(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を反射させるための平滑なガラス面に所定波長範囲の光に対して透明な高屈折率誘電体、中間屈折率誘電体、低屈折率誘電体の３種類の誘電体で構成された誘電体多層膜分散補償反射鏡において、
前記低屈折率誘電体と、前記高屈折率誘電体或いは前記中間屈折率誘電体のいずれかとは交互に積層され、かつ、
前記高屈折率誘電体或いは前記中間屈折率誘電体のいずれかは、望ましい分散となるように行われる各層の膜厚の最適化に従って選択されることから成る誘電体多層膜分散補償反射鏡。
【請求項２】
各層の光学的膜厚が、望ましい分散となるように最適化されていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の誘電体多層膜分散補償反射鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、誘電体多層膜分散補償反射鏡に関し、特に、短パルスレーザーの発振、増幅、制御を目的とする機器を製造、利用する分野において、分散の補償、すなわち、短光パルスの発生及び伝搬の際の遅延時間の波長依存性の補償あるいは制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来作製されている誘電体多層膜分散補償反射鏡について説明する。近年、超短（数〜１００フェムト秒）光パルスを発生することの可能なレーザーが急速に進展している。超短光パルスの超高速性を生かした物質内での超高速現象の計測、高エネルギーでパルス幅が短いことにより電界強度が原子内のクーロン場と同等になることを利用した多価イオン生成、Ｘ線発生などがそのような光パルスを用いることにより行われている。この様な超短光パルスの発生及び伝搬の際、群遅延時間の波長依存性（分散）が問題となる。群遅延時間が波長によって異なると、波長幅の広いスペクトルを持つ超短光パルスは、異なる波長成分が異なる伝搬時間を持つことになり、結果としてパルス幅が広がってしまい、その高速性、高強度性を十分に生かすことができなくなってしまう。分散は、あらゆる物質に存在し、この場合に特に問題となるのは、超短光パルス発生に用いられるモード同期レーザー発振器の共振器内の分散や、超短光パルスを反射させたりするのに用いられる誘電体多層膜反射鏡による分散である。分散の評価は、一般的には、ある波長で群遅延時間を角周波数で微分した値で評価を行い、通常、群遅延時間の１次微分を２次分散、２次微分を３次分散、ｎ次微分を（ｎ＋１）次分散と呼ぶ。もし、２次分散が波長によらずゼロならば、群遅延時間は波長によらず一定となるので、分散によりパルス幅が広がることはない。また、この分散を制御することにより、超短光パルスの時間波形を望ましい形に整形することもある程度可能である。
【０００３】
誘電体多層膜分散補償反射鏡は、このようなモード同期レーザー発振器の共振器内の分散や、超短光パルスを透過させる物質の分散の打ち消し、あるいは、超短光パルスの時間波形を望ましい形に整形するために作製されるものである。この反射鏡は、遠赤外からＸ線領域で使用可能な誘電体多層膜反射鏡が元となっている。誘電体多層膜反射鏡は、光を反射するための平滑なガラス基板面に該所定波長範囲の光に対して透明である誘電体物質で、互いに屈折率の異なる２種類の誘電体薄膜（屈折率の高い方を高屈折率誘電体、低い方を低屈折率誘電体と呼ぶことにする。これらはお互いに相対的なもので、絶対的な屈折率の値で区別するものではない。）を交互に数十層積層することにより構成されている。図４にその構造の例を示す。この各膜のすべての光学的厚みをある波長の１／４にするとその波長付近で高い反射率を得ること、２種類の誘電体の屈折率の差が大きいほど少ない層数で反射率を大きくすることができ、反射波長帯域も広くとることができることが一般に知られている。しかしながら、その分散特性、反射帯域は、用いる誘電体の屈折率、膜厚、膜の層数で一義的に決定されてしまうので、任意の望ましい分散特性を得ることは困難である。また、帯域も上記の誘電体の組み合わせでは、例えば中心波長800 nm付近では帯域幅が200 nm程度で、 10 フェムト秒を下回るパルス幅を持つ超短光パルスでは、そのスペクトルの裾の幅が200 nmを越えるために、もしこのような反射鏡でこのような光パルスを反射させるとパルスのスペクトルが狭まってしまうため結果的にパルス幅が広くなってしまうので、このような超短光パルスを、パルス幅を広げることなく取り扱うことは極めて困難である。単に帯域を広げるのであれば、さきの誘電体の光学的厚みをすべて一定ではなく、例えば、互いに高反射波長域の異なる誘電体多層膜を複数重ねることや、基板から表層にいくに従って膜厚を徐々に増やすあるいは減らすことで実現可能である。しかしながら、これらの方法では高反射帯域内で分散が大きく変動して、これらの膜構成のままでは、超短光パルスを扱うことは極めて困難である。
【０００４】
誘電体多層膜分散補償反射鏡は、これらの誘電体多層膜反射鏡の設計を初期値として、準ニュートン法や焼き鈍し法などの最適化法を用いて、望ましい分散となるように各層の膜厚の最適化をおこない、その結果をもとに作製されたものである。図５に従来の誘電体多層膜分散補償反射鏡の膜構成の例を示す。この図において、横軸の膜ナンバーは、反射鏡の表面にある膜を１として、ガラス基板に近づくにつれ、２、３、４、…としたものである。縦軸は、それぞれの膜の光学的厚みである。これは、近年超短（数〜１００フェムト秒）光パルス発生に用いられているモード同期チタンサファイアレーザー発振器の共振器内分散を補償するために設計された反射鏡の例であり、共振器内をパルスが１往復するとき、共振器内において分散を持つもの、例えば、増幅媒質であるチタンサファイア、出力を取り出すための誘電体多層膜出力鏡、広帯域で分散を補償するための合成石英プリズムの分散とこの反射鏡を５回反射したときの２次分散をあわせたものが650 nmから1000 nmにわたってゼロになるようにしたものである。設計は、基板から表層にいくに従って膜厚を徐々に減らした膜構成を初期値として、望ましい分散になるように各膜厚の最適化を準ニュートン法により行ったものである。
【０００５】
このような誘電体多層膜分散補償反射鏡において良好な分散特性を得るには各膜厚の誤差が所定波長範囲の中心波長のおおよそ1/1000程度にしなければならないことが一般的に知られている。通常このような誘電体多層膜を作成する装置で、膜厚をさきにあげたような精度で制御可能なのは膜の光学的厚みが通常おおよそ100 nm以上の場合とされており、さきにあげた誘電体多層膜分散補償反射鏡の例のそれぞれの膜の光学的厚みは100 nm以上になるよう最適化が行われている。但し、最適化を行う際に最初に膜厚の制限をしてしまうと、この反射鏡のように最適化の対象となるパラメータが数十個にもなる場合には本当に最良な解ではなく、その近辺からみると良い解であるが、最良ではない解に収束してしまうことがある。このようなことを防ぐために、最初は、膜厚制限なしで最適化を行い、そのあと、光学的厚みが100 nm以下の層の膜厚を100 nmにして、且つ、全部の層に対して100 nm以上とする膜厚制限をつけて再び最適化を行い、図５に示す膜構造を得ている。図５に示した構造の反射率と２次分散の波長特性及び２次分散の目標値を図６に示す。この図での反射率は、さきに図５で示した膜構造から計算したもので、２次分散については、同膜構造から計算した位相を各波長での角周波数で２回微分することにより計算した。この図を見ると、２次分散が振動しているのがわかる。この振動は、分散補償の際に光パルスの時間幅を広げてしまったり、モード同期発振器に用いられた際には出力光パルスのスペクトル強度に、この分散の振動に応じてモジュレーションがかかるなどの問題を引き起こすので、これをいかに少なくするかが重要な問題となっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来例では、分散の振動があり、これが分散補償の際に光パルスの時間幅を広げてしまったり、モード同期発振器に用いられた際には出力光パルスのスペクトル強度に、この分散の振動に応じてモジュレーションがかかるなどの問題を引き起こすので、これをいかに少なくするかが重要な問題となっている。
本発明は、かかる問題点を解決して、この分散の振動を低減することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明では、従来高屈折率誘電体、低屈折率誘電体の２種類の誘電体を用いて作製されていた誘電体多層膜分散補償反射鏡を、従来の高屈折率誘電体、低屈折率誘電体の２種類にそれらの中間の屈折率を持つ誘電体（中間屈折率誘電体と呼ぶことにする）を加えて３種類の誘電体（高屈折率誘電体、低屈折率誘電体、中間屈折率誘電体の区別はお互いに相対的なもので、絶対的な屈折率の値で区別するものではない。）で構成することにより、分散の振動の低減をはかることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図４に示すような、低屈折率誘電体と高屈折率誘電体が交互に重なっている構造の場合、各層の光学的厚みがある波長の１／４のときその波長での反射率が最も大きくなり、１／４から小さくなると反射率が小さくなってくる。また、低屈折率誘電体と高屈折率誘電体の屈折率の差が大きいほど反射率が大きい。図５において、最初の膜厚制限なしでの最適化により、対象としている波長で一番短い650 nmの１／４である162.5 nmより薄い層が存在するということは、その膜の付近で、ゼロではないある程度の反射が必要とされていることを示している。もしその膜の付近で強い反射が必要ならば、その膜の光学的厚みはこの反射鏡の対象波長である650 nm、〜1000 nmの１／４、すなわち、162.5 nm〜250 nmの間になるはずであり、もし必要ないならば、最適化の結果、その層の膜厚がゼロになるはずであるからである。その膜厚を膜厚制限で最適の膜厚より大きくしてしまうことは、その膜の付近での反射を必要以上に大きくしてしまい、最適な条件からずれてしまう。そこで、その膜を、高屈折率誘電体と低屈折率誘電体の中間の屈折率を持つ誘電体（中間屈折率誘電体）にすれば、同じ膜厚でも反射が小さくなるので、最適な条件に近づけることが可能となる。
【０００９】
以上に述べたような３種類の誘電体を用いた反射鏡の設計は、以下の手順で行う。まず、高屈折率誘電体、低屈折率誘電体の２種類の誘電体を交互に積層した多層膜で、光学的厚みをすべて所定波長の１／４にした多層膜、または、高反射波長域の異なる誘電体多層膜を複数個重ねた多層膜、あるいは基板から表層にいくに従って膜厚を徐々に増やすあるいは減らすようにした構造の多層膜を初期値とし、但し厚みの制限は与えずに、準ニュートン法や焼き鈍し法などの最適化法を用いて、望ましい分散となるように各層の膜厚の最適化をおこなう。これは、最適化を行う際に最初に膜厚の制限をしてしまうと、この反射鏡のように最適化の対象となるパラメータが数十個にもなる場合には本当に最良な解ではなく、その近辺からみると良い解であるが、最良ではない解に収束してしまうことがあり、このようなことを防ぐために、最初は膜厚制限なしで最適化を行う。この結果得られた膜構成で、光学的厚みが100 nm以下の高屈折率誘電体膜を中間屈折率誘電体膜に置き換えて、光学的厚みを100 nmにする。光学的厚みが100 nm以下の低屈折率誘電体膜については、光学的厚みを100 nmにして、今度は、各層の光学的厚みが100 nm以上となる条件で再び最適化を行って、目的の膜構成を得る。この結果得られる、３種類の誘電体を用いた誘電体多層膜分散補償反射鏡の構成図を図１に示す。図１の中で、高屈折率あるいは中間屈折率誘電体とあるのは、最適化の結果次第で高屈折率誘電体または中間屈折率誘電体に決定されることを示している。
【００１０】
図２に、本発明による３種類の誘電体を用いた誘電体多層膜分散補償反射鏡の実施例の膜構造を示す。モード同期チタンサファイアレーザー発振器の共振器内分散を補償するために設計された反射鏡の膜構造の例である。この図において、横軸の膜ナンバーは、反射鏡の表面にある膜を１として、ガラス基板に近づくにつれ、２、３、４、…としたものである。縦軸は、それぞれの膜の光学的厚みである。これは、共振器内をパルスが１往復するとき、共振器内において分散を持つもの、例えば、増幅媒質であるチタンサファイア、出力を取り出すための誘電体多層膜出力鏡、広帯域で分散を補償するための合成石英プリズムの分散とこの反射鏡を５回反射したときの２次分散をあわせたものが650 nmから1000 nmにわたってゼロになるようにしたものである。本実施例ではまず、図５に示した従来の２種類の誘電体（本実施例では、高屈折率誘電体として二酸化チタン（TiO2）を、低屈折率誘電体として二酸化ケイ素(SiO2)を用いる。）を用いた誘電体多層膜分散補償反射鏡の設計に利用した、基板から表層にいくに従って膜厚を徐々に減らした膜構成を初期値としている。これをもとに、望ましい分散になるように各膜厚の最適化を準ニュートン法により行う。この結果得られた膜構成で、光学的厚みが100 nm以下の高屈折率誘電体膜を中間屈折率誘電体膜（本実施例ではアルミナ（Al2O3）を用いる。）に置き換えて、光学的厚みを100 nmにする。光学的厚みが100 nm以下の低屈折率誘電体膜については、光学的厚みを100 nmにして、今度は、各層の光学的厚みが100 nm以上となる条件で再び最適化を行って、図２の膜構成を得る。図６に、図２の膜構成の場合の反射率と２次分散の波長依存性、２次分散の目標値を示す。この場合にも従来の２種類の誘電体を用いた誘電体多層膜分散補償反射鏡と同じく、分散の振動が存在するが、目標値からの分散のずれの平均値が7.1 fs2で、図５で示した従来の膜構造の場合の値9.4 fs2に比べて小さくなっている。このことは、３種類の誘電体を用いた誘電体多層膜分散補償反射鏡は、従来の２種類の誘電体を用いた誘電体多層膜分散補償反射鏡に比べ、分散の振動が少ないことを示す。
【００１１】
別の実施例として図３に、可視〜近赤外域である525 nm〜675 nmにおいて、光学部品の構成材としてよく用いられる合成石英の厚さ0.5 mm分の分散を打ち消すための誘電体多層膜分散補償反射鏡の実施例の膜構造を示す。本実施例でも、まず、図５に示した従来の２種類の誘電体（本実施例では、高屈折率誘電体として二酸化チタン（TiO2）を、低屈折率誘電体として二酸化ケイ素(SiO2)を用いる。他の高屈折率誘電体として酸化タンタル（V）（Ta2O5）なども用いることが可能である。）を用いた誘電体多層膜分散補償反射鏡の設計に利用した、基板から表層にいくに従って膜厚を徐々に減らした膜構成を初期値としている。これをもとに、望ましい分散になるように各膜厚の最適化を準ニュートン法により行う。この結果得られた膜構成で、光学的厚みが100 nm以下の高屈折率誘電体膜を中間屈折率誘電体膜（本実施例ではアルミナ（Al2O3）を用いる。他の中間屈折率誘電体として酸化イットリウム（Y2O3）なども用いることが可能である。）に置き換えて、光学的厚みを100 nmにする。光学的厚みが100 nm以下の低屈折率誘電体膜については、光学的厚みを100 nmにして、今度は、各層の光学的厚みが100 nm以上となる条件で再び最適化を行って、図３の膜構成を得る。図７に、図３の膜構成の場合の反射率と２次分散の波長依存性、２次分散の目標値を、従来の２種類の誘電体で構成された誘電体多層膜分散補償反射鏡の反射率と２次分散とあわせて示す。この場合にも従来の２種類の誘電体を用いた誘電体多層膜分散補償反射鏡と同じく、分散の振動が存在するが、目標値からの分散のずれの平均値が1.9 fs2で、従来の膜構造の場合の値4.6 fs2に比べて小さくなっている。この実施例でも、３種類の誘電体を用いた誘電体多層膜分散補償反射鏡は、従来の２種類の誘電体を用いた誘電体多層膜分散補償反射鏡に比べ、分散の振動が少ないことを示している。
【００１２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば分散の振動の少ない誘電体多層膜分散補償反射鏡を設計することが可能となり、分散補償の際の光パルスの時間幅伸長の低減や、モード同期発振器に用いられた際にこの分散の振動に応じて起こる出力光パルススペクトル強度のモジュレーションの低減という顕著な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の３種類の誘電体を用いた誘電体多層膜分散補償反射鏡の構造を示す説明図である。
【図２】本発明の実施例の一つである３種類の誘電体を用いた誘電体多層膜分散補償反射鏡の膜構成を示す図である。
【図３】本発明のもう一つの実施例である３種類の誘電体を用いた誘電体多層膜分散補償反射鏡の膜構成を示す図である。
【図４】従来の誘電体多層膜反射鏡の構造を示す説明図である。
【図５】従来の２種類の誘電体を用いた誘電体多層膜分散補償反射鏡の膜構成を示す図である。
【図６】本発明の実施例の一つである３種類の誘電体を用いた誘電体多層膜分散補償反射鏡の反射率と２次分散、従来の２種類の誘電体を用いた誘電体多層膜分散補償反射鏡の反射率と２次分散の比較を示す図である。
【図７】本発明のもう一つの実施例である３種類の誘電体を用いた誘電体多層膜分散補償反射鏡の反射率と２次分散、従来の２種類の誘電体を用いた誘電体多層膜分散補償反射鏡の反射率と２次分散の比較を示す図である。
【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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【図６】
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【図７】
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