JPH0690045A - コーティングされた鏡を有するファブリ‐ペロ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 それ自体反射する物質でできた鏡を含むファ
ブリ‐ペロを提供する。 【構成】 ファブリ‐ペロのエタロンまたは干渉計にお
いて、金属の鏡がそれぞれ、封止された間隔とは別の方
に向いた面に誘電体コーティングを備えている。光学機
器の要素に普通施与されるような反射防止膜との類似物
とみられ得るこの誘電体コーティングは、フィネスに悪
影響を及ぼすことなくピーク透過率を改善するという利
点を生じる。この誘電体コーティングは使用した波長
（λ）について透明で、好ましくは約1/4 λ／ｎ（ここ
でｎは誘電体コーティング物質の屈折率である）の厚さ
を有する。このコーティングは好ましくは、高い屈折率
を有する物質でできており、その例としては二酸化ジル
コニウム、二酸化チタン、硫化亜鉛または亜鉛セレン化
物が挙げられる。 【効果】 改善された透過率を示し、かつ高いフィネス
を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はファブリ‐ペロ(Fabry-P
erot) のエタロン(etalon)および干渉計（以下では、短
くしてファブリ‐ペロと称する）に関する。

【０００２】

【従来の技術およびその課題】ファブリ‐ペロは公知の
重要な光学装置である。それらは真の干渉計（例えば分
光学のための）として、レーザーキャビティ(laser cav
ity)として、または特に単一モードレーザーのレーザー
キャビティにおけるインサート(insert)として使用され
得る。目下、ファブリ‐ペロはまた、光学的内部連結の
ための反射または透過モジュレーター(modulator) とし
て提案されている。

【０００３】ファブリ‐ペロは普通、決められた光路長
（間隔(gap) ）により隔てられた、２つの反射面（鏡）
を有する。ファブリ‐ペロの干渉計においては、鏡によ
って封じられた間隔は通常空気を含み、機械的に、例え
ば鏡の１つを動かすことにより変化させることができ
る。ファブリ‐ペロのエタロンにおいては、鏡は普通、
例えばスペーサー（例えば水晶またはガラスが普通使用
される）によって固定されている。干渉計の普通の間隔
幅は、数ミリメートルから数センチメートルまで変化す
る。ファブリ‐ペロをレーザー共振空胴(laser resonan
t cavity) として使用するときには、非常により大きな
間隔幅が通例である。モジュレータを含むいくつかの応
用のためには、間隔幅は１〜数μｍの桁を持ち得る。

【０００４】一般に、ファブリ‐ペロには２つのタイプ
の鏡が使用される。すなわち、単層として実質的な反射
率を示さない物質でできた、いわゆる４分の１波長スタ
ック(stack) （ＱＷＳ）、またはそれ自体反射する物質
（普通、金属または金属化合物を含む）でできた単層を
含む鏡である。鏡はしばしば平行した平面であるが、湾
曲した鏡の系も、特にレーザーキャビティおよびスペク
トル分析機として良く知られている。

【０００５】本発明は、金属のような反射する物質でで
きた鏡を２個有するタイプのファブリ‐ペロに関する。
上記から明らかなように、鏡の内表面は互いに隔てられ
て間隔を形成し、間隔幅は任意的に固定される。

【０００６】英国特許出願第2,082,380 号は、半導体注
入レーザーにおいて使用されるこのタイプのファブリ‐
ペロ エタロンを開示している。このファブリ‐ペロ
は、スペクトル放射を広げ、単一モード操作の範囲を増
加し、かつ遠視野像における広がりを減ずるために、鏡
の１方の内表面に４分の１波長反射防止層を備える。他
方の鏡の内表面は任意的に半波長層で覆われている。

【０００７】Annales de Physique の第６巻(1951 年）
第５頁には、ファブリ‐ペロが開示されており、その金
属の鏡は、間隔に向いた面に誘電体層を備えている。こ
の開示においては、ファブリ‐ペロの反射率を著しく改
善するために、単一の誘電体層は適さないことが結論さ
れる。

【０００８】欧州特許出願第371,695 号は、間隔が液晶
層を含み、かつ金属電極を有するＱＷＳファブリ‐ペロ
に基づく空間光モジュレータに関する。この装置におけ
る鏡は誘電体多層フィルム、すなわち４分の１波長スタ
ックである。

【０００９】ＱＷＳファブリ‐ペロはまた、Thin Solid
Films、第137 巻、２号、第161-168 頁（1968年）およ
びOptik 、第50巻、４号、第329-340 頁（1978年）に開
示されている。

【００１０】従来技術の記述はさらに、ファブリ‐ペロ
についての通常の知識を含む。Ｃ．ファブリ(Fabry) と
Ａ．ペロ(Perot) によって創り出された最初の干渉計
は、例えば平らな表面を有する２つの透明な（ガラスま
たは水晶の）板を含む。内表面は高い反射力の部分的に
透明なフィルムで覆われていて、平行であり、空気の間
隔を封じ込めている。透明な板は反射コーテイングのた
めの基板として働く；これらのおよび他の公知のファブ
リ‐ペロの鏡は普通、金属、例えば金、銀もしくはアル
ミニウム、または金属化合物を反射表面として有してい
る。

【００１１】本来、ファブリ‐ペロの鏡は実質的な反射
率、例えば９０％より大きい反射率を示すが、それはま
たある程度まで透過率も示す。さらに、それ自体反射す
る物質で構成される鏡、特に金属の鏡は入射光の吸収を
示す。

【００１２】鏡の反射力が大きいと、反射率および透過
率は入射光の波長の関数として一連のピークを示す。鏡
の隔たりが波長よりずっと大きいと（普通の場合）、ピ
ークはその波長においてほぼ周期的になる。次々続くピ
ークを隔てる距離（重ならないスペクトル範囲(free sp
ectral range),FSR ）の、ピークの半値全幅（full-wid
th at half maximum）に対する比はしばしば、ファブリ
‐ペロの特性を述べるのに使用される。そのような比
は、「フィネス(finesse) 」と呼ばれる無次元量であ
る。多くの応用のために高いフィネスが望ましい。

【００１３】高いフィネスを達成するためには、高い反
射率が一般に要求される。金属または金属化合物を含む
鏡を有するタイプのファブリ‐ペロの場合には、増加さ
れた反射率は普通、増加された吸収を伴う。したがっ
て、本発明のタイプのファブリ‐ペロにおいては、高い
フィネスの要求は高いピーク透過率の要求に匹敵する。
フィネスに悪影響を及ぼすことなく、ピーク透過率につ
いてファブリ‐ペロを改善するのが望ましい。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の目的は、それ自
体反射する物質、例えば金属または金属化合物でできた
鏡を含む上記したタイプのファブリ‐ペロを提供するこ
とであり、これは高いフィネスを維持しつつ改善された
透過率を示す。本発明のさらなる目的は、鏡がそれ自体
反射する物質、例えば金属でできているタイプのファブ
リ‐ペロを提供することであり、これは良好な透過率を
維持しつつフィネスを改善させる。本発明のなお別の目
的は、改善された透過率およびより高いフィネスを同時
に示す、金属の鏡を含有するファブリ‐ペロを提供する
ことである。

【００１５】本発明は、上記したタイプのファブリ‐ペ
ロにおいて、鏡がそれぞれ、間隔とは別の方に向いた面
に誘電体コーティングを備えていることにある。

【００１６】誘電体コーティングは、光学機器の要素に
普通適用されるような反射防止膜の類似物として見られ
得るが、非常に異なる機能を有している。この点で、鏡
の外側表面にそのような反射防止膜を使用することは望
ましい利点をもたらし、一方、（この利点が適用され
る）ファブリ‐ペロの作動領域は、間隔の中、すなわち
鏡の内部にあることをはっきりと認識すべきである。

【００１７】ここに本発明の種々の実施態様の記載を続
ける。

【００１８】誘電体コーティングは、使用した波長につ
いて実質的に透明でなければならない。後述する本発明
のファブリ‐ペロは、架空の波長λの光で使用するのに
適している。実際、この光は実は単一波長を持ち得る
が、また多色でもあり得る。後者の場合、λは平均波長
を示す。

【００１９】誘電体コーティングは一般に、約０．１λ
／ｎ〜約０．５λ／ｎ（ｎは誘電体物質の屈折率を示
す）の厚さを有するとよく機能する。好ましくは誘電体
コーティングは約1/4 λ／ｎの厚さを有する。これらの
厚さは、この範囲＋１以上の半波長を含み、達成された
効果は周期的であり、周期は1/2 λであると理解される
べきである。

【００２０】そのような本発明のファブリ‐ペロは、鏡
として４分の１波長スタックを有するファブリ‐ペロと
は明らかに区別されることに注意しなければならない。
上記したように、本発明は、反射する物質、すなわちそ
れ自体で反射する物質、例えば金属または金属化合物を
含む鏡を有するファブリ‐ペロに関する。高いピーク透
過率および高いフィネスが競争する要求であるという上
記した問題は、そのような反射する物質を含む鏡で観察
される吸収に帰すべきものであり、いずれにしても、鏡
として４分の１波長スタックを有するファブリ‐ペロに
おいてあまり重要な役割を演じない。そのようなファブ
リ‐ペロは本発明の範囲外にあり、その上、製造工程
は、２つの異なる屈折率を有する、たくさんの４分の１
波長層の堆積を含むので、製造するのがより困難であ
る。

【００２１】Ｃ．ファブリ(Fabry) とＡ．ペロ(Perot)
の最初の構成にしたがうファブリ‐ペロが使用される実
施態様、すなわち、内側、すなわち間隔に向いた面に反
射する物質でコーティングされた透明な基板を含む鏡を
有する実施態様では、本発明の誘電体コーティングは反
射する物質と基板との間に施与される。

【００２２】適した誘電体コーティングとしては、使用
した波長について、間隔媒質（普通、空気またはガラ
ス）より高い屈折率を有する吸収のない層であるという
主たる要求を満たす、任意の無機、有機またはポリマー
物質が挙げられる。無機物質の例としては、反射防止膜
に通常使用される公知の物質、例えば氷晶石（ナトリウ
ムとアルミニウムのフッ化化合物）、フッ化マグネシウ
ム、フッ化セリウムまたはこれらの混合物が挙げられ
る。ポリマー物質の例としては、例えば光学レンズに使
用される物質、例えばジエチレングリコールビス（アリ
ルカーボネート）が挙げられる。

【００２３】誘電体コーティングの屈折率が高いと、本
発明のファブリ‐ペロはよりよく機能することが見出さ
れた。故に、好ましい誘電体コーティングは２．０より
高い屈折率を有するものである。このような物質は実
際、ファブリ‐ペロの分野から公知である。それらは普
通、上記した４分の１波長スタックにおいて高い屈折率
層を構成する。この点で、好ましい誘電体コーティング
は、二酸化ジルコニウム、二酸化チタン、硫化亜鉛、亜
鉛セレン化物またはこれらの混合物を含む。

【００２４】一般に、両方の鏡の表面に同じ誘電体コー
ティングを施与するのが便利であることに注意すべきで
ある。しかし、各鏡はまた、異なる誘電体コーティング
で被覆されることもできる。

【００２５】上記で述べた条件下で誘電体層で鏡を単に
コーティングするだけで、ピーク透過率を増加させるの
に十分である。種々の応用のために、さらなる増加は必
要なく、またはときどき好ましくないことすらある。し
かし、フィネスを維持しつつピーク透過率の最適増加が
望ましいならば、鏡の厚さを、間隔の内部の反射を変化
させないようなやり方で誘電体コーティングの存在に適
合させることが要求される。特定の場合に、厚さを増加
させるかまたは減少させることによって、所望の適合が
達成されるかどうか漠然と予言することはできない。し
かし、当業者は、Ｍ．ボーン(Born)およびＥ．ウォルフ
(Wolf)の「プリンシプルズ オブ オプティックス(Pri
nciples of Optics)」、ペルガモン プレス(Pergamon
Press)、オックスフォード(Oxford)、第４版、1970年、
第５１頁および６１１頁に記載されたアベルス(Abeles)
の理論を用いて、これを計算できる。

【００２６】本発明のファブリ‐ペロのさらなる構成要
素は慣例のものである。よって、間隔は、空気、ガラ
ス、水晶または任意の他の適当な物質、例えば透明な有
機ポリマーを封入することができる。ファブリ‐ペロが
光学的連結のための透過モジュレータとして使用される
ならば、間隔は非線形光学（ＮＬＯ）物質、好ましくは
ＮＬＯポリマーを含み得る。ＮＬＯ物質は当分野では公
知であり、ここではさらなる説明を必要としない。適し
たＮＬＯポリマーの例としては、欧州特許出願第350,11
2 号、欧州特許出願第350,113 号、欧州特許出願第358,
476 号、欧州特許出願第445,864 号、欧州特許出願第37
8,185 号および欧州特許出願第359,648 号に記載された
ものがある。

【００２７】鏡は任意の適当な反射する物質でできてい
てよく、それ自体公知である。そのような物質の普通の
例としては、金属、特に金、銀またはアルミニウムが挙
げられる。

【００２８】以下の実施例について本発明をさらに記載
する。実施例は、限定よりむしろ説明のためのものと解
釈されるべきである。

【００２９】

【実施例】比較例 比較例のファブリ‐ペロは、１．５５の屈折率を有する
ガラスを含む１mmの間隔を封入した、２個の銀の平らな
平行な鏡を含む、約５１４．５nmの波長で使用するため
のエタロンである。鏡の厚さは５０nmであった。誘電体
コーティングは存在しなかった。

【００３０】５１４．５nm付近の波長について、ファブ
リ‐ペロ エタロンはフィネス２０でピーク透過率３．
７％を示した。実施例１ 例証したファブリ‐ペロは上記のようなエタロンである
が、外側表面（すなわち、間隔とは別の方へ向いた表
面）を硫化亜鉛の誘電体コーティングで被覆した鏡を有
する。誘電体コーテイングの厚さは５５．９nmで、その
屈折率は２．３であり、すなわち、本発明のファブリ‐
ペロ エタロンは、1/4 λ／ｎの誘電体コーテイングを
有する。

【００３１】５１４．５nm付近の波長について、このフ
ァブリ‐ペロ エタロンは、フィネス２１でピーク透過
率９．７％を示した。実施例２ ここで例証したファブリ‐ペロは実施例１と同様のエタ
ロンであるが、比較例のコーティングされていないファ
ブリ‐ペロ エタロンと同じ内部反射率を有するため
に、鏡の厚さを４７．８nmに調整した。

【００３２】５１４．５nm付近の波長について、このフ
ァブリ‐ペロ エタロンは、フィネス２０でピーク透過
率１２．５％を示した。

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 反射する物質でできた鏡を２個有し、鏡
   は互いに離れていて間隔を形成し、間隔幅は固定されて
   いてもよいファブリ‐ペロにおいて、鏡がそれぞれ、間
   隔とは別の方に向いた面に誘電体コーティングを備えて
   いることを特徴とするファブリ‐ペロ。
2. 【請求項２】 誘電体コーティングが屈折率ｎを有し、
   かつ約０．１λ／ｎ〜約０．５λ／ｎの厚さを有する、
   単一または平均波長λの光で使用するのに適した請求項
   １記載のファブリ‐ペロ。
3. 【請求項３】 誘電体コーティングが、約1/4 λ／ｎの
   厚さを有する請求項２記載のファブリ‐ペロ。
4. 【請求項４】 鏡の厚さが、コーティングされていない
   ファブリ‐ペロと同じ大きさの内部反射率を保持するよ
   うに調整された請求項１〜３のいずれか１項記載のファ
   ブリ‐ペロ。
5. 【請求項５】 誘電体コーティングが有機ポリマーを含
   む請求項１〜４のいずれか１項記載のファブリ‐ペロ。
6. 【請求項６】 誘電体コーティングが、氷晶石、フッ化
   マグネシウム、フッ化セリウムまたはこれらの混合物を
   含む請求項１〜４のいずれか１項記載のファブリ‐ペ
   ロ。
7. 【請求項７】 誘電体コーティングが２．０より大きい
   屈折率を有する請求項１〜４のいずれか１項記載のファ
   ブリ‐ペロ。
8. 【請求項８】 誘電体コーティングが、二酸化ジルコニ
   ウム、二酸化チタン、硫化亜鉛、亜鉛セレン化物または
   これらの混合物を含む請求項７記載のファブリ‐ペロ。
9. 【請求項９】 間隔が、非線形光学ポリマーを含む請求
   項１〜８のいずれか１項記載のファブリ‐ペロ。
10. 【請求項10】 干渉計として、請求項１〜９のいずれか
    １項記載のファブリ‐ペロを使用する方法。
11. 【請求項11】 レーザーキャビティとして、請求項１〜
    ９のいずれか１項記載のファブリ‐ペロを使用する方
    法。
12. 【請求項12】 反射または透過モジュレーターとして、
    請求項１〜９のいずれか１項記載のファブリ‐ペロを使
    用する方法。