(57)【要約】【課題】加工による格子形状の面内ばらつきを低減させることにより高い回折効率を有するとともに、ロット間ばらつきを低減させることにより回折効率の高い再現性を有する透過型回折素子を得る。【解決手段】表面と裏面を有する基板４０と、基板４０の表面上に形成された、ジルコニウム酸化物からなる反射防止層２０と、反射防止層２０の上に形成され、周期的な凹凸パターンを有する格子部１０と、を備える透過型回折素子１００を提供する。【選択図】図１
2019132905.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面と裏面を有する基板と、
前記基板の前記表面上に形成された、ジルコニウム酸化物からなる反射防止層と、
前記反射防止層の上に形成され、周期的な凹凸パターンを有する格子部と、
を備える透過型回折素子。
【請求項２】
前記反射防止層は、単層である、請求項１に記載の透過型回折素子。
【請求項３】
前記格子部は、酸化シリコン、窒化シリコン、及び酸窒化シリコンの内から選ばれる一つ以上の材料からなる単層構造又は多層構造を有する、請求項１又は２に記載の透過型回折素子。
【請求項４】
前記基板は、石英ガラス又は合成石英からなる、請求項１〜３のいずれかに記載の透過型回折素子。
【請求項５】
前記基板の前記裏面上に、単層又は多層の光学材料膜からなる裏面反射防止層を更に備える、請求項１〜４のいずれかに記載の透過型回折素子。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の透過型回折素子と、
前記透過型回折素子に対してレーザ光を照射する１つ以上のレーザ光源と、
を備えるレーザ発振器。
【請求項７】
請求項６に記載のレーザ発振器と、
前記レーザ発振器から放射された回折光を被加工点に集光させる光学部品と、
を備えるレーザ加工機。
【請求項８】
前記光学部品によって集光される前記回折光は、−１次の透過回折光である、請求項７に記載のレーザ加工機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、透過型回折素子並びに透過型回折素子を用いたレーザ発振器及びレーザ加工に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ピックアップ装置、分光測定機、光伝送モジュール、及びレーザ発振器などの光学系において、回折素子が用いられている。エネルギー効率の観点から、利用する波長帯域における回折素子の回折効率は、高い方が望ましい。
【０００３】
透過型回折素子による入射光の反射を低減し、透過回折効率を向上させるために、基板材質とは異なる（より低い又は高い）屈折率を有する材質からなる反射防止層を、素子の表面又は多層膜内の一部に導入する解決策が知られている。特許文献１には、光学材料の中で比較的高い屈折率を有するジルコニウム酸化物を含む多層膜を有する回折格子が開示されている。特許文献２には、入射する光の波長帯全域にわたって、高い回折効率と低い偏光依存性とを有する透過型回折素子が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２１７９５４号公報
【特許文献２】特開２０１７−４００４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、回折素子の性能は、ドライエッチング等の手段により回折素子表面に形成された凹凸状の格子構造の材質、寸法、及び形状などによって変化する。特許文献１の回折格子には、格子構造の形成のためのドライエッチング等の手段によって生じる加工深さ及び溝底部形状の面内ばらつきによって回折効率が悪化するという問題、及びロット間ばらつきによって回折効率の再現性を得難いという問題がある。
【０００６】
特許文献２の透過型回折格子では、多層格子構造を形成する際のドライエッチングによって、格子形状に面内ばらつき（例えば、アンダーエッチング及びオーバーエッチング）が生じ、回折効率が低下する問題がある。
【０００７】
本発明は、上述の問題点を解決するためになされたものであり、加工による格子形状の面内ばらつきを低減させることにより高い回折効率を有するとともに、ロット間ばらつきを低減させることにより回折効率の高い再現性を有する透過型回折素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の一態様は、表面と裏面を有する基板と、基板の表面上に形成された、ジルコニウム酸化物からなる反射防止層と、反射防止層の上に形成され、周期的な凹凸パターンを有する格子部と、を備える透過型回折素子を提供する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明により、加工による格子形状の面内ばらつきを低減させることにより高い回折効率を有するとともに、ロット間ばらつきを低減させることにより回折効率の高い再現性を有する透過型回折素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１による透過型回折素子の概略的な断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１による透過型回折素子の入射光と回折光の関係を示す模式図である。
【図３】透過型回折素子の比較例の概略的な断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１による透過型回折素子及び比較例の−１次の透過回折光の回折効率を示すグラフである。
【図５】対象波長帯域における、０次の反射回折光の回折効率と−１次の反射回折光の回折効率の合計値を示すグラフである。
【図６】オーバーエッチングが生じた場合の、本発明の実施の形態１による透過型回折素子を示す概略的な断面図である。
【図７】オーバーエッチングが生じた場合の、透過型回折素子の比較例を示す概略的な断面図である。
【図８】オーバーエッチング部の深さが変化した場合の透過型回折素子の−１次の透過光の回折効率の低下量を示すグラフである。
【図９】本発明の実施の形態１による透過型回折素子について、反射防止層のオーバーエッチング部の深さと、−１次の透過光の回折効率との関係を示すグラフである。
【図１０】透過型回折素子の比較例について、基板のオーバーエッチング部の深さと、−１次の透過光の回折効率との関係を示すグラフである。
【図１１】本発明の実施の形態１による透過型回折素子の他の具体例の概略的な断面図である。
【図１２】図１１の断面図の部分拡大図である。
【図１３】本発明の実施の形態２による透過型回折素子の概略的な断面図である。
【図１４】図１３の断面図の部分拡大図である。
【図１５】透過型回折素子の比較例の概略的な断面図である。
【図１６】本発明の実施の形態２による透過型回折素子及び比較例の−１次の透過回折光の回折効率を示すグラフである。
【図１７】対象波長帯域における、０次の反射回折光の回折効率と−１次の反射回折光の回折効率の合計値を示すグラフである。
【図１８】オーバーエッチングが生じた場合の、本発明の実施の形態２による透過型回折素子を示す概略的な断面図である。
【図１９】オーバーエッチングが生じた場合の、透過型回折素子の比較例を示す概略的な断面図である。
【図２０】オーバーエッチング部の深さが変化した場合の透過型回折素子の−１次の透過光の回折効率の低下量を示すグラフである。
【図２１】本発明の実施の形態２による透過型回折素子について、反射防止層のオーバーエッチング部の深さと、−１次の透過光の回折効率との関係を示すグラフである。
【図２２】透過型回折素子の比較例について、基板のオーバーエッチング部の深さと、−１次の透過光の回折効率との関係を示すグラフである。
【図２３】本発明の実施の形態３によるレーザ発振器の模式的な構成図である。
【図２４】本発明の実施の形態４によるレーザ加工機の模式的な構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１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、本発明の理解を容易にするために、上、下などの特定の方向を表す用語を使用しているが、それら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】
図１は、全体が１００で表される、本発明の実施の形態１による透過型回折素子（以下、単に「回折素子」という。）の概略的な断面図である。回折素子１００は、表面と裏面を有する基板４０と、基板４０の表面上に形成された反射防止層２０と、反射防止層２０の上に形成された格子部１０とを備える。回折素子１００は、基板４０の裏面上に裏面反射防止層５０を更に備えてもよい。反射防止層２０と格子部１０を併せて回折格子３０と呼ぶ。
【００１３】
本明細書では、基板４０の厚さ方向をＺ方向とし、Ｚ軸に垂直な面をＸＹ平面とする。基板４０の表面及び裏面は、ＸＹ平面に実質的に平行な面である。図１の紙面垂直方向をＹ方向とし、Ｙ軸とＺ軸に垂直な方向をＸ方向とする。
【００１４】
基板４０は、例えば、入射光の波長（例えば、可視光の波長から近赤外光の波長）に対して透明な透明基板である。例えば、基板４０は、石英ガラス又は合成石英からなる。
【００１５】
図示の例では、反射防止層２０は、ジルコニウム酸化物からなる単層膜である。反射防止層２０は、真空蒸着法又はスパッタ法などの薄膜形成方法によって、基板４０の表面上に形成される。Ｄ２０は、反射防止層２０の厚さ（高さ）を表す。
【００１６】
断面図である図１では、格子部１０は、反射防止層２０上に、Ｘ方向に互いに間隔を空けて周期的に（周期Ｐで）並んだ多数の凸部（突起）１１と、隣接する凸部１１間の凹部（間隙部）１２とからなる。格子部１０は、Ｙ方向に一様な形状を有するライン＆スペース構造である。すなわち、回折素子１００をＹ軸に垂直に切った断面の形状は、Ｙ位置にかかわらず実質的に同一である。凸部１１は、Ｘ軸方向の幅Ｗと、高さＤＧとを有する。
【００１７】
凸部１１は、酸化シリコン、窒化シリコン、及び酸窒化シリコンの内から選ばれる１つ以上の材料からなる単層又は多層構造である。格子部１０は、例えば、反射防止層２０の上に、真空蒸着法又はスパッタ法などの薄膜形成方法によって、凸部１１の材料を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、及びナノインプリントなどの公知の方法によって、堆積した材料を加工するステップと、を使用して形成される。
【００１８】
上記のようにシリコンを含む凸部１１の材料は、典型的には、フルオロカーボンガス（例えばＣＦ４）を用いたドライエッチングによって加工される。ジルコニウム酸化物は、フルオロカーボンガスに対して高いエッチング耐性を有する。したがって、凸部１１の材料のエッチング速度は、ジルコニウム酸化物からなる反射防止層２０のエッチング速度と大きく異なる。この相対的なエッチング速度の比（加工対象（凸部１１の材料）のエッチング速度／非加工対象（反射防止層２０）のエッチング速度）を利用して、オーバーエッチングを抑制することができる。すなわち、ジルコニウム酸化物からなる反射防止層２０は、エッチングストッパとして機能する。
【００１９】
裏面反射防止層５０は、例えば真空蒸着法又はスパッタ法などの薄膜形成方法によって、基板４０の裏面上に形成される。裏面反射防止層５０は、酸化シリコン、酸窒化シリコン及びフッ化マグネシウムなどの低屈折率材料と、窒化シリコン、酸化チタン及び五酸化タンタルなどの高屈折率材料と、を含む光学多層膜である。あるいは、裏面反射防止層５０は、酸化シリコン、酸窒化シリコン及びフッ化マグネシウムの内から選ばれる１つ以上の材料からなる低屈折率材料と、窒化シリコン、酸化チタン及び五酸化タンタルの内から選ばれる１つ以上の材料からなる高屈折率材料と、からなる光学多層膜であってもよい。裏面反射防止層５０は、光が基板４０内から空気中へ出る場合、又は空気から基板４０に入射する場合の光の反射損を抑制する。
【００２０】
図２は、回折素子１００の入射光と回折光の関係を示す模式図である。まず、回折素子１００に、光源（図示せず）からの入射光１０１が、入射角θ０で、入射される。入射光１０１は、回折素子１００の格子部１０によって回折され、０次（回折次数ｍ＝０）の反射回折光１０２と、−１次（ｍ＝−１）の反射回折光１０３とが発生する。一般的に、ｍ次の反射回折光の反射回折角θＲｍは、次の式（１）を満たす。
【００２１】
【数１】
2019132905.tif 000003
【００２２】
ここで、Ｐは格子周期であり、ｍは回折次数である。
【００２３】
したがって、反射回折光１０２、１０３のそれぞれの回折角θＲ０、θＲ−１は、式（１）から導くことができる。
【００２４】
さらに、図２には、回折素子１００を透過した０次（ｍ＝０）の透過回折光１０４と、−１次（ｍ＝−１）の透過回折光１０５とが図示されている。透過回折光１０４、１０５の回折角θＴ０、θＴ−１は、式（１）の反射回折角θＲｍを透過回折角θＴｍに置き換えることによって導くことができる。
【００２５】
入射角θ０の絶対値と０次の反射回折角θＲ０の絶対値が等しい配置（リトロー配置）では、他の配置より高い回折効率が得られることが知られている。リトロー配置では、次の式（２）が成り立つ。
【００２６】
【数２】
2019132905.tif 000004
【００２７】
回折素子に対して光を入射した際、０次、±１次、±２次などの高次の回折光が生じ、これにより光の利用効率が低くなる。そこで、回折素子表面に鉛直な方向から角度を付けて光を入射するなどして、利用する回折光（本発明では、−１次の透過回折光）よりも高次の回折光を生じさせないようにすることが好ましい。
【００２８】
次に、格子部１０の直下に反射防止層２０を設けることによって得られる効果について説明する。まず、回折効率の改善効果について説明する。
【００２９】
図３は、図１に対する比較例として、反射防止層２０を備えない回折素子２００を示している。図１の回折素子１００と図３の回折素子２００の回折効率を比較する。図４は、入射光の波長を横軸として、反射防止層２０を備える回折素子１００の−１次の透過回折光の回折効率（以下、「透過回折効率」という。）η１Ｔ−１（実線）と、反射防止層２０を備えない回折素子２００の−１次の透過回折効率η２Ｔ−１（破線）とを示すグラフである。図４の回折効率の値は、シミュレーションによって得られたものである。シミュレーションには、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」（synopsys社）を用いた。シミュレーションに用いられたパラメータを、次の表１に示す。
【００３０】
【表１】
2019132905.tif 000005
【００３１】
ここで、波長λはシミュレーションの対象である入射光の波長帯域の中心波長である。Δλは、波長幅であり、シミュレーションは、入射光の波長をλ−Δλからλ＋Δλまで変化させて行われた。これは、例えばレーザ共振器で使用される波長帯域である。入射方位φは、入射光１０１をＸＹ平面に投射した射影とＸ軸とがなす角度である。偏向角ψは、入射光１０１の電界振動方向をＸＹ平面に投射した射影と、Ｘ軸とがなす角度である。ψ＝９０°の場合、偏光が光の入射面と直交していることを意味する。占有率Ｆは、凸部１１の周期Ｐ及び幅Ｗを用いて、Ｗ／Ｐで定義される。格子部１０の加工を容易にするために、０．２≦Ｆ≦０．８であることが好ましい。
【００３２】
表１の凸部１１の高さＤＧ、占有率Ｆ及び反射防止層２０の厚さＤ２０は、最適化されたものである。ここで、「最適化」とは、対象波長帯域（λ−Δλからλ＋Δλ）において回折効率が最大となるようにパラメータ値を選択することを指す。
【００３３】
シミュレーションにおいて、反射防止層２０の屈折率Ｎ２０には、ジルコニウム酸化物の屈折率（Ｎ２０＝２．２０８）を用いた。
【００３４】
なお、回折効率を導出するこのシミュレーションでは、裏面反射防止層５０を考慮していないことに留意が必要である。
【００３５】
図４からわかるように、反射防止層２０を導入することによって、対象波長帯域（０．９４μｍ〜１．０３μｍ）において、透過回折効率が向上することが確認できる。
【００３６】
図５は、対象波長帯域における、０次の反射回折光の回折効率（以下、「反射回折効率」という。）ηＲ０と−１次の反射回折効率ηＲ−１の合計値（以下、「合計反射回折効率」という。）ηＲを示すグラフである。図５では、横軸は入射光の波長を示す。実線は、反射防止層２０を備える回折素子１００の合計反射回折効率η１Ｒを示し、破線は、反射防止層２０を備えない回折素子２００の合計反射回折効率η２Ｒを示している。図５から、反射防止層２０の導入により、対象波長帯において合計反射回折効率が低減することがわかる。
【００３７】
回折素子１００又は２００による光吸収等の損失がない場合、次の式が（３）成り立つ。
【００３８】
【数３】
2019132905.tif 000006
【００３９】
前述のように反射防止層２０の導入により透過回折効率が向上するのは、図５の通り、合計反射回折効率ηＲが低減することに起因すると考えられる。
【００４０】
以上の説明では、基板４０と凸部１１の材料は、ともに二酸化シリコン（ＳｉＯ２）である。すなわち、基板４０と凸部１１の材料の屈折率ＮＳ、ＮＧを、ＳｉＯ２の屈折率である１．４５７に設定してシミュレーションを行った。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、凸部１１の材料は、酸化シリコン、窒化シリコン、又は酸窒化シリコンであってもよい。なお、凸部１１の材料が異なれば、最適な凸部１１の高さＤＧ、及び反射防止膜の厚さＤ２０も変動し得ることに留意が必要である。
【００４１】
次に、格子部１０の直下に反射防止層２０を設けることによって、エッチングなどの加工の影響により回折効率が悪化することを防止できる効果について説明する。
【００４２】
図６は、凸部１１を形成するためのドライエッチング工程において、オーバーエッチングが生じた場合の回折素子１００を示す概略的な断面図である。オーバーエッチングにより生じた反射防止層２０内の溝を、オーバーエッチング部６０と呼ぶ。図６では、Ｄ６０は、オーバーエッチング部６０の深さを表している。言い換えれば、Ｄ６０は、オーバーエッチング部６０の底面から反射防止層２０の上面までのＺ軸方向の距離である。
【００４３】
図７は、凸部１１を形成するためのドライエッチング工程において、オーバーエッチングが生じた場合の回折素子２００を示す概略的な断面図である。オーバーエッチングにより生じた基板４０内の溝を、オーバーエッチング部７０と呼ぶ。図７では、Ｄ７０は、オーバーエッチング部７０の深さを表している。オーバーエッチングが生じた回折素子１００と回折素子２００の回折効率を比較する。
【００４４】
フルオロカーボンガスを用いた場合、ジルコニウム酸化物に対するエッチングの速度は、ＳｉＯ２に対するエッチングの速度の約１／５であることが知られている（例えば、H.-S. Kim et al., The Use of Inductively Coupled CF4/Ar Plasma to Improve the Etch Rate of ZrO2 Thin Films. TRANSACTIONS ON ELECTRICAL AND ELECTRONIC MATERIALS. 2013, 14(1), pp.12-15.参照）。したがって、回折素子１００の反射防止層２０に対するエッチングの速度が、回折素子２００の基板４０に対するエッチングの速度の約１／５であるものとして、シミュレーションを行った。
【００４５】
図８は、オーバーエッチング部６０、７０の深さＤ６０、Ｄ７０が変化した場合の回折素子１００、２００のそれぞれの−１次の透過回折効率ηＴ−１の低下量を示すグラフである。対象波長帯域は、例えばレーザ共振器に使用される波長帯域（０．９５μｍ≦λ≦１．０１μｍ）である。図８は、オーバーエッチング時間が０、Ｔ１及びＴ２であった場合に完成した回折素子１００、２００のそれぞれの−１次の透過回折効率ηＴ−１の低下量を示している。言い換えれば、横軸は、加工時間で規格化されたオーバーエッチング部６０、７０の深さである。
【００４６】
図８の横軸の０は、加工された回折素子１００、２００の反射防止層２０又は基板４０が、オーバーエッチング状態でもアンダーエッチング状態でもないことを意味する。言い換えれば、図８の横軸の０は、オーバーエッチング部６０、７０の深さＤ６０、Ｄ７０が０ｎｍであることを意味する。
【００４７】
図８の横軸のＴ１は、適切なエッチングの完了後に、Ｔ１の時間だけオーバーエッチングが行われたことを意味する。この場合、Ｄ６０＝５ｎｍ、Ｄ７０＝２５ｎｍに設定してシミュレーションを行った。この値は、ジルコニウム酸化物に対するエッチングの速度が、前述のようにＳｉＯ２に対するエッチングの速度の約１／５であることを考慮して決定された。
【００４８】
図８の横軸のＴ２は、適切なエッチングの完了後に、Ｔ２の時間だけオーバーエッチングが行われたことを意味する。この場合、Ｄ６０＝１０ｎｍ、Ｄ７０＝５０ｎｍに設定してシミュレーションを行った。
【００４９】
図８から、同じ時間だけオーバーエッチングされた場合、反射防止層２０を備えない回折素子２００に比べて、回折素子１００の−１次の透過回折効率ηＴ−１の低下量が著しく小さいことがわかる。
【００５０】
次に、図９と図１０を参照して、オーバーエッチングが生じた場合の回折素子１００と回折素子２００について、透過回折効率の減少効果及び透過回折効率の波長依存性を比較する。
【００５１】
図９は、回折素子１００について、反射防止層２０のオーバーエッチング部６０の深さＤ６０と、−１次の透過回折効率ηＴ−１との関係を示すグラフである。図９の横軸は、図４と同範囲の入射光の波長である。図９の実線は、オーバーエッチング部６０の深さＤ６０＝０ｎｍの場合の（すなわち、オーバーエッチングが生じていない場合の）、破線は、Ｄ６０＝５ｎｍの場合の、点線は、Ｄ６０＝１０ｎｍの場合の、透過回折効率を示している。
【００５２】
図１０は、回折素子２００について、基板４０のオーバーエッチング部７０の深さＤ７０と、−１次の透過回折効率ηＴ−１との関係を示すグラフである。図１０の実線は、オーバーエッチング部７０の深さＤ７０＝０ｎｍの場合の（すなわち、オーバーエッチングが生じていない場合の）、破線は、Ｄ７０＝２５ｎｍの場合の、点線は、Ｄ７０＝５０ｎｍの場合の、透過回折効率を示している。
【００５３】
図９からわかるように、反射防止層２０を備える回折素子１００については、オーバーエッチングが進んでも、対象波長帯域の広い範囲で、回折効率はわずかに減少するのみである。これに比べて、図１０の反射防止層２０を備えない回折素子２００では、オーバーエッチングが進むと、特に対象波長帯域のうち比較的短波長の帯域において、回折効率が著しく減少する。これは、反射防止層２０を備える回折素子１００については、オーバーエッチング部６０の深さＤ６０が比較的小さく抑えられるため、回折に寄与する格子部１０の形状の変化と、格子部１０の面内ばらつきとが小さく抑えられるからであると考えられる。
【００５４】
一般的に、入射光が波長幅を有すること、及び回折素子の格子寸法などに製造過程においてばらつきが生じることから、回折素子は、広い波長帯域にわたって高い回折効率を有することが好ましい。この観点から、本発明の回折素子１００は、オーバーエッチングが生じた場合でも、広い波長帯域にわたって高い回折効率が得られるため、有利である。
【００５５】
ドライエッチングを用いて格子部１０を形成する場合、サイクルタイムを短縮するためにはエッチング速度（加工速度）が高い方が望ましいが、それに伴いオーバーエッチングを抑制することが難しくなる。しかしながら、上述のように、格子部１０の直下にジルコニウム酸化物からなる反射防止層２０を設けることにより、エッチング速度を高めても、比較的容易にオーバーエッチングを抑制することができる。したがって、面内ばらつきの低減により、高い回折効率を確保することができる。さらに、ロット間ばらつきを低減させることにより回折効率の高い再現性を得ることができ、回折素子の製造について高い歩留まりを達成できる。
【００５６】
以上のように、本発明の回折素子１００では、反射防止層２０を設け、入射光の反射を防止するとともにエッチングなどの加工による格子形状の面内ばらつきを低減させることにより、透過回折効率が向上する。さらに、ロット間ばらつきを低減させることにより回折効率の高い再現性を得ることができる。
【００５７】
なお、以上では、凸部１１の断面形状が実質的に長方形である具体例について説明したが、凸部１１の形状はこれに限定されない。図１１は、全体が１５０で表される、本発明の実施の形態１による透過型回折素子の他の具体例の概略的な断面図である。図１２は、図１１の回折素子１５０の部分拡大図であり、凸部１１の断面の概略的な拡大図を示している。凸部１１は、実質的に平坦な上面１１ａと、対向する側壁１１ｂとを有する。図１１及び図１２では、図１と異なり、側壁１１ｂは傾斜している。Ｚ軸と側壁１１ｂとがなす角度を傾斜角Ｓとする。すなわち、凸部１１の断面形状は台形であり、この台形は、上面幅ＷＴと底面幅ＷＢとを有する。上面幅ＷＴと傾斜角Ｓが決定されると、底面幅ＷＢの値は一意に定まる。なお、傾斜角Ｓはドライエッチング条件によって変化し得る。
【００５８】
実施の形態２．
図１３は、全体が３００で表される、本発明の実施の形態２による透過型回折素子の概略的な断面図である。図１３中、図１と同一の符合は、同一又は相当箇所を示す。また、以下の記載では、原則として、実施の形態１と異なる点を中心に説明し、その他の部分については重複説明を省略する。回折素子３００は、実施の形態１の回折素子１００と同様に、基板４０と、基板４０の表面上に形成された反射防止層２０と、反射防止層２０の上に形成された格子部１０とを備える。回折素子３００は、基板４０の裏面上に裏面反射防止層５０を更に備えてもよい。反射防止層２０と格子部１０を併せて回折格子３０と呼ぶ。
【００５９】
実施の形態２では、凸部１１は、例えば、反射防止層２０の表面に接する第１層１５と、第１層１５の上に形成された第２層１４と、第２層１４の上に形成された第３層１３とからなる。もっとも、凸部１１は、３層構造に限定されず、２層構造又は４層以上の積層構造であってもよい。第１層１５の材料は、例えばＳｉＯ２（屈折率１．４５７）であり、第２層１４の材料は、例えばＳｉ３Ｎ４（屈折率２．０２３）であり、第３層１３の材料は、例えばＳｉＯ２である。
【００６０】
図１４は、図１３の回折素子３００の部分拡大図であり、凸部１１の断面の概略的な拡大図を示している。凸部１１の断面形状は台形であり、この台形は、上面幅ＷＴと底面幅ＷＢとを有する。上面幅ＷＴと傾斜角Ｓが決定されると、底面幅ＷＢの値は一意に定まる。なお、傾斜角Ｓはドライエッチング条件によって変化し得る。
【００６１】
図１５は、図１３と異なり、反射防止層２０を備えない回折素子４００を示している。図１３の回折素子３００と図１５の回折素子４００の回折効率を比較する。図１６は、入射光の波長を横軸として、回折素子３００の−１次の透過回折効率η１Ｔ−１（実線）と、回折素子４００の−１次の透過回折効率η２Ｔ−１（破線）とを示すグラフである。図１６の回折効率の値は、シミュレーションによって得られたものである。シミュレーションに用いられたパラメータを、次の表２に示す。
【００６２】
【表２】
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【００６３】
なお、波長λと、波長幅Δλと、入射方位φと、偏向角ψと、回折次数ｍは、表１と同一の値に設定された。
【００６４】
図１７は、対象波長帯域における、０次の反射回折効率ηＲ０と−１次の反射回折効率ηＲ−１の合計値（合計反射回折効率）ηＲを示すグラフである。図１７では、横軸は入射光の波長を示す。実線は、反射防止層２０を備える回折素子３００の合計反射回折効率η１Ｒを示し、破線は、反射防止層２０を備えない回折素子４００の合計反射回折効率η２Ｒを示している。図１７から、反射防止層２０の導入により、合計反射回折効率が低減することがわかる。前述のように反射防止層２０の導入により透過回折効率が向上するのは、このことに起因すると考えられる。
【００６５】
図４と図１６とを比較すると、本発明の実施の形態２では、凸部１１をＳｉ３Ｎ４を含む３層構造としたことにより、実施の形態１に比べて、−１次の透過回折効率が向上していることがわかる。これは、ＳｉＯ２に比べて、Ｓｉ３Ｎ４が高い屈折率を有する材料であることに起因する。
【００６６】
図１８は、凸部１１を形成するためのドライエッチング工程において、オーバーエッチングが生じた場合の回折素子３００を示す概略的な断面図である。図１９は、凸部１１を形成するためのドライエッチング工程において、オーバーエッチングが生じた場合の回折素子４００を示す概略的な断面図である。
【００６７】
図２０は、オーバーエッチング部６０、７０の深さＤ６０、Ｄ７０が変化した場合の回折素子３００、４００のそれぞれの−１次の透過回折効率ηＴ−１の低下量を示すグラフである。対象波長帯域は、例えばレーザ共振器に使用される波長帯域（０．９５μｍ≦λ≦１．０１μｍ）である。図２０は、オーバーエッチング時間が０、Ｔ１及びＴ２であった場合に完成した回折素子３００、４００のそれぞれの−１次の透過回折効率ηＴ−１の低下量を示している。言い換えれば、横軸は、加工時間で規格化されたオーバーエッチング部６０、７０の深さである。
【００６８】
図２０の横軸の０は、加工された回折素子３００、４００の反射防止層２０又は基板４０が、オーバーエッチング状態でもアンダーエッチング状態でもないことを意味する。言い換えれば、図２０の横軸の０は、オーバーエッチング部６０、７０の深さＤ６０、Ｄ７０が０ｎｍであることを意味する。
【００６９】
図２０の横軸のＴ１は、適切なエッチングの完了後に、Ｔ１の時間だけオーバーエッチングが行われたことを意味する。この場合、Ｄ６０＝５ｎｍ、Ｄ７０＝２５ｎｍに設定してシミュレーションを行った。
【００７０】
図２０の横軸のＴ２は、適切なエッチングの完了後に、Ｔ２の時間だけオーバーエッチングが行われたことを意味する。この場合、Ｄ６０＝１０ｎｍ、Ｄ７０＝５０ｎｍに設定してシミュレーションを行った。
【００７１】
図２０から、同じ時間だけオーバーエッチングされた場合、反射防止層２０を備えない回折素子４００の−１次の透過回折効率ηＴ−１の低下量が平均で０．０２２であったのに対して、回折素子３００の−１次の透過回折効率ηＴ−１の低下量は、わずか０．００１のみであることがわかる。
【００７２】
図２１は、回折素子３００について、反射防止層２０のオーバーエッチング部６０の深さＤ６０と、−１次の透過回折効率ηＴ−１との関係を示すグラフである。図２１の横軸は波長である。図２１の実線は、オーバーエッチング部６０の深さＤ６０＝０ｎｍの場合（すなわち、オーバーエッチングが生じていない場合）、破線は、Ｄ６０＝５ｎｍの場合、点線は、Ｄ６０＝１０ｎｍの場合の透過回折効率を示している。
【００７３】
図２２は、回折素子４００について、基板４０のオーバーエッチング部７０の深さＤ７０と、−１次の透過回折効率ηＴ−１との関係を示すグラフである。図２２の実線は、オーバーエッチング部７０の深さＤ７０＝０ｎｍの場合（すなわち、オーバーエッチングが生じていない場合）、破線は、Ｄ７０＝２５ｎｍの場合、点線は、Ｄ７０＝５０ｎｍの場合の透過回折効率を示している。
【００７４】
図２１からわかるように、反射防止層２０を備える回折素子３００については、オーバーエッチング部６０の深さＤ６０が増加した場合、一部の波長帯域を除いて、回折効率はわずかに減少する。これに比べて、図２２の反射防止層２０を備えない回折素子２００では、一部の波長帯域を除いて、透過回折効率が比較的大きく減少している。
【００７５】
以上のように、本発明の回折素子３００では、凸部１１をＳｉ３Ｎ４を含む３層構造とすることにより、透過回折効率を向上させることができる。さらに、反射防止層２０を設け、入射光の反射を防止するとともにエッチングなどの加工による格子形状の面内ばらつきを低減させることにより、回折効率が悪化することを防止できる。さらに、ロット間ばらつきを低減させることにより回折効率の高い再現性を得ることができる。
【００７６】
実施の形態３．
図２３は、全体が５００で表される、本発明の実施の形態３によるレーザ発振器の模式的な構成図である。レーザ発振器５００は、レーザ光を放射する複数のレーザ光源５０１、５０２及び５０３を備える。レーザ光源５０１、５０２及び５０３は、それぞれ、レーザ光５１１、５１２及び５１３を放射する。レーザ光５１１、５１２及び５１３の各波長は、異なる波長であってもよい。図２３では３つのレーザ光源が示されているが、本発明のレーザ光源の数はこれに限定されない。レーザ光源５０１、５０２及び５０３は、例えば、レーザダイオード（ＬＤ）である。
【００７７】
レーザ発振器５００は、更に、レーザ光５１１、５１２及び５１３にそれぞれ対応し、これらのレーザ光の進行方向を変更することができるミラー５２１、５２２及び５２３を備える。ミラー５２１、５２２及び５２３によって進行方向を変更されたレーザ光５１１、５１２及び５１３は、一点に集束される。この集束点には、実施の形態１の回折素子１００（又は図２３には示されていない実施の形態２の回折素子３００）が配置されている。回折素子１００によって回折され合成されたレーザ光５１１、５１２及び５１３は、一本の合成レーザ光５１０となる。好ましくは、利用される回折光は、−１次の透過回折光である。
【００７８】
合成レーザ光５１０は、その後部分反射ミラー５３０に到来する。代わりに、合成レーザ光５１０は、図示しないミラーによって所望の方向へ導光された後に部分反射ミラー５３０に到来してもよい。
【００７９】
部分反射ミラー５３０は、合成レーザ光５１０の一部を反射し（例えば、合成レーザ光５１０の一部のエネルギーに相当するレーザ光を反射し）、残りを透過させる機能を有する。部分反射ミラー５３０によって反射された合成レーザ光５１０の一部は、回折素子１００に戻り、回折素子１００によって、回折素子１００に照射されたレーザ光の数に相当する数（図２３では３つ）のレーザ光に分割される。分割されたレーザ光は、それぞれ、レーザ光源５０１、５０２及び５０３に帰還する。これにより、回折素子１００と部分反射ミラー５３０が外部共振器として機能する。一方、部分反射ミラー５３０によって反射されず、これを透過した残りのレーザ光は、レーザ発振器５００の出力光（例えば、図２４のレーザ光６０１）として外部に取り出される。
【００８０】
レーザ発振器５００は、図示しないハウジングを更に備える。回折素子１００、レーザ光源５０１、５０２及び５０３と、ミラー５２１、５２２及び５２３と、部分反射ミラー５３０は、このハウジング内に収納されている。
【００８１】
回折素子１００へのレーザ光５１１、５１２及び５１３のそれぞれの入射角は、それぞれの回折光が一本の合成レーザ光５１０となるように調整される。具体的には、回折角は、式（１）の通り波長と入射角によって決まることから、レーザ光５１１、５１２及び５１３の波長に応じて、ミラー５２１、５２２及び５２３によって入射角を調整する。
【００８２】
レーザ発振器５００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得る）ため、特に高い回折効率が要求される。本発明の実施の形態３では、回折素子１００により高い回折効率が実現されるので、レーザ発振器５００について高いシステム性能を得ることができる。
【００８３】
実施の形態４．
図２４は、全体が６００で表される、本発明の実施の形態４によるレーザ加工機の模式的な構成図である。レーザ加工機６００は、レーザ光６０１を出射する実施の形態３のレーザ発振器５００と、レーザ光６０１を所望のビーム径及びプロファイルに調整及び整形するビーム調整光学系６１１と、ビーム調整光学系６１１から出射されたレーザ光６０１の進行方向を変更することができるミラー６１２と、ミラー６１２から到来したレーザ光６０１を所望の位置（例えば被加工材６２２）に集束させるレンズ６１３と、被加工材６２２を載置するステージ台６２１とを備える。レーザ加工機６００は、レーザ光６０１を伝送する光ファイバを更に備えてもよい。レーザ加工機６００は、例えば板金加工に使用される。
【００８４】
このように、高いシステム性能を有するレーザ発振器５００を用いることにより、高出力のレーザ光を利用でき、かつ高速加工を行うことができるレーザ加工機６００を得ることができる。
【符号の説明】
【００８５】
１０  格子部、１１  凸部、１２  凹部（間隙部）、１３  第３層、１４  第２層、１５  第１層、２０  反射防止層、３０  回折格子、４０  基板、５０  裏面反射防止層、６０，７０  オーバーエッチング部、１００，２００，３００，４００  回折素子、５００  レーザ発振器、５０１，５０２，５０３  レーザ光源、５２１，５２２，５２３  ミラー、５３０  部分反射ミラー、６００  レーザ加工機、６１１  ビーム調整光学系、６１２  ミラー、６１３  レンズ、６２１  ステージ台、６２２  被加工材。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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