專利名稱：透射式衍射光柵以及檢測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及透射式衍射光柵以及檢測(cè)裝置等。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有技術(shù)中，用于拉曼(Raman)光譜儀等分光裝置的衍射光柵多為反射型。作為反射型衍射光柵，包括例如形成鋸齒狀斷面的閃耀(blazed)光柵(例如專利文獻(xiàn)I所記載的衍射光柵)。
但是，反射型衍射光柵存在難以兼顧提高波長(zhǎng)分辨率和拓寬可獲得高衍射效率的波長(zhǎng)區(qū)域的課題。例如，閃耀衍射光柵中通過斷面形狀鋸齒化，從而提高衍射效率。但是，閃耀衍射光柵中如果為了提高波長(zhǎng)分辨率而縮短光柵周期，則導(dǎo)致可獲得高衍射效率的波長(zhǎng)區(qū)域變得極為狹窄。作為本實(shí)施方式的比較例，圖12示出閃耀衍射光柵的示例。如圖12所示，閃耀衍射光柵的光柵周期設(shè)定為Pa，入射光波長(zhǎng)設(shè)定為λ a，入射光的入射角設(shè)定為aa，一次衍射光的衍射角設(shè)定為3 a。首先考慮波長(zhǎng)分辨率。衍射光柵的波長(zhǎng)分辨率Λ β/Λ λ由下式(I)表示。通過下式(I)知曉，為了提高波長(zhǎng)分辨率Λ β/Λ λ，可以減小光柵周期Pa、增大衍射角i3a。Δ β / Δ λ = I/ (Pa · cos β a)(I)圖13是示出上式(I)中在設(shè)波長(zhǎng)為Xa = 633nm、光柵周期為Pa = 333nm的情況下，相對(duì)于衍射角Pa的波長(zhǎng)分辨率八0&/八入&的特性例。此例中，波長(zhǎng)和光柵周期的比為λ a/Pa = I. 9。此時(shí)，衍射角β a為72度，波長(zhǎng)分辨率Λ β a/Λ λ a大約提高到O. 01。接著考慮一次衍射光的衍射效率。在反射型衍射光柵的情況中，通過將其斷面形狀鋸齒化而可以提高衍射效率。但是，如果為了提高波長(zhǎng)分辨率△ 3a/A Xa而縮短光柵周期Pa，則即使斷面形狀鋸齒化也難以獲得高衍射效率(《最新衍射光學(xué)元件技術(shù)全集》技術(shù)信息協(xié)會(huì)，p. 107-p. 120 (2004))。這樣，導(dǎo)致閃耀衍射光柵等反射型衍射光柵難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高波長(zhǎng)分辨率和高衍射效率。例如，拉曼光譜儀等分光裝置要求使用在寬波長(zhǎng)區(qū)域中同時(shí)滿足高波長(zhǎng)分辨率和高衍射效率的衍射光柵。拉曼分光中，來自試樣的散射光主要是瑞利(Rayleigh)散射光和拉曼散射光(以下關(guān)注具有長(zhǎng)于瑞利散射波長(zhǎng)λ ray的拉曼散射波長(zhǎng)Xray+Δ λ的斯托克斯(stokes)分量)。上述拉曼分光在實(shí)用方面存在若干課題。首先，拉曼散射光強(qiáng)度與瑞利散射光強(qiáng)度相比極為微弱。其次，通過拉曼分光確定物質(zhì)時(shí)，需要以O(shè). 5nm左右的波長(zhǎng)分辨率將由試樣散射的拉曼散射光分光。并且，有時(shí)要求瑞利散射光和拉曼散射光的波長(zhǎng)差擴(kuò)大到IOOnm左右?？紤]到這些方面，要求拉曼分光所使用的衍射光柵在從可見到近紅外(波長(zhǎng)400nm IlOOnm)區(qū)域中，能夠獲得O. 5nm左右的高波長(zhǎng)分辨率。并且還要求在IOOnm左右的寬波長(zhǎng)區(qū)域中能夠獲得高衍射效率。而且，在衍射光柵的光學(xué)特性很大程度依賴于入射光的偏振狀態(tài)的情況下，在偏振方向無偏移的散射光中只有極少一部分進(jìn)入檢測(cè)器，并且由于信號(hào)相對(duì)于噪音的比也降低，因此對(duì)檢測(cè)器有過高的規(guī)格要求?，F(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)I :特開2004-354176號(hào)公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的課題根據(jù)本發(fā)明的若干實(shí)施方式，能夠提供一種透射式衍射光柵以及使用該衍射光柵的檢測(cè)裝置，其中該衍射光柵在在入射光的偏振方向無偏移且衍射層的偏振依賴性大的情況下，能夠獲得高衍射效率。
解決課題的手段(I)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式涉及ー種透射式衍射光柵，包括偏振轉(zhuǎn)換層；第ー衍射層，配置于上述偏振轉(zhuǎn)換層的ー個(gè)表面?zhèn)龋灰约暗讠搜苌鋵?，配置于上述偏振轉(zhuǎn)換層的另一表面?zhèn)龋簧鲜龅谝谎苌鋵右约吧鲜龅诙苌鋵佣季哂醒氐谝环较蛞灾芷赑排列的折射率調(diào)制結(jié)構(gòu)，并且對(duì)TE偏振光分量的一次衍射效率比對(duì)TM偏振光分量的一次衍射效率高。在此，將折射率調(diào)制結(jié)構(gòu)中的相同折射率結(jié)構(gòu)與第一方向交叉延伸的方向設(shè)定為第二方向。偏振方向與第二方向平行的直線偏振光為TE偏振光,偏振方向與第二方向垂直的直線偏振光為TM偏振光。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，如果在偏振方向無偏移的入射光例如射入第一衍射層，由于對(duì)TE偏振光分量的衍射效率高因此多數(shù)TE偏振光分量被衍射，另ー方面，由于對(duì)TM偏振光分量的衍射效率低因此多數(shù)TM偏振光分量透過。其次，在偏振轉(zhuǎn)換層進(jìn)行將TE偏振光分量轉(zhuǎn)換成TM偏振光分量、將TM偏振光分量轉(zhuǎn)換成TE偏振光分量的偏振轉(zhuǎn)換。并且，由于第二衍射層也對(duì)TE偏振光分量的衍射效率高而對(duì)TM偏振光分量的衍射效率低，因此多數(shù)TE偏振光分量被衍射而多數(shù)TM偏振光分量透過。在此,當(dāng)設(shè)第一、第二衍射層各自對(duì)TE偏振光的一次衍射效率為α，設(shè)第一、第二衍射層各自對(duì)TM偏振光的一次衍射效率為β時(shí)，透射式衍射光柵的光利用效率為光利用效率=α+(1-2 α ) β。當(dāng)一次衍射效率的偏振依賴性大，例如《N I、ガN O時(shí)，上式的光利用率大致等于α。S卩，透射式衍射光柵的光利用效率大致與構(gòu)成其的衍射光柵對(duì)TE偏振光的一次衍射效率相等。這樣，即使衍射層中一次衍射效率的偏振依賴性大，也可以獲得高衍射效率。(2)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，設(shè)光譜波段中的波長(zhǎng)為λ時(shí)，上述偏振轉(zhuǎn)換層可以是λ /2波長(zhǎng)板。λ /2波長(zhǎng)板進(jìn)行將TE偏振光分量轉(zhuǎn)換成TM偏振光分量、將TM偏振光分量轉(zhuǎn)換成TE偏振光分量的偏振轉(zhuǎn)換。(3)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，上述偏振轉(zhuǎn)換層可以包括層疊的多個(gè)水晶板。即使是多個(gè)水晶板也可以在使用波長(zhǎng)區(qū)域中實(shí)現(xiàn)接近180度的相位差，并能夠進(jìn)行將TE偏振光分量轉(zhuǎn)換成TM偏振光分量、將TM偏振光分量轉(zhuǎn)換成TE偏振光分量的偏振轉(zhuǎn)換。(4)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，上述第一衍射層以及上述第二衍射層分別還包括與上述偏振轉(zhuǎn)換層接合的基板層，在上述基板層上可以具有上述折射率調(diào)制結(jié)構(gòu)。這樣，可以通過光刻(lithography)、壓印(imprint)或干涉條紋曝光等對(duì)與偏振轉(zhuǎn)換層接合的基板層進(jìn)行加工，從而在基板層表面形成折射率調(diào)制結(jié)構(gòu)。(5)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，上述折射率調(diào)制結(jié)構(gòu)可以是凹凸圖案。由于凸部的折射率與作為凹部的槽的折射率(空氣的折射率)不同，因此可以實(shí)現(xiàn)折射率調(diào)制結(jié)構(gòu)。(6)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，上述折射率調(diào)制結(jié)構(gòu)也可以是第一折射率的物質(zhì)和第二折射率的物質(zhì)在上述第一方向上交替層疊的結(jié)構(gòu)，以取代凹凸圖案。(7)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，上述折射率調(diào)制結(jié)構(gòu)的高度設(shè)定為h吋，1.5 < λ/P < 2. O 并且可以滿足 I. 75 < h/P < 2. 50。這樣，可以實(shí)現(xiàn)一次衍射光的效率高且同效率的偏振依賴性大的透射式衍射光柵。在此，λ/P的下限由一次衍射效率的偏振依賴性大的要求所確定。λ/P的上限由能夠 向空氣中分出一次衍射光的要求所確定。此外，h/P的上限以及下限由賦予存在于兩者之間的一次衍射效率最大值的約90%以上的效率的條件所確定。(8)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，上述第一衍射層以及上述第二衍射層分別具有由電介質(zhì)形成的傾斜面，上述傾斜面相對(duì)于基準(zhǔn)線傾斜配置，當(dāng)設(shè)入射光的入射角相對(duì)于上述基準(zhǔn)線為角度Θ I、設(shè)衍射光的衍射角相對(duì)于上述基準(zhǔn)線的角度為Θ 2時(shí)，上述入射角Θ I可以是小于相對(duì)于上述傾斜面的布拉格(Bragg)角Θ的角度，上述衍射角Θ2可以是大于上述布拉格角Θ的角度。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，由電介質(zhì)形成的傾斜面相對(duì)于基準(zhǔn)線傾斜配置。因此，朝向透射式衍射光柵的入射光以小于布拉格角Θ的角度Θ I射入，衍射光以大于布拉格角Θ的角度Θ2射出。由此，可以提高波長(zhǎng)分辨率，并且能夠例如拓寬可獲得高衍射效率的波長(zhǎng)區(qū)域。(9)本發(fā)明的其他實(shí)施方式涉及ー種檢測(cè)裝置，包括上述透射式衍射光柵；光學(xué)系統(tǒng)，用于將來自目標(biāo)物質(zhì)的散射光或反射光射入上述透射式衍射光柵；檢測(cè)器，用于檢測(cè)來自上述透射式衍射光柵的衍射光。


圖I是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式所涉及的透射式衍射光柵的簡(jiǎn)要說明圖；圖2是示出衍射光柵中的第一衍射層和朝向其的入射光的圖；圖3是多個(gè)水晶板層疊而成的偏振轉(zhuǎn)換層的波長(zhǎng)-相位差特性圖；圖4的(A)、(B)是示出衍射光柵的作用的特性圖，圖4的(A)示出了對(duì)入射光中TE偏振光分量的衍射以及偏光轉(zhuǎn)換作用，圖4的(B)示出了對(duì)入射光中TM偏振光分量的衍射以及偏光轉(zhuǎn)換作用；圖5的(A)是示出衍射效率和光柵深度的關(guān)系的特性圖，圖5的(B)是示出衍射效率和波長(zhǎng)的關(guān)系的特性圖；圖6是示出入射角和衍射角的關(guān)系的特性圖；圖7是示出本發(fā)明的第二實(shí)施方式所涉及的透射式衍射光柵的圖；圖8是示出本發(fā)明的第三實(shí)施方式所涉及的具有傾斜折射率調(diào)制結(jié)構(gòu)的衍射層的圖；圖9是示出衍射角和波長(zhǎng)分辨率的關(guān)系的特性圖；圖10的(A)是不出λ /P與對(duì)TE偏振光分量的一次衍射效率的關(guān)系的特性圖，圖10的(B)是示出λ/P與對(duì)TM偏振光分量的一次衍射效率的關(guān)系的特性圖；圖11的(Α)、圖11的(B)是對(duì)檢測(cè)裝置進(jìn)行說明的示圖；圖12是對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的閃耀衍射光柵進(jìn)行說明的圖；以及圖13是圖12所示閃耀衍射光柵中相對(duì)于衍射角的波長(zhǎng)分辨率的特性圖。
具體實(shí)施例方式以下，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施方式進(jìn)行說明。另外以下所說明的本實(shí)施方式并不對(duì)權(quán)利要求的范圍中所記載的本發(fā)明內(nèi)容進(jìn)行不當(dāng)?shù)南拗?，并且并非本?shí)施方式中所說明的所有結(jié)構(gòu)都是作為本發(fā)明的解決方法所必要的。
I、第一實(shí)施方式I. I、衍射光柵圖I是示出了本實(shí)施方式所涉及的作為分光裝置的衍射光柵10。該衍射光柵10是透射式，可以由相當(dāng)于使用波長(zhǎng)透明的ー種或兩種以上電介質(zhì)構(gòu)成。透射式衍射光柵(以下也稱為衍射光柵)10包括偏振轉(zhuǎn)換層20 ;第一衍射層30,設(shè)置于偏振轉(zhuǎn)換層20的ー個(gè)表面?zhèn)?；第二衍射?0，設(shè)置于偏振轉(zhuǎn)換層20的另ー表面?zhèn)?。第一衍射?0具有折射率調(diào)制結(jié)構(gòu)32，第二衍射層40具有折射率調(diào)制結(jié)構(gòu)42。第一衍射層30還可以包括與偏振轉(zhuǎn)換層20接合的基板層34。這種情況下，第一衍射層30在基板層34上具有折射率調(diào)制結(jié)構(gòu)32。同樣，第二衍射層40還可以包括與偏振轉(zhuǎn)換層20接合的基板層44。這種情況下，第二衍射層40在基板層44上具有折射率調(diào)制結(jié)構(gòu)42。在此，本實(shí)施方式中折射率調(diào)制結(jié)構(gòu)32、42是由電介質(zhì)形成的凹凸圖案。例如，通過激光干涉曝光在基板層34、44上形成抗蝕圖案(resist pattern),再通過光刻或壓印將抗蝕圖案轉(zhuǎn)印到基板層34、44上，就可以形成凹凸圖案。圖2是示出了具有與第二衍射層40相同結(jié)構(gòu)(周期、深度、線寬)的第一衍射層30的一部分。如圖2所示，第一衍射層30的折射率調(diào)制結(jié)構(gòu)32是如下的凹凸圖案在第一方向A上交替具有例如從基板層34垂直延伸的凸部32A以及位于兩個(gè)凸部32A之間的凹部(槽)32B。第二衍射層40的折射率調(diào)制結(jié)構(gòu)42也相同。即，折射率調(diào)制結(jié)構(gòu)32 (42)是折射率nl的凸部32A (42A)和折射率n2 (空氣折射率)的凹部32B (42B)沿第一方向A以周期P交替配置的結(jié)構(gòu)。第一以及第二衍射層30、40的折射率調(diào)制結(jié)構(gòu)32、42各自的參數(shù)例如為周期P 400nm、深度 h :800nm、線寬 d/周期 P (fill factor :填充因數(shù))O. 45。I. 2, TE偏振光以及TM偏振光在此,朝向衍射光柵10的入射光一般在偏振方向無偏移。圖2中，由于衍射光柵10的凹部(槽)32B的方向?yàn)榇怪奔埫娴姆较?第二方向)，因此電場(chǎng)矢量的振動(dòng)方向(偏振方向)位于垂直于紙面的方向的偏振光為TE偏振光，電場(chǎng)矢量的振動(dòng)方向(偏振方向)位于平行于紙面的方向的偏振光為TM偏振光。因此,如圖2所不朝向衍射光柵10的入射光Q包括TE偏振光和TM偏振光兩者。偏振轉(zhuǎn)換層20具有作為1/2波長(zhǎng)板的功能，將射入的直線偏振光的方位旋轉(zhuǎn)90°。即，偏振轉(zhuǎn)換層20將TE偏振光轉(zhuǎn)換成TM偏振光、將TM偏振光轉(zhuǎn)換成TE偏振光。上述偏振轉(zhuǎn)換層20以對(duì)以特定角度斜射而入的光發(fā)揮作為1/2波長(zhǎng)板的功能的方式設(shè)計(jì)而成。這種波長(zhǎng)板可以通過例如傾斜蒸鍍實(shí)現(xiàn)。偏振轉(zhuǎn)換層20可以使用例如特開2007-310052所公開的寬波帶波長(zhǎng)板。此外，如特開2004-170853所公開的，也可以采用由在特定結(jié)晶方位切割出的多張水晶板層疊的結(jié)構(gòu)作為偏振轉(zhuǎn)換層20。作為一例，由兩張Y向切割(Y-cut)水晶板貼合而成的偏振轉(zhuǎn)換層20的相位差和波長(zhǎng)的關(guān)系示于圖3。相對(duì)于波長(zhǎng)680nm的相位差為180度，在波長(zhǎng)區(qū)域600nm 760nm中可以獲得172度以上的相位差。這些特性足以將本發(fā)明應(yīng)用于拉曼分光。I. 3、衍射效率和偏振依賴性圖4的(A)、(B)示出透射式衍射光柵10的作用。圖4的(A)、(B)中，設(shè)第一、第ニ衍射層30、40各自對(duì)TE偏振光分量的一次衍射效率為α ,設(shè)第一、第二衍射層30、40各自對(duì)TM偏振光分量的一次衍射效率為β。本實(shí)施方式中，第一、第二衍射層30、40各自對(duì)TE偏振光分量的衍射效率大于對(duì)TM偏振光分量的衍射效率。即α > β，當(dāng)波長(zhǎng)λ、光柵周期P滿足I. 5 < λ /P < 2. O吋，則α》β，也可以視為《N I、//=0 如圖4的(A)所示，由于對(duì)TE偏振光分量的衍射效率α大，因此多數(shù)TE偏振光分量被第一衍射層30衍射，并且在通過偏振轉(zhuǎn)換層(1/2波長(zhǎng)板)20時(shí)被轉(zhuǎn)換成TM偏振光分量。由于對(duì)TM偏振光分量的衍射效率β小，因此多數(shù)TM偏振光分量不被第二衍射層40衍射而透過。另一方面,如圖4的(B)所不，由于對(duì)TM偏振光分量的衍射效率β小，因此多數(shù)TM偏振光分量不被第一衍射層30衍射而透過，并且在通過偏振轉(zhuǎn)換層(1/2波長(zhǎng)板)20時(shí)被轉(zhuǎn)換成TE偏振光分量。由于對(duì)TE偏振光分量的衍射效率α大，因此多數(shù)TE偏振光分量被第二衍射層40衍射。使用上述衍射效率α和β時(shí)，獲得如下的衍射光柵10的光利用效率光利用效率=α+(1-2α) β (2)在此，一次衍射效率的偏振依賴性大、αΝ I、夕的情況中，式(2)大致等于α。即，衍射光柵10的光利用率與構(gòu)成衍射光柵10的光柵對(duì)TE偏振光的一次衍射效率大致相等。這樣，射入衍射光柵10的光大部分被衍射，即可以進(jìn)行分光。另ー方面，一次衍射效率的偏振依賴性小、ガ的情況中，式(2)等于2 α (l-α )。從而，當(dāng)α = O. 5時(shí)利用效率最大,其值停留在O. 5，大致是一次衍射效率的偏振依賴性大的情況的利用效率的一半。由此得知，本發(fā)明中必須使用偏振依賴性大的衍射光柵。這樣，本實(shí)施方式所涉及的透射式衍射光柵10中，通過使用衍射效率特性的偏振依賴性大的兩個(gè)衍射光柵(第一、第二衍射層30、40)，從而在達(dá)到高衍射效率的同時(shí)，成功地消除了偏振依賴性。此外，如果在偏振轉(zhuǎn)換層(1/2波長(zhǎng)板)20的基板表面形成兩個(gè)衍射光柵(第一、第ニ衍射層30、40)，則可以將衍射光柵10整體厚度設(shè)定為2mm以下，將其搭載于分光器時(shí)，其厚度不形成障礙。圖5的(A) (B)示出了光柵的衍射效率特性的一例。圖5的(A)示出了透射衍射效率和光柵深度的關(guān)系，圖5的(B)示出了一次衍射效率和波長(zhǎng)的關(guān)系。該光柵的周期為400nm，斷面形狀大致為矩形。光的入射角為58度，對(duì)波長(zhǎng)680nm滿足布拉格衍射條件。如圖5的(B)所不,用于拉曼分光的一次衍射光的效率,對(duì)于中心波長(zhǎng)680nm, TE偏振光時(shí)為93%，TM偏振光時(shí)為0%。這樣，衍射效率的偏振依賴性極大。如圖5的(A)所示，當(dāng)光柵深度設(shè)定為700nm IOOOnm (Rl)吋，TE偏振光的效率大致為80%以上，當(dāng)光柵深度設(shè)定為500nm 1200nm (R2)時(shí)，TE偏振光的效率大致為60%以上。此外，如圖5的(B)所示，當(dāng)光柵的使用波長(zhǎng)區(qū)域?yàn)?30nm 730nm吋，TE偏振光的效率為80%以上，TM偏振光的效率為7%以下。I. 4、波長(zhǎng)分辨率如圖6所示，第一衍射層30的折射率調(diào)制結(jié)構(gòu)32中，入射角為Θ1，衍射角為Θ 2。在此， 波長(zhǎng)分辨率=ΔΘ 2/ Δ λ (rad/nm) = 1/Pcos θ 2(3)成立。由此得知，若縮短光柵間隔P、增大衍射角Θ 2，則波長(zhǎng)分辨率增高。這樣，若能提高波長(zhǎng)分辨率，則可以在較短距離進(jìn)行分光，可以實(shí)現(xiàn)包括衍射光柵的檢測(cè)裝置的小型化。這樣，本實(shí)施方式中可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高衍射效率、消除偏振依賴性以及高波長(zhǎng)分辨率。2、第二實(shí)施方式圖7是示出了本發(fā)明的第二實(shí)施方式所涉及的透射式衍射光柵50。圖7所示透射式衍射光柵50也包括偏振轉(zhuǎn)換層20 ;第一衍射層60,設(shè)置于偏振轉(zhuǎn)換層20的ー個(gè)表面?zhèn)?；第二衍射?0，設(shè)置于偏振轉(zhuǎn)換層20的另ー表面?zhèn)取５谝谎苌鋵?0具有折射率調(diào)制結(jié)構(gòu)62，第二衍射層70具有折射率調(diào)制結(jié)構(gòu)72。第一衍射層60還可以包括與偏振轉(zhuǎn)換層20接合的基板層64和用于保護(hù)折射率調(diào)制結(jié)構(gòu)62的保護(hù)層66中的任一種或者兩種。同樣，第二衍射層70還可以包括與偏振轉(zhuǎn)換層20接合的基板層74和用于保護(hù)折射率調(diào)制結(jié)構(gòu)72的保護(hù)層76中的任一種或者兩種。在此，本實(shí)施方式中，折射率調(diào)制結(jié)構(gòu)62、72不是第一實(shí)施方式那樣的由電介質(zhì)形成的凹凸圖案。折射率調(diào)制結(jié)構(gòu)62、72是第一折射率nl的物質(zhì)和第二折射率n2的物質(zhì)在第一方向A上交替層疊而形成的結(jié)構(gòu)，未使用如第一實(shí)施方式那樣的是空氣折射率的凹部(槽)32B (42B)。這種折射率調(diào)制結(jié)構(gòu)62 (72)中，例如通過將基板層64 (74)經(jīng)激光等干涉條紋曝光，并經(jīng)過干式或濕式顯影，從而可以在基板層64 (74)表面形成第一、第二折射率nl、n2的分布結(jié)構(gòu)。從而，即使使用衍射光柵50取代第一實(shí)施方式所涉及的衍射光柵10，也可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高衍射效率、消除偏振依賴性以及高波長(zhǎng)分辨率。這樣，與后文說明的第三實(shí)施方式相比，第一、第二實(shí)施方式中對(duì)無傾斜的衍射光柵適用本發(fā)明。從而，可以將以往由于衍射效率的偏振依賴性大而不受注目的高密度衍射光柵(λ /P > I. 5),應(yīng)用于分光裝置。3、第三實(shí)施方式本實(shí)施方式中，通過使產(chǎn)生布拉格反射的周期結(jié)構(gòu)傾斜、進(jìn)ー步增大衍射角，從而進(jìn)行增大波長(zhǎng)分辨率和衍射效率的寬波段化。圖8示出了具有取代圖6所示凸部32Α(42Α)的傾斜凸部32C (42C)的衍射層80的截面圖。凸部32C (42C)沿第一方向A以周期P/cos(j5 (光柵間隔)配置。凸部32C (42C)例如相對(duì)于與基板層34 (參照?qǐng)D8)的主表面正交的基準(zhǔn)線L傾斜角度φ ( φ > 0° )而形成。更具體而言，凸部32C (42C)形成相對(duì)于基準(zhǔn)線L以角度Φ傾斜的傾斜面32D (42D)。傾斜面32D (42D)在與傾斜面32D (42D)垂直方向上的周期為P，衍射光(布拉格反射光)由該周期P的周期結(jié)構(gòu)產(chǎn)生。另外，使用波長(zhǎng)λ和光柵周期P滿足1.25 < λ/P <2.0，更優(yōu)選為滿足I. 5 < λ/Ρ < 2.0ο此外優(yōu)選光柵周期P為250nm 550nm，凸部32C (42C)的高度為500nm llOOnm。此外，優(yōu)選傾斜角度Φ < 45°。如圖8所示，波長(zhǎng)λ的入射光以角度Θ I射入衍射光柵，衍射光以角度Θ 2被衍射后透過。在此波長(zhǎng)分辨率Λ Θ2/Λ λ由下式(4)表示。另外，下式(4)中Φ =O時(shí)得到上式(3)，變成表示無傾斜時(shí)的波長(zhǎng)分辨率的式子。Δ Θ 2/ Δ λ = cos Φ / (P · cos θ 2) (4)
然后，對(duì)根據(jù)本實(shí)施方式提高波長(zhǎng)分辨率和衍射效率的方法進(jìn)行說明。如圖8所示，本實(shí)施方式利用由傾斜面32D (42D)的周期結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的布拉格衍射?？紤]將圖8的示例與傾斜角度Φ =0°的情況(圖6)進(jìn)行比較。產(chǎn)生布拉格衍射的入射光的入射角設(shè)定為布拉格角Θ時(shí)，布拉格條件由下式(5)表不,其中空氣(介質(zhì))的折射率為η。圖8中,布拉格角Θ與相對(duì)于傾斜面32D (42D)的角度大致相等。2nPsin θ = λ (5)如前面所說明的，為了增大波長(zhǎng)分辨率Λ θ 2/Δ λ，則有必要増大布拉格角Θ (衍射角)。由上式(5)知曉如果増大布拉格角Θ則必須減小P。但是，如前面所說明的，若減小周期P則導(dǎo)致高衍射效率的波長(zhǎng)區(qū)域變窄。因此，本實(shí)施方式中，如圖8所示通過使凸部32C (42C)傾斜從而增大衍射角Θ2。此時(shí),入射角Θ I近似為Θ1=θ-φ，衍射角Θ 2近似為θ 2 = θ + φ。此外,嚴(yán)謹(jǐn)而言并不局限于入射角Θ I = θ -φ，衍射角Θ 2 = θ + φ。這樣，通過使凸部32C (42C)傾斜而可以使衍射角Θ 2大于布拉格角Θ，因此通過衍射角Θ2增大波長(zhǎng)分辨率Λ Θ2/Λ λ的同時(shí)，與Φ =0°的情況相比可以將周期P設(shè)定為更大值。圖9是不出了相對(duì)于衍射角的波長(zhǎng)分辨率的特性例。圖9是波長(zhǎng)λ = 633nm、光柵周期P = 366nm、傾斜角Φ = 10°的情況的示例,一次透過衍射光的布拉格角Θ =59.9°。光柵周期P = 366nm是比現(xiàn)有技術(shù)的光柵周期Pa = 333nm大10%的值。此外，該衍射光柵的波長(zhǎng)分辨率與周期為P/cos Φ = 366/cos (10° ) = 372nm、無傾斜衍射光柵的波長(zhǎng)分辨率相同。光柵未傾斜Φ = 0°時(shí)，在衍射角為布拉格角Θ =59.9°的附近一次衍射光的衍射效率最大。此時(shí)，如圖9所示，波長(zhǎng)分辨率停留在O. 005 [rad/nm]。另ー方面，使光柵傾斜Φ = 10°吋，由于衍射角擴(kuò)大到Θ 2 = 73°，因此波長(zhǎng)分辨率由Φ = 0°的情況提高大約I. 8倍而變成O. 009[rad/nm]以上。這樣，通過使光柵以角度Φ = 10°傾斜，從而在衍射角β = 73°附近實(shí)現(xiàn)高衍射效率。當(dāng)單獨(dú)使用這種具有傾斜凸部32C (42C)的衍射層60時(shí)，偏振依賴性大。圖10的(A)、(B)示出一次衍射效率和λ /P的關(guān)系。圖中將折射率調(diào)制結(jié)構(gòu)的厚度h設(shè)定為參數(shù)。在λ/Ρ = I. 7的條件下，對(duì)于折射率調(diào)制結(jié)構(gòu)的厚度h足夠大(槽深)的情況，可以獲得對(duì)TE偏振光超過80%的高效率(參照?qǐng)D10的(A))。但是，基本上不能期待對(duì)TM偏振光的效率(參照?qǐng)D10的(B))。因此，本第三實(shí)施方式中，通過在圖I所示偏振轉(zhuǎn)換層20兩側(cè)設(shè)置具有傾斜凸部32C (42C)的第一、第二衍射層,從而與第一實(shí)施方式同樣地能夠消除偏振依賴性。并且第三實(shí)施方式中能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)通過進(jìn)一歩增大衍射角Θ 2而提高波長(zhǎng)分辨率、以及通過在獲得必要的波長(zhǎng)分辨率的范圍內(nèi)盡量増大周期P而使衍射效率寬波段化。第三實(shí)施方式中所說明的具有傾斜的折射率調(diào)制結(jié)構(gòu)并不局限于適用于第一實(shí)施方式的凹凸圖案，也可以適用于圖7所示第二實(shí)施方式的折射率調(diào)制結(jié)構(gòu)。另外，第三實(shí)施方式中所說明的具有傾斜的折射率調(diào)制結(jié)構(gòu)的制造方法，可以采用由本申請(qǐng)申請(qǐng)人在先申請(qǐng)的專利申請(qǐng)2010-111124中所公開的方法。此外，第一至第三實(shí)施方式中，當(dāng)使用波長(zhǎng)λ和光柵周期P的關(guān)系設(shè)定為1.5
<λ /P < 2. O吋，優(yōu)選折射率調(diào)制結(jié)構(gòu)的厚度和光柵周期P的關(guān)系設(shè)定為I. 75 < h/P
<2. 50。4、第四實(shí)施方式作為本發(fā)明的第四實(shí)施方式，對(duì)具有上述第一至第三實(shí)施方式的任ー衍射光柵的檢測(cè)裝置進(jìn)行說明。圖11的(A)、圖11的(B)示出本實(shí)施方式的衍射光柵所適用的檢測(cè)裝置的第一結(jié)構(gòu)例。該檢測(cè)裝置包括拉曼傳感器300(傳感器芯片、光設(shè)備)、第一凹面鏡310、帶通濾波器(band pass filter)320、衍射光柵340、第二凹面鏡350、陣列(array)光檢測(cè)器360 (檢測(cè)器)、光源370和邊緣濾波器(edge filter) 380。上述檢測(cè)裝置是單光譜儀，其中一個(gè)衍射光柵340和兩個(gè)凹面鏡310、350按照規(guī)定的位置關(guān)系配置。此外，以下對(duì)用于進(jìn)行拉曼分光測(cè)定的檢測(cè)裝置進(jìn)行說明，但本實(shí)施方式的衍射光柵也可以適用于采用其他分光方法的檢測(cè)裝置。另外，衍射光柵340采用例如圖8所示第三實(shí)施方式所涉及的具有傾斜折射率調(diào)制結(jié)構(gòu)的衍射光柵。如圖11的(B)所示，來自光源370的激光被邊緣濾波器380反射，照射向拉曼傳感器300上的試樣390(目標(biāo)物質(zhì))。例如，光源370是連續(xù)振動(dòng)的He-Ne激光(波長(zhǎng)633nm、輸出20mW)。被激光照射的試樣390通過由拉曼傳感器300產(chǎn)生的表面增強(qiáng)拉曼散射而產(chǎn)生瑞利散射光和拉曼散射光。這些散射光射入邊緣濾波器380。該邊緣濾波器380將激光的波長(zhǎng)(633nm)的光反射，而將比其長(zhǎng)的長(zhǎng)波長(zhǎng)光透過。即，通過邊緣濾波器380，瑞利散射光被反射而拉曼散射光被透過。被透過的拉曼散射光射入凹面鏡310，由凹面鏡310調(diào)整為平行光。接著，如圖11的(A)所示，來自凹面鏡310的反射光通過帶通濾波器320，以規(guī)定的入射角Θ I射入衍射光柵340。帶通濾波器320進(jìn)ー步攔截瑞利散射光，僅僅使拉曼散射光透過。射向衍射光柵340的入射光如圖4的(A)、(B)所說明那樣，在第一衍射層30、偏振轉(zhuǎn)換層20以及第二衍射層40被偏振轉(zhuǎn)換、以衍射角Θ 2被衍射或被透過，從而被分光。被分光的拉曼散射光，每個(gè)波長(zhǎng)僅相差微小差異的衍射角，各波長(zhǎng)為平行光。上述被分光的拉曼散射光射入凹面鏡350,由凹面鏡350聚光于陣列光檢測(cè)器360上,從而形成光譜分布。然后，通過陣列光檢測(cè)器360檢測(cè)拉曼散射光的光譜分布。接著，對(duì)上述檢測(cè)裝置的波長(zhǎng)分辨率進(jìn)行具體說明。當(dāng)將陣列光檢測(cè)器360上的瑞利散射光的位置設(shè)定為Χ( λ )，將拉曼散射光(斯托克斯光)的位置設(shè)定為Χ( λ+Λ λ )吋 ，這些位置間的距離由下式(6)表示。在此，f是凹面鏡350的聚光距離(焦點(diǎn)距離)、Λ Θ2/Δ λ是衍射光柵340的波長(zhǎng)分辨率。
Χ(λ+Λλ)-Χ(λ) = ··Λλ·(ΛΘ2/Λλ) 式(6)由上式(6)得知，對(duì)于波長(zhǎng)分辨率Λ θ 2/Λ λ足夠大的情況而言，即使凹面鏡350的聚光距離f短，也可以將拉曼散射光和瑞利散射光大地區(qū)分開。為此，通過使用本實(shí)施方式的高分辨率衍射光柵，從而能夠縮短凹面鏡350的聚光距離f，使各結(jié)構(gòu)要素設(shè)置緊湊而使分光器小型化。例如，在使用圖2所說明的衍射光柵10作為圖11的(A)的衍射光柵340的情況中，衍射光柵的周期為400nm (2500根/mm)、傾斜角度為O度、波長(zhǎng)分辨率為O. 005rad/nm,凹面鏡的焦點(diǎn)距離f為20mm。這種情況下，波長(zhǎng)差為O. 5nm的兩個(gè)散射光分量在陣列光檢測(cè)器上僅僅相隔50 μ m,即使使用一般的陣列光檢測(cè)器也可以被充分地分辨。并且，當(dāng)拉曼移動(dòng)量設(shè)定為50nm吋，從瑞利散射光到拉曼散射光的距離為20 μ mX 50/0. 5 = 2mm左右，該距離足夠遠(yuǎn)。從而，大大減輕了對(duì)圖11的(B)所示邊緣濾波器380的特性的負(fù)荷。在精度要求相對(duì)不高的分光用途中邊緣濾波器可以不要。 另外，如上所述雖然已對(duì)本實(shí)施方式進(jìn)行了詳細(xì)說明，但是整體上不脫離本發(fā)明的新事項(xiàng)以及效果的多個(gè)變形是可能的，這對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是可以容易理解的。因此，所有這種變形例都包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。例如，在說明書或附圖中，與更廣義的或同義的不同術(shù)語(衍射光柵、傳感器芯片、檢測(cè)器等)共同被記載的術(shù)語(透射式衍射光柵、拉曼傳感器、陣列光檢測(cè)器等)，在說明書或附圖的任意位置，至少一次能夠用上述不同術(shù)語置換。另外，衍射光柵、分光裝置、檢測(cè)裝置等的結(jié)構(gòu)、操作也并不僅限于本實(shí)施方式所說明的方式，可以進(jìn)行各種變形。符號(hào)說明10,50 透射式衍射光柵(衍射光柵)20偏振轉(zhuǎn)換層30、60第一衍射層32、42、62、72 折射率調(diào)制結(jié)構(gòu)32A、42A 凸部32B、42B 凹部(槽)32C、42C傾斜凸部 32D、42D傾斜面34、44、64、74 基板層40、70第二衍射層 66、76保護(hù)層80衍射層300拉曼傳感器310凹面鏡320帶通濾波器340衍射光柵350凹面鏡360陣列光檢測(cè)器 370光源380邊緣濾波器 390試樣Θ I入射角Θ2衍射角
權(quán)利要求
1.一種透射式衍射光柵，其特征在于，具有 偏振轉(zhuǎn)換層； 第一衍射層，配置于所述偏振轉(zhuǎn)換層的一個(gè)表面?zhèn)?；以? 第二衍射層，配置于所述偏振轉(zhuǎn)換層的另一表面?zhèn)龋?所述第一衍射層以及所述第二衍射層都具有沿第一方向以周期P排列的折射率調(diào)制結(jié)構(gòu)，并且對(duì)TE偏振光分量的衍射效率比對(duì)TM偏振光分量的衍射效率高。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的透射式衍射光柵，其特征在于， 光譜波段中的波長(zhǎng)設(shè)定為λ時(shí)，所述偏振轉(zhuǎn)換層是λ/2波長(zhǎng)板。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的透射式衍射光柵，其特征在于， 所述偏振轉(zhuǎn)換層包括層疊的多個(gè)水晶板。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的透射式衍射光柵，其特征在于， 所述第一衍射層以及所述第二衍射層分別還包括與所述偏振轉(zhuǎn)換層接合的基板層，在所述基板層上具有所述折射率調(diào)制結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至4中任一項(xiàng)所述的透射式衍射光柵，其特征在于， 所述折射率調(diào)制結(jié)構(gòu)是凹凸圖案。
6.根據(jù)權(quán)利要求I至4中任一項(xiàng)所述的透射式衍射光柵，其特征在于， 所述折射率調(diào)制結(jié)構(gòu)是第一折射率的物質(zhì)和第二折射率的物質(zhì)在所述第一方向上交替層疊的結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至6中任一項(xiàng)所述的透射式衍射光柵，其特征在于， 所述折射率調(diào)制結(jié)構(gòu)的高度設(shè)定為h時(shí)，1.5 <入外<2.0并且滿足1.75<11/ < 2. 50。
8.根據(jù)權(quán)利要求I至7中任一項(xiàng)所述的透射式衍射光柵，其特征在于， 所述第一衍射層以及所述第二衍射層分別具有由電介質(zhì)形成的傾斜面，所述傾斜面相對(duì)于基準(zhǔn)線傾斜配置，當(dāng)設(shè)入射光的入射角相對(duì)于所述基準(zhǔn)線為角度Θ I、設(shè)衍射光的衍射角相對(duì)于所述基準(zhǔn)線為角度Θ 2時(shí)，所述入射角ΘI是小于相對(duì)于所述傾斜面的布拉格角Θ的角度，所述衍射角Θ 2是大于所述布拉格角Θ的角度。
9.一種檢測(cè)裝置，其特征在于，包括 權(quán)利要求I至8中任一項(xiàng)所述的透射式衍射光柵； 光學(xué)系統(tǒng)，用于將來自目標(biāo)物質(zhì)的散射光或反射光射入所述透射式衍射光柵；以及 檢測(cè)器，用于檢測(cè)來自所述透射式衍射光柵的衍射光。
全文摘要
提供了一種透射式衍射光柵及檢測(cè)裝置。該透射式衍射光柵包括偏振轉(zhuǎn)換層；第一衍射層，配置于偏振轉(zhuǎn)換層的一個(gè)表面?zhèn)?；以及第二衍射層，配置于偏振轉(zhuǎn)換層的另一表面?zhèn)?。第一衍射層以及第二衍射層都具有沿第一方向以周期P排列的折射率調(diào)制結(jié)構(gòu)，并且對(duì)TE偏振光分量的衍射效率比對(duì)TM偏振光分量的衍射效率高。
文檔編號(hào)G01J3/18GK102841395SQ20121021406
公開日2012年12月26日 申請(qǐng)日期2012年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月23日
發(fā)明者尼子淳 申請(qǐng)人:精工愛普生株式會(huì)社