JP2011059677A

JP2011059677A - ノッチフィルター

Info

Publication number: JP2011059677A
Application number: JP2010179306A
Authority: JP
Inventors: Saswatee Banerjee; シャッショティーバナジー
Original assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Priority date: 2009-08-11
Filing date: 2010-08-10
Publication date: 2011-03-24

Abstract

【課題】ノッチフィルターは、特定の波長の光の透過率を低くしたフィルターである。特定波長の光の除去を、従来のものよりも効率的に行えるノッチフィルターを提供する。
【解決手段】回折格子を構成する格子線の少なくとも表面を構成する低減衰材料の屈折率の虚数部が０以上０．３以下である回折格子からなるノッチフィルター。透明な基板上に金属線を平行に多数配置し、該金属線の基板と反対側の表面に、屈折率の虚数部が０以上０．３以下である低減衰材料からなる膜を配置して構成される回折格子からなる前記のノッチフィルター。
【選択図】図１

Description

本発明は、ノッチフィルターに関する。特に、回折格子からなる光用のノッチフィルターに関する。

ノッチフィルターは、特定の波長の光の透過率を低くしたフィルターであり、工業用レーザー分野においては、レーザー光線を取り扱うときに用いる眼の保護用のゴーグルとして用いられ、光学部品分野において、特定の波長の光を除去するフィルターとして用いられ、光ファイバー分野においては、特定の波長の光の透過を阻止する素子、ノイズフィルター、信号混合器（multiplexer）、分波器（de-multiplexer）などに用いられる。

例えば、ラマン分光分析装置において、測定対象のサンプルに入射光が照射されて生じた散乱光のうち、レーリー散乱光を取り除く必要がある。入射光がサンプル表面でサンプルを構成する化合物と相互作用を生じることなく散乱された入射光と同じ波長の光をレーリー散乱光といい、入射光がサンプル表面でサンプルを構成する化合物と相互作用を生じて散乱され、入射光とは異なる波長の光をラマン散乱光という。このラマン散乱光はレーリー散乱光より強度が非常に弱いので、分光分析を行うためには、レーリー散乱光をできるだけ取り除く必要があり、レーリー散乱光の有する特定波長の光だけを取り除くノッチフィルターが必要になる。

従来のノッチフィルターとしては、たとえば、写真の乾板に波長の異なる２つ（２色）のレーザー光を照射し、生じた干渉縞を乾板で記録して製造する、いわゆるホログラフィックノッチフィルターが用いられていた（例えば、特許文献１参照）が、特定波長の光の除去を、より効率的に行えるノッチフィルターが求められていた。

特開２００１−５１１２３号公報

本発明の目的は、特定波長の光の除去を、従来のものよりも効率的に行えるノッチフィルターを提供することにある。

そこで、本発明者は、回折格子をノッチフィルターに用いることについて鋭意検討した結果、格子線を平行に並べて構成される回折格子を構成する格子線の材料の屈折率を特定の範囲とすることにより、特定波長の光の除去を、従来のものよりも効率的に行えるノッチフィルターとなることを見出し、本発明を完成させるに至った。

すなわち本発明は、次の［１］〜［５］を提供する。
［１］回折格子を構成する格子線の少なくとも表面を構成する材料の屈折率の虚数部が０以上０．３以下である回折格子からなるノッチフィルター。
［２］透明な基板上に金属線を平行に多数配置し、該金属線の基板と反対側の表面に、屈折率の虚数部が０以上０．３以下である低減衰材料からなる膜を配置して構成される回折格子からなる［１］記載のノッチフィルター。
［３］低減衰材料の屈折率の虚数部が０以上０．０９以下である［１］または［２］に記載のノッチフィルター。
［４］低減衰材料が、酸化アルミニウム、三酸化アンチモン、酸化ベリリウム、酸化ビスマス、酸化セリウム、酸化ハフニウム、酸化マグネシウム、酸化ネオジム、酸化プラセオジム、酸化スカンジウム、五酸化タンタル、二酸化チタン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、ＳｉＯ、Ｓｉ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、硫化カドミウム、硫化アンチモン、テルル化カルシウム、テルル化鉛、セレン化亜鉛、硫化亜鉛、三フッ化ビスマス、フッ化カルシウム、フッ化ランタン、塩化鉛、フッ化鉛、フッ化リチウム、フッ化マグネシウム、フッ化ネオジム、フッ化ナトリウム、塩化タリウム、リン化ガリウム、リン化インジウム、窒化ガリウム、窒化インジウム、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化アルミニウム、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、ガリウムアンチモン（ＧａＳｂ）、インジウムガリウムアンチモン（ＩｎＧａＳｂ）、ケイ素、ガリウム、ゲルマニウムおよびこれらの組み合わせのいずれかからなる［１］〜［３］のいずれかに記載のノッチフィルター。

本発明のノッチフィルターは、特定波長の光の除去を、従来のものよりも効率的に行えるので、工業用レーザー分野においては、レーザー光線を取り扱うときに用いる眼の保護用のゴーグルとして用いられ、光学部品分野において、特定の波長の光を除去するフィルターとして用いられるのみならず、光ファイバー分野においても、特定の波長の光の透過を阻止する素子、ノイズフィルター、信号混合器、分波器用の部品として好適に用いることができるので、工業的に有用である。

本発明のノッチフィルターを構成する回折格子の実施態様を示す図である。実施例１の条件でＴＭモードの透過率の波長による変化を計算した結果を示し、ノッチフィルターとしての作用を示す図である。実施例２の条件でＴＭモードの透過率の波長による変化を計算した結果を示し、ノッチフィルターとしての作用を示す図である。実施例３の条件でＴＭモードの透過率の波長による変化を計算した結果を示し、ノッチフィルターとしての作用を示す図である。比較例１の条件でＴＭモードの透過率の波長による変化を計算した結果を示し、ノッチフィルターとしての作用を示していないことを示す図である。比較例２の条件でＴＭモードの透過率の波長による変化を計算した結果を示し、ノッチフィルターとしての作用を示していないことを示す図である。実施例４の条件でＴＥモードの反射率（Ｒ）と透過率（Ｔ）の波長による変化を計算した結果を示す図である。実施例４の条件でＴＭモードの反射率（Ｒ）と透過率（Ｔ）の波長による変化を計算した結果を示し、ノッチフィルターとしての作用を示す図である。

本発明のノッチフィルターは、基板上に格子線を、光の波長より短い間隔で平行に配置されてなる回折格子からなり、格子線の少なくとも表面を構成する材料の屈折率の虚数部が０以上０．３以下の範囲であることを特徴とする。

本発明において、格子線の少なくとも表面を構成する材料の屈折率の実数部は、通常は１．５以上５以下の範囲であり、好ましくは、２．０以上４．５以下の範囲であり、さらに好ましくは、２．５以上４．５以下の範囲である。本発明においては、格子線の表面が屈折率の虚数部が０以上０．３以下の範囲の材料であれば、格子線の内部を構成する材料の屈折率の虚数部は０．３を超えていてもよい。しかし、格子線の内部を構成する材料の屈折率の虚数部は０．３を超えている場合は、格子線の表面を構成する材料の厚さは、５ｎｍ以上でなければ、本発明の効果が低くなる傾向がある。
格子線の表面を構成する層の材料の屈折率の虚数部ｎｉの範囲は、
０≦ｎｉ≦０．３
が好ましく、
０≦ｎｉ≦０．０９
がさらに好ましい。

本発明において、図１に示したように、格子線の表面とは、光が入射する側の面であり、光が入射する側の面でない部分を格子線の内部である。図１に示した格子線の断面図の着色部分が低減衰表面であり、着色していない部分が内部である。

本発明のノッチフィルターは回折格子からなり、格子線を平行に配置してなり、格子線の間隔は、除去しようとする目的の光の波長の半分に設計することが好ましい。回折格子は、格子線の長手方向に略直交する平面に対してＴＭモードを選択的に透過させると共に、ＴＥモードを主に反射させる機能を有する。

フィルファクタは、通常は０．０以上０．９９以下であり、好ましくは０．２以上０．８以下である。フィルファクタとは、格子線の幅ＭＷを格子線の周期ＰＬ（格子線の幅＋間隔）で除した値、すなわち、ＭＷ／ＰＬで定義される。

格子線の高さＭＴは、周期の１０倍を越えると製造が困難となるので、周期の１０倍以下であることが好ましい。

格子線の表面を構成する低減衰材料としては、金属の酸化物（亜酸化物を含む。）、金属のカルコゲン化合物（カルコゲンは周期表１６族の酸素以外の元素を意味する。）、金属のハロゲン化物、金属のリン化合物、金属とアンチモンの化合物、金属の窒化物、周期表１３族金属（Ｇａ、Ｉｎ）、周期表１４族金属（Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ）、テルルが挙げられる。具体的には、酸化アルミニウム、三酸化アンチモン、酸化ベリリウム、酸化ビスマス、酸化セリウム、酸化ハフニウム、酸化マグネシウム、酸化ネオジム、酸化プラセオジム、酸化スカンジウム、五酸化タンタル、二酸化チタン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、ＳｉＯ、Ｓｉ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、硫化カドミウム、硫化アンチモン、テルル化カルシウム、テルル化鉛、セレン化亜鉛、硫化亜鉛、三フッ化ビスマス、フッ化カルシウム、フッ化ランタン、塩化鉛、フッ化鉛、フッ化リチウム、フッ化マグネシウム、フッ化ネオジム、フッ化ナトリウム、塩化タリウム、リン化ガリウム、リン化インジウム、窒化ガリウム、窒化インジウム、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化アルミニウム、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、ガリウムアンチモン（ＧａＳｂ）、インジウムガリウムアンチモン（ＩｎＧａＳｂ）、ケイ素、ガリウム、ゲルマニウムおよびこれらの組み合わせが挙げられ、テルル化カルシウム、ゲルマニウム、テルル化鉛、ＳｉＯ、テルル、二酸化チタン、ケイ素、硫化カドミウム、セレン化亜鉛、硫化亜鉛、テルル化カドミウム、フッ化マグネシウム、酸化アルミニウム、リン化ガリウム、リン化インジウム、ガリウムアンチモン（ＧａＳｂ）、インジウムガリウムアンチモン（ＩｎＧａＳｂ）が好ましい。ゲルマニウム、テルル化鉛、ＳｉＯ、テルル、二酸化チタン、ケイ素、テルル化カドミウム、フッ化マグネシウム、酸化アルミニウム、リン化ガリウム、リン化インジウム、ガリウムアンチモン（ＧａＳｂ）、インジウムガリウムアンチモン（ＩｎＧａＳｂ）がさらに好ましい。

本発明のノッチフィルターとしては、透明な基板上に金属線を平行に多数配置し、該金属線の基板と反対側の表面に、屈折率の虚数部が０以上０．３以下である低減衰材料からなる膜を配置して構成される回折格子からなるノッチフィルターが挙げられる。該ノッチフィルターは、透明な基板上に金属線を平行に多数配置してなる回折格子（ワイヤグリッド）を作製し、図１のように、金属線の基板と反対側の一方の表面に、低減衰材料からなる膜を形成して製造することができる。

本発明のノッチフィルターの製造に用いるワイヤグリッドは、工業的に通常実施されている方法により、透明な基板上に金属の線を平行に形成することにより製造することができる。

透明な基板としては、ガラス（石英ガラス、フッ化カルシウムガラスを含む）、サファイア、水晶、樹脂からなる基板が挙げられる。金属線の材料としては、アルミニウム、金、銀、白金、パラジウム、ニッケル、クロム、マンガン、チタンが挙げられ、ステンレス、ハステロイ、ジュラルミンなどの合金を用いることもできる。

透明な基板上に金属線を平行に形成するには、蒸着、スパッタリング、フォトレジストなどの方法を用いることができる。

形成された金属線の、基板と反対側の一方の表面に、格子線の表面を構成する材料として上記低減衰材料からなる層を積層する。積層には、蒸着、スパッタリング、フォトレジストなどの方法を用いることができる。

本発明のノッチフィルターは、取り除く対象の光は、可視光のみならず、例えば波長が２００〜３５０ｎｍの紫外線であっても、波長が８００〜２０００ｎｍの赤外線であってもよい。本発明のノッチフィルターは、取り除く対象の光の波長に合わせて容易に設計し、製造することができる。

取り除く対象の光の波長が一つではなく、複数の場合は、それぞれの波長に合わせて設計し、製造した複数の本発明のノッチフィルターを、重ねて使用すればよい。

以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
すべての実施例、比較例において、光の透過率の光の波長による変化を計算機シミュレーションにより求めた。計算に用いたプログラムは、発明者らが新たに作成したＦＤＴＤ法の計算用のプログラムとＧＳＯＬＶＥＲ（Grating Solver Development Company 製）であり、Maxwellの方程式を解いてシミュレーションを行った。

すべての実施例および比較例の回折格子は周期１５５ｎｍ、深さ（格子線の高さ）２００ｎｍ、フィルファクタ０．３とし、格子線は屈折率１．５の透明基板上に形成されたとしてシミュレーションを行った。
各格子線の表面（上部）は、屈折率がｎr＋ｉｎi（ｎrは実部、ｎiは虚部、ｉは虚数を表す。）、表面の厚さをｔ（ｎｍ）とした。

（実施例１）
１）ｔ＝５０ｎｍ、ｎr＝４．５、ｎi＝０の場合と、２）ｔ＝５０ｎｍ、ｎr＝３．５、ｎi＝０の場合の２つの場合について、ＴＭモードの透過率の波長による変化を計算した。結果を図２に示した。図２において、■が１）を、○が２）を示す。

（実施例２）
１）ｔ＝３０ｎｍ、ｎr＝４．５、ｎi＝０．０５の場合と、２）ｔ＝３８．５７１ｎｍ、ｎr＝３．５、ｎi＝０．０５の場合と、３）ｔ＝５４ｎｍ、ｎr＝２．５、ｎi＝０．０５の場合の３つの場合について、ＴＭモードの透過率の波長による変化を計算した。結果を図３に示した。図３において、■が１）を、○が２）を、△が３）を示す。図３において、■は６８０ｎｍ付近で、○は５４０ｎｍ付近で、△は４００ｎｍ付近で透過率が大きく低下しており、それぞれの波長を遮断の対象としたノッチフィルターの機能を有していることがわかる。

（実施例３）
１）ｔ＝３０ｎｍ、ｎr＝４．５、ｎi＝０．２２５の場合と、２）ｔ＝３８．５７１ｎｍ、ｎr＝３．５、ｎi＝０．２２５の場合と、３）ｔ＝５４ｎｍ、ｎr＝２．５、ｎi＝０．２２５の場合の３つの場合について、ＴＭモードの透過率の波長による変化を計算した。結果を図４に示した。図４において、■が１）を、○が２）を、△が３）を示す。図４において、■は６８０ｎｍ付近で、○は５２０ｎｍ付近で、△は４００ｎｍ付近で透過率が大きく低下しており、それぞれの波長を遮断の対象としたノッチフィルターの機能を有していることがわかる。

（比較例１）
１）ｔ＝３０ｎｍ、ｎr＝４．５、ｎi＝０．５の場合と、２）ｔ＝３８．５７１ｎｍ、ｎr＝３．５、ｎi＝０．５の場合と、３）ｔ＝５４ｎｍ、ｎr＝２．５、ｎi＝０．５の場合の３つの場合について、ＴＭモードの透過率の波長による変化を計算した。結果を図５に示した。図５において、■が１）を、○が２）を、△が３）を示す。
波長による透過率の明確な変化は見られず。ノッチフィルターとしての機能は有していないことがわかる。

（比較例２）
１）ｔ＝３０ｎｍ、ｎr＝４．５、ｎi＝０．８の場合と、２）ｔ＝３８．５７１ｎｍ、ｎr＝３．５、ｎi＝０．８の場合と、３）ｔ＝５４ｎｍ、ｎr＝２．５、ｎi＝０．８の場合の３つの場合について、ＴＭモードの透過率の波長による変化を計算した。結果を図５に示した。図５において、■が１）を、○が２）を、△が３）を示す。
波長による透過率の明確な変化は見られず。ノッチフィルターとしての機能は有していないことがわかる。

（実施例４）
図７および図８は、周期ＰＬが１５５ｎｍ、高さＭＴが２００ｎｍ、フィルファクタが０．３６の２重層の０次回折格子の、ＴＥモード（ｓモードともいう。）とＴＭモード（ｐモードともいう。）における反射率スペクトルと透過率スペクトルを示している。格子線の基板と接している第１層の材料はアルミニウム（Ａｌ）であり、一方、トップ層の材料はケイ素（Ｓｉ）である。アルミニウム層に対しては透過率（permittivity）のドルードモデル（Drude model）を仮定し、ＦＤＴＤ法を用いて、シミュレーションを行った。

シミュレーションの結果は、ＴＭモードの透過率スペクトルに鋭い極小ピークが存在することを示している。シミュレーション結果はまた、同じ回折格子の構造が、ＴＥモードとＴＭモードの両方について、低い反射率を保つことを示している。

それゆえ、その結果から次のように結論づけることができる。第一に、ケイ素やアルミニウムのような現実的な材料からなる２重層の回折格子は、狭バンド吸収（narrow-band absorption）の偏光フィルターとして機能しうる。ＴＭモードの透過率は、波長５００ｎｍにおいて２０％より小さくなった。第二に、このような構造の回折格子は、ＴＥモードとＴＭモードの反射率を低く保つので、ある系から反射光を取り除く必要がある応用に好適である。より短い波長におけるＴＥモードの反射率は、従来の通常のワイヤグリッド偏光子のＴＥモードの反射率より、およそ１０〜１５％低い。最後に、ＴＭモードの透過率をＴＥモードの透過率と比較すると、この構造の回折格子の透過光の偏光度は、高いまま保たれることがわかる。偏光度は、次のように定義される。

（１）
ここで、ＴｐとＴｓはそれぞれＴＭモードとＴＥモードの透過率を表す。

Claims

回折格子を構成する格子線の少なくとも表面を構成する低減衰材料の屈折率の虚数部が０以上０．３以下である回折格子からなるノッチフィルター。
透明な基板上に金属線を平行に多数配置し、該金属線の基板と反対側の表面に、屈折率の虚数部が０以上０．３以下である低減衰材料からなる膜を配置して構成される回折格子からなる請求項１記載のノッチフィルター。
低減衰材料の屈折率の虚数部が０以上０．０９以下である請求項１または２に記載のノッチフィルター。
低減衰材料が、酸化アルミニウム、三酸化アンチモン、酸化ベリリウム、酸化ビスマス、酸化セリウム、酸化ハフニウム、酸化マグネシウム、酸化ネオジム、酸化プラセオジム、酸化スカンジウム、五酸化タンタル、二酸化チタン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、ＳｉＯ、Ｓｉ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、硫化カドミウム、硫化アンチモン、テルル化カルシウム、テルル化鉛、セレン化亜鉛、硫化亜鉛、三フッ化ビスマス、フッ化カルシウム、フッ化ランタン、塩化鉛、フッ化鉛、フッ化リチウム、フッ化マグネシウム、フッ化ネオジム、フッ化ナトリウム、塩化タリウム、リン化ガリウム、リン化インジウム、窒化ガリウム、窒化インジウム、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化アルミニウム、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、ガリウムアンチモン（ＧａＳｂ）、インジウムガリウムアンチモン（ＩｎＧａＳｂ）、ケイ素、ガリウム、ゲルマニウムおよびこれらの組み合わせのいずれかからなる請求項１〜３のいずれかに記載のノッチフィルター。