JP6885184B2 - レーザ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、透過型回折格子とその透過型回折格子を含むレーザ装置及び透過型回折格子の製造方法に関する。
半導体レーザの輝度を向上させるために、複数の半導体レーザの各発光点からの出射光（ビーム）を光学素子（コリメートレンズ collimate lens）を用いてコリメート（平行光化）して波長分散素子（反射型回折格子）にあて、回折格子の波長分散性により各ビームを重畳する技術（波長ビーム結合方式wavelength beam combining technique (ＷＢＣ方式)）が知られている（例えば、非特許文献１）。このような反射型回折格子は、透過型折格子では回折光が透過する際、格子パターンが形成されていない面での反射ロスが発生するのに対してそのような反射ロスはなく、透過型折格子と比べて高い回折効率が得られるとされている。
"Laser Beam Combining for High-Power High-Radiance Sources"T. Y. Fan, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 11, No. 3, May/June 2005, pp. 567-577
しかしながら、ＷＢＣ方式のレーザ光源装置において、波長分散素子として反射型回折格子を用いると、波長分散素子に入射ビームを入射させる光学素子と、波長分散素子からの出射ビームが透過する光学素子とを波長分散素子から見て同じ側に配置する必要がある。レーザ光源装置の高出力化のために、搭載するレーザ素子の数を増やすと、波長分散素子への入射ビームが透過する光学素子の寸法が大きくなる。そうすると、光学素子の配置に必要な空間と、波長分散素子からの出射ビームが透過する光学素子の配置に必要な空間とが重ならないようにすることが難しくなる。したがって、実際には、搭載するレーザ素子の数が限られ、高出力化に一定の制限がある。また、反射型回折格子の反射率を高めるため、金属膜が反射型回折格子表面に設けられる場合がある。この金属膜による光吸収をゼロとすることはできないから、高出力化の際、反射型回折格子が光吸収により発熱する。この発熱が、回折格子の信頼性を低下させる。この反射型回折格子の発熱に対する対策は、回折格子そのものに留まらず、それを用いて構成したレーザ光源装置全体に講じる必要がある。つまり、ＷＢＣ方式のレーザ光源装置の性能の低下や信頼性の低下を引き起こすという課題がある。これに対して、透明材料からなる透過型回折格子は、鏡面反射などによる光損失が反射型回折格子より多い点、つまり回折効率が低い点を除けば、上記課題はない。
また、従来の透過型回折格子及び反射型回折格子はいずれも表面に微細なブレーズド加工等が１枚毎に必要となるために、低コストで大量に製造することが困難であるという課題があった。
そこで、本発明は、低コストで大量に製造することができかつ回折効率の高い透過型回折格子とその製造方法を提供することを目的とする。
本発明に係る一実施形態の透過型回折格子は、屈折率がｎ１である第１透光性領域と屈折率がｎ１より小さいｎ２である第２透光性領域とが交互に配置されてなり、入射平面と出射平面とを有する回折格子周期ｄの透過型回折格子であって、
前記第１透光性領域と前記第２透光性領域の複数の界面のうちの前記第１透光性領域を通過した光が入射される反射界面は、互いに平行でかつ前記反射界面の法線が前記入射平面及び前記出射平面に対して傾斜角θ（０°＜θ＜９０°）で傾斜しており、
前記反射界面に直交する方向の前記第１透光性領域の厚さｔ１と、前記第２透光性領域の厚さをｔ２としたとき、
厚さｔ２が、０．１／π（ｎ１ ２−ｎ２ ２）１／２ μｍ以上、前記第１透光性領域の厚さｔ１以下であることを特徴とする。
本発明に係るある実施形態の透過型回折格子の製造方法は、
それぞれ互いに対向する第１主面及び第２主面を有する２つのガラス板を準備する工程であって、前記２つのガラス板のそれぞれには、前記第１主面に、縦断面形状が溝開口幅ａ、溝底幅ｂ、溝深さｈの台形である複数のストライプ状の台形溝が、一方の側壁が互いに平行で他方の側壁が互いに平行になりかつ等しい間隔（ａ＋ｂ−ｄ１）になるように並べて形成されて、隣接する台形溝の間にストライプ状の凸部が形成された２つのガラス板を準備するガラス板準備工程と、
前記２つのガラス板うちの、一方のガラス板のストライプ状の凸部が他方のガラス板の台形溝にそれぞれ嵌合するように重ね合わせる重ね合わせ工程と、
前記凸部の一方の側面と前記台形溝の一方の側壁を密着させ、前記凸部の上面と前記台形溝の底面とを密着させて接合する接合工程と、
を含む。
本発明に係るある実施形態の透過型回折格子の製造方法は、
厚さの等しい複数のガラス薄板を所定の間隔を空けて積層して、隣接するガラス薄板が空間を介して対向してなるガラス積層体を作製する積層工程と、
前記ガラス積層体の側面にガラスを溶着して前記空間を密封する密封工程と、
前記空間が密封されたガラス積層体の上面と、下面と、上面及び下面に平行な中心軸を挟んで対向する２つの側面と、をガラス支持体により支持する支持工程と、
前記ガラス積層体をガラス支持体とともに加熱して軟化させて前記中心軸に平行な方向に引き延ばす引き延ばし工程と、
前記引き延ばされたガラス積層体を前記引き延ばされたガラス支持体とともに前記中心軸と前記ガラス薄板の積層方向とを含む第１平面に直交する第２平面に平行に切断する切断工程と、
を含む。
本発明に係るある実施形態の透過型回折格子の製造方法は、
それぞれ互いに対向する第１主面及び第２主面と第１〜第４側面とを有する厚さの等しい複数のガラス薄板を準備するガラス薄板準備工程であって、前記複数のガラス薄板それぞれには、前記第１主面に、所定の溝開口幅でかつ、前記第１側面側から該第１側面に対向する第３側面側に伸びる複数の溝が形成された複数のガラス薄板を準備するガラス薄板準備工程と、
前記溝の長辺側の開口端が一方向に配列されるように前記複数のガラス薄板を積層してガラス積層体を作製する積層工程と、
前記ガラス薄板の第１側面を含んでなる前記ガラス積層体の端面近傍と、前記ガラス薄板の第２側面を含んでなる前記ガラス積層体の端面近傍と、前記ガラス薄板の第３側面を含んでなる前記ガラス積層体の端面近傍と、前記ガラス薄板の第４側面を含んでなる前記ガラス積層体の端面近傍とにおいて、ガラス薄板間を溶着して前記溝をそれぞれ密封する密封工程と、
前記溝が密封されたガラス積層体の上面と、下面と、前記ガラス薄板の第２側面を含んでなる端面と、該端面にガラス積層体の中心軸を挟んで対向しかつ前記ガラス薄板の第４側面を含んでなる端面とをガラス支持体により支持する支持工程と、
前記ガラス積層体をガラス支持体とともに加熱して軟化させて前記中心軸に平行な方向に引き延ばす引き延ばし工程と、
前記引き延ばされた積層体を前記引き延ばされたガラス支持体とともに前記中心軸に直交する第１平面に平行に切断する第１切断工程と、
前記第１切断工程で切断された積層体およびガラス支持体を、前記一方向に平行な第２平面に平行に切断する第２切断工程と、
を含む。
以上の本発明に係る一実施形態の透過型回折格子によれば、低コストで大量に製造することができかつ回折効率の高い透過型回折格子を提供することができる。
また、本発明に係る上記実施形態の透過型回折格子の製造方法によれば、回折効率の高い透過型回折格子を低コストで大量に製造することができる。
また、本発明に係る上記実施形態の透過型回折格子を含むレーザ装置によれば、低コストで大量に製造することができかつ回折効率の高い透過型回折格子を有するレーザ装置を提供することができる。
本発明に係る実施形態１の透過型回折格子の概念図（斜視図） 図１の透過型回折格子断面の概念図 実施形態１の透過型回折格子において、１次の透過回折光を用い、その回折角をゼロとする例。 図３に示す透過型回折格子の厚さの下限を説明する図 図３に示す透過型回折格子の厚さの上限を説明する図 実施形態１の透過型回折格子を用いたレーザ光源装置の概念図 実施形態１の変形例１の透過型回折格子の断面の概念図 実施形態１の変形例２の透過型回折格子の断面の概念図 本発明に係る実施形態２の透過型回折格子の一部の断面の概念図。 実施形態２の透過型回折格子の断面の概念図。 実施形態１の変形例１の透過型回折格子において０次の反射回折光の様子を示す断面の概念図 実施形態１の変形例１の透過型回折格子において１次の反射回折光の強度を強めるための構成を示す断面の概念図 実施形態１の変形例１の透過型回折格子において２次の反射回折光の強度を強めるための構成を示す断面の概念図 本発明の実施形態３に係る透過型回折格子の製造方法において、ストライプ状の凸部が形成されたガラス板の断面の概念図 実施形態３に係る透過型回折格子の製造方法において、ストライプ状の凸部が形成されたガラス板を２枚重ね合わせたときの断面の概念図 実施形態３に係る透過型回折格子の製造方法において、ストライプ状の凸部が形成されたガラス板を２枚重ね合わせて融着したときの断面の概念図 実施形態３に係る透過型回折格子において、回折の様子を模式的に示す断面図 本発明の実施形態４に係る透過型回折格子の製造方法において、ガラス薄板の上のスペーサー粒子を散布したときの様子を示す斜視図 実施形態４に係る透過型回折格子の製造方法において、ガラス薄板の上のスペーサー粒子を散布した上にさらに別のガラス薄板を載置したときの様子を示す斜視図 実施形態４に係る透過型回折格子の製造方法において、ガラス板の上に所定枚数のガラス薄板を積層して、ガラス積層体を作製したときの斜視図 実施形態４に係る透過型回折格子の製造方法において、ガラス積層体を密封したときの斜視図 図１２ＤのＡ−Ａ線についての断面図 図１２ＤのＢ−Ｂ線についての断面図 実施形態４に係る透過型回折格子の製造方法において、密封したガラス積層体をガラス支持体により支持した断面図 実施形態４に係る透過型回折格子の製造方法において、密封したガラス積層体をガラス支持体により支持して引き延ばす前の断面図 実施形態４に係る透過型回折格子の製造方法において、密封したガラス積層体をガラス支持体により支持して引き延ばした後の断面の一部を示す断面図 実施形態４に係る透過型回折格子の製造方法において、引き延ばした後のガラス積層体とガラス支持体とを切断する位置を示す断面図 実施形態４に係る透過型回折格子の製造方法において、ガラス積層体とガラス支持体とを切断した後に切断面から見た断面図 本発明の実施形態５に係る透過型回折格子の製造方法において、複数の溝が一定の周期で並んで形成されたガラス薄板の斜視図 実施形態５に係る透過型回折格子の製造方法において、複数の溝が形成されたガラス薄板を積み重ねたときの斜視図 実施形態５に係る透過型回折格子の製造方法において、複数の溝が形成されたガラス薄板を積み重ねた上に溝が形成されていないガラス薄板を重ねたときの斜視図 実施形態５に係る透過型回折格子の製造方法において、積み重ねた複数のガラス薄板を溶着したときの斜視図 図１７ＤのＡ−Ａ線についての断面図 実施形態５に係る透過型回折格子の製造方法において、ガラス積層体を支持体により支持したときの断面図 実施形態５に係る透過型回折格子の製造方法において、引き延ばしたガラス積層体を支持体とともに引き延ばし方向に直交する平面に平行に切断したときの斜視図 実施形態５に係る透過型回折格子の製造方法において、図１９Ａの切断したガラス積層体を支持体とともに引き延ばし方向に平行な平面に平行に切断する様子を示す断面図
以下、発明の実施の形態について適宜図面を参照して説明する。ただし、以下に説明する実施の形態は、本開示の技術思想を具体化するためのものであって、特定的な記載がない限り、本開示を以下のものに限定しない。また、一の実施の形態、実施例において説明する内容は、他の実施の形態、実施例にも適用可能である。他の実施形態において説明した構成のうち同一の名称については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。各図面が示す部材の大きさ、繰り返しの数や位置関係等は、説明を容易にするため、誇張もしくは省略していることがある。
実施形態１
本発明に係る実施形態１の透過型回折格子について、以下説明する。
実施形態１の透過型回折格子は、ある種の体積位相型回折格子である。実施形態１の透過型回折格子は、入射平面３０と出射平面４０の間に、屈折率がｎ１である第１透光性領域１０と屈折率がｎ１より小さいｎ２である第２透光性領域２０とを交互に含む。第１透光性領域１０は、合同な２つの平行四辺形の底面１５，１６と、底面１５と底面１６の間に長方形の４つの側面１１，１２，１３，１４を有する第１の平行六面体の部材又は領域である。第２透光性領域２０もまた、合同な２つの平行四辺形の底面２５，２６と、底面２５と底面２６の間に長方形の４つの側面２１，２２，２３，２４を有する第２の平行六面体の部材又は領域である。底面１５（１６）及び底面２５（２６）の一方の対角は、９０°−θであり、底面１５（１６）及び底面２５（２６）の他方の対角は、９０°＋θである。第１透光性領域１０の底面１５（１６）の一方の対辺の長さは、第２透光性領域２０の底面２５（２６）の一方の対辺の長さと等しい。言い換えると、第１透光性領域１０の側面１３，１４と第２透光性領域２０の側面２３，２４とはすべて合同である。尚、第１透光性領域１０の側面１１，１２と第２透光性領域２０の側面２１，２２との関係では、少なくとも側面１１，１２の長辺と側面２１，２２の長辺とは等しい。
上述した第１の平行六面体（第１透光性領域１０）と第２の平行六面体（第２透光性領域２０）とが、交互に配置されて、実施形態１の透過型回折格子が構成される。この際、（ｉ）側面１１と側面２１とが同一平面上に位置しかつ側面１２と側面２２とが同一平面上に位置し、かつ、（ｉｉ）側面１３と側面２４とが接触し、側面１４と側面２３とが接触するように配置される。実施形態１の透過型回折格子において、同一平面上に位置する側面１１と側面２１とによって入射平面３０が構成され、同一平面上に位置する側面１２と側面２２とによって出射平面４０が構成される。
以上のように構成された実施形態１の透過型回折格子において、側面１４と側面２３が接触する面（第１透光性領域１０と第２透光性領域２０の界面）は、複数あり、第１透光性領域を通過した光が入射し反射される反射界面２７である。その反射界面２７の法線が入射平面３０及び出射平面４０に対して傾斜角θ（０°＜θ＜９０°）で傾斜している。反射界面２７から第１透光性領域１０側に伸びる法線ベクトルが出射平面へ向かう。傾斜角θが０°より大きく４５°以下の場合、透過型回折格子に好適である。複数ある反射界面２７は互いに平行である。また、隣接反射界面間の入射平面上又は出射平面上における距離が、本実施形態１の透過型回折格子の回折格子周期ｄである。すなわち、図２に示すように、回折格子周期ｄは１つの側面１１の幅とそれに隣接する１つの側面２１の幅の合計の幅である。
また、反射界面２７に直交する方向の第１透光性領域の厚さをｔ１、第２透光性領域２０の厚さをｔ２としたとき、第２透光性領域２０の厚さｔ２は、０．１／π（ｎ１ ２−ｎ２ ２）１／２ μｍ以上、第１透光性領域の厚さｔ１以下とすることが好ましい。第１透光性領域の厚さｔ１は、側面１１の幅と傾斜角θの余弦（ｃｏｓθ）との積である。第２透光性領域２０の厚さをｔ２は、側面２１の幅と傾斜角θの余弦（ｃｏｓθ）との積である。
以下、実施形態１の透過型回折格子について詳細に説明する。
以下の説明において、入射平面３０と出射平面４０間の距離を、回折格子領域厚ｔとする。複数の第１透光性領域１０はいずれも屈折率ｎ１の第１の透明材料からなる。複数の第２透光性領域２０はいずれも屈折率ｎ２（１≦ｎ２＜ｎ１）の第２の透明材料から構成することができる他、液体、屈折率が１の真空や、屈折率がほぼ１の気体により構成してもよい。以下、屈折率ｎ１は、高屈折率ｎ１といい、屈折率ｎ２は、低屈折率ｎ２という。材料の厚さをＴ、材料の光吸収係数をαとしたとき、真空中から屈折率ｎの材料からなる平行平板に垂直入射する光に対する透過率は（1−Ｒ）２ｅ−αＴで表わせる。ここで、ｅは自然対数の底、Ｒは真空中から屈折率ｎの材料へ垂直入射する光の反射率である。ここで、材料が透明とは、内部透過率ｅ−αＴが、０．９以上であることをいい、より好ましくは０．９９以上であることをいう。例えば、材料の光吸収係数αが０．０１ｃｍ−１以下であることが好ましく、より好ましくは０．００１ｃｍ−１以下であることである。さらにより好ましくは、材料の屈折率ｎｊ（ｊは正の整数、すなわち、ｊ＝０，１，２，・・・）の虚数部がゼロとみなせ、材料の光吸収が実質的にない（厚ｔの材料中の光吸収が無視できる）ことである。材料の光吸収がなければ、光密度を高めても光吸収による材料の発熱がなく、当該材料を用いる回折格子および、この回折格子を用いる光源装置の信頼性を向上させることができる。
第１の透明材料および第２の透明材料は、無機材料であることが好ましい。無機材料は有機材料よりすぐれた耐光性を有するからである。例えば、合成石英ガラス、ＢＫ−７と呼ばれる硼珪酸クラウンガラス等の光学ガラスを第１の透明材料として用いることができる。第２の透明材料として、例えば、合成石英ガラス、ＢＫ−７と呼ばれる硼珪酸クラウンガラス等の光学ガラスに加え、真空や、空気、窒素ガス、希ガス等も用いることができる。また、回折する光の波長によっては、ＳｉやＧｅといった単元素半導体、ＺｎＳ、ＧａＡｓ、ＧａＮといった化合物半導体、サファイア、酸化ガリウム、酸化亜鉛、酸化ハフニウムといった金属酸化物、その他誘電体を、第１及び／または第２の透明材料として用いることができる。
上述したように、反射界面２７の法線は、入射平面３０及び出射平面４０に対して傾斜角θで傾斜する。実施形態１の透過型回折格子において、この傾斜角θは、０°以上９０°未満を取り得るが、傾斜角θは０°より大きく４５°以下であることが好ましい。
本実施形態１の透過型回折格子では、第１透光性領域１０を通過して反射界面２７で反射される光が透過回折光として利用される。したがって、ｔ１をｔ２より大きくすることにより、より多くの光が第１透光性領域１０を通過することになる。したがって、利用される光を増やし、回折効率を高めるために、ｔ１をｔ２より大きくすることが好ましい。
以下、実施形態１の透過型回折格子の動作を図３及び図４を参照しながら説明する。
以下の説明では、真空中における波長がλである光が入射平面に入射した場合を考える。入射光と回折格子領域の入射平面の法線とのなす角（入射角）をα、ｍ次の回折光と回折格子領域の出射平面（あるいは入射平面）の法線とのなす角（回折角）をβｍとする（ｍは整数。）。ｍは回折次数（ｍ＝０, ±１, ±２, …）である。複数の異なる波長の入射光がある場合には、入射光の真空中の波長をλｉ（ｉは整数。）、この入射光と回折格子領域の入射平面の法線とのなす角（入射角）をαｉ（ｉは整数。）と記す。また、以下の説明は、θが、０°より大きく４５°以下の場合である（図１、図２）。
図２に示す透過型回折格子において、回折格子周期ｄと、ｔ１、ｔ２及びθと間には、次式の関係がある。
ｄ＝（ｔ１+ｔ２）／cosθ・・・（式１）
図２の透過型回折格子１００において、入射平面３０に対して、屈折率ｎ０の空間から入射角α０で入射光が透過型回折格子１００に入射する場合の様子を、図３に示す。図３に示すように、入射平面３０（側面１１）に対して入射角α０で屈折率ｎ１の第１透光性領域１０に入射した光５０は、屈折角α１で第１透光性領域１０を進む。ここで、ｎ０、α０、ｎ１、及びα１は間には、スネルの法則により、次式の関係がある。
ｎ１sinα１＝ｎ０sinα０・・・（式２）
透過型回折格子１００に入射した光は、反射界面２７で反射される。この場合、反射の法則により、反射界面２７への入射角と反射角は等しい。そして、第１透光性領域１０を透過して出射平面（側面１２）から出射される。透過型回折格子１００において、入射平面３０から第１透光性領域１０に入射した光５０が、反射界面２７で反射して出射平面４０から出射される光が、ｍ次の回折条件（光路差が波長の整数倍（ｍ倍）を満たす方向に回折光が生じる。ここでは、出射平面４０から真空中に出射されことを想定しており、真空中では、ｄ（sinα−sinβｍ）＝ｍλ、ｍ≠０）を満たすことにより、ｍ次の透過回折光の強度が大きくなる。透過型回折格子１００では、同時に、反射界面２７を設けることにより、入射平面（第１透光性領域１０の側面１１）から入射した光が第１透光性領域１０を直進して０次の透過回折光となることを抑制することができる。実施形態１の透過型回折格子１００では、入射平面（第１透光性領域１０の側面１１）から入射した光が０次の透過回折光として出射平面４０から出射されることがないように、透過型回折格子の厚さｔ及び第１透光性領域の厚さｔ１を設定することが好ましい。
また、透過型回折格子１００は、強度が２次以上の回折光の強度より大きい１次の回折光を用いることが好ましく、その場合、２次以上の回折光の強度を小さくするために、反射界面２７は、鏡面に近い平坦な面であることが好ましい。具体的には、反射界面の面精度（平面度、平坦度）は、λ/４以下が好ましく、λ/８以下がより好ましい。鏡面に近いほど、散乱光を減らせ、２次の透過回折光を抑制しうるからである。
以下、０次の透過回折光を除き、１次の透過回折光強度を用いた実施形態１の透過型回折格子の例を説明する。以下の例では、透過光の１次の回折角をゼロとした場合について、主として図３を参照しながら説明する。尚、以下の説明では、１次の透過回折光強度を用いた実施形態１の透過型回折格子について説明するが、実施形態１の透過型回折格子では、２次、３次等のより高次の回折光を用いて構成することもできる。
図３に示すように、回折格子周期ｄ離れた位置から入射された入射光が入射平面３０に入射された際の光路差は、ｄsinα０である。透過の１次の回折条件とは、光路差が、光路差の生じている材料中の波長と等しいことであり、図３では次式の関係がある。
ｄsinα０＝λ／ｎ０・・・（式３）
また、この例では、反射界面２７で反射する光が、出射平面４０に対して垂直に進む（すなわち、β１＝０）ので、屈折角α１はθの２倍と等しい（すなわち、α１＝２θ）。
したがって、式１、式２、式３及びα１＝２θから、λ、ｎ１、ｔ１、ｔ２、及びθの間には、次式の関係が成り立つ。
λ／（ｔ１+ｔ２）＝２ｎ１sinθ・・・（式４−１）
または、
θ＝arcsin（λ／２ｎ１（ｔ１+ｔ２））・・・（式４−２）
よって、厚さｔ１の第１透光性領域１０と厚さｔ２の第２透光性領域２０とを、式４−１（あるいは、式４−２）を満たす傾斜角θだけ傾けて積層することにより、１次の透過回折光６１の強度を高くすることができる透過型回折格子１００が得られる。
次に、透過型回折格子１００の厚さｔについて、図４を参照しながら、説明する。
透過型回折格子１００の厚さｔが小さすぎると、反射界面２７で反射することなく、第１透光性領域１０だけ透過する０次の透過回折光が増加する。透過型回折格子１００の厚さｔは、０次の透過回折光を増加させないように設定することが好ましい。具体的には、反射界面２７で反射することなく第１透光性領域１０を透過する光をなくすための、回折格子１００の厚さｔの下限（ｔｍｉｎ）は、次式で与えられる。
ｔｍｉｎ＝ｔ１cos２θ／sinθ・・・（式５）
回折格子１００の厚さｔを下限値ｔｍｉｎに設定したときの様子を図４に示す。図４から、回折格子１００の厚さｔを下限値ｔｍｉｎより薄くすると、反射界面で反射されることなく第１透光性領域１０を透過する光が生じることが理解できる。
一方、透過型回折格子１００の厚さｔが大きすぎると、反射界面２７で反射した光がさらに、第１透光性領域１０を介して反射界面２７に対向する第２反射界面２８で反射し、０次の透過回折光となる光が増える。第２反射界面２８は、第１透光性領域１０の側面１４と第２透光性領域２０の側面２３との界面である。その第２反射界面２８における反射は散乱損失などのロスを増加させることにもなり好ましくない。反射界面２７で反射した光を第２反射界面２８で反射させることなく出射平面４０から出射させることができる透過型回折格子１００の厚さｔの上限（ｔｍａｘ）は、次式で与えられる。
ｔｍａｘ＝ｔ１／sinθ・・・（式６）
回折格子１００の厚さｔを上限値ｔｍａｘに設定したときの様子を図５に示す。図５から、回折格子１００の厚さｔを上限値ｔｍａｘより厚くすると、第２反射界面２８で反射される光が生じることが理解できる。
以上説明したことからわかるように、回折格子１００の厚さｔは、次式を満たすことが好ましい。
ｔ１cos２θ／sinθ＜ｔ＜ｔ１／sinθ・・・（式７）
以上のように、透過型回折格子１００の厚さｔが式７を満たすと、第１透光性領域１０に入射した光を、反射界面２７で反射させて第２反射界面２８で反射させることなく出射平面４０から出射させることができ、かつ０次の透過回折光の出射平面４０からの出射を抑制できる。これにより、１次の透過回折光のみを利用した回折効率の高い透過型回折格子を構成することができる。
以上のように構成される透過型回折格子１００は、例えば、第１透光性領域１０となる高屈折率（ｎ１）の透明材料の板（板厚ｔ１）と第２透光性領域２０となる低屈折率（ｎ２）の透明材料の板（板厚ｔ２）を交互に多数枚積層して接合し、その後、積層した板の主面の法線から上記式４−１（あるいは、式４−２）を満たす傾斜角θ傾けて、上記式６で与えられるｔｍａｘ程度の間隔で平行な一対の平面で切断した後、式７を満たす厚さｔに研磨することにより、作製することができる。より具体的な製造方法については後述する。
以下、透過型回折格子１００の厚さｔと第１透光性領域１０の板厚ｔ１及び第２透光性領域１０の板厚ｔ２について、より詳細に説明する。
回折格子１００の厚さｔを上限値ｔｍａｘは、以下の式８に示すように、０≦θ≦４５°においてθの増加するにしたがって単調減少する。式８は、式６に式４−２を代入することにより得られる。
ｔｍａｘ＝２ｎ１ｔ１（ｔ１+ｔ２）／λ・・・（式８）
式８から、入射光５０の波長λおよび高屈折率ｎ１が与えられたとき、ｔ１（ｔ１+ｔ２）が大きいほど、ｔは厚くできる。ｔが厚い方が透過型回折格子１００の機械的強度を高められるという利点がある。しかしながら、後述のように、ｔ１+ｔ２が大きすぎると許容される回折次数が増加し迷光が増える。したがって、実施形態１の透過型回折格子１００では、入射角α０が、α０＞３０°を満たす範囲で、ｔ１（ｔ１+ｔ２）を大きくすることが好ましい。
次に、入射角α０について説明する。式１、式３および回折条件から、次式が導出される。
sinβｍ＝（１−m）λcosθ／ｎ０（ｔ１+ｔ２）・・・（式９）
また、｜sinβｍ｜≦１であるから、次式が成り立つ。
−１≦（１−m）λcosθ／ｎ０（ｔ１+ｔ２）≦１・・・（式１０）
｜cosθ｜≦１であるから、式１０から、ｔ１+ｔ２ が大きいほど多くのｍの値が許容される。すなわち、許容される回折光の次数が増加する。多くの回折次数を許容する回折格子を光源装置に用いると、出力に寄与しない光が増大するため、ｔ１+ｔ２ が大きくなりすぎることは好ましくない。
そこで、例えば、次の式１１が成り立つ範囲に入射角α０を設定することが好ましい。
０．５＜λcosθ／ｎ０（ｔ１+ｔ２）＝sinα０・・・（式１１）
式１１が成り立つ場合、式１０に許容される整数mは、０、１、２のみとなり、回折角はそれぞれ、α０、０、−α０となる。よって、入射角α０は、式１１が成り立つように設定すること、すなわち、９０°＞α０＞３０°の範囲に設定することが好ましい。
回折格子に入射する光として、例えば、端面出射型の半導体レーザからの光のように、直線偏光のレーザ光を用いる場合を説明する。透過型回折格子１００に屈折率ｎ０の空間から入射する光をＰ偏光とする場合、屈折率ｎ０の空間と第１透光性領域１０との界面における反射率がゼロとなる入射角、すなわちブリュースター角θＢが存在する。この場合は、入射角α０が３０°からブリュースター角θＢ程度までとすることがより好ましい。入射角α０がブリュースター角θＢより大きくなると、屈折率ｎ０の空間と第１透光性領域１０の界面（入射平面における第１透光性領域１０の側面１１）で反射する光が急激に増加するからである。入射角α０をブリュースター角θＢとすることがさらに好ましい。入射平面における第１透光性領域１０の側面１１での反射がなくなり、０次の反射回折光を減らすことができるからである。すなわち、屈折率ｎ０の空間と第１透光性領域１０の界面（第１透光性領域１０の側面１１）からの反射光はゼロとなり、屈折率ｎ０の空間と第２透光性領域２０の界面（第２透光性領域２０の側面２１）からの反射光が残る。ここで、ブリュースター角θＢは、次式で与えられる。
tanθＢ＝ｎ１／ｎ０・・・（式１２）
、ｎ０＝１の場合、θＢ≧４５°となるから、θＢ＝α０＞３０°はは常に満たされ、許容される回折次数を０、１、２のみに制限できる。

α０＝θＢ、の場合、式２、式１２及びα１＝２θから、ｎ０、ｎ１、とθの間には、次式の関係が成り立つ。
θ＝arcsin（cos（arctan(ｎ１／ｎ０)））／２・・・（式１３）
式１３と式７から、回折格子１００の厚さｔにつき、次式が導かれ、さらに波長λが与えられると、式１３と式４−１から、次々式が導かれる。
ｔ１sin(arctan(ｎ１／ｎ０))／sin(arcsin（cos（arctan(ｎ１／ｎ０)））／２)＜ｔ＜ｔ１／sin(arcsin（cos（arctan(ｎ１／ｎ０)））／２)・・・（式１４）
ｔ１+ｔ２＝λ／２ｎ１sin（arcsin(cos（arctan(ｎ１／ｎ０)）)／２）・・・（式１５）
式１５を満たす厚さｔ１の第１透光性領域１０と厚さｔ２の第２透光性領域２０とを、式１３を満たす傾斜角θだけ傾けて積層し、厚さｔが式１４を満たす透過型回折格子１００を作製すると、透過型回折格子１００は回折格子周期λ／ｎ１cos(arctan(ｎ１／ｎ０))を有する。このように作製される透過型回折格子１００にブリュースター角θＢで波長λのＰ偏光を入射させると、０次の反射回折光及び０次の透過回折光を抑制し、３次以上の高次回折光が発生せず、かつ、１次の透過回折光６１の強度を高くすることができる。
入射角α０がブリュースター角θＢをとることができない場合は、入射角α０がブリュースター角θＢより小さい方が反射率を低くできるので好ましい。入射角α０がブリュースター角θＢより小さい場合は、回折格子の入射平面に、公知の手法により単層膜または誘電体多層膜からなる反射防止膜を形成することで、反射回折光を減らすことができる。
透過型回折格子１００に屈折率ｎ０の空間から入射する光がＳ偏光である場合、反射率がゼロとなる入射角は存在しない。この場合、入射角α０が増加するにしたがって、第１透光性領域１０の側面１１の反射率が入射角α０の増加に従い単調増加するため、入射角α０が３０°より少し大きい程度が好ましい。
高屈折率ｎ１、低屈折率ｎ２及び傾斜角θについて検討する。反射界面２７への入射角は、９０°−α１＋θであり、α１＝２θのときは、９０°−θである。ｎ２＜ｎ１であることから、臨界角θｃが存在する。反射界面２７への入射角が、臨界角θｃより大きければ、全反射する。次の式１６を満たせば、全反射するので、０次の透過回折光を抑制し、１次の透過回折光６１の強度を高めることができ、好ましい。
９０°−θ＞θｃ＝arcsin（ｎ２／ｎ１）・・・（式１６）
すなわち、傾斜角θが小さいほど全反射条件を満たす第１透光性領域１０と第２透光性領域２０の材料選択の範囲が広がる。また、ｎ２／ｎ１が小さいほど、臨界角θｃが小さくなり、全反射するためのθの範囲が広くなり、好ましい。液体および固体の屈折率より、気体の屈折率が小さいから、第２の透明材料として気体を用いることが好ましい。第２の透明材料の屈折率ｎ２が、最小値の１に近い値となるからである。第２の透明材料として気体を用いる場合、第１の透明材料をｔ２ の間隔をあけて配置し、ｔ２ の間隔の空隙に気体を充填する。さらに、反射界面２７で全反射する状態では、界面近傍にエバネッセント光が生じる。エバネッセント光が第２透光性領域２０へしみだす深さＤは、次式で表わされる。
Ｄ＝λ／４π（（ｎ１sin（９０°−θ））２−ｎ２ ２）１／２・・・（式１７）
深さＤは、θ＝０°のとき最小値λ／４π（ｎ１ ２−ｎ２ ２）１／２ をとる。第２透光性領域２０の厚ｔ２がＤより小さい場合は、第２透光性領域２０を介して隣の第１透光性領域１０へ光が伝搬することになるから、１次の透過回折光６１の強度が減少し、０次の透過回折光や界面散乱による損失（ロス）が増える。したがって、第２透光性領域２０の厚ｔ２がλ／４π（ｎ１ ２−ｎ２ ２）１／２ より大きいことが好ましい。可視光用または赤外光用の透過型回折格子の場合、波長λは０．４μｍ以上であるから、第２透光性領域２０の厚ｔ２が０．１／π（ｎ１ ２−ｎ２ ２）１／２ μｍより大きいことが好ましい。さらに、第２の透明材料として気体を用いると、ｎ２ ２≒１となり、第２透光性領域２０の厚ｔ２は、０．１／πｎ１ ２ μｍより大きいことが好ましい。α１＝２θのときは、θが小さいほどＤは小さくなり、１次の透過回折光６１の強度を高めるために第２透光性領域２０を伝搬する光を減少できるから、好ましい。また、第１透光性領域１０の屈折率ｎ１は高い方がＤは小さくなり、好ましい。可視光または赤外光に対しては、種々の光学ガラスを第１（および第２）の透明材料として好適に用いることができる。
入射平面の一部を構成する第２透光性領域２０の側面２１に入射した光について検討する。第２透光性領域２０の側面２１に入射した光の屈折角α２は、スネルの法則より、次式を満たす。
ｎ２sinα２＝ｎ０sinα０・・・（式１８）
ｎ２＜ｎ１であるから、臨界角が存在しない。α２＞α１で、第２反射界面２８への入射角は、９０°−θより小さくなる。第１透光性領域１０の側面１１に入射した光が反射界面２７に入射する場合より、第２反射界面２８における反射率は低く、透過率は高い。第２透光性領域２０の側面２１に入射した光が第２反射界面２８で１回反射して回折格子の出射平面から出る角度は、ゼロではないため、回折条件を満たさず、１次の透過回折光６１には寄与しない。第２透光性領域２０の側面２１に入射した光が第２反射界面２８を透過屈折した光も、１次の透過回折光６１には寄与しない。つまり、第２透光性領域２０の第１側面に入射した光は迷光となり、ロスになる。よって、第２透光性領域２０の側面２１に入射する光を減らすため、ｔ２／ｔ１は小さい方が好ましい。ただし、ｔ２は、λ／４π（ｎ１ ２−ｎ２ ２）１／２ より大きい。
第１透光性領域１０の側面１２に垂直に入射する光の反射率Ｒについて説明する。反射率Ｒは、次式で与えられる。
Ｒ＝（ｎ１−ｎ０）２／（ｎ１+ｎ０）２・・・（式１９）
つまり、第１透光性領域１０の側面１２は、式１９で与えられる反射率Ｒの部分透過ミラーとなる。さらに、透過型回折格子１００の出射平面に、誘電体多層膜あるいは単層膜を形成することにより、透過型回折格子１００の出射平面の反射率は調節できる。例えば、非特許文献１のＦｉｇ．５に示されるＷＢＣ方式のレーザ光源装置が備えている部分透過ミラー（部分反射ミラー、再帰反射ミラー）を、透過型回折格子１００の出射平面の反射率を調節することで、透過型回折格子１００の出射平面が兼ねることができる。このことは、レーザ光源装置の構成部品を減らすこと、波長分散素子と部分反射ミラーとの位置関係が定まり、かつ、経時変化が抑制されることを導き、ＷＢＣ方式のレーザ光源装置の信頼性向上に寄与する。部分透過ミラーの反射率は、ＷＢＣ方式のレーザ光源装置の性能や信頼性に関係する重要な因子である。部分透過ミラーの反射率は、レーザ素子への光のフィードバック量を決め、レーザ素子の発振波長の安定性に左右するからである。誘電体多層膜あるいは単層膜の反射率制御は、公知の製膜手法を用いて、実現することができる。
実施形態１の透過型回折格子１００を用いたＷＢＣ方式のレーザ光源装置の概念図を図６に示す。図６に示すレーザ光源装置では、レーザアレイ２００および入射側光学系（コリメートレンズ）３１０を透過型回折格子１００の入射平面側に、出射側光学系（集光レンズ）３２０および出力光ファイバー４００を透過型回折格子１００の出射平面側に、それぞれ配置している。
図６に示すレーザ光源装置５００において、レーザアレイ２００の後端面と透過型回折格子１００により外部共振器が構成されている。レーザアレイ２００からは複数の異なる波長λｉ（ｉは整数。）のレーザ光が所定の広がり角をもって出射される。広がり角をもって出射される複数の異なる波長λｉのレーザ光は、入射側光学系（コリメートレンズ）３１０により、各レーザ光の広がり角がほぼゼロとみなせる光線群とされる。この光線群は、複数の異なる波長λｉ毎に、透過型回折格子１００の入射平面に入射角αｉで入射する。空間の屈折率ｎ、回折格子周期ｄ、波長λｉと、入射角αｉの間には、ｄsinαｉ＝λｉ／ｎの関係が成り立つ。すなわち、入射角αｉで透過型回折格子１００に入射する波長λｉの光線群は、透過型回折格子１００により重畳され、出射平面側から垂直に出射される。出射された光線群は、出射側光学系（集光レンズ）３２０により出力光ファイバー４００の端面に集光される。また、このとき入射角αｉで透過型回折格子１００に入射する波長λｉの光線群の透過型回折格子１００による２次の反射回折光は、それぞれ入射方向逆向きに反射（再帰反射）する。つまり、透過型回折格子１００とレーザアレイ２００の後端面とが共振器構造を構成する。この共振器構造（外部共振器構造）が構成されることが、ＷＢＣ方式のレーザ光源装置の信頼性を向上する。動作時のレーザアレイ２００温度変化は波長λｉの変化を引き起こし、動作時の発熱や経時変化により入射角αｉの変化が起こり得る。しかし、外部共振器構造が波長λｉの変化を抑制し、入射角αｉの変化に追従して再帰反射が起こるので、レーザ出力が安定するからである。
レーザ光源装置を高出力化する際には、レーザアレイ数を増やしたり、偏波合成のための偏光プリズムを配置する等のレーザ光源装置構成部品増を行うことが必要となるが、実施形態１の透過型回折格子１００を用いることで、透過型回折格子１００の入射平面側および出射平面側に、構成部品を分けて配置できるので、反射型回折格子を用いる場合に比較して配置しやすくなり、レーザ光源装置の高出力化に適している。
以下、実施形態１の変形例について説明する。
変形例１．
可視光に対する実施形態１の透過型回折格子１００の厚さｔは、例えば、第１の透明材料として屈折率１．５１のガラスを用い、第２の透明材料として空気を用い、波長０．５μｍの光を入射角５６．５°で入射する場合、０．８４μｍから１．８７μｍ程度となる。透過型回折格子１００の厚さｔが小さいと機械的強度が足りないため、実用的な機械的強度を得るために、透過型回折格子１００の入射平面または出射平面に透明材料からなる均一な厚みの板を接合することが好ましい。
そこで、変形例１の透過型回折格子１１０Ａは、実施形態１の透過型回折格子１００の入射平面及び出射平面に、屈折率ｎ１の透明材料からなる板を設けている点を除いて実施形態１の透過型回折格子１００と同様に構成されている（図７）。具体的には、実施形態１の透過型回折格子１００の入射平面３０に、屈折率がｎ１である板状の第１透光性部材１１１を接合し、出射平面４０に、屈折率がｎ１である板状の第２透光性部材１１２を接合している。接合方法は、透明な光学用接着剤を用いる接着、溶着などの公知の接合方法をとることができる。さらに、第２透光性部材１１２の外側の面（接合面に対向する面）に誘電体多層膜あるいは単層膜を形成することにより、所望の部分透過ミラーを設けることができる。また、実施形態１の透過型回折格子１００を作製した後に、入射平面３０に第１透光性部材１１１を接合して出射平面４０に第２透光性部材１１２を接合する方法に代えて、例えば、後述する製造方法により、第１透光性領域１０と第１透光性部材１１１及び第２透光性部材１１２とを一体で作製するようにしてもよい。
変形例１の透過型回折格子１１０Ａでは、第１透光性領域１０の屈折率と第１透光性部材１１１の屈折率を同一としているので、入射平面３０における第１透光性領域１０と第１透光性部材１１１との界面での反射は実質的にないようにでき、かつ透過型回折格子の機械的強度を高められる。
尚、図７から理解できるように、変形例１の透過型回折格子１１０Ａの回折条件は、実施形態１の透過型回折格子１００と同じである。
変形例２．
変形例２の透過型回折格子１１０Ｂは、図８に示すように、変形例１の透過型回折格子１１０において第１透光性部材１１１に代えて屈折率ｎ１の透明材料からなるウェッジプリズム１２１を用いて構成した以外は、変形例１の透過型回折格子１１０Ａと同様に構成されている。具体的には、透過型回折格子１００の入射平面に、屈折率ｎ１の透明材料からなるウェッジプリズム１２１が接合されている。接合方法としては、変形例１と同様、透明な光学用接着剤を用いる接着、溶着などの公知の接合方法を用いることができる。以上の変形例２の透過型回折格子１１０Ｂは、変形例１と同様、機械的強度を高めることができる上さらに、反射光を低減することが可能になる。
すなわち、変形例２の透過型回折格子１１０Ｂでは、ウェッジプリズム１２１の入射表面１２１ａの傾斜角を調整することにより、ウェッジプリズム１２１への入射角を０°としたり、ブリュースター角θＢとしたりすることができる。図８には、ウェッジプリズム１２１への入射角を０°とした例を示している。変形例２の透過型回折格子１１０Ｂではさらに、ウェッジプリズム１２１の入射表面１２１ａに反射防止膜を形成することが好ましく、これによりさらに反射損失を減らすことができる。
変形例２の透過型回折格子１１０Ｂでは、図８から分かるように、入射平面３０において回折格子周期ｄ離れた入射光の間の光路差は、ｄsinα１である。屈折率ｎ１の透明材料中の波長は、λ／ｎ１であるので、透過の１次の回折条件は、次式で表わされる。
ｄsinα１＝λ／ｎ１．．．（式２０）
スネルの法則より、実施形態１で説明した式２が成り立つから、式２０は、式３と等価である。よって、λ、ｎ１、ｔ１、ｔ２、及びθの間には、式４−１（あるいは、式４−２）に示される関係が成り立つ。
実施形態２．
実施形態２の透過型回折格子１２０は、実施形態１の変形例１の透過型回折格子１１０Ａと類似した構成を有しているが、実施形態１の変形例１の透過型回折格子１１０Ａでは第２反射界面２８が平坦であるのに対して、実施形態２の透過型回折格子１２０では、第２反射界面２８ａが曲面になっている点で異なっている（図９Ｂ）。このように、第２反射界面２８ａの形状は基本的な回折条件に影響を与えるものではないことから、第２反射界面２８ａが曲面等の任意の形状であってもよく、第２反射界面２８ａの形状を制御することなく、種々の製造方法により本発明に係る透過型回折格子を製造することが可能である。
この実施形態２の透過型回折格子１２０は、例えば、以下のように作製することができる。図９Ａに示すように、高屈折率（ｎ１）の第１の透明材料板１０ａの一部に低屈折率（ｎ２）の第２の透明材料２０ａを所定の形状に埋め込み、表面を平らにしたものを多数枚準備する。図９Ｂに示すように、この第２の透明材料領域２０ａが埋め込まれた第１の透明材料板１０ａを多数枚積層した積層体を所定の一対の平行な切断面８０で切断する。第１の透明材料板１０ａおよび第２の透明材料領域２０ａとしては、実施形態１に記載の材料を用いることができる。
より具体的には、実施形態２の透過型回折格子１２０は、以下のような過程を経て作製される。
まず、第１透光性領域１０となる高屈折率（ｎ１）の第１の透明材料板１０ａ（板幅ｗ１、板厚ｔ１）の一方の面に、溝（溝幅ｗ２、溝深さｔ２）を形成する。
次に、第２透光性領域２０となる低屈折率（ｎ２）の第２の透明材料２０ａを溝いっぱいに埋め込んだもの（図９Ａ）を多数枚準備する。この際、必要に応じて第２の透明材料２０ａの表面を研削又は研磨して、第２の透明材料２０ａの表面と第１の透明材料板１０ａの一方の面とが同一平面上に位置するようにする。
次に、準備した多数枚の第１の透明材料板１０ａを、溝に埋め込まれた低屈折率（ｎ２）の第２の透明材料２０ａの両端の一端が入射平面となる一平面上に位置し、他端が出射平面となる他の平面上に位置するように積み重ねて接合して第１の透明材料板１０ａの積層体を作製する。
その後、第１の透明材料板１０ａの積層体を、入射平面３０となる一平面及び出射平面４０となる他の平面に平行でかつ一平面及び他の平面の外側の切断面８０で切断する（図９Ｂ）。
以上の実施形態２の透過型回折格子１２０及びその製造方法によれば、第１の透明材料板１０ａの板厚ｔ１、溝の深さｔ２等を回折光の波長λ、第１の透明材料板１０ａの高屈折率ｎ１、第２の透明材料２０ａの低屈折率ｎ２を適宜設定することにより種々の透過型回折格子を作製できる。尚、以上の説明では、第１の透明材料板１０ａの溝に埋め込まれた第２の透明材料２０ａの表面が反射界面２７側になるようにしたが、溝の底面を平坦にして溝に埋め込まれた第２の透明材料２０ａの底面が反射界面２７側になるようにしてもよい。
実施形態の透過型回折格子において第１透光性領域１０に光が入射する際の反射は低い方が好ましいことは言うまでもなく、当該反射を小さくする方法等は、例えば、実施形態１およびその変形例において説明した。しかし、実施形態１およびその変形例等において、第２透光性領域２０の側面２１により反射し損失する光を減らすことがさらに好ましい。上述したように、λ、ｎ１、ｔ１、ｔ２、及びθの間に、０．５＜λcosθ／ｎ１（ｔ１+ｔ２）の関係が成り立つ場合、許容される反射回折次数ｍは、０、１、２のみとなる。ｍ＝０，１，２の反射回折光の強度は、第２透光性領域２０の側面２１の形状により影響を受ける。
例えば、図１０Ａに示す構造では、第２透光性領域２０の側面２１は入射平面３０と平行で、入射光５０の正反射（０次の反射回折光５１）が強められる。
図１０Ｂに示す構造では、第２透光性領域２０の側面２１は第２透光性領域２０の側面２４（または側面２３）に垂直で、入射平面に垂直な１次の反射回折光５２が強められる。
図１０Ｃに示す構造では、第２透光性領域２０の側面２１は入射光に垂直で（第２透光性領域２０の側面２１の法線は入射光と平行で）、入射光の方向に反射する２次の反射回折光５３が強められる。第２透光性領域２０の側面２１で反射し入射光の方向に戻る２次の反射回折光５３強度が十分にある場合、第２透光性部材１１２（屈折率ｎ１）の外側の面に反射防止膜を設けることができる。また、第２透光性部材１１２（屈折率ｎ１）の外側の面から入射平面３０までの間隔がλ／２ｎ１の整数倍である場合には、第２透光性部材１１２（屈折率ｎ１）の外側の面からの反射光と第２透光性領域２０の側面２１からの反射光との位相がそろい、２次の反射回折光５３がさらに強められる。
ロスとなる０次および１次の反射回折光の強度を抑制するためには、図１０Ｃの第２透光性領域２０の側面２１の形状、すなわち、第２透光性領域２０の側面２１は入射光に垂直であることが好ましい。
実施形態３．
本発明に係る実施形態３の透過型回折格子の製造方法について、以下に説明する。
実施形態３の透過型回折格子の製造方法は、（ａ）それぞれストライプ状の凸部が台形溝を間に挟み等間隔に形成された２つのガラス板を準備する工程と、（ｂ）準備した２つのガラス板うちの、一方のガラス板のストライプ状の凸部が他方のガラス板のストライプ状の凸部間の台形溝にそれぞれ嵌合するように重ね合わせる重ね合わせ工程と、（ｃ）凸部の一方の側面と前記台形溝の一方の側壁を密着させ、凸部の上面と台形溝の底面とを密着させて接合する接合工程と、を含む。
以下、実施形態３の透過型回折格子の製造方法について詳細に説明する。
（ａ）ガラス板準備工程
ここではまず、それぞれ互いに対向する第１主面１３０ａ及び第２主面１３０ｂを有する２枚のガラス板１３０を準備する。この２枚のガラス板１３０は、透過型回折格子の第１透過性領域を構成するものであり、屈折率は高屈折率ｎ１である。
ガラス板として、石英ガラス、ＢＫ−７と呼ばれる硼珪酸クラウンガラス等の光学ガラス材料からなるガラス板を用いることができる。
次に、準備した２枚のガラス板１３０の第１主面１３０ａにそれぞれ、それぞれ溝開口幅ａ、溝底幅ｂ、溝深さｈの縦断面形状を有する複数のストライプ状の台形溝１３２を形成する（図１１Ａ）。複数のストライプ状の台形溝１３２は、図１１Ａに示すように、一方の側壁１３２ａが互いに平行になり他方の側壁１３２ｂが互いに平行になるようにかつ隣接する台形溝間の間隔が等しくなるように並べて形成される。隣接する台形溝間の間隔は、（ａ＋ｂ−ｄ１）である。ここで、本明細書において、隣接する台形溝間の間隔とは、溝開口部の長手方向（上記縦断面に直交する方向）の中心線間の間隔のことをいう。以上のようにして複数のストライプ状の台形溝１３２を形成することにより、隣接する台形溝１３２の間にストライプ状の凸部１３１が形成される。ここで、ストライプ状の凸部１３１の上面の幅は、ｂ−ｄ１であり、台形溝１３２の溝底を含む平面における凸部１３１の底面の幅は、ａ−ｄ１である。また、ガラス板１３０において、ストライプ状の凸部１３１が配置される土台部分をガラスベース１３３という。
台形溝１３２は、例えば、フォトリソグラフィー技術を用いて、ガラス板１３０の第１主面１３０ａ上に周期的に並んだストライプ状の金属マスクを形成し、このストライプ状の金属マスクをマスクとして、エッチングすることにより形成することができる。
エッチングは、例えば、ドライエッチング装置を用いてガラス板１３０をエッチングする。台形溝１３２の形状、すなわち凸部１３１の形状は、金属マスクの形状およびドライエッチング条件（ドライエッチング用ガス種と流量、エッチング圧力、ＲＦパワー、など）により制御できる。
（ｂ）重ね合わせ工程
ここでは、台形溝１３２の間にストライプ状の凸部１３１が形成された２つのガラス板１３０の、一方のガラス板１３０のストライプ状の凸部１３１が他方のガラス板のストライプ状の凸部間の台形溝１３２にそれぞれ嵌合するように重ね合わせる（図１１Ｂ）。
（ｃ）接合工程
２つのガラス板１３０を重ね合わせた後、嵌合させた凸部１３１と台形溝１３２においてそれぞれ、凸部１３１の一方の側面（当該凸部１３１を規定する台形溝１３２の一方の側壁１３２ａ又は他方の側壁１３２ｂ）と台形溝の一方の側壁１３２ａを密着させ、凸部の上面と台形溝の底面とを密着させて接合する。接合方法としては、加圧融着、接着（ガラス板１３０と屈折率が同等の接着剤を用いることが好ましい。）、あるいは、例えば親水化処理した表面を密着させる等の直接接合）を用いることができる。
以上のようにして、図１１Ｃに示すように、２つのガラスベース部１３３と２つのストライプ状の凸部１３１とが一体化されたガラス構造体の内部に空気層が互いに平行に形成された、図７に類似の変形例１の透過型回折格子が作製される。図１１Ｃに示すように、図７の第１透光性領域１０は２つの凸部１３１が一体化されてなり、第２透光性部材１１２は空気層からなる。実施形態３の透過型回折格子の製造方法ではさらに、第１透光性部材１１１の入射側の面および第２透光性部材１１２の出射側の面を仕上げ研磨して反射防止膜を形成することが好ましい。
以上の実施形態３の製造方法により作製される変形例１の透過型回折格子１１０Ａにおいて、第２透光性領域２０は、台形溝１３２の形状、すなわち凸部１３１の形状に対応した傾斜角θで傾斜した空気層からなる。この空気層（第２透光性領域２０）の厚さｔ２は、（ｄ１ｃｏｓθ）であり、透過型回折格子の回折格子周期は、（ａ＋ｂ−ｄ１）である。また、第１透光性領域１０の厚さｔ１は、（（ａ＋ｂ−２ｄ１）ｃｏｓθ）である。
実施形態４．
本発明に係る実施形態４の透過型回折格子の製造方法について、以下に説明する。
実施形態４の透過型回折格子の製造方法は、
（ａ）厚さの等しい複数のガラス薄板を所定の間隔を空けて積層して、隣接するガラス薄板が空間を介して対向してなるガラス積層体を作製する積層工程と、
（ｂ）ガラス積層体の側面にガラスを溶着して空間を密封する密封工程と、
（ｃ）空間が密封されたガラス積層体の上面と、下面と、上面及び下面に平行な中心軸を挟んで対向する２つの側面と、をガラス支持体により支持する支持工程と、
（ｄ）ガラス積層体をガラス支持体とともに加熱して軟化させて前記中心軸に平行な方向に引き延ばす引き延ばし工程と、
（ｅ）引き延ばされたガラス積層体を前記引き延ばされたガラス支持体とともに前記中心軸とガラス薄板の積層方向とを含む第１平面に直交する第２平面に平行に切断する切断工程と、
を含む。
以下、図１２Ａ〜図１６Ｂを参照しながら本発明に係る実施形態４の透過型回折格子の製造方法について詳細に説明する。
（ａ）積層工程
ここでは、ベースとなるガラス板１４０aの上に、屈折率ｎ１の厚さの等しい複数のガラス薄板１４１をスペーサーを介して所定の間隔を空けて積層して、隣接するガラス薄板が空間を介して対向してなるガラス積層体を作製する。
具体的には、まず、複数の厚さＴ１のガラス薄板１４１と、ガラス薄板１４１より一回り大きいガラス板１４０aを準備する。
そして、ガラス板１４０aの上面にガラス薄板１４１を重ねる。このとき、ガラス薄板１４１は、例えば、その中心軸がガラス板１４０aの上面の中心軸に一致するように重ねてガラス薄板１４１の周りにガラス板１４０aの上面の周辺部が露出するようにする。
ガラス板１４０aの上面に重ねたガラス薄板１４１の上面に、球形シリカ粒子等のスペーサー粒子１４２をほぼ均一な分布になるように散布する（図１２Ａ）。
スペーサー粒子１４２が散布されたガラス薄板１４１の上面に別のガラス薄板１４１を重ねる（図１２Ｂ）。
以降、ガラス薄板１４１の上面にスペーサー粒子１４２を散布することと、そのスペーサー粒子１４２が散布されたガラス薄板１４１の上面に別のガラス薄板１４１を重ねることを繰り返して、必要枚数のガラス薄板１４１を重ねてガラス積層体１４１Ｌを作製する。隣接するガラス薄板１４１間の間隔はスペーサー粒子１４２の径により決まる。
（ｂ）密封工程
次に、ガラス積層体１４１Ｌの上面にガラス板１４０ａと同程度の大きさのガラス板１４０ｂを載置し、ガラス積層体１４１Ｌの４つの側面にガラス板１４０ｃ，１４０ｄ，１４０ｅ，１４０ｆを配置して、ガラス積層体１４１Ｌとガラス板１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄ，１４０ｅ，１４０ｆを溶着する。これにより、ガラス積層体１４１Ｌにおいて、隣接するガラス薄板１４１間にはそれぞれスペーサー粒子１４２によって所定の間隔に保持された空間に空気が閉じ込められる。以下、ガラス板１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄ，１４０ｅ，１４０ｆの溶着により封止され、隣接するガラス薄板１４１間の密閉された空間に空気が閉じ込められたガラス積層体１４１Ｌを、封止ガラス積層体１４１ＬＳと称し、その封止ガラス積層体１４１ＬＳは溶着されたガラス板１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄ，１４０ｅ，１４０ｆを含むものとする。
（ｃ）支持工程
ここでは、封止ガラス積層体１４１ＬＳを、その上面と、下面と、上面及び下面に平行な一中心軸（以下、単に中心軸ｃ１とする。）を挟んで対向する２つの側面とをガラス支持体により支持する（図１３）。
具体的には、封止ガラス積層体１４１ＬＳの中心軸ｃ１に直交する断面における対角長より径が大きくかつ封止ガラス積層体１４１ＬＳの中心軸ｃ１方向の長さより長いガラス丸管１４３を準備し、そのガラス丸管１４３内に封止ガラス積層体１４１ＬＳをその中心軸方向に挿入する。そして、そのガラス丸管１４３内に封止ガラス積層体１４１ＬＳを固定するために、ガラス丸管１４３の内壁と封止ガラス積層体１４１ＬＳの間の隙間にガラス棒１４４を挿入する。図１３では、ガラス棒１４４として、丸棒と角棒の両方を用いる例を示す。以下、ガラス丸管１４３とガラス棒１４４からなる支持体１４５と支持体１４５により支持された封止ガラス積層体１４１ＬＳとを含む構造体を母材（プリフォーム）という。
（ｄ）引き延ばし工程
ここでは、ガラス積層体１４１Ｌ（封止ガラス積層体１４１ＬＳ）を含む母材を、ガラス支持体１４５とともに加熱して軟化させて中心軸ｃ１方向に引き延ばす。母材は、例えば、図１４に示すように、ガラス丸管１４３の両端を支持する支持管１４６、支持管１４６及び延長管１４７を備える。ガラス積層体１４１Ｌ（封止ガラス積層体１４１ＬＳ）の引き延ばしは、ガラスロッドの製造に用いられるような加熱炉を用いて外径を測定しながら行うことができる。引き延ばした後の模式図を図１５に示す。引き延ばす倍率は、引き延ばす前のガラス薄板１４１の厚さＴ１、隣接するガラス薄板１４１間の間隔、及び引き延ばした後に必要となるガラス薄板１４１の厚さ、隣接するガラス薄板１４１間の間隔とを考慮して設定される。
例えば、屈折率ｎ１のガラス薄板１４１を用いて、透過型回折格子を製造する場合には、引き延ばし工程後において、引き延ばされたガラス薄板１４１間の間隔ｔ２が、０．４／４π（ｎ１ ２−１）１／２ μｍ以上、引き延ばされたガラス薄板の厚さｔ１以下になるように、引き延ばし前のガラス薄板の厚さＴ１、引き延ばし前の隣接するガラス薄板間の間隔及び前記引き延ばし工程における引き延ばし量を設定することが好ましい。ここで、引き延ばし倍率は、例えば、１００倍〜２００００倍、好ましくは５００倍〜１００００倍の範囲に設定される。
ガラス丸管１４３及びガラス棒１４４（ガラス板１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄ，１４０ｅ，１４０ｆも含む。）は、延伸の際に一体化するような材料を選択することができ、延伸の際に支持体を一体化することにより、後述の切断工程後に個々の透過型回折格子に分離した際に透過型回折格子の支持構造体として利用することができる。
尚、封止ガラス積層体１４１ＬＳを支持するガラス支持体１４５の形状を、回転体形状（例えば、円柱および円錐台の組合せからなる形状）とすることが好ましく、回転体形状の支持体とすることにより引き伸ばし工程にいて、母材を偏りなく均一に加熱することが可能になる。
（ｅ）切断工程
ここでは、図１６Ａに示すように、引き延ばされたガラス積層体１４１Ｌを引き延ばされたガラス支持体とともに中心軸ｃ１とガラス薄板の積層方向とを含む第１平面に直交する第２平面に平行に切断する。図１６Ｂに示すように、第１透過性領域１０と空気層からなる第２透過性領域２０が交互に積層された透過型回折格子が作製される。第２平面の中心軸ｃ１に対する角度は任意に設定することができるが、第２平面の中心軸ｃ１に対する角度が、例えば、実施形態１の透過型回折格子１００における傾斜角θに相当する。また、切断面８０の間隔が実施形態１の透過型回折格子１００の厚さｔに相当する。ここで、実施形態１等で説明したことから理解されるように、切断工程において、第２平面と中心軸ｃ１とのなす角θと切断面の間隔ｔとを、ｔがｔ１cos２θ／sinθ以上、ｔ１／sinθ以下となるように、設定することが好ましい。
実施形態４の透過型回折格子の製造方法によれば、高精度のルーリングマシン（回折格子の溝を切る機械）、フォトリソグラフィ技術に用いる露光装置やエッチングのためのドライエッチング装置などを用いることなく、引き延ばされたガラス支持体をスライスするので、回折効率の高い透過型回折格子を大量に製造することができる。
実施形態５．
本発明に係る実施形態５の透過型回折格子の製造方法について、以下に説明する。
実施形態５の透過型回折格子の製造方法は、ガラス薄板を積層したガラス積層体を引き延ばす工程を含んでいる点では実施形態４の透過型回折格子の製造方法と類似しているが、実施形態５の透過型回折格子の製造方法では、スペーサー粒子を用いることなく、密閉された空間層を含むようにガラス積層体を作製している点が実施形態４とは大きく異なっている。また、切断工程が実施形態４とは異なっている。
実施形態５の透過型回折格子の製造方法は、
（ａ）それぞれ互いに対向する第１主面及び第２主面と第１〜第４側面とを有する厚さの等しい複数のガラス薄板の第１主面にそれぞれ、所定の溝開口幅でかつ、第１側面側から該第１側面に対向する第３側面側に伸びる溝を有するガラス薄板準備工程と、
（ｂ）溝の長辺側の開口端が縦断面上で第１主面の法線方向から角θ傾いた一方向に配列されるように複数のガラス薄板を積層してガラス積層体を作製する積層工程と、
（ｃ）ガラス薄板の第１側面を含んでなるガラス積層体の端面近傍と、ガラス薄板の第２側面を含んでなるガラス積層体の端面近傍と、ガラス薄板の第３側面を含んでなるガラス積層体の端面近傍と、ガラス薄板の第４側面を含んでなるガラス積層体の端面近傍とにおいて、ガラス薄板間を溶着して溝をそれぞれ密封する密封工程と、
（ｄ）溝が密封されたガラス積層体の上面と、下面と、ガラス薄板の第２側面を含んでなる端面と、該端面にガラス積層体の中心軸を挟んで対向しかつガラス薄板の第４側面を含んでなる端面とをガラス支持体により支持する支持工程と、
（ｅ）ガラス積層体をガラス支持体とともに加熱して軟化させて中心軸に平行な方向に引き延ばす引き延ばし工程と、
（ｆ）引き延ばされた積層体を引き延ばされたガラス支持体とともに中心軸に直交する第１平面に平行に切断する第１切断工程と、
（ｇ）第１切断工程で切断された積層体およびガラス支持体を、中心軸に平行な第２平面に平行に切断する第２切断工程と、
を含む。
以下、図１７Ａ〜図１９Ｃを参照しながら本発明に係る実施形態５の透過型回折格子の製造方法について詳細に説明する。
（ａ）ガラス薄板準備工程
図１７Ａに示すように、周期的な溝を有するガラス薄板１５１を複数準備する。ガラス薄板１５１は、それぞれ互いに対向する第１主面１５１ｍ１及び第２主面１５１ｍ２と第１側面１５１ｓ１，第２側面１５１ｓ２，第３側面１５１ｓ３，第４側面ｓ４とを有し、その厚さは均一である。ガラス薄板１５１の第１主面１５１ｍ１には、それぞれ、所定の溝開口幅ｓｗでかつ、第１側面１５１ｓ１側から該第１側面に対向する第３側面１５１ｓ３側に伸びる溝１５２が、第２側面１５１ｓ２側から第４側面１５１ｓ４に向かって一定の周期で並んで形成されている（図１７Ａ）。溝の形成方法としては、公知のウェットエッチング、ドライエッチング、マイクロブラスト、超精密研削加工、レーザ加工、およびこれらの組合せを用いることができる。加工面の平坦性、溝深さの制御性、溝側面角度制御性、および加工反力の小さい溝の形成方法が好ましく、例えば、レーザ誘起背面湿式加工法を用いることができる。
（ｂ）積層工程
溝１５２の長辺側の開口端（第２側面１５１ｓ２及び第４側面ｓ４に平行な溝１５２の開口部の長辺）が縦断面上で第１主面の法線方向から角θ傾いた一方向に並んで位置するように複数のガラス薄板１５１を積層する（図１７Ｂ）。溝１５２の開口部の長辺が位置する平面とガラス薄板の法線とのなす角度が、実施形態１等における透過型回折格子の傾斜角θに対応する。最上面には、溝１５２が形成されていないガラス薄板１５１ａを重ねてガラス積層体１５１Ｌを作製する（図１７Ｃ）。ガラス積層体１５１Ｌの中心軸は、溝１５２の開口部の長辺に平行である。
（ｃ）密封工程
ガラス薄板の第１側面１５１ｓ１を含んでなるガラス積層体１５１Ｌの端面近傍と、ガラス薄板１５１の第２側面１５１ｓ２を含んでなるガラス積層体１５１Ｌの端面近傍と、ガラス薄板１５１の第３側面１５１ｓ３を含んでなるガラス積層体１５１Ｌの端面近傍と、ガラス薄板の第４側面を含んでなるガラス積層体の端面近傍とにおいて、隣接するガラス薄板１５１間を溶着して溝をそれぞれ密封する。これにより、溝１５２を密封する（図１７Ｄ，図１７Ｅ）。
（ｄ）支持工程
溝が密封されたガラス積層体１５１Ｌの上面と、下面と、ガラス薄板１５１の第２側面１５１ｓ２を含んでなる端面１５３と、該端面にガラス積層体１５１Ｌの中心軸を挟んで対向しかつガラス薄板１５１の第４側面１５１ｓ４を含んでなる端面１５４とを、実施形態４と同様のガラス支持体１４５により支持することにより、ガラス積層体１５１Ｌを支持する。
具体的には、実施形態４と同様、ガラス積層体１５１Ｌをガラス丸管１４３内にそれらの中心軸を平行にして挿入する。そして、そのガラス丸管１４３内にガラス積層体１５１Ｌを固定するために、ガラス丸管１４３の内壁とガラス積層体１５１Ｌの間の隙間にガラス棒１４４を挿入する。以上のようにして、ガラス丸管１４３とガラス棒１４４からなる支持体１４５と支持体１４５により支持されたガラス積層体１５１Ｌとを含む母材（プリフォーム）が作製される（図１８）。
（ｅ）引き延ばし工程
ここでは、実施形態４と同様にして、ガラス積層体１５１Ｌをガラス支持体１４５とともに加熱して軟化させて中心軸に平行な方向に引き延ばす。ここで、例えば、屈折率ｎ１のガラス薄板１５１を用いて、透過型回折格子を製造する場合には、引き延ばし工程後において、引き延ばされたガラス薄板１５１に形成された溝の深さｔ２が、０．１／π（ｎ１ ２−１）１／２ μｍ以上、引き延ばされたガラス薄板１５１の溝の底部における厚さｔ１以下になるように、引き延ばし前のガラス薄板の厚さＴ１、引き延ばし前の溝の深さ及び引き延ばし工程における引き延ばし量を設定することが好ましい。引き伸ばしに従いガラス薄板１５１に形成された溝の深さが浅くなると同様に、引き伸ばしに従いガラス薄板１５１に形成された溝の幅は狭くなる。ここで、引き延ばし倍率は、例えば、１００倍〜２００００倍、好ましくは５００倍〜１００００倍の範囲に設定される。
（ｆ）第１切断工程
引き延ばされたガラス積層体１５１Ｌを引き延ばされたガラス支持体１４５とともに中心軸に直交する第１平面に平行な１対の平面で切断する（図１９Ａ）。
（ｇ）第２切断工程
第１切断工程で切断されたガラス積層体１５１Ｌおよびガラス支持体１４５を、中心軸に平行な第２平面に平行に切断する（図１９Ｂ）。第２平面は、積層工程において記載の一方向に平行である。
第２平面は、積層工程における溝１５２の開口部の長辺が並ぶ平面と平行である。ガラス薄板の第１主面の法線と第２平面とがなす角度が、例えば、実施形態１の透過型回折格子１００における傾斜角θに相当する。また、引き延ばし工程後の溝幅とcosθの積（入射平面と出射平面との間隔）が実施形態１の透過型回折格子１００の厚さｔに相当する。ここで、実施形態１等で説明したことから理解されるように、入射平面と出射平面との間隔ｔがｔ１cos２θ／sinθ以上、ｔ１／sinθ以下となるように、すなわち、引き延ばし工程後の溝幅がｔ１cos２θ／sinθcosθ以上、ｔ１／sinθcosθ以下となるように、設定することが好ましい。
実施形態５の透過型回折格子の製造方法によれば、スペーサー粒子による散乱がない回折効率の高い透過型回折格子を製造することができる。また、厚さｔ（入射平面と出射平面との間隔）を主にガラス薄板準備工程における溝幅と引き延ばし工程における引き延ばし量により制御できるので、所望の寸法範囲に仕上げることが、研磨加工（研磨加工寸法精度は±数ミクロン）より容易である。よって、実施形態５の透過型回折格子の製造方法によれば、回折効率の高い透過型回折格子を歩留りよく大量に製造することができる。
実施例１．
実施例１では、実施形態３の透過型回折格子の製造方法にしたがって、第１透光性領域１０が透明石英ガラスからなり、第２透光性領域２０は空気からなる透過型回折格子を作製する。
以下、実施例１について工程順に説明する。
〔ガラス板準備工程〕
透明石英ガラス板（屈折率１．４６）を準備する。
〔ガラス板加工工程〕
準備した透明石英ガラス板上にスパッタ成膜法によりＣｒ金属膜を成膜し、さらにその上にスピンコート法によってレジスト膜を形成する。次にフォトリソグラフィー技術（ステッパーや電子線描画装置など）を用いてピッチ３．１６μｍの周期で露光を行い、その後現像して、金属膜上に周期的に並んだストライプ状のレジストパターンを得る。このストライプ状のレジストパターンをマスクとして、その下部のＣｒ金属膜をドライエッチング装置（例えば、誘導性同軸プラズマ型反応性イオンエッチング（ＩＣＰ−ＲＩＥ）装置）を用いてエッチング加工し、さらにそのＣｒ金属膜をマスクとして、同じくドライエッチング装置を用いて透明石英ガラス板をエッチング加工する。エッチング後の形状は、金属マスクの形状およびドライエッチング条件（ドライエッチング用ガス種と流量、エッチング圧力、ＲＦパワー、など）により制御できる。本実施例１の透過型回折格子の作製においては、最終的な形状が設計形状となるよう、適宜ドライエッチング条件を変更して行う。最後に石英基板上に残ったＣｒ金属膜マスクをＣｒのみを溶解するエッチャントにより除去し、図１１Ａに示す透明石英ガラスからなるストライプ状の台形溝１３２の間にストライプ状の凸部１３１が形成されたガラス板１３０を２枚作製する。作製したガラス板１３０において、凸部１３１のピッチ（回折格子周期）は３．１６μｍ、凸部上面の幅は１．５２μｍ、凸部の底部の幅は１．６０μｍおよび凸部の高さが０．７６μｍである。
〔重ね合わせ工程〕
次に、図１１Ｂに示すように、２枚のガラス板１３０のうち一方を反転し、もう一方の上へ凹と凸が嵌合するように重ね、片側へ寄せる。
〔接合工程〕
次に、片側へ寄せたまま、図１１Ｃに示すように、２枚のガラス板を接合し合体させる。以上のようにして，２つの凸部１３１と２つのガラスベース１３３が一体化された石英ガラス中に、薄い空気層がθ傾いて並ぶ透過型回折格子が得られる。接合方法は、加圧融着、あるいは、接着（石英ガラスと屈折率が同等の接着剤を用いた接着、あるいは、直接接合）を用いることができる。
最後に、入射側の面および出射側の面を仕上げ研磨する。以上のようにして作製する透過型回折格子において、θ≒３．０１°、ｔ１≒３１１７ｎｍ、ｔ２≒３９ｎｍである。入射側の面には、誘電体多層膜からなる反射防止層を形成し、出射側の面には、誘電体多層膜からなる反射率制御層を形成する。波長λ＝４８８ｎｍの光を、図１１Ｄに示すように、入射平面に８．９°で入射すると、石英ガラス中の光は、波長３３４ｎｍとなり入射平面の法線と６．０８°の角をなして薄い空気層が３°傾いて並ぶ透過型回折格子を通過して、１次の透過回折光６１が出射平面から垂直方向に出射される。
以上のように作製された実施例１の透過型回折格子は、光を吸収する金属等が光路に存在しないため、光吸収による発熱やその発熱による劣化がなく、高い光密度で動作させた場合でも発熱による光路ズレや、部材の光劣化がなく、信頼性を高めることができる。
尚、ストライプ状の凸部が周期的に形成されたガラス板１３０は、単独でも透過型回折格子として機能するが、実施例１の透過型回折格子は、一方のガラス板（透過型回折格子）の台形溝の側面の片方と、もう一方のガラス板（透過型回折格子）の断面が台形の凸部の側面の片方とが接合されるため、２次の透過回折光の強度が単独の透過型回折格子のときより減少し、１次の透過回折光を強めることができる。また、機械強度が２枚のガラス板（透過型回折格子）を合体させるため１枚のときより高まる。また、回折格子周期が同じで一枚の透過型回折格子の凸部がもう一枚の凹部と嵌合でき、接合し合体させる凸部の側面と凹部の側面が平行である２枚の透過型回折格子を用いることもできる。
実施例２．
実施例２では、実施例１に比較して０次の透過回折光６０をより抑制することができる透過型回折格子を実施形態４の製造方法にしたがって作製する。以下、実施例２について工程順に説明をする。
〔ガラス薄板準備工程〕
幅、長さ及び厚さの等しい複数のガラス薄板１４１（例えば、屈折率１．５１、厚さ０．０５ｍｍ、幅５００ｍｍ、長さ１０００ｍｍ）を準備する。
〔積層工程〕
厚さ７ｍｍのガラス板１４０ａ（幅５１４ｍｍ、長さ１０１４ｍｍ）の上に、準備したガラス薄板１４１の１枚を、ガラス板１４０ａの中央に置く。その上にスペーサー粒子１４２（例えば、液晶を製造する際に使用されるφ５μｍの球形シリカ粒子）を乾式で散布して単一粒子に分散させる（図１２Ａ）。次に別のガラス薄板１４１を、最初に置いたガラス薄板と縦横の縁を揃えて最初に置いたガラス薄板の上に重ねる（図１２Ｂ）。スペーサー粒子１４２の散布と準備したガラス薄板１４１の重ねることを交互に繰り返し、ガラス薄板１４１を１万枚積み重ねたガラス積層体１４１Ｌを作製する（図１２Ｃ）。空気中で積み重ねているので各ガラス薄板間に、スペーサー粒子１４２と、空気が存在することになる。
〔密封工程〕
さらに、厚さ７ｍｍのガラス板１４０ｂ〜１４０ｆでガラス積層体１４１Ｌの側面および上面を覆う。ガラス板１４０ａ〜１４０ｆをガラス積層体１４１Ｌの上下面及び側面に溶着し、封止ガラス積層体１４１ＬＳを作製する（図１２Ｄ）。この際、各ガラス薄板１４１の周縁は側面を囲むガラス板（厚さ７ｍｍ）１４０ｃ〜１４０ｆと溶着する。各ガラス薄板１４１間に、層状に空気が閉じ込められる。
〔支持工程〕
さらに、封止ガラス積層体ＬＳをガラス丸管（厚さ7ｍｍ、内径７６５ｍｍ）１４３の内部に挿入し、すきまにガラス棒１４４を充填する。ガラス丸管１４３とガラス棒１４４を含みガラス支持体は構成される（図１３、図１４）。以上のようにして、封止ガラス積層体ＬＳとガラス支持体とからなる母材（プリフォーム）を作製する。ガラス支持体の形状を、回転体形状（例えば、円柱および円錐台の組合せからなる形状）とするのは、引き伸ばし工程での加熱を均一に行い易くするためである。
〔引き延ばし工程〕
次に、加熱して、母材（プリフォーム）を、その中心軸方向に引き延ばす。約９１６倍に引き延ばすと外径約２５．７ｍｍの封止ガラス積層体ＬＳ（ガラスロッド）となる（図１５）。ガラス積層体Ｌ内部の空気はそのままとし、ガラス支持体とガラス積層体Ｌの間の空気は、引き延ばす際に支持管１４６及び延長管１４７を経由し母材の開口部から排出される。そして、ガラス丸管１４３とガラス棒１４４は溶着して一体化される。一方、ガラス積層体Ｌの各ガラス薄板間の層状の空気は閉じ込められているため、ガラス薄板と共に引き延ばされて薄い隙間となる。引き延ばした後の、内部のガラス薄板の並ぶ周期は、母材（プリフォーム）の約３０．３分の一となり、１．８１７μｍ周期（ガラス薄板１．６５２μｍ、空気層０．１６５μｍ）となる。
〔切断工程〕
ガラス積層体Ｌ（回転体形状）の引き延ばし方向に平行な中心軸とガラス薄板１４１の法線を含む平面に垂直、かつ、ガラス薄板１４１の法線からθ＝９．９７°傾いた平面に平行に厚さが１ｍｍになるようにスライスする（図１６Ａ。スライスしたガラス集合体（図１６Ｂ）を片面光学研磨した後、その研磨面に両面光学研磨したガラス厚板（厚さ５ｍｍ、屈折率１．５１）に接合する。この接合は、気泡等が入らないように接合する。接合方法は、透明光学用接着剤、あるいは溶着など、公知の方法を用いることができる。研磨時に研磨砥粒等がスライスしたガラス集合体内部（ガラス薄板間）に入ることを防ぐために、ＰＶＡ（polyvinyl alcohol、ポリビニルアルコール）等をスライスしたガラス集合体のガラス薄板間に充填してもよく、ＰＶＡ等は研磨後に温水や有機溶剤等を用い除去できる。
〔光学研磨工程〕
スライスしたガラス集合体のもう一方の面を研磨し薄型化した後に光学研磨仕上げし、回折格子（ガラス集合体内部のガラス薄板と空気層の積層体）の厚さをｔ＝９μｍ（８．９７μｍ〜９．５４μｍの間の厚み）とする（つまり、回折格子とガラス厚板（厚さ５ｍｍ）との合計厚５．００９ｍｍとする。）。
〔ガラス厚板接合工程〕
回折格子の研磨面に両面光学研磨したガラス厚板（厚さ５ｍｍ、屈折率１．５１）を接合する。このようにして、図７に示す透過型回折格子を作製する。
〔誘電体多層膜形成工程〕
実施例２の透過型回折格子では、さらに片側のガラス厚板に、誘電体多層膜（例えば、Ａｌ２Ｏ３膜（屈折率１．６４）／ＺｒＯ２膜（屈折率２．００）／ＭｇＦ２膜（屈折率１．３８））からなる反射防止膜を形成し、レーザ光入射平面とする。もう片方のガラス厚板に、所望の反射率の誘電体多層膜を形成し、レーザにフィードバックする２次の反射回折光の光量を調節する。
実施例２の透過型回折格子では、上述したように、ガラス集合体（ガラスロッド）をガラス薄板１４１の法線からθ＝９．９７°傾いた平面に平行にスライスするので、回折格子周期は、１．８４５μｍとなる。
この実施例２の透過型回折格子に、入射平面側から波長９５０ｎｍの直線偏光のレーザ光をＰ偏光として入射角３１°で入射すると、スネルの法則により、空気と屈折率１．５１のガラス厚板との界面で屈折角１９．９４°で屈折する。レーザ光は、ガラス厚板中では波長６２９ｎｍとなり、回折格子周期１．８４５μｍを有する回折格子領域へ進む。１次の回折条件が満たされるので、１次回折光強度が強くなり、ガラス厚板の法線方向に、１次の透過回折光が出射される。入射角３１°なので、許容される透過回折次数は、０次、１次、２次のみで、回折角はそれぞれ、ガラス厚板の法線を基準として３１°、０°、−３１°である。ガラス薄板中を反射界面２７に相当するガラス薄板と空気層との界面への入射角は、８０．０３°で、臨界角４１．４７°より大きいので、界面での全反射条件を満たす。空気層の厚さは０．１６５２μｍであり、波長９５０ｎｍの１７．４％あり、エバネッセント場の厚さ（入射角８０．０３°のとき波長の７．２％）の倍以上あるので、透過光強度はほとんどない。回折格子の厚さは９μｍあり、ガラス薄板と空気層との界面に当たらずガラス薄板中を直進し透過する０次の透過回折光はなくなる。通常、０次の回折光強度を除き、１次の回折光強度が２次以上の回折光強度より大きいから、効率よく入射光を１次回折光へ変換できる。
１ｍｍ厚にスライスした後に約９μｍ厚まで薄くするのは、空気層と空気層で挟まれたガラス薄板内での多重反射をなくすためである。約９μｍ厚では取扱いに必要な機械的強度等が足りないため、ガラス厚板を両面に接合する。従来型の透過型回折格子でロスとなる回折格子表面および裏面の反射光は、等しい屈折率のガラスで挟んでいるので、ガラス薄板からの正反射光はなく、０．１６５μｍ厚と薄い空気層の入射側端部による正反射（および１次および２次の反射回折）光が残るのみである。レーザ光入射平面となるガラス厚板に、誘電体多層膜からなる反射防止膜が形成されているため、反射光の発生が抑制されている。
実施例２の製造方法では、ガラス積層体ＬＳ（ガラスロッド）をスライスして透過型回折格子を作製するため、多数枚を同時に作製可能であり、１枚１枚を電子線描画や干渉露光法により回折格子を刻むより、量産性に優れる。ちなみに、上記の実施例では１０００ｍｍの長さの母材を約９１６倍に引き伸ばし１ｍｍ厚でスライスするので、９００,０００枚以上の回折格子が作製できることになる。
以上のように作製される実施例２の透過型回折格子は、光吸収する金属等が光路に存在しないため、光吸収による発熱や劣化がなく、高光密度での動作時に発熱による光路ズレや、部材の光劣化がなく、信頼性を高めることができる。
スペーサー粒子１４２（球形シリカ粒子）を単一粒子に分散させる代わりに、ガラス薄板表面にエッチング等で複数の凸部を設けてもよい。ガラス薄板の表面に、より平滑な表の面と表の面に対向する裏の面がある場合、表の面が反射界面２７となるようにする。ガラス薄板の裏の面にエッチング等で凸部を設け、エッチング等で加工した面が第１透光性領域１０の下面となるようにする。反射界面２７での反射により１次の透過回折光を増強するためである。
ガラス薄板を積み重なる方法として、角柱を回転させてガラス薄板を巻き取る工程の後、角柱の角側面毎に切断する工程を備える方法をとることができる。
実施例３
実施例３では、透過型回折格子を実施形態５の製造方法にしたがって作製する。以下、実施例３について工程順に説明をする。
〔溝付ガラス薄板準備工程〕
まず、厚さの等しい複数のガラス薄板（例えば、屈折率１．５１、厚さ０．０３ｍｍ、幅５００ｍｍ、長さ５００ｍｍ）それぞれの片面（第１主面）に溝１５２が形成されたガラス薄板１５１を準備する。
ガラス薄板の第１主面に形成される溝１５２は、例えば、長さ４６０ｍｍ、深さ１．５μｍ、底幅１６０μｍ、周期９２ｍｍで、引き伸ばし方向に６本形成される。ここで、ガラス薄板１５１の縁から溝までの間には、幅が約２０ｍｍの平坦部が残るように６本の溝が形成される（図１７Ａ）。溝の形成方法としては、公知のウェットエッチング、ドライエッチング、マイクロブラスト、超精密研削加工、レーザ加工、およびこれらの組合せを用いることができる。加工面の平坦性、溝深さの制御性、溝側面角度制御性、および加工反力の小さい溝の形成方法が好ましく、例えば、特開２００４−３０６１３４に開示されているレーザ誘起背面湿式加工法を用いることができる。
本実施例３においては、等脚台形の溝断面を有する溝の溝側面とガラス薄板の法線との角度を、９．８２°にすると、１９．６４°で入射する光の空気層端での２次の反射回折光強度を強くし、０次および１次の反射回折光の強度を抑制することができる。このようにすると、２次の反射回折光を外部共振器レーザにフィードバックする際に、フィードバック量が確保できる。
また、本実施例３では、溝底面で光を反射するため、散乱ロスを抑制するため、溝底面は平滑であることが、利用する１次の透過回折光強度を高め、ロスとなる２次の透過回折光を抑制するために好ましい。
〔積層工程〕
以上のように準備した溝１５２が形成されたガラス薄板１５１を１万枚積み重ねる（図１７Ｂ）。この際、溝を形成したガラス薄板１５１の第１主面とその上に積み重ねる溝を形成したガラス薄板１５１の第２主面とが接する。さらに、各ガラス薄板１５１に形成した溝１５２の向きを揃え、かつ、引き伸ばし方向に平行な溝端が同一平面に並ぶように積み重ねる。溝端が並ぶ平面がガラス薄板１５１の法線と９．８２°をなすようにする。最上面には、溝の無いガラス薄板１５１ａを重ねてガラス積層体１５１Ｌを作製する（図１７Ｃ）。
〔密封工程〕
ガラス積層体１５１Ｌの４つの側面近傍においてガラス薄板１５１同士を溶着し、溝内に空気を閉じ込める（図１７Ｄ，図１７Ｅ）。
〔引き延ばし工程〕
さらに、ガラス積層体１５１Ｌをガラス丸管１４３（厚さ７ｍｍ、内径７７１ｍｍ ）の内に挿入し、すきまにガラス棒１４４を充填し、両端をすぼめて母材（プリフォーム）を作製する。そして、母材を線引き機にかけて、加熱溶融して引き延ばす。ここでは、約１１２１倍に引き伸ばし、外径２３．４４ｍｍとする。このとき、内部の溝の空気層の並ぶ周期は、母材の約３３．５分の一となり、積層方向０．８９６μｍ周期（溝底部から隣の溝上面までｔ１≒０．８５１２μｍ、溝の空気層厚ｔ２≒０．０４４８μｍ、溝底幅４．７７６μm）、積層方向に直交する方向の周期約２．７５ｍｍとなる。
〔切断工程〕
引き延ばされたガラス積層体１５１Ｌ（円柱形状のガラスロッド）を、例えば、長さ３０．３ｍｍに中心軸に垂直な平面に平行に切断する（図１９Ａ）。その後、さらにその中心軸に平行、かつ、ガラス薄板の法線と９．８２°をなす平面に平行に厚さが２．５ｍｍ（切りしろ０．２５ｍｍ）になるように、例えば、ワイヤーソーでスライスし、矩形（幅約２３ｍｍ、長さ３０．３ｍｍ、厚さ２．５ｍｍ）のガラス板を６枚作製する。実施例３では、長さ５００ｍｍの母材から１００,０００枚以上の回折格子が作製できることになる（図１９Ｂ。この際、溝の空気層列がガラス板の厚さ中心付近となるようにスライスする。矩形のガラス板の中央に回折格子となる溝の空気列が、その領域の縦横比２：１で、並ぶ。
〔光学研磨工程〕
ガラスロッドをスライスしたガラス板の両面を光学研磨する。断面が台形の溝の長い底辺が上向き、短い底辺が下向きとなるようにガラス板を置いたとき、ガラス板の上面が入射側の面、ガラス板の下面が出射側の面となる。スライスする厚さを調整することにより、研磨量を抑制でき、実施例２で使用したガラス厚板を接合する工程を省略できる。
〔誘電体多層膜形成工程〕
実施例３では、３層の誘電体膜からなる反射防止膜を透過型回折格子の出力側の面に形成する。この場合、出力側の面を部分反射ミラーとすることもでき、半導体レーザへのフィードバック量を誘電体多層膜の反射率により調節できる。これにより、ＷＢＣ方式のレーザ装置において、外付け部分反射ミラーを省略することができる。外付け部分反射ミラーを回折格子と一体で構成することにより、外付け部分反射ミラーと回折格子との位置ズレなどが生じることがなく、レーザ装置の信頼性を向上させることができる。
実施例３で作製される透過型回折格子をＷＢＣ方式のレーザ装置に用いる場合は、水平な入射面（光軸を含む面）に回折格子を構成する溝の空気列が直交するように矩形のガラス板を配置し、例えば、縦横比２：１（縦１２ｍｍ、横６ｍｍ）の楕円形のＰ偏光の半導体レーザ光（波長４６０ｎｍ）を３０．５°で入射させる。スネルの法則より、入射光は、空気とガラスの界面（図７における第１透光性部材１１１の外側の面に相当する面）で屈折角１９．６４°で屈折する。溝の空気層厚は引き伸ばされたガラス薄板厚より薄いから、大半の入射光はガラス中を直進し、溝の底のガラスと空気層との界面（反射界面２７）へ入射角８０．１８°で入射する。入射角が臨界角４１．４７°より大きいため反射界面２７で全反射する。溝の空気層厚０．０４４８μｍは、４６０ｎｍの波長の９．７％なので、エバネッセント場の厚さ７．２２％より大きいので、透過光強度はほとんどないからである。溝の空気層幅約４．８μｍは、反射することなく直進し透過する光を発生させるほど小さくはなく、かつ、反射光が隣の溝上界面（第２反射界面）で反射するほど大きくないため、０次の透過回折光を十分抑制する。反射界面で１回正反射した１次の透過回折光は垂直に出射側境界面（図７における第２透光性部材１１２の外側の面に相当する面）へ向かう。ガラス中の入射光と入射平面側の溝の空気層端部のガラス／空気層界面は、直交しているため、薄い空気層の端にあたった入射光が反射され、２次の反射回折光として半導体レーザへ戻る。部分反射ミラーとした出力側境界面での反射光も２次の反射回折光として半導体レーザへ再帰反射される。
実施例３の溝形成工程では、深さ１．５μｍと浅い溝を形成したが、レーザ誘起背面湿式加工法を用いる場合、アスペクト比１００を超える深溝加工ができるので、深溝形成した透明ガラス板（厚さ２ｍｍ）を、浅溝加工したガラス板の代わりに用いることもできる。
以上の実施形態及び実施例で説明した透過型回折格子は、波長ビーム結合方式の発光装置の波長分散素子として用いることができる。つまり、種々の工業用途（加熱、切断、溶接、等）等の発光装置に用いることができる。また、分光器等の光学機器の波長分散素子として用いることができる。
１０ 第１透光性領域
１０ａ 第１の透明材料板
１１，１２，１３，１４ 側面
１５，１６ 底面
２０ 第２透光性領域
２０ａ 第２の透明材料
２１，２２，２３，２４ 側面
２５，２６ 底面
２７ 反射界面
２８ 第２反射界面
２８ａ 第２反射界面
３０ 入射平面
４０ 出射平面
６１ １次の透過回折光
８０ 切断面
１００，１１０Ａ，１１０Ｂ，１２０ 透過型回折格子
１１１ 板状の第１透光性部材
１１２ 板状の第２透光性部材
１２１ ウェッジプリズム
１２１ａ 入射表面
１３０ ガラス板
１３０ａ 第１主面
１３０ｂ 第２主面
１３１ ストライプ状の凸部
１３２ 台形溝
１３２ａ，１３２ｂ 側壁
１３３ ガラスベース
１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄ，１４０ｅ，１４０ｆ ガラス板
１４１，１５１，１５１ａ ガラス薄板
１４１Ｌ，１５１Ｌ ガラス積層体
１４１ＬＳ 封止ガラス積層体
１４２ スペーサー粒子
１４３ ガラス丸管
１４４ ガラス棒
１４５ 支持体
１５１ｍ１ 第１主面
１５１ｍ２ 第２主面
１５１ｓ１ 第１側面
１５１ｓ２ 第２側面
１５１ｓ３ 第３側面
１５１ｓ４ 第４側面
１５２ 溝
１５３ 端面
２００ レーザアレイ
３１０ 入射側光学系（コリメートレンズ）
３２０ 出射側光学系（集光レンズ）
４００ 出力光ファイバー
５００ 光源装置

Claims (3)

  1. （ａ）互いに異なる波長λ ｉ を有する複数のレーザ光を異なる位置から出射させるレーザアレイと、
    （ｂ）屈折率がｎ１である第１透光性領域と屈折率がｎ１より小さいｎ２である第２透光性領域とが交互に配置されてなり、入射平面と出射平面とを有する回折格子周期ｄの透過型回折格子であって、
    前記第１透光性領域と前記第２透光性領域の複数の界面のうちの前記第１透光性領域を通過した光が入射される反射界面は、互いに平行でかつ前記反射界面の法線が前記入射平面及び前記出射平面に対して傾斜角θ（０°＜θ＜９０°）で傾斜しており、
    前記反射界面に直交する方向の前記第１透光性領域の厚さをｔ１と、前記第２透光性領域の厚さをｔ２としたとき、
    厚さｔ２が、０．１／π（ｎ１ ２−ｎ２ ２）１／２ μｍ以上、ｔ１以下である透過型回折格子と、
    （ｃ）前記レーザアレイと前記透過型回折格子との間に設けられ、前記レーザアレイから出射される前記波長λ ｉ の複数のレーザ光それぞれに対応する入射角α ｉ で透過型回折格子の入射平面に入射させる光学系と、
    を備え、
    前記波長λ ｉ と前記入射角α ｉ が、ｄsinα ｉ ＝λ ｉ の関係式を満たすレーザ装置。
  2. 前記入射平面と前記出射平面間の距離ｔは、ｔ１cos２θ／sinθ以上、ｔ１／sinθ以下である請求項１に記載のレーザ装置。
  3. 前記出射平面に誘電体多層膜を備えた請求項１又は２に記載のレーザ装置。
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