JP2850683B2 - 円偏光ミラ− - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、高出力炭酸ガスレ−
ザ−の光を加工に用いる際にレ−ザ−光を円偏光にする
ための円偏光ミラ−に関する。炭酸ガスレ−ザ−は量子
効率が高く、その光は強力である。ために金属やセラミ
ック、半導体等の切断、熱処理など広く機械加工のため
に用いられる。

【０００２】

【従来の技術】炭酸ガスレ−ザ−光を対象物の加工に用
いる時には発振器から出た光をミラ−で反射させてから
対象物に当てる。左右に走査する必要があるときはミラ
−を左右に振って光を左右に振動させる。対象物は光の
振動方向と直角に動かすことによって、移動の線に沿う
ある広がりを持った領域に光を照射することができる。
発振器から出る光は直線偏光している。

【０００３】対象物が金属の場合、切断速度は偏波面に
関連して異方性がある。炭酸ガスレ−ザ−光を直線偏光
のまま金属である対象物に照射すると、切断面が正しく
面に直角にならず、斜めになったりする。これは金属面
に対する反射率が偏光方向によって異なり直線偏光の場
合は切断線に対して異方性があるからである。

【０００４】特に厚い金属板を高いパワ−で切断する場
合に切断線の乱れが著しい。それで偏波面に起因する異
方性を克服するために、直線偏光を円偏光に変換するこ
とが必要である。このために、炭酸ガスレ−ザ−は必ず
一つの円偏光ミラ−を必要とする。

【０００５】図１は円偏光ミラ−を用いて炭酸ガスレ−
ザ−の直線偏光の光を円偏光に変換する構成を示す斜視
図である。炭酸ガスレ−ザ−の光１１は、ある空間上に
想定されたｘ、ｙ、ｚ座標系に関してｚ方向に進行して
いるとする。この進行方向に円偏光ミラ−１０がある。
ここで光は４５度の角度で入射し、４５度の角度で反射
される。反射方向をｙ軸とする。円偏光ミラ−の法線
は、ｙ軸とｚ軸の２等分線に沿う方向である。直線偏光
の方向はｘ軸、ｙ軸から４５度傾いている。円偏光ミラ
−の作用で反射光は、偏波面が回転する円偏光になる。

【０００６】図１において、円１４は円偏光における電
場ベクトルの運動を模式的に示している。円偏光の光を
対象物に照射するので切断速度等については異方性がな
い。直線偏光を円偏光に変える作用があるのでこの反射
鏡を円偏光ミラ−というのである。

【０００７】ミラ−の主軸に対し４５°傾いた直線偏光
を円偏光にするのであるから、Ｐ偏光とＳ偏光の光につ
いて位相を９０度ずらせば良い。Ｐ偏光というのは、、
電場ベクトルが、入射線、反射線、法線を含む面に（入
射反射面と仮に呼ぶ）平行である成分をいう。Ｓ偏光と
いうのは、同じ面に対して電場ベクトルが直角であるも
のをいう。ドイツ語で直角をゼンクレヒトといい、平行
をパラレルというので、それぞれＳ偏光、Ｐ偏光という
のである。

【０００８】また光の偏光というのは電場ベクトルの方
向をいう。直線偏光の偏光を４５°主軸から傾けるの
は、ミラ−に入射する時に、Ｐ偏光とＳ偏光の強度を等
しくするためである。もしも軸からの傾き角が入射反射
面に近いとＰ偏光が優越するし、反対であるとＳ偏光が
優越する。こうなると円偏光にすることができず、楕円
偏光になってしまう。

【０００９】このように直線偏光を円偏光に変換するた
めに、屈折率の異なる２種類の透明物質を交互に積層し
た誘電体多層膜による円偏光ミラ−が考案された。

【００１０】誘電体多層膜によって光を反射するという
ものは古くから知られている。光に対して透明の誘電体
を用い、屈折率と膜厚の積が波長の１／４である層を複
数層積層すれば、直角に入射する光に対してほぼ全反射
に近い特性が得られる。

【００１１】円偏光ミラ−の場合はそうでなく、入射方
向と反射方向が４５度である。またＰ偏光とＳ偏光に対
する反射率が高くなくてはならない。そしてＰ偏光、Ｓ
偏光に対する位相差が９０度であることが必要である。

【００１２】このような要求に答えるものとして、Ｗ．
Ｈ．Ｓｏｕｔｈｗｅｌｌや、Ｅ．Ｃｏｊｏｃａｒｕ等の
提案がある。

【００１３】［１．Ｓｏｕｈｗｅｌｌ：米国特許第４３
１２５７０］これは銀基板の上に（Ｇｅ／ＺｎＳ）、
（ＺｎＳ／ＴｈＦ₄ ）、（Ｇｅ／ＴｈＦ₄ ）などの交互
誘電体多層膜を形成し円偏光ミラ−として提案してい
る。これは各層の膜厚ｔ_i を、

【００１４】ｔ_i ＝λ₀ ｆ_i ／４（ｎ_i ²−sin²θ₀ ）
^1/2

【００１５】によって与えるとするものである。ただし
λ₀ は炭酸ガスレ−ザ−の波長、ｉは空気に接する層か
ら数えた層の番号である。ｎ_i はｉ番目の誘電体層の炭
酸ガスレ−ザ−の光に対する屈折率である。θ₀ は円偏
光ミラ−に対する入射角である。ｆ_i は右辺とｔ_i の比
を与えているだけで意味のある数ではない。ｆ_i が重要
であるがこれを与える指針を特許明細書中にはなにも提
示していない。

【００１６】これは８層以上であればＰ偏光、Ｓ偏光に
対する反射率が９９％以上になるとしている。８層以上
であれば両偏光に対する位相差は９０°にできるとして
いる。これは多くの例を与えている。順に説明する。

【００１７】［Ｓｏｕｔｈｗｅｌｌの１］Ｇｅ／ＺｎＳ
の４層誘電体多層膜を用いる。ｎ_Ge＝４．０、ｎ_ZnS ＝
２．２である。Ｇｅが高屈折率、ＺｎＳが低屈折率の物
質である。これを銀などの金属基材の上に積層してい
る。図２は上から順に積層した誘電体層の厚みの比ｆ_i
を示めす。上というのは空気に接する部分である。下と
いうのは金属基材に接する部分である。Ｇｅ0.864 、Ｚ
ｎＳ0.778 、Ｇｅ0.674 、ＺｎＳ0.319 という構造のも
のをであり、最下層はＺｎＳである。

【００１８】屈折率でいうと、高／低／高／・・／低と
なっている。これはｆ_i であり、実際の厚みではない。
（１）式からｆを計算しなければならない。Ｇｅに対す
るｆは０．６７μｍであり、ＺｎＳにたいするｆは１．
２７μｍである。これらをｆに掛けると実際の厚みが得
られる。Ｐ偏光に対する反射率が８７．３３％、Ｓ偏光
に対する反射率が８８．６％，Ｓ偏光とＰ偏光での位相
差Δθが８６°であると述べている。すべてこれらは計
算の結果であり実際に物を作ったと言うのではない。

【００１９】［Ｓｏｕｔｈｗｅｌｌの２］Ｇｅ／ＺｎＳ
の６層誘電体多層膜を用いる。ｎ_Ge＝４．０、ｎ_ZnS ＝
２．２、Ｇｅが高屈折率、ＺｎＳが低屈折率の物質であ
る。これを銀などの金属基材の上に積層している。図３
は上から順に積層した誘電体層の厚みの比ｆ_i を示す。
上というのは空気に接する部分である。下というのは金
属基材に接する部分である。Ｇｅ0.672 、ＺｎＳ0.818
、Ｇｅ0.560 、ＺｎＳ0.679 、Ｇｅ0.836 、ＺｎＳ0.8
01 という構造のものである。最下層はＺｎＳである。
Ｐ偏光に対する反射率が９７％、Ｓ偏光に対する反射率
が９８．４％、位相のずれが９０．０２°と計算されて
いる。

【００２０】［Ｓｏｕｔｈｗｅｌｌの３］Ｇｅ／ＺｎＳ
の８層誘電体多層膜を用いる。ｎ_Ge＝４．０、ｎ_ZnS ＝
２．２。これを銀などの金属基材の上に積層している。
図４は上から順に積層した誘電体層の厚みの比ｆ_i を示
す。上というのは空気に接する部分である。下というの
は金属基材に接する部分である。Ｇｅ0.709 、ＺｎＳ0.
725 、Ｇｅ0.583 、ＺｎＳ0.737 、Ｇｅ0.784 、ＺｎＳ
0.902 、Ｇｅ0.933 、ＺｎＳ0.932 という構造のもので
ある。Ｐ偏光に対する反射率が９９．１％、Ｓ偏光に対
する反射率が９９．５％、位相のずれが９０．００°と
計算されている。

【００２１】［Ｓｏｕｔｈｗｅｌｌの４］Ｇｅ／ＺｎＳ
の１０層誘電体多層膜を用いる。ｎ_Ge＝４．０、ｎ_ZnS
＝２．２。これを銀などの金属基材の上に積層してい
る。図５は上から順に積層した誘電体層の厚みの比ｆ_i
を示す。Ｇｅ0.711 、ＺｎＳ0.716 、Ｇｅ0.587 、Ｚｎ
Ｓ0.739 、Ｇｅ0.785 、ＺｎＳ0.892 、Ｇｅ0.953 、Ｚ
ｎＳ0.964 、Ｇｅ0.970 、ＺｎＳ0.964 という構造のも
のである。Ｐ偏光に対する反射率が９９．７％、Ｓ偏光
に対する反射率が９９．８％、位相のずれが９０．００
°と計算されている。

【００２２】［Ｓｏｕｔｈｗｅｌｌの５］ＺｎＳ／Ｔｈ
Ｆ₄ の８層誘電体多層膜を用いる。ｎ_ZnS ＝２．２、ｎ
_Th4f＝１．３５である。ここではＺｎＳが高屈折率物質
となっている。図６に空気に接する層からの厚みを示
す。これはｆ_i ではなくて、実際の厚みで書いてある。
単位はμｍである。ＺｎＳ0.947 μｍ、ＴｈＦ₄ 1.566
μｍ、ＺｎＳ1.102 μｍ、ＴｈＦ₄1.036μｍ、ＺｎＳ1.
427 μｍ、ＴｈＦ₄1.796μｍ、ＺｎＳ1.790 μｍ、Ｔｈ
Ｆ₄1.543μｍである。

【００２３】これは前４例とは物質が異なっている。層
の構造は、空気に接する方から、高／低／高／・・低と
なっている。これに対しては、入射光の波長に対する安
定性を論じている。λ＝10.571037 、10.591035 、10.6
11385 μｍの光に対して、Ｒ_p 、Ｒ_s 、Δθを計算して
いる。

【００２４】λ＝10.571037 、Ｒ_p ＝93.08 ％、Ｒ_s ＝
97.79 ％、Δθ＝−88.6 λ＝10.591035 、Ｒ_p ＝92.97 ％、Ｒ_s ＝97.70 ％、Δ
θ＝−89.9 λ＝10.611385 、Ｒ_p ＝92.86 ％、Ｒ_s ＝97.62 ％、Δ
θ＝−91.27

【００２５】であるとしている。これらの値は全て計算
によるものである。炭酸ガスレ−ザ−光の波長に対する
安定性に関する問題である。Southwell は、波長が１
０．６μｍの近傍で変動しても、反射率や位相差の変動
は僅かだといっているのである。しかし本発明者には、
僅かな波長の変化に対して、これらの結果はむしろ大き
く変動しているように思える。

【００２６】［Ｓｏｕｔｈｗｅｌｌの６］Ｇｅ／ＺｎＳ
の８層誘電体多層膜を用いる。ｎ_Ge＝４．０、ｎ_ZnS ＝
２．２である。ここではＺｎＳが低屈折率物質となって
いる。図７に空気に接する層からの厚みを示す。これも
ｆ_i ではなくて、実際の厚みで書いてある。単位はμｍ
である。Ｇｅ0.4686μｍ、ＺｎＳ 0.893μｍ、Ｇｅ0.48
26μｍ、ＺｎＳ0.6619μｍ、Ｇｅ0.6368μｍ、ＺｎＳ1.
066 μｍ、Ｇｅ0.6619μｍ、ＺｎＳ1.1842μｍである。
これは前４例とは物質が同じものである。

【００２７】層の構造は、空気に接する方から、高／低
／高／・・低となっている。これも同じである。これに
対しても、入射光の波長に対する安定性を論じている。
λ＝10.571037 、10.591035 、10.611385 μｍの光に対
して、Ｒ_p 、Ｒ_s 、Δθを計算している。

【００２８】λ＝10.571037 、Ｒ_p ＝99.09 ％、Ｒ_s ＝
99.59 ％、Δθ＝−88.28 λ＝10.591035 、Ｒ_p ＝99.06 ％、Ｒ_s ＝99.54 ％、Δ
θ＝−89.88 λ＝10.611385 、Ｒ_p ＝99.03 ％、Ｒ_s ＝99.49 ％、Δ
θ＝−91.21

【００２９】これについても、Southwell はレ−ザ光の
波長変動に対して、Δθ、Ｒ_p 、Ｒ_sなどの変化が小さ
く優れた誘電体多層膜であるといっている。しかし本発
明者には寧ろ僅かな波長変動に対してこれらのパラメ−
タの変化が大きすぎるように思える。

【００３０】［２．Ｅ．ＣＯＪＯＣＡＲＵ等の提案にな
る円偏光ミラ−］Ｅ．ＣＯＪＡＯＣＡＲＵ等は炭酸ガス
レ−ザ−光に対する円偏光ミラ−を提案している。（Ｔ
ｈＦ₄ ／ＺｎＳ）、（ＴｈＦ₄ ／ＣｄＴｅ）の誘電体多
層膜を用いる。

【００３１】Ｅ．Ｃｏｊｏｃａｒｕ，Ｔ．Ｊｕｌｅａ，
ａｎｄ Ｆ．Ｎｉｃｈｉｔｉｕ，：”Ａｂｓｏｒｂｉｎ
ｇ ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ Ｃｏａｔｉｎｇｓ Ｐｒｏ
ｄｕｃｉｎｇ ａ ９０° ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆ
ｔ，”Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．２９，ＮＯ．２８，ｐ３９８
４，（１９９０）

【００３２】は銀の基板の上に（ＴｈＦ₄ ／ＺｎＳ）を
５回積層した構造体あるいは（ＴｈＦ₄ ／ＣｄＴｅ）を
５回積層した構造体の誘電体多層膜を提案している。炭
酸ガスレ−ザ−に１０．６μｍに対して屈折率が、Ｚｎ
Ｓ＝２．２、ＣｄＴｅ＝２．６９２、ＴｈＦ₄ ＝１．３
５として計算している。ＣＯＪＯＣＡＲＵは、炭酸ガス
レ−ザ−光の波長１０．６μｍの倍数として膜厚の表記
をしているので、彼の数字に１０．６μｍを掛けて実際
の膜厚を求めてここに記す。

【００３３】［ＣＯＪＯＣＡＲＵの提案１］吸収が無い
とした場合の、（ＴｈＦ₄ ／ＺｎＳ）⁵ 誘電体多層膜、
つまり１０層の多層膜を提案している。ｎ_ZnS ＝２．
０、ｎ_ThF4＝１．３５ である。ＺｎＳが高屈折率材料
である。図８に膜厚をグラフで示す。上にあるのが空気
に接する層で、下が金属基材に接する層でＴｈＦ₄ であ
る。

【００３４】空気に接する上から順に、ＺｎＳ3.18μ
ｍ、ＴｈＦ₄0.95 μｍ、ＺｎＳ4.25μｍ、ＴｈＦ₄0.62
μｍ、ＺｎＳ3.20μｍ、ＴｈＦ₄1.84 μｍ、ＺｎＳ3.18
μｍ、ＴｈＦ₄1.62 μｍ、ＺｎＳ3.22μｍ、ＴｈＦ₄2.1
5 μｍである。これは屈折率の虚数部のｋ（ｎ＝ｎ−ｉ
ｋ）が０という仮定であり吸収が無いという場合であ
る。この場合に対して、ＣＯＪＯＣＡＲＵは、

【００３５】Ｒ_p ＝９９．１０％、Ｒ_s ＝９８．５３３
％、位相差Δθ＝−９０．０００を計算によって得てい
る。

【００３６】［ＣＯＪＯＣＡＲＵの提案２］吸収が有る
とした場合の、（ＴｈＦ₄ ／ＺｎＳ）⁵ 誘電体多層膜、
つまり１０層の多層膜について演算している。図８に膜
厚をグラフで示す。前例と同様に下が金属層に接する層
でＴｈＦ₄ である。吸収を持たせるために、屈折率が虚
数部０．０１を持つと仮定している。ｎ_ZnS ＝２．０−
０．０１ｉ、ｎ_ThF4＝１．３５−０．０１ｉとしてい
る。

【００３７】空気に接する上から順に、ＺｎＳ3.18μ
ｍ、ＴｈＦ₄1.24 μｍ、ＺｎＳ4.11μｍ、ＴｈＦ₄1.04
μｍ、ＺｎＳ3.83μｍ、ＴｈＦ₄0.89 μｍ、ＺｎＳ2.70
μｍ、ＴｈＦ₄0.83 μｍ、ＺｎＳ4.28μｍ、ＴｈＦ₄0.5
8 μｍである。この場合に対して、ＣＯＪＯＣＡＲＵ
は、

【００３８】Ｒ_p ＝５５．６３０、Ｒ_s ＝４７．３８４
％、位相差Δθ＝＋９０．０００を計算によって得てい
る。吸収があるので、反射率が低くなる。勿論これは吸
収がｋ＝０．０１とい形で例えば取り込んだ場合という
意味であり、実際に作った膜の吸収がこうなったという
ものではない。

【００３９】またどのような製法で膜を作ると吸収が
０．０１になるのかといことも分からない。僅かな吸収
の存在によって、反射率が著しく低下するので、極力吸
収のない膜を作るべきだといっているのである。

【００４０】［ＣＯＪＯＣＡＲＵの提案３］吸収が無い
とした場合の、１０層からなる（ＴｈＦ₄ ／ＣｄＴｅ）
⁵ 誘電体多層膜についても計算を示している。ｎ_CdTe＝
２．６９２、ｎ_ThF4＝１．３５ である。ＣｄＴｅが高
屈折率材料である。図９に膜厚を棒グラフで示す。前例
と同様に、下が金属層に接する層でＴｈＦ₄ であり、上
が空気に接する層でＣｄＴｅである。

【００４１】空気に接する上から順に、ＣｄＴｅ2.33μ
ｍ、ＴｈＦ₄3.51 μｍ、ＣｄＴｅ2.25μｍ、ＴｈＦ₄3.1
4 μｍ、ＣｄＴｅ2.24μｍ、ＴｈＦ₄2.85 μｍ、ＣｄＴ
ｅ2.62μｍ、ＴｈＦ₄3.17 μｍ、ＣｄＴｅ2.33μｍ、Ｔ
ｈＦ₄3.17 μｍである。

【００４２】これは屈折率の虚数部のｋ（ｎ＝ｎ−ｉ
ｋ）が０という仮定であり吸収が無いという場合であ
る。この場合に対して、ＣＯＪＯＣＡＲＵは、Ｒ_p ＝９
９．９４０％、Ｒ_s ＝９９．５９０％、位相差Δθ＝−
９０．００２を計算によって得ている。

【００４３】［ＣＯＪＯＣＡＲＵの提案４］吸収が有る
とした場合の、（ＴｈＦ₄ ／ＣｄＴｅ）⁵ 誘電体多層
膜、つまり１０層の多層膜について演算している。図１
０に膜厚をグラフで示す。前例と同様に下が金属層に接
する層でＴｈＦ₄ である。吸収を持たせるために、屈折
率が虚数部０．０１を持つと仮定している。つまりｎ
_CdTe＝２．６９２−０．０１ｉ、ｎ_ThF4＝１．３５−
０．０１ｉとしている。

【００４４】空気に接する上から順に、ＣｄＴｅ2.33μ
ｍ、ＴｈＦ₄2.79 μｍ、ＣｄＴｅ2.40μｍ、ＴｈＦ₄3.3
7 μｍ、ＣｄＴｅ2.26μｍ、ＴｈＦ₄2.22 μｍ、ＣｄＴ
ｅ2.97μｍ、ＴｈＦ₄2.78 μｍ、ＣｄＴｅ2.99μｍ、Ｔ
ｈＦ₄1.10 μｍである。この場合に対して、ＣＯＪＯＣ
ＡＲＵは、

【００４５】Ｒ_p ＝６７．０４８％、Ｒ_s ＝４７．３８
４％、位相差Δθ＝＋９０．０００を計算によって得て
いる。吸収があるので、反射率が低くなる。

【００４６】［３．ＩＷＡＭＯＴＯによる提案（特願平
２−２８７８８８号）］本発明者は円偏光ミラ−に関し
て（ＴｈＦ₄ ／ＺｎＳｅ）の誘電体多層膜よりなるもの
を提案している。特願平２−２８７８８８（平成２年１
０月２４日出願）である。

【００４７】ＺｎＳｅはこれまで説明してきた従来例
（ＺｎＳ、Ｇｅ、ＴｈＦ₄ 、ＣｄＴｅ）には使用されて
いなかった材料である。ＺｎＳｅが高屈折率、ＴｈＦ₄
が低屈折率材料である。ｎ_ZnSe＝２．４０３、ｎ_ThF4＝
１．３５である。

【００４８】層構造を図１２によって示す。空気に接す
る方から、ＺｎＳｅ0.920 μｍ、ＴｈＦ₄1.659μｍ、Ｚ
ｎＳｅ1.373 μｍ、ＴｈＦ₄0.114μｍ、ＺｎＳｅ1.154
μｍ、ＴｈＦ₄2.189、ＺｎＳｅ0.07μｍ、Ａｇ0.35μ
ｍ、Ｃｕ0.03μｍ、Ｓｉ基板となっている。上からの４
層ＺｎＳｅ／ＴｈＦ₄ ／ＺｎＳｅ／ＴｈＦ₄ を位相遅延
層と表現している。これらの４層は、Ｐ偏光とＳ偏光の
間の位相差を９０度にするためのものである。だから位
相遅延層という。

【００４９】これらの下にある２層のＺｎＳｅ1.154 μ
ｍ／ＴｈＦ₄2.189μｍを増反射層といっている。増反射
層といっているのは、この２層が位相差を増やす作用が
なく、反射率を増やすためだけに存在するからである。
厚みが４５度入射の１０．６μｍの光に対して１／４の
厚みであることからこのように表現している。

【００５０】より重要なのは最下層のＺｎＳｅ0.07μｍ
である。これはバインダ層と表現しているが、これは金
属層と誘電体層の密着性を向上させるためである。これ
までに説明したものは全て、空気側から高／低／高／・
・・／低となっていたが、最下層が高屈折率材料になっ
ている。

【００５１】勿論、増反射層、バインダ層も含めた誘電
体多層膜が、前記のΔθが９０度、Ｒ_P 、Ｒ_S が約１０
０％という条件をみたすように決める。しかし下の２層
は位相を変化させる作用はない。この例ではＲ_P ＝９
９．１２％、Ｒ_S ＝９８．６４％であった。

【００５２】

【発明が解決しようとする課題】従来から提案されてい
る円偏光ミラ−は機械的強度に難点がある。機械的な接
触によって多層膜が剥離し易い。また炭酸ガスレ−ザ−
光の強烈な光で加熱されたり常温に戻ったりする熱履歴
を繰り返すと、機械的強度の不足のために一部が剥離し
たりして性能が劣化する。これは実際にミラ−面を傷つ
けることで分かる。

【００５３】もう一つの欠点は、波長変動にたいして位
相遅延度の変化が大きすぎるということである。以上は
原理的な難点であるが、さらに材料としての難点もあ
る。Ｇｅは１０．６μｍの光に対して、屈折率が４で極
めて高く境界での反射を高くできるので魅力的である。
しかしＧｅは吸収も大きい。高出力の炭酸ガスレ−ザの
光に対して使用するとミラ−の発熱、パワ−損失が大き
くて使い物にならない。Ｇｅ以外の材料によってミラ−
を製作したいものである。

【００５４】後者の位相差の問題について説明する。Ｓ
ｏｕｔｈｗｅｌｌや、Ｃｏｊｏｃａｒｕは光源の波長変
動について殆ど調べていないから、本発明者は彼らの膜
構造について、光源の波長変動があるときに位相遅延度
がどうなるかということについて計算機でシミュレ−シ
ョンを行った。するとこれらの膜が波長変動に対して十
分な性能を持っていないことが分かった。

【００５５】１．まずＳｏｕｔｈｗｅｌｌの６番目の例
（図７に示した膜構造）（Ｇｅ0.4686、ＺｎＳ0.893 、
Ｇｅ0.4826、ＺｎＳ0.6619、 Ｇｅ0.6368、ＺｎＳ1.066、
Ｇｅ0.6619、ＺｎＳ1.1842）について波長を変えて、位
相遅延度Δｐｓ（Δθ）がどのように変化するかを計算
した。

【００５６】この結果を図１３に示す。横軸が波長であ
る。１０．６μｍでは９０度になっているが、９．５μ
ｍで１６０度である。波長が長い場合の位相遅延度のず
れが大きくより致命的である。１１μｍの光に対して位
相遅延度は１６０度になる。これは波長に対して鋭敏で
あり、波長の安定性の悪い炭酸ガスレ−ザ−光に対して
は使用できない。

【００５７】２．次にＳｏｕｔｈｗｅｌｌの５番目の例
（図６に示した膜構造）（ＺｎＳ0.947 、ＴｈＦ₄ 1.56
6 、ＺｎＳ1.102 、ＴｈＦ₄ 1.036 、ＺｎＳ1.427 、Ｔ
ｈＦ₄1.796 ＺｎＳ1.790 、ＴｈＦ₄ 1.543 ）について
波長を変えて、位相遅延度Δｐｓ（Δθ）がどのように
変化するかを計算した。この結果を図１４に示す。横軸
が波長である。

【００５８】Ｓｏｕｔｈｗｅｌｌは１０．６μｍでは９
０度になっているというが、本発明者の計算では、１
０．６μｍで１００度である。極小値は１１．１μｍで
７０度である。これは１０．６の近傍での位相遅延度が
９０度からずれている。λ＝９．５μｍで１５０度であ
る。波長が短い場合の位相遅延度のずれがより問題であ
る。

【００５９】３．さらにＣｏｊｏｃａｒｕの１番目の例
（図８に示した膜構造）（ＺｎＳ3.18、ＴｈＦ₄ 0.95、
ＺｎＳ4.25、ＴｈＦ₄ 0.62、ＺｎＳ3.20、ＴｈＦ₄ 1.8
4、ＺｎＳ3.18、ＴｈＦ₄ 1.62、ＺｎＳ3.22、ＴｈＦ₄
2.15）について波長を変えて、位相遅延度Δｐｓ（Δ
θ）がどのように変化するかを計算した。この結果を図
１５に示す。横軸が波長である。１０．６μｍでは９０
度になっており極小ではあるが、波長がずれると、位相
遅延度が著しく変動することが分かる。

【００６０】λ＝１１μｍで、位相遅延度が１６０度で
ある。１０μｍでも１５０度となり理想的な値の９０度
から大きくずれている。既に延べたように、炭酸ガスレ
−ザ−光源の波長は９．５μｍ〜１１．５μｍの範囲で
変動するということが有りうる。ためにこの範囲で位相
遅延度が９０度に近いということが円偏光ミラ−には強
く望まれる。

【００６１】これらは従来例の数例についてのシミュレ
−ションに過ぎない。計算には多大の時間がかかるので
全ての従来例についての本発明者の計算結果を示すこと
ができない。しかしこれらの例からだけでも、従来例の
円偏光ミラ−は光源の波長変動について十分な特性を持
たないことが分かるであろう。

【００６２】このように炭酸ガスレ−ザ−の光を４５°
の角度で反射し、直線偏光を円偏光にすることのできる
円偏光ミラ−については計算機を用いてさまざまな構造
のものが設計されている。しかしながらこれらの円偏光
ミラ−は、高出力炭酸ガスレ−ザ−の光に耐えず、寿命
が短いという難点がある。使用を重ねると膜が基板から
剥離してしまう。また刃物などでミラ−面を押さえると
容易に傷が付く。膜の付着力が弱いのである。

【００６３】さらに波長変動に対して位相差が９０°か
ら容易にずれてしまうということがある。炭酸ガスレ−
ザ−の光の波長は１０．６μｍであるがこれが僅かに変
動してもＰ偏光、Ｓ偏光に対する位相差が９０°からず
れないようになっていることが望ましい。

【００６４】４．ＩＷＡＭＯＴＯ（特願平２−２８７８
８８）は、（ＺｎＳｅ／ＴｈＦ₄ ）の６層からなる。し
かし位相遅延を与えるものは上の４層であり、下の２層
は反射率を高めるだけのものであった。このために膜厚
の変動に対して、位相遅延度の変動が大きいという欠点
があった。９０度の位相遅延を与えるためには最低４層
が必要である。この先願は最小の層数によって９０度の
位相遅延を得ることができる。一般に層の数が少ない
と、膜厚選択の自由度と膜厚の許容誤差の幅が限定され
る。ために４層遅延の場合は、膜厚変動により位相遅延
度が著しく変化するという難点があった。

【００６５】図１６は、このミラ−の光源の波長変化に
対する位相差（位相遅延度）変化を示す。これは位相差
の波長依存性が大きいということが分かる。例えばλ＝
１１．０で位相差が０度に落ちてしまう。波長が大きい
方での位相差の変化が著しい。先に述べたように、位相
遅延度の個々の膜厚依存性を調べることが難しいので、
光源の波長変動に対する位相遅延度の変化を調べること
が多い。膜厚の誤差は光源の光の波長変動と同じ効果を
位相遅延度に対して持っているといえるので、膜厚変動
に対する位相遅延度の変化を調べる代わりに、計算しや
すく実証しやすい波長依存性を調べるのである。

【００６６】また位相遅延度は９０±５度の範囲でなら
使用可能と言われている。しかしより望ましくは３度の
範囲つまり９０±３度の範囲に入っているのが望まし
い。従来のもので多少の膜厚のずれや波長変動に対して
常に９０±５度の範囲に入るようなものはなかった。

【００６７】このように従来の円偏光ミラ−はそれぞれ
欠点を持っている。本発明は基板に対する膜の付着力の
大きい、長年の使用や機械的衝撃によって膜が剥離脱落
せず、高出力の炭酸ガスレ−ザ−の光に対して良く耐
え、波長変動に対して位相差の変化が少ない円偏光ミラ
−を提供することを目的とする。

【００６８】

【課題を解決するための手段】本発明の円偏光ミラ−
は、鏡面加工したシリコンＳｉまたは銅Ｃｕの基板と、
基板の上に形成された厚みが０．０１〜０．１μｍのＣ
ｒ層と、該Ｃｒ層の上に形成された厚みが０．１〜１．
０μｍの金Ａｕ、または銀Ａｇ層と、前記金又は銀層の
上に形成された厚みが０．０７〜０．１３μｍのＺｎＳ
ｅ層１と、該ＺｎＳｅ層１の上に形成された厚みが１．
３９μｍ〜１．６９μｍのＴｈＦ₄ 層２と、該ＴｈＦ₄
層２の上に形成された厚みが１．１２μｍ〜１．３８μ
ｍのＺｎＳｅ層３と、該ＺｎＳｅ層３の上に形成され厚
みが１．０６μｍ〜１．４４μｍのＴｈＦ₄ 層４と、該
ＴｈＦ₄ 層４の上に形成された厚みが１．０６μｍ〜
１．２４μｍのＺｎＳｅ層５と、該ＺｎＳｅ層５の上に
形成された厚みが０．８７μｍ〜１．０５μｍのＴｈＦ
₄ 層６と、該ＴｈＦ₄ 層６の上に形成された厚みが０．
７μｍ〜０．８４μｍのＺｎＳｅ層７とよりなり、Ｚｎ
Ｓｅ層１、ＴｈＦ₄ 層２、ＺｎＳｅ層３、ＴｈＦ₄ 層
４、ＺｎＳｅ層５、ＴｈＦ₄ 層６、ＺｎＳｅ層７は位相
遅延層を構成することを特徴とする。ただし、基板とし
てＣｕ基板を用いる場合は、バッファ層としてＣｒ層が
必ずしも要求されない。この場合は、Ｃｕ基板の上へ直
接にＡｕ、Ａｇ層が形成されることになる。

【００６９】図１７は本発明の円偏光ミラ−の層構造を
示す。図１８は各層の厚みの例を示す。図１９は空気に
接する層を上にして書いた厚みの棒グラフである。

【００７０】基板は機械的強度があり、放熱性も良いＳ
ｉ、Ｃｕを用いる。特に熱伝導度が高く冷却に適してい
るということが重要である。冷却水を通して水冷するこ
とが多い。これは位相差や反射率など光学的なパラメ−
タに関係しない。

【００７１】基板の上に金属層としてＣｒ層と、Ａｕ又
はＡｇ層を設ける。Ｃｒ層は、Ａｕ、Ａｇ層を基板に強
固に付けるためのものである。これはみずからが応力を
発生するほど厚いものであってはいけない。０．０１〜
０．１μｍ程度で、０．０３μｍが最適である。円偏光
ミラ−の基板は屈折率に虚数部を持つ金属でなければな
らないが、これに当たるものがＡｕ、Ａｇ層である。こ
れは機械的強度を担うものでないから薄くても良い。し
かしここで光が透過してはいけないから０．３μｍの厚
みを与えている。これ以上の厚みであるのは差し支えな
いが高価な材料を無駄にするのは望ましくない。一般に
ＡｕまたはＡｇの金属層は０．１〜１．０μｍ程度で良
い。。

【００７２】位相遅延層は、Ｓ偏光とＰ偏光成分の間に
９０°の位相差を与えるものであるが、１〜７の７層の
ＴｈＦ₄ ／ＺｎＳｅ層よりなる。最下層の薄い（約０．
１μｍ）のＺｎＳｅは金属層に対して強固な付着力を得
るためのものである。従来のように偶数層とすると、最
下層が低屈折率の物質になったが、ここでは高屈折率の
物質であるＺｎＳｅを最下層にして付着力を高揚させて
いる。

【００７３】この点が本発明の特異なところである。従
来例として様々のものをこれまで説明した。Ｓｏｕｔｈ
ｗｅｌｌやＣｏｊｏｃａｒｕなどの円偏光ミラ−はいず
れも最下層は低屈折率物質層であり、全体として誘電体
層の数は偶数であった。本発明はそうでなく、金属層へ
の密着性を高めるために、最下層を高屈折率のＺｎＳｅ
にしているのである。これがあるので密着性が良く、機
械的強度に優れる。硬いもので面を擦っても傷が付かな
い。高出力の炭酸ガスレ−ザ−光を繰り返し照射しても
劣化しない。

【００７４】

【作用】本発明の特徴のひとつは密着性である。金属層
に付ける物質が従来は低屈折率物資で多くの場合、Ｔｈ
Ｆ₄ ということになる。図６、図８〜図１１などの例が
そうである。しかし金属の上に蒸着したときＴｈＦ₄ は
圧縮応力を生ずる。ために金属層との密着性が悪い。反
対にＺｎＳｅは金属の上に蒸着すると引っ張り応力を生
ずる。これはもちろん膜厚が増えるにしたがって増え
る。引っ張りであると、金属との接触が安定で剥離し難
い。

【００７５】そこで本発明では最下層に極薄い、ＺｎＳ
ｅ層を形成する。最下層の材料として、ＴｈＦ₄ よりも
ＺｎＳｅが適しているのである。厚みは０．１μｍ程度
が最適である。これが厚過ぎると自ら発生する応力が大
きくなり過ぎて剥離の原因になる。

【００７６】実際に最下層がＴｈＦ₄ である円偏光ミラ
−を刃物で傷付けると、傷の線の横にこれに沿って、層
全体が隆起する部分が現れる。これの縦断面を顕微鏡で
見てみると、金属層と最下層の間にくさび型の空隙がで
きているのがわかる。

【００７７】しかし本発明のように、最下層がＺｎＳｅ
であるものは、これが薄くて引っ張り応力を生ずるため
に、刃物で傷をつけても、その部分が剥がれるだけであ
る。傷の近くが隆起するということがない。また縦断面
を顕微鏡でみても、金属層と最下層の間に空隙がない。
このように最下層に薄いＺｎＳｅを用いるので密着性が
良い。こうすると層の数が奇数になる。この点でＳｏｕ
ｔｈｗｅｌｌやＣｏｊｏｃａｒｕとは違う。

【００７８】光源の波長変動に対する本発明の円偏光ミ
ラ−の性能について計算した。入射角が４５°で、直線
偏光の偏波面が、面の主軸に対して４５°傾いていると
いう条件は同様であるが、光源の波長を変えた場合にど
うなるかということを計算によって調べた。炭酸ガスレ
−ザ−光といっても常に厳密に１０．６μｍの波長の光
を出すわけではない。

【００７９】この波長で最適化してあるが、もしもこの
波長からずれたときにどれほどパラメ−タが変化するか
ということも検討しなければならない。波長変動に対し
て円偏光ミラ−としての性能があまり変わらないのが望
ましい。図２０は計算結果を示すグラフである。横軸は
炭酸ガスレ−ザ−光の波長で、９．５μｍ〜１１．５μ
ｍの範囲で変動する場合を考える。縦軸は、位相遅延度
である。１０．６で極小を取るようにしてある。

【００８０】これは微分が０であるので、この近傍での
変化が少なく安定性に優れるためである。１０．６での
曲率も小さくて極めて波長安定性が良い。λが大きくず
れてもあまり位相遅延度が変わらない。λ＝９．５μｍ
で、Δθは１３０度、λ＝１１．５μｍで１４０度であ
る。

【００８１】すでに述べたように、誘電体多層膜で円偏
光ミラ−を作る場合、自由度が高くて、最適のものが一
義的には決まらない。位相遅延度が９０度であること、
Ｐ偏光、Ｓ偏光の反射率が１に近い事という条件を立て
ても、未知数が多いので一義的に最適条件を決定できな
い。ｎ層であれば、前記の３つの条件を課しても、（ｎ
−３）の自由度が残る。この自由度をどのように決めて
も良いということになる。

【００８２】これが円偏光ミラ−について様々のものが
提案される大きい理由であろうと思われる。これらの層
の厚みを変化させた時の、位相遅延度、反射率の変化等
も調べるべきであろうが、パラメ−タの数が多すぎてこ
れができない。しかし層の厚み変動と、光源の波長変動
とにはある相関があるから、厚み変動による位相遅延度
や反射率の変動は、光源の波長変動による変動と比例す
る筈である。この意味でも光源の波長変動によるパラメ
−タの変動が小さいということは円偏光ミラ−の性能の
優れていることの証左になる。

【００８３】以上で本願発明の密着性と波長に対する安
定性を説明した。次にＩＷＡＭＯＴＯの先願との相違を
述べる。先願は４層が位相遅延のため、２層を反射率高
揚のために用いていた。本願発明は全層を位相遅延に用
いるから自由度が高い。このような事は既に述べたが、
この違いを理解するには誘電体多層膜での電界、磁界の
変化を追跡しなければならない。

【００８４】誘電体多層膜に於ける電界と磁界の変化を
説明する。図２４は、Ｐ偏光の成分の電界、磁界を示
す。電界成分は入射、反射、屈折光線を含む面に平行で
ある。電界の入射成分にはｉを、反射成分にはｒを、屈
折成分にはｔをサフィックスとして付ける。正の方向の
定義を図のようにする。磁界は前記の面に直角である。

【００８５】入射、屈折成分の磁界は上向きを正とし、
反射については下向きを正とする。入射、反射角をθ
₀ 、屈折角をθ₁ とする。磁界Ｈと電界Ｅの比をアドミ
ッタンスＹというが、これはＹ＝（ε／μ）^1/2 で表さ
れる。真空中のアドミッタンスＹ₀ は、２．６５×１０
^-3Ｓ（ジ−メンス）である。Ｈ＝ＹＥである。

【００８６】斜め方向のベクトルの大きさを考えるの
は、斜め入射の多層膜での波動を扱うには不便である。
そこで、電界、磁界の境界面方向成分について考える。
スネルの法則が成り立つので、真空中からの入射角が決
まると、媒質での屈折率により、光線の屈折角が決まる
ので、境界面方向成分が決まると当然に、法線方向の成
分も、大きさの絶対値も決まるのである。本願発明は円
偏光ミラ−を対象にしているから、真空中（空気中）か
らの入射角は４５°と決まっている。すると屈折率がｎ
の媒質での屈折角はθ＝sin ｛（２^1/2 ｎ）^-1｝とな
る。

【００８７】境界面方向の成分と、全体の関係を初めに
考察する。Ｐ偏光の場合は、磁界が境界面に平行である
から、境界面平行成分と、全磁界は等しい。しかし、電
界は境界面とθの角度をなすので、境界面平行成分はＥ
cos θになる。そこで境界面平行成分についての磁界／
電界の比η_p は、アドミッタンスＹにcos θ^-1が付い
て、η_p ＝Ｙ／cos θとなる。

【００８８】Ｓ偏光の場合の電界、磁界を図２２に示
す。電界が紙面に直角であるから、境界面平行成分は、
全電界に等しい。磁界が境界面と角θをなすので、磁界
の境界面平行成分は全磁界にcos θを掛けたものであ
る。すると境界面平行成分の磁界／電界の比η_s は、η
_s ＝Ｙcos θである。

【００８９】図２３は誘電体多層膜での波動の伝搬を示
す。ａ、ｂの誘電体が接触しているものとする。進行波
には＋を付け、反射波には−を付けて区別する。電界、
磁界は境界面平行成分について考えている。媒質ｂ内部
での電界、磁界の境界面平行成分をＥ_b 、Ｈ_b とする。
境界面ａ／ｂでの入射光、反射光の電界、磁界の境界面
平行成分をＥ_b ⁺、Ｅ_b ^-、Ｈ_b ⁺、Ｈ_b ^- とすると、境界面
平行成分は連続であるので、Ｐ偏光であろうが、Ｓ偏光
であろうが、

【００９０】 Ｅ_b ＝Ｅ_b ⁺＋Ｅ_b ^- （１） Ｈ_b ＝Ｈ_b ⁺＋Ｈ_b ^- （２）

【００９１】となる。Ｈ_b ⁺＝ηＥ_b ⁺、Ｈ_b ^-＝−ηＥ_b ^-
であるから、

【００９２】 Ｅ_b ⁺＝（Ｅ_b ＋Ｈ_b ／η）／２ （３） Ｅ_b ^-＝（Ｅ_b −Ｈ_b ／η）／２ （４）

【００９３】 Ｈ_b ⁺＝（ηＥ_b ＋Ｈ_b ）／２ （５） Ｅ_b ^-＝（−ηＥ_b ＋Ｈ_b ）／２ （６）

【００９４】進行波は同じ媒質内で位相が変化するだけ
である。位相変化は媒質での光の進行した長さδに等し
いので、

【００９５】 δ＝２πｎ_a ｄ_acosθ_a ／λ （７）

【００９６】となる。ここでｎ_a は媒質ａの屈折率、ｄ
_a は厚み、θ_a は媒質ａでの光線の進行角で前記のスネ
ルの式で決まる。進行波は＋、反射波は−の位相変化を
しますので、媒質ａでの進行波、反射波をＥ_a ⁺、Ｅ_a ^-と
する。Ｅ_a ⁺＝Ｅ_b ⁺ｅｘｐ（ｉδ）、Ｅ_a ^-＝Ｅ_b ^-ｅｘｐ
（−ｉδ）となる。これは吸収を考慮に入れていない。

【００９７】 Ｅ_a ＝Ｅ_a ⁺＋Ｅ_a ^-＝Ｅ_b ⁺ｅｘｐ（ｉδ）＋Ｅ_b ^-ｅｘｐ（−ｉδ） ＝Ｅ_bcosδ＋ｉＨ_bsinδ／η （８）

【００９８】 Ｈ_a ＝Ｈ_a ⁺−Ｈ_a ^-＝Ｈ_b ⁺ｅｘｐ（ｉδ）＋Ｈ_b ^-ｅｘｐ（−ｉδ） ＝ｉηＥ_bsinδ＋Ｈ_bcosδ （９）

【００９９】これで２行２列の変換行列を得る。これは
常に行列の値が１である。

【０１００】

【数１０】

【０１０１】

【数１１】

【０１０２】ここでηはＰ偏光ではＹ／cos θであり、
Ｓ偏光についてはＹcos θである。一つの層での磁界電
界の境界面平行成分の関係が前記の式で与えられる。誘
電体層が多数ある場合は前記の式Ｍａを積算したもの
が、全体の層での電界、磁界の変化を与える。各層での
変化行列をＭ₁ 、Ｍ₂ 、・・・Ｍ_n とすると、これらの
積Ｑ（２×２行列）が、

【０１０３】 Ｑ＝Ｍ₁ Ｍ₂ ・・・Ｍ_n （１２）

【０１０４】全体での電界、磁界の変化を与える。空気
中での電界、磁界の境界面平行成分を（Ｅ₀ ，Ｈ₀ ）と
しこれの転置行列を ^t（Ｅ₀ ，Ｈ₀ ）とする。最下層で
の電界、磁界の境界面平行成分を（Ｅ_n+1 ，Ｈ_n+1 ）と
しこれの転置行列を ^t（Ｅ_n+1，Ｈ_n+1 ） とすると、

【０１０５】 ^t（Ｅ₀ ，Ｈ₀ ）＝Ｍ₁ Ｍ₂ ・・・Ｍ_n ^t（Ｅ_n+1 ，Ｈ_n+1 ） （１３）

【０１０６】となる。これらの式はＰ偏光とＳ偏光で全
く別異の式になっている。それはηの定義が違うからで
ある。いずれの偏光についても多層膜を介しての電界、
磁界の変化を求めることができる。

【０１０７】磁界を電界で割った値がηであり（Ｐ偏光
η_p ＝Ｙ／cos θ、Ｓ偏光η_s ＝Ｙcos θ）、空気中で
のηをη₀ 、最下層でのηをη_n+1 とすると、上の式
は、

【０１０８】 ^t（１，η₀ ）＝Ｍ₁ Ｍ₂ ・・・Ｍ_n ^t（１，η_n+1 ） （１４）

【０１０９】と書き換えることができる。最下層は金属
層であるから、これのηをη_m とした場合、最上層（空
気中）での電界、磁界の比をＢ、Ｃとして、

【０１１０】 ^t（Ｂ，Ｃ）＝Ｍ₁ Ｍ₂ ・・・Ｍ_n ^t（１，η_m ） （１５）

【０１１１】η_m は金属層でのηであり、

【０１１２】 η_m ＝Ｙ_mcosθ （Ｓ偏光に対して） （１６） η_m ＝Ｙ_m ／cos θ （Ｐ偏光に対して） （１７）

【０１１３】であるが、アドミッタンスＹは複素数とな
る。 Ｙ_m ＝（ε／μ）^1/2 ＝Ｙ₀ Ｎ_m （１８）

【０１１４】である。Ｙ₀ は真空のアドミッタンスで
０．００２６５Ｓであり、Ｎ_m は金属の複素屈折率であ
る。これは実数部より虚数部の方がずっと大きい。また
金属のなかであるので、磁界と電界の比であるη_m が決
まっている。上の式でＣ／ＢはアドミッタンスＹに等し
い。

【０１１５】複素反射率ｒは ｒ＝（η₀ −Ｙ）／（η₀ ＋Ｙ） （１９）

【０１１６】で示される。エネルギ−反射率Ｒはこれの
絶対値の２乗である。 Ｒ＝｜（η₀ −Ｙ）／（η₀ ＋Ｙ）｜² （２０）

【０１１７】アドミッタンスＹをＹ＝ａ＋ｉｂというよ
うに実部と虚部に分けると、 Ｒ＝｛（η₀ −ａ）² ＋ｂ² ｝／｛（η₀ ＋ａ）² ＋ｂ² ｝ （２１）

【０１１８】となる。位相遅延φは、 tan φ＝（−２ｂη₀ ）／（η₀ ²−ａ² −ｂ² ） （２２）

【０１１９】によって与えられる。これはＰ偏光とＳ偏
光について別々の式になる。それぞれをφ_S 、φ_P とし
て求めその差を計算すると位相遅延の値が分かる。円偏
光ミラ−であるからこれが９０°になるように層の種類
と厚みを決定する。従来技術をして説明した何れの提案
もこれらの式に従って反射率や位相遅延を計算している
のである。金属層として実際に実部と虚部の値を入れる
と、層毎に計算を分離できない。しかし金属の複素屈折
率が虚数だけとすると計算が簡単になり、層毎の位相遅
延を計算できる。

【０１２０】先述のＩＷＡＭＯＴＯの先願は、６層の誘
電体多層膜を重ねている（１層さらに密着性を高めるた
めにある）が上の４層だけが位相を遅延させる作用があ
り、下２層は位相変化を起こさせない。これは（２２）
の式でφが求まるが、最下層２層でのφ_S とφ_P がほぼ
同じということである。最下層の２層が位相遅延をして
いないというのはこのようなことである。

【０１２１】より詳しく説明する。この円偏光ミラ−の
第６層目は２．１８９μｍのＴｈＦ₄ で、第５層目は
１．１５４μｍのＺｎＳｅである。ＴｈＦ₄ の屈折率を
１．３５、ＺｎＳｅの屈折率を２．４０３とする。４５
度入射の場合、スネルの法則から、ＺｎＳｅ中での光の
法線となす角は１７．１１３度、ＴｈＦ₄ 中での光の法
線となす角は３１．５度である。第６層のＴｈＦ₄ 、第
５層のＺｎＳｅに対するδは、

【０１２２】 δ（ＴｈＦ₄ ）＝２π×２．１８９×１．３５×０．８５２６／１０．６ ＝１．４９３ （２３）

【０１２３】 δ（ＺｎＳｅ）＝２π×１．１５４×２．４０３×０．９５５７／１０．６ ＝１．５７１ （２４）

【０１２４】となる。これらはラジアンを単位とする。
ほぼπ／２に等しいので、cos δがほぼ０になる。sin
δがほぼ１である。このために前記の変換行列の対角項
がほぼ０になる。非対角項が値を持ちこれらの積がほぼ
１となる。（２５）にcos を０、sin を１とした例を示
す。

【０１２５】

【数２５】

【０１２６】このような変換行列を二つ掛けると、対角
項に負の実数が現れるが、非対角項はほぼ０となる。

【０１２７】

【数２６】

【０１２８】簡単のため最下層の金属の屈折率が純虚数
であるとする（例えばＡｇで、ｎ＝５．９−ｉ７６．１
３）と、上記の行列にかかるものは ^t（０，Ｃ_m ）とな
る。但しＣ_m は金属層の磁界成分である。屈折率が純虚
数であれば、電界が存在しない。これらの積として得ら
れる２層分の電界、磁界成分を表す量である、ＢとＣは
^t（Ｂ，Ｃ）＝Ｍ₁ Ｍ₂ ^t（０，Ｃ_m ）で得られるが、
Ｂ＝０、Ｃ＝−η₂ Ｃ_m／η₁ となる。

【０１２９】Ｂが０であるので、位相の変化は０であ
る。また実効的なアドミッタンスがＹ＝Ｃ／Ｂであるか
らこれが無限大になる。従ってこの２層での反射率はほ
ぼ１になる。こうしてこの２層（第５、第６層）では位
相遅延はおこらず、反射率を高めているだけであるとい
うことが分かるであろう。

【０１３０】これが増反射層と命名した所以である。下
層の２層に付いてδ＝π／２という条件を課すのでこれ
らの膜厚選択の自由度がない。結局上の４層の膜厚のみ
が自由なパラメ−タになっていた訳である。

【０１３１】本願発明の上の６層はそうでなく、全て少
しずつ位相遅延に寄与している。金属層のアドミッタン
スを純虚数とすると、層毎の位相変化を計算できるの
で、このようなことが良く分かる。６層の全てに位相遅
延を割り振るので、層の厚み誤差に対して、また光の波
長変動に対して余裕が増えるのである。

【０１３２】

【実施例】Ｃｕ基板の上に、０．０３μｍのＣｒ層、
０．３μｍのＡｕ層、０．１５μｍのＺｎＳｅ層、１．
５４μｍのＴｈＦ₄ 層、１．２５μｍのＺｎＳｅ層、
１．２５μｍのＴｈＦ₄ 層、１．１５μｍのＺｎＳｅ
層、０．９６μｍのＴｈＦ₄ 層、０．７７μｍのＺｎＳ
ｅ層を形成した。

【０１３３】金属膜を基板に堆積する場合は、基板温度
を５０℃にし、抵抗加熱により材料を蒸着した。真空度
は、１×１０^-5ｍｂである。Ｃｒの蒸着速度は、０．８
±０．１Å／sec である。Ａｕの蒸着速度は７．０±
０．５Å／sec である。

【０１３４】誘電体膜を基板に堆積する時は、基板を１
５０度に保持し、真空度は３〜８×１０^-6ｍｂとして蒸
着した。ＺｎＳｅ層は６．０±０．５Å／sec の蒸着速
度で、ＴｈＦ₄ 層は４．０±０．５Å／sec の蒸着速度
で蒸着した。

【０１３５】図２１に、実際に製作した上記の円偏光ミ
ラ−について、光源の波長を変化させ、赤外エリプソメ
−タによって、位相遅延度Δｐｓを測定した結果を示
す。横軸は光源の波長である。縦軸が位相遅延度Δｐｓ
である。１０．６μｍにたいして丁度９０°となってい
る。１０．６μｍで極値を取り、これよりずれると位相
遅延度が増える。波長が長いほうにずれると１０．８μ
ｍ程度で９５°になる。短い方にずれると、１０．３３
μｍ程度で９５°になる。ＴｈＦ₄ の屈折率は１．３
５、ＺｎＳｅの屈折率は２．４０３としている。スネル
の式から求めた光線の法線となす角はＺｎＳｅ中で１
７．１１度、ＴｈＦ₄中で３１．５度となる。

【０１３６】位相遅延のずれをどれだけ許容するかによ
るが、９０±５°まで良いとすれば、１０．３３〜１
０．８μｍ程度までの波長のゆらぎは許容できることに
なる。波長のゆらぎの許容範囲が広い。従来例として説
明しもののいずれよりも広いことが分かる。

【０１３７】これは単に光の波長に対する余裕が大きい
ということではなくて、誘電体多層膜の層の厚みに関す
る余裕度が大きいということも意味する。また鏡面を刃
物で傷つけた場合、傷が拡がらず、層の基板に対する密
着性の良いことを確かめた。Ｃｒ層を除き、銅基板（Ｃ
ｕ）の上に直接にＡｕ、Ａｇ層を形成し、その上にＺｎ
Ｓｅ／ＴｈＦ₄ 多層膜を形成した円偏光ミラ−も作製し
たが、密着性は同様に優れていた。

【０１３８】

【発明の効果】従来の誘電体多層膜は例外なく、基材に
接する層は低屈折率層であり、空気側が高屈折率物質で
あった。だから層の数は必ず偶数であった。ところが、
本発明では、金属に接する側の層が、薄い（０．１μｍ
程度）ＺｎＳｅである。これが金属層との付着力を著し
く増強することができる。空気に接する層は高屈折率で
あるから、膜の配置を屈折率で言えば、高／低／高／・
・・／高となる。つまり膜の数が本発明では７枚で奇数
である。

【０１３９】最下層のＺｎＳｅは膜の付着力を高めるた
めのバッファ層ということができる。基材はＳｉ、Ｃｕ
など熱伝導度の高い材料であれば良い。金属層Ｃｒと、
Ａｕ、Ａｇ層は基材のＳｉ、Ｃｕの上にＺｎＳｅを強く
つけるために必要である。

【０１４０】膜の機械的強度が強く、高出力炭酸ガスレ
−ザ−光に良く耐えることができる。従来のものはいず
れも膜の付着力が弱くて、高出力のレ−ザ−光を当てる
と劣化し易い。

【０１４１】さらに、光の変化にたいする位相遅延度の
安定性が高い。ために炭酸ガスレ−ザ−光の波長が多少
変動しても差し支えない。

【図面の簡単な説明】

【図１】円偏光ミラ−の作用原理を示すミラ−と偏波面
の関係の概略斜視図。

【図２】Ｓｏｕｔｈｗｅｌｌの提案した第１例のＧｅ／
ＺｎＳの４層よりなる誘電体多層膜の円偏光ミラ−の層
の厚みを示す棒グラフ。

【図３】Ｓｏｕｔｈｗｅｌｌの提案した第２例のＧｅ／
ＺｎＳの６層よりなる誘電体多層膜の円偏光ミラ−の層
の厚みを示す棒グラフ。

【図４】Ｓｏｕｔｈｗｅｌｌの提案した第３例のＧｅ／
ＺｎＳの８層よりなる誘電体多層膜の円偏光ミラ−の層
の厚みを示す棒グラフ。

【図５】Ｓｏｕｔｈｗｅｌｌの提案した第４例のＧｅ／
ＺｎＳの１０層よりなる誘電体多層膜の円偏光ミラ−の
層の厚みを示す棒グラフ。

【図６】Ｓｏｕｔｈｗｅｌｌの提案した第５例のＴｈＦ
₄ ／ＺｎＳの８層よりなる誘電体多層膜の円偏光ミラ−
の層の厚みを示す棒グラフ。

【図７】Ｓｏｕｔｈｗｅｌｌの提案した第６例のＧｅ／
ＺｎＳの８層よりなる誘電体多層膜の円偏光ミラ−の層
の厚みを示す棒グラフ。

【図８】Ｃｏｊｏｃａｒｕの提案した第１例のＺｎＳ／
ＴｈＦ₄ の１０層よりなり吸収の無い誘電体多層膜の円
偏光ミラ−の層の厚みを示す棒グラフ。

【図９】Ｃｏｊｏｃａｒｕの提案した第２例のＺｎＳ／
ＴｈＦ₄ の１０層よりなり吸収のある誘電体多層膜の円
偏光ミラ−の層の厚みを示す棒グラフ。

【図１０】Ｃｏｊｏｃａｒｕの提案した第３例のＣｄＴ
ｅ／ＴｈＦ₄ の１０層よりなり吸収の無い誘電体多層膜
の円偏光ミラ−の層の厚みを示す棒グラフ。

【図１１】Ｃｏｊｏｃａｒｕの提案した第１例のＣｄＴ
ｅ／ＴｈＦ₄ の１０層よりなり吸収のある誘電体多層膜
の円偏光ミラ−の層の厚みを示す棒グラフ。

【図１２】Ｉｗａｍｏｔｏの提案したＺｎＳｅ／ＴｈＦ
₄ の７層よりなる誘電体多層膜の円偏光ミラ−の層の厚
みを示す棒グラフ。

【図１３】Ｓｏｕｔｈｗｅｌｌの第６例（図７）につい
て本発明者が計算した位相遅延度の光源波長依存性を示
すグラフ。

【図１４】Ｓｏｕｔｈｗｅｌｌの第５例（図６）につい
て本発明者が計算した位相遅延度の光源波長依存性を示
すグラフ。

【図１５】Ｃｏｊｏｃａｒｕの第１例（図８）について
本発明者が計算した位相遅延度の光源波長依存性を示す
グラフ。

【図１６】Ｉｗａｍｏｔｏの特願平２−２８７８８８号
に提案した円偏光ミラ−の位相遅延度の光源波長依存性
を示すグラフ。

【図１７】本願発明で提案する７層のＺｎＳｅ／ＴｈＦ
₄ よりなる誘電体多層膜の膜構造を示す断面図。

【図１８】本願発明で提案する７層のＺｎＳｅ／ＴｈＦ
₄ よりなる誘電体多層膜の膜構造を数値で示す図。

【図１９】本願発明で提案する７層のＺｎＳｅ／ＴｈＦ
₄ よりなる誘電体多層膜の膜構造をの各層の厚みを示す
棒グラフ。

【図２０】本願発明で提案する７層のＺｎＳｅ／ＴｈＦ
₄ よりなる誘電体多層膜の膜構造を持つ円偏光ミラ−の
位相遅延度の光源波長依存性の計算値を示すグラフ。

【図２１】本願発明で提案する７層のＺｎＳｅ／ＴｈＦ
₄ よりなる誘電体多層膜の膜構造を持つ円偏光ミラ−の
位相遅延度の光源波長依存性の赤外エリプソメ−タによ
る測定結果を示すグラフ。

【図２２】Ｓ偏光の成分が境界面に入射する時の電界、
磁界の正の方向を示す図。

【図２３】誘電体のａ層からｂ層に光が進行した場合の
面に平行な電界、磁界成分の定義を示す概略図。

【図２４】Ｐ偏光の成分が境界面に入射する時の電界、
磁界の正の方向を示す図。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 鏡面加工したシリコンＳｉまたは銅Ｃｕ
   の基板と、基板の上に形成された厚みが０．０１〜０．
   １μｍのＣｒ層と、該Ｃｒ層の上に形成された厚みが
   ０．１〜１．０μｍの金Ａｕ、または銀Ａｇ層と、前記
   金又は銀層の上に形成された厚みが０．０７〜０．１３
   μｍのＺｎＳｅ層１と、該ＺｎＳｅ層１の上に形成され
   た厚みが１．３９μｍ〜１．６９μｍのＴｈＦ₄ 層２
   と、該ＴｈＦ₄ 層２の上に形成された厚みが１．１２μ
   ｍ〜１．３８μｍのＺｎＳｅ層３と、該ＺｎＳｅ層３の
   上に形成され厚みが１．０６μｍ〜１．４４μｍのＴｈ
   Ｆ₄層４と、該ＴｈＦ₄ 層４の上に形成された厚みが
   １．０６μｍ〜１．２４μｍのＺｎＳｅ層５と、該Ｚｎ
   Ｓｅ層５の上に形成された厚みが０．８７μｍ〜１．０
   ５μｍのＴｈＦ₄ 層６と、該ＴｈＦ₄ 層６の上に形成さ
   れた厚みが０．７μｍ〜０．８４μｍのＺｎＳｅ層７と
   よりなり、ＺｎＳｅ層１、ＴｈＦ₄ 層２、ＺｎＳｅ層
   ３、ＴｈＦ₄ 層４、ＺｎＳｅ層５、ＴｈＦ₄ 層６、Ｚｎ
   Ｓｅ層７は位相遅延層を構成することを特徴とする円偏
   光ミラ−。
2. 【請求項２】 鏡面加工した銅Ｃｕの基板と、基板の上
   に形成された厚みが０．１〜１．０μｍの金Ａｕ、また
   は銀Ａｇ層と、前記金又は銀層の上に形成された厚みが
   ０．０７〜０．１３μｍのＺｎＳｅ層１と、該ＺｎＳｅ
   層１の上に形成された厚みが１．３９μｍ〜１．６９μ
   ｍのＴｈＦ₄ 層２と、該ＴｈＦ₄ 層２の上に形成された
   厚みが１．１２μｍ〜１．３８μｍのＺｎＳｅ層３と、
   該ＺｎＳｅ層３の上に形成され厚みが１．０６μｍ〜
   １．４４μｍのＴｈＦ₄ 層４と、該ＴｈＦ₄ 層４の上に
   形成された厚みが１．０６μｍ〜１．２４μｍのＺｎＳ
   ｅ層５と、該ＺｎＳｅ層５の上に形成された厚みが０．
   ８７μｍ〜１．０５μｍのＴｈＦ₄ 層６と、該ＴｈＦ₄
   層６の上に形成された厚みが０．７μｍ〜０．８４μｍ
   のＺｎＳｅ層７とよりなり、ＺｎＳｅ層１、ＴｈＦ₄ 層
   ２、ＺｎＳｅ層３、ＴｈＦ₄ 層４、ＺｎＳｅ層５、Ｔｈ
   Ｆ₄ 層６、ＺｎＳｅ層７は位相遅延層を構成することを
   特徴とする円偏光ミラ−。