[論文レビュー] Birefringence of interferential mirrors at normal incidence Experimental and computational study

Franck Bielsa, Arnaud Dupays+4 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Jul 23, 2009

Geophysics and Sensor Technology参考文献 20被引用数 15

ひとこと要約

本研究は、垂直入射における高反射干渉的ミラーの固有の二色性を、実験的測定と計算モデルを組み合わせて調査する。反射ごとの位相遅れは、ミラーの反射率が高くなる（層数が多くなる）ほど減少することが判明し、計算シミュレーションでは、二色性が基板に最も近い層に局在化している場合にのみこの傾向が再現される。これは、この領域が効果の主な発生源であることを示している。

ABSTRACT

In this paper we present a review of the existing data on interferential mirror birefringence. We also report new measurements of two sets of mirrors that confirm that mirror phase retardation per reflection decreases when mirror reflectivity increases. We finally developed a computational code to calculate the expected phase retardation per reflection as a function of the total number of layers constituting the mirror. Different cases have been studied and we have compared computational results with the trend of the experimental data. Our study indicates that the origin of the mirror intrinsic birefringence can be ascribed to the reflecting layers close to the substrate.

研究の動機と目的

• 高精度光学キャビティで使用される高反射干渉的ミラーに生じる固有の二色性の起源を理解すること。
• 実験データで観察された反射率の上昇と反射ごとの位相遅れの減少という矛盾を解明すること。
• 二色性が全多層膜スタックに均等に分布しているのか、それとも特定の層に局在しているのかを特定すること。
• 実験的傾向を再現し、観察された挙動を説明する物理的構成を同定する計算モデルを開発すること。
• 位相遅れの主な寄与層を特定することで、ミラー製造業者が二色性を最小限に抑える手がかりを得られることを目的とする。

提案手法

• Fabry-Perotおよびマルチパスキャビティを用いて、反射率が異なる複数のミラー群に対して、反射ごとの位相遅れを実験的に測定した。
• 1982年から2007年までの文献データを収集・レビューし、反射率と位相遅れの傾向に焦点を当てた。
• 伝達行列法に基づく計算コードを開発し、制御された二色性を有する多層膜スタックの光学的応答をシミュレートした。
• 個々の層に二色性を割り当て、均一な分布からランダムな分布までさまざまな配置をテストした。
• 直交成分の振幅比を用いて、誘導される楕円偏光および反射ごとの有効位相遅れを計算した。
• 実験データと一致させるために、(1−R) と位相遅れの関係を調整し、シミュレーションを検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 反射率が上昇する一方で、反射ごとの位相遅れが減少する理由は何か？（層数の増加により二色性効果が拡大すると予想されるが。）
• RQ2 干渉的ミラーの固有二色性は、全層に均等に分布しているのか、それとも特定の領域に局在しているのか？
• RQ3 計算モデルは、実験的に観察された反射率と位相遅れの逆相関関係を再現できるか？
• RQ4 層にわたる二色性のどの物理的配置が実験データを最もよく説明するか？
• RQ5 二色性の起源は、最上層、中央層、それとも基板に隣接する層に起因するのか？

主な発見

• 複数の研究および2つの新規ミラー群からの実験データにより、(1−R) が 10⁻² から 10⁻⁵ に低下するに従い、反射ごとの位相遅れが約3桁減少することが確認された。
• 異なるミラー製造業者および異なる実験設定においても、反射率の上昇に伴い位相遅れが減少するという傾向は一貫して観察された。
• 計算シミュレーションでは、二色性が基板に隣接する層に局在化している場合にのみ、実験的傾向が再現された。
• 二色性が全層に均一またはランダムに分布している場合、シミュレートされた位相遅れは層数の増加に伴い増加するが、これは実験観察とは矛盾する。
• 基板に続く最初の高屈折率層に二色性を限定したモデル（δnH = 0.13）は、実験データをよく再現し、この層が主な寄与源であると示唆した。
• 本研究は、固有ミラー二色性の起源が、全多層膜スタック全体ではなく、主に基板に隣接する反射層に集中していると結論づけた。