JP2013536469A - 体積ブラッグ回折格子の作製方法ならびに装置 - Google Patents

Abstract

光熱屈折性材料内に複数の体積ブラッグ回折格子（ＶＢＧ）を記録するシステムは、位相マスクを通過する可干渉光による材料の照光を規定する方法を実行する構成としてある。このシステムは、光源と位相マスクと材料とを相互に変位させるよう作動可能とされてそれぞれ１以上の均一な構成のＶＢＧを有する複数の材料ユニットを大量生産する複数のアクチュエータを有する。

Description

本発明は、光熱屈折性ガラス内に体積回折要素を作製する方法に関する。より詳しくは、本発明はホログラフ光学素子に関し、特に不純物添加処理した光熱屈折性（ＰＴＲ）ガラス内に作製する体積ブラッグ回折格子（ＶＢＧ）に関する。
発明の分野

光熱屈折性ガラス内に作製されるＶＢＧと紫外光誘起屈折率構造を含む回折光学素子は、近年、光電子工学において幅広く受け入れられてきた。例えばＶＢＧは、市販のレーザダイオードからの出力波長を安定化させる有効な光学的解決策である。

典型的なＶＢＧ記録方法には、プリズム面に結合された感光性ガラスからなる薄く細長いプレートを有するプリズムを核とする干渉計（その全体を参照により本願明細書に組み込む米国特許第７，３９１，７０３号）が含まれる。このプリズムは、所与の波長で透明な材料から出来ている。プリズムの入射光波への露光が、プレート表面に沿うＶＢＧの記録に通ずる。

上記の干渉計手法を用いたＶＢＧの作製工程期間中に、幾つかの不便さに遭遇することがある。例えば、プレートの縦と横に均一な屈折率変化と屈折率変調を有するよう、露光強度は均一にしなければならない。しかしながら、これは技術的な難題である。同様に難題となるのが、ビームとプリズムに結合されたプレートとの間の空間的な安定性のようであり、この安定性は同様に複製可能な回折格子の作製に必要とされるものである。プリズムとプレートとの間の結合はミスアライメントに左右されることがあり、良好な機械的な安定性が必要である。この方法が呈するさらなる不便さには、プレートを方形切断して個々のＶＢＧを受容することが含まれることがあり、何故ならこれは回折格子面とガラス面との間に所定の角度が望まれる場合に、回折格子の干渉縞の長手方向を横断してプレートを切断することで行なわれるからである。

側面干渉記録を用いる体積回折格子作製のもう一つの方法（その全体を参照により本願明細書に組み込む米国特許第５，４９１，５７０号）は、大型で肉厚の体積ホログラムの作製を見込むものである。この手法は、先に説明したもの同様、構成要素間に所望のアライメントを維持する困難さが故に大量生産には有効でないようである。加えて、この方法は、最終製品が小型のＶＢＧではなく、大型で肉厚の体積ホログラムを含むが故に、平板ガラスの方形切断の教訓を教示するものではない。

ファイバ型ブラッグ回折格子の作製方法には、前記したものよりも簡単でより効率的な手法が用いられる。回折格子は通常、石英ガラス回折格子位相マスクを用いて光ファイバのコア内に転写される（その全体を参照により本願明細書に組み込む米国特許第５，３６７，５８８号）。「垂直に入射する紫外光を用いた位相マスクのレーザ照射が、位相マスクが生成する干渉パターンを光ファイバコア内に転写する」（その全体を参照により本願明細書に組み込む米国特許第５，３６７，５８８号）。構造上、本方法を実施する装置は、片やファイバを並置されたマスク上に入射する正規分布を有する光を照射する静止光源を用いて構成される。

位相マスクを使用することの幾つかの明白な利点には、これに限定はされないが、回折格子の製作と信頼できる複製可能な長さの回折格子に向けた低可干渉性エキシマレーザの使用が含まれる。これらの利点は、効率的な大量生産にとって不可欠である。恐らく、ファイバ型回折格子生成プロセスに関連する考えられる望ましからざる結果の一つは、通常は長い可干渉性波長を有するレーザである静止光源から派生する。

一般に、どのような長さのファイバも、それが使用マスクの寸法を超過しない限り、照射することができる。しかしながら、シングルモード型静止レーザが放射する照射光は、レーザ軸に沿う大強度場と、分布両翼がその中心軸領域から遠ざかるにつれて徐々に分布が変化するより小さな場強度とにより特徴付けられる実質正規分布を有する。その結果、マスクは光に対し均一にさらされず、そのことが反射性や中心波長等の回折格子パラメータのばらつきに通ずる。場の不均一性の問題は、マスクに対し変位可能なレーザにより解決されていた（その全体を参照により本願明細書に組み込む米国特許第５，０６６，１３３号）。

それ故、大量生産に用いる効率的な仕方でＶＢＧを作製する方法に対する必要性が存在する。

光（紫外光）露光の均一性により特徴付けられるＶＢＧの作製方法に対するもう一つの必要性が、存在する。

回折格子パラメータの複製可能性、特に大量生産において頗る重要な回折格子周期により特徴付けられるＶＢＧの作製方法に対するさらなる必要性が依然として存在する。

これらの必要性は、位相マスクとマスクとレーザ光源の相対変位を用い、光熱屈折性ガラス内にＶＢＧ等の横断ホログラフ要素を大量生産する本開示により適えられる。開示された装置により、とりわけ、均一な屈折率変化と、中心波長と照射線量と、少なくとも９５％に及ぶ製品が設定品質基準を上回る大量生産と、複製可能な回折格子パラメータとが可能になる。

本開示の一態様によれば、開示装置は光源と平板との間に位置する細長い位相マスクに入射する紫外光に対する一体型の厚肉の平板の露光を提供する。この露光には、紫外光を照射する光源とマスクとの相対的変位による平板への均一な照射が付随する。必ずしもそうとは限らないが、好ましくは、静止マスクに対し光源を移動させる。

相互に変位可能な位相マスクと光源を含む構成は、照射対象である材料の露光面に沿って形成されて材料を通って延在する複数の平行な体積ブラッグ回折格子（ＶＢＧ）を生成する。開示装置ならびに方法の顕著な特徴の一つによれば、回折格子の位置により、公知の先行技術に教示されている如く、方形切断鋸は回折格子に沿ってこれに垂直ではなく平板を切断することができる。

本開示のさらなる態様によれば、一体型の平板内にＶＢＧを作製してさらに平板を方形切断して個々の体積回折格子を生成するのではなく、最初に平板を複数の均一なユニットに切断する。個々のユニットは互いに積層し、先に開示した態様に類似の仕方で可変位紫外光源にさらす。

ここに開示する方法の上記ならびに他の態様や特徴と利点は、添付図面にて例示した下記の具体的な説明からより即座に明らかとなろう。

開示方法を実行するよう作動可能な組立体の極めて概略的な図である。 開示方法の底流にある概念を示す概略図である。 図１の組立体に従って記録したＶＢＧを備える個別材料ユニットの図である。 公知の先行技術を概念的に示す概略図である。 開示方法に従って構成した切断ステージを示す。 開示方法の一態様に従い配設した照射対象材料ユニットを示す。 開示方法の主要工程を表わすフローチャートを示す。

詳細な説明
ここで、開示システムに対する参照を詳細に行なうことにする。可能である限り、同一または類似の参照符号を図面と詳細な説明とに使用し、同一あるい同様の部分もしくは工程を指すことにする。図面は、単純化された形態をなし、厳密な縮尺からは遠いものである。

図１は、光熱屈折性ガラスからなる平板１２内に体積ブラッグ回折格子（ＶＢＧ）を記録する方法を実行する構成としたシステム１０を示すものである。このシステム１０はさらに、位相マスク１８上に入射する紫外光ビーム２５を照射するよう作動可能な光発生組立体１４を含む。マスク１８は、軸方向にマスクと実質同一の広がりを有し、記録ＶＢＧに対するホスト材料として構成される平板１２に対し当接あるいは近接させるかのいずれかで配置する。平板１２の寸法をマスク１８の寸法を上回るよう選択した場合、平板に沿って幾つかのマスクを配置することができる。マスク１８は、半導体作製技術の当業者に公知の仕方で作動する。平板１２は、軸Ａ−Ａ’線に沿って延在して支持体１３に装着される細長い本体を含んでいる。このシステム１０は、マスク１８と光源組立体１４と平板１２が全てアクチュエータ２１により相互に直線的に変位可能にできるよう作動する。下記に説明する好適な実施形態では、光組立体１４は平板１２の細長い軸Ａ−Ａ’に平行な方向に静止マスク１８に対し移動させるよう作動可能としてある。光源組立体とマスク／平板の複合変位は、個々の支持体１３，１９に装着され、あるいは単純に相互に変位可能に固定されたマスク１８と平板１２が紫外光ビーム２５に対し移動するよう、逆転させることができる。この相対的な変位は、回折格子領域２４のどのような任意の長さの形成も見込むものである。さらにもっと重要なことであるが、これらの構成要素の相対的な変位が回折格子領域２４全体に光ビーム２５の大強度場の実質均一な分布を規定する。平板１２の照射の結果、点線で示す複数の干渉縞２３を平板内に生成して回折格子領域２４を画成し、この領域を干渉縞に沿ってさらに方形切断し、互いに分離された複数の個別ユニットを形成する。

光発生組立体１４は、平板１２内の所望深度でかつ無論のこと回折格子領域２４の所望長さに沿ってＶＢＧ２２を書き込むよう構成してある。この組立体は、正規分布を有する実質基本モードにおいて出力ビーム２５を照射するファイバレーザとして構成することのできるレーザ２６等の光源を含む。ビーム２５は光路に沿って伝搬し、双頭の矢印１６で示す如く回動するよう軸３６上に装着した上流のミラー２８等の第１の光反射構成要素に入射するに至る。ミラー２８の角度変位は、垂直に沿うレーザの実際の変位を伴うことなく、ＶＢＧ書き込み組立体すなわちマスク１８からレーザ２６を移動させることのできる所望距離の設定を見込むものである。光発生組立体１４はさらに、凹部形成ミラー３０，３２等の２個の光反射要素を含めることのできるビーム拡大器を用いて構成してある。ビーム拡大器は、ビーム３８と４０をそれぞれ干渉させることで生成される平板１２上の光スポットの寸法を変調する構成としてある。干渉ビーム間の重複４２が大きくなればなるほど、平板１２内に浸透する光の深度は大きくなる。ビーム拡大係数は、個々の要素３０，３２の焦点距離比により決まる。かくして、要素３０，３２はこれら要素を相互に変位させることで得ることのできる視準化ビーム出力を有するよう、重複する焦点を持たせなければならない。最後に、光反射要素３４の走査がマスク１８と平板１２とを含む書き込み組立体４４に向け拡大ビーム２５を振り分ける。回折格子領域２４全体の所望次元を均一に照射すべく、要素３４をアクチュエータ２１により制御可能に変位させ、露光線量の均一性を最適化することができる。別の選択肢として、前記した如く、支持体１３，１９をそれぞれ組立体１４に対し変位させる。

図２は、ＶＢＧ書き込み組立体４４を概略示すものである。図１のシステム１０の構成が故に、マスク１８内を伝搬しながらビーム２５が平板１２に入射する際に、軸Ａ−Ａ’に垂直に回折格子２２が転写される。この種の構成は、平板１２の個別ユニット５０への切断の簡略化を見込むものである。図２に示す如く、この切断は軸Ａ−Ａ’に垂直な方向、すなわち干渉縞２３に沿った回折格子２２の長手方向次元に平行に実現される。対照的に、公知技術（米国特許第７，３９１，７０３号）を表わす図３に示す如く、軸Ｃ−Ｃ’に沿って延在して複数の回折格子４７を備える細長い平板４６の方形切断は、回折格子を横断して遂行する。技術的には、干渉縞２３に沿う平板１８の切断は先行技術の回折格子を横断する干渉縞の切断よりもかなり簡単である。

図１と図２に加え、図２Ａを参照するに、マスク１８と本体１２は角度的に変位可能、すなわち図２の双頭の矢印により示す如く相互に垂直周りに、例えば図１のアクチュエータ２１により回動可能とすることができる。この構成は、図２Ａに示す如く傾斜したＶＢＧ２２の形成を見込むものであり、同図は図２の長手方向軸Ａ−Ａ’に垂直なＶＢＧ２２の長手方向次元に平行な方向に切断される干渉縞２３に対し角度を付けて延在する１（または複数）の回折格子２２をそれぞれ有する矩形形状ユニット５０（１個だけを図示）を示している。

図１と図４を参照するに、ＶＢＧ２２の記録の完了時に図２の双頭矢印により示される如く、軸Ａ−Ａ’周りを揺動するよう作動可能な並進ステージ（図示せず）上に平板１２を配置することができる。この種の構造は、鋸２７により本体１２をそれぞれ平行六面体形状の構成を有する個別ユニット５０の方形切断を見込むものであり、この構成にあって回折格子２２はユニットの対向する頂部と底部に垂直に延在する。別の選択肢として、スラブ１２に対し鋸２７を揺動させ、平行六面体形状のユニット５０を生成することができる。この種の構成は、傾斜する干渉縞２３を用いて不要周波数を反射させ、この周波数にレーザダイオード等の光源を迂回させるようにしたときに、有用とすることができる。無論、鋸２７と本体１２の位置は矩形形状ユニット５０’の作製用に固定することができる。

図６は、上記の説明を示す一般的な工程を示すものである。光組立体１４とマスク１８との間の所望の距離の調整は、工程５２において実現される。回折格子２２を本体１２内あるいはそのユニット５０内に書き込む所望深度を規定すべく、光源の拡大器を工程５４において調整する。必要に応じ、工程５６の相対的回動を遂行し、工程５６’に示す如くＶＢＧ２２を干渉縞２３に平行に、もしくは工程５６”に示す如く角度を付けるかのいずれかで延在させることができる。最後に、工程５８は、個別ユニット５０に工程５８’により示した矩形形状を持たせるか、あるいは工程５８”に示す如く干渉縞２３を傾斜させることのできる開示プロセスの切断ステージを示すものである。

処理の具体的細部と構造を図示し説明してきたが、それらは例示が目的であり、また本発明の趣旨ならびに範囲から逸脱することなく、当業者によりそこに変形例と改変例が即作成できることは明確に理解されたい。

Claims (20)

1. 光熱屈折性性材料からなる本体内に複数の体積ブラッグ回折格子（ＶＢＧ）を記録する方法であって、
   位相マスクを可干渉性光ビームにさらす工程と、
   前記位相マスクを通過する光ビームにより熱屈折性材料の本体を照射し、該本体内に複数の離間する干渉縞を形成し、それによって隣接する各干渉縞対間の材料本体内に少なくとも１個のＶＢＧを記録する工程とを含む、方法。
2. 前記本体を前記ＶＢＧの長手方向次元に平行な平面内で切断し、それぞれ少なくとも１個のＶＢＧを有する複数のユニットを提供する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記可干渉光ビームを照射する光源と前記位相マスクを相互に変位させ、それによって複数の干渉縞の上に延在する材料のＶＢＧ領域に沿って大強度の光ビーム場を実質均一に分布させる工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記ＶＢＧの形成工程は、前記位相マスクと前記本体を垂直周りに相互に回動し、該垂直に対し角度を付けて延在する前記本体内に複数のＶＢＧを記録する工程を含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記照射前に、前記本体を複数のユニットに切断して該複数のユニットを積層する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
6. 方形切断鋸と前記本体を相互に変位させ、該本体をそれぞれ平行六面体形状の断面を有する複数のユニットに切断する工程で、各ユニットがこの各ユニットの頂部と底部に対し垂直に延在する少なくとも１個のＶＢＧを含む前記工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記本体をそれぞれ少なくとも１個のＶＢＧを有する複数の矩形形状ユニットに切断する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記光ビームの照射工程は、
   シングルモードレーザに通電し、それによって前記光路に沿って伝搬する光ビームを放射する工程と、
   上流側のミラーを調整して所望の長さの光路を提供し、一方で入射光ビームを前記光路に沿ってさらに反射する工程と、
   ビーム拡大器を調整し、前記材料本体内の所望深度に複数のＶＢＧを記録する工程と、
   走査反射器により前記拡大ビームを受光し、該拡大光ビームを前記位相マスクに向け案内する工程と、
   前記拡大光の案内と同時に、前記走査反射器と前記マスクを相互に変位させる工程とを含む、請求項１に記載の方法。
9. 光熱屈折性材料内に複数の体積ブラッグ回折格子（ＶＢＧ）を記録するシステムであって、
   光路に沿って可干渉光ビームを照射するよう作動可能なレーザ光源組立体と、
   前記レーザ光源から下流に光ビームが入射する位相マスクと、
   前記位相マスクの下流で熱光屈折材料を受容する構成とした材料支持体で、前記マスクを介して前記材料に照射し、それぞれその中に記録する少なくとも１個のＶＢＧが配設される材料の複数の小領域をその間に画成する複数の離間する平行な干渉縞を提供する前記支持体とを備える、システム。
10. 前記レーザ光源組立体は、光ビームを放射するシングルモードレーザと、前記ビームを前記光路に沿って反射する上流側反射器と、前記反射光ビームを受光し、該ビームを拡大する構成とした拡大器と、前記拡大光ビームを位相マスクに向け案内する走査反射器とを含む、請求項９に記載のシステム。
11. 前記走査反射器と前記位相マスクを相互に直線的に変位させ、均一な強度を有する複数の小領域を含む材料の所望領域を照射するよう作動可能な第１の直線アクチュエータをさらに備え、前記位相マスクを前記材料支持体に変位可能に固定したマスク支持体に装着する、請求項９に記載のシステム。
12. 個々の材料用の支持体とマスクを垂直周りに相互に回動させ、前記垂直に対し横断的に延在する複数のＶＢＧを提供するよう作動可能な第２のアクチュエータと、前記材料を複数の個別ユニットに切断するよう作動可能な方形切断ユニットとをさらに備える、請求項９に記載のシステム。
13. 前記方形切断ユニットは、干渉縞に沿いかつＶＢＧの長手方向に実質平行に、前記材料をそれぞれ１以上のＶＢＧを備える複数のユニットに切断するよう作動可能とした、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記第２のアクチュエータは、前記マスクおよび材料支持体を変位させ、前記材料を複数のユニットに切断する際にそれぞれが平行六面体形状ユニットと矩形形状ユニットからなるグループから選択される断面を有するよう作動可能とした、請求項１３に記載のシステム。
15. 前記材料支持体は、一体型の平板材料を支持する構成とした、請求項９に記載のシステム。
16. 前記材料支持体は、個々の材料片を互いに積層させる構成とした、請求項１２に記載のシステム。
17. 前記上流側の反射器は、前記レーザと前記材料支持体との間の距離が調整できるよう枢支した、請求項１０に記載のシステム。
18. 前記マスクおよび材料支持体は、矩形形状ユニットがそれぞれ該ユニットの対向する側部に対し平行に延在する１以上のＶＢＧが配設されるよう変位させる、請求項１４に記載のシステム。
19. 前記マスクおよび材料支持体は、平行六面体形状ユニットがそれぞれ該ユニットの対向する頂部と底部に対し垂直に延在する１以上のＶＢＧが配設されるよう変位させる、請求項１４に記載のシステム。
20. 前記マスクおよび材料支持体は、矩形形状ユニットがそれぞれ該ユニットの対向する頂部と底部の間の正規のものとは異なる角度にて延在する１以上のＶＢＧが配設されるよう変位させる、請求項１４に記載のシステム。

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