【光学】誘電体多層膜ミラー

概要

誘電体多層膜ミラーとは、異なる屈折率をもつ誘電体薄膜を交互に積層した光学ミラーです。特定の波長に対して反射率を高めるために設計されており、レーザー装置や分光機器で非常に重要な光学素子のひとつです。特にハイパワーレーザーでよく用いられます。

特徴

誘電体多層膜ミラーの特徴は以下の通りです。

• 高反射率： 単層の金属ミラーでは達成困難な 99.9% を超える反射率が可能です。
• 波長選択性： 特定の波長帯域のみを反射または透過するように設計できます。
• 低吸収： 誘電体材料は光吸収が少なく、熱損失が小さいです。

一方で、入射角や偏光状態に対する依存性があるため、使用環境には注意が必要です。また、狭帯域の設計では波長ずれに対して敏感になります。

原理

誘電体多層膜ミラーは、異なる屈折率の材料（高屈折率材と低屈折率材）を交互に積層することで、光の干渉を利用して反射率を高めます。ここでは、構造の基本と干渉の原理を数式を交えて解説します。

1. 単位構造と設計原理

基本的な構成は、屈折率 \( n_H \) の高屈折率層と \( n_L \) の低屈折率層からなる \(\lambda/4\) 厚の2層です。これらの膜厚 \( d \) は次のように設計されます。

$$ d = \frac{\lambda}{4n} $$

ここで、\( \lambda \) は設計中心波長、\( n \) はそれぞれの材料の屈折率です。各層で反射した光がちょうど同位相（強め合う）になるように調整します。

2. 反射率の積層効果

反射率 \( R \) は、膜の枚数 \( N \) と屈折率比 \( n_H/n_L \) に依存して次のように表されます。

$$ R = \left( \frac{1 – \left( \frac{n_L}{n_H} \right)^{2N} }{1 + \left( \frac{n_L}{n_H} \right)^{2N} } \right)^2 $$

この式から、層の数が増えるほど反射率が高くなることがわかります。

3. 電界の干渉効果

電場 \( E \) の反射と透過は、各界面でのフレネル反射係数 \( r \) と透過係数 \( t \) により制御されます。入射光が各層で反射・透過を繰り返すことで、全体として干渉が生じます。

例えば、界面での反射係数は次のように定義されます：

$$ r = \frac{n_1 – n_2}{n_1 + n_2} $$

積層構造では、全体の反射はマトリクス法（ABCD法）や伝送行列法を用いて解析されます。これは波の連続条件を各層でつなげる数学的手法です。

歴史

誘電体多層膜の概念は19世紀の光干渉の研究から始まり、1930年代には実用的な干渉フィルムが登場しました。レーザーの登場以降、特に1960年代以降は高反射ミラーとして急速に発展しました。真空蒸着やスパッタリング技術の進化により、ナノレベルで精密に設計されたミラーの製造が可能になりました。

応用例

誘電体多層膜ミラーは、以下のような分野で広く使用されています。

• レーザー共振器： 高反射ミラーや出力カップラーとして使用
• 分光光学： 波長選択的な反射・透過を利用したフィルター
• 顕微鏡・カメラ： 特定波長を反射する反射素子（例：蛍光観察）
• 天文学： 干渉フィルターとして狭帯域観測に使用

今後の展望

今後の誘電体多層膜ミラーの発展は、さらなる微細構造の設計と製造技術に依存します。特に、メタサーフェスとの融合による「位相制御ミラー」や、「角度・偏光に依存しない高反射構造」など、より高機能化が期待されています。

まとめ

誘電体多層膜ミラーは、光の干渉を巧みに利用することで非常に高い反射率と波長選択性を実現する光学素子です。レーザー応用に不可欠であり、その理解は光学設計の基礎として極めて重要です。

参考文献

• Hecht, E. “Optics”, 5th ed., Pearson Education, 2016.
• MacLeod, H. A. “Thin-Film Optical Filters”, CRC Press, 4th ed., 2010.
• Born, M. and Wolf, E. “Principles of Optics”, Cambridge University Press, 1999.
• 日本光学会編『光学ハンドブック』朝倉書店, 2010年.