JP5103415B2 - ラップトップサイズの近接場の増幅を利用した高次高調波の生成装置 - Google Patents
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Description
本発明は、ラップトップサイズの近接場の増幅を利用した高次高調波（High-order Harmonic）の生成装置に係り、さらに詳細には、共振器または光学的増幅を使用せずに、装置を小型化して簡単に入射されるフェムト秒レーザーの反復率を維持させつつ、可干渉性ＥＵＶ（極紫外線）や軟Ｘ線を生成することができるラップトップサイズの近接場の増幅を利用した高次高調波の生成装置に関する。
ＥＵＶ及びＸ線は、可視光より波長の短い領域であって、光を用いた精密測定において波長の長さに制限される回折限界による測定分解能を向上させ、Ｘ線領域にまで拡張することによって、優れた透過特性を利用して生命工学に係る微細測定や非破壊検査に活用することができる。
特に、これと同時に可干渉性に優れた光源を生成することができれば、光の干渉及び回折現象を利用した多様な応用が可能である。
そして、入射されるフェムト秒レーザーの反復率を維持させることができるため、ＥＵＶ及びＸ線領域での精密分光学や周波数の標準測定などに使用することができる。
そして、入射されるフェムト秒レーザーの反復率を維持させることができるため、ＥＵＶ及びＸ線領域での精密分光学や周波数の標準測定などに使用することができる。
ＥＵＶ及びＸ線を生成する多くの方法の一つがシンクロトロン（synchrotron）を利用する方法である。シンクロトロンによるＥＵＶ及びＸ線を生成する場合、多量の光及び良質の光が得られ、これと同時に多様な波長帯域が得られるという長所はあるが、施設そのもののサイズが非常に大きくかつ高価であるため、実験室では簡単に構成することができないという問題点がある。
そのような問題点を解決するために、最近、フェムト秒レーザーを用いた高次高調波の生成方法が提案され、比較的に小さい実験装置をもって可干渉性ＥＵＶ及び軟Ｘ線を生成することができるようになった。
高次高調波の生成は、アルゴン（Ａｒ）、ネオン（Ｎｅ）、ゼノン（Ｘｅ）などの非活性ガスに時間変化する高い電場を加えることによって、電子がイオン化して軌跡によって運動し再び結合することによって、イオン化エネルギーと電子の運動エネルギーとの和ｄに当たるエネルギーがＥＵＶ及びＸ線帯域の光として発生する。
このような高次高調波の生成のために電子をイオン化させるためには、少なくとも１０１３Ｗ／ｃｍ２の光度が求められる。
しかし、現在、約１０１１Ｗ／ｃｍ２の光度を有するフェムト秒レーザーは、高次高調波の生成のための最小の光度を満たすために、外部共振器を用いた光学的増幅であるチャープパルス増幅（CPA；chirped pulse amplification）方法を利用している。１個ないし２個のＣＰＡを直列に連結して増幅させれば、ガス原子をイオン化させるに足りる光量を満足させる。
しかし、ＣＰＡ方法は、高次高調波の生成のための臨界値は達成することができるが、フェムト秒レーザーの反復率を維持できず、ＫＨｚレベルの反復率を有する。これは、精密分光学に適用するだけの高反復率を達成することができない。また、構造が複雑になり、かつ装置の体積が大きくなるという最大の問題点があった。
前記問題点を解決するための本発明は、光の光子と、ナノサイズの金属微細パターン（構造体）の内部の電子との相互作用によって現れる表面プルラズモン共鳴（surface plasmon resonance）現象を利用して、既存の高出力増幅技術なしにコヒーレンス特性を有するＥＵＶ光源をラップトップサイズの装置によって小型化して、産業上の面でより効果的な高次高調波の生成装置を提供するところにその目的があり、それと同時にフェムト秒レーザーの反復率を維持させることによって、ＥＵＶ及びＸ線領域での精密分光学や周波数の標準測定などに使用することができる。
前記のような目的を解決するための本発明は、フェムト秒レーザー発生器と、前記フェムト秒レーザー発生器から出力される光を伝達する光伝達手段と、前記光伝達手段を通じて伝達された光が通過するときに近接場の増幅を起し得るナノ開口を有する金属薄膜の微細パターンと、前記光伝達手段を通じて伝達された光が前記微細パターンを通過するとき、非活性ガスを供給させるガス供給部と、前記微細パターン及びガス供給部を真空雰囲気内で収容するための真空チャンバと、を備えることを特徴とする。
また、前記微細パターンの材質は、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）のうち何れか一つであることを特徴とする。
また、前記微細パターンは、三角形または四角形の金属薄膜が所定間隔をおいて対向して形成されたナノ開口を有するか、または円形のナノ開口が所定部分重畳されて形成されたナノ開口を有することを特徴とする。
また、前記微細パターンは、三角形または四角形の金属薄膜が所定間隔をおいて対向して形成されたナノ開口を有するとき、１６０ないし２００ｎｍの長さと２０ないし３０ｎｍの間隔を有することを特徴とする。
また、前記微細パターンは、近接場の増幅の割合が最小２０ｄＢ以上であり、前記微細パターンの周りに生成された光度が最小１０１３Ｗ／ｃｍ２以上であることを特徴とする。
また、前記ガス供給部は、前記微細パターンの周りに、Ａｒ、Ｎｅ、Ｘｅを含む非活性ガスのうち何れか一つまたはそれらの混合物をガスまたは流体としてマイクロノズルを通じて供給することを特徴とする。
また、前記光伝達手段は、前記フェムト秒レーザー発生器から出力される光を集光して前記微細パターンに集光させるフォーカシングレンズと、前記フェムト秒レーザー発生器から出力される光の分散を補償するためのウェッジプリズム及びチャープミラーとをさらに備えることを特徴とする。
本発明によれば、外部の光増幅器なしに近接場増幅の理論に基づく微細パターンを製作して高次高調波を生成することによって、簡単な構造によって小型化することができる。
さらに、高反復率のＥＵＶ及びＸ線光源を生成することができ、それによって精密分光学、次世代露光光源、生命工学、非破壊検査の光源などに広く適用することができる。
さらに、高反復率のＥＵＶ及びＸ線光源を生成することができ、それによって精密分光学、次世代露光光源、生命工学、非破壊検査の光源などに広く適用することができる。
以下、添付図面を参照して、本発明に係るラップトップサイズの近接場の増幅を利用した高次高調波の生成装置の好ましい実施形態を詳細に説明すれば、以下の通りである。
図１は、本発明に係るラップトップサイズの近接場の増幅を利用した高次高調波の生成装置の概略的な構成図であり、図２は、本発明に係る近接場の増幅を起こす微細パターンの多様な実施形態を示す拡大図であり、図３は、本発明に係る微細パターンの一実施形態を示す拡大図である。図４は、本発明に係るラップトップサイズの近接場の増幅を利用した高次高調波の生成装置の微細パターンの好ましい一実施形態を示す拡大図であり、図５は、本発明に係る微細パターンにおいて近接場の増幅によって照射された光が増幅された形状を示す図面であり、図６は、本発明に係るラップトップサイズの近接場の増幅を利用した高次高調波の生成装置の一実施形態を示す構成図である。
本発明に係るラップトップサイズの近接場の増幅を利用した高次高調波の生成装置は、フェムト秒レーザーを出力するフェムト秒レーザー発生器１００と、前記フェムト秒レーザー発生器１００から出力されるレーザーを伝達する光伝達手段２００と、前記光伝達手段２００を通じて伝達された光を近接場現象によって増幅させる金属の微細パターン３００と、光が前記微細パターン３００を通過するときに非活性ガスを供給するガス供給部４００と、を備えることを特徴とする。
前記フェムト秒レーザー発生器１００は、約１０１１Ｗ／ｃｍ２の光度を出力するレーザー発振器であって、本発明に係る高次高調波の生成のための光源でフェムト秒レーザーを出力する。
本発明に係る好ましい一実施形態として、前記フェムト秒レーザー発生器１００は、１０フェムト秒のパルス幅を有するものであって、レーザー利得媒質としてはチタンサファイア（Ti:s）を使用したレーザー発振器を通じてフェムト秒レーザーを出力する。このようなフェムト秒レーザーのパルス幅や波長などの条件は、使用目的または環境によって光ファイバ基盤のフェムト秒レーザーなどの多様な実施形態に変更可能であるいうことは言うまでもない。
前記フェムト秒レーザー発生器１００に発生するフェムト秒レーザーは数ＭＨｚ以上のレーザー反復率を有し、最大パルス当りエネルギーが数ｎＪ、最大光度が１０１３Ｗ／ｃｍ２を超えない原子時計に安定化可能なフェムト秒レーザーである。
光伝達手段２００は、前記フェムト秒レーザー発生器１００から出力される光を適切に伝達するためのものであって、近接場の増幅のために使用される後述する微細パターン３００に伝達させるために、一実施形態として、ミラー、多くの光学部品から発生し得る分散を補償するためのウェッジプリズム、チャープミラー、及び伝達された光を集光させるフォーカシングレンズを備え、このような前記光伝達手段２００は、当業者ならば設計によって多様に変更することが可能である。
微細パターン３００は、前記光伝達手段２００を通じて伝達された光の近接場の増幅を発生させるための構成要素である。
近接場の増幅は、媒質の表面から数十ｎｍ以内の非常に狭い領域で得られるもので、基本理論は、表面プルラズモン共鳴とライトニング・ロッド効果（lightning-rod effect）をもって説明されることができる。金属と誘電体との境界面に光が入射されれば、境界面で表面電子が誘導され、入射波及び表面電子の動きが共振条件を満たせば表面波が発生するが、これを表面プルラズモン共鳴効果と言う。
入射された光に誘導された表面電子が、ナノ開口を有する前記微細パターン３００の先端部の尖っている所に集まれば、表面電子密度が急速に上昇し、大きい増幅が得られるが、これをライトニング・ロッド効果と言う。すなわち、媒質に入射される光と電子との相互作用による現象であるが、表面プルラズモン共鳴は、金属媒質の誘電率と、ライトニング・ロッド効果は媒質の模様と密接な関係にある。
前記微細パターン３００を通じて最適化した光の増幅を得る条件を説明すれば、媒質の誘電率、入射される光の波長及び偏光方向、そして媒質の模様及びサイズなどである。金属媒質の誘電率は、実数部値が負数であり、虚数部値は小さいほど増幅が良好に行われるが、これを最も十分に満足させる金属媒質としては、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌなどの金属を用いて前記微細パターン３００を製作することができる。
ここでＡｇがＡｕより増幅率も高くかつ誘電率の虚数部値が少ないため、さらに良好に増幅が行われるが、ＡｕがＡｇに比べて酸化に強くかつ化学的に安定化しているため、本発明で好ましい実施形態として、微細パターンの材質としてはＡｕを使用する。
材質の決定された前記微細パターン３００は、光の波長より小さいサイズのナノ開口が形成されるが、金属薄膜で製作され、波長サイズより小さいナノ開口であるにもかかわらず著しい透光量の増加を表す。
材質の決定された前記微細パターン３００は、光の波長より小さいサイズのナノ開口が形成されるが、金属薄膜で製作され、波長サイズより小さいナノ開口であるにもかかわらず著しい透光量の増加を表す。
このような要件を考慮して、前記微細パターン３００を製作する方法は二つに大別されるが、ガラス板のような基板上に金属を蒸着して、ナノ開口を有する微細パターンを形成するか、またはガラス板のない単一の金属薄膜に直接的にナノ開口を製作する方法がある。
単一の金属薄膜の場合には、ガラス板を有さないため、レーザーを集光したとき、ガラス板によるレーザーの吸収または反射による損失を無くすことができる。そして、ナノ開口が開いているため、流体またはガスをナノ開口に通過させつつ、増幅されたレーザーとの反応実験に応用することができる。したがって、本発明では、単一の金属薄膜の微細パターンを使用する。
ここで前記微細パターン３００のナノ開口の形状は、図２に示すように、ボウタイ型（三角形；ａ）、四角形（ｂ）を有する二つの金属薄膜が所定間隔をおいて配列されて、これを通じて形成されるナノ開口、または二つの円形の開口が所定部分重畳されて８字状（ｃ）を有するナノ開口など、多様な形状に製作することができる。
図３は、本発明に係る一実施形態として、三角形の金属薄膜によってナノ開口を有する微細パターンを示す。二つの三角形が所定間隔をおいて対向している。このとき、二つの三角形の高さｈ及び厚さｔ、間隔ｄ、三角形の頂点の角度θによって増幅率が変わるため、これら四つの値を適切に調節しなければならない。したがって、前記微細パターンを利用して高次高調波の生成のための最小光度である１０１３Ｗ／ｃｍ２を満足させようとする。
図４は、本発明に係る好ましい実施形態として、ボウタイ型（三角形）に配列された微細パターン３００を示す図面であって、フェムト秒レーザーの光度が１０１１Ｗ／ｃｍ２であり、高次高調波の生成のために必要な最小光度が１０１３Ｗ／ｃｍ２であるため、近接光の増幅のためには最小１００倍以上の増幅が必要である。
したがって、１００倍以上の増幅が発生せねばならないことを考慮して、ＦＤＴＤ（Finite-Difference Time-Domain）を利用した電磁気シミュレーションを通じて獲得した最適のナノ開口の形状の設計値としては、厚さ５０ｎｍ、二つの三角形間の間隔２０ｎｍ、三角形の高さと角度をそれぞれ１７５ｎｍ、３０度に製作した。
これにより、前記微細パターン３００の約６０ｎｍ×５０ｎｍの領域内で最小１００倍以上の増幅比を有し、最大増幅比は、対向している三角形の頂点で約５００倍以上になるように設計した。これに基づき、集束イオンビーム（Focused ion beam：FIB）方法によって２次元に１０ｕｍ×１０ｕｍの領域内でボウタイ型の微細パターンを配列し、入射される光の偏光方向に２００ｎｍのピッチを有し、その垂直方向には５００ｎｍのピッチを有するようにする。
前述の前記微細パターン３００の設計は、単に本発明に係る一実施形態であり、ＦＤＴＤ電磁気シミュレーションによる多様な形状及び設計値を通じて必要な増幅比が得られる形状に変形することが可能である。
このようなＥＵＶ及びＸ線は、空気中で吸収されやすいため、微細パターンを利用した高次高調波の生成は真空雰囲気上で配置されねばならない。したがって、近接場の増幅を起こす前記微細パターン３００は、真空チャンバ内に備えられ、前記光伝達手段に含まれるフォーカシングレンズと共に真空チャンバ内に備えられて、集光された光を微細パターン３００に入射する。
図５は、三角形の微細パターン及び四角形の微細パターンの実際に増幅された光度分布を示す図であって、５０ｎｍの厚さの金薄膜に、中心波長が８００ｎｍ、パルス幅が約１０ｆｓであるフェムト秒レーザーを基にして、三角形を配列した微細パターンについて行った。
ＦＤＴＤ解釈を通じて最適の増幅値が得られる変数を求めた。このとき、入射するレーザーの偏光方向はＸ軸であり、その理由は、共振する電子密度の上昇のためには、頂点の尖った部分の方向と電子の動きとが平行にならなければならないが、Ｘ軸の偏光方向がこの条件を満たすためである。
好ましくは、前記微細パターンが三角形または四角形である場合、金属薄膜が所定間隔をおいて対向してナノ開口を形成するが、１６０ないし２００ｎｍの長さと、２０ないし３０ｎｍの間隔を有することが好ましい。
このような前記微細パターンにより、別途のレーザー光源や共振器なしに、近接場の増幅の割合が最小２０ｄＢ以上、微細パターンの周りに生成されたフェムト秒レーザーの光度が最小１０１３Ｗ／ｃｍ２以上を有することができる。
ガス供給部４００は、前記微細パターン３００に非活性ガスを供給することによって、微細パターン３００を通過する光を増幅させる。高次高調波の生成は、Ａｒ、Ｎｅ及びＸｅを含む非活性ガスまたはその混合ガスに時間変化する高い電場を加えることによって、電子がイオン化して軌跡によって運動し再び結合することによって、イオン化エネルギーと電子の運動エネルギーとの和に当たるエネルギーがＥＵＶまたはＸ線帯域の光として発生する。
前記ガス供給部４００は、Ａｒ、Ｎｅ、Ｘｅの他にも多様な非活性ガスを使用し、前記ガス供給部４００から供給されるガスに限られず、流体でも可能であり、マイクロノズルを通じて非活性ガスを供給する。
図６は、本発明に係る近接場の増幅を利用した高次高調波の生成装置の一実施形態を示す構成図である。図６に示すように、高次高調波の生成装置は、大きくフェムト秒レーザー発生器１００、光伝達手段２００、真空チャンバ内に備えられる微細パターン３００、ガス供給部４００、及び前記微細パターン３００で生成されたＥＵＶまたはＸ線光を分光させる回折格子２７０、及びスペクトラムを獲得するための光子検出器２８０を備える。
フェムト秒レーザー発生器１００は、前述のように、同じ条件を有するレーザーソースを利用する。前記フェムト秒レーザー発生器１００に出力されるレーザーは、ミラー２１０によって反射されてウェッジプリズム２２０を通過した後、第１チャープミラー２３０及び第２チャープミラー２４０を経て真空チャンバ上に備えられたウィンドウミラー２５０を通って真空チャンバ内に入射される。
前記ウィンドウミラー２５０に入射された光は、真空チャンバの内部に備えられるフォーカシングレンズ２６０で集光された後、所定の領域に焦点が結ばれ、これが微細パターン３００に入射されれば、近接場の増幅を通じて高次高調波の生成のためのスレショルド値だけ増幅される。
前記フォーカシングレンズ２６０で集光された光が前記微細パターン３００に照射されるとき、ガス供給部４００からＡｒガスを流せば、相互作用によってさらに高い増幅効果が得られ、ＥＵＶが生成される。
ここで生成されたＥＵＶ（高次高調波）は、元来フェムト秒レーザーの奇数倍（ｎ＝３、５、７）に当たる周波数を有するＥＵＶであって、約１０ｎｍないし２００ｎｍで奇数次の波長を有するＥＵＶが生成される。
一方、生成されたＥＵＶは、回折格子２７０で分光され、光子検出器２８０によってスペクトラムを得ることができる。
このように構成され、かつ作用する本発明は、フェムト秒レーザー及びナノサイズの金属微細パターンのみを用いた簡単な構造により、シンクロトロンを用いた大規模の設備または外部共振器を用いた複雑な設備から逸脱して、ラップトップサイズに小型化することができるため、先端産業及び基礎学問分野に多様に活用することができるという利点がある。
以上、本発明の原理を例示するための好ましい実施形態について説明し、かつ図示したが、本発明は、そのままの構成及び作用に限定されるものではない。
むしろ、特許請求の範囲の思想及び範囲を逸脱せずに、本発明についての多様な変更及び修正が可能であるということを当業者ならば理解できるであろう。したがって、その全ての適切な変更及び修正と均等物も本発明の範囲に属すると見なされねばならないであろう。
１００ フェムト秒レーザー発生器
２００ 光伝達手段
３００ 微細パターン
４００ ガス供給部
５００ 真空チャンバ
２００ 光伝達手段
３００ 微細パターン
４００ ガス供給部
５００ 真空チャンバ
Claims (7)
- フェムト秒レーザー発生器と、
前記フェムト秒レーザー発生器から出力される光を伝達する光伝達手段と、
前記光伝達手段を通じて伝達された光が通過するときに近接場の増幅を起し得るナノ開口を有する金属薄膜の微細パターンと、
前記光伝達手段を通じて伝達された光が前記微細パターンを通過するとき、前記微細パターンに非活性ガスを供給させるガス供給部と、
前記微細パターン及びガス供給部を真空雰囲気内で収容するための真空チャンバと、を備えることを特徴とするラップトップサイズの近接場の増幅を利用したことを特徴とする高次高調波の生成装置。
- 前記微細パターンの材質は、
Ａｕ、Ａｇ、Ａｌのうち何れか一つであることを特徴とする請求項１に記載のラップトップサイズの近接場の増幅を利用した高次高調波の生成装置。
- 前記微細パターンは、
三角形または四角形の金属薄膜が所定間隔をおいて対向して形成されたナノ開口を有するか、または円形のナノ開口が所定部分重畳されて形成されたナノ開口を有することを特徴とする請求項１に記載のラップトップサイズの近接場の増幅を利用した高次高調波の生成装置。
- 前記微細パターンは、
三角形または四角形の金属薄膜が所定間隔をおいて対向して形成されたナノ開口を有するとき、１６０ないし２００ｎｍの長さと２０ないし３０ｎｍの間隔を有することを特徴とする請求項３に記載のラップトップサイズの近接場の増幅を利用した高次高調波の生成装置。
- 前記微細パターンは、
近接場の増幅の割合が最小２０ｄＢ以上であり、前記微細パターンの周りに生成された光度が最小１０１３Ｗ／ｃｍ２以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のうち何れか１項に記載のラップトップサイズの近接場の増幅を利用した高次高調波の生成装置。
- 前記ガス供給部は、
前記微細パターンの周りに、Ａｒ、Ｎｅ、Ｘｅを含む非活性ガスのうち何れか一つまたはそれらの混合物をガスまたは流体としてマイクロノズルを通じて供給することを特徴とする請求項１に記載のラップトップサイズの近接場の増幅を利用した高次高調波の生成装置。
- 前記光伝達手段は、
前記フェムト秒レーザー発生器から出力される光を集光して前記微細パターンに集光させるフォーカシングレンズと、
前記フェムト秒レーザー発生器から出力される光の分散を補償するためのウェッジプリズム及びチャープミラーとをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のラップトップサイズの近接場の増幅を利用した高次高調波の生成装置。
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