(57)【要約】【課題】簡便に偏光機能を有する光学素子を製造することを目的とする。【解決手段】フェムト秒レーザを照射することによって、酸素欠陥領域が周期的に並んで構成された周期構造を、ガラス体１の内部に形成する工程と、周期構造を露出させる工程と、酸素欠陥部を除去して複数の溝５を形成する工程と、複数の溝５に偏光機能を発現する物質７を充填する工程と、を備える。【選択図】図４Ｃ
2018081214.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フェムト秒レーザを照射することによって、酸素欠陥領域が周期的に並んで構成された周期構造を、ガラス体の内部に形成する工程と、
前記周期構造を露出させる工程と、
前記酸素欠陥領域を除去して複数の溝を形成する工程と、
前記複数の溝に偏光機能を発現する物質を充填する工程と、を備える
ことを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項２】
前記周期構造をガラス体の内部に形成する工程において、前記フェムト秒レーザを、その照射方向に掃引する
ことを特徴とする請求項１に記載の光学素子の製造方法。
【請求項３】
前記偏光機能を発現する物質として、金属ナノ粒子を用いる
ことを特徴とする請求項１または２に記載の光学素子の製造方法。
【請求項４】
前記偏光機能を発現する物質として、液晶分子を用いる
ことを特徴とする請求項１または２に記載の光学素子の製造方法。
【請求項５】
ガラス体の表面で周期的に並ぶ複数の溝が形成されており、
各溝の幅が２０ｎｍ以上６０ｎｍ以下であり、溝の周期が１５０以上３００ｎｍ以下であり、かつ、溝深さが３．０μｍ以上であって、
前記複数の溝に偏光機能を発現する物質が充填されている
ことを特徴とする光学素子。
【請求項６】
前記偏光機能を発現する物質は、金属ナノ粒子である
ことを特徴とする請求項５に記載の光学素子。
【請求項７】
前記偏光機能を発現する物質は、液晶分子である
ことを特徴とする請求項５に記載の光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子、特に偏光機能を有する光学素子、およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学素子の製造方法として、特許文献１は、直線偏光するフェムト秒レーザを石英ガラスに照射することによって、石英ガラスの内部に、フェムト秒レーザの波長以下の周期で板状の高屈折率領域と低屈折率領域とが並ぶ周期構造を形成する発明を開示している。この周期構造は、光の波長以下の周期で形成されて複屈折を示す為、得られた光学素子は、波長板として機能する。しかし、偏光機能を有する光学素子（以下、偏光機能を有する光学素子を単に偏光素子と称することがある。）への応用はできていない。従来、偏光素子を製造する方法としては、リソグラフィー法が利用されていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４３７３１６３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、リソグラフィー法を利用する場合、レジストの塗布、露光および現像を行う必要があるため、作業工程が複雑になるという問題があった。また、フェムト秒レーザを照射して得られる周期構造は、ガラス体を構成する物質が変質することによって、酸素欠陥の物質の濃度が高い領域（以下、酸素欠陥領域と称することがある。）と、酸素欠陥の物質の濃度が低い領域（以下、非酸素欠陥領域と称することがある。）とが周期的に並んで構成されることがわかった。そこで、本発明は、フェムト秒レーザを照射して得られる周期構造を利用することによって、偏光機能を有する光学素子を簡便に製造することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明の光学素子の製造方法は、フェムト秒レーザを照射することによって、酸素欠陥領域が周期的に並んで構成された周期構造を、ガラス体の内部に形成する工程と、前記周期構造を露出させる工程と、前記酸素欠陥領域を除去して複数の溝を形成する工程と、前記複数の溝に偏光機能を発現する物質を充填する工程と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、フェムト秒レーザを照射することによって得られる周期構造を露出させ、その周期構造の酸素欠陥領域を除去して複数の溝を形成し、その複数の溝に偏光機能を発現する物質を充填することによって、レジストを使用することなく、簡便に偏光素子を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１Ａ】本発明の実施の形態１に係る光学素子の製造方法における周期構造の形成工程を示す図であって、ガラス体の正面図である。
【図１Ｂ】同周期構造の形成工程を示す図であって、ガラス体の平面図である。
【図１Ｃ】同周期構造の形成工程を示す図であって、ガラス体の側面図である。
【図２Ａ】同光学素子の製造方法における周期構造の露出工程を示す図であって、ガラス体の正面図である。
【図２Ｂ】同周期構造の露出工程を示す図であって、ガラス体の平面図である。
【図２Ｃ】同周期構造の露出工程を示す図であって、ガラス体の側面図である。
【図３Ａ】同光学素子の製造方法における酸素欠陥領域の除去工程を示す図であって、ガラス体の正面図である。
【図３Ｂ】同酸素欠陥領域の除去工程を示す図であって、ガラス体の平面図である。
【図３Ｃ】同酸素欠陥領域の除去工程を示す図であって、ガラス体の側面図である。
【図４Ａ】同光学素子の製造方法における銀ナノ粒子の充填工程を示す図であって、ガラス体の拡大断面図である。
【図４Ｂ】同銀ナノ粒子の充填工程を示す図であって、ガラス体の拡大断面図である。
【図４Ｃ】同銀ナノ粒子の充填工程を示す図であって、ガラス体の拡大断面図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係る光学素子の消光比を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態２に係る光学素子の消光比を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１に係る光学素子およびその製造方法について、図１Ａ〜４Ｃを参照しながら説明する。
【０００９】
（周期構造の形成工程）
まず、図１Ａ、１Ｂおよび１Ｃに示すように、加工対象物であるガラス体（例えば石英ガラスＳｉＯ２）１にフェムト秒レーザ２を照射することによって、ガラス体１の内部に周期構造３を形成する。ここで、フェムト秒レーザ２とは、パルス幅が１０−１２秒〜１０−１５秒のレーザ光を意味する。フェムト秒レーザ２をガラス体１に照射することで、ガラス体１の内部にレーザ収束部４が形成される。このレーザ収束部４は、楕円球形状となる。
【００１０】
また、フェムト秒レーザ２は、直線偏光されている。この偏光方向は、フェムト秒レーザ２の照射方向（図１Ａ、１Ｂおよび１ＣにおけるＹ軸方向）に対して垂直な方向（同Ｘ軸方向）である。レーザ収束部４には、照射方向（Ｙ軸方向）と平行であって、偏光方向（Ｘ軸方向）と垂直な板状の酸素欠陥領域が自己組織的に形成される。この酸素欠陥領域は、ガラス体１を構成する物質の化学組成が変質することによって形成されるものであって、酸素欠陥の物質の濃度が他の領域と比較して高い領域である。なお、図面では、説明のために酸素欠陥領域を灰色塗りつぶしで太く描かれているが、実際には、この酸素欠陥領域の厚さは、例えば２０ｎｍ以上６０ｎｍ以下である。
【００１１】
この酸素欠陥領域は、Ｘ軸方向に周期的に並んでいる。互いに隣り合う酸素欠陥領域同士の間には、非酸素欠陥領域が形成される。非酸素欠陥領域は、酸素欠陥の物質の濃度が酸素欠陥領域と比較して低い領域である。酸素欠陥領域および非酸素欠陥領域が周期的に並んで形成された構造を、単に周期構造３と称する。この周期構造３は、照射されるレーザ光とレーザ収束部４で発生するプラズマ電子波との干渉によって形成される。周期構造３の周期は、フェムト秒レーザ２の波長に依存するが、照射されるフェムト秒レーザ２の波長の半分以下とすることが可能である。例えば、フェムト秒レーザ２の波長を８００ｎｍとしたときに、周期構造３の周期、すなわち、酸素欠陥領域の中央同士の距離を１５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下とすることができる。
【００１２】
（周期構造の露出工程）
次に、図２Ａ、２Ｂおよび２Ｃに示すように、ガラス体１の表面をＹ軸方向に研磨することによって周期構造３を露出させる。研磨方法は、一般的な機械研磨法を用いることが可能である。ただし、機械研磨法に限られず、化学研磨法等、他の一般的な研磨法が用いられてもよい。
【００１３】
（酸素欠陥領域の除去工程）
次に、図３Ａ、３Ｂおよび３Ｃに示すように、ガラス体１を水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液に浸漬させることにより、酸素欠陥領域をエッチングする。ここで、エッチングとは、酸素欠陥領域および非酸素欠陥領域において、これらの領域における酸素欠陥の物質の濃度の違いによるエッチングレートの差を利用して、選択的に酸素欠陥領域のみを除去することを意味するものとする。なお、上述の研磨とは、酸素欠陥領域および非酸素欠陥領域を区別することなく、両者とも除去することを意味するものとする。エッチング方法としては、水酸化カリウムに浸漬させる方法の他に、酸素欠陥領域を除去可能な他のアルカリ溶液に浸漬させてもよい。また、エッチングガスとしてフッ素系ガスを用いる反応性イオンエッチングによっても酸素欠陥領域をエッチングすることが可能である。
【００１４】
先の露出工程によって周期構造３（図２Ａ、２Ｂおよび２Ｃ参照）は露出しているため、ガラス体１を水酸化カリウム水溶液に浸漬することによって、周期構造３は水酸化カリウム水溶液と接触する。そして、周期構造３の酸素欠陥領域は、水酸化カリウム水溶液と反応して除去される。一方で、周期構造３の非酸素欠陥領域は、水酸化カリウム水溶液とほとんど反応しないため、除去されない。したがって、周期構造３の酸素欠陥領域のみが選択的に除去、すなわち、エッチングされる。これにより、ガラス体１の表面に複数の溝５が形成される。複数の溝５の形状は、酸素欠陥領域の形状と略同形状となり、例えば、溝幅は２０ｎｍ以上６０ｎｍ以下であり、溝の周期は１５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。
【００１５】
（銀ナノ粒子の充填工程）
その後、ガラス体１の表面からその内部に向けて形成された複数の溝５に銀ナノ粒子を充填する。充填方法としては、まず、図４Ａに示すように、ガラス板１における複数の溝５が形成された面に常圧下（大気圧下）にて銀ペースト６を塗布する。銀ペーストとは、溶剤と、溶剤中に分散させた銀ナノ粒子とを含むものである。塗布方法としては、特に限定されないが、例えば、スピンコート法が挙げられる。
【００１６】
そして、ガラス体１の周囲環境を真空状態（例えば、１０−７Ｐａ〜１０−１Ｐａ）にする。これにより、複数の溝５の内部の空気の一部が気泡となって複数の溝５から取り除かれる。その後ガラス体１の周囲環境を常圧に戻すことによって、図４Ｂに示すように、銀ペースト６を複数の溝５に充填する。
【００１７】
最後に、複数の溝５に充填されずにガラス体１の表面に残った銀ペースト６を除去したうえで、銀ペースト６に含まれる溶剤の沸点以上にガラス体１を加熱することによって、複数の溝５に充填された銀ペースト６の溶剤を蒸発させて、銀ナノ粒子だけを複数の溝５の内部に残す。これにより、図４Ｃに示すように、ガラス体１の表面に形成された複数の溝５に銀ナノ粒子７が充填されることとなる。
【００１８】
銀ナノ粒子は、光反射率が高いため、複数の溝５に充填されることによって、偏光機能を発現する物質として機能する。すなわち、複数の溝５に銀ナノ粒子７が充填されると、ガラス体１にＹ軸方向から入射する光の成分のうち、その溝に垂直な方向（Ｘ軸方向）の偏光成分は銀ナノ粒子７によって反射されてガラス体１を通過せず、溝に平行な方向（Ｚ軸方向）の偏光成分のみがガラス体１を通過する。換言すると、ガラス体１を透過する光は、溝に平行な直線偏光成分が支配的となる。これにより、複数の溝５に銀ナノ粒子７が充填されたガラス体１は、偏光機能を有する光学素子（偏光素子）となる。
【００１９】
本実施の形態に係る光学素子の製造方法によれば、フェムト秒レーザ２を照射することによって得られる周期構造３を露出させ、酸素欠陥領域を除去して複数の溝５を形成し、その複数の溝５に、偏光機能を発現する物質としての銀ナノ粒子７を充填することによって、偏光機能を有する偏光素子を製造することが可能となる。そのため、本実施の形態に係る光学素子の製造方法は、レジストの塗布、露光および現像が必要となるリソグラフィー法と比較して、これらの工程を必要としないため、簡便に偏光素子を製造することが可能となる。
【００２０】
なお、図１Ａ、１Ｂおよび１Ｃに示す周期構造３の形成工程においては、フェムト秒レーザ２を照射しながら掃引［sweeping、走査（scanning）とも称される。］することが好ましい。フェムト秒レーザ２を、その照射方向に対して垂直な方向（Ｘ軸方向やＺ軸方向）に掃引することによって、偏光機能を発現する面積を大きくすることが可能である。また、フェムト秒レーザ２を、その照射方向（Ｙ軸方向）に掃引することによって複数の溝５の深さを制御することができる。
【００２１】
ただし、フェムト秒レーザ２を照射方向（Ｙ軸方向）に掃引可能な距離は、レーザ照射条件にもよるが、ガラス体１の表面から例えば２０μｍ程度離れた位置までの範囲に限定される。レーザ収束部４（図１Ａ、１Ｃ参照）がガラス体１の表面付近に達するとアブレーションが起こってしまい、周期構造３を形成することができないためである。また、レーザ装置をガラス体１に近づけすぎると、対物レンズがガラス体１と接触してしまうため、対物レンズがガラス体１と接触しない位置までフェムト秒レーザ２を照射方向（Ｙ軸方向）に掃引することが可能である。なお、対物レンズの焦点距離は、例えば２０ｍｍ以下である。
【００２２】
図５は、周期構造の露出工程後における消光比（一点破線）と、酸素欠陥領域の除去工程後における消光比（二点破線）と、銀ナノ粒子の充填工程後における消光比（実線）とを比較したものである。消光比とは、溝に垂直な方向に直線偏光した光が偏光素子を透過する強度の割合であって、消光比の値が小さいほど偏光素子としての性能が優れていることを意味する。なお、周期構造の露出工程においてフェムト秒レーザをその照射方向に掃引し、酸素欠陥領域の除去工程において得られる複数の溝の溝深さを３．０μｍとした。
【００２３】
図５に示すように、複数の溝に銀ナノ粒子を充填することによって、その消光比の値（実線）は、入射光が６００ｎｍ〜６５０ｎｍの波長領域において、０．５程度となり、周期構造の露出工程後における消光比の値（一点破線）や、酸素欠陥領域の除去工程後における消光比の値（二点破線）と比較して、より優れた性能の光学素子が得られた。溝深さを大きくして銀ナノ粒子をより深く充填させることによって、消光比の値はさらに減少し、偏光素子としての機能がより優れた光学素子が得られる。
【００２４】
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２に係る光学素子およびその製造方法について説明する。上記の実施の形態１は、偏光機能を発現する物質として銀ナノ粒子を用いる態様であるが、実施の形態２は、偏光機能を発現する物質として液晶分子を用いる態様である。偏光機能を発現する物質を複数の溝に充填する際に、複数の溝に塗布する材料としては、銀ペーストの代わりに、溶剤と、溶剤中に分散させた液晶分子とを含む材料が用いられる。その他の構成については、実施の形態１と同様であるため、詳細な説明を省略する。
【００２５】
液晶分子は、光吸収率が高いため、複数の溝に充填されることによって、偏光機能を発現する物質として機能する。すなわち、複数の溝に液晶分子が充填されると、ガラス体に入射する光の成分のうち、その複数の溝に平行な方向の偏光成分は液晶分子によって吸収されてガラス体を通過せず、溝に垂直な方向の偏光成分のみがガラス体を通過する。換言すると、ガラス体を透過する光は、溝に垂直な直線偏光成分が支配的となる。これにより、複数の溝に液晶分子が充填されたガラス体は偏光素子となる。
【００２６】
液晶分子の種類としては、例えば、ネマティックやスメクティック液晶分子が挙げられる。また、液晶分子としてアゾ系の液晶分子が用いられる場合、入射光が４００ｎｍ〜７００ｎｍの波長領域において消光比の値を０．５以下程度に減少させることが可能となる。
【００２７】
図６は、周期構造の露出工程後における消光比（一点破線）と、酸素欠陥領域の除去工程後における消光比（二点破線）と、液晶分子の充填工程後における消光比（実線）とを比較したものである。なお、周期構造の露出工程においてフェムト秒レーザをその照射方向に掃引し、酸素欠陥領域の除去工程において得られる複数の溝の溝深さを３．０μｍとした。また、液晶分子の種類として、アゾ系の液晶分子のものを用いた。図６に示すように、複数の溝に液晶分子を充填することによって、その消光比の値（実線）は、入射光が４００ｎｍ付近の波長領域において、０．１程度となり、周期構造の露出工程後における消光比の値（一点破線）や、酸素欠陥領域の除去工程後における消光比の値（二点破線）と比較して、より優れた性能の光学素子が得られた。溝深さを大きくして液晶分子をより深く充填させることによって、消光比の値はさらに減少し、偏光素子としての機能がより優れた光学素子が得られる。
【００２８】
なお、上述の実施の形態１は、入射光を反射させて偏光機能を発現する物質として銀ナノ粒子が用いられる態様であるが、本発明はこの態様に限られない。入射光を反射させて偏光機能を発現する物質であればよく、例えば、銀以外の金属ナノ粒子が用いられてもよい。また、実施の形態２は、入射光を吸収して偏光機能を発現する物質として液晶分子が用いられる態様であるが、本発明はこの態様に限られない。入射光を吸収して偏光機能を発現する物質であれば、液晶分子以外が用いられてもよい。
【００２９】
ところで、実施の形態１および２は、偏光機能を発現する物質として銀ナノ粒子または液晶分子が、酸素欠陥領域の除去工程で形成された複数の溝に充填される態様である。一方で、図５および６からわかるように、周期構造の露出工程後における消光比の値（一点破線）と酸素欠陥領域の除去工程後における消光比の値（二点破線）とを比較すると、消光比の値は、酸素欠陥領域の除去工程の方が小さくなっている。すなわち、複数の溝に銀ナノ粒子または液晶分子を充填しない場合であっても、酸素欠陥領域を除去することによって、酸素欠陥領域を除去しない場合と比較して、より優れた性能の光学素子が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明の光学素子は、偏光機能が必要なデバイス、例えば、偏光カメラに用いられる偏光イメージングフィルタ等に好適に用いられ得る。偏光機能を有する光学素子の用途のみならず、他の光学素子の用途にも用いられ得る。さらに、上述したような方法で製造されたガラス構造物は、光学素子の用途のみならず、ナノインプリント用モールドの用途等の他の用途にも用いられ得る。
【符号の説明】
【００３１】
１            ガラス体
２            フェムト秒レーザ
３            周期構造
４            レーザ収束部
５            複数の溝
６            銀ペースト
７            銀ナノ粒子
【図１Ａ】
2018081214.tif 000003
【図１Ｂ】
2018081214.tif 000004
【図１Ｃ】
2018081214.tif 000005
【図２Ａ】
2018081214.tif 000006
【図２Ｂ】
2018081214.tif 000007
【図２Ｃ】
2018081214.tif 000008
【図３Ａ】
2018081214.tif 000009
【図３Ｂ】
2018081214.tif 000010
【図３Ｃ】
2018081214.tif 000011
【図４Ａ】
2018081214.tif 000012
【図４Ｂ】
2018081214.tif 000013
【図４Ｃ】
2018081214.tif 000014
【図５】
2018081214.tif 000015
【図６】
2018081214.tif 000016