(57)【要約】【課題】光を９０°の角度で反射するようなミラーや、入射された光を分光するようなビームスプリッターなどを含む種々の光学素子を実現することができるマイクロ光学素子およびその製造方法を提供する。【解決手段】フェムト秒レーザー光の照射による透明材料の屈折率の変化を利用するのではなく、フェムト秒レーザー光の照射などを利用して透明材料内部に空洞を形成し、この空洞を利用してマイクロ光学素子を構成するものであって、透明材料からなるマイクロチップの内部に所定の空洞を形成し、所定の空洞と透明材料との界面で光を制御するものであり、光の制御は光の反射や光の屈折などである。【選択図】        図１１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明材料からなるマイクロチップの内部に所定の空洞を形成し、前記所定の空洞と前記透明材料との界面で光を制御する
マイクロ光学素子。
【請求項２】
請求項１に記載のマイクロ光学素子において、
前記光の制御は、光の反射である
マイクロ光学素子。
【請求項３】
請求項１に記載のマイクロ光学素子において、
前記光の制御は、光の屈折である
マイクロ光学素子。
【請求項４】
請求項１、請求項２または請求項３のいずれか１項に記載のマイクロ光学素子において、
前記透明材料は、感光性ガラスである
マイクロ光学素子。
【請求項５】
透明材料からなるマイクロチップに対してフェムト秒レーザー光の集光点を所定の形状に沿って移動させながら照射する第１のステップと、
前記第１のステップにおいてフェムト秒レーザー光を照射された前記マイクロチップを熱処理する第２のステップと、
前記第２のステップにおいて熱処理された前記マイクロチップを所定の溶液で溶液処理して、フェムト秒レーザー光を照射された前記所定の形状に沿った領域をエッチングして除去することにより、前記マイクロチップ内に前記所定の形状の空洞を形成する第３のステップと、
前記第３のステップにおいてエッチングされた前記マイクロチップを熱処理して、前記空洞を取り囲む前記透明材料の表面を平坦化する第４のステップと
を有するマイクロ光学素子の製造方法。
【請求項６】
請求項５に記載のマイクロ光学素子の製造方法において、
前記第４のステップにおける熱処理は、
前記透明材料の軟化点の温度よりも低く、かつ、結晶化温度よりも高い温度に昇温してアニールする
マイクロ光学素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ光学素子およびその製造方法に関し、さらに詳細には、透明材料からなるマイクロチップの内部に形成されたマイクロ光学素子およびその製造方法に関する。
【０００２】
【発明の背景】
従来より、サブピコ秒以下のレーザー光源として、１０−１３秒オーダーのパルス幅を有するフェムト秒レーザーが知られている。
【０００３】
こうしたフェムト秒レーザー、例えば、パルス幅が１００〜１５０フェムト秒ほどのフェムト秒レーザーから出射されたレーザー光たるフェムト秒レーザー光（本明細書においては、「フェムト秒レーザーから出射されたレーザー光」を「フェムト秒レーザー光」と適宜に称することとする。）を、レンズを用いて当該フェムト秒レーザー光に対して透明な材料（本明細書においては、所定のレーザー光や光に対して透明な材料を称するにあたって、単に「透明材料」と適宜に称することとする。）の内部に集光すると、当該フェムト秒レーザー光を集光された集光位置たる集光点のみに多光子吸収を生じさせ、透明材料内部における集光点の改質や加工などの処理を行うことができるという現象が知られている。
【０００４】
近年においては、こうした現象を利用して、フェムト秒レーザー光に対して透明なガラス材料内部において屈折率を変化させたり、結晶析出を行ったり、マイクロボイドを生成したりすることが可能であることが報告されており、さらには、光導波路や３次元メモリーあるいはフォトニック結晶などの作成が報告されている。
【０００５】
即ち、フェムト秒レーザー光を透明材料内部に照射して、透明材料内部を改質することにより、透明材料内部に光導波路などの光学素子を形成することが行われている。
【０００６】
こうした透明材料内部における光学素子の形成は、フェムト秒レーザー光の照射による透明材料内部の屈折率の制御を利用して行われている。即ち、フェムト秒レーザー光を透明材料内部に照射すると、フェムト秒レーザー光の照射領域の屈折率が１０−２程度増加するものであり、こうした屈折率の僅かな変化を利用して透明材料内部に光学素子を形成するものであった。
【０００７】
しかしながら、上記した光学素子の形成の手法では、フェムト秒レーザー光の照射領域における屈折率の僅かな変化を利用するにすぎないため、作成できる光学素子としては、光導波路やそれを基にした光結合・分配器、回折格子、フレネルレンズなど僅かな種類のものに限られていた。
【０００８】
特に、フェムト秒レーザー光の照射領域における屈折率の僅かな変化を利用する光学素子の形成の手法では、光を９０°の角度で反射するようなミラーや、入射された光を分光するようなビームスプリッターなどを形成することはできないという問題点があった。
【０００９】
一方、本願発明者らは、上記した現象を利用して、透明材料としての感光性ガラスの内部にフェムト秒レーザー光を集光させてチャネル状に走査（スキャン）しながら照射し、その後に当該感光性ガラスを熱処理し、当該熱処理の後にフッ酸により当該感光性ガラスをエッチングすることにより、チャネル状にフェムト秒レーザー光を照射した領域のみを除去して、マイクロチャネル（マイクロ流路）などの固定構造を作成することに成功している（非特許文献１ならびに非特許文献２参照）。
【００１０】
【非特許文献１】
Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ａ  （２００２）  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ＆  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，  ４  Ｄｅｃｅｍｂｅｒ  ２００２，  ＭＡＳＵＤＡ  ｅｔ  ａｌ．，  “３−Ｄ  ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｉｎｇ  ｉｎｓｉｄｅ  ｐｈｏｔｏｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  ｇｌａｓｓ  ｂｙ  ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ  ｌａｓｅｒ  ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ”
【００１１】
【非特許文献２】
ＯＰＴＩＣＳ  ＬＥＴＴＥＲＳ，  Ｖｏｌ．２８，  Ｎｏ．１，  Ｊａｎｕａｒｙ  １，  ２００３，  ＣＨＥＮＧ  ｅｔ  ａｌ．，  “Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｃｒｏｓｓ−ｓｅｃｔｉｏｎａｌ  ｓｈａｐｅ  ｏｆ  ａ  ｈｏｌｌｏｗ  ｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌ  ｅｍｂｅｄｄｅｄ  ｉｎ  ｐｈｏｔｏｓｔｒｕｃｔｕｒａｂｌｅ  ｇｌａｓｓ  ｂｙ  ｕｓｅ  ｏｆ  ａ  ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ  ｌａｓｅｒ”，  ｐ．５５−５７
ところで、上記した現象を利用して透明材料としての感光性ガラスの内部に作成されたマイクロチャネルなどの固定構造の表面は、数ミクロン程度の粗さがあり、当該表面をより平坦化することが望まれている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記したような従来の技術の有する問題点を含む発明の背景に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、光を９０°の角度で反射するようなミラーや、入射された光を分光するようなビームスプリッターなどを含む種々の光学素子を実現することができるマイクロ光学素子およびその製造方法を提供しようとするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明によるマイクロ光学素子およびその製造方法は、フェムト秒レーザー光の照射による透明材料の屈折率の変化を利用するのではなく、フェムト秒レーザー光の照射などを利用して透明材料内部に空洞を形成し、この空洞を利用してマイクロ光学素子を構成しようとするものである。
【００１４】
即ち、本発明のうち請求項１に記載の発明は、透明材料からなるマイクロチップの内部に所定の空洞を形成し、上記所定の空洞と上記透明材料との界面で光を制御するようにしたものである。
【００１５】
ここで、上記光の制御は、本発明のうち請求項２に記載の発明のように光の反射でもよいし、本発明のうち請求項３に記載の発明のように光の屈折でもよい。
【００１６】
また、上記透明材料は、本発明のうち請求項４記載の発明のように、感光性ガラスとしてもよい。
【００１７】
また、本発明のうち請求項５に記載の発明は、透明材料からなるマイクロチップに対してフェムト秒レーザー光の集光点を所定の形状に沿って移動させながら照射する第１のステップと、上記第１のステップにおいてフェムト秒レーザー光を照射された上記マイクロチップを熱処理する第２のステップと、上記第２のステップにおいて熱処理された上記マイクロチップを所定の溶液で溶液処理して、フェムト秒レーザー光を照射された上記所定の形状に沿った領域をエッチングして除去することにより、上記マイクロチップ内に上記所定の形状の空洞を形成する第３のステップと、上記第３のステップにおいてエッチングされた上記マイクロチップを熱処理して、上記空洞を取り囲む上記透明材料の表面を平坦化する第４のステップとを有するようにしたものである。
【００１８】
また、本発明のうち請求項６に記載の発明は、本発明のうち請求項５に記載の発明において、上記第４のステップにおける熱処理を、上記透明材料の軟化点の温度よりも低く、かつ、結晶化温度よりも高い温度に昇温してアニールするようにしたものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面に基づいて、本発明によるマイクロ光学素子およびその製造方法の実施の形態の一例について詳細に説明するものとする。
【００２０】
なお、以下の各図ならびにその説明において、それぞれ同一あるいは相当する構成については同一の符号をもって示し、その詳細な説明は省略する。
【００２１】
図１には、本発明によるマイクロ光学素子の製造方法を実施するための装置構成の一例の概念構成説明図が示されている。
【００２２】
ここで、図１に示す装置によりマイクロ光学素子を作成するために用いるマイクロチップを構成する透明材料としては、感光性ガラスを用いるものとする。
【００２３】
また、マイクロチップの大きさや形状は任意であって適宜設定すればよく、例えば、長方体形状の場合には、その寸法の一例は、縦が１０ｍｍ、横が１０ｍｍ、高さが２ｍｍである。
【００２４】
ここで、一般に、感光性ガラスとは、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕなどの金属イオンと増感材とを含んでおり、紫外線露光により金属コロイドを生じ、さらにこれが核となって微細な結晶が成長する。この結晶は、元のガラスと比較すると酸に対する溶解度が２０倍〜５０倍にも達するほど高くなるので、薄いフッ酸水溶液によって、露光された部分を非常に高い選択比でエッチング加工することができる。
【００２５】
こうした感光性ガラスとしては、例えば、リチウムアルミノ珪酸塩ガラスにＣｅイオン、Ａｇイオン、Ｓｂイオンがドープされた感光性ガラスであるフォーチュランガラス（Ｆｏｒｔｕｒａｎ  Ｇｌａｓｓ）（商標）を用いることができ、以下に説明する本願発明者による実験においては、感光性ガラスとしてフォーチュランガラス（Ｆｏｒｔｕｒａｎ  Ｇｌａｓｓ）（商標）を用いた。
【００２６】
このフォーチュランガラス（Ｆｏｒｔｕｒａｎ  Ｇｌａｓｓ）（商標）に紫外レーザー光などのレーザー光を照射した場合の加工工程は、次の３段階に分けられる。
【００２７】
まず、始めに、第１段階は、レーザー光を露光することにより、露光部分のＣｅ３＋が電子を放出してＣｅ４＋になる。そして、放出された自由電子との還元反応により、Ａｇ＋はＡｇ０に変化する。
【００２８】
次に、第２段階は、熱処理することにより、銀原子が拡散してクラスターを形成し、このクラスターが８０Å（オングストローム）を越えると、アモルファス相の中に結晶核が生成され結晶相が形成される。この結晶は、主にメタ珪酸リチウムからなる。
【００２９】
最後に、第３段階は、フッ酸水溶液により露光部分のエッチングを行う。メタ珪酸リチウムはフッ酸水溶液に非常に溶けやすいので、露光部分の高選択比エッチング加工が可能となる。
【００３０】
図１に示す装置は、１０−１３秒オーダーのパルス幅を有するフェムト秒レーザー光として、例えば、パルス幅が１００〜１５０フェムト秒ほどのフェムト秒レーザー光を照射するフェムト秒レーザー１０と、フェムト秒レーザー１０から出射されたフェムト秒レーザー光をマイクロチップ１００の内部に集光するレンズとしての対物レンズ１２とを有して構成されている。
【００３１】
また、この装置は、対物レンズ１２によりマイクロチップ１００の内部に集光されるフェムト秒レーザー光の集光位置を、マイクロチップ１００に対して相対的に移動する移動手段としての移動テーブル２００を備えており、この移動テーブル２００上にマイクロチップ１００が載置されている。なお、移動テーブル２００は、図１において直交座標系のＸ軸方向、Ｙ軸方向ならびにＺ軸方向に任意に移動可能なようになされており、この移動はモータなどの駆動手段（図示せず）により制御されるものとする。
【００３２】
即ち、この装置においては、フェムト秒レーザー光の照射方向は位置決めされて固定されているが、マイクロチップ１００を移動テーブル２００上に載置してＸ軸方向、Ｙ軸方向ならびにＺ軸方向に任意に移動することにより、マイクロチップ１００の内部に集光されるフェムト秒レーザー光の集光位置をマイクロチップ１００に対して相対的にＸ軸方向、Ｙ軸方向ならびにＺ軸方向に任意に移動し、マイクロチップ１００の内部でフェムト秒レーザー光をＸ軸方向、Ｙ軸方向ならびにＺ軸方向に任意にスキャンすることができるように構成されている。
【００３３】
また、この装置においては、対物レンズ１２として、例えば、開口数（ＮＡ）が０．４６（倍率２０倍）のものを用いることができる。
【００３４】
以上の構成において、フェムト秒レーザー１０から出射されたフェムト秒レーザー光は対物レンズ１２に入射され、対物レンズ１２に入射されたフェムト秒レーザー光は対物レンズ１２により集光されて、マイクロチップ１００の内部に位置する集光位置たる集光点に集光される。
【００３５】
ここで、マイクロチップ１００内に形成しようとする空洞の形状に沿ってフェムト秒レーザー光の集光点が移動するように、移動テーブル２００をＸ軸方向、Ｙ軸方向ならびにＺ軸方向に適宜に移動することにより、フェムト秒レーザー光を走査（スキャン）する。マイクロチップ１００内に形成しようとする空洞の形状は、当該空洞とマイクロチップ１００を構成する透明材料との界面で光を制御する際の制御態様、例えば、光の反射や光の屈折などに応じて適宜に設定すればよい。即ち、空洞の形状は、長方体形状、多面体形状あるいは球面形状としてもよいし、あるいは薄板状などとしてもよい。
【００３６】
なお、マイクロチップ１００を構成する透明材料とマイクロチップ１００内に形成された空洞との界面での光を制御については、本願発明者の実験により作成されたマイクロ光学素子を参照しながら後述する。
【００３７】
また、空洞の寸法の一例は、例えば、空洞の形状が長方体形状の場合には、縦（Ｌ１）が４．２４２ｍｍ、横（Ｌ２）が０．１ｍｍ、高さ（Ｌ３）が２ｍｍである（図１１（ａ）（ｂ）参照）。
【００３８】
上記のようにしてフェムト秒レーザー光を照射したマイクロチップ１００の空洞を形成すべき領域は、その後に熱処理を行うことによって改質される。それから、熱処理をしたマイクロチップ１００を希釈したフッ酸溶液によりエッチングすることにより、フェムト秒レーザー光を照射した空洞を形成すべき領域は、フェムト秒レーザー光の未照射領域に比べて数十倍のエッチング速度でエッチングされる。
【００３９】
従って、エッチング時間を制御することにより、マイクロチップ１００からフェムト秒レーザー光を照射した空洞を形成すべき領域のみを選択的にエッチングして除去することができ、このエッチングの選択性を利用してマイクロチップ１００内に任意の形状の空洞を形成することができる。
【００４０】
ところで、マイクロチップ１００の透明材料として、例えば、感光性ガラスなどのガラスを用いた場合には、形成された空洞を取り囲む透明材料の表面が、数ミクロン程度の粗さをもっている。
【００４１】
即ち、マイクロチップ１００の内部においてフェムト秒レーザー光の集光点を移動させながら照射した後に熱処理を行い、さらにエッチングしてマイクロチップ１００の内部に作成した空洞を取り囲む透明材料の表面を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）や原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で観察した結果、図２のＳＥＭ写真や図３のＡＦＭ写真に示すように大きい粗さが観察された。また、図４には、形成した空洞界面でＨｅ−Ｎｅレーザー光を反射させたときのビームの広がり評価のグラフが示されており、広がり角は１６．３°であった。
【００４２】
しかしながら、空洞を取り囲む透明材料の表面の平坦性は、空洞とマイクロチップ１００を構成する透明材料との界面で光を制御する際の光学特性に大きく影響する。このため、空洞を取り囲む透明材料の表面は、平坦であることが望ましい。
【００４３】
一般に、感光性ガラスのフッ酸処理後の表面平坦化には機械的な研磨が用いられるが、ガラス内部に形成された空洞を取り囲む表面のような部位を研磨することは不可能である。
【００４４】
こうした従来の技術では不可能なガラス内部に形成された空洞を取り囲む表面の平坦化を行うために、本願発明者は、ガラス内部に形成された空洞を取り囲む表面を熱処理することにより、当該表面を平坦化するようにしたものである。
【００４５】
即ち、こうした粗さは、ガラス内部に形成された空洞を取り囲む表面に熱処理を施すことによって解消でき、当該表面を平坦化することができた。
【００４６】
このように、マイクロチップ１００の内部においてフェムト秒レーザー光の集光点を移動させながら照射した後に熱処理を行い、さらにエッチングしてマイクロチップ１００の内部に空洞を作成し、空洞を作成した後にさらに熱処理を行った場合には、空洞を取り囲む表面の平坦性は大幅に改善された。
【００４７】
こうした表面の平坦化のための熱処理としてはアニールを行うことが好ましく、アニールする際の条件は、例えば、まず５℃／ｍｉｎで室温から５７０℃まで昇温し、５時間保持する。その後に、１℃／ｍｉｎで５７０℃から３７０℃まで冷却し、さらに室温に自然冷却する。
【００４８】
こうしたアニールを行うと、図５のＳＥＭ写真や図６のＡＦＭ写真に示されているように、内部に形成された空洞を取り囲む表面の平坦性は大幅に改善される。また、図７には、形成した空洞界面でＨｅ−Ｎｅレーザー光を反射させたときのビームの広がり評価のグラフが示されており、広がり角は４．７°に改善された。
【００４９】
さらに、平坦性を示す指標であるＲＭＳ値は、上記したアニールによって、アニールを行う前の１００ｎｍから２ｎｍに改善された。
【００５０】
ここで、アニールする際に昇温する温度は、感光性ガラスなどのガラスの場合には、軟化点の温度よりも低く、かつ、結晶化温度よりも高い温度であることが好ましい。
【００５１】
以上のように、上記した熱処理による平坦化の処理を行うと、空洞を取り囲む表面の平坦性が著しく改善されて、光学特性が大幅に改善されることになるので、こうした平坦化の処理を行うことが望ましいが、光学特性の要求の程度が低い場合には、上記した熱処理による平坦化の処理を行わなくてもよいことは勿論である。
【００５２】
次に、本発明による手法を用いて行われた、本願発明者による実験結果について説明する。
【００５３】
なお、この実験においては、フェムト秒レーザー１０としては、赤外フェムト秒レーザー（Ｃｌａｒｋ−ＭＸＲ  ＣＰＡ２０００：  波長７７５ｎｍ、パルス幅１５０ｆｓ、繰り返し周波数１ｋＨｚ）を用いた。
【００５４】
図８には実験装置の概略構成が示されており、実験装置は、フェムト秒レーザー１０と、波長板６０２と、偏光板６０４と、減光フィルター６０６と、対物レンズ１２と、移動ステージ２００と、移動ステージ２００を駆動する駆動源６０８と、駆動源６０８を制御するコンピュータ６１０と、マイクロチップ１００を撮像するＣＣＤカメラ６１２と、ＣＣＤカメラ６１２により撮像された画像を表示するモニター６１４とを有して構成されている。
【００５５】
従って、この実験装置においては、ＣＣＤカメラ６１２を用いて、フェムト秒レーザー光が照射されているマイクロチップ１００をその場で観察することができる。
【００５６】
また、マイクロチップ１００は、コンピュータ６１０で制御された移動ステージ２００によりＸ軸方向、Ｙ軸方向ならびにＺ軸方向に適宜に移動される。
【００５７】
以上の実験装置において、フェムト秒レーザー１０から出射されたフェムト秒レーザー光のビームを直径３ｍｍのアパチャーによって切り出し、対物レンズ１２へ入射する。フェムト秒レーザー光のパルスエネルギーは、減光フィルター６０６を用いて調節した。
【００５８】
フェムト秒レーザー光を２０倍の対物レンズ１２（開口数  ＮＡ：０．４６）によってマイクロチップ１００に集光し、レーザー照射後のマイクロチップ１００をアニールによる熱処理をした。アニールでは、温度は５℃／ｍｉｎの速さで５００℃まで上昇させ、５００℃で１時間一定に保つ。この温度においては、フェムト秒レーザー光により露光された部分に銀クラスターが形成される。再び３℃／ｍｉｎの速さで６０５℃まで温度を上昇させ、６０５℃で一定に１時間保つ。高い温度においては、結晶相が形成される。その後に、室温に自然冷却する。
【００５９】
マイクロチップ１００が室温に冷却された後に、１０％のフッ酸水溶液で溶液処理を施して、フェムト秒レーザー光を照射した領域をエッチングして除去し、マイクロチップ１００に空洞を形成する。
【００６０】
さらに、マイクロチップ１００の空洞を取り囲む表面の平坦化のために、アニールを行う。アニールする際の条件は、まずマイクロチップ１００を５℃／ｍｉｎで室温から５７０℃まで昇温し、５時間保持する。その後に、１℃／ｍｉｎで５７０℃から３７０℃まで冷却し、さらに室温に自然冷却する。
【００６１】
図９には、フェムト秒レーザー光の照射後にアニールを行ったマイクロチップ１００のフェムト秒レーザー光の照射領域と未照射領域とのフッ酸によるエッチング深さの時間依存性が示されている。照射レーザーフルエンスは、０．１２Ｊ／ｃｍ２、０．１８Ｊ／ｃｍ２である。
【００６２】
図９から理解されるように、エッチング深さはフルエンスにはほとんど依存せず、フェムト秒レーザー光の照射領域は、フェムト秒レーザー光の未照射領域より３５倍のエッチング速度で優先的にエッチングされる。この選択比を利用して、マイクロチップ１００の内部に空洞の形成をおこなった。
【００６３】
ところで、感光性ガラスには、結晶を析出するのに必要なレーザー光の臨界ドーズ（Ｄｃ）が存在する。即ち、臨界ドーズを上回ればガラスに結晶が析出されるが、臨界ドーズを下回った場合にはガラスに結晶は析出されない。臨界ドーズを越えた場合、形成される核密度は、ドーズに比例して増加することが予測される。核形成密度は、フルエンスの累乗に比例することが分かっており、式（１）で示される。
【００６４】
ρ＝ＫＦｍＮ    ・・・  式（１）
ここで、ρはレーザー光の光化学反応によって形成される核の密度であり、Ｆは１パルス当たりのフルエンス、ｍは乗数、Ｎはパルス数、Ｋは定数を示している。
【００６５】
ここで、核密度ρは、ドースＤに比例して増加すると考えられるため、
Ｄ＝ρ／Ｋ
と定義すると、
Ｄ＝ＦｍＮ      ・・・  式（２）
となる。
【００６６】
任意のパルス数における臨界フルエンスをＦｃとすると、臨界ドーズＤｃは、
Ｄｃ＝ＦｃｍＮ    ・・・  式（３）
と表される。
【００６７】
臨界ドーズを求めるために、図１０に臨界フルエンスのパルス数依存性を示すこととする。ここでは同一のパルス数においてフルエンスを変化させて照射し、フッ酸処理後にエッチングの選択性が確認された最小のフルエンスを臨界フルエンスとした。
【００６８】
このグラフよりパルス数を増加させることによって、臨界フルエンスが小さくなることが分かる。
【００６９】
グラフの傾きの負の逆数により、式（３）における乗数ｍを求めることができ、
ｍ＝６
となる。
【００７０】
即ち、パルス幅１５０ｆｓ、波長７７５ｎｍのフェムト秒レーザーを用いた場合には、６光子過程によって反応が生じていると考えられる。この値は、ナノ秒紫外レーザー光（波長２６６ｎｍ、波長３５５ｎｍ）を用いた場合に比べてはるかに大きい。紫外レーザーの場合は、吸収は１光子で生じる。しかしながら、最終的な反応が起こるためには、連続する２つの過程が必要であると考えられている。即ち、Ｈｅｌｖａｊｉａｎ等は、まず１光子吸収によって寿命の長い中間準位状態が形成され、さらにその準位でもう一つの光子が吸収されて反応が生じる２光子過程ではないかと考察している（２光子吸収ではない。）。
【００７１】
Ｈｅｌｖａｊｉａｎ等の考察が正しいとするならば、フェムト秒レーザーの場合には、第一の過程および第二の過程がそれぞれ多光子吸収によって生じ、その結果その和として６光子過程になったものと考えられる。反応が６光子で生じることは、高空間解像度を得られるという点で有利である。また、このときの臨界ドーズＤｃは、
１．３×１０−５Ｊ６／ｃｍ１２
と見積もられる。
【００７２】
次に、上記した実験条件において本願発明者が作成したマイクロ光学素子などについて、図１１乃至図１８を参照しながら説明する。
【００７３】
まず、図１１（ａ）（ｂ）には本願発明者が作成したマイクロ光学素子の構成説明図が示されており、感光性ガラスからなるマイクロチップ１００に長方体形状の空洞７００を形成することにより構成したマイクロ光学素子を示している。このマイクロ光学素子は、感光性ガラスにより構成されたマイクロチップ１００の内部に形成した空洞７００と感光性ガラスとの界面で、光を９０°の角度で反射することができる。
【００７４】
図１１（ａ）（ｂ）に示すマイクロ光学素子における空洞７００は、あたかも入射される光の進行方向に対して４５°の角度で反射ミラーが配置されるように、入射される光の進行方向に対して４５°の角度で延長するように配置されている。
【００７５】
なお、この図１１（ａ）（ｂ）に示すマイクロ光学素子を作成するにあたっては、フェムト秒レーザー光の集光点を距離Ｌ１（Ｌ１＝４．２４２ｍｍ）だけＸ−Ｙ平面で水平にスキャンした後に、フェムト秒レーザー光の集光点を１５μｍずつＺ軸方向に沿って上方に移動し、上記と同様なＸ−Ｙ平面での水平なスキャンを繰り返した。
【００７６】
感光性ガラスにより構成されたＺ軸方向の厚さ２ｍｍのマイクロチップ１００の厚さ方向全域に空洞７００を形成するため、１４０回の水平スキャンと上方移動を繰り返した（従って、空洞７００の高さ（Ｌ３）は、２ｍｍとなる。）。
【００７７】
照射したフェムト秒レーザー光のパルスエネルギーは７００ｎＪ、スキャン速度は５００μｍ／ｓである。
【００７８】
上記したフェムト秒レーザー光のスキャンの終了後に熱処理を行い、その後に１時間のフッ酸処理によって、フェムト秒レーザー光の照射領域の除去を行い、空洞７００を形成した。さらに、空洞７００を形成したマイクロチップ１００をアニールし、空洞７００を取り囲む感光性ガラスの表面を平坦化した。
【００７９】
なお、長方体形状の空洞７００の寸法は、縦（Ｌ１）が４．２４２ｍｍ、横（Ｌ２）が０．１ｍｍ、高さ（Ｌ３）が２ｍｍである。
【００８０】
こうして作成したマイクロチップ１００に空洞７００を形成して構成したマイクロ光学素子の光学特性を、Ｈｅ−Ｎｅレーザー光を照射することにより調べた。
【００８１】
即ち、Ｈｅ−Ｎｅレーザー光を空洞７００に対して４５°の角度で入射すると、空洞７００と感光性ガラスとの界面で入射された光が制御され、図１１（ａ）に示すように９０°の角度で反射された。即ち、図１１（ａ）（ｂ）に示すマイクロチップ１００に空洞７００を形成して構成したマイクロ光学素子は、反射ミラーとして機能するものである。
【００８２】
なお、図１１（ａ）（ｂ）に示す構造のマイクロ光学素子に関して、アニールによる平坦化処理により空洞７００を取り囲む表面を平坦にした場合の１．５５μｍにおける光学損失は０．６０ｄＢであるが、アニールによる平坦化処理を行わない場合の１．５５μｍにおける光学損失は１．５９ｄＢであった。
【００８３】
次に、図１２には本願発明者が作成したマイクロ光学素子の構成説明図が示されており、感光性ガラスからなるマイクロチップ１００に３個の長方体形状の空洞７０２、７０４、７０６を形成することにより構成したマイクロ光学素子を示している。このマイクロ光学素子は、感光性ガラスにより構成されたマイクロチップ１００の内部に形成した３個の空洞７０２、７０４、７０６と感光性ガラスとの界面で、光をそれぞれ９０°の角度で反射して全体で２７０°反射する２７０°光学反射回路を構成している。
【００８４】
この図１２に示す２７０°光学反射回路を構成するマイクロ光学素子は、図１１（ａ）（ｂ）において説明したと同様な手法で作成することができ、Ｘ−Ｙ平面における「４ｍｍ×５ｍｍ」の領域内に２７０°光学反射回路を作成した。
【００８５】
こうして作成したマイクロチップ１００に空洞７０２、７０４、７０６を形成して２７０°光学反射回路を構成したマイクロ光学素子の光学特性を、Ｈｅ−Ｎｅレーザー光を照射することにより調べた。
【００８６】
即ち、図１２に示すように、Ｈｅ−Ｎｅレーザー光を空洞７０２に対して４５°の角度で入射すると、空洞７０２と感光性ガラスとの界面で入射された光が制御されて９０°の角度で反射され、反射された光が４５°の角度で空洞７０４に対して入射され、同様に９０°の角度で反射される。この反射された光が４５°の角度で空洞７０６に対して入射され、同様に９０°の角度で反射されて出射されることになって、２７０°光学反射回路が実現される。
【００８７】
なお、図１２に示す構造のマイクロ光学素子に関して、アニールによる平坦化処理を行った場合の１．５５μｍにおける光学損失は１．９８ｄＢであった。
【００８８】
次に、図１３には本願発明者が作成したマイクロ光学素子の構成説明図が示されており、感光性ガラスからなるマイクロチップ１００に空洞７０８を形成することにより構成したマイクロ光学素子を示している。このマイクロ光学素子は、感光性ガラスにより構成されたマイクロチップ１００の内部に形成した空洞７０８と感光性ガラスとの界面で、入射された光を分光するビームスプリッターを構成している。
【００８９】
この図１３に示すビームスプリッターを構成するマイクロ光学素子も、図１１（ａ）（ｂ）において説明したと同様な手法で作成することができる。
【００９０】
こうして作成したマイクロチップ１００に空洞７０８を形成してビームスプリッターを構成したマイクロ光学素子の光学特性を調べると、図１３に示すようにＳ偏光の光をマイクロチップ１００に形成された空洞７０８、即ち、ビームスプリッターに入射した際には、空洞７０８と感光性ガラスとの界面において、入射した光は「１：１．４３（ビーム１：ビーム２）」の比（分配比）で分光された。
【００９１】
また、図１３に示す構造のマイクロ光学素子に関して、アニールによる平坦化処理を行った場合には、ビーム１の入射光に対する強度比は４．８４ｄＢであり、ビーム２の入射光に対する強度比は３．２８ｄＢであり、総合の光学損失は０．９８ｄＢである。
【００９２】
次に、図１４には、ポーラライザーを構成する本発明によるマイクロ光学素子が示されている。
【００９３】
このポーラライザーを構成するマイクロ光学素子は、マイクロチップ１００の内部に多数の空洞７１０を所定の間隔を開けて連続して形成したものである。
【００９４】
ブルースター角度（Ｂｒｅｗｓｔｅｒ  ａｎｇｌｅ）でそれぞれの空洞７１０と感光性ガラスとの界面に入射した光は、Ｐ偏光のみが通過してマイクロ光学素子から出射される。
【００９５】
次に、図１５には、分配比が「５０：５０」のビームスプリッターを構成するマイクロ光学素子が示されている。
【００９６】
このビームスプリッターを構成するマイクロ光学素子は、マイクロチップ１００の内部に空洞７１２を形成したものであり、特定の入射角度（例えば、ガラスの場合には８０°である。）で入射した光は、空洞７１２と感光性ガラスとの界面で同一の強度を持った２つの光路の光に分光される。
【００９７】
次に、図１６には、マッハツェンダー干渉計を構成するマイクロ光学素子が示されている。
【００９８】
このマッハツェンダー干渉計を構成するマイクロ光学素子は、マイクロチップ１００の内部に空洞７１４、７１６、７１８、７２０を形成するとともに、サンプルを内部に充填したマイクロチャネル８００を形成したものである。マッハツェンダー干渉計に入射した光は、空洞７１４と感光性ガラスとの界面で同一の強度を持った２つの光路の光に分光される。２つの光路のうちの一方の光路の光は空洞７１６と感光性ガラスとの界面で反射されてマイクロチャネル８００入射され、さらに空洞７２０と感光性ガラスとの界面で屈折されて検出される。また、２つの光路のうちの他方の光路の光は空洞７１８と感光性ガラスとの界面で反射され、さらに空洞７２０と感光性ガラスとの界面で屈折されて検出される。
【００９９】
次に、図１７には、ビームベンダーを構成するマイクロ光学素子が示されている。
【０１００】
このビームベンダーを構成するマイクロ光学素子は、マイクロチップ１００の内部に反射ミラーとして作用する空洞７２２とレンズとして作用する空洞７２４、７２６を形成するとともに、マイクロチップ１００の中空チャネルを形成あるいは屈折率を制御して光導波路８０２、８０４を形成したものである。
【０１０１】
このマイクロ光学素子に入射された光は、光導波路８０２を介して空洞７２４に入射され、空洞７２４を出射した光は空洞７２２と感光性ガラスとの界面で９０°反射されて空洞７２６へ入射され、空洞７２６を出射した光は光導波路８０４を介して外部へ出射される。
【０１０２】
次に、図１８には、蛍光検出のためのをビームデフレクターを構成するマイクロ光学素子が示されている。
【０１０３】
このビームデフレクターを構成するマイクロ光学素子は、マイクロチップ１００の内部に反射ミラーとして作用する空洞７２８を形成するとともに、サンプルを内部に充填したマイクロチャネル８０６を形成したものである。
【０１０４】
このマイクロ光学素子に入射された励起光は、空洞７２８と感光性ガラスとの界面で反射されてマイクロチャネル８０６へ照射され、励起光の照射によりマイクロチャネル８０６内に充填されたサンプルが蛍光を発すると、その蛍光が検出器８０８で検出される。
【０１０５】
なお、上記した実施の形態は、以下の（１）乃至（６）に示すように変形してもよい。
【０１０６】
（１）上記した実施の形態においては、透明材料としては、感光性ガラスを用いたが、これに限られるものではないことは勿論であり、例えば、石英ガラスや金属ドープガラスあるいはサファイアなどを用いることができる。
【０１０７】
（２）上記した実施の形態においては、エッチング溶液としてフッ酸溶液を用いたが、これに限られるものではないことは勿論であり、例えば、塩酸やリン酸あるいは王水などを用いることができる。また、例えば、透明材料として金ドープ石英ガラスを用いた場合にはエッチング溶液として王水を用い、透明材料として銀ドープ石英ガラスを用いた場合にはエッチング溶液として塩酸を用いることが好ましい。
【０１０８】
（３）上記した実施の形態においては、実験条件としてフェムト秒レーザーのパラメータ（波長、パルス幅、繰り返し周波数、フルエンスなど）の具体的な数値を示したが、これらの数値は一例に過ぎないものであり、フェムト秒レーザーのパラメータは、透明材料の種類や作成すべき内部空間などの大きさに応じて適宜に選択すればよい。
【０１０９】
（４）上記した実施の形態においては、移動テーブル２００により試料１００を移動することにより、試料１００に対して相対的にフェムト秒レーザー光の集光点を移動したが、これに限られるものではないことは勿論である。
【０１１０】
即ち、上記した実施の形態とは逆に、試料１００に対して透明材料内部の処理装置を移動するように構成し、透明材料内部の処理装置が移動することにより試料１００内部におけるフェムト秒レーザー光の集光点を走査するように構成してもよい。
【０１１１】
（５）上記した実施の形態においては、フェムト秒レーザーを用いたが、ナノ秒あるいはさらにパルス幅の長いレーザーでも吸収係数が小さい波長のレーザー光（例えば、フォーチュランガラス（Ｆｏｒｔｕｒａｎ  Ｇｌａｓｓ）（商標）に対しては、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの３次高調波（３５５ｎｍ））の場合、空洞を形成することができるので、フェムト秒レーザーに代えてこのようなレーザーを用いてもよい。
【０１１２】
（６）上記した実施の形態ならびに上記した（１）乃至（５）に示す変形例は、適宜に組み合わせて用いるようにしてもよい。
【０１１３】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているので、光を９０°の角度で反射するようなミラーや、入射された光を分光するようなビームスプリッターなどを含む種々の光学素子を実現することができるようになるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるマイクロ光学素子の製造方法を実施するための装置構成の一例の概念構成説明図である。
【図２】マイクロチップの内部においてフェムト秒レーザー光の集光点を移動させながら照射した後に熱処理を行い、さらにエッチングしてマイクロチップの内部に作成した空洞を取り囲む透明材料の表面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
【図３】マイクロチップの内部においてフェムト秒レーザー光の集光点を移動させながら照射した後に熱処理を行い、さらにエッチングしてマイクロチップの内部に作成した空洞を取り囲む透明材料の表面の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）写真である。
【図４】マイクロチップの内部においてフェムト秒レーザー光の集光点を移動させながら照射した後に熱処理を行い、さらにエッチングしてマイクロチップの内部に作成した空洞を取り囲む透明材料の表面にＨｅ−Ｎｅレーザー光を照射したときのビームの広がり評価のグラフである。
【図５】表面の平坦化のための熱処理としてのアニールを行った後における、マイクロチップの内部に作成した空洞を取り囲む透明材料の表面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
【図６】表面の平坦化のための熱処理としてのアニールを行った後における、マイクロチップの内部に作成した空洞を取り囲む透明材料の表面の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）写真である。
【図７】表面の平坦化のための熱処理としてのアニールを行った後における、マイクロチップの内部に作成した空洞を取り囲む透明材料の表面にＨｅ−Ｎｅレーザー光を照射したときのビームの広がり評価のグラフである。
【図８】本願発明者が実験に用いた実験装置の概略構成説明図である。
【図９】アニールを行ったマイクロチップのフェムト秒レーザー光の照射領域と未照射領域とのフッ酸によるエッチング深さの時間依存性を示すグラフである。照射レーザーフルエンスは、０．１２Ｊ／ｃｍ２、０．１８Ｊ／ｃｍ２である。
【図１０】臨界フルエンスのパルス数依存性を示すグラフである。
【図１１】（ａ）は、本願発明者が作成した９０°反射ミラーを構成するマイクロ光学素子の構成説明図であって、図１ならびに図８のＡ矢視図に相当する方向から見た場合の構成説明図であり、（ｂ）は、（ａ）の要部斜視説明図である。
【図１２】本願発明者が作成した２７０°光学反射回路を構成するマイクロ光学素子の構成説明図であり、図１ならびに図８のＡ矢視図に相当する方向から見た場合の構成説明図である。
【図１３】本願発明者が作成したビームスプリッターを構成するマイクロ光学素子の構成説明図であり、図１ならびに図８のＡ矢視図に相当する方向から見た場合の構成説明図である。
【図１４】ポーラライザーを構成するマイクロ光学素子の構成説明図であり、図１ならびに図８のＡ矢視図に相当する方向から見た場合の構成説明図である。
【図１５】分配比が「５０：５０」のビームスプリッターを構成するマイクロ光学素子の構成説明図であり、図１ならびに図８のＡ矢視図に相当する方向から見た場合の構成説明図である。
【図１６】マッハツェンダー干渉計を構成するマイクロ光学素子の構成説明図であり、図１ならびに図８のＡ矢視図に相当する方向から見た場合の構成説明図である。
【図１７】ビームベンダーを構成するマイクロ光学素子の構成説明図であり、図１ならびに図８のＡ矢視図に相当する方向から見た場合の構成説明図である。
【図１８】蛍光検出のためのをビームデフレクターを構成するマイクロ光学素子の構成説明図であり、図１ならびに図８のＡ矢視図に相当する方向から見た場合の構成説明図である。
【符号の説明】
１０      フェムト秒レーザー
１２      対物レンズ
１００      マイクロチップ
２００      移動テーブル
７００、７０２、７０４、７０６、７０８、７１０、７１２、７１４、７１６、７１８、７２０、７２２、７２４、７２６、７２８      空洞
８００、８０６      マイクロチャネル
８０２、８０４      光導波路
８０８      検出器
【図１】
2004226811.tif 000003
【図２】
2004226811.tif 000004
【図３】
2004226811.tif 000005
【図４】
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【図５】
2004226811.tif 000007
【図６】
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【図７】
2004226811.tif 000009
【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】
2004226811.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2004226811.tif 000017
【図１６】
2004226811.tif 000018
【図１７】
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【図１８】
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