JP4195925B2

JP4195925B2 - 屈折率分布を有するガラス材料の製造方法

Info

Publication number: JP4195925B2
Application number: JP2002005482A
Authority: JP
Inventors: 直之北村; 幸平福味; 準治西井
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2002-01-15
Filing date: 2002-01-15
Publication date: 2008-12-17
Anticipated expiration: 2022-01-15
Also published as: JP2003207605A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面に部分的な屈折率分布を有するガラス材料及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、屈折率分布を有する光学素子の形成方法としては、予め屈折率の異なる微小な半凸レンズや球状レンズを製造し、これを基板に接着もしくは埋設することによって微小光学レンズを製造する方法、イオン拡散によって屈折率分布を形成する方法、光誘起吸収によって屈折率分布を形成する方法、CVDや蒸着等の気相法やゾルゲル法等の液相法による製膜法等が知られている。しかしながら、これらの方法では、化学的成分や電子状態の異なる誘起欠陥構造を分布させることによって屈折率分布を形成しているため、レンズ素子の場所による均一な光透過特性・波長分散が得られなかったり、光照射による光学的性質の劣化、接合部の耐久性の不足、耐環境性の低下等の問題がある。
【０００３】
また、ガラスを高圧下で熱処理することで、ガラスの密度変化を利用して同一化学組成の材料に屈折率分布を形成する方法も知られている（特開平４―１４９０３３号公報）。この方法では、熱拡散を利用するため、屈折率は表層部から内側に向かって分布するだけで、表層部分に屈折率分布を有する微小光学素子を得ることはできない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の主な目的は、表面に屈折率分布を有する均一化学組成のガラス材料を、少ない工程数で、かつ短時間に形成できる方法を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記したごとき従来技術の現状に鑑みて鋭意研究を重ねてきた。その結果、加熱によって密度変化を生じるガラス材料を、密度変化が生じる温度より若干低い温度まで予備加熱しておき、この予備加熱されたガラス材料表面の一部を、レーザー光線の照射等の方法によって部分的に加熱する方法によれば、ガラス材料が予め加熱されているために、短時間加熱するだけで加熱された部分にのみ密度変化を生じさせることができ、簡単な処理方法で部分的な屈折率分布を有するガラス材料を製造することが可能となること見出し、ここに本発明を完成するに至った。
【０００６】
すなわち、本発明は、下記の表面に部分的な屈折率分布を有するガラス材料の製造方法を提供するものである。
１．溶融した原料を大気圧下で徐冷することによって得られるガラス材料よりも１％以
上密度が高いガラス材料又は１％以上密度が低いガラス材料を出発材料として用い、該ガラス材料を、密度変化が生じる温度より低い温度まで予備加熱した後、予備加熱されたガラス材料表面の一部を密度変化が生じる温度以上まで部分的に加熱することを特徴とする、表面に部分的な屈折率分布を有するガラス材料の製造方法。
２．ガラス材料を予備加熱する範囲が、少なくとも屈折率分布を生じさせようとする部分を含む面全体である上記項１に記載の方法。
３．予備加熱されたガラス材料の表面温度Ｔ（Ｋ）が、該ガラス材料の密度変化が生じる温度Ｔｒ（Ｋ）に対して
０．６Ｔｒ≦Ｔ＜Ｔｒ
の関係にあることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
４．密度変化が生じる温度以上まで部分的に加熱する方法が、レーザー光線を照射する方法である上記項１〜３の何れかに記載の方法。
５．レーザー光線を１回照射して、密度変化が生じる温度以上まで部分的に加熱する上記項４に記載の方法。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の屈折率分布を有するガラス材料の製造方法では、出発材料としては、加熱によって密度変化を生じるガラス材料を用いる。
【０００８】
この様なガラス材料は、溶融した原料を大気圧下で徐冷することによって得られる同一組成のガラス材料（以下、「通常のガラス」と言うことがある）と比べると、低密度又は高密度のガラス材料である。この様な低密度又は高密度のガラス材料は、ガラスの種類に応じて決まる一定温度以上に加熱すると、密度が変化して、通常のガラスの密度に近づく性質を有するものである。
【０００９】
上記した低密度又は高密度のガラス材料としては、特に限定的ではないが、例えば、通常のガラスを高温中で加圧して得られる高密度のガラス材料、溶融したガラス融液を高温から急激に冷却することにようて得られる高密度のガラス材料、液相法によって合成される低密度のガラス材料（乾燥ガラスゲル）等を挙げることができる。
【００１０】
本発明方法で用いるガラス材料の密度自体は特に限定的ではないが、光学素子として適した屈折率分布を生じさせるためには、一般的には、通常のガラスと１％程度以上の密度差があるガラス材料、即ち、通常のガラスよりも１％程度以上密度が高いガラス材料又は通常のガラスよりも１％程度以上密度が低いガラス材料が好ましい。尚、前述した通り、通常のガラスとは、溶融した原料を大気圧下で徐冷することによって得られるものであり、加熱によっては密度変化を生じないガラス材料である。
【００１１】
本発明方法では、出発材料とするガラス材料の材質については、特に限定はないが、二酸化珪素（ＳｉＯ₂）を２０モル％以上含有する珪酸塩ガラス、Ｂ₂Ｏ₃を２０モル％以上含有するホウ酸塩ガラス、Ｐ₂Ｏ₅を２０モル％以上含有するリン酸塩ガラス等のガラス網目構造を形成する成分（ガラスネットワークフオーマー）を２０モル％程度以上含有するガラスが、密度変化が大きい点で好ましい。
【００１２】
本発明の製造方法では、まず、原料とするガラス材料を、密度変化が生じる温度より低い温度まで予備加熱する。予備加熱する範囲については特に限定はなく、最終的に屈折率分布を生じさせようとする部分よりも広い範囲を加熱すればよいが、通常は、少なくとも屈折率分布を生じさせようとする部分を含む面全体を加熱することにより、簡単な加熱方法で予備加熱を行うことができる。この様な予備加熱方法としては、例えば、面状ヒーターを用いて加熱する方法によれば、屈折率分布を生じさせようとする部分を含む面全体を簡単に予備加熱することができる。この場合、ホットプレートのような加熱器を使用することができるが、特に、製膜装置で基板加熱に使用するような面状ヒーターを用いる場合には、温度制御良く、均一に加熱することができる。また、ガラス材料の全体を加熱する場合には、環状炉や市販の電気炉を用いることができる。
【００１３】
加熱雰囲気については特に限定はなく、大気中などの酸素含有雰囲気中で加熱することができるが、ガラス材料が空気中の水分や酸素と反応する可能性がある場合には、不活性ガス雰囲気中や真空中で予備加熱を行うことが好ましい。
【００１４】
予備加熱の加熱温度については、使用するガラス材料の密度や組成に応じて、密度変化が生じない範囲で適宜決めればよい。例えば、熱間等方加圧装置を用いて１２００℃程度で加熱して高密度化したシリカガラスは、６００℃程度以上に加熱すると密度が低下するので、これを下回る加熱温度とすればよい。また、超高圧発生装置を用いて６００℃程度で加熱して高密度化されたシリカガラスは、２００℃程度以上に加熱すると密度が低下するので、これを下回る加熱温度とすればよい。更に、液相法で合成されるシリカガラスの乾燥ゲルは、２００℃程度以上に加熱すると密度が上昇するので、これを下回る加熱温度とすればよい。
【００１５】
この際、予備加熱温度の下限値については特に限定的ではないが、引き続いて部分的な加熱を行う際に、短時間で部分的な密度変化を生じさせる為には、使用するガラス材料に応じて、適度な温度以上まで加熱することが好ましい。通常は、ガラス材料の表面部分の温度については、予備加熱温度（Ｔ）を絶対温度（Ｋ）で表した場合に、処理対象とするガラス材料の密度変化が生じる温度Ｔｒ（Ｋ）に対して以下の関係にあることが好ましい。
【００１６】
０．６Ｔｒ≦Ｔ＜Ｔｒ
上記した方法で予備加熱を行った後、予備加熱したガラス材料表面の一部を部分的に加熱して、加熱部分の温度を密度変化を生じる温度以上まで上昇させる。この方法によれば、ガラス材料の表面を部分的に加熱する前に、ガラス材料を予め密度変化が生じる温度付近まで予備加熱しているので、部分的な加熱を短時間行うだけで、ガラス材料に部分的な密度変化を生じさせることができる。
【００１７】
尚、部分的な加熱を行う際のガラス材料の表面温度は、上記した関係式を満足する温度範囲にあることが好ましく、通常は、ガラス材料の表面温度を予備加熱温度に維持した状態で、引き続き部分的な加熱を行えばよい。
【００１８】
部分的な加熱を行うための具体的な方法については、特に限定はないが、微小領域のみを加熱するためには、例えば、小さいエネルギー量のレーザー光線を照射する加熱方法を採用できる。その他、加熱した微小治具をガラス材料の表面に接触させる方法によっても、微小領域を加熱することが可能である。
【００１９】
この際、部分的な加熱を行う回数については特に限定的ではないが、予めガラス材料を加熱しているので、例えば、レーザー光線の照射による加熱を１回行うだけで、密度変化が生じる温度以上に加熱することが可能である。
【００２０】
このため、本発明の方法によれば、少ない工程数で、しかも短時間で、加熱された微小領域の表面部分のみに部分的な密度変化を生じさせることができる。
【００２１】
本発明方法によって得られる材料は、表面の加熱された部分だけが、それ以外の部分とは異なる密度を有するガラス材料となる。同一組成のガラス材料では、屈折率は密度にほぼ比例するので、このガラス材料は、表面の加熱により密度変化が生じた部分だけに屈折率分布を有するものとなる。得られるガラス材料は、均一な化学組成を有するガラスであって、部分的に屈折率分布を有するものであり、透過特性等の光学特性がほぼ均一で、光耐久性、耐環境性等が良好である。
【００２２】
本発明方法によって得られるガラス材料は、加熱によって密度が高くなる場合には、加熱された部分が焔没した形状となり、加熱によって密度が低くなる場合には、加熱された部分が隆起した形状となる。また、陥没又は隆起した部分について、後加工により表面を研磨すれば、平滑な表面形状とすることができる。この様な平滑な表面形状とした場合にも、加熱された部分は屈折率分布を有するものとなる。
【００２３】
以上の様に、本発明方法によれば、ガラス材料表面の微小部分にのみ屈折率分布を簡便に形成することができる。この様にして微小部分に屈折率分布が形成されたガラス材料は、光フアイバーと光回路の接合素子、画像抽出用のレンズアレイ、液晶・プラズマディスプレー基板などに用いる微小光学素子として有用性が高いものである。
【００２４】
微小光学素子として用いる場合には、屈折率分布を有する部分は、例えば、直径１０〜２０００μｍ程度の範囲とすればよい。密度変化によって生じる表面の隆起の高さは、通常、ガラス材料の表面に対して１〜３０μｍ程度となり、密度変化によって生じる表面の陥没部の深さは、通常、ガラス材料の表面に対して１〜３００μｍ程度となる。
【００２５】
また、屈折率の変化については、微小光学素子として用いる場合には、密度変化の無い部分との屈折率差が０．０３％以上の部分が存在することが好ましい。
【００２６】
【発明の効果】
本発明方法によれば、簡単な処理方法により、短時間でガラス材料の表面に部分的に屈折率分布を形成することができる。得られる屈折率分布を有するガラス材料は、改質による透過特性の変化が殆どなく、低光損失を実現でき、光耐久性、耐環境性等も良好である。
【００２７】
また、本発明の方法では、同一化学組成を維持したまま屈折率分布を形成でき、表面形状も制御できることから、非球面レンズに相当する様な複雑なレンズ設計が可能であり、光回路を形成した基板への後からの素子形成での実用化も可能である。
【００２８】
従って、本発明によって得られる屈折率分布を有するガラス材料は、光ファイバーと光回路の接合素子、画像抽出用のレンズアレイ、液晶・プラズマディスプレー基板などに用いられる微小光学素子として有用性が高いものである。
【００２９】
【実施例】
以下、実施例を示して本発明を更に詳細に説明する。
【００３０】
実施例１
溶融法で作製した密度２．２００ｇ／ｃｍ³のシリカガラスを、熱間等方加圧装置によって加圧して、密度を２．２２１ｇ／ｃｍ³としたシリカガラス（厚さ０．８ｍｍ）基板を準備した。このシリカガラス基板は、加圧前のシリカガラスと比べると、密度が０．９５％高く、屈折率は１．４６２８（λ＝５４６ｎｍ）であった。また、このシリカガラスの密度変化が生じる温度は８００℃であった。
【００３１】
このガラス基板を真空槽に挿入し、１０^-5トールまで排気した後、該ガラス基板の一面をシースヒータを内蔵した銅製のヒーターに密着させて５５０℃まで加熱し、次いで、真空槽の外部から試料に向けて、下記の条件で炭酸ガスレーザーからの光を表面の直径約１５０μｍの微小領域に集光して照射した。
照射条件
基板屈折率１．４６２８
レーザー光サイズ直径１５０μｍ
照射エネルギー３０ｍＪ
照射回数１回
得られたガラス試料について、基板表面からの変位を表面粗さ計で測定し、表層付近の屈折率変位を干渉法により測定した。表面形状の変位及びその変位部分に対応する屈折率変位を図１に示す。
【００３２】
図１から明らかなとおり、表面に最大で１．２μｍの隆起した形状が形成され、変位表面の屈折率に最大で０．００１９（０．１３％）の負の変位が認められた。また、最大の屈折率変化が認められるＬ＝０μｍの部分の密度は、２．２０２ｇ／ｃｍ³であり、レーザー照射前のシリカガラス基板と比べると、０．８５％の密度低下が認められた。
【００３３】
実施例２
溶融法で作製した密度２．２００ｇ／ｃｍ³のシリカガラスを、熱間等方加圧装置によって加圧して、密度を２．２８５ｇ／ｃｍ³としたシリカガラス（厚さ０．８ｍｍ）基板を準備した。このシリカガラス基板は、加圧前のシリカガラスと比べると、密度が３．８６％高く、屈折率は１．４７８９（λ＝５４６ｎｍ）であった。また、このシリカガラスの密度変化が生じる温度は８００℃であった。
【００３４】
このガラス基板を真空槽に挿入し、１０^-5トールまで排気した後、該ガラス基板の一面をシースヒータを内蔵した銅製のヒーターに密着させて５００℃まで加熱し、次いで、外部から試料に向けて、下記の条件で炭酸ガスレーザーからの光を表面の直径約１２０μｍの微小領域に集光して照射した。
照射条件
基板屈折率１．４７８９
レーザー光サイズ直径１２０μｍ
照射エネルギー５０ｍＪ
照射回数１回
得られたガラス試料について、基板表面からの変位を表面粗さ計で測定し、表層付近の屈折率変位を干渉法により測定した。表面形状の変位及びその変位部分に対応する屈折率変位を図２に示す。
【００３５】
図２から明らかなとおり、表面に最大で２．１μｍの隆起した形状が形成され、変位表面の屈折率に最大で０．０１２（０．８１％）の負の変位が認められた。また、最大の屈折率変化が認められるＬ＝０μｍの部分の密度は、２．２１４ｇ／ｃｍ³であり、レーザー照射前のシリカガラス基板と比べると、３．１％の密度低下が認められた。
【００３６】
レーザー照射後、基板表面をλ／４の精度で再研磨し、表層付近の屈折率変位を干渉法により測定した。表面の変位部分に対応する屈折率変位を図３に示す。
【００３７】
図３から明らかなように、レーザーを照射した表面部分に屈折率に最大で０．０１０５（０．７１％）の負の変位が認められた。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１で得られた屈折率分布を有するガラス材料の表面近傍の変位及び屈折率分布を示すグラフである。
【図２】実施例２で得られた屈折率分布を有するガラス材料の表面近傍の変位及び屈折率分布を示すグラフである。
【図３】実施例２で得られた屈折率分布を有するガラス材料の隆起部分を研磨した後の表面近傍の屈折率分布を示すグラフである。

Claims

溶融した原料を大気圧下で徐冷することによって得られるガラス材料よりも１％以上密度が高いガラス材料又は１％以上密度が低いガラス材料を出発材料として用い、該ガラス材料を、密度変化が生じる温度より低い温度まで予備加熱した後、予備加熱されたガラス材料表面の一部を密度変化が生じる温度以上まで部分的に加熱することを特徴とする、表面に部分的な屈折率分布を有するガラス材料の製造方法。
ガラス材料を予備加熱する範囲が、少なくとも屈折率分布を生じさせようとする部分を含む面全体である請求項１に記載の方法。
予備加熱されたガラス材料の表面温度Ｔ（Ｋ）が、該ガラス材料の密度変化が生じる温度Ｔｒ（Ｋ）に対して
０．６Ｔｒ≦Ｔ＜Ｔｒ
の関係にあることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
密度変化が生じる温度以上まで部分的に加熱する方法が、レーザー光線を照射する方法である請求項１〜３の何れかに記載の方法。
レーザー光線を１回照射して、密度変化が生じる温度以上まで部分的に加熱する請求項４に記載の方法。