JP2003207605A - 屈折率分布を有するガラス材料及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】表面に屈折率分布を有する均一化学組成のガラ
ス材料を、少ない工程数で、かつ短時間に形成できる方
法を提供する。 【解決手段】加熱によって密度変化を生じるガラス材料
を、密度変化が生じる温度より低い温度まで予備加熱し
た後、予備加熱されたガラス材料表面の一部を密度変化
が生じる温度以上までガラス材料表面を部分的に加熱す
ることを特徴とする、表面に部分的な屈折率分布を有す
るガラス材料の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、表面に部分的な屈
折率分布を有するガラス材料及びその製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、屈折率分布を有する光学素子の形
成方法としては、予め屈折率の異なる微小な半凸レンズ
や球状レンズを製造し、これを基板に接着もしくは埋設
することによって微小光学レンズを製造する方法、イオ
ン拡散によって屈折率分布を形成する方法、光誘起吸収
によって屈折率分布を形成する方法、CVDや蒸着等の気
相法やゾルゲル法等の液相法による製膜法等が知られて
いる。しかしながら、これらの方法では、化学的成分や
電子状態の異なる誘起欠陥構造を分布させることによっ
て屈折率分布を形成しているため、レンズ素子の場所に
よる均一な光透過特性・波長分散が得られなかったり、
光照射による光学的性質の劣化、接合部の耐久性の不
足、耐環境性の低下等の問題がある。

【０００３】また、ガラスを高圧下で熱処理すること
で、ガラスの密度変化を利用して同一化学組成の材料に
屈折率分布を形成する方法も知られている（特開平４―
１４９０３３号公報）。この方法では、熱拡散を利用す
るため、屈折率は表層部から内側に向かって分布するだ
けで、表層部分に屈折率分布を有する微小光学素子を得
ることはできない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の主な目的は、
表面に屈折率分布を有する均一化学組成のガラス材料
を、少ない工程数で、かつ短時間に形成できる方法を提
供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記したご
とき従来技術の現状に鑑みて鋭意研究を重ねてきた。そ
の結果、加熱によって密度変化を生じるガラス材料を、
密度変化が生じる温度より若干低い温度まで予備加熱し
ておき、この予備加熱されたガラス材料表面の一部を、
レーザー光線の照射等の方法によって部分的に加熱する
方法によれば、ガラス材料が予め加熱されているため
に、短時間加熱するだけで加熱された部分にのみ密度変
化を生じさせることができ、簡単な処理方法で部分的な
屈折率分布を有するガラス材料を製造することが可能と
なること見出し、ここに本発明を完成するに至った。

【０００６】すなわち、本発明は、下記の表面に部分的
な屈折率分布を有するガラス材料及びその製造方法を提
供するものである。 １． 加熱によって密度変化を生じるガラス材料を、密
度変化が生じる温度より低い温度まで予備加熱した後、
予備加熱されたガラス材料表面の一部を密度変化が生じ
る温度以上まで部分的に加熱することを特徴とする、表
面に部分的な屈折率分布を有するガラス材料の製造方
法。 ２． ガラス材料を予備加熱する範囲が、少なくとも屈
折率分布を生じさせようとする部分を含む面全体である
上記項１に記載の方法。 ３． 予備加熱されたガラス材料の表面温度Ｔ（Ｋ）
が、該ガラス材料の密度変化が生じる温度Ｔｒ（Ｋ）に
対して ０．６Ｔｒ≦Ｔ＜Ｔｒ の関係にあることを特徴とする請求項１又は２に記載の
方法。 ４． 密度変化が生じる温度以上まで部分的に加熱する
方法が、レーザー光線を照射する方法である上記項１〜
３の何れかに記載の方法。 ５． レーザー光線を１回照射して、密度変化が生じる
温度以上まで部分的に加熱する上記項４に記載の方法。 ６． 上記項１〜５のいずれかの方法で得られる表面に
部分的な屈折率を有する均一化学組成のガラス材料。 ７． 屈折率分布を有する部分が、その他の部分に対し
て***若しくは陥没した形状、又はその他の部分と同一
平面である上記項６に記載のガラス材料。 ８． 上記項６又は７に記載のガラス材料からなる微小
光学素子。

【０００７】

【発明の実施の形態】本発明の屈折率分布を有するガラ
ス材料の製造方法では、出発材料としては、加熱によっ
て密度変化を生じるガラス材料を用いる。

【０００８】この様なガラス材料は、溶融した原料を大
気圧下で徐冷することによって得られる同一組成のガラ
ス材料（以下、「通常のガラス」と言うことがある）と
比べると、低密度又は高密度のガラス材料である。この
様な低密度又は高密度のガラス材料は、ガラスの種類に
応じて決まる一定温度以上に加熱すると、密度が変化し
て、通常のガラスの密度に近づく性質を有するものであ
る。

【０００９】上記した低密度又は高密度のガラス材料と
しては、特に限定的ではないが、例えば、通常のガラス
を高温中で加圧して得られる高密度のガラス材料、溶融
したガラス融液を高温から急激に冷却することにようて
得られる高密度のガラス材料、液相法によって合成され
る低密度のガラス材料（乾燥ガラスゲル）等を挙げるこ
とができる。

【００１０】本発明方法で用いるガラス材料の密度自体
は特に限定的ではないが、光学素子として適した屈折率
分布を生じさせるためには、一般的には、通常のガラス
と１％程度以上の密度差があるガラス材料、即ち、通常
のガラスよりも１％程度以上密度が高いガラス材料又は
通常のガラスよりも１％程度以上密度が低いガラス材料
が好ましい。尚、前述した通り、通常のガラスとは、溶
融した原料を大気圧下で徐冷することによって得られる
ものであり、加熱によっては密度変化を生じないガラス
材料である。

【００１１】本発明方法では、出発材料とするガラス材
料の材質については、特に限定はないが、二酸化珪素
（ＳｉＯ₂）を２０モル％以上含有する珪酸塩ガラス、
Ｂ₂Ｏ₃を２０モル％以上含有するホウ酸塩ガラス、Ｐ₂
Ｏ₅を２０モル％以上含有するリン酸塩ガラス等のガラ
ス網目構造を形成する成分（ガラスネットワークフオー
マー）を２０モル％程度以上含有するガラスが、密度変
化が大きい点で好ましい。

【００１２】本発明の製造方法では、まず、原料とする
ガラス材料を、密度変化が生じる温度より低い温度まで
予備加熱する。予備加熱する範囲については特に限定は
なく、最終的に屈折率分布を生じさせようとする部分よ
りも広い範囲を加熱すればよいが、通常は、少なくとも
屈折率分布を生じさせようとする部分を含む面全体を加
熱することにより、簡単な加熱方法で予備加熱を行うこ
とができる。この様な予備加熱方法としては、例えば、
面状ヒーターを用いて加熱する方法によれば、屈折率分
布を生じさせようとする部分を含む面全体を簡単に予備
加熱することができる。この場合、ホットプレートのよ
うな加熱器を使用することができるが、特に、製膜装置
で基板加熱に使用するような面状ヒーターを用いる場合
には、温度制御良く、均一に加熱することができる。ま
た、ガラス材料の全体を加熱する場合には、環状炉や市
販の電気炉を用いることができる。

【００１３】加熱雰囲気については特に限定はなく、大
気中などの酸素含有雰囲気中で加熱することができる
が、ガラス材料が空気中の水分や酸素と反応する可能性
がある場合には、不活性ガス雰囲気中や真空中で予備加
熱を行うことが好ましい。

【００１４】予備加熱の加熱温度については、使用する
ガラス材料の密度や組成に応じて、密度変化が生じない
範囲で適宜決めればよい。例えば、熱間等方加圧装置を
用いて１２００℃程度で加熱して高密度化したシリカガ
ラスは、６００℃程度以上に加熱すると密度が低下する
ので、これを下回る加熱温度とすればよい。また、超高
圧発生装置を用いて６００℃程度で加熱して高密度化さ
れたシリカガラスは、２００℃程度以上に加熱すると密
度が低下するので、これを下回る加熱温度とすればよ
い。更に、液相法で合成されるシリカガラスの乾燥ゲル
は、２００℃程度以上に加熱すると密度が上昇するの
で、これを下回る加熱温度とすればよい。

【００１５】この際、予備加熱温度の下限値については
特に限定的ではないが、引き続いて部分的な加熱を行う
際に、短時間で部分的な密度変化を生じさせる為には、
使用するガラス材料に応じて、適度な温度以上まで加熱
することが好ましい。通常は、ガラス材料の表面部分の
温度については、予備加熱温度（Ｔ）を絶対温度（Ｋ）
で表した場合に、処理対象とするガラス材料の密度変化
が生じる温度Ｔｒ（Ｋ）に対して以下の関係にあること
が好ましい。

【００１６】０．６Ｔｒ≦Ｔ＜Ｔｒ 上記した方法で予備加熱を行った後、予備加熱したガラ
ス材料表面の一部を部分的に加熱して、加熱部分の温度
を密度変化を生じる温度以上まで上昇させる。この方法
によれば、ガラス材料の表面を部分的に加熱する前に、
ガラス材料を予め密度変化が生じる温度付近まで予備加
熱しているので、部分的な加熱を短時間行うだけで、ガ
ラス材料に部分的な密度変化を生じさせることができ
る。

【００１７】尚、部分的な加熱を行う際のガラス材料の
表面温度は、上記した関係式を満足する温度範囲にある
ことが好ましく、通常は、ガラス材料の表面温度を予備
加熱温度に維持した状態で、引き続き部分的な加熱を行
えばよい。

【００１８】部分的な加熱を行うための具体的な方法に
ついては、特に限定はないが、微小領域のみを加熱する
ためには、例えば、小さいエネルギー量のレーザー光線
を照射する加熱方法を採用できる。その他、加熱した微
小治具をガラス材料の表面に接触させる方法によって
も、微小領域を加熱することが可能である。

【００１９】この際、部分的な加熱を行う回数について
は特に限定的ではないが、予めガラス材料を加熱してい
るので、例えば、レーザー光線の照射による加熱を１回
行うだけで、密度変化が生じる温度以上に加熱すること
が可能である。

【００２０】このため、本発明の方法によれば、少ない
工程数で、しかも短時間で、加熱された微小領域の表面
部分のみに部分的な密度変化を生じさせることができ
る。

【００２１】本発明方法によって得られる材料は、表面
の加熱された部分だけが、それ以外の部分とは異なる密
度を有するガラス材料となる。同一組成のガラス材料で
は、屈折率は密度にほぼ比例するので、このガラス材料
は、表面の加熱により密度変化が生じた部分だけに屈折
率分布を有するものとなる。得られるガラス材料は、均
一な化学組成を有するガラスであって、部分的に屈折率
分布を有するものであり、透過特性等の光学特性がほぼ
均一で、光耐久性、耐環境性等が良好である。

【００２２】本発明方法によって得られるガラス材料
は、加熱によって密度が高くなる場合には、加熱された
部分が焔没した形状となり、加熱によって密度が低くな
る場合には、加熱された部分が***した形状となる。ま
た、陥没又は***した部分について、後加工により表面
を研磨すれば、平滑な表面形状とすることができる。こ
の様な平滑な表面形状とした場合にも、加熱された部分
は屈折率分布を有するものとなる。

【００２３】以上の様に、本発明方法によれば、ガラス
材料表面の微小部分にのみ屈折率分布を簡便に形成する
ことができる。この様にして微小部分に屈折率分布が形
成されたガラス材料は、光フアイバーと光回路の接合素
子、画像抽出用のレンズアレイ、液晶・プラズマディス
プレー基板などに用いる微小光学素子として有用性が高
いものである。

【００２４】微小光学素子として用いる場合には、屈折
率分布を有する部分は、例えば、直径１０〜２０００μ
ｍ程度の範囲とすればよい。密度変化によって生じる表
面の***の高さは、通常、ガラス材料の表面に対して１
〜３０μｍ程度となり、密度変化によって生じる表面の
陥没部の深さは、通常、ガラス材料の表面に対して１〜
３００μｍ程度となる。

【００２５】また、屈折率の変化については、微小光学
素子として用いる場合には、密度変化の無い部分との屈
折率差が０．０３％以上の部分が存在することが好まし
い。

【００２６】

【発明の効果】本発明方法によれば、簡単な処理方法に
より、短時間でガラス材料の表面に部分的に屈折率分布
を形成することができる。得られる屈折率分布を有する
ガラス材料は、改質による透過特性の変化が殆どなく、
低光損失を実現でき、光耐久性、耐環境性等も良好であ
る。

【００２７】また、本発明の方法では、同一化学組成を
維持したまま屈折率分布を形成でき、表面形状も制御で
きることから、非球面レンズに相当する様な複雑なレン
ズ設計が可能であり、光回路を形成した基板への後から
の素子形成での実用化も可能である。

【００２８】従って、本発明によって得られる屈折率分
布を有するガラス材料は、光ファイバーと光回路の接合
素子、画像抽出用のレンズアレイ、液晶・プラズマディ
スプレー基板などに用いられる微小光学素子として有用
性が高いものである。

【００２９】

【実施例】以下、実施例を示して本発明を更に詳細に説
明する。

【００３０】実施例１ 溶融法で作製した密度２．２００ｇ／ｃｍ³のシリカガ
ラスを、熱間等方加圧装置によって加圧して、密度を
２．２２１ｇ／ｃｍ³としたシリカガラス（厚さ０．８
ｍｍ）基板を準備した。このシリカガラス基板は、加圧
前のシリカガラスと比べると、密度が０．９５％高く、
屈折率は１．４６２８（λ＝５４６ｎｍ）であった。ま
た、このシリカガラスの密度変化が生じる温度は８００
℃であった。

【００３１】このガラス基板を真空槽に挿入し、１０^-5
トールまで排気した後、該ガラス基板の一面をシースヒ
ータを内蔵した銅製のヒーターに密着させて５５０℃ま
で加熱し、次いで、真空槽の外部から試料に向けて、下
記の条件で炭酸ガスレーザーからの光を表面の直径約１
５０μｍの微小領域に集光して照射した。 照射条件 基板屈折率 １．４６２８ レーザー光サイズ 直径１５０μｍ 照射エネルギー ３０ｍＪ 照射回数 １回 得られたガラス試料について、基板表面からの変位を表
面粗さ計で測定し、表層付近の屈折率変位を干渉法によ
り測定した。表面形状の変位及びその変位部分に対応す
る屈折率変位を図１に示す。

【００３２】図１から明らかなとおり、表面に最大で
１．２μｍの***した形状が形成され、変位表面の屈折
率に最大で０．００１９（０．１３％）の負の変位が認
められた。また、最大の屈折率変化が認められるＬ＝０
μｍの部分の密度は、２．２０２ｇ／ｃｍ³であり、レ
ーザー照射前のシリカガラス基板と比べると、０．８５
％の密度低下が認められた。

【００３３】実施例２ 溶融法で作製した密度２．２００ｇ／ｃｍ³のシリカガ
ラスを、熱間等方加圧装置によって加圧して、密度を
２．２８５ｇ／ｃｍ³としたシリカガラス（厚さ０．８
ｍｍ）基板を準備した。このシリカガラス基板は、加圧
前のシリカガラスと比べると、密度が３．８６％高く、
屈折率は１．４７８９（λ＝５４６ｎｍ）であった。ま
た、このシリカガラスの密度変化が生じる温度は８００
℃であった。

【００３４】このガラス基板を真空槽に挿入し、１０^-5
トールまで排気した後、該ガラス基板の一面をシースヒ
ータを内蔵した銅製のヒーターに密着させて５００℃ま
で加熱し、次いで、外部から試料に向けて、下記の条件
で炭酸ガスレーザーからの光を表面の直径約１２０μｍ
の微小領域に集光して照射した。 照射条件 基板屈折率 １．４７８９ レーザー光サイズ 直径１２０μｍ 照射エネルギー ５０ｍＪ 照射回数 １回 得られたガラス試料について、基板表面からの変位を表
面粗さ計で測定し、表層付近の屈折率変位を干渉法によ
り測定した。表面形状の変位及びその変位部分に対応す
る屈折率変位を図２に示す。

【００３５】図２から明らかなとおり、表面に最大で
２．１μｍの***した形状が形成され、変位表面の屈折
率に最大で０．０１２（０．８１％）の負の変位が認め
られた。また、最大の屈折率変化が認められるＬ＝０μ
ｍの部分の密度は、２．２１４ｇ／ｃｍ³であり、レー
ザー照射前のシリカガラス基板と比べると、３．１％の
密度低下が認められた。

【００３６】レーザー照射後、基板表面をλ／４の精度
で再研磨し、表層付近の屈折率変位を干渉法により測定
した。表面の変位部分に対応する屈折率変位を図３に示
す。

【００３７】図３から明らかなように、レーザーを照射
した表面部分に屈折率に最大で０．０１０５（０．７１
％）の負の変位が認められた。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１で得られた屈折率分布を有するガラス
材料の表面近傍の変位及び屈折率分布を示すグラフであ
る。

【図２】実施例２で得られた屈折率分布を有するガラス
材料の表面近傍の変位及び屈折率分布を示すグラフであ
る。

【図３】実施例２で得られた屈折率分布を有するガラス
材料の***部分を研磨した後の表面近傍の屈折率分布を
示すグラフである。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】加熱によって密度変化を生じるガラス材料
   を、密度変化が生じる温度より低い温度まで予備加熱し
   た後、予備加熱されたガラス材料表面の一部を密度変化
   が生じる温度以上まで部分的に加熱することを特徴とす
   る、表面に部分的な屈折率分布を有するガラス材料の製
   造方法。
2. 【請求項２】ガラス材料を予備加熱する範囲が、少なく
   とも屈折率分布を生じさせようとする部分を含む面全体
   である請求項１に記載の方法。
3. 【請求項３】予備加熱されたガラス材料の表面温度Ｔ
   （Ｋ）が、該ガラス材料の密度変化が生じる温度Ｔｒ
   （Ｋ）に対して ０．６Ｔｒ≦Ｔ＜Ｔｒ の関係にあることを特徴とする請求項１又は２に記載の
   方法。
4. 【請求項４】密度変化が生じる温度以上まで部分的に加
   熱する方法が、レーザー光線を照射する方法である請求
   項１〜３の何れかに記載の方法。
5. 【請求項５】レーザー光線を１回照射して、密度変化が
   生じる温度以上まで部分的に加熱する請求項４に記載の
   方法。
6. 【請求項６】請求項１〜５のいずれかの方法で得られる
   表面に部分的な屈折率を有する均一化学組成のガラス材
   料。
7. 【請求項７】屈折率分布を有する部分が、その他の部分
   に対して***若しくは陥没した形状、又はその他の部分
   と同一平面である請求項６に記載のガラス材料。
8. 【請求項８】請求項６又は７に記載のガラス材料からな
   る微小光学素子。