JP2005321421A

JP2005321421A - 回折光学素子およびガラス材料

Info

Publication number: JP2005321421A
Application number: JP2004136952A
Authority: JP
Inventors: Nobuhito Takeshima; 延仁武島; Yutaka Kuroiwa; 裕黒岩; Yoshihiro Narita; 善廣成田; Kazuyuki Hirao; 一之平尾
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd; Hitachi Cable Ltd; Okamoto Glass Co Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd; Okamoto Glass Co Ltd; AGC Inc
Priority date: 2004-05-06
Filing date: 2004-05-06
Publication date: 2005-11-17

Abstract

【課題】ガラス内部に高い効率を有する回折光学素子を提供すること。
【解決手段】５０〜７０ｍｏｌ％のＳｉＯ_２、５〜２０ｍｏｌ％のＺｎＯ、および５〜１５ｍｏｌ％のＮａ_２Ｏを主成分とする母ガラスに対して、１〜１０ｍｏｌ％ＺｎＳまたはＰｂＳを添加した組成を有するガラスであって、超短パルスレーザーを集光照射することにより、前記ガラス内部にＺｎＳコロイドまたはＰｂＳコロイドを析出させ、前記コロイドが析出した析出部とコロイドが析出していない非析出部とによって回折格子を形成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガラス中に、ガラス・マトリックスより約２０％高い屈折率を有するＺｎＳコロイドまたはＰｂＳコロイドの析出部を周期的に整列することによって形成される回折光学素子に関する。

現在、エッチングプロセスを利用して形成される回折光学素子がＣＤ／ＤＶＤピックアップ光学系などに広く応用されている。また、特開２００４−４６０９３号公報には、波長の短い光を透光性の成形型を通して光硬化型樹脂に照射した後、波長の長い光を透光性の成形型を通して光硬化型樹脂に照射して樹脂を硬化させる回折光学素子の製造方法が開示されている。

特開２００４−４６０９３号公報

しかしながら、エッチングプロセスを利用して形成される回折光学素子は、２次元的に表面に回折格子を形成するものであり、実際の利用の際に自由度が低く、他の光学素子と複合化することが困難であった。また、製造工程に関しても複雑かつ煩雑な工程を経る必要があった。

本発明は、上記のような課題を解決するべく提案されたものであり、周期的に配列した半導体コロイドを形成して、複雑な工程を経ることなく回折光学素子を提供することを目的とする。

本発明は、ＳｉＯ_２を５０〜７０ｍｏｌ％と；ＺｎＯを５〜２０ｍｏｌ％と；Ｎａ_２Ｏを５〜１５ｍｏｌ％とを主成分とし、１〜１０ｍｏｌ％のＺｎＳまたはＰｂＳを添加されてなるガラスに超短パルスレーザーを集光照射し、前記ガラス内部にＺｎＳコロイドまたはＰｂＳコロイドを析出させ、前記コロイドが析出した析出部と前記コロイドが析出していない非析出部とによって回折素子を形成可能であることを特徴とする回折光学素子用ガラスを提供する。

また、本発明は、前記ガラスに超短パルスレーザーを集光照射し、前記ガラス内部にＺｎＳコロイドまたはＰｂＳコロイドを析出させることにより作製された回折素子であって、前記コロイドが析出していない非析出部に対して約２０％大きい屈折率を有するとともに、前記コロイドの析出部が周期的に整列されていて、前記コロイドの析出部が非線形性を有することを特徴とする回折光学格子を提供する。

さらに、前記コロイド相が、１フェムト秒から１ピコ秒のパルス幅を持つ１０^９Ｗ／ｃｍ^２以上のピークパワー密度を有するパルス光を照射することによって形成される回折光学素子、および、前記ガラスおよび／またはレーザー光を３次元的に移動させることによって、前記ガラス中に前記コロイド相を３次元的に周期的に形成してなる回折光学素子を提供する。

ＺｎＳコロイドおよびＰｂＳコロイドは大きな非線形光学特性を有しており、高いエネルギーの光を照射することによって回折効率等を制御可能となる。

レーザー集光照射によるＺｎＳおよびＰｂＳコロイドの析出メカニズムに関しては、レーザー集光点近傍において電子温度が上昇してプラズマが形成され、これに付随して起きる多光子吸収による材料の温度上昇に伴って、コロイドが析出するものと考えられる。この反応は、高いピークパワーのレーザー光が照射されたときにのみ生じる。そのため、ピークパワーの大きいレーザー光を集光したときに、集光点においてのみコロイドが形成される。また、レーザーの出力によってコロイド形成領域の大きさを制御することも可能である。照射エネルギーの増大により、半導体微粒子のバンドギャップのレッドシフトが観測された。

ガラス材料としては、珪酸塩系ガラスがＺｎＳおよびＰｂＳの溶解度の点において好ましく、ガラス中に硫黄成分を残存させるために、ＺｎＯを５〜２０ｍｏｌ％含有させることが必要である。また、ガラス原料を溶解させるために、Ｎａ_２Ｏを５〜１５ｍｏｌ％含有させることが必要である。耐水性や透明性を確保するために、ＳｉＯ_２は５０〜７０ｍｏｌ％含有させることが好ましい。その他、Ｂ_２Ｏ_３やＡｌ_２Ｏ_３等の成分を含有させることも可能である。以上の成分からなる母ガラスに対して、ＺｎＳまたはＰｂＳを１０ｍｏｌ％以下添加する。

ＺｎＳコロイドおよびＰｂＳコロイドは、レーザーのパワーおよび集光の状態を変えることによって数ｎｍ〜数μｍの範囲の大きさのものを析出させることができるが、半導体微粒子の非線形光学特性を利用する際には数十ｎｍの大きさとして析出させることが好ましい。

ＺｎＳコロイドおよびＰｂＳコロイドの析出部を周期的に形成した構造を形成するためには、ガラス材料を走査し集光スポットを連続的に移動させてもよいし、レーザー光を移動させてもよい。また両者を併用した照射方法も可能である。
ガラス材料を走査するときには、ガラス材料は自動ステージに置くことにより、直線、曲線等自由に移動させることが可能である。さらに、ガラス材料および／またはレーザー光を３次元的に移動させることによって、３次元周期構造を形成して３次元回折光学素子を形成することができる。

レーザー光の波長は、ガラスの吸収領域と一致しないことが好ましい。具体的には４００〜２０００ｎｍの波長を用いる。レーザー光の波長がガラス材料の吸収波長と一致する場合、ガラス表面で光を吸収してしまうため、ガラス内部の集光点で十分なピークパワーを得ることができない。このため、ガラス内部にＺｎＳおよびＰｂＳコロイドを形成することが困難になる。

パルスレーザーのピークパワーは１パルス当たりの出力エネルギー（Ｊ）をパルス幅（秒）で割った値として、Ｗで表される。ピークパワー密度は、単位面積（ｃｍ^２）当たりのピークパワーでありＷ／ｃｍ^２で表される。本発明においては、１フェムト秒から１ピコ秒のパルス幅を持つ１０^９Ｗ／ｃｍ^２以上のピークパワー密度を有するパルス光を使用する。パルス光のピークパワー密度が１０^９Ｗ／ｃｍ^２以下の場合、ピークパワー密度がコロイド形成に必要な閾値にまで達することができず、高密度化のみが進みコロイド形成は観測されないためである。

また、パルスレーザーのピークパワーは、１０^１５Ｗ／ｃｍ^２以下に設定することが好ましい。過度のピークパワー密度（１０^１５Ｗ／ｃｍ^２以上）で照射すると、集光点以外でコロイドが析出したり、ガラス材料にダメージを与える可能性がある。

コロイドのＺｎＳ微粒子またはＰｂＳ微粒子の大きさはナノメートルオーダーであり、またコロイド析出部は数十マイクロメートルの厚みを有するため、析出ガラス材料は基本的に透明かつ高い透過率を有している。

周期構造を書き込んだ本発明のガラスを用いると、可視から赤外光に至る幅広い波長域の光を効率良く回折させることができる。そのため、光通信に利用される赤外光のみならず可視光領域においても回折現象を利用した光の分波が可能である。

前記コロイド析出部はガラス部に比して約２０％も高い屈折率を有するので、かかるコロイド析出部をガラス内に形成することにより今まで得られなかった構造を導入することが可能となる。例えば、より有効なマイクロレンズでしかも色収差補正を有するものも実現可能となる。これにより、ＣＤ／ＤＶＤといった記憶媒体のピックアップレンズとして、あるいは映像を結像する系にも使用が期待される。更に、本発明に係る光学素子は、透過型回折グレーティング、ビームスプリッタ、光アッテネータ（減衰器）、光分波器、マイクロレンズ、マイクロレンズアレイ（結像光学系）にも適用可能である。

以上のように、本発明によれば、効率の高い回折光学素子を提供することが可能である。また、非線形性光学機能を有する回折光学素子を提供することが可能である。

以下、本発明の実施例について説明する。
「実施例１」
ｍｏｌ％で６４％−ＳｉＯ_２；１．５％−Ａｌ_２Ｏ_３；３．０％−Ｂ_２Ｏ_３；１．０％−ＣａＯ；１５．０％−ＺｎＯ；１２．０％−Ｎａ_２Ｏ；３．５％−Ｋ_２Ｏなる比の各酸化物の合計１００ｍｏｌ％に対して、２．５ｍｏｌ％のＺｎＳが添加されるように各原料粉末を秤量・混合し、この原料粉末を電気炉中１３５０℃で２時間溶融した。その後カーボン盤上にキャストし元ガラス材料とした。

元ガラス材料を１５×１５×１ｍｍの大きさとなるように切断・研磨し、以下の方法で超短パルスレーザーを集光照射した。元ガラス材料に対物レンズを用いてビームスポット径が３μｍになるように集光し、ステージ上に設置された元ガラス材料を１０００μｍ／ｓｅｃの速度でＹ方向へ直線的に移動させた。次に、ステージをＸ方向に移動させ、同様に１０００μｍ／ｓｅｃの速度でＹ方向へ直線的に移動させた。この操作を繰り返すことにより、１．５×１．５ｍｍ角のライン・アンド・スペースを形成した。ライン間隔は、１０μｍで変化させた。照射したレーザーは、波長８００ｎｍ、パルスエネルギー１．６μＪ、パルス幅２００ｆｓ、繰り返し周波数２５０ｋＨｚである。

上記ガラス材料を光学顕微鏡で観察したところ、１０μｍのライン周期を有する周期構造が形成していることが観測された。この領域の吸収スペクトルを分光光度計を用いて測定した。その結果を図１に示す。赤外領域にかけて９０％以上の効率を有する回折ピークが観測された。また、図３に透過回折プロファイルを示す。この結果からも赤外領域の光が効率良く回折していることが観測された。

「実施例２」
ｍｏｌ％で、６４％−ＳｉＯ_２；１．５％−Ａｌ_２Ｏ_３；３．０％−Ｂ_２Ｏ_３；１．０％−ＣａＯ；１５．０％−ＺｎＯ；１２．０％−Ｎａ_２Ｏ；３．５％−Ｋ_２Ｏなる比の各酸化物の合計１００ｍｏｌ％に対して、２．５ｍｏｌ％のＰｂＳが添加されるように各原料粉末を秤量・混合し、この原料粉末を電気炉中１３５０℃で２時間溶融した。その後カーボン盤上にキャストし元ガラス材料とした。

元ガラス材料を１５×１５×１ｍｍの大きさとなるように切断・研磨し、以下の方法で超短パルスレーザーを集光照射した。元ガラス材料に対物レンズを用いてビームスポット径が３μmになるように集光し、ステージ上に設置された元ガラス材料を１０００μｍ／ｓｅｃの速度でＹ方向へ直線的に移動させた。次に、ステージをＸ方向に移動させ、同様に１０００μｍ／ｓｅｃの速度でＹ方向へ直線的に移動させた。この操作を繰り返すことにより、１．５×１．５ｍｍ角のライン・アンド・スペースを形成した。ライン間隔は、１０μｍで変化させた。照射したレーザーは、波長８００ｎｍ、パルスエネルギー１．６μＪ、パルス幅２００ｆｓ、繰り返し周波数２５０ｋＨｚである。

上記ガラス材料を光学顕微鏡で観察したところ、１０μｍのライン周期を有する周期構造が形成していることが観測された。この領域の吸収スペクトルを分光光度計を用いて測定した。その結果を図２に示す。赤外領域にかけて９０％以上の効率を有する回折ピークが観測された。この結果からも赤外領域の光が効率良く回折していることが観測された。また、８００ｎｍ付近にＰｂＳの吸収と考えられるピークが観測された。図４に透過回折プロファイルを示す。この結果からも赤外領域の光が効率良く回折していることが観測された。

回折ピークは、ライン周期を変化させることによって可視から赤外領域まで連続的に変化させることが可能であった。

図５は、ＰｂＳを添加したガラスのZ-Scan法を用いて測定した非線形吸収の結果である。測定におけるレーザーの条件は、波長８００ｎｍ、パルスエネルギー０．２μＪ、パルス幅２００ｆｓ、繰り返し周波数２５０ｋＨｚ、ビームスポット径は数百μｍである。レーザー照射領域において大きな過飽和吸収特性を示しており、非線形光学特性を有することが確認された。

図１は、パルスレーザー照射部の吸収スペクトルを示すグラフである。図２は、パルスレーザー照射部の吸収スペクトルを示すグラフである。図３は、形成した回折光学素子の透過回折プロファイルを示すグラフである。図４は、形成した回折光学素子の透過回折プロファイルを示すグラフである。図５は、ＰｂＳ添加ガラスに形成した回折光学素子の非線形吸収特性を示したグラフである。

Claims

５０〜７０ｍｏｌ％のＳｉＯ_２、５〜２０ｍｏｌ％のＺｎＯ、および５〜１５ｍｏｌ％のＮａ_２Ｏを主成分とする母ガラスに対して、１〜１０ｍｏｌ％ＺｎＳまたはＰｂＳを添加した組成を有するガラスであって、超短パルスレーザーを集光照射することにより、前記ガラス内部にＺｎＳコロイドまたはＰｂＳコロイドを析出させ、前記コロイドが析出した析出部とコロイドが析出していない非析出部とによって回折格子を形成可能であることを特徴とする回折光学素子用ガラス。
請求項１記載のガラスに超短パルスレーザーを集光照射して、前記ガラス内部にＺｎＳコロイドまたはＰｂＳコロイドを析出させることにより作製された回折格子素子であって、前記コロイドの析出部が前記コロイドの非析出部に対して最大２５％の屈折率差を有するとともに、前記コロイドの析出部がガラス内部に周期的に整列されていて、前期コロイドの析出部が非線形光学特性を有することを特徴とする回折光学素子。
１フェムト秒から１ピコ秒のパルス幅を持つ１０^９Ｗ／ｃｍ^２以上のピークパワー密度を有するパルス光を前記ガラスに照射することによって形成される請求項２に記載の回折光学素子。
前記ガラスおよび／またはレーザー光を３次元的に移動させることによって、前記ガラス中に前記コロイド相を３次元的に周期的に形成してなる、請求項２または３に記載の回折光学素子。