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
屈折率分布を有するガラス材料及びその製造方法Info
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Abstract
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
明する。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)
- 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002005482A JP4195925B2 (ja) | 2002-01-15 | 2002-01-15 | 屈折率分布を有するガラス材料の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2002005482A JP4195925B2 (ja) | 2002-01-15 | 2002-01-15 | 屈折率分布を有するガラス材料の製造方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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JP2003207605A true JP2003207605A (ja) | 2003-07-25 |
JP4195925B2 JP4195925B2 (ja) | 2008-12-17 |
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JP2002005482A Expired - Lifetime JP4195925B2 (ja) | 2002-01-15 | 2002-01-15 | 屈折率分布を有するガラス材料の製造方法 |
Country Status (1)
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JP (1) | JP4195925B2 (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20210155539A1 (en) * | 2019-11-27 | 2021-05-27 | Shenzhenshi Yuzhan Precision Technology Co., Ltd. | Glass product, method for preparing glass product, and glass product preparation apparatus |
-
2002
- 2002-01-15 JP JP2002005482A patent/JP4195925B2/ja not_active Expired - Lifetime
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20210155539A1 (en) * | 2019-11-27 | 2021-05-27 | Shenzhenshi Yuzhan Precision Technology Co., Ltd. | Glass product, method for preparing glass product, and glass product preparation apparatus |
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JP4195925B2 (ja) | 2008-12-17 |
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