誘電体ミラー

誘電体ミラー（ブラッグミラーとも呼ばれる）は、ガラスなどの光学材料の基板上に複数の薄い誘電体層を積層して作製されるミラーの一種です。誘電体層の種類と厚さを慎重に選択することで、異なる波長の光に対して特定の反射率を持つ光学コーティングを設計できます。誘電体ミラーは、超高反射率ミラーの製造にも用いられます。特殊な技術を用いることで、狭い波長範囲において99.999%以上の反射率を実現できます。また、可視光全域やTiサファイアレーザーのスペクトルなど、広範囲の光を反射するように作製することも可能です。

誘電体ミラーは、高品質なミラーを安価に製造できる技術の進歩により、光学実験において非常に広く用いられています。その応用例としては、レーザー共振器端面ミラー、ホットミラーおよびコールドミラー、薄膜ビームスプリッター、高耐損傷性ミラー、そして最新のミラーシェードや一部の双眼鏡のルーフプリズムシステムのコーティングなどが挙げられます。

機構

誘電体ミラーの反射率は、誘電体積層体の異なる層から反射された光の干渉に基づいています。これは、反射率を最大化するのではなく最小化するように設計された誘電体積層体である多層反射防止コーティングで使用されている原理と同じです。単純な誘電体ミラーは、一次元フォトニック結晶のように機能し、高屈折率の層と低屈折率の層が交互に積層されています（図を参照）。層の厚さは、異なる高屈折率層からの反射の光路差が、ミラーの設計波長の整数倍になるように選択されます。低屈折率層からの反射の光路差はちょうど半波長ですが、低屈折率から高屈折率の境界では、高屈折率から低屈折率の境界と比較して位相シフトが180°異なるため、これらの反射は同位相になります。ミラーが垂直入射の場合、層の厚さは4分の1波長です。

他の設計では、一般的に数値最適化によって生成される、より複雑な構造を持つものもある。後者の場合、反射光の位相分散も制御できる（チャープミラー）。誘電体ミラーの設計では、光学伝達行列法を用いることができる。適切に設計された多層誘電体コーティングは、可視光スペクトル全体で99%を超える反射率を提供できる。^[¹^]

誘電体ミラーは、入射角とミラーの設計に応じて位相差を示す。 ^{[ 2 ]}

GIF画像に示すように、入射角が増加するにつれて透過色は青色にシフトします。高屈折率における干渉については、 $n_{1}$ 中程度の青方偏移は、次の式で与えられる。

2n_{2}d_{2}\cos \left(\theta _{2}\right)=m\lambda

、

どこ $m\lambda$ は送信波長の任意の倍数であり、 $\displaystyle \theta _{2}}$ は第2媒質における入射角です。導出については薄膜干渉を参照してください。ただし、低屈折率媒質でも干渉が発生します。最高の反射率は^{[ 3 ]になります。}

\displaystyle \lambda _{\perp }/\lambda _{\theta }={\frac {cos(\theta _{2})+cos(\theta _{1})}{2}}\approx {\sqrt {1-{\frac {sin^{2}(\theta )}{n^{2}}}}}}

、

どこ $\displaystyle \lambda _{\perp }}$ は垂直入射角における透過波長であり、

n={\sqrt {\frac {2}{n_{1}^{-2}+n_{2}^{-2}}}}

。

製造業

誘電体ミラーの製造技術は、薄膜堆積法に基づいています。一般的な技術としては、物理蒸着（蒸着とイオンビームアシスト蒸着を含む）、化学蒸着、イオンビーム蒸着、分子線エピタキシー、スパッタ蒸着、ゾルゲル蒸着などがあります。^{[ 4 ]}一般的な材料としては、フッ化マグネシウム（n = 1.37）、二酸化ケイ素（n = 1.45）、五酸化タンタル（n = 2.28）、硫化亜鉛（n = 2.32）、二酸化チタン（n = 2.4）などがあります。

高分子誘電体ミラーは、溶融ポリマーの共押出によって工業的に製造され^{[ 5 ]} 、小規模ではスピンコーティング^{[ 6 ]}またはディップコーティング^{[ 7 ]}によって製造される。

参考文献

↑ Slaiby, Zena E.; Turki, Saeed N. (2014年11月～12月) 「可視光スペクトルにおける誘電体コーティングの反射率の研究」 International Journal of Emerging Trends & Technology in Computer Science . 3 (6): 1– 4. ISSN 2278-6856 . 2024年8月12日取得。
↑ Apfel, JH (1982). "周期的な多層ミラーの位相遅延". Applied Optics . 21 (4): 733–738 . Bibcode : 1982ApOpt..21..733A . doi : 10.1364/AO.21.000733 . PMID 20372527 .
↑ E、Huett (2022年4月26日)。「フィルタ付きカメラによる2次元プラズマパラメータの決定。ASDEX UpgradeのX点放射体領域への応用」。マックス・プランク・プラズマ物理研究所。doi : 10.17617/2.3379034。
↑ベルトゥッチ、シモーネ。メガハド、ヘバ。ドデロ、アンドレア。フィオリート、セルジオ。ディ・スタシオ、フランチェスコ。パトリーニ、マッダレーナ。ダビデ・コモレット。ロバ、パオラ (2022-05-04)。「マイルドなゾルゲル条件と高誘電コントラスト: センシングと光触媒のための大規模ハイブリッドフォトニック結晶に向けた容易な加工」。ACS アプライドマテリアルズ & インターフェース。14 (17): 19806–19817。土井: 10.1021/acsami.1c23653。ISSN 1944-8244。PMC 9073830。PMID 35443778。
↑ Comoretto, Davide 編 (2015).有機およびハイブリッドフォトニック結晶. doi : 10.1007/978-3-319-16580-6 . ISBN 978-3-319-16579-0. S2CID 139074878 .
↑ロバ、パオラ。ジュスト、パオロ。スタシオ、フランチェスコ・ディ。マンフレディ、ジョバンニ。パテルノ、ジュゼッペ M.コルテッキア、ダニエレ。ソシ、チェーザレ。ダヴィデ・コモレット（2019年5月9日）。「全ポリマーメチルアンモニウムヨウ化鉛ペロブスカイトマイクロキャビティ」。ナノスケール。11 (18): 8978–8983。土井: 10.1039/C9NR01422E。hdl : 11567/944564。ISSN 2040-3372。PMID 31017152。S2CID 129943931。
↑ Russo, Manuela; Campoy-Quiles, Mariano; Lacharmoise, Paul; Ferenczi, Toby AM; Garriga, Miquel; Caseri, Walter R.; Stingelin, Natalie (2012). "ポリマー/無機ハイブリッドのワンポット合成：容易に入手可能で、低損失かつ高度に調整可能な屈折率材料およびパターンに向けて" . Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics . 50 (1): 65– 74. Bibcode : 2012JPoSB..50...65R . doi : 10.1002/polb.22373 . ISSN 1099-0488 .

外部リンク

誘電体ミラーの反射率と分散を計算するための高速コード

[1] Slaiby, Zena E.; Turki, Saeed N. (2014年11月～12月) 「可視光スペクトルにおける誘電体コーティングの反射率の研究」 International Journal of Emerging Trends & Technology in Computer Science . 3 (6): 1– 4. ISSN 2278-6856 . 2024年8月12日取得。

[2] Apfel, JH (1982). "周期的な多層ミラーの位相遅延". Applied Optics . 21 (4): 733–738 . Bibcode : 1982ApOpt..21..733A . doi : 10.1364/AO.21.000733 . PMID 20372527 .

[3] E、Huett (2022年4月26日)。「フィルタ付きカメラによる2次元プラズマパラメータの決定。ASDEX UpgradeのX点放射体領域への応用」。マックス・プランク・プラズマ物理研究所。doi : 10.17617/2.3379034。

[4] ベルトゥッチ、シモーネ。メガハド、ヘバ。ドデロ、アンドレア。フィオリート、セルジオ。ディ・スタシオ、フランチェスコ。パトリーニ、マッダレーナ。ダビデ・コモレット。ロバ、パオラ (2022-05-04)。「マイルドなゾルゲル条件と高誘電コントラスト: センシングと光触媒のための大規模ハイブリッドフォトニック結晶に向けた容易な加工」。ACS アプライドマテリアルズ & インターフェース。14 (17): 19806–19817。土井: 10.1021/acsami.1c23653。ISSN 1944-8244。PMC 9073830。PMID 35443778。

[5] Comoretto, Davide 編 (2015).有機およびハイブリッドフォトニック結晶. doi : 10.1007/978-3-319-16580-6 . ISBN 978-3-319-16579-0. S2CID 139074878 .

[6] ロバ、パオラ。ジュスト、パオロ。スタシオ、フランチェスコ・ディ。マンフレディ、ジョバンニ。パテルノ、ジュゼッペ M.コルテッキア、ダニエレ。ソシ、チェーザレ。ダヴィデ・コモレット（2019年5月9日）。「全ポリマーメチルアンモニウムヨウ化鉛ペロブスカイトマイクロキャビティ」。ナノスケール。11 (18): 8978–8983。土井: 10.1039/C9NR01422E。hdl : 11567/944564。ISSN 2040-3372。PMID 31017152。S2CID 129943931。

[7] Russo, Manuela; Campoy-Quiles, Mariano; Lacharmoise, Paul; Ferenczi, Toby AM; Garriga, Miquel; Caseri, Walter R.; Stingelin, Natalie (2012). "ポリマー/無機ハイブリッドのワンポット合成：容易に入手可能で、低損失かつ高度に調整可能な屈折率材料およびパターンに向けて" . Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics . 50 (1): 65– 74. Bibcode : 2012JPoSB..50...65R . doi : 10.1002/polb.22373 . ISSN 1099-0488 .

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