となるようにしている。

本発明の実施例を以下に添付図を参照して詳述する。
図１は、先行技術の多層回折格子の略図である。
図２は、本発明の第１実施例の回折格子の略図である。
図３は、本発明の第２実施例の回折格子の略図である。
図４は、波ベクトル

と波長λで決められるすれすれ入射に対して、波ベクトル

により特徴付けられる回折オーダーを決めることができるエワルドの作図。
図５は、本発明の第３実施例の回折格子の略図である。
図６は、１ｎｍの波長で図２の回折格子に‐１、０、＋１のオーダーでのすれすれ入射についての回折効率のデジタルシミュレーションの略図であって、従来の金属格子と対比。
図７は、図２の回折格子に‐１、０、＋１のオーダーでのすれすれ入射についての回折効率の測定を示す略図であって、図６のデジタルシミュレーションに対応。
図８は、１ｎｍの波長で図２の回折格子に‐１、０、＋１のオーダーでの３つの固定入射に対し偏向角Ｄについての当該格子の回折効率の測定を示す略図。
図９−２４は、本発明の回折格子の異なる事例を示す。

本発明の第１の実施例の回折格子を図２に示す。厚み方向における周期ｄの２周期層の第１スタック５と第２スタック６とは少なくとも１０周期（表示せず）を含んでおり、各周期ｄは少なくとも２つの異なる材料７，８の層から形成されている。スタック５，６が形成する幅ｐ／２の連続ライン１１は相互に平行で、基板２の表面３に平行に周期ｐで周期的に反復している。第２スタック６は第１スタック５と交互になっていて、幅ｄ／２だけずれており、スタック５，６は基板２に支えられている厚い格子９を形成している。

本発明に従って厚い格子９は、せいぜいｄ／２に等しい振幅を持つ表面格子１０を頂部として、同じユニットセルの二重周期反復から成っている。

本発明の回折格子は多色性のもしくは準単色性の入射ビームで使用することを意図している。

薄い表面格子１０を構成しているラインは、せいぜいｄ／２の厚みの第１の材料７から成り、周期ｐで、そしてせいぜいｄ／２の厚みの真空によって分離されている。

薄い表面格子１０が回折するエネルギーは比較的小さく、以下に示す特性は殆ど影響されることはない。

第１と第２の材料７，８は同じ容積を占めているのがよく（図２）、第１の材料７の層の高さは第２の材料８の層の高さに等しく、ｄ／２であり、そして薄い表面格子１０の窪みの深さはできるだけ浅いのがよい。

厚い格子９が載っている基板２は相互に平行なライン１１を含む窪んだ表面を含んでおり、これらのラインの周期はｐであり、そして一方のスタックと同相である（図３）。基板２は厚い格子９の材料とは異なる材料から構成されていても、同じ材料から構成されていてもよい。

基板２の上面３は平らでも、凹面でも、凸面でも、球面、もしくは非球面でもよい。

厚い格子９は２つ、もしくはいくつかの異なる材料（ｍ_１、ｍ_２、ｍ_３）を含んでいてもよい。それは層間での材料の拡散を防ぐバリヤー層を備えていてもよい。それはフッキング層を備えていてもよい。厚い格子９と薄い表面格子１０とは表面３に沈着した保護層を備えていてもよい。

図３は第２の実施例の回折格子を示す。この回折格子は基板２と、薄い層の第１と第２のスタック５，６から成る厚い格子９とを含む。この回折格子をつくるには、先ず適当な材料の基板２に一定厚みの樹脂を沈着する。２つのコヒーレントな光波をこの層の上で干渉させる。それらの光波は２つの遠い空間点から、多分無限遠点のレーザーから最初発生され、樹脂層が両方の波の干渉部分を受け、その光エネルギーがその干渉部分の樹脂を重合もしくは単量体へ分解する。

次いで溶剤が作用し、既に重合させられた樹脂かもしくは重合させられていない樹脂のどちらかを溶解して基板２の表面に浮出し模様を形成するラインを現出させる。これは原位置エングレービング法である。

変調深さを一般に大きくしなければならないが、マイクロエレクトロニクスで使われているのと同じような選択エングレービング法（化学、イオン、反応性エングレービング等）により行うのが有利である。

こうして準備した基板２の表面３に平行なエンボスドライン１１がつくられ、それは規則的なラメラー断面を有し、多分小さい側面幅の台形で、周期ｐ、深さｈ＝ｄ／２そして反復比１／２であって、すなわち、それはその断面について同じ幅、高さそして低い面を示す。比ｄ／ｐは関係（７）に従って何度かのブレーズ角を得るように選定される。

この基板２の上に、原位置沈着法により、第１の材料（ｍ_１）の薄い層７と第２の材料（ｍ_２）の薄い層８とを交互に沈着させてそれらの間で所与のスペクトル領域における高いインデックス変化を持たせる。このようにして形成した本発明の回折格子は厚い格子９を備え、この厚い格子９は薄い層の第１と第２のスタック５と６とを含んでおり、第１のスタック５は周期ｄ（少なくとも１０周期を含んでいる）で、相互に平行で、周期ｐで周期的に離されている幅ｐ／２のラインを形成しており、第２のスタック６は第１のスタック５と同じように配置された周期dの周期性薄層であって、相互に平行で、周期ｐで周期的に離されている幅ｐ／２のライン１１を形成している。この第２のスタック６は第１のスタック５と組合され、第１のスタック５と連続しており、窪み深さｈ＝ｄ／２の基板２に垂直な方向に第１のスタック５に対してずらされている。両材料７，８のそれぞれの層は同じ厚みを有し、それは下の基板２の窪み深さｈ＝ｄ／２に等しい。両材料７，８の分布はユニット・セルの中心に対して対称である。

上に述べた構造からの結果として、回折格子はそれの表面において最初、薄い層の第１のスタック５と第２のスタック６との間の高さの差によって形成された薄い表面格子１０を現している。

図３に示すように回折格子は薄い表面格子１０を含まないのが有利である。そうするためこの表面を例えば、イオン加工により磨く。

第１と第２のスタック５，６から成る厚い格子９の内側で入射波が急速に減衰するので、深い層は光により影響を受けることはない，もしくは殆ど影響を受けない。

ある実施例では格子のピッチｐと薄い層の周期ｄとは可変であるが、比ｄ／ｐはすべての点において同じままである。ｄとｐの値は１００ｍｍで１５％だけ変化するのが典型である。

少数の指定された回折波、多分一つの回折波に対するこの回折格子の回折効率をかなり大きくできることを説明する理論的な解析ができている。その理論によると、基板２の表面３に垂直な方向と、水平な方向との２つの異なる方向における二重周期性を示すこのタイプの厚い格子９は合成クリスタルのように振舞うと言うことになる。その二重周期構造体４を波ベクトル

の入射波が伝播すると、それは結合して波

の回折ベクトル波を生じる。ただし、両ベクトル波の間の差

（回折ベクトルと呼ぶ）が考慮している回折格子の２周期性構造の反復格子のベクトルであればそのような回折ベクトル波を生じる（ブラッグ条件）。

、ここでモジュールＫ_ｘ＝２π／ｐ、Ｋ_ｚ＝２π／ｄの

と

は厚い格子９の反復格子の基本ベクトルであり、そしてｑとｒとは考慮している方向に沿う回折のオーダーと呼ばれる２つの整数である。両方の波が平均インデックス

（ｎ_１は第１の材料７のインデックスであり、ｎ_２は第２の材料８のインデックスである）の同じ媒体を伝播するものとすると、

である。

こうして、従来の回折格子とは反対に、入射波は回折ビームとは必ずしもならない。しかしながら、ブラッグ条件は完全なクリスタルに対すると同じように厳格ではない。光の垂直浸透は何十と言う対の層への吸収により制限されるからである。回折波ΔＫ_ｚ／Ｋ_ｚ＝１／Ｎとの結合をもたらすＫｚの値に不確実性を生じる。ここでＮは、回折波の形成に関与する薄い層の第１と第２のスタック５，６の周期の数である。水平方向に沿って大きな格子表面を照らすことはあり得、そしてＫ_ｘの不確実性は非常に小さい。

クリスタルのオプティックスとの別の興味深い類似性は、ユニットセルの構造が回折の特定のオーダーを許可したり、拒否したりすることである。波ベクトル

の入射波と波ベクトル

の回折波

との間の結合効率は、ユニットセルにおける光学インデックスの変化分布のフーリエ変換の値ポア

に比例している。例えば、ユニットセルが２つの材料７，８、ｍ_１とｍ_２から成る場合、このインデックスの分布は

で表わせる。ここで、Ｍ（ｘ，ｚ）はスタック５、６の第１の材料７における＋１と第２の材料８における‐１とに等しい関数である、異なるオーダーの間の相対的な強度を記述する構造Ｆ（ｑ，ｒ）のファクターは｜ＴＦ〔Ｍ〕｜^２に比例する、ここでＴＦ〔Ｍ〕は関数Ｍ（ｘ，ｚ）のフーリエ変換である。もし第１の材料７と第２の材料８とがセル内で比較的等しく、そして規則的に分布していると、構造ファクターはインデックスにつれて急速に減少する。両方向で反復比１／２の格子の場合、すなわち、ユニットセルの中心の周りでの２つの材料７，８の等しい、そして対称的な分布の場合、構造ファクタはｚにおけるようにｘにおいて偶数オーダーのすべての拡散に対してゼロであることを示すのは容易であり、それが一つのファクター内で次式になることを示すのは容易である。

一般的に言って、ユニットセルを形成している異なる材料７，８のインデックスの分布における対称性もしくは反対称性が、構造ファクタをキャンセルするか、もしくは反復格子のある節にしていく。

最後に、第２の条件、式（３）｜ｋ_ｄ｜＝｜ｋ_ｉ｜を考慮すると、入射波は非常に少数の回折波、多分一つの回折波とだけ結合させられることができ、そしてこれらの特権オーダーにおける回折はかなり強められる。この強化はブレーズ効果と形式上均等である。

特定の実施例の回折格子により選択される所与のオーダーに対する一致条件を説明する。便宜のため、波の伝播方向は視射角により、すなわち基板２の表面３に平行な面と波ベクトル

とにより形成される角αにより示す。α_ｉは入射角、そしてα_ｄは回折角である。上方に伝播する波は正の角度に対応し、下方に伝播する波は負の角度に対応する。入射光はインデックス

の媒体内では波長λを有し、そして入射面は格子のラインに垂直である。これらの条件下でインデックスｑとｒのオーダーの回折角と入射角とは式（２）、（３）から導出した以下の関係となる。

これらの式を書き直して偏差角Ｄと非対称角Ｂとを明らかにすると、α_ｉ＝‐Ｄ／２＋Ｂであり、そしてα_ｄ＝‐Ｄ／２＋Ｂである。

いずれの波長においても一致条件に合致するには一定の非対称角Ｂを持つ格子を使用すべきであり、従って

この関係が示していることは、インデックスｑとｒのオーダーにおける回折は、同じインデックスｑとｒの網状面上のブラッグ反射として、結晶学の言語で解釈できると言うことである（図３と比較）。それはまた、ブレーズ条件として従来の光学の言葉で理解もできる。

回折させられる傾向にあるオーダーの波ベクトルをエワルドの作図により決定できる（図４）。波ベクトル９

と

の端が半径２π／λの同じ円１０に属し、そしてピッチ２π／ｐと２π／ｄの反復格子の節に位置する。これらの節は、スタック５，６の厚み内を光が僅か浸透すると言う理由で方向

に沿って広げられる。格子は、光を角度的に分散する普通の平らな格子として狭い波長域にわたって作用する。回折強度は関係式（５）、（６）によって決定される中心波長の周りで急速に減少する。ブレーズの条件が遵守されるとき、すなわち入射光軸角等分線に対し、そして式（８）により与えられる出射方向に対して一定の角度Ｂだけ格子が傾けられているとき、最大回折強度が得られる。非対称角Ｂが小さく選定されている、すなわち５度よりも小さいと有利である。

波長λの単色ビームの入射光が格子にあたっており、そしてこのビームがインデックスｑとｒについてブラッグ条件（７）を満たしているとすると、同じ波長λであるが、異なる方向に他のビームが回折させられる。すれすれ入射で動作するよう設計されている格子は小さいブレーズ角Ｂを有し、従って周期ｄとｐとの間の差は非常に大きい。確かなこととして、他の回折させられるオーダーは整数の連続として変化するインデックスｒを有するが、ほぼｒ^２のように変化するインデックスｑを有する。インデックスを持つ（式（４）で決まる）構造ファクタの急減が漂遊オーダーとの入射波の非常に小さい結合を生じる。実際に、ｑ＝＋１、ｒ＝１もしくはｑ＝−１、ｒ＝１のオーダーで働くようにし、そして両方向で１／２に近い反復比を得ようとする。偶数のインデックスｑもしくはｒの対に一致するオーダーは伝播できないので、波長λにおいて回折させられるエネルギーの最大部分は、非常に増強された効率で選択されたオーダーで回折させられ、その残りは格子に吸収される。

オーダー（ｑ、ｒ）に従って回折させるように配向された格子が多色性のビームによって照明されているとすると、式（５）、（６）は合致波長のハーモニック波長λ’＝λ／ｋがインデックスｑ’＝ｋｑ、ｒ’＝ｋｒのオーダーでオーダー（ｑ，ｒ）と同じ方向で回折させられることを示している。構造ファクタにおける急減を考慮して、上方のハーモニックスにより回折させられるビームの汚染を高度に減少させることを期待できる。この汚染はＸ線領域における従来の一次元格子の大きな欠点の一つである。上に述べたように、回折格子が反復比１／２を有し、オーダー（１，１）もしくは（−１、１）で使用されている特定の実施例では回折させられた第１のハーモニックはハーモニック３であり、そしてそれの理論的な回折効率は、光学的インデックスの変化分を無視して、ハーモニック１のそれの１／８１に過ぎない。

しかしながら、今まで使ってきた波の方向は、平均インデックスが

の回折格子の内側を伝播する波の方向であり（ｎ_１は第１材料７のインデックス、ｎ_２は第２材料８のインデックス）、そして使われている波長λはこの媒体内の入射ビームの波長であって、すなわち

である（ここでλ_０は入射ビームの真空内の波長）。以下に例示だけの目的で、ＶＵＶとＸ線の波長領域で適用できるブレーズ角Ｂの簡単にした決定を示す。ＶＵＶとＸ線の波長領域で光学的なインデックスは１に非常に近いが、１よりも小さく、それは

で表わす。真空内の波の伝播角α’と格子の媒体におけるそれの角度αとの間の関係を次式に示す。

真空内の波の入射角が、すれすれ入射のまま全反射角から十分に離れていれば、

、近似式

を用いることができる。その場合式（７）と均等の修正式を得る。

横方向の格子による回折の関係は不変であることを知る。唯一の変化は、波長に応じて修正が必要であるブレーズ条件である。Ｄ’とＢ’とが修正されていない値であるとすることによりブレーズ角の近似値を得る。

丁度今説明した格子の基本特性は次の事によるのである。
‐横方向と深さとにおけるニ重の周期性、そして典型的には（１，１）もしくは(‐１、１)オーダーの、ブレーズ角の小さいすれすれ入射でのＸ線における使用、それ故、そのことは所与のオーダーにおける所与の入射光に対して回折させる波長を制限する。
‐材料７，８が規則的に交互となって分布していること。そのため基板２の表面３に平行な方向と垂直な方向とに沿う反復比が１／２に近くなり、そのことが効果的に回折させられるオーダーの数を制限し、そしてそれの能力を高める。

本発明は交互の多層となっている格子を分光器に使用することにも係るものである。既述の利点を利用することが非対称角Ｂを一定に保ち、そしてそれ故、格子の回折角を変えるだけで分光器を波長に同調させれる。その場合分光器で有利となることは、格子の前後何れかに鏡を配することであって、それの役割は到来ビームの軸に分光器から出ていくビームの方向を揃えることである。この鏡はＤ／２に等しいすれすれ入射で常に機能する。この鏡の反射を高めるにはそれの表面を、格子の第１と第２のスタックと同じ材料から成る薄い層を積み重ねて覆うのがよい。最大反射を得るために鏡の多層スタックへ与える周期はブラッグ関係によって決められる。

、ここでｒ’はブラッグ反射のオーダーである。式（７）と比較すると、ｒ’＝ｒのとき鏡の薄層のスタックの最適周期はｄ’＝ｄｃｏｓＢである。しかしながら、角度Ｂが小さいと、すなわち、Ｂ＜５度であると、誘導される周期の変化分は（ｄ−ｄ’／ｄ）反射プロフイルの幅（Δλ／λ）の前では無視できる。ｄ’の代りに周期ｄのスタックを鏡に使用することにより生じるであろう効率損失は無視できる。

本発明の第３の実施例を図５に示す。この実施例の回折格子が備える基板２には周期ｄ／２、深さｄ／２＝ｐ／２ｔａｎβ（ここでβは三角形の斜辺１１の傾斜角）の三角形断面の格子を形成している。次に、第１の材料７と第２の材料８の規則的なスタックでこの基板２を覆う。各層の厚みはｄ／２に等しく、それぞれ既述のごとく周期はｐとｄであって、薄い層５の第１のスタックと薄い層６の第２のスタックとから成る回折格子が形成されている。非対称角Ｂ、もしくはインデックス（ｑ，ｒ）のオーダーでの回折を特徴としているブレーズ角はＢ＝Ａｔａｎ（ｑｄ／ｒｐ）により決定されるが、優先ブレーズ方向は異なり、そしてオーダー（１，２）のそれであり、Ｂ_１，２≒２β（図５）。

基板２の平均表面に凡そ垂直な断面を呈する窪みパターンをつくることは極端に難しく、不可能ですらある。せいぜい台形のパターンとするぐらいである。そのような基板２に交互の層を沈着することによりつくられる本発明の回折格子のユニットセルの構造ファクタは偶数オーダーの回折に対して精確にニルではない。しかしながら、台形の側面の幅が周期ｐに対して十分に小さいと、得られる回折格子は回折のオーダーを選択し、そしてこれら指定されたオーダーにおける回折効率を高める。

本発明の新規で有用な様々な回折格子の実施例を説明するが、それらはいずれも産業的に生産可能であり、得られる効果が優れていることを示している。これらの格子によりカバーされるスペクトル領域はＸ線（実施例１）から紫外線を経て赤外線までである（実施例２ないし６）。

実施例１
図６ないし図８は本発明の回折格子の第１の実施例である。この回折格子は基板２を備えている。この基板２は平面３に形成されたエンボスド表面を有する格子である。このエンボスはｈ＝３．８±０．２ｎｍの深さの層状断面を有する相互に平行なライン１１を備えている。ライン１１の密度は２４００ライン／ｍｍ、すなわちライン１１の上方部分の幅は、幅ｌ_１＝１２５±４ｎｍであり、下方部分の幅は、幅ｌ_２＝２９２±４ｎｍである。ライン１１は台形であって、それの縁１３の傾斜は１２°と１５°の間である。

この格子はＭｏとＳｉの同じ厚みの交互の層２０対の膜で覆われている。各層の実質的な厚みは３．９ｎｍであり、厚い格子９と薄い表面格子１０とを形成し、せいぜいｄ／２の振幅を有する。こうして形成された回折格子は第１の周期スタック５と第２の周期スタック６とから成り、第１の周期スタック５は相互に平行なライン１１を形成する周期ｄ＝７．８nmの薄い層のスタックで、そのラインは幅ｌ_１＝１２５ｎｍであり、２９２ｎｍ離し、従って周期ｐ＝４１７ｎｍで規則的に間隔があいている。第２の周期スタック６は相互に平行なライン１１を形成する同じ周期ｄの薄い層のスタックで、そのラインは幅ｌ_２＝２９２ｎｍであり、１２５ｎｍ離し、同じ周期ｐで規則的に間隔があいている。この第２のスタック６は第１のスタック５と交互になっていて、エングレービング深さｈ＝ｄ／２だけ基板２に垂直な方向にずらされている。

こうしてつくられた回折格子は予期した理想的な幾何学的形状を正確につくっているものではない。基板２に平行な方向に沿う反復比は０．５に近いそれの所望値からは程遠い。この比はここでは基板２を成形する格子の反復比ｌ_２／ｐに等しい、すなわちｌ_２／ｐ＝０．７０±０．０１である。逆に、エングレーブ深さの測定値ｈと垂直周期との一致は優れている。

図６は二つのタイプの反射膜に対して１ｎｍの波長、すなわち１２４０ｅＶで反復比０．７０のこの格子の効率のデジタルシミュレーションの結果を与えている。二つのタイプの反射膜とは従来のプラチナの薄い層の膜と、測定されたｈの値に適合した、層当たり３．８ｎｍの厚みの多層膜Ｍｏ／Ｓｉとである。一方の膜については、周期ｐの格子の屈折（−１，０，＋１）のオーダーに対応する３つの方向において回折効率を独立して示している。横軸１４は入射角を度で表わし、そして縦軸１５は回折効率を表わしている。プラチナ層で覆われている格子の効率は３度よりも小さい角度に対してオーダー０（実線の曲線１６）でかなりの反射率を示している。−１のオーダーの効率（破線の曲線１７）と＋１のオーダーの効率（鎖線の曲線１８）とはそれぞれ１．９５度と４．４５度のすれすれ入射に対して最大４％を示す大きな変化曲線を有している。

第２組の曲線は厚みが同じ３．８ｎｍに等しいＭｏとＳｉの交互の層で覆われている本発明で説明した格子に対応する。オーダー０（円１９を付けた細い線の曲線）は非常なすれすれ入射に対してかなりの反射率を示しているが、小さい角度でカット・オフが生じている。多層のブラッグ角度ｑ＝０、ｒ＝１、すなわち４．２７度において鋭い反射率のピークも示している。オーダーｑ＝‐１の効率（下向三角形２０の付いた細い曲線）とオーダーｑ＝＋１の効率（上向三角形２１の付いた太い曲線）とはそれぞれ非対称角Ｂに等しい０．９２度の角度的なずれをもってオーダー０のピークの両側１５％で鋭い最大値を示す。これら両曲線２０，２１上の２次最大値２２，２３はオーダー（ｒ＝０，ｑ＝±１）に対応する表面格子のピークの位置において非常に減衰している。最後に、オーダー（ｑ＝±１）の最大と一致して、オーダー０における２つの相対的な最小が存在し、これはブレーズド・オーダーすなわち指定されたオーダーの方へのエネルギーの優先結合の存在を確認させる。

図７は波長１ｎｍの入射光に対して得た測定結果を示す。使用した測定器は２軸ゴニメーターであり、一方の軸は本発明の回折格子を担持し、第二の軸はは検出器を担持している。格子は平行光で照らされ、そして回折させられたオーダーを隔離しており、小さい孔を通して検出器の広がりを制限している。この図７は入射光のすれすれ入射角度に対し格子の回折効率を表わしている。横軸１４は入射角度を表わし、そして縦軸１５は回折効率を表わしている。第１の曲線２４（破線）はオーダーｑ＝‐１に対し、第２の曲線２５（実線）はオーダーｑ＝０に対し、そして第３の曲線２６（鎖線）はオーダーｑ＝＋１に対して得た結果を表わしている。図６の曲線の様相は幾つかの理由で正確に表わされていない。先ず、その応答は測定システムの角度応答により広げられており、その角度応答は入射ビームの幅による孔の大きさのコンボルーションに比例している。その場合、ピークの頂点で測定された強度は小さめで、１５％の代りに９％であって、それはやや台形の断面から生じ、他方シミュレーションは矩形断面を想定しているが、すれすれ入射角におけるそれらの位置は正確であって、シミュレーションのそれと一致する。

入射光を固定し、そして検出器の角度位置を変えることにより得られたこの同じ格子の３つの効率曲線を図８は示している。角度は入射ビームの方向からマークされており、偏向角Ｄとされる。横軸１４は偏向角を表わし、そして縦軸１５は回折効率を表わす。第１曲線２７（破線）はオーダー−１に対して得られた結果を表わし、第２曲線２８（太い実線）はオーダー０に対して得られた結果を表わし、第３曲線２９（鎖線）はオーダー＋１に対して得られた結果を表わしている。３つの曲線２７−２９は、効率が最大である入射角で対応し、オーダー−１において３．３５度、オーダー０において４．２５度、そしてオーダー＋１において５．２度に対応する。８．５５度における効率ピーク値は対称的ではなく、大きい角度の側で肩３０−３２を表わしている。このことは格子とは関係なく、入射ビームのジェオメトリと測定孔のジェオメトリとに関り、そして格子なしでなされた較正測定に因る。入射角３．３５度で測定されたオーダー＋１の測定、第３曲線２９では２次ピーク３３が６．７度に出て、これは格子のオーダー０に対応する。そのピークは非常に減衰しているが、全くなくされているのではない。基本格子の反復比が０．５であるそれの所望値の代りに０．７だからである。オーダー０の小さいピークも第３曲線、すなわちオーダー＋１に対して５．２度でなされた測定の１０．４度で見える。８．５５度における３つのピークも理論とシミュレーションとにより想像されたように、正確に重ねられたものではない。このことは測定ゴニオメータのアライメントと較正誤差に因るのである。

実施例２
図９ないし図１２は波長１９３ｎｍで作用している本発明の回折格子の第２の実施例である。この回折格子は基板２を備えている。この基板２は平面３に形成されたエンボスド表面を有する格子である。このエンボスはｈ＝４０ｎｍの深さの層状断面を有する相互に平行なライン１１を備えている。ライン１１の密度は３２４５．９ライン／ｍｍ、すなわち周期ｐ＝３０８ｎｍである。この格子の窪み／周期の比は０．５０であり、すなわちライン１１の上方部分の幅は、幅ｌ_１＝１５４ｎｍであり、下方部分の幅は、幅ｌ_２＝１５４ｎｍである。ライン１１は矩形である。

この格子はＭｇＦ_２とＬａＦ_３の同じ厚みの交互の層６０対から成る膜で覆われている。各層の実質的な厚みは４０ｎｍである。こうして形成された回折格子は２つの周期スタック５、６とから成り、スタック５、６は相互に平行なライン１１を形成する周期ｄ＝８０nmの薄い層のスタックで、そのラインは幅ｌ_１＝１５４ｎｍで、１５４ｎｍ離し、周期ｐ＝３０８ｎｍで規則的に間隔をあけている。これらのスタックは交互になっていて、エングレービング深さｈ＝ｄ／２だけ基板２に垂直な方向にずらされている。

こうしてつくられた回折格子は、波長１９３ｎｍの光ビームに対して回折オーダーｑ＝−３においてリトロー形で作動する予期された理想的なジェオメトリを正確につくっている

光束の入射角度は７０°に等しい。「入射角度」とはここでは格子表面の垂直線に対し光ビームが格子表面に落ちる角度として定義されている。従って格子表面に垂直に入射する光ビームの入射角度はゼロである。

図９，１０は直線偏光ＴＥ（横電気）成分とＴＭ（横磁気）成分に対し１９０ｎｍから１９７ｎｍの範囲のスペクトル領域でのこの格子の効率のデジタル・シュミレーションの結果を示している。第１の曲線（曲線３６；破線）は、本発明の格子の第２実施例（図３）で説明したような、薄い表面格子１０を含んでいない格子について得られたものである。第２の曲線（曲線３７；太い線）は、本発明の格子の第１実施例（図２）で説明したような、薄い表面格子１０を含む格子について得られたものである。この薄い表面格子はＭｇＦ_２のラインを備えている。第３の曲線（曲線３８；細い線）は、本発明の格子の第１実施例（図２）で説明したような、薄い表面格子１０を含む格子について得られたものである。この薄い表面格子はＬａＦ_３のラインである。

横軸３４はオングストロームで波長を表わしている。縦軸３５は周期ｐの格子の回折‐３のオーダーに対応する回折効率を表わしている。第１の曲線３６はＴＥとＴＭとの両偏光に対して１９３ｎｍ付近で非常に大きい反射率（９０％以上）を示している。第２曲線３７に対して得た効率はやや少ない。偏光効率ＴＭは３．５ｎｍのスペクトル幅を表わし、偏光ＴＥで得られたよりも大きい。

図１１と図１２は、直線偏光ＴＥ（横電気）とＴＭ（横磁気）の要素に対する格子の回折のオーダー‐３における１９０ｎｍから１９７ｎｍの範囲のスペクトル領域についてのこの格子の効率のデジタルシュミレーションの結果を示す。４つの曲線３９−４２は、異なる交互の層の対が６０（太い実線３９）、４０（細い実線４０）、３０（太い破線４１）、そして２０（細い破線４２）について入射光の波長に対して格子の回折効率をそれぞれ示している。横軸３４はオングストロームで波長を表わし、そして縦軸３５は回折効率を表わしている。

格子の回折効率は高く、多層膜のスタックの周期の数は入射光の偏光とは関係なく大きい。最小３０対の層は効率５０％を超えるのに必要であり、そして６０対を越える層でこの実施例で最大効率に到達した。

実施例３
図１３ないし図１５は波長１０５４ｎｍで作用している本発明の回折格子の第３の実施例である。この回折格子は基板２を備えている。この基板２は平面３に形成されたエンボスド表面を有する格子である。このエンボスはｈ＝１９５ｎｍの深さの層状断面を有する相互に平行なライン１１を備えている。ライン１１の密度は１７４０ライン／ｍｍ、すなわち周期ｐ＝５７５ｎｍである。この格子の窪み／周期比は０．５０であり、すなわちライン１１の上方部分の幅は、幅ｌ_１＝２８７．５ｎｍであり、下方部分の幅は、幅ｌ_２＝２８７．５ｎｍである。ライン１１は矩形である。

この格子はＨｆＯ_２とＳｉＯ_２の同じ厚みの交互の層６０対から成る膜で覆われている。各層の実質的な厚みは１９５ｎｍである。こうして形成された回折格子は２つの周期スタック５、６とから成り、スタック５、６は相互に平行なライン１１を形成する周期ｄ＝３９０nmの薄い層のスタックで、そのラインは幅ｌ_１＝２８７．５ｎｍで、２８７．５ｎｍ離し、周期ｐ＝５７５ｎｍで規則的に間隔をあけている。これらのスタックは交互になっていて、エングレービング深さｈ＝ｄ／２だけ基板２に垂直な方向にずらされている。

こうしてつくられた回折格子は、波長１０５４ｎｍの光ビームに対して回折オーダーｑ＝−１においてリトロー形に近い形の予期された理想的なジェオメトリを正確につくっている。光ビームの入射角は（格子の垂直線に対し）６６°に等しい。

図１３と図１４は、偏光ＴＥ（図１３）と偏光ＴＭ（図１４）において９８０ｎｍから１１００ｎｍの範囲のスペクトル領域についてのこの格子の効率のデジタルシミュレーションの結果を示す。本発明の格子の第２の実施例（図３）で説明したような薄い表面格子１０を含まない格子に対して第１の曲線（破線４３）を得ている。本発明の格子の第１の実施例（図２）で説明したような薄い表面格子１０を含む格子に対して第２の曲線（太い実線４４）を得ている。この薄い表面格子１０はＨｆＯ_２のラインを含む。本発明の格子の第１の実施例（図２）で説明したような薄い表面格子１０を含む格子に対して第３の曲線（細い実線４５）を得ている。この薄い表面格子１０はＳｉＯ_２のラインを含む。

横軸３４はオングストロームで波長を表わしている。縦軸３５は周期ｐの格子の回折‐１のオーダーに対応する回折効率を表わしている。

第１の曲線４３は、広い（１０１０ｎｍから１０７０ｎｍ）スペクトル帯域で１０５４ｎｍの付近で偏光ＴＭの直線成分に対して非常に大きい回折効率（９５％以上）を示している。３つの曲線４０−４２について偏光ＴＭにおける効率は、波長１０５４ｎｍ付近の広いスペクトル領域で８８％以上である。偏光ＴＭにおける効率のプロファイルは偏光ＴＥにおいて得られた効率のプロファイルよりも大きいスペクトル幅を表わしている。第３の曲線４５は偏光ＴＥにおいて第１曲線４３のスペクトル幅よりも大きいスペクトル幅を示す。

６０°と８０°との間で変わる入射角に対し、そして交互の対の数が変わっている（細い実線の曲線４６は６０対；太い破線の曲線４７は２０対；太い実線の曲線４８は１５対；そして細い破線の曲線４９は１０対）、薄い表面格子のない格子の偏光ＴＥにおける回折効率のデジタルシミュレーションの結果を図１５に示す。横軸５０は波長１０５４ｎｍの入射ビームの入射角を表わし、そして縦軸５１は回折オーダー‐１の回折効率を表わしている。

厚い格子９のスタックの周期の数が多いほど格子の回折効率は高くなる。この実施例で可能とされる最大効率（９８％）に到達するのに最小２０対の層が必要であり、この最大値（９７％）の９９％に近づくには１５対の層で足りる。この格子の効率はリトロー形態で作動するための最大値である。

実施例４
図１６と図１７は波長８００ｎｍで作用している本発明の回折格子の第４の実施例である。この回折格子は基板２を備えている。この基板２は平面３に形成されたエンボスド表面を有する格子である。このエンボスはｈ＝１２９．２５ｎｍの深さの層状断面を有する相互に平行なライン１１を備えている。ライン１１の密度は１４８０ライン／ｍｍ、すなわち周期ｐ＝６７６ｎｍである。この格子の孔／周期比は０．５０であり、すなわちライン１１の上方部分の幅は、幅ｌ_１＝３３８ｎｍであり、下方部分の幅は、幅ｌ_２＝３３８ｎｍである。ライン１１は矩形である。

この格子はＨｆＯ_２とＳｉＯ_２の同じ厚みの交互の層６０対から成る膜で覆われている。各層の実質的な厚みは１２９．２５ｎｍである。こうして形成された回折格子は２つの周期スタック５、６とから成り、薄い層は相互に平行なライン１１を形成し、周期ｄ＝２５８．５nmであって、そのラインは幅ｌ_１＝３３８ｎｍで、３３８ｎｍ離し、周期ｐ＝６７６ｎｍで規則的に間隔をあけている。これらのスタックは交互になっていて、エングレービング深さｈ＝ｄ／２だけ基板２に垂直な方向にずらされている。

こうしてつくられた回折格子は、波長８００ｎｍの光ビームに対して回折オーダーｑ＝−１においてリトロー形に近い形の動作で予期された理想的なジェオメトリを正確につくっている。

この格子の光ビームの入射角は（格子の垂直線に対し）４１．５°である。

図１６と図１７は、偏光ＴＥ（図１６）と偏光ＴＭ（図１７）において７５０ｎｍから８５０ｎｍの範囲のスペクトル領域についてのこの格子の効率のデジタルシミュレーションの結果を示す。本発明の格子の第２の実施例（図３）で説明したような薄い表面格子１０を含まない格子に対して第１の曲線（破線５２）を得ている。本発明の格子の第１の実施例（図２）で説明したような薄い表面格子１０を含む格子に対して第２の曲線（太い実線５３）を得ている。この薄い表面格子はＨｆＯ_２のラインを含む。本発明の格子の第１の実施例（図２）で説明したような薄い表面格子１０を含む格子に対して第３の曲線（細い実線５４）を得ている。この薄い表面格子１０はＳｉＯ_２のラインを含む。

横軸５５はオングストロームで波長を表わしている。縦軸５６は周期ｐの格子の回折‐１のオーダーに対応する回折効率を表わしている。

第１の曲線５２に対応する格子の効率は、広いスペクトル帯域で８００ｎｍの付近で偏光ＴＥとＴＭの両方に対し非常に大きい値（９５％以上）を示している。３つの曲線５２−５４について偏光ＴＭにおける効率は、波長１０５４ｎｍ付近の広いスペクトル領域で８８％以上である。偏光ＴＭにおける効率曲線は偏光ＴＥにおいて得られた効率曲線よりも大きいスペクトル幅を表わしている。第３の曲線５４は偏光ＴＥにおいて第１曲線５２のスペクトル幅よりも大きいスペクトル幅を示す。

この第４実施例の動作は実施例３の動作と非常に似ている。

実施例５
図１８ないし図２１は波長１５５０ｎｍで作用している本発明の回折格子の第５の実施例である。この回折格子は基板２を備えている。この基板２は平面３に形成されたエンボスド表面を有する格子である。このエンボスはｈ＝２８６．３５ｎｍの深さの層状断面を有する相互に平行なライン１１を備えている。ライン１１の密度は１２００ライン／ｍｍ、すなわち周期ｐ＝８３３ｎｍである。この格子の窪み／周期の比は０．５０であり、すなわちライン１１の上方部分の幅は、幅ｌ_１＝４１６．６ｎｍであり、下方部分の幅は、幅ｌ_２＝４１６．６ｎｍである。ライン１１は矩形である。

この格子はＨｆＯ_２とＳｉＯ_２の同じ厚みの交互の層２０対から成る膜で覆われている。各層の実質的な厚みは２８６．３５ｎｍである。こうして形成された回折格子は２つの周期スタック５、６とから成り、薄い層は相互に平行なライン１１を形成し、周期ｄ＝５７２．７nmであって、そのラインは幅ｌ_１＝４１６．６ｎｍで、４１６．６ｎｍ離し、周期ｐ＝８３３ｎｍで規則的に間隔をあけている。これらのスタックは交互になっていて、エングレービング深さｈ＝ｄ／２だけ基板２に垂直な方向にずらされている。

こうしてつくられた回折格子は、波長１５５０ｎｍの光ビームに対して回折オーダーｑ＝−１においてリトロー形に近い形の動作で予期された理想的なジェオメトリを正確につくっている。

この格子の光ビームの入射角は（格子の垂直線に対し）６８．４４°である。

図１８と図１９は、偏光ＴＥ（図１８）と偏光ＴＭ（図１９）において１４５０ｎｍから１６２０ｎｍの範囲のスペクトル領域についてのこの格子の効率のデジタルシミュレーションの結果を示す。本発明の格子の第２の実施例（図３）で説明したような薄い表面格子１０を含まない格子に対して第１の曲線（破線５７）を得ている。本発明の格子の第１の実施例（図２）で説明したような薄い表面格子１０を含む格子に対して第２の曲線（太い実線５８）を得ている。この薄い表面格子１０はＨｆＯ_２のラインを含む。本発明の格子の第１の実施例（図２）で説明したような薄い表面格子１０を含む格子に対して第３の曲線（細い実線５９）を得ている。この薄い表面格子１０はＳｉＯ_２のラインを含む。

横軸６０はミクロンで波長を表わしている。縦軸６１は周期ｐの格子の回折‐１のオーダーに対応する回折効率を表わしている。

第１の曲線５７に対応する格子の効率は、広いスペクトル帯域（１４７０ｎｍから１５８０ｎｍ）で１５５０ｎｍの付近で偏光ＴＭに対し非常に大きい値（９０％以上）を示している。３つの曲線５７−５９について偏光ＴＭにおける効率は、波長１５５０ｎｍ付近の広いスペクトル領域で８５％以上である。偏光ＴＭにおける効率曲線は偏光ＴＥにおいて得られた効率曲線よりも大きいスペクトル幅を表わしている。第３の曲線５９は偏光ＴＥにおいて第１曲線５７のスペクトル幅よりも大きいスペクトル幅を示す。

第３曲線に至る格子のこの実施例は、低い偏光比で作動し、そして広いスペクトル領域で高い効率示す。

５５°と８８°との間で変る入射角に対して、そして交互の層の対数を２０対（太い実線の曲線６２）、１５対（細い破線の曲線６３）、１０対（細い実線の曲線６４）そして５対（太い破線の曲線６５）と変えていった、表面格子１０のない格子の効率のデジタルシミュレーションの結果を図２０に示す。横軸６６は（入射が格子に垂直のとき０°と決めているときの）入射角を表わし、そして縦軸６７は回折効率を表わす。

多層膜のスタックの周期の数が大きいほど格子の効率は高くなる。最小でも１５ないし２０対の層はこの実施例によって可能とされる最大効率（９９％）に到達するに必要である。

図２１は、１５５０ｎｍの波長で、直線偏光ＴＥ（実線の曲線６８）とＴＭ（破線の曲線６９）に対して同じ範囲の入射角で図２０の格子の効率のデジタルシミュレーションの結果を比較している。横軸７０は（格子に垂直に入射するとき０°と決めたときの）入射角度を表わし、縦軸７１は回折効率を表わしている。この実施例はどのような入射角であっても低い偏光比での作動を可能としている。効率はどの入射角でもリトロー型回折動作に最適である。

実施例６
図２２ないし図２４は波長１５５０ｎｍで働いている本発明の回折格子の第６の実施例である。この回折格子は基板２を備えている。この基板２は平面３に形成されたエンボスド表面を有する格子である。このエンボスはｈ＝２６０．７ｎｍの深さの層状断面を有する相互に平行なライン１１を備えている。ライン１１の密度は９００ライン／ｍｍ、すなわち周期ｐ＝１１１１ｎｍである。この格子の窪み／周期の比は０．５０であり、すなわちライン１１の上方部分の幅は、幅ｌ_１＝５５５．５ｎｍであり、下方部分の幅も、幅ｌ_２＝５５５．５ｎｍである。ライン１１は矩形である。

この格子はＨｆＯ_２とＳｉＯ_２の同じ厚みの交互の層２０対から成る膜で覆われている。各層の実質的な厚みは２６０．７ｎｍである。こうして形成された回折格子は２つの周期スタック５、６とから成り、それの薄い層は相互に平行なライン１１を形成し、周期ｄ＝５２１．４nmであって、そのラインは幅ｌ_１＝５５５．５ｎｍで、５５５．５ｎｍ離し、周期ｐ＝１１１１ｎｍで規則的に間隔をあけている。これらのスタックは交互になっていて、エングレービング深さｈ＝ｄ／２だけ基板２に垂直な方向にずらされている。

こうしてつくられた回折格子は、波長１５５０ｎｍの光ビームに対して回折オーダーｑ＝−１においてリトロー形に近い形の動作で予期された理想的なジェオメトリを正確につくっている。

この格子の光ビームの入射角は（格子の垂直線に対し）４４．２３°である。

図２２と図２３は、偏光ＴＥ（図２２）と偏光ＴＭ（図２３）において１４５０ｎｍから１７００ｎｍの範囲のスペクトル領域についてのこの格子の効率のデジタルシミュレーションの結果を示す。本発明の格子の第２の実施例（図３）で説明したような薄い表面格子１０を含まない格子に対して第１の曲線（破線７２）を得ている。本発明の格子の第１の実施例（図２）で説明したような薄い表面格子１０を含む格子に対して第２の曲線（太い実線７３）を得ている。この薄い表面格子１０はＨｆＯ_２のラインを含む。本発明の格子の第１の実施例（図２）で説明したような薄い表面格子１０を含む格子に対して第３の曲線（細い実線７４）を得ている。この薄い表面格子１０はＳｉＯ_２のラインを含む。

横軸７５はミクロンで波長を表わしている。縦軸７６は周期ｐの格子の回折‐１のオーダーに対応する回折効率を表わしている。

第１の曲線７２に対応する格子の効率は、広いスペクトル帯域（１４８０ｎｍから１６２０ｎｍ）で１５５０ｎｍの付近で偏光ＴＭに対し非常に大きい値（９０％以上）を示している。３つの曲線７２−７４について偏光ＴＭにおける効率は、波長１５５０ｎｍ付近の広いスペクトル領域で８５％以上である。偏光ＴＭにおける効率は偏光ＴＥにおいて得られた効率よりも大きいスペクトル幅を表わしている。第３の曲線７４は偏光ＴＥにおいて第１曲線７２のスペクトル幅よりも大きいスペクトル幅を示す。

第３曲線７４に至る格子のこの実施例は、低い偏光比で作動し、そして広いスペクトル領域で高い効率示す。その領域は実施例５のそれよりもさらに広がっている。

波長１５５０ｎｍの直線偏光ＴＥ（実線の曲線７７）とＴＭ（破線の曲線７８）について、２０°と８８°との間で変る入射角に対し、薄い表面格子１０のない格子の効率のデジタルシミュレーションの結果を図２４に示す。横軸７９は（入射が格子に垂直のとき０°と決めている）入射角を表わし、そして縦軸８０は回折効率を表わす。この実施例はどのような入射角であっても低い偏光比での動作を可能としている。効率はどの入射角でもリトロー型回折動作に最適である。

上記の実施例は、赤外におけるＸ線のスペクトル領域において本発明を使用できることを明示している。

先行技術の多層回折格子の略図である。 本発明の第１実施例の回折格子の略図である。 本発明の第２実施例の回折格子の略図である。 波ベクトルｋ_ｉ（kの上に→）と波長λで決められるすれすれ入射に対して、波ベクトルｋ_−１，１、ｋ_−４，２、ｋ_{−１２，３}、ｋ_{−１３，３}（いずれもkの上に→）により特徴付けられる回折オーダーを決めることができるエワルドの作図。 本発明の第３実施例の回折格子の略図である。 １ｎｍの波長で図２の回折格子に‐１、０、＋１のオーダーでのすれすれ入射についての回折効率のデジタルシミュレーションの略図であって、従来の金属格子と対比。 図２の回折格子に‐１、０、＋１のオーダーでのすれすれ入射についての回折効率の測定を示す略図であって、図６のデジタルシミュレーションに対応。 １ｎｍの波長で図２の回折格子に‐１、０、＋１のオーダーでの３つの固定入射に対し偏向角Ｄについての当該格子の回折効率の測定を示す略図。 本発明の回折格子の異なる事例を示す。

符号の説明

１ 回折格子
２ 基板
３ 表面
５ 第１のスタック
６ 第２のスタック
７ 材料
９ 厚い格子
１０ 薄い表面格子
１１ ライン

Claims (23)

1. 表面（３）を有する基板（２）と、
   厚み方向で周期ｄの薄い二周期性層の第1のスタック（５）と第2のスタック（６）とを含み、これらのスタックは少なくとも１０周期を含んでいて、各周期ｄは少なくとも２つの異なる材料（７，８）の層から形成され、前記のスタック（５，６）は幅ｐ／２の、相互に平行な連続ライン（１１）を形成し、これらのラインは基板（２）の表面に平行な方向に沿って周期ｐで反復し、前記の第２のスタック（６）は前記の第１のスタック（５）と交互に幅ｄ／２だけずれて、前記のスタック（５，６）が基板（２）が支える厚い格子（９）を形成している、
   多色性のもしくは準単色性の光束を分散するための２次元回折格子において、
   前記の厚い格子（９）は同じユニットセルの２倍周期の反復から成っていて、せいぜいｄ／２に等しい振幅の薄い表面格子（１０）を頂部に配したことを特徴とする２次元回折格子。
2. ２次元格子の外表面は薄い表面格子（１０）を含んでいないことを特徴とする請求項１に記載の２次元回折格子。
3. 厚い格子（９）の下になっている基板（２）は、周期ｐの、相互に平行なライン（１１）を含み、そしてスタックの一つと同相となっているエンボスド面を有していることを特徴とする請求項１に記載の２次元回折格子。
4. 基板（２）のエンボスド面は三角形の断面を呈し、この三角形の底辺の幅はｐ／２で、深さはせいぜいｄ／２で、そしてスタックと同相の周期ｐ／２であることを特徴とする請求項１もしくは２に記載の２次元回折格子。
5. 基板（２）の上面は平坦面（３）であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の２次元回折格子。
6. 基板（２）の上面は凹面、凸面、球面もしくは非球面（３）であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の２次元回折格子。
7. 格子のライン（１１）の周期ｐが基板（２）の表面（３）の位置に従って連続的に変わることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の２次元回折格子。
8. 薄い層の周期ｄが基板（２）の表面（３）の位置に従って連続的に変わることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の２次元回折格子。
9. 第１と第２のスタック（５，６）に保護層が沈着していることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の２次元回折格子。
10. 基板（２）と各スタック（５，６）の第１の層との間にフッキング層を設けたことを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の２次元回折格子。
11. 順次の材料（７，８）の間にバリヤー層を設けたことを特徴とする請求項１ないし１０のいずれかに記載の２次元回折格子。
12. ユニットセルを形成する材料（７，８）のインデックスの分布が対称的であったり、もしくは反対称的であって、使用するとき回折を少なくとも１桁弱くしたり、強くしたりすることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれかに記載の２次元回折格子。
13. ユニットセルを形成する材料（７，８）のインデックスの分布がユニットセルの中心に対して対称的であることを特徴とする請求項１２に記載の２次元回折格子。
14. ユニットセルは異なる光学的インデックスを有する２つの材料（７．８）から成ることを特徴とする請求項１２もしくは１３に記載の２次元回折格子。
15. 格子の周期ｐとスタック（５，６）の周期ｄとが比ｄ／ｐが何処の点でも変らないように格子の表面（１２）の位置に従って連続的に変化していることを特徴とする請求項１ないし１４の何れかに記載の２次元回折格子。
16. 高さもしくは深さｄ／２の周期的なエンボスドパターンまたはくぼみパターンを含んでいるエンボスド面を基板（２）の上につくり、
    少なくとも２つの異なる材料（７，８）の層から成る周期ｄの薄い周期層のスタックを沈着し、
    第１スタック（５）と第２スタック（６）とを形成し、これらのスタックは同じ形で、交互の連続性の、そして基板（２）の表面（３）に垂直な、周期ｄの方向に沿ってｄ／２だけ位相がずれている
    ことを特徴とする請求項１ないし１５の何れかに記載の２次元回折格子の製法。
17. 周期的なくぼみパターンを原位置エングレービング法により形成することを特徴とする請求項１６に記載の２次元回折格子の製法。
18. 周期的なくぼみパターンを原位置沈着法により形成することを特徴とする請求項１６に記載の２次元回折格子の製法。
19. エンボスド面を滑らかにする手段を含んでいることを特徴とする請求項１６に記載の２次元回折格子の製法。
20. 格子が請求項１ないし１５の何れかに記載の回折格子であることを特徴とする少なくとも一つの２次元回折格子を含み、発光源を分析もしくはフイルタする分光器。
21. 光源が発光する波長λ_０を中心とした少なくとも一つの光を含む光ビームを受けるようにつくられていて、格子による波長λ_０の回折光が入射ビームと偏差角Ｄを成している、請求項１９に記載の分光器において、
    ２次元回折格子に垂直な法線が偏差角Ｄにおいて光軸角等分線と±１０％内で一定の角度Ｂを形成するように回折格子を配向し、
    角度Ｄと前記の光の波長λ_０は次式により変化し、
    

    

    、ここでpは格子の表面の格子の周期であり、ｑはこの方向に沿う回折の程度であることを特徴とした分光器。
22. 角度Ｂが次式で求められ、
    

    

    ここでｄは格子の表面に垂直な軸に沿う格子の周期であり、ｒはこの方向に沿う回折のオーダーであり、そして
    

    

    は格子の平均インデックスであることを特徴とした請求項２１に記載の分光器。
23. 前記の２次元回折格子とその格子の前か後に置いた鏡とを含む分散装置を含み、
    前記の鏡は多層構造を含んでおり、その構造は同じ材料から成っており、そして回折格子の層の第１と第２のスタック（５，６）と同じ周期性を表面に対する法線方向に有しており、
    前記の鏡はそれの表面に対して入射角Ｄ／２で光が入射したときに回折した光ビームを受けるように配向され、回折格子により回折され、そして分光器を出るビームが入射ビームに対して平行となるようにしたことを特徴とした請求項２０と２１とに記載の分光器。
    

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