(57)【要約】  光学装置において、反射と透過の少なくとも一方における位相を制御する方法である。前記光学装置は多層積層構造を含む。前記積層構造内の第１の層の少なくとも１つの寸法を、少なくとも第１方向に変化させる。前記積層構造内の第２の層の少なくとも１つの寸法を、少なくとも第２方向に変化させる。前記第１方向と前記第２方向は実質的に逆向きである。前記積層構造は、実質的に一定の光学厚さに維持される。
2009505138.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一定の光学厚さを持ち、少なくとも第１の層と第２の層とを含む、多層構造を含み、
前記第１の層は、少なくとも第１方向に変化する光学厚さを持ち、
前記第２の層は、少なくとも第２方向に変化する光学厚さを持ち、前記第１方向と前記第２方向は逆向きである、光学装置。
【請求項２】
前記第１の層は、少なくとも前記第１方向において、４分の１波長１つ分の光学厚さ以下で変化する光学厚さを持つ、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第２の層は、少なくとも前記第２の方向において、４分の１波長１つ分の光学厚さ以下で変化する光学厚さを持つ、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記第１の層と前記第２の層は同種材料を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記第１の層と前記第２の層は幅が等しくない、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記多層構造の各層は屈折率を持ち、前記第１の層と前記第２の層の少なくとも一方は、相対的に最も高い屈折率を持つ、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記多層構造の各層は屈折率を持ち、前記第１の層と前記第２の層の少なくとも一方は、相対的に最も低い屈折率を持つ、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記多層構造は、基板境界面と、空気境界面と、中心部とを含み、前記第１の層と前記第２の層の少なくとも一方は、前記基板境界面または前記空気境界面よりも前記中心部に近い位置に配置される、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記多層構造は第３の層を含み、前記第３の層は、前記第１方向と前記第２方向の少なくともいずれか一方向に変化する光学厚さを持つ、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記第１の層と前記第２の層の少なくとも一方の光学厚さは、屈折率と物理寸法とを持ち、前記屈折率と前記物理寸法の少なくともいずれか一方が変化する、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記第１の層と前記第２の層は異なる材料を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記多層構造の各層は屈折率を持ち、前記第１の層と前記第２の層の少なくとも一方は、前記多層構造のうちの少なくともいくつかの層よりも相対的に高い屈折率を持つ、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記多層構造は、前記第１方向と前記第２方向の少なくともいずれか一方向に変化する光学厚さを持つ、２つ以上の層を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
前記第１の層は、少なくとも第１方向に第１の幅で変化する光学厚さを持ち、前記第２の層は、少なくとも第２方向に第２の幅で変化する光学厚さを持ち、前記第１の幅は前記第２の幅と等しくない、請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
少なくとも第１の層と第２の層とを含む多層構造を形成することと、
少なくとも第１方向に前記第１の層の光学厚さを変化させることと、
少なくとも第２方向に前記第２の層の光学厚さを変化させ、前記第１方向と前記第２方向は逆向きであることと、
前記多層構造を一定の光学厚さにすることと、
を含む、光学装置の作製方法。
【請求項１６】
前記第１方向に、４分の１波長１つ分の光学厚さ以下で、前記第１の層の光学厚さを変化させることを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記第２方向に、４分の１波長１つ分の光学厚さ以下で、前記第２の層の少なくとも１つの寸法を変化させる、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記第１の層と前記第２の層は同種材料を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記第１の層と前記第２の層は幅が等しくない、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記多層構造の各層は屈折率を持ち、前記第１の層と前記第２の層の少なくとも一方は、相対的に最も高い屈折率を持つ、請求項１５に記載の方法。
【請求項２１】
前記多層構造の各層は屈折率を持ち、前記第１の層と前記第２の層の少なくとも一方は、相対的に最も低い屈折率を持つ、請求項１５に記載の方法。
【請求項２２】
前記多層構造は、基板境界面と、空気境界面と、中心部とを含み、前記基板境界面または前記空気境界面よりも前記中心部に近い位置に、前記第１の層と前記第２の層の少なくとも一方を配置するステップを更に含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２３】
前記多層構造は第３の層を含み、前記第３の層は、前記第１方向と前記第２方向のうちの少なくとも一方向に変化する光学厚さを持つ、請求項１５に記載の方法。
【請求項２４】
前記第１の層と前記第２の層の少なくとも一方の光学厚さは、屈折率と物理寸法とを持ち、前記第１の層の光学厚さを変化させるステップと、前記第２の層の光学厚さを変化させるステップのうちの少なくとも一方は、前記屈折率と前記物理寸法の少なくとも一方を変化させることを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２５】
前記第１の層と前記第２の層は異なる材料を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２６】
前記多層構造の各層は屈折率を持ち、前記第１の層と前記第２の層の少なくとも一方は、前記多層構造のうちの少なくともいくつかの層よりも相対的に高い屈折率を持つ、請求項１５に記載の方法。
【請求項２７】
前記多層構造は、前記第１方向と前記第２方向の少なくともいずれ一方向に変化する光学厚さを持つ、２つ以上の層を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２８】
前記第１の層は、少なくとも第１方向に第１の幅で変化する光学厚さを持ち、前記第２の層は、少なくとも第２方向に第２の幅で変化する光学厚さを持ち、前記第１の幅と前記第２の幅は等しくない、請求項１５に記載の方法。
【請求項２９】
多層構造を含む光学装置内で反射と透過の少なくともいずれかにおける位相を制御する方法であって、
少なくとも第１方向において、前記多層構造内の少なくとも第１の層の光学厚さを変化させることと、
少なくとも第２方向において、前記多層構造内の第２の層の光学厚さを変化させ、前記第１方向と前記第２方向は逆向きであることと、
前記多層構造を一定の光学厚さにすることと、
を含む方法。
【請求項３０】
前記第１方向に、４分の１波長１つ分の光学厚さ以下で、前記第１の層の光学厚さを変化させることを含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記第２の方向に、４分の１波長１つ分の光学厚さ以下で、前記第２の層の少なくとも１つの寸法を変化させることを含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３２】
前記第１の層と前記第２の層は同種材料を含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３３】
前記第１の層と前記第２の層は幅が等しくない、請求項２９に記載の方法。
【請求項３４】
前記多層構造の各層は屈折率を持ち、前記第１の層と前記第２の層の少なくとも一方は、相対的に最も高い屈折率を持つ、請求項２９に記載の方法。
【請求項３５】
前記多層構造の各層は屈折率を持ち、前記第１の層と前記第２の層の少なくとも一方は、相対的に最も低い屈折率を持つ、請求項２９に記載の方法。
【請求項３６】
前記多層構造は、基板境界面と、空気境界面と、中心部とを含み、前記基板境界面または前記空気境界面よりも前記中心部に近い位置に、前記第１の層と前記第２の層の少なくとも一方を配置するステップを更に含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３７】
前記多層構造は第３の層を含み、前記第３の層は、前記第１方向と前記第２方向のうちの少なくともいずれか一方向に変化する光学厚さを持つ、請求項２９に記載の方法。
【請求項３８】
前記第１の層と前記第２の層の少なくとも一方の光学厚さは、屈折率と物理厚さとを持ち、前記第１の層の光学厚さを変化させるステップと、前記第２の層の光学厚さを変化させるステップの少なくとも一方は、前記屈折率と前記物理寸法の少なくともいずれかを変化させることを含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３９】
前記第１の層と前記第２の層は異なる材料を含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項４０】
前記多層構造の各層は屈折率を持ち、前記第１の層と前記第２の層の少なくとも一方は、前記多層構造のうちのいくつかの層よりも相対的に高い屈折率を持つ、請求項２９に記載の方法。
【請求項４１】
前記多層構造は、前記第１方向と前記第２方向の少なくともいずれか一方向に変化する光学厚さを持つ、２つ以上の層を含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項４２】
前記第１の層は、少なくとも第１方向に第１の幅で変化する光学厚さを持ち、前記第２の層は、少なくとも第２方向に第２の幅で変化する光学厚さを持ち、前記第１の幅と前記第２の幅は等しくない、請求項２９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２００５年８月１２日に出願された「Ｖａｒｉａｂｌｅ  Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｉｔｙ  Ｃｏａｔｉｎｇｓ  ｗｉｔｈ  Ｃｏｎｓｔａｎｔ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ  ａｎｄ  Ｐｈａｓｅ（光学厚さおよび位相が一定の可変反射率コーティング）」についての米国特許仮出願第６０／７０７，５４５号からの優先権を主張する。
【背景技術】
【０００２】
薄膜コーティングを利用して可変反射率を生成する従来の手法は、波長が異なる反射（例えば、図２と図３に示すようなもの）を持つ全誘電性コーティングを設計するものである。そして、固定式または可動式マスクを利用して、この設計におけるすべての層の厚さを（例えば、図１ａに示すように）同じ大きさで変更し、コーティング反応を波長の上下に変位させる。既定の波長における反射は、コーティングの波長の変化につれて変動し、制御された可変反射率を生成する。例えば、ジゾ（Ｃ．Ｚｉｚｚｏ）と、アーノン（Ｃ．Ａｒｎｏｎｅ）と、カリ（Ｃ．Ｃａｌｉ）と、ショルティーノ（Ｓ．Ｓｃｉｏｒｔｉｎｏ）とによる「Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｕｎｅｄ  Ｇａｕｓｓｉａｎ  ｍｉｒｒｏｒｓ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  ｖｉｓｉｂｌｅ  ａｎｄ  ｔｈｅ  ｎｅａｒ  ｉｎｆｒａｒｅｄ（可視および近赤外線用同調ガウシアンミラーの製造および特性付け）」Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．１３，３４２〜３４４（１９８８）を参照されたい。
【０００３】
可変反射率を生成する他の手法は、全誘電性設計内の単一の層を、整数の４分の１波長（ＱＷ）厚さから整数の２分の１波長（ＨＷ）厚さに変えるものである（図１ｂ）。４分の１波長は、ｎｄ／λ＝０．２５である膜厚で定義される。前式において、ｎは層の屈折率、ｄは物理厚さ、λは設計波長である。基本設計が４分の１波長の積層構造（stack）であり、変動層がその積層構造の高屈折率（index）材料からなると共に、前記変動層が単一の４分の１波長以下で変化する場合、反射は単調的に４０％〜５０％程度変化することになる。例えば、エミリアーニ（Ｇ．Ｅｍｉｌｌｉａｎｉ）と、ピガーリ（Ａ．Ｐｉｅｇａｒｉ）と、ド・シルベストリ（Ｓ．Ｄｅ  Ｓｉｌｖｅｓｔｒｉ）と、ラポルタ（Ｐ．Ｌａｐｏｒｔａ）と、マグニ（Ｖ．Ｍａｇｎｉ）とによる「Ｏｐｔｉｃａｌ  ｃｏａｔｉｎｇｓ  ｗｉｔｈ  ｖａｒｉａｂｌｅ  ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ  ｆｏｒ  ｌａｓｅｒ  ｍｉｒｒｏｒｓ（レーザミラー用可変反射オプティカルコーティング）」Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．２８，２８３２〜２８３７（１９８９）、デュプラン（Ｇ  Ｄｕｐｌａｉｎ）と、ヴァーリー（Ｐ．Ｇ．Ｖｅｒｌｙ）と、ドブロヴォルスキー（Ｊ．Ａ．Ｄｏｂｒｏｗｏｌｓｋｉ）と、ウォルドーフ（Ａ．Ｗａｌｄｏｒｆ）と、ブジーレ（Ｓ．Ｂｕｓｓｉｅｒｅ）とによる「Ｇｒａｄｅｄ−ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ  ｍｉｒｒｏｒｓ  ｆｏｒ  ｂｅａｍ  ｑｕａｌｉｔｙ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｉｎ  ｌａｓｅｒ  ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ（レーザ共鳴器のビーム品質制御のための段階的反射ミラー）」Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．３２，１１４５〜１１５３（１９９３）、ピガーリ（Ａ．Ｐｉｅｇａｒｉ）と、エミリアーニ（Ｇ．Ｅｍｉｌｌｉａｎｉ）による「Ｌａｓｅｒ  ｍｉｒｒｏｒｓ  ｗｉｔｈ  ｖａｒｉａｂｌｅ  ｒｅｆｌｅｃｔｅｄ  ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ  ａｎｄ  ｕｎｉｆｏｒｍ  ｐｈａｓｅ  ｓｈｉｆｔ：ｄｅｓｉｇｎ  ｐｒｏｃｅｓｓ（可変反射強度と均一位相シフトを持つレーザミラー：設計工程）」Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．３２，５４５４〜５４６１（１９９３）、ピガーリ（Ａ．Ｐｉｅｇａｒｉ）による「Ｃｏａｔｉｎｇｓ  ｗｉｔｈ  ｇｒａｄｅｄ  ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ  ｐｒｏｆｉｌｅ：ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ  ａｎｄ  ｕｎｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ  ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ（段階的反射分布を持つコーティング：通常および非通常特性）」Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．３５，５５０９〜５５１９（１９９６）を参照。
【０００４】
【非特許文献１】ジゾ（Ｃ．Ｚｉｚｚｏ）と、アーノン（Ｃ．Ａｒｎｏｎｅ）と、カリ（Ｃ．Ｃａｌｉ）と、ショルティーノ（Ｓ．Ｓｃｉｏｒｔｉｎｏ）とによる「Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｕｎｅｄ  Ｇａｕｓｓｉａｎ  ｍｉｒｒｏｒｓ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  ｖｉｓｉｂｌｅ  ａｎｄ  ｔｈｅ  ｎｅａｒ  ｉｎｆｒａｒｅｄ（可視および近赤外線用同調ガウシアンミラーの製造および特性付け）」Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．１３，３４２〜３４４（１９８８）
【非特許文献２】エミリアーニ（Ｇ．Ｅｍｉｌｌｉａｎｉ）と、ピガーリ（Ａ．Ｐｉｅｇａｒｉ）と、ド・シルベストリ（Ｓ．Ｄｅ  Ｓｉｌｖｅｓｔｒｉ）と、ラポルタ（Ｐ．Ｌａｐｏｒｔａ）と、マグニ（Ｖ．Ｍａｇｎｉ）とによる「Ｏｐｔｉｃａｌ  ｃｏａｔｉｎｇｓ  ｗｉｔｈ  ｖａｒｉａｂｌｅ  ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ  ｆｏｒ  ｌａｓｅｒ  ｍｉｒｒｏｒｓ（レーザミラー用可変反射オプティカルコーティング）」Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．２８，２８３２〜２８３７（１９８９）
【非特許文献３】デュプラン（Ｇ  Ｄｕｐｌａｉｎ）と、ヴァーリー（Ｐ．Ｇ．Ｖｅｒｌｙ）と、ドブロヴォルスキー（Ｊ．Ａ．Ｄｏｂｒｏｗｏｌｓｋｉ）と、ウォルドーフ（Ａ．Ｗａｌｄｏｒｆ）と、ブジーレ（Ｓ．Ｂｕｓｓｉｅｒｅ）とによる「Ｇｒａｄｅｄ−ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ  ｍｉｒｒｏｒｓ  ｆｏｒ  ｂｅａｍ  ｑｕａｌｉｔｙ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｉｎ  ｌａｓｅｒ  ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ（レーザ共鳴器のビーム品質制御のための段階的反射ミラー）」Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．３２，１１４５〜１１５３（１９９３）
【非特許文献４】ピガーリ（Ａ．Ｐｉｅｇａｒｉ）と、エミリアーニ（Ｇ．Ｅｍｉｌｌｉａｎｉ）による「Ｌａｓｅｒ  ｍｉｒｒｏｒｓ  ｗｉｔｈ  ｖａｒｉａｂｌｅ  ｒｅｆｌｅｃｔｅｄ  ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ  ａｎｄ  ｕｎｉｆｏｒｍ  ｐｈａｓｅ  ｓｈｉｆｔ：ｄｅｓｉｇｎ  ｐｒｏｃｅｓｓ（可変反射強度と均一位相シフトを持つレーザミラー：設計工程）」Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．３２，５４５４〜５４６１（１９９３）
【非特許文献５】ピガーリ（Ａ．Ｐｉｅｇａｒｉ）による「Ｃｏａｔｉｎｇｓ  ｗｉｔｈ  ｇｒａｄｅｄ  ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ  ｐｒｏｆｉｌｅ：ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ  ａｎｄ  ｕｎｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ  ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ（段階的反射分布を持つコーティング：通常および非通常特性）」Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．３５，５５０９〜５５１９（１９９６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
この手法の問題の１つは、約９０〜９５％より低い最大反射率についてしか大きな反射率変化をもたらさないことである。例えば、９９．８％〜９０％の反射率変化を必要とする設計である場合、この手法では不十分である。設計内の最後の層のみを変化させただけでは、約９９．８％〜９９．３％のみの反射率変化しか得られない。更に、設計において１層のみを変化させるという考え方では、全体の光学厚さも（４分の１波長の１つ分）変化するという事実に悩まされる。このことが大きな問題となる用途、すなわち、反射位相と透過位相の少なくとも一方を一定に保持しなければならない用途に関して、この手法は役に立たない。
【０００６】
単一の可変金属層を利用して反射率勾配を生成することもできるが、吸収率が高くなり、この厚さが異なる金属薄膜で、反射位相と透過位相が劇的に変化することになる。可変金属膜は、一般に、吸収率が重要でないニュートラルフィルタに利用される。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
全誘電性薄膜コーティングを利用して、反射と透過における位相が制御された可変反射率光学部品を作製する方法である。コーティング設計において２層以上の層を、等しく、ただし逆向きに変化させることで、コーティング全体の光学厚さを維持できる。このことは、光学部品全体で反射位相と透過位相の少なくとも一方を維持しようとする場合に大きな利点となる。テレコムＣ帯域（１５３０〜１５７０ナノメートル）付近で設計された可変反射器に関するいくつかの例を示す。この概念は、使用する薄膜材料が所望の波長領域において透過的であるという条件で、多種多様な光学波長に適用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
好ましい実施形態において、全誘電性設計の単一の層は、４分の１波長１つ分の光学厚さ以下で変化させてよい。同一材料からなる第２の層も、ほぼ等しく、ただし反対方向に変化させて、光学部品全体の光学厚さを維持する。２層（または２層以上）を反対方向に等しく変化させることで、応答は、設計波長を中心とした状態を維持する。
【０００９】
例えば、図１ｃおよび図１ｄに模式的に示すように、これら２つの変動層は、基板境界面近傍や、空気境界面近傍や、設計の中央部に配置できる。残りの層は、４分の１波長の一定光学厚さに保持されてよい。４分の１波長層のペアの数によって、光学部品の最大反射率が決定され、例えば、約９層のペア（ＳｉＯ２とＮｂ２Ｏ５のペア）を利用して、〜９９．８５％の最大反射率を生成できる。図５は、２つの変動層の相対厚さがどのようになるかを例示する図である。
【００１０】
全体的な光学厚さを実質的に一定に維持することによって、あるいは、特定の勾配規定が、２つの変動層の厚さは完全に同一の大きさでなくても方向は反対のままであることを必要とする場合については、全体的な光学厚さを実質的にほぼ一定に維持することによって、透過位相は、勾配全体を通じて実質的に一定のまま存続することになる。反射板積層構造のいくつかの最上部層は反射位相を左右する傾向があるので、反射位相を一定に保持するためには、変動層を空気境界面から遠ざけることが好ましい。
【００１１】
このように、４分の１波長の反射板積層構造の２層を変化させることは、最大反射率が約９０％〜９５％を超える設計に対応した反射率変化の欠如に悩まされる可能性がある。一つは、４分の１波長１つ分の光学厚さ以下で単一の層を変化させることに対応する反射率変化に制限されることである。この制限を克服する１つの解決策は、シリコン等の比較的高屈折率の材料を２つの変動層に利用することである。反射板積層構造の残りの部分は、この同じ高屈折率材料を、低屈折率材料（例えば、ＳｉＯ２／Ｓｉ）と一緒に利用して構築することができる。ただし、１５３０〜１５７０ナノメートルで動作することを意図した装置の場合は、吸収率が高くなりすぎる可能性がある。したがって、この高屈折率材料（この例ではＳｉ）は、２つの変動層のみに採用することが好ましい。基礎となる反射板積層構造を、吸収率の低い材料（例えば、１５５０ナノメートルのＳｉＯ２およびＮｂ２Ｏ５等）で設計して、２つの変動シリコン層によって導入される小さい吸収率を許容できるようにする。
【００１２】
これに代わる実施形態において、変動層は、基板境界面や空気境界面、またはその近傍ではなく、反射板積層構造の中心部または中心部近傍に配置されてよい。これにより、高屈折率のシリコン膜を使わないでも、大きな反射率変化を達成できる。例えば、図６に示す、低屈折率と高屈折率が交互に繰り返す膜が１８層を構成する４分の１波長の設計について検討する。層６および層１２は、３ＱＷから、それぞれ２ＱＷと４ＱＷに変化する。この実施形態では、変動層が両方とも整数のＱＷ厚さ（この例では、３ＱＷ）である場合に反射が最大になり、両方とも整数のＨＷ厚さ（この例では２ＱＷと４ＱＷ）である場合に反射が最小になる。これらの層が両方とも２分の１波長の整数倍のＨＷ光学厚さである場合、これらの層は効果的に「不在」層となる。すなわち、本実施形態の波長における応答は、前述の層の厚さがゼロであるかのような応答である。また、この整数のＨＷ層の片側にそれぞれ位置する単一のＱＷ層は、同一の屈折率であり、両方で１つの２ＱＷの不在層を効果的に形成する。このことが本実施形態全体に適用されると（図７を参照）、結果的に得られる実施形態は、設計波長において６ＱＷの反射板積層構造のように動作する（図８）。これらの変動層が基板境界面または空気境界面にある場合、３つの不在層と、１８層からなる４分の１波長の反射板積層構造とが、効果的に１４層の反射板積層構造になる。２分の１波長の高屈折率層の片側にそれぞれ位置する２つの４分の１波長低屈折率膜は、効果的に２分の１波長の不在層になる。このように、反射板積層構造の中心部近傍に２つの変動層を配置することで、複数の不在層を作製できるため、１８層からなる４分の１波長の反射板積層構造は、効果的に、１２層、１０層、または８層の反射板積層構造になる。
【００１３】
代替の実施形態において、高屈折率材料の代わりに、低屈折率材料を変化させてもよい。反射率勾配の規格は、どの材料を変化させることが好ましいかを示すものである。多くの場合、高屈折率材料を変化させることが好ましい方法になる。この概念は、２つの層のみを変化させることに限定されない。３層以上の層を変化させて、特性の設計要件を満たすと共に、合計光学厚さを維持して位相誤差を最低限に抑えることができる。
【００１４】
本概念は、勾配全体で反射位相と透過位相とを一定に保持できるようにする。この例を図６と図７に示す。図６は、すべての層の厚さを変化させる従来の可変反射板設計からの反射位相と透過位相の変化を示す図である。ここで、反射または透過における位相シフトは、３６０度のサイクルを複数回通過することに注意されたい。これは、この設計方式に対応した光学厚さの変化は大きいという事実に起因する。
【００１５】
これに対して、反射における位相シフトをほぼ一定の１８０度に抑制し、透過における位相シフトを約＋／−２０度に抑制する例を図７に示す。また、２つの層の厚さ変化を、逆向きではあるが完全に等価に保つことによって、透過における位相シフトも一定に維持できる。ただし、このように構成するかどうかは、所望する反射率分布によって異なる。
【００１６】
本発明は、波長全体でより不変の反射率を実現できる。設計内のすべての層を変化させる一般的な方法では、スペクトルが傾斜したコーティングが必要になる。すなわち、設計毎にコーティングの波長を変化させる必要がある。単一の層を変化させるという設計概念であっても、非常に狭い波長範囲にのみ広がる適切な勾配分布を生成するものである。本発明によれば、設計の大部分が、厚さが均一で４分の１波長の単純な積層構造であるため、波長範囲全体（例えば、図４に示した設計では、１５３０〜１５７０ナノメートル）で、より不変の反射率を得ることができる。高屈折率比率を持つ膜、すなわち、ＳｉＯ２とＳｉを利用することで、動作可能な波長範囲が更に拡大する。
【００１７】
本発明は、製造をより簡易化できる。適切なマスクを所定の位置に挿入した後、４分の１波長の設計におけるただ２つの層の厚さを制御することは、４分の１波長でない複雑な設計の各層の厚さを制御しなければならないことに比べて、極めて容易である。
【００１８】
短い距離で大きな反射率変化を達成するのは困難な場合がある。また、シリコン等の高屈折率膜の使用は、利用する波長範囲を約１５００ナノメートルより長い波長に制限する。ただし、反射板積層構造（前述したような構造）の中心に変動層を配置することによって、膜にシリコンを利用しなくても、大きな反射率変化を達成できる。
【００１９】
本発明は、出力カプラ等、可変反射率を持つ光学部品を必要とする任意の光学系において、材料分散に起因する周波数シフトを削減するために、不安定なレーザ共振器やエタロンに利用できる。例えば、ツァング（Ｑ．Ｚｈａｎｇ）による、「Ｅｔａｌｏｎｓ  ｗｉｔｈ  ｖａｒｉａｂｌｅ  ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｉｔｙ（可変反射率を持つエタロン）」という米国特許第６，６２１，６１４  Ｂ１号明細書（２００３年）を参照されたい（この米国特許は本願明細書の一部として援用する）。
【００２０】
他の具体的な利用領域は、超微細（Ｈｙｐｅｅｒｆｉｎｅ）装置（例えば、メリーランド州コロンビアのエセックス社（Ｅｓｓｅｘ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）で製造しているような装置）の一部を構成する用途であり、前記超微細装置は、キャビティの一端に一定反射率（＞９９．９５％）を持ち、キャビティの他端に可変反射率（見込み率で９９．９％〜７０％）を持つエタロンで構成される。例えば、ターピン（Ｔ．Ｔｕｒｐｉｎ）と、フローリッヒ（Ｆ．Ｆｒｏｅｈｌｉｃｈ）と、ニコルズ（Ｄ．Ｎｉｃｈｏｌｓ）による「Ｏｐｔｉｃａｌ  ｔａｐｅｄ  ｄｅｌａｙ  ｌｉｎｅ（光学テープ遅延線）」という米国特許第６，６０８，７２１  Ｂ１号明細書（２００３年）を参照されたい（この米国特許は本願明細書の一部として援用する）。エタロンは、中実であっても、あるいは空気間隙式であってもよい。空気間隙式エタロンの場合、均一な高反射率の反射板と傾斜コーティングとが異なる基板に配設されてよい。このような実施形態において、入力ビームは、エタロンを介して後方および前方に反射されるため、各はねかえりで反射および透過された位相の変化が最も重要になる。本発明により、少なくともある程度の大きさに対応したよりよい位相制御を実現できる。
【００２１】
６０ｍｍを超える開口を持つ可変反射率膜が、現在、本発明を利用して作製されている。
【００２２】
本明細書で各種のＱＷ実施形態を開示したが、本発明はＱＷの実施形態に限定されるものではない。本発明は、ＱＷ実施形態とＱＷ以外の実施形態とに等しく適用できる。
【００２３】
本発明は、開口全体で一定の位相について最適化された実施形態に限定されるものではない。本発明は、一定の位相以外のものが求められる実施形態にも等しく適用できる。本発明は、開口全体の位相応答を特定の分布に一致させることを意図した実施形態においても利用されてよい。
【００２４】
好ましい実施形態は、開口全体でより優れた位相制御を提供できる。２つの層を逆向きに等しく変化させることで、設計波長のまわりに集中したスペクトル応答を提供すると共に、反射位相と透過位相の両方を開口全体でほぼ一定に維持する（図１０を参照）。更に、最下部層（基板／膜境界面の層）を変化させて透過位相を制御し、かつ、最上部（膜／空気境界面）を変化させて反射位相を制御することで、設計波長における開口全体の位相変化を、あらゆる場所で理論的にゼロに削減できる。
【００２５】
好ましい実施形態において、本発明は、実質的に一定の位相を開口全体で維持する。このことは、光学厚さを一定に維持することによって、好ましい実施形態において達成される。位相は周期的（０〜２ｐｉ）であるため、光学厚さが一定でなくても一定の位相を得ることができる。ただし、２層以上の層を反対向きに等しく変化させて光学厚さを維持することは、設計波長の廻りに応答を集中させると共に、最も広範な応答（最も幅広のスペクトル範囲の応答）を規定する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】（ａ）すべての層の厚さを変化させる例と、（ｂ）最上部層のみを変化させる例と、（ｃ）２つ以上の層を反対方向に変化させる例と、（ｄ）２つ以上の層を反対方向に変化させる他の例と、を含む、各種の反射率傾斜手法の例を示す図である。
【図２】可変反射率分布の例を示す図である。
【図３】設計内のすべての層の厚さを変化させる、可変反射率コーティングの考え方の例について、コーティングの最も厚い側（実線）とコーティングの最も薄い側（破線）を示す図である。
【図４】設計内の２つの層を反対方向に変化させる、可変反射率コーティングの考え方の例について、コーティングの厚い高反射率端（実線）とコーティングの薄い低反射率端（破線）を示す図である。
【図５】提示される、２層を変化させる設計の考え方に対応した、相対膜厚の変化の例を示す図である。
【図６】４分の１波長の反射板積層構造内に埋め込まれた２つの変動層を有する１８層設計の例を示す図である。
【図７】変動層が２分の１波長の整数倍の厚さである位置において図６の実施形態の例を示し、「不在」層の概念の例を説明する図である。
【図８】変動層が２分の１波長の整数倍の厚さである位置における、図６の実施形態のスペクトル応答（実線）の例について、６層からなる４分の１波長の反射板積層構造（破線）と比較して示す図である。
【図９】設計内のすべての層の厚さを変化させる、前述した設計概念のコーティング１（ａ）からの反射（実線）および透過（破線）における位相シフトの例を示す図である。
【図１０】２つの層を反対方向に変化させる、前述した設計概念のコーティング１（ｄ）からの反射（実線）および透過（破線）における位相シフトの例を示す図である。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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