TWI244557B - Optical elements and methods of making optical elements - Google Patents

Description

1244557 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於光學元件及製造方法，以及特別是關於 玻璃為主之光學元件，其具有折射率圖案形成於其上面，以 及其製造方法。 【先前技術】 、，射性光學元件發現使用於廣泛的領域。例如，繞射 f生光车元件有用於濾、波，光束成形及光線收集於顯示哭安 全，防衛，度量，影像以及通訊之應用。 制有用的繞射性光學元件為。 先栅错由週期性調變透明材料中折射率而形成。Bragg光 ^射滿足Bragg相位相匹配條件之雜波長，以及透 $其他波長。Bragg光栅特別有用於通訊應用中；例如盆已 解多工應用中選擇性地反職波器；以及色 政補你應用中波長相關脈衝延遲裝置。 強声光敏性材料暴露於具有週期性 j度，射線__造出。已使用許多光敏性材料;不 k也旎提供所需要性能及價格之組合。例如 之料桃'_絲_ t地祕，蠤 切形狀以及南炫點使這些光栅並適合 中冊亦已劃記於光敏晶體例如為摻雜 ^。每些舰|§具有狹窄的頻帶驗魏， 在料_种林透_，後對可i見光 ^靈敏的。光敏性聚合物亦使用料 主要為Ce3+/Ag+氧化還原反應相合劑之光敏性玻璃已 1244557 提出作為形成繞射性光學元件之晶質。在這些材料中暴露 於波長約為366nm輻射線將促使Ag+光化還原為膠體之 ，膠體作為後續熱處理步驟中NaF晶相具體形成之晶核。’ 廷些玻璃在波長小於3〇〇nm具有非常高之吸收，使其並不適 合利用一般所使用之248nm準分子雷射照射系统。 【發明内容】 本發明一項實施例係關於_ …1 u小哪項尤芋兀仟，具包含含有 鹵銀之破璃材料，其具有濃度小於〇· 〇〇浅重量比之鈽，·以 及在ί有函化銀玻璃材料中形成折射率圖案，折射率圖案 包言高折射率區域以及鋪射率區域，在633nm》皮長下高折 射率區域與低折射率間之折射率差值至少為4χ1〇—5。 本發明另外一項實施例係關於製造光學元件之方法 Ξίΐ包含下列步驟:提供含有鹵化銀玻璃材料;將玻璃材 於圖案化紫外線，其尖峰波長為小於綱咖，因而形 成π射區域及未照紐域；以及舰射區域料處理以 ，光學元件，其巾作減理後_材料騎區域之折射率 與玻璃材料未照射區域之折射率不同。 ^本發明另外一項實施例係關於製造光學元件之方法， 包合下列步驟··提供含有齒化銀玻璃材料;將玻璃 :2露m圖案化紫外線，其尖峰波長在議咖與麵 ΓίΙ 成照射區域及未照射區域；以及將照射區域 置及if明及方法產生—些優點而優於先前技術之裝 ί發明提供—種方法適合製造大型(例如 μ枯光栅裝置。該方法使用能夠使用傳統玻璃 衣&出之光敏性玻璃材料，提供作為簡化製造各 口方;f晰用傳統編雷射照射系統進行。 X先子7L件具有局光感應之折射率變化，其在提高溫 第 6 頁 1244557 度下為穩定的。 ± 本發明其他特性及優點將詳細揭示於下列說明中，其 刀旎夠被熟知此技術者由說明立即地了解或藉由實施詳 、、田"兒明及申請專利範圍及附圖所揭示之本發明而明瞭。 人們了解先前一般說明及下列詳細說明只是本發明範 例，以及在於提供概要或架構以了解申請專利範圍之特性 及原理。 所包含之附圖在於提供更進一步了解本發明，以及在 此加入作為芩考之用構成本發明之一部份。附圖並不按照 比例，各個元件尺寸為了說明而加以改變。附圖顯示出本、、 發明一，或多個實施例，以及隨同說明作為解釋本發明之 原理及操作。 【實施方式】 上士發明一項實施例係關於製造光學元件之方法。本發 ，該實施例之方法示意性地顯示於圖！。提供含有齒化‘ ，璃材料20。玻璃材料20暴露於圖案化紫外線四，形 射區域24及未照射區域26。圖案化紫外線22尖峰波#Α、 於300簡。照射之玻璃材料再作熱處理(例如在高溫爐^為中厂 )，因而形成光學元件30。在光學元件中3〇中，在熱 照射區域24之折射率與未照射區域26不同。…、 在本發明該方法中，玻璃材料含有銀。 才=有至歸量比銀。在本發簡概材 ，材料含有0. 3%至〇. 6%重量比之銀。玻璃材料光 度強烈地決定於銀含量；不過對於—組熱處理條件，在如私 ΐ過程中太乡銀會促絲被騎區域產生不想要的折 變化。热知此技術者將轉適當之銀濃度，其決定定、 之玻璃組成份以及所使用之熱處理條件。 、 在本發明該實施例所使用玻璃材料不 所需要實施例中，玻魏含小於Q. _重飢鈽 1244557 24=m劃記之光敏性破璃並不想要的，此由於不可避免存在 我們測定出在含有銀玻璃材料中達成所 而要回先敏性中鈽為不需要的。 胜—玻Ϊ材料需要地包含闕補。然而並不希望固定於 a 綱，仙推測在照射步驟中銀光化還原將形成洞 ^在玻璃結構中失去電子)，及弱還原劑藉由氧化形成 諸=。適當的弱還原劑包含銻（111)，珅（111)，鐵（II) 甘(I)。銻（III)種類例WSb2〇3為特別地優先採用，由 二ΐϊΐ步驟之過程中不只作為洞孔捕捉，其亦在玻璃 巾防止銀過度還原。在本發明特別需要實施例中 ，沾2〇3存在濃度約為0 5%至6%重量比。 γ ία在本&月中所使用玻璃材料能夠為廣泛種類之玻璃。 1如，本3务，玻璃材料能夠為硼矽酸鹽玻璃。適合系列玻 ίϊϊί範例顯示於底下表1中。列舉數量為業界熟知的 -里比。本發明所使用之玻璃材料亦包含異於鋇之鹼 土方矢元素(例如為鈣，鎂）。

PbO + ZnO + BaO PbO ZnO BaO

Na2〇

適當範圍 35% 至 75% 5% 至 21% 5% 至 50% 高達50% 高達15% 高達5% 高達4% 高達12% 0.1 wt% 至 1 wt% 〇·1 wt〇/〇 至 1 wt% 1244557 特別需要玻璃材料組成份系列包含至72% si〇2; 12 至 72% Si〇2;12 至 19% B2〇3;6 至 12% Na2〇;3 至 7% ZnO;約 〇·5 至 3% F;l% 至 4% Sb2〇3;〇.2 至 0.6% 重量比 Ag;0 15 至 0.4%重量比ci。 本發明方法包含照射步驟以及熱處理步驟。同時並不 期望受限於特定理論，本發_酿射及熱處理之组合促 使銀還原於玻璃中照射區域iAgC1晶體上。存在還原性銀 促使玻璃材料照射區域在熱處理步驟後具有較高折射率高 於玻璃材料未照射區域。 依據本發明一項實施例，照射步驟利用尖峰波長小於 300nm圖案化紫外線進行。需要地，圖案化紫外線具有尖峰 波長為小於260nm。操作於248nm準分子雷射光源特別地有 用=本發明方法中。例如，248nm之5W/cm2至5040W/cm2照 射畺劑旎夠利用暴露於3〇—5-mJ/cm2/脈衝以及5-60Hz(即 脈衝(秒)脈衝化準分子雷射歷日夺〇· 5—28分鐘達成。輻射線 圖案能夠使用業界所熟知之方法形成。例如，能夠使用相 位C罩或吸收遮罩。可加以變化，聚焦輻射光束能夠沿著 ^璃=料加以掃描以形成圖案。能夠使用干涉技術(例如 $像術）。在本發明實施例中，至少部份照射區域可作少量 照射。更進一步，作為特定應用，有需要使用具有連續性變 化強度之圖案化輻射線。因而，在本案中”未照射區域"使 用來作為暴露於大部份輻射之玻璃材料區域。 ^帝依據本發明另外一個實施例，照射步驟實施係使用脈 衝辑射光源，其操作來產生波長為6〇〇nm至i〇〇Qnm之輕射線 。2康本發明該實施例之脈衝雷射光源提供所需要之脈衝、 ，其寬度小於150fs。選擇脈衝雷射光源波長使得玻璃材料 並不，線性地吸收。脈衝使用聚焦透鏡(例如顯微鏡目鏡） 加以聚焦；接近焦點，脈衝強度足以促使材料非線性吸收脈 衝，推測Υ在波長250nm附近激發過渡金屬。因而，利用小心 1244557 選擇脈巧量，騎時間，錢聚焦錄，在大塊玻璃試樣 之任何殊度產生折射率變化。可加以變化，脈衝輕射能 具有較大脈衝功率以及實質上為未聚焦，因而其能使用 劃記厚的玻璃試樣(例如為l〇〇nm)。千萬分之一和帝 記更詳細綱域國第〇9/954_號翻巾 ϋ名^ -Direct Wrltlng of 〇ptical Devices m

Pulse L_s”，該專利之說明 在照射後玻赌料作減理。在熱處_ 成吸收區域，推測係由於形成娜顆粒所致。 而要地，在熱處理铸獅巾_未騎區_成較少吸 ::低：J射區域。熟知此技術者將決定出作為特定玻璃 45〇〇C^ 3酸=材料時，熱處理需 ，仃在熱處理過程中，需要覆蓋玻璃表面 觸蚊奸彩。^ 除。v成失去色衫而要使用熟知此技術者熟知之方法拋光去 昭法形成之光學元件具有高折射率區域（即 折射率區域(即未照射區域)。在633腹下 與光學元件未照射區域間之最大折射率 域°更需要地，在6編下光學元件照射區 爪4、。間之最大折射率差值至少為ix 最大折射率差值至少為2χι『4。熟知此 件璃組成份以及照射條件使光學元 本么明另外—項實施例係關於光學元件，其包含含有 第]0 頁 1244557 if肖材料，其具有折射率圖案形成於其令。折射率 ，率與低折射率間折射率最大差值 皮I:- 下最高折射率至少為lxl0'而: 率至少約為2獻4。依據本發明實= 例/吏^本發明方法製造出光學元件能夠採用。 ^夠形成為平面波導或光纖。在本發明另 】尺二ί例中，光學元件能夠形成為大塊玻璃物體，其最 微米。縣發明_需要實_中光Σ 大塊玻璃物體，其最小尺寸為大於300微米。由於 = fnm下具有相當低吸收性玻璃材料製 最ί尺C^rT·!中之折射率圖案相當厚。例如，折射率圖案 小財= °在本發明特定實施例中，娜率圖案最 最ί I在本發明特別實施例中，折射率圖案 此技，期望；=為==: 了使用‘準玻璃熔融技術製造為各種形狀，本發明 ^ =玻璃材·點為低於165此。在本發明特別需要 貝也例中，玻璃材料溶點為低於14〇〇〇c。 aa 明所需要光學元件具有高溫穩定性。例如，本發 光對35〇°C溫度為穩定的。需要地，本發明 達玻璃材料應變點溫度為穩定的。在此所說 _ =料之應變點在35〇X^ 550°C範圍内。如在此所使 #^。/又u經過已知一組條件之照射後，呈現出繞射效率降 低 1U%。 範例： ，發明藉由下顺限概範例作更進—步說明。 範例1 第 11 頁 1244557 表2光敏性玻璃材料使用熟知此技術者熟悉之方法加 以溶融使用些微砂，爾，氯化鋼，石肖酸納，石夕氣化納，三 氧化錄，氧化辞以及釁土作為原料。原料混合物以球研磨 歷時60分鐘，在1425°C下加以炫融，鑄造成寬度為 4英对以 及厚度為V才之板，卩及在65〇。〇下退火。濃度以整批原 料之重量百分比表示。 表2 A [265 EA] -~~~~~-一 B C D [265 IC] Si02 67.1 -—-- 67.1 67 Λ 67.1 B2〇3 15.1 ~ ------- 15.7 15.7 16.1 Na2〇 8.9 ------—______ 8.3 8.3 73 AI2O3 0 0 0 3.0 ZnO 5.0 5.0 5.0 5.0 F 1.7 1.7 1.7 1.7 Sb2〇3 2.0 2.0 2.0 1.0 Ag 0.66 0.44 0.22 0.33 Cl 0.22 0.22 0.22 0.22 範例2 範例1玻璃材料形成為lmm厚玻片。部份玻片暴露於 KrF準分子2雷射發出248nm輻射線歷時6分鐘。每脈衝照度 為31mJ/cm2,以及雷射以5〇Hz脈衝速率操作。玻片再放置 於540 C咼溫爐中熱處理歷時5分鐘，以及冷卻至室溫。圖 2顯示出照射區域及未照射區域之吸收頻譜。熟知此技術 者了解試樣照射區域顯著地發展出較大吸收性而大於未照 射區域。 範例3 範例1之玻璃材料A形成為lmm厚之玻片。玻片被照射 如圖3所示。操作於248nm及50Hz之KrF準分子雷射50之輸 出擴張使得照度為40mJ/cm2/脈衝。玻璃材料A之玻片54經 1244557 由烟狀鉻魏料52照減最大表面56 及使其保持在其作時—祕度 爐 &所〶要之時間。玻片由高溫爐 移除以及使其冷卻至室溫。光柵約為15麵長。 片邊is ”形成Bragg光树利用準直633歷輕射線由玻 區域與未騎區_娜率_ λ~β·先栅如射 效率=sin2(2 7rAnL/A) ί^ί 2光線之波長，L為光拇之厚度，以及仏為光栅 :件i折忒ί;==ΪΓ3匕中不同照射時間與熱處理 夠f 5,丨❺k ^ ^數據歹於表3中。使用較低總照射亦能 〇n2I脈^)。、結果(例如驗脈衝速率，歷時1分鐘，40mJ/ 表3 照射時間(分^~~ 照射-η未照射(¾ 633 ,χΗΤ4)

範例4 ηΙ=ηξ 第13 頁 1244557 比銀之玻璃材料c在照射區域呈現出小的折射率變化。玻 璃材料A及B(分別含〇· 66%及〇· 44%重量比銀)在633咖波長 下在照射區域中呈現出折射率變化為1χ1〇-4。不過，玻璃 材料Α在這些熱處理條件下在未照射區域呈現出一些色彩， 然而玻璃材料B未照射區域未具有可見光色彩。因而，當本 發明所使用玻璃材料之光敏性強烈地與銀含量相關，高銀 濃度及熱處理之組合會促使產生一些色彩於光學元件之未 照射區域。熟知此技術者將選擇銀濃度及處理過程使任何 不想要色彩減為最低。 範例5 玻璃材料D形成1麵厚度之試樣。試樣經由具有1〇微米 光柵巧距之鉻吸收遮罩加以照射，其輸出為248nm輻射（7〇 、 mJ/cm/脈衝，50Hz)。在照射後，試樣覆蓋以高純度炼融石夕 石塊，再放置於550 C咼溫爐進行熱處理歷時2小時。顯微 鏡顯示光栅深度約為100微米。上述所說明繞射效率技術 使用來估計光柵折射率對比，其考慮光柵有效之深度。不 同照射時間之結果顯示於表4中。 表4 照射時間，分 η照射·η未照射（在 633 nm, xlO-4) 1 10.4 4 12.5 8 14.6 20 —----1 12.1 範例6 玻璃材料A形成上述所說明試樣。使用Ti_藍寶石雷射 來產生波長為800nm脈衝雷射，脈衝寬度約為g〇fs，脈衝頻 率為20kHz，以及脈衝功率為5〇〇-l〇〇〇nJ/脈衝。輕射線聚 第14 頁 1244557 焦通過焦距為20mm之10倍Mitutoyo NIR目鏡，其工作距離 為30· 5mm，以及數值孔徑為〇· 26以產生3微米之焦點大小。 藉由8· 33腿/分鐘速度光束掃描試樣在玻璃材料中形成光 栅。選擇掃描圖案以形成具有10微米間距之光柵。光栅斷 面面積為4x4mm，以及折射率約為ιχι〇-3。 、熟知此技術者能夠對本發明作各種變化及改變而並不 會脫離本發明之精神與範圍。因而本發 變均含蓋於下射請專概圍及朗等物範圍内。 【圖式簡單說明】 第> 一圖為依據本發明一項實施例之方法示意圖。 第二圖為範例丨玻璃試樣經過熱處理後照射及未照射 (he域之吸收頻譜。 第，圖為使用於範例3中裝置之示意圖。 【主要元件符號說明】 26.f材料2〇;紫外線22;照射區域24;未照射區域 ’先學元件30;雷射50;遮罩52;玻片54;表面56。

Claims (1)

1244557 十、申請專利範圍： 1.—種光學元件，其包含 含有鹵化銀之玻璃材料，其具有濃度小於〇. 001%重量比 之鈽；以及 在含有_化銀玻璃材料中形成折射率圖案，折射率圖案 包含高折射率區域以及低折射率區域，在63—波長下^折 射率區域與低折射率間之折射率差值至少為4χι〇-5。 2·依據申請專利範圍第1項之光學元件，其中玻璃材料包含 弱還原劑，其由銻（III)，砷（ΙΠ)，鐵（Π)及錫（II)種類選 取出。 、 3·依據申請專利範圍第2項之光學元件，其中弱還原劑為 Sb2〇3,以及存在濃度為〇· 5%至6%重量比。 4·依據申請專利範圍第2項之光學元件，其中玻璃材料以 原料百分重量比表示包含： 5°/〇-21°/〇 B2〇3； 35°/〇-75°/〇 Si〇2; 5°/〇一50%二價金屬氧化物，其由高達50% PbO, 15°/〇 ZnO,高 達5% BaO,選取出； 1%-4%弱還原劑，其由sb.，SnO，FeO及As2〇3選取出； 選擇性地加上高達12% NaO; 〇· Ag;以及 〇· 1%至 1% C1。 5·依據申請專利範圍第4項之光學元件，其中玻璃材料以原 料重量百分比表示包含： 、 12%-19°/〇 B203，60-72% Si〇2，6-12% Na2〇，3-7% ZnO， 0· 2%—0· 6%重量比 Ag，以及 〇· 15°/。-0· 4%重量比 Cl。 6·依據申請專利範圍第1項之光學元件，其中玻璃材料包含 〇· 1%-1%重量比 Ag。 7·依據申請專利範圍第1項之光學元件，其中在633nm波長 下光學元件照射區域與光學元件未照射區域間之最大折射 第16 頁