JP5536437B2

JP5536437B2 - 光強度測定装置及びその製造方法

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Publication number: JP5536437B2
Application number: JP2009290344A
Authority: JP
Inventors: 貴裕松本
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2009-12-22
Filing date: 2009-12-22
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2029-12-22
Also published as: JP2011133239A

Description

本発明は光強度測定装置及びその製造方法に関する。

光強度測定装置はたとえば遠赤外光検出器、レーザパワーメータ、照度計、輝度計等として用いられる。

第１の従来の光強度測定装置として、測定波長が広帯域のサーモパイルボロメータ、サーミスタボロメータ、焦電型ボロメータがある。この光強度測定装置は、測定したい波長の光が照射される受光面を有する光吸収体と、光吸収によって生じる光吸収体の温度上昇を電気信号に変換する熱電対、サーミスタ、焦電センサ等の感熱素子とを備え、この電気信号を測定することにより光強度を測定する（参照：特許文献１）。光吸収体たとえば感熱素子の表面にカーボンブラックの微粒子を塗布することにより形成される。

他方、第２の従来の光強度測定装置として、フォトダイオードと呼ばれる半導体光検出器がある。たとえば、0.2-1.1μmの光に対してはSi半導体を用い、1-10μmの光に対してはHgCdTe半導体を用い、バンドギャップ以上のエネルギーを有する光照射により発生する光起電力を測定することにより光強度を測定する。

特開昭５９−７９１２８号公報

しかしながら、上述の第１の従来の光強度測定装置においては、カーボンブラックの光吸収率はそれほど高くなく、つまり反射率は低くない。たとえば、可視光を含む領域の波長0.3-2μmの反射率は5%程度であり、遠赤外領域の波長10-20μmの反射率は20-30%と高い。従って、光強度測定装置の能力が低いという課題がある。また、カーボンブラックと感熱素子との間での熱伝導が悪いので、光強度測定装置の応答速度がたとえば0.1s程度低く、また、感熱素子の温度も十分に上がらず、μW領域の低強度光を測定することは困難であるという課題もある。さらに、カーボンブラックと感熱素子との密着性が悪いので、高強度光を照射すると、カーボンブラックの温度が上昇し、カーボンブラックが燃焼消失してしまうという課題もある。

他方、上述の第２の従来の光強度測定装置においては、上述の第１の従来の光強度測定装置に比較して感度及び応答速度の点で優れているが、測定波長に応じて複数の半導体検出器たとえば0.2-1.1μmの光に対してSi半導体検出器、1-10μmの光に対してはHgCdTe半導体検出器を必要とし、たとえば太陽光のような広帯域の波長の光強度測定は困難であるという課題がある。また、遠赤外領域の長波長の光を測定するたとえばHgCdTe半導体の狭ギャップ半導体検出器はペルチェ素子等の冷却を必要とするので、装置コストが高くなるという課題もある。さらに、上述の第１の従来の光強度測定装置に比較して高強度光を照射すると、半導体が破壊されるという課題もある。

上述の課題を解決するために、本発明に係る光強度測定装置は、表面にナノオーダの凹凸構造を形成した炭素系基板を光吸収体として具備し、第１の凹凸構造は、第１の凹凸構造のサイズより大きい不規則的周期の第２の凹凸構造上に形成されている。これにより、可視光を含む領域の波長0.3-2μmの反射率を低くすると共に、遠赤外領域の例えば波長2-50μmの反射率も低くする。

また、本発明に係る光強度測定装置の製造方法は、光吸収体としての炭素系基板の表面にナノオーダの凹凸構造を加工する第１の凹凸構造加工工程と、第１の凹凸構造のサイズより大きい不規則的周期の第２の凹凸構造を炭素系基板の表面に加工する第２の凹凸構造加工工程とを具備する。

本発明によれば、可視光を含む領域及び遠赤外領域の反射率が低くなるので、光吸収体の理想的な吸収スペクトルを実現できる。従って、光強度測定装置の測定波長範囲及びダイナミックレンジを広くすることができる。

本発明に係る光吸収体としてのグラファイト基板のナノ凹凸構造の加工フローを示すフローチャートである。図１のプラズマエッチング前後のグラファイト基板の表面の走査型電子顕微鏡（SEM）写真である。図１のプラズマエッチング前後のグラファイト基板の表面の波長0.3-2μmの反射率を示すグラフである。図１のプラズマエッチング前後のグラファイト基板の表面の波長2-15μmの反射率を示すグラフである。図１のフローの変更例を示すフローチャートである。図１もしくは図５のフローチャートにより形成された炭素系基板を用いた本発明に係る光強度測定装置の実施の形態を示す図である。

本発明に係る光吸収体の動作原理は完全黒体効果を利用した吸収エネルギーの光吸収作用を利用する。すなわち、光の平均反射率が高い時には、光吸収効率が低い。他方、光の平均反射率が低い時には、光吸収効率が高い。つまり、反射率Rが低下すると、放射率Iが上昇し、逆に、反射率Rが上昇すると、放射率Iが低下するという関係が成立する。この場合、光放熱つまり光放射能力を示す指数として放射率を用いるが、光の透過率がほぼ0の場合、放射率I≒1-R（反射率）で表わされる。

従って、理想的には、光吸収体としてたとえば波長0.3-50μmの反射率Rができるだけ0に近いものを用いると、光吸収効率が大きくなることが分かる。

図１は本発明に係る光吸収体としてのグラファイト基板のナノ凹凸構造の加工フローを示すフローチャートである。

図１のステップ１０１において、図２の（Ａ）に示す鏡面状表面を有するグラファイト基板を水素ガスを用いたプラズマエッチング法によってエッチングして図２の（Ｂ）に示すナノオーダの凹凸構造のグラファイト基板を得る。このプラズマエッチング条件は、たとえば、次のごとくである。
RFパワー：100-1000W
圧力：133-13300Pa (1-100Torr)
水素流量：5-500sccm
エッチング時間：1-100分

尚、図１のステップ１０１でのプラズマエッチング法は、電子サイクロトロン共鳴（ECR）エッチング法、反応性イオンエッチング（RIE）法、大気圧プラズマエッチング法等のいずれでもよく、また、処理ガスは、H₂ガス以外のArガス、N₂ガス、O₂ガス、CF₄ガス等のいずれでもよい。

従って、図３に示すように、可視光を含む領域の波長0.3-2μmの平均反射率はプラズマエッチング前の20-30％からプラズマエッチング後の1％以下と低くなる。この結果、可視光を含む領域の吸収は最高となる。しかも、図４に示すように、遠赤外領域のたとえば波長2-15μmの平均反射率もプラズマエッチング前の50％からプラズマエッチング後の3％以下と低くなる。この結果、このプラズマエッチングされたグラファイト基板をそのまま光吸収体として用いることができる。

図５は図１のフローの変更例を示し、図１のプラズマエッチングステップ１０１の前にステップ５０１において、サンドブラスト等の機械的表面研磨による不規則的周期のミクロン（サブミクロン）機械的凹凸構造加工を行う。また、図１のプラズマエッチングステップ１０１の後にステップ５０２において、CO₂レーザ、YAGレーザ、エキシマレーザ等のハイパワーレーザ照射による表面研磨による不規則的周期のミクロン（サブミクロン）レーザ照射凹凸構造加工を行う。尚、ステップ５０１、５０２は両方を行ってもよいが、いずれか一方のみを行えばよい。この場合、小さいナノオーダの凹凸のほうが壊れやすいためにステップ５０１を行うことが好ましい。これにより、不規則的周期のたとえばミクロンオーダ、サブミクロンオーダの凹凸構造を形成する。従って、グラファイト基板の表面積が増大して光吸収率が高くなる。

また、図５の不規則的周期のミクロン（サブミクロン）機械的凹凸構造加工ステップ５０１において、グラファイト基板の表面に不規則的周期のミクロンオーダもしくはサブミクロンオーダの凹構造を多数形成して表面積を増大させてもよい。たとえば、レジスト層を塗布し、次いで、不規則的周期パターンを有するフォトマスクを用いたフォトリソグラフィによりレジスト層のパターンを形成し、このレジスト層のパターンを用いてグラファイト基板をH₂ガス及びO₂ガスを用いたプラズマエッチングたとえばRIEを行い、その後、レジスト層のパターンを除去する。また、機械的ルーリングエンジン等を用いた切削方法によって不規則的周期のミクロンオーダあるいはサブミクロンオーダの剣山型凹凸構造を形成して表面積を増大させることもできる。この剣山型凹凸構造はエッチングで逆剣山型の金型を形成し、これに液体状のグラファイト材料、例えばカーボンブラック等を流し込んでも形成できる。

ここで、規則的周期のミクロンオーダあるいはサブミクロンオーダの凹凸構造は２次元フォトニック結晶的効果を起こし、遠赤外領域の反射率を高めるので、放熱率が低くなる逆効果となり、反射分布特性に干渉パターンを生じるようになり、光吸収率の波長に対する平坦性が損なわれるようになるので、好ましくない。

また、図３における波長0.3-2μmの反射率の測定はBaSO₄粒子等を内面にコートした積分球を有する分光光度計によって行われ、他方、図４におけるたとえば波長2-15μmの反射率の測定は遠赤外反射光をすべて集光するために金を内面にコートした積分球を有するフーリエ変換赤外（FTIR）分光器によって行われる。

尚、上述のグラファイト基板に金属を混ぜて稠密グラファイト基板とすることができる。これにより、稠密グラファイト基板の靭性は大きいので、光吸収体としての加工性、感熱素子との密着性が向上し、感熱素子と光吸収体との間の空隙がなくなる。また、感熱素子と光吸収体との間で絶縁性が要求される場合には、光吸収体として絶縁性グラファイト、またはグラファイトと絶縁性セラミックスの複合材料を用いる。

また、上述の実施の形態では、グラファイト基板を用いたが、グラファイト基板以外の炭素系基板たとえば、ダイヤモンド基板表面をプラズマエッチングして反射率を低減させた基板を用いてもよい。

図６は図１もしくは図５のフローチャートにより加工された炭素系基板を光吸収体として用いた本発明に係る光強度測定装置の実施の形態を示す図である。図６の光強度測定装置は、光吸収面が炭素系基板と一体に形成された光吸収体６０１と、光吸収体６０１の光吸収面と反対面に耐熱性接着剤（図示せず）によって結合されたBaTiO₃、LiNbO₃等の焦電素子よりなり、光起電力Evを発生する感熱素子６０２とから構成されている。この場合、光吸収体６０１の光吸収面と感熱素子６０２との間の熱伝導が良く、応答速度が0.01s以下と速いので、光吸収体６０１から感熱素子６０２への温度伝達が十分に行えるので、パルス尖頭値においてnW領域からGW領域の低強度から高強度の光の抽出を行うことができる。また、高強度の光照射によっても光吸収体６０１の燃焼、消失は起こらない。

次に、図６の光強度測定装置の熱プロセスについて考察する。図６において、単位時間当りのエネルギーW_inが光吸収体６０１に入射されると、次の関係が生ずる。
W_in = E₁ + E₂ + E₃ （１）
但し、E₁は空気中の対流により単位時間当り失う対流エネルギーであって、
E₁ = ηA(T-T₀)
で表わされ、E₂は輻射により単位時間当り失う輻射エネルギーであって、
E₂ = σA(T⁴-T₀ ⁴)
で表わされ、E₃は感熱素子６０２に伝達される単位時間当りの伝達エネルギーであって、
E₃ = κA∂T/∂x
で表わされる。ここで、
T₀は室温で300K
κは光吸収体６０１の熱伝導率で230W/mK
Aは光吸収体６０１の面積で1×10^-4m²
ηは対流による熱伝達係数で、たとえば約1W/m²K
σはステファンボルツマン定数で5.67×10^-8W/K⁴m²
dは光吸収体６０１の厚さで1×10^-3m
Tは光吸収体６０１の表面温度
とする。従って、（１）式は（２）式となる。
-κA∂T/∂x = ηA(T-T₀) + σA(T⁴-T₀ ⁴) - W_in （２）
光吸収体６０１の厚さdは1mmと小さく、また、感熱素子６０２の温度T_Dは室温T₀とすれば、（２）式は次の4次方程式の（３）式となる。
-κA(T-T₀)/d = ηA(T-T₀) + σA(T⁴-T₀ ⁴) - W_in （３）
（３）式において、各項の熱損失を評価してみると、
κA(T-T₀)/d ≫ ηA(T-T₀) + σA(T⁴-T₀ ⁴)
となるので、（３）式は（４）式で表わせる。
κA(T-T₀)/d = W_in （４）
つまり、入射エネルギーW_inのほとんどは感熱素子６０２に運び込まれることになる。ところで、感熱素子６０２の感度は約10⁴V/Wであり、一般的なS/N比より読み取り可能な電圧値を1μVとすると、これに対応する光強度は100pW(10^-10W)という、非常に低強度となる。従って、非常に低強度の光を測定することが可能となる。

尚、本発明においては、ナノオーダは10〜500nm、サブミクロンオーダは0.2〜1μm程度を想定している。

１０１：ナノ凹凸構造加工ステップ
５０１：不規則的周期のミクロン（サブミクロン）機械的凹凸構造加工ステップ
５０２：不規則的周期のミクロン（サブミクロン）レーザ照射凹凸構造加工ステップ
６０１：光吸収体（炭素系基板）
６０２：感熱素子

Claims

表面にナノオーダの第１の凹凸構造を形成した炭素系基板を光吸収体材料として具備し、
前記第１の凹凸構造は、該第１の凹凸構造のサイズより大きい不規則的周期の第２の凹凸構造上に形成されている光強度測定装置。
前記第２の凹凸構造のサイズがサブミクロンオーダ以上である請求項１に記載の光強度測定装置。
前記第２の凹凸構造が前記炭素系基板の表面に設けられた剣山構造である請求項１に記載の光強度測定装置。
さらに、
前記炭素系基板の前記第１の凹凸構造の反対面に結合された感熱素子を具備する請求項１に記載の光強度測定装置。
光吸収体材料としての炭素系基板の表面をナノオーダの第１の凹凸構造に加工する第１の凹凸構造加工工程と、
前記第１の凹凸構造のサイズより大きい不規則的周期の第２の凹凸構造を前記炭素系基板の表面に加工する第２の凹凸構造加工工程と
を具備する光強度測定装置の製造方法。
前記第２の凹凸構造のサイズがサブミクロンオーダ以上である請求項５に記載の光強度測定装置の製造方法。
前記第１の凹凸構造加工工程がプラズマエッチング工程である請求項５に記載の光強度測定装置の製造方法。
前記第２の凹凸構造加工工程が、
前記不規則的周期のパターンを有するフォトレジスト層を形成するフォトリソグラフィ工程と、
該フォトレジスト層を用いて前記炭素系基板の表面に前記凹みを形成するエッチング工程と、
該凹みの形成後に前記フォトレジスト層を除去する工程と
を具備する請求項５に記載の光強度測定装置の製造方法。
前記第２の凹凸構造が前記炭素系基板の表面に設けられた剣山構造である請求項５に記載の光強度測定装置の製造方法。