JP4565082B2 - 透明材料加工方法及び透明材料加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、透明材料加工方法及び透明材料加工装置に関し、特に、加工された光機能素子の伝播損失が小さい透明材料加工方法及び透明材料加工装置に関する。

フェムト秒レーザパルスを透明なガラス内部に集光すると焦点近傍の屈折率が上昇することを利用して、ガラス材料を連続的に走査することで連続した高屈折率領域を形成し光導波路を作製する方法が特許文献１において開示されている。この方法は、従来のイオン交換法や火炎堆積法を用いた光導波路デバイス作製方法と比べて工程数が少ないという特徴がある。また、この方法ではレーザの焦点近傍のみで屈折率変化が誘起されるため、ガラス内部で任意の構造を持つ導波路デバイス作製が可能である。

ところがフェムト秒レーザパルスで作製した光導波路は、従来の火炎堆積法などを用いて作製した導波路と比べて伝播損失が大きいことが実用化への問題となっていた。ここにおける伝播損失の原因は、密度揺らぎによる散乱損失及びコア−クラッド界面の揺らぎによる構造不完全損失と考えられている。そこで、屈折率制御用ドーパントを含んだガラス材料を用いることによる導波路の低損失化の方法が特許文献２において開示されている。
特開平９−３１１２３７号公報 特開２００２−３１１２７７号公報

しかし、屈折率制御用ドーパントを含んだガラス材料を用いる方法では材料が限定されてしまい汎用性が乏しい。

本発明は、上記問題点に鑑み、汎用の材料に適用できて、屈折率を変化させて作製される光機能素子の伝播損失が小さい透明材料加工方法及び透明材料加工装置を提供することを目的とする。

本発明の透明材料加工方法は、屈折率変化の誘起が完了する時間内にある複数のフェムト秒レーザパルスをセットとして、該セットを前記時間よりも長い間隔を開けて繰り返し照射して透明材料の所定の領域の屈折率を変化させることを特徴としている。

また、前記複数のフェムト秒レーザパルスの内の最初のフェムト秒レーザパルスの振幅は後続の他のフェムト秒レーザパルスの振幅よりも小さいことで、更に損失を小さくすることができる。

また、前記セットのフェムト秒レーザパルスのパルス間隔は、前記透明材料が溶融石英である場合に、１ｐｓ以上かつ１００ｐｓ以下であることで、光機能素子の材料として広く使われている溶融石英に適用して好適である。

また、本発明の透明材料加工装置は、レーザから出力されるフェムト秒レーザパルスを２つに分ける分波器と、該分波器で分けられたフェムト秒レーザパルスの一方を遅延する遅延器と、該遅延器で遅延されたフェムト秒レーザパルスと前記分波器で分けられたフェムト秒レーザパルスの他方との２つのフェムト秒レーザパルスを合波する合波器とを備え、該合波器から出力される１ｐｓ以上かつ１００ｐｓ以下の時間内にある複数のフェムト秒レーザパルスをセットとして、該セットを溶融石英の屈折率変化の誘起が完了する時間よりも長い間隔を開けて繰り返し照射して溶融石英の所定の領域の屈折率を変化させることを特徴としている。

また、本発明の透明材料加工装置は、空間位相変調器を用いてレーザから出力されるフェムト秒レーザパルスを１ｐｓ以上かつ１００ｐｓ以下の時間内にある複数のフェムト秒レーザパルスのセットにして、該セットを溶融石英の屈折率変化の誘起が完了する時間よりも長い間隔を開けて繰り返し照射して溶融石英の所定の領域の屈折率を変化させることを特徴としている。

本発明によって製造した光機能素子、例えば導波路の伝播損失は、従来の方法で製造したものの伝播損失と比較して低減される。これにより、フェムト秒レーザパルスにより作製する導波路などの光機能素子の実用化が可能になる。

以下、添付図面を参照しながら本発明の最良の実施例について詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施例による透明材料加工方法において用いる光パルスを説明する図である。図１(a)は従来の光パルスを示し、図１(b)は本実施例の光パルスを示す。本実施例では、屈折率を変化させる透明材料の例を溶融石英として、製造する光機能素子が導波路である場合を例に説明する。溶融石英の導波路となる領域の屈折率を高くするために用いる光パルスにはフェムト秒レーザパルスを用い、そのフェムト秒レーザパルスをレンズで集光し、溶融石英であるガラス材料を相対移動させることによって連続した高屈折率領域を形成することにより導波路を形成する。

図１(a)に示す従来の光パルスは、物質の熱拡散時間（１μｓ）よりやや短いパルス間隔又はそれよりも長いパルス間隔での１つずつのフェムト秒レーザパルスであるが、これらの場合はレーザパルスのパルス間隔は屈折率変化が誘起される時間よりも遥かに長いため、前のパルスによるガラス内部の構造変化が完全に終了してから次のパルスが照射されるものとなる。

図１(b)に示す本実施例の光パルスは、物質の電子・格子エネルギー緩和時間（１〜１００ｐｓ）の前後のパルス間隔の２つのフェムト秒レーザパルスをセットとして照射するものである。つまり、最初に照射されたレーザパルスによる屈折率変化の誘起が完了する前に次のレーザパルスを照射するものである。そして、そのセットを従来の１つのパルスのようにして所定の間隔で照射するものである。このセットの繰り返し周期は、従来におけるパルス繰り返し周期と同様にして設定することができる。すなわち、屈折率変化の誘起が完了する時間よりも長い期間に設定する。

図２は、本実施例による透明材料加工方法を実現する透明材料加工装置の構成を示す図である。本実施例の透明材料加工装置は、レーザ１１、対物レンズ１２、減衰器ＶＡ、ミラーＭ、及びビームスプリッタＢＳからなる。レーザ１１は、再生増幅チタンサファイアフェムト秒レーザ（パルス幅１００ｆｓ、繰り返し周波数１ｋＨｚ、中心波長８００ｎｍ）である。レーザ１１から出力されたフェムト秒レーザパルスをビームスプリッタＢＳで２つに分け（分波器）、一方をミラーＭで構成される遅延量可変の光学遅延装置で遅延してパルスの間隔を０〜２００ｐｓまで可変とする。さらに２つのレーザパルスをビームスプリッタＢＳで合波して（合波器）、２０倍の対物レンズ１２を用いて、溶融石英からなる透明材料１３の中に集光し、ステッピングモータを用いて透明材料１３を光軸と垂直方向に５０μｍ／ｓで走査した。パルス間隔３ｐｓ、パルスのパワー比第１：第２＝１：５、レーザ１１の平均パワー０.１９ｍＷの条件で製造した導波路の伝播損失は０.２ｄＢ／ｃｍであった。同等の条件下で、通常のフェムト秒レーザで作製した導波路の典型的な伝播損失は３ｄＢ／ｃｍ前後である。透明材料１３は溶融石英を用いたが、屈折率変化を誘起できるものであれば、溶融石英に限らず、希土類添加ガラスや高分子樹脂などを用いても良い。屈折率変化の誘起が完了する時間内にある複数の光パルスの偏光は必ずしも同一である必要はなく異なっても良い。屈折率変化の誘起が完了する時間内にある複数の光パルスを生成する方法としては上記の方法以外に空間位相変調器などを用いても良い。パルス幅は１００ｆｓを使ったが、これに限らず、導波路を作製できるフェムト秒パルスならば良い。実際は２０ｆｓから５００ｆｓ位までならば、導波路を作製できる。

図３は、パルス間隔に対する導波路出力光強度の関係を示すグラフである。セットとなるダブルパルスのパルス間隔を０ｐｓから２００ｐｓまで徐々に大きくして作製した導波路に波長６３２.８ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザを結合した際の導波路からの出力光強度の変化を示すものである。その結果、３ｐｓのパルス間隔で出力光強度が最大となり、１〜１００ｐｓ（両端を含む）で大きな出力光強度が得られることが分かる。パルス間隔が１００ｐｓ以降では伝播損失に変化はほとんど見られず、ダブルパルスを用いないで作製した導波路の伝播損失と同等となった。適正なレンズや走査速度、パルス間隔及びパワー比、平均パワーなどの条件は材料に依存して決まる。以上より、ダブルパルスを用いることで製造した導波路の低損失化が確認された。

ダブルパルスを用いることで導波路の低損失化が実現された理由は以下のように考えられる。焦点近傍では多光子吸収と呼ばれる強度に依存した非線形吸収が起こり、束縛電子が伝導帯に励起される。伝導帯中の電子が残りのレーザパルスのエネルギーを吸収し、高密度の電子プラズマが形成される。そしてプラズマ中の高エネルギー電子が格子と衝突し格子にエネルギーを移乗することで、熱や衝撃波が発生し屈折率変化が誘起される。実際に屈折率変化のような永続的な損傷が起こるのはこの最後の段階であるが、ダブルパルスを用いてパルス間隔を調整することで、この損傷が起こる前後の段階で次のレーザパルスを照射することが可能となる。１発目のレーザパルスにより構造が時間的に変化している間に２発目のレーザパルスが照射され、急激な変化を緩和するなどの作用により散乱損失や構造不完全損失が低減されたものと考えられる。

本発明では従来のフェムト秒レーザパルス装置そのものでは発生不可能なパルス間隔でレーザパルスを照射することで光導波路の低損失化が可能となった。溶融石英以外の透明材料にも適用可能であり、適正な照射条件は材料に依存して決まる。また、予めガラス材料のドーパント処理などを行わずに低損失導波路を製造することが可能である。また、これまで提案されている方法とも容易に組み合わせて導波路デバイスを作製することが可能である。

図４は、本実施例によってＹ型分岐導波路を作製する方法を説明する図である。レーザ１１から出力されたダブルのフェムト秒レーザパルスを対物レンズ１２で透明材料１３の中のＹ型分岐の導波路１４となる領域に絞って、透明材料１３を相対移動させることによって連続した高屈折率領域を形成することにより導波路１４を形成する。Ｙ型分岐導波路は光の合波及び分波が可能な導波路デバイスであり光通信用素子として非常に重要である。フェムト秒レーザを用いて作製することで複数の方向に３次元的に分岐する分岐導波路も作製可能であるが、ここにおいても伝播損失の低減が必須であり本発明を適用して好適である。

図５は、本実施例によって光学的回折格子を作製する方法を説明する図である。レーザ１１、対物レンズ１２、及び透明材料１３は、図４に示したものと同じであるので説明を省略する。透明材料１３の中に光学的な格子を作製する際にも、本発明の方法を用いることで散乱損失が小さくなるために、より大きい回折効率を得ることができる。

その他、ブラッグ回折格子などに適用しても、やはり、散乱損失を小さくすることができるので、本発明を適用して好適である。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではない。

セットのパルスは３つ以上であっても良い。

セットの複数のパルスの内の最初のパルスの振幅は後続の他のパルスの振幅よりも小さい方が損失をより小さくすることができる。

本発明の一実施例による透明材料加工方法において用いる光パルスを説明する図である。 本実施例による透明材料加工方法を実現する透明材料加工装置の構成を示す図である。 パルス間隔に対する導波路出力光強度の関係を示すグラフである。 本実施例によってＹ型分岐導波路を作製する方法を説明する図である。 本実施例によって光学的回折格子を作製する方法を説明する図である。

符号の説明

１１ レーザ
１２ 対物レンズ
１３ 透明材料
１４ 導波路
ＢＳ ビームスプリッタ
Ｍ ミラー
ＶＡ 減衰器

Claims (5)

1. 屈折率変化の誘起が完了する時間内にある複数のフェムト秒レーザパルスをセットとして、該セットを前記時間よりも長い間隔を開けて繰り返し照射して透明材料の所定の領域の屈折率を変化させることを特徴とする透明材料加工方法。
2. 前記複数のフェムト秒レーザパルスの内の最初のフェムト秒レーザパルスの振幅は後続の他のフェムト秒レーザパルスの振幅よりも小さいことを特徴とする請求項１記載の透明材料加工方法。
3. 前記セットのフェムト秒レーザパルスのパルス間隔は、前記透明材料が溶融石英である場合に、１ｐｓ以上かつ１００ｐｓ以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の透明材料加工方法。
4. レーザから出力されるフェムト秒レーザパルスを２つに分ける分波器と、
   該分波器で分けられたフェムト秒レーザパルスの一方を遅延する遅延器と、
   該遅延器で遅延されたフェムト秒レーザパルスと前記分波器で分けられたフェムト秒レーザパルスの他方との２つのフェムト秒レーザパルスを合波する合波器と
   を備え、該合波器から出力される１ｐｓ以上かつ１００ｐｓ以下の時間内にある複数のフェムト秒レーザパルスをセットとして、該セットを溶融石英の屈折率変化の誘起が完了する時間よりも長い間隔を開けて繰り返し照射して溶融石英の所定の領域の屈折率を変化させることを特徴とする透明材料加工装置。
5. 空間位相変調器を用いてレーザから出力されるフェムト秒レーザパルスを１ｐｓ以上かつ１００ｐｓ以下の時間内にある複数のフェムト秒レーザパルスのセットにして、該セットを溶融石英の屈折率変化の誘起が完了する時間よりも長い間隔を開けて繰り返し照射して溶融石英の所定の領域の屈折率を変化させることを特徴とする透明材料加工装置。

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