(57)【要約】【課題】高い波長分解能と、高い回折効率を両立した反射型回折格子を提供する。【解決手段】  反射型回折格子は、反射層と、反射層の上に設けられて周期Ｐの凹凸パターンを有する格子部とを備えている。格子部の凹凸パターンは、屈折率ＮＧを有する材料で作られた凸部により構成されている。入射光の波長λに対する周期Ｐの比Ｐ／λは、Ｐ／λ≦０．６と、（ＮＧ＋６．０１）／１３．９１≦Ｐ／λ≦（ＮＧ＋０．１２）／２．８３とを満たしている。【選択図】図２
2018132728.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反射層と、
前記反射層の上に設けられ、周期Ｐの凹凸パターンを有する格子部とを備え、
前記格子部は、屈折率ＮＧを有する材料で作られ且つ前記凹凸パターンを構成する凸部を有し、
入射光の波長λに対する前記周期Ｐの比Ｐ／λは、下記の式（１）と式（２）
Ｐ／λ≦０．６  …（１）
（ＮＧ＋６．０１）／１３．９１≦Ｐ／λ≦（ＮＧ＋０．１２）／２．８３  …（２）
を満たす、
反射型回折格子。
【請求項２】
前記格子部は、ＳｉＯ２、ＳｉＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＯ２およびＴａ２Ｏ５からなる群から選択された材料で作られている、
請求項１に記載の反射型回折格子。
【請求項３】
前記反射層は、高屈折率層と低屈折率層の繰り返しを含む誘電体多層膜である、
請求項１または２に記載の反射型回折格子。
【請求項４】
前記反射層は金属膜を含む、
請求項１または２に記載の反射型回折格子。
【請求項５】
前記反射層の下に設けられた基板をさらに備え、
前記基板は、石英ガラスまたは合成石英で作られている、
請求項１から４のいずれか１項に記載の反射型回折格子。
【請求項６】
前記反射層の上面に対する前記凸部の高さＤＧは、０＜ＤＧ≦２Ｐを満たし、
前記格子部の周期Ｐに対する、前記格子部の高さ中央での幅Ｗの比Ｆは、０．２以上０．８以下である、
請求項１から５のいずれか１項に記載の反射型回折格子。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載の反射型回折格子と、
前記反射型回折格子に対してレーザ光を照射するためのレーザ素子とを備えた、
レーザ発振器。
【請求項８】
前記反射型回折格子は、前記レーザ光に対してリトロー配置されている、
請求項７に記載のレーザ発振器。
【請求項９】
請求項７または８に記載のレーザ発振器を備えた、
レーザ加工機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反射層と当該反射層の上に設けられて凹凸パターンを有する格子部とを備えた反射型回折格子、反射型回折格子を備えたレーザ発振器、および、レーザ発振器を備えたレーザ加工機に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば波長分割多重通信、分光測定などに用いられる光学システム、またはレーザ発振器では、入射光を波長の違いに応じて異なる複数の方向の光に分離するために、または、異なる複数の方向から入射する、波長の異なる複数の光を合成するために、回折格子が用いられる。
【０００３】
回折格子の基本的な性能として、回折効率と波長分解能がある。回折効率は、光の利用効率を示す値であり、具体的には、入射光の強度に対する、回折格子により回折された光（回折光）の強度である。回折格子では、エネルギー効率の観点から、対象とする波長範囲にわたって回折効率が高いことが望ましい。波長分解能は、波長の変化量に対する回折角の変化量である。回折格子では、それが搭載される光学システムなどを小型化および高性能化（例えば、分光測定を行った場合の測定精度の向上）するために、高い波長分解能が要求されている。
【０００４】
特許文献１には、反射層と当該反射層の上に設けられて凹凸パターンを有する格子部とを備えた反射型回折格子であって、入射光の波長λに対する格子部の周期Ｐの比Ｐ／λが０．５５以上１．４５以下であるものが記載されている。また、特許文献１では、高い回折効率を得るために、格子部を構成する材料の屈折率ｎ、格子部の凹部の高さＴ、入射光の波長λおよび入射角ｉについて好ましい値の範囲が規定されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２３３５２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載の反射型回折格子は、高い回折効率と高い波長分解能とを両立するために、改善の余地がある。
【０００７】
本発明は、高い回折効率と高い波長分解能とを両立した反射型回折格子を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明の一態様による反射型回折格子は、
反射層と、
前記反射層の上に設けられ、周期Ｐの凹凸パターンを有する格子部とを備え、
前記格子部は、屈折率ＮＧを有する材料で作られ且つ前記凹凸パターンを構成する凸部を有し、
入射光の波長λに対する前記周期Ｐの比Ｐ／λは、以下の式（１）と式（２）
Ｐ／λ≦０．６  …（１）
（ＮＧ＋６．０１）／１３．９１≦Ｐ／λ≦（ＮＧ＋０．１２）／２．８３  …（２）
を満たす。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、入射光の波長λに対する格子部の周期Ｐの比Ｐ／λが式（１）と式（２）を満たすことにより、高い回折効率と高い波長分解能を両立させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態１による反射型回折格子における入射光と回折光の位置関係を示す概念図である。
【図２】図１の反射型回折格子の構造を示す斜視図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図４】格子部の各寸法を説明するための、図３の部分拡大図である。
【図５】実施例で用いるパラメータを説明する図である。
【図６】格子部の無次元パラメータＰ／λと、回折効率との関係を、複数の入射角について示すグラフである。
【図７】光の入射角と、格子部の無次元パラメータＰ／λの最適値との関係を示すグラフである。
【図８】格子部の無次元パラメータＰ／λと波長分解能との関係を示すグラフである。
【図９】格子部の凸部を構成する材料の屈折率と回折効率との関係を示すグラフである。
【図１０】格子部の無次元パラメータＰ／λと、格子部の凸部を構成する材料の屈折率の最適範囲との関係を示すグラフである。
【図１１】入射光の波長と誘電体多層膜の反射率との関係を示すグラフである。
【図１２】光の入射角と誘電体多層膜の反射率との関係を示すグラフである。
【図１３】実施例１について、入射光の波長と回折効率との関係を示すグラフである。
【図１４】実施例２について、入射光の波長と回折効率との関係を示すグラフである。
【図１５】実施例３，４について、格子部の凸部における傾斜側壁の傾斜角と、回折効率との関係を示すグラフである。
【図１６】本発明の実施形態２による反射型回折格子の構造を示す、図３に対応する断面図である。
【図１７】実施例５について、入射光の波長と回折効率との関係を示すグラフである。
【図１８】本発明の実施形態３によるレーザ発振器を示す図である
【図１９】図１８のレーザ発振器における光線の回折角の関係を示す図である。
【図２０】本発明の実施形態４によるレーザ加工機を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して具体的に説明する。以下の説明では、必要に応じて特定の方向を表す用語を用いるが、これらの用語は本発明の理解を容易にするために用いているのであって、こられの用語により本発明の範囲が限定されると理解すべきでない。
【００１２】
実施形態１．
［１．反射型回折格子の基本構造］
図１は、本発明の実施形態１による反射型回折格子（以下、単に回折格子という）１００における入射光１０１と回折光１０２，１０３との位置関係を示す概念図である。入射光１０１は、図示しない光源から到来する。
【００１３】
回折格子１００による回折光の回折角θ’は、入射光１０１の入射角をθとして、下記の式（３）により求められる。
【数１】
2018132728.tif 000003
【００１４】
回折光１０２は０次（ｍ＝０）の回折光または反射光であり、回折光１０３は−１次（ｍ＝−１）の回折光である。−１次の回折を生じる条件は、下記の式（４）で与えられる。
【数２】
2018132728.tif 000004
【００１５】
式（４）から、−１次の回折を生じるためには、Ｐ／λ≧０．５を満たす必要がある。
【００１６】
入射角θと回折角θ’の絶対値が等しい（つまり、θ’＝−θ）リトロー配置では、式（３）は下記の式（５）で表される。
【数３】
2018132728.tif 000005
【００１７】
図２は、図１の回折格子１００の構造を示す斜視図である。図３は、図２のＡ−Ａ線に沿った断面図である。回折格子１００は、格子部１０、反射層２０および基板３０を備えている。格子部１０は反射層２０の上に設けられており、反射層２０は基板３０の上に設けられている。
【００１８】
格子部１０は、反射層２０の上面２０ａ（後述する第１表面層２１の上面２１ａに一致する）に設けられた凸部１１と、２つの凸部１１，１１の間に画定される空隙部またはギャップ１２とを有する。実施形態では、格子部１０の凸部１１と、反射層２０の上面２０ａのうちギャップ１２に露出した部分とにより、周期（一次元周期）Ｐの凹凸パターンが形成されている。なお、周期Ｐは、複数の凸部１１にわたる平均周期である。
【００１９】
以下の説明と図面では、格子部１０が周期性を有する方向（格子部１０の周期方向）をＸ方向とする。また、反射層２０の上面２１ａ内でＸ方向に対して垂直な方向（格子部１０の長手方向、具体的には凸部１１の長手方向）をＹ方向と称する。また、反射層２０の上面２０ａについての面直方向または法線方向をＺ方向とする。
【００２０】
格子部１０は、長手方向（Ｙ方向）に一様な形状を有する。格子部１０の凸部１１は、実質的に平坦な上面１１ａを有する。凸部１１は傾斜側壁１１ｂを有する。反射層２０の上面２０ａについての面直方向（Ｚ方向）に対する傾斜側壁１１ｂの傾斜角Ｓは、５度以下であることが好ましい。
【００２１】
本発明者らは、鋭意検討した結果、周期Ｐを小さくすると波長分解能を向上させることができる一方、回折効率も低下しうる、つまり、両者の間にはトレードオフの関係があることを見出した。本発明は、このような知見に基づいてなされたものである。具体的には、入射光１０１の波長λに対する格子部１０における周期Ｐの比Ｐ／λが下記の式（６）、式（７）を満たすことにより、高い波長分解能と高い回折効率を両立できることを見出した。
Ｐ／λ≦０．６  …（６）
（ＮＧ＋６．０１）／１３．９１≦Ｐ／λ≦（ＮＧ＋０．１２）／２．８３  …（７）
【００２２】
なお、式（６）、式（７）に関して、波長λは、入射光１０１のピーク波長である。ピーク波長とは、入射光１０１の強度が極大値をとる波長をいう。入射光１０１が複数のピーク波長を有する場合、波長λはそれらの中央値である。式（６）、式（７）において、ＮＧは、格子部１０の凸部１１を構成する材料の屈折率である。
【００２３】
なお、入射光１０１が単一波長の光であれば、入射角θの最適値は、式（５）で表されるリトロー配置を満たす角度である。式（６）を満たすＰ／λに対しては、θ≧５６°であれば、式（５）の条件が満たされる。入射光１０１の波長が所定範囲に及ぶときは、リトロー配置を満たす角度より小さい角度が好ましいことがわかっている。これは、周期Ｐが小さく入射角θが大きい場合、回折角が−９０°に近づき回折効率が大幅に低下するためである。また、Ｐ／λに対するθの最適値は、波長範囲により異なることがわかっている。
【００２４】
格子部１０は、１）ＳｉＯ２（二酸化ケイ素、石英ガラス）、ＳｉＯ（一酸化ケイ素）などのＳｉＯＸ（酸化ケイ素）、２）Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）、３）ＨｆＯ２（酸化ハフニウム）、または４）Ｔａ２Ｏ５（五酸化タンタル）などの材料で作られていてもよい。各材料を用いたときに上記式（７）を満たすＰ／λの範囲を下記の表１に示す。
【００２５】
【表１】
2018132728.tif 000006
【００２６】
図３に示す断面において、反射層２０の上面２０ａを基準としたときの格子部１０の凸部１１の高さ（Ｚ方向寸法）をＤＧとする。格子部１０の加工を容易にするために、凸部１１の高さＤＧは、０＜ＤＧ≦２Ｐを満たすことが好ましい。また、凸部１１の高さ中央での幅（Ｘ方向寸法）をＷとする。ここで、格子部１０において凸部１１が占める割合を占有率Ｆと称する。本明細書では占有率ＦをＷ／Ｐと定義する。格子部１０の加工を容易にするために、占有率Ｆは、０．２≦Ｆ≦０．８を満たすことが好ましい。
【００２７】
反射層２０は、格子部１０の周期方向（Ｘ方向）および長手方向（Ｙ方向）に一様な形状を有する。反射層２０の上面２０ａは、実質的に平坦である。反射層２０は、第１表面層２１、第２表面層２２および積層部２３を有する。実施形態では、第１表面層２１は第２表面層２２よりも屈折率が大きい。積層部２３では、高屈折率層２４と低屈折率層２５が、ｎ回、繰り返し設けられている。つまり、積層部２３は高屈折率層２４と低屈折率層２５をそれぞれｎ層、有している。最も上側（格子部側）に設けられる高屈折率層２４が第２表面層２２に接している。層２１，２２，２４，２５はそれぞれ、屈折率Ｎ２１，Ｎ２２，Ｎ２４，Ｎ２５を有する。層２１，２２，２４，２５はそれぞれ、厚みＤ２１，Ｄ２２，Ｄ２４，Ｄ２５を有する。
【００２８】
実施形態では、吸収損失を小さくし、これにより高い回折効率と高い損傷閾値が得られるように、積層部２３は誘電体多層膜である。高屈折率層２４の厚みＤ２４と低屈折率層２５の厚みＤ２５は、光学長換算でλ／４相当の大きさである。厚みＤ２４、Ｄ２５は、下記の式（８）により求められる。
Ｄ２４・ｋ２４Ｚ＝Ｄ２５・ｋ２５Ｚ＝π／２  …（８）
【００２９】
式（８）において、ｋ２４Ｚ＝ｋ２５Ｚはそれぞれ、高屈折率層２４と低屈折率層２５でのＺ方向の波数であり、下記の式（９）、式（１０）で表される。
【数４】
2018132728.tif 000007
【００３０】
反射層２０を構成する層２１，２２，２４，２５は、それぞれ、ＴｉＯ２（酸化チタン）、Ｔａ２Ｏ３（酸化タンタル）、ＳｉＯ２（二酸化ケイ素）、ＭｇＦ２（フッ化マグネシウム）などの材料で作られていてもよい。ＴｉＯ２とＴａ２Ｏ３を高屈折率層の材料として用いてもよく、ＳｉＯ２とＭｇＦ２を低屈折率層の材料として用いてもよい。
【００３１】
基板３０は、格子部１０の周期方向（Ｘ方向）および長手方向（Ｙ方向）に一様な形状を有する。基板３０は、例えば、石英ガラス、合成石英、光学ガラス、Ｓｉ（シリコン）などの材料で作られていてもよいし、一種類の金属または合金で作られていてもよい。基板３０は、温度変化に起因して生じる回折効率と回折角の変化を小さくするために、熱膨張係数が小さい材料、例えば石英ガラスまたは合成石英で作られていることが好ましい。基板３０を構成する材料は屈折率ＮＳを有する。屈折率ＮＳは、回折格子１００の回折効率にほとんど影響を与えないことがわかっている。
【００３２】
［２．反射型回折格子の製造方法］
回折格子１００の例示的な製造方法は、基板３０の上に反射層２０を設けるステップと、反射層２０の上に格子部１０を設けるステップとを含む。反射層２０を設けるステップは、例えば蒸着法（例えば電子ビーム蒸着法）を用いて行われる。格子部１０を設けるステップは、反射層２０の上に格子部１０の材料を例えば蒸着法を用いて堆積させるステップと、ドライエッチング、ウェットエッチング、ナノインプリントなどの公知の方法を用いて当該材料を加工するステップとを含む。その後、反射層２０の上面２０ａには、必要に応じて平坦化処理が施される。上述の加工方法を用いた場合、格子部１０には傾斜側壁１１ｂが生じるのが一般的である。
【００３３】
［３．実施例］
以下、実施例を用いて本実施形態１を具体的に説明する。実施例で用いる数値は一例であり、本発明は実施例に限定されると理解すべきではない。実施例では、回折格子１００の回折効率と波長分解能について検討する。
【００３４】
本実施例では、回折効率の計算に、ＲＣＷＡ（Rigorous Coupled-Wave Analysis、厳密結合波解析）法による電磁界シミュレータ「ＤｉｆｆｒａｃｔＭＯＤ」（Ｒ−ＳＯＦＴ社）を用いた。また、波長分解能は、ブラック回折条件に基づく後述の式（１２）を用いて計算した。なお、本実施例でいう回折効率ηは、対象とする波長範囲λ±Δλ内での回折効率の平均値とする。実施例では、下記の表２に示すパラメータを固定値とした。
【００３５】
【表２】
2018132728.tif 000008
【００３６】
表２において、波長幅Δλは、入射光１０１の半幅を示している。光１０１のプロファイルが波長λを基準として対称である場合、当該光の波長範囲はλ±Δλである。表２における波長幅Δλの値（０．０４μｍ）は、回折格子１００の波長特性を評価するために設定した例示的な値にすぎない。
【００３７】
表２において、入射方位φは、入射光１０１のＸＹ面射影とＸ軸がなす角度であり、φ＝０°は、光１０１の入射面が格子ベクトルａを含む向きであることを示す（図５を参照）。なお、格子ベクトルａは、格子部１０の周期方向を指すベクトルであり、ここではＸ軸方向に一致する。また、偏光角ψは、入射光１０１における電界振動方向のＸＹ面射影と、Ｘ軸とがなす角度である。ψ＝９０°は、偏光が光の入射面と直交していること、すなわち入射光１０１がＳ偏光であることを示す。
【００３８】
（３−１．無次元パラメータＰ／λの最適値の入射角依存性）
図６は、格子部１０の無次元パラメータＰ／λ（横軸）と回折効率η（縦軸）との関係を、複数の入射角θについて示すグラフである。図６において、太い実線、太い破線、細い実線、細い破線は、入射角θがそれぞれ３０°、５０°、６０°、７０°のときの回折効率ηを示す。図６のグラフを得るために用いた各パラメータの値を下記の表に示す。
【００３９】
【表３】
2018132728.tif 000009
【００４０】
第１表面層２１の厚みＤ２１は、格子部１０と、反射面（第１表面層２１と第２表面層２２との間の界面）との間の距離を意味する。格子部１０への光エネルギー分布を通して回折効率に影響するため、最適化した値を設定値とする。ここで最適化とは、対象となる値を変化させ、回折効率ηが最大となるような値を選択することを指す。また、反射層２０の入射角依存性と波長依存性を排除した状態で、格子部１０の無次元パラメータＰ／λと回折効率ηとの関係を解析するため、第２表面層２２の屈折率Ｎ２２を１００００として実質的に理想的な反射面を仮定した。
【００４１】
また、層２１，２２，２４，２５の厚みＤ２１，Ｄ２２，Ｄ２４，Ｄ２５は、入射光の波長λが１μｍであるとして設定した値である。入射光の波長が１μｍとは異なる場合、反射膜として作用する層２４，２５の厚みＤ２４，Ｄ２５については、式（８）から式（１０）を用いて設定値を変更すればよく、回折格子１００内に侵入する光分布を制御するための層２１，２２の厚みＤ２１，Ｄ２２については、上述のとおり最適化により決定すればよい。
【００４２】
図６からわかるように、入射角θに応じて、回折効率ηが最大値をとるときのパラメータＰ／λの値が異なる。
【００４３】
図７は、光の入射角θ（横軸）と、格子部１０の無次元パラメータＰ／λの最適値（縦軸）との関係を示すグラフである。ここで、最適値とは、図６のグラフにおいて回折効率ηが極大値をとるときのパラメータＰ／λの値を指す。図７において、白抜き四角形は図６で求めた最適値を示す。実線は、式（５）を満たしてリトロー配置となるときの無次元パラメータＰ／λを示す。破線は、−１次回折が生じるときの無次元パラメータＰ／λの下限値を示す。図７からわかるように、無次元パラメータＰ／λの最適値は、リトロー配置の近傍で得られる。
【００４４】
そこで、以下の解析では、特記しない限り、回折格子１００は入射光１０１に対してリトロー配置されているものとする。
【００４５】
（３−２．高い波長分解能を得るための無次元パラメータＰ／λの値）
本明細書では、波長λの変化量に対する回折角θ’の変化量を示す波長分解能δを下記の式（１１）で定義する。
【００４６】
【数５】
2018132728.tif 000010
【００４７】
回折格子１００が入射光１０１に対してリトロー配置されているとき、式（１１）は式（５）を用いて下記の式（１２）で表される。
【００４８】
【数６】
2018132728.tif 000011
【００４９】
図８は、格子部１０の無次元パラメータＰ／λ（横軸）と波長分解能δ（縦軸）との関係を示すグラフである。回折格子１００では、回折による光の分離を大きくして回折格子１００を搭載する光学システムを従来技術よりも小型化・高性能化するために、式（１２）で表される波長分解能δが３．０以上であることが望ましい。波長分解能δが３．０のとき、無次元パラメータＰ／λの値は約０．６である。したがって、無次元パラメータＰ／λは、下記の式（１３）を満たすことが好ましい。
Ｐ／λ≦０．６  …（１３）
【００５０】
なお、回折格子１００が入射光１０１に対してリトロー配置を満たす位置の近傍に配置された場合、つまりθとθ’の大きさが近い値である場合にも、上記式（１３）を満たすことにより、同様に、好ましい波長分解能δを得ることができる。
【００５１】
（３−３．高い回折効率を得るための格子部の無次元パラメータＰ／λの値）
図９は、格子部１０の凸部１１を構成する材料の屈折率ＮＧ（横軸）と回折効率η（縦軸）との関係を示すグラフである。図９のグラフを得るために用いた各パラメータの値を下記の表４に示す。第１表面層２１の厚みＤ２１は、格子部１０への光エネルギー分布を通して回折効率に影響するため、最適化パラメータとした。
【００５２】
【表４】
2018132728.tif 000012
【００５３】
図９からわかるように、ある無次元パラメータＰ／λの値について、格子部１０の凸部１１を構成する材料の屈折率ＮＧに応じて、回折効率ηが変化することがわかる。また、図９から、屈折率ＮＧが１．５５≦ＮＧ≦２．２０を満たすときに、特に高い回折効率η（η≧０．９７１）が得られることがわかる。
【００５４】
なお、上記屈折率ＮＧの範囲は、以下の手順により求めたものである。１）低屈折率側の変曲点での屈折率ＮＧＬ０と回折効率ηＬを求めた。２）高屈折率側の変曲点での屈折率ＮＧＨ０と回折効率ηＨを求めた。３）ηＬ、ηＨのうち大きい方の回折効率ηの値（図９ではηＨ）を閾値ηｔｈとして求めた。４）回折効率η≧ηｔｈとなる屈折率ＮＧの範囲ＮＧＬ≦ＮＧ≦ＮＧＨを求めた（図９では、１．５５≦ＮＧ≦２．２０）。このようにして求めた屈折率ＮＧの範囲ＮＧＬ≦ＮＧ≦ＮＧＨを、屈折率ＮＧの最適範囲と称す。
【００５５】
格子部１０の無次元パラメータＰ／λ（横軸）を変化させて求めた屈折率ＮＧ（縦軸）の最適範囲を図１０に示す。図１０のグラフにおいて、白抜き四角は屈折率ＮＧの最適範囲の下限値ＮＧＬを、白抜き丸は屈折率ＮＧの最適範囲の上限値ＮＧＨを示す。図１０から、下限値ＮＧＬと上限値ＮＧＨは、無次元パラメータＰ／λに応じてほぼ直線的に変化することがわかった。下限値ＮＧＬと上限値ＮＧＨは、無次元パラメータＰ／λの一次関数としてそれぞれ下記の式（１４）、式（１５）で表される。
【００５６】
【数７】
2018132728.tif 000013
【００５７】
よって、格子部１０の凸部１１を構成する材料の屈折率ＮＧが下記の式（１６）で表される範囲内の数値であれば、特に高い回折効率ηが得られることがわかる。
【００５８】
【数８】
2018132728.tif 000014
【００５９】
なお、式（１６）は、Ｐ／λ＝０．５５のときに１．４３６≦ＮＧ≦１．６４１、Ｐ／λ＝０．５９のときに１．５５０≦ＮＧ≦２．２００である。
【００６０】
以上の検討を基に、回折格子１００の設計者は、まず、波長分解能の設計要求に応じて、式（６）（Ｐ／λ≦０．６）の範囲を満たす範囲で周期Ｐを決定することにより、高い波長分解能を得ることができる。そして、設計者は、決定した周期Ｐを基に、高い回折効率を得るために好ましい屈折率ＮＧの値を式（１６）に基づいて決定できる。
【００６１】
上記式（１６）から、格子部１０の凸部１１を構成する材料の屈折率ＮＧが決定したときには、下記の式（１７）を満たせば、特に高い回折効率ηが得られる。
（ＮＧ＋６．０１）／１３．９１≦Ｐ／λ≦（ＮＧ＋０．１２）／２．８３  …（１７）
【００６２】
（３−４．反射層の構成）
図１１は、入射光の波長λ（横軸）と反射層２０の反射率Ｒ（縦軸）との関係を示すグラフである。図１１のグラフを得るために、入射角θ＝７０°とした。図１２は、光の入射角θ（横軸）と反射層２０の反射率Ｒ（縦軸）との関係を示すグラフである。なお、上述のとおり、反射層２０は誘電体多層膜である。図１１、図１２のグラフを得るために用いた各パラメータの値を下記の表５に示す。高屈折率層２４の厚みＤ２４と低屈折率層２５の厚みＤ２５は、光学長換算でλ／４相当の大きさであり、上記の式（１０）から式（１２）を満たしている。
【００６３】
【表５】
2018132728.tif 000015
【００６４】
図１１、図１２からわかるように、誘電体多層膜は、設計入射角（θ＝７０°）と設計波長（λ＝１μｍ）からある程度ずれていても、ほぼ１００％の反射率を示すことがわかる。したがって、誘電体多層膜は、回折格子１００が搭載された光学システムにおいて、入射光１０１の波長λ、入射角θ、回折角θ’の値に幅があるときに特に適していると言える。図１１からわかるように、入射角θの設計入射角からのずれが大きいと反射率Ｒが低下するが、リトロー配置の場合は、入射角θと回折角θ’の値が等しいことから、誘電体多層膜により入射光θ、回折光θ’ともに、ほぼ１００％の反射率Ｒを実現できる。
【００６５】
（３−５．実施例１，２）
図１３、図１４は、格子部１０の無次元パラメータＰ／λが式（１３）と式（１７）を満たす実施例１、２について、入射光１０１の波長λと回折効率ηとの関係を示すグラフである。波長λは、０．９６μｍ≦λ≦１．０４μｍの範囲で変化させた。図１３（実施例１）では、波長分解能δの値を３．８とした。図１４（実施例２）では、波長分解能δの値を３．０とした。図１３、図１４のグラフを得るために用いたその他のパラメータの値を下記の表６に示す。
【００６６】
【表６】
2018132728.tif 000016
【００６７】
上記表６において、格子部１０の凸部１１（実施例１）、第２表面層２２、低屈折率層２５および基板３０を構成する材料（屈折率１．４５）として、石英ガラスを用いてもよい。上記表６において、第１表面層２１および高屈折率層２４を構成する材料（屈折率２．１）として、Ｔａ２Ｏ５を用いてもよい。格子部１０の凸部１１（実施例２）を構成する材料（屈折率１．８）として、ＳｉＯｘ、ＳｉＯＮを用いてもよい。
【００６８】
図１３（実施例１）では、回折効率（平均値）η＝０．９８２を得た。図１４（実施例２）では、回折効率（平均値）η＝０．９９４を得た。
【００６９】
（３−６．実施例３，４）
図１５は、格子部１０の凸部１１における傾斜側壁１１ｂの傾斜角Ｓを変えて実施した実施例３，４について、傾斜角Ｓ（横軸）と回折効率η（縦軸）との関係を示すグラフである。図１５のグラフを得るために用いたパラメータの値を下記の表７に示す。
【００７０】
【表７】
2018132728.tif 000017
【００７１】
実施例３では、格子部１０の形状（具体的には占有率Ｆと凸部１１の高さＤＧ）と第１表面層２１の厚みＤ２１を最適化しつつ、傾斜側壁１１ｂの傾斜角Ｓを変化させた。実施例３の結果を図１５に実線で示している。実施例４では、格子部１０の形状等を示すパラメータの値を固定して、傾斜側壁１１ｂの傾斜角を変化させた。実施例４の結果を図１５に破線で示している。図１５からわかるように、傾斜角Ｓが５度以下のときに、特に高い回折効率ηが得られる。
【００７２】
実施形態２．
図１６は、本発明の実施形態２による回折格子２００の構造を示す、図３に対応する断面図である。実施形態１では、回折格子１００の反射層２０が誘電体多層膜により構成される例について説明した。本実施形態２による回折格子２００は、反射層２０に対応する反射層２２０が金属膜を含んでいる点で、実施形態１による回折格子１００と異なる。回折格子２００のその他の構成は回折格子１００と同じであってよく、説明と図面では同じ符号を付して説明を省略する。
【００７３】
反射層２２０に含まれる金属膜は、熱伝導率が特に大きい材料、例えば金、銅、アルミニウムなどで作られていることが好ましい。金属膜の熱伝導率が大きいことにより、他の材料を用いた場合よりもＸＹ面内の温度分布を低減でき、これにより熱レンズ効果（温度分布に伴う屈折率分布に起因して生じる、意図しないレンズ作用）を抑制できる。
【００７４】
図１７は、本実施形態５による実施例５について、入射光１０１の波長λと回折効率ηとの関係を示すグラフである。図１７のグラフを得るために用いたパラメータの値を下記の表８に示す。波長λは、０．９６μｍ≦λ≦１．０４μｍの範囲で変化させた。波長分解能δの値を３．８とした。
【００７５】
【表８】
2018132728.tif 000018
【００７６】
図１７では、回折効率（平均値）η＝０．９６７を得た。
【００７７】
実施形態３．
図１８は、本発明の実施形態３によるレーザ発振器３００を示す図である。レーザ発振器３００は、上述の回折格子１００（または回折格子２００）と、回折格子に対してレーザ光を照射するための複数のレーザ素子３１１，３１２，３１３とを備えている。レーザ素子３１１〜３１３は、それぞれ波長λ１，λ２，λ３のレーザ光３２１，３２２，３２３を放出する。回折格子１００に対して入射するレーザ光３２１〜３２３は、Ｓ偏光であってもよい。図１６には３つのレーザ素子を図示しているが、本発明はこれに限定されることなく、２つまたは４つ以上のレーザ素子が設けられていてもよい。レーザ素子は、レーザダイオード（ＬＤ）であってもよい。
【００７８】
レーザ発振器３００は、さらに、ミラー３３１〜３３３，３４０と部分反射ミラー３５０とを備えている。ミラー３３１〜３３３は、レーザ素子３１１〜３１３からそれぞれ出射したレーザ光３２１〜３２３を回折格子１００に集束させる機能を有する。回折格子１００により回折されたレーザ光３２１〜３２３は、合成されて一本の合成レーザ光３２０となる。ミラー３４０は、合成レーザ光３２０を所望の方向へ誘導する機能を有する。
【００７９】
部分反射ミラー９０は、合成レーザ光３２０の一部のエネルギーに相当するレーザ光を反射し、残りのエネルギーに相当するレーザ光を透過させる機能を有する。部分反射ミラー３５０で反射されたレーザ光は、回折格子１００により再び（ミラー３３１〜３３３の数に相当する数の）複数のレーザ光に分割され、レーザ素子３１１〜３１３に帰還する。これにより、回折格子１００と部分反射ミラー９０が外部共振器として動作する。一方、部分反射ミラー３５０を透過したレーザ光は、レーザ発振器３００の出力光として外部に取り出される。
【００８０】
レーザ素子３１１〜３１３から出射するレーザ光３２１〜３２３は、それぞれ異なる入射角θ１，θ２，θ３で回折格子１００に入射する。回折格子１００は、レーザ素子３１１から出射するレーザ光３２１に対してリトロー配置されている。つまり、入射角θ１は、式（５）を満たす。レーザ素子３１２，３１３は、レーザ素子３１１に近接して配置されている。したがって、レーザ光３２２，３２３の入射角θ２，θ３は、レーザ光３２１の入射角θ１に近い値をとる。
【００８１】
レーザ発振器３００は、図示しないハウジングを備えており、回折格子１００、レーザ素子３１１〜３１３、ミラー３３１〜３３３，３４０、および、部分反射ミラー３５０は、このハウジング内に収納されている。
【００８２】
レーザ素子３１１〜３１３が放出するレーザ光３２１〜３２３の波長λ１〜λ３は、図１９に示すように、回折格子１００に入射角θ１，θ２，θ３で入射するレーザ光３２１，３２２，３２３が、同じ回折角θ’で回折するように選択されている。このように、複数のレーザ素子から到来する光を回折格子１００で結合して一本のレーザ光とすることで、高出力のレーザ発振器３００を実現できる。
【００８３】
また、レーザ発振器３００では、１％オーダーの回折効率の違いがシステム性能に影響する（光電変換効率に影響し、最大出力にも影響しうる）ため、特に高い回折効率が要求される。本実施形態３では、回折格子１００により高い回折効率が実現されるので、レーザ発振器３００について高いシステム性能を得ることができる。
【００８４】
実施形態４．
図２０は、本発明の実施形態４によるレーザ加工機４００を示す図である。レーザ加工機４００は、例えば板金加工を行うためのものであり、上述のレーザ発振器３００と、複数の光学系４１１，４１２，４１３と、ステージ台４２１とを備えている。光学系４１１は、レーザ発振器３００から出射したレーザ光４０１を所望のビーム径およびプロファイルに調整および整形するためのビーム調整光学系である。光学系４１２は、ビーム調整光学系４１１から出射したレーザ光４０１を導光するためのミラーである。光学系４１３は、ミラー４１２から出射したレーザ光４０１をステージ台４２１の上に配置された被加工材４２２に集束させるためのレンズである。レーザ加工機４００では、レーザ光４０１を伝送するための光ファイバが設けられていてもよい。
【００８５】
このように、高いシステム性能を有するレーザ発振器３００を用いることにより、高出力で且つ高速加工を行うことが可能なレーザ加工機４００を得ることができる。
【００８６】
［他の実施形態］
以上、実施形態を用いて本発明を説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されないと理解すべきである。また、各実施形態に記載された特徴は、自由に組み合わせられてよい。また、上述の実施形態には、さまざまな改良、設計上の変更および削除が加えられてよい。
【００８７】
例えば、上述の実施形態１では、反射層２０において、上側（格子部側）から屈折率の高い層、屈折率の高い層がこの順で交互に繰り返される例について説明した。本発明は、これに限定されることなく、上側（格子部側）から屈折率の低い層、屈折率の高い層がこの順で交互に繰り返されてもよい。
【００８８】
また、上述の実施形態１では、反射層２０において高屈折率層２４の厚みＤ２４と低屈折率層２５の厚みＤ２５が光学長換算でλ／４相当の大きさである例について説明した。本発明は、これに限定されることなく、１つ以上の層について、厚みＤ２４、厚みＤ２５が光学長換算でλ／４相当の大きさから意図的にずらした値としてもよい。なお、誘電体多層膜において入射光１０１の波長λが設計波長からある程度ずれていても、ほぼ１００％の反射率を示すことがわかることができる点は図１２を参照して説明したとおりである。反射層２０の構成は、格子部１０への光エネルギー分布を通して回折効率に影響するが、格子部１０の厚みＤＧを最適化すると、以上の検討と同様、高い回折効率を得ることが可能である。
【符号の説明】
【００８９】
１０  格子部、  １１  凸部、  １２  ギャップ、  ２０  反射層、  ２１  第１表面層、  ２２  第２表面層、  ２３  積層部、  ２４  高屈折率層、  ２５  低屈折率層、  ３０  基板、  １００，２００  反射型回折格子、  ３００  レーザ発振器、  ３１１，３１２，３１３  レーザ素子、  ３３１，３３２，３３３，３４０  ミラー、  ３５０  部分反射ミラー、  ４００  レーザ加工機、  ４２１  ステージ台、  Ｐ  周期、  Ｗ  凸部の高さ中央での幅、  ＤＧ  凸部の高さ、  Ｓ  傾斜角
【図１】
2018132728.tif 000019
【図２】
2018132728.tif 000020
【図３】
2018132728.tif 000021
【図４】
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【図５】
2018132728.tif 000023
【図６】
2018132728.tif 000024
【図７】
2018132728.tif 000025
【図８】
2018132728.tif 000026
【図９】
2018132728.tif 000027
【図１０】
2018132728.tif 000028
【図１１】
2018132728.tif 000029
【図１２】
2018132728.tif 000030
【図１３】
2018132728.tif 000031
【図１４】
2018132728.tif 000032
【図１５】
2018132728.tif 000033
【図１６】
2018132728.tif 000034
【図１７】
2018132728.tif 000035
【図１８】
2018132728.tif 000036
【図１９】
2018132728.tif 000037
【図２０】
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