(57)【要約】 【課題】  透過型回折格子は特定の波長域においては、低い偏光依存損失と高効率とを両立できるが、両立できる帯域は広くなかった。また波長λの光とλ／ｍ（ｍは２以上の自然数）の光は同じ回折角度になる回折次数mの回折光が生じ、これによって帯域が制限される。広い波長域で高い回折効率を有し、かつ偏光依存損失が低くて回折光のエネルギーの波長依存性が小さい分光光学素子を提供する。【解決手段】  本発明においては、所定の入射角で入射する入射光の波長に依存して所定の方向に出射する分光光学素子を対象とする。本発明の分光光学素子１０は、透過型回折光学素子２０と、その回折光出射面に対向してこの回折光が入射するように固定配置された光学位相制御素子３０とからなる。そしてこの光学位相制御素子は、回折光の回折角が波長によって変化するのに伴って、光学位相制御素子を透過する光に対する光学長が変化するように構成する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の入射角で入射する入射光に対して、その波長に依存して所定の方向に出射光を出射する分光光学素子において、透過型回折光学素子と、その回折光出射面に対向して該回折光が入射するように固定配置された光学位相制御素子とを備え、前記透過型回折光学素子による回折光の回折角が波長によって変化するのに伴って、入射する光に及ぼす前記光学位相制御素子の光学作用が変化することを特徴とする分光光学素子。
【請求項２】
前記光学作用によって前記光学位相制御素子中における光強度減衰量、位相変化量又は反射量のうち、少なくともいずれか１つが変化することを特徴とする請求項１に記載の分光光学素子。
【請求項３】
前記透過型回折光学素子と前記光学位相制御素子とが直接積層されていることを特徴とする請求項１または２に記載の分光光学素子。
【請求項４】
少なくとも２つの異なる波長成分を含む前記入射光に対して、前記透過型回折光学素子における所定波長に対する回折効率と、該透過型回折光学素子によって回折された同波長の入射光に対する光学位相制御素子による光強度の減衰量との積が、少なくとも２つの異なる波長において一定であることを特徴とする請求項１、２、または３に記載の分光光学素子。
【請求項５】
少なくとも２つの異なる波長成分を含む前記入射光に対して、前記透過型回折光学素子における所定波長に対する回折効率と、該透過型回折光学素子によって回折された同波長の入射光に対する前記光学位相制御素子による反射量との積が、少なくとも２つの異なる波長において一定であることを特徴とする請求項１、２、または３に記載の分光光学素子。
【請求項６】
前記光学位相制御素子は、前記透過型回折光学素子によって回折された少なくとも任意の直交する２つの偏光の位相変化量に対して、値が等しく符号が反対の位相変化量を与えることを特徴とする請求項１、２または３に記載の分光光学素子。
【請求項７】
前記透過型回折光学素子による第１の波長のｎ次回折光（ｎは絶対値が１以上の整数）と、第１の波長よりも短い第２の波長のｍ次回折光（ｍは絶対値が２以上の整数）との回折角が等しく、前記光学位相制御素子に対して入射する光が同一方向から入射する場合において、第１の波長の光は通過させ、第２の波長の光を反射させることを特徴とする請求項１、２または３に記載の分光光学素子。
【請求項８】
前記光学位相制御素子は、第１の波長に対しては、その波長の１／２以下の周期を有する周期構造を備え、かつ第１の波長よりも短い第２の波長に対しては、その波長の１／２以上の周期を有する周期構造を備えることを特徴とする請求項１、２または３に記載の分光光学素子。
【請求項９】
前記透過型回折光学素子は、屈折率の異なる２以上の材料を組合せて構成し、各材料が占める体積の割合によって該透過型回折光学素子の見かけの屈折率を所望の値に一致させたことを特徴とする請求項１、２または３に記載の分光光学素子。
【請求項１０】
前記光学位相制御素子は、光学多層膜であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の分光光学素子。
【請求項１１】
前記光学位相制御素子は、使用波長域において透明な材料からなるラミナー型周期構造体であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の分光光学素子。
【請求項１２】
前記透過型回折光学素子は使用波長域において透明な材料からなる周期的凹凸構造を有する素子であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の分光光学素子。
【請求項１３】
前記光学位相制御素子から出射する光を集光するレンズを備えたことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載の分光光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は分光分析機器や複数の波長を使用する光学機器において使用される分光光学素子に関し、とくに透過型回折光学素子を用いた分光光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
回折格子に代表される回折光学素子は、分光分析機器において光スペクトルの解析のために広く利用されている。分光分析においては広帯域に渡ってエネルギー利用効率の高いことが要求される。広帯域で高い回折効率を得るには、反射型回折格子が適している。また、反射型回折格子は、波長に対する回折角度の変化割合、すなわち波長角度分散特性が良好であるため、分光分析機器に広く用いられている。
【０００３】
しかし、回折格子の格子間隔が波長程度の反射型回折格子は、波長分散が大きく、ＴＭモードに対しては広帯域かつ高効率だが、ＴＥモードに対しては、効率が低くかつ波長損失特性が安定しない問題があった。このような回折格子は、共鳴領域で動作するため複雑な波長損失特性を示し、広帯域に渡って安定した動作を実現できない。
【０００４】
これに対して、格子間隔が波長の１０倍以上ある回折格子は、高次の回折光を使用し、いわゆるリトロー配置もしくはそれに近い配置で使用することにより、高波長分散で高効率を実現でき、かつ偏光依存損失（ＰＤＬ）を低く抑えられる（例えば、非特許文献１参照）。しかし使用可能な帯域は、フリースペクトルレンジによって制約され、一般的には１００ｎｍ以下であった。このような回折格子では、多くの次数の回折光も生じるため、波長と入出射角度と格子定数の関係から、不要な次数の回折光が所定の出射角度に入ってくる。このため使用可能な帯域が制限される。
【０００５】
一方、目的によっては透過型回折格子も広く用いられている。透過型回折格子は特定波長域において、ＰＤＬが低く、かつ高い回折効率を実現するのに適している。
【非特許文献１】久保田広著、「波動光学」、岩波書店、１９７１年、第１０章
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、透過型回折格子は特定の波長域においては、低ＰＤＬと高回折効率とを両立できるが、両立できる帯域は広くなかった。また波長λの光とλ／ｍ（ｍは２以上の自然数）の光は同じ回折角度になる回折次数mの回折光が生じ、これによって帯域が制限されていた。
【０００７】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、広い波長域で高い回折効率を有し、かつＰＤＬが低くて回折光のエネルギーの波長依存性が小さい分光光学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】
本発明においては、所定の入射角で入射する入射光に対して、その波長に依存して所定の方向に出射光を出射する分光光学素子を対象とし、上記の問題点を解決するために次の手段を用いた。
【０００９】
本発明の分光光学素子は、透過型回折光学素子と、その回折光出射面に対向してこの回折光が入射するように固定配置された光学位相制御素子とを備える。そしてこの透過型回折光学素子による回折光の回折角が波長によって変化するのに伴って、入射する光に及ぼす光学位相制御素子の光学作用が変化するように構成する。
【００１０】
この光学作用によって、光学位相制御素子中における光強度減衰量、位相変化量又は光反射量のうち、少なくともいずれか１つが変化するようにする。
【００１１】
透過型回折光学素子で回折される光は波長ごとに異なる回折角を有する。したがって回折光出射面に配置した光学位相制御素子への入射角が波長によって変化するように構成することができる。このような構成では、光学位相制御素子中を通過する光はその入射角に応じて光学長が変化するため、光強度減衰量や位相変化量などの物理量が変化を受ける。また光学位相制御素子による反射量も変化を受ける。このため、本発明の分光光学素子には、波長ごとに所定の波長特性を付与することができる。
【００１２】
上記透過型回折光学素子と光学位相制御素子とは直接積層されていることが望ましい。２つの光学素子を直接積層し一体化することにより、透過型回折光学素子と光学位相制御素子の位置関係が固定し、調整を不要とすることができる。
【００１３】
上記のような構成の分光光学素子において、少なくとも２つの異なる波長成分を含む入射光に対して、透過型回折光学素子における所定波長に対する回折効率と、透過型回折光学素子によって回折された同波長の入射光に対する光学位相制御素子による光強度の減衰量との積が、少なくとも２つの異なる波長において一定であるように構成する。
これにより、広い波長域にわたって回折光強度の波長依存性を補償することができ、均一な出射エネルギーを取り出すことができる。
【００１４】
また、上記のような構成の分光光学素子において、少なくとも２つの異なる波長成分を含む入射光に対して、透過型回折光学素子における所定波長に対する回折効率と、透過型回折光学素子によって回折された同波長の入射光に対する光学位相制御素子による反射量との積が、少なくとも２つの異なる波長において一定であるように構成する。
この手段によっても、回折光強度の波長依存性を補償することができる。これにより、広い波長域にわたって均一な出射エネルギーを取り出すとともに、偏光依存性の小さな分光光学素子を提供できる。
【００１５】
また、本発明の光学位相制御素子を、透過型回折光学素子によって回折された少なくとも任意の直交する２つの偏光の位相変化量に対して、値が等しく符号が反対の位相変化量を与えるように構成する。
例えば、各波長λに対して透過型回折光学素子による偏波モード分散を補償するような位相制御量をもつように光学位相制御素子を構成すれば、広い波長域に渡って偏波モード分散の小さい出射光を取り出すことができる。
【００１６】
また、透過型回折光学素子による第１の波長のｎ次回折光（ｎは絶対値が１以上の整数）と第２の波長のｍ次回折光（ｍは絶対値が２以上の整数）との回折角が等しく、光学位相制御素子に対する入射光が同一方向から入射する場合において、光学位相制御素子を第１の波長の光は通過させ、第２の波長の光を反射させるように構成する。
第１の波長が第２の波長のｍ／ｎ（＞０）倍であるとき、第１の波長のｎ次回折光と第２の波長のｍ次回折光とは回折角が一致するが、本発明の構成によれば、波長による弁別が可能となり、分光光学素子としての使用可能波長域を大幅に広くとることができる。
【００１７】
また、光学位相制御素子が、第１の波長に対しては、波長の１／２以下であり、かつ第１の波長より短い第２の波長に対しては、波長の１／２以上である周期をもった周期構造を有するように構成する。
このような構成により、長波長域の回折光は回折されずに直進して出射し、短波長域の回折光は、光学位相制御素子で回折して別の方向に出射できる。これによって、１つの分光光学素子を２つの波長域用として同時使用することができる。
【００１８】
以上の透過型回折光学素子は屈折率の異なる２以上の材料を組合せて構成するのが望ましい。とくに各材料が占める体積の割合によって透過型回折光学素子の見かけの屈折率を所望の値に一致させることが望ましい。
このように構成することにより、透過型回折光学素子の屈折率を単一材料では得ることの難しい最適値に制御することができ、広帯域で回折効率の大きな、設計に即した回折光学素子を実現できる。
【００１９】
光学位相制御素子は、光学多層膜または使用波長域において透明な材料からなるラミナー型周期構造体で構成することが望ましい。光学多層膜またはラミナー型周期構造体は透過型回折格子と直接積層できる。
【００２０】
透過型回折光学素子は使用波長域において透明な材料からなる周期的凹凸構造を有する回折格子とすることが望ましい。
【００２１】
また光学位相制御素子から出射する光を集光するレンズを備えることが望ましい。
マイクロレンズ上に透過型回折格子と光学位相制御素子とを実装することにより、光学系を小型に集積化できるので、信頼性を高めることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の構成により、広い波長域で高い回折効率を有し、かつＰＤＬが低くて回折光のエネルギーがＴＥ、ＴＭモードに対してのバランスよく配分される分光光学素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明の分光光学素子の実施形態について、その基本構成を製造工程に沿って説明する。
まず、平板状ガラス基板の一方の表面に光学位相制御素子を形成する。光学位相制御素子としては、光学多層膜を用いた。光学多層膜は、単位となる光学膜の材質によって決まる屈折率と、その膜厚の組み合わせを設計することにより、所望の波長特性、位相制御特性を得ることができる。所定の設計に基づいて膜構成を定め、光学モニタを有する蒸着装置で設計された膜構成を得るための成膜を行った。
【００２４】
ついでこの光学位相制御素子に積層して、透過型回折光学素子を作製する。
透過型回折光学素子は、ブレーズ型とラミナー型とを作製した。
【００２５】
ブレーズ型の場合、上記多層膜の表面に積層して透明材料からなる周期的凹凸構造を形成する。本実施形態ではゾルゲル材料の成形により周期的凹凸構造を形成した。具体的な方法を以下に説明する。
【００２６】
テトラエトキシシランと酸水溶液を主成分とするゾル液にポリエチレングリコールを加えた成形剤溶液をガラス基板に塗布し、このガラス基板を成形型と対向するように真空プレス装置に取り付ける。成形型表面には予め離型材を成膜しておく。プレス装置内を真空にし、基板上のゲル膜が柔らかい状態で、成形型を押し当てる。その状態で６０℃に保持し、ゲル膜を硬化させる。プレス機内を大気に戻した後、成形型をゲル膜から離型した。ゲル膜表面には成形型の溝が転写された周期的凹凸構造が形成されている。これを３５０℃で熱処理し、透過型回折格子を得た。
【００２７】
また、ラミナー型の場合、所定の設計に基づいて透明膜を形成した後、その表面にエッチング時のマスクになるＣｒ膜をスパッタで成膜する。フォトリソグラフィとエッチングによってこのＣｒ膜をパターニングし、エッチングマスクを作製する。このマスクを介してＩＣＰ−ＲＩＥ装置を用いて、ドライエッチングを行って透明膜に平行な溝を形成し、所定の構造を作製した。エッチングガスには、アルミナの場合Ｃ3Ｆ8ガスを、石英と酸化タンタルの多層膜の場合ＣＦ4ガスをそれぞれ用いた。
ラミナー型の周期構造体は複数積層することができる。最初の周期構造体を作製した後、その表面に再度透明膜を形成する。この透明膜を同様に加工することにより、ラミナー型周期構造体を積層した構造を作成することができる。
【００２８】
本発明の分光光学素子１０の典型的な形態は図１に示す通り、透過型回折光学素子２０と光学位相制御素子３０がガラス基板５０の一方の面に積層された構造を有する。ここで基板５０の表面に垂直な方向にＺ軸をとり、基板５０に平行に互いに直交するＸ、Ｙ軸をとって回折光学素子２０の周期方向をＹ軸方向とした。
【００２９】
図２はこの分光光学素子のＹＺ面に平行な断面を示している。分光光学素子１０に透過型回折光学素子２０の存在する側の面から入射光４０を入射すると、その周期構造によって入射光は波長ごとに所定の回折角度に回折されて回折光４２として光学位相制御素子３０に入射する。
【００３０】
光学位相制御素子は、波長ごとに入射角が変化すれば、素子中を通過する光学長が変化するため、光強度減衰量と位相制御量は波長によって異なる。また入射角が変化すれば反射量も変化する。例えば入射光４０に波長成分λaとλbが含まれるとき、図３に示すようにλaとλbでその回折角が異なるため、光学位相制御素子３０の反射率Ｒ（λa)とＲ（λb)は一般に異なる。また光学位相制御素子３０中の光路長Ｌは波長λaの光の場合のＬ＝Ｌaと波長λbの場合のＬ＝Ｌbとは一般に異なる。
【００３１】
一方、光学位相制御素子の平均屈折率ｎは波長に依存するので一般にｎ（λa）とｎ（λb）は異なる。ただしその差異の程度は光学位相制御素子を構成する材料および素子の構造によって異なる。すなわち光学位相制御素子を通過する光が受ける減衰量と位相制御量は光学長ｎＬに依存する。この場合、ｎ、Ｌとも波長に依存して変化するため、入射光が光学位相制御素子中で受ける減衰量と位相制御量は一般に波長ごとに異なる。
【００３２】
［実施例1］
以下、本発明の第１の実施例を説明する。
波長多重光通信では、複数の波長の信号光が用いられ、例えば１００ｎｍ以上の広い波長域を含む場合もある。透過型回折格子は広い波長域で使用すると、通常波長に応じて、回折効率が変化する。すなわち、このような透過型回折光学素子を複数の波長を含む光が透過すると、その回折光のエネルギーは波長によって変化する。したがって回折光全体の強度が波長によって変動を受けることになる。
【００３３】
本実施例の光学位相制御素子は、図３に示すように基板５０上に積層された光学多層膜３２である。この光学多層膜３２は波長による回折格子２２の回折効率の変動を補償するように設計する。この場合、回折角が波長によって異なるため、図３に示すように回折光の光学多層膜３２中における光学長も波長によって異なる。
【００３４】
そこで、例えば２つの波長における回折効率と光学多層膜による光強度の減衰量の積が一定になるように光学多層膜３２を設計することにより、回折光強度の波長依存性を補償することができる。これにより、広い波長域にわたって均一な出射エネルギーを取り出すことができる分光光学素子を得ることができる。この構成は分光された光を受光して処理する場合など、均一な強度で受光することが望ましい場合に適している。
【００３５】
本実施例の分光光学素子は図４に示すように、光学位相制御素子である光学多層膜３２上に透過型回折光学素子であるラミナー型透過回折格子２２を積層した構造を有する。ラミナー型透過回折格子２２は図１に示したブレーズ型回折格子と異なり、基板上に矩形状の凸部（リッジ部）２４が周期的に配列されて格子を形成している。
【００３６】
本実施例のラミナー型透過回折格子は、屈折率１．６のＡｌ2Ｏ3層に溝加工を施して形成され、格子間隔（ピッチ）１４２７ｎｍ、格子の溝深さ２４００ｎｍとし、格子のリッジ部２４の幅を７９９ｎｍとした。この回折格子は、入射角２７．５゜のＴＭモード入射光に対して、波長λ＝１３５０ｎｍにおける一次回折光の回折効率は８８％、λ＝１５００ｎｍにおける一次回折光の回折効率は９２％であり、この２波長における回折効率に４％の変化がある。
【００３７】
一方、それぞれの波長における回折角度はλ＝１３５０ｎｍにおいて１７．６゜、λ＝１５００ｎｍにおいて２１．６゜となるため、0゜入射時に対応する基板の垂直方向の膜厚をＴとすれば、それぞれの波長における実効膜厚は、λ＝１３５０ｎｍにおいて１．０４９Ｔ、λ＝１５００ｎｍにおいて１．０７５Ｔとなる。これらの実効膜厚を考慮して、本実施例の光学多層膜３２は、１．２４λＬ／０．２２λＨ／０．７３λＬ／１．０４1λＨ／ＩＴＯ膜８０ｎｍ／１．０４λＨ／０．７３λＬ／０．２２λＨ／１．２４λＬとなる9層構成とした。ここで、Ｈは高屈折率材料Ｔａ2Ｏ5、Ｌは低屈折率材料ＳｉＯ2をそれぞれ表す。また波長λは１５００ｎｍとした。
【００３８】
両波長における吸収係数は光路長差を加味して、λ＝１３５０ｎｍにおいて１４．９％、λ＝１５００ｎｍにおいて１８．２％となるので、本実施例による分光光学素子では、λ＝１３５０ｎｍにおける一次回折光の回折効率は７４．９％、λ＝１５００ｎｍにおける一次回折光の回折効率は７５．３％であり、λ＝１３５０〜１５００ｎｍという広い波長範囲で回折効率の変化が０．４％以下の極めて光学特性の安定した分光光学素子を実現できた。
【００３９】
［実施例２］
実施例１では、光学位相制御素子における光強度の減衰量を光学多層膜の吸収によって実現したが、本実施例では、２つの偏波モード、すなわちＴＥモードとＴＭモードの両方に対して広い波長範囲で光学特性を安定させることを目的とする。このため、光学多層膜の反射と透過のエネルギーを波長ごとに設計し、回折光強度の波長依存性を補償するようにする。これにより、広い波長域にわたって均一な出射エネルギーを取り出すとともに、偏光依存性の小さな回折光学素子を得ることができる。この構成は、偏光光学系において広帯域で安定した分光特性が必要な場合に好ましい。
【００４０】
本実施例の分光光学素子は実施例１同様に光学位相制御素子である光学多層膜３２上に透過型回折光学素子であるラミナー型透過回折格子２２を積層した構造を有する（図４参照）。本実施例のラミナー型透過回折格子は、屈折率１．４６のＳｉＯ2層を加工して形成され、格子間隔（ピッチ）、２５００ｎｍ、格子の溝深さ５１００ｎｍ、格子のリッジ部２４の幅１２５０ｎｍとした。
【００４１】
このラミナー型回折格子は、０゜（垂直）入射のＴＥモード入射光に対して、λ＝１５００ｎｍにおける１次回折光の回折効率が４２%、λ＝１８００ｎｍにおける一次回折光の回折効率が３９％、0゜入射のＴＭモード入射光に対して、λ＝１５００ｎｍにおける１次回折光の回折効率が３４％、λ＝１８００ｎｍにおける一次回折光の回折効率が２６％である。またＰＤＬはλ＝１５００〜１８００ｎｍに対して、０．９〜１．８ｄＢである。
【００４２】
一方、本実施例では回折効率と光学多層膜による反射量の光強度の積がＴＥモードとＴＭモードで一定かつ等しくなるように、光学膜に屈折率３．５７、膜厚５０ｎｍのＳｉ膜を用い、各波長毎に変化する回折角度に応じてＴＥ、ＴＭモードの反射率を制御した。その結果、λ＝１５００ｎｍにおけるＴＥモード１次回折光の回折効率は２７％、λ＝１６００ｎｍにおけるＴＥモード一次回折光の回折効率は２４％、λ＝１５００ｎｍにおけるＴＭモード１次回折光の回折効率は２７％、λ＝１８００ｎｍにおけるＴＭモード一次回折光の回折効率は２２％となった。また、ＰＤＬはλ＝１５００〜１６００ｎｍに対して、０〜０．４ｄＢであり、回折効率およびＰＤＬの変化が極めて小さい光学特性の安定した分光光学素子を実現できた。
【００４３】
［実施例３］
本実施例においては、回折光学素子を通過する際に発生するＴＥ、ＴＭモードの位相変化量の差を補正し、偏波モード間のモード分散を補償するように光学位相制御素子を設計する。位相変化量は、回折格子を構成する材料の屈折率とリッジの幅によって変化するが、回折格子の周期構造によって各偏光が感受する等価的な誘電率が異なるため、位相変化量は異なる。
【００４４】
例えば、実施例１のラミナー型透過回折格子は、回折格子の溝に平行な偏光、すなわちＴＥモードに対する等価屈折率が１．３７、溝に垂直な偏光、すなわちＴＭモードに対する等価屈折率が１．２３であるため、両者の等価屈折率差は０．１４であり、溝深さ２４００ｎｍの回折格子層を伝搬する場合に発生する両モードの位相差は、回折角度を考慮すると、λ＝１３５０ｎｍの場合、０．２６λ、λ＝１５００ｎｍの場合、０．２４λとなる。
【００４５】
本実施例の光学位相制御素子としては、回折格子層の等価屈折率差と符号が反対で値が等しく、使用波長に対して±１次の回折光がカットオフになる周期構造を使用する。本実施例では図５に示すように、回折格子２２を構成するY方向の周期構造と直交し、基板５０の表面に平行なＸ方向の周期構造体３６を用いる。回折格子２２と周期構造体３６はリッジ部の屈折率が等しくなるようにし（同一材料で構成するのが望ましい）、かつリッジ部と空隙部（溝部）の幅の比率が等しくなるように構造を設定する。ただし使用波長に対して±１次の回折光をカットオフするため、周期構造体３６の溝周期は回折格子２２に比べて小さくし、使用波長の１／２以下とする。以上の構造の分光光学素子では回折格子部で発生した偏波モード間の分散を補償できる。
【００４６】
具体的には、基板５０表面にラミナー型透過回折格子と同様の構造のラミナー型周期構造体３６を光学位相制御素子として形成する。この周期構造体３６の上に実施例１と同様の回折格子２２を積層形成する。回折格子２２と周期構造体３６の構造は上記の関係を満たす条件で、周期の方向が直交するように形成する。この構成により波長１３５０〜１５００ｎｍという広い波長範囲で、偏波モード間の位相差が０．０１λ以下の極めて偏波モード分散の少ない分光光学素子を実現できた。
【００４７】
［実施例４］
本実施例では光学位相制御素子の透過光だけでなく反射光も利用する。
透過型回折格子は入射光に波長λaの第１の波長成分とその１／｜ｍ｜の波長λb（＝λa／｜ｍ｜、ｍは絶対値が２以上の整数）の第２の波長成分が含まれていると、λaの０次回折光とλbのｍ次回折光が、等しい回折角で生じる性質があるので、使用できる波長範囲（いわゆるフリースペクトルレンジ）が制限される。一般的に言えば、第１の波長のｎ次回折光（ｎは絶対値が１以上の整数）と第２の波長のｍ次回折光は、第１の波長が第２の波長のｍ／ｎ倍であるとき、回折角が等しくなる。ただし、ｍとｎの符合は等しく、ｍ／ｎ＞０とする。
【００４８】
そこで本実施例の光学位相制御素子は、図６に示すように０次回折光４４の波長λaは通過させ、同じ回折角で入射する波長λb（＝λa／｜ｍ｜）のｍ次回折光４６を反射させるように設計する。
【００４９】
本実施例では、図４に示した光学多層膜３４上にラミナー型透過回折格子２２を積層した構成を用いた。格子間隔１４２７ｎｍのラミナー型透過回折格子は、λ＝１３５０〜１５００ｎｍの波長範囲の１次回折光が１７．６〜２１．６゜に回折されると同時に、λ＝６７５〜７５０ｎｍの波長範囲の２次回折光も同じ角度範囲に回折される。したがって、カットオン波長８００ｎｍの長波長透過フィルタ型に設計した光学多層膜３４上に、実施例１同様のラミナー型透過回折格子２２を構成することで、λ＝６７５〜７５０ｎｍの波長範囲の２次回折光の光量を４０ｄＢ以上抑圧することができ、実用的には８５０〜１６００ｎｍの波長範囲で分光光学系を構成可能な分光光学素子を実現できた。
【００５０】
この構成では、等しい回折角で回折格子２２から出射される高次回折光の透過を抑制できるため、分光光学素子としての使用可能波長域を大幅に広くとることができる。例えば、可視光から近赤外光にかけての波長範囲で分光用途で使用する場合に適する。
【００５１】
また透過型回折格子の１次回折光が最大になるように設計し、もともと高調波光が十分に小さい場合でも、高調波光の透過を抑制することができるため、出射光の波長のＳ／Ｎ比を向上することができ、純度の高い波長の光を取り出すことができる。この場合は、とくに可視から近赤外にかけて光源用途で使用する場合に適する。
【００５２】
また本実施例の共振器構造の代わりに、０次光も一部反射して入射角と同じ正反射の光路に戻すこともできる。これによって、アド・ドロップ機能をもつ透過型回折光学素子が実現できる。
【００５３】
［実施例５］
本実施例においては光学位相制御素子は、長波長域に対しては、波長の１／２以下の周期をもつ周期構造となり、短波長域に対しては、波長の１／２以上の周期をもつ周期構造となるように設計する。
【００５４】
この場合、図７に示すように長波長域の回折光４４は回折されずに直進して出射し、短波長域の回折光４５は、光学位相制御素子である周期構造体３８で回折され別の方向に出射される。これによって、２つの波長域用の分光光学素子として同時使用することができる。したがって２つの分光光学素子を切り替えることなく、静止固定した状態で広帯域の安定した光学評価が可能になる。本実施例の構成はとくに可視光から近赤外光にかけての波長範囲での分光用途で使用する場合に適する。
【００５５】
本実施例では、透過型回折格子としては実施例１と同様なラミナー型透過回折格子２２を用い、光学位相制御素子として図８に示すような回折格子２２と同じＹ方向に周期をもつラミナー型周期構造体３８を用いた。基板５０上に屈折率１．６、周期１１１３．５ｎｍのラミナー型周期構造体３８を作製して光学位相制御素子とし、その上に実施例１同様のラミナー型透過回折格子２２を周期の方向を合わせて配置して分光光学素子を作製した。
【００５６】
この分光光学素子に入射角−２７．５゜で波長４００〜１５００ｎｍの光を入射すると、波長１３５０〜１５００ｎｍの光は、回折格子２２で回折された後、周期構造体３８をそのまま通過し、１７．６〜２１．６゜の範囲に分光することができた。一方、波長４００〜７００ｎｍの光は、回折格子２２で回折された後、光学位相制御素子の周期構造体３８で再度回折され、−２４．９〜−３７゜の範囲に分光することができ、可視〜赤外の広範囲の分光光学素子を実現することができた。
【００５７】
また、本実施例では、透過型回折格子の周期構造と光学位相制御素子の周期構造とを平行に配置したが、両者を平行からオフセットすることによって、回折、分散する方向を変えることができる。
【００５８】
［実施例６］
以上の実施例１〜４は、光学位相制御素子の設計によって所望の機能を得る手段である。これに対して本実施例では透過型回折格子によって所望の機能を得る手段を説明する。
【００５９】
この手段として透過型回折格子を複数の屈折率の異なる材料を組合せて構成する。その際、透過型回折格子を構成する各材料の屈折率と体積との積をそれぞれ求め、それらの平均値を透過型回折格子の全体積で割った値を、所定の使用波長での設計屈折率となるように材料と構造を選定する。すなわち、各材料が占める体積の割合を調節することによって、透過型回折格子の見かけの屈折率を所望の値（設計屈折率）に一致させる。これにより、単一材料では得ることが難しい最適な屈折率の透過型回折格子構造を実現でき、設計に即した広帯域で回折効率の大きい分光光学素子を得ることができる。
【００６０】
本実施例では、図９のように光学位相制御素子３０上に、屈折率１．４６のＳｉＯ2を膜厚３０ｎｍ、屈折率２．１のＴａ2Ｏ5を膜厚１０ｎｍ、交互に６０ペアからなる多層膜２８を成膜した。この表面にストライプ状Ｃｒマスクを設け、ＣＦ4ガスによる気相エッチングにより溝を周期的に形成した。これにより、格子間隔１４２７ｎｍ、リッジ部２５の幅７９９ｎｍ、平均屈折率１．６２、溝深さ２４００ｎｍのラミナー型透過回折格子２６を作製した。
【００６１】
この光学特性を測定したところ、ＴＭモード回折効率８８％、ＴＥモード回折効率７２％であり、リッジ形状の鈍りと垂直壁の傾き（８６゜）を考慮すると、屈折率１．６で設計した回折格子のＴＭモード回折効率計算値９２％、ＴＥモード回折効率計算値９０％とほぼ同等の性能が得られた。この場合、各層の膜厚は不要な干渉を防ぐため、波長の１／３０以下であることが望ましい。
【００６２】
以上の各実施例では光学位相制御素子として光学多層膜またはラミナー型周期構造体を使用する場合について説明したが、これに限られない。入射角依存性があれば他の光学素子であってもよい。ホログラフィック光学素子、光学結晶、サブ波長光学素子、フォトニック結晶などを用いることができる。
【００６３】
これらが光学多層膜のように透過型回折光学素子上に直接成膜する方法で実装できない場合には、貼り合わせ等の手段によって固定するのが望ましい。また別途、基板を用意し、その基板上に透過型回折光学素子、光学位相制御素子を配置固定してもよい。
【００６４】
本実施例の回折光学素子は、所定の基板上に例えば光の入出力に用いる他の素子とともに実装されていてもよい。例えば図１０に示すように透過型回折光学素子２０と光学位相制御素子３０を積層した分光光学素子を、平板状のレンズアレイ６０などの光学素子とともに実装してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の分光光学素子の基本構成を示す模式図である。
【図２】本発明の分光光学素子の基本動作を示す断面模式図である。
【図３】実施例１の分光光学素子の動作原理を示す図である。
【図４】実施例１、２及び４の分光光学素子を示す模式図である。
【図５】実施例３の分光光学素子を示す模式図である。
【図６】実施例４の分光光学素子の動作原理を示す図である。
【図７】実施例５の分光光学素子の動作原理を示す図である。
【図８】実施例５の分光光学素子を示す模式図である。
【図９】実施例６の分光光学素子を示す断面模式図である。
【図１０】レンズを実装した本発明の分光光学素子を示す断面模式図である。
【符号の説明】
【００６６】
１０  分光光学素子
２０  透過型回折光学素子
２２、２６  ラミナー型透過回折格子
２４、２５  リッジ部
３０  光学位相制御素子
３２、３４  光学多層膜
３６、３８  ラミナー型周期構造体
４０  入射光
４２，４４，４５  回折光
５０  ガラス基板
６０  レンズアレイ
【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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