JP2001236644A - Method of changing refractive index of solid material - Google Patents
Method of changing refractive index of solid materialInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、固体材料へパルス
レーザーを照射することで屈折率を変化させる方法にお
いて、パルスレーザーのパルス幅を連続的及び／又は段
階的に変化させることにより、屈折率の変化領域、形状
及び変化量をパルス幅に応じて変化させることで、任意
の領域、形状及び変化量にて固体材料の屈折率を変化さ
せる方法に関するものである。The present invention relates to a method of changing the refractive index by irradiating a solid material with a pulsed laser, and by changing the pulse width of the pulsed laser continuously and / or stepwise. The present invention relates to a method of changing the refractive index of a solid material in an arbitrary region, shape, and amount of change by changing the change region, shape, and amount of change according to the pulse width.
【０００２】[0002]
【従来の技術】フォトリフラクティブ結晶やガラスにパ
ルスレーザーを照射することで、レーザー照射領域の屈
折率が変化することが知られている。これらの現象を利
用し、Ｆｅイオンを添加したニオブ酸リチウム結晶にレ
ーザーを照射し誘起される屈折率変化を利用した三次元
光メモリー（川田善正ら，第４０回春期応用物理学会講
演予稿集，ｐ900(1993) ）や、ガラス材料にパルスレー
ザーを集光照射することで誘起される屈折率変化を利用
した三次元光メモリーガラス（特開平８−２２０６８８
号公報）が紹介されている。また、フェムト秒レーザー
をガラスに対して連続的に移動させながら集光照射する
ことで形成される光導波路（特開平９−３１１２３７号
公報）や、光ファイバーにフェムト秒レーザーを集光照
射することでコア領域に周期的な屈折率変化を形成させ
たファイバー型グレーティング（Y.Kondo, K. Nouchi,
T. Mitsuyu, M. Watanabe, P. G. Kazansky and K. Hir
ao,Opt. Lett. 24 (1999)646）もパルスレーザー照射に
よる屈折率変化を利用したものである。2. Description of the Related Art It is known that when a pulse laser is applied to a photorefractive crystal or glass, the refractive index of a laser irradiation area changes. Utilizing these phenomena, a three-dimensional optical memory using a refractive index change induced by irradiating a laser on a lithium niobate crystal doped with Fe ions (Yoshimasa Kawada et al., Proceedings of the 40th Spring Meeting of the Japan Society of Applied Physics, p900 (1993)) and a three-dimensional optical memory glass utilizing a refractive index change induced by condensing and irradiating a glass material with a pulse laser (Japanese Patent Laid-Open No. Hei 8-220688).
Publication). In addition, an optical waveguide formed by continuously irradiating a femtosecond laser with respect to glass while continuously moving the glass (Japanese Patent Laid-Open No. 9-31237), or an optical fiber by condensing and irradiating a femtosecond laser onto an optical fiber. Fiber gratings with periodic refractive index changes in the core region (Y. Kondo, K. Nouchi,
T. Mitsuyu, M. Watanabe, PG Kazansky and K. Hir
ao, Opt. Lett. 24 (1999) 646) also uses the change in the refractive index due to pulsed laser irradiation.
【０００３】従来のパルスレーザーによる屈折率を変化
させる方法では、屈折率の変化領域を制御するためにマ
スクを利用し、レーザー照射領域を制限したり、レーザ
ーのビーム径を変化させることで変化領域を制御する方
法がとられている。また、屈折率の変化量の制御は、パ
ルスレーザーのエネルギーを変化させる方法が一般的で
あり、大きな屈折率変化を必要とする場合は、パルスエ
ネルギーを大きくし、小さい変化量を必要とする場合
は、パルスエネルギーを小さくする。しかし、レーザー
照射中に連続的もしくは段階的にパルス幅を変化させる
ことで屈折率の変化領域や変化量を連続的あるいは段階
的に変化させた例は無い。In the conventional method of changing the refractive index by a pulsed laser, a mask is used to control the changing region of the refractive index, and the changing region is controlled by limiting the laser irradiation region or changing the laser beam diameter. Is controlled. In general, the method of controlling the amount of change in the refractive index is to change the energy of the pulse laser. When a large change in the refractive index is required, the pulse energy is increased and a small amount of the change is required. Reduces the pulse energy. However, there is no example in which the pulse width or the amount of change in the refractive index is changed continuously or stepwise by changing the pulse width continuously or stepwise during laser irradiation.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】パルスレーザーによる
屈折率変化を利用した三次元光メモリーでは、読み取り
誤差が少なくなることから、屈折率変化量は、大きいこ
とが好ましいが、屈折率の変化量を大きくする目的から
パルスレーザーのエネルギーを大きくすると、屈折率変
化領域も拡がってしまい高密度での光記録ができなくな
る。また、三次元光メモリーでは、透明材料内部へ屈折
率ビットを形成させる必要があるが、材料表面への屈折
率ビット形成と材料深部への屈折率ビット形成とでは、
材料表面からレーザー集光点までの距離が異なり、結果
として材料分散により材料表面のレーザーのパルス幅と
深部とのパルス幅とに差が生じることから、材料全体に
渡って均一な屈折率変化及び変化量にて屈折率ビットを
形成させることができない。In a three-dimensional optical memory utilizing a refractive index change caused by a pulse laser, the reading error is reduced. Therefore, it is preferable that the refractive index change is large. If the energy of the pulse laser is increased for the purpose of increasing the size, the refractive index change region also expands, and optical recording at a high density cannot be performed. Also, in the three-dimensional optical memory, it is necessary to form a refractive index bit inside the transparent material, but the formation of the refractive index bit on the material surface and the formation of the refractive index bit on the deep part of the material are:
The distance from the material surface to the laser focal point is different, and as a result, a difference occurs between the pulse width of the laser on the material surface and the pulse width of the deep part due to material dispersion, so that the refractive index change and uniformity over the entire material are obtained. The refractive index bit cannot be formed with the change amount.
【０００５】特開平９−３１１２３７号公報に記載のフ
ェムト秒レーザーによる光導波路形成では、一定のパル
スエネルギーのレーザーを集光照射することから、均一
なコア径及び比屈折率を有する光導波路を平面上に形成
することは可能であるが、三次元光メモリーと同様に、
焦点深度が変化することによるパルス幅の変動により、
三次元的に均一なコア径及び比屈折率差を有する光導波
路の作製は困難である。更に、この方法では、テーパー
光導波路のようにコア径やコアの屈折率が連続的に変化
している光導波路の作製が困難であると同時に、コア径
や比屈折率差が異なる光導波路を連続的に形成或いは結
合することができない。In the formation of an optical waveguide using a femtosecond laser described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-31237, a laser having a uniform core diameter and a relative refractive index is formed by condensing and irradiating a laser having a constant pulse energy. Although it is possible to form on the top, like the three-dimensional optical memory,
Due to the change in pulse width due to the change in depth of focus,
It is difficult to produce an optical waveguide having a three-dimensionally uniform core diameter and relative refractive index difference. Furthermore, in this method, it is difficult to manufacture an optical waveguide in which the core diameter and the refractive index of the core are continuously changed, such as a tapered optical waveguide, and at the same time, an optical waveguide having a different core diameter and a specific refractive index difference is used. Cannot be continuously formed or combined.
【０００６】フェムト秒レーザーのステップバイステッ
プでの集光照射によりファイバーグレーティングを作製
する方法においても、一定の屈折率変化領域と変化量を
周期的にコア領域へ形成させることは可能であるが、要
求特性に合わせて屈折率変化領域や変化量を任意に設計
することは困難である。[0006] In a method of producing a fiber grating by step-by-step condensing irradiation of a femtosecond laser, a constant refractive index change region and a constant change amount can be periodically formed in a core region. It is difficult to arbitrarily design the refractive index change region and the amount of change according to the required characteristics.
【０００７】本発明は、このような問題を解決すべく、
固体材料へパルスレーザーを照射することで屈折率を変
化させる際に、照射レーザーパルスのパルス幅を連続的
及び／又は段階的に変化させることにより、屈折率の変
化領域、形状及び変化量をパルス幅に応じて変化させ、
任意の領域、形状及び変化量にて固体材料の屈折率を変
化させる方法を提供することを目的とする。The present invention has been made to solve such a problem.
When changing the refractive index by irradiating a pulsed laser to a solid material, the pulse width of the irradiation laser pulse is changed continuously and / or stepwise to change the refractive index change area, shape and amount of change. Change according to the width,
It is an object of the present invention to provide a method for changing the refractive index of a solid material in an arbitrary region, shape, and variation.
【０００８】[0008]
【課題を解決するための手段】本発明は、その目的を達
成するため、固体材料へパルスレーザーを照射すること
により、固体材料の屈折率を変化させる方法において、
レーザーパルスのパルス幅を連続的及び／又は段階的に
変化させることを特徴とするすなわち本発明は、固体材
料へのパルスレーザー照射中にパルス幅を連続的及び／
又は段階的に変化させることで、ピークパワー密度[パ
ルスレーザーのピークパワーは、１パルス当りの出力エ
ネルギー（Ｊ）をパルス幅（秒）で割った値としてワッ
ト（Ｗ）で表される。ピークパワー密度は、単位面積
（ｃｍ2）当りのピークパワーであり、Ｗ／ｃｍ2で表さ
れる。]を変化させ、ピークパワー密度に依存して固体
材料内部に形成される屈折率変化のサイズや変化量を制
御する屈折率を変化させる方法を提供するものである。According to the present invention, there is provided a method for changing the refractive index of a solid material by irradiating the solid material with a pulsed laser.
The present invention is characterized in that the pulse width of a laser pulse is changed continuously and / or stepwise, that is, the present invention is to continuously and / or gradually change the pulse width during irradiation of a solid material with a pulse laser.
Alternatively, by changing the power stepwise, the peak power density [the peak power of the pulse laser is expressed in watts (W) as a value obtained by dividing the output energy (J) per pulse by the pulse width (second)]. The peak power density is a peak power per unit area (cm 2 ) and is expressed in W / cm 2 . And a method of changing the refractive index that controls the size and amount of change in the refractive index formed inside the solid material depending on the peak power density.
【０００９】本発明で用いる固体材料としては、照射レ
ーザーのパルス幅変化による屈折率変化領域サイズや変
化量が制御しやすいことから非晶質体やフォトリフラク
ティブ結晶が好ましい。非晶質体としては、ハロゲン化
物ガラス、カルコゲナイドガラス、またはこれらの混合
ガラス、アモルファスメタル、アモルファスシリコン等
が挙げられ、フォトリフラクティブ結晶としては、強誘
電性酸化物（ＬｉＮｂＯ3，ＢａＴｉＯ3，ＫＮｂＯ
3等）、シレナイト化合物（Ｂｉ12ＳｉＯ20等）、化合
物半導体（ＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＧａＰ等）等が挙げられ
る。As the solid material used in the present invention, an amorphous body or a photorefractive crystal is preferable because the size and the amount of change in the refractive index change region due to the change in the pulse width of the irradiation laser can be easily controlled. The amorphous form, halide glass, chalcogenide glass or mixed glass, amorphous metal, include amorphous silicon or the like, as the photorefractive crystal, ferroelectric oxide (LiNbO 3, BaTiO 3, KNbO
3 ), silenite compounds (such as Bi 12 SiO 20 ), and compound semiconductors (such as GaAs, InP, and GaP).
【００１０】次に、パルスエネルギーが一定であれば、
レーザーをレンズ等により集光し、ピークパワー密度を
大きくした方が、より長いパルス幅での屈折率変化が可
能となり、可変可能なパルス幅の範囲が拡がることで、
より広範囲にて屈折率変化サイズや変化量を制御するこ
とができる。パルス幅は、屈折率変化が可能であるだけ
のピークパワー密度が得られれば特に限定されるもので
はないが、１０フェムト秒より短い場合は、光学部品を
介することで容易にパルス幅が拡がってしまうことから
実用的ではなく、１０ピコ秒より長い場合は、屈折率変
化を起こすため必要なピークパワー密度を得るためにピ
ークエネルギーを大きくする必要があり、材料が絶縁破
壊を起こしクラック等を発生させることから好ましくな
い。Next, if the pulse energy is constant,
Focusing the laser with a lens, etc., and increasing the peak power density enables a change in the refractive index with a longer pulse width, and expands the range of variable pulse widths.
The refractive index change size and change amount can be controlled in a wider range. The pulse width is not particularly limited as long as a peak power density that allows a change in the refractive index is obtained. However, when the pulse width is shorter than 10 femtoseconds, the pulse width is easily expanded through an optical component. If it is longer than 10 picoseconds, the peak energy must be increased to obtain the required peak power density to cause a change in the refractive index, and the material will cause dielectric breakdown and cracks will occur. This is not preferred because
【００１１】また、照射するパルスレーザーの波長は、
紫外線レーザーのような材料の固有吸収領域においても
パルス幅を変化させることで、材料表面や表面近傍にお
いて連続的あるいは段階的に変化する屈折率変化領域を
形成することができるが、固体材料の固有吸収波長と一
致しないパルスレーザーのパルス幅を変化させること
で、材料内部に立体的に屈折率変化サイズや屈折率が周
囲の材料と異なる領域を形成させることが可能となり、
三次元的なドットやライン状の屈折率変化を自在に形成
することができる。また、パルス幅と連動してパルスエ
ネルギーを変化させることで、屈折率変化領域のサイズ
は一定のまま、屈折率変化量のみを連続的に変化させた
り、屈折率変化量が一定のまま屈折率変化領域サイズの
みを変化させることも可能である。The wavelength of the pulse laser to be irradiated is
By changing the pulse width even in the intrinsic absorption region of a material such as an ultraviolet laser, a refractive index change region that changes continuously or stepwise on the material surface or near the surface can be formed. By changing the pulse width of the pulse laser that does not match the absorption wavelength, it becomes possible to form a region in which the refractive index change size and refractive index differ from those of the surrounding material in a three-dimensional manner inside the material,
It is possible to freely form a three-dimensional dot or linear refractive index change. In addition, by changing the pulse energy in conjunction with the pulse width, the size of the refractive index change region is kept constant, and only the refractive index change is continuously changed, or the refractive index is kept constant. It is also possible to change only the change area size.
【００１２】[0012]
【作用】パルスレーザー光は、材料の固有吸収波長で励
起したり、固有吸収波長以外の波長においても一定のし
きい値を越すピークパワー密度が得られれば、複数の光
子が同時に作用する多光子過程により材料と相互作用を
起こし、屈折率の変化を誘発する。この現象は、光誘起
屈折率変化と呼ばれており、Ｐ、Ｃｅ、Ｇｅ等を添加し
た石英系ガラスへの紫外線照射や、集光することで容易
に高いピークパワー密度を確保することが可能なフェム
ト秒レーザーの照射により観察される。これらのパルス
レーザーによる固体材料の屈折率変化では、ピークパワ
ー密度を高くすることで、屈折率の変化量を大きくする
ことができる。また、この際、屈折率は、高屈折率化す
る。パルスレーザーのピークパワーは、１パルス当りの
パルスエネルギー（Ｊ）をパルス幅（秒）で割った値と
してワット（Ｗ）で表され、ピークパワー密度は、単位
面積（ｃｍ2 ）当りのピークパワー（Ｗ／ｃｍ2）であ
ることから、ピークパワー密度を高くする方法として
は、パルスエネルギーを大きくする方法とパルス幅を短
くする方法の２種類がある。屈折率の変化量を大きくす
るために、パルスエネルギーを大きくした場合は、屈折
率変化量の増加に伴い、変化領域も増大する。従って、
パルスエネルギーを大きくすることで、一定のサイズを
保ったまま屈折率のみを変化させることは困難である。
一方、パルス幅を短くする方法では、屈折率変化量の増
加に伴い、変化領域は小さくなる。レーザーのパルス幅
は、材料を透過することで変化するため、材料表面にお
けるレーザーのパルス幅と深部におけるパルス幅とは異
なる。結果として、材料表面への屈折率変化と深部との
屈折率変化とが異なるピークパワー密度で生じることに
なり、材料表面の屈折率変化サイズ及び変化量が深部と
異なってしまう。パルスエネルギーを表面層と深部とで
変化させることで、屈折率変化サイズもしくは変化量の
どちらか一方のみを一定にすることは可能であるが両方
を制御することは困難である。The pulsed laser beam is a multiphoton in which a plurality of photons act simultaneously if it is excited at the intrinsic absorption wavelength of the material or if a peak power density exceeding a certain threshold is obtained even at a wavelength other than the intrinsic absorption wavelength. The process interacts with the material and induces a change in the refractive index. This phenomenon is called a photoinduced refractive index change, and it is possible to easily secure a high peak power density by irradiating ultraviolet rays to a silica-based glass to which P, Ce, Ge, etc. are added, or by condensing the glass. Observed by irradiation with a high femtosecond laser. In the change in the refractive index of the solid material due to these pulsed lasers, the amount of change in the refractive index can be increased by increasing the peak power density. At this time, the refractive index is increased. The peak power of a pulse laser is expressed in watts (W) as a value obtained by dividing a pulse energy (J) per pulse by a pulse width (second), and a peak power density is a peak power per unit area (cm 2 ). (W / cm 2 ), there are two methods for increasing the peak power density, a method of increasing the pulse energy and a method of shortening the pulse width. When the pulse energy is increased in order to increase the amount of change in the refractive index, the change region also increases as the amount of change in the refractive index increases. Therefore,
It is difficult to change only the refractive index while maintaining a certain size by increasing the pulse energy.
On the other hand, in the method of shortening the pulse width, the change area becomes smaller as the amount of change in the refractive index increases. Since the pulse width of the laser changes as it passes through the material, the pulse width of the laser at the surface of the material is different from the pulse width at the deep portion. As a result, the change in the refractive index on the material surface and the change in the refractive index at the deep portion occur at different peak power densities, and the size and amount of change in the refractive index of the material surface are different from those at the deep portion. By changing the pulse energy between the surface layer and the deep portion, it is possible to make only one of the refractive index change size and the change amount constant, but it is difficult to control both.
【００１３】これに対し、パルス幅を変化させる方法で
は、パルスレーザーの材料への進入深さに合わせ照射レ
ーザーのパルス幅を変化させることで、材料内部におい
て常に一定のパルス幅を保った状態での屈折率変化が可
能であり、材料表面層と深部とで一定の屈折率変化サイ
ズや変化量を有する屈折率ドットやラインを形成するこ
とができ、三次元光メモリーや三次元光導波路に有効に
利用される。また、レンズにより集光したパルスレーザ
ーを固体材料へ照射する際に照射レーザーのパルス幅を
変化させながら、レーザー集光点を固体材料に対して相
対移動させることにより連続的に屈折率や変化領域サイ
ズが変化した屈折率変化ラインを形成することができ、
テーパー光導波路の作製に利用される。更に、パルス幅
と連動してパルスエネルギーを変化させることで、屈折
率変化領域のサイズは一定のまま、屈折率変化量のみを
連続的に変化させたり、屈折率変化量が一定のまま変化
サイズのみを変化させることもでき、固体材料の屈折率
変化において、屈折率変化領域のサイズや屈折率の変化
量を自在に制御することが可能になる。On the other hand, in the method of changing the pulse width, the pulse width of the irradiation laser is changed in accordance with the penetration depth of the pulse laser into the material, so that a constant pulse width is always maintained inside the material. It is possible to form refractive index dots and lines with a constant refractive index change size and change amount between the material surface layer and the deep part, which is effective for three-dimensional optical memory and three-dimensional optical waveguide. Used for Also, when irradiating the solid-state material with the pulsed laser focused by the lens, the laser focus point is moved relative to the solid-state material while changing the pulse width of the irradiation laser, thereby continuously changing the refractive index and the changing area. A refractive index change line with a changed size can be formed,
Used for making tapered optical waveguides. Further, by changing the pulse energy in conjunction with the pulse width, the size of the refractive index change region is kept constant while the refractive index change amount is continuously changed, or the change size is kept while the refractive index change amount is kept constant. It is also possible to change only the refractive index of the solid material, so that the size of the refractive index change region and the amount of change in the refractive index can be freely controlled.
【００１４】[0014]
【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
するが、本発明はかかる実施例に限定されるものではな
い。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings, but the present invention is not limited to these embodiments.
【００１５】実施例１ 図１は、本発明の屈折率を変化させる方法を示した装置
の概略図であり、これに基づいて説明する。屈折率変化
用パルスレーザー１には、アルゴンレーザー励起のＴ
ｉ：サファイアレーザーから発振されたパルスエネルギ
ー１マイクロジュール、繰返し周期２５０ｋＨｚ、波長
８００ｎｍの光を使用した。このパルスレーザを対物レ
ンズ３（ＮＡ＝０．８、×５０）を用いて、１μｍ程度
のスポットに集光し、ＸＹＺ方向に走査可能な電動ステ
ージ５にセットした３０×３０×１５ｍｍに切断研磨し
た石英ガラスサンプル４の内部へ照射したところ、焦点
付近に直径：１０μｍ程度の微小領域において屈折率変
化が確認された。Embodiment 1 FIG. 1 is a schematic view of an apparatus showing a method of changing the refractive index according to the present invention, and description will be made based on this. The pulse laser 1 for changing the refractive index has a T laser excited by an argon laser.
i: Light having a pulse energy of 1 microjoule, a repetition period of 250 kHz, and a wavelength of 800 nm emitted from a sapphire laser was used. This pulse laser is focused on a spot of about 1 μm using an objective lens 3 (NA = 0.8, × 50), and cut and polished to 30 × 30 × 15 mm set on an electric stage 5 that can scan in the XYZ directions. When the inside of the quartz glass sample 4 was irradiated, a change in the refractive index was confirmed in a minute region having a diameter of about 10 μm near the focal point.
【００１６】次にＹＺ軸を固定した状態で、Ｘ方向に走
査しながら照射レーザーのパルス幅を４０フェムト秒か
ら２５０フェムト秒の間で変化させながら直線の屈折率
変化ラインを形成させた。パルス幅は、プリズム対６を
使用し、角度分散によって生ずるプリズム間の群遅延分
散とプリズム内の群遅延分散の組み合わせにより調節し
た。この屈折率変化ラインの屈折率変化領域及び屈折率
変化量を調べた結果、ライン断面は、円に近く、照射レ
ーザーのパルス幅が長くなるに従い変化領域（コア）は
拡がっており、屈折率変化量は、小さくなっていること
がわかった。この屈折率変化ラインに光を伝搬させたと
ころ、テーパー状に高屈折率化しているライン内を光が
伝搬し、テーパー導波路として機能することを確認し
た。Next, with the YZ axes fixed, a linear refractive index change line was formed while changing the pulse width of the irradiation laser between 40 femtoseconds and 250 femtoseconds while scanning in the X direction. The pulse width was adjusted by using a prism pair 6 and combining the group delay dispersion between prisms caused by the angular dispersion and the group delay dispersion within the prism. As a result of examining the refractive index change region and the refractive index change amount of the refractive index change line, the line cross section is close to a circle, and the change region (core) expands as the pulse width of the irradiation laser becomes longer. The amount was found to be smaller. When light was propagated through the refractive index change line, it was confirmed that the light propagated through the tapered high refractive index line and functioned as a tapered waveguide.
【００１７】次にＸＹ軸を固定した状態でＺ軸方向にサ
ンプルを走査しながらレーザーを照射した。その際、サ
ンプル内部でのパルス幅が常に一定になるようにレーザ
ーの進入深さに合わせて照射レーザーのパルス幅を変化
させた。その結果、コア径と屈折率変化量が一定である
光導波路が形成されていることを確認した。Next, laser irradiation was performed while scanning the sample in the Z-axis direction with the XY axes fixed. At that time, the pulse width of the irradiation laser was changed according to the penetration depth of the laser so that the pulse width inside the sample was always constant. As a result, it was confirmed that an optical waveguide having a constant core diameter and a constant refractive index change amount was formed.
【００１８】比較として、照射レーザーのパルス幅を一
定にし、Ｚ軸方向にサンプルを走査しながらレーザーを
照射させて得られた屈折率変化ラインを調べたところ、
サンプルの表面近くから深部に向けて明らかに屈折率変
化ラインの径が小さくなっていた。更に屈折率変化量も
深部になるほど小さくなっており、テーパー導波路とし
ても通常の導波路としても機能しなかった。As a comparison, when the pulse width of the irradiation laser was kept constant, the refractive index change line obtained by irradiating the laser while scanning the sample in the Z-axis direction was examined.
Clearly, the diameter of the refractive index change line became smaller from near the surface of the sample toward the deep part. Further, the amount of change in the refractive index became smaller as it became deeper, and did not function as a tapered waveguide or a normal waveguide.
【００１９】実施例２ 図１と同様な装置を使用し、パルスエネルギー１０マイ
クロジュール、波長６００ｎｍ、パルス幅５０フェムト
秒のパルスレーザーを水浸対物レンズ（ＮＡ＝１．２、
×６３）を用いて、５００ｎｍ程度のスポットに集光
し、ＸＹＺ方向に走査可能な電動ステージにセットした
２０×２０×１０ｍｍに切断研磨したニオブ酸リチウム
結晶内部へ１パルス照射したしたところ、焦点付近に直
径：４００ｎｍ程度の微小領域において屈折率変化が確
認された。Example 2 Using a device similar to that shown in FIG. 1, a pulse laser having a pulse energy of 10 microjoules, a wavelength of 600 nm and a pulse width of 50 femtoseconds was immersed in a water immersion objective lens (NA = 1.2,
× 63), a single pulse was applied to the inside of a lithium niobate crystal cut and polished to a size of 20 × 20 × 10 mm set on a motorized stage capable of scanning in the XYZ directions by focusing light onto a spot of about 500 nm. In the vicinity, a change in the refractive index was confirmed in a minute region having a diameter of about 400 nm.
【００２０】次サンプルの底面付近にレーザー集光点が
位置するようにＺ軸を固定した状態で、ＸＹ軸にサンプ
ルを１０μｍ／秒の移動速度で移動させながら、毎秒１
０パルスの繰り返し周期にてパルスレーザーを照射し
た。その後、Ｚ軸方向に電動ステージを５００μｍ移動
（レーザー焦点位置がサンプルの上に向かう方向）さ
せ、同様にＸＹ方向に書き込みを行った。この走査を５
回繰り返した。このその際、サンプル内部でのパルス幅
が常に一定になるようにレーザーの進入深さに合わせて
照射レーザーのパルス幅を変化させた。その結果、ＸＹ
平面において隣接する屈折率変化同士の中心距離が１μ
ｍ間隔で均一に配列された、５層の屈折率変化領域が形
成さた。更に各層に形成された屈折率変化領域は、いず
れも４００ｎｍで均一であることを共焦点レーザー走査
顕微鏡にて確認した。With the Z axis fixed so that the laser focal point is located near the bottom surface of the next sample, the sample is moved at a speed of 10 μm / sec.
A pulse laser was irradiated at a repetition cycle of 0 pulses. Thereafter, the motorized stage was moved in the Z-axis direction by 500 μm (the direction in which the laser focal position goes above the sample), and writing was similarly performed in the XY directions. This scan is 5
Repeated times. At this time, the pulse width of the irradiation laser was changed in accordance with the penetration depth of the laser so that the pulse width inside the sample was always constant. As a result, XY
The center distance between adjacent refractive index changes in a plane is 1μ
Five layers of refractive index changing regions uniformly arranged at m intervals were formed. Further, it was confirmed with a confocal laser scanning microscope that the refractive index change regions formed in each layer were all uniform at 400 nm.
【００２１】[0021]
【発明の効果】以上説明したように、本発明の方法は、
固体材料へパルスレーザーを照射することで屈折率を変
化させる方法において、パルスレーザーのパルス幅を連
続的及び／又は段階的に変化させることにより、材料内
部において常に一定のパルス幅を保った状態での屈折率
変化が可能であり、材料表面層と深部とで一定の屈折率
変化サイズや変化量を有する屈折率ドットやラインを形
成することができ、高品質な三次元光メモリーや三次元
光導波路の作製に有効に利用できる。また、レンズによ
り集光したパルスレーザーを固体材料へ照射する際に照
射レーザーのパルス幅を変化させながら、レーザー集光
点を固体材料に対して相対移動させることにより連続的
に屈折率や変化領域サイズが変化した屈折率変化ライン
を形成することができ、テーパー光導波路の作製が可能
になる。更に、パルス幅と連動してパルスエネルギーを
変化させることで、屈折率変化領域のサイズは、一定の
まま、屈折率変化量のみを連続的に変化させたり、屈折
率変化量が一定のまま変化サイズのみを変化させること
もでき、固体材料の屈折率変化において、屈折率変化領
域のサイズや屈折率の変化量を自在に制御することが可
能となる。As described above, the method according to the present invention comprises:
In a method of changing the refractive index by irradiating a solid material with a pulse laser, the pulse width of the pulse laser is changed continuously and / or stepwise so that a constant pulse width is always maintained inside the material. It is possible to form a refractive index dot or line having a constant refractive index change size and change amount between the material surface layer and the deep part. It can be used effectively for the production of wave paths. Also, when irradiating the solid-state material with the pulsed laser focused by the lens, the laser focus point is moved relative to the solid-state material while changing the pulse width of the irradiation laser, thereby continuously changing the refractive index and the changing area. A refractive index change line having a changed size can be formed, and a tapered optical waveguide can be manufactured. Furthermore, by changing the pulse energy in conjunction with the pulse width, the size of the refractive index change region is kept constant, and only the refractive index change is continuously changed, or the refractive index change is kept constant. Only the size can be changed, and in the change of the refractive index of the solid material, the size of the refractive index change region and the amount of change in the refractive index can be freely controlled.
【図１】図１は、本発明の屈折率を変化させる方法を示
した装置の概略図である。FIG. 1 is a schematic view of an apparatus showing a method for changing a refractive index according to the present invention.
１・・・・パルスレーザー ２・・・・ビームスプリッター ３・・・・対物レンズ ４・・・・サンプル ５・・・・ＸＹＺステージ ６・・・・プリズム対 1 pulse laser 2 beam splitter 3 objective lens 4 sample 5 XYZ stage 6 prism pair
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2H047 KA04 KA13 PA11 PA22 QA03 QA04 5D090 AA10 BB05 BB17 CC01 CC04 DD01 DD05 KK03 LL01 5F072 AB20 PP10 RR03 SS08 YY20 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 2H047 KA04 KA13 PA11 PA22 QA03 QA04 5D090 AA10 BB05 BB17 CC01 CC04 DD01 DD05 KK03 LL01 5F072 AB20 PP10 RR03 SS08 YY20
Claims (6)
とにより、固体材料の屈折率を変化させる方法におい
て、パルスレーザーのパルス幅を連続的及び／又は段階
的に変化させることを特徴とする固体材料の屈折率を変
化させる方法。1. A method for changing the refractive index of a solid material by irradiating the solid material with a pulse laser, wherein the pulse width of the pulse laser is changed continuously and / or stepwise. To change the refractive index of
照射することを特徴とす請求項１記載の固体材料の屈折
率を変化させる方法。2. The method for changing the refractive index of a solid material according to claim 1, wherein a pulse laser is focused and irradiated inside the solid material.
の間で変化させることを特徴とする請求項１、請求項２
の何れかに記載の固体材料の屈折率を変化させる方法。3. The method according to claim 1, wherein the pulse width is changed between 10 femtoseconds and 10 picoseconds.
The method for changing the refractive index of a solid material according to any one of the above.
有吸収と一致しないことを特徴とする請求項１〜請求項
３の何れかに記載の固体材料の屈折率を変化させる方
法。4. The method for changing the refractive index of a solid material according to claim 1, wherein the wavelength of the pulsed laser does not coincide with the intrinsic absorption of the solid material.
とする請求項１〜請求項４の何れかに記載の固体材料の
屈折率を変化させる方法。5. The method for changing the refractive index of a solid material according to claim 1, wherein the solid material is an amorphous body.
であることを特徴とする請求項１〜請求項４の何れかに
記載の固体材料の屈折率を変化させる方法。6. The method for changing the refractive index of a solid material according to claim 1, wherein the solid material is a photorefractive crystal.
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