(57)【要約】【課題】ガラス材料表面に部分的な形状変化を簡便に生じさせることが可能な方法であって、断面が非球面形状を有する隆起部、陥没部などであっても、容易に形成できる方法を提供する。【解決手段】加熱により体積変化を生じるガラス材料に、ビーム内に強度分布を有するレーザー光を照射して、該ガラス材料表面の照射部分の形状を変化させる方法であって、ガラス材料表面におけるレーザー光照射範囲内の任意位置のレーザー光の照射強度を１００とした場合に、この位置から照射部の同心円の直径方向にレーザー光の波長に相当する長さ離れた位置におけるレーザー光の照射強度が８０以下又は１２０以上のレーザー光を用いることを特徴とする、ガラス材料の加工方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱により体積変化を生じるガラス材料に、ビーム内に強度分布を有するレーザー光を照射して、該ガラス材料表面の照射部分の形状を変化させる方法であって、ガラス材料表面におけるレーザー光照射範囲内の任意位置のレーザー光の照射強度を１００とした場合に、この位置から照射部の同心円の直径方向にレーザー光の波長に相当する長さ離れた位置におけるレーザー光の照射強度が８０以下又は１２０以上のレーザー光を用いることを特徴とする、ガラス材料の加工方法。
【請求項２】
強度分布を有するレーザー光が、炭酸ガスレーザーによるレーザー光である請求項１に記載の方法。
【請求項３】
レーザー光照射によって形成されるガラス材料表面の形状変化が、レーザー光照射部分のガラス材料表面に形成される隆起又は陥没である請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
ガラス材料表面に形成された隆起又は陥没部分の断面形状が、非球面形状である請求項３に記載の方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかの方法によって加工された、表面に形状変化部分を有するガラス材料。
【請求項６】
請求項５のガラス材料からなる光学素子。
【請求項７】
請求項５のガラス材料からなるガラス基板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガラス材料表面に部分的な形状変化を生じさせることのできるガラス材料の加工方法、及び該方法によって加工されたガラス材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ガラス表面に陥没部や隆起部などの部分的な形状変化を生じさせる方法としては、予め軟化させたガラス表面に金型を押し付けて成形する方法、マスクによるパターンニングの後化学的なエッチング処理を施す方法、ガラス表面に直接レーザーを照射することで蒸発・溶融させる方法などが知られている。このような方法によって、形状変化を生じさせたガラスの内で、特に、隆起部、陥没部等の断面形状が非球面形状のガラスは、光学レンズとして有用性が高く、通常の球面ガラスレンズに比べて収差が少なく、高いレンズ性能を示すことが知られている。また、これとは別用途として、表面が凹凸部によってパターニングされたガラス板は記録媒体等の特殊基板としても利用されている。
【０００３】
しかしながら、金型による成形方法は、融点が高く高粘性のガラスに対して適用することは難しく、微細な形状を形成することも困難である。また、エッチングやレーザー光照射による微細加工方法は、窪んだ形状を形成する方法としては適した方法であるが、隆起構造を形成するためには隆起部分以外を除去する必要があり、その制御は複雑で難しくなる。近年の半導体製造で利用されている微細加工技術を利用すれば任意形状の作製は可能であるが、これに関る時間とコストは膨大になる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記した如き従来技術に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、ガラス材料表面に部分的な形状変化を簡便に生じさせることが可能な方法であって、断面が非球面形状を有する隆起部、陥没部などであっても、簡単に形成できる方法を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記した目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、加熱によって体積変化が生じるガラス材料表面にレーザー光を照射することによって、ガラス材料表面の照射部分に形状変化を生じさせることが可能であり、レーザー光が特定の条件を満足する照射強度分布を有する場合には、その強度分布に応じて変化部分の形状を制御することができ、断面が非球面形状を有する隆起部、陥没部などであっても容易に形成できることを見出し、ここに本発明を完成するに至った。
【０００６】
即ち、本発明は、下記のガラス材料の加工方法、及び該方法によって加工されたガラス材料を提供するものである。
１．　加熱により体積変化を生じるガラス材料に、ビーム内に強度分布を有するレーザー光を照射して、該ガラス材料表面の照射部分の形状を変化させる方法であって、ガラス材料表面におけるレーザー光照射範囲内の任意位置のレーザー光の照射強度を１００とした場合に、この位置から照射部の同心円の直径方向にレーザー光の波長に相当する長さ離れた位置におけるレーザー光の照射強度が８０以下又は１２０以上のレーザー光を用いることを特徴とする、ガラス材料の加工方法。
２．　強度分布を有するレーザー光が、炭酸ガスレーザーによるレーザー光である上記項１に記載の方法。
３．　レーザー光照射によって形成されるガラス材料表面の形状変化が、レーザー光照射部分のガラス材料表面に形成される隆起又は陥没である上記項１又は２に記載の方法。
４．　ガラス材料表面に形成された隆起又は陥没部分の断面形状が、非球面形状である上記項３に記載の方法。
５．　上記項１〜４のいずれかの方法によって加工された、表面に形状変化部分を有するガラス材料。
６．　上記項５のガラス材料からなる光学素子。
７．　上記項５のガラス材料からなるガラス基板。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明のガラス材料の加工方法では、出発材料としては、加熱によって体積変化を生じるガラス材料を用いる。
【０００８】
この様なガラス材料は、加熱によって体積増加又は体積減少を生じるガラスであり、例えば、溶融した原料を大気圧下で徐冷することによって得られる同一組成のガラス材料（以下、「通常のガラス」ということがある）と比べると、低密度又は高密度のガラス材料を用いることができる。この様な低密度又は高密度のガラス材料は、ガラスの種類に応じて決まる一定温度以上に加熱すると、密度が変化して、通常のガラスの密度に近づくことによって体積変化を生じる性質を有するものである。
【０００９】
上記した低密度又は高密度のガラス材料としては、特に限定的ではないが、例えば、通常のガラスを高温中で加圧して得られる高密度のガラス材料、溶融した原料を高温から急激に冷却することによって得られる高密度のガラス材料、液相法によって合成される低密度のガラス材料（乾燥ガラスゲル）等を挙げることができる。
【００１０】
本発明方法で用いるガラス材料の密度自体は特に限定的ではないが、本発明方法によって適度な形状変化を生じさせるためには、一般的には、通常のガラスと１％程度以上の密度差があるガラス材料、即ち、通常のガラスよりも１％程度以上密度が高いガラス材料又は通常のガラスよりも１％程度以上密度が低いガラス材料が好ましい。尚、前述した通り、通常のガラスとは、溶融した原料を大気圧下で徐冷することによって得られるものであり、加熱によっては体積変化を生じないガラス材料である。
【００１１】
本発明方法では、出発材料とするガラス材料の材質については、特に限定はないが、二酸化珪素（ＳｉＯ２）を２０モル％以上含有する珪酸塩ガラス、Ｂ２Ｏ３を２０モル％以上含有するホウ酸塩ガラス、Ｐ２Ｏ５を２０モル％以上含有するリン酸塩ガラス等のガラス網目構造を形成する成分（ガラスネットワークフォーマー）を２０モル％程度以上含有するガラスが、密度変化が大きい点で好ましい。
【００１２】
本発明方法は、上記したガラス材料に、ビーム内に強度分布を有するレーザー光を照射して、該ガラス材料表面の照射部分の形状を変化させる方法である。この様な強度分布を有するレーザー光を照射する場合には、ガラス材料表面におけるレーザー光の照射部分に形状変化を生じさせることができる。この場合、加熱によって体積膨張を生じるガラス材料を用いた場合にはレーザー光の照射部分に隆起が生じ、加熱によって体積減少を生じるガラス材料を用いた場合にはレーザー光の照射部分に陥没が生じる。
【００１３】
ビーム内に強度分布を有するレーザー光としては、ガラス材料表面におけるレーザー光照射範囲内の任意の位置のレーザー光の照射強度を１００とした場合に、この位置から照射部の同心円の直径方向にレーザー光の波長に相当する長さ離れた位置におけるレーザー光の照射強度が８０以下又は１２０以上のレーザー光を用いることが必要である。この様な強度分布が大きいレーザー光を用いる場合には、レーザー光の強度分布の状態を適宜設定することによって、ガラス材料表面に生じる隆起、陥没などの形状を制御することができ、目的に応じた形状の隆起部、陥没部などを形成することが可能となる。その結果、断面が、非球面形状の形状変化であっても容易に形成することができ、更に、レーザー光の強度分布を適宜調節することによって、球面状の断面形状を有する形状変化部分も形成することが可能である。
【００１４】
これに対して、レーザー光照射範囲の任意部分における照射強度を１００とした場合に、レーザー光の波長に相当する長さ離れた部分におけるレーザー光の照射強度が８０より大きく、１２０を下回る場合には、レーザー光の強度分布が小さいために、レーザー光の照射によって生じる隆起又は陥没部の形状を任意に制御することができない。
【００１５】
尚、上記した強度分布の条件は、レーザー光照射範囲内の全ての部分において満足する必要はなく、形状変化を制御することが必要な部分において上記条件を満たせばよい。
【００１６】
レーザー光としては、上記した強度分布を有するものであれば特に限定なく使用でき、例えば、炭酸ガスレーザー、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー、Ｈｏ：ＹＡＧレーザーなどによるレーザー光を用いることができる。
【００１７】
レーザー光のビーム内に所定の強度分布を生じさせる方法についても、特に限定はなく、例えば、レンズを適宜組み合わせて用いる方法、ミラーを適宜組み合わせて用いる方法、濃淡を有する光学フィルターを用いる方法などを適宜適用すればよい。
【００１８】
レーザー光を照射する時間、回数等については、特に限定はなく、所定の形状変化が生じる温度にガラス材料が加熱されるように、照射時間、照射回数などを適宜決めればよい。また、ガラス材料を、体積変化が生じる温度を下回る温度まで予め加熱し、この様な予熱されたガラス材料にレーザー光を照射することによって、照射時間、照射回数を減少させることもできる。
【００１９】
本発明方法によって得られるガラス材料は、加熱によって密度が高くなる場合には、レーザー光を照射された部分が陥没した形状となり、加熱によって密度が低くなる場合には、レーザー光を照射された部分が隆起した形状となる。
【００２０】
陥没、隆起などの形状変化部分の形状については、レーザー光の照射強度の分布を、上記した条件を満足する範囲内で適宜設定することによって、制御することができる。この場合、具体的な変位部分の形状については、ガラス材料の材質、レーザー光の種類、照射の方式などによって異なるので、具体的な条件に応じて、レーザー光の照射強度分布を適宜設定すればよい。この様な方法でビーム内に強度分布を有するレーザー光を照射することによって、ガラス材料表面に形成される形状変化部分について、その断面形状を任意の非曲面形状とすることができ、また、照射強度分布を適宜設定すれば、形状変化部分の断面形状を曲面形状とすることも可能である。
【００２１】
本発明によれば、例えば、ガラス材料表面に、直径４０〜２０００μｍ程度の大きさで、隆起又は陥没の高さが、０．５〜１０μｍ程度の形状変化部分を形成することが可能である。
【００２２】
本発明方法によって得られるガラス材料は、透明性のあるガラス材料を用いる場合には、例えば、複雑な特性を持つ微小光学レンズとして実用が可能である。また、本発明方法によれば、ガラス表面に幾何学的な凹凸を形成できるので、基板の光反射を抑制する表面処理方法としても有効に利用できる。また、得られたガラス材料は、磁気ディスク基板等としても有用である。
【００２３】
【発明の効果】
本発明方法によれば、ガラス材料表面に部分的な形状変化を簡便に生じさせることができる。しかも、形状変化部分の形状を容易に制御できるので、複雑な形状変化部分を有するガラス材料であっても比較的簡単に製造することができる。
【００２４】
【実施例】
以下に実施例を示し、本発明の特徴とするところをより一層明確にする。
【００２５】
実施例１
あらかじめ高圧発生装置によって密度を３．６％上昇させたシリカガラス（０．５ｍｍ厚さ）基板を用い、その表面の直径約１００μｍの微小領域に炭酸ガスレーザーからのレーザー光（波長１０．６μｍ）を照射した。照射条件は下記の通りである。また、ガラス表面におけるレーザー光照射部分の強度分布を図１に示す。
【００２６】
照射条件
レーザー光サイズ　　　　　　直径１００μｍ
照射パルスエネルギー　　　　３０ｍＪ
照射回数　　　　　　　　　　５００回
この様にしてレーザー光を照射して部分的な形状変化を生じさせたガラス基板について、形状変化部分の基板平面からの変位を表面粗さ計で測定した。この測定結果についても図１に示す。
【００２７】
図１から明らかな通り、ガラス材料の表面に、レーザービームの中心軸に対して回転対象の隆起した形状の最大で０．６μｍの変位が形成され、その断面は、球面ではなく、円錐に近い形状であることが判る。
【００２８】
実施例２
あらかじめ高圧発生装置によって密度を３．６％上昇させたシリカガラス（０．５ｍｍ厚さ）基板を用い、この表面の直径約１００μｍの微小領域に、炭酸ガスレーザーからのレーザー光（波長１０．６μｍ）を照射した。照射条件は下記の通りである。また、ガラス表面におけるレーザー光照射部分の強度分布を図２に示す。
【００２９】
照射条件
レーザー光サイズ　　　　　　　　直径１００μｍ
照射パルスエネルギー　　　３０ｍＪ
照射回数　　　　　　　　　２０００回
この様にしてレーザー光を照射して部分的な形状変化を生じさせたガラス基板について、形状変化部分の基板平面からの変位を表面粗さ計で測定した。この測定結果についても図２に示す。
【００３０】
図２から明らかな通り、ガラス材料の表面に、レーザービームの中心軸に対して回転対象の隆起した形状の最大で１．６μｍの変位が形成され、その断面は、球面ではなく、鋭い中心の隆起部とそのまわりに緩やかな裾が広がる形状であることが判る。
【００３１】
実施例３
液相法によって得られた密度を６．７％減少させた仮焼ゲルシリカガラス（２ｍｍ厚さ）基板を用い、その表面の直径約１００μｍの微小領域に炭酸ガスレーザーからのレーザー光（波長１０．６μｍ）を照射した。照射条件は下記の通りである。また、ガラス表面におけるレーザー光照射部分の強度分布を図３に示す。
【００３２】
照射条件
レーザー光サイズ　　　　　　直径１００μｍ
照射パルスエネルギー　　　　５００ｍＪ
照射回数　　　　　　　　　　　２回
この様にしてレーザー光を照射して部分的な形状変化を生じさせたガラス基板について、形状変化部分の基板平面からの変位を表面粗さ計で測定した。この測定結果についても図３に示す。
【００３３】
図３から明らかな通り、ガラス材料の表面に、レーザービームの中心軸に対して回転対象の陥没した形状の最大で２．８μｍの変位が形成され、その断面は、球面ではなく、ガウス関数に近い形状であることが判る。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１におけるレーザー光照射面の強度分布とガラス材料表面の変位を示すグラフ。
【図２】実施例２におけるレーザー光照射面の強度分布とガラス材料表面の変位を示すグラフ。
【図３】実施例３におけるレーザー光照射面の強度分布とガラス材料表面の変位を示すグラフ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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