JPH0799403B2 - 波長板 - Google Patents

波長板

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JPH0799403B2
JPH0799403B2 JP61132730A JP13273086A JPH0799403B2 JP H0799403 B2 JPH0799403 B2 JP H0799403B2 JP 61132730 A JP61132730 A JP 61132730A JP 13273086 A JP13273086 A JP 13273086A JP H0799403 B2 JPH0799403 B2 JP H0799403B2
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grating
dielectric medium
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lattice
wave plate
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靖夫 木村
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  • Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は直交する2つの直線偏光の間に位相差を生ぜ
しめる、1/4波長板,1/2波長板,全波長板等の波長板に
関するものである。
〔従来の技術〕
従来、波長板は水晶の結晶を研磨して、常光と異常光の
位相差が、1/4波長板では(N+1/4)波長(Nは整
数)、1/2波長板では(N+1/2)波長、全波長板ではN
波長になるような厚さに調整して製作されている。
このような結晶研磨による方法以外に、誘電体に形成し
た高密度の表面レリーフ格子が複屈折を示すことから、
格子を用いる方法も提案されている。表面レリーフ格子
を用いた波長板の提案と実験は、アプライド・フィジッ
クス・レター(Applied Physics Letter)誌,第42巻,
第6号(1983年3月15日発行)第492〜494頁掲載のD.C.
Flanders著の論文、及び、アプライド・オプティクス
(Applied Optics)誌,第22巻,第20号(1983年10月15
日発行)第3220〜3228頁掲載のR.C.EngerとS.K.Case著
の論文に述べられている。
格子を用いた波長板は、格子のピッチをd、使用波長を
λとすると、λがdに比べて十分大きい領域では、格子
の溝に平行な方向の屈折率nIIと、格子の溝に直交する
方向の屈折率nが異なることを利用しており、前述の
D.C.Flanders著の論文によると、格子が矩形状の場合、
nII,nは次式で与えられる。
nII=〔n1 2q+n2 2(1−q)〕1/2……(1) n=〔(1/n1)2q+(1/n2)2(1-q)〕-1/2……(2) ここでn1は媒質1の屈折率、n2は媒質2の屈折率、qは
格子の1周期中に媒質1の占める割合で1≧q≧0であ
る。複屈折の大きさはΔnは次式で与えられる。
Δn=|nII-n|……(3) また、複屈折の大きさはΔnを有する格子に入射した光
が受ける位相差ΔΦは次式で与えられる。
ここでDは格子の溝深さである。(4)式から、大きな
位相差ΔΦを得るには溝深さDを大きくするか、または
複屈折の大きさΔnを大きくすればよい。この関係は格
子形状が矩形である場合に限らず、正弦波状,三角波状
等の場合でも成り立つ。
表面レリーフ格子による波長板は、主に次の2つの方法
により製造できる。
第1の方法は干渉露光法によりホトレジストに表面レリ
ーフ格子を形成し、その格子からニッケル電鋳法で金型
を製作し、熱可塑性樹脂にホットプレス法や射出成形法
で転写する、あるいは光硬化性樹脂に転写する方法であ
る。
第2の方法は誘電体基板上に第1の方法と同様の方法で
ホトレジスト格子を形成し、ホトレジストをマスクとし
て誘電体基板をイオンエッチング法、または反応性イオ
ンエッチング法、またはイオンビームエッチング法、ま
たは反応性イオンエッチング法によりエッチングし、表
面レリーフ格子を得る方法である。
〔発明が解決しようとする問題点〕
上述の従来の技術には、格子の溝幅に対して溝深さが極
端に大きくなるという問題点がある。たとえば、使用波
長λをHe-Neレーザの632.8mmとする。この波長に対して
前述の第1の製造方法で用いられる熱可塑性樹脂たとえ
ばアクリル樹脂、光硬化性樹脂たとえばスリーボンド社
製のUVX-SS-89-1および第2の製造方法において主に用
いられる石英ガラスの屈折率はおよそ1.5〜1.6である。
以下では熱可塑性樹脂、光硬化性樹脂および石英ガラス
を媒質1とし、その屈折率n1を1.55とする。また、媒質
2を空気とし、その屈折率n2を1.00とする。格子形状が
矩形の場合、媒質1が格子の1周期中に占める割合qを
0.5とすれば複屈折の大きさΔnは(1),(2),
(3)式より0.116となる。したがって(4)式より1/4
波長板,1/2波長板,全波長板に必要な溝深さDはそれぞ
れ1.36μm,2.73μm,5.46μmになる。また格子ピッチd
に関して、高密度性に基づく複屈折を得るにはλ/d≧1.
472である必要があるので、d≦0.43μmなる条件を満
足しなければならない。q=0.5であるから格子の溝幅
Wは、W≦0.21μmとなる。したがって、溝幅0.21μm
以下、溝深さ1.36μm〜5.46μmの格子を作製しなれば
ならない。
このような格子を第1の製造方法で製造する場合、媒質
1と電鋳金型との実効的な接触表面積が著しく増大する
ために、金型面からはく離する時の引張りせん断力が大
きくなる。このために、はく離時に硬化した媒質1が基
板からはがれ、金型面に残留してしまい、表面レリーフ
格子の転写が困難になるという問題点がある。
また、第2の製造方法では、エッチングに要する時間が
数時間にも及び、エッチングに耐え得るホトレジストマ
スクは、厚さ数μmになることから、ホトレジストマス
クの形成が困難である。また、ホトレジストに形成した
格子をエッチング耐性の強い物質、たとえばクロムに転
写し、その物質をマスクとしてエッチングを行う場合に
おいても、格子溝深さの増加に伴い、一度エッチングさ
れた誘電体の基板表面への再付着や、溝底部への活性
種,イオン,中性粒子の到達粒子数の減少などによりエ
ッチングの進行が阻止され、所望の格子の形成が困難で
ある。このような問題は格子の形状によらず生じる。
以上述べたように従来技術による表面レリーフ格子型の
波長板は製造が困難であるという欠点を有している。
本発明の目的は、このような従来技術の問題点を解決
し、製造が容易な表面レリーフ格子型の波長板を提供す
ることにある。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明の波長板は、使用波長λにおける格子ピッチdが
λ/d≧1.472なる表面レリーフ格子を形成した屈折率n1
を有する第1の誘電体媒質層と、前記表面レリーフ格子
を充填、あるいは被覆するn2≠n1なる屈折率n2を有する
第2の誘電体媒質層とを交互に積層したことを特徴とす
る。
〔作用〕
本発明の作用を図面を参照しながら詳細に説明する。
格子に入射する光が受ける位相差ΔΦは、格子の溝深さ
Dと複屈折の大きさΔnに比例する。本発明は前述の第
1の製造方法および第2の製造方法によって製造される
格子の溝深さDを増加させることなく、等価的な溝深さ
D′を増加させることにより、前述の従来技術の問題点
を解決しようとするものである。
第2図は本発明を説明するための図である。屈折率n1
有する第1層目の第1の誘電体媒質4に、使用波長をλ
としてλ/d≧1.472なる条件を満足するピッチdを有す
る矩形格子5が形成され、その格子表面がn1≠n2なる屈
折率n2を有する第1層目の第2の誘電体媒質6が充填さ
れる。この場合の格子部の複屈折の大きさΔn1は、格子
の1周期中に占める第1の誘電体媒質の割合をq1とする
と、(1),(2),(3)式より Δn1=〔n1 2q1+n2 2(1-q1)〕1/2 -〔(1/n1)2q1+(1/n2)2(1-q1)〕-1/2……(5) となる。格子の溝深さをD1とすれば、この第1層目の格
子に入射した光が受ける位相差ΔΦ1は(4)式より となる。
次に、第1層目の第2の誘電体媒質6上に、第1層目の
格子と格子溝の方向,ピッチとも同じである矩形格子8
を有する第2層目の第1の誘電体媒質7が形成される。
ここで、第2図に示すように第1層目の格子と第2層目
の格子の凹凸の位置は一致している必要はない。さら
に、第2層目の第1の誘電体媒質の格子表面が、第2層
目の第2の誘電体媒質9で充填される。第2層目の格子
部の複屈折の大きさΔn2は、格子の1周期中に占める第
1の誘電体媒質7の割合をq2とすれば、第1層目の格子
の場合と同様な式で与えられ、 Δn2=〔n1 2q2+n2 2(1-q2)〕1/2 +〔(1/n1)2q2+(1/n2)2(1-q2)〕-1/2……(7) となり、入射光が第2層目の格子で受ける位相差ΔΦ2
は第2層目の格子深さをD2とすれば、 となる。
以降、同様に第1の誘電体媒質と第2の誘電体媒質から
成る格子層をm層(mは整数)積層すると、第k番目の
格子層の複屈折の大きさΔnkは、k番目の格子の1周期
中に占める第1の誘電体媒質の割合をqkとすると、 Δnk=〔n1 2qk+n2 2(1-qk)〕1/2 +〔(1/n1)2qk+(1/n2)2(1-qk)〕-1/2……(9) となり、格子の溝深さをDkとすれば、入射光がk番目の
格子で受ける位相差ΔΦkは、 となる。したがって、m個の格子層を通過した光が受け
る位相差ΔΦは、 となる。層数mを増加することにより、各層の格子の溝
深さDkを大きくすることなくΔΦを大きくすることがで
きる。なお、第2図において、10は、第m層目の第1の
誘電体媒質を、11は矩形格子を、12は第m層目の第2の
誘電体媒質を示している。
第3図は本発明を説明するための図で、第1の誘電体媒
質に形成された格子の表面が第2の誘電体媒質で被覆さ
れている。図中、4は第1層目の第1の誘電体媒質、5
は矩形格子、6は第1層目の第2の誘電体媒質、7は第
2層目の第1の誘電体媒質、8は矩形格子、9は第2層
目の第2の誘電体媒質である。
第4図は第3図のうちの第k層の格子を拡大して示した
ものである。格子の1周期中に第1の誘電体媒質が占め
る割合の変化に伴い、格子を縦方向にa層13,b層14,c層
15に分け、その割合をqka,qkb,qkcとすれば各層の複屈
折の大きさΔnks(s=a,b,c)は、 Δnks=〔n1 2qks+n2 2(1-qks)〕1/2 -〔(1/n1)2qks+(1/n2)2(1-qks)〕-1/2……(12) となり、各層の層厚さをDka,Dkb,Dkcとすれば、入射光
が第k層で受ける位相差ΔΦkは、 となる。ここで Dk=Dka+Dkb……(14) である。このような格子がm層積層された場合、全格子
層を通過する光が受ける位相差ΔΦは、 となる。この場合も層数mを増やせばDkを大きくするこ
となく大きなΔΦを得ることができる。
つまり、屈折率n1を有する第1の誘電体媒質に形成され
た表面レリーフ格子の表面をn1≠n2なる屈折率n2を有す
る第2の誘電体媒質で充填、あるいは被覆し、以降、順
次表面レリーフ格子を有する第1の誘電体媒質と、その
表面を充填、あるいは被覆する第2の誘電体媒質を必要
な位相差が得られるまで積層することにより、第1の誘
電体媒質に形成される格子の溝深さを小さくすることが
でき、製作の容易な波長板が得られる。
格子が矩形状でなく、正弦波状,三角波状等の場合も同
様で、必要な位相差が得られるまで格子を有する第1の
誘電体媒質と第2の誘電体媒質を積層することにより製
作の容易な波長板が得られる。
〔実施例〕
以下、本発明の実施例について、図面を参照して説明す
る。
第1図は本発明の一実施例を示す断面図でλ/2板の製作
例を示している。実際の製作には、第1の誘電体媒質1
として光硬化性樹脂であるスリーボンド社製のUVX-SS89
-1を、第2の誘電体媒質2として新日曹化工社製のポリ
シラスチレンPSS75を用いた。前者の屈折率は1.52、後
者の屈折率は約2.5である。使用波長はHe-Neレーザの63
2.8nmである。光硬化性樹脂への格子パターンの転写は
金型を用いて行った。
この金型は次のように製作した。He-Cdレーザの波長44
1.6nmの光ビームを用いて干渉計を構成し、ホログラフ
ィックにλ/d≧1.472を満足するピッチd=0.3μmの格
子をガラス上のホトレジストに形成し、現像後のホトレ
ジストパターンをマスクとしてガラスを反応性イオンビ
ームエッチング法によりエッチングを行い、ガラスに断
面が矩形状である格子を作製した。ガラスに形成される
格子の溝深さは次のように決定した。光硬化性樹脂の屈
折率が1.52、ポリシラスチレンの屈折率が約2.5である
ことから、これらの誘電体媒質で矩形格子を形成する
と、q=0.5の場合、複屈折の大きさΔnは(7)式よ
りΔn=0.232となる。各層に作製される格子のqは全
て0.5であり、かつ溝深さも全て等しいとする。このよ
うな条件の下で、λ/2板作製に必要な溝深さD′は(1
1)式よりD′=1.362μmとなる。第1図に示すように
λ/2板を5層に分けて作製するとすれば、各層に形成さ
れる格子の溝深さDは、 D=D′/5=272.6nm となる。このことより、ガラスには272.6nmの溝深さを
有する格子を形成した。ガラス上の格子の溝深さは反応
性イオンビームエッチングの実施時間により容易に制御
できる。ガラス上に製作した格子からニッケル電鋳法に
より金型を製作した。
この金型を用いて光硬化性樹脂1に格子3を形成し、格
子表面に液状のポリシラスチレン2を塗布し溶剤を乾燥
させることにより1層の格子が作製できる。固化した光
硬化性樹脂上に、液状のポリシラスチレンを塗布する場
合、あるいは固化したポリシラスチレン上に液状のポリ
シラスチレンを塗布する場合、一方の溶剤が下地の誘電
体媒質と反応する問題点があるが、各誘電体媒質膜作製
後、誘電体媒質表面にアルゴンイオンプラズマ、あるい
はフッ素プラズマを照射し、誘電体媒質表面の溶剤に対
する耐性を向上することにより、この問題は回避でき
る。
以上述べた方法により5層の格子を作製し、所望のλ/2
板を得た。
〔発明の効果〕
以上述べたように本発明によれば、製作の容易な表面レ
リーフ格子格子を利用した波長板が得られる。また、表
面レリーフ格子を金型から転写すれば量産性にも富む。
使用波長を変更した場合でも積層数を変化させることで
容易に対応できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例を模式的に示す断面図、 第2図〜第4図は本発明の原理を示す断面図である。 1……第1の誘電体媒質 2……第2の誘電体媒質 3……格子 4……第1層目第1の誘電体媒質 5,8,11……矩形格子 6……第1層目第2の誘電体媒質 7……第2層目第1の誘電体媒質 9……第2層目第2の誘電体媒質 10……第m層目第1の誘電体媒質 12……第m層目第2の誘電体媒質 13……a層 14……b層 15……c層

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】使用波長λにおける格子ピッチdがλ/d≧
    1.472なる表面レリーフ格子を形成した屈折率n1を有す
    る第1の誘電体媒質層と、前記表面レリーフ格子を充
    填、あるいは被覆するn2≠n1なる屈折率n2を有する第2
    の誘電体媒質層とを交互に積層したことを特徴とする波
    長板。
JP61132730A 1986-06-10 1986-06-10 波長板 Expired - Lifetime JPH0799403B2 (ja)

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