(57)【要約】【課題】本発明は、高強度の光に対する耐性を実現できる液晶光学素子およびその製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】液晶光学素子１は、層状に保持された液晶ＬＣと、液晶ＬＣの成す層の両面に配置された配向膜２と、液晶ＬＣに対し厚さ方向に電圧を印加するための電極３と、液晶ＬＣ、配向膜２、および電極３の全体を層状に保持する基板４とを備えている。光が透過する電極３を構成する材料は、導電率が低い材料であっても変調される光に対する透明度がより高い材料を優先して用いる。ＩＴＯ膜は、電荷密度の向上により導電性が向上するが透明性が低下するので、透明度を優先して、液晶光学素子１の動作下限近くまで、電極の電気性能を落とす。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
層状に保持された液晶と、前記液晶の成す層の両面に配置された配向膜と、前記液晶に対し厚さ方向に電圧を印加するための電極と、前記液晶、配向膜、および電極の全体を層状に保持する基板と、を備え、前記液晶に入射する光を変調して透過または反射させる液晶光学素子の製造方法であって、
前記電極のうち前記光が透過する電極を構成する材料には、前記変調される光に対する透明度がより高い材料を優先して用いる、ことを特徴とする液晶光学素子の製造方法。
【請求項２】
前記配向膜の材料としては、斜方成膜で成膜されたシリカを用いることを特徴とする請求項１に記載の液晶光学素子の製造方法。
【請求項３】
前記電極の材料としては、グラフェンを用いることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の液晶光学素子の製造方法。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の液晶光学素子の製造方法によって製造されたことを特徴とする液晶光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶光学素子およびその製造方法に関し、特に、高強度の光に対する耐性を有する液晶光学素子とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶は、液体のような流動性と結晶のような光学的特性を有する物質である。液晶を構成する等方でない分子の配列状態は、電圧印加などの外部刺激によって別の配列状態に容易に変化させることができるので、液晶の光学的性質を電気的手段で容易に変化させることができる。液晶は、その光学的性質の可変性により、液晶表示装置として一般に応用されている他に、工業用機械や理化学機器における液晶光学素子として開発され応用されている。
【０００３】
液晶光学素子は、例えば、レーザ加工装置における加工用レーザ光の進行方向、偏光状態、強度分布などを変化させる反射型または透過型の光学素子として用いられている（例えば、特許文献１，２参照）。また、液晶光学素子は、遠隔検知のためのライダー、画像投影装置、などにおける光制御素子として用いられている。
【０００４】
工業用機械や理化学機器などの分野において、種々の要請からレーザ光のハイパワー化が求められるため、液晶光学素子における熱対策、耐熱性向上が課題となっている。例えば、レーザ加工では、加工速度をより高速化するためレーザ光がハイパワー化され、またライダーでは、より遠隔の検知や検知精度向上のためレーザ光がハイパワー化される。また、液晶光学素子が受けるレーザ光の熱エネルギーは、短いパルス幅で局所に集中する場合もあり、エネルギー総量への対応ではなく、時間的および空間的にエネルギー密度が高い場合への対応も要求される。そこで、液晶光学素子における高強度の光による性能劣化対策のために、液晶を含む各構成部材における光化学反応や発熱の影響などについて、詳細に検討する必要がある。
【０００５】
例えば、非特許文献１においては、液晶工学素子の電極、配向膜、基板を変更し、波長１０６４ｎｍ、周波数５０ｋＨｚ、パルス幅１２０ｎｓ、照射時間１５分、ビーム径０．５〜２．５ｍｍ、出力変化１．０〜４０．５Ｗのレーザ照射条件のもとで耐光性試験を行っている。試験の結果、サファイヤ基板を用いて耐熱性を向上させた素子の損傷閾値は１７８ｍＪ／ｃｍ２となり、通常のガラス基板を用いる素子の損傷閾値２．４５ｍＪ／ｃｍ２と比べ、約７２．７倍の耐光性向上が確認されている。
【０００６】
この耐光性向上は、基板の熱伝導率が、一般的に液晶基板として採用されているガラスでは０．７５Ｗ／ｍ・Ｋであるのに対し、サファイア基板では４２Ｗ／ｍ・Ｋであってガラスの場合の約５６倍であることによる。熱伝導率が向上したサファイヤ基板によって、熱が速やかに大気中へ排出されるので、液晶の温度上昇が抑制され、熱による素子の損傷閾値が向上したと考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１８−８７８８５号公報
【特許文献２】特開２００４−２７９７２５号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】釘宮渉、吉木啓介、他著「耐熱性を有する液晶素子の作製及び評価」第６４回応用物理学会春季学術講演会講演予稿集（２０１７年パシフィコ横浜）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上述した非特許文献１に示されるようなサファイヤ基板製の液晶光学素子においては、サファイヤ基板が高価であり、また、大面積のサファイヤ基板が安価に得られないという問題がある。大面積のサファイヤ基板が得られなければ、大面積のマザーガラス基板を液晶基板として想定している現状の製造工程や製造装置を流用できなく、製造コスト上の大きな問題となる。
【００１０】
ここで、図１４乃至図１６を参照して、光照射時の液晶光学素子の内部における光吸収と発熱源、およびサファイヤ基板の効果を説明する。図１４に示す構造の液晶光学素子９における各層の光吸収率の違いを見る分光実験を行った。液晶光学素子９は、従来の典型的な構成の素子であり、層状の液晶ＬＣの両面に配向膜９２、ＩＴＯ（インジウムとスズの酸化物）から成る電極９３、およびガラスから成る基板９４の各層を順に積層して有し、液晶ＬＣ層の外周は封止材９ａによって封止されている。
【００１１】
分光実験における各層の厚みの設定は、基板９４が０．４ｍｍ、電極９３が１５０ｎｍ、配向膜９２が２００ｎｍ、液晶ＬＣが１５μｍである。また、各層について、一般的に得られる液晶光学素子における代表的な物性値を設定した。このような液晶光学素子９にレーザ光が入射したときの各層における光の吸収率を、入射光の波長を変化させて各波長毎に計測した。
【００１２】
図１５は、各部位の光吸収スペクトルを示し、ａは基板９４のみ、ｂは（基板９４＋電極９３）、ｃは（基板９４＋電極９３＋配向膜９２）、そしてｄは液晶素子光学素子９全体の吸収スペクトルである。この実験によると、レーザ加工で典型的に用いられるＹＡＧ，ＹＶＯ４，Ｙｂレーザ等における波長１０６４ｎｍ付近のレーザ光に対して、液晶ＬＣにおける吸収率１．３１％、ＩＴＯ電極９４における吸収率０．１４％という結果が得られた。これは、液晶と電極とが発熱源となっていることを意味する。
【００１３】
高強度光が液晶光学素子９に入射すると、このような吸収率によって、液晶ＬＣが破壊される程の熱量が発生する。過度の温度上昇により、液晶が相変化して光入射の停止によって液晶の温度が再び低下するまでは液晶としての機能が消失したり、さらに高温になると液晶や液晶以外の部位が焼損したりして、液晶光学素子９が不可逆的な破壊に至る。
【００１４】
図１６（ａ）は、大面積のマザーガラス基板を用いて製造される液晶フラットパネルディスプレイなどの素子を示す。このような素子にスポット状のレーザビームが入射すると、レーザ光の経路上にあって光を吸収する液晶ＬＣ、配向膜９２、および電極９３が熱源ＨＳとなり、発生した熱が各層の厚さ方向に放熱される。
【００１５】
図１６（ｂ）は、ガラス基板よりも格段に熱伝導率の良いサファイヤを基板９４として用いる場合の熱の流れを示す。熱源ＨＳからの熱は、基板９４に達すると、基板９４の内部をその面の方向に拡がって拡散し、より広い表面積から、効率よく放熱される。従って、サファイヤ基板を用いることにより、熱源ＨＳにおける温度上昇が抑えられ、ガラス基板を用いる場合よりも、より高強度のレーザ光を用いることができる。
【００１６】
（高強度光による液晶光学素子の破壊メカニズム）
液晶光学素子の破壊メカニズムは、例えば、３つに分けられる：（１）熱平衡状態における損傷、（２）非平衡急速加熱による損傷、（３）液晶分子の光化学反応である。
【００１７】
（１）入射光がＣＷ光、もしくは十分に長いパルス光の場合、光吸収による入熱と放熱のバランスによって、液晶光学素子は熱平衡状態となり、素子内部の液晶の温度が基板の熱伝導率、および基板の厚みによって決定される。このような熱平衡状態において、素子内部の温度が過度に高いと、液晶が破壊され、素子が損傷する。
【００１８】
（２）また、ナノ秒オーダー以下の単発の超短パルスレーザ光が入射した場合、熱伝導が進行する時間的余裕がないので、パルスエネルギーに依存して、瞬間的かつ断熱的な昇温が発生する。この昇温は同じ吸収率でも熱容量が小さい部分、すなわち、膜厚が薄い部分ほど発生しやすくなる。各層の厚みの比を考えると液晶ＬＣよりも、ＩＴＯ等による電極９３において、例えば１０倍以上の温度上昇が予想される。
【００１９】
（３）液晶分子は入射光によって光化学的な変化を起こすことがあり、それが液晶の破壊を誘発することがある。高出力および高強度の光照射による液晶の損傷を防止するには、これらの損傷要因を除去もしくは低減しなければならない。
【００２０】
本発明は、上記課題を解消するものであって、簡単な構成により、高強度の光に対する耐性を実現できる液晶光学素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記課題を達成するために、本発明の液晶光学素子の製造方法は、層状に保持された液晶と、液晶の成す層の両面に配置された配向膜と、液晶に対し厚さ方向に電圧を印加するための電極と、液晶、配向膜、および電極の全体を層状に保持する基板と、を備え、液晶に入射する光を変調して透過または反射させる液晶光学素子の製造方法であって、電極のうち光が透過する電極を構成する材料には、変調される光に対する透明度がより高い材料を優先して用いる、ことを特徴とする。また、本発明の液晶光学素子は、この液晶光学素子の製造方法によって製造されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の液晶光学素子の製造方法および液晶光学素子によれば、従来の液晶光学素子において主たる熱源となっていた電極の光吸収による発熱を低減でき、液晶への熱的ダメージを抑制できるので、高強度の光に対する液晶光学素子の耐性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施形態に係る液晶光電素子の構成概念図。
【図２】レーザ光が照射された液晶光電素子の液晶温度を求めるための計算機シミュレーションのモデルを示す断面図。
【図３】同シミュレーションに用いられるパラメータを示す図。
【図４】基板厚が０．４ｍｍの場合の同シミュレーションの結果を示す棒グラフ。
【図５】基板厚が０．１ｍｍの場合の同シミュレーションの結果を示す棒グラフ。
【図６】基板厚が０．０６ｍｍの場合の同シミュレーションの結果を示す棒グラフ。
【図７】同シミュレーションの結果における液晶温度と板厚の関係を示すグラフ。
【図８】他の計算機シミュレーションにより得られた、液晶光電素子にパルスレーザ光が照射されたときの、各部の最大上昇温度の時間変化を示すグラフ。
【図９】同シミュレーションにより得られた、熱流束の時間変化を示すグラフ。
【図１０】さらに他の計算機シミュレーションにより得られた、異なる３種類の基板を有する場合の液晶光学素子について、パルスレーザ光が照射されたときの、素子全体の最大上昇温度の時間変化を、各基板毎に示すグラフ。
【図１１】同シミュレーションにより得られた、液晶と基板とにおける最大上昇温度の時間変化を、各基板毎に示すグラフ。
【図１２】同シミュレーションにより得られた、熱流束の時間変化を、各基板毎に示すグラフ。
【図１３】液晶の分子構造の違いによる、液晶の特性比較図。
【図１４】従来の液晶光学素子の問題点を把握するために行った実験のモデルを示す断面図。
【図１５】同実験により得られた、照射光の波長に対する、注目部位の光吸収率のグラフ。
【図１６】（ａ）はガラス基板を有する従来の液晶光学素子における放熱を説明する断面図、（ｂ）はガラス基板に替えてサファイヤ基板を有する従来の液晶光学素子における放熱の改善例を説明する断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態に係る液晶光学素子とその製造方法について、図面を参照して説明する。図１は、高強度光に対する耐性を有する液晶光学素子１を示す。液晶光学素子１は、層状に保持された液晶ＬＣと、液晶ＬＣの成す層の両面に配置された配向膜２と、液晶ＬＣに対し厚さ方向に電圧を印加するための電極３と、液晶ＬＣ、配向膜２、および電極３の全体を層状に保持する基板４とを備えている。また、液晶光学素子１は、液晶ＬＣを封止する封止材１ａと、液晶光学素子１の外周部を保持する筐体５とを有している。筐体５には放熱用のフィンが設けられている。液晶光学素子１は、例えば、円板状の外形に構成されるが、任意の外周形状であってもよく、例えば、四角平板状であってもよい。
【００２５】
液晶光学素子１は、光透過型の素子である場合、液晶ＬＣの両面に配置された各部材は、いずれも透光性の部材で構成される。また、液晶光学素子１が反射型の素子である場合は、液晶ＬＣの一方の面に配置された配向膜２、電極３および基板４のいずれかまたはそれらの組合せ部材が、光を反射する反射鏡を構成する。
【００２６】
液晶光学素子１は、用途に応じて、液晶光学素子１の開口の全面に拡がった入射光から開口の一部の局在部位に集中する入射光など、種々のビーム径の光が入射される。ここで、液晶光学素子１の開口は、例えば、層状に拡がった液晶ＬＣの有効面積で規定される開口である。基板４は、放熱の観点から、用途に応じて、例えば、液晶光学素子１が大ビーム径の光に用いられるか、小ビーム径の光に用いられるかによって、厚い基板であったり、薄い基板であったりしてもよい。また、液晶光学素子１は、入射する光がパルス光か、連続光かによっても、構成部材の組合せが選択される。
【００２７】
液晶光学素子１は、液晶ＬＣに入射する光を変調して透過または反射させる。光の変調には、例えば、強度変調、位相変調、偏光状態の変調などがあり、これらの変調は、例えば、光の横断面（進行方向に交差する断面）の各位置毎に、空間的、時間的に行われる変調を含む。変調を受ける光は、液晶光学素子１の液晶ＬＣの層に垂直入射する場合もあり、また、斜め入射する場合もある。光の横断面の各位置毎に個別に変調を行う場合、電極３は、個別に変調を行う各位置毎に区分された個別の電極の組から構成される。
【００２８】
液晶光学素子１に高強度光耐性を持たせる要素技術は、例えば、次のようになる。
１  連続光に対する耐性
１−１  高熱伝導率基板技術
１−２  基板から液晶光学素子の支持筐体への放熱技術
１−３  配向膜、電極を高熱伝導率化する技術
２  パルス光に対する耐性
２−１  電極膜、配向膜の光吸収率を低減する技術
２−２  電極膜、配向膜の熱容量を増やす技術
２−３  熱に強い材料技術
２−４  電極膜と基板間、電極膜と配向膜間などの界面間の原子拡散防止技術
２−５  アニールによる耐久性を向上する技術
３  液晶自体の耐性
３−１  光吸収率を下げる液晶材料技術
３−２  吸収スペクトルを最適化する液晶材料技術。
これらの個々の技術は、互いに組み合わせて用いられ、液晶光学素子１の用途に応じて総合的に高強度光への耐性を有する液晶光学素子１が得られる。以下、各技術を個別に説明する。
【００２９】
（１  連続光に対する耐性）
（１−１  高熱伝導率基板による熱伝導冷却）
ガラス基板を用いる液晶光学素子１においては、ガラス基板の熱伝導率の低さに起因する液晶光学素子の内部における熱の蓄積が発生する（図１６（ａ）参照）。液晶光学素子１のような積層構造体において、伝熱学的に液晶光学素子１の各層に垂直な面外方向への熱流速は、各層の厚みが薄いほど大きくなるが、各層の厚みが薄いと各層に平行な面内方向への熱流束が減少する。
【００３０】
仮にレーザ照射が液晶光学素子１の開口全域に及んでいる場合、面内の各部で直接、面に垂直な面外方向へ放熱できるので、極力薄い基板４を用いることが効果的である。逆に、開口面積に対して光照射面積が小さいスポット照射などの場合は、液晶光学素子１の全面を放熱面として有効に使用するためには、基板４内で面内方向への熱伝導を促進することが効果的であり、基板４の厚みが必要となる。このように、光照射面積と基板面積の比を考慮することにより、基板４の最適な厚みと面積の比が決定される。また、併せて、基板４の熱伝導率を向上させることも、当然効果が有る。また、基板４の厚みだけでなく、電極３の厚みについても、同様である。
【００３１】
（１−２  基板から液晶光学素子の支持筐体への放熱）
高熱伝導率基板の場合、液晶光学素子中央のスポット状の光照射部位から液晶光学素子１の辺縁部に向けて速やかな熱伝導が実現されるので、液晶光学素子１を固定する筐体５との接触部から筐体５に放熱される。よって、筐体５を、放熱フィンや冷却液流路などを有するヒートシンクとすることにより、効率的に放熱を促進し、基板温度を低減させ、液晶ＬＣの昇温を抑制することができる。
【００３２】
また、例えばベクトルビームを生成するために複数の液晶光学素子を入射光の方向に沿って、互いに重ねて偏光制御装置を構成する場合、各液晶光学素子に挟まれた空間は自然冷却の他に強制送風冷却が好適に用いられる。また、このような場合、面外方向への放熱に加えて、辺縁部の支持筐体５に向けて基板４内を伝熱させて面内方向への放熱を促進するすることが有効である。
【００３３】
（１−３  配向膜、電極自体への熱伝導率の付与）
液晶光学素子１の面内方向（面に沿った方向）への伝熱は、各構成層の厚みに強く依存し、主に各層の中で通常最厚を有する基板４によってなされる。基板４は、通常、液晶ＬＣを封止して構成される液晶光学素子１の形状を維持する構造体としての役割を有するので、頑丈に、従って厚く構成されている。そして、高い熱伝導率を有するダイヤモンド、グラフェンなどの材料は、薄膜であっても面内方向への高い熱伝導効果を発揮する。そのため、液晶光学素子１の配向膜２や電極３としてこれらの素材を用いることにより、高強度光に対する耐性を付与することができる。
【００３４】
（配向膜）
図２乃至図７を参照して、計算機シミュレーションよる液晶ＬＣの温度上昇について説明する。このシミュレーションは、液晶光学素子１における基板４の種類と厚さの違い、および配向膜２の種類の違いによる、液晶ＬＣの温度上昇の違いを見るために行われた。図２に、シミュレーションの対象とする、透過型の液晶光学素子１のモデルを示す。液晶光学素子１の中心領域の露光範囲にレーザ光ＬＢが入射される。露光領域を含む広い範囲に、液晶範囲を設定し、さらに広い範囲に基板範囲を設定した。
【００３５】
図３に、シミュレーションの計算条件を示す。電極３は、ＩＴＯ膜で構成され、露光範囲において０．１４Ｗの発熱を想定し、同様に、配向膜２（ポリマのみ）において０．０５Ｗの発熱を想定している。基板４の外表面は、空気との一般的な接触による放熱１０Ｗ／ｍ２Ｋを想定している。
【００３６】
基板４の材料にはガラス、石英、サファイア、ダイヤモンド、ポリイミド（ポリマ）が想定され、液晶ＬＣには水と同じ物性を想定し、配向膜２にはガラス、石英、サファイア、ダイヤモンド、ポリイミドが想定されている。基板４の板厚０．４ｍｍ，０．１ｍｍ，０．０６ｍｍについて、シミュレーションを行った。また、液晶ＬＣの層厚５μｍ、配向膜２の層厚２００ｎｍ、ＩＴＯ電極３の層厚２００ｎｍが想定されている。広がり方向の寸法は、露光範囲２．５ｍｍ、液晶範囲１５ｍｍ、基板範囲１８ｍｍとして、軸対称２Ｄモデルによるシミュレーション解析を行った。
【００３７】
図４は、基板板厚０．４ｍｍの場合の４種類の基板と５種類の配向膜の各組合せに対して、シミュレーションによって算出された液晶ＬＣの最大温度を示す。基板４がダイヤモンドとサファイヤの場合、熱伝導率に優れていることにより、配向膜２の種類によらずに、ほぼ一定の最大温度を示す。基板４が石英とガラスの場合、配向膜２の組合せにおいて、熱伝導率が低い材料との組合せにおいて、放熱性能の低さが強調され、ガラス基板とポリマ配向膜との組合せが、最も大きな最大温度を示している。
【００３８】
図５は、基板板厚０．１ｍｍの場合の液晶ＬＣの最大温度を示す。板厚がより薄くなることにより、基板４が石英とガラスの場合に熱伝導率の悪さが強調されて、ダイヤモンド配向膜を除いて、軒並み液晶ＬＣの最大温度が上昇している。この図から、ダイヤモンドを配向膜２として用いることの効果が大きいことが分かる。
【００３９】
図６は、基板板厚０．０６ｍｍの場合の液晶ＬＣの最大温度を示す。板厚がさらに薄くなることにより、基板４が石英とガラスの場合に液晶ＬＣの最大温度がさらに上昇している。また、ダイヤモンド基板とサファイヤ基板では、基板板厚が０．４ｍｍから０．０６ｍｍまで薄くされたことの影響は殆ど見られない。
【００４０】
図７は、上述のシミュレーションの結果における液晶温度と板厚の関係を示す。基板はサファイヤであり、配向膜はポリイミドである。この図から、いずれの条件においても、液晶温度が液晶のＮＩ点を下回っていることが分かる。
【００４１】
シミュレーションの結果から、熱伝導率の大きなダイヤモンドを配向膜２として用いることにより、たとえ熱伝導率が低いガラス基板を用いた場合でも、液晶部分における温度の低減効果が実現される。配向膜２に用いられる熱伝導率の大きな材料は、ダイヤモンドの他に、グラフェンやＳｉＣがある。熱伝導率の大きな材料は、薄くても伝熱効果があることから、例えば、光吸収率が小さいが熱伝導率が劣るような基板材料と組み合わせて、複合部材から成る基板４を構成してもよい。
【００４２】
（電極：ＣＶＤダイヤモンド、ＳｉＣ、グラフェン）
高い熱伝導率を有するダイヤモンド、ＳｉＣ、グラフェンなどの材料を液晶光学素子１の電極３として用いることについて説明する。近年、ダイヤモンド、ＳｉＣなどに導電性を持たせることについての研究が盛んに行われている。電気を通さない不導体を導体化する手段として、不導体中に異種イオンや異種原子を注入するドーピングがある。また、低温でドーピング処理を実施できるレーザドーピング技術も公表されている。そこで、高い熱伝導率を有するダイヤモンドやＳｉＣが液晶光学素子１の電極３として用いられる。
【００４３】
また、グラフェンは、炭素原子が六角形の網目状に一層で並んだ構造を有する導電体であって、優れた導電性を有するため、一層でも電極として使用可能と考えられる。グラフェンは、例えば、転写によって、基板４の表面に電極３として形成される。
【００４４】
液晶ＬＣ部分における面内熱伝導による温度の低減効果が実現されると、液晶ＬＣ層の面内温度均一性が実現される。液晶ＬＣの層面内温度均一性は、レーザ光に対する偏光制御や空間変調を行う液晶光学素子１の性能に大きく関わる重要な仕様項目である。
【００４５】
（２  パルス光に対する耐性）
ナノ秒以下の単発パルス光は時間的空間的に非常に高密度のエネルギーを含む光となり得る。高エネルギー密度のパルス光が照射された物質には、照射された領域において局所的かつ断熱的に温度上昇が起こる。そのため、光の吸収率に比例し熱容量に反比例して、その局所部分において温度が急上昇する。従って、基板や液晶よりも、体積が小さく熱容量が小さな電極や配向膜等の薄膜部分に、極めて高い温度上昇が発生し、これらの薄膜自体の熱破壊や変質が発生する。
【００４６】
ここで、図８乃至図１２を参照して、パルス光入射に対する液晶光学素子の昇温機構に関するシミュレーション結果を説明する。液晶光学素子は、図２のモデルと同様の構成を有し、液晶１５μｍ層の両面に、それぞれ配向膜２００ｎｍ、ＩＴＯ電極１５０ｎｍ、ダイヤモンド基板０．４ｍｍを順に積層した構成を想定した。ダイヤモンド基板は、例えば、ＣＶＤ成膜によるダイヤモンド基板を想定した。この液晶光学素子に、ビーム径２ｍｍ、パルス幅１０ｎｓの単発パルス光を入射し、ＩＴＯ電極において０．９８μＪ（０．５２μＪ／ｍｍ２）の吸熱が発生し、液晶において９．１８μＪ（４．８８μＪ／ｍｍ２）の吸熱が発生する場合を想定してシミュレーションを行った。
【００４７】
図８は、パルス光入射後の、各注目部位毎に最大の上昇温度の時間変化を示す（縦軸横軸ともに対数表示であることに注意）。注目部位は、基板と、液晶と、液晶光学素子の全体とである。液晶光学素子の全体においては、主としてＩＴＯ電極部分が最大の上昇温度を呈する。全体の最大の上昇温度（単に温度という、以下同様）の挙動は、パルス照射の直後からＩＴＯ電極の温度の上昇に伴い、約２０ｎｓ経過後にピーク温度となり、その後、急激に温度が低下し、しばらく一定温度を維持した後、段階的に低下する。
【００４８】
液晶の温度は、全体（ＩＴＯ電極）の温度上昇から遅れて温度上昇し、全体における温度がピーク値となる２０ｎｓ前後で、温度上昇が停止して下降に転じ、液晶の温度が全体の温度となり、さらに基板の温度と同じになる。
【００４９】
また、基板の温度は、液晶の温度の立ち上がりよりもさらに遅れて温度上昇を開始し、やはり２０ｎｓ前後において、液晶の温度よりも低い温度状態で、上昇が下降に転じ、一旦わずかに温度上昇した後、液晶の温度すなわち全体の温度と一体となって、低下する。基板の温度変化曲線のうち、最初の山はＩＴＯの熱を吸収した温度上昇の山であり、２番目のの山は液晶の熱を吸収した温度上昇の山である。
【００５０】
図９は、基板における熱の流れに注目した時間変化を示す。液晶光学素子の内部で発生した熱の流れ（熱流または熱流束）は、その内部から外側に位置する基板に向けて流れる。基板に流入した熱および基板内で発生した熱は、基板内を基板の面に沿って流れる熱流と、基板の表面から離れて基板外に放熱される熱流とに分けられる。この図９は、時間経過の各時点において、熱流のベクトル成分が、基板の面に平行な成分を有する熱流の総量を基板内の熱流とし、基板の面に垂直な成分を有する熱流の総量を基板外への熱流として、各熱流の時間変化を示している。
【００５１】
基板外への熱流は、光照射と共に発生し、一旦ピークを迎えた後、段階的に低下している。この基板外への熱流のピークは、ＩＴＯ電極で発生した熱が基板に向けて放熱されて発生する。また、基板内の熱流は、基板外への熱流がピークに至る時間前後まで増加し続け、基板外への熱流よりも少ない熱流の状態で飽和し、しばらく徐々に低下する。熱流の波が基板に達すると、基板内の熱流が基板外への熱流よりも大きくなり、その後、基板内の熱流が支配的な状態のまま熱流が低下する。
【００５２】
次に、比較のため、図１０、図１１、図１２は、ダイヤモンド基板を、サファイヤ基板と、ガラス基板とにそれぞれ替えてシミュレーションした結果をダイヤモンド基板の結果と共に示す（各図の時間経過軸が対数表示でなくリニア表示であることに注意）。図１０、図１１は上述の図８に対応し、各注目部位毎の上昇温度のうち最大の温度の時間変化を示す。図１２は図９に対応し、熱流の時間変化を示す。なお、このシミュレーションを行った範囲は、経過時間ｔ＝５０ｎｓまでの範囲であり、図８、図９に現れている２０ｎｓのピーク前後の時間範囲である。
【００５３】
図１０に示す全体の温度の時間変化は、ＩＴＯ電極の温度が支配的、すなわちＩＴＯ電極に最大温度点がある、と考えられる時間帯では、各基板（ダイヤモンド、サファイヤ、ガラス）によらずに同一挙動となる。ＩＴＯ電極に発生した熱が基板に向けて拡散することにより、温度が低下し、最大温度点がＩＴＯ電極から離れると、各基板の伝熱および放熱特性に応じて、温度の時間変化が分岐する。シミュレーションを行った範囲では、ガラス基板とサファイヤ基板では同じ挙動で、ほぼ一定の温度が維持され、ダイヤモンド基板では、サファイヤ基板とガラス基板の場合よりも温度低下が進行した後、ほぼ一定の温度が維持される（対数表示の図８参照）。
【００５４】
図１１に示す液晶の温度は、全体すなわちＩＴＯ電極の温度から遅れて立ち上がった後、飽和し、ほぼ一定の温度が維持されている。基板の温度は、ダイヤモンド基板、サファイヤ基板、ガラス基板の順に、液晶の温度の立ち上がりよりも順次遅れて立ち上がり、液晶の温度飽和値よりも各々低い飽和値で順次飽和し、ほぼ一定の温度が維持される。
【００５５】
図１２において、基板面内の熱流の時間変化は、各基板（ダイヤモンド、サファイヤ、ガラス）によらずにほぼ同一挙動となる。また、基板外への熱流の時間変化は、２０ｎｓ前後のピークを過ぎるまでは各基板によらずに同一挙動を呈する。その後、基板外への熱流は、ダイヤモンド基板、サファイヤ基板、ガラス基板の順に、より低い値まで低下して、それぞれほぼ一定の熱流が維持される。
【００５６】
以上のシミュレーション結果から、パルス光入射に対する液晶光学素子の昇温機構に関し、基板（ダイヤモンド、サファイヤ、ガラス）による違いを以下にまとめる。
・ＩＴＯ電極と液晶の昇温は、基板の種類では変化しない。これは、パルス光入射による昇温が断熱的昇温であることによる。
・液晶の昇温はわずかであるが、残留する。これは液晶層の厚みが大きく、熱容量が大きいことによる。
・ＩＴＯ電極は透明で厚膜であるほど好適であり、液晶層は厚さが薄いほど好適である。
【００５７】
（ＩＴＯ膜が極端に高温になることと、配向膜とについて）
ＩＴＯ膜は薄膜であり、その体積は極小なため，熱容量が小さく，僅かな入熱でも温度上昇する。このことは、ＩＴＯに隣接する物体、例えば、有機配向膜への熱ダメージを考慮すべきことを意味する。耐熱性の配向膜として、例えば、斜方蒸着ＳｉＯｘが有効である（後述）。
【００５８】
（（液晶と、温度上昇について））
液晶の層は、温度上昇は小さいが放熱が遅い。単発のパルス光による液晶の破壊の心配はない。しかしながら、繰り返しパルス光によって長時間照射した場合、熱平衡状態における液晶の破壊の問題がある。
【００５９】
（（基板の熱伝導について））
単発パルス光の場合、基板の熱伝導の効果は限定的である。これは、基板の体積、従って熱容量が大きいことによって温度上昇が抑えられることによる。サファイア基板の放熱効果は、長時間照射の場合に効果的である。また、強力なパルスが照射されるときは、ＩＴＯ電極が局所的に高温状態になることにより、ＩＴＯ電極とその近傍に限定された領域が、熱破壊起点となる。
【００６０】
（（連続波光による熱破壊機構））
連続波光（ＣＷ光）による照射、または高繰り返しパルス光による長時間照射により、液晶層（一部ＩＴＯ電極）の吸熱と基板による放熱とが熱平衡に至り、液晶の熱破壊が発生する。以下の対策が考えられる。
・対策１：サファイア、ＳｉＣ、ダイヤモンド等の基板を採用して放熱効率を強化する。
・対策２：光吸収率が低い液晶材料を採用する。また、屈折率異方性Δｎ（異常光に対する屈折率ｎｅと常光に対する屈折率ｎｏの差、Δｎ＝ｎｅ−ｎｏ）が大きい液晶材料を採用し、液晶層を薄くして基板への放熱を促進する。
【００６１】
（（パルス光による熱破壊機構））
ごく短時間の過熱であり、単純な融解や蒸発による熱破壊に留まらず、ＩＴＯ電極の過熱によるＩＴＯ電極とその周辺の部材の熱破壊も発生する。
・対策１：電極材料の電気抵抗の許容範囲を考慮しつつ、ＩＴＯ電極の材料を光吸収率のより低い材料にする。
・対策２：ＩＴＯ電極の厚膜化による体積の増大により熱容量の増大を図り、局所的な温度上昇を抑制する。
・対策３：高熱となるＩＴＯ電極に隣接する材料の高熱耐性化を図る。
【００６２】
（２−１  薄膜構造（電極、配向膜）における光吸収率の低減）
薄膜構造には電極と配向膜とがある。断熱的温度上昇による薄膜の損傷を防止する最も効果的な対策は、これらの薄膜構造の光吸収率の低減である。光吸収率が低減すると、温度上昇は低下する。電極および配向膜は、使用する光に対し、光吸収率が小さく、より透明な材料を用いて構成することが、高強度光への対応に望ましい。
【００６３】
（電極）
電極の薄膜は、液晶に電圧を印加するための電気的な機能を有し、電極パターンによって電圧を印加する領域を規定する。ところで、電圧印加に用いられる電極の場合、消費電力を抑えることを優先するＬＣＤ（液晶ディスプレイ）用のＩＴＯ電極は、透明性と電気特性との兼ね合いで、例えば、電圧の増減に際して流れる電流に対する電気的な性能、特に消費電力が少なくなるように、電気性能が優先されて構成されている。従って、従来のＩＴＯ電極は、透明性すなわち光の低吸収性を向上できる余地がある。電気的な性能を犠牲にしてでも、光吸収率を下げることにより、高強度光に対する液晶光学素子の性能を向上させる。
【００６４】
ＩＴＯ膜は、電荷密度の向上により導電性が向上するが透明性が低下するので、透明度を優先して、例えば、液晶光学素子の動作下限近くまで、電極の電気性能を落とすことにする。ＩＴＯ膜は、例えば、電荷密度を抑制する低ドープの条件下で成膜、例えば酸素リッチの雰囲気で成膜することにより、透明性の向上を図ればよい。高強度光を用いる液晶光学素子の場合、電極の電気的性能よりも透明性を優先することにより、液晶光学素子の耐熱性を向上できる。
【００６５】
（配向膜）
配向膜は、液晶に接して液晶分子の配向方向を固定する機能を有し、その機能を顕現するため、液晶に接する配向膜の表面における幾何学的な凹凸形状や化学的特性の分布構造であって、液晶分子の配向方向を規定するための配向構造を有する。従って、配向膜として、光吸収率が低く、耐熱性が高く、かつ配向構造を形成できる材料が必要となる。従来からの配向膜は、有機材料である茶色のポリイミドが用いられており、耐熱性が十分であるが透明性が低い材料すなわち光吸収率が大きい材料で形成されている。
【００６６】
ポリイミド配向膜に替わる配向膜として、シリカ（シリコンの酸化物ＳｉＯｘ）製の配向膜を用いる。シリカ配向膜は、例えば、電子ビーム蒸着やスパッタ法による成膜を行い、その成膜の際に斜め方向からの成膜（斜方成膜）を行うことにより、膜に配向構造を付与する。なお、配向構造を有さずに成膜されたシリカ膜に、例えば、研磨やエッチングなどの後処理によって配向構造を付与してもよい。このようなシリカ配向膜は、連続光に対する液晶光学素子にも用いることができる。
【００６７】
（２−２  電極と配向膜の熱特性：厚膜化、高比熱、高密度化）
光吸収率を一定としても、熱容量によって昇温の程度は変わる。同一入熱量、同一体積で比較したとき、昇温幅は比熱と密度の積に比例する。従って、これらの薄膜には高密度、高比熱の材料を採用する。また、吸収熱量が同じであれば、なるべく膜厚が大きいほうが昇温が少ない。この傾向は電極、配向膜、および液晶において重要となる。
【００６８】
また、レーザ照射で発熱の後、熱伝導によって液晶および薄膜の温度が変化するが、この過渡変化に関しては、各層の熱浸透率が重要となる。薄膜が接する界面において、接触点温度は熱浸透率ｅに依存する。ある材料の熱浸透率ｅは、熱伝導率λ、比熱ｃ、密度ρを用いて、ｅ＝（λｃρ）１／２となる。２種類の材料が接する接触点の温度は、両材料の各熱浸透率ｅのうち、大きい熱浸透率ｅを有する材料の温度に近くなる。これは、電気におけるインピーダンスマッチングの概念に相当する。このことから、光吸収によって温度が上昇する電極に対し、電極に接する基板材料は、この熱浸透率ｅの値がより大きいものを選択することにより、電極からの放熱を促進する。
【００６９】
仮に、電極がＩＴＯの場合、基板として、大きい熱浸透率を持つサファイア、ＳｉＣ、ダイヤモンド、シリコン等が選択肢として有望であり、ガラスは逆に接触点温度が上昇する傾向にある。また、配向膜としては、ポリマはすべて不適となり、斜方蒸着、スパッタによる無機配向膜が推奨され、中でもガラス、シリカよりはサファイアの方がより推奨される。
【００７０】
物質の電気抵抗などの物性を司るパラメータに、移動度μ、キャリア濃度Ｎ、素電荷ｅ、電子の有効質量ｍ＊、誘電率ε、プラズマ周波数ωｐ＝（Ｎｅ２／（ｍ＊ε））１／２、抵抗率（Ｎｅμ）１／２などがある。入射光の周波数がプラズマ周波数ωｐに近いほど光吸収率が上がる。また、キャリア濃度Ｎが高いと抵抗率が下がり、プラズマ周波数ωｐが上がり、本来長波長側にあるプラズマ周波数ωｐが近赤外領域に接近する。
【００７１】
従来、インジウム酸化物とスズ酸化物の混合物であるＩＴＯ電極は、白色光を対象とする一般的な使用機器への適用のため消費電力低減などの要請から、抵抗を下げることに注力されている。ＩＴＯ電極の低抵抗は、酸化インジウムＩｎ２Ｏ３をベースに、スズＳｎドープ（ｅ−）や酸素欠陥（２ｅ−）によるキャリア濃度上昇によって実現されている。
【００７２】
このようなＩＴＯ電極に対し、加工用レーザ光などの赤外光の透過性を志向する場合、キャリア濃度Ｎを下げてキャリア移動度μを上げることが有効と考えられる。キャリア移動度μはキャリア散乱（結晶粒界、イオン化不純物、中性不純物）の影響を受ける。また、イオン化不純物、例えば、ドープしたＳｎや酸素欠陥が光に対する散乱要因となり、２価である酸素欠陥の方がより影響が大きい。そこで、十分な酸素供給のもとで酸素欠陥を抑制して成膜することにより、赤外光の透過性を向上できる。
【００７３】
（２−３  熱に強い無機材料を使用）
電極と液晶の双方に接する配向膜は、高温によるダメージを受けやすい。そのため、無機酸化膜、例えば、シリカ膜によって配向膜を作成してダメージを軽減する。無機酸化膜は、斜方（傾斜）成膜によって、この膜に接する液晶に対して特定の方向に液晶分子を配向させる配向特性を有する配向膜とすることができる。
【００７４】
（２−４  電極と基板間、電極と配向膜間の界面の拡散を防止する材料選定）
電極が配向膜や基板に接する界面において、界面を成す両材料が加熱されて温度が上昇すると、相互の界面を通過して原子が移動する拡散現象が発生することがある。この界面における拡散現象が発生すると、界面を成す両材料の母材やその界面構造そのものが変質し、これが液晶光学素子へのダメージとなる。材料選定の際は、その点に配慮した組み合わせの材料とする。
【００７５】
（２−５  アニール）
液晶光学素子を安定に動作させ、耐久寿命を伸ばすために、電極や配向膜などの成膜中や成膜後などに、膜構造体を、例えば、レーザ光によってアニール処理をする。アニール処理によって、膜構造体に発生していた損傷を減らして耐久性を向上させる。完成した液晶光学素子に対し、強度を押さえたレーザ光などを照射して、慣らし運転をしてもよい。
【００７６】
（３  液晶自体の耐性）
（３−１  高温特性がよい、または光ダメージが少ない、液晶材料の使用）
液晶光学素子の材料選定の際、液晶そのものの耐熱温度が重要となる。また、液晶材料の選定には、光分解耐性および低光吸収特性（透明性）も重要となる。さらに、液晶光学素子が用いられる光の波長も考慮される必要がある。液晶の温度耐性に関する概念にＮＩ遷移温度すなわち液晶分子のネマチック相とアイソトロピック（等方）相との相間遷移温度がある。液晶材料は、ＮＩ遷移温度を超えると、液晶光学素子に用いる液晶の特性を保つことができなくなる。
【００７７】
図１３は、液晶の分子構造の違いによる液晶の特性の違いを示す。液晶材料には、シアノ基やトラン基を含む材料と、含まない材料とがある。シアノ基やトラン基を含む液晶材料は使用可能温度上限が高く、含まない液晶材料は使用可能温度上限が低い、ということが知られている。また、光化学反応に対する耐性について、シアノ基やトラン基を含む液晶材料は近赤外（ＮＩＲ）に対しては光反応が起きないが可視光（ＶＩＳ）に対しては起き、また、含まない液晶材料は近赤外でも可視光でも光反応が起きない、ということが知られている。これは、シアノ基やトラン基における炭素と窒素の３重結合（−Ｃ≡Ｎ）が外れて、他の化合物へと変化して液晶が劣化すると考えられる。また、シアノ基やトラン基を含む液晶材料と、含まない液晶材料とで、それぞれ同じ性能の液晶光学素子を形成した場合、液晶セルの厚さが、一般に、前者では薄く、後者では厚くなる。これは、例えば、屈折率異方性Δｎがトラン基配合では大きくなり、そうでなければ小さくなることによる。
【００７８】
液晶材料にもよるが、シアノ基、トラン基が入った液晶材料、あるいは窒素元素Ｎを含有する液晶材料は、ＮＩ遷移温度が高く、１２０℃でも液晶としての特性を保つことができ、窒素を含まない液晶材料は８０℃程度までしか液晶としての特性を保てないという例がある。ただ、液晶材料の選択は、いかに高温まで液晶としての特性を保持できるか否かだけでなく、光分解耐性（使用可能温度上限）と光透過性が考慮される。液晶の温度上昇は、放熱などによって抑えられるが、光分解そのものは抑えようがない。このようなことから、シアノ基、トラン基を含まない液晶材料が、光分解耐性と光透過性に優れており、高強度光に対する液晶光学素子に用いられる。
【００７９】
（３−２  液晶材料の吸収スペクトルの最適化）
液晶光学素子と組み合わせて用いるレーザ光の波長が、レーザ光側の要請によって特定のレーザ光に制限されている場合、液晶光学素子の液晶は、そのレーザ光の吸収スペクトルを有してはならない。また、レーザ光は、一般に高調波を有するので、液晶は、その高調波に対する吸収スペクトルを有してはならない。ところで、従来、分子中の水素を重水素に置き換える重水素置換または重水素化（一般に、同位体元素置換）という技術が知られている。重水素置換した分子の吸収スペクトルは、通常の水素を有する分子の吸収スペクトルから変化する。
【００８０】
近赤外波長領域における光吸収が、ある液晶の赤外吸収スペクトルの倍波（３倍波、４倍波を含む）吸収に当たる場合に、重水素置換した液晶を用いて吸収スペクトル特性を変えることにより、光吸収のより少ない液晶光学素子が得られる。
【００８１】
なお、本発明は、上記構成に限られることなく種々の変形が可能である。例えば、上述した各実施形態の構成を互いに組み合わせた構成とすることができる。上記において、（１）連続光に対する耐性、（２）パルス光に対する耐性、（３）液晶自体の耐性に分類して、要素技術を説明したが、（１）（２）（３）の各項目に説明した要素技術は、互いに他の項目において適用してもよい。
【００８２】
また、液晶光学素子の層構成は、上記構成に限られることなく種々の変形が可能である。例えば、積層や成膜によらずに、透明基板の表面の改質によって電極を形成して基板と電極を一体化して形成した構成であってもよい。さらに、このような基板と電極との一体化材料の表面を改質して配向構造を形成してもよい。また、液晶光学素子の層構成は、光の入射側と、出射または反射側とで互いに異なる層構成としてもよい。液晶光学素子は、レーザ光に限られずレーザ光以外の光に対して適用してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
本発明の液晶光学素子は、レーザ加工、ライダー、荷電粒子加速、光トラップ、空間変調器、変形ミラー、光シャッター、光マスク、液晶レンズ、偏光制御などの分野における光学素子としての用途に適用できる。
【符号の説明】
【００８４】
１    液晶光学素子
２    配向膜
３    電極
４    基板
５    筐体
ＬＣ    液晶
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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