JP4345625B2 - 回折格子 - Google Patents

Description

本発明は、分光光度計などに使用される反射型の回折格子に関する。

一般に分光光度計等の光学測定装置では、種々の波長が混じった光から特定の波長を有する単色光を取り出したりスペクトルに分解したりするために回折格子が使用される。図３は従来知られている回折格子の分光の原理を説明するための断面図である（例えば非特許文献１など参照）。なお、ここでは、格子溝の断面形状が矩形状であるラメラー型（ラミナー型と呼ばれることもある）の回折格子を示しているが、溝断面形状が鋸歯状であるブレーズド型（エシェレット型と呼ばれることもある）や溝断面形状が正弦波状であるホログラフィック型でも分光の原理は基本的には同様である。

図３に示すように、反射型の回折格子１は基板１０上に周期Ｄの格子溝１１が規則的に配列された光学素子である。この回折格子１に対し、格子溝１１の法線Ｐとの成す角度θ１で以て入射した光が法線Ｐとの成す角度θ２で以て回折したとき、隣り合う格子溝１１における光束の光路差ΔＬ１は次の(1)式で与えられる。
ΔＬ１＝Ｄ・（ｓｉｎθ１−ｓｉｎθ２） …(1)
この光路差ΔＬ１が波長λの１／２の偶数倍、即ち、
（λ／２）×２Ｍ＝Ｍλ
但し、Ｍ＝１、２、３、…
と等しくなるとき出射光は強め合うことになる。したがって、次の(2)式を満足する特定の波長λを持つ光が回折格子１から出射（回折）して来る。
Ｄ・（ｓｉｎθ１−ｓｉｎθ２）＝Ｍλ …(2)

例えば、θ１＋θ２＝αを一定にする条件の下で入射角θ１及び出射角θ２を変化させることにより、回折光の波長λを任意に変化させることができる。また、入射光が白色光である場合にも、出射角θ２を変化させることにより特定波長を持つ光を回折光として取り出すことができる。

しかしながら、上記のような従来の回折格子には、所望の波長の光とともに不所望である高次光も同じ方向に出射してくるという原理的な問題がある。即ち、(2)式は、波長がλである１次光、波長がλ／２である２次光、波長がλ／３である３次光、…が強め合って出て来ることを意味するから、いま入射角θ１、出射角（回折角）θ２の配置で以て取り出したい１次光の波長をλAとすると、同時に不要であるλA／２、λA／３、…の光も同じ方向に出射して来ることになる。一般に次数が高くなるに伴って回折光の強度は低下するものの、２次光は無視できない程度に大きな強度を有していることが多い。

このように従来の回折格子で分光を行う限り、同じ方向から欲しい波長λAの光と不要な波長λA／２の光とが同時に出て来ることは避けられない。そこで、こうした不要な波長光を取り除くために、従来は、波長λAの光を通過させる一方、波長λA／２の光を遮断するような光学特性を有するフィルタを回折格子以降の光路中に挿入して、高次光の影響を除去するようにしている（例えば特許文献１など参照）。

ところが、分光光度計等において回折格子を回転させることで選択波長を走査する場合には、各選択波長に対応した高次光を除去するために１種類のフィルタでは対応できなくなり、光学特性の相違する複数種のフィルタを切り換える必要があった。そのため、装置の構成が複雑になり、装置の大形化やコストの増加等の問題がある。またフィルタのような余分な光学素子を光路中に挿入すると、所望の波長光についても光強度を低下させたり迷光の原因となったりするため、高精度な測定のためにはこうした余分な光学素子を除去することが望まれている。

特開平５−１３３８０８号公報（段落０００２など） 鶴田匡夫著「応用光学Ｉ」培風館、１９９７年６版、ｐ．２９５

本発明はこのような点に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、高次光除去用のフィルタを使用すること無しに不要な高次光を抑制することができる回折格子を提供することにある。

上記課題を解決するために成された本発明に係る回折格子は、溝周期がＤである第１の格子溝の上に、該格子溝と同方向に延伸し溝周期がＤ／４である第２の格子溝を重ねて刻線して成ることを特徴としている。

本発明に係る回折格子によれば、第１の格子溝により強め合うことで発生する２次光が第２の格子溝では弱め合うことになるので、原理的に２次光が大幅に低減されることになる。したがって、従来殆ど必須であった２次光除去用のフィルタを使用する必要がなくなり、例えば本発明を分光光度計等に適用した場合に光学系の構成が簡単になり、装置の小型化やコスト低減に大きく寄与する。また、フィルタを光路中に挿入しないことによって、所望の光の光量の増加や迷光の減少が達成でき、分析精度の向上を図ることができる。

なお、第２の格子溝で強め合う１次光等は回折格子から出射するが、回折格子を可視領域で使用する場合、こうした光の波長は空気中での吸収が大きな１９０ｎｍ以下とすることができるため、実際には無視することができる。但し、本発明に係る回折格子を赤外領域で使用したり空気中以外（例えば真空中）で使用したりする場合には、上記のような第２の格子溝による不所望の回折光が吸収を受けずに問題となる可能性があるが、その場合でも、従来のように選択波長に応じて多種類のフィルタを適宜切り換える必要はなくなり、例えば所定の波長領域除去用のフィルタを１つ用意しておけば対応が可能であって、従来に比べて装置の構成を大幅に簡素化できる。

図１、図２を参照して、本発明に係る回折格子の分光の原理について説明する。図１は本発明による回折格子の断面斜視図、図２はこの回折格子の分光の動作原理を説明するための光路図である。図１に示すように、この回折格子１は、従来の溝周期Ｄの格子溝（これを第１の格子溝と呼ぶ）１１の上に、それと同一方向に延伸し溝周期がＤ／４である第２の格子溝１２を重ねて形成したものである。

第１の格子溝１１における回折条件は既述の通りである。一方、第２の格子溝１２の回折条件を考えると、第１の格子溝１１と同様に、法線Ｐとの成す角度θ１で以て入射した光が法線Ｐとの成す角度θ２で以て回折したとき、隣り合う格子溝１２における光束の光路差ΔＬ２は次の(3)式で与えられる。
ΔＬ２＝（Ｄ／４）・（ｓｉｎθ１−ｓｉｎθ２） …(3)
この第２の格子溝１２によって強め合う条件は、(2)式と同様に次の(4)式となる。
（Ｄ／４）・（ｓｉｎθ１−ｓｉｎθ２）＝Ｎλ …(4)
但し、Ｎ＝１、２、３、…

第１の格子溝１１で取り出したい１次光の波長をλAとすると、(2)式より、
Ｄ・（ｓｉｎθ１−ｓｉｎθ２）＝λA
であるから、溝周期がＤ／４である第２の格子溝１２では、波長がλA／４である１次光、波長がλA／８である２次光、波長がλA／１２である３次光、…を強め合うことが分かる。他方、逆に弱め合う条件は、次の(5)式を満足するときである。
（Ｄ／４）・（ｓｉｎθ１−ｓｉｎθ２）＝（２Ｎ−１）・（λ／２） …(5)
即ち、波長がλA／２である１次光、波長がλA／６である２次光、波長がλA／１０である３次光、…が弱め合うことになる。ちなみに、λA／２よりも長い波長では強め合うことも弱め合うこともない。

即ち、溝周期Ｄである第１の格子溝１１では波長λA／２である２次光が不所望の回折光として出て来る筈であるが、溝周期Ｄ／４である第２の格子溝１２ではこの波長λA／２の光は１次光として弱め合うことになるから、結果として、この回折格子１からの波長λA／２の回折光の出射は抑制されることになる。このようにして、本発明による回折格子では、所望の波長λAの１次回折光の２次光を軽減することができる。

本発明に係る回折格子について、具体例を挙げて説明する。ここでは、溝本数密度：６００本／ｍｍ（Ｄ＝１６６７ｎｍ）の第１の格子溝１１の上に、溝本数密度：２４００本／ｍｍ（Ｄ＝４１７ｎｍ）の第２の格子溝１２が重なって刻線されている例を考える。

この回折格子１を、α（＝θ１＋θ２）＝９０°一定の条件で使用する場合について想定する。まず入射角θ１＝５４．７７°とすると、第１の格子溝１１により、波長が４００ｎｍである１次光、２００ｎｍである２次光、…が回折されて出射する。他方、第２の格子溝１２により、波長が１００ｎｍである１次光、５０ｎｍである２次光、…が回折されて（強め合って）出射して来る一方、波長が２００ｎｍである１次光、６７ｎｍである２次光、…は弱め合って相殺される。したがって、第１及び第２の格子溝１１、１２を併せて考えると、波長が４００ｎｍである１次光、１００ｎｍである１次光、５０ｎｍである２次光、等が回折されることになる。ここで、この回折格子１が空気中で使用される場合、波長が１９０ｎｍ程度以下である光は空気中で大きく減衰するから、波長が１００ｎｍである１次光、５０ｎｍである２次光、及びそれよりも短波長の光は無視することができる。このように、従来の回折格子では出て来る筈である２００ｎｍの２次光は抑制され、この回折格子１から出て来ない（又は強度がきわめて弱い）ことが分かる。

次に、入射角θ１＝６２．２８°であるすると、第１の格子溝１１により、波長が７００ｎｍである１次光、３５０ｎｍである２次光、…が回折されて出射する。他方、第２の格子溝１２により、波長が１７５ｎｍである１次光、８７．５ｎｍである２次光、…が回折されて出射してくる一方、波長が３５０ｎｍである１次光、１１７ｎｍである２次光、…は弱め合って相殺される。したがって、第１及び第２の格子溝１１、１２を併せて考えると、波長が７００ｎｍである１次光、１７５ｎｍである１次光、８７．５ｎｍである２次光、等が回折されることになる。ここでも空気中での減衰を考慮すると、波長が１７５ｎｍである１次光、８７．５ｎｍである２次光、及びそれよりも短波長の光は無視することができる。したがって、従来の回折格子では出て来る筈である３５０ｎｍの２次光は抑制され、この回折格子１から出て来ない（又は強度がきわめて弱い）ことが分かる。

この回折格子を空気中で使用する以外の場合、例えば真空中で使用する場合には１９０ｎｍ以下の波長光の減衰は期待できないから、その際にはこれに代わる紫外光除去フィルタを回折格子の後段の光路中に挿入すればよい。回折格子を回転させて波長走査、波長選択を行う場合でも、紫外光除去フィルタの切り換えは不要である。

また、より長い波長領域（赤外領域）でこの回折格子を使用しようとする場合、第２の格子溝１２の１次回折光が１９０ｎｍよりも大きくなって、たとえ空気中の使用であっても殆ど減衰されなくなる。したがって、そうした長波長領域でこの回折格子を使用する場合には、例えば４００ｎｍ程度以下の紫外光を除去するフィルタを挿入すればよい。

上述したような回折格子１は、従来と同様の製造工程を利用して製作することができる。具体的には、まずレーザの２光束干渉で形成した溝本数密度：６００本／ｍｍの格子溝（第１の格子溝１１）をホログラフィック露光法により、基板上に塗布したフォトレジストに露光する。これによって形成したパターンを、イオンビームエッチング法等で基板に転写して格子溝を形成し、さらに改めて溝本数密度：２４００本／ｍｍの露光配置で、再び同様の工程を繰り返せばよい。但し、製造方法は必ずしもこれに限定されるものではなく、上述したような条件を満たす格子溝形状が形成できさえすればよい。

また、上記実施例では、格子溝の断面形状が矩形状であるラメラー型の回折格子について説明したが、溝断面形状が鋸歯状であるブレーズ型の回折格子や溝断面形状が正弦波状であるホログラフィック型の回折格子でも同様の手法を採用することができる。またそれ以外の点についても、本発明の趣旨の範囲で適宜に変更や修正、追加を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは明らかである。

本発明の一実施例である回折格子の断面斜視図。 本実施例による回折格子の分光の動作原理を説明するための光路図。 従来の回折格子の分光の動作原理を説明するための光路図。

符号の説明

１…回折格子
１０…基板
１１…第１の格子溝（溝間隔：Ｄ）
１２…第２の格子溝（溝間隔：Ｄ／４）

Claims (1)

1. 溝周期がＤである第１の格子溝の上に、該格子溝と同方向に延伸し溝周期がＤ／４である第２の格子溝を重ねて刻線して成ることを特徴とする回折格子。

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