(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
物質の屈折率実部が１以下となる波長帯域のＸ線を導波させるためのコアと、前記コアに前記Ｘ線を閉じ込めるためのクラッドと、を備えるＸ線導波路であって、
前記コアは、有機物または気体または真空と、無機物と、を含む１次元周期構造を有し、
前記有機物または前記気体または前記真空と、前記無機物と、は、屈折率実部が異なり、
前記コアと前記クラッドは、該コアと該クラッドの界面での全反射臨界角が前記１次元周期構造の周期性に起因するブラッグ角よりも大きくなるように構成されていることを特徴とするＸ線導波路。
【請求項２】
前記１次元周期構造が多層膜を含み、
前記多層膜は、該多層膜の各層の界面における全反射臨界角が該多層膜の周期性に起因するブラッグ角よりも小さくなるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のＸ線導波路。
【請求項３】
前記１次元周期構造が多層膜を含み、
前記多層膜は、該多層膜の各層の界面における全反射臨界角が該多層膜の周期性に起因するブラッグ角よりも大きくなるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のＸ線導波路。
【請求項４】
前記無機物は、酸化物であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のＸ線導波路。
【請求項５】
前記多層膜は、メソ構造体であるラメラ膜であることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載のＸ線導波路。
【請求項６】
前記１次元周期構造がメソポーラス材料を含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のＸ線導波路。
【請求項７】
前記１次元周期構造の周期数は、２０以上であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のＸ線導波路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＸ線導波路に関し、特にＸ線光学系、Ｘ線撮像技術、Ｘ線露光技術などにおけるＸ線光学系などに用いられるＸ線導波路に関する。
【背景技術】
【０００２】
数１０ｎｍ以下の短い波長の電磁波を扱う際、異物質間における電磁波に対する屈折率差が１０−４以下と非常に小さく、例えば全反射角が非常に小さくなる。Ｘ線を含めたこのような電磁波をコントロールするために、大型の空間光学系が用いられてきており、今でもなお主流となっている。空間光学系をなしている主な部品として、異なる屈折率の材料を交互に積層した多層膜反射鏡があり、これはビーム整形、スポットサイズ変換、波長選択などの様々な役割を担っている。
【０００３】
主流であるこのような空間光学系に対し、従来のポリキャピラリのようなＸ線導波管はその中にＸ線を閉じ込めて伝搬させるものである。近年では光学系の小型化、高性能化を目指し、薄膜や多層膜中にＸ線を閉じ込めて伝搬させる、Ｘ線導波路の研究が行われている。
【０００４】
具体的には、全反射によりＸ線を閉じ込める形態の複数の薄膜Ｘ線導波路が隣接して配置されたＸ線導波路（非特許文献１参照）や、二層の１次元の周期構造により導波層を挟み込んだ形の薄膜導波路（非特許文献２参照）などの研究が行われている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】“Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｂ”，Ｖｏｌｕｍｅ  ６２，Ｎｕｍｂｅｒ  ２４，ｐ．１６９３９（２０００−ＩＩ）
【非特許文献２】“Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｂ”，Ｖｏｌｕｍｅ  ６７，Ｎｕｍｂｅｒ  ２３，ｐ．２３３３０３（２００３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、非特許文献１では周期構造をなす各層の基本の導波路に全反射によりＸ線を閉じ込めるために、各層のクラッドは電子密度の大きい物質により構成されるため、Ｘ線の伝搬損失が大きくなる。クラッドに用いる物質の種類の選択性も低く、その中でも酸化されやすい物質が多いため、導波路の酸化劣化などの問題が存在する。さらに、このような物質を複数層積層させるための工程に時間がかかる。
【０００７】
また、非特許文献２では、クラッドとして設けられた多層膜のブラッグ反射によりコアにＸ線を閉じ込めるＸ線導波路が提案されているが、ＮｉとＣにより構成される多層膜であり、このような材料を十分な総数積層するために非常に長い時間と手間がかかる。さらに、吸収の大きい金属材料を用いているために多層膜中でのＸ線の吸収損失が大きくなるとともに、酸化劣化の問題が存在する。
【０００８】
本発明は、従来の上記のような課題を鑑みてなされたものであり、Ｘ線の伝搬損失が少なく、導波モードが位相制御され、酸化による劣化が少なく、作成が容易なＸ線導波路を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一側面としてのＸ線導波路は、物質の屈折率実部が１以下となる波長帯域のＸ線を導波させるためのコアと、前記コアに前記Ｘ線を閉じ込めるためのクラッドと、を備えるＸ線導波路であって、前記コアは、有機物または気体または真空と、無機物と、を含む１次元周期構造を有し、前記有機物または前記気体または前記真空と、前記無機物と、は、屈折率実部が異なり、前記コアと前記クラッドは、該コアと該クラッドの界面での全反射臨界角が前記１次元周期構造の周期性に起因するブラッグ角よりも大きくなるように構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、Ｘ線の伝搬損失が少なく、導波モードが位相制御され、酸化による劣化が少なく、作成が容易なＸ線導波路を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明のＸ線導波路の一実施態様を示す概略図である。
【図２】伝搬モードのもつ損失の有効伝搬角度依存性を表す図である。
【図３】導波モードの電場強度分布を表す図である。
【図４】本発明の実施例１のＸ線導波路を示す概略図である。
【図５】導波モードの電場強度分布を表す図である。
【図６】本発明のＸ線導波路のコアとクラッドとの界面におけるＸ線の全反射を説明するための図である。
【図７】有効伝搬角度を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明を詳細に説明する。
【００１３】
図１は、本発明のＸ線導波路の一実施態様を示す概略図である。本発明に係るＸ線導波路は、物質の屈折率実部が１以下となる波長帯域のＸ線を導波させるためのコア１０３と、前記コアに前記Ｘ線を閉じ込めるためのクラッド１０１、１０２からなるＸ線導波路である。そして、前記コア１０３が、屈折率実部が異なる複数の物質が１次元方向に周期的に積層された１次元周期構造からなり、前記複数の物質の少なくとも一種の物質が有機物であり、少なくとも一種の物質が前記１次元周期構造の面内方向で連続した無機物である。また、前記コアと前記クラッドの界面での全反射臨界角が、前記１次元周期構造の周期性に起因するブラッグ角よりも大きいことを特徴とする。
【００１４】
本発明において、Ｘ線とは物質の屈折率実部が１以下となる波長帯域の電磁波である。具体的には、本発明におけるＸ線とは、極端紫外光（ＥＵＶ光）を含む１００ｎｍ以下の波長の電磁波を指す。
【００１５】
またこのような短い波長の電磁波の周波数には、非常に高く物質の最外殻電子が応答できないため、紫外光の波長より長い波長をもつ電磁波（可視光や赤外線）の周波数帯域と異なり、Ｘ線に対しては物質の屈折率の実部が１より小さくなることが知られている。このようなＸ線に対する物質の屈折率ｎは一般的に、下記の式（１）で表されるように、実数部の１からのずれ量δ、吸収に関係する虚数部のβ’を用いて表される。
【００１６】
【数１】
0005864892.tif 000002
【００１７】
δは物質の電子密度ρｅに比例するため電子密度の大きい物質ほど屈折率の実部が小さくなることになる。また、屈折率実部ｎ’は、１−δとなる。さらに、ρｅは原子密度ρａと原子番号Ｚに比例する。このようにＸ線に対する物質の屈折率は複素数で表されるが、その実部を本明細書中では屈折率実部または屈折率の実部と称し、虚部を屈折率虚部または屈折率の虚部と称する。
【００１８】
上記Ｘ線に対して屈折率実部が最大となる場合は、Ｘ線が真空中を伝搬する場合であるが、一般的環境下では気体でないほぼすべての物質に対して空気の屈折率実部が最大となる。なお、本明細書中においては、真空に対しても物質という文言を適用する場合がある。
【００１９】
本発明において、コアは、屈折率実部が異なる複数の物質からなる１次元周期構造を備え、前記複数の物質の少なくとも一種の物質が有機物または空気などの気体または真空であり、少なくとも別の一種の物質が連続した無機物であることを特徴とする。本発明において屈折率実部が異なる複数の物質とは多くの場合電子密度が異なる二種以上の物質である。
【００２０】
コアの１次元の周期構造を構成する物質の一種がＸ線の吸収が少ない有機物であることにより、Ｘ線の吸収による伝搬損失を小さくすることができる。また、連続した無機物とはＳｉＯ２やＴｉＯ２などのようにＳｉやＴｉなどの無機元素が共有結合によりＯなどを介して膜状に結合している物質や、ＡｕやＰｔのように金属結合により膜状に結合している物質を表す。このような連続した無機物により１次元の周期構造自体の強度を強くすることができる。さらに、ＳｉＯ２やＴｉＯ２などの酸化物を用いると、酸化による劣化や構造変化をなくすことができ耐久性があがる。
【００２１】
本発明において、１次元周期構造を多層膜として構成することができる。この場合、酸化物である無機物を積層する方法としては、蒸着やスパッタ法などがある。このような無機物と有機物が１次元方向に交互に積層されてなる１次元周期構造が本発明における多層膜である。周期構造をなす要素構造中の無機物は、多層膜の面内方向で連続して形成されているが、各要素構造間において連続している必要はない。
【００２２】
さらにこのような有機物と無機物の物質により構成される多層膜として、ゾルゲル法を用いて作製されるメソ構造体膜であるラメラ膜などが挙げられる。多層膜がメソ構造体であるラメラ膜であることが好ましい。ここでいうラメラ膜とは、ラメラ構造を有するメソ構造体膜を指す。メソ構造体膜は、界面活性剤の自己集合によって形成される有機−無機ハイブリッド材料膜を指す。メソ構造体膜には、種々のメソスケールの構造周期性を有するものがあるが、本発明では有機成分と無機成分のシート（薄膜）が積層した、ラメラ構造のものが好適に用いられる。このようなメソ構造体膜の無機成分としては、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＳｎＯ２、ＺｒＯ２などの酸化物が代表的である。これらラメラ構造のメソ構造体膜はゾル−ゲル法などの手法で基板上に形成することができる。ラメラ構造のメソ構造体膜の構造周期は、使用する界面活性剤の種類や濃度、反応条件などによって適宜所望の値に調整することが可能である。ラメラ構造のメソ構造体膜は、一つの工程において自己組織的に１次元周期構造を形成するので、作製工程の時間と手間を大幅に削減できる。
【００２３】
本発明において、メソ構造体膜は、２から５０ｎｍの構造周期をもつ周期構造体である。ラメラ構造は、異なる二種類の物質より構成される層状構造であり、この二種類の物質は無機成分を主とする物質と、有機成分を主とする物質により構成される。この無機成分を主とする物質と有機成分を主とする物質は、必要に応じて結合されていてよい。結合されたものの具体例としては、アルキル基の結合したシロキサン化合物から調製されるメソ構造体を挙げることができる。
【００２４】
無機成分を主とする無機物の材料は特に限定されるものではないが、その例としては、製造可能性、周期構造体を屈折率実部が異なる物質より構成するという観点から、無機酸化物が挙げられる。この無機酸化物の例としては、酸化ケイ素、酸化スズ、酸化ジルコニア、酸化チタン、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化アルミニウム、酸化タングステン、酸化ハフニウム、酸化亜鉛を挙げることができる。壁部の表面は、必要に応じて修飾されていてよい。たとえば、水の吸着を抑制するために、疎水性の分子を修飾してもよい。
【００２５】
有機成分を主とする有機物は、特に制限されるものではないが、その例としては、界面活性剤や、分子集合体の形成機能を有する部位が、壁部を形成する材料または壁部を形成する材料の前駆体と結合している材料が挙げられる。この界面活性剤の例としては、イオン性、非イオン性の界面活性剤を挙げることができる。このイオン性界面活性剤の例としては、トリメチルアルキルアンモニウムイオンのハロゲン化物塩を挙げることができる。このアルキル鎖の鎖長の例としては、炭素数で１０から２２が挙げられる。非イオン性の界面活性剤の例としては、ポリエチレングリコールを親水基として含むものを挙げることができる。ポリエチレングリコールを親水基として含む界面活性剤の具体例としては、ポリエチレングリコールアルキルエーテル、ポリエチレングリコール‐ポリプロピレングリコール‐ポリエチレングリコールのブロックコポリマーを挙げることができる。ポリエチレングリコールアルキルエーテルのこのアルキル鎖の鎖長の例としては、炭素数で１０から２２、ポリエチレングリコールの繰返し数の例としては、２から５０を挙げることができる。この疎水基、親水基を変化させることにより構造周期を変化させることが可能である。一般的に疎水基、親水基を大きなものとすることにより構造周期を拡大することが可能である。この有機成分を主とする物質としては、必要に応じて、または、使用する材料、工程の結果として水、有機溶媒、塩等が含まれていてよい。この有機溶媒の例としては、アルコール、エーテル、炭化水素が挙げられる。
【００２６】
次に、メソ構造体膜の製造方法について説明する。
【００２７】
メソ構造体膜の製造方法は、特に制限されるものではないが、たとえば、集合体として機能する両親媒性物質（特に界面活性剤）の溶液に、無機酸化物の前駆体を加え、成膜を行い、無機酸化物の生成反応を進行させることによって製造される。
【００２８】
また、界面活性剤に加えて、構造周期を調整するための添加物を加えてもよい。この構造周期を調整するための添加物としては、疎水性物質が挙げられる。この疎水性物質の例としては、アルカン類、親水性基を含まない芳香族化合物が挙げられ、その具体的な例としては、オクタンが挙げられる。
【００２９】
無機酸化物の前駆体の例としては、ケイ素や金属元素のアルコキサイド、塩化物が挙げられる。さらに具体的な例としては、Ｓｉ，Ｓｎ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｔａ，Ａｌ，Ｗ，Ｈｆ，Ｚｎのアルコキサイド、塩化物が挙げられる。アルコキサイドの例としては、メトキサイド、エトキサイド、プロポキサイド、または、その一部がアルキル基に置換されたものが挙げられる。
【００３０】
製膜法の例としては、ディップコート法、スピンコート法、水熱合成法が挙げられる。
【００３１】
さらに、本発明における１次元周期構造の特別な例として、メソポーラス材料とその孔の中に有機物などが充填しているメソポーラス膜を挙げることができる。これらのメソポーラス膜は無機物中に、孔または有機物が充填された孔が２次元または３次元方向で配置されたものであるが、作製材料や条件により１次元方向に平均屈折率が周期的な分布をもつ、屈折率または密度に着目した場合に１次元周期構造となる。特に孔の中を空気などの気体または真空にすることにより、膜を構成する物質間の屈折率差を大きくできるとともに、Ｘ線の伝搬損失を小さくできる。このようなメソポーラス膜について以下説明する。
【００３２】
（Ａ）孔の中が空洞なメソポーラス膜について
孔径が２から５０ｎｍの多孔質材料で、壁部の材料は特に限定されるものではないが、その例としては、製造可能性から、無機酸化物が挙げられる。この無機酸化物の例としては、酸化ケイ素、酸化スズ、酸化ジルコニア、酸化チタン、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化アルミニウム、酸化タングステン、酸化ハフニウム、酸化亜鉛を挙げることができる。壁部の表面は、必要に応じて修飾されていてよい。たとえば、水の吸着を抑制するために、疎水性の分子を修飾してもよい。
【００３３】
メソポーラス膜の調製法は、特に制限されるものではないが、たとえば、以下の方法で調製することができる。集合体が鋳型として機能する両親媒性物質の溶液に、無機酸化物の前駆体を加え、成膜を行い、無機酸化物の生成反応を進行させる。その後に、鋳型分子を除去することにより、多孔質材料とする。
【００３４】
この両親媒性物質は、特に限定されるものではないが、界面活性剤が適している。界面活性剤分子の例としては、イオン性、非イオン性の界面活性剤を挙げることができる。このイオン性界面活性剤の例としては、トリメチルアルキルアンモニウムイオンのハロゲン化物塩を挙げることができる。このアルキル鎖の鎖長の例としては、炭素数で１０から２２が挙げられる。非イオン性の界面活性剤の例としては、ポリエチレングリコールを親水基として含むものを挙げることができる。ポリエチレングリコールを親水基として含む界面活性剤の具体例としては、ポリエチレングリコールアルキルエーテル、ポリエチレングリコール‐ポリプロピレングリコール‐ポリエチレングリコールのブロックコポリマーを挙げることができる。ポリエチレングリコールアルキルエーテルのこのアルキル鎖の鎖長の例としては、炭素数で１０から２２、ポリエチレングリコールの繰返し数の例としては、２から５０を挙げることができる。この疎水基、親水基を変化させることにより構造周期を変化させることが可能である。一般的に疎水基、親水基を大きなものとすることにより孔径を拡大することが可能である。また、界面活性剤に加えて、構造周期を調整するための添加物を加えてもよい。この構造周期を調整するための添加物としては、疎水性物質が挙げられる。この疎水性物質の例としては、アルカン類、親水性基を含まない芳香族化合物が挙げられ、その具体的な例としては、オクタンが挙げられる。
【００３５】
無機酸化物の前駆体の例としては、ケイ素や金属元素のアルコキサイド、塩化物が挙げられる。さらに具体的な例としては、Ｓｉ，Ｓｎ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｔａ，Ａｌ，Ｗ，Ｈｆ，Ｚｎのアルコキサイド、塩化物が挙げられる。アルコキサイドの例としては、メトキサイド、エトキサイド、プロポキサイド、または、その一部がアルキル基に置換されたものが挙げられる。
【００３６】
製膜法の例としては、ディップコート法、スピンコート法、水熱合成法が挙げられる。鋳型分子の除去方法の例としては、焼成、抽出、紫外線照射、オゾン処理が挙げられる。
【００３７】
（Ｂ）メソポーラス膜の孔が主に有機化合物で充填されたものについて
壁部の材料については、（Ａ）の項に記載したものと同様のものを使用することができる。孔を充填する物質については、有機化合物を主とするものであれば特に制限されるものではない。この「主」の意味としては、体積比で５０％以上を意味する。この有機化合物の例としては、界面活性剤や、分子集合体の形成機能を有する部位が、壁部を形成する材料または壁部を形成する材料の前駆体と結合している材料が挙げられる。この界面活性剤の例としては、（Ａ）の項で記載した界面活性剤を挙げることができる。また分子集合体の形成機能を有する部位が壁部を形成する材料、または、壁部を形成する材料の前駆体と結合している材料の例としては、アルキル基を有するアルコキシシラン、アルキル基を有するオリゴシロキサン化合物を挙げることができる。このアルキル鎖の鎖長の例としては、炭素数で１０から２２が挙げられる。
【００３８】
孔の内部には、必要に応じて、または、使用する材料、工程の結果として水、有機溶媒、塩等が含まれていてよい。この有機溶媒の例としては、アルコール、エーテル、炭化水素が挙げられる。
【００３９】
メソポーラス膜の孔が主に有機化合物で充填されたものの調製法は、特に制限されるものではないが、たとえば、（Ａ）の項に記載したメソポーラス膜の調製法の鋳型の除去以前の工程を挙げることができる。
【００４０】
本発明のＸ線導波路は、コアとクラッドとの界面における全反射によりＸ線を１次元周期構造であるコアの中に閉じ込めて導波モードを形成し、Ｘ線を伝搬させる。そして、前記コアと前記クラッドの界面での全反射臨界角が、前記１次元周期構造の周期性に起因するブラッグ角よりも大きいことを特徴とする。
【００４１】
図６に示すＸ線導波路は、クラッド６０２とクラッド６０３にコア６０１が挟まれた形態であり、低屈折率実部をもつ物質の層６０６と高屈折率実部をもつ物質の層６０５によりなる基本構造６０４が、積層されたものがコア６０１を構成している。６０７がクラッドとコアの界面における全反射臨界角、６０８がブラッグ角、さらに１次元周期構造が多層膜である場合、６０９が基本構造中の物質界面における全反射臨界角を表す。
【００４２】
図６中において、クラッドとコアの界面における全反射臨界角θｃ−ｔｏｔａｌ、多層膜中の基本構造をなす各層の界面での全反射臨界角θｃ−ｍｕｌｔｉ、多層膜の周期性に起因するブラッグ角θＢの例を示してある。本明細書中ではこれらの角度は、膜の面に平行な方向から測られるものとする。図中の矢印Ｘ線の進行方向を示す。
【００４３】
クラッドとコアの界面におけるクラッド側の物質の屈折率実部をｎｃｌａｄ、コア側の物質の屈折率実部をｎｃｏｒｅとした場合の、膜の面に平行な方向からの全反射臨界角θｃ−ｔｏｔａｌ（°）は、ｎｃｌａｄ＜ｎｃｏｒｅとして、下記の式（２）
【００４４】
【数２】
0005864892.tif 000003
【００４５】
で表される。
【００４６】
コアの１次元周期構造の周期をｄ、コアである１次元周期構造の平均屈折率実部をｎａｖｇとした場合、コア中での多重回折の有無に関わらず次の式（３）のようにおおよそのブラッグ角θＢ（°）が定義される。
【００４７】
【数３】
0005864892.tif 000004
【００４８】
ｍは定数、λはＸ線の波長である。
【００４９】
本発明のＸ線導波路を構成している物質の物性パラメータ、導波路の構造パラメータ、およびＸ線の波長は、次の式（４）を満たすように設計されているものとする。
【００５０】
【数４】
0005864892.tif 000005
【００５１】
このことにより、１次元周期構造であるコアがもつ１次元周期性に起因するブラッグ角付近などの有効伝搬角度をもつ導波モードを、常にクラッドによりコアに閉じ込め、Ｘ線の伝搬に寄与させることができる。ここで、本明細書中において有効伝搬角度θ’（°）は、膜の面に平行な方向から測られる角度であり、導波モードの伝搬方向の波数ベクトル（伝搬定数）ｋｚ、真空中の波数ベクトルｋ０を用いて下記の式（５）で表されるものとする。連続条件によりｋｚは各層の界面で一定なので、図７に示すように、導波モードの基本波の伝搬定数ｋｚと真空中の波数ベクトルｋ０Ｏとの間で定義される角度で、導波モードの基本波が真空中で進行する角度を、有効伝搬角度θ’（°）は表している。これは近似的にコア中での導波モードの基本波の伝搬角度を表すと考えることができるため、今後の説明に用いることとする。
【００５２】
【数５】
0005864892.tif 000006
【００５３】
本発明のＸ線導波路は、１次元周期構造を多層膜として構成し、前記多層膜をなす各層の界面における全反射臨界角が、前記多層膜の周期性に起因するブラッグ角よりも小さくなるような前記複数の物質により前記多層膜が構成されているものとすることができる。
【００５４】
本発明のコアをなす多層膜は、屈折率実部の異なる複数の物質の膜が周期的に積層されたものであるが、隣り合う膜界面において屈折率実部の違いによる全反射臨界角が存在する。多層膜をなす異なる屈折率実部の物質が３種類以上ある場合には、全反射臨界角は複数存在する場合があるが、それらを総じてθｃ−ｍｕｌｔｉ（°）とする。
【００５５】
【数６】
0005864892.tif 000007
【００５６】
上記の式（６）のように、多層膜中の全反射臨界角が多層膜の周期性に起因するブラッグ角よりも小さい場合には、ブラッグ角付近以上の角度で多層膜中の界面に入射されるＸ線は全反射を起されず、部分的な反射または屈折を起こすこととなる。多層膜は複数の異なる屈折率実部の周期的に積層された膜により構成されているので、界面も積層方向に複数存在し、多層膜内部のＸ線はこれら界面において反射、屈折を繰り返すこととなる。本発明における多層膜は１次元の周期構造であるので、多層膜内部でのＸ線のこのような反射、屈折の繰り返しは多重干渉を引き起こす。その結果、多層膜の周期構造に共鳴できる条件をもつＸ線、すなわち多層膜内部で存在できる伝搬モードが形成され、本発明のＸ線導波路構造のコア中に導波モードが形成されることになる。これを周期共鳴導波モードと称する。特別な場合として、１次元周期構造をメソポーラス膜で構成した場合、θｃ−ｍｕｌｔｉは存在しないので、この場合にも数（６）を満たすものとなる。
【００５７】
このような周期共鳴導波モードはそれぞれ有効伝搬角度をもち、最も小さな有効伝搬角度をもつ周期共鳴導波モードの有効伝搬角度は多層膜のブラッグ角付近に現れることになる。周期共鳴導波モードは周期構造の周期性に共鳴するモードなので、本明細書中では周期共鳴導波モードと称することとする。これは多層膜を周期数無限の１次元フォトニック結晶として考えた場合の最低次バンドを満たす伝搬モードに相当し、この伝搬モードがクラッドとコアとの界面での全反射により閉じ込められたものとなる。
【００５８】
現実の１次元周期構造では、その周期数は有限であるため、そのフォトニックバンド構造は無限周期の１次元周期構造のフォトニックバンド構造からずれてくるが、周期数が増えるほど導波モードの特性は無限周期のフォトニックバンド上のそれに近づくことになる。また、ブラッグ角は周期共鳴導波モードの有効伝搬角度よりやや大きい角度となるが、このブラッグ反射は周期性によるフォトニックバンドギャップの効果により引き起こされる。Ｘ線のエネルギーが一定として導波モードの有効伝搬角度を考えた場合、角度で見た場合のフォトニックバンドギャップ端の角度に相当する角度付近をもつ二つの導波モードが形成されることによる。これらのうち低角度側の有効伝搬角度をもつ導波モードが、最低次の周期共鳴導波モードである。周期共鳴導波モードの電場強度の空間的分布中で、電場強度の腹の数は基本的に、多層膜の周期数と一致する。高次のブラッグ角に相当する有効伝搬角度をもつ、高次の周期共鳴導波モードの腹の位置は、基本的に１次元周期構造の周期数の２以上の自然数倍となる。
【００５９】
また有限の周期数をもつ多層膜においては、上記のような周期共鳴導波モードのもつ有効伝搬角度以外の角度をもつ導波モードも存在し得る。これらは周期共鳴導波モードではなくコアである多層膜全体を、屈折率実部が平均化された均一媒質として考えた場合に存在する導波モードで、その特性に基本的には多層膜の周期性の影響は少ない。一方、本発明のＸ線導波路の構成で実現される周期共鳴導波モードでは、周期構造の周期数が増えるほど、より多層膜であるコアの中心へ電場が集中し、クラッドへの染み出しも少なくなり、Ｘ線の伝搬損失が小さくなる。また、電場強度分布の包絡曲線はコアの中央に偏った形状となり、よりクラッドへのしみ出しによる損失が小さくなる。さらに、本発明のＸ線導波路中で用いられる周期共鳴導波モードの位相は、１次元周期構造の周期性の高い方向、つまりクラッドとコアの界面に垂直かつ導波方向に垂直な方向において、そろったものとなり、空間的なコヒーレンスを有することができる。本発明において導波モードの位相がそろうということは、導波方向に垂直な面内での電磁場の位相差が０であるということだけではなく、周期構造の空間的な屈折率分布に対応して電磁場の位相差が周期的に−πと＋πの間で変化していることをも意味する。本発明における周期共鳴導波モードは、導波方向に垂直な方向において、電場の位相が周期構造の周期と同じ周期で−πと＋πの間で変化しているものとなる。
【００６０】
本発明のＸ線導波路の一実施態様は、図１に示す様に、クラッド１０１と１０２によりコア１０３が挟まれた構成となっており、クラッドとコアの界面における全反射によりＸ線をコアに閉じ込めるものである。
【００６１】
コア１０３は、例えば界面活性剤と無機物の前駆体を含む溶液からゾルゲル法により作製されるラメラ膜（ラメラ構造体のメソ構造体膜）とすることができる。このラメラ膜は、厚さおよそ２ナノメートルのＳｉＯ２と厚さおよそ８ナノメートルの有機物が交互に５０周期積層されたものであり、周期は約１０ナノメートルである。また、クラッド１０１、１０２としてＡｕを用いている。なお、本発明においては、前記複数の物質が周期的に積層された多層膜が有する周期性の周期数が２０以上であることが好ましい。
【００６２】
この場合、コア中の各層での全反射臨界角はおよそ０．０８°であり、コアの周期性によるブラッグ角は式（３）からおよそ０．２１°である。そのため、式（６）の条件θｃ−ｍｕｌｔｉ＜θＢが満たされ、ブラッグ角付近の伝搬角のＸ線が多重干渉を起こすことができ、ブラッグ角付近の角度をもつ基本波のモードを形成することができる。また、クラッドとコアの界面での全反射臨界角θｃ−ｔｏｔａｌは式（２）により、およそ０．２５°である。コアの周期性によるθＢはおよそ０．２１°であるため、式（４）の条件であるθＢ＜θｃ−ｔｏｔａｌという関係が満たされて、クラッドとコアの界面での全反射によりコアにＸ線を閉じ込めることができる。この構造は式（６）、式（４）の条件を満たすことができるので、周期共鳴導波モードを形成することができる。
【００６３】
図１のＸ線導波路に関して、１７．５キロエレクトロンボルトのＸ線に対して、数値計算によりコア中に形成される導波モードの有効伝搬角度と伝搬定数との関係を求めたものが図２に示す図である。図２は横軸：有効伝搬角度、縦軸：伝搬定数の虚部としてある。つまり伝搬に寄与するモードの損失の伝搬角度依存性を表すものである。伝搬定数の虚部は導波モードの減衰に関係する部分で、導波モードの損失を表すものと考えることができるからである。図中領域２０３と２０４の境目に相当する角度がコアとクラッドの界面における全反射臨界角である。２０３はクラッドとコアとの界面における全反射臨界角より小さい有効伝搬角度をもつ伝搬モードを表し、損失が小さい導波モードを表す角度範囲である。２０４はクラッドとコアとの界面における全反射臨界角より大きい有効伝搬角度となり損失が大きい放射モードとなる。
【００６４】
また、全反射臨界角より小さい角度の有効伝搬角度をもつ２０３の領域において、２０１が最低次の周期共鳴導波モードであり、その損失は非常に小さくなり有効な導波モードとなることがわかる。この導波モード２０１の有効伝搬角より少しだけ大きい角度領域２０２にはモードが存在しておらず、この領域が多層膜のブラッグ反射の原因となるフォトニックバンドギャップである。ここで、図２中から得られる全反射臨界角およびブラッグ角付近の角度と、式（２）と式（４）から得られる全反射臨界角およびブラッグ角にはずれがある。これは実際の構造中ではＸ線の染み出しや複雑な干渉により光路長などが実際の構造のそれらとは異なってくるからである。
【００６５】
また、この２０１の導波モードの空間的な電場強度分布を図３に示す。図３において、多層膜中の周期性の影響を受けることにより、周期性がない一様膜であるコアの場合に比べて、全体のエネルギーは多層膜のより中心に偏るとともに、クラッドへ染み出すＸ線も少なくなり伝搬損失を小さくすることができる。図３において、横軸を膜の面に垂直な方向すなわちｙ方向での位置とし、３０１と３０２がＡｕのクラッド１０１と１０２の部分に相当し、３０３はコア１０３に相当するものである。また、２０１の最低次の周期共鳴導波モードの電波強度分布から、電場強度の極大値の数は周期構造の周期数と一致し、多層膜中の吸収の少ない物質の部分へ電場が集中することになり、損失が低くなる。また、図２において２０１の導波モードの有効伝搬角度付近でこの導波モード以外に極端に損失の小さな導波モードが存在しないので、２０１の導波モードは他の導波モードと区別されてより励起されやすいものとなる。このことにより、２０１の導波モードの有効伝搬角度付近の導波モードを励起されたとしても得られる導波モードは２０１に相当する周期共鳴導波モードが支配的であり、その特性として位相がそろったものとなる。
【００６６】
また本発明のＸ線導波路は、前記多層膜をなす各膜の界面における全反射臨界角が、前記多層膜の周期性に起因するブラッグ角よりも大きくなるような前記複数の物質により前記多層膜が構成されているものとすることもできる。
【００６７】
この構成は、扱うエネルギーのＸ線に対し、
【００６８】
【数７】
0005864892.tif 000008
【００６９】
を満たすものである。この条件下では、コアとクラッドとの界面における全反射により閉じ込められたＸ線は、さらに多層膜内部の各界面での全反射によりそれぞれの膜の中に閉じ込められることになる。この構成の場合、多層膜内部の界面において全反射が起こるので、多層膜を構成している物質の種類が２種類の場合、または３種類以上かつすべての界面で全反射が起こる場合、多層膜内部の界面での部分反射や屈折は起こらなくなり、多重干渉は起こらない。さらに、多層膜を構成している物質の種類が３種類以上で少なくとも１部分の界面において全反射が起こらない場合でも、多重干渉は起こらなくなる。そのため、周期性の現れであるブラッグ反射、また上記したような周期共鳴導波モードという考え方がなりたたなくなるため、得られる導波モードの有効伝搬角度はブラッグ角からははずれた角度であることも可能となる。
【００７０】
またこの構成のコアの中に存在する導波モードは多層膜中の各膜に閉じ込められた個別の導波モードがエバネッセン波で結合した結果得られる連成モードとなる。そのために、コア中の最低次の導波モードでも特定の有効伝搬角度付近に多層膜の周期数だけの数のモードが存在することになる。これらのもつ有効伝搬角度は狭い角度範囲に存在するため、実験上得られる導波モードはこれらが混ざりあったものとなり、複数モードによる大きなエネルギー輸送が可能となる。また、これら導波モードの有効伝搬角度がある角度範囲に分散しているため、集光ビームや角度に広がりがあるビームを導波路に結合しやすくなる。さらに、多層膜内部の各膜にＸ線を閉じ込めるため、コア全体を導波路とするモードが存在しないので、必要のないモードを排除することができる。この構成の場合には、基本的に各低損失材料中にＸ線を全反射で閉じ込めるため、材料による吸収損失が小さくなる。
【実施例１】
【００７１】
図４は、本発明の実施例１のＸ線導波路を示す概略図である。Ｓｉ基板４０１上にスパッタでタングステンを成膜したものを下部クラッド４０２とし、その上にゾルゲル法により多層膜であるラメラ膜のコア４０４を作製し、さらにスパッタで上部クラッド４０３を形成したものである。
【００７２】
本実施例では、ラメラ構造をもつメソ構造体膜（ラメラ膜）の無機物が酸化ケイ素である。このラメラ膜の作製方法としては、以下のような工程が例として挙げられる。
【００７３】
（ａ）メソ構造体膜の前駆体溶液調製
ラメラ構造を持つ酸化ケイ素メソ構造体膜は、ディップコート法で調製される。メソ構造体の前駆体溶液は、エタノール、０．０１Ｍ塩酸、テトラエトキシシランを加え２０分間混合した溶液にブロックポリマーのエタノール溶液を加え、３時間攪拌することで調製される。なお、ブロックポリマーは、エチレンオキサイド（２０）プロピレンオキサイド（７０）エチレンオキサイド（２０）：（以降、ＥＯ（２０）ＰＯ（７０）ＥＯ（２０）と記載する（カッコ内は、各ブロックの繰り返し数））である。エタノールにかえてメタノール、プロパノール、１，４−ジオキサン、テトラヒドロフラン、アセトニトリルを使用することも可能である。混合比（モル比）は、テトラエトキシシラン：１．０、塩酸：０．００１１、エタノール：５．２、ブロックポリマー：０．０２６、エタノール：３．５とする。溶液は、膜厚調整の目的で適宜希釈して使用する。
【００７４】
（ｂ）メソ構造体膜の製膜
洗浄した基板に、ディップコート装置を用いて０．５から２ｍｍｓ−１の引き上げ速度でディップコートを行う。このときの温度は、２５℃、相対湿度は、４０％である。製膜後、膜は、２５℃、相対湿度５０％の恒温恒湿槽で２４時間保持される。
【００７５】
（ｃ）評価
調製されたメソ構造体膜をブラッグ−ブレンターノ配置のエックス線回折分析を行う。その結果、このメソ構造体膜は，基板面の法線方向に高い秩序性をもち、その面間隔は、およそ１０．２４ｎｍであることが確認される。
【００７６】
コア４０４が下部クラッド４０２および４０３により挟まれた形となっており、コア４０４とクラッド４０２の界面、コア４０４とクラッド４０３の界面での全反射により特定のエネルギーのＸ線をコア４０４に閉じ込めるものである。コア４０４のラメラ膜は、ＳｉＯ２と有機物が厚さそれぞれ約３．１ナノメートルと、約７．２ナノメートルで交互に５０層積層された構造で、その周期はおよそ１０．２４ナノメートルとなる。
【００７７】
この構成によれば、コア４０４である多層膜の周期と、それをなす物質の屈折率実部の関係が式（６）を満たしている。そのために、１２．４キロエレクトロンボルトのＸ線は、コアとクラッドの界面における全反射臨界角が約０．３５°以下の角度であるブラッグ角０．２８°付近の有効伝搬角度で伝播され、クラッドとコアの界面における全反射によりコア４０４に閉じ込められる。つまり、導波路に導波モードが励起される。
【００７８】
この導波モードは、コア中での多重干渉の結果得られる周期共鳴導波モードである。図５は周期共鳴導波モードの電場強度分布である。図５中、５０１はＳｉ基板の一部分、５０２は下部クラッド、５０３はコア、５０４は上部クラッド、５０５は空気の一部に相当する領域である。電場強度の極大値の数は多層膜の周期数に一致し、その値は、構造性の非対称性による偏りは見られるがコアの中心付近ほど強くなっていることがわかる。また、この導波モードは損失が小さいので効率の良い導波路を実現できることになる。
【実施例２】
【００７９】
本発明の実施例２は、実施例１のＸ線導波路のコアを、無機物の部分が酸化チタンであるラメラ膜としたものである。本実施例のラメラ膜であるラメラ構造を有するメソ構造体膜の作製方法を以下説明する。
【００８０】
（ａ）メソ構造体膜の前駆体溶液調製
ラメラ構造を持つ酸化チタン素メソ構造体膜は、ディップコート法で調製される。メソ構造体の前駆体溶液は、テトラエトキシチタンを濃塩酸に加え５分間混合した溶液にブロックポリマーＥＯ（２０）ＰＯ（７０）ＥＯ（２０）のエタノール溶液を加え、３時間攪拌することで調製される。エタノールにかえてメタノール、プロパノール、１，４−ジオキサン、テトラヒドロフラン、アセトニトリルを使用することも可能である。混合比（モル比）は、テトラエトキシチタン：１．０、塩酸：１．８、ブロックポリマー：０．０２９、エタノール：１４とする。溶液は、膜厚調整の目的で適宜希釈して使用する。
【００８１】
（ｂ）メソ構造体膜の製膜
洗浄した基板に、ディップコート装置を用いて０．５から２ｍｍｓ−１の引き上げ速度でディップコートを行う。このときの温度は、２５℃、相対湿度は、４０％である。製膜後、膜は、２５℃、相対湿度５０％の恒温恒湿槽で２週間保持される。
【００８２】
（ｃ）評価
調製されたメソ構造体膜をブラッグ−ブレンターノ配置のエックス線回折分析を行う。その結果、このメソ構造体膜は，基板面の法線方向に高い秩序性をもち、その面間隔は、およそ１１ｎｍであることが確認される。
【００８３】
前記コアと前記クラッドの界面での全反射臨界角は約０．３度で、前記多層膜の周期性に起因するブラッグ角は約０．１９°である。
【００８４】
このＸ線導波路の構成によれば、ブラッグ角約０．１９°付近の有効伝搬角をもつ導波モードを実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本発明のＸ線導波路は、シンクロトロンなどから出力されるＸ線を操作するためのＸ線光学系、Ｘ線撮像技術、Ｘ線露光技術などにおけるＸ線光学系などに用いられる部品などのＸ線光学技術分野に利用することができる。
【符号の説明】
【００８６】
１０１  クラッド
１０２  クラッド
１０３  コア
２０１  最低次の周期共鳴導波モードを表す点
２０２  フォトニックバンドギャップに相当する領域
２０３  導波モードを表す領域
２０４  放射モードを表す領域
【図１】
0005864892.tif 000009
【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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