JP2013068505A

JP2013068505A - Ｘ線導波路

Info

Publication number: JP2013068505A
Application number: JP2011206998A
Authority: JP
Inventors: 篤史 ▲高▼本; Atsushi Takamoto; Wataru Kubo; 亘久保; Kohei Okamoto; 康平岡本; Hirokatsu Miyata; 浩克宮田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2011-09-22
Filing date: 2011-09-22
Publication date: 2013-04-18

Abstract

【課題】空間的コヒーレンスの空間範囲の大きなＸ線を形成することができ、かつＸ線の導波特性を外部からの操作によって変調可能なＸ線導波路を提供する。
【解決手段】周期性構造体から構成されるコアと、前記コアの外側に形成されたクラッドと、前記クラッドの少なくとも一部と前記コアとの間に設けられたギャップと、前記クラッドの少なくとも一部あるいは前記コアを駆動させることにより、前記ギャップの間隔を変化させる駆動手段とを有し、前記クラッドと前記ギャップとの界面におけるＸ線の全反射臨界角が、前記コアの構造周期に対応するブラッグ角よりも大きく、且つ前記コアの周期構造体を形成する屈折率実部の異なる複数の成分の界面における全反射臨界角が前記ブラッグ角よりも小さいＸ線導波路。
【選択図】図１

Description

本発明は、Ｘ線を導波するＸ線導波路に関し、特にコアに周期性構造体を用いたＸ線導波路に関するものである。

数１０ｎｍ以下の短い波長の電磁波を扱う際、異物質間における電磁波に対する屈折率差が１０^−４以下と非常に小さいため、全反射臨界角も非常に小さくなることなどにより、Ｘ線を含めたこのような電磁波をコントロールするために、大型の空間光学系が用いられてきており、今でもなお主流となっている。空間光学系をなしている主な部品として、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り、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。

主流であるこのような空間光学系に対し、近年では光学系の小型化、高性能化を目指し、クラッドに囲まれたコア中に電磁波を閉じ込めて伝搬させる、Ｘ線導波路の研究が行われている。具体的にはクラッド層がコア層を挟み込んだ１次元構造の薄膜導波路（非特許文献１参照）や、クラッド材料中にファイバー状のコアを貫通させた２次元閉じ込め構造のＸ線導波路（非特許文献２参照）などの研究が行われている。

Ｓａｌｄｉｔｔ，Ｔ．，Ｋｒｕ‥ｇｅｒ，Ｓ．Ｐ．，Ｆｕｈｓｅ，Ｃ．＆Ｂａ‥ｈｔｚ，Ｃ．Ｈｉｇｈ−ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｐｌａｎａｒｘ−ｒａｙｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ．ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗＬｅｔｔｅｒｓ１００（２００８）．Ｊａｒｒｅ，Ａ．ｅｔａｌ．Ｔｗｏ−ＤｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＨａｒｄＸ−ＲａｙＢｅａｍＣｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｂｙＣｏｍｂｉｎｅｄＦｏｃｕｓｉｎｇａｎｄＷａｖｅｇｕｉｄｅＯｐｔｉｃｓ．ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗＬｅｔｔｅｒｓ９４（２００５）．

しかしながら、従来のＸ線導波路には改善すべき課題があった。

非特許文献１及び非特許文献２では、ともにＸ線の導波損失を小さくするために、導波モードの中でも最も伝搬角度が小さい０次モードを主に利用している。Ｘ線帯域の電磁波では、物質間の屈折率差（実部）が極めて小さいため、０次モードの伝搬角度が小さくなり、その結果Ｘ線導波路では極めて微小なコアを作製する必要があった。そのため、伝搬させるＸ線の面積が小さくなり、Ｘ線導波路が出射するＸ線ビームが小さく、また、導波路の特長の一つである空間的コヒーレンスの空間範囲に制限があった。さらに、非特許文献２のような２次元閉じ込め構造のＸ線導波路の場合、必要となる数１０ｎｍ程度の大きさのコアを作製することが非常に困難であった。

さらには、これらのＸ線導波路では、コア断面の大きさやクラッドとコアの材質等の導波路の構成よって決定された一定のＸ線導波特性を示すのみであり、そのＸ線導波特性を外部からの操作等によって変調することはできなかった。

本発明は、この様な背景技術に鑑みてなされたものであり、空間的コヒーレンスの空間範囲の大きなＸ線を形成することができ、かつＸ線の導波特性を外部からの操作によって変調可能なＸ線導波路を提供するものである。

上記の課題を解決するＸ線導波路は、複数の屈折率実部の異なる物質からなる基本構造が周期的に配された周期性構造体から構成されるコアと、前記コアの外側に形成された、Ｘ線を全反射によってコア内に閉じ込めるクラッドと、前記クラッドの少なくとも一部と前記コアとの間に設けられたギャップと、前記クラッドの少なくとも一部あるいは前記コアを駆動させることにより、前記ギャップの間隔を変化させる駆動手段とを有し、前記クラッドと前記ギャップとの界面におけるＸ線の全反射臨界角が、前記コアの構造周期に対応するブラッグ角よりも大きく、且つ前記コアの周期構造体を形成する屈折率実部の異なる複数の成分の界面における全反射臨界角が前記ブラッグ角よりも小さいことを特徴とする。

本発明によれば、空間的コヒーレンスの空間範囲の大きなＸ線を形成することができ、かつＸ線の導波特性を外部からの操作によって変調可能なＸ線導波路を提供することができる。

本発明のＸ線導波路の一実施態様を示す概略図である。Ｘ線導波路の周期性構造体内でのＸ線電場強度分布を示す図である。Ｘ線導波路のＸ線電場強度分布と伝搬損失の周期数依存性を示す図である。本発明のＸ線導波路の電場強度分布のギャップの間隔依存性を示す図である。コアとクラッド間のギャップの間隔を変化させる駆動手段を示す概略図である。本発明の実施例１，２の導波Ｘ線強度の変化を示す図である。

以下、本発明を詳細に説明する。

本発明に係るＸ線導波路は、複数の屈折率実部の異なる物質からなる基本構造が周期的に配された周期性構造体から構成されるコアと、前記コアの外側に形成された、Ｘ線を全反射によってコア内に閉じ込めるクラッドと、前記クラッドの少なくとも一部と前記コアとの間に設けられたギャップと、前記クラッドの少なくとも一部あるいは前記コアを駆動させることにより、前記ギャップの間隔を変化させる駆動手段とを有し、前記クラッドと前記ギャップとの界面におけるＸ線の全反射臨界角が、前記コアの構造周期に対応するブラッグ角よりも大きく、且つ前記コアの周期構造体を形成する屈折率実部の異なる複数の成分の界面における全反射臨界角が前記ブラッグ角よりも小さいことを特徴とする。

図１は、本発明のＸ線導波路の一実施態様を示す概略図である。同図１において、本発明のＸ線導波路は、コア１０１と、前記コア１０１の外側に形成されたクラッド１０２および１０３と、前記クラッド１０２と前記コア１０１との間に設けられたギャップ１０４と、前記クラッド１０２を駆動させることにより、前記ギャップ１０４の間隔Ｌを変化させる駆動手段１０５とを有する。

本発明において、駆動手段１０５は、前記クラッドの少なくとも一部を駆動させるか、あるいは前記クラッドの少なくとも一部以外の部分と前記コアとを一体で駆動させることにより、前記ギャップの間隔を変化させることを特徴とする。

本発明のＸ線導波路は、コア１０１に周期性構造体を用いることにより、その周期構造の周期性と共鳴する導波モードを利用することができるＸ線導波路である。クラッド１０２及び１０３とコア１０１の界面にはギャップ１０４が配置され、さらには該ギャップの間隔Ｌを変化させる駆動手段１０５によって、前記Ｘ線導波路の導波Ｘ線強度等のＸ線導波特性を変調することができる。

図１（ａ）はクラッド１０２のみを駆動させる駆動手段１０５を用いる実施形態を示す図である。図１（ｂ）はクラッド１０３とコア１０１を一体で駆動させる駆動手段１０５を用いる実施形態を示す図である。いずれの場合においても、駆動手段１０５によってＨ方向に上下に駆動させることで、ギャップ１０４の間隔Ｌを調整することができる。駆動対象であるクラッド１０２（図１（ａ）の例）、あるいはクラッド１０３とコア１０１の結合体（図１（ｂ）の例）は、駆動手段１０５に密着している。駆動手段１０５は、前記駆動対象に密着する駆動ステージ部１０６と、その駆動を制御する制御部１０７から構成される。

（Ｘ線）
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、本発明においてＸ線とは、極端紫外光（ＥｘｔｒｅｍｅＵｌｔｒａＶｉｏｌｅｔ（ＥＵＶ）光）を含む１００ｎｍ以下の波長の電磁波を指す。このような短い波長の電磁波の周波数には、非常に高く物質の最外殻電子が応答できないため、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。このようなＸ線に対する物質の屈折率ｎは一般的に、下記の式（１）

で表されるように、実数部の１からのずれ量δ、吸収に関係する虚数部の

を用いて表される。原子固有のエネルギー吸収端が寄与する場合を除き一般に、δは物質の電子密度ρ_ｅ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、屈折率実部は、

となる。さらに、ρ_ｅは原子密度ρ_ａと原子番号Ｚに比例する。このように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。Ｘ線の帯域では、屈折率実部が最大の１となる物質は真空であり、空気に代表される気体は真空とほぼ同じ屈折率を持つが、気体以外のほぼすべての物質の屈折率実部は、１よりも小さい値となる。本明細書中では、「成分」、「材料」、「物質」という文言を真空や空気等の気体に対しても適用する。

（コアとクラッドの関係）
本発明のＸ線導波路は、コアとクラッドの界面における全反射によりＸ線をコアに閉じ込めてＸ線を導波させる。この全反射を実現するために、本発明のＸ線導波路は、コアとクラッドの界面におけるコアの屈折率実部がクラッドの屈折率実部より大きいものである。このときの全反射臨界角を界面からの角度として、θ_ｃと表す。

（コア）
本発明のＸ線導波路は、コアに屈折率実部の異なる複数の物質からなる周期性構造体を用いることを特徴とする。コアが周期構造を有していることにより、導波路中に形成される導波モードが周期構造と共鳴したものとなる。このような異なる屈折率実部の周期構造は、周期数が無限の場合、伝搬定数とＸ線の角周波数との間でフォトニックバンドを形成し、コアの周期性と共鳴する特定のモードのＸ線しかこの構造中には存在できないことになる。前記屈折率実部が異なる複数の物質のうち少なくとも一つの物質が酸化物であることが好ましい。

前記周期性構造体は、基本構造が周期的に配列した構造体であり、層状構造を基本構造としてそれらが積層した１次元周期構造、シリンダー状構造を基本構造としてそれらが配列した２次元周期構造、ケージ構造を基本構造としてそれらが配列した３次元周期構造を例示することができる。本発明のＸ線導波路内に形成される導波モードは、前記周期性構造体の周期構造の各次元に対応した多重反射に起因するものとなる。またこのようなモードは周期性により形成されるもので、Ｘ線の電場分布や電場強度分布の腹と節の位置は、基本構造を構成しているそれぞれの物質領域内の位置に一致する。その際、前記周期性構造体の電子密度の小さい物質にＸ線の電場強度が集中する導波モードの伝搬損失が他の導波モードに比べて小さくなり、その導波モードを選択的に取り出すことが可能となる。

図２に、シリカ２０２中で一方向に伸びるシリンダー状の空気の孔２０１が、孔の長さ方向（図中ｚ方向）に垂直な方向（ｘ−ｙ面内方向）で２次元三角格子構造を形成している周期性構造体中でのＸ線の電場強度分布の例を示す。図２では、破線により構造周期ｄを表し、シリンダー状の空気の孔２０１中の白黒の濃淡はＸ線の電場強度を表し、この材料中に形成される導波モードのうちの一つについての電場強度分布である。黒、白がそれぞれ電場強度の大、小に相当する。電場強度を、白黒の濃淡の変わりに多数の円の間隔により説明する。シリンダー状の空気の孔２０１中の多数の円の間隔の大小はＸ線の電場強度２０５を表し、この材料中に形成される導波モードのうちの一つについての電場強度分布である。多数の円の間隔の小が電場強度の大、間隔の大が電場強度の小に相当する。空気の孔２０１の中心部分は円の間隔が小で電場強度２０５が強く、中心部分から孔の周囲の方向に円の間隔が傾斜して大きくなるように変化し、孔の周辺部分は円の間隔が大で電場強度が弱く表れている。電場強度の極大、極小となる領域が、ｘ方向及びｙ方向で周期的に繰り返されており、電場が周期性構造体の孔（周期性構造体の基本構造２０５）に集中する。空気の孔１０１は、周期性構造体の基本構造を表す。２０４は周期方向を表す。

（閉じ込め関係）
このような周期構造と共鳴する電場強度分布を有するＸ線をクラッドによりコアに閉じ込めることにより、周期性と共鳴する導波モードを形成してＸ線を導波させることができる。この導波モードを、周期共鳴導波モードと称する。一方、本発明のＸ線導波路のコアは無限に続く周期構造ではなく、クラッドに挟まれた有限の厚さをもつ周期性構造体なので、周期共鳴導波モード以外にも、コア全体をある平均的な屈折率をもつ均一な媒質とした場合の導波モードが存在し、これを一様導波モードと称する。

この一様導波モードに対し、本発明のＸ線導波路が発現する周期共鳴導波モードは、近接する一様導波モードに比べて損失が少なく、位相がそろったものとなる。クラッドとコアの界面における全反射により、一様導波モード以外に上記の周期共鳴導波モードを形成するために本発明のＸ線導波路は、以下の条件を満たすように設計されている（図１参照）。

図１において、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ｎ_ｃｌａｄ、コア側の物質の屈折率実部をｎ_ｃｏｒｅとした場合の、膜の面に平行な方向からの全反射臨界角θ_{ｃ−ｔｏｔａｌ}（°）は、ｎ_ｃｌａｄ＜ｎ_ｃｏｒｅとして、式（２）

と表される。

またコアをなす周期構造体の構造周期をｄ（図２の２０３）とした場合、コア中での多重回折の有無に関わらず次の式（３）ようにブラッグ角θ_Ｂ（°）を定義する。

ｍは次数（自然数）、λはＸ線の波長である。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、θ_Ｂ＜θ_{ｃ−ｔｏｔａｌ}を満たす必要がある。

本発明においては、もう一つの条件が満たされることが必要であり、以下に説明する。周期構造が、屈折率実部が異なる複数の成分から構成される場合、各成分間の界面におけるＸ線の反射を考慮する必要がある。本発明のＸ線導波路が機能するためには、周期構造に由来する多重反射が起こらなければならない。周期構造を構成する材料の界面で全反射が起こる場合には、例えば１次元周期構造体に関しては、Ｘ線は、積層構造を形成する材料のうちで最も屈折率の高い成分中に閉じ込められ、多重干渉が阻害される結果、本発明の目的を果たすことができなくなる。言い換えれば、周期構造を構成するユニットがマルチ全反射Ｘ線導波路として機能することになり、従来の平板型導波路と同じ構造になってしまう。従って、コアの周期構造を形成する屈折率実部が異なる成分間の界面における全反射臨界角が、前記ブラッグ角よりも小さいという条件が必要になる。このことは、数式を用いて下記のように表すことができる。

コアの周期構造を構成する屈折率実部の異なる成分間での全反射臨界角をθ_{ｃ−ｍｕｌｔｉ}（°）とする場合、θ_{ｃ−ｍｕｌｔｉ}＜θ_Ｂの式が満たされる。

以上述べたような条件が満たされる場合、クラッドとコアとの界面による全反射により閉じ込められる導波モードを、コア内に局在させることができる。膜に平行な方向から測った有効伝搬角度

は、導波モードの伝搬方向の波数ベクトル（伝搬定数）ｋ_ｚ、真空中の波数ベクトルｋ_０を用いて次式で表される。

以上説明したような、本発明のＸ線導波路においては、多重干渉によって規則構造の周期に共鳴する導波モードのＸ線のみを、選択的に低損失で伝搬させることができる。このＸ線は、位相がコアの厚さ全体にわたって揃っている。つまり、空間的にコヒーレントなＸ線となり、導波路の端面から、Ｘ線の波長とコアの構造周期で決定される小さな発散角で出射される。

周期共鳴導波モードは、近接する一様導波モードよりも損失が小さくなるので、モード選択されたＸ線の導波が可能となる。図３は、Ｘ線導波路のＸ線電場強度分布と伝搬損失の周期数依存性を示す図である。図３（ａ）は、シリカ３０２と界面活性剤３０３の層状構造を基本構造とする１次元周期性構造体をコアし、クラッドを金３０１としたＸ線導波路の概略図である。図３（ｂ）は、シリカと界面活性剤の層状構造を基本構造とする１次元周期性構造体をコアし、クラッドを金とした導波路（図３（ａ）、構造周期ｄ＝１０ｎｍ）の周期共鳴導波モードのコア内での電場強度分布の有限要素法によるシミュレーション実験の結果である（Ｘ線エネルギー：１７．５ｋｅＶ）。この導波路では、１７．５ｋｅＶのＸ線において、θ_{ｃ−ｔｏｔａｌ}＝０．２４３°、θ_Ｂ＝０．２０３°およびθ_{ｃ−ｍｕｌｔｉ}＝０．０５８°であり、θ_Ｂ＜θ_{ｃ−ｔｏｔａｌ}及びθ_{ｃ−ｍｕｌｔｉ}＜θ_Ｂの条件を満たしている。

この導波モードの伝搬角度は周期性構造体のブラッグ角よりわずかに小さいものとなり、電場がコア中心付近に集中し、クラッドへの染み出しが少なく、位相がそろった導波モードを実現される。図３（ｃ）に示すとおり、これら周期共鳴導波モードの利点は、周期数が増えるほどその効果が顕著になって伝搬損失が低下するという点にある。本発明のＸ線導波路のコアである周期構造の周期数は、２０周期以上であることが好ましい。

本発明のＸ線導波路のＸ線を閉じ込める次元は、膜状のコアをクラッドで挟み込んだ１次元のものであっても、導波方向に垂直な断面が円や方形等の形状のコアをクラッドで取り囲んだ２次元であっても構わない。２次元閉じ込め型導波路では、Ｘ線が２次元的に導波路内に閉じ込められることから、１次元閉じ込め型より発散性が抑制され、かつ小さなビームサイズのＸ線ビームを取り出すことができる。また、周期性構造体が前述の２次元構造（基本構造：シリンダー状構造）や３次元構造（基本構造：ケージ構造）である場合には、複数存在する周期方向の周期構造と共鳴する電場強度分布を、コア内により効率的に形成させることができる。

（クラッド材料）
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ｎ_ｃｌａｄ、コア側の屈折率実部をｎ_ｃｏｒｅとした場合の、膜の面に平行な方向からの全反射臨界角θ_{ｃ−ｔｏｔａｌ}（°）は、ｎ_ｃｌａｄ＜ｎ_ｃｏｒｅとして、式（２）で表される。本発明のＸ線導波路のクラッド材料は、導波路のその他の構造パラメータ、物性パラメータが、式（２）を満たすもので構成することができる。例えば、コアとして、構造周期１０ｎｍで三角格子状に空孔が配列した二次元周期構造を有するメソポーラスシリカを用いた場合、Ａｕ、Ｗ、Ｔａなどでクラッドを構成することができる。

このような構成とすることにより、本発明のＸ線導波路は周期性と共鳴し、位相制御され、損失が少ない周期共鳴導波モードを形成して、Ｘ線を導波させることができる。

（ギャップ、周期性構造体との関係、厚さ）
本発明のＸ線導波路は、コアである周期性構造体とクラッドの間にギャップを配していることを特徴としている。前記ギャップには流体が充填されているか又は真空であることを特徴とする。このギャップは、その間隔を変化できるように流体、つまり気体または液体から構成されている。例えば、空気、窒素、ヘリウム、アルゴン等の気体や、水、アルコール等の液体を挙げることができる。本発明では、ギャップの流体の物質によるＸ線の吸収や散乱が比較的抑制できるように、電子密度の低い流体である気体を用いることが好ましく、空気、窒素、及びヘリウム等の気体や真空を用いることがさらに好ましい。

前述のとおり、図３に示す様に、ギャップがない場合には、Ｘ線の電場強度分布がコアの中心に集中し、クラッド部への電場の染み出しによる損失の少ない、すなわち近接するモードに比べて伝搬損失の小さい導波モードが形成される。

図４は、本発明のＸ線導波路の電場強度分布のギャップの間隔依存性を示す図である。図４（ａ）は、シリカ４０３と界面活性剤４０４の多層の周期性構造体（構造周期１０ｎｍ）を用いたＸ線導波路のコアと、タングステン４０１のクラッドの間に空気からなるギャップ４０２を配した構成のＸ線導波路の概略図である。図４（ａ）のＸ線導波路の、有限要素法によるシミュレーション実験（Ｘ線エネルギー：８．０４ｋｅＶ）の結果を、図４（ｂ）：ギャップ０ｎｍ、図４（ｃ）：ギャップ４ｎｍ、および図４（ｄ）：ギャップ８ｎｍに示す。この導波路では、８．０４ｋｅＶのＸ線において、θ_{ｃ−ｔｏｔａｌ}＝０．５１５°、θ_Ｂ＝０．４４２°およびθ_{ｃ−ｍｕｌｔｉ}＝０．１２８°であり、θ_Ｂ＜θ_{ｃ−ｔｏｔａｌ}及びθ_{ｃ−ｍｕｌｔｉ}＜θ_Ｂの条件を満たしている。

この図４では、ギャップの上端がｙ＝−２００ｎｍの座標にある。ギャップ４ｎｍの図４（ｃ）に示すように、ギャップがない場合（図４（ｂ））と比べて、周期共鳴導波モードのＸ線電場強度分布が変化することがわかる。ギャップの間隔が４ｎｍである場合には、コアの中心に集中していた電場強度分布がギャップに集中してクラッドへのＸ線の染み出しが大きくなり、伝搬損失が他の近接するモードに比べて増大する。すなわち、周期共鳴導波モードが選択的に透過してこないことを意味する。

一方で、図４（ｄ）のギャップの間隔を８ｎｍに変化させた場合には、ギャップがない場合と同様にコア中心部に電場強度が集中し、周期性特有の導波モードの伝搬損失が近接する他の導波モードに比べて小さくなる。シミュレーション実験の結果、ギャップの間隔に対して周期的に周期共鳴導波モードの伝搬損失が変化することが分かる。

ギャップの間隔が大きくなりすぎると、周期共鳴導波モードの導波特性が顕著に見られなくなり、また、導波Ｘ線の損失が大きくなるため、ギャップの間隔は１００ｎｍ以下、好ましくは５０ｎｍ以下が望ましい。

図５は、コアとクラッド間のギャップの間隔を変化させる駆動手段を示す概略図である。図５のＸ線導波路は、図１（ａ）をより詳細に描画した図である。駆動されるクラッド５０２と、固定されたコア５０１及びクラッド５０３と、コア５０１とクラッド５０２の間に形成されたギャップ５０４を有するＸ線導波路である。図５のように本発明のギャップの間隔を変化させる駆動手段は、特に単一の駆動方向のみである必要はなく、複数の方向に駆動できる駆動手段５０５を用いることができる。駆動手段５０５は、一般に駆動対象であるクラッド５０２と密着した駆動ステージ部５０６とその制御部５０７から構成される。また、周期共鳴導波モードの変調に寄与する限り、その駆動方向を任意に選択することができる。図５において、ギャップの間隔を変化させるためには、主にｚ軸を変化させることになるが、Ｘ線導波方向（ｙ軸）に対する角度調整が必要であれば、ω軸で補正することができる。一方で、ω軸の走査によるＸ線導波方向に対するクラッド５０１の角度変化によっても、本発明のＸ線導波路は、周期共鳴導波モードのＸ線電波強度分布等の特性がＸ線伝搬方向に進むにつれて、徐々に変化するため、導波モードの特性の変調を実行できる。

図５はクラッド５０２のみを駆動させる場合の例であるが、本発明では、クラッドの一部が駆動してギャップの間隔を変化させることができればよく、図１（ｂ）のようにクラッドの一部とコアが結合した状態で両者が一体となって駆動する場合も含まれる。

本発明において、コアとクラッドの間に配されるギャップの間隔を変化させる駆動手段としては、高い分解能での位置制御と精度が必要となるため、ピエゾアクチュエータが好ましく用いられる。

（周期性構造体の材料）
本発明のＸ線導波路のコアに用いられる周期性構造体は、前述の本発明の導波路の構成を満たす限り、特に限定はされない。スパッタや蒸着法によって作製される多層膜や、フォトリソグラフィーや電子ビームリソグラフィー、エッチングプロセス、積層や貼り合わせ、などといった従来の半導体プロセスによって作製される周期性構造体等を用いることができる。また、周期性構造体を構成する物質に酸化物を用いることによって、酸化劣化を防ぐことができる。

コアの材料の屈折率の違いが、導波モードの変調のギャップの間隔依存性に寄与するため、必要とする導波路特性に応じて、適宜、コアの材料の屈折率を選定することができる。

本発明のＸ線導波路のコアとしては、特に、その製造工程の簡便性や規則性の高い周期構造の観点から、有機無機多層膜やメソポーラス材料膜を好ましく用いることができる。多孔質材料は、ＩＵＰＡＣ（ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＵｎｉｏｎｏｆＰｕｒｅａｎｄＡｐｐｌｉｅｄＣｈｅｍｉｓｔｒｙ）によって、その孔径により分類されており、孔径が２から５０ｎｍの多孔質材料は、メソポーラス材料膜に分類される。これらの材料は、主に酸化物の前駆体である反応液を基板上に塗布等のプロセスによって付与することによって、自己集合的に周期構造が形成されることを特徴としている。そのため、従来の半導体プロセスの多数のプロセスを要せず、極めて簡便かつ高いスループットで作製することが可能である。数十ｎｍの周期性構造体を形成することは、従来の半導体プロセスでは極めて困難であり、特に２次元以上の周期性構造体を作製することはほぼ不可能であると言ってよい。

本発明で用いられる周期性構造体は、有機無機多層膜やメソポーラス材料膜の無機成分と有機成分（あるいは空孔）によって周期構造を形成している。無機物には、無機酸化物が用いられることが好ましく、シリカ、酸化チタン、酸化ジルコニウム等を例示することができる。有機物には、例えば界面活性剤に代表される両親媒性分子、シロキサンオリゴマーのアルキル鎖部分、あるいはシランカップリング剤のアルキル鎖部分等を挙げることができる。界面活性剤としては、Ｃ_１２Ｈ_２５（ＯＣＨ_２ＣＨ_２）_４ＯＨ、Ｃ_１６Ｈ_３５（ＯＣＨ_２ＣＨ_２）_１０ＯＨ、Ｃ_１８Ｈ_３７（ＯＣＨ_２ＣＨ_２）_１０ＯＨ、Ｔｗｅｅｎ６０（東京化成工業）、ＰｌｕｒｏｎｉｃＬ１２１（ＢＡＳＦ社）、ＰｌｕｒｏｎｉｃＰ１２３（ＢＡＳＦ社）、ＰｌｕｒｏｎｉｃＰ６５（ＢＡＳＦ社）、ＰｌｕｒｏｎｉｃＰ８５（ＢＡＳＦ社）等を例示することができ、それらを適切に選択することにより周期性構造体の周期構造の次元や構造周期（ブラッグ回折から得られる面間隔）を調整することができる。用いる有機物に対する周期性構造体の構造を表１に例示する。

メソポーラス材料膜の場合、前駆体反応液の付与によって自己集合によって形成された際には、その細孔内部に有機物を含有したままとなっている。これらの有機成分は、焼成、有機溶媒による抽出、オゾン酸化処理等の従来公知の方法によって除去することができる。本発明においては、必要とする性能を有する限りにおいて、メソポーラス材料膜の細孔内に有機成分が残存していいても構わないが、有機成分を除去することにより、Ｘ線の吸収成分が少なくなるため、より伝搬損失の小さいＸ線導波路を提供することができる。ただし、有機成分が残存率が高い方がメソポーラス材料膜の構造周期性がより良好である場合が多く、周期共鳴導波モードの特性が比較的明瞭に得ることができる。そのため、適宜、目的とする導波路特性に応じて有機成分の残存率（除去率）を決めることができる。

以下、実施例によって本発明をさらに詳細に説明する。

（実施例１）
本実施例は、クラッドにタングステン、コアにＢ_４ＣとＡｌ_２Ｏ_３からなる多層膜、及びギャップに真空を用いたＸ線導波路の例である。

本実施例のＸ線導波路の作製方法は、スパッタ法による以下のような工程が挙げられる。図５に示すＸ線導波路の例を示す。

（ａ）クラッド層の形成
Ｓｉ基板（図５のＣ）上にマグネトロンスパッタリングによってタングステン５０３を３０ｎｍの厚さで形成する。

（ｂ）多層膜の形成（図５の５０１）
マグネトロンスパッタリングによってＡｌ_２Ｏ_３（図５のＡ）、Ｂ_４Ｃ（図５のＢ）の順に交互に成膜して多層膜を作製する。Ａｌ_２Ｏ_３とＢ_４Ｃの厚さは、それぞれ２．０ｎｍと１３．０ｎｍとし、多層膜の最下部、及び最上部の層はＡｌ_２Ｏ_３とする。Ａｌ_２Ｏ_３とＢ_４Ｃは、それぞれ１０１層と１００層形成する。

（ｃ）導波路長の決定
導波路長が１ｍｍになるように、ダイシング装置を用いて上記のＳｉ基板上に形成された多層膜をＳｉ基板と共に切断する。

（ｄ）駆動手段を有するクラッドの配置
１ｍｍの長さに切断したガラス基板５０６にマグネトロンスパッタリングで形成した３０ｎｍのタングステン膜（クラッド５０２）を、上記多層膜の表面に対向させて配置する。前記タングステン膜基板は、図５に示す駆動軸を有するピエゾアクチュエータ５０５によってその位置を制御することができる。

得られるＸ線導波路は、コアがクラッドにより挟まれた形となっており、コアとクラッドの界面での全反射によりＸ線をコアに閉じ込めるものである。この構成によれば、コアである多層膜の周期と、それをなす物質の屈折率実部の関係が、θ_Ｂ＜θ_{ｃ−ｔｏｔａｌ}及びθ_{ｃ−ｍｕｌｔｉ}＜θ_Ｂを満たしている。例えば、８．０４ｋｅＶのＸ線に対して、θ_{ｃ−ｔｏｔａｌ}＝０．４７２°（Ａｌ_２Ｏ_３とタングステンの界面の全反射臨界角）、θ_Ｂ＝０．２９５°およびθ_{ｃ−ｍｕｌｔｉ}＝０．１８２°（Ａｌ_２Ｏ_３とＢ_４Ｃの界面の全反射臨界角）であり、Ｘ線はクラッドおよびとコアとの界面における全反射によりコア中に閉じ込められ、周期共鳴導波モードを形成することができる。

Ｘ線（エネルギー：８．０４ｋｅＶ）を前記Ｘ線導波路の端部から入射し、導波路終端部から出射される出射Ｘ線が導波路の後方（カメラ長：１５００ｍｍ）で形成する干渉パターンをＸ線２次元検出器で測定する。測定システム内は、減圧し真空状態とする。

図６（ａ）はギャップ５０４の間隔を変化させた場合の、本実施例のＸ線導波路の透過率の変化である。ギャップの間隔が大きくなるにつれて、周期的に透過率が増減し、ギャップの間隔によってＸ線導波特性を変調できることが確認される。±０．０００２°の範囲で図５のω軸を駆動させても、同様なＸ線導波強度の変化を観測することができる。

クラッド５０２を固定し、ピエゾアクチュエータでクラッド５０３、Ｓｉ基板（図５のＣ）、及び多層膜からなるコア５０１を一体に駆動させても、ギャップ５０４の間隔を変化させることで図６（ａ）と同様な導波特性を観測することができる。

（実施例２）
本実施例は、クラッドにタングステン、コアにメソポーラスシリカ、及びギャップに空気が充填されているＸ線導波路の例である。

このメソポーラス材料膜は、Ｘ線の導波方向に垂直な方向（ｘｙ面内方向）で空孔が２次元周期構造を形成している。孔以外の部分の材料はシリカである、メソポーラスシリカである。このメソポーラスシリカを含む本実施例のＸ線導波路の作製方法を、以下に示す。

（ａ）クラッド層の形成
Ｓｉ基板（図５のＣ）上にマグネトロンスパッタリングによってタングステン５０３を２０ｎｍの厚さで形成する。

（ｂ）メソ構造体膜の前駆体溶液調製
メソポーラスシリカ膜は、ディップコート法で調製される。メソ構造体の前駆体溶液は、テトラエトキシシラン５４．７ｍＬ、エタノール７４．４ｍＬ、０．０１Ｍの塩酸２６．４ｍＬの順に三角フラスコに加えて撹拌し、１５分後に界面活性剤であるＰ１２３（ＢＡＳＦ社）をエタノール４９．６ｍＬで十分に溶解させた溶液を加える。そののち、３時間攪拌したのち、純水を１２．０ｍＬ加える。

（ｃ）メソ構造体膜の成膜（図５の５０１）
タングステンをスパッタした基板に、ディップコート装置を用いて（ｂ）のメソ構造体膜の前駆体溶液をディップコートする（引き上げ速度：毎秒０．５ｍｍ）。このときの温度は２５℃、相対湿度は５％以下である。成膜後、膜は２５℃、相対湿度４０％の恒温恒湿槽で１８時間以上保持される。その後、エタノールを用いた溶媒抽出によって、Ｐ１２３（ＢＡＳＦ社）を除去する。図５は平面図として簡略化したものであるが、図５において、Ａがシリカ、Ｂが細孔である。

（ｄ）メソポーラスシリカ膜の評価
調製されたメソ構造体膜をＢｒａｇｇ−Ｂｒｅｎｔａｎｏ配置のθ−２θスキャニングＸ線回折を行う。その結果、このメソ構造体膜は，基板面の法線方向に秩序性をもち、その面間隔つまり閉じ込め方向における構造周期が、１０．２ｎｍであることが確認される。その膜厚はおよそ４８０ｎｍである。

（ｆ）導波路長の決定
導波路長が１ｍｍになるように、ダイシング装置を用いてＸ線導波路を切断する。

（ｆ）駆動手段を有するクラッドの配置
１ｍｍの長さに切断したガラス基板にマグネトロンスパッタリングで形成した３０ｎｍのタングステン膜５０２を、上記メソポーラスシリカ膜の表面に対向させて配置する。前記タングステン基板は、図５に示す駆動軸を有するピエゾアクチュエータ５０５によってその位置を制御することができる。

得られたＸ線導波路のコアであるメソポーラスシリカ膜は、周期は１０．２ｎｍであるために、θ_Ｂ＜θ_{ｃ−ｔｏｔａｌ}及びθ_{ｃ−ｍｕｌｔｉ}＜θ_Ｂを満たしている。例えば、８．０４ｋｅＶのＸ線に対して、θ_{ｃ−ｔｏｔａｌ}＝０．５１５°（シリカとタングステンの界面の全反射臨界角）、θ_Ｂ＝０．４３３°およびθ_{ｃ−ｍｕｌｔｉ}＝０．２０１°（シリカと空気の界面の全反射臨界角）であり、Ｘ線はクラッドおよびとコアとの界面における全反射によりコア中に閉じ込められ、周期共鳴導波モードを形成することができる。

Ｘ線（エネルギー：８ｋｅＶ）を前記Ｘ線導波路の端部から入射し、導波路終端部から出射される出射Ｘ線が導波路の後方（カメラ長：１５００ｍｍ）で形成する干渉パターンをＸ線２次元検出器で測定する。測定システム内は、常圧の空気とする。

図６（ｂ）、ギャップ５０４の間隔を変化させた場合の、本実施例のＸ線導波路の透過率の変化である。ギャップの間隔が大きくなるにつれて、周期的に透過率が増減し、ギャップの間隔によってＸ線導波特性を変調できることが確認される。図５のω軸を±０．０００２°駆動させても、同様なＸ線導波強度の変化を観測することができる。

クラッド５０２を固定し、ピエゾアクチュエータでクラッド５０３、Ｓｉ基板（図５のＣ）、及びメソポーラスシリカ膜からなるコア５０１を一体に駆動させても、ギャップ５０４の間隔を変化させることで図６（ｂ）と同様な導波特性を観測することができる。

本実施例において、メソポーラスシリカ膜作製時のＰ１２３（ＢＡＳＦ社）の抽出率を低くした場合、導波したＸ線の強度が小さくなるが、周期共鳴導波モードの特性、及びその変調された特性をより明確に観測することができる。

本発明にかかるＸ線導波路は、位相の揃ったＸ線ビームを提供することが可能となり、さらにその透過率などの導波特性を調整することができ、Ｘ線を用いた分析技術やイメージング手法等で有用である。

１０１コア（周期性構造体）
１０２クラッド
１０３クラッド
１０４ギャップ
１０５ギャップの間隔を変化させる駆動手段
１０６駆動手段の駆動ステージ部
１０７駆動手段の制御部

Claims

複数の屈折率実部の異なる物質からなる基本構造が周期的に配された周期性構造体から構成されるコアと、前記コアの外側に形成された、Ｘ線を全反射によってコア内に閉じ込めるクラッドと、前記クラッドの少なくとも一部と前記コアとの間に設けられたギャップと、前記クラッドの少なくとも一部あるいは前記コアを駆動させることにより、前記ギャップの間隔を変化させる駆動手段とを有し、前記クラッドと前記ギャップとの界面におけるＸ線の全反射臨界角が、前記コアの構造周期に対応するブラッグ角よりも大きく、且つ前記コアの周期構造体を形成する屈折率実部の異なる複数の成分の界面における全反射臨界角が前記ブラッグ角よりも小さいことを特徴とするＸ線導波路。
前記ギャップには流体が充填されているか又は真空であることを特徴とする請求項１に記載のＸ線導波路。
前記駆動手段は、前記クラッドの少なくとも一部を駆動させるか、あるいは前記クラッドの少なくとも一部以外の部分と前記コアとを一体で駆動させることにより、前記ギャップの間隔を変化させ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。
前記駆動手段がピエゾアクチュエータであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかの項に記載のＸ線導波路。
前記コアの周期構造の周期数が２０以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかの項に記載のＸ線導波路。
前記コアが無機多層膜またはメソポーラス材料膜であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかの項に記載のＸ線導波路。
前記屈折率実部が異なる複数の物質のうち少なくとも一つの物質が酸化物であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかの項に記載のＸ線導波路。