JP2001236002A - ホログラムの製造方法および装置 - Google Patents
ホログラムの製造方法および装置Info
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】微小面積にホログラムを作成したり、埋め込み
型のホログラムを多岐の基材に記録可能とする。 【解決手段】 パルス幅が９００〜１０フェムト秒、ピ
ーク出力が１ＧＷ以上で、フーリエ限界またはそれと近
似できるフェムト秒レーザーを光源とし、該レーザーか
らのパルスをビームスプリッター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ー
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１００ＧＷ／ｃｍ2 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、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および装置。
型のホログラムを多岐の基材に記録可能とする。 【解決手段】 パルス幅が９００〜１０フェムト秒、ピ
ーク出力が１ＧＷ以上で、フーリエ限界またはそれと近
似できるフェムト秒レーザーを光源とし、該レーザーか
らのパルスをビームスプリッター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ー
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１００ＧＷ／ｃｍ2 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、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および装置。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】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。
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。
【０００２】
【従来の技術およびその課題】フェムト秒レーザーで
は、１ＴＷ（１０12Ｗ）／ｃｍ2 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、材料はアブレーションされる。材料内部でアブレ
ーショ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
アブレーショ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、アブレーションが起こる閾値
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。
は、１ＴＷ（１０12Ｗ）／ｃｍ2 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、材料はアブレーションされる。材料内部でアブレ
ーショ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
アブレーショ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、アブレーションが起こる閾値
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。
【０００３】小さい面積のスポットに集光したピークエ
ネルギーの高いフェムト秒レーザーを石英ガラス、ＢＫ
７光学ガラス、プラスチック（アクリル）、石英結晶、
サファイヤなどの透明結晶に照射することにより、該材
料をアブレーションさせ、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。
ネルギーの高いフェムト秒レーザーを石英ガラス、ＢＫ
７光学ガラス、プラスチック（アクリル）、石英結晶、
サファイヤなどの透明結晶に照射することにより、該材
料をアブレーションさせ、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。
【０００４】例えば、E.N.Glezer and E.Hazur:Appl.Ph
ys.Lett.71,882,(1997) およびK.Miura,J.Qie,H.Inoue,
T.Mitsuya and K.Hirano:Appl.Phys.Lett.71,3329,(199
7)には、石英ガラスなど非晶質中の任意の場所の屈折率
を増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１−２６７８６１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、
フェムト秒レーザー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。
ys.Lett.71,882,(1997) およびK.Miura,J.Qie,H.Inoue,
T.Mitsuya and K.Hirano:Appl.Phys.Lett.71,3329,(199
7)には、石英ガラスなど非晶質中の任意の場所の屈折率
を増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１−２６７８６１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、
フェムト秒レーザー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。
【０００５】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、内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。
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、内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。
【０００６】チタンサファイヤレーザーの実用化によ
り、コヒーレンス性の高いフェムト秒レーザー光が得ら
れるようになった。これまで、フェムト秒レーザーをダ
イヤモンドなどの薄膜材料に照射した際に、リップルパ
ターンや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
ムト秒レーザー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、チタンサファイヤレーザー光の持つ
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。
り、コヒーレンス性の高いフェムト秒レーザー光が得ら
れるようになった。これまで、フェムト秒レーザーをダ
イヤモンドなどの薄膜材料に照射した際に、リップルパ
ターンや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
ムト秒レーザー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、チタンサファイヤレーザー光の持つ
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。
【０００７】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ーを用い、
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、エ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１００μｍ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。
ンス性の高い、連続光を出力するガスレーザーを用い、
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、エ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１００μｍ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。
【０００８】
【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、１００フェムト秒のパルス光は、距離
に換算して、３０μｍ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
１００μｍ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
ーレンス性が劣化することが予測される。
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、１００フェムト秒のパルス光は、距離
に換算して、３０μｍ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
１００μｍ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
ーレンス性が劣化することが予測される。
【０００９】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ーザービームによる
照射法に替えて、フェムト秒レーザーを用いた二ビーム
ホロ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ー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。
行われていた感光性材料を用いたレーザービームによる
照射法に替えて、フェムト秒レーザーを用いた二ビーム
ホロ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ー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。
【００１０】すなわち、本発明は、パルス幅が９００〜
１０フェムト秒、ピーク出力が１ＧＷ以上で、フーリェ
限界またはそれと近似できるフェムト秒レーザーを光源
とし、該レーザーからのパルスをビームスプリッターに
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１００ＧＷ／ｃｍ2 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、高密度エネルギー照射
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
／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ー干渉露光法によ
るホログラムの製造方法である。
１０フェムト秒、ピーク出力が１ＧＷ以上で、フーリェ
限界またはそれと近似できるフェムト秒レーザーを光源
とし、該レーザーからのパルスをビームスプリッターに
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１００ＧＷ／ｃｍ2 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、高密度エネルギー照射
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
／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ー干渉露光法によ
るホログラムの製造方法である。
【００１１】パルス幅は、好ましくは、５００〜５０フ
ェムト秒、ピーク出力は、好ましくは、１０ＧＷ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
フェ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、１ＴＷ／ｃｍ2 以上で集光する。例えば、
１００フェムト秒は、基材の屈折率を１．５として、空
間距離２０μｍに対応するので、ホログラムの総厚さ
は、１０μｍ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。
ェムト秒、ピーク出力は、好ましくは、１０ＧＷ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
フェ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、１ＴＷ／ｃｍ2 以上で集光する。例えば、
１００フェムト秒は、基材の屈折率を１．５として、空
間距離２０μｍに対応するので、ホログラムの総厚さ
は、１０μｍ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。
【００１２】チタンサファイヤレーザー光は、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干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。
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干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。
【００１３】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。
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。
【００１４】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、ＢＢＯ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
ＢＯ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、ＢＢＯ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。
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、ＢＢＯ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
ＢＯ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、ＢＢＯ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。
【００１５】空気は三次の光学非線型を有しており、Ｂ
ＢＯ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。８８０ｎｍのフェムト秒レーザー
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：２６６ｎｍ）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６４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、ビーム間の
角度に対する制約を除くことが出来る。
ＢＯ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。８８０ｎｍのフェムト秒レーザー
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：２６６ｎｍ）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６４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、ビーム間の
角度に対する制約を除くことが出来る。
【００１６】エネルギー密度を、アブレーションが起こ
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。
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。
【００１７】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
ー照射により、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、アブレー
ションが起こる閾値以下に設定することにより、レーザ
ー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、表面レリーフ型ホログラムを
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。
シリカガラスでは、比較的低いエネルギー密度のレーザ
ー照射により、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、アブレー
ションが起こる閾値以下に設定することにより、レーザ
ー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、表面レリーフ型ホログラムを
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。
【００１８】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ができる。
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ができる。
【００１９】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、基材表面のアブレー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、基材表面のアブレー
ショ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っても、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。
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、基材表面のアブレー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、基材表面のアブレー
ショ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っても、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。
【００２０】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
およびミラーにより制御して、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、コヒー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。
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
およびミラーにより制御して、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、コヒー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。
【００２１】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。
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。
【００２２】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。
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。
【００２３】該基材として、石英、ガラス、サファイ
ヤ、ＬｉＮＢＯ3 、ＬｉＴａＯ3 、ＺｒＯ2 、Ｃａ
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、Ｇｅ，
ＧａＡｓ，ＡｌＮ，ＩｎＰ、ＧａＮ，ＺｎＳ，ＺｎＳ
ｅ、ＺｎＯ、ＳｉＣ、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。
ヤ、ＬｉＮＢＯ3 、ＬｉＴａＯ3 、ＺｒＯ2 、Ｃａ
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、Ｇｅ，
ＧａＡｓ，ＡｌＮ，ＩｎＰ、ＧａＮ，ＺｎＳ，ＺｎＳ
ｅ、ＺｎＯ、ＳｉＣ、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。
【００２４】該基材として、金、銀、白金、銅、ニッケ
ル、クロム、アルミニウム、カドミウム、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，ＧａＡｓ，ＡｌＮ，ＩｎＰ、ＧａＮ，Ｚｎ
Ｓ，ＺｎＳｅ、ＺｎＯ、ＳｉＣ、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。
ル、クロム、アルミニウム、カドミウム、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，ＧａＡｓ，ＡｌＮ，ＩｎＰ、ＧａＮ，Ｚｎ
Ｓ，ＺｎＳｅ、ＺｎＯ、ＳｉＣ、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。
【００２５】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
密度エネルギーによる基材のアブレーションまたは構造
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。
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
密度エネルギーによる基材のアブレーションまたは構造
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。
【００２６】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。真空中に置くことによって、アブレ
ーショ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。
置くことができる。真空中に置くことによって、アブレ
ーショ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。
【００２７】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。
【００２８】さらに、本発明は、ダイヤモンド、アルミ
ナ、サファイヤ、またはＡｌ2 Ｏ3、ＳｉＯ2 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、
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（ＤＢＲ）または分布帰還型（Ｄ
ＦＢ）レーザーである。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ーを作り
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ＤＦＢまたはＤＦＢレーザーを
作成できる。
ナ、サファイヤ、またはＡｌ2 Ｏ3、ＳｉＯ2 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、
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（ＤＢＲ）または分布帰還型（Ｄ
ＦＢ）レーザーである。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ーを作り
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ＤＦＢまたはＤＦＢレーザーを
作成できる。
【００２９】さらに、本発明は、フェムト秒レーザー光
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
る上記の方法に用いる二ビームレーザー干渉露光法によ
るホログラム製造装置である。この装置には、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ー制御素子を付加することができ
る。
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
る上記の方法に用いる二ビームレーザー干渉露光法によ
るホログラム製造装置である。この装置には、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ー制御素子を付加することができ
る。
【００３０】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ー、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。
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ー、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。
【００３１】さらに、平面ミラー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
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
【００３２】
【発明の実施の形態】図１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。フェムト秒レーザー光
源から照射されたレーザービームは、平面ミラーＭ１に
より反射され、ビームスプリッターとして用いるハーフ
ミラーＨＦ１で、ビームＢ１とビームＢ２に分けられ
る。ビームＢ１は、平面ミラーＭ２と凹面ミラーＭ３で
反射され、基材Ｓ１の表面または内部に集光する。凹面
ミラーＭ３の替わりに、平面ミラーＭ３´と肉厚の薄い
レンズＬ１を用いても良い。ビームＢ２は、平面ミラー
Ｍ４、平面ミラーＭ５で反射され、さらに凹面ミラーＭ
６で反射され、基材Ｓ１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Ｌ２と平面ミラー
Ｍ６´とを用いてもよい。
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。フェムト秒レーザー光
源から照射されたレーザービームは、平面ミラーＭ１に
より反射され、ビームスプリッターとして用いるハーフ
ミラーＨＦ１で、ビームＢ１とビームＢ２に分けられ
る。ビームＢ１は、平面ミラーＭ２と凹面ミラーＭ３で
反射され、基材Ｓ１の表面または内部に集光する。凹面
ミラーＭ３の替わりに、平面ミラーＭ３´と肉厚の薄い
レンズＬ１を用いても良い。ビームＢ２は、平面ミラー
Ｍ４、平面ミラーＭ５で反射され、さらに凹面ミラーＭ
６で反射され、基材Ｓ１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Ｌ２と平面ミラー
Ｍ６´とを用いてもよい。
【００３３】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Ｂ２を平面ミラーＭ７および平面ミラ
ーＭ８によって、基材Ｓ１の内部に集光させる。凹面ミ
ラーＭ６に替えて、レンズＬ２と平面ミラーＭ６’とを
用いてもよい。なお、図１に細い点線で示す様に、Ｈｅ
−Ｎｅレーザー光を平面ミラー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。
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Ｂ２を平面ミラーＭ７および平面ミラ
ーＭ８によって、基材Ｓ１の内部に集光させる。凹面ミ
ラーＭ６に替えて、レンズＬ２と平面ミラーＭ６’とを
用いてもよい。なお、図１に細い点線で示す様に、Ｈｅ
−Ｎｅレーザー光を平面ミラー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。
【００３４】平面ミラー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、平面ミラーＭ４お
よび平面ミラーＭ５をマイクロノギスで、１ミクロンの
オーダーで微動させ、ビームＢ１とビームＢ２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。凹面ミラーＭ３、凹面ミラーＭ６、ま
たは平面ミラーＭ８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
Ｌ１およびＬ２は、コヒー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Ｓ１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ーは、従来の連
続光を用いた二ビームレーザー干渉露光法で得られるも
のと同様に求められる。
遅延回路として機能する。すなわち、平面ミラーＭ４お
よび平面ミラーＭ５をマイクロノギスで、１ミクロンの
オーダーで微動させ、ビームＢ１とビームＢ２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。凹面ミラーＭ３、凹面ミラーＭ６、ま
たは平面ミラーＭ８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
Ｌ１およびＬ２は、コヒー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Ｓ１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ーは、従来の連
続光を用いた二ビームレーザー干渉露光法で得られるも
のと同様に求められる。
【００３５】基材Ｓ１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Ｓ１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、一つのパルスレーザー光で、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、レーザー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９０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９０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。
イクロノギスを用いて微動させ、基材Ｓ１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、一つのパルスレーザー光で、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、レーザー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９０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９０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。
【００３６】また、レーザーパルスごとに、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Ｓ１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８００ｎｍのフェムト秒レーザーを用いた場
合、透過型ホログラムにおける最小フリンジ間隔は、４
００ｎｍであるので、この方法により、フリンジ間隔が
２００ｎｍ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、波長の短いフェムト秒レーザ
ーを用いても良い。
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Ｓ１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８００ｎｍのフェムト秒レーザーを用いた場
合、透過型ホログラムにおける最小フリンジ間隔は、４
００ｎｍであるので、この方法により、フリンジ間隔が
２００ｎｍ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、波長の短いフェムト秒レーザ
ーを用いても良い。
【００３７】レーザ−は、好適には、再生増幅チタンサ
ファイヤレーザーで、発振中心波長は、約８００ｎｍ、
パルス幅は約１００フェムト秒、パルスエネルギーは、
約１ｍＪ／パルスで、ピーク出力に換算すると、約１０
ＧＷとするとよい。集光スポットサイズは、好適には、
約１００μｍ径で、ピークエネルギーに換算すると、約
１００ＴＷ／ｃｍ2 とするとよい。
ファイヤレーザーで、発振中心波長は、約８００ｎｍ、
パルス幅は約１００フェムト秒、パルスエネルギーは、
約１ｍＪ／パルスで、ピーク出力に換算すると、約１０
ＧＷとするとよい。集光スポットサイズは、好適には、
約１００μｍ径で、ピークエネルギーに換算すると、約
１００ＴＷ／ｃｍ2 とするとよい。
【００３８】図２は、ビームＢ１とビームＢ２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、１００フェムト秒は真空中距離にして３０μｍに
対応する。言い換えれば、光は３０μｍの長さにしか存
在していない。また、レーザー波長が０．８μｍである
と、１００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Ｂ１とビ
ームＢ２の光路差を３０μｍ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Ｂ１、ビームＢ２が時間的に合致しない場合は、それ
ぞれ図２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。
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、１００フェムト秒は真空中距離にして３０μｍに
対応する。言い換えれば、光は３０μｍの長さにしか存
在していない。また、レーザー波長が０．８μｍである
と、１００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Ｂ１とビ
ームＢ２の光路差を３０μｍ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Ｂ１、ビームＢ２が時間的に合致しない場合は、それ
ぞれ図２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。
【００３９】図３は、ビームＢ１とビームＢ２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Ｂ１とビームＢ２が空間において交差
した集光点において、図２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ーンが屈折率変調として記録され
る。
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Ｂ１とビームＢ２が空間において交差
した集光点において、図２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ーンが屈折率変調として記録され
る。
【００４０】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。
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。
【００４１】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、光メモリー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
レリー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。
ムは、光情報通信、光メモリー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
レリー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。
【００４２】また、装飾、マーキング、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。
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。
【００４３】さらに、本発明のダイヤモンド、サファイ
ヤ、アルミナ、Ａｌ2 Ｏ3 、ＳｉＯ 2 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）
レーザー素子およびその素子を用いた装置が例示され
る。
ヤ、アルミナ、Ａｌ2 Ｏ3 、ＳｉＯ 2 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）
レーザー素子およびその素子を用いた装置が例示され
る。
【００４４】
【実施例】実施例１ 図１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。平面ミラーＭ３´
とレンズＬ１および平面ミラーＭ６´とレンズＬ２の組
み合わせを用いた。ホログラムを記録する基材Ｓ１は、
大きさ１０×１０×１ｍｍのサファイヤの単結晶を用い
た。このサファイヤ単結晶のｃ面に垂直にレーザービー
ムを入射した。レーザー出力は、約１ｍＪ／パルスと
し、ビームＢ１を０．７ｍＪ、ビームＢ２を０．３ｍＪ
とし、それぞれのビームを約１００μｍ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
レーザービームを整形するために、アパーチャー制御素
子Ａ１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Ｂ１およびＢ２のエネルギーを５
分の１に低減できた。
気中で透過型ホログラムを記録した。平面ミラーＭ３´
とレンズＬ１および平面ミラーＭ６´とレンズＬ２の組
み合わせを用いた。ホログラムを記録する基材Ｓ１は、
大きさ１０×１０×１ｍｍのサファイヤの単結晶を用い
た。このサファイヤ単結晶のｃ面に垂直にレーザービー
ムを入射した。レーザー出力は、約１ｍＪ／パルスと
し、ビームＢ１を０．７ｍＪ、ビームＢ２を０．３ｍＪ
とし、それぞれのビームを約１００μｍ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
レーザービームを整形するために、アパーチャー制御素
子Ａ１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Ｂ１およびＢ２のエネルギーを５
分の１に低減できた。
【００４５】図４に示すように、ビームＢ１とビームＢ
２のなす角度θは、１０度および３０度の二つのケース
で露光し、図５に示すように、それぞれ１．５μｍおよ
び３μｍ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λとして８００ｎｍ、ｎとして空気
の値である１を用い、λ＝ｎ・ｄ・ｓｉｎθ／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５０μｍ径であった。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。
２のなす角度θは、１０度および３０度の二つのケース
で露光し、図５に示すように、それぞれ１．５μｍおよ
び３μｍ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λとして８００ｎｍ、ｎとして空気
の値である１を用い、λ＝ｎ・ｄ・ｓｉｎθ／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５０μｍ径であった。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。
【００４６】この実施例で得られた回折格子１１に、Ｈ
ｅ−Ｎｅレーザー（λ＝６３３ｎｍ）を照射した時のス
クリーン１２に投影された回折パターン１３を図６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。
ｅ−Ｎｅレーザー（λ＝６３３ｎｍ）を照射した時のス
クリーン１２に投影された回折パターン１３を図６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。
【００４７】実施例２ 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、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
ャー制御素子Ａ１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２５０ｎｍ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Ｂ１
は、０．１３ｍＪ、ビーム２は、０．０７ｍＪであっ
た。二つのビームのなす角度θは２０度であった。得ら
れた回折格子のフリンジ間隔は、レーザー波長λとして
８００ｎｍ、ｎとして空気の値である１を用い、λ＝ｎ
・ｄ・ｓｉｎθ／２で与えられる値と一致した。
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
ャー制御素子Ａ１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２５０ｎｍ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Ｂ１
は、０．１３ｍＪ、ビーム２は、０．０７ｍＪであっ
た。二つのビームのなす角度θは２０度であった。得ら
れた回折格子のフリンジ間隔は、レーザー波長λとして
８００ｎｍ、ｎとして空気の値である１を用い、λ＝ｎ
・ｄ・ｓｉｎθ／２で与えられる値と一致した。
【００４８】実施例３ 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、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、Ｓｉ単結晶上に熱酸化で作製したＳ
ｉＯ2薄膜（膜厚：１１４ｎｍ）を用いた。ビームＢ
１、Ｂ２は、それぞれ、エネルギー強度２５μＪで、材
料表面に、約１００μｍ径に集光した。二つのビームの
なす角度は９０度で、計算上の格子間隔は５８０ｎｍで
ある。図７に、得られた回折格子のＡＦＭ像を示す。こ
のＡＦＭ像から、溝深さ２〜３ｎｍ、溝間隔５８０ｎｍ
の表面レリー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。図８に、このホログラムを化学エッチング
する工程を概念的に示す。化学エッチングは、１％フッ
酸溶液で、５分間行った。図９に、エッチング後のホロ
グラムのＡＦＭ像を示す。このＡＦＭ像から、溝の深さ
が１８〜２０ｎｍに深くなり、高いアスペクト比を持っ
た回折格子が得られたことが確認できた。
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、Ｓｉ単結晶上に熱酸化で作製したＳ
ｉＯ2薄膜（膜厚：１１４ｎｍ）を用いた。ビームＢ
１、Ｂ２は、それぞれ、エネルギー強度２５μＪで、材
料表面に、約１００μｍ径に集光した。二つのビームの
なす角度は９０度で、計算上の格子間隔は５８０ｎｍで
ある。図７に、得られた回折格子のＡＦＭ像を示す。こ
のＡＦＭ像から、溝深さ２〜３ｎｍ、溝間隔５８０ｎｍ
の表面レリー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。図８に、このホログラムを化学エッチング
する工程を概念的に示す。化学エッチングは、１％フッ
酸溶液で、５分間行った。図９に、エッチング後のホロ
グラムのＡＦＭ像を示す。このＡＦＭ像から、溝の深さ
が１８〜２０ｎｍに深くなり、高いアスペクト比を持っ
た回折格子が得られたことが確認できた。
【００４９】実施例４ 図１０は、この実施例の方法の概念を示すものである。
図１０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、アセトン、エタノール、メタノール、塩酸水溶
液、硝酸水溶液のうちのいずれか一つを用いた。Ｂ１、
Ｂ２のエネルギー強度は、それぞれ４００μＪで、２つ
のパルス衝突位置は、基材内部に設定した。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
面にアブレーショ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％フッ酸水
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。
図１０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、アセトン、エタノール、メタノール、塩酸水溶
液、硝酸水溶液のうちのいずれか一つを用いた。Ｂ１、
Ｂ２のエネルギー強度は、それぞれ４００μＪで、２つ
のパルス衝突位置は、基材内部に設定した。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
面にアブレーショ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％フッ酸水
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。
【００５０】実施例５ 図１１は、この実施例の方法の概念を示すものである。
図１１に示すように、チタンサファイヤーレーザー（波
長：８００ｎｍ、パルス幅：１００フェムト秒、繰り返
し周波数：１０Ｈｚ）のパルスをビームスプリッター
で、二つのビーム、Ｂ１、Ｂ２に分離した後、大気中で
衝突させた。ビームの強度は、それぞれ０．７５ｍＪと
した。Ｂ１とＢ２のビーム角度は０〜１８０度の間で変
化させた。ミラーＭ１，Ｍ２およびレンズＬ１，Ｌ２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。
図１１に示すように、チタンサファイヤーレーザー（波
長：８００ｎｍ、パルス幅：１００フェムト秒、繰り返
し周波数：１０Ｈｚ）のパルスをビームスプリッター
で、二つのビーム、Ｂ１、Ｂ２に分離した後、大気中で
衝突させた。ビームの強度は、それぞれ０．７５ｍＪと
した。Ｂ１とＢ２のビーム角度は０〜１８０度の間で変
化させた。ミラーＭ１，Ｍ２およびレンズＬ１，Ｌ２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。
【００５１】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ームを整形するために、アパー
チャー制御素子Ａ１を光路に挿入した。ホログラムを記
録する基材Ｓ１は、天然ダイヤモンド（タイプＩＩａ、
ＳＡＷＮカット、光学吸収端：２２０ｎｍ）で、基材の
大きさは、３×３×０．５ｍｍであった。ビームＢ１
は、０．１４ｍＪ、ビームＢ２は、０．０６ｍＪで、両
ビームを基材Ｓ１の内部の位置に約１００μｍ径に集光
した。ビームＢ１とビームＢ２がなす角度θが１０度の
場合で、基材Ｓ１の表面より約１μｍの深さに、約３μ
ｍ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。
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ームを整形するために、アパー
チャー制御素子Ａ１を光路に挿入した。ホログラムを記
録する基材Ｓ１は、天然ダイヤモンド（タイプＩＩａ、
ＳＡＷＮカット、光学吸収端：２２０ｎｍ）で、基材の
大きさは、３×３×０．５ｍｍであった。ビームＢ１
は、０．１４ｍＪ、ビームＢ２は、０．０６ｍＪで、両
ビームを基材Ｓ１の内部の位置に約１００μｍ径に集光
した。ビームＢ１とビームＢ２がなす角度θが１０度の
場合で、基材Ｓ１の表面より約１μｍの深さに、約３μ
ｍ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。
【００５２】ＡＦＭ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、グラファイト状の
カーボンが形成できていることが確認できた。Ｈｅ−Ｎ
ｅレーザーを照射した場合の回折効率は約２０％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。
回折格子の形成部のラマン散乱から、グラファイト状の
カーボンが形成できていることが確認できた。Ｈｅ−Ｎ
ｅレーザーを照射した場合の回折効率は約２０％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。
【００５３】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、Ｓｉ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。Ｂ１，Ｂ
２の強度は、それぞれ２０μＪで、二つのビームの角度
は、１５８度で、基材の表面に約１００μｍ径に集光し
た。図１２に示すＡＦＭ像から、溝間隔：４３０ｎｍの
回折格子が記録されていることを確認した。
の二ビーム一致検出方法を組み込み、Ｓｉ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。Ｂ１，Ｂ
２の強度は、それぞれ２０μＪで、二つのビームの角度
は、１５８度で、基材の表面に約１００μｍ径に集光し
た。図１２に示すＡＦＭ像から、溝間隔：４３０ｎｍの
回折格子が記録されていることを確認した。
【図１】図１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。
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。
【図２】図２は、ビームＢ１とビームＢ２のパルス光の
集光合致位置の時間的制御を示す概念図。
集光合致位置の時間的制御を示す概念図。
【図３】図３は、ビームＢ１とビームＢ２のパルス光の
集光合致位置の空間的制御を示す概念図。
集光合致位置の空間的制御を示す概念図。
【図４】図４は、実施例１の二つのレーザービームの基
材への入射角度を示す概念図。
材への入射角度を示す概念図。
【図５】図５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。
パターンを示す拡大平面図。
【図６】図６は、実施例１により記録された回折格子に
よるＨｅ−Ｎｅレーザーの回折パターンを示す拡大平面
図。
よるＨｅ−Ｎｅレーザーの回折パターンを示す拡大平面
図。
【図７】図７は、 実施例３により記録された回折格子
のＡＦＭ像を示す図面代用写真である。
のＡＦＭ像を示す図面代用写真である。
【図８】図８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。
グする行程の概念図である。
【図９】図９は、実施例３のエッチング後のホログラム
のＡＦＭ像を示す図面代用写真である。
のＡＦＭ像を示す図面代用写真である。
【図１０】図１０は、実施例４の方法の概念図である。
【図１１】図１１は、実施例５の方法の概念図である。
【図１２】図１２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。
を示す図面代用写真である。
Ａ１ アパーチャー制御素子 Ｍ１，Ｍ２，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ７，Ｍ８ 平面ミラー Ｍ３，Ｍ６ 凹面ミラー ＨＦ１ ハーフミラー Ｌ１，Ｌ２ レンズ Ｓ１ 基材 １１ 回折格子 １２ スクリーン １３ 回折パターン
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 河村 賢一 神奈川県相模原市東林間３−８−２メゾン イースト203 Ｆターム(参考） 2H049 AA25 AA34 AA44 AA65 CA05 CA08 CA15 CA28 CA30 2K008 BB01 BB03 BB08 EE01 EE04 EE07 FF07 FF13 FF14 FF17 HH01 HH18 5F072 AB20 KK05 KK15 KK30 SS08 YY09 5F073 AA64 AA65 DA21 DA35
Claims (21)
- 【請求項１】 パルス幅が９００〜１０フェムト秒、ピ
ーク出力が１ＧＷ以上で、フーリェ限界またはそれと近
似できるフェムト秒レーザーを光源とし、該レーザーか
らのパルスをビームスプリッター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ー
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１００ＧＷ／ｃｍ2 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、高密度エネルギー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／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
ームレーザー干渉露光法によるホログラムの製造方法。 - 【請求項２】 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項１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。 - 【請求項３】 エネルギー密度を、アブレーションが起
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項１
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。 - 【請求項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、エネルギー密度を、光誘起構
造変化がおこる閾値以上、アブレーションが起こる閾値
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ログラムを形成することを特徴とす
る請求項１乃至３のいずれかに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。 - 【請求項５】 請求項１乃至４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。 - 【請求項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項１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。 - 【請求項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
路およびミラーにより制御して、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
徴とする請求項１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。 - 【請求項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
求項１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。 - 【請求項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項１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。 - 【請求項１０】 該基材として、石英、ガラス、サファ
イヤ、ＬｉＮＢＯ3、ＬｉＴａＯ3 、ＺｒＯ2 、ＣａＦ
2 、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、Ｇｅ、Ｇ
ａＡｓ、ＡｌＮＩｎＰ、ＧａＮ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、Ｚ
ｎＯ、ＳｉＣ、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
とする請求項１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。 - 【請求項１１】 該基材として、金、銀、白金、銅、ニ
ッケル、クロム、アルミニウム、カドミウム、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、Ｇｅ，ＧａＡｓ，ＡｌＮ，Ｉｎ
Ｐ、ＧａＮ，ＺｎＳ，ＺｎＳｅ、ＺｎＯ、ＳｉＣ、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
求項１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。 - 【請求項１２】 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項１記載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。 - 【請求項１３】 複数のレーザー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
請求項１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。 - 【請求項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項１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。 - 【請求項１５】 それぞれのレーザーパルス照射間に基
材を平行移動させることを特徴とする請求項１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。 - 【請求項１６】 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
する請求項１記載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。 - 【請求項１７】 請求項１乃至１６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。 - 【請求項１８】 ダイヤモンド、アルミナ、サファイ
ヤ、またはＡｌ2 Ｏ3、ＳｉＯ2 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、請求項１７に
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）レーザー。 - 【請求項１９】 フェムト秒レーザー光源、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
請求項１記載の方法に用いる二ビームレーザー干渉露光
法によるホログラム製造装置。 - 【請求項２０】 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ー制御素
子を付加したことを特徴とする請求項１９載のホログラ
ム製造装置。 - 【請求項２１】空気の非線型性に基づくフェムト秒レー
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
る請求項１９または２０に記載のホログラム製造装置。
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