JP2004309636A - ガラス構造物の加工方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】光ファイバなどの内部に屈折率上昇領域を形成する際に、レーザに垂直な２方向の成分の集光条件の違いを低減し、光ファイバなどの内部にレーザを集光照射するガラス構造物の加工方法を提供する。
【解決手段】平板ガラス１２と、裸光ファイバ４および基板１１との間に、裸光ファイバ４を形成する材料と屈折率の等しいマッチングオイル１３を充填して、裸光ファイバ４の内部の所望位置にフェムト秒パルスレーザ６を集光照射する。平板ガラス１２およびマッチングオイル１３を、石英系光ファイバの裸光ファイバ４を構成するクラッド３の屈折率と等しい屈折率を有するものとする。裸光ファイバ４をＶ溝に固定する。基板１１と平板ガラス１２との間に２箇所以上設けられた厚みの等しいスペーサを介して、基板１１上に平板ガラス１２を載置する。
【選択図】 図１
【解決手段】平板ガラス１２と、裸光ファイバ４および基板１１との間に、裸光ファイバ４を形成する材料と屈折率の等しいマッチングオイル１３を充填して、裸光ファイバ４の内部の所望位置にフェムト秒パルスレーザ６を集光照射する。平板ガラス１２およびマッチングオイル１３を、石英系光ファイバの裸光ファイバ４を構成するクラッド３の屈折率と等しい屈折率を有するものとする。裸光ファイバ４をＶ溝に固定する。基板１１と平板ガラス１２との間に２箇所以上設けられた厚みの等しいスペーサを介して、基板１１上に平板ガラス１２を載置する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバに代表されるような表面が平坦でないガラス構造物内部にフェムト秒パルスレーザを集光照射して、このフェムト秒パルスレーザの集光点周辺に屈折率上昇領域を形成するガラス構造物の加工方法に関する。以下、このような表面が平坦ではないガラス構造物のことを非平板状ガラス構造物と記述する。
【０００２】
【従来の技術】
ガラスの内部にフェムト秒パルスレーザ（以下、単に「レーザ」と略すこともある。）を集光照射すると、その集光点周辺は光誘起屈折率変化を起こして、周囲よりも屈折率の高い領域（屈折率上昇領域）が形成される。これを利用して、例えば、直方体形状のガラス内部に連続的にフェムト秒パルスレーザを集光照射することにより、任意形状の光導波路コアを作製する方法がある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
上記の方法を応用したものとして、光ファイバのコア内部に、光ファイバの長手方向に沿ってフェムト秒パルスレーザの集光照射を繰り返し、グレーティング付き光ファイバを作製する方法がある（例えば、特許文献２参照。）。この方法では、光ファイバの被覆層を除去してクラッドを露出した後、クラッド側面からコア中心に向けてフェムト秒パルスレーザを集光照射する。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−３１１２３７号公報
【特許文献２】
特開２０００−１５５２２５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図８（ａ）に示すように、被覆層２が除去され、光ファイバ素線１のクラッド３が露出された石英系ガラスなどからなる裸光ファイバ４の内部の所望位置に、図示略の光源から発振され、対物レンズ５で集光されたフェムト秒パルスレーザ６を集光照射すると、次のような問題があった。光ファイバ素線１の長手方向と、光ファイバ素線１の長手方向に垂直な方向とでは、表面形状が異なるため、光ファイバ素線１のクラッド３に入射したフェムト秒パルスレーザ６の集光状態は、光ファイバ素線１の長手方向と平行な成分と、光ファイバ素線１の長手方向に垂直な成分とでは異なってしまう。
【０００６】
具体的には、図８（ｂ）に示すように、フェムト秒パルスレーザ６の光ファイバ素線１の長手方向に平行な成分（Ｙ成分）は、ガラス平板内部に集光したときとほぼ同じ条件で集光される。一方、図８（ｃ）に示すように、フェムト秒パルスレーザ６の光ファイバ素線１の長手方向に垂直な成分（Ｘ成分）は、球面ガラス内部に集光したときとほぼ同じ条件で集光される。ここで、Ｈは光ファイバ素線１がないと仮定した場合のクラッド３表面からの集光深さ、Ｈｙは光ファイバ素線１の長手方向に平行な成分のクラッド３表面からの集光深さ、Ｈｘは光ファイバ素線１の長手方向に垂直な成分のクラッド３表面からの集光深さを表している。
【０００７】
また、図８において、裸光ファイバ４の外径を１２５μｍ、クラッド３の屈折率を１．４４２とし、この裸光ファイバ４に、大気中（屈折率１．０）で開口数０．５０の対物レンズ５を用いてフェムト秒パルスレーザを集光照射したとする。図９に、このときの裸光ファイバ４の表面からの集光深さＨｘ（μｍ）、Ｈｙ（μｍ）を幾何計算から求めた結果と、裸光ファイバ４がないと仮定した場合の裸光ファイバ４の表面からの集光深さＨ（μｍ）との関係を示す。図６から、裸光ファイバ４がないと仮定した場合の集光深さＨが深くなるほど、直交する２方向の集光深さのずれが大きくなっている。
【０００８】
フェムト秒パルスレーザの集光照射を用いた光ファイバ内部への屈折率上昇領域の形成では、レーザの集光点付近におけるエネルギー密度がある閾値を超えたところで、屈折率上昇領域が生じることが知られている。光ファイバ内部に集光照射されたレーザ光の光ファイバの長手方向に平行な成分の集光点と、光ファイバの長手方向に垂直な成分の集光点とが異なると、レーザのエネルギーが分散してしまう。したがって、この方法では、ガラス平板内部に屈折率上昇領域を形成する際に集光照射するレーザと同じ強度のレーザを光ファイバ内部に集光照射しても、屈折率上昇領域を形成するのに必要なエネルギー密度の閾値を超えられない可能性がある。
また、ガラス平板内部に集光照射した場合と同程度の屈折率上昇量を得るために、レーザのエネルギーを大きくする必要が生じると、エネルギー効率が悪い。
【０００９】
また、光ファイバの内部にフェムト秒パルスレーザの集光照射によって形成される屈折率上昇領域の形状および屈折率変化量は、このレーザの「平均出力」、「パルス幅」、「繰り返し周波数」、「中心波長」、使用する対物レンズの「開口数」、「倍率」、さらに、集光点を走査する際の「ステージ移動速度」などの多数のパラメータにより決定される。これらのパラメータを最適化することにより、屈折率上昇領域の形状および屈折率変化量を制御することができる。しかしながら、上述のように光ファイバの長手方向に平行な方向と、光ファイバの長手方向に垂直な方向とで集光条件が異なっている場合、他のパラメータをどのように組み合わせても、集光深さを一致させることは根本的に不可能である。
【００１０】
本発明は、前記事情に鑑みてなされたもので、光ファイバに代表される非平板状ガラス構造物内部に、フェムト秒パルスレーザを集光照射して、このレーザの集光点周辺に屈折率上昇領域を形成する際に、レーザに垂直な２方向の成分の集光条件の違いを低減し、ガラス平板にレーザを集光照射した場合と近い条件で非平板状ガラス構造物内部にレーザを集光照射するガラス構造物の加工方法を提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記課題は、非平板状ガラス構造物にフェムト秒パルスレーザを集光照射し、該非平板状ガラス構造物の内部に屈折率上昇領域を形成するガラス構造物の加工方法において、前記非平板状ガラス構造物を基板上に固定し、該非平板状ガラス構造物の上に該非平板状ガラス構造物の屈折率と等しい屈折率を有する平板ガラスを載置し、前記平板ガラスと、前記非平板状ガラス構造物および前記基板との間に、該非平板状ガラス構造物と屈折率の等しいマッチングオイルを充填して、該非平板状ガラス構造物の内部にフェムト秒パルスレーザを集光照射するガラス構造物の加工方法によって解決できる。
【００１２】
また、前記課題は、非平板状ガラス構造物にフェムト秒パルスレーザを集光照射し、該非平板状ガラス構造物の内部に屈折率上昇領域を形成するガラス構造物の加工方法において、前記非平板状ガラス構造物を、温度調整手段を有する基板上に固定し、該非平板状ガラス構造物の上に該非平板状ガラス構造物の屈折率と等しい屈折率を有する平板ガラスを載置し、前記平板ガラスと、前記非平板状ガラス構造物および前記基板との間に、前記非平板状ガラス構造物と室温での屈折率が等しいかもしくは近く、かつ屈折率の温度依存性の絶対値が非平板状ガラス構造物のそれよりも大きいマッチングオイルを充填し、前記温度調整手段によってマッチングオイルの温度を調整することにより、該非平板状ガラス構造物とマッチングオイルとの屈折率を一致させて、該非平板状ガラス構造物の内部にフェムト秒パルスレーザを集光照射するガラス構造物の加工方法によっても解決できる。
この場合、前記温度調整手段は、マッチングオイルを加熱するヒーターもしくはマッチングオイルを冷却する冷却手段とすることができる。
【００１３】
上記ガラス構造物の加工方法において、前記基板と前記平板ガラスとの間に２箇所以上設けられたスペーサを介して、前記基板上に前記平板ガラスを載置することが好ましい。
前記非平板状ガラス構造物を石英系光ファイバとし、前記平板ガラスおよび前記マッチングオイルの屈折率を、前記石英系光ファイバを構成するクラッドの屈折率と等しくすることが好ましい。
前記基板上にＶ溝を形成し、前記非平板状ガラス構造物を該Ｖ溝に固定することが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳しく説明する。
図１は、本発明のガラス構造物の加工方法の第１の実施形態を示す概略構成図で、図１（ａ）は光ファイバの軸方向と垂直な断面図、図１（ｂ）は側面図である。図１において、図５に示した従来のガラス構造物の加工方法の構成要素と同じ構成要素には同一符号を付して、その説明を省略する。
この実施形態では、非平板状ガラス構造物として光ファイバを例示し、本発明のガラス構造物の加工方法を詳しく説明する。
【００１５】
この実施形態のガラス構造物の加工方法では、先ず、光ファイバ素線１の被覆層２の一部を、有機溶剤などを用いて除去し、レーザを照射する裸光ファイバ４（クラッド３）を露出し、露出したクラッド３の表面を公知の方法により洗浄する。
裸光ファイバ４は、光通信用に使用され、フェムト秒パルスレーザを集光照射したとき集光点で屈折率を増加させるガラスファイバであれば、特に制限されるものではない。裸光ファイバ４の材料としては、例えば、石英系ガラス、酸化物ガラス、フッ化物ガラスが挙げられる。石英系ガラスとしては、例えば、石英系ガラス、ゲルマニウム（Ｇｅ）添加石英ガラス、フッ素添加石英ガラス、ゲルマニウム−フッ素共添加石英ガラスなどが挙げられる。酸化物ガラスとしては、例えば、ケイ酸塩ガラス、ホウ酸塩ガラス、リン酸塩ガラス、弗リン酸塩ガラス、酸化ビスマス系ガラスなどが挙げられる。これらの中でも、裸光ファイバ４としては、低損失で、量産性、生産性の高い製造方法が確立されており、コア（図示略）およびクラッド３が石英系ガラスからなる石英系光ファイバを用いることが好ましい。
【００１６】
次いで、光ファイバ素線１の裸光ファイバ４を基板１１の上に固定する。裸光ファイバ４を基板１１の上に固定する方法としては、基板１１にＶ溝を作製し、そのＶ溝に沿って配置させる方法が挙げられる。
基板１１は、石英ガラス基板であることが望ましいが、その表面に裸光ファイバ４を保持、固定するための平坦面を有するものであれば特に限定されない。また、基板１１の厚みも適宜設定される。
【００１７】
次いで、裸光ファイバ４の上に、任意の厚みの平板ガラス１２を載せる。
平板ガラス１２は、両面とも鏡面研磨されたガラス平板であり、裸光ファイバ４を構成するクラッド３の屈折率と等しいか、それに十分近い屈折率を有するものである。
また、平板ガラス１２の厚みは適宜設定されるが、この厚みを適切に選択することにより、ガラス平板の内部の所望深さにフェムト秒パルスレーザを集光照射した場合と近い条件で、裸光ファイバ４の内部の所望深さにフェムト秒パルスレーザを集光照射することもできる。
【００１８】
次いで、平板ガラス１２と、裸光ファイバ４および基板１１との間に、裸光ファイバ４を形成する材料（例えば、石英系ガラス）の屈折率と等しい屈折率を有するマッチングオイル１３を充填する。このとき、平板ガラス１２と裸光ファイバ４、および基板１１と裸光ファイバ４とはマッチングオイル１３を介して積層されている。
マッチングオイル１３は、裸光ファイバ４を形成する材料の屈折率と等しい屈折率を有するものであれば特に限定されないが、裸光ファイバ４を構成するクラッド３の屈折率と等しい屈折率を有するものが好ましい。また、マッチングオイル１３は、平板ガラス１２と、裸光ファイバ４および基板１１との間から流出するのを防ぐために、ゲル状であることが好ましい。
【００１９】
次いで、この状態で平板ガラス１２の鉛直上方から、図示略の光源から発振され、対物レンズ５で集光されたフェムト秒パルスレーザ６を、裸光ファイバ４の内部の所望位置（所望の深さ）に集光照射し、裸光ファイバ４の内部に光誘起屈折率変化を起こして、周囲よりも屈折率の高い屈折率上昇領域を形成する。
このとき、フェムト秒パルスレーザ６の波長を、例えば７５０ｎｍ〜８５０ｎｍの近赤外領域とすることが望ましい。また、フェムト秒パルスレーザ６の繰り返し周波数は、特に限定されるものではないが、１０ｋＨｚ以上が望ましい。
【００２０】
ここで、フェムト秒パルスレーザとは、パルス幅が１ｐｓ以下のレーザのことである。このように、フェムト秒パルスレーザのパルス幅は非常に狭いので、フェムト秒パルスレーザのピークパワーは時間圧縮効果により増大し、さらにこのようなレーザを対物レンズで集光することから、光誘起屈折率変化を起こすことができる。
【００２１】
この実施形態では、平板ガラス１２と、裸光ファイバ４および基板１１との間に、裸光ファイバ４を形成する材料と屈折率の等しいマッチングオイル１３を充填して、裸光ファイバ４の内部の所望位置にフェムト秒パルスレーザ６を集光照射するから、平板ガラス１２を通過したフェムト秒パルスレーザ６が、裸光ファイバ４に入射する際に屈折されることがない。すなわち、この実施形態によれば、裸光ファイバ４の形状に影響されることなく、裸光ファイバ４の内部の所望位置にフェムト秒パルスレーザ６を集光照射することができる。したがって、フェムト秒パルスレーザ６の光ファイバ素線１の長手方向に平行な成分の集光点の位置と、フェムト秒パルスレーザ６の光ファイバ素線１の長手方向に垂直な成分の集光点の位置とをほぼ同じにすることができる。
【００２２】
また、この実施形態では、平板ガラス１２およびマッチングオイル１３を、石英系光ファイバの裸光ファイバ４を構成するクラッド３の屈折率と等しい屈折率を有するものとするから、平板ガラス１２、マッチングオイル１３、クラッド３の順に通過したフェムト秒パルスレーザ６が、裸光ファイバ４の内部に到達するまで屈折されることがない。すなわち、この実施形態によれば、裸光ファイバ４の形状に影響されることなく、裸光ファイバ４の内部の所望位置に、より高精度にフェムト秒パルスレーザ６を集光照射することができる。
【００２３】
図２は、本発明のガラス構造物の加工方法の第２の実施形態を示す概略断面図である。
この実施形態のガラス構造物の加工方法において、上述の第１の実施形態と異なる点は、裸光ファイバ４を基板１４の上に固定する際に、裸光ファイバ４を基板１４の表面に形成されたＶ溝１４ａに固定する点である。裸光ファイバ４をＶ溝１４ａに固定するには、Ｖ溝１４ａを、裸光ファイバ４の外径に応じて所定の開口大きさ、側壁の角度に加工し、このＶ溝１４ａ内に裸光ファイバ４を載置する。また、裸光ファイバ４のＶ溝１４ａ内における回転を防止するために、光ファイバ素線１の裸光ファイバ４以外の部分、すなわち、裸光ファイバ４の両端側の被覆部分をクランプなどで保持してもよい。
この実施形態では、基板１４は、上述の基板１１と同様に石英ガラス基板であることが望ましい。基板１４の厚みは、所望の大きさ（深さ）のＶ溝１４ａを形成することができる程度に適宜設定される。
【００２４】
この実施形態によれば、裸光ファイバ４をＶ溝１４ａに固定することにより、基板１４上において、裸光ファイバ４が移動、回転するのを防止することができるから、裸光ファイバ４の内部の所望位置に、より高精度にフェムト秒パルスレーザ６を集光照射することができる。
【００２５】
なお、第１および第２の実施形態では、非平板状ガラス構造物として裸光ファイバ４を例示したが、第１および第２の実施形態は、非平板状ガラス構造物が、後述のような表面が曲面形状のガラス基板であっても適用可能である。
【００２６】
図３は、本発明のガラス構造物の加工方法の第３の実施形態を示す概略断面図である。
この実施形態では、非平板状ガラス構造物として表面が曲面形状のガラス基板２０を例示する。
この実施形態のガラス構造物の加工方法において、上述の第１の実施形態と異なる点は、基板１１と平板ガラス１２との間に２箇所以上設けられた厚みの等しいスペーサ１５を介して、基板１１上に平板ガラス１２を載置する点である。この時、少なくとも２個のスペーサ１５によって、ガラス基板２０を、その長手方向あるいは短手方向の両側から挟むように、スペーサ１５を基板１１上に配置する。さらに、スペーサ１５の厚みを、ガラス基板２０の厚みの最も大きい部分以上とする。
スペーサ１５は、基板１１および平板ガラス１２と接触する面が平滑面である平板であれば特に限定されないが、少量のマッチングオイルなどにより平板ガラス１２および基板１１と密着するものが望ましい。
【００２７】
この実施形態によれば、ガラス基板２０の表面形状がいかなるものであっても、基板１１と平板ガラス１２とを平行に配置し、この状態を維持することができる。したがって、平板ガラス１２が傾くことにより生じるフェムト秒パルスレーザ６の屈折が生じることがなく、ガラス基板２０の内部の所望位置に、より高精度にフェムト秒パルスレーザ６を集光照射することができる。
【００２８】
なお、この実施形態では、非平板状ガラス構造物として表面が曲面形状のガラス基板２０を例示したが、この実施形態は、非平板状ガラス構造物が、上述のような裸光ファイバ４であっても適用可能である。
【００２９】
図４は、本発明のガラス構造物の加工方法の第４の実施形態を示す概略断面図である。
この実施形態のガラス構造物の加工方法において、上述の第１の実施形態と異なる点は、基板３０が温度調整手段３２を有している点である。すなわち、この基板３０は、基板本体３１と、該基板本体３１の上部に取り付けられたヒーター３３と、ヒーター３３の温度を制御する温度制御部３４とを備えている。上記温度調整手段３２は、ヒーター３３と温度制御部３４とにより構成されている。
この実施形態では、基板本体３１は、上述の基板１１と同様に石英ガラス基板であることが望ましい。
【００３０】
ヒーター３３としては、例えば電熱により発熱する公知のヒータが例示でき、非平板状ガラス構造物（ここでは裸光ファイバ４）の寸法に応じた適当なものが用いられる。
温度制御部３４は、例えばマッチングオイル１３の温度を測定して、この温度の測定値に基づいてヒーター３３に流す電流量を制御し、ヒーター３３により加熱されるマッチングオイル１３を所定の温度範囲内に維持する公知の制御用部品である。
【００３１】
マッチングオイル１３は、室温において非平板状ガラス構造物と屈折率が等しいかもしくは近く、かつ屈折率の温度依存性の絶対値が非平板状ガラス構造物のそれよりも大きいものが用いられる。本発明において、屈折率の温度依存性とは、単位温度あたりの屈折率の変化量を示す。また、室温においてマッチングオイルと非平板状ガラス構造物との屈折率が等しいかもしくは近いとは、該マッチングオイルの温度を、劣化や変質などの不具合が生じない温度範囲内で調整することにより、ある調整された温度において、マッチングオイルと非平板状ガラス構造物の屈折率が一致するようにすることができることをいう。
【００３２】
例えば、非平板状ガラス構造物が石英系ガラスの場合、マッチングオイル１３としては、室温における屈折率が石英系ガラスの屈折率に近く、また、屈折率の温度依存性の絶対値が大きいシリコーンオイルが好ましい。一般に、シリコーンオイルは、屈折率の温度依存性が負であり、温度が高くなるほど屈折率が低下する。従って、シリコーンオイルを室温よりも高い温度に加熱することによって、該シリコーンオイルの屈折率を非平板状ガラス構造物のそれと一致させるためには、室温での屈折率が、非平板状ガラス構造物の屈折率よりも大きいシリコーンオイルを選定して用いる必要がある。この選定は、公知の種々のシリコーンオイルから、適当な物性を示す組成のものを選択すればよい。
【００３３】
この実施形態により裸光ファイバの加工を行うには、上述の実施形態と同様に、基板３０上に裸光ファイバ４を固定し、裸光ファイバ４の上に平板ガラス１２を載せ、平板ガラス１２と、裸光ファイバ４および基板３０との間に、上述のマッチングオイル１３を充填する。温度調整手段３２によりマッチングオイル１３を加熱して、マッチングオイル１３と裸光ファイバ４との屈折率が一致する温度に維持し、この状態で、フェムト秒パルスレーザ６の集光照射により裸光ファイバ４の加工を行う。
【００３４】
本実施の形態によれば、マッチングオイル１３を加熱して温度を調整することにより、マッチングオイル１３の温度に応じてその屈折率を変化させることができるので、非平板状ガラス構造物のガラス組成などの変動により、該非平板状ガラス構造物の屈折率が変動している場合でも、多種類のマッチングオイル１３を用意することなく、マッチングオイル１３と裸光ファイバ４との屈折率を一致させた状態で加工することができる。
なお、上記説明では、非平板状ガラス構造物として裸光ファイバ４を例示したが、この実施形態は、非平板状ガラス構造物が、上述のような表面が曲面形状のガラス基板２０であっても適用可能である。また、上記基板として、Ｖ溝を有するものを用いることも可能である。
【００３５】
以下、本発明の効果を明らかにするため、図１においてマッチングオイル１３の屈折率を変化させた場合の、平板ガラス１２の表面からの集光深さＨｘ、Ｈｙの差（＝Ｈｙ−Ｈｘ）を幾何計算し、平板ガラス１２と裸光ファイバ４がないと仮定した場合の平板ガラス１２の表面からの集光深さＨに対してプロットした結果を図５に示す。
ここでは、裸光ファイバ４の外径を１２５μｍ、クラッド３、および平板ガラス１２の屈折率を１．４４２、平板ガラスの厚さを１００μｍとする。また、対物レンズ５の開口数は０．５０とする。図中の５種類の点はそれぞれ、マッチングオイル１３の屈折率と、クラッド３の屈折率との差を表している。マッチングオイル１３の屈折率が、クラッド３および平板ガラス１２の屈折率と一致している場合、ガラス平板の内部に集光した場合と同じ条件で裸光ファイバ４の内部に集光したことになるから、平板ガラス１２と裸光ファイバ４がないと仮定した場合の集光深さＨに関係なく、ＨｙとＨｘとで集光深さの差はない。
また、マッチングオイル１３の屈折率が、クラッド３および平板ガラス１２に対して±０．００４、すなわち比屈折率差にして約０．２７％変動しても、例えばＨ＝１４０μｍとして、ほぼ光ファイバの中心部分に集光した場合の、ＨｙとＨｘとの差（Ｈｙ−Ｈｘ）は、０．２μｍ以下に抑えられている。これにより、従来の方法に比べて、集光深さの差が大幅に改善されることがわかる。
【００３６】
次に、マッチングオイルを加熱するヒーターを有する温度調整手段を用いた場合の効果を明らかにするため、図４において、裸光ファイバ４として純粋石英ガラスからなるコアなしの裸光ファイバを用いた。純粋石英ガラスは、２５℃における屈折率が１．４５８４７であり、屈折率の温度依存性が＋８×１０−６／℃である。
マッチングオイル１３として、２５℃、波長５８９．３ｎｍにおける屈折率が１．４６０であり、屈折率の温度依存性が−４×１０−４／℃である市販のシリコーンオイルを用いた。
図６に、純粋石英ガラスと上記マッチングオイルとの屈折率と温度との関係を示す。両者の屈折率は、温度が２９℃の場合に最もよく一致するので、ヒータ−３３に流す電流量を調整してマッチングオイル１３の温度を２９℃に維持して裸光ファイバ４の加工を行ったところ、裸光ファイバ４の所望の深さにフェムト秒パルスレーザを集光照射することができた。
【００３７】
次に、マッチングオイル１３として、２５℃における屈折率が１．４７０であり、屈折率の温度依存性が−４×１０−４／℃であるシリコーンオイルを、市販のシリコーンオイルを複数種類調合することにより調製して用いた。
図７に、純粋石英ガラスと上記マッチングオイルとの屈折率と温度との関係を示す。両者の屈折率は、温度が５２℃の場合に最もよく一致するので、ヒータ−３３に流す電流量を調整してマッチングオイル１３の温度を５２℃に維持して裸光ファイバ４の加工を行ったところ、裸光ファイバ４の所望の深さにフェムト秒パルスレーザを集光照射することができた。
【００３８】
次に、裸光ファイバ４としてＧｅ添加石英ガラスからなるコアなしの裸光ファイバを用いた。このＧｅ添加石英ガラスは、２５℃における屈折率が１．４６５であり、屈折率の温度依存性が＋８×１０−６／℃である。
マッチングオイル１３として、２５℃における屈折率が１．４７０であり、屈折率の温度依存性が−４×１０−４／℃である市販のシリコーンオイルを用いた。
図７に、Ｇｅ添加石英ガラスと上記マッチングオイルとの屈折率と温度との関係を示す。両者の屈折率は、温度が３６℃の場合に最もよく一致するので、ヒータ−３３に流す電流量を調整してマッチングオイル１３の温度を３６℃に維持して裸光ファイバ４の加工を行ったところ、裸光ファイバ４の所望の深さにフェムト秒パルスレーザを集光照射することができた。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のガラス構造物の加工方法は、非平板状ガラス構造物を基板上に固定し、非平板状ガラス構造物の上に非平板状ガラス構造物の屈折率と等しい屈折率を有する平板ガラスを載置し、平板ガラスと、非平板状ガラス構造物および基板との間に、非平板状ガラス構造物と屈折率の等しいマッチングオイルを充填して、非平板状ガラス構造物の内部にフェムト秒パルスレーザを集光照射するから、ガラス平板内部に屈折率上昇領域を形成する際に集光照射されるフェムト秒パルスレーザと同じ強度のフェムト秒パルスレーザを、非平板状のガラス構造物の内部に集光照射することにより、所望の屈折率を示す屈折率上昇領域を形成することができる。
【００４０】
ヒーターや冷却手段などの温度調整手段によりマッチングオイルの温度を調整するようにした場合、マッチングオイルの温度に応じてその屈折率を変化させることができるので、非平板状ガラス構造物のガラス組成などの変動により、該非平板状ガラス構造物の屈折率が変動している場合でも、多種類のマッチングオイルを用意することなく、マッチングオイルと非平板状ガラス構造物との屈折率を一致させた状態で加工することができる。
【００４１】
また、非平板状ガラス構造物を石英系光ファイバとし、平板ガラスおよびマッチングオイルの屈折率を、石英系光ファイバを構成するクラッドの屈折率と等しくすれば、非平板状ガラス構造物の形状に影響されることなく、非平板状ガラス構造物の内部の所望位置に、より高精度にフェムト秒パルスレーザを集光照射することができる。
さらに、基板上にＶ溝を形成し、非平板状ガラス構造物をこのＶ溝に固定すれば、基板上において、非平板状ガラス構造物が移動、回転するのを防止することができるから、非平板状ガラス構造物の内部の所望位置に、より高精度にフェムト秒パルスレーザを集光照射することができる。
そして、基板と平板ガラスとの間に２箇所以上設けられたスペーサを介して、基板上に平板ガラスを載置すれば、平板ガラスが傾くことにより生じるフェムト秒パルスレーザの屈折が生じることがなくなり、非平板状ガラス構造物の内部の所望位置に、より高精度にフェムト秒パルスレーザを集光照射することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガラス構造物の加工方法の第１の実施形態を示す概略構成図で、図１（ａ）は光ファイバの軸方向と垂直な断面図、図１（ｂ）は側面図である。
【図２】本発明のガラス構造物の加工方法の第２の実施形態を示す概略断面図である。
【図３】本発明のガラス構造物の加工方法の第３の実施形態を示す概略断面図である。
【図４】本発明のガラス構造物の加工方法の第４の実施形態を示す概略断面図である。
【図５】マッチングオイルの屈折率と、クラッドおよび平板ガラスの屈折率との差に応じて変化する、光ファイバ素線がないと仮定した場合のクラッド表面からの集光深さＨと、Ｈｙ−Ｈｘとの関係を示すグラフである。
【図６】純粋石英ガラスおよびマッチングオイルの屈折率と、温度との関係の一例を示すグラフである。
【図７】純粋石英ガラス、Ｇｅ添加石英ガラス、およびマッチングオイルの屈折率と、温度との関係の一例を示すグラフである。
【図８】従来の光ファイバの加工方法を示す概略構成図で、図８（ａ）は斜視図、図８（ｂ）は側面図、図８（ｃ）は光ファイバの軸方向と垂直な断面図である。
【図９】光ファイバの内部の光ファイバ素線がないと仮定した場合のクラッド表面からの集光深さＨの点にレーザを集光照射した時の実際の集光深さＨｙ、Ｈｘを示すグラフである。
【符号の説明】
１・・・光ファイバ素線、２・・・被覆層、３・・・クラッド、４・・・裸光ファイバ、５・・・対物レンズ、６・・・フェムト秒パルスレーザ、１１，１４・・・基板、１２・・・平板ガラス、１３・・・マッチングオイル、１５・・・スペーサ、２０・・・ガラス基板、３０・・・基板、３１・・・温度調整手段、３３・・・ヒーター。
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバに代表されるような表面が平坦でないガラス構造物内部にフェムト秒パルスレーザを集光照射して、このフェムト秒パルスレーザの集光点周辺に屈折率上昇領域を形成するガラス構造物の加工方法に関する。以下、このような表面が平坦ではないガラス構造物のことを非平板状ガラス構造物と記述する。
【０００２】
【従来の技術】
ガラスの内部にフェムト秒パルスレーザ（以下、単に「レーザ」と略すこともある。）を集光照射すると、その集光点周辺は光誘起屈折率変化を起こして、周囲よりも屈折率の高い領域（屈折率上昇領域）が形成される。これを利用して、例えば、直方体形状のガラス内部に連続的にフェムト秒パルスレーザを集光照射することにより、任意形状の光導波路コアを作製する方法がある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
上記の方法を応用したものとして、光ファイバのコア内部に、光ファイバの長手方向に沿ってフェムト秒パルスレーザの集光照射を繰り返し、グレーティング付き光ファイバを作製する方法がある（例えば、特許文献２参照。）。この方法では、光ファイバの被覆層を除去してクラッドを露出した後、クラッド側面からコア中心に向けてフェムト秒パルスレーザを集光照射する。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−３１１２３７号公報
【特許文献２】
特開２０００−１５５２２５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図８（ａ）に示すように、被覆層２が除去され、光ファイバ素線１のクラッド３が露出された石英系ガラスなどからなる裸光ファイバ４の内部の所望位置に、図示略の光源から発振され、対物レンズ５で集光されたフェムト秒パルスレーザ６を集光照射すると、次のような問題があった。光ファイバ素線１の長手方向と、光ファイバ素線１の長手方向に垂直な方向とでは、表面形状が異なるため、光ファイバ素線１のクラッド３に入射したフェムト秒パルスレーザ６の集光状態は、光ファイバ素線１の長手方向と平行な成分と、光ファイバ素線１の長手方向に垂直な成分とでは異なってしまう。
【０００６】
具体的には、図８（ｂ）に示すように、フェムト秒パルスレーザ６の光ファイバ素線１の長手方向に平行な成分（Ｙ成分）は、ガラス平板内部に集光したときとほぼ同じ条件で集光される。一方、図８（ｃ）に示すように、フェムト秒パルスレーザ６の光ファイバ素線１の長手方向に垂直な成分（Ｘ成分）は、球面ガラス内部に集光したときとほぼ同じ条件で集光される。ここで、Ｈは光ファイバ素線１がないと仮定した場合のクラッド３表面からの集光深さ、Ｈｙは光ファイバ素線１の長手方向に平行な成分のクラッド３表面からの集光深さ、Ｈｘは光ファイバ素線１の長手方向に垂直な成分のクラッド３表面からの集光深さを表している。
【０００７】
また、図８において、裸光ファイバ４の外径を１２５μｍ、クラッド３の屈折率を１．４４２とし、この裸光ファイバ４に、大気中（屈折率１．０）で開口数０．５０の対物レンズ５を用いてフェムト秒パルスレーザを集光照射したとする。図９に、このときの裸光ファイバ４の表面からの集光深さＨｘ（μｍ）、Ｈｙ（μｍ）を幾何計算から求めた結果と、裸光ファイバ４がないと仮定した場合の裸光ファイバ４の表面からの集光深さＨ（μｍ）との関係を示す。図６から、裸光ファイバ４がないと仮定した場合の集光深さＨが深くなるほど、直交する２方向の集光深さのずれが大きくなっている。
【０００８】
フェムト秒パルスレーザの集光照射を用いた光ファイバ内部への屈折率上昇領域の形成では、レーザの集光点付近におけるエネルギー密度がある閾値を超えたところで、屈折率上昇領域が生じることが知られている。光ファイバ内部に集光照射されたレーザ光の光ファイバの長手方向に平行な成分の集光点と、光ファイバの長手方向に垂直な成分の集光点とが異なると、レーザのエネルギーが分散してしまう。したがって、この方法では、ガラス平板内部に屈折率上昇領域を形成する際に集光照射するレーザと同じ強度のレーザを光ファイバ内部に集光照射しても、屈折率上昇領域を形成するのに必要なエネルギー密度の閾値を超えられない可能性がある。
また、ガラス平板内部に集光照射した場合と同程度の屈折率上昇量を得るために、レーザのエネルギーを大きくする必要が生じると、エネルギー効率が悪い。
【０００９】
また、光ファイバの内部にフェムト秒パルスレーザの集光照射によって形成される屈折率上昇領域の形状および屈折率変化量は、このレーザの「平均出力」、「パルス幅」、「繰り返し周波数」、「中心波長」、使用する対物レンズの「開口数」、「倍率」、さらに、集光点を走査する際の「ステージ移動速度」などの多数のパラメータにより決定される。これらのパラメータを最適化することにより、屈折率上昇領域の形状および屈折率変化量を制御することができる。しかしながら、上述のように光ファイバの長手方向に平行な方向と、光ファイバの長手方向に垂直な方向とで集光条件が異なっている場合、他のパラメータをどのように組み合わせても、集光深さを一致させることは根本的に不可能である。
【００１０】
本発明は、前記事情に鑑みてなされたもので、光ファイバに代表される非平板状ガラス構造物内部に、フェムト秒パルスレーザを集光照射して、このレーザの集光点周辺に屈折率上昇領域を形成する際に、レーザに垂直な２方向の成分の集光条件の違いを低減し、ガラス平板にレーザを集光照射した場合と近い条件で非平板状ガラス構造物内部にレーザを集光照射するガラス構造物の加工方法を提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記課題は、非平板状ガラス構造物にフェムト秒パルスレーザを集光照射し、該非平板状ガラス構造物の内部に屈折率上昇領域を形成するガラス構造物の加工方法において、前記非平板状ガラス構造物を基板上に固定し、該非平板状ガラス構造物の上に該非平板状ガラス構造物の屈折率と等しい屈折率を有する平板ガラスを載置し、前記平板ガラスと、前記非平板状ガラス構造物および前記基板との間に、該非平板状ガラス構造物と屈折率の等しいマッチングオイルを充填して、該非平板状ガラス構造物の内部にフェムト秒パルスレーザを集光照射するガラス構造物の加工方法によって解決できる。
【００１２】
また、前記課題は、非平板状ガラス構造物にフェムト秒パルスレーザを集光照射し、該非平板状ガラス構造物の内部に屈折率上昇領域を形成するガラス構造物の加工方法において、前記非平板状ガラス構造物を、温度調整手段を有する基板上に固定し、該非平板状ガラス構造物の上に該非平板状ガラス構造物の屈折率と等しい屈折率を有する平板ガラスを載置し、前記平板ガラスと、前記非平板状ガラス構造物および前記基板との間に、前記非平板状ガラス構造物と室温での屈折率が等しいかもしくは近く、かつ屈折率の温度依存性の絶対値が非平板状ガラス構造物のそれよりも大きいマッチングオイルを充填し、前記温度調整手段によってマッチングオイルの温度を調整することにより、該非平板状ガラス構造物とマッチングオイルとの屈折率を一致させて、該非平板状ガラス構造物の内部にフェムト秒パルスレーザを集光照射するガラス構造物の加工方法によっても解決できる。
この場合、前記温度調整手段は、マッチングオイルを加熱するヒーターもしくはマッチングオイルを冷却する冷却手段とすることができる。
【００１３】
上記ガラス構造物の加工方法において、前記基板と前記平板ガラスとの間に２箇所以上設けられたスペーサを介して、前記基板上に前記平板ガラスを載置することが好ましい。
前記非平板状ガラス構造物を石英系光ファイバとし、前記平板ガラスおよび前記マッチングオイルの屈折率を、前記石英系光ファイバを構成するクラッドの屈折率と等しくすることが好ましい。
前記基板上にＶ溝を形成し、前記非平板状ガラス構造物を該Ｖ溝に固定することが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳しく説明する。
図１は、本発明のガラス構造物の加工方法の第１の実施形態を示す概略構成図で、図１（ａ）は光ファイバの軸方向と垂直な断面図、図１（ｂ）は側面図である。図１において、図５に示した従来のガラス構造物の加工方法の構成要素と同じ構成要素には同一符号を付して、その説明を省略する。
この実施形態では、非平板状ガラス構造物として光ファイバを例示し、本発明のガラス構造物の加工方法を詳しく説明する。
【００１５】
この実施形態のガラス構造物の加工方法では、先ず、光ファイバ素線１の被覆層２の一部を、有機溶剤などを用いて除去し、レーザを照射する裸光ファイバ４（クラッド３）を露出し、露出したクラッド３の表面を公知の方法により洗浄する。
裸光ファイバ４は、光通信用に使用され、フェムト秒パルスレーザを集光照射したとき集光点で屈折率を増加させるガラスファイバであれば、特に制限されるものではない。裸光ファイバ４の材料としては、例えば、石英系ガラス、酸化物ガラス、フッ化物ガラスが挙げられる。石英系ガラスとしては、例えば、石英系ガラス、ゲルマニウム（Ｇｅ）添加石英ガラス、フッ素添加石英ガラス、ゲルマニウム−フッ素共添加石英ガラスなどが挙げられる。酸化物ガラスとしては、例えば、ケイ酸塩ガラス、ホウ酸塩ガラス、リン酸塩ガラス、弗リン酸塩ガラス、酸化ビスマス系ガラスなどが挙げられる。これらの中でも、裸光ファイバ４としては、低損失で、量産性、生産性の高い製造方法が確立されており、コア（図示略）およびクラッド３が石英系ガラスからなる石英系光ファイバを用いることが好ましい。
【００１６】
次いで、光ファイバ素線１の裸光ファイバ４を基板１１の上に固定する。裸光ファイバ４を基板１１の上に固定する方法としては、基板１１にＶ溝を作製し、そのＶ溝に沿って配置させる方法が挙げられる。
基板１１は、石英ガラス基板であることが望ましいが、その表面に裸光ファイバ４を保持、固定するための平坦面を有するものであれば特に限定されない。また、基板１１の厚みも適宜設定される。
【００１７】
次いで、裸光ファイバ４の上に、任意の厚みの平板ガラス１２を載せる。
平板ガラス１２は、両面とも鏡面研磨されたガラス平板であり、裸光ファイバ４を構成するクラッド３の屈折率と等しいか、それに十分近い屈折率を有するものである。
また、平板ガラス１２の厚みは適宜設定されるが、この厚みを適切に選択することにより、ガラス平板の内部の所望深さにフェムト秒パルスレーザを集光照射した場合と近い条件で、裸光ファイバ４の内部の所望深さにフェムト秒パルスレーザを集光照射することもできる。
【００１８】
次いで、平板ガラス１２と、裸光ファイバ４および基板１１との間に、裸光ファイバ４を形成する材料（例えば、石英系ガラス）の屈折率と等しい屈折率を有するマッチングオイル１３を充填する。このとき、平板ガラス１２と裸光ファイバ４、および基板１１と裸光ファイバ４とはマッチングオイル１３を介して積層されている。
マッチングオイル１３は、裸光ファイバ４を形成する材料の屈折率と等しい屈折率を有するものであれば特に限定されないが、裸光ファイバ４を構成するクラッド３の屈折率と等しい屈折率を有するものが好ましい。また、マッチングオイル１３は、平板ガラス１２と、裸光ファイバ４および基板１１との間から流出するのを防ぐために、ゲル状であることが好ましい。
【００１９】
次いで、この状態で平板ガラス１２の鉛直上方から、図示略の光源から発振され、対物レンズ５で集光されたフェムト秒パルスレーザ６を、裸光ファイバ４の内部の所望位置（所望の深さ）に集光照射し、裸光ファイバ４の内部に光誘起屈折率変化を起こして、周囲よりも屈折率の高い屈折率上昇領域を形成する。
このとき、フェムト秒パルスレーザ６の波長を、例えば７５０ｎｍ〜８５０ｎｍの近赤外領域とすることが望ましい。また、フェムト秒パルスレーザ６の繰り返し周波数は、特に限定されるものではないが、１０ｋＨｚ以上が望ましい。
【００２０】
ここで、フェムト秒パルスレーザとは、パルス幅が１ｐｓ以下のレーザのことである。このように、フェムト秒パルスレーザのパルス幅は非常に狭いので、フェムト秒パルスレーザのピークパワーは時間圧縮効果により増大し、さらにこのようなレーザを対物レンズで集光することから、光誘起屈折率変化を起こすことができる。
【００２１】
この実施形態では、平板ガラス１２と、裸光ファイバ４および基板１１との間に、裸光ファイバ４を形成する材料と屈折率の等しいマッチングオイル１３を充填して、裸光ファイバ４の内部の所望位置にフェムト秒パルスレーザ６を集光照射するから、平板ガラス１２を通過したフェムト秒パルスレーザ６が、裸光ファイバ４に入射する際に屈折されることがない。すなわち、この実施形態によれば、裸光ファイバ４の形状に影響されることなく、裸光ファイバ４の内部の所望位置にフェムト秒パルスレーザ６を集光照射することができる。したがって、フェムト秒パルスレーザ６の光ファイバ素線１の長手方向に平行な成分の集光点の位置と、フェムト秒パルスレーザ６の光ファイバ素線１の長手方向に垂直な成分の集光点の位置とをほぼ同じにすることができる。
【００２２】
また、この実施形態では、平板ガラス１２およびマッチングオイル１３を、石英系光ファイバの裸光ファイバ４を構成するクラッド３の屈折率と等しい屈折率を有するものとするから、平板ガラス１２、マッチングオイル１３、クラッド３の順に通過したフェムト秒パルスレーザ６が、裸光ファイバ４の内部に到達するまで屈折されることがない。すなわち、この実施形態によれば、裸光ファイバ４の形状に影響されることなく、裸光ファイバ４の内部の所望位置に、より高精度にフェムト秒パルスレーザ６を集光照射することができる。
【００２３】
図２は、本発明のガラス構造物の加工方法の第２の実施形態を示す概略断面図である。
この実施形態のガラス構造物の加工方法において、上述の第１の実施形態と異なる点は、裸光ファイバ４を基板１４の上に固定する際に、裸光ファイバ４を基板１４の表面に形成されたＶ溝１４ａに固定する点である。裸光ファイバ４をＶ溝１４ａに固定するには、Ｖ溝１４ａを、裸光ファイバ４の外径に応じて所定の開口大きさ、側壁の角度に加工し、このＶ溝１４ａ内に裸光ファイバ４を載置する。また、裸光ファイバ４のＶ溝１４ａ内における回転を防止するために、光ファイバ素線１の裸光ファイバ４以外の部分、すなわち、裸光ファイバ４の両端側の被覆部分をクランプなどで保持してもよい。
この実施形態では、基板１４は、上述の基板１１と同様に石英ガラス基板であることが望ましい。基板１４の厚みは、所望の大きさ（深さ）のＶ溝１４ａを形成することができる程度に適宜設定される。
【００２４】
この実施形態によれば、裸光ファイバ４をＶ溝１４ａに固定することにより、基板１４上において、裸光ファイバ４が移動、回転するのを防止することができるから、裸光ファイバ４の内部の所望位置に、より高精度にフェムト秒パルスレーザ６を集光照射することができる。
【００２５】
なお、第１および第２の実施形態では、非平板状ガラス構造物として裸光ファイバ４を例示したが、第１および第２の実施形態は、非平板状ガラス構造物が、後述のような表面が曲面形状のガラス基板であっても適用可能である。
【００２６】
図３は、本発明のガラス構造物の加工方法の第３の実施形態を示す概略断面図である。
この実施形態では、非平板状ガラス構造物として表面が曲面形状のガラス基板２０を例示する。
この実施形態のガラス構造物の加工方法において、上述の第１の実施形態と異なる点は、基板１１と平板ガラス１２との間に２箇所以上設けられた厚みの等しいスペーサ１５を介して、基板１１上に平板ガラス１２を載置する点である。この時、少なくとも２個のスペーサ１５によって、ガラス基板２０を、その長手方向あるいは短手方向の両側から挟むように、スペーサ１５を基板１１上に配置する。さらに、スペーサ１５の厚みを、ガラス基板２０の厚みの最も大きい部分以上とする。
スペーサ１５は、基板１１および平板ガラス１２と接触する面が平滑面である平板であれば特に限定されないが、少量のマッチングオイルなどにより平板ガラス１２および基板１１と密着するものが望ましい。
【００２７】
この実施形態によれば、ガラス基板２０の表面形状がいかなるものであっても、基板１１と平板ガラス１２とを平行に配置し、この状態を維持することができる。したがって、平板ガラス１２が傾くことにより生じるフェムト秒パルスレーザ６の屈折が生じることがなく、ガラス基板２０の内部の所望位置に、より高精度にフェムト秒パルスレーザ６を集光照射することができる。
【００２８】
なお、この実施形態では、非平板状ガラス構造物として表面が曲面形状のガラス基板２０を例示したが、この実施形態は、非平板状ガラス構造物が、上述のような裸光ファイバ４であっても適用可能である。
【００２９】
図４は、本発明のガラス構造物の加工方法の第４の実施形態を示す概略断面図である。
この実施形態のガラス構造物の加工方法において、上述の第１の実施形態と異なる点は、基板３０が温度調整手段３２を有している点である。すなわち、この基板３０は、基板本体３１と、該基板本体３１の上部に取り付けられたヒーター３３と、ヒーター３３の温度を制御する温度制御部３４とを備えている。上記温度調整手段３２は、ヒーター３３と温度制御部３４とにより構成されている。
この実施形態では、基板本体３１は、上述の基板１１と同様に石英ガラス基板であることが望ましい。
【００３０】
ヒーター３３としては、例えば電熱により発熱する公知のヒータが例示でき、非平板状ガラス構造物（ここでは裸光ファイバ４）の寸法に応じた適当なものが用いられる。
温度制御部３４は、例えばマッチングオイル１３の温度を測定して、この温度の測定値に基づいてヒーター３３に流す電流量を制御し、ヒーター３３により加熱されるマッチングオイル１３を所定の温度範囲内に維持する公知の制御用部品である。
【００３１】
マッチングオイル１３は、室温において非平板状ガラス構造物と屈折率が等しいかもしくは近く、かつ屈折率の温度依存性の絶対値が非平板状ガラス構造物のそれよりも大きいものが用いられる。本発明において、屈折率の温度依存性とは、単位温度あたりの屈折率の変化量を示す。また、室温においてマッチングオイルと非平板状ガラス構造物との屈折率が等しいかもしくは近いとは、該マッチングオイルの温度を、劣化や変質などの不具合が生じない温度範囲内で調整することにより、ある調整された温度において、マッチングオイルと非平板状ガラス構造物の屈折率が一致するようにすることができることをいう。
【００３２】
例えば、非平板状ガラス構造物が石英系ガラスの場合、マッチングオイル１３としては、室温における屈折率が石英系ガラスの屈折率に近く、また、屈折率の温度依存性の絶対値が大きいシリコーンオイルが好ましい。一般に、シリコーンオイルは、屈折率の温度依存性が負であり、温度が高くなるほど屈折率が低下する。従って、シリコーンオイルを室温よりも高い温度に加熱することによって、該シリコーンオイルの屈折率を非平板状ガラス構造物のそれと一致させるためには、室温での屈折率が、非平板状ガラス構造物の屈折率よりも大きいシリコーンオイルを選定して用いる必要がある。この選定は、公知の種々のシリコーンオイルから、適当な物性を示す組成のものを選択すればよい。
【００３３】
この実施形態により裸光ファイバの加工を行うには、上述の実施形態と同様に、基板３０上に裸光ファイバ４を固定し、裸光ファイバ４の上に平板ガラス１２を載せ、平板ガラス１２と、裸光ファイバ４および基板３０との間に、上述のマッチングオイル１３を充填する。温度調整手段３２によりマッチングオイル１３を加熱して、マッチングオイル１３と裸光ファイバ４との屈折率が一致する温度に維持し、この状態で、フェムト秒パルスレーザ６の集光照射により裸光ファイバ４の加工を行う。
【００３４】
本実施の形態によれば、マッチングオイル１３を加熱して温度を調整することにより、マッチングオイル１３の温度に応じてその屈折率を変化させることができるので、非平板状ガラス構造物のガラス組成などの変動により、該非平板状ガラス構造物の屈折率が変動している場合でも、多種類のマッチングオイル１３を用意することなく、マッチングオイル１３と裸光ファイバ４との屈折率を一致させた状態で加工することができる。
なお、上記説明では、非平板状ガラス構造物として裸光ファイバ４を例示したが、この実施形態は、非平板状ガラス構造物が、上述のような表面が曲面形状のガラス基板２０であっても適用可能である。また、上記基板として、Ｖ溝を有するものを用いることも可能である。
【００３５】
以下、本発明の効果を明らかにするため、図１においてマッチングオイル１３の屈折率を変化させた場合の、平板ガラス１２の表面からの集光深さＨｘ、Ｈｙの差（＝Ｈｙ−Ｈｘ）を幾何計算し、平板ガラス１２と裸光ファイバ４がないと仮定した場合の平板ガラス１２の表面からの集光深さＨに対してプロットした結果を図５に示す。
ここでは、裸光ファイバ４の外径を１２５μｍ、クラッド３、および平板ガラス１２の屈折率を１．４４２、平板ガラスの厚さを１００μｍとする。また、対物レンズ５の開口数は０．５０とする。図中の５種類の点はそれぞれ、マッチングオイル１３の屈折率と、クラッド３の屈折率との差を表している。マッチングオイル１３の屈折率が、クラッド３および平板ガラス１２の屈折率と一致している場合、ガラス平板の内部に集光した場合と同じ条件で裸光ファイバ４の内部に集光したことになるから、平板ガラス１２と裸光ファイバ４がないと仮定した場合の集光深さＨに関係なく、ＨｙとＨｘとで集光深さの差はない。
また、マッチングオイル１３の屈折率が、クラッド３および平板ガラス１２に対して±０．００４、すなわち比屈折率差にして約０．２７％変動しても、例えばＨ＝１４０μｍとして、ほぼ光ファイバの中心部分に集光した場合の、ＨｙとＨｘとの差（Ｈｙ−Ｈｘ）は、０．２μｍ以下に抑えられている。これにより、従来の方法に比べて、集光深さの差が大幅に改善されることがわかる。
【００３６】
次に、マッチングオイルを加熱するヒーターを有する温度調整手段を用いた場合の効果を明らかにするため、図４において、裸光ファイバ４として純粋石英ガラスからなるコアなしの裸光ファイバを用いた。純粋石英ガラスは、２５℃における屈折率が１．４５８４７であり、屈折率の温度依存性が＋８×１０−６／℃である。
マッチングオイル１３として、２５℃、波長５８９．３ｎｍにおける屈折率が１．４６０であり、屈折率の温度依存性が−４×１０−４／℃である市販のシリコーンオイルを用いた。
図６に、純粋石英ガラスと上記マッチングオイルとの屈折率と温度との関係を示す。両者の屈折率は、温度が２９℃の場合に最もよく一致するので、ヒータ−３３に流す電流量を調整してマッチングオイル１３の温度を２９℃に維持して裸光ファイバ４の加工を行ったところ、裸光ファイバ４の所望の深さにフェムト秒パルスレーザを集光照射することができた。
【００３７】
次に、マッチングオイル１３として、２５℃における屈折率が１．４７０であり、屈折率の温度依存性が−４×１０−４／℃であるシリコーンオイルを、市販のシリコーンオイルを複数種類調合することにより調製して用いた。
図７に、純粋石英ガラスと上記マッチングオイルとの屈折率と温度との関係を示す。両者の屈折率は、温度が５２℃の場合に最もよく一致するので、ヒータ−３３に流す電流量を調整してマッチングオイル１３の温度を５２℃に維持して裸光ファイバ４の加工を行ったところ、裸光ファイバ４の所望の深さにフェムト秒パルスレーザを集光照射することができた。
【００３８】
次に、裸光ファイバ４としてＧｅ添加石英ガラスからなるコアなしの裸光ファイバを用いた。このＧｅ添加石英ガラスは、２５℃における屈折率が１．４６５であり、屈折率の温度依存性が＋８×１０−６／℃である。
マッチングオイル１３として、２５℃における屈折率が１．４７０であり、屈折率の温度依存性が−４×１０−４／℃である市販のシリコーンオイルを用いた。
図７に、Ｇｅ添加石英ガラスと上記マッチングオイルとの屈折率と温度との関係を示す。両者の屈折率は、温度が３６℃の場合に最もよく一致するので、ヒータ−３３に流す電流量を調整してマッチングオイル１３の温度を３６℃に維持して裸光ファイバ４の加工を行ったところ、裸光ファイバ４の所望の深さにフェムト秒パルスレーザを集光照射することができた。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のガラス構造物の加工方法は、非平板状ガラス構造物を基板上に固定し、非平板状ガラス構造物の上に非平板状ガラス構造物の屈折率と等しい屈折率を有する平板ガラスを載置し、平板ガラスと、非平板状ガラス構造物および基板との間に、非平板状ガラス構造物と屈折率の等しいマッチングオイルを充填して、非平板状ガラス構造物の内部にフェムト秒パルスレーザを集光照射するから、ガラス平板内部に屈折率上昇領域を形成する際に集光照射されるフェムト秒パルスレーザと同じ強度のフェムト秒パルスレーザを、非平板状のガラス構造物の内部に集光照射することにより、所望の屈折率を示す屈折率上昇領域を形成することができる。
【００４０】
ヒーターや冷却手段などの温度調整手段によりマッチングオイルの温度を調整するようにした場合、マッチングオイルの温度に応じてその屈折率を変化させることができるので、非平板状ガラス構造物のガラス組成などの変動により、該非平板状ガラス構造物の屈折率が変動している場合でも、多種類のマッチングオイルを用意することなく、マッチングオイルと非平板状ガラス構造物との屈折率を一致させた状態で加工することができる。
【００４１】
また、非平板状ガラス構造物を石英系光ファイバとし、平板ガラスおよびマッチングオイルの屈折率を、石英系光ファイバを構成するクラッドの屈折率と等しくすれば、非平板状ガラス構造物の形状に影響されることなく、非平板状ガラス構造物の内部の所望位置に、より高精度にフェムト秒パルスレーザを集光照射することができる。
さらに、基板上にＶ溝を形成し、非平板状ガラス構造物をこのＶ溝に固定すれば、基板上において、非平板状ガラス構造物が移動、回転するのを防止することができるから、非平板状ガラス構造物の内部の所望位置に、より高精度にフェムト秒パルスレーザを集光照射することができる。
そして、基板と平板ガラスとの間に２箇所以上設けられたスペーサを介して、基板上に平板ガラスを載置すれば、平板ガラスが傾くことにより生じるフェムト秒パルスレーザの屈折が生じることがなくなり、非平板状ガラス構造物の内部の所望位置に、より高精度にフェムト秒パルスレーザを集光照射することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガラス構造物の加工方法の第１の実施形態を示す概略構成図で、図１（ａ）は光ファイバの軸方向と垂直な断面図、図１（ｂ）は側面図である。
【図２】本発明のガラス構造物の加工方法の第２の実施形態を示す概略断面図である。
【図３】本発明のガラス構造物の加工方法の第３の実施形態を示す概略断面図である。
【図４】本発明のガラス構造物の加工方法の第４の実施形態を示す概略断面図である。
【図５】マッチングオイルの屈折率と、クラッドおよび平板ガラスの屈折率との差に応じて変化する、光ファイバ素線がないと仮定した場合のクラッド表面からの集光深さＨと、Ｈｙ−Ｈｘとの関係を示すグラフである。
【図６】純粋石英ガラスおよびマッチングオイルの屈折率と、温度との関係の一例を示すグラフである。
【図７】純粋石英ガラス、Ｇｅ添加石英ガラス、およびマッチングオイルの屈折率と、温度との関係の一例を示すグラフである。
【図８】従来の光ファイバの加工方法を示す概略構成図で、図８（ａ）は斜視図、図８（ｂ）は側面図、図８（ｃ）は光ファイバの軸方向と垂直な断面図である。
【図９】光ファイバの内部の光ファイバ素線がないと仮定した場合のクラッド表面からの集光深さＨの点にレーザを集光照射した時の実際の集光深さＨｙ、Ｈｘを示すグラフである。
【符号の説明】
１・・・光ファイバ素線、２・・・被覆層、３・・・クラッド、４・・・裸光ファイバ、５・・・対物レンズ、６・・・フェムト秒パルスレーザ、１１，１４・・・基板、１２・・・平板ガラス、１３・・・マッチングオイル、１５・・・スペーサ、２０・・・ガラス基板、３０・・・基板、３１・・・温度調整手段、３３・・・ヒーター。
Claims (7)
- 非平板状ガラス構造物にフェムト秒パルスレーザを集光照射し、該非平板状ガラス構造物の内部に屈折率上昇領域を形成するガラス構造物の加工方法において、
前記非平板状ガラス構造物を基板上に固定し、該非平板状ガラス構造物の上に該非平板状ガラス構造物の屈折率と等しい屈折率を有する平板ガラスを載置し、
前記平板ガラスと、前記非平板状ガラス構造物および前記基板との間に、該非平板状ガラス構造物と屈折率の等しいマッチングオイルを充填して、該非平板状ガラス構造物の内部にフェムト秒パルスレーザを集光照射することを特徴とするガラス構造物の加工方法。 - 非平板状ガラス構造物にフェムト秒パルスレーザを集光照射し、該非平板状ガラス構造物の内部に屈折率上昇領域を形成するガラス構造物の加工方法において、
前記非平板状ガラス構造物を、温度調整手段を有する基板上に固定し、該非平板状ガラス構造物の上に該非平板状ガラス構造物の屈折率と等しい屈折率を有する平板ガラスを載置し、
前記平板ガラスと、前記非平板状ガラス構造物および前記基板との間に、前記非平板状ガラス構造物と室温での屈折率が等しいかもしくは近く、かつ屈折率の温度依存性の絶対値が非平板状ガラス構造物のそれよりも大きいマッチングオイルを充填し、
前記温度調整手段によってマッチングオイルの温度を調整することにより、該非平板状ガラス構造物とマッチングオイルとの屈折率を一致させて、
該非平板状ガラス構造物の内部にフェムト秒パルスレーザを集光照射することを特徴とするガラス構造物の加工方法。 - 前記温度調整手段がマッチングオイルを加熱するヒーターを有することを特徴とする請求項２に記載のガラス構造物の加工方法。
- 前記温度調整手段がマッチングオイルを冷却する冷却手段を有することを特徴とする請求項２に記載のガラス構造物の加工方法。
- 請求項１ないし４のいずれかに記載のガラス構造物の加工方法において、
前記基板と前記平板ガラスとの間に２箇所以上設けられたスペーサを介して、前記基板上に前記平板ガラスを載置することを特徴とするガラス構造物の加工方法。 - 前記非平板状ガラス構造物を石英系光ファイバとし、前記平板ガラスおよび前記マッチングオイルの屈折率を、前記石英系光ファイバを構成するクラッドの屈折率と等しくす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ガラス構造物の加工方法。
- 前記基板上にＶ溝を形成し、前記非平板状ガラス構造物を該Ｖ溝に固定することを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載のガラス構造物の加工方法。
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|---|---|---|---|---|
| WO2007099284A1 (en) * | 2006-02-28 | 2007-09-07 | Aston University | Method and apparatus for inscription |
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-
2003
- 2003-04-03 JP JP2003100327A patent/JP2004309636A/ja not_active Withdrawn
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