JP5275729B2 - Transparent material for optical parts producing composition distribution and optical part using the same - Google Patents
Transparent material for optical parts producing composition distribution and optical part using the same Download PDFInfo
- Publication number
- JP5275729B2 JP5275729B2 JP2008237010A JP2008237010A JP5275729B2 JP 5275729 B2 JP5275729 B2 JP 5275729B2 JP 2008237010 A JP2008237010 A JP 2008237010A JP 2008237010 A JP2008237010 A JP 2008237010A JP 5275729 B2 JP5275729 B2 JP 5275729B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- glass
- region
- refractive index
- group
- distribution
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Abstract
Description
本発明は、主に光情報処理、光通信システム等に使用される各種素子、導波路等の光学部品に用いる透明材料に関し、特に、時間幅が１０−１２秒以下の超短パルスレーザ光により局所選択的に異なる組成分布が発生したガラス部材、及び構造体、当該構造体を利用する光学部品に関する。 The present invention relates to a transparent material mainly used for optical elements such as various elements used in optical information processing, optical communication systems, and waveguides, and in particular, by ultrashort pulse laser light having a time width of 10-12 seconds or less. The present invention relates to a glass member having a different composition distribution locally, a structure, and an optical component using the structure.
近年、精密光学機器、光通信分野等において、微小光学材料の開発が活発に行われている。これらマイクロオプティックスの分野においては、微小領域における光制御が可能な光学素子が求められ、その屈折率制御等が重要な課題となる。 In recent years, micro optical materials have been actively developed in the fields of precision optical equipment, optical communication, and the like. In the field of microoptics, an optical element capable of controlling light in a minute region is required, and its refractive index control is an important issue.
このような、屈折率制御に関しては材料そのものの特性だけではなく、さらに特性を付与した光学材料が使われており、特に光通信分野ではイオン交換を行いて屈折率の異なる領域を形成したＧＲＩＮ（ＧＲadient ＩＮdex）レンズが広く使用されている（特許文献１）。ＧＲＩＮレンズは、一般的にイオン交換法によって作製され、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ等を含有する母ガラスを溶融塩中に投入し、ガラス中にイオンの濃度勾配を生じさせ、半径方向に屈折率の分布を生じさせた平面レンズとしての機能を付与している。しかしながら、この方法であると、その屈折率変化は溶融塩によるイオン交換のために、表面近傍に限定され、より内部に屈折率分布領域を形成する事は出来ない。 For such refractive index control, not only the characteristics of the material itself but also optical materials with additional characteristics are used. In particular, in the optical communication field, GRIN ( GRadient INdex) lenses are widely used (Patent Document 1). A GRIN lens is generally manufactured by an ion exchange method, and a mother glass containing Li 2 O, Na 2 O, or the like is introduced into a molten salt to generate a concentration gradient of ions in the glass and bend in the radial direction. A function as a flat lens that causes distribution of the rate is given. However, with this method, the refractive index change is limited to the vicinity of the surface due to ion exchange by the molten salt, and a refractive index distribution region cannot be formed further inside.
また、屈折率変化という点では、近年レーザ技術の発達により、ガラス等の透明媒質中に屈折率変化した領域を形成することによる光部品の開発が活発に行われている（特許文献２）。特にパルス幅がフェムト秒レベルのレーザ光はそのピークパワーの強さから多光子吸収過程を利用した透明材料内部の三次元的な加工が可能である事が知られており、特許文献２ではレーザ光照射によりガラス内部に高屈折率領域を形成し、光導波路を作製する方法が開示されている。この光導波路は、光誘起屈折率変化を起こすエネルギー量を持つレーザ光をガラス材料の内部に集光し、ガラス材料の内部で集光点を相対移動させ、連続した屈折率変化領域をガラス材料の内部に形成する事により製造される。特許文献２に開示された技法においては、パルスレーザ照射による屈折率変化現象は光誘起屈折率変化であり、酸素欠陥の一部が構造変化することに起因するものと考えており、この屈折率変化領域は、当初のガラスの屈折率より高い事から光導波路として利用できるとされている。
しかし、特許文献２に開示された技法又は従来技術の組み合わせにおいては、他の領域とは異なるガラス組成の空間的な分布を発生することにより局所的な屈折率分布、又は屈折率勾配を付与する手法を用い、所望の光学特性を得られるガラス材料を提供することには至らなかった。 However, in the technique disclosed in Patent Document 2 or a combination of the conventional techniques, a local refractive index distribution or a refractive index gradient is imparted by generating a spatial distribution of a glass composition different from other regions. It has not been possible to provide a glass material that can obtain a desired optical characteristic by using the technique.
本発明は、レーザ照射により発生する組成分布が光学特性の変化を発生させうる、特定の成分を含有するガラス部材、並びにこのガラス部材を用いる構造体及び光学部品を提供することを目的とする。また、本発明は、ガラス材料に局所的組成分布を発生するための方法及び光学部品の製造方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a glass member containing a specific component whose composition distribution generated by laser irradiation can cause a change in optical characteristics, and a structure and an optical component using the glass member. Another object of the present invention is to provide a method for generating a local composition distribution in a glass material and a method for manufacturing an optical component.
本発明者らは、フェムト秒パルスレーザ照射により発生する組成分布が光学特性の変化を発生させうる特定の成分を含有するガラス材料を見出し、このガラス材料に対して所定の条件下においてフェムト秒パルスレーザを照射して当該ガラス内部の局所領域に所望の組成分布を発生させる事に成功し、この組成分布を利用した構造体による光学素子への応用を見出したことにより、本発明を完成するに至った。該組成分布は、ガラス構成成分の分布、元素の分布、特定の元素の結合状態の変化等、使用波長の光の屈折率に空間分布を生じうるものを含む。本発明によるガラス内部に所望の組成分布を有する局所領域により、さらに当該組成分布を２次元又３次元的な構造を伴って作成することにより、従来に無かった微小領域における光制御が可能になる。
本発明においては、次のような手段を提供する。なお、本願明細書に記載の用語「照射領域」は、実際にレーザ光が当たる部分とその影響を受ける周囲部を含み、照射の結果組成の変化が起きた領域を指すものである。用語「構造体」はガラス部材を所望の形状に成形したもの及び該成形プロセスの前後に一部の組成を選択的にエッチング処理したものを含む概念である。用語「屈折率」は可視光、赤外光等の、本発明に係る光学ガラス部材又は光学部品等の利用光線に対する屈折率を意味する。また、「ガラス組成の空間的な分布」とは、本発明におけるガラスを構成する成分の空間的な移動により生じる、局所的な組成の配置変化及び濃度勾配を含む概念である。
The present inventors have found a glass material containing a specific component whose composition distribution generated by irradiation with a femtosecond pulse laser can cause a change in optical characteristics, and this glass material is subjected to femtosecond pulse under a predetermined condition. The present invention has been completed by successfully applying a laser to generate a desired composition distribution in a local region inside the glass and finding an application to an optical element using a structure using this composition distribution. It came. The composition distribution includes those that can cause a spatial distribution in the refractive index of light at the wavelength used, such as the distribution of glass constituents, the distribution of elements, and the change in the bonding state of specific elements. By creating a local composition having a desired composition distribution inside the glass according to the present invention and further creating the composition distribution with a two-dimensional or three-dimensional structure, it becomes possible to control light in a micro area that has not existed before. .
In the present invention, the following means are provided. Note that the term “irradiation region” described in the specification of the present application refers to a region where a composition change occurs as a result of irradiation including a portion where the laser beam is actually irradiated and a surrounding portion affected by the irradiation. The term “structure” is a concept including a glass member formed into a desired shape and a part of the composition selectively etched before and after the forming process. The term “refractive index” means a refractive index with respect to a utilized light beam of an optical glass member or an optical component according to the present invention, such as visible light and infrared light. The “spatial distribution of the glass composition” is a concept including a local compositional change and a concentration gradient caused by a spatial movement of components constituting the glass in the present invention.
（１） 元素分布を有しない均一ガラス材料にパルスレーザを集光照射することにより、ガラス内部のレーザ照射領域及びその周辺領域に、他の領域とは異なる、ガラス組成の空間的な分布が存在する異質領域を有するガラス部材。 (1) By focusing and irradiating a uniform glass material with no element distribution with a pulsed laser, there is a spatial distribution of the glass composition that is different from other areas in the laser irradiation area and its surrounding areas inside the glass. A glass member having a heterogeneous region.
（２） 前記異質領域は、前記ガラス組成の空間的な分布により、他の領域とは異なる屈折率分布を有する（１）に記載のガラス部材。 (2) The glass member according to (1), wherein the heterogeneous region has a refractive index distribution different from other regions due to a spatial distribution of the glass composition.
（３） 前記均一ガラス材料が、ＳｉＯ２成分を含有しないことを特徴とする（１）又は（２）のいずれかに記載のガラス部材。 (3) The glass member according to any one of (1) and (2), wherein the uniform glass material does not contain a SiO 2 component.
（４） 前記均一ガラス材料が、高屈折率化に寄与する成分を含有し、該高屈折率化に寄与する成分がレーザ照射領域の中心に分布することを特徴とする（３）に記載のガラス部材。 (4) The uniform glass material contains a component that contributes to increasing the refractive index, and the component that contributes to increasing the refractive index is distributed in the center of the laser irradiation region. Glass member.
（５） 前記高屈折率化に寄与するガラス構成元素がＳｉを除く１３族又は１４族元素からなる酸化物から選ばれる１種以上であることを特徴とする（４）に記載のガラス部材。
(5) The glass member according to (4), wherein the glass constituent element contributing to the increase in the refractive index is one or more selected from oxides composed of Group 13 or
（６） 前記ガラス材料はＰ２Ｏ５成分を含み、Ｓｉを除く１３族又は１４族元素からなる酸化物を１種類以上含み、前記レーザ照射領域の中心において、前記１３族又は１４族元素の濃度が照射前よりも増加する空間的な分布を形成する、（３）から（５）のいずれかに記載のガラス部材。
(6) The glass material includes a P 2 O 5 component, includes one or more oxides composed of a group 13 or
（７） 酸化物基準の質量％で、Ｐ２Ｏ５：１０〜９０％、Ｒｎ２Ｏ＋ＲＯ＋Ｒ’Ｏ２：５〜６０％、及びＲｍ２Ｏ３＋Ｒｍ２Ｏ５：１〜５０％（Ｒｎ２Ｏはアルカリ金属酸化物から選ばれる１種以上、ＲＯはアルカリ土類及びＺｎの酸化物から選ばれる１種以上、Ｒ’Ｏ２はＳｉを除く１４族元素、Ｔｉ、及びＺｒの酸化物から選ばれる１種以上、Ｒｍ２Ｏ３、Ｒｍ２Ｏ５は１３族又は１５族元素、遷移元素、及び希土類元素の酸化物から選ばれる１種以上である。）を含む、（３）から（６）のいずれかに記載のガラス部材。
(7)% by mass based on oxide, P 2 O 5 : 10 to 90%, Rn 2 O + RO + R′O 2 : 5 to 60%, and Rm 2 O 3 + Rm 2 O 5 : 1 to 50% (Rn 2 O is at least one selected from alkali metal oxides, RO is at least one selected from alkaline earth and Zn oxides, and R′O 2 is from
（８） 前記均一ガラス材料はＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３及びＧｅＯ２から選ばれる１種以上の成分を含み、前記異質領域において空間的な分布を形成する成分は、網目形成酸化物を形成するカチオン及び／又は中間酸化物を形成するカチオン及び／又は網目修飾酸化物を形成するカチオンである、（１）又は（２）に記載のガラス部材。 (8) The uniform glass material includes at least one component selected from SiO 2 , B 2 O 3 and GeO 2, and the component forming a spatial distribution in the heterogeneous region forms a network-forming oxide. The glass member according to (1) or (2), which is a cation that forms a cation and / or an intermediate oxide and / or a cation that forms a network-modified oxide.
（９） 酸化物基準の質量％で、ＳｉＯ２：０〜９０％、Ｒｎ２Ｏ＋ＲＯ＋Ｒ’Ｏ２：５〜６０％、及びＲｍ２Ｏ３＋Ｒｍ２Ｏ５：１〜５０％（Ｒｎ２Ｏはアルカリ金属酸化物から選ばれる１種以上、ＲＯはアルカリ土類及びＺｎの酸化物から選ばれる１種以上、Ｒ’Ｏ２はＳｉを除く１４族元素、Ｔｉ、及びＺｒの酸化物から選ばれる１種以上、Ｒｍ２Ｏ３、Ｒｍ２Ｏ５は１３族又は１５族元素、遷移元素、及び希土類元素の酸化物から選ばれる１種以上である。）を含む、（８）に記載のガラス部材。
(9)% by mass on the oxide basis, SiO 2: 0~90%, Rn 2 O + RO + R'O 2: 5~60%, and Rm 2 O 3 + Rm 2 O 5: 1~50% (Rn 2 O is One or more selected from alkali metal oxides, RO is selected from one or more selected from alkaline earths and Zn oxides, and R′O 2 is selected from
（１０） 前記均一ガラス材料がＳｉ成分を含有し、Ｓｉ成分は、前記レーザ照射領域の集光点の中心において前記他の領域よりも高い濃度で分布する、（８）又は（９）に記載のガラス部材。 (10) The uniform glass material contains a Si component, and the Si component is distributed at a higher concentration than the other region at the center of the condensing point of the laser irradiation region. Glass member.
（１１） 前記均一ガラス材料がＳｉ及びＡｌ成分を含有し、Ａｌ成分は、前記レーザ照射領域の集光点の中心において前記他の領域よりも濃度が低下して分布する、（８）又は（９）に記載のガラス部材。 (11) The uniform glass material contains Si and an Al component, and the Al component is distributed at a concentration lower than that of the other region at the center of the condensing point of the laser irradiation region, (8) or ( The glass member as described in 9).
（１２） 前記ガラス組成の空間的な分布において、前記異質領域と前記他の領域とにおける、少なくとも一種類以上のガラスを構成する元素の濃度差が５ｍｏｌ％以上あることを特徴とする、（１）から（１１）のいずれかに記載のガラス部材。 (12) In the spatial distribution of the glass composition, the concentration difference of elements constituting at least one kind of glass in the heterogeneous region and the other region is 5 mol% or more. ) To (11).
（１３） 前記集光照射前の母ガラスとは異なる、組成の空間的な分布を有する領域が、二次元又は三次元的に、周期的及び／又はランダムに形成されている、（１）から（１２）のいずれかに記載のガラス部材。 (13) The region having a spatial distribution of the composition different from the mother glass before the focused irradiation is formed two-dimensionally or three-dimensionally and / or randomly. The glass member according to any one of (12).
（１４） （１）から（１３）のいずれかに記載のガラス部材を選択的にエッチング処理した構造体。 (14) A structure in which the glass member according to any one of (1) to (13) is selectively etched.
（１５） （１）から（１４）のいずれかに記載のガラス部材及び／又は構造体を含んでなる、屈折率分布型部品、光学ローパスフィルタ、回折光学部品、光拡散部品、光フィルタ、レンズ、マイクロレンズアレイ、及び光導波路からなる群から選択される光学部品。 (15) Refractive index distribution type component, optical low-pass filter, diffractive optical component, light diffusion component, optical filter, lens comprising the glass member and / or structure according to any one of (1) to (14) , An optical component selected from the group consisting of a microlens array and an optical waveguide.
（１６） 元素分布を有しない均一ガラス材料にパルスレーザを集光照射し、前記均一ガラス材料の内部のレーザ照射領域に、他の領域とは異なる、ガラス組成の空間的な分布が存在する異質領域を有するガラス部材を製造する方法。 (16) A heterogeneous material in which a uniform glass material having no element distribution is condensed and irradiated with a pulse laser, and a spatial distribution of the glass composition is different from the other regions in the laser irradiation region inside the uniform glass material. A method for producing a glass member having a region.
（１７） 前記ガラス組成の空間的な分布により、他の領域とは異なる屈折率分布を形成する（１）に記載のガラス部材を製造する方法。 (17) The method for producing the glass member according to (1), wherein a refractive index distribution different from other regions is formed by the spatial distribution of the glass composition.
（１８） 前記均一ガラス材料として、ＳｉＯ２成分を含有しないガラスを用いることを特徴とする、（１６）又は（１７）に記載のガラス部材を製造する方法。 (18) The method for producing a glass member according to (16) or (17), wherein glass containing no SiO 2 component is used as the uniform glass material.
（１９） 前記均一ガラス材料として、酸化物基準の質量％で、Ｐ２Ｏ５：１０〜９０％、Ｒｎ２Ｏ＋ＲＯ＋Ｒ’Ｏ２：５〜６０％、及びＲｍ２Ｏ３＋Ｒｍ２Ｏ５：１〜５０％（Ｒｎ２Ｏはアルカリ金属酸化物から選ばれる１種以上、ＲＯはアルカリ土類及びＺｎの酸化物から選ばれる１種以上、Ｒ’Ｏ２はＳｉを除く１４族元素、Ｔｉ、及びＺｒの酸化物から選ばれる１種以上、Ｒｍ２Ｏ３、Ｒｍ２Ｏ５は１３族又は１５族元素、遷移元素、及び希土類元素の酸化物から選ばれる１種以上である。）を含むガラスを用いる、（１８）に記載のガラス部材の製造方法。
(19) as the homogeneous glass material, in terms of% by mass on the oxide basis, P 2 O 5: 10~90% , Rn 2 O + RO + R'O 2: 5~60%, and Rm 2 O 3 + Rm 2 O 5: 1 ~ 50% (Rn 2 O is at least one selected from alkali metal oxides, RO is at least one selected from alkaline earth and Zn oxides, R′O 2 is a
（２０） 前記均一ガラス材料として、酸化物基準の質量％で、ＳｉＯ２：０〜９０％、Ｒｎ２Ｏ＋ＲＯ＋Ｒ’Ｏ２：５〜６０％、及びＲｍ２Ｏ３＋Ｒｍ２Ｏ５：１〜５０％（Ｒｎ２Ｏはアルカリ金属酸化物から選ばれる１種以上、ＲＯはアルカリ土類及びＺｎの酸化物から選ばれる１種以上、Ｒ’Ｏ２はＳｉを除く１４族元素、Ｔｉ、及びＺｒの酸化物から選ばれる１種以上、Ｒｍ２Ｏ３、Ｒｍ２Ｏ５は１３族又は１５族元素、遷移元素、及び希土類元素の酸化物から選ばれる１種以上である。）を含むガラスを用いる、（１６）又は（１７）のいずれかに記載のガラス部材の製造方法。
(20) as the homogeneous glass material, in terms of% by mass on the oxide basis, SiO 2: 0~90%, Rn 2 O + RO + R'O 2: 5~60%, and Rm 2 O 3 + Rm 2 O 5: 1~50 % (Rn 2 O is at least one selected from alkali metal oxides, RO is at least one selected from alkaline earths and oxides of Zn, R′O 2 is a
（２１） 前記ガラス組成の空間的な分布において、前記異質領域と前記他の領域とにおける、少なくとも１種以上のガラスを構成する元素の濃度差を５ｍｏｌ％以上にする、（１６）から（２０）のいずれかに記載のガラス部材を製造する方法。 (21) In the spatial distribution of the glass composition, a difference in concentration of elements constituting at least one kind of glass in the heterogeneous region and the other region is set to 5 mol% or more. (16) to (20 ) A method for producing the glass member according to any one of the above.
（２２） 前記パルスレーザの集光照射を、以下の条件（ａ）から（ｃ）を満たすレーザを用いて行う、（１６）から（２１）のいずれかに記載の方法。（ａ）パルス幅：１０フェムト（１０×１０−１５）秒〜１０ピコ（１０×１０−１２）秒、（ｂ）繰り返し周波数：５０ｋＨｚ以上、（ｃ）レーザ平均出力：０．２Ｗ以上。 (22) The method according to any one of (16) to (21), wherein the focused irradiation of the pulse laser is performed using a laser that satisfies the following conditions (a) to (c). (A) Pulse width: 10 femto (10 × 10 −15 ) seconds to 10 pico (10 × 10 −12 ) seconds, (b) repetition frequency: 50 kHz or more, (c) laser average output: 0.2 W or more.
（２３） 前記パルスレーザの集光照射において、繰り返し周波数を連続的に変化させる、（２２）に記載のガラス部材の製造方法。 (23) The method for producing a glass member according to (22), wherein the repetition frequency is continuously changed in the focused irradiation of the pulse laser.
（２４） 前記空間的な分布の変更を、二次元又は三次元的に、周期的及び／又はランダムに形成する、（１６）から（２３）のいずれかに記載のガラス部材の製造方法。 (24) The method for producing a glass member according to any one of (16) to (23), wherein the change in the spatial distribution is formed two-dimensionally or three-dimensionally periodically and / or randomly.
本願明細書に開示するガラス材料の加工法は、加工波長で透明な材料であれば、多光子吸収過程により、材料を内部から加工可能であり、従来の加工方法では困難であった材料内部における複雑なパターン設計の場合でも照射光学系の変更等により可能である。また、レーザの照射条件を変更する事により、照射部位に所望の組成分布を与え、これによる様々な光学特性の付与、物理的・化学的特性を付与する事が可能である。 The processing method of the glass material disclosed in the specification of the present application is that if the material is transparent at the processing wavelength, the material can be processed from the inside by a multiphoton absorption process. Even in the case of complicated pattern design, it is possible by changing the irradiation optical system. Further, by changing the laser irradiation conditions, it is possible to give a desired composition distribution to the irradiated portion, thereby imparting various optical characteristics and physical / chemical characteristics.
なお、ガラス母材への局所的な集光照射は、通常は集光レンズ等を用いてパルスレーザ光を集光することにより、多光子吸収を引き起こすのに十分な光子密度を実現させるが、これに限定せず、集光照射して高い光子密度を実現する手段として、回折格子やＣＧＨ（計算機合成ホログラム）等の波面制御素子や反射型の集光光学素子を利用してもよい。さらに、ガラス母材への局所的な集光照射においては、走査機構によって焦点を移動してもよい。その際、１０ｍｍ／秒以下の走査速度が好ましい。 In addition, the local focused irradiation to the glass base material usually achieves a photon density sufficient to cause multiphoton absorption by condensing the pulsed laser light using a condensing lens or the like, However, the present invention is not limited to this, and a wavefront control element such as a diffraction grating or CGH (computer-generated hologram) or a reflective condensing optical element may be used as means for realizing high photon density by condensing irradiation. Furthermore, the focal point may be moved by a scanning mechanism in the local focused irradiation to the glass base material. In this case, a scanning speed of 10 mm / second or less is preferable.
本発明によれば、母材の他の領域とは異なるガラス組成の空間的な分布を発生することにより局所的に屈折率を分布させる手法を用い、所望の光学特性を得られるガラス材料を提供しうる。これにより、本発明は、レーザ照射により発生する組成分布が光学特性の変化を発生させうる、特定の成分を含有するガラス部材、並びにこのガラス部材を用いる構造体及び光学部品を提供しうる。これらは材料内部におけるきめ細かい屈折率の制御が要求される光学部品、例えば光ファイバ又はレンズの形態を含む屈折率分布型部品、光学ローパスフィルタ、回折光学部品、光拡散部品、光フィルタ、レンズ、マイクロレンズアレイ等の光学部品に好適である。また、本発明は、ガラス材料に局所的組成分布を発生するための方法及び光学部品の製造方法を提供しうる。 According to the present invention, a glass material capable of obtaining desired optical characteristics by using a technique of locally distributing a refractive index by generating a spatial distribution of a glass composition different from other regions of the base material is provided. Yes. Thus, the present invention can provide a glass member containing a specific component whose composition distribution generated by laser irradiation can cause a change in optical characteristics, and a structure and an optical component using the glass member. These are optical components that require fine-grained control of the refractive index inside the material, such as refractive index distribution type components including optical fiber or lens forms, optical low-pass filters, diffractive optical components, light diffusing components, optical filters, lenses, and micro lenses. Suitable for optical components such as lens arrays. In addition, the present invention can provide a method for generating a local composition distribution in a glass material and a method for manufacturing an optical component.
以下、本発明の実施形態について説明する。なお、これはあくまでも例示であって、本発明の技術的範囲はこれに限られるものではない。なお、以下において特に明記しない場合、％は質量％を意味する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. This is merely an example, and the technical scope of the present invention is not limited to this. In the following description, “%” means “% by mass” unless otherwise specified.
＜光学部品用ガラス組成物＞
パルスレーザ照射により内部に照射前とは異なる組成分布を生じる光学部品用ガラス部材（以下、単にガラスともいう）には、ＳｉＯ２系ガラス、Ｂ２Ｏ３系、Ｐ２Ｏ５系ガラス等のいわゆる多成分系ガラスが挙げられる。本発明に係る実施形態として、ＳｉＯ２以外の網目形成酸化物からなるガラス及びＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３及びＧｅＯ２から選ばれる１種以上の成分が網目形成酸化物として機能するガラスを例示し、これらの組成について説明する。
<Glass composition for optical parts>
Examples of glass members for optical parts (hereinafter also simply referred to as glass) that generate a composition distribution different from that before irradiation by pulse laser irradiation include SiO 2 glass, B 2 O 3 glass, and P 2 O 5 glass. A so-called multicomponent glass can be mentioned. As an embodiment according to the present invention, a glass composed of a network-forming oxide other than SiO 2 and a glass in which one or more components selected from SiO 2 , B 2 O 3 and GeO 2 function as a network-forming oxide are exemplified. These compositions will be described.
＜実施形態１：ＳｉＯ２以外の網目形成酸化物からなる材料を用いる実施形態＞
本発明の一実施形態は、光学部品用ガラス組成物としてＳｉＯ２以外の網目形成酸化物からなる材料を用いることに関する。本発明者らは、Ｐ２Ｏ５系ガラス等の、ＳｉＯ２成分を含有しないガラスにレーザを集光照射することで、ガラスの高屈折率化に寄与する成分を照射領域の中心部に分布させることが可能であることを見出した。高屈折率に寄与する成分としては、Ｓｉを除く１３族又は１４族元素からなる酸化物から選ばれる成分（例えばＡｌ、Ｇａ、Ｇｅ等）を挙げられる。また、ＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５も高屈折率化に寄与することが期待される成分である。
<Embodiment 1: Embodiment using a material made of a network forming oxide other than SiO 2 >
One embodiment of the present invention relates to the use of a material comprising a network-forming oxide other than SiO 2 as a glass composition for optical components. The present inventors distribute a component that contributes to a higher refractive index of the glass to the center of the irradiation region by condensing and irradiating a laser to glass that does not contain a SiO 2 component, such as P 2 O 5 glass. I found out that it is possible. Examples of the component contributing to the high refractive index include components selected from oxides composed of Group 13 or
前記ガラスは好ましくはＰ２Ｏ５系ガラスである。本発明者らは、鋭意研究の結果、ＳｉＯ２を含有しないガラス、特にＰ２Ｏ５系ガラスにおいて、レーザ照射領域の中心に高屈折率領域を形成することが容易であることを見出した。該レーザ照射領域は、例えば光軸に垂直な面内の断面形状として直径約１０〜５０μｍ、典型的には直径約３０μｍの略円形の領域であるが、照射条件等により適宜設定しうる。該中心はこの略円形の領域の中心を含み、略円形の領域内の任意の部分でありうる。好ましくは、該中心はこの略円形の領域と中心が一致して直径がより小さい略円形の部分でありうる。このとき、前記ガラスの組成は、酸化物基準の質量％で、Ｐ２Ｏ５：１０〜９０％、Ｒｎ２Ｏ＋ＲＯ＋Ｒ’Ｏ２：５〜６０％、及びＲｍ２Ｏ３＋Ｒｍ２Ｏ５：１〜５０％を含み、Ｒｎ２Ｏはアルカリ金属酸化物から選ばれる１種以上、ＲＯはアルカリ土類及びＺｎの酸化物から選ばれる１種以上、Ｒ’Ｏ２はＳｉを除く１４族元素、Ｔｉ、及びＺｒの酸化物から選ばれる１種以上、Ｒｍ２Ｏ３、Ｒｍ２Ｏ５は１３族又は１５族元素、遷移元素、及び希土類元素の酸化物から選ばれる１種以上である。
The glass is preferably P 2 O 5 glass. As a result of intensive studies, the present inventors have found that it is easy to form a high refractive index region at the center of a laser irradiation region in a glass not containing SiO 2 , particularly P 2 O 5 glass. The laser irradiation region is, for example, a substantially circular region having a diameter of about 10 to 50 μm, typically about 30 μm, as a cross-sectional shape in a plane perpendicular to the optical axis, but may be appropriately set depending on irradiation conditions and the like. The center includes the center of the substantially circular region and can be any portion within the substantially circular region. Preferably, the center may be a substantially circular portion having a smaller diameter with a center coincident with the substantially circular region. At this time, the composition of the glass is mass% based on oxide, P 2 O 5 : 10 to 90%, Rn 2 O + RO + R′O 2 : 5 to 60%, and Rm 2 O 3 + Rm 2 O 5 : 1. Including 50%, Rn 2 O is one or more selected from alkali metal oxides, RO is one or more selected from alkaline earths and oxides of Zn, R′O 2 is a
前記成分のうち特にＰ２Ｏ５はガラス組成物の網目形成酸化物として作用するガラス形成酸化物である。Ｐ２Ｏ５の含有率は共存させる成分及びその量によって最適な量が異なるが、少なすぎるとガラスの安定性が悪くなるので、含有率を１０％以上とすることが好ましく、１５％以上がより好ましく、２０％以上が最も好ましい。また含有量が多すぎてもガラス化し難い、ガラスが不安定になる等の問題があり、その上限を９０％とすることが好ましく、８０％とすることがより好ましく、７０％とするのが最も好ましい。 Among these components, P 2 O 5 is a glass-forming oxide that acts as a network-forming oxide of the glass composition. The optimum content of P 2 O 5 varies depending on the coexisting component and the amount thereof, but if it is too small, the stability of the glass deteriorates. Therefore, the content is preferably 10% or more, and 15% or more. More preferably, 20% or more is most preferable. Moreover, even if there is too much content, there exists a problem that it is hard to vitrify and glass becomes unstable, and the upper limit is preferably 90%, more preferably 80%, and 70%. Most preferred.
前記成分のうち、Ｒｎ２ＯとしてはＬｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏが挙げられる。これらのアルカリ金属酸化物は溶融温度を低下させ、ガラスを安定化する作用を有する。これらのアルカリ金属酸化物の含有率が少なすぎると溶融温度が上昇し、含有率が多すぎると化学的耐久性が低下し、いずれにおいてもガラスの安定性が低下する。
Ｌｉ２Ｏの含有率は０〜１５％が好ましく、０〜１２％がより好ましく、０〜１０％が最も好ましい。Ｎａ２Ｏの含有率は０〜３０％が好ましく、０〜２５％がより好ましく、０〜２０％が最も好ましい。Ｋ２Ｏの含有率は０〜３０％が好ましく、０〜２５％がより好ましく、０〜２０％が最も好ましい。
Ｒｎ２Ｏ成分は必須ではないが、１％以上含有することが好ましく、３％以上がより好ましい。また含有率の上限は、３０％とすることが好ましく、２５％とすることがより好ましく、２０％とすることが最も好ましい。
Among the above components, examples of Rn 2 O include Li 2 O, Na 2 O, and K 2 O. These alkali metal oxides have the effect of lowering the melting temperature and stabilizing the glass. If the content of these alkali metal oxides is too low, the melting temperature increases, and if the content is too high, the chemical durability decreases, and in any case, the stability of the glass decreases.
The content of Li 2 O is preferably 0 to 15%, more preferably 0 to 12%, and most preferably 0 to 10%. The content of Na 2 O is preferably 0 to 30%, more preferably 0 to 25%, and most preferably 0 to 20%. The content of K 2 O is preferably 0 to 30%, more preferably 0 to 25%, and most preferably 0 to 20%.
The Rn 2 O component is not essential, but it is preferably contained at 1% or more, more preferably 3% or more. The upper limit of the content is preferably 30%, more preferably 25%, and most preferably 20%.
前記成分のうち、ＲＯとしては、ＭｇＯ、ＳｒＯ、ＣａＯ、ＢａＯ、ＺｎＯが挙げられる。これらのアルカリ土類金属酸化物もまた、溶融温度を低下させ、ガラスを安定化する作用を有する。これらのアルカリ土類金属酸化物の含有率は少なすぎても多すぎてもいずれもガラスの安定性が低下し、少なすぎる場合は溶融温度が上昇する。
ＭｇＯの含有率は０〜１０％が好ましく、０〜７％がより好ましく、０〜５％が最も好ましい。ＳｒＯの含有率は０〜１０％が好ましく、０〜７％がより好ましく、０〜５％が最も好ましい。ＣａＯの含有率は０〜３０％が好ましく、０〜２５％がより好ましく、０〜２０％が最も好ましい。ＢａＯの含有率は０〜３０％が好ましく、０〜２５％がより好ましく、０〜２０％が最も好ましい。ＺｎＯの含有率は０〜４０％が好ましく、０〜３０％がより好ましく、０〜２０％が最も好ましい。
ＲＯ成分は必須ではないが、１％以上含有することが好ましく、３％以上がより好ましい。また含有率の上限は、４０％とすることが好ましく、３０％とすることがより好ましく、２０％とすることが最も好ましい。
Among the components, examples of RO include MgO, SrO, CaO, BaO, and ZnO. These alkaline earth metal oxides also have the effect of lowering the melting temperature and stabilizing the glass. If the content of these alkaline earth metal oxides is too small or too large, the stability of the glass decreases, and if it is too small, the melting temperature increases.
The content of MgO is preferably 0 to 10%, more preferably 0 to 7%, and most preferably 0 to 5%. The content of SrO is preferably 0 to 10%, more preferably 0 to 7%, and most preferably 0 to 5%. The content of CaO is preferably 0 to 30%, more preferably 0 to 25%, and most preferably 0 to 20%. The content of BaO is preferably 0 to 30%, more preferably 0 to 25%, and most preferably 0 to 20%. The content of ZnO is preferably 0 to 40%, more preferably 0 to 30%, and most preferably 0 to 20%.
Although RO component is not essential, it is preferable to contain 1% or more, and 3% or more is more preferable. The upper limit of the content is preferably 40%, more preferably 30%, and most preferably 20%.
前記成分のうち、Ｒ’Ｏ２の例としては、Ｓｉを除く１４族元素の酸化物であるＧｅＯ２、ＳｎＯ２等、ＴｉＯ２、又はＺｒＯ２が挙げられる。これらの成分は母ガラスの化学的耐久性を向上する作用があり、ＴｉＯ２はさらに高屈折率化に寄与しうる。いずれも含有率が少なすぎると化学的耐久性が低下し、多すぎると失透性が大きく溶融温度が上昇する。
Ｓｉを除く１４族元素の含有率は０〜３０％が好ましく、０〜２５％がより好ましく、０〜２０％が最も好ましい。ＺｒＯ２の含有率は０〜１０％が好ましく、０〜５％がより好ましく、０〜３％が最も好ましい。ＴｉＯ２の含有率は０〜４０％が好ましく、０〜３０％がより好ましく、０〜２０％が最も好ましい。
Ｒ’Ｏ２成分は必須ではないが、１％以上含有することが好ましく、３％以上がより好ましい。含有率の上限は、４０％とすることが好ましく、３０％とすることがより好ましく、２０％とすることが最も好ましい。
Among the components, examples of R′O 2 include GeO 2 , SnO 2 , TiO 2 , or ZrO 2 which are oxides of
The content of the
The R′O 2 component is not essential, but it is preferably contained in an amount of 1% or more, more preferably 3% or more. The upper limit of the content is preferably 40%, more preferably 30%, and most preferably 20%.
Ｒｎ２Ｏ＋ＲＯ＋Ｒ’Ｏ２としての含有率は５％以上が好ましく、７％以上がより好ましく、１０％以上が最も好ましい。含有率の上限は６０％とすることが好ましく、５５％とすることがより好ましく、５０％とすることが最も好ましい。これらが少なすぎるとガラス溶融性の悪化を招き、多すぎるとガラス安定性が低下する。 The content as Rn 2 O + RO + R′O 2 is preferably 5% or more, more preferably 7% or more, and most preferably 10% or more. The upper limit of the content is preferably 60%, more preferably 55%, and most preferably 50%. If the amount is too small, the glass melting property is deteriorated. If the amount is too large, the glass stability is lowered.
前記成分のうち、Ｒｍ２Ｏ３及びＲｍ２Ｏ５としては、Ｂ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３、Ｉｎ２Ｏ３、Ｂｉ２Ｏ３及び他の希土類酸化物が挙げられる。Ｂ２Ｏ３はガラス形成酸化物であり、ガラスの安定形成に寄与する。Ｂ２Ｏ３の含有量が少なすぎるとガラス溶融性の悪化を生じ、多すぎると化学的耐久性の悪化、分相が生じる。Ａｌ２Ｏ３はガラス形成酸化物であり、ガラス組成物の化学的耐久性を向上し、高屈折率化に寄与する性質を有する。Ａｌ２Ｏ３の含有率は少なすぎるとガラスの安定性が低下し、多すぎると失透性が大きく溶融温度が上昇する。Ｇａ２Ｏ３、Ｉｎ２Ｏ３、Ｂｉ２Ｏ３及び他の希土類酸化物は、高屈折率化に寄与しうる。これらは少なすぎるとガラスの屈折率が低下し、多すぎると失透性が大きく溶融温度が上昇する。
Ｂ２Ｏ３の含有率は０〜３０％が好ましく、０〜２５％がより好ましく、０〜２０％が最も好ましい。Ａｌ２Ｏ３の含有率は０〜３０％が好ましく、０〜２０％がより好ましく、０〜１０％が最も好ましい。Ｇａ２Ｏ３の含有率は０〜３０％が好ましく、０〜２０％がより好ましく、０〜１０％が最も好ましい。Ｉｎ２Ｏ３の含有率は０〜３０％が好ましく、０〜２５％がより好ましく、０〜１５％が最も好ましい。Ｂｉ２Ｏ３の含有率は０〜４０％が好ましく、０〜２０％がより好ましく、０〜１０％が最も好ましい。希土類酸化物の含有量は０〜３０％が好ましく、０〜２０％がより好ましく、０〜１０％が最も好ましい。
Ｒｍ２Ｏ３及びＲｍ２Ｏ５としての含有率は１％以上が好ましく、３％以上がより好ましく、５％以上が最も好ましい。含有率の上限は５０％とすることが好ましく、４５％とすることがより好ましく、４０％とすることが最も好ましい。これら成分はガラス形成酸化物・中間酸化物としての面もあり、導入する事によるガラスの安定化及び高屈折率化に寄与する。少なすぎるとガラス安定性の欠如、屈折率の低下が生じ、多すぎると失透性が悪化する。
Among the components, Rm 2 O 3 and Rm 2 O 5 include B 2 O 3 , Al 2 O 3 , Ga 2 O 3 , In 2 O 3 , Bi 2 O 3 and other rare earth oxides. . B 2 O 3 is a glass-forming oxide and contributes to the stable formation of glass. When the content of B 2 O 3 is too small, the glass melting property is deteriorated, and when it is too much, the chemical durability is deteriorated and phase separation occurs. Al 2 O 3 is a glass-forming oxide and has the properties of improving the chemical durability of the glass composition and contributing to a higher refractive index. If the content of Al 2 O 3 is too small, the stability of the glass is lowered, and if it is too large, the devitrification is large and the melting temperature is increased. Ga 2 O 3 , In 2 O 3 , Bi 2 O 3 and other rare earth oxides can contribute to a higher refractive index. If the amount is too small, the refractive index of the glass is lowered. If the amount is too large, the devitrification is large and the melting temperature is increased.
The content of B 2 O 3 is preferably 0 to 30%, more preferably 0 to 25%, and most preferably 0 to 20%. The content of Al 2 O 3 is preferably 0 to 30%, more preferably 0 to 20%, and most preferably 0 to 10%. The content of Ga 2 O 3 is preferably 0 to 30%, more preferably 0 to 20%, and most preferably 0 to 10%. The content of In 2 O 3 is preferably 0 to 30%, more preferably 0 to 25%, and most preferably 0 to 15%. The content of Bi 2 O 3 is preferably 0 to 40%, more preferably 0 to 20%, and most preferably 0 to 10%. The content of the rare earth oxide is preferably 0 to 30%, more preferably 0 to 20%, and most preferably 0 to 10%.
The content as Rm 2 O 3 and Rm 2 O 5 is preferably 1% or more, more preferably 3% or more, and most preferably 5% or more. The upper limit of the content is preferably 50%, more preferably 45%, and most preferably 40%. These components also have a surface as a glass-forming oxide / intermediate oxide, and contribute to stabilization and high refractive index of the glass when introduced. If the amount is too small, glass stability will be lost and the refractive index will be lowered.
＜実施形態２：ＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３及びＧｅＯ２から選ばれる１種以上の成分が網目形成酸化物として機能する材料を用いる実施形態＞
本発明の別の実施形態は、光学部品用ガラス組成物としてＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３及びＧｅＯ２から選ばれる１種以上の成分を含む材料を用いることに関する。本発明者らはＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３及びＧｅＯ２から選ばれる１種以上の成分が網目形成酸化物として機能するガラスにおいては、レーザ照射により網目形成酸化物を形成するカチオン、中間酸化物を形成するカチオン、網目修飾酸化物を形成するカチオンの三つのグループに分かれて組成分布が生じる傾向があることを見出した。ここで中間酸化物とはＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３を含み、網目修飾酸化物とはＺｒＯ２、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、ＺｎＯ、Ｌｉ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｎａ２Ｏを含む。
<Embodiment 2: Embodiment using a material in which one or more components selected from SiO 2 , B 2 O 3 and GeO 2 function as a network-forming oxide>
Another embodiment of the present invention relates to using a material containing one or more components selected from SiO 2 , B 2 O 3 and GeO 2 as a glass composition for optical components. In the glass in which one or more components selected from SiO 2 , B 2 O 3 and GeO 2 function as a network-forming oxide, the present inventors have formed a cation and an intermediate oxide that form a network-forming oxide by laser irradiation. It has been found that the composition distribution tends to be divided into three groups of cations that form a network and cations that form a network-modified oxide. Here, the intermediate oxide includes TiO 2 and Al 2 O 3 , and the network modification oxide includes ZrO 2 , CaO, MgO, SrO, BaO, ZnO, Li 2 O, K 2 O, and Na 2 O.
ＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３及びＧｅＯ２から選ばれる１種以上を含有する一実施形態において、これらの成分が網目形成酸化物として機能するガラスにおいて該成分は、レーザ照射領域の中心側に分布する傾向を有し、成分に応じた所望の屈折率特性を照射領域の中心に分布させることが可能である。そして前記照射領域の中心の外側に前記中間酸化物又は前記網目修飾酸化物が分布し、ガラスが中間酸化物及び網目酸化物両方を含有する場合は、中心から中間酸化物、網目修飾酸化物の順に組成が分布する。これらの傾向を利用して、レーザ照射領域に成分の分布に応じた屈折率勾配を与えることが可能になる。 In one embodiment containing one or more selected from SiO 2 , B 2 O 3 and GeO 2, in the glass in which these components function as a network-forming oxide, the components are distributed on the center side of the laser irradiation region. It has a tendency, and it is possible to distribute a desired refractive index characteristic according to the component in the center of the irradiation region. When the intermediate oxide or the network modification oxide is distributed outside the center of the irradiated region and the glass contains both the intermediate oxide and the network oxide, the intermediate oxide and the network modification oxide are formed from the center. The composition is distributed in order. Using these tendencies, it is possible to give a refractive index gradient corresponding to the distribution of components to the laser irradiation region.
前記成分のうち特にＳｉＯ２はレーザ照射領域の中心部に分布する傾向が最も顕著であり、Ｓｉは低屈折率化に寄与する成分であるため、照射領域の屈折率を周囲に比べて低くする場合には、ＳｉＯ２を含有させることが好ましい。さらにＡｌ２Ｏ３を共存させると、高屈折率化に寄与するＡｌ成分がレーザ照射領域の集光点の中心において照射前よりも濃度が低下し、Ｓｉ濃度が高い領域の周辺に分布するので、隣り合う又は囲う領域との屈折率差が大きい低屈折率領域を得ることができる。一方、ＳｉＯ２を含有させない場合は、Ｂ２Ｏ３及びＧｅＯ２から選ばれる１種以上の成分がレーザ照射の中心に分布するので、共存させる中間酸化物又は網目修飾酸化物の種類によって、中心部の屈折率を周囲に比べて高くすることも、低くすることも可能になる。 Of these components, SiO 2 has the greatest tendency to be distributed in the center of the laser irradiation region, and Si is a component that contributes to lowering the refractive index. Therefore, the refractive index of the irradiation region is made lower than the surrounding region. In some cases, SiO 2 is preferably contained. Furthermore, when Al 2 O 3 coexists, the Al component contributing to the increase in the refractive index is lower in concentration at the center of the condensing point in the laser irradiation region than before irradiation, and is distributed around the region where the Si concentration is high. A low refractive index region having a large refractive index difference from the adjacent or surrounding region can be obtained. On the other hand, when SiO 2 is not included, one or more components selected from B 2 O 3 and GeO 2 are distributed at the center of laser irradiation, so that depending on the type of intermediate oxide or network modification oxide to be coexisted, The refractive index of the part can be made higher or lower than the surroundings.
このとき、前記ガラスの組成は酸化物基準の質量％で、ＳｉＯ２：０〜９０％、Ｒｎ２Ｏ＋ＲＯ＋Ｒ’Ｏ２：５〜６０％、及びＲｍ２Ｏ３＋Ｒｍ２Ｏ５：１〜５０％を含み、Ｒｎ２Ｏはアルカリ金属酸化物から選ばれる１種以上、ＲＯはアルカリ土類及びＺｎの酸化物から選ばれる１種以上、Ｒ’Ｏ２は１４族元素、Ｔｉ、及びＺｒの酸化物から選ばれる１種以上、Ｒｍ２Ｏ３、Ｒｍ２Ｏ５は１３族又は１５族元素、遷移元素、及び希土類元素の酸化物から選ばれる１種以上である。
At this time, the composition of the glass is mass% based on oxide, SiO 2 : 0 to 90%, Rn 2 O + RO + R′O 2 : 5 to 60%, and Rm 2 O 3 + Rm 2 O 5 : 1 to 50%. Rn 2 O is at least one selected from alkali metal oxides, RO is at least one selected from alkaline earths and oxides of Zn, R′O 2 is an oxidation of
ＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３及びＧｅＯ２から選ばれる１種以上の成分は、ガラス形成酸化物であり、本発明においてレーザ照射領域の中心部に分布する特徴を有し、屈折率分布を制御可能にする有用な成分である。その含有量が少なすぎるとガラス化しないので、その合量で２０％以上含有することが好ましく、より好ましくは４０％以上、最も好ましくは６０％以上含有させる。一方、その量が多すぎると、溶融性が悪化する、分相が生じる、ガラスの安定性が悪くなる等の問題が生じるので、好ましくは９０％以下、より好ましくは８５％以下、最も好ましくは８０％以下含有させる。 One or more components selected from SiO 2 , B 2 O 3 and GeO 2 are glass-forming oxides, and have a feature of being distributed in the center of the laser irradiation region in the present invention, and the refractive index distribution can be controlled. It is a useful ingredient to make. If the content is too small, vitrification does not occur, so the total content is preferably 20% or more, more preferably 40% or more, and most preferably 60% or more. On the other hand, if the amount is too large, problems such as poor meltability, phase separation, and poor glass stability occur. Therefore, preferably 90% or less, more preferably 85% or less, and most preferably 80% or less is contained.
この３成分のうち、ＳｉＯ２は、最も中心部に分布する傾向が顕著であり、ガラスの低屈折率化に寄与する成分であるので、レーザ照射領域を低屈折化する場合には２０％以上含有することが好ましく、４０％以上含有することがより好ましく、５０％以上含有することが最も好ましい。一方その含有量が多すぎると溶融性が悪化するので、含有量の上限を９０％以下とすることが好ましく、８５％とすることがより好ましく、８０％とすることが最も好ましい。 Of these three components, SiO 2 has a remarkable tendency to be distributed at the center, and contributes to lowering the refractive index of the glass. Therefore, when the laser irradiation region is lowered, it is 20% or more. It is preferably contained, more preferably 40% or more, and most preferably 50% or more. On the other hand, if the content is too high, the meltability deteriorates, so the upper limit of the content is preferably 90% or less, more preferably 85%, and most preferably 80%.
ただし、レーザ照射領域の中心部を低屈折率化しない場合は、ＳｉＯ２成分を含有させないことが好ましい。 However, when the refractive index is not lowered at the center of the laser irradiation region, it is preferable not to contain the SiO 2 component.
前記成分のうち、Ｒｎ２Ｏとしては、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏが挙げられる。これらのアルカリ金属酸化物は溶融温度を低下させ、ガラスを安定化する作用を有する。これらのアルカリ金属酸化物の含有率が少なすぎると溶融温度が上昇し、含有率が多すぎると化学的耐久性が低下し、いずれにおいてもガラスの安定性が低下する。
Ｌｉ２Ｏの含有率は０〜１５％が好ましく、０〜１２％がより好ましく、０〜１０％が最も好ましい。Ｎａ２Ｏの含有率は０〜３０％が好ましく、０〜２５％がより好ましく、０〜２０％が最も好ましい。Ｋ２Ｏの含有率は０〜３０％が好ましく、０〜２５％がより好ましく、０〜２０％が最も好ましい。
Ｒｎ２Ｏ成分は必須ではないが、１％以上含有することが好ましく、３％以上がより好ましい。また含有率の上限は、３０％とすることが好ましく、２５％とすることがより好ましく、２０％とすることが最も好ましい。
Among the components, examples of Rn 2 O include Li 2 O, Na 2 O, and K 2 O. These alkali metal oxides have the effect of lowering the melting temperature and stabilizing the glass. If the content of these alkali metal oxides is too low, the melting temperature increases, and if the content is too high, the chemical durability decreases, and in any case, the stability of the glass decreases.
The content of Li 2 O is preferably 0 to 15%, more preferably 0 to 12%, and most preferably 0 to 10%. The content of Na 2 O is preferably 0 to 30%, more preferably 0 to 25%, and most preferably 0 to 20%. The content of K 2 O is preferably 0 to 30%, more preferably 0 to 25%, and most preferably 0 to 20%.
The Rn 2 O component is not essential, but it is preferably contained at 1% or more, more preferably 3% or more. The upper limit of the content is preferably 30%, more preferably 25%, and most preferably 20%.
前記成分のうち、ＲＯとしては、ＭｇＯ、ＳｒＯ、ＣａＯ、ＢａＯ、ＺｎＯが挙げられる。これらのアルカリ土類金属酸化物もまた、溶融温度を低下させ、ガラスを安定化する作用を有する。これらのアルカリ土類金属酸化物の含有率は少なすぎても多すぎてもいずれもガラスの安定性が低下し、少なすぎる場合は溶融温度が上昇する。
ＭｇＯの含有率は０〜１０％が好ましく、０〜７％がより好ましく、０〜５％が最も好ましい。ＳｒＯの含有率は０〜１０％が好ましく、０〜７％がより好ましく、０〜５％が最も好ましい。ＣａＯの含有率は０〜３０％が好ましく、０〜２５％がより好ましく、０〜２０％が最も好ましい。ＢａＯの含有率は０〜３０％が好ましく、０〜２５％がより好ましく、０〜２０％が最も好ましい。ＺｎＯの含有率は０〜２０％が好ましく、０〜１０％がより好ましく、０〜５％が最も好ましい。
ＲＯ成分は必須ではないが、１％以上含有することが好ましく、３％以上がより好ましい。また含有率の上限は、３０％とすることが好ましく、２５％とすることがより好ましく、２０％とすることが最も好ましい。
Among the components, examples of RO include MgO, SrO, CaO, BaO, and ZnO. These alkaline earth metal oxides also have the effect of lowering the melting temperature and stabilizing the glass. If the content of these alkaline earth metal oxides is too small or too large, the stability of the glass decreases, and if it is too small, the melting temperature increases.
The content of MgO is preferably 0 to 10%, more preferably 0 to 7%, and most preferably 0 to 5%. The content of SrO is preferably 0 to 10%, more preferably 0 to 7%, and most preferably 0 to 5%. The content of CaO is preferably 0 to 30%, more preferably 0 to 25%, and most preferably 0 to 20%. The content of BaO is preferably 0 to 30%, more preferably 0 to 25%, and most preferably 0 to 20%. The content of ZnO is preferably 0 to 20%, more preferably 0 to 10%, and most preferably 0 to 5%.
Although RO component is not essential, it is preferable to contain 1% or more, and 3% or more is more preferable. The upper limit of the content is preferably 30%, more preferably 25%, and most preferably 20%.
前記成分のうち、Ｒ’Ｏ２としては、前述の実施形態１と同様に、Ｓｉを除く１４族元素の酸化物であるＧｅＯ２、ＳｎＯ２等、ＴｉＯ２、又はＺｒＯ２が挙げられる。これらの成分は母ガラスの化学的耐久性を向上する作用があり、ＴｉＯ２はさらに高屈折率化に寄与しうる。いずれも含有率が少なすぎると化学的耐久性が低下し、多すぎると失透性が大きく溶融温度が上昇する。
Ｓｉを除く１４族元素の含有率は０〜３０％が好ましく、０〜２５％がより好ましく、０〜２０％が最も好ましい。ＺｒＯ２の含有率は０〜１０％が好ましく、０〜５％がより好ましく、０〜３％が最も好ましい。ＴｉＯ２の含有率は０〜４０％が好ましく、０〜３０％がより好ましく、０〜２０％が最も好ましい。
Ｒ’Ｏ２成分は必須ではないが、１％以上含有することが好ましく、３％以上がより好ましい。含有率の上限は、４０％とすることが好ましく、３０％とすることがより好ましく、２０％とすることが最も好ましい。
Among the components, as R′O 2 , GeO 2 , SnO 2, etc., which is an oxide of a
The content of the
The R′O 2 component is not essential, but it is preferably contained in an amount of 1% or more, more preferably 3% or more. The upper limit of the content is preferably 40%, more preferably 30%, and most preferably 20%.
Ｒｎ２Ｏ＋ＲＯ＋Ｒ’Ｏ２としての含有率は５％以上が好ましく、７％以上がより好ましく、１０％以上が最も好ましい。含有率の上限は６０％とすることが好ましく、５５％とすることがより好ましく、５０％とすることが最も好ましい。これらが少なすぎるとガラス溶融性の悪化を招き、多すぎるとガラス安定性が低下する。 The content as Rn 2 O + RO + R′O 2 is preferably 5% or more, more preferably 7% or more, and most preferably 10% or more. The upper limit of the content is preferably 60%, more preferably 55%, and most preferably 50%. If the amount is too small, the glass melting property is deteriorated. If the amount is too large, the glass stability is lowered.
前記成分のうち、Ｒｍ２Ｏ３及びＲｍ２Ｏ５としては、前述の実施形態１と同様に、Ｂ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３、Ｉｎ２Ｏ３、Ｂｉ２Ｏ３及び他の希土類酸化物が挙げられる。Ｂ２Ｏ３はガラス形成酸化物であり、ガラスの安定形成に寄与する。Ｂ２Ｏ３の含有量が少なすぎるとガラス溶融性の悪化を生じ、多すぎると化学的耐久性の悪化、分相が生じる。Ａｌ２Ｏ３はガラス形成酸化物であり、ガラス組成物の化学的耐久性を向上し、高屈折率化に寄与する性質を有する。Ａｌ２Ｏ３の含有率は少なすぎるとガラスの安定性が低下し、多すぎると失透性が大きく溶融温度が上昇する。Ｇａ２Ｏ３、Ｉｎ２Ｏ３、Ｂｉ２Ｏ３及び他の希土類酸化物は、高屈折率化に寄与しうる。これらは少なすぎるとガラスの屈折率が低下し、多すぎると失透性が大きく溶融温度が上昇する。
Ｂ２Ｏ３の含有率は０〜３０％が好ましく、０〜２５％がより好ましく、０〜２０％が最も好ましい。Ａｌ２Ｏ３の含有率は０〜３０％が好ましく、０〜２０％がより好ましく、０〜１５％が最も好ましい。Ｇａ２Ｏ３の含有率は０〜３０％が好ましく、０〜２０％がより好ましく、０〜１０％が最も好ましい。Ｉｎ２Ｏ３の含有率は０〜３０％が好ましく、０〜２０％がより好ましく、０〜１０％が最も好ましい。Ｂｉ２Ｏ３の含有率は０〜４０％が好ましく、０〜２０％がより好ましく、０〜１０％が最も好ましい。希土類酸化物の含有量は０〜３０％が好ましく、０〜２０％がより好ましく、０〜１０％が最も好ましい。
Ｒｍ２Ｏ３及びＲｍ２Ｏ５としての含有率は１％以上が好ましく、３％以上がより好ましく、５％以上が最も好ましい。含有率の上限は５０％とすることが好ましく、４５％とすることがより好ましく、４０％とすることが最も好ましい。これら成分はガラス形成酸化物・中間酸化物として面もあり、導入する事によるガラスの安定化及び高屈折率化に寄与する。少なすぎるとガラス安定性の欠如・屈折率の低下が生じ、多すぎると失透性が悪化する。
Among the components, Rm 2 O 3 and Rm 2 O 5 are B 2 O 3 , Al 2 O 3 , Ga 2 O 3 , In 2 O 3 , Bi 2 O 3 as in the first embodiment. And other rare earth oxides. B 2 O 3 is a glass-forming oxide and contributes to the stable formation of glass. When the content of B 2 O 3 is too small, the glass melting property is deteriorated, and when it is too much, the chemical durability is deteriorated and phase separation occurs. Al 2 O 3 is a glass-forming oxide and has the properties of improving the chemical durability of the glass composition and contributing to a higher refractive index. If the content of Al 2 O 3 is too small, the stability of the glass is lowered, and if it is too large, the devitrification is large and the melting temperature is increased. Ga 2 O 3 , In 2 O 3 , Bi 2 O 3 and other rare earth oxides can contribute to a higher refractive index. If the amount is too small, the refractive index of the glass is lowered. If the amount is too large, the devitrification is large and the melting temperature is increased.
The content of B 2 O 3 is preferably 0 to 30%, more preferably 0 to 25%, and most preferably 0 to 20%. The content of Al 2 O 3 is preferably 0 to 30%, more preferably 0 to 20%, and most preferably 0 to 15%. The content of Ga 2 O 3 is preferably 0 to 30%, more preferably 0 to 20%, and most preferably 0 to 10%. The content of In 2 O 3 is preferably 0 to 30%, more preferably 0 to 20%, and most preferably 0 to 10%. The content of Bi 2 O 3 is preferably 0 to 40%, more preferably 0 to 20%, and most preferably 0 to 10%. The content of the rare earth oxide is preferably 0 to 30%, more preferably 0 to 20%, and most preferably 0 to 10%.
The content as Rm 2 O 3 and Rm 2 O 5 is preferably 1% or more, more preferably 3% or more, and most preferably 5% or more. The upper limit of the content is preferably 50%, more preferably 45%, and most preferably 40%. These components also have a surface as glass-forming oxides / intermediate oxides, and contribute to stabilization and high refractive index of the glass when introduced. If the amount is too small, lack of glass stability and a decrease in refractive index occur, and if it is too large, the devitrification property deteriorates.
前記ガラスがＳｉＯ２成分を含有しない場合、Ｂ２Ｏ３及びＧｅＯ２両成分のうち１種、又は２種の含有量は２０〜９０％であることが好ましく、２５〜５０％であることがより好ましく、３０〜４０％であることが最も好ましい。両者はガラス形成酸化物であり、少なすぎると、ガラス構造として不安定となり失透し易く、多すぎた場合は耐久性・ガラス安定性が悪化する。このうち、Ｂ２Ｏ３の含有量は５％以上であることが好ましく、１０％以上であることがより好ましく、２０％以上であることが最も好ましい。Ｂ２Ｏ３はガラス骨格を成すため、５％以下ではガラスが不安定となり、ガラスの溶融性も悪化する。ＧｅＯ２は必須ではないが、１％以上含有すると高屈折率化において効果がある。しかしＧｅＯ２の原料は大変高価なので、その上限を３０％とすることが好ましく、含有しなくてもよい。 When the glass does not contain a SiO 2 component, the content of one or two of the B 2 O 3 and GeO 2 components is preferably 20 to 90%, and preferably 25 to 50%. More preferably, it is most preferable that it is 30 to 40%. Both are glass-forming oxides. If the amount is too small, the glass structure becomes unstable and easily devitrified. If the amount is too large, durability and glass stability deteriorate. Among these, the content of B 2 O 3 is preferably 5% or more, more preferably 10% or more, and most preferably 20% or more. Since B 2 O 3 forms a glass skeleton, if it is 5% or less, the glass becomes unstable and the meltability of the glass also deteriorates. GeO 2 is not essential, but containing 1% or more is effective in increasing the refractive index. However, since the raw material of GeO 2 is very expensive, the upper limit is preferably 30% and may not be contained.
＜その他の組成物＞
Ｎｂ２Ｏ５は、ガラス自身の屈折率を高めうる。Ｎｂ２Ｏ５の上限は５０％が好ましく、４０％がより好ましく、３０％が最も好ましい。
<Other compositions>
Nb 2 O 5 can increase the refractive index of the glass itself. The upper limit of Nb 2 O 5 is preferably 50%, more preferably 40%, and most preferably 30%.
Ｓｂ２Ｏ３は必須成分ではないが、ガラス製造時の脱泡剤として用いうる。Ｓｂ２Ｏ３の上限は０．４％が好ましい。フッ素は必須成分ではないが、ガラス自身の屈折率や分散を下げる効果やレーザ照射による屈折率差を小さくする効果がある。従って、ガラス自身の屈折率や分散を調整する目的で５％以下を含有させることが好ましい。 Sb 2 O 3 is not an essential component, but can be used as a defoaming agent during glass production. The upper limit of Sb 2 O 3 is preferably 0.4%. Fluorine is not an essential component, but has the effect of reducing the refractive index and dispersion of the glass itself, and the effect of reducing the difference in refractive index caused by laser irradiation. Therefore, it is preferable to contain 5% or less for the purpose of adjusting the refractive index and dispersion of the glass itself.
他に、ＴｅＯ２成分を含有させてもよい。この上限は１５％が好ましい。 In addition, a TeO 2 component may be contained. This upper limit is preferably 15%.
＜含有させるべきでない成分について＞
なお、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ及びＭｏ等の各遷移金属成分は、それぞれを単独又は複合して少量含有した場合でも材料自体が着色してしまい、可視域の特定の波長に吸収を生じさせるため、可視の波長域において本発明の光学部品を使用する場合には、実質的に含まないことが好ましい。
<About ingredients that should not be included>
In addition, even when each transition metal component such as V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ag, and Mo is contained alone or in combination with a small amount, the material itself is colored, and in the visible region. In order to cause absorption at a specific wavelength, it is preferable that the optical component of the present invention is not substantially contained in the visible wavelength region.
さらに、Ｂｅ、Ｐｂ、Ｔｈ、Ｃｄ、Ｔｌ、Ａｓ、Ｏｓ、Ｓ、Ｓｅ、Ｂｒ、Ｃｌ、Ｉ等の各成分は、近年有害な化学物資として使用を控える傾向にあり、ガラスの製造工程のみならず、加工工程、及び製品化後の処分に至るまで環境対策上の措置が必要とされるため、環境上の影響を重視する場合には実質的に含まないことが好ましい。 Furthermore, components such as Be, Pb, Th, Cd, Tl, As, Os, S, Se, Br, Cl, and I tend to refrain from being used as harmful chemicals in recent years. However, since measures for environmental measures are required until the processing steps and disposal after commercialization, it is preferable that they are not substantially included when importance is placed on the environmental impact.
＜本発明により得られる異質領域の屈折率差について＞
一般的に、酸化物ガラスの屈折率は、次の式（Ｉ）に示すＬｏｒｅｎｔｚ−Ｌｏｒｅｎｚの式に従うため、本発明に係るパルスレーザ照射を用いて局所的に組成分布を生じたガラス材料等、照射領域に生じた母材と屈折率が異なる局所的な異質領域を利用する光学部品を製造する際、該異質領域の屈折率は組成の分布に依存し、次式から算出することができる。そして多成分の組み合わせによる特定元素を含む成分の移動傾向を考慮し、所望の空間的濃度分布を生じさせることで、材料内部の屈折率制御が可能になる。
In general, the refractive index of an oxide glass follows the Lorentz-Lorenz formula shown in the following formula (I), and therefore, a glass material or the like having a local composition distribution using pulse laser irradiation according to the present invention, etc. When manufacturing an optical component using a local heterogeneous region having a refractive index different from that of the base material generated in the irradiation region, the refractive index of the heterogeneous region depends on the composition distribution and can be calculated from the following equation. Then, taking into consideration the movement tendency of components including specific elements due to the combination of multiple components, the refractive index inside the material can be controlled by generating a desired spatial concentration distribution.
一方、前記光学部品を製造する際、必要となるガラス内部に存在する該異質領域の厚みは、母材と異質領域との屈折率差Δｎによって決定される。通常回折光学素子等の光学設計においては、部品を通過する光の位相波面が０から２πで計算され、その際、位相Φの変化量は下記の式１で与えられる。Φは位相（ラジアン）、Δｎは母材と異質領域の屈折率差、ｄは異質領域の厚み、λは波長である。
上記の式（ＩＩ）において、Φ＝２πとなるのに必要な厚みは、設計波長をλ＝０．６３２μｍとしたとき、表１のようになる。すなわち屈折率差Δｎが大きいほど同じ効果（例えば位相の変化）を得るために必要となるガラス内部の異質領域の厚みが小さくなる。
必要な異質領域の厚みが小さくなることは、母材と屈折率が異なる異質領域を利用する光学部品において、部品のコンパクト化に効果的である。また、形成すべき異質領域の全体量が少なくなるので、必要なエネルギーも少なくて済む。また、例えばガラス内部に異質領域が形成された既製品を作っておき、必要に応じて利用する場合、異質領域の厚みが薄ければ薄いほど、ガラスに対して自由に加工できる部分が多くなり、加工性・製造性の面で好ましい。 The reduction in the thickness of the necessary heterogeneous region is effective for reducing the size of the optical component that uses the heterogeneous region having a refractive index different from that of the base material. Further, since the total amount of heterogeneous regions to be formed is reduced, less energy is required. In addition, for example, when an off-the-shelf product with a heterogeneous region formed in the glass is made and used as necessary, the thinner the heterogeneous region, the more parts that can be processed freely on the glass. In terms of processability and manufacturability, it is preferable.
従って、本発明におけるガラス部材をコンパクト化が要求される光学部品の材料として用いる場合は、イオン交換によって生じる組成分布の傾向に従って、大きい屈折率差を実現する組成の組み合わせを選ぶことが好ましく、その差を０．００５以上とすることが好ましい。本発明のガラス部材は、例えばＳｉを含有しないＰ２Ｏ５系ガラスにおいて、レーザ照射により中心部に移動し、かつ高屈折率化に寄与するＡｌ、Ｇｅ、Ｇａ成分を添加することで屈折率差を大きくすることが可能である。 Therefore, when the glass member of the present invention is used as a material for an optical component that is required to be compact, it is preferable to select a composition combination that realizes a large refractive index difference according to the tendency of the composition distribution caused by ion exchange. The difference is preferably set to 0.005 or more. The glass member of the present invention has a refractive index by adding Al, Ge, and Ga components that move to the center by laser irradiation and contribute to a higher refractive index in, for example, P 2 O 5 glass not containing Si. It is possible to increase the difference.
＜パルスレーザ光の発生手段及び伝送手段＞
本発明においては、パルス幅がピコ秒（１０−１２ｓ）以下のパルスレーザが使用可能である。好適には、パルスレーザ光には、波長約７８０ｎｍ、［パルス幅２００ｆｓ（２×１０−１３ｓ）］、繰り返し周波数２５０ｋＨｚ、パルスエネルギー：２．８〜３．６μＪ程度のフェムト秒パルスレーザを用いうる。これを倍率２０倍（開口率０．４５）の対物レンズ等を介して、表面を研磨したガラス材料の内部に、スキャン深さ：３００〜６００μｍ、スキャン速度：５μｍ／秒程度の条件で集光照射することにより、ガラス材料の内部の局所を瞬間的に集光照射し、照射前と組成分布が異なることにより屈折率差の異なる異質領域を生成できる。
<Pulse laser light generating means and transmitting means>
In the present invention, a pulse laser having a pulse width of picosecond (10 −12 s) or less can be used. Preferably, a femtosecond pulse laser having a wavelength of about 780 nm, a [pulse width of 200 fs (2 × 10 −13 s)], a repetition frequency of 250 kHz, and a pulse energy of about 2.8 to 3.6 μJ is used as the pulse laser beam. sell. This is condensed into a glass material whose surface is polished through an objective lens having a magnification of 20 times (aperture ratio of 0.45), etc. under conditions of a scan depth of 300 to 600 μm and a scan speed of about 5 μm / second. By irradiating, it is possible to instantaneously collect and irradiate a local area inside the glass material, and to generate a heterogeneous region having a different refractive index difference by different composition distribution from that before irradiation.
本発明におけるレーザーの照射条件において重要なのはパルスレーザの繰り返し周波数とパルス幅である。本発明の組成分布は、ガラス組成の空間的移動の結果であり、移動を誘発するためにはガラス内部を局所的に融液状態にする必要がある。 What is important in the laser irradiation conditions in the present invention is the repetition frequency and pulse width of the pulse laser. The composition distribution of the present invention is a result of the spatial movement of the glass composition, and in order to induce the movement, the inside of the glass needs to be locally melted.
そのためには熱蓄積を利用する必要があり、１パルス照射による熱緩和にはマイクロ秒オーダーの時間が必要であることから、必要な繰り返し周波数は、５０ｋＨｚ以上が好ましく、１００ｋＨｚ以上がより好ましく、２００ｋＨｚ以上が最も好ましい。また、５０ｋＨｚ以上であれば、各集光される部位に対して、１パルス以上のレーザパルスが照射されるため、照射領域におけるレーザビームの強度及びポインティングのゆらぎが平均化され、その影響が低減されうる。また、より平滑な界面をもつ異質領域を形成し易く、走査速度を上げても平滑な面を保ち易いので好ましい。繰り返し周波数の上限は、少なくとも１０ナノジュール、好ましくは１マイクロジュール以上のイオン移動が起こせるパルスエネルギーを確保できれば特に限定されるものではないが、１００ＭＨｚ以下であると、加工時の熱の蓄積による熱歪みやクラックの発生も抑制でき、また、ステージの速度を制御し易く、より精度の高い加工が可能となるので好ましい。 For that purpose, it is necessary to use heat accumulation, and heat relaxation by one pulse irradiation requires time on the order of microseconds. Therefore, the required repetition frequency is preferably 50 kHz or more, more preferably 100 kHz or more, and 200 kHz. The above is most preferable. Further, if the frequency is 50 kHz or more, each focused part is irradiated with one or more laser pulses, so the intensity of the laser beam and the fluctuation in pointing in the irradiation region are averaged, and the influence is reduced. Can be done. Further, it is preferable because a heterogeneous region having a smoother interface can be easily formed and a smooth surface can be easily maintained even if the scanning speed is increased. The upper limit of the repetition frequency is not particularly limited as long as pulse energy capable of causing ion movement of at least 10 nanojoules, preferably 1 microjoule or more can be secured, but if it is 100 MHz or less, heat due to heat accumulation during processing Generation of distortion and cracks can be suppressed, the speed of the stage can be easily controlled, and processing with higher accuracy is possible, which is preferable.
しかし、適した繰り返し周波数やパルスエネルギーはガラスの熱拡散係数に依存することから必ずしも上記に限定されるものではない。 However, the suitable repetition frequency and pulse energy are not necessarily limited to the above because they depend on the thermal diffusion coefficient of the glass.
一方、パルス幅はレーザ照射により圧力波（衝撃波）が発生できる程度に短い必要があり、１ｐｓ以下が好ましく、５００ｆｓ以下がより好ましく、２００ｆｓ以下が最も好ましい。しかしパルス幅が短すぎると、レンズや各種光学部品の分散材料を透過あるいは反射する過程で、パルス幅が容易に広がるため取り扱いが難しくなるという問題が生じるので、１０ｆｓ以上が好ましく、５０ｆｓ以上がより好ましく、１００ｆｓ以上が最も好ましい。 On the other hand, the pulse width needs to be short enough to generate a pressure wave (shock wave) by laser irradiation, preferably 1 ps or less, more preferably 500 fs or less, and most preferably 200 fs or less. However, if the pulse width is too short, there is a problem that the pulse width easily spreads in the process of transmitting or reflecting the dispersion material of the lens and various optical components, so that handling becomes difficult. Preferably, 100 fs or more is most preferable.
照射するレーザの波長は、本発明のガラスに吸収がなく透明な波長領域であることが好ましい。照射するガラスの透過率や特定波長の吸収の有無にも依るが、好ましくは、約２００ｎｍ〜２１００ｎｍ、より好ましくは、４００〜１１００ｎｍ、最も好ましくは、５００〜９００ｎｍである。この範囲であれば、集光位置付近の光強度の高い部位のみで多光子吸収を起こし精密な加工ができるので好ましい。 The wavelength of the laser to be irradiated is preferably a transparent wavelength region in which the glass of the present invention has no absorption. Although depending on the transmittance of the glass to be irradiated and the presence or absence of absorption at a specific wavelength, it is preferably about 200 nm to 2100 nm, more preferably 400 to 1100 nm, and most preferably 500 to 900 nm. Within this range, it is preferable because multiphoton absorption is caused only at a portion with high light intensity near the condensing position and precise processing can be performed.
ステージは、位置再現性が１００ｎｍ以下である電動やエアベアリングステージを用いるのが好ましく、走査速度は、１０μｍ／秒〜１０ｍｍ／秒が好ましい。この範囲であれば、重ね描き加工等も安定に行うことができる。 The stage is preferably an electric or air bearing stage having a position reproducibility of 100 nm or less, and the scanning speed is preferably 10 μm / second to 10 mm / second. Within this range, it is possible to stably perform overdrawing processing and the like.
集光レンズの開口数Ｎ．Ａ．は次式で表される。
開口数の下限は、好ましくは０．０１以上、より好ましくは０．０５以上、最も好ましくは０．１以上である。開口数の下限は、０．０１以上であると、ガラス内部に組成分布による屈折率変化を起こし易くなり、厚みが薄いガラスの内部加工において、パワーを増加させてもガラスのレーザ入射面や出射面の破壊を伴わずに加工できるので好ましい。また、開口数の上限は、好ましくは０．８５以下、より好ましくは０．６以下、最も好ましくは０．５以下である。開口数の上限は、０．８５以下であると、比較的低い開口数の加工となり、パワー密度の増加に対してガラス内部に空洞を伴わずに屈折率変化を起こし易く、ガラス内部の比較的大体積に大きな屈折率差の異質領域を形成し易い。
The numerical aperture of the condenser lens A. Is expressed by the following equation.
The lower limit of the numerical aperture is preferably 0.01 or more, more preferably 0.05 or more, and most preferably 0.1 or more. If the lower limit of the numerical aperture is 0.01 or more, a refractive index change due to the composition distribution is likely to occur inside the glass, and in the internal processing of a thin glass, even if the power is increased, the laser incident surface and the emission surface of the glass This is preferable because it can be processed without breaking the surface. The upper limit of the numerical aperture is preferably 0.85 or less, more preferably 0.6 or less, and most preferably 0.5 or less. When the upper limit of the numerical aperture is 0.85 or less, the processing becomes a relatively low numerical aperture, and the refractive index is easily changed without a cavity inside the glass with respect to the increase in power density. It is easy to form a heterogeneous region having a large refractive index difference in a large volume.
集光倍率は、下限は、好ましくは１倍（等倍）以上、より好ましくは５倍以上、最も好ましくは１０倍以上である。集光倍率の下限は、１以上であれば、大きな屈折率変化が得られ易く、かつ異質領域の光軸方向の形状の制御がし易くなるので好ましい。一方、集光倍率の上限は、好ましくは、６０倍以下、４０倍以下、２０倍以下である。集光倍率の上限は、６０倍以下であれば、比較的低いパワーでも大きな屈折率変化を引き起こし易く、試料と対物レンズ間の距離を大きくとることができ、加工できる表面形状の選択範囲が広くなるので好ましい。 The lower limit of the light collection magnification is preferably 1 time (equal magnification) or more, more preferably 5 times or more, and most preferably 10 times or more. A lower limit of the light collection magnification is preferably 1 or more because a large change in refractive index is easily obtained and the shape of the heterogeneous region in the optical axis direction can be easily controlled. On the other hand, the upper limit of the light collection magnification is preferably 60 times or less, 40 times or less, or 20 times or less. If the upper limit of the condensing magnification is 60 times or less, a large refractive index change is likely to occur even at a relatively low power, the distance between the sample and the objective lens can be increased, and the range of surface shapes that can be processed is wide. This is preferable.
本発明に係る光学ガラス部材の加工方法においては、パルスレーザビームの照射により材料内部に異質領域を形成するため、使用するパルスレーザビームのパワー密度が重要になる。レーザビームのパワー密度は通常、単位面積当り、単位時間にどれだけのエネルギーが投入されたかを示す量であり、連続発振レーザビームを一点に集光する場合は下記式で表される。
これに対して、パルスレーザビームを１点に集光する場合は下記式で表される。
集光するパルスレーザのピークパワー密度は、焦点位置あるいは、集光位置、あるいは結像位置の最もエネルギーが高い個所において、下限は、好ましくは、０．５ＧＷ／ｃｍ２以上、より好ましくは、２０ＧＷ／ｃｍ２以上、最も好ましくは、５０ＧＷ／ｃｍ２以上である。（Ｇ：ギガ＝１０９、Ｔ：テラ＝１０１２）ピークパワーの下限が０．５ＧＷ／ｃｍ２以上であれば、ガラス内部に屈折率変化を起こすことが可能であるので好ましい。一方で、上限は、好ましくは、５ＴＷ／ｃｍ２以下、より好ましくは、３ＴＷ／ｃｍ２以下、最も好ましくは、１．２ＴＷ／ｃｍ２以下である。ピークパワーの下限が、５ＴＷ／ｃｍ２以下であると、ガラス内部の２次元又は３次元的に連続した領域をレーザ照射する場合の屈折率変化領域の形状が制御し易く、２次元又は３次元的に連続した屈折率変化領域の屈折率分布も比較的均一にできるので好ましい。 The peak power density of the focused pulse laser is preferably at least 0.5 GW / cm 2 , more preferably 20 GW, at the focal point, the condensing position, or the imaging position where the energy is highest. / Cm 2 or more, and most preferably 50 GW / cm 2 or more. (G: Giga = 10 9 , T: Tera = 10 12 ) If the lower limit of the peak power is 0.5 GW / cm 2 or more, it is preferable because a refractive index change can be caused inside the glass. On the other hand, the upper limit is preferably 5 TW / cm 2 or less, more preferably 3 TW / cm 2 or less, and most preferably 1.2 TW / cm 2 or less. When the lower limit of the peak power is 5 TW / cm 2 or less, the shape of the refractive index changing region when the laser irradiation is performed on a two-dimensional or three-dimensional continuous region inside the glass is easy to control. In particular, the refractive index distribution in the continuous refractive index change region can be made relatively uniform, which is preferable.
一方で、照射されるガラスにおいて、照射するレーザ波長において吸収がないことが好ましく、照射するレーザの波長において、１０ｃｍの厚みで測定される内部透過率は９５％以上であることが好ましい。 On the other hand, in the glass to be irradiated, it is preferable that there is no absorption at the laser wavelength to be irradiated, and the internal transmittance measured at a thickness of 10 cm is preferably 95% or more at the wavelength of the laser to be irradiated.
照射条件は適宜設定可能であるが、好ましくは、以下の条件（ａ）から（ｃ）を満たす条件である。上述のガラス組成とこの照射条件を組み合わせることで、本発明においては、低い照射強度で屈折率差を有する異質領域が得られる。
（ａ）パルス幅：１０フェムト（１０×１０−１５）秒〜１０ピコ（１０×１０−１２）秒
（ｂ）繰り返し周波数：５０ｋＨｚ以上
（ｃ）レーザ平均出力：０．２Ｗ以上
Irradiation conditions can be set as appropriate, but are preferably conditions that satisfy the following conditions (a) to (c). In the present invention, a heterogeneous region having a refractive index difference can be obtained with a low irradiation intensity by combining the above glass composition and the irradiation conditions.
(A) Pulse width: 10 femto (10 × 10 −15 ) seconds to 10 pico (10 × 10 −12 ) seconds (b) Repetition frequency: 50 kHz or more (c) Laser average output: 0.2 W or more
本発明においては、照射領域には組成分布に従った屈折率変化を生じる異質領域を含む。しかしながら、ガラス材料の内部に空洞を発生することは含まない。好適には、本発明に係る異質領域の生成においては、金属コロイド析出及びこれによる光学部品用ガラスの着色、結晶析出及びこれによる異方性の発生は含まない。 In the present invention, the irradiated region includes a heterogeneous region that causes a change in refractive index according to the composition distribution. However, it does not include generating cavities inside the glass material. Preferably, the generation of the heterogeneous region according to the present invention does not include metal colloid precipitation and coloration of the glass for optical parts due to this, crystal precipitation, and generation of anisotropy due thereto.
本発明の製造方法においては、パルスレーザ光を複数に分割する工程を有していてもよく、またそれらの複数のパルスレーザ光をそれぞれ複数位置に集光照射することにより、一括して複数の屈折率が異なる領域を材料内部に形成することも可能であり、それにより加工スループットを向上させることができる。前記ビームを複数に分割する工程はビームスプリッター、回折格子、マイクロレンズアレイ、ホログラム、位相変調素子等の光学部品を用いて行いうるが、これらに限定しない。 The manufacturing method of the present invention may include a step of dividing the pulsed laser beam into a plurality of pieces, and condensing and irradiating each of the plurality of pulsed laser beams at a plurality of positions, thereby collectively It is also possible to form regions having different refractive indexes in the material, thereby improving the processing throughput. The step of dividing the beam into a plurality of parts can be performed using optical components such as a beam splitter, a diffraction grating, a microlens array, a hologram, and a phase modulation element, but is not limited thereto.
また、一本又は分割された複数本のパルスレーザ光のそれぞれのパルスの位相、振幅、波長、偏光、パルス時間幅のいずれか又は１つ以上を変化させる工程を有していてもよく、それらの変化したパルスレーザ光を適宜組み合わせることにより、照射する材料の屈折率、屈折率分散、形状に依存しない自由度の高い加工が可能である。
また、前記光学部品用ガラス内部の所望の位置に一括で形成された屈折率変化領域をさらに、広範囲に形成するために、集光させたパルスレーザ光の集光点を、前記材料に対して相対移動させることも可能である。
Further, it may have a step of changing any one or more of the phase, amplitude, wavelength, polarization, pulse time width of each pulse of one or a plurality of divided pulse laser beams, By appropriately combining the pulse laser beams having changed, processing with a high degree of freedom independent of the refractive index, refractive index dispersion, and shape of the irradiated material is possible.
Further, in order to form a refractive index change region formed in a lump at a desired position inside the glass for optical parts in a wider range, a condensing point of the condensed pulsed laser beam is set on the material. Relative movement is also possible.
＜異質領域の形成方法＞
図１は、本発明の一実施形態に係る、ガラス内部に異質領域を生成する方法を例示する図である。母材４０を水平面内に移動可能なステージ５０に固定し、ステージ５０を移動しながらパルスレーザ１２を発振し、レーザ光を母材４０の上方から照射する。レーザ照射する場所は、撮像手段２２及び画像モニタ２４を用いて適宜設定しうる。パルスレーザ１２からのレーザ光は、ミラー（１５−ａ、１５−ｂ、１５−ｃ、１５−ｄ、１５−ｅ）、ビームエクスパンダ（１６−ａ、１６−ｂ）、絞り１７、シャッター１８、ＮＤフィルタ１９等を含む照射光学系を介し、集光レンズ１４により集光され、母材４０の内部の焦点近傍の局所領域を瞬間的に加熱する。これにより母材４０の内部に、異質領域２５が生成される。すなわち、異質領域２５は他の領域と異なる母材と異なるガラス組成の空間的な分布が発生した領域であり、屈折率変化を生じうる。ステージ５０の走査方向を適宜設定することにより、母材４０の内部に生成する異質領域２５の形状を略直線状等に制御することも可能である。
<Method for forming heterogeneous region>
FIG. 1 is a diagram illustrating a method for generating a heterogeneous region inside glass according to an embodiment of the present invention. The
なお、通常は、本発明に係る異質領域２５の生成方法を用いて加工したガラスを光学部品等として使用する場合の透過光は、パルスレーザ１２からのレーザ光と平行となるようにする。
Normally, the transmitted light in the case of using glass processed by the method for generating the
表２に、以下の実施形態に用いた、本発明に係る異質領域２５の生成方法を用いて加工したガラスの組成を示す。数字はいずれも各元素を含む酸化物の質量％を表す。
＜異質領域の成分観察−１＞
図２は、本発明の一実施形態に係る、ＳｉＯ２系ガラス材料の内部に生成した異質領域２５の組成分布を例示する図である。ＳｉＯ２系ガラス材料としては、表２に示した「試料１」を用いた。パルスレーザ照射後の母材４０をレーザ集光点近傍が表面となるようにクロスセクションポリッシャ（ＣＰ）を用いて研磨し、観察領域におけるガラス構成元素の面マッピングを観察した。反射電子像及び成分観察には、日本電子製ＪＳＭ−８０００型電子プローブマイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）を用いた。
<Observation of heterogeneous components-1>
FIG. 2 is a diagram illustrating the composition distribution of the
図２において、Ｓｉ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｏガラスの組成分布（２００）は、パルスレーザ集光照射した照射領域を含む視野の範囲内に、Ｓｉ分布（２１０）及びＡｌ分布（２２０）を含む。これらの各元素の分布画像は、１辺５０μｍの正方形視野内に、略円状の濃淡の変化した領域を含み、それぞれの略円状の濃淡の変化した領域は、外側にそれぞれ濃淡が略一定の背景を含む。Ｓｉ分布（２１０）及びＡｌ分布（２２０）のいずれにおいても、各元素の濃度の高い領域はより明るく表示され、濃度の低い領域はより暗く表示される。 In FIG. 2, the composition distribution (200) of the Si—Al—Mg—O glass includes the Si distribution (210) and the Al distribution (220) within the range of the visual field including the irradiation region irradiated with the focused pulse laser. The distribution image of each element includes a substantially circular shaded region within a square field of 50 μm on each side, and each of the substantially circular shaded regions has a substantially constant shade on the outside. Including background. In each of the Si distribution (210) and the Al distribution (220), a region with a high concentration of each element is displayed brighter, and a region with a low concentration is displayed darker.
Ｓｉ分布（２１０）においては、略円状の照射領域の内側はその外側の正方形視野の背景よりも明るく表示され、略円周状の暗い領域がこれらの境界近傍に観察された。すなわち、パルスレーザ照射後は、照射領域の内側ではＳｉ元素の濃度は非照射領域よりも高く、照射領域と非照射領域の境界近傍ではＳｉ元素の濃度は非照射領域よりも低い。従って、Ｓｉ分布（２１０）は、非照射領域と比較して照射領域の内側にＳｉ成分がより高い濃度で分布し、照射領域と非照射領域との境界付近においてはＳｉ成分がより低い濃度で分布することを表している。非照射領域は母ガラスと同等の組成分布を有すると見なせるので、Ｓｉ成分は照射前と比較してレーザ照射領域の中心付近において濃度が上昇したと言える。 In the Si distribution (210), the inner side of the substantially circular irradiation region was displayed brighter than the background of the outer square field, and a substantially circular dark region was observed in the vicinity of these boundaries. That is, after the pulse laser irradiation, the Si element concentration is higher in the irradiation region than in the non-irradiation region, and the Si element concentration is lower in the vicinity of the boundary between the irradiation region and the non-irradiation region than in the non-irradiation region. Therefore, in the Si distribution (210), the Si component is distributed at a higher concentration inside the irradiated region compared to the non-irradiated region, and the Si component is lower in the vicinity of the boundary between the irradiated region and the non-irradiated region. This means that it is distributed. Since the non-irradiated region can be regarded as having a composition distribution equivalent to that of the mother glass, it can be said that the concentration of the Si component has increased in the vicinity of the center of the laser irradiated region as compared with that before the irradiation.
一方、Ａｌ分布（２２０）においては、略円状の照射領域の内側はその外側の正方形視野の背景よりも暗く表示され、略円周状の明るい領域がこれらの境界近傍に観察された。すなわち、パルスレーザ照射後は、照射領域の内側ではＡｌ元素の濃度は非照射領域よりも低く、照射領域と非照射領域の境界近傍ではＡｌ元素の濃度は非照射領域よりも高い。これは、Ａｌ成分が、レーザ照射領域の集光点を中心にＳｉ成分より外側に分布することを表している。非照射領域は母材と同等の組成分布を有すると見なせるので、Ａｌ成分は照射前と比較してレーザ照射領域の中心付近の濃度が低下したと言える。このようなＡｌ成分の分布の変化には、母ガラスに含まれるＭｇ等のＡｌ以外の他の成分も関与しうると考えられる。 On the other hand, in the Al distribution (220), the inner side of the substantially circular irradiation area was displayed darker than the background of the outer square field, and the bright area of the substantially circular shape was observed near these boundaries. That is, after the pulse laser irradiation, the concentration of Al element is lower than that in the non-irradiated region inside the irradiated region, and the concentration of Al element is higher in the vicinity of the boundary between the irradiated region and the non-irradiated region than in the non-irradiated region. This indicates that the Al component is distributed outside the Si component around the condensing point in the laser irradiation region. Since the non-irradiated region can be regarded as having a composition distribution equivalent to that of the base material, it can be said that the concentration of the Al component in the vicinity of the center of the laser irradiated region is lower than that before irradiation. It is considered that other components other than Al, such as Mg contained in the mother glass, may be involved in such a change in Al component distribution.
また、網目構造物、中間構造物、修飾カチオン等の種類及び共存する成分に依存して、Ｓｉ又はＡｌ等の特定の成分の分布は変化する場合がある。本発明においては、これらの共存する成分の組み合わせや割合を制御することにより、パルスレーザ照射後の局所的な屈折率変化に寄与する元素の組成分布が異なる種々の光学ガラス部材を提供し、そのような光学ガラス部材を加工して得られる光学部品を提供することができる。 Further, depending on the type of network structure, intermediate structure, modified cation, and the like and the components that coexist, the distribution of specific components such as Si or Al may change. In the present invention, by controlling the combination and ratio of these coexisting components, various optical glass members having different composition distributions of elements contributing to local refractive index changes after pulse laser irradiation are provided. An optical component obtained by processing such an optical glass member can be provided.
他の構成成分を含むＳｉＯ２系ガラス材料についても、網目構造物であるＳｉＯ２はパルスレーザ照射後に照射領域の中心に集まるよう分布することが観察された。ＳｉＯ２系ガラス材料におけるこのようなＳｉ元素の組成分布の挙動は、一般的に照射領域中心近傍の屈折率を、非照射領域よりも低下する作用があり、本発明に係る光学ガラス部品及びその製造方法を用いて、照射領域の中心付近の屈折率をより低くした異質領域を有する光学部品を製造しうる。 Regarding the SiO 2 glass material containing other constituent components, it was observed that SiO 2 which is a network structure is distributed so as to gather at the center of the irradiation region after the pulse laser irradiation. The behavior of the composition distribution of Si element in the SiO 2 glass material generally has the effect of lowering the refractive index in the vicinity of the center of the irradiated region than that of the non-irradiated region, and the optical glass component according to the present invention and its An optical component having a heterogeneous region with a lower refractive index near the center of the irradiated region can be manufactured using the manufacturing method.
＜異質領域の成分観察−２＞
図３は、本発明の一実施形態に係る、Ｐ２Ｏ５系ガラス材料の内部に生成した異質領域２５の組成分布を例示する図である。試料には、表２に示した「試料２」、すなわちＰ２Ｏ５−Ａｌ２Ｏ３−ＣａＯ−Ｔｂ２Ｏ３ガラスを用い、前述の図２を用いて示した成分観察と同様に、ＣＰを用いて研磨した観察領域におけるガラス構成元素の面マッピングをＥＰＭＡ装置で観察した。Ｐ２Ｏ５−Ａｌ２Ｏ３−ＣａＯ−Ｔｂ２Ｏ３ガラスの組成分布（２３０）の観測条件及び表示の様式等は、図２と同様である。
<Component observation in heterogeneous region-2>
FIG. 3 is a diagram illustrating the composition distribution of the
Ａｌ分布（２３２）においては、略円状の照射領域の内側はその外側の正方形視野の背景よりも明るく表示され、略円周状の暗い領域がこれらの境界近傍に観察された。すなわち、Ｐ２Ｏ５−Ａｌ２Ｏ３−ＣａＯ−Ｔｂ２Ｏ３ガラス系においては、パルスレーザ照射後は、照射領域の内側ではＡｌ元素の濃度は非照射領域よりも高く、照射領域と非照射領域の境界近傍ではＡｌ元素の濃度は非照射領域よりも低い。これは、図２に示したＳｉＯ２系ガラスにおけるＡｌ分布（２２０）とは逆の傾向であり、Ａｌ成分がレーザ照射領域の集光点の中心近傍に照射前よりも高い濃度で分布することを表す。すなわち、本発明に係る光学ガラス材料においては、同一の元素であっても母材の構成成分に依存してパルスレーザ照射後の組成分布が変化しうる。従って、本発明においては、パルスレーザ照射後の屈折率分布等の所望の光学特性を得るために特定の構成成分を有する母材を提供しうる。 In the Al distribution (232), the inner side of the substantially circular irradiation region was displayed brighter than the background of the square field on the outer side, and a substantially circular dark region was observed in the vicinity of these boundaries. That is, in the P 2 O 5 —Al 2 O 3 —CaO—Tb 2 O 3 glass system, after the pulse laser irradiation, the concentration of the Al element is higher inside the irradiated region than in the non-irradiated region. Near the boundary of the irradiated region, the concentration of Al element is lower than that in the non-irradiated region. This is a tendency opposite to the Al distribution (220) in the SiO 2 glass shown in FIG. 2, and the Al component is distributed at a higher concentration near the center of the condensing point in the laser irradiation region than before irradiation. Represents. That is, in the optical glass material according to the present invention, the composition distribution after the pulse laser irradiation can change depending on the constituent components of the base material even if they are the same element. Therefore, in the present invention, a base material having a specific constituent component can be provided in order to obtain desired optical characteristics such as a refractive index distribution after pulse laser irradiation.
Ｃａ分布（２３４）においては、円状の照射領域の内側はその外側の正方形視野の背景よりも暗く表示され、略円周状の明るい領域がこれらの境界近傍に観察された。すなわち、パルスレーザ照射後は、照射領域の内側ではＣａ元素の濃度は非照射領域よりも低く、照射領域と非照射領域の境界近傍ではＣａ元素の濃度は非照射領域よりも高い。 In the Ca distribution (234), the inner side of the circular irradiation region was displayed darker than the background of the outer square field, and a substantially circular bright region was observed in the vicinity of these boundaries. That is, after the pulse laser irradiation, the Ca element concentration is lower in the irradiation region than in the non-irradiation region, and the Ca element concentration is higher in the vicinity of the boundary between the irradiation region and the non-irradiation region than in the non-irradiation region.
他の構成成分を含むＰ２Ｏ５系ガラス材料についても、網目構造物、中間構造物、修飾カチオン等の種類及び共存する成分に依存して、特定の成分の分布が変化することが観察された。特に、Ｐ２Ｏ５系ガラス材料におけるＡｌ元素の組成分布の挙動は、一般的に照射領域中心近傍の屈折率を、非照射領域よりも高める作用があり、本発明に係る光学ガラス部品及びその製造方法を用いて、照射領域の中心付近の屈折率をより高めた異質領域を有する光学部品を製造しうる。 Regarding P 2 O 5 glass materials containing other components, it is observed that the distribution of specific components changes depending on the types of network structures, intermediate structures, modified cations, and the coexisting components. It was. In particular, the behavior of the Al element composition distribution in the P 2 O 5 glass material generally has the effect of increasing the refractive index in the vicinity of the center of the irradiated region as compared with the non-irradiated region, and the optical glass component according to the present invention and its An optical component having a heterogeneous region with a higher refractive index near the center of the irradiated region can be manufactured using the manufacturing method.
上述のＰ２Ｏ５系ガラス材料とは対照的に、表２に示した「試料３」、すなわちＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−ＣａＯガラスにおいては、集光照射後のＡｌ元素の分布には「試料２」のような明瞭な照射領域中心付近へ向かっての濃度勾配が見られなかった。この実験結果は、Ｓｉ成分を含むガラスにおいては、Ｐ２Ｏ５系ガラスと比較して、レーザ照射領域の中心を高屈折率化することが困難であることを示唆した。しかしながら、比較的小さな屈折率変化を応用する場合等において、Ｓｉ成分を含むガラスに対して本発明を用いてもよく、表２の「資料３」等のＳｉ成分を含むガラスもまた本発明の範囲に含まれる。 In contrast to the P 2 O 5 glass material described above, in “Sample 3” shown in Table 2, that is, SiO 2 —B 2 O 3 —Al 2 O 3 —CaO glass, Al after focused irradiation In the element distribution, a clear concentration gradient toward the vicinity of the center of the irradiated region as in “Sample 2” was not observed. This experimental result suggested that it is difficult to increase the refractive index at the center of the laser irradiation region in the glass containing the Si component as compared with the P 2 O 5 glass. However, in the case of applying a relatively small change in refractive index, the present invention may be used for a glass containing a Si component, and a glass containing a Si component such as “Document 3” in Table 2 is also used in the present invention. Included in the range.
＜異質領域の成分観察−３＞
図４は、本発明の一実施形態に係る、Ｐ２Ｏ５系ガラス材料の内部に生成した異質領域２５の組成分布を例示する図である。試料には、表２に示した「試料４」、すなわちＰ２Ｏ５−ＧｅＯ２−Ｇａ２Ｏ３−ＣａＯガラスを用い、前述の図２及び図３を用いて示した成分観察と同様の手順で観察した。Ｐ２Ｏ５−ＧｅＯ２−Ｇａ２Ｏ３−ＣａＯガラスの組成分布（２４０）は、視野の中心を通る直線領域に含まれる各構成元素の１次元分布を示す。図４の横軸は当該直線領域の長さであり全体で約１１０μｍである。縦軸はＥＰＭＡ装置のカウント数であり任意単位である。
<Component observation in heterogeneous region-3>
FIG. 4 is a diagram illustrating the composition distribution of the
図４（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれレーザ集光照射後のＧａ、Ｇｅ及びＣａの分布を示す。図示のように、Ｇａ及びＧｅは照射領域の中心付近に集まる傾向が見られた。Ｃａは照射中心では減少し、照射領域と非照射領域との境界において濃度が上昇した。これらの特定成分の分布の状況は、網目構造物、中間構造物、修飾カチオン等の種類及び共存する成分に依存して変化する場合が見られた。本発明においては、これらの共存する成分の割合を制御することにより、パルスレーザ照射後の組成分布特性の異なる種々の光学ガラス部材を提供することができ、さらにそのような光学ガラス部材を加工して得られる光学部品を提供することができる。 FIGS. 4A, 4B, and 4C show the distributions of Ga, Ge, and Ca after laser focused irradiation, respectively. As shown in the drawing, Ga and Ge tend to gather near the center of the irradiation region. Ca decreased at the irradiation center, and the concentration increased at the boundary between the irradiated region and the non-irradiated region. The distribution of these specific components sometimes changed depending on the type of network structure, intermediate structure, modified cation, etc. and the coexisting components. In the present invention, by controlling the ratio of these coexisting components, it is possible to provide various optical glass members having different composition distribution characteristics after pulse laser irradiation, and further processing such optical glass members. An optical component obtained in this way can be provided.
発明者らは、さらに、ＳｉＯ２を含まないＰ２Ｏ５系ガラス材料を用い、Ｓｉを含まない１３族及び１４族の元素について、パルスレーザ集光照射後の照射領域を含む範囲のＣＰ研磨面の元素分布を調べた。１３族としてはＡｌ、Ｇａ、及びＩｎのそれぞれの酸化物を含むＰ２Ｏ５系ガラスを用意した。１４族としては前述の「試料４」を用い、図４に示したＧｅの酸化物を含むＰ２Ｏ５系ガラスとして述べた通りである。
The inventors further use a P 2 O 5 glass material that does not contain SiO 2 , and perform CP polishing in a range including an irradiation region after pulsed laser focused irradiation for elements of Group 13 and
図５は、本発明の一実施形態に係る、Ｐ２Ｏ５系ガラス材料の内部に生成した異質領域２５の組成分布を例示する図である。
図５（ａ）は、Ｐ２Ｏ５系ガラスとして表２に示した「試料５」すなわちＰ２Ｏ５−Ａｌ２Ｏ３−ＣａＯガラスを用い、集光照射から生じた異質領域を含む、Ａｌ分布（２４２）を表すＥＰＭＡ観察画像である。
同様に、図５（ｂ）は、表２に示した「試料６」すなわちＰ２Ｏ５−Ｇａ２Ｏ３−ＣａＯガラスにおける、集光照射後のＧａ分布（２４４）を表すＥＰＭＡ観察画像である。
さらに、図５（ｃ）は、表２に示した「試料７」すなわちＰ２Ｏ５−Ｉｎ２Ｏ３−ＣａＯガラスにおける、集光照射後のＩｎ分布（２４６）を表すＥＰＭＡ観察画像である
画像の濃淡と各元素の濃度比の関係は、図２を用いて示した例と同様であり、各元素の濃度の高い領域はより明るく表示され、濃度の低い領域はより暗く表示される。
FIG. 5 is a diagram illustrating the composition distribution of the
FIG. 5 (a) uses “Sample 5” shown in Table 2 as P 2 O 5 glass, that is, P 2 O 5 —Al 2 O 3 —CaO glass, and includes a heterogeneous region resulting from focused irradiation. It is an EPMA observation image showing Al distribution (242).
Similarly, FIG. 5B is an EPMA observation image representing the Ga distribution (244) after focused irradiation in the “sample 6” shown in Table 2, that is, P 2 O 5 —Ga 2 O 3 —CaO glass. is there.
Further, FIG. 5C is an EPMA observation image showing the In distribution (246) after focused irradiation in the “sample 7” shown in Table 2, that is, P 2 O 5 —In 2 O 3 —CaO glass. The relationship between the density of the image and the concentration ratio of each element is the same as in the example shown in FIG. 2, and a region with a high concentration of each element is displayed brighter and a region with a low concentration is displayed darker.
これらのＥＰＭＡ観察から、１３族に関してはＡｌ及びＧａはより照射領域中心に向かって濃度が上昇する傾向が見られる一方、Ｉｎはより周辺に向かって濃度が上昇する傾向が見られた。１４族のＧｅに関しては、より照射領域中心に向かって濃度が上昇する傾向が見られた。すなわち、本発明においては、ガラス構成元素としてＡｌ、Ｇａ、又はＧｅを含ませることにより、これらの元素が照射領域中心に向かって濃度が上昇する性質を利用して、照射領域中心付近を高屈折率化することが可能である。逆に、Ｉｎを含ませれば、照射領域中心付近の屈折率を低下させうる。従って、本発明においては、ＳｉＯ２を含まないＰ２Ｏ５系ガラス材料に、１３族及び／又は１４族の元素を含む酸化物を共存させることにより、パルスレーザ集光照射後に生じる異質領域の屈折率分布を制御することが可能であり、照射後に所望の屈折率差を生じるガラス材料を提供しうる。
From these EPMA observations, for Group 13, Al and Ga showed a tendency for the concentration to increase toward the center of the irradiation region, while In showed a tendency for the concentration to increase further toward the periphery. Regarding the
また、Ａｌ元素及びＧａ元素を共に含むガラス試料として、表４に示した「試料８」、すなわちＰ２Ｏ５−Ａｌ２Ｏ３−Ｇａ２Ｏ３−ＣａＯガラス用いた場合においても、上述と同様に、集光照射後のＥＰＭＡ観測画像からＡｌ元素及びＧａ元素はいずれも射領域中心に向かって濃度が上昇する結果が得られた。従って、本発明においては、Ｐ２Ｏ５系ガラス材料に含ませる１３族及び／又は１４族の元素は、単独でもよく、２種類以上の組み合わせでもよい。いずれの場合でも、本発明においては、照射後に所望の屈折率差を生じるガラス材料を提供することが可能である。
Further, even when the “sample 8” shown in Table 4, that is, a P 2 O 5 —Al 2 O 3 —Ga 2 O 3 —CaO glass, was used as a glass sample containing both Al and Ga elements, Similarly, from the EPMA observation image after the focused irradiation, a result was obtained in which the concentrations of both the Al element and the Ga element increased toward the center of the irradiation region. Therefore, in the present invention, the group 13 and / or
具体的な屈折率変化量の例としては、図４に示したＰ２Ｏ５−ＧｅＯ２−Ｇａ２Ｏ３−ＣａＯガラスに生じた異質領域の非照射領域に対する屈折率変化量は、計算から、Δｎ＝０．０５程度と見積もられた。 As a specific example of the refractive index change amount, the refractive index change amount with respect to the non-irradiated region of the heterogeneous region generated in the P 2 O 5 —GeO 2 —Ga 2 O 3 —CaO glass shown in FIG. , Δn = 0.05 was estimated.
他の構成成分を含むＰ２Ｏ５系ガラス材料についても、修飾酸化物であるＧａ、Ｇｅ等はパルスレーザ照射後に照射領域の中心に集まるよう分布することが観察された。Ｇａ、Ｇｅ等は高屈折率に寄与する成分であり、Ｐ２Ｏ５系ガラス材料におけるこのようなＧａ、Ｇｅ元素の組成分布の挙動は、一般的に照射領域中心近傍の屈折率を非照射領域よりも高める作用となり、本発明に係る光学ガラス部品及びその製造方法を用いて、所望の領域をパルスレーザ照射して、周囲よりも屈折率を高めた異質領域を有する光学部品を製造することが可能である。 Regarding the P 2 O 5 glass material containing other constituent components, it was observed that the modified oxides such as Ga and Ge were distributed so as to gather at the center of the irradiation region after the pulse laser irradiation. Ga, Ge, etc. are components that contribute to a high refractive index, and the behavior of the composition distribution of such Ga, Ge elements in the P 2 O 5 glass material generally does not irradiate the refractive index near the center of the irradiated region. Using the optical glass component and the manufacturing method thereof according to the present invention, an optical component having a heterogeneous region having a refractive index higher than that of the surroundings is manufactured by irradiating a desired region with a pulse laser. Is possible.
＜周波数変調の利用＞
図６は、本発明の実施形態に係る、チャープ変調を用いてパルスレーザ照射したＳｉＯ２系ガラス材料におけるＳｉ元素の組成分布を示す図である。試料としては、表２に示した「試料４」、すなわちＰ２Ｏ５−ＧｅＯ２−Ｇａ２Ｏ３−ＣａＯガラスを用いた。図６（ａ）〜（ｃ）のそれぞれは、図７（ａ）〜（ｃ）に示すチャープ変調を含むパルスレーザ集光照射後の研磨ガラス材料表面の観察像に対応し、一辺が５０μｍの正方形視野の範囲内におけるＳｉ元素の分布を平面画像及び画像を横切る直線上の１次元プロファイルとして示す。図７は、本発明の実施形態に係る、パルスレーザにおけるチャープ変調を模式的に示す図である。図７においては、横軸をパルスレーザ光の進行方向に沿った空間座標とし、縦軸をパルスレーザ光の光電場強度とする。図７（ａ）は、進行方向に沿った１つのパルスレーザ光の範囲内において、周波数が一定である無チャープパルスを表す。図７（ｂ）は、１つのパルスレーザ光の範囲内において時間と共に周波数が上昇するアップチャープパルスを表す。すなわち、図７（ｂ）のパルス波形において、横軸の進行方向の先端部（右側）はより早い時間に放出されたパルスレーザ光であり、一方、横軸の進行方向の後端部（左側）はより遅い時間に放出されたパルスレーザ光であり、先端部から後端部に向かって周波数が上昇することを表す。図７（ｃ）は図７（ｂ）とは逆に、１つのパルスレーザ光の範囲内において時間と共に周波数が低下するダウンチャープパルスを表し、先端部から後端部に向かって周波数は低下する。
<Use of frequency modulation>
FIG. 6 is a diagram showing a composition distribution of Si elements in a SiO 2 glass material irradiated with a pulse laser using chirp modulation according to an embodiment of the present invention. As the sample, “Sample 4” shown in Table 2, that is, P 2 O 5 —GeO 2 —Ga 2 O 3 —CaO glass was used. Each of FIGS. 6A to 6C corresponds to the observation image of the surface of the polished glass material after pulsed laser focused irradiation including chirp modulation shown in FIGS. 7A to 7C, and has a side of 50 μm. The distribution of the Si element within the range of the square field of view is shown as a planar image and a one-dimensional profile on a straight line across the image. FIG. 7 is a diagram schematically illustrating chirp modulation in a pulse laser according to an embodiment of the present invention. In FIG. 7, the horizontal axis is a spatial coordinate along the traveling direction of the pulse laser beam, and the vertical axis is the photoelectric field intensity of the pulse laser beam. FIG. 7A shows a non-chirped pulse with a constant frequency within the range of one pulsed laser beam along the traveling direction. FIG. 7B shows an up chirp pulse whose frequency increases with time within the range of one pulsed laser beam. That is, in the pulse waveform of FIG. 7B, the tip (right side) of the horizontal axis in the traveling direction is a pulsed laser beam emitted at an earlier time, while the rear end (left side) of the horizontal axis in the traveling direction. ) Is a pulse laser beam emitted at a later time, and represents that the frequency increases from the front end to the rear end. FIG. 7C shows a down chirp pulse whose frequency decreases with time within the range of one pulse laser beam, contrary to FIG. 7B, and the frequency decreases from the front end to the rear end. .
図６（ａ）は周波数変調を伴わない無チャープパルス（パルス幅７０ｆｓ）照射によるＳｉ元素の分布を、図６（ｂ）はパルス先端部からパルス後端部に向かって周波数を上昇させたアップチャープパルス（パルス幅４００ｆｓ）照射によるＳｉ元素の分布を、図６（ｃ）はパルス先端部からパルス後端部に向かって周波数を低下させたダウンチャープパルス（パルス幅４００ｆｓ）照射によるＳｉ元素の分布を、それぞれ表す。
図６（ａ）に示す無チャープパルス照射後のＳｉ元素の分布と比較して、図６（ｂ）に示すアップチャープパルス照射後のＳｉ元素の分布においては、Ｓｉ元素濃度が低下する同心円状の領域が２つ現れ、照射領域の中心付近のより狭い領域にＳｉ元素が集まった。図６（ｃ）に示すダウンチャープパルス照射に関しては、パルスレーザ照射エネルギーは図６（ｂ）に示したアップチャープパルスと同等であるにも関わらず、照射領域付近のＳｉ元素の分布する領域の大きさ及び濃度差には相違が見られた。すなわち、本発明に係るパルスレーザ照射により多成分系ガラスの局所領域に組成分布を生じる方法等においては、特定の周波数掃引を用いて、パルスレーザ照射後の特定の元素の分布を制御しうる。
FIG. 6A shows the distribution of the Si element by non-chirped pulse (
Compared with the Si element distribution after the non-chirp pulse irradiation shown in FIG. 6A, the Si element distribution after the up-chirp pulse irradiation shown in FIG. Two regions appeared, and Si element gathered in a narrower region near the center of the irradiated region. Regarding the down-chirp pulse irradiation shown in FIG. 6C, the pulse laser irradiation energy is equivalent to the up-chirp pulse shown in FIG. Differences were observed in size and concentration differences. That is, in the method of generating a composition distribution in the local region of the multi-component glass by the pulse laser irradiation according to the present invention, the distribution of a specific element after the pulse laser irradiation can be controlled using a specific frequency sweep.
＜集光照射により生じる濃度差＞
本発明の一実施形態に係る、パルスレーザ光を集光照射したガラス部材は、加工前の均一な光学特性とは異なって、非照射領域と照射領域との間に特定の元素の濃度差を生じ、これにより照射領域には非照射領域（すなわち母材）と異なる屈折率の差が生じうる。具体的には、図２〜図５を用い、表２の試料のＥＰＭＡ画像として、特定の元素の濃度差が発生したことを示した。これらの例のガラス材料について、ＥＰＭＡ装置により測定した特定の元素のＸ線強度マッピングの結果に基づいて次式（ＶＩ）で表される公知のＺＡＦ補正法を用いる計算により、非照射領域と照射領域との間に生じた濃度差は全て５ｍｏｌ％以上であった。すなわち、本発明に係るガラス部材又はガラス部材を製造する方法においては、上述のガラス組成の範囲内において適宜ガラス構成成分を選択し、上述のパルスレーザ集光照射の条件の範囲内でレーザ光を照射することにより、非照射領域と照射領域との間に、少なくとも一種類以上のガラスを構成する元素の濃度差を５ｍｏｌ％以上とすることが可能であり、光学部品用途において好適な屈折率変化量を得られる。
The glass member focused and irradiated with pulsed laser light according to an embodiment of the present invention has a specific element concentration difference between the non-irradiated region and the irradiated region, unlike the uniform optical characteristics before processing. As a result, a difference in refractive index different from that in the non-irradiated region (that is, the base material) can be generated in the irradiated region. Specifically, using FIGS. 2 to 5, the EPMA images of the samples in Table 2 showed that a concentration difference of a specific element occurred. With respect to the glass materials of these examples, the non-irradiated region and the irradiation were calculated by calculation using a known ZAF correction method represented by the following formula (VI) based on the result of X-ray intensity mapping of a specific element measured by the EPMA apparatus. The concentration differences produced between the regions were all 5 mol% or more. That is, in the glass member or the method for producing the glass member according to the present invention, a glass component is appropriately selected within the range of the glass composition described above, and the laser beam is applied within the range of the above-described pulsed laser focused irradiation condition. By irradiating, it is possible to make the concentration difference of elements constituting at least one kind of glass between the non-irradiation region and the irradiation region 5 mol% or more, and the refractive index change suitable for optical component applications You can get the quantity.
＜屈折率変化の評価方法＞
本発明により形成されるガラス内部の屈折率変化量は、組成の分布値から前述のＬｏｒｅｎｔｚ−Ｌｏｒｅｎｚの式を用いて試算することができ、あるいは試料を実測して求めることも可能である。図８は、本発明の一実施形態に係る、異質領域２５の屈折率を評価するための定量位相顕微鏡の構成を示す図である。定量位相顕微鏡５５は、光源６０、スプリッター６２、ミラー６４、６６、ハーフミラー７０、集光光学系７２、撮像素子７４を有する。光源６０は、好適にはレーザである。光学系のアライメントは、ハーフミラー７０において、試料６８を通過した物体光７８と参照光７６とが位相干渉を起こすよう調整される。物体光７８及び参照光７６の経路に介在できる光学系は適宜設計できる。特に、試料を透過した物体光７８を拡大するための対物レンズ及び、参照光７６を発散させる対物レンズを介在させることにより測定に使用する波長程度の面分解能で評価されることが好ましい。
<Evaluation method of refractive index change>
The amount of change in refractive index inside the glass formed according to the present invention can be estimated from the distribution value of the composition using the aforementioned Lorentz-Lorenz equation, or can be obtained by actually measuring a sample. FIG. 8 is a diagram showing a configuration of a quantitative phase microscope for evaluating the refractive index of the
切開した母材を研磨して得られる試料６８の厚みは典型的には２０μｍである。試料６８は、試料中の屈折率の計測領域を、定量位相顕微鏡の物体光７８の経路が通過するよう設置される。物体光７８の経路が異質領域２５を含まない母材４０を通過する場合は、母材４０のみの屈折率が物体光７８の位相情報に反映される。物体光７８の経路が異質領域２５を通過する場合は、異質領域２５の屈折率が物体光７８の位相情報に反映される。
The thickness of the
前記位相干渉した光を撮像素子７４を用いて計測し解析することにより、試料６８の屈折率及び試料６８が有する材質の不均一さに基づく屈折率差等を解析できる。試料６８の断面内における屈折率及び屈折率差の１次元又は２次元分布を計測できる。好適な定量位相顕微鏡の例は、マッハツェンダー型顕微干渉計である。計測できる屈折率差の典型的な精度は、波長６３２．８ｎｍにおいて０．０００２である。
図８に示す定量位相顕微鏡を用いて、母材４０及び母材４０に含まれる異質領域２５を通過する物体光７８を解析することにより、母材４０と異質領域２５との屈折率差を計測できる。
By measuring and analyzing the phase-interfered light using the
The refractive index difference between the
＜光学部品＞
本発明の光学部品用ガラス部材は、部材内部の異質領域の組成分布による屈折率の勾配に基づいて、光ファイバ又はレンズ等を含む屈折率分布型光学部品、透過型回折格子、フレネルレンズ、ホログラム素子、回折レンズ、カメラ用レンズ、球面収差補正や色収差補正を有するレンズ、ＣＤ／ＤＶＤ用ピックアップレンズ、マイクロレンズ、マイクロレンズアレイ等に用いうる。
<Optical parts>
The glass member for optical parts according to the present invention is based on the gradient of refractive index due to the composition distribution of the heterogeneous region inside the member, the refractive index distribution type optical part including optical fiber or lens, transmissive diffraction grating, Fresnel lens, hologram It can be used for an element, a diffraction lens, a camera lens, a lens having spherical aberration correction or chromatic aberration correction, a CD / DVD pickup lens, a microlens, a microlens array, or the like.
本発明によると、レーザを集光照射した領域の内部において、組成の濃度分布に起因する屈折率分布を生じさせることができるので、照射の中心に移動する成分と外側に移動する成分の組み合わせ、その含有比などを調整することで、非常に微小な領域内部で、きめ細かな屈折率の制御が可能になる。また、組成の組み合わせによっては非常に大きな屈折率差を得ることも可能である。本発明によれば従来になかった機能性材料を提供できる。例えば、特定成分の空間分布を制御することで、透明ガラスの内部に目的とする成分で構成されたフォトニック結晶構造を作成できる可能性がある。また周波数を変調させることで、多層クラッド状の微細なチャネルなどを透明材料の内部に作製することも可能である。 According to the present invention, the refractive index distribution due to the concentration distribution of the composition can be generated inside the region where the laser is focused and irradiated, so the combination of the component moving to the center of irradiation and the component moving to the outside, By adjusting the content ratio and the like, it is possible to finely control the refractive index within a very small region. Also, depending on the combination of compositions, it is possible to obtain a very large refractive index difference. According to the present invention, an unprecedented functional material can be provided. For example, by controlling the spatial distribution of the specific component, there is a possibility that a photonic crystal structure composed of the target component can be created inside the transparent glass. Further, by modulating the frequency, it is also possible to produce a fine layer such as a multilayer clad in the transparent material.
本発明の光学部品用ガラス部材が有する異質領域は１つに限らず、任意の個数の異質領域を２次元的又は３次元的に、周期的に又はランダムに配列しうる。このような配列は、図１に示したステージ５０を用いる母材４０の所定の場所への位置決めと、パルスレーザ照射による異質領域２５の形成とを繰り返すことにより可能である。ステージ５０の移動の態様は２次元的でも３次元的でもよく、形成される異質領域２５の配列は周期的でもランダムでもよい。
The heterogeneous region of the glass member for optical parts of the present invention is not limited to one, and an arbitrary number of heterogeneous regions can be arranged two-dimensionally or three-dimensionally, periodically or randomly. Such an arrangement is possible by repeatedly positioning the
例えば、回折光学部品や光拡散部品として、固体撮像素子を有する撮像光学系に組み込み、適度に像をぼかすことでモアレを低減する光学ローパスフィルタに用いうる。光拡散素子としての利用には光拡散板等を含む。光フィルタとしての利用には、ビームスプリッター、偏光フィルタ、波長選択フィルタ、波長ローパスフィルタ、波長ハイパスフィルタ、光アッテネーター（光減衰器）等に用いうる。 For example, it can be incorporated in an imaging optical system having a solid-state imaging device as a diffractive optical component or a light diffusing component, and used for an optical low-pass filter that reduces moire by appropriately blurring an image. Use as a light diffusing element includes a light diffusing plate and the like. For use as an optical filter, it can be used for a beam splitter, a polarizing filter, a wavelength selection filter, a wavelength low-pass filter, a wavelength high-pass filter, an optical attenuator (optical attenuator), and the like.
レンズとしての利用においては、光学部材自身一部又はその全体がレンズ形状、平面、球面、非球面、自由曲面であってもよく、部材の形状による機能と内部の異質領域２５の機能が複合化された光学部品であってもよい。
When used as a lens, the optical member itself may be partly or entirely of a lens shape, flat surface, spherical surface, aspherical surface, or free-form surface, and the function depending on the member shape and the function of the internal
他の利用においては、記録用メモリ部品、映像表示部品等にも用いることができる。また、光情報通信に用いられる、光導波路構造、光分波器構造、リング共振器構造を有していてもよい。用途はこれらに限定されるものではない。これら光学機能を有する異質領域を集積化した光学部品としてもよい。 In other uses, it can also be used for recording memory components, video display components, and the like. Moreover, you may have an optical waveguide structure used for optical information communication, an optical demultiplexer structure, and a ring resonator structure. Applications are not limited to these. An optical component in which the heterogeneous regions having these optical functions are integrated may be used.
本発明の光学部品は、パルスレーザ光の集光照射により前記材料内部に形成される屈折率変化領域を利用するものであり、レーザ光の集光照射時の材料形状はレーザ入射面が平面であることが好ましいが、必ずしも平面に限られる必要はなく、例えばレンズのようにある曲率の凹や凸曲面、高次の曲面を有していてもよい。 The optical component of the present invention uses a refractive index change region formed inside the material by focused irradiation of pulsed laser light, and the material shape at the time of focused irradiation of laser light has a flat laser incident surface. Although it is preferable, it is not necessarily limited to a flat surface. For example, it may have a concave, convex curved surface, or higher-order curved surface with a certain curvature like a lens.
本発明の光学部品は、レーザ光を集光照射して材料内部に加工を行ったものを、例えばその後の切削や研磨加工によって所望の材料形状に加工されたものでもよく、例えば、その形状がある曲率の凹や凸状の曲面や高次の曲面、多角形の段差や溝を有する構造でもよい。 The optical component of the present invention may be processed into the desired material shape by, for example, subsequent cutting or polishing processing, which has been processed inside the material by condensing and irradiating laser light. A structure having a concave, convex curved surface, higher-order curved surface, polygonal step or groove having a certain curvature may be used.
＜エッチング処理＞
本発明に係る、パルスレーザ集光照射により局所的に組成分布を生じることにより屈折率分布した異質領域を含むガラス材料に対しては、当技術分野に公知のガラス材料のエッチング処理を含む加工技術を用いうる。さらに、該エッチングはガラス材料を選択的にエッチングするものでもよい。具体的には、ガラス組成の一部を化学種選択的にエッチングしてもよく、適切なマスク剤を用いてガラス材料を局所選択的にエッチングしてもよい。
<Etching treatment>
Processing technology including etching processing of glass materials known in the art for glass materials including heterogeneous regions in which refractive index distribution is generated by locally generating a composition distribution by pulsed laser focused irradiation according to the present invention Can be used. Further, the etching may selectively etch the glass material. Specifically, a part of the glass composition may be chemically species-selectively etched, or the glass material may be locally selectively etched using an appropriate mask agent.
一実施形態において、当業に公知のガラス加工方法として、ガラスの組成の一部を選択的に除去するアルカリ又は酸の溶液を用いてエッチング加工してもよい。あるいは、ガラス部材の一部に適宜マスク剤等を塗布して保護し、局所選択的にエッチング処理してもよい。本発明によればガラス部材の内部に局所選択的な組成分布領域を形成でき、かつ任意の個数の異質領域を２次元的又は３次元的に、周期的に又はランダムに配列しうるので、レーザ照射領域又はそれ以外の領域のうちいずれかを選択的に除去することで、従来の方法では製造が困難であった微小かつ複雑な形状や構造を有する光学部品を提供することが可能である。 In one embodiment, glass processing methods known in the art may be etched using an alkali or acid solution that selectively removes a portion of the glass composition. Alternatively, a masking agent or the like may be appropriately applied to a part of the glass member for protection, and etching treatment may be locally performed. According to the present invention, a locally selective composition distribution region can be formed inside a glass member, and an arbitrary number of heterogeneous regions can be arranged two-dimensionally or three-dimensionally, periodically or randomly. By selectively removing either the irradiated region or the other region, it is possible to provide an optical component having a minute and complicated shape and structure that is difficult to manufacture by the conventional method.
これらのように、本発明に係るガラス材料においては、適切な試薬、薬剤、加工機械等を用い、エッチング処理を含む形状加工技術を用いて所望の形状に加工することが可能であり、加工寸法、加工範囲、加工の態様等はそれぞれの加工方法に応じて選択しうる。 As described above, the glass material according to the present invention can be processed into a desired shape using a shape processing technique including an etching process using an appropriate reagent, drug, processing machine, and the like. The processing range, the processing mode, and the like can be selected according to each processing method.
以下、実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明する。
＜実施例１：回折格子の例＞
図９は、本発明の一実施形態に係る、光学部品用ガラス部材を回折格子として使用した概念図である。
図９（ａ）において、回折格子として機能する光学部品３５０は、内部に３次元的に周期配列された異質領域３５２を有する。すなわち、本発明に係る方法を用いて加工した光学ガラス部材において、内部に３次元的に周期配列された異質領域を有する光学ガラス部品は回折格子として機能しうる。具体的には、本発明に係る回折格子として機能する光学部品３５０に、入射光３６０を入射して得られる出射光３６２は、回折光を含んでなる。
図９（ｂ）は、入射する点光源３７０を表す概念図である。例えば、入射する点光源３７０は、回折格子として機能する光学部品３５０への入射光３６０の一部の光路の、進行方向における断面でありうる。
図９（ｃ）は、出射した点光源３８０を表す概念図である。一実施形態において、本発明に係る回折格子として機能する光学部品３５０に、入射する点光源３７０を入射することにより、出射した点光源３８０が得られる。
異質領域の周期やサイズ等は設計事項であり、これらにより回折光の強度比や分布は変化しうる。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.
<Example 1: Example of diffraction grating>
FIG. 9 is a conceptual diagram using a glass member for optical components as a diffraction grating according to an embodiment of the present invention.
In FIG. 9A, an optical component 350 that functions as a diffraction grating has a heterogeneous region 352 that is periodically arranged three-dimensionally. That is, in an optical glass member processed using the method according to the present invention, an optical glass component having a heterogeneous region periodically arranged three-dimensionally can function as a diffraction grating. Specifically, the outgoing light 362 obtained by making the incident light 360 incident on the optical component 350 functioning as a diffraction grating according to the present invention includes diffracted light.
FIG. 9B is a conceptual diagram showing the incident point light source 370. For example, the incident point light source 370 may be a cross section in the traveling direction of a part of the optical path of the incident light 360 to the optical component 350 functioning as a diffraction grating.
FIG. 9C is a conceptual diagram showing the emitted point light source 380. In one embodiment, an incident point light source 370 is incident on an optical component 350 that functions as a diffraction grating according to the present invention, whereby an emitted point light source 380 is obtained.
The period, size, etc. of the heterogeneous region are design matters, and the intensity ratio and distribution of the diffracted light can be changed by these.
＜実施例２：光導波路の例＞
図１０は、本発明の一実施形態に係る、光学部品用ガラス部材を光導波路として使用した概念図である。
図１０において、光導波路を含む光学部品３９０は、内部に３次元的に連続的に加工された光導波路３９５を有する。この光導波路は、本発明に係る方法を用いて、集光照射する領域をガラス母材に対して相対的に移動することにより、ガラス母材の内部に連続的に屈折率を高めた領域を形成して作成することが可能である。光導波路としての機能は、光導波路３９５の一端面からＨｅ−Ｎｅレーザ光を入射し、光導波路３９５の他端面から当該レーザ光が出射されることから確認しうる。
<Example 2: Example of optical waveguide>
FIG. 10 is a conceptual diagram using a glass member for optical components as an optical waveguide according to an embodiment of the present invention.
In FIG. 10, an optical component 390 including an optical waveguide has an optical waveguide 395 that is continuously processed three-dimensionally. This optical waveguide uses a method according to the present invention to move a region to be focused and irradiated relative to the glass base material, thereby providing a region in which the refractive index is continuously increased inside the glass base material. It can be formed and created. The function as the optical waveguide can be confirmed from the fact that He—Ne laser light is incident from one end face of the optical waveguide 395 and the laser light is emitted from the other end face of the optical waveguide 395.
以上、本発明の実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。上記実施形態に、多様な変更又は改良を加えることができる。そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。例えば、光学ローパスフィルタ、種々の回折光学部品、光拡散部品、光フィルタ、レンズ及びレンズに関連する光学部品、局所的な屈折率勾配を利用した光導波路、マイクロレンズ、マイクロレンズアレイ等にも同様に対応することができる。 As mentioned above, although demonstrated using embodiment of this invention, the technical scope of this invention is not limited to the range as described in the said embodiment. Various modifications or improvements can be added to the above embodiment. It is apparent from the scope of the claims that the embodiments added with such changes or improvements can be included in the technical scope of the present invention. For example, optical low-pass filters, various diffractive optical components, light diffusing components, optical filters, optical components related to lenses and lenses, optical waveguides utilizing local refractive index gradients, microlenses, microlens arrays, etc. It can correspond to.
１２ フェムト秒パルスレーザ
１４ 集光レンズ
１５ ミラー
１６ ビームエクスパンダ
１７ 絞り
１８ シャッター
１９ ＮＤフィルター
２２ 撮像手段
２４ 画像モニタ
２５ 異質領域
４０ 母材
５０ ステージ
５５ 定量位相顕微鏡
６０ 光源
６２ スプリッター
６８ 試料
７２ 集光光学系
７４ 撮像素子
７６ 参照光
７８ 物体光
２００ Ｓｉ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｏガラスの組成分布
２１０ Ｓｉ分布
２２０ Ａｌ分布
２３０ Ｐ２Ｏ５−Ａｌ２Ｏ３−ＣａＯ−Ｔｂ２Ｏ３ガラスの組成分布
２４０ Ｐ２Ｏ５−ＧｅＯ２−Ｇａ２Ｏ３−ＣａＯガラスの組成分布
３５０ 回折格子として機能する光学部品
３５２ 内部に３次元的に周期配列された異質領域
３６０ 入射光
３６２ 出射光
３７０ 入射する点光源
３８０ 出射した点光源
３９０ 光導波路を含む光学部品
３９５ 光導波路
12
Claims (19)
Ｐ２Ｏ５：１０〜９０％、
Ｒｎ２Ｏ＋ＲＯ＋Ｒ’Ｏ２：５〜６０％、及び
Ｒｍ２Ｏ３＋Ｒｍ２Ｏ５：１〜５０％
（Ｒｎ２Ｏはアルカリ金属酸化物から選ばれる１種以上、ＲＯはアルカリ土類及びＺｎの酸化物から選ばれる１種以上、Ｒ’Ｏ２はＳｉを除く１４族元素、Ｔｉ、及びＺｒの酸化物から選ばれる１種以上、Ｒｍ２Ｏ３、Ｒｍ２Ｏ５は１３族又は１５族元素、遷移元素、及び希土類元素の酸化物から選ばれる１種以上である。）
を含む、請求項１から３のいずれかに記載のガラス部材。 % By mass based on oxide,
P 2 O 5: 10~90%,
Rn 2 O + RO + R'O 2 : 5~60%, and Rm 2 O 3 + Rm 2 O 5: 1~50%
(Rn 2 O is at least one selected from alkali metal oxides, RO is at least one selected from alkaline earth and Zn oxides, R′O 2 is a group 14 element excluding Si, Ti, and Zr One or more selected from oxides, and Rm 2 O 3 and Rm 2 O 5 are one or more selected from oxides of Group 13 or Group 15 elements, transition elements, and rare earth elements.)
The glass member according to claim 1, comprising:
酸化物基準の質量％で、
Ｐ２Ｏ５：１０〜９０％、
Ｒｎ２Ｏ＋ＲＯ＋Ｒ’Ｏ２：５〜６０％、及び
Ｒｍ２Ｏ３＋Ｒｍ２Ｏ５：１〜５０％
（Ｒｎ２Ｏはアルカリ金属酸化物から選ばれる１種以上、ＲＯはアルカリ土類及びＺｎの酸化物から選ばれる１種以上、Ｒ’Ｏ２はＳｉを除く１４族元素、Ｔｉ、及びＺｒの酸化物から選ばれる１種以上、Ｒｍ２Ｏ３、Ｒｍ２Ｏ５は１３族又は１５族元素、遷移元素、及び希土類元素の酸化物から選ばれる１種以上である。）
を含むガラスを用いる、請求項１１から１３のいずれかに記載のガラス部材の製造方法。 As the uniform glass material,
% By mass based on oxide,
P 2 O 5: 10~90%,
Rn 2 O + RO + R'O 2 : 5~60%, and Rm 2 O 3 + Rm 2 O 5: 1~50%
(Rn 2 O is at least one selected from alkali metal oxides, RO is at least one selected from alkaline earth and Zn oxides, R′O 2 is a group 14 element excluding Si, Ti, and Zr One or more selected from oxides, and Rm 2 O 3 and Rm 2 O 5 are one or more selected from oxides of Group 13 or Group 15 elements, transition elements, and rare earth elements.)
The manufacturing method of the glass member in any one of Claim 11 to 13 using the glass containing this.
酸化物基準の質量％で、
Ｒｎ２Ｏ＋ＲＯ＋Ｒ’Ｏ２：５〜６０％、及び
Ｒｍ２Ｏ３＋Ｒｍ２Ｏ５：１〜５０％
（Ｒｎ２Ｏはアルカリ金属酸化物から選ばれる１種以上、ＲＯはアルカリ土類及びＺｎの酸化物から選ばれる１種以上、Ｒ’Ｏ２はＳｉを除く１４族元素、Ｔｉ、及びＺｒの酸化物から選ばれる１種以上、Ｒｍ２Ｏ３、Ｒｍ２Ｏ５は１３族又は１５族元素、遷移元素、及び希土類元素の酸化物から選ばれる１種以上である。）
を含むガラスを用いる、請求項１１から１４のいずれかに記載のガラス部材の製造方法。 As the uniform glass material,
% By mass based on oxide,
Rn 2 O + RO + R'O 2 : 5~60%, and Rm 2 O 3 + Rm 2 O 5: 1~50%
(Rn 2 O is at least one selected from alkali metal oxides, RO is at least one selected from alkaline earth and Zn oxides, R′O 2 is a group 14 element excluding Si, Ti, and Zr One or more selected from oxides, and Rm 2 O 3 and Rm 2 O 5 are one or more selected from oxides of Group 13 or Group 15 elements, transition elements, and rare earth elements.)
The manufacturing method of the glass member in any one of Claim 11 to 14 using the glass containing this.
（ａ）パルス幅：１０フェムト（１０×１０−１５）秒〜１０ピコ（１０×１０−１２）秒
（ｂ）繰り返し周波数：５０ｋＨｚ以上
（ｃ）レーザ平均出力：０．２Ｗ以上 The method according to claim 11 , wherein the focused laser beam irradiation is performed using a laser that satisfies the following conditions (a) to (c).
(A) Pulse width: 10 femto (10 × 10 −15 ) seconds to 10 pico (10 × 10 −12 ) seconds (b) Repetition frequency: 50 kHz or more (c) Laser average output: 0.2 W or more
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2008237010A JP5275729B2 (en) | 2008-09-16 | 2008-09-16 | Transparent material for optical parts producing composition distribution and optical part using the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2008237010A JP5275729B2 (en) | 2008-09-16 | 2008-09-16 | Transparent material for optical parts producing composition distribution and optical part using the same |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2010070399A JP2010070399A (en) | 2010-04-02 |
| JP5275729B2 true JP5275729B2 (en) | 2013-08-28 |
Family
ID=42202545
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2008237010A Expired - Fee Related JP5275729B2 (en) | 2008-09-16 | 2008-09-16 | Transparent material for optical parts producing composition distribution and optical part using the same |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP5275729B2 (en) |
Families Citing this family (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2014021213A (en) * | 2012-07-13 | 2014-02-03 | Ohara Inc | Optical component and method for manufacturing optical component |
| JP6301194B2 (en) * | 2014-05-26 | 2018-03-28 | 浜松ホトニクス株式会社 | Optical plate, light irradiation device, light measurement device, light irradiation method, and light measurement method |
| FR3053155B1 (en) * | 2016-06-27 | 2019-09-06 | Universite d'Aix-Marseille (AMU) | METHODS AND SYSTEMS FOR OPTICALLY FUNCTIONALIZING A SEMICONDUCTOR MATERIAL SAMPLE |
| US11236017B2 (en) | 2016-09-29 | 2022-02-01 | Corning Incorporated | Compositional modification of glass articles through laser heating and methods for making the same |
| JP7064706B2 (en) * | 2017-08-28 | 2022-05-11 | 日本電気硝子株式会社 | A glass substrate for laser-assisted etching and a method for manufacturing a perforated glass substrate using the same. |
| JP7067736B2 (en) * | 2017-12-08 | 2022-05-16 | 日本電気硝子株式会社 | Processing method of fine periodic structure using pulse laser and glass body |
| GB2599598B (en) * | 2018-05-31 | 2023-01-25 | Sumitomo Electric Industries | Method for manufacturing optical device, optical device, and manufacturing device for optical device |
| GB2588534A (en) * | 2018-06-12 | 2021-04-28 | Sumitomo Electric Industries | Optical device production method |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004191907A (en) * | 2002-02-22 | 2004-07-08 | Nippon Sheet Glass Co Ltd | Flat plate lens |
| JP2003321252A (en) * | 2002-04-25 | 2003-11-11 | Japan Science & Technology Corp | Process for forming phase-separated region inside glass |
| JP2005255512A (en) * | 2004-02-13 | 2005-09-22 | Central Glass Co Ltd | Rare earth element-containing functional glass and its producing method |
| JP4761992B2 (en) * | 2006-02-10 | 2011-08-31 | セントラル硝子株式会社 | Image pickup apparatus having birefringent optical element and method for manufacturing the same |
| JP5302611B2 (en) * | 2008-02-08 | 2013-10-02 | 株式会社オハラ | Glass member for optical parts and glass composition used therefor |
-
2008
- 2008-09-16 JP JP2008237010A patent/JP5275729B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2010070399A (en) | 2010-04-02 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5275729B2 (en) | Transparent material for optical parts producing composition distribution and optical part using the same | |
| JP5302611B2 (en) | Glass member for optical parts and glass composition used therefor | |
| DE102005003594B4 (en) | Method for producing an optical component, component produced according to the method, and device comprising such components | |
| TWI407135B (en) | Structure and manufacturing method of the same | |
| US7262144B2 (en) | Photostructurable body and process for treating a glass and/or a glass-ceramic | |
| US20070091977A1 (en) | Method and system for forming periodic pulse patterns | |
| TWI395978B (en) | Optical component and method of manufacture of optical component | |
| KR100300822B1 (en) | Optical device and formation of optical waveguide using light-induced effect on refractive index | |
| JP6603829B1 (en) | OPTICAL DEVICE FOR PROCESSING USING LASER BEAM, PROCESSING METHOD USING LASER BEAM, AND GLASS ARTICLE MANUFACTURING METHOD | |
| US20040198582A1 (en) | Optical elements and methods of making optical elements | |
| US20090056379A1 (en) | Optical elements and methods of making optical elements | |
| FR2866873A1 (en) | FLINT OPTIC GLASSES WITH LANTHANE FREE OF LEAD AND ARSENIC | |
| DE102005003595A1 (en) | Optical component has diffractive and refractive element, comprehensively photo-sensitive glass or photosensitive glass ceramic which contain light propagation influencing structures | |
| EP2682806A1 (en) | Reticle for a Telescope | |
| JP5863227B2 (en) | Glass member for optical component, method for producing optical component, and glass composition for optical component | |
| JP2008247626A (en) | Method for manufacturing refractive index distribution type optical element having ultraviolet absorptivity | |
| JP2004317749A (en) | Objective | |
| US20050200961A1 (en) | Microlens and method of marking same | |
| Sisken | Laser-induced crystallization mechanisms in chalcogenide glass materials for advanced optical functionality | |
| US20230348314A1 (en) | Light-sensitive glass and process for inscribing structures formed from variations in bulk refractive index in such a glass | |
| JP2014116875A (en) | Imaging optical system and imaging device | |
| RU2781465C1 (en) | Method for laser recording of integral waveguides | |
| WO2016105245A1 (en) | Method for forming a waveguide structure shell inside a transparent three-dimensional material, and waveguide structure shell | |
| JP2004101697A (en) | Method for manufacturing optical waveguide component | |
| Harb | Femtosecond-laser-written Type A modifications: Application to X-ray spatially-resolved dosimetry and volume Bragg gratings |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20110525 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20120530 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20120605 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20120806 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20130205 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20130401 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20130423 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20130516 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |