JP2004184933A - Grating, lens array, fresnel lens, photonic crystal, and manufacturing method thereof - Google Patents

Grating, lens array, fresnel lens, photonic crystal, and manufacturing method thereof Download PDF

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JP2004184933A JP2002355002A JP2002355002A JP2004184933A JP 2004184933 A JP2004184933 A JP 2004184933A JP 2002355002 A JP2002355002 A JP 2002355002A JP 2002355002 A JP2002355002 A JP 2002355002A JP 2004184933 A JP2004184933 A JP 2004184933A
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Kiyoyuki Minamimura
清之 南村
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of easily making a polymeric material superior in flexibility into a grating, a lens array, a Fresnel lens, or photonic crystal. <P>SOLUTION: Pulse laser having a high peak output value is radiated to the polymeric material to form a refractive index changed portion in the polymeric material, and preferably, ≤9dB/cm light loss for a wavelength of 600 to 1600nm is given to the polymeric material to obtain a grating, a lens array, or photonic crystal. Thus the polymeric material is made into the grating or the like. A flexible optical waveguide can be obtained because the grating or the like is easily formed without passing a complicated process and uses the polymeric material. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、レーザ照射によって高分子材料に屈折率変化を形成したグレーティング、レンズアレイ、フルネルレンズまたはフォトニック結晶、およびその作製する作製方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
光学部品としてグレーテイング(回折格子)、レンズアレイ、フルネルレンズまたはフォトニック結晶の重要性はますます増している。例えば、グレーティングの場合、光通信においての波長フィルター等に使用されるし、CD光学系におけるピックアップ等にも使用されている。またレンズアレイも液晶プロジェクター用途など種々の用途で使用されている。また異なる屈折率媒質が多次元周期的に配列された人工構造であるフォトニック結晶は、光の伝搬を高度に制御可能であることから、超小型光集積回路等の次世代の光デバイスへの応用が期待されている。
【0003】
しかし、そのどれもが製造方法が複雑で歩留まりなどの点で問題があった。
【0004】
一方、フェムト秒レーザーのような超短パルスレーザー光加工によりガラス材料にグレーティングを作製する方法が種々試みられている。(例えば特許文献1、2、3)。しかしガラス材料では部品に割れが生じたり、フレキシブル性がなかったりして不適合な用途が存在する。
【0005】
一方で高分子に超短パルスレーザー光加工により光導波路を作製する方法が公開されているが(特許文献4)グレーティング、レンズアレイ、フルネルレンズまたはフォトニック結晶については言及されていない。
【0006】
また高分子に光照射で屈折率を変化させるアゾベンゼン、スチルベン等の構造を導入または混合して例えばグレーティングを作製する方法が開示されている。(特許文献5)この方法では樹脂系が限定され汎用性がなかったり、安定性に欠けたりする。
【0007】
一方、高分子にエキシマーレーザーなどを当てた場合、アブレーションとよばれる高分子の分解除去による加工法が示されているが(特許文献6)、当加工方法では屈折率を変化させてグレーティング等を作製することは困難である。
【0008】
【特許文献1】
特開2000−56112
【0009】
【特許文献2】
特開2001−324634
【0010】
【特許文献3】
特開2001−276985
【0011】
【特許文献4】
特開2002−14246
【0012】
【特許文献5】
特開2000−265074
【0013】
【特許文献6】
特開平05−185269
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
以上の従来技術の問題点を解決すべく、高分子材料でグレーティング、レンズアレイ、フルネルレンズまたはフォトニック結晶を簡便に作製する製造方法および簡便に製作されたグレーティング、レンズアレイ、フルネルレンズまたはフォトニック結晶を提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明のグレーテイング、レンズアレイ、フルネルレンズまたはフォトニック結晶は、その目的を達成するため、レーザ光の集光照射により屈折率が変化した部分を高分子材料の内部及びまたは表面に連続して形成されていることを特徴とする。特には屈折率変化部分が周期的に繰り返される光学材料であることを特徴とする。すなわち本発明は、
レーザ光の集光照射により屈折率が変化した部分が高分子材料に形成されているグレーティングまたはレンズアレイまたはフルネルレンズまたはフォトニック結晶。(請求項1)
高分子材料のガラス転移温度(Tg)が120℃以上である請求項1に記載のグレーティングまたはレンズアレイまたはフルネルレンズまたはフォトニック結晶。(請求項2)
高分子材料がポリイミド、ポリカーボネート、ポリアリレート、フッ素系脂肪族環構造含有重合体、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、シアン酸エステル樹脂のいづれかである請求項1〜2のいずれか一項に記載のグレーティングまたはレンズアレイまたはフルネルレンズまたはフォトニック結晶。(請求項3)
高分子材料がポリイミドまたはシアン酸エステル樹脂である請求項1〜3のいずれか一項に記載のグレーティングまたはレンズアレイまたはフルネルレンズまたはフォトニック結晶。(請求項4)
高分子材料の光損失が600nm〜1600nmいずれかの波長で9dB/cm以下である請求項1〜4のいずれか一項に記載のグレーティングまたはレンズアレイまたはフルネルレンズまたはフォトニック結晶。(請求項5)
前記レーザー光を干渉させて集光点で屈折率変化部分を形成するグレーティングまたはレンズアレイまたはフルネルレンズまたはフォトニック結晶の作製方法。(請求項6)
前記レーザー光が、光誘起屈折率変化を起こすエネルギー量をもつレーザー光である請求項6に記載の作製方法。(請求項7)
前記レーザー光のパルス幅が500p秒以下である請求項6〜7記載のグレーテイング、レンズアレイ、フルネルレンズまたはフォトニック結晶の作製方法。(請求項8)
前記レーザー光のパルス幅が500ft秒以下である請求項8記載のグレーテイング、レンズアレイ、フルネルレンズまたはフォトニック結晶の作製方法。(請求項9)
前記レーザー光の集光点におけるピークパワー強度が10W /cm以上であるでる請求項6〜9に記載の光導波路の作製方法。(請求項10)

高分子材料としてポリイミド、ポリカーボネート、フッ素系脂肪族環構造含有重合体、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ポリシラン、シアン酸エステル樹脂のいずれかを使用する請求項6〜10のいずれか一項に記載のグレーテイング、レンズアレイ、フルネルレンズまたはフォトニック結晶の作製方法。(請求項11)
【0016】
【発明の実施の形態】
本発明では、高分子材料のレーザ光を集光照射することにより、屈折率の異なる領域を形成するので、容易にグレーティング、レンズアレイ、フルネルレンズまたはフォトニック結晶を作成することが可能である。特に光学部品の特定の部分に部分的に作製することが可能であり、必要な場合材料の内部に作製することも可能である。例えば、高分子光ファイバーのコア部のみに照射しグレーティングを作製することも可能であるし、平面上の高分子光導波路のコア部にグレーティングやフォトニック結晶を作製する事も可能である。また、必要な部分にのみ作製できるため小型化、経済性の面で有利である。熱可塑性樹脂を加熱して金型で凹凸をつけ作製するグレーティング等に比べても、必要部分のみ形成できる点、熱可塑性樹脂に限定されず広く作製できる点で好ましい。
また、通常の光反応性の樹脂を使用する場合に比べても内部に作製することが可能であり、また樹脂の汎用性が広がる点で好ましい。
【0017】
本発明に使用されうる、高分子材料に照射されるレーザー光としては、屈折率変化をもたらすことができるレーザー光であれば特に限定されないが、屈折率が変化した領域が連続して形成されるためには、エネルギーの高いレーザー光であることが好ましい。
【0018】
このようなレーザー光としては、パルス幅が500p秒以下のレーザー光が好ましく、さらには1p秒以下、さらには500ft秒以下が好ましい。500p秒よりパルス幅が広い場合は所望の屈折率変化をともなわない場合がある。また150ft秒以下、特には50〜5ft秒のパルスではレーザー光強度をアンプで増幅せずに使用できるため装置が簡便になりより好ましい。
【0019】
レーザーのパルス幅を狭くすることで高いピーク出力が得られると、例えば10KHz 以上の繰返し周波数をもつパルスレーザにおいても、高分子材料にレーザ光の集光点で屈折率が変化する現象を確認した。この条件下では、高分子の固有吸収波長以外の波長をもつパルスレーザであっても、同様に集光点において高分子の光誘起屈折率を変化させる現象が発生する。例えば800nmの波長で光吸収の無い高分子を使用して、800nmの波長を持つレーザーで光屈折率変化を起こした場合、集光点では光誘起屈折率変化が起き集光点までのレーザー光路でレーザー光損失が無く好ましい。
【0020】
また、集光点におけるピークパワー強度は、10W /cm以 上であることが好ましい。高分子の固有吸収波長に一致する波長をもつパルスレーザであっても、吸収が弱く、例えば集光点における10W /cm以 上のピークパワー強度が確保されると光誘起屈折率変化が生じる。好ましくは10W /cm以 上である。屈折率が変化する現象は、発生メカニズムが不明であるが、グレーティング等の作製に材料の屈折率の変化が利用される。また、繰返し周期が速いことから、高分子材料に屈折率変化領域を短時間に形成できる。
【0021】
連続的な屈折率変化が必要な場合はパルス間隔を狭く、つまり繰返し周期を速くし、第1パルスと第2パルスが可能な限り同時に照射される必要がある。このことから、この場合パルスレーザの繰返し周波数を好ましくは10KHz,より好ましくは100KHz以上に設定する。繰返し周波数が小さいとレーザ光が離散的に照射され、必要な連続的な屈折率変化が得られない。
【0022】
なお、繰り返し周波数が小さい場合であっても、高分子材料又はレーザ光の集光点の走査速度を遅くすることにより、高分子材料に対して連続的にレーザ光を照射できる。しかし、この場合は第1パルス照射後に一定の時間をおいて第2パルスが重なった状態で照射されるため、第1パルスで形成された屈折率変化が第2パルスにより再変化を起こし、十分な屈折率変化が得られない。一方、繰り返し周波数の上限は、繰返し周波数が無限大の限りなく連続レーザに近いものである。しかし、繰返し周波数を大きくすると、一般に1パルス当りのエネルギーが弱くなる。そのため、実際には高分子材料が屈折率変化を起こす閾値と、使用するレーザの出力によって繰返し周波数の上限が設定される。
【0023】
屈折率の変化領域は照射するパルスレーザのパワーや集光スポット径を変えることにより制御可能である。パルスレーザのパワー又は集光スポット径が大きくなるほど、屈折率変化領域も大きくなる。また、パルスレーザの照射回数によって屈折率の変化量を制御することでき、照射回数を多くするほど、変化領域一定のままで屈折率の変化量を大きくすることができる。また、集光の方法によりほぼ縦長に屈折率の変化領域を形成することも可能である。
【0024】
また集光領域を調節することにより、材料の内部に直接加工することも可能である。また3次元的に加工することも可能であり、種々の機能を発現させるためのフォトニック結晶等を作製する場合、通常の作製方法のように積層する必要がなく好ましい。
【0025】
レーザー照射による屈折率の変化率は0.2%〜3%が好ましく、0.3%〜2%の変化率がより好ましい。屈折率変化が0.2%より小さい場合、未照射部分との屈折率差が小さすぎグレーテイング、レンズアレイ、フルネルレンズまたはフォトニック結晶とならない場合があり、3%以上の屈折率変化は高分子にクラックが生じる場合がある。
【0026】
高分子材料へのレーザ光の照射は、集光点に対し高分子材料を連続的に移動させる方法、高分子材料の内部でレーザ光の集光点を連続的に移動させる方法により行うことが好ましい。
【0027】
また、レーザー光を干渉させ、部分的な強度の濃淡を作りグレーティング、レンズアレイ、フルネルレンズまたはフォトニック結晶を作製することも生産性の点で好ましい。
【0028】
材料となる高分子材料の例は、ポリイミド、ポリマレイミド、ポリアリレート、ポリカーボネート、ポリウレタン、ポリスルフィド、ポリスルフォン、ポリアミド、ポリイミン、ポリ尿素、ポリシラン、ポリシラザン、ポリベンゾオキサゾール、ポリオキサジアゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリベンズイミダゾール、ポリスチレン、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸エステル、ポリメタクリル酸、ポリメタクリル酸エステル、ポリアクリルアミド、ポリメタクリルアミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエステル、ポリシロキサン、ポリノルボルネン、ポリ塩化ビニル、エポキシ樹脂、セルロース系樹脂、シリコン系樹脂、シアナートエステル樹脂、フッ素系樹脂があげられる。
【0029】
光学特性が優れているものとしてポリイミド、ポリカーボネート、フッ素系樹脂特にはフッ素系脂肪族環構造含有重合体、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、シアナートエステル樹脂が好ましい。
【0030】
フッ素系脂肪族環構造含有重合体は、例えば2以上の重合性二重結合を有するフッ素系単量体が環化重合して生成する重合単位、および、フッ素系脂肪族環構造含有単量体が重合して生成する重合単位、から選ばれる少なくとも1種の重合単位を有する重合体である。特には2以上の重合性二重結合を有するフッ素系単量体がペルフルオロ(アリルビニルエーテル)またはペルフルオロ(ブテニルビニルエーテル)であり、フッ素系脂肪族環構造含有単量体がペルフルオロ(2,2−ジメチル−1,3−ジオキソール)である。
【0031】
シリコーン樹脂としては、ポリシロキサン、変成シリコーン樹脂、アクリルシリコン樹脂などがあるが、好ましくは(A)SiH基と反応性を有する炭素−炭素二重結合を1分子中に少なくとも2個含有する有機系骨格からなる有機化合物、(B)1分子中に少なくとも2個のSiH基を含有するケイ素化合物、(C)ヒドロシリル化触媒、を必須成分としてなるシリル基含有有機樹脂である。
【0032】
特にポリイミドは耐熱性の点で好ましく、フッ素を含有している事が光学的特性、吸湿性の点で好ましい。中でも2,2−ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン二無水物およびピロメリット酸二無水物を縮合した構造を持つものや、2,2′−ビス(トリフルオロメチル)−4,4′−ジアミノビフェニルを縮合した構造を持つものが吸湿性、光学特性の点で好ましい。
【0033】
また耐熱性の点でシアン酸エステル樹脂も好ましい。シアン酸エステル樹脂はシアン酸エステル基をもつモノマー、オリゴマーを重合して得られる。このモノマーとしては、例えば1,3−又は1,4−ジシアノベンゼン、2−テトラブチル−1,4−ジシアノベンゼン、2,4−ジメチル−1,3−ジシアノベンゼン、2,5−ジ−テトラブチル−1,4−ジシアノベンゼン、4−クロロ−1,3−ジシアノベンゼン、1,3,5−トリシアノベンゼン、2,2’−又は4,4’−ジシアノビフェニル、3,3’,5,5’−テトラメチル−4,4’−ジシアノビフェニル1,3−、1,4−、1,5−、1,6−、1,8−、2,6−又は2,7−ジシアナトナフタレン、1,3,6−トリシアナトナフタレン、4,4’−ジシアナトジフェニルメタン、ビス(3−メチル−4−シアナトフェニル)メタン、ビス(3,5−ジメチル−4−シアナトフェニル)メタン、ビス(3,5−ジブロモ−4−シアナトフェニルメタン、ビス(3,5−ジクロロ−4−シアナトフェニル)メタン、ビス(4−シアナトフェニル)エタン、2,2−ビス(4−シアナトフェニル)プロパン、2,2−ビス(3,5−ジメチル−4−シアナトフェニル)プロパン、2,2−ビス(3−メチル−4−シアナトフェニル)プロパン、4,4’−ジシアナトジフェニルチオエーテル、2,2−ビス(4−シアナトフェニル)パーフルオロプロパン、1,1−ビス(4−シアナトフェニル)エタン、2,2−ビス(3,5−ジクロロ−4−シアナトフェニル)プロパン、2,2−ビス(3,5−ジブロモ−4−シアナトフェニル)プロパン、ビス(4−シアントフェニル)ケトン、ビス(4−シアントフェニル)スルホン、トリス(4−シアナトフェニル)ホスファイトおよびトリス(4−シアントフェニル)ホスフェートなどおよびこれらの水素原子の一部またはすべてをフッ素原子または重水素化したものがある。またこれらのモノマーを反応させたオリゴマーを使用しても良い。
【0034】
レーザー光照射により屈折率が低下する場合が多いが、レーザー光照射部の屈折率を増加さたい場合はオリゴマー、モノマーを含有させても良い。屈折率の増加の観点からオリゴマー、モノマーがイオン反応性であることが好ましい。オリゴマー、モノマーがエポキシ基、オキセタン基、シアン酸エステル基、マレイミド基を持つことが特に好ましい。
【0035】
マレイミド基を持つものとして、例えば1,2−ビスマレイミドエタン、1,3−ビスマレイミドベンゼン、1,6−ビスマレイミドヘキサン、1,4−ビスマレイミドベンゼン、2,4−ビスマレイミドトルエン、4,4’−ビスマレイミドジフェニルエーテル、4,4’−ビスマレイミドジフェニルメタン、3,3’−ビスマレイミドジフェニルスルホン、4,4’−ビスマレイミドジフェニルスルホン、4,4’−ビスマレイミドジシクロヘキシルメタン、2,6−ビスマレイミドピリジン、1,3−ビス(マレイミドメチル)シクロヘキサン、3,5’−ビス(4−マレイミドフェニル)ピリジン、1,3−ビス(マレイミドメチル)ベンゼン、1,1−ビス(4−マレイミドフェニル)シクロヘキサン、1,3−ビス(ジクロルマレイミド)ベンゼン、2,2−ビス(4−マレイミドフェニル)プロパン、4,4’−ビスシトラコンイミドジフェニルメタン、1−フェニル−1,1−ビス(4−マレイミドフェニル)エタン、α,α−ビス(4−マレイミドフェニル)トルエン、3,5−ビスマレイミド−1,2,4−トリアゾールがあげられ、これらの水素原子の一部または全部を重水素、フッ素で置き換えたもの、またこれらを反応させオリゴマー化させたものでもよい。
【0036】
エポキシ基をもつモノマー、オリゴマーとしては、例えばビスフェノールA型エポキシ、ビスフェノールF型エポキシ、フェノールノボラック型エポキシ、クレゾールノボラック型エポキシ、グリシジルエーテル型エポキシ、ナフタレン型エポキシ、脂環式エポキシ等の種々のエポキシを用いることができる。屈折率の変化しやすさから脂環式エポキシが好ましい。またこらのこれらの水素原子の一部または全部を重水素、フッ素で置き換えたものが使用できる。
【0037】
オキセタン基をもつモノマー、オリゴマーとしては例えば3,3−ビス(クロルメチル)オキセタン、3,3−ビス(ヨードメチル)オキセタン、3,3−ビス(メトキシメチル)オキセタン、3−メチル−3−クロルメチルオキセタン、3,3−ビス(フェノキシメチル)オキセタン、3,3−ビス(アセトキシメチル)オキセタン、3,3−ビス(フルオロメチル)オキセタン、3,3−ビス(ブロモメチル)オキセタン、3,3−ジメチルオキセタン等がある。これらの水素原子の一部または全部を重水素、フッ素で置き換えたもの、またこれらを反応させオリゴマー化させたものでもよい。
【0038】
シアン酸エステル基をもつモノマー、オリゴマーとしては、例えば1,3−又は1,4−ジシアノベンゼン、2−テトラブチル−1,4−ジシアノベンゼン、2,4−ジメチル−1,3−ジシアノベンゼン、2,5−ジ−テトラブチル−1,4−ジシアノベンゼン、4−クロロ−1,3−ジシアノベンゼン、1,3,5−トリシアノベンゼン、2,2’−又は4,4’−ジシアノビフェニル、3,3’,5,5’−テトラメチル−4,4’−ジシアノビフェニル1,3−、1,4−、1,5−、1,6−、1,8−、2,6−又は2,7−ジシアナトナフタレン、1,3,6−トリシアナトナフタレン、4,4’−ジシアナトジフェニルメタン、ビス(3−メチル−4−シアナトフェニル)メタン、ビス(3,5−ジメチル−4−シアナトフェニル)メタン、ビス(3,5−ジブロモ−4−シアナトフェニルメタン、ビス(3,5−ジクロロ−4−シアナトフェニル)メタン、ビス(4−シアナトフェニル)エタン、2,2−ビス(4−シアナトフェニル)プロパン、2,2−ビス(3,5−ジメチル−4−シアナトフェニル)プロパン、2,2−ビス(3−メチル−4−シアナトフェニル)プロパン、4,4’−ジシアナトジフェニルチオエーテル、2,2−ビス(4−シアナトフェニル)パーフルオロプロパン、1,1−ビス(4−シアナトフェニル)エタン、2,2−ビス(3,5−ジクロロ−4−シアナトフェニル)プロパン、2,2−ビス(3,5−ジブロモ−4−シアナトフェニル)プロパン、ビス(4−シアントフェニル)ケトン、ビス(4−シアントフェニル)スルホン、トリス(4−シアナトフェニル)ホスファイトおよびトリス(4−シアントフェニル)ホスフェートなどおよびこれらの水素原子の一部またはすべてをフッ素原子または重水素化したものがある。またこれらのモノマーを反応させたオリゴマーを使用しても良い。
【0039】
また、高分子にラジカル反応性基やイオン反応性基を導入しても良い。この基としてはエポキシ基、オキセタン基、シアン酸エステル基、マレイミド基から選択される少なくとも一種以上の官能基が好ましい。反応性基の導入方法は、反応性基を持つモノマーを重合したりするとよい。
【0040】
材料となる高分子のガラス点移転(Tg)は120℃以上が好ましく、150℃以上がより好ましい。Tgが120℃より低い場合はアブレーションがおこりやすくグレーテイング、レンズアレイ、フルネルレンズまたはフォトニック結晶を形成しにくい場合がある。また、長期の安定性に欠ける場合がある。
【0041】
材料となる高分子は波長が600nm〜1600nmでのいづれかでの光損失が9dB/cm以下である事が好ましい。9dB/cmより大きい場合、グレーテイング、レンズアレイ、フルネルレンズまたはフォトニック結晶として損失が大きく使用に耐えない場合があり、またレーザー光の波長範囲で吸収があることは、アブレーションが起こりやすくこの点でも好ましく無い。
【0042】
グレーティング(回折格子)を作製する場合、屈折率変化部分を何度も走引して作製することも可能であるし、レーザーの干渉によって作製することも可能である。干渉光を利用する場合周期構造が一度に作製され好ましい。レーザー光照射部分の屈折率を変化させることによって、屈折率の異なる部分を周期的に繰り返して形成することが可能であるので、レーザー光照射部分の屈折率は増加させても、低下させてもよい。
【0043】
またファイバー上にグレーテイングを形成する事も可能であり、機能性の光ファイバーグレーティングとすることも可能である。
【0044】
【実施例】
使用原料は市販品を必要により精製し使用した。臭化シアン、イソプロパノール、トリエチルアミン、トルエンは和光純薬社、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−ヘキサフルオロプロパンはセントラル硝子社、2,2−ビス(4−シアナトフェニル)プロパンはロンザジャパン社より入手したものを使用した。
【0045】
Tg(ガラス転移温度):フィルム状サンプルをDSC(示差走査熱量測定器:島津製作所社製DSC−50)にて昇温速度10℃/分にて測定した。
【0046】
微少部分の屈折率測定:ビームプロファイル反射率測定法により波長675nm、ビームスポット1μm、高精度膜厚計Opti−Probe2000(サーマウェーブ社製)にて測定した。
【0047】
試料1の作製:(シアン酸エステルモノマーの合成)臭化シアン30.0g(0.26mol)をイソプロパノール150mlに溶かし攪拌しながら氷冷する。これに2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−ヘキサフルオロプロパンを40.3g(0.12mol)をイソプロパノール150mlに溶かし、トリエチルアミン24.9g(0.25mol)を加えた溶液を滴下する。滴下終了後、1時間攪拌を続けたのち、沈殿物を濾過し、水で洗浄し白色粉末状の2,2−ビス(4−シアナトフェニル)ヘキサフルオロプロパン38.0gを得た。この2,2−ビス(4−シアナトフェニル)ヘキサフルオロプロパン1gと2,2−ビス(4−シアナトフェニル)プロパン1gを混合し、100℃で10加熱した。加熱した状態で混合物は液状になり均一となった。この溶液をガラス基板上にキャストし、窒素雰囲気下で150℃で3時間、さらに200℃で1時間加熱し厚さ1mのシアン酸エステル樹脂フィルム(II)を得た。このフィルムのTgを測定したところ200℃以上であった。
【0048】
(実施例1)
試料1としてシアン酸エステル樹脂フィルム(I)に 図1
に示すようにパルスレーザ光1をレンズ2で集光して照射した。パルスレーザ光1としては、アルゴンレーザ励起のTi:Al2O3レーザから発振されたパルス幅150フェムト秒,繰返し周波数200KHz,波長800nm ,平均出力200mW のレーザを光学フィルターによって平均出力8mWにおとして使用した。パルスレーザ光1をレンズ2で集光し、シアン酸エステル樹脂フィルム(I)の内部に集光点4が生じるように照射させると、集光点4の屈折率が変化した。そこで、試料台を連続的に直線移動し、図2
に示すようにシアン酸エステル樹脂試料3の内部に直線状の周囲とは明確に異なるラインが集光点4の軌跡に沿って試料3の内部に形成さていることが光学顕微鏡による観察で確認される。
【0049】
またサンプルの断面を研磨し、微少部分の屈折率を測定したところ、非照射部分は1.570であり照射部分の屈折率は低下しておりもっとも低い部分は1.557であり0.8%の屈折率低下となった。また照射部の中央ほど屈折率が低かった。
【0050】
そこで5μmの間隔で1m幅上記直線上の走査を100回繰り返したところグレーティングが作製できた。He−Neレーザーの光を作製したフィルムに垂直に当てたところ、レーザー光は3筋に分かれグレーティング(回折格子)として機能していることが確認できた。
【0051】
【発明の効果】以上に説明したように、本発明においては、ピーク出力値が高いパルスレーザを高分子材料に照射し、集光点の屈折率を変化させることにより、高分子材料をグレーテイング等を作製している。この方法は、複雑な工程を経ることなくしかも簡単に形成できる利点をもっており高分子材料を使用している為にフレキシブルな光導波路を得る事もできる。また、パルスレーザの光軸方向に対する高分子材料の走査方向、或いは高分子材料に対する集光点の移動方向を変えることで形状も任意に制御でき、複雑な回路構造をもつ光集積回路等に適した三次元的なフルネルレンズまたはフォトニック結晶も容易に作製される。
【図面の簡単な説明】
【図1】試料にパルスレーザ光を照射する際の簡易断面図
【図2】試料内部に作製した屈折率変化部分の斜視図
【符号の説明】
1:パルスレーザー光
2:集光レンズ
3:試料
4:集光点
5:試料台
6:屈折率変化部分
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a grating, a lens array, a Fresnel lens or a photonic crystal in which a refractive index change is formed in a polymer material by laser irradiation, and a method of manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
Gratings, lens arrays, Fresnel lenses or photonic crystals are becoming increasingly important as optical components. For example, in the case of a grating, it is used for a wavelength filter or the like in optical communication, and is also used for a pickup or the like in a CD optical system. Lens arrays are also used for various purposes such as liquid crystal projectors. In addition, photonic crystals, which are artificial structures in which different refractive index media are arranged in a multidimensional manner, can control the propagation of light to a high degree, making them suitable for next-generation optical devices such as microminiature optical integrated circuits. Applications are expected.
[0003]
However, all of them have a problem in terms of a complicated manufacturing method and yield.
[0004]
On the other hand, various methods for producing a grating on a glass material by ultrashort pulse laser beam processing such as a femtosecond laser have been attempted. (For example, Patent Documents 1, 2, and 3). However, glass materials have incompatible applications, such as cracking of components and lack of flexibility.
[0005]
On the other hand, a method for producing an optical waveguide by processing a polymer with ultrashort pulse laser light is disclosed (Patent Document 4), but no reference is made to a grating, a lens array, a Fresnel lens, or a photonic crystal.
[0006]
Also disclosed is a method of producing, for example, a grating by introducing or mixing a structure of azobenzene, stilbene, or the like that changes the refractive index by irradiation of light with a polymer. (Patent Document 5) In this method, the resin system is limited, and there is no general versatility or lacks stability.
[0007]
On the other hand, when an excimer laser or the like is applied to a polymer, a processing method called ablation by decomposing and removing the polymer is disclosed (Patent Document 6). In this processing method, a grating or the like is changed by changing the refractive index. It is difficult to make.
[0008]
[Patent Document 1]
JP 2000-56112
[0009]
[Patent Document 2]
JP-A-2001-324634
[0010]
[Patent Document 3]
JP-A-2001-276985
[0011]
[Patent Document 4]
JP-A-2002-14246
[0012]
[Patent Document 5]
JP 2000-265074A
[0013]
[Patent Document 6]
JP 05-185269 A
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
In order to solve the problems of the prior art described above, a grating made of a polymer material, a lens array, a manufacturing method for easily manufacturing a Fresnel lens or a photonic crystal and a grating manufactured simply, a lens array, a Fresnel lens or It is to provide a photonic crystal.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the object, the grating, lens array, Fresnel lens or photonic crystal of the present invention has a portion in which the refractive index is changed by condensing irradiation of laser light, and is continuously formed inside and / or on the surface of the polymer material. It is characterized by being formed. In particular, the optical material is characterized in that the refractive index changing portion is an optical material that is periodically repeated. That is, the present invention
A grating or a lens array, a Fresnel lens, or a photonic crystal in which a portion whose refractive index has changed by condensing irradiation of a laser beam is formed of a polymer material. (Claim 1)
The grating, lens array, Fresnel lens, or photonic crystal according to claim 1, wherein the glass transition temperature (Tg) of the polymer material is 120 ° C or more. (Claim 2)
The polymer according to any one of claims 1 to 2, wherein the polymer material is any one of polyimide, polycarbonate, polyarylate, a polymer having a fluorinated aliphatic ring structure, an epoxy resin, a silicone resin, and a cyanate ester resin. Lens array or Fresnel lens or photonic crystal. (Claim 3)
The grating or lens array, the Fresnel lens, or the photonic crystal according to claim 1, wherein the polymer material is a polyimide or a cyanate ester resin. (Claim 4)
The grating, the lens array, the Fresnel lens, or the photonic crystal according to claim 1, wherein a light loss of the polymer material is 9 dB / cm or less at a wavelength of 600 nm to 1600 nm. (Claim 5)
A method for producing a grating, a lens array, a Fresnel lens, or a photonic crystal that forms a refractive index change portion at a focal point by interfering the laser light. (Claim 6)
The method according to claim 6, wherein the laser light is a laser light having an energy amount that causes a photo-induced refractive index change. (Claim 7)
8. The method for producing a grating, a lens array, a Fresnel lens or a photonic crystal according to claim 6, wherein the pulse width of the laser light is 500 psec or less. (Claim 8)
9. The method for producing a grating, a lens array, a Fresnel lens, or a photonic crystal according to claim 8, wherein the pulse width of the laser light is 500 ft or less. (Claim 9)
The peak power intensity at the focal point of the laser light is 10 3 W / cm 2 The method for manufacturing an optical waveguide according to any one of claims 6 to 9, which is described above. (Claim 10)
.
The gray according to any one of claims 6 to 10, wherein the polymer material is any of polyimide, polycarbonate, a polymer having a fluorine-based aliphatic ring structure, an epoxy resin, a silicone resin, a polysilane, and a cyanate ester resin. A method for producing a lens, a lens array, a Fresnel lens or a photonic crystal. (Claim 11)
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
In the present invention, regions having different refractive indices are formed by condensing and irradiating a laser beam of a polymer material, so that a grating, a lens array, a Fresnel lens, or a photonic crystal can be easily formed. . In particular, it can be made partially in a specific part of the optical component, and can also be made inside the material if necessary. For example, it is possible to produce a grating by irradiating only the core of the polymer optical fiber, or to produce a grating or a photonic crystal in the core of the polymer optical waveguide on a plane. In addition, since it can be manufactured only in a necessary portion, it is advantageous in terms of miniaturization and economy. Compared to a grating manufactured by heating and forming irregularities with a mold by heating a thermoplastic resin, it is preferable in that only necessary portions can be formed and that it can be widely manufactured without being limited to the thermoplastic resin.
In addition, it can be manufactured inside as compared with the case where a normal photoreactive resin is used, and is preferable in that the versatility of the resin is expanded.
[0017]
The laser beam applied to the polymer material that can be used in the present invention is not particularly limited as long as it is a laser beam capable of causing a change in the refractive index, but a region in which the refractive index has changed is continuously formed. For this purpose, it is preferable that the laser light has high energy.
[0018]
Such a laser beam is preferably a laser beam having a pulse width of 500 psec or less, more preferably 1 psec or less, and further preferably 500 ft sec or less. If the pulse width is wider than 500 psec, the desired change in refractive index may not be obtained. In addition, since the laser beam intensity can be used without amplifying the laser beam intensity with an amplifier with a pulse of 150 ft sec or less, particularly 50 to 5 ft sec, the apparatus is simplified and more preferable.
[0019]
When a high peak output was obtained by narrowing the pulse width of the laser, it was confirmed that, even in a pulse laser having a repetition frequency of, for example, 10 KHz or more, the refractive index changed at the focal point of the laser light on the polymer material. . Under this condition, even with a pulsed laser having a wavelength other than the intrinsic absorption wavelength of the polymer, a phenomenon occurs in which the photo-induced refractive index of the polymer is similarly changed at the focal point. For example, when a polymer having a wavelength of 800 nm and having no light absorption is used and a refractive index change is caused by a laser having a wavelength of 800 nm, a light-induced refractive index change occurs at a focal point and a laser beam path to the focal point. And no loss of laser light.
[0020]
Further, the peak power intensity at the focal point is 10 3 W / cm 2 It is preferable that this is the case. Even a pulsed laser having a wavelength that matches the intrinsic absorption wavelength of the polymer has a weak absorption, for example, 10% at the focal point. 3 W / cm 2 When the above peak power intensity is secured, a photoinduced refractive index change occurs. Preferably 10 5 W / cm 2 That is it. The mechanism by which the change in the refractive index occurs is unknown, but the change in the refractive index of the material is used for manufacturing a grating or the like. Further, since the repetition period is fast, the refractive index change region can be formed in the polymer material in a short time.
[0021]
When a continuous change in the refractive index is required, it is necessary to shorten the pulse interval, that is, to increase the repetition period, and irradiate the first pulse and the second pulse as simultaneously as possible. For this reason, in this case, the repetition frequency of the pulse laser is set to preferably 10 KHz, more preferably 100 KHz or more. If the repetition frequency is small, laser light is radiated discretely, and a necessary continuous refractive index change cannot be obtained.
[0022]
Note that even when the repetition frequency is low, laser light can be continuously applied to the polymer material or the laser beam by reducing the scanning speed of the focal point of the laser beam. However, in this case, the irradiation is performed in a state where the second pulse overlaps with a certain time after the irradiation of the first pulse, so that the change in the refractive index formed by the first pulse is changed again by the second pulse, and No significant change in refractive index can be obtained. On the other hand, the upper limit of the repetition frequency is as close to a continuous laser as possible without the repetition frequency being infinite. However, when the repetition frequency is increased, the energy per pulse generally decreases. Therefore, the upper limit of the repetition frequency is actually set by the threshold value at which the polymer material causes a change in the refractive index and the output of the laser used.
[0023]
The change region of the refractive index can be controlled by changing the power of the pulsed laser or the diameter of the focused spot. As the power or the focused spot diameter of the pulse laser increases, the refractive index change region also increases. Further, the amount of change in the refractive index can be controlled by the number of irradiations of the pulse laser, and as the number of irradiations increases, the amount of change in the refractive index can be increased while keeping the change region constant. Further, it is also possible to form a region in which the refractive index changes substantially vertically by a light condensing method.
[0024]
It is also possible to process directly inside the material by adjusting the focusing area. It is also possible to perform three-dimensional processing, and when producing a photonic crystal or the like for exhibiting various functions, it is preferable because it is not necessary to laminate as in a usual production method.
[0025]
The rate of change of the refractive index by laser irradiation is preferably from 0.2% to 3%, more preferably from 0.3% to 2%. When the change in the refractive index is less than 0.2%, the difference in the refractive index from the unirradiated portion is too small and may not be a grating, a lens array, a Fresnel lens or a photonic crystal. Cracks may occur in the polymer.
[0026]
Irradiation of the polymer material with laser light can be performed by a method of continuously moving the polymer material with respect to the focal point or a method of continuously moving the laser light focal point inside the polymer material. preferable.
[0027]
It is also preferable in terms of productivity to produce a grating, a lens array, a Fresnel lens, or a photonic crystal by interfering laser light to create partial intensity shading.
[0028]
Examples of the polymer material used as the material include polyimide, polymaleimide, polyarylate, polycarbonate, polyurethane, polysulfide, polysulfone, polyamide, polyimine, polyurea, polysilane, polysilazane, polybenzoxazole, polyoxadiazole, and polybenzothiazole. , Polybenzimidazole, polystyrene, polyacrylic acid, polyacrylic acid ester, polymethacrylic acid, polymethacrylic acid ester, polyacrylamide, polymethacrylamide, polyetheretherketone, polyester, polysiloxane, polynorbornene, polyvinyl chloride, epoxy Resins, cellulose resins, silicon resins, cyanate ester resins, and fluorine resins are exemplified.
[0029]
Polyimides, polycarbonates, fluorine-based resins, especially polymers having a fluorine-based aliphatic ring structure, epoxy resins, silicone resins, and cyanate ester resins are preferred as those having excellent optical properties.
[0030]
The fluorine-containing aliphatic ring structure-containing polymer is, for example, a polymerized unit formed by cyclopolymerization of a fluorine-containing monomer having two or more polymerizable double bonds, and a fluorine-containing aliphatic ring structure-containing monomer Is a polymer having at least one type of polymerization unit selected from polymerization units formed by polymerization. In particular, the fluoromonomer having two or more polymerizable double bonds is perfluoro (allyl vinyl ether) or perfluoro (butenyl vinyl ether), and the fluoroaliphatic ring structure-containing monomer is perfluoro (2,2- Dimethyl-1,3-dioxole).
[0031]
Examples of the silicone resin include a polysiloxane, a modified silicone resin, and an acrylic silicone resin. Preferably, (A) an organic resin containing at least two carbon-carbon double bonds reactive with a SiH group in one molecule. An organic resin having a skeleton, (B) a silicon compound containing at least two SiH groups in one molecule, and (C) a hydrosilylation catalyst are essential components of a silyl group-containing organic resin.
[0032]
In particular, polyimide is preferable in terms of heat resistance, and containing fluorine is preferable in terms of optical characteristics and hygroscopicity. Among them, those having a structure in which 2,2-bis (3,4-dicarboxyphenyl) hexafluoropropane dianhydride and pyromellitic dianhydride are condensed, and 2,2'-bis (trifluoromethyl) -4 Those having a condensed structure of 4,4'-diaminobiphenyl are preferred in view of hygroscopicity and optical characteristics.
[0033]
Also, a cyanate ester resin is preferable from the viewpoint of heat resistance. The cyanate ester resin is obtained by polymerizing a monomer or oligomer having a cyanate ester group. Examples of the monomer include 1,3- or 1,4-dicyanobenzene, 2-tetrabutyl-1,4-dicyanobenzene, 2,4-dimethyl-1,3-dicyanobenzene, and 2,5-di-tetrabutyl- 1,4-dicyanobenzene, 4-chloro-1,3-dicyanobenzene, 1,3,5-tricyanobenzene, 2,2′- or 4,4′-dicyanobiphenyl, 3,3 ′, 5,5 '-Tetramethyl-4,4'-dicyanobiphenyl 1,3-, 1,4-, 1,5-, 1,6-, 1,8-, 2,6- or 2,7-dicyanatonaphthalene; 1,3,6-tricyanatonaphthalene, 4,4′-dicyanatodiphenylmethane, bis (3-methyl-4-cyanatophenyl) methane, bis (3,5-dimethyl-4-cyanatophenyl) methane, bis (3,5-dibromo- -Cyanatophenylmethane, bis (3,5-dichloro-4-cyanatophenyl) methane, bis (4-cyanatophenyl) ethane, 2,2-bis (4-cyanatophenyl) propane, 2,2- Bis (3,5-dimethyl-4-cyanatophenyl) propane, 2,2-bis (3-methyl-4-cyanatophenyl) propane, 4,4′-dicyanatodiphenylthioether, 2,2-bis ( 4-cyanatophenyl) perfluoropropane, 1,1-bis (4-cyanatophenyl) ethane, 2,2-bis (3,5-dichloro-4-cyanatophenyl) propane, 2,2-bis ( 3,5-dibromo-4-cyanatophenyl) propane, bis (4-cyanatophenyl) ketone, bis (4-cyanatophenyl) sulfone, tris (4-cyanatophenyl) phosph Such Aito and tris (4-cyan preparative phenyl) phosphate and those of some or all of these hydrogen atoms and fluorine atoms or deuterated. Also may be used an oligomer obtained by reacting these monomers.
[0034]
In many cases, the refractive index is reduced by laser light irradiation, but if it is desired to increase the refractive index of the laser light irradiated part, an oligomer or a monomer may be contained. It is preferable that the oligomer and the monomer are ion-reactive from the viewpoint of increasing the refractive index. It is particularly preferable that the oligomer and the monomer have an epoxy group, an oxetane group, a cyanate ester group and a maleimide group.
[0035]
Examples of those having a maleimide group include 1,2-bismaleimideethane, 1,3-bismaleimidebenzene, 1,6-bismaleimidehexane, 1,4-bismaleimidebenzene, 2,4-bismaleimidetoluene, 4'-bismaleimide diphenyl ether, 4,4'-bismaleimide diphenyl methane, 3,3'-bismaleimide diphenyl sulfone, 4,4'-bismaleimide diphenyl sulfone, 4,4'-bismaleimide dicyclohexyl methane, 2,6- Bismaleimidopyridine, 1,3-bis (maleimidomethyl) cyclohexane, 3,5'-bis (4-maleimidophenyl) pyridine, 1,3-bis (maleimidomethyl) benzene, 1,1-bis (4-maleimidophenyl) ) Cyclohexane, 1,3-bis (dichloromaleimide) Benzene, 2,2-bis (4-maleimidophenyl) propane, 4,4'-biscitraconimidodiphenylmethane, 1-phenyl-1,1-bis (4-maleimidophenyl) ethane, α, α-bis (4- Maleimidophenyl) toluene and 3,5-bismaleimide-1,2,4-triazole; those in which some or all of these hydrogen atoms have been replaced with deuterium or fluorine; and those which have been reacted to form an oligomer. May be used.
[0036]
Examples of monomers and oligomers having an epoxy group include various epoxies such as bisphenol A type epoxy, bisphenol F type epoxy, phenol novolak type epoxy, cresol novolak type epoxy, glycidyl ether type epoxy, naphthalene type epoxy and alicyclic epoxy. Can be used. An alicyclic epoxy is preferable because the refractive index is easily changed. Those in which some or all of these hydrogen atoms are replaced with deuterium or fluorine can be used.
[0037]
Examples of monomers and oligomers having an oxetane group include 3,3-bis (chloromethyl) oxetane, 3,3-bis (iodomethyl) oxetane, 3,3-bis (methoxymethyl) oxetane, and 3-methyl-3-chloromethyloxetane 3,3-bis (phenoxymethyl) oxetane, 3,3-bis (acetoxymethyl) oxetane, 3,3-bis (fluoromethyl) oxetane, 3,3-bis (bromomethyl) oxetane, 3,3-dimethyloxetane Etc. Those obtained by replacing some or all of these hydrogen atoms with deuterium or fluorine, or those obtained by reacting them to form oligomers may be used.
[0038]
Examples of the monomer or oligomer having a cyanate ester group include 1,3- or 1,4-dicyanobenzene, 2-tetrabutyl-1,4-dicyanobenzene, 2,4-dimethyl-1,3-dicyanobenzene, , 5-di-tetrabutyl-1,4-dicyanobenzene, 4-chloro-1,3-dicyanobenzene, 1,3,5-tricyanobenzene, 2,2′- or 4,4′-dicyanobiphenyl, , 3 ', 5,5'-Tetramethyl-4,4'-dicyanobiphenyl 1,3-, 1,4-, 1,5-, 1,6-, 1,8-, 2,6- or 2 , 7-dicyanatonaphthalene, 1,3,6-tricyanatonaphthalene, 4,4'-dicyanatodiphenylmethane, bis (3-methyl-4-cyanatophenyl) methane, bis (3,5-dimethyl-4-) Cyanatophenyl) Tan, bis (3,5-dibromo-4-cyanatophenylmethane, bis (3,5-dichloro-4-cyanatophenyl) methane, bis (4-cyanatophenyl) ethane, 2,2-bis (4 -Cyanatophenyl) propane, 2,2-bis (3,5-dimethyl-4-cyanatophenyl) propane, 2,2-bis (3-methyl-4-cyanatophenyl) propane, 4,4′- Dicyanatodiphenylthioether, 2,2-bis (4-cyanatophenyl) perfluoropropane, 1,1-bis (4-cyanatophenyl) ethane, 2,2-bis (3,5-dichloro-4-cy Anatophenyl) propane, 2,2-bis (3,5-dibromo-4-cyanatophenyl) propane, bis (4-cyanophenyl) ketone, bis (4-cyanophenyl) sulfone, Such as tris (4-cyanatophenyl) phosphite and tris (4-cyanotophenyl) phosphate, and those in which some or all of these hydrogen atoms are fluorine atoms or deuterated. Oligomers may be used.
[0039]
Further, a radical reactive group or an ion reactive group may be introduced into the polymer. This group is preferably at least one functional group selected from an epoxy group, an oxetane group, a cyanate ester group, and a maleimide group. The reactive group may be introduced by polymerizing a monomer having a reactive group.
[0040]
The glass point transition (Tg) of the polymer as the material is preferably 120 ° C. or higher, more preferably 150 ° C. or higher. When Tg is lower than 120 ° C., ablation is likely to occur, and it may be difficult to form a grating, a lens array, a Fresnel lens or a photonic crystal. In addition, long-term stability may be lacking.
[0041]
The polymer used as the material preferably has a light loss of 9 dB / cm or less at any of the wavelengths of 600 nm to 1600 nm. If it is larger than 9 dB / cm, the loss as a grating, a lens array, a Fresnel lens or a photonic crystal may be so large that it cannot be used. In addition, the absorption in the wavelength range of the laser beam is likely to cause ablation. It is not preferable in terms of point.
[0042]
When producing a grating (diffraction grating), it is possible to produce the portion by changing the refractive index repeatedly, or to produce it by laser interference. When the interference light is used, the periodic structure is preferably manufactured at a time. By changing the refractive index of the laser-irradiated portion, it is possible to periodically form a portion having a different refractive index repeatedly, so that the refractive index of the laser-irradiated portion can be increased or decreased. Good.
[0043]
Further, a grating can be formed on the fiber, and a functional optical fiber grating can be formed.
[0044]
【Example】
The raw materials used were purified from commercial products as necessary. Cyanogen bromide, isopropanol, triethylamine, toluene are Wako Pure Chemical Industries, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) -hexafluoropropane is Central Glass, and 2,2-bis (4-cyanatophenyl) propane is Lonza. The one obtained from Japan was used.
[0045]
Tg (glass transition temperature): The film-like sample was measured by DSC (differential scanning calorimeter: DSC-50 manufactured by Shimadzu Corporation) at a heating rate of 10 ° C./min.
[0046]
Refractive index measurement of a minute portion: Measured by a beam profile reflectivity measuring method at a wavelength of 675 nm, a beam spot of 1 μm, and a high-precision film thickness meter Opti-Probe2000 (manufactured by Thermawave).
[0047]
Preparation of Sample 1: (Synthesis of cyanate ester monomer) 30.0 g (0.26 mol) of cyanogen bromide was dissolved in 150 ml of isopropanol and cooled with ice while stirring. A solution obtained by dissolving 40.3 g (0.12 mol) of 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) -hexafluoropropane in 150 ml of isopropanol and adding 24.9 g (0.25 mol) of triethylamine is added dropwise. After completion of the dropwise addition, stirring was continued for 1 hour, and the precipitate was filtered and washed with water to obtain 38.0 g of 2,2-bis (4-cyanatophenyl) hexafluoropropane as a white powder. 1 g of this 2,2-bis (4-cyanatophenyl) hexafluoropropane and 1 g of 2,2-bis (4-cyanatophenyl) propane were mixed and heated at 100 ° C. for 10 minutes. The mixture became liquid and uniform when heated. This solution was cast on a glass substrate and heated at 150 ° C. for 3 hours and further at 200 ° C. for 1 hour under a nitrogen atmosphere to obtain a cyanate ester resin film (II) having a thickness of 1 m. When the Tg of this film was measured, it was 200 ° C. or higher.
[0048]
(Example 1)
As a sample 1, a cyanate ester resin film (I) was used.
As shown in the figure, a pulse laser beam 1 was condensed by a lens 2 and irradiated. As the pulse laser beam 1, a laser having a pulse width of 150 femtoseconds, a repetition frequency of 200 KHz, a wavelength of 800 nm, and an average output of 200 mW oscillated from a Ti: Al2O3 laser excited by an argon laser was used with an optical filter having an average output of 8 mW. When the pulse laser beam 1 was condensed by the lens 2 and irradiated so as to form the focal point 4 inside the cyanate ester resin film (I), the refractive index of the focal point 4 changed. Therefore, the sample stage was continuously linearly moved, and FIG.
It is confirmed by observation with an optical microscope that a line that is clearly different from the linear periphery is formed inside the sample 3 along the locus of the focal point 4 as shown in FIG. You.
[0049]
Further, when the cross section of the sample was polished and the refractive index of the minute portion was measured, the non-irradiated portion was 1.570, and the refractive index of the irradiated portion was lowered. The lowest portion was 1.557, which was 0.8%. Was lowered. The refractive index was lower toward the center of the irradiated part.
[0050]
Then, when scanning on the above-mentioned straight line having a width of 1 m was repeated 100 times at intervals of 5 μm, a grating could be produced. When the light of the He-Ne laser was applied perpendicularly to the produced film, it was confirmed that the laser light was divided into three lines and functioned as a grating (diffraction grating).
[0051]
As described above, according to the present invention, the polymer material is graded by irradiating the polymer material with a pulse laser having a high peak output value and changing the refractive index at the focal point. And so on. This method has an advantage that it can be easily formed without going through a complicated process, and a flexible optical waveguide can be obtained because a polymer material is used. In addition, the shape can be controlled arbitrarily by changing the scanning direction of the polymer material with respect to the optical axis direction of the pulse laser or the moving direction of the focal point with respect to the polymer material, and is suitable for optical integrated circuits with complicated circuit structures. A three-dimensional Fresnel lens or photonic crystal can also be easily produced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a simplified cross-sectional view when a sample is irradiated with a pulsed laser beam.
FIG. 2 is a perspective view of a refractive index changing portion formed inside a sample.
[Explanation of symbols]
1: pulsed laser light
2: Condensing lens
3: Sample
4: Focus point
5: Sample table
6: Refractive index change part

Claims (11)

レーザ光の集光照射により屈折率が変化した部分が高分子材料に形成されているグレーティングまたはレンズアレイまたはフォトニック結晶。A grating, a lens array, or a photonic crystal in which a portion whose refractive index is changed by condensing irradiation of a laser beam is formed of a polymer material. 高分子材料のガラス転移温度(Tg)が120℃以上である請求項1に記載のグレーティングまたはレンズアレイまたはフルネルレンズまたはフォトニック結晶。The grating, lens array, Fresnel lens, or photonic crystal according to claim 1, wherein the glass transition temperature (Tg) of the polymer material is 120 ° C or more. 高分子材料がポリイミド、ポリカーボネート、ポリアリレート、フッ素系脂肪族環構造含有重合体、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ポリシラン、シアン酸エステル樹脂のいづれかである請求項1または2記載のグレーティングまたはレンズアレイまたはフルネルレンズまたはフォトニック結晶。3. The grating, lens array or full lens according to claim 1, wherein the polymer material is any one of polyimide, polycarbonate, polyarylate, a polymer having a fluorinated aliphatic ring structure, epoxy resin, silicone resin, polysilane and cyanate ester resin. Flannel lens or photonic crystal. 高分子材料がポリイミドまたはシアン酸エステル樹脂である請求項1〜3のいずれか一項に記載のグレーティングまたはレンズアレイまたはフルネルレンズまたはフォトニック結晶。The grating, the lens array, the Fresnel lens, or the photonic crystal according to claim 1, wherein the polymer material is a polyimide or a cyanate ester resin. 高分子材料の光損失が600nm〜1600nmのいずれかの波長で9dB/cm以下である請求項1〜4のいずれか一項に記載のグレーティングまたはレンズアレイまたはフルネルレンズまたはフォトニック結晶。The grating or lens array, the Fresnel lens, or the photonic crystal according to claim 1, wherein a light loss of the polymer material is 9 dB / cm or less at any wavelength of 600 nm to 1600 nm. 前記レーザー光を干渉させて集光点で屈折率変化部分を形成するグレーティングまたはレンズアレイまたはフルネルレンズまたはフォトニック結晶の作製方法。A method for producing a grating, a lens array, a Fresnel lens, or a photonic crystal that forms a refractive index change portion at a focal point by causing the laser light to interfere. 前記レーザー光が、光誘起屈折率変化を起こすエネルギー量をもつレーザー光である請求項6に記載の作製方法。The method according to claim 6, wherein the laser light is a laser light having an energy amount that causes a photo-induced refractive index change. 前記レーザー光のパルス幅が500p秒以下である請求項6または7記載のグレーテイング、レンズアレイ、フルネルレンズまたはフォトニック結晶の作製方法。8. The method for producing a grating, a lens array, a Fresnel lens or a photonic crystal according to claim 6, wherein a pulse width of the laser light is 500 psec or less. 前記レーザー光のパルス幅が500ft秒以下である請求項8記載のグレーテイング、レンズアレイ、フルネルレンズまたはフォトニック結晶の作製方法。The method for producing a grating, a lens array, a Fresnel lens or a photonic crystal according to claim 8, wherein the pulse width of the laser light is 500 ft or less. 前記レーザー光の集光点におけるピークパワー強度が10W /cm以上であるでる請求項6〜9のいずれか一項に記載の光導波路の作製方法。
The method of manufacturing an optical waveguide according to any one of claims 6 to 9, wherein a peak power intensity at a focal point of the laser beam is 10 3 W / cm 2 or more.
.
高分子材料としてポリイミド、ポリカーボネート、フッ素系脂肪族環構造含有重合体、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ポリシラン、シアン酸エステル樹脂のいずれかを使用する請求項6〜10のいずれか一項に記載のグレーテイング、レンズアレイ、フルネルレンズまたはフォトニック結晶の作製方法。The gray according to any one of claims 6 to 10, wherein the polymer material is any of polyimide, polycarbonate, a polymer having a fluorine-based aliphatic ring structure, an epoxy resin, a silicone resin, a polysilane, and a cyanate ester resin. A method for producing a lens, a lens array, a Fresnel lens, or a photonic crystal.
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