JP3883852B2 - 回折効率が制御された回折光学素子の製造法 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は、三次元光集積回路として有用な回折効率が制御された回折光学素子を製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光学ガラスの内部に焦点を設定してレーザ光を集光照射すると、焦点及びその近傍がレーザ光のエネルギーによって物性，ひいては屈折率が変化する。本発明者等は、レーザ光の集光照射による屈折率変化を利用し、光学ガラスの内部に光導波路を形成することを特開平９−３１１２３７号公報で紹介した。
レーザ光を集光照射する方法は、従来のイオン交換法，火炎加水分解法等と異なり、屈折率変化領域を光学ガラスの内部に書き込めるため、三次元光集積回路の作製手法として有望視されている。屈折率変化領域の作製に際し、レーザ光の平均ピークパワー，スキャン速度等の条件を変化させることにより回折効率をある程度制御できる。たとえば、高倍率の対物レンズを用いてピークパワーを高めると屈折率変化量Δｎが増加し、平均ピークパワーを大きく設定してスキャン速度を低速にするとレーザ入射方向長さＬが増加する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、屈折率変化量Δｎとレーザ入射方向長さＬの積ΔｎＬがλ／２（λ：使用波長）より小さい範囲では、積ΔｎＬの増加に伴って回折効率が高くなる。しかし、高倍率の対物レンズを用いてレーザ光を集光照射するとき、屈折率変化量Δｎは増加するが、焦点深度が浅いためにレーザ入射方向長さＬが減少する。逆に低倍率の対物レンズを使用すると、レーザ入射方向長さＬは長くなるものの、ピークパワーの不足によって屈折率変化量Δｎが減少する。すなわち、従来の作製法では屈折率変化量Δｎ，レーザ入射方向長さＬを同時に増加させることが困難なため、回折効率の向上には限界があった。実際、現在までに報告されている一次回折効率は最大でも２０％程度に過ぎず、理論最大効率（４０.５％）に比較して大幅に低い値である。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、レーザ光の集光照射による長所を活用して屈折率変化領域を多層化することにより、屈折率変化量Δｎ，レーザ入射方向長さＬを共に増加させることを可能とし、回折効率を高レベルで制御した回折光学素子を提供することを目的とする。
【０００５】
本発明の回折光学素子製造方法は、その目的を達成するため、集光レンズで焦点を光学ガラスの内部に設定したパルスレーザ光で光学ガラスを集光照射して焦点及びその近傍に１層目の屈折率変化領域を形成した後、パルスレーザ光の入射方向に沿って集光レンズ又は光学ガラスを相対移動させて焦点位置を変更し、パルスレーザ光を再度集光照射して１層目の上に２層目の屈折率変化領域を重ね、以下、焦点位置の移動及びパルスレーザ光の集光照射を繰り返すことにより屈折率変化領域が多層に重なった回折格子を形成することを特徴とする。
【０００６】
【作用】
矩形形状で等間隔の位相型回折光学素子の一次回折効率η1は、位相をφとするとき、η1＝(４／π2)sin2(φ／２)であることが知られている。位相φは、屈折率変化量Δｎ，屈折率変化領域のレーザ入射方向長さＬ（図１）を用いてφ＝２πΔｎＬ／λと表される。
本発明においては、レーザ光の集光照射を繰り返すことによって屈折率変化領域を多層化し、レーザ入射方向長さＬを増加させている（図２）。具体的には、光学ガラス１の内部に焦点を調節してレーザ光ｌを集光レンズ２で絞って集光照射しながら光学ガラス１の平面方向に走査することにより１層目の屈折率変化領域３1を書き込んだ後、パルスレーザ光ｌの入射方向Ｚに光学ガラス１又は集光レンズ２を相対移動させて焦点位置を変え、再度の集光照射によって２層目の屈折率変化領域３2を書き込む。
【０００７】
このようにレーザ光ｌの集光照射及び集光レンズ２の相対移動を繰り返すことにより、必要なレーザ入射方向長さＬをもつ回折格子３が作製される。屈折率変化領域を多層に積み重ねることによって回折格子３が形成されるため、対物レンズの倍率、換言するとレーザ光ｌのピークパワーを低下させることなく（屈折率変化量Δｎを減少させることなく）レーザ入射方向長さＬを増加できる。その結果、積ΔｎＬの大きな回折格子３が得られ、理論最大効率に近い値まで回折効率を実現できる。また、屈折率変化領域３1〜３nの層数によって回折効率を目標値に制御した回折光学素子が得られる。
【０００８】
【実施例】
両面研磨された合成石英ガラス（１０ｍｍ×１０ｍｍ×２ｍｍ）の表面から深さ１ｍｍの位置に焦点を調節し、波長８００ｎｍ，パルス幅１.２×１０-13秒，繰返し周期２００ｋＨｚのパルスレーザ光で合成石英ガラスを集光照射した。なお、集光レンズ２として１０×（ＮＡ０.３）の対物レンズを使用し、レーザパワー２４０ｍＷ，スキャン速度２５μｍ／秒の条件で一層目の屈折率変化領域３1を書き込んだ。形成された屈折率変化領域３1は、レーザ入射方向長さＬ1が８０μｍであった。
【０００９】
次いで、合成石英ガラスを搭載しているステージを下方に移動させて焦点位置を８０μｍ浅くした後、同様な条件下でパルスレーザ光の集光照射により２層目の屈折率変化領域３2を形成した。２層目の屈折率変化領域３2も、レーザ入射方向長さＬ2が８０μｍであった。以下、ステージの移動及びパルスレーザ光の集光照射を繰り返すことにより、１層，２層，３層，４層構成の回折格子を４種類作製した。
ステージ移動及び集光照射の繰返しにより、長さ１ｍｍにわたって屈折率が変化した複数の細線からなる幅２５μｍの屈折率変化領域を５０μｍピッチで２０周期書き込んだ回折格子（図３）を作製した。
【００１０】
得られた回折格子について、Ｈｅ−Ｎｅレーザ（波長λ＝６３３ｎｍ）を入射光として、パワーメータにより入射光強度及び一次回折光強度を測定し、（一次回折効率η1）＝（一次回折光強度）／（入射光強度）として一次回折効率η1を算出した。また、回折光の強度分布から最小二乗フィッティングによって位相φを求めた。
表１の測定結果にみられるように、屈折率変化領域３1〜３nの層数と位相φがほぼ比例関係にあり、回折効率が高精度で制御されることが判る。回折効率は、３層構成の回折格子で３５.１％を達成しており、理論最大効率４０.５％に近くなっていた。
【００１１】
更に、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光を照射したときの回折像（図４）を観察したところ、屈折率変化領域３1〜３nの層数が増すに従って±一次回折光が強くなり、３層でピークになり、４層では弱くなっていた。η1＝(４／π2)sin2(φ／２)の理論式は、一次回折効率η1がφ＜πで増加し、φ＞πでは減少していくことを表している。このことからすると、３層構成の回折格子で位相φが最もπに近づくため回折効率が最大になり、４層構成では４.４６（＞π）のために回折効率が却って減少するといえる。
【００１３】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明においては、パルスレーザ光ｌの集光照射及び焦点位置の移動を繰り返すことにより屈折率変化領域３1〜３nが多層に重なった回折格子を形成している。回折格子のレーザ入射方向長さＬは屈折率変化領域３1〜３nの合計層厚で決まるため、従来法のようにレーザ入射方向長さＬを長くするために倍率の低い集光レンズ２を必要としないので屈折率変化量Δｎの低下をきたさない。したがって、屈折率変化量Δｎ，レーザ入射方向長さＬの双方を増加でき、回折効率の高い回折光学素子が得られる。しかも、ガラス内部に屈折率変化領域が形成されることから、三次元形状の回折格子を書き込むことも可能であり、三次元光集積回路の作製方法として活用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 パルスレーザ光ｌの集光照射によって回折格子３を光学ガラス１の内部に書き込む方法の説明図
【図２】 パルスレーザ光ｌの集光照射及び焦点位置の移動を繰り返すことによって屈折率変化領域３1〜３nを多層に重ね合わせた回折格子３を光学ガラス１の内部に書き込む方法の説明図
【図３】 実施例で屈折率変化領域を書き込んだ回折格子の一部説明図
【図４】 １〜４層構成の回折格子をもつ光学ガラスをＨｅ−Ｎｅレーザ光で照射したときの回折像
【符号の説明】
１：光学ガラス ２：集光レンズ ３：回折格子 ３n：ｎ層目の屈折率変化領域 ｌ：レーザ光 Ｌ：レーザ入射方向長さ
Claims (1)
- 集光レンズで焦点を光学ガラスの内部に設定したパルスレーザ光で光学ガラスを集光照射して焦点及びその近傍に１層目の屈折率変化領域を形成した後、パルスレーザ光の入射方向に沿って集光レンズ又は光学ガラスを相対移動させて焦点位置を変更し、パルスレーザ光を再度集光照射して１層目の上に２層目の屈折率変化領域を重ね、以下、焦点位置の移動及びパルスレーザ光の集光照射を繰り返すことにより屈折率変化領域が多層に重なった回折格子を形成することを特徴とする回折光学素子の製造方法。
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