Ｘ線導波路
【課題】 Ｘ線の伝搬損失が少なく、位相のそろった、大きな断面積の単一の導波モードを実現できるＸ線導波路を提供する。
【解決手段】 Ｘ線を導波させるためのクラッドとコアからなるＸ線導波路であって、前記コアが屈折率実部の異なる複数の物質が周期的に配列された周期構造をもつ材料からなり、前記クラッドと前記コアが、電磁波の導波方向に垂直な面において、前記クラッドが前記コアを取り囲むように配置されており、かつ、前記コアにおける電磁波の導波方向に垂直な面における周期構造の周期性を表す基本ベクトル、または複数の基本ベクトルの和または差で形成されるベクトルの少なくとも一つの周期方向における、前記周期構造の周期性に起因するブラッグ角が、前記クラッドと前記コアの少なくとも１つの界面における全反射臨界角よりも小さくなるように、前記コアと前記クラッドが構成されているＸ線導波路。
【解決手段】 Ｘ線を導波させるためのクラッドとコアからなるＸ線導波路であって、前記コアが屈折率実部の異なる複数の物質が周期的に配列された周期構造をもつ材料からなり、前記クラッドと前記コアが、電磁波の導波方向に垂直な面において、前記クラッドが前記コアを取り囲むように配置されており、かつ、前記コアにおける電磁波の導波方向に垂直な面における周期構造の周期性を表す基本ベクトル、または複数の基本ベクトルの和または差で形成されるベクトルの少なくとも一つの周期方向における、前記周期構造の周期性に起因するブラッグ角が、前記クラッドと前記コアの少なくとも１つの界面における全反射臨界角よりも小さくなるように、前記コアと前記クラッドが構成されているＸ線導波路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＸ線導波路に関し、特にＸ線分析技術、Ｘ線撮像技術、Ｘ線露光技術などにおけるＸ線光学系などに用いられるＸ線光学部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｘ線を含めたこのような電磁波をコントロールするために、大型の空間光学系が用いられており、今でもなお主流となっている。その理由は、数１０ｎｍ以下の短い波長の電磁波を扱う際、異物質間における電磁波に対する屈折率差が１０−４以下と非常に小さいため、また全反射角も非常に小さくなることなどが挙げられる。空間光学系をなしている主な部品として、異なる屈折率の材料を交互に積層した多層膜反射鏡があり、ビーム整形、スポットサイズ変換、波長選択などの様々な役割を担っている。
【０００３】
主流であるこのような空間光学系に対し、従来のポリキャピラリのようなＸ線導波管は空気などの一様な物質からなる導波部にＸ線を全反射で閉じ込めて伝搬させるものである。近年では光学系の小型化、高性能化を目指し、薄膜や多層膜中に電磁波を閉じ込めて伝搬させる、Ｘ線導波路の研究が行われている。
【０００４】
具体的には二層のクラッドにより一次元方向において一様な物質からなる導波路のコア部を挟み込んだ形の薄膜導波路（非特許文献１参照）が挙げられる。また、一様な物質からなるコア中にコアとクラッドとの界面における全反射により、Ｘ線を二次元方向において閉じ込めてＸ線を導波させる要素Ｘ線導波路を、複数並べたＸ線導波路（非特許文献２参照）などの研究が行われている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ ＳＰＩＥ，Ｖｏｌｕｍｅ ５９７４，ｐ．５９７４１４（２００５）
【非特許文献２】Ｊｏｕｒｎａｌ Ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｎｕｍｂｅｒ １０１，ｐ．０５４３０６（２００７）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
非特許文献１では、一様な物質からなるコア中にＸ線を閉じ込めるＸ線導波路が検討されているが、閉じ込めが一元方向におけるものであるため、閉じ込められていない方向へＸ線が放射されて大きな損失となる。さらに、この構造で単一の導波モードを形成するためには、コアを単一モード条件が満たされるように非常に薄くしなくてはならないため、導波されるＸ線のパワーを大きくすることができない。
【０００７】
非特許文献２では、各要素Ｘ線導波路においては単一の導波モードが実現しうるが、隣接する要素Ｘ線導波路間でのモード結合の結果、全体としては複数の連成した導波モードが形成される。そのため、位相のそろった単一の導波モードを形成することはできない。さらに、複数の要素Ｘ線導波路は、１次元方向に配置されており導波モードの断面積を大きくすることができず、導波されるＸ線のパワーを大きくすることができない。ここで、導波モードの断面積とは、導波モードの導波方向に垂直な面における、電磁場強度分布中の電磁場強度が大きい領域のことを表し、例えば光ファイバー内の導波モードのモードフィールド径などに相当する。さらに吸収の大きい物質を要素Ｘ線導波路の数に応じて多く用いているため吸収損失が大きくなる。
【０００８】
本明細書中の、導波されるＸ線のパワーとは、導波方向をｚ方向とする場合に、導波路中のあるｚにおいて、導波方向に垂直なコア断面を単位時間当たりに通過するＸ線の総パワーのことであり、このコア断面上のポインティングベクトルのｚ成分をコア断面全体にわたり積分したものである。例えば、光量子束（Ｐｈｏｔｏｎ Ｆｌｕｘ）などに相当する。
【０００９】
本発明は、この様な背景技術に鑑みてなされたものであり、Ｘ線の伝搬損失が少なく、位相のそろった、大きな断面積の単一の導波モードを実現できるＸ線導波路を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため本発明のＸ線導波路は、Ｘ線を導波させるためのクラッドとコアからなるＸ線導波路であって、前記コアが屈折率実部の異なる複数の物質が周期的に配列された周期構造をもつ材料からなり、前記クラッドと前記コアが、電磁波の導波方向に垂直な面において、前記クラッドが前記コアを取り囲むように配置されており、かつ、前記コアにおける電磁波の導波方向に垂直な面における周期構造の周期性を表す基本ベクトル、または複数の基本ベクトルの和または差で形成されるベクトルの少なくとも一つの周期方向における、前記周期構造の周期性に起因するブラッグ角が、前記クラッドと前記コアの少なくとも１つの界面における全反射臨界角よりも小さくなるように、前記コアと前記クラッドが構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、Ｘ線の伝搬損失が少なく、位相のそろった、大きな断面積の単一の導波モードを実現できるＸ線導波路を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】Ｘ線導波路におけるクラッドとコアの界面におけるの全反射臨界角を示す概略図である。
【図２】Ｘ線導波路におけるＸ線の導波方向に垂直な面を示す断面図である。
【図３】本発明のＸ線導波路の一実施態様を示す概略図である。
【図４】Ｘ線導波路のコア領域の一部を表す概略図である。
【図５】Ｘ線導波路に形成される導波モードの損失と有効伝搬角度の関係を示すグラフである。
【図６】本発明のＸ線導波路の他の実施態様を示す概略図である。
【図７】図６のＸ線導波路のｚ方向に垂直な面における電場強度分布を示す図である。
【図８】本発明の実施例１のＸ線導波路を示す概略図である。
【図９】本発明の実施例２のＸ線導波路を示す概略図である。
【図１０】本発明の実施例３のＸ線導波路を示す概略図である。
【図１１】本発明の実施例４のＸ線導波路を示す概略図である。
【図１２】本発明の実施例５のＸ線導波路を示す概略図である。
【図１３】本発明の実施例６のＸ線導波路を示す概略図である。
【図１４】本発明の実施例７のＸ線導波路を示す概略図である。
【図１５】本発明の実施例８のＸ線導波路を示す概略図である。
【図１６】本発明の実施例９のＸ線導波路を示す概略図である。
【図１７】コア中での導波モードの有効伝搬角度を示す説明図である。
【図１８】三角格子状の２次元周期構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を詳細に説明する。
【００１４】
本発明に係るＸ線導波路は、Ｘ線を導波させるためのクラッドとコアからなるＸ線導波路であって、前記コアが屈折率実部の異なる複数の物質が周期的に配列された周期構造をもつ材料からなり、前記クラッドと前記コアが、電磁波の導波方向に垂直な面において、前記クラッドが前記コアを取り囲むように配置されており、かつ、前記コアにおける電磁波の導波方向に垂直な面における周期構造の周期性を表す基本ベクトル、または複数の基本ベクトルの和または差で形成されるベクトルの少なくとも一つの周期方向における、前記周期構造の周期性に起因するブラッグ角が、前記クラッドと前記コアの少なくとも１つの界面における全反射臨界角よりも小さくなるように、前記コアと前記クラッドが構成されている。
【００１５】
本発明においてＸ線とは、物質の屈折率実部が１以下となる周波数帯域または波長帯域の電磁波である。具体的には、本発明においてＸ線とは、極端紫外光（Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａ Ｖｉｏｌｅｔ（ＥＵＶ）光）を含む１００ｎｍ以下の波長の電磁波を指す。本発明は上記Ｘ線に相当する電磁波を制御するためのものである。つまり明細書中で単に電磁波という場合、上記Ｘ線のことと同義である。またこのような短い波長の電磁波の周波数は非常に高く、物質の最外殻電子が応答できないため、紫外光の波長以上の波長をもつ電磁波（可視光や赤外線）の周波数帯域と異なり、Ｘ線に対しては物質の屈折率の実部が１より小さくなることが知られている。このようなＸ線に対する物質の屈折率ｎは一般的に、下記の式（１）
【００１６】
【数１】
【００１７】
で表されるように、実数部の１からのずれ量δ、吸収に関係する虚数部の
【００１８】
【数２】
【００１９】
を用いて表される。δは物質の電子密度ρｅに比例するため電子密度の大きい物質ほど屈折率の実部が小さくなることになる。また、屈折率実部は、
【００２０】
【数３】
【００２１】
となる。さらに、ρｅは原子密度ρａと原子番号Ｚに比例する。このようにＸ線に対する物質の屈折率は複素数で表されるが、その実部を本明細書中では屈折率実部または屈折率の実部と称し、虚部を屈折率虚部または屈折率の虚部と称する。
【００２２】
上記Ｘ線に相当する電磁波に対して屈折率実部が最大となる場合は、Ｘ線が真空中を伝搬する場合であるが、一般的環境下では気体でないほぼすべての物質に対して空気の屈折率実部が最大となる。本発明において屈折率実部が異なる２種以上の物質とは多くの場合電子密度が異なる二種以上の物質であるということもできる。
【００２３】
本発明において導波モードの位相がそろうということは、ある時間において導波方向に垂直な面内での電磁場の位相差が０であるということだけではなく、周期構造の空間的な屈折率分布に対応して電磁場の位相差が周期的に−πと＋πの間で変化していることを意味する。
【００２４】
本発明のＸ線導波路は、コアとクラッドの界面における全反射によりＸ線をコアに閉じ込めてＸ線を導波させるものであり、Ｘ線の導波方向は直交座標系を用いてｚ方向と定義する。コアとクラッドの界面付近におけるコアの屈折率実部がクラッドの屈折率実部より大きく、全反射臨界角よりも小さい角度でコアとクラッドの界面に突入するＸ線は、この界面で全反射されてコア中に閉じ込められる。このときの全反射臨界角を、導波方向に平行かつコアとクラッドとの界面に垂直な面内における界面の角度として、θｃと表す。図１のように、Ｘ線の導波方向をｚ方向とし、ある領域におけるクラッドとコアの界面を１０１とした場合、界面１０１におけるＸ線１０４が、界面１０１に垂直な面１０２内において界面１０１となす角度を１０３とする。角度１０３うちの一つの角度が全反射臨界角θｃとなる。
【００２５】
クラッドとコアの界面におけるクラッド側の物質の屈折率実部をｎｃｌａｄ、コア側の物質の屈折率実部をｎｃｏｒｅとした場合の、全反射臨界角θｃ（°）は、ｎｃｌａｄ＜ｎｃｏｒｅとして、下記の式（２）
【００２６】
【数４】
【００２７】
で表される。ただし、本発明におけるＸ線導波路のコアは、複数の物質からなる周期構造体でありその周期、要素構造が非常に小さい。そのために、式（２）におけるｎｃｏｒｅは、クラッドとコアの界面におけるコアの一つの物質の厳密な屈折率実部に等しいわけではなく、厳密な屈折率実部と周期構造全体での平均的な屈折率実部との間の値をとると考えることができる。
【００２８】
また本発明のＸ線導波路は、Ｘ線の導波方向に垂直な面において、クラッドがコアを取り囲むように、クラッドとコアが配置されている。図２は、Ｘ線の導波方向であるｚ方向に垂直な面すなわち、図中ｘ−ｙ面に平行な面でのＸ線導波路の断面を表す例である。Ｘ線の導波方向に垂直な面においてクラッドがコアを取り囲むということは、コア２０１中の任意の一点である点Ａとコア２０１外の任意の一点である点Ｂを結ぶ線分ＡＢを基準として、線分ＡＢと角度ψをなす半直線をＡＣとした場合、０°から３６０°のすべてのψに対して、半直線ＡＣがクラッド２０２と交わることを意味する。このことにより、クラッドとコアの界面で全反射臨界角以下で反射するＸ線を全反射により、２次元方向においてコアに閉じ込めてＸ線を導波することが可能となる。
【００２９】
本発明におけるＸ線導波路のコアは、屈折率実部の異なる複数の物質が周期的に配置されたものである。このようなＸ線導波路において、コアとクラッドの界面における全反射によりコア内にＸ線の導波モードが形成される。Ｘ線の導波モードは、伝搬するＸ線へのコア中の周期構造の周期性の影響が小さい一様導波モードと、周期性の影響が大きい周期共鳴導波モードとに分けることができる。本明細書中において一様導波モードとは、Ｘ線に対してコアを構成する周期構造体が平均化されてあたかも一様な媒質として作用する場合の導波モードで、この場合Ｘ線に対するコアの屈折率はほぼコア全体にわたって平均化されたものとなる。一方、本明細書中において周期共鳴導波モードとは、Ｘ線の周期構造による多重回折の結果、Ｘ線が周期構造と強く共鳴する導波モードである。周期共鳴導波モードは、周期構造と共鳴するモードであり、周期構造が１次元のものであれば１次元の、２次元のものであれば最大で２次元の、３次元のものであれば最大で３次元のブラッグ回折に関係するものとなる。
【００３０】
本明細書中において、コアにおける電磁波の導波方向に垂直な面における周期構造の周期性を表す基本ベクトル、または複数の基本ベクトルの和または差で形成されるベクトルの少なくとも一つの方向を周期方向と称することとする。
【００３１】
本発明のＸ線導波路のコアとクラッドは、導波方向に垂直な少なくとも一つの周期方向における、周期構造の周期性に起因するブラッグ角が、クラッドとコアの少なくとも１つの界面における全反射臨界角よりも、小さくなるように構成されている。このことにより、ブラッグ回折に起因する周期構造と共鳴する導波モードをコアとクラッドの界面における全反射によりコアに閉じ込め、周期共鳴導波モードを形成することができる。図３は、本発明のＸ線導波路の一実施態様を示す概略図である。図３は、１次元の周期構造の場合の例を示す。Ｘ線の導波方向は図中ｚ方向であり、図３（ａ）は本例のＸ線導波路の鳥瞰図で、図３（ａ）のＡ−Ｂにおけるｙ−ｚ面に平行な断面を図３（ｂ）とする。コア３０１は屈折率実部が小さい物質からなる低屈折率実部層３０４と屈折率実部が大きい物質からなる高屈折率実部層３０５からなる要素構造３０３が周期ｄで周期的にｙ方向に複数積層された構造で、１次元周期構造となっている。ｘ、ｙ方向において、クラッド３０２がコア３０１を取り囲むように配置されている。周期方向は、コア中の電磁波の導波方向に垂直な面における周期構造の周期性が得られる方向である。周期方向は、導波路中で対象とする周期構造の周期性を表す基本ベクトルに平行な方向で、この例ではｙ方向とする。図３（ｂ）中、３０６はコアとクラッドの界面３０８においてこの界面３０８から測られた全反射臨界角θＣを示す。この全反射臨界角θＣよりも小さな角度で界面３０８に入射するコア中のＸ線は全反射され、ｙ方向において閉じ込められることになる。３０７はブラッグ角θＢを示す。このようにして閉じ込められたＸ線は、ｙ−ｚ面に平行な方向において導波モードを形成し、それぞれの導波モードの基本波はそれぞれ異なる有効伝搬角度
【００３２】
【数５】
【００３３】
をもつ。図１７に示すように、コア中での各導波モードの波数ベクトルのｚ成分、つまり伝搬定数をｋｚ、真空中での波数ベクトルをｋ０とした場合、有効伝搬角度を、
【００３４】
【数６】
【００３５】
と定義する。つまり、有効伝搬角度
【００３６】
【数７】
【００３７】
は、おおよそ導波モードの基本波の伝搬方向と導波方向のなす角度であると考えることができる。
【００３８】
そして、形成される各導波モードの基本波はコアとクラッドとの界面３０８においてほぼ有効伝搬角度
【００３９】
【数８】
【００４０】
で反射されるものと考えることができ、目的とする導波モードを形成するためには、その有効伝搬角度
【００４１】
【数９】
【００４２】
がθＣよりも小さくなくてはならないことがわかる。
【００４３】
本明細書中の基本波とは、導波モードを形成している電磁波を一般化して一つの平面波として考えた場合に、導波方向（ｚ方向）に対して、有効伝搬角度
【００４４】
【数１０】
【００４５】
で伝搬すると仮定される電磁波のことである。また、図１７中において、導波方向（ｚ方向）と垂直な方向における基本波の波数ベクトルを波数ベクトルの垂直成分ｋ⊥と称することとする。本発明のＸ線導波路において用いる導波モードは周期共鳴導波モードであり、この周期共鳴導波モードの有効伝搬角度は周期構造の周期性に起因するブラッグ角θＢに近い値となる。周期共鳴導波モードを形成するためには、Ｘ線の導波方向に垂直な少なくとも一つの周期方向における、周期構造の周期性に起因するブラッグ角θＢが、クラッドとコアの少なくとも１つの界面における全反射臨界角θＣよりも小さくなるように、クラッドとコアの構成は、
θＢ＜θＣ
という条件を満たさなくてはならない。ここで、コアをなす周期構造体のｙ方向における周期構造の周期をｄ、コアの平均屈折率実部をｎａｖｇとした場合、おおよそのブラッグ角θＢ（°）は次の式（３）のように定義される。
【００４６】
【数１１】
【００４７】
ｍは自然数、λはＸ線の波長である。ただし、実際のブラッグ角は、Ｘ線回折による測定などにより得ることが好ましい。
【００４８】
さらに、周期共鳴導波モードを形成するためには、要素構造をなす異なる屈折率実部をもつ物質界面においてＸ線が、全反射されてはならない。つまり、要素構造をなす異物質界面での全反射臨界角をθＣ−ｍｕｌｔｉとした場合、
θＣ−ｍｕｌｔｉ＜θＢ
でなくてはならない。
【００４９】
以上のように、本発明のＸ線導波路は、周期方向において、θＢ＜θＣとθＣ−ｍｕｌｔｉ＜θＢを満たすように、各物質が選択され、構成されているものである。このことにより、周期共鳴導波モードを形成してＸ線を導波することができる。導波方向に垂直な面における周期共鳴導波モードの電磁場強度分布は、周期構造中の低損失な物質領域により集中するので、周期共鳴導波モードの損失は非常に小さくなる。そして、周期共鳴導波モードの損失は、周期共鳴導波モードのもつ有効伝搬角度付近の有効伝搬角度をもつ一様導波モードの損失よりも小さくなる。そのため、一様導波モードを含む複数の導波モードが形成される導波路の構成条件においても、周期共鳴導波モードが導波モードとしてより支配的となる。周期構造の周期方向における周期数が多くなると、周期共鳴導波モードの損失が低下することになるが、現実的には２０以上が望ましい。従来、単一モードとなる導波モードは一様媒質をコアとした場合、コアの領域を非常に小さくしなくてはならなかった。しかし、本発明では周期構造を利用することによりコアの領域を大きくすることができるとともに、より損失の低い周期共鳴導波モードを周期方向における単一の導波モードとして形成することができる。
【００５０】
本明細書中で、モードにかかる「単一の」という表現の意味するところは、他のモードに比較して最も選択されやすいため、単一に近いとかほぼ単一、いくつかのモードの中で一つが支配的になるということである。
【００５１】
本発明のＸ線導波路における周期方向は、コアをなす周期構造の中で周期性をもつ方向全てに対して定義可能であるが、特に高い周期性をもつ方向とすることにより、周期共鳴導波モードへの周期性の効果をより大きくすることができる。例えば、図３の周期構造では、ｘｙ面内において、ｘ方向以外の方向において周期構造の周期性が得られるが、最も周期性の効果が大きくなる方向は、ｙ方向である。本明細書中では、周期性の効果が最も高い周期方向を、周期構造の周期性を定義する基本ベクトルの絶対値が最小である基本ベクトルにより定義される周期性をもつ方向とすることとする。
【００５２】
また本発明のＸ線導波路では、周期方向において、コアとクラッドの界面における全反射によりＸ線を閉じ込めて周期共鳴導波モードを形成するとともに、その他の方向においても全反射を用いてｘ線を閉じ込めることができる。そのために、構造周期性のない方向へのＸ線の放射を抑え、損失を大きく低減できる。図３に示す１次元周期構造をコアとしたＸ線導波路の構成では、ｘ方向に周期構造がない。そのため、ｘ方向においては複数の一様導波モードが存在することになるが、ｘ方向におけるコアの領域を小さくすることにより導波モードを単一のものにすることができる。実際に導波するＸ線の導波モードは、複数の閉じ込め方向において形成される導波モードが混合したものになる。しかし、すべての閉じ込め方向において得られる導波モードが単一のものであれば、２次元方向においてほぼ単一の導波モードを形成することができることになる。
【００５３】
図４は、図３と同様に構成されたＸ線導波路のコア領域の一部を表す図である。屈折率実部の小さい物質４０２と屈折率実部の大きい物質４０１よりなる要素構造４０３が、ｙ方向に周期的に積層された周期構造がコアとなっている。図４中、４０１の中心部分の斜線の領域が電場強度が大きい領域、４０１の周囲部分および４０２の領域が電場強度の小さい領域を示す。
【００５４】
周期共鳴導波モードの電場が屈折率実部の大きい物質４０１、つまりより低損失な物質中に強く集中することにより、周期共鳴導波モードの損失が小さくなることがわかる。図５は例として、周期構造体の周期数が２５の場合の図４の構成のＸ線導波路中に形成される導波モードの損失を、各導波モードのもつ有効伝搬角度に対してプロットしたグラフである。導波モードの損失は伝搬定数の虚部Ｉｍ［ｋｚ］に比例するので、縦軸をＩｍ［ｋｚ］としてある。５０２はブラッグ反射の角度帯域に相当し、５０３は導波モードのもつ有効伝搬角度帯域、５０４はクラッドとコアとの界面での全反射臨界角を超える放射モードの角度帯域に相当する。周期共鳴導波モードの損失５０１は他の導波モードの損失に比較して非常に小さくなる。周期共鳴導波モードの損失は、物質の種類や構造パラメータを変えることで、変化させることが可能である。また、周期方向において周期共鳴導波モードの電磁場分布の包絡関数は、三角関数的になり、周期構造の中心に極大をもつ分布の場合に、周期共鳴導波モードは最も安定なものになる。この場合、クラッドへのしみ出しが小さくなり、より損失が下がるものとなる。
【００５５】
また本発明のＸ線導波路は、そのコアを２次元の周期構造体により構成することにより、２次元の周期共鳴導波モードを形成することが可能である。この場合の２次元の周期構造とは、導波方向に垂直な面内において二つの基本ベクトルにより周期性を表現することができる構造のことである。例えば、図６に示すように、ｚ方向にのびる屈折率実部の大きい物質の領域６０１と屈折率実部の小さい物質の領域６０２がｘ−ｙ面内において２次元方向で周期構造をなしているコアをクラッド６０４が取り囲んでいる構成が挙げられる。Ｘ線の導波方向をｚ方向とした場合、導波方向に垂直なｘ−ｙ面において、コアが四角格子配列の２次元周期構造を有している。図中に記した二つの基本ベクトルａ１とａ２により周期構造の周期性が表現される。図６の周期構造の周期数はｘ、ｙ方向ともに２と非常に少ないものとなっているが、これは説明をわかりやすくするためのものである。２次元の周期構造は、基本となる一つの構造の面がａ１に平行な方向に、またもう一つの基本となる構造の面がａ２に平行な方向に、それぞれ周期｜ａ１｜と｜ａ２｜で繰り返される構造となっている。基本ベクトルａ１とａ２は、周期性を表現できる限り任意に選択することができる。つまり同じ周期構造でも選び方を変えたり、基本ベクトルの線形結合を用いて別の基本ベクトルを選ぶことも可能であり、選んだ基本ベクトルに対応した基本となる構造の面を定義することができる。基本ベクトルの絶対値が最小になるものが最も基本的な周期性を表現するものであり、そのような基本ベクトルに平行な方向において周期性の効果が大きくなり、これらの方向を周期方向として周期共鳴導波モードを定義できる。図６の例で基本ベクトルをａ１とａ２に選べば、基本となる構造の面はａ１とａ２に対してそれぞれ面６０７および６０８となり、ｘ方向、ｙ方向で周期的に繰り返されているものとなる。
【００５６】
コアが２次元の周期構造よりなる場合にも、本発明のＸ線導波路においては、ブラッグ角が、前記クラッドと前記コアの少なくとも１つの界面における全反射臨界角よりも小さくなるようにコアとクラッドを構成する。具体的には、Ｘ線の導波方向に垂直な少なくとも一つの周期方向における、前記周期構造の周期性に起因するブラッグ角が、前記クラッドと前記コアの少なくとも１つの界面における全反射臨界角よりも小さくなるようにコアとクラッドを構成する。図６に示す例の場合、導波方向に垂直なｘ−ｙ面において、一つの周期方向をｙ方向とする。そのｙ−ｚ面内でのコアとクラッドの界面６０５におけるＸ線の全反射臨界角θＣとｙ方向の周期性により得られるブラッグ角θＢの間で、θＢ＜θＣが満たされるようにクラッドとコアを構成するものである。
【００５７】
また、コアが２次元の周期構造である場合、基本的な周期性が二つの基本ベクトルで表わされる二つの周期方向で得られるため、それぞれの方向における周期性に起因する二つのブラッグ角を定義することができる。例えば、図６の構成のＸ線導波路の場合、二つの周期方向を基本ベクトルａ１とａ２に平行なｘ方向とｙ方向とする。基本ベクトルａ１とａ２に平行な二つの周期方向における周期構造の周期性に起因するブラッグ角θＢ１、θＢ２はそれぞれ、
【００５８】
【数１２】
【００５９】
【数１３】
【００６０】
と表される。ｎ１ａｖｇ、ｎ２ａｖｇはそれぞれ、コア中の、基本ベクトルａ１とａ２に平行な二つの周期方向における平均屈折率である。また、基本ベクトルａ１とａ２に平行な二つの周期方向におけるコアとクラッドとの界面６０６、６０５での全反射臨界角を、θ１Ｃ、θ２Ｃとする。それぞれの方向における周期共鳴導波モードを形成するためには、θＢ＜θＣと同様に、それぞれの方向において、
θ１Ｂ＜θ１Ｃ
θ２Ｂ＜θ２Ｃ
となるように、材料や構造パラメーターを決定することとなる。θ１Ｂ＜θ１Ｃ、θ２Ｂ＜θ２Ｃが満たされ、かつそれぞれの方向におけるコア中の物質界面での全反射臨界角がそれぞれのブラッグ角よりも小さくなるように構成することにより、二つの周期方向において周期共鳴導波モードを形成することができる。このような導波路中で得られる周期共鳴導波モードは、二つの基本ベクトルに平行な二つの周期方向における周期共鳴導波モードが干渉した２次元の周期共鳴導波モードとなる。
【００６１】
図７は図６のＸ線導波路のｚ方向に垂直な面におけるコア中の周期共鳴導波モードの電場強度分布を示す。図７において、６０１の中心部分の斜線の部分、６０１の斜線の部分の周囲部分および６０２の部分は、それぞれ、電場強度がより大きい部分、電場強度がより小さい部分を表す。２次元の周期構造をコアとするＸ線導波路中に形成される２次元の周期共鳴導波モードの電場強度分布は、２次元の分布となり、より吸収などの損失の小さい領域に電場が集中することにより、周期共鳴導波モードの伝搬損失が小さいことがわかる。１次元の周期共鳴導波モードと同様に、２次元の周期共鳴導波モードについても設計により他の導波モードよりも損失を小さくでき、２次元方向において制御された単一の導波モードを形成できることになる。２次元の周期共鳴導波モードの電場や磁場分布は、導波方向に垂直な２次元面内で規則的に制御されていて、電場や磁場の位相もコア内全体にわたって、規則的なものになる。
【００６２】
コアをなす２次元の周期構造の周期性を定義する基本格子は、四角格子に限らない。図６のような周期構造が四角格子の場合の例では、周期方向を二つの基本ベクトルに平行な二つの周期方向を考えたが、このような方向に限るものではなく、基本ベクトルの線形結合を用いたベクトルに平行な方向も周期方向として用いることができる。さらに、２次元面内での周期方向の数は、二つの方向に限るものではなく、周期構造の周期性によって三つ以上となる場合も存在する。例えば、図１８に三角格子状の２次元周期構造を点で表現した図を示す。基本ベクトルａ１とａ２に平行な二つの周期方向に加え、ａ１＋ａ２で表わされる３つ目のベクトルに平行な周期方向を考えることにより、三つの方向の垂直成分をもつＸ線が干渉して、２次元の周期共鳴導波モードを形成することになる。この場合の、周期共鳴導波モードの電磁場強度分布は三角格子状になり、より吸収損失が小さい部分へ電磁場が集中する分布となる。
【００６３】
さらに、コアをなす周期構造は１次元、２次元の周期構造に限らず、３次元の周期構造とすることによってもＸ線導波路を形成することができる。導波方向に垂直な面内での周期共鳴導波モードを形成するための考え方は１次元および２次元のものと同等である。３次元の周期構造の場合、導波方向にも周期性を有していることにより、導波するＸ線が周期構造と共鳴し、導波方向においてＸ線の位相がそろいやすくなる効果がある。
【００６４】
コアをなす１次元の周期構造としては、屈折率実部の大きい材料と屈折率実部の小さい材料を交互に積層した１次元周期多層膜や、それ以外の一つの周期方向を定義できる周期構造が挙げられる。つまり、一つの特定の一方向だけに着目すれば２次元、３次元の周期構造なども用いることができる。
【００６５】
１次元の周期多層膜としては、屈折率実部の大きい材料として、カーボン（Ｃ）、ボロンカーバイト（Ｂ４Ｃ）、ボロンナイトライド（ＢＮ）、ベリリウム（Ｂｅ）などが挙げられる。屈折率実部の小さい材料として、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、シリコンカーバイト（ＳｉＣ）、シリコンナイトライド（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化チタン（ＴｉＯ２）などが挙げられる。屈折率実部の大きい材料と屈折率実部の小さい材料を交互に積層したものや、自己集合プロセスにより作製される周期性メソ構造体材料が挙げられる。１次元周期性の周期性メソ構造体材料としては、ＳｉＯ２と有機物が薄膜の面に垂直な方向に周期的に配列したものや、面に垂直方向に周期性をもつ面内での配向性をもたない２次元のメソポーラス材料などが挙げられる。
【００６６】
また、２次元の周期構造としては、上記屈折率実部の小さい材料からなる薄膜を電子線リソグラフィー、エッチングなどの半導体プロセスにより面内で周期的なパターニングをしたものを周期的に積層したものが挙げられる。また、１軸配向性の２次元周期性メソ構造体材料などが挙げられる。
【００６７】
さらに、３次元の周期構造としては数ｎｍ（ナノメートル）から数１０ｎｍの直径の空洞を有する３次元周期性メソ構造体材料などが挙げられる。また、直径約５０ｎｍほどのポリスチレン球が自己組織的に六方細密充填構造で配列したいわゆる３次元周期構造の人工オパール構造などが挙げられる。
【００６８】
周期共鳴導波モードを形成するための周期構造の周期は、導波路を構成している複数の材料の屈折率の関係にもよるが、約９ｎｍ以上が望ましい。これより小さい場合は、周期共鳴導波モードの閉じ込めが弱くなるからである。
【００６９】
本発明において、コアがメソ構造体材料またはメソポーラス材料よりなることが好ましい。
【００７０】
以下、自己集合過程により作製される１次元のメソ構造体材料について説明する。１次元のメソ構造体材料をラメラ構造をもつメソ構造体膜と称することとする。
【００７１】
メソ構造体膜は、２から５０ｎｍの構造周期をもつ周期構造体である。ラメラ構造は、異なる二種類の物質より構成される層状構造であり、この二種類の物質は無機成分を主とする物質と、有機成分を主とする物質により構成される。この無機成分を主とする物質と有機成分を主とする物質は、必要に応じて結合されていてよい。結合されたものの具体例としては、アルキル基の結合したシロキサン化合物から調製されるメソ構造体を挙げることができる。
【００７２】
（無機成分を主とする物質）
この無機成分を主とする物質の材料は特に限定されるものではないが、無機酸化物が好ましく用いられる。この無機酸化物の例としては、酸化ケイ素、酸化スズ、酸化ジルコニア、酸化チタン、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化アルミニウム、酸化タングステン、酸化ハフニウム、酸化亜鉛を挙げることができる。壁部の表面は、必要に応じて修飾されていてよい。たとえば、水の吸着を抑制するために、疎水性の分子を修飾してもよい。
【００７３】
（有機成分を主とする物質）
この有機成分を主とする物質は特に制限されるものではない。が、有機成分の例としては、界面活性剤などの、分子集合体の形成機能を有する部位が、壁部を形成する材料または壁部を形成する材料の前駆体と結合している材料が好ましく用いられる。この界面活性剤の例としては、イオン性、非イオン性の界面活性剤を挙げることができる。このイオン性界面活性剤の例としては、トリメチルアルキルアンモニウムイオンのハロゲン化物塩を挙げることができる。このアルキル鎖の鎖長の例としては、炭素数で１０から２２が挙げられる。非イオン性の界面活性剤の例としては、ポリエチレングリコールを親水基として含むものを挙げることができる。ポリエチレングリコールを親水基として含む界面活性剤の具体例としては、ポリエチレングリコールアルキルエーテル、ポリエチレングリコール‐ポリプロピレングリコール‐ポリエチレングリコールのブロックコポリマーを挙げることができる。ポリエチレングリコールアルキルエーテルのこのアルキル鎖の鎖長の例としては、炭素数で１０から２２、ポリエチレングリコールの繰返し数の例としては、２から５００を挙げることができる。この疎水基、親水基を変化させることにより構造周期を変化させることが可能である。一般的に疎水基、親水基を大きなものとすることにより構造周期を拡大することが可能である。この有機成分を主とする物質としては、必要に応じて、または、使用する材料、工程の結果として水、有機溶媒、塩等が含まれていてよい。この有機溶媒の例としては、アルコール、エーテル、炭化水素などが挙げられる。
【００７４】
メソ構造体膜の調製法は、特に制限されるものではないが、たとえば、分子集合体を形成しうる両親媒性物質（特に界面活性剤）の溶液に、無機酸化物の前駆体を加え、成膜を行い、無機酸化物の生成反応を進行させることによって調製される。
【００７５】
また、界面活性剤に加えて、構造周期を調整するための添加物を加えてもよい。この構造周期を調整するための添加物としては、疎水性物質が挙げられる。この疎水性物質の例としては、アルカン類、親水性基を含まない芳香族化合物が挙げられ、その具体的な例としては、オクタンが挙げられる。
【００７６】
無機酸化物の前駆体の例としては、ケイ素や金属元素のアルコキサイド、塩化物が挙げられる。さらに具体的な例としては、Ｓｉ，Ｓｎ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｔａ，Ａｌ，Ｗ，Ｈｆ，Ｚｎのアルコキサイド、塩化物が挙げられる。アルコキサイドの例としては、メトキサイド、エトキサイド、プロポキサイド、または、その一部がアルキル基に置換されたものが挙げられる。
【００７７】
製膜法の例としては、ディップコート法、スピンコート法、水熱合成法が挙げられる。
【００７８】
次に、２次元または３次元的な構造周期をもつ周期性メソ構造体材料について説明する。多孔質材料は、ＩＵＰＡＣ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｕｎｉｏｎ ｏｆ Ｐｕｒｅ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ）によって、その孔径により分類されており、孔径が２から５０ｎｍの多孔質材料は、メソポーラスに分類される。近年、このメソポーラス材料についての研究が盛んに行われ、界面活性剤の集合体を鋳型とすることで、径の揃ったメソ孔が規則的に配列した構造を得ることが可能になっている。
【００７９】
ここで、本発明に適用可能な２次元または３次元的な構造周期をもつ周期性メソ構造体材料は上記のようなメソ構造体膜であり、２次元、３次元的な構造周期を持つ以下のものを意味する。
（Ａ）メソポーラス膜
（Ｂ）メソポーラス膜の孔が主に有機化合物で充填されたもの
【００８０】
以下に詳細な説明を行う。
【００８１】
（Ａ）メソポーラス膜について
孔径が２から５０ｎｍの多孔質材料で、壁部の材料は特に限定されるものではないが、その例としては、製造可能性から、無機酸化物が挙げられる。この無機酸化物の例としては、酸化ケイ素、酸化スズ、酸化ジルコニア、酸化チタン、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化アルミニウム、酸化タングステン、酸化ハフニウム、酸化亜鉛を挙げることができる。壁部の表面は、必要に応じて修飾されていてよい。たとえば、水の吸着を抑制するために、疎水性の分子を修飾してもよい。
【００８２】
メソポーラス膜の調製法は、特に制限されるものではないが、たとえば、以下の方法で調製することができる。集合体が鋳型として機能する両親媒性物質の溶液に、無機酸化物の前駆体を加え、成膜を行い、無機酸化物の生成反応を進行させる。その後に、鋳型分子を除去することにより、多孔質材料とする。
【００８３】
この両親媒性物質は、特に限定されるものではないが、界面活性剤が適している。界面活性剤分子の例としては、イオン性、非イオン性の界面活性剤を挙げることができる。このイオン性界面活性剤の例としては、トリメチルアルキルアンモニウムイオンのハロゲン化物塩を挙げることができる。このアルキル鎖の鎖長の例としては、炭素数で１０から２２が挙げられる。非イオン性の界面活性剤の例としては、ポリエチレングリコールを親水基として含むものを挙げることができる。ポリエチレングリコールを親水基として含む界面活性剤の具体例としては、ポリエチレングリコールアルキルエーテル、ポリエチレングリコール‐ポリプロピレングリコール‐ポリエチレングリコールのブロックコポリマーを挙げることができる。ポリエチレングリコールアルキルエーテルのこのアルキル鎖の鎖長の例としては、炭素数で１０から２２、ポリエチレングリコールの繰返し数の例としては、２から５００を挙げることができる。この疎水基、親水基を変化させることにより構造周期を変化させることが可能である。一般的に疎水基、親水基を大きなものとすることにより孔径を拡大することが可能である。また、界面活性剤に加えて、構造周期を調整するための添加物を加えてもよい。この構造周期を調整するための添加物としては、疎水性物質が挙げられる。この疎水性物質の例としては、アルカン類、親水性基を含まない芳香族化合物が挙げられ、その具体的な例としては、オクタンが挙げられる。
【００８４】
無機酸化物の前駆体の例としては、ケイ素や金属元素のアルコキサイド、塩化物が挙げられる。さらに具体的な例としては、Ｓｉ，Ｓｎ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｔａ，Ａｌ，Ｗ，Ｈｆ，Ｚｎのアルコキサイド、塩化物が挙げられる。アルコキサイドの例としては、メトキサイド、エトキサイド、プロポキサイド、または、その一部がアルキル基に置換されたものが挙げられる。
【００８５】
製膜法の例としては、ディップコート法、スピンコート法、水熱合成法が挙げられる。
【００８６】
鋳型分子の除去方法の例としては、焼成、抽出、紫外線照射、オゾン処理が挙げられる。
【００８７】
一軸方向に複数の孔がのび、この方向に垂直な面内で２次元的に周期配列された構造となる場合、このメソ構造体膜は２次元の構造周期をもつ２次元の周期性メソ構造体材料となり、孔がメソスケールの直径をもつ空洞で、それらが３次元的に周期配列された構造となる場合、このメソ構造体膜は３次元の構造周期をもつ３次元の周期性メソ構造体材料となる。
【００８８】
（Ｂ）メソポーラス膜の孔が主に有機化合物で充填されたものについて
壁部の材料については、（Ａ）の項に記載したものと同様のものを使用することができる。孔を充填する物質については、有機化合物を主とするものであれば特に制限されるものではない。この「主」の意味としては、体積比で５０％以上を意味する。この有機化合物の例としては、界面活性剤や、分子集合体の形成機能を有する部位が、壁部を形成する材料または壁部を形成する材料の前駆体と結合している材料が挙げられる。この界面活性剤の例としては、（Ａ）の項で記載した界面活性剤を挙げることができる。また分子集合体の形成機能を有する部位が壁部を形成する材料、または、壁部を形成する材料の前駆体と結合している材料の例としては、アルキル基を有するアルコキシシラン、アルキル基を有するオリゴシロキサン化合物を挙げることができる。このアルキル鎖の鎖長の例としては、炭素数で１０から２２が挙げられる。
【００８９】
孔内の有機化合物には、必要に応じて、または、使用する材料、工程の結果として水、有機溶媒、塩等が含まれていてよい。この有機溶媒の例としては、アルコール、エーテル、炭化水素などが挙げられる。
【００９０】
メソポーラス膜の孔が主に有機化合物で充填されたものの調製法は、特に制限されるものではないが、たとえば、（Ａ）の項に記載したメソポーラス膜の調製法の鋳型の除去以前の工程を挙げることができる。
【００９１】
（Ａ）と同様に、一軸方向に有機化合物で充填された複数の孔がのび、この方向に垂直な面内で孔が２次元的に周期配列された構造となる場合、このメソ構造体膜は２次元の構造周期をもつ２次元の周期性メソ構造体材料となる。有機化合物で充填された複数の孔がメソスケールの直径をもつ空洞で、それらが３次元的に周期配列された構造となる場合、このメソ構造体膜は３次元の構造周期をもつ３次元の周期性メソ構造体材料となる。
【００９２】
周期共鳴導波モードを形成する条件であるθＢ＜θＣ、θＣ−ｍｕｌｔｉ＜θＢを満たす必要がある。そのために、クラッドをなす物質の屈折率実部が、コアをなす複数の物質のすべての物質の屈折率実部よりも小さくなるように、コアをなす物質に対してクラッドをなす物質を選択する。このようにして選ぶ限り多くの物質をクラッドをなす物質として選択することが可能である。コアをなす物質によるが、クラッドをなす物質としては電子密度の高い物質を選択する。例えば、金（Ａｕ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）に代表される金属材料のなど数多くの種類の物質をクラッドとして用いることが可能である。
【実施例】
【００９３】
（実施例１）
本発明の実施例１におけるＸ線導波路の構成図を図８に示す。本実施例においてＸ線の導波方向は図中のｚ方向であり、導波路の各部位はｚ方向において連続的である。本実施例のＸ線導波路は、導波方向に垂直な面内で、Ｓｉ基板８０１上の厚さ３０ｎｍのタングステン（Ｗ）８０２と、厚さ１０ｎｍのタングステン（Ｗ）８０３が、コア８０６を取り囲む構成からなる。コア８０６は、厚さ約１４ｎｍのカーボン（Ｃ）８０４と、厚さ約４ｎｍの酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）８０５がＳｉ基板８０１表面に垂直な方向（図中ｙ方向）に交互に積層された１次元周期構造をなす１次元周期多層膜からなる。１次元周期多層膜は、ｘ方向において有限な幅をもち、その値は約１マイクロメートルである。多層膜の周期数は３０である。
【００９４】
また、コア８０６のパターニング方法としては、電子線リソグラフィーとドライエッチングプロセスを用いている。Ｓｉ基板８０１直上のタングステン（Ｗ）８０２以外のタングステン（Ｗ）８０３は、コアのパターニング工程の後、スパッタにより形成されたものである。コアを取り囲むタングステン（Ｗ）８０２とタングステン（Ｗ）８０３の部分がＸ線導波路のクラッドとして機能する。
【００９５】
本実施例のＸ線導波路のコアである１次元周期構造では、周期性の効果を用いる周期方向としてｙ方向を用いる。例えば光子エネルギー１７．５キロエレクトロンボルトのＸ線に対し、ｙ方向において、クラッドとコアの界面での全反射臨界角θＣは約０．２５°で、周期多層膜の周期性に起因するブラッグ角θＢは０．２２°なので、θＢ＜θＣを満たす。つまり、ｙｚ面内では一次元周期多層膜の周期性に起因する周期共鳴導波モードが支配的になり、損失の小さい単一のＸ線の導波モードを実現することが可能になる。ｘ方向において導波路のコア８０６の幅が大きいことにより、ｚｘ面内での導波モードは複数の一様導波モードが許される。そのために、全体としてＸ線の伝搬に寄与する導波モードはｙｚ面内での周期共鳴導波モードとｚｘ面内での複数の一様導波モードが混合したものとなる。また、ｙ方向だけではなくｘ方向においてもクラッドとコアの界面における全反射でＸ線を閉じ込めているので、ｘ方向でのＸ線の放射損失を大幅に低減できるものとなる。
【００９６】
（実施例２）
本発明の実施例２におけるＸ線導波路を表す図を図９に示す。本実施例においてＸ線の導波方向は図中のｚ方向であり、導波路の各部位はｚ方向において連続的である。本実施例のＸ線導波路は、実施例１のＸ線導波路のコアを１次元の周期性（ラメラ）メソ構造体材料の膜に置き換えたものである。導波方向に垂直な面内で、Ｓｉ基板９０１上の厚さ３０ｎｍのタングステン（Ｗ）９０２と、厚さ１０ｎｍのタングステン（Ｗ）９０３が、コア９０６を取り囲む構成からなる。コア９０６は、１次元の周期性（ラメラ）メソ構造体材料の膜であり、厚さ約８ｎｍの有機物層９０４と厚さ約２ｎｍのシリカ（ＳｉＯ２）９０５がＳｉ基板９０１表面に垂直な方向（図中ｙ方向）に交互に配列した１次元周期構造をなす。１次元周期構造は、ｘ方向において有限な幅をもつ。周期構造のの周期数は５０である。
【００９７】
また、コア９０６のパターニング方法として、電子線リソグラフィーとドライエッチングプロセスを用いている。Ｓｉ基板９０１直上のタングステン（Ｗ）９０２以外のタングステン（Ｗ）９０３は、コアのパターニング工程の後、スパッタにより形成される。コアを取り囲むタングステン（Ｗ）９０２とタングステン（Ｗ）９０３の部分がＸ線導波路のクラッドとして機能する。
【００９８】
本実施例のＸ線導波路のコアである１次元周期構造では、周期性の効果を用いる周期方向としてｙ方向を用いる。例えば光子エネルギー８キロエレクトロンボルトのＸ線に対し、ｙ方向において、クラッドとコアの界面での全反射臨界角θＣは約０．５４°で、周期多層膜の周期性に起因するブラッグ角θＢは０．４９°なので、θＢ＜θＣを満たす。つまり、ｙｚ面内では一次元周期多層膜の周期性に起因する周期共鳴導波モードが支配的になり、損失の小さい単一のＸ線の導波モードを実現することが可能になる。ｘ方向において導波路のコア９０６の幅が大きいことにより、ｚｘ面内での導波モードは複数の一様導波モードが許される。そのために、全体としてＸ線の伝搬に寄与する導波モードはｙｚ面内での周期共鳴導波モードとｚｘ面内での複数の一様導波モードが混ざったものとなる。ｙ方向だけではなくｘ方向においてもクラッドとコアの界面における全反射でＸ線を閉じ込めているので、ｘ方向でのＸ線の放射損失を大幅に低減できるものとなる。
【００９９】
（実施例３）
本発明の実施例３におけるＸ線導波路を表す図を図１０に示す。本実施例においてＸ線の導波方向は図中のｚ方向であり、導波路の各部位はｚ方向において連続的である。導波方向に垂直な面内で、Ｓｉ基板１００１上の厚さ２０ｎｍのタンタル（Ｔａ）１００２と、厚さ８ｎｍのタンタル（Ｔａ）１００３が、コア１００６を取り囲む構成からなる。コア１００６は、２次元の周期性メソ構造体材料の膜であり、シリカ１００５中において、導波方向（ｚ方向）にのびる半径約４ｎｍの空孔１００４が導波方向に垂直な方向（ｘｙ面に平行な方向）で三角格子状の２次元周期構造を形成している。その格子定数は約１１．６ｎｍである。
【０１００】
コア１００６は、フォトリソグラフィーとドライエッチングプロセスを用いてパターニングされており、ｘ方向において約５マイクロメートルの有限な幅をもつ。Ｓｉ基板１００１直上のタンタル（Ｔａ）１００２以外のタンタル（Ｔａ）１００３は、コアのパターニング工程の後、スパッタにより形成されたものである。コアを取り囲むタンタル（Ｔａ）１００２とタンタル（Ｔａ）１００３の部分がＸ線導波路のクラッドとして機能する。コアの周期構造が２次元的であるので、周期方向としては、三角格子状の周期性について表した図１８における二つの基本ベクトルの線形結合で表わされるａ１とａ２、ａ１＋ａ２に平行な方向とする。この周期構造の対称性は前述の３つの方向において最も高くなり、周期共鳴導波モードの電場が、周期構造の損失の低い空孔部分へ集中した２次元周期的な分布となる。格子定数は、約１７ｎｍである。２次元の周期性に起因する周期共鳴導波モードが支配的になり、損失の小さい単一のＸ線の導波モードを実現することができる。またｘ方向におけるコアの幅が約５マイクロメートルと非常に広いことにより、導波されるＸ線のパワーがより大きくなる。
【０１０１】
本実施例のＸ線導波路は、光子エネルギー８キロエレクトロンボルトのＸ線に対し、ｙ方向において、クラッドとコアの界面での全反射臨界角θＣは約０．５２°で、周期多層膜の周期性に起因するブラッグ角θＢは約０．４７°であり、θＢ＜θＣを満たす。
【０１０２】
（実施例４）
本発明の実施例４におけるＸ線導波路を表す図を図１１に示す。本実施例においてＸ線の導波方向は図中のｚ方向であり、導波路の各部位はｚ方向において連続的である。導波方向に垂直な面内で、Ｓｉ基板１１０１上の厚さ４０ｎｍの金（Ａｕ）１１０２と、厚さ１０ｎｍの金（Ａｕ）１１０３が、コア１１０３を取り囲む構成となっている。コア１１０６は、３次元の周期性メソ構造体材料の膜であり、酸化スズ（ＳｎＯ２）１１０５中で、有機物が充填された直径約１０ｎｍの球状のボイド１１０４が六方最密充填構造を形成している。その格子定数は約１１．６ｎｍである。
【０１０３】
コア１１０６は、フォトリソグラフィーとドライエッチングプロセスを用いてパターニングされており、ｘ方向において約５マイクロメートルの有限な幅をもつ。Ｓｉ基板１１０１直上の金（Ａｕ）１１０２以外の金（Ａｕ）１１０３は、コアのパターニング工程の後、スパッタにより形成されたものである。コアを取り囲む金（Ａｕ）１１０２と金（Ａｕ）１１０３の部分がＸ線導波路のクラッドとして機能する。コアの周期構造が３次元的であるので、ｘ−ｙ面に平行な二つの周期方向として周期性の効果が得られるｘ方向とｙ方向を選び、それぞれの方向の周期性に起因する二つの周期共鳴導波モードを利用することができる。
【０１０４】
本実施例のＸ線導波路のｙ方向における周期性のもつ周期は、約１５ｎｍで、ｘ方向における周期性のもつ周期は、約８．７ｎｍである。ｙ−ｚ面内ではｙ方向の周期性に起因する周期共鳴導波モードが支配的になり、損失の小さい単一のＸ線の導波モードを実現することができる。ｘ方向においてもｘ方向の周期性に起因する周期共鳴導波モードが支配的になり、損失の小さい単一のＸ線の導波モードを実現することができる。ｘ方向におけるコアの幅が約５マイクロメートルと非常に広いことにより、導波されるＸ線のパワーがより大きくなる。さらに、コアが３次元の周期構造であり、ｚ方向においても周期性を有する。そのことにより、ｘ−ｙ面内の周期性に共鳴した周期共鳴導波モードはｚ方向の周期性の影響を受けることにより、導波方向においても導波モードの位相をそろいやすくすることができる。
【０１０５】
本実施例のＸ線導波路は、光子エネルギー１０キロエレクトロンボルトのＸ線に対し、ｙ方向において、クラッドとコアの界面での全反射臨界角θＣは約０．４２°で、周期多層膜の周期性に起因するブラッグ角θＢは０．３１であり、θＢ＜θＣを満たす。
【０１０６】
（実施例５）
本発明の実施例５におけるＸ線導波路を表す図を図１２に示す。本実施例においてＸ線の導波方向は図中のｚ方向であり、導波路の各部位はｚ方向において連続的である。導波方向に垂直な面内で、パターニングされたＳｉ基板１２０１上の厚さ１０ｎｍのタングステン（Ｗ）１２０６と、厚さ１０ｎｍのタングステン（Ｗ）１２０２が、コア１２０３を取り囲む構成からなる。コア１２０３は、２次元の周期性メソ構造体材料の膜であり、シリカ１２０５中において、導波方向（ｚ方向）にのびる半径約４ｎｍの空孔１２０４が導波方向に垂直な方向（ｘｙ面に平行な方向）で三角格子状の２次元周期構造を形成している。その格子定数は約１７ｎｍである。Ｓｉ基板１２０１表面の結晶面は（１１０）であり、フォトリソグラフィーとＫＯＨを用いた異方性エッチングプロセスを用いてパターニングされている。ｘ方向において約５マイクロメートルの有限な幅をもつ。
【０１０７】
パターニングされたＳｉ基板１２０１にスパッタによりタングステン１２０２を成膜したのち、ゾルゲルプロセスを用いてメソポーラスシリカをコア１２０６として形成、焼成することにより空孔内部の有機物を除去する。再度スパッタによりタングステン１２０２を成膜することにより、本実施例のＸ線導波路を形成することができる。コアを取り囲むタングステン（Ｗ）１２０６とタングステン（Ｗ）１２０２の部分がＸ線導波路のクラッドとして機能する。コアの周期構造が２次元的であるので、周期方向としては、三角格子状の周期性について表した図１８における二つの基本ベクトルの線形結合で表わされるａ１とａ２、ａ１＋ａ２に平行な方向とする。
【０１０８】
この周期構造の対称性は前述の３つの方向において最も高くなり、周期共鳴導波モードの電場が、周期構造の損失の低い空孔部分へ集中した２次元周期的な分布となる。格子定数は、約１７ｎｍである。２次元の周期性に起因する周期共鳴導波モードが支配的になり、損失の小さい単一のＸ線の導波モードを実現することができる。ｘ方向におけるコアの幅が約５マイクロメートルと非常に広いことにより、導波されるＸ線のパワーが非常に大きいものとなる。
【０１０９】
本実施例のＸ線導波路は、光子エネルギー８キロエレクトロンボルトのＸ線に対し、ｘ方向において、クラッドとコアの界面での全反射臨界角θＣは約５２°で、周期多層膜の周期性に起因するブラッグ角θＢは０．３°であり、θＢ＜θＣを満たす。
【０１１０】
（実施例６）
本発明の実施例６におけるＸ線導波路を表す図を図１３に示す。本実施例においてＸ線の導波方向は図中のｚ方向であり、導波路の各部位はｚ方向において連続的である。導波方向に垂直な面内で、パターニングされたＳｉ基板１３０１上の厚さ１０ｎｍのタングステン（Ｗ）１３０２と、厚さ１０ｎｍのタングステン（Ｗ）１３０６が、コア１３０３を取り囲む構成からなる。コア１３０３は、２次元の周期性メソ構造体材料の膜であり、シリカ１３０５中において、導波方向（ｚ方向）にのびる半径約４ｎｍの空孔１３０４が導波方向に垂直な方向（ｘｙ面に平行な方向）で三角格子状の２次元周期構造を形成している。その格子定数は約１１．６ｎｍである。
【０１１１】
Ｓｉ基板１３０１表面の結晶面は（１００）であり、フォトリソグラフィーとＫＯＨを用いた異方性エッチングプロセスを用いてパターニングされている。ｘ方向において約７マイクロメートル、深さ方向において約５マイクロメートルの有限な幅をもつ三角形の断面形状を有する。パターニングされたＳｉ基板１３０１にスパッタによりタングステン１３０２を成膜したのち、ゾルゲルプロセスを用いてメソポーラスシリカをコア１３０３として形成、焼成することにより空孔内部の有機物を除去する。再度スパッタによりタングステン１３０６を成膜することにより、本実施例のＸ線導波路を形成することができる。コアを取り囲むタングステン（Ｗ）１３０６とタングステン（Ｗ）１３０２の部分がＸ線導波路のクラッドとして機能する。ｘｙ面内方向において、コアの周期構造が２次元的であり、かつ三角格子的であることと、クラッドとコアの界面の方向がほぼ等価な三つの方向を有する。そのことにより、周期方向としては、三角格子状の周期性について表した図１８における二つの基本ベクトルの線形結合で表わされるａ１とａ２、ａ１＋ａ２に平行な方向とする。
【０１１２】
この周期構造の対称性は前述の３つの方向において最も高くなり、周期共鳴導波モードの電場が、周期構造の損失の低い空孔部分へ集中した２次元周期的な分布となる。格子定数は、約１７ｎｍである。２次元の周期性に起因する周期共鳴導波モードが支配的になり、損失の小さい単一のＸ線の導波モードを実現することができる。周期構造のｘｙ面内方向における三つの基本ベクトルがクラッドとコアの界面の持つ３つの方向とずれた場合でも、クラッドとコアの界面で全反射されたＸ線が三つの周期方向において周期構造と共鳴する。その共鳴により、三つの方向の周期共鳴導波モードを形成することができる。このようにして形成される周期共鳴導波モードのｘｙ面内における電磁場強度分布は、三つのほぼ等価な基本ベクトルが形成している周期構造に一致する分布を示す。本実施例の場合には、損失が少ない空孔中に電磁場が集中するため、より損失の小さい周期共鳴導波モードにより、損失の小さいＸ線の導波が可能となる。
【０１１３】
本実施例のＸ線導波路は、光子エネルギー８キロエレクトロンボルトのＸ線に対し、ａ１とａ２、ａ１＋ａ２に平行な方向において、クラッドとコアの界面での全反射臨界角θＣは約０．５２°で、周期多層膜の周期性に起因するブラッグ角θＢは０．４２°であり、θＢ＜θＣを満たす。
【０１１４】
（実施例７）
本発明の実施例７におけるＸ線導波路を表す図を図１４に示す。本実施例においてＸ線の導波方向は図中のｚ方向であり、導波路の各部位はｚ方向において連続的である。本実施例のＸ線導波路は、実施例６のＸ線導波路の最表面のタングステン（Ｗ）１３０６を成膜していないものを二つ用意し、それぞれの最表面が対向するように、コアの部分が接するようにはり合わせたものである。コア１４０３領域は、ひし形形状となっている。ｘｙ面内方向において、クラッドとコアが対向する界面が二つ存在することにより、これら二つの界面に垂直な方向における周期共鳴導波モードを形成することができる。
【０１１５】
周期構造が２次元の三角格子状のものであるので、例えば図１８にあるように、ベクトルａ２と、ベクトルａ１に平行な方向が二つの周期方向となり、それぞれの方向において周期共鳴導波モードが形成され、支配的な導波モードとなる。そのことから、二つの基本ベクトルに平行な方向で二つの周期共鳴導波モードを形成することが可能となる。それらの干渉の結果得られる導波モードは、三角格子状の周期共鳴導波モードに共鳴したもので、その電磁場強度分布は損失の少ない空孔部分に場が集中するものとなる。コアは空孔を備えたメソポーラスシリカであり、その格子定数は約１４ｎｍである。
【０１１６】
本実施例のＸ線導波路は、光子エネルギー８キロエレクトロンボルトのＸ線に対し、二つの周期方向において、クラッドとコアの界面での全反射臨界角θＣは約０．５２°で、周期多層膜の周期性に起因するブラッグ角θＢは０．３６°であり、θＢ＜θＣを満たす。
【０１１７】
（実施例８）
本発明の実施例８におけるＸ線導波路を表す図を図１５に示す。本実施例においてＸ線の導波方向は図中のｚ方向であり、導波路の各部位はｚ方向において連続的である。導波方向に垂直な面内で、パターニングされたＳｉ基板１５０１上の厚さ２０ｎｍのタングステン（Ｗ）１５０６と、厚さ２０ｎｍのタングステン（Ｗ）１５０２が、コア１５０３を取り囲む構成となっている。コア１５０３は、２次元の周期性メソ構造体材料の膜であり、シリカ１５０５中において、導波方向（ｚ方向）にのびる半径約４ｎｍの空孔１４０４が導波方向に垂直な方向（ｘｙ面に平行な方向）で三角格子状の２次元周期構造を形成している。その格子定数は約１１．６ｎｍである。Ｓｉ基板１５０１表面の結晶面は（１００）である。市販のダイサー（ダイシング装置）により、Ｓｉ基板１４０１に平行かつ（１１０）面に平行な方向にのびる幅１０マイクロメートル、深さ１００マイクロメートルの溝を形成する。その後、ＫＯＨを用いた異方性エッチングプロセスを用いてパターニングされ、ｘｙ面内方向において基板表面側に開口部をもつひし形形状となっている。
【０１１８】
パターニングされたＳｉ基板１５０１にスパッタによりタングステン１５０６を成膜したのち、ゾルゲルプロセスを用いてメソポーラスシリカをコア１５０３として形成、焼成することにより空孔内部の有機物を除去する。再度スパッタによりタングステン１５０２を成膜することにより、本実施例のＸ線導波路を形成する。コアを取り囲むタングステン（Ｗ）１５０６とタングステン（Ｗ）１５０２の部分がＸ線導波路のクラッドとして機能する。ｘｙ面内方向において、コアの周期構造が２次元的でありかつ三角格子状であることと、互いに対向するクラッドとコアの界面が二組存在することにより、実施例７と同様の支配的な周期共鳴導波モードを形成するものである。周期方向は、実施例７と同じ二つのものが存在する。
【０１１９】
本実施例のＸ線導波路は、光子エネルギー８キロエレクトロンボルトのＸ線に対し、周期方向において、クラッドとコアの界面での全反射臨界角θＣは約０．５２°で、周期多層膜の周期性に起因するブラッグ角θＢは０．４２°であり、θＢ＜θＣを満たす。
【０１２０】
（実施例９）
本発明の実施例９におけるＸ線導波路を表す図を図１６に示す。本実施例においてＸ線の導波方向は図中のｚ方向であり、導波路の各部位はｚ方向において連続的である。導波方向に垂直な面内で、パターニングされたＳｉ基板１６０１上の厚さ２０ｎｍのタングステン（Ｗ）１６０６と、厚さ１０ｎｍのタングステン（Ｗ）１６０２が、コア１６０３を取り囲む構成からなる。コア１６０３は、２次元の周期性メソ構造体材料の膜である。シリカ１６０５中において、導波方向（ｚ方向）にのびる半径約４ｎｍの空孔１６０４が導波方向に垂直な方向（ｘｙ面に平行な方向）で三角格子上の２次元周期構造を形成している。その格子定数は約１１．６ｎｍである。
【０１２１】
Ｓｉ基板１６０１表面の結晶面は（１００）である。市販のダイサー（ダイシング装置）により、Ｓｉ基板１６０１に平行かつ（１１０）面に平行な方向にのびる幅１０マイクロメートル、深さ１００マイクロメートルの溝を、３０マイクロメートルの間隔で２本平行に形成する。その後、ＫＯＨを用いた異方性エッチングプロセスを用いてパターニングされており、ｘｙ面内方向において基板表面側に開口部をもつ六角形形状となっている。パターニングされたＳｉ基板１６０１にスパッタによりタングステン１６０６を成膜したのち、ゾルゲルプロセスを用いてメソポーラスシリカをコア１６０３として形成、焼成することにより空孔内部の有機物を除去する。再度スパッタによりタングステン１６０２を成膜することにより、本実施例のＸ線導波路を形成する。
【０１２２】
タングステン（Ｗ）１６０６とタングステン（Ｗ）１６０２のコアを取り囲む部分がＸ線導波路のクラッドとして機能する。ｘ−ｙ面内方向において、コアの周期構造が２次元的であり、かつ三角格子状であることと、互いに対向するクラッドとコアの界面が三組存在する。このことにより、周期構造の基本ベクトルのうちこれら三組の界面に垂直な三つの方向に近い三つの方向を、三つの周期方向とすることができる。これら三つの周期共鳴導波モードの干渉の結果得られる導波モードは、三角格子状の周期共鳴導波モードに共鳴したもので、その電磁場強度分布は損失の少ない空孔部分に場が集中するものとなり、低損失なＸ線の導波が可能である。
【０１２３】
本実施例のＸ線導波路は、光子エネルギー８キロエレクトロンボルトのＸ線に対し、三つの周期方向において、クラッドとコアの界面での全反射臨界角θＣは約０．５２°で、周期多層膜の周期性に起因するブラッグ角θＢは０．４２であり、θＢ＜θＣを満たす。
【産業上の利用可能性】
【０１２４】
本発明のＸ線導波路は、Ｘ線分析技術、Ｘ線撮像技術、Ｘ線露光技術などにおけるＸ線光学系などに用いられるＸ線光学部品などに利用することができる。
【符号の説明】
【０１２５】
１０１ クラッドとコアの界面
１０２ 界面に垂直な面
１０３ 界面となす角度
１０４ Ｘ線
２０１ コア
２０２ クラッド
３０１ コア
３０２ クラッド
３０３ 要素構造
３０４ 低屈折率実部層
３０５ 高屈折率実部層
３０６ 全反射臨界角
３０７ ブラッグ角
３０８ コアとクラッドの界面
【技術分野】
【０００１】
本発明はＸ線導波路に関し、特にＸ線分析技術、Ｘ線撮像技術、Ｘ線露光技術などにおけるＸ線光学系などに用いられるＸ線光学部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｘ線を含めたこのような電磁波をコントロールするために、大型の空間光学系が用いられており、今でもなお主流となっている。その理由は、数１０ｎｍ以下の短い波長の電磁波を扱う際、異物質間における電磁波に対する屈折率差が１０−４以下と非常に小さいため、また全反射角も非常に小さくなることなどが挙げられる。空間光学系をなしている主な部品として、異なる屈折率の材料を交互に積層した多層膜反射鏡があり、ビーム整形、スポットサイズ変換、波長選択などの様々な役割を担っている。
【０００３】
主流であるこのような空間光学系に対し、従来のポリキャピラリのようなＸ線導波管は空気などの一様な物質からなる導波部にＸ線を全反射で閉じ込めて伝搬させるものである。近年では光学系の小型化、高性能化を目指し、薄膜や多層膜中に電磁波を閉じ込めて伝搬させる、Ｘ線導波路の研究が行われている。
【０００４】
具体的には二層のクラッドにより一次元方向において一様な物質からなる導波路のコア部を挟み込んだ形の薄膜導波路（非特許文献１参照）が挙げられる。また、一様な物質からなるコア中にコアとクラッドとの界面における全反射により、Ｘ線を二次元方向において閉じ込めてＸ線を導波させる要素Ｘ線導波路を、複数並べたＸ線導波路（非特許文献２参照）などの研究が行われている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ ＳＰＩＥ，Ｖｏｌｕｍｅ ５９７４，ｐ．５９７４１４（２００５）
【非特許文献２】Ｊｏｕｒｎａｌ Ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｎｕｍｂｅｒ １０１，ｐ．０５４３０６（２００７）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
非特許文献１では、一様な物質からなるコア中にＸ線を閉じ込めるＸ線導波路が検討されているが、閉じ込めが一元方向におけるものであるため、閉じ込められていない方向へＸ線が放射されて大きな損失となる。さらに、この構造で単一の導波モードを形成するためには、コアを単一モード条件が満たされるように非常に薄くしなくてはならないため、導波されるＸ線のパワーを大きくすることができない。
【０００７】
非特許文献２では、各要素Ｘ線導波路においては単一の導波モードが実現しうるが、隣接する要素Ｘ線導波路間でのモード結合の結果、全体としては複数の連成した導波モードが形成される。そのため、位相のそろった単一の導波モードを形成することはできない。さらに、複数の要素Ｘ線導波路は、１次元方向に配置されており導波モードの断面積を大きくすることができず、導波されるＸ線のパワーを大きくすることができない。ここで、導波モードの断面積とは、導波モードの導波方向に垂直な面における、電磁場強度分布中の電磁場強度が大きい領域のことを表し、例えば光ファイバー内の導波モードのモードフィールド径などに相当する。さらに吸収の大きい物質を要素Ｘ線導波路の数に応じて多く用いているため吸収損失が大きくなる。
【０００８】
本明細書中の、導波されるＸ線のパワーとは、導波方向をｚ方向とする場合に、導波路中のあるｚにおいて、導波方向に垂直なコア断面を単位時間当たりに通過するＸ線の総パワーのことであり、このコア断面上のポインティングベクトルのｚ成分をコア断面全体にわたり積分したものである。例えば、光量子束（Ｐｈｏｔｏｎ Ｆｌｕｘ）などに相当する。
【０００９】
本発明は、この様な背景技術に鑑みてなされたものであり、Ｘ線の伝搬損失が少なく、位相のそろった、大きな断面積の単一の導波モードを実現できるＸ線導波路を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため本発明のＸ線導波路は、Ｘ線を導波させるためのクラッドとコアからなるＸ線導波路であって、前記コアが屈折率実部の異なる複数の物質が周期的に配列された周期構造をもつ材料からなり、前記クラッドと前記コアが、電磁波の導波方向に垂直な面において、前記クラッドが前記コアを取り囲むように配置されており、かつ、前記コアにおける電磁波の導波方向に垂直な面における周期構造の周期性を表す基本ベクトル、または複数の基本ベクトルの和または差で形成されるベクトルの少なくとも一つの周期方向における、前記周期構造の周期性に起因するブラッグ角が、前記クラッドと前記コアの少なくとも１つの界面における全反射臨界角よりも小さくなるように、前記コアと前記クラッドが構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、Ｘ線の伝搬損失が少なく、位相のそろった、大きな断面積の単一の導波モードを実現できるＸ線導波路を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】Ｘ線導波路におけるクラッドとコアの界面におけるの全反射臨界角を示す概略図である。
【図２】Ｘ線導波路におけるＸ線の導波方向に垂直な面を示す断面図である。
【図３】本発明のＸ線導波路の一実施態様を示す概略図である。
【図４】Ｘ線導波路のコア領域の一部を表す概略図である。
【図５】Ｘ線導波路に形成される導波モードの損失と有効伝搬角度の関係を示すグラフである。
【図６】本発明のＸ線導波路の他の実施態様を示す概略図である。
【図７】図６のＸ線導波路のｚ方向に垂直な面における電場強度分布を示す図である。
【図８】本発明の実施例１のＸ線導波路を示す概略図である。
【図９】本発明の実施例２のＸ線導波路を示す概略図である。
【図１０】本発明の実施例３のＸ線導波路を示す概略図である。
【図１１】本発明の実施例４のＸ線導波路を示す概略図である。
【図１２】本発明の実施例５のＸ線導波路を示す概略図である。
【図１３】本発明の実施例６のＸ線導波路を示す概略図である。
【図１４】本発明の実施例７のＸ線導波路を示す概略図である。
【図１５】本発明の実施例８のＸ線導波路を示す概略図である。
【図１６】本発明の実施例９のＸ線導波路を示す概略図である。
【図１７】コア中での導波モードの有効伝搬角度を示す説明図である。
【図１８】三角格子状の２次元周期構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を詳細に説明する。
【００１４】
本発明に係るＸ線導波路は、Ｘ線を導波させるためのクラッドとコアからなるＸ線導波路であって、前記コアが屈折率実部の異なる複数の物質が周期的に配列された周期構造をもつ材料からなり、前記クラッドと前記コアが、電磁波の導波方向に垂直な面において、前記クラッドが前記コアを取り囲むように配置されており、かつ、前記コアにおける電磁波の導波方向に垂直な面における周期構造の周期性を表す基本ベクトル、または複数の基本ベクトルの和または差で形成されるベクトルの少なくとも一つの周期方向における、前記周期構造の周期性に起因するブラッグ角が、前記クラッドと前記コアの少なくとも１つの界面における全反射臨界角よりも小さくなるように、前記コアと前記クラッドが構成されている。
【００１５】
本発明においてＸ線とは、物質の屈折率実部が１以下となる周波数帯域または波長帯域の電磁波である。具体的には、本発明においてＸ線とは、極端紫外光（Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａ Ｖｉｏｌｅｔ（ＥＵＶ）光）を含む１００ｎｍ以下の波長の電磁波を指す。本発明は上記Ｘ線に相当する電磁波を制御するためのものである。つまり明細書中で単に電磁波という場合、上記Ｘ線のことと同義である。またこのような短い波長の電磁波の周波数は非常に高く、物質の最外殻電子が応答できないため、紫外光の波長以上の波長をもつ電磁波（可視光や赤外線）の周波数帯域と異なり、Ｘ線に対しては物質の屈折率の実部が１より小さくなることが知られている。このようなＸ線に対する物質の屈折率ｎは一般的に、下記の式（１）
【００１６】
【数１】
【００１７】
で表されるように、実数部の１からのずれ量δ、吸収に関係する虚数部の
【００１８】
【数２】
【００１９】
を用いて表される。δは物質の電子密度ρｅに比例するため電子密度の大きい物質ほど屈折率の実部が小さくなることになる。また、屈折率実部は、
【００２０】
【数３】
【００２１】
となる。さらに、ρｅは原子密度ρａと原子番号Ｚに比例する。このようにＸ線に対する物質の屈折率は複素数で表されるが、その実部を本明細書中では屈折率実部または屈折率の実部と称し、虚部を屈折率虚部または屈折率の虚部と称する。
【００２２】
上記Ｘ線に相当する電磁波に対して屈折率実部が最大となる場合は、Ｘ線が真空中を伝搬する場合であるが、一般的環境下では気体でないほぼすべての物質に対して空気の屈折率実部が最大となる。本発明において屈折率実部が異なる２種以上の物質とは多くの場合電子密度が異なる二種以上の物質であるということもできる。
【００２３】
本発明において導波モードの位相がそろうということは、ある時間において導波方向に垂直な面内での電磁場の位相差が０であるということだけではなく、周期構造の空間的な屈折率分布に対応して電磁場の位相差が周期的に−πと＋πの間で変化していることを意味する。
【００２４】
本発明のＸ線導波路は、コアとクラッドの界面における全反射によりＸ線をコアに閉じ込めてＸ線を導波させるものであり、Ｘ線の導波方向は直交座標系を用いてｚ方向と定義する。コアとクラッドの界面付近におけるコアの屈折率実部がクラッドの屈折率実部より大きく、全反射臨界角よりも小さい角度でコアとクラッドの界面に突入するＸ線は、この界面で全反射されてコア中に閉じ込められる。このときの全反射臨界角を、導波方向に平行かつコアとクラッドとの界面に垂直な面内における界面の角度として、θｃと表す。図１のように、Ｘ線の導波方向をｚ方向とし、ある領域におけるクラッドとコアの界面を１０１とした場合、界面１０１におけるＸ線１０４が、界面１０１に垂直な面１０２内において界面１０１となす角度を１０３とする。角度１０３うちの一つの角度が全反射臨界角θｃとなる。
【００２５】
クラッドとコアの界面におけるクラッド側の物質の屈折率実部をｎｃｌａｄ、コア側の物質の屈折率実部をｎｃｏｒｅとした場合の、全反射臨界角θｃ（°）は、ｎｃｌａｄ＜ｎｃｏｒｅとして、下記の式（２）
【００２６】
【数４】
【００２７】
で表される。ただし、本発明におけるＸ線導波路のコアは、複数の物質からなる周期構造体でありその周期、要素構造が非常に小さい。そのために、式（２）におけるｎｃｏｒｅは、クラッドとコアの界面におけるコアの一つの物質の厳密な屈折率実部に等しいわけではなく、厳密な屈折率実部と周期構造全体での平均的な屈折率実部との間の値をとると考えることができる。
【００２８】
また本発明のＸ線導波路は、Ｘ線の導波方向に垂直な面において、クラッドがコアを取り囲むように、クラッドとコアが配置されている。図２は、Ｘ線の導波方向であるｚ方向に垂直な面すなわち、図中ｘ−ｙ面に平行な面でのＸ線導波路の断面を表す例である。Ｘ線の導波方向に垂直な面においてクラッドがコアを取り囲むということは、コア２０１中の任意の一点である点Ａとコア２０１外の任意の一点である点Ｂを結ぶ線分ＡＢを基準として、線分ＡＢと角度ψをなす半直線をＡＣとした場合、０°から３６０°のすべてのψに対して、半直線ＡＣがクラッド２０２と交わることを意味する。このことにより、クラッドとコアの界面で全反射臨界角以下で反射するＸ線を全反射により、２次元方向においてコアに閉じ込めてＸ線を導波することが可能となる。
【００２９】
本発明におけるＸ線導波路のコアは、屈折率実部の異なる複数の物質が周期的に配置されたものである。このようなＸ線導波路において、コアとクラッドの界面における全反射によりコア内にＸ線の導波モードが形成される。Ｘ線の導波モードは、伝搬するＸ線へのコア中の周期構造の周期性の影響が小さい一様導波モードと、周期性の影響が大きい周期共鳴導波モードとに分けることができる。本明細書中において一様導波モードとは、Ｘ線に対してコアを構成する周期構造体が平均化されてあたかも一様な媒質として作用する場合の導波モードで、この場合Ｘ線に対するコアの屈折率はほぼコア全体にわたって平均化されたものとなる。一方、本明細書中において周期共鳴導波モードとは、Ｘ線の周期構造による多重回折の結果、Ｘ線が周期構造と強く共鳴する導波モードである。周期共鳴導波モードは、周期構造と共鳴するモードであり、周期構造が１次元のものであれば１次元の、２次元のものであれば最大で２次元の、３次元のものであれば最大で３次元のブラッグ回折に関係するものとなる。
【００３０】
本明細書中において、コアにおける電磁波の導波方向に垂直な面における周期構造の周期性を表す基本ベクトル、または複数の基本ベクトルの和または差で形成されるベクトルの少なくとも一つの方向を周期方向と称することとする。
【００３１】
本発明のＸ線導波路のコアとクラッドは、導波方向に垂直な少なくとも一つの周期方向における、周期構造の周期性に起因するブラッグ角が、クラッドとコアの少なくとも１つの界面における全反射臨界角よりも、小さくなるように構成されている。このことにより、ブラッグ回折に起因する周期構造と共鳴する導波モードをコアとクラッドの界面における全反射によりコアに閉じ込め、周期共鳴導波モードを形成することができる。図３は、本発明のＸ線導波路の一実施態様を示す概略図である。図３は、１次元の周期構造の場合の例を示す。Ｘ線の導波方向は図中ｚ方向であり、図３（ａ）は本例のＸ線導波路の鳥瞰図で、図３（ａ）のＡ−Ｂにおけるｙ−ｚ面に平行な断面を図３（ｂ）とする。コア３０１は屈折率実部が小さい物質からなる低屈折率実部層３０４と屈折率実部が大きい物質からなる高屈折率実部層３０５からなる要素構造３０３が周期ｄで周期的にｙ方向に複数積層された構造で、１次元周期構造となっている。ｘ、ｙ方向において、クラッド３０２がコア３０１を取り囲むように配置されている。周期方向は、コア中の電磁波の導波方向に垂直な面における周期構造の周期性が得られる方向である。周期方向は、導波路中で対象とする周期構造の周期性を表す基本ベクトルに平行な方向で、この例ではｙ方向とする。図３（ｂ）中、３０６はコアとクラッドの界面３０８においてこの界面３０８から測られた全反射臨界角θＣを示す。この全反射臨界角θＣよりも小さな角度で界面３０８に入射するコア中のＸ線は全反射され、ｙ方向において閉じ込められることになる。３０７はブラッグ角θＢを示す。このようにして閉じ込められたＸ線は、ｙ−ｚ面に平行な方向において導波モードを形成し、それぞれの導波モードの基本波はそれぞれ異なる有効伝搬角度
【００３２】
【数５】
【００３３】
をもつ。図１７に示すように、コア中での各導波モードの波数ベクトルのｚ成分、つまり伝搬定数をｋｚ、真空中での波数ベクトルをｋ０とした場合、有効伝搬角度を、
【００３４】
【数６】
【００３５】
と定義する。つまり、有効伝搬角度
【００３６】
【数７】
【００３７】
は、おおよそ導波モードの基本波の伝搬方向と導波方向のなす角度であると考えることができる。
【００３８】
そして、形成される各導波モードの基本波はコアとクラッドとの界面３０８においてほぼ有効伝搬角度
【００３９】
【数８】
【００４０】
で反射されるものと考えることができ、目的とする導波モードを形成するためには、その有効伝搬角度
【００４１】
【数９】
【００４２】
がθＣよりも小さくなくてはならないことがわかる。
【００４３】
本明細書中の基本波とは、導波モードを形成している電磁波を一般化して一つの平面波として考えた場合に、導波方向（ｚ方向）に対して、有効伝搬角度
【００４４】
【数１０】
【００４５】
で伝搬すると仮定される電磁波のことである。また、図１７中において、導波方向（ｚ方向）と垂直な方向における基本波の波数ベクトルを波数ベクトルの垂直成分ｋ⊥と称することとする。本発明のＸ線導波路において用いる導波モードは周期共鳴導波モードであり、この周期共鳴導波モードの有効伝搬角度は周期構造の周期性に起因するブラッグ角θＢに近い値となる。周期共鳴導波モードを形成するためには、Ｘ線の導波方向に垂直な少なくとも一つの周期方向における、周期構造の周期性に起因するブラッグ角θＢが、クラッドとコアの少なくとも１つの界面における全反射臨界角θＣよりも小さくなるように、クラッドとコアの構成は、
θＢ＜θＣ
という条件を満たさなくてはならない。ここで、コアをなす周期構造体のｙ方向における周期構造の周期をｄ、コアの平均屈折率実部をｎａｖｇとした場合、おおよそのブラッグ角θＢ（°）は次の式（３）のように定義される。
【００４６】
【数１１】
【００４７】
ｍは自然数、λはＸ線の波長である。ただし、実際のブラッグ角は、Ｘ線回折による測定などにより得ることが好ましい。
【００４８】
さらに、周期共鳴導波モードを形成するためには、要素構造をなす異なる屈折率実部をもつ物質界面においてＸ線が、全反射されてはならない。つまり、要素構造をなす異物質界面での全反射臨界角をθＣ−ｍｕｌｔｉとした場合、
θＣ−ｍｕｌｔｉ＜θＢ
でなくてはならない。
【００４９】
以上のように、本発明のＸ線導波路は、周期方向において、θＢ＜θＣとθＣ−ｍｕｌｔｉ＜θＢを満たすように、各物質が選択され、構成されているものである。このことにより、周期共鳴導波モードを形成してＸ線を導波することができる。導波方向に垂直な面における周期共鳴導波モードの電磁場強度分布は、周期構造中の低損失な物質領域により集中するので、周期共鳴導波モードの損失は非常に小さくなる。そして、周期共鳴導波モードの損失は、周期共鳴導波モードのもつ有効伝搬角度付近の有効伝搬角度をもつ一様導波モードの損失よりも小さくなる。そのため、一様導波モードを含む複数の導波モードが形成される導波路の構成条件においても、周期共鳴導波モードが導波モードとしてより支配的となる。周期構造の周期方向における周期数が多くなると、周期共鳴導波モードの損失が低下することになるが、現実的には２０以上が望ましい。従来、単一モードとなる導波モードは一様媒質をコアとした場合、コアの領域を非常に小さくしなくてはならなかった。しかし、本発明では周期構造を利用することによりコアの領域を大きくすることができるとともに、より損失の低い周期共鳴導波モードを周期方向における単一の導波モードとして形成することができる。
【００５０】
本明細書中で、モードにかかる「単一の」という表現の意味するところは、他のモードに比較して最も選択されやすいため、単一に近いとかほぼ単一、いくつかのモードの中で一つが支配的になるということである。
【００５１】
本発明のＸ線導波路における周期方向は、コアをなす周期構造の中で周期性をもつ方向全てに対して定義可能であるが、特に高い周期性をもつ方向とすることにより、周期共鳴導波モードへの周期性の効果をより大きくすることができる。例えば、図３の周期構造では、ｘｙ面内において、ｘ方向以外の方向において周期構造の周期性が得られるが、最も周期性の効果が大きくなる方向は、ｙ方向である。本明細書中では、周期性の効果が最も高い周期方向を、周期構造の周期性を定義する基本ベクトルの絶対値が最小である基本ベクトルにより定義される周期性をもつ方向とすることとする。
【００５２】
また本発明のＸ線導波路では、周期方向において、コアとクラッドの界面における全反射によりＸ線を閉じ込めて周期共鳴導波モードを形成するとともに、その他の方向においても全反射を用いてｘ線を閉じ込めることができる。そのために、構造周期性のない方向へのＸ線の放射を抑え、損失を大きく低減できる。図３に示す１次元周期構造をコアとしたＸ線導波路の構成では、ｘ方向に周期構造がない。そのため、ｘ方向においては複数の一様導波モードが存在することになるが、ｘ方向におけるコアの領域を小さくすることにより導波モードを単一のものにすることができる。実際に導波するＸ線の導波モードは、複数の閉じ込め方向において形成される導波モードが混合したものになる。しかし、すべての閉じ込め方向において得られる導波モードが単一のものであれば、２次元方向においてほぼ単一の導波モードを形成することができることになる。
【００５３】
図４は、図３と同様に構成されたＸ線導波路のコア領域の一部を表す図である。屈折率実部の小さい物質４０２と屈折率実部の大きい物質４０１よりなる要素構造４０３が、ｙ方向に周期的に積層された周期構造がコアとなっている。図４中、４０１の中心部分の斜線の領域が電場強度が大きい領域、４０１の周囲部分および４０２の領域が電場強度の小さい領域を示す。
【００５４】
周期共鳴導波モードの電場が屈折率実部の大きい物質４０１、つまりより低損失な物質中に強く集中することにより、周期共鳴導波モードの損失が小さくなることがわかる。図５は例として、周期構造体の周期数が２５の場合の図４の構成のＸ線導波路中に形成される導波モードの損失を、各導波モードのもつ有効伝搬角度に対してプロットしたグラフである。導波モードの損失は伝搬定数の虚部Ｉｍ［ｋｚ］に比例するので、縦軸をＩｍ［ｋｚ］としてある。５０２はブラッグ反射の角度帯域に相当し、５０３は導波モードのもつ有効伝搬角度帯域、５０４はクラッドとコアとの界面での全反射臨界角を超える放射モードの角度帯域に相当する。周期共鳴導波モードの損失５０１は他の導波モードの損失に比較して非常に小さくなる。周期共鳴導波モードの損失は、物質の種類や構造パラメータを変えることで、変化させることが可能である。また、周期方向において周期共鳴導波モードの電磁場分布の包絡関数は、三角関数的になり、周期構造の中心に極大をもつ分布の場合に、周期共鳴導波モードは最も安定なものになる。この場合、クラッドへのしみ出しが小さくなり、より損失が下がるものとなる。
【００５５】
また本発明のＸ線導波路は、そのコアを２次元の周期構造体により構成することにより、２次元の周期共鳴導波モードを形成することが可能である。この場合の２次元の周期構造とは、導波方向に垂直な面内において二つの基本ベクトルにより周期性を表現することができる構造のことである。例えば、図６に示すように、ｚ方向にのびる屈折率実部の大きい物質の領域６０１と屈折率実部の小さい物質の領域６０２がｘ−ｙ面内において２次元方向で周期構造をなしているコアをクラッド６０４が取り囲んでいる構成が挙げられる。Ｘ線の導波方向をｚ方向とした場合、導波方向に垂直なｘ−ｙ面において、コアが四角格子配列の２次元周期構造を有している。図中に記した二つの基本ベクトルａ１とａ２により周期構造の周期性が表現される。図６の周期構造の周期数はｘ、ｙ方向ともに２と非常に少ないものとなっているが、これは説明をわかりやすくするためのものである。２次元の周期構造は、基本となる一つの構造の面がａ１に平行な方向に、またもう一つの基本となる構造の面がａ２に平行な方向に、それぞれ周期｜ａ１｜と｜ａ２｜で繰り返される構造となっている。基本ベクトルａ１とａ２は、周期性を表現できる限り任意に選択することができる。つまり同じ周期構造でも選び方を変えたり、基本ベクトルの線形結合を用いて別の基本ベクトルを選ぶことも可能であり、選んだ基本ベクトルに対応した基本となる構造の面を定義することができる。基本ベクトルの絶対値が最小になるものが最も基本的な周期性を表現するものであり、そのような基本ベクトルに平行な方向において周期性の効果が大きくなり、これらの方向を周期方向として周期共鳴導波モードを定義できる。図６の例で基本ベクトルをａ１とａ２に選べば、基本となる構造の面はａ１とａ２に対してそれぞれ面６０７および６０８となり、ｘ方向、ｙ方向で周期的に繰り返されているものとなる。
【００５６】
コアが２次元の周期構造よりなる場合にも、本発明のＸ線導波路においては、ブラッグ角が、前記クラッドと前記コアの少なくとも１つの界面における全反射臨界角よりも小さくなるようにコアとクラッドを構成する。具体的には、Ｘ線の導波方向に垂直な少なくとも一つの周期方向における、前記周期構造の周期性に起因するブラッグ角が、前記クラッドと前記コアの少なくとも１つの界面における全反射臨界角よりも小さくなるようにコアとクラッドを構成する。図６に示す例の場合、導波方向に垂直なｘ−ｙ面において、一つの周期方向をｙ方向とする。そのｙ−ｚ面内でのコアとクラッドの界面６０５におけるＸ線の全反射臨界角θＣとｙ方向の周期性により得られるブラッグ角θＢの間で、θＢ＜θＣが満たされるようにクラッドとコアを構成するものである。
【００５７】
また、コアが２次元の周期構造である場合、基本的な周期性が二つの基本ベクトルで表わされる二つの周期方向で得られるため、それぞれの方向における周期性に起因する二つのブラッグ角を定義することができる。例えば、図６の構成のＸ線導波路の場合、二つの周期方向を基本ベクトルａ１とａ２に平行なｘ方向とｙ方向とする。基本ベクトルａ１とａ２に平行な二つの周期方向における周期構造の周期性に起因するブラッグ角θＢ１、θＢ２はそれぞれ、
【００５８】
【数１２】
【００５９】
【数１３】
【００６０】
と表される。ｎ１ａｖｇ、ｎ２ａｖｇはそれぞれ、コア中の、基本ベクトルａ１とａ２に平行な二つの周期方向における平均屈折率である。また、基本ベクトルａ１とａ２に平行な二つの周期方向におけるコアとクラッドとの界面６０６、６０５での全反射臨界角を、θ１Ｃ、θ２Ｃとする。それぞれの方向における周期共鳴導波モードを形成するためには、θＢ＜θＣと同様に、それぞれの方向において、
θ１Ｂ＜θ１Ｃ
θ２Ｂ＜θ２Ｃ
となるように、材料や構造パラメーターを決定することとなる。θ１Ｂ＜θ１Ｃ、θ２Ｂ＜θ２Ｃが満たされ、かつそれぞれの方向におけるコア中の物質界面での全反射臨界角がそれぞれのブラッグ角よりも小さくなるように構成することにより、二つの周期方向において周期共鳴導波モードを形成することができる。このような導波路中で得られる周期共鳴導波モードは、二つの基本ベクトルに平行な二つの周期方向における周期共鳴導波モードが干渉した２次元の周期共鳴導波モードとなる。
【００６１】
図７は図６のＸ線導波路のｚ方向に垂直な面におけるコア中の周期共鳴導波モードの電場強度分布を示す。図７において、６０１の中心部分の斜線の部分、６０１の斜線の部分の周囲部分および６０２の部分は、それぞれ、電場強度がより大きい部分、電場強度がより小さい部分を表す。２次元の周期構造をコアとするＸ線導波路中に形成される２次元の周期共鳴導波モードの電場強度分布は、２次元の分布となり、より吸収などの損失の小さい領域に電場が集中することにより、周期共鳴導波モードの伝搬損失が小さいことがわかる。１次元の周期共鳴導波モードと同様に、２次元の周期共鳴導波モードについても設計により他の導波モードよりも損失を小さくでき、２次元方向において制御された単一の導波モードを形成できることになる。２次元の周期共鳴導波モードの電場や磁場分布は、導波方向に垂直な２次元面内で規則的に制御されていて、電場や磁場の位相もコア内全体にわたって、規則的なものになる。
【００６２】
コアをなす２次元の周期構造の周期性を定義する基本格子は、四角格子に限らない。図６のような周期構造が四角格子の場合の例では、周期方向を二つの基本ベクトルに平行な二つの周期方向を考えたが、このような方向に限るものではなく、基本ベクトルの線形結合を用いたベクトルに平行な方向も周期方向として用いることができる。さらに、２次元面内での周期方向の数は、二つの方向に限るものではなく、周期構造の周期性によって三つ以上となる場合も存在する。例えば、図１８に三角格子状の２次元周期構造を点で表現した図を示す。基本ベクトルａ１とａ２に平行な二つの周期方向に加え、ａ１＋ａ２で表わされる３つ目のベクトルに平行な周期方向を考えることにより、三つの方向の垂直成分をもつＸ線が干渉して、２次元の周期共鳴導波モードを形成することになる。この場合の、周期共鳴導波モードの電磁場強度分布は三角格子状になり、より吸収損失が小さい部分へ電磁場が集中する分布となる。
【００６３】
さらに、コアをなす周期構造は１次元、２次元の周期構造に限らず、３次元の周期構造とすることによってもＸ線導波路を形成することができる。導波方向に垂直な面内での周期共鳴導波モードを形成するための考え方は１次元および２次元のものと同等である。３次元の周期構造の場合、導波方向にも周期性を有していることにより、導波するＸ線が周期構造と共鳴し、導波方向においてＸ線の位相がそろいやすくなる効果がある。
【００６４】
コアをなす１次元の周期構造としては、屈折率実部の大きい材料と屈折率実部の小さい材料を交互に積層した１次元周期多層膜や、それ以外の一つの周期方向を定義できる周期構造が挙げられる。つまり、一つの特定の一方向だけに着目すれば２次元、３次元の周期構造なども用いることができる。
【００６５】
１次元の周期多層膜としては、屈折率実部の大きい材料として、カーボン（Ｃ）、ボロンカーバイト（Ｂ４Ｃ）、ボロンナイトライド（ＢＮ）、ベリリウム（Ｂｅ）などが挙げられる。屈折率実部の小さい材料として、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、シリコンカーバイト（ＳｉＣ）、シリコンナイトライド（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化チタン（ＴｉＯ２）などが挙げられる。屈折率実部の大きい材料と屈折率実部の小さい材料を交互に積層したものや、自己集合プロセスにより作製される周期性メソ構造体材料が挙げられる。１次元周期性の周期性メソ構造体材料としては、ＳｉＯ２と有機物が薄膜の面に垂直な方向に周期的に配列したものや、面に垂直方向に周期性をもつ面内での配向性をもたない２次元のメソポーラス材料などが挙げられる。
【００６６】
また、２次元の周期構造としては、上記屈折率実部の小さい材料からなる薄膜を電子線リソグラフィー、エッチングなどの半導体プロセスにより面内で周期的なパターニングをしたものを周期的に積層したものが挙げられる。また、１軸配向性の２次元周期性メソ構造体材料などが挙げられる。
【００６７】
さらに、３次元の周期構造としては数ｎｍ（ナノメートル）から数１０ｎｍの直径の空洞を有する３次元周期性メソ構造体材料などが挙げられる。また、直径約５０ｎｍほどのポリスチレン球が自己組織的に六方細密充填構造で配列したいわゆる３次元周期構造の人工オパール構造などが挙げられる。
【００６８】
周期共鳴導波モードを形成するための周期構造の周期は、導波路を構成している複数の材料の屈折率の関係にもよるが、約９ｎｍ以上が望ましい。これより小さい場合は、周期共鳴導波モードの閉じ込めが弱くなるからである。
【００６９】
本発明において、コアがメソ構造体材料またはメソポーラス材料よりなることが好ましい。
【００７０】
以下、自己集合過程により作製される１次元のメソ構造体材料について説明する。１次元のメソ構造体材料をラメラ構造をもつメソ構造体膜と称することとする。
【００７１】
メソ構造体膜は、２から５０ｎｍの構造周期をもつ周期構造体である。ラメラ構造は、異なる二種類の物質より構成される層状構造であり、この二種類の物質は無機成分を主とする物質と、有機成分を主とする物質により構成される。この無機成分を主とする物質と有機成分を主とする物質は、必要に応じて結合されていてよい。結合されたものの具体例としては、アルキル基の結合したシロキサン化合物から調製されるメソ構造体を挙げることができる。
【００７２】
（無機成分を主とする物質）
この無機成分を主とする物質の材料は特に限定されるものではないが、無機酸化物が好ましく用いられる。この無機酸化物の例としては、酸化ケイ素、酸化スズ、酸化ジルコニア、酸化チタン、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化アルミニウム、酸化タングステン、酸化ハフニウム、酸化亜鉛を挙げることができる。壁部の表面は、必要に応じて修飾されていてよい。たとえば、水の吸着を抑制するために、疎水性の分子を修飾してもよい。
【００７３】
（有機成分を主とする物質）
この有機成分を主とする物質は特に制限されるものではない。が、有機成分の例としては、界面活性剤などの、分子集合体の形成機能を有する部位が、壁部を形成する材料または壁部を形成する材料の前駆体と結合している材料が好ましく用いられる。この界面活性剤の例としては、イオン性、非イオン性の界面活性剤を挙げることができる。このイオン性界面活性剤の例としては、トリメチルアルキルアンモニウムイオンのハロゲン化物塩を挙げることができる。このアルキル鎖の鎖長の例としては、炭素数で１０から２２が挙げられる。非イオン性の界面活性剤の例としては、ポリエチレングリコールを親水基として含むものを挙げることができる。ポリエチレングリコールを親水基として含む界面活性剤の具体例としては、ポリエチレングリコールアルキルエーテル、ポリエチレングリコール‐ポリプロピレングリコール‐ポリエチレングリコールのブロックコポリマーを挙げることができる。ポリエチレングリコールアルキルエーテルのこのアルキル鎖の鎖長の例としては、炭素数で１０から２２、ポリエチレングリコールの繰返し数の例としては、２から５００を挙げることができる。この疎水基、親水基を変化させることにより構造周期を変化させることが可能である。一般的に疎水基、親水基を大きなものとすることにより構造周期を拡大することが可能である。この有機成分を主とする物質としては、必要に応じて、または、使用する材料、工程の結果として水、有機溶媒、塩等が含まれていてよい。この有機溶媒の例としては、アルコール、エーテル、炭化水素などが挙げられる。
【００７４】
メソ構造体膜の調製法は、特に制限されるものではないが、たとえば、分子集合体を形成しうる両親媒性物質（特に界面活性剤）の溶液に、無機酸化物の前駆体を加え、成膜を行い、無機酸化物の生成反応を進行させることによって調製される。
【００７５】
また、界面活性剤に加えて、構造周期を調整するための添加物を加えてもよい。この構造周期を調整するための添加物としては、疎水性物質が挙げられる。この疎水性物質の例としては、アルカン類、親水性基を含まない芳香族化合物が挙げられ、その具体的な例としては、オクタンが挙げられる。
【００７６】
無機酸化物の前駆体の例としては、ケイ素や金属元素のアルコキサイド、塩化物が挙げられる。さらに具体的な例としては、Ｓｉ，Ｓｎ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｔａ，Ａｌ，Ｗ，Ｈｆ，Ｚｎのアルコキサイド、塩化物が挙げられる。アルコキサイドの例としては、メトキサイド、エトキサイド、プロポキサイド、または、その一部がアルキル基に置換されたものが挙げられる。
【００７７】
製膜法の例としては、ディップコート法、スピンコート法、水熱合成法が挙げられる。
【００７８】
次に、２次元または３次元的な構造周期をもつ周期性メソ構造体材料について説明する。多孔質材料は、ＩＵＰＡＣ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｕｎｉｏｎ ｏｆ Ｐｕｒｅ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ）によって、その孔径により分類されており、孔径が２から５０ｎｍの多孔質材料は、メソポーラスに分類される。近年、このメソポーラス材料についての研究が盛んに行われ、界面活性剤の集合体を鋳型とすることで、径の揃ったメソ孔が規則的に配列した構造を得ることが可能になっている。
【００７９】
ここで、本発明に適用可能な２次元または３次元的な構造周期をもつ周期性メソ構造体材料は上記のようなメソ構造体膜であり、２次元、３次元的な構造周期を持つ以下のものを意味する。
（Ａ）メソポーラス膜
（Ｂ）メソポーラス膜の孔が主に有機化合物で充填されたもの
【００８０】
以下に詳細な説明を行う。
【００８１】
（Ａ）メソポーラス膜について
孔径が２から５０ｎｍの多孔質材料で、壁部の材料は特に限定されるものではないが、その例としては、製造可能性から、無機酸化物が挙げられる。この無機酸化物の例としては、酸化ケイ素、酸化スズ、酸化ジルコニア、酸化チタン、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化アルミニウム、酸化タングステン、酸化ハフニウム、酸化亜鉛を挙げることができる。壁部の表面は、必要に応じて修飾されていてよい。たとえば、水の吸着を抑制するために、疎水性の分子を修飾してもよい。
【００８２】
メソポーラス膜の調製法は、特に制限されるものではないが、たとえば、以下の方法で調製することができる。集合体が鋳型として機能する両親媒性物質の溶液に、無機酸化物の前駆体を加え、成膜を行い、無機酸化物の生成反応を進行させる。その後に、鋳型分子を除去することにより、多孔質材料とする。
【００８３】
この両親媒性物質は、特に限定されるものではないが、界面活性剤が適している。界面活性剤分子の例としては、イオン性、非イオン性の界面活性剤を挙げることができる。このイオン性界面活性剤の例としては、トリメチルアルキルアンモニウムイオンのハロゲン化物塩を挙げることができる。このアルキル鎖の鎖長の例としては、炭素数で１０から２２が挙げられる。非イオン性の界面活性剤の例としては、ポリエチレングリコールを親水基として含むものを挙げることができる。ポリエチレングリコールを親水基として含む界面活性剤の具体例としては、ポリエチレングリコールアルキルエーテル、ポリエチレングリコール‐ポリプロピレングリコール‐ポリエチレングリコールのブロックコポリマーを挙げることができる。ポリエチレングリコールアルキルエーテルのこのアルキル鎖の鎖長の例としては、炭素数で１０から２２、ポリエチレングリコールの繰返し数の例としては、２から５００を挙げることができる。この疎水基、親水基を変化させることにより構造周期を変化させることが可能である。一般的に疎水基、親水基を大きなものとすることにより孔径を拡大することが可能である。また、界面活性剤に加えて、構造周期を調整するための添加物を加えてもよい。この構造周期を調整するための添加物としては、疎水性物質が挙げられる。この疎水性物質の例としては、アルカン類、親水性基を含まない芳香族化合物が挙げられ、その具体的な例としては、オクタンが挙げられる。
【００８４】
無機酸化物の前駆体の例としては、ケイ素や金属元素のアルコキサイド、塩化物が挙げられる。さらに具体的な例としては、Ｓｉ，Ｓｎ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｔａ，Ａｌ，Ｗ，Ｈｆ，Ｚｎのアルコキサイド、塩化物が挙げられる。アルコキサイドの例としては、メトキサイド、エトキサイド、プロポキサイド、または、その一部がアルキル基に置換されたものが挙げられる。
【００８５】
製膜法の例としては、ディップコート法、スピンコート法、水熱合成法が挙げられる。
【００８６】
鋳型分子の除去方法の例としては、焼成、抽出、紫外線照射、オゾン処理が挙げられる。
【００８７】
一軸方向に複数の孔がのび、この方向に垂直な面内で２次元的に周期配列された構造となる場合、このメソ構造体膜は２次元の構造周期をもつ２次元の周期性メソ構造体材料となり、孔がメソスケールの直径をもつ空洞で、それらが３次元的に周期配列された構造となる場合、このメソ構造体膜は３次元の構造周期をもつ３次元の周期性メソ構造体材料となる。
【００８８】
（Ｂ）メソポーラス膜の孔が主に有機化合物で充填されたものについて
壁部の材料については、（Ａ）の項に記載したものと同様のものを使用することができる。孔を充填する物質については、有機化合物を主とするものであれば特に制限されるものではない。この「主」の意味としては、体積比で５０％以上を意味する。この有機化合物の例としては、界面活性剤や、分子集合体の形成機能を有する部位が、壁部を形成する材料または壁部を形成する材料の前駆体と結合している材料が挙げられる。この界面活性剤の例としては、（Ａ）の項で記載した界面活性剤を挙げることができる。また分子集合体の形成機能を有する部位が壁部を形成する材料、または、壁部を形成する材料の前駆体と結合している材料の例としては、アルキル基を有するアルコキシシラン、アルキル基を有するオリゴシロキサン化合物を挙げることができる。このアルキル鎖の鎖長の例としては、炭素数で１０から２２が挙げられる。
【００８９】
孔内の有機化合物には、必要に応じて、または、使用する材料、工程の結果として水、有機溶媒、塩等が含まれていてよい。この有機溶媒の例としては、アルコール、エーテル、炭化水素などが挙げられる。
【００９０】
メソポーラス膜の孔が主に有機化合物で充填されたものの調製法は、特に制限されるものではないが、たとえば、（Ａ）の項に記載したメソポーラス膜の調製法の鋳型の除去以前の工程を挙げることができる。
【００９１】
（Ａ）と同様に、一軸方向に有機化合物で充填された複数の孔がのび、この方向に垂直な面内で孔が２次元的に周期配列された構造となる場合、このメソ構造体膜は２次元の構造周期をもつ２次元の周期性メソ構造体材料となる。有機化合物で充填された複数の孔がメソスケールの直径をもつ空洞で、それらが３次元的に周期配列された構造となる場合、このメソ構造体膜は３次元の構造周期をもつ３次元の周期性メソ構造体材料となる。
【００９２】
周期共鳴導波モードを形成する条件であるθＢ＜θＣ、θＣ−ｍｕｌｔｉ＜θＢを満たす必要がある。そのために、クラッドをなす物質の屈折率実部が、コアをなす複数の物質のすべての物質の屈折率実部よりも小さくなるように、コアをなす物質に対してクラッドをなす物質を選択する。このようにして選ぶ限り多くの物質をクラッドをなす物質として選択することが可能である。コアをなす物質によるが、クラッドをなす物質としては電子密度の高い物質を選択する。例えば、金（Ａｕ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）に代表される金属材料のなど数多くの種類の物質をクラッドとして用いることが可能である。
【実施例】
【００９３】
（実施例１）
本発明の実施例１におけるＸ線導波路の構成図を図８に示す。本実施例においてＸ線の導波方向は図中のｚ方向であり、導波路の各部位はｚ方向において連続的である。本実施例のＸ線導波路は、導波方向に垂直な面内で、Ｓｉ基板８０１上の厚さ３０ｎｍのタングステン（Ｗ）８０２と、厚さ１０ｎｍのタングステン（Ｗ）８０３が、コア８０６を取り囲む構成からなる。コア８０６は、厚さ約１４ｎｍのカーボン（Ｃ）８０４と、厚さ約４ｎｍの酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）８０５がＳｉ基板８０１表面に垂直な方向（図中ｙ方向）に交互に積層された１次元周期構造をなす１次元周期多層膜からなる。１次元周期多層膜は、ｘ方向において有限な幅をもち、その値は約１マイクロメートルである。多層膜の周期数は３０である。
【００９４】
また、コア８０６のパターニング方法としては、電子線リソグラフィーとドライエッチングプロセスを用いている。Ｓｉ基板８０１直上のタングステン（Ｗ）８０２以外のタングステン（Ｗ）８０３は、コアのパターニング工程の後、スパッタにより形成されたものである。コアを取り囲むタングステン（Ｗ）８０２とタングステン（Ｗ）８０３の部分がＸ線導波路のクラッドとして機能する。
【００９５】
本実施例のＸ線導波路のコアである１次元周期構造では、周期性の効果を用いる周期方向としてｙ方向を用いる。例えば光子エネルギー１７．５キロエレクトロンボルトのＸ線に対し、ｙ方向において、クラッドとコアの界面での全反射臨界角θＣは約０．２５°で、周期多層膜の周期性に起因するブラッグ角θＢは０．２２°なので、θＢ＜θＣを満たす。つまり、ｙｚ面内では一次元周期多層膜の周期性に起因する周期共鳴導波モードが支配的になり、損失の小さい単一のＸ線の導波モードを実現することが可能になる。ｘ方向において導波路のコア８０６の幅が大きいことにより、ｚｘ面内での導波モードは複数の一様導波モードが許される。そのために、全体としてＸ線の伝搬に寄与する導波モードはｙｚ面内での周期共鳴導波モードとｚｘ面内での複数の一様導波モードが混合したものとなる。また、ｙ方向だけではなくｘ方向においてもクラッドとコアの界面における全反射でＸ線を閉じ込めているので、ｘ方向でのＸ線の放射損失を大幅に低減できるものとなる。
【００９６】
（実施例２）
本発明の実施例２におけるＸ線導波路を表す図を図９に示す。本実施例においてＸ線の導波方向は図中のｚ方向であり、導波路の各部位はｚ方向において連続的である。本実施例のＸ線導波路は、実施例１のＸ線導波路のコアを１次元の周期性（ラメラ）メソ構造体材料の膜に置き換えたものである。導波方向に垂直な面内で、Ｓｉ基板９０１上の厚さ３０ｎｍのタングステン（Ｗ）９０２と、厚さ１０ｎｍのタングステン（Ｗ）９０３が、コア９０６を取り囲む構成からなる。コア９０６は、１次元の周期性（ラメラ）メソ構造体材料の膜であり、厚さ約８ｎｍの有機物層９０４と厚さ約２ｎｍのシリカ（ＳｉＯ２）９０５がＳｉ基板９０１表面に垂直な方向（図中ｙ方向）に交互に配列した１次元周期構造をなす。１次元周期構造は、ｘ方向において有限な幅をもつ。周期構造のの周期数は５０である。
【００９７】
また、コア９０６のパターニング方法として、電子線リソグラフィーとドライエッチングプロセスを用いている。Ｓｉ基板９０１直上のタングステン（Ｗ）９０２以外のタングステン（Ｗ）９０３は、コアのパターニング工程の後、スパッタにより形成される。コアを取り囲むタングステン（Ｗ）９０２とタングステン（Ｗ）９０３の部分がＸ線導波路のクラッドとして機能する。
【００９８】
本実施例のＸ線導波路のコアである１次元周期構造では、周期性の効果を用いる周期方向としてｙ方向を用いる。例えば光子エネルギー８キロエレクトロンボルトのＸ線に対し、ｙ方向において、クラッドとコアの界面での全反射臨界角θＣは約０．５４°で、周期多層膜の周期性に起因するブラッグ角θＢは０．４９°なので、θＢ＜θＣを満たす。つまり、ｙｚ面内では一次元周期多層膜の周期性に起因する周期共鳴導波モードが支配的になり、損失の小さい単一のＸ線の導波モードを実現することが可能になる。ｘ方向において導波路のコア９０６の幅が大きいことにより、ｚｘ面内での導波モードは複数の一様導波モードが許される。そのために、全体としてＸ線の伝搬に寄与する導波モードはｙｚ面内での周期共鳴導波モードとｚｘ面内での複数の一様導波モードが混ざったものとなる。ｙ方向だけではなくｘ方向においてもクラッドとコアの界面における全反射でＸ線を閉じ込めているので、ｘ方向でのＸ線の放射損失を大幅に低減できるものとなる。
【００９９】
（実施例３）
本発明の実施例３におけるＸ線導波路を表す図を図１０に示す。本実施例においてＸ線の導波方向は図中のｚ方向であり、導波路の各部位はｚ方向において連続的である。導波方向に垂直な面内で、Ｓｉ基板１００１上の厚さ２０ｎｍのタンタル（Ｔａ）１００２と、厚さ８ｎｍのタンタル（Ｔａ）１００３が、コア１００６を取り囲む構成からなる。コア１００６は、２次元の周期性メソ構造体材料の膜であり、シリカ１００５中において、導波方向（ｚ方向）にのびる半径約４ｎｍの空孔１００４が導波方向に垂直な方向（ｘｙ面に平行な方向）で三角格子状の２次元周期構造を形成している。その格子定数は約１１．６ｎｍである。
【０１００】
コア１００６は、フォトリソグラフィーとドライエッチングプロセスを用いてパターニングされており、ｘ方向において約５マイクロメートルの有限な幅をもつ。Ｓｉ基板１００１直上のタンタル（Ｔａ）１００２以外のタンタル（Ｔａ）１００３は、コアのパターニング工程の後、スパッタにより形成されたものである。コアを取り囲むタンタル（Ｔａ）１００２とタンタル（Ｔａ）１００３の部分がＸ線導波路のクラッドとして機能する。コアの周期構造が２次元的であるので、周期方向としては、三角格子状の周期性について表した図１８における二つの基本ベクトルの線形結合で表わされるａ１とａ２、ａ１＋ａ２に平行な方向とする。この周期構造の対称性は前述の３つの方向において最も高くなり、周期共鳴導波モードの電場が、周期構造の損失の低い空孔部分へ集中した２次元周期的な分布となる。格子定数は、約１７ｎｍである。２次元の周期性に起因する周期共鳴導波モードが支配的になり、損失の小さい単一のＸ線の導波モードを実現することができる。またｘ方向におけるコアの幅が約５マイクロメートルと非常に広いことにより、導波されるＸ線のパワーがより大きくなる。
【０１０１】
本実施例のＸ線導波路は、光子エネルギー８キロエレクトロンボルトのＸ線に対し、ｙ方向において、クラッドとコアの界面での全反射臨界角θＣは約０．５２°で、周期多層膜の周期性に起因するブラッグ角θＢは約０．４７°であり、θＢ＜θＣを満たす。
【０１０２】
（実施例４）
本発明の実施例４におけるＸ線導波路を表す図を図１１に示す。本実施例においてＸ線の導波方向は図中のｚ方向であり、導波路の各部位はｚ方向において連続的である。導波方向に垂直な面内で、Ｓｉ基板１１０１上の厚さ４０ｎｍの金（Ａｕ）１１０２と、厚さ１０ｎｍの金（Ａｕ）１１０３が、コア１１０３を取り囲む構成となっている。コア１１０６は、３次元の周期性メソ構造体材料の膜であり、酸化スズ（ＳｎＯ２）１１０５中で、有機物が充填された直径約１０ｎｍの球状のボイド１１０４が六方最密充填構造を形成している。その格子定数は約１１．６ｎｍである。
【０１０３】
コア１１０６は、フォトリソグラフィーとドライエッチングプロセスを用いてパターニングされており、ｘ方向において約５マイクロメートルの有限な幅をもつ。Ｓｉ基板１１０１直上の金（Ａｕ）１１０２以外の金（Ａｕ）１１０３は、コアのパターニング工程の後、スパッタにより形成されたものである。コアを取り囲む金（Ａｕ）１１０２と金（Ａｕ）１１０３の部分がＸ線導波路のクラッドとして機能する。コアの周期構造が３次元的であるので、ｘ−ｙ面に平行な二つの周期方向として周期性の効果が得られるｘ方向とｙ方向を選び、それぞれの方向の周期性に起因する二つの周期共鳴導波モードを利用することができる。
【０１０４】
本実施例のＸ線導波路のｙ方向における周期性のもつ周期は、約１５ｎｍで、ｘ方向における周期性のもつ周期は、約８．７ｎｍである。ｙ−ｚ面内ではｙ方向の周期性に起因する周期共鳴導波モードが支配的になり、損失の小さい単一のＸ線の導波モードを実現することができる。ｘ方向においてもｘ方向の周期性に起因する周期共鳴導波モードが支配的になり、損失の小さい単一のＸ線の導波モードを実現することができる。ｘ方向におけるコアの幅が約５マイクロメートルと非常に広いことにより、導波されるＸ線のパワーがより大きくなる。さらに、コアが３次元の周期構造であり、ｚ方向においても周期性を有する。そのことにより、ｘ−ｙ面内の周期性に共鳴した周期共鳴導波モードはｚ方向の周期性の影響を受けることにより、導波方向においても導波モードの位相をそろいやすくすることができる。
【０１０５】
本実施例のＸ線導波路は、光子エネルギー１０キロエレクトロンボルトのＸ線に対し、ｙ方向において、クラッドとコアの界面での全反射臨界角θＣは約０．４２°で、周期多層膜の周期性に起因するブラッグ角θＢは０．３１であり、θＢ＜θＣを満たす。
【０１０６】
（実施例５）
本発明の実施例５におけるＸ線導波路を表す図を図１２に示す。本実施例においてＸ線の導波方向は図中のｚ方向であり、導波路の各部位はｚ方向において連続的である。導波方向に垂直な面内で、パターニングされたＳｉ基板１２０１上の厚さ１０ｎｍのタングステン（Ｗ）１２０６と、厚さ１０ｎｍのタングステン（Ｗ）１２０２が、コア１２０３を取り囲む構成からなる。コア１２０３は、２次元の周期性メソ構造体材料の膜であり、シリカ１２０５中において、導波方向（ｚ方向）にのびる半径約４ｎｍの空孔１２０４が導波方向に垂直な方向（ｘｙ面に平行な方向）で三角格子状の２次元周期構造を形成している。その格子定数は約１７ｎｍである。Ｓｉ基板１２０１表面の結晶面は（１１０）であり、フォトリソグラフィーとＫＯＨを用いた異方性エッチングプロセスを用いてパターニングされている。ｘ方向において約５マイクロメートルの有限な幅をもつ。
【０１０７】
パターニングされたＳｉ基板１２０１にスパッタによりタングステン１２０２を成膜したのち、ゾルゲルプロセスを用いてメソポーラスシリカをコア１２０６として形成、焼成することにより空孔内部の有機物を除去する。再度スパッタによりタングステン１２０２を成膜することにより、本実施例のＸ線導波路を形成することができる。コアを取り囲むタングステン（Ｗ）１２０６とタングステン（Ｗ）１２０２の部分がＸ線導波路のクラッドとして機能する。コアの周期構造が２次元的であるので、周期方向としては、三角格子状の周期性について表した図１８における二つの基本ベクトルの線形結合で表わされるａ１とａ２、ａ１＋ａ２に平行な方向とする。
【０１０８】
この周期構造の対称性は前述の３つの方向において最も高くなり、周期共鳴導波モードの電場が、周期構造の損失の低い空孔部分へ集中した２次元周期的な分布となる。格子定数は、約１７ｎｍである。２次元の周期性に起因する周期共鳴導波モードが支配的になり、損失の小さい単一のＸ線の導波モードを実現することができる。ｘ方向におけるコアの幅が約５マイクロメートルと非常に広いことにより、導波されるＸ線のパワーが非常に大きいものとなる。
【０１０９】
本実施例のＸ線導波路は、光子エネルギー８キロエレクトロンボルトのＸ線に対し、ｘ方向において、クラッドとコアの界面での全反射臨界角θＣは約５２°で、周期多層膜の周期性に起因するブラッグ角θＢは０．３°であり、θＢ＜θＣを満たす。
【０１１０】
（実施例６）
本発明の実施例６におけるＸ線導波路を表す図を図１３に示す。本実施例においてＸ線の導波方向は図中のｚ方向であり、導波路の各部位はｚ方向において連続的である。導波方向に垂直な面内で、パターニングされたＳｉ基板１３０１上の厚さ１０ｎｍのタングステン（Ｗ）１３０２と、厚さ１０ｎｍのタングステン（Ｗ）１３０６が、コア１３０３を取り囲む構成からなる。コア１３０３は、２次元の周期性メソ構造体材料の膜であり、シリカ１３０５中において、導波方向（ｚ方向）にのびる半径約４ｎｍの空孔１３０４が導波方向に垂直な方向（ｘｙ面に平行な方向）で三角格子状の２次元周期構造を形成している。その格子定数は約１１．６ｎｍである。
【０１１１】
Ｓｉ基板１３０１表面の結晶面は（１００）であり、フォトリソグラフィーとＫＯＨを用いた異方性エッチングプロセスを用いてパターニングされている。ｘ方向において約７マイクロメートル、深さ方向において約５マイクロメートルの有限な幅をもつ三角形の断面形状を有する。パターニングされたＳｉ基板１３０１にスパッタによりタングステン１３０２を成膜したのち、ゾルゲルプロセスを用いてメソポーラスシリカをコア１３０３として形成、焼成することにより空孔内部の有機物を除去する。再度スパッタによりタングステン１３０６を成膜することにより、本実施例のＸ線導波路を形成することができる。コアを取り囲むタングステン（Ｗ）１３０６とタングステン（Ｗ）１３０２の部分がＸ線導波路のクラッドとして機能する。ｘｙ面内方向において、コアの周期構造が２次元的であり、かつ三角格子的であることと、クラッドとコアの界面の方向がほぼ等価な三つの方向を有する。そのことにより、周期方向としては、三角格子状の周期性について表した図１８における二つの基本ベクトルの線形結合で表わされるａ１とａ２、ａ１＋ａ２に平行な方向とする。
【０１１２】
この周期構造の対称性は前述の３つの方向において最も高くなり、周期共鳴導波モードの電場が、周期構造の損失の低い空孔部分へ集中した２次元周期的な分布となる。格子定数は、約１７ｎｍである。２次元の周期性に起因する周期共鳴導波モードが支配的になり、損失の小さい単一のＸ線の導波モードを実現することができる。周期構造のｘｙ面内方向における三つの基本ベクトルがクラッドとコアの界面の持つ３つの方向とずれた場合でも、クラッドとコアの界面で全反射されたＸ線が三つの周期方向において周期構造と共鳴する。その共鳴により、三つの方向の周期共鳴導波モードを形成することができる。このようにして形成される周期共鳴導波モードのｘｙ面内における電磁場強度分布は、三つのほぼ等価な基本ベクトルが形成している周期構造に一致する分布を示す。本実施例の場合には、損失が少ない空孔中に電磁場が集中するため、より損失の小さい周期共鳴導波モードにより、損失の小さいＸ線の導波が可能となる。
【０１１３】
本実施例のＸ線導波路は、光子エネルギー８キロエレクトロンボルトのＸ線に対し、ａ１とａ２、ａ１＋ａ２に平行な方向において、クラッドとコアの界面での全反射臨界角θＣは約０．５２°で、周期多層膜の周期性に起因するブラッグ角θＢは０．４２°であり、θＢ＜θＣを満たす。
【０１１４】
（実施例７）
本発明の実施例７におけるＸ線導波路を表す図を図１４に示す。本実施例においてＸ線の導波方向は図中のｚ方向であり、導波路の各部位はｚ方向において連続的である。本実施例のＸ線導波路は、実施例６のＸ線導波路の最表面のタングステン（Ｗ）１３０６を成膜していないものを二つ用意し、それぞれの最表面が対向するように、コアの部分が接するようにはり合わせたものである。コア１４０３領域は、ひし形形状となっている。ｘｙ面内方向において、クラッドとコアが対向する界面が二つ存在することにより、これら二つの界面に垂直な方向における周期共鳴導波モードを形成することができる。
【０１１５】
周期構造が２次元の三角格子状のものであるので、例えば図１８にあるように、ベクトルａ２と、ベクトルａ１に平行な方向が二つの周期方向となり、それぞれの方向において周期共鳴導波モードが形成され、支配的な導波モードとなる。そのことから、二つの基本ベクトルに平行な方向で二つの周期共鳴導波モードを形成することが可能となる。それらの干渉の結果得られる導波モードは、三角格子状の周期共鳴導波モードに共鳴したもので、その電磁場強度分布は損失の少ない空孔部分に場が集中するものとなる。コアは空孔を備えたメソポーラスシリカであり、その格子定数は約１４ｎｍである。
【０１１６】
本実施例のＸ線導波路は、光子エネルギー８キロエレクトロンボルトのＸ線に対し、二つの周期方向において、クラッドとコアの界面での全反射臨界角θＣは約０．５２°で、周期多層膜の周期性に起因するブラッグ角θＢは０．３６°であり、θＢ＜θＣを満たす。
【０１１７】
（実施例８）
本発明の実施例８におけるＸ線導波路を表す図を図１５に示す。本実施例においてＸ線の導波方向は図中のｚ方向であり、導波路の各部位はｚ方向において連続的である。導波方向に垂直な面内で、パターニングされたＳｉ基板１５０１上の厚さ２０ｎｍのタングステン（Ｗ）１５０６と、厚さ２０ｎｍのタングステン（Ｗ）１５０２が、コア１５０３を取り囲む構成となっている。コア１５０３は、２次元の周期性メソ構造体材料の膜であり、シリカ１５０５中において、導波方向（ｚ方向）にのびる半径約４ｎｍの空孔１４０４が導波方向に垂直な方向（ｘｙ面に平行な方向）で三角格子状の２次元周期構造を形成している。その格子定数は約１１．６ｎｍである。Ｓｉ基板１５０１表面の結晶面は（１００）である。市販のダイサー（ダイシング装置）により、Ｓｉ基板１４０１に平行かつ（１１０）面に平行な方向にのびる幅１０マイクロメートル、深さ１００マイクロメートルの溝を形成する。その後、ＫＯＨを用いた異方性エッチングプロセスを用いてパターニングされ、ｘｙ面内方向において基板表面側に開口部をもつひし形形状となっている。
【０１１８】
パターニングされたＳｉ基板１５０１にスパッタによりタングステン１５０６を成膜したのち、ゾルゲルプロセスを用いてメソポーラスシリカをコア１５０３として形成、焼成することにより空孔内部の有機物を除去する。再度スパッタによりタングステン１５０２を成膜することにより、本実施例のＸ線導波路を形成する。コアを取り囲むタングステン（Ｗ）１５０６とタングステン（Ｗ）１５０２の部分がＸ線導波路のクラッドとして機能する。ｘｙ面内方向において、コアの周期構造が２次元的でありかつ三角格子状であることと、互いに対向するクラッドとコアの界面が二組存在することにより、実施例７と同様の支配的な周期共鳴導波モードを形成するものである。周期方向は、実施例７と同じ二つのものが存在する。
【０１１９】
本実施例のＸ線導波路は、光子エネルギー８キロエレクトロンボルトのＸ線に対し、周期方向において、クラッドとコアの界面での全反射臨界角θＣは約０．５２°で、周期多層膜の周期性に起因するブラッグ角θＢは０．４２°であり、θＢ＜θＣを満たす。
【０１２０】
（実施例９）
本発明の実施例９におけるＸ線導波路を表す図を図１６に示す。本実施例においてＸ線の導波方向は図中のｚ方向であり、導波路の各部位はｚ方向において連続的である。導波方向に垂直な面内で、パターニングされたＳｉ基板１６０１上の厚さ２０ｎｍのタングステン（Ｗ）１６０６と、厚さ１０ｎｍのタングステン（Ｗ）１６０２が、コア１６０３を取り囲む構成からなる。コア１６０３は、２次元の周期性メソ構造体材料の膜である。シリカ１６０５中において、導波方向（ｚ方向）にのびる半径約４ｎｍの空孔１６０４が導波方向に垂直な方向（ｘｙ面に平行な方向）で三角格子上の２次元周期構造を形成している。その格子定数は約１１．６ｎｍである。
【０１２１】
Ｓｉ基板１６０１表面の結晶面は（１００）である。市販のダイサー（ダイシング装置）により、Ｓｉ基板１６０１に平行かつ（１１０）面に平行な方向にのびる幅１０マイクロメートル、深さ１００マイクロメートルの溝を、３０マイクロメートルの間隔で２本平行に形成する。その後、ＫＯＨを用いた異方性エッチングプロセスを用いてパターニングされており、ｘｙ面内方向において基板表面側に開口部をもつ六角形形状となっている。パターニングされたＳｉ基板１６０１にスパッタによりタングステン１６０６を成膜したのち、ゾルゲルプロセスを用いてメソポーラスシリカをコア１６０３として形成、焼成することにより空孔内部の有機物を除去する。再度スパッタによりタングステン１６０２を成膜することにより、本実施例のＸ線導波路を形成する。
【０１２２】
タングステン（Ｗ）１６０６とタングステン（Ｗ）１６０２のコアを取り囲む部分がＸ線導波路のクラッドとして機能する。ｘ−ｙ面内方向において、コアの周期構造が２次元的であり、かつ三角格子状であることと、互いに対向するクラッドとコアの界面が三組存在する。このことにより、周期構造の基本ベクトルのうちこれら三組の界面に垂直な三つの方向に近い三つの方向を、三つの周期方向とすることができる。これら三つの周期共鳴導波モードの干渉の結果得られる導波モードは、三角格子状の周期共鳴導波モードに共鳴したもので、その電磁場強度分布は損失の少ない空孔部分に場が集中するものとなり、低損失なＸ線の導波が可能である。
【０１２３】
本実施例のＸ線導波路は、光子エネルギー８キロエレクトロンボルトのＸ線に対し、三つの周期方向において、クラッドとコアの界面での全反射臨界角θＣは約０．５２°で、周期多層膜の周期性に起因するブラッグ角θＢは０．４２であり、θＢ＜θＣを満たす。
【産業上の利用可能性】
【０１２４】
本発明のＸ線導波路は、Ｘ線分析技術、Ｘ線撮像技術、Ｘ線露光技術などにおけるＸ線光学系などに用いられるＸ線光学部品などに利用することができる。
【符号の説明】
【０１２５】
１０１ クラッドとコアの界面
１０２ 界面に垂直な面
１０３ 界面となす角度
１０４ Ｘ線
２０１ コア
２０２ クラッド
３０１ コア
３０２ クラッド
３０３ 要素構造
３０４ 低屈折率実部層
３０５ 高屈折率実部層
３０６ 全反射臨界角
３０７ ブラッグ角
３０８ コアとクラッドの界面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ線を導波させるためのクラッドとコアからなるＸ線導波路であって、前記コアが屈折率実部の異なる複数の物質が周期的に配列された周期構造をもつ材料からなり、前記クラッドと前記コアが、電磁波の導波方向に垂直な面において、前記クラッドが前記コアを取り囲むように配置されており、かつ、前記コアにおける電磁波の導波方向に垂直な面における周期構造の周期性を表す基本ベクトル、または複数の基本ベクトルの和または差で形成されるベクトルの少なくとも一つの周期方向における、前記周期構造の周期性に起因するブラッグ角が、前記クラッドと前記コアの少なくとも１つの界面における全反射臨界角よりも小さくなるように、前記コアと前記クラッドが構成されていることを特徴とするＸ線導波路。
【請求項２】
前記コアがメソ構造体材料よりなることを特徴とする請求項１に記載のＸ線導波路。
【請求項３】
前記コアがメソポーラス材料よりなることを特徴とする請求項１に記載のＸ線導波路。
【請求項１】
Ｘ線を導波させるためのクラッドとコアからなるＸ線導波路であって、前記コアが屈折率実部の異なる複数の物質が周期的に配列された周期構造をもつ材料からなり、前記クラッドと前記コアが、電磁波の導波方向に垂直な面において、前記クラッドが前記コアを取り囲むように配置されており、かつ、前記コアにおける電磁波の導波方向に垂直な面における周期構造の周期性を表す基本ベクトル、または複数の基本ベクトルの和または差で形成されるベクトルの少なくとも一つの周期方向における、前記周期構造の周期性に起因するブラッグ角が、前記クラッドと前記コアの少なくとも１つの界面における全反射臨界角よりも小さくなるように、前記コアと前記クラッドが構成されていることを特徴とするＸ線導波路。
【請求項２】
前記コアがメソ構造体材料よりなることを特徴とする請求項１に記載のＸ線導波路。
【請求項３】
前記コアがメソポーラス材料よりなることを特徴とする請求項１に記載のＸ線導波路。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２０１２−２２６０８１（Ｐ２０１２−２２６０８１Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１５日（２０１２．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−９３０６８（Ｐ２０１１−９３０６８）
【出願日】平成２３年４月１９日（２０１１．４．１９）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１５日（２０１２．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月１９日（２０１１．４．１９）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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