JP2011059141A - 回折格子 - Google Patents

Abstract

【課題】異なる入射波長の複数の光に対して、入射波長毎に回折効率の大きさを選択できる回折格子を提供する。
【解決手段】
回折格子１０は、粒径と材質とが異なる少なくとも２種類の微小球１，２が結晶化した人工結晶構造層３，４が光の進行方向に直交する方向に交互に配列されている。この回折格子１０は、微小球の前記粒径が０．１５μｍ〜１μｍであり、微小球からなる層の幅が１μｍ〜１２０μｍであり、かつ、複数の入射波長の光に対して回折効率の大きさを個別に選択できる。また、微小球の材質は、ポリスチレン、シリカ、又はポリメチルメタクリレートであることが好ましく、人工結晶構造層３，４は、前記材質を含んだコロイド溶液を乾燥させることによって自己組織的に最密結晶構造を形成していることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、所望の波長の光の回折効率を選択可能な回折格子に関するものである。

回折格子とは、光の回折現象を利用して分光や分波を行う光学素子のことである。回折格子に光を入射させると、回折した光が干渉しあって特定の波長の光のみが残るようになる。回折格子は分析機器をはじめとした様々な用途に応用されている。

回折格子は、微細な溝が平行に刻まれた板状の素子である。従来から、凹凸により行路差をつけるタイプ、屈折率の違いによって行路差をつけるタイプ、鋸歯状断面での反射により行路差をつけるタイプ（ブレーズ回折格子）などが回折格子としてよく用いられる。

次に従来の回折格子の作製方法を説明する。簡素な方法としては、１ｍｍ以下の周期でガラス板に溝を平行に刻んだり、透明シートに黒い線を印刷したりすれば可視光用の回折格子を作製することが可能である。また、量産可能な回折格子の製造方法としては、通常、フォトリソグラフィの技術を用いた方法が採用されている。また、リソグラフィで作成したマスターと呼ばれる型からプラスチック製のレプリカを作成し、それをガラス板に貼り付けてアルミニウムなどの金属を蒸着させる方法もある。また、ホログラフィによって感光性物質にパターン形状を露光し、感光した部分の屈折率が変わることを利用した回折格子の製造方法もある（非特許文献１及び２参照）。

しかしながら、従来の回折格子の作製方法では、波長の異なる複数の光に対して、任意の回折効率を個別に得ることは、設計・作製上、非常に困難であった。従って、一つの光回折格子に多くの波長に対応する機能を集積化することができなかった。

また、光学機器には、書込・再生兼用の光ディスク装置、分光学系、蛍光顕微鏡等のように、異なる波長の光が同一の光路を共有する必要があるものもあり、波長毎に強度や光路を有効に調整することが要望されている。

これらの課題に対して、微小球を用いて、波長の選別と偏向の機能を同時に実現可能なコンパクトな回折格子が提案されており、特許文献１には０．１〜１０μｍ角の微小な球を最密充填構造となるように積層した回折格子が開示されている。

しかしながら、特許文献１では、図６（ａ）（ｂ）の結晶構造及び格子形状に示すように、光の進行方向に沿って単一の微小球１００が最密充填され、積層されている。この特許文献１によれば、微小球１００の結晶構造に起因した光の回折が起こることが示唆されているが、図６（ｃ）（ｄ）の結晶構造及び格子形状に示すように、粒径や材質等が異なる複数の種類の微小球１，２からなる結晶構造を作製できた場合に各結晶構造の相互作用が回折に与える影響まで開示したものではない。言い換えれば、特許文献１の回折格子の結晶構造及び格子形状は、図６（ａ）及び（ｂ）に示すような結晶構造及び格子形状をなしており、Ｘ線回折同様、単一の微小球配列構造に起因したものとなる。そのため、この格子周期より短い波長の光のみ観測することができる。

また、特許文献１によれば、マイクロマニピュレーション法により作製することが好ましいため、工業製品としての量産性が劣るものであった。

特開２００１−９１７１７号公報

（社）応用物理学会他 監修、「回折光学素子入門 増補改訂版」、（株）オプトロニクス社、平成１８年２月８日 「最新 回折光学素子 技術全集」、株式会社 技術情報協会、２００４年１２月２２日

本発明は、以上の状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、入射波長の異なる複数の光に対して、入射波長毎に回折効率の大きさを選択できる回折格子を提供することである。

本願の発明者らは、最密充填された微小球人工結晶構造はコロイド結晶により得られること、前記微小球の粒径・材質・屈折率によって透過・反射スペクトル特性が異なること、等の知見をもとに、異なる粒径又は異なる材質の微小球からなるコロイド結晶を光の進行方向に直交した方向に交互に積層した構造体（図６（ｃ）を参照）が波長選択性の強い回折格子（つまり、入射光の波長毎に異なる回折効率を生じる回折格子）となり得ることを見出し、本発明を完成させるに至った。

すなわち、本発明の一形態における回折格子は、
粒径と材質とが異なる少なくとも２種類の微小球が結晶化した人工結晶構造層が光の進行方向に直交する方向に交互に配列された回折格子であって、
前記微小球の前記粒径が０．１５μｍ〜１μｍであり、
前記微小球からなる前記人工結晶構造層の幅が１μｍ〜１２０μｍであり、かつ、
複数の入射波長の光に対して回折効率の大きさを個別に選択できることを特徴とするものである。

上記のような回折格子は、個々の格子が光の波長と同程度の周期構造をなすため、特定の波長の光に対してその伝播を禁止する禁止帯（すなわち、フォトニックバンドギャップ）を有するフォトニック結晶となる。

本発明の回折格子によれば、粒径及び材質の異なる少なくとも２種類の微小球結晶構造の層が横方向（入射光の進行方向に垂直な方向）に帯状に交互に積層されているため、フォトニックバンドギャップの異なる少なくとも２種類の層が形成される。本発明は、このような構成をとるため、異なる入射波長の複数の光に対して、入射波長毎に回折効率の大きさを選択できる波長選択型の回折格子を提供することが可能となる。

また、本発明の回折格子は、異種の微小球結晶層からなる積層構造をなしており、個々の結晶層の格子定数と同程度の波長の光に対しては、積層構造全体が格子として作用することができる。加えて、個々の微小球の格子定数より十分に短い波長に対しては、従来の回折格子（例えば、特許文献１）同様、その微小球構造に起因した回折が生じる。

本発明の回折格子の作製方法を示したフローチャートである。 コロイド溶液を用いた微小球結晶構造の形成方法を示した図である。 微小球結晶構造の各層における透過スペクトルを示した図である。 図４（ａ）は、本発明の実施例によって作製された微小球結晶構造（積層オパール構造）を光学顕微鏡で観察した結果を示し、図４（ｂ）は、微小球結晶構造の層間境界部を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した結果を示す。 本発明の実施例によって作製された回折格子にレーザーを照射した際に観察された回折像を示す。ここで、図５（ａ）は入射光波長が５６１ｎｍの場合の回折像を示し、図５（ｂ）は入射光波長が４８８ｎｍの場合の回折像を示す。 図６の（ａ）及び（ｂ）は従来の回折格子の結晶構造及び格子形状を示し、図６の（ｃ）及び（ｄ）は本発明に係る回折格子の結晶構造及び格子形状を示す。

以下、本発明を図面に示す実施の形態に基づき説明するが、本発明は、下記の具体的な実施形態に何等限定されるものではない。

（本発明に係る回折格子の作製方法）
まず、図１を参照しながら、本発明に係る回折格子の作製方法について説明する。光学機器等において選択・分離する入射波長を決定し、これらの入射波長の値より微小球の粒径（例えば、第１・第２粒径）と屈折率（例えば、第１・第２屈折率）とを決定する（ステップＳ１）。なお、屈折率は微小球の材質を変えることによって調整することが可能である。具体的には、フォトニックバンドギャップの中心波長は、次式（Ｂｒａｇｇの式）で与えられる。

ここで、ｄは粒子間距離、θは光の入射角度、ｎ_{ｓｐｈｅｒｅ}又はｎ_ｖｏｉｄは、微小球又は空隙の屈折率、ｆは空間に対する微小球の体積比である。

このＢｒａｇｇの式をステップＳ１に利用すれば、所望の波長に応じて微小球の第１・第２粒径と第１・第２屈折率とを決定することが可能になる。

次に、上述した波長の回折特性に合わせて格子幅（例えば、第１・第２格子幅）を決定する（ステップＳ２）。ここで、回折格子幅と回折効率との関係を説明する。多数の窓を備えたマルチスリットからの回折強度分布Ｉ（ｘ）には、次式のような基本原理が存在する。

ここで、λは入射光の波長、Ｎはスリット（つまり格子）の数、ｋはｋ＝２π／λ、ａは格子幅（２ａ）の半分の値、ｄは格子幅及び格子間距離の合計（２ｄ）の半分の値である。

上記式（数２）より格子幅２ａに依存して回折効率が変化することがわかる。従って、ステップＳ１で選択した波長に対して所望の回折効率（回折特性）が得られるように、上記式の基本原理を基にした計算を利用して微小球積層構造の第１・第２格子幅を決定することができる。

以上のステップＳ１，Ｓ２により、以下のステップＳ３において実際に作製するフォトニック結晶構造（人工結晶構造）の主な寸法（微小球の粒径・屈折率、格子幅）が決定される。

（コロイド溶液を利用した微小球結晶構造の積層方法 ステップＳ３）
次に、第１粒径と第１屈折率とを有した複数の微小球からなる第１層と、第２粒径と第２屈折率とを有した複数の微小球からなる第２層と、をそれぞれ第１格子幅と第２格子幅だけ横方向（光の進行方向に対して垂直方向）に交互に積層させる（ステップＳ３）。

ここで、微小球からなる第１・第２層の積層方法として、実質的に平行な２枚の板の狭い間隙にコロイド溶液を注入してコロイド結晶を成長させる方法を利用することが好ましい。具体的には、図２に示すように、２枚の平行な板の狭い間隙（キャピラリーセルとも呼ぶ）の一端から第１微小球１を含んだコロイド溶液を注入すると、他端に向かってコロイド溶液は移動する。そして、他端の端面は外気中に開放されているため、２枚の板とコロイド溶液の液面とでメニスカスが画定される。このメニスカス付近では乾燥の影響が顕著であるため、コロイド溶液が自己組織的に結晶化して配列するようになる（図２（ｂ）の層３を参照）。

なお、微小球の分散したコロイド溶液が乾燥する際に、自己組織的に最密結晶構造を形成することが知られている。例えば、ワシントン大学Ｓａｎｇ Ｈｙｕｎ Ｐａｒｋらによる論文「Ａｓｓｅｍｂｌｙ ｏｆ ｍｅｓｏｓｃａｌｅ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｏｖｅｒ ｌａｒｇｅ ａｒｅａｓ ａｎｄ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｆａｂｒｉｃａｔｉｎｇ ｔｕｎａｂｌｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｌｔｅｒｓ」（Ｌａｎｇｍｕｉｒ １９９９，第１５巻，ｐ．２６６−２７３）にて報告されている。

第１粒径の第１微小球１（コロイド結晶）からなる第１層３を第１格子幅だけ結晶化させた後、今度は、第２粒径の微小球２を含んだコロイド溶液をキャピラリセル内に注入し、既に結晶成長した第１層３の側面まで移動させてコロイドを結晶成長させ、第２格子幅を有した第２層４を自己組織的に配列させる。

この２種類のコロイド溶液を上述の方法で交互に繰り返しキャピラリセル内に注入することにより、第１格子幅を有した第１層３と第２格子幅を有した第２層４とをキャピラリセルの平行面内に周期的に積層させることが可能になる。つまり、別々の層３，４が帯状（横方向）に積層されたオパール構造（回折格子１０）となる。なお、理論的には、２周期のみでも回折格子として動作させることは可能である。

微小球１，２の材質として、ポリスチレン、シリカ、又はポリメチルメタクリレートが挙げられる。この微小球の第１・第２粒径の範囲は、好ましくは１５０ｎｍ（０．１５μｍ）〜１μｍ、さらに好ましくは１５０ｎｍ〜４００ｎｍである。入射波長が４００ｎｍ（０．４μｍ）より小さくなると光は十分に反射せず吸収が大きくなってしまい、この下限の波長をバンドギャップの中心波長として上述したＢｒａｇｇの式に与えて算出される微小球の粒径が１５０ｎｍである。上記材質からなる微小球を用いた場合、粒径が１５０ｎｍ未満では紫外域の波長に対してフォトニックバンドギャップを有することになるが、同時に光の吸収の効果が顕著になってくるため本発明の目的とする回折格子には適さない。

一方、微小球１，２の第１・第２粒径を１μｍより大きくすると、上記コロイド結晶成長法を利用した場合、自己組織的に配列が起こりにくくなってしまう。

また、第１・第２格子幅は、好ましくは１μｍ〜１２０μｍである。格子幅を１μｍより小さくしようとする場合は、上記コロイド結晶成長法では第１・第２層の作製が不可能となるからである。一方、格子幅を１２０μｍより大きくした場合には、可視光に対して０．１度以上の回折角、すなわち十分な光の回折、が生じないためである。

さらに第１・第２層３，４の厚さは、３μｍ〜１５０μｍの範囲に設定することが好ましい。この厚さ範囲内であれば、上記のコロイド結晶成長方法を適用して高品質な微小球層の周期構造体を作製することができる。

以上の説明では、本発明の回折格子として、２種類の層（第１・第２層３，４）のみで積層された構造を用いたが、必ずしもこれに限定されず、３種類以上の層で横方向に積層された構造であってもよい。

なお、本発明の別の実施形態として、本発明の回折格子は、以上の作製方法に以下の工程を追加して作製されていてもよい。具体的には、上記方法によって作製された人工結晶構造層の内部隙間及び周囲に、微小球と異なる物質を含んだ溶液をさらに導入・固化することで、透明材料が人工結晶構造層に沿って形成されるようにしてもよい。これにより、空隙と微小球部分の屈折率の関係を調整することが可能となる。

さらに、透明材料の形成後に微小球を除去することで、透明材料内に上記人工結晶構造をなした空隙が形成されるようにしてもよい。言い換えれば、当初作製された微小球人工結晶構造が空隙に置き換わることになる。これにより、空隙となった部分に、更に異なる媒質を充填した人工結晶構造を得ることができる。

上記のような追加工程は、例えば、簡便な手法である公知のゾルゲル法を利用することによって達成される。具体的には、シリカ、チタニア、アルミナ等の金属酸化物を含むゾル液を上述したポリスチレン微小球人工結晶構造層に導入し、ゲル化プロセスを経て固化し、最後にポリスチレン微小球のみを除去することで得られる。（例えば、Ｑｉｎｇｆｅｎｇ Ｙａｎ らによる「Ｌａｙｅｒ ｔｒａｎｓｆｅｒ ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ ｏｐａｌｉｎｅ ｈｅｔｅｒｏ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌｓ」，Ｌａｎｇｍｕｉｒ、２００８，第２４巻， ｐ．１７９６‐１８００を参照）。なお、微小球の除去は、焼成法や溶解法により実現可能である。

（本発明の回折格子の各層における反射・透過スペクトル）
本発明の回折格子として、三種類のポリスチレン微小球（２００ｎｍ、２４０ｎｍ、２６９ｎｍ）からそれぞれ構成された帯状積層オパール構造を例にとって説明する。

図３に上記微小球からなる各層における透過スペクトルを示す。図３に示すように、第１粒径（２００ｎｍ）の微小球からなる第１層では波長４８８ｎｍ、第２粒径（２４０ｎｍ）の微小球からなる第２層では波長５６１ｎｍ、第３粒径（２６９ｎｍ）の微小球からなる第３層では波長６３０ｎｍの付近で透過率が低く、選択光反射帯を有していることがわかる。また、第１層と第２層との透過率の差に注目してみると、中心波長５６１ｎｍの場合の方が、中心波長４８８ｎｍの場合（図中、１２％）に比して、その差が大きい（図中、３３％）。従って、本発明の実施例に係る回折格子に光を入射させると、４８８ｎｍ、５６１ｎｍのそれぞれの波長の光に対して大きく回折効率が異なる回折格子として機能することがわかる。

なお、第１層と第３層との透過率差に着目すると、中心波長６３０ｎｍの入射光の場合に、非常に高い回折効率が得られることが推察される。

以上のように、本発明の回折格子では、粒径や格子幅の異なる複数の微小球結晶層３，４が光の進行方向に対して直交して（つまり横方向に）周期的に配列されているため、対象となる複数の波長の光に対してそれぞれの結晶層が格子として機能し、これらの格子を透過した光が互いに空間的に干渉することになる。従って、本発明の回折格子は、複数の波長毎に回折効率の大きさを調整可能な波長選択型の回折格子となる。

なお、複数の種類の微小球結晶層を光の進行方向（縦方向）に積層させると、それぞれの波長透過性が単に足し合わされた波長フィルタとなり得るが、本発明の目的とするものではない。

（実施例）
第１粒径０．２μｍ（２００ｎｍ）と第２粒径０．２４μｍ（２４０ｎｍ）の２種類のポリスチレンビーズを用いて、格子幅（第１格子幅と第２格子幅）を夫々約１００μｍに設定して交互に配列された帯状の積層オパール構造をコロイド結晶成長法により作製した。

図４（ａ）に上記実施例によって作製された積層オパール構造を光学顕微鏡で観察した結果を示し、図４（ｂ）にこれらの層間の境界部を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した結果を示す。図４（ｂ）に示すように、層間の境界部に若干の隙間や乱れが観測されるものの、図４（ａ）に示すように、周期的な帯状の積層構造が良好に形成されていることがわかる。

図５は、実施例によって実際に作製された回折格子に、上記選択された波長のレーザーを照射した際に観察された回折像を示す。ここで、図５（ａ）は、入射光波長が５６１ｎｍの場合に回折像であり、図５（ｂ）は、入射光波長が４８８ｎｍの場合に回折像である。この図５（ａ）及び（ｂ）の観察結果により、本発明の回折格子は、強い波長依存性を持つ回折特性を示すことがわかる。特に、図５（ａ）に示すように、波長が５６１ｎｍの入射光の場合に非常に高い回折効率（２．０％程度）が得られることがわかる。なお、波長が４８８ｎｍの場合の回折効率は約０．４％である（図５（ｂ）参照）。

本発明の回折格子は、異なる波長の光が同一の光路を共有する必要のある光学機器において、波長毎に強度や光路を有効に調整することができるため、大変有用となる。このような光学機器には、書込・再生兼用の光ディスク装置、分光学系、蛍光顕微鏡などが挙げられるため、本発明の回折格子は産業上の利用可能性は非常に高い。

１ 第１微小球
２ 第２微小球
３ 第１層
４ 第２層
１０ 回折格子

Claims (5)

1. 粒径と材質とが異なる少なくとも２種類の微小球が結晶化した人工結晶構造層が光の進行方向に直交する方向に交互に配列された回折格子であって、
   前記微小球の前記粒径が０．１５μｍ〜１μｍであり、
   前記微小球からなる前記人工結晶構造層の幅が１μｍ〜１２０μｍであり、かつ、
   複数の入射波長の光に対して回折効率の大きさを個別に選択できることを特徴とする回折格子。
2. 前記微小球の前記材質がポリスチレン、シリカ、又はポリメチルメタクリレートであることを特徴とする請求項１に記載の回折格子。
3. 前記微小球の前記人工結晶構造層は、前記材質を含んだコロイド溶液を乾燥させることによって自己組織的に最密結晶構造を形成していることを特徴とする請求項２に記載の回折格子。
4. 前記人工結晶構造層の内部隙間及び周囲に前記微小球と異なる物質を含んだ溶液をさらに導入・固化することで、透明材料が前記人工結晶構造層に沿って形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の回折格子。
5. 前記透明材料の形成後に前記微小球を除去することで、前記透明材料内に前記人工結晶構造層をなした空隙が形成されていることを特徴とする請求項４に記載の回折格子。