JP2013007830A - 透過型回折格子及び検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 入射光の偏光方位に偏りがなく、かつ、回折層の偏光依存性が高くても、高い回折効率が得られる透過型回折格子及びそれを用いた検出装置を提供すること。
【解決手段】 透過型回折格子１０は、偏光変換層２０と、偏光変換層の一面側に配置される第１回折層３０と、偏光変換層の他面側に配置される第２回折層４０と、を有する。第１回折層３０及び第２回折層４０は共に、第１方向Ａに沿って周期Ｐで配列される屈折率変調構造３２，４２を有し、かつ、ＴＥ偏光成分に対する回折効率がＴＭ偏光成分に対する回折効率よりも高い。
【選択図】 図１

Description

本発明は、透過型回折格子及び検出装置等に関する。

従来、ラマン分光器等の分光装置に用いられている回折格子の多くは反射型である。反射型の回折格子として、例えば断面が鋸歯状に形成されたブレーズ化格子がある（例えば、特許文献１に記載の回折格子）。

特開２００４−３５４１７６号公報

しかしながら、反射型の回折格子には、波長分解能を向上させることと、高回折効率が得られる波長帯域を広げることの両立が困難であるという課題がある。例えば、ブレーズ化回折格子では、断面形状がブレーズ化されていることで、回折効率が向上する。しかしながら、ブレーズ化回折格子では、波長分解能を向上するために格子周期を短くすると、高回折効率が得られる波長帯域がきわめて狭くなってしまう。

図１２に、本実施形態の比較例として、ブレーズ化回折格子の例を示す。図１２に示すように、ブレーズ化回折格子の格子周期をＰａとし、入射光の波長をλａとし、入射光の入射角度をαａとし、一次回折光の回折角度をβａとする。

まず、波長分解能について考える。回折格子の波長分解能Δβ／Δλは下式（１）で表される。下式（１）より、波長分解能Δβ／Δλを高めるためには、格子周期Ｐａを小さくし、回折角度βａを大きくすればよいことがわかる。

Δβ／Δλ＝１／（Ｐａ・ｃｏｓβａ） （１）
図１３は、上式（１）において波長λａ＝６３３ｎｍ、格子周期Ｐa＝３３３ｎｍとした場合の、回折角度βａに対する波長分解能Δβａ／Δλａの特性例である。この例では、波長と格子周期の比はλａ／Ｐａ＝１．９である。このとき、回折角度βａは７２度となり、波長分解能Δβａ／Δλａはおよそ０．０１まで向上する。

次に、一次回折光の回折効率について考える。反射型回折格子の場合には、その断面形状をブレーズ化することで回折効率を高めることが可能である。しかしながら、波長分解能Δβａ／Δλａを向上させるために格子周期Ｐａを小さくすると、断面形状をブレーズ化しても高い回折効率を得ることは難しい（最新 回折光学素子 技術全集，技術情報協，p.107-p.120(2004)）。このように、ブレーズ化回折格子等の反射型回折格子では、高い波長分解能と高い回折効率を同時に実現することは困難となってしまう。

例えば、ラマン分光器等の分光装置では、高い波長分解能と高い回折効率を広い波長域で同時に満足する回折格子が求められている。ラマン分光では、試料からの散乱光は、主にレイリー散乱光とラマン散乱光である（以下では、レイリー散乱波長λｒａｙよりも長いラマン散乱波長λｒａｙ＋Δλを有するストークス成分に注目する）。このラマン分光では、実用上課題となることがいくつかある。まず、ラマン散乱光の強度は、レイリー散乱光の強度と比べて極めて微弱である。次に、ラマン分光により物質を特定する場合、試料から散乱されるラマン散乱光を０．５ｎｍ程度の波長分解能で分光する必要がある。さらに、レイリー散乱光とラマン散乱光の波長差が１００ｎｍ程度まで広く求められる場合もある。これらの点を考慮すると、ラマン分光に使用される回折格子では、可視から近赤外（波長４００ｎｍ〜１１００ｎｍ）において０．５ｎｍ程度の高い波長分解能を得られることが要求される。加えて、１００ｎｍ程度の広い波長帯域において高い回折効率が得られることが要求される。

加えて、回折格子の光学特性が入射光の偏光状態に大きく依存する場合には、偏光方位に偏りがない散乱光のごく一部しか検出器へ取り込むことができず、また、信号対ノイズ比も低くなるため、検出器に対して過剰な仕様を求めることになる。

本発明の幾つかの態様によれば、入射光の偏光方位に偏りがなく、かつ、回折層の偏光依存性が大きい場合に、高い回折効率が得られる透過型回折格子及びそれを用いた検出装置を提供することができる。

（１）本発明の一態様は、
偏光変換層と、
前記偏光変換層の一面側に配置される第１回折層と、
前記偏光変換層の他面側に配置される第２回折層と、
を有し、
前記第１回折層及び前記第２回折層は共に、第１方向に沿って周期Ｐで配列される屈折率変調構造を有し、かつ、ＴＥ偏光成分に対する一次回折効率がＴＭ偏光成分に対する一次回折効率よりも高い透過型回折格子に関する。

ここで、屈折率変調構造のうちの同一屈折率構造が第１方向と交差して延びる方向を第２方向とする。偏光方位が第２方向と平行な直線偏光がＴＥ偏光であり、偏光方位が第２方向と垂直な直線偏光がＴＭ偏光である。

本発明の一態様によれば、偏光方位に偏りがない入射光が例えば第１回折層に入射されると、ＴＥ偏光成分に対する回折効率は高いためにＴＥ偏光成分の多くは回折され、他方ＴＭ偏光成分に対する回折効率は低いためにＴＭ偏光成分の多くは透過する。次に、偏光変換層では、ＴＥ偏光成分がＴＭ偏光成分に、ＴＭ偏光成分がＴＥ偏光成分に偏光変換される。さらに、第２回折層でもＴＥ偏光成分に対する回折効率は高く、ＴＭ偏光成分に対する回折効率は低いために、ＴＥ偏光成分の多くは回折され、ＴＭ偏光成分の多くは透過する。

ここで、ＴＥ偏光に対する第１，第２回折層の各々の一次回折効率をαとし、ＴＭ偏光に対する第１，第２回折層の各々の一次回折効率をβとすると、透過型回折格子の光利用効率は、光利用効率=α＋（１−２α）βとなる。一次回折効率の偏光依存性が大きく、例えばα≒１、β≒０の場合、上式の光利用効率はほぼαに等しい。すなわち、透過型回折格子の光利用効率は、それを構成する回折格子のＴＥ偏光に対する一次回折効率にほぼ等しくなる。こうして、回折層における一次回折効率の偏光依存性が大きくても、高い回折効率が得られる。

（２）本発明の一態様では、分光波長帯域中の波長をλとしたとき、前記偏光変換層はλ／２波長板とすることができる。λ／２波長板は、ＴＥ偏光成分をＴＭ偏光成分に、ＴＭ偏光成分をＴＥ偏光成分に偏光変換する。

（３）本発明の一態様では、前記偏光変換層は積層された複数の水晶板を含むことができる。複数の水晶板でも使用波長帯域にて１８０度に近い位相差を実現でき、ＴＥ偏光成分をＴＭ偏光成分に、ＴＭ偏光成分をＴＥ偏光成分に偏光変換できる。

（４）本発明の一態様では、前記第１回折層及び前記第２回折層の各々は、前記偏光変換層に接合されるベース層をさらに含み、前記ベース層上に前記屈性率変調構造を有することができる。こうすると、偏光変換層に接合されるベース層を、リソグラフィ、インプリントまたは干渉縞露光等により加工して、ベース層の表面に屈性率変調構造を形成することができる。

（５）本発明の一態様では、前記屈性率変調構造は、凹凸パターンとすることができる。凸部の屈折率は凹部である溝の屈折率（空気の屈折率）と異なるので、屈性率変調構造が実現できる。

（６）本発明の一態様では、前記屈折率変調構造は、凹凸パターンに代えて、第１屈折率の物質と第２屈折率の物質とが前記第１方向にて交互に積層された構造としても良い。

（７）本発明の一態様では、前記屈折率変調構造の高さをｈとしたとき、１．５＜λ／Ｐ＜２．０でかつ１．７５＜ｈ／Ｐ＜２．５０を満たすことができる。

こうすると、一次回折光の効率が高くかつ同効率の偏光依存性が大きい透過型回折格子を実現できる。ここで、λ／Ｐの下限は、一次回折効率の偏光依存性が大きいという要求から決まる。λ／Ｐの上限は、一次回折光を空気中に取り出せるという要求から決まる。また、ｈ／Ｐの上限及び下限は、両者の間に存在する一次回折効率の最大値のおよそ９０％以上の効率を与えるという条件から決まる。

（８）本発明の一態様では、前記第１回折層及び前記第２回折層の各々は、誘電体により形成される傾斜面を有し、前記傾斜面は、基準線に対して傾斜して配列され、入射光の入射角度を前記基準線に対して角度αとし、回折光の回折角度を前記基準線に対して角度βとする場合に、前記入射角度θ１は、前記傾斜面に対するブラッグ角度θよりも小さい角度であり、前記回折角度θ２、前記ブラッグ角度θよりも大きい角度とすることができる。

本発明の一態様によれば、誘電体により形成される傾斜面が、基準線に対して傾斜され、配列される。そして、透過型回折格子に対する入射光が、ブラッグ角度θよりも小さい角度θ１で入射され、回折光が、ブラッグ角度θよりも大きい角度θ２で出射される。これにより、波長分解能を向上し、高回折効率を得られる波長帯域を広げること等が可能になる。

（９）本発明の他の態様は、
上述した透過型回折格子と、
標的物からの散乱光または反射光を前記透過型回折格子に入射させる光学系と、
前記透過型回折格子からの回折光を検出する検出器と、
を含む検出装置を定義している。

本発明の一実施形態に係る透過型回折格子の概略説明図である。 回折格子中の第１回折層とそれへの入射光とを示す図である。 複数の水晶板を積層して成る偏光変換層の波長−位相差の特性図である。 図４（Ａ）（Ｂ）は回折格子の作用を示す特性図であり、図４（Ａ）は入射光中のＴＥ偏光成分に対する回折及び偏光変換作用を示し、図４（Ｂ）は入射光中のＴＭ偏光成分に対する回折及び偏光変換作用を示している。 図５（Ａ）は回折効率と格子深さとの関係を示す特性図であり、図５（Ｂ）は回折効率と波長との関係を示す特性図である。 入射角度と回折角度との関係を示す特性図である。 本発明の第２実施形態に係る透過型回折格子を示す図である。 本発明の第３実施形態に係る傾斜した屈折率変調構造を有する回折層を示す図である。 回折角度と波長分解能の関係を示す特性図である。 図１０（Ａ）はλ／ＰとＴＥ偏光成分に対する一次回折効率との関係を示す特性図、図１０（Ｂ）はλ／ＰとＴＭ偏光成分に対する一次回折効率との関係を示す特性図である。 図１１（Ａ）、図１１（Ｂ）は、検出装置を説明する図である。 従来技術であるブレーズ化回折格子を説明する図である。 図１２に示すブレーズ回折格子における回折角度に対する波長分解能の特性図である。

以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお以下に説明する本実施形態は特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。

１．第１実施形態
１．１．回折格子
図１は、本実施形態に係る分光装置である回折格子１０を示している。この回折格子１０は透過型であり、使用波長に対して透明な一種または二種以上の誘電体から構成することができる。透過型回折格子（以下回折格子とも言う）１０は、偏光変換層２０と、偏光変換層２０の一面側に配置される第１回折層３０と、偏光変換層２０の他面側に配置される第２回折層４０と、を有する。

第１回折層３０は屈折率変調構造３２を有し、第２回折層４０は屈折率変調構造４２を有する。第１回折層３０は、偏光変換層２０に接合されるベース層３４をさらに含むことができる。この場合、第１回折層３０は、ベース層３４上に屈性率変調構造３２を有する。同様に、第２回折層４０は、偏光変換層２０に接合されるベース層４４をさらに含むことができる。この場合、第２回折層４０は、ベース層４４上に屈性率変調構造４２を有する。

ここで、本実施形態では、屈折率変調構造３２，４２は、誘電体による凹凸パターンとしている。例えば、レーザー干渉露光でベース層３４，４４上にジストパターンを作成し、リソグラフィやインプリントによりレジストパターンをベース層３４，４４上へ転写すれば、凹凸パターンを形成できる。

図２は、第２回折層４０と同一構造（周期、深さ、線幅）を有する第１回折層３０の一部を示している。図２に示すように、第１回折層３０の屈折率変調構造３２は、ベース層３４から例えば垂直に延びる凸部３２Ａと、２つの凸部３２Ａ間の凹部（溝）３２Ｂとを第１方向Ａにて交互に有する凹凸パターンである。第２回折層４０の屈折率変調構造４２も同一である。

つまり、屈折率変調構造３２（４２）は、屈折率ｎ１の凸部３２Ａ（４２Ａ）と屈折率ｎ２（空気の屈折率１）の凹部３２Ｂ（４２Ｂ）とが交互に第１方向Ａに沿って周期Ｐで配置されたものである。

第１及び第２回折層３０，４０の屈折率変調構造３２，４２の各々は、例えば、周期Ｐ：４００ｎｍ、深さｈ：８００ｎｍであり、線幅ｄ／周期Ｐ（fill factor）：０．４５である。

１．２．ＴＥ偏光及びＴＭ偏光
ここで、回折格子１０への入射光は、偏光方位には一般に偏りがない。図２では、回折格子１０の凹部（溝）３２Ｂの方向が紙面に垂直な方向（第２方向）であるので、電場ベクトルの振動方向（偏光方位）が紙面に垂直な方向にある偏光がＴＥ偏光であり、電場ベクトルの振動方向（偏光方位）が紙面に平行な方向にある偏光がＴＭ偏光である。よって、図２に示す回折格子１０への入射光Ｑは、ＴＥ偏光とＴＭ偏光の双方を含んでいる。

偏光変換層２０は１／２波長板としての機能を有し、入射する直線偏光の方位を９０°だけ回す。すなわち、偏光変換層２０はＴＥ偏光をＴＭ偏光へ変換し、ＴＭ偏光をＴＥ偏光へ変換する。この偏光変換層２０は、特定の角度で斜めに入射する光に対して１／２波長板として機能するように設計されている。このような波長板は、例えば、斜方蒸着により実現できる。偏光変換層２０は、例えば特開２００７−３１００５２に開示された広帯域波長板を使用することができる。

また、特開２００４−１７０８５３に開示されているように、特定の結晶方位で切り出した複数枚の水晶板を積層したものを偏光変換層２０として用いることもできる。一例として、２枚のＹ−ｃｕｔ水晶板を張り合わせ成る偏光変換層２０の位相差と波長の関係を図３に示す。波長６８０ｎｍに対して位相差は１８０度であり、波長帯域６００−７６０ｎｍにおいて１７２度以上の位相差が得られる。これは、本発明をラマン分光へ用いる上で十分な特性である。

１．３．回折効率と偏光依存性
図４（Ａ）（Ｂ）に、透過型回折格子１０の作用を示す。図４（Ａ）（Ｂ）では、ＴＥ偏光に対する第１，第２回折層３０，４０の各々の一次回折効率をαとし、ＴＭ偏光に対する第１，第２回折層３０，４０の各々の一次回折効率をβとしている。

本実施形態では、第１，第２回折層３０，４０の各々は、ＴＥ偏光成分に対する回折効率がＴＭ偏光成分に対する回折効率よりも大きい。つまり、α＞βであり、波長λ、格子周期Ｐに対して１．５＜λ／Ｐ＜２．０が満たされる場合はα≫βであり、α≒１、β≒０とみなすこともできる。

図４（Ａ）に示すように、ＴＥ偏光成分に対する回折効率αは大きいので、ＴＥ偏光成分の多くは第１回折層３０で回折され、偏光変換層（１／２波長板）２０を通過するときにＴＭ偏光成分へ変換される。ＴＭ偏光成分に対する回折効率βは小さいので、ＴＭ偏光成分の多くは第２回折層４０では回折されずに透過する。

他方、図４（Ｂ）に示すように、ＴＭ偏光成分に対する回折効率βは小さいので、ＴＭ偏光成分の多くは第１回折層３０では回折されずに透過し、偏光変換層（１／２波長板）２０を通過するときにＴＥ偏光成分へ変換される。ＴＥ偏光成分に対する回折効率αは大きいので、ＴＥ偏光成分の多くは第２回折層４０では回折される。

上述した回折効率α及びβを用いると、回折格子１０の光利用効率は、
光利用効率=α＋（１−２α）β （２）
の通り与えられる。

ここで、一次回折効率の偏光依存性が大きく、α≒１、β≒０の場合、式（２）はほぼαに等しい。すなわち、回折格子１０の光利用効率は、それを構成する格子のＴＥ偏光に対する一次回折効率にほぼ等しくなる。このようにして、回折格子１０へ入射した光のほとんどを回折、すなわち分光することができる。

他方、一次回折効率の偏光依存性が小さく、α≒βの場合、式（２）は２α〈１−α〉となる。したがって、利用効率はα＝０．５のときに最大となるが、その値は０．５にとどまり、一次回折効率の偏光依存性が大きい場合の利用効率のほぼ半分である。このことから、本発明においては、偏光依存性の大きな回折格子を用いることが必須であることがわかる。

このように、本実施形態に係る透過型回折格子１０では、回折効率特性の偏光依存性が大きい２つの回折格子(第１，第２回折層３０，４０)を用いることにより、高い回折効率を達成し、同時に、偏光依存性を解消することに成功している。

また、２つの回折格子(第１，第２回折層３０，４０)を偏光変換層（１／２波長板）２０の基板表面へ形成すれば、回折格子１０全体の厚さを２ｍｍ以下にすることも可能であり、分光器へ搭載するときに、その厚さが支障となることはない。

図５（Ａ）（Ｂ）に、格子の回折効率特性の一例を示す。図５(Ａ)は透過回折光率と格子深さの関係を示し、図５（Ｂ）は一次回折効率と波長の関係を示している。この格子の周期は４００ｎｍであり、断面の形状はほぼ矩形である。光の入射角度は５８度であり、波長６８０ｎｍに対してブラッグ回折条件が満足される。ラマン分光へ用いる一次回折光の効率は、図５（Ｂ）に示すように、中心波長６８０ｎｍに対して、ＴＥ偏光のときに９３％、ＴＭ偏光のときに０％である。このように、回折効率の偏光依存性がきわめて大きい。図５（Ａ）に示すように、格子の深さを７００−１０００ｎｍ（Ｒ１）とすると、ＴＥ偏光の効率はほぼ８０％以上となり、格子の深さを５００−１２００ｎｍ（Ｒ２）とすると、ＴＥ偏光の効率はほぼ６０％以上となる。また、図５（Ｂ）に示すように、格子の使用波長帯域を６３０−７３０ｎｍとすると、ＴＥ偏光の効率は８０％以上となり、ＴＭ偏光の効率７％以下である。

１．４．波長分解能
第１回折層３０の屈折率変調構造３２では、図６に示すように、入射角度θ１、角度θ２である。ここで、波長分解能は、
波長分解能＝Δθ２／Δλ（ｒａｄ／ｎｍ）＝１／Ｐｃｏｓθ２ （３）
が成立する。よって、格子間隔Ｐを狭く、回折角度θ２を大きくすれば、波長分解能は高くなることが分かる。

このように、波長分解能を高くできれば、短い距離で分光が可能となり、回折格子を含む検出装置の小型化が図られる。こうして、本実施形態では、高い回折効率、偏光依存性の解消、及び高い波長分解能を同時に達成することができる。

２．第２実施形態
図７は本発明の第２実施形態に係る透過型回折格子５０を示している。図７に示す透過型回折格子５０もまた、偏光変換層２０と、偏光変換層２０の一面側に配置される第１回折層６０と、偏光変換層２０の他面側に配置される第２回折層７０と、を有する。

第１回折層６０は屈折率変調構造６２を有し、第２回折層７０は屈折率変調構造７２を有する。第１回折層６０は、偏光変換層２０に接合されるベース層６４と、屈折率変調構造６２を保護する保護層６６と、のいずれか一方または双方をさらに含むことができる。同様に、第２回折層７０は、偏光変換層２０に接合されるベース層７４と、屈折率変調構造７２を保護する保護層７６と、のいずれか一方または双方をさらに含むことができる。

ここで、本実施形態では、屈折率変調構造６２，７２は、第１実施形態のように誘電体による凹凸パターンでない。屈折率変調構造６２，７２は、第１屈折率ｎ１の物質と第２屈折率ｎ２の物質とが第１方向Ａにて交互に積層された構造であり、第１実施形態のように空気の屈折率である凹部（溝）３２Ｂ（４２Ｂ）は用いていない。

このような屈折率変調構造６２（７２）では、例えばベース層６４（７４）をレーザー等にて干渉縞露光して、乾式または湿式現像することで、ベース層６４（７４）の表面に第１，第２屈折率ｎ１，ｎ２の分布構造を得ることができる。

従って、第１実施形態に係る回折格子１０に代えて回折格子５０を用いても、高い回折効率、偏光依存性の解消、及び高い波長分解能を同時に達成することができる。

このように、後述する第３実施形態と比較すると、第１，第２実施形態では傾斜がない回折格子に対して本発明を適用している。したがって、回折効率の偏光依存性が大きいために従来注目されなかった高密度な回折格子（λ／Ｐ＞１．５）を、分光装置へ用いることができるようになる。

３．第３実施形態
本実施形態では、ブラッグ反射を生じる周期構造を傾斜させて、回折角度をより大きくすることで、波長分解能の向上と回折効率の広帯域化を行う。図８に、図６に示す凸部３２Ａ（４２Ａ）に代えて傾斜した凸部３２Ｃ（４２Ｃ）を有する回折層８０の断面図を示す。

凸部３２Ｃ（４２Ｃ）は第１方向Ａに沿って周期Ｐ／ｃｏｓφ（格子間隔）で配列される。凸部３２Ｃ（４２Ｃ）は、例えばベース層３４（図２参照）の主面に直交する基準線Ｌに対して角度φ（φ＞０°）だけ傾斜して形成される。より具体的には、凸部３２Ｃ（４２Ｃ）には、基準線Ｌに対して角度φで傾斜する傾斜面３２Ｄ（４２Ｄ）が形成される。傾斜面３２Ｄ（４２Ｄ）は、傾斜面３２Ｄ（４２Ｄ）に垂直な方向での周期がＰであり、回折光（ブラッグ反射光）は、この周期Ｐの周期構造により生じる。なお、使用波長λと格子周期Ｐが１．２５＜λ／Ｐ＜２．０、さらに好ましくは１．５＜λ／Ｐ＜２．０を満たすことが望ましい。また、格子周期Ｐが２５０−５５０ｎｍであり、凸部３２Ｃ（４２Ｃ）の高さが５００〜１１００ｎｍであることが望ましい。また、傾斜角度がφ＜４５°であることが望ましい。

図８に示すように、回折格子には波長λの入射光が角度θ１で入射し、回折光が角度θ２で回折されて透過する。ここで波長分解能Δθ２／Δλは、下式（４）で表される。なお、下式（４）でφ＝０とすると上式（３）が得られ、傾斜がない場合の波長分解能を表す式となる。

Δθ２／Δλ＝ｃｏｓφ／（Ｐ・ｃｏｓθ２） （４）
次に、本実施形態による波長分解能と回折効率を向上させる手法について説明する。図８に示すように、本実施形態では傾斜面３２Ｄ（４２Ｄ）の周期構造によるブラッグ回折を利用している。図８の例を、傾斜角度φ＝０°の場合（図６）と比較して考える。ブラッグ回折が生じる入射光の入射角度をブラッグ角度θとすると、ブラッグ条件は空気（媒質）の屈折率をｎとして下式（５）で表される。図８では、ブラッグ角度θは、傾斜面３２Ｄ（４２Ｄ）に対する角度とほぼ等しい。

２ｎＰｓｉｎθ＝λ （５）
先に説明したように、波長分解能Δθ２／Δλを大きくするためにはブラッグ角度θ（回折角度）を大きくする必要がある。上式（５）より、ブラッグ角度θを大きくすると、Ｐを小さくしなければならないことが分かる。しかしながら、先に説明したように、周期Ｐを小さくすると回折効率の高い波長帯域が狭くなってしまう。そこで、本実施形態では、図８に示すように凸部３２Ｃ（４２Ｃ）を傾斜させることで、回折角度θ２を大きくしている。このとき、入射角度θ１は近似的にθ１＝θ−φであり、回折角度θ２は近似的にθ２＝θ＋φである。なお、厳密には入射角度θ１＝θ−φ、回折角度θ２＝θ＋φであるとは限らない。このように、凸部３２Ｃ（４２Ｃ）を傾斜させることで回折角度θ２をブラッグ角度θよりも大きくできるため、回折角度θ２により波長分解能Δθ／Δλを大きくするとともに、φ＝０°の場合に比べて周期Ｐをより大きな値にできる。

図９に、回折角度に対する波長分解能の特性例を示す。図９は、波長λ＝６３３ｎｍ、格子周期Ｐ＝３６６ｎｍ、傾斜角度φ＝１０°の場合の例であり、一次透過回折光のブラッグ角度はθ＝５９．９°である。格子周期Ｐ＝３６６ｎｍは、従来技術での格子周期Ｐａ＝３３３ｎｍに比べて１０％大きい値である。また、この回折格子の波長分解能は、周期がＰ／ｃｏｓφ＝３６６／ｃｏｓ（１０°）＝３７２ｎｍである傾斜がない回折格子の波長分解能と同じである。

格子の傾斜がないφ＝０°の場合には、回折角度がブラッグ角度θ＝５９．９°の近傍で、一次回折光の回折効率は最大となる。このとき、図９に示すように、波長分解能は０．００５［ｒａｄ／ｎｍ］にとどまる。一方、格子をφ＝１０°傾斜させた場合には、回折角度はθ２＝７３°まで広がるため、波長分解能はφ＝０°の場合から約１．８倍向上して０．００９［ｒａｄ／ｎｍ］以上となる。このように、回折格子を角度φ＝１０°で傾斜させることで、回折角度β＝７３°の近傍において高い回折効率を実現している。

このような傾斜した凸部３２Ｃ（４２Ｃ）を有する回折層６０を単体で用いると、偏光依存性が大きい。図１０（Ａ）（Ｂ）に、一次回折効率とλ／Ｐの関係を示した。図中、屈折率変調構造の厚さｈをパラメータにとってある。λ／Ｐ＝１．７の条件では、屈折率変調構造の厚さｈが十分に大きい（溝が深い）場合には、ＴＥ偏光に対して８０％を越える高い効率が得られる（図１０（Ａ）参照）。しかし、ＴＭ偏光に対する効率はほとんど期待できない（図１０（Ｂ）参照）。

そこで、この第３実施形態では、図１に示す偏光変換層２０の両側に、傾斜した凸部３２Ｃ（４２Ｃ）を有する第１，第２回折層を設けることで、第１実施形態と同様にして、偏光依存性も解消できる。しかも、第３実施形態では、回折角度θ２をより大きくして波長分解能を向上することと、必要な波長分解能が得られる範囲で周期Ｐをできるだけ大きくして回折効率を広帯域化することを同時に実現できる。

第３実施形態にて説明した傾斜を有する屈折率変調構造は、第１実施形態の凹凸パターンに適用されるものに限らず、図７に示す第２実施形態の屈折率変調構造にも適用することができる。

また、第３実施形態にて説明した傾斜を有する屈折率変調構造の製造方法は、本願出願人により先願の特願２０１０−１１１１２４に開示されたものを採用することができる。

なお、第１〜第３実施形態において、使用波長λと格子周期Ｐとの関係を１．５＜λ／Ｐ＜２．０としたとき、屈折率変調構造の厚さｈと格子周期Ｐとの関係は、１．７５＜ｈ／Ｐ＜２．５０とすることが望ましい。

４．第４実施形態
本発明の第４実施形態として、上述した第１〜第３の実施形態のいずれか一つの回折格子を有する検出装置について説明する。

図１１（Ａ）、図１１（Ｂ）に、本実施形態の回折格子が適用される検出装置の第１の構成例を示す。この検出装置は、ラマンセンサー３００（センサーチップ、光デバイス）、第１の凹面鏡３１０、バンドパスフィルター３２０、回折格子３４０、第２の凹面鏡３５０、アレイ光検出器３６０（検出器）、光源３７０、エッジフィルター３８０を含む。この検出装置は、１つの回折格子３４０と２つの凹面鏡３１０、３５０が所定の位置関係に配置されたシングル分光装置である。なお、以下では、ラマン分光測定を行うための検出装置について説明するが、本実施形態の回折格子は、他の分光手法を用いた検出装置にも適用できる。また、回折格子３４０は、例えば図８に示す第３実施形態に係る傾斜した屈折率変調構造を有する回折格子とする。

図１１（Ｂ）に示すように、光源３７０からのレーザー光は、エッジフィルター３８０により反射され、ラマンセンサー３００上の試料３９０（標的物）に照射される。例えば、光源３７０は、連続発振のＨｅ−Ｎｅレーザー（波長６３３ｎｍ、出力２０ｍＷ）である。レーザー光が照射された試料３９０は、ラマンセンサー３００による表面増強ラマン散乱により、レイリー散乱光とラマン散乱光を発生させる。これらの散乱光は、エッジフィルター３８０に入射される。このエッジフィルター３８０は、レーザー光の波長（６３３ｎｍ）の光を反射し、それより長波長の光を透過する。すなわち、エッジフィルター３８０によりレイリー散乱光は反射され、ラマン散乱光は透過される。透過したラマン散乱光は凹面鏡３１０に入射され、凹面鏡３１０により平行光にされる。

次に、図１１（Ａ）に示すように、凹面鏡３１０からの反射光は、バンドパスフィルター３２０を通過し、回折格子３４０に所定の入射角度θ１で入射される。バンドパスフィルター３２０は、さらにレイリー散乱光を遮断し、ラマン散乱光のみを透過する。回折格子３４０への入射光は、図４（Ａ）（Ｂ）にて説明した通り、第１回折層３０、偏光変換層２０及び第２回折層４０にて、偏光変換、回折角度θ２での回折または透過され、分光される。分光されたラマン散乱光は、波長毎に僅かに異なる回折角度であり、各波長では平行光である。この分光されたラマン散乱光は、凹面鏡３５０へ入射され、凹面鏡３５０によりアレイ光検出器３６０上に集光され、スペクトル分布を形成する。そして、アレイ光検出器３６０によりラマン散乱光のスペクトル分布が検出される。

次に、この検出装置の波長分解能について具体的に説明する。アレイ光検出器３６０上でのレイリー散乱光の位置をＸ（λ）とし、ラマン散乱光（ストークス光）の位置をＸ（λ＋Δλ）とすると、これらの位置間の距離は下式（６）で表される。ここで、ｆは凹面鏡３５０の集光距離（焦点距離）、Δθ２／Δλは回折格子３４０の波長分解能である。

Ｘ（λ＋Δλ）−Ｘ（λ）＝ｆ・Δλ・（Δθ２／Δλ） （６）
上式（６）より、波長分解能Δθ２／Δλが十分に大きい場合には、凹面鏡３５０の集光距離ｆが短くても、ラマン散乱光とレイリー散乱光の間を広く分光できることが分かる。そのため、本実施形態の高分解能な回折格子を用いることで、凹面鏡３５０の集光距離ｆを短くし、各構成要素をコンパクトに配置して分光器を小型化できる。

例えば、図１１（Ａ）の回折格子３４０として図２で説明した回折格子１０を用いた場合では、回折格子の周期は４００ｎｍ（２５００本／ｍｍ）、傾斜角度は０度、波長分解能は０．００５ｒａｄ／ｎｍであり、凹面鏡の焦点距離ｆは２０ｍｍである。この場合、波長差が０．５ｎｍのふたつの散乱光成分はアレイ光検出器の上で５０μｍだけ離れており、一般的なアレイ検出器を用いても十分に解像される。さらに、レイリー散乱光からラマン散乱光までの距離は、ラマンシフト量を５０ｎｍとすると、２０μｍｘ５０／０．５＝２ｍｍ程度あり、十分に遠い。したがって、図１１（Ｂ）に示されたエッジフィルター３８０の特性に対する負荷は大きく軽減される。比較的精度がゆるい分光用途では、エッジフィルター３８０が不要になる。

なお、上記のように本実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義又は同義な異なる用語（回折格子、センサーチップ、検出器等）と共に記載された用語（透過型回折格子、ラマンセンサー、アレイ光検出器等）は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また回折格子、分光装置、検出装置等の構成、動作も本実施形態で説明したものに限定に限定されず、種々の変形実施が可能である。

１０，５０ 透過型回折格子（回折格子）、２０ 偏光変換層、３０，６０ 第１回折層、３２，４２，６２，７２ 屈折率変調構造、３２Ａ，４２Ａ 凸部、３２Ｂ，４２Ｂ 凹部（溝）、３２Ｃ，４２Ｃ 傾斜した凸部、３２Ｄ，４２Ｄ 傾斜面、３４，４４，６４，７４ ベース層、４０，７０ 第２回折層、６６，７６ 保護層、８０ 回折層、３００ ラマンセンサー、３１０ 凹面鏡、３２０ バンドパスフィルター、３４０ 回折格子、３５０ 凹面鏡、３６０ アレイ光検出器、３７０ 光源、３８０ エッジフィルター、３９０ 試料、θ１ 入射角度、θ２ 回折角度

Claims (9)

1. 偏光変換層と、
   前記偏光変換層の一面側に配置される第１回折層と、
   前記偏光変換層の他面側に配置される第２回折層と、
   を有し、
   前記第１回折層及び前記第２回折層は共に、第１方向に沿って周期Ｐで配列される屈折率変調構造を有し、かつ、ＴＥ偏光成分に対する回折効率がＴＭ偏光成分に対する回折効率よりも高いことを特徴とする透過型回折格子。
2. 請求項１において、
   分光波長帯域中の波長をλとしたとき、前記偏光変換層はλ／２波長板であることを特徴とする透過型回折格子。
3. 請求項１において、
   前記偏光変換層は、積層された複数の水晶板を含むことを特徴とする透過型回折格子。
4. 請求項２または３において、
   前記第１回折層及び前記第２回折層の各々は、前記偏光変換層に接合されるベース層をさらに含み、前記ベース層上に前記屈性率変調構造を有することを特徴とする透過型回折格子。
5. 請求項１乃至４のいずれかにおいて、
   前記屈性率変調構造は、凹凸パターンであることを特徴とする透過型回折格子。
6. 請求項１乃至４のいずれかにおいて、
   前記屈折率変調構造は、第１屈折率の物質と第２屈折率の物質とが前記第１方向にて交互に積層された構造であることを特徴とする透過型回折格子。
7. 請求項１乃至６のいずれかにおいて、
   前記屈折率変調構造の高さをｈとしたとき、１．５＜λ／Ｐ＜２．０でかつ１．７５＜ｈ／Ｐ＜２．５０を満たすこと特徴とする透過型回折格子。
8. 請求項１乃至７のいずれかにおいて、
   前記第１回折層及び前記第２回折層の各々は、誘電体により形成される傾斜面を有し、前記傾斜面は、基準線に対して傾斜して配列され、入射光の入射角度を前記基準線に対して角度θ１とし、回折光の回折角度を前記基準線に対して角度θ２とする場合に、前記入射角度θ１は、前記傾斜面に対するブラッグ角度θよりも小さい角度であり、前記回折角度θ２は、前記ブラッグ角度θよりも大きい角度であること特徴とする透過型回折格子。
9. 請求項１乃至８のいずれかに記載の透過型回折格子と、
   標的物からの散乱光または反射光を前記透過型回折格子に入射させる光学系と、
   前記透過型回折格子からの回折光を検出する検出器と、
   を含むことを特徴とする検出装置。

Images