(57)【要約】 【課題】  ガラス基板を材料として、マスク膜の形成・除去工程を無くし、かつ任意の屈折率分布を持った、光学素子及びその製造方法を提供すること。【解決手段】金属イオンＡを含むガラス基板１を、金属イオンＡよりもイオン半径の大きな金属イオンＢを含有する溶融塩１２に浸漬し、ガラス基板を前記溶融塩中に浸漬している間に、パルス幅１ｐｓ以下のパルスレーザ８をガラス基板１の表層部に集光照射せしめることにより、パルスレーザ８の焦点１０の近傍における金属イオンＡと金属イオンＢとのイオン交換を促進し、ガラス基板１の屈折率を局所的に変化させることを特徴とする光学素子。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属イオンＡを含むガラス基板を、
金属イオンＡよりもイオン半径の大きな金属イオンＢを含有する溶融塩中に浸漬し、
ガラス基板を前記溶融塩中に浸漬している間に、
パルス幅１ｐｓ以下のパルスレーザをガラス基板の表層部に集光照射せしめることにより、
パルスレーザの焦点の近傍における金属イオンＡと金属イオンＢとのイオン交換を促進し、
ガラス基板の屈折率を局所的に変化させることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
金属イオンＡを含むガラス基板を、
金属イオンＡよりもイオン半径の大きな金属イオンＢを含有する溶融塩中に浸漬し、
金属イオンＡと金属イオンＢとをイオン交換し、
ガラス基板の屈折率を変化させる光学素子の製造方法において、
ガラス基板を前記溶融塩中に浸漬している間に、
パルス幅１ｐｓ以下のパルスレーザをガラス基板の表層部に集光照射することによって、
パルスレーザの焦点の近傍における金属イオンＡと金属イオンＢとのイオン交換を局所的に促進することを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項３】
前記金属イオンＡとして、アルカリ金属イオンを用いることを特徴とする、請求項２に記載の光学素子の製造方法。
【請求項４】
前記金属イオンＡとして、ナトリウムイオンを用いることを特徴とする、請求項２又は３に記載の光学素子の製造方法。
【請求項５】
前記金属イオンＢとして、カリウムイオンを用いることを特徴とする、請求項４に記載の光学素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン交換によりガラス基板表層の一部分の屈折率を変化させて、基板上に極小径レンズを設ける、光学素子及びその製造方法の改良に関し、特に、パルスレーザの集光照射によって局所的にイオン交換を誘起することにより形成される、マイクロレンズアレイ、光導波路等の光学素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガラス基板の片面に、基板周囲よりも屈折率の大きな領域からなる微小なレンズを多数形成したマイクロレンズアレイは、通常の球面レンズでは製作が不可能であるような極めて多数、かつ高集積度のものを得ることができるので、光通信や光学デバイス等、光学分野で広範な用途に用いられている。
【０００３】
一般的に、上記のようなマイクロレンズの製造方法としては、いわゆるイオン交換法が好適である。イオン交換法とは、金属イオン（以下、金属イオンＡとする）を含んだガラス基板の表層を、金属チタン等からなるイオン拡散防止用のマスク膜で被覆し、そのマスク膜に所定のレンズアレイパターンを持ったスリット状開口部パターンを設け、このマスク膜被覆基板を、金属イオンＡよりもイオン半径の大きい金属イオン（以下、金属イオンＢとする）を含んだ溶融塩中に浸漬し、前記マスク膜のスリット状開口部パターンを通して金属イオンＡと金属イオンＢとを交換させて、これらのイオン半径差から生じる応力歪みによってガラス基板表層の屈折率を部分的に変化させることにより、マイクロレンズを形成する方法である。このイオン交換法は、マスク膜２のスリット状開口部パターンの形状と幅を変えることにより、マイクロレンズアレイ以外にも光導波路など、種々の光学素子に用いられている。
【０００４】
しかしながら、上記に示すようなイオン交換法においては、例えば６００℃近くの硫酸塩の溶融塩中におけるイオン交換処理に約１週間もの時間を要する等、コスト高になり、生産性が低いという問題がある。このため、例えば特許文献１の、図１に示すようなガラス基板１で仕切られた溶融塩槽６中に、マスク膜２と接する側には金属イオンＢを含む溶融塩３を、他方には金属イオンＢを含まない溶融塩４を満たし、該溶融塩槽６中に１対の電極板５を浸し、該ガラス基板１に直流電界を印加し、イオン交換反応を加速したことを特徴とした光学素子作製法が知られている。
【０００５】
【特許文献１】特開昭５８−１６７４５１号公報    （実施例１、第３図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし特許文献１の技術では、マスク膜２のスリット状開口部パターンの近傍において、ガラス基板１に含有される金属イオンＡと、イオン交換された金属イオンＢは、時間の経過とともにスリット状開口部パターンの周辺へと拡散してしまう。このようにして形成された光学素子の屈折率は、スリット状開口部パターンを中心にして略半球あるいは略半円柱状に分布する。
そのため、形成された光学素子の屈折率の分布は、スリット状開口部パターンの形状と大きさ、また用いるガラス基板１の種類、金属イオンの種類によって決定されてしまうため、任意の屈折率分布を持った光学素子を製造するのは困難であるという問題点があった。
【０００７】
更に、特許文献１の技術によって光学素子を製造した場合においては、イオン交換処理の前処理として、ガラス基板１の基板面上に、イオン拡散防止用のマスク膜２を形成する工程が必要である。またイオン交換処理の後処理として、さらにマスク膜２をガラス基板１から除去する工程も必要となる。その一方で、マスク膜２を用いることは、光学素子表面を少なからず汚染する要因となるという問題点があった。
【０００８】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、任意の屈折率分布を持った光学素子及びその製造方法を提供することであり、更にマスク膜の形成・除去工程を経ることなく、容易に光学素子を製造する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１記載の発明は、金属イオンＡを含むガラス基板を、金属イオンＡよりもイオン半径の大きな金属イオンＢを含有する溶融塩中に浸漬し、ガラス基板を前記溶融塩中に浸漬している間に、パルス幅１ｐｓ以下のパルスレーザをガラス基板の表層部に集光照射せしめることにより、パルスレーザの焦点の近傍における金属イオンＡと金属イオンＢとのイオン交換を促進し、ガラス基板の屈折率を局所的に変化させることを特徴とする光学素子である。
【００１０】
これにより用いられるガラス基板としては、ソーダガラス、カリガラス、硼珪酸ガラスに代表されるような、Ｉ価の金属イオンを修飾酸化物として加えて製造されたガラス基板を用いることができる。特に本発明においては、ガラスの規格または価格の面から、硼珪酸ガラスの一種であるＢＫ−７が好適である。ここでＢＫ−７にイオン交換処理を行った場合、修飾酸化物として用いられたナトリウムイオンが金属イオンＡとなる。
また、ＩＩ価以上の金属イオンも金属イオンＡとすることができ、これらＩＩ価以上の金属イオンを含むガラス基板を、イオン交換処理に供することが出来る。
【００１１】
またイオン交換処理において、金属イオンＡよりもイオン半径の大きな金属イオンＢの溶融塩を用いるのは、ガラス基板中で金属イオンＡの占有していたスペースを金属イオンＢで置き換えることにより、ガラス基板の表層部に応力歪みをかけ、屈折率を変化させるためである。
ここで、イオン交換処理における溶融塩の温度は、該溶融塩が安定的に溶融塩として存在することができ、かつガラス基板のガラス転移点を超えないような範囲内に設定する。
【００１２】
イオン交換処理に用いるパルスレーザは、一定以上の強度のものを集光照射することにより、ガラス基板の集光照射された部分において、多光子イオン化を局所的に発生させることができる。また、パルスレーザによって生じる電界・磁界により、パルスレーザの集光照射された部分の電子は、次式で与えられるような質点系の運動方程式に従って運動する。
【００１３】
【数１】
2005170768.tif 000003
【００１４】
ここでｍは電子の質量、ｅは素電荷、ベクトルｖは電子の速度、ベクトルＥ・ベクトルＢはそれぞれパルスレーザの電界・磁界である。
レーザーによってイオン化された金属イオンＡについては、ガラス基板内外における金属イオンの濃度差によって発生する拡散作用に加えて、この運動方程式に従った運動が発生するため、多光子イオン化された金属イオンＡはガラス基板から脱離されやすくなる。
【００１５】
請求項２記載の発明は、金属イオンＡを含むガラス基板を、金属イオンＡよりもイオン半径の大きな金属イオンＢを含有する溶融塩中に浸漬し、金属イオンＡと金属イオンＢとをイオン交換し、ガラス基板の屈折率を変化させる光学素子の製造方法において、ガラス基板を前記溶融塩中に浸漬している間に、パルス幅１ｐｓ以下のパルスレーザをガラス基板の表層部に集光照射することによって、パルスレーザの焦点の近傍における金属イオンＡと金属イオンＢとのイオン交換を局所的に促進することを特徴とする光学素子の製造方法である。
【００１６】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の発明の構成に加えて、前記金属イオンＡとして、アルカリ金属イオンを用いることを特徴とする光学素子の製造方法である。
【００１７】
ここで金属イオンＡとしては、アルカリ金属イオンを用いることができる。アルカリ金属イオンをガラス基板中に含有させることにより、金属イオンＡを、多光子イオン化のみならずパルスレーザの熱エネルギーによっても、容易にガラス骨格から分離させることができ、イオン交換の速度をより高められる。これはアルカリ金属イオンが、他の金属イオンに比べて緩やかにガラスの骨格に結合する性質による。
【００１８】
請求項４記載の発明は、請求項２又は３記載の発明の構成に加えて、前記金属イオンＡとして、ナトリウムイオンを用いることを特徴とする光学素子の製造方法である。
【００１９】
請求項５記載の発明は、請求項４記載の発明の構成に加えて、前記金属イオンＢとして、カリウムイオンを用いることを特徴とする光学素子の製造方法である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明による光学素子の製造方法によれば、パルスレーザをガラス基板の表層部に集光照射することによって、パルスレーザの焦点の近傍において金属イオンＡの多光子イオン化を誘起させ、金属イオンＡと金属イオンＢとのイオン交換を局所的に急速に促進させ、短時間に光学素子を容易に製造し、かつ任意の屈折率分布を持った光学素子を提供することが出来るという効果を奏する。
【００２１】
更に、マスク膜の形成・除去工程を必要とせずに、パルスレーザによって、局所的にガラス基板のイオン交換を促進させて屈折率を変化させることにより、効率よく光学素子を製造することが出来るという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
本実施例においては、例えば図２に示すように、金属イオンＡを含有したガラス基板１と、金属イオンＢを含有した溶融塩１２、およびパルスレーザ照射機構７を用いた、光学素子の製造方法である。
ここではガラス基板１としてはＢＫ−７ガラス基板を、金属イオンＡのアルカリ金属イオンとしてはナトリウムイオンを、金属イオンＢとしてはカリウムイオンを用いる。また、金属イオンＢを含有する溶融塩としては硫酸カリウム溶融塩を使用する。
【００２３】
ナトリウムイオンを含有するガラス基板１は、溶剤による表面洗浄を行った後、硫酸カリウム溶融塩１２に浸漬する。ここで硫酸カリウム溶融塩１２は、予めヒータ１１により６００℃前後に加熱しておき、本工程を行う際も、この温度が保たれるようにしてある。
ガラス基板１を硫酸カリウム溶融塩１２に浸漬した状態で、パルス幅１６０ｆｓ、平均出力１Ｗのパルスレーザ８を、ガラス基板１の表層部に焦点１０を合わせて集光照射し、目的とする光学素子の形状に合わせて走査させる。パルスレーザ８の集光照射によって、ガラス基板１のうちパルスレーザ８の焦点１０の近傍のナトリウムイオンの多光子イオン化が局所的に誘起される。
【００２４】
イオン交換前のガラス基板１は、模式的には図３（ａ）に示すように、ガラス骨格にナトリウムイオン１３が結合する構造を取っているが、パルスレーザ８の集光照射によって、パルスレーザ８の焦点１０の近傍のナトリウムイオンの多光子イオン化が誘起されることにより、図３（ｂ）に示すように、ガラス基板１中に含まれるナトリウムイオン１３は、ガラス基板１から分離されて溶融塩１２中に溶出し、そのナトリウムイオン１３の存在していた部分は空隙１４となる。
この空隙１４は負の電荷を帯びているため、陽イオンであるナトリウムイオン１３またはカリウムイオン１５が、空隙１４に入ることとなる。ここでナトリウムイオン１３は硫酸カリウム溶融塩１２に拡散しようとし、図３（ｃ）に示すようにカリウムイオン１５はガラス基板１の内部に拡散しようとするため、カリウムイオン１５が空隙１４に入りやすくなる。ここで図３（ｄ）に示すように、カリウムイオン１５が空隙１４に入ることによって、ナトリウムイオン１３がカリウムイオン１５にイオン交換され、パルスレーザ８の焦点１０の近傍で、局所的にイオン交換が行われる。
【００２５】
イオン交換後のガラス基板１は、硫酸カリウム溶融塩１２から取り出して徐冷する。徐冷によってガラス骨格は収縮し、カリウムイオン１５はナトリウムイオン１３よりもイオン半径が大きいために、カリウムイオン１５の近傍に内部応力が生じることにより、ガラス基板１の内でパルスレーザ８が集光照射された部分について、屈折率変化を起こすことができる。
ここで、屈折率の変化量を大きくしたい部分については、パルスレーザ８を繰返し走査させることにより、ガラス基板１に結合しているナトリウムイオン１３とカリウムイオン１５のイオン交換を増大させることが出来る。また、パルスレーザ８を走査させる回数を調節することによって、任意の屈折率分布を持った光学素子を得ることができる。
【００２６】
本発明は、上述の金属イオンＡ・金属イオンＢ、溶融塩の温度、パルスレーザのパルス幅・出力値に限定されるものではない。また、ガラス基板の表層部のうち、パルスレーザの集光照射されていない部分についても、溶融塩の熱によってイオン交換は起こりうるが、先述したとおりに交換速度が非常に遅いため、これらは無視できる大きさである。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】従来技術に係る、電圧印加によるイオン交換装置を説明する図である。
【図２】本実施形態に係る、パルスレーザ集光照射によるイオン交換装置を説明する図である。
【図３】本実施形態に係る、パルスレーザ集光照射によってイオン交換の発生する過程を説明する概念図である。
【符号の説明】
【００２８】
１    ガラス基板
２    マスク膜
３    イオンＢを含有する溶融塩
４    イオンＢを含有しない溶融塩
５    電極板
６    溶融塩槽
７    パルスレーザ発光源
８    パルスレーザ
９    レンズ
１０    焦点
１１    ヒータ
１２    溶融塩
１３    ナトリウムイオン
１４    空隙
１５    カリウムイオン
【図１】
2005170768.tif 000004
【図２】
2005170768.tif 000005
【図３】
2005170768.tif 000006