JP4124396B2 - ホログラムの製造方法および装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ホログラム、特に、表面積および厚さが微小で、埋め込みが可能であり、回折効率が大きく、多岐の基材に記録可能なホログラムを効率的に作成するための方法および装置、ならびに該ホログラムを応用した製品に関する。
【０００２】
【従来の技術およびその課題】
フェムト秒レーザーでは、１ＴＷ（１０12Ｗ）／ｃｍ2 に達する高エネルギー密度を得ることができる。こうした高エネルギー密度光を材料に照射した場合、高密度の電子が短時間に励起される。励起電子のエネルギーは、１ナノ秒以内に、材料中のイオンの振動エネルギーに変換される。振動エネルギー密度がある閾値を超えると、イオンは、材料から離脱し、材料はアブレーションされる。材料内部でアブレーションが生じると小さな空孔が出来、この結果、局所的に材料の実効的な屈折率が変化する。これがマイクロアブレーションと呼ばれる現象である。この場合、材料が破壊される、すなわち、アブレーションが起こる閾値よりエネルギー密度がやや小さい場合には、材料は破壊されるまでに至らず、原子配列構造変化を起こし、それに伴って屈折率変化が生じることになる。
【０００３】
小さい面積のスポットに集光したピークエネルギーの高いフェムト秒レーザーを石英ガラス、ＢＫ７光学ガラス、プラスチック（アクリル）、石英結晶、サファイヤなどの透明結晶に照射することにより、該材料をアブレーションさせ、その結果、微細穴を作成したり、非線形屈折率効果を利用して内部に微小空孔を形成したり、あるいは、該材料の原子配列構造変化により屈折率の変化を起こさせることが知られている。
【０００４】
例えば、E.N.Glezer and E.Hazur:Appl.Phys.Lett.71,882,(1997) およびK.Miura,J.Qie,H.Inoue,T.Mitsuya and K.Hirano:Appl.Phys.Lett.71,3329,(1997)には、石英ガラスなど非晶質中の任意の場所の屈折率を増加させて光導波路を形成できることが報告されている。また、特開平１−２６７８６１号公報は、ガラス材料にマーキングを形成する方法を開示している。また、フェムト秒レーザーを透明材料に照射する手段によりスポットを多数個、規則的に作成して回折格子を作ることがなされていた。
【０００５】
しかし、こうした回折格子の作成方法は、実用素子および装置に適用するには、非常に効率が悪い。また、内部に屈折率変化を生じさせることのできる材料は限られており、特に、ダイヤモンド結晶に関しては、これまで、この方法では屈折率の変化は達成されていない。
【０００６】
チタンサファイヤレーザーの実用化により、コヒーレンス性の高いフェムト秒レーザー光が得られるようになった。これまで、フェムト秒レーザーをダイヤモンドなどの薄膜材料に照射した際に、リップルパターンや干渉によって生じたと思われるニュートンリングが、該材料中に記録されていることが報告され（A.M.Ozkan et al:Appl.Phys.Lett.,75,3716,(1999)）、フェムト秒レーザー光の可干渉性が示唆されているものの、これらの微細構造が形成される原因は、明確にはなっていなかった。また、チタンサファイヤレーザー光の持つコヒーレンスを積極的に利用する試みはこれまでになされていない。
【０００７】
従来、ホログラムは、主として、コヒーレンス性の高い、連続光を出力するガスレーザーを用い、光感光性有機物または無機化合物を記録母体として、二ビーム露光光学系により作成されている。しかし、こうしたガスレーザーは、エネルギー密度が低いため、記録に時間がかかり、感光性の良い材料しか使えないなどの課題があった。時間を短縮するために、ルビーレーザーなどのパルスレーザーが用いられることもあるが、この場合でも、記録基材として、光感光性材料が必要である。また、この方法では、一つのプロセスで、埋め込み型のホログラムを作成したり、表面積が約１００μｍ径以下の微小ホログラムを作成することが困難であった。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
フェムト秒レーザーは、ホログラム記録が可能なほど、可干渉性が保てるか否かは明確ではなかった。そのためもあって、これまで、二ビームレーザー露光装置の開発は報告されていない。加えて、たとえば、１００フェムト秒のパルス光は、距離に換算して、３０μｍしか持続しておらず、また、集光スポットサイズは、エネルギー密度を高くするために約１００μｍ径にする必要がある。さらに、高密度パルス光は、材料中を伝播中に材料の非線形光学効果によりコヒーレンス性が劣化することが予測される。
【０００９】
本発明は、これらの条件に対応して、従来行われていた感光性材料を用いたレーザービームによる照射法に替えて、フェムト秒レーザーを用いた二ビームホログラム露光法を開発し、フェムト秒のパルス光の持つ高エネルギー密度とコヒーレンス性の特徴を利用して、本来は光感光性を持たない透明有機、無機材料、半導体材料、または金属材料に、一つのパルス光から分岐した一対のパルス光で、ホログラムを記録できる方法を実現したものである。
【００１０】
すなわち、本発明は、パルス幅が９００〜１０フェムト秒、ピーク出力が１ＧＷ以上で、フーリェ限界またはそれと近似できるフェムト秒レーザーを光源とし、該レーザーからのパルス光をビームスプリッターにより二つに分割し、二つのビームを光学遅延回路を介して時間的に制御し、かつ微小回転する反射面が平面のミラーと凹面のミラーを用いて空間的に制御し、ホログラムを記録する基材表面または基材内部に、二つのビームの集光スポットを時間的および空間的に合致させ、かつ、エネルギー密度１００ＧＷ／ｃｍ2 以上で集光して高密度エネルギー照射させることによって、一つのパルス光で透明材料、半導体材料、または金属材料に不可逆的にホログラムを記録することを特徴とする二ビームレーザー干渉露光法によるホログラムの製造方法である。
【００１１】
パルス幅は、好ましくは、５００〜５０フェムト秒、ピーク出力は、好ましくは、１０ＧＷ以上で、より好ましくは、フーリェ限界パルスと近似されるフェムト秒レーザーを光源とする。エネルギー密度は、好ましくは、１ＴＷ／ｃｍ2 以上で集光する。例えば、１００フェムト秒は、基材の屈折率を１．５として、空間距離２０μｍに対応するので、ホログラムの総厚さは、１０μｍ以下になる。光学遅延回路により、二つのビームの光路長を変化させ、ホログラム記録深さ位置を制御できるし、パルス時間幅を変えることにより、ホログラム総厚さを調整することができる。
【００１２】
チタンサファイヤレーザー光は、フーリェ限界パルスをほぼ実現しており、非常にコヒーレンスが高い。こうした光は、可干渉性があり、一度、二つのビームにスプリットした光を、コヒーレンスを劣化させることなく、再び、時間的および空間的に一致させた場合、偏光面が平行であるときには、暗部と明部のコントラストのはっきりした干渉パターンを生じるので、好ましくは偏光面を平行にして、材料で決まる閾値を、明部と暗部のエネルギー密度の間に設定すれば、上記のマイクロエクスプロージョンあるいは材料の原子配列構造変化により、干渉パターンを、表面の凹凸パターンあるいは、屈折率の変化として記録できる。
【００１３】
本発明のホログラムの製造方法においては、下記の各手段を採用できる。平面ミラーと凹面ミラーの位置を、ミラー面に垂直方向、入射ビームに対して平行および垂直方向にマイクロノギスなどにより微移動させることにより、光学路長を変化させ、光学遅延回路とすることができる。
【００１４】
二つのフェムト秒レーザービームが、空間的および時間的に一致していることを検出するためには、ＢＢＯ結晶など非線型光学結晶からの和周波が用いられる。すなわち、衝突点が、結晶内部で、空間的および時間的に一致した時には、非線型光学効果により、照射レーザー光の和周波が発生する。二つのビームを、ＢＢＯ結晶内で空間的に一致させた後、和周波の強度が最大になるように、光学遅延回路に微調節して、時間的な一致をとることが出来る。非線型光学効果を生じる材料として、ＢＢＯなどの結晶を用いた場合、位相整合を取る必要があり、二つのビーム角度に制限があり、ビーム角度を大きくすることが出来ない。
【００１５】
空気は三次の光学非線型を有しており、ＢＢＯなどの結晶に替わって、二つのビーム衝突位置の空間的、時間的な一致の有無を検出するための材料として用いることが出来る。波長２６６ｎｍの約３倍の８００ｎｍのフェムト秒レーザーを用いた場合、空気の３次非線型係数に基づいて、三倍波ないし三倍和周波（波長：２６６ｎｍ）が発生する。三倍波ないし三倍和周波の強度は光強度の三乗に比例する。二つのビームが、衝突・干渉した場合、干渉により明部強度が、単独ビームに比較して、４倍になるので、三倍波ないし三倍和周波は６４倍の強さとなり、時間的、空間的一致の有無を高感度に検出することができる。空気の三次非線型性を用いた場合には、ビーム間の角度に対する制約を除くことが出来る。
【００１６】
エネルギー密度を、アブレーションが起こる閾値直下に設定することにより、該基材の表面形状を平坦に保ち、該基材そのものの屈折率変調を伴わせて表面型ホログラムを形成することができる。
【００１７】
シリカガラス、特に、ゲルマニューム含むシリカガラスでは、比較的低いエネルギー密度のレーザー照射により、光誘起構造変化が生じ、その結果、３％程度体積が収縮する。この現象を利用すれば、エネルギー密度を、光誘起構造変化がおこる閾値以上、アブレーションが起こる閾値以下に設定することにより、レーザー誘起構造変化に伴う体積変化による表面レリーフ型ホログラムを形成することが出来る。更に、構造変化した部分と変化していない部分の間には、酸溶液でのエッチング速度に差があるので、表面レリーフ型ホログラムを記録した材料を、酸溶液でエッチングすれば、表面レリーフの深さを増大でき、ホログラム回折効率を高めることが出来る。
【００１８】
同方向から入射する二つのビームの該基材への入射位置および角度を調整することにより、該基材の深さ方向の位置および表面面積が調整された透過型ホログラムを形成することができる。
【００１９】
空気中から基材に照射されたレーザー光の一部は、空気と該基材の屈折率の差に基づき、基材表面で反射され、その結果、表面での光吸収や、反射光との相互作用により、より多くのエネルギーが基材に吸収され、基材表面のアブレーションが生じやすくなる。基材の屈折率との差が小さい屈折率を持つ溶液中に、基材を浸す、あるいは該溶液を基材の表面に塗布することにより、基材表面での反射を低減でき、基材表面のアブレーションを生じにくくすることが出来る。基材表面に反射防止膜を形成することによっても、同様な効果が得られ、表面形状の平坦なホログラムを得ることが出来る。
【００２０】
対向して該基材に入射する二ビームの集光の合致位置および集光スポットのサイズを光学遅延回路およびミラーにより制御して、該基材内部に設定することより、基材内部に埋め込まれ、深さ方向の位置および表面面積が調整され、さらに、レーザーパルスの時間幅を制御することにより、ホログラム総厚さが調整された埋め込み型反射型体積ホログラムを形成することができる。この際、基材中を伝播中に、フェムト秒のパルス光は、材料の非線形性に基づいて、コヒーレンスが劣化するので、非線形性の小さな基材を用いるか、エネルギー密度を可能な限り小さくすることにより、埋め込み深さを大きくすることができる。
【００２１】
対向して該基材に入射する二ビームの集光合致位置を、光学遅延回路および集光レンズで制御することによって、該基材内のホログラムの深さ位置を変化させ、深さ方向に複数のホログラムを埋め込むことにより多層ホログラム記録媒体を形成することができる。
【００２２】
該基材として、反転対称性のない透明結晶またはガラスを用いて、該材料の温度を調整し、電場を印加しながら、擬位相整合したドメイン反転型格子を形成することができる。
【００２３】
該基材として、石英、ガラス、サファイヤ、ＬｉＮＢＯ3 、ＬｉＴａＯ3 、ＺｒＯ2 、ＣａＦ2 、ダイヤモンド、またはアクリル樹脂から選ばれる可視光に対して透明な材料、あるいはシリコン、Ｇｅ，ＧａＡｓ，ＡｌＮ，ＩｎＰ、ＧａＮ，ＺｎＳ，ＺｎＳｅ、ＺｎＯ、ＳｉＣ、またはそれら間の混晶から選ばれる半導体材料を用いて、表面レリーフ型ホログラム、表面型ホログラム、または体積ホログラムを形成することができる。
【００２４】
該基材として、金、銀、白金、銅、ニッケル、クロム、アルミニウム、カドミウム、タンタル、または金属シリコンから選ばれる金属材料あるいはシリコン、Ｇｅ，ＧａＡｓ，ＡｌＮ，ＩｎＰ、ＧａＮ，ＺｎＳ，ＺｎＳｅ、ＺｎＯ、ＳｉＣ、またはそれら間の混晶から選ばれる半導体材料を用いて、表面レリーフ型ホログラムを形成することができる。
【００２５】
ホログラムを記録する材料としては、従来、光感光性有機物または無機化合物が用いられており、材料の制約が多かった。本発明による製法では、高密度エネルギーによる基材のアブレーションまたは原子配列構造変化による不可逆的記録であり、ほとんど全ての材料を使用することができる。また、一度不可逆的に記録されたホログラムは、長時間安定に持続し、基材そのものの原子配列構造変化が起こる程度にまで、加温しない限り、消滅することはない。
【００２６】
該基材は、好ましくは、露光時に真空中に置くことができる。真空中に置くことによって、アブレーションによって発生する微粒子、微粉末が基材表面に付着することがなく、清浄な表面を保つことができる。また、埋め込み型ホログラムにおいては、平坦な表面が保たれる。
【００２７】
本発明は、上記の方法により製造された可視光に対して透明な化合物、半導体、または金属表面に不可逆的に形成されたホログラムを提供する。
【００２８】
さらに、本発明は、ダイヤモンド、アルミナ、サファイヤ、またはＡｌ2 Ｏ3、ＳｉＯ2 の両者あるいは一方を含む組成からなるガラスをレーザー媒体として、エキシトン、バンド間遷移に由る固有発光、固有欠陥による発光、または添加不純物による発光を用い、本発明の製造方法で得られたホログラムを回折格子とした分布ブラック反射型（ＤＢＲ）または分布帰還型（ＤＦＢ）レーザーを提供する。すなわち、上記母体中に屈折率の高い導波路を形成し、その内部に発光センターを作りこみ、さらに該導波路の両端部に、埋め込み型ホログラムを作成することによりＤＦＢまたはＤＦＢレーザーを作成できる。
【００２９】
さらに、本発明は、フェムト秒レーザー光源、該レーザーからのパルスビームを二つに分割するためのビームスプリッター、パルス光の集光合致位置を時間的に制御するための光学遅延回路および空間的に制御するための平面ミラーと凹面ミラーと該ミラーを微回転するための機構からなる光学系からなることを特徴とする上記の方法に用いる二ビームレーザー干渉露光法によるホログラム製造装置である。この装置には、レーザービームをガウス型に整形し、ホログラム形成の閾値を低下させるアパーチャー制御素子を付加することができる。
【００３０】
二ビームレーザー露光装置は、ミクロンスケールで、位置が制御できる光学系が必要であり、それに対応できる高精度の位置制御性をもつ装置として、本発明は、精細な制御が可能な光学遅延回路、微回転できる平面ミラーと凹面ミラー、および二ビームの集光合致の有無を検出できる機能を併せ持つ光学系により、二つのビームをホログラムを記録する基材上または基材内部に集光して、時間的および空間的に、二つの集光スポットを合致させることを可能としたものである。
【００３１】
さらに、平面ミラーと凹面ミラーなどの反射光学部品で装置を構成し、レンズ等の透過光学部品を可能な限り使用しない光学系を用いて、コヒーレンスの劣化を防ぐことを可能とし、さらに、二ビームの干渉性を良くするために、それぞれの光路のミラーの配置と数を調整して、ビームの偏光面を平行としたものである。
【００３２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の二ビームレーザー干渉露光法によりホログラムを製造する方法および装置の光学系を示す概念図である。フェムト秒レーザー光源から照射されたレーザービームは、平面ミラーＭ１により反射され、ビームスプリッターとして用いるハーフミラーＨＦ１で、ビームＢ１とビームＢ２に分けられる。ビームＢ１は、平面ミラーＭ２と凹面ミラーＭ３で反射され、基材Ｓ１の表面または内部に集光する。凹面ミラーＭ３の替わりに、平面ミラーＭ３´と肉厚の薄いレンズＬ１を用いても良い。ビームＢ２は、平面ミラーＭ４、平面ミラーＭ５で反射され、さらに凹面ミラーＭ６で反射され、基材Ｓ１の表面または内部に集光される。凹面ミラーＭ６の替わりにレンズＬ２と平面ミラーＭ６´とを用いてもよい。
【００３３】
実線で示す光学パスは、透過型ホログラムを作成する場合であるが、反射型ホログラムを作成する場合は、太い点線で示す光学系を用いて、凹面ミラー６で反射したビームＢ２を平面ミラーＭ７および平面ミラーＭ８によって、基材Ｓ１の内部に集光させる。凹面ミラーＭ６に替えて、レンズＬ２と平面ミラーＭ６’とを用いてもよい。なお、図１に細い点線で示す様に、Ｈｅ−Ｎｅレーザー光を平面ミラーＭ９で反射させ、基材Ｓ１に照射し、その反射光からホログラムの形成プロセスをモニターするようにしても良い。
【００３４】
平面ミラーＭ４と平面ミラーＭ５は、光学遅延回路として機能する。すなわち、平面ミラーＭ４および平面ミラーＭ５をマイクロノギスで、１ミクロンのオーダーで微動させ、ビームＢ１とビームＢ２の相対的な光路長差を調整して、二ビームの集光スポットの時間的な一致を行う。凹面ミラーＭ３、凹面ミラーＭ６、または平面ミラーＭ８をマイクロノギスを用いて微回転させ、二ビームの集光位置を空間的に一致させる。レンズＬ１およびＬ２は、コヒーレンスの劣化を防ぐため、可能な限り肉薄で、焦点距離の長いものが好ましい。この配置では、基材Ｓ１でのビームの偏光面は平行である。作成された回折格子のフリンジ間隔、レンズ機能を持たせた時の焦点距離などの光学パラメーターは、従来の連続光を用いた二ビームレーザー干渉露光法で得られるものと同様に求められる。
【００３５】
基材Ｓ１は、Ｘ―Ｙステージ上に置き、マイクロノギスを用いて微動させ、基材Ｓ１の指定の位置に、微小面積のホログラムを記録する。本発明の製造方法においては、一つのパルスレーザー光で、ホログラムを記録できるので、複数のパルス光を時系列的に基材に照射すれば、ホログラムを多重に記録できる。パルス間で、基材を固定しておけば、ホログラムは空間的に重なり合う。また、基材を回転させれば、形成された重なり合うホログラムは、お互いに、該角度だけ回転する。
【００３６】
また、レーザーパルスごとに、ＸおよびＹ方向に基材を移動させ、基材の広い表面領域にわたって、ホログラムを作製することが出来る。露光時間は、非常に短いので、基材Ｓ１を連続的に移動させても良い。特に、圧電素子などを用い、二つのパルス光の照射間に、基材をフリンジ間隔の半分の距離を移動させたときには、一つのパルス光で記録されたホログラムに比較して、実質的にフリンジ間隔が半分のホログラムが形成できる。波長８００ｎｍのフェムト秒レーザーを用いた場合、透過型ホログラムにおける最小フリンジ間隔は、４００ｎｍであるので、この方法により、フリンジ間隔が２００ｎｍまでのホログラムを形成できる。フリンジ間隔を小さくするためには、波長の短いフェムト秒レーザーを用いても良い。
【００３７】
レーザーは、好適には、再生増幅チタンサファイヤレーザーで、発振中心波長は、約８００ｎｍ、パルス幅は約１００フェムト秒、パルスエネルギーは、約１ｍＪ／パルスで、ピーク出力に換算すると、約１０ＧＷとするとよい。集光スポットサイズは、好適には、約１００μｍ径で、ピークエネルギーに換算すると、約１００ＴＷ／ｃｍ2 とするとよい。
【００３８】
図２は、ビームＢ１とビームＢ２のパルス光の集光合致位置の時間的制御を示す概念図である。例えば、１００フェムト秒は真空中距離にして３０μｍに対応する。言い換えれば、光は３０μｍの長さにしか存在していない。また、レーザー波長が０．８μｍであると、１００フェムト秒のパルス光には約４０個の山谷が含まれているにすぎない。したがって、ビームＢ１とビームＢ２の光路差を３０μｍ以下にしないと二つのビームは空間的に同じ光路を伝播しても決して重なりあわないことになる。すなわち、時間的に一致しない。ビームＢ１、ビームＢ２が時間的に合致しない場合は、それぞれ図２の（Ａ）、（Ｃ）のように図示され、時間的に合致した場合は、（Ａ）、（Ｂ）のように図示される。
【００３９】
図３は、ビームＢ１とビームＢ２のパルス光の集光合致位置の空間的制御を示す概念図である。図示のようにビームＢ１とビームＢ２が空間において交差した集光点において、図２の（Ａ）、（Ｂ）で示すように、パルス光が時間的にも一致した場合、二つの光は干渉する。干渉明部の光エネルギー密度が基材の記録閾値を越えたとき干渉パターンが屈折率変調として記録される。
【００４０】
本発明の製造方法において、表面に集光させた場合には、表面に凹凸のある表面レリーフ型のホログラムおよび基材の屈折率変調による表面ホログラムを形成できる。また、内部に干渉縞が出来るように集光を制御した場合には、埋め込み型の体積ホログラムを形成できる。
【００４１】
本発明の製造方法により得られたホログラムは、光情報通信、光メモリー技術分野における回折格子などとして有用であり、具体的な用途としては、表面レリーフ型ホログラムを用いた光波長分波素子、光偏向素子などの光学素子、またはその素子を用いた光学装置、または、体積ホログラムを用いた埋め込み型光波長分波素子、光偏向素子、光波長出力均一化素子、光分散回復素子などの光学素子、またはそれらの素子を用いた光学装置が例示される。
【００４２】
また、装飾、マーキング、または偽造防止のための表面レリーフ型ホログラム、または体積ホログラムが例示される。さらには、多層ホログラム記録媒体および擬位相整合（ＱＰＭ）による高調波発生素子、およびその素子を用いた装置が例示される。
【００４３】
さらに、本発明のダイヤモンド、サファイヤ、アルミナ、Ａｌ2 Ｏ3 、ＳｉＯ2 の両者あるいは一方を含む組成からなるガラスを媒体とし、固有発光、固有欠陥または添加不純物の発光を利用し、本発明の方法で得られたホログラムを反射または偏向素子とした分布ブラック反射型（ＤＢＲ）または分布帰還型（ＤＦＢ）レーザー素子およびその素子を用いた装置が例示される。
【００４４】
【実施例】
実施例１
図１に示す二ビームレーザー干渉露光光学系を用い、大気中で透過型ホログラムを記録した。平面ミラーＭ３´とレンズＬ１および平面ミラーＭ６´とレンズＬ２の組み合わせを用いた。ホログラムを記録する基材Ｓ１は、大きさ１０×１０×１ｍｍのサファイヤの単結晶を用いた。このサファイヤ単結晶のｃ面に垂直にレーザービームを入射した。レーザー出力は、約１ｍＪ／パルスとし、ビームＢ１を０．７ｍＪ、ビームＢ２を０．３ｍＪとし、それぞれのビームを約１００μｍ径に集光し、１パルス光でホログラムを記録した。さらに、ガウス分布にレーザービームを整形するために、アパーチャー制御素子Ａ１を光路に挿入することにより、ホログラムを記録するのに必要なビームＢ１およびＢ２のエネルギーを５分の１に低減できた。
【００４５】
図４に示すように、ビームＢ１とビームＢ２のなす角度θは、１０度および３０度の二つのケースで露光し、図５に示すように、それぞれ１．５μｍおよび３μｍの格子フリンジ間隔を得た。格子フリンジ間隔ｄは、レーザー波長λとして８００ｎｍ、ｎとして空気の値である１を用い、λ＝ｎ・ｄ・ｓｉｎθ／２で与えられる値と一致した。また、ＡＦＭの測定から、表面レリーフ型のホログラムであることが確認できた。ホログラムを形成した面積は、約５０μｍ径であった。また、１パルス光での記録が可能なため、ＸＹステージを時間的に連続移動させ、一つのサンプルにホログラムをパルス光の繰り返し数まで記録できた。
【００４６】
この実施例で得られた回折格子１１に、Ｈｅ−Ｎｅレーザー（λ＝６３３ｎｍ）を照射した時のスクリーン１２に投影された回折パターン１３を図６に示す。高次の回折光が見られ、１次回折光の強度は、約２０％であり、この回折格子をいろいろな回折光学部品に応用可能なことが実証できた。
【００４７】
実施例２
実施例１と同じ二ビームレーザー干渉露光光学系を用いて、金薄膜に表面レリーフ型ホログラムを記録した。ガウス分布にレーザービームを整形するために、アパーチャー制御素子Ａ１を光路に挿入した。ガラス上に真空蒸着で作成した厚さ約２５０ｎｍの金薄膜をホログラムを記録する基材とした。ビーム整形後での、ビームＢ１は、０．１３ｍＪ、ビーム２は、０．０７ｍＪであった。二つのビームのなす角度θは２０度であった。得られた回折格子のフリンジ間隔は、レーザー波長λとして８００ｎｍ、ｎとして空気の値である１を用い、λ＝ｎ・ｄ・ｓｉｎθ／２で与えられる値と一致した。
【００４８】
実施例３
実施例１と同じ二ビームレーザー干渉露光光学系を用いて、シリカガラス膜に表面レリーフ型ホログラムを記録した。材料として、Ｓｉ単結晶上に熱酸化で作製したＳｉＯ2薄膜（膜厚：１１４ｎｍ）を用いた。ビームＢ１、Ｂ２は、それぞれ、エネルギー強度２５μＪで、材料表面に、約１００μｍ径に集光した。二つのビームのなす角度は９０度で、計算上の格子間隔は５８０ｎｍである。図７に、得られた回折格子のＡＦＭ像を示す。このＡＦＭ像から、溝深さ２〜３ｎｍ、溝間隔５８０ｎｍの表面レリーフ型ホログラムが形成されていることが確認できた。溝の深さは、シリカガラス膜厚の２〜３％で、シリカガラスでの光誘起構造変化に伴う収縮率とほぼ一致した。図８に、このホログラムを化学エッチングする工程を概念的に示す。化学エッチングは、１％フッ酸溶液で、５分間行った。図９に、エッチング後のホログラムのＡＦＭ像を示す。このＡＦＭ像から、溝の深さが１８〜２０ｎｍに深くなり、高いアスペクト比を持った回折格子が得られたことが確認できた。
【００４９】
実施例４
図１０は、この実施例の方法の概念を示すものである。図１０に示すように、実施例１と同じ二ビームレーザー干渉露光光学系を用いて、溶液中に浸したシリカガラスにホログラムを記録した。溶液には、水、弗化水素水溶液、アセトン、エタノール、メタノール、塩酸水溶液、硝酸水溶液のうちのいずれか一つを用いた。ビームＢ１、Ｂ２のエネルギー強度は、それぞれ４００μＪで、２つのビームの衝突位置は、基材内部に設定した。大気中で、同じ条件で、レーザー光を照射したときには、基材の表面にアブレーションによるダメージが発生したが、溶液中に基材を浸した場合には、基材の表面は平坦で、基材内部のみに回折格子が形成できた。特に、１％フッ酸水溶液の場合には、シリカガラス中に、加工歪が検出されなかった。
【００５０】
実施例５
図１１は、この実施例の方法の概念を示すものである。図１１に示すように、チタンサファイヤレーザー（波長：８００ｎｍ、パルス幅：１００フェムト秒、繰り返し周波数：１０Ｈｚ）のパルス光をビームスプリッターで、二つのビーム、Ｂ１、Ｂ２に分離した後、大気中で衝突させた。ビームの強度は、それぞれ０．７５ｍＪとした。Ｂ１とＢ２のビーム角度は０〜１８０度の間で変化させた。ミラーＭ１，Ｍ２およびレンズＬ１，Ｌ２を微調整して、二つのビームを空間的に一致させた後、光学遅延回路を用いて、二つのビームを時間的に一致させた。衝突後のパルス光は分光器を用いて分光した。いずれのビーム角度の場合も、二つのビームが、空間的、時間的に一致した時には、一致しないときに比較して、著しく高強度の三倍高調波が観測され、本方式が、二つのフェムト秒パルスビームの空間的、時間的一致の有無の検出に有効であることがわかった。本方式は、フェムト秒パルス時間幅の測定などにも有効である。
【００５１】
実施例６
実施例１と同じ二ビームレーザー干渉露光光学系を用いて、ダイヤモンドに埋め込み型ホログラムを記録した。ガウス分布にレーザービームを整形するために、アパーチャー制御素子Ａ１を光路に挿入した。ホログラムを記録する基材Ｓ１は、天然ダイヤモンド（タイプＩＩａ、ＳＡＷＮカット、光学吸収端：２２０ｎｍ）で、基材の大きさは、３×３×０．５ｍｍであった。ビームＢ１は、０．１４ｍＪ、ビームＢ２は、０．０６ｍＪで、両ビームを基材Ｓ１の内部の位置に約１００μｍ径に集光した。ビームＢ１とビームＢ２がなす角度θが１０度の場合で、基材Ｓ１の表面より約１μｍの深さに、約３μｍのフリンジ間隔を持つ埋め込み型ホログラムを形成できた。
【００５２】
ＡＦＭの測定から、表面は平坦であった。回折格子の形成部のラマン散乱から、グラファイト状のカーボンが形成できていることが確認できた。Ｈｅ−Ｎｅレーザーを照射した場合の回折効率は約２０％であった。以上の結果から、このホログラムをいろいろな埋め込み型の回折光学素子として応用可能なことが実証できた。また、このホログラムが、偽造防止用のホログラムとしても応用可能なことが実証できた。
【００５３】
実施例７
実施例１の二ビームレーザー干渉露光光学系に実施例５の二ビーム一致検出方法を組み込み、Ｓｉ基板を熱酸化したシリカガラス膜にホログラムを記録した。ビームＢ１，Ｂ２の強度は、それぞれ２０μＪで、二つのビームの角度は、１５８度で、基材の表面に約１００μｍ径に集光した。図１２に示すＡＦＭ像から、溝間隔：４３０ｎｍの回折格子が記録されていることを確認した。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の二ビームレーザー露光法によるホログラムの製造方法および装置における光学系を示す概念図。
【図２】図２は、ビームＢ１とビームＢ２のパルス光の集光合致位置の時間的制御を示す概念図。
【図３】図３は、ビームＢ１とビームＢ２のパルス光の集光合致位置の空間的制御を示す概念図。
【図４】図４は、実施例１の二つのレーザービームの基材への入射角度を示す概念図。
【図５】図５は、実施例１により記録された回折格子のパターンを示す拡大平面図。
【図６】図６は、実施例１により記録された回折格子によるＨｅ−Ｎｅレーザーの回折パターンを示す拡大平面図。
【図７】図７は、 実施例３により記録された回折格子のＡＦＭ像を示す図面代用写真である。
【図８】図８は、実施例３のホログラムを化学エッチングする工程の概念図である。
【図９】図９は、実施例３のエッチング後のホログラムのＡＦＭ像を示す図面代用写真である。
【図１０】図１０は、実施例４の方法の概念図である。
【図１１】図１１は、実施例５の方法の概念図である。
【図１２】図１２は、実施例７のホログラムのＡＦＭ像を示す図面代用写真である。
【符号の説明】
Ａ１ アパーチャー制御素子
Ｍ１，Ｍ２，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ７，Ｍ８ 平面ミラー
Ｍ３，Ｍ６ 凹面ミラー
ＨＦ１ ハーフミラー
Ｌ１，Ｌ２ レンズ
Ｓ１ 基材
１１ 回折格子
１２ スクリーン
１３ 回折パターン
【発明の属する技術分野】
本発明は、ホログラム、特に、表面積および厚さが微小で、埋め込みが可能であり、回折効率が大きく、多岐の基材に記録可能なホログラムを効率的に作成するための方法および装置、ならびに該ホログラムを応用した製品に関する。
【０００２】
【従来の技術およびその課題】
フェムト秒レーザーでは、１ＴＷ（１０12Ｗ）／ｃｍ2 に達する高エネルギー密度を得ることができる。こうした高エネルギー密度光を材料に照射した場合、高密度の電子が短時間に励起される。励起電子のエネルギーは、１ナノ秒以内に、材料中のイオンの振動エネルギーに変換される。振動エネルギー密度がある閾値を超えると、イオンは、材料から離脱し、材料はアブレーションされる。材料内部でアブレーションが生じると小さな空孔が出来、この結果、局所的に材料の実効的な屈折率が変化する。これがマイクロアブレーションと呼ばれる現象である。この場合、材料が破壊される、すなわち、アブレーションが起こる閾値よりエネルギー密度がやや小さい場合には、材料は破壊されるまでに至らず、原子配列構造変化を起こし、それに伴って屈折率変化が生じることになる。
【０００３】
小さい面積のスポットに集光したピークエネルギーの高いフェムト秒レーザーを石英ガラス、ＢＫ７光学ガラス、プラスチック（アクリル）、石英結晶、サファイヤなどの透明結晶に照射することにより、該材料をアブレーションさせ、その結果、微細穴を作成したり、非線形屈折率効果を利用して内部に微小空孔を形成したり、あるいは、該材料の原子配列構造変化により屈折率の変化を起こさせることが知られている。
【０００４】
例えば、E.N.Glezer and E.Hazur:Appl.Phys.Lett.71,882,(1997) およびK.Miura,J.Qie,H.Inoue,T.Mitsuya and K.Hirano:Appl.Phys.Lett.71,3329,(1997)には、石英ガラスなど非晶質中の任意の場所の屈折率を増加させて光導波路を形成できることが報告されている。また、特開平１−２６７８６１号公報は、ガラス材料にマーキングを形成する方法を開示している。また、フェムト秒レーザーを透明材料に照射する手段によりスポットを多数個、規則的に作成して回折格子を作ることがなされていた。
【０００５】
しかし、こうした回折格子の作成方法は、実用素子および装置に適用するには、非常に効率が悪い。また、内部に屈折率変化を生じさせることのできる材料は限られており、特に、ダイヤモンド結晶に関しては、これまで、この方法では屈折率の変化は達成されていない。
【０００６】
チタンサファイヤレーザーの実用化により、コヒーレンス性の高いフェムト秒レーザー光が得られるようになった。これまで、フェムト秒レーザーをダイヤモンドなどの薄膜材料に照射した際に、リップルパターンや干渉によって生じたと思われるニュートンリングが、該材料中に記録されていることが報告され（A.M.Ozkan et al:Appl.Phys.Lett.,75,3716,(1999)）、フェムト秒レーザー光の可干渉性が示唆されているものの、これらの微細構造が形成される原因は、明確にはなっていなかった。また、チタンサファイヤレーザー光の持つコヒーレンスを積極的に利用する試みはこれまでになされていない。
【０００７】
従来、ホログラムは、主として、コヒーレンス性の高い、連続光を出力するガスレーザーを用い、光感光性有機物または無機化合物を記録母体として、二ビーム露光光学系により作成されている。しかし、こうしたガスレーザーは、エネルギー密度が低いため、記録に時間がかかり、感光性の良い材料しか使えないなどの課題があった。時間を短縮するために、ルビーレーザーなどのパルスレーザーが用いられることもあるが、この場合でも、記録基材として、光感光性材料が必要である。また、この方法では、一つのプロセスで、埋め込み型のホログラムを作成したり、表面積が約１００μｍ径以下の微小ホログラムを作成することが困難であった。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
フェムト秒レーザーは、ホログラム記録が可能なほど、可干渉性が保てるか否かは明確ではなかった。そのためもあって、これまで、二ビームレーザー露光装置の開発は報告されていない。加えて、たとえば、１００フェムト秒のパルス光は、距離に換算して、３０μｍしか持続しておらず、また、集光スポットサイズは、エネルギー密度を高くするために約１００μｍ径にする必要がある。さらに、高密度パルス光は、材料中を伝播中に材料の非線形光学効果によりコヒーレンス性が劣化することが予測される。
【０００９】
本発明は、これらの条件に対応して、従来行われていた感光性材料を用いたレーザービームによる照射法に替えて、フェムト秒レーザーを用いた二ビームホログラム露光法を開発し、フェムト秒のパルス光の持つ高エネルギー密度とコヒーレンス性の特徴を利用して、本来は光感光性を持たない透明有機、無機材料、半導体材料、または金属材料に、一つのパルス光から分岐した一対のパルス光で、ホログラムを記録できる方法を実現したものである。
【００１０】
すなわち、本発明は、パルス幅が９００〜１０フェムト秒、ピーク出力が１ＧＷ以上で、フーリェ限界またはそれと近似できるフェムト秒レーザーを光源とし、該レーザーからのパルス光をビームスプリッターにより二つに分割し、二つのビームを光学遅延回路を介して時間的に制御し、かつ微小回転する反射面が平面のミラーと凹面のミラーを用いて空間的に制御し、ホログラムを記録する基材表面または基材内部に、二つのビームの集光スポットを時間的および空間的に合致させ、かつ、エネルギー密度１００ＧＷ／ｃｍ2 以上で集光して高密度エネルギー照射させることによって、一つのパルス光で透明材料、半導体材料、または金属材料に不可逆的にホログラムを記録することを特徴とする二ビームレーザー干渉露光法によるホログラムの製造方法である。
【００１１】
パルス幅は、好ましくは、５００〜５０フェムト秒、ピーク出力は、好ましくは、１０ＧＷ以上で、より好ましくは、フーリェ限界パルスと近似されるフェムト秒レーザーを光源とする。エネルギー密度は、好ましくは、１ＴＷ／ｃｍ2 以上で集光する。例えば、１００フェムト秒は、基材の屈折率を１．５として、空間距離２０μｍに対応するので、ホログラムの総厚さは、１０μｍ以下になる。光学遅延回路により、二つのビームの光路長を変化させ、ホログラム記録深さ位置を制御できるし、パルス時間幅を変えることにより、ホログラム総厚さを調整することができる。
【００１２】
チタンサファイヤレーザー光は、フーリェ限界パルスをほぼ実現しており、非常にコヒーレンスが高い。こうした光は、可干渉性があり、一度、二つのビームにスプリットした光を、コヒーレンスを劣化させることなく、再び、時間的および空間的に一致させた場合、偏光面が平行であるときには、暗部と明部のコントラストのはっきりした干渉パターンを生じるので、好ましくは偏光面を平行にして、材料で決まる閾値を、明部と暗部のエネルギー密度の間に設定すれば、上記のマイクロエクスプロージョンあるいは材料の原子配列構造変化により、干渉パターンを、表面の凹凸パターンあるいは、屈折率の変化として記録できる。
【００１３】
本発明のホログラムの製造方法においては、下記の各手段を採用できる。平面ミラーと凹面ミラーの位置を、ミラー面に垂直方向、入射ビームに対して平行および垂直方向にマイクロノギスなどにより微移動させることにより、光学路長を変化させ、光学遅延回路とすることができる。
【００１４】
二つのフェムト秒レーザービームが、空間的および時間的に一致していることを検出するためには、ＢＢＯ結晶など非線型光学結晶からの和周波が用いられる。すなわち、衝突点が、結晶内部で、空間的および時間的に一致した時には、非線型光学効果により、照射レーザー光の和周波が発生する。二つのビームを、ＢＢＯ結晶内で空間的に一致させた後、和周波の強度が最大になるように、光学遅延回路に微調節して、時間的な一致をとることが出来る。非線型光学効果を生じる材料として、ＢＢＯなどの結晶を用いた場合、位相整合を取る必要があり、二つのビーム角度に制限があり、ビーム角度を大きくすることが出来ない。
【００１５】
空気は三次の光学非線型を有しており、ＢＢＯなどの結晶に替わって、二つのビーム衝突位置の空間的、時間的な一致の有無を検出するための材料として用いることが出来る。波長２６６ｎｍの約３倍の８００ｎｍのフェムト秒レーザーを用いた場合、空気の３次非線型係数に基づいて、三倍波ないし三倍和周波（波長：２６６ｎｍ）が発生する。三倍波ないし三倍和周波の強度は光強度の三乗に比例する。二つのビームが、衝突・干渉した場合、干渉により明部強度が、単独ビームに比較して、４倍になるので、三倍波ないし三倍和周波は６４倍の強さとなり、時間的、空間的一致の有無を高感度に検出することができる。空気の三次非線型性を用いた場合には、ビーム間の角度に対する制約を除くことが出来る。
【００１６】
エネルギー密度を、アブレーションが起こる閾値直下に設定することにより、該基材の表面形状を平坦に保ち、該基材そのものの屈折率変調を伴わせて表面型ホログラムを形成することができる。
【００１７】
シリカガラス、特に、ゲルマニューム含むシリカガラスでは、比較的低いエネルギー密度のレーザー照射により、光誘起構造変化が生じ、その結果、３％程度体積が収縮する。この現象を利用すれば、エネルギー密度を、光誘起構造変化がおこる閾値以上、アブレーションが起こる閾値以下に設定することにより、レーザー誘起構造変化に伴う体積変化による表面レリーフ型ホログラムを形成することが出来る。更に、構造変化した部分と変化していない部分の間には、酸溶液でのエッチング速度に差があるので、表面レリーフ型ホログラムを記録した材料を、酸溶液でエッチングすれば、表面レリーフの深さを増大でき、ホログラム回折効率を高めることが出来る。
【００１８】
同方向から入射する二つのビームの該基材への入射位置および角度を調整することにより、該基材の深さ方向の位置および表面面積が調整された透過型ホログラムを形成することができる。
【００１９】
空気中から基材に照射されたレーザー光の一部は、空気と該基材の屈折率の差に基づき、基材表面で反射され、その結果、表面での光吸収や、反射光との相互作用により、より多くのエネルギーが基材に吸収され、基材表面のアブレーションが生じやすくなる。基材の屈折率との差が小さい屈折率を持つ溶液中に、基材を浸す、あるいは該溶液を基材の表面に塗布することにより、基材表面での反射を低減でき、基材表面のアブレーションを生じにくくすることが出来る。基材表面に反射防止膜を形成することによっても、同様な効果が得られ、表面形状の平坦なホログラムを得ることが出来る。
【００２０】
対向して該基材に入射する二ビームの集光の合致位置および集光スポットのサイズを光学遅延回路およびミラーにより制御して、該基材内部に設定することより、基材内部に埋め込まれ、深さ方向の位置および表面面積が調整され、さらに、レーザーパルスの時間幅を制御することにより、ホログラム総厚さが調整された埋め込み型反射型体積ホログラムを形成することができる。この際、基材中を伝播中に、フェムト秒のパルス光は、材料の非線形性に基づいて、コヒーレンスが劣化するので、非線形性の小さな基材を用いるか、エネルギー密度を可能な限り小さくすることにより、埋め込み深さを大きくすることができる。
【００２１】
対向して該基材に入射する二ビームの集光合致位置を、光学遅延回路および集光レンズで制御することによって、該基材内のホログラムの深さ位置を変化させ、深さ方向に複数のホログラムを埋め込むことにより多層ホログラム記録媒体を形成することができる。
【００２２】
該基材として、反転対称性のない透明結晶またはガラスを用いて、該材料の温度を調整し、電場を印加しながら、擬位相整合したドメイン反転型格子を形成することができる。
【００２３】
該基材として、石英、ガラス、サファイヤ、ＬｉＮＢＯ3 、ＬｉＴａＯ3 、ＺｒＯ2 、ＣａＦ2 、ダイヤモンド、またはアクリル樹脂から選ばれる可視光に対して透明な材料、あるいはシリコン、Ｇｅ，ＧａＡｓ，ＡｌＮ，ＩｎＰ、ＧａＮ，ＺｎＳ，ＺｎＳｅ、ＺｎＯ、ＳｉＣ、またはそれら間の混晶から選ばれる半導体材料を用いて、表面レリーフ型ホログラム、表面型ホログラム、または体積ホログラムを形成することができる。
【００２４】
該基材として、金、銀、白金、銅、ニッケル、クロム、アルミニウム、カドミウム、タンタル、または金属シリコンから選ばれる金属材料あるいはシリコン、Ｇｅ，ＧａＡｓ，ＡｌＮ，ＩｎＰ、ＧａＮ，ＺｎＳ，ＺｎＳｅ、ＺｎＯ、ＳｉＣ、またはそれら間の混晶から選ばれる半導体材料を用いて、表面レリーフ型ホログラムを形成することができる。
【００２５】
ホログラムを記録する材料としては、従来、光感光性有機物または無機化合物が用いられており、材料の制約が多かった。本発明による製法では、高密度エネルギーによる基材のアブレーションまたは原子配列構造変化による不可逆的記録であり、ほとんど全ての材料を使用することができる。また、一度不可逆的に記録されたホログラムは、長時間安定に持続し、基材そのものの原子配列構造変化が起こる程度にまで、加温しない限り、消滅することはない。
【００２６】
該基材は、好ましくは、露光時に真空中に置くことができる。真空中に置くことによって、アブレーションによって発生する微粒子、微粉末が基材表面に付着することがなく、清浄な表面を保つことができる。また、埋め込み型ホログラムにおいては、平坦な表面が保たれる。
【００２７】
本発明は、上記の方法により製造された可視光に対して透明な化合物、半導体、または金属表面に不可逆的に形成されたホログラムを提供する。
【００２８】
さらに、本発明は、ダイヤモンド、アルミナ、サファイヤ、またはＡｌ2 Ｏ3、ＳｉＯ2 の両者あるいは一方を含む組成からなるガラスをレーザー媒体として、エキシトン、バンド間遷移に由る固有発光、固有欠陥による発光、または添加不純物による発光を用い、本発明の製造方法で得られたホログラムを回折格子とした分布ブラック反射型（ＤＢＲ）または分布帰還型（ＤＦＢ）レーザーを提供する。すなわち、上記母体中に屈折率の高い導波路を形成し、その内部に発光センターを作りこみ、さらに該導波路の両端部に、埋め込み型ホログラムを作成することによりＤＦＢまたはＤＦＢレーザーを作成できる。
【００２９】
さらに、本発明は、フェムト秒レーザー光源、該レーザーからのパルスビームを二つに分割するためのビームスプリッター、パルス光の集光合致位置を時間的に制御するための光学遅延回路および空間的に制御するための平面ミラーと凹面ミラーと該ミラーを微回転するための機構からなる光学系からなることを特徴とする上記の方法に用いる二ビームレーザー干渉露光法によるホログラム製造装置である。この装置には、レーザービームをガウス型に整形し、ホログラム形成の閾値を低下させるアパーチャー制御素子を付加することができる。
【００３０】
二ビームレーザー露光装置は、ミクロンスケールで、位置が制御できる光学系が必要であり、それに対応できる高精度の位置制御性をもつ装置として、本発明は、精細な制御が可能な光学遅延回路、微回転できる平面ミラーと凹面ミラー、および二ビームの集光合致の有無を検出できる機能を併せ持つ光学系により、二つのビームをホログラムを記録する基材上または基材内部に集光して、時間的および空間的に、二つの集光スポットを合致させることを可能としたものである。
【００３１】
さらに、平面ミラーと凹面ミラーなどの反射光学部品で装置を構成し、レンズ等の透過光学部品を可能な限り使用しない光学系を用いて、コヒーレンスの劣化を防ぐことを可能とし、さらに、二ビームの干渉性を良くするために、それぞれの光路のミラーの配置と数を調整して、ビームの偏光面を平行としたものである。
【００３２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の二ビームレーザー干渉露光法によりホログラムを製造する方法および装置の光学系を示す概念図である。フェムト秒レーザー光源から照射されたレーザービームは、平面ミラーＭ１により反射され、ビームスプリッターとして用いるハーフミラーＨＦ１で、ビームＢ１とビームＢ２に分けられる。ビームＢ１は、平面ミラーＭ２と凹面ミラーＭ３で反射され、基材Ｓ１の表面または内部に集光する。凹面ミラーＭ３の替わりに、平面ミラーＭ３´と肉厚の薄いレンズＬ１を用いても良い。ビームＢ２は、平面ミラーＭ４、平面ミラーＭ５で反射され、さらに凹面ミラーＭ６で反射され、基材Ｓ１の表面または内部に集光される。凹面ミラーＭ６の替わりにレンズＬ２と平面ミラーＭ６´とを用いてもよい。
【００３３】
実線で示す光学パスは、透過型ホログラムを作成する場合であるが、反射型ホログラムを作成する場合は、太い点線で示す光学系を用いて、凹面ミラー６で反射したビームＢ２を平面ミラーＭ７および平面ミラーＭ８によって、基材Ｓ１の内部に集光させる。凹面ミラーＭ６に替えて、レンズＬ２と平面ミラーＭ６’とを用いてもよい。なお、図１に細い点線で示す様に、Ｈｅ−Ｎｅレーザー光を平面ミラーＭ９で反射させ、基材Ｓ１に照射し、その反射光からホログラムの形成プロセスをモニターするようにしても良い。
【００３４】
平面ミラーＭ４と平面ミラーＭ５は、光学遅延回路として機能する。すなわち、平面ミラーＭ４および平面ミラーＭ５をマイクロノギスで、１ミクロンのオーダーで微動させ、ビームＢ１とビームＢ２の相対的な光路長差を調整して、二ビームの集光スポットの時間的な一致を行う。凹面ミラーＭ３、凹面ミラーＭ６、または平面ミラーＭ８をマイクロノギスを用いて微回転させ、二ビームの集光位置を空間的に一致させる。レンズＬ１およびＬ２は、コヒーレンスの劣化を防ぐため、可能な限り肉薄で、焦点距離の長いものが好ましい。この配置では、基材Ｓ１でのビームの偏光面は平行である。作成された回折格子のフリンジ間隔、レンズ機能を持たせた時の焦点距離などの光学パラメーターは、従来の連続光を用いた二ビームレーザー干渉露光法で得られるものと同様に求められる。
【００３５】
基材Ｓ１は、Ｘ―Ｙステージ上に置き、マイクロノギスを用いて微動させ、基材Ｓ１の指定の位置に、微小面積のホログラムを記録する。本発明の製造方法においては、一つのパルスレーザー光で、ホログラムを記録できるので、複数のパルス光を時系列的に基材に照射すれば、ホログラムを多重に記録できる。パルス間で、基材を固定しておけば、ホログラムは空間的に重なり合う。また、基材を回転させれば、形成された重なり合うホログラムは、お互いに、該角度だけ回転する。
【００３６】
また、レーザーパルスごとに、ＸおよびＹ方向に基材を移動させ、基材の広い表面領域にわたって、ホログラムを作製することが出来る。露光時間は、非常に短いので、基材Ｓ１を連続的に移動させても良い。特に、圧電素子などを用い、二つのパルス光の照射間に、基材をフリンジ間隔の半分の距離を移動させたときには、一つのパルス光で記録されたホログラムに比較して、実質的にフリンジ間隔が半分のホログラムが形成できる。波長８００ｎｍのフェムト秒レーザーを用いた場合、透過型ホログラムにおける最小フリンジ間隔は、４００ｎｍであるので、この方法により、フリンジ間隔が２００ｎｍまでのホログラムを形成できる。フリンジ間隔を小さくするためには、波長の短いフェムト秒レーザーを用いても良い。
【００３７】
レーザーは、好適には、再生増幅チタンサファイヤレーザーで、発振中心波長は、約８００ｎｍ、パルス幅は約１００フェムト秒、パルスエネルギーは、約１ｍＪ／パルスで、ピーク出力に換算すると、約１０ＧＷとするとよい。集光スポットサイズは、好適には、約１００μｍ径で、ピークエネルギーに換算すると、約１００ＴＷ／ｃｍ2 とするとよい。
【００３８】
図２は、ビームＢ１とビームＢ２のパルス光の集光合致位置の時間的制御を示す概念図である。例えば、１００フェムト秒は真空中距離にして３０μｍに対応する。言い換えれば、光は３０μｍの長さにしか存在していない。また、レーザー波長が０．８μｍであると、１００フェムト秒のパルス光には約４０個の山谷が含まれているにすぎない。したがって、ビームＢ１とビームＢ２の光路差を３０μｍ以下にしないと二つのビームは空間的に同じ光路を伝播しても決して重なりあわないことになる。すなわち、時間的に一致しない。ビームＢ１、ビームＢ２が時間的に合致しない場合は、それぞれ図２の（Ａ）、（Ｃ）のように図示され、時間的に合致した場合は、（Ａ）、（Ｂ）のように図示される。
【００３９】
図３は、ビームＢ１とビームＢ２のパルス光の集光合致位置の空間的制御を示す概念図である。図示のようにビームＢ１とビームＢ２が空間において交差した集光点において、図２の（Ａ）、（Ｂ）で示すように、パルス光が時間的にも一致した場合、二つの光は干渉する。干渉明部の光エネルギー密度が基材の記録閾値を越えたとき干渉パターンが屈折率変調として記録される。
【００４０】
本発明の製造方法において、表面に集光させた場合には、表面に凹凸のある表面レリーフ型のホログラムおよび基材の屈折率変調による表面ホログラムを形成できる。また、内部に干渉縞が出来るように集光を制御した場合には、埋め込み型の体積ホログラムを形成できる。
【００４１】
本発明の製造方法により得られたホログラムは、光情報通信、光メモリー技術分野における回折格子などとして有用であり、具体的な用途としては、表面レリーフ型ホログラムを用いた光波長分波素子、光偏向素子などの光学素子、またはその素子を用いた光学装置、または、体積ホログラムを用いた埋め込み型光波長分波素子、光偏向素子、光波長出力均一化素子、光分散回復素子などの光学素子、またはそれらの素子を用いた光学装置が例示される。
【００４２】
また、装飾、マーキング、または偽造防止のための表面レリーフ型ホログラム、または体積ホログラムが例示される。さらには、多層ホログラム記録媒体および擬位相整合（ＱＰＭ）による高調波発生素子、およびその素子を用いた装置が例示される。
【００４３】
さらに、本発明のダイヤモンド、サファイヤ、アルミナ、Ａｌ2 Ｏ3 、ＳｉＯ2 の両者あるいは一方を含む組成からなるガラスを媒体とし、固有発光、固有欠陥または添加不純物の発光を利用し、本発明の方法で得られたホログラムを反射または偏向素子とした分布ブラック反射型（ＤＢＲ）または分布帰還型（ＤＦＢ）レーザー素子およびその素子を用いた装置が例示される。
【００４４】
【実施例】
実施例１
図１に示す二ビームレーザー干渉露光光学系を用い、大気中で透過型ホログラムを記録した。平面ミラーＭ３´とレンズＬ１および平面ミラーＭ６´とレンズＬ２の組み合わせを用いた。ホログラムを記録する基材Ｓ１は、大きさ１０×１０×１ｍｍのサファイヤの単結晶を用いた。このサファイヤ単結晶のｃ面に垂直にレーザービームを入射した。レーザー出力は、約１ｍＪ／パルスとし、ビームＢ１を０．７ｍＪ、ビームＢ２を０．３ｍＪとし、それぞれのビームを約１００μｍ径に集光し、１パルス光でホログラムを記録した。さらに、ガウス分布にレーザービームを整形するために、アパーチャー制御素子Ａ１を光路に挿入することにより、ホログラムを記録するのに必要なビームＢ１およびＢ２のエネルギーを５分の１に低減できた。
【００４５】
図４に示すように、ビームＢ１とビームＢ２のなす角度θは、１０度および３０度の二つのケースで露光し、図５に示すように、それぞれ１．５μｍおよび３μｍの格子フリンジ間隔を得た。格子フリンジ間隔ｄは、レーザー波長λとして８００ｎｍ、ｎとして空気の値である１を用い、λ＝ｎ・ｄ・ｓｉｎθ／２で与えられる値と一致した。また、ＡＦＭの測定から、表面レリーフ型のホログラムであることが確認できた。ホログラムを形成した面積は、約５０μｍ径であった。また、１パルス光での記録が可能なため、ＸＹステージを時間的に連続移動させ、一つのサンプルにホログラムをパルス光の繰り返し数まで記録できた。
【００４６】
この実施例で得られた回折格子１１に、Ｈｅ−Ｎｅレーザー（λ＝６３３ｎｍ）を照射した時のスクリーン１２に投影された回折パターン１３を図６に示す。高次の回折光が見られ、１次回折光の強度は、約２０％であり、この回折格子をいろいろな回折光学部品に応用可能なことが実証できた。
【００４７】
実施例２
実施例１と同じ二ビームレーザー干渉露光光学系を用いて、金薄膜に表面レリーフ型ホログラムを記録した。ガウス分布にレーザービームを整形するために、アパーチャー制御素子Ａ１を光路に挿入した。ガラス上に真空蒸着で作成した厚さ約２５０ｎｍの金薄膜をホログラムを記録する基材とした。ビーム整形後での、ビームＢ１は、０．１３ｍＪ、ビーム２は、０．０７ｍＪであった。二つのビームのなす角度θは２０度であった。得られた回折格子のフリンジ間隔は、レーザー波長λとして８００ｎｍ、ｎとして空気の値である１を用い、λ＝ｎ・ｄ・ｓｉｎθ／２で与えられる値と一致した。
【００４８】
実施例３
実施例１と同じ二ビームレーザー干渉露光光学系を用いて、シリカガラス膜に表面レリーフ型ホログラムを記録した。材料として、Ｓｉ単結晶上に熱酸化で作製したＳｉＯ2薄膜（膜厚：１１４ｎｍ）を用いた。ビームＢ１、Ｂ２は、それぞれ、エネルギー強度２５μＪで、材料表面に、約１００μｍ径に集光した。二つのビームのなす角度は９０度で、計算上の格子間隔は５８０ｎｍである。図７に、得られた回折格子のＡＦＭ像を示す。このＡＦＭ像から、溝深さ２〜３ｎｍ、溝間隔５８０ｎｍの表面レリーフ型ホログラムが形成されていることが確認できた。溝の深さは、シリカガラス膜厚の２〜３％で、シリカガラスでの光誘起構造変化に伴う収縮率とほぼ一致した。図８に、このホログラムを化学エッチングする工程を概念的に示す。化学エッチングは、１％フッ酸溶液で、５分間行った。図９に、エッチング後のホログラムのＡＦＭ像を示す。このＡＦＭ像から、溝の深さが１８〜２０ｎｍに深くなり、高いアスペクト比を持った回折格子が得られたことが確認できた。
【００４９】
実施例４
図１０は、この実施例の方法の概念を示すものである。図１０に示すように、実施例１と同じ二ビームレーザー干渉露光光学系を用いて、溶液中に浸したシリカガラスにホログラムを記録した。溶液には、水、弗化水素水溶液、アセトン、エタノール、メタノール、塩酸水溶液、硝酸水溶液のうちのいずれか一つを用いた。ビームＢ１、Ｂ２のエネルギー強度は、それぞれ４００μＪで、２つのビームの衝突位置は、基材内部に設定した。大気中で、同じ条件で、レーザー光を照射したときには、基材の表面にアブレーションによるダメージが発生したが、溶液中に基材を浸した場合には、基材の表面は平坦で、基材内部のみに回折格子が形成できた。特に、１％フッ酸水溶液の場合には、シリカガラス中に、加工歪が検出されなかった。
【００５０】
実施例５
図１１は、この実施例の方法の概念を示すものである。図１１に示すように、チタンサファイヤレーザー（波長：８００ｎｍ、パルス幅：１００フェムト秒、繰り返し周波数：１０Ｈｚ）のパルス光をビームスプリッターで、二つのビーム、Ｂ１、Ｂ２に分離した後、大気中で衝突させた。ビームの強度は、それぞれ０．７５ｍＪとした。Ｂ１とＢ２のビーム角度は０〜１８０度の間で変化させた。ミラーＭ１，Ｍ２およびレンズＬ１，Ｌ２を微調整して、二つのビームを空間的に一致させた後、光学遅延回路を用いて、二つのビームを時間的に一致させた。衝突後のパルス光は分光器を用いて分光した。いずれのビーム角度の場合も、二つのビームが、空間的、時間的に一致した時には、一致しないときに比較して、著しく高強度の三倍高調波が観測され、本方式が、二つのフェムト秒パルスビームの空間的、時間的一致の有無の検出に有効であることがわかった。本方式は、フェムト秒パルス時間幅の測定などにも有効である。
【００５１】
実施例６
実施例１と同じ二ビームレーザー干渉露光光学系を用いて、ダイヤモンドに埋め込み型ホログラムを記録した。ガウス分布にレーザービームを整形するために、アパーチャー制御素子Ａ１を光路に挿入した。ホログラムを記録する基材Ｓ１は、天然ダイヤモンド（タイプＩＩａ、ＳＡＷＮカット、光学吸収端：２２０ｎｍ）で、基材の大きさは、３×３×０．５ｍｍであった。ビームＢ１は、０．１４ｍＪ、ビームＢ２は、０．０６ｍＪで、両ビームを基材Ｓ１の内部の位置に約１００μｍ径に集光した。ビームＢ１とビームＢ２がなす角度θが１０度の場合で、基材Ｓ１の表面より約１μｍの深さに、約３μｍのフリンジ間隔を持つ埋め込み型ホログラムを形成できた。
【００５２】
ＡＦＭの測定から、表面は平坦であった。回折格子の形成部のラマン散乱から、グラファイト状のカーボンが形成できていることが確認できた。Ｈｅ−Ｎｅレーザーを照射した場合の回折効率は約２０％であった。以上の結果から、このホログラムをいろいろな埋め込み型の回折光学素子として応用可能なことが実証できた。また、このホログラムが、偽造防止用のホログラムとしても応用可能なことが実証できた。
【００５３】
実施例７
実施例１の二ビームレーザー干渉露光光学系に実施例５の二ビーム一致検出方法を組み込み、Ｓｉ基板を熱酸化したシリカガラス膜にホログラムを記録した。ビームＢ１，Ｂ２の強度は、それぞれ２０μＪで、二つのビームの角度は、１５８度で、基材の表面に約１００μｍ径に集光した。図１２に示すＡＦＭ像から、溝間隔：４３０ｎｍの回折格子が記録されていることを確認した。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の二ビームレーザー露光法によるホログラムの製造方法および装置における光学系を示す概念図。
【図２】図２は、ビームＢ１とビームＢ２のパルス光の集光合致位置の時間的制御を示す概念図。
【図３】図３は、ビームＢ１とビームＢ２のパルス光の集光合致位置の空間的制御を示す概念図。
【図４】図４は、実施例１の二つのレーザービームの基材への入射角度を示す概念図。
【図５】図５は、実施例１により記録された回折格子のパターンを示す拡大平面図。
【図６】図６は、実施例１により記録された回折格子によるＨｅ−Ｎｅレーザーの回折パターンを示す拡大平面図。
【図７】図７は、 実施例３により記録された回折格子のＡＦＭ像を示す図面代用写真である。
【図８】図８は、実施例３のホログラムを化学エッチングする工程の概念図である。
【図９】図９は、実施例３のエッチング後のホログラムのＡＦＭ像を示す図面代用写真である。
【図１０】図１０は、実施例４の方法の概念図である。
【図１１】図１１は、実施例５の方法の概念図である。
【図１２】図１２は、実施例７のホログラムのＡＦＭ像を示す図面代用写真である。
【符号の説明】
Ａ１ アパーチャー制御素子
Ｍ１，Ｍ２，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ７，Ｍ８ 平面ミラー
Ｍ３，Ｍ６ 凹面ミラー
ＨＦ１ ハーフミラー
Ｌ１，Ｌ２ レンズ
Ｓ１ 基材
１１ 回折格子
１２ スクリーン
１３ 回折パターン
Claims (10)
- パルス幅が９００〜１０フェムト秒、ピーク出力が１ＧＷ以上で、フーリェ限界またはそれと近似できるフェムト秒レーザーを光源とし、該レーザーからのパルス光をビームスプリッターにより二つに分割し、二つのビームを光学遅延回路を介して時間的に制御し、かつ微小回転する反射面が平面のミラーと凹面のミラーを用いて空間的に制御し、ホログラムを記録する基材表面または基材内部に、二つのビームの集光スポットを時間的および空間的に合致させ、かつ、エネルギー密度１００ＧＷ／ｃｍ2 以上で集光して高密度エネルギー照射させることによって、一つのパルス光で透明材料、半導体材料、または金属材料に不可逆的にホログラムを記録することを特徴とする二ビームレーザー干渉露光法によるホログラムの製造方法。
- 空気の非線型性に基づくフェムト秒レーザー光の三倍高調波ないし三倍和周波を用い、２つのビームの時間的、空間的合致度を検出することを特徴とする請求項１に記載のホログラムの製造方法。
- ミラーの位置を、ミラー面に垂直方向、入射ビームに対して平行および垂直方向に微移動させることにより、光学路長を変化させ、光学遅延回路とすることを特徴とする請求項１記載の二ビームレーザー干渉露光法によるホログラムの製造方法。
- エネルギー密度を、アブレーションが起こる閾値直下に設定することにより、該基材の表面形状を平坦に保ち、該基材そのものの屈折率変調を伴わせて表面型ホログラムを形成することを特徴とする請求項１記載の二ビームレーザー干渉露光法によるホログラムの製造方法。
- シリカガラスまたはゲルマニューム添加シリカガラスを基材とし、エネルギー密度を、光誘起構造変化がおこる閾値以上、アブレーションが起こる閾値以下に設定することにより、光誘起構造変化に伴う体積変化による表面型ホログラムを形成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の二ビームレーザー干渉露光法によるホログラム製造方法。
- 請求項１乃至５のいずれかに記載の方法で製造した表面型ホログラムの表面凹凸を拡大するために化学エッチングを行うことを特徴とするホログラム製造方法。
- 対向して該基材に入射する二ビームの集光合致位置を、光学遅延回路およびミラーで制御することによって、該基材内のホログラムの深さ位置を変化させ、深さ方向に複数のホログラムを埋め込むことにより多層ホログラム記録媒体を形成することを特徴とする請求項１記載の二ビームレーザー干渉露光法によるホログラムの製造方法。
- 該基材は、露光時に真空中に置かれることを特徴とする請求項１記載の二ビームレーザー露光法によるホログラムの製造方法。
- 複数のレーザーパルス光によって同じかまたは異なるホログラムを製造し、それぞれのパルス光で製造されたホログラムを重ね合わせることを特徴とする請求項１記載の二ビームレーザー干渉露光法によるホログラム製造方法。
- フェムト秒レーザー光源、該レーザーからのパルスビームを二つに分割するためのビームスプリッター、パルス光の集光合致位置を時間的に制御するための光学遅延回路および空間的に制御するための反射面が平面のミラーと凹面のミラーと該ミラーを微回転するための機構からなる光学系からなり、レーザービームをガウス型に整形し、ホログラム形成の閾値を低下させるアパーチャー制御素子を付加したことを特徴とする請求項１記載の方法に用いる二ビームレーザー干渉露光法によるホログラム製造装置。
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