JP2000329920A - Formation of photonic crystal structure by laser interference - Google Patents

Formation of photonic crystal structure by laser interference

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JP2000329920A
JP2000329920A JP11141438A JP14143899A JP2000329920A JP 2000329920 A JP2000329920 A JP 2000329920A JP 11141438 A JP11141438 A JP 11141438A JP 14143899 A JP14143899 A JP 14143899A JP 2000329920 A JP2000329920 A JP 2000329920A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To form a lattice structure of a photonic crystal by irradiating a photosensitive resin layer with laser beams at a specified angle from one another produced by dividing one laser beam into a plurality of beams to form an image corresponding to the lattice structure which constitutes the photonic crystal structure by the interference of the laser beam. SOLUTION: The laser beam (442 nm) from a He-Cd laser beam source is divided into three beams by beam splitters BS1, BS2 and guided by mirrors M1 to M5 so that the three beams cross in a photosetting resin in a glass cell to interfere, to form interference fringes in the photosetting resin. The period of the obtd. lattice is determined by controlling the crossing colliding angles of the three beams to form the interference fringes. After the photosetting resin is irradiated with three beams having 1 mW intensity and 1.5 mm beam diameter for 30 sec and hardened corresponding to the interference pattern, the liquid resin around the pattern is removed with ethanol and dried. The material used to remove the liquid resin is properly prepared according to the relation with the photosetting resin.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザー光の干渉
による像形性を利用して、周期が1μm程度ないしそれ
以下の、2次元周期格子構造および3次元周期格子構造
を作成する方法、特にフォトニック結晶の最密格子構造
を作成する方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for forming a two-dimensional periodic lattice structure and a three-dimensional periodic lattice structure having a period of about 1 .mu.m or less by utilizing image formability due to interference of laser light, and in particular, The present invention relates to a method for forming a close-packed lattice structure of a photonic crystal.

【0002】[0002]

【従来技術】フォトニツク結晶は、光の波長オーダーの
周期で3次元的な屈折率格子分布(3次元周期格子構
造)をもつ材料である。ちょうど、固体結晶中で原子核
が周期的に配列することによって、ポテンシャルが3次
元的に周期的に形成され、結晶中に存在できる電子のエ
ネルギーにバンドギャップが生じるのと同様の原理によ
って、フォトニツク結晶は、その中を伝搬できる光のエ
ネルギーにギャップをもつ。フォトニツクバンドギャッ
プに相当する波長の光はその構造中を伝搬できない。こ
のような性質を利用して、エネルギー効率が極めて高い
レーザー、伝搬損失のない光導波路、光フィルターなど
の応用が期待されている新しい素子である。しかし、光
の波長のオーダーの格子間隔で3次元の周期構造を作る
必要があるという、極めて精度の高い3次元マイクロ
(ナノ)造形技術が要求されることから、未だ実現には
至っていない。
2. Description of the Related Art A photonic crystal is a material having a three-dimensional refractive index lattice distribution (three-dimensional periodic lattice structure) with a period on the order of the wavelength of light. Just as atomic nuclei are periodically arranged in a solid crystal, a potential is periodically formed three-dimensionally, and photonics are formed based on the same principle as that of a band gap in the energy of electrons that can exist in the crystal. Crystals have a gap in the energy of light that can propagate through them. Light having a wavelength corresponding to the photonic band gap cannot propagate through the structure. Utilizing such properties, it is a new device that is expected to be applied to lasers with extremely high energy efficiency, optical waveguides without propagation loss, optical filters, and the like. However, since a very high-precision three-dimensional micro (nano) shaping technology is required to form a three-dimensional periodic structure at a lattice interval on the order of light wavelength, it has not yet been realized.

【0003】これまでに3次元のフォトニツク結晶構造
を造形する手法は、いくつかの研究グループによって報
告されている。代表的なものをいくつか紹介すると、半
導体の高精度のエッチング加工プロセスを応用し、化学
エッチングによって得られる2次元の周期構造をz方向
に何層も作製し積層することによって、3次元の周期構
造を得るといった手法(J.Joannopoulos.P.Villeneuv
e,and S.Fan,"Photonic crystals:putting a new tw
ist on light,"Nature 386,143(1997)、J.G.Flemi
ng and S.Y.Lin,"Three-dimensional photonic cryst
al with a stopband from1.35 to 1.95μm,"Opt.Let
t.24,49(1999)、etc.)や、水中に分散させたシ
リカ微小球を沈殿させその後乾燥させることによって、
シリカ球が細密に3次元的に配列させた例(I.Tarha
n,M.Zhkin,and G.Watson,"Interferometric techn
ique for the measurement of Photonic band structur
e incol1oidal crystals,"Opt.Lett.20,14,1571(1
995),etc.)、ガラスファイバーの束を引き延ば
し細くしてガラスロツドアレイで2次元周期構造を形成
した例(A.Rosenberg,R.J.Tonucci,H.-B.Lin an
d A J.Gampilo,"Near-infrared two-dimensional ph
otonic band-gap materials,"Opt.Lett.21,11,830
(1996)、29、35、etc.)などがある。前記現状に
おいて、3次元フォトニック結晶構造の作成には、主と
して、前記積層法と、微小粒子を用いる方法(人工オパ
ール)の2種類が用いられている。フォトニツク結晶構
造の作成の実現を困難にしているのは、屈折率のサブミ
クロンオーダーの周期分布を3次元的に極めて高い精度
で形成できる造形技術が確立されていないことによる。
前者の手法では、一層分の構造を加工する過程だけでも
複数の材料のデポジション(堆積工程)やエッチング過
程を繰り返す必要があり、製造過程が非常に複雑であ
る。しかも、それぞれの1層分の周期構造はナノメート
ルオーダーで高精度に造形できる技術を確立する必要が
ある。更に、3次元の周期構造を得るためにはそれらを
z方向にも積層する過程が必要で、現段階では積層する
層数に限界がある。現在報告されている例ではz方向の
積層数は4〜5層、多くて20層程度(結晶構造の単位
格子で1〜3個分程度)であり、まだ3次元結晶とは言
い難いのが現状である。また、層が多くなると、それぞ
れの層の相対位置を正確にそろえるのが困難である。後
者の手法では、シリカ微小球のサイズがナノメートルオ
ーダーで均−な粒子をそろえる必要があが、実際にはば
らつきがある。
[0003] Techniques for forming a three-dimensional photonic crystal structure have been reported by several research groups. To introduce some typical ones, we apply a high-precision etching process for semiconductors and create and stack a number of layers in the z-direction on a two-dimensional periodic structure obtained by chemical etching. A method of obtaining a structure (J. Joannopoulos. P. Villeneuv
e, and S. Fan, "Photonic crystals: putting a new tw
ist on light, "Nature 386, 143 (1997), JGFlemi
ng and S. Y. Lin, "Three-dimensional photonic cryst
al with a stopband from1.35 to 1.95μm, "Opt.Let
t. 24, 49 (1999), etc. ) Or by precipitating and subsequently drying the silica microspheres dispersed in water,
Example in which silica spheres are finely arranged three-dimensionally (I. Tarha
n, M. Zhkin, and G. Watson, "Interferometric techn
ique for the measurement of Photonic band structur
e incol1oidal crystals, "Opt. Lett. 20, 14, 1571 (1
995), etc. ), An example in which a bundle of glass fibers is stretched and thinned to form a two-dimensional periodic structure with a glass rod array (A. Rosenberg, RJ Tonucci, H-B. Lin an)
d AJ. Gampilo, "Near-infrared two-dimensional ph
otonic band-gap materials, "Opt. Lett. 21, 11, 830
(1996), 29, 35, etc.). In the current situation, two types of the above-described lamination method and a method using fine particles (artificial opal) are mainly used for creating a three-dimensional photonic crystal structure. The difficulty in realizing a photonic crystal structure is due to the lack of a modeling technique that can form a three-dimensional periodic distribution of the refractive index with extremely high precision.
In the former method, it is necessary to repeat the deposition (deposition process) and the etching process of a plurality of materials only in the process of processing the structure of one layer, and the manufacturing process is very complicated. In addition, it is necessary to establish a technology that can precisely form the periodic structure of each layer on the order of nanometers. Further, in order to obtain a three-dimensional periodic structure, a process of laminating them in the z direction is necessary, and there is a limit to the number of layers to be laminated at this stage. In the example reported at present, the number of layers in the z direction is 4 to 5 layers, at most about 20 layers (about 1 to 3 in the unit cell of the crystal structure), and it is still difficult to say that it is a three-dimensional crystal. It is the current situation. Also, when the number of layers increases, it is difficult to accurately align the relative positions of the respective layers. In the latter method, the size of the silica microspheres needs to be uniform on the order of nanometers, but in practice there is variation.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】ところで、非線形媒質
にレーザー光を入射すると、光の強度に比例して媒質の
屈折率が変化しそれによってもとの光の強度分布が変調
(ビームの中心で強く、周辺部で弱くなる現象が起こ
る。)を受けるというフイードバックのシステムが光と
媒質との間で生じることによって、結果的にレーザー光
がもとのビームパターンとは異なる(レーザー光がビー
ムの中心に収束するようになる。)プロファイルで媒質
中を伝搬するという非線形現象が生じることがある。カ
ー媒質やフォトリフラクテイブ媒質中でみられるセルフ
フオーカシング、セルフトラッピング、セルフフアニン
グ、空間ソリトンなどがその例である。これらはいずれ
も、媒質の屈折率が光強度分布に対応して変化すること
によって引き起こされる。これらの現象はその自律的な
非線形現象、カオス現象への興味のみならず、近年で
は、ビームスイッチング、位相共役波や第二高調波発生
など、光コンピューティングやレーザー工学といった分
野での応用にも注目されつつある現象である。しかしな
がら、前記従来の非線形媒質は、自律的な非線形現象は
レーザー光が照射されている間で現れるだけで、レーザ
ー光の照射を停止すると元に戻ってしまう、換言すれば
自律的な非線形現象を記憶させることができないもので
あった。
By the way, when a laser beam is incident on a non-linear medium, the refractive index of the medium changes in proportion to the light intensity, whereby the original light intensity distribution is modulated (at the center of the beam). A strong feedback phenomenon occurs between the light and the medium, which causes the laser beam to be different from the original beam pattern. A non-linear phenomenon that the light propagates through the medium with the profile may occur. Examples include self-focusing, self-trapping, self-fanning, and spatial solitons found in car media and photorefractive media. These are all caused by a change in the refractive index of the medium corresponding to the light intensity distribution. These phenomena are not only interested in autonomous nonlinear phenomena and chaotic phenomena, but also in recent years, such as beam switching, phase conjugate wave and second harmonic generation, and applications in optical computing and laser engineering. This is a phenomenon that is attracting attention. However, in the conventional nonlinear medium, the autonomous nonlinear phenomenon appears only during the irradiation of the laser light, and returns to the original state when the irradiation of the laser light is stopped. In other words, the autonomous nonlinear phenomenon occurs. It could not be memorized.

【0005】本発明者らは、光硬化性樹脂中に収束レー
ザー光を入射することによって、これまでに報告されて
きた媒質にみられない、独白のビームプロファイルが自
律的に形成され、それによって様々なマイクロ構造の自
己形成現象が引き起こされることを発見した(S.Sh
oji and S.Kawata、Proc.CLEO'98,p187
(1998)参照)。また、マイクロ構造の自己形成現象によ
る構造が記録されるという特性を有する。さらに、独立
に自己形成する複数のマイクロ構造を衝突させることに
よって引き起こされる現象など、多くの非線形現象を発
見し、これによる新たな構造を発現させることができこ
とを発見した(第59回応用物理学会学術講演会(’9
8秋期応用物理学会(第59回、1998.9、広島大
学において開催)講演予稿集、p857.16p−Q−
7:光硬化樹脂中で自己形成するファイバーの衝突・合
流、参照)。前記技術は、レーザーを収束光として用い
るものである。これに対し、レーザーを収束することな
く、ビームスプリッターで分割した複数の光束を角度を
持って光硬化性樹脂中で交わるようにすると、その角度
により選択される前記レーザー光の干渉による規則的な
干渉縞が形成され、該光硬化性樹脂は前記規則的な干渉
縞に対応して硬化するため、未硬化部分を除去すると硬
化樹脂による規則的な構造が形成されることを見出し
た。そして、前記干渉像形成に利用する光束数や入射角
度を変えて実験する中で、近赤外〜可視光の波長オーダ
ーの3次元周期構造を高精度で造形できることを発見
し、これを更にフォトニツク結晶の格子構造の形成に利
用することを考えた。従って、本発明の課題は、レーザ
ー干渉方法によってフォトニツク結晶の格子構造を形成
する方法を提供することである。すなわち、感光性樹脂
(光記憶材料)中、例えば光硬化性樹脂中においてレー
ザーの干渉により、2次元乃至3次元格子構造のパター
ンを形成し、前記パターンに対応して光硬化性樹脂を硬
化させ、未硬化材料を除去することによって、一回のレ
ーザー光の照射で、同時に前記格子構造の複数の層構造
を形成できる方法を提供するものである。前記方法によ
れば、一回のレーザー光の照射で同時にフォトニック結
晶を構成する格子構造に対応する複数の層構造を形成す
ることが可能である。簡略のために、前記の層構造形成
方法をワンショット法という。高度な方法では、一回の
レーザー光の照射で、フォトニック結晶構造に対応する
2次元乃至3次元の格子構造を形成できる。本発明の最
も好ましい態様においては、ワンショットで3次元方向
に(z方向に)も数100層という多層構造を持つフォ
トニック結晶を高精度(細密)に造形することが可能な
方法を提供する。そしてその際走査を必要とせずに周期
構造を形成することができる。
By injecting a convergent laser beam into a photocurable resin, the present inventors autonomously form a monochromatic beam profile that is not seen in the media reported so far. It has been found that self-formation phenomena of various microstructures are caused (S. Sh.
oji and S.M. Kawata, Proc. CLEO'98, p187
(1998)). Further, it has a characteristic that a structure due to a self-forming phenomenon of a microstructure is recorded. Furthermore, they discovered many non-linear phenomena such as phenomena caused by collision of a plurality of microstructures that are self-forming independently, and discovered that new structures can be developed by using these phenomena (59th Applied Physics) Academic Lecture Meeting ('9
Proceedings of the 8th Japan Society of Applied Physics (59th, 1998. 9, held at Hiroshima University), p857.16p-Q-
7: Collision / merging of self-forming fibers in photocurable resin). The technique uses a laser as convergent light. On the other hand, without converging the laser, if a plurality of light fluxes split by the beam splitter intersect in the photocurable resin at an angle, the regularity due to the interference of the laser light selected by the angle. Since interference fringes are formed and the photocurable resin is cured corresponding to the regular interference fringes, it has been found that removing the uncured portion forms a regular structure of the cured resin. Then, while experimenting by changing the number of light fluxes and the incident angle used for the formation of the interference image, it was discovered that a three-dimensional periodic structure of a wavelength order of near-infrared light to visible light can be formed with high accuracy, and this was further photo-processed. It was considered to utilize it to form a lattice structure of a nickel crystal. Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for forming a lattice structure of a photonic crystal by a laser interference method. That is, a pattern of a two-dimensional or three-dimensional lattice structure is formed in a photosensitive resin (optical storage material), for example, in a photocurable resin by laser interference, and the photocurable resin is cured corresponding to the pattern. Another object of the present invention is to provide a method capable of simultaneously forming a plurality of layer structures of the lattice structure by a single laser beam irradiation by removing an uncured material. According to the method, it is possible to form a plurality of layer structures corresponding to the lattice structure constituting the photonic crystal at the same time by one laser light irradiation. For simplicity, the above-described layer structure forming method is referred to as a one-shot method. In an advanced method, a two-dimensional or three-dimensional lattice structure corresponding to a photonic crystal structure can be formed by one irradiation of laser light. In a most preferred embodiment of the present invention, a method is provided that enables a photonic crystal having a multi-layer structure of several hundred layers in a three-dimensional direction (in the z direction) to be formed with high accuracy (fine) in one shot. . At that time, a periodic structure can be formed without requiring scanning.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、一本の
レーザーを複数に分けた光束を互いに角度を持って感光
性樹脂層中に照射してレーザー光の干渉によりフォトニ
ック結晶構造を構成する格子構造に対応する像を前記感
光性樹脂層中に形成する工程を含む、感光性樹脂を用い
てレーザー光の干渉によりフォトニック結晶の格子構造
を作成する方法であり、好ましくは、感光性樹脂層を構
成する材料が光硬化性樹脂であることを特徴とする前記
レーザー干渉によりフォトニック結晶の格子構造を作成
する方法であり、より好ましくは、レーザー光の干渉に
よりフォトニック結晶を構成する格子構造に対応する像
を感光性樹脂層中に形成する工程が、一方の光源からの
1本のレーザー光を分割した3光束の干渉による2次元
格子構造に対応する像と、他方の光源からの1本のレー
ザー光を分割した2光束の干渉による1次元周期構造に
対応する像のとを合成するものであること、あるいは、
1つのレーザー光源で、1本のレーザー光を分割した3
光束の干渉による2次元最密構造に対応する像の形成と
1本のレーザー光を分割した2光束の干渉による1次元
周期構造に対応する像の形成とを順次行って合成した像
とするものであること、または1本のレーザー光を分割
した4光束の干渉によるものであることを特徴とする前
記レーザー干渉により細密なフォトニック結晶構造を作
成する方法である。本発明者は、感光性樹脂、特に光硬
化性(光重合性)樹脂中において、レーザー光の干渉に
よる造形性を利用して、特に3光束の干渉による2次元
格子構造を形成する方法と2光束の干渉によって1次元
周期構造を得る方法とを融合させる方法、または4光束
の干渉による3次元フォトニック結晶に対応する最密格
子構造の像を感光性樹脂層中に形成する方法によって前
記課題を解決したのである。
The gist of the present invention is that a photonic crystal structure is formed by irradiating a light beam obtained by dividing a single laser beam into a plurality of photosensitive resin layers at an angle to each other and by interfering with a laser beam. A method of forming a lattice structure of a photonic crystal by interference of laser light using a photosensitive resin, including a step of forming an image corresponding to the lattice structure to be formed in the photosensitive resin layer, A method of forming a lattice structure of a photonic crystal by the laser interference, wherein the material constituting the conductive resin layer is a photocurable resin, and more preferably, forming the photonic crystal by the interference of laser light. The step of forming an image corresponding to the lattice structure to be formed in the photosensitive resin layer corresponds to the two-dimensional lattice structure due to interference of three light beams obtained by dividing one laser beam from one light source. It is to synthesize an image, a single city of image corresponding to a one-dimensional periodic structure according to the interference of the two light beams obtained by dividing the laser beam from the other light source, or,
3 divided one laser beam by one laser light source
An image formed by sequentially performing the formation of an image corresponding to a two-dimensional close-packed structure by interference of light beams and the formation of an image corresponding to a one-dimensional periodic structure by interference of two light beams obtained by dividing one laser beam. Or a method in which a fine photonic crystal structure is created by the laser interference, which is based on interference of four light beams obtained by dividing one laser beam. The present inventor has proposed a method of forming a two-dimensional lattice structure by the interference of three light beams in a photosensitive resin, particularly a photocurable (photopolymerizable) resin, by utilizing the shaping property by the interference of a laser beam. The above-described problem is caused by a method of fusing a method of obtaining a one-dimensional periodic structure by interference of light beams or a method of forming an image of a close-packed lattice structure corresponding to a three-dimensional photonic crystal in the photosensitive resin layer by interference of four light beams. Was solved.

【0007】[0007]

【本発明の実施の態様】本発明を図面を参照しながら詳
細に説明する。 3次元フォトニック結晶に対応する最密格子構造の作成 A.3光束の干渉による2次元格子構造に対応する像の
形成と2光束の干渉による1次元周期構造に対応する像
の形成とを融合させ、3次元周期格子構造を作製するシ
ステムを実現し、実際にそのシステムを用いて3次元周
期格子構造を作製する。図1(a)〔I〕にそのための
システムの光学系を示す。まず、He−Cdレーザー光
源からのレーザー光(442nm)をビームスプリター
BS1及びBS2で3つの光束に分割し、ミラーM1,
M2、M3,M4及びM5によって、前記3つの光束
(本明細書において、「光束」の表現は基本的には、一
本のレーザーを複数に分けたレーザー光を指す。)をガ
ラスセル中の光硬化性樹脂中で交わらせ干渉させ前記光
硬化性樹脂中に干渉縞を形成する。前記干渉縞を作る3
つの光束の衝突角を調節することで、得られる格子の周
期を設定する。光硬化性樹脂に光強度1mW、ビーム径
1.5mmの3つの光束を30秒間照射し干渉パターン
に対応して硬化させた後、エタノールで周囲の液体樹脂
を洗い流し乾燥させた。液体樹脂の除去に使用される材
料は、光硬化性樹脂との関連で適宜調製できる。3光束
の干渉パターンによって2次元方向にロツド〔平面に対
して垂直方向(x−y平面に対してz方向)に延びた柱
構造〕が周期的を持って配列した格子構造(これを「2
次元格子構造」という。)に対応する像を形成する。そ
の後、図1(a)〔II〕のように前記2次元格子構造に
対応する像の側方(ガラスセルの側方)から2光束を入
射し干渉させ、2次元格子構造のz方向に1次元周期構
造に対応する像を形成する。これにより、感光性樹脂中
に3次元フォトニック結晶を構成する格子構造に対応す
る像を形成する(順次方法)。その後、エタノールで液
体樹脂(未硬化光硬化性樹脂)を洗い流すことにより細
密なフォトニック結晶の最密格子構造が得られる。ま
た、前記3光束の干渉パターンによる2次元格子構造に
対応する像と2光束を入射し干渉による前記2次元格子
構造に対応する像に対してz方向の1次元周期構造に対
応する像を、別個のレーザー光源を用いて同時に感光性
樹脂中に形成して合成して、前記感光性樹脂中に3次元
フォトニック結晶を構成する格子構造に対応する像を形
成することもできる(同時方法)。図1(b)に、形成
される3次元フォトニツク結晶の最密格子構造の上面図
と側面図を示す。2次元六方最密にロツドが配列した周
期構造(2次元格子構造)、縦方向にはそのロツドに垂
直にレイヤーが周期的に並んだ構造(z方向の1次元周
期構造)となる。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described in detail with reference to the drawings. Creation of close-packed lattice structure corresponding to three-dimensional photonic crystal Realization of a system for producing a three-dimensional periodic lattice structure by fusing the formation of an image corresponding to a two-dimensional lattice structure by the interference of three light beams and the formation of an image corresponding to a one-dimensional periodic structure by the interference of two light beams. First, a three-dimensional periodic lattice structure is manufactured using the system. FIG. 1A [I] shows an optical system of a system for that purpose. First, the laser beam (442 nm) from the He-Cd laser light source is split into three beams by the beam splitters BS1 and BS2, and the mirror M1,
By M2, M3, M4 and M5, the three light beams (in the present specification, the expression “light beam” basically indicates a laser beam obtained by dividing one laser into a plurality of laser beams) in a glass cell. An interference fringe is formed in the photocurable resin by causing them to cross and interfere with each other in the photocurable resin. Make the interference fringes 3
By adjusting the collision angle of the two light beams, the period of the obtained grating is set. After irradiating the photocurable resin with three light beams having a light intensity of 1 mW and a beam diameter of 1.5 mm for 30 seconds to cure the resin in accordance with the interference pattern, the surrounding liquid resin was washed away with ethanol and dried. The material used for removing the liquid resin can be appropriately prepared in relation to the photocurable resin. A grating structure in which rods (column structures extending in the direction perpendicular to the plane (z direction in the xy plane)) in a two-dimensional direction are periodically arranged by an interference pattern of three light beams (this is referred to as "2
Dimensional lattice structure. " ) Is formed. Then, as shown in FIG. 1 (a) [II], two light beams enter from the side of the image corresponding to the two-dimensional lattice structure (the side of the glass cell) and interfere with each other, thereby causing one light in the z direction of the two-dimensional lattice structure. An image corresponding to the two-dimensional periodic structure is formed. Thus, an image corresponding to the lattice structure constituting the three-dimensional photonic crystal is formed in the photosensitive resin (sequential method). Thereafter, the liquid resin (uncured photocurable resin) is washed away with ethanol to obtain a close-packed lattice structure of fine photonic crystals. Further, an image corresponding to a one-dimensional periodic structure in the z direction with respect to an image corresponding to the two-dimensional lattice structure by the interference pattern of the three light beams and an image corresponding to the two-dimensional lattice structure due to the incidence of the two light beams and interference. An image corresponding to a lattice structure constituting a three-dimensional photonic crystal can be formed in the photosensitive resin by simultaneously forming and synthesizing the photosensitive resin using separate laser light sources (simultaneous method). . FIG. 1B shows a top view and a side view of a close-packed lattice structure of the formed three-dimensional photonic crystal. A periodic structure in which rods are arranged in a two-dimensional hexagonal close-packed manner (two-dimensional lattice structure), and a structure in which layers are periodically arranged vertically in the longitudinal direction (one-dimensional periodic structure in the z direction).

【0008】B.図2には一本のレーザーを4つに分け
た光束の干渉により3次元フォトニック結晶構造を構成
する格子構造に対応する像を感光性樹脂層中に形成する
方法を示す。3次元フォトニツク結晶構造を構成する格
子構造に対応する像を一度の干渉パターンの露光によっ
て形成する手法として、図2(a)に示すように4光束
を同時に干渉させる方法を考えた。この手法を用いる
と、3次元六方最密格子構造が一度の露光によって得ら
れることになる。しかし、この方法では、樹脂中に形成
される干渉パターンは3次元的な点の配列になり、その
パターンで硬化した樹脂が互いに連続していないパター
ンを形成する可能性があるが(図2(b))、入射する
レーザー光の強度を調節して、干渉パターンの各点で形
成される硬化樹脂の直径が干渉パターンの格子間隔より
もわずかに大きくなるようにすることで、図2(c)の
ように隣り合う硬化樹脂粒がその表面で連結し、位置を
固定し、精密な3次元六方最密格子構造が得られる。
B. FIG. 2 shows a method of forming an image corresponding to a lattice structure constituting a three-dimensional photonic crystal structure in a photosensitive resin layer by interference of a light beam obtained by dividing one laser into four. As a method of forming an image corresponding to a lattice structure constituting a three-dimensional photonic crystal structure by exposing a single interference pattern, a method of simultaneously causing four light beams to interfere as shown in FIG. 2A was considered. Using this method, a three-dimensional hexagonal close-packed lattice structure can be obtained by one exposure. However, in this method, the interference pattern formed in the resin becomes a three-dimensional array of points, and the resin cured by the pattern may form a pattern that is not continuous with each other (see FIG. b)), by adjusting the intensity of the incident laser light so that the diameter of the cured resin formed at each point of the interference pattern is slightly larger than the lattice spacing of the interference pattern, The adjacent cured resin particles are connected at the surface as in the case of (1) and the position is fixed, and a precise three-dimensional hexagonal close-packed lattice structure can be obtained.

【0009】ここで、基本技術である、2光束の干渉に
よって1次元周期構造を得る手法およびこれを応用した
多次元フォトニック結晶構造の製作への応用と、3光束
の干渉によって2次元格子構造を得る手法とを具体的に
説明する。 C.2光束の干渉によるフォトニック結晶構造(本明細
書においては、2次元格子構造も、広い意味においてフ
ォトニック結晶構造に含める。)の造形法と多次元フォ
トニツク結晶構造について。 1.まず、1次元方向に周期的屈折率をもつ格子構造を
造形するシステムを説明する。前記造形システムの光学
系を図3に示す。He−Cdレーザーからのレーザー光
をビームスプリターBSで2つの光束に分割し、ミラー
M1,M2及びM3によってガラスセル中の光硬化性樹
脂中で交わらせ2つの光束を干渉させた。干渉縞を作る
前記2光束の衝突角を調節することで、得られる格子の
周期を選ぶことができる。光硬化性樹脂に光強度2m
W、ビーム径1.5mmの2本の光束を25秒間照射し
干渉パターンによって硬化させた後、エタノールで周囲
の液体樹脂を洗い流し乾燥させた。図4は、上記のシス
テムによって作製した1次元周期構造の電子顕微鏡写真
である。電子顕微鏡観察は、作製した格子構造の表面に
厚さ20nmで金を蒸著して行った。格子のピッチは約
1.2μmで、格子の深さは100μm、構造全体のサ
イズは500×500×100μm程度である。(b)
は(a)を拡大したものである。なお、周期数の大きさ
は、レーザーのビーム径を変えることによって変えるこ
とができる。
[0009] Here, a basic technique of obtaining a one-dimensional periodic structure by interference of two light beams and its application to the production of a multidimensional photonic crystal structure, and a two-dimensional lattice structure by interference of three light beams. The method for obtaining the above will be specifically described. C. A shaping method of a photonic crystal structure (in this specification, a two-dimensional lattice structure is also included in the photonic crystal structure in a broad sense) due to interference of two light beams, and a multidimensional photonic crystal structure. 1. First, a system for forming a grating structure having a periodic refractive index in a one-dimensional direction will be described. The optical system of the modeling system is shown in FIG. The laser light from the He-Cd laser was split into two light beams by the beam splitter BS, and the two light beams were caused to interfere in the photocurable resin in the glass cell by mirrors M1, M2, and M3. By adjusting the collision angle of the two light beams that form the interference fringes, the period of the obtained grating can be selected. 2m light intensity on photo-curable resin
After irradiating with W, two light beams having a beam diameter of 1.5 mm for 25 seconds and curing by an interference pattern, the surrounding liquid resin was washed away with ethanol and dried. FIG. 4 is an electron micrograph of the one-dimensional periodic structure produced by the above system. Electron microscopy was performed by evaporating gold with a thickness of 20 nm on the surface of the prepared lattice structure. The pitch of the grating is about 1.2 μm, the depth of the grating is 100 μm, and the size of the entire structure is about 500 × 500 × 100 μm. (B)
Is an enlargement of (a). The number of periods can be changed by changing the laser beam diameter.

【0010】2.二次元周期構造(2次元格子構造)の
形成 樹脂に1度のレーザー光を照射した後、図3のガラスセ
ルを水平面内で90°回転させ、同一の入射面から再び
レーザー光を照射し干渉パターンで硬化させることによ
って、2次元周期構造を形成することにができる。図5
は、その周期構造(2次元格子構造)の電子顕微鏡写真
である。前記1.と同様に、1.2μmのピッチで樹脂
が2次元方向に周期構造を持って形成された。また、2
つの光束の衝突角を変えて、形成される干渉縞の間隔を
変えると、得られる格子間隔を変えることができる。図
6は、2つの光束の衝突角を変えて作製した、格子間隔
が9.5μmの2次元格子構造の電子顕微鏡写真であ
る。以上のように、2つの光束の干渉パターンを用いる
ことにより、1次元格子構造、2次元格子構造を実際に
形成し、多次元の格子構造を形成できることを示した。
[0010] 2. Formation of two-dimensional periodic structure (two-dimensional lattice structure) After irradiating the resin once with laser light, rotate the glass cell of FIG. 3 by 90 ° in the horizontal plane, and irradiate laser light again from the same incident surface to cause interference. By curing in a pattern, a two-dimensional periodic structure can be formed. FIG.
Is an electron micrograph of the periodic structure (two-dimensional lattice structure). 1. Similarly to the above, the resin was formed with a periodic structure in a two-dimensional direction at a pitch of 1.2 μm. Also, 2
By changing the collision angle between two light beams and changing the interval between the formed interference fringes, the obtained grating interval can be changed. FIG. 6 is an electron micrograph of a two-dimensional lattice structure with a lattice spacing of 9.5 μm, produced by changing the collision angle of two light beams. As described above, it has been shown that a one-dimensional lattice structure and a two-dimensional lattice structure can be actually formed by using an interference pattern of two light beams to form a multidimensional lattice structure.

【0011】レーザー干渉パターンによってフォトニツ
ク結晶構造を形成する手法には次に挙げる特徴がある。 3次元の周期構造のすべての層を一度のレーザー光
照射によって同時に作製でき、機械的な試料走査やその
他の複数のプロセスを要しないことから、造形の精度が
高い。 形成される周期構造の格子定数は樹脂中で形成され
るレーザー光の干渉縞の間隔で決定されることから、理
論上は最小で入射するレーザー光の半波長の間隔の繊細
な周期構造まで作製することができる。 形成される周期構造の層数は樹脂中で形成されるレ
ーザー光の干渉縞の層数で決定されることから、入射光
のビーム径を大きくすれば作製できる周期構造の層数に
制限を受けない。(レーザーのビーム径は50mm程度
まで変化させることができる。) 色々な材料、例えば発光性あるいは光増幅性物質、
または電気光学材料、透明体、または導電性物質などを
容易に格子構造中にドーピングすることができる。
The technique for forming a photonic crystal structure by a laser interference pattern has the following features. Since all layers of the three-dimensional periodic structure can be simultaneously produced by a single laser beam irradiation, and the need for mechanical sample scanning and other processes is eliminated, the modeling accuracy is high. Since the lattice constant of the formed periodic structure is determined by the spacing of the interference fringes of the laser light formed in the resin, it is theoretically possible to produce even a delicate periodic structure with a half-wavelength spacing of the incident laser light. can do. Since the number of layers of the periodic structure to be formed is determined by the number of layers of interference fringes of laser light formed in the resin, the number of layers of the periodic structure that can be produced by increasing the beam diameter of the incident light is limited. Absent. (The laser beam diameter can be changed up to about 50 mm.) Various materials, such as a luminescent or light-amplifying substance,
Alternatively, an electro-optic material, a transparent body, a conductive substance, or the like can be easily doped into the lattice structure.

【0012】前記2光束の干渉パターンを用いるこの方
法には、以下のような問題点もある。 多次元格子構造を形成するのに数回の干渉パターン
露光が必要である。 この方法を用いて3次元格子構造の形成に応用する
ことを考えると、格子構造は同様の方法で3次元に拡張
は可能であるが、周期的に並んだ閉じた箱が3次元的に
積み重なった構造となるため、格子の隙間に残った液体
の感光性樹脂は硬化樹脂の壁に閉じこめられ洗い流すこ
とができない。フォトニツクバンドギャップを形成する
上で、周期構造の持つ屈折率の変化量は大きい必要があ
るため、格子中に液体樹脂が残ってしまうのはその妨げ
となる。これらの問題点を改善する方法として、同時に
1本のレーザーを分割した3光束を樹脂中で干渉させ、
一回の干渉パターン露光によって一度に2次元格子構造
を形成する手法を開発した。
This method using the interference pattern of the two light beams has the following problems. Several interference pattern exposures are required to form a multi-dimensional grating structure. Considering the application of this method to the formation of a three-dimensional lattice structure, the lattice structure can be extended in three dimensions in the same way, but closed boxes periodically arranged are three-dimensionally stacked. As a result, the liquid photosensitive resin remaining in the gaps between the lattices is trapped by the walls of the cured resin and cannot be washed away. In forming the photonic band gap, the amount of change in the refractive index of the periodic structure needs to be large, and this prevents the liquid resin from remaining in the lattice. As a method to improve these problems, three beams split by one laser at the same time interfere with each other in the resin,
We have developed a method to form a two-dimensional lattice structure at one time by one interference pattern exposure.

【0013】D.ここで、1本のレーザーを分割した3
光束を感光性樹脂中で干渉させ、一度に2次元格子構
造、すなわちロッドが多数本周期性を持って並んだ構造
を形成する手法を説明する。3光束の干渉を用いた2次
元最密格子構造の造形法と構造図7に試作した3光束の
干渉を用いた2次元格子構造の造形システムの光学系を
示す。He−Cdレーザーからのレーザー光を2つのビ
ームスプリターBS1、BS2を用いて3つの光束に分
割し、ミラーM1、M2、M3、M4、及びM5によっ
て試料ステージ上の光硬化性樹脂中に前記3つの光束を
角度を持って下方から入射させ干渉パターン(縞または
像)を前記光硬化性樹脂中に形成させた。前記C.で記
載した方法と同様、干渉縞を作る3つの光束の衝突角を
調節することで、得られる格子の周期、格子構造を選択
することができる。光硬化性樹脂に光強度1mW、ビー
ム径1.5mmの3つの光束を30秒間照射し干渉パタ
ーンに対応して前記光硬化性樹脂を硬化させた後、エタ
ノールで周囲の未硬化の液体状の光硬化性樹脂を洗い流
し乾燥させた。図8は、前記方法によって作製した2次
元格子構造の電子顕微鏡写真である。格子間隔は1μ
m、深さ(ロッドの高さ)約100μm、構造全体のサ
イズは前記手法と同様500×500×100μm程度
である。図で白く見えている部分が硬化した樹脂の部分
であることから、3つの光束の干渉によって直径1μm
以下のロ状の構造が最密に並んだ格子構造になっている
ことがわかる。
D. Here, one laser is divided 3
A method of causing a light beam to interfere in a photosensitive resin to form a two-dimensional lattice structure at a time, that is, a structure in which a large number of rods are arranged with regularity will be described. FIG. 7 shows a modeling method of a two-dimensional close-packed lattice structure using interference of three light beams, and FIG. 7 shows an optical system of a prototype molding system of a two-dimensional lattice structure using interference of three light beams. The laser beam from the He-Cd laser is split into three light beams by using two beam splitters BS1 and BS2, and the light beams are dispersed into the photocurable resin on the sample stage by mirrors M1, M2, M3, M4, and M5. Two light beams were incident from below at an angle to form an interference pattern (stripe or image) in the photocurable resin. C. By adjusting the collision angle of the three light beams forming the interference fringes, the period of the obtained grating and the grating structure can be selected in the same manner as in the method described in (1). After irradiating the photocurable resin with three light beams having a light intensity of 1 mW and a beam diameter of 1.5 mm for 30 seconds to cure the photocurable resin in accordance with the interference pattern, the surrounding uncured liquid state is formed with ethanol. The photocurable resin was washed away and dried. FIG. 8 is an electron micrograph of the two-dimensional lattice structure produced by the above method. Lattice spacing is 1μ
m, the depth (height of the rod) is about 100 μm, and the size of the entire structure is about 500 × 500 × 100 μm as in the above method. In the figure, the portion that looks white is the portion of the cured resin.
It can be seen that a lattice structure in which the following b-shaped structures are closely arranged is shown.

【0014】3つの光束の干渉による2次元格子構造の
造形法の特徴 本方法では、前記2つの光束の干渉パターンを用いる方
法において挙げたいずれの問題点も解決している。 一回の干渉パターンの露光によって一度に2次元格
子構造を作製することができる。 正方晶構造だけでなく、六方最密格子構造を作製す
ることも可能である。 3次元格子構造の作製に応用することを考えると、
本手法で得られる格子構造のz方向に、2つの光束の干
渉によって層構造を形成することによって3次元格子構
造を得ることができ、さらに構造の内部の液体樹脂を溶
媒で洗い流すことが可能である。図8で示される最密格
子構造を作製することができたが、この結晶構造は、固
体結晶を用いた3次元フォトニック結晶構造の場合と同
様、また他の研究グループの報告からも、フォトニツク
バンドギャップを形成する上で正方晶構造よりも望まし
い結晶構造である。以上は、前記A.及びB.で記載し
た3次元フォトニック結晶構造の製造の基本原理を説明
した。
[0014] Features of the shaping method of the two-dimensional lattice structure by interference of three light beams This method solves any problems mentioned in the method using the interference pattern of the two light beams. A two-dimensional lattice structure can be manufactured at once by one exposure of the interference pattern. It is possible to produce not only a tetragonal structure but also a hexagonal close-packed lattice structure. Considering application to the production of a three-dimensional lattice structure,
By forming a layer structure by interference of two light beams in the z direction of the lattice structure obtained by this method, a three-dimensional lattice structure can be obtained, and the liquid resin inside the structure can be washed away with a solvent. is there. Although the close-packed lattice structure shown in FIG. 8 could be produced, the crystal structure was similar to that of the three-dimensional photonic crystal structure using solid crystals, and also from the reports of other research groups. This is a more desirable crystal structure than a tetragonal structure in forming a nickel band gap. The above is described in the above A. And B. The basic principle of manufacturing the three-dimensional photonic crystal structure described in the above section has been described.

【0015】本発明で使用した光硬化性樹脂はウレタン
アクリレート系の紫外線硬化樹脂(SCR−500;日
本合成ゴム)で、光重合開始剤、ウレタンアクリレート
モノマー、ウレタンアクリレートオリゴマーからなる。
図9に、前記光硬化性樹脂の吸収スペクトルを示す。紫
外〜青色光に吸収を持つ。この樹脂に吸収波長のレーザ
ー光を入射すると、樹脂中の光重合開始剤がラジカルに
変化する。このラジカルがモノマー分子、オリゴマー分
子と重合反応を連続的に起こすことによって、樹脂が硬
化する。以下に前記樹脂の物性値を示す。 光硬化性樹脂の物性表 ウレタンアクリレート系樹脂 (SCR500:具体的組成は後記する。) 屈折率(硬化前) 1.53(波長:441.6nm) 屈折率(硬化後) 1.55(波長:441.6nm) 粘度 850cps 密度 1.11g/cm3
The photocurable resin used in the present invention is a urethane acrylate-based ultraviolet curable resin (SCR-500; Nippon Synthetic Rubber) and comprises a photopolymerization initiator, a urethane acrylate monomer and a urethane acrylate oligomer.
FIG. 9 shows an absorption spectrum of the photocurable resin. It absorbs ultraviolet to blue light. When a laser beam having an absorption wavelength is incident on this resin, the photopolymerization initiator in the resin changes into radicals. The radicals cause a polymerization reaction with monomer and oligomer molecules continuously, whereby the resin is cured. The physical properties of the resin are shown below. Physical Properties Table of Photo-Curable Resin Urethane acrylate resin (SCR500: Specific composition will be described later) Refractive index (before curing) 1.53 (wavelength: 441.6 nm) Refractive index (after curing) 1.55 (wavelength: 441.6 nm) Viscosity 850 cps Density 1.11 g / cm 3

【0016】本発明のフォトニック結晶の製造には、公
知の光硬化性樹脂、特に紫外線硬化性樹脂を使用するこ
とが得られる結晶構造の1周期の長さを遠赤外〜可視光
とするためにも好ましい。使用する光線の特性は光硬化
性樹脂成分、例えばモノマー、プレポリマー、ポリマ
ー、光重合開始剤などを選択することにより調整でき
る。更に、増感剤等の添加によって光感度、波長感度を
調節することもできる。本発明で使用される光硬化型樹
脂を構成する成分の一つであるモノマー、プレポリマー
とは、基本的に少なくとも1個以上の官能基を含有する
ものである。前記主成分の他に硬化エネルギー線を照射
することにより、イオンまたはラジカルを発生する物
質、いわゆる光重合開始剤を添加することが好ましい。
ここでいう官能基とは、ビニル基、カルボキシル基、水
酸基などの反応性の原因となる原子団または結合様式を
いうが、本発明は硬化エネルギー線を照射して樹脂組成
物を硬化せしめるという点から、アクリロイル基などの
ビニル基を有す単官能または多官能の化合物が好まし
い。このようなアクリロイル基を有するモノマーは、公
知のものから適宜選んで使用でき、特に限定されるもの
ではないが、代表例を挙げるなら2−エチルヘキシルア
クリレート、2−ヒドロキシエチルアクリレート、2−
ヒドロキシプロピルアクリレート、テトラヒドロフリー
ルおよびその誘導体のアクリレートなどの単官能のも
の、ジシクロペンテニルアクリレート、1,3−ブタン
ジオールジアクリレート、1,4−ブタンジオールジア
クリレート、1,6−ヘキサンジオールジアクリレー
ト、ジエチレングリコールジアクリレート、ポリエチレ
ングリコールジアクリレート、ヒドロキシピバリン酸エ
ステルネオペンチルグリコールおよびその誘導体のジア
クリレート、トリプロピレングリコールジアクリレー
ト、ジメチロールトリシクロデカンジアクリレートなど
の2官能のもの、トリメチロールプロパントリアクリレ
ート、ペンタエリストールトリアクリレート、ジペンタ
エリストールヘキサアクリレートなどの3官能以上のも
のがある。本発明では上記モノマーの他に、プレポリマ
ーを前記モノマーと併用して使用するのが好ましい。本
発明で使用されるプレポリマーもモノマー同様特に限定
されるものではないが、ポリエステルアクリレート、エ
ポキシアクリレート、ウレタンアクリレートなどで代表
されるものがあり、低体積収縮、可撓性などの理由から
3官能以下、好ましくは2官能または3官能のものが使
用される。これらのうち、ウレタン(メタ)アクリレー
トオリゴマーと光硬化性モノマーとの混合物、及びエポ
キシ基含有化合物の(メタ)アクリレートオリゴマーと
光硬化性モノマーとの混合物がより好ましい。
In the production of the photonic crystal of the present invention, it is possible to use a known photocurable resin, particularly an ultraviolet curable resin. It is also preferred. The characteristics of the light beam used can be adjusted by selecting a photocurable resin component, for example, a monomer, a prepolymer, a polymer, a photopolymerization initiator and the like. Further, light sensitivity and wavelength sensitivity can be adjusted by adding a sensitizer or the like. The monomer or prepolymer, which is one of the components constituting the photocurable resin used in the present invention, basically contains at least one or more functional groups. It is preferable to add a substance that generates ions or radicals by irradiating a curing energy ray in addition to the main component, a so-called photopolymerization initiator.
The term "functional group" as used herein means an atomic group or a bonding mode that causes reactivity such as a vinyl group, a carboxyl group, and a hydroxyl group. However, the present invention hardens the resin composition by irradiating a curing energy ray. Therefore, a monofunctional or polyfunctional compound having a vinyl group such as an acryloyl group is preferable. Such a monomer having an acryloyl group can be appropriately selected from known ones, and is not particularly limited. However, typical examples thereof include 2-ethylhexyl acrylate, 2-hydroxyethyl acrylate, and 2-hydroxyethyl acrylate.
Monofunctional ones such as hydroxypropyl acrylate, acrylate of tetrahydrofuryl and derivatives thereof, dicyclopentenyl acrylate, 1,3-butanediol diacrylate, 1,4-butanediol diacrylate, 1,6-hexanediol diacrylate Diethylene glycol diacrylate, polyethylene glycol diacrylate, hydroxypivalic acid ester neopentyl glycol and its derivatives diacrylate, tripropylene glycol diacrylate, dimethylol tricyclodecane diacrylate and other bifunctional ones, trimethylolpropane triacrylate, There are three or more functional groups such as pentaerythritol triacrylate and dipentaerythrol hexaacrylate. In the present invention, it is preferable to use a prepolymer in combination with the above monomer in addition to the above monomer. The prepolymer used in the present invention is not particularly limited as well as the monomer, but may be represented by polyester acrylate, epoxy acrylate, urethane acrylate, etc., and is trifunctional for reasons of low volume shrinkage and flexibility. Hereinafter, a bifunctional or trifunctional one is preferably used. Among these, a mixture of a urethane (meth) acrylate oligomer and a photocurable monomer, and a mixture of a (meth) acrylate oligomer of an epoxy group-containing compound and a photocurable monomer are more preferable.

【0017】本発明で用いられるレーザー光には可視光
線、紫外線などがあるが、細かい周期の3次元フォトニ
ツク結晶を作製するためには紫外線が好ましい。用いら
れる光源が紫外線の場合、上記モノマー、プレポリマー
の他に、紫外線を照射することによりイオンまたはラジ
カルを発生する物質、すなわち光重合開始剤の添加が必
要となる。本発明で使用される光重合開始剤は特に限定
されるものではないが、代表例を挙げるならアセトフェ
ノン系、ベンゾフェノン系、ミヒラーケトン系、ベンジ
ル系、ベンゾイン系、ベンゾインエーテル系、ベンジル
ジメチルケタール系、ベンゾインベンゾエート系、α−
アシロキシムエステル系等のカルボニル化合物、テトラ
メチルチウラムモノサルファイド、チオキサントン類等
の硫黄化合物、2,4,6−トリメチルベンゾイルジフ
ェニルフォスフィンオキシド等の燐化合物等が挙げら
れ、これら単独あるいは2種以上混合して使用される。
本発明において上記光重合開始剤の添加量は、モノマー
および/またはプレポリマー成分100重量部に対し
て、0.1〜20重量部、さらには0.5〜15重量部
であることが好ましい。光重合開始剤が前記範囲未満で
は硬化性が低くなり、また前記範囲を超えると硬化後ブ
リードアウトするという問題が起こるため好ましくな
い。好ましい混合物としては、ウレタン(メタ)アクリ
レートオリゴマーと、光硬化性モノマーとの混合物に光
重合開始剤を加えてなる感光性樹脂組成物、具体例とし
ては、2,4−トリレンジイソシアネート、ヒドロキシ
エチルアクリレート、分子量650のポリオキシテトラ
メチレングリコールより得られる数平均分子量1230
のウレタンアクリレートオリゴマーからなる樹脂成分
と、2,4−トリレンジイソシアネート、ヒドロキシエ
チルアクリレートより得られる数平均分子量406のウ
レタンアクリレートオリゴマーからなる樹脂成分と、n
−ビニルカプロラクタム、トリシクロデカンジイルジメ
チレンアクリレートからなる希釈モノマー成分と、2−
ベンジル−2−ジメチルアミノ−1−(4−モルフォリ
ノフェニル)−ブタノン−1、1−ヒドロキシシクロヘ
キシルフェニルケトンからなる光重合開始剤とにより構
成される光硬化性樹脂組成物〔商品名「SCR500」
(日本合成ゴム(株)製)〕;イソホロンジイソシアネ
ート、ヒドロキシエチルアクリレート、アジピン酸−ネ
オペンチルグリコール系ポリエステルポリオールより得
られるウレタンアクリレートオリゴマーからなる樹脂成
分と、ビスフェノールAのジメタクリロイルエチルエー
テル、ポリエチレングリコールジアクリレート、ネオペ
ンチルグリコールジメタクリレートからなる希釈モノマ
ー成分と、2,2−ジメトキシ−2−フェニルアセトフ
ェノン、1−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケト
ン、2,4,6−トリメチルベンゾイルジフェニルホス
フォンオキサイドからなる光重合開始剤とにより構成さ
れる光硬化性樹脂組成物を挙げることができる。
The laser light used in the present invention includes visible light, ultraviolet light, and the like, and ultraviolet light is preferable for producing a three-dimensional photonic crystal having a fine period. When the light source used is ultraviolet light, it is necessary to add a substance that generates ions or radicals by irradiating ultraviolet light, that is, a photopolymerization initiator, in addition to the above monomers and prepolymers. The photopolymerization initiator used in the present invention is not particularly limited, but typical examples include acetophenone, benzophenone, Michler's ketone, benzyl, benzoin, benzoin ether, benzyldimethyl ketal, and benzoin. Benzoate, α-
Carbonyl compounds such as acyloxime esters; sulfur compounds such as tetramethylthiuram monosulfide and thioxanthone; and phosphorus compounds such as 2,4,6-trimethylbenzoyldiphenylphosphine oxide. These may be used alone or in combination of two or more. Used as
In the present invention, the addition amount of the photopolymerization initiator is preferably 0.1 to 20 parts by weight, more preferably 0.5 to 15 parts by weight, based on 100 parts by weight of the monomer and / or prepolymer component. If the photopolymerization initiator is less than the above range, the curability will be low. As a preferable mixture, a photosensitive resin composition obtained by adding a photopolymerization initiator to a mixture of a urethane (meth) acrylate oligomer and a photocurable monomer, for example, 2,4-tolylenediisocyanate, hydroxyethyl Acrylate, number average molecular weight 1230 obtained from polyoxytetramethylene glycol having a molecular weight of 650
A resin component comprising a urethane acrylate oligomer having a number average molecular weight of 406 obtained from 2,4-tolylene diisocyanate and hydroxyethyl acrylate, and n
A diluent monomer component consisting of vinylcaprolactam and tricyclodecanediyldimethyleneacrylate;
A photocurable resin composition composed of benzyl-2-dimethylamino-1- (4-morpholinophenyl) -butanone-1, a photopolymerization initiator composed of 1-hydroxycyclohexylphenyl ketone [trade name "SCR500"
(Manufactured by Nippon Synthetic Rubber Co., Ltd.)]; a resin component composed of a urethane acrylate oligomer obtained from isophorone diisocyanate, hydroxyethyl acrylate, and adipic acid-neopentyl glycol-based polyester polyol; dimethacryloyl ethyl ether of bisphenol A; A diluent monomer component composed of acrylate and neopentyl glycol dimethacrylate, and a photopolymerization initiator composed of 2,2-dimethoxy-2-phenylacetophenone, 1-hydroxycyclohexylphenyl ketone, and 2,4,6-trimethylbenzoyldiphenylphosphon oxide And a photocurable resin composition composed of the following.

【0018】本発明で好ましく使用される光硬化性樹脂
は、強度などの点からポリマーを添加しても良いが、硬
化後の未硬化材料の洗い出しの点を考えると好ましいと
はいえない。ここでいうポリマーとしては、公知のポリ
マー例えばポリエステル樹脂、アクリル樹脂、ウレタン
樹脂、エポキシ樹脂などが挙げられる。なお、感光性樹
脂として光硬化型(光重合型)のもの(いわゆるネガ
型)を挙げたが、光分解ないし光崩壊型のもの(いわゆ
るポジ型)を使用しても良い。ネガ型の場合には、光の
当たった部分が溶剤などによって取り除かれる。
The photocurable resin preferably used in the present invention may contain a polymer in view of strength and the like, but is not preferable in view of washing out the uncured material after curing. Examples of the polymer mentioned here include known polymers such as a polyester resin, an acrylic resin, a urethane resin, and an epoxy resin. Although the photosensitive resin is a photo-curing type (photo-polymerizing type) (so-called negative type), a photo-decomposable or photo-degradable type (so-called positive type) may be used. In the case of a negative type, a portion exposed to light is removed by a solvent or the like.

【0019】スペクトル幅の広いフォトニツクバンドギ
ャップを形成するためには、構造が持つ周期的屈折率の
差が大きいことが必要がある。本発明で得られた3次元
構造の屈折率差は樹脂層の1.55と空気層の1.00
との差であり、これは他の固体結晶を用いた3次元フォ
トニック結晶構造、例えばGaAs(屈折率3.6)と
空気やa−Si(屈折率3.24)とSiO2(屈折率
1.46)との組み合わせと比べて広いフォトニツクバ
ンドギャップを得るのに十分な大きさであるとは言えな
い。しかしながら、本発明の感光性樹脂とレーザー光の
干渉によりフォトニック結晶構造を作成する方法では、
従来の方法では実現できなかった、3次元方向に(z方
向に)も数100層という多層構造が高い精度で形成で
きるから、フォトニック結晶構造を高精度で形成できる
ため(前記図8の顕微鏡写真から、多層構造と周期の精
度が理解できる。)に、従来のフォトニック結晶と称す
るものでは観測できない、フォトニックバンドギャップ
を観察できる。また、屈折率差については、より大きな
屈折率を持つ樹脂を選択すること、および構造中に光増
幅物質などをドープするなどの工夫ができ、本発明は精
度の高いマイクロ3次元格子構造の量産技術が提供でき
た点で極めて有用である。
In order to form a photonic band gap having a wide spectrum width, it is necessary that the difference in the periodic refractive index of the structure is large. The difference in the refractive index of the three-dimensional structure obtained by the present invention is 1.55 for the resin layer and 1.00 for the air layer.
This is a three-dimensional photonic crystal structure using another solid crystal, such as GaAs (refractive index 3.6) and air, a-Si (refractive index 3.24), and SiO 2 (refractive index). It cannot be said that it is large enough to obtain a wide photonic band gap as compared with the combination of 1.46). However, in the method of the present invention for producing a photonic crystal structure by interference between a photosensitive resin and a laser beam,
Since a multi-layered structure having several hundred layers in the three-dimensional direction (in the z-direction), which cannot be realized by the conventional method, can be formed with high accuracy, the photonic crystal structure can be formed with high accuracy (the microscope shown in FIG. 8). From the photograph, the accuracy of the multilayer structure and the period can be understood.) In addition, a photonic band gap, which cannot be observed with a conventional photonic crystal, can be observed. As for the refractive index difference, it is possible to select a resin having a larger refractive index and to dope the structure with a light amplification material or the like. This is extremely useful in that the technology can be provided.

【0020】実施例1 光硬化性樹脂として、前記したウレタンアクリレート系
の紫外線硬化樹脂(SCR−500;日本合成ゴム
(株)製)、すなわち、光重合開始剤を添加したウレタ
ンアクリレートモノマー、ウレタンアクリレートオリゴ
マーからなるものをガラスセルに入れる。前記A.に記
載の装置及び条件を用いて、3光束の干渉によって2次
元最密構造を得る手法と2光束の干渉によって1次元周
期構造を得る手法とを融合させ、光強度1mmW、ビー
ム径1.5mmの条件において3次元周期構造を作製し
た。3次元周期構造に対応する像を光硬化性樹脂中に形
成後、未硬化の光硬化性樹脂は、エタノールを用いて取
り除いた。その顕微鏡写真を図10に示す。その格子定
数、周期の精度、周期の総数から、極めて優れた3次元
格子構造を実現していることが理解される。透過スペク
トル測定により、構造の持つフォトニックバンド効果を
確認した。
Example 1 As the photocurable resin, the above-mentioned urethane acrylate-based ultraviolet curable resin (SCR-500; manufactured by Nippon Synthetic Rubber Co., Ltd.), that is, a urethane acrylate monomer to which a photopolymerization initiator is added, a urethane acrylate An oligomer is placed in a glass cell. A. Using the apparatus and conditions described in the above section, a method of obtaining a two-dimensional close-packed structure by interference of three light beams and a method of obtaining a one-dimensional periodic structure by interference of two light beams are combined to have a light intensity of 1 mmW and a beam diameter of 1.5 mm. Under the conditions described above, a three-dimensional periodic structure was produced. After forming an image corresponding to the three-dimensional periodic structure in the photocurable resin, the uncured photocurable resin was removed using ethanol. The micrograph is shown in FIG. It is understood from the lattice constant, the precision of the period, and the total number of periods that an extremely excellent three-dimensional lattice structure is realized. The transmission spectrum measurement confirmed the photonic band effect of the structure.

【0021】実施例2 前記B.に記載の装置の方法により1回の露光で3次元
フォトニック結晶構造を製造した。感光性樹脂組成物は
実施例1で用いたものを使用した。光硬化性樹脂に光強
度1mW、ビーム径1.5mmの4本のレーザー光(4
光束)を照射し干渉パターンによって硬化させた後、エ
タノールで周囲の液体樹脂を洗い流し乾燥させた。透過
スペクトル測定により構造の持つフォトニックバンド効
果を確認した。
Example 2 The three-dimensional photonic crystal structure was manufactured by one exposure by the method of the apparatus described in (1). The photosensitive resin composition used in Example 1 was used. Four laser beams (4 mm) having a light intensity of 1 mW and a beam diameter of 1.5 mm
After irradiating with a light beam) and curing according to an interference pattern, the surrounding liquid resin was washed away with ethanol and dried. The photonic band effect of the structure was confirmed by transmission spectrum measurement.

【0022】[0022]

【発明の効果】以上述べたように、本発明のレーザー光
の干渉パターンによる3次元フォトニック結晶の格子構
造の製造法は、精度の良い多層構造の量産技術として採
用できるという優れた効果をもたらす。
As described above, the method for producing a lattice structure of a three-dimensional photonic crystal using the interference pattern of laser light according to the present invention has an excellent effect that it can be adopted as a mass production technique for a multilayer structure with high accuracy. .

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 3光束の干渉によって2次元格子構造を得る
手法(I)と2光束の干渉によって1次元周期構造を得
る手法(II)とを融合させた3次元周期格子構造を作製
するシステム
FIG. 1 shows a system for producing a three-dimensional periodic grating structure by combining a method (I) for obtaining a two-dimensional lattice structure by interference of three light beams and a method (II) for obtaining a one-dimensional periodic structure by interference of two light beams.

【図2】 4光束のレーザー光の干渉パターン(a)に
よる3次元フォトニック結晶構造を構成する格子構造に
対応する像を感光性樹脂層中に形成する方法。(b)及
び(c)は3次元最密格子構造
FIG. 2 shows a method of forming, in a photosensitive resin layer, an image corresponding to a lattice structure constituting a three-dimensional photonic crystal structure based on an interference pattern (a) of four light beams. (B) and (c) are three-dimensional close-packed lattice structures

【図3】 2光束干渉による1次元周期構造を得る手法FIG. 3 is a method for obtaining a one-dimensional periodic structure by two-beam interference.

【図4】 1次元周期構造の電子顕微鏡写真FIG. 4 is an electron micrograph of a one-dimensional periodic structure

【図5】 2次元方向に周期的屈折率を持つ格子構造FIG. 5 is a lattice structure having a periodic refractive index in a two-dimensional direction.

【図6】 2次元格子構造の電子顕微鏡写真(2光束の
レーザ光による2回の露光による。)
FIG. 6 is an electron micrograph of a two-dimensional lattice structure (due to two exposures with two laser beams).

【図7】 3光束干渉を用いた2次元格子構造の造形法FIG. 7 shows a method of forming a two-dimensional lattice structure using three-beam interference.

【図8】 2次元格子構造の電子顕微鏡写真(3光束の
レーザー光を用いた。)
FIG. 8 is an electron micrograph of a two-dimensional lattice structure (using three laser beams).

【図9】 一態様として用いた光硬化性樹脂の吸収スペ
クトル
FIG. 9 shows an absorption spectrum of a photocurable resin used as one embodiment.

【図10】 3次元最密格子構造の電子顕微鏡写真(3
光束のレーザー光の干渉による2次元格子構造に対応す
る像に2光束のレーザ光の干渉による1次元周期構造に
対応する像を合成して得られた。)
FIG. 10 is an electron micrograph of a three-dimensional close-packed lattice structure (3
An image corresponding to a one-dimensional periodic structure caused by interference of two-beam laser light was synthesized with an image corresponding to a two-dimensional lattice structure caused by interference of a laser beam of light. )

【符号の説明】 BS ビームスプリター M ミラー[Explanation of Signs] BS Beam Splitter M Mirror

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 一本のレーザーを複数に分けた光束を互
いに角度を持って感光性樹脂層中に照射してレーザーの
干渉によりフォトニック結晶構造を構成する格子構造に
対応する像を前記感光性樹脂層中に形成する工程を含
む、感光性樹脂を用いてレーザーの干渉によりフォトニ
ック結晶の格子構造を作成する方法。
An image corresponding to a lattice structure forming a photonic crystal structure is formed by irradiating a light beam obtained by dividing a single laser beam into a plurality of photosensitive resin layers at an angle to each other into a photosensitive resin layer by laser interference. A method for forming a lattice structure of a photonic crystal by laser interference using a photosensitive resin, including a step of forming the photonic crystal in a conductive resin layer.
【請求項2】 感光性樹脂層を構成する材料が光硬化性
樹脂であることを特徴とする請求項1に記載のレーザー
干渉によるフォトニック結晶の格子構造を作成する方
法。
2. The method for forming a lattice structure of a photonic crystal by laser interference according to claim 1, wherein the material constituting the photosensitive resin layer is a photocurable resin.
【請求項3】 レーザー光の干渉によりフォトニック結
晶構造を構成する格子構造に対応する像を前記感光性樹
脂層中に形成する工程が、一本のレーザーを3つに分け
た光束の干渉による2次元格子構造に対応する像と一本
のレーザー光を2つに分けた光束の干渉による1次元周
期格子構造に対応する像との合成により形成するもので
ある請求項1または2に記載のレーザー干渉によりフォ
トニック結晶の最密格子構造を作成する方法。
3. The step of forming an image corresponding to a lattice structure constituting a photonic crystal structure in the photosensitive resin layer by interference of a laser beam is performed by interference of a light beam obtained by dividing one laser into three. The image forming apparatus according to claim 1, wherein the image is formed by combining an image corresponding to a two-dimensional lattice structure and an image corresponding to a one-dimensional periodic lattice structure by interference of a light beam obtained by dividing one laser beam into two. A method of creating a close-packed lattice structure of a photonic crystal by laser interference.
【請求項4】 レーザー光の干渉によりフォトニック結
晶構造を構成する格子構造に対応する像を感光性樹脂層
中に形成する工程が、一方の光源からの一本のレーザー
を3つに分けた光束の干渉による2次元格子構造に対応
する像と、他方の光源からの一本のレーザー光を2つに
分けた光束の干渉による1次元周期構造に対応する像と
の合成により形成するものであることを特徴とする請求
項3に記載のレーザー干渉によりフォトニック結晶の最
密格子構造を作成する方法。
4. A step of forming an image corresponding to a lattice structure constituting a photonic crystal structure in a photosensitive resin layer by interference of a laser beam includes dividing one laser beam from one light source into three. It is formed by combining an image corresponding to a two-dimensional lattice structure due to light beam interference and an image corresponding to a one-dimensional periodic structure due to interference of light beams obtained by dividing one laser beam from the other light source into two. 4. The method for producing a close-packed lattice structure of a photonic crystal by laser interference according to claim 3, wherein:
【請求項5】 レーザー光の干渉によりフォトニック結
晶構造を構成する格子構造に対応する像を感光性樹脂層
中に形成する工程が、一本のレーザーを4つに分けた光
束の干渉によるものであることを特徴とする請求項1ま
たは2に記載のレーザー干渉によりフォトニック結晶の
最密格子構造を作成する方法。
5. The step of forming an image corresponding to a lattice structure constituting a photonic crystal structure in a photosensitive resin layer by interference of a laser beam is performed by interference of a light beam obtained by dividing one laser into four. The method for producing a close-packed lattice structure of a photonic crystal by laser interference according to claim 1 or 2, wherein:
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