JP2018132728A - 反射型回折格子、レーザ発振器およびレーザ加工機 - Google Patents
反射型回折格子、レーザ発振器およびレーザ加工機 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2018132728A JP2018132728A JP2017027998A JP2017027998A JP2018132728A JP 2018132728 A JP2018132728 A JP 2018132728A JP 2017027998 A JP2017027998 A JP 2017027998A JP 2017027998 A JP2017027998 A JP 2017027998A JP 2018132728 A JP2018132728 A JP 2018132728A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- diffraction grating
- grating
- laser
- refractive index
- wavelength
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Optical Elements Other Than Lenses (AREA)
- Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)
- Laser Beam Processing (AREA)
- Lasers (AREA)
Abstract
【課題】高い波長分解能と、高い回折効率を両立した反射型回折格子を提供する。【解決手段】反射型回折格子は、反射層と、反射層の上に設けられて周期Pの凹凸パターンを有する格子部とを備えている。格子部の凹凸パターンは、屈折率NGを有する材料で作られた凸部により構成されている。入射光の波長λに対する周期Pの比P/λは、P/λ≦0.6と、(NG+6.01)/13.91≦P/λ≦(NG+0.12)/2.83とを満たしている。【選択図】図2
Description
本発明は、反射層と当該反射層の上に設けられて凹凸パターンを有する格子部とを備えた反射型回折格子、反射型回折格子を備えたレーザ発振器、および、レーザ発振器を備えたレーザ加工機に関する。
例えば波長分割多重通信、分光測定などに用いられる光学システム、またはレーザ発振器では、入射光を波長の違いに応じて異なる複数の方向の光に分離するために、または、異なる複数の方向から入射する、波長の異なる複数の光を合成するために、回折格子が用いられる。
回折格子の基本的な性能として、回折効率と波長分解能がある。回折効率は、光の利用効率を示す値であり、具体的には、入射光の強度に対する、回折格子により回折された光(回折光)の強度である。回折格子では、エネルギー効率の観点から、対象とする波長範囲にわたって回折効率が高いことが望ましい。波長分解能は、波長の変化量に対する回折角の変化量である。回折格子では、それが搭載される光学システムなどを小型化および高性能化(例えば、分光測定を行った場合の測定精度の向上)するために、高い波長分解能が要求されている。
特許文献1には、反射層と当該反射層の上に設けられて凹凸パターンを有する格子部とを備えた反射型回折格子であって、入射光の波長λに対する格子部の周期Pの比P/λが0.55以上1.45以下であるものが記載されている。また、特許文献1では、高い回折効率を得るために、格子部を構成する材料の屈折率n、格子部の凹部の高さT、入射光の波長λおよび入射角iについて好ましい値の範囲が規定されている。
特許文献1に記載の反射型回折格子は、高い回折効率と高い波長分解能とを両立するために、改善の余地がある。
本発明は、高い回折効率と高い波長分解能とを両立した反射型回折格子を提供することを課題とする。
上記課題を解決するため、本発明の一態様による反射型回折格子は、
反射層と、
前記反射層の上に設けられ、周期Pの凹凸パターンを有する格子部とを備え、
前記格子部は、屈折率NGを有する材料で作られ且つ前記凹凸パターンを構成する凸部を有し、
入射光の波長λに対する前記周期Pの比P/λは、以下の式(1)と式(2)
P/λ≦0.6 …(1)
(NG+6.01)/13.91≦P/λ≦(NG+0.12)/2.83 …(2)
を満たす。
反射層と、
前記反射層の上に設けられ、周期Pの凹凸パターンを有する格子部とを備え、
前記格子部は、屈折率NGを有する材料で作られ且つ前記凹凸パターンを構成する凸部を有し、
入射光の波長λに対する前記周期Pの比P/λは、以下の式(1)と式(2)
P/λ≦0.6 …(1)
(NG+6.01)/13.91≦P/λ≦(NG+0.12)/2.83 …(2)
を満たす。
本発明によれば、入射光の波長λに対する格子部の周期Pの比P/λが式(1)と式(2)を満たすことにより、高い回折効率と高い波長分解能を両立させることができる。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して具体的に説明する。以下の説明では、必要に応じて特定の方向を表す用語を用いるが、これらの用語は本発明の理解を容易にするために用いているのであって、こられの用語により本発明の範囲が限定されると理解すべきでない。
実施形態1.
[1.反射型回折格子の基本構造]
図1は、本発明の実施形態1による反射型回折格子(以下、単に回折格子という)100における入射光101と回折光102,103との位置関係を示す概念図である。入射光101は、図示しない光源から到来する。
[1.反射型回折格子の基本構造]
図1は、本発明の実施形態1による反射型回折格子(以下、単に回折格子という)100における入射光101と回折光102,103との位置関係を示す概念図である。入射光101は、図示しない光源から到来する。
式(4)から、−1次の回折を生じるためには、P/λ≧0.5を満たす必要がある。
図2は、図1の回折格子100の構造を示す斜視図である。図3は、図2のA−A線に沿った断面図である。回折格子100は、格子部10、反射層20および基板30を備えている。格子部10は反射層20の上に設けられており、反射層20は基板30の上に設けられている。
格子部10は、反射層20の上面20a(後述する第1表面層21の上面21aに一致する)に設けられた凸部11と、2つの凸部11,11の間に画定される空隙部またはギャップ12とを有する。実施形態では、格子部10の凸部11と、反射層20の上面20aのうちギャップ12に露出した部分とにより、周期(一次元周期)Pの凹凸パターンが形成されている。なお、周期Pは、複数の凸部11にわたる平均周期である。
以下の説明と図面では、格子部10が周期性を有する方向(格子部10の周期方向)をX方向とする。また、反射層20の上面21a内でX方向に対して垂直な方向(格子部10の長手方向、具体的には凸部11の長手方向)をY方向と称する。また、反射層20の上面20aについての面直方向または法線方向をZ方向とする。
格子部10は、長手方向(Y方向)に一様な形状を有する。格子部10の凸部11は、実質的に平坦な上面11aを有する。凸部11は傾斜側壁11bを有する。反射層20の上面20aについての面直方向(Z方向)に対する傾斜側壁11bの傾斜角Sは、5度以下であることが好ましい。
本発明者らは、鋭意検討した結果、周期Pを小さくすると波長分解能を向上させることができる一方、回折効率も低下しうる、つまり、両者の間にはトレードオフの関係があることを見出した。本発明は、このような知見に基づいてなされたものである。具体的には、入射光101の波長λに対する格子部10における周期Pの比P/λが下記の式(6)、式(7)を満たすことにより、高い波長分解能と高い回折効率を両立できることを見出した。
P/λ≦0.6 …(6)
(NG+6.01)/13.91≦P/λ≦(NG+0.12)/2.83 …(7)
P/λ≦0.6 …(6)
(NG+6.01)/13.91≦P/λ≦(NG+0.12)/2.83 …(7)
なお、式(6)、式(7)に関して、波長λは、入射光101のピーク波長である。ピーク波長とは、入射光101の強度が極大値をとる波長をいう。入射光101が複数のピーク波長を有する場合、波長λはそれらの中央値である。式(6)、式(7)において、NGは、格子部10の凸部11を構成する材料の屈折率である。
なお、入射光101が単一波長の光であれば、入射角θの最適値は、式(5)で表されるリトロー配置を満たす角度である。式(6)を満たすP/λに対しては、θ≧56°であれば、式(5)の条件が満たされる。入射光101の波長が所定範囲に及ぶときは、リトロー配置を満たす角度より小さい角度が好ましいことがわかっている。これは、周期Pが小さく入射角θが大きい場合、回折角が−90°に近づき回折効率が大幅に低下するためである。また、P/λに対するθの最適値は、波長範囲により異なることがわかっている。
格子部10は、1)SiO2(二酸化ケイ素、石英ガラス)、SiO(一酸化ケイ素)などのSiOX(酸化ケイ素)、2)Al2O3(酸化アルミニウム)、3)HfO2(酸化ハフニウム)、または4)Ta2O5(五酸化タンタル)などの材料で作られていてもよい。各材料を用いたときに上記式(7)を満たすP/λの範囲を下記の表1に示す。
図3に示す断面において、反射層20の上面20aを基準としたときの格子部10の凸部11の高さ(Z方向寸法)をDGとする。格子部10の加工を容易にするために、凸部11の高さDGは、0<DG≦2Pを満たすことが好ましい。また、凸部11の高さ中央での幅(X方向寸法)をWとする。ここで、格子部10において凸部11が占める割合を占有率Fと称する。本明細書では占有率FをW/Pと定義する。格子部10の加工を容易にするために、占有率Fは、0.2≦F≦0.8を満たすことが好ましい。
反射層20は、格子部10の周期方向(X方向)および長手方向(Y方向)に一様な形状を有する。反射層20の上面20aは、実質的に平坦である。反射層20は、第1表面層21、第2表面層22および積層部23を有する。実施形態では、第1表面層21は第2表面層22よりも屈折率が大きい。積層部23では、高屈折率層24と低屈折率層25が、n回、繰り返し設けられている。つまり、積層部23は高屈折率層24と低屈折率層25をそれぞれn層、有している。最も上側(格子部側)に設けられる高屈折率層24が第2表面層22に接している。層21,22,24,25はそれぞれ、屈折率N21,N22,N24,N25を有する。層21,22,24,25はそれぞれ、厚みD21,D22,D24,D25を有する。
実施形態では、吸収損失を小さくし、これにより高い回折効率と高い損傷閾値が得られるように、積層部23は誘電体多層膜である。高屈折率層24の厚みD24と低屈折率層25の厚みD25は、光学長換算でλ/4相当の大きさである。厚みD24、D25は、下記の式(8)により求められる。
D24・k24Z=D25・k25Z=π/2 …(8)
D24・k24Z=D25・k25Z=π/2 …(8)
反射層20を構成する層21,22,24,25は、それぞれ、TiO2(酸化チタン)、Ta2O3(酸化タンタル)、SiO2(二酸化ケイ素)、MgF2(フッ化マグネシウム)などの材料で作られていてもよい。TiO2とTa2O3を高屈折率層の材料として用いてもよく、SiO2とMgF2を低屈折率層の材料として用いてもよい。
基板30は、格子部10の周期方向(X方向)および長手方向(Y方向)に一様な形状を有する。基板30は、例えば、石英ガラス、合成石英、光学ガラス、Si(シリコン)などの材料で作られていてもよいし、一種類の金属または合金で作られていてもよい。基板30は、温度変化に起因して生じる回折効率と回折角の変化を小さくするために、熱膨張係数が小さい材料、例えば石英ガラスまたは合成石英で作られていることが好ましい。基板30を構成する材料は屈折率NSを有する。屈折率NSは、回折格子100の回折効率にほとんど影響を与えないことがわかっている。
[2.反射型回折格子の製造方法]
回折格子100の例示的な製造方法は、基板30の上に反射層20を設けるステップと、反射層20の上に格子部10を設けるステップとを含む。反射層20を設けるステップは、例えば蒸着法(例えば電子ビーム蒸着法)を用いて行われる。格子部10を設けるステップは、反射層20の上に格子部10の材料を例えば蒸着法を用いて堆積させるステップと、ドライエッチング、ウェットエッチング、ナノインプリントなどの公知の方法を用いて当該材料を加工するステップとを含む。その後、反射層20の上面20aには、必要に応じて平坦化処理が施される。上述の加工方法を用いた場合、格子部10には傾斜側壁11bが生じるのが一般的である。
回折格子100の例示的な製造方法は、基板30の上に反射層20を設けるステップと、反射層20の上に格子部10を設けるステップとを含む。反射層20を設けるステップは、例えば蒸着法(例えば電子ビーム蒸着法)を用いて行われる。格子部10を設けるステップは、反射層20の上に格子部10の材料を例えば蒸着法を用いて堆積させるステップと、ドライエッチング、ウェットエッチング、ナノインプリントなどの公知の方法を用いて当該材料を加工するステップとを含む。その後、反射層20の上面20aには、必要に応じて平坦化処理が施される。上述の加工方法を用いた場合、格子部10には傾斜側壁11bが生じるのが一般的である。
[3.実施例]
以下、実施例を用いて本実施形態1を具体的に説明する。実施例で用いる数値は一例であり、本発明は実施例に限定されると理解すべきではない。実施例では、回折格子100の回折効率と波長分解能について検討する。
以下、実施例を用いて本実施形態1を具体的に説明する。実施例で用いる数値は一例であり、本発明は実施例に限定されると理解すべきではない。実施例では、回折格子100の回折効率と波長分解能について検討する。
本実施例では、回折効率の計算に、RCWA(Rigorous Coupled-Wave Analysis、厳密結合波解析)法による電磁界シミュレータ「DiffractMOD」(R−SOFT社)を用いた。また、波長分解能は、ブラック回折条件に基づく後述の式(12)を用いて計算した。なお、本実施例でいう回折効率ηは、対象とする波長範囲λ±Δλ内での回折効率の平均値とする。実施例では、下記の表2に示すパラメータを固定値とした。
表2において、波長幅Δλは、入射光101の半幅を示している。光101のプロファイルが波長λを基準として対称である場合、当該光の波長範囲はλ±Δλである。表2における波長幅Δλの値(0.04μm)は、回折格子100の波長特性を評価するために設定した例示的な値にすぎない。
表2において、入射方位φは、入射光101のXY面射影とX軸がなす角度であり、φ=0°は、光101の入射面が格子ベクトルaを含む向きであることを示す(図5を参照)。なお、格子ベクトルaは、格子部10の周期方向を指すベクトルであり、ここではX軸方向に一致する。また、偏光角ψは、入射光101における電界振動方向のXY面射影と、X軸とがなす角度である。ψ=90°は、偏光が光の入射面と直交していること、すなわち入射光101がS偏光であることを示す。
(3−1.無次元パラメータP/λの最適値の入射角依存性)
図6は、格子部10の無次元パラメータP/λ(横軸)と回折効率η(縦軸)との関係を、複数の入射角θについて示すグラフである。図6において、太い実線、太い破線、細い実線、細い破線は、入射角θがそれぞれ30°、50°、60°、70°のときの回折効率ηを示す。図6のグラフを得るために用いた各パラメータの値を下記の表に示す。
図6は、格子部10の無次元パラメータP/λ(横軸)と回折効率η(縦軸)との関係を、複数の入射角θについて示すグラフである。図6において、太い実線、太い破線、細い実線、細い破線は、入射角θがそれぞれ30°、50°、60°、70°のときの回折効率ηを示す。図6のグラフを得るために用いた各パラメータの値を下記の表に示す。
第1表面層21の厚みD21は、格子部10と、反射面(第1表面層21と第2表面層22との間の界面)との間の距離を意味する。格子部10への光エネルギー分布を通して回折効率に影響するため、最適化した値を設定値とする。ここで最適化とは、対象となる値を変化させ、回折効率ηが最大となるような値を選択することを指す。また、反射層20の入射角依存性と波長依存性を排除した状態で、格子部10の無次元パラメータP/λと回折効率ηとの関係を解析するため、第2表面層22の屈折率N22を10000として実質的に理想的な反射面を仮定した。
また、層21,22,24,25の厚みD21,D22,D24,D25は、入射光の波長λが1μmであるとして設定した値である。入射光の波長が1μmとは異なる場合、反射膜として作用する層24,25の厚みD24,D25については、式(8)から式(10)を用いて設定値を変更すればよく、回折格子100内に侵入する光分布を制御するための層21,22の厚みD21,D22については、上述のとおり最適化により決定すればよい。
図6からわかるように、入射角θに応じて、回折効率ηが最大値をとるときのパラメータP/λの値が異なる。
図7は、光の入射角θ(横軸)と、格子部10の無次元パラメータP/λの最適値(縦軸)との関係を示すグラフである。ここで、最適値とは、図6のグラフにおいて回折効率ηが極大値をとるときのパラメータP/λの値を指す。図7において、白抜き四角形は図6で求めた最適値を示す。実線は、式(5)を満たしてリトロー配置となるときの無次元パラメータP/λを示す。破線は、−1次回折が生じるときの無次元パラメータP/λの下限値を示す。図7からわかるように、無次元パラメータP/λの最適値は、リトロー配置の近傍で得られる。
そこで、以下の解析では、特記しない限り、回折格子100は入射光101に対してリトロー配置されているものとする。
(3−2.高い波長分解能を得るための無次元パラメータP/λの値)
本明細書では、波長λの変化量に対する回折角θ’の変化量を示す波長分解能δを下記の式(11)で定義する。
本明細書では、波長λの変化量に対する回折角θ’の変化量を示す波長分解能δを下記の式(11)で定義する。
回折格子100が入射光101に対してリトロー配置されているとき、式(11)は式(5)を用いて下記の式(12)で表される。
図8は、格子部10の無次元パラメータP/λ(横軸)と波長分解能δ(縦軸)との関係を示すグラフである。回折格子100では、回折による光の分離を大きくして回折格子100を搭載する光学システムを従来技術よりも小型化・高性能化するために、式(12)で表される波長分解能δが3.0以上であることが望ましい。波長分解能δが3.0のとき、無次元パラメータP/λの値は約0.6である。したがって、無次元パラメータP/λは、下記の式(13)を満たすことが好ましい。
P/λ≦0.6 …(13)
P/λ≦0.6 …(13)
なお、回折格子100が入射光101に対してリトロー配置を満たす位置の近傍に配置された場合、つまりθとθ’の大きさが近い値である場合にも、上記式(13)を満たすことにより、同様に、好ましい波長分解能δを得ることができる。
(3−3.高い回折効率を得るための格子部の無次元パラメータP/λの値)
図9は、格子部10の凸部11を構成する材料の屈折率NG(横軸)と回折効率η(縦軸)との関係を示すグラフである。図9のグラフを得るために用いた各パラメータの値を下記の表4に示す。第1表面層21の厚みD21は、格子部10への光エネルギー分布を通して回折効率に影響するため、最適化パラメータとした。
図9は、格子部10の凸部11を構成する材料の屈折率NG(横軸)と回折効率η(縦軸)との関係を示すグラフである。図9のグラフを得るために用いた各パラメータの値を下記の表4に示す。第1表面層21の厚みD21は、格子部10への光エネルギー分布を通して回折効率に影響するため、最適化パラメータとした。
図9からわかるように、ある無次元パラメータP/λの値について、格子部10の凸部11を構成する材料の屈折率NGに応じて、回折効率ηが変化することがわかる。また、図9から、屈折率NGが1.55≦NG≦2.20を満たすときに、特に高い回折効率η(η≧0.971)が得られることがわかる。
なお、上記屈折率NGの範囲は、以下の手順により求めたものである。1)低屈折率側の変曲点での屈折率NGL0と回折効率ηLを求めた。2)高屈折率側の変曲点での屈折率NGH0と回折効率ηHを求めた。3)ηL、ηHのうち大きい方の回折効率ηの値(図9ではηH)を閾値ηthとして求めた。4)回折効率η≧ηthとなる屈折率NGの範囲NGL≦NG≦NGHを求めた(図9では、1.55≦NG≦2.20)。このようにして求めた屈折率NGの範囲NGL≦NG≦NGHを、屈折率NGの最適範囲と称す。
格子部10の無次元パラメータP/λ(横軸)を変化させて求めた屈折率NG(縦軸)の最適範囲を図10に示す。図10のグラフにおいて、白抜き四角は屈折率NGの最適範囲の下限値NGLを、白抜き丸は屈折率NGの最適範囲の上限値NGHを示す。図10から、下限値NGLと上限値NGHは、無次元パラメータP/λに応じてほぼ直線的に変化することがわかった。下限値NGLと上限値NGHは、無次元パラメータP/λの一次関数としてそれぞれ下記の式(14)、式(15)で表される。
よって、格子部10の凸部11を構成する材料の屈折率NGが下記の式(16)で表される範囲内の数値であれば、特に高い回折効率ηが得られることがわかる。
なお、式(16)は、P/λ=0.55のときに1.436≦NG≦1.641、P/λ=0.59のときに1.550≦NG≦2.200である。
以上の検討を基に、回折格子100の設計者は、まず、波長分解能の設計要求に応じて、式(6)(P/λ≦0.6)の範囲を満たす範囲で周期Pを決定することにより、高い波長分解能を得ることができる。そして、設計者は、決定した周期Pを基に、高い回折効率を得るために好ましい屈折率NGの値を式(16)に基づいて決定できる。
上記式(16)から、格子部10の凸部11を構成する材料の屈折率NGが決定したときには、下記の式(17)を満たせば、特に高い回折効率ηが得られる。
(NG+6.01)/13.91≦P/λ≦(NG+0.12)/2.83 …(17)
(NG+6.01)/13.91≦P/λ≦(NG+0.12)/2.83 …(17)
(3−4.反射層の構成)
図11は、入射光の波長λ(横軸)と反射層20の反射率R(縦軸)との関係を示すグラフである。図11のグラフを得るために、入射角θ=70°とした。図12は、光の入射角θ(横軸)と反射層20の反射率R(縦軸)との関係を示すグラフである。なお、上述のとおり、反射層20は誘電体多層膜である。図11、図12のグラフを得るために用いた各パラメータの値を下記の表5に示す。高屈折率層24の厚みD24と低屈折率層25の厚みD25は、光学長換算でλ/4相当の大きさであり、上記の式(10)から式(12)を満たしている。
図11は、入射光の波長λ(横軸)と反射層20の反射率R(縦軸)との関係を示すグラフである。図11のグラフを得るために、入射角θ=70°とした。図12は、光の入射角θ(横軸)と反射層20の反射率R(縦軸)との関係を示すグラフである。なお、上述のとおり、反射層20は誘電体多層膜である。図11、図12のグラフを得るために用いた各パラメータの値を下記の表5に示す。高屈折率層24の厚みD24と低屈折率層25の厚みD25は、光学長換算でλ/4相当の大きさであり、上記の式(10)から式(12)を満たしている。
図11、図12からわかるように、誘電体多層膜は、設計入射角(θ=70°)と設計波長(λ=1μm)からある程度ずれていても、ほぼ100%の反射率を示すことがわかる。したがって、誘電体多層膜は、回折格子100が搭載された光学システムにおいて、入射光101の波長λ、入射角θ、回折角θ’の値に幅があるときに特に適していると言える。図11からわかるように、入射角θの設計入射角からのずれが大きいと反射率Rが低下するが、リトロー配置の場合は、入射角θと回折角θ’の値が等しいことから、誘電体多層膜により入射光θ、回折光θ’ともに、ほぼ100%の反射率Rを実現できる。
(3−5.実施例1,2)
図13、図14は、格子部10の無次元パラメータP/λが式(13)と式(17)を満たす実施例1、2について、入射光101の波長λと回折効率ηとの関係を示すグラフである。波長λは、0.96μm≦λ≦1.04μmの範囲で変化させた。図13(実施例1)では、波長分解能δの値を3.8とした。図14(実施例2)では、波長分解能δの値を3.0とした。図13、図14のグラフを得るために用いたその他のパラメータの値を下記の表6に示す。
図13、図14は、格子部10の無次元パラメータP/λが式(13)と式(17)を満たす実施例1、2について、入射光101の波長λと回折効率ηとの関係を示すグラフである。波長λは、0.96μm≦λ≦1.04μmの範囲で変化させた。図13(実施例1)では、波長分解能δの値を3.8とした。図14(実施例2)では、波長分解能δの値を3.0とした。図13、図14のグラフを得るために用いたその他のパラメータの値を下記の表6に示す。
上記表6において、格子部10の凸部11(実施例1)、第2表面層22、低屈折率層25および基板30を構成する材料(屈折率1.45)として、石英ガラスを用いてもよい。上記表6において、第1表面層21および高屈折率層24を構成する材料(屈折率2.1)として、Ta2O5を用いてもよい。格子部10の凸部11(実施例2)を構成する材料(屈折率1.8)として、SiOx、SiONを用いてもよい。
図13(実施例1)では、回折効率(平均値)η=0.982を得た。図14(実施例2)では、回折効率(平均値)η=0.994を得た。
(3−6.実施例3,4)
図15は、格子部10の凸部11における傾斜側壁11bの傾斜角Sを変えて実施した実施例3,4について、傾斜角S(横軸)と回折効率η(縦軸)との関係を示すグラフである。図15のグラフを得るために用いたパラメータの値を下記の表7に示す。
図15は、格子部10の凸部11における傾斜側壁11bの傾斜角Sを変えて実施した実施例3,4について、傾斜角S(横軸)と回折効率η(縦軸)との関係を示すグラフである。図15のグラフを得るために用いたパラメータの値を下記の表7に示す。
実施例3では、格子部10の形状(具体的には占有率Fと凸部11の高さDG)と第1表面層21の厚みD21を最適化しつつ、傾斜側壁11bの傾斜角Sを変化させた。実施例3の結果を図15に実線で示している。実施例4では、格子部10の形状等を示すパラメータの値を固定して、傾斜側壁11bの傾斜角を変化させた。実施例4の結果を図15に破線で示している。図15からわかるように、傾斜角Sが5度以下のときに、特に高い回折効率ηが得られる。
実施形態2.
図16は、本発明の実施形態2による回折格子200の構造を示す、図3に対応する断面図である。実施形態1では、回折格子100の反射層20が誘電体多層膜により構成される例について説明した。本実施形態2による回折格子200は、反射層20に対応する反射層220が金属膜を含んでいる点で、実施形態1による回折格子100と異なる。回折格子200のその他の構成は回折格子100と同じであってよく、説明と図面では同じ符号を付して説明を省略する。
図16は、本発明の実施形態2による回折格子200の構造を示す、図3に対応する断面図である。実施形態1では、回折格子100の反射層20が誘電体多層膜により構成される例について説明した。本実施形態2による回折格子200は、反射層20に対応する反射層220が金属膜を含んでいる点で、実施形態1による回折格子100と異なる。回折格子200のその他の構成は回折格子100と同じであってよく、説明と図面では同じ符号を付して説明を省略する。
反射層220に含まれる金属膜は、熱伝導率が特に大きい材料、例えば金、銅、アルミニウムなどで作られていることが好ましい。金属膜の熱伝導率が大きいことにより、他の材料を用いた場合よりもXY面内の温度分布を低減でき、これにより熱レンズ効果(温度分布に伴う屈折率分布に起因して生じる、意図しないレンズ作用)を抑制できる。
図17は、本実施形態5による実施例5について、入射光101の波長λと回折効率ηとの関係を示すグラフである。図17のグラフを得るために用いたパラメータの値を下記の表8に示す。波長λは、0.96μm≦λ≦1.04μmの範囲で変化させた。波長分解能δの値を3.8とした。
図17では、回折効率(平均値)η=0.967を得た。
実施形態3.
図18は、本発明の実施形態3によるレーザ発振器300を示す図である。レーザ発振器300は、上述の回折格子100(または回折格子200)と、回折格子に対してレーザ光を照射するための複数のレーザ素子311,312,313とを備えている。レーザ素子311〜313は、それぞれ波長λ1,λ2,λ3のレーザ光321,322,323を放出する。回折格子100に対して入射するレーザ光321〜323は、S偏光であってもよい。図16には3つのレーザ素子を図示しているが、本発明はこれに限定されることなく、2つまたは4つ以上のレーザ素子が設けられていてもよい。レーザ素子は、レーザダイオード(LD)であってもよい。
図18は、本発明の実施形態3によるレーザ発振器300を示す図である。レーザ発振器300は、上述の回折格子100(または回折格子200)と、回折格子に対してレーザ光を照射するための複数のレーザ素子311,312,313とを備えている。レーザ素子311〜313は、それぞれ波長λ1,λ2,λ3のレーザ光321,322,323を放出する。回折格子100に対して入射するレーザ光321〜323は、S偏光であってもよい。図16には3つのレーザ素子を図示しているが、本発明はこれに限定されることなく、2つまたは4つ以上のレーザ素子が設けられていてもよい。レーザ素子は、レーザダイオード(LD)であってもよい。
レーザ発振器300は、さらに、ミラー331〜333,340と部分反射ミラー350とを備えている。ミラー331〜333は、レーザ素子311〜313からそれぞれ出射したレーザ光321〜323を回折格子100に集束させる機能を有する。回折格子100により回折されたレーザ光321〜323は、合成されて一本の合成レーザ光320となる。ミラー340は、合成レーザ光320を所望の方向へ誘導する機能を有する。
部分反射ミラー90は、合成レーザ光320の一部のエネルギーに相当するレーザ光を反射し、残りのエネルギーに相当するレーザ光を透過させる機能を有する。部分反射ミラー350で反射されたレーザ光は、回折格子100により再び(ミラー331〜333の数に相当する数の)複数のレーザ光に分割され、レーザ素子311〜313に帰還する。これにより、回折格子100と部分反射ミラー90が外部共振器として動作する。一方、部分反射ミラー350を透過したレーザ光は、レーザ発振器300の出力光として外部に取り出される。
レーザ素子311〜313から出射するレーザ光321〜323は、それぞれ異なる入射角θ1,θ2,θ3で回折格子100に入射する。回折格子100は、レーザ素子311から出射するレーザ光321に対してリトロー配置されている。つまり、入射角θ1は、式(5)を満たす。レーザ素子312,313は、レーザ素子311に近接して配置されている。したがって、レーザ光322,323の入射角θ2,θ3は、レーザ光321の入射角θ1に近い値をとる。
レーザ発振器300は、図示しないハウジングを備えており、回折格子100、レーザ素子311〜313、ミラー331〜333,340、および、部分反射ミラー350は、このハウジング内に収納されている。
レーザ素子311〜313が放出するレーザ光321〜323の波長λ1〜λ3は、図19に示すように、回折格子100に入射角θ1,θ2,θ3で入射するレーザ光321,322,323が、同じ回折角θ’で回折するように選択されている。このように、複数のレーザ素子から到来する光を回折格子100で結合して一本のレーザ光とすることで、高出力のレーザ発振器300を実現できる。
また、レーザ発振器300では、1%オーダーの回折効率の違いがシステム性能に影響する(光電変換効率に影響し、最大出力にも影響しうる)ため、特に高い回折効率が要求される。本実施形態3では、回折格子100により高い回折効率が実現されるので、レーザ発振器300について高いシステム性能を得ることができる。
実施形態4.
図20は、本発明の実施形態4によるレーザ加工機400を示す図である。レーザ加工機400は、例えば板金加工を行うためのものであり、上述のレーザ発振器300と、複数の光学系411,412,413と、ステージ台421とを備えている。光学系411は、レーザ発振器300から出射したレーザ光401を所望のビーム径およびプロファイルに調整および整形するためのビーム調整光学系である。光学系412は、ビーム調整光学系411から出射したレーザ光401を導光するためのミラーである。光学系413は、ミラー412から出射したレーザ光401をステージ台421の上に配置された被加工材422に集束させるためのレンズである。レーザ加工機400では、レーザ光401を伝送するための光ファイバが設けられていてもよい。
図20は、本発明の実施形態4によるレーザ加工機400を示す図である。レーザ加工機400は、例えば板金加工を行うためのものであり、上述のレーザ発振器300と、複数の光学系411,412,413と、ステージ台421とを備えている。光学系411は、レーザ発振器300から出射したレーザ光401を所望のビーム径およびプロファイルに調整および整形するためのビーム調整光学系である。光学系412は、ビーム調整光学系411から出射したレーザ光401を導光するためのミラーである。光学系413は、ミラー412から出射したレーザ光401をステージ台421の上に配置された被加工材422に集束させるためのレンズである。レーザ加工機400では、レーザ光401を伝送するための光ファイバが設けられていてもよい。
このように、高いシステム性能を有するレーザ発振器300を用いることにより、高出力で且つ高速加工を行うことが可能なレーザ加工機400を得ることができる。
[他の実施形態]
以上、実施形態を用いて本発明を説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されないと理解すべきである。また、各実施形態に記載された特徴は、自由に組み合わせられてよい。また、上述の実施形態には、さまざまな改良、設計上の変更および削除が加えられてよい。
以上、実施形態を用いて本発明を説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されないと理解すべきである。また、各実施形態に記載された特徴は、自由に組み合わせられてよい。また、上述の実施形態には、さまざまな改良、設計上の変更および削除が加えられてよい。
例えば、上述の実施形態1では、反射層20において、上側(格子部側)から屈折率の高い層、屈折率の高い層がこの順で交互に繰り返される例について説明した。本発明は、これに限定されることなく、上側(格子部側)から屈折率の低い層、屈折率の高い層がこの順で交互に繰り返されてもよい。
また、上述の実施形態1では、反射層20において高屈折率層24の厚みD24と低屈折率層25の厚みD25が光学長換算でλ/4相当の大きさである例について説明した。本発明は、これに限定されることなく、1つ以上の層について、厚みD24、厚みD25が光学長換算でλ/4相当の大きさから意図的にずらした値としてもよい。なお、誘電体多層膜において入射光101の波長λが設計波長からある程度ずれていても、ほぼ100%の反射率を示すことがわかることができる点は図12を参照して説明したとおりである。反射層20の構成は、格子部10への光エネルギー分布を通して回折効率に影響するが、格子部10の厚みDGを最適化すると、以上の検討と同様、高い回折効率を得ることが可能である。
10 格子部、 11 凸部、 12 ギャップ、 20 反射層、 21 第1表面層、 22 第2表面層、 23 積層部、 24 高屈折率層、 25 低屈折率層、 30 基板、 100,200 反射型回折格子、 300 レーザ発振器、 311,312,313 レーザ素子、 331,332,333,340 ミラー、 350 部分反射ミラー、 400 レーザ加工機、 421 ステージ台、 P 周期、 W 凸部の高さ中央での幅、 DG 凸部の高さ、 S 傾斜角
Claims (9)
- 反射層と、
前記反射層の上に設けられ、周期Pの凹凸パターンを有する格子部とを備え、
前記格子部は、屈折率NGを有する材料で作られ且つ前記凹凸パターンを構成する凸部を有し、
入射光の波長λに対する前記周期Pの比P/λは、下記の式(1)と式(2)
P/λ≦0.6 …(1)
(NG+6.01)/13.91≦P/λ≦(NG+0.12)/2.83 …(2)
を満たす、
反射型回折格子。 - 前記格子部は、SiO2、SiO、Al2O3、HfO2およびTa2O5からなる群から選択された材料で作られている、
請求項1に記載の反射型回折格子。 - 前記反射層は、高屈折率層と低屈折率層の繰り返しを含む誘電体多層膜である、
請求項1または2に記載の反射型回折格子。 - 前記反射層は金属膜を含む、
請求項1または2に記載の反射型回折格子。 - 前記反射層の下に設けられた基板をさらに備え、
前記基板は、石英ガラスまたは合成石英で作られている、
請求項1から4のいずれか1項に記載の反射型回折格子。 - 前記反射層の上面に対する前記凸部の高さDGは、0<DG≦2Pを満たし、
前記格子部の周期Pに対する、前記格子部の高さ中央での幅Wの比Fは、0.2以上0.8以下である、
請求項1から5のいずれか1項に記載の反射型回折格子。 - 請求項1から6のいずれかに記載の反射型回折格子と、
前記反射型回折格子に対してレーザ光を照射するためのレーザ素子とを備えた、
レーザ発振器。 - 前記反射型回折格子は、前記レーザ光に対してリトロー配置されている、
請求項7に記載のレーザ発振器。 - 請求項7または8に記載のレーザ発振器を備えた、
レーザ加工機。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2017027998A JP2018132728A (ja) | 2017-02-17 | 2017-02-17 | 反射型回折格子、レーザ発振器およびレーザ加工機 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2017027998A JP2018132728A (ja) | 2017-02-17 | 2017-02-17 | 反射型回折格子、レーザ発振器およびレーザ加工機 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2018132728A true JP2018132728A (ja) | 2018-08-23 |
Family
ID=63247558
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2017027998A Pending JP2018132728A (ja) | 2017-02-17 | 2017-02-17 | 反射型回折格子、レーザ発振器およびレーザ加工機 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2018132728A (ja) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP6779393B1 (ja) * | 2019-05-09 | 2020-11-04 | 三菱電機株式会社 | レーザ装置 |
JP6833126B1 (ja) * | 2020-05-11 | 2021-02-24 | 三菱電機株式会社 | レーザ加工装置 |
KR20210026230A (ko) * | 2019-08-29 | 2021-03-10 | 이화여자대학교 산학협력단 | 손실 금속 기반 반사형 컬러 픽셀 |
KR20210108458A (ko) * | 2019-01-04 | 2021-09-02 | 블랙모어 센서스 앤드 애널리틱스, 엘엘씨 | 멀티 패싯 편향기를 포함하는 라이다 시스템 |
-
2017
- 2017-02-17 JP JP2017027998A patent/JP2018132728A/ja active Pending
Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20210108458A (ko) * | 2019-01-04 | 2021-09-02 | 블랙모어 센서스 앤드 애널리틱스, 엘엘씨 | 멀티 패싯 편향기를 포함하는 라이다 시스템 |
KR102590187B1 (ko) * | 2019-01-04 | 2023-10-16 | 블랙모어 센서스 앤드 애널리틱스, 엘엘씨 | 멀티 패싯 편향기를 포함하는 라이다 시스템 |
US11835657B2 (en) | 2019-01-04 | 2023-12-05 | Blackmore Sensors & Analytics, LLC. | Lidar system including multifaceted deflector |
JP6779393B1 (ja) * | 2019-05-09 | 2020-11-04 | 三菱電機株式会社 | レーザ装置 |
US11264771B1 (en) | 2019-05-09 | 2022-03-01 | Mitsubishi Electric Corporation | Laser device |
KR20210026230A (ko) * | 2019-08-29 | 2021-03-10 | 이화여자대학교 산학협력단 | 손실 금속 기반 반사형 컬러 픽셀 |
KR102285312B1 (ko) * | 2019-08-29 | 2021-08-03 | 이화여자대학교 산학협력단 | 손실 금속 기반 반사형 컬러 픽셀 |
JP6833126B1 (ja) * | 2020-05-11 | 2021-02-24 | 三菱電機株式会社 | レーザ加工装置 |
WO2021229655A1 (ja) * | 2020-05-11 | 2021-11-18 | 三菱電機株式会社 | レーザ加工装置 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7408712B2 (en) | Polarization-selectively blazed, diffractive optical element | |
US6927915B2 (en) | Diffractive optical element, and optical system and optical apparatus provided with the same | |
TWI467232B (zh) | 用以將反射及透射光輻射輪廓塑形的非週期性光柵及包含此光柵之系統 | |
JP2018132728A (ja) | 反射型回折格子、レーザ発振器およびレーザ加工機 | |
US5007709A (en) | Diffraction grating and manufacturing method thereof | |
US9726794B2 (en) | High index contrast grating structure for light manipulation and related method | |
US10175496B2 (en) | Wide spectral band subwavelength diffractive component | |
JP2005172844A (ja) | ワイヤグリッド偏光子 | |
CN102495442B (zh) | 金属介电反射光栅的设计方法 | |
KR20200141443A (ko) | 이중 재료 구조체를 포함하는 회절 격자 | |
EP2300859A1 (en) | Light manipulation arrangement | |
US10119802B2 (en) | Optical position-measuring device having grating fields with different step heights | |
US20100091369A1 (en) | Double-layer grating | |
CN106959478B (zh) | 光学层系统 | |
US6904200B2 (en) | Multidimensional optical gratings | |
JP2002006126A (ja) | 回折格子および回折格子の使用法 | |
US20030223117A1 (en) | Optical element | |
JP2019132905A (ja) | 透過型回折素子、レーザ発振器及びレーザ加工機 | |
JP2007101926A (ja) | 透過型回折格子、ならびにそれを用いた分光素子および分光器 | |
JP2018146624A (ja) | 透過型回折素子および反射防止構造 | |
JP4139420B2 (ja) | 波長フィルタ | |
JP2011075850A (ja) | 多層膜ラミナー型回折格子及び分光器 | |
RU2454760C1 (ru) | Планарная бинарная микролинза | |
US11927780B2 (en) | Dielectric grating apparatus | |
US20240201426A1 (en) | Multi-layer high-efficiency dielectric grating with improved manufacturability |