DE60119192T2

DE60119192T2 - Für optisch funktionierende Elemente geeignetes Glas und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE60119192T2
Application number: DE60119192T
Authority: DE
Inventors: c/o Chemical Research Center of Kiyotaka Ube-shi Miura; c/o Chemical Research Center of Seiji Ube-shi Fujiwara; c/o Chemical Research Center of Takuya Ube-shi Teshima; Chemical Research Center of Natsuya Ube-shi Nishimura; c/o Chemical Research Center of Yoshinori Ube-shi Kubota
Original assignee: Central Glass Co Ltd
Current assignee: Central Glass Co Ltd
Priority date: 2000-02-22
Filing date: 2001-02-19
Publication date: 2006-10-26
Anticipated expiration: 2021-02-20
Also published as: DE60119192D1; US6645893B2; JP3657164B2; US20010031691A1; JP2001235609A; EP1127859A1; EP1127859B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Mehrere Verfahren zur Ausbildung einer künstlichen, multidimensionalen, cyclischen oder periodischen Struktur, welche eine Periodizität im Wesentlichen gleich derjenigen einer Wellenlänge des Lichtes besitzt, sind bekannt. K. Inoue et al., Jpn. J. Apl. Phys. Lett., Vol. 33, L1463 (1994) beschreiben ein Verfahren zum Recken einer runde Löcher tragenden Fiberplatte. C.C. Cheng et al., J. Vac. Sci. Technol., B14, 4110 (1996) beschreiben ein Verfahren zur Ausbildung einer cyclischen Submikronstruktur mit Bezug auf GaAs durch Trockenätzen. S. Kawakami, Electron. Lett., Vol. 33, No. 14, 1260 (1997) beschreiben ein Verfahren zur Ausbildung eines cyclisch ausgesparten und hervorragenden Musters auf einem Quarzsubstrat durch Elektronenstrahllithographie- und Trockenätzungstechniken und danach Laminieren eines Multischichtfilmes auf das resultierende Substrat durch eine Biassputtermethode, ausgerüstet mit einem Si-Target, einem SiO₂-Target und einer rotierenden Substratelektrode in derselben Kammer. Andererseits ist ein Verfahren zum Anlegen eines Ar-Excimerlaserstrahls von 126 nm Wellenlänge und eines Elektronenstrahls unter Vakuum auf eine Oberfläche von SiO₂-Glas und hierdurch Aufheben einer Si-O-Bindung, wodurch Si gebildet werden kann, als ein Verfahren zur Erzeugung von Nichtmetallionen aus Glas bekannt. Da jedoch der größere Teil des Excimerlaserstrahls und des Elektronenstrahls in der Oberfläche des Lasers absorbiert werden, tritt Bildung von Si nur auf der Oberfläche hiervon auf, und Si kann nicht selektiv im Inneren des Glases abgelagert werden. Daher ermöglicht dieses Verfahren nicht die Bildung einer multidimensionalen, cyclischen Struktur.
Bei Betrachtung der Bildung einer künstlichen, multidimensionalen, cyclischen Struktur erlaubt das oben erwähnte Fiberplattenreckverfahren, bei welchem eine Fiberplatte in einer Richtung gereckt wird, im Prinzip die Bildung einer bis zu nur zweidimensionalen cyclischen Struktur. Bei dem Verfahren unter Anwendung der Trockenätztechniken ist eine Grenze für ein Darstellungsverhältnis (ein Verhältnis von Tiefe zu Durchmesser) gegeben, so dass die Periodizität von einer dreidimensionalen Anordnung beschränkt ist. Das Biassputterverfahren erlaubt die Auswahl einer Struktur (Gestalt) und hat keine Beschränkungen hinsichtlich der Periodizität, so daß dieses Verfahren in der Lage ist, eine dreidimensionale cyclische Struktur zu bilden. Jedoch eine nach diesem Verfahren hergestellte cyclische Struktur wird in starkem Maße durch die Gestalt eines durch Trockenätztechnik gebildeten Substrates beeinflußt. Daher kann eine gleichförmige cyclische Struktur gebildet werden, jedoch ist es schwierig, Strukturen eines diskontinuierlichen Zyklus und kontinuierliche Herstellung von cyclischen Strukturen von unterschiedlichen Mustern. zu bilden.
Japanische Patent Abstracts, Vol. 1999, No. 08, 30. Juni 1999, beschreibt ein Glasmaterial mit metallischen Mikroteilchen, welche selektiv in einem spezifizierten Muster innerhalb des Materials abgelagert sind. Das Glasmaterial wird durch Photoreduktion von Metallionen in der Glasmatrix mit gepulsten Laserstrahlen erhalten.
Kaempfe, M. et al., "Ultrashort laser pulse induced deformation of silver nanoparticles in glass", Applied Physics Letters, Vol. 74, No. 9 (1999), S. 1200–1202, beschreiben die Deformation von sphärischen Silbernanoteilchen in Glas durch Bestrahlung mit ultrakurzem Laserpuls.
Die EP 0 989 102 A1 beschreibt ein amorphes Material, z.B. Glas, das einen kristallinen Bereich enthält, der durch Bestrahlung von gepulstem Licht auf den amorphen Bereich gebildet ist. Kristallverbindungen werden in dem bestrahlten Abschnitt des amorphen Materials gebildet.
Libing Zhang und Jeffery L. Coffer in Journal of Sol-Gel Science and Technology, Vol. 11, No. 3 (1988) beziehen sich auf Siliziumdioxidsol-Gele, welche Si-Nanokristallite einschließen. Lumineszente Si-Nanokristallite, extrahiert aus porösem Si werden in Siliziumdioxidsol-Gelmatrizes eingebaut.
Hideo Hosono et al., Journal of Non. Crystalline Solids, Vol. 142, No. 3 (1992) Yukihito Suzuki und Yosh beschreiben die Bildung von Phosphorkolloiden von Nanoabmessungen durch Implantieren von Phosphorionen in SiO₂-Gläser bei einer Energie von 180 keV bis zu Dosen von 3 × 10¹⁵ bis 5 × 10¹⁷ Ionen/cm² bei Zimmertemperatur.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Glas bereitzustellen, das für optische funktionelle Elemente geeignet ist, welches selektiv in einer Matrix des Glases gebildete Siliziumteilchen enthält.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines solchen Glases.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein für optisch funktionelle Elemente geeignetes Glas geliefert. Dieses Glas umfaßt (a) eine Matrix, die eine Verbindung von Silizium und (b) eine Vielzahl von selektiv in dieser Matrix gebildeten Teilchen umfaßt. Diese Teilchen bestehen aus Silizium in elementarer Form, dissoziiert aus dieser Verbindung durch Konzentrieren eines gepulsten Laserstrahls in dieser Matrix, wobei ein künstliches Muster von diesen Teilchen in dieser Matrix gebildet wird, wobei diese Teilchen in einem punktierten und/oder einem linearen Zustand abgelagert sind und diese Teilchen multidimensional und in regelmäßigen Abständen in dieser Matrix gebildet sind.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Glases, das für optische funktionelle Elemente geeignet ist, bereitgestellt. Dieses Verfahren umfaßt (a) Bereitstellung eines Rohglases, das ein Ausgangsmaterial von diesem Glas ist, wobei dieses Rohglas eine Verbindung von Silizium umfaßt, (b) Konzentrieren eines gepulsten Laserstrahls zu einem Brennpunkt in diesem Rohglas, so dass eine Vielzahl von Teilchen selektiv in diesem Rohglas an einer Stelle, welche diesem Brennpunkt entspricht, gebildet wird, wobei diese Teilchen aus Silizium in der elementaren Form, dissoziiert aus dieser Verbindung, gebildet werden, und (c) Bewegen dieses Brennpunktes in diesem Rohglas zur Herstellung eines Musters dieser Teilchen, bei welchem dieses Muster dieser Teilchen ein punktiertes und/oder ein lineares Musters ist und diese Teilchen multidimensional und in regelmäßigen Abständen in diesem Rohglas gebildet werden, wobei dieses Konzentrieren intermittierend durch An- und Abschalten dieses gepulsten Laserstrahles durchgeführt wird, während dieser Brennpunkt in diesem Rohglas bewegt wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Detail mit Bezugnahme auf die folgende Zeichnung beschrieben.
1 ist ein schematisches Diagramm einer Vorrichtung zur Durchführung des Abscheidungsverfahrens der Siliziumteilchen entsprechend der vorliegenden Erfindung; und
2 ist eine schematische perspektivische Ansicht, welche eine dreidimensionale periodische Struktur, die in Beispiel 3 erhalten wurde, zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden kann zur Vereinfachung ein Glas entsprechend der vorliegenden Erfindung bezeichnet werden als "ein Glas mit abgelagerten nichtmetallischen Teilchen". Dieses Glas kann durch selektive Herstellung von Bereichen erhalten werden, in welchen nichtmetallische Teilchen (d.h. aus Silizium hergestellte Teilchen) in einem punktierten oder linearen Zustand im Inneren eines Glasmaterials (Matrix) in einem Periodizitätszyklus abgelagert werden, der im Wesentlichen gleich derjenigen einer Wellenlänge des Lichtes ist und hierdurch eine künstliche, multidimensionale, cyclische oder periodische Struktur ausgebildet wird, welche einen Periodizitätszyklus aufweist, der im Wesentlichen gleich derjenigen einer Wellenlänge des Lichtes ist. Das Glas kann in effektiver Weise für Elemente mit optischer Funktion verwendet werden, beispielsweise als ein optisches Filter, eine Vorrichtung für Multiplexing und Demultiplexing von optischen Wellen und ein Lichtdispersionskompensationselement, welche angepaßt sind, das Licht in einem zweidimensionalen oder dreidimensionalen Raum zu steuern. So ist es gemäß der vorliegenden Er findung möglich, ein Glas mit Ablagerungen von Nichtmetall bereitzustellen, das eine multidimensionale, cyclische Struktur eines willkürlichen Musters aufweist, und ein Verfahren zur einfachen Herstellung einer multidimensionalen, cyclischen Struktur und zur Herstellung eines Glases mit nichtmetallischer Ablagerung, das einen hohen Freiheitsgrad zur Ausbildung von Mustern besitzt, bereitzustellen.
Die nichtmetallische Verbindung (d.h. die Verbindung von Silizium) in der vorliegenden Erfindung kann ein Oxid, Halogenid oder dergleichen, das Silizium enthält, sein. Die abgelagerten nichtmetallischen Teilchen sind aus Silizium hergestellt, das aus der nichtmetallischen Verbindung dissoziiert ist. Das Glas mit abgelagerten nichtmetallischen Teilchen wird durch Konzentrieren oder konvergentes Anlegen eines gepulsten Laserstrahles auf ein die nichtmetallische Verbindung enthaltendes Glasmaterial (d.h. ein Rohglas) hergestellt, so dass ein Konvergenzpunkt im Inneren des Glasmaterials positioniert wird. Die nichtmetallischen Teilchen werden selektiv in einem punktierten oder linearen Zustand in einer Stellung in einer Nachbarschaft des konvergierenden Punktes des Laserstrahls (d.h. dem Brennpunkt) durch relative Bewegung des konvergierenden Punktes in dem Inneren des Glasmaterials oder durch An- und Abschalten des Laserstrahls während relativer Bewegung des Konvergenzpunktes abgelagert. Hierdurch ist es möglich, eine multidimensionale, cyclische oder periodische Struktur herzustellen, in welcher die Siliziumteilchen in einer willkürlichen Gestalt, beispielsweise einer punktierten oder linearen Gestalt, abgelagert sind.
In der vorliegenden Erfindung wird ein gepulster Laserstrahl konvergent auf das Innere des Glases angelegt, wodurch im Inneren des Glases in Abhängigkeit von der Intensitätsverteilung des Pulsstrahles eine Veränderung des Brechungsindex erfolgt. Als ein Ergebnis konvergiert der Pulsstrahl in dem Inneren des Glases selbst (divergiert nicht, sondern fährt fort, über eine vorbestimmte Distanz konvergiert zu sein, obwohl das konvergierte Licht hauptsächlich erneut divergiert), um einen Anstieg der lokalen Energiedichte zu bewirken. Wenn eine vorbestimmte Energiedichte erreicht ist, wird die optische Energie zu dem Glas als Folge der mehrfachen Photonenabsorption übertragen, bei der ein Absorptionskoeffizient proportional zu der n-ten Stärke der Intensität des Laserstrahles ist, selbst wenn ein Lichtabsorptionsbereich des Glases und eine Wellenlänge des Pulsstrahles nicht miteinander übereinstimmen. Als Folge der momentan in einem lokalen Bereich des Inneren des Glases angesammelten Energie steigen die Temperatur und der Druck des Abschnittes des Glases, welcher dem Laserstrahl-Konvergenzpunkt entspricht, momentan an. Daher wird die in dem Glas enthaltene Siliziumverbindung dissoziiert, und die gebildeten Teilchen aus dissoziiertem Silizium (in der elementaren Form) sammeln sich und werden in einer Position in der Nachbarschaft des Laserstrahl-Konvergenzpunktes abgelagert. Eine Pulsbreite des gepulsten Laserstrahls, die auf das Glas angelegt wird, ist nicht spezifisch eingeschränkt, jedoch kann, wenn die optische Energie für die Ausdehnung des Glases und die thermische Diffusion verbraucht wird, eine Ablagerungseffizienz der nichtmetallischen Teilchen beeinträchtigt werden. Daher ist es bevorzugt, einen Laserstrahl zu verwenden, der die geringstmögliche Pulsbreite besitzt, die optische Energie zu dem Glas in einer kurzen Zeitspanne zu übertragen und die Pulsbreite nicht höher als 500 Femtosekunden einzustellen.
Die nichtmetallischen Teilchen, welche im Inneren des Glases durch Anlegen eines gepulsten Laserstrahls hierauf abgelagert werden sollen, schließen solche von Silizium und Komplexmaterialien hiervon ein. Beispielsweise schließen die nichtmetallischen Verbindungen, welche in einem Glasmaterial zur Ablagerung von Si hierin enthalten sein müssen, SiO₂ und ein Silizium enthaltendes Halogenid ein. Die nichtmetallischen Teilchen liegen bevorzugt in Form von Feststoff bei Normaltemperatur (z.B. Zimmertemperatur) vor, wenn die Produktion von Glas in Betracht gezogen wird.
Es ist bevorzugt, eine erste Bedingung vorliegen zu haben, bei welcher ein Glasmaterial (Matrix) gebildet wird aus ersten Kationen (beispielsweise Ti-Ionen, Zr-Ionen und Al-Ionen), welche weniger reduzierbar sind als zweite Kationen (z.B. Si⁴⁺) des nichtmetallischen Elementes. Damit werden im Vergleich mit den ersten Kationen die zweiten Kationen selektiv leichter zu den nichtmetallischen Elementen durch Konzentrieren eines gepulsten Laserstrahles in einem Rohglas reduziert, wodurch die nichtmetallischen Teilchen gebildet werden. Weiterhin ist es bevorzugt, eine zweite Bedingung einzuhalten, bei der das tatsächliche Molverhältnis von positiven Ionen, die in einem Rohglas enthalten sind, zu negativen Ionen, die in dem Rohglas enthalten sind, größer als ein stöchiometrisches Molverhältnis der positiven Ionen zu den negativen Ionen ist. Wenn beispielsweise Siliziumoxid in einem Rohglas enthalten sein soll, ist es bevorzugt, ein Siliziumoxid zu verwenden, welches durch die Formel Si_xO₂, worin x größer als 1 ist, wiedergegeben wird. In diesem Fall ist das stöchiometrische Molverhältnis für SiO₂ 1:2. Unter den oben genannten ersten und zweiten Bedingungen ist es möglich, Teilchen von Silizium als Folge der Dissoziation einer Siliziumverbindung, hervorgerufen durch einen gepulsten Laserstrahl mit einer kleinen Energiemenge, zu bilden und gleichzeitig die Oxidation der abgelagerten Siliziumteilchen zu verhüten.
Der Durchmesser der Siliziumteilchen, welche abgelagert werden sollen, kann in geeigneter Weise in Abhängigkeit von dem Zweck variiert werden. Um beispielsweise im Inneren von Glas eine multidimensionale, cyclische (periodische) Struktur für das Licht eines 1,5 μm Bandes zu bilden, welche bei optischer Kommunikation verwendet wird, ist es bevorzugt, Si mit einem Teilchendurchmesser von rund 0,5 μm abzulagern. Ein Bereich des Durchmessers von Siliziumteilchen ist entsprechend mit einem Lichttransmissionsbereich einzuschränken, und spezielle Einschränkungen gelten hierfür nicht. Eine Wellenlänge des Lichtes, welches für allgemeine Glasmaterialien verwendet werden kann, beträgt ungefähr 0,2–4 μm. Um das Licht zu steuern, ist es erforderlich, dass ein Intervall oder ein Abstand (Zyklus) von cyclischen Strukturen eingestellt wird, welcher im Wesentlichen gleich einer angenommenen Wellenlänge von Licht innerhalb eines Mediums ist. Wenn das Intervall von cyclischen Strukturen außerhalb dieses Bereiches ist, kann das Licht absorbiert werden, wodurch ein Verlust hervorgerufen wird. Daher beträgt der Teilchendurchmesser bevorzugt ungefähr 0,1–2 μm, eine Hälfte der oben erwähnten Wellenlänge von 0,2–4 μm.
Um Siliziumteilchen im Inneren des Glases selektiv abzulagern, wird ein gepulster Laserstrahl innerhalb hiervon konvergiert. Wenn ein Konvergenzpunkt in dem Glas bewegt wird, wird eine Siliziumverbindung nur in dem Abschnitt des Glases dissoziiert, in welchem der gepulste Laserstrahl konvergiert ist, um zu bewirken, dass Siliziumteilchen gebildet werden. Während dieser Zeit können die Siliziumteilchen in einem punktierten oder linearen Zustand im Inneren des Glases durch Punktbestrahlung oder kontinuierliche Bestrahlung mit gepulstem Laserstrahl abgelagert werden. Weiterhin wird, wenn der Konvergenzpunkt dreidimensional relativ zu dem Glas bewegt wird, ein dreidimensionaler Bereich von abgelagerten Siliziumteilchen in dem Glas gebildet, so dass eine multidimensionale, cyclische Struktur, bestehend aus Siliziumteilchen, im Inneren des Glases gebildet werden kann. Es ist möglich, den Laserstrahl-Konvergenzpunkt relativ zu dem Glas zu bewegen, indem das Glasmaterial bewegt wird, während der Laserstrahl-Konvergenzpunkt in einer Stellung fixiert ist, oder durch Bewegung des Konvergenzpunktes, während das Glasmaterial in einer Stellung fixiert ist, oder durch Bewegen von sowohl dem Konvergenzpunkt als auch dem Glasmaterial.
Der Durchmesser der Siliziumteilchen, welche abgelagert werden sollen, kann durch Veränderung der Menge von Pulsenergie eines Laserstrahls, der an das Glas angelegt wird, die Pulsbreite, die Anzahl von Bestrahlungspulsen, den Durchmesser eines das Licht konvergierenden Punktes und die Menge einer Siliziumverbindung, welche in dem Glas enthalten sein muß, verändert werden.
Die Wellenlänge eines gepulsten Laserstrahls ist bevorzugt nicht in Übereinstimmung mit dem Absorptionswellenlängenbereich des Glases. wenn jedoch die Absorption des Laserstrahls zu einem solchen Ausmaß erfolgt, welche erlaubt, dass die Energiedichte hoch genug zum Ablagern von Siliziumteilchen in nur einem Bereich des Glases ist, welche in der Nähe des Laserstrahl-Konvergenzpunktes liegt, kann ein gepulster Laserstrahl in der Erfindung verwendet werden. Wenn die Wellenlänge des gepulsten Laserstrahles mit der Absorptionswellenlänge des Glases übereinstimmt, wird die optische Energie in einem anderen Bereich als dem Laserstrahl-Konvergenzbereich absorbiert, beispielsweise in einer Oberfläche des Glases. Wenn die optische Energie in der Glasoberfläche absorbiert wird, bei welcher ein vorkommender Anstieg der Temperatur und des Druckes als Folge der Begrenzung der Energie gering ist, verglichen mit dem im Inneren des Glases, kann es schwierig werden, Siliziumteilchen abzuscheiden. Es kann nämlich ein Abschnitt des Glases, in welchem die Ablagerung von Siliziumteilchen vorkommt, auf die Oberfläche hiervon beschränkt werden, und die multidimensionale Ablagerung von Siliziumteilchen kann nicht erreicht werden.
Die folgenden nicht beschränkenden Beispiele dienen der Erläuterung der Erfindung.
BEISPIEL 1
Ein Rohmaterial wurde zu 10 g ausgewogen, so dass die Zusammensetzung, ausgedrückt in Mol-%, des Materials 80SiO₂-20Al₂O₃ wurde. Das Material wurde in einer Stickstoffatmosphäre in einem Graphittiegel hoher Dichte bei 2600°C für 5 Minuten geschmolzen, und ein resultierendes Produkt wurde abgeschreckt, um eine halbkugelförmige Glasprobe zu erzeugen. Diese Glasprobe wurde geschnitten und poliert, um eine Probe in Form einer 2 mm dicken Platte herzustellen. Die so erhaltene Probe wurde mit einem konvergierten, gepulsten Laserstrahl nach einem Verfahren, wie es in 1 gezeigt ist, bestrahlt. Hierzu wurde der gepulste Laserstrahl 1 mittels einer Linse 2 konvergiert und so eingeregelt, dass ein Konvergenzpunkt 3 im Inneren der Probe 4 auf einem Halter XYZ 5 positioniert wurde. Als gepulster Laserstrahl 1 wurde das Licht verwendet, oszilliert durch einen durch Ar-Laserstrahl angeregten Ti-Saphirlaser und mit einer Pulsenergie von 5 μJ, einer Pulsbreite von 130 Femtosekunden, einem Wiederholungszyklus von 20 Hz und einer Wellenlänge von 800 nm. Gleichzeitig mit dem Beginn des Anlegens dieses Laserstrahles auf die Glasprobe wurde die Glasprobe hiermit bei einer Geschwindigkeit von 10 μm/sec in der X-Richtung gescannt. Nach Abschluß des Laserstrahl-Anwendungsvorganges wurde die Glasprobe durch ein optisches Mikroskop beobachtet. Hierbei wurden ungefähr 40 schwarze Punkte längs eines mit Laserstrahl bestrahlten Bereiches von 20 μm Länge gefunden. Diese schwarzen Punkte wurden dreidimensional durch ein konfokales Laserabtastmikroskop betrachtet. Hierbei wurde gefunden, dass die Punkte nahezu kugelförmige Teilchen von etwa 0,3 μm Durchmesser waren.
Die Glasprobe wurde dann poliert, bis die schwarzen Punkte auf der Oberfläche hiervon erschienen, und eine Oberflächenanalyse des resultierenden Produktes durch ESCA wurde durchgeführt. Hierbei wurde gefunden, dass die schwarzen Punkte, welche in einem Bereich mit angelegtem Laserpulsstrahl, aus Si gebildet waren.
BEISPIEL 2
Ein Rohmaterial wurde zu 30 g so ausgewogen, dass die in Mol-% ausgedrückte Zusammensetzung des Materials 50SiO₂-50Al(PO₃) ₃ wurde. Dieses Material wurde in einem Platintiegel bei 1500°C für 60 Minuten geschmolzen, und dann wurde das resultierende Glas abgeschreckt. Dieses Glas wurde geschnitten und poliert, um eine plattenförmige Probe von 4 mm Dicke herzustellen. Die Glasprobe wurde dann mit einer Geschwindigkeit von 500 μm/sec in der X-Richtung bewegt, während ein gepulster Laserstrahl mit einer Pulsenergie von 2 μJ, einer Pulsbreite von 130 Femtosekunden, einem Wiederholungszyklus von 200 kHz und einer Wellenlänge von 800 nm konvergent nach demselben Verfahren von Beispiel 1 auf einen Abschnitt der Glasprobe, der 2 mm unter einer äußeren Oberfläche hiervon lag, gerichtet wurde. Die Anwendung des Laserstrahls wurde dann auf einmal abgestoppt und eine fokale Position wurde 2 μm in der Y-Richtung bewegt. Dann wurde die Glasprobe in der -X-Richtung mit einer Geschwindigkeit von 500 μm/sec bewegt, während die konvergente Anwendung des Laserstrahls erneut ausgeführt wurde. Diese Vorgänge wurden 10 mal wiederholt. Nach Abschluß des Vorganges der Laseranwendung wurde die Glasprobe durch ein optisches Mikroskop beobachtet. Hierbei wurde gefunden, dass schwarze Linien in Intervallen von 2 μm längs eines Bereiches mit angelegtem Laserstrahl gebildet worden waren. Die Glasprobe wurde dann poliert, bis die Linien an der äußeren Oberfläche hiervon in Erscheinung traten, und eine Oberflächenanalyse des resultierenden Produktes durch EPMA wurde auf Si, P und O durchgeführt. Hierbei wurde gefunden, dass die Linien aus Si und P gebildet wurden, und dass Si und P als Folge des Laserstrahl-Anwendungsvorganges abgelagert worden waren.
BEISPIEL 3
Ein Rohmaterial wurde zu 10 g ausgewogen, so dass die in Mol-% ausgedrückte Zusammensetzung hiervon 40SiO₂-20BaSiF₆-40Al₂O₃ war. Das Material wurde in einem Graphittiegel hoher Dichte in einer Stickstoffatmosphäre bei 2000°C für 10 Minuten geschmolzen, und das resultierende Produkt wurde zur Herstellung einer Glasprobe abgeschreckt. Die Glasprobe wurde geschnitten und poliert, um eine plattenförmige Probe von 2 mm Dicke herzustellen. Die so erhaltene Probe wurde in derselben Weise wie in Beispiel 1 mit einem gepulsten Laserstrahl, der eine Pulsenergie von 10 μJ, eine Pulsbreite von 130 Femtosekunden, einen Wiederholungszyklus von 20 Hz und eine Wellenlänge von 800 nm hatte, bestrahlt, und die folgenden Stufen (1)–(5) wurden durchgeführt.

(1) Das Glas wurde mit einem Laserstrahl durch Bewegen des Glases mit einer Geschwindigkeit von 10 μm/sec in der X-Richtung gescannt.
(2) Die Anwendung des Laserstrahls wurde auf einmal abgestoppt, und eine fokale Stellung wurde 1 μm in der Y-Richtung bewegt. Die Glasprobe wurde dann in der -X-Richtung mit einer Geschwindigkeit von 10 μm/sec bewegt, während der Laserstrahl konvergent hieran angelegt wurde.
(3) Die obigen Stufen (1) und (2) wurden 10 mal wiederholt.
(4) Die fokale Position wurde 1 μm in der Richtung der Z-Achse (Richtung zu einer äußeren Oberfläche) bewegt, und die Stufen (1), (2) und (3) wurden durchgeführt.
(5) Die Stufen (1)–(4) wurden 10 mal wiederholt.

Die Glasprobe wurde danach durch ein optisches Mikroskop und ein Abtastmikroskop mit konfokalem Laserstrahl beobachtet. Hierbei wurde gefunden, dass schwarze Punkte (Teilchendurchmesser hiervon war 0,5 μm) dreidimensional längs eines Bereiches mit angelegtem Laserstrahl gebildet worden waren, wodurch eine dreidimensionale, cyclische Struktur 6 der schwarzen Punkte in der Glasprobe 7 gebildet worden waren, wie in 2 gezeigt. Die Glasprobe wurde dann poliert, bis die schwarzen Punkte an der äußeren Oberfläche hiervon in Erscheinung traten, und das resultierende Produkt wurde einer Oberflächenanalyse durch ESCA unterzogen. Hierbei wurde gefunden, dass die abgelagerten schwarzen Punkte in dem Bereich der Bestrahlung mit gepulstem Laserstrahl aus Si gebildet waren.
Es wurde weiter bestätigt, dass, wenn die Pulsenergie des gepulsten Laserstrahles eingeregelt wurde, es möglich war, dreidimensionale, cyclische Strukturen aus den Glasmaterialien, die in den Beispielen 1 und 2 verwendet wurden, herzustellen.
Wie oben beschrieben, ist es entsprechend der vorliegenden Erfindung möglich, ein Glas mit abgelagerten nichtmetallischen Teilchen herzustellen, in welchem nichtmetallische Teilchen in einem willkürlichen Abschnitt des Inneren des Glasmaterials durch konvergiertes Anlegen eines gepulsten Laserstrahles in das Innere hiervon abgelagert sind. Ein Be reich, in welchem nichtmetallische Teilchen in einer punktierten oder linearen Anordnung abgelagert sind, wird selektiv im Inneren des Glasmaterials in einem Zyklus gebildet, dessen Periodizität im Wesentlichen gleich derjenigen einer Wellenlänge des Lichtes ist. Auf diese Weise ist es möglich, eine künstliche multidimensionale, cyclische Struktur herzustellen, welche einen Zyklus der Periodizität besitzt, der im Wesentlichen gleich derjenigen der Wellenlänge des Lichtes ist. Daher kann das Glas mit abgelagerten nichtmetallischen Teilchen der Erfindung für Elemente mit optischer Funktion verwendet werden, beispielsweise als ein optisches Filter, eine Licht multiplexierende und demultiplexierende Vorrichtung, ein Lichtstreuungs-Kompensationselement, einen Laseroscillator und einen Lichtverstärker, welche ausgelegt sind, dass Licht in einem zweidimensionalen oder dreidimensionalen Raum zu steuern.
Die gesamten Angaben der japanischen Patentanmeldung No. 2000-043871, eingereicht am 22. Februar 2000, einschließlich Beschreibung, Zeichnung, Ansprüchen und Zusammenfassung wird hier unter Bezugnahme insgesamt aufgenommen.

Claims

Glas, geeignet für optisch funktionelle Elemente, wobei dieses Glas umfaßt: eine Matrix, die eine Verbindung von Silizium und eine Vielzahl von selektiv in dieser Matrix gebildeten Teilchen umfaßt, wobei diese Teilchen aus Silizium in der elementaren Form, dissoziiert aus dieser Verbindung durch Konzentrieren eines gepulsten Laserstrahls in diese Matrix, hergestellt sind, worin ein künstliches Muster dieser Teilchen in dieser Matrix gebildet wird, bei welchem diese Teilchen in einem punktierten oder linearen Zustand abgelagert sind und diese Teilchen multidimensional und in regelmäßigen Abständen in dieser Matrix gebildet sind.
Glas entsprechend Anspruch 1, bei welchem diese Verbindung ein Oxid von diesem Silizium ist.
Glas entsprechend Anspruch 2, bei welchem dieses Oxid SiO₂ ist.
Glas entsprechend Anspruch 1, bei welchem diese Verbindung ein Halogenid ist, welches dieses Silizium enthält.
Glas entsprechend Anspruch 1, bei welchem dieses Glas weiter ein Kation umfaßt, welches diese Matrix, ausgenommen diese Verbindung, bildet, wobei dieses Kation weniger reduzierbar als ein Ion dieses Siliziums ist.
Glas entsprechend Anspruch 5, bei welchem dieses Kation wenigstens eines ist, ausgewählt aus der Gruppe, die aus Ti-Ion, Zr-Ion und Al-Ion besteht.
Glas entsprechend Anspruch 1, bei welchem ein Molverhältnis von in diesem Glas enthaltenen positiven Ionen zu in diesem Glas enthaltenen negativen Ionen größer als ein stöchi ometrisches Molverhältnis von diesen positiven Ionen zu diesen negativen Ionen ist.
Glas entsprechend Anspruch 1, bei welchem diese Teilchen Durchmesser von 0,1 μm bis 2 μm haben.
Glas entsprechend Anspruch 1, bei welchem diese Matrix aus wenigstens einem Glas hergestellt ist, ausgewählt aus der Gruppe, die aus Oxidgläsern, Halogenidgläsern und Chalkogenidgläsern besteht.
Verfahren zur Herstellung eines Glases, welches für optisch funktionelle Elemente geeignet ist, wobei dieses Verfahren umfaßt: (a) Bereitstellen eines Rohglases, das ein Ausgangsmaterial von diesem Glas ist, wobei dieses Rohglas eine Verbindung von Silizium umfaßt, (b) Konzentrieren eines gepulsten Laserstrahles zu einem Brennpunkt in diesem Rohglas derart, daß eine Vielzahl von Teilchen selektiv in diesem Rohglas an einer Stelle, die diesem Brennpunkt entspricht, gebildet wird, wobei diese Teilchen aus Silizium in der elementaren Form, dissoziiert aus dieser Verbindung, gebildet werden, und (c) Bewegen dieses Brennpunktes in diesem Rohglas zur Herstellung eines Musters dieser Teilchen, bei welchem dieses Muster dieser Teilchen ein punktiertes oder ein lineares Muster ist und diese Teilchen multidimensional und in regelmäßigen Abständen in diesem Rohglas gebildet werden, wobei dieses Konzentrieren intermittierend durch An- und Abschalten dieses gepulsten Laserstrahls durchgeführt wird, während dieser Brennpunkt in diesem Rohglas bewegt wird.
Verfahren entsprechend Anspruch 10, bei welchem ein Lichtabsorptionsbereich dieses Rohglases von einer Wellenlänge dieses gepulsten Laserstrahles verschieden ist.
Verfahren entsprechend Anspruch 10, bei welchem dieser gepulste Laserstrahl eine Pulsbreite von nicht größer als 500 Femtosekunden (5 × 10^–13) hat.
Verfahren entsprechend Anspruch 10, bei welchem diese Verbindung ein Oxid dieses Siliziums ist.
Verfahren entsprechend Anspruch 13, bei welchem dieses Oxid SiO₂ ist.
Verfahren entsprechend Anspruch 10, bei welchem diese Verbindung ein Halogenid ist, welches dieses Silizium enthält.
Verfahren entsprechend Anspruch 10, bei welchem dieses Rohglas weiter ein Kation umfaßt, welches weniger reduzierbar als ein Ion dieses Siliziums ist.
Verfahren entsprechend Anspruch 16, bei welchem dieses Kation wenigstens eines ist, ausgewählt aus der Gruppe, die aus Ti-Ion, Zr-Ion und Al-Ion besteht.
Verfahren entsprechend Anspruch 10, bei welchem ein Molverhältnis von in diesem Glas enthaltenen positiven Ionen zu in diesem Glas enthaltenen negativen Ionen größer als ein stöchiometrisches Molverhältnis von diesen positiven Ionen zu diesen negativen Ionen ist.
Verfahren entsprechend Anspruch 10, bei welchem dieses Rohglas aus wenigstens einem Glas hergestellt ist, ausgewählt aus der Gruppe, die aus Oxidgläsern, Halogenidgläsern und Chalkogenidgläsern besteht.