JP3468450B2 - 固体材料内部の選択的改質方法及び内部が選択的に改質された固体材料 - Google Patents
固体材料内部の選択的改質方法及び内部が選択的に改質された固体材料Info
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- C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
- C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
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- C03C23/0005—Other surface treatment of glass not in the form of fibres or filaments by irradiation
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、希土類イオン及び又は
遷移金属イオンの価数変化によって屈折率が選択的に異
なった領域が所定パターンで内部に形成されている固体
材料及びその製造方法に関する。
遷移金属イオンの価数変化によって屈折率が選択的に異
なった領域が所定パターンで内部に形成されている固体
材料及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】酸化又は還元雰囲気で融点に近い高温付
近で固体材料を熱処理すると、固体材料に含まれている
希土類イオンや遷移金属イオンの価数が変化する。この
方法によるとき、固体材料全体に分布する希土類イオン
や遷移金属イオンの価数を変化させることはできるもの
の、特定された領域において希土類イオンや遷移金属イ
オンの一部の価数を選択的に変化させることは困難であ
る。しかも、固体材料を融点付近の高温で処理すること
から、異なる屈折率を有する領域から構成される固体材
料の場合には屈折率が異なる領域が融合してしまい、本
来とは異なる構造又は全体が均一な屈折率を有する材料
に変質することもある。
近で固体材料を熱処理すると、固体材料に含まれている
希土類イオンや遷移金属イオンの価数が変化する。この
方法によるとき、固体材料全体に分布する希土類イオン
や遷移金属イオンの価数を変化させることはできるもの
の、特定された領域において希土類イオンや遷移金属イ
オンの一部の価数を選択的に変化させることは困難であ
る。しかも、固体材料を融点付近の高温で処理すること
から、異なる屈折率を有する領域から構成される固体材
料の場合には屈折率が異なる領域が融合してしまい、本
来とは異なる構造又は全体が均一な屈折率を有する材料
に変質することもある。
【０００３】希土類イオンや遷移金属イオンの価数変化
は、Ｘ線や紫外線等の照射によっても生じる。Ｘ線や紫
外線の照射に際し、所定のパターンをもつ遮光性マスク
で固体材料を覆い、固体材料の表面を選択的に照射する
とき、希土類イオンや遷移金属イオンの価数が変化した
領域を所定パターンに従って形成できる。Ｘ線や紫外線
による価数変化は、１光子過程の変化であることから、
Ｘ線や紫外線のエネルギが材料の表面より吸収されてし
まう。そのため、この方法によっても、固体材料内部の
任意の屈折率を有する領域のみにおいて希土類イオン及
び遷移金属イオンの価数を選択的に変化させることはで
きない。また、表面から吸収されたＸ線や紫外線により
ガラス自体がソーラリゼーションを起こし、着色や屈折
率変化の欠点が発生し易くなる。
は、Ｘ線や紫外線等の照射によっても生じる。Ｘ線や紫
外線の照射に際し、所定のパターンをもつ遮光性マスク
で固体材料を覆い、固体材料の表面を選択的に照射する
とき、希土類イオンや遷移金属イオンの価数が変化した
領域を所定パターンに従って形成できる。Ｘ線や紫外線
による価数変化は、１光子過程の変化であることから、
Ｘ線や紫外線のエネルギが材料の表面より吸収されてし
まう。そのため、この方法によっても、固体材料内部の
任意の屈折率を有する領域のみにおいて希土類イオン及
び遷移金属イオンの価数を選択的に変化させることはで
きない。また、表面から吸収されたＸ線や紫外線により
ガラス自体がソーラリゼーションを起こし、着色や屈折
率変化の欠点が発生し易くなる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】すなわち、従来法によ
るとき、複数の異なる屈折率を有する領域から構成され
る固体材料内部の特定の屈折率を有する領域のみにおい
て、その周囲を変化させることなく、希土類イオン及び
／又は遷移金属イオンの一部又は全てを選択的に変化さ
せることが難しい。ところが、光通信，光情報処理を始
めとする光学技術の発展に伴って、複雑な光回路をもつ
素子の提供が強く望まれるようになってきている。複雑
な光回路を作製するためには、従来のような表面域だけ
でなく、固体材料内部に所定のパターンを書き込む技術
が必要になる。内部への書込みが可能になると、三次元
的な構造をもつ光回路が形成でき、複雑化，高機能化の
要求に十分対応できる。
るとき、複数の異なる屈折率を有する領域から構成され
る固体材料内部の特定の屈折率を有する領域のみにおい
て、その周囲を変化させることなく、希土類イオン及び
／又は遷移金属イオンの一部又は全てを選択的に変化さ
せることが難しい。ところが、光通信，光情報処理を始
めとする光学技術の発展に伴って、複雑な光回路をもつ
素子の提供が強く望まれるようになってきている。複雑
な光回路を作製するためには、従来のような表面域だけ
でなく、固体材料内部に所定のパターンを書き込む技術
が必要になる。内部への書込みが可能になると、三次元
的な構造をもつ光回路が形成でき、複雑化，高機能化の
要求に十分対応できる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、このような要
求に応えるべく案出されたものであり、固体材料の内部
特定領域に集光点を調節してパルスレーザ光を照射する
ことにより、特定領域でイオン価数変化を生じさせ、屈
折率が所定パターンで変化した領域が内部に形成された
光学素子用材料を提供することを目的とする。本発明の
選択的改質方法は、その目的を達成するため、希土類イ
オン及び／又は遷移金属イオンを含み屈折率が互いに異
なる複数の領域を内部に有する固体材料の特定領域に集
光点を調節してパルスレーザを集光照射し、前記特定領
域の希土類イオン及び／又は遷移金属イオンの価数を選
択的に変化させることを特徴とする。
求に応えるべく案出されたものであり、固体材料の内部
特定領域に集光点を調節してパルスレーザ光を照射する
ことにより、特定領域でイオン価数変化を生じさせ、屈
折率が所定パターンで変化した領域が内部に形成された
光学素子用材料を提供することを目的とする。本発明の
選択的改質方法は、その目的を達成するため、希土類イ
オン及び／又は遷移金属イオンを含み屈折率が互いに異
なる複数の領域を内部に有する固体材料の特定領域に集
光点を調節してパルスレーザを集光照射し、前記特定領
域の希土類イオン及び／又は遷移金属イオンの価数を選
択的に変化させることを特徴とする。
【０００６】レーザ照射された材料では、特定領域内に
おいてパルスレーザの集光照射によって希土類イオン及
び／又は遷移金属イオン価数が変化した領域が選択的に
形成されており、イオン価数変化領域の屈折率が他の領
域と異なっている。また、光の干渉によって生じる周期
的な光強度の分布を価数変化に利用することもできる。
この場合、複数のパルスレーザ光を同時に固体材料に集
光照射し、光の干渉に応じて周期的な光強度分布を発生
させ、該光強度分布に対応するパターンで固体材料内部
の特定領域において希土類イオン及び／又は遷移金属イ
オンの価数を選択的に変化させる。固体材料としては、
酸化物，ハロゲン化物，カルコゲナイドの１種又は２種
以上を含む無機ガラスや結晶材料や、光ファイバー，光
導波路，屈折率が異なる膜を積層させた材料等が使用さ
れる。また、希土類イオン及び／又は遷移金属イオンを
含み屈折率が互いに異なる複数の膜が積層された固体材
料を使用しても良い。 具体的には、Ｃｅ，Ｎｄ，Ｐ
ｒ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｙｂ，Ｔｍ等の希土類イ
オンやＴｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｖ，Ｆｅ，Ｃｕ，Ｍｏ，Ｒｕ
等の遷移金属イオンのうち１種又は２種以上を材料全域
に渡って又は部分的に含む酸化物，ハロゲン化物，カル
コゲナイドの１種又は２種以上を含む無機ガラス又は無
機結晶等が固体材料として使用される。
おいてパルスレーザの集光照射によって希土類イオン及
び／又は遷移金属イオン価数が変化した領域が選択的に
形成されており、イオン価数変化領域の屈折率が他の領
域と異なっている。また、光の干渉によって生じる周期
的な光強度の分布を価数変化に利用することもできる。
この場合、複数のパルスレーザ光を同時に固体材料に集
光照射し、光の干渉に応じて周期的な光強度分布を発生
させ、該光強度分布に対応するパターンで固体材料内部
の特定領域において希土類イオン及び／又は遷移金属イ
オンの価数を選択的に変化させる。固体材料としては、
酸化物，ハロゲン化物，カルコゲナイドの１種又は２種
以上を含む無機ガラスや結晶材料や、光ファイバー，光
導波路，屈折率が異なる膜を積層させた材料等が使用さ
れる。また、希土類イオン及び／又は遷移金属イオンを
含み屈折率が互いに異なる複数の膜が積層された固体材
料を使用しても良い。 具体的には、Ｃｅ，Ｎｄ，Ｐ
ｒ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｙｂ，Ｔｍ等の希土類イ
オンやＴｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｖ，Ｆｅ，Ｃｕ，Ｍｏ，Ｒｕ
等の遷移金属イオンのうち１種又は２種以上を材料全域
に渡って又は部分的に含む酸化物，ハロゲン化物，カル
コゲナイドの１種又は２種以上を含む無機ガラス又は無
機結晶等が固体材料として使用される。
【０００７】
【実施の形態】固体材料の内部にある特定の屈折率を有
する領域にパルスレーザの集光点を位置合せして集光照
射すると、集光点及びその近傍のみで希土類イオン及び
／又は遷移金属イオンの価数が選択的に変化する。そこ
で、集光点を固体材料に対して相対移動させると、価数
が変化した領域が集光点の移動軌跡に沿って形成され
る。相対移動時にパルスレーザを任意のタイミングで遮
断すると、価数が変化した複数の領域が固体材料の内部
に形成される。また、同時に複数のパルスレーザを特定
屈折率の領域に集光照射すると、光の干渉に応じて強度
分布が付けられ、希土類イオン及び／又は遷移金属イオ
ンの価数が周期的に変化した領域が形成される。
する領域にパルスレーザの集光点を位置合せして集光照
射すると、集光点及びその近傍のみで希土類イオン及び
／又は遷移金属イオンの価数が選択的に変化する。そこ
で、集光点を固体材料に対して相対移動させると、価数
が変化した領域が集光点の移動軌跡に沿って形成され
る。相対移動時にパルスレーザを任意のタイミングで遮
断すると、価数が変化した複数の領域が固体材料の内部
に形成される。また、同時に複数のパルスレーザを特定
屈折率の領域に集光照射すると、光の干渉に応じて強度
分布が付けられ、希土類イオン及び／又は遷移金属イオ
ンの価数が周期的に変化した領域が形成される。
【０００８】本発明で使用するパルスレーザ光の波長
は、固体材料に含まれる希土類イオンや遷移金属イオン
の吸収波長を含め、対象となる固体材料の固有吸収波長
と重ならないことが好ましい。しかし、照射エネルギの
５０％以上のパルスエネルギが集光点で得られる限り、
特定の屈折率を有する領域内部の集光点のみにおいてイ
オンの価数を変化させることが可能である。パルスレー
ザ光のパルス幅は、ピコ秒オーダー以下が好ましい。パ
ルス当たりのエネルギが同じ場合、パルスレーザ光のピ
ークパワーはパルス幅が長くなるに従って小さくなるこ
とから、同等のピークパワー密度を得るためにレーザパ
ルスのピークエネルギを大きくする必要がある。パルス
レーザ光のピークパワーは、１パルス当たりの出力エネ
ルギ（Ｊ）をパルス幅（秒）で割った値としてワット
（Ｗ）で表され、ピークパワー密度は単位面積（ｃｍ
2 ）当りのピークパワーであり、Ｗ／ｃｍ2 で表され
る。
は、固体材料に含まれる希土類イオンや遷移金属イオン
の吸収波長を含め、対象となる固体材料の固有吸収波長
と重ならないことが好ましい。しかし、照射エネルギの
５０％以上のパルスエネルギが集光点で得られる限り、
特定の屈折率を有する領域内部の集光点のみにおいてイ
オンの価数を変化させることが可能である。パルスレー
ザ光のパルス幅は、ピコ秒オーダー以下が好ましい。パ
ルス当たりのエネルギが同じ場合、パルスレーザ光のピ
ークパワーはパルス幅が長くなるに従って小さくなるこ
とから、同等のピークパワー密度を得るためにレーザパ
ルスのピークエネルギを大きくする必要がある。パルス
レーザ光のピークパワーは、１パルス当たりの出力エネ
ルギ（Ｊ）をパルス幅（秒）で割った値としてワット
（Ｗ）で表され、ピークパワー密度は単位面積（ｃｍ
2 ）当りのピークパワーであり、Ｗ／ｃｍ2 で表され
る。
【０００９】パルス幅が５００フェムト秒より長いと、
イオンの価数変化に必要なピークエネルギのパルスレー
ザ光を固体材料内部に集光照射した際、熱衝撃により材
料自体を破損してしまう虞れがある。パルスレーザ光が
照射される固体材料１の内部には、図１に示すように、
周囲と異なり特定の屈折率をもつ単数または複数の領域
２が形成されている。この領域２に集光点３が位置する
ように、パルスレーザ光４を集光レンズ５で絞る。集光
点ではパルスレーザ光４の電場強度が高くなって、領域
２に含まれている希土類イオンや遷移金属イオンの価数
変化に関する閾値を越えるようになる。電場強度が閾値
を越えると、集光点３及びその近傍に存在する希土類イ
オンや遷移金属イオン価数が変化する。他方、集光点３
から離れた位置では電場強度が弱く、希土類イオンや遷
移金属イオンの価数変化は起こらない。すなわち、集光
点３及びその近傍においてのみ希土類イオンや遷移金属
イオンが価数変化し、固体材料１の領域２内部が選択的
に改質される。
イオンの価数変化に必要なピークエネルギのパルスレー
ザ光を固体材料内部に集光照射した際、熱衝撃により材
料自体を破損してしまう虞れがある。パルスレーザ光が
照射される固体材料１の内部には、図１に示すように、
周囲と異なり特定の屈折率をもつ単数または複数の領域
２が形成されている。この領域２に集光点３が位置する
ように、パルスレーザ光４を集光レンズ５で絞る。集光
点ではパルスレーザ光４の電場強度が高くなって、領域
２に含まれている希土類イオンや遷移金属イオンの価数
変化に関する閾値を越えるようになる。電場強度が閾値
を越えると、集光点３及びその近傍に存在する希土類イ
オンや遷移金属イオン価数が変化する。他方、集光点３
から離れた位置では電場強度が弱く、希土類イオンや遷
移金属イオンの価数変化は起こらない。すなわち、集光
点３及びその近傍においてのみ希土類イオンや遷移金属
イオンが価数変化し、固体材料１の領域２内部が選択的
に改質される。
【００１０】価数変化領域は、集光点３または固体材料
１を相対的に移動させることにより所定のパターンに形
成することができる。相対移動には、光学系の操作によ
り集光点３をＸ，Ｙ，Ｚの３方向に移動させる方法，固
体材料１自体をＸ，Ｙ，Ｚの３方向に移動させる方法，
両者を組み合わせた方法等が採用される。このようにし
て、任意のパターンをもつ価数変化領域が固体材料１の
領域２の内部に形成される。価数変化領域のパターン
は、集光点３又は固体材料の相対移動に応じて二次元ま
たは三次元パターンとなり、或いは領域２全体を価数変
化領域にすることができる。また、二つのレーザパルス
を同期させ集光点において干渉縞を形成させる２光束干
渉法等を適用すると、干渉パターンを反映した価数変化
が特定領域内に形成される。具体的には、図４に示すよ
うにある波長λのレーザ光を２方向から光導波路等に集
光照射すると、二つのレーザ光が重なり合った領域にお
いて光の干渉によりコアの長手方向に周期的な光の強度
分布が生じる。価数変化は、光強度が強い領域でのみ生
じることから、結果として干渉によって生じた周期的な
光強度分布を反映したパターンに対応した価数変化をコ
ア内部に生じさせることができる。このとき、波長や入
射角の変更により干渉パターンの周期が変化するため、
目標とする価数変化をコア内部にもつ光導波路等が得ら
れる。
１を相対的に移動させることにより所定のパターンに形
成することができる。相対移動には、光学系の操作によ
り集光点３をＸ，Ｙ，Ｚの３方向に移動させる方法，固
体材料１自体をＸ，Ｙ，Ｚの３方向に移動させる方法，
両者を組み合わせた方法等が採用される。このようにし
て、任意のパターンをもつ価数変化領域が固体材料１の
領域２の内部に形成される。価数変化領域のパターン
は、集光点３又は固体材料の相対移動に応じて二次元ま
たは三次元パターンとなり、或いは領域２全体を価数変
化領域にすることができる。また、二つのレーザパルス
を同期させ集光点において干渉縞を形成させる２光束干
渉法等を適用すると、干渉パターンを反映した価数変化
が特定領域内に形成される。具体的には、図４に示すよ
うにある波長λのレーザ光を２方向から光導波路等に集
光照射すると、二つのレーザ光が重なり合った領域にお
いて光の干渉によりコアの長手方向に周期的な光の強度
分布が生じる。価数変化は、光強度が強い領域でのみ生
じることから、結果として干渉によって生じた周期的な
光強度分布を反映したパターンに対応した価数変化をコ
ア内部に生じさせることができる。このとき、波長や入
射角の変更により干渉パターンの周期が変化するため、
目標とする価数変化をコア内部にもつ光導波路等が得ら
れる。
【００１１】改質された領域２の周辺では、投入エネル
ギ密度が低いことから、希土類イオン，遷移金属イオン
等に価数変化が生じていない。その結果、改質領域と非
改質領域との間でイオン価数に差が生じ、価数変化に応
じて光の吸収，発光等に関して異なった光学特性が改質
領域及びその周辺で示される。改質領域と非改質領域の
屈折率差は、レーザ照射後の固体材料１に種々の機能を
付与する。たとえば、高屈折率領域のみのイオンの価数
を変化させた場合、励起光（作用光）や価数変化したイ
オンによる発光等が高屈折率変化領域に閉じ込められる
光閉じ込め効果により、高屈折率領域内において高い電
場強度（光強度）が得られる。光増幅や非線形光学効果
等の多くの光学現象は光の強度に効率が大きく作用され
ることから、結果として高効率で各種光機能を発現させ
ることができ、高性能の素子として各種の光学フィルタ
ー，発光・受光素子，光増幅素子，レーザ素子や光メモ
リーにおける多値・多層記録やボリュームホログラムメ
モリー等に使用できる。しかも、複雑な屈折率変化領域
が三次元パターンとしても形成されるため、光学素子に
求められている高機能，小型化等の要求も十分に満足す
る。
ギ密度が低いことから、希土類イオン，遷移金属イオン
等に価数変化が生じていない。その結果、改質領域と非
改質領域との間でイオン価数に差が生じ、価数変化に応
じて光の吸収，発光等に関して異なった光学特性が改質
領域及びその周辺で示される。改質領域と非改質領域の
屈折率差は、レーザ照射後の固体材料１に種々の機能を
付与する。たとえば、高屈折率領域のみのイオンの価数
を変化させた場合、励起光（作用光）や価数変化したイ
オンによる発光等が高屈折率変化領域に閉じ込められる
光閉じ込め効果により、高屈折率領域内において高い電
場強度（光強度）が得られる。光増幅や非線形光学効果
等の多くの光学現象は光の強度に効率が大きく作用され
ることから、結果として高効率で各種光機能を発現させ
ることができ、高性能の素子として各種の光学フィルタ
ー，発光・受光素子，光増幅素子，レーザ素子や光メモ
リーにおける多値・多層記録やボリュームホログラムメ
モリー等に使用できる。しかも、複雑な屈折率変化領域
が三次元パターンとしても形成されるため、光学素子に
求められている高機能，小型化等の要求も十分に満足す
る。
【００１２】
【実施例】実施例１：被照射材料として、コア及びクラ
ッド領域にＳｍ3+が含有されている長さ１０ｃｍ、コア
径１５μｍのフッ化物ガラス光ファイバーを使用した。
パルスレーザ光としては、アルゴンレーザ励起のＴｉ：
サファイアレーザから発振されたパルス幅２００フェム
ト秒、繰り返し周期２００ｋＨｚ、波長８００ｎｍの光
を使用した。光ファイバーのコア領域に集光点が位置す
るようにパルスレーザを対物レンズで絞り、集光照射し
ながら集光点をコアに沿って５０μｍ／秒の速度で集光
点を移動させた。集光点でのピークエネルギ密度は、１
０10Ｗ／ｃｍ2 であった。集光照射後の試料にコア端面
からアルゴンイオンレーザ（５１４ｎｍ）を照射し、発
光スペクトルを測定した。図２の測定結果に見られるよ
うに、レーザ光が照射された領域の発光スペクトル
（ｂ）は、パルスレーザ照射前の発光スペクトル（ａ）
と明らかに異なっている。すなわち、発光スペクトル
（ａ）がＳｍ3+の発光スペクトルと一致しているのに対
し、照射後の発光スペクトル（ｂ）はＳｍ 2+の発光スペ
クトルと一致していた。発光スペクトルの（ａ）から
（ｂ）への変化は、パルスレーザ光をコア領域に集光照
射することによってコアのＳｍイオンの価数が３価から
２価に変化していることを示す。集光点から遠い領域で
は、照射前後の発光スペクトルに変化が検出されなかっ
た。他のハロゲン化物，酸化物，硫化物，カルコゲナイ
ドガラスからなる他の光ファイバーにおいても、同様な
パルスレーザ光のコア領域への集光照射によってＳｍイ
オンの価数が３価から２価に変化することを確認した。
ッド領域にＳｍ3+が含有されている長さ１０ｃｍ、コア
径１５μｍのフッ化物ガラス光ファイバーを使用した。
パルスレーザ光としては、アルゴンレーザ励起のＴｉ：
サファイアレーザから発振されたパルス幅２００フェム
ト秒、繰り返し周期２００ｋＨｚ、波長８００ｎｍの光
を使用した。光ファイバーのコア領域に集光点が位置す
るようにパルスレーザを対物レンズで絞り、集光照射し
ながら集光点をコアに沿って５０μｍ／秒の速度で集光
点を移動させた。集光点でのピークエネルギ密度は、１
０10Ｗ／ｃｍ2 であった。集光照射後の試料にコア端面
からアルゴンイオンレーザ（５１４ｎｍ）を照射し、発
光スペクトルを測定した。図２の測定結果に見られるよ
うに、レーザ光が照射された領域の発光スペクトル
（ｂ）は、パルスレーザ照射前の発光スペクトル（ａ）
と明らかに異なっている。すなわち、発光スペクトル
（ａ）がＳｍ3+の発光スペクトルと一致しているのに対
し、照射後の発光スペクトル（ｂ）はＳｍ 2+の発光スペ
クトルと一致していた。発光スペクトルの（ａ）から
（ｂ）への変化は、パルスレーザ光をコア領域に集光照
射することによってコアのＳｍイオンの価数が３価から
２価に変化していることを示す。集光点から遠い領域で
は、照射前後の発光スペクトルに変化が検出されなかっ
た。他のハロゲン化物，酸化物，硫化物，カルコゲナイ
ドガラスからなる他の光ファイバーにおいても、同様な
パルスレーザ光のコア領域への集光照射によってＳｍイ
オンの価数が３価から２価に変化することを確認した。
【００１３】実施例２：被照射材料として、２種類の屈
折率を有する膜厚３μｍの膜が交互に積み重ねられ、屈
折率が高い膜のみＳｍ3+が含有されているフッ化物ガラ
ス多層膜を使用した。屈折率が高い１つのＳｍ3+含有層
に集光点が位置するように、パルスレーザを対物レンズ
で調整した。そのまま静止した状態でアルゴンレーザ励
起のＴｉ：サファイアレーザから発振されたパルス幅１
２０フェムト秒，繰り返し周期１０Ｈｚ，波長８００ｎ
ｍ，ピークエネルギ密度１０11Ｗ／ｃｍ2 のパルスレー
ザ光を１秒照射した。次いで、レーザを遮断し、同一層
内において集光点を３μｍ移動させた後、同様に１秒間
パルスレーザを照射した。この操作を同一層膜内におい
て繰り返した。その後、焦点を一層下のＳｍ3+含有層に
移動させ、同様にパルスレーザを１秒間集光照射する操
作を繰り返した。これらの一連の操作を繰り返すことに
より、図３に示すように、１０層のＳｍ 3+含有量に各層
１００スポットの照射を行った。得られた試料を共焦点
レーザ走査顕微鏡で三次元観察した。観察にはアルゴン
イオンレーザを使用し、６７０ｎｍより長波長の発光を
検出した。その結果、パルスレーザ照射位置でのみ１μ
ｍ径のスポットで６７０ｎｍより長波長の発光が観測さ
れた。Ｓｍ2+の発光スペクトルは主として６７０ｎｍよ
り長波長であり、Ｓｍ3+の発光スペクトルは６７０ｎｍ
より短波長である（図２）。したがって、屈折率が異な
る多層膜内においてパルスレーザが照射された領域のみ
でＳｍイオンの価数が３価から２価に変化していること
が確認された。
折率を有する膜厚３μｍの膜が交互に積み重ねられ、屈
折率が高い膜のみＳｍ3+が含有されているフッ化物ガラ
ス多層膜を使用した。屈折率が高い１つのＳｍ3+含有層
に集光点が位置するように、パルスレーザを対物レンズ
で調整した。そのまま静止した状態でアルゴンレーザ励
起のＴｉ：サファイアレーザから発振されたパルス幅１
２０フェムト秒，繰り返し周期１０Ｈｚ，波長８００ｎ
ｍ，ピークエネルギ密度１０11Ｗ／ｃｍ2 のパルスレー
ザ光を１秒照射した。次いで、レーザを遮断し、同一層
内において集光点を３μｍ移動させた後、同様に１秒間
パルスレーザを照射した。この操作を同一層膜内におい
て繰り返した。その後、焦点を一層下のＳｍ3+含有層に
移動させ、同様にパルスレーザを１秒間集光照射する操
作を繰り返した。これらの一連の操作を繰り返すことに
より、図３に示すように、１０層のＳｍ 3+含有量に各層
１００スポットの照射を行った。得られた試料を共焦点
レーザ走査顕微鏡で三次元観察した。観察にはアルゴン
イオンレーザを使用し、６７０ｎｍより長波長の発光を
検出した。その結果、パルスレーザ照射位置でのみ１μ
ｍ径のスポットで６７０ｎｍより長波長の発光が観測さ
れた。Ｓｍ2+の発光スペクトルは主として６７０ｎｍよ
り長波長であり、Ｓｍ3+の発光スペクトルは６７０ｎｍ
より短波長である（図２）。したがって、屈折率が異な
る多層膜内においてパルスレーザが照射された領域のみ
でＳｍイオンの価数が３価から２価に変化していること
が確認された。
【００１４】
【発明の効果】以上に説明したように、本発明において
は、複数の異なる屈折率を有する領域から構成される希
土類イオンや遷移金属イオン含有固体材料内部に集光点
を調節したパルスレーザ光で固体材料内部を集光照射す
ることにより、特定の屈折率を有する領域のイオンの価
数のみを選択的に変化させている。集光点から離れた領
域では希土類イオンや、遷移金属イオンの価数は変化し
ていないため、イオン価数変化が起こった領域は、光の
吸収，発光等に関して異なった光学特性を呈する。本発
明に従って処理された固体材料は、価数変化領域が材料
内部で選択的に形成されることを利用し、各種の光学フ
ィルター，発光・受光素子，光増幅素子，レーザ素子や
光メモリーにおける多値・多層記録やボリュームホログ
ラムメモリー等として使用される。
は、複数の異なる屈折率を有する領域から構成される希
土類イオンや遷移金属イオン含有固体材料内部に集光点
を調節したパルスレーザ光で固体材料内部を集光照射す
ることにより、特定の屈折率を有する領域のイオンの価
数のみを選択的に変化させている。集光点から離れた領
域では希土類イオンや、遷移金属イオンの価数は変化し
ていないため、イオン価数変化が起こった領域は、光の
吸収，発光等に関して異なった光学特性を呈する。本発
明に従って処理された固体材料は、価数変化領域が材料
内部で選択的に形成されることを利用し、各種の光学フ
ィルター，発光・受光素子，光増幅素子，レーザ素子や
光メモリーにおける多値・多層記録やボリュームホログ
ラムメモリー等として使用される。
【図１】 固体材料内部の特定領域にパルスレーザ光を
集光照射する説明図
集光照射する説明図
【図２】 レーザ照射によってコア領域のＳｍイオンが
変化したことを示すレーザ照射前後の発光スペクトル
変化したことを示すレーザ照射前後の発光スペクトル
【図３】 実施例で使用した多層構造のフッ化物ガラス
多層膜へのパルスレーザ光照射位置を示す図
多層膜へのパルスレーザ光照射位置を示す図
【図４】 干渉で生じる周期的な光強度分布に対応した
パターンで価数変化させる方法の説明図
パターンで価数変化させる方法の説明図
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ
Ｇ０３Ｈ 1/02 Ｇ０３Ｈ 1/02
Ｇ１１Ｂ 7/24 ５２２ Ｇ１１Ｂ 7/24 ５２２Ａ
// Ｇ０２Ｂ 3/00 Ｇ０２Ｂ 3/00 Ｂ
5/20 5/20
Ｈ０１Ｓ 3/00 Ｈ０１Ｓ 3/00 Ｂ
(72)発明者 平尾 一之
京都府相楽郡木津町木津川台三丁目５番
８号
(56)参考文献 特開 平10−236843（ＪＰ，Ａ)
特開 平８−301695（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
B01J 19/12
C03B 20/00
C03C 23/00
G02B 6/00
G03C 1/725
G03H 1/02
Claims (7)
- 【請求項１】 希土類イオン及び／又は遷移金属イオン
を含み屈折率が互いに異なる複数の領域を内部に有する
固体材料の特定領域に集光点を調節してパルスレーザを
集光照射し、前記特定領域の希土類イオン及び／又は遷
移金属イオンの価数を選択的に変化させることを特徴と
する固体材料内部の選択的改質方法。 - 【請求項２】 酸化物，ハロゲン化物，カルコゲナイド
の１種又は２種以上を含む無機ガラスを固体材料として
使用する請求項１記載の固体材料内部の選択的改質方
法。 - 【請求項３】 希土類イオン及び／又は遷移金属イオン
を含み屈折率が互いに異なる複数の膜が積層された固体
材料を使用する請求項１又は２記載の固体材料内部の選
択的改質方法。 - 【請求項４】 固体材料に対してパルスレーザ光の集光
点を相対的に移動させる請求項１〜３の何れかに記載の
固体材料内部の選択的改質方法。 - 【請求項５】 パルスレーザ光の照射を断続的に繰り返
す請求項１〜４の何れかに記載の固体材料内部の選択的
改質方法。 - 【請求項６】 希土類イオン及び／又は遷移金属イオン
を含む固体材料に複数のパルスレーザ光を同時に集光照
射し、光の干渉に応じて周期的な光強度分布を固体材料
の内部に発生させ、該光強度分布に対応する固体材料内
部の特定領域の希土類イオン及び／又は遷移金属イオン
の価数を選択的に変化させることを特徴とする固体材料
内部の選択的改質方法。 - 【請求項７】 希土類イオン及び／又は遷移金属イオン
を含み屈折率が互いに異なる複数の領域を内部に有する
固体材料の特定領域に集光点を調節してパルスレーザを
集光照射し、前記特定領域の希土類イオン及び／又は遷
移金属イオンの価数が選択的に変化されたことを特徴と
する固体材料。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20331198A JP3468450B2 (ja) | 1998-07-17 | 1998-07-17 | 固体材料内部の選択的改質方法及び内部が選択的に改質された固体材料 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20331198A JP3468450B2 (ja) | 1998-07-17 | 1998-07-17 | 固体材料内部の選択的改質方法及び内部が選択的に改質された固体材料 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000033263A JP2000033263A (ja) | 2000-02-02 |
| JP3468450B2 true JP3468450B2 (ja) | 2003-11-17 |
Family
ID=16471935
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP20331198A Expired - Fee Related JP3468450B2 (ja) | 1998-07-17 | 1998-07-17 | 固体材料内部の選択的改質方法及び内部が選択的に改質された固体材料 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3468450B2 (ja) |
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| JP3531738B2 (ja) * | 2000-02-22 | 2004-05-31 | 日本電気株式会社 | 屈折率の修正方法、屈折率の修正装置、及び光導波路デバイス |
| FR2815425B1 (fr) * | 2000-10-12 | 2003-10-31 | Holophane | Piece de matiere transparente et lentille de phares de vehicules |
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| CN1401204A (zh) | 2000-12-20 | 2003-03-05 | 大赛璐化学工业株式会社 | 有机电致发光元件用的材料及其制造方法 |
| JP3845611B2 (ja) * | 2002-09-30 | 2006-11-15 | 株式会社東芝 | 光記録媒体 |
| US8629610B2 (en) | 2006-01-12 | 2014-01-14 | Ppg Industries Ohio, Inc. | Display panel |
| ES2383915T3 (es) | 2006-01-12 | 2012-06-27 | Ppg Industries Ohio, Inc. | Panel pantalla con características de redirección de la luz producida por láser |
| JP6819093B2 (ja) * | 2016-06-29 | 2021-01-27 | 株式会社Ihi | 材料製造装置、および、材料製造方法 |
-
1998
- 1998-07-17 JP JP20331198A patent/JP3468450B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JP2000033263A (ja) | 2000-02-02 |
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