(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属薄膜が配置された石英ガラスの前記金属薄膜に前記石英ガラス側からレーザー光を照射して前記石英ガラス中に金属球を形成し、前記金属球を移動させつつ、前記金属球から金属微粒子を分離させて前記石英ガラス中に金属微粒子を埋設する方法。
【請求項２】
前記金属薄膜と前記石英ガラスの間にホウケイ酸ガラスを挟む請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記金属薄膜は、ステンレス鋼、ニッケル及び白金の少なくともいずれかを含む請求項１記載の方法。
【請求項４】
金属薄膜が配置された石英ガラスの前記金属薄膜に前記石英ガラス側からレーザー光を照射して前記石英ガラス中に金属球を形成し、前記金属球を移動させつつ、前記金属球から金属微粒子を分離させる、金属微粒子が埋設された石英ガラスを製造する方法。
【請求項５】
前記金属薄膜と前記石英ガラスの間にホウケイ酸ガラスを挟む請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記金属薄膜は、ステンレス鋼、ニッケル及び白金の少なくともいずれかを含む請求項４記載の金属微粒子が埋設された石英ガラスを製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガラス中に金属微粒子を埋設する方法、金属微粒子が埋設されたガラス及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属微粒子が埋設されたガラスは、金属微粒子の量によって透過量を調節することが可能であり、近年、光通信等の光情報通信分野に応用できる光学材料として期待されている。また、ガラスといった材料内に金属微粒子を所望の形状に配置させることでオブジェとしての応用も考えられる。
【０００３】
金属微粒子を埋設する方法として、例えば、下記特許文献１に記載の技術がある。下記特許文献１には、金属イオンを添加したガラスを原料とし、溶解した無色のガラスにパルスレーザ光を集光照射し、焦点近傍のガラス内部で金属イオンを還元し、ナノ粒子として析出させる方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−６０２７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１に記載の技術は、金属イオンを添加したガラスを使用するものであって、予め所望の範囲で金属イオンを含むガラスとしなければならず、ガラスの準備に関し金属イオンの濃度調整等の制約が大きいといった課題がある。
【０００６】
そこで、本発明は、上記課題を鑑み、より制約の少ない、ガラス中に金属微粒子を埋設する方法、金属微粒子が埋設されたガラス及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一の観点に係る石英ガラス中に金属微粒子を埋設する方法は、金属薄膜が配置された石英ガラスの金属薄膜に石英ガラス側からレーザー光を照射して石英ガラス中に金属球を形成し、前記金属球を移動させつつ、金属球から金属微粒子を分離させて石英ガラス中に金属微粒子を埋設することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の他の一観点に係る金属微粒子が埋設された石英ガラスを製造する方法は、薄膜が配置された石英ガラスの薄膜に石英ガラス側からレーザー光を照射して石英ガラス中に金属球を形成し、金属球を移動させつつ、金属球から金属微粒子を分離させることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の一の観点に係る金属微粒子が埋設された石英ガラスは、金属球、及び、金属球から延びる複数の金属微粒子を含む軌跡領域が埋設されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
以上、本発明によって、より制約の少ない、ガラス中に金属微粒子を埋設する方法、金属微粒子が埋設されたガラス及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態に係る方法のフロー図である。
【図２】実施形態に係る方法のイメージを示す図である。
【図３】実施形態において金属微粒子を埋設した場合における金属球の軌跡のイメージ図である。
【図４】実施形態における金属球の軌跡のイメージ図である。
【図５】実施形態に係る方法他の例のイメージ図である。
【図６】実施例おいて用いた系の概略図である。
【図７】実施例に係る金属微粒子の写真図である。
【図８】実施例に係る金属微粒子の拡大写真図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は多くの異なる形態による実施が可能であり、以下に示す実施形態、実施例の記載にのみ限定されるわけではない。
【００１３】
図１は、本実施形態に係る金属微粒子を埋設する方法（以下「本方法」とする）のフローを示す図であり、図２は、本方法のイメージを示す図である。
【００１４】
本方法は、金属薄膜１２が配置された石英ガラス１１の金属薄膜１２に、石英ガラス１１側からレーザー光Ｌを照射して石英ガラス１１中に金属球１３を形成し（Ｓ１）、金属球１３を移動させつつ、金属球１３から金属微粒子１４を分離させて（Ｓ２）、石英ガラス１１中に金属微粒子１４を埋設することを特徴とする。
【００１５】
本方法では、まず、金属薄膜が配置された石英ガラス１１の金属薄膜１２に、石英ガラス１１側からレーザー光Ｌを照射して石英ガラス１１中に金属球１３を形成する（Ｓ１、図２（ａ））。本工程によると、石英ガラス１１側から金属薄膜１２にレーザー光Ｌを絞って照射することで、レーザー光Ｌが照射された部位の金属薄膜１２１が加熱され、この部位の金属薄膜１２１が溶融するとともに、熱の伝わりによってその周辺の石英ガラス１１１も溶融（軟化）する。すると、溶融したガラス中に溶融した部位の金属が光の照射された方向に移動し、溶融（軟化）した石英ガラス中に移動し、石英ガラス中に浮いた金属球１３となる。金属球１３が形成される原理及びこの金属球１３が移動する原理は、推測の部分もあるが、レーザー光が照射されることで加熱された場合、照射側が高温になる。ガラスの界面張力は温度が上昇することで小さくなるため、照射側の界面張力が小さくなり、照射されていない側の界面張力が大きくなり、この界面張力の差が金属球の移動をもたらすと考えられる。
【００１６】
また本実施形態に係る金属薄膜が配置された石英ガラス１１は、石英からなるガラスであり、市販のガラスを使用することができる。石英ガラス１１の厚さは、レーザー光Ｌを透過し、熱により溶融して金属球を内部に形成、移動させることができる程度に厚い限りにおいて限定されるわけではないが、例えば１０μｍ以上１０ｃｍ以下であることが好ましい。
【００１７】
また本実施形態において、金属薄膜１２は、石英ガラスに接触して配置されるものであって、石英ガラス１１中に金属球として形成でき、金属微粒子を分散させることができるものである限りにおいて限定されるわけではないが、例えば鉄、ニッケル及び白金の少なくともいずれかを含むものであることが好ましく、鉄を含む場合、ステンレス鋼であることがより好ましい。
【００１８】
また、金属薄膜２の厚さは、石英ガラス１１中に金属球１３を形成することが出来る限りにおいて限定されるわけではないが、０．１μｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましく、より好ましくは０．１μｍ以上１００μｍ、更に好ましくは１０μｍ以下である。
【００１９】
本方法においてレーザー光Ｌの波長範囲としては、所望の位置に光を照射し金属球を形成することができる限りにおいて限定されるわけではないが、３５０ｎｍ以上２０００ｎｍ以下であることが好ましく、より好ましくは４５０ｎｍ以上１１００ｎｍ以下である。
【００２０】
またレーザー光Ｌの強度としては、金属球１３及び金属微粒子１４を形成することができる限りにおいて限定されるわけではないが、１０ｋＷ／ｃｍ２以上３０００ｋＷ／ｃｍ２以下の範囲であることが好ましく、より好ましくは５０ｋＷ／ｃｍ２以上２０００ｋＷ／ｃｍ２以下の範囲、更に好ましくは１００ｋＷ／ｃｍ２以上１０００ｋＷ／ｃｍ２である。
【００２１】
またレーザー光Ｌは絞られてスポットとなり照射されていることが好ましく、このスポットの径としては、限定されるわけではないが１０μｍ以上１０００μｍ以下の範囲内であることが好ましく、より好ましくは２０μｍ以上５００μｍ以下の範囲内である。
【００２２】
なお、本方法においてレーザー光Ｌの照射時間は、上記の光の波長及び強度に応じて適宜調整可能である。
【００２３】
また本方法では、金属球１３を移動させつつ、金属球１３から金属微粒子１４を分離させる（Ｓ２）。本方法では金属球１３が形成された後、金属球１３が溶融した石英ガラス中を移動する際、金属球１３の一部が金属微粒子１４として分離する。この結果、石英ガラス１１中に金属微粒子１４を埋設することができる（Ｓ３）。
【００２４】
また、本方法において、金属球１３から分離する金属微粒子１４の大きさは、限定されるわけではないが、０．１μｍ以上１０００μｍ以下であり、好ましくは３μｍ以上３００μｍである。なお、１００μｍ以上の金属微粒子となると、肉眼でも認識が可能となる。
【００２５】
また本方法において形成される金属微粒子１４は、移動軌跡の延びる方向に対し縞状に形成されてなる。ここで「縞状」とは、軌跡の延びる方向に対し垂直な方向に広がりを有する一方、軌跡の延びる方向に沿って濃淡が生じている状態をいう。この場合のイメージ図を図３に示しておく。
【００２６】
また本方法において、金属微粒子１４は、上記のとおり、金属球１３の移動に伴い金属球１３から分離するものである。ところで金属球１３はレーザー光Ｌが入射される方向に向かって移動するため、レーザー光Ｌと石英ガラス１１の位置関係を固定した場合、金属球１３の移動軌跡は直線となる。このため、レーザー光の照射中に、レーザー光Ｌと石英ガラス１１の位置関係を異ならせる、具体的には、石英ガラス１１を固定する一方石英ガラスに対するレーザー光の入射角を変化させる、または石英ガラス１１を回転させて石英ガラス１１に対するレーザー光の入射角を変化させることで、この軌跡を折れ曲がらせる又は曲線とすることが可能となる。この場合のイメージを図４に示しておく。
【００２７】
また、上記の記載から明らかなように、本方法によると、金属球及びこの金属球から延びる金属微粒子の移動軌跡が埋設されてなる石英ガラスを提供することができる。
【００２８】
以上、本方法によって、より制約の少ない、ガラス中に金属微粒子を埋設する方法、金属微粒子が埋設されたガラスの製造方法、及び、金属微粒子が埋設されたガラスを提供することができる。より具体的に説明すると本方法によると、石英ガラス１１に金属薄膜１２を配置し、レーザー光Ｌを照射するだけで、金属球１３を形成し、その金属球１３を移動させるだけでガラス中に金属微粒子を分離させ、その金属微粒子を軌跡として残すことができる。
【００２９】
また、本方法において、石英ガラスと金属薄膜の間には、ホウケイ酸ガラスを配置しておくことが好ましい。この場合のイメージ図を図５に示しておく。ここで「ホウケイ酸ガラス」とは、ホウ酸を混ぜたガラスをいい、ホウケイ酸ガラスを石英ガラスと金属薄膜の間に配置することで石英ガラスへの金属球の導入を容易にすることができるといった効果がある。なおホウケイ酸ガラスの厚さとしては適宜調整されるわけではないが、１μｍ以上３ｍｍ以下であることが好ましい。
【００３０】
なお、本方法によって作成される金属微粒子が埋設されたガラスは、産業上様々な用途に用いることができる。例えば、光デバイスやオブジェ等に用いることができる。オブジェの場合、金属微粒子の軌跡によって文字や記号、図形等を標記し、ガラス内にこれらが埋め込まれたものとすることができる。また光デバイスの場合、希土類の元素を軌跡にいれることで、光増幅機能を持たせることや、金属元素を入れることで、ある波長の光を吸収させるフィルタの機能を持たせたることができる。
【実施例】
【００３１】
ここで、上記実施形態に基づき実際にガラス中に金属微粒子を埋設することにより、本発明の効果を確認した。以下具体的に説明する。
【００３２】
２０ｍｍ×２０ｍｍ、厚さ１０ｍｍの石英ガラス（東ソー・クォーツ社製）を用い、２０ｍｍ×２０ｍｍ、厚さ５ｍｍのホウ珪酸ガラス（コーニング７７４０）、厚さ１０μｍのＳＵＳ３０４金属箔、２０ｍｍ×２０ｍｍ、厚さ５ｍｍのホウ珪酸ガラスの順に積層した。なおこの系の概略について図６に示しておく。
【００３３】
そして、この石英ガラスに波長１０６０ｎｍのＹＡＧレーザーをガラスの面に対して垂直な方向から１７Ｗ程度で照射した。この結果、石英ガラス中に粒径約８０μｍの金属球と、この金属球が移動した結果金属球から分離した金属微粒子を確認することができた。この結果を図７に示しておく。この結果、ガラス中に金属球を埋設することができたとともに、縞状の微粒子も分離させることができているのを確認した。
【００３４】
また、上記と同じ条件で、金属箔の材料をニッケルとして同様の実験を行った。この結果を図８に示しておく。この結果によっても、上記と同様、金属球を埋設することができたとともに、縞状の微粒子も分離させることができ、同様の結果を得ることができた。
【００３５】
本図で示すように、本方法によると、石英ガラスに金属薄膜を形成し、この金属薄膜に石英ガラスの方向からレーザー光を照射することで金属球を生じさせ、さらにこの金属球を移動させることで金属微粒子を分離させ、軌跡としてガラス基板中に埋設させることができることを確認した。
【００３６】
以上、本実施例により、本発明の効果を確認することができた。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明は、金属微粒子が埋設されたガラス基板及びその製造方法として産業上の利用可能性がある。
【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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【図７】
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【図８】
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