JP7442082B2

JP7442082B2 - 光学ミラー

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Publication number: JP7442082B2
Application number: JP2019230825A
Authority: JP
Inventors: 潤治山内; 巧大川内
Original assignee: Hosei University
Current assignee: Hosei University
Priority date: 2019-02-08
Filing date: 2019-12-20
Publication date: 2024-03-04
Anticipated expiration: 2039-12-20
Also published as: JP2020129106A

Description

本発明は光学ミラーに関し、詳しくは光学性能の低下を低減させ、耐熱性にすぐれた円偏光ミラーもしくはゼロシフトミラーに関するものである。

従来より、基板上に形成された光学反射膜を覆うように形成された赤外光学膜を設けた円偏光ミラーが知られている（特許文献１）。特許文献１に記載の円偏光ミラーを構成する赤外光学膜は、図２５に示すように、基板（Ｓｉ、ＣｕまたはＢｅ）２１上に形成された光学反射膜２２を覆うように形成されている。この赤外光学膜は、ＺｎＳまたはＺｎＳｅで形成された第一の高屈折層２５と、この第一の高屈折層２５の材料よりも屈折率が小さい材料のフッ化物で形成された第一の低屈折層２６とを交互に配置した層構成の第一の多層群２３と、この第一の多層群２３よりも前記光学反射膜２２側に位置し、Ｇｅで形成された第二の高屈折層２７とＺｎＳまたはＺｎＳｅで形成された第二の低屈折層２８とを、前記光学反射膜２２と接する層が前記第二の低屈折層２８となり、前記第一の多層群２３に接する層が前記第二の高屈折層２７となるよう交互に配置した層構成の第二の多層群２４とを有し、前記第一の多層群２３は、前記第一の低屈折層２６が前記第二の多層群２４に接する層となるよう形成されている。

一方、特許文献２には、別の構成の円偏光ミラーが記載されている。この円偏光ミラーは、図２６に示すように、基板（ＳｉまたはＣｕ）３１上に、金属層としてＣｒ層３２と、ＡｕまたはＡｇ層３３を設ける。Ｃｒ層３２はＡｕまたはＡｇ層３３を基板３１に強固に取り付けるためのものである。位相遅延層３４～４２は、ｓ偏光とｐ偏光の間に９０°の位相差を与えるものであるが、上層の３７から４２は６層のＴｈ_４／ＺｎＳｅ層よりなる。最下層の薄いＺｎＳｅ層３４は金属層３３に対して強固な付着力を得るものである。第２層のＴｈ_４層３５と第３層のＺｅＳｅ層２６は、位相遅延にはほとんど寄与せず、反射率を向上し、吸収を減らす作用がある。そこでこの２層をエンハンスメント層と呼ぶことができる。このような構成により、剥離強度が強く、高出力の炭酸レーザ光に対する耐久性が高揚するというものである。

しかしながら、特許文献１、２に記載の円偏光ミラーは、すべて前提として誘電体多層膜で構成されていた。その結果、広い帯域にわたる波長特性、入射角度特性が劣っていた。

特開２０１４－２２８６１１号公報特開平０６－１８６４２３号公報特開２０１６－１３６１６７号公報

「ＣＯ2レーザ用円偏光ミラーおよびゼロシフトミラーの開発」住友電気・第１４２号、２３頁～２８ページ、１９９３年３月

本発明は、以上のような従来技術の問題点を解消するためになされたもので、広帯域特性を維持しながら入射角を広く選択することができる光学ミラー（円偏光ミラーおよびゼロシフトミラー）を提供することを課題とする。

また、本発明は誘電体が２種類の高屈折率層（高屈折率部）と低屈折率層（低屈折率部）のみより構成できる光学ミラー（円偏光ミラーおよびゼロシフトミラー）を提供することを別の課題とする。

さらに、本発明は誘電体多層膜による高反射層を用いずに、金属層の上に直接誘電体グレーティングを付加した幅広い楕円率の波長特性を有し、広帯域特性にすぐれた光学ミラー（円偏光ミラーおよびゼロシフトミラー）を提供することをも別の課題とする。

本発明によれば、上記課題を解決するため、第１に、方位角φ＝４５度で入射する直線偏光に対して、基板上に、高屈折率層と低屈折率層を交互に複数組積層してなる高反射層と、該高反射層の上に間隔を隔てて２次元配列される横断面が矩形の複数の柱状体部よりなる２次元周期構造体部から構成され、前記柱状体部が高屈折率部と該高屈折率部の上に設けられる低屈折率部を積層してなることを特徴とする光学ミラーが提供される。

第２に、上記第１の発明において、前記基板と前記高反射層との間に金属層を設けたことを特徴とする光学ミラーが提供される。

第３に、上記第１または第２の発明において、前記高屈折率層がＧｅであり、前記低屈折率層がＺｎＳである光学ミラーが提供される。

第４に、方位角φ＝４５度で入射する直線偏光に対して、基板上に、金属層を設け、該金属層の上に間隔を隔てて２次元配列される横断面が矩形の複数の柱状体部よりなる２次元周期構造体部から構成され、前記柱状体部が高屈折率部と該高屈折率部の上に設けられる低屈折率部を積層してなることを特徴とする光学ミラーが提供される。

第５に、上記第１から第４のいずれかの発明において、直線偏光のビームを円偏光に変換させる円偏光ミラーであることを特徴とする光学ミラーが提供される。

第６に、上記第１から第４のいずれかの発明において、円偏光に変換されたビームを、偏光状態を維持したまま伝送させるゼロシフトミラーであることを特徴とする光学ミラーが提供される。

第７に、上記第１から第６のいずれかの発明において、前記高屈折率部がＧｅであり、前記低屈折率部がＺｎＳであることを特徴とする光学ミラーが提供される。

本発明は、誘電体多層膜の各層の厚さをわずかに変化させて位相変化を生み出す従来の発想とは根本的に異なり、高反射層と２次元周期構造体部より構成され、２次元周期構造体部により所望の位相変化を生み出した後に、高反射層で電磁界を反射させるという発想に基づいているため、広帯域特性を維持しながら入射角を広く選択することができる光学ミラー（円偏光ミラーおよびゼロシフトミラー）を提供することが可能となる。

また、本発明は誘電体が２種類の高屈折率層（高屈折率部、例えばＧｅ）と低屈折率層（低屈折率部、例えばＺｎＳ）のみより構成できる光学ミラー（円偏光ミラーおよびゼロシフトミラー）を提供することが可能となる。

また、本発明は、誘電体多層膜による高反射層を用いずに、金属層の上に直接誘電体グレーティングを付加した幅広い楕円率の波長特性を有し、広帯域特性にすぐれた光学ミラー（円偏光ミラーおよびゼロシフトミラー）を提供することが可能となる。

さらに、本発明の光学ミラーは従来の光学ミラーに比べ、入射角変化に対する依存性が極めて小さいという有利性を有する。

（ａ）は本発明の第１実施形態に係る光学素子（円偏光ミラー）の構造を模式的に示す斜視図、（ｂ）は該光学素子（円偏光ミラー）の２次元周期構造体部を構成する柱状体部の１ユニットの平面図である。前記第１実施形態に係る光学素子（円偏光ミラー）の断面図である。前記第１実施形態に係る光学素子（円偏光ミラー）の楕円率の波長特性を、特許文献１（比較例１）の円偏光ミラーおよび特許文献２（図２５）の円偏光ミラーの楕円率の波長特性と比較して示す図である。前記第１実施形態に係る光学素子（円偏光ミラー）の楕円率の入射角度特性を、特許文献２（図２５）の円偏光ミラーの楕円率の入射角度特性と比較して示す図である。前記第１実施形態に係る光学素子（円偏光ミラー）の反射率の波長特性を示す図である。本発明の第２実施形態に係る光学素子（ゼロシフトミラー）の楕円率の波長特性を、非特許文献１のゼロシフトミラーおよびＡｕコートしたゼロシフトミラーの楕円率の波長特性と比較して示す図である。前記第２実施形態に係る光学素子（ゼロシフトミラー）の楕円率の入射角度特性を、非特許文献１のゼロシフトミラーおよびＡｕコートしたゼロシフトミラーの楕円率の入射角度特性と比較して示す図である。前記第２実施形態に係る光学素子（ゼロシフトミラー）の偏波回転角の波長特性を示す図である。前記第２実施形態に係る光学素子（ゼロシフトミラー）の反射率の波長特性を示す図である。本発明の第３実施形態に係る光学素子（円偏光ミラー）の構造を模式的に示す斜視図である。前記第３実施形態に係る光学素子（円偏光ミラー）の楕円率の波長特性を、特許文献１（比較例１）の円偏光ミラーおよび特許文献２（図２５）の円偏光ミラーの楕円率の波長特性と比較して示す図である。前記第３実施形態に係る光学素子（円偏光ミラー）の楕円率の入射角度特性を、特許文献２（図２５）の円偏光ミラーの楕円率の入射角度特性と比較して示す図である。前記第３実施形態に係る光学素子（円偏光ミラー）の反射率の波長特性を示す図である。本発明の第４実施形態に係る光学素子（ゼロシフトミラー）の楕円率の波長特性を、非特許文献１の表２に記載のゼロシフトミラーおよびＡｕコートしたゼロシフトミラーの楕円率の波長特性と比較して示す図である。前記第４実施形態に係る光学素子（ゼロシフトミラー）の楕円率の入射角度特性を、非特許文献１の表２に記載のゼロシフトミラーおよびＡｕコートしたゼロシフトミラーの楕円率の入射角度特性と比較して示す図である。前記第４実施形態に係る光学素子（ゼロシフトミラー）の偏波回転角の波長特性を示す図である。前記第４実施形態に係る光学素子（ゼロシフトミラー）の反射率の波長特性を示す図である。（ａ）は本発明の第５実施形態に係る光学素子（円偏光ミラー）の構造を模式的に示す斜視図、（ｂ）は該光学素子（円偏光ミラー）の２次元周期構造体部を構成する柱状体部の１ユニットの平面図である。前記第５実施形態に係る光学素子（円偏光ミラー）の楕円率の波長特性を第３実施形態の円偏光ミラーおよび特許文献２（図２５）の円偏光ミラーの楕円率の波長特性と比較して示す図である。前記第５実施形態に係る光学素子（円偏光ミラー）の楕円率の入射角度特性を、第３実施形態の円偏光ミラーおよび特許文献２（図２５）の円偏光ミラーの楕円率の入射角度特性と比較して示す図である。前記第５実施形態に係る円偏光ミラーの反射率の波長特性を示す図である。前記第６実施形態に係るゼロシフトミラーの楕円率の波長特性を、第４実施形態のゼロシフトミラーおよび非特許文献１のゼロシフトミラーの楕円率の波長特性と比較して示す図である。前記第６実施形態に係るゼロシフトミラーの楕円率の入射角度特性を、第４実施形態のゼロシフトミラーおよび非特許文献１のゼロシフトミラーの楕円率の入射角度特性と比較して示す図である。前記第６実施形態に係るゼロシフトミラーの反射率の波長特性を示す図である。特許文献１に記載の円偏光ミラーの構成を模式的に示す断面図である。特許文献２に記載の円偏光ミラーの構成を模式的に示す断面図である。

以下、本発明を実施形態により詳細に説明する。

図１（ａ）は本発明の第１実施形態に係る光学素子（円偏光ミラー）の構造を模式的に示す斜視図、図１（ｂ）は該光学素子（円偏光ミラー）の２次元周期構造体部を構成する柱状体部の１ユニットの平面図である。

この円偏光ミラー１は、基板（Ｇｅ）２上に、低屈折率層５と高屈折率層６を交互に複数組積層してなる高反射層３と、該高反射層３の上に間隔を隔てて２次元配列される横断面が矩形の複数の柱状体部４Ａよりなる２次元周期構造体部４とを設けて構成される。２次元周期構造体部４を構成する各柱状体部４Ａは、高屈折率部７と該高屈折率部７の上に設けられる低屈折率部８を積層してなる。各柱状の誘電体間の空隙は空気部９となっている。入射波は図１（ａ）の左図に示すように、方位角φ＝４５度の直線偏光である。

第１実施形態の円偏光ミラー１は、高反射層３が、低屈折率層５と高屈折率層６を交互に４組積層して構成されている。本実施形態では、低屈折率層５がＺｎＳ（屈折率２．２）、高屈折率層６がＧｅ（屈折率４．０）により形成される。

一方、第１実施形態の円偏光ミラー１の２次元周期構造体部４では、１ユニットの柱状体部４Ａの高屈折率部７がＧｅ（屈折率４．０）、低屈折率部８がＺｎＳ（屈折率２．２）により形成される。

このように、第１実施形態では、誘電体としてＧｅとＺｎＳの２種類を用いる。また、高反射層３の上に設けられる２次元周期構造体部４の低屈折率部８は、無反射層の役割を行うように設計する。図１（ｂ）に示す２次元周期構造体部４の各柱状部４Ａの高屈折率部７の誘電体の幅ｗ_ｘとｗ_ｙと厚さｔは、位相調整における重要なパラメータである。第１実施形態の２次元周期構造体部４では、誘電体間の間隙を導波路配列として動作させ、Ｅ^ｘモードとＥ^ｙモードの位相差から、９０°の位相差を実現する厚さｔを、固有モード解析により実現している。円偏光ミラー１では、充填率ｆは、ｘ軸方向とｙ軸方向で異なる（本実施形態では、ｘ軸方向の充填率ｆ_ｘ＝０．９、ｙ方向の充填率ｆ_ｙ＝０．５）。この差により、空隙に集中する直交する二つの電磁波の伝搬定数差が形成される。そして位相差が９０°になるように厚さｔを設定する。

第１実施形態の構造では、導波モードの励振は、入射角の差異にほとんど依存しないため、ミラーとしての入射角依存性は緩和される。ここでは、入射波が１０．６μｍ帯の設計例を示すが、可視光帯、通信波長帯でも屈折率の異なる２種類の透明な誘電体を利用すれば、同様に設計が可能である。

第１実施形態における円偏光ミラー１の各パラメータの数値例は次のとおりである。

高屈折率層、高屈折率部の屈折率ｎ_Ｈ＝４．０（Ｇｅ）
低屈折率層の屈折率ｎ_Ｌ＝２．２（ＺｎＳ）
低屈折率部の屈折率ｎ_ＡＲ＝２．２（ＺｎＳ）
空気層の屈折率ｎ_air＝１．０
柱状体部のピッチ Λ＝２．０μｍ
入射ビームの波長 λ_ｃ＝１０．６μｍ
高屈折率部の厚さｔ：１．０５μｍ
低屈折率部の厚さｔ_ＡＲ＝１．２μｍ
高屈折率層の厚さｔ_Ｈ＝０．６５μｍ
低屈折率層の厚さｔ_Ｌ＝１．２μｍ
柱状体部の幅ｗ＝ｆΛ（ｆは充填率）
柱状体部のｘ方向の長さｗ_ｘ＝１．８μｍ
柱状体部のｙ方向の長さｗ_ｙ＝１．０μｍ
ｘ方向の充填率ｆ_ｘ＝０．９
ｙ方向の充填率ｆ_ｙ＝０．５
上記は最も好ましい構造値であるが、０．９５以上の楕円率を得るには、１．００μｍ＜ｔ＜１．１０μｍ、０．８９１＜ｆ_ｘ＜０．９０７、０．４＜ｆ_ｙ＜０．５２５が許容される。

第１実施形態に係る光学素子（円偏光ミラー）の楕円率の波長特性を、特許文献３（比較例１）の円偏光ミラーおよび特許文献２（図２５）の円偏光ミラーの楕円率の波長特性と比較して図３に示す。入射角度θ_inは４５°である。

特許文献３の比較例１の円偏光ミラーの層構成は表１のとおりである。

また、特許文献２の図２５の例の円偏光ミラーの層構成は表２のとおりである。

特許文献３の比較例１の円偏光ミラーでは、本発明と同じＺｎＳ層とＧｅ層の組み合わせで、Ａｕ膜を基板との間に設けている。一方、特許文献２の図２５の例の円偏光ミラーではＺｎＳｅとＴｈＦ_４の組み合わせであり、金属膜（Ｃｒ膜、ＡｕまたはＡｇ膜）の反射層を設けている。いずれも多層膜のみで構成されており、第１実施形態の円偏光ミラーの構成とは異なる。図３から明らかなように、第１実施形態の円偏光ミラーは、特許文献３や２の円偏光ミラーに対して幅広い楕円率の波長特性を有しており、広帯域特性を有していることがわかる。

図４に、第１実施形態に係る円偏光ミラーの楕円率の入射角度特性を、特許文献２（図２５）の円偏光ミラーの楕円率の入射角度特性と比較して示す。図４から明らかなように、実施形態１の円偏光ミラーは誘電体のみで構成されているが、特許文献２の円偏光ミラーに対する入射角変化に対する本実施形態１の有利さが顕著である。

図５に、第１実施形態に係る円偏光ミラーの反射率の波長特性を示す。第１実施形態の円偏光ミラーは誘電体のみで構成されているが、広帯域にわたり、９６％以上の反射率を維持していることがわかる。

以上のように、第１実施形態の円偏光ミラーは、高反射層と２次元周期構造体部より構成され、２次元周期構造体部により所望の位相変化を生み出した後に、高反射層で電磁界を反射させるという発想に基づいているため、広帯域特性を維持しながら入射角を広く選択することができる。また、第１実施形態の円偏光ミラーは、２種類の高屈折率層（高屈折率部、例えばＧｅ）と低屈折率層（低屈折率部、例えばＺｎＳ）のみより構成できる、従来の円偏光ミラーに比べ、入射角変化に対する依存性が極めて小さいという有利性を有する。

次に、本発明の第２実施形態の光学ミラー（ゼロシフトミラー）について説明する。ゼロシフトミラーはレーザビームのロスを最小限に止め、最大限のパワーを反射するための伝送ミラーである。また反射光のｓ偏光とｐ偏光における偏光特性の位相変化を最小限に保持するので、反射されるビームの偏光特性に影響を与えずに光路を変えることを可能にする。レーザからの出射光は直線偏光であるので、ゼロシフトミラーのみで反射されたビームは直線偏光を保つ。加工品質を損なわないためには円偏光が必要であるので、光路中の一箇所に円偏光ミラーを挿入し、その他の光路変更はゼロシフトミラーで行う。

図１に示した構造の光学素子の設計思想はゼロシフトミラーにも適用可能である。第２実施形態のゼロシフトミラーも、基板上に、低屈折率層と高屈折率層を交互に複数組（４組）積層してなる高反射層と、該高反射層の上に所定の間隔を隔てて２次元配列される横断面が矩形の複数の柱状体部よりなる２次元周期構造体部とを設けて構成される。２次元周期構造体部を構成する各柱状体部は高屈折率部と該高屈折率部の上に設けられる低屈折率部を積層してなる。ただ、ゼロシフトミラーでは、第１実施形態とは異なり、二つの直交モードの伝搬位相差が生じないようにｘ方向の充填率ｆ_ｘとｙ方向の充填率ｆ_ｙを等しくする、すなわちｆ_ｘ＝ｆ_ｙとする必要がある。厚さは動作が安定するのに十分であればよく、特性は寸法に依存性が小さい。構造パラメータ例を述べるとｔ＝１．５μｍ、ｆ_ｘ＝ｆ_ｙ＝０．６である。許容する楕円率を｜０．０３｜以下とすると、厚さは１．４μｍ＜ｔ＜１．６μｍ、充填率は０．５８＜ｆ_ｘ＝ｆ_ｙ＜０．６１である。

図６に、第２実施形態に係るゼロシフトミラーの楕円率の波長特性を、非特許文献１のゼロシフトミラーおよびＡｕコートしたゼロシフトミラーの楕円率の波長特性と比較して示す。入射角度θ_inは４５°である。

Ａｕコートしたゼロシフトミラーの構成は、Ｇｅの基板に、０．３μｍの厚さのＡｕ膜を設けたものとなっている。

図６から、Ａｕコートしたゼロシフトミラーは、波長にほぼ無依存であるが、常にマイナスの位相差をもつ欠点がある。（Ａｕコートのみでは位相誤差の微調整はできない）。このことは複数枚のミラーを重ねる際に不利となる。この欠点を解決するために、改良型のゼロシフトミラーが非特許文献１で提案されている。このゼロシフトミラーの波長特性は、実施形態１の円偏光ミラーと同程度である。

図７に、第２実施形態に係るゼロシフトミラーの楕円率の入射角度特性を、非特許文献１のゼロシフトミラーおよびＡｕコートしたゼロシフトミラーの楕円率の入射角度特性と比較して示す。

図７から明らかなように、実施形態２のゼロシフトミラーは、実施形態１の円偏光ミラーの場合と同様に、非特許文献１のゼロシフトミラーに比べて楕円率の入射角依存性は極めて小さい。Ａｕコートのゼロシフトミラーも入射角度特性は小さいが、入射角が大きくなるにつれて、徐々に負の位相誤差が大きくなる性質がある。この点、実施形態２のゼロシフトミラーでは、広角度にわたって位相誤差が抑圧されている。

図８に、第２実施形態に係るゼロシフトミラーの偏波回転角の波長特性を示す。入射角度θ_inは４５°である。図８から、第２実施形態のゼロシフトミラーでは、入射波の偏波角を維持できているため、偏波回転角Δφは０°を維持していることがわかる。

図９に、第２実施形態に係るゼロシフトミラーの反射率の波長特性を示す。図９から、第２実施形態のゼロシフトミラーは、広帯域に９７％以上の反射率を維持していることがわかる。

次に、本発明の第３実施形態に係る光学素子（円偏光ミラー）について説明する。図１０は、本発明の第３実施形態に係る円偏光ミラーの構造を模式的に示す図１（ａ）と同様の斜視図である。

図１０において図１（ａ）と同様な要素には同じ符号を付して詳細説明を省略する。第３実施形態の円偏光ミラー１は、基板２上に、金属層１０を介して低屈折率層５と高屈折率層６を交互に３組積層してなる高反射層３と、該高反射層３の上に間隔を隔てて２次元配列される横断面が矩形の複数の柱状体部４Ａよりなる２次元周期構造体部４とを設けて構成される。２次元周期構造体部４を構成する各柱状体部４Ａは高屈折率部７と該高屈折率部７の上に設けられる低屈折率部８を積層してなる。第３実施形態の円偏光ミラー１では、金属層１０を基板２と高反射層３との間に設けることにより、第１実施形態の円偏光ミラー１に比べ、低反射層５と高反射層６の組からなる積層数を少なくすることができる。

第３実施形態でも、低屈折率層５がＺｎＳ（屈折率２．２）、高屈折率層６がＧｅ（屈折率４．０）により形成される。

一方、第３実施形態の円偏光ミラー１の２次元周期構造体部４でも、１ユニットの柱状体部４Ａの高屈折率部７がＧｅ（屈折率４．０）、低屈折率部８がＺｎＳ（屈折率２．２）により形成される。

このように、第３実施形態では、金属層１０に加え、誘電体としてＧｅとＺｎＳの２種類を用いる。また、高反射層３の上に設けられる２次元周期構造体部４の低屈折率部８は、無反射層の役割を行うように設計する。図１に示す２次元周期構造体部４の各柱状部４Ａの高屈折率部６の誘電体の幅ｗ_ｘとｗ_ｙと厚さｔは、位相調整における重要なパラメータである。第３実施形態の２次元周期構造体部４でも、誘電体間の間隙を導波路配列として動作させ、Ｅ^ｘモードとＥ^ｙモードの位相差から、９０°の位相差を実現する厚さｔを、固有モード解析により実現している。第３実施形態の円偏光ミラー１でも、充填率ｆは、ｘ軸方向とｙ軸方向で異なる（本実施形態では、ｘ軸方向の充填率ｆ_ｘ＝０．９、ｙ方向の充填率ｆ_ｙ＝０．５）。この差により、空隙に集中する直交する二つの電磁波の伝搬定数差が形成される。そして位相差が９０°になるように厚さｔを設定する。

第３実施形態の構造でも、導波モードの励振は、入射角の差異にほとんど依存しないため、ミラーとしての入射角依存性は緩和される。ここでも、入射波が１０．６μｍ帯の設計例を示すが、可視光帯、通信波長帯でも屈折率の異なる２種類の透明な誘電体を利用すれば、同様に設計が可能である。

第３実施形態における円偏光ミラー１の各パラメータの数値例は、金属層（Ａｕ）が０．３μｍであることを除いて、第１実施形態の場合と同様である。構造パラメータの許容範囲も、第１実施形態と同じである。

第３実施形態に係る円偏光ミラーの楕円率の波長特性を、特許文献１（比較例１）の円偏光ミラーおよび特許文献２（図２５）の円偏光ミラーの楕円率の波長特性と比較して図１１に示す。

図１１から明らかなように、実施形態３の円偏光ミラーは、特許文献１や２の円偏光ミラーに対して幅広い楕円率の波長特性を有しており、広帯域特性を有していることがわかる。

図１２に、第３実施形態に係る円偏光ミラーの楕円率の入射角度特性を、特許文献２（図２５）の円偏光ミラーの楕円率の入射角度特性と比較して示す。図１２から明らかなように、実施形態３の円偏光ミラーは、特許文献２の円偏光ミラーに対する入射角変化に対する有利性が顕著である。

図１３に、第３実施形態に係る円偏光ミラーの反射率の波長特性を示す。図１３から、第３実施形態の円偏光ミラーは、広帯域にわたり、図５より反射率が向上していることがわかる。

以上のように、第３実施形態の円偏光ミラーは、金属層１０を介して高反射層３と２次元周期構造体部４より構成され、２次元周期構造体部４により所望の位相変化を生み出した後に、高反射層３で電磁界を反射させるという発想に基づいているため、広帯域特性を維持しながら入射角を広く選択することができる。また、第３実施形態の円偏光ミラーは、誘電体として２種類の高屈折率層（高屈折率部、例えばＧｅ）と低屈折率層（低屈折率部、例えばＺｎＳ）のみより構成でき、従来の円偏光ミラーに比べ、入射角変化に対する依存性が極めて小さいという有利性を有する。

次に、本発明の第４実施形態の光学ミラー（ゼロシフトミラー）について説明する。

図１０に示した構造の光学素子は、前記と同様、設計思想はゼロシフトミラーにも適用可能である。第４実施形態のゼロシフトミラーも、基板上に、金属層を介して低屈折率層と高屈折率層を交互に３組積層してなる高反射層と、該高反射層の上に所定の間隔を隔てて２次元配列される横断面が矩形の複数の柱状体部よりなる２次元周期構造体部とを設けて構成される。２次元周期構造体部を構成する各柱状体部は高屈折率部と該高屈折率部の上に設けられる低屈折率部を積層してなる。ただ、ゼロシフトミラーでは、第２実施形態と同様、二つの直交モードの伝搬位相差が生じないようにｘ方向の充填率ｆ_ｘとｙ方向の充填率ｆ_ｙを等しくする、すなわちｆ_ｘ＝ｆ_ｙとする必要がある。厚さは動作が安定するのに十分であればよく、特性は寸法に依存性が小さい。構造パラメータ例を述べるとｔ＝１．５μｍ、ｆ_ｘ＝ｆ_ｙ＝０．６であり、許容範囲は第２実施形態と同じである。

図１４に、第４実施形態に係るゼロシフトミラーの楕円率の波長特性を、非特許文献１のゼロシフトミラーおよびＡｕコートしたゼロシフトミラーの楕円率の波長特性と比較して示す。入射角度θ_inは４５°である。

図１４から、Ａｕコートしたゼロシフトミラーは、波長にほぼ無依存であるが、常にマイナスの位相差をもつ欠点がある。（Ａｕコートのみでは位相誤差の微調整はできない）。このことは複数枚のミラーを重ねる際に不利となる。この欠点を解決するために、改良型のゼロシフトミラーが非特許文献１で提案されている。このゼロシフトミラーの波長特性は、実施形態２のゼロシフトミラーと同程度である。

図１５に、第４実施形態に係るゼロシフトミラーの楕円率の入射角度特性を、非特許文献１のゼロシフトミラーおよびＡｕコートしたゼロシフトミラーの楕円率の入射角度特性と比較して示す。

図１５から明らかなように、第４実施形態のゼロシフトミラーは、第２実施形態のゼロシフトミラーの場合と同様に、非特許文献１のゼロシフトミラーに比べて楕円率の入射角依存性は極めて小さい。Ａｕコートのゼロシフトミラーも入射角度特性は小さいが、入射角が大きくなるにつれて、徐々に負の位相誤差が大きくなる性質がある。この点、第４実施形態のゼロシフトミラーでは、広角度にわたって位相誤差が抑圧されている。

図１６に、第４実施形態に係るゼロシフトミラーの偏波回転角の波長特性を示す。入射波の入射角θ_inは４５°である。図１６から、第４実施形態のゼロシフトミラーでは、入射波の偏波角を維持できているため、偏波回転角Δφは０°を維持していることがわかる。

図１７に、第４実施形態に係るゼロシフトミラーの反射率の波長特性を示す。図１７から、第４実施形態のゼロシフトミラーは、広帯域にわたり図９より反射率が向上していることがわかる。

次に、本発明の第５実施形態に係る光学素子（円偏光ミラー）について説明する。図１８（ａ）は、本発明の第５実施形態に係る円偏光ミラーの構造を模式的に示す図１（ａ）、図１０と同様の斜視図である。

図１８において図１（ａ）と同様な要素には同じ符号を付して詳細説明を省略する。第５実施形態の円偏光ミラー１は、基板２上に、金属層１１と、該金属層１１上に間隔を隔てて２次元配列される横断面が矩形の複数の柱状体部４Ａよりなる２次元周期構造体部４を設けて構成される。２次元周期構造体部４を構成する各柱状体部４Ａは高屈折率部７と該高屈折率部７の上に設けられる低屈折率部８を積層してなる。

第５実施形態の円偏光ミラー１の２次元周期構造体部４でも、１ユニットの柱状体部４Ａの高屈折率部７がＧｅ（屈折率４．０）、低屈折率部８がＺｎＳ（屈折率２．２）により形成される。

このように、第５実施形態では、金属層１１に加え、誘電体としてＧｅとＺｎＳの２種類を用いる。また、金属層１１の上に設けられる２次元周期構造体部４の低屈折率部８は、無反射層の役割を行うように設計する。図１８に示す２次元周期構造体部４の各柱状部４Ａの高屈折率部６の誘電体の幅ｗ_ｘとｗ_ｙと厚さｔは、位相調整における重要なパラメータである。第５実施形態の２次元周期構造体部４でも、誘電体間の間隙を導波路配列として動作させ、Ｅ^ｘモードとＥ^ｙモードの位相差から、９０°の位相差を実現する厚さｔを、固有モード解析により実現している。第５実施形態の円偏光ミラー１でも、充填率ｆは、ｘ軸方向とｙ軸方向で異なる（本実施形態では、ｘ軸方向の充填率ｆ_ｘ＝０．９、ｙ方向の充填率ｆ_ｙ＝０．５）。この差により、空隙に集中する直交する二つの電磁波の伝搬定数差が形成される。そして位相差が９０°になるように厚さｔを設定する。

第５実施形態の構造でも、導波モードの励振は、入射角の差異にほとんど依存しないため、ミラーとしての入射角依存性は緩和される。ここでも、入射波が１０．６μｍ帯の設計例を示すが、可視光帯、通信波長帯でも屈折率の異なる２種類の透明な誘電体を利用すれば、同様に設計が可能である。

第５実施形態における円偏光ミラー１の各パラメータの数値例は、次のとおりである。

高屈折率層、高屈折率部の屈折率ｎ_Ｈ＝４．０（Ｇｅ）
低屈折率部の屈折率ｎ_ＡＲ＝２．２（ＺｎＳ）
空気層の屈折率ｎ_air＝１．０
柱状体部のピッチ Λ＝２．０μｍ
入射ビームの波長 λ_ｃ＝１０．６μｍ
高屈折率部の厚さｔ：０．９μｍ
低屈折率部の厚さｔ_ＡＲ＝１．１５μｍ
柱状体部の幅ｗ＝ｆΛ（ｆは充填率）
柱状体部のｘ方向の長さｗ_ｘ＝ｆ_ｘΛ
柱状体部のｙ方向の長さｗ_ｙ＝ｆ_ｙΛ
ｘ方向の充填率ｆ_ｘ＝０．９
ｙ方向の充填率ｆ_ｙ＝０．５
φ＝４５°
上記は最も好ましい構造値であるが、０．９５以上の楕円率を得るには、０．８５５μｍ＜ｔ＜０．９５μｍ、０．８９１＜ｆ_ｘ＜０．９０７、０．４＜ｆ_ｙ＜０．５１が許容される。

第５実施形態に係る円偏光ミラーの楕円率の波長特性を、第３実施形態の円偏光ミラーおよび特許文献２（図２５）の円偏光ミラーの楕円率の波長特性と比較して図１９に示す。

図１９から明らかなように、第５実施形態の円偏光ミラーは、第３実施形態や特許文献２の円偏光ミラーに対して幅広い楕円率の波長特性を有しており、広帯域特性を有していることがわかる。

図２０に、第５実施形態に係る円偏光ミラーの楕円率の入射角度特性を、第３実施形態の円偏光ミラーおよび特許文献２（図２５）の円偏光ミラーの楕円率の入射角度特性と比較して示す。図２０から明らかなように、第５実施形態の円偏光ミラーは、特許文献２の円偏光ミラーに対する入射角変化に対する有利性が顕著である。

図２１に、第５実施形態に係る円偏光ミラーの反射率の波長特性を示す。図２１から、第５実施形態の円偏光ミラーは、広帯域にわたり反射率が向上していることがわかる。

以上のように、第５実施形態の円偏光ミラーは、金属層１１を介して２次元周期構造体部４を設けて構成され、２次元周期構造体部４により所望の位相変化を生み出した後に、金属層１１で電磁界を反射させるという発想に基づいているため、広帯域特性を維持しながら入射角を広く選択することができる。また、第５実施形態の円偏光ミラーは、誘電体として２種類の高屈折率部（例えばＧｅ）と低屈折率部（例えばＺｎＳ）のみより構成でき、従来の円偏光ミラーに比べ、入射角変化に対する依存性が極めて小さいという有利性を有する。

次に、本発明の第６実施形態の光学ミラー（ゼロシフトミラー）について説明する。

図１８に示した構造の光学素子は、前記と同様、設計思想はゼロシフトミラーにも適用可能である。第６実施形態のゼロシフトミラーも、基板上に、金属層と、該金属層の上に所定の間隔を隔てて２次元配列される横断面が矩形の複数の柱状体部よりなる２次元周期構造体部とを設けて構成される。２次元周期構造体部を構成する各柱状体部は高屈折率部と該高屈折率部の上に設けられる低屈折率部を積層してなる。ただ、ゼロシフトミラーでは、第２、第４実施形態と同様、二つの直交モードの伝搬位相差が生じないようにｘ方向の充填率ｆ_ｘとｙ方向の充填率ｆ_ｙを等しくする、すなわちｆ_ｘ＝ｆ_ｙとする必要がある。厚さは動作が安定するのに十分であればよく、特性は寸法に依存性が小さい。構造パラメータ例を述べるとｔ＝１．４μｍ、ｆ_ｘ＝ｆ_ｙ＝０．６であり、厚さの許容範囲は、１．３μｍ＜ｔ＜１．５μｍ、充填率の許容範囲は第２実施形態と同じである。

図２２に、第６実施形態に係るゼロシフトミラーの楕円率の波長特性を、第４実施形態のゼロシフトミラーおよび非特許文献１のゼロシフトミラーの楕円率の波長特性と比較して示す。入射角度θ_inは４５°である。

このゼロシフトミラーの波長特性は、第２、第４実施形態のゼロシフトミラーと同程度である。

図２３に、第６実施形態に係るゼロシフトミラーの楕円率の入射角度特性を、第４実施形態のゼロシフトミラーおよび非特許文献１のゼロシフトミラーの楕円率の入射角度特性と比較して示す。

図２３から明らかなように、第６実施形態のゼロシフトミラーは、第２、第４実施形態のゼロシフトミラーの場合と同様に、非特許文献１のゼロシフトミラーに比べて楕円率の入射角依存性は極めて小さい。第６実施形態のゼロシフトミラーでは、広角度にわたって位相誤差が抑圧されている。

図２４に、第６実施形態に係るゼロシフトミラーの反射率の波長特性を示す。図２４から、第６実施形態のゼロシフトミラーは、広帯域にわたり反射率が向上していることがわかる。

以上、本発明をいくつかの実施形態に基づいて説明してきたが、本発明は、これらの実施形態のみに限定されるものではなく、必要に応じて適宜変形、変更が可能であることはいうまでもない。

１円偏光フィルター
２基板
３高反射層
４２次元周期構造体部
４Ａ柱状体部
５低反射率層
６高反射率層
７高屈折率部
８低屈折率部
９空気部
１０金属層
１１金属層

Claims

方位角φ＝４５度で入射する直線偏光に対して、基板上に、高屈折率層と低屈折率層を交互に複数組積層してなる高反射層と、該高反射層の上に間隔を隔てて２次元配列される横断面が矩形の複数の柱状体部よりなる２次元周期構造体部から構成され、前記柱状体部が高屈折率部と該高屈折率部の上に設けられる低屈折率部を積層してなり、前記基板と前記高反射層との間に金属層が設けられていることを特徴とする光学ミラー。
前記高屈折率層がＧｅであり、前記低屈折率層がＺｎＳであることを特徴とする請求項１に記載の光学ミラー。
直線偏光のビームを円偏光に変換させる円偏光ミラーであることを特徴とする請求項１または２に記載の光学ミラー。
円偏光に変換されたビームを、偏光状態を維持したまま伝送させるゼロシフトミラーであることを特徴とする請求項１または２に記載の光学ミラー。
前記高屈折率部がＧｅであり、前記低屈折率部がＺｎＳであることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の光学ミラー。