JP2002528906A

JP2002528906A - 多層鏡分散制御

Info

Publication number: JP2002528906A
Application number: JP2000578677A
Authority: JP
Inventors: オースティン、アール・ラッセル; ゴルボビック、ボリス
Original assignee: コヒーレント・インク
Priority date: 1998-10-28
Filing date: 1999-08-19
Publication date: 2002-09-03
Also published as: US6081379A; ATE282836T1; WO2000025154A1; EP1125150B1; DE69922042D1; EP1125150A1; DE69922042T2

Abstract

(57)【要約】ネガティブ群遅延分散鏡（ＮＧＤＤ−鏡）多層構造は、単一モノリシック多層構造内の共通の高反射鏡（ｒ１）上の２つの干渉的に接続されたGires-Tournois空胴干渉計（ｃ１、ｃ２）によって形成される。（それらは、空胴共振器における分散を制御するための超短波レーザーで用いられる。）

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】発明の技術分野本発明は、一般に、例えば、約１００フェムト秒（ｆｓ）より小さい超短波を
伝えるいわゆる超高速レーザーにおいて使用のために、制御された層分散を有す
る多層鏡に関する。それは、特に、選択的な共鳴トラッピングによってネガティ
ブ群遅延分散を提供するモノリシック干渉的に結合された多数のGires-Tournois
干渉計構造に関する。

【０００２】背景技術の論述超高速のレーザーの超短波のパルス幅特性をサポートするために、レーザーは
、完全なネガティブ群遅延分散（ネガティブＧＤＤ又はＮＧＤＤ）、すなわち、
レーザー利得媒体のＧＤＤの合計を所有しなければならず、すべての空胴構成要
素はネガティブでなければならない。レーザー空胴及びその中の誘電性材料の単
純な配置では、利得媒体及びモード引き込み装置のような、１０００ナノメータ
ー（ｎｍ）より短い波長のための完全な空胴ＧＤＤは、通常ポジティブである。
換言すれば、より短い波長光は、より高い反射率及びより低い群速度を経験し、
より長い波長光に遅れる。これは、それぞれ往復のレーザーパルスを長くさせ、
安定した短波動作を妨げる。

【０００３】これを避ける一つの手段は、このポジティブＧＤＤと少なくとも等しい、好ま
しくはそれ以上の集合的なネガティブＧＤＤを有する１以上のＮＧＤＤを含むこ
とである。多くの適用では、ネガティブＧＤＤは、好ましくは、レーザー出力ス
ペクトルに少なくとも等しい波長範囲を超えて実質的に一定であり、もし、レー
ザーが波長の範囲を超えて調整可能であるならば、ＮＧＤＤは、好ましくは、調
整範囲の超過範囲を超えて実質的に一定である。

【０００４】先行技術の超高速レーザーで用いられた反射ＮＧＤＤ装置は、Gires-Tournois
干渉計（ＧＴＩ）鏡を含む。ＧＴＩ鏡は、反射鏡を有する多層ＮＧＤＤ鏡である
。それは、交替的高低反射率誘電体層のスタックを備え、各層は、一般に、およ
そ名目上動作するレーザー波長において１／４波長（０．２５λ又は１ＱＷＯＴ
）の光学的厚さ、及び単一の反射鏡上に配置された誘電性材料のファブリ−ペロ
のような「スペーサー」層（典型的に、数半波長の厚さ）を有する。部分的に反
射する多層スタックは、スペーサー層上に（光学的に）配置されてもよい。先行
技術のＧＴＩ鏡は、典型的に、ただ比較的狭い波長範囲、例えば、およそ５０．
０ｎｍを越えて、比較的一定のネガティブＧＤＤを与える。ＧＴＩ鏡では、ＮＧ
ＤＤは、スペーサー層内のある波長の選択的共鳴トラッピングによって達成され
る。そのような装置は、Kuhl他の、量子エレクトロニクスにおけるＩＥＥＥ会報
、ＱＥ−２２、１、１８２〜１８５頁（１９８６年１月）、「誘電性多層干渉計
におけるフェムト秒光学パルスの圧縮」論文に詳細に渡って記述される。

【０００５】米国特許第５，７３４，５０３号（Szipocs他）では、「チャープ鏡（chirped
-mirror）」として記述された多層ＮＧＤＤ鏡が開示される。そのような鏡の一
つの開示例は、その上に配置される４０以上の層の構造を有する基板を含む。こ
の構造では、本質的に２つの近接する層が同一の光学的厚さを有さない。２つの
材料が近接層に用いられ、一つは、比較的高反射率を有し、もう一つは、比較的
低反射率を有する。その構造を通して、近接層間の光学的厚さは、珍しくないお
よそ２：１までの光学的厚さ比率で相当する。個別の層の厚さは、「直感的なも
の」として記述される最初の層システムから生成される（最適化される）コンピ
ューターである。そのような最初の層システムが開示されないけれども、層シス
テムの前後、すなわち基板に向かって最外層からの厚さにおける個別の層、又は
フーリエ変換設計を増加することが提案される。最適化は、ＧＤＤ仕様と反射率
仕様に同時に実行される。

【０００６】最適化に続き、層システムの前から後までの「反射時間」の増加する光学的厚
さの傾向を別として、層システムがあらゆる規則的な構造を持たないことが教示
される。ほぼ一定のＮＧＤＤがファブリ−ペロ又はＧＴＩ共鳴トラッピング機構
の使用なく達成され、構造への異なる波長の異なる進入深さから単に結果として
生じることが教示される。そのような鏡は、ＧＴＩ鏡より波長の広い帯域、例え
ば、−４５ｆｓ^２のＧＤＤのために、およそ８００ｎｍの名目上の中心波長でお
よそ１５０ｎｍまでを越えて、一定のＮＧＤＤを供給できることは明白である。

【０００７】他の働き手は、鏡構造のいわゆる「チャーピング」へのより合理的なアプロー
チを介して、上述のSzipocs他の結果と類似の結果を提供する。論文「チャープ
鏡の設計と理論」、アリゾナ州ツートンにおける１９９８年６月７〜１２日の光
学干渉コーティングのＯＳＡ会議の議事録、２９３〜２９５頁，ＩＳＢＮ１−５
５７５２−５４９−８において、Tikhonravov他は、その設計が鏡部と相修正部
を解決すると考えることによって、Szipocs他の設計方法の改良を試みる。しか
しながら、最適化の最後の構造の一例では、例証された設計の４４層の半分以上
が互いに識別可能な関係を持たない、すなわち、非周期的であり、鏡部がどこで
終わり、相修正部がどこから始まるのかを決定することが非常に困難である。波
長の関数としてＧＤＤでは、およそ−４０と−５０ｆｓ^２の間の名目上の範囲で
１０フェムト秒までの間の山谷振動がある。これらは、避けられないものとして
記述される。

【０００８】もう一つの論文「サブ１０ｆｓレーザーパルスの生成のための広帯域倍加チャ
ープ鏡の設計」、Matuschek他、Ｉｂｉｄ．２９６〜２９８頁では、設計が１／
４波長セクションとして記述された要素と、単一チャープセクションと、倍加チ
ャープセクションと、ＡＲコーティングセクションとを備える構造によって始め
られることが開示される。最適化の後に、異なるセクションが「ともに融解する
」傾向にあることが開示される。最後の最適化された構造は示されていない。

【０００９】最も超高速なレーザーでは、上述の先行技術の装置の−４０から−６０ｆｓ^２よりずっと大きい補償ＮＧＤＤが必要とされる。これは、典型的に、多数のその
ような装置、又は、１以上の装置からの複数の反射を供給する共振器構造を用い
ることによって改善される。もし、これがそのような装置「空洞内」を用いて達
成されるならば、共振器（レ−ザー空胴共振器）内の反射損を制限することに留
意しなければならない。この場合、Tikhonravov他の論文で開示されたＧＤＤの
振動もまた、それらが繰返し反射によって増幅されるので、重要である。

【００１０】最も超高速なレーザーでは、１．０％を越える空胴損失は、出力パワーの重大
な損失に至る。例として、１０％の外部結合を有する超高速なレーザーでは、１
％の空胴損失（１往復当たりの）は、出力パワーのおよそ１０％の損失と同等と
考える。このため、たとえ９９．９％の反射ＮＧＤＤ鏡が用いられても、そこか
ら１往復毎におよそ１０空洞内反射が出力パワーの実質的な減少を生み出す。

【００１１】上述の「チャープ」ＮＧＤＤ鏡が、ＮＧＤＤを供給する広い（厚い）空胴共振
器に応答するＧＴＩタイプの先行技術の装置で達成されるよりも大きい帯域幅を
超えて、望ましいＮＧＤＤ特性を達成することは明白であるが、これらのＮＧＤ
Ｄ特性鏡構造を達成するために用いられる非周期的な構造が、少しも同一の材料
の同数の層を持つ最も広い帯域幅を越えて最も高い可能な反射率を生成するもの
でないことは、光学的多層理論の考慮から明白である。

【００１２】群内のすべての層が本質的に特定波長における１／４波長の同一の光学的厚さ
（１：１の光学的厚さ比率）を有するとき、特定の波長において、交互に高低の
屈折率を有する層群で得られることができる最も高い反射率が達成されることは
、多層光装置の設計者には周知である。本質的に、ここでは程度を意味するが、
同一の光学的厚さは、材料と通常の製造許容における屈折率分散を考慮して、広
波長範囲を越えて達成可能である。１：１の比率からの逸脱は、より狭い帯域幅
を超えてより低い反射率をもたらす。

【００１３】反射率の大きさと帯域幅があらゆる構造上の機構又はそのＮＧＤＤを提供する
ために必要な特徴によって過度に妥協して処理されない構造上の十分な秩序を保
つが、Szipocs他及び他の上述の「チャープ鏡」構造に比較可能なＮＧＤＤの性
能を達成した多層構造を提供することは有利であろう。本発明は、それらを設計
するためのそのような構造及び方法を提供する。

【００１４】発明の目的及び概要本発明におけるＮＧＤＤ鏡構造に達することにおいて、発明者は、大いに複雑
な「チャープ鏡」構造の利用を通して、ファブリ−ペロ共鳴を避け、あるいは除
去する探索に従事し続けないが、先行技術のＧＴＩ鏡の限定された帯域幅の欠点
を扱って、そのような装置の共鳴トラッピング機構の理解と有利な活用を通して
これらの欠点を改善することを選択した。

【００１５】発明の構成は、一般に、可干渉的に接続される多数のGires-Tournois干渉計と
称されてもよい。一態様において、発明的構成は、２つの間隔を空けられ干渉的
に接続され、特性反射帯域幅を有する高反射的１／４波長多層反射器を載せるGi
res-Tournois干渉計空胴から形成された単一モノリシック多層構造として定義さ
れ得る。モノリシック多層構造は、１／４波長多層反射器の特性反射内の波長の
範囲を超えて、選択されたネガティブ群遅延分散を有する。

【００１６】もう一つの態様では、発明的構成は、２（又はそれ以上）の共鳴空胴層によっ
て載せられる１／４波長多層反射器として定義され得る。各共鳴空胴層は、半波
長又はそれより大きい光学的厚さを有し、共鳴空胴層が１／４波長スタックの帯
域幅内に横たわる帯域幅又は波長範囲を超えて、望ましいＮＧＤＤを供給するた
めに光学的に相互作用するように、共鳴空胴層の厚さの選択で協同で選択された
厚さを有する１以上の層によって間隔を空けられる。任意的に、空胴層の最も外
側に半波長より小さい光学的厚さを有する１以上の層があってもよい。

【００１７】上記で提供される本発明の定義では、１／４波長スタックは、２つの異なる透
明な誘電性材料の周知の１／４波長スタックであり、ここで、各層は、若干のい
わゆる中心波長でおよそ１ＱＷＯＴである。スタックは、層の屈折率によって決
められる特性反射帯域幅を有する。当業者は、これが数学的に定義され得るが、
スタックが任意に選択された高反射率値、例えば、９９％、９９．９％、９９．
９９％より大きいか、あるいは同等の反射を有する範囲によって近似され得るこ
とを認識する。１／４波長スタックが周波数対象スペクトル応答を供給するので
、いわゆる中心波長は、実際には、波長項の特性反射幅の中心に位置されないが
、周波数項の反射幅の中心を表す波長である。

【００１８】本発明における多層鏡構造設計の好ましい方法は、高低屈折率を交替する１／
４波長層の複数のスタックを含む始め（スターティング）構造を適切にプログラ
ムされたコンピューターに入れることを含む。その層は、１／４波長層のスタッ
クの帯域幅内で望ましい波長範囲を超えて望ましい反射を提供するために、少な
くとも数の上では十分である。１／４波長層のスタックは、半波長又はそれより
大きい厚さを有する２つの空胴層によって載せられ、半波長より小さい厚さを有
する１以上の他の層によって間隔を空けられる。

【００１９】任意的に、最も外側の空胴層は、半波長よりも小さい厚さを有する１以上の層
によって載せられてもよい。空胴層の間隔を空ける層と最も外側の空胴層を載せ
るあらゆる層は、エントリーの利便性のために、１／４波長で最初に設定されて
もよい。

【００２０】最初の設計が始められた後、その設計は、最も内側の空胴層とその上に厚さを
変化可能にされるすべての他の層のみ、すなわち、厚さを固定された１／４波長
鏡層のすべてを持つ望ましいＧＤＤ仕様に最適化され、それによって、最適化処
理中コンピューターによって調べられる外部層の厚さの変化の範囲を通して、少
なくとも望ましい反射率を維持する。一度ＧＤＤ仕様が満足されると、望ましい
反射率仕様を提供するために要求されるものを越えたあらゆる１／４波長鏡層が
削除され得る。

【００２１】この方法でＧＤＤ目標だけを最適化することは、最適化処理の速度を上げるだ
けでなく、結合された反射とＧＤＤ仕様が満たされたか否かを決定することにお
いて反射とＧＤＤ目標との間の衝突を避ける。完全な設計は、１時間以下で完全
に最適化された。

【００２２】全部で４０の層を有する、本発明における可干渉性又は干渉的に接続された倍
加（２空胴）ＧＴＩの一例では、およそ４２ｆｓ＾２の実質的に一定のＧＤＤは
、およそ１４０ｎｍの帯域幅を超えて計算された。４０の層において、１／４波
長鏡部は３３を占めた。２つの空胴層を含む７の外部層だけが最適化された。実
際に沈殿された材料から得られる光学的定数（ｎ及びｋ）を用いて、計算された
反射率は、一定のＧＤＤの範囲を通して９９．９９％を越え申し分なかった。最
適化された構造は、２つに間隔を空けられたＧＴＩ空胴層によって載せられる１
／４波長鏡構造として明らかに認識可能である。

【００２３】好ましい実施の形態の詳細な記述明細書の一部に含まれ、それを構成する添付図面は、本発明の好ましい実施の
形態を概略的に示し、上記の一般的記述及び以下の好ましい実施の形態の詳細な
記述とともに、本発明の原理を説明するのに役立つ。

【００２４】同様な特徴が同様な参照数字によって示される図において、図１は、棒グラフ
の形式で、上述のSzipocs他の教示におけるＮＧＤＤ鏡構造を示す。各層は、そ
の光学的厚さに比例する高さを有する垂直バーとして示される。０．２５の値は
、ここでは、７９０ｎｍの波長における１／４波長光学的厚さ又はＱＷＯＴであ
る。これらの光学的厚さは、開示された「チャープ鏡」の一例である、Szipocs
他の特許の表４から引用される。その層は、それぞれ２．３１と１．４５の非分
散的な高低屈折率を持つと考えられる。基板が図１のグラフの原点にあり、（基
板上の）第１の層が低い屈折率層であり、その後高低の屈折率が互い違いになる
４２の層がある。図１の構造のための波長の関数として計算された反射とＧＤＤ
は、それぞれ図２及び３に図で示される。

【００２５】図４において、およそ一つの波長の空胴光学的厚さを有する先行技術のＧＴＩ
鏡の構造が示される。空胴層以外のすべての層は、波長７９６ｎｍで１／４波長
の光学的厚さ層である。空胴層（層３８）は、７９６ｎｍでおよそ１．１波長の
光学的厚さを有する。奇数層は、二酸化チタン（ＴｉＯ_２）の層であると考えら
れる。偶数層は、関心の波長領域（およそ７００ｎｍから９００ｎｍまで）内で
、それぞれ、およそ（２．２４）と（１．４４）の屈折率を有する二酸化シリコ
ン（ＳｉＯ_２）の層であると考えられる。次に続く計算において、固定波長ポイ
ントで表にされた分散データから挿入されたこれらの屈折率の値が用いられるこ
とに注意されたい。

【００２６】波長の関数として計算されたＧＤＤ（曲線Ａ）は、図５に図で示される。図５
から、およそ７７５と８２５ｎｍの間、すなわち、単一パルス帯域幅をサポート
するのに十分な値のみおよそ−３５ｆｓ^２のネガティブＧＤＤの潜在的に有用な
範囲があることが知られ得る。先行技術の調整可能なレーザーでは、開業医は、
有用な帯域幅を角度同調することによって、この狭い帯域幅の問題に合わせてい
た。この中に他のそのような計算されたＮＧＤＤグラフでは、曲線Ａの明らかに
高い周波数ノイズが表にされた屈折率分散データから屈折率値の補間の人為結果
である四捨五入エラーのためであることに注意されたい。

【００２７】本発明における干渉的に接続された多数のＧＴＩの詳細な記述を続ける前に、
ネガティブＧＤＤが先行技術のＧＴＩによってどのように提供されるかを再検討
することは有用である。簡単に、正確でなく、ＧＴＩの波長選択共鳴トラッピン
グの大きさは、空洞内の一往復毎の距離を決定する空胴の厚さ、及び往復の量を
決定する空胴インターフェースにおける波長依存の反射率によって決定される。
一つの空胴を持つ先行技術のＧＴＩでは、他のインターフェースにおける反射率
が本質的に１／４波長スタックのものであり、装置の全反射率を決定するために
固定されるので、典型的に、外部インターフェース反射率のみが現実的に可変で
ある。ファブリ−ペロフィルターのような共鳴装置と同様に、スペーサー厚さの
増加（より正確には、干渉オーダーの増加）又は反射率の増加は、波長選択性を
増加し、帯域幅を減少する。先行技術ＧＴＩの共鳴トラッピング動作は、長短波
長近くの２つの異なる波長で図４の構造内の磁界の計算された分布が有用なＧＤ
Ｄ帯域幅を制限することを考慮することによって、正しく評価され得る。これは
、それぞれ図６Ａ及び６Ｂの７７５ｎｍと８２５ｎｍの波長（曲線Ｂ及びＣ）と
して示される。図６Ａ及び６Ｂとここで論じられた類似のグラフでは、ｘ軸は、
光学的厚さ又は入口媒体（鏡の前面）からの光学的距離にある。固体垂直線が層
境界を表す。機能成分層とその群は、明確さのために名称又は参照数字によって
識別される。

【００２８】図６Ａの曲線Ｂは、７７５ｎｍにおける空胴層で、磁界の強さが共鳴トラッピ
ングによって空胴層への入口上よりも高いレベルまでわずかに増幅されることを
示す。図６Ｂの曲線Ｃは、８２５ｎｍにおける空胴層内のずっと強い増幅を示す
。波長を持つ空胴層内の磁界の振幅を増加することは、より短い波長より長い波
長のために空洞内のより多くの往復、すなわち、より多くの遅延の結果である。

【００２９】先行技術のＧＴＩの１／４波長スタック部分では、電界は、期待されるように
単に減衰する。減衰の相対的割合は、両方例証された波長のために本質的に等し
い。波長の関数としてあらゆる所定のポイントにおける絶対強度は、勿論、空胴
層から１／４波長スタックに入る電界の大きさによって決定される。上述のよう
に、それは共鳴トラッピングのための増幅によって決定される。

【００３０】本発明における干渉的に接続される多数のＧＴＩの一例を設計することにおい
て、図７に棒グラフの形式で描写される最初の構造は、７２５ｎｍから８７５ｎ
ｍまでの範囲の４２ｆｓ^２のＧＤＤ目標に最適化された。図７の構造では、層は
基板から番号を付される。奇数層は、高屈折率層であり、偶数層は低屈折率層で
ある。層は、上述のようにＴｉＯ_２とＳｉＯ_２であると考えられる。この最初の
構造は以下のように示され得る。基板（ＨＬ）^１６Ｈ２．２Ｌ（ＨＬ）^１Ｈ２．２ＬＨＬ（１）
ここで、ＨとＬは、それぞれ高低の屈折率材料（ここでは、ＴｉＯ_２とＳｉＯ_２）の（ここでは７９６ｎｍにおける）１／４波長光学的厚さ又はＱＷＯＴを表す
。かっこ内の層は、一群を表され、かっこ外の上付きは、群の反復数を表される
。Ｈ又はＬに先立つ数字は、Ｈ又はＬの倍数を示す。この取り決めとその小さい
変化（例えば、言語又は十進数の）は、当業者に周知である。

【００３１】方程式（１）の構造は、次のように単に表され得る：Ｒ_１（Ｃ_１）Ｒ_２（Ｃ_２）Ｒ_３（２）ここで、Ｒ_１は、層１〜３３から形成された第１の鏡（１／４波長スタック）で
あり、ＨとＬの屈折率の反射帯域幅特性を有する。Ｃ_１は、Ｒ_１の中心波長にお
いて半波長（２．２Ｌ）よりも厚さが幾分大きいＧＴＩ共鳴空胴である。Ｒ_２は
、層３４〜３７から形成される第２の鏡（ＨＬ）^１Ｈである。Ｃ_２は、Ｒ_１の中
心波長において半波長（２．２Ｌ）よりも厚さが幾分大きいもう一つのＧＴＩ共
鳴空胴である。Ｒ_３は、層３９と４０から形成される第３の鏡（ＨＬ）である。
当業者は、鏡Ｒ_１、Ｒ_２及びＲ_３が波長選択反射器であることを認識する。Ｒ_１の反射率は、Ｒ_２又はＲ_３よりも非常に大きく、先行技術のＧＴＩのようにＮＧ
ＤＤ鏡のための必要とされる反射率を供給する。Ｒ_２の反射率は、通常、Ｒ_３よ
りも大きい。Ｒ_２とＲ_３は、部分的に反射的な（部分的に伝達可能な）反射器と
してもよい。

【００３２】最初の構造のもう一つの簡単な記述では、（Ｃ_１）Ｒ_２は、第１のＧＴＩであ
り、（Ｃ_２）Ｒ_３は、第１のＧＴＩと平行な位置にあり、それゆえ第１のＧＴＩ
と干渉的であるか可干渉的に接続されている第２のＧＴＩである。これらのＧＴ
Ｉは、共通の高反射率鏡Ｒ_１上に一様に組み立てられる。

【００３３】図７の構造を最適化することにおいて、層１〜３３は、固定された（最適化に
よって変化するのを妨げられた）。このために、ＧＤＤ目的以外のいずれかを最
適化することは必要ではなかった。これは、大いに最適化処理を速めた。発明の
干渉的に接続された倍加ＧＴＩの最適化構造は、図８に棒グラフ形式で描写され
る。

【００３４】図７の最初の構造の基本形状（鏡／空胴／鏡／空胴／鏡）が確保されたことが
図８から分かられ得る。鏡と空胴は、明確に識別可能である。外部の７層の最適
化は、波長選択鏡Ｒ_２及びＲ_３と空胴の厚さの調整をもたらした。鏡調整は、空
胴の干渉的結合も調整する。Ｒ_２とＲ_３の層は、Ｒ_１の反射帯域幅内の波長にお
いて半波長より小さい光学的厚さを有する。

【００３５】計算された反射と図８の構造のＧＤＤは、それぞれ図９及び１０にグラフで描
写される。図１０（曲線Ｆ）から、ＧＤＤが７５０ｎｍと８９０ｎｍの間の領域
で実質的に一定であることが見られ得る。この記述及び添付の特許請求の範囲に
おける用語「実質的に一定（substantially constant）」は、およそ±１５％の
名目値の許容変動があり得ることを認める。明瞭に、曲線Ｆは、そのような許容
量の十分範囲内である。曲線の明白な高周波数「ノイズ」は、上記に説明された
ようなものである。曲線Ｆのいずれかの波長側上のほとんど垂直なラインは険し
く、急な２π相から結果として生じる比較的非常に大きいＧＤＤ変化は、Ｒ_１の
標準的又は特性の反射幅の境界及び側波帯で変化する。

【００３６】図９では、曲線Ｄは、その領域のほとんどを通して９９．９９％より大きく、
ピークにおいて９９．９９９％より大きい、一定ＮＧＤＤ領域を通して９９．９
５％を越える計算された反射率を描写する。比較として、曲線Ｅは、図１の先行
技術のSzipocs他の構造の計算された反射率を示す。Szipocs他の構造が図８の構
造より多くの層を有し、さらに、Szipocs他によって想定された反射率を有する
材料の３３層１／４波長スタックは、より高い反射率及び発明の構造のよりも高
い帯域幅を有する。これは、広い「チャーピング」の重大な不利益を明確に示す
。

【００３７】図３と図１０のグラフを比較すると、ＧＤＤが先行技術のSzipocs他の「チャ
ープ鏡」のＧＤＤのように、ほぼ同一の帯域幅上で一定であることが見られ得る
。先行技術の構造が７２０ｎｍの領域でＧＤＤの極度の摂動を示すことに注意さ
れたい。これは、非周期のもう一つの不利益又は鏡構造の「チャーピング」であ
ると考えられる。しかしながら、基本鏡構造（Ｒ_１）が単に「チャープ」されな
いので、発明の構造のＧＤＤ曲線ではそのような摂動はない。

【００３８】図１０のＧＤＤ結果が発明のＮＧＤＤ鏡構造においてＧＴＩのようなあるいは
ファブリ−ペロのような共鳴トラッピングによって達成される方法は、図１１Ａ
及び１１Ｂを参照して次に論じられる。ここでは、図８の構造でそれぞれ７６５
ｎｍと８７５ｎｍ波長における放射のための電界の強さの分布（それぞれ曲線Ｇ
とＨ）は、グラフで描写される。

【００３９】図１１Ａ及びＢのプロットを考慮して、もし、電界のピークが前述のピークよ
りも高いならば、このことは、構造の２つの空胴における共鳴トラッピングの結
果（多重反射）であることに注意されたい。図１１Ｂの曲線Ｈは、一定ＧＤＤ帯
域幅の長波長端近くの波長において、共鳴トラッピングが後部空胴（Ｃ_１）で最
も強いことを示す。さらなる解析に着手することを選択する人は、一定ＧＤＤ帯
域幅の中心近くの波長で、共鳴トラッピングが両空胴でほとんど等しいレベルを
有することを見出す。それ自体、発明構造のＮＧＤＤ供給機構が主として望まし
いＮＧＤＤの波長範囲内の波長の得意な共鳴トラッピングの一つであると推断さ
れてもよい。鏡Ｒ_１の共鳴トラッピングの指示が波長のいずれにもない。これは
、図１１Ａ及び１１Ｂのプロットの波長を含む反射帯域幅を有する１／４波長ス
タックから期待されるべきである。

【００４０】発明のＮＧＤＤ鏡のＧＤＤ特性が可干渉的に接続された倍加ＧＴＩ配置（Ｃ_１）Ｒ_２（Ｃ_２）Ｒ_３によって制御されることを認識して、前述の例で１又は両方
の空胴の厚さを増加することは、ネガティブＧＤＤを増加することが期待され得
る。ファブリ−ペロエタロンスペーサーの増加するオーダーへの類似は、これが
より狭いＧＤＤ帯域幅を犠牲にして達成されることを示す。そのような構造は、
図１２に棒グラフの形式で示される。ここでは、空胴Ｃ_１とＣ_２（層３４と３８
）は、それぞれ、図８の構造における対応する空胴と比較して干渉のオーダー（
半波長）だけ光学的厚さが増加された。図１２の構造の基本形状が図８の構造の
それと正確に同一であることが見られ得る。波長の関数としてのＧＤＤは、図１
３（曲線Ｉ）にグラフで示される。およそ７８０と８８０ｎｍの間におよそ６０
と６５ｆｓ＾２の間の実質的に一定のＧＤＤ領域があることが見られ得る。波長
の関数としての反射率は、本質的に、正確に、図８の構造のために図９（曲線Ｄ
）に描写される。

【００４１】本発明における可干渉性又は干渉的に接続された多数のＧＴＩ装置が選択され
た波長範囲を超えて実質的に一定のＮＧＤＤを持つように設計されるが、このこ
とが発明の構造を制限するものとして考慮されるべきでないことをここで強調し
たい。その構造は、また、その代わりに、波長範囲の全域で一般に線形で増加又
は減少するネガティブＧＤＤを提供するように最適化されてもよい。ここで、用
語一般的に線形とは、第４又はそれ以上のオーダーの分散効果のために存在する
およそ±１５％までの揺らぎがあってもよいことを認識する。そのような一般的
に線形な増加又は減少特徴は、その構造が組み込まれる装置で第３オーダーの分
散効果を制御することにおいて有利であり得る。

【００４２】最適化が先行技術の「チャープ鏡」に必要であると思われる多くの層が反射的
ＮＧＤＤ装置の設計に近づくことに比較して、表面上で、それが比較的極めて少
しの最適化された層を持つ本発明の可干渉的に接続された多数のＧＴＩ構造が達
成され得るＧＤＤ性能の範囲限界を持ち得るように思われる。しかしながら、単
純な発明の構造でさえ、次の例で指摘されるように、その構造のＧＴＩ部分に利
用可能な変数の多くの組み合わせがある。すべての層の屈折率は可変的である。
空胴層は、直近の近接層に関して、高い屈折率か低い屈折率を持ってもよい。空
胴層の干渉オーダーは、上記で例証されたように、変更され得、空胴は、同一の
干渉オーダーである必要はない。空胴層間の層の数は、１から複数の層までで変
化され得る。外部鏡層の数は、変更されてもよく、ゼロであってもよい。前述の
可変的な例は、網羅的であると考慮されるべきではない。屈折率は、１以上の他
の層によって近接した空胴から間隔を空けられた第３の干渉的に接続されたＧＴ
Ｉ空胴を加えることによってさらに増加され得る。好ましくは、空胴は、異なる
屈折率の奇数の層（１、３、又はそれ以上）によって間隔を空けられる。たとえ
外部鏡層が省略されても、外部鏡がなお空胴／空気インターフェースからフレネ
ル反射によって形成されることに注意されたい。

【００４３】発明の可干渉的に接続された多数のＧＴＩは、標準入射でそれについての放射
事象での使用のために最適化された構造に関して上述された。しかしながら、あ
る事例では、比較的高い入射角、例えば、およそ４５°で使用のための、及び入
射の平面（ｓ−偏向）に垂直に偏向された光のための構造を設計するいくらかの
利点があり得る。これは、Gires-Tournois干渉計のような、装置の帯域幅を拡張
する先行技術のＮＧＤＤ装置でなされた。

【００４４】ｓ−偏向の光のために設計する利点は、所定の材料対（高及び低屈折率材料）
のために、ｓ−偏向光のための効率的インデックスレシオが入射角の増加につれ
て増加することである。これは、これらの材料のための上述の「標準的な」反射
帯域幅が増加することを意味する。当業者は、個別の効率的なインデックスが実
際には減少することを認識するだろう。これは、入射角が「現実の」材料の組み
合わせで利用可能でない効果的なインデックスレシオを提供できるから、本発明
における構造を設計することにおいて一般に利点であり得る。そのような装置の
基本構造は、同一のままである。１／４波長スタック（Ｒ_１）の層は、例えば、
使用の意図的な角度でｓ−偏向のための１／４波長に効果的に調整されるだろう
。「効果的厚さ」の原理は、先行技術で周知である。

【００４５】上に示された記述を通して、本発明におけるＮＧＤＤ鏡構造の例は、それらは
本発明が一般に属する技術と共通であるので、反射率、ＮＧＤＤ及び反射位相シ
フトのようなパラメーターとして波長依存の関数を参照して示された。当業者は
、もし、周波数、エネルギー、波数又は相対的波数のようなパラメーターに関す
る波長がそれらのパラメーターを条件として指定するために選択されるならば、
本発明の原理が等しく適用可能であることを認識する。

【００４６】発明の可干渉的に接続される多数ＧＴＩ構造の有利な面は、１／４波長スタッ
ク鏡設計がそのような可干渉的に接続される多数ＧＴＩ構造の範囲のためのベー
スとして使用され得ることである。例えば、図８及び１２の構造の鏡部が同一で
あることに注意されたい。これは、鏡が理想からの層厚さのずれがＧＤＤの実質
的に効率的でない範囲内であることを保証するために別々に作られ、精製される
ことを可能にする。種々のＧＴＩ構造が別の堆積に加えられ得る。これは、その
ような「精製された」鏡を用いることによって、完成されたＮＧＤＤ鏡構造の望
ましい仕様からのあらゆるずれの原因が付加的な多数ＧＴＩ構造に起因すること
が分かるから、大きな利点である。これは比較的にほとんど層を有さないので、
エラーの原因は、リバースエンジニアリング（逆問題工学）計算によって曖昧さ
の可能性がほとんどなく、迅速に分離され得る。これ及び発明の構造の他の利点
は、光学的薄膜技術の当業者にとって明白であろう。

【００４７】本発明は、好ましい及び他の実施の形態として記述及び描写された。しかしな
がら、本発明は、記述され、描写されたそれらの実施の形態に制限されない。逆
に、本発明は、ここに添付された特許請求の範囲によって画定される。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、およそ７３０ｎｍと８３０ｎｍの間の帯域幅を超えておよそ−４５ｆ
ｓ^２の一定ＧＤＤを供給する、先行技術のチャープ鏡層構造を概略的に示す棒グ
ラフである。

【図２】図２は、図１の構造のための波長の関数として計算された反射を概略的に示す
図である。

【図３】図３は、図１の構造のための波長の関数として計算された反射ＧＤＤを概略的
に示す図である。

【図４】図４は、およそ７７５ｎｍと８２５ｎｍの間の帯域幅を超えておよそ３５ｆｓ ^２の一定ＧＤＤを供給する、先行技術のチャープ鏡層構造を概略的に示す棒グラ
フである。

【図５】図５は、図４の構造のための波長の関数として計算された反射ＧＤＤを概略的
に示す図である。

【図６】図６Ａ−Ｂは、図４の先行技術のＧＴＩ構造においてそれぞれ７７５ｎｍと８
２５ｎｍ波長で放射のための電界分布を概略的に示す図である。

【図７】図７は、最適化の前に、２つの間隔を空けられたＧＴＩ空胴によって載せられ
る反射器スタックを含む、本発明における４０層の可干渉的に接続された倍加Ｇ
ＴＩ構造のための最初の構造を概略的に示す棒グラフである。

【図８】図８は、少なくともおよそ７５０ｎｍと８９０ｎｍの間の帯域幅を超えておよ
そ−４２ｆｓ^２の実質的に一定のＧＤＤを供給し、２つの間隔を空けられたＧＴ
Ｉ空胴によって載せられる反射器スタックを含むように更に認識可能である、本
発明における４０層の可干渉的に接続された倍加ＧＴＩ構造の一例を概略的に示
す棒グラフである。

【図９】図９は、図８のＮＧＤＤ鏡構造のための波長の関数として計算された反射を概
略的に示す図である。

【図１０】図１０は、図８の倍加ＧＴＩ構造のための波長の関数として計算された反射Ｇ
ＤＤを概略的に示す図である。

【図１１】図１１Ａ−Ｂは、図８の可干渉的に接続された倍加ＧＴＩ構造のそれぞれ７６
５ｎｍと８７５ｎｍの波長における放射のための電界分布を概略的に示す図であ
る。

【図１２】図１２は、少なくともおよそ７７０ｎｍと８６０ｎｍの間の帯域幅を超えてそ
れぞれおよそ−６５ｆｓ^２で９９．９９％以上の実質的に一定のＮＧＤＤを提供
する、本発明における可干渉的に接続された倍加ＧＴＩ層構造の第２例を概略的
に示す棒グラフである。

【図１３】図１３は、図１２のＮＧＤＤ鏡構造のための波長の関数として計算された反射
ＧＤＤを概略的に示す図である。

【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書

【提出日】平成１２年１０月９日（２０００．１０．９）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ゴルボビック、ボリスアメリカ合衆国、カリフォルニア州 94086、サニーベール、エス・フェア・オークス・アベニュー 655、アパートメントエム317 Ｆターム(参考） 2F064 EE00 GG00 GG38 GG41 KK01 2H048 FA05 FA12 FA24 GA14 GA34 GA61 5F072 FF08 JJ20 KK06 SS08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】大いに反射的な１／４波長多層反射器に載せられ、単一のモ
ノリシック多層構造を形成された２つの間隔を空けられて干渉的に接続されたGi
res-Tournois干渉計と、特有の反射帯域幅を有する前記１／４波長多層構造と、前記特有の反射帯域幅内で波長の選択された範囲を超えて選択されたネガティ
ブ群遅延分散を有するネガティブ群遅延分散鏡と、を備えることを特徴とするネガティブ群遅延分散鏡。
【請求項２】前記選択されたネガティブ群遅延分散は、前記選択された波
長範囲を超えて実質的に一定であることを特徴とする請求項１記載の多層反射装
置。
【請求項３】前記選択されたネガティブ群遅延分散は、前記選択された波
長範囲を超えて一般に線形的に二者択一的に減少あるいは増加することを特徴と
する請求項１記載の多層反射装置。
【請求項４】中心波長と反射帯域幅を有し、それぞれが１／４波長多層反
射器の中心波長で半波長又はそれ以上の光学的厚さを有する第１及び第２の共鳴
空胴層を含む多層構造を干渉計によって載せられた１／４波長多層反射器と、前記空胴層の間に波長選択部分反射器を形成する１以上の層によって間隔を空
けられた前記共鳴空胴層であって、該１以上の層のそれぞれが前記１／４波長多
層反射器の反射帯域幅内の波長で半波長より小さい光学的厚さを有する、前記共
鳴空胴層と、前記共鳴空胴層が１／４波長多層反射器の反射帯域幅内に横たわる選択された
波長範囲を超えて選択されたネガティブ群遅延分散を供給するために干渉的に相
互に作用するように選択された厚さを有する前記干渉計層構造の層と、を備えることを特徴とする多層反射装置。
【請求項５】前記干渉計多層構造の前記第１の共鳴空胴層は、前記１／４
波長多層反射器のすぐ近くに近接していることを特徴とする請求項４記載の多層
反射装置。
【請求項６】前記第２の共鳴空胴層に載せられる１以上の層を更に含むこ
とを特徴とする請求項５記載の多層反射装置。
【請求項７】前記選択されたネガティブ群遅延分散は、前記選択された波
長範囲を超えて実質的に一定であることを特徴とする請求項４記載の多層反射装
置。
【請求項８】前記選択されたネガティブ群遅延分散は、前記選択された波
長範囲を超えて二者択一的に、一般的に線形的に減少又は増加することを特徴と
する請求項４記載の多層反射装置。
【請求項９】高低の屈折率で互い違いにし、それぞれが中心波長で１／４
波長の光学的厚さを有する第１の複数の透明な誘電体層であって、特有の反射帯
域幅を有する第１の波長選択反射器を形成する第１の複数の透明な誘電体層と、前記第１の複数の透明な誘電体層上に置かれ、第１及び第２の共鳴空胴層を含
む干渉計多層構造を形成するように配置された第２の複数の透明な誘電体層であ
って、該第１及び第２の共鳴空胴層の各々が中心波長で半波長又はそれ以上の光
学的厚さを有し、該第１の共鳴空胴層が該第１の複数の透明な誘電体層に近接す
る、前記第２の複数の透明な誘電体層と、前記共鳴空胴層の間に第２の波長選択反射器を形成する３つの層によって間隔
を空けられた前記共鳴空胴層であって、該３つの層のぞれぞれは、前記第１の波
長選択反射器の反射帯域幅内の波長で半波長より小さい光学的厚さを有する、前
記共鳴空胴層と、前記共鳴空胴層が前記第１の波長選択反射器の帯域幅内に横たわる選択された
波長範囲を超えて選択されたネガティブ群遅延分散を持つ反射装置を供給する方
法で、干渉的に相互に作用するように選択された厚さを有する前記干渉計層構造
の層と、を備えることを特徴とする多層反射装置。
【請求項１０】前記選択されたネガティブ群遅延分散は、前記選択された
波長範囲を超えて実質的に一定であることを特徴とする請求項９記載の多層反射
装置。
【請求項１１】前記選択されたネガティブ群遅延分散は、前記選択された
波長範囲を超えて二者択一的に、一般的に線形に減少しあるいは増加することを
特徴とする請求項９記載の多層反射装置。
【請求項１２】前記第２の空胴層は、前記多層反射装置の最も外側の層で
あることを特徴とする請求項９記載の多層反射装置。
【請求項１３】前記第２の空胴層は、第３の波長選択反射器をその上に形
成する１以上の層を有することを特徴とする請求項９記載の多層反射装置。