JP7381205B2 - 光学素子 - Google Patents
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Description
本開示は、光学素子に関する。
従来の光学素子として、例えば非特許文献１，２に記載の光学素子がある。この光学素子は、単一の波長の光を透過させる媒質中にギャップを有している。光学素子に入射した光は、媒質とギャップとの界面で全反射する光と、当該界面で生じるエバネッセント波を介してギャップを通過する光とに分波する。光の分離比は、ギャップの間隔を調整することによって可変となっている。
IanN. Court and Frederic K. von Willisen, "Frustrated Total Internal Reflectionand Application of Its Principle", Applied Optics 6, 719 (1964)
N.J. Harrick, Internal Reflection Spectroscopy, 3rd printing (Harrick ScientificCorp., New York, 1987), p.37
例えばテラヘルツ波を発生させる差周波発生テラヘルツ量子カスケードレーザ（ＴＨｚＤＦＧ－ＱＣＬ）では、広帯域のテラヘルツ波と波長１０μｍ程度の中赤外光とが同軸或いは略同軸で出力される。このようなレーザ装置は、例えばテラヘルツ波を用いた分光計測などへの適用が考えられる。従来のテラヘルツ波を用いた分光計測では、中赤外光をカットし、テラヘルツ波のみを測定に用いることが検討されてきた。しかしながら、テラヘルツ波と中赤外光とを併用することで、分光計測の応用の幅が更に広がることも期待される。
このような技術の実現のためには、互いに異なる波長の光を高効率で分波／合波することが可能な光学素子が必要となる。しかしながら、上述した非特許文献１，２の光学素子は、単一の波長の光の分波を行うものであり、互いに異なる波長の光の分波／合波については考慮されていない。また、誘電体多層膜を用いた光学素子では、高出力の光に対して劣化及び損傷が生じることが考えられる。
本開示は、上記課題の解決のためになされたものであり、互いに異なる波長の光を高効率で分波／合波することが可能な光学素子を提供することを目的とする。
本開示の一側面に係る光学素子は、第１の光及び第１の光よりも波長が長い第２の光を透過可能な媒質からなる本体部を備え、本体部は、第１の光及び第２の光が入射する入射領域を有し、本体部の内部には、入射領域に対して傾斜し、且つ第１の光及び第２の光に対する屈折率が本体部よりも低い媒質が配置されたギャップが設けられ、本体部とギャップとの界面からのギャップ幅は、界面における第１の光のエバネッセント波の浸み出し長よりも大きく、且つ界面における第２の光のエバネッセント波の浸み出し長よりも小さくなっている。
この光学素子では、ギャップ幅が界面における第１の光のエバネッセント波の浸み出し長よりも大きくなっている。このため、本体部に入射した第１の光は、ギャップをほぼ通過することなく、界面で全反射した後に本体部から出射する。一方、この光学素子では、ギャップ幅が界面における第２の光のエバネッセント波の浸み出し長よりも小さくなっている。このため、本体部に入射した第２の光は、エバネッセント波を介してギャップを通過した後、本体部から出射する。したがって、この光学素子では、本体部とギャップとの界面において、互いに異なる波長の光を高効率で分波／合波することが可能となる。
本体部は、第１の光及び第２の光が同軸で入射する入射領域と、界面で反射した第１の光が出射する出射領域とを有する第１の部分と、ギャップを通過した第２の光が出射する出射領域を有する第２の部分と、によって構成されていてもよい。この場合、互いに異なる波長の光を高効率で分波する光学素子を簡便に構成できる。
本体部は、第２の光が入射する入射領域を有する第１の部分と、第１の光が入射する入射領域と、界面で反射した第１の光とギャップを通過した第２の光とが同軸で出射する出射領域とを有する第２の部分と、によって構成されていてもよい。この場合、互いに異なる波長の光を高効率で合波する光学素子を簡便に構成できる。
本体部は、ギャップを形成するスペーサを備えていてもよい。この場合スペーサにより、所望のギャップ幅を有するギャップを容易に形成することができる。
スペーサは、第１の部分及び第２の部分の少なくとも一方に設けられた凸部によって構成されていてもよい。これにより、スペーサを簡便に構成することができる。
スペーサは、第１の部分及び第２の部分によって挟持された枠状部材によって構成されていてもよい。これにより、スペーサを簡便に構成することができる。
スペーサは、第１の部分及び第２の部分によって挟持された繊維、粒子、及び柱状部材の少なくとも一つによって構成されていてもよい。これにより、スペーサを簡便に構成することができる。
スペーサは、液体によって構成され、第１の部分と第２の部分とは、液体を介して結合されていてもよい。この場合、スペーサの構成と、本体部における第１の部分及び第２の部分の結合とを液体によって同時に実現できる。また、ギャップを液体によって一様に充填できる。
本体部は、球状をなしていてもよい。この場合、第１の光及び第２の光の入射角度の可変性を高めることができる。また、入射角度を可変とした場合の入射角度と出射角度との角度差の維持が容易となる。
本体部は、第１の光及び第２の光の入射角度又は出射角度を調整するカプラを更に備えていてもよい。この場合、第１の光及び第２の光の入射角度又は出射角度の可変性を高めることができる。
第２の光の波長は、第１の光の波長の７倍以上であってもよい。この場合、第１の光及び第２の光を一層十分な効率で分波／合波することができる。
本開示によれば、互いに異なる波長の光を高効率で分波／合波することができる。
以下、図面を参照しながら、本開示の一側面に係る光学素子の好適な実施形態について詳細に説明する。
［光学素子の構成］
［光学素子の構成］
図１は、分波素子としての光学素子の構成の一例を示す概略的な断面図である。同図に示すように、この光学素子１は、第１の光Ｌ１及び第１の光Ｌ１よりも波長が長い第２の光Ｌ２を分波する分波素子１Ａとして構成されている。分波／合波の対象となる第１の光Ｌ１及び第２の光Ｌ２については特に限定はなく、例えば中赤外光とテラヘルツ波、可視光とテラヘルツ波、可視光と赤外光、紫外光と中赤外光といった種々の組み合わせに適用できる。ここでは、第１の光Ｌ１及び第２の光Ｌ２として、差周波発生テラヘルツ量子カスケードレーザ（ＴＨｚＤＦＧ－ＱＣＬ）から同軸或いは略同軸で出力される２つの光を例示する（同軸の状態を図示する）。この場合、第１の光Ｌ１は、波長１０μｍ程度の中赤外光であり、第２の光Ｌ２は、波長１００μｍ程度のテラヘルツ波である。
光学素子１は、第１の光Ｌ１及び第２の光Ｌ２を透過可能な媒質からなる本体部２を備えている。本体部２を構成する媒質としては、例えば高抵抗シリコン、ゲルマニウム、酸化マグネシウム、水晶、サファイア、シクロオレフィンポリマーなどが挙げられる。本体部２は、第１の部分２Ａと、第２の部分２Ｂと、スペーサ３とによって構成され、これらが結合することによって数十ｍｍ角程度の略立方体形状をなしている。
第１の部分２Ａは、本体部２を二分した一方の三角柱状部分であり、第２の部分２Ｂは、本体部２を二分した他方の三角柱状部分である。第１の部分２Ａにおける矩形の側面の一方は、第１の光Ｌ１及び第２の光Ｌ２が或いは略同軸で入射する入射領域５となっている。第１の部分２Ａにおける矩形の側面の他方は、第１の光Ｌ１が出射する第１の出射領域６Ａとなっている。第２の部分２Ｂにおいて、入射領域５と対向する矩形の側面は、第２の光Ｌ２が出射する第２の出射領域６Ｂとなっている。図１の例では、入射領域５に対する第１の光Ｌ１及び第２の光Ｌ２の入射角度は、９０°となっている。
本体部２の内部には、入射領域５に対して傾斜したギャップ７が設けられている。図１の例では、入射領域５に対するギャップ７の傾斜角度は、４５°となっている。ギャップ７には、第１の光Ｌ１及び第２の光Ｌ２に対する屈折率が本体部２よりも低い媒質が配置されている。ギャップ７内に配置される媒質としては、例えば空気、ポリテトラフルオロエチレン、ガラス、水晶、サファイア、パラキシリレン、テトラエトシキシラン（ＴＥＯＳ）などが挙げられる。ガラスは、テラヘルツ波に対する透過性が低い媒質であるが、ギャップ７での伝搬距離が非常に短いため、ギャップ７内に配置される媒質として用いることが可能である。
本体部２とギャップ７との界面Ｒは、第１の部分２Ａの傾斜面及び第２の部分２Ｂの傾斜面によって構成されている。第１の部分２Ａの傾斜面及び第２の部分２Ｂの傾斜面は、いずれも第１の部分２Ａにおいて入射領域５となる側面に対して傾斜している。また、第１の部分２Ａの傾斜面と第２の部分２Ｂの傾斜面とは、互いに平行或いは略平行となっている。これにより、ギャップ７は、入射領域５に対して傾斜した状態となっている。界面Ｒからのギャップ幅（２つの界面Ｒ，Ｒ間を結ぶ垂線方向の幅）Ｗは、図２に示すように、界面Ｒにおける第１の光Ｌ１のエバネッセント波Ｅ１の浸み出し長Ｔ１よりも大きく、且つ界面Ｒにおける第２の光Ｌ２のエバネッセント波Ｅ２の浸み出し長Ｔ２よりも小さくなっている。
このギャップ幅Ｗは、スペーサ３によって維持されている。図１の例では、スペーサ３は、本体部２自体に設けられた枠状の凸部８（図４参照）によって構成されている。界面Ｒからの凸部８の高さは、ギャップ幅Ｗと一致しており、これにより、所望のギャップ幅Ｗが維持されるようになっている。ギャップ７内に配置される媒質が固体であり、均一の厚さを有するシート状をなしている場合、応力による本体部２の歪みや製造誤差などによるギャップ幅Ｗの設計値からのずれの抑制を図ることができる。
一般に、全反射面におけるエバネッセント波の浸み出し長は、入射する光の波長に比例して大きくなる。ギャップ幅Ｗが上記条件を満たすことにより、図１に示すように、入射領域５から入射した第１の光Ｌ１は、入射領域５側の界面Ｒで全反射し、第１の出射領域６Ａから出射する。一方、入射領域５から第１の光Ｌ１と同軸或いは略同軸で入射した第２の光Ｌ２は、エバネッセント波Ｅ２を介してギャップ７を通過し、第２の出射領域６Ｂから出射する。
したがって、この分波素子１Ａでは、本体部２とギャップ７との界面Ｒにおいて、互いに異なる波長の第１の光Ｌ１及び第２の光Ｌ２を高効率で分波することが可能となる。分波素子１Ａでは、中赤外光である第１の光Ｌ１は、界面Ｒで全反射し、ギャップ７には多少侵入する程度である。このため、中赤外光の熱等によって本体部２に劣化が生じることを回避できる。また、誘電体多層膜などと比較して構造も簡易であるため、製造コストを大きく抑えることが可能となる。
図３は、合波素子としての光学素子の構成の一例を示す概略的な断面図である。同図に示すように、この光学素子１は、第１の光Ｌ１及び第１の光Ｌ１よりも波長が長い第２の光Ｌ２を合波する合波素子１Ｂとして構成されている。合波素子１Ｂでは、第１の部分２Ａにおける矩形の側面の一方は、第２の光Ｌ２が入射する第２の入射領域５Ｂとなっている。また、第２の部分２Ｂにおいて、第２の入射領域５Ｂと直交する矩形の側面は、第１の光Ｌ１が入射する第１の入射領域５Ａとなっており、第２の入射領域５Ｂと対向する矩形の側面は、第１の光Ｌ１及び第２の光Ｌ２が同軸或いは略同軸で出射する出射領域６となっている。図３の例では、第１の入射領域５Ａに対する第１の光Ｌ１の入射角度、及び第２の入射領域５Ｂに対する第２の光Ｌ２の入射角度は、いずれも９０°となっている。
合波素子１Ｂでは、ギャップ幅Ｗが上記条件を満たすことにより、第１の入射領域５Ａから入射した第１の光Ｌ１は、第１の入射領域５Ａ側の界面Ｒで全反射し、出射領域６から出射する。一方、第２の入射領域５Ｂから入射した第２の光Ｌ２は、エバネッセント波Ｅ２を介してギャップ７を通過し、第１の光Ｌ１と同軸或いは略同軸で出射領域６から出射する。したがって、この合波素子１Ｂでは、本体部２とギャップ７との界面Ｒにおいて、互いに異なる波長の第１の光Ｌ１及び第２の光Ｌ２を高効率で合波することが可能となる。
光学素子１において、界面Ｒでの第１の光Ｌ１及び第２の光Ｌ２の透過率は、ギャップ幅Ｗ、傾斜角度、ギャップ７に配置される媒質の屈折率によって変化させることができる。本体部２を構成する媒質の屈折率をｎ０、ギャップ７に配置される媒質の屈折率をｎ１とした場合、入射光の界面Ｒでの透過率Ｔｐ，Ｔｓは、下記式（１）及び（２）を用いて求めることができる。Ｔｐはｐ偏光の透過率、Ｔｓはｓ偏光の透過率である。
上記式（１）及び（２）中のｙ，αｐ，αｓは、下記式（３）～（５）で表される。ｄはギャップ幅、φ０は界面Ｒに対する光の入射角、Ｎはｎ１に対するｎ０の比（＝ｎ０／ｎ１）、λは波長である。
上述した光学素子１の作製にあたっては、まず、第１の部分２Ａ及び第２の部分２Ｂを用意する。図４（ａ）の例では、第１の部分２Ａの傾斜面の縁部に切削或いはエッチングによって枠状の凸部８が設けられている。そして、第１の部分２Ａの傾斜面の凸部８に対して第２の部分２Ｂの傾斜面が合わさるように第１の部分２Ａと第２の部分２Ｂとを結合することにより、光学素子１を簡便に得ることができる。また、第１の部分２Ａに設けた凸部８により、所望のギャップ幅Ｗを有するギャップ７を容易に形成できる。
第１の部分２Ａと第２の部分２Ｂとの結合には、接着剤を用いてもよく、常温接合などの非接着の手法を用いてもよい。図４の例では、第１の部分２Ａ側に凸部８を設けているが、第２の部分２Ｂ側に凸部を設けてもよく、第１の部分２Ａ及び第２の部分２Ｂの双方に凸部を設けてもよい。また、図４（ｂ）に示すように、本体部２と同じ媒質によって形成した枠状部材９をスペーサ３とし、枠状部材９を挟持するように第１の部分２Ａ及び第２の部分２Ｂを結合してもよい。第１の部分２Ａと第２の部分２Ｂとの結合状態の維持のため、本体部２の外部に固定治具などを設けてもよい。
［光学素子の適用例］
［光学素子の適用例］
図５は、光学素子を適用した分光計測装置の構成例を示す概略図である。図５に示す分光計測装置１１は、テラヘルツ波Ｔを用いて被測定物Ｓに関する情報を取得する装置である。被測定物Ｓに関する情報としては、例えば吸収係数や屈折率といった光学定数などが挙げられる。分光計測装置１１は、光出力部１２と、上述した分波素子１Ａ及び合波素子１Ｂと、ミラー１３，１４と、波長変換素子１５と、光検出器１６とを含んで構成されている。
光出力部１２は、例えば差周波発生テラヘルツ量子カスケードレーザ（ＴＨｚＤＦＧ－ＱＣＬ）であり、テラヘルツ波Ｔと中赤外光Ｍとを同軸或いは略同軸で出力する。光出力部１２から出力したテラヘルツ波Ｔ及び中赤外光Ｍは、分波素子１Ａによって分波される。テラヘルツ波Ｔは、分波素子１Ａを通過した後、被測定物Ｓに作用（ここでは被測定物Ｓを透過）する。被測定物Ｓに作用したテラヘルツ波Ｔは、合波素子１Ｂを通過した後、波長変換素子１５を経て光検出器１６に入射する。中赤外光Ｍは、分波素子１Ａで反射し、テラヘルツ波Ｔから分岐する。テラヘルツ波Ｔから分岐した中赤外光Ｍは、ミラー１３，１４によって導光され、テラヘルツ波Ｔとは別の光路で合波素子１Ｂに入射する。中赤外光Ｍは、合波素子１Ｂにテラヘルツ波Ｔと合波され、波長変換素子１５を経て光検出器１６に入射する。
波長変換素子１５は、例えばニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）などの非線形光学結晶によって構成されている。また、光検出器１６は、例えば後述する波長変換後の波長の光に対する感度を十分に有する半導体検出器によって構成されている。波長変換素子１５にテラヘルツ波Ｔと中赤外光Ｍとが同時に入射すると、非線形光学効果によりテラヘルツ波Ｔ及び中赤外光Ｍとは異なる波長の光Ｍ’が発生する。波長変換素子１５で発生した光Ｍ’は、光検出器１６によって検出される。
波長変換素子１５で発生する光Ｍ’の光強度は、テラヘルツ波Ｔの電場強度に依存する。したがって、光Ｍ’の光強度を検出することで、テラヘルツ波Ｔの強度を間接的に検出することが可能となる。これにより、テラヘルツ波Ｔが作用した被測定物Ｓの情報を取得することができる。
［実施例］
［実施例］
図６は、実施例１に係る光学素子での界面での透過率の算出結果を示すグラフである。実施例１では、高抵抗シリコン（屈折率３．４２）によって本体部を形成し、ギャップに配置する媒質を空気（屈折率１）とし、ギャップ幅を１．５μｍとした場合の界面でのテラヘルツ波及び中赤外光の透過率を算出した。入射領域に対するギャップの傾斜角度は４５°とした。算出にあたって、本体部内での光の吸収及び界面での反射損失については考慮していない。
図６（ａ）は、テラヘルツ波の透過率を示すグラフである。同図に示すように、ｐ偏光については、周波数が大きくなるほど透過率が低下する傾向がある。周波数３ＴＨｚでのｐ偏光の透過率は、およそ４５％となっている。一方、ｓ偏光については、周波数が大きくなった場合でも透過率の低下は僅かである。３ＴＨｚでのｓ偏光の透過率は、９０％以上となっている。
図６（ｂ）は、中赤外光の透過率を示すグラフである。同図に示すように、ｐ偏光及びｓ偏光のいずれについても、波長が小さくなるほど透過率が低下する傾向があるが、波長１０μｍでのｐ偏光及びｓ偏光の透過率は、いずれも１０％未満となっている。すなわち、波長１０μｍでのｐ偏光及びｓ偏光の反射率は９０％以上であり、テラヘルツ波と中赤外光とを高い効率で合波／分波できることが分かる。
図７は、実施例２に係る光学素子での界面での透過率の算出結果を示すグラフである。実施例２では、高抵抗シリコン（屈折率３．４２）によって本体部を形成し、ギャップに配置する媒質をパラキシリレン（屈折率１．６２）とし、ギャップ幅を２μｍとした場合の界面でのテラヘルツ波及び中赤外光の透過率を算出した。入射領域に対するギャップの傾斜角度は４５°とした。算出にあたって、本体部内での光の吸収及び界面での反射損失については考慮していない。
図７（ａ）は、テラヘルツ波の透過率を示すグラフである。同図に示すように、ｐ偏光及びｓ偏光のいずれについても、周波数が大きくなるほど透過率が低下する傾向があるが、周波数３ＴＨｚでのｐ偏光及びｓ偏光の透過率は、いずれも９０％以上となっている。図７（ｂ）は、中赤外光の透過率を示すグラフである。同図に示すように、ｐ偏光及びｓ偏光のいずれについても、波長が小さくなるほど透過率が低下する傾向がある。波長１０μｍでのｐ偏光及びｓ偏光の透過率は、いずれも１０％未満となっている。すなわち、波長１０μｍでのｐ偏光及びｓ偏光の反射率は９０％以上であり、テラヘルツ波と中赤外光とを高い効率で合波／分波できることが分かる。
なお、実施例１と実施例２とを比較すると、テラヘルツ波及び中赤外光のいずれについても、実施例２のほうが実施例１に比べてｐ偏光の透過率が顕著に大きくなっている。したがって、ｐ偏光及びｓ偏光の双方の分波／合波の効率を確保する場合には、ギャップに配置する媒質の屈折率を高くする（本体部の屈折率に近づける）ことが好適である。
図８は、光学素子での界面での透過率の波長依存性の一例を示すグラフである。この例では、実施例２と同様にギャップに配置する媒質をパラキシリレンとし、ギャップ幅を変えた場合の透過率の波長依存性を算出している。図８（ａ）は、ギャップ幅を１．５μｍとした場合の結果である。同図に示すように、波長７μｍ（中赤外光に相当）でのｐ偏光及びｓ偏光の透過率は、いずれも１０％未満となっている。これに対し、波長４９μｍ（約６ＴＨｚのテラヘルツ波に相当）より長波長側でのｓ偏光の透過率は９０％以上となっている。
図８（ｂ）は、ギャップ幅を２．３μｍとした場合の結果である。同図に示すように、波長１２μｍ（中赤外光に相当）でのｐ偏光及びｓ偏光の透過率は、いずれも１０％未満となっている。これに対し、波長８４μｍ（約３．５ＴＨｚのテラヘルツ波に相当）より長波長側でのｓ偏光の透過率は９０％となっている。これらの結果から、光学素子に入射する第２の光の波長が第１の光の波長の７倍以上である場合には、９０％以上の高い効率で分波／合波を実現できることが分かる。
図９は、光学素子での界面での透過率の波長依存性の別例を示すグラフである。この例では、可視光及び赤外光を対象とした波長依存性を算出している。ここでは、ガラス又は透明性を有する樹脂（屈折率１．７）によって本体部を形成し、ギャップに配置する媒質を空気（屈折率１）とし、ギャップ幅を０．１μｍとした。図９に示すように、波長０．４μｍ（可視光に相当）でのｐ偏光及びｓ偏光の透過率は、いずれも１０％未満となっている。これに対し、波長２．８μｍ（赤外光に相当）より長波長側でのｐ偏光及びｓ偏光の透過率は９０％以上となっている。これらの結果からも、光学素子に入射する第２の光の波長が第１の光の波長の７倍以上である場合には、９０％以上の高い効率で分波／合波を実現できることが分かる。
第１の光及び第２の光が複数の波長を有する場合或いは一定の波長帯域を有する場合、第２の光の波長帯域の最短波長が第１の光の波長帯域の際長波長の７倍以上である場合に、９０％以上の高い効率で分波／合波を実現できる。
［変形例］
［変形例］
光学素子１には、種々の変形を適用可能である。図１０は、スペーサの変形例を示す概略的な斜視図である。同図の例では、凸部（図１及び図４参照）に代えて、第１の部分２Ａ及び第２の部分２Ｂとは別体の枠状部材２１Ａがスペーサ３として用いられている。枠状部材２１Ａは、例えば金属によって形成され、第１の部分２Ａ及び第２の部分２Ｂの傾斜面の形状に応じた矩形状をなしている。枠状部材２１Ａの形成材料としては、例えば金、銀、白金、クロム、ステンレス、アルミニウムなどが挙げられる。枠状部材２１Ａは、互いに対向する２辺の中点同士を結ぶ十字状の支持片２２Ａを有している。この支持片２２Ａにより、枠状部材２１Ａの撓みを抑制することが可能となり、所望のギャップ幅Ｗをより確実に維持することができる。
枠状部材２１Ａに支持片２２Ａを設ける場合、当該支持片２２Ａと第２の光Ｌ２の光路とが重なることがある。しかしながら、支持片２２Ａの幅を第２の光Ｌ２の波長の１／１０以下程度にしておくことで、第２の光Ｌ２の透過性への影響を抑えることができる。例えば第２の光Ｌ２が１ＴＨｚのテラヘルツ波である場合、支持片２２Ａの幅を３０μｍ以下とすればよい。一方、第２の光Ｌ２に比べて波長が短い第１の光Ｌ１については、支持片２２Ａの幅は無視できないが、光学素子１においては、界面Ｒで全反射すべき第１の光Ｌ１の一部の反射が支持片２２Ａによる反射に置き換わるだけである。したがって、光学素子１において支持片２２Ａが第１の光Ｌ１の分波／合波に影響することは殆ど無い。
枠状部材の構成は、種々の変形を採り得る。例えば図１１（ａ）に示す枠状部材２１Ｂのように、対角同士を結ぶ十字状の支持片２２Ｂを設けた構成としてもよい。また、図１１（ｂ）に示す枠状部材２１Ｃのように、対角同士を結ぶ十字状の辺と同心円状の辺とを組み合わせた支持片２２Ｃを設けた構成としてもよい。このような枠状部材２１Ｂ，２１Ｃを用いた場合でも、支持片２２Ｂ，２２Ｃにより枠状部材２１の撓みを抑制することが可能となり、所望のギャップ幅Ｗをより確実に維持することができる。
スペーサ３は、図１２に示すように、第１の部分２Ａ及び第２の部分２Ｂによって挟持された繊維３１、粒子３２、柱状部材３３の少なくとも一つによって構成されていてもよい。繊維３１或いは粒子３２を用いる場合、図１２（ａ）に示すように、繊維３１或いは粒子３２の直径の最大値をギャップ幅Ｗの設計値と一致させることで、ギャップ幅Ｗを好適に維持することができる。繊維３１及び粒子３２を組み合わせてスペーサ３を構成してもよい。繊維３１及び粒子３２の材質としては、例えばシクロオレフィンポリマー、セルロース、ポリアミド、アクリル、ポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレン、リテトラフルオロエチレンなどが挙げられる。第２の光Ｌ２の波長によっては、ガラス、シリコン、酸化アルミニウムを用いることもできる。繊維３１及び粒子３２は、例えば第１の部分２Ａの傾斜面及び第２の部分２Ｂの傾斜面への吹き付けによって形成され得る。吹き付けの際、繊維３１及び粒子３２の凝集を防止するために静電ガンを用いてもよい。
柱状部材３３を用いる場合、図１２（ｂ）に示すように、柱状部材３３の高さをギャップ幅Ｗの設計値と一致させることで、ギャップ幅Ｗを好適に維持することができる。柱状部材３３の材質としては、例えばフォトレジストを用いることができる。柱状部材３３は、例えばスピンコート法を用いて第１の部分２Ａの傾斜面及び第２の部分２Ｂの傾斜面にスペーサ材料を塗布した後、プレベーク、露光、現像を経て形成され得る。
スペーサ３は、図１３に示すように、液体３４によって構成されていてもよい。液体３４としては、例えば水、エタノール、アセトン、フッ素系不活性液体が挙げられる。この場合、第１の部分２Ａと第２の部分２Ｂとは、液体３４を介して結合され、液体３４は、ギャップ７に配置される媒質となる。第１の部分２Ａと第２の部分２Ｂとの結合にあたっては、例えばギャップ７の面積及びギャップ幅Ｗの設計値に基づいて必要な液体３４の体積を設定する。次に、第１の部分２Ａの傾斜面又は第２の部分２Ｂの傾斜面に液体３４を滴下し、第１の部分２Ａの傾斜面に対して第２の部分２Ｂの傾斜面を押し付ける。これにより、液体３４の表面張力等が作用し、第１の部分２Ａと第２の部分２Ｂとが十分な密着性をもって結合される。
図１及び図３の例では、入射領域５に対するギャップ７の傾斜角度が４５°であったが、傾斜角度は任意に設定可能である。また、図１及び図３の例では、入射領域５に対する第１の光Ｌ１及び第２の光の入射角が９０°となっているが、当該入射角は任意の角度としてよい。この場合、光学素子１による分波／合波の効率を調整することができる。
また、分波後の第１の光Ｌ１及び第２の光Ｌ２或いは合波前の第１の光Ｌ１及び第２の光Ｌ２が互い非直交となるように、本体部２において入射領域５及び出射領域６を構成する側面の角度が非直交となっていてもよい。このような構成を採用する場合、例えば図１４に示す光学素子４１のように、第１の光Ｌ１及び第２の光Ｌ２の入射角度又は出射角度を調整するカプラ４２を本体部２に設けてもよい。カプラ４２は、例えば本体部２と同じ材料によって構成されている。図１４の例では、第１の部分２Ａにおいて第１の光Ｌ１の出射領域となる側面に三角柱状のカプラ４２が設けられている。これにより、カプラ４２の傾斜面が第１の出射領域６Ａとなり、分波後の第１の光Ｌ１及び第２の光Ｌ２が互いに非直交となっている。カプラ４２は、本体部２に対して着脱自在であってもよい。
図１５に示す光学素子５１のように、本体部２は、球状をなしていてもよい。この場合、第１の部分２Ａ及び第２の部分２Ｂをそれぞれ半球状とし、これらを結合することで球状の本体部２が構成され得る。本体部２が球状をなす場合、第１の光Ｌ１及び第２の光Ｌ２の入射位置により、光学素子１による分波／合波の効率を調整することができる。また、第１の光Ｌ１及び第２の光Ｌ２の入射位置に依らず、第１の光Ｌ１及び第２の光Ｌ２の入射角度及び出射角度を本体部２の側面（光軸中心と本体部２の側面との接点における接平面）に対して常に直交させることができる。
１，４１，５１…光学素子、２…本体部、２Ａ…第１の部分、２Ｂ…第２の部分、３…スペーサ、５…入射領域、６…出射領域、７…ギャップ、８…凸部、９，２１Ａ～２１Ｃ…枠状部材、３１…繊維、３２…粒子、３３…柱状部材、３４…液体、４２…カプラ、Ｌ１…第１の光、Ｌ２…第２の光、Ｅ１…第１の光のエバネッセント波、Ｅ２…第２の光のエバネッセント波、Ｒ…界面、Ｗ…ギャップ幅。
Claims (12)
- 第１の光及び前記第１の光よりも波長が長い第２の光を透過可能な媒質からなる本体部を備え、
前記本体部は、前記第１の光及び前記第２の光が入射する入射領域を有し、
前記本体部の内部には、前記入射領域に対して傾斜し、且つ前記第１の光及び前記第２の光に対する屈折率が前記本体部よりも低い媒質が配置されたギャップが設けられ、
前記本体部と前記ギャップとの界面からのギャップ幅は、前記界面における前記第１の光のエバネッセント波の浸み出し長よりも大きく、且つ前記界面における前記第２の光のエバネッセント波の浸み出し長よりも小さくなっており、
前記本体部は、前記第１の光と前記第２の光とが互いに重なり合うように同軸で入射する入射領域と、前記界面で反射した前記第１の光が出射する出射領域とを有する第１の部分と、前記ギャップを通過した前記第２の光が出射する出射領域を有する第２の部分と、によって構成され、
前記界面は、前記第１の部分の前記入射領域に入射した前記第１の光及び前記第２の光が到達する前記第１の部分側の第１の界面と、前記ギャップを通過した前記第２の光が到達する前記第２の部分側の第２の界面と、を有し、
前記第１の界面は、前記第１の部分と同一の媒質によって構成され、前記第２の界面は、前記第２の部分と同一の媒質によって構成されている、光学素子。 - 第１の光及び前記第１の光よりも波長が長い第２の光を透過可能な媒質からなる本体部を備え、
前記本体部は、前記第１の光及び前記第２の光が入射する入射領域を有し、
前記本体部の内部には、前記入射領域に対して傾斜し、且つ前記第１の光及び前記第２の光に対する屈折率が前記本体部よりも低い媒質が配置されたギャップが設けられ、
前記本体部と前記ギャップとの界面からのギャップ幅は、前記界面における前記第１の光のエバネッセント波の浸み出し長よりも大きく、且つ前記界面における前記第２の光のエバネッセント波の浸み出し長よりも小さくなっており、
前記本体部は、前記第２の光が入射する入射領域を有する第１の部分と、前記第１の光が入射する入射領域と、前記界面で反射した前記第１の光と前記ギャップを通過した前記第２の光とが互いに重なり合うように同軸で出射する出射領域とを有する第２の部分と、によって構成され、
前記界面は、前記第１の部分の前記入射領域に入射する前記第２の光が到達する前記第１の部分側の第１の界面と、前記第２の部分の前記入射領域に入射した前記第１の光及び前記ギャップを通過した前記第２の光が到達する前記第２の部分側の第２の界面と、を有し、
前記第１の界面は、前記第１の部分と同一の媒質によって構成され、前記第２の界面は、前記第２の部分と同一の媒質によって構成されている、光学素子。 - 前記本体部は、前記ギャップを形成するスペーサを備えている請求項１記載の光学素子。
- 前記スペーサは、前記第１の部分及び前記第２の部分の少なくとも一方に設けられた凸部によって構成されている請求項３記載の光学素子。
- 前記スペーサは、前記第１の部分及び前記第２の部分によって挟持された枠状部材によって構成されている請求項３記載の光学素子。
- 前記スペーサは、前記第１の部分及び前記第２の部分によって挟持された繊維、粒子、及び柱状部材の少なくとも一つによって構成されている請求項３記載の光学素子。
- 前記スペーサは、液体によって構成され、
前記第１の部分と前記第２の部分とは、前記液体を介して結合されている請求項３記載の光学素子。 - 前記本体部は、球状をなしている請求項１～７のいずれか一項記載の光学素子。
- 前記本体部は、前記第１の光及び前記第２の光の入射角度又は出射角度を調整するカプラを更に備えている請求項１～８のいずれか一項記載の光学素子。
- 前記第２の光の波長は、前記第１の光の波長の７倍以上である請求項１～９のいずれか一項記載の光学素子。
- 前記第２の光は、テラヘルツ波である請求項１～１０のいずれか一項記載の光学素子。
- 前記ギャップ内には、媒質として空気が配置されている請求項１～１１のいずれか一項記載の光学素子。
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