(57)【要約】【課題】  広いコア断面にわたり２次元方向において位相制御された、伝搬損失の小さい導波モードを形成可能なＸ線導波路を提供する。【解決手段】  Ｘ線を導波させるためのコアと、クラッドと、を備えるＸ線導波路であって、Ｘ線の導波方向に垂直な断面において、前記コアは、３回以上の回転対称性を有し、かつ、屈折率実部が異なる複数の物質よりなる周期構造を有し、前記Ｘ線の前記コアと前記クラッドとの界面におけるＸ線の全反射臨界角は、Ｘ線に対する前記コアの周期構造に対応するブラッグ角よりも大きいことを特徴とするＸ線導波路。【選択図】  図７
2013137308.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ線を導波させるためのコアと、クラッドと、を備えるＸ線導波路であって、
Ｘ線の導波方向に垂直な断面において、前記コアは、３回以上の回転対称性を有し、かつ、屈折率実部が異なる複数の物質よりなる周期構造を有し、
前記Ｘ線の前記コアと前記クラッドとの界面におけるＸ線の全反射臨界角は、Ｘ線に対する前記コアの周期構造に対応するブラッグ角よりも大きいことを特徴とするＸ線導波路。
【請求項２】
前記コアの異なる物質の界面でのＸ線の全反射臨界角は、Ｘ線に対する前記コアの周期構造に対応するブラッグ角よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載のＸ線導波路。
【請求項３】
前記コアは、円対称性を有することを特徴とする請求項１または２に記載のＸ線導波路。
【請求項４】
前記Ｘ線の導波方向に垂直な断面において、前記コアの内側及び外側に前記クラッドが形成されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のＸ線導波路。
【請求項５】
前記Ｘ線の導波方向に垂直な断面において、前記コアの中心部分は、前記コアの周期構造とは異なる一様な物質であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のＸ線導波路。
【請求項６】
前記コアは、周期多層膜よりなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のＸ線導波路。
【請求項７】
前記コアは、メソ構造体であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のＸ線導波路。
【請求項８】
前記コアは、メソポーラス材料よりなることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のＸ線導波路。
【請求項９】
Ｘ線源とＸ線導波路からなるＸ線導波システムであって、
前記Ｘ線源は、Ｘ線を前記Ｘ線導波路に照射し、
前記Ｘ線導波路は、請求項１〜８のいずれかに記載のＸ線導波路であることを特徴とするＸ線導波システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｘ線導波路及びＸ線源とＸ線導波路とを有するＸ線導波システムに関する。本発明のＸ線導波路は、Ｘ線分析技術、Ｘ線撮像技術、Ｘ線露光技術などにおけるＸ線光学系、およびそれに用いられるＸ線光学部品などに用いることが可能である。
【背景技術】
【０００２】
数１０ｎｍ以下の短い波長の電磁波、例えばＸ線、は、異物質間における電磁波に対する屈折率差が非常に小さい。その結果として、例えば、短い波長の電磁波は、異物質間での全反射臨界角が非常に小さい。このような短い電磁波を制御することは、可視帯域などの電磁波を制御することと比較して、容易ではない。従来、Ｘ線等のこのような短い波長の電磁波を制御するために、大型の空間光学系が主流として用いられてきている。大型の空間光学系を構成する主な部品として、異なる屈折率の材料を交互に積層した多層膜反射鏡がある。多層膜反射鏡はビーム整形、スポットサイズ変換、波長選択などの様々な役割を担っている。
【０００３】
主流であるこのような空間光学系に対し、近年、非常に小さな断面のコアに全反射によりＸ線を２次元方向において閉じ込める形態のＸ線導波路（非特許文献１参照）や、Ｘ線を全反射によりチューブ状の導波管に閉じ込める形態のキャピラリを複数束ねたポリキャピラリと称されるＸ線伝搬素子（特許文献１参照）などの研究が行われている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】“Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ａ”，Ｖｏｌｕｍｅ  ９１，Ｎｕｍｂｅｒ  １，ｐ．７（２００８）
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許公報４１３３９２３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、非特許文献１に記載されているＸ線導波路は、全反射だけでＸ線を導波路のコアに閉じ込めるので、導波路断面内で空間的に位相のそろった単一のまたは単一に近い導波モードを形成するためには、コアの断面積を非常に小さくしなくてはならない。逆に、このＸ線導波路のコアの断面積を大きくした場合には、数多くの高次の導波モードが存在してしまい、実際の導波モードとしてはそれらが混在したものとなり、単一の導波モードを形成することは非常に困難である。また、特許文献１に記載されているＸ線伝搬素子は、ポリキャピラリをなす一つ一つのキャピラリのコアの直径は数１０マイクロメートルと非常に大きく、このように大きなコアの中においてＸ線が単一の導波モードを形成することはできない。さらに、これら先行技術では、クラッドとコアの界面における全反射のみによりＸ線を閉じ込めて導波モードを形成するものなので、その界面の作製精度がＸ線の伝搬損失に大きく影響してしまう。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
そこで、本発明は、コアの大きな断面積に渡り空間的に位相のそろった、伝搬損失の小さい導波モードを形成可能なＸ線導波路を提供することを目的とする。
【０００８】
本発明の一形態が提供するＸ線導波路は、Ｘ線を導波させるためのコアと、クラッドと、を備えるＸ線導波路であって、前記コアは、３回以上の回転対称性を有し、かつ、屈折率実部が異なる複数の物質よりなる周期構造を有し、前記Ｘ線の導波方向に垂直な断面において、前記コアと前記クラッドとの界面におけるＸ線の全反射臨界角は、Ｘ線に対する前記コアの周期構造に対応するブラッグ角よりも大きいことを特徴とするＸ線導波路である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、広いコア断面にわたり２次元方向において位相制御された、伝搬損失の小さい導波モードを形成可能なＸ線導波路を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態である３種のＸ線導波路の、導波方向に垂直な面での模式的な断面図である。
【図２】本発明の実施形態である円対称性を有するＸ線導波路のうちの３つの例の、導波路に垂直な面での模式的な断面図である。
【図３】本発明のＸ線導波路の一例における回転対称軸と回転中心軸を含む面での模式的な断面図である。
【図４】本発明のＸ線導波路中の導波モードの波数ベクトルの関係の一例を説明するための模式図である。
【図５】計算結果に基づく、本発明のＸ線導波路の一実施形態における導波モードの有効伝搬角度と損失との関係を表す図である。
【図６】周期共鳴導波モードの電場強度分布の一例を表す図である。
【図７】本発明のＸ線導波路の一例における、導波方向に垂直な面での模式的な断面図である。
【図８】本発明のＸ線導波路の一例における、出射端付近の回転対称軸と回転中心軸を含む面での模式的な断面図である。
【図９】コアの周期構造と異なる部分を内部に有する本発明のＸ線導波路の一例における、導波方向に垂直な面での模式的な断面図である。
【図１０】計算結果に基づく、本発明のＸ線導波路の一実施形態における導波モードの有効伝搬角度と損失との関係を表す図である。
【図１１】本発明のＸ線導波路の一例における形態の出射端付近の回転対象軸を含む面での模式的な断面図である。
【図１２】実施例１のＸ線導波路を表す模式的な斜視図である。
【図１３】計算結果に基づく、実施例１のＸ線導波路における導波モードの有効伝搬角度と損失との関係を表す図である。
【図１４】実施例４のＸ線導波路を表す模式的な斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明を詳細に説明する。
【００１２】
本発明において、Ｘ線とは物質の屈折率実部が１以下となる波長帯域の電磁波である。具体的には、本発明におけるＸ線とは、波長１ｐｍ以上（極端紫外光（ＥＵＶ光）を含む波長１００ｎｍ以下の電磁波を指す。
【００１３】
このような短い波長の電磁波の周波数は非常に高く、物質の最外殻電子が応答できない。そのため、紫外光の波長以上の波長をもつ電磁波（可視光や赤外線）の周波数帯域と異なり、Ｘ線に対しては物質の屈折率の実部が１より小さくなることが知られている。Ｘ線に対する物質の屈折率は複素数で表されるが、その実部を本明細書中では屈折率実部または屈折率の実部と称し、虚部を屈折率虚部または屈折率の虚部と称する。
【００１４】
このようなＸ線に対する物質の屈折率ｎは、屈折率の実部をｎ’とし、ｎ’の１からのずれ量をδとし、吸収に関係する屈折率の虚部をβ’として、下記（１）のように表されるのが一般的である。
【００１５】
【数１】
2013137308.tif 000003
【００１６】
δは物質の電子密度ρｅに比例するため、電子密度の大きい物質ほど屈折率の実部が小さくなることになる。また、屈折率実部ｎ’は、１−δとなる。さらに、ρｅは原子密度ρａと原子番号Ｚに比例する。
【００１７】
上記Ｘ線に対して屈折率実部が最大となる場合は、Ｘ線が真空中を伝搬する場合である。また、地球上の一般的な環境下を想定した場合、気体でないほぼすべての物質と比較すると、空気の屈折率実部が最大となる。なお、本明細書中においては、『物質』という概念は、空気や真空も包含するものとする。本発明において屈折率実部が異なる複数の物質とは、多くの場合電子密度が異なる二種以上の物質である。複数の物質の（一つ）は、空気や真空であってもよい。
【００１８】
本発明のＸ線導波路は、コアとクラッドとの界面における全反射により、Ｘ線をコアの中に閉じ込めて導波モードを形成し、Ｘ線を伝搬させるものである。本明細書中で、コアとクラッドとの界面を、コア−クラッド界面と記載する。
【００１９】
コアは周期構造を有し、導波方向に垂直な面内において３回以上の回転対称性を有する。コアは、コア−クラッド界面に垂直な方向に周期構造を有する。３回以上の回転対称性を有するとは、幾何学的に完全に対照性を有するものだけでなく、Ｘ線の導波特性を害さない程度で幾何学的に完全な対称な状態からずれたものを含むものである。本明細書中で、導波方向とは、Ｘ線導波路内に導波モードを形成してＸ線が伝搬してゆく際の伝搬方向であり、導波モードの伝搬定数が定義される方向に平行な方向となる。本発明においては、多くの場合、導波方向と回転中心軸は一致する。
【００２０】
図１は、本発明のＸ線導波路の３種の実施形態を説明するための図で、Ｘ線の導波方向をｚ方向とした場合の、導波方向に垂直なｘｙ断面を表す模式的な断面図である。方向を示すベクトルは図示していない。
【００２１】
図１（Ａ）の構造は回転対称性の最も高い円対称性をもつＸ線導波路の断面の例である。コアの周期構造は、Ｘ線に対する屈折率の実部の値が異なる複数の物質により構成されているものである。図１（Ａ）に示すように、屈折率実部の異なる複数の物質１０１と１０２が、同心円状に交互に等間隔で形成され、周期構造を形成している。導波方向に垂直な断面において、円の中心を通る無数の回転対称軸は、コア−クラッド界面と垂直に交わり、回転対称軸上で前記複数の物質が回転対称軸の方向に一定の周期で形成されている。
【００２２】
本発明においては、コアの断面形状は、例えば正多角形であっても良い。断面が正六角形のコア、及び断面が正三角形のコアに関して、図１（Ｂ）、（Ｃ）に、それぞれ構造を示す。これらの場合、コアの回転中心を起点とし、回転対称軸は、それぞれ６本、３本ある。これらの回転対称軸上で、複数の物質が回転対称軸の方向に一定の周期で形成されている。本発明においては、図１に示した以外の断面形状のコアであっても、クレームの要件を満たす限りにおいて、本発明に適用可能である。
【００２３】
図２は本発明における円対称性を有する典型的なＸ線導波路の、導波方向に垂直な断面における構成のうち３つの例を示す模式的な断面図である。図中、２０１、２０４、２０５、２０６で示す領域がクラッドである。本発明のＸ線導波路においては、コアは屈折率実部の異なる物質２０２と２０３による周期構造である。図２（Ａ）に示す例は、コアの中心付近に形成したクラッド２０４と、クラッド２０４の周囲に形成されたコアと、そのコアを取り囲むように形成されたクラッド２０５とから構成されている例である。図２（Ａ）では、中心付近のクラッドはコアの内側に位置するので、これをコアの内側のクラッドとする。また、図２（Ｂ）に示す例は、クラッド２０１がコアを取り囲んで形成されている例であるまた、周期共鳴導波モードによるＸ線の選択的低損失伝搬が損なわれない限りにおいて、コアの中心部にコア内にＸ線を閉じ込めるクラッドの働きをしない他の材料が形成されていても良く、例えばコアの中心が空洞になっていても良い。このような場合の例が、図２（Ｃ）に示す例である。図２（Ｃ）に示す例は、図２（Ｂ）に示す例と同様にクラッド２０６がコアを取り囲むように形成されており、コアの中心部にクラッドの働きをしない他の材料２０７を有している例である。
【００２４】
本発明のＸ線導波路は、さらに、コアとクラッドとの界面におけるＸ線の全反射臨界角が、コアの周期構造中のＸ線に対するブラッグ角よりも大きくなるように、構成されていることを特徴とする。
【００２５】
本発明のＸ線導波路のコアは、導波方向に垂直な断面において、回転対称軸上に周期構造を有するので、Ｘ線は周期構造と共鳴しながら導波することができる。導波方向に平行な断面におけるＸ線導波路の最もシンプルな構造例を用いて、本発明のＸ線導波路について説明する。図３に示すように、上部クラッド３０１と下部３０２との間に、屈折率実部が互いに異なる層３０４と層３０５が回転対称軸方向に周期的に積層された構造、すなわち周期構造を有するコア３０３が形成されているものとする。なお、層３０４は層３０５よりも屈折率実部が大きい層である。３０６は、上部のコア−クラッド界面においてＸ線が全反射される様子を、３０７は下部のコア−クラッド界面においてＸ線が全反射される様子を、それぞれ矢印で示したものである。このように全反射臨界角以下でコア−クラッド界面に当たるＸ線は、全反射によりコアの中に閉じ込められる。ここで、本明細書中の、導波方向に平行な断面内におけるＸ線の伝搬角度は、導波方向に平行な方向からの角度とする。
【００２６】
コア−クラッド界面での全反射によりコアに閉じ込められたＸ線はコア内部で導波モードを形成するが、その中でも本発明のＸ線導波路において用いる導波モードは、コアの周期構造の周期性に共鳴する導波モードである。これを周期共鳴導波モードと称することとし、周期共鳴導波モードを形成する条件として、コア−クラッド界面における全反射臨界角がコアの周期構造中のＸ線に対するブラッグ角よりも大きくなるように本発明のＸ線導波路は構成されている。
【００２７】
クラッドとコアの界面におけるクラッド側の物質の屈折率実部をｎｃｌａｄ、コア側の物質の屈折率実部をｎｃｏｒｅとし、ｎｃｌａｄ＜ｎｃｏｒｅとした場合の、全反射臨界角θｃ（°）は、下記の式（２）
【００２８】
【数２】
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【００２９】
で表される。
【００３０】
コアの周期構造の、導波方向に垂直な断面における回転対称軸上における回転対称軸方向の周期をｄ、コアである１次元のコアの周期構造の平均屈折率実部をｎａｖｇとした場合、コアの周期構造の周期性に起因するブラッグ角θＢ（°）が定義することが可能である。なお、平均屈折率実部は、コアを形成する物質それぞれの屈折率実部とその物質の回転対称軸方向の厚さなどから、計算によって求めることも可能である。
【００３１】
【数３】
2013137308.tif 000005
【００３２】
λはＸ線の波長である。式（３）は、説明の簡素化のために、結晶におけるＸ線回折などに関して定義されるブラッグ角により、ブラッグ角を定義したものである。ここで、本発明のような有限な大きさをもつ要素構造が周期構造をなしている場合、厳密には周期構造中での複数の界面における反射や屈折を考慮する必要があるため、式（３）のブラッグ角からずれたものとなるので、正確なブラッグ角は、Ｘ線回折実験の測定により決定されるか、さらに多層膜中などにおける多重干渉の理論を用いて決定することが望ましい。ただし、式（３）で定義されるブラッグ角は、本発明の意義を損なうものではなく、本発明の構成条件を設定する際に用いられるブラッグ角の目安とすることができるものである。
【００３３】
本発明のＸ線導波路を構成している物質の物性パラメータ、導波路の構造パラメータ、およびＸ線の波長は、次の式（４）を満たすように設計されているものとする。なお、上述したように、式（３）はあくまでも目安であるので、θＢは、実測値などに基づいて決定することが望ましい。もっとも、θＣがθＢよりも十分に大きくなるように設計すれば、式（３）を用いてθＢを算出しても差し支えない。
【００３４】
【数４】
2013137308.tif 000006
【００３５】
上記式（４）を満たすようにすることにより、１次元のコアの周期構造であるコアがもつ１次元周期性に起因するブラッグ角付近の有効伝搬角度をもつＸ線を、コア−クラッド界面での全反射によりコアに閉じ込めることができる。それにより、コアの周期構造と共鳴する導波モードを形成し、このような導波モードのＸ線を伝搬させることができる。本発明のＸ線導波路の構成が、互いに平行に向かい合うコア−クラッド界面が存在するような偶数回の回転対称性を有する場合、この対になったコア−クラッド界面の間でＸ線が強く閉じ込められるので好ましい構成となる。もっとも、互いに平行に向かい合うコア−クラッド界面が存在しないような奇数回の回転対称性を有する場合でも、導波モードは導波断面のコア領域全体にわたって形成されるので、Ｘ線を閉じ込めることが可能である。ここで、本明細書中において、有効伝搬角度θ’（°）は、導波モードの導波方向の波数ベクトルｋｚ、真空中の波数ベクトルｋ０を用いて下記の式（５）で表されるものとする。また、波数ベクトルｋｚの値ｋｚが伝搬定数である。図４に示すように、有効伝搬角度θ’（°）は、導波モードのｋｚと真空中の波数ベクトルｋ０との間で定義される角度で、導波方向に平行な断面に平行な面内で導波モードの基本波が真空中で進行する角度を、表している。これは近似的にコア中、導波方向に平行な断面内での導波モードの基本波の伝搬角度を表すと考えることができるため、今後の説明に用いる。
【００３６】
【数５】
2013137308.tif 000007
【００３７】
本発明のコアをなすコアの周期構造は、導波方向に垂直な断面内で屈折率実部の異なる複数の物質の１次元コアの周期構造であるので、単位構造間や隣り合う物質界面において屈折率実部の違いによる全反射臨界角が存在する。このような全反射臨界角をθＣ−ｍｕｌｔｉ（°）とした場合、式（７）が満たされる場合、コアの周期構造中の各界面における全反射により、Ｘ線は各単位構造中に閉じ込められて、導波モードを形成する。
【００３８】
【数６】
2013137308.tif 000008
【００３９】
【数７】
2013137308.tif 000009
【００４０】
上記の式（６）のように、コアの周期構造中の各界面における全反射臨界角がコアの周期構造の周期性に起因するブラッグ角よりも小さい場合には、ブラッグ角付近以上の角度でコアの周期構造中の各界面に入射されるＸ線は全反射を起されず、部分的な反射または屈折を起こすこととなる。１次元のコアの周期構造は、複数の異なる屈折率実部の物質からなる層が周期的に積層されて構成されているとみなすことができるので、界面も積層方向に複数存在し、コアの周期構造内部のＸ線はこれら複数の界面において反射、屈折を繰り返すこととなる。そして、コアの周期構造内部でのＸ線のこのような反射、屈折の繰り返しは多重干渉を引き起こす。その結果、周期構造に共鳴できる条件をもつＸ線、すなわちコアの周期構造内部で存在できる伝搬モードが形成され、本発明のＸ線導波路構造のコア中に導波モードが形成されることになる。この導波モードはコアの周期構造の周期性に共鳴するモードなので、本明細書中ではこの導波モードを周期共鳴導波モードと称する。
【００４１】
このような周期共鳴導波モードはそれぞれ有効伝搬角度をもち、最も小さな有効伝搬角度をもつ周期共鳴導波モードの有効伝搬角度は１次元周期構造のブラッグ角付近に現れることになる。この周期共鳴導波モードは１次元コアの周期構造を周期数無限の１次元フォトニック結晶として考えた場合の最低次バンドを満たす伝搬モードに相当し、この伝搬モードがコア−クラッド界面での全反射により閉じ込められたものとなる。
【００４２】
現実の１次元コアの周期構造では、その周期数は有限であるため、そのフォトニックバンド構造は無限周期の１次元コアの周期構造のフォトニックバンド構造からずれてくるが、周期数が増えるほど導波モードの特性は無限周期のフォトニックバンド上の特性に近づくことになる。また、ブラッグ反射は周期性によるフォトニックバンドギャップの効果により引き起こされるものであり、周期共鳴導波モードの有効伝搬角度はフォトニックバンドギャップ端の伝搬モードの伝搬角度に相当するため、ブラッグ角は周期共鳴導波モードの有効伝搬角度よりやや大きい角度となる。周期共鳴導波モードの電場強度の空間的分布中で、電場強度の腹の数は基本的に、１次元コアの周期構造の周期数と一致する。
【００４３】
また有限の周期数をもつ１次元コアの周期構造においては、上記のような周期共鳴導波モードのもつ有効伝搬角度以外の角度をもつ導波モードも存在し得る。これらは周期共鳴導波モードではなくコアである１次元コアの周期構造全体を、屈折率実部が平均化された一様媒質として考えた場合に存在する導波モードで、周期構造と共鳴しない導波モードなので、基本的にその特性への１次元コアの周期構造の周期性の影響は小さい。一方、本発明のＸ線導波路の構成で実現される周期共鳴導波モードでは、コアの周期構造の周期数が増えるほど、１次元コアの周期構造の中心へ電場が偏り、クラッドへの染み出しも少なくなり、Ｘ線の伝搬損失が小さくなる。さらに、本発明のＸ線導波路中で用いられる周期共鳴導波モードの位相は、導波方向に垂直な断面の回転対称軸方向において、そろったものとなり、空間的なコヒーレンスを有することができる。その結果、周期共鳴導波モードのＸ線は導波路端面から出射されると、図３中に３０８、３０９で示すように、遠視野領域において非常に発散角の小さい二つの回折ビームを形成する。これらの回折ビームはＸ線の導波方向に関して対称な方向に伝搬するものとなる。回転対称性により複数または無限数の回転対称軸が同様の周期性を有するので、導波方向に垂直な導波路の断面において、これらの回転対称軸方向の位相がすべてそろうことになり、導波路の断面内で周期共鳴導波モードの位相がそろう。つまり、導波路の断面において位相がそろった２次元の導波モードを形成することができる。本発明において導波モードの位相がそろうということは、導波方向に垂直な面内での電磁場の位相差が０であるということだけではなく、コアの周期構造の空間的な屈折率分布に対応して電磁場の位相差が周期的に−πと＋πの間で変化していることをも意味する。本発明における周期共鳴導波モードは、導波方向に垂直な方向において、電場の位相がコアの周期構造の周期と同じ周期で−πと＋πの間で変化しているものとなる。
【００４４】
図５は、図３に示したＸ線導波路の例について、光子エネルギー８キロエレクトロンボルトのＸ線のｙ−ｚ面内で形成される導波モードの損失と各導波モードの有効伝搬角度を表す計算結果のグラフである。この計算は、クラッドはタングステンからなり、コアは回転対称軸上で炭素（Ｃ）と酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）が交互に積層された周期多層膜構造のコアの周期構造であって、その周期は１６ナノメートル、周期数は２５であることを前提としている。導波モードの伝搬定数の虚部は導波モードの伝搬損失に関係するもので、その値が大きいほど伝搬損失が大きくなる。したがって、縦軸を損失としての伝搬定数の虚部Ｉｍ［ｋｚ］で表してある。有効伝搬角度が小さい導波モードほど低次の導波モードとなる。有効伝搬角度が大きくなるほど高次の導波モードとなり、損失が上がっていくものであるが、図５中のフォトニックバンド構造におけるフォトニックバンドギャップに相当する角度帯域５０２には導波モードが形成されない。さらに、角度帯域５０２の端で損失が著しく低い導波モードを表す点５０１が存在するが、この点が表す導波モードが周期共鳴導波モードである。また図６に、点５０１が表す周期共鳴導波モードの電場強度分布を表す。図６の横軸は、図３におけるｙ−ｚ面内のｙ軸上での位置を表す。図６中の領域６０１と６０３が、図３におけるクラッド部分３０１、３０２に相当し、領域６０２が図３におけるコア３０３に相当する。図６の電場強度分布の腹の部分はコアの周期構造の低損失材料部分に一致することと、コア領域にわたる電場強度分布の包絡関数の形状がコアの中心に電場が偏るものになってクラッドへのＸ線のしみ出し量が小さくなることにより、図５に示すように周期共鳴導波モードの損失が非常に小さくなる。このように周期共鳴導波モードは、他の導波モードよりも損失が非常に小さいため、導波モードとして支配的となり、形成される導波モードの位相が空間的にそろったものとなる。回転対称性を有するＸ線導波路においては、複数の回転対称軸方向について上記のような１次元周期性に起因する周期共鳴導波モードの形成が可能となり、導波断面において形成される周期共鳴導波モードは、基本的にはこれら１次元の周期性に起因する周期共鳴導波モードが重なり合った２次元の周期共鳴導波モードとなり、２次元の周期共鳴導波モードも導波断面のＸ線導波路構造と同様な回転対称性をもつものとなる。例えば、上記円対称性の導波断面の構造をもつＸ線導波路においては、導波断面でみる周期共鳴導波モードの電場分布も円対称なものとなり、Ｘ線の電場分布の周期性は、周期構造の周期性と一致したものとなる。この２次元の周期共鳴導波モードは導波断面において位相がそろったものとなる。
【００４５】
以下本発明のＸ線導波路の代表的な構成について説明する。
【００４６】
また、式（４）を満足するＸ線導波路を、図２（Ａ）で説明したように、導波断面においてコアの内側と外側にクラッドが設けられているように構成することが好ましい。このことにより、導波断面においてコアを取り囲んでいる外側のクラッドとのコア‐クラッド界面での全反射によりＸ線をコアに閉じ込めると同時に、コアの内側のクラッドとのコア−クラッド界面での全反射によってもコアにＸ線を閉じ込めることができる。この際、内側のクラッドのコア−クラッド界面における全反射臨界角も式（４）を満たすように、本Ｘ線導波路は構成されているものである。この構成の場合、導波方向に垂直な断面における構造は図３で示した最もシンプルなＸ線導波路の例における構造と同等のものとなり、回転対称軸上において、コアをなすコアの周期構造が外側と内側のクラッドにより挟まれた構成となるので、この二つのコア−クラッド界面における全反射によりＸ線がコアに閉じ込められることとなる。そして、二つのクラッドに挟まれたコア領域の周期構造に共鳴し、導波に支配的となる周期共鳴導波モードを形成することができる。この構成の説明のため、図７にこの構成のＸ線導波路の導波断面の例を、図８にＸ線出射端付近における、回転中心軸８０６を通り図７のｙ−ｚ面に平行な断面の例を示す。なお、これらの図では、Ｘ線の導波方向をｚ方向としている。図７において、外側のクラッド７０１がコア７０３を取り囲んでおり、さらにコア７０３の内側にクラッド７０２が配置されている。このことにより、コア７０３は二つのクラッド７０１と７０２により挟まれているともいうことができる。図８は、図７のＸ線導波路の回転中心軸を通りｙ−ｚ面に平行な、Ｘ線の出射端付近における断面を示す模式図であり、回転対称軸を含む。この断面でみると、外側のクラッド７０１とコア７０３は上下二つの部分に分けて描かれることになり、それぞれ、外側のクラッド７０１（ａ）と７０１（ｂ）、そしてコア７０３（ａ）と７０３（ｂ）として描かれる。図８における構成は、ｙ−ｚ面内で回転中心軸８０６に関して鏡映対称性を有するので、導波路内部に形成される周期共鳴導波モードは回転中心軸に関して鏡映対称性を有するものとなる。つまり、上下二つのコア７０３（ａ）と７０３（ｂ）に同様の特性をもつ周期共鳴導波モードが形成されることとなる。Ｘ線導波路の端面から出射されるＸ線は、図３を用いて説明した例と同様の理由により、コア７０３（ａ）と７０３（ｂ）から遠視野領域においてそれぞれ二つの回折ビーム、８０１と８０２、および８０３と８０４となる。８０２と８０３は空間において交わることになるので、出射Ｘ線８０２、８０３は１点に集まるように回折される。Ｘ線導波路が円対称性を有するので、すべての導波方向に平行な断面を考慮すると、このＸ線導波路から出射されるＸ線の一部は円野領域において一点に向かって円錐状に伝搬する回折ビームを形成する。つまり、本構成のＸ線導波路によりＸ線を集光することも可能となる。図７と図８で示した例では、コアの内側が完全にクラッドで満たされているが、内側のクラッドの内部が、空気などの別の物質で満たされている場合でも、本発明のＸ線導波路の周期共鳴導波モードを形成することが可能である。
【００４７】
また、式（４）を満たすＸ線導波路の別の代表的な構成として、図２（Ｂ）に示したように、内側のクラッドがなく、コアの構造が回転中心までコアの周期構造で満たされている場合が挙げられる。この場合、回転対称軸を通り導波方向に平行な断面におけるＸ線導波路の構成は、図３で示した最もシンプルな構成となっているため、この断面においてコア全体にわたって周期共鳴導波モードを形成することが可能である。そして、導波断面においてＸ線導波路が回転対称性を有しているので、位相のそろった２次元の周期共鳴導波モードを形成することができる。
【００４８】
また、式（４）を満たし、内側のクラッドがない構成のＸ線導波路において、図２（Ｃ）を用いて説明したように、コアの一部がコアの周期構造ではないものも、本発明のＸ線導波路として成り立つものである。例えば図９にあるように、導波断面においてクラッド９０１に取り囲まれたコア９０２の中心部分にコアの周期構造とは異なる部分９０３が存在する場合においても、Ｘ線導波路を構成することができる。この場合は、導波方向に垂直な断面における部分９０３とコアの周期構造の界面での全反射臨界角がＸ線に対するコアの周期構造のブラッグ角よりも小さくなるように、Ｘ線導波路を構成する材料と構造パラメータを決める。図９の回転中心を通りｙ−ｚ面に平行な断面における導波モードの損失を各導波モードの有効伝搬角度について表したものが図１０である。図１０（ａ）および図１０（ｂ）はそれぞれ、部分９０３の屈折率実部がコアの周期構造の平均屈折率実部よりも大きい場合および小さい場合における、導波モードの損失と有効伝搬角度の関係を表す計算結果である。具体的には、コアの周期構造は回転対称軸上で空気層と密度約１．７ｇ／ｃｍ３のシリカ（ＳｉＯ２）層が交互に積層されたもので、その周期は１５ナノメートル、周期数は５０とした。図１０（ａ）の計算結果は部分９０３が空気の場合、図１０（ｂ）の計算結果は部分９０３が密度約２．２ｇ／ｃｍ３のシリカ（ＳｉＯ２）の場合に関する計算結果である。どちらの場合もフォトニックバンドギャップに相当する角度帯域１００２と１００４があるが、部分９０３がコアの周期構造とは異なる構造であるため、１００２と１００４の角度帯域に周期共鳴導波モード１００１と１００３だけではなく、周期構造におけるブラッグ反射により部分９０３に電場が集中する導波モードが存在することになる。これらの導波モードはコアの周期構造の部分９０３に集中するものであり、フォトニックバンド構造中のフォトニックバンドギャップ中に欠陥バンドとして表れるものなので、欠陥モードと称することとする。部分９０３の屈折率実部がコアの周期構造の平均屈折率実部より大きい場合は、図１０（ａ）のように欠陥モードの損失は小さくなり、周期共鳴導波モードに加えこれらの欠陥モードもＸ線の導波にある程度寄与することになり、周期構造に共鳴する光量子束密度の高いＸ線を伝搬させることができる。ただし、部分９０３の屈折率実部が周期構造の平均屈折率実部より大きい場合に、コアの周期構造の周期性を乱さないように部分９０３のサイズを制御することにより、欠陥モードの数を減らせるか、ゼロにすることができるため、ほぼ単一の位相をもつ導波モードを形成することが可能である。一般的にＸ線帯域において、物質の屈折率実部が大きいほどＸ線の吸収損失に関係する屈折率虚部が小さくなるので、部分９０３の屈折率実部がコアの周期構造の平均屈折率実部よりも小さい場合には、この部分９０３の材料自身の吸収損失が大きくなってしまうことにより、図１０（ｂ）のように欠陥モードの損失も周期共鳴導波モード１００３の損失に比較して非常に大きくなり、導波モードとしてはほとんど寄与しなくなる。その結果、周期共鳴導波モードだけが導波モードとして非常に強く選択され、導波断面において空間的な位相のそろったほぼ単一の導波モードが実現できる。図１１は図９のＸ線導波路のＸ線の出射端面付近について、回転対称軸を通りｙ−ｚ面に平行な面での断面図を表したものである。部分９０３の屈折率実部がコアの周期構造の平均屈折率実部よりも小さい場合は、周期共鳴導波モードだけがＸ線の導波に支配的な導波モードとなり、その電場はコアの周期構造に集中する。図１１で、部分９０３を挟んで二つのコアの周期構造部分に集中することになるが、それぞれの周期共鳴導波モードにより導波されたＸ線は出射されたのち、干渉により矢印１１０４と１１０５、および１１０６と１１０７のように、導波方向に対してそれぞれ二つの相反する方向へ回折される。図１０のようにｙ−ｚ面に平行な方向で見ると、矢印１１０５と１１０６は交わることになり、この交点の強度が強くなる。これを、すべての回転対称軸について考えることにより、出射端面のすべてのコアの周期構造部分からこの交点にＸ線が集中することになり、Ｘ線を集光するように強度の大きいＸ線のスポットを形成できることになる。
【００４９】
本発明のＸ線導波路のコアに用いられるコアの周期構造は回転対称軸上で１次元の周期性を有するものであれば、前述のＸ線導波路の構成条件を満たす限りどのようなものでもよい。
【００５０】
このようなコアの周期構造を周期多層膜として構成することができる。例えば、相対的に屈折率実部の大きい物質と小さい物質を回転対称軸方向でスパッタ法により交互に積層した周期多層膜が挙げられる。積層される物質としては、Ｂｅ、Ｂ、Ｃ、Ｂ４Ｃ、ＢＮ、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、Ｐなどから選ばれる少なくとも２種以上であることが好ましい。
【００５１】
また、本発明のＸ線導波路のコアをメソ構造体材料で構成することができる。本発明におけるメソ構造体とは、界面活性剤の自己集合によって形成される有機−無機ハイブリッド材料からなる構造体であり、２−５０ｎｍの構造周期をもつ周期構造体である。メソ構造体には、種々のメソスケールの構造周期性を有するものがある。このようなメソ構造体の無機成分としては、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＳｎＯ２、ＺｒＯ２などの酸化物が代表的である。
【００５２】
このようなメソ構造体の中でラメラ構造を有するメソ構造体（ラメラ膜）で、本発明のＸ線導波路のコアを構成することもできる。メソ構造体のうち１次元周期構造をもつラメラ膜のラメラ構造は、異なる二種類の物質より構成される層状構造であり、この二種類の物質は無機成分を主とする物質と、有機成分を主とする物質により構成される。この無機成分を主とする物質と有機成分を主とする物質は、必要に応じて結合されていてよい。結合されたものの具体例としては、アルキル基の結合したシロキサン化合物から調製されるメソ構造体を挙げることができる。これらラメラ膜はゾル−ゲル法などの手法で基板上に形成されうる。ラメラ膜の構造周期は、使用する界面活性剤の種類や濃度、反応条件などによって適宜所望の値に調整することが可能である。ラメラ膜は、一つの工程において自己組織的に１次元周期構造を形成するので、作製工程の時間と手間を大幅に削減できる。本発明のＸ線導波路のコアをなす１次元周期構造体をラメラ膜とすれば、ラメラ膜を構成する物質の一種がＸ線の吸収が少ない有機物であることにより、形成される周期共鳴導波モードのＸ線の伝搬損失にかかる吸収によるＸ線の伝搬損失を小さくすることができる。
【００５３】
また、本発明のＸ線導波路を構成するコアをメソポーラス材料であるメソ構造体材料とすることにより、本発明のＸ線導波路を構成することができる。メソポーラス材料からなるメソ構造体は、一様な媒質中に孔やボイドが周期的に配列されたものである。そのたため、Ｘ線に対して異なる屈折率部分が周期的に配列された屈折率周期構造体として機能する。本発明のＸ線導波路のコアをなすメソポーラス材料からなるメソ構造体は、導波断面において、２次元の周期性を有しており、代表的な構成としては、導波方向に延びる孔が導波断面において三角格子状の２次元周期構造を形成するように配列された２次元周期構造体や、ボイドが六方最密構造をなす３次元周期構造体が挙げられる。メソポーラス材料からなるメソ構造体が、２次元または３次元周期構造体であるどちらの場合においても、導波路の導波断面における構造は２次元周期性を有するものとなる。またメソポーラス材料の孔やボイド内部は、空気などの気体や真空で満たされているものに限らず、有機物および無機物問わず、液体や固体が充填されているものでもよい。前述したように、本明細書中では、空気や真空も『物質』概念に包含させている。したがって、メソポーラス材料の孔の部分が空気や真空であったとしても、屈折率の異なる部分を有するので、複数の物質から構成されたメソ構造体ということができる。
【００５４】
本発明のＸ線導波路が、式（４）を満たして構成されている場合、クラッドをなす物質としては、コアにＸ線を閉じ込めるための全反射を強く起こすことができるように、Ａｕ、Ｗ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｏｓなどの電子密度の高い物質から選ばれることが好ましい。
【００５５】
次に、本発明のＸ線導波システムについて説明する。本発明のＸ線導波システムは、少なくとも、Ｘ線源およびＸ線導波路を有する。Ｘ線源は、１０ｐｍ以上１００ｎｍ以下の波長の、一般的なＸ線帯域の電磁波をＸ線として照射する。Ｘ線源から照射されるＸ線は、単一の波長であっても、幅を持っていてもよい。Ｘ線源から照射されたＸ線は、Ｘ線導波路に入射される。本発明のＸ線導波システムの導波路は、コアとクラッドからなり、Ｘ線の導波方向に垂直な断面において、コアは、３回以上の回転対称性を有し、かつ、屈折率実部が異なる複数の物質よりなる周期構造を有する。また、本発明のＸ線導波システムの導波路は、コアとクラッドとの界面におけるＸ線の全反射臨界角は、Ｘ線に対する前記コアの周期構造に対応するブラッグ角よりも大きい。
【００５６】
また、本発明のＸ線導波システムに用いるＸ線導波路は、上述のＸ線導波路に記載したことが妥当する。
【実施例１】
【００５７】
図１２は、本発明の実施例１のＸ線導波路を示す図である。ｘ−ｙ面での導波断面を示し、導波方向はｚ方向で回転中心軸１２０６と平行である。回転中心１２０４からの任意の回転対称軸を１２０５とする。また、導波断面における構造は円対称性となっている。導波断面において、直径１００マイクロメートルの金（Ａｕ）細線を内側のクラッド１２０３として、内側のクラッド１２０３を取り囲むようにスパッタにより、炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）と酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を交互に回転中心から遠ざかる方向に同心円状に積層して形成したコアの周期構造がコア１２０２となっており、さらにスパッタによりクラッドとなる厚さ２０ナノメートルのタングステン（Ｗ）を成膜することにより、外側のクラッド１２０１がコア１２０２を取り囲む構成となっている。任意の回転対称軸１２０５上で、コア１２０２であるコアの周期構造の構造周期は１５ナノメートルであり、その周期数は５０となっている。光子エネルギー８キロエレクトロンボルトのＸ線に対して、外側のクラッド１２０１とコア１２０２の間のコア−クラッド界面における全反射臨界角が、約０．５５°、内側のクラッド１２０３とコア１２０２の間のコア−クラッド界面における全反射臨界角が約０．５６°、周期構造におけるＸ線のブラッグ角が約０．３８°となっているため、二つのコア−クラッド界面における全反射臨界角とブラッグ角の間で、式（４）が満たされるものとなる。本実施例においては、ブラッグ反射角度帯域に相当する有効伝搬角度をもつ導波モードは存在せず、存在する導波モードの伝搬損失のうち周期共鳴導波モードの伝搬損失が著しく小さいため、導波モードとして周期共鳴導波モードが支配的となる。図１３は回転対称軸１２０５を含む導波方向に垂直な断面における導波モードの損失と有効伝搬角度を表すグラフである。ブラッグ反射角度帯域１３０２の低角側の端の有効伝搬角度をもつ導波モード１３０１の損失が著しく小さいことがわかる。これが周期共鳴導波モードであり、コア中のすべてにおいて同じ周期共鳴導波モードが形成されるため、本Ｘ線導波路中の周期共鳴導波モードの位相は導波断面においてそろったものとなる。本実施例のＸ線導波路の出射端面から出射されるＸ線は、すべての導波方向に平行な断面内で導波方向に関して鏡映対称な二つの方向に回折されるため、Ｘ線が集光されることになる。
【実施例２】
【００５８】
実施例２のＸ線導波路の構成は、図１２で示される実施例１のＸ線導波路のコア１２０２をメソポーラスシリカに置き換えたものである。実施例１のＸ線導波路のコア１２０２がスパッタ法により形成されているのに対し、本実施例におけるコアはゾル−ゲル法により作製されるものである。界面活性剤とシリカ源を含む溶液をメソポーラスシリカの前駆溶液として、金（Ａｕ）の細線を前駆溶液に浸したのち引き上げることにより、自己組織的に金（Ａｕ）細線の周りにメソポーラスシリカ膜が形成される。このメソポーラスシリカの前駆溶液としては、実施例１に記載の前駆溶液の調製方法において、混合比（モル比）を、テトラエトキシシラン：１、ブロックポリマー：０．００９６、水：８、塩酸：０．０１、エタノール：４０としたものが用いられる。この溶液を金細線の周囲に塗布、乾燥、熟成させたのち溶媒に浸漬することにより、鋳型であるブロックコポリマーを抽出除去しメソポーラスシリカ膜を調整する。さらに、本実施例のＸ線導波路のコアは、鋳型除去により孔の中の有機物が除去されたメソポーラスシリカである。これら空孔の存在により、導波断面において平均的な屈折率が同心円状に周期的に変化している。回転対称軸上で、このメソポーラスシリカの周期数は５０で、構造周期や約１１ナノメートルである。コアの周期構造であるメソポーラスシリカ膜のコア１２０２が金（Ａｕ）細線である内側のクラッド１２０３を取り囲む構成となっており、さらにスパッタ法によりタングステンを厚さ２０ナノメートル成膜することにより、コア１２０２を取り囲むタングステンのクラッド１２０１が形成される。光子エネルギー８キロエレクトロンボルトのＸ線に対して、本実施例のＸ線導波路のクラッド１２０１とコア１２０２の間のコア−クラッド界面における全反射臨界角は約０．５５°、内側のクラッド１２０３とコア１２０２の間のコア−クラッド界面における全反射臨界角が約０．５６°、周期構造におけるブラッグ角が約０．４２°であるので、式（４）を満たす。このことにより、各任意の導波方向に垂直な断面内においてコア１２０２中に閉じ込められた周期共鳴導波モードを形成することができる。本実施例のＸ線導波路の周期共鳴導波モードの特性は実施例１のＸ線導波路中の周期共鳴導波モードと同様の基本特性を有するが、コアのメソポーラスシリカ材料が吸収損失の小さな物質で構成されているため、より伝搬損失を小さくしたものとなる。
【実施例３】
【００５９】
本発明の実施例３のＸ線導波路は、実施例２のＸ線導波路のコアの周期構造を、有機物とシリカの層が導波断面において同心円状に交互に積層されたラメラ構造のメソ構造体に置き換えたものである。コアの内側のクラッドとなるＡｕの細線を、メソ構造体作成のための前駆溶液に浸した後、引き上げることにより、コアとなるメソ構造体を形成する。この前駆溶液は、集合体が鋳型として機能する界面活性剤の溶液に、無機酸化物の前駆体を加えることで調製される。ここでは、界面活性剤としてブロックポリマーを、無機酸化物の前駆体として、テトラエトキシシランを用い、エタノールを溶媒とし、無機酸化物の前駆体の加水分解を行うための水、塩酸を加え、攪拌することで調製される。混合比（モル比）は、テトラエトキシシラン：１、ブロックポリマー：０．０２６４、水：８、塩酸：０．０１、エタノール：４０である。ブロックポリマーとしては、ポリエチレングリコール（２０）‐ポリプロピレングリコール（７０）‐ポリエチレングリコール（２０）のトリブロックコポリマーを用いる。（カッコ内は各ブロックの繰り返し数）導入された溶液の溶媒が揮発する過程において自己組織化プロセスにより、メソ構造体が形成される。この場合の回転対称軸上における構造周期も約１１ナノメートルであり、式（４）を満たす構成となっている。
【実施例４】
【００６０】
本発明のＸ線導波路の実施例４を表す図が図１４である。図中ｘ−ｙ面に平行な導波断面を表し、Ｘ線導波路の回転対称性の回転中心が１４０６、回転中心軸を１４０４、回転対称軸を１４０５とする。回転中心軸１４０４は導波方向に平行であり、導波方向をｚ方向と同一とする。直径が約１０マイクロメートルのガラスファイバ１４０３の周りにゾル−ゲル法によりメソ構造体が形成されている。ガラスファイバ１４０３およびコアの周期構造１４０２全体がコアとして機能する。さらに、コアの周期構造１４０２の外側にクラッド１４０１が形成されている。コアの周期構造１４０２であるメソ構造体は、有機物とシリカ（ＳｉＯ２）の層が交互に積層された構成をもち、同心円状のラメラ構造であり、回転対称軸上で１次元コアの周期構造となっている。例えば、任意の回転対称軸１４０５上で１次元のコアの周期構造となる。回転対称軸１４０５上での、コアの周期構造の周期は約１１ナノメートルであり、周期数は６０である。光子エネルギー８キロエレクトロンボルトのＸ線を用いた場合、任意の回転対称軸１４０５を含む導波方向に平行な断面において、コアとクラッド１４０１におけるコア−クラッド界面での全反射臨界角は約０．５５°、コアの周期構造でのブラッグ角は約０．４°であるので、式（４）を満たし、コアの周期構造中に電場の集中する周期共鳴導波モードが形成される。このガラスファイバ１４０３の密度は一般的なもので、約２．２（ｇ／ｃｍ３）であるため、コアの周期構造１４０２をなすシリカと有機物のどちらよりも重く、屈折率虚部の値もこれらよりも大きい。つまり、シリカ部分１４０３でのＸ線の吸収損失は、コアの周期構造１４０２中での吸収損失よりも大きいものとなるので、コアの周期構造１４０２におけるブラッグ反射によりシリカ部分１４０３に電場が集中する導波モードの損失が大きくなり、このような導波モードは導波モードとして支配的なものではなくなる。よって、唯一周期共鳴導波モードが導波モードとして支配的なものとなり、ほぼ単一の導波モードを形成することができる。周期共鳴導波モードの位相は導波断面においてそろっており、任意の回転対称軸を含み導波方向に平行なすべての断面において、出射端から出射されるＸ線が回転中心軸上で交わるような回折ビームをもつため、本実施例の導波路により、Ｘ線を集光することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明の好適な実施形態にかかるＸ線導波路は、Ｘ線分析技術、Ｘ線撮像技術、Ｘ線露光技術などにおけるＸ線光学系、およびそれに用いられるＸ線光学部品などに用いることができる。
【符号の説明】
【００６２】
１０１、１０２  コアの物質
２０１、２０４、２０５、２０６  クラッド
２０２、２０３  コアの物質
３０１、３０２  クラッド
３０４  屈折率実部の大きい層
３０５  屈折率実部の小さい層
３０６、３０７  Ｘ線
【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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