JP4005785B2

JP4005785B2 - Optical element and optical device using the optical element

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Publication number: JP4005785B2
Application number: JP2001317005A
Authority: JP
Inventors: 義浩瀧口; 研策伊藤
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2001-10-15
Filing date: 2001-10-15
Publication date: 2007-11-14
Anticipated expiration: 2021-10-15
Also published as: JP2003121601A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学素子及びその光学素子を用いた光学装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のホトニック結晶の理解を容易にするために、半導体単結晶について説明する。半導体単結晶は、特定の原子が周期的かつ規則的に配列してなる物質である。このような半導体単結晶中での電子伝搬特性は、結晶を構成している原子の種類とその配列の原子間隔とによって決定される。すなわち、半導体単結晶中での電子伝搬特性は、構成原子による周期ポテンシャルと電子の波動性とに起因して発生するエネルギーバンドギャップを有するバンド構造を示す。
【０００３】
これに対して、ホトニック結晶は、電子に対する上記のバンド構造と同様に、光に対するバンド構造を有するものとしてヤブラノビッチ（Yablonovich）等によって提案された構造体である。
【０００４】
ホトニック結晶中の光の伝搬は、半導体中の電子の伝搬と同様に制限を受ける。ホトニック結晶は、光に対する禁止帯を有しており、この禁止帯をホトニックバンドギャップと言う。このホトニックバンドギャップが存在することで、特定の波長帯域の光は、ホトニック結晶内を伝搬できなくなる。
【０００５】
従来、様々なホトニック結晶が提案されている。例えば、サブミクロンサイズの粒子が光の波長程度の周期で配列されているもの、また、マイクロ波帯であれば、粒子としてのポリマー球が空間中に配列されているものなどである。
【０００６】
この他に、ポリマー球が金属内で固化され、固化後に、ポリマー球が化学的に溶解されることにより、周期的微小空間が金属中に形成されているもの、金属中に等間隔で穴が開けられているもの、固体材料中にレーザー光を用いて屈折率が周囲と異なる領域を形成されているもの、などである。
【０００７】
これらのホトニック結晶は、ホトニックバンドギャップが存在するという特性から、近年注目され、様々な光学素子に利用可能である。
【０００８】
また、この光学素子は、レーザー核融合装置、レーザー光による加工装置、レーザー発振装置など各種の光学装置にも利用可能である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの上述したホトニック結晶は、高強度の光を照射すると光学的ダメージを受けてしまう場合があり、光学的ダメージを受けてしまうと再利用できなく、また上述したホトニック結晶を用いた光学装置も、高強度の光を照射され、ホトニック結晶に光学的ダメージ受けることで使用できなくなってしまうものであった。
【００１０】
このような問題に鑑みて、本発明は、光学的ダメージを受けても再利用可能な光学素子及びその光学素子を用いた光学装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するために、本発明に係る光学素子は、予め電荷をためられた複数個の微小粒子を流動性溶液に含ませることで得られるゾル状物質と、微小粒子と同極性の電荷を帯電した対向する二つの面を有し、二つの面の間の空間にゾル状物質を保持する保持部材と、ゾル状物質を保持部材内の空間に流入させ、保持部材内の空間で保持されていたゾル状物質を流出させる流動手段と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
これにより、予め電荷をためられた複数個の微小粒子を流動性溶液に含ませることで得られたゾル状物質は、微小粒子と同極性の電荷を帯電した対向する二つの面を有する保持部材内の空間で保持され、保持部材内の空間へ流動手段によって流入し、流入後、保持部材内の空間から流動手段によって流出する。また、ゾル状物質は、保持部材に保持されている間で、微小粒子同士の静電相互作用及び微小粒子と保持部材との静電相互作用によりホトニック結晶の特性を持つ。したがって、ゾル状物質が保持部材内の空間に流入し、ホトニック結晶と同様の特性を持ち、その後、保持部材内の空間から流出し、あらたなゾル状物質が保持部材内の空間に流入するため、高強度の光が保持部材に照射されて、ゾル状物質が光学的ダメージを受けても、光学素子の再利用が可能となる。
【００１３】
また、本発明に係る光学素子は、ゾル状物質中の流動性溶液の屈折率を調整する溶液屈折率調整手段をさらに備えることを特徴とする。この場合、ゾル状物質中の流動性溶液は、その屈折率が溶液屈折率調整手段により調整される。したがって、保持部材の空間内でのゾル状物質の特性は、照射光の波長や強度等にあわせて調整可能となる。
【００１４】
また、本発明に係る光学素子は、ゾル状物質に含まれる微小粒子の電荷量を調整する微小粒子電荷量調整手段をさらに備えることを特徴とする。この場合、ゾル状物質に含まれる微小粒子は、その電荷量が微小粒子電荷量調整手段により調整される。したがって、保持部材の空間内でのゾル状物質の特性は、照射光の波長や強度等にあわせて調整可能となる。
【００１５】
また、本発明に係る光学素子は、ゾル状物質中の流動性溶液のイオン濃度を調整するイオン濃度調整手段をさらに備えることを特徴とする。この場合、ゾル状物質中の流動性溶液のイオン濃度は、イオン濃度調整手段により調整される。したがって、保持部材の空間内でのゾル状物質の特性は、照射光の波長や強度等にあわせて調整可能となる。
【００１６】
また、本発明に係る光学素子は、ゾル状物質に含まれる微小粒子の粒径を調整する粒径調整手段をさらに備えることを特徴とする。この場合、ゾル状物質に含まれる微小粒子の粒径は、粒径調整手段により調整される。したがって、保持部材の空間内でのゾル状物質の特性は、照射光の波長や強度等にあわせて調整可能となる。
【００１７】
また、本発明に係る光学素子では、流動手段は、保持部材内の空間から流出したゾル状物質を循環し、再度保持部材内の空間へ流入させることを特徴とする。したがって、ゾル状物質を排出することがなく無駄無く使用できる。
【００１８】
また、本発明に係る光学素子は、ゾル状物質の温度を制御する温度制御手段を更に備えることを特徴とする。この場合、ゾル状物質は、その温度が温度制御手段により制御される。したがって、保持部材の空間内でのゾル状物質は、その温度が調整されて、ゾル状物質内の微小粒子の規則的配列を保つ。
【００１９】
また、本発明に係る光学素子は、流動手段、保持部材及びゾル状物質の流れる流路が基板に集積化されていることを特徴とする。この場合、流動手段、保持部材及びゾル状物質が流れる流路は、基板に集積化される。したがって、光学素子全体がコンパクトに作成できる。
【００２０】
本発明に係る光学装置は、上述した光学素子を光の経路上に用いたことを特徴とする。この場合、光学素子は、光の経路上に用いられ、光学装置に利用される。したがって、光学素子を再利用可能な光学装置が提供される。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の参照番号を附し、重複する説明は省略する。
【００２２】
図１は本実施形態に係るゾル状物質１の構成を示す斜視図である。本実施形態のゾル状物質１は、流動性を有している。ゾル状物質１は、微小粒子１ａと流動性溶液１ｂとで構成される。微小粒子１ａは、シリカまたはチタン酸バリウムなどの微小球（光学的な微結晶）である。この微小粒子１ａは、入力光の波長帯域に応じて光の波長の半分から１／４程度の大きさに設定され、光学的に透明であるか、または適当な透過率を有するものである。また、この微小粒子１ａは、予め負の電荷をためられている。
【００２３】
流動性溶液１ｂは、イオン濃度が適当に調整された流動性を有する溶液である。この流動性溶液１ｂのイオン濃度は、流動性溶液１ｂ内での微小粒子１ａの配列に影響を与える。また、この流動性溶液１ｂも微小粒子１ａと同様に、光学的に透明であるか、または適当な透過率を有するものである。
【００２４】
この微小粒子１ａ及び流動性溶液１ｂで構成されるゾル状物質１は、微小粒子１ａがゾル状物質１内で規則的に配列することにより、固化されたホトニック結晶と同等の特性をもつ。そこで、以下、固化されたホトニック結晶と同等の特性をもったゾル状物質１を流動性ホトニック結晶と称する。
【００２５】
また、ゾル状物質１が流動性ホトニック結晶となったときの特性は、微小粒子１ａの粒径や屈折率や電荷量及び流動性溶液１ｂのイオン濃度や屈折率に影響される。従って、微小粒子１ａの粒径や屈折率や電荷量及び流動性溶液１ｂのイオン濃度や屈折率を調整することで、流動性ホトニック結晶は、入力光の波長帯域に最適化した特性を有するようになる。また、流動性ホトニック結晶の微小粒子１ａの規則的配列は、温度に影響される。したがって、流動性ホトニック結晶は、その温度が調整されることで、含有される微小粒子１ａの規則的配列を保つ。
【００２６】
このように、様々な要因が流動性ホトニック結晶の特性に影響する。これらのゾル状物質１に含まれる微小粒子１ａの粒径や屈折率や電荷量、ゾル状物質１中の流動性溶液１ｂのイオン濃度や屈折率及びゾル状物質１の温度は、前もって設定可能である。しかし、ゾル状物質１自体が流動性を有しているので、流動性溶液１ｂ内に含有する微小粒子１ａは、単に含有させても規則的に配列しない。従って、ゾル状物質１は、従来から存在するホトニック結晶と同等の特性を得るために、ゾル状物質１に含有される微小粒子１ａを規則的に配列させなければならない。
【００２７】
図２に本実施形態に係るゾル状物質１を用いた光学素子２の構成を示す。また、図３に本実施形態に係る光学素子２の保持部材４の詳細な構成を示す。図２に示すように、光学素子２は、ポンプ３、保持部材４、流路５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ及び液溜め６からなる。また、保持部材４は、図３に示すように、ガラス板７ａ，７ｂ及びスペーサー８ａ，８ｂを備え、それらで囲まれる空間には、前述したゾル状物質１が流入するようになっている。なお、この光学素子２を光学装置に用いた場合、保持部材４のガラス板７ａ，７ｂには、レーザー光などの照射光が照射されるようになっている。
【００２８】
図２に示される構成について説明する。ポンプ３は、ゾル状物質１を保持部材４内の空間に流入させ、保持部材４内の空間から流出させる流動源である。保持部材４は、前述した微小粒子１ａと同じ負の電荷を帯電している。また、保持部材４は、ゾル状物質１を流入する流入口４１とゾル状物質１を流出する流出口４２とを備えている。流路５ａは、ポンプ３へゾル状物質１を供給するための接続管の役割を果たしている。流路５ｂは、ポンプ３から流出してきたゾル状物質１を液溜め６へ送るための接続管の役割を果たしている。流路５ｃは、液溜め６から保持部材４の流入口４１へゾル状物質１を流入させるための接続管の役割を果たしている。流路５ｄは、保持部材４内を流れて流出口４２から流出したゾル状物質１を排出先などに導くための接続管の役割を果たしている。
【００２９】
液溜め６は、ポンプ３から流入したゾル状物質１を一度溜めておく。一般的にポンプは、脈動を有し、その脈動は、流動させる流動物に乱流を生み出してしまう。乱流であると、後述する静電相互作用をもってしても、微小粒子１ａは、後に流入する保持部材４内で規則的に配列しなくなる。そこで、ゾル状物質１の流れを乱流から層流に変えるために、液溜め６は、ポンプ３から流入したゾル状物質１を溜めておく。こうすることで、液溜め６に流入してきたゾル状物質１が流入時に乱流であっても、保持部材４に送り出す際には、層流でゾル状物質１を送り出すことが可能となる。
【００３０】
これら構成要素により、ゾル状物質１は、次々に流され、保持部材４内に流れ込み、保持部材４内から流出する。よって、常に新しいゾル状物質１が、保持部材４内に満たされる。
【００３１】
次に図３に示される構成について説明する。ガラス板７ａとガラス板７ｂとは、互いに対向して配置されている。また、ガラス板７ａとガラス板７ｂとは、光学的に透明な性質と光学的に半透明な性質とのどちらか一方の性質を有している。なお、ガラス板７ａ及びガラス板７ｂの性質は、光学的に透明な性質と光学的に半透明な性質とのうち、互いに同じ性質を有する必要はなく、使用目的や使用状態等の様々な条件にあわせて互いに異なる性質を有しても良い。また、ガラス板７ａ，７ｂは、板であるが、特に板である必要はなく、ゾル状物質１を保持可能なガラス容器などでも良い。なお、ガラス板７ａ，７ｂは、前述したように負に帯電している。
【００３２】
スペーサー８ａ，８ｂは、それぞれガラス板７ａ及びガラス板７ｂにより挟持されている。このように、スペーサー８ａ，８ｂをガラス板７ａ及びガラス板７ｂで挟持することにより、保持部材４は、スペーサー８ａ，８ｂとガラス板７ａ，７ｂとで囲まれる空間を持ち、この空間でゾル状物質１を保持する。
【００３３】
なお、ガラス板７ａ，７ｂ及びスペーサー８ａ，８ｂに囲まれる空間は、ゾル状物質１で充満されていることが望ましい。これは、空気等の異物がガラス板７ａ，７ｂ及びスペーサー８ａ，８ｂに囲まれる空間に入るのを防ぐためである。空気等がガラス板７ａ，７ｂ及びスペーサー８ａ，８ｂに囲まれる空間に入り、その空気等がレーザー光などの光路中に存在してしまうと、空気等と流動性ホトニック結晶との屈折率の違いなどにより、光学素子２の透過後の光路等が影響を受けてしまうからである。
【００３４】
ゾル状物質１に含有される微小粒子１ａは、予め負の電荷をためられている。また、ガラス板７ａ，７ｂも負に帯電している。従って、微小粒子１ａ同士及び微小粒子１ａとガラス板７ａ，７ｂとの間で静電相互作用が働き、微小粒子１ａは、前述した流動性溶液１ｂのイオン濃度等の条件によって決まる間隔で均一かつ規則的に配列する。これにより、ゾル状物質１は、流動性ホトニック結晶となり、従来から存在するホトニック結晶と同等の特性を持つことができる。なお、静電相互作用とは、それぞれの物質のもつ電荷によってそれぞれの物質が反発または引き寄せ合う現象である。本実施形態の場合、微小粒子１ａとガラス板７ａ，７ｂとは、同じ極性に帯電しているため反発し合う。
【００３５】
このように、光学素子２は、ゾル状物質１が保持部材４内の空間を流れている間で流動性ホトニック結晶となり、ポンプ３によりゾル状物質１が保持部材４内の空間に流入し、また、保持部材４内の空間から流出する。したがって、光学素子２は、再利用可能である。
【００３６】
次に、流動性ホトニック結晶を作成した実験例を図４を用いて説明する。なお、ここで説明する保持部材４は、前述した保持部材４と同じ構成である。ここで用いられる微小粒子１ａはシリカ微小球であり、流動性溶液１ｂは脱イオン水である。また、ガラス板７ａ及びガラス板７ｂの間の距離は０．１ｍｍである。保持部材４内は、脱イオン水（流動性溶液１ｂ）のみをその内部の空間に保持している。
【００３７】
流動性ホトニック結晶の作成には、まず、脱イオン水（流動性溶液１ｂ）にシリカ微小球（微小粒子１ａ）を混ぜた溶液（ゾル状物質１）を保持部材４の流入口４１の上方から垂らす。この垂らす時点で、シリカ微小球（微小粒子１ａ）は、負の電荷をたくわえている。なお、シリカ微小球（微小粒子１ａ）の粒径は約０．１μｍである。
【００３８】
脱イオン水（流動性溶液１ｂ）にシリカ微小球（微小粒子１ａ）を混ぜた溶液（ゾル状物質１）が流入口４１に垂らされると、毛管現象と拡散現象とによって、シリカ微小球（微小粒子１ａ）は、脱イオン水（流動性溶液１ｂ）で充満したガラス容器（保持部材４）内に流れ込む。なお、毛管現象とは、液体中に毛細管を立てると水面が管内を上昇し又は下降する現象であり、拡散現象とは、濃度の異なる液体同士を接触させると混合が始まり、やがて同一の濃度になる現象である。
【００３９】
また、シリカ微小球（微小粒子１ａ）の滴下の際に保持部材４が予め負に帯電しているので、静電相互作用は、負の電荷を持ったシリカ微小球（微小粒子１ａ）と負に帯電した保持部材４との間で働き、また、負の電荷を持ったシリカ微小球（微小粒子１ａ）同士でも働く。したがって、シリカ微小球（微小粒子１ａ）は、前述した種々の条件によって決まる間隔で均一かつ規則的に配列する。これにより、脱イオン水（流動性溶液１ｂ）にシリカ微小球（微小粒子１ａ）を含ませることで得られる保持部材４内の溶液（ゾル状物質１）は、流動性ホトニック結晶となり、従来から存在するホトニック結晶と同等の特性をもつようになる。
【００４０】
図５は本実施形態に係る光学素子２の変形例の構成を示す図である。なお、図２と同一の構成要素については説明を省略し、相違点のみを述べる。相違点は、図５に示される光学素子２１が調整器９を含む点、ゾル状物質１がポンプ３から調整器９に流入するための流路５ｅを有する点及びゾル状物質１が調整器９から保持部材４内の空間に流入するための流路５ｆを有する点である。この調整器９は、前述した流動性ホトニック結晶の特性を調整するために設けられている。なお、この調整器９は、手動にて調整内容を設定するものや、流出口４２から流れ出たゾル状物質１を分析し、調整内容を自動設定するもののどちらであっても良い。
【００４１】
図６は本実施形態に係る光学素子２１の調整器９の詳細構成を示す図である。調整器９は、溶液屈折率調整器９１と、微小粒子電荷量調整器９２と、イオン濃度調整器９３と、粒径調整器９４と、それらの構成を繋ぐ流路５ｇ，５ｈ，５ｉとからなる。
【００４２】
流路５ｇは、溶液屈折率調整器９１と微小粒子電荷量調整器９２とを繋ぐ接続管の役割を果たしている。流路５ｈは、微小粒子電荷量調整器９２とイオン濃度調整器９３とを繋ぐ接続管の役割を果たしている。流路５ｉは、イオン濃度調整器９３と粒径調整器９４とを繋ぐ接続管の役割を果たしている。
【００４３】
溶液屈折率調整器９１は、ゾル状物質１中の流動性溶液１ｂの屈折率を調整する。具体的には、他の溶液を備える容器などと流路を介して接続され、現在流れているゾル状物質１の流動性溶液１ｂと他の溶液を混合し、流動性溶液１ｂの屈折率を調整する。
【００４４】
微小粒子電荷量調整器９２は、ゾル状物質１に含有される微小粒子１ａの電荷量を調整する。具体的には、用いる微少粒子によってその電荷量の調整法は異なるが、微小粒子１ａそれぞれの表面に負あるいは正のイオン性分子を吸着させ、その吸着量を制御することで電荷量を調整する。つまり、微小粒子電荷量調整器９２には、そのようなイオン性分子を貯蓄する部分とその濃度を調整する部分とを内蔵し、イオン濃度をモニターすることで、吸着するイオン性分子濃度を調整する機構を有する。
【００４５】
イオン濃度調整器９３は、ゾル状物質１中の流動性溶液１ｂのイオン濃度を調整する。具体的には、イオンを除去するためにイオン交換樹脂を充填させたカラム構造と流動性溶液１ｂをその内部で循環するポンプとイオン濃度モニターとを内蔵し、そのイオン濃度が規定値以下になるように調整する機構を有する。
【００４６】
粒径調整器９４は、ゾル状物質１に含有される微小粒子１ａの粒径を調整する。具体的には、流路５ｉを通過してきた微小粒子１ａを含むゾル状物質１に対して、レーザーによる粒径計測装置などを用いてその分布を計測し、必要とする粒径以外の微少粒子１ａを、粒径の大きさによる溶液内の流動速度の違いを用いた分級法を用いて分離する調整機構を有する。
【００４７】
これらの各種調整器９１〜９４は、前述した通り手動にて調整内容を設定するものや、流出口４２から流れ出たゾル状物質１を分析し、調整内容を自動設定するものなどのどちらであっても良い。これにより、ゾル状物質１は、各種調整器９１〜９４に調整され、保持部材４で照射される光の波長や強度等に適合したホトニック結晶の特性を得ることができる。
【００４８】
図７は本実施形態に係る光学素子２の第二変形例の構成を示す図である。なお、図２と同一の構成要素については説明を省略し、相違点のみを述べる。相違点は、図７に示される光学素子２２が第一の液溜め６ａと第二の液溜め６ｂとを有する点、光学素子２２がろ過器１０を有する点、ゾル状物質１が保持部材４から第二の液溜め６ｂに流入するための流路５ｊを有する点、ゾル状物質１が第二の液溜め６ｂからろ過器１０に流入するための流路５ｋを有する点及びゾル状物質１がろ過器１０からポンプ３に流入するための流路５ｌを有する点である。
【００４９】
第一の液溜め６ａは、図２で説明された液溜め６と同様の機能を有する。第二の液溜め６ｂは、保持部材４から流出したゾル状物質１を一度溜めておく。詳細に説明すると、第二の液溜め６ｂは、ゾル状物質１を保持部材４内からスムーズに流出させる為にゾル状物質１を一度溜めておく。一般的なろ過器は、その性質上、多くの溶液を一度にろ過することができず、ある一定時間内にある一定の溶液量しかろ過できない。仮に第二の液溜め６ｂが設けられていなかった場合、ろ過器１０のろ過量が保持部材４から流出したゾル状物質１の量に追いつかず、ゾル状物質１が保持部材４から流出できずに保持部材４内で滞留してしまう恐れがある。そこで、第二の液溜め６ｂは、一度ゾル状物質１を溜めておき、保持部材４内のゾル状物質１（流動性ホトニック結晶）をスムーズに流出させるようにしている。これにより、保持部材４内から流出するはずのゾル状物質１（流動性ホトニック結晶）が保持部材４内に滞留しないようになる。
【００５０】
ろ過器１０は、第二の液溜め６ｂから流れてきたゾル状物質１の不純物を取り除く。このろ過器１０は、複数の微小口をもつ薄膜などを備えており、その薄膜が微小口よりも大きい不純物を取り除き、ゾル状物質１を通過させている。但し、この薄膜に設けられている微小口は、微小粒子１ａの径の大きさよりも大きい。
【００５１】
さらに、ここでは、ゾル状物質１の流量を決定するポンプ３の調整を行うと良い。ポンプ３によって流されるゾル状物質１の流量をろ過器１０のろ過量よりも大きく設定してしまうと、ろ過器１０のろ過量がポンプ３によって流されるゾル状物質１の流量に追いつかなくなる。ろ過器１０のろ過量がポンプ３によって流されるゾル状物質１の流量に追いつかなくなると、第二の液溜め６ｂにゾル状物質１が溜まってしまい、ゾル状物質１（流動性ホトニック結晶）が保持部材４内の空間から流出せずに保持部材４内の空間で滞留してしまう。したがって、ポンプ３の一定時間内に流せる流量は、ろ過器１０の一定時間内のろ過量と整合をとると良い。
【００５２】
以上の構成要素を備える光学素子２２により、ゾル状物質１は、ポンプ３から流路５ｂへ流れ、流路５ｂから第一の液溜め６ａに流入し、第一の液溜め６ａから流路５ｃを介して保持部材４内の空間に流入する。保持部材４内の空間に流入したゾル状物質１は、微小粒子１ａ同士の静電相互作用及び微小粒子１ａと保持部材４との静電相互作用により流動性ホトニック結晶となり、流路５ｊへ流出する。流路５ｊへ流入したゾル状物質１は、第二の液溜め６ｂへ流入し、その後、流路５ｋを介してろ過器１０へ流入し、流路５ｌを介してポンプ３に流入する。
【００５３】
以上により、光学素子２２は、保持部材４内の空間から流出したゾル状物質１を再度ポンプ３へ流し込み循環させることができるので、ゾル状物質１を無駄無く使用する事ができる。さらに、光学素子２２は、保持部材４内の空間から流出したゾル状物質１をろ過器１０に流入させる以前に第二の液溜め６ｂに一度ためておくので、ゾル状物質１をスムーズに循環させることができる。
【００５４】
図８は本実施形態に係る光学素子２の第三変形例の構成を示す図である。なお、保持部材４内のゾル状物質１（流動性ホトニック結晶）中の微小粒子１ａは、温度条件に依存してその規則的配列を保っている。つまり、ゾル状物質１の温度が微小粒子１ａの規則的配列を保つための温度領域を超えた温度であると、微小粒子１ａは規則的配列を保てなくなり、ゾル状物質１は流動性ホトニック結晶としての特性を示さなくなる。そこで、ゾル状物質１の温度を制御し、微小粒子１ａの規則的配列を保つ第三変形例を提供する。
【００５５】
なお、図２と同一の構成要素については説明を省略し、相違点のみを述べる。相違点は、図８に示される光学素子２３が保持部材４内のゾル状物質１（流動性ホトニック結晶）の温度を測定する温度センサ１１を有する点、ポンプ３と液溜め６との間に温度制御器１２を有する点、ゾル状物質１がポンプ３から温度制御器１２に流入するための流路５ｍを有する点及びゾル状物質１が温度制御器１２から保持部材４内の空間に流入する流路５ｎを有する点である。
【００５６】
温度センサ１１は、保持部材４内のゾル状物質１（流動性ホトニック結晶）の温度を測定する。温度センサ１１の設置場所は、前述したガラス基板７ａ，７ｂとスペーサー８ａ，８ｂとに囲まれる空間でも良いし、保持部材４のガラス基板７ａ，７ｂ上やスペーサー８ａ，８ｂ上であっても良いし、また、ガラス基板８ａ，８ｂ又はスペーサー８ａ，８ｂにガラス基板８ａ，８ｂとスペーサー８ａ，８ｂに囲まれる空間までつながる孔を形成し、その孔に温度センサ１１を挿入し、温度センサ１１のセンサ部をゾル状物質１に触れるようにしても良い。但し、これらの設置場所は、液溜め６で層流となったゾル状物質１の流れを乱すことがなく、かつ、保持部材４に照射されるレーザー光の光路を乱すことがない位置でなければならない。
【００５７】
温度制御器１２は、温度センサ１１からの温度情報を基にゾル状物質１の温度を予め指定された温度に制御したり、自動的に各状態毎の最適な温度に制御したりする。この制御する温度は、各種ゾル状物質１の微小粒子１ａの電荷量や流動性溶液１ｂの屈折率に影響を与え、また、光学素子２３が使用される各種用途にも依存する。例えば、高強度のレーザー光に対して本発明の装置を用いた場合、系によるわずかな光吸収により系全体の温度が上昇しやすい。よって、温度制御器１２を用いることにより、装置に入射するレーザー光強度の変化によって、装置の温度依存性を低減することが可能となる。
【００５８】
温度制御器１２は、クーリングファンやヒーター等の冷却手段及び加熱手段（図示せず）をその内部に有している。また、この冷却手段及び加熱手段は、クーリングファンやヒーターのようにそれぞれ別々に設けなくとも良く、１部材で加熱機能と冷却機能との両方の機能を備える加熱冷却手段であっても良い。加熱冷却手段は、保持部材４内の空間に流入させるゾル状物質１の温度を予めＴ℃と定めている状態で、Ｔ℃からｔ℃以上ゾル状物質１の温度が高くなるとＴ℃になるように冷却し、Ｔ℃からｔ℃以上ゾル状物質１の温度が低くなるとＴ℃になるように加熱する手段などである。
【００５９】
以上により、光学素子２３は、流動性ホトニック結晶中の微小粒子１ａの規則的配列を維持するようにゾル状物質１の温度の調整を可能としている。
【００６０】
図９は本実施形態に係る光学素子２の第四変形例の構成を示す図である。図９に示される光学素子２４は、ポンプ３、保持部材４、第一の液溜め６ａ、第二の液溜め６ｂ、調整器９、ろ過器１０及び温度制御器１２を備えている。また、これら構成要素は流路５ｂ，５ｃ，５ｊ，５ｋ，５ｏ，５ｐ，５ｑで接続されている。また、光学素子２４は、保持部材４内のゾル状物質１（流動性ホトニック結晶）の温度の測定が可能な温度センサ１１を備えている。さらに、光学素子２４は、上記の構成要素すべてが基板１３に集積化されている。次に前述していない構成についてのみ説明する。
【００６１】
流路５ｏは、ろ過器１０から調整器９へゾル状物質１を流入させる接続管の役割を果たし、流路５ｐは、調整器９から温度制御器１２へゾル状物質１を流入させる接続管の役割を果たし、流路５ｑは、温度制御器１２からポンプ３へゾル状物質１を流入させる接続管の役割を果たす。また、基板１３は、基板１３以外の各構成要素を集積化している。
【００６２】
以上より、図９に示される光学素子２４は、上記した各構成要素が基板１３上に集積化されている。したがって、光学素子２４は、コンパクトに形成することが可能である。
【００６３】
次に上記した各構成要素を集積化した具体例の構成を示す。図１０は本実施形態に係る光学素子２４をマイクロ化学用に集積化した具体例を示す図である。なお、図１０では、流路５ｂ，５ｃ，５ｊ，５ｋ，５ｏ，５ｐ，５ｑの図示を省略している。本具体例では、基板１３としてガラス基板１３ａを用いている。このガラス基板１３ａは、マイクロ化学用の微小ガラス基板である。このガラス基板１３ａは、例えば、レーザー光の照射を用いるレーザー加工によって形成された各構成要素を集積化している。レーザー光によって照射されたガラス基板１３ａの箇所は、分子の化学結合が切断され、ガラス基板１３ａから刳り貫かれるような形で孔が形成されている。なお、刳り貫かれるような形で孔が形成されているので、前述した保持部材４はここでは必要なく、ガラス板７ａ，７ｂとスペーサー８ａ，８ｂとで囲まれる空間が存在しておれば良い。この空間を保持空間４ａとする。保持空間４ａは、前述した保持部材４内の空間と同様の機能を有している。また、前述した保持部材４は帯電していなければならないので、ガラス基板１３ａ全体が帯電していることとなる。
【００６４】
以上より、光学素子２４ａは、マイクロ化学用の微小ガラス基板であるガラス基板１３ａ内に各構成要素を形成しているため、コンパクトであり、かつ、外的要因から影響されにくく、さらには、マイクロ化学用にも使用可能である。
【００６５】
図１１は本実施形態に係る光学素子２の第五変形例の構成を示す図である。図１１に示される光学素子２５は、ポンプ３、保持部材４、第一の液溜め６ａ、第二の液溜め６ｂ、調整器９、ろ過器１０及び温度制御器１２を備えている。また、これらは流路５ｂ，５ｃ，５ｊ，５ｋ，５ｏ，５ｐ，５ｑで接続されており、さらに光学素子２５は、保持部材４内のゾル状物質１（流動性ホトニック結晶）の温度の測定が可能な温度センサ１１を備えている。また、図１１に示される光学素子２５は、照射される光のうち一部を反射し残部を透過する光分岐鏡１４ａ，１４ｂと光の波長や強度等を測定する光検出器１５ａ，１５ｂとを備えている。
【００６６】
次に前述していない構成要素についてのみ説明する。光分岐鏡１４ａは、保持部材４に入射する光のうち一部を反射し残部を透過するハーフミラー等である。同様に光分岐鏡１４ｂは、保持部材４を透過した光のうち一部を反射し残部を透過するハーフミラー等である。
【００６７】
光検出器１５ａは、光分岐鏡１４ａにより反射された光を受光し、その反射された光の波長や強度等を測定する。同様に光検出器１５ｂは、光分岐鏡１４ｂにより反射された光を受光し、その反射された光の波長や強度等を測定する。
【００６８】
この光検出器１５ａ，１５ｂで測定することで得られた測定結果は、データ化されて、図示していない装置に供給される。例えば、測定結果を表示する表示装置や、データ解析と調整器９や温度調整器１２の制御とを行う解析制御装置である。なお、表示装置等に測定結果のデータが供給される場合は、装置の使用者等が表示装置の表示内容に従って手動で調整器９や温度調整器１２の調整内容を調整する。解析制御装置等に測定結果のデータが供給される場合は、解析制御装置が、データを解析して、その解析された結果に基づいて調整器９や温度調整器１２の調整内容を自動調整する。
【００６９】
以上により、光学素子２５は、各光分岐鏡１４ａ，１４ｂにより入射光及び透過光を反射し、反射された光を各光検出器１５ａ，１５ｂで測定し、その測定結果を用いて調整器９及び温度制御器１２の自動制御や手動による制御を可能としている。
【００７０】
また、上記した光学素子２，２１，２２，２３，２４，２５は、レーザー核融合装置、レーザー光による加工装置、レーザー発振装置など各種の光学装置に利用しても良い。
【００７１】
図１２は本実施形態に係る光学素子２を適用したレーザー核融合装置１７の構成を示す図である。図１２に示されるレーザー核融合装置１７は、前述した光学素子２と、レーザー発振装置１８と、容器１９と、燃料ペレット２０とからなる。なお、図１２では、上記構成要素しか図示していないが、レーザー核融合装置１７は、この他に熱交換器や発電機などを備えている。また、図１２に示される光学素子２は、それぞれ２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄとする。
【００７２】
レーザー発振装置１８は、レーザー光を発振する。このレーザー発振装置１８から発振されたレーザー光は、ある一点で集光する。この集光する点には、燃料ペレット２０が設置される。燃料ペレット２０は、重水素と３重水素とが低極温で固化されたものなどである。この燃料ペレット２０は、レーザー光が照射されることにより、核燃焼をおこすプラズマ球となる。また、この燃料ペレット２０は、容器１９で覆われている。図示しないが、容器１９の内側には、燃料ペレット２０を取り囲む壁が設けられており、燃料ペレット２０を取り囲む壁の外側であり容器１９の内側である空間を液体金属が流れている。
【００７３】
液体金属は、燃料ペレットで発生する熱を奪い取り、図示しない熱交換器に流れ込む。熱交換器は、液体金属の熱を奪い取る。また、熱交換器は、発電機に接続されており、この発電機が発電を行う。
【００７４】
光学素子２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄは、レーザー光を集光させる。図１２に示されるように、光学素子２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄは、レーザー光の経路上に設置される。この光学素子２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄは、ゾル状物質１が保持部材４内でホトニック結晶と同等の特性を持ち、ホトニック結晶を用いた光学素子２と同等の構成を有する。
【００７５】
このように、レーザー核融合装置１７は、光学素子２の流動性ホトニック結晶が光学的ダメージを受けても、光学素子２を取り替えることなく再利用することが可能である。
【００７６】
また、レーザー光による加工装置、レーザー発振装置などの他の光学装置も同様に、光学素子２が光（レーザー光）の経路上に設置されており、流動性ホトニック結晶が光学的ダメージを受けても、光学素子２を取り替える必要がなく再利用することが可能である。
【００７７】
また、前述の光学装置では、光学素子２を用いたが、前述の他の変形例で説明した光学素子２１，２２，２３，２４，２５を用いても良い。
【００７８】
【発明の効果】
本発明の光学素子及びその光学素子を用いた光学装置は、集光された高強度光源からの光が照射されて、光学的ダメージが与えられても、再利用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係るゾル状物質１の構成を示す図である。
【図２】本実施形態に係るゾル状物質１を用いた光学素子２の構成を示す図である。
【図３】本実施形態に係る光学素子２の保持部材４の詳細な構成を示す図である。
【図４】本実施形態に係る流動性ホトニック結晶を作成した実験例の構成を示す図である。
【図５】本実施形態に係る光学素子２の変形例の構成を示す図である。
【図６】本実施形態に係る光学素子２１の調整器９の構成を示す図である。
【図７】本実施形態に係る光学素子２の第二変形例の構成を示す図である。
【図８】本実施形態に係る光学素子２の第三変形例の構成を示す図である。
【図９】本実施形態に係る光学素子２の第四変形例の構成を示す図である。
【図１０】本実施形態に係る光学素子２４をマイクロ化学用に集積化した具体例の構成を示す図である。
【図１１】本実施形態に係る光学素子２の第五変形例の構成を示す図である。
【図１２】本実施形態に係る光学素子２を適用したレーザー核融合装置１７の構成を示す図である。
【符号の説明】
１…ゾル状物質、１ａ…微小粒子、１ｂ…流動性溶液、２，２１，２２，２３，２４，２５…光学素子、３…ポンプ、４…保持部材、５ａ〜５ｑ…流路、７…ガラス板、９…調整器、１１…温度センサ、１２…温度調整器、１３…基板、１３ａ…ガラス基板、１４ａ，１４ｂ…光分岐鏡、１５ａ，１５ｂ…光検出器、９１…溶液屈折率調整器、９２…微小粒子電荷量調整器、９３…イオン濃度調整器、９４…粒径調整器。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical element and an optical apparatus using the optical element.
[0002]
[Prior art]
In order to facilitate understanding of the conventional photonic crystal, a semiconductor single crystal will be described. A semiconductor single crystal is a substance in which specific atoms are arranged periodically and regularly. Such electron propagation characteristics in a semiconductor single crystal are determined by the type of atoms constituting the crystal and the atomic spacing of the arrangement. That is, the electron propagation characteristic in the semiconductor single crystal shows a band structure having an energy band gap generated due to the periodic potential caused by the constituent atoms and the wave nature of the electrons.
[0003]
On the other hand, the photonic crystal is a structure proposed by Yablonovich et al. As having a band structure for light as well as the above band structure for electrons.
[0004]
The propagation of light in the photonic crystal is limited in the same way as the propagation of electrons in the semiconductor. A photonic crystal has a forbidden band against light, and this forbidden band is called a photonic band gap. The existence of this photonic band gap makes it impossible for light in a specific wavelength band to propagate through the photonic crystal.
[0005]
Conventionally, various photonic crystals have been proposed. For example, there are particles in which submicron-sized particles are arranged with a period of the order of the wavelength of light, and in the case of a microwave band, polymer spheres as particles are arranged in space.
[0006]
In addition to this, polymer spheres are solidified in the metal, and after solidification, the polymer spheres are chemically dissolved so that periodic microspaces are formed in the metal, and holes are formed at regular intervals in the metal. Those that are opened, those in which a region having a refractive index different from the surroundings is formed in a solid material using laser light, and the like.
[0007]
These photonic crystals have been attracting attention in recent years due to the property that a photonic band gap exists, and can be used for various optical elements.
[0008]
The optical element can also be used in various optical devices such as a laser fusion device, a laser beam processing device, and a laser oscillation device.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, these photonic crystals described above may be optically damaged when irradiated with high-intensity light, and cannot be reused when optical damage is received. The device was also unable to be used by being irradiated with high intensity light and receiving optical damage to the photonic crystal.
[0010]
In view of such a problem, an object of the present invention is to provide an optical element that can be reused even if optical damage is received, and an optical device using the optical element.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve such a problem, the optical element according to the present invention has a sol-like substance obtained by including a plurality of fine particles charged in advance in a fluid solution, and the same polarity as the fine particles. A holding member for holding the sol-like substance in the space between the two faces, the sol-like substance flowing into the space in the holding member, and the space in the holding member. And a flow means for discharging the sol-like substance held in step (1).
[0012]
Thus, the sol-like substance obtained by including a plurality of microparticles charged in advance in the fluid solution has a holding member having two opposing surfaces charged with the same polarity as the microparticles. It is held in the inner space, flows into the space in the holding member by the flow means, and then flows out from the space in the holding member by the flow means. Further, while the sol-like substance is held by the holding member, the sol-like substance has photonic crystal characteristics due to electrostatic interaction between the microparticles and electrostatic interaction between the microparticles and the holding member. Therefore, the sol-like substance flows into the space in the holding member, has the same characteristics as the photonic crystal, and then flows out of the space in the holding member, and the new sol-like substance flows into the space in the holding member. Even when the holding member is irradiated with high-intensity light and the sol-like substance is optically damaged, the optical element can be reused.
[0013]
The optical element according to the present invention further includes a solution refractive index adjusting unit that adjusts the refractive index of the fluid solution in the sol-like substance. In this case, the refractive index of the fluid solution in the sol-like substance is adjusted by the solution refractive index adjusting means. Therefore, the characteristics of the sol-like substance in the space of the holding member can be adjusted according to the wavelength and intensity of the irradiation light.
[0014]
The optical element according to the present invention is further characterized by further comprising fine particle charge amount adjusting means for adjusting the charge amount of the fine particles contained in the sol-like substance. In this case, the charge amount of the fine particles contained in the sol-like substance is adjusted by the fine particle charge amount adjusting means. Therefore, the characteristics of the sol-like substance in the space of the holding member can be adjusted according to the wavelength and intensity of the irradiation light.
[0015]
The optical element according to the present invention further includes an ion concentration adjusting means for adjusting the ion concentration of the fluid solution in the sol-like substance. In this case, the ion concentration of the fluid solution in the sol-like substance is adjusted by the ion concentration adjusting means. Therefore, the characteristics of the sol-like substance in the space of the holding member can be adjusted according to the wavelength and intensity of the irradiation light.
[0016]
The optical element according to the present invention further includes a particle size adjusting means for adjusting the particle size of the fine particles contained in the sol-like substance. In this case, the particle size of the fine particles contained in the sol-like substance is adjusted by the particle size adjusting means. Therefore, the characteristics of the sol-like substance in the space of the holding member can be adjusted according to the wavelength and intensity of the irradiation light.
[0017]
In the optical element according to the present invention, the flow means circulates the sol-like substance that has flowed out of the space in the holding member and flows it again into the space in the holding member. Therefore, it can be used without waste without discharging the sol-like substance.
[0018]
The optical element according to the present invention further includes a temperature control means for controlling the temperature of the sol-like substance. In this case, the temperature of the sol-like substance is controlled by the temperature control means. Therefore, the temperature of the sol-like substance in the space of the holding member is adjusted, and a regular arrangement of the microparticles in the sol-like substance is maintained.
[0019]
The optical element according to the present invention is characterized in that the flow means, the holding member, and the flow path through which the sol-like substance flows are integrated on the substrate. In this case, the flow means, the holding member, and the flow path through which the sol-like substance flows are integrated on the substrate. Therefore, the entire optical element can be made compact.
[0020]
An optical device according to the present invention is characterized in that the above-described optical element is used on a light path. In this case, the optical element is used on the light path and is used in the optical device. Therefore, an optical device capable of reusing the optical element is provided.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In order to facilitate the understanding of the description, the same reference numerals are given to the same components in the drawings as much as possible, and duplicate descriptions are omitted.
[0022]
FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of a sol-like substance 1 according to this embodiment. The sol-like substance 1 of the present embodiment has fluidity. The sol-like substance 1 is composed of fine particles 1a and a fluid solution 1b. The microparticles 1a are microspheres (optical microcrystals) such as silica or barium titanate. The fine particles 1a are set to a size of about half to ¼ of the wavelength of light according to the wavelength band of input light, and are optically transparent or have an appropriate transmittance. The fine particles 1a are charged with negative charges in advance.
[0023]
The fluid solution 1b is a solution having fluidity in which the ion concentration is appropriately adjusted. The ion concentration of the fluid solution 1b affects the arrangement of the microparticles 1a in the fluid solution 1b. The fluid solution 1b is also optically transparent or has an appropriate transmittance, like the fine particles 1a.
[0024]
The sol-like substance 1 composed of the microparticles 1a and the fluid solution 1b has the same characteristics as the solidified photonic crystal because the microparticles 1a are regularly arranged in the sol-like substance 1. Therefore, hereinafter, the sol-like substance 1 having the same characteristics as the solidified photonic crystal is referred to as a flowable photonic crystal.
[0025]
The characteristics when the sol-like substance 1 becomes a fluid photonic crystal are affected by the particle size, refractive index, charge amount of the microparticles 1a, and the ion concentration and refractive index of the fluid solution 1b. Accordingly, by adjusting the particle size, refractive index, charge amount, and ion concentration and refractive index of the fluid solution 1b, the fluid photonic crystal has characteristics optimized for the wavelength band of the input light. become. Further, the regular arrangement of the fine particles 1a of the fluid photonic crystal is influenced by temperature. Therefore, the flowable photonic crystal maintains the regular arrangement of the contained microparticles 1a by adjusting the temperature.
[0026]
Thus, various factors affect the characteristics of flowable photonic crystals. The particle size, refractive index, charge amount, ion concentration and refractive index of the fluid solution 1b in the sol-like substance 1 and the temperature of the sol-like substance 1 can be set in advance. It is. However, since the sol-like substance 1 itself has fluidity, the fine particles 1a contained in the fluid solution 1b are not regularly arranged even if simply contained. Therefore, the sol-like substance 1 must regularly arrange the microparticles 1a contained in the sol-like substance 1 in order to obtain the same characteristics as the photonic crystals that exist in the past.
[0027]
FIG. 2 shows a configuration of an optical element 2 using the sol-like substance 1 according to this embodiment. FIG. 3 shows a detailed configuration of the holding member 4 of the optical element 2 according to this embodiment. As shown in FIG. 2, the optical element 2 includes a pump 3, a holding member 4, flow paths 5 a, 5 b, 5 c, 5 d and a liquid reservoir 6. As shown in FIG. 3, the holding member 4 includes glass plates 7a and 7b and spacers 8a and 8b, and the sol-like substance 1 described above flows into a space surrounded by the glass plates 7a and 7b. When the optical element 2 is used in an optical device, the glass plates 7a and 7b of the holding member 4 are irradiated with irradiation light such as laser light.
[0028]
The configuration shown in FIG. 2 will be described. The pump 3 is a flow source that causes the sol-like substance 1 to flow into the space inside the holding member 4 and out of the space inside the holding member 4. The holding member 4 is charged with the same negative charge as that of the fine particle 1a described above. The holding member 4 includes an inflow port 41 through which the sol-like substance 1 flows and an outflow port 42 through which the sol-like substance 1 flows out. The flow path 5 a serves as a connecting pipe for supplying the sol-like substance 1 to the pump 3. The flow path 5 b serves as a connection pipe for sending the sol-like substance 1 flowing out from the pump 3 to the liquid reservoir 6. The flow path 5 c serves as a connecting pipe for allowing the sol-like substance 1 to flow from the liquid reservoir 6 to the inlet 41 of the holding member 4. The flow path 5d plays the role of a connecting pipe for guiding the sol-like substance 1 flowing in the holding member 4 and flowing out from the outlet 42 to a discharge destination or the like.
[0029]
The liquid reservoir 6 once accumulates the sol-like substance 1 flowing from the pump 3. Generally, a pump has pulsation, and the pulsation generates turbulent flow in the fluid to be flowed. In the case of turbulent flow, the microparticles 1a are not regularly arranged in the holding member 4 that flows later even with electrostatic interaction described later. Therefore, in order to change the flow of the sol-like substance 1 from a turbulent flow to a laminar flow, the liquid reservoir 6 stores the sol-like substance 1 flowing from the pump 3. By doing so, even if the sol-like substance 1 flowing into the liquid reservoir 6 is turbulent at the time of inflow, the sol-like substance 1 can be sent out in a laminar flow when it is sent out to the holding member 4.
[0030]
By these components, the sol-like substance 1 is flowed one after another, flows into the holding member 4, and flows out from the holding member 4. Therefore, the holding member 4 is always filled with a new sol-like substance 1.
[0031]
Next, the configuration shown in FIG. 3 will be described. The glass plate 7a and the glass plate 7b are arrange | positioned facing each other. Moreover, the glass plate 7a and the glass plate 7b have either one of an optically transparent property and an optically translucent property. The properties of the glass plate 7a and the glass plate 7b do not have to be the same between the optically transparent property and the optically translucent property, and various conditions such as the purpose of use and the state of use. May have different properties. Further, the glass plates 7a and 7b are plates, but are not particularly plates, and may be glass containers capable of holding the sol-like substance 1 or the like. The glass plates 7a and 7b are negatively charged as described above.
[0032]
The spacers 8a and 8b are sandwiched between the glass plate 7a and the glass plate 7b, respectively. Thus, by holding the spacers 8a and 8b between the glass plate 7a and the glass plate 7b, the holding member 4 has a space surrounded by the spacers 8a and 8b and the glass plates 7a and 7b. Retain substance 1.
[0033]
The space surrounded by the glass plates 7a and 7b and the spacers 8a and 8b is preferably filled with the sol-like substance 1. This is to prevent foreign substances such as air from entering the space surrounded by the glass plates 7a and 7b and the spacers 8a and 8b. If air or the like enters the space surrounded by the glass plates 7a and 7b and the spacers 8a and 8b and the air or the like is present in the optical path of laser light or the like, the difference in refractive index between the air or the like and the flowable photonic crystal. This is because, for example, the optical path after transmission through the optical element 2 is affected.
[0034]
The fine particles 1a contained in the sol-like substance 1 are previously charged with a negative charge. The glass plates 7a and 7b are also negatively charged. Accordingly, electrostatic interaction works between the microparticles 1a and between the microparticles 1a and the glass plates 7a and 7b, and the microparticles 1a are uniform and spaced at intervals determined by conditions such as the ion concentration of the fluid solution 1b described above. Arrange regularly. Thereby, the sol-like substance 1 becomes a flowable photonic crystal, and can have characteristics equivalent to those of a photonic crystal existing in the past. The electrostatic interaction is a phenomenon in which each substance repels or is attracted by the charge of each substance. In the case of the present embodiment, the fine particles 1a and the glass plates 7a and 7b are repelled because they are charged with the same polarity.
[0035]
Thus, the optical element 2 becomes a fluid photonic crystal while the sol-like substance 1 flows in the space in the holding member 4, and the sol-like substance 1 flows into the space in the holding member 4 by the pump 3. Further, it flows out of the space in the holding member 4. Therefore, the optical element 2 can be reused.
[0036]
Next, an experimental example in which a flowable photonic crystal is produced will be described with reference to FIG. In addition, the holding member 4 demonstrated here is the same structure as the holding member 4 mentioned above. The microparticles 1a used here are silica microspheres, and the fluid solution 1b is deionized water. The distance between the glass plate 7a and the glass plate 7b is 0.1 mm. In the holding member 4, only deionized water (fluid solution 1b) is held in the space inside.
[0037]
In order to create a fluid photonic crystal, first, a solution (sol-like substance 1) obtained by mixing silica microspheres (microparticles 1a) with deionized water (fluid solution 1b) from above the inlet 41 of the holding member 4 is used. Hang down. At this time, the silica microsphere (microparticle 1a) stores a negative charge. The particle diameter of the silica microsphere (microparticle 1a) is about 0.1 μm.
[0038]
When a solution (sol-like substance 1), which is a mixture of deionized water (fluid solution 1b) and silica microspheres (microparticles 1a), is dropped on the inlet 41, silica microspheres (microparticles) are caused by capillary action and diffusion phenomenon. The particles 1a) flow into a glass container (holding member 4) filled with deionized water (fluid solution 1b). Capillary phenomenon is a phenomenon in which the water surface rises or falls in the liquid when a capillary is set up in the liquid.Diffusion phenomenon starts mixing when liquids with different concentrations are brought into contact with each other, and eventually reaches the same concentration. It is a phenomenon.
[0039]
Further, since the holding member 4 is negatively charged in advance when the silica microspheres (microparticles 1a) are dropped, the electrostatic interaction is negative with the silica microspheres (microparticles 1a) having a negative charge. It works with the holding member 4 that is electrically charged, and also works with silica microspheres (microparticles 1a) having negative charges. Accordingly, the silica microspheres (microparticles 1a) are uniformly and regularly arranged at intervals determined by the various conditions described above. Thereby, the solution (sol-like substance 1) in the holding member 4 obtained by including silica microspheres (microparticles 1a) in deionized water (fluid solution 1b) becomes fluid photonic crystals. It has the same characteristics as existing photonic crystals.
[0040]
FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a modification of the optical element 2 according to the present embodiment. The description of the same components as those in FIG. 2 is omitted, and only the differences are described. The difference is that the optical element 21 shown in FIG. 5 includes the regulator 9, the point that the sol-like substance 1 has a flow path 5e for allowing the pump 3 to flow into the regulator 9, and the sol-like substance 1 is the regulator. 9 is a point having a flow path 5 f for flowing into the space in the holding member 4 from 9. The adjuster 9 is provided to adjust the characteristics of the fluid photonic crystal described above. The adjuster 9 may be either one that manually sets the adjustment contents or one that analyzes the sol-like substance 1 flowing out from the outlet 42 and automatically sets the adjustment contents.
[0041]
FIG. 6 is a diagram showing a detailed configuration of the adjuster 9 of the optical element 21 according to the present embodiment. The adjuster 9 includes a solution refractive index adjuster 91, a fine particle charge amount adjuster 92, an ion concentration adjuster 93, a particle size adjuster 94, and flow paths 5g, 5h, and 5i that connect these configurations. Become.
[0042]
The flow path 5g serves as a connecting pipe that connects the solution refractive index adjuster 91 and the fine particle charge amount adjuster 92. The flow path 5 h serves as a connection pipe that connects the fine particle charge amount adjuster 92 and the ion concentration adjuster 93. The flow path 5 i serves as a connecting pipe that connects the ion concentration adjuster 93 and the particle size adjuster 94.
[0043]
The solution refractive index adjuster 91 adjusts the refractive index of the fluid solution 1 b in the sol-like substance 1. Specifically, the fluid solution 1b of the sol-like substance 1 that is currently flowing is connected to a container or the like equipped with another solution via a flow path, and the other solution is mixed, and the refractive index of the fluid solution 1b is determined. adjust.
[0044]
The fine particle charge amount adjuster 92 adjusts the charge amount of the fine particles 1 a contained in the sol-like substance 1. Specifically, although the method for adjusting the charge amount differs depending on the fine particles used, the charge amount is adjusted by adsorbing negative or positive ionic molecules on the surface of each fine particle 1a and controlling the amount of adsorption. . In other words, the microparticle charge amount adjuster 92 has a portion for storing such ionic molecules and a portion for adjusting the concentration thereof, and the ion concentration is monitored to adjust the concentration of the adsorbed ionic molecules. It has a mechanism to do.
[0045]
The ion concentration adjuster 93 adjusts the ion concentration of the fluid solution 1 b in the sol-like substance 1. Specifically, a column structure filled with an ion exchange resin for removing ions, a pump for circulating the fluid solution 1b therein, and an ion concentration monitor are incorporated, and the ion concentration becomes a specified value or less. It has a mechanism to adjust.
[0046]
The particle size adjuster 94 adjusts the particle size of the fine particles 1 a contained in the sol-like substance 1. Specifically, the distribution of the sol-like substance 1 containing the fine particles 1a that have passed through the flow path 5i is measured using a laser particle size measuring device or the like, and fine particles other than the required particle size are obtained. It has an adjustment mechanism for separating 1a using a classification method using the difference in flow rate in the solution depending on the size of the particle size.
[0047]
These various adjusters 91 to 94 are either those that manually set the adjustment contents as described above, or those that analyze the sol-like substance 1 flowing out from the outlet 42 and automatically set the adjustment contents. May be. Thereby, the sol-like substance 1 is adjusted by the various adjusters 91 to 94, and the characteristics of the photonic crystal suitable for the wavelength, intensity, and the like of the light irradiated by the holding member 4 can be obtained.
[0048]
FIG. 7 is a diagram showing a configuration of a second modification of the optical element 2 according to the present embodiment. The description of the same components as those in FIG. 2 is omitted, and only the differences are described. The difference is that the optical element 22 shown in FIG. 7 has a first liquid reservoir 6a and a second liquid reservoir 6b, the optical element 22 has a filter 10, and the sol-like substance 1 is a holding member 4. A point having a flow path 5j for flowing into the second liquid reservoir 6b, a point having a flow path 5k for allowing the sol-like substance 1 to flow into the filter 10 from the second liquid reservoir 6b, and the sol-like substance 1 Is a point having a flow path 5 l for flowing into the pump 3 from the filter 10.
[0049]
The first liquid reservoir 6a has the same function as the liquid reservoir 6 described in FIG. The second liquid reservoir 6b once stores the sol-like substance 1 that has flowed out of the holding member 4. More specifically, the second liquid reservoir 6b stores the sol-like substance 1 once so that the sol-like substance 1 flows out of the holding member 4 smoothly. A general filter cannot filter many solutions at a time due to its nature, and can only filter a certain amount of solution within a certain period of time. If the second liquid reservoir 6b is not provided, the filtration amount of the filter 10 cannot catch up with the amount of the sol-like substance 1 flowing out of the holding member 4, and the sol-like substance 1 cannot flow out of the holding member 4. There is a risk of staying in the holding member 4. Therefore, the second liquid reservoir 6b once accumulates the sol-like substance 1 so that the sol-like substance 1 (fluid photonic crystal) in the holding member 4 flows out smoothly. As a result, the sol-like substance 1 (fluid photonic crystal) that should flow out of the holding member 4 does not stay in the holding member 4.
[0050]
The filter 10 removes impurities of the sol-like substance 1 flowing from the second liquid reservoir 6b. The filter 10 includes a thin film having a plurality of minute openings, and the thin film removes impurities larger than the minute openings and allows the sol-like substance 1 to pass through. However, the minute opening provided in the thin film is larger than the diameter of the minute particle 1a.
[0051]
Further, here, it is preferable to adjust the pump 3 that determines the flow rate of the sol-like substance 1. If the flow rate of the sol-like substance 1 passed by the pump 3 is set larger than the filtration amount of the filter 10, the filtration amount of the filter 10 cannot catch up with the flow rate of the sol-like substance 1 passed by the pump 3. When the filtration amount of the filter 10 cannot catch up with the flow rate of the sol-like substance 1 flowing by the pump 3, the sol-like substance 1 accumulates in the second liquid reservoir 6b, and the sol-like substance 1 (fluid photonic crystal) is generated. It will stay in the space in the holding member 4 without flowing out of the space in the holding member 4. Therefore, it is preferable that the flow rate of the pump 3 that can be flowed within a certain period of time matches the amount of filtration of the filter 10 within a certain period of time.
[0052]
By the optical element 22 having the above components, the sol-like substance 1 flows from the pump 3 to the flow path 5b, flows from the flow path 5b to the first liquid reservoir 6a, and flows from the first liquid reservoir 6a to the flow path 5c. Flows into the space in the holding member 4. The sol-like substance 1 flowing into the space in the holding member 4 becomes a flowable photonic crystal by the electrostatic interaction between the microparticles 1a and the electrostatic interaction between the microparticles 1a and the holding member 4, and flows out to the flow path 5j. To do. The sol-like substance 1 that has flowed into the flow path 5j flows into the second reservoir 6b, and then flows into the filter 10 through the flow path 5k, and flows into the pump 3 through the flow path 5l.
[0053]
As described above, the optical element 22 can again flow the sol-like substance 1 flowing out from the space in the holding member 4 into the pump 3 and circulate it, so that the sol-like substance 1 can be used without waste. Furthermore, since the optical element 22 stores the sol-like substance 1 flowing out of the space in the holding member 4 once in the second liquid reservoir 6b before flowing into the filter 10, the sol-like substance 1 is circulated smoothly. Can be made.
[0054]
FIG. 8 is a diagram showing a configuration of a third modification of the optical element 2 according to the present embodiment. Note that the microparticles 1a in the sol-like substance 1 (fluid photonic crystal) in the holding member 4 maintain their regular arrangement depending on temperature conditions. That is, when the temperature of the sol-like substance 1 exceeds the temperature range for maintaining the regular arrangement of the microparticles 1a, the microparticles 1a cannot maintain the regular arrangement, and the sol-like substance 1 is a fluid photonic. The characteristic as a crystal is lost. Therefore, a third modification is provided in which the temperature of the sol-like substance 1 is controlled to maintain a regular arrangement of the microparticles 1a.
[0055]
The description of the same components as those in FIG. 2 is omitted, and only the differences are described. The difference is that the optical element 23 shown in FIG. 8 has a temperature sensor 11 for measuring the temperature of the sol-like substance 1 (fluid photonic crystal) in the holding member 4, and between the pump 3 and the liquid reservoir 6. The point having the temperature controller 12, the point having the flow path 5 m for allowing the sol-like substance 1 to flow into the temperature controller 12 from the pump 3, and the sol-like substance 1 flows into the space in the holding member 4 from the temperature controller 12. This is a point having a flow path 5n.
[0056]
The temperature sensor 11 measures the temperature of the sol-like substance 1 (fluid photonic crystal) in the holding member 4. The installation location of the temperature sensor 11 may be a space surrounded by the glass substrates 7a and 7b and the spacers 8a and 8b described above, or may be on the glass substrates 7a and 7b of the holding member 4 and the spacers 8a and 8b. In addition, a hole connected to the space surrounded by the glass substrates 8a and 8b and the spacers 8a and 8b is formed in the glass substrates 8a and 8b or the spacers 8a and 8b, and the temperature sensor 11 is inserted into the holes. You may make it a sensor part touch the sol-like substance 1. FIG. However, these installation locations should not be in a position where the flow of the sol-like substance 1 that has become a laminar flow in the liquid reservoir 6 is disturbed and the optical path of the laser beam irradiated to the holding member 4 is not disturbed. I must.
[0057]
The temperature controller 12 controls the temperature of the sol-like substance 1 to a predesignated temperature based on the temperature information from the temperature sensor 11 or automatically controls the optimum temperature for each state. The temperature to be controlled affects the charge amount of the fine particles 1a of the various sol-like substances 1 and the refractive index of the fluid solution 1b, and also depends on various applications in which the optical element 23 is used. For example, when the apparatus of the present invention is used for high-intensity laser light, the temperature of the entire system tends to rise due to slight light absorption by the system. Therefore, by using the temperature controller 12, it is possible to reduce the temperature dependence of the apparatus due to the change in the intensity of the laser beam incident on the apparatus.
[0058]
The temperature controller 12 has cooling means and heating means (not shown) such as a cooling fan and a heater inside. Further, the cooling means and the heating means may not be provided separately as in the case of a cooling fan or a heater, and may be a heating / cooling means having both a heating function and a cooling function with one member. When the temperature of the sol-like substance 1 flowing into the space in the holding member 4 is set to T ° C. in advance, the heating / cooling means reaches T ° C. when the temperature of the sol-like substance 1 increases from T ° C. to t ° C. or more. And a means for heating to T ° C. when the temperature of the sol-like substance 1 is lowered from T ° C. to t ° C. or more.
[0059]
As described above, the optical element 23 can adjust the temperature of the sol-like substance 1 so as to maintain the regular arrangement of the microparticles 1a in the fluid photonic crystal.
[0060]
FIG. 9 is a diagram showing a configuration of a fourth modification of the optical element 2 according to the present embodiment. The optical element 24 shown in FIG. 9 includes a pump 3, a holding member 4, a first liquid reservoir 6 a, a second liquid reservoir 6 b, a regulator 9, a filter 10, and a temperature controller 12. These components are connected by flow paths 5b, 5c, 5j, 5k, 5o, 5p, and 5q. The optical element 24 includes a temperature sensor 11 that can measure the temperature of the sol-like substance 1 (fluid photonic crystal) in the holding member 4. Further, in the optical element 24, all the above-described constituent elements are integrated on the substrate 13. Next, only the configuration not described above will be described.
[0061]
The flow path 5o serves as a connection pipe for allowing the sol-like substance 1 to flow from the filter 10 to the regulator 9, and the flow path 5p is a connection pipe for causing the sol-like substance 1 to flow from the regulator 9 to the temperature controller 12. The flow path 5q serves as a connecting pipe that allows the sol-like substance 1 to flow from the temperature controller 12 to the pump 3. Further, the substrate 13 integrates each component other than the substrate 13.
[0062]
As described above, in the optical element 24 shown in FIG. 9, the above-described components are integrated on the substrate 13. Therefore, the optical element 24 can be formed compactly.
[0063]
Next, a configuration of a specific example in which the above-described components are integrated will be described. FIG. 10 is a diagram showing a specific example in which the optical element 24 according to the present embodiment is integrated for microchemistry. In FIG. 10, the flow paths 5b, 5c, 5j, 5k, 5o, 5p, and 5q are not shown. In this specific example, a glass substrate 13 a is used as the substrate 13. This glass substrate 13a is a micro glass substrate for micro chemistry. The glass substrate 13a integrates each component formed by, for example, laser processing using laser light irradiation. The portion of the glass substrate 13a irradiated with the laser light has holes formed in such a manner that the chemical bonds of the molecules are cut and penetrated from the glass substrate 13a. In addition, since the hole is formed in such a shape as to be penetrated, the holding member 4 described above is not necessary here, and it is sufficient that a space surrounded by the glass plates 7a and 7b and the spacers 8a and 8b exists. . This space is referred to as a holding space 4a. The holding space 4a has the same function as the space in the holding member 4 described above. Further, since the holding member 4 described above must be charged, the entire glass substrate 13a is charged.
[0064]
As described above, the optical element 24a is compact and hardly affected by external factors because each component is formed in the glass substrate 13a which is a micro glass substrate for microchemistry. It can also be used for chemistry.
[0065]
FIG. 11 is a diagram showing a configuration of a fifth modification of the optical element 2 according to the present embodiment. The optical element 25 shown in FIG. 11 includes a pump 3, a holding member 4, a first liquid reservoir 6a, a second liquid reservoir 6b, a regulator 9, a filter 10, and a temperature controller 12. These are connected by flow paths 5b, 5c, 5j, 5k, 5o, 5p, and 5q, and the optical element 25 further measures the temperature of the sol-like substance 1 (fluid photonic crystal) in the holding member 4. Is provided. The optical element 25 shown in FIG. 11 includes optical branching mirrors 14a and 14b that reflect part of the irradiated light and transmit the remaining part, and photodetectors 15a and 15b that measure the wavelength, intensity, and the like of the light. It has.
[0066]
Next, only the components not described above will be described. The light branching mirror 14 a is a half mirror or the like that reflects a part of the light incident on the holding member 4 and transmits the remaining part. Similarly, the light branching mirror 14b is a half mirror that reflects a part of the light transmitted through the holding member 4 and transmits the remaining part.
[0067]
The photodetector 15a receives the light reflected by the light branching mirror 14a and measures the wavelength, intensity, and the like of the reflected light. Similarly, the photodetector 15b receives the light reflected by the light branching mirror 14b and measures the wavelength, intensity, and the like of the reflected light.
[0068]
The measurement results obtained by measuring with the photodetectors 15a and 15b are converted into data and supplied to a device (not shown). For example, a display device that displays measurement results, or an analysis control device that performs data analysis and control of the regulator 9 and the temperature regulator 12. When data of measurement results is supplied to the display device or the like, the user of the device manually adjusts the adjustment contents of the adjuster 9 and the temperature adjuster 12 according to the display contents of the display device. When measurement result data is supplied to an analysis control device or the like, the analysis control device analyzes the data and automatically adjusts the adjustment contents of the adjuster 9 and the temperature adjuster 12 based on the analyzed result. .
[0069]
As described above, the optical element 25 reflects the incident light and the transmitted light by the light branching mirrors 14a and 14b, measures the reflected light by the light detectors 15a and 15b, and uses the measurement results to adjust the adjuster 9. In addition, automatic control or manual control of the temperature controller 12 is possible.
[0070]
The optical elements 2, 21, 22, 23, 24, and 25 described above may be used in various optical devices such as a laser fusion device, a processing device using laser light, and a laser oscillation device.
[0071]
FIG. 12 is a diagram showing a configuration of a laser fusion device 17 to which the optical element 2 according to the present embodiment is applied. A laser fusion device 17 shown in FIG. 12 includes the optical element 2 described above, a laser oscillation device 18, a container 19, and a fuel pellet 20. In FIG. 12, only the above-described components are shown, but the laser fusion device 17 includes a heat exchanger, a generator, and the like. Further, the optical elements 2 shown in FIG. 12 are 2a, 2b, 2c, and 2d, respectively.
[0072]
The laser oscillation device 18 oscillates laser light. The laser light oscillated from the laser oscillator 18 is condensed at a certain point. A fuel pellet 20 is installed at this condensing point. The fuel pellet 20 is made of solidified deuterium and deuterium at a low extreme temperature. The fuel pellets 20 become plasma spheres that cause nuclear combustion when irradiated with laser light. The fuel pellet 20 is covered with a container 19. Although not shown, a wall surrounding the fuel pellet 20 is provided inside the container 19, and the liquid metal flows in a space outside the wall surrounding the fuel pellet 20 and inside the container 19.
[0073]
The liquid metal takes heat generated in the fuel pellets and flows into a heat exchanger (not shown). The heat exchanger takes away the heat of the liquid metal. The heat exchanger is connected to a generator, and this generator generates power.
[0074]
The optical elements 2a, 2b, 2c, and 2d collect laser light. As shown in FIG. 12, the optical elements 2a, 2b, 2c, 2d are installed on the laser beam path. In the optical elements 2a, 2b, 2c, and 2d, the sol-like substance 1 has the same characteristics as the photonic crystal in the holding member 4, and has the same configuration as the optical element 2 using the photonic crystal.
[0075]
As described above, the laser fusion device 17 can be reused without replacing the optical element 2 even if the flowable photonic crystal of the optical element 2 is optically damaged.
[0076]
Similarly, other optical devices such as a processing device using laser light and a laser oscillation device have the optical element 2 installed on the light (laser light) path, and the flowable photonic crystal is damaged by optical damage. However, the optical element 2 need not be replaced and can be reused.
[0077]
In the optical device described above, the optical element 2 is used. However, the optical elements 21, 22, 23, 24, and 25 described in the other modified examples may be used.
[0078]
【The invention's effect】
The optical element of the present invention and the optical device using the optical element can be reused even when the light from the concentrated high-intensity light source is irradiated and optically damaged.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a sol-like substance 1 according to the present embodiment.
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of an optical element 2 using a sol-like substance 1 according to the present embodiment.
FIG. 3 is a diagram showing a detailed configuration of a holding member 4 of the optical element 2 according to the present embodiment.
FIG. 4 is a diagram showing a configuration of an experimental example in which a flowable photonic crystal according to the present embodiment is created.
FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a modified example of the optical element 2 according to the present embodiment.
FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration of the adjuster 9 of the optical element 21 according to the present embodiment.
FIG. 7 is a diagram showing a configuration of a second modification of the optical element 2 according to the present embodiment.
FIG. 8 is a diagram showing a configuration of a third modification of the optical element 2 according to the present embodiment.
FIG. 9 is a diagram showing a configuration of a fourth modification of the optical element 2 according to the present embodiment.
FIG. 10 is a diagram showing a configuration of a specific example in which the optical element 24 according to the present embodiment is integrated for microchemistry.
FIG. 11 is a diagram showing a configuration of a fifth modification of the optical element 2 according to the present embodiment.
FIG. 12 is a diagram showing a configuration of a laser fusion device 17 to which the optical element 2 according to the present embodiment is applied.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Sol-like substance, 1a ... Fine particle, 1b ... Fluid solution, 2, 21, 22, 23, 24, 25 ... Optical element, 3 ... Pump, 4 ... Holding member, 5a-5q ... Flow path, 7 ... Glass plate, 9 ... adjuster, 11 ... temperature sensor, 12 ... temperature adjuster, 13 ... substrate, 13a ... glass substrate, 14a, 14b ... optical branching mirror, 15a, 15b ... photodetector, 91 ... solution refractive index adjustment 92 ... fine particle charge amount adjuster, 93 ... ion concentration adjuster, 94 ... particle size adjuster.

Claims

A sol-like substance obtained by including a plurality of fine particles charged in advance in a fluid solution;
A holding member for holding the sol-like substance in a space between the two faces, the two faces facing each other charged with the same polarity as the fine particles;
A flow means for causing the sol-like substance to flow into the space in the holding member and for causing the sol-like substance held in the space in the holding member to flow out;
An optical element comprising:

The optical element according to claim 1, further comprising a solution refractive index adjusting unit that adjusts a refractive index of the fluid solution in the sol-like substance.

2. The optical element according to claim 1, further comprising a fine particle charge amount adjusting means for adjusting a charge amount of the fine particles contained in the sol-like substance.

2. The optical element according to claim 1, further comprising ion concentration adjusting means for adjusting an ion concentration of the fluid solution in the sol-like substance.

The optical element according to claim 1, further comprising a particle size adjusting unit that adjusts a particle size of the fine particles contained in the sol-like substance.

2. The optical element according to claim 1, wherein the flow unit circulates the sol-like substance that has flowed out of the space in the holding member and flows the sol-like substance into the space in the holding member again.

The optical element according to claim 1, further comprising temperature control means for controlling the temperature of the sol-like substance.

The optical element according to claim 6, wherein the flow unit, the holding member, and the flow path through which the sol-like substance flows are integrated on a substrate.

An optical device comprising the optical element according to claim 1 on a light path.