JP5270142B2 - 反射型空間光変調素子 - Google Patents

Description

本発明は、反射型空間光変調素子に関するものである。

従来から、液晶反射型空間光変調素子（ＬＣｏＳ−ＳＬＭ：Liquidcrystal on silicon - Spatial light modulator）によってレーザ光を変調する技術が知られている。例えば特許文献１には、液晶反射型空間光変調素子を備えるレーザ加工装置が開示されている。特許文献１に記載されたレーザ加工装置は、フェムト秒レーザ光源から出力されるレーザのエネルギー分布を均一化して空間光変調素子の全面に均一に入射することで、加工対象物質の内部に複数の集光スポットを形成している。このような空間光変調素子では、液晶層に対向して反射層が配置されており、液晶層を透過した光が反射層で反射される。
特開２００６−６８７６２号公報

フェムト秒レーザといったピーク強度の大きい高強度のレーザ光を空間光変調素子に入射した場合、反射面近傍に存在する液晶層が破損してしまうことがある。上記のように、特許文献１に記載の発明においては、ビーム整形素子といった外部素子を設けることでレーザ出力を光変調素子の有効径内で強度分布を一様にし、液晶層の損傷の防止を図っている。しかしながら、特許文献１に記載の反射型空間光変調素子は、ガウシアン分布を有する入射光の光強度分布を均一化することで、ピーク強度を低下させて入射しているにも関わらず、反射面近傍における液晶層の損傷を防止できるものではなかった。

本発明は、上記した問題点を鑑みてなされたものであり、耐光性を向上でき、液晶層の損傷を防止することができる反射型空間光変調素子を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題解決のため、液晶層と高強度レーザ光との間で起きている現象に着目した。その結果、液晶層の破損は、液晶層の界面近傍で生じる多光子吸収が原因の１つであり、その多光子吸収は、反射型空間光変調素子に入射した入射光と反射層により反射した反射光とが重畳される際の光強度に大きく依存することを見出した。そして、このような液晶層における反射層との界面近傍の多光子吸収の影響を緩和すれば、液晶層の損傷を防止することができるとの知見を得て本発明に想到するに至った。

本発明による反射型空間光変調素子は、前方から入射した光を反射しつつ、入射光および反射光の位相を制御する反射型空間光変調素子であって、液晶を光変調材料とし、入射光を変調する液晶層と、入射光を反射する反射層と、液晶層の一界面において入射光および反射光の位相をずらすために液晶層と反射層との間に配置された位相シフト層と、を備えることを特徴とする。

先に述べたように、液晶層の損傷は、多光子吸収の一種である２光子吸収の影響であることが本発明者らの研究によって見出されている。２光子吸収とは、物質が２つの光子を同時に吸収することによって、照射したエネルギーの２倍に相当する吸収が生じる現象である。従来の反射型空間光変調素子においては、入射光と反射光とが重畳することで２光子吸収が生じ、液晶層が損傷していた。これに対し、本発明による反射型空間光変調素子においては、液晶層と反射層との間に位相シフト層が設けられている。これにより、位相シフト層において入射光と反射光との位相をずらすことができ、液晶層界面の２光子吸収の発生を緩和することができる。従って、上記した反射型空間光変調素子によれば、高強度のレーザ光が入射された場合であっても、液晶の損傷を防止することができる。

また、反射型空間光変調素子は、位相シフト層の光学膜厚が、入射光の波長以上であることを特徴としてもよい。或いは、反射型空間光変調素子は、位相シフト層の光学膜厚が、入射光のパルス幅をτ、光の速さをｃとして（τ×ｃ）／３０以上であることを特徴としてもよい。これらのうちいずれかの構成により、液晶層の界面近傍に生じる２光子吸収の緩和を好適に実現できる。

また、反射型空間光変調素子は、液晶層と対向する誘電体多層膜を備え、誘電体多層膜は、第１の層が位相シフト層を構成し、第１の層を除く他の層が反射層を構成することを特徴としてもよい。これにより、反射層および位相シフト層を好適に構成できる。

本発明による反射型空間光変調素子によれば、耐光性を向上でき、液晶層の損傷を防止することができる。

以下、図面を参照しながら本発明による反射型空間光変調素子の実施の形態を説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明に係る反射型空間光変調素子の一実施形態の側面断面図である。図１に示す反射型空間光変調素子１は、ガラス基板２、透明導電膜３、画素電極４、液晶層５、透明層（位相シフト層）６、誘電体多層膜（反射層）７、遮光層８を備えている。

ガラス基板２は、反射型空間光変調素子１の表面１ａを構成している。ガラス基板２は、反射型空間光変調素子１の表面１ａから入射した所定波長の光Ｌを、反射型空間光変調素子１の内部へ透過する。また、透明導電膜３は、ガラス基板２の裏面２ｂ上に形成されており、光Ｌを透過する導電性材料（例えばＩＴＯ）を主に含んで構成されている。

画素電極４は、図２に示すように、２次元状に配列されて各画素を構成している。各画素電極４は、例えばアルミニウムといった金属材料からなり、それらの表面は、平坦且つ滑らかに加工されている。複数の画素電極４は、駆動回路層９に設けられたアクティブ・マトリクス回路によって駆動される。アクティブ・マトリクス回路は、複数の画素電極４とシリコン基板１０との間に設けられ、反射型空間光変調素子１から出力しようとする光像に応じて各画素電極４への印加電圧を制御する。このようなアクティブ・マトリクス回路は、例えばＸ軸方向に並んだ各画素列の印加電圧を制御する第１のドライバ回路と、Ｙ軸方向に並んだ各画素列の印加電圧を制御する第２のドライバ回路とを有しており、双方のドライバ回路によって指定された画素の画素電極４に所定電圧が印加される仕組みになっている。

液晶層５は、透明導電膜３と透明層６との間に配置されており、各画素電極４によって形成される電界に応じて光Ｌを変調する。すなわち、アクティブ・マトリクス回路によって或る画素電極４に電圧が印加されると、透明導電膜３と画素電極４との間に電界が形成される。この電界は、誘電体多層膜７及び液晶層５のそれぞれに対し、各々の厚さに応じた割合で印加される。そして、液晶層５に印加された電界の大きさに応じて液晶分子の配列方向が変化する。光Ｌがガラス基板２及び透明導電膜３を透過して液晶層５に入射すると、この光Ｌは液晶層５を通過する間に液晶分子によって変調され、誘電体多層膜７において反射した後、再び液晶層５により変調されてから取り出される。なお、本実施形態において、液晶層５は配向膜５ａ，５ｂを含んで構成されている。

配向膜５ａ，５ｂは、液晶層５の両端面に形成されており、液晶分子群を一定方向に配列させる。配向膜５ａ，５ｂは、例えばポリイミドといった高分子材料からなり、液晶層５との接触面にラビング処理等が施されたものが適用される。

透明層６は、本実施形態における位相シフト層である。透明層６は、液晶層５の界面において、ガラス基板２側から入射した光Ｌ、および誘電体多層膜７により反射された光Ｌのピーク同士が互いに重畳しないように位相をシフトさせる。透明層６の光学膜厚は、入射光の波長以上に設定されることが好ましい。或いは、透明層６の光学膜厚は、入射光のパルス幅をτ、光の速さをｃとして（τ×ｃ）／３０以上に設定されることが好ましい。透明層６の構成材料としては、例えばＳｉＯ_２やＮｂ_２Ｏ_５が主に含まれることが好ましい。

誘電体多層膜７は、透明層６と遮光層８との間に設けられている。誘電体多層膜７は、光Ｌを例えば９９％超といった高反射率で反射する。誘電体多層膜７の構成材料としては、例えばＳｉＯ_２とＴｉＯ_２とが交互に積層されたものが挙げられるが、特にこれに限定されるものではなく、ＴｉＯ_２に代えてＨｆＯ_２を採用したり、ＳｉＯ_２に代えてＭｇＦ_２を採用したりするなど適宜変更してもよい。

遮光層８は、誘電体多層膜７と画素電極４との間に配置されており、複数の画素電極４の表面上に直接形成されている。遮光層８は、光漏れの発生を抑制する。

以上のような構成を備える反射型空間光変調素子１の作用について詳細に説明する。

まず図３に、各種液晶の分光透過特性を示す。図３に示すように、各種液晶Ｃ１〜Ｃ３は、高強度フェムト秒レーザとして広く用いられているＴｉ：ｓａｐｐｈｉｒｅレーザの発振波長帯域（７００ｎｍ〜１０００ｎｍ）において光の透過率が高い。また、例えばＣ１のように、発振波長の１／２に相当する短波長帯域に大きな吸収を持つものもある。

通常、液晶において波長８００ｎｍの光の吸収は小さい。しかし、液晶が２つの光子を同時に吸収する２光子吸収が生じた場合、吸収率の高い４００ｎｍの光照射に相当するエネルギーが発生する。図４に、中心波長８００ｎｍ、繰り返し１ｋＨｚのフェムト秒レーザを、図３に示した液晶Ｃ３を用いた反射型空間光変調素子に照射したときの散乱光のスペクトルを示す。図４に示すように、２光子吸収によって波長が８００ｎｍの２つの光子を同時に液晶層５が吸収することによって、液晶層５において吸収率の高い４００ｎｍの１つの光子を吸収する場合と同様の効果が生じている。

図５に、透明層６の光学膜厚と液晶層５の界面における光強度との関係を示す。同図において、横軸は透明層６の光学膜厚［ｎｍ］であり、縦軸は液晶層５界面の光強度［任意単位］である。なお、透明層６の光学膜厚０ｎｍは、透明層６を配置していない場合である。図５に示すそれぞれのグラフＧ１〜Ｇ３は、Ｇ１はパルス幅５０ｆｓ、Ｇ２はパルス幅１００ｆｓ、Ｇ３はパルス幅１５０ｆｓを示している。図７より得られる知見として、透明層６の光学膜厚は、入射光のパルス幅をτ、光の速さをｃとして（τ×ｃ）／３０以上に設定すると、デバイスの耐光性が通常の使用方法に耐え得る値に向上する。この式にそれぞれのパルス幅を代入すると、５０ｆｓでは５００ｎｍ、１００ｆｓでは１０００ｎｍ、１５０ｆｓでは１５００ｎｍであり、このときの液晶層５の界面の光強度は、透明層６が無い場合と比較して０．９８倍になる。ここで、液晶層５の界面の光強度の２乗は、２光子吸収の発生頻度に比例するので、２光子吸収の発生頻度は０．９８^２＝０．９６倍になる。光の強度は、透明層６の光学膜厚が厚く且つパルス幅が短くなるほど減衰する。

図６、図７は反射型空間光変調素子に、パルス幅５０ｆｓの光パルスを入射した場合の液晶層の界面における光強度を示す図である。図６は、透明層６が配置されていない従来の反射型空間光変調素子における液晶層界面の光強度変化である。一方、図７は、液晶層５と誘電体多層膜７との間に、光学膜厚３μｍのＮｂ_２Ｏ_５からなる透明層６を配置した反射型空間光変調素子１における液晶層５界面の光強度変化である。図７に示すように、本発明に係る反射型空間光変調素子１では、透明層６が無い場合と比べて液晶層５界面において光強度のピークが緩和され、液晶層５の界面における光強度のピークが０．５５倍に低減している。これにより、２光子吸収の発生頻度が０．５５^２＝０．３倍にまで低減する。

以上に説明した本実施形態による反射型空間光変調素子１は、次の効果を有する。反射型空間光変調素子１においては、液晶層５と誘電体多層膜７との間に透明層６が形成されているので、液晶層５の界面における入射光と反射光との重畳による２光子吸収を緩和することができる。

図８に、従来の反射型空間光変調素子および本発明の反射型空間光変調素子１における耐光性の実験結果を示す。図８において、横軸は照射強度［Ｗ／ｃｍ^２］であり、縦軸は液晶層５が損傷されるまでに要した時間［ｍｉｎ］である。図８に示すように、反射型空間光変調素子１（グラフＬ１）は、透明層６を含まない従来の反射型空間光変調素子（グラフＬ２）と比べて照射強度に対しての液晶層５の損傷開始時間が長くなっている。通常、デバイスを使用する場合には、光が長時間照射されることになる。そのため、多光子吸収の影響は照射時間に応じて積算されていく。これに対し、本実施形態では透明層６が効果的に機能するため、透明層６を配置することで反射型空間光変調素子１の耐光性を向上させることが可能となる。

（変形例）
図９は、上記実施形態の変形例として、誘電体多層膜１２の構成を示す側面断面図である。上記実施形態に係る反射型空間光変調素子１は、図１に示した透明層６と誘電体多層膜７に代えて、図９に示す誘電体多層膜１２を備えても良い。

図９に示すように、誘電体多層膜１２は、配向膜４ａに接する透明層１２ａ（位相シフト層である第１の層）と、透明層１２ａに接する反射層１２ｂ（第１の層以外の層）とを含んで構成されている。反射層１２ｂは、画素電極４の表面が有する光反射作用と協働して、光Ｌを例えば９９％超といった高反射率で反射する。透明層１２ａの構成材料としては、例えばＳｉＯ_２が主に含まれることが好ましい。また、反射層１２ｂの構成材料としては、例えばＳｉＯ_２とＴｉＯ_２とが交互に積層されたものが挙げられるが、特にこれに限定されるものではなく、ＴｉＯ_２に代えてＨｆＯ_２を採用したり、ＳｉＯ_２に代えてＭｇＦ_２を採用したりするなど適宜変更してもよい。

以上のような構成を有する本変形例においても、液晶層５と反射層１２ｂとの間に透明層１２ａが形成されているので、液晶層５の界面における入射光と反射光とのピーク強度の重畳による２光子吸収を緩和することができる。

本発明による反射型空間光変調素子１は、上記した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では、透明層６にＳｉＯ_２を構成材料とする薄膜を用いたが、位相シフト層としては、ガラス層、空気層、液体層（マッチングオイル）等を用いてもよい。

本実施形態に係る反射型空間光変調素子の側面断面図である。 画素電極の構成を示す平面図である。 各種液晶の分光透過特性を示す図である。 液晶を用いた反射型空間光素子にフェムト秒レーザを照射したときの散乱光の反射スペクトルを示す図である。 透明層の光学膜厚と液晶層の界面における光強度との関係を示す図である。 従来の反射型空間光変調素子の液晶層界面における光強度を示す図である。 図１に示した反射型空間光変調素子の液晶層界面における光強度を示す図である。 従来の反射型空間光素子および本発明の反射型空間光変調素子１における耐光性の実験結果を示す図である。 本変形例に係る誘電体多層膜の構成を拡大して示す図である。

符号の説明

１…反射型空間光変調素子、４…液晶層、６，１２ａ…透明層（位相シフト層）、７…誘電体多層膜、１２ｂ…反射層、Ｌ…光。

Claims (4)

1. 前方から入射した光を反射しつつ、入射光および反射光の位相を制御する反射型空間光変調素子であって、
   液晶を光変調材料とし、前記入射光を変調する液晶層と、
   前記入射光を反射する反射層と、
   前記液晶層の一界面において前記入射光および前記反射光の位相をずらすために前記液晶層と前記反射層との間に配置された位相シフト層と、を備え、
   前記位相シフト層は、入射した光と前記反射層により反射された光のピーク同士が互い に重畳しないように位相をシフトさせることを特徴とする、反射型空間光変調素子。
2. 前記位相シフト層の光学膜厚が、前記入射光の波長以上であることを特徴とする、請求 項１に記載の反射型空間光変調素子。
3. 前記位相シフト層の光学膜厚が、前記入射光のパルス幅をτ、光の速さをｃとして（τ×ｃ）／３０以上であることを特徴とする、請求項１に記載の反射型空間光変調素子。
4. 前記液晶層と対向する誘電体多層膜を備え、
   前記誘電体多層膜は、
   第１の層が前記位相シフト層を構成し、
   前記第１の層を除く他の層が前記反射層を構成することを特徴とする、請求項１〜３の いずれか一項に記載の反射型空間光変調素子。

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