JP2007500600A - 透光体への少なくとも１つの穴の形成方法および当該方法で作製されたデバイス - Google Patents

Abstract

透光体（１０）に少なくとも１つの穴を形成する方法は、ｉ）λの波長を有し且つレーザパルス持続時間がサブピコ秒であるレーザ出力を発生させる超短パルスレーザを設けるステップと、ｉｉ）開口数を有し、前記レーザ出力を集束するレーザ出力集束レンズ（３４）を設けるステップと、ｉｉｉ）前記λで、少なくとも９０％／ｃｍの透明性を有する透光体（１０）を設けるステップと、ｉｖ）前記透光体の少なくとも一部分に隣接して配置される、液体（３９’）を充填したコンテナ（３９）であって、前記透光体（１０）が前記液体（３９’）に直接接触するようにさせる、液体を充填したコンテナを設けるステップと、ｖ）前記レーザ出力を前記集束レンズ（３４）に導き、前記透光体（１０）に接した、レーザパルス持続時間がサブピコ秒である集光したレーザ出力を発生させるステップと、を含み、前記透光体（１０）および前記集光したレーザ出力が、Ｘ−Ｙ−Ｚ方向において互いに移動する間、前記集光したレーザ出力は、前記透光体を貫通する穴を形成するために少なくとも１つのホールトラックパターンをトレースし、前記少なくとも１つのホールトラックパターンは、前記液体と接触しており、前記液体（３９’）とともに前記集光したレーザ出力は、前記透光体（１０）に少なくとも１つの穴を形成することを特徴としている。

Description

発明の背景

本発明は、概して透明材料の湿式レーザ穴あけ加工の方法およびこの方法によって作製されたデバイスに関する。当該方法は、光ファイバデバイスを作製するのに適している。

光ファイバおよび光デバイスの光通信分野においては、光ファイバが、光材料デバイスに正確に保持され且つ位置付けられることが望ましい。光通信デバイスは、例えば光ファイバフェルールのようなガラス材料に、光ファイバを正確に保持することを必要とすることが多い。生物医学および化学の分野においては、極めて少量且つ正確に定められた量の化学物質または生物学的物質を保持することができるウェルプレートを有することが望ましい。ウェルプレートは、さまざまな生物試料または検査物質を入れることができる、複数の微細な凹部または窪みを有するサブストレイ（substray）である。

題名「二酸化ケイ素におけるフェムト秒レーザを利用した３次元微細加工」の論文（発行日２００１年３月１日、OPTICS LETTERS、２６巻、Ｎｏ５）は、石英ガラスにおける３次元微細加工を説明している。説明されている工程は、（ｉ）集束したフェムト秒（ｆｓ）レーザパルスで石英ガラス内部に３次元パターンを書き込むステップと、（ｉｉ）損傷した石英ガラスをフッ酸でエッチングするステップと、を利用する。しかし、この工程は、２つの連続的なステップを利用するので相対的に時間が長くかかり、酸への曝露は人間の健康に有害であり得る。さらに、形成された穴は、かなりのむらがあり且つ極めて浅い（最大長は、約１２０μｍ）。

題名「フェムト秒レーザパルスを用いた、裏面からの石英ガラスへの３次元穴あけ加工」の論文（発行日２００１年１２月１日、OPTICS LETTERS、２６巻、Ｎｏ２３）は、フッ酸を使用せず単一ステップである、石英ガラスにおける３次元微細加工を説明している。この論文は、シャッター遮断された集束レーザ光を、水とともに使用することを説明している。シャッターは、工程中に意図的に遅延時間を導入するために利用され、穴内部への水の流入を可能にする。従って、意図的に導入された遅延によって時間が遅れるので、この工程も相対的に時間が長くかかる。さらに、この方法は、直径が極めて小さい穴（２１μｍ以下）および相対的に浅い穴長さ（６００μｍ以下）をもたらす。この論文は、より幅広いおよび／または深い穴を穴あけ加工する方法を教示しておらず、示唆もしていない。

本出願は、２００３０００７７７２として公開された米国特許出願第１０／１８３，８７９号明細書（出願日：２００２年６月２５日）の利益を主張するものであり且つ当該米国特許を引用して援用するものである。この米国特許は、N.F. Borrelli, J.F.Schroeder, A. StreltsovおよびE.F. Murphyによって、題名「光ファイバデバイスの作製方法およびそのデバイス」とつけられたものであり、N.F. Borrelli, J.F.Schroeder, A. StreltsovおよびE.F. Murphyによる、題名「光ファイバデバイスの作製方法およびそのデバイス」とつけられた米国仮出願第６０／３０３，７６５号明細書（出願日：２００１年７月６日）の優先権を主張するものである。

本発明による方法の１つの利点は、透光性材料のマイクロマシニングの速度を向上させることである。この方法は、透光性材料をエッチングするのに酸を利用しないということが、他の利点として挙げられる。

本発明によると、透光体に少なくとも１つの穴を形成する方法は、ｉ）λの波長を有し且つレーザパルス持続時間がサブピコ秒であるレーザ出力を発生させる超短パルスレーザを設けるステップと、ｉｉ）開口数を有し、前記レーザ出力を集束するレーザ出力集束レンズを設けるステップと、ｉｉｉ）前記λで、少なくとも９０％／ｃｍの透明性を有する透光体を設けるステップと、ｉｖ）前記透光体の少なくとも一部分に隣接して配置される、液体を充填したコンテナであって、前記透光体が前記液体に直接接触するようにさせる、液体を充填したコンテナを設けるステップと、ｖ）前記レーザ出力を前記集束レンズに導き、前記透光体に接した、レーザパルス持続時間がサブピコ秒である集光したレーザ出力を発生させるステップと、を含み、前記透光体および前記集光したレーザ出力が、Ｘ−Ｙ−Ｚ方向において互いに移動する間、前記集光したレーザ出力は、前記透光体を貫通する穴を形成するために少なくとも１つのホールトラックパターンをトレースし、前記少なくとも１つのホールトラックパターンは、前記液体と接触しており、前記液体とともに前記集光したレーザ出力は、前記透光体に少なくとも１つの穴を形成することを特徴としている。

本発明の１つの実施例によると、この方法は、制御可能な位置決めトランスレーションステージを設けるステップと、前記トランスレーションステージに前記透光体を位置付けるステップと、前記集光したレーザ出力の位置に対して、前記透光体を移動するステップと、をさらに含むことを特徴としている。

本発明の１つの実施例によると、集束レンズは、１．０以下の開口数ＮＡおよび３ｍｍ以上の作動距離を有している。

本発明の１つの実施例によると、この方法は、光ファイバを保持する光ファイバデバイスを作製するために利用され且つ光ファイバ収容穴の中に光ファイバを挿入するステップを含み、穴に挿入された光ファイバを与えることとなる。

本発明の１つの実施例によると、この方法は、少なくとも０．２５ｍｍの厚さを有する、厚い酸化ガラスのバルク体を貫通する、複数の精密な穴を形成するために利用され得る。この厚さは、１ｍｍ以上であることが好ましい。

１つの実施例によると、この方法は、例えば光ファイバホルダまたはウェルプレートのような光デバイスを作製することをもたらす。この方法は、レーザでトレースされた少なくとも１つのホールトラックパターンを有するバルクの透光体を作製するために利用されることができ、当該ホールトラックパターンはバルクの透光体を通っている。

本発明のさまざまな実施例についてのさらなる機能および利点は、以下の詳細な説明において説明されており、当該説明から当業者にはすぐに明らかであり且つ添付図面と同様に、以下の詳細な説明および特許請求の範囲を含み、本明細書で説明されているように本発明を実施することによって認識されるであろう。

前述の概要および以下の詳細な説明は、本発明の実施例を示しており且つ特許請求されているような、本発明の性質および特性を理解するための要約または構成を与えることを意図している。添付図面は、本発明のさらなる理解を与えるために含められており、本明細書に含まれてその一部を構成している。添付図面は、本発明のさまざまな実施例を示しており、詳細な説明とともに本発明の原理および工程を説明する働きをしている。

好ましい実施例の詳細な説明

ここから、本発明の好ましい実施例に対する言及が詳細になされている。これらの実施例は、添付図面に示されている。

本発明は、例えばガラスまたはサファイアのような透光体１０の湿式レーザ穴あけ加工の方法に関する。この方法は、本明細書の後半で説明される光学デバイスを作製するのに有利に使用され得る。光デバイスは、例えば光ファイバフェルールのような、光ファイバを保持するための光ファイバデバイスであり得る。

図１Ａ〜図１Ｃに示されているように、この方法は、波長λでレーザ出力３２を発生させる超短パルスレーザ３０を設けることを含み、レーザ出力は、レーザパルス持続時間がサブピコ秒である。透光体１０は、波長λで少なくとも９０％／ｃｍ、好ましくは９５％／ｃｍ以上の透明性を有することが好ましく、波長λでの吸収が５ｘ１０^-2ｃｍ^-1未満であることが好ましい。透光体は、少なくとも０．５ｍｍのバルク厚さを有することが好ましいが、１ｍｍであることがより好ましく、少なくとも２ｍｍであることが最も好ましい。

この方法は、レーザ出力３２を集束するためのレーザ出力集束レンズ３４を設けることをさらに含む。この例において、レンズ３４は、３ｍｍ以上の作動距離（空気中）と１．０以下の開口数ＮＡとを有する。開口数ＮＡは、０．５以下であることがより好ましい。集束レンズがより多くのレーザエネルギーを取り込んで集束させることを可能にするために、開口数は小さいことが好ましく、これは、より大きい直径のレーザビームを取り込むことができることによるものである。作動距離が３ｍｍ以上であることにより、相対的に厚い透光体（厚さ3ｍｍ以上）の穴あけ加工が可能になる。作動距離とは、レンズの最前面（これは、焦点または像と面している）と焦点／像との間の距離として本明細書において定義されている。レーザ出力集束レンズ３４は、３ｍｍ〜３０ｍｍの作動距離および約０．２６〜０．５の開口数ＮＡを有することが好ましく、開口数は０．２８〜０．５であることがより好ましい。

透光体１０の位置および集束レンズ３４によって与えられた焦点／像の位置は、互いに対して調整自在であることが好ましい。この実施例において、透光体１０に少なくとも１つの穴を形成する方法は、コンピュータ制御可能な位置決めトランスレーションステージ３６を設けるステップを含み、当該ステージは、例えば酸化物ガラスのバルク体（oxide bulk glass body）またはサファイアのバルク体である透光体１０を載せるものである。この実施例において、マイクロマシニングまたはレーザパルス穴あけ加工の精度は、ステージ３６の動作精度（０．１μｍ未満）によって主に制限される。本発明の実施例によると、透光体１０は、波長λで少なくとも９０％／ｃｍの透明性を有する。透光体１０は、ＸＹＺステージ３６に供給され、ステージ３６で受け取られる。この実施例において、透光体１０は酸化物ガラスのバルク体である。液体充填コンテナ３９は、透光体１０に隣接配置され、透光体１０の少なくとも一部分が液体３９’と直接接触するようになっている。この実施例において、コンテナ３９はアルミニウムキュベット（aluminum cuvette）であり、液体は水である。液体３９’は、少なくとも１つの界面活性物質を含むことが好ましい。この実施例において、ステージ３６はキュベット３９をも支持し、トランスレーションステージ３６によって、必要に応じて透光体およびキュベットが共に移動されるようになっている。この実施例において、キュベット３９の内部寸法は、０．７５"ｘ１．５"ｘ１．５"である。レーザ出力３２は、集束レンズ３４を通り、透光体１０に近接する焦点位置４０で集束し、すなわちこの位置に像が作られる。像の位置すなわち焦点位置４０は、液体３９’と直接接触した透光体１０の面上または好ましくは、この面の真後ろの液体上に配されることが好ましい。集束レーザ光線４０’は、高強度であり且つパルス持続時間がサブピコ秒である。超短パルスの短い持続時間は、透光体１０の加熱を低減するのに役立つ。我々は、レーザパルスが短くなればなる程、結果として得られる構造の精度が上がるということをも見出した。つまり、レーザパルスが短くなればなる程、穴または窪みを取り囲む面の滑らかさが増すこととなる。透光体１０は、液体充填キュベット３９とともに焦点位置４０に対して移動され、集束レーザ光４０’は、透光体１０を通るホールトラックパターン（hole track pattern）４２をトレースする。少なくとも幾つかのデバイスにおいては、集束レーザ光は、ガラス体１０の厚さを通って少なくとも０．２５ｍｍトレースされ、トレースされてできた穴の長さはこの厚さに等しい。レーザ焦点でトレースされたホールトラックパターン４２は、例えば０．５ｍｍから１０ｍｍの長さであり得る。

従って、図１Ａ〜図１Ｃに示されているように、例えばガラスのような透光体１０に穴を穴あけ加工する方法は、ｉ）液体（例えば水）を透光体１０に直接隣接させて配置するステップと、ｉｉ）透光体１０に穴をあけるために（または透光体の材料をオブレ−ト（oblate)するために（窪ませるために））集束したエネルギーパルスを利用し、水または他の液体で細片を除去するステップと、を含むことを特徴とする。さらに、シリカ（Ｓｉ）をベースにしたガラスにおいて、水は穴あけ加工された領域（ホールトラックに沿った領域）においてガラスとも反応し、穴あけ加工工程を促進する。

図２，図３Ａ，図３Ｂおよび図４に示されているように、この方法は、液体３９’を保持することができるコンテナ３９を設けることを含む。このコンテナ３９は、Ｘ−Ｙ−Ｚステージ上に実装し得るように設計されている。この実施例において、コンテナ３９は取り外し可能な蓋３８を有するキュベットであり、片側（透光体１０と面している側）が開口している。これは、図２に示されている。透光体１０は、フレーム４４上に実装される（図３を参照）。フレーム４４および側面開口部周囲のコンテナ壁４４’は、図４に示されるようにともに境を接しており、液体３９’用の密封コンテナを形成している。コンテナ３９は、光反射を防止するために陽極酸化されていることが好ましい。フレーム４４およびコンテナ３９は、一式のネジ４１で共に繋げられている。或いは、透光体１０は、コンテナ壁４４’に対して直接封着され得る。従って、集束されてトレースされたホールトラックパターン４２が、例えば光ファイバ収容穴４６のような穴を形成するために切削されるときに、ガラス体１０の少なくとも一部分は液体と接触することとなる。

透光体１０を通ってホールトラック４２をトレースするステップは、図５Ａ，図５Ｂおよび図６に示されているようなアウトラインシェルホールトラック（outline shell hole track）４２をトレースすることを含むことが好ましく、アウトラインシェルホールトラック４２は、中央の非露出ガラス容積４３を取り囲む部分である。図５Ａ，図５Ｂおよび図６に示されているように、トレースされたシェルホールトラック４２は、円柱状柱体のシェル形状を有し、材料を除去することによって、取り囲まれた非露出の柱体４３をその周囲の透光体１０から分離し、図７Ａおよび図７Ｂに示されているように中央の非露出ガラス容積４３が除去され、精密な光ファイバ収容穴４６を与えることとなる。１つの典型的な実施例において、２つの隣接するアウトラインシェルホールトラックパターン（outline shell hole track pattern）が、図７Ｃに示されているような、２つの光ファイバを互いに隣接させて収容し且つ位置付けするためのダブレットを形成するようにトレースされている。他の実施例においては、２以上の隣接するアウトラインシェルホールトラックの柱体が、連続してまたはマトリックスで互いに隣接してトレースされ、図７Ｄ〜図７Ｇに示されているように、所定の連続パターンまたはマトリックスパターンで互いに隣接して、複数の光ファイバの位置決めおよび収容を与えることとなる。図７Ｇの隣接してトレースされたアウトラインシェルホールトラック４２は、図８Ａおよび図8Ｂに示されているように、穴に挿入され得る光ファイバ５２のための光ファイバ収容穴４６をもたらす。図８Ａおよび図8Ｂに示されているように、透光体１０の後方ファイバ挿入口で、ファイバ収容穴４６は、ファイバ収容穴４６中へファイバ５０を容易に挿入するための、先細になったファイバファネル（fiber funnel）４７を具備する。

従って、図９Ａおよび図９Ｂに示されているように、光ファイバデバイスを作製する方法は、光ファイバ５０を光ファイバ収容穴４６に挿入するステップをも含み、穴に挿入された光ファイバ５２を与えることとなる。

１つの実施例において、超短パルスレーザ３０を設けるステップは、のレーザパルス持続時間が１００ｆｓ未満であるレーザ出力３２を有するレーザを設けることを含む。レーザパルス持続時間は、５０ｆｓ未満であることがより好ましく、４０ｆｓ以下であることがさらに好ましい。超短パルスレーザ３０を設けるステップは、パルスエネルギーレーザを設けることを含み、当該パルスエネルギーレーザは、４μＪ以上のパルスエネルギーを有するレーザ出力３２を発生させる。１２５μｍ以下の穴に対しては、レーザ出力３２は７．５μＪ以上２５μＪ以下であることが好ましく、２０μＪ以下であることがより好ましい。大直径の穴が、より強いレーザで穴あけ加工され得る。その理由は、大直径の照射パターンは、隣接した液体が冷却し且つ切削箇所内に完全に浸透することを可能にするからである。レーザ波長λは、穴あけ加工される材料の透明領域の範囲内であるべきである。ほとんどのガラスおよび多くの結晶は、近赤外領域における光に対して透明である。従って、レーザ出力３２は、１０００ｎｍ未満のレーザ波長λであることが好ましい。例えば、λは８００±１００ｎｍの範囲であってもよく、約８００ｎｍを中心としても良い。しかし、好ましくはＮＩＲ（近赤外）レーザである他のレーザも利用され得る。

ＮＩＲレーザを使用して透明材料を穴あけ加工する工程は、溶発（ablation）に基づいている。ＮＩＲレーザ波長（我々の場合においては、λ＝８００ｎｍ）で、ガラスおよび結晶は、この波長に透明であるので、レーザ出力３２は当該材料の加熱および融解の原因とはならない。溶発を引き起こすために、我々は非線形溶発の効果を利用しており、当該効果は、多光子吸収がバンドギャップにわたって生じるような、レーザ出力３２がきちんと集束し且つ光強度がかなり強いときに起こる。線形吸収とは違って、非線形係数は強度とともに大きくなり、高強度（例えば１０¹⁵Ｗ／ｃｍ²以上）で、レーザビームの焦点位置４０での吸収は、放射出力の数十パーセントであり得る。焦点体積は数十μｍ³以上ではないので、吸収された出力密度は極めて高く且つ材料は、融解ステージを通ることによって蒸発する。溶発は閾値強度に依存した工程であり、除去される材料の量は、パルスエネルギーとともに多くなる（同強度と仮定した場合）。結果として、ナノ秒パルスは、同強度のフェムト秒パルスと比較して、同材料においてより大きな損傷を生じさせる。ナノ秒パルスでの溶発は、不均一な端面およびクラックを有する大きな空洞をもたらすが、フェムト秒パルスは、周辺領域を損傷することなくより精密な処理を行う。

我々は、極小の穴をもたらす、異なる光学的透明材料のマイクロマシニングの方法を説明しているが、同じ方法および製造条件は、実質的にいかなる微細構造の穴あけ加工およびフライス加工に応用される。光学的透明材料は、例えばさまざまなガラスおよび結晶性物質（例えば水晶およびサファイアなど）であり得る。

穴を形成するために、穴の形状を定める、ガラスにおける経路を形作る必要がある。円柱状の穴を形成するために、透光体１０は、集束レーザ出力によって螺旋状または螺旋に準じた照射パターン（本明細書では、ホールトラックパターンとしても言及されている）が生じるような方法で移動される。これらのパターンは、図１０Ａおよび図１０Ｂにおいて概略的に示されている。螺旋状の照射パターンは、内部の柱体を切削するのに十分であるべきであるが、１．５ｍｍ〜２ｍｍを超える厚さを有する幾つかの透光体においては、穴は細片で詰まるようになる。これらの透光体においては、より良い液体の対流および穴のフラッシングを可能にするために、それらを穴あけ加工する際に、我々は、このパターンの範囲内で垂直な切削経路を導入することによって、螺旋状のトラックパターンを修正した（図１０Ｂ）。全ての螺旋状のトラックパターンの範囲内で垂直な切削経路は、液体の対流を改善し、穴が詰まるという問題を解決するのに役立つ。従って、図１０Ｂに示されているように、この実施例において、ホールトラックパターンは垂直に分離した断面を有している。切削された経路の顕微鏡写真が、図１０Ｃに示されている。

照射中に、液体３９’は沸騰し、細片のフラッシングは、液体表面に生じる泡に起因した自然対流によって起こり、新鮮な液体が切削経路（穴）中に流れる。しかし、もしｉ）泡が透光体１０の表面にくっつくおよび／またはｉｉ）泡が大き過ぎる、という場合には、細片のフラッシングが妨げられ得る。従って、かかる場合には、界面活性剤を水に加えてサンプル表面への泡の付着を取り除き且つ泡のサイズを小さくすることが好ましい。かかる界面活性剤の一例として、ドデシル硫酸ナトリウムすなわちＳＤＳが挙げられる。他の界面活性剤も使用され得る。我々は、メタノールを加えることによって穴あけ加工工程が改善され得るということをも見出した。両方の添加剤についての量は重要ではなく、実質的には蒸留水中の界面活性剤（この実施例においてはＳＤＳ）の量は飽和に近く、この溶液はメタノールで５０／５０の割合で混合される。更に詳細には、１つの実施例において、我々は３０ｍｌの水に約５ｍｌのＳＤＳを加えた。さらに、穴あけ加工工程中に界面活性剤は消費され得るので（これは、レーザ光がＳＤＳ分子を破壊することによる。）、我々は、必要に応じて穴あけ加工工程中にＳＤＳを水に加えた。

光学的透明材料１０の典型的な屈折率は、１．４５〜約１．７である。幾つかの例においては、光学的透明材料１０の屈折率Ｎが水の屈折率（ｎ＝１．３３）と実質的に異なるとき、水をベースにした液体は有効に働かないであろう。これは、あまりに多くの光がガラスと水の界面で反射してしまうことにより生じる。しかし、ディスプレイガラスに穴あけ加工する際にこの問題に直面したとき、水または水をベースとした溶液を使用する代わりに、液体３９’として約１．４７の屈折率を有するジメチルスルホシキド（ＤＭＳＯ）を利用することによって、我々はこの問題を克服することができた。

所定のさまざまな直径の穴は、中央の非露出のガラス容積の周囲に、螺旋状のようなレーザ照射のトラックパターンアウトラインシェルホールトラックを描くレーザビームを照射することによって形成される。その後、周囲のトラックパターンで囲まれた、内部の非露出部は、バルクの透光体１０から取り外される。直径１２０μｍの柱体のアウトラインシェルは、２ｍｍ厚さの断片において照射された。ステージおよび収容された透光体１０は、連続的な円を書き込むために移動され、柱体が形成されることとなる。円の直径は約１２０μｍであり、円の平面間の間隔は、１０μＪのパルスエネルギー，４０ｆｓのパルス，８００ｎｍの波長，２０ｋＨｚおよび２５０μｍ／秒の書き込み速度を使用して、約２〜３μｍであった。さらに詳細には、1つの実施例において、我々は透光体１０として２ｍｍ厚さのＨＰＦＳ（高純度石英ガラス）のウエハを与えた。我々は、この材料に穴を形成するために、単純な螺旋状の照射パターンを利用した。図１１Ａは、このウエハのマイクロ写真であり、結果として得られた穴４６を示している。図１１Ｂは、この穴４６から出たピン（すなわち、非露出のガラス容積）の写真である。このウエハに直径１２６μｍの穴を加工するために要した時間は、約１０分であった。照射された螺旋の直径は１１０μｍであり、最終的な直径は、焦点の有限サイズによって大きくなる。

他の実施例においては、上述の製法を利用して且つ液体３９’にピレンとアセトンの混合物を使用して、１２６μｍの穴が２ｍｍの石英ガラス板に穴あけ加工された。

ＨＰＦＳ板において、１２６μｍの穴が典型的な２ｘ２で配列されている写真が、図１２に示されている。その後、光ファイバ５２は、穴４６に挿入される。ファイバ５２が穴の中へ挿入された状態で、ファイバ５２のコア間の中心間距離の測定差異は０．７μｍであるが、直径差異は０．１μｍであった。

表１は、例示的な様々なガラスおよびサファイヤ結晶に対する穴あけ加工条件の、幾つかの実施例を与えるものである。例示的な材料の化学組成は、本明細書において後に与えられている。結果として得られた穴は、直径約１２６μｍであった。サファイヤは、最も硬い材料の１つであるが、極めて容易に穴あけ加工することができる、ということが知られている。移動速度は相対的に速く、蒸留水への添加剤は必要とされず、垂直な経路なくして螺旋状のトラックは良く機能した。

この方法を利用することによって、５μｍ／ｓ以上の速度、好ましくは１０μｍ／ｓ以上の速度で１２５μｍの穴を切削することができるということを、我々は見出した。切削速度は、２０μｍ／ｓより大きく２ｍｍ／ｓ未満であることが好ましいが、５００μｍ／ｓ未満であることがより好ましい。大きいサイズの穴に対しては、好ましい切削速度は異なり得る。レーザビームのパラメータは、レーザ穴あけ加工の効率に対して重要である、ということを我々は見出した。レーザパルスの持続時間は、非線形吸収を最大にするように微調整されることができ、結果としてガラスの溶発が最大になる。それに反して、得られた穴が細片で詰まることのない速い溶発のために、適切な切削速度に加えて適度な平均出力が最適化されるべきである。光強度が過剰であるとき（直径１２５μｍの穴に対して、ガラスの場合は２０μｊ以上で、結晶材料の場合は３０μｊ）、水の対流は、切りくずから穴を洗浄するのに十分速くないので、溶発速度は、対流速度とバランスをとるように選択されるべきである。７．５〜１０μＪのレーザパルスエネルギーおよび５０〜２５０μｍ／ｓの範囲にある切削速度は、穴の滑らかさおよび穴あけ加工速度に関して、極めて良好な結果を与えるということを我々は見出した。１つの例示的な実施例において、我々は、４ｍｍ厚さの酸化ガラスに直径１２６μｍの穴を約１２分で穴あけ加工することができた。

例示的な材料

１つの実施例において、透光体１０は、酸化ガラスのバルク体であり、当該酸化ガラスのバルク体は、この実施例においては石英ガラス体（コーニング社（Corning,Inc,of Corning,NY) から入手できるＵＬＥ（登録商標））を含むＴｉＯ₂である。好ましい実施例において、ＴｉＯ₂二酸化ケイ素の石英ガラス体は、５〜１０重量パーセントのＴｉＯ₂を含み、ＴｉＯ₂石英ガラスは、重量でのＯＨ含有量が１００ｐｐｍより大きいことが最も好ましく、より好ましくは５００ｐｐｍより大きいことがより好ましく、石英ガラスは、実質的にＳｉＯ₂およびＴｉＯ₂からなる直接堆積ガラス（direct deposit glass）であることが好ましい。特に好ましい実施例において、石英ガラス体と融合したＴｉＯ₂二酸化ケイ素は、６〜８重量パーセントのＴｉＯ₂を含み、より好ましくは６．５〜７．５重量パーセントのＴｉＯ₂、最も好ましくは約７重量パーセントのＴｉＯ₂を含む。石英ガラス体と融合したＴｉＯ₂（６〜８重量パーセント）二酸化ケイ素は、５〜３５℃の温度範囲で−３０ｐｐｂ／℃〜３０ｐｐｂ／℃の範囲にあるＣＴＥを有することが好ましい。

他の例示的な実施例において、透光体１０は石英ガラス体であり、より詳しくはバッチ融解したホウケイ酸ガラス（batch melted borosilicate glass）であり、当該ホウケイ酸ガラスは、少なくとも１％の酸化ホウ素を含むことが好ましく、少なくとも３％の酸化ホウ素を含むことがより好ましい。

１つの実施例において、石英ガラス体は、例えばバッチ融解したソーダ石灰ガラスのような窓ガラスであり、当該窓ガラスは、少なくとも１％のＮａ２Ｏと１％のＣａＯとを含むことが好ましく、少なくとも３％のＮａ₂Ｏと３％のＣａＯとを含むことがより好ましい。

１つの実施例おいて、透光体は表１のディスプレイガラスである。より詳しくは、透光体は、バッチ融解した溶融延伸型（fusion drawn）の板ガラスであり、Ｂ₂Ｏ₃アルミナ石英ガラスであることが好ましく、例えば約５０（±５）重量パーセントのＳｉＯ₂，１５（±５）重量パーセントのアルミナ，７．５（±２）重量パーセントのＢ₂Ｏ₃および１４（±５）重量パーセントのアルカリ土類を含む。このガラスの穴あけ加工は、ＤＭＳＯの使用によって促進された。

１つの例示的な実施例において、酸化ガラスのバルク体１０は、セラミック化していないガラス−セラミックのガラス（uncerammed glass-ceramic glass）であり得る。その後、ホールトラックパターンを有する、セラミック化していないガラス−セラミックのガラスは、結晶が成長してセラミック化する。酸化ガラスのバルク体１０は、感光性の有核ガラス（nucleated glass）であってもよく（表１でＦｏＴｏｆｏｒｍ（登録商標）としても言及されており、コーニング社から入手できる）、メタケイ酸リチウムの微結晶相、好ましくは例えばｆｏｔｏｆｏｒｍアルミノケイ酸リチウムのようなアルミノケイ酸リチウムガラスを形成する感光性の有核ガラスであることが最も好ましく、当該ｆｏｔｏｆｏｒｍアルミノケイ酸リチウムは、約７９（±１）重量パーセントのＳｉＯ₂，９．４（±１）重量パーセントのＬｉ₂Ｏ，１．６（±１）重量パーセントのＮａ₂Ｏ，４（±１）重量パーセントのＫ₂Ｏ，４（±１）重量パーセントのＡｌ₂Ｏ₃，１（±．５）重量パーセントのＺｎＯ，０．４（±．２）重量パーセントのＳｂ₂Ｏ₃，０．０１５（±．００５）重量パーセントのＣｅＯ₂，０．００３（±．００３）重量パーセントのＳｎＯ₂，０．００１（±．０００５）重量パーセントのＡｕおよび０．１（±０．０５）重量パーセントのＡｇの組成を有している。

１つの例示的な実施例において、セラミック化していないガラス−セラミックのガラスは、ガラス体３８に穴を形成後セラミック化される。セラミック化していないガラス−セラミックのガラス体１０は、アルミノケイ酸の緑のガラス体であり得る。１つの実施例において、セラミック化していないガラス−セラミックのガラスは、アルミノケイ酸リチウムのガラス体である。

例示的なセラミック化していないガラス−セラミックのガラスは、例えばＴｉＯ₂またはＴｉＯ₂とＺｒＯ₂とを含む。１つの実施例において、ガラス−セラミックのガラス体は、アルミノケイ酸リチウムのガラス体であり、このアルミノケイ酸リチウムのガラス体は、負の熱膨張基板にセラミック化可能であり、−４０℃〜８５℃の温度範囲で−２０ｘ１０^-7／℃〜−１００ｘ１０^-7の範囲にあるＣＴＥを有することが好ましく、１：１：２〜１：１：３の範囲にあるＬｉ₂Ｏ：Ａｌ₂Ｏ₃：ＳｉＯ₂のモル比を有することがより好ましく、８〜１２重量パーセントのＬｉ₂Ｏ，３０〜４５重量パーセントのＡｌ₂Ｏ₃，４０〜６０重量パーセントのＳｉＯ₂，３〜６重量パーセントのＴｉＯ₂，０〜３重量パーセントのＢ₂Ｏ₃および０〜４重量パーセントのＰ₂Ｏ₅からなっていることが最も好ましい。１つの実施例において、ガラス−セラミックのガラス体は、約２０ｘ１０^-7／℃未満の、低い平均ＣＴＥ（０〜１０００℃）を有するガラス−セラミック中にセラミック化可能なアルミノケイ酸リチウムのガラス体であり、当該アルミノケイ酸リチウムのガラス体は、好ましくは３〜８重量パーセントのＬｉ₂Ｏ，１８〜３３重量パーセントのＡｌ₂Ｏ₃，５５〜７５重量パーセントのＳｉＯ₂および３〜５重量パーセントのＴｉＯ₂＋ＺｒＯ₂からなっていることが好ましい。１つの実施例において、ガラス−セラミックのガラス体は、アルミノケイ酸リチウムのガラス体であり、当該アルミノケイ酸リチウムのガラス体は、０±０．１０ｘ１０^-6／Ｋ（０〜５０℃）、より好ましくは０±０．０５ｘ１０^-6／Ｋ（０〜５０℃）および最も好ましくは０±０．０２ｘ１０^-6／Ｋ（０〜５０℃）
の平均線形熱膨張係数を有するガラス−セラミックにセラミック化可能である。０±０．１０ｘ１０^-6／Ｋ（０〜５０℃）の平均線形熱膨張係数を有するガラス−セラミックにセラミック化可能である、ガラス−セラミックのアルミナケイ酸リチウムのガラス体は、約５５．５（±１）重量パーセントのＳｉＯ₂，２５．３（±１）重量パーセントのＡｌ₂Ｏ₃，３．７（±１）重量パーセントのＬｉ₂Ｏ，１（±１）重量パーセントのＭｇＯ，１．４（±１）重量パーセントのＺｎＯ，７．９（±１）重量パーセントのＰ₂Ｏ₅，０．５（±０．５）重量パーセントのＮａ₂Ｏ，０．０３（±．０３）重量パーセントのＦｅ₂Ｏ₃，２．３（±１）重量パーセントのＴｉＯ₂，１．９（±１）重量パーセントのＺｒＯ₂および０．５（±０．５）重量パーセントのＡｓ₂Ｏ₃、の重量パーセント組成を有している。

デバイスの例

本発明は、光ファイバデバイスの作製方法だけでなく、他のデバイスおよび当該方法によって製造されたデバイスを含む。光ファイバデバイスの例として、光ファイバホルダが挙げられる。図１３Ａ〜図１３Ｃに示されているように、本発明の１つの実施例は、酸化ガラスのバルク体１０における所定の位置に、複数のホールトラックパターンをトレースする焦点を含むことが好ましく、光ファイバ収容穴４６の配列を与えることが好ましい。図１３Ｃに示されているように、穴４６のかかる多数の配列は、光ファイバレンズアレイを形成するために使用され、当該光ファイバレンズアレイは、光ファイバレンズアレイのレンズ５４と位置合わせされた、正確に形成された穴４６有しており、穴４６は、光ファイバ５０をコアのレンズ５４の光軸と位置合わせするために与えられる。

光ファイバデバイスの作製方法は、図１４Ａ〜図１４Ｄに示されたデバイスを与えるために利用され得る。これらのデバイスは光ファイバホルダであり、当該光ファイバホルダは、透光体１０の光ファイバ収容穴４６に入れられた、複数の光ファイバ５０を正確に位置合わせするための効率的な手段を与える。かかる光ファイバホルダは、光ファイバの光デバイスにおいて利用可能である。

図１５に示されているように、本発明は、光ファイバがかかるデバイスをもって２つの分離箇所で保持される光ファイバデバイスを作製するために利用され得る。より詳しくは、酸化ガラスのバルク体１０は、セラミック化していないガラス−セラミックのガラスであることが好ましく、ガラス体１０は、負の熱膨張のガラス−セラミックにセラミック化されることが好ましい。図１５に示されているような実施例で、酸化ガラスのバルク体１０は、負の熱膨張のガラス−セラミックの基板体にセラミック化されることが好ましく、ファイバブラッグ格子５６を含む光ファイバ５０は、穴４６内に固定され、ファイバ５０は張力を受けて保持される。かかる実施例で、穴に挿入されたファイバの格子５６は、ファイバの張力を調整するガラス−セラミックの負の熱膨張による温度変化に対して断熱化される。従って、光ファイバホルダを作製する方法は、前述のように、透光体１０の湿式穴あけ加工によって設けられた穴の中に、少なくとも１つのファイバを挿入するステップをさらに含む。

他の実施例において、アウトラインシェルホールトラックパターンは、図１６に示されているような、例えば三角形，正方形，長方形，ひし形および楕円形のような非円形の断面形状を有し得る。アウトラインシェルホールトラックパターンは、徐々に増大して変化する中間断面を有し得る。設けられた透光体は、第１の面，第２の末端面およびアウトラインシェルホールトラックを含む前記第１の面と前記第２の面との間の厚み中間部を有することが好ましく、当該アウトラインシェルホールトラックは、最小断面（例えば、面の少なくとも１つに隣接している）から最大断面（厚み中間部に隣接している）まで伸長している伸長断面を含む伸長断面を有している。図１７Ｂの、徐々に変化する断面のアウトラインシェルホールトラック４２は、少なくとも１つのガラス体表面１０１に接した最小断面１０３および最大断面１０４を有する。図１７Ａに示されているように、伸長した断面のアウトラインシェルホールトラック４２は、連続的な平行平面で円をトレースすることによって形成されても良く、例えば、円運動でステージおよびガラス体を移動させることによって第１の円をトレースし、その後、焦点（移動ステージ）をガラス体中にさらに深く移動させ、ステージおよびガラス体を移動させることによって第２の円をトレースし、レーザ焦点が厚さ方向へガラス体中をさらに深く進むにつれて、増大してまたは縮小してトレースされた円の直径を有する連続的な円をもって継続することによって形成される。図１７Ｂに示されるように、増大するアウトラインシェルホールトラック４２は、例えば図１６に示されたような非円形の断面を有し得る。この方法は、サイズが変化する（頂点から底まで）断面を有する凹みまたは窪みの配列を有するウェルプレートを作製するために利用され得る。

レーザでトレースされたアウトラインシェルホールトラックパターンは、第１の面に接した、ファイバファネルの先細部を含んでもよく、最小断面は、第２の末端面に接している。ガラスは、面と面との間で少なくとも０．２５ｍｍのバルクのガラス厚さを有することが好ましい。レーザトレースされた、アウトラインシェルホールトラックパターンの増大する断面は、円形形状を有することが好ましい。しかし、増大する断面は、例えば三角形，長方形，正方形またはひし形のような、直線面を持った形状を有しても良い。

本発明は、ガラスおよび他の光学的透明材料において、優れた空間精度を有する所定のサイズの穴を穴あけ加工することを可能にする。レーザトラックパターンの形状（露出されたホールトラックパターン）は、実質的にレーザビームでトレース可能ないかなる形状でもあり得るが、深さおよび最終形態の穴のアスペクト比は、特定の用途によってさらに定められる。本発明の利点は、厚いサンプル（数ミリまで）のマイクマシニングを行う能力であり、サブミリメートルの厚さ、好ましくは少なくとも約２ｍｍのガラス体厚さを有する、厚いバルクのガラス体におけるマイクロマシニングであることが好ましい。この方法は、サブピコ秒領域のレーザパルス持続時間で生じる照射レーザのレーザ波長に透明である様々な材料に適用され得る。前述のように、本発明のレーザ源は、十分なパルスエネルギー（４ｐJ以上）を発生させることが好ましく、レーザパルス持続時間は、サブピコ秒領域であることが好ましいが、１００ｆｓ以下であることが最も好ましい。

様々な変形例および変更例が、本発明の範囲から逸脱することなく本発明になされることができるということが当業者には明らかであろう。従って、本発明の変形例および変更例が、添付の特許請求の範囲および均等物の範囲内に含まれるならば、本発明はそれらに及ぶということを意図している。

本発明の実施例を示す図である。 本発明の実施例を示す図である。 本発明の実施例を示す図である。 透光体を支持する例示的なフレームを示す図である。 液体を保持する例示的なキュベットを示す図である。 液体を保持する例示的なキュベットを示す図である。 図２のフレームに隣接した、図３Ａおよび図３Ｂのキュベットを示す図である。 複数のシェルホールトラックを有する透光体を概略的に示す図である。 複数のシェルホールトラックを有する透光体を概略的に示す図である。 レーザ焦点を移動することによって形成されたシェルホールトラックを有する透光体を示す図である。 透光体およびこの透光体から分離され（オブレーション（oblation）による)且つ取り除かれた円柱状材料を概略的に示す図である。 複数の円柱状の穴を有する透光体を示す図である。 異なるホールトラックパターン配置の例を概略的に示す図である。 異なるホールトラックパターン配置の例を概略的に示す図である。 異なるホールトラックパターン配置の例を概略的に示す図である。 異なるホールトラックパターン配置の例を概略的に示す図である。 異なるホールトラックパターン配置の例を概略的に示す図である。 透光体におけるレーザ穴あけ加工された穴に収容された、穴に挿入されたファイバを示す図である。 透光体におけるレーザ穴あけ加工された穴に収容された、穴に挿入されたファイバを示す図である。 各々に光ファイバが挿入された複数の穴を有する透光体を示す図である。 各々に光ファイバが挿入された複数の穴を有する透光体を示す図である。 螺旋状の照射パターンを示す図である。 螺旋に準じた、別の照射パターンを示す図である。 図１０Ｂに示された、螺旋に準じた照射パターンによって生じた空洞または経路の顕微鏡写真である。 ガラス体における円柱状の穴を示すガラスサンプルの顕微鏡写真である。 図１１Ａに示されたガラス体から取り除かれた円柱状のガラス容積を示す図である。 ４つの穴を有し且つ各々の穴に光ファイバが挿入されている透光体を示す図である。 本発明の光ファイバデバイスの１つの実施例を示す図である。 本発明の光ファイバデバイスの１つの実施例を示す図である。 本発明の光ファイバデバイスの１つの実施例を示す図である。 本発明の他の光ファイバデバイスの１つの実施例を示す図である。 本発明の他の光ファイバデバイスの１つの実施例を示す図である。 本発明の他の光ファイバデバイスの１つの実施例を示す図である。 本発明の他の光ファイバデバイスの１つの実施例を示す図である。 本発明のさらに他の光ファイバデバイスの１つの実施例を示す図である。 本発明の実施例に利用される別のトラックパターンを概略的に示す図である。 本発明の他の実施例を概略的に示す図である。 本発明の他の実施例を概略的に示す図である。

Claims (20)

1. 透光体を貫通する少なくとも１つの穴を形成する方法であって、
   λの波長を有し且つレーザパルス持続時間がサブピコ秒であるレーザ出力を発生させる超短パルスレーザを設けるステップと、
   開口数ＮＡを有し、前記レーザ出力を集束するレーザ出力集束レンズを設けるステップと、
   前記λで、少なくとも９０％／ｃｍの透明性を有する透光体を設けるステップと、
   前記透光体の少なくとも一部分に隣接して配置される、液体を充填したコンテナであって、前記透光体が前記液体に直接接触するようにさせる、液体を充填したコンテナを設けるステップと、
   前記レーザ出力を前記集束レンズに導き、前記透光体に接した、レーザパルス持続時間がサブピコ秒である集光したレーザ出力を発生させるステップと、
   を含み、前記透光体および前記集光したレーザ出力が、Ｘ−Ｙ−Ｚ方向において互いに移動する間、前記集光したレーザ出力は、前記透光体を貫通する穴を形成するために少なくとも１つのホールトラックパターンをトレースし、前記少なくとも１つのホールトラックパターンは、前記液体と接触しており、前記液体とともに前記集光したレーザ出力は、前記透光体に少なくとも１つの穴を形成することを特徴とする方法。
2. 前記ホールトラックパターンは、少なくとも２２μｍの幅を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記ホールトラックパターンは、７５μｍ〜２００μｍの幅を有することを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 制御可能な位置決めトランスレーションステージを設けるステップと、
   前記トランスレーションステージに前記透光体を位置付けるステップと、
   前記集光したレーザ出力の位置に対して、前記透光体を移動するステップと、
   をさらに含むことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記透光体に対する前記集光したレーザ出力の動作速度は、少なくとも１０μｍ／ｓであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記透光体に対する前記集光したレーザ出力の動作速度は、５０μｍ／ｓ〜２５０μｍ／ｓの範囲にあることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. パルスエネルギーは、少なくとも４μＪであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 前記透光体は、ガラス，ガラス−セラミック，セラミック化していないガラス−セラミックのガラスおよびサファイアからなる一群から選択される材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
9. 透光体を設けるステップは、重量で少なくとも１００ｐｐｍのＯＨを含む石英ガラスを設けることを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
10. 透光体を設けるステップは、アルミノケイ酸の緑のガラス体，負の熱膨張のガラス−セラミック体にセラミック化し得るガラスおよび感光性の有核ガラスからなる一群から選択される、セラミック化していないガラス−セラミックのガラスを設けることを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
11. 前記液体は、ｉ）水，ｉｉ）界面活性剤，ｉｉｉ）メタノール，ｉｖ）アセトンのうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
12. 前記穴の中に光ファイバを挿入し、穴に挿入された光ファイバを含むガラス体を設けるステップを更に含むことを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 前記集光したレーザ出力は、前記液体と連携して、前記透光体に複数の穴を形成することを特徴とする請求項１に記載の方法。
14. 前記ガラス体の穴の各々に光ファイバを挿入するステップを含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. 前記超短パルスレーザを設けるステップは、レーザパルス持続時間が５０ｆｓ未満であるレーザ出力を与えることを特徴とする請求項１から１４のいずれか１項に記載の方法。
16. 前記超短パルスレーザを設けるステップは、５μＪ以上のパルスエネルギーを有するレーザ出力を発生させることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項または請求項１１に記載の方法。
17. 透光体を設けるステップは、前記λで９５％／ｃｍ以上の透明性を有する酸化ガラスのバルク体であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の方法。
18. 前記超短パルスレーザを設けるステップは、前記λが１０００ｎｍ未満のレーザを設けることを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
19. 前記λは、８００±１００ｎｍの範囲にあることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
20. 請求項１から７のいずれか１項に記載の方法によって作製された光デバイス。

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