JP2009512906A - 紫外スペクトル領域に最適化された体積位相ホログラフィック回折格子 - Google Patents

Abstract

体積位相ホログラフィック回折格子デバイスが提供される。この体積位相ホログラフィック回折デバイスは、非常に短い波長の光、例えば、紫外（ＵＶ）スペクトル領域における光と共に用いるために最適化され得る。このデバイスは、カバーおよび基板を含み、カバーおよび基板の両方は、ガラス材料から形成されている。ゼラチン材料の層が、カバー部材と基板部材との間に配置され、ホログラフィックに形成された可変屈折率がこの層に形成され、干渉パターンを設けている。ゼラチン材料は、０．５ミクロン〜１ミクロンの厚さを有しており、この厚さは、ＵＶスペクトル領域における光を回折するのに適し、長寿命であり、非常に効率的である。

Description

（発明の背景）
本発明は、光学系および光学デバイスに用いられる回折デバイスに関し、より具体的には、短波長（すなわち、紫外）スペクトル領域において性能を発揮するように設計された体積位相ホログラフィック回折デバイスに関する。

光学センサは、しばしば、調査対象の物質または物体から反射または散乱された光の特定の帯域から収集された情報に頼る。特に、紫外（ＵＶ）スペクトル領域におけるＲａｍａｎ散乱に関連するエネルギーは、特定の材料を識別する際に重要である。これらのデバイスが動作する信号は本質的に弱いので、これらの弱い信号を検出するために用いられるデバイスは、できる限り光学的効率が良くなければならない。さらに、分光器において、光分散素子（多くの場合では、回折格子）は、光の損失の主要な原因である。入射信号を配向または改変するために用いられるその他の表面は、（散乱により）ノイズを増大させ、（吸収により）光ビームの強度を減衰させる。したがって、分光器における各コンポーネントの効率を最適化すること、特に、回折格子の効率を最適化することが望ましい。

光学素子（例えば、回折格子）の設計における別の重要なファクターは、そのエージングパラメータ（ａｇｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒ）である。回折格子を製造する際に用いられる材料は、時間が経つと、光への露出により劣化し得、材料が特定の方法で光と相互作用する場合には、早く劣化し得る。

体積位相ホログラフィック回折格子に対する従来の設計理念は、ゼラチン材料は、非常に短い光の波長で動作する格子に対しては適切ではない場合があるということであった。当該技術分野における専門家の多くは、ゼラチン材料は入射光を過度に多く吸収し得（それ故、この波長の型（ｒｅｇｉｍｅ）においては不適切であり得る）、そして短時間で崩壊し得ると信じてきた。反対に、ゼラチン材料を用いた回折格子は、短い波長の光（例えば、ＵＶスペクトル領域における光）での動作に最適化され得ることが発見されており、以後本明細書において記載される。

（発明の概要）
簡単に述べると、非常に短い波長の光（例えば、紫外（ＵＶ）スペクトル領域における光）での使用に最適化され得る体積位相ホログラフィック回折デバイスが提供される。デバイスは、カバーおよび基板を備え、カバーおよび基板の両方は、ガラス材料から形成される。ゼラチン材料の層は、カバーおよび基板部材の間に配置され、この層にはホログラフィックに形成された可変屈折率が形成され、入射光を分散および屈折させる。ゼラチン材料は、０．５ミクロン〜１ミクロンの間の厚さを有している。このことは、ゼラチン材料を、ＵＶスペクトル領域において光を回折させるために適した非常に効率的なものとする。この格子の設計は、経年の劣化を被らない。

図１Ａおよび図１Ｂを参照すると、体積位相回折格子が、参照番号１０で一般的に示されている。格子１０は、第１の（基板）層または部材２０、第２の（カバー）層または部材３０、およびそれらの間に挟まれたフレームアセンブリ４０を含んでいる。基板２０およびカバー３０は略長方形として示されているが、これらは任意の形状を取り、ＵＶグレードの石英ガラスまたはその他の適切なガラス材料から形成される。基板２０およびカバー３０は、少なくとも１／４波長（ＨｅＮｅ）平坦（当該技術分野において公知な平坦度）であり、例えば、適切な接着剤を用いてフレームアセンブリ４０のまわりに互いに接着される。

反射防止コーティングが、基板２０およびカバー３０の空気−ガラス界面に付加され得る。例えば、反射防止コーティングは、関心のある波長領域において９９．５％以上の透過率を提供し得る。狭帯域または広帯域の反射防止コーティングが、用途に依存して用いられ得る。その他の機能（例えば、引掻き耐性）に関するその他のコーティング、または格子の性能に影響を与えることなしに格子のクリーニングを容易にするその他のコーティングもまた、必要に応じて外面に付加され得る。

図２および図３に移ると、フレームアセンブリ４０が、より詳細に示されている。フレームアセンブリ４０は、重クロム酸ゼラチン層４２の周囲を囲むフレーム４４を含んでいる。フレーム４４は、ＵＶグレードの石英ガラスまたは別の適切な材料から形成される。フレーム４４の外部には、接着材料４６が存在しており、この接着材料４６は、ゼラチン層４２と接触することなしに、重クロム酸ゼラチン層４２を気密封止するために用いられ得る。

重クロムゼラチン層４２は、この重クロムゼラチン層４２が形成する散乱を最小化するために、ゲルが設置された後に、適切な化学プロセスによって、クロム（重クロム酸塩）を除去する必要がある。干渉パターンが設けられ、ゼラチン層４２において形成されるホログラム内で、可変屈折率がもたらされる。ゼラチン層４２において形成されるホログラムに関連する「線」の本数は、ユーザによって選択され得、格子の特定の用途に依存する。例えば、線の本数は、少数（例えば、３００）からかなりの多数（例えば、６０００以上）までの範囲であり得る。ゼラチン層４２の領域にホログラムを形成する技術は、当該技術分野において周知である。極めて高い分解能が、２パスシステム（ｔｗｏ ｐａｓｓ−ｓｙｓｔｅｍ）を用いて達成され得、この２パスシステムにおいては、光路にミラーが組み込まれている。

図３は、フレーム部材４４が、ゼラチン層４２とカバー３０との間でスタンドオフとして機能することを示している。基板２０とカバー３０との間には、空隙の体積領域６０が存在する。この空隙の体積領域の間には、ゼラチン層４２が配置され、基板２０の表面上に、このゼラチン層４２を設置することが可能である。ゼラチン層４２は、空隙の体積領域６０を完全には満たさない。ゼラチン層は、基板２０とカバー３０との間に直に挟まれている圧力に耐えることができない程の小さな厚さを有しているので、空隙６０が必要である。フレーム部材４４はまた、接着剤４６がゼラチン層４２を汚し、格子の性能を低下させることがないように、ゼラチン層４２から接着剤４６を物理的に分離するように機能する。カバー３０に付加された反射防止コーティングも存在し得、これは、空隙６０と接触する。フレーム部材４４の外部の接着剤４６もまた、基板２０をカバー３０に接着する。

一般的に、格子の透過は、ゼラチン層４２の厚さの増加に伴い減少する。加えて、格子の感度は、厚さの増加に伴い増加する。両方の関係は、波長に依存する。格子の様々な領域における性能の変動を最小化するために、層４２が非常に均一な厚さを有することは重要である。格子の寸法は、用途に依存して変動し得る。例えば、重クロム酸ゼラチン層４２は、２５０ｎｍ〜２８０ｎｍの非偏光（ＵＶ）で動作するために、約０．５ミクロン〜約１．０ミクロンの範囲の厚さを有し得る。加えて、格子は、少なくとも１１０ｍｍ角であり得、少なくとも１０２ｍｍ角の開口を有し得る。

以下では、体積位相ホログラフィック格子（ＶＰＨＧ）に対するゼラチン層４２の適切な（理想の）厚さを決定するための基礎を述べる。単一の材料を通過する単色光に対し、透過量Ｔは、

によって得られる。

実験を通したこれらのパラメータに対する関連値が、表１に示されている。

格子の式は、ＶＰＨＧの挙動を記述する。

式２は、１次の２６０ｎｍの波長に対してブレーズ（ｂｌａｚｅ）される４０００本／ｍｍの線を有する格子に対する適切なブレーズ角θは、

であることを示しており、値は表２に示されている５〜３０°の許容範囲内に完全に含まれる。これらのパラメータは、ブレーズ角を固定する；本明細書において考えられるブレーズ角の範囲全体は、

であり、２５０ｎｍ〜２８４ｎｍの間の波長に対応している。

ブレーズ角θが分かると、格子効率ηが得られる。

この式において、Δｎは屈折率における変化であり、ｘはゼラチン層の厚さであり、λは関心のある波長であり、θは入射光がゼラチンに衝突する角度（すなわち、ブレーズ角；特に、Ｋｏｇｅｌｎｉｃｋ、Ｈ．、１９６９、Ｂｅｌｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ、Ｖｏｌｕｍｅ４８、ｐｐ．２９０９を参照のこと）である。Δｎ＝０．１４（表１から）であり、４０００本／ｍｍの線を有する格子が１次の２６０ｎｍの波長に対してブレーズされる場合、格子効率は、ゼラチン層の厚さの関数として、

となる。

理想的なゼラチン層の厚さは、吸収および散乱（式１）の最小化および効率（式３）の最大化を同時にもたらす厚さである。格子の性能は、これら２つの式の積であり、以下のように定義される。

式５によって与えられる関係は、図４における曲線によって示されている（各頂点は、一連の次数の屈折を示しており、最も左の頂点の次数はｍ＝１に対応している）。理想的なゼラチンの厚さを見つけるために、ｘについてτの微分を取り、

（この式において、代入α＝πΔｎ／λｃｏｓθ）、この微分を０にして、結果として得られた等式をｘについて解く。非自明な解のみを示すと、以下の通りである：

この値が確立されると、最大の効率に対する表現（τ_ｍａｘ）が得られる。

基本的な回折パラメータが含まれているとき、式８は、

となる。

中程度の（名目）値μ＝３３２６．７９４４ｃｍ^−１、λ＝２６０ｎｍ、Δｎ＝０．１４、ｍ＝１、ｎ＝１．３、およびΓ＝４０００ｍｍ^−１に対し、ブレーズ角θは

であり、理想的なゼラチンの厚さは、０．８０２μｍである。この結果、理論上最大の効率は、７５．９６％となる。

これらの結果は、任意の所与の構成（α＝βおよびφ＝０）のＶＰＨＧに対するゼラチンの理想的な厚さの計算を提供する。処理（設置および重クロム酸塩の除去）の後、ゼラチン層に重クロム酸塩が残されている場合、格子は、これらの結果が示すよりも効率が低くなる。なぜならば、重クロム酸塩は、入射する光子に対して、追加的な散乱体／吸収体として機能するからである。

回折格子１０を組み立てるための１つの方法は、層４２に対するゼラチン材料を、所望の厚さで、基板２０の上に堆積させることである。ゼラチンの設置が可能になると、その後、クロム酸塩が除去される。次に、ゼラチン層４２を囲むフレーム部材４４が、基板２０に取り付けられる。ゼラチン材料の一部は、基板２０上にフレーム部材４４に対する空間を作るために除去され得る。接着剤４６が、フレーム部材４４の外面のまわりに堆積される。その後、カバー３０が、基板−フレームのサブアセンブリの上に配置され、接着剤４６によって、基板３０に接着される。

図５に移り、格子１０の動作が記載される。入射する（ソースの）光は、格子のカバー側において、格子に衝突する。１次の入射光の一部は（例えばこの例においては）、カバーから反射され、残りは、ゼラチン層を通過して基板へと進む。基板を透過した光は、０次の透過光および１次の透過光を含む。より高い次数（またはこれに匹敵する（ｃｏｍｐｅｔｉｎｇ）その他の次数）あるいは負の次数は存在しない。また、反射光は、屈折光または透過光に対して１８０°のみに伝わる。

回折格子デバイスおよび関連する概念は、多くのアプリケーション（リモートセンシング、および／または遠青波長またはＵＶ波長の型において設計および／または使用される分光器を組み込んだ撮像アプリケーション）に使用され得る。加えて、回折格子デバイスおよび関連する概念は、天体物理学関係の機器、および遠青波長またはＵＶ波長の型において設計および／または使用される分光器を用いる宇宙ベースの観察デバイスに用いられ得る。

本明細書において記載されたシステムおよび方法は、これらの趣旨または主な特性から逸れることなしに、その他の特定の形態で実施され得る。したがって、上述の実施形態は、あらゆる観点で例示として考えられるべきであり、限定を意味していると考えられるべきではない。

図１Ａは、本発明にしたがう、回折格子の分解図である。 図１Ｂは、組み立てられた形の回折格子の斜視図である。 図２は、格子デバイスのフレームアセンブリ部分の平面図である。 図３は、図１Ｂの線３−３で切り取られた断面である。 図４は、格子におけるゼラチン層の厚さに対する格子効率のプロットを示しており、理想的なゼラチン層の厚さの計算をサポートする。 図５は、動作中の格子を示す側面図である。

Claims (20)

1. 紫外（ＵＶ）スペクトル領域において用いるための体積位相ホログラフィック回折格子デバイスであって、
   ａ．第１および第２の向かい合うガラス部材と、
   ｂ．該第１のガラス部材と該第２のガラス部材との間のゼラチン層であって、該ゼラチン層は、０．５ミクロン〜１ミクロンの範囲の厚さを有しており、該層に形成されるホログラムによって形成される可変屈折率を有する領域を有している、ゼラチン層と
   を備えている、デバイス。
2. フレーム部材をさらに含んでおり、
   該フレーム部材は、前記ゼラチン層の周辺の縁のまわりに配置され、前記第１および第２の向かい合うガラス部材の間に配置されており、
   該フレーム部材は、該第１のガラス部材と該第２のガラス部材との間に間隙の体積領域を形成しており、
   該ゼラチン層は、該第１のガラス部材上に存在しており、該間隙の体積領域を満たしているが、完全には満たしていない、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記フレーム部材は、ガラス材料から形成されている、請求項２に記載のデバイス。
4. 接着材料をさらに含んでおり、
   該接着材料は、前記フレーム部材の外部の表面上で、前記第１のガラス部材と前記第２のガラス部材とを互いに接着している、請求項３に記載のデバイス。
5. 前記第１および第２の向かい合うガラス部材の表面上に形成された反射防止コーティングをさらに含んでおり、
   該反射防止コーティングは、関心のあるスペクトル領域において高い透過率を有している、請求項１に記載のデバイス。
6. 前記ゼラチン層は、該ゼラチン層が設置された後に、クロムを除去するために、化学プロセスを受ける、請求項１に記載のデバイス。
7. 前記ゼラチン層は、約０．８ミクロンの厚さを有している、請求項１に記載のデバイス。
8. 前記ゼラチン層は、０．５ミクロン〜１ミクロンの範囲の厚さを有しており、該厚さは、吸収および散乱を最小化し、かつ前記格子デバイスの効率を最大化する、請求項１に記載のデバイス。
9. 体積位相ホログラフィック回折格子デバイスであって、
   ａ．カバー部材および基板部材であって、該カバー部材および基板部材の両方は、ガラス材料から形成されている、カバー部材および基板部材と、
   ｂ．該カバー部材と該基板部材との間のフレーム部材であって、該カバー部材と該基板部材との間に間隙の体積領域を形成している、フレーム部材と、
   ｃ．該カバー部材と該基板部材との間の該空隙における、該基板部材の表面上のゼラチン材料の層であって、該層は、該層に形成されるホログラムによって形成される可変屈折率を有する領域を有している、層と
   を備えている、デバイス。
10. 前記フレーム部材は、ガラス材料から形成されている、請求項９に記載のデバイス。
11. 接着剤をさらに含んでおり、
    該接着剤は、前記フレーム部材の外部の縁のまわりに配置されており、
    該接着剤は、前記基板部材と前記カバー部材とを互いに接着している、請求項９に記載のデバイス。
12. 前記層は、前記ゼラチン材料が設置された後に、クロムを除去するために、化学プロセスを受ける、請求項９に記載のデバイス。
13. 前記層は、０．５ミクロン〜１ミクロンの範囲の厚さを有している、請求項９に記載のデバイス。
14. 前記層は、約０．８ミクロンの厚さを有している、請求項９に記載のデバイス。
15. 前記層は、厚さを有しており、該厚さは、吸収および散乱を最小化し、かつ前記格子デバイスの効率を最大化する、請求項９に記載のデバイス。
16. 体積位相ホログラフィック回折格子デバイスであって、
    ａ．第１および第２の部材であって、該第１および該第２の部材の両方は、ガラス材料から形成されている、第１および第２の部材と、
    ｂ．ゼラチン材料の層であって、該第１の部材と第２の部材との間で、該層に形成される可変屈折率を有するホログラムを有しており、約０．８ミクロンの厚さを有している層と
    を備えている、デバイス。
17. フレーム部材をさらに含んでおり、
    該フレーム部材は、前記ゼラチン層の周辺の縁のまわりに配置され、前記第１の部材と第２の部材との間に配置されており、
    該フレーム部材は、該第１の部材と該第２の部材との間に間隙の体積領域を形成しており、
    該ゼラチン層は、該第１の部材上に存在しており、該間隙の体積領域を満たしているが、完全には満たしていない、請求項１６に記載のデバイス。
18. 前記フレーム部材は、ガラス材料から形成されている、請求項１６に記載のデバイス。
19. 接着材料をさらに含んでおり、
    該接着材料は、前記フレーム部材の外部の表面上で、前記第１の部材と前記第２の部材とを互いに接着している、請求項１７に記載のデバイス。
20. 前記ゼラチン層は、該ゼラチン層が設置された後に、クロムを除去するために、化学プロセスを受ける、請求項１６に記載のデバイス。

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