JP5302611B2 - 光学部品用ガラス部材及びそれに用いるガラス組成物 - Google Patents
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Description
本発明は、パルスレーザー光、特にフェムト（１０−１５）秒パルスのような、時間幅が１０−１２秒以下の超短パルスレーザー光を用いて作製された光学部品用ガラス部材及びそれに用いるガラス組成物に関する。
超短パルスレーザー、特にパルス幅がフェムト秒レベルのレーザー光は、そのピークパワーの強さから多光子吸収過程を利用したガラス等の透明材料内部の３次元的な加工が可能であることが知られ、レーザー光の集光照射によりガラス内部に高屈折率領域を形成し、光導波路を立体的に構成する方法が開示されている（特許文献１参照）。
また、より大きな屈折率差を得るために、化合物半導体を分散させた母ガラスの内部に、超短パルスレーザー光を照射することにより、化合物半導体の微結晶を析出・成長された高屈折率域を有する光導波路やフォトニック結晶構造が提案されている（特許文献２参照）。
また、ガラスの内部に屈折率が低下した部分となる空洞を形成し、この空洞とレーザー非照射部分との屈折率差を利用した光学部品が提案されている（非特許文献１参照）。例えば、Ｇｅが１０％ドープされたシリカガラスの内部に空洞を面心立方格子構造状に積層させた３次元フォトニック結晶構造が知られている。
特開平９−３１１２３７号公報
特開２００５−３２１４２１号公報
M.Watanabe、S.Juodkazis、H-B.Sun、S.Matsuo、H.Misawa、「Transmission and photoluminescence image of three-dimensional memory in vitreous silica」、Applied Physics Lett.、Vol.74 No.26(1999)pp3957-3959
しかし上記従来技術においては、主にシリカガラス等ＳｉＯ２成分を大量に含有するガラスを利用している。そのようなガラスは、屈折率や分散を変調するような修飾酸化物成分を含まないか、又は少量しか含まないので、光学部品として使用する際、必要となるガラスの光学特性をコントロールすることが難しく、用途が大幅に限定されてしまう。また、製造時に非常に高温を必要とするため製造コストが高くなる。シリカガラス以外では、より大きな屈折率差を得るために屈折率の高い半導体の微粒子をガラス中に析出させる手法があるが、半導体の成分として、母ガラスにカドミウム、セレン、鉛等の環境負荷が高い成分を含有させる必要があるという課題があった。空洞を利用する場合は、波長サイズ程度の空洞であれば高い屈折率差を得られることが期待できるが、空洞の形状制御は非常に困難である。
また、このようなガラス系では、レーザー加工により光学部品に屈折率差を生じるためには、所定以上のレーザー照射の強度を確保する必要があり、製造段階におけるコスト低減に限界がある。また照射強度の高いレーザーは、物理的な空洞や微小亀裂等、意図しない欠陥を生成する可能性が高く、製造工程において歩留まりを悪くするという問題があった。
このため、より低照射強度で大きな屈折率差が得られるガラス組成が求められていた。特に、現在通常の光学ガラスとして知られている多成分系光学ガラスにおいては、統一的な集光照射条件及び屈折率測定方法での評価が不十分であり、特定の集光照射条件において、どのガラスで屈折率差が大きくなり易いかは検討されていない。また、屈折率の値のみを知ることができても、実際のデバイス設計においては、母材に対して、屈折率がプラスであるか、マイナスであるかをその分布も含めて知ることが必要である。
屈折率差がプラス又はマイナス方向であるかは、透過型の光学デバイスの使用時には大きな影響を与えるものではないが、屈折率差の値、符号、及び分布が分かるガラス組成を適宜選択することにより、光学部品の設計や部品の組み合わせの自由度が高くなる。
本発明は、母ガラスにカドミウム、セレン、鉛等の環境負荷が高い成分を含有させることなく、従来の多成分系光学ガラスを用いて、光学部品としての所定の屈折率差を得られることを目的とする。また、本発明は、レーザー加工時の集光照射出力を低減させても、所定の光学性能を得られるレーザー加工法及びガラス材料の組み合わせを提供することを目的とする。これにより、光学部品の製造段階におけるコストを低減することを目的とする。
本発明者らは、パルスレーザー光によりガラス内部に２次元的又は３次元的に形成された異質相に起因する屈折率変化領域を利用して透過光線を制御する光学部品に関して、その利用に好適である多成分ガラス材料を見出し、このような性質を有する多成分ガラス材料を得るための物性上の要件を見いだしたことによって、本発明を完成するに至った。
本発明においては、次のような手段を提供する。
本発明においては、次のような手段を提供する。
（１） 内部に屈折率が異なることにより区分される異質相領域を有する光学部品用ガラス部材であって、該光学部品用ガラス部材の母材ガラスと該異質相領域との可視光における屈折率差Δｎの絶対値｜Δｎ｜が０．００５以上であることを特徴とする光学部品用ガラス部材（但し、異質相が空洞である場合は除く）。
（２） 前記異質相領域は、パルスレーザーを集光照射することにより形成されたものである（１）記載の光学部品用ガラス部材。
（３） 酸化物基準の質量％で、
ＳｉＯ２ ２５〜７５％、
Ｒｎ２Ｏ＋ＲＯ １〜５０％、
ＴｉＯ２ ０．９〜５０％、
を含有する（１）又（２）に記載の光学部品用ガラス部材。
（Ｒｎ２ＯはＬｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｒｂ２Ｏ、Ｃｓ２Ｏから選ばれる１種以上、ＲＯはＭｇＯ、ＳｒＯ、ＣａＯ、ＢａＯ、ＺｎＯから選ばれる１種以上である）
ＳｉＯ２ ２５〜７５％、
Ｒｎ２Ｏ＋ＲＯ １〜５０％、
ＴｉＯ２ ０．９〜５０％、
を含有する（１）又（２）に記載の光学部品用ガラス部材。
（Ｒｎ２ＯはＬｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｒｂ２Ｏ、Ｃｓ２Ｏから選ばれる１種以上、ＲＯはＭｇＯ、ＳｒＯ、ＣａＯ、ＢａＯ、ＺｎＯから選ばれる１種以上である）
（４） 酸化物基準の質量％で、Ｂ２Ｏ３を０〜１７％含有する（３）に記載の光学部品用ガラス部材。
（５） 酸化物基準の質量％で、ＢａＯ＋ＴｉＯ２を０．９〜６５％含有する（３）又は（４）に記載の光学部品用ガラス部材。
（６） 前記母材ガラスのアッベ数（νｄ）と屈折率（ｎｄ）が、関係式（Ｉ）を満たす範囲内である（１）から（５）のいずれかに記載の光学部品用ガラス部材。
（７） 前記パルスレーザーが、以下の条件（ａ）から（ｄ）を満たすレーザービームである（２）から（６）のいずれかに記載の光学部品用ガラス部材。
（ａ）パルス幅：１０フェムト（１０×１０−１５）秒〜１０ピコ（１０×１０−１２）秒
（ｂ）繰り返し周波数：１０Ｈｚ〜１００ＭＨｚ
（ｃ）焦点位置でのピークパワー密度：２５ＧＷ／ｃｍ２〜４００ＴＷ／ｃｍ２
（ｄ）走査機構によって焦点が移動し、走査速度が１０μｍ／秒〜１０ｍｍ／秒
（ａ）パルス幅：１０フェムト（１０×１０−１５）秒〜１０ピコ（１０×１０−１２）秒
（ｂ）繰り返し周波数：１０Ｈｚ〜１００ＭＨｚ
（ｃ）焦点位置でのピークパワー密度：２５ＧＷ／ｃｍ２〜４００ＴＷ／ｃｍ２
（ｄ）走査機構によって焦点が移動し、走査速度が１０μｍ／秒〜１０ｍｍ／秒
（８） 前記光学部品用ガラス部材内部の異質相領域は、二次元又は三次元的に、周期的及び／又はランダムに形成されている（１）から（７）のいずれかに記載の光学部品用ガラス部材。
（９） 光学的ローパスフィルタ、回折光学部品、光拡散部品、光フィルタ、レンズ、マイクロレンズアレイより選択される光学部品として用いられる（１）から（８）のいずれかに記載の光学部品用ガラス部材。
（１０） 請求項１から９のいずれかに記載の光学部品用ガラス部材の製造方法であって、以下の（ａ）から（ｄ）の条件を満たすレーザービームを照射して、ガラス内部の所望の位置に屈折率差が異なることにより区分される異質相領域を形成することを特徴とする光学部品用ガラス部材の製造方法。
（ａ）パルス幅：１０フェムト（１０×１０−１５）秒〜１０ピコ（１０×１０−１２）秒
（ｂ）繰り返し周波数：１０Ｈｚ〜１００ＭＨｚ
（ｃ）焦点位置でのピークパワー密度：２５ＧＷ／ｃｍ２〜４００ＴＷ／ｃｍ２
（ｄ）走査機構によって焦点が移動し、走査速度が１０μｍ／秒〜１０ｍｍ／秒
（ａ）パルス幅：１０フェムト（１０×１０−１５）秒〜１０ピコ（１０×１０−１２）秒
（ｂ）繰り返し周波数：１０Ｈｚ〜１００ＭＨｚ
（ｃ）焦点位置でのピークパワー密度：２５ＧＷ／ｃｍ２〜４００ＴＷ／ｃｍ２
（ｄ）走査機構によって焦点が移動し、走査速度が１０μｍ／秒〜１０ｍｍ／秒
（１１） パルスレーザーを集光照射して、ガラス内部の所望の位置に屈折率差が異なることにより区分される異質相領域が形成される光学部品を製造するためのガラス組成物であって、酸化物基準の質量％で、ＳｉＯ２ ２５〜７５％、Ｒｎ２Ｏ＋ＲＯ １〜５０％、ＴｉＯ２ ０．９〜５０％、（Ｒｎ２ＯはＬｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｒｂ２Ｏ、Ｃｓ２Ｏから選ばれる１種以上、ＲＯはＭｇＯ、ＳｒＯ、ＣａＯ、ＢａＯ、ＺｎＯから選ばれる１種以上である）を含有することを特徴とする光学部品用ガラス組成物。
（１２） 酸化物基準の質量％で、ＳｉＯ２ ２５〜７５％、Ｒｎ２Ｏ＋ＲＯ １〜５０％、ＴｉＯ２ ０．９〜５０％、（Ｒｎ２ＯはＬｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｒｂ２Ｏ、Ｃｓ２Ｏから選ばれる１種以上、ＲＯはＭｇＯ、ＳｒＯ、ＣａＯ、ＢａＯ、ＺｎＯから選ばれる１種以上である）を含有する光学部品用ガラス組成物を、パルスレーザーを集光照射して、ガラス内部の所望の位置に屈折率差が異なることにより区分される異質相領域が形成される光学部品を製造するためのガラス組成物として使用する方法。
本発明によれば、母材ガラスと該異質相領域との可視光における屈折率差Δｎの絶対値｜Δｎ｜が０．００５以上という高い屈折率差であるので、光学的ローパスフィルタ、回折光学部品、光拡散部品、光フィルタ、レンズ、マイクロレンズアレイ等の光学部品に好適である。
また、好ましい態様によれば、カドミウムやセレン等の環境負荷が高い成分を含有させずに、所定の屈折率差を有する光学性能を母ガラスに生成できるという効果がある。また、ガラス材料の組成を選択することにより、光学部品として必要な屈折率差を生じるためのレーザー照射量又はレーザーパワーを低下させてもよく、製造段階におけるコスト低減に有効であるという効果がある。また、１箇所へのレーザー照射を低下できることにより、従来の照射出力を有するレーザー光であれば、本発明においてはこれを複数の経路に分割してガラス内部の複数箇所を同時に加工できるという効果がある。また、多成分系光学ガラスにおいて集光照射条件及び屈折率測定方法を提供することにより、どのガラスで屈折率差が大きくなり易いかを前もって見積もりうる。これにより、コンパクト化に対する重要が増す光学部品の製造において、レーザー加工を用いて所定の光学性能を得るための設計、製造、検査等の工程を短縮し、低コスト化できるという効果がある。また、研削非球面レンズ等の機械加工を要する光学部品が不要であり、工程数や加工時間を短縮できるという効果がある。本発明によれば、製造工程において加工の自由度が高いため、従来の技術では困難であった複雑なパターン設計を要する光学部品を容易に得られ、加工工程数、加工時間を短縮できるため製造コストを低減できるという効果がある。更に、被加工基板を固体撮像装置前面に組み込んでから加工できるので、実装ズレの問題を解消し製品歩留まりを向上できるという効果がある。従って、製造過程における組み込み精度、製造過程の省力化、及び製造のスループットを向上できるという効果がある。
以下、本発明の実施形態について説明する。なお、これはあくまでも例示であって、本発明の技術的範囲はこれに限られるものではない。なお、以下においてあえて明示がない場合、％は質量％を意味する。またｎｄはｄ線（波長＝５８７．６ｎｍ）での屈折率であり、νｄはアッベ数である。
＜光学部品用ガラス組成物＞
内部に異質相を生成でき、高い屈折率差を得られる光学部品用ガラス組成物（以下、単にガラスともいう）は、いわゆる多成分系ガラスであり、具体的には、ＳｉＯ２及びＴｉＯ２を含み、更に、Ｂ、Ａｌ、Ｂａ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｓｂ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｍｇ、Ｆ又はこれらの酸化物から選ばれる物質を含んでなる。好適には、ＳｉＯ２及びＴｉＯ２を含み、更に、Ｂ２Ｏ３を含む。また、ＳｉＯ２及びＴｉＯ２を含み、更に、ＢａＯを含む。
内部に異質相を生成でき、高い屈折率差を得られる光学部品用ガラス組成物（以下、単にガラスともいう）は、いわゆる多成分系ガラスであり、具体的には、ＳｉＯ２及びＴｉＯ２を含み、更に、Ｂ、Ａｌ、Ｂａ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｓｂ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｍｇ、Ｆ又はこれらの酸化物から選ばれる物質を含んでなる。好適には、ＳｉＯ２及びＴｉＯ２を含み、更に、Ｂ２Ｏ３を含む。また、ＳｉＯ２及びＴｉＯ２を含み、更に、ＢａＯを含む。
ＳｉＯ２は本発明におけるガラスの成分において非常に有用な成分であるが、これのみであると屈折率差はプラス方向に変化し易く、大きな屈折率差をつけることは難しい。すなわち、ＳｉＯ２はガラス中でガラス網目構造を形成する成分であり、その結合を切断するためには、レーザー照射時に大きなパワーが投入される必要がある。しかしながら、ＳｉＯ２は他の成分が共存すると、レーザー照射により形成される異質相の屈折率差を大きくするのに効果的である。すなわち、ガラス網目形成に寄与が低い、より結合力の低い成分がガラス内を移動し屈折率変化が引き起こされるものと考えられる。
ＳｉＯ２の下限は２５％が好ましく、３０％がより好ましく、３５％が最も好ましい。２５％以上であれば安定にガラス化させることが可能である。また、ガラス自身の屈折率、レーザー照射により形成される異質相の屈折率差に影響のある他の修飾酸化物を含有させてもガラス自身が安定である。ＳｉＯ２の上限は７５％が好ましく、７０％がより好ましく、６５％が最も好ましい。７５％以下であれば、比較的低温でガラスを溶解することができ、脈理や泡の少ない均質なガラスが得られ易いので好ましい。
ＴｉＯ２も本発明におけるガラスの成分において非常に有用な成分であり、他の修飾酸化物との組み合わせや混合比にもよるが、屈折率差を大きくする成分として、もっとも効果が大きい。特に、マイナス方向の屈折率差Δｎを大きくするのに効果的である。
ＴｉＯ２の下限は０．９％が好ましく、１％がより好ましく、５％が最も好ましい。０．９％以上であれば、異質相の屈折率変化をマイナス方向に大きくするのに効果的であるので好ましい。ＴｉＯ２の上限は５０％が好ましく、４０％がより好ましく、３０％が最も好ましい。５０％以下であれば、上記ＳｉＯ２を含むガラスの失透の影響を少なくし、また、Ｔｉイオンの価数変化による着色を少なく抑えて可視光領域で高い透明性を有するガラスを安定に製造し易いので好ましい。
アルカリ金属酸化物（Ｒｎ２Ｏ）である、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｒｂ２Ｏ、Ｃｓ２Ｏ、二価金属酸化物（ＲＯ）である、ＭｇＯ、ＳｒＯ、ＣａＯ、ＢａＯ、ＺｎＯのうち１つ以上を含有することは必須である。これらのうち１つ又は２つ以上の組み合わせにより、ＳｉＯ２のガラス網目構造の結合を切断する働きがあり、ガラス製造時の溶解性を高め、ガラスがより安定する。これら自身の屈折率差の大小への寄与は小さいと考えられるが、屈折率差への影響が大きい他の成分の移動促進するように働くと考えられる。
Ｒｎ２Ｏ＋ＲＯの合計量の下限は、１％が好ましく、１０％がより好ましく、２０％が最も好ましい。１％以上であれば、比較的低温でガラスがより安定するので好ましい。合計量の上限は５０％が好ましく、４５％がより好ましく、４０％が最も好ましい。５０％以下であれば、屈折率差に影響の大きいＴｉＯ２成分を多く含有させることができるので好ましい。
＜任意成分＞
Ｂ２Ｏ３は、ＳｉＯ２と共存させることで溶解温度を下げ、安定なガラスを得ることができる。Ｂ２Ｏ３の上限は１７％以下が好ましく、１０％以下がより好ましく、５％以下が最も好ましい。１７％以下であれば、ガラスの相分離を引きこし難くなり、安定なガラスが得られ易くなり、また、ＴｉＯ２を比較的多量に含有させ易くなるので好ましい。
Ｂ２Ｏ３は、ＳｉＯ２と共存させることで溶解温度を下げ、安定なガラスを得ることができる。Ｂ２Ｏ３の上限は１７％以下が好ましく、１０％以下がより好ましく、５％以下が最も好ましい。１７％以下であれば、ガラスの相分離を引きこし難くなり、安定なガラスが得られ易くなり、また、ＴｉＯ２を比較的多量に含有させ易くなるので好ましい。
ＢａＯは、ＴｉＯ２と共存させることで異質相の屈折率差が大きくなり易く、また、その効果は他のＲｎ２Ｏ又はＲＯ成分と比較して大きくなる。ＢａＯ＋ＴｉＯ２の合計量の下限は、０．９％が好ましく、１０％がより好ましく、２０％が最も好ましい。０．９％以上であれば、上記ＴｉＯ２の屈折率差を大きくする効果が得られ易いので好ましい。合計量の上限は６５％が好ましく、６０％がより好ましく、５０％が最も好ましい。６５％以下であれば、ＴｉＯ２を多く含有させても失透が少なく安定なガラスを得られ易いので好ましい。
Ａｌ２Ｏ３は、ＳｉＯ２と共存させることで安定なガラスを得ることができる。Ａｌ２Ｏ３の上限は４％が好ましい。Ｎｂ２Ｏ５は、ガラス自身の屈折率を高めうる。Ｎｂ２Ｏ５の上限は２０％が好ましい。また、ＺｒＯ２は、ガラス製造時に添加することで耐火性能を向上でき、また失透を抑制する働きがある。ＺｒＯ２の上限は６％が好ましい。Ｓｂ２Ｏ３は必須成分ではないが、ガラス製造時の脱泡剤として用いうる。Ｓｂ２Ｏ３の上限は０．４％が好ましい。フッ素は必須成分ではないが、ガラス自身の屈折率や分散を下げる効果やレーザー照射による屈折率差を小さくする効果がある。従って、ガラス自身の屈折率や分散を調整する目的で５％以下を含有させることが好ましい。他に、Ｙ２Ｏ３、ＳｎＯ、Ｂｉ２Ｏ３、ＴｅＯ２の群からなる成分を少なくとも１つ以上含有させてもよい。これらの上限は１５％が好ましい。
＜含有させるべきでない成分について＞
なお、ＷＯ３、Ｔａ２Ｏ５、Ｌａ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３の群からなる成分を少なくとも１つ以上含む酸化物又は当該酸化物に含まれる元素は、環境負荷又は生物毒性等が報告されており好ましくない。
なお、ＷＯ３、Ｔａ２Ｏ５、Ｌａ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３の群からなる成分を少なくとも１つ以上含む酸化物又は当該酸化物に含まれる元素は、環境負荷又は生物毒性等が報告されており好ましくない。
また、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ及びＭｏ等の各遷移金属成分は、それぞれを単独又は複合して少量含有した場合でも材料自体が着色してしまい、可視域の特定の波長に吸収を生じさせるため、可視の波長域において本発明の光学部品を使用する場合には、実質的に含まないことが好ましい。また、各希土類成分それぞれも単独又は複合して含有することにより着色してしまうことがあり、可視域の特定の波長に吸収を生じさせる傾向があるため、可視の波長域において本発明の光学部品を使用する場合には、実質的に含まないことが好ましい。
更に、Ｂｅ、Ｐｂ、Ｔｈ、Ｃｄ、Ｔｌ、Ａｓ、Ｏｓ、Ｓ、Ｓｅ、Ｂｒ、Ｃｌ、Ｉ等の各成分は、近年有害な化学物資として使用を控える傾向にあり、ガラスの製造工程のみならず、加工工程、及び製品化後の処分に至るまで環境対策上の措置が必要とされるため、環境上の影響を重視する場合には実質的に含まないことが好ましい。
＜本発明により得られる異質相の屈折率差について＞
母材と屈折率が異なる異質相を利用する光学部品を製造する際、必要となるガラス内部に存在する該異質相領域の厚みは、母材と異質相との屈折率差Δｎによって決定される。通常回折光学素子等の光学設計においては、部品を通過する光の位相波面が０から２πで計算され、その際、位相Φの変化量は下記の式１で与えられる。Φは位相（ラジアン）、Δｎは母材と異質相の屈折率差、ｄは異質相の厚み、λは波長である。
母材と屈折率が異なる異質相を利用する光学部品を製造する際、必要となるガラス内部に存在する該異質相領域の厚みは、母材と異質相との屈折率差Δｎによって決定される。通常回折光学素子等の光学設計においては、部品を通過する光の位相波面が０から２πで計算され、その際、位相Φの変化量は下記の式１で与えられる。Φは位相（ラジアン）、Δｎは母材と異質相の屈折率差、ｄは異質相の厚み、λは波長である。
上記の式１において、Φ＝２πとなるのに必要な厚みは、設計波長をλ＝０．６３２μｍとしたとき、表１のようになる。すなわち屈折率差Δｎが大きいほど同じ効果（例えば位相の変化）を得るために必要となるガラス内部の異質相領域の厚みが小さくなる。
必要な異質相領域の厚みが小さくなることは、母材と屈折率が異なる異質相を利用する光学部品において、部品のコンパクト化に効果的である。また、形成すべき異質相領域の全体量が少なくなるので、必要なエネルギーも少なくて済む。また、例えばガラス内部に異質相領域が形成された既製品を作っておき、必要に応じて利用する場合、異質相領域の厚みが薄ければ薄いほど、ガラスに対して自由に加工できる部分が多くなり、加工性・製造性の面で好ましい。
現在、機器に実装する光学部品のコンパクト化に関しては非常に高いニーズがあり、例えばデジタルカメラに使用する光学ローパスフィルタは１００〜３００μｍ程度の厚みで製作されることが試みられている。一方で、母材と屈折率が異なる異質相を利用する光学部品を製造する際、該異質相領域の厚みは、加工するガラスの厚みの半分程度より小さいことが、回折光学部品の設計の自由度向上のため好ましいとされている。仮にガラスの厚みが３００μｍであれば、該ガラスの半分程度の１５０μｍよりも小さいことが好ましい。従って、母材と異質相領域との屈折率の差が０．００５以上であることが好ましい。
＜パルスレーザー光の発生手段及び伝送手段＞
本発明においては、集光点において熱の発生を起こし難い、パルス幅がピコ秒（１０−１２ｓ）以下のパルスレーザーが使用可能である。好適には、パルスレーザー光には、波長約８００ｎｍ、パルス幅３００ｆｓ（３×１０−１３ｓ）、繰り返し周波数２５０ｋＨｚ、集光対物レンズの手前のパワーで投入平均パワー１２０〜４８０ｍＷ（０．４８〜１．２５μＪ／パルス）程度のフェムト秒パルスレーザーを用いうる。これを倍率１０倍（開口数０．３）の対物レンズ等を介して、表面を研磨したガラス材料の内部に集光照射することにより、ガラス材料の内部の局所において瞬間的に異質相を生成できる。
本発明においては、集光点において熱の発生を起こし難い、パルス幅がピコ秒（１０−１２ｓ）以下のパルスレーザーが使用可能である。好適には、パルスレーザー光には、波長約８００ｎｍ、パルス幅３００ｆｓ（３×１０−１３ｓ）、繰り返し周波数２５０ｋＨｚ、集光対物レンズの手前のパワーで投入平均パワー１２０〜４８０ｍＷ（０．４８〜１．２５μＪ／パルス）程度のフェムト秒パルスレーザーを用いうる。これを倍率１０倍（開口数０．３）の対物レンズ等を介して、表面を研磨したガラス材料の内部に集光照射することにより、ガラス材料の内部の局所において瞬間的に異質相を生成できる。
照射するレーザーの波長は、本発明のガラスに吸収がなく透明な波長領域であることが好ましい。照射するガラスの透過率や特定波長の吸収の有無にも依るが、好ましくは、約２００ｎｍ〜２１００ｎｍ、より好ましくは、４００〜１１００ｎｍ、最も好ましくは、５００〜９００ｎｍである。この範囲であれば、集光位置付近の光強度の高い部位のみで多光子吸収を起こし精密な加工ができるので好ましい。
繰返し周波数は、下限は、好ましくは１０Ｈｚ以上、より好ましくは１ｋＨｚ以上、最も好ましくは１００ｋＨｚ以上である。繰返し周波数の下限が、１０Ｈｚ以上であれば、各集光される部位に対して、１パルス以上のレーザパルスが照射されるため、異質相を形成する際のレーザービームの強度及びポインティングのゆらぎが平均化され、その影響が低減される。また、より平滑な界面をもつ異質相を形成し易く、走査速度を上げても平滑な面を保ち易く、スループットを更に向上することができるので好ましい。
繰返し周波数は、上限は、好ましくは１００ＭＨｚ以下、より好ましくは１ＭＨｚ以下、最も好ましくは、５００ｋＨｚ以下である。繰返し周波数の上限が１００ＭＨｚ以下であると、加工時の熱の蓄積による熱歪みやクラックの発生も抑制でき、また、ステージの速度を制御し易く、より精度の高い加工が可能となるので好ましい。
パルス幅の下限は、好ましくは、１０ｆｓ以上、より好ましくは、５０ｆｓ以上、最も好ましくは、１００ｆｓ以上である。下限が１０ｆｓ以上であると、形成される異質相のサイズと屈折率変化の分布の調整が容易になるので好ましい。
パルス幅の上限は、好ましくは、１ｐｓ以下、より好ましくは、５００ｆｓ以下、最も好ましくは、４００ｆｓ以下である。上限が１ｐｓ以下であれば、形成される異質相周辺部への熱影響を低減し、精度の高い加工が可能であるので好ましい。
パルス幅の上限は、好ましくは、１ｐｓ以下、より好ましくは、５００ｆｓ以下、最も好ましくは、４００ｆｓ以下である。上限が１ｐｓ以下であれば、形成される異質相周辺部への熱影響を低減し、精度の高い加工が可能であるので好ましい。
ステージは、位置再現性が１００ｎｍ以下である電動やエアベアリングステージを用いるのが好ましく、走査速度は、１０μｍ／秒〜１０ｍｍ／秒が好ましい。この範囲であれば、重ね描き加工等も安定に行うことができる。
集光レンズの開口数Ｎ．Ａ．は次式で表される。
ここに、ｆはレンズの焦点距離、Φはレンズの有効開口径である。
開口数の下限は、好ましくは０．０１以上、より好ましくは０．０５以上、最も好ましくは０．１以上である。開口数の下限は、０．０１以上であると、ガラス内部に屈折率変化を起こし易くなり、厚みが薄いガラスの内部加工において、パワーを増加させてもガラスのレーザー入射面や出射面の破壊を伴わずに加工できるので好ましい。また、開口数の上限は、好ましくは０．８５以下、より好ましくは０．６以下、最も好ましくは０．５以下である。開口数の上限は、０．８５以下であると、比較的低い開口数の加工となり、パワー密度の増加に対してガラス内部に空洞を伴わずに屈折率変化を起こし易く、ガラス内部の比較的大体積に大きな屈折率差の異質相を形成し易い。
開口数の下限は、好ましくは０．０１以上、より好ましくは０．０５以上、最も好ましくは０．１以上である。開口数の下限は、０．０１以上であると、ガラス内部に屈折率変化を起こし易くなり、厚みが薄いガラスの内部加工において、パワーを増加させてもガラスのレーザー入射面や出射面の破壊を伴わずに加工できるので好ましい。また、開口数の上限は、好ましくは０．８５以下、より好ましくは０．６以下、最も好ましくは０．５以下である。開口数の上限は、０．８５以下であると、比較的低い開口数の加工となり、パワー密度の増加に対してガラス内部に空洞を伴わずに屈折率変化を起こし易く、ガラス内部の比較的大体積に大きな屈折率差の異質相を形成し易い。
集光倍率は、下限は、好ましくは１倍（等倍）以上、より好ましくは５倍以上、最も好ましくは１０倍以上である。集光倍率の下限は、１以上であれば、大きな屈折率変化が得られ易く、かつ異質相の光軸方向の形状の制御がし易くなるので好ましい。一方、集光倍率の上限は、好ましくは、６０倍以下、４０倍以下、２０倍以下である。集光倍率の上限は、６０倍以下であれば、比較的低いパワーでも大きな屈折率変化を引き起こし易く、試料と対物レンズ間の距離を大きくとることができ、加工できる表面形状の選択範囲が広くなるので好ましい。
本発明に係る光学ガラス部材の加工方法においては、パルスレーザビームの照射により材料内部に異質相を形成するため、使用するパルスレーザビームのパワー密度が重要になる。レーザービームのパワー密度は通常、単位面積当り、単位時間にどれだけのエネルギーが投入されたかを示す量であり、連続発振レーザービームを一点に集光する場合は下記式で表される。
これに対して、パルスレーザビームを１点に集光する場合は下記式で表される。
集光するパルスレーザーのピークパワー密度は、焦点位置あるいは、集光位置、あるいは結像位置の最もエネルギーが高い個所において、下限は、好ましくは、２５ＧＷ／ｃｍ２以上、より好ましくは、１ＴＷ／ｃｍ２以上、最も好ましくは、３ＴＷ／ｃｍ２以上である。（Ｇ；ギガ＝１０９、Ｔ；テラ＝１０１２）ピークパワーの下限が２５ＧＷ／ｃｍ２以上であれば、ガラス内部に屈折率変化を起こすことが可能であるので好ましい。一方で、上限は、好ましくは、４００ＴＷ／ｃｍ２以下、より好ましくは、２００ＴＷ／ｃｍ２以下、最も好ましくは、１００ＴＷ／ｃｍ２以下である。ピークパワーの上限が、４００ＴＷ／ｃｍ２以下であると、屈折率変化領域の形状が制御し易く、屈折率変化領域の屈折率分布も比較的均一にできるので好ましい。
一方で、照射されるガラスにおいて、照射するレーザー波長において吸収がないことが好ましく、照射するレーザーの波長において、１０ｃｍの厚みで測定される内部透過率は９５％以上であることが好ましい。
照射条件は適宜設定可能であるが、好ましくは、以下の条件（ａ）から（ｄ）を満たす条件である。上記のガラス組成とこの照射条件を組み合わせることで、本発明においては、低い照射強度で０．００５以上の屈折率が得られる。
（ａ）パルス幅：１０フェムト（１０×１０−１５）秒〜１０ピコ（１０×１０−１２）秒
（ｂ）繰り返し周波数：１０Ｈｚ〜１００ＭＨｚ
（ｃ）焦点位置でのピークパワー密度：２５ＧＷ／ｃｍ２〜４００ＴＷ／ｃｍ２
（ｄ）走査機構によって焦点が移動し、走査速度が１０μｍ／秒〜１０ｍｍ／秒
（ａ）パルス幅：１０フェムト（１０×１０−１５）秒〜１０ピコ（１０×１０−１２）秒
（ｂ）繰り返し周波数：１０Ｈｚ〜１００ＭＨｚ
（ｃ）焦点位置でのピークパワー密度：２５ＧＷ／ｃｍ２〜４００ＴＷ／ｃｍ２
（ｄ）走査機構によって焦点が移動し、走査速度が１０μｍ／秒〜１０ｍｍ／秒
本発明においては、異質相の屈折率変化領域は連続している。すなわち、ガラス材料の内部に空洞を発生することは含まない。好適には、本発明に係る異質相の生成方法においては、希土類元素の価数変化、金属コロイド析出及びこれによる光学部品用ガラスの着色、結晶析出及びこれによる異方性の発生は含まない。
また、本発明における異質相の周期構造は、周期ピッチ及び／又は異質相の幅が、光学部品で使用する波長サイズ程度以上であることが好ましい。すなわち、可視光域で利用する光学部品であれば、具体的には好ましくは、４００ｎｍ以上、より好ましくは、１μｍ以上、最も好ましくは、１０μｍ以上である。周期構造の周期ピッチ及び／又は異質相の幅が、４００ｎｍ以上であると、それにより加工時の異質相の形状制御の自由度が高くなり、光学部品を透過する光の位相を制御するのに好適である。従って、以上の理由から、周期ピッチが波長程度以下であるような構造を利用するような光学部品とは区別されることが好ましい。
また、本発明における異質相の周期構造は、周期ピッチ及び／又は異質相の幅が、光学部品で使用する波長サイズ程度以上であることが好ましい。すなわち、可視光域で利用する光学部品であれば、具体的には好ましくは、４００ｎｍ以上、より好ましくは、１μｍ以上、最も好ましくは、１０μｍ以上である。周期構造の周期ピッチ及び／又は異質相の幅が、４００ｎｍ以上であると、それにより加工時の異質相の形状制御の自由度が高くなり、光学部品を透過する光の位相を制御するのに好適である。従って、以上の理由から、周期ピッチが波長程度以下であるような構造を利用するような光学部品とは区別されることが好ましい。
本発明の製造方法においては、パルスレーザー光を複数に分割する工程を有していてもよく、またそれらの複数のパルスレーザー光をそれぞれ複数位置に集光照射することにより、一括して複数の屈折率が異なる領域を材料内部に形成することも可能であり、それにより加工スループットを向上させることができる。前記ビームを複数に分割する工程はビームスプリッター、回折格子、マイクロレンズアレイ、ホログラム、位相変調素子等の光学部品を用いて行いうるが、これらに限定しない。
また、一本又は分割された複数本のパルスレーザー光のそれぞれのパルスの位相、振幅、波長、偏光、パルス時間幅のいずれか又は１つ以上を変化させる工程を有していてもよく、それらの変化したパルスレーザー光を適宜組み合わせることにより、照射する材料の屈折率、屈折率分散、形状に依存しない自由度の高い加工が可能である。
また、前記光学部品用ガラス内部の所望の位置に一括で形成された屈折率変化領域を更に、広範囲に形成するために、集光させたパルスレーザー光の集光点を、前記材料に対して相対移動させることも可能である。
また、前記光学部品用ガラス内部の所望の位置に一括で形成された屈折率変化領域を更に、広範囲に形成するために、集光させたパルスレーザー光の集光点を、前記材料に対して相対移動させることも可能である。
＜異質相の形成方法＞
図１は、本発明の一実施形態に係る、ガラス内部に異質相を生成する方法を例示する図である。母材４０を水平面内に移動可能なステージ５０に固定し、ステージ５０を移動しながらパルスレーザー１２を発振し、レーザー光を母材４０の上方から照射する。パルスレーザー１２からのレーザー光は集光レンズ１４により集光され、母材４０の内部の焦点近傍の局所領域を瞬間的に加熱する。これにより母材４０の内部には屈折率が変化した異質相２５が生成される。走査方向２０を適宜設定することにより、母材４０の内部において略直線状の形状を有する異質相２５を生成できる。異質相２５は、観察及び評価方向３０から見た断面を用いて屈折率を評価できる。
図１は、本発明の一実施形態に係る、ガラス内部に異質相を生成する方法を例示する図である。母材４０を水平面内に移動可能なステージ５０に固定し、ステージ５０を移動しながらパルスレーザー１２を発振し、レーザー光を母材４０の上方から照射する。パルスレーザー１２からのレーザー光は集光レンズ１４により集光され、母材４０の内部の焦点近傍の局所領域を瞬間的に加熱する。これにより母材４０の内部には屈折率が変化した異質相２５が生成される。走査方向２０を適宜設定することにより、母材４０の内部において略直線状の形状を有する異質相２５を生成できる。異質相２５は、観察及び評価方向３０から見た断面を用いて屈折率を評価できる。
なお、通常は、本発明に係る異質相の生成方法を用いて加工したガラスを光学部品等として使用する場合の透過光は、パルスレーザー１２からのレーザー光と平行となるようにする。すなわち、観察及び評価方向３０は、通常に光学部品等として使用する場合の透過光の方向に対して直交する。
＜異質相の屈折率評価方法＞
図２は、本発明の一実施形態に係る、ガラス材料の内部に生成した異質相の観察及び屈折率評価条件を示す図である。図２には、図１における観察及び評価方向３０と直交する断面において、母材４０を切開した断面を例示した。レーザー入射方向１８は、図１におけるパルスレーザー１２の照射方向と同一である。加工深さ２８は、母材４０のレーザー入射方向１８に近い端面から異質相２５までの距離である。典型的な加工深さ２８は１０〜２０００μｍであるが、これに限らず、集光レンズ１４の焦点距離の選択及び集光レンズ１４と母材４０との間隔の調整に基づいて適宜設定できる。
図２は、本発明の一実施形態に係る、ガラス材料の内部に生成した異質相の観察及び屈折率評価条件を示す図である。図２には、図１における観察及び評価方向３０と直交する断面において、母材４０を切開した断面を例示した。レーザー入射方向１８は、図１におけるパルスレーザー１２の照射方向と同一である。加工深さ２８は、母材４０のレーザー入射方向１８に近い端面から異質相２５までの距離である。典型的な加工深さ２８は１０〜２０００μｍであるが、これに限らず、集光レンズ１４の焦点距離の選択及び集光レンズ１４と母材４０との間隔の調整に基づいて適宜設定できる。
図３は、本発明の一実施形態に係る、異質相の屈折率を評価するための定量位相顕微鏡の構成を示す図である。定量位相顕微鏡５５は、光源６０、スプリッター６２、ミラー６４、６６、ハーフミラー７０、集光光学系７２、撮像素子７４を有する。光源６０は、好適にはレーザーである。光学系のアライメントは、ハーフミラー７０において、試料６８を通過した物体光７８と参照光７６とが位相干渉を起こすよう調整される。物体光７８及び参照光７６の経路に介在できる光学系は適宜設計できる。特に、試料を透過した物体光７８を拡大するための対物レンズ及び、参照光７６を発散させる対物レンズを介在させることにより測定に使用する波長程度の面分解能で評価されることが好ましい。
切開した母材を研磨して得られる試料６８の、観察及び評価方向３０における厚みは２０μｍである。試料６８は、試料中の屈折率の計測領域を、定量位相顕微鏡の物体光７８の経路が通過するよう設置される。すなわち、図２に示した異質相２５を含む母材４０の断面に対して物体光７８の経路は直交する。物体光７８の経路が異質相２５を含まない母材４０を通過する場合は、母材４０のみの屈折率が物体光７８の位相情報に反映される。物体光７８の経路が異質相２５を通過する場合は、異質相２５の屈折率が物体光７８の位相情報に反映される。
前記位相干渉した光を撮像素子７４を用いて計測し解析することにより、試料６８の屈折率及び試料６８が有する材質の不均一さに基づく屈折率差等を解析できる。試料６８の断面内における屈折率及び屈折率差の１次元又は２次元分布を計測できる。好適な定量位相顕微鏡の例は、マッハツェンダー型顕微干渉計である。計測できる屈折率差の典型的な精度は、波長６３２．８ｎｍにおいて０．０００２である。
図３に示す定量位相顕微鏡を用いて、母材４０及び母材４０に含まれる異質相２５を通過する物体光７８を解析することにより、母材４０と異質相２５との屈折率差を計測できる。
図３に示す定量位相顕微鏡を用いて、母材４０及び母材４０に含まれる異質相２５を通過する物体光７８を解析することにより、母材４０と異質相２５との屈折率差を計測できる。
＜光学部品＞
本発明の光学部品用ガラス部材は、部材内部の異質相の形状や周期に基づいて、透過型回折格子、フレネルレンズ、ホログラム素子、回折レンズ、カメラ用レンズ、球面収差補正や色収差補正を有するレンズ、ＣＤ／ＤＶＤ用ピックアップレンズ、マイクロレンズ、マイクロレンズアレイ等に用いうる。
本発明の光学部品用ガラス部材は、部材内部の異質相の形状や周期に基づいて、透過型回折格子、フレネルレンズ、ホログラム素子、回折レンズ、カメラ用レンズ、球面収差補正や色収差補正を有するレンズ、ＣＤ／ＤＶＤ用ピックアップレンズ、マイクロレンズ、マイクロレンズアレイ等に用いうる。
例えば、回折光学部品や光拡散部品として、固体撮像素子を有する撮像光学系に組み込み、適度に像をぼかすことでモアレを低減する光学的ローパスフィルタに用いうる。光拡散素子としての利用には光拡散板等を含む。光フィルタとしての利用には、ビームスプリッター、偏光フィルタ、波長選択フィルタ、波長ローパスフィルタ、波長ハイパスフィルタ、光アッテネーター（光減衰器）等に用いうる。
レンズとしての利用においては、光学部材自身一部又はその全体がレンズ形状、平面、球面、非球面、自由曲面であってもよく、部材の形状による機能と内部異質相の機能が複合化された光学部品であってもよい。
他の利用においては、記録用メモリ部品、映像表示部品等にも用いることができる。また、光情報通信に用いられる、光導波路構造、光分波器構造、リング共振器構造を有していてもよい。用途はこれらに限定されるものではない。これら光学機能を有する異質相を集積化した光学部品としてもよい。
本発明の光学部品は、パルスレーザー光の集光照射により前記材料内部に形成される屈折率変化領域を利用するものであり、レーザー光の集光照射時の材料形状はレーザー入射面が平面であることが好ましいが、必ずしも平面に限られる必要はなく、例えばレンズのようにある曲率の凹や凸曲面、高次の曲面を有していてもよい。
本発明の光学部品は、レーザー光を集光照射して材料内部に加工を行ったものを、例えばその後の切削や研磨加工によって所望の材料形状に加工されたものでもよく、例えば、その形状がある曲率の凹や凸状の曲面や高次の曲面、多角形の段差や溝を有する構造でもよい。
以下、実施例を用いて本発明を更に詳細に説明する。
＜実施例１：母ガラスの光学特性＞
表２に、母材として用意した試料Ａ〜Ｌの典型的な成分における組成（酸化物換算、質量％）を示す。表中の「−」は組成に含まれないか又は組成比が計測限界以下であることを表す。また、表３に、前記試料Ａ〜Ｌの物性を示す。
＜実施例１：母ガラスの光学特性＞
表２に、母材として用意した試料Ａ〜Ｌの典型的な成分における組成（酸化物換算、質量％）を示す。表中の「−」は組成に含まれないか又は組成比が計測限界以下であることを表す。また、表３に、前記試料Ａ〜Ｌの物性を示す。
試料Ａ〜Ｌは、１０ｃｍの厚みで測定される内部透過率は、照射するレーザーの波長８００ｎｍにおいて、９９．５〜９９．９％の範囲であった。また、４００ｎｍの内部透過率は８２％から９９．９％であり、４００ｎｍ〜８００ｎｍまでの間で特異な吸収もなく可視光領域で高い透過率を有するガラスであった。
＜実施例２：異質相の生成及び評価＞
異質相の生成は、前述の図１を示して記載した方法により実施した。すなわち、集光レンズ１４として開口数０．３の１０倍対物レンズ（ＵｐｌａｎＦｌ；Ｏｌｙｍｐｕｓ社製）を用い、約７．３×１０−８ｃｍ２のスポット面積に集光させた。ステージ５０は１ｍｍ毎秒の速度で一方向に移動させた。レーザー光の集光領域が間隔３０μｍのラインアレー状となるように走査を繰り返した。フェムト秒パルスレーザーは、Ｎｄ−ＹＬＦ励起のＴｉサファイア再生増幅システム（Ｍｉｒａ９００−ＲｅｇＡ９０００システム；Ｃｏｈｅｒｅｎｔ社製）から中心波長８００ｎｍ、パルス幅３００ｆｓ、繰り返し周波数２５０ｋＨｚで発振させたパルスレーザーを集光レンズに導入した。投入されるレーザーのパワーはＮＤフィルタで調節され、対物レンズ手前の測定値で、レーザー光の出力を時間平均した平均出力で１２０〜２４０ｍＷのパワーを投入した。これらの手順により、母材４０の上方端面から深さ２００μｍの領域に間隔３０μｍのラインアレー状の異質相２５を形成した。更に、ステージ５０の移動方向及び移動量を適宜調整し、複数の平行線状に整列した異質相２５を形成した。
異質相の生成は、前述の図１を示して記載した方法により実施した。すなわち、集光レンズ１４として開口数０．３の１０倍対物レンズ（ＵｐｌａｎＦｌ；Ｏｌｙｍｐｕｓ社製）を用い、約７．３×１０−８ｃｍ２のスポット面積に集光させた。ステージ５０は１ｍｍ毎秒の速度で一方向に移動させた。レーザー光の集光領域が間隔３０μｍのラインアレー状となるように走査を繰り返した。フェムト秒パルスレーザーは、Ｎｄ−ＹＬＦ励起のＴｉサファイア再生増幅システム（Ｍｉｒａ９００−ＲｅｇＡ９０００システム；Ｃｏｈｅｒｅｎｔ社製）から中心波長８００ｎｍ、パルス幅３００ｆｓ、繰り返し周波数２５０ｋＨｚで発振させたパルスレーザーを集光レンズに導入した。投入されるレーザーのパワーはＮＤフィルタで調節され、対物レンズ手前の測定値で、レーザー光の出力を時間平均した平均出力で１２０〜２４０ｍＷのパワーを投入した。これらの手順により、母材４０の上方端面から深さ２００μｍの領域に間隔３０μｍのラインアレー状の異質相２５を形成した。更に、ステージ５０の移動方向及び移動量を適宜調整し、複数の平行線状に整列した異質相２５を形成した。
表４に、本発明に係る異質相の生成方法を用いて加工した試料Ａ〜Ｌにおける異質相の屈折率差を、母材に対する差分として示す。この差分は、絶対値が最大である差分の値を符号付きで示す。
図４は、本発明の一実施形態に係る、母材中の異質相の屈折率差の計測例を示す図である。図４には、表４に示した異質相の屈折率差の計測結果から、試料Ｃ、Ｇ、Ｉを抜粋した。屈折率差のレーザー平均出力依存性２００は、異質相を含む母材を試料とし、定量位相顕微鏡を用いて計測した、レーザー光の出力を時間平均した平均出力［ｍＷ］に対する異質相の母材に対する屈折率差を表す。
ここで、前記平均出力は対物レンズ手前のレーザーパワーであるが、開口数０．３の１０倍対物レンズで照射した場合、焦点位置での１パルスあたりのエネルギー、及びピークパワー密度は、前記平均出力が１２０、２４０、３６０、４８０ｍＷのとき、それぞれ、約０．３、０．６、０．９、１．３μＪ／パルス、及び、約１４、２８、４３、５７ＴＷ／ｃｍ２であった。
ここで、前記平均出力は対物レンズ手前のレーザーパワーであるが、開口数０．３の１０倍対物レンズで照射した場合、焦点位置での１パルスあたりのエネルギー、及びピークパワー密度は、前記平均出力が１２０、２４０、３６０、４８０ｍＷのとき、それぞれ、約０．３、０．６、０．９、１．３μＪ／パルス、及び、約１４、２８、４３、５７ＴＷ／ｃｍ２であった。
図４において、試料Ｃ（２０２）及び試料Ｉ（２０４）はいずれもレーザー平均出力２４０［ｍＷ］の照射条件において屈折率差の絶対値が０．００５以上を示したが、試料Ｇ（２０６）はレーザー平均出力４８０［ｍＷ］以下の全ての照射条件において屈折率差の絶対値が０．００５を超えなかった。すなわち、異質相の屈折率差の上限は母材の組成に依存する。表４から、試料Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｈ、Ｉ、Ｊは母材に対する屈折率差の絶対値が０．００５以上の異質相を生成できる。
また、表４、図４より、Δｎの絶対値として０．００５を超えた試料においては、いずれもΔｎがマイナス方向の値が大きくなる特徴が見られた。
また、表４、図４より、Δｎの絶対値として０．００５を超えた試料においては、いずれもΔｎがマイナス方向の値が大きくなる特徴が見られた。
ただし、試料Ｄは、ラット等の動物への長期的蓄積により腎障害等を発生できる希土類元素のＬａ（ランタン）を含む。このため、試料Ｄは本発明において好ましくない材料である。従って、試料Ｄを除き、試料Ｂ、Ｃ、Ｈ、Ｉ、Ｊの材料に対して、本発明を実施することで、母材に対する屈折率差の絶対値が０．００５以上の異質相を生成できる。
また、試料Ｂ、Ｄ、Ｈ、Ｊは、表２に示した屈折率差を有する異質相の生成において、最小のレーザー平均出力１２０［ｍＷ］においても屈折率差の絶対値が０．００５以上であった。すなわち、試料Ｂ、Ｄ、Ｈ、Ｊを母材として用いることにより、適宜スプリッター等を用いてレーザーの光路を分割し、分割したレーザー光を用いて同一の母材の複数の箇所を同時に加工し、それぞれの箇所で屈折率差の絶対値が０．００５以上の異質相を生成できると言える。これに限らず、レーザー光の分割手段、分割数、平均出力は適宜設計できる。
＜実施例３：異質相の断面形状＞
図５は、本発明の一実施形態に係る異質相の生成方法を用いて生成した、母材中異質相の断面形状の例を示す図である。母材には表１〜３における試料Ｃを用い、一定のレーザー入射方向１８から、１０倍集光レンズで集光した中心波長８００ｎｍ、パルス幅２６０ｆｓのフェムト秒パルスレーザー光を繰り返し周波数２５０ｋＨｚで照射した。図５（ａ）〜（ｄ）におけるレーザー平均出力は、それぞれ、１２０、２４０、３６０、４８０［ｍＷ］である。屈折率差の計測には６０倍油浸レンズを対物光学系に用い、母材のレーザー入射の端面からの深さ９７．８μｍの範囲で、厚み２０μｍの試料に対して波長６３２．８ｎｍにおける位相変化を計測した。図５における異質相２５の境界は、母材との屈折率差が０．００５以上であることを示す。
図５は、本発明の一実施形態に係る異質相の生成方法を用いて生成した、母材中異質相の断面形状の例を示す図である。母材には表１〜３における試料Ｃを用い、一定のレーザー入射方向１８から、１０倍集光レンズで集光した中心波長８００ｎｍ、パルス幅２６０ｆｓのフェムト秒パルスレーザー光を繰り返し周波数２５０ｋＨｚで照射した。図５（ａ）〜（ｄ）におけるレーザー平均出力は、それぞれ、１２０、２４０、３６０、４８０［ｍＷ］である。屈折率差の計測には６０倍油浸レンズを対物光学系に用い、母材のレーザー入射の端面からの深さ９７．８μｍの範囲で、厚み２０μｍの試料に対して波長６３２．８ｎｍにおける位相変化を計測した。図５における異質相２５の境界は、母材との屈折率差が０．００５以上であることを示す。
図５（ａ）〜（ｄ）に示した異質相の断面形状から、レーザー平均出力の増加に伴い、異質相２５の境界が広範囲に広がることが判明した。すなわち、本発明の異質相の生成方法においては、屈折率差が０．００５以上である異質相の領域は、レーザー光の照射出力により制御できる。あるいは、図５（ａ）に示したレーザー平均出力１２０［ｍＷ］の条件のように照射出力を弱めて異質相２５を生成し、図１に示したステージ５０等を用いて試料の位置を移動してもよい。これにより、本発明の異質相の生成方法においては、複数の異質相２５を生成して重ね合わせることで異質相の形状を制御できる。
＜実施例４：光学材料の選別＞
図６は、本発明の一実施形態に係る異質相の生成方法における母材の物性の特徴を示す図である。屈折率対アッベ数特性２１０において、縦軸は母材の屈折率（ｎｄ）を、横軸は母材のアッベ数（νｄ）を示す。図６には、表２に示した試料Ａ〜Ｌに対して、それぞれの母材における屈折率及びアッベ数の値を用いたプロットを示した。本発明のガラス部材は、材料の境界２４０よりも屈折率（ｎｄ）及びアッベ数（νｄ）の両者がより小さい領域において、屈折率及びアッベ数を用いて２次元座標にプロットできる。このプロットから、好適な材料の境界２４０は次の関係式（Ｉ）で表される。
ここにｎｄは屈折率、νｄはアッベ数である。
このように、本発明に用いることができるガラスは、組成面のみならず、上記の関係式（Ｉ）からも規定できることが解かる。屈折率及びアッベ数は光学材料の基本的な物性であり、任意の光学材料のそれぞれに品質評価等の情報として付与されうる。関係式（Ｉ）は、任意の光学材料に対して、０．００５以上の屈折率差を有する異質相を生成できるか否かを、前もって簡便に判断するために用いうる。換言すれば、任意の光学材料に対して生成する異質相が、試料Ｂ、Ｃ、Ｈ、Ｉ、Ｊと類似の特性を有するか否かを前もって簡便に判断できる。
図６は、本発明の一実施形態に係る異質相の生成方法における母材の物性の特徴を示す図である。屈折率対アッベ数特性２１０において、縦軸は母材の屈折率（ｎｄ）を、横軸は母材のアッベ数（νｄ）を示す。図６には、表２に示した試料Ａ〜Ｌに対して、それぞれの母材における屈折率及びアッベ数の値を用いたプロットを示した。本発明のガラス部材は、材料の境界２４０よりも屈折率（ｎｄ）及びアッベ数（νｄ）の両者がより小さい領域において、屈折率及びアッベ数を用いて２次元座標にプロットできる。このプロットから、好適な材料の境界２４０は次の関係式（Ｉ）で表される。
このように、本発明に用いることができるガラスは、組成面のみならず、上記の関係式（Ｉ）からも規定できることが解かる。屈折率及びアッベ数は光学材料の基本的な物性であり、任意の光学材料のそれぞれに品質評価等の情報として付与されうる。関係式（Ｉ）は、任意の光学材料に対して、０．００５以上の屈折率差を有する異質相を生成できるか否かを、前もって簡便に判断するために用いうる。換言すれば、任意の光学材料に対して生成する異質相が、試料Ｂ、Ｃ、Ｈ、Ｉ、Ｊと類似の特性を有するか否かを前もって簡便に判断できる。
＜実施例５：レンズの例＞
図７は、本発明の一実施形態に係る、光学部品用ガラス部材をレンズとして使用した概念図である。
図７においては、レンズ形状の光学部材３００は内部に異質相３０２を有し、これにより本来のレンズ形状で形成される焦点位置を変化させうる。具体的には、異質相３０２を設けることにより、内部の異質相により補正された焦点位置３１４を発生しうる。
異質相３０２は周期的であってもランダムでもよい。周期的な配列としては、フレネルレンズのようなリング幅が周期的に変調する同心円状のリング形状の異質相であってもよい。異質相３０２の配置、光学部品内に占める割合等は設計事項である。
図７は、本発明の一実施形態に係る、光学部品用ガラス部材をレンズとして使用した概念図である。
図７においては、レンズ形状の光学部材３００は内部に異質相３０２を有し、これにより本来のレンズ形状で形成される焦点位置を変化させうる。具体的には、異質相３０２を設けることにより、内部の異質相により補正された焦点位置３１４を発生しうる。
異質相３０２は周期的であってもランダムでもよい。周期的な配列としては、フレネルレンズのようなリング幅が周期的に変調する同心円状のリング形状の異質相であってもよい。異質相３０２の配置、光学部品内に占める割合等は設計事項である。
＜実施例６：回折格子の例＞
図８は、本発明の一実施形態に係る、光学部品用ガラス部材を回折格子として使用した概念図である。
図８（ａ）において、回折格子として機能する光学部品３５０は、内部に３次元的に周期配列された異質相３５２を有する。すなわち、本発明に係る方法を用いて加工した光学ガラス部材において、内部に３次元的に周期配列された異質相を有する光学ガラス部品は回折格子として機能しうる。具体的には、本発明に係る回折格子として機能する光学部品３５０に、入射光３６０を入射して得られる出射光３６２は、回折光を含んでなる。
図８（ｂ）は、入射する点光源３７０を表す概念図である。例えば、入射する点光源３７０は、回折格子として機能する光学部品３５０への入射光３６０の一部の光路の、進行方向における断面でありうる。
図８（ｃ）は、出射した点光源３８０を表す概念図である。一実施形態において、本発明に係る回折格子として機能する光学部品３５０に、入射する点光源３７０を入射することにより、出射した点光源３８０が得られる。
異質相の周期やサイズ等は設計事項であり、これらにより回折光の強度比や分布は変化しうる。
図８は、本発明の一実施形態に係る、光学部品用ガラス部材を回折格子として使用した概念図である。
図８（ａ）において、回折格子として機能する光学部品３５０は、内部に３次元的に周期配列された異質相３５２を有する。すなわち、本発明に係る方法を用いて加工した光学ガラス部材において、内部に３次元的に周期配列された異質相を有する光学ガラス部品は回折格子として機能しうる。具体的には、本発明に係る回折格子として機能する光学部品３５０に、入射光３６０を入射して得られる出射光３６２は、回折光を含んでなる。
図８（ｂ）は、入射する点光源３７０を表す概念図である。例えば、入射する点光源３７０は、回折格子として機能する光学部品３５０への入射光３６０の一部の光路の、進行方向における断面でありうる。
図８（ｃ）は、出射した点光源３８０を表す概念図である。一実施形態において、本発明に係る回折格子として機能する光学部品３５０に、入射する点光源３７０を入射することにより、出射した点光源３８０が得られる。
異質相の周期やサイズ等は設計事項であり、これらにより回折光の強度比や分布は変化しうる。
以上、本発明の実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。上記実施形態に、多様な変更又は改良を加えることができる。そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。例えば、光学的ローパスフィルタ、種々の回折光学部品、光拡散部品、光フィルタ、レンズ及びレンズに関連する光学部品、マイクロレンズアレイ等にも同様に対応することができる。
１２ パルスレーザー
１４ 集光レンズ
１８ レーザー入射方向
２０ 走査方向
２５ 異質相
２８ 加工深さ
３０ 観察及び評価方向
４０ 母材
５０ ステージ
５５ 定量位相顕微鏡
６０ 光源
６２ スプリッター
６４、６６ ミラー
６８ 試料
７０ ハーフミラー
７２ 集光光学系
７４ 撮像素子
７６ 参照光
７８ 物体光
２００ 屈折率差のレーザー平均出力依存性
２１０ 屈折率対アッベ数特性
３００ レンズ形状の光学部品
３０２ 異質相
３１０ 入射光
３１２ 部材の形状による焦点位置
３１４ 内部の異質相により補正された焦点位置
３５０ 回折格子として機能する光学部品
３５２ 内部に３時限的に周期配列された異質相
３６０ 入射光
３６２ 出射光
３７０ 入射する点光源
３８０ 出射した点光源
１４ 集光レンズ
１８ レーザー入射方向
２０ 走査方向
２５ 異質相
２８ 加工深さ
３０ 観察及び評価方向
４０ 母材
５０ ステージ
５５ 定量位相顕微鏡
６０ 光源
６２ スプリッター
６４、６６ ミラー
６８ 試料
７０ ハーフミラー
７２ 集光光学系
７４ 撮像素子
７６ 参照光
７８ 物体光
２００ 屈折率差のレーザー平均出力依存性
２１０ 屈折率対アッベ数特性
３００ レンズ形状の光学部品
３０２ 異質相
３１０ 入射光
３１２ 部材の形状による焦点位置
３１４ 内部の異質相により補正された焦点位置
３５０ 回折格子として機能する光学部品
３５２ 内部に３時限的に周期配列された異質相
３６０ 入射光
３６２ 出射光
３７０ 入射する点光源
３８０ 出射した点光源
Claims (10)
- 内部に屈折率が異なることにより区分される、パルスレーザーを集光照射することで形成される異質相領域を有する光学部品用ガラス部材であって、
酸化物基準の質量％で、
ＳｉＯ２ ２５〜７５％、
Ｒｎ２Ｏ＋ＲＯ １〜５０％、
ＴｉＯ２ ５〜５０％
を含有し（Ｒｎ２ＯはＬｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｒｂ２Ｏ、Ｃｓ２Ｏから選ばれる１種以上、ＲＯはＭｇＯ、ＳｒＯ、ＣａＯ、ＢａＯ、ＺｎＯから選ばれる１種以上である）、
Ｂｉ２Ｏ３の含有量が１５％以下（但し０％を含む）であり、
該光学部品用ガラス部材の母材ガラスと該異質相領域との可視光における屈折率差Δｎの絶対値｜Δｎ｜が０．００５以上であることを特徴とする光学部品用ガラス部材（但し、異質相が空洞である場合は除く）。 - 酸化物基準の質量％で、Ｂ２Ｏ３を０〜１７％含有する請求項１に記載の光学部品用ガラス部材。
- 酸化物基準の質量％で、ＢａＯ＋ＴｉＯ２を１０％以上６５％以下含有する請求項１から２に記載の光学部品用ガラス部材。
- 前記母材ガラスのアッベ数（νｄ）と屈折率（ｎｄ）が、関係式（Ｉ）を満たす範囲内である請求項１から３のいずれかに記載の光学部品用ガラス部材。
- 前記パルスレーザーが、以下の条件（ａ）から（ｄ）を満たすレーザービームである請求項１から４のいずれかに記載の光学部品用ガラス部材。
（ａ）パルス幅：１０フェムト（１０×１０−１５）秒〜１０ピコ（１０×１０−１２）秒
（ｂ）繰り返し周波数：１０Ｈｚ〜１００ＭＨｚ
（ｃ）焦点位置でのピークパワー密度：２５ＧＷ／ｃｍ２〜４００ＴＷ／ｃｍ２
（ｄ）走査機構によって焦点が移動し、走査速度が１０μｍ／秒〜１０ｍｍ／秒 - 前記異質相領域は、二次元又は三次元的に、周期的及び／又はランダムに形成されている請求項１から５のいずれかに記載の光学部品用ガラス部材。
- 光学的ローパスフィルタ、回折光学部品、光拡散部品、光フィルタ、レンズ、マイクロレンズアレイより選択される光学部品として用いられる請求項１から６のいずれかに記載の光学部品用ガラス部材。
- 請求項１から７のいずれかに記載の光学部品用ガラス部材の製造方法であって、以下の（ａ）から（ｄ）の条件を満たすレーザービームを照射して、ガラス内部の所望の位置に屈折率差が異なることにより区分される異質相領域を形成することを特徴とする光学部品用ガラス部材の製造方法。
（ａ）パルス幅：１０フェムト（１０×１０−１５）秒〜１０ピコ（１０×１０−１２）秒
（ｂ）繰り返し周波数：１０Ｈｚ〜１００ＭＨｚ
（ｃ）焦点位置でのピークパワー密度：２５ＧＷ／ｃｍ２〜４００ＴＷ／ｃｍ２
（ｄ）走査機構によって焦点が移動し、走査速度が１０μｍ／秒〜１０ｍｍ／秒 - パルスレーザーを集光照射して、ガラス内部の所望の位置に屈折率が異なることにより区分される、母材ガラスとの可視光における屈折率差Δｎの絶対値｜Δｎ｜が０．００５以上となるような異質相領域（但し、異質相が空洞である場合を除く）が形成される光学部品を製造するためのガラス組成物であって、
酸化物基準の質量％で、
ＳｉＯ２ ２５〜７５％、
Ｒｎ２Ｏ＋ＲＯ １〜５０％、
ＴｉＯ２ ５〜５０％
（Ｒｎ２ＯはＬｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｒｂ２Ｏ、Ｃｓ２Ｏから選ばれる１種以上、ＲＯはＭｇＯ、ＳｒＯ、ＣａＯ、ＢａＯ、ＺｎＯから選ばれる１種以上である）
を含有することを特徴とする光学部品用ガラス組成物。 - 酸化物基準の質量％で、
ＳｉＯ２ ２５〜７５％、
Ｒｎ２Ｏ＋ＲＯ １〜５０％、
ＴｉＯ２ ５〜５０％
（Ｒｎ２ＯはＬｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｒｂ２Ｏ、Ｃｓ２Ｏから選ばれる１種以上、ＲＯはＭｇＯ、ＳｒＯ、ＣａＯ、ＢａＯ、ＺｎＯから選ばれる１種以上である）
を含有する光学部品用ガラス組成物を、パルスレーザーを集光照射して、ガラス内部の所望の位置に屈折率が異なることにより区分される、母材ガラスとの可視光における屈折率差Δｎの絶対値｜Δｎ｜が０．００５以上となるような異質相領域（但し、異質相が空洞である場合を除く）が形成される光学部品を製造するためのガラス組成物として使用する方法。
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| DE10304382A1 (de) * | 2003-02-03 | 2004-08-12 | Schott Glas | Photostrukturierbarer Körper sowie Verfahren zur Bearbeitung eines Glases und/oder einer Glaskeramik |
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| JP2006278274A (ja) * | 2005-03-30 | 2006-10-12 | Asahi Techno Glass Corp | 複合酸化物薄膜及びその製造方法及び光学素子 |
| WO2007021022A1 (en) * | 2005-08-16 | 2007-02-22 | Ohara Inc. | Structure and manufacturing method of the same |
| JP2008029185A (ja) | 2007-02-05 | 2008-02-07 | Ntt Data Ex Techno Corp | 電力回生制御回路 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9475149B1 (en) | 2015-04-24 | 2016-10-25 | Testrake Aviation, Inc. | Optical device and method of making same |
| WO2016172470A1 (en) * | 2015-04-24 | 2016-10-27 | Testrake Aviation, Inc. | Optical device and method of making same |
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