JP2016142996A - 光学素子およびテラヘルツ波発生光学デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】透過回折光を生じる光学素子の透過効率を高める。
【解決手段】光学素子は、所定の入射角で入射する光Ｗ_ｐを受光する受光部１ａを有し、光Ｗ_ｐから透過回折光Ｗ_Ｄ−１を生じる回折格子１３と、回折格子１３の受光部１ａと反対側面に積層された薄膜層１２と、を備えている。薄膜層１２は、回折格子１３側から順に中間層１２ｂと、反射層１２ａと、を備えている。反射層１２ａの屈折率は、中間層１２ｂの屈折率よりも小さく、反射層１２ａは、透過回折光Ｗ_Ｄ−１に対する全反射条件を満たす。
【選択図】図２

Description

本発明は、光学素子、特に透過回折光を生成する光学素子およびそれを用いたテラヘルツ波発生光学デバイスに関する。

近年、略ＴＨｚオーダ（例えば、０．１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚ程度）の周波数を持つテラヘルツ波と呼ばれる電磁波の工業、医療、バイオ、農業、セキュリティ等の様々な分野への応用展開が盛んになってきている。それに伴い、効率的にテラヘルツ波を発生することができる光学デバイスの研究が進められている。例えば、非線形光学結晶を用いた光学デバイスが提案されている。

図３は、非線形光学結晶を用いた光整流法の概念を表す模式図である。光整流法では、１つの非線形光学結晶９５に対して、１つのポンプ光を入射する。非線形光学結晶９５としては、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）を用いることができる。また、ポンプ光としてはピコ秒レーザを用いることができる。図３の例では、周波数ω_１および周波数ω_２を持つポンプ光が非線形光学結晶９５に入射している。このとき、非線形光学結晶９５から、光整流によって、２つの周波数の差に等しい周波数ω＝ω_１−ω_２を持つ光が発生する。

光整流法では、テラヘルツ波を得るためには、位相整合条件を満たす、すなわち、非線形光学結晶の媒質中において、ポンプ光エネルギーの伝播する方向の群速度をテラヘルツ波の位相速度ｖ_ＴＨｚと等しくすることが求められる。つまり、ポンプ光が非線形光学結晶に入射すると、ポンプ光エネルギーの伝播する方向の群速度と等しい位相速度を有するテラヘルツ波が発生する。ここで、ポンプ光エネルギーの伝播する速度を表す真空中の群速度を、ｖ_ｇｒとする。

位相整合条件を満たす方法の一つとして、パルス面傾斜法がある（非特許文献１参照）。図４はパルス面傾斜法の概念を表す模式図である。図４に示すように、パルス面傾斜法では、ポンプ光Ｗ_ｐのパルス面ｓ（パルスのエネルギーピークの位置を繋いだ面）を進行方向に対して傾斜させ、同じ位相で進行させている。ここで、当初のポンプ光Ｗ_ｐの進行方向軸をｘ軸、パルス面の傾斜角度γ、ｘ軸をγ回転させた軸をｘ’軸とする。このとき、ｘ’軸方向にテラヘルツ波Ｗ_ＴＨｚが出射するようにすると、位相整合条件は、ｖ_ＴＨｚ＝ｖ_ｇｒｃｏｓγとなる。すなわち、パルス面の傾斜角によって、位相整合条件を充足させることができる。

図５は、パルス面傾斜法を用いてテラヘルツ波を発生する光学システムの一例である。このシステムは、反射型の回折格子９１、レンズ９２、レンズ９３、半波長板９４、非線形光学結晶９５を備えている。図５に示すように、ポンプ光Ｗ_ｐとしてのピコ秒レーザパルスが回折格子９１に斜め方向から入射するようにされている。また、非線形光学結晶９５は、一例として断面形状が直角三角形のいわゆるプリズム型としている。

ポンプ光Ｗ_ｐは回折格子９１によって非線形光学結晶９５側に回折され、回折光Ｗ_ｒとなる。このとき、回折光Ｗ_ｒのパルス面は、ポンプ光Ｗ_ｐの回折格子９１による回折の光路差により、その進行方向に対して傾斜する。その後、回折光Ｗ_ｒはレンズ９２、レンズ９３、半波長板９４を透過し、非線形光学結晶９５に入射する。この位相整合条件を満たす回折光Ｗ_ｒが非線形光学結晶９５の内部を伝播することにより、非線形光学結晶９５の断面の斜辺に相当する面からテラヘルツ波Ｗ_ＴＨｚが放射される。

Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ，Ｖｏｌ．１０，Ｉｓｓｕｅ ２１，ｐｐ．１１６１−１１６６（２００２）． Ｏｐｔ．Ａｃｔａ．２８，４１４−４２８（１９８１）． Ｑｐｔ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ.３７，３０９−３３０（２００５）．

テラヘルツ波を種々の技術に応用するためには、その出力を上げることが望まれる。テラヘルツ波の出力を上げる方法としては、ポンプ光の強度を高めたり、非線形光学結晶を大口径化したりすることが考えられる。

上述の図５のような光学システムでは、口径を大きくするに連れて非線形光学結晶に投影されるパルス面の歪が増大し、その歪がテラヘルツ波の発生効率の向上を阻害するという問題がある。また、テラヘルツ波の発生位置によって、非線形光学結晶の内部を進むテラヘルツ波の光学距離が異なるため、発生するテラヘルツ波の強度が不均一になるという問題もある。そのため、図５のような光学システムでは、大口径化が困難である。

このような問題を解決するために、非線形光学結晶上に透過型回折格子を設けた光学デバイスも提案されている。しかしながら、このような光学デバイスでは、非線形光学結晶としてＬｉＮｂＯ_３を用いた場合、透過回折効率が２０％程度と低くなっているため、高出力のテラヘルツ波を発生することが困難である。

さらに、上述の光学デバイスの回折効率を高めるために、回折格子の表面を、空気の屈折率と非線形光学結晶の屈折率との間の屈折率を持つ媒体に浸す方法も提案されている。このような光学デバイスでは、透過回折効率は９０％と高くなっている。しかしながら、このような光学デバイスは製造が容易ではない。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的の一つは、透過回折光を生じる光学素子の透過回折効率を高めることにある。

本発明の光学素子の好適な実施形態の一つでは、所定の入射角で入射する光を受光する受光部を有し、当該光から透過回折光を生じる回折格子と、前記回折格子の受光部と反対側面に積層された薄膜層と、を備え、前記薄膜層は、前記回折格子側から順に中間層と、反射層と、を備え、前記反射層の屈折率は、前記中間層の屈折率よりも小さく、前記反射層は、前記透過回折光に対する全反射条件を満たし、前記反射層は、前記透過回折光を部分的に前記非線形光学結晶側に透過させる膜厚を有する。

この構成では、回折格子に入射した光は、受光部で反射する反射光と、回折格子を透過する透過回折光となる。透過回折光は、回折格子と反射層との間で多重反射しつつ、所定条件を満たすと部分的に受光部側に透過する。この透過した光が、回折格子の受光部で反射された光を打ち消すと、反射率が低減し回折光の透過率が向上する。

本発明の光学素子の好適な実施形態の一つでは、前記中間層は、前記中間層から前記受光部側に透過する光によって、前記受光部での反射光を最小化する膜厚に設定されている。この構成では、中間層の膜厚を適切な値に設定することにより、受光部での反射光が最
小化されるため、透過率が最大化される。

本発明のテラヘルツ発生光学デバイスの好適な実施形態の一つでは、上述の光学素子と、前記透過回折光によってテラヘルツ波を発生する非線形光学結晶と、を備え、前記非線形光学結晶は、前記反射層の前記中間層側とは反対側面に設けられ、前記回折格子と前記非線形光学結晶とは、前記非線形光学結晶に伝播する前記透過回折光のパルス面の傾斜角が位相整合条件を満たし、前記非線形光学結晶は、前記中間層に対して全反射条件を満たさない屈折率を有する。

この構成では、光学素子から非線形光学結晶に透過回折光が伝播し、テラヘルツ波を発生することができる。ここで、この透過回折光は、上述の光学素子によって回折光の透過回折効率が高められているため、テラヘルツ波の発生効率も高めることができる。

本発明の光学デバイスの好適な実施形態の一つでは、前記非線形光学結晶の入光面と放射面とは互い平行な平面としている。そのため、発生したテラヘルツ波が非線形光学結晶の内部を進む距離は、その発生位置に依存せず一様となる。よって、発生するテラヘルツ波の空間分布が一様となる。

本発明によれば、透過回折光を生じる光学素子の透過回折効率を高めることができる。

実施形態における光学デバイスを用いた光学システムの概略図である。 実施形態における光学デバイスを示す図である。 光整流法の概念を表す模式図である。 パルス面傾斜法の概念を表す模式図である。 パルス面傾斜法を用いてテラヘルツ波を発生する光学システムを表す図である。 ポンプ光Ｗ_ｐの入射角４４．５度に対する、−１次回折光の透過回折効率の、回折格子の形状による依存性の分布の算出の例を示す図である。 光デバイスに対する入射光の効率の入射角依存性の例を示す図である。 （ａ）は、透過回折効率の最大値、当該透過回折効率が最大値を取るときの深さｈ、パラメータｆの値の、反射層１２ａの膜厚の依存性を示すグラフである。（ｂ）は、透過回折効率が最大値を取るときの、回折格子、中間層における電界の大きさの反射層１２ａの膜厚の依存性を示すグラフである。 （ａ）は、透過回折効率の最大値、当該透過回折効率が最大値を取るときの深さｈ、パラメータｆの値の、中間層１２ｂの膜厚の依存性を示すグラフである。（ｂ）は、透過回折効率が最大値を取るときの、回折格子、中間層（ｌａｙｅｒ）における電界の大きさの中間層１２ｂの膜厚の依存性を示すグラフである。

以下に図面を用いて、光学素子およびテラヘルツ波発生光学デバイスの実施形態を説明する。図１は、本実施形態におけるテラヘルツ波を発生する光学システムの概略図である。図１に示すように、本実施形態における光学システムＡは、光学デバイス１、ポンプ光発生源２を備えている。光学デバイス１は、テラヘルツ波発生光学デバイスの一例である。

ポンプ光発生源２としては、ピコ秒パルスレーザ等を用いることができる。本実施形態では、ポンプ光発生源２としてＹｂ：ＹＡＧレーザを用い、ポンプ光Ｗｐは１０３０ｎｍの波長を有し、ピコ秒のパルス幅を有するパルス光としている。

光学デバイス１は、ポンプ光発生源２からのポンプ光Ｗ_ｐを受光し、テラヘルツ波Ｗ_ＴＨｚを発生する。本実施形態における光学デバイス１は略直方体状であり、略対向する受光部１ａと放射部１ｂとを備えている。図１に示すように、ポンプ光Ｗ_ｐは受光部１ａに対して入射角θ_１（０°＜θ＜９０°）で入射し、放射部１ｂからテラヘルツ波Ｗ_ＴＨｚが放射される。

図２は、本実施形態における光学デバイス１を示す図である。図２に示すように、光学デバイス１は、非線形光学結晶１１、薄膜層１２、透過型の回折格子１３を備えている。なお、回折格子１３および薄膜層１２（具体的には、反射層１２ａと中間層１２ｂ）は、光学素子の一例である

本実施形態における非線形光学結晶１１では、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）が使用されている。本実施形態では、非線形光学結晶１１は、直方体に形成されており、対向する入光面１１ａと放射面１１ｂ（放射部１ｂ）とを備えている。本実施形態では、非線形光学結晶１１の厚さは、２．２ｍｍである。

非線形光学結晶１１の入光面１１ａ上には、薄膜層１２が積層されている。薄膜層１２の層数は適宜変更可能であるが、本実施形態では、反射層１２ａ、中間層１２ｂ、バッファ層１２ｃが形成されている。バッファ層１２ｃは、エッチングによって回折格子１３を形成する際に、エッチングの影響が中間層１２ｂ等に及ぶのを防止するために設けられており、中間層１２ｂの組成等によっては設けられない場合もあり得る。バッファ層１２ｃとして、エッチングされにくい、アルミナ等が使用され得る。中間層１２ｂがエッチングされにくい物質である場合、バッファ層１２ｃは、設けられなくてもよい。

これらの薄膜層１２として、様々な誘電体を使用することができる。また、最適化する上で、薄膜層１２の膜厚は適宜変更可能である。ただし、反射層１２ａと中間層１２ｂとの境界が透過回折光に対して全反射条件となる必要がある。なお、全反射条件の充足は、反射層１２ａと中間層１２ｂとの境界に対する入射角と、反射層１２ａの屈折率および中間層１２ｂの屈折率によって規定される臨界角と、の関係によって決定される。本実施形態では、反射層１２ａは厚みが２５０ｎｍのＡｌ_２Ｏ_３、中間層１２ｂは厚みが１２０ｎｍのＴａ_２Ｏ_５、バッファ層１２ｃは厚みが５０ｎｍのＡｌ_２Ｏ_３である。反射層１２ａ、中間層１２ｂは、これらに限定されるものではない。ポンプ光Ｗ_ｐである１０３０ｎｍの波長の光に対するＴａ_２Ｏ_５およびＡｌ_２Ｏ_３の屈折率はそれぞれ２．１５および１．６４となっている。反射層１２ａ、中間層１２ｂとして、タンタル酸化物、ハフニウム酸化物、チタン酸化物、ニオブ酸化物、アルミナ、石英等の誘電体が使用され得る。ただし、反射層１２ａの屈折率は、中間層１２ｂの屈折率よりも小さいものとする。

バッファ層１２ｃ上には回折格子１３が形成されている。回折格子１３は、バッファ層１２ｃ上に形成された誘電体層に、断面形状が長方形状である複数のトレンチ１３ａが形成される構成を有する。隣接するトレンチ１３ａの間にはメサ１３ｂが形成されている。本実施形態では、トレンチ１３ａの深さｈは２６０ｎｍであり、メサ１３ｂの幅ｗは２５２ｎｍとしている。この回折格子１３の上面が受光部１ａである。

回折格子の誘電体層は、屈折率の高い物質であり、本実施形態では、非線形光学結晶１１のニオブ酸リチウムの屈折率に近い屈折率を持つ酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）である。

上述したように、光学デバイス１の回折格子１３は透過型であり、回折格子１３に入射したポンプ光Ｗ_ｐの透過回折光（以下、回折光と略称する）は、回折格子１３、薄膜層１２を透過し、非線形光学結晶１１に伝播する。ここで、非線形光学結晶１１がテラヘルツ
波Ｗ_ＴＨｚを発生するためには、位相整合条件を満たす必要がある。光学デバイス１における位相整合条件は従来技術で示した位相整合条件と同様であるが、屈折率を用いて定義すると、
となる。ここで、θ_ｔは回折光のパルス面の傾斜角、ｎ_ｇ（λ）およびｎ（λ）はそれぞれ波長λの光に対する非線形光学結晶１１の群屈折率および屈折率であり、λ_０およびλ_ＴＨｚはそれぞれポンプ光Ｗ_ｐおよびテラヘルツ波Ｗ_ＴＨｚの真空中の波長である。本実施形態では、ｎ_ｇ（λ_０）＝２．２０８およびｎ（λ_ＴＨｚ）＝４．９であるため、θ_ｔ＝６３°となる。

回折格子１３のピッチｄおよびポンプ光Ｗ_ｐの入射角θ_１は、以下の−１次回折光の方程式によって決定することができる。

また、ポンプ光Ｗ_ｐの入射角θ_１と−１次回折光Ｗ_Ｄ−１の回折角θ_２（図２参照）との関係は以下の式となる。

なお、これらの式において、空気の屈折率は１としている。本実施形態では、ｎ（λ_０）＝２．１４６であり、ポンプ光Ｗ_ｐの入射角θ_１＝４４．５°とすると、回折格子１３のピッチｄ＝４２０ｎｍとなる。

このように、入光面１１ａから入った回折光（−１次回折光Ｗ_Ｄ−１）が非線形光学結晶１１の内部を伝播する際に、テラヘルツ波Ｗ_ＴＨｚが発生し、放射面１１ｂ（放射部１ｂ）から放射される。なお、このとき、非線形光学結晶１１の放射面１１ｂから放射されるテラヘルツ波Ｗ_ＴＨｚの放射角は４６．８°となり、ポンプ光Ｗ_ｐの入射角θ_１＝４４．５°に略平行となる。

発生するテラヘルツ波Ｗ_ＴＨｚの出力を高める方法の一つは、非線形光学結晶１１に入光する光を増大させることである。そのための方法の一つは、回折光の透過回折効率を高めることである。そのため、光学デバイス１では、以下に示すように干渉効果によって回折光の透過回折効率を高めている。

先ず、一般的なファブリペロー干渉計の仕組みを説明する。一般的なファブリペロー干渉計は、一対の反射鏡で媒質を挟み込んだ構成となっており、第１の反射鏡側から光を干渉計内に入射する。この光は、一部が第１の反射鏡表面で反射され、残りは媒質内に伝播する。媒質内に伝播した光は、一部が第２の反射鏡表面で反射され、残りは干渉計から出射する。ここで、第２の反射鏡で反射された光は媒質内を伝播し、第１の反射鏡に到達し、再度反射される。このとき、部分的に第１の反射鏡側から光が出射する。この第１の反射鏡側から出射した光は、所定の条件を満たした際に、第１の反射鏡で反射された光を打
ち消す。すなわち、第１の反射鏡での反射率が低下し、透過回折効率が向上する。この条件（ファブリペロー条件と称する）は、これらの光路差が光の半波長の整数倍であることが知られている。

光学素子は、回折格子１３と、中間層１２ｂと、反射層１２ａとによって、ファブリペロー干渉計に類似する構成となっている。この場合、回折格子１３、中間層１２ｂ、反射層１２ａはそれぞれ、第１の反射鏡、媒質、第２の反射鏡に相当する。

まず、回折格子１３の受光部１ａにポンプ光Ｗ_ｐが照射されると、受光部１ａで反射される反射回折光と回折格子１３を透過する透過回折光（−１次回折光Ｗ_Ｄ−１等）とが生じる。発生した−１次回折光Ｗ_Ｄ−１は、バッファ層１２ｃを透過し、中間層１２ｂに伝播する。

上述したように、反射層１２ａが全反射条件を満たすようにされているため、中間層１２ｂに伝播した−１次回折光Ｗ_Ｄ−１は、反射層１２ａと中間層１２ｂとの境界付近で反射され、中間層１２ｂ内（回折格子１３と反射層１２ａとの間）を多重反射する。このとき、所定の条件を充足すると多重反射する−１次回折光Ｗ_Ｄ−１は部分的に受光部１ａ側に透過する。この透過した光が干渉によって受光部１ａで反射された光を打ち消すと、反射率が低下し、透過回折効率が向上する。すなわち、受光部１ａでの反射光を最小化すれば、透過回折効率が最大となる。

上述したように、一般的なファブリペロー干渉計では、光の光路差、すなわち、媒質の厚みによってファブリペロー条件を充足するか否かが決定される。光学素子も同様に、受光部１ａでの反射率、すなわち、透過回折効率は、中間層１２ｂの膜厚によって制御することができる。ただし、本発明の光学素子のように、反射層として全反射条件を有する薄膜を用いた場合には、反射位置が、媒質と反射層との境界ではなく、反射層の内部となる場合があり、必ずしもファブリペロー条件を充足するときに透過回折効率が最大とはならないことが本発明の発明者らの研究によって判明している。透過回折効率を最大化する中間層１２ｂの膜厚は、数値計算や実験によって求めることができる。

このようにして、高い透過効率で透過した透過回折光を用いてテラヘルツ波を発生させるためには、この透過回折光を非線形光学結晶１１に伝播させる必要がある。そのためには、透過回折光を部分的に、反射層１２ａを透過させなければならない。反射層１２ａは全反射条件を満たしているが、全反射条件を満たしても、中間層１２ｂからの透過回折光が反射層１２ａに染み出して、中間層１２ｂに反射される。よって、反射層１２ａの膜厚が、透過回折光が反射層１２ａに染み出す深さよりも小さければ、当該透過回折光が反射層１２ａを透過し得る。従って、反射層１２ａの膜厚によって光の透過率を制御することができる。テラヘルツ波発生光学デバイスでは、反射層１２ａの膜厚を実験や数値計算等によって求めた値としている。反射層１２ａの膜厚等の算出の具体例については、後に説明する。これにより−１次回折光Ｗ_Ｄ−１を、非線形光学結晶１１側に透過させることができる。

ここで、非線形光学結晶１１の屈折率は、反射層１２ａの屈折率よりも大きくなっており、また、非線形光学結晶１１は、中間層１２ｂから見て全反射条件を充足しないようにされている。上述の実施形態では、中間層１２ｂ層のＴａ_２Ｏ_５および非線形光学結晶１１のＬｉＮｂＯ_３の屈折率は２．１５、反射層１２ａのＡｌ_２Ｏ_３の屈折率は１．６４である。このような構成により、反射層１２ａと非線形光学結晶１１との境界に達した−１次回折光Ｗ_Ｄ−１は、この境界で反射されることなく、非線形光学結晶１１の内部に伝播する。

このようにして回折光の透過効率を高めることにより、非線形光学結晶１１に伝播する−１次回折光Ｗ_Ｄ−１の強度が高まり、テラヘルツ波の発生効率を高めることができる。

また、本実施形態では、非線形光学結晶１１は直方体状に構成されているため、入光面１１ａと放射面１１ｂとは平行な平面となっている。そのため、発生したテラヘルツ波Ｗ_ＴＨｚが非線形光学結晶１１の内部を進む距離は、その発生位置に依存せず一様となる。よって、発生するテラヘルツ波Ｗ_ＴＨｚの空間分布が一様となる。

さらに、本実施形態の光学デバイス１では、図５の従来の光学システムのようなポンプ光Ｗ_ｐの波面の歪は生じない。そのため、本発明に係る光学デバイスでは、大口径化も比較的容易となる。本実施形態の光学デバイス１によれば、回折格子と非線形光学結晶との間に薄膜層を設ける構成により、テラヘルツ波に変換されるポンプ光の利用効率が、従来の構成に比べて大きくなる。

なお、本実施形態における光学デバイス１の構成は一例であり、非線形光学結晶１１，薄膜層１２，回折格子１３の構成は、ポンプ光Ｗ_ｐの波長および入射角θ_１，テラヘルツ波Ｗ_ＴＨｚの波長等に応じて変更することができる。また、本実施形態では、中間層１２ｂは１層としたが、複数層で中間層１２ｂを構成しても構わない。複数の中間層１２ｂを設けることで、様々な条件に対応した光デバイスを構成することが容易になり得る。

（光デバイスにおける回折格子の形状等の算出の具体例）
光デバイス１における回折格子１３の形状、薄膜層１２の膜厚等の算出の具体例について説明する。ここでは、ポンプ光の波長１０３０ｎｍ、ポンプ光の入射角４４．５度に対する光デバイス１における回折格子１３の形状、薄膜層１２の膜厚等を算出する例を示す。

光デバイス１の回折格子１３の形状等は、光デバイス１の−１次回折光の透過回折効率が大きくなるように、決定される。回折格子１３の形状は、トレンチ１３ａの深さｈ、メサ１３ｂの幅ｗ、回折格子１３のピッチｄによって定義される。ここで、パラメータｆを、ｆ＝ｗ／ｄとする。パラメータｆは、回折格子１３のピッチｄに対するメサ１３ｂの幅の割合を示す値である。回折格子１３は、メサｂの幅が小さすぎず、かつ、トレンチの溝の幅（ｄ−ｗ）が小さすぎない構成であると、容易に作成され得る。よって、ｆ＝０．５に近い値であることが好ましい。光デバイス１の−１次回折光の透過回折効率は、回折格子１３の形状、薄膜層の膜厚、屈折率等に依存する。光デバイス１の透過回折効率は、Ｍａｘｗｅｌｌ方程式、回折格子の式（非特許文献２、３参照）に、入射光の入射角、波長、回折格子の形状、薄膜層の膜厚、屈折率等の条件を与えることにより、算出される。

図６は、ポンプ光Ｗ_ｐの入射角４４．５度に対する、−１次回折光の透過回折効率の、回折格子の形状による依存性の分布の算出の例を示す図である。図６の分布において、横軸はパラメータｆ、縦軸はトレンチ１３ａの深さｈである。ここでは、中間層１２ｂ（Ｔａ_２Ｏ_５）の膜厚を１３０ｎｍ、反射層１２ａ（Ａｌ_２Ｏ_３）の膜厚を２５０ｎｍとしている。また、バッファ層１２ｃは、ないものとしている。図６の分布において、ｆが０．５から０．６程度、ｈが０．２μｍから０．３μｍ程度の範囲で、透過回折効率が０．７以上となっている。また、図６の分布では、ｆ＝０．５５、ｈ＝０．２５μｍで、透過回折効率が最大値０．８１１をとっている。

図７は、光デバイスに対する入射光の透過率、反射率（効率）の入射角依存性の例を示す図である。図７の例は、図６で透過回折効率が最大値をとる条件における、０次透過光（０ｔｈ ｔｒａｎｓ）、−１次透過光（−１ｓｔ ｔｒａｎｓ：−１次回折光）、０次反射光（０ｔｈ ｒｅｆ）、−１次反射光（−１ｓｔ ｒｅｆ）の各効率の入射角依存性
である。図７のグラフでは、ポンプ光Ｗ_ｐの入射角４４．５度付近で、−１次回折光の透過率（透過回折効率）が最大となっている。また、ポンプ光Ｗ_ｐの入射角４４．５度付近で、０次の反射光及び０次の透過光は最小となっている。さらに、−１次回折光のピークが、１０度程度の広い半値幅を有しており、入射角が多少ずれたとしても、当該光デバイスは大きい透過率を得られることが分かる。−１次回折光のピークが広い半値幅を有する条件が好ましい。−１次回折光のピークの半値幅が小さい場合は、膜厚等の条件を変更して半値幅が大きくなるようにすることが好ましい。

図６のような、透過回折効率の、回折格子の形状による依存性の分布は、薄膜層の膜厚等を変更して、様々な条件で算出され得る。

図８（ａ）は、透過回折効率の最大値（ｅｆｆｉ）、当該透過回折効率が最大値を取るときの深さｈ、パラメータｆの値の、反射層１２ａの膜厚の依存性を示すグラフである。図８（ａ）のグラフの横軸は反射層１２ａの膜厚、縦軸は透過回折効率の最大値、深さｈ又はパラメータｆの値をとる。ここで、中間層１２ｂの膜厚は１３０ｎｍで固定している。図８（ａ）のグラフにおいて、反射層１２ａの膜厚が２５０ｎｍから３００ｎｍにおいて、透過回折効率が０．８程度の値をとる。従って、反射層１２ａの膜厚は、この範囲にすることが好ましい。図８（ａ）のグラフにおいて、透過回折効率が最大値を取るとき、回折格子１３のトレンチ１３ａの深さｈはほとんど同じ値をとるが、パラメータｆの値は反射層１２ａの膜厚が大きくなるのにしたがって小さくなる。

図８（ｂ）は、透過回折効率が最大値を取るときの、回折格子（ｇｒａｔｉｎｇ）、中間層（ｌａｙｅｒ）における電界の大きさの反射層１２ａの膜厚の依存性を示すグラフである。図８（ｂ）のグラフの横軸は反射層１２ａの膜厚、縦軸は回折格子または中間層におけるポンプ光入射時の電界の大きさである。電界が大きいほど、素子が壊れやすくなるため、電界は小さいほうが好ましい。透過回折効率が最大値付近の０．８程度の値を取る反射層１２ａの膜厚が２５０ｎｍから３００ｎｍにおいて、電界の値が最も小さいのは、２５０ｎｍである。よって、図８（ａ）（ｂ）から、反射層１２ａの膜厚として、２５０ｎｍが好ましいことが分かる。

図９（ａ）は、透過回折効率の最大値（ｅｆｆｉ）、当該透過回折効率が最大値を取るときの深さｈ、パラメータｆの値の、中間層１２ｂの膜厚の依存性を示すグラフである。図９のグラフの横軸は中間層１２ｂの膜厚、縦軸は透過回折効率の最大値、深さｈ又はパラメータｆの値をとる。ここで、反射層１２ａの膜厚は２５０ｎｍで固定している。図９のグラフにおいて、中間層１２ｂの膜厚が１００ｎｍから１５０ｎｍにおいて、透過回折効率が０．８程度の値をとる。従って、中間層１２ｂの膜厚は、この範囲にすることが好ましい。図９のグラフにおいて、透過回折効率が最大値を取るとき、回折格子１３のトレンチ１３ａの深さｈはほとんど同じ値をとるが、パラメータｆは中間層１２ｂの膜厚に応じて大きく変化する。

図９（ｂ）は、透過回折効率が最大値を取るときの、回折格子（ｇｒａｔｉｎｇ）、中間層（ｌａｙｅｒ）における電界の大きさの中間層１２ｂの膜厚の依存性を示すグラフである。図９（ｂ）のグラフの横軸は中間層１２ｂの膜厚、縦軸は回折格子または中間層におけるポンプ光入射時の電界の大きさである。透過回折効率が最大値付近の０．８程度の値を取る中間層１２ｂの膜厚が１００ｎｍから１５０ｎｍにおいて、電界の値は、中間層１２ｂの膜厚にほとんど依存しない。よって、図９（ａ）（ｂ）から、中間層１２ｂの膜厚として、１００ｎｍから１５０ｎｍが好ましいことが分かる。ここでは、中間層１２ｂの膜厚として、１３０ｎｍを採用する。

以上のようにして、光デバイス１の形状として、回折格子１３のトレンチ１３ａの深さ
ｈ＝０．２５μｍ、パラメータｆ＝０．５５、中間層１２ｂ（Ｔａ_２Ｏ_５）の膜厚１３０ｎｍ、反射層１２ａ（Ａｌ_２Ｏ_３）の膜厚２５０ｎｍが、算出される。この算出例は、一例であり、ポンプ光Ｗ_ｐの波長および入射角θ_１、テラヘルツ波Ｗ_ＴＨｚの波長等に応じて、各値は変化する。また、この算出例ではバッファ層１２ｃを設けない場合について算出しているが、バッファ層１２ｃを設ける場合についても、上記の例と同様にして、バッファ層１２ｃの膜厚を含む各値が算出され得る。光デバイス１の形状は、他の方法によって算出されてもよい。

光学素子は、透過回折光を利用する光学システムに利用することができる。また、テラヘルツ波発生光学デバイスは、テラヘルツ波の発生技術に利用することができる。発生したテラヘルツ波は、工業、医療、バイオ、農業、セキュリティをはじめとして、種々の分野に適用することができる。

Ａ：光学システム
Ｗ_Ｄ−１：−１次回折光（透過回折光、回折光）
Ｗ_ｐ：ポンプ光
Ｗ_ＴＨｚ：テラヘルツ波
ｓ：パルス面
θ_１：入射角
θ_２：回折角
θ_ｔ：傾斜角
１：光学デバイス
１ａ：受光部
１１：非線形光学結晶
１２：薄膜層
１２ａ：反射層（薄膜層）
１２ｂ：中間層（薄膜層）
１２ｃ：バッファ層
１３：回折格子

Claims (5)

1. 所定の入射角で入射する光を受光する受光部を有し、当該光から透過回折光を生じる回折格子と、
   前記回折格子の前記受光部と反対側面に積層された薄膜層と、を備え、
   前記薄膜層は、前記回折格子側から順に中間層と、反射層と、を備え、
   前記反射層の屈折率は、前記中間層の屈折率よりも小さく、
   前記反射層は、前記透過回折光に対する全反射条件を満たし、前記透過回折光を部分的に透過させる膜厚を有する
   光学素子。
2. 前記中間層は、前記中間層から前記受光部側に透過する光によって、前記受光部での反射光を最小化する膜厚に設定されている請求項１に記載の光学素子。
3. 前記薄膜層は、前記回折格子側に、前記中間層と異なる物質によるバッファ層をさらに備える
   請求項１又は２に記載の光学素子。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の光学素子と、
   前記透過回折光によってテラヘルツ波を発生する非線形光学結晶と、を備え、
   前記非線形光学結晶は、前記反射層の前記中間層側とは反対側面に設けられ、
   前記回折格子と前記非線形光学結晶とは、前記非線形光学結晶に伝播する前記透過回折光のパルス面の傾斜角が位相整合条件を満たし、
   前記非線形光学結晶は、前記中間層に対して全反射条件を満たさない屈折率を有する、
   テラヘルツ波発生光学デバイス。
5. 前記非線形光学結晶の入光面と放射面とは互い平行な平面で構成されている請求項４に記載のテラヘルツ波発生光学デバイス。