JP2004354535A

JP2004354535A - 光学媒質の光入出射部処理方法

Info

Publication number: JP2004354535A
Application number: JP2003149918A
Authority: JP
Inventors: Kenichiro Tanaka; 健一郎田中; Masao Kubo; 雅男久保; Masayuki Fujita; 雅之藤田; Masaki Hashida; 昌樹橋田
Original assignee: Institute for Laser Technology; Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd; Institute for Laser Technology
Priority date: 2003-05-27
Filing date: 2003-05-27
Publication date: 2004-12-16
Anticipated expiration: 2023-05-27
Also published as: JP4542317B2

Abstract

【課題】簡便な設備で光伝播効率を高める処理を低コストで行うことができる上に光学媒質が小さくても容易に処理を行うことができるものとする。
【解決手段】屈折率が異なる２つの光学媒質の界面に周期的構造の微細凹凸形状を設けるにあたり、光学媒質に対するレーザアブレーション用にパルス幅が１ｐｓ以下の超高強度パルスレーザを用いてその加工エネルギー密度に応じた周期的構造の微細凹凸形状を光学媒質表面に形成する。光反射損失の低減に有効な微細凹凸形状の形成を非接触で簡便に行うことができる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光を伝播させる素子や部品等の光学媒質における光伝播特性の向上のための光入出射部処理方法及び光学媒質に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光学媒質と他の光学媒質との界面（空気との界面を含む）においては、光の反射による光量の減衰が問題となるほか、ディスプレー等にあっては反射が視認性を低下させてしまうという問題がある。また、照明器具などでは光が照明器具内部に閉じ込められるために熱損失となり、低輝度・高消費電力となってしまうという問題もある。
【０００３】
この反射の低減に関しては、１／４波長の膜厚の反射防止膜のコーティングを多層で行うことが有効で従来より多用されているが、処理に要する時間が長いことや設備的なことなどからコストが高く、このためにより簡単に反射の低減を行うことができるものが求められている。
【０００４】
ここにおいて、界面に微小な凹凸を形成することで屈折率の傾斜性を持たせて反射の低減を得ること、具体的には上記界面に光の波長の数分の一程度の粒径の微粒子を適当なバインダを用いて高密度に分散した塗膜を形成することが特開平７−２０４５１号公報に開示されており、微小な凹凸を型を用いた賦形や成形で行うことが特開２０００−７１２９００号公報に開示されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−２０４５１号公報
【特許文献２】
特開２０００−７１２９０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前者においては有効な厚みの塗膜を形成するのに相応の設備が必要であり、後者においては熱的な損傷で光学的な特性を損なう可能性がある上に曲面への適用が困難であり、また成形用の型及び相応の設備が必要であって工程数や処理時間の点からも生産性が高くない。加えるに、上記両者は発光ダイオードの表面のような小さな表面の処理には不向きである。
【０００７】
本発明はこのような点に鑑みなされたものであって、その目的とするところは簡便な設備で光伝播効率を高める処理を低コストで行うことができる上に光学媒質が小さくても容易に処理を行うことができる光学媒質の光入出射部処理方法を提供するにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
しかして本発明は、屈折率が異なる２つの光学媒質の界面に周期的構造の微細凹凸形状を設けるにあたり、光学媒質に対するレーザアブレーション用にパルス幅が１ｐｓ以下の超高強度パルスレーザを用いてその加工エネルギー密度に応じた周期的構造の微細凹凸形状を光学媒質表面に形成することに特徴を有している。パルス幅が１ｐｓ以下の超高強度パルスレーザによるレーザアブレーションを利用することにより、光反射損失の低減に有効な微細凹凸形状の形成を簡便に行うことができるようにしたものである。
【０００９】
この場合、周期的構造の方向性をパルスレーザの偏光方向で制御することにより、透過させる光の偏光方向に合わせた方向性を有する周期的構造の微細凹凸形状を形成することができる。
【００１０】
パルスレーザを光学媒質に斜め方向から照射してもよく、この場合、パルスレーザの照射角によって周期的構造のピッチを光の透過率を最も高くするのに適した値にすることが容易となる。
【００１１】
また、所定の圧力以下の雰囲気中でレーザアブレーションを行うことにより、アブレーションで飛散した粒子の再付着による光学媒質の汚染を防ぐことができる。
【００１２】
また、レーザアブレーション後に光学媒質におけるレーザ加工面のエッチング処理を行うことで、光学媒質のレーザで改質部分を除去することができる上に、エッチングで生じた凹凸で光反射損失の低減を更に図ることができる。
【００１３】
屈折率が異なる２つの光学媒質の間にこれら２つの光学媒質の屈折率とは異なる屈折率を有する他の光学媒質を介在させるとともにこれら３つの光学媒質の間の２つの界面のうちの少なくとも一方に周期的構造の微細凹凸形状を設けるようにしてもよい。
【００１４】
この場合、屈折率が異なる２つの光学媒質の間に介在させた他の光学媒質の屈折率を前２者の光学媒質の屈折率より大として、該光学媒質における少なくとも光出射側の界面に周期的構造の微細凹凸形状を設けるならば、微小凹凸を形成することが困難な光学媒質から射出する光の量を上記介在させた他の光学媒質により簡便に増加させることができる。
【００１５】
また、屈折率が異なる２つの光学媒質の間に介在させた他の光学媒質の屈折率を前２者の光学媒質の屈折率の中間の値とし、２つの界面に夫々周期的構造の微細凹凸形状を設けるようにしてもよい。屈折率が異なる２つの光学媒質の間に連続した屈折率の傾斜性を持たせることができる。
【００１６】
そして、微細凹凸形状の周期的構造のピッチを透過させる光の波長の１／５〜５倍とすることが好ましい。周期的構造のピッチが透過させる光の波長の１／５〜１倍である時、屈折率の傾斜性を好適に発揮させることができ、１倍〜５倍である時、回折性によって光透過率を向上させることができる。
【００１７】
また、微細凹凸形状の周期的構造の凹部の深さを透過させる光の波長の１／５〜５倍とすることで、やはり光の透過性を高めることができる。
【００１８】
微細凹凸形状の断面形状は三角形状とすることが屈折率の傾斜性を持たせるという点において、最も好ましい結果を得ることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
屈折率が高い光学媒質から屈折率の低い光学媒質に光が入射する際に反射損失が生じるが、この損失は屈折率の差が大きいほど大となる。例えば屈折率が１．７７の高屈折率光学媒質（サファイア）から屈折率が１である光学媒質（大気）に光を伝播させた場合、その界面においては垂直入射光に対して７．７％の反射ロスが生じ、更に屈折率が大である光学媒質から屈折率が小さい光学媒質に光を伝播する時に生ずる全反射は入射角度３４．４°以上で生じてしまう。このような損失の低減には前述のように光学媒質と屈折率が異なる他の光学媒質との界面に屈折率変化層を設けること、具体的には微細な凹凸形状を形成することが有効である。
【００２０】
本発明に係る光学媒質の光入出射部処理方法は、光学媒質の光入出射部となる界面にレーザアブレーションによって上記微細な凹凸形状を形成するものであり、殊にパルス幅が１ｐｓ以下の超高強度パルスレーザによってその加工エネルギー密度に応じた周期的構造の微細凹凸形状を形成するものである。
【００２１】
パルス幅が１ｐｓ以下の超高強度パルスレーザとしては、モードロックＴｉ：サファイアレーザやＹＡＧレーザ、あるいはこれらのレーザ光の波長変換したレーザ（ＳＨＧ−Ｔｉ：サファイアレーザ、ＴＨＧ−Ｔｉ：サファイアレーザ、ＦＨＧ−Ｔｉ：サファイアレーザ、ＳＨＧ−ＹＡＧレーザ、ＴＨＧ−ＹＡＧレーザ、ＦＨＧ−ＹＡＧレーザ、エキシマレーザ）などを好適に用いることができる。
【００２２】
ここで、１ｐｓ以下のパルス幅のパルスレーザ、いわゆるフェムト秒レーザによるアブレーションでは、近年多くの報告がなされているように、多光子吸収による加工が可能であり、１光子のエネルギーでは除去することが困難な物質でも除去加工を行うことができる上に、レーザビームはその波長以下に集光することが困難であるものの、多光子吸収を利用することからビームの集光径以下の微細な加工が可能であり、しかも多光子吸収による加工しきい値以上のビームサイズの部分のみという局所的加工が可能である。加えるに、ｆｓオーダーでレーザの照射が完了することから、ｎｓオーダーの時間が必要となるレーザ加工周囲への熱伝播がなく、従って熱影響を周囲に与えることなく加工を行うことができる。
【００２３】
今、波長８００ｎｍ、パルス幅１５０ｆｓのＴｉ：サファイアレーザを用いると、１μＪ／パルス以下の加工エネルギーの１パルス加工でサファイア表面にφ１００ｎｍの穴加工が可能であり、またＴｉ：サファイアレーザよりも波長が短く且つ光子エネルギーが高い上に、より小径に集光することができる紫外レーザであるＦＨＧ−Ｔｉ：サファイアレーザを用いれば、より微細な加工が可能となる。
【００２４】
さらに１ｐｓ以下のパルス幅のパルスレーザを照射する際に得られる多光子吸収によるアブレーションでは、レーザ照射面に周期的構造を持つ微細な凹凸形状が形成されるものであり、また上記周期的構造のピッチは、加工エネルギー密度を低くすれば狭くなるために、反射率の低減に影響を及ぼす周期的構造のピッチを加工エネルギー密度の制御で調整することができる。
【００２５】
たとえばパルス幅１００ｆｓ、波長８００ｎｍのＴｉ：サファイアレーザを用いてサファイア表面にアブレーション加工を行う時、レーザの１パルスあたりのエネルギー密度が１．３〜１．７ｍＪ／ｍｍ^２であるビームを走査速度１．６７ｍｍ／ｓで２回照射した場合、ピッチ約８００ｎｍの周期的構造の微細凹凸形状を得ることができ、エネルギー密度が０．９〜１．３ｍＪ／ｍｍ^２であるビームを同様に照射した場合、ピッチ約４００ｎｍの周期的構造の微細凹凸形状を得ることができ、エネルギー密度が０．４〜０．９ｍＪ／ｍｍ^２であるビームを同様に照射した場合、ピッチ約２６６ｎｍの周期的構造を有する微細凹凸形状を得ることができた。
【００２６】
また上記レーザを用いて銅表面にアブレーション加工を行ったところ、図２にも示すように、１パルスあたりのエネルギー密度が２〜２０ｍＪ／ｍｍ^２である時、ピッチ約６００ｎｍの周期的構造の微細凹凸形状を得ることができ、エネルギー密度が０．４〜２ｍＪ／ｍｍ^２である時、ピッチ約３００ｎｍの周期的構造の微細凹凸形状を得ることができた。
【００２７】
ピッチの調整に関しては、パルスレーザの照射を図３（ａ）に示すように直上から行うのではなく、図３（ｂ）に示すように斜め方向から行うようにしてもよい。直上から照射した時に得られる周期的構造の微小凹凸のピッチをＰ０、斜め方向から照射する時の角度をθ、この時の周期的構造の微小凹凸のピッチをＰθとすると、
Ｐθ＝Ｐ０／（１±ｓｉｎθ）
となり、パルスレーザの走査方向を図中イ方向とすれば、
Ｐθ＝Ｐ０／（１＋ｓｉｎθ）
パルスレーザの走査方向を図中ロ方向とすれば、
Ｐθ＝Ｐ０／（１−ｓｉｎθ）
となることが現象として確認されている。
【００２８】
ところで、上記周期的構造はレーザビームの偏光方向によって変化する。すなわち、偏光方向が図４（ａ）に示す方向である場合、図４（ｂ）に示す周期的構造を得ることができ、偏光方向が図５（ａ）に示す方向である場合、図４（ｂ）のＳＥＭ写真で示す周期的構造を得ることができ、偏光方向が図６（ａ）に示す方向である場合、図６（ｂ）に示す周期的構造を得ることができる。偏光方向に対して垂直に交差する方向に筋が形成されることになる周期的構造を得られるものであり、しかも周期的構造の方向性はレーザビームの走査方向の影響を受けないために、レーザビームの偏光方向を制御することにより、伝播させる光の偏光方向に合わせた適切な方向性を有している周期的構造の微細凹凸形状を光学媒質に形成することができる。なお、レーザビームが直線偏光ではなく円偏光である（図７（ａ））場合には、図７（ｂ）に示す周期的構造を得ることができる。
【００２９】
上記レーザによる加工はアブレーション加工であり、このために加工対象の光学媒質表面からの除去物が光学媒質に再付着する問題がつきまとう。この点に関しては、光学媒質に対するレーザアブレーション加工雰囲気を所定の圧力以下、好ましくは真空下で行うことで再付着による光学媒質の汚染を抑制することができる。
【００３０】
また、レーザアブレーション加工後の光学媒質に対してエッチング処理を行って、レーザにて改質された部分のみの除去を行うようにしてもよい。このエッチング処理により微細な凹凸形状を光学媒質に確実に形成することができて、光取り出し効率を向上させることができる。エッチング溶液にはレーザによる改質部分のみを選択的に除去することができるフッ酸（ＨＦ）が好適であり、フッ酸の５％溶液を用いる場合、５分以上の処理を行うことが好ましい。
【００３１】
いずれにせよ、光学媒質の光入出射部となる界面にパルス幅が１ｐｓ以下の超高強度パルスレーザによってレーザアブレーションを行って加工エネルギー密度に応じた周期的構造の微細凹凸形状を形成して屈折率に傾斜性を持たせた場合、図１に示すように、屈折率ｎ１の光学媒質１ａから屈折率ｎ２（ｎ２＜ｎ１）の光学媒質１ｂへ光が伝播する時、両光学媒質１ａ，１ｂの界面に設けた上記屈折率傾斜性を有する屈折率変化層２は、界面での反射を低減して光透過率を高める。
【００３２】
ここにおいて、光学媒質１ａ，１ｂのうちの一方が気体や液体である場合には他方に微小凹凸を設けることで、両者の界面に屈折率変化層２を形成することができるが、両光学媒質１ａ，１ｂが共に固体である場合には、硬さが大である方の光学媒質にレーザアブレーションを行って微小凹凸を形成し、他方の光学媒質を上記光学媒質に押し付けることで微小凹凸間に端面が入り込むようにすることで、光学媒質１ａ，１ｂ間の屈折率の傾斜性を確保することができる。
【００３３】
図８に他例を示す。これは屈折率ｎ１の光学媒質１ａと屈折率ｎ２の光学媒質１ｂとの間にこれら２つの光学媒質１ａ，１ｂとは異なる屈折率ｎ３（ｎ１＞ｎ３＞ｎ２）を有している光学媒質３を介在させ、屈折率変化層２は光学媒質ｎ３の光学媒質３と屈折率ｎ２の光学媒質１ｂとの間に設けたものを示している。
【００３４】
光学媒質１ａ，１ｂが共に固体である場合、光学媒質１ａの端面と光学媒質１ｂの端面の両者に微小凹凸を形成したならば、その界面には隙間が生じてしまうことなるが、上記光学媒質３を介在させてこの光学媒質３が光学媒質１ａ，１ｂの両者に形成した微小凹凸に入り込むようにすることで、２つの界面に夫々屈折率変化層２を確保することができる。たとえば、光学媒質１ａがサファイア（ｎ１＝１．７７）、光学媒質１ｂが石英ガラス（ｎ２＝１．５）である時、光学媒質３としてアクリル樹脂（ｎ３＝１．６）を用いることで、光学媒質１ａから光学媒質１ｂに至るまでの連続した屈折率傾斜性を確保することができるものである。
【００３５】
光学媒質３の屈折率ｎ３が光出射側の光学媒質１ａの屈折率ｎ１より大（ｎ３＞ｎ１＞ｎ２）であってもよい。今、光学媒質１ａがサファイア（ｎ１＝１．７７）、光学媒質１ｂが大気（ｎ２＝１）であり、光学媒質１ａの表面に光学媒質３としてＧａＮ層（ｎ３＝２．５）を形成して該光学媒質３の大気側の表面にレーザアブレーションで微小凹凸を形成すれば、光学媒質１ａへのレーザアブレーションよりも容易に屈折率変化層２を形成することができる。図９はこの場合の例を示している。なお、屈折率が小さい光学媒質１ａから屈折率が大きい光学媒質３に光が伝播する時の反射損失はさほど大きくないことから、光学媒体３と光学媒体１ｂとの界面にのみ屈折率変化層２を設けるだけで、光透過率を大きく向上させることができる。
【００３６】
周期的構造の微細凹凸形状であるが、その周期的構造のピッチは透過させる光の波長λの１／５〜５倍程度とすることが好ましい。ピッチが波長λの１／５〜１倍である時、屈折率に傾斜性を有する屈折率変化層２として有効に機能することになるためであり、またピッチが１〜５倍である時、周期的構造が回折格子となって回折光学的な効果を得ることができて全反射角以上の光についても回折光によって透過させてしまうことができるためである。
【００３７】
ちなみに、図１０に示すように凹凸形状が三角テーパ状で屈折率ｎ２の光学媒質から屈折率ｎ１の光学媒質に光が伝播する時、周期的構造のピッチＰが波長に比して十分小さい時、山部の幅をａ、谷部の幅をｂとする時、ＴＥ波に対する有効屈折率ｎ_Ｅは
【００３８】
【数１】

【００３９】
となり、ＴＭ波に対する有効屈折率ｎ_Ｍは
【００４０】
【数２】

【００４１】
となる。徐々に有効屈折率が変化するために、前述の屈折率の傾斜性を得られるものである。
【００４２】
なお、周期的構造のピッチだけでなく、その凹凸形状の凹部の深さＤも波長のλの１／５〜５倍程度とすることが好ましく、特にピッチＰと同等であることが好ましい。
【００４３】
また、周期的構造の微細な凹凸の断面形状であるが、これは上記三角テーパ状であること、特にピッチＰと深さＤとが同等のアスペクト１のものであることが望ましいが、図１１（ａ）に示すような正弦波形状、図１１（ｂ）に示す台形形状、図９（ｃ）に示す矩形形状であってもよい。ただし、屈折率の傾斜性という点からは、三角形状であることが最も望ましく、正弦波形状、台形形状、矩形形状の順に屈折率の傾斜性が少なくなって効率が悪くなる。
【００４４】
【発明の効果】
以上のように本発明においては、パルス幅が１ｐｓ以下の超高強度パルスレーザによるレーザアブレーション、つまりは多光子吸収によるアブレーションで微細凹凸を形成するために、レーザ波長以下の大きさの光反射損失の低減に極めて有効な微細凹凸形状の形成を簡便に行うことができるものであり、しかも干渉露光のような方法と異なり、レーザ光を２分岐することなく加工することができて加工条件管理が容易なものであり、しかも非接触加工であって微細に集光することも可能であることから、光学媒質が小さな部品であろうと問題なく処理を行うことができるとともに、光学媒質をデバイスなどに組み込む前はもちろん、組み込んだ後でも処理することができる。また、加工エネルギー密度の制御で微細応答形状の周期ピッチを調整するために、光の透過率が最適となるものを容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の一例で得られた光学媒質の断面図である。
【図２】同上の加工エネルギー密度と周期構造間隔との相関の説明図である。
【図３】（ａ）（ｂ）は同上の光照射方向とピッチとの相関の説明図である。
【図４】（ａ）はレーザの偏光方向を示す説明図、（ｂ）は微細凹凸形状の周期的構造の方向性を示す正面図（写真）である。
【図５】（ａ）はレーザの偏光方向を示す説明図、（ｂ）は微細凹凸形状の周期的構造の方向性を示す正面図（写真）である。
【図６】（ａ）はレーザの偏光方向を示す説明図、（ｂ）は微細凹凸形状の周期的構造の方向性を示す正面図（写真）である。
【図７】（ａ）はレーザの偏光方向を示す説明図、（ｂ）は微細凹凸形状の周期的構造の方向性を示す正面図（写真）である。
【図８】他例の断面図である。
【図９】更に他例の断面図である。
【図１０】微細凹凸形状の拡大断面図である。
【図１１】（ａ）〜（ｃ）は微細凹凸形状の他の断面形状例を示す断面図である。
【符号の説明】
１ａ光学媒質
１ｂ光学媒質
２屈折率変化層

Claims

屈折率が異なる２つの光学媒質の界面に周期的構造の微細凹凸形状を設けるにあたり、光学媒質に対するレーザアブレーション用にパルス幅が１ｐｓ以下の超高強度パルスレーザを用いてその加工エネルギー密度に応じた周期的構造の微細凹凸形状を光学媒質表面に形成することを特徴とする光学媒質の光入出射部処理方法。
周期的構造の方向性をパルスレーザの偏光方向で制御していることを特徴とする請求項１記載の光学媒質の光入出射部処理方法。
パルスレーザを光学媒質に斜め方向から照射することを特徴とする請求項１または２記載の光学媒質の光入出射部処理方法。
所定の圧力以下の雰囲気中でレーザアブレーションを行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれかの項に記載の光学媒質の光入出射部処理方法。
レーザアブレーション後に光学媒質におけるレーザ加工面のエッチング処理を行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれかの項に記載の光学媒質の光入出射部処理方法。
屈折率が異なる２つの光学媒質の間にこれら２つの光学媒質の屈折率とは異なる屈折率を有する他の光学媒質を介在させるとともにこれら３つの光学媒質の間の２つの界面のうちの少なくとも一方に周期的構造の微細凹凸形状を設けることを特徴とする請求項１〜５のいずれかの項に記載の光学媒質の光入出射部処理方法。
屈折率が異なる２つの光学媒質の間に介在させた他の光学媒質の屈折率を前２者の光学媒質の屈折率より大として、該光学媒質における少なくとも光出射側の界面に周期的構造の微細凹凸形状を設けることを特徴とする請求項６記載の光学媒質の光入出射部処理方法。
屈折率が異なる２つの光学媒質の間に介在させた他の光学媒質の屈折率を前２者の光学媒質の屈折率の中間の値とし、２つの界面に夫々周期的構造の微細凹凸形状を設けることを特徴とする請求項６記載の光学媒質の光入出射部処理方法。
微細凹凸形状の周期的構造のピッチを透過させる光の波長の１／５〜５倍とすることを特徴とする請求項１〜８のいずれかの項に記載の光学媒質の光入出射部処理方法。
微細凹凸形状の周期的構造の凹部の深さを透過させる光の波長の１／５〜５倍とすることを特徴とする請求項１〜９のいずれかの項に記載の光学媒質の光入出射部処理方法。
微細凹凸形状の断面形状を三角形状とすることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかの項に記載の光学媒質の光入出射部処理方法。