WO2001044879A1 - Dispositif et procede de production d'un hologramme - Google Patents

Dispositif et procede de production d'un hologramme Download PDF

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Masahiro Hirano
Nobuhiko Sarukura
Kenichi Kawamura
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    • H01S3/0057—Temporal shaping, e.g. pulse compression, frequency chirping

Definitions

  • the present invention relates to a method and an apparatus for efficiently producing a hologram, in particular, a hologram that has a small surface area and thickness, can be embedded, has a high diffraction efficiency, and can be recorded on various substrates.
  • the present invention relates to a product to which the hologram is applied. Background art
  • the femtosecond laser it is possible to obtain a high energy density reaching the 1 TW (1 0 12 W) Z cm 2.
  • a material is irradiated with such high energy density light, high density electrons are excited in a short time. The energy of the excited electrons is converted to the vibrational energy of ions in the material within one nanosecond.
  • the vibrational energy density exceeds a certain threshold, the ions leave the material and the material is ablated.
  • the abrasion occurs inside the material, small voids are created, which locally changes the effective refractive index of the material. This is a phenomenon called microablation.
  • the material is destroyed, that is, if the energy density is slightly lower than the threshold value at which abrasion occurs, the material does not reach the point where it is destroyed, causing a change in the atomic arrangement structure and a corresponding change in the refractive index. Will occur.
  • a high peak energy femtosecond laser focused on a spot with a small area is applied to quartz glass, BK 7 optical glass, plastic (acrylic), quartz crystal, j
  • a transparent crystal such as Aya
  • the material is abraded, and as a result, micro holes are formed, or micro holes are formed inside using a nonlinear refractive index effect.
  • a change in the refractive index is caused by a change in the atomic arrangement structure of the material.
  • holograms have been produced mainly by a two-beam exposure optical system using a gas laser that outputs continuous light with high coherence and uses a photosensitive organic or inorganic compound as a recording base.
  • these gas lasers had problems such as low energy density, long recording time, and the use of only photosensitive materials.
  • a pulse laser such as a ruby laser may be used, but even in this case, a photosensitive material is required as a recording base material.
  • femtosecond lasers could maintain coherence enough to record holograms. For this reason, no development of a two-beam laser exposure system has been reported so far.
  • a pulse light of 100 femtoseconds lasts only 30 ⁇ in terms of distance, and the focused spot size is about 1 to increase the energy density.
  • the diameter must be 0 ⁇ m.
  • high-density pulses are expected to degrade coherence during propagation through the material due to the nonlinear optical effects of the material.
  • a two-beam hologram using a femtosecond laser is used instead of the conventional laser-beam irradiation method using a photosensitive material.
  • j Developed a gram exposure method, utilizing the high energy density and coherence characteristics of femtosecond pulses to produce transparent organic, inorganic, semiconducting, or metallic materials that do not originally have photosensitivity. This realizes a method of recording a hologram with a pair of pulsed light beams branched from one pulse.
  • the present invention uses a femtosecond laser having a noise width of 900 to 10 femtoseconds, a peak output of 1 GW or more, and a Fourier limit or an approximation thereof, as a light source, and a pulse from the laser.
  • the beam is split into two by a beam splitter, the two beams are temporally controlled via an optical delay circuit, and the reflecting surface that rotates slightly is a flat mirror (hereinafter referred to as a “planar mirror”) and a concave mirror.
  • concave mirror and spatially controlled, with the polarization plane parallel to the surface of or inside the substrate on which the hologram is recorded, with an energy density of 10 O GWZ cm 2 or more. Focusing and temporally and spatially matching the focusing spots of the two beams allows ablation of the base material or atomic arrangement of the base material caused by high-density energy irradiation.
  • shape change and refractive index change of Z or substrate material of the substrate surface by,
  • a method for producing a hologram by a two-beam laser-interference exposure method which irreversibly records a hologram on a transparent material, a semiconductor material, or a metal material.
  • the pulse width is preferably 500 to 50 femtoseconds, and the peak power is preferably 10 GW or more, more preferably a femtosecond laser approximated to a Fourier-limited pulse.
  • the energy density is preferably focused above l TWZ cm 2 .
  • 100 femtoseconds corresponds to a space distance of 20 ⁇ , where the refractive index of the base material is 1.5, so that the total thickness of the hologram is less than ⁇ ⁇ ⁇ .
  • the optical delay circuit changes the optical path length of the two beams, and the hologram recording depth
  • the hologram can be controlled, and the total thickness of the hologram can be adjusted by changing the pulse time width.
  • Titanium sapphire laser light has almost achieved the Fourier limit pulse and has very high coherence. Such light is coherent, and once split into two beams, the planes of polarization are parallel if they are again matched temporally and spatially without degrading coherence. In some cases, a clear interference pattern between the dark part and the bright part occurs, so if the threshold determined by the material is set between the energy density of the bright part and the dark part, the microexplosion or the atom of the material described above The interference pattern can be recorded as an uneven pattern on the surface or a change in the refractive index due to the change in the array structure.
  • the optical path length can be changed to form an optical delay circuit.
  • the sum frequency from a nonlinear optical crystal such as a BBO crystal is used.
  • a nonlinear optical crystal such as a BBO crystal
  • the optical delay circuit can be fine-tuned so that the sum frequency intensity is maximized, and a time match can be obtained.
  • Air has a tertiary optical nonlinearity and can be used as a material to detect the spatial and temporal coincidence of the two beam collision positions instead of crystals such as BBO.
  • a femtosecond laser of 880 nm When a femtosecond laser of 880 nm is used, a third harmonic or triple sum frequency (wavelength: 2666 nm) is generated based on the third-order nonlinear coefficient of air.
  • the intensity of the triple wave or triple sum frequency is proportional to the cube of the light intensity.
  • the light intensity becomes four times as large as that of the single beam due to the interference. It is possible to detect with high sensitivity whether there is a target or spatial match.
  • Using the third-order nonlinearity of air eliminates the restriction on the angle between the beams.
  • the surface shape of the substrate can be kept flat, and a surface hologram can be formed with the refractive index modulation of the substrate itself.
  • Silica glass especially silica glass containing germanium, undergoes light-induced structural changes due to irradiation with a relatively low energy density laser, resulting in a volume shrinkage of about 3%.
  • the surface density hologram can be formed by changing the energy density above the threshold at which light-induced structural changes occur and below the threshold at which abrasion occurs. You can do it.
  • the material recording the surface relief hologram is etched with the acid solution, the surface relief Can be increased, and the hologram diffraction efficiency can be increased.
  • a transmission type hopper gram in which the position in the depth direction and the surface area of the base material are adjusted is formed. can do.
  • a part of the laser light applied to the base material from the air is reflected on the base material surface based on the difference in the refractive index between the air and the base material.
  • the light absorption on the surface and the reflected light The interaction allows more energy to be absorbed by the substrate, making it easier for the substrate surface to ablate.
  • the reflection on the substrate surface can be reduced, and the surface of the substrate can be reduced. This can make it difficult to cause the abrasion.
  • the same effect can be obtained by forming an antireflection film on the surface of the base material, and a flat hologram having a surface shape can be obtained.
  • An optical delay circuit and a mirror control the position where the two beams converge and the size of the condensing spot that are incident on the substrate opposing each other.
  • the femtosecond pulse during propagation through the substrate deteriorates the coherence based on the nonlinearity of the material, so use a substrate with low nonlinearity or reduce the energy density as much as possible. Thereby, the embedding depth can be increased.
  • An optical delay circuit and a condensing lens control the converging position of the two beams incident on the substrate facing each other, thereby changing the depth position of the hologram in the substrate and providing a plurality of holograms in the depth direction.
  • the temperature of the material can be adjusted, and a domain-inverted lattice with quasi-phase matching can be formed while applying an electric field.
  • a certain semiconductor is a semiconductor selected from silicon, Ge, GaAs, A1N, InP, GaN, ZnS, ZnSe, ZnO, SiC, or a mixed crystal therebetween;
  • the material can be used to form a surface relief hologram, a surface hologram, or a volume hologram.
  • a metal material or silicon selected from gold, silver, platinum, copper, nickel, chromium, aluminum, cadmium, tantalum, or metal silicon,
  • the surface A relief-type hologram can be formed.
  • a photosensitive organic material or an inorganic compound has been used as a material for recording a hologram, and there have been many restrictions on the material.
  • irreversible recording due to abrasion or structural change of the substrate by high-density energy almost all materials can be used.
  • the hologram once irreversibly recorded remains stable for a long time and does not disappear unless heated to such an extent that the atomic arrangement structure of the base material itself changes.
  • the substrate can preferably be placed in a vacuum during exposure. Put in vacuum By j, the fine particles and fine powder generated by the abrasion do not adhere to the surface of the base material, and a clean surface can be maintained. In the embedded hologram, a flat surface is maintained.
  • the present invention is a hologram formed irreversibly on the surface of a compound, semiconductor or metal transparent to visible light produced by the above method.
  • the present invention is, diamond, alumina, Safuaiya or as A l 2 ⁇ 3, S I_ ⁇ both or laser medium glass having a composition comprising one, E key Shiton, by specific emission between bands transition, A distributed black reflection (DBR) or distributed feedback (DFB) laser using a hologram obtained by the manufacturing method of the present invention as a diffraction grating by using light emission due to intrinsic defects or light emission due to added impurities.
  • DBR distributed black reflection
  • DFB distributed feedback
  • the present invention provides a femtosecond laser single light source, a beam splitter for splitting a pulse beam from the laser into two, an optical delay circuit for temporally controlling the converging position of the pulsed light, and an optical delay circuit.
  • An optical system comprising a plane mirror for controlling spatially, a concave mirror, and a mechanism for finely rotating the mirror is characterized by a nibble laser interference exposure method used in the above method. Horodalam manufacturing equipment.
  • An aperture control element that shapes the laser beam into a Gaussian shape and lowers the hologram formation threshold can be added to this device.
  • the two-beam laser exposure apparatus requires an optical system that can control the position on a micron scale, and as a device with high-precision position controllability that can respond to this, the present invention ! Is based on an optical delay circuit that can perform fine control, a plane mirror and concave mirror that can rotate finely, and an optical system that has the function of detecting whether or not the two beams converge.
  • the light is focused on the material or inside the substrate, and it is possible to match the two focusing spots in time and space.
  • the apparatus is composed of a flat mirror and a reflective optical component such as a concave mirror, and it is possible to prevent deterioration of coherence by using an optical system that uses as little transmission optical components as possible, such as a lens.
  • the arrangement and number of mirrors in each optical path are adjusted to make the plane of polarization of the beam parallel.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram showing an optical system in a method and an apparatus for producing a hologram by a two-beam laser exposure method according to the present invention.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram showing the temporal control of the converging and converging position of the pulse lights of the beam B1 and the beam B2.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram showing spatial control of the converging and converging position of the pulse light of the beam B1 and the beam B2.
  • FIG. 4 is a conceptual diagram showing incident angles of two laser beams of Example 1 on a substrate.
  • FIG. 5 is an enlarged plan view showing a diffraction grating pattern recorded according to Example 1.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram showing an optical system in a method and an apparatus for producing a hologram by a two-beam laser exposure method according to the present invention.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram showing the temporal control of the converging and converging position of the pulse lights of the beam B1 and the beam B2.
  • FIG. 6 is an enlarged plan view showing a diffraction pattern of a He—Ne laser by the diffraction grating recorded in Example 1.
  • FIG. 7 is a drawing substitute photograph showing an AFM image of the diffraction grating recorded according to Example 3.
  • FIG. 8 is a conceptual diagram of a step of chemically etching the hologram of the third embodiment.
  • FIG. 9 is a drawing substitute photograph showing an AFM image of the hologram after etching in Example 3.
  • FIG. 10 is a conceptual diagram of the method of the fourth embodiment.
  • Fig. 11 shows the results of Example 5 It is a conceptual diagram of the j method.
  • FIG. 12 is a drawing substitute photograph showing an AFM image of the hologram of Example 7. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • FIG. 1 is a conceptual diagram showing an optical system of a method and an apparatus for producing a hologram by the two-beam laser interference exposure method of the present invention.
  • the laser beam emitted from the Futomtosecond laser light source is reflected by a plane mirror Ml, and is divided into a beam B1 and a beam B2 by a half mirror HF1 used as a beam splitter.
  • the beam B 1 is reflected by the plane mirror M 2 and the concave mirror M 3, and the surface of the base material S 1 and j 0 are condensed inside.
  • a flat mirror M3 'and a thin lens L1 may be used.
  • the beam B2 is reflected by the plane mirror M4 and the plane mirror M5, further reflected by the concave mirror M6, and condensed on the surface or inside the substrate S1.
  • a lens L2 and a flat mirror M6 ' may be used.
  • the optical path indicated by the solid line is for creating a transmission hologram, but for creating a reflection hologram, the beam B 2 reflected by the concave mirror 6 using the optical system indicated by the thick dotted line Is focused inside the base material S1 by the plane mirror M7 and the plane mirror M8.
  • a lens L2 and a flat mirror M6 ' may be used instead of the concave mirror M6, a lens L2 and a flat mirror M6 'may be used.
  • the thin dotted line in Fig. 1 the He-Ne laser light is reflected by the 0-plane mirror M9, irradiated onto the substrate S1, and the hologram formation process is monitored from the reflected light. You may do it.
  • the plane mirror M4 and the plane mirror M5 function as an optical delay circuit. That is, The micromirror M4 and the micromirror M5 are finely moved by micro calipers in the order of 1 micron, and the relative optical path length difference between the beam B1 and the beam B2 is adjusted. The light spots are matched in time.
  • the concave mirror M3, the concave mirror M6, or the flat mirror M8 is finely rotated using a micro-caliper, and the focusing positions of the two beams are spatially matched.
  • the lenses L1 and L2 are preferably as thin as possible and have a long focal length to prevent deterioration of coherence. In this arrangement, the plane of polarization of the beam at substrate S1 is parallel. Optical parameters such as the fringe spacing of the created diffraction grating and the focal length when the lens function is provided are determined in the same way as those obtained by the conventional two-beam laser-interference exposure method using continuous light. Can be
  • a hologram can be recorded by one pulse laser and one light, so that a hologram can be multiplexed and recorded by irradiating a substrate with a plurality of pulses in time series. If the substrate is fixed between the pulses, the holograms will overlap spatially. Also, if the plane of polarization of the laser beam is rotated, the formed overlapping holograms rotate with respect to each other by the angle.
  • the overlapped hologram becomes a lattice hologram.
  • a similar lattice hologram can be formed by rotating the substrate 90 degrees instead of rotating the polarization plane.
  • the hologram can be produced over a wide surface area of the base material by moving the base material in the X and Y directions for each pulse of the laser. Since the exposure time is very short, the substrate S1 may be moved continuously. In particular, using a piezoelectric element When the substrate is moved half the fringe interval between two pulse irradiations, a hologram with a fringe interval substantially half that of the hologram recorded with one pulse is formed. it can.
  • a femtosecond laser having a wavelength of 80 nm is used, the minimum fringe interval in a transmission hologram is 400 nm, so that a hologram having a fringe interval of up to 200 nm can be formed by this method. In order to reduce the fringe spacing, a short-wavelength femtosecond laser may be used.
  • the laser is preferably a regeneratively amplified titanium sapphire laser, with an oscillation center wavelength of about 800 nm, a pulse width of about 100 femtoseconds, a pulse energy of about 1 mj / pulse, In terms of output, it should be about 10 GW.
  • the light collection spot size is preferably about a diameter, and when converted to peak energy, is about 100 TWZ cm 2 .
  • FIG. 2 is a conceptual diagram showing temporal control of the converging position of the focused light beams of the beam B1 and the beam B2.
  • 100 femtoseconds corresponds to a medium vacuum distance of 30. In other words, light exists only 30 meters long.
  • the laser wavelength is 0.8 // m
  • the pulse light of 100 femtoseconds contains only about 40 peaks and valleys. Therefore, if the optical path difference between beam B 1 and beam B 2 is not less than 30/1 m, the two optical pulses will never overlap even if they propagate along the same optical path spatially-that is, they will coincide in time. do not do. If the beams Bl and B2 do not match in time, they are shown as (A) and (C) in Fig.
  • FIG. 3 shows the spatial control of the converging position of the pulsed light of beam B1 and beam B2.
  • FIG. As shown in the figure, at the focal point where beam B1 and beam B2 intersect in space, as shown in (A) and (B) in FIG. The two lights interfere. When the light energy density of the bright interference portion exceeds the recording threshold of the substrate, the interference pattern is recorded as refractive index modulation.
  • a surface relief hologram having irregularities on the surface and a surface hologram by refractive index modulation of the substrate can be formed. If the light collection is controlled so that interference fringes are formed inside, an embedded volume hologram can be formed.
  • the transmission hologram was recorded in air using the two-beam laser interference exposure optical system shown in Fig. 1.
  • a lens with a plane mirror M3 'and a combination of a plane mirror M6' and a lens L2 were used.
  • a sapphire single crystal having a size of 10 ⁇ 10 ⁇ 1 mm was used as a substrate S 1 for recording a hologram.
  • One laser beam was vertically incident on the c-plane of this sapphire single crystal.
  • the laser output is about 1 mJ / pulse
  • beam B1 is 0.7 mJ
  • beam B2 is 0.3 mJ
  • each beam is focused to about 100 m diameter
  • 1 pulse The hologram was recorded with. Further, by inserting an aperture control element A 1 into the optical path to shape the laser beam to a Gaussian distribution, the energy of the beams B 1 and B 2 required to record the hologram is reduced by 5 minutes. Was reduced to 1.
  • the angle 0 between beam B1 and beam B2 is exposed in two cases, 10 ° and 30 °, and as shown in FIG. A grid fringe spacing of j and 3 m was obtained.
  • AFM measurement confirmed that it was a surface relief type hologram.
  • the area where the hologram was formed was about 50; ⁇ diameter.
  • the XY stage could be moved continuously over time, and holograms could be recorded on one sample up to the number of pulse repetitions.
  • a surface relief hologram was recorded on the gold thin film.
  • an aperture control element A1 was inserted in the optical path.
  • a gold thin film with a thickness of about 250 nm created by vacuum evaporation on glass was used as a substrate for recording holograms.
  • beam B 1 was 0.13 mJ and beam 2 was 0.07 mJ.
  • the angle ⁇ between the two beams was 20 degrees.
  • the fringe interval of the obtained diffraction grating was equal to the value given by -n nd dsin i / 2, using 800 nm as the laser wavelength ⁇ and the air value of 1 as n.
  • a surface relief hologram was recorded on a silica glass film.
  • the manufactured SiO 2 thin film (thickness: 114 nm) was used.
  • the beams B 1 and B 2 were each focused on the material surface at an energy intensity of 25 ⁇ J to a diameter of about 100 ⁇ m.
  • the angle between the two beams is 90 degrees, and the calculated lattice spacing is 580 nm.
  • FIG. 7 shows an AFM image of the obtained diffraction grating. From this AFM image, it was confirmed that a surface relief hologram having a groove depth of 2 to 3 nm and a groove interval of 580 nm was formed. The groove depth was 2-3% of the silica glass film thickness, and almost coincided with the shrinkage due to the light-induced structural change in silica glass.
  • FIG. 8 conceptually shows a process of chemically etching the hologram H I with an acid L to form a hologram H 2 having an increased groove depth. The etching was performed with a 1 ° hydrofluoric acid solution for 5 minutes.
  • Figure 9 shows an AFM image of the hologram after etching. From the AFM image, it was confirmed that the depth of the groove was increased to 18 to 20 nm, and a diffraction grating having a high aspect ratio was obtained.
  • Example 4 shows an AFM image of the obtained diffraction grating.
  • FIG. 10 illustrates the concept of the method of this embodiment.
  • a hologram was recorded on silica glass immersed in a solution using the same two-beam laser interference exposure optical system as in Example 1.
  • the solution one of water, an aqueous solution of hydrogen fluoride, an aqueous solution of acetone, ethanol, and methanol was used.
  • the energy intensities of Bl and B2 were respectively 400 / zJ, and the two pulse collision positions were set inside the substrate.
  • the laser beam was irradiated in the air under the same conditions, the surface of the substrate was damaged by abrasion, but when the substrate was immersed in the solution, the surface of the substrate was flat and the substrate was flat.
  • a diffraction grating was formed only inside the material. In particular, in the case of a 1% hydrofluoric acid solution, no processing strain was detected in the silica glass.
  • Example 5 Example 5
  • FIG. 11 shows the concept of the method of this embodiment.
  • a titanium sapphire laser (wavelength: 800 nm, pulse width: 1 00 femtosecond, repetition frequency: 10 Hz) is pulsed by a beam splitter into two beams, After separation into Bl and B2, they were collided in the atmosphere.
  • the beam intensity was 0.75 mJ each.
  • the beam angles of B1 and B2 were varied between 0 and 180 degrees.
  • the pulse after the collision was separated using a spectroscope.
  • a hologram embedded in diamond was recorded.
  • the base material S1 for recording the hologram was a natural diamond (type IIa, SAWN cut, optical absorption edge: 220 nm), and the size of the base material was 3 ⁇ 3 ⁇ 0.5 mm.
  • the beam B1 was 0.14 mJ and the beam B2 was 0.06 mJ. Both beams were condensed at a position inside the substrate S1 to a diameter of about 100 / xm. When the angle 0 between beam B 1 and beam B 2 is 10 degrees, j An embedded hologram with a fringe spacing of about 3 ⁇ was formed at a depth of about 1 ⁇ m from the surface of the substrate S1.
  • the two-beam laser interference exposure optical system of Example 1 was incorporated with the two-beam coincidence detection method of Example 5, and a hologram was recorded on a silica glass film obtained by thermally oxidizing a Si substrate.
  • the intensities of Bl and B2 were 20 / xj, respectively, and the angle of the two beams was 158 degrees.
  • the light was converged on the surface of the substrate to a diameter of about 100 ⁇ . From the AFM image shown in FIG. 12, it was confirmed that a diffraction grating with a groove interval of 43 nm was recorded.
  • the hologram obtained by the manufacturing method of the present invention is useful as a diffraction grating in the optical information communication and optical memory fields, and is specifically used as an optical wavelength demultiplexing device using a surface relief hologram.
  • An optical device such as a light deflecting device, or an optical device using the device, or an embedded optical wavelength demultiplexing device using a volume hologram, a light deflecting device, a light wavelength output equalizing device, a light dispersion recovery device, etc.
  • An optical element or an optical device using such an element is exemplified.
  • a surface relief hologram or a volume hologram for decoration, masking, or forgery prevention is exemplified.
  • a multi-layer hologram recording medium, a harmonic generation element based on quasi-phase matching (QPM), and an apparatus using the element will be described.
  • diamond of the present invention Safuaiya, alumina, A 1 ⁇ , a medium glass having a composition containing both or one of the S I_ ⁇ , specific emission, was specific defects or utilizing emission of dopant, the A distributed black reflection (DBR) or distributed feedback (DFB) laser element using a hologram obtained by the method of the present invention as a reflection or deflection element, and an apparatus using the element are exemplified.
  • DBR distributed black reflection
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Description

明 細 書 オイル塗布ローラ、 並びに. それに用いるシールリング、 及びそれを用いた定 »装置 技術分野
本発明は、 ホログラム、 特に、 表面積および厚さが微小で、 埋め込みが可能で あり、 回折効率が大きく、 多岐の基材に記録可能なホログラムを効率的に作成す るための方法および装置、 ならびに該ホログラムを応用した製品に関する。 背景技術
フェムト秒レーザーでは、 1 TW ( 1 0 12W) Z c m2に達する高エネルギー 密度を得ることができる。 こうした高エネルギー密度光を材料に照射した場合、 高密度の電子が短時間に励起される。 励起電子のエネルギーは、 1ナノ秒以内に、 材料中のイオンの振動エネルギーに変換される。 振動エネルギー密度がある閾値 を超えると、 イオンは、 材料から離脱し、 材料はアブレーシヨンされる。 材料内 部でアブレ一シヨンが生じると小さな空孔が出来、 この結果、 局所的に材料の実 効的な屈折率が変化する。 これがマイクロアブレーシヨンと呼ばれる現象である。 この場合、 材料が破壊される、 すなわち、 アブレーシヨンが起こる閾値よりエネ ルギー密度がやや小さい場合には、 材料は破壊されるまでに至らず、 原子配列構 造変化を起こし、 それに伴って屈折率変化が生じることになる。
小さい面積のスポッ卜に集光したピークエネルギーの高いフエムト秒レーザー を石英ガラス、 B K 7光学ガラス、 プラスチック （アクリル） 、 石英結晶、 サフ j アイャなどの透明結晶に照射することにより、 該材料をアブレ一シヨンさせ、 そ の結果、 微細穴を作成したり、 非線形屈折率効果を利用して内部に微小空孔を形 成したり、 あるいは、 該材料の原子配列構造変化により屈折率の変化を起こさせ ることが知られている。
- 例えば、 E. N. Glezer and E. Hazur : Appl. Phys. Lett. 71， 882， (1997) および K. Mi ura, J. Qie, H. Inoue, T. Mitsuya and K. Hirano : Ap l. Phys. Lett. 71， 3329, (1997)に は、 石英ガラスなど非晶質中の任意の場所の屈折率を增加させて光導波路を形成 できることが報告されている。 また、 特開平 1一 2 6 7 8 6 1号公報は、 ガラス 材料にマーキングを形成する方法を開示している。 また、 フェム ト秒レーザ一を 透明材料に照射する手段によりスポッ トを多数個、 規則的に作成して回折格子を 作ることがなされていた。
しかし、 こうした回折格子の作成方法は、 実用素子および装置に適用するには、 非常に効率が悪い。 また、 円部に屈折率変化を生じさせることのできる材料は限 られており、 特に、 ダイヤモンド結晶に関しては、 これまで、 この方法では屈折 率の変化は達成されていない。
チタンサフアイャレーザーの実用化により、 コヒ一レンス性の高いフエムト秒 レーザ一光が得られるようになった。 これまで、 フェムト秒レーザ一をダイヤモ ンドなどの薄膜材料に照射した際に、 リップルパタ一ンゃ干渉によって生じたと 思われるニュートンリングが、 該材料中に記録されていることが報告され （A. M. Ozkan et al :Appl. Phys. Lett. , 75, 3716, (1999) ) 、 フェムト秒、レーザ一光の可干 渉性が示唆されているものの、 これらの微細構造が形成される原因は、 明確には なっていなかった。 また、 チタンサフアイャレ一ザ一光の持つコヒーレンスを積 極的に利用する試みはこれまでになされていない。
従来、 ホログラムは、 主として、 コヒーレンス性の高い、 連続光を出力するガ スレーザ一を用い、 光感光性有機物または無機化合物を記録母体として、 二ビー ム露光光学系により作成されている。 しかし、 こうしたガスレーザーは、 ェネル ギー密度が低いため、 記録に時間がかかり、 感光性の良い材料しか使えないなど の課題があった。 時間を短縮するために、 ルビーレーザーなどのパルスレーザー が用いられることもあるが、 この場合でも、 記録基材として、 光感光性材料が必 要である。 また、 この方法では、 一つのプロセスで、 埋め込み型のホログラムを 作成したり、 表面積が約 1 0 0 μ m径以下の微小ホログラムを作成することが困 難であった。 発明の開示
(課題を解決するための手段）
フェム ト秒レーザーは、 ホログラム記録が可能なほど、 可干渉性が保てるか否 かは明確ではなかった。 そのためもあって、 これまで、 二ビームレーザー露光装 置の開発は報告されていない。 加えて、 たとえば、 1 0 0フェム ト秒のパルス光 は、 距離に換算して、 3 0 μ πιしか持続しておらず、 また、 集光スポットサイズ は、 エネルギー密度を高くするために約 1 0◦ μ m径にする必要がある。 さらに、 高密度パルスは、 材料中を伝播中に材料の非線形光学効果によりコヒ一レンス性 が劣化することが予測される。
本発明は、 これらの条件に対応して、 従来行われていた感光性材料を用いたレ 一ザ一ビームによる照射法に替えて、 フエムト秒レーザーを用いた二ビームホロ j グラム露光法を開発し、 フェムト秒パルスの持つ高エネルギー密度とコヒ—レン ス性の特徴を利用して、 本来は光感光性を持たない透明有機、 無機材料、 半導体 材料、 または金属材料に、 一つのパルスから分岐した一対のパルス光で、 ホログ ラムを記録できる方法を実現したものである。
5 すなわち、 本発明は、 ノ レス幅が 9 0 0〜 1 0フェムト秒、 ピーク出力が 1 G W以上で、 フ一リェ限界またはそれと近似できるフエムト秒レーザーを光源とし、 該レーザ一からのパルスをビームスプリッタ一により二つに分割し、 二つのビー ムを光学遅延回路を介して時間的に制御し、 かつ微小回転する反射面が平面のミ ラー （以下 「平面ミラー」 という） と凹面のミラー （以下 「凹面ミラー」 とい j 0 う） を用いて空間的に制御し、 ホログラムを記録する基材表面または基材内部に、 偏光面を平行にして、 エネルギー密度 1 0 O GWZ c m2以上で集光し、 二つのビ ームの集光スポッ トを時間的および空間的に合致させることにより、 高密度エネ ルギ一照射によって生じる基材材料のアブレーションまたは基材材料の原子配列 構造変化による基材表面の形状変化および Zまたは基材材料の屈折率変化により、
！ 5 透明材料、 半導体材料、 または金属材料に不可逆的にホログラムを記録すること を特徴とする二ビームレーザ一干渉露光法によるホログラムの製造方法である。 パルス幅は、 好ましくは、 5 0 0〜5 0フェム ト秒、 ピーク出力は、 好ましく は、 1 0 GW以上で、 より好ましくは、 フーリエ限界パルスと近似されるフエム ト秒レーザーを光源とする。 エネルギー密度は、 好ましくは、 l TWZ c m2以 0 上で集光する。 例えば、 1 0 0フェムト秒は、 基材の屈折率を 1 . 5として、 空 間距離 2 0 μ πιに対応するので、 ホログラムの総厚さは、 Ι Ο ΠΙ以下になる。 光学遅延回路により、 二つのビームの光路長を変化させ、 ホログラム記録深さ位 ゾ 置を制御できるし、 パルス時間幅を変えることにより、 ホログラム総厚さを調整 することができる。
チタンサフアイャレーザ一光は、 フーリエ限界パルスをほぼ実現しており、 非 常にコヒーレンスが高い。 こうした光は、 可干渉性があり、 一度、 二つのビーム にスプリッ トした光を、 コヒーレンスを劣化させることなく、 再び、 時間的およ び空間的に一致させた場合、 偏光面が平行であるときには、 暗部と明部のコント ラストのはっきりした千渉パターンを生じるので、 材料で決まる閾値を、 明部と 暗部のエネルギー密度の間に設定すれば、 上記のマイクロエクスプロージョンあ るいは材料の原子配列構造変化により、 干渉パターンを、 表面の凹凸パターンあ るいは、 屈折率の変化として記録できる。
本発明のホログラムの製造方法においては、 下記の各手段を採用できる。
平面ミラーと凹面ミラーの位置を、 ミラー面に垂直方向、 入射ビームに対して 平行および垂直方向にマイクロノギスなどにより微移動させることにより、 光学 路長を変化させ、 光学遅延回路とすることができる。
二つのフェム ト秒レーザービームが、 空間的および時間的に一致していること を検出するためには、 B B O結晶など非線型光学結晶からの和周波が用いられる。 すなわち、 衝突点が、 結晶内部で、 空間的および時間的に一致した時には、 非線 型光学効果により、 照射レーザー光の和周波が発生する。 二つのビームを、 B B O結晶内で空間的に一致させた後、 和周波の強度が最大になるように、 光学遅延 回路に微調節して、 時間的な一致をとることが出来る。
非線型光学効果を生じる材料として、 B B Oなどの結晶を用いた場合、 位相整 合を取る必要があり、 二つのビーム角度に制限があり、 ビーム角度を大きくする ことが出来ない。
空気は三次の光学非線型を有しており、 B B Oなどの結晶に替わって、 二つの ビーム衝突位置の空間的、 時間的な一致の有無を検出するための材料として用い ることが出来る。 8 8 0 n mのフェムト秒レ一ザ一を用いた場合、 空気の 3次非 線型係数に基づいて、 三倍波ないし三倍和周波 （波長： 2 6 6 n m) が発生する。 三倍波ないし三倍和周波の強度は光強度の三乗に比例する。 二つのビームが、 衝 突 ·干渉した場合、 干渉により明部強度が、 単独ビームに比較して、 4倍になる ので、 三倍波ないし三倍和周波は 6 4倍の強さとなり、 時間的、 空間的一致の有 無を高感度に検出することができる。 空気の三次非線型性を用いた場合には、 ビ —ム間の角度に対する制約を除くことが出来る。
エネルギー密度を、 アブレーシヨンが起こる閾値直下に設定することにより、 該基材の表面形状を平坦に保ち、 該基材そのものの屈折率変調を伴わせて表面型 ホログラムを形成することができる。
シリカガラス、 特に、 ゲルマニューム含むシリカガラスでは、 比較的低いエネ ルギー密度のレーザ一照射により、 光誘起構造変化が生じ、 その結果、 3 %程度 体積が収縮する。 この現象を利用すれば、 エネルギー密度を、 光誘起構造変化が おこる閾値以上、 アブレ一シヨンが起こる閾値以下に設定することにより、 レー ザ一誘起構造変化に伴う体積変化による表面レリーフ型ホログラムを形成するこ とが出来る。 更に、 構造変化した部分と変化していない部分の間には、 酸溶液で のエッチング速度に差があるので、 表面レリ一フ型ホログラムを記録した材料を、 酸溶液でエッチングすれば、 表面レリーフの深さを増大でき、 ホログラム回折効 率を高めることが出来る。 同方向から入射する二つのビ一ムの該基材への入射位置および角度を調整する ことにより、 該基材の深さ方向の位置および表面面積が調整された透過型ホ口グ ラムを形成することができる。
空気中から基材に照射されたレーザー光の一部は、 空気と該基材の屈折率の差 に基づき、 基材表面で反射され、 その結果、 表面での光吸収や、 反射光との相互 作用により、 より多くのエネルギーが基材に吸収され、 基材表面のアブレ一ショ ンが生じやすくなる。 基材の屈折率との差が小さい屈折率を持つ溶液中に、 基材 を浸す、 あるいは該溶液を基材の表面に塗布することにより、 基材表面での反射 を低減でき、 基材表面のアブレ一シヨンを生じにく くすることが出来る。 基材表 面に反射防止膜を形成することによつても、 同様な効果が得られ、 表面形状の平 坦なホログラムを得ることが出来る。
対向して該基材に入射する二ビームの集光の合致位置および集光スポッ トのサ ィズを光学遅延回路およびミラーにより制御して、 該基材内部に設定することに より、 基材内部に埋め込まれ、 深さ方向の位置および表面面積が調整され、 さら に、 レーザーパルスの時間幅を制御することにより、 ホログラム総厚さが調整さ れた埋め込み型反射型体積ホログラムを形成することができる。 この際、 基材中 を伝播中に、 フェムト秒パルスは、 材料の非線形性に基づいて、 コヒ一レンスが 劣化するので、 非線形性の小さな基材を用いるか、 エネルギー密度を可能な限り 小さくすることにより、 埋め込み深さを大きくすることができる。
対向して該基材に入射する二ビームの集光合致位置を、 光学遅延回路および集 光レンズで制御することによって、 該基材内のホログラムの深さ位置を変化させ、 深さ方向に複数のホログラムを埋め込むことにより多層ホログラム記録媒体を形 成することができる。
該基材として、 反転対称性のない透明結晶またはガラスを用いて、 該材料の温 度を調整し、 電場を印加しながら、 擬位相整合したドメイン反転型格子を形成す ることができる。
該基材として、 石英、 ガラス、 サフアイャ、 L i NB03、 L i T a 03、 Z r〇2、 C a F2、 ダイヤモンド、 またはアクリル樹脂から選ばれる可視光に対 して透明な材料、 あるレヽはシリコン、 G e, G a A s , A 1 N, I nP、 G a N, Zn S， Z n S e、 Z nO、 S i C、 またはそれら間の混晶から選ばれる半導体 材料を用いて、 表面レリーフ型ホログラム、 表面型ホログラム、 または体積ホロ グラムを形成することができる。
該基材として、 金、 銀、 白金、 銅、 ニッケル、 クロム、 アルミニウム、 カドミ ゥム、 タンタル、 または金属シリコンから選ばれる金属材料あるいはシリコン、
Ge, Ga A s, A 1 N, I n P、 G a N, Z n S, Z n S e、 Z nO、 S i C、 またはそれら間の混晶から選ばれる半導体材料を用いて、 表面レリーフ型ホログ ラムを形成することができる。
ホログラムを記録する材料としては、 従来、 光感光性有機物または無機化合物 が用いられており、 材料の制約が多かった。 本発明による製法では、 高密度エネ ルギ一による基材のアブレーシヨンまたは構造変化による不可逆的記録であり、 ほとんど全ての材料を使用することができる。 また、 一度不可逆的に記録された ホログラムは、 長時間安定に持続し、 基材そのものの原子配列構造変化が起こる 程度にまで、 加温しない限り、 消滅することはない。
該基材は、 好ましくは、 露光時に真空中に置くことができる。 真空中に置くこ j とによって、 アブレ一シヨンによって発生する微粒子、 微粉末が基材表面に付着 することがなく、 清浄な表面を保つことができる。 また、 埋め込み型ホログラム においては、 平坦な表面が保たれる。
さらに、 本発明は、 上記の方法により製造された可視光に対して透明な化合物、 半導体、 または金属表面に不可逆的に形成されたホログラムである。
さらに、 本発明は、 ダイヤモンド、 アルミナ、 サフアイャ、 または A l 2〇3、 S i〇 の両者あるいは一方を含む組成からなるガラスをレーザー媒体として、 ェキ シトン、 バン ド間遷移に由る固有発光、 固有欠陥による発光、 または添加不純物 による発光を用い、 本発明の製造方法で得られたホログラムを回折格子とした分 布ブラック反射型 （D B R ) または分布帰還型 （D F B ) レーザ一である。 すな わち、 上記母体中に屈折率の高い導波路を形成し、 その内部に発光センタ一を作 りこみ、 さらに該導波路の両端部に、 埋め込み型ホログラムを作成することによ り D F Bまたは D F Bレーザ一を作成できる。
さらに、 本発明は、 フェム ト秒レーザ一光源、 該レーザーからのパルスビーム を二つに分割するためのビームスプリ ッター、 パルス光の集光合致位置を時間的 に制御するための光学遅延回路および空間的に制御するための平面ミラーと凹面 ミラーと該ミラ一を微回転するための機構からなる光学系からなることを特徴と する上記の方法に用いるニビ一ムレ一ザ一干渉露光法によるホロダラム製造装置 である。 この装置には、 レーザ一ビームをガウス型に整形し、 ホログラム形成の 閾値を低下させるアパーチャ一制御素子を付加することができる。
二ビームレーザー露光装置は、 ミクロンスケールで、 位置が制御できる光学系 が必要であり、 それに対応できる高精度の位置制御性をもつ装置として、 本発明 ！ は、 精細な制御が可能な光学遅延回路、 微回転できる平面ミラーと凹面ミラ—、 および二ビームの集光合致の有無を検出できる機能を併せ持つ光学系により、 二 つのビームをホログラムを記録する基材上または基材内部に集光して、 時間的お よび空間的に、 二つの集光スポッ トを合致させることを可能としたものである。 さらに、 平面ミラ一と凹面ミラーなどの反射光学部品で装置を構成し、 レンズ 等の透過光学部品を可能な限り使用しない光学系を用いて、 コヒーレンスの劣化 を防ぐことを可能とし、 さらに、 二ビームの干渉性を良くするために、 それぞれ の光路のミラーの配置と数を調整して、 ビームの偏光面を平行としたものである 図面の簡単な説明
第 1図は、 本発明の二ビームレーザー露光法によるホログラムの製造方法およ び装置における光学系を示す概念図である。 第 2図は、 ビーム B 1とビーム B 2 のパルス光の集光合致位置の時間的制御を示す概念図である。 第 3図は、 ビーム B 1とビーム B 2のパルス光の集光合致位置の空間的制御を示す概念図である。 第 4図は、 実施例 1の二つのレーザ一ビームの基材への入射角度を示す概念図 である。 第 5図は、 実施例 1により記録された回折格子のパターンを示す拡大平 面図である。 第 6図は、 実施例 1により記録された回折格子による H e—N e レ —ザ一の回折パターンを示す拡大平面図である。 第 7図は、 実施例 3により記録 された回折格子の A F M像を示す図面代用写真である。
第 8図は、 実施例 3のホログラムを化学エッチングする行程の概念図である。 第 9図は、 実施例 3のエッチング後のホログラムの A F M像を示す図面代用写真 である。 第 1 0図は、 実施例 4の方法の概念図である。 第 1 1図は、 実施例 5の j 方法の概念図である。 第 1 2図は、 実施例 7のホログラムの AFM像を示す図面 代用写真である。 発明を実施するための最良の形態
5 第 1図は、 本発明の二ビームレーザー干渉露光法によりホログラムを製造する 方法および装置の光学系を示す概念図である。 フユムト秒レーザ一光源から照射 されたレ一ザ一ビームは、 平面ミラー Mlにより反射され、 ビームスプリツター として用いるハーフミラ一 HF 1で、 ビーム B 1 とビーム B 2に分けられる。 ビ ーム B 1は、 平面ミラ一 M2と凹面ミラー M3で反射され、 基材 S 1の表面また j 0 は内部に集光する。 凹面ミラ一 M3の替わりに、 平面ミラ一 M3 ' と肉厚の薄い レンズ L 1を用いても良い。 ビーム B 2は、 平面ミラ一 M4、 平面ミラ一 M5で 反射され、 さらに凹面ミラー M6で反射され、 基材 S 1の表面または内部に集光 される。 凹面ミラー M6の替わりにレンズ L 2と平面ミラ一 M6 ' とを用いても よい。
j 5 実線で示す光学パスは、 透過型ホログラムを作成する場合であるが、 反射型ホ ログラムを作成する場合は、 太い点線で示す光学系を用いて、 凹面ミラー 6で反 射したビーム B 2を平面ミラー M7および平面ミラー M8によって、 基材 S 1の 内部に集光させる。 凹面ミラー M6に替えて、 レンズ L 2と平面ミラ一 M6 ' と を用いてもよい。 なお、 第 1図に細い点線で示す様に、 He—Neレ一ザー光を 0 平面ミラ— M9で反射させ、 基材 S 1に照射し、 その反射光からホログラムの形 成プロセスをモニターするようにしても良い。
平面ミラ一 M4と平面ミラー M5は、 光学遅延回路として機能する。 すなわち、 平面ミラ一 M 4および平面ミラ一 M 5をマイクロノギスで、 1 ミクロンのオーダ 一で微動させ、 ビーム B 1とビ一ム B 2の相対的な光路長差を調整して、 二ビー ムの集光スポッ トの時間的な一致を行う。 凹面ミラ一 M 3、 凹面ミラ一 M 6、 ま たは平面ミラ一 M 8をマイクロノギスを用いて微回転させ、 二ビームの集光位置 を空間的に一致させる。 レンズ L 1および L 2は、 コヒ一レンスの劣化を防ぐた め、 可能な限り肉薄で、 焦点距離の長いものが好ましい。 この配置では、 基材 S 1でのビームの偏光面は平行である。 作成された回折格子のフリンジ間隔、 レン ズ機能を持たせた時の焦点距離などの光学パラメータ一は、 従来の連続光を用い た二ビームレ一ザ一干渉露光法で得られるものと同様に求められる。
基材 S 1は、 X— Yステージ上に置き、 マイクロノギスを用いて微動させ、 基 材 S 1の指定の位置に、 微小面積のホログラムを記録する。 本発明の製造方法に おいては、 一つのパルスレ一ザ一光で、 ホログラムを記録できるので、 複数のパ ルスを時系列的に基材に照射すれば、 ホログラムを多重に記録できる。 パルス間 で、 基材を固定しておけば、 ホログラムは空間的に重なり合う。 また、 レーザ一 光の偏光面を回転させれば、 形成された重なり合うホログラムは、 お互いに、 該 角度だけ回転する。 特に、 偏光面を 9 0度回転させた二つのパルスを時系列的に 照射すれば、 重なったホログラムは、 格子状のホログラムとなる。 偏光面を回転 させる替わりに、 基材を 9 0度回転させても、 同様の格子状のホログラムが形成 できる。
また、 レーザ一パルスごとに、 Xおよび Y方向に基材を移動させ、 基材の広い 表面領域にわたって、 ホログラムを作製することが出来る。 露光時間は、 非常に 短いので、 基材 S 1を連続的に移動させても良い。 特に、 圧電素子などを用い、 二つのパルスの照射間に、 基材をフリ ンジ間隔の半分の距離を移動させたときに は、 一つのパルスで記録されたホログラムに比較して、 実質的にフリンジ間隔が 半分のホログラムが形成できる。 波長 8 O O nmのフエムト秒レ一ザ一を用いた 場合、 透過型ホログラムにおける最小フリ ンジ間隔は、 4 O O nmであるので、 この方法により、 フリンジ間隔が 2 00 nmまでのホログラムを形成できる。 フ リンジ間隔を小さくするためには、 波長の短いフエムト秒レーザーを用いても良 レ、。
レーザーは、 好適には、 再生増幅チタンサフアイャレ一ザ一で、 発振中心波長 は、 約 800 nm、 パルス幅は約 1 00フェム ト秒、 パルスエネルギーは、 約 1 mj/パルスで、 ピーク出力に換算すると、 約 1 0 GWとするとよい。 集光スポ ットサイズは、 好適には、 約 径で、 ピークエネルギーに換算すると、 約 1 00 TWZ c m2とするとよレ、。
第 2図は、 ビーム B 1とビーム B 2のパルス光の集光合致位置の時間的制御を 示す概念図である。 例えば、 1 00フェム ト秒は真空中距離にして 30 に対 応する。 言い換えれば、 光は 30 mの長さにしか存在していない。 また、 レ一 ザ一波長が 0. 8 //mであると、 1 00フェム ト秒のパルス光には約 40個の山 谷が含まれているにすぎない。 したがって、 ビーム B 1とビーム B 2の光路差を 30 /1 m以下にしないと二つの光パルスは空間的に同じ光路を伝播しても決して 重なりあわないことになる- すなわち、 時間的に一致しない。 ビーム B l、 ビー ム B 2が時間的に合致しない場合は、 それぞれ第 2図の （A) 、 (C) のように 図示され、 時間的に合致した場合は、 （A) 、 (B) のように図示される。 第 3図は、 ビーム B 1 とビーム B 2のパルス光の集光合致位置の空間的制御を 示す概念図である。 図示のようにビーム B 1とビーム B 2が空間において交差し た集光点において、 第 2図の （A) 、 (B) で示すように、 パルス光が時間的に も一致した場合、 二つの光は干渉する。 干渉明部の光エネルギー密度が基材の記 録閾値を越えたとき干渉パタ一ンが屈折率変調として記録される。
本発明の製造方法において、 表面に集光させた場合には、 表面に凹凸のある表 面レリーフ型のホログラムおよび基材の屈折率変調による表面ホログラムを形成 できる。 また、 内部に干渉縞が出来るように集光を制御した場合には、 埋め込み 型の体積ホログラムを形成できる。
(実施例）
実施例 1
第 1図に示す二ビームレーザー干渉露光光学系を用い、 大気中で透過型ホログ ラムを記録した。 平面ミラ一 M3 ' とレンズし 1および平面ミラ一 M6 ' とレン ズ L 2の組み合わせを用いた。 ホログラムを記録する基材 S 1は、 大きさ 1 0 X 1 0 X 1 mmのサフアイャの単結晶を用いた。 このサフアイャ単結晶の c面に垂 直にレーザ一ビームを入射した。 レーザ一出力は、 約 1 m J /パルスとし、 ビー ム B 1.を 0. 7mJ、 ビーム B 2を 0. 3m Jとし、 それぞれのビームを約 1 0 0 m径に集光し、 1パルスでホログラムを記録した。 さらに、 ガウス分布にレ —ザ一ビームを整形するために、 アパーチャ一制御素子 A 1を光路に挿入するこ とにより、 ホログラムを記録するのに必要なビーム B 1および B 2のエネルギー を 5分の 1に低減できた。
第 4図に示すように、 ビーム B 1とビーム B 2のなす角度 0は、 1 0度および 30度の二つのケースで露光し、 第 5図に示すように、 それぞれ 1. 5 zmおよ j び 3 mの格子フリンジ間隔を得た。 格子フリンジ間隔 dは、 レーザー波長えと して 8 00 nm、 nとして空気の値である 1を用い、 え =n ' d ' s i n 6/2 で与えられる値と一致した。 また、 AFMの測定から、 表面レリーフ型のホログ ラムであることが確認できた。 ホログラムを形成した面積は、 約 5 0 ;χ ιη径であ つた。 また、 1パルスでの記録が可能なため、 XYステージを時間的に連続移動 させ、 一つのサンプルにホログラムをパルスの繰り返し数まで記録できた。
この実施例で得られた回折格子 1 1に、 H e—N e レーザー （λ = 6 3 3 η m) を照射した時のスクリーン 1 2に投影された回折パターン 1 3を第 6図に示 す。 高次の回折光が見られ、 1次回折光の強度は、 約 2 0%であり、 この回折格 子をいろいろな回折光学部品に応用可能なことが実証できた。
実施例 2
実施例 1と同じ二ビームレーザ一干渉露光光学系を用いて、 金薄膜に表面レリ ーフ型ホログラムを記録した。 ガウス分布にレーザービームを整形するために、 アパーチャ一制御素子 A 1を光路に挿入した。 ガラス上に真空蒸着で作成した厚 さ約 2 50 nmの金薄膜をホログラムを記録する基材とした。 ビーム整形後での、 ビーム B 1は、 0. 1 3m J、 ビーム 2は、 0. 0 7m Jであった。 二つのビ一 ムのなす角度 Θは 2 0度であった。 得られた回折格子のフリンジ間隔は、 レーザ 一波長 λとして 8 00 n m、 nとして空気の値である 1を用い、 え- n · d · s i n Θ/2で与えられる値と一致した。
実施例 3
実施例 1と同じ二ビームレーザ一干渉露光光学系を用いて、 シリカガラス膜に 表面レリーフ型ホログラムを記録した。 材料として、 S i単結晶上に熱酸化で作 製した S i 02薄膜 （膜厚： 1 1 4 n m) を用いた。 ビーム B 1、 B 2は、 それ ぞれ、 エネルギー強度 2 5 ^ Jで、 材料表面に、 約 1 0 0 μ m径に集光した。 二 つのビームのなす角度は 9 0度で、 計算上の格子間隔は 5 8 0 n mである。
第 7図に、 得られた回折格子の A F M像を示す。 この A F M像から、 溝深さ 2 〜3 n m, 溝間隔 5 8 0 n mの表面レリ一フ型ホログラムが形成されていること が確認できた。 溝の深さは、 シリカガラス膜厚の 2〜3 %で、 シリカガラスでの 光誘起構造変化に伴う収縮率とほぼ一致した。 第 8図に、 このホログラム H Iを 酸 Lで化学ェッチングし溝の深さが拡大したホログラム H 2とする工程を概念的 に示す。 エッチングは、 1 ° フッ酸溶液で 5分間行った。 第 9図に、 エッチング 後のホログラムの A F M像を示す。 この A F M像から、 溝の深さが 1 8〜 2 0 n mに深くなり、 高いァスぺク ト比を持った回折格子が得られたことが確認できた。 実施例 4
第 1 0図は、 この実施例の方法の概念を示すものである。 第 1 0図に示すよう に、 実施例 1と同じ二ビームレーザー干渉露光光学系を用いて、 溶液中に浸した シリカガラスにホログラムを記録した。 溶液には、 水、 弗化水素水溶液、 ァセト ン、 エタノール、 メタノーノ.へ 塩酸水溶液、 硝酸水溶液のうちのいずれか一つを 用いた。 B l、 B 2のエネ ギー強度は、 それぞれ 4 0 0 /z Jで、 2つのパルス 衝突位置は、 基材内部に設 した。 大気中で、 同じ条件で、 レーザー光を照射し たときには、 基材の表面にアブレーシヨンによるダメージが発生したが、 溶液中 に基材を浸した場合には、 基材の表面は平坦で、 基材内部のみに回折格子が形成 できた。 特に、 1 %フッ酸 7」く溶液の場合には、 シリカガラス中に、 加工歪が検出 されなかった。 実施例 5
第 1 1図は、 この実施例の方法の概念を示すものである。 第 1 1図に示すよう に、 チタンサフアイャ一レーザー （波長： 800 nm、 パルス幅： 1 ◦ 0フエム ト秒、 繰り返し周波数： 1 0Hz) のパルスをビームスプリ ッタ一で、 二つのビ ーム、 B l、 B 2に分離した後、 大気中で衝突させた。 ビームの強度は、 それそ' れ 0. 75 m J とした。 B 1と B 2のビーム角度は 0〜 1 80度の間で変化させ た。 ミラ一 Ml , ]^2ぉょびレンズ 1 , L 2を微調整して、 二つのビームを空 間的に一致させた後、 光学遅延回路を用いて、 二つのビームを時間的に一致させ た。 衝突後のパルスは分光器を用いて分光した。
いずれのビーム角度の場合も、 二つのビームが、 空間的、 時間的に一致した時 には、 一致しないときに比較して、 著しく高強度の三倍高調波が観測され、 本方 式が、 二つのフェムト秒パルスビームの空間的、 時間的一致の有無の検出に有効 であることがわかった。 本方式は、 フェム ト秒パルス時間幅の測定などにも有効 である。
実施例 6
実施例 1 と同じ二ビームレーザー干渉露光光学系を用いて、 ダイヤモンドに埋 め込み型ホログラムを記録した。 ガウス分布にレーザービ一ムを整形するために、 アパーチャ一制御素子 A 1を光路に挿入した。 ホログラムを記録する基材 S 1は、 天然ダイヤモンド （タイプ I I a、 SAWNカツト、 光学吸収端： 220 nm) で、 基材の大きさは、 3 X 3 X 0. 5mmであった。 ビーム B 1は、 0. 14m J、 ビーム B 2は、 0. 06m Jで、 両ビームを基材 S 1の内部の位置に約 1 0 0 /xm径に集光した。 ビーム B 1 とビーム B 2がなす角度 0が 1 0度の場合で、 j 基材 S 1の表面より約 1 μ mの深さに、 約 3 μ ΐηのフリンジ間隔を持つ埋め込み 型ホログラムを形成できた。
A F Mの測定から、 表面は平坦であった。 回折格子の形成部のラマン散乱から、 グラフアイ ト状のカーボンが形成できていることが確認できた。 H e—N eレ一 ザ一を照射した場合の回折効率は約 2 0 %であった。 以上の結果から、 このホロ グラムをいろいろな埋め込み型の回折光学素子として応用可能なことが実証でき た。 また、 このホログラムが、 偽造防止用のホログラムとしても応用可能なこと が実証できた。
実施例 7
実施例 1の二ビームレーザー干渉露光光学系に実施例 5の二ビーム一致検出方 法を組み込み、 S i基板を熱酸化したシリカガラス膜にホログラムを記録した。 B l , B 2の強度は、 それぞれ 2 0 /x jで、 二つのビームの角度は、 1 5 8度で、 基材の表面に約 1 0 0 μ πι径に集光した。 第 1 2図に示す A F M像から、 溝間隔 ： 4 3 0 n mの回折格子が記録されていることを確認した。 産業上の利用可能性
本発明の製造方法により得られたホログラムは、 光情報通信、 光メモリ一技術 分野における回折格子などとして有用であり、 具体的な用途としては、 表面レリ —フ型ホログラムを用いた光波長分波素子、 光偏向素子などの光学素子、 または その素子を用いた光学装置、 または、 体積ホログラムを用いた埋め込み型光波長 分波素子、 光偏向素子、 光波長出力均一化素子、 光分散回復素子などの光学素子、 またはそれらの素子を用いた光学装置が例示される。 CT/JP00/08883
19 j また、 装飾、 マ一キング、 または偽造防止のための表面レリーフ型ホログラム、 または体積ホログラムが例示される。 さらには、 多層ホログラム記録媒体および 擬位相整合 （QPM) による高調波発生素子、 およびその素子を用いた装置が例 示される。
Γ さらに、 本発明のダイヤモンド、 サフアイャ、 アルミナ、 A 1 〇 、 S i〇 の 両者あるいは一方を含む組成からなるガラスを媒体とし、 固有発光、 固有欠陥ま たは添加不純物の発光を利用し、 本発明の方法で得られたホログラムを反射また は偏向素子とした分布ブラック反射型 （DBR) または分布帰還型 （DFB) レ —ザ一素子およびその素子を用いた装置が例示される。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . パルス幅が 9 0 0〜 1 0フェムト秒、 ピーク出力が 1 GW以上で、 フ一リエ 限界またはそれと近似できるフエムト秒レーザ—を光源とし、 該レーザ一からの パルスをビ一ムスプリ ッタ一により二つに分割し、 二つのビームを光学遅延回路 を介して時間的に制御し、 かつ微小回転する反射面が平面のミラーと凹面のミラ 一を用いて空間的に制御し、 ホログラムを記録する基材表面または基材内部に、 偏光面を平行にして、 エネルギ一密度 1 0 O GWZ c m2以上で集光し、 二つのビ ームの集光スポッ トを時間的および空間的に合致させることにより、 高密度エネ ルギ一照射によって生じる基材材料のアブレ一シヨンまたは基材材料の原子配列 構造変化による基材表面の形状変化および または基材材料の屈折率変化により、 透明材料、 半導体材料、 または金属材料に不可逆的にホログラムを記録すること を特徴とする二ビームレーザ一干渉露光法によるホログラムの製造方法。
2 . ミラーの位置を、 ミラ一面に垂直方向、 入射ビームに対して平行および垂直 方向に微移動させることにより、 光学路長を変化させ、 光学遅延回路とすること を特徴とする請求の範囲第 1項記載の二ビームレーザー干渉露光法によるホログ ラムの製造方法。
3 . エネルギー密度を、 アブレーシヨンが起こる閾値直下に設定することにより、 該基材の表面形状を平坦に保ち、 該基材そのものの屈折率変調を伴わせて表面型 ホログラムを形成することを特徴とする請求の範囲第 1項記載のニビ一ムレ一ザ —干渉露光法によるホロダラムの製造方法。
4 . シリカガラスまたはゲルマニューム添加シリカガラスを基材とし、 エネルギ —密度を、 光誘起構造変化がおこる閾値以上、 アブレ一シヨンが起こる閾値以下 に設定することにより、 光誘起構造変化に伴う体積変化による表面型ホ口グラム を形成することを特徴とする請求の範囲第 1項乃至第 3項のいずれかに記載の二 ビームレ一ザ一干渉露光法によるホログラム製造方法。
5 . 請求の範囲第 1項乃至第 4項のいずれかに記載の方法で製造した表面型ホロ グラムの表面凹凸を拡大するために化学エッチングを行うことを特徴とするホロ グラム製造方法。
6 . 同方向から入射する二つのビームの該基材への入射位置および角度を調整す ることにより、 該基材の深さ方向の位置および表面面積が調整された透過型ホロ グラムを形成することを特徴とする請求の範囲第 1項記載の二ビームレーザ—干 渉露光法によるホログラムの製造方法。
7 . 対向して該基材に入射する二ビームの集光の合致位置および集光スポットの サイズを光学遅延回路およびミラ一により制御して、 該基材内部に設定すること より、 基材内部に埋め込まれ、 深さ方向の位置および表面面積が調整され、 さら に、 レーザ一パルスの時間幅を制御することにより、 ホログラム総厚みが調整さ れた埋め込み型反射型体積ホログラムを形成することを特徴とする請求の範囲第 1項記載の二ビームレーザ一干渉露光法によるホログラムの製造方法。
8 . 対向して該基材に入射する二ビームの集光合致位置を、 光学遅延回路および ミラーで制御することによって、 該基材内のホログラムの深さ位置を変化させ、 深さ方向に複数のホログラムを埋め込むことにより多層ホログラム記録媒体を形 成することを特徴とする請求の範囲第 1項記載の二ビームレーザ一干渉露光法に よるホログラムの製造方法。 !
9. 該基材として、 反転対称性のない透明結晶またはガラスを用いて、 該材料の 温度を調整し、 電場を印加しながら、 擬位相整合したドメイン反転型格子を形成 することを特徴とする請求の範囲第 1項記載の二ビームレーザ一干渉露光法によ るホログラムの製造方法。
1 0. 該基材として、 石英、 ガラス、 サフアイャ、 L i NBO L i T a 03、 Z r〇2、 C a F2、 ダイヤモンド、 またはアクリル樹脂から選ばれる可視光に対して 透明な材料、 あるいはシリコン、 G e、 G a A s、 A 1 N、 I n P、 G a N、 Z n S、 Z n S e、 Z n〇、 S i C、 またはそれら間の混晶から選ばれる半導体材 料を用いて、 表面レリーフ型ホログラム、 表面型ホログラム、 または体積ホログ ラムを形成することを特徴とする請求の範囲第 1項記載のニビ—ムレ—ザ—干渉 露光法によるホロダラムの製造方法。
1 1. 該基材として、 金、 銀、 白金、 銅、 ニッケル、 クロム、 アルミニウム、 力 ドミゥム、 タンタル、 超硬合金、 または金属シリ コンから選ばれる金属材料ある いはシリコン、 G e， G a A s, A 1 N, I n P、 G a N, Z n S, Z n S e、 Z nO、 S i C、 またはそれら間の混晶から選ばれる半導体材料を用いて、 表面 レリーフ型ホログラムを形成することを特徴とする請求の範囲第 1項記載のニビ
—ムレーザ一干渉露光法によるホログラムの製造方法。
1 2. 該基材は、 露光時に真空中に置かれることを特徴とする請求の範囲第 1項 記載の二ビームレーザ一露光法によるホログラムの製造方法。
1 3. 複数のレーザ一パルスによって同じかまたは異なるホログラムを製造し、 それぞれのパルスで製造されたホログラムを重ね合わせることを特徴とする請求 の範囲第 1項記載の二ビームレーザー干渉露光法によるホログラム製造方法。
14. それぞれのレーザーパルスの偏光面を回転させるかまたは偏光面を固定し て、 基材を回転させることを特徴とする請求の範囲第 1項記載の二ビームレーザ 一干渉露光法によるホログラム製造方法。
1 5. それぞれのレーザ一パルス照射間に基材を平行移動させることを特徴とす る請求の範囲第 1項記載の二ビームレーザー干渉露光法によるホログラム製造方 法。
1 6. 該基材を、 該基材に近い屈折率を持つ溶液中に浸すか、 該基材表面に該溶 液を塗布するか、 または該基材の表面に反射防止膜を形成することを特徴とする 請求の範囲第 1項記載の二ビームレーザ一露光法によるホログラムの製造方法。
1 7. 請求の範囲第 1項乃至第 1 6項のいずれか一に記載の方法より可視光に対 して透明な化合物、 半導体材料、 または金属に不可逆的に形成されたホログラム。
18. ダイヤモンド、 アルミナ、 サフアイャ、 または A 1203、 S i 02の両者あ るいは一方を含む組成からなるガラスをレーザー媒体として、 エキシトン、 バン ド間遷移に由る固有発光、 固有欠陥による発光、 または添加不純物による発光を 用い、 請求の範囲第 1 7項記載のホログラムを回折格子とした分布ブラック反射 型 （DBR) または分布帰還型 （DFB) レーザ一。
1 9. フェムト秒レーザ一光源、 該レーザ一からのパルスビームを二つに分割す るためのビームスプリ ッタ一、 パルス光の集光合致位置を時間的に制御するため の光学遅延回路および空間的に制御するための反射面が平面のミラーと凹面のミ ラーと該ミラーを微回転するための機構からなる光学系からなることを特徴とす る請求の範囲第 1項記載の方法に用いる二ビームレーザ一干渉露光法によるホロ グラム製造装置。 j 2 0 . レーザービームをガウス型に整形し、 ホログラム形成の閾値を低下させる アパーチャ一制御素子を付加したことを特徴とする請求の範囲第 1 9項記載のホ ログラム製造装置。
2 1 . 空気の非線型性に基づくフユムト秒レーザー光の三倍高調波ないし三倍和 周波を用い、 2つのビームの時間的、 空間的合致度を検出することを特徴とする 請求の範囲第 1 9項または第 2 0項記載のホログラム製造装置。
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