JP5256452B2 - Reflective diffraction grating hologram and X-ray focusing system - Google Patents

Reflective diffraction grating hologram and X-ray focusing system Download PDF

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  • Exposure Of Semiconductors, Excluding Electron Or Ion Beam Exposure (AREA)
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Description

本発明は、反射型回折格子ホログラム及びX線集光システムに関するものであり、特に、入射波及び反射波の波長の2倍よりも大きい格子周期の回折格子をホログラムとすることで、実験室で簡易に軌道角運動量を持ったX線を発生させることのできる反射型回折格子ホログラム及びX線集光システムに関する。   The present invention relates to a reflective diffraction grating hologram and an X-ray condensing system. In particular, the present invention relates to a diffraction grating having a grating period larger than twice the wavelength of an incident wave and a reflected wave as a hologram. The present invention relates to a reflection diffraction grating hologram and an X-ray condensing system capable of easily generating X-rays having orbital angular momentum.

物質が磁性を示す主な原因は、物質を構成する原子の原子核及び電子が持つスピン角運動量の存在によるところが大きい。軌道角運動量を持ったX線(以下「角運動量を持ったX線」と記載する。非特許文献1参照)は、このスピン角運動量との間で相互作用を引き起こすので、従来から磁性や原子配列の立体像の解析には、角運動量を持ったX線が有効に用いられてきた。ところが、角運動量を持ったX線は放射光施設でしか作れないために、このような解析は実験室では行うことは困難であった。   The main cause of the magnetism of a substance is largely due to the existence of spin angular momentum possessed by the atomic nucleus and electrons constituting the substance. X-rays with orbital angular momentum (hereinafter referred to as “X-rays with angular momentum”; see Non-Patent Document 1) cause an interaction with this spin angular momentum, so that magnetism and atoms have been conventionally used. X-rays having angular momentum have been used effectively for analysis of a three-dimensional array image. However, since X-rays with angular momentum can only be produced at the synchrotron radiation facility, it is difficult to perform such an analysis in the laboratory.

したがって、実験室で簡易に角運動量を持ったX線を発生させ、該角運動量を持ったX線を被検体である物質に集中的に照射させるためのX線集光システムの開発が望まれる。   Therefore, it is desired to develop an X-ray condensing system for generating X-rays with angular momentum easily in a laboratory and irradiating the X-rays with angular momentum on a substance as a subject. .

一方、角運動量を持った可視光を発生させることは、いわゆる透過型のフォーク型回折格子を用いることで可能であることは示されている。可視光の場合の透過型のフォーク型回折格子は、無偏光と角運動量光とを同時に照射してできる入射面上での干渉パターンをそのまま利用することによりホログラムとして作成することができる。また、波長がμm程度と長いので直接描画することもできる。   On the other hand, it has been shown that it is possible to generate visible light having angular momentum by using a so-called transmissive fork type diffraction grating. The transmissive fork type diffraction grating in the case of visible light can be created as a hologram by using the interference pattern on the incident surface formed by irradiating non-polarized light and angular momentum light simultaneously. Further, since the wavelength is as long as about μm, it is possible to directly draw.

しかし、X線の場合には、角運動量光を実験室レベルで発生させるのが困難なため無偏光と角運動量光とを同時に照射してできる入射面上での干渉パターンをそのまま利用することが困難であり、波長がnm程度と短いので直接描画することは困難であるという問題がある。   However, in the case of X-rays, since it is difficult to generate angular momentum light at the laboratory level, it is possible to directly use the interference pattern on the incident surface that is formed by simultaneously irradiating non-polarized light and angular momentum light. There is a problem that direct drawing is difficult because the wavelength is as short as about nm.

ここで、ホログラムとは、光源から出る通常のレーザー光と参照光源から出る任意の光との2つの光波の干渉パターンを入射面上に記録したものである。こうして作成されたホログラムに対し、元のレーザー光と同一のレーザー光を入射させると、参照光源から出ていた光と同一の光が再生される。   Here, the hologram is a recording of an interference pattern of two light waves, a normal laser beam emitted from a light source and an arbitrary light emitted from a reference light source, on an incident surface. When the same laser light as the original laser light is incident on the hologram thus created, the same light as that emitted from the reference light source is reproduced.

このホログラムによる光の再生は、作成したときとほぼ同じ波長の光で行う必要がある。このため、ホログラムの縞の間隔はほぼ光の波長のオーダーになり、軟X線を再生するときにはナノメートルのオーダーとなってしまうという問題がある。   The reproduction of light by this hologram needs to be performed with light having substantially the same wavelength as when it was created. For this reason, the interval between the fringes of the hologram is almost in the order of the wavelength of light, and there is a problem that when reproducing soft X-rays, it becomes in the order of nanometers.

ところで、可視光を用いて格子周期の小さい回折格子を作成する場合には、通常紫外光が用いられる。この回折格子は、2つの方向から紫外光をホログラムに照射して、入射面上での干渉パターンを記録して作ることができる。紫外線を干渉させて作成する回折格子では、刻線数は2400本/mm、格子周期(刻線間隔)は400nm程度が限界である。   By the way, when producing a diffraction grating having a small grating period using visible light, ultraviolet light is usually used. This diffraction grating can be made by irradiating a hologram with ultraviolet light from two directions and recording an interference pattern on the incident surface. In the diffraction grating formed by interfering with ultraviolet rays, the number of engravings is 2400 lines / mm, and the grating period (interval between engravings) is limited to about 400 nm.

X線の場合はさらに波長が可視光の1/1000と短いため、回折格子の加工が困難であり、イオンビームなどの特殊な微細加工で透過型のフォーク型の回折格子が作成できたとしても、回折格子の大きさはμmオーダー程度の小さいものしか作成することができないという問題がある。   In the case of X-rays, since the wavelength is as short as 1/1000 of visible light, it is difficult to process the diffraction grating, and even if a transmission-type fork-type diffraction grating can be created by special fine processing such as an ion beam. However, there is a problem that only a diffraction grating having a size as small as about μm can be produced.

このような従来のフォーク型回折格子として透過型の回折格子ホログラムを用いて角運動量を持ったX線を発生させる技術が知られている。この透過型のフォーク型回折格子は特殊な加工技術を用いて作成されたものであり、その大きさはμmオーダー程度の小さいものである。
“MEASURING THE ORBITAL ANGULAR MOMENTUM OF SINGLE PHOTONS”,http//www.physics.gla.ac.uk/Optics/projects/singlePhotonOAM/ 「先端光量子機能デバイス開発研究質グループ」HP,http://wwwapr.kansai.jaea.go.jp/jaea/j/01/group/dev/#report
A technique for generating X-rays having angular momentum using a transmission type diffraction grating hologram as such a conventional fork type diffraction grating is known. This transmission type fork type diffraction grating is produced by using a special processing technique, and its size is small on the order of μm.
“MEASURING THE ORBITAL ANGULAR MOMENTUM OF SINGLE PHOTONS”, http // www.physics.gla.ac.uk / Optics / projects / singlePhotonOAM / “Advanced Photon Functional Device Development Research Group” HP, http://wwwapr.kansai.jaea.go.jp/jaea/j/01/group/dev/#report

しかしながら、上記従来の透過型のフォーク型回折格子で角運動量を持ったX線を発生させる技術では、以下のような問題点がある。   However, the above-described conventional technique for generating X-rays having angular momentum with the transmissive fork type diffraction grating has the following problems.

ここで、図6に基づき従来の透過型の回折格子の問題点について説明する。図6は可視光で作成された透過型の回折格子を含む回折波発生システム100を説明するための概念図である。回折波発生システム100は、図6に示すように、A点に配置されるレーザー光源101と、透過型の回折格子102と、任意の光を発生させるための参照光源103とを備えるものである。   Here, problems of the conventional transmission type diffraction grating will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a conceptual diagram for explaining a diffracted wave generation system 100 including a transmissive diffraction grating created with visible light. As shown in FIG. 6, the diffracted wave generation system 100 includes a laser light source 101 disposed at a point A, a transmissive diffraction grating 102, and a reference light source 103 for generating arbitrary light. .

まず、A点に配置されたレーザー光源101から通常のレーザー光Ψを発生させるとともに、B点に配置された参照光源103から任意の光Ψを発生させ、これらの光をホログラムに照射する。レーザー光Ψは、A点から距離rだけ進み、透過型の回折格子102の表面上の原点Oに入射させる。一方、光ΨはB点から距離rだけ進み、透過型の回折格子102の表面上の原点Oに入射させる。 First, normal laser light Ψ 1 is generated from the laser light source 101 disposed at the point A, and arbitrary light Ψ 2 is generated from the reference light source 103 disposed at the point B, and the hologram is irradiated with these lights. . The laser beam ψ 1 travels from the point A by a distance r 1 and is incident on the origin O on the surface of the transmission type diffraction grating 102. On the other hand, the light Ψ 2 travels from the point B by a distance r 2 and is incident on the origin O on the surface of the transmission type diffraction grating 102.

この2つの光Ψ及び光Ψの干渉パターンを入射面上に記録したものが透過型の回折格子102である。透過型の回折格子102にA点から元のレーザー光Ψを照射すると、元のレーザー光Ψを延長したaの方向にレーザー光Ψが出て行き、元の光Ψを延長したbの方向に光Ψが出て行く。透過型の回折格子102上での干渉パターンでは、ΨとΨとの波が両方とも山になったところが透過するようになっている。 A transmission type diffraction grating 102 is obtained by recording the interference patterns of the two lights Ψ 1 and Ψ 2 on the incident surface. When the transmission type diffraction grating 102 is irradiated with the original laser beam ψ 1 from the point A, the laser beam ψ 1 is emitted in the direction of a extending the original laser beam ψ 1 and the original beam ψ 2 is extended. Light Ψ 2 goes out in the direction of b. In the interference pattern on the transmission type diffraction grating 102, the wave where both Ψ 1 and Ψ 2 are both peaks is transmitted.

紫外光で作成する透過型の回折格子102の場合も、A点に配置されたレーザー光源101とB点に配置された参照光源103とから紫外光ΨとΨとをホログラムに照射して、入射面上での干渉パターンを記録して作ることができる。紫外光を干渉させて作成する透過型の回折格子102では、上述したように、刻線数は2400本/mm、及び格子周期は400nm程度が限界である。 In the case of the transmissive diffraction grating 102 created with ultraviolet light, the hologram is irradiated with ultraviolet light Ψ 1 and Ψ 2 from the laser light source 101 disposed at the point A and the reference light source 103 disposed at the point B. The interference pattern on the incident surface can be recorded. In the transmissive diffraction grating 102 produced by interfering with ultraviolet light, as described above, the number of engraved lines is 2400 lines / mm, and the grating period is limited to about 400 nm.

上述した従来の透過型のフォーク型回折格子は、特殊な加工技術を用いてX線レベルの波長でも適用が可能となるように作成されたものである。しかし、従来の透過型のフォーク型回折格子は、格子周期の中に入る回折波の波の数が1程度であるため、格子周期と回折波の波長とが同程度の回折格子を作ることは、X線領域では難しく、小さいものしか作れないという問題点がある。したがって、X線領域の場合、回折格子の大きさは約1μm程度の大きさ程度となってしまい強い回折波が得られないという問題点も生じる。   The above-described conventional transmission fork type diffraction grating is prepared so as to be applicable even at wavelengths of the X-ray level using a special processing technique. However, since the number of diffracted waves entering the grating period is about 1 in the conventional transmissive fork type diffraction grating, it is not possible to make a diffraction grating with the same grating period and wavelength of the diffracted wave. However, it is difficult in the X-ray region, and there is a problem that only small items can be made. Therefore, in the case of the X-ray region, the size of the diffraction grating is about 1 μm, and there is a problem that a strong diffracted wave cannot be obtained.

また、透過型の回折格子の場合は、不要な0次の光も透過してしまうので、回折波と比較して0次の光が強くなってしまい、角運動量を持ったX線を効率よく得ることができないという問題点もある。   Further, in the case of a transmission type diffraction grating, unnecessary 0th order light is also transmitted, so that the 0th order light becomes stronger than the diffracted wave, and X-rays having angular momentum can be efficiently used. There is also a problem that it cannot be obtained.

さらに、透過型の場合は原理的に回折格子の向きを変えても、次数の符号が異なる回折波は常に直進する0次の光の左右に分かれて発生するため、次数の符号が異なる回折波の両方を同じ場所で利用することが困難であるという問題点がある。   Further, in the case of the transmission type, even if the direction of the diffraction grating is changed in principle, diffracted waves having different orders of sign are generated separately on the left and right of the 0th order light that travels straight, so that diffracted waves having different orders of sign are generated. There is a problem that it is difficult to use both in the same place.

本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、軌道角運動量を持ったX線を回折波として発生させることができ、不要な0次の光を弱める又は完全に消すことができ、回折波の出射方向を容易に変えることができ、さらに、回折格子の拡大化が可能で、作成が容易な反射型回折格子ホログラム及び該反射型回折格子ホログラムを備えるX線集光システムを提供することにある。   The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and the object thereof is to generate X-rays having an orbital angular momentum as a diffracted wave and weaken unnecessary zeroth-order light or A reflection diffraction grating hologram that can be completely erased, can easily change the exit direction of a diffraction wave, can be enlarged, and can be easily created, and an X comprising the reflection diffraction grating hologram It is to provide a line condensing system.

本発明の反射型回折格子ホログラムは、前記課題を解決するために、入射波の入射面側に複数の凸部と凹部とが交互に規則的に配列されており、前記入射面側における最近接の凸部間の間隔と凹部間の間隔との和である格子周期が入射波と回折波の波長の2倍よりも大きく、かつ前記回折波が軌道角運動量を持つ場合の波面に基づいて、前記複数の凸部及び凹部の形状が形成されており、前記入射波を反射させることを特徴としている。   In order to solve the above problems, the reflective diffraction grating hologram of the present invention has a plurality of convex portions and concave portions arranged alternately and regularly on the incident surface side of the incident wave, and is closest to the incident surface side. Based on the wavefront when the grating period, which is the sum of the spacing between the convex portions and the spacing between the concave portions, is greater than twice the wavelength of the incident wave and the diffracted wave, and the diffracted wave has an orbital angular momentum, The plurality of convex portions and concave portions are formed, and the incident wave is reflected.

前記構成によれば、反射型回折格子ホログラムの入射面は、入射波の入射面側に複数の凸部と凹部とが交互に規則的に配列されている。また、反射型回折格子ホログラムは、複数の凸部及び凹部がともに入射波を反射させる場合には(例えばラミナ型の回折格子などを用いた場合など。)、凹部と凸部との高さの差(凹部の最下部と凸部の最上部との差)である格子深さ(以下同様の説明は省略する。)を適宜調整することにより、0次の反射波を弱める又は完全に消すことができる。   According to the configuration, the incident surface of the reflective diffraction grating hologram has a plurality of convex portions and concave portions regularly and alternately arranged on the incident surface side of the incident wave. Further, in the case of a reflection type diffraction grating hologram, when a plurality of convex portions and concave portions reflect incident waves (for example, when a lamina type diffraction grating or the like is used), the height of the concave portion and the convex portion is determined. By appropriately adjusting the grating depth (the same description is omitted hereinafter) which is the difference (difference between the lowermost part of the concave part and the uppermost part of the convex part), the zero-order reflected wave is weakened or completely extinguished. Can do.

なお、複数の凸部のみが、入射波を反射させる場合や、複数の凹部のみが入射波を反射させる場合(例えばブレーズ型の回折格子を用いた場合など。)も本発明の範疇に含まれる。さらに、反射型の回折格子は、透過型の回折格子と異なり、回折格子の向きを変えれば、0次の光の方向も変えることができ、次数の符号が異なる回折波も同じ方向に出射させることができる。   The case where only a plurality of convex portions reflect incident waves, or the case where only a plurality of concave portions reflect incident waves (for example, when a blazed diffraction grating is used) is also included in the scope of the present invention. . Further, unlike the transmission type diffraction grating, the reflection type diffraction grating can change the direction of the zero-order light by changing the direction of the diffraction grating, and diffracted waves having different orders of sign are emitted in the same direction. be able to.

また、入射面側の凹凸部は、格子周期が回折波の波長と比較してかなり大きく(格子周期が波長の2倍よりも大きく)形成されている。この場合、入射波と回折波との重ね合わせによって生じるうなりの間隔の整数倍と、格子周期とが等しくなるという回折条件を満足するように回折波が形成されて回折波を再生できる。よって、回折格子の拡大化が可能であり、容易に作成することができる。   In addition, the concave and convex portion on the incident surface side is formed so that the grating period is considerably larger than the wavelength of the diffracted wave (the grating period is larger than twice the wavelength). In this case, the diffracted wave can be reproduced by forming the diffracted wave so as to satisfy the diffraction condition that the integral multiple of the beat interval generated by the superposition of the incident wave and the diffracted wave is equal to the grating period. Therefore, the diffraction grating can be enlarged and can be easily created.

また、入射面側の凹凸部は、回折波が軌道角運動量を持つ場合の波面に基づいて、複数の凸部及び凹部の形状が形成されている。   Moreover, the uneven | corrugated | grooved part by the side of an entrance plane is formed with the shape of a some convex part and a recessed part based on the wave surface in case a diffracted wave has an orbital angular momentum.

また、本発明の反射型回折格子ホログラムは、前記構成に加えて、前記複数の凸部及び凹部の形状が、前記回折波の波長を、前記格子周期と前記回折波の出射角の正弦との積に等しい長さに伸ばしたときの波の波面の回転中心軸から該波面に沿って延びる半直線と前記入射面との交わりが描く軌跡に沿って形成されていることが好ましい。前記構成によれば、通常の平面波を入射させれば、軌道角運動量を持った回折波を発生させることができる。   Further, in the reflection type diffraction grating hologram of the present invention, in addition to the above configuration, the shape of the plurality of convex portions and concave portions is the wavelength of the diffracted wave, the grating period, and the sine of the exit angle of the diffracted wave. Preferably, it is formed along a trajectory drawn by the intersection of a half line extending along the wavefront from the center axis of rotation of the wavefront of the wave when extended to a length equal to the product. According to the above configuration, if a normal plane wave is incident, a diffracted wave having an orbital angular momentum can be generated.

また、本発明の反射型回折格子ホログラムは、前記課題を解決するために、入射波の入射面側に複数の凸部と凹部とが交互に規則的に配列されており、前記入射面側における最近接の凸部間の間隔と凹部間の間隔との和である格子周期の中に入る回折波の波の数が1よりも大きい整数であり、かつ前記回折波が軌道角運動量を持つ場合の波面に基づいて、前記複数の凸部及び凹部の形状が形成されており、前記入射波を反射させることを特徴としている。   In order to solve the above problems, the reflective diffraction grating hologram of the present invention has a plurality of convex portions and concave portions arranged alternately and regularly on the incident surface side of the incident wave. When the number of diffracted waves entering the lattice period, which is the sum of the distance between the nearest convex parts and the distance between the concave parts, is an integer larger than 1, and the diffracted wave has an orbital angular momentum Based on the wavefront, the shapes of the plurality of convex portions and concave portions are formed, and the incident wave is reflected.

前記構成によれば、入射面側の凹凸部は、入射面側における最近接の凸部間の間隔と凹部間の間隔との和である格子周期の中に入る回折波の波の数が1よりも大きい整数であるという回折条件を満足するように形成されている。このため、格子周期を調整すれば、格子周期の中に入る波の数が1と異なっていても所望の回折波を再生できる。なお、それ以外の構成は上述したものと同様である。   According to the above configuration, the number of diffracted waves entering the grating period, which is the sum of the distance between the nearest convex parts and the distance between the concave parts on the incident surface side, is 1 in the concave and convex parts on the incident surface side. It is formed so as to satisfy the diffraction condition of being an integer larger than that. Therefore, by adjusting the grating period, a desired diffracted wave can be reproduced even if the number of waves entering the grating period is different from one. Other configurations are the same as those described above.

また、本発明の反射型回折格子ホログラムは、前記課題を解決するために、入射波の入射面側に複数の凸部と凹部とが交互に規則的に配列されており、前記入射面側における最近接の凸部間の間隔と凹部間の間隔との和である格子周期aが、入射波と反射波の波長の2倍よりも大きく、該回折波が、前記入射面をXY平面とするXYZ直交座標系における原点Oから、XZ平面上を進行方向とし、初期位相φ0、出射角β、及び波数k(=2π/asinβ)で、出射したと仮定した場合において、前記複数の凸部及び凹部の形状が、回折波の波長をasinβに伸ばしたときの波の波面の回転中心軸から該波面に沿って延びる半直線と前記入射面との交わりが描く軌跡に沿って形成されていると共に、
前記軌跡が、m(m≠0)及びnを整数として、次式(1)
In order to solve the above problems, the reflective diffraction grating hologram of the present invention has a plurality of convex portions and concave portions arranged alternately and regularly on the incident surface side of the incident wave. The grating period a, which is the sum of the distance between the nearest convex parts and the distance between the concave parts, is larger than twice the wavelength of the incident wave and the reflected wave, and the diffracted wave makes the incident surface an XY plane. When it is assumed that the light is emitted from the origin O in the XYZ Cartesian coordinate system on the XZ plane with the initial phase φ 0, the emission angle β, and the wave number k (= 2π / asin β), the plurality of convex portions And the shape of the recess is formed along a locus drawn by the intersection of the incident surface and a half line extending along the wavefront from the rotation center axis of the wavefront of the wave when the wavelength of the diffracted wave is extended to asin β. With
The trajectory is expressed by the following formula (1) where m (m ≠ 0) and n are integers.

・・・(1)
を満たすような点P(x,y)の描く軌跡であり、前記入射波を反射させることを特徴としている。
... (1)
A trajectory drawn by a point P (x, y) that satisfies the above condition, and is characterized by reflecting the incident wave.

前記構成によれば、整数m(m≠0)は、回折波の軌道角運動量が、   According to the above configuration, the integer m (m ≠ 0) is the orbital angular momentum of the diffracted wave,

である場合に対応するものである。また、上式(1)を満たす軌跡に従って、前記複数の凸部及び凹部の形状が形成されている。それゆえ、通常の平面波を入射させれば、軌道角運動量を持った回折波を発生させることができる。それ以外の構成は上述したものと同様である。   This corresponds to the case of. Further, the shapes of the plurality of convex portions and concave portions are formed in accordance with a trajectory that satisfies the above formula (1). Therefore, if a normal plane wave is incident, a diffracted wave having an orbital angular momentum can be generated. Other configurations are the same as those described above.

以上により、軌道角運動量を持ったX線を回折波として発生させることができ、不要な0次の光を弱める又は完全に消すことができ、回折波の出射方向を容易に変えることができ、さらに、回折格子の拡大化が可能で、作成が容易な反射型回折格子ホログラムを提供することができる。   As described above, X-rays having orbital angular momentum can be generated as diffracted waves, unnecessary zero-order light can be weakened or completely extinguished, and the exit direction of diffracted waves can be easily changed, Further, it is possible to provide a reflection type diffraction grating hologram that can be enlarged and can be easily produced.

また、本発明の反射型回折格子ホログラムは、前記構成に加えて、前記複数の凸部の凹凸方向の断面の形状が矩型形状であるラミナ型であることが好ましい。なお、本発明の適用範囲は、上述したように、ラミナ型の回折格子に限られず、ブレーズド型の回折格子など他の方式の反射型回折格子も含まれる。   In addition to the above configuration, the reflective diffraction grating hologram of the present invention is preferably a lamina type in which the cross-sectional shape of the plurality of convex portions in the concave-convex direction is a rectangular shape. As described above, the application range of the present invention is not limited to the lamina type diffraction grating, but includes other types of reflection type diffraction gratings such as a blazed diffraction grating.

また、本発明の反射型回折格子ホログラムは、前記構成に加えて、前記複数の凸部からの反射波と前記複数の凹部からの反射波との位相が180度異なるように、前記凸部と凹部との高さの差である格子の深さが決定されていることが好ましい。   Further, in addition to the above configuration, the reflection diffraction grating hologram of the present invention includes the convex portion so that the reflected waves from the plurality of convex portions and the reflected waves from the plurality of concave portions are 180 degrees different from each other. It is preferable that the depth of the lattice, which is a difference in height from the concave portion, is determined.

前記構成によれば、格子深さを適切に設定することにより0次の反射波を弱める又は完全に消すことができる。例えば、複数の凸部からの反射波と複数の凹部からの反射波との位相が180度異なるように、格子深さを設定すれば、両反射波が干渉すると、波の重ね合わせの原理により、互いに打ち消し合うので、0次の反射波を完全に消すことができる。   According to the above configuration, the zero-order reflected wave can be weakened or completely extinguished by appropriately setting the grating depth. For example, if the grating depth is set so that the reflected waves from the plurality of convex portions and the reflected waves from the plurality of concave portions are 180 degrees different from each other, if both reflected waves interfere with each other, the principle of wave superposition Since they cancel each other, the zero-order reflected wave can be completely canceled.

なお、上述したように、「凸部と凹部との高さの差」は、凹部の最下部と凸部の最上部との差で与えられる。   As described above, the “height difference between the convex portion and the concave portion” is given by the difference between the lowermost portion of the concave portion and the uppermost portion of the convex portion.

また、本発明の反射型回折格子ホログラムは、前記構成に加えて、前記凸部及び凹部の凹凸方向の断面の形状が、前記格子周期と同一の周期を持つサインカーブに沿って形成されていることが好ましい。   In addition to the above configuration, the reflection type diffraction grating hologram of the present invention is formed along a sine curve in which the shape of the cross section in the concave-convex direction of the convex part and concave part has the same period as the grating period. It is preferable.

前記構成によれば、入射面側の凹凸部の断面の形状は、格子周期と同一の周期を持つサインカーブに沿って形成されている。このため、出射波は解析的に1次の波だけになるので、0次の回折波(反射波)や2次などの他の回折波が抑制されて、効率よく1次の回折波を得ることができる。   According to the said structure, the shape of the cross section of the uneven | corrugated | grooved part by the side of an entrance plane is formed along the sine curve with the same period as a grating | lattice period. Therefore, since the outgoing wave is analytically only the first-order wave, other diffraction waves such as the 0th-order diffracted wave (reflected wave) and the second-order are suppressed, and the first-order diffracted wave is efficiently obtained. be able to.

また、本発明の反射型回折格子ホログラムは、前記構成に加えて、前記入射波がBraggの反射条件を満たす間隔で、質量の大きい原子と質量の小さい原子とが交互に積層された多層膜が入射面側に形成されていることが好ましい。   In addition to the above configuration, the reflective diffraction grating hologram of the present invention includes a multilayer film in which large-mass atoms and small-mass atoms are alternately stacked at intervals at which the incident wave satisfies the Bragg reflection condition. It is preferably formed on the incident surface side.

前記構成によれば、質量の大きい原子と質量の小さい原子とが交互に積層された多層膜が入射面側に形成され、ブラッグの反射条件を満足するように多層膜の間隔が決定されている。このため、X線を効率よく反射させることができる。   According to the above-described configuration, the multilayer film in which atoms having a large mass and atoms having a small mass are alternately stacked is formed on the incident surface side, and the distance between the multilayer films is determined so as to satisfy the Bragg reflection condition. . For this reason, X-rays can be reflected efficiently.

また、本発明の反射型回折格子ホログラムは、前記構成に加えて、入射波の光源が置かれる位置、回折波が収束する集光点、及び前記入射波の進行方向の直線と、前記回折波の進行方向の直線との交点を含んで円周が描かれるローランド円を含む平面内の曲率半径と、
該ローランド円と直交する平面内の曲率半径とが、該ローランド円の直径と等しい球面として、入射面が形成されていることが好ましい。
In addition to the above configuration, the reflective diffraction grating hologram of the present invention includes a position where a light source of an incident wave is placed, a condensing point where the diffracted wave converges, a straight line in the traveling direction of the incident wave, and the diffracted wave A radius of curvature in a plane that includes a Roland circle in which the circumference is drawn including an intersection with a straight line in the traveling direction of
The incident surface is preferably formed as a spherical surface having a radius of curvature in a plane orthogonal to the Rowland circle equal to the diameter of the Rowland circle.

前記構成によれば、ローランド円を含む平面内の曲率半径と、該ローランド円と直交する平面内の曲率半径とが等しい球面として、入射面が形成されている。このため、回折光を集光点に効率良く収束させることができ、球面であるため加工が容易である。なお、この場合、ローランド円の円周方向は集光点に収束するが、ローランド円に垂直な方向については集光点に収束しない。   According to the above configuration, the entrance surface is formed as a spherical surface having the same radius of curvature in a plane including the Roland circle and the radius of curvature in a plane orthogonal to the Roland circle. For this reason, diffracted light can be efficiently converged on the condensing point, and since it is spherical, processing is easy. In this case, the circumferential direction of the Roland circle converges on the condensing point, but the direction perpendicular to the Roland circle does not converge on the condensing point.

また、本発明の反射型回折格子ホログラムは、前記構成に加えて、入射波の光源が置かれる位置、回折波が収束する集光点、及び前記入射波の進行方向の直線と、前記回折波の進行方向の直線との交点を含んで円周が描かれるローランド円を含む平面内の曲率半径が、該ローランド円の直径と等しく、該ローランド円と直交する平面内の曲率半径は該ローランド円の直径とは異なるトロイダル面として、入射面が形成されていることが好ましい。   In addition to the above configuration, the reflective diffraction grating hologram of the present invention includes a position where a light source of an incident wave is placed, a condensing point where the diffracted wave converges, a straight line in the traveling direction of the incident wave, and the diffracted wave The radius of curvature in the plane including the Roland circle in which the circumference is drawn including the intersection with the straight line in the traveling direction is equal to the diameter of the Roland circle, and the radius of curvature in the plane orthogonal to the Roland circle is the Roland circle It is preferable that the incident surface is formed as a toroidal surface different from the diameter.

また、本発明の反射型回折格子ホログラムは、前記構成に加えて、入射波の光源が置かれる位置、回折波が収束する集光点、及び前記入射波の進行方向の直線と、前記回折波の進行方向の直線との交点を含んで円周が描かれるローランド円を含む平面内の曲率半径が、該ローランド円の直径と等しく、該ローランド円と直交する平面内の曲率半径は該ローランド円の直径とは異なる回転楕円面として、入射面が形成されていることが好ましい。   In addition to the above configuration, the reflective diffraction grating hologram of the present invention includes a position where a light source of an incident wave is placed, a condensing point where the diffracted wave converges, a straight line in the traveling direction of the incident wave, and the diffracted wave The radius of curvature in the plane including the Roland circle in which the circumference is drawn including the intersection with the straight line in the traveling direction is equal to the diameter of the Roland circle, and the radius of curvature in the plane orthogonal to the Roland circle is the Roland circle It is preferable that the incident surface is formed as a spheroid having a diameter different from the diameter.

前記構成によれば、入射面は、ローランド円を含む平面内の曲率半径と、該ローランド円と直交する平面内の曲率半径とが異なっている。したがって、発散型のX線光源であっても、ローランド円の円周方向及びローランド円に垂直な方向の両方について光を集光点に収束させるよう調整できるので、前記球面の場合と比較して収束効率が良い。   According to the above configuration, the entrance surface has a different radius of curvature in a plane including the Roland circle and a radius of curvature in a plane orthogonal to the Roland circle. Therefore, even in the case of a divergent X-ray light source, the light can be adjusted so as to converge at both the circumferential direction of the Roland circle and the direction perpendicular to the Roland circle. Convergence efficiency is good.

なお、集光効率の観点からは、回転楕円面として、入射面が形成されていることが、より好ましい。   From the viewpoint of light collection efficiency, it is more preferable that the incident surface is formed as a spheroid.

なお、ローランド円を含む平面内の曲率半径は、常にローランド円の直径に等しい。一方、ローランド円と直交する平面内の曲率半径は、必ずしも、ローランド円の直径に等しくなくても良い。   Note that the radius of curvature in the plane including the Roland circle is always equal to the diameter of the Roland circle. On the other hand, the radius of curvature in a plane orthogonal to the Roland circle does not necessarily have to be equal to the diameter of the Roland circle.

また、本発明のX線集光システムは、前記課題を解決するために、入射波の光源としてX線を発生するX線源と、前記入射波の入射により回折波を生じさせるための回折格子ホログラムとを備えるX線集光システムであって、前記回折格子ホログラムは、前記入射波の入射面側に複数の凸部と凹部とが交互に規則的に配列されており、前記入射面側における最近接の凸部間の間隔と凹部間の間隔との和である格子周期が入射波と反射波の波長の2倍よりも大きく、かつ前記回折波が軌道角運動量を持つ場合の波面に基づいて、前記複数の凸部及び凹部の形状が形成されており、前記入射波を反射させる反射型の回折格子ホログラムであり、前記X線源が置かれる位置、回折波が収束する集光点、及び前記回折格子ホログラムの入射面上における前記入射波の進行方向の直線と、前記回折波の進行方向の直線との交点を含んで円周が描かれるローランド円を含む平面内の曲率半径が、該ローランド円の直径と等しいことを特徴としている。   In order to solve the above problems, an X-ray condensing system according to the present invention includes an X-ray source that generates X-rays as a light source for incident waves, and a diffraction grating for generating diffracted waves upon incidence of the incident waves. An X-ray condensing system comprising a hologram, wherein the diffraction grating hologram has a plurality of convex portions and concave portions arranged alternately and regularly on the incident surface side of the incident wave, Based on the wavefront when the grating period, which is the sum of the distance between the nearest convex parts and the distance between the concave parts, is larger than twice the wavelength of the incident wave and the reflected wave, and the diffracted wave has an orbital angular momentum A plurality of convex and concave shapes are formed, and the reflection type diffraction grating hologram reflects the incident wave, the position where the X-ray source is placed, a condensing point where the diffraction wave converges, And on the entrance surface of the diffraction grating hologram A radius of curvature in a plane including a Roland circle in which a circumference is drawn including an intersection of a straight line in the traveling direction of the incident wave and a straight line in the traveling direction of the diffracted wave is equal to the diameter of the Roland circle. It is said.

前記構成によれば、前記X線源が置かれる位置、回折波が収束する集光点、及び前記回折格子ホログラムの入射面上における前記入射波の進行方向の直線と、前記回折波の進行方向の直線との交点を含んで円周が描かれるローランド円を含む平面内の曲率半径が、該ローランド円の直径と等しい。このため、X線源から回折格子の入射面を見込む立体角の範囲内のX線が回折することによって生じた軌道角運動量X線を効率良く集光点に集光させることができる。なお、本発明のX線集光システムには、上述した構成を有する回折格子ホログラムのすべてを使用することが可能である。   According to the above configuration, the position where the X-ray source is placed, the condensing point where the diffracted wave converges, the straight line of the traveling direction of the incident wave on the incident surface of the diffraction grating hologram, and the traveling direction of the diffracted wave The radius of curvature in the plane including the Roland circle in which the circumference is drawn including the intersection with the straight line is equal to the diameter of the Roland circle. For this reason, the orbital angular momentum X-rays generated by diffracting X-rays within the solid angle range where the incident surface of the diffraction grating is viewed from the X-ray source can be efficiently focused on the condensing point. Note that all of the diffraction grating holograms having the above-described configuration can be used in the X-ray condensing system of the present invention.

なお、集光の基本は上記のものであるが、本発明の反射型回折格子ホログラムと他の光学素子を組み合わせて、上記とは異なる配置で集光することも可能であり、その場合も本発明の範疇に含まれるものである。   In addition, although the basics of condensing are as described above, it is also possible to condense in a different arrangement from the above by combining the reflection type diffraction grating hologram of the present invention and other optical elements. It is included in the category of the invention.

以上より、軌道角運動量を持ったX線を回折波として発生させることができ、不要な0次の光を弱める又は完全に消すことができ、回折波の出射方向を容易に変えることができ、さらに、回折格子の拡大化が可能で、作成が容易な反射型回折格子ホログラムを備えるX線集光システムを提供することができる。   From the above, X-rays with orbital angular momentum can be generated as diffracted waves, unnecessary zero-order light can be weakened or completely extinguished, and the direction of emission of diffracted waves can be easily changed, Furthermore, it is possible to provide an X-ray condensing system including a reflection type diffraction grating hologram that can be enlarged and can be easily created.

また、本発明の反射型回折格子ホログラムは、以上のように、入射波の入射面側に複数の凸部と凹部とが交互に規則的に配列されており、前記入射面側における最近接の凸部間の間隔と凹部間の間隔との和である格子周期が入射波と回折波の波長の2倍よりも大きく、かつ前記回折波が軌道角運動量を持つ場合の波面に基づいて、前記複数の凸部及び凹部の形状が形成されており、前記入射波を反射させるものである。   In addition, as described above, the reflective diffraction grating hologram of the present invention has a plurality of convex portions and concave portions arranged alternately and regularly on the incident surface side of the incident wave, and is closest to the incident surface side. Based on the wavefront when the grating period, which is the sum of the spacing between the convex portions and the spacing between the concave portions, is greater than twice the wavelength of the incident wave and the diffracted wave, and the diffracted wave has an orbital angular momentum, A plurality of convex and concave shapes are formed to reflect the incident wave.

また、本発明の反射型回折格子ホログラムは、以上のように、入射波の入射面側に複数の凸部と凹部とが交互に規則的に配列されており、前記入射面側における最近接の凸部間の間隔と凹部間の間隔との和である格子周期の中に入る回折波の波の数が1よりも大きい整数であり、かつ前記回折波が軌道角運動量を持つ場合の波面に基づいて、前記複数の凸部及び凹部の形状が形成されており、前記入射波を反射させるものである。   In addition, as described above, the reflective diffraction grating hologram of the present invention has a plurality of convex portions and concave portions arranged alternately and regularly on the incident surface side of the incident wave, and is closest to the incident surface side. In the wavefront when the number of diffracted waves entering the lattice period, which is the sum of the interval between the convex portions and the interval between the concave portions, is an integer larger than 1, and the diffracted wave has an orbital angular momentum. Based on this, the shapes of the plurality of convex portions and concave portions are formed, and the incident waves are reflected.

また、本発明の反射型回折格子ホログラムは、以上のように、入射波の入射面側に複数の凸部と凹部とが交互に規則的に配列されており、前記入射面側における最近接の凸部間の間隔と凹部間の間隔との和である格子周期aが、入射波と反射波の波長の2倍よりも大きく、該回折波が、前記入射面をXY平面とするXYZ直交座標系における原点Oから、XZ平面上を進行方向とし、初期位相φ0、出射角β、及び波数k(=2π/asinβ)で、出射したと仮定した場合において、前記複数の凸部及び凹部の形状が、回折波の波長をasinβに伸ばしたときの波の波面の回転中心軸から該波面に沿って延びる半直線と前記入射面との交わりが描く軌跡に沿って形成されていると共に、
前記軌跡が、m(m≠0)及びnを整数として、次式(1)
In addition, as described above, the reflective diffraction grating hologram of the present invention has a plurality of convex portions and concave portions arranged alternately and regularly on the incident surface side of the incident wave, and is closest to the incident surface side. The grating period a, which is the sum of the interval between the convex portions and the interval between the concave portions, is larger than twice the wavelength of the incident wave and the reflected wave, and the diffracted wave has XYZ orthogonal coordinates with the incident surface as the XY plane. When it is assumed that the light is emitted from the origin O in the system on the XZ plane, with the initial phase φ 0, the emission angle β, and the wave number k (= 2π / asin β), the plurality of convex portions and concave portions The shape is formed along a trajectory drawn by the intersection of a half line extending along the wavefront from the rotation center axis of the wavefront of the wave when the wavelength of the diffracted wave is extended to asin β, and the incident surface.
The trajectory is expressed by the following formula (1) where m (m ≠ 0) and n are integers.

・・・(1)
を満たすような点P(x,y)の描く軌跡であり、前記入射波を反射させるものである。
... (1)
Is a locus drawn by a point P (x, y) that satisfies the above condition, and reflects the incident wave.

それゆえ、軌道角運動量を持ったX線を回折波として発生させることができ、不要な0次の光を弱める又は完全に消すことができ、回折波の出射方向を容易に変えることができ、さらに、回折格子の拡大化が可能で、作成が容易な反射型回折格子ホログラムを提供することができるという効果を奏する。   Therefore, X-rays with orbital angular momentum can be generated as diffracted waves, unnecessary zero-order light can be weakened or completely extinguished, and the direction of emission of diffracted waves can be easily changed, Furthermore, it is possible to provide a reflection type diffraction grating hologram that can be enlarged and can be easily produced.

また、本発明のX線集光システムは、以上のように、入射波の光源としてX線を発生するX線源と、前記入射波の入射により回折波を生じさせるための回折格子ホログラムとを備えるX線集光システムであって、前記回折格子ホログラムは、前記入射波の入射面側に複数の凸部と凹部とが交互に規則的に配列されており、前記入射面側における最近接の凸部間の間隔と凹部間の間隔との和である格子周期が入射波と反射波の波長の2倍よりも大きく、かつ前記回折波が軌道角運動量を持つ場合の波面に基づいて、前記複数の凸部及び凹部の形状が形成されており、前記入射波を反射させる反射型の回折格子ホログラムであり、前記X線源が置かれる位置、回折波が収束する集光点、及び前記回折格子ホログラムの入射面上における前記入射波の進行方向の直線と、前記回折波の進行方向の直線との交点を含んで円周が描かれるローランド円を含む平面内の曲率半径が、該ローランド円の直径と等しいシステムである。   In addition, as described above, the X-ray condensing system of the present invention includes an X-ray source that generates X-rays as a light source for incident waves, and a diffraction grating hologram for generating a diffracted wave upon incidence of the incident waves. The diffraction grating hologram includes a plurality of convex portions and concave portions arranged alternately and regularly on the incident surface side of the incident wave, and the closest to the incident surface side. Based on the wavefront when the grating period, which is the sum of the spacing between the convex portions and the spacing between the concave portions, is greater than twice the wavelength of the incident wave and the reflected wave, and the diffracted wave has an orbital angular momentum, It is a reflection type diffraction grating hologram formed with a plurality of convex and concave shapes and reflecting the incident wave, the position where the X-ray source is placed, the focal point where the diffracted wave converges, and the diffraction The incident wave on the incident surface of the grating hologram And the linear direction of travel, the radius of curvature in a plane including the Rowland circle include intersections circumference drawn by the straight line in the traveling direction of the diffracted wave is a system equal to the diameter of the Rowland circle.

それゆえ、軌道角運動量を持ったX線を回折波として発生させることができ、不要な0次の光を弱める又は完全に消すことができ、回折波の出射方向を容易に変えることができ、さらに、回折格子の拡大化が可能で、作成が容易な反射型回折格子ホログラムを備えるX線集光システムを提供することができるという効果を奏する。   Therefore, X-rays with orbital angular momentum can be generated as diffracted waves, unnecessary zero-order light can be weakened or completely extinguished, and the direction of emission of diffracted waves can be easily changed, In addition, an X-ray condensing system including a reflective diffraction grating hologram that can be enlarged and can be easily produced can be provided.

本発明のX線集光システムの一実施形態について図1〜図5(c)に基づいて説明すれば、以下の通りである。   An embodiment of the X-ray condensing system of the present invention will be described below with reference to FIGS. 1 to 5C.

〔1.X線集光システムの例〕
まず、図1及び図2(a)・図2(b)に基づき、X線集光システムの一例であるX線集光システム10の構成について説明する。
[1. Example of X-ray focusing system]
First, based on FIG.1 and FIG.2 (a) * FIG.2 (b), the structure of the X-ray condensing system 10 which is an example of an X-ray condensing system is demonstrated.

X線集光システム10は、図1に示すように、X線源1と、反射型回折格子ホログラム2と、集光点3とを備えるものである。X線源1は、A点に配置されるX線の発生源であり、反射型回折格子ホログラム2にX線を照射するためのものである。X線源1は、通常の発散型のX線源を用いることで簡単に構成できるが、X線の発生源となるものであればこのような発散型のものに限られず、どのようなものであっても良い。   As shown in FIG. 1, the X-ray condensing system 10 includes an X-ray source 1, a reflective diffraction grating hologram 2, and a condensing point 3. The X-ray source 1 is a source of X-rays arranged at point A, and is for irradiating the reflection diffraction grating hologram 2 with X-rays. The X-ray source 1 can be easily configured by using a normal divergent X-ray source. However, the X-ray source 1 is not limited to such a divergent type as long as it is a source of X-rays. It may be.

反射型回折格子ホログラム2の入射面は、入射波の入射面側に複数の凸部と凹部とが交互に規則的に配列されている反射型の回折格子である。また、反射型回折格子ホログラム2は、複数の凸部及び凹部がともに入射波を反射させる場合には(例えばラミナ型の回折格子などを用いた場合など。)、凹部と凸部との高さの差(凹部の最下部と凸部の最上部との差)である格子深さd(以下同様の説明は省略する。)を適宜調整することにより、0次の反射波を弱める又は完全に消すことができる。   The incident surface of the reflective diffraction grating hologram 2 is a reflective diffraction grating in which a plurality of convex portions and concave portions are alternately and regularly arranged on the incident surface side of the incident wave. In the reflection type diffraction grating hologram 2, when both of the plurality of convex portions and concave portions reflect incident waves (for example, when a lamina type diffraction grating or the like is used), the height between the concave portions and the convex portions. By appropriately adjusting the grating depth d (the same description is omitted hereinafter), which is the difference between the lowermost part of the concave part and the uppermost part of the convex part, the zero-order reflected wave is weakened or completely eliminated. Can be erased.

なお、複数の凸部のみが、入射波を反射させる場合や、複数の凹部のみが入射波を反射させる場合(例えばブレーズ型の回折格子を用いた場合など。)も本発明の範疇に含まれる。さらに、反射型回折格子ホログラム2は、透過型の回折格子と異なり、回折格子の向きを変えれば、0次の光の方向も変えることができ、次数の符号が異なる回折波も同じ方向に出射させることができる。   The case where only a plurality of convex portions reflect incident waves, or the case where only a plurality of concave portions reflect incident waves (for example, when a blazed diffraction grating is used) is also included in the scope of the present invention. . Further, unlike the transmission type diffraction grating, the reflection type diffraction grating hologram 2 can change the direction of the zero-order light if the direction of the diffraction grating is changed, and diffracted waves having different orders of signs are emitted in the same direction. Can be made.

以下では、反射型回折格子ホログラム2の凹凸部の断面の形状が、格子周期a及び格子深さdのラミナ型の回折格子である場合について説明する。また、入射面側の凹凸部は、格子周期aが回折波の波長λと比較してかなり大きく(格子周期aが波長λの2倍よりも大きく)形成されている。この場合、入射波と回折波との重ね合わせによって生じるうなりの間隔の整数倍と、格子周期とが等しくなるという回折条件を満足するように回折波が形成されて回折波を再生できる。よって、回折格子の拡大化が可能であり、容易に作成することができる。   Below, the case where the shape of the cross section of the concavo-convex portion of the reflective diffraction grating hologram 2 is a laminar diffraction grating having a grating period a and a grating depth d will be described. Further, the concave and convex portion on the incident surface side is formed such that the grating period a is considerably larger than the wavelength λ of the diffracted wave (the grating period a is larger than twice the wavelength λ). In this case, the diffracted wave can be reproduced by forming the diffracted wave so as to satisfy the diffraction condition that the integral multiple of the beat interval generated by the superposition of the incident wave and the diffracted wave is equal to the grating period. Therefore, the diffraction grating can be enlarged and can be easily created.

なお、上述のように、本発明の適用範囲は、このようなラミナ型の回折格子に限られず、ブレーズド型など他の反射型の回折格子も含まれる。ここで、ラミナ型とは、図1の回折格子の断面の拡大図に示すように、複数の凸部の凹凸方向の断面の形状が矩型形状である回折格子のことである。   As described above, the application range of the present invention is not limited to such a lamina type diffraction grating, but includes other reflection type diffraction gratings such as a blazed type. Here, the lamina type is a diffraction grating in which the cross-sectional shape of the plurality of convex portions in the concavo-convex direction is a rectangular shape as shown in the enlarged view of the cross section of the diffraction grating in FIG.

なお、図1では、最近接の凸部間の間隔と凹部間の間隔との和である格子周期aにおける凹凸の比率が、同じ割合のように示されているが、これらの割合は任意であっても良い。なお、凹凸の比率は1:1が好ましい。但し、角運動量光が作成可能な範囲であれば良く、好ましくは0.2〜0.8:0.8〜0.2、より好ましくは0.4〜0.6:0.6〜0.4である。   In FIG. 1, the ratio of the unevenness in the lattice period a, which is the sum of the distance between the nearest convex parts and the distance between the concave parts, is shown as the same ratio, but these ratios are arbitrary. There may be. The unevenness ratio is preferably 1: 1. However, it may be in a range in which angular momentum light can be created, preferably 0.2 to 0.8: 0.8 to 0.2, more preferably 0.4 to 0.6: 0.6 to 0.00. 4.

また、反射型回折格子ホログラム2の凹凸部の形状のその他の例としては、凸部及び凹部の凹凸方向の断面の形状が、格子周期aと同一の周期を持つサインカーブに沿うように形成されているものや、のこぎり波状の形状のものが考えられる。なお、この断面の形状がサインカーブに沿うように形成されている場合には、出射波は解析的に1次の波だけになるので、0次の回折波(反射波)や2次などの他の回折波が抑制されて、効率よく1次の回折波を得ることができる。なお、上記のようなサインカーブの他、厳密なサインカーブでなくても良く、また、サインカーブに近い曲線に沿っている場合にも、同様な効果を発揮させることが可能である。   As another example of the shape of the concave and convex portions of the reflective diffraction grating hologram 2, the shape of the cross section of the convex and concave portions in the concave and convex direction is formed along a sine curve having the same period as the grating period a. Or a saw-tooth wave shape. If the cross-sectional shape is formed along a sine curve, the outgoing wave is analytically only the first-order wave, so that the zero-order diffracted wave (reflected wave), the second-order wave, etc. Other diffracted waves are suppressed, and a first-order diffracted wave can be obtained efficiently. In addition to the sine curve as described above, the sine curve may not be a strict sine curve, and the same effect can be exhibited when the sine curve is along a curve close to the sine curve.

次に、複数の凹凸部の形状は、いわゆるフォーク型と呼ばれる形状となっており、これにより反射型回折格子ホログラム2に通常の平面波を入射させれば、軌道角運動量を持ったX線を回折波として発生させることができる。なお、フォーク型の回折格子の複数の凸部及び凹部の形状は、回折波が軌道角運動量を持つ場合の波面(ラゲール・ガウシアンビームの波面)に基づいて、前記複数の凸部及び凹部の形状を形成すれば良い。   Next, the shape of the plurality of concavo-convex portions is a so-called fork shape, so that if a normal plane wave is incident on the reflective diffraction grating hologram 2, X-rays having orbital angular momentum are diffracted. It can be generated as a wave. The shapes of the plurality of convex portions and the concave portions of the fork-shaped diffraction grating are based on the wavefront (the wavefront of the Laguerre Gaussian beam) when the diffracted wave has an orbital angular momentum. Should be formed.

詳細は後で説明するが、複数の凸部及び凹部の形状を、前記回折波の波長を、前記格子周期と前記回折波の出射角の正弦との積に等しい長さに伸ばしたときの波の波面の回転中心軸から該波面に沿って延びる半直線と入射面との交わりが描く軌跡に沿って形成させれば良い。このフォーク型の回折格子に、通常の平面波を入射させれば、軌道角運動量を持った回折波を発生させることができる。   Although details will be described later, the shape of a plurality of convex portions and concave portions is a wave when the wavelength of the diffracted wave is extended to a length equal to the product of the grating period and the sine of the exit angle of the diffracted wave. What is necessary is just to form along the locus | trajectory which the intersection of the half line extended along this wave front from the rotation center axis | shaft of this wave front and an entrance plane draws. If a normal plane wave is incident on this fork type diffraction grating, a diffraction wave having an orbital angular momentum can be generated.

反射型回折格子ホログラム2の入射面は、いわゆるトロイダル面を形成している場合もあれば、球面を形成している場合も、また平面である場合もある。ここで、図2(a)・図2(b)を用いてまず、ローランド円と曲率半径との関係を説明し、次に球面とトロイダル面との関係について説明する。   The incident surface of the reflective diffraction grating hologram 2 may form a so-called toroidal surface, may form a spherical surface, or may be a flat surface. Here, with reference to FIGS. 2A and 2B, the relationship between the Roland circle and the radius of curvature will be described first, and then the relationship between the spherical surface and the toroidal surface will be described.

図2(a)の破線で示すように、点Oを中心とするローランド円は、入射波の光源であるX線源1が置かれる位置であるA点、反射型回折格子ホログラム2の入射面上における入射波のX線の進行方向の直線と、回折波の進行方向の直線との交点及び回折波が収束する点Bに位置する集光点3とを含んで描かれる円周で囲まれる円である。 As shown by the broken line in FIG. 2A, the Roland circle centered at the point O 1 is the point A where the X-ray source 1 that is the light source of the incident wave is placed, and the incidence of the reflective diffraction grating hologram 2 Surrounded by a circle drawn including the intersection of the X-ray traveling direction line of the incident wave on the surface and the straight line of the traveling direction of the diffracted wave and the condensing point 3 located at the point B where the diffracted wave converges It is a circle.

また、X線集光システム10においては、図2(a)に示すように、ローランド円を含む平面内の反射型回折格子ホログラム2の入射面の曲率半径が、該ローランド円の直径と等しくなっている。なお、図2(a)では、ローランド円の直径(曲率半径)を半径とする半円を描いている。   Further, in the X-ray focusing system 10, as shown in FIG. 2A, the curvature radius of the incident surface of the reflective diffraction grating hologram 2 in the plane including the Roland circle is equal to the diameter of the Roland circle. ing. In FIG. 2 (a), a semicircle having a radius (the radius of curvature) of the Roland circle is drawn.

以上のようなローランド円に沿った配置を採用し、反射型回折格子ホログラム2の入射面の形状を調整すれば、X線源1から回折格子の入射面を見込む立体角の範囲内のX線から、反射型回折格子ホログラム2で回折させることによって生じた軌道角運動量X線を効率良く集光点3に集光させることができる。なお、X線集光システム10には、本実施の形態において説明する回折格子ホログラム2のいずれの形態を使用することも可能である。   If the arrangement along the Roland circle as described above is adopted and the shape of the incident surface of the reflective diffraction grating hologram 2 is adjusted, X-rays within the solid angle range in which the incident surface of the diffraction grating is expected from the X-ray source 1. Therefore, the orbital angular momentum X-rays generated by diffracting by the reflection type diffraction grating hologram 2 can be efficiently condensed on the condensing point 3. It should be noted that any form of the diffraction grating hologram 2 described in the present embodiment can be used for the X-ray condensing system 10.

反射型回折格子ホログラム2の入射面の形状を決定する曲率半径としては、ローランド円を含む平面内の第1の曲率半径と、ローランド円と直交する平面内の第2の曲率半径とが考えられる。ここで、第2の曲率半径は垂直半径と呼ばれ、図2(b)にその曲率中心Oと垂直半径との関係を示している。なお、第1の曲率半径はここでは図示していない。 As the radius of curvature that determines the shape of the incident surface of the reflective diffraction grating hologram 2, a first radius of curvature in a plane including a Roland circle and a second radius of curvature in a plane orthogonal to the Roland circle can be considered. . Here, the second radius of curvature is called a vertical radius, and FIG. 2B shows the relationship between the center of curvature O 2 and the vertical radius. The first radius of curvature is not shown here.

なお、第1の曲率半径は、常に、ローランド円の半径の2倍すなわち、ローランド円の直径に等しい。また、第2の曲率半径(垂直半径)は、必ずしも、ローランド円の直径に等しくなくても良く、点Aと点Bとの位置関係によって決まるが、図1に示すrとrとが等しく、αとβが等しい場合には、rcosβとなる。 The first radius of curvature is always equal to twice the radius of the Roland circle, that is, the diameter of the Roland circle. Further, the second radius of curvature (vertical radius) does not necessarily have to be equal to the diameter of the Roland circle, and is determined by the positional relationship between the point A and the point B, but r 1 and r 2 shown in FIG. If α is equal to β, then r 1 cos β.

ここで、球面とトロイダル面との関係について説明する。第1の曲率半径がローランド円の直径に等しく、第2の曲率半径がローランド円の直径に等しい場合が球面である。この場合第1の曲率半径=第2の曲率半径となる。反射型回折格子ホログラム2の入射面の形状を球面とした場合には、回折光を集光点3に効率良く収束させることができ、球面であるため加工が容易である。   Here, the relationship between the spherical surface and the toroidal surface will be described. A spherical surface is when the first radius of curvature is equal to the diameter of the Roland circle and the second radius of curvature is equal to the diameter of the Roland circle. In this case, the first radius of curvature is equal to the second radius of curvature. When the shape of the incident surface of the reflection type diffraction grating hologram 2 is a spherical surface, the diffracted light can be efficiently converged on the condensing point 3, and since it is a spherical surface, processing is easy.

一方、前記第1の曲率半径が、ローランド円の直径に等しく、第2の曲率半径がローランド円の直径と異なる場合がトロイダル面である。この場合、発散型のX線源1であっても、ローランド円の円周方向及びローランド円に垂直な方向の両方について光を集光点3に収束させるよう調整できるので、上記球面の場合と比較して収束効率がさらに良い。   On the other hand, a case where the first radius of curvature is equal to the diameter of the Roland circle and the second radius of curvature is different from the diameter of the Roland circle is a toroidal surface. In this case, even the divergent X-ray source 1 can be adjusted so that the light converges on the condensing point 3 in both the circumferential direction of the Roland circle and the direction perpendicular to the Roland circle. In comparison, the convergence efficiency is even better.

なお、ここでは、反射型回折格子ホログラム2の入射面がトロイダル面を形成している場合について説明するが、このような入射面に限られず、さまざまな入射面の形状を必要に応じて採用することが可能である。なお、なお、集光効率の観点からは、回転楕円面として、入射面が形成されていることが、より好ましい。   Here, the case where the incident surface of the reflection type diffraction grating hologram 2 forms a toroidal surface will be described. However, the present invention is not limited to such an incident surface, and various shapes of the incident surface are adopted as necessary. It is possible. In addition, from the viewpoint of light collection efficiency, it is more preferable that the incident surface is formed as a spheroid.

なお、集光の基本は上記のものであるが、本実施の形態の反射型回折格子ホログラム10と他の光学素子を組み合わせて、上記とは異なる配置で集光することも可能であり、その場合も本発明の範疇に含まれるものである。   In addition, although the basics of condensing are as described above, it is also possible to condense in a different arrangement from the above by combining the reflection type diffraction grating hologram 10 of the present embodiment and another optical element. Such cases are also included in the scope of the present invention.

反射型回折格子ホログラム2の回折条件は、入射波と回折波との重ね合わせによって生じるうなりの間隔の整数倍と、格子周期aとが等しいという条件であるとしても良い。これにより、格子周期aが回折波の波長と比較してかなり大きい場合でも所望の回折波を再生できる。   The diffraction condition of the reflective diffraction grating hologram 2 may be a condition that an integral multiple of the beat interval generated by the superposition of the incident wave and the diffracted wave is equal to the grating period a. Thereby, even when the grating period a is considerably larger than the wavelength of the diffracted wave, a desired diffracted wave can be reproduced.

また、回折条件は、格子周期aの中に入る回折波の波の数が1よりも大きい整数であるという条件であるとしても良い。このとき、格子周期aを製作が容易な大きさとして、出射角βを調整すれば、格子周期の中に入る波の数が1と異なっていても所望の回折波を再生できる。以上のどちらか一方の回折条件を満たせば、回折格子の拡大化が可能であり、容易に作成することができる。   The diffraction condition may be a condition that the number of diffracted waves entering the grating period a is an integer greater than one. At this time, if the grating period a is set to a size that is easy to manufacture and the emission angle β is adjusted, a desired diffracted wave can be reproduced even if the number of waves entering the grating period is different from one. If either one of the above diffraction conditions is satisfied, the diffraction grating can be enlarged and can be easily created.

格子深さd(ラミナ型の場合はラミナ深さとも言う。以下同様の説明は省略する。)は、入射面側の凸部と凹部との高さの差(凹部の最下部と凸部の最上部との差)であり、格子深さdを調整すれば0次の反射波を弱める又は完全に消すことができる。例えば、複数の凸部からの反射波と複数の凹部からの反射波との位相が180度異なるように、格子の深さdを決定することが好ましい。このとき、両反射波が干渉すると、波の重ね合わせの原理により、互いに打ち消し合うので、0次の反射波を完全に消すことが可能である。よって、±1次の回折光の割合を0次の回折光(反射波)の割合よりも大きくして、角運動量を持ったX線を効率よく得ることができる。   The grating depth d (also referred to as the lamina depth in the case of the lamina type; hereinafter the same description is omitted) is the difference in height between the convex portion and the concave portion on the incident surface side (the lowermost portion of the concave portion and the convex portion). By adjusting the grating depth d, the zero-order reflected wave can be weakened or completely eliminated. For example, it is preferable to determine the grating depth d so that the phases of the reflected waves from the plurality of convex portions and the reflected waves from the plurality of concave portions are 180 degrees different from each other. At this time, if the two reflected waves interfere with each other, they cancel each other according to the principle of wave superposition, so that the zero-order reflected wave can be completely eliminated. Therefore, the ratio of ± 1st order diffracted light can be made larger than the ratio of 0th order diffracted light (reflected wave), and X-rays having angular momentum can be obtained efficiently.

集光点3は、反射型回折格子ホログラム2による回折波が収束する点であり、図1では、この点の位置をB点としている。この集光点3に、特定の試料を置けば、該試料に角運動量を持ったX線を照射させることができる。試料に角運動量を持ったX線を照射させることによって、該試料の磁性や原子配列などの物性を解析する方法については従来から用いられている方法を用いれば良い。   The condensing point 3 is a point where the diffracted wave by the reflection type diffraction grating hologram 2 is converged. In FIG. If a specific sample is placed at the condensing point 3, the sample can be irradiated with X-rays having angular momentum. As a method for analyzing physical properties such as magnetism and atomic arrangement of the sample by irradiating the sample with X-rays having angular momentum, a conventionally used method may be used.

ここで、下記の表1に基づき、紫外光を用いて反射型回折格子ホログラム2を作成する場合の格子周期aなどのパラメータの具体例について説明する。本例では、X線源1としてAlKαX線(エネルギー1486.7eV、波長0.8340nm)を用いた場合について説明する。なお、各パラメータは下記の表1の数値に限られるものではなく、目的に合わせて適宜設定することができる。   Here, based on Table 1 below, a specific example of parameters such as the grating period a in the case of creating the reflective diffraction grating hologram 2 using ultraviolet light will be described. In this example, a case where an AlKα X-ray (energy 1486.7 eV, wavelength 0.8340 nm) is used as the X-ray source 1 will be described. In addition, each parameter is not restricted to the numerical value of following Table 1, and can be suitably set according to the objective.

反射型回折格子ホログラム2としてラミナ型かつトロイダル型であるもの用いると、A点に実験室におけるX線源のように発散するX線を置いて、B点にある試料に回折波を収束して照射させることができる。パラメータは表1のようになる。   When a reflection type diffraction grating hologram 2 of lamina type and toroidal type is used, an X-ray that diverges like an X-ray source in the laboratory is placed at point A, and the diffracted wave is focused on the sample at point B. Can be irradiated. The parameters are as shown in Table 1.

ここで、表1に示されているパラメータのそれぞれについて説明する。X線源1と反射型回折格子ホログラム2とは十分な距離が採られているものとする。すると、反射型回折格子ホログラム2の中心(原点Oとする)付近では、発散するX線は平面波として考えることができる。この平面波の進行方向を反射型回折格子ホログラム2の中心に合わせることにする。   Here, each of the parameters shown in Table 1 will be described. It is assumed that the X-ray source 1 and the reflection type diffraction grating hologram 2 have a sufficient distance. Then, the divergent X-ray can be considered as a plane wave in the vicinity of the center (the origin O) of the reflection type diffraction grating hologram 2. The traveling direction of this plane wave is aligned with the center of the reflective diffraction grating hologram 2.

まず、点Aと原点Oとの距離rは235mmに設定し、X線を反射型回折格子ホログラム2の入射面に入射角αで入射させた場合を考える。さらに、X線は出射角βで回折し、回折波である角運動量を持ったX線が集光点3で収束するものとする。 First, consider a case where the distance r 1 between the point A and the origin O is set to 235 mm and X-rays are incident on the incident surface of the reflective diffraction grating hologram 2 at an incident angle α. Further, it is assumed that the X-ray is diffracted at the exit angle β, and the X-ray having the angular momentum that is a diffracted wave converges at the focal point 3.

表1では、集光点3の位置である点Bと原点Oとの距離rは235mmに設定し、rに等しくなっている。しかし、このような場合に限られず、上記のローランド円の条件さえ満たしていれば、r及びrはどのような値に設定しても良い。 In Table 1, the distance r 2 between B and the origin point O is the position of the focal point 3 is set to 235 mm, it is equal to r 1. However, the present invention is not limited to such a case, and r 1 and r 2 may be set to any value as long as the above Roland circle condition is satisfied.

また、表1に示すように、X線が入射される入射角αを70度とした場合、角運動量が、   As shown in Table 1, when the incident angle α at which X-rays are incident is 70 degrees, the angular momentum is

のX線が回折波として出射される出射角βは、69.67度である。なお、   The emission angle β at which the X-rays are emitted as diffracted waves is 69.67 degrees. In addition,

は、プランク定数をh=6.626176×1034(Js:Jはエネルギーの単位であり、sは時間の単位で秒である。)とすると、h/(2π)で表される量である。 Is a quantity represented by h / (2π) where Planck constant is h = 6.626176 × 10 34 (Js: J is a unit of energy and s is a unit of time). .

一方、角運動量が1のX線が回折波として出射される出射角βは、70.34度である。よって、角運動量が1のX線と、−1のX線との開き角は、0.67度である。   On the other hand, the outgoing angle β at which the X-ray with an angular momentum of 1 is emitted as a diffracted wave is 70.34 degrees. Therefore, the opening angle between the X-ray with the angular momentum of 1 and the X-ray with −1 is 0.67 degrees.

紫外線を用いて反射型回折格子ホログラム2を作成する場合の刻線数は1mmあたり2400本が限界であるので、この刻線数としたときの格子周期は417nmであり、数百ナノメートルのオーダーである。   When the reflection type diffraction grating hologram 2 is formed using ultraviolet rays, the number of engraved lines is limited to 2400 per 1 mm. Therefore, the grating period when the number of engraved lines is set is 417 nm, which is on the order of several hundred nanometers. It is.

ローランド円を含む平面内の曲率半径(ローランド円面内の曲率半径)は、687.1mmであり、X線集光システム10の大きさは、r+r程度のスペース(470mm)となるので、通常の実験室で、X線集光システム10を使用することができる。垂直半径(ローランド円面垂直曲率半径)は80.37mmであり、ラミナ深さdは0.6096nmである。 The radius of curvature in the plane including the Roland circle (the radius of curvature in the Roland circle) is 687.1 mm, and the size of the X-ray focusing system 10 is a space of about r 1 + r 2 (470 mm). The X-ray focusing system 10 can be used in a normal laboratory. The vertical radius (Roland circular surface vertical curvature radius) is 80.37 mm, and the lamina depth d is 0.6096 nm.

ここで、X線は通常の物質では透過してしまうため、反射効率を良くするために工夫が必要となる。ここでは、Bragg反射を利用した多層膜を用いる場合について説明する。この多層膜は、質量の大きい原子と質量の小さい原子とが交互に積層されたものである。質量の大きい原子の層と質量の小さい原子の層との間隔である多層膜の間隔はBraggの反射条件を満たす間隔とすれば良い。これにより、X線を効率よく反射させることができる。   Here, since X-rays are transmitted through a normal substance, a device is required to improve the reflection efficiency. Here, a case where a multilayer film using Bragg reflection is used will be described. This multilayer film is formed by alternately stacking atoms having a large mass and atoms having a small mass. The interval between the multilayer films, which is the interval between the layer of atoms with a large mass and the layer of atoms with a small mass, may be set to an interval that satisfies the Bragg reflection condition. Thereby, X-rays can be reflected efficiently.

反射率は、原子の組合せなどによるが、最大で約40%程度である。なお、原子力研究所の小池雅人氏が開発した軟X線用の回折格子にタングステン原子と炭素原子とを交互に積層させた多層膜をコーティングしたもので、回折効率がエネルギー8keVで37%という結果が出ている(非特許文献2参照)。なお、本例では、シリコンとタングステンとを積層したものを用いている。なお、原子の例としては、この他カルシウム原子、タンタル原子など様々な原子を採用することができる。表1の例では、多層膜の間隔は1.219nmに設定している。   The reflectivity is about 40% at the maximum although it depends on the combination of atoms. The result is a diffraction efficiency of 37% at an energy of 8 keV with a soft X-ray diffraction grating developed by Mr. Masato Koike of the Nuclear Research Institute, coated with a multilayer film in which tungsten atoms and carbon atoms are alternately stacked. (See Non-Patent Document 2). In this example, a laminate of silicon and tungsten is used. In addition, as an example of an atom, various atoms, such as a calcium atom and a tantalum atom, can be adopted. In the example of Table 1, the interval between the multilayer films is set to 1.219 nm.

次に、表1とは別の例を表2に示す。   Next, an example different from Table 1 is shown in Table 2.

まず、距離rは500mmに、距離rは500mmに、設定している。表2に示すように、入射角αを80度とした場合、角運動量が−1であるX線が回折波として出射される出射角βは、79.52度であり、角運動量が1のX線が回折波として出射される出射角βは、80.50度となっている。よって、角運動量が1のX線と、−1のX線との開き角は、0.98度である。 First, the distance r 1 is set to 500 mm, and the distance r 2 is set to 500 mm. As shown in Table 2, when the incident angle α is 80 degrees, the exit angle β from which X-rays having an angular momentum of −1 are emitted as diffracted waves is 79.52 degrees, and the angular momentum is 1. The exit angle β from which X-rays are emitted as diffracted waves is 80.50 degrees. Therefore, the opening angle between the X-ray with the angular momentum of 1 and the X-ray with −1 is 0.98 degrees.

なお、従来の透過型のフォーク型回折格子では、格子周期aが同じであれば約0.09度程度である。そうすると、反射型回折格子ホログラム2では、従来の透過型の回折格子と比較して、符号の異なる回折波(角運動量が+1と−1の回折波など)の分離が容易である。刻線数は1mmあたり1200本であり、この刻線数としたときの格子周期は833nmである。   In the case of a conventional transmissive fork type diffraction grating, it is about 0.09 degrees if the grating period a is the same. Then, in the reflective diffraction grating hologram 2, it is easy to separate diffracted waves having different signs (diffracted waves having angular momentum of +1 and −1, etc.) as compared with a conventional transmissive diffraction grating. The number of engraved lines is 1200 per 1 mm, and the lattice period when the number of engraved lines is set is 833 nm.

ローランド円を含む平面内の曲率半径は、2879.4mmであり、垂直半径は86.82mmであり、ラミナ深さdは1.785nmである。表2の例では、多層膜の間隔は3.57nmに設定している。   The radius of curvature in the plane including the Roland circle is 2879.4 mm, the vertical radius is 86.82 mm, and the lamina depth d is 1.785 nm. In the example of Table 2, the interval between the multilayer films is set to 3.57 nm.

以上により、軌道角運動量を持ったX線を回折波として発生させることができ、不要な0次の光を弱める又は完全に消すことができ、回折波の出射方向を容易に変えることができ、さらに、回折格子の拡大化が可能で、作成が容易な反射型回折格子ホログラム2及び反射型回折格子ホログラム2を含むX線集光システム10を提供することができる。   As described above, X-rays having orbital angular momentum can be generated as diffracted waves, unnecessary zero-order light can be weakened or completely extinguished, and the exit direction of diffracted waves can be easily changed, Furthermore, it is possible to provide the X-ray condensing system 10 including the reflection type diffraction grating hologram 2 and the reflection type diffraction grating hologram 2 which can be enlarged and can be easily produced.

〔2.フォーク型の回折格子について〕
可視光の場合に、フォーク型の回折格子を用いれば、軌道角運動量を持った回折波が得られることは、従来から知られている。そこで、図3(a)〜図3(d)に基づき、フォーク型の回折格子の構造の概要について説明する。図3(a)〜図3(d)は、フォーク型回折格子の刻線の描く模様をコンピュータを用いてシミュレートしたものである。なお、この計算方法等の詳細については、後述する。
[2. (Fork-type diffraction grating)
In the case of visible light, it is conventionally known that a diffracted wave having an orbital angular momentum can be obtained by using a fork type diffraction grating. Therefore, an outline of the structure of the fork-type diffraction grating will be described based on FIGS. 3 (a) to 3 (d). FIG. 3A to FIG. 3D are simulations of a pattern drawn by a fork-type diffraction grating using a computer. Details of this calculation method and the like will be described later.

図3(a)は、1次の回折光の角運動量が±1の場合の刻線の様子を示す図であり、図3(b)は、1次の回折光の角運動量が±2の場合の刻線の様子を示す図であり、図3(c)は、1次の回折光の角運動量が±3の場合の刻線の様子を示す図であり、図3(d)は、1次の回折光の角運動量が±4の場合の刻線の様子を示す図である。なお、ここでは、簡単のため、初期位相φは、0度としている。 FIG. 3A is a diagram showing the state of the engraving when the angular momentum of the first-order diffracted light is ± 1, and FIG. 3B is a diagram showing the angular momentum of the first-order diffracted light being ± 2. FIG. 3C is a diagram showing the state of the engraving when the angular momentum of the first-order diffracted light is ± 3, and FIG. It is a figure which shows the mode of the marking when the angular momentum of the 1st-order diffracted light is +/- 4. Here, for the sake of simplicity, the initial phase φ 0 is set to 0 degrees.

通常の回折格子は、複数の刻線同士は互いに平行な直線である。また、この回折格子の複数の凹凸部は、これらの刻線に沿って形成されるので、互いに平行に、凹凸方向に並んだ形状となる。   In a normal diffraction grating, a plurality of engraved lines are straight lines parallel to each other. In addition, since the plurality of concave and convex portions of the diffraction grating are formed along these score lines, they are in parallel with each other and arranged in the concave and convex direction.

一方、フォーク型の回折格子の複数の刻線が描く曲線は、図3(a)〜図3(d)に示されるように、中央付近で変曲し、中央付近から離れるにつれて平行線に近づいていく模様を形成している。   On the other hand, as shown in FIGS. 3 (a) to 3 (d), the curve drawn by the plurality of engraved lines of the fork-type diffraction grating is inflected near the center and approaches a parallel line as the distance from the center is increased. The pattern that goes is formed.

図3(a)〜図3(d)に示されるように、フォーク型の回折格子の刻線は、タンジェントカーブのような複数の曲線が、ほぼ左右対称に並んだものとなっている。   As shown in FIGS. 3A to 3D, the fork-type diffraction grating engraving line has a plurality of curves such as a tangent curve arranged substantially symmetrically.

図3(a)の刻線の模様は、軌道角運動量が±1の場合に対応しており、上下の刻線数の差が1本であることが特徴である。なお、軌道角運動量が±m(mは整数)のものは、この本数の差がm本となる。例えば、角運動量が±2のものは、上下の刻線数の差が2本であり、図3(b)に示すような模様である。同様に、角運動量が±3及び±4のものは、上下の刻線数の差がそれぞれ、3及び4本であり、図3(c)・図3(d)に示すような模様である。これらの刻線の描く模様がフォークに類似していることから、図3(a)〜図3(d)の回折格子は、フォーク型回折格子と呼ばれている。また、反射型回折格子ホログラム2の複数の凹部及び凸部の形状は、上記の複数の刻線に沿うように形成させれば良い。   The engraved line pattern in FIG. 3A corresponds to the case where the orbital angular momentum is ± 1, and is characterized in that the difference in the number of engraved lines on the upper and lower sides is one. When the orbital angular momentum is ± m (m is an integer), the difference in the number is m. For example, when the angular momentum is ± 2, the difference between the number of engraved lines on the upper and lower sides is two, which is a pattern as shown in FIG. Similarly, when the angular momentum is ± 3 and ± 4, the difference in the number of upper and lower engraved lines is 3 and 4, respectively, and the patterns are as shown in FIGS. 3 (c) and 3 (d). . Since the pattern drawn by these engraved lines is similar to a fork, the diffraction gratings in FIGS. 3A to 3D are called fork type diffraction gratings. Moreover, what is necessary is just to form the shape of the some recessed part and convex part of the reflection type diffraction grating hologram 2 so that said several engraving line may be followed.

〔3.フォーク型の回折格子の刻線が描く曲線の理論計算について〕
次に、フォーク型の回折格子の刻線が描く曲線を理論的な計算を行なって導出する。まず、図4(a)・図4(b)に基づき、±1及び±2の大きさの軌道角運動量を持つ回折波(以下「角運動量光」と呼ぶ場合がある)の波面の特徴について説明する。なお、入射光は図示されていないが、入射角0度でZ軸の上方から入射しており、xy平面上では位相が等しく、0度であるとしている。
[3. (Theoretical calculation of the curve drawn by the fork type grating)
Next, the curve drawn by the engraving line of the fork type diffraction grating is derived by theoretical calculation. First, based on FIG. 4 (a) and FIG. 4 (b), the characteristics of the wavefront of a diffracted wave having an orbital angular momentum of ± 1 and ± 2 (hereinafter sometimes referred to as “angular momentum light”). explain. Although the incident light is not shown, it is incident from above the Z axis at an incident angle of 0 degree, and the phase is equal and 0 degree on the xy plane.

角運動量がmである角運動量光は、図4(c)のように螺旋階段のように位相が回転しながら進む波であり、出射角βでxy平面から上向きに進んでいるとする。図は、m=2の場合を示している。この螺旋階段のように位相が回転しながら進む波は、LGビーム(ラゲールガウシアンビーム)又は渦波と呼ばれ、下記の式(1)のような関数で表される光波である。   The angular momentum light with an angular momentum of m is a wave that travels while rotating in a phase like a spiral staircase as shown in FIG. 4C, and is traveling upward from the xy plane at an emission angle β. The figure shows the case where m = 2. A wave that travels while rotating in phase like this spiral staircase is called an LG beam (Laguerre Gaussian beam) or a vortex wave, and is a light wave represented by a function such as the following equation (1).

・・・・・・・・・(1)
ここで、
... (1)
here,

は、波の進行方向を示す波数ベクトルであり、その大きさをkとし、角運動量光の波長をλとするとk=2π/λで与えられる。   Is a wave vector indicating the traveling direction of the wave, and is given by k = 2π / λ where k is the magnitude and λ is the wavelength of the angular momentum light.

・・・・・・・・・・・(2)
は、変位ベクトルであり、波面上の点を示している。
(2)
Is a displacement vector and indicates a point on the wavefront.

さらに、φは図4(c)のy軸に平行な線から測ったPQの角の大きさであり、点Qは渦波の中心軸上の点である。なお、ここでは、初期位相をφとしている。また、点Rはx軸上の点であり、角OQR=90度を満足する点である。さらに、点Pは渦波の軸上の点である点Qから、波面に沿って半直線を引いたときに該半直線とxy平面とが交わる点であり、この点Pの描く軌跡が、フォーク型の回折格子の刻線を描く。 Furthermore, φ is the size of the corner of PQ measured from a line parallel to the y-axis in FIG. 4C, and point Q is a point on the central axis of the vortex wave. It should be noted that, here, is the initial phase and φ 0. The point R is a point on the x-axis and satisfies the angle OQR = 90 degrees. Furthermore, the point P is a point where the half line and the xy plane intersect when a half line is drawn along the wavefront from the point Q which is a point on the axis of the vortex wave. Draw a fork-shaped diffraction grating.

次に、フォーク型の回折格子の刻線がどのような曲線を描くかについて説明する。P(x,y)点のxとyの関係を考える。(1)式が最大値1を取るのは、nを任意の整数とすると、括弧の中が2nπになったときである。その時のφをφとし、φとrとの関係を求める。 Next, what kind of curve the engraved line of the fork type diffraction grating draws will be described. Consider the relationship between x and y at point P (x, y). The expression (1) takes the maximum value 1 when n is an arbitrary integer and the value in the parenthesis is 2nπ. The φ at that time and φ M, seek the relationship between the φ M and r.

・・・・・・・・・・(4)                       (4)

・・・(5)
なお、ここで、βは角運動量光の出射角である。
... (5)
Here, β is the angle of emission of angular momentum light.

rが一定の断面で考えると、(3)式が最大値1を取るφの値はm個あることが分かる。例えばr=0のとき When r is considered constant cross-section, (3) the value of phi M taking the maximum value 1 is can be seen that the m. For example, when r = 0

・・・・・・・・・・・・(6)
となり、2πの中にm個あることが分かる。rの変化とともに、最大値を取るφは図4(c)のように回転する。これらをつなげると、m重の螺旋になる。m=2、φ=0の場合が図4(c)に示されている。同じφの時のxの間隔を考える。
.... (6)
It can be seen that there are m in 2π. with r change of the maximum value phi M is rotated as shown in FIG. 4 (c). When these are connected, it becomes an m-fold spiral. The case of m = 2 and φ 0 = 0 is shown in FIG. Given the interval of x when the same φ M.

(4)式から   From equation (4)

・・・・・・・・・(7)
n番目のxをxとし、xn−1との差をΔxとすると、この間隔Δxが波の周期に相当する。
... (7)
If the nth x is xn and the difference from xn-1 is Δx, this interval Δx corresponds to the wave period.

・・・・・・・・・・・(8)
つまり、φが同じ時のxの間隔は
(8)
In other words, when φ M is the same, the interval of x is

・・・・・・・・・・・(9)
である。βは90°に近いので、刻線の間隔はほぼ波長の長さになる。Q点からφ方向に伸ばした線がxy平面と交わる点 P(x,y)のxとyの関係式を求める。
(9)
It is. Since β is close to 90 °, the interval between the engraving lines is almost the length of the wavelength. Line extending from the point Q to the phi M direction to seek relationship of x and y of the point P intersecting the xy plane (x, y).

まずnとxを決め、(5)式からφ を求め、それをφ=2π+φ’と表す。xが正のときπ<φ’<2π、xが負のとき0<φ’<πの範囲に入っていれば交点が存在する。図4より、xが負の場合、次式で表される。 First, n and x are determined, φ M is obtained from the equation (5), and is expressed as φ M = 2π + φ ′. If x is positive, there is an intersection if π <φ ′ <2π, and if x is negative, 0 <φ ′ <π. From FIG. 4, when x is negative, it is expressed by the following equation.

・・・・・・・・・・(10)
xが正の場合、次式で表される。
(10)
When x is positive, it is expressed by the following equation.

・・・・・・・・・・(11)
つまり、xが正の場合も負の場合も同じ式で表すことができる。結局、次のようになる。
(11)
That is, the same expression can be used for both positive and negative x. After all, it becomes as follows.

ここで、   here,

・・・(12)
である。
(12)
It is.

曲線の引き方をまとめると次のようになる。まず、nとxを求める。次に、(5)式からφを求め、それをφ=2π+φ’と表す。さらに、xが正のときπ<φ’<2π、xが負のとき0<φ’<πの範囲に入っていれば、(12)式を用いてyを求める。このようにして求めた(x,y)の点をつないでいく。 The way to draw a curve is summarized as follows. First, n and x are obtained. Next, it expressed as (5) seek phi M from equation it φ M = 2π + φ '. Further, if x is positive and π <φ ′ <2π, and x is negative, 0 <φ ′ <π, and y is obtained using equation (12). The points (x, y) obtained in this way are connected.

電子線による直接描画法で作ることができる精度は数10nmであり、100nmの間隔のものは作成が容易である。軟X線の波長領域ではλは1nmのオーダーであるので、入射光は直入射(入射角90度)で、出射光はβが0.5度程度なら回折条件を満足する。   The accuracy that can be produced by the direct drawing method using an electron beam is several tens of nanometers, and those with an interval of 100 nm are easy to produce. Since λ is on the order of 1 nm in the soft X-ray wavelength region, the incident light is normal incident (incident angle 90 degrees), and the emitted light satisfies the diffraction conditions if β is about 0.5 degrees.

〔4.回折条件と格子周期との関係について〕
次に、図5の(a)部分〜図5の(c)部分に基づき、反射型の回折格子の回折条件と格子周期との関係について説明する。なお、反射型の回折格子としての角運動量光を生成する回折格子の凹凸部の形状のパターンは、図3(a)〜図3(d)で示した模様の刻線に沿ったものであるが、刻線間隔(格子周期)は、紫外線露光によって作成が容易な400nm程度で作成する。
[4. Relationship between diffraction conditions and grating period)
Next, based on the (a) part of FIG. 5 to the (c) part of FIG. 5, the relationship between the diffraction conditions of the reflective diffraction grating and the grating period will be described. In addition, the pattern of the shape of the concavo-convex portion of the diffraction grating that generates angular momentum light as a reflection type diffraction grating is along the engraving lines of the patterns shown in FIGS. 3 (a) to 3 (d). However, the engraving interval (lattice period) is created at about 400 nm, which is easy to create by ultraviolet exposure.

回折波の出る方向は、回折格子の回折条件で決められており、aを格子周期とする。また、αを入射波の入射角とし、βを回折波の出射角とし、λを入射波及び回折波の波長であるとする。また、nは任意の整数値をとるものとする。そうすると、   The direction in which the diffracted wave appears is determined by the diffraction conditions of the diffraction grating, and a is the grating period. Further, α is an incident angle of the incident wave, β is an exit angle of the diffracted wave, and λ is the wavelength of the incident wave and the diffracted wave. N is an arbitrary integer value. Then

・・・・・・・・・・・(13)
で表される。
・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ (13)
It is represented by

ラミナの深さdの値は、鏡面反射光(0次光)を弱くする(計算上はゼロになる)という次の条件で求められる。   The value of the depth d of the lamina is obtained under the following condition that the specular reflection light (0th order light) is weakened (it becomes zero in the calculation).

n=0のとき、d=λ/(4cosα)となる。
軟X線の場合にはαとβとはほぼ等しいため、aの値は波長の500倍程度に大きくなり、回折格子の刻線を形成する溝には波の山が数百個程度入るために、通常の波面再生の解釈では理解することができない。以下では、反射型の回折格子の場合においては、回折条件が満たされていれば、回折波の波面再生の条件も満たされていることを証明する。
When n = 0, d = λ / (4 cos α).
In the case of soft X-rays, α and β are almost equal, so the value of a is about 500 times larger than the wavelength, and there are several hundreds of wave peaks in the grooves that form the engraving lines of the diffraction grating. In addition, it cannot be understood by ordinary interpretation of wavefront reproduction. In the following, in the case of a reflection type diffraction grating, it is proved that if the diffraction condition is satisfied, the condition for wavefront reproduction of the diffracted wave is also satisfied.

なお、上記の回折条件は、入射波と回折波との重ね合わせによって生じるうなりの間隔の整数倍と、入射面側における最近接の凸部間の間隔と凹部間の間隔との和である格子周期とが等しいという条件であるとしても良い。   Note that the above diffraction condition is a grating which is the sum of an integral multiple of the beat interval generated by superposition of the incident wave and the diffracted wave, and the interval between the nearest convex portions and the interval between the concave portions on the incident surface side. The condition may be that the period is equal.

また、別の観点からみれば、格子周期の中に入る、回折波の波の数が1よりも大きい整数であるという条件であるとしても良い。   From another point of view, the condition may be that the number of diffracted waves entering the grating period is an integer greater than one.

図5の(a)部分のように、紙面内で光波Ψが入射角αで入射して、光波Ψが出射角βで反射する場合を考える。それぞれの光波の波長は共にλであるとする。 Let us consider a case in which the light wave Ψ 1 is incident at an incident angle α and the light wave Ψ 2 is reflected at an emission angle β as shown in FIG. The wavelength of each light wave is assumed to be λ.

図5の(c)部分には、反射型回折格子ホログラム2が、ラミナ型の回折格子である場合を示している。この反射型回折格子ホログラム2の格子周期はaとする。図5の(a)部分〜図5の(c)部分のようにx軸とz軸とをとると、反射型回折格子ホログラム2の凹部はy方向に伸びている。光波Ψの波数ベクトルを、 FIG. 5C shows a case where the reflection type diffraction grating hologram 2 is a lamina type diffraction grating. The grating period of the reflection type diffraction grating hologram 2 is a. When the x-axis and the z-axis are taken as shown in FIG. 5A to FIG. 5C, the concave portion of the reflective diffraction grating hologram 2 extends in the y direction. The wave vector of the light wave Ψ 1 is

とし、次のようにx成分とz成分に分解する。   And is decomposed into an x component and a z component as follows.

・・・・・・・・(14)
z=0の平面で考えると、次のようになる。
(14)
Considering the plane of z = 0, it becomes as follows.

・・・・・・・・・(15)
ここで、αは入射角であり、kを波数ベクトルの大きさとしてk=ksinαが満たされることを用いた。この関数は、図5の(a)部分の破線で示した曲線で表されている。同様に、光波Ψは、z=0の平面では次のようになる。
... (15)
Here, α is an incident angle, and the fact that k x = k sin α is satisfied with k being the magnitude of the wave vector is used. This function is represented by a curve indicated by a broken line in part (a) of FIG. Similarly, the light wave Ψ 2 is as follows in the plane of z = 0.

・・・・・・・・・・・(16)
この関数は、図5の(a)部分の実線で示した曲線で表されている。次に、光波Ψを回折格子に照射しただけで、(16)式のΨの関数で示される波が再生されることを証明する。
・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ (16)
This function is represented by a curve indicated by a solid line in part (a) of FIG. Next, it is proved that the wave represented by the function of Ψ 2 in the equation (16) is reproduced only by irradiating the diffraction grating with the light wave Ψ 1 .

この回折格子は、凸部(y=−a/4+maからy=a/4+maまで、mは整数)は反射するときに入射波と反射波との位相のずれはないが、凹部(y=a/4+maからy=3a/4+maまで、mは整数)は反射するときに入射波と反射波との位相のずれがπ(180度)だけあるものとする。   In this diffraction grating, the convex portion (from y = −a / 4 + ma to y = a / 4 + ma, where m is an integer) has no phase shift between the incident wave and the reflected wave when reflected, but the concave portion (y = a / 4 + ma to y = 3a / 4 + ma, where m is an integer), it is assumed that there is a phase shift of π (180 degrees) between the incident wave and the reflected wave when reflected.

このような回折格子は、反射型では多層膜などで、透過型では材質と厚さを選ぶことによって作成することができる。   Such a diffraction grating can be formed by selecting a material and a thickness of a reflection type using a multilayer film or the like and a transmission type.

なお、上記のような構成としたのは、凸部と凹部とを反射する1次の回折波の位相をなるべく正確に再現するためであり、同時に0次の回折波(反射波)を打ち消し、計算結果に0次の反射波が出てこないようにするためである。ラミナ型の回折格子の場合は図5の(c)部分に示す格子の深さdを、凸部と凹部とを反射する光波の位相差が180度となるように調整しても良い。   The above-described configuration is for reproducing the phase of the first-order diffracted wave reflecting the convex part and the concave part as accurately as possible, and simultaneously canceling the zero-order diffracted wave (reflected wave), This is to prevent a 0th-order reflected wave from appearing in the calculation result. In the case of a lamina type diffraction grating, the depth d of the grating shown in part (c) of FIG. 5 may be adjusted so that the phase difference of the light wave reflected from the convex part and the concave part is 180 degrees.

すると、回折波Ψの関数は次のように近似できる。   Then, the function of the diffracted wave Ψ can be approximated as follows.

・・・・・・・・・(17)                         ... (17)

の項は、図5の(c)部分に示すラミナ型の回折格子の断面の形状である矩型形状の線の関数を太い実線で示すサインカーブで近似したものである。   The term (1) is obtained by approximating a function of a rectangular line, which is a cross-sectional shape of the lamina-type diffraction grating shown in part (c) of FIG. 5, with a sine curve indicated by a thick solid line.

(17)式を3角関数の公式を用いて変形して、   Equation (17) is transformed using the formula of the triangle function,

・・・(18)
ここで、(13)式を変形して、
... (18)
Here, the equation (13) is transformed and

・・・・・・・・・・・・(19)
より、(18)式は、
・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ (19)
From equation (18),

・・・・・(20)
なお、sinβn=−1は、n=−1のときのsinβを示している(以下同様の説明は、省略する。)
となって、+1次と−1次の回折波の波面が再生されていることが証明された。
(20)
Note that sin β n = −1 indicates sin β when n = −1 (hereinafter, the same description is omitted).
Thus, it was proved that the wavefronts of the + 1st order and −1st order diffracted waves were reproduced.

次に、回折格子とホログラムとの関係について説明する。図5の(a)部分の2つの波である光波Ψと光波Ψとを重ね合わせたものが図5の(b)部分である。波長の少し違う波が干渉して、唸りが生じていることがわかる。なお、便宜上、図5の(b)部分の唸りでは、唸りの振動の中に振幅の小さい波が、7つ存在している図となっているが、実際は、振幅の小さい波が数百程度存在する場合を想定している。 Next, the relationship between the diffraction grating and the hologram will be described. The part (b) of FIG. 5 is obtained by superposing the light wave Ψ 1 and the light wave Ψ 2 which are the two waves of part (a) of FIG. It can be seen that waves with slightly different wavelengths interfere with each other. For the sake of convenience, in the swaying of the portion (b) in FIG. 5, there are seven waves with small amplitudes in the swaying vibrations. The case where it exists is assumed.

唸りの周期はa/2である。ホログラムは、この唸りの中の振幅の小さい波の波形をそのまま記録するものであるから、波長が短い軟X線の時には1nm以下の精度で加工する必要があり、現在の技術では不可能である。   The period of turning is a / 2. Since the hologram records the waveform of a wave with a small amplitude in this distortion, it needs to be processed with an accuracy of 1 nm or less when the soft X-ray has a short wavelength, which is impossible with the current technology. .

図5の(b)部分では、唸りの中の振幅の小さい波の位相が、隣り合う唸りでは反転していることがわかる。この唸りの関数は、図5の(c)部分の周波数の大きいサインカーブ(細い実線の曲線)と周波数の小さいサインカーブ(太い実線の曲線)とを掛け合わせたものになっている。   In part (b) of FIG. 5, it can be seen that the phase of the wave having a small amplitude in the beat is inverted in the adjacent beat. This turning function is obtained by multiplying a sine curve having a large frequency (thin solid line curve) in FIG. 5C and a sine curve having a low frequency (thick solid line curve).

この結果は、(17)式の近似式と同じ結果となっている。すなわち、位相反転の回折格子を用いることで、図5の(c)部分の周波数の小さいサインカーブの周期のオーダーの格子周期で、実質的にホログラムを作成することが可能であることを示している。そうすると、回折格子の間隔は、μmのオーダーとすることができるので、通常の紫外光で作成でき、従来の技術で作成可能である。   This result is the same as the approximate expression (17). That is, by using a phase-inverted diffraction grating, it is possible to substantially create a hologram with a grating period on the order of a sine curve period with a small frequency in part (c) of FIG. Yes. Then, since the interval of the diffraction grating can be set to the order of μm, it can be created with ordinary ultraviolet light, and can be created with a conventional technique.

角運動量光作成のための反射型の回折格子のパターンは、図3(a)〜図3(d)で示したものと同じもので格子周期が約500倍ほど大きいものであるため、yが正の領域と負の領域とにおける刻線の直線からのずれも波長の500倍ほど大きいものである。   The pattern of the reflective diffraction grating for creating angular momentum light is the same as that shown in FIGS. 3A to 3D, and the grating period is about 500 times larger. The deviation of the score line from the straight line in the positive region and the negative region is also about 500 times larger than the wavelength.

角運動量光の波面が再生されるためには、波面のずれが位相としては−π/2からπ/2程度、xの値は波長の−1/4から1/4まで程度変化することが必要であり、格子周期の変化よりも500分の1程度に小さい変化である。   In order to reproduce the wavefront of angular momentum light, the wavefront shift may change in phase from about −π / 2 to about π / 2, and the value of x from about −1/4 to ¼ of the wavelength. This change is necessary and is a change that is about 1/500 smaller than the change of the grating period.

このような小さな位相の変化が、格子周期が波長の500倍ほど大きい回折格子の凹凸の形状のパターンでも可能であることを示す。   It is shown that such a small phase change is possible even with a pattern having a concave and convex shape of a diffraction grating having a grating period as large as 500 times the wavelength.

刻線のずれを、格子周期を2πとしたときの位相のずれφとして表す。すなわち、刻線のずれをΔとすると、   The deviation of the engraving line is expressed as a phase deviation φ when the grating period is 2π. In other words, if the deviation of the score line is Δ,

・・・・・・・・・・・(21)
(17)式の右側の余弦のカッコ内を次のように書いて、反射波の関数を計算すると、
・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ (21)
When the function of the reflected wave is calculated by writing the parenthesized cosine on the right side of the equation (17) as follows:

・・・・・・・(22)                             .... (22)

・・・(23)
(19)式より、(23)式は、
(23)
From equation (19), equation (23) is

・・・(24)
となって、+1次と−1次の波面が、位相φだけずれることが証明された。すなわち、格子周期の変化よりも500分の1程度に小さい変化を与えることが可能であることが証明された。
... (24)
Thus, it has been proved that the wavefronts of the + 1st order and the −1st order are shifted by the phase φ. That is, it was proved that it is possible to give a change smaller by about 1/500 than the change of the grating period.

以上により、反射型の回折格子によって、角運動量光の波面を再生することができ、通常のX線管から放出されるような発散型のX線でも、効率良く試料上に収束する角運動量光を作成できることが示された。   As described above, the wavefront of the angular momentum light can be reproduced by the reflective diffraction grating, and the angular momentum light that efficiently converges on the sample even with the divergent X-ray emitted from the normal X-ray tube. It was shown that can be created.

なお、本発明は、上述したX線集光システムの例に限定されるものではなく、本発明を実施するための最良の形態の欄で説明した技術的手段の範囲内で種々の変更が可能であり、各技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。   The present invention is not limited to the above-described example of the X-ray focusing system, and various modifications are possible within the scope of the technical means described in the section of the best mode for carrying out the present invention. Embodiments obtained by appropriately combining the respective technical means are also included in the technical scope of the present invention.

本発明は、軌道角運動量を持つX線を物質に照射させて通常のX線では得られない磁性状態や原子配列の立体像を得ることにより物質の構造を解析する構造解析の分野、及び物質の磁性状態などを解析する物性解析の分野の他、軌道角運動量を持つX線を利用することができる技術分野であればどのような分野であっても一般に広く適用することができる。   The present invention relates to the field of structural analysis for analyzing the structure of a substance by irradiating the substance with X-rays having orbital angular momentum and obtaining a solid state of a magnetic state or atomic arrangement that cannot be obtained by ordinary X-rays, and a substance In addition to the field of physical property analysis for analyzing the magnetic state and the like, the present invention can be widely applied in any field as long as it is a technical field that can use X-rays having orbital angular momentum.

本発明におけるX線集光システムの実施の一形態を示す概要図である。It is a schematic diagram showing one embodiment of an X-ray condensing system in the present invention. (a)は、本発明の反射型回折格子ホログラムに関するローランド円及び曲率半径について説明するための概要図であり、(b)はトロイダル面について説明するための概要図である。(A) is a schematic diagram for demonstrating the Roland circle and curvature radius regarding the reflection type diffraction grating hologram of this invention, (b) is a schematic diagram for demonstrating a toroidal surface. (a)は、本発明の反射型回折格子ホログラムにおける1次の回折光の角運動量が±1の場合の刻線の様子を示す図であり、(b)は、1次の回折光の角運動量が±2の場合の刻線の様子を示す図であり、(c)は、1次の回折光の角運動量が±3の場合の刻線の様子を示す図であり、(d)は、1次の回折光の角運動量が±4の場合の刻線の様子を示す図である。(A) is a figure which shows the mode of the marking when the angular momentum of the primary diffraction light in the reflection type diffraction grating hologram of this invention is ± 1, (b) is the angle of the primary diffraction light It is a figure which shows the mode of engraving when momentum is +/- 2, (c) is a figure which shows the state of engraving when angular momentum of the 1st-order diffracted light is +/- 3, (d) FIG. 6 is a diagram showing a state of engraving when the angular momentum of the first-order diffracted light is ± 4. (a)は、角運動量が1である回折波の波面の様子を示す図であり、(b)は、角運動量が2である回折波の波面の様子を示す図である。(c)は、角運動量が2である回折波の波面に基づいて回折格子の刻線が描かれる様子を示す図である。(A) is a figure which shows the mode of the wavefront of the diffracted wave whose angular momentum is 1, (b) is a figure which shows the mode of the wavefront of the diffracted wave whose angular momentum is 2. (C) is a figure which shows a mode that the score line of a diffraction grating is drawn based on the wavefront of the diffracted wave whose angular momentum is 2. FIG. 上記反射型回折格子ホログラムの格子周期と回折条件との関係を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the relationship between the grating period of the said reflection type diffraction grating hologram, and diffraction conditions. 従来の透過型の回折格子の概要を説明するための概要図である。It is a schematic diagram for demonstrating the outline | summary of the conventional transmission type diffraction grating.

符号の説明Explanation of symbols

1 X線源
2 反射型回折格子ホログラム
3 集光点
10 X線集光システム
a 格子周期
d 格子の深さ
α 入射角
β 出射角
λ 波長
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 X-ray source 2 Reflection type diffraction grating hologram 3 Focusing point 10 X-ray focusing system a Grating period d Grating depth α Incident angle β Emission angle λ Wavelength

Claims (9)

入射波の入射面側に複数の凸部と凹部とが交互に規則的に配列されており、
前記入射面側における最近接の凸部間の間隔と凹部間の間隔との和である格子周期aが、入射波と反射波の波長の2倍よりも大きく
回折波が、前記入射面をXY平面とするXYZ直交座標系における原点Oから、XZ平面上を進行方向とし、初期位相φ0、出射角β、及び波数k(=2π/asinβ)で、出射したと仮定した場合において、
前記複数の凸部及び凹部の形状が、前記回折波の波長をasinβに伸ばしたときの波の波面の回転中心軸から該波面に沿って延びる半直線と前記入射面との交わりが描く軌跡に沿って形成されていると共に、
前記軌跡が、m(m≠0)及びnを整数として、次式(1)
・・・(1)
を満たすような点P(x,y)の描く軌跡であり、
前記入射波を反射させることを特徴とする反射型回折格子ホログラム。
A plurality of convex portions and concave portions are alternately and regularly arranged on the incident surface side of the incident wave,
The grating period a which is the sum of the distance between the nearest convex portions and the distance between the concave portions on the incident surface side is larger than twice the wavelength of the incident wave and the reflected wave ,
A diffracted wave is emitted from the origin O in the XYZ orthogonal coordinate system in which the incident surface is the XY plane, in the traveling direction on the XZ plane, with an initial phase φ0, an emission angle β, and a wave number k (= 2π / asinβ). Assuming that
The shape of the plurality of convex portions and concave portions is a locus drawn by the intersection of a half line extending along the wavefront from the rotation center axis of the wavefront of the wave when the wavelength of the diffracted wave is extended to asin β and the incident surface. And formed along
The trajectory is expressed by the following formula (1) where m (m ≠ 0) and n are integers.
... (1)
Is a locus drawn by a point P (x, y) that satisfies
A reflective diffraction grating hologram, wherein the incident wave is reflected .
前記複数の凸部の凹凸方向の断面の形状が矩型形状であるラミナ型であることを特徴とする請求項1に記載の反射型回折格子ホログラム。 2. The reflection type diffraction grating hologram according to claim 1, wherein the plurality of convex portions are of a lamina type in which the cross-sectional shape in the concave-convex direction is a rectangular shape . 前記複数の凸部からの反射波と前記複数の凹部からの反射波との位相が180度異なるように、前記凸部と凹部との高さの差である格子の深さが決定されていることを特徴とする請求項に記載の反射型回折格子ホログラム。 The depth of the grating, which is the difference in height between the convex portions and the concave portions, is determined so that the phases of the reflected waves from the plural convex portions and the reflected waves from the plural concave portions are 180 degrees different from each other. The reflection type diffraction grating hologram according to claim 2 . 前記入射波がBraggの反射条件を満たす間隔で、質量の大きい原子と質量の小さい原子とが交互に積層された多層膜が入射面側に形成されていることを特徴とする請求項に記載の反射型回折格子ホログラム。 According to claim 1, wherein the incident wave at the reflection satisfies intervals Bragg, multilayer film and a small atom of high atomic mass of the mass are alternately laminated, characterized in that it is formed on the incident surface side Reflective diffraction grating hologram. 入射波の光源が置かれる位置、回折波が収束する集光点、及び前記入射波の進行方向直線と、前記回折波の進行方向の直線との交点を含んで円周が描かれるローランド円を含む平面内の曲率半径と、
該ローランド円と直交する平面内の曲率半径とが、該ローランド円の直径と等しい球面として、入射面が形成されていることを特徴とする請求項1に記載の反射型回折格子ホログラム。
A Roland circle in which a circumference is drawn including the position where the light source of the incident wave is placed, the condensing point where the diffracted wave converges, and the intersection of the straight line in the traveling direction of the incident wave and the straight line in the traveling direction of the diffracted wave A radius of curvature in the plane containing,
2. The reflection diffraction grating hologram according to claim 1 , wherein an incident surface is formed as a spherical surface having a radius of curvature in a plane orthogonal to the Rowland circle equal to the diameter of the Rowland circle .
入射波の光源が置かれる位置、回折波が収束する集光点、及び前記入射波の進行方向の直線と、前記回折波の進行方向の直線との交点を含んで円周が描かれるローランド円を含む平面内の曲率半径が、該ローランド円の直径と等しく、
該ローランド円と直交する平面内の曲率半径が、該ローランド円の直径とは異なるトロイダル面として、入射面が形成されていることを特徴とする請求項1に記載の反射型回折格子ホログラム。
Roland circle in which the circumference is drawn including the position where the light source of the incident wave is placed, the condensing point where the diffracted wave converges, and the intersection of the straight line in the traveling direction of the incident wave and the straight line in the traveling direction of the diffracted wave A radius of curvature in a plane including the same as the diameter of the Roland circle,
2. The reflection type diffraction grating hologram according to claim 1 , wherein an incident surface is formed as a toroidal surface having a radius of curvature in a plane orthogonal to the Rowland circle different from the diameter of the Rowland circle .
入射波の光源が置かれる位置、回折波が収束する集光点、及び前記入射波の進行方向の直線と、前記回折波の進行方向の直線との交点を含んで円周が描かれるローランド円を含む平面内の曲率半径が、該ローランド円の直径と等しく、
該ローランド円と直交する平面内の曲率半径が、該ローランド円の直径とは異なる回転楕円面として、入射面が形成されていることを特徴とする請求項1に記載の反射型回折格子ホログラム。
Roland circle in which the circumference is drawn including the position where the light source of the incident wave is placed, the condensing point where the diffracted wave converges, and the intersection of the straight line in the traveling direction of the incident wave and the straight line in the traveling direction of the diffracted wave A radius of curvature in a plane including the same as the diameter of the Roland circle,
2. The reflection type diffraction grating hologram according to claim 1 , wherein an incident surface is formed as a spheroid having a radius of curvature in a plane orthogonal to the Rowland circle different from the diameter of the Rowland circle .
前記入射面側における最近接の凸部間の間隔と凹部間の間隔との和である格子周期の中に入る回折波の波の数が1よりも大きい整数であることを特徴とする請求項1から7までのいずれか1項に記載の反射型回折格子ホログラム。 Claims, characterized in that the number of waves of the diffracted wave enters into the grating period which is the sum of the distance between spacing and recesses between the projections of the nearest in the incident side is an integer greater than 1 8. The reflection type diffraction grating hologram according to any one of 1 to 7 . 入射波の光源としてX線を発生するX線源と、前記入射波の入射により回折波を生じさせるための回折格子ホログラムとを備えるX線集光システムであって、
前記回折格子ホログラムは、前記入射波の入射面側に複数の凸部と凹部とが交互に規則的に配列されており、
前記入射面側における最近接の凸部間の間隔と凹部間の間隔との和である格子周期が入射波と反射波の波長の2倍よりも大きく、かつ前記回折波が軌道角運動量を持つ場合の波面に基づいて、前記複数の凸部及び凹部の形状が形成されており、
前記入射波を反射させる反射型の回折格子ホログラムであり、
前記X線源が置かれる位置、回折波が収束する集光点、及び前記回折格子ホログラムの入射面上における前記入射波の進行方向の直線と、前記回折波の進行方向の直線との交点を含んで円周が描かれるローランド円を含む平面内の曲率半径が、該ローランド円の直径と等しいことを特徴とするX線集光システム
An X-ray condensing system comprising: an X-ray source that generates X-rays as an incident wave light source; and a diffraction grating hologram for generating a diffracted wave upon incidence of the incident wave,
In the diffraction grating hologram, a plurality of convex portions and concave portions are alternately and regularly arranged on the incident surface side of the incident wave,
The grating period, which is the sum of the distance between the nearest convex portions and the distance between the concave portions on the incident surface side, is larger than twice the wavelength of the incident wave and the reflected wave, and the diffracted wave has an orbital angular momentum. Based on the wavefront of the case, the shape of the plurality of protrusions and recesses is formed,
A reflection type diffraction grating hologram for reflecting the incident wave;
The position where the X-ray source is placed, the condensing point where the diffracted wave converges, and the intersection of the straight line in the traveling direction of the incident wave and the straight line in the traveling direction of the diffracted wave on the incident surface of the diffraction grating hologram An X-ray condensing system , wherein a radius of curvature in a plane including a Roland circle including a circumference is equal to a diameter of the Roland circle .
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