TWI846933B - 真空紫外光之產生方法及用於此的裝置 - Google Patents
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Abstract
[課題]藉由簡易的機構生成真空紫外光。再者，擴寬能夠生成的真空紫外光的波長頻帶。
[解決手段]朝向至少背面側被露出於真空中的薄膜狀之介電體(2)之表面，照射具有能夠穿透介電體(2)之波長的激發雷射光(11)。可以使真空紫外光朝向介電體(2)之背面方向產生，作為激發雷射光(11)之照射所致的N次高諧波。但在此，N≧2。
Description
本發明係關於真空紫外光之產生方法及用於此的裝置。
真空紫外相干光作為雷射光電子能譜用之光源，或生體分子之真空紫外圓二色測定用之光源為重要。為了產生真空紫外相干光，廣泛使用利用非線性介質而將可見光或近紅外光區域之雷射光予以波長轉換的手法。
但是，多數的固體不僅在真空紫外的波長區域成為不透明，也難以實現相位匹配。因此，能使用於朝真空紫外區域的波長轉換的結晶非常有限(參照以下專利文獻1及2)。再者，一般如此的稀少固體有流通不隱定且非常高價的問題(參照下述非專利文獻1)。並且，在該手法中，也有為了實現相位匹配，需要以稜鏡夾著結晶之繁瑣準備的問題(參照以下非專利文獻1及非專利文獻2之Fig.1(b))。
再者，所知的也有使用稀有氣體作為非線性介質而予以波長變化的手法。但是，在使用稀有氣體的手法中，不僅有對於每種類型的氣體，可以產生的波長被限制在窄範圍內，也有波長轉換用的氣壓等之條件之控制繁瑣的問題。
再者，近年來，到達至軟X射線區域的相干光能夠以高次(例如，11次以上)之高諧波而生成(參照下述非專利文獻3)。但是，在該手段中，有產生需要使用脈衝寬為數10飛秒程度的高強度極短脈衝光源之問題，該光源的操作性並不簡單。再者，因即使在該手段中也主要使用稀有氣體作為非線性介質，故產生如氣壓等之控制繁瑣的問題。
再者，因在真空紫外區域，僅限偏光控制元件，故也有用以將在該些手法中生成的真空紫外光控制成圓偏光的手段繁瑣的問題。
另外，本發明者們提案藉由對形成3次旋轉對稱構造的金屬薄膜照射激發雷射光，生成被偏光控制的可見光區域之2次高諧波的手法(參照下述非專利文獻4)。但是，該技術原本就不係用以生成真空紫外光者。再者，因金屬薄膜在低激發雷射光強度被破壞(即是，破壞臨界值低)，故也有所取得的高諧波之強度低的問題。
[先前技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2003-5233號公報
[專利文獻2]日本特開2013-174873號公報
[非專利文獻]
[非專利文獻1]NATURE, Vol 457, 19 February 2009
[非專利文獻2]"DUV/VUV ALL-SOLID-STATE
LASERS：TWENTY YEARS OF PROGRESS", PENG et al., IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 24, NO. 5, SEPTEMBER/OCTOBER 2018"
[非特許文獻3]"Extreme ultraviolet high-harmonic spectroscopy of solids" T. T. Luu, M. Garg, S. Yu. Kruchinin, A. Moulet, M. Th. Hassan & E. Goulielmakis, Nature vol. 521, pp. 498-502(28 May 2015)
[非專利文獻4]"Polarization-Controlled Circular Second -Harmonic Generation from Metal Hole Arrays with Threefold Rotational Symmetry" Konishi et al., Phys. Rev. Lett. 112, 135502(2 April 2014)
[發明所欲解決之課題]
本發明者們取得不受相位匹配條件般的傳播效果限制，在以波長以下之厚度的介電體薄膜作為非線性介質而進行波長轉換之時，可以藉由能利用於光電子能譜法等之用途之程度的高強度，生成真空紫外光作為高諧波的新見解。
本發明係根據該新見解而創作出者。本發明之主要的目的之一係提供借由簡便的機構，能夠生成高強度的真空紫外光的技術。本發明之另一目的係提供可以擴寬能夠生成的真空紫外光之波長頻帶的技術。再者，本發明之另一其他目的係提供可以簡便地生成圓偏光狀態之真空紫外光的技術。
[用以解決課題之手段]
解決上述課題的手段可以記載成如下述之項目。
(項目1)
一種真空紫外光之產生方法，具有：朝向至少背面側被露出於真空中的薄膜狀之介電體之表面，照射具有能夠穿透上述介電體之波長的激發雷射光的步驟，和
使真空紫外光朝向上述介電體之背面方向產生，作為上述激發雷射光之照射所致的N次高諧波的步驟，
在此，N≧2。
(項目2)
如項目1所載的真空紫外光之產生方法，其中
N=3，
上述激發雷射光之波長為在600～200nm之範圍中的任一的波長。
(項目3)
如項目1或2所載之真空紫外光之產生方法，其中
上述介電體為Al2
O3
、SiO2
、MgF2
、CaF2
、LiF中之任一者的結晶。
(項目4)
如項目1或2所載之真空紫外光之產生方法，其中
上述介電體為γ-Al2
O3
之結晶。
(項目5)
如項目4所載之真空紫外光之產生方法，其中
上述介電體係使上述γ-Al2
O3
之層磊晶生長在Si基板上之後，除去上述Si基板而被製造出。
(項目6)
如項目1～5中之任一項所載之真空紫外光之產生方法，其中
上述介電體具有在與上述激發雷射光之照射方向交叉之方向延伸的(N+1)次旋轉對稱構造，
上述激發雷射光被設為圓偏光，
藉由上述激發雷射光穿透上述(N+1)次旋轉對稱構造，產生圓偏光之上述真空紫外光。
(項目7)
如項目6所載之真空紫外光之產生方法，其中
具有藉由變更在上述激發雷射光中之圓偏光之旋轉方向，變更在上述真空紫外光中之圓偏光之旋轉方向的步驟。
(項目8)
一種真空紫外光之產生裝置，具備：
至少背面側被露出至真空中的薄膜狀介電體，和
朝向上述介電體之表面，照射具有能夠穿透上述介電體之波長的激發雷射光的光源，
上述介電體成為使真空紫外光朝向上述介電體之背面方向產生，作為上述激發雷射光之照射所致的N次高諧波的構成，
在此，N≧2。
(項目9)
如項目8所載的真空紫外光之產生裝置，其中
N=3，
上述激發雷射光之波長為在600～200nm之中的任一的波長。
(項目10)
如項目8或9所載之真空紫外光之產生裝置，其中
上述介電體具有在與上述激發雷射光之照射方向交叉的方向延伸的(N+1)次旋轉對稱構造，
上述激發雷射光被設為圓偏光，
藉由上述激發雷射光穿透上述(N+1)次旋轉對稱構造，能產生圓偏光之上述真空紫外光。
(項目11)
如項目8～10中之任一項所載之真空紫外光之產生裝置，其中
上述介電體之膜厚為10μm以下。
(項目12)
一種測定系統，藉由使用項目8～11中之任一項所載之裝置所取得的真空紫外光而測定試料之特性。
[發明之效果]
若藉由本發明時，藉由簡便的機構，可以生成也能利用於光電子能譜法等之用途之程度的高強度之真空紫外光。再者，若藉由本發明時，可以以簡易的手法擴寬能夠生成的真空紫外光之波長頻帶。並且，若藉由本發明時，藉由先在薄膜形成特定構造，真空紫外光之偏光狀態的控制變得容易。
以下，一面參照圖1～圖8一面說明本發明之第1實施型態所涉及之真空紫外光之產生方法。
(產生裝置)
首先，根據圖1說明用於該產生方法的真空紫外光之產生裝置。
該測定裝置具備光源1和介電體2作為主要的構成。並且，該裝置具備透鏡3、容器4、過濾器5、分光器6和檢測器7作為追加的構成。
(光源)
光源1成為朝向介電體2之表面，照射具有能夠穿透介電體2之激發雷射光(以下，有簡稱「激發光」之情形)11的構成。作為如此的光源，使用例如藉由組合鈦藍寶石(Ti：Sa)雷射或鐿類(Yb類)雷射和光參數放大器等之波長轉換機構，而能生成成為目標的波長或輸出的雷射光者。
例如，在從後述介電體2產生真空紫外光作為三次高諧波之情況，激發雷射光11之波長設為600～200nm之範圍內為佳。具體而言，激發雷射光11之波長能夠根據成為目標的三次高諧波之波長而決定。
再者，作為光源1，雖然通常使用脈衝雷射(例如奈秒脈衝雷射、皮秒脈衝雷射、飛秒脈衝雷射等)，但是若為能取得在實用上足夠強度時，亦可以使用連續波(CW)雷射。
因作為如此之雷射，可以使用自以往所知的者，故省略針對此更多的詳細說明。
(介電體)
介電體2被形成薄膜狀。該介電體2被收納在內部被設為真空的容器4之內部，在介電體2之至少背面側(在激發雷射光11之行進方向中為下游側)被露出至真空中。在本實施型態中，介電體2之表面側(在激發雷射光11之行進方向中為上游側)也被露出至真空中。
再者，介電體2係成為朝向介電體2之背面方向產生真空紫外光，作為激發雷射光11之照射所致的N次高諧波的構成。在此，一般為N≧2。在本實施型態中，設為N=3。
具體而言，以介電體2為Al2
O3
、SiO2
、MgF2
、CaF2
、LiF中之任一者的結晶為佳。尤其，以將介電體2設為γ-Al2
O3
之結晶為佳。
介電體2被配置成其表面在與激發雷射光11交叉的方向延伸。更具體而言，本實施型態之介電體2被配置成其表面在與激發雷射光11交叉的方向延伸。
(透鏡)
透鏡3係用以聚光來自光源1之激發雷射光11而照射至介電體2的要素。作為透鏡3，若為可以發揮所需的聚光機能者時則可以使用各種構造者。透鏡3之焦點距離或開口數等之參數可以因應所需的機能而選擇。透鏡3之焦點位置以設置介電體2的位置或其附近為佳。
(容器)
容器4為可以將內部保持在真空狀態者。在容器4之內部收納介電體2。依此，在本實施型態中，成為介電體2之表背兩面露出至真空中。
在容器4設置用以將激發雷射光11擷取至內部的窗部41。作為窗部41之材質，使用相對於激發雷射光11為透明的材質，例如石英。
(過濾器)
過濾器5係阻止激發雷射光11，並且穿透從介電體2產生的真空紫外光21者。作為如此的過濾器5，可以使用例如使用金屬和介電體之多層膜的帶通過濾器等。
在過濾器5之背後，設置被構成在內部保持真空的通路51。
(分光器)
分光器6成為將真空紫外光21擷取至內部而可以進行其分光的構成。因作為如此之分光器6，能夠利用自以往所知者，故省略詳細說明。
(檢測器)
檢測器7成為可以檢測以分光器6被分光後的真空紫外光的構成。在本實施型態中，使用CCD陣列做為檢測器7。因作為檢測器7，也能夠利用自以往所知者，故省略詳細說明。
(在第1實施型態中之真空紫外光的產生方法)
接著，針對使用上述裝置之真空紫外光之產生方法予以說明。
(激發雷射光之照射)
首先，朝向薄膜狀之介電體2之表面，從光源1射出激發雷射光11。被射出的激發雷射光11藉由透鏡3被聚光，通過容器4之窗部41之後，被照射至介電體2之表面。在本實施型態中，因藉由透鏡3聚光激發雷射光11，故可以將高強度之激發雷射光11照射至介電體2。因此，能夠提高所取得的三次高諧波之強度。
(真空紫外光之產生)
被照射至薄膜狀之介電體2之表面的激發雷射光11，係藉由介電體2中之非線性光學效果而被波長轉換，成為朝向介電體2之背面側的真空紫外光21。即是，藉由本實施型態之方法，可以產生相干的真空紫外光。產生的真空紫外光21通過過濾器5，到達至分光器6而被分光。被分光後的真空紫外光藉由檢測器7被檢測。
雖然被照射至介電體2之激發雷射光11相對於介電體2為透明而穿透介電體2，但是藉由過濾器5被阻止。因此，若藉由該實施型態時，可以解除激發雷射光11影響至真空紫外光之檢測強度之虞。
(實驗例1)
將藉由上述方法產生真空紫外光之結果作為實驗例1而表示於圖2及圖3。實驗條件為下述般。
介電體之材料：γ-Al2
O3
介電體之膜厚：50nm
激發雷射光之波長：468nm
激發雷射光之脈衝寬：約80fs
脈衝之重覆頻率：1kHz
激發雷射光之平均功率：23.5mW
累計時間(Accumulation time)：2秒
雖然圖2之縱軸為任意單位，但是藉由該方法，可以取得在例如使用雷射光之光電子能譜（photoemission spectroscopy）等之用途中實用上足夠的強度的真空紫外光，作為三次高諧波(THG)。
即是，在本實施型態中，即使使用光之波長以下之薄膜狀之介電體之情況，亦可以產生足夠高強度的真空紫外光。此為本發明者的新見解。再者，此被假設係因藉由使用雷射破壞臨界值大的介電體，能夠使用高功率的激發雷射光之情事，和藉由使成為薄膜狀，抑制介電體所致的真空紫外光之吸收之情事所引起。
在此，當使用來自光電子倍增管之訊號強度預估在該實驗例1被觀測到的真空紫外光之每1脈衝之最大光子數時，則約8.0×105
。當此換算成每1秒時的光子數時則為約8.0×108
，為足夠用於光電子能譜法等之用途的強度(參照：Cheng-Tien Chiang, Michael Huth, Andreas Trutzschler, Mario Kiel, FrankOSchumann, Jurgen Kirschner and Wolf Widdra "Boosting laboratory photoelectron spectroscopy by megahertz highorder harmonics" New J. Phys. 17(2015)013035）。
為了比較，在圖3表示使用塊體之藍寶石取代本實施型態之介電體之情況的結果。在圖3也一併記載圖2所載的結果。作為塊體之藍寶石，使用厚度500μm者。其他實驗條件與上述實驗例1相同。
從圖3明顯可知，在塊體構造中，幾乎無法取得真空紫外光。對此，藉由使用本實施型態之介電體2，可以取得在實用上足夠的強度之真空紫外光。
(實驗例2)
藉由使激發雷射光11之波長變化，以實驗例2說明使所取得的三次高諧波之波長變化的例。如圖4所示般，在實驗例2中，可以產生波長能在寬廣波長範圍調整的真空紫外光作為三次高諧波。
在以往之紫外光之產生方法中，雖然難以使真空紫外光之波長簡便地可調整，但是藉由本實施型態之手法，有可以使在寬廣範圍可調整真空紫外光之波長之情事變成簡便之優點。因此，若藉由本實施型態之裝置時，有例如一面在寬廣頻帶掃描真空紫外光之波長，一面進行分光之優點。
另外，圖4之縱軸為任意單位，所取得的真空紫外光之強度分別被正規化成1。實際的真空紫外光之強度一般藉由波長而產生各種，但是因針對各波長的真空紫外光之強度藉由實驗等為已知，故不會有進行例如分光之情況的障礙。
(實驗例3)
藉由使激發雷射光11之輸出變化，以實驗例3說明使所取得的三次高諧波之強度的例。
在實驗例3中，使激發雷射光之強度如下述般變化。
7.4mW
5.6mW
4.4mW
3.1mW
1.6mW
上述以外之實驗條件與實驗例1相同。將實驗例3之結果表示於圖5。從該圖可知，在激發雷射光之強度，和所取得的真空紫外光之強度之間具有正的相關。因此，藉由增強激發雷射光之強度，可以增強真空紫外光之強度。再者，若藉由本實施型態時，因使用介電體薄膜作為波長轉換物質，故在激發雷射光中之破壞臨界值(即是，薄膜破壞時的雷射光強度)高，因此，可以照射高強度之激發雷射光。
為了比較，對塊體之藍寶石，進行相同的實驗，作為比較例。將結果表示於圖6。在該比較例中，使激發雷射光之強度如下述般變化。
8.0mW
5.8mW
3.7mW
2.4mW
1.2mW
從圖6可知，在塊體之藍寶石中，即使增強激發雷射光之強度，亦難以取得足夠的真空紫外光之強度。
(實驗例4)
說明薄膜狀之介電體2之材料、激發雷射光之強度，和所取得的三次高諧波之強度的關係，作為實驗例4。
在實驗例4中，使用以下的組成及膜厚的介電體2。
・材質：SiO2
、膜厚：100nm
・材質：Si3
N4
、膜厚：50nm
・材質：γ-Al2
O3
、膜厚：50nm
將結果表示於圖7。在SiO2
之情況，可知雖然三次高諧波之生成效率低，但是即使提高激發雷射光強度也難以產生破壞。因此，在使用高強度之激發雷射光之情況，以SiO2
為適合。
在Si3
N4
之情況，雖然三次高諧波之生成效率高，但是以比較低的激發雷射光強度產生破壞。
γ-Al2
O3
之情況，可知即使三次高諧波之生成效率高，而且提高激發雷射光之強度之時，亦難以產生破壞。但是，在該例中，以較SiO2
更低的激發雷射光強度產生破壞。
(介電體之製造方法)
接著，進一步參照圖8，針對在本實施型態中之製造介電體2的方法之一例予以說明。
(圖8(a))
首先，在矽結晶之基板8之表面，藉由磊晶生長，生成持有γ-Al2
O3
之組成及結晶構造的介電體2(參考文獻：M. Ishida et al ., Appl. Phys. Lett. 55, 556(1989)）。在此，雖然基板8之厚度設為525μm，介電體2之厚度設為52nm，但是並不受此限制。
(圖8(b))
在之後的圖中，為了方便說明，以將介電體2配置在下側之狀態來記載。在該階段中，在基板8之表面(在圖8(b)中為上面)，形成厚度約2μm之光阻層9。再者，在介電體2之表面(在圖8(b)中為下面)形成保護層10。在該狀態，進行電子束微影中的曝光。藉由該曝光，可以使光阻層9以特定形狀或圖案變質。但是，電子束微影僅為曝光手段之一例，不限制於此。
(圖8(c))
接著，深挖RIE(Reactive Ion Etching)進行光阻層9及基板8之蝕刻。該蝕刻係依電子束微影所形成的形狀或圖案而被進行。藉由將RIE精密地進行至特定深度，可以使介電體2之一面側露出。但是，RIE僅為蝕刻手段之一例，不限制於此。
(圖8(d))
接著，除去保護層10。依此，可以取得薄膜狀之介電體2。再者，可以藉由基板8支持介電體2之周緣。
在上述介電體2之形成方法中，因使用γ-Al2
O3
作為介電體2，故有難以產生介電體2之翹曲的優點。即是，在使用SiO2
等之材料作為介電體之情況，當以上述手法生成薄膜時，有藉由薄膜內之拉伸應力，產生翹曲之情形。因此，一般需要防止該翹曲的製程(參考：Appl. Phys. Lett. 102, 192108(2013)）。對此，在上述方法中，藉由在矽製之基板8之表面生長的γ-Al2
O3
之特性，薄膜內之拉伸應力小。因此，有不用使用特別的翹曲防止製程，可以防止翹曲之優點。
(第2實施型態)
接著，針對本發明之第2實施型態所涉及之真空紫外光之產生方法進行說明。首先，一面參照圖9一面說明用於該方法之真空紫外光之產生裝置。另外，在該第2實施型態之說明中，針對基本上與上述第1實施型態之裝置共同的的要素，藉由使用相同符號，防止說明的繁瑣。
在該第2實施型態之裝置中，於光源1和透鏡3之間配置偏光子101和λ/4波長板102。在該第2實施型態中，成為藉由使用偏光子101和λ/4波長板102，可以對介電體2照射圓偏光之激發雷射光11。
再者，在該第2實施型態之裝置中，於試料2和過濾器5之間，配置真空紫外用λ/4波長板201和真空紫外用偏光子202。
並且，該第2實施型態之介電體2具有在與激發雷射光11之照射方向交叉之方向延伸的(N+1)次旋轉對稱構造。在此，N為成為目標的高諧波之次數，在該實施型態中，N=3。而且，該介電體2係藉由激發雷射光11穿透4次旋轉對稱構造，使產生圓偏光之真空紫外光。
將4次旋轉對稱構造之具體例表示於圖10。再者，在圖11示意性表示該構造之一部分。
在圖12表示藉由模擬及實驗求出持有4次旋轉對稱構造之介電體薄膜之穿透特性的結果。在該例中，將構成4次旋轉對稱構造之週期性的空孔部22(參照圖11)之間隔設為600nm。從該結果，即使在模擬或實驗，亦可以確認被穿透光譜觀測的凹陷之波長一致。
圖13(a)係表示針對將4次旋轉對稱構造之週期設為600nm之情況，設為500nm之情況，不形成如此之構造之情況(即是與上述第1實施型態相同之情況)的穿透特性。若藉由該特性，可知激發雷射光11之波長為例如475nm之時，持有600nm週期之4次旋轉對稱構造的光子結晶之共振模式被激發(參照圖13(a)之縱虛線)。
針對無週期構造之例(圖13(b))、週期600nm之例(圖13(c))、週期500nm之例(圖13(d))，分別表示將激發雷射光11之波長設為475nm之情況而取得的三次高諧波之光譜。另外，在該些圖中，分別表示激發雷射光11為直線偏光(LPL)之情況，左旋圓偏光(LCP)之情況，右旋圓偏光(RCP)之情況。
從該些圖可知以下之情形。
・不處於共振模式之時，僅於直線偏光之情況，產生強的三次高諧波(圖13(b)及(d))。
・處於共振模式之時，即使於直線偏光、左旋圓偏光、右旋圓偏光中之任一情況，亦產生強的三次高諧波(圖13(b)及(d))。另外，「處於共振模式」換言之，係指「激發雷射光之波長位於穿透特性中之凹陷的位置」(參照圖13(a))之情形。
若藉由第2實施型態時，因可以簡易地生成圓偏光之真空紫外光，故能夠以低成本構築使用圓偏光之真空紫外光的各種系統。例如，可以使用圓偏光之真空紫外光而進行電子自旋之資訊取得。
另外，在圖11中，雖然將空孔部22形成圓筒狀，但是即使該形狀為正四角形或十字型亦可。即是，作為空孔部22，若為可以構成4次旋轉對稱構造的形狀即可。再者，空孔部22即使為貫通孔亦可，即使為有底筒狀亦可。
因第2實施型態中之其他的構成及優點基本上與第1實施型態相同，故省略更詳細的說明。
(第3實施型態)
接著，作為本發明之第3實施型態，針對控制真空紫外光中的圓偏光之旋轉方向的方法予以說明。首先，一面參照圖14一面說明用於該方法之真空紫外光之產生裝置。另外，在該第3實施型態之說明中，針對基本上與上述第2實施型態之裝置共同的的要素，藉由使用相同符號，防止說明的繁瑣。
在第3實施型態中，成為藉由真空紫外用之λ/4波長板201和真空紫外用之偏光子202，可以測定真空紫外光中之左右的圓偏光成分。具體而言，在該實施型態中，如圖15(a)及(b)所示般，藉由切換真空紫外用λ/4波長板之光學軸(快軸或慢軸)之傾斜方向，可以測定左右之圓偏光成分(ILCP
和IRCP
)。
將測定的結果表示於圖16。測定之條件與上述第2實施型態之例相同。再者，圖16(a)係與圖13(a)相同的特性，圖16(b)係與圖13(c)相同的特性。
在圖16(c)、(d)表示將4次旋轉對稱構造中之週期構造之週期設為600nm，將切換激發雷射光11中之圓偏光之旋轉方向之情況的結果。可以選擇性地生成激發雷射光為RCP之情況(參照圖16(c))、LCP之三次高諧波。另一方面，可以選擇性地生成激發雷射光為LCP之情況(參照圖16(d))、RCP之三次高諧波。
如此一來，若藉由本實施型態之裝置時，藉由切換激發雷射光之偏光方向，可以在LCP和RCP之間切換所取得的三次高諧波(在本例中為真空紫外光)的優點。在以往的真空紫外光之產生方法中，有本身難取得圓偏光之問題。對此，在本實施型態中，有不僅可以容易取得圓偏光，亦可以簡便地進行其旋轉方向之控制的優點。
若藉由第3實施型態時，因可以簡易地生成持有各種偏光狀態的真空紫外光，故能夠以低成本構築使用偏光狀態被控制的真空紫外光的各種系統。例如，可以計測生物體中的圓二色性。再者，藉由使用相干的真空紫外光，亦可以取得高的聚光性能或時間分解能。
另外，本發明者們在上述非專利文獻2中，提案藉由在金屬薄膜形成3次旋轉對稱構造，控制2次高諧波之偏光方向的手法。但是，如上述般，該技術原本就不係用以生成真空紫外光者。再者，在使用金屬薄膜之情況，因破壞臨界值低，故無法使用高強度的激發雷射光。並且，介電體內部之電場的狀態與金屬薄膜之情況不同，注意到不會產生相同的物理現象之情形。
因第3實施型態中之其他的構成及優點基本上與第2實施型態相同，故省略更詳細的說明。
(針對介電體之膜厚的補足)
以下，進一步參照圖17及圖18，針對介電體2中之較佳的膜厚補充說明。另外，介電體2設為不滿足相位匹配條件。
首先，作為前提，在將介電體2設為非薄膜狀而係塊體之情況，產生激發雷射光之光譜藉由自相位調變的效果而擴寬的問題。例如，當將介電體2之膜厚設為10μm以上之情況稱為塊體時，因在此情況，光譜分散，成為目標之波長的三次高諧波(THG)之強度大幅度下降。因此，從該觀點來看以介電體2之膜厚較薄為佳。即是，以非塊體，而設為膜厚10μm以下的薄膜狀為佳。
在此，在圖17表示繪製將激發雷射光之波長設為470nm(THG為157nm)之情況，從Al2
O3
製的獨立製膜產生的THG強度之膜厚依存性的曲線圖(參考：N.Bloembergen and P.S.Pershan, "Light Waves at the Boundary of Nonlinear Media", Phys. Rev. 128, 606 (1962)）。
如圖17所示般，可知THG對膜厚的產生強度係在約400nm之週期振動，並且其包絡線隨著膜厚增大而減少。另外，圖17中的符號Lc表示相干長度。
在此，在約400nm週期，THG之強度振動之理由係取決於相位匹配條件不成立(即是，成為相位不匹配)。當將激發雷射光(以下，有稱為「基板波」之情形)的波長、折射率之實部、折射率之虛部、波數分別設為λ1
,n1
,κ1
,k1
，將三部波之波長、折射率之實部、折射率之虛部、波數設為λ3
,n3
,κ3
,k3
時，波數之定義為
在此，當設為
時，相干長度Lc表示為
(參考：黑田「非線性工學裝置之物理」，光學，38卷第8號p408(2009)之式(11))。當介質之厚度大於相干長度Lc時，轉換效率轉而減少，當超過2Lc時，反覆增大，相對於膜厚，THG強度以2Lc週期振動。
另外，THG強度之包絡線相對於膜厚減少的理由係因為相對於產生的真空紫外的THG產生吸收之故。因THG通過介質之中的距離越長，吸收量越大，故THG強度整體性地減少。
藉由上述理由，如圖17所示般，在膜厚約Lc之情況，THG強度成為最大。
但是，當基本波及三倍波之波長變短而吸收變大，THG以較Lc更短的距離被介電體吸收時，則無將膜厚增厚至Lc之意。因作為光被物質吸收之典型距離的侵入長度δ大小以
表示，故僅在第三次高諧波之侵入長度
大於Lc之情況，上述的議論成立。
研討考慮到侵入長度之時的Lc之具體性的膜厚。針對幾個典型的介電體，在圖18表示根據文獻值繪製Lc,δ3
對三次諧波之波長的依存性。
隨著從THG波長200nm起波長變短，Lc單調減少。雖然在波長100nm附近，Lc增大很多，但在該波長區域中，因侵入長度δ3
小於Lc，故即使增大膜厚，THG強度也不會增大。當鑑於該些特性時，認為Lc之最大值為作為真空紫外區域之最長波長的190nm附近的Lc之值，介電體2之膜厚也成為該值程度為佳。
當觀看上述曲線圖時，三次高諧波之波長為190nm之情況的Lc在圖18之各者的曲線中，為約1000nm、約2000nm、約500nm。如圖17所示般，Lc係提供THG強度之峰值的厚度，依此，就算有些厚度，在使用上也不會有問題。再者，一般，在介電體中之真空紫外區域的折射率並不依存於物質那樣多。當鑑於如此的狀況時，認為將介電體2之膜厚設為5μm以下為佳。
或是，也可以說設為上述Lc及δ3
之中之大的值的3倍以下，以設為2倍以下之膜厚為更佳。
另外，本發明之內容並不限定於上述實施型態。本發明在申請專利範圍所載的範圍內，能對具體的構成追加各種變更。
例如，在上述實施型態中，作為高諧波之次數N，雖然設為N=3，但是若能取得所需強度的高諧波時，即使為N=2亦可，即使為N≧4亦可。但是，認為在使用介電體薄膜作為波長轉換元件之情況，設為N=3為最適合。
1:光源
11:激發雷射光
2:介電體
21:真空紫外光
22:空孔部
3:透鏡
4:容器
41:窗部
5:過濾器
51:通路
6:分光器
7:檢測器
8:基板
9:光阻層
10:保護層
101:偏光子
102:λ/4波長板
104:光電子倍增管
105:電流電壓轉換放大器
106:示波器
201:真空紫外用λ/4波長板
202:真空紫外用偏光子
[圖1]係表示本發明之第1實施型態中之真空紫外光之產生裝置的示意性說明圖。
[圖2]係表示藉由圖1之裝置產生的三次高諧波(真空紫外光)之光譜的曲線圖，橫軸為波長，縱軸為強度。
[圖3]係表示在圖2之曲線圖重疊從塊體的藍寶石產生的三次高諧波之光譜的曲線圖。
[圖4]係表示藉由在圖1之裝置中使激發雷射光之波長在470nm至536nm之範圍以6nm間隔予以變化，三次高諧波之波長變化之結果的曲線圖，橫軸為波長，縱軸為強度。
[圖5]係表示藉由在圖1之裝置中使激發雷射光之強度變化，三次高諧波之強度變化之結果的曲線圖，橫軸為波長，縱軸為強度。
[圖6]係表示以使用塊體之藍寶石以取代介電體薄膜而進行與圖5相同之實驗的結果而取得的三次高諧波之光譜的曲線圖。
[圖7]係表示在圖1之裝置中，變更介電體薄膜之材質而進行實驗之結果的兩對數曲線圖，橫軸為激發雷射光之強度，縱軸為三次高諧波之強度。
[圖8]係表示被使用於第1實施型態的介電體薄膜之製造方法的說明圖。
[圖9]係表示本發明之第2實施型態中之真空紫外光之產生裝置的示意性說明圖。
[圖10]係表示被形成在介電體表面之4次旋轉對稱構造之一例的重要部位放大圖(照片)。
[圖11]係示意性表示圖10所示之4次旋轉對稱構造的說明圖。
[圖12]係表示藉由模擬及實驗求出持有4次旋轉對稱構造之介電體薄膜之穿透特性之結果的曲線圖，橫軸為激發雷射光之波長，縱軸為穿透率。
[圖13(a)]係表示將4次旋轉對稱構造之週期設為600nm之情況，設為500nm之情況，不形成如此之構造之情況之各者的穿透特性。縱虛線表示波長475nm。[圖13(b)～(d)]係針對無週期構造之例、週期600nm之例、週期500nm之例，分別表示將激發雷射光之波長設為470nm之情況而取得的三次高諧波之光譜。
[圖14]係表示本發明之第3實施型態中之真空紫外光之產生裝置的示意性說明圖。
[圖15]係用以說明用以測定左右之圓偏光的光學軸之切換的說明圖，圖15(a)為測定左旋圓偏光(LCP)之情況，圖15(b)為測定右旋圓偏光(RCP)的情況。
[圖16(a)]係表示將4次旋轉對稱構造之週期設為600nm之情況，設為500nm之情況，不形成如此之構造之情況之各者的穿透特性的曲線圖。[圖16(b)]係針對週期600mn之例，表示將激發雷射光之波長設為470nm之情況而取得的三次高諧波之光譜的曲線圖。[圖16(c)及(d)]係表示將4次旋轉對稱構造中之週期構造之週期設為600nm，將切換激發雷射光11中之圓偏光之旋轉方向之情況之結果作為光譜的曲線圖。
[圖17]係繪製將激發雷射光之波長設為470nm之情況，從Al2
O3
製之獨立薄膜產生的三次高諧波(THG)之強度的膜厚依存性的曲線圖，橫軸為膜厚，縱軸為THG強度。
[圖18]係針對幾個典型的介電體，根據文獻值，繪製相干長度Lc和侵入長度δ3
的對第三次高諧波之波長的依存性的曲線圖，橫軸為THG之波長，縱軸為相干長度Lc和侵入長度δ3
的長度。
1:光源
2:介電體
3:透鏡
4:容器
5:過濾器
6:分光器
7:檢測器
11:激發雷射光
21:真空紫外光
41:窗部
51:通路
Claims (11)
- 一種真空紫外光之產生方法，具有：朝向至少背面側被露出於真空中的薄膜狀之介電體之表面，照射具有能夠穿透上述介電體之波長的激發雷射光的步驟，和使真空紫外光朝向上述介電體之背面方向產生，作為上述激發雷射光之照射所致的N次高諧波的步驟，在此，N≧2。
- 如請求項1之真空紫外光之產生方法，其中N=3，上述激發雷射光之波長為在600~200nm之範圍中的任一的波長。
- 如請求項1或2之真空紫外光之產生方法，其中上述介電體為Al2O3、SiO2、MgF2、CaF2、LiF中之任一者的結晶。
- 如請求項1或2之真空紫外光之產生方法，其中上述介電體為γ-Al2O3之結晶。
- 如請求項4之真空紫外光之產生方法，其中上述介電體係使上述γ-Al2O3之層磊晶生長在Si基板上之後，除去上述Si基板而被製造出。
- 如請求項1或2之真空紫外光之產生方法，其中上述介電體具有在與上述激發雷射光之照射方向交叉之方向延伸的(N+1)次旋轉對稱構造，在此，N係在上述N次高諧波中的N，上述激發雷射光被設為圓偏光，藉由上述激發雷射光穿透上述(N+1)次旋轉對稱構造，產生圓偏光之上述真空紫外光。
- 如請求項6之真空紫外光之產生方法，其中具有藉由變更在上述激發雷射光中之圓偏光之旋轉方向，變更在上述真空紫外光中之圓偏光之旋轉方向的步驟。
- 一種真空紫外光之產生裝置，具備：至少背面側被露出至真空中的薄膜狀介電體，和朝向上述介電體之表面，照射具有能夠穿透上述介電體之波長的激發雷射光的光源，上述介電體成為使真空紫外光朝向上述介電體之背面方向產生，作為上述激發雷射光之照射所致的N次高諧波的構成，在此，N≧2。
- 如請求項8之真空紫外光之產生裝置，其中N=3， 上述激發雷射光之波長為在600~200nm之範圍中的任一的波長。
- 如請求項8或9之真空紫外光之產生裝置，其中上述介電體具有在與上述激發雷射光之照射方向交叉之方向延伸的(N+1)次旋轉對稱構造，在此，N係在上述N次高諧波中的N，上述激發雷射光被設為圓偏光，藉由上述激發雷射光穿透上述(N+1)次旋轉對稱構造，能產生圓偏光之上述真空紫外光。
- 如請求項8或9之真空紫外光之產生裝置，其中上述介電體之膜厚為10μm以下。
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