JP2017076068A - 光学機能素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】透光部材の表面近傍に高い位相差の屈折率変化領域が効率良く形成された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屈折率変化領域が形成されてい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光学機能素子を、レンズ２７で収束されたフェムト秒レーザ２をガラス１０に照射することでガラス１０から製造するための光学機能素子の製造方法である。この製造方法では、レンズ２７とガラス１０との距離を調整し、レーザ出力器２１からフェムト秒レーザ２を出力し、出力されたフェムト秒レーザ２の位相を空間光位相変調器２２のホログラムにより変調し、フェムト秒レーザ２をレンズ２７により収束し、収束されるとともに位相が変調されたフェムト秒レーザ２をガラス１０に照射する。
【選択図】図５

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状態を変化させ、または、所定方向の偏光のみを透過させるものである。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することで光の偏光情報を取得するような新たな光学機能素子を作製することも可能である。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、光学機能素子を構成する透光部材（ガラスなど）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。

光学機能素子として、透光部材に形成された屈折率変化領域の位相差を高くするために、当該屈折率変化領域の横断面形状を工夫したものが提案されている（例えば、特許文献１）。屈折率変化領域の位相差が高い光学機能素子は、偏光イメージングセンサに使用することが可能である。しかしながら、光学機能素子を偏光イメージングセンサに使用するには、屈折率変化領域を部材の表面近傍に位置させることが好ましい。なぜなら、偏光イメージングセンサでは、光学機能素子の透光部材と撮像素子とを貼り合わせる必要があり、この貼り合わせにより光学機能素子にクロストークが発生し得るが、屈折率変化領域が透光部材の表面近傍に位置すると、このクロストークが低減されるからである。

特開２０１５−１４７４０号公報

光学機能素子の製造方法には、一般的に、図７に示すように、レンズにより収束されたフェムト秒レーザ１０２を透光部材１０に照射して所定深さＤまで透過させることにより、当該透光部材１０に屈折率変化領域１０５を形成する方法が採用される。この方法で製造される光学機能素子の位相差を高くするには、透光部材１０に照射するフェムト秒レーザ１０２のエネルギーを高くする必要がある。ここで、フェムト秒レーザ１０２のエネルギーを、最も低くした状態（０．８μＪ）を図１４に示し、少し高くした状態（１．０μＪ）を図１５に示し、さらに高くした状態（１．５μＪ）を図１６に示し、最も高くした状態（２．５μＪ）を図１７に示す。なお、図１４〜図１７に示すフェムト秒レーザ１０２は、いずれも、周波数が１ｋＨｚ、波長が７８０ｎｍ、パルス幅が２２０ｆｓおよび加工速度が２μｍ／ｓであって、開口数が０．８のレンズにより収束されたものである。また、図１４〜図１７における位相差の測定波長は、いずれも５４６ｎｍである。これら図１４〜図１７に示すように、フェムト秒レーザ１０２のエネルギー（Energy）を高くしていくと、フェムト秒レーザ１０２により形成される最も高い位相差（Retardance）となる屈折率変化領域１０５は、透光部材１０の表面１０ｓからより離れた深い位置となる。具体的には、図１４に示すように、フェムト秒レーザ１０２のエネルギーが低いと、屈折率変化領域１０５の横断面が、略円形となりフェムト秒レーザ１０２の照射方向に短くなるので、屈折率変化領域１０５の位相差が小さくなってしまう。しかしながら、屈折率変化領域１０５を効率良く形成できるのは、透光部材１０の表面から浅い位置となる。これに対して、図１７に示すように、フェムト秒レーザ１０２のエネルギーが高いと、屈折率変化領域１０５の横断面が、照射方向を長軸とする楕円形となり当該照射方向に長くなるので、屈折率変化領域１０５の位相差が大きくなる。しかしながら、屈折率変化領域１０５を効率良く形成できるのは、透光部材１０の表面から深い位置となってしまう。また、エネルギーの高いフェムト秒レーザ１０２が集光する位置を透光部材１０の表面から浅い位置にするなど、屈折率変化領域１０５を透光部材１０の表面から浅い位置に形成しようとすれば、形成される屈折率変化領域１０５の位相差は、図１７の右側に示すグラフに従って、小さくなってしまう。このため、エネルギーの高いフェムト秒レーザ１０２では、透光部材１０の表面１０ｓ近傍に高い位相差の屈折率変化領域１０５を効率良く形成することができない。

そこで、本発明は、透光部材の表面近傍に高い位相差の屈折率変化領域が効率良く形成された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を二次元に複数行複数列で配列してなる光学機能素子を、レンズにより収束されたフェムト秒レーザを透光部材に照射することで当該透光部材から製造するための光学機能素子の製造方法であって、
レンズと透光部材との距離を調整するステップと、
フェムト秒レーザを出力するステップと、
出力されたフェムト秒レーザを上記レンズにより収束するステップと、
収束されたフェムト秒レーザを透光部材に照射するステップとを有し、
上記フェムト秒レーザが、上記透光部材に照射された状態で当該透光部材での照射方向の光強度分布が伸長するように制御されたものである。

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、フェムト秒レーザの透光部材に照射された状態で当該透光部材での照射方向の光強度分布が伸長するようにされる制御が、収束される前のフェムト秒レーザの位相を変調することにより行われるものである。

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２の発明に係る光学機能素子の製造方法において、フェムト秒レーザの透光部材に照射された状態で当該透光部材での照射方向の光強度分布が伸長するようにされる制御が、他の透光部材にフェムト秒レーザを完全に透過させることにより行われるものである。

加えて、第４の発明に係る光学機能素子の製造方法は、第１または２の発明に係る光学機能素子の製造方法において、フェムト秒レーザの透光部材に照射された状態で当該透光部材での照射方向の光強度分布が伸長するようにされる制御が、上記透光部材の表面からフェムト秒レーザを照射して透過させることにより行われ、
上記照射の後に、上記透光部材を表面から切削加工するものである。

また、第５の発明に係る光学機能素子の製造方法は、第１または２の発明に係る光学機能素子の製造方法において、フェムト秒レーザの透光部材に照射された状態で当該透光部材での照射方向の光強度分布が伸長するようにされる制御が、上記透光部材の裏面からフェムト秒レーザを透過させることにより行われるものである。

上記光学機能素子の製造方法によると、透光部材の表面近傍に高い位相差の屈折率変化領域が効率良く形成された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。 本発明の実施例１に係る光学機能素子の製造装置を概略的に示す斜視図である。 空間位相変調器のホログラムによりフェムト秒レーザの位相が変調された場合とされない場合とで形成される屈折率変化領域の位相差の違いを示すグラフである。 フェムト秒レーザによりガラスに屈折率変化領域が形成される状態を示す斜視図であり、左側の図はフェムト秒レーザにおいて収束される位置の調整および位相の変調がされた場合である実施例１を示し、右側の図はフェムト秒レーザにおいて収束される位置の調整および位相の変調がされない場合である従来例を示す。 フェムト秒レーザによりガラスに屈折率変化領域が形成される状態を示す斜視図であり、左側の図はフェムト秒レーザにおいて収束される位置の調整および位相の変調がされた場合である実施例１を示し、右側の図はフェムト秒レーザにおいて収束される位置の調整がされたものの位相の変調がされない場合である比較例を示す。 本発明の実施例２に係る屈折率変化領域が形成される状態を示す斜視図である。 ガラスに形成された同屈折率変化領域を示す斜視図である。 本発明の実施例３に係る屈折率変化領域が形成される状態を示す斜視図である。 ガラスに形成された同屈折率変化領域を示す斜視図である。 本発明の実施例４に係る屈折率変化領域が形成される状態を示す斜視図である。 エネルギーが０．８μＪのフェムト秒レーザによりガラスに形成される屈折率変化領域の、ガラスの表面からの深さ（縦軸）と位相差（横軸）との関係を示すグラフである。 エネルギーが１．０μＪのフェムト秒レーザによりガラスに形成される屈折率変化領域の、ガラスの表面からの深さ（縦軸）と位相差（横軸）との関係を示すグラフである。 エネルギーが１．５μＪのフェムト秒レーザによりガラスに形成される屈折率変化領域の、ガラスの表面からの深さ（縦軸）と位相差（横軸）との関係を示すグラフである。 エネルギーが２．５μＪのフェムト秒レーザによりガラスに形成される屈折率変化領域の、ガラスの表面からの深さ（縦軸）と位相差（横軸）との関係を示すグラフである。 フェムト秒レーザによる光強度分布のコンター図および屈折率変化領域に適する光強度の量についてのグラフである。

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図１および図２に基づき説明する。なお、図１は光学機能素子１を模式的に示す平面図であり、図２は図１に対応するとともに光学機能素子１の高屈折率部１１（後述する）を線で示した平面図である。

この光学機能素子１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センサに使用される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、石英ガラス（透光部材の一例であり、以下では単にガラスという）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、図７に基づいて後述するように、フェムト秒レーザ２（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２の集光位置に形成される。図２に示すように、高屈折率部１１を線で表すと、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、ガラス１０の表面１０ｓから浅い位置ｄに、つまりガラス１０の表面１０ｓ近傍に、複数本の楕円柱状の屈折率変化領域（以下では単に楕円柱領域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楕円柱領域５が形成される。図７に示すように、一般に各楕円柱領域５，１０５は、楕円体の屈折率変化領域５ｓ，１０５ｓが直線状に連なってなるものである。このような楕円体の屈折率変化領域５ｓ，１０５ｓは、一定の偏光を有するとともに収束されたエネルギーの高いフェムト秒レーザ２，１０２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２，１０２の集光位置に形成される。したがって、各楕円柱領域５，１０５は、上記フェムト秒レーザ２，１０２と、このフェムト秒レーザ２，１０２が照射されているガラス１０とを相対移動させることにより、当該フェムト秒レーザ２，１０２の集光位置の軌跡に形成される。

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の実施例１〜４に係る製造装置および製造方法について説明する。

まず、本実施例１に係る製造装置について図５に基づき簡単に説明する。
図５に示すように、上記光学機能素子１の製造装置２０は、フェムト秒レーザ２の経路順に、レーザ出力器２１、空間光位相変調器２２、波長板２３、ミラー２５、レンズ２７および電動ステージ２９を備える。

上記レーザ出力器２１は、空間光位相変調器２２に向けてフェムト秒レーザ２を出力するものである。上記空間光位相変調器２２は、そのホログラムにより、入射されたフェムト秒レーザ２の位相を変調するとともに、当該フェムト秒レーザ２を反射するものである。上記波長板２３は、上記フェムト秒レーザ２における所定の直線偏光を回転させるものである。上記ミラー２５は、波長板２３を透過したフェムト秒レーザ２を、ガラス１０に向けて反射するものである。上記レンズ２７は、ガラス１０に照射されるフェムト秒レーザ２を収束するものであり、ガラス１０の表面から浅い位置でエネルギーの高いフェムト秒レーザ２が集光するように位置の調整が可能である。上記電動ステージ２９は、上記ガラス１０を載置するとともに上記フェムト秒レーザ２に対して当該ガラス１０を移動させ得るものである。

次に、上記製造装置２０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。
予め、ガラス１０の表面から浅い位置にエネルギーの高いフェムト秒レーザ２が集光するように、レンズ２７の位置を調整、正確にはレンズ２７とガラス１０との距離を調整する。この調整の目的は、これまでの実験値（例えば図１４〜図１７に示すグラフ）に基づき、形成される屈折率変化領域５の位相差が最も大きくなる位置と、エネルギーの高いフェムト秒レーザ２が集光する位置とを一致させることである。次に、図５に示すように、レーザ出力器２１からエネルギーの高い（１．０μＪ以上）フェムト秒レーザ２を出力させる。このフェムト秒レーザ２は、空間光位相変調器２２により、位相が変調されるとともに、上記波長板２３およびミラー２５に向けて反射される。そして、このフェムト秒レーザ２は、上記波長板２３により所定の偏光方向に変換されて、ミラー２５によりガラス１０に向けて反射される。ミラー２５により反射されたフェムト秒レーザ２は、レンズ２７により収束して、ガラス１０に表面１０ｓから照射されて浅い位置に集光する。

図７における左側に示すように、ガラス１０との距離が調整されたレンズ２７により収束されるとともに空間光位相変調器２２により位相が変調されたフェムト秒レーザ２（図７における左側）をガラス１０に照射すると、ガラス１０の表面１０ｓから浅い位置ｄに、フェムト秒レーザ２が集光して、楕円体の屈折率変化領域５ｓが形成される。なお、屈折率変化領域５ｓが照射方向で長径となる楕円体なのは、球面収差およびレーザのエネルギー密度の影響による。この影響により、フェムト秒レーザ２が、ガラス１０に照射された状態でガラス１０での照射方向の光強度分布が伸長する。なお、光強度分布が伸長するとは、光強度分布の散布度が上昇することを意味する。そして、電動ステージ２９により、照射方向に対して垂直な方向にガラス１０を相対移動させると、ガラス１０の表面１０ｓから浅い位置ｄに、つまりガラス１０の表面１０ｓ近傍に楕円柱領域５が形成される。このような楕円柱領域５を同一平面上で並列に（つまり筏状に）形成していくことで、図３および図４に示す波長板ユニット３が形成される。また、このような波長板ユニット３を二次元に多数行多数列で配列することで、図１および図２に示す光学機能素子１が製造される。

ここで、従来例として図７における右側に示すように、レンズ２７とガラス１０との距離を最適なものに調整せず、且つフェムト秒レーザ１０２の位相を変調しない場合、すなわち、ガラス１０との距離が最適なものに調整されないレンズ２７により収束されるとともに位相が変調されないフェムト秒レーザ１０２（図７における右側）をガラス１０に照射すると、ガラス１０の表面１０ｓから深い位置Ｄに楕円体の屈折率変化領域１０５ｓが形成される。この場合、楕円柱領域１０５が、ガラス１０の表面１０ｓ近傍ではなく、ガラス１０の表面１０ｓから深い位置Ｄに波長板ユニットが形成されてしまうことになる。このため、従来のようにフェムト秒レーザ１０２の位相を変調しない場合、ガラス１０の表面１０ｓ近傍に楕円柱領域５（照射方向で長径となる楕円柱状の屈折率変化領域）が形成された光学機能素子１を製造することはできない。仮に、ガラス１０の表面から浅い位置ｄにフェムト秒レーザ１０２が集光するようにレンズ２７とガラス１０との距離を調整しても、フェムト秒レーザ１０２の位相を変調しない場合、比較例として図８における右側に示すように、ガラス１０の表面１０ｓから浅い位置ｄに屈折率変化領域１０５ｓが形成されるものの、この屈折率変化領域１０５ｓは、照射方向で長径ではなく短径の楕円体となり、位相差が小さくなる。このため、ガラス１０に照射される前のフェムト秒レーザ２の位相を変調することにより、ガラス１０に照射されるフェムト秒レーザ２の光強度分布を伸長させる必要がある。なぜなら、上記光強度分布を伸長させることで、図８における左側に示すように、形成される楕円柱領域５の横断面が照射方向を長軸とした適切な楕円となるからである。ここで、屈折率変化領域の位相差について、次の式（１）が成立する。

（位相差）＝（複屈折率）×（複屈折領域の照射方向長さ）・・・（１）
すなわち、位相差は複屈折領域の照射方向長さに比例するので、位相差を大きくするには、楕円柱領域５の横断面を照射方向にできるだけ長くする方がよいとも思われる。そして、楕円柱領域５の横断面を照射方向に長くするには、上述した光強度分布の調整を利用する。集光深さの違いによる加工形状の差異を考えた場合、集光するレンズ２７とガラス１０の屈折率の関係により球面収差が生じるため、集光深さが深い位置でより球面収差の影響が強くなり光強度分布が照射方向に伸び、複屈折領域の照射方向の長さが伸長する。そのため、十分に高いエネルギーのフェムト秒レーザ２を集光した場合、浅い位置よりも深い集光位置の方が、位相差が大きくなる。しかしながら、楕円柱領域５の横断面を照射方向に長くし過ぎると、全体として構造変化を誘起するエネルギー密度が低下し、結果として、複屈折率が下がる、または複屈折領域として作用する照射方向長さが短くなってしまうので、位相差を却って小さくしてしまう。したがって、位相差を大きくするには、楕円柱領域５の横断面を照射方向に適切に長くすべきであり、このために上記フェムト秒レーザ２の位相を変調することが必要である。つまり、光強度分布さえ適切にすれば、浅い位置にも高い位相差を形成することは可能である。

上記変調を空間光位相変調器２２により行うと、楕円柱領域５の横断面がより適切な楕円になり、光学機能素子１の位相差がより高くなる。この実験例として、図６のグラフに示すように、空間光位相変調器２２のホログラムで位相が変調されたフェムト秒レーザ２（グラフ上の符号６）と、位相が変調されないフェムト秒レーザ１０２（グラフ上の符号１０６）とで、エネルギーを１．０から２．０μＪまで高くしていった場合に、ガラス１０の表面１０ｓから浅い位置ｄ（深さ５０μｍ）に形成される屈折率変化領域の位相差を調べた。なお、これらフェムト秒レーザ２，１０２は、いずれも加工速度を１０μｍ／ｓとした。この結果、ホログラムで位相が変調されたフェムト秒レーザ２の場合（符号６）の方が、位相が変調されないフェムト秒レーザ１０２の場合（符号１０６）よりも、上記エネルギーを高くすることに伴う屈折率変化領域の位相差の上昇率が高くなった。この結果から、ガラス１０に照射されるフェムト秒レーザ２の位相を空間光位相変調器２２のホログラムにより変調することで、ガラス１０の表面１０ｓ近傍に高い位相差の屈折率変化領域が効率良く形成されると言える。

このように、本実施例１に係る光学機能素子１の製造方法によると、透光部材であるガラス１０の表面１０ｓ近傍に高い位相差の屈折率変化領域が効率良く形成された光学機能素子１を製造することができる。

上記実施例１では、フェムト秒レーザ２のガラス１０に照射された状態での照射方向の光強度分布が伸長するようにされる制御が、上述したように、収束される前のフェムト秒レーザ２の位相を空間光位相変調器２２で変調することにより行われる。これに対して、本実施例２では、上記制御が他の透光部材（例えば、他のガラス）にフェムト秒レーザ１０２を完全に透過させることにより行われる。

以下、上記実施例１と異なる部分に着目して説明するとともに、上記実施例１と同一の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。
本実施例２に係る光学機能素子１の製造方法を具体的に説明すると、上記実施例１の空間光位相変調器２２を使用する代わりに、図９に示すように、ガラス１０の表面１０ｓに所定厚さＤ−ｄの他のガラス１０’を載置する。この他のガラス１０’の表面１０’ｓからフェムト秒レーザ１０２が照射されて上記ガラス１０の内部で集光する。これにより、上記他のガラス１０’の表面１０’ｓから深い位置Ｄに楕円体の屈折率変化領域１０５ｓが形成される。そして、フェムト秒レーザ１０２が照射される方向に対して垂直な方向にこれらガラス１０，１０’を相対移動させると、上記他のガラス１０’の表面１０’ｓから深い位置Ｄに楕円柱領域１０５が形成される。しかしながら、図１０に示すように、楕円柱領域１０５が形成された後に上記他のガラス１０’を上記ガラス１０の表面１０ｓから取り外すことで、結果的に、上記ガラス１０の表面１０ｓから浅い位置ｄに楕円柱領域１０５が形成されたことになる。なお、上記他のガラス１０’に楕円柱領域１０５が形成されないのは、フェムト秒レーザ１０２のエネルギー密度が低いことによる。

このように、本実施例２に係る光学機能素子１の製造方法によると、透光部材であるガラス１０の表面１０ｓ近傍に高い位相差の屈折率変化領域が効率良く形成された光学機能素子１を製造することができる。

上記実施例２では、フェムト秒レーザ２のガラス１０に照射された状態での照射方向の光強度分布が伸長するようにされる制御が、上述したように、他のガラス１０’にフェムト秒レーザ２を完全に透過させることにより行われる。これに対して、本実施例３では、上記制御が上記ガラス１０の表面からフェムト秒レーザ２を照射して透過させることにより行われ、且つ上記照射の後に、上記透光部材を表面から除去加工する。

以下、上記実施例１および２と異なる部分に着目して説明するとともに、上記実施例１および２と同一の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。
本実施例３に係る光学機能素子１の製造方法を具体的に説明すると、上記実施例１の空間光位相変調器２２を使用せず、図１１に示すように、ガラス１０の表面１０ｓからフェムト秒レーザ１０２が照射されて上記ガラス１０の表面１０ｓから深い位置Ｄで集光する。これにより、上記他のガラス１０の表面１０ｓから深い位置Ｄに楕円体の屈折率変化領域１０５ｓが形成される。そして、フェムト秒レーザ１０２が照射される方向に対して垂直な方向にこのガラス１０を相対移動させると、上記他のガラス１０の表面１０ｓから深い位置Ｄに楕円柱領域１０５が形成される。しかしながら、図１２に示すように、楕円柱領域１０５が形成された後に上記ガラス１０を表面１０ｓから所定厚さＤ−ｄだけ除去加工（例えば、切削、研磨またはエッチングなどの加工）することで、結果的に、上記ガラス１０の表面１０ｓから浅い位置ｄに楕円柱領域１０５が形成されたことになる。

このように、本実施例３に係る光学機能素子１の製造方法によると、透光部材であるガラス１０の表面１０ｓ近傍に高い位相差の屈折率変化領域が効率良く形成された光学機能素子１を製造することができる。

上記実施例１〜３では、上述したように、フェムト秒レーザ２，１０２をガラス１０，１０’の表面１０ｓ，１０ｓ’から照射する。これに対して、本実施例４では、図１３に示すように、フェムト秒レーザ１０２をガラス１０の裏面１０ｂからから照射する。これにより、フェムト秒レーザ１０２が、ガラス１０に照射された状態での照射方向の光強度分布が伸長するように制御される。

以下、上記実施例１〜３と異なる部分に着目して説明するとともに、上記実施例１〜３と同一の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。
本実施例４に係る光学機能素子１の製造方法を具体的に説明すると、上記実施例１の空間光位相変調器２２を使用せず、図１３に示すように、所定厚さＤ＋ｄのガラス１０の裏面１０ｂからフェムト秒レーザ１０２が照射されて上記ガラス１０の裏面１０ｂから深い位置Ｄで集光する。これにより、上記他のガラス１０の裏面１０ｂから深い位置Ｄに楕円体の屈折率変化領域１０５ｓが形成される。そして、フェムト秒レーザ１０２が照射される方向に対して垂直な方向にこのガラス１０を相対移動させると、上記他のガラス１０の裏面１０ｂから深い位置Ｄに楕円柱領域１０５が形成される。しかしながら、ガラス１０が所定厚さＤ＋ｄなので、結果的に、上記ガラス１０の表面１０ｓから浅い位置ｄに楕円柱領域１０５が形成されたことになる。

このように、本実施例４に係る光学機能素子１の製造方法によると、透光部材であるガラス１０の表面１０ｓ近傍に高い位相差の屈折率変化領域が効率良く形成された光学機能素子１を製造することができる。

ところで、上記実施例１では、空間光位相変調器２２によりフェムト秒レーザ２の位相を変調するとして説明したが、ガラスホログラムなど他の手段により位相を変調してもよい。

また、上記実施例２では、透光部材および他の透光部材の一例として、いずれもガラス１０，１０’（石英ガラス）について説明したが、透光部材および他の透光部材で屈折率の異なるものを採用してもよい。例えば、ガラス１０よりも屈折率の高いものとしては、光学ガラスまたはサファイアなどがあり、ガラス１０よりも屈折率の低いものとしては、フッ化リチウム（ＬｉＦ）またはフッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）などである。

なお、光強度分布の計算結果を図１８にコンター図およびグラフで示す。コンター図では、色の薄くなっている部分が屈折率変化領域１０５ｓに適する光強度となる部分であり、グラフでは、横軸が屈折率変化領域１０５ｓに適する光強度の量である。図１８で明らかなように、フェムト秒レーザ１０２をガラス１０の表面１０ｓから浅い位置に集光させると、屈折率変化領域１０５ｓに適する光強度分布がフェムト秒レーザ１０２の照射方向に短くなる。

１ 光学機能素子
２ フェムト秒レーザ
３ 波長板ユニット
４ 光学軸
５ 楕円柱領域
１０ ガラス
１０ｓ ガラスの表面
１１ 高屈折率部
１２ 低屈折率部
２０ 光学機能素子の製造装置
２１ レーザ出力器
２２ 空間光位相変調器
２３ 直線偏光板
２５ ミラー
２７ レンズ
２９ 電動ステージ

Claims (5)

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を二次元に複数行複数列で配列してなる光学機能素子を、レンズにより収束されたフェムト秒レーザを透光部材に照射することで当該透光部材から製造するための光学機能素子の製造方法であって、
   レンズと透光部材との距離を調整するステップと、
   フェムト秒レーザを出力するステップと、
   出力されたフェムト秒レーザを上記レンズにより収束するステップと、
   収束されたフェムト秒レーザを透光部材に照射するステップとを有し、
   上記フェムト秒レーザが、上記透光部材に照射された状態で当該透光部材での照射方向の光強度分布が伸長するように制御されたものであることを特徴とする光学機能素子の製造方法。
2. フェムト秒レーザの透光部材に照射された状態で当該透光部材での照射方向の光強度分布が伸長するようにされる制御が、収束される前のフェムト秒レーザの位相を変調することにより行われ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. フェムト秒レーザの透光部材に照射された状態で当該透光部材での照射方向の光強度分布が伸長するようにされる制御が、他の透光部材にフェムト秒レーザを完全に透過させることにより行われ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。
4. フェムト秒レーザの透光部材に照射された状態で当該透光部材での照射方向の光強度分布が伸長するようにされる制御が、上記透光部材の表面からフェムト秒レーザを照射して透過させることにより行われ、
   上記照射の後に、上記透光部材を表面から除去加工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。
5. フェムト秒レーザの透光部材に照射された状態で当該透光部材での照射方向の光強度分布が伸長するようにされる制御が、上記透光部材の裏面からフェムト秒レーザを透過させることにより行われ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。