(57)【要約】【課題】ダイヤモンド結晶構造を有するウッドパイル型３次元フォトニック結晶及びヤブロノバイト型３次元フォトニック結晶を、相当簡易且つ安価に、そしてまた著しく高精度に形成することができる方法を提供する。【解決手段】感光性合成樹脂に４本のレーザ光を照射して相互に垂直である第一のレーザ光干渉パターンを生成すること、及び感光性合成樹脂に４本のレーザ光を照射して第一のレーザ光干渉パターンに対して垂直な第二のレーザ光干渉パターンを生成することを含む。或いは感光性合成樹脂を中心軸線を中心として１２０度毎２回回転せしめて、回転前、１回目の回転後及び２回目の回転後に、感光性合成樹脂にその中心軸線に対して所定角度をなして相対的に傾斜する３本のレーザ光を照射してレーザ光干渉パターンを生成する。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
感光性合成樹脂に４本のレーザ光を照射して第一のレーザ光干渉パターンを生成すること、及び該感光性合成樹脂に４本のレーザ光を照射して該第一のレーザ光干渉パターンに対して実質上垂直な第二のレーザ光干渉パターンを生成すること、を含むことを特徴とするダイヤモンド結晶構造を有するウッドパイル型３次元フォトニック結晶を形成する方法。
【請求項２】
該第一のレーザ光干渉パターンを生成する４本のレーザ光及び該第二のレーザ光干渉パターンを生成する４本のレーザ光の各々は、共通レーザ光源からのレーザ光を４本に分光せしめて生成されたレーザ光であり、実質上正四角錐を規定し、該第一のレーザ光干渉パターン及び該第二のレーザ光干渉パターンは角柱アレイの２次元正方格子である、請求項１記載の方法。
【請求項３】
該感光性合成樹脂は光硬化性合成樹脂であり、レーザ光照射によって硬化された硬化部分がダイヤモンド結晶構造を有する、請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
該光硬化性合成樹脂は紫外線硬化性合成樹脂であり、該レーザ光源は近赤外パルスレーザであり、該感光性合成樹脂は２光子吸収によって硬化せしめられる、請求項３記載の方法。
【請求項５】
該感光性合成樹脂の該硬化部分をレプリカとして使用して、高屈折率を有する材料から該３次元フォトニック結晶を形成する、請求項３又は４記載の方法。
【請求項６】
感光性合成樹脂の中心軸線に対して所定角度をなして相対的に傾斜する３本のレーザ光を照射してレーザ光干渉パターンを生成すること、該感光性合成樹脂を該中心軸線を中心として１２０度回転せしめて、再度該３本のレーザ光を照射してレーザ光干渉パターンを生成すること、及び該感光性合成樹脂を再度１２０度回転せしめて、更に該３本のレーザ光を照射してレーザ光干渉パターンを生成すること、を含むことを特徴とするダイヤモンド結晶構造を有するヤブロノバイト型３次元フォトニック結晶を形成する方法。
【請求項７】
該３本のレーザ光は、共通レーザ光源からのレーザを３本に分光せしめて生成されたレーザ光であり、実質上正三角錐を規定し、該レーザ光干渉パターンは正六角柱アレイの２次元三角格子である、請求項６記載の方法。
【請求項８】
該感光性合成樹脂の該中心軸線と該３本のレーザ光が規定する該正三角錐の中心軸線とは相互に３５度の傾斜角度をなす、請求項６又は７記載の方法。
【請求項９】
該感光性合成樹脂は光硬化性合成樹脂であり、レーザ光照射によって硬化された硬化部分を除く非硬化部分がダイヤモンド結晶構造を有する、請求項６から８までのいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
該光硬化性合成樹脂は紫外線硬化性合成樹脂であり、該レーザ光源は近赤外パルスレーザであり、該感光性合成樹脂は２光子吸収によって硬化せしめられる、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
該感光性合成樹脂の該硬化部分をレプリカとして使用して、高屈折率を有する材料から該３次元フォトニック結晶を形成する、請求項９又は１０記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ダイヤモンド結晶構造を有するウッドパイル型及びヤブロノバイト型３次元フォトニクス結晶を形成する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
当業者には周知の如く、発光素子及び光回路等を高性能化する素子としてフォトニック結晶が提案されている。フォトニック結晶は光の波長オーダの周期で屈折率が異なる構造を呈する媒質であり、多層膜の如き単純な周期構造である１次元フォトニック結晶、基板に形成された孔或いは柱配列が典型的である２次元フォトニック結晶に加えて、立体的なモザイク構造である３次元フォトニック結晶も提案されている。
【０００３】
３次元フォトニック結晶の形成方法としては、従来から、半導体マイクロマシニング技術を使用した順次積層方式、及びシリカ或いはポリスチレン等の多数の微小球を使用する微小球方式が提案されている。しかしながら、かような順次積層方式及び微小球方式は、著しく煩雑な工程を多数回遂行することが必要である等に起因して製造コストが著しく高価になる、充分な精度でフォトニック結晶を形成することが不可能ではないにしても著しく困難である、等の問題を有する。
【０００４】
特開２０００−３２９９２０号公報において、本発明者等は、共通レーザ光源から２本又は３本に分光せしめて生成された２本又は３本のレーザ光を光硬化性合成樹脂に照射してレーザ光干渉パターンを生成し、かかるレーザ光干渉パターンに対応せしめて光硬化性合成樹脂を硬化せしめることを特徴とする、３次元フォトニック結晶を形成する方法を提案した。レーザ光干渉パターンを利用するかかる方法によれば、上記順次積層方式及び微小球方式に比べ、相当簡易且つ安価に、そしてまた著しく高精度に３次元フォトニック結晶を形成することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本発明者等が先に提案した、上記特開２０００−３２９９２０号公報に開示されている方法によって形成される３次元フォトニック結晶は、単純六方格子構造を有する形態である。３次元フォトニック結晶としては、六方格子構造ではなく、理想的なフォトニックバンドギャップを得ることができるダイヤモンド結晶構造を有する形態のものが優れており、ダイヤモンド結晶構造を有する３次元フォトニック結晶としては、ウッドパイル型（レイヤーバイレイヤー型とも称される）フォトニック結晶及びヤブロノバイト型フォトニック結晶が提案されている。
【０００６】
本発明は上記事実に鑑みてなされたものであり、その主たる技術的課題は、ダイヤモンド結晶構造を有する３次元フォトニック結晶、即ちウッドパイル型３次元フォトニック結晶及びヤブロノバイト型３次元フォトニック結晶を、相当簡易且つ安価に、そしてまた著しく高精度に形成することができる新規且つ有用な方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、鋭意研究の結果、本発明者等が先に提案した、上記特開２０００−３２９９２０号公報に開示されている方法におけるレーザ光の照射様式を改良することによって、上記主たる技術的課題を達成することができることを見出した。
【０００８】
即ち、本発明の一局面によれば、上記主たる技術的課題を達成する方法として、感光性合成樹脂に４本のレーザ光を照射して第一のレーザ光干渉パターンを生成すること、及び該感光性合成樹脂に４本のレーザ光を照射して該第一のレーザ光干渉パターンに対して実質上垂直な第二のレーザ光干渉パターンを生成すること、を含むことを特徴とするダイヤモンド結晶構造を有するウッドパイル型３次元フォトニック結晶を形成する方法が提供される。
【０００９】
好適実施形態においては、該第一のレーザ光干渉パターンを生成する４本のレーザ光及び該第二のレーザ光干渉パターンを生成する４本のレーザ光の各々は、共通レーザ光源からのレーザ光を４本に分光せしめて生成されたレーザ光であり、実質上正四角錐を規定し、該第一のレーザ光干渉パターン及び該第二のレーザ光干渉パターンは角柱アレイの２次元正方格子である。該感光性合成樹脂は光硬化性合成樹脂であり、レーザ光照射によって硬化された硬化部分がダイヤモンド結晶構造を有するのが好適である。好ましくは、該光硬化性合成樹脂は紫外線硬化性合成樹脂であり、該レーザ光源は近赤外パルスレーザであり、該感光性合成樹脂は２光子吸収によって硬化せしめられる。該感光性合成樹脂の該硬化部分をレプリカとして使用して、高屈折率を有する材料から該３次元フォトニック結晶を形成するのが好都合である。
【００１０】
本発明の他の局面によれば、感光性合成樹脂の中心軸線に対して所定角度をなして相対的に傾斜する３本のレーザ光を照射してレーザ光干渉パターンを生成すること、該感光性合成樹脂を該中心軸線を中心として１２０度回転せしめて、再度該３本のレーザ光を照射してレーザ光干渉パターンを生成すること、及び該感光性合成樹脂を再度１２０度回転せしめて、更に該３本のレーザ光を照射してレーザ光干渉パターンを生成すること、を含むことを特徴とするダイヤモンド結晶構造を有するヤブロノバイト型３次元フォトニック結晶を形成する方法が提供される。
【００１１】
好適実施形態においては、該３本のレーザ光は、共通レーザ光源からのレーザを３本に分光せしめて生成されたレーザ光であり、実質上正三角錐を規定し、該レーザ光干渉パターンは正六角柱アレイの２次元三角格子である。好ましくは、該感光性合成樹脂の該中心軸線と該３本のレーザ光が規定する該正三角錐の中心軸線とは相互に３５度の傾斜角度をなす。該感光性合成樹脂は光硬化性合成樹脂であり、レーザ光照射によって硬化された硬化部分を除く非硬化部分がダイヤモンド結晶構造を有するのが好適である。好ましくは、該光硬化性合成樹脂は紫外線硬化性合成樹脂であり、該レーザ光源は近赤外パルスレーザであり、該感光性合成樹脂は２光子吸収によって硬化せしめられる。該感光性合成樹脂の該硬化部分をレプリカとして使用して、高屈折率を有する材料から該３次元フォトニック結晶を形成するのが好都合である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の３次元フォトニック結晶を形成する方法の好適実施形態について、更に詳述する。
【００１３】
図１を参照して説明すると、ウッドパイル型フォトニック結晶を形成するための本発明の方法の好適実施形態においては、感光性合成樹脂２で満たされた直方体形状或いは立方体形状でよいガラスセル４を準備する。感光性合成樹脂２は未硬化状態の光硬化性合成樹脂、特に紫外線硬化性合成樹脂であるのが好適である。好都合に使用することができる紫外線硬化性合成樹脂としては、例えば日本合成ゴム株式会社から商品名「ＳＣＲ５００」として販売されている紫外線硬化性合成樹脂を挙げることができる。
【００１４】
ガラスセル４は適宜の保持手段（図示していない）によって所要状態に保持され、ガラスセル４に満たされた感光性合成樹脂２の第一の面（図示１において下面）Ｓ１に、全体を番号６で示すレーザ光照射手段によって４本のレーザ光ＬＢ１、ＬＢ２、ＬＢ３、及びＬＢ４が照射される。図示の実施形態においては、レーザ光照射手段６は共通レーザ光源８、３個のスプリッタ１０、１２及び１４並びに５枚の反射ミラー１６、１８、２０、２２及び２４を含んでいる。レーザ光源８は近赤外パルスレーザを発光するレーザ光源、例えばチタン・サファイヤ（Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅ）レーザであるのが好適である。レーザ光源６から発光されたパルスレーザ光はスプリッタ１０によって２本のレーザ光に分光され、分光された２本のレーザ光の一方は反射ミラー１６に反射されてスプリッタ１２に至り、他方は反射ミラー１８に反射されてスプリッタ１４に至る。スプリッタ１２に至ったレーザ光は更に２本のレーザ光ＬＢ１及びＬＢ２に分光され、スプリッタ１４に至ったレーザ光も更に２本のレーザ光ＬＢ３及びＬＢ４に分光される。レーザ光ＬＢ１は反射ミラー２４に反射されて合成樹脂２の第一の面Ｓ１に照射される。レーザ光ＬＢ２は反射ミラー２０及び反射ミラー２４に反射されて合成樹脂２の第一の面Ｓ１に照射される。レーザ光ＬＢ３は反射ミラー２４に反射されて合成樹脂２の第一の面Ｓ１に照射される。レーザ光ＬＢ４は反射ミラー２２及び反射ミラー２４に反射されて合成樹脂２の第一の面Ｓ１に照射される。
【００１５】
レーザ光ＬＢ１、ＬＢ２、ＬＢ３及びＬＢ４の、レーザ光源６から合成樹脂２の第一の面Ｓ１までの光路長は実質上同一に設定されている。更に、反射ミラー２４に反射されて合成樹脂２の第一の面Ｓ１に照射される４本のレーザ光ＬＢ１、ＬＢ２、ＬＢ３及びＬＢ４は正四角錐を規定し、かかる正四角錐の頂点が合成樹脂２の第一の面Ｓ１上に位置付けられている。かような４本のレーザ光ＬＢ１、ＬＢ２、ＬＢ３及びＬＢ４を合成樹脂２の第一の面Ｓ１に照射すると、レーザ光干渉により図２に図示するとおりのレーザ光干渉パターン２６、即ち角柱アレイ２８の２次元正方格子であるレーザ光干渉パターン２６が生成される。そして、合成樹脂２が紫外線硬化性合成樹脂であり、レーザ光源８が発生するレーザ光が近赤外パルスレーザである場合には、２光子吸収によって合成樹脂２がレーザ光干渉パターン２６に従って硬化され、従って多数の角柱アレイ３０（図３）が硬化される。２光子吸収によって多数の角柱アレイ３０を硬化すると、パルスレーザのピーク値近傍のみが硬化に寄与せしめられ、従って硬化せしめられた角柱の４側面を充分にシャープな直立平面にせしめることができる。レーザ光干渉パターン２６における隣接する角柱間の間隔は正四角錐を規定する４本のレーザ光ＬＢ１、ＬＢ２、ＬＢ３及びＬＢ４の傾斜角度αによって規定され、傾斜角度αが増大せしめられると間隔が減少せしめられる。
【００１６】
合成樹脂２の第一の面Ｓ１に対する上述した４本のレーザ光ＬＢ１、ＬＢ２、ＬＢ３及びＬＢ４の照射が終了すると、図１に二点鎖線で示す如く、合成樹脂２が満たされているガラスセル４が９０度回転せしめられ、合成樹脂２の上記第一の面Ｓ１に対して実質上垂直である第二の面Ｓ２に同様にして４本のレーザ光ＬＢ１、ＬＢ２、ＬＢ３及びＬＢ４が照射される。従って、合成樹脂２の第二の面Ｓ２に関しても角柱アレイ２８の２次元正方格子であるレーザ光干渉パターン２６が生成され、従って多数の角柱アレイ３２（図３）が硬化される。合成樹脂２に関して、その第二の面Ｓ１に照射される４本のレーザ光ＬＢ１、ＬＢ２、ＬＢ３及びＬＢ４が生成するレーザ光干渉パターン２６はその第二の面Ｓ２に照射される４本のレーザ光ＬＢ１、ＬＢ２、ＬＢ３及びＬＢ４が生成するレーザ光干渉パターン２６に対して実質上垂直である。換言すれば、第一の面Ｓ１に対する４本のレーザ光ＬＢ１、ＬＢ２、ＬＢ３及びＬＢ４の照射によって硬化される多数の角柱アレイ３０に対して、第二の面Ｓ２に対する４本のレーザ光ＬＢ１、ＬＢ２、ＬＢ３及びＬＢ４の照射によって硬化される多数の角柱アレイ３２は実質上垂直であり、多数の角柱アレイ３２の各々は特定方向（図３において上下方向）に隣接する角柱アレイ３０間を延在せしめられる。従って、ガラスセル４内の合成樹脂２を取り出し、その未硬化部分を例えばエタノール液で洗い流すことによって除去すると、図３に図示する如きウッドパイル型フォトニック結晶３４が形成される。かかるウッドパイル型３次元フォトニック結晶３４は理想的なフォトニックバンドギャップを有するダイヤモンド結晶構造を有する。
【００１７】
合成樹脂２の第一の面Ｓ１に４本のレーザ光ＬＢ１、ＬＢ２、ＬＢ３及びＬＢ４を照射した後に、ガラスセル４を９０度回転せしめて合成樹脂２の第二の面Ｓ２に４本のレーザ光ＬＢ１、ＬＢ２、ＬＢ３及びＬＢ４を照射することに代えて、所望ならばレーザ光照射手段６の全体或いはその構成要素の一部をガラスセル４に対して適宜に移動せしめて、合成樹脂２の第二の面Ｓ２に４本のレーザ光ＬＢ１、ＬＢ２、ＬＢ３及びＬＢ４を照射することもできる。
【００１８】
硬化せしめられた合成樹脂から形成された図３に図示する構造体をそのままウッドパイル型３次元フォトニック結晶として利用することもできるが、フォトニック結晶は高屈折率を有する材料から形成されていることが望まれる。それ故に、硬化せしめられた合成樹脂から形成された図３に図示する構造体を所謂レプリカとして使用し、高屈折率を有する材料、例えば酸化チタン（ＴｉＯ２　）或いは酸化珪素（ＳｉＯ２　）から図３に図示するとおりの構造を有するウッドパイル型３次元フォトニック結晶を形成するのが好適である。
【００１９】
図４は、ヤブノロバイト型３次元フォトニック結晶を形成するための本発明の方法の好適実施形態を図示している。図示の実施形態においては、回転自在に装着された傾斜軸３６の先端に傾斜支持板３８が固定されている。そして、光硬化性合成樹脂、特に紫外線硬化性合成樹脂であるのが好適である感光性合成樹脂４０が満たされたガラスセル４２が真空吸着の如き適宜の手段によって傾斜支持板３８上に装着される。鉛直に対する傾斜軸３６の傾斜角度θは３５度であるのが好ましい。ガラスセル４２内に満たされた感光性合成樹脂４０には、全体を番号４４で示すレーザ光照射手段によって３本のレーザ光ＬＢ１、ＬＢ２及びＬＢ３が照射される。レーザ光照射手段４４は、レーザ光源４６、２個のスプリッタ４８及び５０、並びに５個の反射ミラー５２、５４、５６、５８及び６０を含んでいる。レーザ光源４６はチタン・サファイヤレーザの如き近赤外パルスレーザを発光する形態であるのが好都合である。レーザ光源４６から発光されたパルスレーザ光はスプリッタ４８によって２本のレーザ光に分光される。分光された２本のレーザ光の一方ＬＢ１は反射ミラー５２及び６０に反射されて合成樹脂４０の所定平面（即ち上面）Ｓ１に照射される。スプリッタ４８によって分光された２本のレーザ光の他方はスプリッタ５０に導かれ、このスプリッタ５０によって更に２本のレーザ光に分光される。スプリッタ５０によって分光された２本のレーザ光の一方ＬＢ２は反射ミラー５４、５６及び６０に反射されて合成樹脂４０の平面４０に照射される。スプリッタ５０によって分光された２本のレーザ光の他方ＬＢ３は反射ミラー５８及び６０に反射されて合成樹脂４０の平面Ｓ１に照射される。
【００２０】
レーザ光ＬＢ１、ＬＢ２及びＬＢ３の、レーザ光源４６から合成樹脂４０の平面Ｓ１までの光路長は実質上同一に設定されている。更に、反射ミラー６０に反射されて合成樹脂４０の平面Ｓ１に照射されるレーザ光ＬＢ１、ＬＢ２及びＬＢ３は正三角錐を規定し、かかる正三角錐の頂点が合成樹脂４０の平面Ｓ１上に位置せしめられている。３本のレーザ光ＬＢ１、ＬＢ２及びＬＢ３が規定する正三角錐は実質上鉛直であり、従って合成樹脂４０の平面Ｓ１に対して実質上垂直である中心軸線（傾斜軸３６の中心軸線）と３本のレーザ光ＬＢ１、ＬＢ２及びＬＢ３が規定する正三角錐の中心軸線とは相互の３５度の傾斜角度をなす。かような３本のレーザ光ＬＢ１、ＬＢ２及びＬＢ３を合成樹脂４０の平面Ｓ１に照射すると、レーザ光干渉により図５に図示するとおりのレーザ光干渉パターン６２、即ち六角柱アレイ６４の２次元三角格子であるレーザ光干渉パターン６２が生成される。そして、合成樹脂４０が紫外線硬化性合成樹脂であり、レーザ光源４６が発生するレーザ光が近赤外パルスレーザである場合には、２光子吸収によって合成樹脂４０がレーザ光干渉パターンに従って硬化される。
【００２１】
ヤブノロバイト型３次元フォトニック結晶を形成する本発明の方法においては、３本のレーザ光ＬＢ１、ＬＢ２及びＬＢ３を合成樹脂４０の平面Ｓ１に照射した後に、傾斜軸３６を１２０度回転、従って合成樹脂４０が満たされたガラスセル４２を１２０度回転せしめ、しかる後に再び３本のレーザ光ＬＢ１、ＬＢ２及びＬＢ３を合成樹脂４０の平面Ｓ１に照射する。更に、傾斜軸３６を１２０度回転せしめた後に、３本のレーザ光ＬＢ１、ＬＢ２及びＬＢ３を合成樹脂４０の平面Ｓ１に照射する。かくすることによって、ヤブノロバイト型３次元結晶における穿孔に対応した形態で合成樹脂４０が硬化される。換言すれば、合成樹脂４０の非硬化部分がダイヤモンド結晶構造を有するヤブノロバイト型フォトニック結晶構造となる。従って、ガラスセル４２内の合成樹脂４０を取り出し、その未硬化部分をエタノールの如き洗浄液で洗い流すと、ヤブノロバイト型３次元結晶における穿孔に対応した形態の構造体が形成される。かかる構造体を中子型のレプリカとして使用し、かかる構造体に対応した孔を有する構造体を、好ましくは酸化チタン或いは酸化珪素の如き高屈折率を有する材料で形成すると、図６に図示するとおりのヤブノロバイト型３次元フォトニック結晶６６が得られる。
【００２２】
【発明の効果】
本発明によれば、ダイヤモンド結晶構造を有する３次元フォトニック結晶、即ちウッドパイル型３次元フォトニック結晶及びヤブロノバイト型３次元フォトニック結晶を、相当簡易且つ安価に、そしてまた著しく高精度に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ウッドパイル型３次元フォトニック結晶を形成するための、レーザ光照射様式を示す簡略図。
【図２】図１におけるレーザ光照射によって生成されるレーザ光干渉パターンを示す図。
【図３】形成されたウッドパイル型３次元フォトニック結晶を示す簡略斜面図。
【図４】ヤブロノバイト型３次元フォトニック結晶を形成するための、レーザ光照射様式を示す簡略図。
【図５】図４におけるレーザ光照射によって生成されるレーザ光干渉パターンを示す図。
【図６】形成されたヤブロノバイト型３次元フォトニック結晶を示す簡略斜面図。
【符号の説明】
２：感光性合成樹脂
６：レーザ光照射手段
２６：レーザ光干渉パターン
３４：ウッドパイル型３次元フォトニック結晶
４０：感光性合成樹脂
４４：レーザ光照射手段
６２：レーザ光干渉パターン
６６：ヤブロノバイト型３次元フォトニック結晶
【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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