テラヘルツ帯光学素子
【課題】良好な光学特性を示す実用的なテラヘルツ帯光学素子を提供すること。
【解決手段】周波数が１〜６ＴＨｚのテラヘルツ帯にあるテラヘルツ光の透過率が３０％以上の値を示す基板１１の少なくとも一方の表面に、前記テラヘルツ光に対して相対的に低い屈折率を示す低屈折率層と相対的に高い屈折率を示す高屈折率層とを交互に積層した構成の積層体１４を配置してなるテラヘルツ帯光学素子であって、前記の積層体１４が、ダイヤモンドライクカーボンからなる低屈折率層１２と、この低屈折率層に隣接する二酸化チタンからなる高屈折率層１３との組み合わせを含むことを特徴とするテラヘルツ帯光学素子。
【解決手段】周波数が１〜６ＴＨｚのテラヘルツ帯にあるテラヘルツ光の透過率が３０％以上の値を示す基板１１の少なくとも一方の表面に、前記テラヘルツ光に対して相対的に低い屈折率を示す低屈折率層と相対的に高い屈折率を示す高屈折率層とを交互に積層した構成の積層体１４を配置してなるテラヘルツ帯光学素子であって、前記の積層体１４が、ダイヤモンドライクカーボンからなる低屈折率層１２と、この低屈折率層に隣接する二酸化チタンからなる高屈折率層１３との組み合わせを含むことを特徴とするテラヘルツ帯光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学フィルタとして特に有利に用いることができるテラヘルツ帯光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ光は、物体を透過する性質を有することから、空港での所持品の検査、物品の非破壊検査、あるいは体内の病巣の検査などへの応用開発が進められている。テラヘルツ光の検出器には、例えば、その検出感度の向上のため、テラヘルツ光を選択的に透過させる光学フィルタ（光学素子）が用いられる。なお、本明細書において、テラヘルツ光とは、周波数が１〜６ＴＨｚ（波長が３００〜５０μｍ）の範囲にある光を意味する。
【０００３】
特許文献１には、基板（素材）の表面に、プラズマＣＶＤ装置を用いてＳｉ膜（屈折率：３．４）とＳｉＯ2膜（屈折率：１．９）とを交互に積層した構成のテラヘルツ帯光学素子が開示されている。同文献には、基板の材料の例として、ゲルマニウムが記載されている。
【０００４】
特許文献２には、Ａｌ2Ｏ3からなる第一のキャビティ層１１の各表面に、ＴｉＯ2（屈折率：１０．４）からなる高屈折率層、Ａｌ2Ｏ3（屈折率：３．４）からなる低屈折率層、そしてＴｉＯ2からなる上記とは別のキャビティ層を積層した構成のテラヘルツ帯光学フィルタが開示されている。同文献には、上記高屈折率層と低屈折率層とからなる基本格子層は、両者の層の屈折率の比が大きな値（３．１）を示すことから光の干渉効果が高められ、従って、前記基本格子を備えるテラヘルツ帯光学フィルタは、少ない層数でも十分な波長選択性を示すと記載されている。このテラヘルツ帯光学フィルタは、上記各層を構成するシートを重ねて焼結することによって製造される。
【０００５】
特許文献３には、赤外光（波長が０．７〜２５μｍの範囲にある光）を選択的に透過させる赤外光透過フィルタが開示されている。この赤外光透過フィルタは、基板の一方の表面に、硫化亜鉛（屈折率：２．１〜２．３）からなる低屈折率層とゲルマニウム（屈折率：４．０）からなる高屈折率層とを、最上部に高屈折率層が配置されるように交互に積層し、その上に更にダイヤモンドライクカーボン膜（屈折率：２．０１〜２．３）を積層した構成を有している。同文献には、上記赤外光透過フィルタは、その最上部にダイヤモンドライクカーボン膜が備えられているため、機械的強度や耐水性に優れていると記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１０９８２７号公報（段落［００１５］）
【特許文献２】特開２００７−１７８８８６号公報（第１図）
【特許文献３】特開２００６−１５３９７６号公報（第１図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
テラヘルツ帯光学素子は、その光学特性のみでなく、実用的には、高屈折率層と低屈折率層との積層が容易に行なえること、そして両者の層が互いに十分な密着性を示すことも重要である。
【０００８】
本発明の課題は、良好な光学特性を示す実用的なテラヘルツ帯光学素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者は、テラヘルツ帯光学素子を構成する低屈折率層と高屈折率層との組み合わせについて詳細に研究を行なった結果、ダイヤモンドライクカーボンからなる低屈折率層と、二酸化チタンからなる高屈折率層との組み合わせは、テラヘルツ光に対する屈折率の比が非常に大きな値（約５．０）を示し、更には両者の層が互いに十分な密着性を示すことから、良好な光学特性を示す実用的な光学素子の実現に極めて有用な組み合わせであることを見出し、本発明に到達した。
【００１０】
本発明は、周波数が１〜６ＴＨｚのテラヘルツ帯にあるテラヘルツ光の透過率が３０％以上の値を示す基板の少なくとも一方の表面に、前記テラヘルツ光に対して相対的に低い屈折率を示す低屈折率層と相対的に高い屈折率を示す高屈折率層とを交互に積層した構成の積層体を配置してなるテラヘルツ帯光学素子であって、前記の積層体が、ダイヤモンドライクカーボンからなる低屈折率層と、この低屈折率層に隣接する二酸化チタンからなる高屈折率層との組み合わせを含むことを特徴とするテラヘルツ帯光学素子にある。
【００１１】
本発明のテラヘルツ帯光学素子の好ましい態様は、次の通りである。
（１）積層体が、ダイヤモンドライクカーボンからなる低屈折率層と二酸化チタンからなる高屈折率層とを交互に積層した構成にある。更に好ましくは、積層体が低屈折率層と高屈折率層との二層からなる。
（２）基板が、ゲルマニウム、シリコン、石英、あるいはサファイアからなる。
（３）光学フィルタ用の光学素子である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のテラヘルツ帯光学素子は、ダイヤモンドライクカーボンからなる低屈折率層と、この低屈折率層に隣接する二酸化チタンからなる高屈折率層との組み合わせを含む積層体を備えていて、この組み合わせの層が、テラヘルツ光に対して非常に大きな屈折率比を示し、かつ互いに十分な密着性を示す。このため、良好な光学特性を示す実用的なテラヘルツ帯光学素子が実現される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明のテラヘルツ帯光学素子の構成例を示す断面図である。
【図２】本発明のテラヘルツ帯光学素子の別の構成例を示す断面図である。
【図３】実施例１のテラヘルツ帯光学素子の光透過率特性を示す図である。
【図４】比較例１のテラヘルツ帯光学素子の光透過率特性を示す図である。
【図５】比較例２のテラヘルツ帯光学素子の光透過率特性を示す図である。
【図６】実施例２のテラヘルツ帯光学素子の光透過率特性を示す図である。
【図７】実施例３のテラヘルツ帯光学素子の光反射率特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明のテラヘルツ帯光学素子を、添付の図面を用いて説明する。図１は、本発明のテラヘルツ帯光学素子の構成例を示す断面図である。
【００１５】
図１のテラヘルツ帯光学素子１０は、周波数が１〜６ＴＨｚのテラヘルツ帯にあるテラヘルツ光の透過率が３０％以上の値を示す基板１１の各々の表面に、前記テラヘルツ光に対して相対的に低い屈折率を示す低屈折率層１２と相対的に高い屈折率を示す高屈折率層１３とを交互に積層した構成の積層体１４を配置した構成を有している。
【００１６】
本発明のテラヘルツ帯光学素子１０は、低屈折率層１２がダイヤモンドライクカーボン（屈折率：２）から形成され、そして高屈折率層１３が二酸化チタン（屈折率：１０）から形成されていて、従って上記積層体１４が、ダイヤモンドライクカーボンからなる低屈折率層１２と、低屈折率層１２に隣接する二酸化チタンからなる高屈折率層１３との組み合わせを含むことに特徴がある。
【００１７】
テラヘルツ帯光学素子を構成するためには、基板上に低屈折率層と高屈折率層とを交互に積層する必要がある。低屈折率層と高屈折率層との組み合わせは、その光学特性（例えば、両者の層の屈折率比）のみに着目すれば、各層の材料として様々な材料を採用して良好な光学特性を示す組み合わせを実現することができる。しかしながら、低屈折率層と高屈折率層とを積層した際に生じる内部応力によって両者の層が剥離する（両者の層の密着性が不十分である）、あるいは各層を形成する工程が複雑であるなどの理由により、実用的な低屈折率層と高屈折率層との組み合わせには限りがあり、これがテラヘルツ帯光学素子の自由な光学特性の設計を妨げる原因にもなっている。
【００１８】
本発明のテラヘルツ帯光学素子１０が備える積層体１４には、ダイヤモンドライクカーボンからなる低屈折率層１２と低屈折率層１２に隣接する二酸化チタンからなる高屈折率層１３との新規な組み合わせが採用されていて、この組み合わせの層が、テラヘルツ光に対して非常に大きな屈折率比を示し、かつ互いに実用的に十分な密着性を示す。このため、良好な光学特性を示す実用的なテラヘルツ帯光学素子が実現される。
【００１９】
基板１１としては、周波数が１〜６ＴＨｚ（波長が３００〜５０μｍ）のテラヘルツ帯にあるテラヘルツ光の透過率が３０％以上の値を示す基板が用いられる。
【００２０】
基板１１の材料の例としては、ゲルマニウム、シリコン、石英、サファイア、ポリエチレン、ポリプロピレン、およびフッ素樹脂が挙げられる。
【００２１】
積層体１４は、上記のダイヤモンドライクカーボンからなる低屈折率層１２と、二酸化チタン（ＴｉＯ2）からなる高屈折率層１３との組み合わせを含んでいれば、別の材料から形成された層、例えば、Ｓｉ層、ＳｉＯ2層、あるいはＡｌ2Ｏ3層を含んでいてもよい。
【００２２】
なお、積層体が互いに異なる屈折率を有する三層以上の層を含む場合、低屈折率層及び高屈折率層は、それぞれ次のように定義される。すなわち、低屈折率層とは、その上下の一方にのみ隣接する層を有する場合には、この隣接する層の屈折率よりも低い屈折率を示す層であることを意味し、その上下の各々に隣接する層を有する場合には、隣接する各層の屈折率よりも低い屈折率を示す層であることを意味する。そして高屈折率層とは、その上下の一方にのみ隣接する層を有する場合には、この隣接する層の屈折率よりも高い屈折率を示す層であることを意味し、その上下の各々に隣接する層を有する場合には、隣接する各層の屈折率よりも高い屈折率を示す層であることを意味する。
【００２３】
積層体の層数は、通常２〜１５層、好ましくは２〜１０層、好ましくは２〜５層、特に好ましくは２〜３層の範囲内の数に設定される。積層体の層数が少ないほど、テラヘルツ帯光学素子１０の製造が容易になる。
【００２４】
積層体は、基板の側に低屈折率層を備える構成であってもよいし、基板の側に高屈折率層を備える構成であってもよい。
【００２５】
ダイヤモンドライクカーボンからなる低屈折率層１２と二酸化チタンからなる高屈折率層１３との組み合わせは、上記のように互いに十分な密着性を示すのみでなく、両者の層の何れもが、上記の各種材料から形成された基板との密着性にも優れているため、テラヘルツ帯光学素子の積層体を構成するために極めて有用であるという利点も有している。
【００２６】
従って、ダイヤモンドライクカーボンからなる低屈折率層１２と二酸化チタンからなる高屈折率層１３との組み合わせは、両者の層の何れかが基板１１の表面に接触して配置されていることが好ましい。
【００２７】
この場合、基板１１としては、上記組み合わせの各層との密着性に優れることから、ゲルマニウム、シリコン、石英、あるいはサファイアから形成された基板を用いることが好ましく、ゲルマニウムから形成された基板を用いることが特に好ましい。ゲルマニウムから形成された基板は、テラヘルツ光の吸収が少ないという利点も有している。
【００２８】
そして、上記組み合わせの層は、テラヘルツ光に対して非常に大きな屈折率比を示すこと、互いに十分な密着性を示すこと、更には上記のように基板との密着性にも優れていることから、積層体は、ダイヤモンドライクカーボンからなる低屈折率層と二酸化チタンからなる高屈折率層とを交互に積層した構成にあることが更に好ましい。
【００２９】
図１のテラヘルツ帯光学素子１０は、特定波長のテラヘルツ光を選択的に透過させる狭帯域フィルタ（バンドパスフィルタの一種）として用いられる。そして、テラヘルツ帯光学素子１０は、ダイヤモンドライクカーボンからなる低屈折率層１２と二酸化チタンからなる高屈折率層１３との組み合わせが、極めて大きな屈折率比を示すことから、少ない積層数（例えば、二層）にて良好な光学特性（例、高い透過率、高い波長選択性）を実現することができ、その製造も容易に行なうことができる。
【００３０】
本発明のテラヘルツ帯光学素子は、ダイヤモンドライクカーボンからなる低屈折率層と二酸化チタンからなる高屈折率層との組み合わせを有していないテラヘルツ帯光学素子と比較して、同じ光学特性を実現する場合には、積層体の層数を少なくすることができるという利点、言い換えれば、同じ層数の積層体を用いる場合には、優れた光学特性を実現できるという利点を有している。
【００３１】
本発明のテラヘルツ帯光学素子は、光学フィルタ用の光学素子であることが好ましい。光学フィルタ用の光学素子とは、光学素子に入射する光のうちで所定の性質を持つ光（例えば、特定の波長範囲の光）を透過し、それ以外の光を透過しない素子を意味する。
【００３２】
光学フィルタ用の光学素子は、その光学特性により、例えば、バンドパスフィルタ、ロングパスフィルタ、ショートパスフィルタ、反射防止膜、ビームスプリッタ、そして全反射ミラーなどに分類される。光学素子の設計は、公知の方法、例えば、基板や積層体の各層の材料（屈折率）や厚みをパラメータとして、その光学特性の計算機シミュレーションを実施することにより行なわれる。光学素子の設計方法は周知であるため、これ以上の説明は行なわない。
【００３３】
図２は、本発明のテラヘルツ帯光学素子の別の構成例を示す断面図である。
【００３４】
図２のテラヘルツ帯光学素子２０の構成は、基板１１の一方の表面に、ダイヤモンドライクカーボンからなる低屈折率層２２ａと、二酸化チタンからなる高屈折率層２３と、そしてダイヤモンドライクカーボンからなる低屈折率層２２ｂとの三層が積層されてなる積層体２４が備えられていること以外は、図１のテラヘルツ帯光学素子１０と同様である。図２のテラヘルツ帯光学素子２０は、反射防止膜として用いられる。
【実施例】
【００３５】
［実施例１］
実施例１においては、図１のテラヘルツ帯光学素子１０を作製する。テラヘルツ帯光学素子１０は、狭帯域フィルタとして用いられる。
【００３６】
先ず、直径が２４ｍｍ、そして厚みが１ｍｍの円盤状のゲルマニウム基板（屈折率４．０）の表面を、ジエチルエーテルを含浸させた布で拭いて洗浄した。このゲルマニウム基板の周波数１〜６ＴＨｚ（波長３００〜５０μｍ）における光透過率は約４７％であった。
【００３７】
次に、上記のゲルマニウム基板を、プラズマ化学蒸着装置のチャンバの内部に設置したのち、チャンバの内部を真空度が５×１０-4Ｐａ以下となるまで排気した。そして、チャンバにダイヤモンドライクカーボン膜の原料となるエチレンガスを１２０ｓｃｃｍ（standard cubic centimeters per minute）の流量にて導入し、チャンバ内部に設置された高周波供給電極に１．３ｋＷの高周波電力（周波数：１３．５６ＭＨｚ）を供給してエチレンガスのプラズマを発生させることにより、基板の表面に厚みが１１．４μｍのダイヤモンドライクカーボン膜（低屈折率層、屈折率：２）を形成した。同様にして、基板の裏面にも厚みが１１．４μｍのダイヤモンドライクカーボン膜を形成した。
【００３８】
次に、ダイヤモンドライクカーボン膜が形成された基板を電子ビーム蒸着装置のチャンバの内部に設置し、チャンバ内部に備えられたるつぼ（蒸着材料の容器）に二酸化チタン粉末を収容したのち、チャンバの内部を真空度が５×１０-4Ｐａ以下となるまで排気した。そして、チャンバの内部に設置されたフィラメントに１８００Ｗの直流電力（電圧：６ｋＶ、電流：３００ｍＡ）を供給し、これにより発生した電子ビームによって上記二酸化チタン粉末を加熱蒸発させることにより、基板の表面に形成されたダイヤモンドライクカーボン膜の表面に、厚みが５．０μｍの二酸化チタン膜（高屈折率層、屈折率：１０）を形成した。同様にして、基板の裏面に形成されたダイヤモンドライクカーボン膜の表面にも厚みが５．０μｍの二酸化チタン膜を形成した。
【００３９】
このようにして、図１に示すテラヘルツ帯光学素子（狭帯域フィルタ）１０を作製した。作製したテラヘルツ帯光学素子１０の基板１１と低屈折率層１２との密着性、そして低屈折率層１２と高屈折率層１３との密着性には何ら問題がないことを確認した。
【００４０】
次に、作製したテラヘルツ帯光学素子１０について、その光透過率特性の計算機シミュレーションを実施した。図３に、計算機シミュレーションにより得られた光透過率特性を示す。図３に示すように、作製したテラヘルツ帯光学素子は、波長１００μｍのテラヘルツ光に対して優れた波長選択性（半値幅：約９μｍ）を示すことがわかる。
【００４１】
［比較例１］
低屈折率層として厚みが１２．５μｍのＳｉＯ2膜（屈折率：２）を、そして高屈折率層として厚みが１４．７μｍのＳｉ膜（屈折率：３．４）を用いること以外は実施例１と同様の構成を有するテラヘルツ帯光学素子について、その光透過率特性の計算機シミュレーションを実施した。図４に、計算機シミュレーションにより得られた光透過率特性を示す。図４に示すように、ＳｉＯ2膜とＳｉ膜とを用いたテラヘルツ帯光学素子は、実施例１のテラヘルツ帯光学素子と比較して、波長１００μｍのテラヘルツ光に対する波長選択性が低い（半値幅：約２５μｍ）ことがわかる。
【００４２】
［比較例２］
低屈折率層として厚みが７．６μｍのＡｌ2Ｏ3膜（屈折率：３．３）を、そして高屈折率層として厚みが５．０μｍのＴｉＯ2膜（屈折率：１０）を用いること以外は実施例１と同様の構成を有するテラヘルツ帯光学素子について、その光透過率特性の計算機シミュレーションを実施した。図５に、計算機シミュレーションにより得られた光透過率特性を示す。図５に示すように、Ａｌ2Ｏ3膜とＴｉＯ2膜とを用いたテラヘルツ帯光学素子は、実施例１のテラヘルツ帯光学素子と比較して、波長１００μｍのテラヘルツ光に対する波長選択性が低い（半値幅：約１５μｍ）ことがわかる。また、前記テラヘルツ光に対する透過率も低い値（６５％）を示すことがわかる。
【００４３】
［実施例２］
基板の各表面に高屈折率層と低屈折率とをこの順に積層すること以外は実施例１と同様にしてテラヘルツ帯光学素子を作製した。
【００４４】
作製されたテラヘルツ帯光学素子の基板と高屈折率層との密着性、そして高屈折率層と低屈折率層との密着性には何ら問題がないことを確認した。
【００４５】
次に、作製したテラヘルツ帯光学素子について、その光透過率特性の計算機シミュレーションを実施した。図６に、計算機シミュレーションにより得られた光透過率特性を示す。図６に示すように、作製したテラヘルツ帯光学素子は、波長１００μｍのテラヘルツ光に対して優れた波長選択性（半値幅：約１４μｍ）を示すことがわかる。
【００４６】
なお、実施例２のテラヘルツ帯光学素子は、実施例１のテラヘルツ帯光学素子と比較して、波長選択性が低いものの、最上層の低屈折率層がダイヤモンドライクカーボン膜から形成されているため、機械的強度や耐薬水性に優れる利点を有している。
【００４７】
［実施例３］
実施例３においては、図２のテラヘルツ帯光学素子２０を作製する。テラヘルツ帯光学素子２０は、反射防止膜として用いられる。
【００４８】
基板１１の一方の表面に、厚みが２．０４μｍのダイヤモンドライクカーボン膜２２ａ、厚みが０．２１μｍの二酸化チタン膜２３、そして厚みが９．０７μｍのダイヤモンドライクカーボン膜２２ｂからなる積層体２４を形成すること以外は、実施例１と同様にしてテラヘルツ帯光学素子２０を作製した。作製したテラヘルツ帯光学素子２０の基板１１と低屈折率層２２ａとの密着性、低屈折率層２２ａと高屈折率層２３との密着性、そして高屈折率層２３と低屈折率層２２ｂとの密着性には何ら問題がないことを確認した。
【００４９】
次に、作製したテラヘルツ帯光学素子２０について、その光反射率特性の計算機シミュレーションを実施した。図７に、計算機シミュレーションにより得られた光反射率特性を示す。図７に示すように、作製したテラヘルツ帯光学素子は、波長５０〜１００μｍのテラヘルツ光に対して低い反射率（８％以下）を示すことがわかる。
【符号の説明】
【００５０】
１０、２０ テラヘルツ帯光学素子
１１ 基板
１２、２２ａ、２２ｂ ダイヤモンドライクカーボンからなる低屈折率層
１３、２３ 二酸化チタンからなる高屈折率層
１４、２４ 積層体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学フィルタとして特に有利に用いることができるテラヘルツ帯光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ光は、物体を透過する性質を有することから、空港での所持品の検査、物品の非破壊検査、あるいは体内の病巣の検査などへの応用開発が進められている。テラヘルツ光の検出器には、例えば、その検出感度の向上のため、テラヘルツ光を選択的に透過させる光学フィルタ（光学素子）が用いられる。なお、本明細書において、テラヘルツ光とは、周波数が１〜６ＴＨｚ（波長が３００〜５０μｍ）の範囲にある光を意味する。
【０００３】
特許文献１には、基板（素材）の表面に、プラズマＣＶＤ装置を用いてＳｉ膜（屈折率：３．４）とＳｉＯ2膜（屈折率：１．９）とを交互に積層した構成のテラヘルツ帯光学素子が開示されている。同文献には、基板の材料の例として、ゲルマニウムが記載されている。
【０００４】
特許文献２には、Ａｌ2Ｏ3からなる第一のキャビティ層１１の各表面に、ＴｉＯ2（屈折率：１０．４）からなる高屈折率層、Ａｌ2Ｏ3（屈折率：３．４）からなる低屈折率層、そしてＴｉＯ2からなる上記とは別のキャビティ層を積層した構成のテラヘルツ帯光学フィルタが開示されている。同文献には、上記高屈折率層と低屈折率層とからなる基本格子層は、両者の層の屈折率の比が大きな値（３．１）を示すことから光の干渉効果が高められ、従って、前記基本格子を備えるテラヘルツ帯光学フィルタは、少ない層数でも十分な波長選択性を示すと記載されている。このテラヘルツ帯光学フィルタは、上記各層を構成するシートを重ねて焼結することによって製造される。
【０００５】
特許文献３には、赤外光（波長が０．７〜２５μｍの範囲にある光）を選択的に透過させる赤外光透過フィルタが開示されている。この赤外光透過フィルタは、基板の一方の表面に、硫化亜鉛（屈折率：２．１〜２．３）からなる低屈折率層とゲルマニウム（屈折率：４．０）からなる高屈折率層とを、最上部に高屈折率層が配置されるように交互に積層し、その上に更にダイヤモンドライクカーボン膜（屈折率：２．０１〜２．３）を積層した構成を有している。同文献には、上記赤外光透過フィルタは、その最上部にダイヤモンドライクカーボン膜が備えられているため、機械的強度や耐水性に優れていると記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１０９８２７号公報（段落［００１５］）
【特許文献２】特開２００７−１７８８８６号公報（第１図）
【特許文献３】特開２００６−１５３９７６号公報（第１図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
テラヘルツ帯光学素子は、その光学特性のみでなく、実用的には、高屈折率層と低屈折率層との積層が容易に行なえること、そして両者の層が互いに十分な密着性を示すことも重要である。
【０００８】
本発明の課題は、良好な光学特性を示す実用的なテラヘルツ帯光学素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者は、テラヘルツ帯光学素子を構成する低屈折率層と高屈折率層との組み合わせについて詳細に研究を行なった結果、ダイヤモンドライクカーボンからなる低屈折率層と、二酸化チタンからなる高屈折率層との組み合わせは、テラヘルツ光に対する屈折率の比が非常に大きな値（約５．０）を示し、更には両者の層が互いに十分な密着性を示すことから、良好な光学特性を示す実用的な光学素子の実現に極めて有用な組み合わせであることを見出し、本発明に到達した。
【００１０】
本発明は、周波数が１〜６ＴＨｚのテラヘルツ帯にあるテラヘルツ光の透過率が３０％以上の値を示す基板の少なくとも一方の表面に、前記テラヘルツ光に対して相対的に低い屈折率を示す低屈折率層と相対的に高い屈折率を示す高屈折率層とを交互に積層した構成の積層体を配置してなるテラヘルツ帯光学素子であって、前記の積層体が、ダイヤモンドライクカーボンからなる低屈折率層と、この低屈折率層に隣接する二酸化チタンからなる高屈折率層との組み合わせを含むことを特徴とするテラヘルツ帯光学素子にある。
【００１１】
本発明のテラヘルツ帯光学素子の好ましい態様は、次の通りである。
（１）積層体が、ダイヤモンドライクカーボンからなる低屈折率層と二酸化チタンからなる高屈折率層とを交互に積層した構成にある。更に好ましくは、積層体が低屈折率層と高屈折率層との二層からなる。
（２）基板が、ゲルマニウム、シリコン、石英、あるいはサファイアからなる。
（３）光学フィルタ用の光学素子である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のテラヘルツ帯光学素子は、ダイヤモンドライクカーボンからなる低屈折率層と、この低屈折率層に隣接する二酸化チタンからなる高屈折率層との組み合わせを含む積層体を備えていて、この組み合わせの層が、テラヘルツ光に対して非常に大きな屈折率比を示し、かつ互いに十分な密着性を示す。このため、良好な光学特性を示す実用的なテラヘルツ帯光学素子が実現される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明のテラヘルツ帯光学素子の構成例を示す断面図である。
【図２】本発明のテラヘルツ帯光学素子の別の構成例を示す断面図である。
【図３】実施例１のテラヘルツ帯光学素子の光透過率特性を示す図である。
【図４】比較例１のテラヘルツ帯光学素子の光透過率特性を示す図である。
【図５】比較例２のテラヘルツ帯光学素子の光透過率特性を示す図である。
【図６】実施例２のテラヘルツ帯光学素子の光透過率特性を示す図である。
【図７】実施例３のテラヘルツ帯光学素子の光反射率特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明のテラヘルツ帯光学素子を、添付の図面を用いて説明する。図１は、本発明のテラヘルツ帯光学素子の構成例を示す断面図である。
【００１５】
図１のテラヘルツ帯光学素子１０は、周波数が１〜６ＴＨｚのテラヘルツ帯にあるテラヘルツ光の透過率が３０％以上の値を示す基板１１の各々の表面に、前記テラヘルツ光に対して相対的に低い屈折率を示す低屈折率層１２と相対的に高い屈折率を示す高屈折率層１３とを交互に積層した構成の積層体１４を配置した構成を有している。
【００１６】
本発明のテラヘルツ帯光学素子１０は、低屈折率層１２がダイヤモンドライクカーボン（屈折率：２）から形成され、そして高屈折率層１３が二酸化チタン（屈折率：１０）から形成されていて、従って上記積層体１４が、ダイヤモンドライクカーボンからなる低屈折率層１２と、低屈折率層１２に隣接する二酸化チタンからなる高屈折率層１３との組み合わせを含むことに特徴がある。
【００１７】
テラヘルツ帯光学素子を構成するためには、基板上に低屈折率層と高屈折率層とを交互に積層する必要がある。低屈折率層と高屈折率層との組み合わせは、その光学特性（例えば、両者の層の屈折率比）のみに着目すれば、各層の材料として様々な材料を採用して良好な光学特性を示す組み合わせを実現することができる。しかしながら、低屈折率層と高屈折率層とを積層した際に生じる内部応力によって両者の層が剥離する（両者の層の密着性が不十分である）、あるいは各層を形成する工程が複雑であるなどの理由により、実用的な低屈折率層と高屈折率層との組み合わせには限りがあり、これがテラヘルツ帯光学素子の自由な光学特性の設計を妨げる原因にもなっている。
【００１８】
本発明のテラヘルツ帯光学素子１０が備える積層体１４には、ダイヤモンドライクカーボンからなる低屈折率層１２と低屈折率層１２に隣接する二酸化チタンからなる高屈折率層１３との新規な組み合わせが採用されていて、この組み合わせの層が、テラヘルツ光に対して非常に大きな屈折率比を示し、かつ互いに実用的に十分な密着性を示す。このため、良好な光学特性を示す実用的なテラヘルツ帯光学素子が実現される。
【００１９】
基板１１としては、周波数が１〜６ＴＨｚ（波長が３００〜５０μｍ）のテラヘルツ帯にあるテラヘルツ光の透過率が３０％以上の値を示す基板が用いられる。
【００２０】
基板１１の材料の例としては、ゲルマニウム、シリコン、石英、サファイア、ポリエチレン、ポリプロピレン、およびフッ素樹脂が挙げられる。
【００２１】
積層体１４は、上記のダイヤモンドライクカーボンからなる低屈折率層１２と、二酸化チタン（ＴｉＯ2）からなる高屈折率層１３との組み合わせを含んでいれば、別の材料から形成された層、例えば、Ｓｉ層、ＳｉＯ2層、あるいはＡｌ2Ｏ3層を含んでいてもよい。
【００２２】
なお、積層体が互いに異なる屈折率を有する三層以上の層を含む場合、低屈折率層及び高屈折率層は、それぞれ次のように定義される。すなわち、低屈折率層とは、その上下の一方にのみ隣接する層を有する場合には、この隣接する層の屈折率よりも低い屈折率を示す層であることを意味し、その上下の各々に隣接する層を有する場合には、隣接する各層の屈折率よりも低い屈折率を示す層であることを意味する。そして高屈折率層とは、その上下の一方にのみ隣接する層を有する場合には、この隣接する層の屈折率よりも高い屈折率を示す層であることを意味し、その上下の各々に隣接する層を有する場合には、隣接する各層の屈折率よりも高い屈折率を示す層であることを意味する。
【００２３】
積層体の層数は、通常２〜１５層、好ましくは２〜１０層、好ましくは２〜５層、特に好ましくは２〜３層の範囲内の数に設定される。積層体の層数が少ないほど、テラヘルツ帯光学素子１０の製造が容易になる。
【００２４】
積層体は、基板の側に低屈折率層を備える構成であってもよいし、基板の側に高屈折率層を備える構成であってもよい。
【００２５】
ダイヤモンドライクカーボンからなる低屈折率層１２と二酸化チタンからなる高屈折率層１３との組み合わせは、上記のように互いに十分な密着性を示すのみでなく、両者の層の何れもが、上記の各種材料から形成された基板との密着性にも優れているため、テラヘルツ帯光学素子の積層体を構成するために極めて有用であるという利点も有している。
【００２６】
従って、ダイヤモンドライクカーボンからなる低屈折率層１２と二酸化チタンからなる高屈折率層１３との組み合わせは、両者の層の何れかが基板１１の表面に接触して配置されていることが好ましい。
【００２７】
この場合、基板１１としては、上記組み合わせの各層との密着性に優れることから、ゲルマニウム、シリコン、石英、あるいはサファイアから形成された基板を用いることが好ましく、ゲルマニウムから形成された基板を用いることが特に好ましい。ゲルマニウムから形成された基板は、テラヘルツ光の吸収が少ないという利点も有している。
【００２８】
そして、上記組み合わせの層は、テラヘルツ光に対して非常に大きな屈折率比を示すこと、互いに十分な密着性を示すこと、更には上記のように基板との密着性にも優れていることから、積層体は、ダイヤモンドライクカーボンからなる低屈折率層と二酸化チタンからなる高屈折率層とを交互に積層した構成にあることが更に好ましい。
【００２９】
図１のテラヘルツ帯光学素子１０は、特定波長のテラヘルツ光を選択的に透過させる狭帯域フィルタ（バンドパスフィルタの一種）として用いられる。そして、テラヘルツ帯光学素子１０は、ダイヤモンドライクカーボンからなる低屈折率層１２と二酸化チタンからなる高屈折率層１３との組み合わせが、極めて大きな屈折率比を示すことから、少ない積層数（例えば、二層）にて良好な光学特性（例、高い透過率、高い波長選択性）を実現することができ、その製造も容易に行なうことができる。
【００３０】
本発明のテラヘルツ帯光学素子は、ダイヤモンドライクカーボンからなる低屈折率層と二酸化チタンからなる高屈折率層との組み合わせを有していないテラヘルツ帯光学素子と比較して、同じ光学特性を実現する場合には、積層体の層数を少なくすることができるという利点、言い換えれば、同じ層数の積層体を用いる場合には、優れた光学特性を実現できるという利点を有している。
【００３１】
本発明のテラヘルツ帯光学素子は、光学フィルタ用の光学素子であることが好ましい。光学フィルタ用の光学素子とは、光学素子に入射する光のうちで所定の性質を持つ光（例えば、特定の波長範囲の光）を透過し、それ以外の光を透過しない素子を意味する。
【００３２】
光学フィルタ用の光学素子は、その光学特性により、例えば、バンドパスフィルタ、ロングパスフィルタ、ショートパスフィルタ、反射防止膜、ビームスプリッタ、そして全反射ミラーなどに分類される。光学素子の設計は、公知の方法、例えば、基板や積層体の各層の材料（屈折率）や厚みをパラメータとして、その光学特性の計算機シミュレーションを実施することにより行なわれる。光学素子の設計方法は周知であるため、これ以上の説明は行なわない。
【００３３】
図２は、本発明のテラヘルツ帯光学素子の別の構成例を示す断面図である。
【００３４】
図２のテラヘルツ帯光学素子２０の構成は、基板１１の一方の表面に、ダイヤモンドライクカーボンからなる低屈折率層２２ａと、二酸化チタンからなる高屈折率層２３と、そしてダイヤモンドライクカーボンからなる低屈折率層２２ｂとの三層が積層されてなる積層体２４が備えられていること以外は、図１のテラヘルツ帯光学素子１０と同様である。図２のテラヘルツ帯光学素子２０は、反射防止膜として用いられる。
【実施例】
【００３５】
［実施例１］
実施例１においては、図１のテラヘルツ帯光学素子１０を作製する。テラヘルツ帯光学素子１０は、狭帯域フィルタとして用いられる。
【００３６】
先ず、直径が２４ｍｍ、そして厚みが１ｍｍの円盤状のゲルマニウム基板（屈折率４．０）の表面を、ジエチルエーテルを含浸させた布で拭いて洗浄した。このゲルマニウム基板の周波数１〜６ＴＨｚ（波長３００〜５０μｍ）における光透過率は約４７％であった。
【００３７】
次に、上記のゲルマニウム基板を、プラズマ化学蒸着装置のチャンバの内部に設置したのち、チャンバの内部を真空度が５×１０-4Ｐａ以下となるまで排気した。そして、チャンバにダイヤモンドライクカーボン膜の原料となるエチレンガスを１２０ｓｃｃｍ（standard cubic centimeters per minute）の流量にて導入し、チャンバ内部に設置された高周波供給電極に１．３ｋＷの高周波電力（周波数：１３．５６ＭＨｚ）を供給してエチレンガスのプラズマを発生させることにより、基板の表面に厚みが１１．４μｍのダイヤモンドライクカーボン膜（低屈折率層、屈折率：２）を形成した。同様にして、基板の裏面にも厚みが１１．４μｍのダイヤモンドライクカーボン膜を形成した。
【００３８】
次に、ダイヤモンドライクカーボン膜が形成された基板を電子ビーム蒸着装置のチャンバの内部に設置し、チャンバ内部に備えられたるつぼ（蒸着材料の容器）に二酸化チタン粉末を収容したのち、チャンバの内部を真空度が５×１０-4Ｐａ以下となるまで排気した。そして、チャンバの内部に設置されたフィラメントに１８００Ｗの直流電力（電圧：６ｋＶ、電流：３００ｍＡ）を供給し、これにより発生した電子ビームによって上記二酸化チタン粉末を加熱蒸発させることにより、基板の表面に形成されたダイヤモンドライクカーボン膜の表面に、厚みが５．０μｍの二酸化チタン膜（高屈折率層、屈折率：１０）を形成した。同様にして、基板の裏面に形成されたダイヤモンドライクカーボン膜の表面にも厚みが５．０μｍの二酸化チタン膜を形成した。
【００３９】
このようにして、図１に示すテラヘルツ帯光学素子（狭帯域フィルタ）１０を作製した。作製したテラヘルツ帯光学素子１０の基板１１と低屈折率層１２との密着性、そして低屈折率層１２と高屈折率層１３との密着性には何ら問題がないことを確認した。
【００４０】
次に、作製したテラヘルツ帯光学素子１０について、その光透過率特性の計算機シミュレーションを実施した。図３に、計算機シミュレーションにより得られた光透過率特性を示す。図３に示すように、作製したテラヘルツ帯光学素子は、波長１００μｍのテラヘルツ光に対して優れた波長選択性（半値幅：約９μｍ）を示すことがわかる。
【００４１】
［比較例１］
低屈折率層として厚みが１２．５μｍのＳｉＯ2膜（屈折率：２）を、そして高屈折率層として厚みが１４．７μｍのＳｉ膜（屈折率：３．４）を用いること以外は実施例１と同様の構成を有するテラヘルツ帯光学素子について、その光透過率特性の計算機シミュレーションを実施した。図４に、計算機シミュレーションにより得られた光透過率特性を示す。図４に示すように、ＳｉＯ2膜とＳｉ膜とを用いたテラヘルツ帯光学素子は、実施例１のテラヘルツ帯光学素子と比較して、波長１００μｍのテラヘルツ光に対する波長選択性が低い（半値幅：約２５μｍ）ことがわかる。
【００４２】
［比較例２］
低屈折率層として厚みが７．６μｍのＡｌ2Ｏ3膜（屈折率：３．３）を、そして高屈折率層として厚みが５．０μｍのＴｉＯ2膜（屈折率：１０）を用いること以外は実施例１と同様の構成を有するテラヘルツ帯光学素子について、その光透過率特性の計算機シミュレーションを実施した。図５に、計算機シミュレーションにより得られた光透過率特性を示す。図５に示すように、Ａｌ2Ｏ3膜とＴｉＯ2膜とを用いたテラヘルツ帯光学素子は、実施例１のテラヘルツ帯光学素子と比較して、波長１００μｍのテラヘルツ光に対する波長選択性が低い（半値幅：約１５μｍ）ことがわかる。また、前記テラヘルツ光に対する透過率も低い値（６５％）を示すことがわかる。
【００４３】
［実施例２］
基板の各表面に高屈折率層と低屈折率とをこの順に積層すること以外は実施例１と同様にしてテラヘルツ帯光学素子を作製した。
【００４４】
作製されたテラヘルツ帯光学素子の基板と高屈折率層との密着性、そして高屈折率層と低屈折率層との密着性には何ら問題がないことを確認した。
【００４５】
次に、作製したテラヘルツ帯光学素子について、その光透過率特性の計算機シミュレーションを実施した。図６に、計算機シミュレーションにより得られた光透過率特性を示す。図６に示すように、作製したテラヘルツ帯光学素子は、波長１００μｍのテラヘルツ光に対して優れた波長選択性（半値幅：約１４μｍ）を示すことがわかる。
【００４６】
なお、実施例２のテラヘルツ帯光学素子は、実施例１のテラヘルツ帯光学素子と比較して、波長選択性が低いものの、最上層の低屈折率層がダイヤモンドライクカーボン膜から形成されているため、機械的強度や耐薬水性に優れる利点を有している。
【００４７】
［実施例３］
実施例３においては、図２のテラヘルツ帯光学素子２０を作製する。テラヘルツ帯光学素子２０は、反射防止膜として用いられる。
【００４８】
基板１１の一方の表面に、厚みが２．０４μｍのダイヤモンドライクカーボン膜２２ａ、厚みが０．２１μｍの二酸化チタン膜２３、そして厚みが９．０７μｍのダイヤモンドライクカーボン膜２２ｂからなる積層体２４を形成すること以外は、実施例１と同様にしてテラヘルツ帯光学素子２０を作製した。作製したテラヘルツ帯光学素子２０の基板１１と低屈折率層２２ａとの密着性、低屈折率層２２ａと高屈折率層２３との密着性、そして高屈折率層２３と低屈折率層２２ｂとの密着性には何ら問題がないことを確認した。
【００４９】
次に、作製したテラヘルツ帯光学素子２０について、その光反射率特性の計算機シミュレーションを実施した。図７に、計算機シミュレーションにより得られた光反射率特性を示す。図７に示すように、作製したテラヘルツ帯光学素子は、波長５０〜１００μｍのテラヘルツ光に対して低い反射率（８％以下）を示すことがわかる。
【符号の説明】
【００５０】
１０、２０ テラヘルツ帯光学素子
１１ 基板
１２、２２ａ、２２ｂ ダイヤモンドライクカーボンからなる低屈折率層
１３、２３ 二酸化チタンからなる高屈折率層
１４、２４ 積層体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数が１〜６ＴＨｚのテラヘルツ帯にあるテラヘルツ光の透過率が３０％以上の値を示す基板の少なくとも一方の表面に、該テラヘルツ光に対して相対的に低い屈折率を示す低屈折率層と相対的に高い屈折率を示す高屈折率層とを交互に積層した構成の積層体を配置してなるテラヘルツ帯光学素子であって、
上記積層体が、ダイヤモンドライクカーボンからなる低屈折率層と、該低屈折率層に隣接する二酸化チタンからなる高屈折率層との組み合わせを含むことを特徴とするテラヘルツ帯光学素子。
【請求項２】
積層体が、ダイヤモンドライクカーボンからなる低屈折率層と二酸化チタンからなる高屈折率層とを交互に積層した構成にある請求項１に記載のテラヘルツ帯光学素子。
【請求項３】
積層体が、低屈折率層と高屈折率層との二層からなる請求項２に記載のテラヘルツ帯光学素子。
【請求項４】
基板が、ゲルマニウム、シリコン、石英、あるいはサファイアからなる請求項１乃至３のうちのいずれかの項に記載のテラヘルツ帯光学素子。
【請求項５】
光学フィルタ用の光学素子である請求項１乃至４のうちのいずれかの項に記載のテラヘルツ帯光学素子。
【請求項１】
周波数が１〜６ＴＨｚのテラヘルツ帯にあるテラヘルツ光の透過率が３０％以上の値を示す基板の少なくとも一方の表面に、該テラヘルツ光に対して相対的に低い屈折率を示す低屈折率層と相対的に高い屈折率を示す高屈折率層とを交互に積層した構成の積層体を配置してなるテラヘルツ帯光学素子であって、
上記積層体が、ダイヤモンドライクカーボンからなる低屈折率層と、該低屈折率層に隣接する二酸化チタンからなる高屈折率層との組み合わせを含むことを特徴とするテラヘルツ帯光学素子。
【請求項２】
積層体が、ダイヤモンドライクカーボンからなる低屈折率層と二酸化チタンからなる高屈折率層とを交互に積層した構成にある請求項１に記載のテラヘルツ帯光学素子。
【請求項３】
積層体が、低屈折率層と高屈折率層との二層からなる請求項２に記載のテラヘルツ帯光学素子。
【請求項４】
基板が、ゲルマニウム、シリコン、石英、あるいはサファイアからなる請求項１乃至３のうちのいずれかの項に記載のテラヘルツ帯光学素子。
【請求項５】
光学フィルタ用の光学素子である請求項１乃至４のうちのいずれかの項に記載のテラヘルツ帯光学素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−４２７２６（Ｐ２０１２−４２７２６Ａ）
【公開日】平成２４年３月１日（２０１２．３．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１８３９９０（Ｐ２０１０−１８３９９０）
【出願日】平成２２年８月１９日（２０１０．８．１９）
【出願人】（０００２３１４７５）日本真空光学株式会社 (9)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月１日（２０１２．３．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月１９日（２０１０．８．１９）
【出願人】（０００２３１４７５）日本真空光学株式会社 (9)
【Ｆターム（参考）】
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