(57)【要約】【課題】モアレ干渉縞からなるグレーティングを有する固体化色素ＤＦＢレーザーを提供する。【解決手段】本発明に係る固体化色素ＤＦＢレーザー素子１１０は、有機色素を含むレーザー媒質１１４と、分布帰還型の共振手段とを備えた固体化色素ＤＦＢレーザー素子１１０において、共振手段は、互いに異なる方向に形成された第１及び第２のグレーティング１１２、１１３の重なりによって生ずるモアレ縞からなる第３のグレーティングを含むことを特徴とする。このようなモアレ縞からなる第３のグレーティングは、二光束干渉露光により、フォトレジスト上に露光用のレーザを照射後、基板を所定の角度だけ回転させて、再度照射することによって、形成することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機色素を含むレーザー媒質と、分布帰還型の共振手段とを備えた固体化色素ＤＦＢレーザー素子において、前記共振手段は、互いに異なる方向に形成された第１及び第２のグレーティングの重なりによって生ずるモアレ縞からなる第３のグレーティングを含むことを特徴とする固体化色素ＤＦＢレーザー素子。
【請求項２】
請求項１に記載のＤＦＢ固体化色素レーザー素子と、前記レーザー媒質を励起するための励起手段とを備え、前記第３のグレーティングに基づいて定まる発振波長によりレーザー発振することを特徴とする固体化色素ＤＦＢレーザー装置。
【請求項３】
二光束干渉露光によるグレーティングの製造方法であって、
基板上にフォトレジストを堆積する工程と、
前記フォトレジストを互いに干渉する二光束で露光して、前記二光束の干渉縞の明暗に対応する第１のストライプパターンを記録する工程と、
前記基板と前記干渉縞の明暗の配列方向とを、所定の角度だけ相対的に回転させる工程と、
前記フォトレジストを前記二光束で露光して、前記第１のストライプパターンとは異なる方向に配列された第２のストライプパターンを記録する工程と、
前記フォトレジストの未硬化部分を除去して、前記第１及び第２のストライプパターンにそれぞれ対応する第１及び第２のグレーティングを現像する工程と、を含んでおり、
前記所定の角度は、前記第１及び第２のグレーティングの重なりによって、前記第１及び第２のグレーティングの周期以上の長周期を有するモアレ縞が生じる角度であることを特徴とする製造方法。
【請求項４】
請求項３に記載の製造方法に用いるグレーティングの製造装置であって、
レーザー光源と、
第１支持面及び該第１支持面に略直交する回転軸を有する第１の回転ステージと、
前記第１支持面上に配置されるとともに、該第１支持面に対して略垂直な第２支持面及び該第２支持面に略直交する回転軸を有する第２の回転ステージと、
前記第１支持面上に配置されるとともに、前記第２支持面に対して略直角をなして対向する反射面を有する反射手段と、
前記レーザー光源からの光束を整形し、かつ、前記第２支持面及び前記反射面に導光する光学系と、
前記第１の回転ステージ及び前記第２の回転ステージの回転を制御する制御手段とを含んでおり、
前記フォトレジストが堆積された前記基板は、前記第２支持面上に配置され、前記互いに干渉する二光束は、前記第２支持面に直接導光される光束と、前記反射面に導光されて反射後に前記第２支持面に向かう光束とから構成されるとともに、前記第１の回転ステージの回転と前記第２の回転ステージの回転とは、独立に制御されることを特徴とする製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、グレーティング（回折格子）の製造方法に関し、特にモアレ縞を利用した回折格子の製造方法及びその製造装置に関するものであり、さらに上記グレーティングを使用した固体化色素ＤＦＢレーザーに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、素子に組み込まれたグレーティングからなる分布帰還（Distributed FeedBack：ＤＦＢ）構造を用いて、先鋭な発振スペクトルを実現するＤＦＢレーザーが知られている。特に、有機色素をプラスチック等の固体材料にドープしてなるレーザー媒質を有する固体化色素ＤＦＢレーザは、小型かつ取り扱い性に優れ、また、安価に作製可能であるといった種々の優れた特徴を有するものであり、種々の応用展開が期待されている。
【０００３】
一般に、ＤＦＢレーザーにおいて、良好なレーザー特性を得るためには、高精度のグレーティングを作製することが重要であり、そのための方法として、二光束干渉露光法により作製した格子状のフォトレジストマスクを用いて、活性層をエッチングすることが行われている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
このようなグレーティングの作製方法に関連して、本発明者等は、固体化色素ＤＦＢレーザーの作製において、二光束干渉露光法によるフォトレジストのパターニング後のエッチング処理を不要とした「エッチレス」プロセスを既に提案している（非特許文献１参照）。次に、図１１及び図１２を参照して、このエッチレスプロセスの概要を説明する。
【０００５】
まず、図１１（ａ）に示すように、スライドグラス等からなる基板の表面にフォトレジスト（例えば、東京応化工業製TSMR-V90）をスピンコートし、プリベークを行う。次に、図１１（ｂ）に示すように、レーザビーム（例えば、Ａｒイオンレーザー、または、Ｈe-Cdレーザー）による二光束干渉露光を行って、フォトレジスト膜に干渉縞の明暗を記録する。その後、図１１（ｃ）に示すように、リンス処理およびポストベークを行うことによって、干渉縞の明暗に対応するストライプパターンが、物理的な凹凸構造として転写されたグレーティングが形成される（Λはグレーティングの周期を示す）。次いで、図１１（ｄ）に示すように、このフォトレジストからなるグレーティングの表面に、レーザー媒質として有機色素をドープした固体材料（例えば、アクリルまたはシリカガラス）をコーティングすることにより、固体化色素ＤＦＢレーザーが作製される。この固体化色素ＤＦＢレーザーでは、図１１（ｅ）に示すように、励起光（例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの第２高調波）を照射することによって、ＤＦＢレーザー発振が生じ、スペクトル幅の狭いレーザー光が出力されるものである。
【０００６】
ここで、図１１（ｂ）に示す二光束干渉露光を実施するするための好適な方法は、図１２（ａ）に示すように、基板１００１のフォトレジスト１００２が堆積された面に対して直角をなして対向する反射面を有するミラー１００３（例えば、アルミミラー）を用いるものである。この配置構成は、レーザー光源（図示は省略する）からの入射光束Ｌを、基板１００１に直接入射する光束（例えば、その一光路をＬDで示す）と、ミラー１００３により反射されて基板１００１に入射する光束（例えば、その一光路をＬRで示す）に分波し、これらの二光束の干渉により生じる干渉縞を用いて、フォトレジスト１００２を周期的に露光するものであり、結果として生じるグレーティングの周期Λ（図１１（ｃ））は、次式により表される。
Λ＝λ／（２sinθ）          （１）
ここで、λは入射光束Ｌの波長、θはその入射角である。
【０００７】
このプロセスは、二光束干渉露光法によりフォトレジストに作り込まれるストライプパターン自体を、グレーティングを構成する構造体として利用するものであり（以下、このようなグレーティングを、「フォトレジストグレーティング」ともいう）、その後のエッチング工程を不要とするものであるため、処理時間を短縮するとともに環境負荷を低減するものである。
【０００８】
本発明者等は、このようなエッチレスプロセスにより作製したフォトレジストグレーティングを用いた固体化色素ＤＦＢレーザーにより、可視光域（出力レーザー光の波長で５９０ｎｍ〜６３０ｎｍ）での良好なレーザー発振に成功しており（非特許文献１参照）、さらに、このエッチレスプロセス技術の応用として、二次元グレーティングを作製し、波長が異なる２つのレーザー発振を同時に観測することにも成功している（非特許文献２参照）。
【０００９】
【特許文献１】特開平６−３００９０９号公報
【非特許文献１】Ｍ．Ｆｕｋｕｄａ  ａｎｄ  Ｋ．Ｍｉｔｏ，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．  Ｖｏｌ．４２（２００３）ｐｐ．Ｌ１２８２−Ｌ１２８４
【非特許文献２】第４０回応用物理学会北海道支部／第１回日本光学会北海道支部合同学術講演会、予稿集Ｃ−２１二次元グレーティングによる固体化色素ＤＦＢレーザーの発振特性、千歳科技大、中井直也、福田誠、三戸慶一、平成１６年１０月１６日、１７日
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
現在、固体化色素ＤＦＢレーザーにおいて、近赤外域域にまで発振波長を拡大することが望まれており、これによって、例えば、近赤外域（1.3〜1.5μｍ）を通信波長帯とする光通信における光源としての応用展開が期待されている。
【００１１】
固体化色素ＤＦＢレーザーにおいて、このように、発振波長を長波長化するためには、適切な蛍光スペクトルを有する有機色素を用いるとともに、より長周期のグレーティングを作製する必要がある。しかしながら、図１２に示したような二光束干渉露光法により、グレーティングを長周期化することには、以下のような問題があった。
【００１２】
すなわち、二光束の干渉によって生じる干渉縞の周期Λ（すなわち、それによって作製されるグレーティングの周期）は、上式（１）に示すように、Λ＝λ／２sinθにより定まるものである。したがって、同一の設備環境において周期Λが大きい干渉縞を形成するためには、使用するレーザー光の波長λが一定であるため、入射角θを小さくする必要があり、それに付随して、レーザー光のビーム幅、及びアルミミラーの大きさが同一であるため、二光束が重畳されて干渉縞が発生する領域が、図１２（ａ）に示す領域Ａから、図１２（ｂ）に示す領域Ｂのように狭くなってしまう。そのため、大きな面積のグレーティングの作製が困難になる。なお、干渉縞の周期Λを大きくするためには、使用するレーザー光の波長λを大きくすることも考えられるが、一般にフォトレジストは紫外線域に感度があり、その感光にはＨｅ−Ｃｄレーザー（３２５ｎｍ紫外域）やＡｒレーザー（４８８ｎｍ、５１４ｎｍなど青色）などの短波長レーザーが使われるものであり、長波長の光に反応する適当なフォトレジストが無いため、実際上はこの方法は困難である。
【００１３】
本発明は、上記課題に鑑みて、二光束干渉露光において、作製可能なグレーティングの面積が小さくなるという問題を回避しつつ、異なる発振波長を定めるグレーティングを作製する方法及び装置、並びにこれらの方法及び／または装置によって作製された固体化色素ＤＦＢレーザー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】
【００１４】
以下に、本願において特許請求が可能と認識されている発明（以下、「請求可能発明」という）の態様をいくつか例示し、それらについて説明する。各態様は請求項と同様に、項に区分し、各項に番号を付し、必要に応じて他の項の番号を引用する形式で記載する。これは、あくまでも請求可能発明の理解を容易にするためであり、請求可能発明を構成する構成要素の組み合わせを、以下の各項に記載されたものに限定する趣旨ではない。
つまり、請求可能発明は、各項に付随する記載，実施例の記載等を参酌して解釈されるべきであり、その解釈に従う限りにおいて、各項の態様にさらに他の構成要素を付加した態様も、また、各項の態様から構成要素を削除した態様も、請求可能発明の一態様となり得るものである。なお、以下の各項において、（１）項が請求項１に、（３）項が請求項２に、（７）項が請求項３に、（１０）項が請求項４に、各々相当する。
【００１５】
（１）有機色素を含むレーザー媒質と、分布帰還型の共振手段とを備えた固体化色素ＤＦＢレーザー素子において、前記共振手段は、互いに異なる方向に形成された第１及び第２のグレーティングの重なりによって生ずるモアレ縞からなる第３のグレーティングを含むことを特徴とする固体化色素ＤＦＢレーザー素子。
本項の固体化色素ＤＦＢレーザー素子によれば、特定の周期を有する第１及び第２のグレーティングを形成することにより、これら第１及び第２のグレーティングの周期とは異なる周期を有する第３のグレーティングを設けることが可能となる。
【００１６】
（２）好ましくは、上記（１）に記載の固体レーザー素子において、前記第３のグレーティングの周期は、前記第１及び第２のグレーティングの周期よりも長いものである。
本項の固体化色素ＤＦＢレーザー素子によれば、素子上に直接形成される第１及び第２のグレーティングの周期を長周期化する特別な手段を何ら講じることなく、長周期の周期を有する第３のグレーティングを設けることが可能となる。
【００１７】
（３）上記（１）に記載の固体化色素ＤＦＢレーザー素子と、前記レーザー媒質を励起するための励起手段とを備え、前記固体化色素ＤＦＢレーザー素子は、前記第３のグレーティングに基づいて定まる発振波長を有することを特徴とする固体化色素ＤＦＢレーザー装置。
本項の固体化色素ＤＦＢレーザー装置によれば、素子上に直接形成される第１及び第２のグレーティングの周期に基づいて定まる発振波長とは異なる発振波長を有する固体化色素ＤＦＢレーザー装置を、容易に実現することが可能となる。
さらに、上記（３）項に記載の固体化色素ＤＦＢレーザー装置は、前記第３のグレーティングに基づいて定まる発振波長を有するレーザー光のみを取出す出射窓を有するものであってもよい。
【００１８】
（４）好ましくは、上記（３）項に記載の固体化色素ＤＦＢレーザー装置において、前記第３のグレーティングの周期に基づいて定まる発振波長は、近赤外域に含まれるものである。ここで、近赤外域とは、例えば、１．３〜１．５μｍの波長帯域をいい、前記第３のグレーティングの周期に基づいて定まる発振波長は、前記第３のグレーティングのｍ次回折光（ｍ＝１、２、３・・・）、例えば２次回折光、の波長である。
【００１９】
（５）また、好ましくは、上記（３）項に記載の固体化色素ＤＦＢレーザー装置において、前記第１及び第２のグレーティングの周期は、それらの周期によって定まる回折光の波長が、前記有機色素の蛍光スペクトル範囲に含まれないものである。
本項の固体化色素ＤＦＢレーザー装置によれば、前記第３のグレーティングの周期に基づいて定まる発振波長により、より効率良くレーザー発振させることが可能となる。
【００２０】
（６）また、好ましくは、上記（３）項に記載の固体化色素ＤＦＢレーザー素子において、前記有機色素は、近赤外域を含む蛍光スペクトルを有するものである。本発明は、使用する具体的な有機色素の種類に限定されるものではないが、好ましい例を具体的に挙げれば、3,3'-Diethyl-9,11,15,17-dineopentylene-5,6,5',6'-tetramethoxy-thiapentacarbocyanine perchlorate（レーザー発振波長領域：１２００〜１２５０ｎｍ）、Pentacarbocyanine derivative（レーザー発振波長領域：１２５０〜１３００ｎｍ）、LDS 925/Styryl 13（Exciton社、レーザー発振波長領域：９０２〜１０２３ｎｍ）、IR-140（Exciton社、レーザー発振波長領域：９０６〜１０１８ｎｍ）、LDS867（Exciton社、レーザー発振波長領域：９２２〜９６３ｎｍ）、LDS950/Styryl 14（Exciton社、レーザー発振波長領域：９２８〜１０８４ｎｍ）、IR143（Exciton社、レーザー発振波長領域：８９４〜１０９５ｎｍ）等である。
【００２１】
（７）二光束干渉露光によるグレーティングの製造方法であって、
基板上にフォトレジストを堆積する工程と、
前記フォトレジストを互いに干渉する二光束で露光して、前記二光束の干渉縞の明暗に対応する第１のストライプパターンを記録する工程と、
前記基板と前記干渉縞の明暗の配列方向とを、所定の角度だけ相対的に回転させる工程と、
前記フォトレジストを、前記二光束で露光して、前記第１のストライプパターンとは異なる方向に配列された第２のストライプパターンを記録する工程と、
前記フォトレジストの未硬化部分を除去して、前記第１及び第２のストライプパターンにそれぞれ対応する第１及び第２のグレーティングを現像する工程と、を含んでおり、
前記所定の角度は、前記第１及び第２のグレーティングの重なりによって、前記第１及び第２のグレーティングの周期以上の長周期を有するモアレ縞が生じる角度であることを特徴とする製造方法。
【００２２】
本項の製造方法によれば、特定の周期を有する第１のグレーティング及び第２のグレーティングを、それらが互いに重なる角度を調整しつつ形成することで、第１のグレーティングと第２のグレーティングとの重なりによって生じるモアレ縞からなり、かつ、所望の周期を有するグレーティングを容易に作製することが可能となる。
【００２３】
（８）上記（７）項に記載の製造方法において、前記基板と前記干渉縞の明暗の配列方向とを、所定の角度だけ相対的に回転させる工程は、基準方向に対してα／２（又は、−α／２）の傾斜角度をなして配置され、前記第１のストライプパターンが形成された前記基板を、前記所定の角度αだけ回転し、基準方向に対して−α／２（又は、α／２）の傾斜角度をなすように配置するものであってもよい。
【００２４】
このようにして得られた、重なりによってモアレ縞が生じている第１及び第２のグレーティングからなる「フォトレジストグレーティング」の表面に、有機色素をドープしたアクリルあるいはシリカガラス等の固体材料をコーティングしてレーザー媒質とすることにより、固体化色素DFBレーザーが作製されるものである。
【００２５】
（９）好ましくは、上記（７）項に記載の製造方法において、前記所定の角度αは、
cosα≧（Ｐ1／２Ｐ2）          （２）
を満たすものである。ここで、Ｐ1、Ｐ2は、それぞれ第１及び第２グレーティングの周期（但し、Ｐ1≧Ｐ2とする）である。
【００２６】
（１０）上記（７）に記載の製造方法に用いるグレーティングの製造装置であって、
レーザー光源と、
第１支持面及び該第１支持面に略直交する回転軸を有する第１の回転ステージと、
前記第１支持面上に配置されるとともに、該第１支持面に対して略垂直な第２支持面及び該第２支持面に略直交する回転軸を有する第２の回転ステージと、
前記第１支持面上に配置されるとともに、前記第２支持面に対して略直角をなして対向する反射面を有する反射手段と、
前記レーザー光源からの光束を整形して、前記第２支持面及び前記反射手段の反射面に導光する光学系と、
前記第１の回転ステージ及び前記第２の回転ステージの回転を制御する制御手段とを含んでおり、
前記フォトレジストが堆積された前記基板は、前記第２支持面上に配置され、前記互いに干渉する二光束は、前記第２支持面に直接導光される光束と、前記反射面に導光されて反射後に前記第２支持面に向かう光束とから構成されるとともに、前記第１の回転ステージの回転と前記第２の回転ステージの回転とは、独立に制御されることを特徴とする製造装置。
【００２７】
本項の製造装置によれば、上記（７）項に記載の製造方法を適用して、第１のグレーティングと第２のグレーティングとの重なりによって生じるモアレ縞からなり、かつ、所望の周期を有するグレーティングを容易に形成することができる。
【００２８】
上記（１０）項の製造装置を使用した、二光束干渉露光によるグレーティングの好ましい製造方法は以下の通りである。
（１１）二光束干渉露光によるグレーティングの製造方法であって、
フォトレジストが堆積された基板を前記第２の回転ステージに配置する工程と、
前記第１の回転ステージを駆動して、前記基板が前記レーザ光源からのレーザー光の照射位置に配置する工程と、
前記第２の回転ステージを駆動して、前記基板の基準方向に対する角度を第１角度に設定する工程と、
前記レーザー光源からの光束を整形して、前記第２支持面及び前記ミラーの反射面に導光し、前記第２支持面に直接導光される光束と、前記ミラーの反射面により反射されて前記第２支持面に向かう光束からなる互いに干渉する二光束により、前記フォトレジストを露光して、前記二光束の干渉縞の明暗に対応する第１のストライプパターンを記録する工程と、
前記第２の回転ステージを駆動して、前記基板の基準方向に対する角度を第２の角度に設定する工程と、
前記フォトレジストを、前記二光束で露光して、前記第１のストライプパターンとは異なる方向に配列された第２のストライプパターンを記録する工程と、を含むものである。
【発明の効果】
【００２９】
本発明は、モアレ縞によるグレーティングを実現することにより、二光束干渉露光法で使用されるレーザー光の波長及び入射角を変動させることなく、この二光束干渉により直接形成されるグレーティングの周期とは異なる周期を有するグレーティングを形成することが可能となった。それによって、例えば、従来の二光束干渉露光法のための従来の設備を大幅に変更することなく用いて、より長周期のグレーティングを、十分な面積を確保しつつ、容易かつ安価に形成することが可能となる。本発明に係る固体化色素ＤＦＢレーザー、及びその製造方法並びに製造装置は、特に、近赤外域を含む比較的長波長の発振波長を有する固体化色素ＤＦＢレーザー、及びその製造方法並びに製造装置として有利なものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明する。
図１により、本発明の一実施形態における固体化色素ＤＦＢレーザー素子１１０及び固体化色素レーザー装置１４０の構成を説明する。なお、図１には、出力レーザー光のスペクトラムを観測するための測定システム１５０も合わせて示している。
本発明の実施形態における固体化色素ＤＦＢレーザー素子１１０は、スライドグラス等からなる基板１１１上に、例えばフォトレジストからなる第１及び第２のグレーティング１１２、１１３が互いに異なる方向に形成されており、この第１及び第２のグレーティング上に、有機色素をドープした固体材料（例えば、アクリルまたはシリカガラス）からなるレーザー媒質１１４がコーティングされている。また、固体化色素ＤＦＢレーザー素子１１０は、互いに異なる方向に形成された第１及び第２のグレーティング１１２、１１３の重なりによって生じるモアレ縞からなる第３のグレーティング（モアレグレーティング）を有するものであり、この構成及び作用の詳細にいては、後述する。
【００３１】
本発明の一実施形態における固体化色素レーザー装置１４０は、固体化色素レーザー素子１１０と、本実施形態における励起手段であるＮｄ：ＹＡＧレーザー光源１２０と、レーザー光源１２０からの励起光ＰＬＢを整形および導光するためのレンズ系１３０と、出力レーザー光ＯＬＢを取出すための出射窓１２４とを備えている。固体化色素レーザー装置１４０は、レーザー光源１２０からの励起光ＰＬＢを、例えば減光フイルタ（図示は省略する）によって調節し、レンズ系１３０に入射する。レンズ系１３０は、入射した励起光ＰＬＢを、シリンドリカルレンズ１２１によって線状のビームに広げ、シリンドリカルレンズＬ２で平行光にし、アパーチャ又はスリット（図示は省略する）によりビームの端を除去する。次に上記レンズ１２１、１２２に対して９０度回転して設けたシリンドリカルレンズ１２３によって、紙面垂直方向に集光して細い線状のビームに整形した励起光ＰＬＢを、固体化色素ＤＦＢレーザー素子１１０に照射する。そして、固体化色素ＤＦＢレーザー素子１１０から得られる出力レーザー光ＯＬＢを、光出射窓１２４を介して出射するものである。この光出射窓１２４は、特に固体化色素ＤＦＢレーザー素子１１０を、金属製あるいは樹脂製のパッケージに格納する際に必要となるが、モアレ縞の周期方向から出射する光をパッケージ外に取り出せるような位置に配置されるものである。
【００３２】
なお、このような出力レーザー光ＯＬＢのスペクトルは、光検出器１５１を介して光ファイバー１５４により分光器１５２に送り、分光器１５２からＵＳＢケーブル１５５等によりパソコンに送信し、適切な処理を施すことによって確認することができる。このようにして得られた発振スペクトルの例を、図５に示す。
【００３３】
次に、固体化色素ＤＦＢレーザー素子１１０における、モアレ縞からなるグレーティングについて説明する。一般に、モアレ縞は、図２に示すように、２つの周期的な構造（それぞれの周期をＰ1及びＰ2とする）を重ね合わせると出現する縞模様であり、重ね合わされる周期構造の周期Ｐ1、Ｐ2と一般には異なる特有の周期Ｄを有している。そして、２つの周期的な構造を重ね合わせる角度αを変えることによって、図に示すようにモアレ縞の周期Ｄも変化する。以下に、モアレ縞の周期Ｄがどのように決定されるかを幾何学的に考察し数式として表現する。
【００３４】
図３にモアレ縞の基本ユニットを示す。間隔をＰ1およびＰ2で示した２組の平行線は、重ね合わせる元の周期構造を示し、間隔Ｐ1およびＰ2は、それぞれの周期構造の周期を示している。また、モアレ縞は太線で示しており、その周期をＤとしている。角度αは、元の周期構造を重ね合わせる際の角度である。ここで、直線MNの長さをＸ、直線KMの長さをＹとすると、２つの直角三角形KLMおよびNOMにおいて、
Ｘ＝Ｐ1／sinα  ，  Ｙ＝Ｐ2／sinα          （３）
が成り立つ。また、三角形KMNにおいて、余弦定理より
Z2=X2 +Y2 −２ＸＹcosα          （４）
が成り立つ。したがって、
【数１】
2008147287.tif 000003
である。また、三角形KMNの面積を2通りの求め方によって記すと次の式が成り立つ。
Ｚ・Ｄ／２  ＝  Ｐ2・Ｘ／２          （６）
これより、モアレの周期は
Ｄ＝Ｐ2X／Ｚ          （７）
となる。この式に（３）式と（４）式を代入することによって、
【数２】
2008147287.tif 000004
と表すことができ、元の周期構造の周期Ｐ1、Ｐ2とそれらを重ね合わせるときの角度αによってモアレ縞の周期Ｄを決めることができる。また、このようなモアレ縞の周期Ｄが、元の縞模様の周期Ｐ1、Ｐ2以上の長周期である条件は、
cosα≧（Ｐ1／２Ｐ2）          （９）
である（但し、Ｐ1≧Ｐ2とする）。
【００３５】
以上のことから、前記のフォトレジストグレーティングを作製するプロセスを応用して、フォトレジスト表面に角度αを持たせて、二光束干渉露光を２回行うことによってモアレグレーティングを作製することが可能となる。図４は、実際にフォトレジスト表面に作製したモアレ縞の走査型電子顕微鏡（scanning electron microscope; SEM）による写真である。横方向に２本見える縞模様１１５がモアレ縞であり、本発明は、このようなモアレ縞からなるモアレグレーティング（第３のグレーティング）１１５用いて、レーザー発振を実現するものである。
【００３６】
モアレグレーティングを用いるメリットは以下のとおりである。前記のモアレグレーティングでは、入射角θの条件が取り除かれるので、周期Λが大きなグレーティングを作製する際も、面積が大きなグレーティングを作製することが可能となる。
【００３７】
次に、本発明によりＤＦＢレーザーを得る全体工程を説明する。
(a)基板にフォトレジストをスピンコートする。
(b)二光束干渉露光によりフォトレジスト上にＡｒイオンレーザを２回照射し、互いに干  渉縞の傾斜角度がα／２異なる第１及び第２のグレーティングを得る。これによって、  第１及び第２のグレーティングの重なりによって生じるモアレ縞からなる第３のグレー  ティング（モアレグレーティング）も得られることになる。
(c)蒸留水でリンスする。
(d)有機色素（好ましくは、モアレグレーティングの周期に基づいて定まる波長では発振するが、第１及び第２のグレーティングのそれぞれの周期に基づいて定まる波長では発振しないもの）を、上記グレーティングに塗布する。
(e)（ｄ）で得られたものに、図１のように励起レーザ光を照射し、発振レーザ光を得る。
以上に述べた方法で作製したフォトレジストによるモアレグレーティングの表面に、有機色素の1種であるローダミンBをドープしたアクリルをコーティングして、固体化色素ＤＦＢレーザーを作製して、レーザー発振実験を行ったところ、図５に示すように狭帯域化されたレーザー発振スペクトルを得ることができた。これによって、モアレ縞を利用したグレーティングは、固体化色素ＤＦＢレーザーの発振に必要な回折効率を有することがわかった。
【００３８】
なお、本発明は、使用する具体的な有機色素の種類に限定されるものではないが、好ましい例を具体的に挙げれば、3,3'-Diethyl-9,11,15,17-dineopentylene-5,6,5',6'-tetramethoxy-thiapentacarbocyanine perchlorate（レーザー発振波長領域：１２００〜１２５０ｎｍ）、Pentacarbocyanine derivative（レーザー発振波長領域：１２５０〜１３００ｎｍ）、LDS 925/Styryl 13（Exciton社、レーザー発振波長領域：９０２〜１０２３ｎｍ）、IR-140（Exciton社、レーザー発振波長領域：９０６〜１０１８ｎｍ）、LDS867（Exciton社、レーザー発振波長領域：９２２〜９６３ｎｍ）、LDS950/Styryl 14（Exciton社、レーザー発振波長領域：９２８〜１０８４ｎｍ）、IR143（Exciton社、レーザー発振波長領域：８９４〜１０９５ｎｍ）等である。
【００３９】
また、一般に、ＤＦＢレーザーの発振波長は、
λ＝２ｎΛ／ｍ                    （１０）
により、決定される。但し、ｎはレーザー媒質の屈折率、ｍは回折の次数、Λはグレーティングの周期である。ここで、レーザー発振波長を近赤外域のλ＝１．３μｍ、ｍ＝２、ｎ＝１．４９（例えば、シリカのキセロゲルに色素をドープしてなるレーザー媒質の場合）とすると、Λ＝０．８７２μｍとなる。そして、このような周期を有するモアレグレーティングを形成するには、例えば、Ｐ1＝Ｐ2＝０．５μｍの周期を有する第１及び第２のグレーティングを、α＝３３．３°で重ねるように作製すればよい。
【００４０】
次に、図６〜図１０に基づいて、本発明での２回露光により、グレーティングを得る装置および方法について説明する。
図６に、二光束干渉露光システムの概略が示されている。回転ステージ３０上において、フォトレジストをコーティングしたスライドガラス（基板）をサンプルステージ３４に設置する。ここで、サンプルステージ３４と、アルミミラー３１は互いに垂直である。He-Cdレーザー２１から出射されたビームＢ１は、ビームの導光及び整形用の光学系２３〜２８を経て、サンプルステージ３４上のスライドガラスに到達する。すなわち、ビームＢ１は、シャッタ２３を通過後、アルミミラー２４、２５により反射されて折り返し、次いで、コンデンサレンズ２６、ピンホール２７、及びコリメーションレンズ２８によって、直径数センチメートルの平行ビームＢ２に整形され、このビームＢ２がサンプルステージ３４上のスライドガラスに照射される。この際、ビームＢ２の一部は直接フォトレジストに達するが、残りのビームはアルミミラー３１に反射してからスライドグラス上のフォトレジストに達する。この双方のビームによって二光束干渉が起こり、それによって生じた明暗の縞（ストライプパターン）が、フォトレジスト膜に記録される。
【００４１】
図７は、モアレグレーティングの製造装置を示し、図６における回転ステージ３０と同等の回転ステージＡ（第１の回転ステージ）５０の制御図を示すものである。回転ステージＡ５０は、その下部に回転を制御するモータ５１を備え、その上部に、モータ５１の回転軸に直交する平面からなる支持面（第１支持面）５０ａを備えており、支持面５０ａ上には、少なくともその一面側を反射面５３ａとするミラー（反射手段）５３と、モータ５４を備える回転ステージＢ（第２の回転ステージ）５５とが配置されている。回転ステージＢ５５には、モータ５４の回転軸に直交する平面からなる支持面５２ａ（第２支持面）を有するサンプルステージ５２が設けられており、フォトレジストをコーティングしたスライドガラスは、サンプルステージ５２の支持面５２ａ上に配置されるものである。また、ミラー５３とサンプルステージ５２とは、それぞれ回転ステージＡ５０の支持面５０ａに対して垂直に配置されるとともに、その支持面５２ａと反射面５３ａとは、互いに直角をなして対向している。そして、回転ステージＡ５０と回転ステージＢ５５の回転を制御する制御回路（制御手段）５６は、例えばマイクロプロセッサであり、ドライバー５７、５８を介してモータ５１、５４をそれぞれ独立に制御している。
【００４２】
なお、サンプルステージ５２は、回転ステージＢ５５の回転軸回りに必要な角度だけ回転可能なように、回転ステージＡ５０の支持面５０ａに対して、紙面上方向に間隙を有するように配置されているものである。また、サンプルステージ５２は、図８に示すように、円板状の回転ステージＢ５５と一体の円板状に形成するか、あるいは、回転ステージＢ５５とは別体に設けた円板状のサンプルステージを、回転ステージＢ５５と同軸に配置することによって、自由に回転できるようにしてもよい。
【００４３】
この製造装置により、角度αを持たせて、二光束干渉露光を２回行う。図９を参照して概略の説明をすると、以下のとおりである。図９では、図７におけるミラー５３とサンプルステージ５２のみを示している。（Ａ）は、サンプルステージ５２を、基準位置での上方向（図９（Ｃ）に矢印で示す基準方向）に対して、ビーム角度（−α／２）傾けて、スライドガラスに第１回目の露光を行った状態を示している。第２回目の露光は、モータ５４を駆動して、サンプルステージ５２を基準方向に対して（＋α／２）傾けて行う（（Ｂ））。このような２回の露光により、スライドガラス上のフォトレジストには、（Ｃ）に示すように、１回目と２回目の露光による干渉縞の明暗が重なって記録され、その重なりによりモアレ縞が生じる。この場合、モアレ縞の周期方向は、基準方向に対して平行である。
【００４４】
サンプルステージ５２に設置されたフォトレジストがコーティングされたガラスに、レーザ光を照射するための手順を、図１０に基づき、以下に説明する。
図１０において、ステップＳ１において、ドライバー５７によりモータ５１を回転して回転ステージ５０を駆動し、予め決められたレーザー光照射位置に回転ステージＡ５０が回転したかをみる（ステップＳ２）。Ｎｏであれば、さらにレーザー光照射位置に達するまで回転させる。Ｙｅｓであればステップ３に進み、回転ステージＡ５０を停止させる。次に、回転ステージＢ５５をドライバー５８により回転させ（ステップ４）、第１のレーザー光照射位置（例えば、基準方向に対して角度−α／２だけ傾いた位置）に達したか否かをみる。達していなければ、さらに回転させる。達していれば、回転ステージＢ５５を停止させ（ステップ６）、第１回目のレーザー光を照射し、二光束干渉の干渉縞の明暗に対応する第１のストライプパターンをフォトレジスト上に記録する（ステップＳ７）。
【００４５】
次に、回転ステージＢ５５を再度回転させ、第２回目のレーザー照射位置（例えば、基準方向に対して角度＋α／２傾いた位置）に達したか否かをみる。達していなければ、さらに回転させる。達していれば、回転ステージＢ５５を停止させ（ステップ１０）、第２回目のレーザー光を照射し、二光束干渉の干渉縞による第２のストライプパターンをフォトレジスト上に記録する（ステップＳ１１）。このようにして得たガラスを、リンス処理を行うことによって物理的なグレーティングが形成される。
レーザー素子を量産するときには、グレーティングにレーザー媒質をコーティングした後に、５ｍｍ角程度に切り出すことになるが、本発明によれば、一度に面積の大きなグレーティングが作製でき、多数のレーザー素子を同時に作製できるため、レーザー素子を低コストに生産することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の一実施形態における固体化色素レーザー素子と固体化色素レーザー装置の要部構成を示す説明図である。
【図２】一般的なモアレ縞の構成を示す説明図である。
【図３】モアレ縞の周期を算出するために、その基本ユニットを示す図である。
【図４】フォトレジスト表面に作製したモアレグレーティングのＳＥＭ像である。
【図５】本発明の一実施形態における固体化色素ＤＦＢレーザー装置により得られた、狭帯域化されたレーザー発振スペクトルの例を示す図である。
【図６】本発明の二光束露光システムの概要を示す図である。
【図７】本発明のモアレグレーテイングの製造装置の要部を示す図である。
【図８】本発明のグレーティングの製造装置における回転ステージ、ミラー、及びサンプルステージの好ましい一態様を示す拡大図である。
【図９】本発明に基づいて、２回露光によりモアレ縞を得る工程の概略を示す説明図である。
【図１０】本発明により、フォトレジストがコーティングされたガラスに、レーザ光を照射するための手順を示すフロー図である。
【図１１】基板上にモアレグレーテイングを形成したＤＦＢレーザーを得る工程を説明する図である。
【図１２】ミラーと基板に照射されるレーザー光の入射角θの大きさと、作製されるグレーティングの面積との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００４７】
２１：Ｈｅ−Ｃｄレーザー（レーザー光源）、２３〜２８：ビームの導光及び整形用の光学系、５０：回転ステージＡ（第１の回転ステージ）、５０ａ：支持面（第１支持面）、５２：サンプルステージ、５２ａ：支持面（第２支持面）、５３：ミラー（反射手段）、５３ａ：反射面、５５：回転ステージＢ（第２の回転ステージ）、５６：制御回路（制御手段）、１１０：固体化色素ＤＦＢレーザー素子、１１２：第１のグレーティング、１１３：第２のグレーティング、１１４：レーザー媒質、１１５：モアレグレーティング（第３のグレーティング）、１２０：Ｎｄ：ＹＡＧレーザー光源（励起手段）、
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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４】
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【図１２】
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