JP2016206560A - 光学機能素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】波長板ユニットの性能を向上させることにより、高品質の光学機能素子を製造し得る光学機能素子の製造方法を提供する。
【解決手段】平行に配列された複数本の円柱領域５（屈折率変化領域）が形成されている波長板ユニット３が二次元に複数行複数列で配列されてなる光学機能素子を、ガラス１０から製造するための光学機能素子の製造方法である。この製造方法において、波長板ユニット３に形成されている円柱領域５と同数のフェムト秒レーザ２０をガラス１０に照射しながら、ガラス１０とこのガラス１０に照射されるフェムト秒レーザ２０とを相対移動させることにより、波長板ユニット３を製作する。
【選択図】図６

Description

本発明は、光学機能素子の製造方法に関するものである。

光学機能素子は、入射される光の偏光方向を回転させ、または、所定方向の偏光のみを透過させるもの（例えば偏光イメージングフィルタ）である。このため、光学機能素子は、光学軸が一方向となる波長板ユニットを二次元に複数行複数列で配列してなるものである。個々の波長板ユニットは、その光学軸を一方向とするために、高屈折率領域と低屈折率領域とが交互に且つ平行に形成される。これにより、複屈折が発現され、つまり屈折率変化領域が形成される。

このような波長板ユニットからなる光学機能素子の製造方法として、特許文献１の図１、つまり本発明の図１４に示すように、励起光発生部３（レーザ出力部）およびパルス光発生部４からパルスレーザ光２（パルスレーザ）を発生させるとともに光増幅部５で増幅させ、このパルスレーザ光２（パルスレーザ）をミラー９で反射させてから直線偏光板８に通過させ、直線偏光板８に通過したパルスレーザをミラー９で反射させてからレンズ６で収束してガラス材料１（透光材料）に照射する方法が開示されている。そして、ガラス材料１（透光材料）は、電動ステージ７に載置されて、パルスレーザ光２（パルスレーザ）の照射方向に対して垂直に移動するようされている。収束されたパルスレーザ光２（パルスレーザ）がガラス材料１（透光材料）に照射されるとともに、このガラス材料１（透光材料）が照射方向に対して垂直に移動すると、当該ガラス材料１（透光材料）におけるパルスレーザ光２（パルスレーザ）が照射された軌跡に、円柱状の屈折率変化領域が形成される。また、上記特許文献１の明細書における段落［００３６］には、円柱状の屈折率変化領域を１本ずつ形成していくことで、円柱状の屈折率変化領域を複数本形成する方法が記載されている。

特開２００４−３１０００９号公報

ところで、本発明者は、波長板ユニットを製作するために、上記特許文献１の方法を試み、すなわち、円柱状の屈折率変化領域を１本ずつ形成していくことで、円柱状の屈折率変化領域を複数本形成した。しかしながら、この方法だと、先に形成された円柱状の屈折率変化領域が、これに隣接する円柱状の屈折率変化領域を形成するためのパルスレーザの照射から影響を受けることになり、または、後に形成された円柱状の屈折率変化領域が、先に形成された円柱状の屈折率変化領域から影響を受けることになった。この影響により、形成された円柱状の屈折率変化領域では、その位相差が均一にならなかった。このような波長板ユニットが配列されてなる光学機能素子は、当然ながら、品質が低くなる。

また、上記特許文献１の方法において、先に形成された円柱状の屈折率変化領域が上記影響を受けないように、形成する円柱状の屈折率変化領域を互いに離すことが考えられる。しかしながら、この構成だと、波長板ユニットにおける円柱状の屈折率変化領域の密度が不十分となる。このような波長板ユニットが配列されてなるものは、光学機能素子としての機能を有しない。

そこで、本発明は、波長板ユニットの性能を向上させることにより、高品質の光学機能素子を製造し得る光学機能素子の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、第１の発明に係る光学機能素子の製造方法は、平行に配列された複数本の屈折率変化領域が形成されている波長板ユニットが二次元に複数行複数列で配列されてなる光学機能素子を、透光材料から製造するための光学機能素子の製造方法であって、
上記波長板ユニットに形成されている屈折率変化領域と同数のフェムト秒レーザを上記透光材料に照射しながら、上記透光材料とこの透光材料に照射されるフェムト秒レーザとを相対移動させることにより、上記波長板ユニットを製作するものである。

また、第２の発明に係る光学機能素子の製造方法は、第１の発明に係る光学機能素子の製造方法において、波長板ユニットに形成されている屈折率変化領域と同数のフェムト秒レーザは、単一のフェムト秒レーザを空間光位相変調器により分岐させたものである。

さらに、第３の発明に係る光学機能素子の製造方法は、第１または第２の発明に係る光学機能素子の製造方法において、波長板ユニットに形成されている屈折率変化領域と同数のフェムト秒レーザを透光材料に照射する前に、上記透光材料への照射が開始される点群に対し、予めフェムト秒レーザを照射するものである。

上記光学機能素子の製造方法によると、波長板ユニットの性能を向上させることにより、高品質の光学機能素子を製造することができる。

本発明の実施の形態に係る光学機能素子を模式的に示す平面図である。 同光学機能素子の屈折率変化領域における高屈折率部を線で示す平面図である。 同光学機能素子を構成する波長板ユニットを模式的に示す斜視図である。 同光学機能素子を構成する波長板ユニットの屈折率変化領域における高屈折率部を線で示す斜視図である。 同光学機能素子の製造方法において、複数のフェムト秒レーザをガラスに照射する状態を概略的に示す斜視図である。 同光学機能素子の製造方法において、ガラスとこのガラスに照射される複数のフェムト秒レーザとを相対移動させる状態を概略的に示す斜視図である。 本発明の実施例１に係る光学機能素子の製造方法に使用した製造装置の概略的に示す斜視図である。 同製造方法により形成された円柱領域の位相差におけるコンター図である。 従来の方法により形成された円柱領域の位相差におけるコンター図である。 本発明の実施例２に係る光学機能素子の製造方法での事前照射の一態様を示す拡大斜視図である。 同製造方法での事前照射の他態様を示す拡大斜視図である。 本発明の実施例１に係る光学機能素子の製造方法により形成された円柱領域の位相差における対比用のコンター図である。 本発明の実施例２に係る光学機能素子の製造方法により形成された円柱領域の位相差における対比用のコンター図である。 特許文献１の図１に記載された光学機能素子の製造装置を示す模式図である。

以下、本発明の実施の形態に係る光学機能素子の製造方法について、図面に基づき説明する。
まず、光学機能素子の概略について説明する。

この光学機能素子は、二次元に多数行多数列で配列される波長板ユニットからなるが、本実施の形態では説明および図面を簡単にするために、図１に示すように、波長板ユニット３が二次元に６行６列で配列されるものとする。１つの波長板ユニット３は、矩形状であって、その光学軸４が一方向となるように構成される。上記光学機能素子１を構成する多数（図１では６行６列で３６個）の波長板ユニット３のうち、行および列で隣り合う４つの波長板ユニット３の光学軸４方向は、いずれも異なるとともに、規則的にされている。一例として、図１に示すように、行および列で隣り合う４つの波長板ユニット３の光学軸４は、互いに４５°をなしている。このように光学軸４方向を規則的にするのは、光学機能素子１に入力された入射光の偏光方向を知るためである。具体的には、光学機能素子１に入射光が入力されると、入力された入射光の偏光方向と波長板ユニット３の光学軸４方向との関係により、入力された入射光の偏光方向が変化する。ここで、上記光学機能素子１に偏光子（ある所定方向の偏光のみを透過させる光学的な素子）が設けられたもの、つまり偏光イメージングフィルタに、入射光が入力される場合について説明する。上記光学機能素子１を透過した入射光は、上記光学軸４方向に従って、さまざまな偏光方向を有するものに変換される。この変換された入射光のうち、ある所定方向の偏光のみが上記偏光子を透過する。このため、上記偏光イメージングフィルタを透過した入射光は、その偏光方向によって光強度が異なる。この光強度の異なりから、光学機能素子１に入力された入射光の偏光方向が明らかになる。

図１は上記光学機能素子１の光学軸４を両矢印で模式的に示した図であるが、実際の光学軸４は、ガラス（透光材料の一例である）１０に形成された屈折率変化領域（高屈折率部１１および低屈折率部１２からなる）の作用により定められる。この屈折率変化領域は、後述するように、フェムト秒レーザ２０（パルス幅が１０^−１２秒〜１０^−１５秒のパルスレーザ）をガラス１０に照射することにより、当該フェムト秒レーザ２０の集光位置に形成される。高屈折率部１１を線で表すと、図２に示すように、各波長板ユニット３に平行線が見られる。すなわち、この平行線が、酸素過剰により屈折率が高くなった高屈折率部１１である。一方で、上記平行線以外が、酸素欠陥により屈折率が低くなった低屈折率部１２である。上記高屈折率部１１および低屈折率部１２からなる屈折率変化領域は、高屈折率部１１および低屈折率部１２が交互に現れているので、周期構造であるといえる。この周期構造が、ガラス１０に波長板としての機能を与える。また、図１と図２との比較から明らかなように、上記光学軸４方向は、上記高屈折率部１１の平行線と平行な方向である。

次に、光学軸４方向が規則的にされた１つの単位である、行および列で隣り合う４つの波長板ユニット３に着目して、図３および図４に基づき説明する。
図３は行および列で隣り合う４つの波長板ユニット３を模式的に示した斜視図であり、図４は図３の４つの波長板ユニット３を実際に示した斜視図である。波長板ユニット３は、図４に示すように、複数本の円柱状の屈折率変化領域（以下では単に円柱領域５という）が同一平面上で並列に（つまり筏状に）形成されたものである。そして、１つの波長板ユニット３は、同一の周期構造を有する円柱領域５が形成される。また、１つの波長板ユニット３は、波長板としての機能を有するためにも、隣接する円柱領域５の間隔が狭く（つまり円柱領域５の密度が十分であり）、且つ、各円柱領域５の位相差が略均一である。

次に、上記波長板ユニット３が二次元に多数行多数列で配列されてなる光学機能素子１の製造方法について説明する。
まず、１つの波長板ユニット３を製作する方法について、図５および図６に基づき説明する。

図５に示すように、一定の偏光を有するとともに収束された複数（図５および図６では５本）のフェムト秒レーザ２０を、等間隔で一列になるようにガラス１０に照射する。上記フェムト秒レーザ２０の数は、製作する波長板ユニット３が有する円柱領域５の数と同数にする。上記複数のフェムト秒レーザ２０は、精密に等間隔で一列にする必要はないが、より波長板ユニット３の性能を向上させるためにも、できるかぎり等間隔で一列に近い方が好ましい。上記照射により、上記ガラス１０におけるフェムト秒レーザ２０の集光位置に球状の屈折率変化領域５Ｓが形成される。

上記照射を行いながら、図６に示すように、上記ガラス１０とこのガラス１０に照射される上記フェムト秒レーザ２０とを相対移動させる。この相対移動は、ガラス１０のみの移動、フェムト秒レーザ２０のみの移動、並びにガラス１０およびフェムト秒レーザ２０の移動のいずれであってもよい。また、上記相対移動の方向は、図６に示すようなフェムト秒レーザ２０の光軸に対して垂直に限られず、フェムト秒レーザ２０の光軸に対して平行であってもよく、製造する光学機能素子１の態様によって最適なものが採用される。上記相対移動により、フェムト秒レーザ２０の集光位置の軌跡に円柱領域５が形成される。

これにより、１つの波長板ユニット３における全ての円柱領域５が同一のタイミングで形成されていき、言い換えれば、波長板ユニット３における円柱領域５の形成されるタイミングに先後がない。このため、先に形成された円柱領域５が、これに隣接する円柱領域５を形成する過程から、影響を受けることはない。また、後に形成された円柱状の屈折率変化領域が、先に形成された円柱状の屈折率変化領域から影響を受けることもない。したがって、波長板ユニット３における各円柱領域５の位相差が均一になり、波長板ユニット３の性能が向上する。

このように、上記光学機能素子１の製造方法によると、光学機能素子１における波長板ユニット３の性能が向上するので、高品質の光学機能素子１を製造することができる。
以下、上記実施の形態をより具体的に示した実施例１および２に係る光学機能素子１の製造方法について説明する。

本発明の実施例１に係る光学機能素子１の製造方法では、ガラス１０に照射される複数のフェムト秒レーザ２０を空間光位相変調器２２により単一のフェムト秒レーザから供給するものである。

まず、上記光学機能素子１の製造方法に使用した製造装置について簡単に説明する。
図７に示すように、上記光学機能素子１の製造装置は、フェムト秒レーザの経路順に、レーザ出力器２１、空間光位相変調器２２、直線偏光板２３、ミラー２５、レンズ２７および電動ステージ２９を備える。上記空間光位相変調器２２は、そのホログラムにより、入射された光を複数に分岐して反射するものである。このため、上記空間光位相変調器２２は、レーザ出力器２１から出力された単一のフェムト秒レーザ２を分岐させることで複数のフェムト秒レーザ２０にする機能と、上記複数のフェムト秒レーザ２０のパラメータを容易に調整し得る機能とを有する。

次に、上記製造装置を使用した光学機能素子１の製造方法について説明する。
図７に示すように、レーザ出力器２１から単一のフェムト秒レーザ２を出力させた。この単一のフェムト秒レーザ２は、空間光位相変調器２２により複数のフェムト秒レーザ２０にされた。この複数のフェムト秒レーザ２０における所定の直線偏光のみが、直線偏光板２３を透過した。直線偏光板２３を透過したフェムト秒レーザ２０は、ミラー２５によりガラス１０に向けて反射された。ミラー２５により反射されたフェムト秒レーザ２０は、レンズ２７により収束して、ガラス１０に照射された。ガラス１０に照射された複数のフェムト秒レーザ２０は、等間隔で一列になるようにされた。

この照射を行いながら、電動ステージ２９でガラス１０を移動させることにより、球状の屈折率変化領域５Ｓが連続的に形成されて、複数の円柱領域５が同一のタイミングで形成された。

こうして形成された円柱領域５の位相差におけるコンター図を図８に示す。これに対して、上記製造装置から空間光位相変調器２２が除かれたものを使用した方法、すなわち、単一のフェムト秒レーザ２をガラス１０に照射する従来の方法で形成された円柱領域５の位相差におけるコンター図を図９に示す。ここで、本実施例１に係る光学機能素子１の製造方法および上記従来の方法のいずれも、ガラス１０に照射されるフェムト秒レーザ２０，２のパラメータを、周波数が１ｋＨＺ、波長が７８０ｎｍ、パルス幅が２００ｆｓ、照射エネルギーが１．０μＪとなるように調整した。また、ガラス１０を移動させる速度が１０μｍ／ｓとなるように調整し、複数のフェムト秒レーザ２０同士の間隔を２．５μｍとなるように調整した。

図８および図９を比較すると明らかなように、光学機能素子１の波長板ユニット３は、本発明の実施例１に係る製造方法で製作されたものだと円柱領域５の位相差が略均一（つまり図８での濃淡の差が小）であったのに対し、従来の方法で製作されたものだと円柱領域５の位相差が不均一（つまり図９で濃淡の差が大）であった。

このように、上記実施例１に係る光学機能素子１の製造方法によると、従来の方法と比べて、明らかに光学機能素子１における波長板ユニット３の性能が向上するので、高品質の光学機能素子１を製造することができた。

また、上記空間光位相変調器２２により、ガラス１０に照射されるフェムト秒レーザ２０のパラメータを容易に調整し得るので、容易に高品質の光学機能素子１を製造することができた。

上記実施例１に係る光学機能素子１の製造方法では、図８に示すように、円柱領域５の位相差が従来の方法に比べてより均一であるものの、上記照射が開始される点群で位相差が僅かに小さくなった。この現象を分かりやすく示すために、円柱領域５を互いに若干離したもののコンター図が図１２である。図１２に示すように、上記照射が開始される点群５０が他の部分に比べて僅かに濃くなった。本発明の実施例２に係る光学機能素子１の製造方法は、上記照射が開始される点群５０の位相差を大きくして他の部分の位相差に近づけるために、上記照射（以下では本照射という）が開始される点群５０に予めフェムト秒レーザ１９の照射（以下では事前照射という）を行うものである。

上記事前照射は、図１０に示すように、上記相対移動を行うことなく、本照射と同一の複数のフェムト秒レーザ１９を所定時間（１．０ｓ以上が好ましい）だけ照射する工程でもよい。また、上記事前照射は、図１１に示すように、上記本照射が開始される点群５０を事前照射による円柱領域５で繋ぐように、単一のフェムト秒レーザ１９を事前照射として照射しながら、ガラス１０とこのガラス１０に照射される事前照射のフェムト秒レーザ１９とを相対移動させる工程でもよい。

本実施例２に係る光学機能素子１の製造方法では、図１１に示す方法を採用し、上記相対移動としてガラス１０を移動させた。こうして形成された円柱領域５の位相差におけるコンター図を図１３に示す。ここで、事前照射としてガラス１０に照射されるフェムト秒レーザ１９のパラメータを、周波数が１ｋＨＺ、波長が７８０ｎｍ、パルス幅が２００ｆｓ、照射エネルギーが１．０μＪとなるように調整した。また、ガラス１０を移動させる速度が１０μｍ／ｓとなるように調整した。本照射は、上記実施例１と同一の条件とした。

図１３から明らかなように、上記照射が開始される点群の位相差が、円柱領域５の他の部分の位相差と極めて均一（つまり図１３では濃淡の差が極めて小）であった。
このように、上記実施例２に係る光学機能素子１の製造方法によると、従来の方法と比べて、極めて光学機能素子１における波長板ユニット３の性能が向上するので、極めて高品質の光学機能素子１を製造することができた。

ところで、上記実施の形態および実施例では、光学機能素子１の製造方法において製作する波長板ユニット３の順について詳しく説明しなかったが、同一の光学軸４方向を有する波長板ユニット３から順に製作することが好ましい。これにより、光学機能素子１を製造するための時間を短縮することができる。

また、上記実施例１では、空間光位相変調器２２を使用するとして説明したが、これに限定されるものではなく、複数のレーザ出力器２１を使用するなど、波長板ユニット３が有する屈折率変化領域と同数のフェムト秒レーザ２０を供給するものであればよい。

さらに、上記実施例１では、空間光位相変調器２２がフェムト秒レーザの経路順でレーザ出力器２１と直線偏光板２３との間に配置されるとして説明したが、直線偏光板２３とミラー２５との間に配置されてもよい。

加えて、上記実施の形態および実施例では、フェムト秒レーザ２０，１９の照射により形成されるものとして、円柱領域５（つまり円柱状の屈折率変化領域）について説明したが、円柱状に限定されるものではなく、屈折率変化領域であればよい。

１ 光学機能素子
３ 波長板ユニット
４ 光学軸
５ 円柱領域
１０ ガラス
１１ 高屈折率部
１２ 低屈折率部
２０ 複数のフェムト秒レーザ
２１ レーザ出力器
２５ ミラー
２７ レンズ
２９ 電動ステージ

Claims (3)

1. 平行に配列された複数本の屈折率変化領域が形成されている波長板ユニットが二次元に複数行複数列で配列されてなる光学機能素子を、透光材料から製造するための光学機能素子の製造方法であって、
   上記波長板ユニットに形成されている屈折率変化領域と同数のフェムト秒レーザを上記透光材料に照射しながら、上記透光材料とこの透光材料に照射されるフェムト秒レーザとを相対移動させることにより、上記波長板ユニットを製作することを特徴とする光学機能素子の製造方法。
2. 波長板ユニットに形成されている屈折率変化領域と同数のフェムト秒レーザは、単一のフェムト秒レーザを空間光位相変調器により分岐させたものであることを特徴とする請求項１に記載の光学機能素子の製造方法。
3. 波長板ユニットに形成されている屈折率変化領域と同数のフェムト秒レーザを透光材料に照射する前に、上記透光材料への照射が開始される点群に対し、予めフェムト秒レーザを照射することを特徴とする請求項１または２に記載の光学機能素子の製造方法。