JP2001201601A - Optical element - Google Patents

Optical element

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JP2001201601A
JP2001201601A JP2000342725A JP2000342725A JP2001201601A JP 2001201601 A JP2001201601 A JP 2001201601A JP 2000342725 A JP2000342725 A JP 2000342725A JP 2000342725 A JP2000342725 A JP 2000342725A JP 2001201601 A JP2001201601 A JP 2001201601A
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optical element
organic
optical
inorganic
temperature
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JP2000342725A
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Japanese (ja)
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Tadashi Koyama
正 小山
Hiroaki Yamamoto
博章 山本
Koichiro Nakamura
浩一郎 中村
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Nippon Sheet Glass Co Ltd
Original Assignee
Nippon Sheet Glass Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical element with a light path comprising a water resistant material having easily controllable physical properties such as refractive index in place of the conventional a thermal glass used so as to suppress a characteristics change of the optical element due to temperature. SOLUTION: A mixture or composite of 1st and 2nd materials is used as the constituent material of the light path of the optical element and the 1st and 2nd materials are selected in such a way that the refractive indexes of the 1st and 2nd materials have temperature coefficients whose signs are opposite to each other. A mixture or composite of organic and inorganic materials may be used.

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、光通信や光計測、
レーザ工学の分野において使用される光学素子を構成す
る材料に関するものである。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to optical communication, optical measurement,
The present invention relates to a material constituting an optical element used in the field of laser engineering.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、光通信の発達、レーザの発達など
に伴って、光学技術の発達も著しい。また、それに伴っ
て、求められる精度、性能もますます高くなっている。
光学部品用の材料として、ガラスは光ファイバー、光学
レンズに見られるように、最も重要な材料の一つであ
る。ガラスはその用途によって様々な組成を持ってお
り、種々の場面で使い分けられてきた。このようなガラ
スに求められる性質としては、光学的な透明性はもちろ
んであるが、その安定性も大きな要素である。ガラスは
比較的耐候性、耐熱性にも優れるのが一般的であるが、
組成によっては、耐水性が弱かったり、熱的な性質が目
的に対して不充分である場合もある。
2. Description of the Related Art In recent years, the development of optical technology has been remarkable along with the development of optical communication and laser. In addition, the required accuracy and performance are also increasing.
As a material for optical components, glass is one of the most important materials as found in optical fibers and optical lenses. Glass has various compositions depending on its use, and has been properly used in various situations. The properties required of such a glass are not only optical transparency, but also its stability is a major factor. Glass is generally relatively excellent in weather resistance and heat resistance,
Depending on the composition, the water resistance may be weak or the thermal properties may be insufficient for the purpose.

【0003】光学材料に望まれる特性の一つとして、温
度に対する安定性があげられる。この安定性は、温度変
化によって特性が変化しないことを意味するものであ
り、ガラスの耐熱性が高いといって必ずしも、特性自体
が安定ではない。このような光学材料において、温度が
変化した場合、屈折率が温度により変化するとともに、
素子の長さも温度とともに変化する。この2つの効果が
重なった形で光路長が変化する。泉谷徹郎著「光学ガラ
ス」共立出版(昭和59年)によれば、材料の熱膨張係
数αaと屈折率naの温度T依存性の関係は、熱膨張によ
って変化する空間の光路長を考慮して式1のように導き
出される。
One of the characteristics desired for optical materials is stability against temperature. This stability means that the characteristics do not change due to a temperature change, and the fact that the heat resistance of the glass is high does not necessarily mean that the characteristics themselves are stable. In such an optical material, when the temperature changes, the refractive index changes with the temperature,
The length of the element also changes with temperature. The optical path length changes in a form where these two effects overlap. According to Tetsuro Izumiya al "Optical Glass" Kyoritsu Shuppan (1984), the temperature T dependence of the relationship between the thermal expansion coefficient alpha a and the refractive index n a of the material, taking into account the optical path length of the space changes due to thermal expansion And is derived as in Equation 1.

【数1】dna/dT+(na−1)αa=0[Number 1] dn a / dT + (n a -1) α a = 0

【0004】このような材料を、例えば、レーザ媒質な
どに用いた場合にはビームのモードが変化してしまう。
また、干渉計にガラス製のプリズムで構成した光路長調
整のための装置は温度が変化することにより光路長が微
妙に変化してしまう。この光路長sの温度変化は、上記
「光学ガラス」によれば、LSG91Hというガラスで
は、ds/dT=6x10-6/℃という値である。この
ような光路長の温度変化は、特に干渉計では大きな不安
定性を生じる要因となる。このような弊害を解消するた
めに、アサーマルガラスと呼ばれる材料がある。これは
上記式1が成立するようなガラスである。
When such a material is used for, for example, a laser medium, the mode of the beam changes.
Further, in an apparatus for adjusting the optical path length, which is constituted by a glass prism in the interferometer, the optical path length is slightly changed due to a change in temperature. According to the above “optical glass”, the temperature change of the optical path length s is ds / dT = 6 × 10 −6 / ° C. for the glass LSG91H. Such a temperature change of the optical path length causes a large instability especially in an interferometer. In order to eliminate such adverse effects, there is a material called athermal glass. This is a glass for which the above equation 1 is satisfied.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、アサー
マルガラスの構成成分は式1を満たすための元素を選ぶ
関係上、燐酸、硼酸などを多く含むことになってしま
い、耐水性に劣るものであり、幅広い用途に使うには、
問題点を抱えている。また、組成が限られるため、ガラ
ス材料の特徴である、屈折率などの物性を制御すること
が難しい。
However, the constituents of the athermal glass contain a large amount of phosphoric acid, boric acid, and the like due to the selection of elements for satisfying the formula 1, resulting in poor water resistance. To use for a wide range of applications,
I have a problem. In addition, since the composition is limited, it is difficult to control physical properties such as a refractive index, which are characteristics of a glass material.

【0006】[0006]

【課題を解決する手段】光学素子の光路を構成する材料
を第1の材料と第2の材料の混合体もしくは複合体と
し、第1の材料の屈折率と第2の材料の屈折率は符号が
反対の温度係数をもつものを選ぶ。これに適合する材料
としては有機材料と無機材料の混合体または複合体があ
る。
A material constituting an optical path of an optical element is a mixture or a composite of a first material and a second material, and the refractive index of the first material and the refractive index of the second material are sign. Choose the one with the opposite temperature coefficient. Suitable materials include mixtures or composites of organic and inorganic materials.

【0007】その場合、有機材料の成分比を2モル%以
上10モル%以下とする。さらに有機材料としては炭化
水素および/または炭化水素の誘導体を主体とする材料
を用い、無機材料としてはSiO2、TiO2、Ge
2、Al23、ZrO2、B23、Na2O、MgO、
CaOの少なくともいずれか1つを成分として含むガラ
ス材料を使用する。
In this case, the component ratio of the organic material is set to 2 mol% or more and 10 mol% or less. Further, a material mainly composed of hydrocarbons and / or hydrocarbon derivatives is used as the organic material, and SiO 2 , TiO 2 , Ge is used as the inorganic material.
O 2 , Al 2 O 3 , ZrO 2 , B 2 O 3 , Na 2 O, MgO,
A glass material containing at least one of CaO as a component is used.

【0008】なお、出発原料としては有機化合物と無機
化合物を混合したものを使用してもよいが、有機無機複
合体を使用するのがさらに好ましい。また、上記材料で
構成される光学素子は、その製造過程において150℃
を越える温度で加熱処理されることが望ましい。上記光
学素子は、レーザ用媒質、レンズ、プリズム、反射・透
過型回折格子、ビームスプリッタのいずれかである。
As a starting material, a mixture of an organic compound and an inorganic compound may be used, but an organic-inorganic composite is more preferably used. In addition, the optical element made of the above-mentioned material has a temperature of 150 ° C. during the manufacturing process.
It is desirable that the heat treatment be performed at a temperature exceeding the above. The optical element is any one of a laser medium, a lens, a prism, a reflection / transmission type diffraction grating, and a beam splitter.

【0009】[0009]

【発明の実施の形態】例えばレンズは、レンズ外の空間
から入射する光を屈折させ、再度レンズ外の空間で結像
させる機能がある。すなわちレンズ素子は外部の空間を
含む光学系としてその機能を果たす。プリズム、反射・
透過型回折格子、ビームスプリッタ、レーザ用媒質など
も同様な光学素子である。このような光学系において温
度が変化した場合の光学的変化は、屈折率が温度により
変化し結果的に光路長が変化する項と、熱膨張により物
理的な光路長が変化する項とが重なり合って、光学的特
性の変化が起こる。たとえば、図1に示すように単純な
直方体の光学媒質1を通過する光を考えた場合、媒質の
屈折率をn、その全長をLとした場合の光路長Sは式2
で定義される。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS For example, a lens has a function of refracting light incident from a space outside the lens and forming an image again in the space outside the lens. That is, the lens element functions as an optical system including an external space. Prism, reflection
A transmission type diffraction grating, a beam splitter, a laser medium, and the like are similar optical elements. In such an optical system, when the temperature changes, an optical change is caused by a change in the optical path length due to a change in the refractive index due to the temperature and a change in the physical optical path length due to thermal expansion. Changes in the optical properties occur. For example, when light passing through a simple rectangular parallelepiped optical medium 1 as shown in FIG. 1 is considered, an optical path length S when the refractive index of the medium is n and its total length is L is expressed by Equation 2.
Is defined by

【数2】S=nL ただし、温度がΔT℃変化したときの光学媒質2の光路
長は式3のように変化する。
S = nL Note that the optical path length of the optical medium 2 when the temperature changes by ΔT ° C. changes as shown in Expression 3.

【数3】 S+(dS/dT)LΔT =(n+(dn/dT)ΔT)(L+αLΔT)−1・αLΔT =nL+(dn/dT)ΔTL+nαLΔT+(dn/dT)ΔTαLΔT) −1・αLΔT ここでdn/dTは屈折率の温度係数、dS/dTは光
路長の温度係数、αは線膨張係数である。これらはとも
に10-6台の値であるから、式3左辺における4項目は無
視してもかまわない。また、最後の項は光学素子の膨張
によって変化する空間の光路長を補償する項である。
S + (dS / dT) LΔT = (n + (dn / dT) ΔT) (L + αLΔT) −1 · αLΔT = nL + (dn / dT) ΔTL + nαLΔT + (dn / dT) ΔTαLΔT) −1 · αLΔT where dn / DT is the temperature coefficient of the refractive index, dS / dT is the temperature coefficient of the optical path length, and α is the linear expansion coefficient. Since these are both values in the 10 -6 range, the four items on the left side of Equation 3 can be ignored. The last term is a term that compensates for the optical path length of a space that changes due to expansion of the optical element.

【0010】温度変化(ΔT)による光路長の温度係数
dS/dTは次式のようになり、式4が導かれる。 (dS/dT)LΔT=(dn/dT)ΔTL+nαL
ΔT−1・αLΔT
The temperature coefficient dS / dT of the optical path length due to the temperature change (ΔT) is given by the following equation, and Equation 4 is derived. (DS / dT) LΔT = (dn / dT) ΔTL + nαL
ΔT-1 · αLΔT

【数4】dS/dT=(dn/dT)+(n−1)αT したがって、光路長差を0にするためには式5が成り立
たなければならない。
DS / dT = (dn / dT) + (n−1) αT Therefore, in order to make the optical path length difference zero, Expression 5 must be satisfied.

【数5】(dn/dT)+(n−1)α=0 αは通常正数であり、固体材料のnは1より大きいた
め、式5が成り立つためには、dn/dTの項を負にす
る必要がある。多くのガラス材料のdn/dTは正であ
る。一方、有機化合物は負のdn/dTを持つものが多
く、式5左辺は負になり得る。
(Dn / dT) + (n−1) α = 0 Since α is usually a positive number and n of the solid material is larger than 1, the term of dn / dT is required to satisfy Expression 5. Must be negative. Many glass materials have a positive dn / dT. On the other hand, many organic compounds have a negative dn / dT, and the left side of Formula 5 can be negative.

【0011】以上のことより、有機化合物と無機化合物
の混合物を用いると、光路長の温度依存性をなくせるこ
とが期待できる。本発明では、光学素子を構成する基本
材料を、有機材料と無機材料の混合体もしくは複合体と
することで、問題を解決しようとするものである。ここ
で混合体とは、有機化合物と無機化合物を単純に混合撹
拌した材料である。また複合体とは、有機成分と無機成
分が共有結合や配位結合等の化学結合をしている材料で
ある。以下に有機材料と無機材料の組成比xの理論上の
最適値を決定する方法を説明する。
From the above, it can be expected that the use of a mixture of an organic compound and an inorganic compound can eliminate the temperature dependence of the optical path length. The present invention is intended to solve the problem by using a mixture or a composite of an organic material and an inorganic material as a basic material constituting the optical element. Here, the mixture is a material obtained by simply mixing and stirring an organic compound and an inorganic compound. The composite is a material in which an organic component and an inorganic component have a chemical bond such as a covalent bond and a coordinate bond. Hereinafter, a method of determining a theoretical optimum value of the composition ratio x between the organic material and the inorganic material will be described.

【0012】(1)有機材料、無機材料それぞれについ
て、有機材料のみの室温における屈折率np、無機材料
のみの室温における屈折率ni、有機材料のみの屈折率
温度係数dnp/dT、無機材料のみの屈折率温度係数
dni/dT、有機成分材料のみの線膨張係数αp、無機
材料のみの線膨張係数αiを計測により求める。
(1) For each of the organic material and the inorganic material, the refractive index n p of the organic material alone at room temperature, the refractive index n i of the inorganic material only at room temperature, the refractive index temperature coefficient dn p / dT of the organic material only, The refractive index temperature coefficient dn i / dT of only the material, the linear expansion coefficient α p of only the organic component material, and the linear expansion coefficient α i of only the inorganic material are obtained by measurement.

【0013】(2)ローレンツ−ローレンスの関係より
導かれる式6を用い、上記測定値に対する有機材料およ
び無機材料の電子分極の温度係数φp、φiを求める。
(2) The temperature coefficients φ p and φ i of the electronic polarization of the organic material and the inorganic material with respect to the above measured values are obtained by using Equation 6 derived from the Lorentz-Lawrence relationship.

【数6】dnm/dT=[{(nm 2−1)(nm 2
1)}/6nm](φm−3αm) ただし有機材料に対してはm=p、無機材料にたいして
はm=iとする。
Dn m / dT = [{( nm 2 −1) ( nm 2 +
1)} / 6 nm ] (φ m −3α m ) where m = p for organic materials and m = i for inorganic materials.

【0014】(3)有機材料と無機材料の組成比xを変
数とした逐次漸近法により、式7〜式12を用いて混合
体もしくは複合体の室温における屈折率nc、屈折率温
度係数nc/dT、線膨張係数αcを求め、式5が成り立
つ該光学素子を構成する材料の無機成分のモル数xを決
定する。
(3) The refractive index n c and the temperature coefficient of the refractive index n c of the mixture or the composite at room temperature are calculated by the asymptotic asymptotic method using the composition ratio x of the organic material and the inorganic material as variables. c / dT and the coefficient of linear expansion α c are obtained, and the number of moles x of the inorganic component of the material constituting the optical element in which Expression 5 is satisfied is determined.

【数7】nc 2=(Vc+2Rc)/(Vc−RcN c 2 = (V c + 2R c ) / (V c -R c )

【数8】Vc=Vix+Vp(1−x)[Equation 8] V c = V i x + V p (1-x)

【数9】Rc=Rix+Rp(1−x)R c = R ix + R p (1-x)

【数10】αc=[αi・Vix/{Vp(1−x)+Vi
x}]+[αp・Vp(1−x)/{Vp(1−x)+Vi
x}]
Α c = [α i · V i x / {V p (1-x) + V i
x}] + [α p · V p (1-x) / {V p (1-x) + V i
x}]

【数11】φc=[φi・Vix/{Vp(1−x)+Vi
x}]+[φp・Vp(1−x)/{Vp(1−x)+Vi
x}]
Equation 11] φ c = [φ i · V i x / {V p (1-x) + V i
x}] + [φ p · V p (1-x) / {V p (1-x) + V i
x}]

【数12】dnc/dT=[{(nc 2−1)(nc 2
1)}/6nc](φc−3αc) ここで、φcは該光学素子を構成する材料の電子分極の
温度係数、Vcは該光学素子を構成する材料の分子容 、
pは有機成分材料のみの分子容、Viは無機成分材料の
みの分子容、Rcは該光学素子を構成する材料の分子屈
折、Rpは有機成分材料のみの分子屈折、Riは無機成分
材料のみの分子屈折である。以上により決定される組成
比xは以下の実施例に示すような実際の材料を調整する
上での目安となる。
Equation 12] dn c / dT = [{( n c 2 -1) (n c 2 +
1)} / 6n c ] (φ c −3α c ) where φ c is the temperature coefficient of electronic polarization of the material forming the optical element, V c is the molecular volume of the material forming the optical element,
V p is the molecular volume of only the organic component material, V i is the molecular volume of the inorganic component material only, R c is the molecular refraction of the material constituting the optical element, R p is the molecular refraction of the organic component material only, R i is This is molecular refraction of only the inorganic component material. The composition ratio x determined as described above is a standard for adjusting actual materials as shown in the following examples.

【0015】なお、ここで言う組成比、すなわちモル分
率は、つぎのような基準で無機成分と有機成分を区別
し、その構成原子数の比で定義する。無機成分は金属元
素(Si、Ti、Zr、Al、Zn、In、Sn等)と
それに結合している酸素原子の個数で濃度を規定する。
有機成分は上記無機成分以外の元素(C、H、Cl、
F、Br、I、O等)の原子数で規定する。ただし調合
時に含有されていても、分解、揮発する物質は成分とし
て考慮せず、残留する成分のみを考慮する。例えば溶媒
のエタノール、Si−OC25が加水分解して発生する
25OHは揮発すれば成分とは考えない。また無機化
合物中に含まれる有機成分は有機成分として計算する。
例えば、CH3−SiのCH3基、Ph−SiのPh(フ
ェニル)基、CH2=CH−SiのCH2=CH基はすべ
て有機成分として算入する。
The composition ratio, that is, the mole fraction, as used herein, is defined by the ratio of the number of constituent atoms by distinguishing the inorganic component from the organic component based on the following criteria. The concentration of the inorganic component is determined by the number of metal elements (Si, Ti, Zr, Al, Zn, In, Sn, etc.) and the number of oxygen atoms bonded thereto.
Organic components are elements other than the inorganic components (C, H, Cl,
F, Br, I, O, etc.). However, substances which decompose and volatilize even if they are contained during the preparation are not considered as components, but only the remaining components. For example, C 2 H 5 OH generated by hydrolysis of the solvent ethanol and Si—OC 2 H 5 is not considered as a component if it volatilizes. The organic component contained in the inorganic compound is calculated as an organic component.
For example, all CH 3 -Si a CH 3 group, Ph-Si of Ph (phenyl) group, CH 2 = CH group CH 2 = CH-Si are counted as organic components.

【0016】[0016]

【実施例】混合する材料としては無機材料としてSiO
2と有機材料として光重合性モノマーを用いて材料作製
を行った。なお、ここで光重合性モノマーを用いたが、
これは特に重要ではなく、作製し易さの点で選択したも
のである。これらの材料を均一に混合するために、ゾル
ゲル法を主体とする反応を用い、原料としては、SiO
2(屈折率約1.42)ソースとしてはテトラエトキシ
シラン(TEOS)、光重合性モノマーとしては、2−
ヒドロキシ−3−フェノキシプロピルアクリレート(C
2=CHCOOCH2C(OH)HCHO−C65:H
FPA)を用いた。なおこのHFPAの重合体の屈折率
は約1.55である。有機成分と無機成分の比は、TE
OSの加水分解した後のSiO2とHFPAとの重量比
で決めた。本実施例では、無機成分を0%、から100
%近くまで変化させ、その効果を調べた。
EXAMPLE The material to be mixed was SiO as an inorganic material.
The material produced was performed using a photopolymerizable monomer as a 2 and an organic material. Although a photopolymerizable monomer was used here,
This is not particularly important and was selected in terms of ease of fabrication. In order to uniformly mix these materials, a reaction mainly based on the sol-gel method is used.
2 (Refractive index: about 1.42) Tetraethoxysilane (TEOS) as the source, 2-ethoxy as the photopolymerizable monomer
Hydroxy-3-phenoxypropyl acrylate (C
H 2 = CHCOOCH 2 C (OH ) HCHO-C 6 H 5: H
FPA) was used. The refractive index of the HFPA polymer is about 1.55. The ratio of organic to inorganic components is TE
It was determined by the weight ratio of SiO 2 to HFPA after OS hydrolysis. In this embodiment, the inorganic component is 0% to 100%.
% And examined the effect.

【0017】まず、無機成分のベースとなるTEOS反
応液を以下の手順で準備した。、TEOS、90g、T
HF、20cc、i−PA、100cc, H2O、1
5.6cc, HCl、7.2ccを混合し、80℃、
30分反応させた。その後、HFPAを所定の量混合
し、さらに光重合開始剤として、3,3’,4,4’−
テトラ(t−ブチルパーオキシカルボニル)ベンゾフェ
ノン(BTTB:日本油脂製)を固形分に対して10重
量%、さらに可視光増感剤としてケトクマリン色素
(3,3−カルボニルビス(7−ジエチルアミノクマリ
ン)、KCD)を固形分に対して0.5重量%混合し
た。その後、反応生成物をキャストし、乾燥させて約1
00から200μmの厚みの薄片を得た。なお、有機成
分が少ない場合は非常に割れやすいため、1週間程度か
けゆっくり乾燥させ、また、キャストする材料に付着す
ることを防ぐために、金などの不活性な材料でコーティ
ングしたものを用いた。最終的にArレーザの514.
5nmの光を均一に材料に照射し、モノマーを重合させ
た。
First, a TEOS reaction solution as a base of an inorganic component was prepared in the following procedure. , TEOS, 90g, T
HF, 20cc, i-PA, 100cc, H 2 O, 1
Mix 5.6 cc, HCl and 7.2 cc,
The reaction was performed for 30 minutes. Thereafter, a predetermined amount of HFPA is mixed, and 3,3 ′, 4,4′- is further used as a photopolymerization initiator.
Tetra (t-butylperoxycarbonyl) benzophenone (BTTB: manufactured by NOF) is 10% by weight based on the solid content, and a ketocoumarin dye (3,3-carbonylbis (7-diethylaminocoumarin) as a visible light sensitizer; KCD) was mixed at 0.5% by weight with respect to the solid content. Thereafter, the reaction product is cast and dried to about 1
Thin sections with a thickness of from 00 to 200 μm were obtained. In addition, when the organic component was small, it was very fragile, so that it was dried slowly for about one week, and coated with an inert material such as gold to prevent it from adhering to the material to be cast. Finally, Ar laser 514.
The material was uniformly irradiated with light of 5 nm to polymerize the monomer.

【0018】この後、160℃で加熱処理を行い、目的
とする材料を得た。このように150℃を越える温度で
の加熱処理を施すことで、上記反応液の調整過程で溶媒
として添加された水やアルコール類を揮発させ、これら
が材料中に残留するのを防ぐことができる。これにより
素子形成後にこれらの溶媒の揮発が生じて材料が収縮す
るのを抑えることができ、光学素子の温度変化を低減す
ることができる。ただし加熱によって創製した材料中の
有機成分が分解しないように有機成分に応じて加熱温度
を設定する必要がある。一般には高くとも400℃以下
とする。
Thereafter, a heat treatment was performed at 160 ° C. to obtain a target material. By performing the heat treatment at a temperature exceeding 150 ° C. in this manner, water or alcohols added as a solvent in the process of adjusting the reaction solution can be volatilized, and these can be prevented from remaining in the material. . Accordingly, it is possible to suppress volatilization of these solvents after the element is formed and to suppress the material from shrinking, and it is possible to reduce a temperature change of the optical element. However, it is necessary to set the heating temperature according to the organic component so that the organic component in the material created by heating is not decomposed. Generally, at most 400 ° C. or less.

【0019】この材料を実験試料6として図2に示した
ハーフミラー5,第1のミラー3,第2のミラー4およ
び光検出器7からなるマッハツェンダ干渉計にセット
し、実験試料6部分をペルチェ素子(図示しない)で加
熱した。加熱とともに入射光10を入射して光検出器7
による出力を測定し、光路長のズレがどの程度あるか測
定した。なお、測定に用いた試料の厚さは150μmで
あった。温度は室温から60℃まで変化させた。干渉計
の変化より、光路長の変化率を算出し、その結果を図3
に示す。式1あるいは式5を満足する場合は、有機成分
が10〜2%の範囲であることがわかった。
This material was set as an experimental sample 6 in a Mach-Zehnder interferometer comprising a half mirror 5, a first mirror 3, a second mirror 4 and a photodetector 7 shown in FIG. It was heated by an element (not shown). The incident light 10 is incident upon heating and the photodetector 7
Was measured, and the degree of deviation of the optical path length was measured. The thickness of the sample used for the measurement was 150 μm. The temperature was varied from room temperature to 60 ° C. The change rate of the optical path length is calculated from the change of the interferometer, and the result is shown in FIG.
Shown in When Formula 1 or Formula 5 was satisfied, it was found that the organic component was in the range of 10 to 2%.

【0020】本実施例においては、干渉計での光路長変
化をチェックしたが、これは材料の評価を目的にしたも
のであり、応用と直接関係はしないが、このような目的
でのプリズム作製、レンズの作製などに基本的に用いら
れる材料であることを示したものである。
In this embodiment, the change in the optical path length was checked by the interferometer. This is for the purpose of evaluating the material and is not directly related to the application. This is a material that is basically used for producing lenses.

【0021】この材料の創成するための有機化合物の出
発原料としては、炭素の酸化物、金属炭酸塩を除くすべ
ての炭素化合物、とくに炭化水素基を有する化合物が適
用できる。また光重合性モノマーは上記のHFPAに限
られず、ビニル基、アクリル基、メタクリル基、アリル
基等を含む各種モノマーが使用できる。また無機化合物
の出発原料としては上記TEOSに代表される金属アル
コキシドのほか、金属ハロゲン化物、金属錯体などが使
用できる。
As a starting material of an organic compound for forming this material, all carbon compounds except carbon oxides and metal carbonates, especially compounds having a hydrocarbon group can be applied. The photopolymerizable monomer is not limited to the above HFPA, and various monomers containing a vinyl group, an acryl group, a methacryl group, an allyl group, and the like can be used. As a starting material for the inorganic compound, metal halides, metal complexes, and the like can be used in addition to the metal alkoxide represented by TEOS.

【0022】しかし特定の有機化合物と無機化合物を混
合する場合に、相溶性が悪いため分相、白化現象が生じ
る場合がある。例えば、無機化合物を生成する過程で発
生するシラノール基などの水酸基に対して、これと結合
しやすい官能基(例えば、アミド結合、イミド結合、ウ
レタン結合など)を有機化合物が含んでいない場合、上
記の問題が生じる。これに対して原料の時点で有機化合
物と無機化合物が結合している有機無機複合体を用いる
と、相溶性が改善する効果がある。このような有機無機
複合体としては、ビニルシラン、アクリルシラン、メタ
クリルシランなどを使用するのが好ましい。
However, when a specific organic compound and an inorganic compound are mixed, phase separation and whitening may occur due to poor compatibility. For example, when the organic compound does not contain a functional group (for example, an amide bond, an imide bond, a urethane bond, or the like) that easily bonds to a hydroxyl group such as a silanol group generated in a process of generating an inorganic compound, Problem arises. On the other hand, when an organic-inorganic composite in which an organic compound and an inorganic compound are bonded at the time of a raw material is used, there is an effect that compatibility is improved. As such an organic-inorganic composite, it is preferable to use vinyl silane, acryl silane, methacryl silane, or the like.

【0023】[0023]

【発明の効果】本発明は、光学素子と空間から構成され
る光学系において、光路長の温度変動を補償するのに有
用な光学素子の材料を提供するものである。この発明の
材料により構成された光学素子、例えば、プリズム、レ
ンズ、反射・透過型回折格子を含む光学系全体の特性は
温度により左右されない。したがって、温度補償手段を
新たに準備する必要がなく、信頼性の高い光学素子を提
供することができる。
The present invention provides a material for an optical element useful for compensating for temperature fluctuations in the optical path length in an optical system composed of an optical element and a space. The characteristics of the entire optical system including an optical element made of the material of the present invention, for example, a prism, a lens, and a reflection / transmission type diffraction grating are not affected by temperature. Therefore, it is not necessary to newly prepare a temperature compensating means, and a highly reliable optical element can be provided.

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

【図1】光路長、光路長の温度変化の模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram of an optical path length and a temperature change of the optical path length.

【図2】光路長変化測定のための干渉光学系配置図であ
る。
FIG. 2 is an arrangement diagram of an interference optical system for measuring an optical path length change.

【図3】干渉計実験より求めた光路長温度依存性と組成
の関係を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the optical path length temperature dependency and the composition obtained from an interferometer experiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 光学媒質 2 温度上昇した時の光学媒質 3 ミラー 4 ミラー 5 ハーフミラー 6 実験試料 7 光検出器 10 入射光 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Optical medium 2 Optical medium when temperature rises 3 Mirror 4 Mirror 5 Half mirror 6 Experimental sample 7 Photodetector 10 Incident light

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 光路に固体材料と、空気もしくは真空か
らなる空間とを含む光学素子において、該光学素子の光
路を構成する材料が、第1及び第2の材料の混合体もし
くは複合体からなり、前記2材料の屈折率の温度係数の
符号が互いに反対であることを特徴とする光学素子。
An optical element including a solid material and a space made of air or vacuum in an optical path, wherein a material constituting an optical path of the optical element is a mixture or a composite of first and second materials. An optical element, wherein the two materials have opposite signs of temperature coefficient of refractive index.
【請求項2】 前記第1の材料が有機材料、第2の材料
が無機材料であることを特徴とする請求項1に記載の光
学素子。
2. The optical element according to claim 1, wherein the first material is an organic material, and the second material is an inorganic material.
【請求項3】 前記有機材料の組成比が2モル%以上1
0モル%以下である請求項2に記載の光学素子。
3. The composition ratio of the organic material is 2 mol% or more and 1 or more.
The optical element according to claim 2, wherein the content is 0 mol% or less.
【請求項4】 前記有機材料が炭化水素および/または
炭化水素の誘導体を主体とする材料であることを特徴と
する請求項1乃至3に記載の光学素子。
4. The optical element according to claim 1, wherein the organic material is a material mainly composed of hydrocarbons and / or hydrocarbon derivatives.
【請求項5】 前記無機材料がSiO2、TiO2、Ge
2、Al23、ZrO2、B23、Na2O、MgO、
CaOの少なくともいずれか1つを成分として含むガラ
ス材料であることを特徴とする請求項1または2に記載
の光学素子。
5. The method according to claim 1, wherein the inorganic material is SiO 2 , TiO 2 , Ge.
O 2 , Al 2 O 3 , ZrO 2 , B 2 O 3 , Na 2 O, MgO,
The optical element according to claim 1, wherein the optical element is a glass material containing at least one of CaO as a component.
【請求項6】 前記複合体は、出発原料を有機無機複合
体として合成されることを特徴とする請求項1に記載の
光学素子。
6. The optical element according to claim 1, wherein the composite is synthesized using a starting material as an organic-inorganic composite.
【請求項7】 製造過程において150℃を越える温度
で加熱処理されることを特徴とする請求項1乃至6に記
載の光学素子。
7. The optical element according to claim 1, wherein a heat treatment is performed at a temperature exceeding 150 ° C. in a manufacturing process.
【請求項8】 前期光学素子が、レーザ用媒質、レン
ズ、プリズム、反射・透過型回折格子、ビームスプリッ
タのいずれかであることを特徴とする請求項1乃至7に
記載の光学素子。
8. The optical element according to claim 1, wherein the optical element is any one of a laser medium, a lens, a prism, a reflection / transmission type diffraction grating, and a beam splitter.
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