JP2004226811A

JP2004226811A - Micro optical element and its manufacturing method

Info

Publication number: JP2004226811A
Application number: JP2003016044A
Authority: JP
Inventors: Koji Sugioka; 幸次杉岡; Ya Cheng; チェン・ヤ; Katsumi Midorikawa; 克美緑川; Kazuhiko Yomoyama; 和彦四方山
Original assignee: Hoya Candeo Optronics Corp; RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: Hoya Candeo Optronics Corp; RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 2003-01-24
Filing date: 2003-01-24
Publication date: 2004-08-12

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a micro optical system which realizes various optical elements including a mirror reflecting light at 90° and a beam splitter which spectrally diffusing incident light, and also to provide its manufacturing method. <P>SOLUTION: A cavity is formed in a transparent material by using not variation in refractive index of the transparent material by irradiation with femtosecond laser light, but irradiation with femto-second laser light etc. and the cavity is used to constitute the micro optical element. A specified cavity is formed in a microchip made of a transparent material and light is controlled by the interface between the specified cavity and transparent material, the control over the light being reflection, refraction, etc., of light. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ光学素子およびその製造方法に関し、さらに詳細には、透明材料からなるマイクロチップの内部に形成されたマイクロ光学素子およびその製造方法に関する。
【０００２】
【発明の背景】
従来より、サブピコ秒以下のレーザー光源として、１０^−１３秒オーダーのパルス幅を有するフェムト秒レーザーが知られている。
【０００３】
こうしたフェムト秒レーザー、例えば、パルス幅が１００〜１５０フェムト秒ほどのフェムト秒レーザーから出射されたレーザー光たるフェムト秒レーザー光（本明細書においては、「フェムト秒レーザーから出射されたレーザー光」を「フェムト秒レーザー光」と適宜に称することとする。）を、レンズを用いて当該フェムト秒レーザー光に対して透明な材料（本明細書においては、所定のレーザー光や光に対して透明な材料を称するにあたって、単に「透明材料」と適宜に称することとする。）の内部に集光すると、当該フェムト秒レーザー光を集光された集光位置たる集光点のみに多光子吸収を生じさせ、透明材料内部における集光点の改質や加工などの処理を行うことができるという現象が知られている。
【０００４】
近年においては、こうした現象を利用して、フェムト秒レーザー光に対して透明なガラス材料内部において屈折率を変化させたり、結晶析出を行ったり、マイクロボイドを生成したりすることが可能であることが報告されており、さらには、光導波路や３次元メモリーあるいはフォトニック結晶などの作成が報告されている。
【０００５】
即ち、フェムト秒レーザー光を透明材料内部に照射して、透明材料内部を改質することにより、透明材料内部に光導波路などの光学素子を形成することが行われている。
【０００６】
こうした透明材料内部における光学素子の形成は、フェムト秒レーザー光の照射による透明材料内部の屈折率の制御を利用して行われている。即ち、フェムト秒レーザー光を透明材料内部に照射すると、フェムト秒レーザー光の照射領域の屈折率が１０^−２程度増加するものであり、こうした屈折率の僅かな変化を利用して透明材料内部に光学素子を形成するものであった。
【０００７】
しかしながら、上記した光学素子の形成の手法では、フェムト秒レーザー光の照射領域における屈折率の僅かな変化を利用するにすぎないため、作成できる光学素子としては、光導波路やそれを基にした光結合・分配器、回折格子、フレネルレンズなど僅かな種類のものに限られていた。
【０００８】
特に、フェムト秒レーザー光の照射領域における屈折率の僅かな変化を利用する光学素子の形成の手法では、光を９０°の角度で反射するようなミラーや、入射された光を分光するようなビームスプリッターなどを形成することはできないという問題点があった。
【０００９】
一方、本願発明者らは、上記した現象を利用して、透明材料としての感光性ガラスの内部にフェムト秒レーザー光を集光させてチャネル状に走査（スキャン）しながら照射し、その後に当該感光性ガラスを熱処理し、当該熱処理の後にフッ酸により当該感光性ガラスをエッチングすることにより、チャネル状にフェムト秒レーザー光を照射した領域のみを除去して、マイクロチャネル（マイクロ流路）などの固定構造を作成することに成功している（非特許文献１ならびに非特許文献２参照）。
【００１０】
【非特許文献１】
ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＡ（２００２）ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，４Ｄｅｃｅｍｂｅｒ２００２，ＭＡＳＵＤＡｅｔａｌ．， “３−Ｄｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｉｎｇｉｎｓｉｄｅｐｈｏｔｏｓｅｎｓｉｔｉｖｅｇｌａｓｓｂｙｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄｌａｓｅｒｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ”
【００１１】
【非特許文献２】
ＯＰＴＩＣＳＬＥＴＴＥＲＳ，Ｖｏｌ．２８，Ｎｏ．１，Ｊａｎｕａｒｙ１，２００３，ＣＨＥＮＧｅｔａｌ．， “Ｃｏｎｔｒｏｌｏｆｔｈｅｃｒｏｓｓ−ｓｅｃｔｉｏｎａｌｓｈａｐｅｏｆａｈｏｌｌｏｗｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌｅｍｂｅｄｄｅｄｉｎｐｈｏｔｏｓｔｒｕｃｔｕｒａｂｌｅｇｌａｓｓｂｙｕｓｅｏｆａｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄｌａｓｅｒ”，ｐ．５５−５７
ところで、上記した現象を利用して透明材料としての感光性ガラスの内部に作成されたマイクロチャネルなどの固定構造の表面は、数ミクロン程度の粗さがあり、当該表面をより平坦化することが望まれている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記したような従来の技術の有する問題点を含む発明の背景に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、光を９０°の角度で反射するようなミラーや、入射された光を分光するようなビームスプリッターなどを含む種々の光学素子を実現することができるマイクロ光学素子およびその製造方法を提供しようとするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明によるマイクロ光学素子およびその製造方法は、フェムト秒レーザー光の照射による透明材料の屈折率の変化を利用するのではなく、フェムト秒レーザー光の照射などを利用して透明材料内部に空洞を形成し、この空洞を利用してマイクロ光学素子を構成しようとするものである。
【００１４】
即ち、本発明のうち請求項１に記載の発明は、透明材料からなるマイクロチップの内部に所定の空洞を形成し、上記所定の空洞と上記透明材料との界面で光を制御するようにしたものである。
【００１５】
ここで、上記光の制御は、本発明のうち請求項２に記載の発明のように光の反射でもよいし、本発明のうち請求項３に記載の発明のように光の屈折でもよい。
【００１６】
また、上記透明材料は、本発明のうち請求項４記載の発明のように、感光性ガラスとしてもよい。
【００１７】
また、本発明のうち請求項５に記載の発明は、透明材料からなるマイクロチップに対してフェムト秒レーザー光の集光点を所定の形状に沿って移動させながら照射する第１のステップと、上記第１のステップにおいてフェムト秒レーザー光を照射された上記マイクロチップを熱処理する第２のステップと、上記第２のステップにおいて熱処理された上記マイクロチップを所定の溶液で溶液処理して、フェムト秒レーザー光を照射された上記所定の形状に沿った領域をエッチングして除去することにより、上記マイクロチップ内に上記所定の形状の空洞を形成する第３のステップと、上記第３のステップにおいてエッチングされた上記マイクロチップを熱処理して、上記空洞を取り囲む上記透明材料の表面を平坦化する第４のステップとを有するようにしたものである。
【００１８】
また、本発明のうち請求項６に記載の発明は、本発明のうち請求項５に記載の発明において、上記第４のステップにおける熱処理を、上記透明材料の軟化点の温度よりも低く、かつ、結晶化温度よりも高い温度に昇温してアニールするようにしたものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面に基づいて、本発明によるマイクロ光学素子およびその製造方法の実施の形態の一例について詳細に説明するものとする。
【００２０】
なお、以下の各図ならびにその説明において、それぞれ同一あるいは相当する構成については同一の符号をもって示し、その詳細な説明は省略する。
【００２１】
図１には、本発明によるマイクロ光学素子の製造方法を実施するための装置構成の一例の概念構成説明図が示されている。
【００２２】
ここで、図１に示す装置によりマイクロ光学素子を作成するために用いるマイクロチップを構成する透明材料としては、感光性ガラスを用いるものとする。
【００２３】
また、マイクロチップの大きさや形状は任意であって適宜設定すればよく、例えば、長方体形状の場合には、その寸法の一例は、縦が１０ｍｍ、横が１０ｍｍ、高さが２ｍｍである。
【００２４】
ここで、一般に、感光性ガラスとは、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕなどの金属イオンと増感材とを含んでおり、紫外線露光により金属コロイドを生じ、さらにこれが核となって微細な結晶が成長する。この結晶は、元のガラスと比較すると酸に対する溶解度が２０倍〜５０倍にも達するほど高くなるので、薄いフッ酸水溶液によって、露光された部分を非常に高い選択比でエッチング加工することができる。
【００２５】
こうした感光性ガラスとしては、例えば、リチウムアルミノ珪酸塩ガラスにＣｅイオン、Ａｇイオン、Ｓｂイオンがドープされた感光性ガラスであるフォーチュランガラス（ＦｏｒｔｕｒａｎＧｌａｓｓ）（商標）を用いることができ、以下に説明する本願発明者による実験においては、感光性ガラスとしてフォーチュランガラス（ＦｏｒｔｕｒａｎＧｌａｓｓ）（商標）を用いた。
【００２６】
このフォーチュランガラス（ＦｏｒｔｕｒａｎＧｌａｓｓ）（商標）に紫外レーザー光などのレーザー光を照射した場合の加工工程は、次の３段階に分けられる。
【００２７】
まず、始めに、第１段階は、レーザー光を露光することにより、露光部分のＣｅ^３＋が電子を放出してＣｅ^４＋になる。そして、放出された自由電子との還元反応により、Ａｇ^＋はＡｇ^０に変化する。
【００２８】
次に、第２段階は、熱処理することにより、銀原子が拡散してクラスターを形成し、このクラスターが８０Å（オングストローム）を越えると、アモルファス相の中に結晶核が生成され結晶相が形成される。この結晶は、主にメタ珪酸リチウムからなる。
【００２９】
最後に、第３段階は、フッ酸水溶液により露光部分のエッチングを行う。メタ珪酸リチウムはフッ酸水溶液に非常に溶けやすいので、露光部分の高選択比エッチング加工が可能となる。
【００３０】
図１に示す装置は、１０^−１３秒オーダーのパルス幅を有するフェムト秒レーザー光として、例えば、パルス幅が１００〜１５０フェムト秒ほどのフェムト秒レーザー光を照射するフェムト秒レーザー１０と、フェムト秒レーザー１０から出射されたフェムト秒レーザー光をマイクロチップ１００の内部に集光するレンズとしての対物レンズ１２とを有して構成されている。
【００３１】
また、この装置は、対物レンズ１２によりマイクロチップ１００の内部に集光されるフェムト秒レーザー光の集光位置を、マイクロチップ１００に対して相対的に移動する移動手段としての移動テーブル２００を備えており、この移動テーブル２００上にマイクロチップ１００が載置されている。なお、移動テーブル２００は、図１において直交座標系のＸ軸方向、Ｙ軸方向ならびにＺ軸方向に任意に移動可能なようになされており、この移動はモータなどの駆動手段（図示せず）により制御されるものとする。
【００３２】
即ち、この装置においては、フェムト秒レーザー光の照射方向は位置決めされて固定されているが、マイクロチップ１００を移動テーブル２００上に載置してＸ軸方向、Ｙ軸方向ならびにＺ軸方向に任意に移動することにより、マイクロチップ１００の内部に集光されるフェムト秒レーザー光の集光位置をマイクロチップ１００に対して相対的にＸ軸方向、Ｙ軸方向ならびにＺ軸方向に任意に移動し、マイクロチップ１００の内部でフェムト秒レーザー光をＸ軸方向、Ｙ軸方向ならびにＺ軸方向に任意にスキャンすることができるように構成されている。
【００３３】
また、この装置においては、対物レンズ１２として、例えば、開口数（ＮＡ）が０．４６（倍率２０倍）のものを用いることができる。
【００３４】
以上の構成において、フェムト秒レーザー１０から出射されたフェムト秒レーザー光は対物レンズ１２に入射され、対物レンズ１２に入射されたフェムト秒レーザー光は対物レンズ１２により集光されて、マイクロチップ１００の内部に位置する集光位置たる集光点に集光される。
【００３５】
ここで、マイクロチップ１００内に形成しようとする空洞の形状に沿ってフェムト秒レーザー光の集光点が移動するように、移動テーブル２００をＸ軸方向、Ｙ軸方向ならびにＺ軸方向に適宜に移動することにより、フェムト秒レーザー光を走査（スキャン）する。マイクロチップ１００内に形成しようとする空洞の形状は、当該空洞とマイクロチップ１００を構成する透明材料との界面で光を制御する際の制御態様、例えば、光の反射や光の屈折などに応じて適宜に設定すればよい。即ち、空洞の形状は、長方体形状、多面体形状あるいは球面形状としてもよいし、あるいは薄板状などとしてもよい。
【００３６】
なお、マイクロチップ１００を構成する透明材料とマイクロチップ１００内に形成された空洞との界面での光を制御については、本願発明者の実験により作成されたマイクロ光学素子を参照しながら後述する。
【００３７】
また、空洞の寸法の一例は、例えば、空洞の形状が長方体形状の場合には、縦（Ｌ１）が４．２４２ｍｍ、横（Ｌ２）が０．１ｍｍ、高さ（Ｌ３）が２ｍｍである（図１１（ａ）（ｂ）参照）。
【００３８】
上記のようにしてフェムト秒レーザー光を照射したマイクロチップ１００の空洞を形成すべき領域は、その後に熱処理を行うことによって改質される。それから、熱処理をしたマイクロチップ１００を希釈したフッ酸溶液によりエッチングすることにより、フェムト秒レーザー光を照射した空洞を形成すべき領域は、フェムト秒レーザー光の未照射領域に比べて数十倍のエッチング速度でエッチングされる。
【００３９】
従って、エッチング時間を制御することにより、マイクロチップ１００からフェムト秒レーザー光を照射した空洞を形成すべき領域のみを選択的にエッチングして除去することができ、このエッチングの選択性を利用してマイクロチップ１００内に任意の形状の空洞を形成することができる。
【００４０】
ところで、マイクロチップ１００の透明材料として、例えば、感光性ガラスなどのガラスを用いた場合には、形成された空洞を取り囲む透明材料の表面が、数ミクロン程度の粗さをもっている。
【００４１】
即ち、マイクロチップ１００の内部においてフェムト秒レーザー光の集光点を移動させながら照射した後に熱処理を行い、さらにエッチングしてマイクロチップ１００の内部に作成した空洞を取り囲む透明材料の表面を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）や原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で観察した結果、図２のＳＥＭ写真や図３のＡＦＭ写真に示すように大きい粗さが観察された。また、図４には、形成した空洞界面でＨｅ−Ｎｅレーザー光を反射させたときのビームの広がり評価のグラフが示されており、広がり角は１６．３°であった。
【００４２】
しかしながら、空洞を取り囲む透明材料の表面の平坦性は、空洞とマイクロチップ１００を構成する透明材料との界面で光を制御する際の光学特性に大きく影響する。このため、空洞を取り囲む透明材料の表面は、平坦であることが望ましい。
【００４３】
一般に、感光性ガラスのフッ酸処理後の表面平坦化には機械的な研磨が用いられるが、ガラス内部に形成された空洞を取り囲む表面のような部位を研磨することは不可能である。
【００４４】
こうした従来の技術では不可能なガラス内部に形成された空洞を取り囲む表面の平坦化を行うために、本願発明者は、ガラス内部に形成された空洞を取り囲む表面を熱処理することにより、当該表面を平坦化するようにしたものである。
【００４５】
即ち、こうした粗さは、ガラス内部に形成された空洞を取り囲む表面に熱処理を施すことによって解消でき、当該表面を平坦化することができた。
【００４６】
このように、マイクロチップ１００の内部においてフェムト秒レーザー光の集光点を移動させながら照射した後に熱処理を行い、さらにエッチングしてマイクロチップ１００の内部に空洞を作成し、空洞を作成した後にさらに熱処理を行った場合には、空洞を取り囲む表面の平坦性は大幅に改善された。
【００４７】
こうした表面の平坦化のための熱処理としてはアニールを行うことが好ましく、アニールする際の条件は、例えば、まず５℃／ｍｉｎで室温から５７０℃まで昇温し、５時間保持する。その後に、１℃／ｍｉｎで５７０℃から３７０℃まで冷却し、さらに室温に自然冷却する。
【００４８】
こうしたアニールを行うと、図５のＳＥＭ写真や図６のＡＦＭ写真に示されているように、内部に形成された空洞を取り囲む表面の平坦性は大幅に改善される。また、図７には、形成した空洞界面でＨｅ−Ｎｅレーザー光を反射させたときのビームの広がり評価のグラフが示されており、広がり角は４．７°に改善された。
【００４９】
さらに、平坦性を示す指標であるＲＭＳ値は、上記したアニールによって、アニールを行う前の１００ｎｍから２ｎｍに改善された。
【００５０】
ここで、アニールする際に昇温する温度は、感光性ガラスなどのガラスの場合には、軟化点の温度よりも低く、かつ、結晶化温度よりも高い温度であることが好ましい。
【００５１】
以上のように、上記した熱処理による平坦化の処理を行うと、空洞を取り囲む表面の平坦性が著しく改善されて、光学特性が大幅に改善されることになるので、こうした平坦化の処理を行うことが望ましいが、光学特性の要求の程度が低い場合には、上記した熱処理による平坦化の処理を行わなくてもよいことは勿論である。
【００５２】
次に、本発明による手法を用いて行われた、本願発明者による実験結果について説明する。
【００５３】
なお、この実験においては、フェムト秒レーザー１０としては、赤外フェムト秒レーザー（Ｃｌａｒｋ−ＭＸＲＣＰＡ２０００：波長７７５ｎｍ、パルス幅１５０ｆｓ、繰り返し周波数１ｋＨｚ）を用いた。
【００５４】
図８には実験装置の概略構成が示されており、実験装置は、フェムト秒レーザー１０と、波長板６０２と、偏光板６０４と、減光フィルター６０６と、対物レンズ１２と、移動ステージ２００と、移動ステージ２００を駆動する駆動源６０８と、駆動源６０８を制御するコンピュータ６１０と、マイクロチップ１００を撮像するＣＣＤカメラ６１２と、ＣＣＤカメラ６１２により撮像された画像を表示するモニター６１４とを有して構成されている。
【００５５】
従って、この実験装置においては、ＣＣＤカメラ６１２を用いて、フェムト秒レーザー光が照射されているマイクロチップ１００をその場で観察することができる。
【００５６】
また、マイクロチップ１００は、コンピュータ６１０で制御された移動ステージ２００によりＸ軸方向、Ｙ軸方向ならびにＺ軸方向に適宜に移動される。
【００５７】
以上の実験装置において、フェムト秒レーザー１０から出射されたフェムト秒レーザー光のビームを直径３ｍｍのアパチャーによって切り出し、対物レンズ１２へ入射する。フェムト秒レーザー光のパルスエネルギーは、減光フィルター６０６を用いて調節した。
【００５８】
フェムト秒レーザー光を２０倍の対物レンズ１２（開口数ＮＡ：０．４６）によってマイクロチップ１００に集光し、レーザー照射後のマイクロチップ１００をアニールによる熱処理をした。アニールでは、温度は５℃／ｍｉｎの速さで５００℃まで上昇させ、５００℃で１時間一定に保つ。この温度においては、フェムト秒レーザー光により露光された部分に銀クラスターが形成される。再び３℃／ｍｉｎの速さで６０５℃まで温度を上昇させ、６０５℃で一定に１時間保つ。高い温度においては、結晶相が形成される。その後に、室温に自然冷却する。
【００５９】
マイクロチップ１００が室温に冷却された後に、１０％のフッ酸水溶液で溶液処理を施して、フェムト秒レーザー光を照射した領域をエッチングして除去し、マイクロチップ１００に空洞を形成する。
【００６０】
さらに、マイクロチップ１００の空洞を取り囲む表面の平坦化のために、アニールを行う。アニールする際の条件は、まずマイクロチップ１００を５℃／ｍｉｎで室温から５７０℃まで昇温し、５時間保持する。その後に、１℃／ｍｉｎで５７０℃から３７０℃まで冷却し、さらに室温に自然冷却する。
【００６１】
図９には、フェムト秒レーザー光の照射後にアニールを行ったマイクロチップ１００のフェムト秒レーザー光の照射領域と未照射領域とのフッ酸によるエッチング深さの時間依存性が示されている。照射レーザーフルエンスは、０．１２Ｊ／ｃｍ^２、０．１８Ｊ／ｃｍ^２である。
【００６２】
図９から理解されるように、エッチング深さはフルエンスにはほとんど依存せず、フェムト秒レーザー光の照射領域は、フェムト秒レーザー光の未照射領域より３５倍のエッチング速度で優先的にエッチングされる。この選択比を利用して、マイクロチップ１００の内部に空洞の形成をおこなった。
【００６３】
ところで、感光性ガラスには、結晶を析出するのに必要なレーザー光の臨界ドーズ（Ｄ_ｃ）が存在する。即ち、臨界ドーズを上回ればガラスに結晶が析出されるが、臨界ドーズを下回った場合にはガラスに結晶は析出されない。臨界ドーズを越えた場合、形成される核密度は、ドーズに比例して増加することが予測される。核形成密度は、フルエンスの累乗に比例することが分かっており、式（１）で示される。
【００６４】
ρ＝ＫＦ^ｍＮ・・・式（１）
ここで、ρはレーザー光の光化学反応によって形成される核の密度であり、Ｆは１パルス当たりのフルエンス、ｍは乗数、Ｎはパルス数、Ｋは定数を示している。
【００６５】
ここで、核密度ρは、ドースＤに比例して増加すると考えられるため、
Ｄ＝ρ／Ｋ
と定義すると、
Ｄ＝Ｆ^ｍＮ・・・式（２）
となる。
【００６６】
任意のパルス数における臨界フルエンスをＦ_ｃとすると、臨界ドーズＤ_ｃは、
Ｄ_ｃ＝Ｆ_ｃ ^ｍＮ・・・式（３）
と表される。
【００６７】
臨界ドーズを求めるために、図１０に臨界フルエンスのパルス数依存性を示すこととする。ここでは同一のパルス数においてフルエンスを変化させて照射し、フッ酸処理後にエッチングの選択性が確認された最小のフルエンスを臨界フルエンスとした。
【００６８】
このグラフよりパルス数を増加させることによって、臨界フルエンスが小さくなることが分かる。
【００６９】
グラフの傾きの負の逆数により、式（３）における乗数ｍを求めることができ、
ｍ＝６
となる。
【００７０】
即ち、パルス幅１５０ｆｓ、波長７７５ｎｍのフェムト秒レーザーを用いた場合には、６光子過程によって反応が生じていると考えられる。この値は、ナノ秒紫外レーザー光（波長２６６ｎｍ、波長３５５ｎｍ）を用いた場合に比べてはるかに大きい。紫外レーザーの場合は、吸収は１光子で生じる。しかしながら、最終的な反応が起こるためには、連続する２つの過程が必要であると考えられている。即ち、Ｈｅｌｖａｊｉａｎ等は、まず１光子吸収によって寿命の長い中間準位状態が形成され、さらにその準位でもう一つの光子が吸収されて反応が生じる２光子過程ではないかと考察している（２光子吸収ではない。）。
【００７１】
Ｈｅｌｖａｊｉａｎ等の考察が正しいとするならば、フェムト秒レーザーの場合には、第一の過程および第二の過程がそれぞれ多光子吸収によって生じ、その結果その和として６光子過程になったものと考えられる。反応が６光子で生じることは、高空間解像度を得られるという点で有利である。また、このときの臨界ドーズＤ_ｃは、
１．３×１０^−５Ｊ^６／ｃｍ^１２
と見積もられる。
【００７２】
次に、上記した実験条件において本願発明者が作成したマイクロ光学素子などについて、図１１乃至図１８を参照しながら説明する。
【００７３】
まず、図１１（ａ）（ｂ）には本願発明者が作成したマイクロ光学素子の構成説明図が示されており、感光性ガラスからなるマイクロチップ１００に長方体形状の空洞７００を形成することにより構成したマイクロ光学素子を示している。このマイクロ光学素子は、感光性ガラスにより構成されたマイクロチップ１００の内部に形成した空洞７００と感光性ガラスとの界面で、光を９０°の角度で反射することができる。
【００７４】
図１１（ａ）（ｂ）に示すマイクロ光学素子における空洞７００は、あたかも入射される光の進行方向に対して４５°の角度で反射ミラーが配置されるように、入射される光の進行方向に対して４５°の角度で延長するように配置されている。
【００７５】
なお、この図１１（ａ）（ｂ）に示すマイクロ光学素子を作成するにあたっては、フェムト秒レーザー光の集光点を距離Ｌ１（Ｌ１＝４．２４２ｍｍ）だけＸ−Ｙ平面で水平にスキャンした後に、フェムト秒レーザー光の集光点を１５μｍずつＺ軸方向に沿って上方に移動し、上記と同様なＸ−Ｙ平面での水平なスキャンを繰り返した。
【００７６】
感光性ガラスにより構成されたＺ軸方向の厚さ２ｍｍのマイクロチップ１００の厚さ方向全域に空洞７００を形成するため、１４０回の水平スキャンと上方移動を繰り返した（従って、空洞７００の高さ（Ｌ３）は、２ｍｍとなる。）。
【００７７】
照射したフェムト秒レーザー光のパルスエネルギーは７００ｎＪ、スキャン速度は５００μｍ／ｓである。
【００７８】
上記したフェムト秒レーザー光のスキャンの終了後に熱処理を行い、その後に１時間のフッ酸処理によって、フェムト秒レーザー光の照射領域の除去を行い、空洞７００を形成した。さらに、空洞７００を形成したマイクロチップ１００をアニールし、空洞７００を取り囲む感光性ガラスの表面を平坦化した。
【００７９】
なお、長方体形状の空洞７００の寸法は、縦（Ｌ１）が４．２４２ｍｍ、横（Ｌ２）が０．１ｍｍ、高さ（Ｌ３）が２ｍｍである。
【００８０】
こうして作成したマイクロチップ１００に空洞７００を形成して構成したマイクロ光学素子の光学特性を、Ｈｅ−Ｎｅレーザー光を照射することにより調べた。
【００８１】
即ち、Ｈｅ−Ｎｅレーザー光を空洞７００に対して４５°の角度で入射すると、空洞７００と感光性ガラスとの界面で入射された光が制御され、図１１（ａ）に示すように９０°の角度で反射された。即ち、図１１（ａ）（ｂ）に示すマイクロチップ１００に空洞７００を形成して構成したマイクロ光学素子は、反射ミラーとして機能するものである。
【００８２】
なお、図１１（ａ）（ｂ）に示す構造のマイクロ光学素子に関して、アニールによる平坦化処理により空洞７００を取り囲む表面を平坦にした場合の１．５５μｍにおける光学損失は０．６０ｄＢであるが、アニールによる平坦化処理を行わない場合の１．５５μｍにおける光学損失は１．５９ｄＢであった。
【００８３】
次に、図１２には本願発明者が作成したマイクロ光学素子の構成説明図が示されており、感光性ガラスからなるマイクロチップ１００に３個の長方体形状の空洞７０２、７０４、７０６を形成することにより構成したマイクロ光学素子を示している。このマイクロ光学素子は、感光性ガラスにより構成されたマイクロチップ１００の内部に形成した３個の空洞７０２、７０４、７０６と感光性ガラスとの界面で、光をそれぞれ９０°の角度で反射して全体で２７０°反射する２７０°光学反射回路を構成している。
【００８４】
この図１２に示す２７０°光学反射回路を構成するマイクロ光学素子は、図１１（ａ）（ｂ）において説明したと同様な手法で作成することができ、Ｘ−Ｙ平面における「４ｍｍ×５ｍｍ」の領域内に２７０°光学反射回路を作成した。
【００８５】
こうして作成したマイクロチップ１００に空洞７０２、７０４、７０６を形成して２７０°光学反射回路を構成したマイクロ光学素子の光学特性を、Ｈｅ−Ｎｅレーザー光を照射することにより調べた。
【００８６】
即ち、図１２に示すように、Ｈｅ−Ｎｅレーザー光を空洞７０２に対して４５°の角度で入射すると、空洞７０２と感光性ガラスとの界面で入射された光が制御されて９０°の角度で反射され、反射された光が４５°の角度で空洞７０４に対して入射され、同様に９０°の角度で反射される。この反射された光が４５°の角度で空洞７０６に対して入射され、同様に９０°の角度で反射されて出射されることになって、２７０°光学反射回路が実現される。
【００８７】
なお、図１２に示す構造のマイクロ光学素子に関して、アニールによる平坦化処理を行った場合の１．５５μｍにおける光学損失は１．９８ｄＢであった。
【００８８】
次に、図１３には本願発明者が作成したマイクロ光学素子の構成説明図が示されており、感光性ガラスからなるマイクロチップ１００に空洞７０８を形成することにより構成したマイクロ光学素子を示している。このマイクロ光学素子は、感光性ガラスにより構成されたマイクロチップ１００の内部に形成した空洞７０８と感光性ガラスとの界面で、入射された光を分光するビームスプリッターを構成している。
【００８９】
この図１３に示すビームスプリッターを構成するマイクロ光学素子も、図１１（ａ）（ｂ）において説明したと同様な手法で作成することができる。
【００９０】
こうして作成したマイクロチップ１００に空洞７０８を形成してビームスプリッターを構成したマイクロ光学素子の光学特性を調べると、図１３に示すようにＳ偏光の光をマイクロチップ１００に形成された空洞７０８、即ち、ビームスプリッターに入射した際には、空洞７０８と感光性ガラスとの界面において、入射した光は「１：１．４３（ビーム１：ビーム２）」の比（分配比）で分光された。
【００９１】
また、図１３に示す構造のマイクロ光学素子に関して、アニールによる平坦化処理を行った場合には、ビーム１の入射光に対する強度比は４．８４ｄＢであり、ビーム２の入射光に対する強度比は３．２８ｄＢであり、総合の光学損失は０．９８ｄＢである。
【００９２】
次に、図１４には、ポーラライザーを構成する本発明によるマイクロ光学素子が示されている。
【００９３】
このポーラライザーを構成するマイクロ光学素子は、マイクロチップ１００の内部に多数の空洞７１０を所定の間隔を開けて連続して形成したものである。
【００９４】
ブルースター角度（Ｂｒｅｗｓｔｅｒａｎｇｌｅ）でそれぞれの空洞７１０と感光性ガラスとの界面に入射した光は、Ｐ偏光のみが通過してマイクロ光学素子から出射される。
【００９５】
次に、図１５には、分配比が「５０：５０」のビームスプリッターを構成するマイクロ光学素子が示されている。
【００９６】
このビームスプリッターを構成するマイクロ光学素子は、マイクロチップ１００の内部に空洞７１２を形成したものであり、特定の入射角度（例えば、ガラスの場合には８０°である。）で入射した光は、空洞７１２と感光性ガラスとの界面で同一の強度を持った２つの光路の光に分光される。
【００９７】
次に、図１６には、マッハツェンダー干渉計を構成するマイクロ光学素子が示されている。
【００９８】
このマッハツェンダー干渉計を構成するマイクロ光学素子は、マイクロチップ１００の内部に空洞７１４、７１６、７１８、７２０を形成するとともに、サンプルを内部に充填したマイクロチャネル８００を形成したものである。マッハツェンダー干渉計に入射した光は、空洞７１４と感光性ガラスとの界面で同一の強度を持った２つの光路の光に分光される。２つの光路のうちの一方の光路の光は空洞７１６と感光性ガラスとの界面で反射されてマイクロチャネル８００入射され、さらに空洞７２０と感光性ガラスとの界面で屈折されて検出される。また、２つの光路のうちの他方の光路の光は空洞７１８と感光性ガラスとの界面で反射され、さらに空洞７２０と感光性ガラスとの界面で屈折されて検出される。
【００９９】
次に、図１７には、ビームベンダーを構成するマイクロ光学素子が示されている。
【０１００】
このビームベンダーを構成するマイクロ光学素子は、マイクロチップ１００の内部に反射ミラーとして作用する空洞７２２とレンズとして作用する空洞７２４、７２６を形成するとともに、マイクロチップ１００の中空チャネルを形成あるいは屈折率を制御して光導波路８０２、８０４を形成したものである。
【０１０１】
このマイクロ光学素子に入射された光は、光導波路８０２を介して空洞７２４に入射され、空洞７２４を出射した光は空洞７２２と感光性ガラスとの界面で９０°反射されて空洞７２６へ入射され、空洞７２６を出射した光は光導波路８０４を介して外部へ出射される。
【０１０２】
次に、図１８には、蛍光検出のためのをビームデフレクターを構成するマイクロ光学素子が示されている。
【０１０３】
このビームデフレクターを構成するマイクロ光学素子は、マイクロチップ１００の内部に反射ミラーとして作用する空洞７２８を形成するとともに、サンプルを内部に充填したマイクロチャネル８０６を形成したものである。
【０１０４】
このマイクロ光学素子に入射された励起光は、空洞７２８と感光性ガラスとの界面で反射されてマイクロチャネル８０６へ照射され、励起光の照射によりマイクロチャネル８０６内に充填されたサンプルが蛍光を発すると、その蛍光が検出器８０８で検出される。
【０１０５】
なお、上記した実施の形態は、以下の（１）乃至（６）に示すように変形してもよい。
【０１０６】
（１）上記した実施の形態においては、透明材料としては、感光性ガラスを用いたが、これに限られるものではないことは勿論であり、例えば、石英ガラスや金属ドープガラスあるいはサファイアなどを用いることができる。
【０１０７】
（２）上記した実施の形態においては、エッチング溶液としてフッ酸溶液を用いたが、これに限られるものではないことは勿論であり、例えば、塩酸やリン酸あるいは王水などを用いることができる。また、例えば、透明材料として金ドープ石英ガラスを用いた場合にはエッチング溶液として王水を用い、透明材料として銀ドープ石英ガラスを用いた場合にはエッチング溶液として塩酸を用いることが好ましい。
【０１０８】
（３）上記した実施の形態においては、実験条件としてフェムト秒レーザーのパラメータ（波長、パルス幅、繰り返し周波数、フルエンスなど）の具体的な数値を示したが、これらの数値は一例に過ぎないものであり、フェムト秒レーザーのパラメータは、透明材料の種類や作成すべき内部空間などの大きさに応じて適宜に選択すればよい。
【０１０９】
（４）上記した実施の形態においては、移動テーブル２００により試料１００を移動することにより、試料１００に対して相対的にフェムト秒レーザー光の集光点を移動したが、これに限られるものではないことは勿論である。
【０１１０】
即ち、上記した実施の形態とは逆に、試料１００に対して透明材料内部の処理装置を移動するように構成し、透明材料内部の処理装置が移動することにより試料１００内部におけるフェムト秒レーザー光の集光点を走査するように構成してもよい。
【０１１１】
（５）上記した実施の形態においては、フェムト秒レーザーを用いたが、ナノ秒あるいはさらにパルス幅の長いレーザーでも吸収係数が小さい波長のレーザー光（例えば、フォーチュランガラス（ＦｏｒｔｕｒａｎＧｌａｓｓ）（商標）に対しては、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの３次高調波（３５５ｎｍ））の場合、空洞を形成することができるので、フェムト秒レーザーに代えてこのようなレーザーを用いてもよい。
【０１１２】
（６）上記した実施の形態ならびに上記した（１）乃至（５）に示す変形例は、適宜に組み合わせて用いるようにしてもよい。
【０１１３】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているので、光を９０°の角度で反射するようなミラーや、入射された光を分光するようなビームスプリッターなどを含む種々の光学素子を実現することができるようになるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるマイクロ光学素子の製造方法を実施するための装置構成の一例の概念構成説明図である。
【図２】マイクロチップの内部においてフェムト秒レーザー光の集光点を移動させながら照射した後に熱処理を行い、さらにエッチングしてマイクロチップの内部に作成した空洞を取り囲む透明材料の表面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
【図３】マイクロチップの内部においてフェムト秒レーザー光の集光点を移動させながら照射した後に熱処理を行い、さらにエッチングしてマイクロチップの内部に作成した空洞を取り囲む透明材料の表面の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）写真である。
【図４】マイクロチップの内部においてフェムト秒レーザー光の集光点を移動させながら照射した後に熱処理を行い、さらにエッチングしてマイクロチップの内部に作成した空洞を取り囲む透明材料の表面にＨｅ−Ｎｅレーザー光を照射したときのビームの広がり評価のグラフである。
【図５】表面の平坦化のための熱処理としてのアニールを行った後における、マイクロチップの内部に作成した空洞を取り囲む透明材料の表面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
【図６】表面の平坦化のための熱処理としてのアニールを行った後における、マイクロチップの内部に作成した空洞を取り囲む透明材料の表面の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）写真である。
【図７】表面の平坦化のための熱処理としてのアニールを行った後における、マイクロチップの内部に作成した空洞を取り囲む透明材料の表面にＨｅ−Ｎｅレーザー光を照射したときのビームの広がり評価のグラフである。
【図８】本願発明者が実験に用いた実験装置の概略構成説明図である。
【図９】アニールを行ったマイクロチップのフェムト秒レーザー光の照射領域と未照射領域とのフッ酸によるエッチング深さの時間依存性を示すグラフである。照射レーザーフルエンスは、０．１２Ｊ／ｃｍ^２、０．１８Ｊ／ｃｍ^２である。
【図１０】臨界フルエンスのパルス数依存性を示すグラフである。
【図１１】（ａ）は、本願発明者が作成した９０°反射ミラーを構成するマイクロ光学素子の構成説明図であって、図１ならびに図８のＡ矢視図に相当する方向から見た場合の構成説明図であり、（ｂ）は、（ａ）の要部斜視説明図である。
【図１２】本願発明者が作成した２７０°光学反射回路を構成するマイクロ光学素子の構成説明図であり、図１ならびに図８のＡ矢視図に相当する方向から見た場合の構成説明図である。
【図１３】本願発明者が作成したビームスプリッターを構成するマイクロ光学素子の構成説明図であり、図１ならびに図８のＡ矢視図に相当する方向から見た場合の構成説明図である。
【図１４】ポーラライザーを構成するマイクロ光学素子の構成説明図であり、図１ならびに図８のＡ矢視図に相当する方向から見た場合の構成説明図である。
【図１５】分配比が「５０：５０」のビームスプリッターを構成するマイクロ光学素子の構成説明図であり、図１ならびに図８のＡ矢視図に相当する方向から見た場合の構成説明図である。
【図１６】マッハツェンダー干渉計を構成するマイクロ光学素子の構成説明図であり、図１ならびに図８のＡ矢視図に相当する方向から見た場合の構成説明図である。
【図１７】ビームベンダーを構成するマイクロ光学素子の構成説明図であり、図１ならびに図８のＡ矢視図に相当する方向から見た場合の構成説明図である。
【図１８】蛍光検出のためのをビームデフレクターを構成するマイクロ光学素子の構成説明図であり、図１ならびに図８のＡ矢視図に相当する方向から見た場合の構成説明図である。
【符号の説明】
１０フェムト秒レーザー
１２対物レンズ
１００マイクロチップ
２００移動テーブル
７００、７０２、７０４、７０６、７０８、７１０、７１２、７１４、７１６、７１８、７２０、７２２、７２４、７２６、７２８空洞
８００、８０６マイクロチャネル
８０２、８０４光導波路
８０８検出器[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a micro-optical element and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a micro-optical element formed inside a microchip made of a transparent material and a method for manufacturing the same.
[0002]
BACKGROUND OF THE INVENTION
Conventionally, as a laser light source of sub-picosecond or less, 10^-13Femtosecond lasers having a pulse width on the order of seconds are known.
[0003]
Such a femtosecond laser, for example, a femtosecond laser beam as a laser beam emitted from a femtosecond laser having a pulse width of about 100 to 150 femtoseconds (in the present specification, “a laser beam emitted from a femtosecond laser” A material that is transparent to the femtosecond laser light using a lens (herein, referred to as “femtosecond laser light” as appropriate) (in this specification, transparent to a predetermined laser light or light). When the material is simply referred to as “transparent material”, multi-photon absorption occurs only at the light-collecting point where the femtosecond laser light is focused. There is known a phenomenon that a process such as modification or processing of a focal point in a transparent material can be performed.
[0004]
In recent years, it has been possible to use such phenomena to change the refractive index inside a glass material transparent to femtosecond laser light, perform crystal precipitation, and generate microvoids. And the production of an optical waveguide, a three-dimensional memory, a photonic crystal, and the like has been reported.
[0005]
That is, an optical element such as an optical waveguide is formed in the transparent material by irradiating the inside of the transparent material with a femtosecond laser beam to modify the inside of the transparent material.
[0006]
The formation of the optical element inside the transparent material is performed by using the control of the refractive index inside the transparent material by irradiation of femtosecond laser light. That is, when the femtosecond laser light is irradiated inside the transparent material, the refractive index of the irradiation area of the femtosecond laser light becomes 10%.^-2The optical element is formed inside the transparent material by utilizing such a slight change in the refractive index.
[0007]
However, since the above-described method of forming an optical element only uses a slight change in the refractive index in the irradiation region of the femtosecond laser light, the optical element that can be produced is an optical waveguide or an optical waveguide based on the optical waveguide. It was limited to a few types, such as coupling / distributors, diffraction gratings, and Fresnel lenses.
[0008]
In particular, in the method of forming an optical element using a slight change in the refractive index in the irradiation region of the femtosecond laser light, a mirror that reflects light at an angle of 90 ° or a method that disperses incident light is used. There is a problem that a beam splitter or the like cannot be formed.
[0009]
On the other hand, the present inventors utilize the above-mentioned phenomenon to focus a femtosecond laser beam inside a photosensitive glass as a transparent material and irradiate it while scanning (scanning) in a channel shape. The photosensitive glass is heat-treated, and after the heat treatment, the photosensitive glass is etched with hydrofluoric acid, thereby removing only the region irradiated with the femtosecond laser light in a channel shape, such as a microchannel (microchannel). A fixed structure has been successfully created (see Non-Patent Documents 1 and 2).
[0010]
[Non-patent document 1]
Applied Physics A (2002) Materials Science & Processing, 4 December 2002, MASUDA et al. , “3-D microstructuring inside photosensitive glass by femtosecond laser excitement”
[0011]
[Non-patent document 2]
OPTICS LETTERS, Vol. 28, No. 1, January 1, 2003, CHENG et al. , "Control of the cross-sectional shape of a hollow microchannel embedded in in structurable glass by use of a second order." 55-57
By the way, the surface of a fixed structure such as a microchannel created inside a photosensitive glass as a transparent material utilizing the above-described phenomenon has a roughness of about several microns, and the surface can be further flattened. Wanted.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the background of the invention including the above-described problems of the related art, and has an object to provide a mirror that reflects light at an angle of 90 °, An object of the present invention is to provide a micro optical element capable of realizing various optical elements including a beam splitter that splits incident light and the like, and a method of manufacturing the same.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the micro-optical element and the method of manufacturing the same according to the present invention use, for example, irradiation of a femtosecond laser beam instead of using the change in the refractive index of a transparent material due to irradiation of a femtosecond laser beam. Thus, a cavity is formed inside a transparent material, and a micro optical element is to be constructed using the cavity.
[0014]
That is, in the first aspect of the present invention, a predetermined cavity is formed inside a microchip made of a transparent material, and light is controlled at an interface between the predetermined cavity and the transparent material. Things.
[0015]
Here, the control of the light may be light reflection as in the invention of claim 2 of the present invention, or refraction of light as in the invention of claim 3 of the present invention.
[0016]
Further, the transparent material may be a photosensitive glass as in the invention of claim 4 of the present invention.
[0017]
Further, the invention according to claim 5 of the present invention is a first step of irradiating a microchip made of a transparent material while moving the focal point of the femtosecond laser light along a predetermined shape, A second step of heat-treating the microchip irradiated with the femtosecond laser light in the first step, and subjecting the microchip heat-treated in the second step to solution treatment with a predetermined solution, A third step of forming a cavity of the predetermined shape in the microchip by etching and removing a region along the predetermined shape irradiated with the laser light; and etching in the third step. Heat-treating the formed microchip to flatten the surface of the transparent material surrounding the cavity. It is obtained by way.
[0018]
In the invention according to claim 6 of the present invention, in the invention according to claim 5 of the present invention, the heat treatment in the fourth step is lower than the softening point temperature of the transparent material, and The temperature is raised to a temperature higher than the crystallization temperature for annealing.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an example of an embodiment of a micro optical element and a method of manufacturing the same according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
[0020]
In the following drawings and the description thereof, the same or corresponding components are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
[0021]
FIG. 1 is a conceptual explanatory diagram of an example of an apparatus configuration for implementing a method for manufacturing a micro optical element according to the present invention.
[0022]
Here, it is assumed that photosensitive glass is used as a transparent material constituting a microchip used for producing a micro optical element by the apparatus shown in FIG.
[0023]
The size and shape of the microchip are arbitrary and may be set as appropriate. For example, in the case of a rectangular shape, examples of the dimensions are 10 mm in height, 10 mm in width, and 2 mm in height. .
[0024]
Here, in general, the photosensitive glass includes metal ions such as Au, Ag, and Cu and a sensitizer, and generates a metal colloid by ultraviolet exposure, and further, a fine crystal grows as a nucleus. . This crystal becomes so high that the solubility in acid is as high as 20 to 50 times compared to the original glass, so that the exposed portion can be etched with a very high selectivity by a thin hydrofluoric acid aqueous solution. .
[0025]
As such a photosensitive glass, for example, Forturan Glass (trademark), which is a photosensitive glass obtained by doping Ce ions, Ag ions, and Sb ions into lithium aluminosilicate glass, can be used. In the experiments performed by the inventor of the present invention described below, Forturan Glass (trademark) was used as the photosensitive glass.
[0026]
The processing step in the case of irradiating a laser beam such as an ultraviolet laser beam to Forturan Glass (trademark) can be divided into the following three steps.
[0027]
First, the first step is to expose a laser beam to expose the exposed portion of Ce.³⁺Emits electrons and Ce⁴⁺become. Then, by a reduction reaction with the released free electrons, Ag⁺Is Ag⁰Changes to
[0028]
Next, in the second step, by heat treatment, silver atoms diffuse to form clusters. When the clusters exceed 80 ° (angstrom), crystal nuclei are generated in the amorphous phase to form a crystal phase. You. The crystals mainly consist of lithium metasilicate.
[0029]
Finally, in the third step, the exposed portion is etched with a hydrofluoric acid aqueous solution. Since lithium metasilicate is very easily dissolved in a hydrofluoric acid aqueous solution, it is possible to perform etching with high selectivity at an exposed portion.
[0030]
The device shown in FIG.^-13As a femtosecond laser beam having a pulse width on the order of seconds, for example, a femtosecond laser beam 10 for irradiating a femtosecond laser beam having a pulse width of about 100 to 150 femtoseconds, and a femtosecond laser beam emitted from the femtosecond laser beam 10 And an objective lens 12 as a lens for condensing light inside the microchip 100.
[0031]
Further, this apparatus includes a moving table 200 as a moving means for moving the condensing position of the femtosecond laser light condensed inside the microchip 100 by the objective lens 12 relatively to the microchip 100. The microchip 100 is placed on the moving table 200. The moving table 200 can be arbitrarily moved in the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction of the rectangular coordinate system in FIG. 1, and this movement is performed by driving means (not shown) such as a motor. Is controlled by
[0032]
That is, in this apparatus, the irradiation direction of the femtosecond laser light is positioned and fixed, but the microchip 100 is placed on the moving table 200, and the microchip 100 is arbitrarily set in the X axis direction, the Y axis direction, and the Z axis direction. , The focus position of the femtosecond laser light focused inside the microchip 100 can be arbitrarily moved in the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction relative to the microchip 100. It is configured such that a femtosecond laser beam can be arbitrarily scanned in the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction inside the microchip 100.
[0033]
Further, in this apparatus, as the objective lens 12, for example, one having a numerical aperture (NA) of 0.46 (magnification: 20 times) can be used.
[0034]
In the above configuration, the femtosecond laser light emitted from the femtosecond laser 10 is incident on the objective lens 12, and the femtosecond laser light incident on the objective lens 12 is condensed by the objective lens 12, The light is condensed at a light condensing point located inside.
[0035]
Here, the moving table 200 is appropriately moved in the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction so that the focal point of the femtosecond laser light moves along the shape of the cavity to be formed in the microchip 100. By moving, the femtosecond laser beam is scanned (scanned). The shape of the cavity to be formed in the microchip 100 depends on the control mode at the time of controlling light at the interface between the cavity and the transparent material constituting the microchip 100, for example, reflection of light or refraction of light. May be set appropriately. That is, the shape of the cavity may be a rectangular shape, a polyhedral shape, a spherical shape, or a thin plate shape.
[0036]
The control of light at the interface between the transparent material forming the microchip 100 and the cavity formed in the microchip 100 will be described later with reference to a micro-optical element created by an experiment performed by the present inventor.
[0037]
An example of the dimensions of the cavity is, for example, when the cavity has a rectangular parallelepiped shape, the length (L1) is 4.242 mm, the width (L2) is 0.1 mm, and the height (L3) is 2 mm. (See FIGS. 11A and 11B).
[0038]
The region where the cavity of the microchip 100 where the femtosecond laser light is irradiated as described above is to be formed is modified by performing a heat treatment thereafter. Then, by etching the heat-treated microchip 100 with a diluted hydrofluoric acid solution, the area where the cavity to be irradiated with the femtosecond laser light is to be formed is several tens times as large as the area not irradiated with the femtosecond laser light. Etching is performed at an etching rate.
[0039]
Therefore, by controlling the etching time, it is possible to selectively etch away only the region where the cavity where the femtosecond laser light is irradiated from the microchip 100 is to be formed by etching, and to utilize this etching selectivity. A cavity of any shape can be formed in the microchip 100.
[0040]
By the way, when glass such as photosensitive glass is used as the transparent material of the microchip 100, the surface of the transparent material surrounding the formed cavity has a roughness of about several microns.
[0041]
That is, the irradiation is performed while moving the focal point of the femtosecond laser light inside the microchip 100, heat treatment is performed, and the surface of the transparent material surrounding the cavity created inside the microchip 100 by further etching is scanned. As a result of observation with an electron microscope (SEM) and an atomic force microscope (AFM), large roughness was observed as shown in the SEM photograph of FIG. 2 and the AFM photograph of FIG. FIG. 4 shows a graph of the beam spread evaluation when the He—Ne laser beam is reflected at the formed cavity interface, and the spread angle was 16.3 °.
[0042]
However, the flatness of the surface of the transparent material surrounding the cavity greatly affects the optical characteristics when controlling light at the interface between the cavity and the transparent material constituting the microchip 100. Therefore, it is desirable that the surface of the transparent material surrounding the cavity is flat.
[0043]
Generally, mechanical polishing is used to flatten the surface of the photosensitive glass after the hydrofluoric acid treatment, but it is impossible to polish a portion such as a surface surrounding a cavity formed inside the glass.
[0044]
In order to flatten the surface surrounding the cavity formed inside the glass, which is impossible with such a conventional technique, the present inventor applied heat treatment to the surface surrounding the cavity formed inside the glass, so that the surface was heated. This is to make it flat.
[0045]
That is, such roughness can be eliminated by performing heat treatment on the surface surrounding the cavity formed inside the glass, and the surface can be flattened.
[0046]
As described above, the heat treatment is performed after the irradiation while moving the focal point of the femtosecond laser light inside the microchip 100, and further the etching is performed to form a cavity inside the microchip 100. When the heat treatment was performed, the flatness of the surface surrounding the cavity was greatly improved.
[0047]
Annealing is preferably performed as a heat treatment for flattening the surface. Conditions for annealing include, for example, first increasing the temperature from room temperature to 570 ° C. at 5 ° C./min and holding for 5 hours. Thereafter, the temperature is cooled from 570 ° C. to 370 ° C. at a rate of 1 ° C./min, and further naturally cooled to room temperature.
[0048]
By performing such annealing, as shown in the SEM photograph of FIG. 5 and the AFM photograph of FIG. 6, the flatness of the surface surrounding the cavity formed therein is greatly improved. FIG. 7 shows a graph of beam spread evaluation when He-Ne laser light is reflected at the formed cavity interface, and the spread angle was improved to 4.7 °.
[0049]
Further, the RMS value, which is an index indicating flatness, was improved from 100 nm before annealing to 2 nm by the above-described annealing.
[0050]
Here, in the case of glass such as photosensitive glass, the temperature at which the temperature rises during annealing is preferably lower than the softening point and higher than the crystallization temperature.
[0051]
As described above, when the flattening process is performed by the above-described heat treatment, the flatness of the surface surrounding the cavity is significantly improved, and the optical characteristics are significantly improved. However, it is needless to say that when the required degree of the optical characteristics is low, the above-mentioned flattening by the heat treatment may be omitted.
[0052]
Next, the results of experiments performed by the present inventor using the method according to the present invention will be described.
[0053]
In this experiment, an infrared femtosecond laser (Clark-MXR CPA2000: wavelength 775 nm, pulse width 150 fs, repetition frequency 1 kHz) was used as the femtosecond laser 10.
[0054]
FIG. 8 shows a schematic configuration of the experimental apparatus. The experimental apparatus includes a femtosecond laser 10, a wave plate 602, a polarizing plate 604, a neutral density filter 606, an objective lens 12, a moving stage 200, A driving source 608 for driving the moving stage 200, a computer 610 for controlling the driving source 608, a CCD camera 612 for imaging the microchip 100, and a monitor 614 for displaying an image captured by the CCD camera 612. It is configured.
[0055]
Therefore, in this experimental apparatus, the microchip 100 irradiated with the femtosecond laser beam can be observed on the spot using the CCD camera 612.
[0056]
The microchip 100 is appropriately moved in the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction by the moving stage 200 controlled by the computer 610.
[0057]
In the above experimental apparatus, the beam of the femtosecond laser light emitted from the femtosecond laser 10 is cut out by an aperture having a diameter of 3 mm, and is incident on the objective lens 12. The pulse energy of the femtosecond laser light was adjusted using a neutral density filter 606.
[0058]
The femtosecond laser light was condensed on the microchip 100 by a 20-times objective lens 12 (numerical aperture NA: 0.46), and the laser-irradiated microchip 100 was subjected to a heat treatment by annealing. In the annealing, the temperature is increased at a rate of 5 ° C./min to 500 ° C. and kept constant at 500 ° C. for one hour. At this temperature, silver clusters are formed in portions exposed by the femtosecond laser beam. The temperature is increased again to 605 ° C. at a rate of 3 ° C./min and kept at 605 ° C. for one hour. At higher temperatures, a crystalline phase forms. Thereafter, it is naturally cooled to room temperature.
[0059]
After the microchip 100 has been cooled to room temperature, a solution treatment is performed with a 10% hydrofluoric acid aqueous solution, and the area irradiated with the femtosecond laser light is removed by etching to form a cavity in the microchip 100.
[0060]
Further, annealing is performed to flatten the surface surrounding the cavity of the microchip 100. The conditions for annealing are as follows: first, the microchip 100 is heated from room temperature to 570 ° C. at 5 ° C./min and held for 5 hours. Thereafter, the temperature is cooled from 570 ° C. to 370 ° C. at a rate of 1 ° C./min, and further naturally cooled to room temperature.
[0061]
FIG. 9 shows the time dependence of the etching depth by hydrofluoric acid between the region irradiated with the femtosecond laser beam and the region not irradiated with the femtosecond laser beam of the microchip 100 that has been annealed after irradiation with the femtosecond laser beam. Irradiation laser fluence is 0.12 J / cm², 0.18 J / cm²It is.
[0062]
As can be understood from FIG. 9, the etching depth hardly depends on the fluence, and the region irradiated with the femtosecond laser light is preferentially etched at an etching rate 35 times faster than the region not irradiated with the femtosecond laser light. You. Utilizing this selectivity, a cavity was formed inside the microchip 100.
[0063]
By the way, the photosensitive glass has a critical dose of laser light (D_c) Exists. That is, if the temperature exceeds the critical dose, crystals are precipitated on the glass, but if the temperature is lower than the critical dose, no crystals are precipitated on the glass. Above the critical dose, the density of nuclei formed is expected to increase in proportion to the dose. The nucleation density has been found to be proportional to the power of the fluence and is given by equation (1).
[0064]
ρ = KF^mN: Equation (1)
Here, ρ is the density of nuclei formed by the photochemical reaction of laser light, F is the fluence per pulse, m is the multiplier, N is the number of pulses, and K is a constant.
[0065]
Here, since the nuclear density ρ is considered to increase in proportion to the dose D,
D = ρ / K
Is defined as
D = F^mN: Equation (2)
Becomes
[0066]
The critical fluence for any number of pulses is F_cThen, the critical dose D_cIs
D_c= F_c ^mN: Equation (3)
It is expressed as
[0067]
To determine the critical dose, FIG. 10 shows the pulse number dependence of the critical fluence. Here, irradiation was performed while changing the fluence at the same pulse number, and the minimum fluence at which etching selectivity was confirmed after the hydrofluoric acid treatment was defined as the critical fluence.
[0068]
The graph shows that the critical fluence is reduced by increasing the number of pulses.
[0069]
The multiplier m in equation (3) can be obtained from the negative reciprocal of the slope of the graph,
m = 6
Becomes
[0070]
That is, when a femtosecond laser having a pulse width of 150 fs and a wavelength of 775 nm is used, it is considered that the reaction is caused by the six-photon process. This value is much larger than when nanosecond ultraviolet laser light (wavelength 266 nm, wavelength 355 nm) is used. In the case of an ultraviolet laser, absorption occurs in one photon. However, it is believed that two consecutive steps are required for the final reaction to occur. In other words, Helvajian et al. Consider whether a two-photon process in which an intermediate level state having a long lifetime is formed by one-photon absorption and another photon is absorbed at that level to cause a reaction (2). Not photon absorption.)
[0071]
If Helvajian et al.'S consideration is correct, in the case of femtosecond lasers, the first and second processes are each caused by multiphoton absorption, resulting in a six-photon process as a sum. Can be The fact that the reaction takes place at six photons is advantageous in that a high spatial resolution can be obtained. At this time, the critical dose D_cIs
1.3 × 10^-5J⁶/ Cm¹²
It is estimated.
[0072]
Next, a micro optical element and the like created by the inventor of the present invention under the above-described experimental conditions will be described with reference to FIGS.
[0073]
First, FIGS. 11 (a) and 11 (b) are diagrams illustrating the configuration of a micro-optical element created by the inventor of the present application. A rectangular cavity 700 is formed in a microchip 100 made of photosensitive glass. This shows a micro-optical element configured as described above. This micro optical element can reflect light at an angle of 90 ° at the interface between the photosensitive glass and the cavity 700 formed inside the micro chip 100 made of the photosensitive glass.
[0074]
The cavity 700 in the micro-optical element shown in FIGS. 11A and 11B has a traveling direction of the incident light such that the reflection mirror is arranged at an angle of 45 ° with respect to the traveling direction of the incident light. Are arranged so as to extend at an angle of 45 ° with respect to.
[0075]
In producing the micro optical element shown in FIGS. 11A and 11B, the focal point of the femtosecond laser beam was horizontally scanned on the XY plane by a distance L1 (L1 = 4.242 mm). Thereafter, the focal point of the femtosecond laser light was moved upward by 15 μm along the Z-axis direction, and the same horizontal scanning on the XY plane as above was repeated.
[0076]
In order to form the cavity 700 in the entire thickness direction of the microchip 100 having a thickness of 2 mm in the Z-axis direction made of photosensitive glass, 140 horizontal scans and upward movements were repeated 140 times (therefore, the height of the cavity 700). (L3) is 2 mm.)
[0077]
The pulse energy of the irradiated femtosecond laser light is 700 nJ, and the scan speed is 500 μm / s.
[0078]
Heat treatment was performed after the above-described scanning with the femtosecond laser light was completed, and thereafter, the irradiation region of the femtosecond laser light was removed by hydrofluoric acid treatment for one hour, so that a cavity 700 was formed. Further, the microchip 100 in which the cavity 700 was formed was annealed, and the surface of the photosensitive glass surrounding the cavity 700 was flattened.
[0079]
The dimensions of the rectangular cavity 700 are 4.242 mm in length (L1), 0.1 mm in width (L2), and 2 mm in height (L3).
[0080]
The optical characteristics of the micro-optical element formed by forming the cavity 700 in the microchip 100 thus prepared were examined by irradiating a He-Ne laser beam.
[0081]
That is, when the He-Ne laser light is incident on the cavity 700 at an angle of 45 °, the light incident on the interface between the cavity 700 and the photosensitive glass is controlled, and as shown in FIG. Reflected at an angle of That is, the micro optical element formed by forming the cavity 700 in the micro chip 100 shown in FIGS. 11A and 11B functions as a reflection mirror.
[0082]
In the case of the micro optical element having the structure shown in FIGS. 11A and 11B, the optical loss at 1.55 μm when the surface surrounding the cavity 700 is flattened by the flattening process by annealing is 0.60 dB. The optical loss at 1.55 μm when the flattening treatment by annealing was not performed was 1.59 dB.
[0083]
Next, FIG. 12 is a diagram illustrating the configuration of a micro-optical element created by the inventor of the present application, and three rectangular cavities 702, 704, and 706 are formed in a microchip 100 made of photosensitive glass. 1 shows a micro-optical element formed by formation. This micro optical element reflects light at an angle of 90 ° at an interface between three cavities 702, 704, and 706 formed inside a micro chip 100 made of photosensitive glass and the photosensitive glass. This constitutes a 270 ° optical reflection circuit that reflects 270 ° as a whole.
[0084]
The micro optical element constituting the 270 ° optical reflection circuit shown in FIG. 12 can be created by the same method as described with reference to FIGS. 11A and 11B, and is “4 mm × 5 mm” on the XY plane. A 270 ° optical reflection circuit was formed in the region of.
[0085]
The optical characteristics of the micro-optical element in which the cavities 702, 704, and 706 were formed in the microchip 100 thus formed to form a 270 ° optical reflection circuit were examined by irradiating He-Ne laser light.
[0086]
That is, as shown in FIG. 12, when the He-Ne laser beam is incident on the cavity 702 at an angle of 45 °, the light incident on the interface between the cavity 702 and the photosensitive glass is controlled to have an angle of 90 °. The reflected light is incident on the cavity 704 at an angle of 45 ° and is also reflected at an angle of 90 °. The reflected light is incident on the cavity 706 at an angle of 45 °, and is similarly reflected and emitted at an angle of 90 °, thereby implementing a 270 ° optical reflection circuit.
[0087]
The optical loss at 1.55 μm of the micro optical element having the structure shown in FIG. 12 when the flattening process was performed by annealing was 1.98 dB.
[0088]
Next, FIG. 13 shows a configuration explanatory view of a micro optical element created by the inventor of the present application, and shows a micro optical element formed by forming a cavity 708 in a micro chip 100 made of photosensitive glass. I have. This micro optical element constitutes a beam splitter that splits incident light at the interface between the photosensitive glass and the cavity 708 formed inside the micro chip 100 made of the photosensitive glass.
[0089]
The micro optical element constituting the beam splitter shown in FIG. 13 can also be created by the same method as described with reference to FIGS. 11A and 11B.
[0090]
When the optical characteristics of the micro-optical element forming the beam splitter by forming the cavity 708 in the microchip 100 formed in this way are examined, the S-polarized light is converted into the cavity 708 formed in the microchip 100, as shown in FIG. When the light was incident on the beam splitter, the incident light was separated at the interface between the cavity 708 and the photosensitive glass at a ratio (distribution ratio) of “1: 1.43 (beam 1: beam 2)”.
[0091]
In the case of performing the flattening process by annealing with respect to the micro optical element having the structure shown in FIG. 13, the intensity ratio of the beam 1 to the incident light is 4.84 dB, and the intensity ratio of the beam 2 to the incident light is 3 .28 dB and the total optical loss is 0.98 dB.
[0092]
Next, FIG. 14 shows a micro optical element according to the present invention which constitutes a polarizer.
[0093]
The micro optical element constituting this polarizer is formed by continuously forming a large number of cavities 710 at predetermined intervals inside a micro chip 100.
[0094]
Light incident on the interface between each cavity 710 and the photosensitive glass at a Brewster angle is emitted from the micro optical element through only the P-polarized light.
[0095]
Next, FIG. 15 shows a micro optical element constituting a beam splitter having a distribution ratio of “50:50”.
[0096]
The micro-optical element constituting the beam splitter has a cavity 712 formed inside the microchip 100, and light incident at a specific incident angle (for example, 80 ° in the case of glass). At the interface between the cavity 712 and the photosensitive glass, the light is split into two light paths having the same intensity.
[0097]
Next, FIG. 16 shows a micro optical element constituting a Mach-Zehnder interferometer.
[0098]
The micro optical element constituting this Mach-Zehnder interferometer has cavities 714, 716, 718, 720 formed inside a microchip 100 and a micro channel 800 filled with a sample inside. The light incident on the Mach-Zehnder interferometer is split into two light paths having the same intensity at the interface between the cavity 714 and the photosensitive glass. Light in one of the two optical paths is reflected at the interface between the cavity 716 and the photosensitive glass, enters the microchannel 800, and is refracted and detected at the interface between the cavity 720 and the photosensitive glass. Further, light in the other optical path of the two optical paths is reflected at the interface between the cavity 718 and the photosensitive glass, and further refracted and detected at the interface between the cavity 720 and the photosensitive glass.
[0099]
Next, FIG. 17 shows a micro optical element constituting a beam bender.
[0100]
The micro-optical element constituting the beam bender forms a cavity 722 serving as a reflection mirror and cavities 724 and 726 serving as lenses inside the microchip 100, and forms a hollow channel of the microchip 100 or adjusts the refractive index. The optical waveguides 802 and 804 are formed by controlling.
[0101]
The light incident on the micro optical element is incident on the cavity 724 via the optical waveguide 802, and the light emitted from the cavity 724 is reflected 90 ° at the interface between the cavity 722 and the photosensitive glass and is incident on the cavity 726. The light emitted from the cavity 726 is emitted to the outside via the optical waveguide 804.
[0102]
Next, FIG. 18 shows a micro optical element constituting a beam deflector for detecting fluorescence.
[0103]
The micro-optical element constituting the beam deflector has a cavity 728 acting as a reflection mirror inside the microchip 100 and a microchannel 806 filled with a sample inside.
[0104]
The excitation light incident on the micro optical element is reflected at the interface between the cavity 728 and the photosensitive glass and is irradiated to the micro channel 806. The sample filled in the micro channel 806 emits fluorescence by the irradiation of the excitation light. Then, the fluorescence is detected by the detector 808.
[0105]
The above embodiment may be modified as shown in the following (1) to (6).
[0106]
(1) In the above-described embodiment, photosensitive glass is used as the transparent material. However, it is a matter of course that the transparent material is not limited to this. For example, quartz glass, metal-doped glass, sapphire, or the like is used. be able to.
[0107]
(2) In the above embodiment, the hydrofluoric acid solution was used as the etching solution. However, the present invention is not limited to this. For example, hydrochloric acid, phosphoric acid, or aqua regia can be used. . For example, when gold-doped quartz glass is used as the transparent material, aqua regia is preferably used as the etching solution, and when silver-doped quartz glass is used as the transparent material, hydrochloric acid is preferably used as the etching solution.
[0108]
(3) In the above embodiment, specific numerical values of parameters (wavelength, pulse width, repetition frequency, fluence, etc.) of the femtosecond laser are shown as experimental conditions, but these numerical values are merely examples. The parameters of the femtosecond laser may be appropriately selected according to the type of the transparent material and the size of the internal space to be created.
[0109]
(4) In the above-described embodiment, the focal point of the femtosecond laser light is moved relative to the sample 100 by moving the sample 100 using the moving table 200. However, the present invention is not limited to this. Of course not.
[0110]
That is, contrary to the above embodiment, the processing device inside the transparent material is configured to move with respect to the sample 100, and the femtosecond laser light inside the sample 100 is moved by the movement of the processing device inside the transparent material. May be configured to scan the focal point.
[0111]
(5) In the above-described embodiment, a femtosecond laser is used. However, a laser beam having a small absorption coefficient even with a laser having a nanosecond or a longer pulse width (for example, Fortulan Glass (trademark)) In contrast, in the case of the third harmonic (355 nm) of an Nd: YAG laser, a cavity can be formed, and such a laser may be used instead of the femtosecond laser.
[0112]
(6) The above embodiments and the modifications shown in (1) to (5) above may be used in appropriate combination.
[0113]
【The invention's effect】
Since the present invention is configured as described above, various optical elements including a mirror that reflects light at an angle of 90 ° and a beam splitter that disperses incident light are realized. It has an excellent effect of being able to do so.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual explanatory diagram of an example of an apparatus configuration for implementing a method for manufacturing a micro optical element according to the present invention.
FIG. 2 shows a scanning electron beam on a surface of a transparent material surrounding a cavity created inside a microchip by performing a heat treatment after irradiating a condensed point of a femtosecond laser beam while moving the focusing point inside the microchip, and further performing etching. It is a microscope (SEM) photograph.
[FIG. 3] Atomic force on the surface of a transparent material surrounding a cavity created inside a microchip by performing heat treatment after irradiation while moving the focal point of a femtosecond laser beam inside the microchip and then etching the same. It is a microscope (AFM) photograph.
FIG. 4 is a view showing a state in which a heat treatment is performed after moving the focal point of a femtosecond laser beam inside a microchip while moving the same, and then, a surface of a transparent material surrounding a cavity formed inside the microchip by etching is He-Ne. It is a graph of the evaluation of the spread of a beam when irradiating a laser beam.
FIG. 5 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of a surface of a transparent material surrounding a cavity formed inside a microchip after annealing as a heat treatment for surface flattening.
FIG. 6 is an atomic force microscope (AFM) photograph of the surface of a transparent material surrounding a cavity formed inside a microchip after annealing as a heat treatment for surface flattening.
FIG. 7 is an evaluation of beam spread when a surface of a transparent material surrounding a cavity formed inside a microchip is irradiated with a He—Ne laser beam after annealing as a heat treatment for flattening a surface. It is a graph of.
FIG. 8 is a schematic configuration explanatory view of an experimental apparatus used by the inventor of the present application for an experiment.
FIG. 9 is a graph showing the time dependence of the etching depth by hydrofluoric acid between the region irradiated with the femtosecond laser beam and the region not irradiated with the femtosecond laser light on the annealed microchip. Irradiation laser fluence is 0.12 J / cm², 0.18 J / cm²It is.
FIG. 10 is a graph showing pulse number dependence of critical fluence.
11A is a configuration explanatory view of a micro-optical element constituting a 90 ° reflecting mirror created by the inventor of the present application, and is viewed from a direction corresponding to the arrow A in FIGS. 1 and 8; FIG. It is a structural explanatory view in the case, (b) is a principal part perspective explanatory view of (a).
12 is an explanatory diagram of a configuration of a micro optical element constituting a 270 ° optical reflection circuit created by the inventor of the present application, and is an explanatory diagram of a configuration when viewed from a direction corresponding to the arrow A in FIGS. 1 and 8; It is.
FIG. 13 is a structural explanatory view of a micro optical element constituting the beam splitter created by the inventor of the present application, and is a structural explanatory view when viewed from the direction corresponding to the arrow A in FIG. 1 and FIG.
FIG. 14 is an explanatory diagram of a configuration of a micro optical element included in the polarizer, which is an explanatory diagram of the configuration as viewed from a direction corresponding to the arrow A in FIGS. 1 and 8;
FIG. 15 is a diagram illustrating the configuration of a micro-optical element that configures a beam splitter having a distribution ratio of “50:50” when viewed from a direction corresponding to the arrow A in FIGS. 1 and 8; It is.
FIG. 16 is an explanatory diagram of a configuration of a micro-optical element included in the Mach-Zehnder interferometer, and is an explanatory diagram of a configuration when viewed from a direction corresponding to an arrow A in FIGS. 1 and 8;
FIG. 17 is an explanatory diagram of a configuration of a micro-optical element constituting the beam bender, when viewed from a direction corresponding to the arrow A in FIGS. 1 and 8;
FIG. 18 is an explanatory diagram of a configuration of a micro optical element constituting a beam deflector for detecting fluorescence, and is an explanatory diagram of a configuration when viewed from a direction corresponding to the arrow A in FIGS. 1 and 8.
[Explanation of symbols]
10 femtosecond laser
12 Objective lens
100 microchip
200 moving table
700, 702, 704, 706, 708, 710, 712, 714, 716, 718, 720, 722, 724, 726, 728 cavity
800, 806 micro channel
802, 804 Optical waveguide
808 detector

Claims

透明材料からなるマイクロチップの内部に所定の空洞を形成し、前記所定の空洞と前記透明材料との界面で光を制御する
マイクロ光学素子。A micro-optical element which forms a predetermined cavity inside a microchip made of a transparent material and controls light at an interface between the predetermined cavity and the transparent material.

請求項１に記載のマイクロ光学素子において、
前記光の制御は、光の反射である
マイクロ光学素子。The micro-optical element according to claim 1,
The micro-optical element, wherein the control of the light is reflection of light.

請求項１に記載のマイクロ光学素子において、
前記光の制御は、光の屈折である
マイクロ光学素子。The micro-optical element according to claim 1,
The micro-optical element wherein the control of light is refraction of light.

請求項１、請求項２または請求項３のいずれか１項に記載のマイクロ光学素子において、
前記透明材料は、感光性ガラスである
マイクロ光学素子。The micro-optical element according to any one of claims 1, 2, or 3,
The micro optical element, wherein the transparent material is a photosensitive glass.

透明材料からなるマイクロチップに対してフェムト秒レーザー光の集光点を所定の形状に沿って移動させながら照射する第１のステップと、
前記第１のステップにおいてフェムト秒レーザー光を照射された前記マイクロチップを熱処理する第２のステップと、
前記第２のステップにおいて熱処理された前記マイクロチップを所定の溶液で溶液処理して、フェムト秒レーザー光を照射された前記所定の形状に沿った領域をエッチングして除去することにより、前記マイクロチップ内に前記所定の形状の空洞を形成する第３のステップと、
前記第３のステップにおいてエッチングされた前記マイクロチップを熱処理して、前記空洞を取り囲む前記透明材料の表面を平坦化する第４のステップと
を有するマイクロ光学素子の製造方法。A first step of irradiating the microchip made of a transparent material while moving the focal point of the femtosecond laser light along a predetermined shape,
A second step of heat-treating the microchip irradiated with the femtosecond laser light in the first step;
The microchip heat-treated in the second step is subjected to a solution treatment with a predetermined solution, and a region along the predetermined shape irradiated with femtosecond laser light is removed by etching. A third step of forming the cavity of the predetermined shape therein;
Heat-treating the microchip etched in the third step to flatten the surface of the transparent material surrounding the cavity.

請求項５に記載のマイクロ光学素子の製造方法において、
前記第４のステップにおける熱処理は、
前記透明材料の軟化点の温度よりも低く、かつ、結晶化温度よりも高い温度に昇温してアニールする
マイクロ光学素子の製造方法。The method for manufacturing a micro optical element according to claim 5,
The heat treatment in the fourth step includes:
A method for producing a micro-optical element in which the temperature is raised to a temperature lower than the softening point of the transparent material and higher than the crystallization temperature and annealing is performed.