[論文レビュー] Silicon beamsplitter for Fourier transform spectroscopy at far infrared frequencies

Geoffry Evans, D. C. Schmadel+2 more|ArXiv.org|Jun 28, 2007

Spectroscopy and Quantum Chemical Studies被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、遠赤外域（0–1000 cm⁻¹）におけるフォアイヤー変換分光法のためのビームスプリッターとして、2 mm 厚のシリコンウェーパーを提示する。このウェーパーは、特に100–400 cm⁻¹の範囲で、従来のミラーベルスプリッターと比較して優れた透過率を示し、平均効率は37%に達する。ミラーベルの35%を上回り、0.3 cm⁻¹以上の分解能で、全範囲にわたって単一ビームモードでの運用が可能である。ただし、約0.7 cm⁻¹間隔の狭いエタロン縞が生じるため、注意が必要である。

ABSTRACT

We report the performance of a silicon wafer beamsplitter for use for low $Δν>0.3 cm^{-1}$ resolution Fourier transform spectroscopy at far infrared frequencies. We characterize the Si beamsplitter by comparing throughput spectra measured with it to those measured with the standard Mylar beamsplitters commonly used in that range. We find that the throughput of the silicon beamsplitter is substantially greater than that of the Mylar beamsplitters over most of the IR spectrum, and that they are comparable in some limited ranges. The 2 mm silicon beamsplitter has an etalon spacing of about 0.7 cm^{-1}, which interferes with its use for $0.1 cm^{-1}

研究の動機と目的

• 遠赤外域フォアイヤー変換分光法に適した、1枚の広帯域ビームスプリッターの開発。従来のミラーベルの限界を克服することを目的とする。
• 干渉による透過率の低下と吸収損失によって生じるスペクトルギャップを解消すること。
• 2 mm 厚のシリコンウェーパーをビームスプリッターとして用いた際の透過率、スペクトル分解能、エタロン効果の性能評価。
• 1台の装置内に複数のミラーベルを用いる必要がなく、1枚のシリコンウェーパーで全スペクトルカバレッジを実現できることを実証すること。

提案手法

• 高抵抗率（>100 Ω·cm）シリコンを用い、表面平坦度が約1 μmの光学研磨処理を施した2 mm 厚のシリコンウェーパーを製作した。
• 真空下で、校正済みの光源（GlobarおよびHg蒸気光源）とボロメータ（4 Kおよび2 K）を用いて、シリコンビームスプリッターと複数のミラーベル（3 μm、12 μm、25 μm、50 μm、100 μm）の相対的透過率を比較した。
• 4 cm⁻¹分解能で測定を行い、全体の透過率とエタロン干渉縞のパターンを評価した。
• 50 cm⁻¹以上の放射を遮断し、低周波数測定におけるベースライン誤差を低減するために、2 mm 厚のフルオロゴールドフィルターを用いた。
• 0.1 cm⁻¹分解能で測定を行い、シリコンエタロン縞がスペクトル特徴に与える影響を分析した。
• スペクトル特徴の直接比較が可能となるよう、透過率データをオープンホール基準に正規化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 遠赤外域フォアイヤー変換分光法において、1枚のシリコンウェーパーが複数のミラーベルを置き換えることができるか？
• RQ2 0–1000 cm⁻¹範囲において、2 mm 厚のシリコンビームスプリッターの透過率は、ミラーベルと比較してどの程度か？
• RQ3 高分解能（例：0.1 cm⁻¹）でのスペクトル測定において、シリコンエタロンの干渉縞がどのように影響を与えるか？
• RQ4 ミラーベルの吸収によって効率が低下する100–400 cm⁻¹範囲において、シリコンがミラーベルをどの程度上回るか？
• RQ5 エタロン間隔が約0.7 cm⁻¹である場合、シリコンビームスプリッターで解像可能な最小スペクトル特徴幅はどの程度か？

主な発見

• ミラーベルと比較して、特に100–400 cm⁻¹範囲でミラーベルの吸収損失によって効率が低下する領域において、シリコンビームスプリッターは顕著に高い透過率を示す。
• シリコンビームスプリッターの平均透過効率は37%であり、ミラーベルの最大35%を上回り、明確な性能優位性が確認された。
• 2 mm 厚のシリコンビームスプリッターのエタロン間隔は約0.7 cm⁻¹であり、透過率の最小値（約0.1 cm⁻¹幅）が狭く、スペクトル特徴がこれらの最小値から約0.1 cm⁻¹以内に位置する場合にのみ使用が制限される。
• 0.3 cm⁻¹以上の分解能（Δν ≥ 0.3 cm⁻¹）では、全遠赤外域にわたってビームスプリッターの交換なしに信頼性の高い分光測定が可能である。
• 0.1 cm⁻¹分解能で測定した場合、エタロン最小値付近の急激なノイズピークを除き、シリコンビームスプリッターのスペクトルはミラーベルとほぼ同一であり、特徴の位置を慎重に選べば高分解能測定に適していることが確認された。
• 10 cm⁻¹未満の周波数帯域では、100 μm ミラーベルよりもシリコンビームスプリッターの透過率が高く、ミラーベルに比べて低周波数応答が向上していることが示された。