(57)【要約】【課題】複数種の光伝播機能を有するプラスチック光学素子及びその製造方法を提供する。【解決手段】プラスチック光学素子は、感光性色素を含有するプラスチック材料に、パルス幅が１０−６秒以下のレーザーを１光束又は多光束干渉で照射して、屈折率が変調した互いに平行な複数の屈折率変調部を形成することにより、複数種の光伝播機能を有することを特徴とする。前記複数種の光伝播機能が、透過型回折光と、感光性色素の発光による光導波光との２種の光伝播機能であることが好ましい。プラスチック光学素子の製造方法は、感光性色素を含有するプラスチック材料に、パルス幅が１０−６秒以下のレーザーを１光束又は多光束干渉で照射することにより、屈折率が変調した互いに平行な複数の屈折率変調部を形成して、前記プラスチック光学素子を作製することを特徴とする。【選択図】　　　図１
2004012956.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
感光性色素を含有するプラスチック材料に、パルス幅が１０−６秒以下のレーザーを１光束又は多光束干渉で照射して、屈折率が変調した互いに平行な複数の屈折率変調部を形成することにより、複数種の光伝播機能を有することを特徴とするプラスチック光学素子。
【請求項２】
複数種の光伝播機能が、透過型回折光と、感光性色素の発光による光導波光との２種の光伝播機能である請求項１記載のプラスチック光学素子。
【請求項３】
屈折率変調部を形成する際のレーザーのパルス幅が１０−１２秒以下である請求項１又は２記載のプラスチック光学素子。
【請求項４】
１光束又は多光束干渉の光照射により、複数種の光伝播を行うことができる請求項１〜３の何れかの項に記載のプラスチック光学素子。
【請求項５】
プラスチック材料が、パルス幅が１０−６秒以下のレーザーの照射により、１×１０−４以上の屈折率変調を生じるプラスチック材料である請求項１〜４の何れかの項に記載のプラスチック光学素子。
【請求項６】
プラスチック材料が、ポリシラン系ポリマーを含んでいる請求項１〜５の何れかの項に記載のプラスチック光学素子。
【請求項７】
感光性色素を含有するプラスチック材料に、パルス幅が１０−６秒以下のレーザーを１光束又は多光束干渉で照射することにより、屈折率が変調した互いに平行な複数の屈折率変調部を形成して、前記請求項１〜６の何れかの項に記載のプラスチック光学素子を作製することを特徴とするプラスチック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、プラスチックフィルムの高機能化・高性能化のためのレーザー加工に関する技術分野および光学機能材料に関する技術分野に属しており、さらには感光性色素を含有するプラスチック材料をレーザー加工することにより得られる複数種の光伝播機能を有しているプラスチック光学素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、プラスチック構造体（部品）の表面や内部を高機能化する要求が高まってきている。このような高機能化の要求に対して、プラスチック構造体自身をポリマーアロイ化又は複合化する材料面での技術対応と、要求に合わせて機能部位を組み込んだり、構造の制御を行ったりする加工面での技術対応との２つの面での取り組みが行われている。例えば、プラスチック構造体の表面の高機能化・高性能化では、表面の化学的、電気的、光学的、物理的等の特性改良・改質を目的に、材料、加工両面から色々と技術的な取り組みがなされている。また、プラスチック構造体の内部（バルク）の高機能化・高性能化では、電気や光の伝導性、光の透過性又は遮断性、水分やガスの透過性又は遮断性、熱・光・応力等の外部刺激に対する応答性又は記憶性などの様々な特性の要求に対応して、材料・加工面の両面から種々の技術的な取り組みがなされている。具体的には、プラスチック構造体の内部に、元のプラスチック内部の構造と異なった構造部位を形成する方法（技術）として、熱を加えることにより相分離（組成変化）、再結晶化（密度や結晶化度の変化）や熱反応を生じさせる方法、圧力や応力を加えることにより分子配向（配向度、光学的・機械的異方性）を促進したり電気的・光学的変化を促進したりする方法、光を照射することにより光反応（電気的化学結合反応）・光架橋（架橋や硬化）・光分解（結合の開裂）などを生じさせる方法が検討されてきている。このような方法（技術）の中で、熱や圧力などは、プラスチック構造体全体に作用させる場合が多く、プラスチック構造体内部における任意の場所（部位）に限定して作用させ、元のプラスチック構造体内部と異なる構造を形成するのは不向きである。一方、光は、本質的に、プラスチック構造体内部の任意の場所への作用させることに適した手段であり、より微細な構造制御による高機能化・高性能化の技術のトレンドに貢献できる可能性がある。
【０００３】
一方、レーザー光源に対する技術進歩は著しく、レーザーが持つ、指向性、空間的・時間的なコヒーレントなどの特徴を活用して、レーザー照射によるアブレーションや穴あけ等の物理的加工、光化学反応・光架橋・光分解等の化学的作用による誘起構造形成などが電子分野・光学分野・医療分野などで広く利用されるようになっている。このようなレーザー照射による物理的および化学的な加工においては、種々の波長のレーザーが用いられている。プラスチック材料のレーザー加工では、プラスチック材料は紫外線波長領域に吸収を有するものが多いので、その特性を利用して、紫外線波長領域のエキシマレーザーやＹＡＧ（イットリウム　アルミニウム　ガーネット；Ｙｔｔｒｉｕｍ　Ａｌｌｕｍｉｎｕｍ　Ｇａｒｎｅｔ）レーザーの波長（１０６１ｎｍ）の３倍波長（３５５ｎｍ）などが用いられている。
【０００４】
また、パルスレーザーとしては、ナノ秒（１０−９秒）のオーダーのパルス幅から、ピコ秒（１０−１２秒）のオーダーのパルス幅へと超短パルス化が進んでおり、更に最近では、チタン・サファイア結晶などをレーザー媒質とするフェムト秒（１０−１５秒）のオーダーのパルス幅を有するパルスレーザーなども開発されてきている。パルス幅が１０−１２秒以下である（例えば、パルス幅がフェムト秒のオーダーである）超短パルスレーザー又はそのシステムは、通常のレーザーが持つ、指向性、空間的・時間的なコヒーレントなどの特徴を有するとともに、パルス幅が極めて狭いことから、同じ平均出力であっても、単位時間・単位空間当たりの電場強度が極めて高いという特徴を有している。そのため、この高い電場強度を利用して、超短パルスレーザーを物質中に照射して新たな構造（誘起構造）を形成させる試みが、無機ガラス材料を主な対象物として行われてきている。
【０００５】
また、高分子材料であるアモルファス・プラスチック等は、無機ガラス材料と比較して、ガラス転移温度が低い。これは、無機ガラス材料が共有結合で三次元的に結合してアモルファス構造が形成されているのに対して、高分子材料は、一次元的に共有結合で繋がった高分子鎖が三次元的に絡み合ってアモルファス構造が形成されていることを反映した結果である。従って、無機ガラス材料に対しては、大きな照射エネルギーで照射しないと、誘起構造が形成されないが、高分子材料では、高いエネルギーの照射は材料の劣化を引き起こす虞があるので、高いエネルギーの照射は回避する必要がある。
【０００６】
一方で、高分子材料は、熱伝導性が低いという特徴を有しているので、蓄熱し易い傾向がある。すなわち、高分子材料は熱運動が無機ガラス材料に比べて容易に起こり、運動や反応に必要な熱量が少なくて済むので、無機ガラス材料に比べて、比較的低い照射エネルギーでも誘起構造が形成される可能性がある。しかしながら、高分子材料であるプラスチック構造体に関して、パルス幅が１０−１２秒以下である（例えば、パルス幅がフェムト秒のオーダーである）超短パルスレーザーの照射による誘起構造形成の検討は、現在まで、無機ガラス材料ほどには行われていなかった。
【０００７】
なお、レーザーの照射方法は、一般的には、単光束のレーザーを照射する方法が採用されるが、レーザーの利用目的によっては、回折ビームスプリッターなどのより多光束化したレーザー光を用いて干渉させて照射する方法なども行われている。格子状（回折格子等の格子の形状）の誘起構造の形成においても、二光束などの干渉を利用すると、単光束による誘起構造よりも格子のピッチ間隔がより微細な回折格子が作製できる可能性がある。このような二光束の干渉を利用して、最近フォトリフラクティブ特性を有する材料の開発や、ＤＦＢレーザー（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　Ｆｅｅｄ−Ｂａｃｋ　ｌａｓｅｒ）発振などの検討が行われている。フォトリフラクティブ材料は、電荷発生材料、増感剤並びに非線形光学材料を含む材料群から構成され、二光束のレーザー照射により光の干渉縞に応じた電場強度の発生とそれに伴った屈折率変調を示す格子状の誘起構造を、レーザー照射条件下において、一時的に形成し回折を起こすことにより、光の分岐やスィッチングなどの光学素子として利用しようとするものである。また、ＤＦＢレーザー発振は、予め形成された永続的な格子状構造物ないしは二光束のレーザー照射による一時的な格子状構造物の中で、レーザー照射によって色素などを励起し、それによる発光を格子によって形成されたファブリー・ペロー共振によりレーザー発振させ単一波長の発光素子として利用しようとするものである。いずれにしても、二光束などの多光束干渉を利用して形成される誘起構造による回折素子や発光素子などの光学素子の作製は、今後の大きな発展が期待される技術分野である。
【０００８】
また、光を導波路中へ導入する結合（カップリング）モードとしては、導波路の端部から光を照射して行うエンド・ファイヤー・カップリング（ｅｎｄ−ｆｉｒｅ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ）の他に、導波路の側面からプリズムを用いて行うプリズム・カップリング（ｐｒｉｓｍ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ）や、格子（グレーティング）を用いたグレーティング・カップリング（ｇｒａｔｉｎｇ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ）の３つのモードがある。導波路の側面からの光の入射に対しては、光の波長、光の入射角度、導波路材料の屈折率、格子の間隔などの一定の条件を満たす場合に光導波路が生じることになる。また、光は、光学的に異なった媒体の界面に入射すると、反射、回折、屈折などの作用を受けて、光路を変更し伝播を行い、例えば、回折に関しては材料表面に形成された規則的な凹凸構造の格子に対しては反射型の回折が起こり、一方、材料内部に形成された規則的な屈折率変化を有する構造の格子に対しては透過型の回折が起こり、それぞれの構造物を回折格子として利用できる。伝送情報の大容量化・高速化に伴い、光通信や光回路の設計において、光の伝播の精密な制御やモジュール化・システム化は、益々重要になってきており、多機能で高性能な光学素子が求められている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、複数種の光伝播機能を有するプラスチック光学素子及びその製造方法を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、パルス幅が１０−１２秒以下である超短パルスレーザーの照射により、透過型回折光と、感光性色素の発光による光導波光との２種の光伝播機能を有するプラスチック光学素子及びその製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記の目的を達成するため鋭意検討した結果、感光性色素を含有するプラスチック材料に、特定のパルス幅のレーザーを照射すると、屈折率が変調した互いに平行な複数の屈折率変調部を形成することができ、しかも複数種の光伝播機能を発揮できることを見出し、本発明を完成させた。
【００１１】
すなわち本発明は、感光性色素を含有するプラスチック材料に、パルス幅が１０−６秒以下のレーザーを１光束又は多光束干渉で照射して、屈折率が変調した互いに平行な複数の屈折率変調部を形成することにより、複数種の光伝播機能を有することを特徴とするプラスチック光学素子である。
【００１２】
前記複数種の光伝播機能は、透過型回折光と、感光性色素の発光による光導波光との２種の光伝播機能であってもよい。前記屈折率変調部は、レーザーの照射後も、屈折率が変調した状態を保持していることが好ましい。また、屈折率変調部を形成する際のレーザーのパルス幅としては、１０−１２秒以下であることが好適である。
【００１３】
本発明のプラスチック光学素子は、１光束又は多光束干渉の光照射により、複数種の光伝播を行うことができる。
【００１４】
また、プラスチック材料としては、パルス幅が１０−６秒以下のレーザーの照射により、１×１０−４以上の屈折率変調を生じるプラスチック材料が好適であり、ポリシラン系ポリマーを含んでいてもよい。
【００１５】
本発明には、感光性色素を含有するプラスチック材料に、パルス幅が１０−６秒以下のレーザーを１光束又は多光束干渉で照射することにより、屈折率が変調した互いに平行な複数の屈折率変調部を形成して、前記プラスチック光学素子を作製することを特徴とするプラスチック光学素子の製造方法も含まれる。
【００１６】
【発明の実施の態様】
以下に、本発明を必要に応じて図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、同一の部材については、同一の符号を付している場合がある。
（プラスチック光学素子）
本発明では、感光性色素を含有するプラスチック材料に、パルス幅が１０−６秒以下のレーザーを１光束又は多光束干渉で外部から照射して、プラスチック材料に（例えば、プラスチック材料の表面又は内部に）屈折率が変調した互いに平行な複数の屈折率変調部を形成している。この互いに平行な複数の屈折率変調部が形成されたプラスチック材料は、前記屈折率変調部により、複数種の光伝播機能を発揮することができ、複数種の光伝播機能を有するプラスチック光学素子である。
【００１７】
図１は本発明のプラスチック光学素子による２種の光伝播機能である透過型回折光と、感光性色素の発光による光導波光との光導波の一例を部分的に示す概略断面図であり、具体的には、パルス幅が１０−１２秒以下のレーザーを２光束干渉で照射して、屈折率が変調した互いに平行な複数の屈折率変調部を形成して、複数種の光伝播機能を有するプラスチック光学素子を作製しながら、前記２光束干渉のレーザーの光照射により、複数種の光伝播を行っている場合の状態を示している。すなわち、図１では、２光束干渉の光照射により、屈折率が変調した互いに平行な複数の屈折率変調部を形成しながら、複数種の光伝播を行っている。図１において、１はプラスチック光学素子（「レーザー加工後のプラスチック材料」と称する場合がある）、２は感光性色素を含有するプラスチック材料（「レーザー加工前のプラスチック材料」と称する場合がある）、３は屈折率変調部、４は屈折率未変調部、５は基板、６１はパルス幅が１０−１２秒以下のレーザー（「超短パルスレーザー」又は単に「レーザー」と称する場合がある）、６２は超短パルスレーザー（レーザー）、７は透過型回折光、８は感光性色素の発光による光導波光である。屈折率変調部３は、屈折率が変調した互いに平行な複数の屈折率変調部（３１，３２，３３，・・）からなっており、パルス幅が１０−１２秒以下のレーザーを２光束干渉で照射することにより、該レーザー６の照射による影響を受けている。一方、屈折率未変調部４はレーザー６の照射による影響を受けておらず、屈折率が変調されていない部位であり、元の状態又は形態を保持している。
【００１８】
また、レーザー（６１，６２）は、２光束干渉で照射している。この２光束干渉によるレーザー（６１，６２）を、レーザー加工前のプラスチック材料２中で干渉が生じるようにして照射することにより、屈折率変調部３が形成されるとともに、プラスチック材料２中での干渉によって２光束干渉によるレーザー（６１，６２）の透過型回折光７と、感光性色素の発光による光導波光８との２種類の光伝播が生じている。
【００１９】
図２は本発明のプラスチック光学素子による２種の光伝播機能である透過型回折光と、感光性色素の発光による光導波光との光導波の他の例を部分的に示す概略断面図であり、具体的には、前記図１と同様に、パルス幅が１０−１２秒以下のレーザーを２光束干渉で照射して、屈折率が変調した互いに平行な複数の屈折率変調部を形成して、複数種の光伝播機能を有するプラスチック光学素子を作製しながら、前記２光束干渉のレーザーの光照射により、複数種の光伝播を行っている場合の状態を示している。すなわち、図２では、２光束干渉の光照射により、屈折率が変調した互いに平行な複数の屈折率変調部を形成しながら、複数種の光伝播を行っている。図２において、１、２、３、４、５、６（６１，６２）は図１と同じであり、７ａは透過型回折光、８ａは感光性色素の発光による光導波光である。図２では、２光束干渉によるレーザー（６１，６２）を、レーザー加工前のプラスチック材料２の表面で干渉が生じるようにして照射することにより、屈折率変調部３が形成されるとともに、プラスチック材料２表面での干渉によって２光束干渉によるレーザー（６１，６２）の透過型回折光７ａと、感光性色素の発光による光導波光８ａとの２種類の光伝播が生じている。
【００２０】
このように、本発明のプラスチック光学素子は、感光性色素を含有するプラスチック材料にパルス幅が１０−６秒以下（特に、１０−１２秒以下）のレーザーを照射することにより屈折率が変調した互いに平行な複数の屈折率変調部が形成されているので、この屈折率変調部により、複数種の光伝播機能（例えば、透過型回折光と、感光性色素の発光による光導波光との２種の光伝播機能など）を発揮することができる。プラスチック光学素子は、複数種の光伝播機能として、透過型回折光や、感光性色素の発光による光導波光以外の光伝播による光導波光をさらに有していてもよい。
【００２１】
屈折率変調部の屈折率変調の程度（屈折率変調度）としては、例えば、１×１０−４以上（好ましくは５×１０−４以上、さらに好ましくは１×１０−３以上）であることが好ましい。従って、屈折率変調部と、屈折率未変調部との屈折率の差としては、１×１０−４以上（好ましくは５×１０−４以上、さらに好ましくは１×１０−３以上）であることが好ましい。
【００２２】
また、レーザー加工前のプラスチック材料２は、フィルム状又は膜状の形態で基板５上に形成されている。このように、レーザー加工前のプラスチック材料は、基板上に形成されていてもよく、基板上に形成されていなくてもよい。レーザー加工前のプラスチック材料は、フィルム状又は膜状の形態であってもよく、それ以外の形態（例えば、厚みが厚くフィルム状又は膜状でない形態など）であってもよい。すなわち、レーザー加工前のプラスチック材料としては、如何なる形状のものであってもよく、またその大きさや厚みなども特に制限されず、さらに基板上などに形成されていてもよい。
【００２３】
なお、レーザー６は、レンズ６ａを用いて焦点を絞って合わせて照射している。レーザーの焦点を絞って合わせる必要が無い場合等ではレンズを用いる必要はない。
【００２４】
図１や２で示されているような２光束干渉による照射では、図１や２で示されているように、２つのレーザー光を２方向から照射して、光の干渉を利用することができる。例えば、２光束干渉でレーザーを照射する方法としては、２台のレーザーを用いて照射する方法や、ビームスプリッター（例えば、ハーフミラー、プリズム、グレーティングなど）を用いて１台のレーザーによる光を分光して照射する方法などを採用することができる。なお、２光束干渉において、その光束間の角度を制御することなどにより、周期構造の間隔を制御することができる。
【００２５】
具体的には、ビームスプリッターなどによりレーザー光源（波長λ）からの光を予め２つに分けた後、ある角度（２θ）で２つの光束を交じり合わせて、プラスチック材料（屈折率ｎ）中や表面で干渉させて、パルス幅が１０−１２秒以下のレーザーを照射する。この干渉によって形成される干渉縞のピッチ間隔（Λ）は、下記に示される式（ａ）のように、λ、θ、ｎを用いて表される。
【数１】
2004012956.tif 000003
【００２６】
なお、２光束干渉が好適に行われるためには、それぞれの光束の光強度はできるだけ等しいことが望まれる。
【００２７】
屈折率変調を伴った規則的な格子状の誘起構造（屈折率が変調した互いに平行な複数の屈折率変調部）がプラスチック材料の内部に形成される場合には、ｍ次の透過回折の効率（ηｍ）は、各次数の回折強度（Ｉｍ）を実測し、下記に示される式（ｂ）を用いて求めることができる。
【数２】
2004012956.tif 000004
【００２８】
また、形成される回折格子の屈折率変調度Δｎは、下記に示される式（ｃ）を用いて求めることができる。
【数３】
2004012956.tif 000005
【００２９】
ここで、Ｌは回折格子の厚さであり、Ｊｍ（δ）はベッセル関数である。
【００３０】
屈折率変調を伴った規則的な格子状の誘起構造がプラスチック材料の表面にレリーフ状に形成される場合には、下記に示される式（ｄ）の条件が満たされればグレーティング・カップリング（ｇｒａｔｉｎｇ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ）により入射レーザーがプラスチック材料中に導かれることになる。
【数４】
2004012956.tif 000006
【００３１】
ここで、β（ｍ）はｍモードの導波されたｗａｖｅ　ｖｅｃｔｏｒであり、ｋ０は波数ベクトル（２π／λ）であり、Ｎ（ｍ）は導波媒体の実効屈折率である。
【００３２】
プラスチック材料中に導かれたレーザー光によって感光性色素が励起され発光し、この発光した光がプラスチック材料中を光導波することになる。プラスチック材料内部に形成された格子と励起された色素によってファブリ・ペローの共振が起こり、ＤＦＢレーザー発振が起こる場合には、この発振されるレーザー波長（λＬ）は、下記に示される式（ｅ）で表される。
【数５】
2004012956.tif 000007
【００３３】
ここで、λＥは励起された色素による発光の波長、ｍは回折次数である（ｍ＝２）。
【００３４】
本発明では、図１や２で示されているように、２光束干渉等の多光束干渉で、レーザーをレーザー加工前のプラスチック材料の表面又は内部における任意の部位に焦点を合わせて照射することにより、互いに平行な複数の屈折率変調部を形成してもよく、１光束でレーザーを照射することにより、互いに平行な複数の屈折率変調部を形成してもよい。いずれにせよ、パルス幅が１０−６秒以下のレーザーを用いて１光束又は多光束干渉で照射して、感光性色素を含有するプラスチック材料中に屈折率が変調した互いに平行な複数の屈折率変調部を形成すればよい。なお、２光束干渉等の多光束干渉で照射する場合は、この干渉により、互いに平行な複数の屈折率変調部を形成することが可能であり、１光束で照射する場合は、焦点をライン状に移動させながら照射して屈折率変調部を形成し、さらに前記屈折率変調部を互いに平行になるように複数形成することにより、互いに平行な複数の屈折率変調部を形成することができる。特に、２光束干渉等の多光束干渉の光照射を利用すると、図１や２で示されているように、互いに平行な複数の屈折率変調部を形成しながら、複数種の光伝播を行うことができる。
【００３５】
また、複数種の光伝播を行う場合は、感光性色素を含有し且つ互いに平行な複数の屈折率変調部を有するプラスチック材料に、１光束又は多光束干渉でレーザーを照射することにより行うことができる。多光束干渉でレーザーを照射することにより複数種の光伝播を行う状態としては、前記図１や２で示しており、１光束のレーザーを照射して複数種の光伝播を行う状態としては、図３や４で示す。図３や４は本発明のプラスチック光学素子による２種の光伝播機能である透過型回折光と、感光性色素の発光による光導波光との光導波の例を部分的に示す概略断面図であり、具体的には、予めパルス幅が１０−６秒以下のレーザーの照射により形成された屈折率が変調した互いに平行な複数の屈折率変調部を有し、且つ感光性色素を含有するプラスチック材料に、１光束のレーザーの光照射を行うことにより、複数種の光伝播を行っている場合の状態を示している。図３や４において、１、２、３、４、５は図１又は２と同じであり、６３はレーザー、７ｂは透過型回折光、７ｃは透過型回折光、８ｂは感光性色素の発光による光導波光、８ｃは感光性色素の発光による光導波光である。
【００３６】
図３では、１光束のレーザー６３を、レーザー加工前のプラスチック材料２中に照射することにより、予め形成されている屈折率変調部３により、レーザー６３の透過型回折光７ｂと、感光性色素の発光による光導波光８ｂとの２種類の光伝播が生じている。
【００３７】
図４では、１光束のレーザー６３を、レーザー加工前のプラスチック材料２の表面に照射することにより、予め形成されている屈折率変調部により、レーザー６３の透過型回折光７ｃと、感光性色素の発光による光導波光８ｃとの２種類の光伝播が生じている。
【００３８】
本発明では、屈折率変調部は、レーザーの照射後も、屈折率が変調した状態を保持していることが好ましいが、レーザーの照射の継続等により経時で消失してもよい。
【００３９】
屈折率変調部（又は各屈折率変調部）の形状としては、特に制限されず、例えば、直方体状、立方体状、円柱状、楕円柱状などの形状を含む種々の形状が挙げられる。また、屈折率変調部としては、例えば、構造の変化により屈折率が変化した屈折率変調部が挙げられる。なお、屈折率変調部は、二次元的のみならず、三次元的にも任意に形成することができる。屈折率変調部の構造の変化としては、例えば、光架橋、光分解、光異性化、光二量体化、光重合化などの光の作用により屈折率が変化する構造の変化が挙げられる。また、熱による相分離（例えば、結晶化などによる相転移など）、熱溶融・冷却、架橋反応や硬化反応、分解反応による構造の変化などの熱による構造の変化であってもよい。いずれにせよ、物理的及び／又は化学的な構造の変化であればよい。なお、構造の変化としては、複数組み合わされていてもよい。また、構造の変化の程度は、均一であってもよく、不均一であってもよい。従って、屈折率変調部は、変化した程度が均一的であるように構造が変化して形成されているような構成であってもよく、また、屈折率未変調部側の端部から内部又は焦点位置若しくはその中心に向かって、変化した程度が徐々に連続的に増加するように構造が変化して形成されているような構成であってもよい。従って、屈折率変調部と、屈折率未変調部との界面（又は境界）は、明瞭又は不明瞭となっていてもよい。
【００４０】
１つのプラスチック材料において、屈折率が変調した互いに平行な複数の屈折率変調部中における各屈折率変調部の総数は、特に制限されない。平行な複数の屈折率変調部中における各屈折率変調部は、適度な間隔を隔てていることが好ましい。各屈折率変調部間の間隔は、任意に選択することができ、例えば、前記式（ａ）に従い任意に選択することが可能である。
【００４１】
本発明では、屈折率変調部の大きさ、形状、構造の変化の程度などは、レーザーの照射時間、プラスチック材料の材質の種類、レーザーのパルス幅の大きさや照射エネルギーの大きさ、レーザーの焦点を調整するためのレンズの開口数や倍率などにより適宜調整することができる。
【００４２】
なお、各屈折率変調部の大きさとしては、例えば、直径又は１辺の長さが１ｍｍ以下（好ましくは５００μｍ以下）であってもよい。このように、各屈折率変調部の大きさが極めて小さくても、レーザーとして超短パルスレーザーを用いることにより、精密に屈折率変調部を制御して作製することができる。
【００４３】
（プラスチック材料）
レーザー加工前のプラスチック材料は、ポリマー成分により構成され、感光性色素を含有している。レーザー加工前のプラスチック材料に対して超短パルスレーザーの照射を有効に行うためには、レーザー加工前のプラスチック材料は超短パルスレーザーの発振波長に対して十分な光透過性を有していることが重要である。そのため、超短パルスレーザーの発振波長の領域に、著しい光の吸収や散乱を起こす着色したプラスチック材料や、散乱粒子を多量に含有しているプラスチック材料は望ましくない。具体的には、レーザー加工前のプラスチック材料は、超短パルスレーザーの発振波長領域において、９５％以上の光透過率を有していることが好ましい。また、レーザー加工前のプラスチック材料は、４００〜８００ｎｍの可視光波長領域において、９５％以上の光透過率を有していることが好ましい。
【００４４】
また、レーザー加工前のプラスチック材料は、パルス幅が１０−６秒以下（特に１０−１２秒以下）のレーザーの照射により、１×１０−４以上（好ましくは５×１０−４以上、さらに好ましくは１×１０−３以上）の屈折率変調を生じるプラスチック材料であることが好ましい。さらにまた、パルス幅が１０−６秒以下（特に１０−１２秒以下）のレーザーの照射により形成された屈折率変調部が、レーザーの照射後も、屈折率が変調した状態を保持していることができるプラスチック材料であることが好ましい。
【００４５】
（ポリマー成分）
レーザー加工前のプラスチック材料を構成するポリマー成分は、照射するレーザーの波長及び／又は該照射波長の多光子に相当する波長に吸収を有するものであることが重要である。また、照射するレーザーによる作用を受けて、屈折率変調を生じるものであることも重要である。さらにまた、屈折率変調により形成された屈折率変調部として、互いに平行に（格子状に）複数形成することができるものであることも重要である。ポリマー成分は、ホモポリマーであってもよく、またコポリマーであってもよく、さらにまた各種のポリマーのブレンドであってもよい。ポリマー成分としては、有機系高分子（熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、紫外線硬化性樹脂など）や無機系高分子などの各種ポリマー成分を用いることができる。
【００４６】
具体的には、ポリマー成分としては、特に制限されず、例えば、ポリイソプレンやポリブタジエンなどのポリジエン類；ポリイソブチレンなどのポリアルケン類；ポリアクリル酸ブチル、ポリアクリル酸エチルなどのポリアクリル酸エステル類；ポリブトオキシメチレンなどのポリビニルエステル類；ポリウレタン類；ポリシロキサン類；ポリサルファイド類；ポリフォスファゼン類；ポリトリアジン類；ポリカーボラン類；ポリカーボネート（ＰＣ）；ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）などのメタクリレート系樹脂；ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）などのポリエステル系樹脂；ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）（ポリエーテルサルホン）；ポリノルボルネン；エポキシ系樹脂；ポリアリール；ポリイミド；ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）；ポリアミドイミド；ポリエステルイミド；ポリアミド；ポリスチレン、アクリロニトリル−スチレン共重合体（ＡＳ樹脂）、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体（ＡＢＳ樹脂）などのスチレン系樹脂；ポリフェニレンエーテルなどのポリアリーレンエーテル；ポリアリレート；ポリアセタール；ポリフェニレンスルフィド；ポリスルホン（ポリサルホン）；ポリエーテルエーテルケトンやポリエーテルケトンケトンなどのポリエーテルケトン類；ポリビニルアルコール；ポリビニルピロリドン；フッ化ビニリデン系樹脂、ヘキサフルオロプロピレン系樹脂、ヘキサフルオロアセトン系樹脂などのフッ素系樹脂などが挙げられる。従って、プラスチック材料としては、例えば、アクリル系プラスチック、桂皮酸ビニル系プラスチック、感光性ポリイミド、光硬化性エポキシ系樹脂、光硬化性シリコーン系樹脂、フォトクロミック基含有プラスチックなどであってもよい。
【００４７】
本発明では、ポリマー成分としては、ポリシラン系ポリマーを好適に用いることができる。ポリシラン系ポリマーは、他のポリマー（例えば、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、紫外線硬化性樹脂などの前記例示の有機系高分子など）と併用することができる。該他のポリマーを用いることにより、プラスチック材料の機械的特性などを適宜調整することができる。
【００４８】
ポリシラン系ポリマーは、ケイ素−ケイ素結合を有する主鎖から構成されているポリマーである。主鎖のケイ素原子に置換している置換基としては、特に制限されず、例えば、水素原子、有機基、ハロゲン原子などが挙げられる。ポリシラン系ポリマーは単独で又は２種以上組み合わせて使用することができる。
【００４９】
より具体的には、ポリシラン系ポリマーとしては、例えば、下記式（１）で表される構造単位を有するポリマーを用いることができる。
【化１】
2004012956.tif 000008
（式（１）において、Ｒ１、Ｒ２は、同一又は異なって、水素原子、ヒドロキシル基、アルコキシ基、炭化水素基、ハロゲン原子、ポリシラン骨格を示す。）
【００５０】
前記式（１）において、Ｒ１、Ｒ２は、同一又は異なっていてもよい。Ｒ１又はＲ２のアルコキシ基としては、例えば、メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、イソプロポキシ基、ブチルオキシ基、イソブチルオキシ基、ｓ−ブチルオキシ基、ｔ−ブチルオキシ基、ペンチルオキシ基、ヘキシルオキシ基、オクチルオキシ基、デシルオキシ基、ドデシルオキシ基などの炭素数が１〜２０程度のアルコキシ基が挙げられる。
【００５１】
炭化水素基としては、例えば、アルキル基、シクロアルキル基、アリール基などが挙げられる。アルキル基としては、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、ｓ−ブチル基、ｔ−ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基、ノニル基、デシル基、ウンデシル基、ドデシル基、トリデシル基、テトラデシル基、ペンタデシル基、ヘキサデシル基、ヘプタデシル基、オクタデシル基などの炭素数１〜２０程度のアルキル基が挙げられる。シクロアルキル基には、シクロヘキシル基などの炭素数５〜１０程度のシクロアルキル基が含まれる。また、アリール基としては、フェニル基、ナフチル基や、ビフェニル基、クメニル基、メシチル基、トリル基、キシリル基などが挙げられる。炭化水素基は、例えば、ヒドロキシル基、アルコキシ基、カルボキシル基、アルコキシカルボニル基、アシル基、ニトロ基、シアノ基、アミノ基、ハロゲン原子、炭化水素基などの置換基を有していてもよい。
【００５２】
ハロゲン原子には、フッ素、塩素、臭素原子が含まれる。
【００５３】
ポリシラン骨格は、前記式（１）で表される構造単位を有するポリシランの骨格を示している。
【００５４】
ポリシラン系ポリマーは、ホモポリマーであってもよく、コポリマーであってもよい。なお、ポリシラン系ポリマーがコポリマーの場合、ポリシラン系ポリマーとしては、例えば、前記式（１）で表される複数種（２種以上）の構造単位を有するコポリマーが挙げられる。コポリマーは、ランダム共重合体又はブロック共重合体のいずれであってもよい。
【００５５】
ポリシラン系ポリマーとしては、例えば、ポリシラン；ポリ（ジメチルシラン）、ポリ（メチルエチルシラン）、ポリ（メチルプロピルシラン）、ポリ（メチルブチルシラン）、ポリ（メチルヘキシルシラン）、ポリ（ジヘキシルシラン）、ポリ（ジドデシルシラン）等のポリ（アルキルアルキルシラン）；ポリ（メチルシクロヘキシルシラン）等のポリ（アルキルシクロアルキルシラン）；ポリ（メチルフェニルシラン）、ポリ（エチルフェニルシラン）、ポリ（プロピルフェニルシラン）、ポリ（イソプロピルフェニルシラン）、ポリ（ブチルフェニルシラン）、ポリ（ヘキシルフェニルシラン）等のポリ（アルキルアリールシラン）；ポリ（ジフェニルシラン）等のポリ（アリールアリールシラン）；ポリフェニルシリン、ポリメチルシリン等のケイ素原子の３次元構造を有する（ケイ素原子が３次元的に結合された構造を有する）ケイ素原子含有ポリマーなどのホモポリマーや、ポリ（ジメチルシラン−メチルシクロヘキシルシラン）、ポリ（ジメチルシラン−メチルフェニルシラン）などのコポリマーなどが挙げられる。
【００５６】
ポリシラン系ポリマーの分子量（重量平均分子量など）は特に制限されない。ポリシラン系ポリマーの分子量（重量平均分子量など）は、目的とするプラスチック光学素子に応じて適宜選択することができ、例えば、１，０００〜５０，０００程度の範囲から選択することができる。
【００５７】
ポリシラン系ポリマーは、直鎖状、環状、三次元網目状などのいずれの形状を有していてもよい。
【００５８】
このようなポリシラン系ポリマーに対して、パルス幅が１０−１２秒以下の超短パルスレーザーを照射すると、シロキサン結合やシラノール基（Ｓｉ−ＯＨ）が生成し、構造が変化して屈折率が変化した屈折率変調部が形成される。また、ポリシラン系ポリマーは、紫外線領域の波長の光の照射により、シロキサン結合やシラノール基（Ｓｉ−ＯＨ）が生成し、屈折率が大きく低下して屈折率変調部が形成されることが知られており（Ｌ．Ａ．Ｈｏｒｎａｋｅｔａｌ．，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．６７，２２３５，１９９０）、例えば、エキシマレーザーやＹＡＧレーザー（１０６４ｎｍ）の３倍波（３５５ｎｍ）などの紫外線領域の波長のレーザーの照射によって、永続的な屈折変調を起こす。
【００５９】
なお、ポリシラン系ポリマー以外のポリマーに対してパルス幅が１０−１２秒以下の超短パルスレーザーを照射すると、ポリマーの密度が変化したりすることにより、屈折率が変調した屈折率変調部を形成することができる。
【００６０】
（感光性色素）
レーザー加工前のプラスチック材料に含有されている感光性色素としては、照射するレーザーの波長及び／又は該照射波長の多光子に相当する波長に吸収を有し且つ発光する色素であることが重要である。感光性色素としては、例えば、前記波長領域に光の吸収性を有し且つ十分な発光の量子効率を有する感光性色素を好適に用いることができる。このような感光性色素として、代表的なものとしては、例えば、ナフタレン、アントラセン、ペリノンなどの芳香族多員環を有する化合物、チアゾール環やベンゾチアゾール環、クマリン環などのヘテロ芳香族環を有する化合物の他、これらの芳香族系多員環やヘテロ芳香族環を分子内に複数含んでいる化合物などが挙げられる。具体的には、感光性色素としては、例えば、アゾ系色素［例えば、ディスパース・レッド１（ＤＲ−１）など］、アントラキノン系色素［例えば、ディスパース・ブルー５６（ＤＢ−５６）など］、ナフトールアゾ系色素（例えば、ダイレクト・ファースト・スカーレット４ＢＳなど）、キノリン系色素（例えば、ソルベルトイエロー３３など）、フルオラン系色素（例えば、ローダミンＢレーキなど）などが挙げられる。感光性色素は単独で又は２種以上組み合わせて使用することができる。
【００６１】
本発明では、感光性色素は、ポリマー成分中に分散している状態で含まれていてもよく、ポリマー成分の高分子鎖の末端や側鎖として結合している状態で含まれていてもよい。
【００６２】
レーザー加工前のプラスチック材料において、感光性色素の含有割合は、ポリマー成分全量に対して０．０１〜２０重量％（好ましくは０．１〜１０重量％、さらに好ましくは０．５〜５重量％）程度の範囲から選択することができる。感光性色素の含有割合が０．０１重量％未満であると発光による光導波光の強度が低下し、一方、２０重量％を超えると濃度消光による発光の低下により光導波光の強度が低下する。
【００６３】
なお、本発明では、プラスチック材料は、無機化合物や金属化合物などの他の材料を分散状態で含んだ複合体や他の材料を層状の状態で含んだ積層体であってもよい。また、必要に応じて架橋剤、滑剤、静電防止剤、可塑剤、分散剤、安定剤、界面活性剤、無機あるいは有機の充填剤などを含有していてもよい。
【００６４】
（基板）
超短パルスレーザーによるプラスチック光学素子の作製に際して、感光性色素を含有するプラスチック材料は、基板上に形成されていてもよい。感光性色素を含有するプラスチック材料による層を基板上に形成する方法としては、特に制限されず、例えば、公知乃至慣用のラミネート法や成膜方法などを利用することができる。例えば、プラスチック材料（特に、ポリシラン系ポリマーを含有するプラスチック材料）の成膜方法としては、溶媒にプラスチック材料を溶解又は分散させて、キャスト、スピンコート等を行う方法などが挙げられる。
【００６５】
このような基板としては、無機材料系基板や有機材料系基板を用いることができる。無機材料系基板としては、特に制限されないが、例えば、ガラス系材料（ガラス基板またはガラス製基板）を好適に用いることができる。ガラス系材料としては、その素材は特に制限されず、公知乃至慣用のガラス系材料を用いることができる。ガラス系材料には、例えば、シリカガラス、石英ガラス、ソーダガラス、ホウ酸ガラスなどが含まれる。ガラス系材料は、単独で又は２種以上組み合わせて使用することができる。
【００６６】
基板は単層であってもよく積層体であってもよい。なお、基板は用いられていなくてもよい。
【００６７】
（レーザー）
プラスチックフィルムを加工する際に使用するレーザーとしては、パルス幅が１０−６秒以下であれば特に制限されないが、パルス幅が１０−１２秒以下のパルスレーザー（超短パルスレーザー）を好適に用いることができる。このような超短パルスレーザーとしては、パルス幅が１０−１２秒以下であれば特に制限されず、パルス幅が１０−１５秒のオーダーのパルスレーザーを好適に用いることができる。パルス幅が１０−１５秒のオーダーであるパルスレーザーには、パルス幅が１×１０−１５秒〜１×１０−１２秒であるパルスレーザーが含まれる。より具体的には、超短パルスレーザーとしては、パルス幅が１０×１０−１５秒〜５００×１０−１５秒（好ましくは５０×１０−１５秒〜３００×１０−１５秒）程度であるパルスレーザーが好適である。
【００６８】
パルス幅が１０−１２秒以下である超短パルスレーザーは、例えば、チタン・サファイア結晶を媒質とするレーザーや色素レーザーを再生・増幅して得ることができる。
【００６９】
超短パルスレーザーの波長（発振波長）としては、例えば、可視光の波長領域（例えば、４００〜８００ｎｍ）であることが好ましい。また、超短パルスレーザーの繰り返しとしては、例えば、１Ｈｚ〜８０ＭＨｚの範囲から選択することができ、通常、１０Ｈｚ〜５００ｋＨｚ程度である。
【００７０】
なお、超短パルスレーザーの平均出力又は照射パワーとしては、特に制限されず、目的とする屈折率変調部の大きさや等に応じて適宜選択することができ、例えば、５００ｍＷ以下（例えば、１〜５００ｍＷ）、好ましくは５〜３００ｍＷ、さらに好ましくは１０〜１００ｍＷ程度の範囲から選択することができる。このように、超短パルスレーザーの照射パワーは低くてもよい。そのため、プラスチック材料への超短パルスレーザーの照射による熱的な影響などを抑制又は防止して、屈折率変調部を形成することができる。
【００７１】
また、超短パルスレーザーの照射スポット径としては、特に制限されず、目的とする屈折率変調部の大きさや、レンズの大きさや開口数又は倍率などに応じて適宜選択することができ、例えば、０．１〜１０μｍ程度の範囲から選択することができる。
【００７２】
本発明では、レーザーの光線の焦点を絞って合わせるためにレンズ（対物レンズ）を用いることができる。該レンズの開口数（ＮＡ）は、特に制限されず、対物レンズの倍率に応じて変更することができ、通常は、倍率としては１０〜５０倍、開口数としては０．３〜０．８程度の範囲から選択される。
【００７３】
本発明では、プラスチック光学素子は、そのまま用いてもよく、他の部材と組み合わせて用いてもよい。また、プラスチック光学素子には、複数種の光伝播機能に悪影響を与えない範囲で任意の加工や処理を施すこともできる。
【００７４】
このようなプラスチック光学素子は、照射レーザー光の透過型回折光と、感光性色素の発光によるプラスチック材料中での光導波光と２種類の光伝播機能などの複数種の光伝播機能を有しているので、回折格子、光導波路材料として単独の機能の活用だけでなく、光の多分岐や多重の光スイッチングなどの複合機能の活用により、今後の小型化、モジュール化、システム化に対応できる光機能部材や光接続部材として利用することができる。
【００７５】
【発明の効果】
本発明によれば、プラスチック光学素子は、感光性色素を含有するプラスチック材料に、パルス幅が１０−６秒以下のレーザーを１光束又は多光束干渉で照射して、屈折率が変調した互いに平行な複数の屈折率変調部が形成されることにより作製されており、透過型回折光と、感光性色素の発光による光導波光との２種の光伝播機能を発揮でき、そのため、複数種の光伝播機能を有している。従って、回折格子や光機能部材として応用が可能な高機能性を有するプラスチック光学素子を、容易に且つ精密に作製することができる。
【００７６】
【実施例】
以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。
【００７７】
（実施例１）
ポリマー成分としてポリ（メチルフェニルシラン）１００重量部に対して、感光性色素として１，４−ビス［２−［４−［Ｎ，Ｎ−ジ（パラ−トリル）アミノ］フェニル］ビニルベンゼン（３５５ｎｍ以下の紫外線波長領域に吸収を有している）を１重量部添加したポリシラン系プラスチック材料を、溶媒としてジクロロメタン中に溶解させ、この溶液をスピンコート法により、ガラス板上に塗工し、厚みが約０．５μｍのポリシラン系プラスチック材料による薄膜を形成して、照射サンプルを作製した。
【００７８】
チタン・サファイア・フェムト秒パルスレーザー装置及び対物レンズ（倍率：１０倍）を使用して、超短パルスレーザー（照射波長：８００ｎｍ、パルス幅：１５０×１０−１５秒、繰り返し：２００ｋＨｚ）を、ビームスプリッターで予め２光束化し、前記照射サンプル中でその２光束を交じり合わせて干渉を起こさせた（照射光パワー３０ｍＷ）。
【００７９】
その結果、入射レーザー光の透過回折と思われる回折光と、感光性色素の発光による導波光が観察された。
【００８０】
なお、ポリマー成分としてのポリ（メチルフェニルシラン）は、下記式（２）で表される。また、感光性色素としての１，４−ビス［２−［４−［Ｎ，Ｎ−ジ（パラ−トリル）アミノ］フェニル］ビニルベンゼンは、下記式（３）で表される。
【化２】
2004012956.tif 000009
【化３】
2004012956.tif 000010
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のプラスチック光学素子による２種の光伝播機能である透過型回折光と、感光性色素の発光による光導波光との光導波の一例を部分的に示す概略断面図である。
【図２】本発明のプラスチック光学素子による２種の光伝播機能である透過型回折光と、感光性色素の発光による光導波光との光導波の他の例を部分的に示す概略断面図である。
【図３】本発明のプラスチック光学素子による２種の光伝播機能である透過型回折光と、感光性色素の発光による光導波光との光導波の例を部分的に示す概略断面図である。
【図４】本発明のプラスチック光学素子による２種の光伝播機能である透過型回折光と、感光性色素の発光による光導波光との光導波の例を部分的に示す概略断面図である。
【符号の説明】
１　　プラスチック光学素子（レーザー加工後のプラスチック材料）
２　　感光性色素を含有するプラスチック材料（レーザー加工前のプラスチック材料）
３　　屈折率変調部
３１　各屈折率変調部
３２　各屈折率変調部
３ｎ　各屈折率変調部
４　　屈折率未変調部
５　　基板
６１　超短パルスレーザー
６２　超短パルスレーザー
６３　超短パルスレーザー
７　　透過型回折光
７ａ　透過型回折光
７ｂ　透過型回折光
７ｃ　透過型回折光
８　　感光性色素の発光による光導波光
８ａ　感光性色素の発光による光導波光
８ｂ　感光性色素の発光による光導波光
８ｃ　感光性色素の発光による光導波光
【図１】
2004012956.tif 000011
【図２】
2004012956.tif 000012
【図３】
2004012956.tif 000013
【図４】
2004012956.tif 000014