WO2021033759A1 - 真空紫外光の発生方法及びそれに用いる装置 - Google Patents

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vacuum ultraviolet
ultraviolet light
dielectric
excitation laser
laser light
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邦昭 小西
五神　真
湯本　潤司
石田　誠
大輔 赤井
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国立大学法人東京大学
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    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/355—Non-linear optics characterised by the materials used
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
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    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/37—Non-linear optics for second-harmonic generation

Definitions

  • the present invention relates to a method for generating vacuum ultraviolet light and an apparatus used for the method.
  • Vacuum ultraviolet coherent light is important as a light source for laser photoelectron spectroscopy and a light source for measuring vacuum ultraviolet circular dichroism of biomolecules.
  • a method of wavelength-converting laser light in the visible light or near-infrared light region using a non-linear medium has been widely used.
  • a method of changing the wavelength using a rare gas as a non-linear medium is known.
  • the method using a rare gas has a problem that not only the wavelength that can be generated is limited to a narrow range for each type of gas, but also the control of conditions such as gas pressure for wavelength conversion is complicated.
  • Non-Patent Document 3 it has become possible to generate coherent light that reaches the soft X-ray region as high-order (for example, 11th-order or higher) harmonics (see Non-Patent Document 3 below).
  • this method has a problem that it is necessary to use a high-intensity ultrashort pulse light source having a pulse width of several tens of femtoseconds, and this light source is not easy to handle.
  • a rare gas is mainly used as a non-linear medium, there arises a problem that control of gas pressure and the like is complicated.
  • the present inventors have proposed a method of generating a second harmonic in the visible light region whose polarization is controlled by irradiating a metal thin film having a rotationally symmetric structure three times with an excitation laser beam (). See Non-Patent Document 4 below).
  • this technique is not intended to generate vacuum ultraviolet light in the first place.
  • the metal thin film is destroyed at a low excitation laser light intensity (that is, the destruction threshold is low), there is also a problem that the intensity of the obtained harmonics is low.
  • the present inventors performed wavelength conversion using a dielectric thin film having a thickness equal to or less than the wavelength, which is not restricted by the propagation effect such as the phase matching condition, as a non-linear medium, and to the extent that it can be used for applications such as photoelectron spectroscopy.
  • the present invention has been made based on this new finding.
  • One of the main objects of the present invention is to provide a technique capable of generating high-intensity vacuum ultraviolet light by a simple mechanism.
  • Another object of the present invention is to provide a technique capable of expanding the wavelength band of the vacuum ultraviolet light that can be generated.
  • Still another object of the present invention is to provide a technique capable of easily generating vacuum ultraviolet light in a circularly polarized state.
  • the dielectric has a (N + 1) rotationally symmetric structure extending in a direction intersecting the irradiation direction of the excitation laser light.
  • the excitation laser light is circularly polarized.
  • the method for generating vacuum ultraviolet light according to any one of items 1 to 5, wherein the vacuum ultraviolet light of circular polarization is generated by transmitting the excitation laser light through the (N + 1) rotationally symmetric structure.
  • a thin-film dielectric whose back surface is exposed in vacuum, It is provided with a light source that irradiates an excitation laser beam having a wavelength capable of transmitting the dielectric toward the surface of the dielectric.
  • the dielectric has a configuration in which vacuum ultraviolet light is generated toward the back surface of the dielectric as Nth harmonics generated by irradiation with the excitation laser light.
  • a vacuum ultraviolet light generator in which N ⁇ 2.
  • N 3 and The vacuum ultraviolet light generator according to item 8, wherein the wavelength of the excitation laser light is any wavelength in the range of 600 to 200 nm.
  • the dielectric has a (N + 1) rotationally symmetric structure extending in a direction intersecting the irradiation direction of the excitation laser light.
  • the excitation laser light is circularly polarized.
  • the vacuum ultraviolet light generator according to item 8 or 9, wherein the circularly polarized vacuum ultraviolet light can be generated by transmitting the excitation laser light through the (N + 1) rotationally symmetric structure.
  • the present invention it is possible to generate vacuum ultraviolet light having a high intensity that can be used for applications such as photoelectron spectroscopy by a simple mechanism. Further, according to the present invention, the wavelength band of the vacuum ultraviolet light that can be generated can be expanded by a simple method. Further, according to the present invention, by forming a predetermined structure on the thin film, it becomes easy to control the polarization state of the vacuum ultraviolet light.
  • FIG. 1 It is a schematic explanatory drawing which shows the vacuum ultraviolet light generator in the 2nd Embodiment of this invention. It is an enlarged view (photograph) of the main part which shows an example of the 4-fold rotational symmetry structure formed on the surface of a dielectric. It is explanatory drawing which shows typically the four-fold rotational symmetry structure shown in FIG. It is a graph which shows the result of having obtained the transmission characteristic of a dielectric thin film having a 4-fold rotational symmetry structure by simulation and experiment, and the horizontal axis is the wavelength of excitation laser light, and the vertical axis is the transmittance.
  • FIG. 1 shows the vacuum ultraviolet light generator in the 2nd Embodiment of this invention. It is an enlarged view (photograph) of the main part which shows an example of the 4-fold rotational symmetry structure formed on the surface of a dielectric. It is explanatory drawing which shows typically the four-fold rotational symmetry structure shown in FIG. It is a graph which shows the result of having obtained the transmission characteristic of a
  • 13A shows the transmission characteristics of the four-fold rotationally symmetric structure when the period is 600 nm, when the period is 500 nm, and when such a structure is not formed.
  • the vertical dashed line represents the wavelength of 475 nm.
  • 13 (b) to 13 (d) show the spectra of the third harmonics obtained when the wavelength of the excitation laser light is 470 nm for an example without a periodic structure, an example with a period of 600 nm, and an example with a period of 500 nm, respectively.
  • FIG. 15A is the case of measuring the counterclockwise circular polarization (LCP), and FIG. 15B is the right. This is the case of measuring circular polarization (RCP).
  • FIG. 16A is a graph showing the transmission characteristics of the four-fold rotationally symmetric structure when the period is 600 nm, when the period is 500 nm, and when such a structure is not formed.
  • FIG. 16B is a graph showing the spectrum of the third harmonic obtained when the wavelength of the excitation laser light is 470 nm, for an example having a period of 600 nm.
  • 16 (c) and 16 (d) are graphs showing the results when the period of the periodic structure in the four-fold rotationally symmetric structure is set to 600 nm and the rotation direction of the circular polarization in the excitation laser beam 11 is switched as a spectrum. It is a graph which plotted the film thickness dependence of the intensity of the third harmonic (THG) generated from the free-standing thin film made of Al 2 O 3 when the wavelength of the excitation laser light is 470 nm.
  • the horizontal axis is the film thickness and the vertical axis is the vertical axis. Is the THG intensity.
  • This measuring device includes a light source 1 and a dielectric 2 as main configurations. Further, the apparatus includes a lens 3, a container 4, a filter 5, a spectroscope 6, and a detector 7 as additional configurations.
  • the light source 1 is configured to irradiate the surface of the dielectric 2 with an excitation laser beam (hereinafter, may be simply referred to as “excitation light”) 11 having a wavelength capable of passing through the dielectric 2.
  • excitation light for example, by combining a titanium sapphire (Ti: Sa) laser or an ytterbium-based (Yb-based) laser with a wavelength conversion mechanism such as an optical parametric amplifier, a laser beam having a target wavelength and output can be obtained. Those that can be generated are used.
  • the wavelength of the excitation laser light 11 is preferably in the range of 600 to 200 nm. Specifically, the wavelength of the excitation laser light 11 can be determined based on the wavelength of the target third harmonic.
  • a pulse laser for example, a nanosecond pulse laser, a picosecond pulse laser, a femtosecond pulse laser, etc.
  • CW continuous wave
  • a conventionally known laser can be used, so further detailed explanation of this will be omitted.
  • the dielectric 2 is formed in a thin film shape.
  • the dielectric 2 is housed inside a container 4 whose inside is evacuated, and at least the back surface side (downstream side in the traveling direction of the excitation laser beam 11) of the dielectric 2 is exposed in the vacuum.
  • the surface side of the dielectric 2 upstream side in the traveling direction of the excitation laser beam 11 is also exposed in the vacuum.
  • the dielectric 2 has a configuration in which vacuum ultraviolet light is generated toward the back surface of the dielectric 2 as an Nth harmonic generated by irradiation with the excitation laser light 11.
  • N ⁇ 2.
  • N 3.
  • the dielectric 2 is preferably a crystal of any one of Al 2 O 3 , SiO 2 , MgF 2 , CaF 2, and LiF. In particular, it is preferable that the dielectric 2 is a crystal of ⁇ -Al 2 O 3.
  • the dielectric 2 is arranged so that its surface extends in a direction intersecting the excitation laser beam 11. More specifically, the dielectric 2 of the present embodiment is arranged so that its surface extends in a direction orthogonal to the excitation laser beam 11.
  • the lens 3 is an element for condensing the excitation laser light 11 from the light source 1 and irradiating the dielectric 2.
  • a lens having various structures can be used as long as it can exhibit the required light-collecting function. Parameters such as the focal length and numerical aperture of the lens 3 can be selected according to the required functions.
  • the focal position of the lens 3 is preferably a position where the dielectric 2 is installed or its vicinity.
  • the container 4 can hold the inside in a vacuum state.
  • the dielectric 2 is housed inside the container 4. As a result, in the present embodiment, both the front and back surfaces of the dielectric 2 are exposed in vacuum.
  • the container 4 is provided with a window 41 for taking in the excitation laser light 11 inside.
  • a material transparent to the excitation laser beam 11, for example, quartz is used.
  • the filter 5 blocks the excitation laser light 11 and transmits the vacuum ultraviolet light 21 generated from the dielectric 2.
  • a filter 5 for example, a bandpass filter using a multilayer film of a metal and a dielectric can be used.
  • a passage 51 configured to hold a vacuum inside is provided.
  • the spectroscope 6 has a configuration capable of taking in vacuum ultraviolet light 21 and performing its spectroscopy. Since a conventionally known spectroscope 6 can be used as such a spectroscope 6, detailed description thereof will be omitted.
  • the detector 7 has a configuration capable of detecting the vacuum ultraviolet light dispersed by the spectroscope 6.
  • a CCD array is used as the detector 7.
  • the detector 7 a conventionally known one can be used, so detailed description thereof will be omitted.
  • the excitation laser light 11 is emitted from the light source 1 toward the surface of the thin-film dielectric 2.
  • the emitted excitation laser light 11 is focused by the lens 3, passes through the window 41 of the container 4, and then irradiates the surface of the dielectric 2.
  • the dielectric 2 can be irradiated with the high-intensity excitation laser light 11. Therefore, it is possible to increase the intensity of the obtained third harmonic.
  • the excitation laser light 11 irradiated on the surface of the thin-film dielectric 2 is wavelength-converted by the nonlinear optical effect of the dielectric 2 to become vacuum ultraviolet light 21 toward the back surface side of the dielectric 2. That is, the method of the present embodiment can generate coherent vacuum ultraviolet light.
  • the generated vacuum ultraviolet light 21 passes through the filter 5 and reaches the spectroscope 6 for spectroscopy.
  • the spectroscopic vacuum ultraviolet light is detected by the detector 7.
  • the excitation laser light 11 irradiated to the dielectric 2 is transparent to the dielectric 2, so that it transmits through the dielectric 2, but is blocked by the filter 5. Therefore, according to this embodiment, it is possible to eliminate the possibility that the excitation laser light 11 affects the detection accuracy of the vacuum ultraviolet light.
  • Example 1 The results of generating vacuum ultraviolet light by the above method are shown in FIGS. 2 and 3 as Experimental Example 1.
  • the experimental conditions are as follows. Dielectric material: ⁇ -Al 2 O 3 Dielectric film thickness: 50 nm Wavelength of excitation laser light: 468 nm Pulse width of excitation laser light: Approximately 80 fs Pulse repetition frequency: 1 kHz Average power of excitation laser light: 23.5mW Accumulation time: 2 seconds
  • FIG. 2 Although the vertical axis in FIG. 2 is an arbitrary unit, by this method, vacuum ultraviolet light having a practically sufficient intensity in applications such as photoemission spectroscopy using laser light is used as a third harmonic (THG). I have been able to get it.
  • TMG third harmonic
  • FIG. 3 shows the results when bulk sapphire was used instead of the dielectric of the present embodiment.
  • FIG. 3 also shows the results shown in FIG.
  • a sapphire having a thickness of 500 ⁇ m was used.
  • Other experimental conditions were the same as in Experimental Example 1 described above.
  • vacuum ultraviolet light is hardly obtained in the bulk structure.
  • the dielectric 2 of the present embodiment it is possible to obtain vacuum ultraviolet light having a practically sufficient intensity.
  • Example 2 An example in which the wavelength of the obtained third harmonic is changed by changing the wavelength of the excitation laser light 11 will be described as Experimental Example 2. As shown in FIG. 4, in Experimental Example 2, vacuum ultraviolet light having a variable wavelength over a wide wavelength range can be generated as a third harmonic.
  • the apparatus of the present embodiment has an advantage that, for example, spectroscopy can be performed while sweeping the wavelength of vacuum ultraviolet light in a wide band.
  • the vertical axis in FIG. 4 is an arbitrary unit, and the intensity of the obtained vacuum ultraviolet light is normalized to 1, respectively.
  • the actual intensity of vacuum ultraviolet light generally varies depending on the wavelength, but since the intensity of vacuum ultraviolet light for each wavelength is known by experiments and the like, there is no problem in performing spectroscopy, for example.
  • a dielectric 2 having a composition and a crystal structure of ⁇ -Al 2 O 3 is produced on the surface of a silicon crystal substrate 8 by epitaxial growth (Reference: M. Ishida et al., Appl. Phys. Lett. 55, 556 (1989)).
  • the thickness of the substrate 8 is 525 ⁇ m
  • the thickness of the dielectric 2 is 52 nm, but the thickness is not limited to this.
  • the dielectric 2 is shown in a state of being arranged on the lower side.
  • a resist layer 9 having a thickness of about 2 ⁇ m is formed on the surface of the substrate 8 (upper surface in FIG. 8B).
  • the protective layer 10 is formed on the surface of the dielectric 2 (the lower surface in FIG. 8B).
  • exposure in electron beam lithography is performed.
  • the resist layer 9 can be altered in a predetermined shape or pattern.
  • electron beam lithography is only an example of exposure means, and is not limited to this.
  • RIE deep reactive Ion Etching
  • the polarizer 101 and the ⁇ / 4 wave plate 102 are arranged between the light source 1 and the lens 3.
  • the dielectric 2 can be irradiated with the circularly polarized excitation laser light 11 by using the polarizer 101 and the ⁇ / 4 wave plate 102.
  • the vacuum ultraviolet ⁇ / 4 wave plate 201 and the vacuum ultraviolet polarizer 202 are arranged between the sample 2 and the filter 5.
  • the dielectric 2 of the second embodiment has a (N + 1) rotationally symmetric structure extending in a direction intersecting the irradiation direction of the excitation laser beam 11.
  • the dielectric 2 is configured to generate circularly polarized vacuum ultraviolet light by transmitting the excitation laser light 11 through the four-fold rotationally symmetric structure.
  • FIG. 10 shows a specific example of the 4-fold rotationally symmetric structure. A part of this structure is schematically shown in FIG.
  • FIG. 12 shows the results obtained by simulating and experimenting with the transmission characteristics of a dielectric thin film having a 4-fold rotational symmetry structure.
  • the distance between the periodic pore portions 22 (see FIG. 11) constituting the four-fold rotationally symmetric structure is set to 600 nm. From this result, it can be confirmed that the wavelengths of the dips observed in the transmission spectrum match in both the simulation and the experiment.
  • FIG. 13A shows transmission when the period of the four-fold rotationally symmetric structure is 600 nm, when the period is 500 nm, and when such a structure is not formed (that is, in the same case as the first embodiment described above). Shows the characteristics. According to this characteristic, when the wavelength of the excitation laser light 11 is, for example, 475 nm, it can be seen that the resonance mode of the photonic crystal having a 4-fold rotationally symmetric structure with a 600 nm period is excited (longitudinal broken line in FIG. 13A). See).
  • the spectrum of the third harmonic obtained when the wavelength of the excitation laser light 11 is 475 nm is an example without a periodic structure (FIG. 13 (b)), an example with a period of 600 nm (FIG. 13 (c)), and an example with a period of 500 nm. (FIG. 13 (d)) are shown respectively.
  • LPL linearly polarized light
  • LCP left-handed circularly polarized light
  • RCP clockwisely polarized light
  • the hole portion 22 is formed in a cylindrical shape, but this shape may be a regular quadrangle or a cross shape. In short, the hole portion 22 may have a shape that can form a four-fold rotationally symmetric structure. Further, the hole portion 22 may be a through hole or a bottomed tubular shape.
  • the ⁇ / 4 wave plate 201 for vacuum ultraviolet rays and the polarizer 202 for vacuum ultraviolet rays can measure the left and right circularly polarized light components in vacuum ultraviolet light.
  • the tilt direction of the optical axis (fast axis or slow axis) of the vacuum ultraviolet ⁇ / 4 wave plate is switched.
  • the left and right circularly polarized components (I LCP and I RCP ) can be measured.
  • FIG. 16 (a) has the same characteristics as FIG. 13 (a)
  • FIG. 16 (b) has the same characteristics as FIG. 13 (c).
  • Figures 16 (c) and 16 (d) show the results when the period of the periodic structure in the 4-fold rotationally symmetric structure is set to 600 nm and the rotation direction of the circularly polarized light in the excitation laser light 11 is switched.
  • the excitation laser light is RCP (see FIG. 16C)
  • the third harmonic of the LCP can be selectively generated.
  • the laser beam is LCP (see FIG. 16D)
  • the third harmonic of RCP can be selectively generated.
  • the obtained third harmonic (vacuum ultraviolet light in this example) can be switched between the LCP and the RCP by switching the polarization direction of the excitation laser light.
  • the present embodiment has an advantage that not only circularly polarized light can be easily obtained but also the rotation direction thereof can be easily controlled.
  • vacuum ultraviolet light having various polarization states can be easily generated, various systems using vacuum ultraviolet light with controlled polarization states can be constructed at low cost. For example, circular dichroism in a living body can be measured. Further, by using coherent vacuum ultraviolet light, high focusing performance and time resolution can be obtained.
  • Non-Patent Document 2 a method of controlling the polarization direction of the second harmonic by forming a three-fold rotationally symmetric structure on the metal thin film.
  • this technique is not intended to generate vacuum ultraviolet light in the first place.
  • the fracture threshold value is low, so that high-intensity excitation laser light cannot be used.
  • the state of the electric field inside the dielectric is different from that of the metal thin film, and the same physical phenomenon does not occur.
  • the dielectric 2 when the dielectric 2 is made into a bulk instead of a thin film, there arises a problem that the spectrum of the excitation laser light is widened due to the effect of self-phase modulation.
  • the film thickness of the dielectric 2 when the film thickness of the dielectric 2 is 10 ⁇ m or more is referred to as bulk, in this case, the intensity of the third harmonic (THG) of the target wavelength is significantly reduced due to the dispersion of the spectrum. Therefore, from this point of view, it is desirable that the film thickness of the dielectric 2 is thin. That is, it is desirable that the film thickness is 10 ⁇ m or less, not bulk.
  • FIG. 17 shows a graph plotting the film thickness dependence of the THG intensity generated from the free-standing thin film made of Al 2 O 3 when the wavelength of the excitation laser light is 470 nm (THG is 157 nm) (Reference: N.I. Bloembergen and PSPershan, "Light Waves at the Boundary of Nonlinear Media", Phys. Rev. 128, 606 (1962)).
  • the intensity of THG generated with respect to the film thickness vibrates at a cycle of about 400 nm, and the envelope decreases as the film thickness increases.
  • the reference numeral Lc in FIG. 17 indicates the coherence length.
  • the reason why the intensity of THG vibrates in a cycle of about 400 nm is that the phase matching condition is not satisfied (that is, the phase is out of phase).
  • the wavelength of the excitation laser light (hereinafter sometimes referred to as the "fundamental wave")
  • the real part of the refractive index, the imaginary part of the refractive index, and the wave number are set to ⁇ 1 , n 1 , ⁇ 1 , k 1 , respectively, and the triple wave.
  • the wavelength, the real part of the refractive index, the imaginary part of the refractive index, and the wavenumber are ⁇ 3 , n 3 , ⁇ 3 , and k 3
  • the reason why the envelope of THG strength decreases with respect to the film thickness is that absorption occurs for the generated vacuum ultraviolet THG.
  • the THG intensity is maximized when the film thickness is about Lc.
  • FIG. 18 shows a plot of the dependence of Lc, ⁇ 3 on the wavelength of the third harmonic for some typical dielectrics based on literature values.
  • Lc decreases monotonically as the wavelength becomes shorter. Lc increases significantly near a wavelength of 100 nm, but since the penetration depth ⁇ 3 is smaller than Lc in this wavelength region, the THG intensity does not increase even if the film thickness is increased.
  • the maximum value of Lc is the value of Lc near 190 nm, which is the longest wavelength in the vacuum ultraviolet region, and it is considered preferable that the film thickness of the dielectric 2 is also about this value. ..
  • the Lc when the wavelength of the third harmonic is 190 nm is about 1000 nm, about 2000 nm, and about 500 nm in each graph of FIG.
  • Lc is a thickness that gives a peak of THG intensity, and even if it is slightly thicker than this, there is no problem in use.
  • the refractive index of a dielectric in the vacuum ultraviolet region is not so much dependent on the substance. In view of such a situation, it is considered more preferable that the film thickness of the dielectric 2 is 5 ⁇ m or less.
  • N 3

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Abstract

本発明は、簡易な機構により真空紫外光を生成することができる技術に関する。また、本発明は、生成可能な真空紫外光の波長帯域を広げることができる技術に関する。本発明の方法では、少なくとも裏面側が真空中に露出された薄膜状の誘電体２の表面に向けて、誘電体２を透過可能な波長を有する励起レーザ光１１を照射する。励起レーザ光１１の照射によるＮ次高調波として、真空紫外光を、誘電体２の裏面方向に向けて発生させることができる。ただし、ここでＮ≧２である。

Description

真空紫外光の発生方法及びそれに用いる装置
　本発明は、真空紫外光の発生方法及びそれに用いる装置に関するものである。
　真空紫外コヒーレント光は、レーザ光電子分光用の光源や、生体分子の真空紫外円二色性測定用の光源として重要である。真空紫外コヒーレント光発生のためには、可視光や近赤外光領域のレーザ光を、非線形媒質を用いて波長変換する手法が広く用いられてきた。
　しかしながら、多くの固体は真空紫外の波長領域で不透明となるだけでなく、位相整合を実現することが難しい。このため、真空紫外領域への波長変換に使用可能な結晶は非常に限られている（下記特許文献１及び２参照）。また一般に、このような希少な固体は流通が不安定で非常に高価であるという問題がある（下記非特許文献１参照）。さらには、この手法では、位相整合を実現するために結晶をプリズムで挟むという煩雑な準備が必要という問題もある（下記非特許文献１及び非特許文献２のFig.1(b)参照）。
　また、希ガスを非線形媒質として用いて波長変化する手法も知られている。しかしながら、希ガスを用いる手法では、生成可能な波長がガスの種類ごとに狭い範囲に限られるだけでなく、波長変換のためのガス圧等の条件の制御が煩雑であるという問題がある。
　また近年、軟Ｘ線領域までに到達するコヒーレント光を、高次（例えば１１次以上）の高調波として生成することが可能となっている（下記非特許文献３参照）。しかしながら、この手法では、パルス幅が数１０フェムト秒オーダの高強度極短パルス光源を用いる必要が生じるという問題があり、この光源の取り扱いが簡単ではない。また、この手法でも非線形媒質として主に希ガスが用いられるため、ガス圧等の制御が煩雑であるという問題が生じる。
　また、真空紫外領域では偏光制御素子が限られているため、これらの手法で生成した真空紫外光を円偏光に制御するための手段が複雑であるという問題もある。
　なお、本発明者らは、３回回転対称構造を形成した金属薄膜に励起レーザ光を照射することにより、偏光制御された可視光領域の２次高調波を生成する手法を提案している（下記非特許文献４参照）。しかしながら、この技術は、そもそも真空紫外光を生成するためのものではない。また、金属薄膜は、低い励起レーザ光強度で破壊される（つまり破壊閾値が低い）ので、得られる高調波の強度が低いという問題もある。
特開２００３－５２３３号公報 特開２０１３－１７４８７３号公報
NATURE, Vol 457, 19 February 2009 "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" "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) "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)
　本発明者らは、位相整合条件のような伝搬効果に制約されない、波長以下の厚さの誘電体薄膜を非線形媒質として波長変換を行ったところ、光電子分光法などの用途に利用可能な程度に高い強度で真空紫外光を高調波として生成できるという新たな知見を得た。
　本発明は、この新たな知見に基づいてなされたものである。本発明の主な目的の一つは、簡便な機構により、高い強度の真空紫外光を生成できる技術を提供することである。本発明の他の目的は、生成可能な真空紫外光の波長帯域を広げることができる技術を提供することである。また、本発明のさらに他の目的は、簡便に円偏光状態の真空紫外光を生成できる技術を提供することである。
　前記した課題を解決する手段は、以下の項目のように記載できる。
　（項目１）
　少なくとも裏面側が真空中に露出された薄膜状の誘電体の表面に向けて、前記誘電体を透過可能な波長を有する励起レーザ光を照射するステップと、
　前記励起レーザ光の照射によるＮ次高調波として、真空紫外光を、前記誘電体の裏面方向に向けて発生させるステップとを有しており、
　ここでＮ≧２である
　真空紫外光の発生方法。
　（項目２）
　Ｎ＝３であり、
　前記励起レーザ光の波長は６００～２００ｎｍの範囲におけるいずれかの波長である
　項目１に記載の真空紫外光の発生方法。
　（項目３）
　前記誘電体は、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＦ２、ＣａＦ２、ＬｉＦのいずれかの結晶である
　項目１又は２に記載の真空紫外光の発生方法。
　（項目４）
　前記誘電体は、γ－Ａｌ２Ｏ３の結晶である
　項目１又は２に記載の真空紫外光の発生方法。
　（項目５）
　前記誘電体は、Ｓｉ基板上に前記γ－Ａｌ２Ｏ３の層をエピタキシャル成長させた後、前記Ｓｉ基板を除去することによって製造されたものである
　項目４に記載の真空紫外光の発生方法。
　（項目６）
　前記誘電体は、前記励起レーザ光の照射方向と交差する方向に延在する（Ｎ＋１）回回転対称構造を有しており、
　前記励起レーザ光は、円偏光とされており、
　前記（Ｎ＋１）回回転対称構造を前記励起レーザ光が透過することによって、円偏光の前記真空紫外光を発生させる
　項目１～５のいずれか１項に記載の真空紫外光の発生方法。
　（項目７）
　前記励起レーザ光における円偏光の回転方向を変更することにより、前記真空紫外光における円偏光の回転方向を変更するステップを有する
　項目６に記載の真空紫外光の発生方法。
　（項目８）
　少なくとも裏面側が真空中に露出された薄膜状の誘電体と、
　前記誘電体の表面に向けて、前記誘電体を透過可能な波長を有する励起レーザ光を照射する光源とを備えており、
　前記誘電体は、前記励起レーザ光の照射によるＮ次高調波として、真空紫外光を、前記誘電体の裏面方向に向けて発生させる構成となっており、
　ここでＮ≧２である
　真空紫外光の発生装置。
　（項目９）
　Ｎ＝３であり、
　前記励起レーザ光の波長は６００～２００ｎｍの範囲におけるいずれかの波長である
　項目８に記載の真空紫外光の発生装置。
　（項目１０）
　前記誘電体は、前記励起レーザ光の照射方向と交差する方向に延在する（Ｎ＋１）回回転対称構造を有しており、
　前記励起レーザ光は、円偏光とされており、
　前記（Ｎ＋１）回回転対称構造を前記励起レーザ光が透過することによって、円偏光の前記真空紫外光を発生可能とされている
　項目８又は９に記載の真空紫外光の発生装置。
　（項目１１）
　前記誘電体の膜厚は１０μｍ以下である
　項目８～１０のいずれか１項に記載の真空紫外光の発生装置。
　（項目１２）
　項目８～１１のいずれか１項に記載の装置により得られた真空紫外光を用いて試料の特性を測定する測定システム。
　本発明によれば、簡便な機構により、光電子分光法などの用途にも利用可能な程度に高い強度の真空紫外光を生成することができる。また、本発明によれば、生成可能な真空紫外光の波長帯域を簡易な手法で広げることができる。さらに、本発明によれば、薄膜に所定の構造を形成しておくことで、真空紫外光の偏光状態の制御が容易になる。
本発明の第１実施形態における真空紫外光の発生装置を示す模式的な説明図である。 図１の装置により生じた三次高調波（真空紫外光）のスペクトルを示すグラフであって、横軸は波長、縦軸は強度である。 バルクのサファイアから生じた三次高調波のスペクトルを図２のグラフに重ねて示したグラフである。 図１の装置において励起レーザ光の波長を４７０ｎｍから５３６ｎｍの範囲で６ｎｍ間隔で変化させることにより三次高調波の波長が変化した結果を示すグラフであり、横軸は波長、縦軸は強度である。 図１の装置において励起レーザ光の強度を変化させることにより三次高調波の強度が変化した結果を示すグラフであり、横軸は波長、縦軸は強度である。 誘電体薄膜の代わりにバルクのサファイアを用いて図５と同様の実験を行った結果として得られた三次高調波のスペクトルを示すグラフである。 図１の装置において、誘電体薄膜の材質を変更して実験を行った結果を示す両対数グラフであって、横軸は励起レーザ光の強度、縦軸は三次高調波の強度である。 第１実施形態に用いられる誘電体薄膜の製造方法を示す説明図である。 本発明の第２実施形態における真空紫外光の発生装置を示す模式的な説明図である。 誘電体表面に形成された４回回転対称構造の一例を示す要部拡大図（写真）である。 図１０に示す４回回転対称構造を模式的に示す説明図である。 ４回回転対称構造を持つ誘電体薄膜の透過特性をシミュレーション及び実験により求めた結果を示すグラフであり、横軸は励起レーザ光の波長、縦軸は透過率である。 図１３（ａ）は、４回回転対称構造の周期を６００ｎｍとした場合、５００ｎｍとした場合、このような構造を形成しない場合のそれぞれの透過特性を示す。縦破線は波長４７５ｎｍを表す。図１３（ｂ）～（ｄ）は、励起レーザ光の波長を４７０ｎｍとした場合に得られる三次高調波のスペクトルを、周期構造なしの例、周期６００ｎｍの例、周期５００ｎｍの例についてそれぞれ示す。 本発明の第３実施形態における真空紫外光の発生装置を示す模式的な説明図である。 左右の円偏光成分を測定するための光学軸の切り替えを説明するための説明図であって、図１５（ａ）は左回り円偏光（ＬＣＰ）を測定する場合、図１５（ｂ）は右回り円偏光（ＲＣＰ）を測定する場合である。 図１６（ａ）は、４回回転対称構造の周期を６００ｎｍとした場合、５００ｎｍとした場合、このような構造を形成しない場合のそれぞれの透過特性を示すグラフである。図１６（ｂ）は、励起レーザ光の波長を４７０ｎｍとした場合に得られる三次高調波のスペクトルを、周期６００ｎｍの例について示すグラフである。図１６（ｃ）及び（ｄ）は、４回回転対称構造における周期構造の周期を６００ｎｍとし、励起レーザ光１１における円偏光の回転方向を切り替えた場合の結果をスペクトルとして示すグラフである。 励起レーザ光の波長を４７０ｎｍとした場合にＡｌ２Ｏ３製の自立薄膜から発生する三次高調波（ＴＨＧ）の強度の膜厚依存性をプロットしたグラフであり、横軸は膜厚、縦軸はＴＨＧ強度である。 いくつかの典型的な誘電体について、文献値に基づいて、コヒーレンス長Ｌｃと侵入長δ3の、第三次高調波の波長に対する依存性をプロットしたグラフであり、横軸はＴＨＧの波長、縦軸はコヒーレンス長Ｌｃ及び侵入長δ3の長さである。
　以下、本発明の第１実施形態に係る真空紫外光の発生方法を、図１～図８を参照しながら説明する。
　（発生装置）
　まず、この発生方法に用いる、真空紫外光の発生装置の概要を、図１に基づいて説明する。
　この測定装置は、光源１と、誘電体２とを主要な構成として備えている。さらに、この装置は、レンズ３と、容器４と、フィルタ５と、分光器６と、検出器７とを追加的な構成として備えている。
　（光源）
　光源１は、誘電体２の表面に向けて、誘電体２を透過可能な波長を有する励起レーザ光（以下単に「励起光」と称することがある）１１を照射する構成となっている。このような光源としては、例えば、チタンサファイア（Ｔｉ：Ｓａ）レーザやイッテルビウム系（Ｙｂ系）レーザと光パラメトリック増幅器などの波長変換機構とを組み合わせることによって、目的とする波長や出力のレーザ光の生成が可能となるものが用いられている。
　例えば、後述する誘電体２から三次高調波として真空紫外光を発生させる場合、励起レーザ光１１の波長は６００～２００ｎｍの範囲とすることが好適である。具体的には、励起レーザ光１１の波長は、目的とする三次高調波の波長に基づいて決定可能である。
　また、光源１としては、通常、パルスレーザ（例えばナノ秒パルスレーザ、ピコ秒パルスレーザ、フェムト秒パルスレーザなど）が用いられるが、実用上十分な強度が得られるのであれば連続波（ＣＷ）レーザを用いることも可能である。
　このようなレーザとしては、従来から知られているものを使用できるので、これについてのこれ以上詳しい説明は省略する。
　（誘電体）
　誘電体２は、薄膜状に形成されている。この誘電体２は、内部が真空とされた容器４の内部に収納されており、誘電体２の少なくとも裏面側（励起レーザ光１１の進行方向において下流側）が真空中に露出されている。本実施形態では、誘電体２の表面側（励起レーザ光１１の進行方向において上流側）も真空中に露出されている。
　また、誘電体２は、励起レーザ光１１の照射によるＮ次高調波として、真空紫外光を、誘電体２の裏面方向に向けて発生させる構成となっている。ここで一般に、Ｎ≧２である。本実施形態ではＮ＝３としている。
　具体的には、誘電体２は、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＦ２、ＣａＦ２、ＬｉＦのいずれかの結晶であることが好ましい。特に、誘電体２を、γ－Ａｌ２Ｏ３の結晶とすることが好ましい。
　誘電体２は、その表面が励起レーザ光１１に交差する方向に延在するように配置されている。より具体的には、本実施形態の誘電体２は、その表面が励起レーザ光１１に直交する方向に延在するように配置されている。
　（レンズ）
　レンズ３は、光源１からの励起レーザ光１１を集光して誘電体２に照射するための要素である。レンズ３としては、必要な集光機能を発揮できるものであれば、様々な構造のものを使用できる。レンズ３の焦点距離や開口数などのパラメータは、必要な機能に応じて選択可能である。レンズ３の焦点位置は、誘電体２が設置される位置又はその近傍であることが好ましい。
　（容器）
　容器４は、内部を真空状態に保持できるものである。容器４の内部には、誘電体２が収納されている。これにより、本実施形態では、誘電体２の表裏両面が真空中に露出するようになっている。
　容器４には、励起レーザ光１１を内部に取り込むための窓４１が設けられている。窓４１の材質としては、励起レーザ光１１に対して透明な材質、例えば石英が用いられている。
　（フィルタ）
　フィルタ５は、励起レーザ光１１を阻止し、かつ、誘電体２から発生した真空紫外光２１を透過させるものである。このようなフィルタ５としては、例えば金属と誘電体の多層膜を用いたバンドパスフィルタ等を用いることができる。
　フィルタ５の背後には、内部において真空を保持するように構成された通路５１が設けられている。
　（分光器）
　分光器６は、真空紫外光２１を内部に取り込んでその分光を行うことができる構成となっている。このような分光器６としては、従来から知られているものを利用可能なので、詳しい説明は省略する。
　（検出器）
　検出器７は、分光器６で分光された真空紫外光を検出できる構成となっている。本実施形態では、検出器７としてＣＣＤアレイが用いられている。検出器７としても、従来から知られているものを利用可能なので、詳しい説明は省略する。
　（第１実施形態における真空紫外光の発生方法）
　つぎに、前記した装置を用いた真空紫外光の発生方法について説明する。
　（励起レーザ光の照射）
　まず、薄膜状の誘電体２の表面に向けて、光源１から励起レーザ光１１を出射する。出射された励起レーザ光１１は、レンズ３により集光され、容器４の窓４１を通過した後、誘電体２の表面に照射される。本実施形態では、レンズ３により励起レーザ光１１を集光しているので、高強度の励起レーザ光１１を誘電体２に照射することができる。したがって、得られる三次高調波の強度を高めることが可能になる。
　（真空紫外光の発生）
　薄膜状の誘電体２の表面に照射された励起レーザ光１１は、誘電体２における非線形光学効果により波長変換され、誘電体２の背面側に向かう真空紫外光２１となる。つまり、本実施形態の方法により、コヒーレントな真空紫外光を発生させることができる。発生した真空紫外光２１は、フィルタ５を通過して、分光器６に到達して分光される。分光された真空紫外光は検出器７により検出される。
　誘電体２に照射された励起レーザ光１１は、誘電体２に対して透明なので誘電体２を透過するが、フィルタ５により阻止される。したがって、この実施形態によれば、励起レーザ光１１が真空紫外光の検出精度に影響するおそれを解消することができる。
　（実験例１）
　前記した方法により真空紫外光を発生させた結果を実験例１として図２及び図３に示す。実験条件は下記の通りである。
誘電体の材料：γ－Ａｌ２Ｏ３
誘電体の膜厚：５０ｎｍ
励起レーザ光の波長：４６８ｎｍ
励起レーザ光のパルス幅：約８０ｆｓ
パルスの繰り返し周波数：１ｋＨｚ
励起レーザ光の平均パワー：２３．５ｍＷ
積算時間（Accumulation time）：２秒
　図２の縦軸は任意単位であるが、この方法により、例えばレーザ光を用いた光電子分光（photoemission spectroscopy）などの用途において実用上十分な強度の真空紫外光を、三次高調波（ＴＨＧ）として得ることができている。
　つまり、本実施形態では、光の波長以下の薄膜状の誘電体を用いた場合でも、十分高強度の真空紫外光を発生させることができる。これは本発明者による新たな知見である。またこれは、レーザ破壊閾値の大きな誘電体を用いることによって、高パワーの励起レーザ光を用いることが可能になったことと、薄膜状とすることによって、誘電体による真空紫外光の吸収が抑制されたことによるものと想定される。
　ここで、この実験例１において観測された真空紫外光の１パルス当たりの最大フォトン数を光電子増倍管からのシグナル強度を用いて見積もると約８．０×１０５である。これは、１秒当たりのフォトン数に換算すると約８．０×１０８であり、光電子分光法などの用途のためには十分な強度である（参照：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）。
　比較のために、本実施形態の誘電体に代えてバルクのサファイアを用いた場合の結果を図３に示す。図３には、図２に示された結果も併せて記載している。バルクのサファイアとしては、厚さ５００μｍのものを用いた。他の実験条件は前記した実験例１と同様とした。
　図３から明らかなように、バルク構造では真空紫外光はほとんど得られない。これに対して、本実施形態の誘電体２を用いることにより、実用上十分な強度の真空紫外光を得ることができる。
　（実験例２）
　励起レーザ光１１の波長を変化させることにより、得られる三次高調波の波長を変化させた例を実験例２として説明する。図４に示されるように、実験例２では、広い波長範囲で波長可変である真空紫外光を三次高調波として発生させることができる。
　従来の真空紫外光の発生方法では、真空紫外光の波長を簡便に可変とすることは難しかったが、本実施形態の手法を用いることにより、真空紫外光の波長を広い範囲で可変とすることが簡便にできるという利点がある。したがって、本実施形態の装置によれば、例えば、真空紫外光の波長を広い帯域で掃引しながら分光を行うことができるという利点がある。
　なお、図４の縦軸は任意単位であり、得られる真空紫外光の強度はそれぞれ１に正規化されている。実際の真空紫外光の強度は一般に波長により様々であるが、各波長についての真空紫外光の強度は実験等により既知なので、例えば分光などを行う場合の支障はない。
　（実験例３）
　励起レーザ光１１の出力を変化させることにより、得られる三次高調波の強度を変化させた例を実験例３として説明する。
　実験例３では、励起レーザ光の強度を下記のように変化させた。
７．４ｍＷ
５．６ｍＷ
４．４ｍＷ
３．１ｍＷ
１．６ｍＷ
　前記以外の実験条件は実験例１と同様とした。実験例３の結果を図５に示す。この図から分かるように、励起レーザ光の強度と、得られる真空紫外光の強度との間には正の相関がある。したがって、励起レーザ光の強度を強めることにより、真空紫外光の強度を強めることができる。また、本実施形態によれば、誘電体薄膜を波長変換物質として用いたので、励起レーザ光における破壊閾値（つまり薄膜が破壊する時のレーザ光強度）が高く、したがって、高強度の励起レーザ光を照射できることも分かる。
　比較のため、バルクのサファイアに対して比較例として同様の実験を行った。結果を図６に示す。この比較例では、励起レーザ光の強度を下記のように変化させた。
８．０ｍＷ
５．８ｍＷ
３．７ｍＷ
２．４ｍＷ
１．２ｍＷ
　図６から分かるように、バルクのサファイアでは、励起レーザ光の強度を強めても、十分な真空紫外光の強度を得ることは難しい。
　（実験例４）
　薄膜状の誘電体２の材料と、励起レーザ光の強度と、得られる三次高調波の強度との関係を実験例４として説明する。
　実験例４では、以下の組成及び膜厚の誘電体２を用いた。
・材質：ＳｉＯ２、膜厚：１００ｎｍ
・材質：Ｓｉ３Ｎ４、膜厚：５０ｎｍ
・材質：γ－Ａｌ２Ｏ３、膜厚：５０ｎｍ
　結果を図７に示す。ＳｉＯ２の場合は、三次高調波の生成効率は低いが、励起レーザ光強度を高めても破壊を生じにくいことが分かる。したがって、高強度の励起レーザ光を用いる場合にはＳｉＯ２が好適である。
　Ｓｉ３Ｎ４の場合は、三次高調波の生成効率は高いが、比較的に低い励起レーザ光強度で破壊を生じた。
　γ－Ａｌ２Ｏ３の場合は、三次高調波の生成効率が高く、しかも、励起レーザ光の強度を高めたときでも破壊を生じにくいことが分かる。ただし、この例では、ＳｉＯ２よりも低い励起レーザ光強度で破壊を生じた。
　（誘電体の製造方法）
　次に、図８をさらに参照して、本実施形態における誘電体２を製造する方法の一例について説明する。
　（図８（ａ））
　まず、シリコン結晶の基板８の表面に、エピタキシャル成長により、γ－Ａｌ２Ｏ３の組成及び結晶構造を持つ誘電体２を生成する（参考文献： M. Ishida et al ., Appl. Phys. Lett. 55, 556 (1989)）。ここで、基板８の厚さは５２５μｍ、誘電体２の厚さは５２ｎｍとしたが、これに制約されるものではない。
　（図８（ｂ））
　以降の図では、説明の便宜上、誘電体２を下側に配置した状態で記載している。この段階では、基板８の表面（図８（ｂ）において上面）に、厚さ約２μｍのレジスト層９を形成する。また、誘電体２の表面（図８（ｂ）において下面）に保護層１０を形成する。この状態で、電子線リソグラフィにおける露光を行う。この露光により、レジスト層９を、所定の形状あるいはパターンで変質させることができる。ただし、電子線リソグラフィは露光手段の一例にすぎず、これには制約されない。
　（図８（ｃ））
　ついで、深堀りＲＩＥ（Reactive Ion Etching）により、レジスト層９及び基板８のエッチングを行う。このエッチングは、電子線リソグラフィで形成された形状あるいはパターンに従って行われる。ＲＩＥを所定の深さまで精密に行うことにより、誘電体２の一面側を露出させることができる。ただし、ＲＩＥはエッチング手段の一例にすぎず、これには制約されない。
　（図８（ｄ））
　ついで、保護層１０を除去する。これにより、薄膜状の誘電体２を得ることができる。また、誘電体２の周縁を、基板８により支持することができる。
　前記した誘電体２の形成方法では、誘電体２としてγ－Ａｌ２Ｏ３を用いたので、誘電体２のバックリングを生じにくいという利点がある。すなわち、誘電体としてＳｉＯ２などの材料を用いた場合に、前記の手法で薄膜を生成すると、薄膜内の引張り応力によりバックリングを生じることがある。このため、このバックリングを防ぐプロセスが一般的には必要となる（参考：Appl. Phys. Lett. 102, 192108 (2013)）。これに対して、前記した方法では、シリコン製の基板８の表面に成長させたγ－Ａｌ２Ｏ３の特性により、薄膜内の引張り応力が小さい。このため、特段のバックリング防止プロセスを用いることなく、バックリングを防止することができるという利点がある。
　（第２実施形態）
　次に、本発明の第２実施形態に係る真空紫外光の発生方法について説明する。まず、この方法に用いる真空紫外光の発生装置を、図９を参照しながら説明する。なお、この第２実施形態の説明においては、前記した第１実施形態の装置と基本的に共通する要素については、同一符号を用いることにより、説明の煩雑を防ぐ。
　この第２実施形態の装置では、光源１とレンズ３との間に、偏光子１０１とλ／４波長板１０２とを配置している。この第２実施形態では、偏光子１０１とλ／４波長板１０２とを用いることにより、円偏光の励起レーザ光１１を誘電体２に照射できるようになっている。
　また、この第２実施形態の装置では、試料２とフィルタ５との間に、真空紫外用λ／４波長板２０１と真空紫外用偏光子２０２を配置している。
　さらに、この第２実施形態の誘電体２は、励起レーザ光１１の照射方向と交差する方向に延在する（Ｎ＋１）回回転対称構造を有している。ここでＮは、目的とする高調波の次数であり、この実施形態では、Ｎ＝３である。そして、この誘電体２は、４回回転対称構造を励起レーザ光１１が透過することによって、円偏光の真空紫外光を発生させるようになっている。
　４回回転対称構造の具体例を図１０に示す。また、この構造の一部を図１１に模式的に示す。
　４回回転対称構造を持つ誘電体薄膜の透過特性をシミュレーション及び実験により求めた結果を図１２に示す。この例では、４回回転対称構造を構成する周期的な空孔部２２（図１１参照）の間隔を６００ｎｍとしている。この結果から、シミュレーションでも実験でも、透過スペクトルに観測されるディップの波長は一致することが確認できる。
　図１３（ａ）には、４回回転対称構造の周期を６００ｎｍとした場合、５００ｎｍとした場合、このような構造を形成しない場合（すなわち前記した第１実施形態と同様の場合）についての透過特性を示す。この特性によれば、励起レーザ光１１の波長が例えば４７５ｎｍのとき、６００ｎｍ周期の４回回転対称構造を持つフォトニック結晶の共鳴モードが励起されることが分かる（図１３（ａ）の縦破線を参照）。
　励起レーザ光１１の波長を４７５ｎｍとした場合に得られる三次高調波のスペクトルを、周期構造なしの例（図１３（ｂ））、周期６００ｎｍの例（図１３（ｃ））、周期５００ｎｍの例（図１３（ｄ））についてそれぞれ示す。なお、これらの図においては、励起レーザ光１１が直線偏光（ＬＰＬ）の場合、左回り円偏光（ＬＣＰ）の場合、右回り円偏光（ＲＣＰ）の場合をそれぞれ示している。
　これらの図から、以下のことが分かる。
・共鳴モードにないときは、直線偏光の場合のみ、強い三次高調波を生じる（図１３（ｂ）及び（ｄ））。
・共鳴モードにあるときは、直線偏光、左回り円偏光、右回り円偏光のいずれの場合であっても、強い三次高調波を生じる（図１３（ｂ）及び（ｄ））。なお、「共鳴モードにある」とは、言い換えると、「励起レーザ光の波長が、透過特性におけるディップの位置にある」（図１３（ａ）参照）ということである。
　第２実施形態の装置によれば、円偏光の真空紫外光を簡易に生成できるので、円偏光の真空紫外光を用いた各種のシステムを低コストで構築可能である。例えば、円偏光の真空紫外光を用いて電子スピンの情報取得を行うことができる。
　なお、図１１では、空孔部２２を円筒状に形成しているが、この形状は正四角形や十字型であってもよい。要するに、空孔部２２としては、４回回転対称構造を構成できる形状であればよい。また、空孔部２２は、貫通孔であってもよいし、有底筒状であってもよい。
　第２実施形態における他の構成及び利点は、第１実施形態と基本的に同様なので、これ以上詳しい説明は省略する。
　（第３実施形態）
　次に、本発明の第３実施形態として、真空紫外光における円偏光の回転方向を制御する方法について説明する。まず、この方法に用いる真空紫外光の発生装置を、図１４を参照しながら説明する。なお、この第３実施形態の説明においては、前記した第２実施形態の装置と基本的に共通する要素については、同一符号を用いることにより、説明の煩雑を防ぐ。
　第３実施形態では、真空紫外用のλ／４波長板２０１と真空紫外用の偏光子２０２とにより、真空紫外光における左右の円偏光成分を測定できるようになっている。具体的には、この実施形態では、図１５（ａ）及び（ｂ）に示すように、真空紫外用λ／４波長板の光学軸（fast軸又はslow軸）の傾斜方向を切り替えることにより、左右の円偏光成分（ILCPとIRCP）を測定できる。
　測定した結果を図１６に示す。測定の条件は前記した第２実施形態の例と同じである。また、図１６（ａ）は図１３（ａ）と同じ特性であり、図１６（ｂ）は図１３（ｃ）と同じ特性である。
　４回回転対称構造における周期構造の周期を６００ｎｍとし、励起レーザ光１１における円偏光の回転方向を切り替えた場合の結果を図１６（ｃ）（ｄ）に示す。励起レーザ光がＲＣＰである場合（図１６（ｃ）参照）、ＬＣＰの三次高調波を選択的に生成することができる。一方、レーザ光がＬＣＰである場合（図１６（ｄ）参照）、ＲＣＰの三次高調波を選択的に生成することができる。
　このように、本実施形態の装置によれば、励起レーザ光の偏光方向を切り替えることにより、得られる三次高調波（本例では真空紫外光）を、ＬＣＰとＲＣＰとの間で切り替えることができるという利点がある。従来の真空紫外光の発生方法においては、円偏光を得ること自体が難しいという問題があった。これに対して、本実施形態では、円偏光を容易に得ることができるばかりか、その回転方向の制御も簡便に行うことができるという利点がある。
　第３実施形態の装置によれば、様々な偏光状態を持つ真空紫外光を簡易に生成できるので、偏光状態が制御された真空紫外光を用いた各種のシステムを低コストで構築可能である。例えば、生体における円二色性を計測することができる。また、コヒーレントな真空紫外光を用いることで、高い集光性能や時間分解能を得ることもできる。
　なお、本発明者らは、前記非特許文献２において、金属薄膜に３回回転対称構造を形成することによって２次高調波の偏光方向を制御する手法を提案している。しかしながら、前記したように、この技術は、そもそも真空紫外光を生成するためのものではない。また、金属薄膜を用いた場合は、破壊閾値が低いので、高強度の励起レーザ光を用いることができない。さらに、誘電体内部の電界の状態は、金属薄膜の場合とは異なっており、同じ物理現象が生じるわけでないことに注意する。
　第３実施形態における他の構成及び利点は、第２実施形態と基本的に同様なので、これ以上詳しい説明は省略する。
　（誘電体の膜厚についての補足）
　以下、図１７及び図１８をさらに参照して、誘電体２における好ましい膜厚について補足して説明する。なお、誘電体２は位相整合条件を満たさないとする。
　まず、前提として、誘電体２を薄膜状でなくバルクとした場合、励起レーザ光のスペクトルが、自己位相変調の効果により広がってしまうという問題を生じる。例えば、誘電体２の膜厚が１０μｍ以上の場合をバルクと称すると、この場合は、スペクトルの分散のため、目的とする波長の三次高調波（ＴＨＧ）の強度が大幅に低下する。したがって、この観点からは、誘電体２の膜厚は薄いことが望ましい。つまり、バルクでなく、膜厚１０μｍ以下の薄膜状とすることが望ましい。
　ここで、励起レーザ光の波長を４７０ｎｍ（ＴＨＧは１５７ｎｍ）の場合にＡｌ２Ｏ３製の自立薄膜から発生するＴＨＧ強度の膜厚依存性をプロットしたグラフを図１７に示す（参考：N.Bloembergen and P.S.Pershan, "Light Waves at the Boundary of Nonlinear Media", Phys. Rev. 128, 606 (1962)）。
　図１７に示されるように、膜厚に対するＴＨＧの発生強度は、約４００ｎｍの周期で振動しながら、その包絡線は膜厚が増大するにつれて減少していることがわかる。なお、図１７における符号Ｌｃはコヒーレンス長を示している。
　ここで、約４００ｎｍ周期でＴＨＧの強度が振動する理由は、位相整合条件が成り立っていない（すなわち位相不整合になっている）ことによる。励起レーザ光（以下「基本波」と称することがある）の波長、屈折率の実部、屈折率の虚部、波数をそれぞれλ１,ｎ１,κ１,ｋ１とし、三倍波の波長、屈折率の実部、屈折率の虚部、波数をλ３,ｎ３,κ３,ｋ３とすると、波数の定義から
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
である。ここで
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
とおくと、コヒーレンス長Ｌｃは、
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003
とあらわされる（参考：黒田「非線形工学デバイスの物理」，光学,３８巻第８号ｐ４０８（２００９）の式（１１））。媒質の厚さがコヒーレンス長Ｌｃより大きくなると、変換効率は減少に転じ、２Ｌｃを超えるとまた増大を繰り返すため、膜厚に対して２Ｌｃ周期で、ＴＨＧ強度が振動する。
　一方、ＴＨＧ強度の包絡線が膜厚に対して減少する理由は、発生した真空紫外のＴＨＧに対して吸収が生じるためである。ＴＨＧが媒質の中を通る距離が長いほど吸収量が大きくなるため、ＴＨＧ強度は全体的に減少していく。
　上記の理由により、図１７に示すように、膜厚が約Ｌｃの場合にＴＨＧ強度は最大となる。
　ただし、基本波および三倍波の波長が短くなって吸収が大きくなり、Ｌｃよりも短い距離でＴＨＧが誘電体に吸収されてしまうようになると、膜厚をＬｃまで厚くする意味はなくなってしまう。光が物質に吸収される典型的な距離である侵入長δの大きさは
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000004
で表されるため、第三次高調波の侵入長
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000005
がＬｃより大きい場合にのみ上記の議論は成り立つ。
　侵入長を考慮したときの、Ｌｃの具体的な膜厚を検討する。いくつかの典型的な誘電体について、文献値に基づいてＬｃ，δ3の、三次高調波の波長に対する依存性をプロットしたものを図１８に示す。
　ＴＨＧ波長２００ｎｍから、波長が短くなるにつれてＬｃは単調減少する。波長１００ｎｍ近傍でＬｃは大きく増大するが、この波長領域では侵入長δ3がＬｃよりも小さくなっているため、膜厚を大きくしてもＴＨＧ強度は増大しない。これらの特性に鑑みると、Ｌｃの最大値は、真空紫外領域の最長波長である１９０ｎｍ近傍でのＬｃの値であり、誘電体２の膜厚も、この値程度にするのが好ましいと考えられる。
　上記のグラフを見ると、三次高調波の波長が１９０ｎｍの場合におけるＬｃは、図１８のそれぞれのグラフにおいて約１０００ｎｍ、約２０００ｎｍ、約５００ｎｍである。図１７に示したように、ＬｃはＴＨＧ強度のピークを与える厚さであり、これより多少厚くても使用上は問題ない。また一般に、誘電体における真空紫外領域での屈折率は、それほど大きくは物質に依存しない。このような状況に鑑みると、誘電体２の膜厚は５μｍ以下とすることがより好ましいと考えられる。
　あるいは、前記したＬｃ及びδ３のうち、大きいほうの値の３倍以下、より好ましくは２倍以下の膜厚とすることが好ましいともいえる。
　なお、本発明の内容は、前記実施形態に限定されるものではない。本発明は、特許請求の範囲に記載された範囲内において、具体的な構成に対して種々の変更を加えうるものである。
　例えば、前記した実施形態では、高調波の次数ＮとしてＮ＝３としたが、必要な強度の高調波が得られるのであれば、Ｎ＝２でもよく、Ｎ≧４でもよい。ただし、誘電体薄膜を波長変換素子として用いる場合は、Ｎ＝３とすることが最も好適と考えられる。
１　光源
１１　励起レーザ光
２　誘電体
２１　真空紫外光
２２　空孔部
３　レンズ
４　容器
４１　窓
５　フィルタ
５１　通路
６　分光器
７　検出器
８　基板
９　レジスト層
１０　保護層
１０１　偏光子
１０２　λ／４波長板
１０４　光電子増倍管
１０５　電流電圧変換アンプ
１０６　オシロスコープ
２０１　真空紫外用λ／４波長板
２０２　真空紫外用偏光子

Claims (12)

  1. 　少なくとも裏面側が真空中に露出された薄膜状の誘電体の表面に向けて、前記誘電体を透過可能な波長を有する励起レーザ光を照射するステップと、
    　前記励起レーザ光の照射によるＮ次高調波として、真空紫外光を、前記誘電体の裏面方向に向けて発生させるステップとを有しており、
    　ここでＮ≧２である
    　真空紫外光の発生方法。
  2. 　Ｎ＝３であり、
    　前記励起レーザ光の波長は６００～２００ｎｍの範囲におけるいずれかの波長である
    　請求項１に記載の真空紫外光の発生方法。
  3. 　前記誘電体は、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＦ２、ＣａＦ２、ＬｉＦのいずれかの結晶である
    　請求項１又は２に記載の真空紫外光の発生方法。
  4. 　前記誘電体は、γ－Ａｌ２Ｏ３の結晶である
    　請求項１又は２に記載の真空紫外光の発生方法。
  5. 　前記誘電体は、Ｓｉ基板上に前記γ－Ａｌ２Ｏ３の層をエピタキシャル成長させた後、前記Ｓｉ基板を除去することによって製造されたものである
    　請求項４に記載の真空紫外光の発生方法。
  6. 　前記誘電体は、前記励起レーザ光の照射方向と交差する方向に延在する（Ｎ＋１）回回転対称構造を有しており、
    　前記励起レーザ光は、円偏光とされており、
    　前記（Ｎ＋１）回回転対称構造を前記励起レーザ光が透過することによって、円偏光の前記真空紫外光を発生させる
    　請求項１～５のいずれか１項に記載の真空紫外光の発生方法。
  7. 　前記励起レーザ光における円偏光の回転方向を変更することにより、前記真空紫外光における円偏光の回転方向を変更するステップを有する
    　請求項６に記載の真空紫外光の発生方法。
  8. 　少なくとも裏面側が真空中に露出された薄膜状の誘電体と、
    　前記誘電体の表面に向けて、前記誘電体を透過可能な波長を有する励起レーザ光を照射する光源とを備えており、
    　前記誘電体は、前記励起レーザ光の照射によるＮ次高調波として、真空紫外光を、前記誘電体の裏面方向に向けて発生させる構成となっており、
    　ここでＮ≧２である
    　真空紫外光の発生装置。
  9. 　Ｎ＝３であり、
    　前記励起レーザ光の波長は６００～２００ｎｍの範囲におけるいずれかの波長である
    　請求項８に記載の真空紫外光の発生装置。
  10. 　前記誘電体は、前記励起レーザ光の照射方向と交差する方向に延在する（Ｎ＋１）回回転対称構造を有しており、
    　前記励起レーザ光は、円偏光とされており、
    　前記（Ｎ＋１）回回転対称構造を前記励起レーザ光が透過することによって、円偏光の前記真空紫外光を発生可能とされている
    　請求項８又は９に記載の真空紫外光の発生装置。
  11. 　前記誘電体の膜厚は１０μｍ以下である
    　請求項８～１０のいずれか１項に記載の真空紫外光の発生装置。
  12. 　請求項８～１１のいずれか１項に記載の装置により得られた真空紫外光を用いて試料の特性を測定する測定システム。
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