JP2016090637A

JP2016090637A - ビームスプリッタ

Info

Publication number: JP2016090637A
Application number: JP2014221198A
Authority: JP
Inventors: 修一小野; Shuichi Ono; 崇治片上; Takaharu Kataue
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2014-10-30
Filing date: 2014-10-30
Publication date: 2016-05-23

Abstract

【課題】単結晶シリコンカーバイドの優れた透過特性を活かしたビームスプリッタを提供する。
【解決手段】単結晶シリコンカーバイドからなる透明基板１の一方の主表面に、カーボン膜２あるいはカーボン膜とダイヤモンドライクカーボン膜の積層膜からなるビームスプリッタ膜が形成されている。スプリッタ膜は、入射する光の一部を反射し、一部の光は透明基板を通過させる構成となっている。また、表面に周期的な凹凸形状を備える構成となっている。
【選択図】図２

Description

本発明は、ビームスプリッタに関し、特に厳しい使用環境下でも光学特性の劣化のないビームスプリッタに関する。

近年、人工衛星と地上との間でレーザー光を用いて交信するなど、使用環境の厳しい中で光学系装置が使用される場合が増え、高温、高真空環境下においても使用できるビームスプリッタが必要となってきている。

一般的なビームスプリッタでは、透明基板であるガラス基板上に高屈折率材料層と低屈折率材料層を交互に積層形成したフィルタ特性を有する光学多層膜フィルタが形成されている。しかし、従来のガラス基板は高温下で、温度変化が著しく大きな環境（宇宙）での使用には適さない。

一方、高温環境下での使用に適した光学ミラーとして、基体としてシリコンカーバイド−シリコン複合材料を用いた技術が開示されている（特許文献１）。しかし、特許文献１に開示されている基体は、焼結体であり、基体を透過させるタイプのビームスプリッタとしては利用することはできない。

特開２００５−１１４８０５号公報

従来提案されているシリコンカーバイド材料を用いた光学ミラーは反射ミラーであり、可視波長領域〜赤外波長領域の光に対して透明度が高いというシリコンカーバイドの特性を十分には発揮するものではなかった。本発明は、単結晶シリコンカーバイドの優れた透過特性を活かしたビームスプリッタを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本願請求項１に係る発明は、透明基板の一方の主表面にビームスプリッタ膜が形成されたビームスプリッタにおいて、前記透明基板は単結晶シリコンカーバイドからなり、前記ビームスプリッタ膜はカーボン膜あるいはカーボン膜とダイヤモンドライクカーボン膜の積層膜であることを特徴とする。

本願請求項２に係る発明は、請求項１記載のビームスプリッタにおいて、前記ビームスプリッタ膜は、入射する光の一部を反射させるとともに、入射する光の一部は前記透明基板を透過させることを特徴とする。

本願請求項３に係る発明は、請求項１記載のビームスプリッタにおいて、前記ビームスプリッタ膜は、周期的な凹凸形状を備え、入射する光の偏光成分を区別して一部を反射させ、別の偏光成分は前記透明基板を透過させることを特徴とする。

本発明のビームスプリッタは、高真空、低温から高温にわたる熱サイクル、放射線等の影響に対して優れた耐環境性を有する単結晶シリコンカーバイドを透明基板として使用するため、宇宙空間のような厳しい環境下でも光学特性が劣化することはない。

また本発明のビームスプリッタは、入射する光を反射させるとともに一部の光は透明基板を透過させる光学ミラーあるいは回析格子として用いた場合、透明基板を構成する単結晶シリコンカーバイドの可視光領域から赤外線領域にわたる優れた透過性を利用することができる。

本発明のビームスプリッタの反射特性を説明する図である。第１の実施例である光学ミラーの説明図である。第１の実施例のスプリッタ膜の反射特性を説明する図である。第２の実施例である回析格子の説明図である。

本発明に係るビームスプリッタは、透明基板として単結晶シリコンカーバイド（ＳｉＣ）を使用し、さらにその表面にスプリッタ膜となるカーボン膜によって被覆された構造となっている。このような構造とすることにより波長４００ｎｍ〜１０００ｎｍの領域でなだらかに変化する反射率となり、波長依存性の少ないビームスプリッタとすることが可能となる。

具体的には、一例として４Ｈ−ＳｉＣ基板上に５０ｎｍのカーボン膜を積層形成したときの反射特性を図１に示す。図１に示すように、４Ｈ−ＳｉＣ基板のみ（図中「ＳｉＣ」と表示）では、波長４００ｎｍから１０００ｎｍで反射率が不規則に変化するのに対し、カーボン膜で被覆する（図中「ＳｉＣ＋Ｃ」と表示）ことにより反射率の変化の揺らぎがなくなり、緩やかに変化する特性となる。以下、本発明の実施例について説明する。

本発明の第１の実施例について説明する。ビームスプリッタとして光学ミラーを形成した場合を図２に示す。図２に示すように、４Ｈ−ＳｉＣからなる透明基板１の表面および裏面に５０ｎｍ程度のカーボン膜２が積層形成されている。透明基板１の表面は、目視鏡面仕上げ程度に研磨しておけば十分であるが、通常のＳｉＣ基板の鏡面仕上げ同様、適切な研磨処理とＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing)処理を行うことで、算術平均粗さＲａ＜１ｎｍ程度の鏡面仕上げを行うとさらに効果的である。

鏡面仕上げされた透明基板１表面にカーボン膜を被覆する際には、表面を清浄化した後、表面の水分を十分に蒸発させ、スパッタ法によりカーボン膜２を５０ｎｍ堆積させる。ここで、透明基板１を２００℃以上に加熱することで、カーボン膜を脱ガスする効果があり好ましい。一方常温でスパッタする場合や本発明の光学ミラーの使用温度が高温となる場合には、使用温度を越える温度のアニール処理を加えると、透明基板１とカーボン膜２との結合を安定化させることもできる。

４Ｈ−ＳｉＣからなる透明基板１上に５０ｎｍのカーボン膜２を積層し、アルゴン雰囲気で１７００℃のアニール処理を加えたときの反射特性を図３に示す。図３に示すように、波長４００ｎｍ〜１０００ｎｍの領域でなだらかに変化する反射率となり、波長依存性の少ない光学ミラーとすることが可能となる。

本発明の光学ミラーは、透明基板１を構成する単結晶シリコンカーバイドの透過特性により、可視波長領域〜赤外波長領域の光に対して透明度が高く、ハーフミラー等透明基板を入射光の一部が透過するタイプの光学ミラーとして好適である。

なお、ビームスプリッタ膜として使用するカーボン膜は、カーボン膜とダイヤモンドライクカーボン膜との積層膜であっても良い。ダイヤモンドライクカーボンは、製造方法を調整することで、その熱膨張係数をシリコンカーバイドの熱膨張係数に近い膜とすることができ、高温環境下で使用する場合の光学ミラーとして好適である。

次に第２の実施例について説明する。ビームスプリッタとして回析格子を形成した場合を図４に示す。図４に示すように、４Ｈ−ＳｉＣからなる基板１の表面に厚さ数百ｎｍ程度回析格子パターン３が形成されたカーボン膜が積層形成されている。透明基板１の表面は、目視鏡面仕上げ程度に研磨しておけば十分であるが、通常のＳｉＣ基板の鏡面仕上げ同様、適切な研磨処理とＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing)処理を行うことで、算術平均粗さＲａ＜１ｎｍ程度の鏡面仕上げを行うとさらに効果的である。

鏡面仕上げされた透明基板１表面に、カーボン膜を被覆する際には、表面を清浄化した後、表面の水分を十分に蒸発させ、スパッタ法によりカーボン膜を５０ｎｍ堆積させる。ここで、透明基板１を２００℃以上に加熱することで、カーボン膜を脱ガスする効果があり好ましい。一方常温でスパッタする場合や本発明の回析格子の使用温度が高温となる場合には、使用温度を越える温度のアニール処理を加えると、透明基板１とカーボン膜との結合を安定化させることもできる。

次に回析格子パターンを形成するため、カーボン膜上にフォトレジストを所定の形状にパターニングし、露出するカーボン膜の一部を酸素プラズマを用いてエッチング除去する。エッチングされた部分（凹形状の底）のカーボン膜は、５０ｎｍ程度残すようにする。その後フォトレジストを除去することで、図４に示すような回析格子パターン３を備えた回析格子を形成することができる。

本実施例に使用するカーボン膜も、図１に示すように波長４００ｎｍ〜１０００ｎｍの領域でなだらかに変化する反射率となり、波長依存性の少ない回析格子とすることが可能となる。カーボン膜に１７００℃のアニール処理を加え、図３に示す反射特性とすることも可能である。

本発明の回析格子は、透明基板１を構成する単結晶シリコンカーバイドの透過特性により、可視波長領域〜赤外波長領域の光に対して透明度が高く、透明基板を入射光の一部が透過するタイプの回析格子として好適である。

なお、ビームスプリッタ膜として使用するカーボン膜は、カーボン膜とダイヤモンドライクカーボン膜との積層膜であっても良い。ダイヤモンドライクカーボン膜は、製造方法を調整することで、その熱膨張係数をシリコンカーバイドの熱膨張係数に近い膜とすることができ、高温環境下で使用する場合の光学ミラーとして好適である。

１：透明基板、２：カーボン膜、３：回析格子パターン

Claims

透明基板の一方の主表面にビームスプリッタ膜が形成されたビームスプリッタにおいて、
前記透明基板は単結晶シリコンカーバイドからなり、前記ビームスプリッタ膜はカーボン膜あるいはカーボン膜とダイヤモンドライクカーボン膜の積層膜であることを特徴とするビームスプリッタ。
請求項１記載のビームスプリッタにおいて、前記ビームスプリッタ膜は、入射する光の一部を反射させるとともに、入射する光の一部は前記透明基板を透過させることを特徴とするビームスプリッタ。
請求項１記載のビームスプリッタにおいて、前記ビームスプリッタ膜は、周期的な凹凸形状を備え、入射する光の偏光成分を区別して一部を反射させ、別の偏光成分は前記透明基板を透過させることを特徴とするビームスプリッタ。