JP2004310009A

JP2004310009A - 光学用構造体及びその製造方法並びに光学素子

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Publication number: JP2004310009A
Application number: JP2003315714A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiko Shimoma; 靖彦下間; Kazuyuki Hirao; 一之平尾; Kenei Kyu; 建栄邱
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-09-09
Filing date: 2003-09-08
Publication date: 2004-11-04
Anticipated expiration: 2023-09-08
Also published as: JP4373163B2

Abstract

【解決手段】直線偏光の１本のパルスレーザ光２を、その集光点がガラス領域内部に位置するように照射して、集光点に１μｍ以下のピッチで屈折率の高い領域と低い領域とが繰り返し生じた周期構造領域を形成する。屈折率の高い領域又は低い領域をつないだ面は、パルスレーザ光２の偏光磁場方向に平行に形成される。
【効果】製造が容易でしかもサブミクロンオーダーの微細な周期構造を備える光学用周期構造体を作製することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光通信等の分野に使用される偏光子、回折格子、リフレクター、フィルター、光減衰器等に適用可能な構造を備えた光学用構造体に関するものである。

従来、光アイソレーター等に使用される偏光子、光学系のレンズとして使用される回折格子、分光器等に使用されるリフレクターやフィルター、光減衰器には、種々の構造のものが提案されてきた。
特開２０００−１９３８２３号特開２００１−６６４２８号特開２００１−４８１７号特開平１０−２８２３３７号特開平１１−３５２３２７号特開平１１−１６７０２４号特開２００１−８３３２１号特開２００２−３１１２４２号特開２００３−５７４４２号特開２００３−６６２３２号特開平９−３１１２３７号近藤（T. Kondo）,松尾（ S. Matsuo）,ジュオカジス(S. Juodkazis), 三沢 (H. Misawa)著「三次元光学結晶製造のための回折ビームスプリッターを使ったフェムト秒レーザ干渉技術(Femtosecond laser interference technique with diffractive beam splitter for fabrication of three-dimensional photonic crystals)」アプライド・フィジックス・レター（Appl. Phys. Lett.）79巻６号, 725−727頁 (2001年８月)

しかしながら、従来の素子では、いずれも光回路の集積化の点で好適なサブミクロンオーダーの微細周期構造を形成するために、真空蒸着やスパッタリング、リソグラフィー等を用いている。この場合、製造工程が複雑になり、装置構成が大がかりになり、その結果、光学素子のコストアップをもたらしてしまうという問題があった。
そこで本発明は、製造が簡便かつ迅速に行え、しかもサブミクロンオーダーの微細周期構造が簡単に実現でき、さらにその微細周期構造の方向、幅又はピッチを任意に制御でき、三次元的な周期構造を得ることが可能な、優れた光学用構造体及びその製造方法並びに光学素子を提供することを目的とする。

パルス幅がフェムト秒オーダー（１０^-12〜１０^-15秒）のパルスレーザ光を、特定の偏光モードで光透過基材内部に集光照射することにより、集光位置のみに屈折率が変化する領域を形成することができる。このフェムト秒のパルスレーザ光の照射によって屈折率が変化する現象は、「光誘起屈折率変化」と呼ばれており、光導波路の作製の例が知られている。

本発明者は、前記光誘起屈折率変化を起こす領域に、１μｍ以下のピッチで屈折率の高い領域と低い領域とが繰り返し生じる周期構造が形成されることを発見した。
この周期構造において、屈折率の高い領域又は屈折率の低い領域のつながった面を「主面」と定義する。なお、屈折率の高い領域と屈折率の低い領域とは、隣接して交互に形成されるのであるから、屈折率の高い領域のつながった面を「主面」と定義しても、屈折率の低い領域のつながった面を「主面」と定義しても実質同じことである。しかし、以下、定義を明確にするために、屈折率の高い領域のつながった面を「主面」ということにする。

前記主面は、照射されたパルスレーザ光の偏光磁場方向と平行に形成される。パルスレーザ光は電磁波であるから、電場と磁場とが直交関係を保ちながら、それぞれ所定の振動数で変化しながら伝搬するという性質がある。このパルスレーザ光の磁場の方向を本明細書では「偏光磁場方向」という。
前記周期構造は、照射されたパルスレーザ光と集光位置内部で発生するプラズマとの干渉によって形成される。したがって、照射するパルスレーザ光線は１本のみでよい。

これまで報告されているように、照射するパルスレーザ光を少なくとも２本以上使用し、それらのパルスレーザ光の干渉によって周期構造を形成する例がある。本発明では、使用するパルスレーザ光線は１本のみであるため、装置構成などが極めて簡便にすることができる。
なお、ビームスプリッターなどでパルスレーザ光を少なくとも２本以上に分割し、又は２本以上のパルスレーザ光を使って、それぞれ光透過基材の別々の部位に同時照射してもよいことはもちろんである。これにより各々のパルスレーザ光の集光位置内部に、所定以下、例えば１μｍ以下のピッチで屈折率の高い領域と低い領域とが繰り返し生じる周期構造を、それぞれ形成することができる。

前記周期構造のピッチは、照射されたパルスレーザ光の波長、照射パルス数又はパルスエネルギーに依存する。
前記周期構造は、照射されるパルスレーザ光と集光位置内部で発生するプラズマとの干渉によって形成されることから、照射されるパルスレーザ光の波数ベクトルをｋ_w、発生するプラズマの波数ベクトルをｋ_p、形成される周期構造の屈折率の高い領域と低い領域との繰り返しの変調ベクトルをｋ_dと置くと、運動量保存則から、次式（１）の関係が成り立つ。

ｋ_d＝ｋ_p−ｋ_w （１）
ここで、照射されるパルスレーザ光の波長をλとおくと、ｋ_w ＝２π／λ、また周期構造のピッチをΛとおくと、ｋ_d＝２π／Λの関係が成り立つ。
したがって、（１）式から、照射されるパルスレーザ光の波長λを小さくすると、ｋ_wが大きく、ｋ_dが小さくなり、その結果、周期構造のピッチΛは大きくなる。

プラズマの縦光学モードにおける周波数ω_pは、
ｎ_e：発生プラズマの電子密度、
ｅ：発生プラズマの電子の電荷、
ε₀：真空誘電率、
ｍ_e：発生プラズマの電子質量、
κ_B：ボルツマン定数、
Ｔ_e：発生プラズマの電子温度
とすると、次式（２）で表される。

照射されるパルスレーザ光の照射パルス数及びパルスエネルギーを大きくすると、発生プラズマの電子密度ｎ_e及び発生プラズマの電子温度Ｔ_eがそれらに比例して大きくなり、ｋ_pは小さくなる。その結果、周期構造の変調ベクトルｋ_dが小さくなり、周期構造のピッチΛは大きくなる。
前記パルスレーザ光のパワー密度は、光透過基材の種類によっても異なるが、集光位置内部に所定以下のピッチで屈折率の高い領域と低い領域とが繰り返し生じた本発明の周期構造を形成するためには、１０⁸Ｗ／ｃｍ²以上が好ましい。

ここで、パワー密度は、パルスレーザ光の、「出力エネルギーのピーク値（Ｊ）／パルス幅（秒）」で表される出力パワー（Ｗ）を、照射単位面積あたりで割って表した値である。パワー密度が１０⁸Ｗ／ｃｍ²に満たないと、集光位置内部に有効な周期構造が形成されないことがある。パルスエネルギーが高いほど屈折率の高い領域と低い領域の繰り返しが鮮明（屈折率差が大）になる。

しかし、過大に大きなパルスエネルギー量のレーザ光を照射すると、熱的な効果により、集光位置には空洞欠陥が形成される。このため、光透過基材の組成によっても異なるが、パルスレーザ光のパワー密度が、集光位置内部に所定以下、例えば１μｍ以下の周期構造が形成される閾値と、空洞欠陥が形成される閾値との間になるように、繰り返し周波数によって調整するとよい。具体的には、生産性も考慮すると、一定時間（例えば１秒）でのパルスレーザ光の繰り返し周波数のとりうる下限は１Ｈｚ、好ましくは１０ｋＨｚ、さらに好ましくは１００ｋＨｚに設定し、とりうる上限は１００ＭＨｚに設定する。なお、前記パルスレーザ光は、単一ショットの光パルスでもよい。

なお、高い繰り返し周波数のパルスレーザ光あっても、光誘起屈折率変化を起こすパワー密度を得ることができれば、集光位置内部に所定以下の周期構造を形成できる。逆に、１０ｋＨｚ以下の低い繰り返し周波数のパルスレーザ光あっても、ＮＤフィルターなどを使用して、空洞欠陥が形成されるパワー密度の閾値以下に、パワー密度を調整することによって、集光位置内部に所定以下の周期構造を形成できる。

パルスレーザ光のエネルギーを、集光位置内部に所定以下の周期構造が形成される閾値と、空洞欠陥が形成される閾値との間に調整し、さらに周期のピッチが均等でかつ主面の幅が同一でかつ方向が同一方向に規則正しく並んだ、周期性が良好な周期構造を形成するためには、光透過基材の種類によっても異なるが、照射するパルスレーザ光の１パルスあたりのエネルギーを０．１μＪ／pulse〜１０μＪ／pulseの間に調整することが望ましい。

パルスレーザ光は、レンズ等の集光素子により集光される。前記周期構造を有する領域の形状は、基本的には球状である。前記光誘起屈折率変化が起きるパルスエネルギーを有するパルスレーザ光は、光透過基材を伝播中に３次の非線形光学効果である空間カー効果(Kerr effect)を受けて、パルスレーザ光の集光位置の形状は、望ましくは球に集光され、その球の直径は0.1μｍから１mmの範囲が好適である。

このときの集光位置を光透過基材に対して一定方向に連続的に相対移動させることとすれば、前記周期構造を有する領域が断面円形のひも状、又は円柱状に延びた光学用構造体を作製することができる。
また、この集光位置を光透過基材に対して所定間隔でかつ一定方向に断続的に相対移動させることにより、前記周期構造を有する球状の領域が複数、繰り返し並設された、いわば二重周期構造を持つ光学素子を作製することができる。

また前記集光位置を、光透過基材に対して所定間隔でかつ一定方向に連続的に相対移動させることにより、断面円形のひも状、又は円柱状の周期構造が複数、繰り返し並設された、いわば二重周期構造を持つ光学素子を作製することができる。
これらの二重周期構造を、光透過基材内に３次元的に形成すれば、多波長の光信号に対して、回折効果、偏光効果、複屈折効果を同時に得ることができる。

複屈折効果は、一般にガラス材料では、構造が等方的であるため、発現しない。ところが前記所定以下のピッチで屈折率の高い領域と低い領域とが繰り返し生じる周期構造が形成されることにより、複屈折効果が発現しない等方性材料に対して、この複屈折効果を付与することができる。
前記所定以下のピッチで屈折率の高い領域と低い領域とが繰り返し生じる周期構造が複数、繰り返し並設された二重周期構造を持つ光学素子に、波長多重された光を入射すると、二重周期構造に依存して、特定波長の反射率を増加させることができる。

以上説明したように、本発明の光学用構造体によれば、集光位置内に所定以下のピッチで屈折率の高い領域と低い領域とが繰り返し生じる周期構造を形成することができる。この構造体を光透過基材内部の任意の位置に作製することができ、この光学用構造体に対して、所定の波長領域の光信号を入射すると、偏光効果や干渉・回折効果が得られる。
さらに、本発明の光学用構造体によれば、本来複屈折現象を示さない光透過基材等の等方性材料に形成し、複屈折現象を生じさせることができ、光アイソレーター等の偏光子として機能させることができる。

さらに、本発明の光学用構造体によれば、この二重周期を有する光学用構造体に対して、波長多重された光を入射することにより、前記周期構造に依存した特定波長の反射率を増加させることができ、特定波長の光のみを反射するリフレクターやフィルター、光減衰器として機能する。
本発明の光学用構造体の製造方法によれば、光透過基材に集光されるパルスレーザ光と、その集光位置内部に発生するプラズマとの干渉を利用することにより、１本のパルスレーザ光を照射するだけで、複雑な工程を経ることなく、しかも簡単に、所定以下のピッチで屈折率の高い領域と低い領域とが繰り返し生じた周期構造を有する領域が形成された光学用構造体を製造することができる。

前記光学用構造体は、光通信に使用される光信号の偏光方向の制御素子、回折効果を奏する光学素子もしくは特定波長の光信号を反射するリフレクター・フィルター、光減衰器等の光学素子として応用することができる。

図１に本発明に係る光学用構造体の製造装置の模式図を示す。
光学用構造体の製造装置は、励起光を発生する励起光発生部３、励起光に基づきパルスレーザ光を発生するパルス光発生部４、パルスレーザ光を増幅する光増幅部５を備えている。
励起光発生部３は、Ａｒ等の気体レーザやＧａＡｓ等の半導体レーザで構成される。

パルス発生部４は、Ｔｉ：Ａｌ₂Ｏ₃（チタンをドープしたサファイア結晶）レーザで構成される。Ｔｉ：Ａｌ₂Ｏ₃レーザは、そのモードロック機構により、パルス幅がフェムト秒オーダー（１０^-12から１０^-15秒）のパルス光を発振する。パルス光の波長は可変（１００ｎｍ〜２０００ｎｍ）であるが、パルスレーザ光がガラス材料１を透過できるように、例えば８００ｎｍに設定している。

光増幅部５は、ＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザ等の結晶固体レーザで構成される。
光増幅部５から出力されるパルスレーザ光は、ミラー９で反射され、直線偏光板８によって直線偏光が取り出され、レンズ等の集光部材６により、ガラス材料１の表面又は内部に集光される。前記ガラス材料１は、ＸＹＺ方向に走査可能な電動ステージ７上に設置されている。

直線偏光板８の役割を説明すると、光増幅部５から出力されるパルスレーザ光の偏光は、一般に直線偏光であるが、直線偏光板８を光路上に挿入することによって、偏光を揃えたり、その偏光角度を自由に変えたりすることが可能になる。
パルスレーザ光が照射されるガラス材料１には、酸化物ガラス、ハロゲン化物ガラス、カルコゲナイドガラス等のガラス材料、その他、サファイア、水晶等の結晶材料が使用される。酸化物ガラスには、例えばケイ酸塩系、硼酸塩系、燐酸塩系、弗燐酸塩系、ビスマス系等があり、ハロゲン化物ガラスにはＢｅＦ₂系、ＺｒＦ₄系、ＩｎＦ₃系、Ｃｄ−Ｚｎ−Ｃｌ系等があり、硫化物ガラスにはＧａ−Ｌａ−Ｓ系等があり、カルコゲナイドガラスにはＳ−Ａｓ系等がある。

ガラス材料１の表面又は内部の集光位置に対して、１０⁸Ｗ／ｃｍ²以上のパワー密度を有するパルスレーザ光が集められることになるため、集光位置内部に光誘起屈折率変化の現象が起きる。その結果、ほぼ球状の屈折率変化領域が形成される。屈折率変化領域の大きさは、集光部材６の性能やパルスレーザ光の波長、パルスエネルギーによって決まるが、１μｍから１ｍｍの範囲内である。

さらに、屈折率変化領域の内部で、１μｍ以下（サブミクロン）のピッチで屈折率の高い領域と低い領域とが繰り返し存在する周期構造が形成される。
図２Ａ〜図２Ｃは、屈折率変化領域内に形成される周期構造を示す断面図である。
屈折率変化領域Ｓ内には、屈折率が高い領域１７と屈折率が低い領域１８とが周期的に交互に形成される。その周期のピッチをＰ、屈折率が高い領域１７の幅をＬで表す。ピッチＰや幅Ｌは、照射するパルスレーザ光の偏光方向、波長、照射パルス数、パルスエネルギー等に依存するため、これらを変数として設定することにより、任意の波長領域の光信号に適した周期構造を作製することができる。

図２Ａは、磁場方向が水平偏光のパルスレーザ光を紙面に垂直に照射して形成した周期構造の状態を示す。球状の屈折率変化領域Ｓ（その直径をＤで示す）内に形成される周期構造のうち、屈折率が高い領域１７をつないだ面（主面という）は、磁場の偏光方向に平行に、輪切り状態で形成される。
図２Ｂは、パルスレーザ光を紙面右から水平に照射した場合の、周期構造の形成状態を示す。パルスレーザ光は、紙面に垂直である。

図２Ｃは、パルスレーザ光を紙面下方から上方に照射した場合の、周期構造の形成状態を示す。
主面の形成方向と、パルスレーザ光の偏光との関係を図３Ａ及び図３Ｂに示す。図３Ａには、磁場方向が水平偏光のパルスレーザ光を紙面に垂直に照射して形成した周期構造の状態が示され、図３Ｂには、磁場方向が垂直偏光のパルスレーザ光を紙面に垂直に照射して形成した周期構造の状態が示されている。このように、屈折率が高い領域１７で構成される主面の方向は、偏光磁場の方向と同一方向となる。

かくして、本発明の実施形態によれば、屈折率変化領域内に、サブミクロンオーダーで屈折率が変化する周期構造を形成することができる。この周期構造の周期の方向は、照射するパルスレーザ光の偏光磁場方向を設定することによって、任意の方向に設定することが可能である。
図４Ａ〜図４Ｃは、照射するパルスレーザ光の偏光方向、波長、照射パルス数、パルスエネルギー等を設定することによって、前記周期構造の主面の方向又はその周期のピッチＰを変えて作製した屈折率変化領域Ｓの構造を示す断面図である。

図４Ａの屈折率変化領域Ｓは、主面の方向が水平に形成されている。これに対して、波長多重された信号光を垂直に入射している。図４Ｂの屈折率変化領域Ｓは、周期のピッチＰは図４Ａと同一であるが、主面の方向が垂直に形成されている。この主面に対して、波長多重された信号光を平行に入射している。図４Ｃは、主面に対して、波長多重された信号光を垂直に入射することは、図４Ａと同一であるが、周期のピッチＰが異なる場合を示す。

これらの、波長多重された信号光の入射角度の相違、又はピッチＰの相違によって、主面に対する入射角度及びピッチＰに依存して、特定の波長の反射率を増加させる効果が期待できる。具体的には、図４Ａから反射される反射光Ａ、図４Ｂから反射される反射光Ｂ、図４Ｃから反射される反射光Ｃは、それぞれ異なる波長の光である。
いままでは、単独の屈折率変化領域が形成される場合を示したが、屈折率変化領域は複数形成されてもよい。また、屈折率変化領域の形状も球状とは限らない。

図１において、ガラス材料１にレーザ光を当てた後、レーザ光をオフして、ガラス材料を、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向に所定距離移動させ、またレーザ光を当てることを繰り返せば、ガラス材料１の表面又はガラス材料１内に、前記周期構造を有する球状の屈折率変化領域を複数個、離散的に繰り返し設定することができる。
レーザ光を当てながらガラス材料を、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向に所定距離連続的に移動させることによって、ガラス材料１の表面又はガラス材料１内に、前記周期構造を有する屈折率変化領域を、円柱状又は断面円形の曲線ひも状に形成することもできる。

また、レーザ光を当てながらガラス材料１をＸ、Ｙ又はＺ方向から選ばれるいずれか一方向に連続的に移動させ、移動が終わると、レーザ光をオフして他の方向に所定距離ずつ断続的に移動させて、再度レーザ光をオンして前記一方向の連続的移動を繰り返せば、ガラス材料１上又はガラス材料１内に、円柱状の屈折率変化領域を複数個繰り返し設定することができる。

さらに、いずれか任意の方向に曲線状に連続的に移動させ、移動が終わると、レーザ光をオフして他の方向に所定距離ずつ断続的に移動させて、再度レーザ光をオンして前記曲線状の移動を繰り返せば、ガラス材料１の表面又はガラス材料１内に、断面円形の曲線ひも状の屈折率変化領域を複数個繰り返し設定することができる。
このように、屈折率変化領域を、所定間隔でかつ一定方向に複数個並設することによって、屈折率が二重周期的に変化する光学用構造体をガラス基板内の任意の場所に作製することができる。前記「所定間隔」は、例えば１μｍから１ｍｍの範囲内とすることができる。

この二重周期を有する光学用構造体に対して、図５に示すように、任意の波長、任意の偏光の光信号を入射すると、波長ごとに所定の方向に回折させると同時に、一定の偏光を取り出す回折格子・偏光子としての効果が期待できる。さらに、このようにして構成した偏光子を２個用いてファラデー回転子を挟んで光アイソレーターとして機能させることも可能である。

前記周期構造の主面の方向・ピッチＰを一層ごとに変えて、図６に示すように３次元的に積層させた構造にすることによって、本発明の光学用構造体を、波長多重された光信号から、特定の波長のみを高効率に反射させるリフレクター・フィルターとして機能させることも可能である。
なお、上述した実施形態はごく一例にすぎず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更実施が可能である。

＜実施例１＞
１０ｍｍ×１０ｍｍ×５ｍｍの石英ガラス基板１０に屈折率変化領域を複数個、繰り返し設定した。図７に示すように、パルスレーザ光１１をレンズ１２で集光し、石英ガラス基板１０に対して、パルスレーザ光１１の集光位置１３が、石英ガラス基板１０の内部に位置するように照射した。パルスレーザ光としては、アルゴンレーザー励起のＴｉ：Ａｌ₂Ｏ₃レーザから発振されたパルス幅１５０フェムト秒、繰り返し周波数２００ｋＨｚ、波長８００ｎｍ、平均出力６００ｍＷ、水平偏光磁場のレーザを使用した。照射時間は、一集光位置あたり４秒である。

集光位置１３内には、１μｍ以下のピッチで屈折率が異なる第１領域と第２領域とが交互に繰り返し生じる縞状の周期構造が形成された。
このようにして形成された周期構造を構成する屈折率変化領域の直径は約２μｍ、周期構造のピッチＰは２００ｎｍ、第１領域の幅Ｌは約３０ｎｍ、第２領域の幅は約１７０ｎｍであった。

第１領域は、酸素欠陥が生じており、ＳｉＯ_2-x（０＜ｘ＜２）の組成に変化するため、周囲の屈折率（周期構造を除くガラス基板の屈折率）に対して、屈折率が高くなると考えられる。また第２領域は、第１領域から酸素が移動し、構造中に取り込まれ、ＳｉＯ_2+xの組成に変化するため、周囲の屈折率（周期構造を除くガラス基板の屈折率）に対して、屈折率が同程度もしくは低くなると考えられる。しかし、酸素が減ることによって屈折率が下がるということも考えられ、酸素が増えることによって屈折率が上がるということも考えられる。したがって、酸素と屈折率の関係は、現段階では確定したことが言えない。しかし第１領域、第２領域において、屈折率の変化が起こっていることは間違いない。

前記屈折率変化領域の大きさＤは、照射するパルスレーザ光のパルスエネルギー、集光する際のレンズの倍率によって、約１〜約１００μｍの範囲で可変であり、第１領域及び第２領域の幅は、照射するパルスレーザ光の波長、照射パルス数、パルスエネルギー及びガラス基板の屈折率によって、第１領域の幅Ｌは約１０〜５０ｎｍ、第２領域の幅は約５０〜１９０ｎｍの範囲で可変である。

前記集光位置１３を石英ガラス基板１０内に対して所定間隔でＸ、Ｙ、Ｚ方向に断続的に相対移動させると（照射時間は、１集光位置あたり４秒）、図８Ａに示すように、球状の屈折率変化領域１４が繰り返し、設定される。この屈折率変化領域１４が繰り返し設定された石英ガラス基板１０の平面図を図８Ｂに示す。
パルスレーザ光１１を、Ｘ、Ｙ方向に、断続的に相対移動させ、かつＺ方向に連続的に相対移動（Ｚ方向の相対移動速度は１００μｍ／ｓｅｃ）させると、図９Ａに示すように円柱状の屈折率変化領域１５が繰り返し、設定される。この円柱状の屈折率変化領域１５が繰り返し設定された石英ガラス基板１０の平面図を図９Ｂに示す。

さらに、パルスレーザ光１１をＸから６０°（Ｙから３０°）方向に、断続的に相対移動させ、かつＺ方向に連続的に前記速度で相対移動させると、図１０に示すような、円柱状の屈折率変化領域１５が三角格子状に設定された石英ガラス基材１０を作製することができる。
パルスレーザ光１１を、Ｘ方向に、断続的に相対移動させ、かつＹ方向に連続的に相対移動（Ｙ方向の相対移動速度は１００μｍ／ｓｅｃ）させると、図１１Ａに示すように円柱状の屈折率変化領域１６が繰り返し、設定される。この円柱状の屈折率変化領域１６が繰り返し設定された石英ガラス基板１０の平面図を図１１Ｂに示す。

＜実施例２＞
前記実施例１と同じく、１０ｍｍ×１０ｍｍ×５ｍｍの石英ガラス基板１０の内部に、パルスレーザ光１１の集光位置が位置するように照射した。パルスレーザ光の照射条件は前記実施例１と同じである。
ただし、図１に示した直線偏光板８によって、照射するパルスレーザ光の偏光方向（磁場）を水平偏光もしくは垂直偏光に変えて照射した。

図３Ａ，図３Ｂに示したように、屈折率の高い領域と低い領域とが繰り返し生じた縞状の周期構造がパルスレーザ光の偏光方向（磁場）に依存した方向に形成された。すなわち、水平偏光の場合は横方向（図３Ａ）、垂直偏光の場合には縦方向（図３Ｂ）に縞状の周期構造が形成された。
実施例１と同じように、集光位置をガラス基材に対して所定間隔でかつ一定方向に断続的又は連続的に相対移動させ、球状、円柱状もしくは断面円形のひも状の屈折率変化領域を繰り返し形成した。

本発明の光学用構造体の製造装置を示す模式図である。屈折率変化領域内に形成される周期構造を示す、光照射方向の正面断面図である。屈折率変化領域内に形成される周期構造を示す、光照射方向の側面断面図である。屈折率変化領域内に形成される周期構造を示す、光照射方向の平面断面図である。偏光磁場方向が水平のパルスレーザ光を照射視した場合の、屈折率変化領域内に形成された周期構造を示す断面図である。偏光磁場方向が垂直のパルスレーザ光を照射視した場合の、屈折率変化領域内に形成された周期構造を示す断面図である。屈折率変化領域内に形成された周期構造を示す断面図であり、屈折率変化領域内に形成された周期構造の主面に対して垂直に、波長多重された光信号を照射した場合を示している。屈折率変化領域内に形成された周期構造を示す断面図であり、屈折率変化領域内に形成された周期構造の主面に対して、平行に波長多重された光信号を照射した場合を示している。屈折率変化領域内に形成された周期構造を示す断面図であり、屈折率変化領域内に形成された周期構造の主面に対して、垂直に波長多重された光信号を照射するが、周期構造のピッチＰを大きくした場合を示している。二重周期を有する光学用構造体を回折格子・偏光子として用いた例を示す斜視図である。二重周期を有する光学用構造体をリフレクター・フィルターとして用いた例を示す斜視図である。石英ガラス基板にパルスレーザ光を照射した状態を示す斜視図である。ガラス基材に対して所定間隔でかつ三方向に断続的に相対移動させることによって、球状の屈折率変化領域を三次元格子状に複数並設した光学用構造体を示す斜視図である。同平面図である。円柱状の屈折率変化領域を二次元に複数並設した光学用構造体を示す斜視図である。同平面図である。屈折率変化領域を三角格子状に複数並設した光学用構造体を示す平面図である。断面円形帯（円柱）状の屈折率変化領域を二次元に複数並設した光学用構造体を示す斜視図である。同平面図である。

符号の説明

１ガラス材料
２パルスレーザ光
３励起光発生部
４パルス光発生部
５光増幅部
６レンズ等の集光装置
７ＸＹＺ方向に走査可能な電動ステージ
８直線偏光板
９ミラー
１０石英ガラス基板
１１パルスレーザ光
１２集光レンズ
１３集光位置
１４周期構造を持つ球状の屈折率変化領域
１５周期構造を持つ円柱状の屈折率変化領域
１６周期構造を持つ断面円形の帯状の屈折率変化領域
Ｓ周期構造を持つ球状の屈折率変化領域
Ｐ屈折率変化領域Ｓ内の周期構造のピッチ
Ｌ屈折率変化領域Ｓ内の屈折率が高い領域の幅

Claims

レーザ光を透過する基材に、光誘起屈折率変化を起こすエネルギー量を有する集光された１本のパルスレーザ光を照射することにより、その集光位置に、屈折率の高い領域と低い領域とが繰り返し生じた周期構造を有する領域が形成されてなる光学用構造体。
前記周期構造における、屈折率の高い領域のつながった面又は屈折率の低い領域のつながった面として定義される主面は、照射されたパルスレーザ光の偏光磁場方向と平行に形成される請求項１記載の光学用構造体。
前記周期構造のピッチは、照射されたパルスレーザ光の波長、照射パルス数又はパルスエネルギーに依存して形成される請求項１又は請求項２記載の光学用構造体。
前記周期構造のピッチは、１μｍ以下である請求項１〜請求項３のいずれかに記載の光学用構造体。
前記周期構造を有する領域が球である請求項１〜請求項４のいずれかに記載の光学用構造体。
前記球の直径が０．１μｍから１ｍｍの範囲にある請求項５記載の光学用構造体。
前記周期構造を有する領域が断面円形のひも状、又は円柱状である請求項１〜請求項４のいずれかに記載の光学用構造体。
前記周期構造を有する領域が一定間隔で複数、繰り返し並設されている請求項１〜請求項７のいずれかに記載の光学用構造体。
前記一定間隔が１μｍから１ｍｍの範囲にある請求項８記載の光学用構造体。
前記周期構造を有する領域を、本来複屈折現象を示さない等方性材料に形成した請求項１〜請求項９のいずれかに記載の光学用構造体。
レーザ光を透過する基材に、光誘起屈折率変化を起こすエネルギー量を有する集光された１本のパルスレーザ光を照射し、
その集光位置に、屈折率の高い領域と低い領域とが繰り返し生じた周期構造を有する領域を形成する光学用構造体の製造方法。
前記パルスレーザ光のパルス幅が、１０^-12〜１０^-15secである請求項１１記載の光学用構造体の製造方法。
前記パルスレーザ光のパルスの繰り返し周期が１００ＭＨｚ以下である請求項１１又は請求項１２記載の光学用構造体の製造方法。
前記パルスレーザ光のパルスは、単一のパルスである請求項１１〜請求項１３のいずれかに記載の光学用構造体の製造方法。
前記基材に集光されるパルスレーザ光のパワー密度が１０⁸Ｗ／ｃｍ²以上である請求項１１〜請求項１４のいずれかに記載の光学用構造体の製造方法。
前記基材に集光されるパルスレーザ光のパルスエネルギーが０．１μＪ／pulseから１０μＪ／pulseである請求項１１〜請求項１４のいずれかに記載の光学用構造体の製造方法。
ガラス基材にパルスレーザを集光し、パルスレーザとその集光位置内部に発生するプラズマとの干渉を利用して、屈折率の高い領域と低い領域とが繰り返し生じた周期構造を有する領域を形成する光学用構造体の製造方法。
レーザ光を透過する基材に、光誘起屈折率変化を起こすエネルギー量を有する集光された１本のパルスレーザ光を照射することにより、その集光位置に、屈折率の高い領域と低い領域とが繰り返し生じた周期構造を有する領域が形成されてなる光学用構造体を、偏光子、回折格子、リフレクター、フィルター又は光減衰器として利用している光学素子。
レーザ光を透過する基材に、光誘起屈折率変化を起こすエネルギー量を有する集光された１本のパルスレーザ光を照射することにより、その集光位置に、屈折率の高い領域と低い領域とが繰り返し生じた周期構造を有する領域が形成されてなる光学用構造体の前記周期構造を有する領域に対して、波長多重された光を入射することにより、前記周期構造に依存した特定波長の反射率を増加させている光学素子。