JP2007086556A - 異方性ガラスの製造方法、異方性ガラス及び、これを用いた偏光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 異方性を有するガラス材料を提供すること。
【解決手段】 等方性物質であるガラス材料に高電場強度を有するレーザ光を照射し、等方性媒体中に異方性領域を形成する。照射するレーザ光の電場方向を制御することによって異方性軸を制御する。すなわち、高電場強度を有するレーザ光をガラス内部に集光照射し、レーザ光の電場方向に依存した軸を有する異方性領域を形成する。このガラス材料は、異方性を形成した領域において、角度の違いにより光の透過率に差異が生じる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、異方性ガラスの製造方法、異方性ガラス及び、これを用いた偏光素子に関するものである。

従来から光学用途に使用されているガラス材料は、等方性であり、材料の方向によって物理的特性が変化することのない材料である。なおガラス材料における等方性は、ガラスを形成する原子が無秩序に配列したランダムな構造であるということに起因しており、このことは、ガラスが透明であるということからも分かる。このような等方性のガラスは、住宅用の窓ガラス、レンズ、理化学機器、食器など幅広い分野で利用されている。

一方、光通信や電子機器等においては、光の偏光を利用する目的で異方性材料が利用される。光の偏光を制御する素子は偏光素子（偏光子）と呼ばれる。偏光素子は、光通信や、レーザ光における光アイソレータや液晶表示光学系に幅広く使用されている。

偏光素子としては、偏光フィルムを利用したものが多岐にわたり使用されている。偏光フィルムを利用した偏光素子は、安価に製造できるという利点の反面、耐久性および耐熱性において問題がある。液晶プロジェクタ光学系における液晶ライトバルブにも偏光フィルムが使用される。しかしながら、近年の液晶プロジェクタのランプの照度向上に伴い、高輝度ランプが使用されることで、熱の影響で偏光フィルムが劣化する等の問題が生じる。また、偏光フィルムを利用した偏光素子は、レーザ光のアイソレータとして採用した場合、レーザ強度が増大すると、ダメージを受けやすいという問題を生じる。

耐久性、耐熱性の優れた偏光子として、偏光ガラスが存在する。特許第２８４９３５８号公報に開示された偏光ガラスの製造に際しては、ハロゲン化金属粒子を含有するガラスプリフォームを加熱しながら延伸し、延伸されたアスペクト比を有するハロゲン化金属微粒子を析出させる。更に、これを還元し、金属とすることにより偏光ガラスが製造される。

また、特開２００４−２２４６６０号公報に開示されたガラス偏光子においては、従来からの問題点であった端部における金属微粒子の配光角度の傾斜を抑制している。

特許第２８４９３５８号 特開２００４−２２４６６０号

しかしながら、特許第２８４９３５８号や、特開２００４−２２４６６０号に示された偏光ガラスは、ガラス内部に金属微粒子を析出させることが必要であり、特殊なガラスにおいてのみ製造が可能となる。さらに、加熱しながらガラス材料を延伸する必要があり、製造工程が複雑である。このため、光通信や情報機器用素子として要求の高い偏光波長の制御を実現する極微細化、粒径分布の均一化を達成することが困難であった。

本発明は、上記のような状況に鑑みてなされたものであり、簡易な方法及び製造工程によって異方性ガラスを製造することを目的とする。

本発明の他の目的は、異方性ガラスの異方性軸を良好に制御可能な方法及び異方性ガラスを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の第１の態様に係る異方性ガラスの製造方法においては、高電場強度を有するレーザ光をガラス材料に照射することにより、当該ガラス材料に異方性を付与している。

本発明の第２の態様に係る異方性ガラスは、高電場強度を有するレーザ光を照射することによって、異方性が付与される。

本発明の第３の態様に係る偏光素子は、上記第２の態様に係るガラス材料を用いて成形される。

本発明においては、ガラス材料に照射するレーザ光は、好ましくは、１ＧＷ／ｃｍ２以上の電場強度を有する。更に好ましくは、１０ＧＷ／ｃｍ２〜１０ＴＷ／ｃｍ２の電場強度を有する。

本発明においては、レーザ光の偏光状態を操作することで当該レーザ光電場方向を制御して、ガラス材料の複屈折軸を制御することができる。更に、前記複屈折軸の制御により、配向した結晶を析出させることができる。

本発明においては、レーザ光の波長を２５０〜１５００ｎｍとすることが好ましい。また、レーザ光は、対物レンズ等で集光されてガラス材料に照射されることが好ましい。更に、ガラス材料を所定の速度で走査してレーザ光を照射する構成とすることが好ましい。

本発明においては、等方性物質であるガラス材料に高電場強度を有するレーザ光を照射し、異方性領域を形成したガラス材料を得る。また、照射するレーザ光の電場方向を制御することによって、異方性ガラスの異方性軸を制御する。すなわち、高電場強度を有するレーザ光をガラス内部に集光照射し、レーザ光の電場方向に依存した軸を有する異方性領域を形成する。このガラス材料は、異方性を形成した領域において、角度の違いにより光の透過率に差異が生じる。

高電場強度を有するレーザ光の電場方向により、ガラス材料の有する構造欠陥を制御し、無秩序な構造をある程度秩序を有する構造に変化させ、これによって、異方性領域が形成されるものと考えられる。具体的には、高電場強度を有するレーザ光をガラス内部に集光照射すると、多光子吸収過程を経てガラスを形成する原子と原子の結合が切断される。また、絞ったレーザ光を照射する際に異方性を持たせて照射すると、集光領域の原子は電場方向に依存して秩序を有した構造へと再配列する。これにより、異方性が誘起されるものと考えられる。したがって、ガラスの種類に制限されることなく、どのようなガラスにおいても軸方向を制御した異方性領域を形成することが可能となる。

レーザ光の電場方向は、レーザ光の偏光を変化させることにより制御できる。また、秩序を有した結晶構造を誘起することも可能である。誘起される結晶構造は、電場方向に依存して配向した結晶となる。異方性を有する結晶を配向した形で形成することにより、大きな異方性を形成することも可能である。析出する結晶の大きさを１００ｎｍ以下にすることにより、透明度の高い結晶化ガラスとすることが可能である。

さらに、析出させる結晶種を選択することにより発光や非線形性など、さまざまな光学的特性を付与することも可能である。例えば、β-BaB2O4(J. Ceram. Cos. Japan, Supplement 112-1, PacRim5 Special
Issue, 112[5]S1189-S1192(2004))やKNbO3(Applied Physics Letters 77,2118(2000))、Ba2TiSi2O8(Applied
Physics Letters 86,091110(2005))結晶を析出させたガラスにおいて単結晶に匹敵する大きな２次非線形性の発現に成功している。また、希土類元素を添加した結晶化ガラスにおいてはガラスと比較してはるかに強い発光を有する結晶化ガラスの形成に成功している（New
Glass Vol.13 No.3 1998）。半導体微粒子を析出させたガラスにおいては、発光と非線形性を発現させることが可能である（J.Am.Cer.Soc.
84,2269-73(2001) 、New Glass Vol.14 No.3 1999）。

また、本発明における異方性は絞ったレーザ光の照射によりなされるため、光の回折限界近傍の大きさを有する異方性領域を形成することも可能である。ここで、レーザ光は、５００ｎｍ〜１０μｍの大きさ（直径）のものを使用できる。

本発明が適用可能なガラス材料としては、ソーダライムシリケートガラス、石英ガラス、ケイ酸塩系ガラスの他燐酸塩系ガラスやテルライト系ガラスなど様々な系のガラスを使用することができる。

本発明においては、集光点において熱の発生を起こし難い、パルス幅がピコ秒（ps）以下のパルスレーザが使用可能である。好ましくは、フェムト秒(fs)レーザである。レーザ光のパルスエネルギーは、用いるガラスのガラス転移温度および使用するレーザ波長により異なるが、０．０１〜５μＪの範囲に設定することができる。また、レーザ光の波長は、ピコ秒（ps）の超短パルスを得ることが可能な範囲に設定することができる。好ましくは２５０〜１５００ｎｍである。

以下、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
ソーダライムシリケートガラス（SiO2-Na2O-CaO）材料に、波長800nm、照射パルスエネルギ1μJ/pulseのレーザ光を、NA0.3の対物レンズを用いて集光照射した。ステージ上に配置されたガラス材料は、5mm/secの速度で周期50μmとなるように走査し、ラインアレイ状異方性領域を形成した。照射したレーザ光の偏光は直線偏光であり、ステージの走査方向と水平となるように、波長板を用いて制御した。

レーザ光を照射した領域の異方性を複屈折顕微鏡により評価すると、図１に示すように、複屈折が観測され、その複屈折軸の方向は同一方向に形成されていた。

［実施例２］
溶融石英ガラス材料に、波長800nm，照射パルスエネルギ10μJ/pulseのレーザ光を、NA0.55の対物レンズを用いて集光照射した。ステージ上に配置されたガラス材料は、5mm/secの速度で周期50μmとなるように走査し、ラインアレイ状異方性領域を形成した。照射したレーザ光の偏光は直線偏光であり、ステージの走査方向と水平となるように、波長板を用いて制御した。

レーザ光を照射した領域の異方性を複屈折顕微鏡により評価すると、図２に示すように複屈折が観測され、その複屈折軸の方向は同一方向に形成されていた。

［実施例３］
大きさ10×10mm、厚さ2mmのZnS添加ケイ酸塩系ガラス（SiO2-Al2O3-B2O3-CaO-ZnO-Na2O-K2O）ガラス材料に、波長400nm、照射パルスエネルギ20nJ/pulseのレーザ光を集光照射した。ステージ上に配置されたガラス材料は、周期2μmとなるように走査し、ラインアレイ状異方性領域を形成した。照射したレーザ光の偏光は楕円であり、ステージの走査方向と４５度傾いていた。

レーザ光を照射した領域を、直交ニコルとなるように偏光子を調整した顕微鏡で観察すると、図３のように、異方性形成領域においてガラス材料の角度に依存して光の透過率が変化している様子が観測された。更に、この領域の異方性を複屈折顕微鏡により評価すると、図４に示したように複屈折が観測され、その複屈折軸の方向は同一方向に形成されていた。

［実施例４］
大きさ10×10mm、厚さ1mmの50In2O3-50P2O5(mol%)のガラス材料に、波長400nm、照射パルスエネルギ20nJ/pulseのレーザ光を集光照射した。ステージ上に配置されたガラス材料は、周期2μmとなるように走査し、ラインアレイ状異方性領域を形成した。照射したレーザ光の偏光は、直線偏光でステージの走査方向と水平となるように、波長板を用いて制御した。

レーザ光を照射した領域を、直交ニコルとなるように偏光子を調整した顕微鏡で観察すると、図５のように異方性形成領域においてガラス材料の角度に依存して光の透過率が変化している様子が観測された。更に、この領域の異方性を複屈折顕微鏡により評価すると、図６に示したように大きな複屈折が観測され、その複屈折軸の方向は同一方向に形成されていた。

［実施例５］
実施例４の比較として、レーザ光の偏光を９０度回転させて、実施例３に記述したガラス材料に、偏光以外同一条件でレーザ光を集光照射した。

レーザ光を照射した領域を、直交ニコルとなるように偏光子を調整した顕微鏡で観察すると、図７のように異方性形成領域においてガラス材料の角度に依存して光の透過率が変化している様子が観測された。更に、この領域の異方性を複屈折顕微鏡により評価すると、図８に示したように大きな複屈折が観測され、その複屈折軸の方向は同一方向に形成されていた。複屈折軸の方向は実施例２と比較すると９０度回転していた。

[実施例６]
実施例３の比較として、レーザ光の偏光を４５度回転させて、実施例３に記述したガラス材料に、レーザ光の照射条件を同一にし、ラインアレイ状異方性領域を形成した。

レーザ光を照射した領域を、直交ニコルとなるように偏光子を調整した顕微鏡で観察すると、図９のように異方性形成領域においてガラス材料の角度に依存して光の透過率が変化している様子が観測された。更に、この領域の異方性を複屈折顕微鏡により評価すると、図１０に示したように大きな複屈折が観測され、その複屈折軸の方向は同一方向に形成されていた。複屈折軸の方向は実施例３と比較すると４５度回転していた。

[実施例７]
大きさ10×10mm、厚さ2mmのPbS添加ケイ酸塩系ガラス（SiO2-Al2O3-B2O3-CaO-ZnO-Na2O-K2O）ガラス材料に、波長800nm、照射パルスエネルギ20nJ/pulseのレーザ光を集光照射した。ステージ上に配置されたガラス材料は、周期10μmとなるように走査し、ラインアレイ領域を形成した。照射したレーザ光の偏光はステージの走査方向と４５度傾いていた。

この照射領域の断面方向を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）および電子線回折を用いて解析すると、図１１及び図１２に示すように、（１１０）面に配向した鉛微結晶（単結晶）が観測された。

[実施例８]
大きさ10×10mm、厚さ1mmの50In2O3-50P2O5(mol%)のガラス材料に、波長400nm、照射パルスエネルギ20nJ/pulseのレーザ光を集光照射した。ステージ上に配置されたガラス材料は、周期5μmとなるように走査し、三次元周期構造を形成した。照射したレーザ光の偏光は、ステージの走査方向と水平に調整した。

この照射領域の断面方向を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）解析すると、図１３に示すように、粒径10nm以下の微結晶が観測された。また、この微結晶析出三次元周期構造体は、図１４に示したように大きな複屈折が観測され、その複屈折軸の方向は同一方向に形成されていた。

以上説明したように、本発明によれば、等方性材料であるガラス中に軸を制御された異方性を形成することが可能となる。また、ミクロンオーダーの局所的な領域において異方性を形成することも可能となり、デバイスの微小化に寄与するものと考えられる。

図１は、本発明の実施例１によって得られるソーダライムシリケートガラスに形成された複屈折および複屈折方向を示す写真である。 図２は、本発明の実施例２によって得られるシリカガラスに形成された複屈折および複屈折方向を示す写真である。 図３は、本発明の実施例３によって得られるガラスの直交ニコルにおける周期構造の透過顕微鏡像を示す写真である。 図４は、本発明の実施例３によって得られるガラスに形成した複屈折および複屈折方向を示す写真である。 図５は、本発明の実施例４によって得られるガラスの直交ニコルにおける周期構造の透過顕微鏡像を示す写真である。 図６は、本発明の実施例４によって得られるガラスに形成した複屈折および複屈折方向を示す写真である。 図７は、本発明の実施例５によって得られるガラスの直交ニコルにおける周期構造の透過顕微鏡像を示す写真である。 図８は、本発明の実施例５によって得られるガラスに形成した複屈折および複屈折方向を示す写真である。 図９は、本発明の実施例６によって得られるガラスの直交ニコルにおける周期構造の透過顕微鏡像を示す写真である。 図１０は、本発明の実施例６によって得られるガラスに形成した複屈折および複屈折方向を示す写真である。 図１１は、本発明の実施例７によって得られるガラスのＴＥＭ観察像を示す写真である。 図１２は、本発明の実施例７によって得られるガラスの微結晶の電子線回折像を示す写真である。 図１３は、本発明の実施例８によって得られるガラスのＴＥＭ観察像を示す写真である。 図１４は、本発明の実施例８によって得られるガラスに形成した複屈折および複屈折方向を示す写真である。

Claims (24)

1. 高電場強度を有するレーザ光をガラス材料に照射することにより、当該ガラス材料に異方性を付与することを特徴とする異方性ガラスの製造方法。
2. 前記レーザ光は、１ＧＷ／ｃｍ２以上の電場強度を有することを特徴とする請求項１に記載の異方性ガラスの製造方法。
3. 前記レーザ光は、１０ＧＷ／ｃｍ２〜１０ＴＷ／ｃｍ２の電場強度を有することを特徴とする請求項１に記載の異方性ガラスの製造方法。
4. 前記レーザ光の偏光状態を操作することにより当該レーザ光電場方向を制御し、前記ガラス材料に形成される複屈折軸を制御することを特徴とする請求項１に記載の異方性ガラスの製造方法。
5. 前記複屈折軸の制御により、配向した結晶を析出させることを特徴とする請求項４に記載の異方性ガラスの製造方法。
6. 前記レーザ光の波長が２５０〜１５００ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の異方性ガラスの製造方法。
7. 前記レーザ光は、集光されて前記ガラス材料に照射されることを特徴とする請求項１に記載の異方性ガラスの製造方法。
8. 前記ガラス材料を所定の速度で走査して前記レーザ光を照射することを特徴とする請求項１に記載の異方性ガラスの製造方法。
9. 高電場強度を有するレーザ光を照射することによって、異方性を付与された異方性ガラス。
10. 前記レーザ光は、１ＧＷ／ｃｍ２以上の電場強度を有することを特徴とする請求項９に記載の異方性ガラス。
11. 前記レーザ光は、１０ＧＷ／ｃｍ２〜１０ＴＷ／ｃｍ２の電場強度を有することを特徴とする請求項９に記載の異方性ガラス。
12. 前記レーザ光の偏光状態を操作することで当該レーザ光電場方向を制御して複屈折軸が制御されることを特徴とする請求項９に記載の異方性ガラス。
13. 前記複屈折軸の制御により、配向した結晶を析出させることを特徴とする請求項１２に記載の異方性ガラス。
14. 前記レーザ光の波長が２５０〜１５００ｎｍであることを特徴とする請求項９に記載の異方性ガラス。
15. 前記レーザ光は、集光されて前記ガラス材料に照射されることを特徴とする請求項９に記載の異方性ガラス。
16. 前記ガラス材料を所定の速度で走査して前記レーザ光を照射することを特徴とする請求項９に記載の異方性ガラス。
17. 高電場強度を有するレーザ光の照射によって異方性を付与された異方性ガラスを用いた偏光素子。
18. 前記レーザ光は、１ＧＷ／ｃｍ２以上の電場強度を有することを特徴とする請求項１７に記載の偏光素子。
19. 前記レーザ光は、１０ＧＷ／ｃｍ２〜１０ＴＷ／ｃｍ２の電場強度を有することを特徴とする請求項１７に記載の偏光素子。
20. 前記レーザ光の偏光状態を操作することで当該レーザ光電場方向を制御して前記ガラス材料の複屈折軸が制御されていることを特徴とする請求項１７に記載の偏光素子。
21. 前記複屈折軸の制御により、配向した結晶を析出された前記ガラス材料を用いることを特徴とする請求項２０に記載の偏光素子。
22. 前記レーザ光の波長が２５０〜１５００ｎｍであることを特徴とする請求項１７に記載の異方性ガラス。
23. 前記レーザ光は、集光されて前記ガラス材料に照射されることを特徴とする請求項１７に記載の異方性ガラス。
24. 前記ガラス材料を所定の速度で走査して前記レーザ光を照射することを特徴とする請求項１７に記載の異方性ガラス。

Images