JP2002343087A - 透明固体内部のボイドの移動方法 - Google Patents

透明固体内部のボイドの移動方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 フェムト秒レーザーパルスの照射に関して装
置を機械的に調整することなく、簡便に透明固体内部の
ボイドを移動させることができる透明固体内部のボイド
の移動方法を提供する。 【解決手段】 透明体4内部のボイドの移動方法におい
て、フェムト秒レーザーパルスのレンズ系又は試料のス
テージ3の調整を行うことなく、前記レーザーパルスを
試料としての透明固体4内部に連続照射することによ
り、この透明固体4内部のボイドをレーザーパルスの入
射方向に移動させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、フェムト秒レーザ
ーパルスの照射による、透明固体内部のボイド(voi
d)の移動方法に係り、特にレンズ系又は試料ステージ
の調整を行うことなく、簡便に透明固体内部のボイドを
移動させることができる透明固体内部のボイドの移動方
法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、フェムト秒レーザーパルスと多種
多様な物質との間の相互作用が研究されている。フェム
ト秒レーザーパルスを透明物質のバルク内部に集光させ
ると、焦光点近傍の強度が高まり、永久的な構造変化が
生成される。この変化は、物質プロセスや微小機械加工
に応用できる。この変化の物理的メカニズムはいまだ研
究中であるが、この技術は、ガラス、結晶、プラスチッ
クを含む多種多様な透明物質の内部における、光データ
記憶装置、導波路、回折格子、結合器といった三次元の
光誘起構造を作成するために応用されている。
【0003】このように、強く集光させたフェムト秒レ
ーザーパルスを用いることにより、バルク透明物質にお
いてサブマイクロメーターの構造変化が生じるが、この
サブマイクロメーターの損傷は、緻密な物質に取り囲ま
れた空隙(cavity) またはボイドとなって表れ
る。
【0004】本願発明者らは近年、フェムト秒レーザー
パルスを用いてフォーカスレンズの集光点を移動させる
ことによるボイドの光学的移動や、光軸上の2つのボイ
ドを合体させることを含む実験を発表した。
【0005】更に、(1)本願発明者によって提案され
た特願2000−145922号があり、(2)本願発
明者によって提案された上記(1)の発明に関連した以
下の発表文献が存在している。
【0006】Proceeding of SPIE
vol.4088,pp44−45,2000 SP
IEと日本光学会の共催のレーザ加工シンポジウム(2
000.6)SPIE:The Internatio
nal of Society for Optica
l Engineering 第61回応用物理学会 2000.9 Optics Letter vol.25,No.
22,pp1669−1671(2000.11)
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
たメモリー素子の書き換え方法においては、書き換え時
のレーザー光の集光点は、ビット位置よりレーザー光の
伝搬方向とは逆の方向に所定距離ずらした点に集光す
る。このために、試料のステージの移動、またはレンズ
の焦点距離の変化等、何らかの機械的な走査が必要にな
るといった煩わしさがあった。
【0008】本発明は、上記問題点を除去し、フェムト
秒レーザーパルスの照射に関して、装置を機械的に調整
することなく、簡便に透明固体内部のボイドを移動させ
ることができる透明固体内部のボイドの移動方法を提供
することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、 〔1〕透明固体内部のボイドの移動方法において、フェ
ムト秒レーザーパルスのレンズ系又は試料ステージの調
整を行うことなく、前記レーザーパルスを試料としての
透明固体内部に連続照射することにより、この透明固体
内部のボイドをレーザーパルスの入射方向に移動させる
ことを特徴とする。
【0010】〔2〕上記〔1〕記載の透明固体内部のボ
イドの移動方法において、前記透明固体内部のボイドが
三次元光メモリー素子のデータであることを特徴とす
る。
【0011】〔3〕上記〔1〕記載の透明固体内部のボ
イドの移動方法において、前記透明固体はフッ化カルシ
ウムであることを特徴とする。
【0012】〔4〕上記〔3〕記載の透明固体内部のボ
イドの移動方法において、前記レーザーのエネルギーが
550乃至570nJ/パルスであることを特徴とす
る。
【0013】〔5〕上記〔1〕記載の透明固体内部のボ
イドの移動方法において、前記透明固体はシリカガラス
であることを特徴とする。
【0014】〔6〕上記〔5〕記載の透明固体内部のボ
イドの移動方法において、前記レーザーのエネルギーが
110乃至130nJ/パルスであることを特徴とす
る。
【0015】〔7〕上記〔3〕又は〔5〕記載の透明固
体内部のボイドの移動方法において、前記レーザーの連
続照射数が10乃至60回であることを特徴とする。
【0016】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て詳細に説明する。
【0017】図1は本発明の実施例を示す透明固体内部
のボイドの移動のための装置の模式図である。
【0018】この図において、1は再生増幅したチタン
サファイアレーザー、2,6は対物レンズ、3は固定さ
れたステージ、4はそのステージ3上にセットされる試
料(透明固体)、5はハロゲンランプ、7はCCDカメ
ラ、8はモニター装置である。
【0019】ここでは、再生増幅したチタンサファイア
レーザー1からの130フェムト秒、波長800ナノメ
ートルのパルスを用いた。このレーザーパルスは、光軸
(+Z方向)に沿って伝搬した。室温で試料(透明固
体)4として3ミリメートル厚さのフッ化カルシウムの
スライドを用いたところ、シリカガラスの場合と同様の
結果が観察された。
【0020】バルク変形の側面からの光学顕微鏡の画像
を得るために、試料4の側面を光学的に研磨した。そし
て、高い開口数を有する顕微鏡の対物レンズ2を用い
て、直線偏光させたレーザーパルスを試料4内部に強く
集光させ、局所的な構造変化または光学的損傷を生起さ
せた。実験では開口数0.55の対物レンズ2を用い
た。
【0021】また、光学システムでの分散を補償するた
めに、再生増幅したチタンサファイアレーザー1の増幅
器(図示なし)に回折格子対を用いた。さらに、構造変
化を見るために、y−z平面における損傷またはボイド
の光学的画像を、透過照明による光学顕微鏡を用いて、
光軸に対して垂直方向から観察した。チタンサファイア
レーザー1は、繰り返し率1Hzで操作した。
【0022】上記の装置を用いて固定したパルスエネル
ギーにおいて、レーザーショットの数に伴うボイドの動
きを調べ、バルクのフッ化カルシウムの表面から600
μmの深さに永久的構造変化を作製した。視覚でとらえ
ることのできる永久的構造変化に対するエネルギー閾値
は、1ショットで570nJ/パルスであった。
【0023】図2は本発明の実施例の固定したパルスエ
ネルギーにおいてレーザーショットの数に伴うボイドの
動きを示す図である。
【0024】この図には、偏光していないハロゲンラン
プ5から光を照射して、y−z平面で観察したボイドの
光学画像が示されている。フェムト秒レーザーパルスの
ビーム伝搬方向(+z方向)は、画像平面上において左
から右とした。また、対物レンズ2に投射するエネルギ
ーを、1ショットで生じる永久的構造変化に対する閾値
よりも小さく設定した。
【0025】このエネルギーを、視覚的にとらえること
のできる損傷(ダメージ)の閾値より低い、550nJ
/パルスに設定したところ、1ショットでは損傷は発見
されず、構造変化が見られたのは5ショットの後だっ
た。レーザーショットの数は、5ショットから20ショ
ットまで変化させた。10ショットの後のボイドの光学
像は暗くなり、ボイドは円形で、2μm径であった。レ
ーザーショットの数が増えるにつれて、ボイドは−z方
向に向かって移動した。図2はボイドがz方向に5μm
移動したことを示している。さらに、ボイドが移動した
後の軌跡を見ると、構造変化であることを示唆してい
る。
【0026】そこで、構造変化が生じる個所が、ショッ
ト数に依存することを証明するために、ショット数を増
やしてみた。
【0027】図3は本発明にかかる構造変化が生じる領
域が、パルスエネルギーが一定であるという条件で、レ
ーザーショットの数に依存することを示す図である。
【0028】ここで、ショット数は10ショットから6
0ショットまで変化させた。露光時間が長くなるにつれ
て、ボイドが−z方向に向かって動き、最初のボイドが
もともと存在していた場所の近傍に別のボイドが見られ
た。また、60ショットの後、最初のボイドの近傍に別
のボイドが生成された。
【0029】さらに、構造変化が生じる領域は、−z方
向に伸長した。ここでも、ボイドが移動した後の軌跡を
見ると、構造変化であることを示唆している。こうした
移動の方向は、本願発明者によって提案された特願20
00−145922号によるものとボイドの書き換えの
方向(−z方向)と一致しており、ボイドを+z方向に
書き換えることはできなかった。
【0030】1Hzの繰り返し率において、連続するパ
ルス間の時間間隔は、熱拡散の時間スケールよりずっと
長い。熱により残留温度が上昇するというのは的外れで
ある。この現象は、レーザーパルスを連続照射すること
で、局所的な溶解が繰り返されることによるものと考え
られる。
【0031】変形領域の移動は、超短レーザーパルスの
自己束縛と密接に関係している。現在のフォーカスレン
ズの開口数(NA)では、自己集束が重要な役割を担っ
ている。なぜならば、高いピークパワーが必要であり、
そのためレーザーパルスにより強い自己集束が生じるか
らである。超短レーザーパルスをバルク体の表面上に収
束させた場合、変形が入射表面から離れた端部で始ま
り、レーザーショットの数が増えるのにともないこの表
面方向へ成長したという報告がある。シリカガラスにお
いて、フィラメントおよび屈折率変化の領域が、フェム
ト秒レーザーパルスによる露光時間が長くなるにつれて
レーザーパルスの入射方向に移動することも観察されて
いる。
【0032】本発明によれば、上記のように、フェムト
秒レーザーパルスの照射に関して装置を機械的に移動さ
せずに、フェムト秒レーザーパルスを連続照射すること
により、ボイドをレーザーパルスの入射方向に5ミクロ
ンの距離で移動させることができた。すなわち、ボイド
を、フェムト秒レーザーパルスで制御することができ
た。
【0033】上記したように、レーザーショットの数が
5ショットでは書き込みが出来ないが、10ショットで
書き込みが出来る。そして、50ショットまでビットが
移動する。その場合、5μmの移動が出来た。ボイド径
は2μm径である。また、60ショットでは次のビット
が形成される。
【0034】つまり、レーザ光強度に依存するが、10
ショットで書き込み、さらに追加の10乃至30ショッ
トで移動を行う。
【0035】図4は本発明の他の実施例を示す試料とし
てのシリカガラス内部でのボイドの移動態様を示す図で
ある。
【0036】ここでは、対物レンズの開口数(NA)は
0.55、深さ500μm、書き込みエネルギー110
nJ/パルスであり、フッ化カルシウム内部でのボイド
の移動のためのエネルギー550nJ/パルスに比べる
と低い値となる点を除くと、その他の点はフッ化カルシ
ウム内部でのボイドの移動態様と同様である。
【0037】なお、上記実施例では、数ショットで移動
を行った例について説明したが、レンズ系又は試料ステ
ージの調整を行うことなく、書き込み後、連続した1シ
ョットで移動させることも可能である。
【0038】本発明は、書き換え可能な三次元光記憶装
置、透明物質内部のナノ−マイクロ構造というような光
学的情報処理装置や通信装置に好適である。
【0039】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。
【0040】
【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、以下のような効果を奏することができる。
【0041】(A)フェムト秒レーザーパルスの照射に
関して装置を機械的に調整することなく、簡便にガラス
内部のボイドを移動させることができる。
【0042】(B)書き換え可能な三次元光メモリー素
子を製造することができる。微細ガラス加工分野で屈折
率分布の形成と修正に応用が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例を示す透明固体内部のボイドの
移動のための装置の模式図である。
【図2】本発明の実施例の固定したパルスエネルギーに
おいてレーザーショットの数に伴うボイドの動きを示す
図である。
【図3】本発明にかかる構造変化が生じる領域が、パル
スエネルギーが一定であるという条件で、レーザーショ
ットの数に依存することを示す図である。
【図4】本発明の他の実施例を示す試料としてのシリカ
ガラス内部でのボイドの移動態様を示す図である。
【符号の説明】
1 再生増幅したチタンサファイアレーザー 2,6 対物レンズ 3 固定されたステージ 4 試料(透明固体) 5 ハロゲンランプ 7 CCDカメラ 8 モニター装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渡辺 歴 京都府京都市西京区樫原佃2−22 Fターム(参考) 4E068 CA02 CA03 DA00 DB12 DB13 5B003 AA09 AC01 AD01 AD03

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 フェムト秒レーザーパルスのレンズ系又
    は試料ステージの調整を行うことなく、前記レーザーパ
    ルスを試料としての透明固体内部に連続照射することに
    より、該透明固体内部のボイドをレーザーパルスの入射
    方向に移動させることを特徴とする透明固体内部のボイ
    ドの移動方法。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の透明固体内部のボイドの
    移動方法において、前記透明固体内部のボイドが三次元
    光メモリー素子のデータであることを特徴とする透明固
    体内部のボイドの移動方法。
  3. 【請求項3】 請求項1記載の透明固体内部のボイドの
    移動方法において、前記透明固体はフッ化カルシウムで
    あることを特徴とする透明固体内部のボイドの移動方
    法。
  4. 【請求項4】 請求項3記載の透明固体内部のボイドの
    移動方法において、前記レーザーのエネルギーが550
    乃至570nJ/パルスであることを特徴とする透明固
    体内部のボイドの移動方法。
  5. 【請求項5】 請求項1記載の透明固体内部のボイドの
    移動方法において、前記透明固体はシリカガラスである
    ことを特徴とする透明固体内部のボイドの移動方法。
  6. 【請求項6】 請求項5記載の透明固体内部のボイドの
    移動方法において、前記レーザーのエネルギーが110
    乃至130nJ/パルスであることを特徴とする透明固
    体内部のボイドの移動方法。
  7. 【請求項7】 請求項3又は5記載の透明固体内部のボ
    イドの移動方法において、前記レーザーの連続照射数が
    10乃至60回であることを特徴とする透明固体内のボ
    イドの移動方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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