(57)【要約】【課題】回折格子を用いた分光が回折効率の低下のため困難となる波長０．１〜１ｎｍの領域において、回折効率、分解能が共に高い回折格子及びそれを用いた実用性の高い分光装置を提供する。    【解決手段】本発明の分光装置は、軟Ｘ線を入射させる入射スリット４と、入射軟Ｘ線を収束させる凹面鏡５と、収束された軟Ｘ線９により照明される多層膜回折格子１と、位置が固定された出口スリット８と、回折格子１により回折された軟Ｘ線を出口スリット８に導くための多層膜平面鏡７と、を備える。主光線に対して回折格子１は多層膜の拡張Bragg条件及び回折格子の式、多層膜鏡７はBragg条件を満たすように配置される。回折格子１は、収束光９の入射角度を波長毎に異ならせて波長走査を行うために回転可能に構成され、多層膜鏡７は、回折格子１の回転に応じて移動可能に且つ回転可能に構成される。【選択図】  図3
2010014418.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多層膜回折格子と多層膜鏡とを構成要素の全てまたは一部とする回折格子分光装置において、各光学素子の中心を通過する主光線に対して前記多層膜回折格子においては多層膜の拡張Bragg条件及び回折格子の式、前記多層膜鏡に対してBragg条件を満たすように配置した、回折格子分光装置。
【請求項２】
請求項１に記載の回折格子分光装置において、波長に関わらず多層膜の拡張Bragg条件及び回折格子の式を満たすように前記多層膜回折格子における入射角と回折角とを可変とした、回折格子分光装置。
【請求項３】
請求項２に記載の回折格子分光装置において、前記多層膜回折格子の入射角及び回折角の変化に応じて前記多層膜鏡を移動及び回転可能とした、回折格子分光装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の回折格子分光装置において、前記回折格子の溝間隔が不等間隔である、回折格子分光装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の回折格子分光装置において、前記多層膜回折格子及び前記多層膜鏡の表面に存在する多層膜が２つの構成物質を交互に周期的に積層して形成される、回折格子分光装置。
【請求項６】
請求項５に記載の回折格子分光装置において、前記多層膜鏡の多層膜周期が前記多層膜回折格子の多層膜周期に対して80〜100%である、回折格子分光装置。
【請求項７】
請求項５に記載の回折格子分光装置において、前記多層膜鏡上の入射光線と反射光線とがなす偏角の大きさが、前記多層膜回折格子上の入射光線と回折光線とがなす偏角の大きさに対して80〜100%である、回折格子分光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軟X線領域で回折格子を用いて単色光を取り出す軟Ｘ線単色計（モノクロメータ）、または、入射光を波長により分散及び結像させる写真分光器に関する。
【背景技術】
【０００２】
反射鏡の反射率を高める手段として多層膜を形成することは半世紀以上前から行われている。この手段を回折格子の回折効率を高めるため利用する場合、各種の条件を満たす必要があり、特に軟X線領域では殆ど実用になっていない。
【０００３】
一般に多層膜を回折格子表面に形成して回折効率を増したい場合、満たすべき条件として多層膜の拡張Bragg条件がある。また、多層膜回折格子を単色計、写真機型分光器で用いる場合には、回折格子への入射光と回折光の方向と波長、格子定数との関係式（回折格子の式と呼ばれている）及びそれぞれ分光装置で規定される結像条件も満たす必要がある(例えば、非特許文献１及び２)。
【０００４】
上述の３つの条件は個々には研究されており、これらの条件を一波長で満たすことは容易であるが、それでは単色計、写真機型分光器としては使用できず、実験物理学的観点からの研究の域を出なかった。
【特許文献１】特開2006-133280  “多層膜不等間隔溝ラミナー型回折格子及び同分光装置,” 公開日平成18年5月25日.
【非特許文献１】M.Koike, M. Ishino and H.Sasai, “Design of a high efficiency grazing incidence monochromator with multilayer coated laminar gratings for the 1-6 keV region,” Rev. Sci Instrum., 77, 023101 (2006).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するために成されたものであり、その目的は、回折格子を用いた分光が回折効率の低下のため困難となる波長０．１〜１ｎｍの領域において、回折効率及び分解能が共に高い回折格子及びそれを用いた実用性の高い分光装置を提供することである。そのためには入射光と測定する波長の回折光方向が波長に関わらず一定になることが望ましい。  
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、多層膜回折格子と多層膜鏡とを構成要素の全てまたは一部とする本発明に係る回折格子分光装置は、各光学素子の中心を通過する主光線に対して前記多層膜回折格子においては多層膜の拡張Bragg条件及び回折格子の式、前記多層膜鏡に対してBragg条件を満たすように配置して構成したものである。
【０００７】
第１の好ましい態様の回折格子分光装置は、波長に関わらず多層膜の拡張Bragg条件及び回折格子の式を満たすように前記多層膜回折格子における入射角と回折角とを可変とする。この態様の回折格子分光装置において、多層膜回折格子の入射角及び回折角の変化に応じて多層膜鏡を移動及び回転可能にするのが好ましい。これによって、多層膜鏡のBragg条件を満たしつつ、位置が固定された出口スリットへ軟Ｘ線を導くことができる。
【０００８】
第２の好ましい態様の回折格子分光装置は、前記回折格子の溝間隔が不等間隔である。本態様の回折格子として、軟X線域で一般に用いられている溝断面が矩形波状のラミナー型回折格子を用いるのが好ましい。ラミナー型回折格子は、感光剤を塗布した回折格子基板に２つのコヒーレント（可干渉性がある）レーザー光による干渉縞の記録を行うホログラフィック法により、不等間隔溝制御を含めて実現することが可能である。
【０００９】
第３の好ましい態様の回折格子分光装置は、前記多層膜回折格子及び前記多層膜鏡の表面に存在する多層膜が２つの構成物質を交互に周期的に積層してなる。当該多層膜は重元素と軽元素の組み合わせ、例えば、モリブデンと二酸化珪素の蒸着膜をイオンビームスパッタリング法、マグネトロンスパッタリング法等により交互に形成することにより実現できる。
【００１０】
上記した第３の態様の回折格子分光装置は、前記多層膜鏡の多層膜周期が前記多層膜回折格子の多層膜周期に対して80〜100%とするのがスループットを向上させる上で更に好ましい。また、第３の態様の回折格子分光装置は、前記多層膜鏡上の入射光線と反射光線とがなす偏角の大きさが、前記多層膜回折格子上の入射光線と回折光線とがなす偏角の大きさに対して80〜100%であるのがスループットを向上させる上で更に好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る回折格子及びそれを用いた分光装置は、波長０．１〜１ｎｍの領域において、回折効率、分解能が共に高く、このことにより同波長領域での微弱光測定等が可能となる。また、回折格子と鏡とに多層膜を形成したことにより、金属単層膜を用いる場合に比較して小さな入射角でも反射率が低下しないので、同じ光束幅の光を受ける場合、刻線方向(回折格子溝の方向と直角の方向、図１で紙面の左右方向)により幅の狭い回折格子を用いることができる。上記分解能とは、（波長）／（分光器から取り出し可能な波長幅）の値で、その値が大きいほど波長分解性能が高い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の一形態は、回折格子を用いた分光装置から高効率で分光された軟X線光を取り出すため、分光装置内で、所定の製作条件を満たすように多層膜回折格子及び多層膜鏡を配置したものである。
【００１３】
上記製作条件とは、(1) 入射光、回折光の各方向、回折格子定数の相関を規定する回折格子の式の条件、(2)多層膜回折格子における拡張Bragg条件、(3)多層膜鏡におけるBragg条件、（4）分光光学系としての結像条件である。この内、(1)と(4)の条件は「非特許文献１」、に記載された波長走査方式をとることとし、その条件で(2)、(3)の条件を満たす多層膜周期をもつよう回折格子を設計すればよい。
【００１４】
本発明では、レーザー光を用いて多層膜回折格子の溝パターン形成をホログラフィック法で回折格子基板面上に行い、次にこのパターンをマスクとして、イオンビームエッチング法により、ラミナー型の溝形成を行う。さらに、この表面にイオンビームスパッタリング法またはマグネトロンスパッタリング法により多層膜を形成する。このようにして生成された回折格子を入射スリット又は発散点光源から入射した波長０．１〜１ｎｍの軟Ｘ線を球面鏡により収束光となった光で波長により異なった入射角度で照明し、かつ、取り出すべき波長の回折光を位置が固定された出口スリットに導くように波長走査のための回折格子の回転と同期して移動、回転する平面鏡を備えた分光装置内に設置することにより実現される。
【実施例】
【００１５】
本実施例では、図１、２及び３に基づいて、回折格子及び分光装置の定量的な設計について述べる。
先ず、多層膜回折格子１について図１を用いて説明する。この回折格子１の基本的なパラメータである、有効格子定数（回折格子中心での溝間隔）σを1/2400mm、回折次数mを＋１次とする。また測定対象とする波長範囲を0.2〜0.6nmとする。回折格子１に施される軟X線多層膜は、軽元素（または軽化合物）層と重元素（または重化合物）層とからなる層の組を多数回積層することにより生成される。本実施例では、多層膜の重元素層をコバルト(Co)、軽元素層を二酸化珪素（SiO2）とし、周期長Dを6.64nmとする。
回折格子１の回折効率を最大にするには
1) 多層膜回折格子の回折条件
【００１６】
【数１】
2010014418.tif 000003
【００１７】
2) 多層膜回折格子のBragg条件
【００１８】
【数２】
2010014418.tif 000004
【００１９】
を同時に満たす必要がある。式(2)は拡張Bragg条件と呼ばれる場合もある。ここでλは入射光の波長、α,βは光の回折格子表面の垂線から計った入射光２の入射角、回折光３の回折角で、左廻りを正の角度とする（図１参照）。またRα,Rβはそれぞれ
【００２０】
【数３】
2010014418.tif 000005
【００２１】
であり、且つnを回折格子の多層膜の平均屈折率の実部 (多層膜に使用される２つの物質の複素屈折率の実部の膜厚に基づく加重平均値)とするとδ＝ｎ−１である。但し本実施例では簡単のため、n=1(δ=0)と仮定する。さらに、mG,mCはそれぞれ回折格子１の回折次数、多層膜の干渉次数であるが本実施例ではmG=mC=1であるとする。入射光の使用波長領域を0.2-0.6nmとし、D=6.64nmとした場合の式(1),(2)の双方を満たす入射光の各波長に対する入射角α,回折角βの値を図２に示す。また、最適なDuty比、D.R.は溝の深さをｈ、山面の幅、谷面の幅をそれぞれg1,g2とすると
【００２２】
【数４】
2010014418.tif 000006
【００２３】
と表される（図１参照）。本実施例の場合、式で溝が浅くｈ〜0とみなされる場合D.R.〜0.5となる。
さらに、最適溝深さｈは、D.R.=0.5の場合、Hellwege(Z.Phys. 106, 588-596 (1937))が導いた式
【００２４】
【数５】
2010014418.tif 000007
【００２５】
と式(2)より、
【００２６】
【数６】
2010014418.tif 000008
【００２７】
となり、本実施例の場合、式(2),(4),(5)を勘案してD.R.=0.4, h=3.0nmとした。
次に不等間隔溝平面回折格子１が収束光（後述する図３の９）で照明されている場合、分散方向の焦点距離は
【００２８】
【数７】
2010014418.tif 000009
【００２９】
から求められる。ここでr(＜0)は回折格子（図３の１）の中心から入射収束光の焦点（図３の６）までの距離、r’(>0)は回折格子の焦点距離、n20は、回折格子中心を零番として数えたｗ-ｌ平面上の座標位置(w,l)での溝の番号を表す不等間隔溝回折格子の溝関数nの展開係数である。すなわちnを回折格子のｗ-ｌ平面上の座標（図１参照）の関数として展開し、
【００３０】
【数８】
2010014418.tif 000010
【００３１】
と表した場合のw2の項の係数である。なお有効格子定数σの定義からn10=1である。数値計算による探索の結果
【００３２】
【数９】
2010014418.tif 000011
【００３３】
とした場合、r’は実効的に約2023mmと一定になる。式(9)と図２のα,βの値を式(7)に代入して求めたr’の値を図２に示す。
本実施例の多層膜回折格子１の格子面上には、不等間隔の溝パターンが形成される。
このような不等間隔溝をもつ回折格子はNamiokaらの論文(T. Namioka and M. Koike, "Aspheric wavefront recording optics for holographic gratings, " Appl. Opt., 34, 2180-2186 (1995).)で述べられているごとく、(1)２つのコヒーレント球面波の干渉縞を記録することにより、(2)２つのコヒーレント非球面波の干渉縞を記録することにより、もしくは(3)１つのコヒーレント球面波と１つのコヒーレント非球面波の干渉縞を記録することにより、不等間隔溝パターンをホログラフィック法により生成することができる。例えばホログラフィック露光用のレーザー干渉系を用いた場合、２つの光源点と回折格子１の基板との間に球面鏡を配置し、発散光で斜めから照射して、干渉させる１光束を非球面波にすることによって、回折格子基板上で不等間隔干渉縞が得られる。
【００３４】
さらに、この回折格子の溝パターンをアルゴン、ヘリウム/カドミニウム等のレーザー光を用いてホログラフィック法で不等間隔溝パターンの形成を行い,次にこのパターンをマスクとして、石黒ら（E. Ishiguro et al., “Fabrication and characterization of reactive ion beam etched SiC gratings,”Rev. Sci. Instr., 63(1), 1439 (1992)）が述べているように活性ガス(トリフロロメタン)と不活性ガス(アルゴン)を混合したエッチャン等を用いるイオンビームエッチング法により、ラミナー型の溝形成を行う。さらに、この表面にタングステンと炭素の蒸着膜をイオンビームスパッタリング法、マグネトロンスパッタリング法により形成する。さらに、多層膜は重元素と軽元素の組み合わせ、例えばタングステンと炭素の蒸着膜をイオンビームスパッタリング法、マグネトロンスパッタリング法等により交互に形成することにより実現できる。
【００３５】
上述の条件で製作された多層膜ラミナー型回折格子の回折効率を数値計算により計算した値を図２にEで示す。
次に、上記した回折格子１を備える本発明に係る分光装置の分光光学系の一例を図３を用いて説明する。この分光装置の光学系は、波長0.2〜0.6ｎｍの軟Ｘ線を入射させる入射スリット４（又は発散点光源）と、入射された軟Ｘ線を収束させる凹面鏡５と、該凹面鏡５により収束された軟Ｘ線９により照明される多層膜回折格子１（図１参照）と、位置が固定された出口スリット８と、回折格子１により回折された軟Ｘ線を出口スリット８に導くための多層膜平面鏡７と、を備えている。
【００３６】
回折格子１は、波長に関わらず上記した多層膜の拡張Bragg条件及び回折格子の式を満たすように収束光９の入射角度及び回折角度を波長毎に異ならせるため、図３の矢印に示されるように回転可能に構成されている。また、平面鏡７は、回折格子１の回転に応じて、Bragg条件を満たすように、平面鏡７と出口スリット８との間を結ぶ方向に沿って移動可能に且つ回転可能に構成されている。ここで平面鏡７の移動と回転の運動は
【００３７】
【数１０】
2010014418.tif 000012
【００３８】
を満たすようにすればよい。（１０）式中、r’は上述した回折格子の焦点距離、r1’は回折格子１から平面鏡７までの距離、r2’は平面鏡７から出口スリット８までの距離である。なお、図中の６は凹面（集光）鏡５による虚焦点である。
【００３９】
図４には、本実施例に係る分光装置の波長毎のスループット（入射光量を１としたときの光学系を通過した光量の比率）が示されている。本分光装置では、金蒸着された凹面鏡５を用い、入射スリット4からの入射光線2の凹面鏡５に対する入射角θを89.5°とし、回折格子１への入射光線２と回折光線３とが張る角度２Ｋ＝（α−β）の半角Ｋと回折光線３が平面鏡７へ入射する角度Φとが等しくなる配置を用いた。
【００４０】
図４の曲線10は、回折格子１と平面鏡７に全く同じ仕様の多層膜を蒸着した場合の分光器としてのスループットを示す。ところが、この場合の平面鏡の最適膜周期はBragg条件から
【００４１】
【数１１】
2010014418.tif 000013
【００４２】
と表されるため、測定波長λに対する平面鏡の最適膜周期長は回折格子と膜周期長D
と式(2),(11)から
【００４３】
【数１２】
2010014418.tif 000014
【００４４】
と表される。本実施例の場合、回折格子１の多層膜周期長D＝6.64nmに対し、平面鏡７の最適膜周期長は6.254nmとなる。図４の曲線11はこの膜周期長を持つ平面鏡を用いた場合のスループットを示す。図から判るように曲線１０と比べてピークで約1.5倍のスループットの改善が得られていることがわかる。種々の実験データから、平面鏡の多層膜周期が回折格子の多層膜周期に対して80〜100%とするのがスループットを向上させる上で好ましいことが判明した。
【００４５】
また、上述の実施例の場合はＫ＝Φとした場合の最適化で有ったが、同様の効果は回折格子１上の入射光線と回折（反射）光線とがなす角度２Ｋと、平面鏡７鏡上での入射光線と回折光線とがなす角度２Φとを次式に従って関係付けるようにすることによっても実現できる。
【００４６】
Φ＝Ｋ−（Φo−Ｋo),                    (13)
ここでΦoは
cosΦo＝1.0617cosＫo                      (14)
で与えられ、K0は波長範囲の中心波長に於ける角度Kを示す。種々の実験データから、多層膜鏡７上の入射光線、反射光線がなす偏角の大きさが、多層膜回折格子１上の入射光線、回折光線がなす偏角の大きさに対して80〜100%であるのがスループットを向上させる上で好ましいことが判明した。
【００４７】
以上が本発明の実施例であるが、本発明は上記例にのみ限定されるものではなく、請求の範囲により画定される本発明の範囲内で任意好適に変更可能である。例えば、本実施例は入口スリット４から発散光が入射するようにしたが、光源からの光が指向性が強く平行光とみなせる場合、必ずしも凹面鏡５による集光を要しない。従ってこの場合は回折格子１と移動、回転可能な平面鏡７と出口スリット８とにより分光器を構成することが出来る。また、図５に示すように、回転可能な平面鏡７と回折格子１とを逆の順に設置した光学系などのように光軸方向の光学素子の配置順を逆にした場合においても、本発明実施例と類似の方法を用いてスループットの高い分光系の設計できることは論をまたない。
【００４８】
さらに、上記実施例では、波長走査のため図３の回折格子１を回転可能に構成したが、回折格子１を固定し、該回折格子の前段の光学素子を回転又は移動させることによって回折格子１への入射角度及び回折角度を可変にするようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】ラミナー型多層膜平面回折格子を示す図である。
【図２】本発明の実施例に係るラミナー型多層膜平面回折格子の主要パラメータを示す図である。
【図３】本発明の実施例に係る分光装置の光学系を示す図である。
【図４】本発明の実施例に係る分光装置のスループットを示す図である。
【図５】本発明の異なる実施例に係る分光装置の光学系を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１：  ラミナー型多層膜平面回折格子
２：  入射光線
３：  回折光線
４：  入口スリット
５：  凹面（集光）鏡
６：  凹面（集光）鏡による虚焦点
７：  平面鏡
８：  出口スリット
９：  入射収束光
10：  回折格子と平面鏡との多層膜膜周期が同じ場合の波長毎スループットを示す曲線
11：  回折格子と平面鏡との多層膜膜周期が異なる場合の波長毎スループットを示す曲線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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