JP2004196585A - Method for forming heterogeneous phase within material with laser beam, structure and optical parts - Google Patents

Method for forming heterogeneous phase within material with laser beam, structure and optical parts Download PDF

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Shuhei Tanaka
修平 田中
Nobuhito Takeshima
延仁 武島
Takashi Iwano
隆史 岩野
Yutaka Kuroiwa
裕 黒岩
Kazuyuki Hirao
一之 平尾
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Central Glass Co Ltd
Nippon Sheet Glass Co Ltd
Okamoto Glass Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for forming a heterogeneous phase having a complex two- or three-dimensional shape within a transparent material such as glass by irradiating the interior of the material with a laser beam without using a scanning mechanism. <P>SOLUTION: In the method for forming the heterogeneous phase within a material, a pulsed laser beam is converged on a plurality of desired positions within a material by controlling phase and/or amplitude independently in a plurality of regions of wave fronts of the pulsed laser beam, and parts on which the pulsed laser beam have been converted within the material are altered by photoinduction to form the heterogeneous phase in the plurality of desired positions within the material at the same time. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザビームを走査機構を用いることなく、材料、特にガラスのような透明材料の内部に照射して異質相、特に二次元形状または三次元形状をした異質相を形成する方法、および該方法で作製される内部に異質相を有する構造物、ならびに該構造物を有する光部品に関する。
本方法で得られる内部に異質相が形成された透明な構造物は、主に光情報処理、光通信システム等に使われる光フィルタ、合分波素子、偏光素子、急角度の曲がり光導波路を持つ超小型の合分岐、光を能動的に制御する全光スイッチ、光演算素子、光双安定素子などの光部品に好適である。
また、本方法は、情報処理や建築、エネルギー分野等で利用される透明材料の内部に補強部を形成するのにも好適である。
【0002】
【従来の技術】
近年、光情報処理の普及により、ガラス等の透明媒質中に高屈折率領域を形成した光導波路が製造されている。一方で、ガラス等の透明媒質中に、光の波長程度の周期を持つ高屈折率領域を形成し、その構造により光の制御を行う、フォトニック結晶の研究開発も盛んに行われている。光導波路において線状の回路となる部分やフォトニック結晶の高屈折率相を形成するためには、透明媒質中に、媒質よりも屈折率の大きい領域を制御して形成しうる材料および該材料中に屈折率の大きい領域を制御して形成する方法が必要である。また、光部品により複雑な機能を持たせることや、集積化もその課題の一つであり、複雑な二次元形状をした、また三次元形状をした光部品の回路部分を作製することが望まれている。
一方で、情報処理や建築、エネルギー分野等では、板状等の厚さが小さい透明材料が多く用いられている。これらの板状の透明材料は、様々な環境で使用されており、用途によっては強度に優れることが求められ、材料内部に補強部を設けることも必要となる。
【0003】
光導波路の典型的な製造方法は、SiO2 を主成分とした基板ガラス上に、該基板よりも屈折率の高いコアと呼ばれる領域を成膜し、コアをエッチングなどのプロセスで加工し、再びコアよりも屈折率の低い材料で包埋することにより作製されている。このような方法は、非常に煩雑なプロセスを経ることが必要であるため製造が困難であり、またその工程上、製造される光導波路は平面的な形状のものに限定される。また、これまでのフォトニック結晶の製造も同様に、屈折率の高い半導体基板上に何層かの半導体を成膜し、エッチングにより微細加工を施して、光の波長レベルの高屈折率部および低屈折率部を、波長レベルの周期で配列させた構造を形成している。そのため、この場合も製造が煩雑で困難であり、作製されるフォトニック結晶も、また平面的な形状のものに限定される。
【0004】
ガラス中に光導波路の線状の回路部分を立体的に構成する方法としては、例えば、レーザ光の照射によりガラス内部に高屈折率領域を形成する方法が知られている(特許文献1参照)。この方法では、ガラス中のレーザ光の集光照射領域において、光の高電磁場によりガラスの分子構造が変化することで、該領域の屈折率が変化すると考えられている。この方法では、集光領域のみ屈折率変化が起こるため、集光点をガラス内部で三次元的に走査することにより、屈折率が変化した領域を立体的に形成し、光導波路の線状の回路部分を三次元的に構成することが可能である。この方法では、レーザ光の照射により、高屈折率領域だけでなく、レーザ光の集光による熱や光化学反応や物質の酸化還元、非線形効果などの種々の光効果により、結晶生成や高密度化、気泡生成など、いわゆる光誘起による変化によって材料中に異質な相(異質相とよぶ)を形成できることが知られている。この方法では、形成される異質相を利用して、フォトニック結晶などの光部品を作製しうることも提案されている。
【0005】
上記したレーザ光の照射により材料内部に異質相を形成する方法では、レーザ光のパワー密度を上げるために、パルスの時間幅がピコ(10-12 )秒からフェムト(10-15 )秒と非常に狭い超短パルスレーザが用いられている。しかしながら、レーザの機構上、レーザパルスの繰り返し周波数は、実用上1kHz〜数100kHzに制限されるため、平滑な界面を有する異質相を形成しようとする場合、レーザ光の集光点を高速で走査することが困難であり、製造スループット(時間当たりの処理量)が低いという問題があった。また、レーザ光の集光点を走査するために、高精度の移動機構を備えた装置が必要となり、このような装置は複雑でしかも高価である。
【0006】
さらに、上記した方法では、レーザ光の集光点に高屈折率領域が形成されるため、1パルスにより生じる楕円形状の高屈折率領域の集合体として光導波路の線状の回路部分などの高屈折率領域が形成されるが、高屈折率領域を形成しうる現行のパワー密度が高い超短パルスレーザ装置ではパルスごとの強度ゆらぎが多く、また、ポインティングスタビリティも低いため、例えば直線形状をした高屈折率領域を形成する場合を例にとると、レーザ光の走査によって形成される高屈折率領域の概念形状は、図1Aに示すような形状になる。図1Bおよび1Cは、その偏心量および外径変動量をグラフで示している。
これらのグラフから明らかなように、形成される高屈折率領域は、偏心量や外形変動量が大きく、高い位置精度および形状精度ならびに平滑な界面をもつ光導波路の線状の回路部分などの高屈折率領域の作製は困難である。そのため、図4に示すような光部品の基本構造、特に図4Aに示す方向性結合器17の光結合部15a、15bや図4Bに示すY分岐導波路18のY分岐部15cなどの形成に用いる場合には、位置精度と形状精度が不充分であり、得られる光部品の光特性にばらつきが生じていた。そのため、充分な光導波構造の低損失化及び安定した製造が困難であった。
【0007】
また、レーザ加工の分野においては、超短パルスレーザ及び回折光学素子などを利用した加工パターンの一括形成が行われてきた(例えば特許文献2ないし特許文献4参照)。しかしながらこれらの方法は、ビームの分割や二次元的な結像によるものであり、しかも昇華加工(アブレーション加工)に限定されている。したがって、材料内部に複雑な二次元形状をした、または三次元形状をした異質相を形成することは対象としていない。
【0008】
また、立体像の結像による三次元構造形成方法については、樹脂材料の光硬化による立体成形やレジストへのパターニングなどに利用されている(例えば特許文献5および特許文献6参照)。これらの方法は、パルスレーザビームの複数の領域で位相および/または振幅を制御する方法を開示しておらず、また、光硬化材料など、一部の限定された材料についての三次元構造形成に関するものであり、光導波路の線状の回路部分やフォトニック結晶の高屈折率相の形成において一般的な材料(ガラス、プラスチック、半導体等)の内部に高エネルギーを用いて異質相を形成することについてはまったく示されておらず、また、局所的な加熱や材料改質などによる材料加工についての応用は示されていない。
【0009】
【特許文献1】
特開平9−311237号公報
【特許文献2】
特開2000−280085号公報
【特許文献3】
特開2001−138083号公報
【特許文献4】
特開2001−212800号公報
【特許文献5】
特開平4−267132号公報
【特許文献6】
特開平8−286591号公報
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記した従来技術の問題点を解決するため、レーザビームを走査機構を用いることなく、材料内部に照射して、異質相、特に複雑な二次元形状または三次元形状をした異質相を形成する方法、および該方法で作製される内部に異質相を有する構造物、ならびに該構造物を有する光部品を提供する。
本発明の方法は、ガラス等の透明材料中に、光導波路の回路部分に代表される複雑な二次元形状をした、または三次元形状をした光機能構造を形成するのに好適であり、また、透明な構造材料(窓材料、ディスプレイ用透明基板など)の内部に補強部を形成するのにも好適であり、従来の方法において問題であった位置精度および形状精度の低さや、製造スループットの低さを解消する。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、パルスレーザビームの集光照射による材料内部への異質相の形成において、パルスレーザビームの波面の複数の領域を、各々独立して位相および/または振幅を制御して、パルスレーザビームを材料内部の複数の所望の位置に集光させることで、材料内部に複雑な二次元形状をした、または三次元形状をした異質相を一括して形成できることを見出した。
即ち、パルスレーザビームの複数の集光点の集合体および/または直線形状もしくは曲線形状等のある大きさを有する連続的な集光点として材料内部に集光形状を形成させることで、連続パルスレーザビームを集光させた部位を光誘起による変化をさせて、材料内部の複数の所望の位置に一括して異質相を形成させることにより、材料内部に複雑な二次元形状をした、または三次元形状をした異質相を一括して形成できることを見出した。
さらに、該方法においてパルス幅がフェムト秒レベルの超短パルスレーザを用いることで、該異質相の位置精度、形状精度を向上させるだけでなく、製造スループットを向上させられることを見出し、本発明を完成した。
【0012】
したがって、本発明は、パルスレーザビームの波面の複数の領域を、各々独立して位相および/または振幅を制御することにより、該パルスレーザビームを材料内部の複数の所望の位置に集光させて、該材料内部のパルスレーザビームが集光された部位に光誘起による変化をさせて、該材料内部の複数の所望の位置に一括して異質相を形成させることを特徴とする材料内部に異質相を形成する方法を提供する。
本発明の方法において、前記材料内部に形成される複数の異質相は、該材料内部において互いに二次元的位置関係にあってもよい。
本発明の方法において、前記材料内部に形成される複数の異質相は、該材料内部において互いに三次元的位置関係にあってもよい。
本発明の方法において、前記複数の異質相は、前記材料内部において連続して存在し、二次元形状または三次元形状をなしてもよい。
【0013】
本発明の方法において、前記材料中の所望の位置に、下記式で表される空間パワー密度が1010W/cm3 〜1024W/cm3 であるパルスレーザビームを集光して、前記材料中の所望の位置に異質相を形成することが好ましい。
空間パワー密度(W/cm3 )=特定の微小体積に投入されるエネルギー(J)÷照射時間(秒)÷前記微小体積(cm3
【0014】
本発明の方法において、パルスレーザビームは、パルス幅が10フェムト(10×10-15 )秒以上10ピコ(10×10-12 )秒以下の超短パルスレーザであることが好ましい。
【0015】
本発明の方法において、前記材料は、パルスレーザビームが入射する面から、前記パルスレーザビームを集光させる部位までの該パルスレーザビームの透過率Tが集光倍率Mとの関係において、下記式(1)および(2)を満たす材料であることが好ましい。
T≧100/M2 ・・・(1)
T≧(Ith×2×10-4)/(I0 ×M2 )・・・(2)
M:(π/4)1/2 ×(材料入射時のパルスレーザビームの直径)/(材料の集光体積の三乗根)
th:材料中の集光させる部位に異質相を形成するのに必要なパルスレーザビームの空間パワー密度(W/cm3
0 :材料にパルスレーザビームが入射する面におけるパルスレーザビームのパワー密度(W/cm2
【0016】
本発明の方法において、前記材料は、波長0.1〜11μmのパルスレーザビームに対して、前記透過率Tが、前記式(1)および(2)を満たす材料であることが好ましい。
本発明の方法において、前記材料はガラスであることが好ましい。
【0017】
本発明の方法において、前記材料中に形成される異質相は、波長0.1〜2μmの光に対する屈折率が、該材料の他の部分での屈折率に対して0.1%以上異なる相であることが好ましい。
本発明の方法において、前記材料中に形成される異質相は、該材料の補強部をなすことが好ましい。
【0018】
本発明の方法において、前記パルスレーザビームの位相および/または振幅の制御は、回折光学素子、マイクロレンズアレイ、高次曲面ミラー、シリンドリカルレンズ、高次曲面レンズからなる群から選択される少なくとも1つにより行ってもよい。
【0019】
本発明の方法において、前記パルスレーザビームの集光において、前記パルスレーザビームの色収差補正を行うことが好ましい。
本発明の方法において、前記パルスレーザビームの集光の際に生じる、該パルスレーザビームのパルス時間幅の変化を、前記材料に入射する前に予め補正することが好ましい。
【0020】
本発明において、前記材料内部の所望の位置に集光させたパルスレーザビームを、さらに前記材料に対して相対移動させてもよい。
【0021】
本発明は、また上記した本発明の方法により材料内部の複数の所望の部位に異質相を形成する工程と、材料内部の所望の1つの位置にパルスレーザビームを集光させて、該パルスレーザビームの集光させた部分を前記材料に対して相対移動させることにより、該材料内部に光誘起変化による異質相を形成する工程と、を含むことを特徴とする材料内部に異質相を形成する方法を提供する。
【0022】
本発明は、また本発明の方法により作製される内部に異質相を有する構造物を提供する。
本発明は、また本発明の構造物を有し、該構造物は、光機能構造をなす光部品を提供する。
前記光部品は、方向性結合器構造、Y分岐導波路構造、マッハツェンダ干渉器構造およびリング共振器構造からなる群から選択される少なくとも1つを光機能構造として有することが好ましい。
【0023】
本発明において、内部に異質相を有する構造物は、特に、光機能構造をなし、該構造物で形成されるものは、光部品である。
該構造物は、例えば、方向性結合器構造、Y分岐導波路構造をなすものや、フォトニック結晶などである。
該部品は、例えば、光導波路である。
なお、フォトニック結晶は、内部に欠陥部分を設けることにより光導波路となす。
【0024】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明するが、本発明は係る実施形態に限定されるものではない。
本発明の方法では、パルスレーザビームを材料内部に照射して、パルスレーザビームが照射された部位を光誘起により変化させる際に、パルスレーザビームの複数の領域をその領域ごとに各々独立して位相および/または振幅を制御することで、レーザビームの各領域の発散角と進行方向を変化させて、パルスレーザビームの各領域を材料内部の複数の異なる部位に一括して照射させる。これにより、各部位の集光点の集合体として、すなわち複数の集光点の集合体として、材料内部に集光形状が形成される。
【0025】
たとえば、図1Dに示すような材料内部に直線形状をした高屈折領域を形成する場合を例にとると、本発明の方法では、パルスレーザビームの波面の複数の領域を、各々独立して位相および/または振幅を制御して、レーザビームの各領域の発散角および進行方向を変化させることで、パルスレーザビームの複数の領域を、図1Dに示す直線形状をなすように複数の異なる部位に一括して照射させる。
レーザビームを照射させた部位は、光照射により変化して異質相、具体的にはたとえば高屈折領域を形成するので、図1Eおよび図1Fに示すように偏心量および外径変動量が少ない直線形状をした高屈折領域を一括して形成することができる。
【0026】
レーザービームの集光点を走査させることで、材料内部に異質相を形成させる従来の方法では、1パルスにより生じる楕円形状をした異質相の集合体として異質相が形成されるため、現行のパワー密度の高い超短パルスレーザ装置を使用した場合に、パルスごとの強度ゆらぎが多く、また、ポインティングスタビリティも低いため、形成される異質相(図1A)は、図1Bおよび1Cに示すように、位置精度が悪く、形状精度も悪いものであった。
【0027】
これに対して本発明の方法では、レーザビームの集光点を走査させることなく、パルスレーザビームを材料内部の複数の所望の部位に一括して集光させるため、パルスレーザビームの複数の集光点の集合体としての集光形状を一括して形成することができる。この結果、材料内部のパルスレーザビームを照射させた部位が光誘起により変化することで所望の形状をした異質相を一括して形成することができる。本発明の方法では、材料内部に異質相を一括して形成するため、レーザビームの集光点を走査させる従来の方法に比べて、位置精度および形状精度が高い異質相を得ることができる。
【0028】
本発明の方法では、好ましくは集光形状をなす各集光点に複数のパルスレーザビームを照射して異質相を形成するため、上記した現行の超短パルスレーザ装置を使用した場合に問題となるパルスごとのレーザ光の強度およびポインティングのゆらぎの影響が平均化される。これにより、パルスごとのレーザ光のゆらぎによる影響が低減されて、高い位置精度および形状精度で異質相を得ることができる。
本発明の方法によれば、異質相が一括して形成されるため、製造スループットが向上する。さらにまた、レーザビームの集光点を走査させるための高精度な移動機構が不要であるため、装置の簡素化が可能である。
【0029】
図1Dでは、形成される異質相の一例として直線形状をした異質相を示したが、本発明の方法で形成される異質相の形状はこれに限定されない。すなわち、曲線または分岐を持ったより複雑な二次元形状であってもよく、さらに三次元形状であってもよい。さらに、異質相の形状は連続した単一の形状に限定されず、点状の複数の異質相が、材料内部に二次元的または三次元的に分散していてもよい。所望の形状を高い位置精度および形状精度で一括して形成することができる本発明の方法は、このような二次元形状または三次元形状をした異質相を形成するのに特に好ましい。
【0030】
また、図1Dでは形成される異質相として、高屈折領域を示したが、本発明の方法により形成される異質相は、レーザビームの照射によって生じる光誘起による変化で形成される異質相を広く含む。光誘起による変化としては、ガラス材料中に高屈折領域を形成すると考えられている光の高電磁場によりガラスの分子構造が変化すること以外に、レーザ光の集光による熱や光化学反応や物質の酸化還元、非線形効果などの種々の光効果により、結晶生成や高密度化、気泡生成など、いわゆる光誘起による変化を広く含む。
【0031】
図2AおよびBは、本発明の方法を用いて材料内部の所望の形状をした異質相を形成するレーザ加工装置の代表的な形態の模式図である。
図2Aに示すレーザ加工装置101は、大まかには、所望の強度のパルスレーザビームをある広さをもった光束1として発射するレーザ光源(図示していない)と、レーザビームの複数の領域について、各々独立して位相および/または振幅を制御する波面制御素子5と、ある広さをもつ光束を、材料11内部の微小領域に集光させる集光機能素子8とで構成される。このような構成により、パルスレーザビーム1を材料11内部の複数の所望の部位に一括して照射することができる。レーザビームが照射された部位は、光誘起により変化するので、材料内部の所望の部位に複数の異質相10を一括して形成することができる。図2Aでは、複数の異質相10は、材料内部において連続して存在し、連続する三次元形状をなしている。
【0032】
レーザ光源は、材料内部、特にはガラス材料等の透明材料の内部に、パルスレーザビームを集光させて光誘起による変化を生じさせるため、パワー密度の高いパルスレーザビームを放出可能であることが好ましく、したがって、パルス幅が短い超短パルスレーザ、より具体的には集光点でのパルス幅が10フェムト(10×10-15 )秒以上10ピコ(10×10-12 )秒以下となる超短パルスレーザであることが好ましい。特に、異質相を形成させる材料がガラス材料である場合、パルス幅が15フェムト秒以上300フェムト秒以下であることがより好ましい。パルス幅が上記範囲であれば、パルスレーザの1パルスあたりのエネルギーを小さくできるため、エネルギー的に有利であり、また材料中の異質相を形成させる部位以外の部位にレーザビームの照射によるダメージが生じるおそれがほとんどない。
【0033】
レーザ発生装置から放出されたレーザビームの波面は、波面制御素子5で、複数の領域が、各々独立して位相および/または振幅が制御される。レーザビーム3は、回折光学素子等、詳しくは後に示す手段により、その複数の領域が各々独立して位相および/または振幅が変化して、発散角と進行方向に変調を与える。ここで位相および/または振幅の変化の自由度を大きくするために、レーザビームは、ビームスプリッタで複数ビームに分離したり、ビームエキスパンダで拡幅してもよい。4は位相および/または振幅を制御する前のレーザビームの波面を、6は波面制御素子5により位相および/または振幅を制御した後のレーザビーム波面を、7は6に対応する光束を模式的に示したものである。
【0034】
波面制御素子5は、レーザビームの波面の複数の領域を、各々独立して位相および/または振幅を制御することができる限り特に限定されない。具体的には、例えば通常のレンズ、プリズム、反射ミラー、集光ミラーといった通常の光学制御系、レンズアレイ、ミラーアレイ、プリズムアレイなどの集積光学素子、またはシリンドリカルレンズ、複雑な集光形状が得られる高次曲面レンズ、高次曲面ミラーといったより複雑な光学制御系等であってもよく、または2値位相格子、多値位相格子、連続位相格子や、グレーティング型、位相マスク型、液晶変調器型などの振幅変調、位相変調機能をもつ回折光学素子、さらにはコンピュータにより、材料内部に形成する異質相の二次元形状または三次元形状の断面像から位相型ホログラムまたはキノフォームを計算して、上記各種光学制御系または光学素子を用いてホログラムまたはキノフォームとして集光形状を形成してもよい。
【0035】
波面制御素子5は、そのミラーの反射面形状またはレンズの表面形状や、回折光学素子の位相および/または振幅変調の機能が可変であれば特に好ましい。このような形状または機能が可変の波面制御素子5としては、例えば駆動装置を備えた位相変調型および/または振幅位相同時変調型の液晶空間変調器や、面形状可変ミラー(デフォーマラブルミラー)、電気光学効果や音響光学効果、磁気光学効果を用いた可変ミラーや可変回折レンズ、可変グレーティング、駆動装置付のマイクロミラーアレイなどがある。これらの機能可変の素子を使うことにより、製造時に異質相の形状の微細な修正を容易に行うことができ、また、形成する異質相のパターンごとに、波面制御素子を用意する必要がなくなるので好ましい。
【0036】
波面制御素子5により、その複数の領域が各々独立して位相および/または振幅が制御されたレーザビームは、集光機能素子8により材料11内部の所望の位置に集光する。レーザビームは、複数の領域がそれぞれ独立して位相および/または振幅が制御されているため、個々の領域に対応するビームは、それぞれ材料11内部の異なる部位に集光点10を形成する。9は集光される各光束を模式的に示したものである。そしてこのような集光点の集合体として全体の集光形状10が形成される。このようにして、集光点を材料内部で走査させることなく、材料内部に任意の形状をした集光形状が一度に形成されるため、材料内部のレーザビームが集光させた部位が光誘起により変化することで所望の形状をした異質相を一括して形成することができる。
【0037】
なお、波面制御素子5と集光機能素子8の順序は、図2Aに示した例のように、波面制御素子5を集光機能素子8に対してレーザビームの上流側に配置することに限定されず、図2Bに示すように、波面制御素子5と集光機能素子8の順序を入れ替えることも可能である。
【0038】
集光機能素子8は、ある広さをもつ光束を、材料内部の所望の微小領域に集光させることができる限り特に限定されず、例えば通常のレンズ、プリズム、反射ミラー、集光ミラー等の集光制御系であってよい。
また、波面制御素子5と集光機能素子8は、別々の素子として存在するのではなく、両方の機能を併せ持つものであってもよい。レーザビームの出射方向を独立して制御可能なレンズ類、例えばレンズアレイ、シリンドリカルレンズ、高次曲面レンズ等であれば、波面制御素子5と集光機能素子8の機能を1つのレンズで実現することができる。
【0039】
波面制御素子5と集光機能素子8の組み合わせは、材料内部に所望の集光形状を形成できる限り特に限定されない。また、集光機能素子8は、所望の集光形状を得るのに充分な有効断面積があればその大きさは特に限定されない。
【0040】
本発明の方法を用いたレーザ加工装置101は、レーザ光源、波面制御素子5および集光機能素子8以外の他の要素を含んでもよい。たとえば、パルスの時間幅が300フェムト秒以下のパルスレーザビームを照射するレーザ光源を使用する場合、スペクトルの広がりが顕著になり、色収差によって焦点形状が歪む恐れがある。また、波面制御素子5および集光機能素子8を構成する材料での材料分散もしくは構造分散またはレーザビームで加工される材料での材料分散により、レーザビームのパルス幅が広がる恐れがある。これらによってレーザビームのパルス幅が広がると、レーザビームのパワー密度が低下して、集光した部分で異質相が形成できなくなるおそれがある。そのため、パルス幅が300フェムト秒以下のパルスレーザを照射するレーザ光源を用いる場合は、1)レーザの波長内において、色収差が生じないようにするための色収差補正機構や、2)光学制御材料内部(波面制御素子5および集光機能素子8を構成するレンズ、ミラー等の内部)および加工材料内部におけるレーザビームのパルス時間幅の変化(材料分散により生じるパルス時間幅の変化)を補正する(逆の波長分散を発生させて相殺補正する)分散補正機構2を必要に応じて設けて、レーザビームの色収差を補正し、および/または材料分散等によるパルス幅の変化を材料に入射する前に予め補正することが必要がある。
【0041】
また、レーザ加工装置101は、アクロマート、アポクロマート等の色収差を補正する色消し構造を有することが好ましい。さらにまた、レーザ加工装置101は、分散補正機構としてプリズムペア、グレーティングペア等の任意の波長分散を発生させるための分散発生装置を具備することが好ましい。
【0042】
本発明では、パルスレーザビームの照射により材料内部に異質相を形成するため、使用するパルスレーザビームのパワー密度が重要になる。
レーザビームのパワー密度は通常、単位面積当り、単位時間にどれだけのエネルギーが投入されたかを示す量で、連続発振レーザビームを一点に集光する場合は下記式で表される。
パワー密度(W/cm2 )=平均パワー(W)/集光面積(cm2
これに対して、パルスレーザビームを1点に集光する場合は下記式で表される。
パワー密度(W/cm2 )=1パルスあたりのエネルギー(J)/パルス幅(秒)/集光面積(cm2
【0043】
本発明の場合、材料内部における集光点の空間分布、特に三次元形状をした集光形状の空間分布が問題となるため、空間パワー密度という概念を用いる。図3は、空間パワー密度の概念を説明するための図であり、集光機能素子8とレーザビームの集光形状12の関係を示している。なお、図3において、集光機能素子8は、マイクロレンズアレイで構成されており、波面制御素子を兼ねている。図3に示すように、集光機能素子8により材料11内部に集光照射させるときの集光形状12を微小体積13に分割し、そのおのおのの微小体積13に集光されるレーザビーム14を考えると。空間パワー密度は以下の式で定義される。
空間パワー密度(W/cm3 )=特定の微小体積13に投入されるエネルギー(J)/照射時間(秒)/特定の微小体積13(cm3
【0044】
本発明の方法において、材料内部の集光される部位におけるレーザビームの空間パワー密度は1010W/cm3 以上1024W/cm3 以下であることが好ましい。異質相を形成させる材料がガラス材料である場合、ガラスの種類、光誘起変化の種類にもよるが、レーザビームの空間パワー密度は1014W/cm3 以上1020W/cm3 以下であることが特に好ましい。空間パワー密度が上記の範囲であると、形成される異質相の位置精度および形状精度が高く、かつ異質相を形成するのにレーザビームのパワー密度が充分である。なお、材料が異質相を形成するのに1024W/cm3 超の空間パワー密度が必要な場合、大きなレーザパルスエネルギーが必要となり異質相の大体積化が困難である。
【0045】
好適な空間パワー密度とパルスレーザのエネルギーとの関係を具体的に示すと、例えば空間パワー密度が1018W/cm3 の場合、1パルスのエネルギー180μJ、パルス幅100フェムト秒のパルスレーザを用いると、断面積9μm2 、長さ200μmの領域に集光させることができる。
【0046】
また、本発明の方法では、レーザパルスの繰り返し周波数(1秒間当たりのレーザビームのパルス回数)の制約も大幅に緩和される。従来の方法では平滑な界面をもつ異質相を形成する際に、レーザパルスのゆらぎによる影響を平均化により低減するために、できるだけ多くのレーザパルスを照射しており、具体的には数kHz以上の繰り返し周波数を必要としたが、本発明の方法では、前記したように形成される異質相の位置精度および形状精度が向上されているため、原理上は1パルスのみでも材料内部に異質相を形成可能である。ただし、製造スループット向上のため、繰り返し周波数は、好ましくは5Hz以上である。繰り返し周波数の上限は、集光される部位での1パルスによる空間パワー密度が確保できれば特に制限されない。実用上は数Hzから数10MHzの超短パルスレーザが使用できる。但し、位置精度および形状精度向上のため、数パルス〜数1000パルスで、1つの二次元形状または三次元形状をなす1群の異質相を形成することが好ましい。繰り返し周波数が上記の範囲であれば、各集光される部位に対して、複数パルスのレーザビームが照射されるため、異質相を形成する際のレーザビームの強度およびポインティングのゆらぎが平均化され、その影響が低減される。
【0047】
本発明の方法では、二次元形状または三次元形状をした異質相を材料内部に一括して形成するために、従来のレーザビームの集光点を走査して異質相を形成する方法に比べて位置精度および形状精度が高い異質相を形成することができる。また、各集光される部位に対して、複数パルスのレーザビームが照射されるため、レーザビームの強度およびポインティングのゆらぎの影響が低減されて、位置精度および形状精度が高い異質相を形成することができる。そのため、異質相として高屈折率領域を形成して、図4に示すような高い位置精度と形状精度が要求される光部品の回路部分、例えば図4Aに示す方向性結合器17の光結合部15a、15bや図4Bに示すY分岐導波路18のY分岐部15cなどを作製するのに本発明の方法を用いれば、より安定した光特性を有する光部品を得ることが可能になる。
【0048】
本発明の別の一つの利点は、二次元形状または三次元形状をなす一群の異質相を一括して形成するため、レーザビームの集光点を材料中で走査させて異質相を形成する従来の方法よりも、これらの形状を速やかに形成することができ、製造スループットを向上させることができることである。そのため、透明材料の内部に、以下の効果の少なくとも1つを有する異質相を形成し、それにより材料内部に補強部を形成する方法としても特に有望である。
・内部からのクラック発生を低減する効果
・発生したクラックの進行方向を変える効果
・発生したクラックの伸展を抑制する効果
【0049】
本発明の方法では、材料内部に補強部を形成する場合等で、ゆらぎ等による影響を考慮する必要がない場合や、光導波路でもゆらぎ等の影響を考慮する必要がない場合には、材料内部に一括して形成されるレーザービームの複数の集光点をさらに走査して、材料に対して相対移動させてもよい。一括して形成されるレーザビームの集光点を走査させれば、材料内部により多くの異質相を一度に形成することができ、また、より広い範囲に異質相を形成することができる。これにより製造スループットをさらに向上させることができる。
【0050】
また、本発明の方法と、レーザビームの集光点を走査して、該集光点を材料に対して相対移動させる従来の方法とを併用することも有効である。例えば、高い位置精度および形状精度の要求される図4に示すような光部品の回路部分を形成する場合に、例えば図4Aに示す方向性結合器17の光結合部15a、15bや、図4Bに示すY分岐導波路18のY分岐部15cなどの複雑な形状をした回路部分の形成には本発明による方法を用いて、単純な直線または曲線の形状をした回路部分には、集光点を走査させる従来の方法を用いることで、所望の光特性を維持したまま製造装置を簡素化できるだけでなく、光部品設計・製造の自由度を大幅に増加させることができる。
【0051】
本発明によれば、上記した手順でレーザビームを材料内部の複数の所望の部位に一括して集光させることにより、内部の所望の位置に、所望の形状をした異質相を有する構造物が得られる。このような構造物の材料は、使用するレーザの波長に対する線形吸収係数(レーザビームのパワー密度(レーザパワー/照射面積)が充分小さいときの吸収係数)が小さいことが必要であり、具体的には、材料の、パルスレーザビームが入射する面からパルスレーザビームを集光させる点までのパルスレーザビームの透過率Tが集光倍率Mとの関係において下記式(1)および(2)を満たすことが好ましい。
T≧100/M2 ・・・(1)
T≧(Ith×2×10-4)/(I0 ×M2 )・・・(2)
M:(π/4)1/2 ×(材料入射時のパルスレーザビームの直径(cm))/(材料の集光体積(cm3 の三乗根)
th:材料中の集光点に異質相を形成するのに必要なパルスレーザビームの空間パワー密度(W/cm3
0 :材料にパルスレーザビームが入射する面におけるパルスレーザビームのパワー密度(W/cm2
【0052】
透過率Tが上記の範囲であれば、構造物内部に形成される異質相の位置精度および形状精度が高く、また集光点におけるレーザビームのパワー密度が材料に光誘起による変化を生じさせるのに充分である。したがって、内部の所望の位置に、所望の形状、例えば二次元形状または三次元形状をした異質相を有する構造物を好適に得ることができる。また、透過率が上記の範囲であれば、レーザビームのエネルギー効率も優れていて、好ましい。
【0053】
また、構造物の材料は、使用するレーザビームに対して透過性を有することが必要である。具体的には、加工用途で通常使用される波長0.1〜11μmのレーザビームに対して、前記透過率Tが、前記式(1)および(2)を満たす材料である。したがって、例えばガラス、ポリマーや透明結晶体だけでなく、波長が0.8〜2.5μm程度の近赤外線領域のレーザビームを用いる場合には、半導体材料も該レーザビームに対して透過性を有するため加工が可能である。その中で、ガラス材料は、現在実用的に最も使いやすい超短パルスレーザである1)チタンサファイアレーザ、2)YAGレーザ、または、3)Ndドープ、Ybドープ若しくはErドープのファイバレーザなどに対して高い透過性を有し、また機械的、熱的安定性を備え、希土類や半導体などの様々な機能性元素を含有させることができるため、特に好ましい。使用されるガラス材料としては例えば酸化物ガラス(石英ガラス、シリケート系ガラス、ボロシリケート系ガラス、リン酸塩系ガラス、アルミニウムシリケート系ガラス等)、ハロゲン化物ガラス、硫化物ガラスまたはカルコゲナイドガラスが挙げられる。
【0054】
このような構造物内部に形成される異質相として、好ましい態様の1つは、材料の他の部分に比べて屈折率が異なる異質相である。
構造物が単相のガラス材料製であれば、レーザビームの集光照射によって生じる高密度化などの光誘起反応により、もとのガラスの屈折率に対して屈折率差が数%程度生じた異質相を形成することが可能である。また、構造物の内部にフォトニック結晶を形成させるには、より屈折率差が大きい領域を形成しうるガラス材料が必要であり、そのようなガラス材料として化合物半導体ガラスが例示される。このガラス材料では、屈折率1.4〜2.2程度のガラス材料中に、パルス幅がフェムト秒レベルの超短パルスレーザを照射することで、屈折率2.5〜3.5程度の化合物半導体を形成可能であり、したがって屈折率差が数10%以上の異質相を形成することが可能である。本発明によれば、このような屈折率差が大きな異質相を、構造物内部の所望の位置に、所望の形状で形成することができるため光機能構造を有する光部品を作製するのに好適である。
【0055】
本発明では、複雑な光機能構造を有する光フィルタや合分岐、合分波素子等の光部品が作製可能である。図4に、光導波路の回路部分による光部品の基本構造の一例を示す。図4Aは方向性結合器構造17を、図4BはY分岐導波路構造18を、図4Cはマッハツェンダ干渉器構造19を、図4Dはリング共振器構造20を各々示している。これらは光導波路の回路部分15で光部品の基本構造を形成している。これらの構造は、安定して機能するために、形状、寸法、相対的位置の高い精度が要求される。例えば、図4Aに示す方向性結合器構造17および図4Dに示すリング共振器構造20では、数μm幅の光導波路の回路部分15と同じく数μm間隔の回路部分のギャップ16を高い精度で形成することが要求される。本発明によれば、これらの構造を一括して作製することで、光特性の安定した光部品を作製することができ、しかもこのような光部品を高い製造スループットで作製することができる。さらに、該光部品に、非線形光学効果(入射する光の強度に応じて、光応答が非線形的に変化する現象)を利用する機構や屈折率変調機構(光部品の一部の屈折率を変えて部品の特性を変化させる機構。局部的に加熱したり通電したり、音波を発生したりすることで行う。)を設けることにより、光を能動的に制御する光部品を作製することが可能で、例えば、全光スイッチ、光演算素子、光双安定素子が実現されるため、図4に示すような光部品の基本構造を光特性的に安定したものとして製造することは光部品の開発において重要である。
【0056】
構造物の内部に形成される異質相の別の1つの好ましい形態は、少なくとも以下の記載の効果の少なくとも1つを有する異質相である。
・内部からのクラック発生を低減する効果
・発生したクラックの進行方向を変える効果
・発生したクラックの伸展を抑制する効果
このような異質相は、材料の強度を向上させる補強部をなす。このような内部に補強部を有する材料、特に透明材料は、液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイ、有機ELディスプレイ等のフラットパネルディスプレイ用の薄板ガラス基板に代表される情報処理分野、窓ガラスなどの建築分野、自動車用ガラスに代表される輸送機器分野、太陽電池用のガラス基板に代表されるエネルギー分野等で好ましく使用される。本発明の方法によれば、材料を所望の形状に加工した後で、材料の内部の所望の位置に所望の形状をした補強部をレーザービームの照射により一括して形成することができるため、材料を加工する前に、予め補強部を設けたりする手順を必要とせず、また、従来のレーザービームを照射して補強部を形成する方法のように、集光点を走査させる手順を必要とせず、材料の製造スループットが向上されている。材料の用途によって要求される強度(向き、特性)は、通常異なっているが、本発明によれば、材料内部の所望の位置に所望の形状をした補強部を容易に形成することができるため、このような要求される強度特性に応じて、最も適した位置および形状の補強部を形成することができる。さらに、また本発明によれば、レーザビームの照射による材料の光誘起による変化で補強部を形成するため、材料に外観上変化を生じることがない。これは強度に優れた透明材料として好ましい特性である。
【0057】
【実施例】
以下、実施例により本発明をさらに説明する。ただし、これらの実施例は、本発明の理解を容易にするため、例示を目的とするものであり、本発明は係る実施例に限定されるものではない。
実施例1
図5Aは、本発明の方法を用いたレーザ加工装置の1つの形態を表した模式図である。図5Aのレーザ加工装置は、レーザ光源(図示していない)から発射されたパルスレーザビーム21(固体レーザ励起のチタン−サファイアレーザから発振される波長800nm、パルス幅100フェムト秒、1パルスのエネルギー180μJ、繰り返し周波数1kHzのパルスレーザビーム)に、分散発生機能を有するグレーティングペアにより構成させる分散補正機構23により、図中の光学系を構成する全ての光学部品、およびガラス材料により発生する分散と反対の符号の分散を付与して、集光点におけるパルス幅が発射時の所望のパルス幅から変化しないように補正する。分散補正機構23により補正されたパルスレーザビーム21は、ビームエキスパンダ30で拡幅したのち、波面制御素子に位相型の回折光学素子33を使用して、レーザビームの波面の複数の領域を独立して個別に位相制御する。その後集光機能素子に、色収差補正用のアポクロマートレンズ25を用いて、レーザビームを集光して、材料11(前記パルスレーザビームの透過率Tが99%以上で、屈折率が1.46の石英ガラス)内部に三次元形状をした集光形状10を形成する。三次元形状をした集光形状10は、複数の集光点の集合体として連続的に形成される。そして光励起による変化により集光形状と同形状をした、材料11の他の部分との屈折率差(該レーザパルスビームに対する屈折率において)が1%程度の異質層を一括して形成する。
【0058】
図5Bは、本発明の方法を用いたレーザ加工装置の別の1つの形態を表した模式図である。図5Bの装置では、波面制御素子としてシリンドリカルレンズ26を用いて位相制御を行う。集光形状27が比較的単純な形状であれば、このような機構で充分である。これにより、光励起による変化で集光形状と同形状の異質層を一括して形成する。
図5Cは、本発明の方法を用いたレーザ加工装置のさらに別の1つの形態を表した模式図である。図5Cの装置では、回折光学素子33およびシリンドリカルレンズ26の代わりにビームの波面の制御を高次曲面ミラー28で位相制御を行う。これにより、光励起による変化で集光形状と同形状の異質層を一括して形成する。
【0059】
実施例2
図6は、本発明の方法を用いたレーザ加工装置の別の1つの形態を表した模式図である。図6の装置では、パルスレーザビーム21をビームスプリッタ22で複数のビームに分離した後、それぞれのビームについて、マイクロレンズアレイ29により、ビームの発散角と出射方向を独立して個別に調整する。図6の装置では、位相制御と集光機能がマイクロレンズアレイ29に集約される。このような機能集約により装置が大幅に簡素化される。三次元形状をした集光形状10は、複数の集光点の集合として材料11の内部に連続的に形成される。図6の装置では、ビームの分割数を増やすことにより、より複雑な形状が得られる。実施例1と同じパルスレーザビームおよび石英ガラスを用いれば、光励起による変化により集光形状と同形状の異質層を一括して形成する。
【0060】
実施例3
図7Aは、本発明の方法を用いたレーザ加工装置の別の1つの形態を表した模式図である。図6に示したレーザ加工装置をさらに機能集約した形で、パルスレーザビーム21をビームエキスパンダー30でビーム径を拡大したのちに、マイクロレンズアレイ31で位相制御を行い、材料11内部に所望の3次元的位置関係に集光形状10に集光させる。ビームエキスパンダー30は省略することも可能であるが、マイクロレンズアレイ31において、各マイクロレンズの寸法が小さくなることを考慮して、製造コストに見合った光学系にすればよい。
【0061】
図7Bに、図7Aの装置を用いて、フォトニック結晶を製造する方法の概念図を示す。フォトニック結晶とは、透明材料からなる媒質中に光の波長程度の周期構造をもつ高屈折率領域を形成し、その構造により光制御を行う材料である。フォトニック結晶は、媒質に比べて屈折率が高い異質相を周期的に形成することにより実現される。その周期は求める特性にもよるが、一般に波長の半分程度であることが知られているので、波長1.5μmの光の利用を考えると、1μmレベルの周期性が必要になる。そこで、図7Bに示すように、マイクロレンズアレイ31の各マイクロレンズでレーザビームの集光点32を径1μm以下に絞り、各集光点32を互いの間隔が1μm程度になるように、材料11内部に周期的に配列させればフォトニック結晶の実現が可能である。フォトニックバンドギャップを導波原理とする光導波路の回路部分を形成するため、周期的に形成されたフォトニック結晶中に、該周期を破る欠陥を導入する場合は、欠陥に該当する部分にはレーザビームが集光しないようにすればよい。ここで固体レーザ励起のチタン−サファイアレーザから発振された波長800nm、パルス幅100フェムト秒、繰り返し周波数250kHz、空間パワー密度1016W/cm3 のパルスレーザビームと、該パルスレーザビームの透過率Tが96%の化合物半導体ガラスを用いることで、材料の屈折率1.5に対し、屈折率2.5の異質相が得られ、材料の他の部分との屈折率差が67%の高屈折領域を形成することができる。このようにして、パルスレーザビームの波面の複数の領域を各々独立して位相制御を行うことにより、光励起による変化で一括してフォトニック結晶を形成することが可能である。
【0062】
実施例4
図8は、本発明の方法を用いたレーザ加工装置の別の1つの形態を表した模式図である。図8に示す装置では、図7Aに示した装置よりもさらに機能集積されており、振幅制御および集光機能がすべて振幅型の回折光学素子45に集約されている。三次元形状をした集光形状10は、複数の集光点の集合として材料11の内部に連続的に形成される。実施例1と同じパルスレーザビームおよび石英ガラスを用いれば、光励起による変化により集光形状と同形状の異質層を一括して形成する。
【0063】
実施例5
図9Aおよび図9Bは、本発明の方法を用いたレーザ加工装置の別の1つの形態を表した模式図である。図9Aの装置では、フェムト秒パルスレーザから発射されたレーザビーム21のビーム径をビームエキスパンダー30で広げた後、位相制御を行う集光レンズ25で集光する。集光レンズ25と、集光形状10の間には、ビーム発散角、出射角調整を行うための振幅型回折光学素子46が配置されており、位相および振幅制御により集光形状10を所望の形状に制御する。図9Bに示す装置では、回折光学素子46の代わりに、位相制御を行う高次曲面レンズ35を用いてビーム発散角、出射角の調整を行う。三次元形状をした集光形状10は、複数の集光点の集合として材料11の内部に連続的に形成される。実施例1と同じパルスレーザビームおよび石英ガラスを用いれば、光励起による変化により集光形状と同形状の異質層を一括して形成する。
【0064】
実施例6
図5Aに示す例において、異質相の形状が、図4に示す光部品の基本構造になるように集光する回折光学素子またはマイクロレンズアレイ、マイクロミラーアレイ、高次曲面レンズを用意し、所望の位置に所望のパターンを形成することを繰り返すことで、複雑な立体構成の三次元光導波路も容易に作製できる。図10A〜Cはそのような複雑な立体構成をした三次元光導波路の線状の回路部分を形成する手順の一例を示している。ここで、固体レーザ励起のチタン−サファイアレーザから発振される波長800nm、パルス幅100フェムト秒、1パルスのエネルギー180μJ、繰り返し周波数1kHzのパルスレーザビームを用いて、材料入射時のビームの直径を1mm、材料の集光体積を9000μm3 、集光される部位の空間パワー密度を2×1017W/cm3 、材料にレーザが入射する面におけるレーザパワー密度I0 を2.3×1011W/cm2 として集光倍率43で集光照射する場合、例えばガラス材料として、材料中の集光させる部位に異質相を形成するのに必要なレーザの空間パワー密度Ithが1015W/cm3 、レーザビームの透過率Tが99%以上の石英ガラスを用いれば、照射の結果、材料の屈折率1.46に対し、屈折率差1%程度の異質相(屈折率1.48)が得られる。
【0065】
したがって、パルスレーザビームの波面の複数の領域を各々独立して位相制御を行い、光励起による変化で一括して光導波路の線状の回路部分を形成することが可能である。図10Aに示すように、材料11中の面Aにまず方向性結合器構造36を形成し、次に図10Bに示すように、面BにY分岐導波路構造37を形成し、最後に図10Cに示すように、面Cにリング共振器構造38を形成することで、複雑な立体構成をした三次元光導波路が作製できる。
【0066】
実施例7
図11AおよびBは、三次元光導波路の線状の回路部分を形成する手順の別の1例を示す。図11Aに示すように、図5Bに示す装置を用いて、パルスレーザビームの波面の複数の領域を各々独立して位相制御を行い、光励起による変化で一括して面Aおよび面Bの2箇所に直線状の異質相39を形成したのち、図5Bの装置からシリンドリカルレンズ26を取り外して、レーザビームを点状に集光できるようにし、図11Bに示すようにA点からB点まで集光点を走査させ、異質相40を形成させることで三次元光導波路の線状の回路部分を形成する。本実施例7において、固体レーザ励起のチタン−サファイアレーザから発振される波長800nm、パルス幅100フェムト秒、1パルスのエネルギー90μJ、繰り返し周波数1kHzのパルスレーザビームを用いて、材料入射時のレーザビームの直径を2mm、材料の集光体積を90000μm3 、材料にレーザビームが入射する面におけるレーザビームのパワー密度I0 を3×1010W/cm2 、材料中でレーザビームが集光される部位でのレーザビームの空間パワー密度を1×1016W/cm3 、として集光倍率40で集光照射する場合に、例えばガラス材料として、材料中の集光させる部位に異質相を形成するのに必要なレーザビームの空間パワー密度Ithが1014W/cm3 で、該パルスレーザビームの透過率Tが98%以上のボロシリケート系ガラスBK7を用いれば、照射の結果、材料の屈折率1.52に対し、屈折率差1%程度の異質相が得られ、光導波路の線状の回路部分の形成が可能である。
【0067】
ゆらぎ等の影響を考慮する必要がない光導波路の場合には、本発明の方法と従来のレーザビームの集光点を走査させる方法とを組み合わせることにより、本発明の方法または従来のレーザビームの集光点を走査させる方法をそれぞれ単独で使用する場合に比べて、より少ない部品で、しかも短時間でこのような三次元光導波路を製作できる。
【0068】
参考例
図12Aは、フェムト秒レーザーの集光照射により、レーザビームの透過率Tが96%のソーダライムシリケート系ガラス内部に線状の異質相42を50μmピッチの網目状に形成することで補強部を形成した板ガラス41である。板ガラスの寸法は(50mm×6.5mm、厚み1mm)であり、ガラス材料の入射面から深さ500μmの位置に、レーザビームを集光レンズで集光して約25μmのスポットを集光させた。
レーザビームは、Nd−YAGレーザ励起のTiサファイアレーザから発振されたパルス幅100フェムト秒、繰返し周期1kHz、波長800nmのフェムト秒レーザ光を使用し、光量減少フィルタ(NDフィルタ)を用いて焦点付近での出力を約65mWとした。フェムト秒レーザビームの集光する位置を固定し、ガラス材料を自動ステージを用いて3mm/secの速度で直線状に移動し異質層を繰り返し形成した。
支点間距離30mm、荷重点間距離10mm、荷重速度0.5mm/minの4点曲げ試験において、異質相形成前と比べて4点曲げ強度が約1.5倍に向上した。
【0069】
実施例8
本発明において、図12Aと同様の線状の異質相を形成するには、図12Bに示すような、直径5μmの集光点43を、各集光形状間の間隔50μmで10点配列させた集光形状を実施例1の構成により一度に作成し、ガラス材料を集光点の配列方向に対して直角の方向44に走査させる。具体的には、各集光点43でのレーザビームのパワーが65mWになるように、パルス幅100フェムト秒、繰り返し周波数1kHz、波長800nm、空間パワー密度8×1017W/cm3 のパルスレーザビームを照射し、ガラス材料を集光点に対する相対速度3mm/secで集光点の配列方向に対して直角の方向44に走査させて、異質相を形成することができる。本実施例で異質相を形成した場合、一度に補強部をなす10本の異質相を平行して形成できるため、ゆらぎ等の影響を考慮する必要がない場合には、従来の方法に比べて異質相形成にかかる時間を1/10に短縮でき、製造スループットを大幅に向上させることができる。
【0070】
【発明の効果】
本発明の方法によれば、材料内部の複数の所望の位置に一括して異質相を形成することができる。これにより二次元形状または三次元形状をした異質相を一括して形成することができ、レーザビームの集光点を走査させる従来の方法に比べて、形成される異質相の位置精度および形状精度が高い。
また、材料内部の集光される部位は、それぞれ複数パルスのレーザビームが照射されるため、レーザビームの強度およびポインティングのゆらぎの影響が低減され、形成される異質相の位置精度および形状精度が高い。
【0071】
本発明の方法によれば、内部に異質相を有する構造物を高製造スループットで提供できる。
本発明により提供される内部に異質相を有する構造物は、異質相の位置精度および形状精度が高く、かつ界面が平滑であるため、光フィルタ、合分波素子、偏光素子、急角度の曲がり導波路部分を持つ超小型の合分岐、全光スイッチ、光演算素子、光双安定素子などの光部品として好適であり、特に光導波路やフォトニック結晶として好適である。
本発明は、また材料内部に補強部を有する材料を高い製造スループットで製造し提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1Aは、集光点を走査させる従来の方法で作製した直線形状をした高屈折率領域の概念図であり、図1Bおよび1Cは、その偏心量および外径変動量を示すグラフである。図1Dは、本発明の方法により形成した直線形状をした高屈折率領域の概念図であり、図1Eおよび1Fは、その偏心量および外径変動量を示すグラフである。
【図2】図2AおよびBは、本発明の方法を用いたレーザ加工装置の1つの形態を表した模式図である。
【図3】空間パワー密度を説明するための図であり、集光機能素子とレーザビームの集光形状の関係を示している。
【図4】図4AないしDは、本発明の方法により作製可能な光部品の主要構造を示す図である。
【図5】図5AないしCは、本発明の方法を用いたレーザ加工装置の別の1つの形態を表した模式図である。
【図6】本発明の方法を用いたレーザ加工装置の別の1つの形態を表した模式図である。
【図7】図7Aは、本発明の方法を用いたレーザ加工装置の別の1つの形態を表した模式図である。図7Bは、図7Aに示す装置を用いてフォトニック結晶を作製する方法の概念図である。
【図8】本発明の方法を用いたレーザ加工装置の別の1つの形態の光学系を表した模式図である。
【図9】図9AおよびBは、本発明の方法を用いたレーザ加工装置の別の1つの形態を表した模式図である。
【図10】図10AないしCは、本発明の方法により三次元導波路の回路部分を作製する手順を示す斜視透視図である。
【図11】図11AおよびBは、本発明の方法と従来のレーザービームの集光点を走査させる方法を組み合わせて三次元光導波路の回路部分を作製する手順を示す斜視透視図である。
【図12】図12Aは、内部に異質相による補強部が設けられたガラス材料の一例の斜視透視図である。図12Bは、本発明の方法を用いてガラス材料中に図12Aに示す異質相を形成する際の、レーザビームの集光点の配列およびガラス材料に対する走査方向を示す概念図である。
【符号の説明】
1、3、14:パルスレーザビーム
2:補正機構
4:制御前のレーザビームの波面
5:波面制御素子
6:制御後のレーザビームの波面
7:6に対応する光束
8:集光機能素子
9:集光される各光束
10、12、27:集光形状
11:材料
13:集光形状の微小体積
15:光導波路の回路部分
15a、15b:光結合部
15c:Y分岐部
16:光導波路の回路部分のギャップ
17、36:方向性結合器構造
18、37:Y分岐導波路構造
19:マッハツェンダ干渉器構造
20、38:リング共振器構造
21:パルスレーザビーム
22:ビームスプリッタ
23:分散補正機構
25:レンズ
26:シリンドリカルレンズ
28:高次曲面ミラー
29、31:マイクロレンズアレイ
30:ビームエキスパンダー
32、43:集光点
33、45、46:回折光学素子
35:高次曲面レンズ
39、40:異質相
41:ガラス材料
42:異質相
44:ガラス材料に対する集光点の走査方向
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention provides a method of forming a heterogeneous phase, particularly a two-dimensional or three-dimensional heterogeneous phase, by irradiating a laser beam inside a transparent material such as glass without using a scanning mechanism, and The present invention relates to a structure having a heterogeneous phase inside produced by the method, and an optical component having the structure.
Transparent structures with heterogeneous phases formed by this method are mainly used for optical information processing, optical communication systems, etc., optical filters, multiplexing / demultiplexing elements, polarizing elements, steep bent optical waveguides. It is suitable for optical parts such as an ultra-small coupling / branching, an all-optical switch that actively controls light, an optical arithmetic element, and an optical bistable element.
Moreover, this method is suitable also for forming a reinforcement part in the inside of the transparent material utilized in information processing, an architecture, the energy field | area, etc.
[0002]
[Prior art]
In recent years, with the spread of optical information processing, optical waveguides in which a high refractive index region is formed in a transparent medium such as glass have been manufactured. On the other hand, research and development of photonic crystals, in which a high refractive index region having a period of about the wavelength of light is formed in a transparent medium such as glass and the light is controlled by the structure, are being actively researched and developed. In order to form a portion that becomes a linear circuit in an optical waveguide or a high refractive index phase of a photonic crystal, a material that can be formed in a transparent medium by controlling a region having a higher refractive index than the medium, and the material A method of controlling and forming a region having a large refractive index is necessary. In addition, it is one of the issues to have complicated functions by optical parts and integration, and it is hoped to produce circuit parts of optical parts with complicated two-dimensional shapes and three-dimensional shapes. It is rare.
On the other hand, a transparent material with a small thickness such as a plate shape is often used in information processing, architecture, energy fields and the like. These plate-like transparent materials are used in various environments, and are required to have excellent strength depending on applications, and it is also necessary to provide a reinforcing portion inside the material.
[0003]
A typical method of manufacturing an optical waveguide is SiO2A region called a core having a refractive index higher than that of the substrate is formed on a substrate glass containing as a main component, the core is processed by a process such as etching, and is embedded again with a material having a refractive index lower than that of the core. It is produced by. Such a method is difficult to manufacture because it requires a very complicated process, and the optical waveguide to be manufactured is limited to a planar shape. Similarly, in the production of photonic crystals so far, several layers of semiconductors are formed on a semiconductor substrate having a high refractive index, fine processing is performed by etching, and a high refractive index portion at a light wavelength level and A structure in which the low refractive index portions are arranged with a period of a wavelength level is formed. Therefore, also in this case, the production is complicated and difficult, and the photonic crystal produced is also limited to a planar shape.
[0004]
As a method for three-dimensionally forming a linear circuit portion of an optical waveguide in glass, for example, a method of forming a high refractive index region in the glass by laser light irradiation is known (see Patent Document 1). . In this method, it is considered that the refractive index of the region is changed by changing the molecular structure of the glass due to the high electromagnetic field of light in the focused irradiation region of the laser light in the glass. In this method, since the refractive index change occurs only in the condensing region, the condensing point is three-dimensionally scanned inside the glass to form a three-dimensional region where the refractive index changes, and the linear shape of the optical waveguide It is possible to configure the circuit portion three-dimensionally. In this method, not only high-refractive-index regions but also laser irradiation is used to generate crystals and increase the density due to various light effects such as heat, photochemical reaction, oxidation / reduction of substances, and non-linear effects. It is known that a heterogeneous phase (called a heterogeneous phase) can be formed in a material by so-called light-induced changes such as bubble generation. In this method, it has also been proposed that an optical component such as a photonic crystal can be produced by using the heterogeneous phase formed.
[0005]
In the method of forming a heterogeneous phase inside the material by irradiation with laser light as described above, in order to increase the power density of the laser light, the pulse time width is pico (10-12) Seconds to femto (10-15) Ultra-short pulse lasers that are very narrow in seconds are used. However, because of the laser mechanism, the repetition frequency of the laser pulse is practically limited to 1 kHz to several hundred kHz, so that when a heterogeneous phase having a smooth interface is to be formed, the laser beam condensing point is scanned at high speed. There is a problem that manufacturing throughput (processing amount per hour) is low. In addition, in order to scan the condensing point of the laser beam, a device having a highly accurate moving mechanism is required, and such a device is complicated and expensive.
[0006]
Furthermore, in the above-described method, since a high refractive index region is formed at the condensing point of the laser light, an aggregate of elliptical high refractive index regions generated by one pulse is used as a high circuit such as a linear circuit portion of an optical waveguide. Although the refractive index region is formed, the current ultrahigh pulse laser device with a high power density capable of forming a high refractive index region has many intensity fluctuations for each pulse and low pointing stability. Taking the case of forming a high refractive index region as an example, the conceptual shape of the high refractive index region formed by scanning with laser light is as shown in FIG. 1A. 1B and 1C graphically show the amount of eccentricity and the amount of fluctuation in outer diameter.
As is clear from these graphs, the formed high refractive index region has a large amount of eccentricity and external shape variation, and has a high position accuracy and shape accuracy, as well as a linear circuit portion of an optical waveguide having a smooth interface. The production of the refractive index region is difficult. Therefore, the basic structure of the optical component as shown in FIG. 4, particularly the formation of the optical coupling portions 15 a and 15 b of the directional coupler 17 shown in FIG. 4A and the Y branch portion 15 c of the Y branch waveguide 18 shown in FIG. When used, the positional accuracy and the shape accuracy are insufficient, and the optical characteristics of the obtained optical components vary. For this reason, it has been difficult to achieve a sufficient loss reduction and stable production of the optical waveguide structure.
[0007]
Further, in the field of laser processing, batch formation of processing patterns using an ultrashort pulse laser and a diffractive optical element has been performed (see, for example, Patent Documents 2 to 4). However, these methods are based on beam splitting and two-dimensional imaging, and are limited to sublimation processing (ablation processing). Therefore, it is not intended to form a heterogeneous phase having a complicated two-dimensional shape or a three-dimensional shape inside the material.
[0008]
In addition, a three-dimensional structure forming method by forming a three-dimensional image is used for three-dimensional molding by photocuring of a resin material, patterning on a resist, and the like (see, for example, Patent Document 5 and Patent Document 6). These methods do not disclose a method for controlling phase and / or amplitude in multiple regions of a pulsed laser beam, and relate to the formation of three-dimensional structures for some limited materials, such as photocured materials. Forming a heterogeneous phase using high energy inside a general material (glass, plastic, semiconductor, etc.) in the formation of a linear circuit portion of an optical waveguide or a high refractive index phase of a photonic crystal Is not shown at all, and application to material processing by local heating or material modification is not shown.
[0009]
[Patent Document 1]
JP 9-311237 A
[Patent Document 2]
JP 2000-280085 A
[Patent Document 3]
JP 2001-138083 A
[Patent Document 4]
JP 2001-212800 A
[Patent Document 5]
JP-A-4-267132
[Patent Document 6]
JP-A-8-286591
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
In order to solve the above-mentioned problems of the prior art, the present invention irradiates a laser beam inside a material without using a scanning mechanism to form a heterogeneous phase, particularly a heterogeneous phase having a complicated two-dimensional shape or three-dimensional shape. And a structure having a heterogeneous phase in the interior produced by the method, and an optical component having the structure.
The method of the present invention is suitable for forming an optical functional structure having a complicated two-dimensional shape or a three-dimensional shape typified by a circuit portion of an optical waveguide in a transparent material such as glass. It is also suitable for forming a reinforcing part inside a transparent structural material (window material, transparent substrate for display, etc.). Eliminate the low.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In the formation of a heterogeneous phase inside a material by focused irradiation of a pulsed laser beam, the present inventors independently controlled the phase and / or amplitude of a plurality of regions of the wavefront of the pulsed laser beam. It was found that a heterogeneous phase having a complicated two-dimensional shape or a three-dimensional shape can be collectively formed in the material by condensing the laser beam at a plurality of desired positions inside the material.
That is, a continuous pulse is formed by forming a condensing shape inside a material as an aggregate of a plurality of condensing points of a pulse laser beam and / or a continuous condensing point having a certain size such as a linear shape or a curved shape. The laser beam focused part is changed by light induction to form a heterogeneous phase at a plurality of desired positions inside the material, thereby forming a complicated two-dimensional shape inside the material, or tertiary It has been found that heterogeneous phases having an original shape can be formed collectively.
Furthermore, it has been found that by using an ultrashort pulse laser with a pulse width of femtosecond level in the method, not only the positional accuracy and shape accuracy of the heterogeneous phase can be improved, but also the manufacturing throughput can be improved. completed.
[0012]
Therefore, the present invention focuses the pulse laser beam at a plurality of desired positions inside the material by independently controlling the phase and / or the amplitude of the wavefront of the pulse laser beam. A heterogeneous phase inside the material, wherein a heterogeneous phase is collectively formed at a plurality of desired positions inside the material by causing a light-induced change in a portion where the pulse laser beam inside the material is condensed A method of forming a phase is provided.
In the method of the present invention, the plurality of heterogeneous phases formed inside the material may be in a two-dimensional positional relationship with each other inside the material.
In the method of the present invention, the plurality of heterogeneous phases formed in the material may be in a three-dimensional positional relationship with each other in the material.
In the method of the present invention, the plurality of heterogeneous phases may be present continuously in the material and may have a two-dimensional shape or a three-dimensional shape.
[0013]
In the method of the present invention, the spatial power density represented by the following formula is 10 at a desired position in the material.TenW / cmThree-10twenty fourW / cmThreeIt is preferable that the pulsed laser beam is focused to form a heterogeneous phase at a desired position in the material.
Spatial power density (W / cmThree) = Energy (J) applied to a specific minute volume / irradiation time (seconds) / the minute volume (cm)Three)
[0014]
In the method of the present invention, the pulse laser beam has a pulse width of 10 femto (10 × 10-15) 10 pico (10x10)-12It is preferable that the laser is an ultrashort pulse laser of less than 2 seconds.
[0015]
In the method of the present invention, the material has the following formula in terms of the transmittance T of the pulse laser beam from the surface on which the pulse laser beam is incident to the portion where the pulse laser beam is condensed, to the condensing magnification M: It is preferable that the material satisfies (1) and (2).
T ≧ 100 / M2... (1)
T ≧ (Ith× 2 × 10-Four) / (I0× M2) ... (2)
M: (π / 4)1/2× (Diameter of pulsed laser beam at material incidence) / (Circular root of material collection volume)
Ith: Spatial power density (W / cm) of the pulsed laser beam necessary to form a heterogeneous phase at the focused site in the materialThree)
I0: Power density (W / cm) of the pulse laser beam on the surface where the pulse laser beam is incident on the material2)
[0016]
In the method of the present invention, it is preferable that the material satisfy the above formulas (1) and (2) with respect to a pulse laser beam having a wavelength of 0.1 to 11 μm.
In the method of the present invention, the material is preferably glass.
[0017]
In the method of the present invention, the heterogeneous phase formed in the material is a phase in which the refractive index with respect to light having a wavelength of 0.1 to 2 μm differs by 0.1% or more with respect to the refractive index in other parts of the material. It is preferable that
In the method of the present invention, the heterogeneous phase formed in the material preferably forms a reinforcing part of the material.
[0018]
In the method of the present invention, the phase and / or amplitude of the pulse laser beam is controlled by at least one selected from the group consisting of a diffractive optical element, a microlens array, a high-order curved mirror, a cylindrical lens, and a high-order curved lens. May be performed.
[0019]
In the method of the present invention, it is preferable that chromatic aberration correction of the pulse laser beam is performed when the pulse laser beam is focused.
In the method of the present invention, it is preferable that a change in the pulse time width of the pulse laser beam, which occurs when the pulse laser beam is condensed, is corrected in advance before entering the material.
[0020]
In the present invention, the pulse laser beam condensed at a desired position inside the material may be further moved relative to the material.
[0021]
The present invention also includes a step of forming a heterogeneous phase at a plurality of desired sites inside a material by the above-described method of the present invention, and condensing a pulsed laser beam at a desired position inside the material. Forming a heterogeneous phase inside the material by moving the focused portion of the beam relative to the material to form a heterogeneous phase due to a light-induced change in the material. Provide a method.
[0022]
The present invention also provides a structure having a heterogeneous phase produced by the method of the present invention.
The present invention also includes the structure of the present invention, and the structure provides an optical component having an optical functional structure.
The optical component preferably has at least one selected from the group consisting of a directional coupler structure, a Y-branch waveguide structure, a Mach-Zehnder interferometer structure, and a ring resonator structure as an optical functional structure.
[0023]
In the present invention, a structure having a heterogeneous phase in the inside has an optical functional structure, and what is formed of the structure is an optical component.
Examples of the structure include a directional coupler structure, a Y-branch waveguide structure, and a photonic crystal.
The component is, for example, an optical waveguide.
In addition, a photonic crystal becomes an optical waveguide by providing a defect portion inside.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, although embodiment of this invention is described based on drawing, this invention is not limited to this embodiment.
In the method of the present invention, when a pulse laser beam is irradiated to the inside of a material and a portion irradiated with the pulse laser beam is changed by light induction, a plurality of regions of the pulse laser beam are independently set for each region. By controlling the phase and / or amplitude, the divergence angle and traveling direction of each region of the laser beam are changed, and each region of the pulsed laser beam is irradiated to a plurality of different sites inside the material at once. Thereby, a condensing shape is formed inside the material as an aggregate of condensing points of each part, that is, as an aggregate of a plurality of condensing points.
[0025]
For example, in the case of forming a linearly high-refractive region in the material as shown in FIG. 1D, in the method of the present invention, a plurality of regions on the wavefront of the pulsed laser beam are individually phased. By controlling the amplitude and / or the amplitude to change the divergence angle and the traveling direction of each region of the laser beam, the plurality of regions of the pulsed laser beam can be moved to a plurality of different parts so as to form the linear shape shown in FIG. 1D. Irradiate all at once.
The portion irradiated with the laser beam is changed by the light irradiation to form a heterogeneous phase, specifically, for example, a high refractive region. Therefore, as shown in FIG. 1E and FIG. A highly refractive region having a shape can be formed in a lump.
[0026]
In the conventional method of forming a heterogeneous phase inside the material by scanning the condensing point of the laser beam, the heterogeneous phase is formed as an aggregate of heterogeneous phases formed by one pulse. When a high-density ultrashort pulse laser device is used, since the intensity fluctuation for each pulse is large and the pointing stability is low, the formed heterogeneous phase (FIG. 1A) is as shown in FIGS. 1B and 1C. The position accuracy was poor and the shape accuracy was also poor.
[0027]
On the other hand, in the method of the present invention, the pulse laser beam is focused on a plurality of desired sites inside the material without scanning the laser beam focusing point. A condensing shape as an aggregate of light spots can be collectively formed. As a result, a heterogeneous phase having a desired shape can be collectively formed by changing the portion irradiated with the pulse laser beam inside the material by light induction. In the method of the present invention, the heterogeneous phases are collectively formed in the material, so that it is possible to obtain a heterogeneous phase having higher positional accuracy and shape accuracy than the conventional method of scanning the condensing point of the laser beam.
[0028]
In the method of the present invention, since a heterogeneous phase is formed by irradiating a plurality of focused laser beams to each focused point which preferably has a focused shape, there is a problem when the above-described current ultrashort pulse laser apparatus is used. The influence of the laser beam intensity and pointing fluctuation for each pulse is averaged. Thereby, the influence by the fluctuation | variation of the laser beam for every pulse is reduced, and a heterogeneous phase can be obtained with high position accuracy and shape accuracy.
According to the method of the present invention, since heterogeneous phases are formed in a lump, manufacturing throughput is improved. Furthermore, since a highly accurate moving mechanism for scanning the condensing point of the laser beam is unnecessary, the apparatus can be simplified.
[0029]
In FIG. 1D, a heterogeneous phase having a linear shape is shown as an example of the heterogeneous phase to be formed, but the shape of the heterogeneous phase formed by the method of the present invention is not limited to this. That is, it may be a more complex two-dimensional shape having a curve or a branch, and may be a three-dimensional shape. Furthermore, the shape of the heterogeneous phase is not limited to a single continuous shape, and a plurality of dotted heterogeneous phases may be dispersed two-dimensionally or three-dimensionally inside the material. The method of the present invention that can form a desired shape at once with high positional accuracy and shape accuracy is particularly preferable for forming such a heterogeneous phase having a two-dimensional shape or a three-dimensional shape.
[0030]
1D shows a high refractive region as the heterogeneous phase to be formed, but the heterogeneous phase formed by the method of the present invention is widely different from the heterogeneous phase formed by light-induced changes caused by laser beam irradiation. Including. In addition to changes in the molecular structure of the glass caused by the high electromagnetic field of light, which is thought to form a highly refractive region in the glass material, the light-induced changes include the heat, photochemical reaction, Various light effects such as redox and non-linear effects widely include so-called photo-induced changes such as crystal formation, densification, and bubble generation.
[0031]
2A and 2B are schematic views of typical forms of a laser processing apparatus for forming a heterogeneous phase having a desired shape inside a material using the method of the present invention.
The laser processing apparatus 101 shown in FIG. 2A roughly includes a laser light source (not shown) that emits a pulse laser beam having a desired intensity as a light beam 1 having a certain width, and a plurality of regions of the laser beam. The wavefront control element 5 that independently controls the phase and / or amplitude, and the light condensing function element 8 that condenses a light beam having a certain area in a minute region inside the material 11. With such a configuration, it is possible to irradiate a plurality of desired sites inside the material 11 with the pulsed laser beam 1 at a time. Since the site irradiated with the laser beam changes due to light induction, a plurality of heterogeneous phases 10 can be collectively formed at a desired site inside the material. In FIG. 2A, the plurality of heterogeneous phases 10 exist continuously in the material, and form a continuous three-dimensional shape.
[0032]
Since the laser light source concentrates the pulse laser beam inside the material, particularly inside a transparent material such as a glass material, and causes a light-induced change, it may be able to emit a pulse laser beam with high power density. Therefore, an ultrashort pulse laser with a short pulse width, more specifically, a pulse width at a condensing point of 10 femto (10 × 10-15) More than 10 pico (10x10)-12) It is preferable that the laser is an ultrashort pulse laser that takes less than a second. In particular, when the material for forming the heterogeneous phase is a glass material, the pulse width is more preferably 15 femtoseconds or more and 300 femtoseconds or less. If the pulse width is in the above range, the energy per pulse of the pulse laser can be reduced, which is advantageous in terms of energy, and damage due to the irradiation of the laser beam on the part other than the part that forms the heterogeneous phase in the material. There is almost no risk of it occurring.
[0033]
The wavefront of the laser beam emitted from the laser generator is controlled by the wavefront control element 5 so that the phases and / or amplitudes of the plurality of regions are independently controlled. The laser beam 3 is modulated in the divergence angle and the traveling direction by the phase and / or amplitude of each of the plurality of regions independently changing by means such as a diffractive optical element, which will be described later in detail. Here, in order to increase the degree of freedom in changing the phase and / or amplitude, the laser beam may be separated into a plurality of beams by a beam splitter, or widened by a beam expander. 4 schematically shows the wavefront of the laser beam before the phase and / or amplitude is controlled, 6 shows the laser beam wavefront after the phase and / or amplitude is controlled by the wavefront control element 5, and 7 shows the luminous flux corresponding to 6. It is shown in.
[0034]
The wavefront control element 5 is not particularly limited as long as a plurality of regions of the wavefront of the laser beam can be independently controlled in phase and / or amplitude. Specifically, for example, a normal optical control system such as a normal lens, a prism, a reflection mirror, and a condensing mirror, an integrated optical element such as a lens array, a mirror array, and a prism array, or a cylindrical lens, a complicated condensing shape can be obtained. It may be a more complex optical control system such as a higher-order curved lens or a higher-order curved mirror, or a binary phase grating, a multi-level phase grating, a continuous phase grating, a grating type, a phase mask type, or a liquid crystal modulator A phase type hologram or kinoform is calculated from a two-dimensional or three-dimensional cross-sectional image of a heterogeneous phase formed inside the material by a diffractive optical element having amplitude modulation, phase modulation function, etc., and a computer, You may form a condensing shape as a hologram or a kinoform using the said various optical control systems or optical elements.
[0035]
The wavefront control element 5 is particularly preferable if the reflection surface shape of the mirror or the surface shape of the lens and the phase and / or amplitude modulation function of the diffractive optical element are variable. As the wavefront control element 5 having such a variable shape or function, for example, a phase modulation type and / or amplitude phase simultaneous modulation type liquid crystal spatial modulator provided with a driving device, a surface shape variable mirror (deformable mirror), There are variable mirrors, variable diffractive lenses, variable gratings, micromirror arrays with driving devices, and the like using electro-optic effects, acousto-optic effects, and magneto-optic effects. By using these function variable elements, fine correction of the shape of the heterogeneous phase can be easily performed at the time of manufacture, and it is not necessary to prepare a wavefront control element for each heterogeneous phase pattern to be formed. preferable.
[0036]
The laser beam whose phase and / or amplitude is independently controlled in each of the plurality of regions by the wavefront control element 5 is condensed at a desired position inside the material 11 by the condensing function element 8. Since the phase and / or amplitude of the laser beam is independently controlled in each of the plurality of regions, the beam corresponding to each region forms a condensing point 10 at a different portion inside the material 11. Reference numeral 9 schematically shows each light beam to be condensed. And the whole condensing shape 10 is formed as an aggregate | assembly of such a condensing point. In this way, a condensing shape having an arbitrary shape is formed at one time inside the material without scanning the condensing point inside the material, so that the portion where the laser beam inside the material is condensed is photo-induced. It is possible to collectively form heterogeneous phases having a desired shape.
[0037]
The order of the wavefront control element 5 and the condensing function element 8 is limited to disposing the wavefront control element 5 on the upstream side of the laser beam with respect to the condensing function element 8 as in the example illustrated in FIG. 2A. Instead, as shown in FIG. 2B, the order of the wavefront control element 5 and the condensing function element 8 can be changed.
[0038]
The condensing functional element 8 is not particularly limited as long as a light beam having a certain area can be condensed on a desired minute region inside the material. For example, a normal lens, a prism, a reflection mirror, a condensing mirror, etc. It may be a light collection control system.
The wavefront control element 5 and the light condensing function element 8 do not exist as separate elements, but may have both functions. In the case of lenses that can control the laser beam emission direction independently, such as a lens array, a cylindrical lens, and a high-order curved lens, the functions of the wavefront control element 5 and the condensing function element 8 are realized by a single lens. be able to.
[0039]
The combination of the wavefront control element 5 and the condensing functional element 8 is not particularly limited as long as a desired condensing shape can be formed inside the material. Further, the size of the condensing functional element 8 is not particularly limited as long as it has an effective cross-sectional area sufficient to obtain a desired condensing shape.
[0040]
The laser processing apparatus 101 using the method of the present invention may include elements other than the laser light source, the wavefront control element 5 and the condensing function element 8. For example, when a laser light source that irradiates a pulse laser beam with a pulse time width of 300 femtoseconds or less is used, the spectrum spread becomes significant, and the focus shape may be distorted by chromatic aberration. Further, there is a possibility that the pulse width of the laser beam may be widened due to material dispersion or structural dispersion in the material constituting the wavefront control element 5 and the light condensing function element 8 or material dispersion in the material processed by the laser beam. If the pulse width of the laser beam is widened by these, the power density of the laser beam is lowered, and there is a possibility that a heterogeneous phase cannot be formed in the condensed portion. Therefore, when using a laser light source that irradiates a pulse laser with a pulse width of 300 femtoseconds or less, 1) a chromatic aberration correction mechanism for preventing chromatic aberration within the wavelength of the laser, or 2) the inside of the optical control material Changes in the pulse time width of the laser beam (changes in the pulse time width caused by material dispersion) inside the processing material (inside the lenses, mirrors, etc. constituting the wavefront control element 5 and the condensing function element 8) (inversely) The dispersion correction mechanism 2 is provided as necessary to correct the chromatic aberration of the laser beam and / or the pulse width change due to material dispersion or the like before entering the material. It is necessary to correct.
[0041]
Further, the laser processing apparatus 101 preferably has an achromatic structure for correcting chromatic aberration such as achromatic and apochromatic. Furthermore, it is preferable that the laser processing apparatus 101 includes a dispersion generator for generating arbitrary wavelength dispersion such as a prism pair and a grating pair as a dispersion correction mechanism.
[0042]
In the present invention, since a heterogeneous phase is formed inside the material by irradiation with a pulse laser beam, the power density of the pulse laser beam to be used is important.
The power density of the laser beam is usually an amount indicating how much energy is input per unit area per unit time. When the continuous wave laser beam is focused at one point, it is expressed by the following equation.
Power density (W / cm2) = Average power (W) / Condensing area (cm2)
On the other hand, when the pulse laser beam is focused on one point, it is expressed by the following formula.
Power density (W / cm2) = Energy per pulse (J) / pulse width (seconds) / light collection area (cm2)
[0043]
In the case of the present invention, since the spatial distribution of the condensing points inside the material, particularly the spatial distribution of the condensing shape having a three-dimensional shape becomes a problem, the concept of spatial power density is used. FIG. 3 is a diagram for explaining the concept of the spatial power density, and shows the relationship between the condensing functional element 8 and the condensing shape 12 of the laser beam. In FIG. 3, the light condensing function element 8 is formed of a microlens array and also serves as a wavefront control element. As shown in FIG. 3, the condensing shape 12 when condensing and irradiating the material 11 with the condensing functional element 8 is divided into minute volumes 13, and a laser beam 14 condensed on each minute volume 13 is divided. Think about it. The spatial power density is defined by the following formula.
Spatial power density (W / cmThree) = Energy (J) input to a specific microvolume 13 / irradiation time (seconds) / specific microvolume 13 (cmThree)
[0044]
In the method of the present invention, the spatial power density of the laser beam at the focused site inside the material is 10TenW / cmThree10 or moretwenty fourW / cmThreeThe following is preferable. When the material for forming the heterogeneous phase is a glass material, the spatial power density of the laser beam is 10 depending on the type of glass and the type of light-induced change.14W / cmThree10 or more20W / cmThreeIt is particularly preferred that When the spatial power density is within the above range, the position accuracy and shape accuracy of the formed heterogeneous phase are high, and the power density of the laser beam is sufficient to form the heterogeneous phase. It should be noted that 10% of the material forms a heterogeneous phase.twenty fourW / cmThreeWhen a super spatial power density is required, a large laser pulse energy is required, and it is difficult to increase the volume of the heterogeneous phase.
[0045]
Specifically, the relationship between the preferred spatial power density and the energy of the pulsed laser is shown as follows.18W / cmThreeIn the case of using a pulse laser having an energy of 1 pulse of 180 μJ and a pulse width of 100 femtoseconds, the cross-sectional area is 9 μm.2, The light can be condensed in a region having a length of 200 μm.
[0046]
Further, in the method of the present invention, the restriction on the repetition frequency of the laser pulse (the number of pulses of the laser beam per second) is greatly relaxed. In the conventional method, when forming a heterogeneous phase with a smooth interface, as many laser pulses as possible are irradiated in order to reduce the influence of fluctuation of the laser pulses by averaging. However, in the method of the present invention, since the positional accuracy and shape accuracy of the heterogeneous phase formed as described above are improved, in principle, the heterogeneous phase can be formed inside the material even with only one pulse. It can be formed. However, the repetition frequency is preferably 5 Hz or more in order to improve manufacturing throughput. The upper limit of the repetition frequency is not particularly limited as long as the spatial power density by one pulse at the focused part can be secured. In practice, an ultrashort pulse laser of several Hz to several tens of MHz can be used. However, in order to improve position accuracy and shape accuracy, it is preferable to form a group of heterogeneous phases forming one two-dimensional shape or three-dimensional shape with several pulses to several thousand pulses. If the repetition frequency is in the above range, each focused spot is irradiated with a plurality of pulses of laser beam, so the intensity of the laser beam and the fluctuation in pointing when the heterogeneous phase is formed are averaged. The effect is reduced.
[0047]
In the method of the present invention, in order to collectively form a heterogeneous phase having a two-dimensional shape or a three-dimensional shape inside the material, compared with a conventional method of forming a heterogeneous phase by scanning the focal point of a laser beam. A heterogeneous phase with high position accuracy and shape accuracy can be formed. In addition, since each laser beam is irradiated with a plurality of pulses of laser beam, the influence of laser beam intensity and pointing fluctuation is reduced, and a heterogeneous phase with high positional accuracy and shape accuracy is formed. be able to. Therefore, a high refractive index region is formed as a heterogeneous phase, and a circuit portion of an optical component that requires high positional accuracy and shape accuracy as shown in FIG. 4, for example, an optical coupling portion of the directional coupler 17 shown in FIG. 4A If the method of the present invention is used to produce 15a, 15b, the Y branching portion 15c of the Y branching waveguide 18 shown in FIG. 4B, etc., it becomes possible to obtain an optical component having more stable optical characteristics.
[0048]
Another advantage of the present invention is that, in order to form a group of heterogeneous phases having a two-dimensional shape or a three-dimensional shape at a time, the condensing point of the laser beam is scanned in the material to form the heterogeneous phase. Compared to this method, these shapes can be formed quickly, and the manufacturing throughput can be improved. Therefore, it is particularly promising as a method of forming a heterogeneous phase having at least one of the following effects inside the transparent material, thereby forming a reinforcing portion inside the material.
・ Effect of reducing the occurrence of cracks from the inside
・ Effect of changing the direction of cracks
・ Effect of suppressing the extension of cracks
[0049]
In the method of the present invention, when the reinforcing part is formed inside the material, it is not necessary to consider the influence due to fluctuation, etc. Further, a plurality of condensing points of the laser beam formed at once may be further scanned and moved relative to the material. By scanning the condensing point of the laser beam formed in a lump, more heterogeneous phases can be formed in the material at a time, and heterogeneous phases can be formed in a wider range. Thereby, the manufacturing throughput can be further improved.
[0050]
It is also effective to use the method of the present invention in combination with the conventional method of scanning the condensing point of the laser beam and moving the condensing point relative to the material. For example, when forming a circuit portion of an optical component as shown in FIG. 4 where high positional accuracy and shape accuracy are required, for example, the optical coupling portions 15a and 15b of the directional coupler 17 shown in FIG. The circuit portion having a complicated shape such as the Y branching portion 15c of the Y branching waveguide 18 shown in FIG. 5 is formed by using the method according to the present invention. By using the conventional method for scanning the optical system, it is possible not only to simplify the manufacturing apparatus while maintaining desired optical characteristics, but also to greatly increase the degree of freedom in designing and manufacturing optical components.
[0051]
According to the present invention, a structure having a heterogeneous phase having a desired shape at a desired position inside is obtained by condensing a laser beam collectively at a plurality of desired sites inside the material by the above-described procedure. can get. The material of such a structure needs to have a small linear absorption coefficient (absorption coefficient when the laser beam power density (laser power / irradiation area) is sufficiently small) with respect to the laser wavelength to be used. Indicates that the transmittance T of the pulse laser beam from the surface on which the pulse laser beam is incident to the point where the pulse laser beam is focused satisfies the following formulas (1) and (2) in relation to the focusing magnification M: It is preferable.
T ≧ 100 / M2... (1)
T ≧ (Ith× 2 × 10-Four) / (I0× M2) ... (2)
M: (π / 4)1/2× (Diameter of pulsed laser beam (cm) at material incidence) / (Condensed volume of material (cmThree) The cube root)
Ith: Spatial power density (W / cm) of the pulsed laser beam necessary to form a heterogeneous phase at the focal point in the materialThree)
I0: Power density (W / cm) of the pulse laser beam on the surface where the pulse laser beam is incident on the material2)
[0052]
If the transmittance T is in the above range, the position accuracy and shape accuracy of the heterogeneous phase formed inside the structure are high, and the power density of the laser beam at the focal point causes a light-induced change in the material. Enough. Therefore, a structure having a heterogeneous phase having a desired shape, for example, a two-dimensional shape or a three-dimensional shape, can be suitably obtained at a desired position inside. Moreover, if the transmittance is in the above range, the energy efficiency of the laser beam is excellent, which is preferable.
[0053]
Further, the material of the structure needs to be transparent to the laser beam to be used. Specifically, the transmittance T is a material that satisfies the formulas (1) and (2) with respect to a laser beam having a wavelength of 0.1 to 11 μm that is normally used in processing applications. Therefore, for example, when using a laser beam in the near-infrared region having a wavelength of about 0.8 to 2.5 μm as well as glass, a polymer, and a transparent crystal, the semiconductor material has transparency to the laser beam. Therefore, processing is possible. Among them, glass materials are currently the most practical ultra-short pulse lasers that are practically usable: 1) titanium sapphire laser, 2) YAG laser, or 3) Nd-doped, Yb-doped, or Er-doped fiber laser. It is particularly preferable because it has high permeability, has mechanical and thermal stability, and can contain various functional elements such as rare earths and semiconductors. Examples of the glass material used include oxide glass (quartz glass, silicate glass, borosilicate glass, phosphate glass, aluminum silicate glass, etc.), halide glass, sulfide glass, or chalcogenide glass. .
[0054]
As a heterogeneous phase formed inside such a structure, one of the preferable embodiments is a heterogeneous phase having a refractive index different from that of other parts of the material.
If the structure is made of a single-phase glass material, a difference in refractive index of about several percent of the refractive index of the original glass occurred due to a light-induced reaction such as high density caused by the focused irradiation of the laser beam. It is possible to form a heterogeneous phase. Moreover, in order to form a photonic crystal inside the structure, a glass material capable of forming a region having a larger refractive index difference is necessary, and an example of such a glass material is compound semiconductor glass. In this glass material, a compound having a refractive index of about 2.5 to 3.5 is irradiated by irradiating a glass material having a refractive index of about 1.4 to 2.2 with an ultrashort pulse laser having a pulse width of a femtosecond level. A semiconductor can be formed, and thus a heterogeneous phase having a refractive index difference of several tens of percent or more can be formed. According to the present invention, such a heterogeneous phase having a large refractive index difference can be formed in a desired shape at a desired position inside the structure, and therefore suitable for manufacturing an optical component having an optical functional structure. It is.
[0055]
In the present invention, it is possible to produce optical components such as an optical filter having a complicated optical functional structure, a coupling / branching element, and a multiplexing / demultiplexing element. FIG. 4 shows an example of the basic structure of an optical component by the circuit portion of the optical waveguide. 4A shows a directional coupler structure 17, FIG. 4B shows a Y-branch waveguide structure 18, FIG. 4C shows a Mach-Zehnder interferometer structure 19, and FIG. 4D shows a ring resonator structure 20. These form the basic structure of the optical component in the circuit portion 15 of the optical waveguide. These structures require high accuracy in shape, size, and relative position in order to function stably. For example, in the directional coupler structure 17 shown in FIG. 4A and the ring resonator structure 20 shown in FIG. It is required to do. According to the present invention, an optical component having stable optical characteristics can be manufactured by collectively manufacturing these structures, and such an optical component can be manufactured with a high manufacturing throughput. Furthermore, the optical component has a mechanism that uses a nonlinear optical effect (a phenomenon in which the optical response changes nonlinearly according to the intensity of incident light) and a refractive index modulation mechanism (changes the refractive index of a part of the optical component). It is possible to create an optical component that actively controls light by providing a mechanism that changes the characteristics of the component by locally heating, energizing, or generating sound waves. Thus, for example, since an all-optical switch, an optical arithmetic element, and an optical bistable element are realized, it is possible to manufacture the basic structure of an optical component as shown in FIG. Is important.
[0056]
Another preferred form of the heterogeneous phase formed within the structure is a heterogeneous phase having at least one of the effects described below.
・ Effect of reducing the occurrence of cracks from the inside
・ Effects of changing the direction of crack propagation
・ Effect of suppressing the extension of cracks
Such a heterogeneous phase forms a reinforcing part that improves the strength of the material. Such a material having a reinforcing portion inside, particularly a transparent material, is an information processing field represented by a thin glass substrate for a flat panel display such as a liquid crystal display, a plasma display and an organic EL display, an architectural field such as a window glass, It is preferably used in the field of transportation equipment represented by glass for automobiles, the energy field represented by glass substrates for solar cells, and the like. According to the method of the present invention, after processing a material into a desired shape, a reinforcing portion having a desired shape can be collectively formed at a desired position inside the material by laser beam irradiation. There is no need to provide a reinforcing part in advance before processing the material, and it is also necessary to scan the condensing point as in the conventional method of forming the reinforcing part by irradiating a laser beam. First, the material manufacturing throughput is improved. The strength (orientation and characteristics) required depending on the use of the material is usually different. However, according to the present invention, a reinforcing part having a desired shape can be easily formed at a desired position inside the material. According to such required strength characteristics, the reinforcement portion having the most suitable position and shape can be formed. Furthermore, according to the present invention, since the reinforcing portion is formed by the light-induced change of the material due to the laser beam irradiation, the material does not change in appearance. This is a preferable characteristic as a transparent material excellent in strength.
[0057]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be further described by examples. However, these examples are for illustrative purposes in order to facilitate understanding of the present invention, and the present invention is not limited to such examples.
Example 1
FIG. 5A is a schematic diagram showing one form of a laser processing apparatus using the method of the present invention. The laser processing apparatus of FIG. 5A has a pulsed laser beam 21 emitted from a laser light source (not shown) (wavelength 800 nm emitted from a solid-state laser-excited titanium-sapphire laser, pulse width 100 femtoseconds, and energy of one pulse. 180 μJ, pulse laser beam with a repetition frequency of 1 kHz) is opposite to the dispersion generated by all the optical components constituting the optical system and the glass material by the dispersion correction mechanism 23 configured by a grating pair having a dispersion generating function. Is given so that the pulse width at the focal point does not change from the desired pulse width at the time of launch. After the pulse laser beam 21 corrected by the dispersion correction mechanism 23 is widened by the beam expander 30, a phase type diffractive optical element 33 is used as a wavefront control element, and a plurality of regions of the wavefront of the laser beam are made independent. Control the phase individually. Thereafter, a laser beam is condensed on the condensing functional element using the apochromatic lens 25 for correcting chromatic aberration, and the material 11 (the transmittance T of the pulse laser beam is 99% or more and the refractive index is 1.46). A condensing shape 10 having a three-dimensional shape is formed inside (quartz glass). The three-dimensional condensing shape 10 is continuously formed as an aggregate of a plurality of condensing points. Then, a heterogeneous layer having the same shape as the condensing shape by a change due to light excitation and having a refractive index difference (with respect to the refractive index with respect to the laser pulse beam) of the material 11 is about 1%.
[0058]
FIG. 5B is a schematic diagram showing another embodiment of a laser processing apparatus using the method of the present invention. In the apparatus of FIG. 5B, phase control is performed using a cylindrical lens 26 as a wavefront control element. If the condensing shape 27 is a relatively simple shape, such a mechanism is sufficient. Thereby, a heterogeneous layer having the same shape as the light collecting shape is collectively formed by a change due to light excitation.
FIG. 5C is a schematic diagram showing still another embodiment of a laser processing apparatus using the method of the present invention. In the apparatus of FIG. 5C, the wavefront of the beam is controlled by the high-order curved mirror 28 instead of the diffractive optical element 33 and the cylindrical lens 26. Thereby, a heterogeneous layer having the same shape as the light collecting shape is collectively formed by a change due to light excitation.
[0059]
Example 2
FIG. 6 is a schematic view showing another embodiment of a laser processing apparatus using the method of the present invention. In the apparatus of FIG. 6, after the pulse laser beam 21 is separated into a plurality of beams by the beam splitter 22, the divergence angle and the emission direction of each beam are individually adjusted individually by the microlens array 29. In the apparatus of FIG. 6, the phase control and the light collection function are integrated into the microlens array 29. Such function integration greatly simplifies the apparatus. The three-dimensional condensing shape 10 is continuously formed in the material 11 as a set of a plurality of condensing points. In the apparatus of FIG. 6, a more complicated shape can be obtained by increasing the number of beam divisions. If the same pulse laser beam and quartz glass as in Example 1 are used, a heterogeneous layer having the same shape as the condensing shape is collectively formed by a change due to light excitation.
[0060]
Example 3
FIG. 7A is a schematic diagram showing another embodiment of a laser processing apparatus using the method of the present invention. In a form in which the functions of the laser processing apparatus shown in FIG. 6 are further consolidated, the pulse diameter of the pulse laser beam 21 is expanded by the beam expander 30, the phase is controlled by the microlens array 31, and a desired 3 is formed inside the material 11. The light is condensed on the condensing shape 10 in a dimensional positional relationship. The beam expander 30 can be omitted, but the microlens array 31 may be an optical system that meets the manufacturing cost in consideration of the small size of each microlens.
[0061]
FIG. 7B shows a conceptual diagram of a method for producing a photonic crystal using the apparatus of FIG. 7A. A photonic crystal is a material in which a high refractive index region having a periodic structure of the wavelength of light is formed in a medium made of a transparent material, and light is controlled by the structure. A photonic crystal is realized by periodically forming a heterogeneous phase having a higher refractive index than that of a medium. Although the period depends on the characteristics to be obtained, it is generally known that the period is about half of the wavelength. Therefore, considering the use of light having a wavelength of 1.5 μm, periodicity of 1 μm level is required. Therefore, as shown in FIG. 7B, the condensing points 32 of the laser beam are narrowed to a diameter of 1 μm or less by each microlens of the microlens array 31, and the condensing points 32 are separated from each other by about 1 μm. A photonic crystal can be realized by periodically arranging the inside of the substrate 11. When a defect that breaks the period is introduced into a periodically formed photonic crystal in order to form a circuit part of an optical waveguide having a photonic band gap as a waveguide principle, the part corresponding to the defect What is necessary is just to prevent a laser beam from condensing. Here, a wavelength of 800 nm, a pulse width of 100 femtoseconds, a repetition frequency of 250 kHz, and a spatial power density of 10 oscillated from a solid-state laser-pumped titanium-sapphire laser.16W / cmThree, And a compound semiconductor glass having a transmittance T of 96% of the pulse laser beam, a heterogeneous phase having a refractive index of 2.5 with respect to a refractive index of 1.5 is obtained. A high refractive region having a refractive index difference of 67% with respect to other portions can be formed. In this way, by independently performing phase control on a plurality of regions of the wavefront of the pulse laser beam, it is possible to form a photonic crystal collectively by a change due to light excitation.
[0062]
Example 4
FIG. 8 is a schematic diagram showing another embodiment of a laser processing apparatus using the method of the present invention. In the apparatus shown in FIG. 8, the functions are further integrated as compared with the apparatus shown in FIG. 7A, and the amplitude control and condensing functions are all concentrated in the amplitude type diffractive optical element 45. The three-dimensional condensing shape 10 is continuously formed in the material 11 as a set of a plurality of condensing points. If the same pulse laser beam and quartz glass as in Example 1 are used, a heterogeneous layer having the same shape as the condensing shape is collectively formed by a change due to light excitation.
[0063]
Example 5
9A and 9B are schematic views showing another embodiment of a laser processing apparatus using the method of the present invention. In the apparatus of FIG. 9A, the beam diameter of the laser beam 21 emitted from the femtosecond pulse laser is expanded by the beam expander 30, and then condensed by the condenser lens 25 that performs phase control. An amplitude type diffractive optical element 46 for adjusting a beam divergence angle and an emission angle is disposed between the condensing lens 25 and the condensing shape 10. Control to shape. In the apparatus shown in FIG. 9B, the beam divergence angle and the emission angle are adjusted using a high-order curved surface lens 35 that performs phase control instead of the diffractive optical element 46. The three-dimensional condensing shape 10 is continuously formed in the material 11 as a set of a plurality of condensing points. If the same pulse laser beam and quartz glass as in Example 1 are used, a heterogeneous layer having the same shape as the condensing shape is collectively formed by a change due to light excitation.
[0064]
Example 6
In the example shown in FIG. 5A, a diffractive optical element, a microlens array, a micromirror array, or a high-order curved lens that collects light so that the heterogeneous phase has the basic structure of the optical component shown in FIG. By repeating the formation of a desired pattern at the position, a three-dimensional optical waveguide having a complicated three-dimensional configuration can be easily manufactured. 10A to 10C show an example of a procedure for forming a linear circuit portion of a three-dimensional optical waveguide having such a complicated three-dimensional configuration. Here, a pulse laser beam having a wavelength of 800 nm, a pulse width of 100 femtoseconds, a pulse energy of 180 μJ, and a repetition frequency of 1 kHz oscillated from a solid-state laser-pumped titanium-sapphire laser is used, and the diameter of the beam upon incidence of the material is 1 mm. , The collection volume of the material is 9000 μmThree, The spatial power density of the focused part is 2 × 1017W / cmThreeThe laser power density I at the surface where the laser is incident on the material02.3 × 1011W / cm2For example, as a glass material, the spatial power density I of the laser necessary to form a heterogeneous phase at a site to be condensed in the material is used.th1015W / cmThreeIf quartz glass having a laser beam transmittance T of 99% or more is used, a heterogeneous phase (refractive index 1.48) having a refractive index difference of about 1% with respect to the refractive index 1.46 of the material is obtained as a result of irradiation. It is done.
[0065]
Therefore, it is possible to independently control the phase of each of the plurality of regions of the wavefront of the pulse laser beam and collectively form a linear circuit portion of the optical waveguide by a change caused by optical excitation. As shown in FIG. 10A, a directional coupler structure 36 is first formed on the surface A in the material 11, and then a Y-branch waveguide structure 37 is formed on the surface B as shown in FIG. 10B. As shown in FIG. 10C, by forming the ring resonator structure 38 on the surface C, a three-dimensional optical waveguide having a complicated three-dimensional configuration can be manufactured.
[0066]
Example 7
FIGS. 11A and 11B show another example of a procedure for forming a linear circuit portion of a three-dimensional optical waveguide. As shown in FIG. 11A, the apparatus shown in FIG. 5B is used to independently control the phase of each of the plurality of wavefronts of the pulsed laser beam. After forming the linear heterogeneous phase 39, the cylindrical lens 26 is removed from the apparatus shown in FIG. 5B so that the laser beam can be focused in the form of dots, and as shown in FIG. By scanning the dots and forming the heterogeneous phase 40, a linear circuit portion of the three-dimensional optical waveguide is formed. In Example 7, a laser beam at the time of material incidence is obtained by using a pulsed laser beam with a wavelength of 800 nm, a pulse width of 100 femtoseconds, an energy of 90 μJ and a repetition frequency of 1 kHz oscillated from a solid-state laser-excited titanium-sapphire laser. Diameter of 2mm, material collection volume of 90000μmThreeThe power density I of the laser beam on the surface where the laser beam is incident on the material03 × 10TenW / cm2The spatial power density of the laser beam at the portion where the laser beam is focused in the material is 1 × 1016W / cmThreeIn the case of focusing irradiation with a focusing magnification of 40, for example, as a glass material, the spatial power density I of the laser beam necessary for forming a heterogeneous phase at the site of focusing in the material.th1014W / cmThreeThus, if a borosilicate glass BK7 having a transmittance T of the pulse laser beam of 98% or more is used, a heterogeneous phase having a refractive index difference of about 1% with respect to the refractive index of the material 1.52 is obtained as a result of irradiation. It is possible to form a linear circuit portion of the optical waveguide.
[0067]
In the case of an optical waveguide in which the influence of fluctuation or the like does not need to be considered, the method of the present invention or the conventional laser beam can be obtained by combining the method of the present invention and the method of scanning the condensing point of the conventional laser beam. Such a three-dimensional optical waveguide can be manufactured in fewer parts and in a shorter time than in the case where each of the methods for scanning the focal point is used alone.
[0068]
Reference example
FIG. 12A shows a reinforcing portion formed by forming a linear heterogeneous phase 42 in a 50 μm pitch network inside a soda lime silicate glass having a laser beam transmittance T of 96% by focused irradiation of a femtosecond laser. It is the formed plate glass 41. The size of the plate glass is (50 mm × 6.5 mm, thickness 1 mm), and a laser beam is condensed by a condenser lens at a depth of 500 μm from the incident surface of the glass material, and a spot of about 25 μm is condensed. .
The laser beam uses a femtosecond laser beam with a pulse width of 100 femtoseconds, a repetition period of 1 kHz, and a wavelength of 800 nm oscillated from an Nd-YAG laser-excited Ti sapphire laser. The output at was about 65 mW. The position where the femtosecond laser beam was focused was fixed, and the glass material was moved linearly at a speed of 3 mm / sec using an automatic stage to repeatedly form heterogeneous layers.
In a four-point bending test with a distance between fulcrums of 30 mm, a distance between load points of 10 mm, and a load speed of 0.5 mm / min, the four-point bending strength was improved about 1.5 times compared to before the formation of the heterogeneous phase.
[0069]
Example 8
In the present invention, in order to form a linear heterogeneous phase similar to FIG. 12A, as shown in FIG. 12B, 10 condensing points 43 having a diameter of 5 μm are arranged at intervals of 50 μm between the respective condensing shapes. A condensing shape is created at once by the configuration of Example 1, and the glass material is scanned in a direction 44 perpendicular to the arrangement direction of the condensing points. Specifically, the pulse width is 100 femtoseconds, the repetition frequency is 1 kHz, the wavelength is 800 nm, and the spatial power density is 8 × 10 so that the power of the laser beam at each condensing point 43 is 65 mW.17W / cmThreeThen, a heterogeneous phase can be formed by irradiating the glass material in a direction 44 perpendicular to the arrangement direction of the condensing points at a relative speed of 3 mm / sec with respect to the condensing points. When the heterogeneous phase is formed in this example, ten heterogeneous phases forming the reinforcing portion can be formed in parallel at the same time, so when it is not necessary to consider the influence of fluctuation or the like, compared with the conventional method The time taken to form the heterogeneous phase can be shortened to 1/10, and the production throughput can be greatly improved.
[0070]
【The invention's effect】
According to the method of the present invention, a heterogeneous phase can be collectively formed at a plurality of desired positions inside the material. This makes it possible to collectively form two-dimensional or three-dimensional heterogeneous phases, and compared to the conventional method of scanning the focal point of the laser beam, the positional accuracy and shape accuracy of the heterogeneous phase formed Is expensive.
In addition, since the laser beam of multiple pulses is irradiated to the focused part inside the material, the influence of the laser beam intensity and pointing fluctuation is reduced, and the position accuracy and shape accuracy of the formed heterogeneous phase are reduced. high.
[0071]
According to the method of the present invention, a structure having a heterogeneous phase inside can be provided with high production throughput.
Since the structure having a heterogeneous phase inside provided by the present invention has a high positional accuracy and shape accuracy of the heterogeneous phase and a smooth interface, the optical filter, the multiplexing / demultiplexing element, the polarizing element, the sharp bend It is suitable as an optical component such as an ultra-compact coupling / branching device having a waveguide portion, an all-optical switch, an optical arithmetic element, or an optical bistable element, and particularly suitable as an optical waveguide or a photonic crystal.
The present invention can also produce and provide a material having a reinforcing portion inside the material at a high production throughput.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a conceptual diagram of a straight-line high refractive index region produced by a conventional method of scanning a condensing point, and FIGS. 1B and 1C show the amount of eccentricity and the amount of fluctuation in outer diameter. It is a graph. FIG. 1D is a conceptual diagram of a high-refractive index region having a linear shape formed by the method of the present invention, and FIGS. 1E and 1F are graphs showing the amount of eccentricity and the amount of fluctuation in outer diameter.
2A and 2B are schematic views showing one embodiment of a laser processing apparatus using the method of the present invention.
FIG. 3 is a diagram for explaining spatial power density, and shows a relationship between a condensing function element and a condensing shape of a laser beam.
4A to 4D are diagrams showing the main structure of an optical component that can be manufactured by the method of the present invention.
FIGS. 5A to 5C are schematic views showing another embodiment of a laser processing apparatus using the method of the present invention. FIGS.
FIG. 6 is a schematic view showing another embodiment of a laser processing apparatus using the method of the present invention.
FIG. 7A is a schematic view showing another embodiment of a laser processing apparatus using the method of the present invention. FIG. 7B is a conceptual diagram of a method for producing a photonic crystal using the apparatus shown in FIG. 7A.
FIG. 8 is a schematic view showing an optical system of another embodiment of a laser processing apparatus using the method of the present invention.
9A and 9B are schematic views showing another embodiment of a laser processing apparatus using the method of the present invention.
FIGS. 10A to 10C are perspective perspective views showing a procedure for producing a circuit portion of a three-dimensional waveguide by the method of the present invention. FIGS.
FIGS. 11A and 11B are perspective perspective views showing a procedure for producing a circuit portion of a three-dimensional optical waveguide by combining the method of the present invention and a conventional method of scanning a condensing point of a laser beam. FIGS.
FIG. 12A is a perspective perspective view of an example of a glass material in which a reinforcing portion with a heterogeneous phase is provided. FIG. 12B is a conceptual diagram showing the arrangement of condensing points of the laser beam and the scanning direction with respect to the glass material when the heterogeneous phase shown in FIG. 12A is formed in the glass material using the method of the present invention.
[Explanation of symbols]
1, 3, 14: Pulsed laser beam
2: Correction mechanism
4: Wavefront of laser beam before control
5: Wavefront control element
6: Wave front of laser beam after control
Light flux corresponding to 7: 6
8: Condensing functional element
9: Each luminous flux collected
10, 12, 27: Condensing shape
11: Material
13: Concentrated micro volume
15: Circuit portion of optical waveguide
15a, 15b: optical coupling part
15c: Y branch part
16: Gap of circuit part of optical waveguide
17, 36: Directional coupler structure
18, 37: Y-branch waveguide structure
19: Mach-Zehnder interferometer structure
20, 38: Ring resonator structure
21: Pulsed laser beam
22: Beam splitter
23: Dispersion correction mechanism
25: Lens
26: Cylindrical lens
28: High-order curved mirror
29, 31: Microlens array
30: Beam expander
32, 43: Focusing point
33, 45, 46: Diffractive optical element
35: High-order curved lens
39, 40: heterogeneous phase
41: Glass material
42: Heterogeneous phase
44: Scanning direction of condensing point with respect to glass material

Claims (19)

パルスレーザビームの波面の複数の領域を、各々独立して位相および/または振幅を制御することにより、該パルスレーザビームを材料内部の複数の所望の位置に集光させて、該材料内部のパルスレーザビームが集光された部位に光誘起による変化をさせて、該材料内部の複数の所望の位置に一括して異質相を形成することを特徴とする材料内部に異質相を形成する方法。The plurality of regions of the wavefront of the pulsed laser beam are independently controlled in phase and / or amplitude, thereby focusing the pulsed laser beam at a plurality of desired positions inside the material, so that the pulse inside the material A method of forming a heterogeneous phase in a material, wherein a heterogeneous phase is collectively formed at a plurality of desired positions inside the material by causing a light-induced change in a portion where the laser beam is condensed. 前記材料内部に形成される複数の異質相は、該材料内部において互いに二次元的位置関係にある請求項1に記載の材料内部に異質相を形成する方法。The method for forming a heterogeneous phase inside a material according to claim 1, wherein the plurality of heterogeneous phases formed inside the material are in a two-dimensional positional relationship with each other inside the material. 前記材料内部に形成される複数の異質相は、該材料内部において互いに三次元的位置関係にある請求項1に記載の材料内部に異質相を形成する方法。The method for forming a heterogeneous phase inside a material according to claim 1, wherein the plurality of heterogeneous phases formed inside the material are in a three-dimensional positional relationship with each other inside the material. 前記複数の異質相は、前記材料内部において連続して存在し、二次元形状または三次元形状をなす請求項2または3に記載の材料内部に異質相を形成する方法。The method for forming a heterogeneous phase in a material according to claim 2 or 3, wherein the plurality of heterogeneous phases are continuously present in the material and form a two-dimensional shape or a three-dimensional shape. 前記材料中の所望の位置に、下記式で表される空間パワー密度が1010W/cm3 〜1024W/cm3 であるパルスレーザビームを集光して、前記材料中の所望の位置に異質相を形成することを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の材料内部に異質相を形成する方法。
空間パワー密度(W/cm3 )=特定の微小体積に投入されるエネルギー(J)÷照射時間(秒)÷前記微小体積(cm3
A pulsed laser beam having a spatial power density of 10 10 W / cm 3 to 10 24 W / cm 3 represented by the following formula is condensed at a desired position in the material, and the desired position in the material The method for forming a heterogeneous phase in the material according to any one of claims 1 to 4, wherein a heterogeneous phase is formed in the material.
Spatial power density (W / cm 3 ) = energy (J) applied to a specific minute volume ÷ irradiation time (seconds) ÷ the minute volume (cm 3 )
前記パルスレーザビームは、パルス幅が10フェムト(10×10-15 )秒以上10ピコ(10×10-12 )秒以下の超短パルスレーザであることを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載の材料内部に異質相を形成する方法。The pulse laser beam is an ultrashort pulse laser having a pulse width of 10 femto (10 × 10 -15 ) seconds or more and 10 pico (10 × 10 -12 ) seconds or less. A method for forming a heterogeneous phase inside the material. 前記材料は、前記パルスレーザビームが入射する面から、前記パルスレーザビームを集光させる部位までの該パルスレーザビームの透過率Tが、集光倍率Mとの関係において、下記式(1)および(2)を満たす材料である請求項1ないし6のいずれかに記載の材料内部に異質相を形成する方法。
T≧100/M2 ・・・(1)
T≧(Ith×2×10-4)/(I0 ×M2 )・・・(2)
M:(π/4)1/2 ×(材料入射時のパルスレーザビームの直径)/(材料の集光体積の三乗根)
th:材料中のパルスレーザビームを集光させる部位で異質相を形成するのに必要なパルスレーザビームの空間パワー密度(W/cm3
0 :材料にパルスレーザビームが入射する面におけるパルスレーザビームのパワー密度(W/cm2
In the material, the transmittance T of the pulse laser beam from the surface on which the pulse laser beam is incident to the portion where the pulse laser beam is condensed is related to the condensing magnification M by the following formula (1) and The method for forming a heterogeneous phase inside a material according to any one of claims 1 to 6, wherein the material satisfies (2).
T ≧ 100 / M 2 (1)
T ≧ (I th × 2 × 10 −4 ) / (I 0 × M 2 ) (2)
M: (π / 4) 1/2 × (diameter of pulsed laser beam at material incidence) / (third root of focused volume of material)
I th : Spatial power density (W / cm 3 ) of the pulse laser beam necessary for forming a heterogeneous phase at the site where the pulse laser beam in the material is focused
I 0 : Power density (W / cm 2 ) of the pulse laser beam on the surface where the pulse laser beam is incident on the material
前記材料は、波長0.1〜11μmのパルスレーザビームに対して、前記透過率Tが前記式(1)および(2)を満たす材料である請求項7に記載の材料内部に異質相を形成する方法。The said material is a material which the said transmittance | permeability T satisfy | fills said Formula (1) and (2) with respect to a pulse laser beam with a wavelength of 0.1-11 micrometers, and forms a heterogeneous phase inside the material of Claim 7 how to. 前記材料は、ガラスである請求項1ないし8のいずれかに記載の材料内部に異質相を形成する方法。The method for forming a heterogeneous phase inside a material according to any one of claims 1 to 8, wherein the material is glass. 前記材料中に形成される異質相は、波長0.1〜2μmの波長の光に対する屈折率が、該材料の他の部分での屈折率に対して0.1%以上異なる相である請求項1ないし9のいずれかに記載の材料内部に異質相を形成する方法。The heterogeneous phase formed in the material is a phase in which a refractive index with respect to light having a wavelength of 0.1 to 2 μm differs by 0.1% or more with respect to a refractive index in other portions of the material. A method for forming a heterogeneous phase inside the material according to any one of 1 to 9. 前記材料中に形成される異質相は、該材料の補強部をなす請求項1ないし9のいずれかに記載の材料内部に異質相を形成する方法。The method for forming a heterogeneous phase in the material according to claim 1, wherein the heterogeneous phase formed in the material forms a reinforcing portion of the material. 前記パルスレーザビームの位相および/または振幅の制御は、回折光学素子、マイクロレンズアレイ、高次曲面ミラー、シリンドリカルレンズおよび高次曲面レンズからなる群から選択される少なくとも1つにより行うことを特徴とする請求項1ないし11のいずれかに記載の材料内部に異質相を形成する方法。The phase and / or amplitude of the pulse laser beam is controlled by at least one selected from the group consisting of a diffractive optical element, a microlens array, a high-order curved mirror, a cylindrical lens, and a high-order curved lens. A method for forming a heterogeneous phase inside a material according to any one of claims 1 to 11. 前記パルスレーザビームの集光において、前記パルスレーザビームの色収差補正を行うことを特徴とする請求項1ないし12のいずれかに記載の材料内部に異質相を形成する方法。13. The method for forming a heterogeneous phase in a material according to claim 1, wherein chromatic aberration correction of the pulse laser beam is performed in the focusing of the pulse laser beam. 前記パルスレーザビームの集光の際に生じる該パルスレーザビームのパルス時間幅の変化を前記材料に入射する前に予め補正することを特徴とする請求項1ないし13のいずれかに記載の材料内部に異質相を形成する方法。14. The inside of the material according to claim 1, wherein a change in a pulse time width of the pulsed laser beam generated when the pulsed laser beam is focused is corrected in advance before entering the material. To form a heterogeneous phase. 前記材料内部の所望の位置に集光させたパルスレーザビームの集光点を、さらに前記材料に対して相対移動させる請求項1ないし14のいずれかに記載の材料内部に異質相を形成する方法。The method for forming a heterogeneous phase inside a material according to any one of claims 1 to 14, wherein a focusing point of a pulsed laser beam focused at a desired position inside the material is further moved relative to the material. . 請求項1ないし15のいずれかに記載の方法により材料内部の複数の所望の位置に異質相を形成する工程と、材料内部の所望の1つの位置にパルスレーザビームを集光させて、前記パルスレーザビームの集光点を前記材料に対して相対移動させることにより、前記材料内部に光誘起変化による異質相を形成する工程と、を含むことを特徴とする材料内部に異質相を形成する方法。A step of forming a heterogeneous phase at a plurality of desired positions inside the material by the method according to any one of claims 1 to 15, and condensing a pulsed laser beam at a desired one position inside the material, thereby Forming a heterogeneous phase due to light-induced change in the material by moving a condensing point of a laser beam relative to the material, and forming a heterogeneous phase in the material . 請求項1ないし16に記載のいずれかの方法で作製される内部に異質相を有する構造物。The structure which has a heterogeneous phase inside produced by the method in any one of Claims 1 thru | or 16. 請求項17に記載の構造物を有し、該構造物は、光機能構造をなす光部品。An optical component comprising the structure according to claim 17, wherein the structure forms an optical functional structure. 方向性結合器構造、Y分岐導波路構造、マッハツェンダ干渉器構造およびリング共振器構造からなる群から選択される少なくとも1つを、前記光機能構造として有する請求項18に記載の光部品。The optical component according to claim 18, wherein the optical functional structure includes at least one selected from the group consisting of a directional coupler structure, a Y-branch waveguide structure, a Mach-Zehnder interferometer structure, and a ring resonator structure.
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