JP4417675B2

JP4417675B2 - 多光子吸収媒体およびそれを用いた露光方法

Info

Publication number: JP4417675B2
Application number: JP2003319736A
Authority: JP
Inventors: 武晴谷
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2003-09-11
Filing date: 2003-09-11
Publication date: 2010-02-17
Anticipated expiration: 2023-09-11
Also published as: US20050116207A1; JP2005084618A; US20080272346A1

Description

本発明は、非線形光学効果の一つである２光子吸収等の多光子吸収を利用して、記録媒体等を露光させる方法および、それに使用される多光子吸収媒体に関するものである。

物質における通常の光吸収は１光子が吸収される現象であるが、超短パルスレーザ光等の高パワーの光を照射すると、２光子あるいは３光子以上が同時に吸収される、いわゆる多光子吸収が起きる。２光子吸収を例に挙げると、その場合は物質が通常の２倍のエネルギーを受けるので、本来波長λの光を吸収する物質に対し波長２λ（つまりエネルギーが１／２）の高パワーの光を照射して２光子吸収させることにより、波長λの光を照射した場合と同等の反応を生じさせることができる。

この２光子吸収等の多光子吸収は、光吸収確率が光子密度に比例して上昇する現象であるので、多光子吸収媒体に対して収束光を照射すれば、光子密度が最大になるその収束位置近傍のみで選択的に多光子吸収を起こすことができる。そこで、多光子吸収によって例えば相変化、屈折率変化、化学的変化等の光異性化反応を引き起こす材料から記録媒体を形成し、その記録媒体を収束光で露光するようにすれば、記録媒体の深さ方向（収束光の進行方向）位置が一定のある一面（一層）を走査露光して情報を記録した後、収束光の収束位置を変えて次々と同様の露光をすることにより、複数層に情報を記録可能となる。特許文献１には、このように多光子吸収媒体を収束光で走査露光して情報記録を行う装置の例が記載されている。

一方、上述のように収束光の収束位置近傍のみで多光子吸収を起こすことができることを利用して、光重合反応等を呈する多光子吸収媒体を収束光によって３次元露光することにより、該媒体を３次元的に光造形する方法も提案されている。非特許文献１および２には、そのようにして多光子吸収媒体を３次元的に光造形する装置の例が記載されている。そして、特に非特許文献２には、１本のレーザビームをマイクロレンズアレイによって複数本に分岐してそれぞれ収束させ、それらの分岐された各レーザビームによって３次元構造を複数並列的に造形する方法も記載されている。

また特許文献２には、２光子吸収断面積の大きい、好ましい多光子吸収媒体の例が記載されている。このような多光子吸収媒体を、上述の光造形に適用可能とするためには、例えば光硬化性樹脂を含有させればよい。
特開平１１−２２４４３３号公報特開２００３−２０４６９号公報 OPTICS LETTERS（オプティクス・レターズ） /Vol.22,No.3/January 15,1997 p132-134 第50回応用物理学関係連合講演会講演予稿集（2000年3月）27p-YN-4

従来、上述のように多光子吸収媒体を露光して３次元的な情報記録や光造形等を行う場合、多光子吸収媒体の深さ方向位置に応じて光反応の程度が変わってしまい、露光不足やあるいは露光過多が生じるという問題が認められている。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、多光子吸収媒体の深さ方向位置に拘わらず、良好な露光を行うことができる多光子吸収露光方法および、それに使用される多光子吸収媒体を提供することを目的とする。

本発明による多光子吸収媒体は、多光子吸収材料を含んで所定の厚さを有し、一表面から内部に向けて照射された光を受けて多光子吸収による光反応を起こす、情報記録あるいは光造形に用いられる多光子吸収媒体において、前記光に対する反応性が、前記一表面から他表面に向かって次第に増大していることを特徴とするものである。

なお、前記光に対する反応性を上述のように変化させるために本発明の多光子吸収媒体においては、多光子吸収材料の濃度を変えることによって、該多光子吸収材料の光吸収効率を変化させている。

また、上記構成を有する本発明による多光子吸収媒体は、多光子吸収により光重合反応、光異性化反応および光分解反応のうちの少なくとも１つの光反応を起こすものとして形成されることが望ましい。

他方、本発明による多光子吸収露光方法は、上述した本発明による多光子吸収媒体に対して露光により情報記録あるいは光造形を行うときに、前記一表面から内部に向けて、所定の収束位置で収束する状態に光を照射して該多光子吸収材料を露光させることを特徴とするものである。

本発明者の研究によると、多光子吸収媒体の深さ方向位置に応じて光反応の程度が変わってしまうという問題は、露光光が収束位置に到達するまでに多光子吸収媒体による散乱や吸収を受け、さらには収差による収束スポットの広がりも生じることに起因していることが判明した。つまり、そのような現象の程度は収束位置がより深いほど大となるが、従来はこの収束位置の深さによらず露光条件を一定としていたので、収束位置が深いほど光反応が起き難くなってしまうのである。

本発明の多光子吸収媒体は、上記の知見に鑑みて、露光光に対する反応性が一表面から他表面に向かって次第に増大するように形成されたものである。そこで、この多光子吸収媒体を用いる本発明の多光子吸収露光方法において、上記一表面から内部に向けて該媒体に光を照射して露光を行えば、光照射位置が深いほど上記散乱や吸収等によって光反応が起き難くなることを、媒体自身の光反応性が高くなることで補償して、多光子吸収媒体の深さ方向に亘って光反応の程度をほぼ均一にすることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明の一実施形態による多光子吸収媒体を用いる多光子吸収露光装置の概略側面形状を示すものである。この多光子吸収露光装置は一例として、光ディスクに多層記録を行う情報記録装置を構成するものであり、図示のように露光光としてのパルス光10を発するパルスレーザ11と、上記パルス光10の光路を９０°折り曲げるミラー12と、このミラー12で反射したパルス光10を収束させる集光レンズ13と、光ディスク14を保持して回転させるスピンドル15を備えたディスク駆動手段16と、このディスク駆動手段16を保持して垂直な２本のガイド部材17、17に沿って上下移動させる昇降手段18とを備えている。

またこの多光子吸収露光装置は、パルスレーザ11とミラー12との間においてパルス光10の光路に挿入された、例えばＡＯＭ（音響光学光変調器）等の光変調器20と、この光変調器20を駆動する変調器駆動回路21と、この変調器駆動回路21、前記ディスク駆動手段16、および昇降手段18の動作を制御する例えばコンピュータシステムからなる制御部22とを備えている。なお光変調器20は、パルス光10を例えばON-OFF変調する他、そこにおける通過光量を一例として０〜100％の範囲で連続的に変化させることが可能となっている。

上記パルスレーザ11は例えばＴｉ：サファイアレーザからなり、本実施形態においてその平均出力は１Ｗ、発振波長は780ｎｍ、パルス繰り返し周波数は82ＭＨｚ、パルス幅は100ｆｓ（フェムト・秒）である。また集光レンズ13としては、ＮＡ（開口数）0.7で倍率100倍のものが用いられている。

光ディスク14は、例えば紫外光に対して２光子吸収を起こす２光子吸収材料、重合開始剤およびフォトポリマーが混合されてなるものであり、上記２光子吸収材料の濃度は、その一表面14ａから他表面14ｂに向かって次第に増大する分布を有している。なお上記２光子吸収材料としては、例えば前記特許文献２に記載されている２光子吸収断面積の大きい材料を適用することが好ましい。また、上記フォトポリマーの具体例としては、同じく特許文献２に記載されているディーメック社製ＳＣＲ−７０１等が挙げられる。

このような光ディスク14に対して光子密度が著しく高い状態で露光光が照射されると、上記２光子吸収材料が２光子吸収を起こし、吸収された光のエネルギーが重合開始剤に移動し、それにより上記フォトポリマーが光重合反応を呈する。この光重合反応が生じた部分ではフォトポリマーの密度が高くなり、屈折率が上昇するので、この屈折率の変化の有無の形で該光ディスク14に情報を記録することができる。

本装置により情報記録を行う際には、まず昇降手段18が、つまり光ディスク14が所定のｚ方向位置に保たれ、この状態でパルスレーザ11が駆動されるとともにディスク駆動手段16により光ディスク14が回転される。そのとき、制御部22が記録情報Ｓ１に基づいて変調器駆動回路21の動作を制御し、パルス光10が光変調器20により記録情報Ｓ１に基づいて例えばON-OFF変調される。

変調されたパルス光10はミラー12で反射し、光ディスク14にその一表面14ａ側から入射し、集光レンズ13の作用により該光ディスク14の内部で収束する。そして光ディスク14が上記所定のｚ方向位置内において回転されるので、該光ディスク14はパルス光10により円弧状のトラックに沿って走査露光される。

パルス光10は前述のように100ｆｓと極めて短いパルス幅のものであって、該パルス光10の収束位置Ｆおよびその近傍では光子密度が著しく高い状態となっている。そこで、上記収束位置Ｆおよびその近傍のみにおいて光ディスク14が前述の２光子吸収を起こし、波長390ｎｍ（＝780ｎｍ／２）の紫外光を吸収した場合と同様に該光ディスク14において光重合反応が起き、屈折率が上昇する。そしてパルス光10は、前述の通り記録情報Ｓ１に基づいて変調されているので、上記屈折率の変化の有無の形で光ディスク14に情報が記録される。

パルス光10の収束位置Ｆに沿った光ディスク14の一面内において、所定のトラックに沿って情報記録がなされ、さらに図示外の水平移動手段により光ディスク14が径方向に移動されて、該光ディスク14の上記一面内で２次元的に情報記録がなされると、昇降手段18によりディスク駆動手段16が、つまり光ディスク14が回転軸方向（図中の上下方向）に所定の微小量だけ移動され、この状態で上記と同様に、変調されたパルス光10による２次元走査露光がなされる。以下同様に、パルス光10による２次元走査と光ディスク14の回転軸方向移動が繰り返され、該光ディスク14に多層記録がなされる。

先に説明したように、露光光であるパルス光10は収束位置Ｆに到達するまでに多光子吸収媒体である光ディスク14による散乱や吸収を受け、さらには収差による収束スポットの広がりも生じる。そのような現象の程度は収束位置Ｆがより深いほど大となるので、収束位置Ｆの深さによらず露光条件を一定に設定しておくと、収束位置Ｆが深いほど光反応が起き難くなってしまう。

しかし本実施形態の光ディスク14においては、２光子吸収材料の濃度が、その一表面14ａから他表面14ｂに向かって次第に増大する分布を有しているので、収束位置Ｆが深いほど光反応が起き難くなることを、光ディスク14自身の光反応性が高くなることで補償して、光ディスク14の深さ方向に亘って光反応の程度をほぼ均一にすることができる。そこで本装置においては、露光不足や露光過多を招くことなく、常に適正な露光が可能になる。

なお、光ディスク14の光反応性に上述のような分布を持たせるためには、上記のように２光子吸収材料の濃度を変化させてその光吸収効率を変化させる他、２光子吸収材料の光吸収効率は一定としたまま、前述した重合開始剤の濃度を、ディスク一表面14ａから他表面14ｂに向かって次第に増大するように変化させておいてもよい。

以下、上記効果を確認するための比較例について説明する。まず比較例１として、多光子吸収材料の濃度がディスク厚さ方向に亘って均一な光ディスクを用意し、その光ディスクの一表面付近で最適な露光条件が得られるようにし、この条件を固定して光ディスクを３次元的に露光した。この際の最適な露光条件とは、露光光の平均出力：10ｍＷ、１ポイントを光重合させるための光照射時間：１ｍｓ（ミリ・秒）である。この場合は、収束位置Ｆが深くなるにつれ、露光不足が生じた。典型的には、収束位置Ｆが300μｍを超えると、光ディスクの屈折率を上昇させることが不可能となった。

次に比較例２として、同様に多光子吸収材料の濃度がディスク厚さ方向に亘って均一な光ディスクを用意し、その光ディスクの深さ300μｍの位置で最適な露光条件が得られるようにし、この条件を固定して光ディスクを３次元的に露光した。この際の最適な露光条件とは、露光光の平均出力：20ｍＷ、１ポイントを光重合させるための光照射時間：１ｍｓ（ミリ・秒）である。この場合は、収束位置Ｆが光ディスクの一表面付近に有るときに露光過多となり、分解能の低下や、局所的な吸熱による光ディスクの沸騰が生じることがある。

それに対して本実施形態によれば、一例として、光ディスク14の一表面14ａ付近から深さ１ｍｍに亘る領域において、ディスク深さに拘わらず適正な露光を行うことが可能になる。

なお、光ディスク14における２光子吸収材料の、ディスク厚さ方向に亘る適切な濃度分布は、例えば以下のようにして求めることができる。まず、２光子吸収材料の濃度が、一例として0.1重量％〜１重量％の間で0.1重量％単位で変えられている１０種の光ディスクを作製する。なおそれらの光ディスクの各々において、ディスク厚さ方向に亘る２光子吸収材料の濃度は均一とされる。そのような１０種の光ディスクに対して、例えば露光光の平均出力を300ｍＷ、１ポイントを光重合させるための光照射時間を１μｓ（マイクロ・秒）に固定した上で、収束位置の深さを50μｍずつ変えて露光を行う。そして、収束位置の深さ毎に、最も適切な露光がなされた光ディスクを判定し、その光ディスクの２光子吸収材料濃度を調べる。これにより、収束位置の深さ毎に、最も適切な露光を実現する２光子吸収材料濃度を知ることができる。

こうして収束位置の深さ毎に最適な２光子吸収材料濃度を求めたなら、その収束位置深さ対２光子吸収材料濃度の関係に従って該濃度がディスク厚さ方向に分布する１枚の光ディスク14を作製する。そのような光ディスク14は、例えば、２光子吸収材料の濃度を変えながら、ガラス基板上で該材料のスピンコートを繰り返すことにより作製可能である。

なお上記実施形態の光ディスク14は、多光子吸収により光重合反応を呈するものであるが、本発明は、多光子吸収による光反応としてその他前述の光異性化反応や、あるいは光分解反応等を呈する多光子吸収媒体に対しても同様に適用可能である。

また、以上は、多層記録を行う情報記録装置に適用された実施形態について説明したが、本発明はその他、３次元光造形装置における多光子吸収露光等に対しても適用可能であり、その場合にも、同様の効果を奏することができる。

本発明による多光子吸収媒体を用いる装置の一例を示す概略側面図

符号の説明

10 パルス光
11 パルスレーザ
12 ミラー
13 集光レンズ
14 光ディスク
14ａ光ディスクの一表面
14ｂ光ディスクの他表面
20 光変調器
21 変調器駆動回路
22 制御部

Claims

多光子吸収材料を含んで所定の厚さを有し、一表面から内部に向けて照射された光を受けて多光子吸収による光反応を起こす、情報記録あるいは光造形に用いられる多光子吸収媒体において、
前記光に対する反応性が、前記多光子吸収材料の濃度が変えられることにより、前記一表面から他表面に向かって次第に増大していることを特徴とする多光子吸収媒体。
前記光反応が、光重合反応、光異性化反応および光分解反応のうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項１記載の多光子吸収媒体。
請求項１または２記載の多光子吸収媒体に対して露光により情報記録あるいは光造形を行うときに、前記一表面から内部に向けて、所定の収束位置で収束する状態に光を照射して該多光子吸収材料を露光させることを特徴とする多光子吸収露光方法。