(57)【要約】【課題】広い波長域に亘って高い回折効率を示す反射型回折格子を提供すること。【解決手段】反射型回折格子３０の格子面を第１物質からなる第１反射領域１と第２物質からなる第２反射領域２から構成する。入射光の照射領域３には第１反射領域と第２反射領域が含まれるため、回折光は、第１反射領域と第２反射領域によるそれぞれの反射光が混合した光となり、反射率に関して第１反射領域１と第２反射領域２が補い合うこととなる。その結果、反射型回折格子３０は広い波長域に亘って高い回折効率を示すことができる。【選択図】図１
2015219446.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
格子面に入射した光を回折させて反射する反射型回折格子において、
前記格子面における前記入射光の照射領域が、第１物質から成る第１反射領域と、第１物質とは異なる第２物質から成る第２反射領域とを含み、所定の波長域において、前記第１反射領域の反射率が前記第２反射領域の反射率を上回り、前記波長域以外の波長域において、前記第２反射領域の反射率が前記第１反射領域の反射率を上回ることを特徴とする反射型回折格子。
【請求項２】
前記第１物質又は前記第２物質が金属であることを特徴とする請求項１に記載の反射型回折格子。
【請求項３】
前記格子面全体に前記第１反射領域又は前記第２反射領域のいずれか一方が周期的に複数分布し、他方が該照射領域の残部の領域を占めていることを特徴とする請求項１又は２に記載の反射型回折格子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分光器等に使用される反射型回折格子に関する。
【背景技術】
【０００２】
反射型回折格子は、格子面で反射した光の回折を利用して波長分散を行う光学素子であり、分光分析装置や通信機器、レーザ装置等、様々な用途で用いられる。反射型回折格子は、その格子面に形成される溝の形状により鋸歯状回折格子、矩形状回折格子、及び正弦波状回折格子等に分類される。これらの回折格子は、それぞれ高い回折効率を示す波長域が異なり、鋸歯状回折格子は紫外域から可視域で、矩形状回折格子は軟Ｘ線領域で高い回折効率を示す。一方、正弦波状回折格子は、比較的広い波長域に亘ってほぼ一定の回折効率を示すものの、その回折効率は鋸歯状回折格子や矩形状回折格子の半分程度である。反射型回折格子の表面には通常、その反射率を高めるために金属膜がコーティングされるが、この金属膜の素材である金属の種類によって、高い反射率を示す波長が異なる。従って、これら溝形状と表面金属膜の種類を組み合わせることにより、所望の波長において高い回折効率を有する回折格子を設計することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平7-140310号公報
【特許文献２】特開平7-146405号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このように、反射型回折格子は、用途に応じて高い回折効率を有する波長域を設定することができる。しかし、例えば、未知の物質に対して光を照射して物質からの反射光を反射型回折格子によって分光し、その吸収波長等から該物質の成分を同定するような分光分析装置においては、該成分を正確に、又は精度良く同定するために、広い波長域に亘って均一で且つ高強度の光を物質に照射する必要がある。このような場合、該反射光の波長域は広いため、広い波長域に亘って高い回折効率を示す反射型回折格子が必要になるが、従来の反射型回折格子では特定の波長域以外の回折効率はあまり考慮されていなかった。
【０００５】
本発明は、従来の反射型回折格子のこのような問題点に鑑み、広い波長域に亘って高い回折効率を示す反射型回折格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】
【０００６】
上記課題を解決するために成された本発明は、
格子面に入射した光を回折させて反射する反射型回折格子において、
前記格子面における前記入射光の照射領域が、第１物質から成る第１反射領域と、第１物質とは異なる第２物質から成る第２反射領域とを含み、所定の波長域において、前記第１反射領域の反射率が前記第２反射領域の反射率を上回り、前記波長域以外の波長域において、前記第２反射領域の反射率が前記第１反射領域の反射率を上回ることを特徴とする。
【０００７】
本発明の反射型回折格子は、入射光の照射領域に第１反射領域と第２反射領域が含まれるため、該入射光の一部は、第１反射領域によって反射され、該入射光の残部は第２反射領域によって反射される。従って、前記反射型回折格子によって得られる回折光は、第１反射領域による反射光と第２反射領域による反射光が混合した光になる。このため、第１反射領域の反射率が第２反射領域の反射率を上回る波長域においては、該波長域における前記反射型回折格子の回折効率が、第１反射領域による反射光によって、格子面が第２反射領域のみで構成されていた場合よりも高められる。逆に第２反射領域の反射率が第１反射領域の反射率を上回る波長域においては、該波長域における前記反射型回折格子の回折効率が、第２反射領域による反射光によって、格子面が第１反射領域のみで構成されていた場合よりも高められる。このように第１反射領域と第２反射領域が反射率に関して補い合うことにより、前記反射型回折格子は、格子面が第１反射領域又は第２反射領域のみで構成されている場合に比べ、広い波長域に亘って高い回折効率を示す。
【０００８】
第１物質と第２物質は様々なものが考えられるが、共に金属（すなわち、異なる金属）であることが好ましい。金属は一般的に反射率が高く、反射光の強度を全波長域に亘って大きくすることができる。これにより、本発明の反射型回折格子の回折効率は全波長域に亘って一層高まる。
【０００９】
また、入射光の照射領域が格子面上の特定の領域に限定されている場合は、該特定領域にのみ、第１反射領域と第２反射領域の両方が含まれるように構成すればよいが、格子面のいずれに入射光が照射されるか不明な場合は、格子面全体に第１反射領域と第２反射領域を分布させると良い。第１反射領域と第２反射領域の分布態様は様々なものが考えられるが、前記格子面全体に前記第１反射領域又は前記第２反射領域のいずれか一方が周期的に複数分布し、他方が該照射領域の残部の領域を占めていることが好ましい。このような構成にすることで、入射光の照射領域が格子面上のどこであっても、該照射領域に含まれる第１反射領域と第２反射領域の面積比がほぼ一定になる。その結果、入射光が格子面のどこに照射されても、回折効率をほぼ一定にすることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の反射型回折格子によれば、広い波長域に亘って高い回折効率を示すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施例である反射型回折格子の平面図。
【図２】本発明の一実施例である反射型回折格子の製造方法の各工程における概略断面図。
【図３】金属マスクで覆ったレプリカ基板に対するオーバーコートの様子を表す概略図。
【図４】反射型回折格子に波長が400nm〜900nmの光を入射させたときの絶対回折効率（％）のシミュレーション結果を表すグラフ。
【図５】第１反射領域と第２反射領域が格子面上で千鳥格子状に分布をしている場合の反射型回折格子の平面図。
【図６】第１反射領域と第２反射領域が格子面上で縞状に分布している場合の反射型回折格子の平面図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明に係る反射型回折格子の一実施例について図１〜図４を参照して説明する。
図１は本実施例に係る反射型回折格子３０の平面図である。反射型回折格子３０は、例えばサイズが60 mm×60 mmの格子面を有している。該格子面は、溝本数が600 本/mmであり、ブレーズ波長が500 nmの格子溝を有している。
【００１３】
格子面には、第１物質であるアルミニウムをコーティングすることにより形成された第１反射領域１と、第２物質である金をコーティングすることにより形成された第２反射領域２が設けられている。第２反射領域２は、格子面全域に周期的に分布する、複数の略円形状の領域２ａからなる。第２反射領域２を構成する各領域２ａの直径及び領域２ａの間隔は、入射光の照射領域３の径よりも十分に小さい長さに設定されている。そのため、格子面のどの位置に入射光が照射されても、該入射光の照射領域３に第１反射領域１と第２反射領域２の双方が含まれる。
【００１４】
第１物質であるアルミニウムは、紫外域から可視域の600 nm付近までにおいては、第２物質である金よりも反射率が大きく、600 nmよりも長波長側では金よりも反射率が小さい。このように波長域によって反射率の大小関係が異なる２種類の物質を格子面のコーティング材として用い、各物質から成るコーティング領域（第１反射領域１及び第２反射領域２）を格子面の全体に配置した点が、本実施例の反射型回折格子３０の特徴の一つである。このような特徴的構成による作用効果については後述する。
【００１５】
次に、本実施例の反射型回折格子３０の製造方法について、図２及び図３を参照して説明する。ここでは、レプリカ回折格子を用いて反射型回折格子３０を製造する例について説明する。
まず、ガラス等の無機材料からなる平面ガラス基板１１にフォトレジストをコーティングし、ホログラフィック露光法などにより格子溝に相当する部分のフォトレジスタを除去する。次に、そのレジストパターンをマスクとしてイオンビームエッチング等により格子溝断面形状が所定ブレーズ角度の鋸歯形状となるように格子溝を刻線する。その格子溝の上に膜厚0.2 um程度のアルミニウム薄膜１２を真空蒸着法により形成すると、マスター回折格子１０が得られる（図２（ａ））。このマスター回折格子１０は、サイズが60 mm×60 mm×10 mm、溝本数が600 本/mm、ブレーズ波長が500 nmの格子溝を有している。
【００１６】
次に、上記マスター回折格子１０の格子面に、真空蒸着法により離型剤であるシリコーンオイル等による離型剤層１３を形成し（図２（ｂ））、その後に同じく真空蒸着法によりアルミニウム薄膜２３を形成する（図２（ｃ））。アルミニウム薄膜２３は、成膜レートを例えば1 nm/sとして70 nm形成する。
【００１７】
次いで、ネガ基板２１を用意し（図２（ｄ））、表面２１ａ（格子面となる側の面）を洗浄した後にネガ基板２１に接着剤（エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂）２２を略均一厚に塗布する（図２（ｅ））。
【００１８】
接着剤２２を介してネガ基板２１と先の図２（ｃ）の状態にあるマスター回折格子１０を張り合わせ、適度な圧力で押しつける。それによって、接着剤２２はアルミニウム薄膜２３の断面鋸歯形状の溝を埋めるように広がる（図２（ｆ））。
【００１９】
さらに、これをベーク炉に収容し、所定の条件（例えば７０℃前後）で熱を加えて接着剤２２を硬化させ、離型剤層１３を境にしてネガ基板２１をマスター回折格子１０から引き剥がす。すると、断面鋸歯形状に成形されたアルミニウム薄膜２３が、接着剤２２を介してネガ基板２１に接着した状態で剥離する（図２（ｇ））。これによって、マスター回折格子１０の格子溝を反転転写したネガ回折格子２０が得られる。
【００２０】
次に、上記したネガ回折格子２０と同様の製造工程により、ネガ回折格子２０をマスター回折格子としてレプリカ回折格子３０ａを製造する。具体的には、ネガ回折格子２０の格子面に離型剤層２４を形成し、その上に第１アルミニウム薄膜３３を蒸着する。そして、接着剤３２が均一厚に塗布されたレプリカ基板３１を、第１アルミニウム薄膜３３を介してネガ回折格子２０に貼り付け（図２（ｈ））た後、レプリカ基板３１をネガ回折格子２０から剥離する（図２（ｉ））。これにより、断面鋸歯状に成形された第１アルミニウム薄膜３３を格子面に有するレプリカ回折格子３０ａが形成される。
その後、レプリカ回折格子３０ａの格子面に、真空蒸着法により第２アルミニウム薄膜３４を50 nm以上オーバーコートする（図２（ｊ））。第２アルミニウム薄膜３４の一部の領域（後述する金薄膜４１によって被覆されない領域）が、上述した第１反射領域１となる。
【００２１】
続いて、第２アルミニウム薄膜３４の上を複数の孔４０ａの開いた金属マスク４０で覆い、真空蒸着法により金を50 nm以上オーバーコートする（図２（ｋ））。これにより金属マスク４０で覆われていない部分にのみ金薄膜４１が形成される。各金薄膜４１が上述した第２反射領域２の各領域２ａとなる。
【００２２】
図３に、第２アルミニウム薄膜３４を金属マスク４０で覆った様子を拡大して示す。金属マスク４０には、正方格子状に配置された複数の円形状の孔４０ａが形成されている。孔４０ａの直径及び間隔は、いずれも反射型回折格子３０に照射される入射光の照射領域３の直径よりも十分に小さくなるように、且つ、孔４０ａの面積の合計がレプリカ回折格子３０ａの格子面の面積の約半分となるように、設定されている。例えば、入射光の照射領域３の直径が1.5 mmのとき、孔４０ａの直径は100μmに、孔４０ａの間隔は125μmに設定する。
【００２３】
なお、図１乃至図３においては、各領域２ａの直径又は金属マスク４０の孔４０ａの直径に対する格子溝の間隔を、本発明の特徴を強調するため実際よりもかなり大きく描いている。後述する図５及び図６についても同様である。
【００２４】
以上により、本実施例に係る反射型回折格子３０が完成する。すなわち、金薄膜４１に被覆されていない第２アルミニウム薄膜３４の部分が第１反射領域１を、金薄膜４１が第２反射領域２を構成する。照射領域３には第１反射領域１と第２反射領域２が含まれ、反射光は、第１反射領域１と第２反射領域２にそれぞれ反射された光が混合した光となる。
【００２５】
次に、本実施例の反射型回折格子３０に波長が400nm〜900nmの光を入射させたときの絶対回折効率（％）のシミュレーション結果を表すグラフを図４に示す。絶対回折効率とは、入射光強度に対する回折光の強度比を表す。図４には、本実施例の反射型回折格子３０の他、格子面全体をアルミニウムのみから形成した例（比較例１）、格子面全体を金のみから形成した例（比較例２）のシミュレーション結果も比較のために示す。加えて、第１反射領域と第２反射領域の面積比を約7対3にした例（変形例１）、及び第１反射領域と第２反射領域の面積比を約3対7にした例（変形例２）のシミュレーション結果も示している。
【００２６】
比較例１と比較例２の比較から分かるように、600 nm付近より小さい波長域では、比較例１の絶対回折効率が比較例２の絶対回折効率を上回り、600 nm付近より大きい波長域では逆転している。一方、本実施例及び変形例２，３の絶対回折効率は、400〜900nmの全ての波長域において比較例１の絶対回折効率と比較例２の絶対回折効率の間の値となっている。
【００２７】
次に、変形例１及び変形例２と、本実施例の比較を行う。変形例１は、600 nm付近より小さい波長域では絶対回折効率が最も高いが、600 nm付近より大きい波長域では最も低い。逆に、変形例２は、600 nm付近より小さい波長域では絶対回折効率が最も低いが、600 nm付近より大きい波長域では最も高い。一方、本実施例は、グラフ上の全波長域に亘って、変形例１と変形例２のほぼ中間の絶対回折効率を示している。
【００２８】
以上から、本発明に係る反射型回折格子は、反射領域をアルミニウムと金で構成することによって、波長域の違いにより絶対回折効率が低下することを抑え、絶対回折効率を高く維持することができるといえる。
また、変形例１は、面積比の割合の高いアルミニウムのみで反射領域が構成されている場合（比較例１）に近い回折特性を示している。一方、変形例２は、面積比の割合の高い金のみで反射領域が構成されている場合（比較例２）に近い回折特性を示している。すなわち、本発明に係る反射型回折格子においては、第１反射領域と第２反射領域の面積比を変化させることで、第１物質と第２物質どちらの回折特性を強めるか、目的に応じて調節することができる。
なお、広い波長域に亘って偏り無く回折効率を高く維持するという点では、本実施例が最も適しているといえる。
【００２９】
本発明の他の実施例を図５及び図６に示す。
図５は、第２反射領域２を複数の略正方形状の領域２ｂから構成した場合の反射型回折格子３０１を示す。このように、第２反射領域の形状は略円形状や略正方形状でも良く、この他、楕円形状や三角形状等であっても構わない。
また、図６は第１反射領域１と第２反射領域２が格子面上で縞状に分布している場合の反射型回折格子３０２を示す。このように、第１反射領域と第２反射領域２は正方格子状や縞状等、周期的に分布していることが好ましい。しかし、第１反射領域と第２反射領域の分布態様は周期的分布に限られるものではない。照射領域３を格子面上のどこにとっても、照射領域３に第１反射領域と第２反射領域がほぼ同じ割合で含まれるのであれば周期的分布でなくても構わない。例えば同心円状分布、マーブル状分布等でも構わない。
【００３０】
さらに、上記実施例は本発明を鋸歯状回折格子に適用したものであるが、本発明が適用することができるのは鋸歯状回折格子に限られず、例えば矩形状回折格子や正弦波状回折格子にも適用することができる。また、上記実施例に記載の数値や材料などは単に一例であって、本発明はこれに限定されるものではない。また、それら以外の点についても、本発明の趣旨の範囲で適宜に追加や変更、修正を行えることは明らかである。
【符号の説明】
【００３１】
１…第１反射領域
２…第２反射領域
２ａ，２ｂ…領域
３…照射領域
１０…マスター回折格子
１１…平面ガラス基板
１２，２３…アルミニウム薄膜
１３，２４…離型剤層
２０…ネガ回折格子
２１…ネガ基板
２１ａ…表面
２２，３２…接着剤
３０，３０１，３０２…反射型回折格子
３０ａ…レプリカ回折格子
３１…レプリカ基板
３３…第１アルミニウム薄膜
３４…第２アルミニウム薄膜
４０…金属マスク
４０ａ…孔
４１…金薄膜
【図１】
2015219446.tif 000003
【図２】
2015219446.tif 000004
【図３】
2015219446.tif 000005
【図４】
2015219446.tif 000006
【図５】
2015219446.tif 000007
【図６】
2015219446.tif 000008