JPS63292101A - 偏光鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 この発明は、紫外線から赤外線を含む領域まで、。

例えば、２００７ｚｍ　　ｉでの波長領域内のレーザ輻
射線用の偏光金属鏡に関するものである。

〔発明の背景〕

紫外線から赤外線を含む領域まで達する波長範囲内の光
学輻射線の偏光のための装置として多くの偏光装置が知
られているが、その装置は主として誘電体材料、フィル
ムあるいはコーティングで構成されている。しかし、こ
のような偏光装置は充分な負荷に耐えることができない
ので、高出ヵのレーザ輻射には向かない〇 「オプティックス・コミュニケーションズ゛　１９（Ｏ
ＰＴ工Ｃ３ＣＯＭＭＵＮ工ＣＡＴ工ＯＮＳ　　１９　）
　Ｊ点　１．１９７６年１０月、７６〜７８頁には、偏
光子として作用し、表面に交・番する平行な凹凸を有す
る矩形波形状のプロフィル（ｐｒｏｆｉｌｅ　）　　を
持つ金属鏡のＪｌａｌ的研究が記載されている。この研
究では、４０〜６０゜の輻射入射角及び周期幅（即ち、
凹部と凸部の幅の和）に対する凹部の幅の比の値が０．
４５〜０．５５の場合が研究されている。

米国特許第４，００９，９３３号には、光学的に透明な
基板と、その上に配列された平行な金のストリップから
なるパタンと、その上に形成された反射性の誘電体多層
構造とを含む偏光レーザ反射器が示されている。上記ス
トリップ°の周期の幅は輻射線の波長の半分よりも小さ
くされている。

〔発明の概要〕

この発明は、レーザ輻射線等用の偏光鏡を作る際の問題
を解決するもので、この偏光鏡は高負荷をかけることが
できるものでアシ、驚異的な新しい特性を有し、新たな
応用を可能とするものである０ この発明は、紫外線から赤外線を含む領域までの波長範
囲の光学輻射線用偏光鏡であって、反射性金属表面を有
し、その表面の少くとも一部分に周期性のパタンを形成
する凹凸からなるレリーフパタンを有し、この凹部の実
効幅が輻射線の波長の２分の１にほぼ等しいかそれ以下
とされているような偏光鏡に関するものである。

この発明の第１の態様によれば、パタンを形成する凸部
は皿部の幅及び波長に比して大きな幅を持つ。推奨実施
例においては、各凸部の幅ａは各凹部の幅すの少くとも
１０倍で、波長λの少くとも５倍でおる。レーザ共振鏡
として推奨される比の値は、ａ／ｂが約３０でａ／λが
約１０である。

この発明のこの型の実施例は、上述した「オプティック
ス・コミュニケーションズ」に記載の偏光子とは次の点
で異る。即ち、この公知の偏光子では、凹部と凸部の幅
がほぼ等しい構造のみが論じられておフ、しかも、周期
、即ち、凹凸両部の幅の和にほぼ等しい波長のみが取扱
われており、凹部に平行な輻射線の成分に対する０次に
おける反射率Ｒｐは０．７５より大きく、Ｒ８（垂直成
分に対する０次における反射率）が０．２５より大きい
。公知の装置では、上記輻射線の垂れぞれの欠落（ｍｉ
ｓｓｉｎｇ）輻射成分は１次に回折され、それ以上の回
折次は生じない。しかし、上述したこの発明の実施例で
は、多数の回折次が生じ、前記の条件により、Ｒｐはほ
とんど１に等しく、また、Ｒ８はｌ−δ（但し、δ＜＜
１）となる。これは驚くべきことであり、上記の「オプ
ティックス・コミュニケーションズ」からは考えられな
かったことである。δは、好まし前述した米国特許第４
，００９，９３３号に記載されている偏光子のこの発明
の上記した実施例との相違は、ストリップパタンの周期
が波長の２分の１より小さく、ストリップの幅とストリ
ップ相互の間隔が等しいことである。

この発明の第２の態様によれば、１つの凸部とそれに隣
接する凹部の幅の和は直角に入射する輻射線の波長より
小さく、かつ、その波長の２分の１より大きい。この条
件の意味は、０次回折のみが生じる、即ち、入射輻射ビ
ームは２以上の反射ビームに分割されることがないとい
うことである。

入射角が９０°からずれる場合は、その入射の角度に応
じて最大２分の１まで、上述した限界（λ／２＜ａ＋ｂ
＜１　）を減じることにより、０次のみを生じさせるこ
とが可能となる。

前述の刊行物ｒオプティックス・コミュニケーションズ
」で論じられている偏光子がこの発明の第２の実施例と
異なる点は、この刊行物に記載の偏′光子では、入射角
が、０次回折に現われない輻射成分からなる１次回折も
同時に生じるような角度となっている点である。

この発明の第２の実施例が前記米国特許第＋、ｏｏｉ＞
、ｉｓｓ：ｓ号に記載、の偏光子と異竜る点は、この第
一２の実施例においては、反射面が凸部と凹部の双方が
金属反射するレリーフパタンを形成しておシ、凹部と凸
部の幅の和が波長よりも大きくされており、さらに、２
つの偏光成分が異なる位相で反射されるようになってお
り、従って、多くのして、楕円／円偏光子（アイソレー
タ、移相器、減衰器、変調器、補償器、偏光旋回器等）
として、あるいは、平板素子と共に集束、ビーム分割等
用に用いることが可能となった。

このように、この発明による偏光金属鏡は、偏光される
べき輻射線が垂直あるいはほとんど垂直に入射しても有
効な偏光動作を行うことができ、しかも、非常に高出力
の輻射にも耐えることができる。従って、この偏光金属
鏡は、例えば、基本モードレーザ発振器において偏光の
縮退（ディジェネレーション）を防止するための共振鏡
として用いることができる。

従って、偏光に応じて、レーザ共振は異なる同調長（Ａ
Ｉ）Ｓｔｉ証ａＭｎｇｅｎ　）で生じ、増幅の帯域を適
正に選べば、周波数差が鏡の位相遅延によって左右され
る２つの互いに直角に偏光されたビームを同時に発生さ
せることができる。

別の利点は直線偏光されたビームを円偏光されたビーム
に、または、その逆に変換することができることである
。

この発明の鏡は曲面を持つことができ、従って、例えば
、２つの機能、円偏光子と集束ミラーの機能とを組合わ
せることができる。また、直線偏光子と共に用いると、
不要な輻射、例えば、被加工品（ワークピース）から反
射される輻射をおさえるための高負荷を与えることので
きるアイソレータを作ることができる。

鏡を回転させるための構成、特に、鏡を鏡面に垂直な２
軸、または、これに対して直角で鏡面内にあるＸ軸を中
心に回転させるための構成を、他の素子、例えば、直線
偏光子と組合わせて用いると、偏光保持連続可変移相器
、減衰器あるいは変調器、楕円偏光用補償器、あるいは
、直線偏光用回転器等が得られる。

（推奨実施例の説明〕 次に、図面を参照して、この発明の詳細な説明する。

図は、この発明の推奨実施例に従う偏光金属鏡の拡大断
面斜視図である。

この発明の偏光鏡・は全てを金属で作ってもよいし、あ
るいは、非金属基板、例えば、セラミック、石英等の基
板と、その上に配置され、所要の負荷受容能力に必要な
厚さく例えば、０．５〜１．０７ｚｍ）を有する、反射
面を形成する金属層とで構成することもできる。

この偏光鏡においては、反射性金層面は凹部１６によっ
て互いに隔てられた細長いストリップ状凸部１４のレリ
ーフパタンによって構成されている。

図示の実施例においては、凸部１４は直線状で互いに平
行であシ、レリーフパタンは矩形状プロフィルを有して
いる。しかし、凸部１４と凹部１６は、偏光鏡が対象と
する輻射線の波長の大きさと同じ程度の直線性と平行性
を持てばよい。巨視的に見れば、凸部及び凹部も、実質
的に同じ間隔で隔てられていれば、湾曲していてもよい
。即ち、例えば、同心円、楕円、双曲線等でもよい。他
のプロフィル、例えば、鋸歯状プロフィル、三角プロフ
ィル、正弦波プロフィル等を用いて、偏光鏡に特定の性
質を与えることもできる。

説明の便宜上、この発明を平行な直線状凸凹部を有する
図示の実施例について説明する。

図示の偏光金属鏡において、凹部１６の（実効）幅すが
＋２方向から入射する輻射線の波長の２分の１より小さ
くされていれば、電気ベクトルＥが凹部１６の長手方向
に垂直に、即ち、ｙ方向に垂直に偏光された成分Ｅ、は
、電気ベクトルがｙ方向に平行な成分よりも深く凹部１
６中に進入することが。

出来る。凹部１６は、ｙ方向と平行な輻射線の電気成分
を短絡する平行な導電性壁を有する中空導波管と考える
ことが出来、成分Ｅｐは凹部１６に進入することが出来
ない。図示の偏光鏡において、偏向によっては、反射は
ｚ　＝ｔｐ、　ｔｓ（ｔｐ＞ｔＢ　）の異なる平面内で
生じる。但し、ｔは凹部１６の底面から２方向に測った
深さで、従って、凸部１４の表面は座標ｚ＋＝ｔを持つ
。

この第１の型の偏光鏡では、ａ＞＞ｂ、ａ＞＞λである
０前述のように、凹部の実効的な幅すは入射する輻射線
の波長λの２分の１以下である。凸部１４と凹部１６か
らなるレリーフ構造は、Ｅｐ及びＥｓ（のである。Ｅｐ
について言えば、回折効果及びビーム路の外へ回折され
た輻射による損失は、ｔｐがｔ従って、反射波面はほと
んど妨害を受けない。Ｅｓ（即ち、電気ベクトルがｙ方
向に垂直に振動する成分）については、相当な回折効果
と同時に特に大きくすることのできる回折損失が得られ
るので、凹部１６の深さｔは１／４波長に等しくなシ、
波面に対して最大の妨害を与えられる。従って、この型
式の金属鏡は、例えば、共振ミラーとして用いることの
できる、はとんど損失のない、高い負荷をかけ得る直線
偏光鏡を代表するものである。この鏡の不所望偏光成分
Ｅｓに対する遮断機能は、そのパラメータａ、ｂ、を及
びそのプロフィル形状を適当に選ぶことにより、対象と
する輻射線に対して最適な形で適合させることができる
。

この発明の第２の型の反射金属鏡においては、ａとｂの
和（ａ＋’ｂ）は、入射輻射線の波長より小さく、その
波長の２分のｌより大きくされ°ており、従って、反射
ビーム以外には、他の回折次は生じない。従って、波面
の形状（例えば、平面波面ンは反射波に保持され、また
、この反射において、成分ＥｐとＥｓとの間に位相偏倚
φが生じる。この位相偏移φは、ｔが増加すると大きく
なり、また、ａ、ｂ及び場合によってはプロフィルの形
状を適当に選ぶことにより、特定の値に設定することが
できる。ａはｂよりもかなシ小さくせねばならないとい
うことはない。対象とする赤外及び可視スペクト〃範囲
においては、ａはｂよりかなシ小さくする必要があると
考えられるにも拘わらず、強度及び耐久性の観点から実
現不可能と考えられる。実際には、ａはｂとほぼ等しく
することができる。

この型の偏光伽蕃鏡はレーザ共振鏡として用いて、例え
ば、基本モードのレーザ発振器の偏光縮退を抑えること
ができる。偏光に応じて、レーザ共振は種々の同調長（
Ａｂｓｔｉ、ｍｍｌｍｍ１ａｎ　）で生じる。

増幅の帯域を適当に選ぶと、２つの互いに直角に偏光さ
れたレーザビームを同゛時に生じさせることができる。

これらの２つのビームの周波数差は、この鏡によってそ
の２つの偏光の方向の間に与えられる遅延、即ち、位相
偏移φによって決まる。

この発明はさらに、光ビームの偏光にも用いることがで
きる。実用上、重要な場合は、φ＝９０°、即ち、直線
偏光されたビームを円偏光されたビームに、又は、逆に
、円偏光ビームを直線偏光ビーム・に変換する場合であ
る。位相偏移φは入射角を変化させることにより、例え
ば、鏡をＸ軸を中心にして回転させることにより、連続
的に調整することができる。ここで注意すべきことは、
前に述べた（ａ＋ｂ）＜λという限界条件は、入射角が
９０’の時のみに適用されるということである。輻射線
が噴いて入射する場合、例えば、ｚ−ｙ平面内で入射す
る場合は、（ａ、＋ｂ）の代シに、（ａ−）−’ｂ）（
１−８ｌｉｎα）が用いられる。

この発明はレリーフパタンを有する平面鏡に限定されず
、湾曲金属面にも適用できる。このことによυ、例えば
、１つの光学素子において２つの機能、円偏光子と集束
ミラーとを組合わせることが可能になる。直線偏光子と
共に用いると、例えば、対象物から反射される輻射を抑
えるための、高負、荷をかけ得るアイソレータが得られ
る。

上述した２つの型の鏡において、初めに示した条件、ｂ
くλ／２、は厳密には適用されない。この条件は、回折
の問題を金属性中空導波器の遮断のふるまいを考察する
ことによって表わすことが出来る範囲の限界を表わすだ
けである。しかし、基本的には、どのようなプロフィル
であっても、少くともある程度は偏光作用を持っている
。上記の遮断条件を僅かに超えた場合でも、即ち、ｂが
波長の２分の１よりもいくらか大きい場合でも、衣然と
して非常に高い偏光作用が得られる。

さらに、構造パラメータ（ａ、ｂ、ｔ）及び／またはプ
ロフィルの形状、従って、φは、鏡の部分部分で変える
ことができる。従って、１つの平面素子に、集束、ビー
ム分割等の諸機能を持たせることができる。

図面に示し説明してきた細長い直線状の凹凸からなるレ
リーフ構造の代υに、凹部及び凸部が波長の大きさに相
当する程度で直線状である限り、即ち、曲率半径が波長
に比して非常に大きなものである限り、他のレリーフ構
造も採用可能である。

例えば、円形の凹凸を用いた場合には、光軸に対して接
線方向のビームの偏光が達成できる。同様に、凹部及び
凸部の形状を実質的に等間隔の楕円、放物線、双曲線あ
るいは他の曲線状にすることができる。

円偏光９０°偏向鏡の場合に１０．６１ｔｍの放射波長
ノＣＯ２レーザを用いる場合は、ａ　＝　ｂ　＝　４　
ｌｔｍ　。

ｔ　＝　２１ｉｍとすることができる。偏光効果の微同
調は、輻射線の入射角を変化させることにより、また、
鏡面に垂直な２軸まわシに鏡を回転させることにより行
うことができる。

【図面の簡単な説明】

図はこの発明の推奨実施例に従う偏光金属鏡の拡大断面
斜視図である。 １４・・・凸部、１６・・・凹部、ａ・・・凸部の幅、
ｂ・・・凹部の幅、ｔ・・・凹部の深さ。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）少くとも一部分に周期性パタンを形成する凸部と
   凹部からなるレリーフパタンを有する反射性金属面を含
   み、上記凹部の実効幅が輻射線の波長の２分の１にほぼ
   等しいか短かくされており、特徴として、上記凸部の幅
   が上記凹部の幅及び上記波長に比して大きなものである
   、紫外線から赤外線を含む領域までの波長領域の光輻射
   線用の偏光鏡。
2. （２）少くとも一部分に周期性パタンを形成する凸部と
   凹部からなるレリーフパタンを有する反射性金属面を含
   み、上記凹部の実効幅が輻射線の波長の２分の１にほぼ
   等しいか短かくされており、特徴として、凸部とそれに
   隣接する凹部の幅の和が輻射線の波長より小さく、かつ
   、輻射線の波長の２分の１より大きくされている、紫外
   線から赤外線を含む領域までの波長領域の光輻射線用の
   鏡。
3. （３）０次の輻射線のみが生じるように輻射線のビーム
   通路に配置される請求項（２）に記載の鏡。
4. （４）凹部の深さが実質的に４分の１波長に等しい請求
   項（１）、（２）または（３）に記載の鏡。
5. （５）構造パラメータである凸部の幅、凹部の幅、凹部
   の深さ及びプロフィル形状の中の少くとも１つが、鏡の
   表面上で変化している請求項（１）、（２）、（３）ま
   たは（４）に記載の鏡。